반사 심한 금속 표면의 스크래치, 조명부터 다시 고르는 법 — 동축·돔·암시야·교차 편광·HDR 선택 지도

LIGHTING / OPTICS

연마 금속이나 도금 부품의 스크래치 검사는 대개 같은 장면에서 시작합니다. 화면 일부가 하얗게 포화되고, 그 하이라이트 안에 있어야 할 스크래치는 보이지 않습니다. 노출을 줄이면 나머지 영역이 어두워지고, 임계를 바꾸면 반사 경계가 결함으로 잡힙니다.

이 단계에서 필터와 임계로 버티면 과검출과 미검출이 번갈아 늘어나고, 포화된 픽셀 안의 결함 정보는 어떤 후처리로도 복원되지 않습니다(HDR 멀티 노출 글). 조명 방식을 잘못 고른 채 알고리즘을 다듬는 시간은 그대로 불량 유출 위험으로 쌓입니다.

해법은 조명 선택을 표면 형상과 스크래치의 모양 두 질문으로 먼저 가르는 것입니다. 이 글은 이 사이트에서 따로 다룬 조명 접근 — 동축낙사, 돔, 암시야·저각도, 교차 편광, HDR 멀티 노출 — 을 어떤 조건에서 먼저 시도할지 하나의 선택 지도로 묶고, 각 방식의 계산과 한계는 상세 글로 연결합니다.

금속 스크래치 검사에서 조명을 고르는 기준은 밝기가 아니라 표면이 빛을 어느 방향으로 돌려보내는가입니다.

1. 평탄한 경면 — 동축낙사가 첫 후보인 이유와 허용각

Point. 평탄한 연마면이나 경면 커버의 스크래치는 동축낙사가 첫 후보입니다.

Reason. 광축과 평행하게 내려온 빛은 평탄한 경면에서 렌즈로 되돌아와 밝은 배경을 만들고, 스크래치의 기울어진 벽은 빛을 렌즈 밖으로 튕겨 어두운 선으로 남습니다(동축낙사 글). 다만 이 방식에는 표면 기울기 허용각이 있어, 확산판 유무에 따라 “어느 경사부터 결함으로 보이는가”가 달라집니다.

Example. 동축낙사 글의 셋업(75 mm·F5.6 렌즈)에서 비확산 동축의 허용각은 약 0.9°, 확산 퍼짐 ±10°를 가정한 확산 동축은 약 5.9°였습니다. 50:50 하프미러를 쓰면 센서에 돌아오는 빛은 광원 출력의 최대 25%입니다.

Point. 치구 기울기와 연마 굴곡이 허용각 안에 들어오는지를 먼저 계산하고, 들어오지 않으면 다음 절의 돔을 검토합니다.

2. 곡면 경면 — 돔 조명과 중앙 암점

Point. 볼록한 도금 캡처럼 곡면이면서 경면인 부품은 돔 조명이 기본이지만, 관찰 홀이 만드는 중앙 암점을 계산해야 합니다.

Reason. 돔은 반구 전체를 광원으로 만들어 곡면의 모든 방향에 빛을 공급하지만, 카메라가 들여다보는 구멍 자체는 빛을 내지 못해 그 방향을 되비추는 영역이 어둡게 남습니다(돔 조명 암점 글).

Example. 돔 조명 암점 글의 계산에서 보조광이 없으면 중앙 암점이 지름 약 81 px 영역을 덮었고, 외곽 고리까지 고려한 실질 검사 면적은 캡 반경 5.0 mm 중 4.24 mm, 면적 기준 약 72%였습니다.

Point. 돔을 쓸 때는 분해능보다 유효 검사 면적을 먼저 계산하고, 암점은 마스크로 덮지 말고 동축 보조광으로 채웁니다.

3. 헤어라인·얕은 스크래치 — 암시야와 저각도

Point. 방향성 가공면이나 얕은 스크래치는 저각도 암시야가 유리할 수 있습니다.

Reason. 저각에서 들어온 빛은 평탄면에서 정반사되어 렌즈를 비켜 가고, 스크래치나 이물처럼 경사를 가진 곳에서 산란된 빛만 렌즈로 들어와 어두운 배경 위의 밝은 선이 됩니다(다크필드 조명 글). 가공 줄무늬 자체가 경사를 가진 표면에서는 동축낙사의 배경이 줄무늬로 가득 차므로, 이 차이가 특히 커집니다(동축낙사 글의 반대 조건).

Example. 다크필드 조명 글은 결함 없는 샘플만으로 학습하는 엣지 판별 로직과 암시야를 결합한 구성을 다루고, 소프트웨어 정의 조명 글은 하나의 다채널 헤드로 암시야와 동축낙사를 레시피별로 전환하는 구성을 다룹니다.

Point. 줄무늬 방향과 직교하는 조명 방향을 잡는 것이 핵심이며, 결함 방향이 여러 개인 부품은 사분면 점등이나 다채널 전환으로 방향별 촬영을 나누는 방법을 검토합니다.

4. 유광과 무광이 섞인 화면 — 교차 편광과 HDR

Point. 도금 핀과 무광 사출 하우징이 한 화면에 있으면, 교차 편광으로 정반사를 버리거나 HDR 멀티 노출로 두 재질을 나눠 담습니다.

Reason. 교차 편광은 조명 측 편광판과 렌즈 측 검광판을 90°로 두어 편광 방향이 유지되는 정반사 성분을 차단하는 방식이고(교차 편광 글), HDR은 노출이 다른 여러 장을 합쳐 센서 한 장의 다이나믹 레인지(통상 60~70 dB)를 넘는 밝기 차를 담는 방식입니다(HDR 멀티 노출 글). 전자는 정보를 버리고 후자는 나눠 담는다는 차이가 있습니다. 교차 편광 글이 짚듯 금속 정반사에는 원형 편광 성분이 섞일 수 있어, 차단 효과는 재질과 입사각에 따라 달라집니다.

Example. 교차 편광은 광량 손실과 편광 액세서리를 위한 WD 여유를 감수해야 하고, HDR은 여러 장을 찍는 동안 부품이 정지해 있거나 영상 정합이 가능해야 합니다. 고광택 사출품의 깊이 20~50 µm 얕은 함몰처럼 형상 자체가 결함이면, 두 방식보다 기울기를 직접 재는 위상측정 편향법(PMD)이 맞는 경우도 있습니다.

Point. 선택 기준은 “정반사 안의 정보가 필요한가”입니다. 필요 없으면 교차 편광, 필요하면 HDR, 형상 자체가 결함이면 PMD를 검토합니다.

5. 핵심 골격 — 매칭표(조명 선택 지도)

구분	조건	먼저 시도할 조명	확인할 수치 · 상세 글
① 최소 불량 사이즈	폭 20 µm급 스크래치(평탄 경면)	동축낙사	6.0 µm/px에서 약 3.3 px — 동축낙사
① 최소 불량 사이즈	핀홀 25 µm급(곡면 도금 캡)	돔 + 동축 보조광	6.54 µm/px에서 약 3.8 px, 유효 면적 약 72% — 돔 조명 암점
① 최소 불량 사이즈	깊이 20~50 µm 함몰(고광택 사출)	PMD(+ 편광 융합)	기울기 측정 — PMD
② 광학 셋업	평탄 경면, 치구 기울기 1° 이내 관리 가능	비확산 동축	허용각 약 0.9°
② 광학 셋업	연마 굴곡이 1° 안팎	확산 동축	허용각 약 5.9°(확산 ±10° 가정)
② 광학 셋업	헤어라인·방향성 가공면	줄무늬 직교 방향 저각도·암시야	다크필드 / 소프트웨어 정의 조명
② 광학 셋업	유광 + 무광 혼재	교차 편광 또는 HDR 멀티 노출	센서 다이나믹 레인지 60~70 dB — 교차 편광 / HDR
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	방식마다 조명이 차지하는 높이가 다름 — 동축 박스 높이, 돔 직경, 저각도 링 높이를 포함해 확보	돔 직경·WD 계산
③ 알고리즘	포화 영역 처리	필터링 전에 조명·노출로 포화부터 억제	필터링 순서
③ 알고리즘	필터 순서	엣지 보존 필터(바이래터럴) 후 결함 판정	필터링 순서

표 시사점. 조명 선택을 가르는 첫 기준은 결함 크기가 아니라 표면 형상(평탄·곡면·방향성·혼재)입니다. 같은 20 µm급 스크래치라도 표면이 헤어라인 가공면으로 바뀌면 첫 후보가 동축에서 암시야로 바뀝니다. 또한 방식마다 WD 안에서 요구하는 조명 공간이 다르므로, 조명 후보가 둘 이상 남았다면 기구 레이아웃 단계에서 두 방식의 공간을 모두 예약해 두는 편이 안전합니다.

6. 반대 접근이 유리한 조건

• 비드 블라스트 등 확산 마감 금속: 정반사가 약해 동축의 밝은 배경이 만들어지지 않으므로, 경사 조명이 광량과 콘트라스트 모두에서 경제적입니다.
• 결함이 형상이 아니라 색·변색인 경우: 조명 각도보다 파장 선택이 유효할 수 있습니다(파장 선택 글).
• 단일 방향 조명으로 콘트라스트가 이미 충분한 경우: 돔·HDR처럼 공간과 촬영 시간을 더 쓰는 방식은 과잉입니다.

금속 표면의 반사 특성은 연마 조건·코팅·산화막에 따라 크게 달라지므로, 어느 조명이 유리한지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

도금 커넥터와 무광 하우징이 한 화면에 있는 검사에서 처음에는 필터 조합으로 버텼지만, 포화된 핀 위의 스크래치는 어떤 필터로도 살아나지 않았습니다. 표면을 평탄 경면·곡면 경면·무광으로 나눠 영역마다 조명 후보를 다시 적자, 핀 영역에는 동축이, 곡면 쉘에는 돔 보조광이 필요하다는 것이 분명해졌습니다. 결국 조명 조건을 나눠 두 번 촬영하는 구성으로 바꾸고 검사 시간을 다시 배분했습니다. 그때 만든 영역별 조명 표가 이 글 매칭표의 출발점입니다.

현장 체크포인트

• 후보 조명의 공간이 WD와 함께 확보되는가 — 동축 박스 높이, 돔 직경, 저각도 링 높이를 모두 넣어 확인할 것.
• 표면을 평탄 경면·곡면 경면·방향성 가공·혼재로 먼저 분류했는가.
• 동축이라면 치구 기울기와 연마 굴곡이 허용각 안에 드는가.
• 돔이라면 중앙 암점 크기와 유효 검사 면적을 계산했는가.
• 포화 영역을 필터로 다루기 전에 조명·노출로 억제했는가.
• 금속 반사 특성은 샘플 테스트 전 확언 불가 — 한도 견본으로 방식별 비교 촬영을 했는가.

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