컬러 카메라가 없으면 색 차이를 못 잡는가 — 모노 카메라와 파장 선택으로 PCB 솔더마스크·실크·구리 패드 대비 만들기

LIGHTING / OPTICS

PCB 외관 검사에서 가장 흔한 요청은 “색이 다르니 컬러 카메라로 보자”입니다. 녹색 솔더마스크, 흰색 실크 인쇄, 적갈색 구리 패드는 사람 눈에 분명히 다른 색이므로 컬러 이미지라면 쉽게 나뉠 것처럼 보입니다. 그런데 실제로 백색 조명과 컬러 카메라로 찍어 보면, 마스크 위 얇은 실크 번짐이나 마스크가 들뜬 틈으로 드러난 구리는 기대만큼 선명하게 분리되지 않는 경우가 많습니다.

이 상태를 방치하면 비용은 경계선에 있는 작은 결함에서 나타납니다. 대비가 모자란 채 임계값을 낮추면 마스크의 광택 얼룩과 인쇄 농도 차이가 과검출로 쏟아지고, 임계값을 올리면 80 µm급 마스크 박리가 통과됩니다. 컬러 카메라의 해상도 손실까지 겹치면, 가장 작은 결함은 애초에 화소 몇 개에 흩어져 판정 자체가 불안정해집니다. 결국 작업자가 다시 눈으로 보는 재검 공정이 남습니다.

해법은 색을 “찍는” 것이 아니라 파장을 골라 대비를 조명 단계에서 만드는 것입니다. 모노 카메라에 좁은 대역의 컬러 LED를 조합하면, 두 재질의 밴드별 반사율 차이가 가장 큰 파장만 골라 비출 수 있습니다. 보색 조명은 대상을 어둡게, 동색 조명은 대상을 밝게 만든다는 단순한 원리를 PCB의 세 재질에 적용하면, 컬러 카메라보다 더 높은 분해능과 더 큰 콘트라스트를 함께 얻을 수 있습니다.

모노 카메라가 보는 것은 색이 아니라 선택한 파장에서의 반사율 차이입니다.

1. 보색은 어둡게, 동색은 밝게 — 밴드 선택의 원리

Point. 컬러 LED 조명의 선택 기준은 “대상이 무슨 색인가”가 아니라 “두 재질의 반사율 차이가 가장 큰 파장이 어디인가”입니다.

Reason. 물체의 색은 파장별 반사율 곡선의 모양입니다. 녹색으로 보이는 솔더마스크는 녹색 대역을 상대적으로 많이 되돌려 보내고 적색·청색 대역은 흡수합니다. 따라서 적색 조명(보색 쪽) 아래에서 마스크는 어둡게, 녹색 조명(동색) 아래에서는 상대적으로 밝게 찍힙니다. 모노 센서는 들어온 광량만 기록하므로, 조명 파장을 바꾸는 것은 곧 재질별 밝기 순서를 바꾸는 것과 같습니다. 콘트라스트는 센서가 아니라 조명 스펙트럼과 반사율 곡선이 겹치는 방식에서 결정됩니다.

Example. 구리는 단파장 쪽 반사율이 낮고 장파장으로 갈수록 반사율이 높아지는 재질이라 적갈색으로 보입니다. 흰색 실크는 가시광 전 대역을 비교적 고르게 반사합니다. 이 세 곡선을 겹쳐 보면, 적색 625 nm에서는 구리와 실크가 밝고 마스크가 어둡고, 청색 470 nm에서는 실크가 밝고 구리가 상대적으로 어두워지며, 녹색 525 nm에서는 마스크가 밝아져 마스크와 다른 재질의 대비가 줄어듭니다. 각 곡선의 실제 값은 마스크 배합과 구리 표면 처리에 따라 달라지므로, 밴드별 밝기는 반드시 실측해야 합니다.

Point. 밴드 선택은 경험이 아니라 곡선의 차이로 결정하십시오. 검출해야 할 재질 쌍마다 반사율 차가 가장 큰 밴드가 다르다는 사실이 이 설계의 출발점입니다.

2. PCB 세 재질에 밴드를 배정하는 방법

Point. PCB 검사에서는 한 밴드로 모든 결함을 잡으려 하지 말고, 결함 유형마다 대비가 최대인 밴드를 따로 배정하는 편이 정확합니다.

Reason. 마스크 박리로 드러난 구리를 찾는 것은 “구리 대 마스크”의 대비 문제이고, 실크가 패드 위로 번진 것을 찾는 것은 “실크 대 구리”의 대비 문제입니다. 두 쌍의 반사율 차가 최대가 되는 파장은 서로 다릅니다. 한 밴드로 두 문제를 동시에 풀려고 하면 어느 한 쌍의 콘트라스트가 희생되고, 그 희생분을 임계값 조정으로 메우게 됩니다. 소프트웨어 이미지 처리만으로 조명이 만들지 못한 대비를 완전히 복원할 수는 없습니다.

Example. 적색 625 nm 프레임은 구리 노출(마스크 박리)과 패드 결손 검출에 배정합니다. 구리가 밝고 마스크가 어두워 경계가 선명합니다. 청색 470 nm 프레임은 패드 위 실크 번짐 검출에 배정합니다. 실크가 밝고 구리가 상대적으로 어두워지기 때문입니다. 녹색 525 nm 프레임은 동색 원리로 마스크 배경을 밝혀, 마스크 위의 어두운 이물이나 긁힘을 부각하는 데 씁니다. 세 밴드를 순차 점등해 3장을 찍으면, 결함 유형마다 가장 유리한 한 장이 확보됩니다. 다만 광택 마스크는 조명 각도에 따라 정반사가 섞이는 난반사 재질이므로, 밴드별 대비 순서가 바뀔 가능성까지 포함해 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. 밴드 배정표를 먼저 만들고, 그다음에 알고리즘을 밴드별로 나누어 설계하십시오. 대비는 조명이 만들고, 알고리즘은 그 대비를 읽는 역할만 맡아야 합니다.

검출할 재질 쌍이 둘이면 최적 밴드도 둘입니다. 한 장의 백색광 이미지로 두 쌍을 모두 최대 대비로 찍을 수는 없습니다.

3. 백색광 + 컬러 카메라와 비교한 장단점

Point. 같은 센서 크기라면 모노 카메라 + 파장 선택 조명은 분해능과 대비에서, 백색광 + 컬러 카메라는 단일 촬영과 범용성에서 유리합니다.

Reason. 일반적인 컬러 센서는 베이어 배열로 화소마다 R·G·B 필터 중 하나만 얹습니다. 적색과 청색 화소는 가로·세로 2 px마다 하나씩이므로, 적색 채널만 보면 샘플링 간격이 모노 대비 2배가 됩니다. 디모자이크 보간은 빈 화소를 채울 뿐 실제 분해능을 되살리지 않습니다. 또한 컬러 필터의 투과 대역은 넓고 서로 겹쳐, 좁은 대역 LED가 만드는 반사율 차이보다 채널 간 분리가 무딥니다. 반면 컬러 카메라는 한 번의 촬영으로 세 채널을 동시에 얻으므로 이동 중인 대상과 미지의 변색 결함에 강합니다.

Example. 2448 × 2048 px 센서로 FOV 40 mm를 보면 모노 기준 화소 분해능은 약 16.3 µm/px이고, 80 µm 마스크 박리는 약 4.9 px를 점유합니다. 같은 센서의 컬러 버전에서 적색 채널의 샘플링 간격은 약 32.7 µm이므로 같은 결함이 약 2.4 샘플로 줄어 3 px 검출 전제를 밑돕니다. 모노 순차 촬영의 대가는 촬영 3장이며, 대상이 정지한 상태에서 밴드를 바꿔 찍어야 합니다. 또한 모노 센서의 양자 효율은 파장마다 다르므로, 백색 기준판으로 밴드별 노출을 정규화해야 세 장의 밝기 척도가 맞습니다.

Point. 컬러 카메라를 고르기 전에, 최소 결함이 컬러 채널 샘플링 간격 기준으로 몇 샘플을 점유하는지 먼저 계산하십시오. 3 샘플에 못 미치면 색 정보보다 분해능이 먼저 부족합니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	솔더마스크 박리(구리 노출)	80 µm 이상	설계 가정. 16.3 µm/px 기준 약 4.9 px 점유
① 최소 불량 사이즈	패드 위 실크 번짐	100 µm 이상	설계 가정. 약 6.1 px 점유
① 최소 불량 사이즈	패드 변색·오염	150 µm 이상	설계 가정. 약 9.2 px 점유
② 광학 셋업	조명	다채널 링 조명(470 / 525 / 625 nm), 확산판 부착, 순차 점등	설계 가정. 밴드별 대비는 실측으로 확정
② 광학 셋업	밴드 배정	625 nm: 구리 노출·패드 결손 / 470 nm: 실크 번짐 / 525 nm: 마스크 위 이물	보색·동색 원리 기반 초기 배정
② 광학 셋업	렌즈	초점거리 25 mm, F/5.6	배율 약 0.211×, 계산 물체거리 약 143 mm
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	120 mm 이상 확보 필수	렌즈 선단 기준. 링 조명 높이·부품 높이 포함 실측 확인
② 광학 셋업	센서·FOV	모노 2448 × 2048 px, 3.45 µm 화소 / FOV 40 mm × 33.5 mm	40 ÷ 2448 ≈ 16.3 µm/px(계산값). 컬러 R 채널은 약 32.7 µm 간격
③ 알고리즘	밴드 정규화	백색 기준판으로 밴드별 노출 보정, 기준판 밝기 동일화	파장별 양자 효율 차 보정
③ 알고리즘	대비 지표	재질 쌍별 마이컬슨 대비 (Imax − Imin) ÷ (Imax + Imin) ≥ 0.3	설계 목표. 미달 시 밴드 재배정
③ 알고리즘	밴드 비율 영상	625 nm ÷ 470 nm 화소별 비율로 구리 영역 분리	조명 밝기 변동에 덜 민감
③ 알고리즘	결함 판정	밴드별 영역 차 > 3σ, 최소 면적 12 px 이상	80 µm 결함 약 4.9 × 4.9 px = 약 24 px 면적 기준

표 시사점. 모노 16.3 µm/px에서 최소 결함 80 µm는 약 4.9 px로 3 px 검출 전제를 넉넉히 넘습니다. 같은 센서의 컬러 버전이었다면 적색 채널 기준 약 2.4 샘플에 그쳐, 구리 노출을 가장 잘 드러내는 바로 그 채널에서 검출 전제가 무너집니다. 촬영 3장이라는 택트 비용을 치르고 모노 + 밴드 선택을 택하는 근거는 색 구분이 아니라 이 분해능 차이에 있습니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 결함의 색이 미리 정해지지 않은 경우: 변색 등급 판정이나 미지의 오염처럼 색 자체가 판정 기준이면, 세 채널을 한 번에 얻는 백색광 + 컬러 카메라가 유리합니다.
• 대상이 이동 중이라 순차 촬영이 어려운 경우: 밴드를 바꿔 3장을 찍는 동안 위치가 어긋나므로, 단일 촬영이 가능한 컬러 카메라가 택트와 정합 모두에서 유리합니다.
• 마스크 색상이 모델마다 자주 바뀌는 다품종 라인: 청색·흑색·적색 마스크마다 보색 밴드가 달라지므로, 밴드 배정표를 모델별로 관리하는 부담이 크면 컬러 카메라가 운영상 단순합니다.

솔더마스크 광택과 구리 표면 처리에 따라 밴드별 반사율 차이가 크게 달라지므로, 어느 접근이 우위인지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인의 PCB 외관 검사를 컬러 카메라로 시작했다가, 작은 마스크 박리가 적색 채널에서 뭉개지는 문제로 구성을 바꾼 경험이 있습니다. 모노 카메라에 470 / 525 / 625 nm 링 조명을 붙이고 백색 기준판으로 밴드별 노출부터 맞췄는데, 625 nm 프레임에서 구리 노출의 경계가 확연히 선명해졌습니다. 다만 광택이 강한 마스크 모델에서는 링 조명의 정반사가 섞여 470 nm 프레임의 대비가 예상보다 낮았고, 확산판을 추가한 뒤에야 마이컬슨 대비 0.3을 넘겼습니다. 같은 녹색 마스크라도 공급처가 바뀌면 곡선이 달라질 수 있어, 지금도 신규 모델마다 밴드별 대비를 먼저 잽니다.

현장 체크포인트

• WD 120 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 링 조명 높이와 실장 부품 높이를 포함해 렌즈 선단부터 잴 것.
• 솔더마스크의 색상·광택과 구리 표면 처리를 먼저 확인했는가 — 반사율 곡선이 바뀌면 밴드 배정도 바뀝니다.
• 검출할 재질 쌍마다 밴드별 마이컬슨 대비를 실측해 배정표를 만들었는가.
• 컬러 카메라를 검토한다면, 최소 결함이 채널 샘플링 간격 기준 3 샘플 이상인가.
• 밴드별 노출을 백색 기준판으로 정규화했는가 — 파장마다 센서 양자 효율이 다릅니다.
• 순차 3장 촬영 동안 대상이 정지 상태를 유지하는가, 택트 안에 들어오는가.