머신비전 설비 도입 전, 사양서에 먼저 적어야 할 것 — 카메라·렌즈·조명 스펙을 고르는 순서와 체크리스트

OPTICS / LIGHTING

비전 검사 설비의 견적 요청서(RFQ)는 흔히 카메라 화소 수와 “고속·고정밀” 같은 형용사로 시작합니다. 공급사는 그 문장에서 각자 다른 셋업을 떠올리고, 견적은 서로 비교할 수 없는 조건으로 돌아옵니다. 누구는 FOV를 넓게 잡고, 누구는 조명을 빼고, 누구는 처리 시간을 평균값으로 적습니다.

사양이 불량 정의가 아니라 부품 스펙으로 시작하면, 입고 후 시운전에서야 최소 결함이 3 px에 못 미치거나 조명이 표면 반사를 이기지 못한다는 사실이 드러납니다. 그때 바꿀 수 있는 것은 이미 발주된 하드웨어가 아니라 알고리즘 임계값뿐이고, 임계를 조정하는 동안 과검출과 미검출 사이에서 수율 손실과 유출 위험이 함께 쌓입니다.

해법은 사양서의 순서를 바꾸는 것입니다. 불량 정의 → 분해능 → 광학 → 조명 → 촬상 조건 → 인터페이스·처리 → 인수 조건의 순서로 채우면, 각 항목이 앞 항목에서 계산으로 유도되어 공급사 간 조건이 같아집니다. 이 글은 7단계 순서와 단계별로 사양서에 적을 항목·단위를 체크리스트로 정리합니다.

사양서는 카메라 이름이 아니라 검출해야 할 최소 결함의 크기와 표면 재질로 시작해야 합니다.

1. 불량 정의와 표면 재질 — 모든 계산의 입력값

Point. 사양서 첫 장에는 결함 종류별 최소 크기(µm)와 대상물 표면의 재질·반사 특성을 적습니다.

Reason. 분해능·렌즈·조명·노출 조건이 모두 이 두 값에서 계산되기 때문입니다. 최소 결함이 정해지면 필요 분해능(최소 결함 ÷ 3)이 나오고, 표면이 경면인지 확산면인지에 따라 조명 방식의 후보가 갈립니다.

Example. “스크래치 불가”라고만 쓰면 공급사는 각자의 기준으로 해석합니다. “폭 20 µm·길이 300 µm 이상 스크래치, 연마 알루미늄(경면)”이라고 쓰면 6 µm/px 급 분해능과 동축계 조명이 후보로 좁혀집니다(연마 금속면 동축낙사 글의 셋업 예). 한도 견본(OK/NG 경계 샘플)을 함께 제시하면 해석 차이는 더 줄어듭니다.

Point. 결함 크기와 재질을 수치로 적지 못하는 단계라면, 설비 발주보다 샘플 평가가 먼저입니다. 특히 난반사가 심한 재질은 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

2. 분해능·FOV·광학 — 계산으로 유도되는 항목

Point. 화소 수와 렌즈는 사양서에 “요구값”이 아니라 “유도값”으로 적습니다.

Reason. 분해능 = 최소 결함 ÷ 3, 필요 화소 수 = FOV ÷ 분해능이고, 초점거리는 얇은 렌즈 식으로 역산됩니다. 여기에 WD와 부품 높이 편차(피사계 심도 요구)를 더하면 렌즈 형식 — 일반 렌즈인지 텔레센트릭인지 — 이 결정됩니다.

Example. FOV 100 mm에서 100 µm 결함을 보려면 분해능 33.3 µm/px 이하, 가로 3,000 px 이상이 필요합니다. 이것을 사양서에 “가로 3,000 px 이상, WD ○○ mm 이상, 높이 편차 ±○ mm 범위에서 최소 결함 3 px 유지”로 적으면, 공급사가 제안하는 카메라·렌즈 조합을 같은 기준으로 비교할 수 있습니다. 카메라 자체의 성능을 비교해야 한다면 제조사별 표기 대신 EMVA 1288 형식의 측정 데이터(양자효율·암잡음·포화 용량·다이내믹 레인지 등)를 요구하는 편이 조건을 맞추기 쉽습니다.

Point. 계산으로 유도되는 항목을 요구값처럼 적으면, 공급사가 그 숫자를 맞추는 대신 불량 정의를 맞추는지 확인할 방법이 사라집니다.

3. 조명·촬상 조건 — 속도가 노출을, 노출이 광량을 정한다

Point. 조명은 “종류”보다 “조건”을 적습니다 — 방식 후보, 파장, 연속/스트로브, 노출 시간 상한, 균일도.

Reason. 부품이 움직이는 동안 촬영한다면 노출 중 이동량이 1 px 이내여야 번짐 없이 찍히므로(물리가 먼저라는 글), 노출 시간 상한은 화소 분해능 ÷ 이동 속도가 됩니다. 노출이 짧아지면 같은 밝기를 얻기 위한 광량이 커지고, 이것이 조명 출력과 스트로브 구동 조건으로 이어집니다.

Example. 분해능 24.4 µm/px에서 부품이 100 mm/s로 움직인다고 가정하면 노출 상한은 24.4 µm ÷ 100 mm/s = 244 µs입니다. 이 숫자가 사양서에 있어야 조명 공급사가 연속광으로 충분한지, 스트로브 오버드라이브가 필요한지를 판단할 수 있습니다. 부품을 움직이는 이송 기구의 제어 조건은 이 글의 범위가 아니며 별도 검토가 필요합니다.

Point. 조명 항목에는 균일도와 함께 장기 광출력 저하 대응(기준 패치 감시·재보정 주기, LED 열화 글)까지 적어야 인수 뒤에도 성능이 유지됩니다.

4. 인터페이스·처리·인수 조건 — 사양서의 마지막 세 줄

Point. 마지막으로 데이터 경로(카메라 인터페이스 대역폭), 처리 시간(평균이 아니라 p99), 인수 판정 조건을 적습니다.

Reason. 화소 수 × 비트 심도 × 프레임레이트가 인터페이스 대역폭을 넘으면 분해능이나 속도 중 하나를 깎게 되고(인터페이스 대역폭 글), 처리 시간은 평균이 아니라 꼬리 지연이 마감을 넘기는지로 판정해야 합니다(p99 지연 예산 글). 인수 조건이 없으면 “잘 된다”의 기준이 계약 이후에 정해집니다.

Example. 4096 × 3000 px 8비트 영상을 초당 10장 받으려면 약 123 MB/s가 필요해, 1GigE 링크의 실효 한계로 잡는 약 115 MB/s(인터페이스 대역폭 글)를 넘습니다. 인수 조건은 “정상 샘플 ○○개에서 과검출 0건, 한도 견본 NG ○○개 전수 검출”처럼 샘플 수와 목표를 수치로 적습니다.

Point. 인수 조건의 샘플 수와 목표는 1단계의 불량 정의와 같은 표에서 관리해야, 사양서 전체가 하나의 기준으로 묶입니다.

5. 핵심 골격 — 매칭표(사양서 체크리스트)

구분	사양서 항목	적는 방법(단위)	유도 근거
① 최소 불량 사이즈	결함 종류별 최소 크기	폭·길이·직경(µm), 한도 견본 첨부	모든 계산의 시작값
① 최소 불량 사이즈	표면 재질·반사 특성	경면 / 헤어라인 / 확산 / 혼재, 색·코팅	조명 방식 후보 결정
② 광학 셋업	필요 분해능·화소 수	µm/px(최소 결함 ÷ 3), 가로 px(FOV ÷ 분해능)	3 px 검출 전제
② 광학 셋업	렌즈	초점거리(얇은 렌즈 식), F값, 이미지서클, 왜곡 허용치	렌즈 계산기 글
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	렌즈 앞면~대상 mm, 조명·치구 공간 포함	설치 공간 도면과 대조
② 광학 셋업	피사계 심도	부품 높이 편차 ± mm	DOF ≈ 2 × N × c × (1 + m) ÷ m²
② 광학 셋업	조명	방식 후보, 파장(nm), 연속/스트로브, 균일도(%)	재질·노출 시간에서 유도
② 광학 셋업	노출 시간 상한	µs = 화소 분해능 ÷ 이동 속도	노출 중 이동 1 px 이내
③ 알고리즘	처리 시간	p99 지연(ms) ≤ 판정 마감	평균값만 적지 않음
③ 알고리즘	인터페이스	필요 대역폭(MB/s) = 화소 수 × 비트 심도 × 프레임레이트	링크 실효 한계와 비교
③ 알고리즘	인수 조건	정상 n개 과검출 목표, 한도 견본 NG n개 검출 목표	샘플 수와 목표를 수치로

표 시사점. 표의 위에서 아래로 갈수록 각 항목은 앞 항목의 계산 결과가 됩니다. 사양서를 이 순서로 채우면 공급사 제안의 차이는 “조건 해석”이 아니라 “설계 선택”에서만 생기고, 비로소 비교가 가능해집니다. 반대로 ②의 화소 수부터 적으면 ①과의 연결이 끊겨, 같은 화소 수라도 최소 결함 점유가 제각각인 제안을 받게 됩니다.

6. 반대 접근이 유리한 조건

• 불량 정의 자체가 확정되지 않은 신규 공정: 설비 사양서보다 샘플 평가(타당성 검토) 단계를 먼저 계약하는 편이 유리합니다.
• 검증된 셋업의 반복 도입: 기존 사양서를 재사용하고, 재질·로트 변화만 차이로 관리하는 편이 빠릅니다.
• 단순 유무 검사: 최소 결함 개념이 약한 유무 판정이라면 7단계 전체보다 FOV·WD·처리 시간 세 항목으로 충분할 수 있습니다.

재질의 반사 특성은 조명 후보를 좁혀 줄 뿐 확정하지는 못하므로, 조명 방식은 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

자주 묻는 질문

Q. 카메라 화소 수를 사양서에 아예 적지 말아야 하나요?

적되, 근거와 함께 적습니다. “최소 결함 100 µm, FOV 100 mm → 분해능 33.3 µm/px 이하 → 가로 3,000 px 이상”처럼 유도 과정을 남기면, 공급사가 다른 FOV 분할 방식(카메라 2대 등)을 제안해도 같은 기준으로 비교할 수 있습니다.

Q. 처리 시간은 왜 p99로 적나요?

판정 신호가 마감을 넘기는 순간은 평균이 아니라 드물게 늘어지는 꼬리에서 오기 때문입니다. 평균만 적으면 1,000개 중 1개꼴로 늦는 시스템도 사양을 만족하게 됩니다.

현장 노트

화소 수와 “고정밀”이라는 표현만 담긴 요청서로 견적을 받았다가, 세 곳의 제안이 FOV도 조명도 달라 비교 자체가 불가능했던 적이 있습니다. 불량 정의 표를 한 장 만들어 최소 결함과 재질을 수치로 적어 다시 보내자, 제안의 차이가 렌즈와 조명 선택의 차이로만 좁혀졌습니다. 그 과정에서 WD 조건이 빠져 조명 브래킷이 치구와 부딪히는 제안도 미리 걸러낼 수 있었습니다. 이후로는 사양서 첫 장에 한도 견본 사진과 치수를 함께 넣고 있습니다.

현장 체크포인트

• WD가 사양서에 도면과 함께 적혀 있는가 — 렌즈 앞면 기준 WD와 조명·치구 공간이 수치로 확보되었는지 확인할 것.
• 최소 결함(µm)과 표면 재질이 수치·용어로 정의되고 한도 견본이 첨부되었는가.
• 화소 수·초점거리가 요구값이 아니라 분해능에서 유도된 값으로 적혔는가.
• 노출 시간 상한이 분해능과 이동 속도로 계산되어 조명 조건에 반영되었는가.
• 처리 시간을 평균이 아니라 p99로 요구했는가.
• 인수 조건의 샘플 수와 목표가 수치로 적혔는가 — 난반사 재질은 샘플 테스트 전 확언 불가.

참고 자료

• EMVA 1288 — Standard for Measurement and Presentation of Specifications for Machine Vision Sensors and Cameras (Release 4.0)

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