연마 금속면의 미세 스크래치, 동축 조명이면 끝인가 — 하프미러 광손실과 기울기 허용각으로 다시 설계하는 동축낙사 조명

LIGHTING / OPTICS

연마 알루미늄 패널이나 경면 스테인리스 커버를 일반 링 조명 아래에서 촬영하면, 화면에는 결함보다 먼저 주변 풍경이 찍힙니다. 천장 형광등, 카메라 경통, 조명 자체의 LED 배열이 거울처럼 비쳐 들어오고, 폭 20 µm 남짓한 미세 스크래치는 그 반사상 사이에 묻혀 사라집니다. 경면 금속 검사에서 가장 흔한 첫 실패는 “조명이 약해서”가 아니라 “표면이 조명을 결함 대신 되비추기 때문”입니다.

이 상태를 방치하면 비용은 두 방향으로 동시에 나옵니다. 반사상의 경계를 결함으로 읽는 과검출이 쌓이면 작업자가 재검 라인에서 육안으로 다시 봐야 하고, 반대로 임계값을 느슨하게 풀면 헤어라인 수준의 스크래치가 그대로 출하됩니다. 외관 등급이 곧 제품 가치인 경면 부품에서는 이 스크래치 하나가 고객 불만과 전수 재선별로 이어집니다.

물리적 해법은 조명과 관찰 방향을 한 축으로 일치시키는 동축낙사(Coaxial) 조명입니다. 하프미러로 빛을 광축 위에서 수직으로 내려 보내면, 평탄한 경면은 빛을 그대로 렌즈로 되돌려 균일한 밝은 배경을 만들고, 스크래치의 경사진 벽은 빛을 렌즈 밖으로 튕겨 어두운 선으로 남습니다. 다만 이 조명은 공짜가 아닙니다. 하프미러의 광손실과 표면 기울기 허용각이라는 두 가지 제약을 먼저 계산해야 설계가 성립합니다.

동축낙사 조명에서 결함을 가르는 것은 밝기가 아니라 표면의 기울기입니다.

1. 동축낙사는 “밝은 배경”을 만드는 조명이다

Point. 동축낙사 조명의 목적은 결함을 밝히는 것이 아니라, 정상 표면을 가장 밝고 균일하게 만들어 결함을 상대적으로 어둡게 떨어뜨리는 것입니다.

Reason. 경면 금속은 입사광의 대부분을 정반사 방향 한쪽으로만 돌려보냅니다. 빛이 광축과 평행하게 내려오면 수평인 표면의 정반사 방향은 정확히 렌즈 쪽이 되고, 센서에는 포화에 가까운 밝은 배경이 맺힙니다. 스크래치는 폭이 좁고 벽이 기울어진 홈입니다. 벽면에서 반사된 빛은 경사각의 두 배만큼 꺾여 렌즈 개구 밖으로 빠져나가고, 그 자리는 어둡게 찍힙니다. 콘트라스트가 결함의 밝기가 아니라 결함 벽면의 각도에서 만들어지는 구조입니다.

Example. 경면 연마된 알루미늄 패널을 4096 × 3000 px 센서와 초점거리 75 mm 렌즈로 FOV 24.6 mm × 18.0 mm에 담는 셋업을 가정해 보겠습니다. 화소 분해능은 24.6 mm ÷ 4096 px로 약 6.0 µm/px이며, 폭 20 µm 스크래치는 약 3.3 px 폭의 어두운 선이 됩니다. 링 조명에서는 LED 반사상의 가장자리와 구분되지 않던 선이, 동축낙사에서는 균일한 밝은 배경 위에서 연속된 선으로 드러납니다. 다만 경면 재질의 실제 반사 특성은 연마 조건과 표면 산화막에 따라 달라지므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. 동축낙사를 검토할 때 첫 질문은 “몇 lx가 필요한가”가 아니라 “정상 표면이 광축에 대해 얼마나 평탄한가”입니다. 배경이 균일하게 밝아야만 어두운 결함이 의미를 가집니다.

2. 표면 기울기 허용각 — 확산 동축과 비확산 동축의 갈림길

Point. 동축낙사에는 “이 각도까지 기울어진 표면은 밝게 보인다”는 허용각 θ_max가 있고, 확산판 유무가 이 값을 수 배 바꿉니다.

Reason. 표면이 θ만큼 기울면 정반사광은 광축에서 2θ 꺾입니다. 렌즈가 받아들이는 물체 측 반각을 α라 하면, 평행에 가까운 비확산 동축에서는 2θ < α, 즉 θ_max ≈ α/2까지만 밝게 보입니다. 확산판을 넣어 조명 자체가 ±β의 각도 퍼짐을 가지면, 기울어진 표면에도 렌즈로 되돌아갈 입사 방향이 남아 θ_max ≈ (α + β)/2로 넓어집니다. 초점거리 75 mm, F/5.6 렌즈의 입사동 지름은 약 13.4 mm이고 물체거리 약 205 mm에서 α는 약 1.87°입니다. 비확산 동축의 허용각은 약 0.9°, 확산 퍼짐 ±10°를 가정한 확산 동축의 허용각은 약 5.9°가 됩니다.

Example. 연마 알루미늄 패널에는 연마 공정이 남긴 완만한 굴곡(웨이브니스)이 있습니다. 비확산 동축에서는 1° 남짓한 굴곡만으로도 배경에 어두운 얼룩이 생기고, 이 얼룩이 스크래치와 같은 방향의 신호로 과검출됩니다. 확산 동축으로 바꾸면 굴곡은 허용각 안에 들어가 배경이 고르게 밝아지지만, 벽 경사가 수 °에 불과한 아주 얕은 헤어라인 스크래치도 함께 밝아져 콘트라스트가 떨어집니다. 부품이 치구 위에서 1°만 기울어도 비확산 동축에서는 화면 전체가 어두워질 수 있다는 점도 함께 확인해야 합니다. 치구 자세 제어 자체는 별도 검토가 필요합니다.

Point. 여기서 이 글의 핵심 통찰이 나옵니다. θ_max는 조명이 수행하는 물리적 경사 필터이며, “정상 굴곡”과 “결함 벽면”을 가르는 경계값을 알고리즘보다 먼저 정합니다. 확산판 선택은 밝기 옵션이 아니라, 어느 기울기부터 결함으로 볼지를 하드웨어로 결정하는 설계 행위입니다.

확산판은 밝기를 고르는 부품이 아니라 결함으로 볼 최소 경사각을 고르는 부품입니다.

3. 하프미러 광손실 — 25%라는 상한과 미광

Point. 50:50 하프미러를 쓰는 동축낙사는 광원 출력의 최대 25%만 센서 쪽으로 돌려보냅니다. 이 손실은 셋업을 아무리 다듬어도 사라지지 않는 구조적 상한입니다.

Reason. 빛은 하프미러를 두 번 지납니다. 내려갈 때 반사로 50%, 표면에서 되돌아와 올라갈 때 투과로 다시 50%가 남으므로 0.5 × 0.5 = 0.25입니다. 나머지 75%는 사라지는 것이 아니라 조명 박스 안에서 미광이 됩니다. 처음에 하프미러를 투과한 50%는 박스 반대편 벽을 때리고, 되돌아온 빛 중 반사된 절반은 광원 쪽으로 향합니다. 이 빛이 박스 내벽이나 하프미러 뒷면에서 다시 튀어 렌즈로 들어오면 배경 위에 옅은 베일을 덮어 콘트라스트를 깎습니다.

Example. 같은 광원 출력에서 동축 박스를 거친 배경 밝기는 직접 조사 대비 4분의 1 이하이므로, 짧은 노출이 필요한 셋업에서는 스트로브 구동으로 순간 출력을 올리는 방안을 먼저 검토하게 됩니다. 또한 두께가 있는 판형 하프미러를 결상 광로에 45°로 기울여 두면 비점수차와 뒷면 반사에 의한 이중상이 생길 수 있으므로, 박막형 또는 큐브형 하프미러와 무반사 흑색 처리된 박스 내벽을 함께 사양에 넣는 편이 안전합니다. 이 미광은 소프트웨어 이미지 처리만으로 완전히 지울 수 없습니다. 베일 성분은 결함 신호와 같은 화소에 겹쳐 들어오기 때문입니다.

Point. 동축낙사의 광량 설계는 “광원을 얼마나 밝게 살 것인가”보다 “잃어버린 75%를 어디에 흡수시킬 것인가”를 먼저 정하는 작업입니다. 광손실은 출력으로 보상할 수 있지만, 흡수되지 않은 미광은 출력을 올릴수록 함께 커집니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	경면 연마면 미세 스크래치	폭 20 µm 이상, 길이 300 µm 이상	설계 가정. 폭 약 3.3 px, 길이 약 50 px 점유
① 최소 불량 사이즈	점 형태 찍힘(피트)	직경 40 µm 이상	설계 가정. 약 6.7 px 점유
② 광학 셋업	조명	확산 동축낙사, 50:50 하프미러(박막형 또는 큐브형)	센서 도달 광량 상한 25%(0.5 × 0.5). 박스 내벽 무반사 흑색 처리
② 광학 셋업	표면 기울기 허용각	확산 동축 약 5.9° / 비확산 동축 약 0.9°	계산값. θmax ≈ (α + β)/2, α ≈ 1.87°, β = ±10°(설계 가정)
② 광학 셋업	렌즈	초점거리 75 mm, F/5.6	설계 가정. 입사동 지름 약 13.4 mm
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	180 mm 이상 확보 필수	얇은 렌즈 근사 물체거리 약 205 mm(배율 0.575×). 동축 박스 높이 포함 실측 확인
② 광학 셋업	센서·FOV	4096 × 3000 px(화소 3.45 µm), FOV 24.6 mm × 18.0 mm, 6.0 µm/px	계산값. 24.6 mm ÷ 4096 px
③ 알고리즘	배경 보정	무결함 경면 기준판 영상으로 플랫필드 보정	동축 박스의 조도 편차와 미광 베일의 정적 성분 제거
③ 알고리즘	어두운 결함 강조	블랙햇 모폴로지, 커널 11 px	최대 대상(피트 약 6.7 px)보다 큰 커널
③ 알고리즘	검출 임계	국소 배경 대비 밝기 저하 30% 이상	설계 가정. 정상품 30장으로 재추정
③ 알고리즘	형상 필터	선형 결함 길이 50 px 이상, 점 결함 면적 9 px 이상(3 × 3)	①의 300 µm ÷ 6.0 µm/px = 50 px

표 시사점. 6.0 µm/px에서 폭 20 µm 스크래치는 약 3.3 px로 검출 전제인 3 px를 간신히 넘기므로, 이 셋업의 여유는 광학보다 조명 허용각 쪽에 있습니다. 확산 동축의 θ_max 약 5.9°보다 벽 경사가 완만한 스크래치는 폭이 충분해도 밝게 보여 놓칠 수 있고, 반대로 비확산 동축의 약 0.9°는 치구 기울기 1°에도 배경을 무너뜨립니다. 화소 분해능과 허용각을 한 표에서 함께 확인해야 하는 이유입니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 곡면이 크거나 표면 기울기 변동이 넓은 부품: 기울기가 허용각을 수 배 넘는 곡면에서는 동축낙사의 밝은 배경 자체가 유지되지 않습니다. 넓은 각도에서 빛을 공급하는 돔 조명이 유리합니다.
• 방향성 헤어라인 가공면(브러시드 마감): 가공 줄무늬 자체가 경사를 가지므로 동축낙사에서는 배경이 줄무늬로 가득 찹니다. 줄무늬와 직교하는 방향의 저각도 조명이나 암시야가 콘트라스트를 더 깔끔하게 만듭니다.
• 비드 블라스트 등 확산 표면: 정반사가 약한 표면에서는 동축의 밝은 배경이 형성되지 않고 25% 광손실만 남습니다. 경사 조명이 광량과 콘트라스트 모두에서 경제적입니다.

경면 금속의 반사 특성과 스크래치 벽면 경사는 연마 조건·코팅·산화막에 따라 크게 달라지므로, 동축과 다른 방식 중 어느 쪽이 유리한지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인의 경면 금속 커버 검사에서 비확산 동축으로 시작했다가, 치구에 안착된 부품이 1° 안팎으로 기울 때마다 화면 한쪽이 통째로 어두워지는 현상을 겪은 적이 있습니다. 확산판을 넣어 허용각을 넓히자 배경은 안정됐지만, 이번에는 얕은 헤어라인 스크래치의 콘트라스트가 눈에 띄게 줄었습니다. 결국 확산 퍼짐을 한 단계 좁힌 확산판으로 바꾸고 블랙햇 커널과 임계값을 다시 맞춘 뒤에야 균형점을 찾을 수 있었습니다. 그때 체감한 것은 허용각이 광학 사양이 아니라 불량 기준 그 자체라는 점이었고, 이 균형점도 재질이 바뀌면 다시 확인해야 한다고 보고 있습니다.

현장 체크포인트

• WD 180 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 동축 조명 박스 높이와 렌즈 경통 전단, 부품 상면 사이 여유를 모두 포함해 확인할 것.
• 대상물 표면 재질과 반사율을 먼저 특정했는가 — 경면인지, 헤어라인인지, 확산 마감인지에 따라 동축의 성립 여부가 갈립니다.
• 렌즈 개구 반각 α와 확산 퍼짐 β로 표면 기울기 허용각 θ_max를 계산했는가.
• 치구 안착 시 부품 기울기가 θ_max 안에 들어오는가 — 비확산 동축이라면 1° 이하 관리가 필요합니다.
• 하프미러 형식(박막형·큐브형)과 박스 내벽 흑색 처리로 미광 베일을 억제했는가.
• 최소 스크래치 폭이 3 px 이상을 점유하는 화소 분해능인가 — 6.0 µm/px 기준 20 µm가 하한입니다.