시간대마다 판정이 바뀐다면 — 850 nm 근적외선 조명과 밴드패스 필터로 주변광 간섭 끊기

LIGHTING / OPTICS

오전과 오후에 같은 제품의 판정 결과가 달라지는 검사 스테이션이 있습니다. 원인을 추적해 보면 대개 조명이 아니라 조명 “바깥”에 있습니다. 창으로 들어오는 햇빛, 천장 조명의 교체, 옆 설비의 작업등이 시료면 조도를 수십~수백 lx씩 흔들고, 카메라는 이 빛을 검사 조명과 구분하지 못한 채 함께 적분합니다.

이 상태를 방치하면 비용은 임계값 조정의 악순환으로 나타납니다. 주변광이 강한 시간대에 맞추면 약한 시간대에 과검출이 늘고, 반대로 맞추면 미검출이 늘어납니다. 여기에 컬러 인쇄 무늬가 배경 콘트라스트를 복잡하게 만들면, 인쇄 코드의 도트 누락이나 착색 커버 아래 이물처럼 정작 찾아야 할 결함이 무늬 속에 섞여 통과됩니다.

해법은 검사 조명을 주변광이 거의 없는 파장으로 옮기고, 카메라가 그 파장만 보게 하는 것입니다. 850 nm 대역 근적외선(NIR) 조명과 같은 대역의 밴드패스 필터 조합은 공장 조명 간섭을 스펙트럼 단계에서 걸러 내고, 동시에 일부 인쇄 잉크·염료가 NIR에서 투명해지는 성질을 새로운 콘트라스트 축으로 쓰게 해 줍니다. 다만 실리콘 센서가 이 대역에서 치르는 대가도 함께 계산해야 합니다.

주변광을 이기려고 조명을 키우기보다, 주변광이 없는 파장으로 옮기는 것이 먼저입니다.

1. 850 nm를 고르는 대가 — 실리콘 센서의 양자효율과 분해능

Point. NIR 조명은 공짜가 아닙니다. 실리콘 센서는 850 nm에서 감도와 분해능을 동시에 잃습니다.

Reason. 실리콘의 양자효율은 가시광 대역에서 정점을 찍고 근적외선으로 갈수록 떨어집니다. 장파장 광자는 실리콘 내부 깊숙이 들어가서야 흡수되므로, 얇은 광전 변환층을 그냥 통과하는 비율이 늘기 때문입니다. 깊은 곳에서 생성된 전하는 옆 픽셀로 확산되기 쉬워 픽셀 간 크로스토크가 커지고, 그 결과 같은 센서라도 가시광보다 NIR에서 MTF가 낮아집니다. 또한 가시광 기준으로 수차를 보정한 렌즈는 850 nm에서 초점 위치가 이동하므로, 가시광으로 초점을 맞춘 뒤 NIR로 바꾸면 영상이 미세하게 흐려집니다.

Example. 설계 가정으로 850 nm에서의 양자효율을 가시광 피크 대비 약 40%로 잡으면, 같은 신호 레벨을 얻는 데 광량이나 노출이 약 2.5배 필요합니다. 컬러 카메라는 대부분 IR 차단 필터가 내장되어 있어 NIR을 거의 받지 못하므로, IR 차단 필터가 없는 모노 카메라와 NIR 대역에서 보정된 렌즈를 선택해야 합니다. 초점은 반드시 850 nm 조명을 켠 상태에서 맞춥니다.

Point. NIR 도입 검토서에는 “주변광이 줄어든다”는 이득 옆에 “양자효율과 MTF가 얼마나 줄어드는가”라는 비용 항목이 같은 무게로 적혀 있어야 합니다.

2. 밴드패스 필터 — 주변광을 파장·시간·공간으로 나눠 막는다

Point. 밴드패스 필터는 파장이 다른 간섭만 막습니다. 파장이 같은 간섭은 시간과 공간으로 막아야 합니다.

Reason. 공장의 백색 LED 조명은 발광 에너지 대부분이 가시광 대역에 몰려 있어, 850 nm 중심의 밴드패스 필터를 거의 통과하지 못합니다. 반면 햇빛과 할로겐·백열 계열 광원은 근적외선 성분을 넉넉히 포함하므로 필터 통과 대역 안에 그대로 남습니다. 이 잔여분을 줄이는 두 번째 축이 시간입니다. 주변광은 노출 시간 전체에 걸쳐 적분되지만, 스트로브 조명은 짧은 펄스 안에 에너지를 집중합니다. 노출을 10 ms에서 200 µs로 줄이면 주변광 적분량은 1/50로 줄어들고, 펄스 에너지가 같다면 검사 조명 신호는 유지됩니다.

Example. 창가에 놓인 스테이션에서 밴드패스 필터만 달았을 때 오후 시간대 배경 레벨이 여전히 흔들린다면, 통과 대역 안의 햇빛 성분을 의심해야 합니다. 이때 스트로브 동기 짧은 노출로 시간 축을 좁히고, 차광 커튼이나 후드로 공간 축까지 막으면 잔여 변동이 줄어듭니다. 필요하면 조명을 켠 프레임과 끈 프레임의 차분으로 남은 주변광을 추정해 뺄 수 있지만, 이것은 광학적으로 이미 줄여 놓은 잔여분을 다듬는 보조 수단일 뿐 차광을 대신하지 못합니다.

Point. 주변광 대책은 파장(밴드패스) × 시간(스트로브) × 공간(차광)의 곱으로 설계해야 하며, 어느 한 축이 비면 나머지 두 축의 이득이 그만큼 깎입니다.

3. 잉크와 염료의 NIR 투과 — 보이는 무늬를 지우고 필요한 것만 남긴다

Point. NIR 조명의 또 다른 가치는 간섭 차단이 아니라 콘트라스트 재배치입니다.

Reason. 일부 유기 염료 계열 잉크와 착색제는 가시광에서는 특정 색을 강하게 흡수하지만 근적외선에서는 흡수가 약해 거의 투명하게 보입니다. 반대로 카본 블랙 계열 잉크는 가시광부터 근적외선까지 넓게 흡수합니다. 그래서 850 nm 영상에서는 컬러 인쇄 배경이 옅어지거나 사라지고, 카본 계열로 찍힌 코드·마킹만 짙게 남습니다. 같은 원리로 염료 착색된 얇은 반투명 사출 커버는 NIR에서 투과율이 높아져 커버 아래의 이물이나 조립 상태를 드러내기도 합니다.

Example. 컬러 무늬가 인쇄된 사출품 라벨 위의 로트 코드를 판독할 때, 가시광 영상에서는 코드 도트와 배경 무늬의 명암이 뒤섞여 도트 누락 판정이 흔들립니다. NIR 영상에서 배경 무늬가 사라지면 도트 누락은 균일 배경 위의 단순한 공백이 됩니다. 반대로 코드 자체가 염료 계열 잉크로 인쇄되었다면 NIR에서 코드까지 사라지는 치명적인 결과가 나옵니다. 잉크·염료의 NIR 흡수 특성은 배합에 따라 크게 달라지고, 광택 인쇄면은 난반사와 정반사가 섞이므로 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. NIR 도입 전 첫 확인 항목은 조명 사양이 아니라 “지워져야 할 것과 남아야 할 것의 재료 조성”입니다.

NIR 영상에서는 보이던 것이 사라지고 가려졌던 것이 드러납니다. 무엇이 사라질지 먼저 확인해야 합니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	카본 잉크 코드 도트 누락	직경 150 µm 이상	설계 가정. 32.7 µm/px 기준 약 4.6 px 점유
① 최소 불량 사이즈	염료 착색 반투명 커버 하부 이물	직경 200 µm 이상	설계 가정. 약 6.1 px 점유
① 최소 불량 사이즈	인쇄면 스크래치	폭 100 µm 이상	설계 가정. 약 3.1 px로 검출 경계
② 광학 셋업	조명	850 nm 대역 LED 바 2개, 입사각 30°, 스트로브 200 µs	설계 가정. 노출 동기, 주변광 적분 최소화
② 광학 셋업	필터	밴드패스 중심 850 nm, 반치폭 50 nm	설계 가정. 렌즈 전면 장착
② 광학 셋업	카메라·렌즈	IR 차단 필터 없는 모노 2448 × 2048 px(화소 3.45 µm), NIR 보정 렌즈 초점거리 25 mm	850 nm 양자효율은 가시 피크 대비 약 40%로 가정
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	240 mm 이상 확보 필수	박막 렌즈 근사 물체 거리 약 262 mm(계산값). 필터 홀더·LED 바 브래킷 간섭 포함 실측
② 광학 셋업	FOV·화소 분해능	FOV 80 mm × 67 mm, 32.7 µm/px	80 mm ÷ 2448 px 계산값
② 광학 셋업	주변광 조건	공장 조명 500 lx + 창측 일광 유입	필터 통과 대역 내 일광 성분은 차광으로 대응
③ 알고리즘	주변광 차분	조명 ON/OFF 2프레임 차분	잔여 주변광 추정용 보조 단계
③ 알고리즘	평탄화	백색 기준판 NIR 영상으로 플랫필드 보정	LED 바 2개의 조도 분포 보정
③ 알고리즘	검출	도트 누락: 격자 대비 공백 블롭 ≥ 4 px, 스크래치: 선형 필터 σ = 1.5 px	설계 가정. 정상품 기준 재조정

표 시사점. 80 mm ÷ 2448 px로 화소 분해능은 32.7 µm/px이며, 세로 2048 px × 32.7 µm ≈ 67 mm로 FOV와 정합합니다. 150 µm 도트 누락(약 4.6 px)과 200 µm 이물(약 6.1 px)은 여유가 있지만, 100 µm 스크래치는 약 3.1 px로 검출 전제의 경계에 걸려 있습니다. 여기에 NIR 크로스토크로 인한 MTF 저하가 겹치면 실효 여유는 더 줄어듭니다. FOV를 60 mm로 줄이면 24.5 µm/px에서 약 4.1 px가 되므로, 스크래치 사양을 유지하려면 FOV 축소를, FOV를 유지하려면 스크래치 사양 완화를 선택해야 합니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 색상 자체가 판정 기준인 경우: 인쇄 색차나 착색 불량은 NIR 단색 영상에서 정보가 사라집니다. 가시광 컬러 촬영이 유리합니다.
• 미세 스크래치의 분해능이 최우선인 경우: 짧은 파장은 회절 한계와 픽셀 크로스토크 면에서 유리합니다. 청색 등 단파장 조명이 더 선명한 엣지를 줄 수 있습니다.
• 차광이 불가능한 개방 환경에서 햇빛이 강하게 드는 경우: 통과 대역 안의 일광 성분이 남아 밴드패스 이득이 줄어듭니다. 차광 구조를 먼저 확보하거나 스트로브 출력을 높이는 편이 현실적입니다.

잉크·염료의 NIR 흡수 특성, 광택 인쇄면의 난반사, 현장 일광 유입량은 배합과 설치 위치에 따라 달라지므로, 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인의 창가 스테이션에서 컬러 라벨 위 로트 코드 검사를 850 nm 조명과 밴드패스 필터로 바꾼 적이 있습니다. 배경 무늬가 사라지면서 도트 누락 판정은 눈에 띄게 안정되었지만, 오후 햇빛이 들 때 배경 레벨이 여전히 흔들렸습니다. 스트로브 200 µs 동기 노출로 바꾸고 창 쪽에 차광 후드를 붙인 뒤에야 시간대별 편차가 줄었습니다. 또 한 번은 공급처가 바뀐 라벨에서 코드 잉크가 NIR에서 거의 사라져 판독률이 떨어진 적도 있었는데, 그 뒤로는 재료 변경 시 NIR 샘플 촬영을 먼저 요청하고 있습니다.

현장 체크포인트

• WD 240 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 밴드패스 필터 홀더와 LED 바 브래킷의 간섭을 포함해 확인할 것.
• 대상 표면 재질과 반사율을 먼저 특정했는가 — 광택 인쇄면인지 무광 사출면인지에 따라 LED 바 입사각이 달라집니다.
• 남아야 할 코드·마킹 잉크가 카본 계열인지, 지워져야 할 무늬가 NIR에서 투명한지 샘플로 확인했는가.
• 카메라에 IR 차단 필터가 없는지, 초점을 850 nm 조명 상태에서 맞췄는지 확인했는가.
• 하루 중 가장 밝은 시간대에 조명 OFF 프레임의 배경 레벨을 측정했는가 — 통과 대역 내 일광 잔여분 확인.
• 스트로브 펄스 폭과 노출 창이 정확히 동기되어 있는가.