초속 0.5 m 기판은 롤링 셔터에서 15 mm 기운다

OPTICS

같은 기판을 찍어도 롤링 셔터는 15 mm 기울고 글로벌 셔터는 50 μm 번집니다.

센서와 렌즈를 고정하고 셔터와 색과 케이블만 바꿔 계산하면, 카메라 타입마다 결함이 사진에 남는 방식이 갈립니다.

읽는 시간 약 14분

초속 0.5 m로 지나가는 기판을 롤링 셔터 카메라로 찍으면 사진의 맨 윗줄과 맨 아랫줄은 15 mm 어긋납니다. 가로세로 100 mm 시야에서 15 mm는 614칸이라서, 50 μm 긁힘을 찾는 검사에는 사진 한 장이 통째로 쓸모를 잃는 크기입니다. 기판 표면은 녹색 솔더마스크가 입혀진 무광에 가깝고 반사율¹은 중간 정도로 가정합니다. 구리 패드 위만 매끈한 정반사 면으로 군데군데 드러나 있고요. 센서(4,096×3,000 px, 화소 3.45 μm)와 렌즈(25 mm)도 계산을 위한 가정이며, 이 조합이면 한 칸이 24.41 μm, WD²는 201.9 mm입니다.

에어리어 스캔이냐 라인 스캔이냐 하는 구분은 앞에서 끝난 이야기입니다. 같은 에어리어 스캔 안에서도 카메라 타입은 셔터가 어떻게 열리는지, 색을 어떻게 읽는지, 사진을 어떤 케이블로 보내는지에 따라 다시 갈려요. 앞의 둘은 결함이 사진에 남느냐를, 마지막은 남은 사진이 컴퓨터에 닿느냐를 정합니다. 하나만 어긋나도 놓친 긁힘은 양품 상자에 담겨 나가고, 고객의 기기 안에서 불량으로 돌아옵니다. 센서와 렌즈는 고정하고 세 가지만 바꿔 가며 같은 기판에 계산해 놓은 결과가 아래에 있습니다. 50 μm 결함이 사진에 남고 컴퓨터까지 오는 타입은 어느 쪽일까요.

롤링 셔터는 줄마다 다른 시각의 사진을 이어 붙인다

롤링 셔터³는 센서의 줄을 위에서 아래로 차례로 열고 읽습니다. VA Imaging은 이 때문에 줄마다 노출 시각이 달라서 빠르게 움직이는 물체가 일그러진다고 설명합니다. 일그러짐의 크기를 정하는 것은 한 장을 읽는 데 걸리는 시간입니다. 3,000줄을 줄당 10 μs에 읽는다고 가정하면 한 장에 30 ms가 걸립니다. 읽기 속도는 가정이고 실제 값은 센서 사양서로 확인할 항목입니다.

창문 블라인드를 위에서 아래로 한 칸씩 올리는 동안 창밖에서 사람이 걸어간다고 생각해 보시면 됩니다. 위쪽 칸으로 본 사람은 왼쪽에 있고 아래쪽 칸으로 본 사람은 오른쪽에 있어서, 이어 붙인 그림 속 사람은 비스듬히 기울어 보입니다. 블라인드를 올리는 속도가 느릴수록 기울기는 더 커집니다.

기판이 가로 방향으로 초속 0.5 m, 줄은 위에서 아래로 읽는다고 하면 30 ms 사이 기판은 0.5 m/s × 30 ms = 15 mm를 갑니다. 한 칸이 24.41 μm이니 614.4칸이고 시야의 15 %입니다. 정사각형 부품이 평행사변형으로 찍히는 셈입니다.

그림에서 먼저 보는 곳은 점선 정사각형과 붉은 평행사변형이 만나는 윗변입니다. 윗줄은 제자리에 있고 아랫줄만 오른쪽으로 15 mm 밀려 있습니다. 이 어긋남은 번지는 것이 없어서 선명하지만, 위치가 틀렸기 때문에 치수 측정에는 쓸 수 없습니다. 줄마다 읽은 시각을 알아야 되돌릴 수 있는데 그 시각은 사양서로 따로 확인할 값이고, 저는 소프트웨어로 되돌릴 계획을 세우기 전에 카메라 쪽에서 먼저 막을 길을 찾습니다.

움직임만 문제가 되는 것은 아닙니다. VA Imaging은 50 Hz 형광등(주기 10 ms) 아래에서 5 ms 노출로 찍으면 롤링 셔터 사진에는 가로 줄무늬가 생기고 글로벌 셔터 사진에는 없다고 보고합니다. 천장 조명이 깜박이는 공장이라면 카메라 옆에 점검 항목이 하나 더 붙습니다.

글로벌 셔터로 바꿔도 번짐은 노출이 정한다

글로벌 셔터⁴는 모든 줄을 같은 시각에 노출하므로 평행사변형이 사라집니다. 대신 번짐이 남아요. 노출이 100 μs(가정)이고 기판이 0.5 m/s로 움직이면 0.5 m/s × 100 μs = 50 μm가 번지고, 이 값은 찾으려는 긁힘의 폭과 같습니다. 번짐을 한 칸(24.41 μm) 안에 가두려면 노출은 24.41 μm ÷ 0.5 m/s = 48.8 μs 이하여야 합니다. 그래서 글로벌 셔터를 쓰는 쪽도 노출을 줄이는 손잡이를 같이 잡습니다. 스트로브⁵ 펄스를 20 μs(가정)로 잡으면 번짐은 10 μm까지 내려가 한 칸의 절반에도 못 미칩니다.

그림에서 먼저 눈이 가는 곳은 회색 점선(한 칸)과 노란 점선(50 μm 결함) 사이입니다. 글로벌 셔터 100 μs의 막대는 노란 선에 정확히 닿아 있고, 롤링 셔터의 15,000 μm 막대는 가로축을 로그로 잡아야 겨우 들어옵니다. 두 방식 사이에 자릿수가 세 개 벌어집니다.

롤링 셔터를 값싸게 쓰는 길도 있습니다. VA Imaging은 모든 줄의 노출이 겹치는 순간에 플래시를 터뜨리면 일그러짐이 사라진다고 하고, 노출이 너무 짧고 읽기가 길면 줄이 겹치지 않아 스트로브가 터지지 않는다고 덧붙입니다. 읽기 30 ms에 노출 35 ms(가정)를 주면 겹치는 구간은 5 ms이고 20 μs 펄스는 그 안에 들어갑니다. 다만 센서는 35 ms 내내 방 안의 빛도 받습니다. 스트로브 20 μs와 견주면 주변광이 35 ms ÷ 20 μs = 1,750배 오래 들어오므로, 이 길은 검사대를 어둡게 가릴 수 있을 때만 성립합니다.

글로벌 셔터는 같은 해상도에서 센서가 커지고 값이 비싸다는 점도 VA Imaging이 짚습니다. 롤링 셔터는 1.6 MP를 넘는 고해상도에서 더 흔하다는 설명도 같은 글에 있습니다. 글로벌 셔터 센서의 근적외 조명 계산은 센서를 바꾸면 조명도 다시 계산해야 한다는 글에서 따로 다뤘습니다.

흑백은 빛을 재고 컬러는 빛을 짐작한다

컬러 카메라의 센서도 원래는 색을 모릅니다. The Imaging Source는 센서가 광자를 셀 뿐이라서 화소마다 빨강, 초록, 파랑 필터를 씌운 베이어 배열⁶이 거의 예외 없이 쓰인다고 설명합니다. 눈에 보이는 색으로 바꾸려면 이웃 화소의 값으로 빠진 두 색을 채우는 디베이어링⁷이 필요하고, 이 보간이 가는 가장자리를 흐리고 실제 공간 분해능을 낮춘다고 합니다.

계산으로 옮기면 이렇습니다. 베이어 배열(RGGB 가정)에서 빨강 필터는 가로세로로 한 칸 걸러 하나씩 있어서, 빨강만 보면 표본 간격이 2칸, 곧 2 × 24.41 μm = 48.83 μm입니다. 50 μm 긁힘은 빨강 표본 1.02개에 걸칩니다. 앞의 계산처럼 표본 두 개가 걸쳐야 식별했다고 치면, 빨강이나 파랑 한 색으로 식별할 최소 크기는 97.66 μm이고 같은 센서의 흑백은 48.83 μm입니다.

빛의 양도 줄어요. 빨간 필터를 씌운 화소는 초록과 파랑 광자를 막으므로 센서 전체의 양자효율이 크게 떨어진다고 The Imaging Source는 설명합니다. 같은 설명에 수치는 없어서, 얼마나 줄어드는지는 사양서의 분광 곡선으로 확인할 항목입니다. 흑백은 같은 조명에서 노출을 줄일 수 있다고 하니, 앞 절의 48.8 μs 같은 짧은 노출 한도를 지키기에는 유리한 쪽이에요.

이 기판에서 색이 곧 불량인 경우는 드뭅니다. 녹색 솔더마스크 위의 긁힘과 구리 패드의 자국은 밝기 차이로 나타나기 때문입니다. The Imaging Source에는 빨간 LED로 비추면 녹색 회로 기판이 검게 보여 흑백 카메라로도 강한 콘트라스트를 얻는다는 예가 있고, 저라면 컬러 카메라보다 흑백 카메라와 색 조명을 짝지어 시작합니다. 색이 곧 불량인 검사, 예컨대 색으로 구분되는 퓨즈나 라벨 인쇄에는 컬러를 처음부터 택합니다. 구리 패드가 하얗게 날아가는 자리에서 둘이 어떻게 갈릴지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

컬러에는 전송량이 따라붙습니다. 카메라 안에서 디베이어링한 RGB는 화소마다 8 bit 세 개를 보내 흑백의 세 배가 되고, 원본 베이어 8 bit는 흑백과 같지만 보간을 컴퓨터가 맡는다고 합니다. 이 세 배가 케이블 계산으로 이어집니다.

케이블은 사진 한 장의 비트 수로 고른다

수도관은 굵기가 정하는 유량보다 많은 물을 한 번에 보내지 못합니다. 사진도 케이블이 1초에 실어 나를 수 있는 비트 수, 곧 대역폭⁸을 넘겨 보낼 수 없습니다. 4,096×3,000 px(12.29 MP)에 화소당 8 bit이면 한 장이 98.3 Mbit입니다. 30 fps라면 흑백은 2.95 Gb/s가 필요하고, 같은 사진을 RGB 24 bit로 보내면 8.85 Gb/s가 필요합니다.

Edmund Optics의 표에 적힌 공칭 속도를 이 한 장의 크기로 나누면 프레임 상한이 나옵니다. GigE 1 Gb/s는 10.2 fps, USB3와 5GigE의 5 Gb/s는 50.9 fps, Camera Link 6.8 Gb/s는 69.2 fps, 10GigE는 101.7 fps, CoaXPress⁹ CXP-12의 12.5 Gb/s는 127.2 fps입니다. RGB 24 bit로 바꾸면 모두 3분의 1이 되어 GigE는 3.4 fps, 10GigE는 33.9 fps입니다. 프로토콜 오버헤드를 뺀 실효 속도는 이보다 낮으니 실제 값은 카메라 사양서로 확인할 항목입니다.

그림에서 먼저 보는 곳은 붉은 30 fps 점선입니다. 흑백에서 선 왼쪽에 남는 것은 GigE 하나이고, RGB 24 bit에서 선을 넘는 것은 10GigE와 CoaXPress 둘뿐입니다. 거리도 따라붙습니다. Edmund Optics의 표에서 USB3는 권장 3 m, GigE와 10GigE는 100 m, Camera Link는 10 m에 캡처 보드가 필수이고, CoaXPress는 3.125 Gb/s에서 100 m를 넘는다고 합니다. 제어반이 검사대에서 멀면 USB3부터 후보에서 빠집니다.

라인 스캔도 같은 계산을 받습니다. 8,192 px을 8 bit로 40.96 kHz에 읽으면 2.68 Gb/s라서 GigE의 1 Gb/s를 넘습니다. 인터페이스별 대역폭 설계는 카메라 인터페이스 대역폭 글에서 따로 계산했습니다.

다섯 가지 카메라 타입을 사양서 한 장에 놓으면

센서와 렌즈를 고정한 채 셔터와 색만 바꾼 다섯 줄입니다. 케이블은 줄마다 달라지지 않고 위의 전송량 계산이 그대로 붙습니다. 칸마다 ①②③ 순서로 읽으면 되고, 가정값은 앞 절에서 밝힌 것을 그대로 썼습니다.

카메라 타입	① 최소 식별 크기	② 광학 셋업 · WD	③ 알고리즘 파라미터 · 풀어 쓰면
롤링 셔터, 움직이는 시료	48.8 μm (2칸, 24.41 μm/칸). 다만 15 mm(614칸) 기운다	25 mm 렌즈, WD 201.9 mm (사양서로 확인 필요), 조명은 상시 점등	줄 읽기 시간 30 ms(가정)에 시료 속도를 곱한 값이 위치 허용 오차를 넘는다. 움직이는 기판에는 맞지 않는다
롤링 셔터 + 스트로브	48.8 μm. 스트로브 20 μs의 번짐 10 μm	WD 201.9 mm, 노출 35 ms 가운데 겹치는 5 ms에 펄스, 어두운 가리개 필요	주변광이 펄스의 1,750배 오래 들어온다. 트리거 지연은 사양서 확인 필요. 어두운 상자가 조건이다
글로벌 셔터	48.8 μm. 번짐은 노출 100 μs에서 50 μm, 48.8 μs 이하에서 한 칸 안	WD 201.9 mm, 같은 해상도에서 센서가 커지고 값이 비싸다(VA Imaging)	노출 상한 48.8 μs, 스트로브 20 μs면 번짐 10 μm. 기울어짐은 없고 번짐만 남는다
흑백	48.8 μm (2칸)	WD 201.9 mm, 빨강 LED 같은 색 조명으로 녹색 기판의 대비를 만든다	8 bit 한 채널, 30 fps에서 2.95 Gb/s. 색은 버리고 밝기만 잰다
컬러 (베이어)	빨강·파랑 한 색으로 97.66 μm, 흑백의 2배	WD 201.9 mm, 백색 조명, 광택 면은 샘플로 확인	디베이어링 필요, RGB 24 bit면 30 fps에서 8.85 Gb/s. 색을 짐작해서 채운다

다섯 줄에서 먼저 보이는 것은 센서와 렌즈가 같아서 WD(201.9 mm)와 최소 식별 크기(48.8 μm)가 모두 같다는 점입니다. 카메라 타입이 가르는 곳은 움직임에서의 기울어짐과 번짐, 색 표본, 전송량 세 군데입니다. 반대 접근이 유리한 조건도 있어요. 시료가 멈춰 서서 찍히고 조명이 일정하다면 롤링 셔터 컬러 카메라 한 대가 값과 색 정보 양쪽에서 낫습니다. 표의 가정값(읽기 10 μs/줄, 노출 100 μs, 스트로브 20 μs)이 실제 사양으로 바뀌면 줄마다 다시 계산해야 하고, 그 결과는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

사양서 첫 줄에 쓸 세 가지와 값을 치르는 쪽

순서는 짧습니다. 시료가 움직이는지, 색이 불량인지, 사진이 컴퓨터까지 몇 m를 가는지 세 가지를 먼저 적고, 그다음에 센서와 렌즈를 맞춰 WD를 확인합니다. 저라면 사양서의 첫 줄에 모델명 대신 시료 속도와 노출 상한부터 적습니다. 비전 방식 자체를 고르는 계산은 여섯 가지 비전 방식을 견준 글에 있습니다.

센서 종류는 마지막에 따집니다. Edmund Optics의 비교표에서 CMOS는 소비전력과 가격이 낮고 속도가 높으며, CCD는 균일도와 채움률이 높다고 합니다. 최근의 고급 CMOS는 같은 급의 CCD를 앞서기도 하지만 화소가 약 3 μm보다 작은 저가형 CMOS는 아직 CCD에 뒤진다고도 적혀 있습니다. 여기서 가정한 3.45 μm 화소는 그 경계 바로 위에 있습니다.

이 선택을 일로 삼는 직무가 머신비전 엔지니어이고, 셔터와 색과 케이블을 한 장의 계산으로 묶어 말하는 사람과는 현장에서 대화가 빨리 끝납니다. 설비에 돈을 대는 쪽에서는 글로벌 셔터 센서가 더 비싸고(VA Imaging) Camera Link는 캡처 보드가 필수라는 점(Edmund Optics)을 값으로 봅니다. 반대로 롤링 셔터와 GigE는 값이 낮은 대신 시료를 세우거나 스트로브를 맞춰야 하는 조건이 따라옵니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

그림은 이 계산을 한 자리에 모은 검사대입니다. 카메라는 WD 201.9 mm 높이에 서고 스트로브 링이 렌즈를 감싸며, 인터페이스 케이블은 갠트리 기둥을 따라 호스트 PC로 내려갑니다. 그림에 치수로 드러나지 않는 것이 케이블 길이이고, USB3의 권장 3 m를 넘기면 PC 자리를 옮겨야 합니다.

현장 노트

새 셋업이라면 저는 같은 기판을 멈춘 채 먼저 찍어 기준 사진을 만들고, 이어서 0.5 m/s로 지나가게 하며 윗줄과 아랫줄의 어긋남을 자로 잽니다. 15 mm에 가까운 값이 나오면 읽기 속도부터 의심하고, 0에 가까우면 그다음에 번짐을 봅니다. 노출은 48.8 μs를 넘기지 않게 잡고 스트로브를 켠 사진과 끈 사진을 나란히 놓고 봅니다. 구리 패드가 하얗게 날아가는 자리는 흑백과 컬러를 같은 조명에서 한 장씩 찍어 견줍니다.

현장 체크포인트

방금 적은 점검을 사양서 문장으로 옮기면 아래 일곱 가지가 남습니다.

• 렌즈에서 기판 윗면까지의 WD 201.9 mm(렌즈 25 mm, 센서 폭 14.13 mm 가정)가 치구와 스트로브 링을 더하고도 확보되는가? (조명과 손이 들어갈 틈이 남는지)
• 시료 속도와 줄 읽기 시간을 곱한 값(0.5 m/s × 30 ms = 15 mm)이 허용 위치 오차 안에 드는가? (넘는다면 글로벌 셔터나 스트로브로 가야 하는지)
• 노출 시간이 한 칸 번짐 한도 48.8 μs 이하인가? (스트로브 펄스를 20 μs로 맞출 수 있는지)
• 롤링 셔터에 스트로브를 쓴다면 모든 줄의 노출이 겹치는 구간(35 ms − 30 ms = 5 ms)에 펄스가 들어가고 주변광이 가려지는가? (어두운 가리개를 세울 자리가 있는지)
• 색이 곧 불량인가, 밝기 차이로 충분한가? (밝기라면 흑백과 색 조명으로 시작해도 되는지)
• 필요 전송량(30 fps에서 흑백 2.95 Gb/s, RGB 8.85 Gb/s)이 고른 인터페이스의 실효 속도 안에 드는가? (케이블은 USB3 권장 3 m, GigE 100 m 안에서 닿는지)
• 구리 패드나 솔더처럼 광택이 있는 자리의 정반사를 샘플 사진으로 확인했는가? (계산만으로 단정하지 않는지)

용어 풀이

• [1] 반사율 reflectance
  표면에 닿은 빛 가운데 다시 튕겨 나오는 비율입니다. 하얀 종이는 높고 검은 천은 낮습니다. ↩
• [2] WD working distance, 작동 거리
  렌즈에서 검사할 부품 윗면까지의 거리입니다. 본문에서는 얇은 렌즈 근사로 렌즈 주평면 기준으로 계산했고, 제조사가 쓰는 기준면은 사양서로 따로 확인해야 합니다. ↩
• [3] 롤링 셔터 rolling shutter
  센서의 줄을 위에서 아래로 차례로 노출하고 읽는 방식입니다. 줄마다 찍힌 시각이 다릅니다. ↩
• [4] 글로벌 셔터 global shutter
  센서의 모든 화소를 같은 시각에 노출하는 방식입니다. 움직이는 물체도 모양이 유지됩니다. ↩
• [5] 스트로브 strobe
  아주 짧은 시간만 켜지는 조명입니다. 켜지는 시간이 곧 사진 속 움직임이 번지는 시간이 됩니다. ↩
• [6] 베이어 배열 Bayer pattern
  화소마다 빨강, 초록, 파랑 필터를 한 개씩 씌운 배치입니다. 화소 한 개는 한 가지 색의 빛만 잽니다. ↩
• [7] 디베이어링 debayering, demosaicing
  이웃 화소의 값으로 각 화소에서 빠진 두 색을 짐작해 채우는 계산입니다. 짐작이라서 가는 가장자리가 흐려집니다. ↩
• [8] 대역폭 bandwidth
  케이블이 1초에 실어 나를 수 있는 비트 수입니다. 사진 한 장의 비트 수에 초당 장 수를 곱한 값이 이보다 작아야 합니다. ↩
• [9] CoaXPress CXP
  동축 케이블로 영상을 보내는 카메라 인터페이스입니다. 본문의 CXP-12는 케이블 한 가닥에 최대 12.5 Gb/s입니다. ↩

참고 자료

• VA Imaging, Rolling Shutter vs Global Shutter (줄별 노출 시각, 움직이는 물체의 일그러짐, 형광등 줄무늬, 스트로브 조건, 센서 크기와 가격), 2026년 10월 14일 열람
• The Imaging Source, Monochrome vs. Color Cameras in Machine Vision (베이어 배열, 디베이어링과 해상도, 양자효율, 전송량, 색 조명 예), 2026년 10월 14일 열람
• Edmund Optics, Camera Types and Interfaces for Machine Vision Applications (인터페이스별 속도와 케이블 길이, CCD와 CMOS 비교표), 2026년 10월 14일 열람
• 계산식: 한 칸의 크기 = 시야 ÷ 가로 화소 수, 롤링 셔터 기울어짐 = 시료 속도 × 줄 수 × 줄당 읽기 시간, 번짐 = 시료 속도 × 노출 시간, 베이어 한 색의 표본 간격 = 2 × 한 칸의 크기, 사진 한 장의 비트 수 = 가로 화소 × 세로 화소 × 비트, 프레임 상한 = 공칭 속도 ÷ 한 장의 비트 수