2D·3D 융합 검사, 병목은 조명 간섭입니다

2D 카메라와 3D 프로파일러를 한 스테이션에 나란히 세운 융합 검사에서, 첫 설계 결정은 카메라가 아니라 파장입니다. 두 채널의 조명이 같은 파장대를 쓰는 순간, 나머지 사양을 아무리 잘 골라도 검출률은 셋업 도면대로 나오지 않습니다.

실제로 벌어지는 일은 이렇습니다. 2D 조명의 백색 성분이 3D 프로파일러의 수광 대역에 그대로 실려 배경광이 되고, 레이저 라인의 피크 검출 SNR이 깎입니다. 40 μm 단차가 노이즈에 묻히기 시작하면, 대개 다음 수순은 두 채널을 번갈아 찍는 시분할 취득입니다.

그런데 시분할로 돌리는 순간 더 큰 것이 무너집니다. 두 촬상 사이에 대상물이 움직인 거리가 그대로 좌표 정합 오차로 남기 때문입니다. 미검출을 막으려던 조치가 정합 불량으로 형태를 바꿔 되돌아옵니다. 유출 비용은 그대로이고, 원인 추적만 어려워집니다.

해법은 카메라 선정 앞단, 파장 계획에 있습니다

융합 스테이션의 조명은 두 개가 아니라 하나의 광학계로 다뤄야 합니다. 2D 채널과 3D 채널에 서로 겹치지 않는 파장을 배정하고, 각 카메라 앞에 해당 대역만 통과시키는 밴드패스 필터를 거는 구성입니다. 이 구성이 서면, 두 채널은 서로를 인식하지 못한 채 동시에 촬상할 수 있습니다.

이유는 간단합니다. 간섭의 실체가 파장 중첩이므로, 파장을 나누면 간섭 자체가 사라집니다. 반대로 파장을 나누지 않은 채 피크 검출 알고리즘만 손보는 접근은 한계가 분명합니다. 배경광에 이미 묻힌 신호는 후처리로 복원되지 않습니다. 필터는 광학 단에서 먼저 걸어야 하고, 알고리즘은 그다음입니다.

먼저 확인할 것 — 표면 재질과 반사율

파장 배정에 앞서 대상물의 표면 상태부터 확인해야 합니다. 무광 ABS 사출품처럼 확산 반사가 지배적인 표면은 파장 분리만으로 대부분 정리됩니다. 반면 유광 사출면이나 도금된 PCB 패드처럼 경면 반사가 강한 표면은 사정이 다릅니다.

경면 반사면에서는 레이저 라인이 대상물 내부나 인접 면에서 한 번 더 튀어 들어오는 다중 반사가 생깁니다. 이 성분은 3D 채널과 같은 파장이므로 밴드패스 필터가 걸러내지 못합니다. 이런 표면의 검출 가능 여부는 샘플 테스트 전 확언이 불가합니다. 실물 시편으로 프로파일 단면을 직접 확인하기 전까지는, 아래 사양도 출발점일 뿐 확정값이 아닙니다.

① 검출 최소 불량 사이즈부터 두 채널로 나눕니다

융합 구성에서 흔한 실수는 검출 목표를 하나로 적어 두는 것입니다. 2D가 담당할 결함과 3D가 담당할 결함은 물리량 자체가 다르므로, 최소 사이즈도 따로 정의해야 합니다. 사출품 검사를 예로 들면, 2D는 표면 스크래치·이물의 폭, 3D는 싱크마크·단차의 높이가 기준입니다.

② 광학 셋업과 ③ 알고리즘 파라미터 매칭표

채널	① 검출 최소 불량 사이즈	② 광학 셋업 (조명·렌즈·WD)	③ 알고리즘 파라미터
2D 외관 스크래치·이물	폭 30 μm (3 px 룰 기준 3.8 px)	청색 450 nm 동축낙사 + 저각 링 병용 20 MP·5120 px, FOV 40 mm → 7.8 μm/px 초점거리 50 mm, 배율 0.44배, WD 약 145 mm 카메라측 450 nm 밴드패스(저지대역 OD4 이상)	블롭 최소 면적 12 px ΔGV 임계 18 방향성 필터 0°/90° 2채널
3D 형상 싱크마크·단차	높이 편차 40 μm	적색 660 nm 레이저 라인, 삼각측량각 30° 프로파일 2048 point / 40 mm → 19.5 μm/point z 반복도 2 μm, WD 약 150 mm(측정범위 중앙) 카메라측 660 nm 밴드패스	피크 검출: 무게중심법 유효 피크 폭 3~9 px 평면 피팅 후 잔차 −40 μm 임계
융합 정합	정합 허용 오차 10 μm (2D 최소 결함 30 μm의 1/3)	도트 그리드 교정판 1회 캘리브레이션 두 채널 광축 오프셋 실측	어파인 6파라미터 변환 RMS 잔차 ≤ 4 px 합격

표에서 실제로 빠듯한 항목은 렌즈도 센서도 아닌 세 번째 행입니다. 정합 허용 오차 10 μm는 두 채널이 같은 순간을 보고 있을 때만 지켜지는 값이며, 촬상 시점이 어긋나는 순간 광학 사양과 무관하게 무너집니다.

시분할을 택하면 정합 오차가 60배로 뜁니다

숫자로 확인하면 판단이 빨라집니다. LED 스트로브 소등 응답과 센서 리드아웃을 합쳐 두 촬상 간격 Δt를 3 ms로 잡고, 대상물이 200 mm/s로 지나간다고 하겠습니다. 이때 이동량은 0.6 mm, 즉 600 μm입니다. 허용 오차 10 μm의 60배이고, 7.8 μm/px 기준으로는 77 px가 어긋난 상태입니다.

반대로 10 μm를 지키려면 속도는 10 μm ÷ 3 ms = 3.3 mm/s 이하가 되어야 합니다. 사실상 정지 촬상입니다. 정리하면 시분할은 조명 간섭을 피하는 기법이 아니라, 반송 방식을 정지 인덱스로 바꾸겠다는 결정입니다. 검사기 사양서에 이 문장이 빠져 있으면 라인 택트 협의는 나중에 반드시 되돌아옵니다. 다만 반송 기구부 제어 자체는 별도 검토가 필요합니다.

반대로 시분할이 유리한 조건

파장 분리가 항상 정답은 아닙니다. 다음 세 조건에서는 시분할 취득이 오히려 합리적입니다.

• 컬러 판정이 요구되는 경우 — 색차·변색 검사가 목적이면 백색 광원을 포기할 수 없으므로 파장 분리가 성립하지 않습니다.
• 정지 인덱스 반송 라인 — Δt 동안 이동량이 0이면 정합 오차 항 자체가 사라집니다. 이때는 시분할이 광학적으로 가장 깨끗합니다.
• 기존 자산 재사용 — 이미 보유한 3D 프로파일러의 레이저 파장이 2D 조명과 겹치고, 교체 예산이 없는 경우입니다.

세 조건 모두 전제가 하나 붙습니다. 경면 반사가 강한 표면에서는 시분할이든 파장 분리든 다중 반사 성분이 남으므로, 구성 선택 이전에 시편 확인이 먼저입니다. 반복하지만 샘플 테스트 전 확언은 불가합니다.

이 판단이 앞으로 더 자주 필요해지는 이유

머신비전 카메라 시장 전망 자료를 보면, 전체 시장은 2025년 67.9억 달러에서 2035년 209억 달러로 연평균 11.89% 성장이 예상되는 반면, 3D 카메라 부문은 15.83%로 시장 평균을 크게 웃돕니다. 에어리어 스캔이 여전히 56.4% 비중을 유지한다는 점을 함께 보면 해석은 분명해집니다. 3D가 2D를 대체하는 것이 아니라, 두 채널이 한 스테이션에 얹히는 구성이 늘어난다는 뜻입니다.

그렇다면 앞으로 셋업 검토의 첫 장은 카메라 사양표가 아니라 파장 배치도가 되어야 합니다. 센서는 카탈로그에서 고를 수 있지만, 두 조명이 같은 공간에서 공존할 수 있는지는 도면에 그려 보기 전까지 아무도 대신 확인해 주지 않습니다.

현장 체크포인트

• WD 확보 여부 — 2D 렌즈와 3D 프로파일러의 WD를 각각 실측하십시오. 위 예시는 145 mm와 150 mm로 5 mm 차이가 나며, 두 값이 지그 높이 조정 범위 안에 동시에 들어오지 않으면 한쪽은 반드시 초점을 잃습니다.
• 밴드패스 필터의 저지대역 OD — 통과 대역만 보고 고르지 마십시오. OD2급은 상대 채널 광량을 100분의 1로 줄일 뿐이라 배경광이 남습니다. OD4 이상을 기준으로 확인하십시오.
• 정합 오차 실측 — 도트 그리드 교정판을 두 채널로 촬상해 RMS 잔차를 px 단위로 기록해 두십시오. 이후 진동·열변위로 정합이 틀어졌을 때 비교 기준이 됩니다.
• Δt 실측 — 시분할 구성이라면 조명 소등 응답과 트리거 지연을 포함한 실제 Δt를 오실로스코프로 측정하십시오. 카탈로그 값과 대체로 다릅니다.

참고 자료

머신비전 카메라 시장 규모·부문별 성장률 — SNS Insider, Machine Vision Camera Market Size 2026-2035 (2026-08-17)