위상측정 편향법(PMD)으로 고광택 사출품의 20 μm 함몰을 잡아내는 법 — 편광 융합이 메꾸는 마지막 구멍

OPTICS · ALGORITHM

고광택 사출품 검사 라인에서 가장 자주 듣는 보고는 “육안으로는 보이는데 카메라로는 안 잡힌다”입니다. 도장면이나 피아노블랙 사출 표면의 얕은 싱크마크(sink mark), 오렌지필, 미세 스크래치는 깊이가 20~50 µm 수준에 불과하고, 표면 자체가 거울처럼 작동하기 때문에 확산 조명을 아무리 균일하게 깔아도 콘트라스트가 거의 생기지 않습니다.

이 상태를 방치하면 비용은 검사 공정이 아니라 후공정에서 발생합니다. 도장 후 최종 외관 검사에서 걸리면 이미 도장 원가가 투입된 뒤이고, 출하 후 필드에서 걸리면 외관 클레임은 전수 회수로 이어집니다. 미검출 1건의 단가가 검사 설비 투자비를 역전하는 전형적인 구간입니다.

해법은 조명을 더 밝게 하는 쪽이 아니라 정반사 자체를 신호로 쓰는 쪽에 있습니다. 위상측정 편향법(Phase Measuring Deflectometry, PMD)은 대상 표면을 카메라와 스크린 사이의 “거울”로 취급해, 스크린에 띄운 정현파 줄무늬가 표면에서 반사되며 얼마나 일그러지는지를 위상 단위로 읽어 표면 기울기장(slope field)을 복원합니다.

정반사면 검사에서 난반사는 적이지만, 정반사는 적이 아니라 아직 해독하지 않은 신호입니다.

PMD는 높이를 재지 않고 기울기를 잰다

Point. 위상측정 편향법의 분해능이 구조광 대비 압도적인 이유는 측정량이 다르기 때문입니다.

Reason. 구조광(structured light)은 표면 높이 z를 직접 삼각측량으로 구합니다. 반면 PMD는 표면 법선의 기울기를 먼저 구하고 이를 적분해 형상을 얻습니다. 기울기는 높이의 미분값이므로, 같은 광학 조건에서 기울기 측정은 높이 측정보다 얕은 결함에 훨씬 민감합니다. 폭 3 mm에 깊이 20 µm인 싱크마크는 높이 변화로는 20 µm에 불과하지만, 기울기 변화로는 수 밀리라디안(mrad) 단위의 뚜렷한 신호가 됩니다.

Example. ABS 피아노블랙 사출 커버(반사율 실측 필요, 통상 경면 반사 성분이 지배적)에서 폭 3 mm / 깊이 20 µm의 얕은 함몰을 가정하면, 기울기 진폭은 대략 26 mrad 수준입니다. 스크린과 대상 거리 400 mm에서 이는 스크린 평면 위에서 약 20 mm의 줄무늬 변위로 확대되어 나타납니다. 즉 µm 단위 결함이 mm 단위 위상 변위로 증폭됩니다.

Point. 그래서 정반사면에서는 “더 좋은 3D 센서”보다 측정량을 기울기로 바꾸는 것이 먼저입니다.

적분 상수 문제 — PMD 단독의 구조적 한계

Point. 기울기를 적분해 높이를 얻는 구조는, 절대 높이와 표면 법선의 모호성(ambiguity)이라는 대가를 동반합니다.

Reason. 카메라가 관측하는 것은 어떤 스크린 픽셀이 어떤 카메라 픽셀에 도달했는가뿐입니다. 표면 위 한 점의 3D 위치와 그 점의 법선은 한 번의 관측으로 동시에 결정되지 않습니다. 이 때문에 전통적 PMD는 두 번째 카메라, 스크린 이동, 또는 형상에 대한 사전 가정 중 하나를 요구해 왔습니다.

Example. 실제 상용 편향법 센서는 카메라 2대 구성으로 이 모호성을 푸는 방식을 채택합니다. 관련 특허군에서도 교정용 기준판(마킹이 포함된 사전 정의 패턴을 가진 반사면)을 별도로 규정하고 있는데, 이는 스크린과 카메라와 대상의 기하 자체가 측정 불확도의 지배 인자이기 때문입니다.

Point. PMD 도입 검토 시 “카메라 1대로 되는가”는 사양이 아니라 모호성 해소 수단이 무엇인가로 바꿔 물어야 합니다.

2026년의 변화 — 편광 정보를 기울기 사전확률로 쓰는 융합

Point. 최근 연구 흐름은 부족한 구속조건 1개를 두 번째 카메라가 아니라 편광(Shape from Polarization, SfP)에서 가져옵니다.

Reason. 정반사면에서 반사광의 편광 상태는 입사각, 따라서 표면 법선의 천정각에 결정적으로 의존합니다. 편광 카메라(마이크로 폴라라이저가 0도/45도/90도/135도로 배열된 센서)는 단일 노출로 편광각(AoLP)과 편광도(DoLP)를 얻으므로, 각 픽셀마다 법선에 대한 사전확률을 제공합니다. 위상측정 편향법의 위상 정보는 방위각을 강하게 구속하고, 편광은 천정각을 구속합니다. 두 정보는 서로 직교하는 구속이므로 융합 이득이 큽니다.

Example. 2026년 공개된 편광 기반 정반사면 3D 이미징 연구들은 물리 기반(physics-informed) 능동 편광 측정과 편향법 정보를 결합해, 불연속 자유곡면 정반사물에서 기존 단독 PMD 대비 법선 추정 안정성을 개선하는 방향을 제시하고 있습니다. 같은 기간 차량 도장면을 대상으로 한 PMD 강건화 연구도 별도로 진행되어, 대면적 자유곡면이 이 기술의 주 전장임을 보여줍니다.

Point. 다만 편광 신호는 표면 재질과 코팅, 오염도에 따라 DoLP가 급격히 붕괴하므로, 샘플 테스트 전 확언은 불가합니다.

편광 융합은 카메라를 한 대 줄이는 기술이 아니라 구속조건을 한 개 늘리는 기술입니다. 목적을 혼동하면 셋업이 무너집니다.

핵심 골격 — 최소 불량 사이즈 / 광학 셋업 / 알고리즘 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	얕은 함몰(싱크마크)	깊이 20 µm / 폭 3 mm	기울기 진폭 약 26 mrad로 환산
① 최소 불량 사이즈	미세 스크래치	폭 50 µm / 깊이 5 µm	기울기 불연속으로 검출, 깊이 정량화는 별도 검증 필요
② 광학 셋업	패턴 스크린	4K LCD, 화소피치 0.18 mm, 스크린-대상 400 mm	기울기 26 mrad에서 스크린 변위 약 20 mm
② 광학 셋업	카메라	편광 카메라 2/3인치 5 MP (0/45/90/135도 마이크로 폴라라이저)	AoLP와 DoLP 단일 노출 취득
② 광학 셋업	렌즈	초점거리 25 mm, F/5.6, FOV 200 mm x 150 mm	피사계 심도 확보 우선, 조리개 과도 개방 금지
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	250 mm 이상 확보 필수	스크린 구조물, 차폐막과 간섭 없도록 실측 확인
② 광학 셋업	조도	스크린 휘도 기준 운용, 주변 미광 50 lx 이하	미광이 정반사 경로에 들어오면 위상 SNR 붕괴
③ 알고리즘	위상 시프트	4-step, 주기 2종(거친/고운)	위상 언래핑 모호성 해소
③ 알고리즘	기울기 임계	로컬 기울기 잔차 5 mrad 초과	곡률 성분 제거 후 잔차로 판정
③ 알고리즘	편광 게이팅	DoLP 0.15 미만 픽셀은 융합 가중치 0	편광 신호 붕괴 구간 자동 배제
③ 알고리즘	결함 최소 면적	연결 성분 30 px 이상	단발 노이즈 제거

표 시사점. 이 매칭표에서 가장 자주 무너지는 칸은 ③이 아니라 ②의 WD입니다. 편향법은 스크린과 대상, 카메라가 하나의 광학 경로로 묶이는 구조라 물리적 간섭이 곧바로 측정 불능으로 이어지며, 알고리즘 파라미터를 아무리 조정해도 복구되지 않습니다.

관련 특허 (실존 확인분)

특허번호	명칭	출원인(assignee)
US 11,092,432 B2	Reference plate and method for calibrating and/or checking a deflectometry sensor system	Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG
US 10,731,972 B2	Instantaneous phase mapping deflectometry	Arizona Board of Regents on behalf of the University of Arizona
US 10,228,331 B2	Methods and apparatus for polarized wafer inspection	KLA-Tencor Corporation

출원인이 명시적으로 확인되지 않은 특허는 인용에서 제외했습니다.

반대 접근이 유리한 조건

• 표면이 확산 반사 지배적(무광 도장, 텍스처 사출)인 경우: PMD는 줄무늬 반사상을 형성하지 못하므로 구조광 또는 광도 입체(photometric stereo)가 유리합니다.
• 요구 측정량이 절대 높이이고 기울기가 아닌 경우: 적분 오차 누적이 문제가 되므로 공초점이나 간섭계 계열이 유리합니다.
• 대상이 반투명인 경우: 표면 반사와 내부 산란이 섞여 위상이 오염됩니다. 별도 검토가 필요합니다.

위 판단은 모두 실물 반사율 프로파일에 의존하므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 체크포인트

• WD 250 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 스크린 프레임, 차광막, 반송 지그와의 물리 간섭을 도면이 아니라 실측으로 확인할 것.
• 대상 표면의 정반사와 확산 성분 비율을 먼저 측정했는가 — DoLP가 0.15 미만으로 붕괴하는 영역 비율이 30%를 넘으면 편광 융합 이득이 사라집니다.
• 주변 미광이 50 lx 이하로 차폐되는가 — 천장등 반사가 스크린 경로에 들어오면 위상 SNR이 먼저 무너집니다.
• 모호성 해소 수단(2 카메라 / 스크린 이동 / 편광 사전확률)이 사양서에 명시되어 있는가.
• 위상 언래핑 실패 픽셀의 처리 정책(마스킹 또는 보간)이 정의되어 있는가.