노출을 줄이면 어두워지는데 어떻게 멈춰 찍는가 — 스트로브 오버드라이브로 이동 중 모션 블러 억제하기

LIGHTING / STROBE

움직이는 대상물을 멈추지 않고 찍어야 하는 검사 현장에서는 같은 대화가 반복됩니다. 이미지가 흐리니 노출을 줄이자, 노출을 줄이니 어두워서 게인을 올리자, 게인을 올리니 노이즈가 결함처럼 보인다. 결국 노출 시간과 밝기 사이에서 어느 한쪽을 포기하는 절충값에 머무르고, 그 절충값은 라인 속도가 조금만 올라가도 다시 무너집니다.

이 상태를 방치하면 비용은 가장 작은 결함에서 먼저 나타납니다. 모션 블러는 결함의 윤곽을 이동 방향으로 늘여 콘트라스트를 희석합니다. 블러 폭이 결함 크기에 가까워지면 80 µm급 핀 끝 찍힘이나 실크 번짐은 배경과 섞여 통과됩니다. 반대로 임계값을 낮춰 잡으면 블러로 번진 정상 엣지가 과검출로 쏟아집니다. 어느 쪽이든 검사 결과는 라인 속도와 함께 흔들리는 값이 됩니다.

해법은 카메라 노출이 아니라 조명이 켜져 있는 시간으로 셔터를 대신하는 것입니다. 조명을 수 µs 폭의 펄스로 짧게 켜면, 카메라 노출 창이 더 길어도 실제로 상이 맺히는 시간은 펄스폭뿐입니다. 짧아진 시간만큼 줄어드는 광량은 LED를 정격 전류보다 높게 순간 구동하는 오버드라이브로 보충합니다. 설계의 출발점은 블러 px = 속도 × 펄스폭 ÷ 화소 분해능이라는 한 줄의 계산입니다.

이동 중 촬영에서 셔터는 카메라가 아니라 조명 펄스의 폭입니다.

1. 블러 허용치를 px로 먼저 정한다

Point. 스트로브 설계는 펄스폭을 고르는 일이 아니라 허용 블러를 px 단위로 먼저 정하는 일에서 시작합니다.

Reason. 모션 블러의 길이는 대상물 이동 속도와 광이 들어오는 시간의 곱입니다. 이 길이를 화소 분해능(µm/px)으로 나누면 이미지 위에서 몇 px로 번지는지가 나옵니다. 블러가 0.5 px 이하이면 엣지 경사는 정지 상태와 거의 구분되지 않지만, 1 px를 넘으면 엣지 폭이 눈에 띄게 넓어지고, 최소 결함의 점유 px에 가까워지면 검출 자체가 흔들립니다. 따라서 허용 블러를 먼저 정하면 필요한 펄스폭은 역산으로 결정됩니다.

Example. 이송 속도 1,000 mm/s, FOV 60 mm, 가로 2448 px 센서라고 가정하겠습니다. 화소 분해능은 60 mm ÷ 2448 px ≈ 24.5 µm/px입니다. 연속 조명에 노출 100 µs를 쓰면 블러는 1,000 mm/s × 100 µs = 100 µm, 약 4.1 px입니다. 최소 결함 80 µm가 약 3.3 px이므로 블러가 결함보다 깁니다. 허용 블러를 0.5 px(약 12.3 µm)로 잡으면 펄스폭은 12.3 µs 이하여야 하고, 여유를 두어 10 µs로 정하면 블러는 10 µm, 약 0.41 px가 됩니다.

Point. “흐리니 노출을 줄이자”가 아니라 “블러를 몇 px까지 허용하는가”를 사양서 첫 줄에 적으십시오. 이송 속도 자체의 제어는 별도 검토가 필요합니다만, 속도값은 이 계산의 필수 입력입니다.

2. 오버드라이브 — 짧아진 시간만큼 전류를 올리는 조건

Point. 펄스폭을 10 µs로 줄이면 광량이 부족해지고, 오버드라이브는 이 부족분을 전류로 메우는 방법입니다. 다만 한계를 정하는 것은 평균 듀티비보다 펄스 한 발의 피크 조건인 경우가 많습니다.

Reason. LED 조명의 발열 한계는 흔히 평균 전력, 즉 피크 전력 × 듀티비로 설명됩니다. 그런데 펄스가 수 µs로 짧고 촬영 주기가 수십 ms라면 듀티비는 매우 작아져 평균 발열은 거의 문제가 되지 않습니다. 이때 제약은 LED 칩과 드라이버가 견디는 피크 전류, 펄스 한 발 동안의 접합부 온도 상승, 그리고 드라이버의 전류 상승 시간으로 옮겨 갑니다. 또한 LED 광출력은 전류에 정비례하지 않고 고전류 영역에서 증가율이 둔해지므로, 전류 4배가 광량 4배를 보장하지 않습니다.

Example. 촬영 주기를 20 fps(이송 50 mm마다 1장, FOV 60 mm로 10 mm 중첩)로 두면 펄스 10 µs의 듀티비는 10 µs × 20 = 200 µs/s, 즉 0.02%입니다. 정격의 4배 전류로 오버드라이브해도 평균 발열은 정격 연속 구동의 1%에도 한참 못 미칩니다. 반면 드라이버 전류 상승 시간이 1 µs라면 10 µs 펄스의 10%가 상승 구간에 쓰이므로, 펄스를 더 줄일수록 유효 광량 손실 비율이 커집니다. 허용 전류와 펄스폭의 조합은 조명 제조사의 펄스 정격 자료로 확인해야 합니다.

Point. 오버드라이브 검토표에는 듀티비와 함께 피크 전류, 최대 펄스폭, 드라이버 상승 시간 세 항목을 반드시 나란히 적어야 합니다. 듀티비만 보고 안전하다고 판단하면 칩 열화라는 느린 고장으로 돌아옵니다.

3. 펄스폭과 광량의 트레이드오프를 광학 쪽에서 닫기

Point. 오버드라이브로도 광량이 다 채워지지 않는 경우가 대부분이며, 남은 부족분은 게인보다 조리개와 조명 배치에서 먼저 찾아야 합니다.

Reason. 한 프레임에 쌓이는 광 에너지는 대략 광출력 × 조명 점등 시간에 비례합니다. 연속 조명 1배로 100 µs를 노출하던 구성을 4배 오버드라이브 10 µs로 바꾸면 에너지는 (4 × 10) ÷ (1 × 100) = 0.4배, 즉 40%로 떨어집니다. 실제로는 LED 효율 저하로 이보다 낮을 수 있습니다. 부족분을 게인으로 채우면 신호와 잡음이 함께 증폭되어 콘트라스트 대 잡음비는 개선되지 않습니다. 소프트웨어 디블러링으로 긴 노출의 블러를 되돌리는 방법도 잡음 증폭 문제가 같아, 하드웨어 셋업의 부족을 완전히 덮지 못합니다.

Example. 조리개를 F/8에서 F/5.6으로 한 단 열면 집광량은 약 2배가 되어 에너지는 0.4 → 약 0.8배까지 회복됩니다. 이때 피사계 심도는 좁아지므로 대상물 높이 편차가 심도 안에 드는지 함께 확인해야 합니다. 나머지 약 1.25배는 조명 작동 거리를 줄이거나 조명 대수를 늘려 확보하고, 게인은 마지막 수단으로 남겨 둡니다. 카메라 노출 창은 20 µs로 두어 10 µs 펄스를 트리거 지터 여유와 함께 감싸고, 주변광이 이 짧은 창에 기여하지 않도록 차광 후드를 둡니다. 광택이 있는 커넥터 금속부처럼 난반사가 섞이는 표면에서 필요한 광량은 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

Point. 펄스폭을 줄여 얻은 선명도와 그 대가로 잃은 광량은 반드시 같은 표 안에서 에너지 비율로 계산하십시오. 그래야 부족분이 조리개로 닫히는지, 조명 추가가 필요한지 설계 단계에서 결정됩니다.

블러를 1/10로 줄이는 대가는 광 에너지 60% 손실이며, 이 손실을 어디서 메울지가 스트로브 설계의 본체입니다.

4. 핵심 골격 — 매칭표

구분	항목	사양 / 파라미터	근거·비고
① 최소 불량 사이즈	커넥터 핀 끝 찍힘	80 µm 이상	설계 가정. 24.5 µm/px 기준 약 3.3 px 점유
① 최소 불량 사이즈	PCB 실크 인쇄 번짐	100 µm 이상	설계 가정. 약 4.1 px 점유
① 최소 불량 사이즈	솔더 볼 잔류	직경 120 µm 이상	설계 가정. 약 4.9 px 점유
② 광학 셋업	조명	LED 바 조명 2대, 스트로브 펄스 10 µs, 정격 4배 오버드라이브	설계 가정. 허용 전류·펄스폭은 제조사 펄스 정격으로 확인
② 광학 셋업	동기	촬영 20 fps, 듀티비 0.02%, 트리거 지터 1 µs 이하	지터 1 µs × 1,000 mm/s = 1 µm(약 0.04 px, 계산값)
② 광학 셋업	렌즈	초점거리 16 mm, F/5.6	배율 약 0.141×, 계산 물체거리 약 130 mm
② 광학 셋업	WD(작동 거리)	110 mm 이상 확보 필수	렌즈 선단 기준. 바 조명·차광 후드 간섭 포함 실측 확인
② 광학 셋업	센서·FOV	글로벌 셔터 2448 × 2048 px / FOV 60 mm × 50 mm	60 ÷ 2448 ≈ 24.5 µm/px(계산값)
③ 알고리즘	블러 허용치	0.5 px 이하 (1,000 mm/s × 10 µs = 10 µm ≈ 0.41 px)	연속 조명 100 µs 노출 시 약 4.1 px(비교 계산값)
③ 알고리즘	블러 검증	이동 중 엣지 10–90% 폭 측정, 정지 대비 증가 0.5 px 이하	교정 패턴을 실제 속도로 통과시켜 측정
③ 알고리즘	밝기 정규화	기준판 평균 밝기로 프레임별 게인 보정, 게인 상한 설정	펄스 간 광량 편차 추적용
③ 알고리즘	결함 판정	배경 차 > 3σ, 최소 면적 6 px 이상	80 µm 결함 약 3.3 × 3.3 px = 약 10.7 px 면적 기준

표 시사점. 24.5 µm/px에서 최소 결함 80 µm는 약 3.3 px를 점유하므로 검출 하한을 겨우 넘습니다. 연속 조명 100 µs의 블러 4.1 px는 이 결함 크기보다 커서 결함을 원리적으로 지워 버리지만, 10 µs 펄스의 블러 0.41 px는 결함 점유 px의 약 1/8에 그칩니다. 그 대가인 광 에너지 40%는 조리개 한 단(약 2배)으로 80%까지 회복되므로, 남은 부족분을 조명 배치로 닫을 수 있는지가 이 구성의 성패를 가릅니다.

5. 반대 접근이 유리한 조건

• 대상물이 촬영 순간 정지하는 인덱스 방식 공정: 블러가 원리적으로 없으므로 연속 조명과 긴 노출이 광량·안정성 모두에서 유리하고, 오버드라이브에 따른 칩 스트레스도 피할 수 있습니다.
• 이동 속도가 느리거나 화소 분해능이 거친 구성: 속도 × 노출이 0.5 px 이하로 계산되면 스트로브의 복잡도(동기 배선·드라이버)는 이득이 없습니다.
• 프레임 주기가 매우 짧은 고속 촬영: 듀티비가 커져 평균 발열이 한계에 가까워지면 오버드라이브 배율을 낮춰야 하므로, 라인스캔처럼 조명을 연속으로 켜는 구조가 더 나을 수 있습니다.

표면 반사율과 LED 효율 저하 정도에 따라 필요한 오버드라이브 배율이 달라지므로, 실제 광량 여유는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

현장 노트

고속 조립 라인에서 커넥터 핀 끝을 검사할 때, 노출을 줄이고 게인을 올리는 방식으로 버티다가 결국 스트로브로 바꾼 경험이 있습니다. 처음에는 펄스폭만 10 µs로 줄이면 되리라 생각했는데, 오버드라이브를 걸어도 계산만큼 밝아지지 않아 조리개를 한 단 열고 바 조명의 거리를 좁혀서야 광량이 맞았습니다. 이동 중 교정 패턴의 엣지 폭을 재 보니 정지 상태 대비 증가가 0.5 px 안쪽이었고, 그제야 임계값을 다시 잡았습니다. 듀티비는 여유가 컸지만 드라이버 상승 시간이 펄스의 상당 부분을 차지한다는 점은 파형을 찍어 보고서야 알았습니다. 조명과 표면 조건이 달라지면 결과도 달라질 수 있어, 지금은 파형 확인을 셋업 첫 단계에 둡니다.

현장 체크포인트

• WD 110 mm 이상이 실측으로 확보되는가 — 바 조명과 차광 후드가 렌즈 선단과 대상물 사이에 들어가는지 함께 확인할 것.
• 대상물 표면 재질과 반사율을 먼저 확인했는가 — 금속 핀과 솔더마스크는 같은 펄스에서도 필요한 광량이 다릅니다.
• 허용 블러(px)와 이송 속도로부터 펄스폭을 역산해 사양서에 적었는가.
• 피크 전류·최대 펄스폭·드라이버 상승 시간을 듀티비와 함께 제조사 정격으로 확인했는가.
• 조명 전류 파형을 실제로 측정해 유효 펄스폭을 확인했는가 — 상승 구간은 광량 손실입니다.
• 조리개 변경 후 피사계 심도가 대상물 높이 편차를 덮는가.