모노 카메라도 조명 파장을 고르면 PCB의 색 차이를 잡는다

LIGHTING

모노 카메라도 색 차이를 잡습니다. 조명 파장을 고르면 녹색 마스크 위 구리 노출은 625 nm에서 가장 또렷해지고, 같은 센서의 컬러판보다 두 배 촘촘하게 찍힙니다.

시야 40 mm, 2,448 px 센서를 두고 결함별 밴드 배정, 베이어 컬러 센서의 채널 간격, 세 장을 같은 잣대로 맞추는 정규화를 계산했습니다.

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PCB를 백색 조명 아래에 두면 녹색 솔더마스크, 흰색 실크 인쇄, 적갈색 구리 패드가 눈에는 분명히 다른 색으로 보입니다. 그래서 컬러 카메라로 찍으면 쉽게 나뉠 것 같지만, 패드 위로 번진 얇은 실크나 마스크가 들뜬 틈으로 드러난 구리는 기대만큼 또렷하게 갈라지지 않을 때가 있습니다. 세 재질은 반사율도 제각각입니다. 마스크는 반투명한 수지 층이라 광택이 돌기도 하고, 실크는 빛을 고르게 흩고, 구리는 금속이라 파장에 따라 되돌리는 빛의 양이 크게 달라집니다. 대비가 모자란 채 임계값을 낮추면 마스크의 광택 얼룩과 인쇄 농도 차이가 과검출로 쏟아지고, 임계값을 올리면 80 μm짜리 마스크 박리가 통과합니다. 컬러 카메라의 분해능 손실까지 겹치면 가장 작은 결함은 애초에 화소 몇 개에 흩어져 판정이 흔들리죠. 그 끝에는 작업자가 다시 눈으로 보는 재검 공정이 남습니다.

해법은 색을 찍는 대신 파장을 골라 대비를 조명 단계에서 만드는 것입니다. 모노 카메라(monochrome camera)¹에 좁은 대역의 컬러 LED(narrow-band LED)²를 붙이면, 두 재질의 반사율 차이가 가장 큰 파장만 골라 비출 수 있습니다. 저는 2,448 × 2,048 px 센서로 가로 40 mm를 보는 셋업을 두고, 결함 유형마다 어느 밴드를 맡길지와 컬러 카메라를 쓸 때 잃는 분해능을 계산했습니다.

색은 파장마다 다른 반사율의 모양이다

물체의 색은 파장마다 빛을 얼마나 되돌리는지를 그린 분광 반사율(spectral reflectance)³ 곡선의 모양입니다. 녹색으로 보이는 솔더마스크는 녹색 대역을 상대적으로 많이 돌려보내고 적색과 청색 대역은 흡수합니다. 그래서 적색 조명 아래에서 마스크는 어둡게, 녹색 조명 아래에서는 밝게 찍힙니다. 같은 마스크입니다. 대상과 반대편 색, 곧 보색(complementary color)⁴의 빛은 대상을 어둡게, 같은 색의 빛은 밝게 만든다는 규칙입니다.

어릴 때 빨간 셀로판지를 눈에 대고 보면 빨간 글씨는 흰 종이에 묻혀 사라지고 초록 글씨는 검게 떠오르던 것과 같아요. 모노 센서는 들어온 빛의 양만 기록하니, 조명 파장을 바꾸는 일은 곧 재질마다 밝기 순서를 바꾸는 일입니다. 구리는 단파장 쪽 반사율이 낮고 장파장으로 갈수록 높아져 적갈색으로 보이고, 흰 실크는 가시광 전 대역을 고르게 돌려보냅니다.

Edmund Optics의 머신 비전 필터 자료도 같은 원리를 색상환으로 설명합니다. 색상환 반대편의 색을 막을 때 색유리 필터가 가장 잘 듣고, 모노 카메라로 빨간 캡슐과 초록 캡슐을 찍은 예에서 대비 8.7 %가 녹색 필터 하나로 86.5 %까지 올라갔다고 적습니다. 필터를 렌즈 앞에 두든 그 색의 조명을 쓰든, 센서에 닿는 파장을 고른다는 점은 같습니다. 제 눈에는 이 계산이 컬러 카메라를 고르기 전에 먼저 해 볼 일입니다.

결함마다 대비가 가장 큰 밴드가 따로 있다

PCB 검사에서는 한 밴드로 모든 결함을 잡으려 하기보다 결함 유형마다 대비가 가장 큰 밴드를 따로 맡기는 편이 정확합니다. 마스크 박리로 드러난 구리를 찾는 일은 구리와 마스크의 대비 문제이고, 패드 위로 번진 실크를 찾는 일은 실크와 구리의 대비 문제입니다. 두 쌍은 서로 다른 파장에서 차이가 가장 커집니다. 한 밴드로 두 문제를 함께 풀려 하면 한쪽 대비가 희생되고, 그만큼을 임계값으로 메우게 됩니다.

적색 625 nm 프레임은 구리 노출과 패드 결손에 맡깁니다. 구리가 밝고 녹색 마스크가 어두워 경계가 또렷하기 때문입니다. 청색 470 nm 프레임은 패드 위 실크 번짐에 맡깁니다. 실크는 밝고 구리는 상대적으로 어두워지거든요. 녹색 525 nm 프레임은 같은 색 규칙으로 마스크 바탕을 밝혀, 마스크 위의 어두운 이물이나 긁힘을 띄우는 데 씁니다. 아래 그림은 세 재질의 반사율 곡선과 밴드별 대비를 개념적으로 겹쳐 그린 것입니다.

그림의 곡선은 모양을 보여 주는 개념도라, 실제 값은 마스크 배합과 구리 표면 처리에 따라 달라집니다. 그래서 저라면 밴드 배정표를 실측으로 확정하고, 알고리즘은 그다음에 밴드별로 나눠 짭니다. 조명이 만들지 못한 대비를 이미지 처리만으로 온전히 되살릴 수는 없으니까요. 광택 마스크는 조명 각도에 따라 정반사가 섞여 밴드별 밝기 순서가 바뀔 수도 있어, 이 배정이 그대로 맞을지는 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

컬러 센서는 빨간 화소를 네 칸에 하나만 둔다

일반적인 컬러 센서는 화소마다 적, 녹, 청 필터 가운데 하나만 얹는 베이어 배열(Bayer pattern)⁵을 씁니다. 녹색이 절반, 적색과 청색이 4분의 1씩이라 적색 화소는 가로와 세로로 두 칸마다 하나뿐입니다. 빈 자리를 채우는 디모자이크(demosaicing)⁶는 주변 값으로 보간할 뿐 실제 분해능을 되살리지 않습니다. 컬러 필터의 투과 대역은 넓고 서로 겹쳐, 좁은 대역 LED가 만드는 반사율 차이보다 채널끼리의 분리도 무딥니다.

가로 40 mm를 2,448 px로 보면 모노 센서의 화소 분해능은 16.3 μm/px이고, 80 μm 마스크 박리는 4.9 px를 차지합니다. 같은 센서의 컬러판에서 적색 채널의 간격은 32.7 μm라 같은 결함이 2.45칸으로 줄어, 제 기준인 3칸 아래로 떨어집니다. 구리 노출을 가장 잘 드러내는 채널에서 검출 전제가 무너지는 셈이죠. 색보다 분해능이 먼저 바닥납니다.

컬러 카메라로 같은 조건을 맞추려면 적색 채널에서도 80 μm가 3칸이 되도록 시야를 32.6 mm로 줄여야 합니다. 같은 기판을 덮는 데 드는 장수가 (40 ÷ 32.6)² = 1.51배로 늘어나죠. 모노 순차 촬영의 대가는 밴드마다 한 장씩, 석 장입니다. 어느 쪽이 싼지는 기판 크기와 택트로 갈리지만, 저라면 최소 결함이 컬러 채널 간격으로 몇 칸인지 계산해 두고 고릅니다.

세 장을 같은 잣대로 맞추는 정규화

모노 센서의 양자 효율(quantum efficiency)⁷은 파장마다 다릅니다. 같은 노출이라도 470 nm와 625 nm에서 쌓이는 신호가 달라, 세 장의 밝기를 그대로 견주면 재질 차이와 센서 감도 차이가 섞입니다. 그래서 흰색 기준판을 밴드마다 찍어 기준판 밝기가 같아지도록 노출이나 조명 출력을 맞춥니다. 그다음에야 밴드 사이의 밝기 비교가 재질 이야기가 됩니다.

대비는 재질 쌍마다 마이컬슨 대비(Michelson contrast)⁸, 곧 (밝은 쪽 − 어두운 쪽) ÷ (밝은 쪽 + 어두운 쪽)으로 잽니다. 제 기준은 0.3 이상이고, 이는 밝기 비로 1.86 대 1입니다. Edmund Optics 자료가 권하는 최소 대비 20 %를 같은 정의로 풀면 1.5 대 1이니, 0.3은 그보다 한 걸음 더 여유를 둔 값입니다. 0.3에 못 미치면 밴드를 바꿉니다.

구리 영역은 625 nm 영상을 470 nm 영상으로 나눈 밴드 비율 영상(band ratio image)⁹으로 가르면, 조명 밝기가 조금 흔들려도 덜 흔들립니다. 두 영상이 같은 비율로 밝아지거나 어두워지면 나눗셈에서 지워지기 때문입니다. 다만 세 장을 차례로 찍는 동안 기판이 움직이면 영상끼리 어긋나 비율 영상의 가장자리에 가짜 무늬가 생기니, 정지 상태에서 찍는 것이 전제입니다. 이송과 정지 제어는 별도 검토가 필요합니다.

마스크 박리 80 μm에서 대비 0.3까지, 사양서의 세 줄

계산을 사양서로 옮기면 결함 크기, 조명과 밴드 배정, 정규화와 판정의 세 줄이 됩니다. 렌즈 앞면에서 기판까지의 거리인 WD(working distance)¹⁰는 링 조명 높이와 기판에 실장된 부품 높이까지 담아야 합니다.

항목	기준값	조건·근거	풀어 쓰면
① 최소 불량 사이즈 · 마스크 박리	구리 노출 80 μm 이상	16.3 μm/px에서 4.9 px. 설계 가정	화소 다섯 칸 남짓 드러난 구리
① 최소 불량 사이즈 · 패드 위 실크 번짐	100 μm 이상	6.1 px. 설계 가정	패드에 묻은 흰 인쇄
① 최소 불량 사이즈 · 패드 변색과 오염	150 μm 이상	9.2 px. 설계 가정	색이 바뀐 넓은 자리
② 광학 셋업 · 조명	다채널 링 조명(470, 525, 625 nm), 확산판, 순차 점등	밴드별 대비는 실측으로 확정	색을 바꿔 가며 석 장
② 광학 셋업 · 밴드 배정	625 nm 구리 노출과 패드 결손, 470 nm 실크 번짐, 525 nm 마스크 위 이물	보색과 같은 색 규칙에 따른 첫 배정	결함마다 잘 보이는 색을 따로
② 광학 셋업 · 렌즈와 센서	25 mm F/5.6, 모노 2,448 × 2,048 px, 16.3 μm/px	배율 0.211, 얇은 렌즈 물체거리 143.4 mm. 컬러판 적색 채널은 32.7 μm 간격	가로 40 mm를 한 장에
② 광학 셋업 · WD	WD 120 mm 이상 확보(설계 가정)	렌즈 앞면 기준. 링 조명 높이와 실장 부품 높이 포함 실측	조명과 키 큰 부품이 렌즈 아래에 들어가야 함
③ 알고리즘 파라미터 · 정규화	흰색 기준판으로 밴드별 노출 보정	파장마다 다른 양자 효율 보정	석 장의 잣대를 맞춤
③ 알고리즘 파라미터 · 대비 기준	재질 쌍별 마이컬슨 대비 0.3 이상(밝기 비 1.86 대 1)	설계 목표. 못 미치면 밴드 재배정	밝은 쪽이 두 배 가까이 밝아야 함
③ 알고리즘 파라미터 · 분리와 판정	625 nm ÷ 470 nm 비율 영상으로 구리 영역 분리, 밴드별 영역 차 3σ 초과이고 면적 12 px 이상	80 μm 결함 면적 약 24 px	구리를 먼저 가르고 흠을 찾음

표에서 먼저 읽을 것은 모노와 밴드 선택을 고르는 근거가 색 구분보다 분해능에 있다는 점입니다. 모노 16.3 μm/px에서 80 μm 박리는 4.9 px로 3 px 전제를 넉넉히 넘지만, 같은 센서의 컬러판이었다면 적색 채널에서 2.45칸에 그쳐 구리 노출을 가장 잘 보여 줄 채널에서 전제가 무너집니다. 석 장 촬영이라는 택트 비용은 이 분해능 차이를 사는 값입니다.

모노와 밴드 선택이 맞지 않는 경우도 분명합니다. 변색 등급이나 정체를 모르는 오염처럼 색 자체가 판정 기준이면, 세 채널을 한 번에 얻는 백색광과 컬러 카메라가 유리합니다. 기판이 움직이는 중이라 밴드를 바꿔 석 장을 찍기 어렵다면, 한 번에 찍는 컬러 카메라가 택트와 정합 모두에서 낫습니다. 청색, 흑색, 적색 마스크가 모델마다 바뀌는 다품종 라인이라면 보색 밴드도 따라 바뀌니, 밴드 배정표를 모델별로 관리하는 부담이 크면 컬러 카메라가 운영상 단순합니다. 솔더마스크 광택과 구리 표면 처리에 따라 밴드별 반사율 차이가 크게 달라지므로, 어느 쪽이 우위인지도 샘플 테스트 전 확언 불가입니다.

재질 쌍마다 밴드를 고르고 채널 간격으로 분해능을 따지는 일은 PCB 외관 검사를 맡으면 품목이 바뀔 때마다 다시 하게 되는 계산인데, 반사율 곡선 한 장과 나눗셈 하나만 있으면 누구나 따라 해 볼 수 있습니다. 검사기를 사는 쪽에서는 컬러 카메라냐 모노 카메라냐보다, 최소 결함이 실제로 쓰는 채널에서 몇 칸을 차지하는지와 재질 쌍별 대비를 실측한 표가 있는지를 묻는 편이 실제 검출력을 더 잘 알려 줍니다. 이 글은 기술 설명이며 투자 권유가 아닙니다. 자세한 내용은 면책조항을 참고하세요.

현장 노트

PCB 솔더마스크의 작은 박리를 컬러 카메라로 보고 있다면, 저는 카메라를 바꾸기 전에 최소 결함이 적색 채널에서 몇 칸인지부터 계산합니다. 이 셋업이라면 80 μm가 2.45칸이라 채널 하나로는 3칸 기준에 못 미치기 때문입니다. 그다음 470, 525, 625 nm 후보 밴드마다 흰색 기준판으로 노출을 맞추고, 재질 쌍별 마이컬슨 대비가 0.3을 넘는 밴드를 골라 배정표에 적습니다. 마스크 공급처나 구리 표면 처리가 바뀌면 이 표를 다시 잽니다.

현장 체크포인트

채널 간격과 밴드별 대비를 확인했다면, 아래 질문으로 나머지를 점검합니다.

• WD 120 mm 이상이 링 조명 높이와 실장 부품 높이까지 넣어 실측으로 확보되는가? (조명과 키 큰 부품이 렌즈 아래에 들어가는지)
• 솔더마스크의 색과 광택, 구리 표면 처리를 먼저 확인했는가? (반사율 곡선이 바뀌면 밴드 배정도 바뀜)
• 검출할 재질 쌍마다 밴드별 마이컬슨 대비를 실측해 배정표를 만들었는가? (0.3 이상인 밴드만)
• 컬러 카메라를 검토한다면 최소 결함이 채널 간격 기준 3칸 이상인가? (이 셋업의 적색 채널은 32.7 μm 간격)
• 밴드별 노출을 흰색 기준판으로 맞췄는가? (파장마다 센서 감도가 다름)
• 석 장을 찍는 동안 기판이 멈춰 있고, 그 시간이 택트 안에 들어오는가? (영상끼리 어긋나지 않는지)

용어 풀이

• [1] 모노 카메라 monochrome camera
  컬러 필터 없이 모든 화소가 빛의 양만 기록하는 카메라입니다. 같은 센서라도 화소를 모두 써서 컬러판보다 촘촘하게 찍습니다. ↩
• [2] 좁은 대역 LED narrow-band LED
  한 색 근처의 좁은 파장 범위만 내는 LED입니다. 원하는 파장만 골라 비출 수 있어 재질 대비를 조명으로 만듭니다. ↩
• [3] 분광 반사율 spectral reflectance
  파장마다 표면이 빛을 얼마나 되돌리는지를 나타낸 값입니다. 이 곡선의 모양이 사람 눈에는 색으로 보입니다. ↩
• [4] 보색 complementary color
  색상환에서 서로 마주 보는 색입니다. 대상의 보색 빛을 비추면 대상이 어둡게 찍힙니다. ↩
• [5] 베이어 배열 Bayer pattern
  화소마다 적, 녹, 청 필터 하나를 바둑판처럼 얹은 배열입니다. 녹색이 절반, 적색과 청색이 4분의 1씩입니다. ↩
• [6] 디모자이크 demosaicing
  베이어 배열의 빈 색 정보를 주변 화소 값으로 채워 넣는 보간입니다. 빈칸을 메울 뿐 새 정보를 만들지는 않습니다. ↩
• [7] 양자 효율 quantum efficiency
  센서에 들어온 빛 알갱이 가운데 전기 신호로 바뀌는 몫입니다. 파장에 따라 달라 밴드마다 노출을 맞춰야 합니다. ↩
• [8] 마이컬슨 대비 Michelson contrast
  (밝은 쪽 − 어두운 쪽) ÷ (밝은 쪽 + 어두운 쪽)으로 구하는 대비입니다. 0.3이면 밝기 비가 1.86 대 1입니다. ↩
• [9] 밴드 비율 영상 band ratio image
  한 밴드의 영상을 다른 밴드의 영상으로 화소마다 나눈 영상입니다. 두 영상에 똑같이 실린 밝기 변화는 지워집니다. ↩
• [10] WD working distance, 작동 거리
  렌즈 앞면에서 검사할 면까지의 거리입니다. 링 조명과 기판 위의 키 큰 부품이 이 사이에 들어가야 합니다. ↩

참고 자료

• Edmund Optics Knowledge Center, Machine Vision Filter Technology (색상환 반대편의 색을 막는 색유리 필터, 모노 카메라로 찍은 캡슐 예에서 대비 8.7 %가 86.5 %로 오른 사례, 권장 최소 대비 20 %)
• Wikipedia, Bayer filter (녹색 절반, 적색과 청색 4분의 1씩인 배열과 디모자이크 보간)
• 계산식: 화소 분해능 = 시야 ÷ 화소 수, 베이어 적색 채널 간격 = 화소 분해능 × 2, 결함 칸 수 = 결함 크기 ÷ 간격, 3칸을 지키는 시야 = 결함 크기 ÷ 3 ÷ 2 × 화소 수, 촬영 장수 비 = (시야1 ÷ 시야2)², 마이컬슨 대비 C = (Imax − Imin) ÷ (Imax + Imin), 밝기 비 = (1 + C) ÷ (1 − C), 배율 m = 센서 폭 ÷ 시야, u = f × (1 + 1/m)

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