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스페클 없는 레이저를 통해 3D 검사를 개선하는 방법

레이저 변위 센서를 사용하는 머신 비전 솔루션은 레이저 라인 발생기, 레이저 라인의 반사를 캡처하기 위한 카메라, 이미지를 처리하고 3D 데이터를 추출하며 일부 경우에는 2D 이미지도 추출하기 위한 컴퓨터 등 3가지 필수 요소로 구성됩니다. 그러나 레이저 스페클은 오랫동안 이러한 시스템의 정확성 문제를 겪어 왔으며, 세부적인 3D 포인트 클라우드 모델과 2D 그레이스케일 이미지 모두를 캡처할 수 있는 기능을 제한합니다.

2D 높이 맵 및 3D 포인트 클라우드 비교

2.5D 높이 맵(왼쪽) 및 3D 포인트 클라우드(오른쪽)

레이저 변위 센서는 제품이 레이저 면을 통과할 때 투사된 레이저 선의 변화를 추적하는 방식으로 작동합니다. 제품이 평면을 통과하면 제품의 표면상의 변화가 프로파일의 변경으로 기록됩니다. 레이저 광원은 기본적인 결합 특성 때문에 이러한 3D 스캐너에 특히 적합합니다. 레이저 빔은 가장 가늘면서 최소한도의 분기 라인을 형성하며, 매우 밝게 나타납니다. 레이저 프로파일러의 부채꼴 빔과 같이 빛의 얇은 시트 위로 퍼지면, 빔이 종이 몇 장 정도에 불과한 두께 변화로 원거리를 비춥니다. 그러나 이러한 동작은 상당한 비용을 초래합니다. 

스페클의 원인

레이저 광원의 순수 파장은 자체 간섭을 일으킬 수 있고, 이미지에서 무작위로 어두운 부분과 밝은 부분을 형성할 수 있습니다. 이 간섭은 레이저로 생성된 부분을 볼 때 거친 “스페클”로 나타납니다. 스페클은 60년 동안 레이저 조명의 기본적인 요소로 여겨져 왔으며, 계측학에서 문제로 보기 시작한 것은 그리 얼마 되지 않습니다. 

계측학에서는 스페클의 영향이 매우 큽니다. 랜덤으로 어둡고 밝은 부분은 평평한 부분에서 일직선 상태의 레이저 라인에 파형을 일으킵니다. 이 파형 또는 불확실성은 보정이 불가능한 무작위 높이 오차에 직접 영향을 줍니다. 이러한 현상은 레이저 광학장치에 있어 기본적인 요소입니다. 어떠한 레이저 측정 시스템에서나 기본적인 정확도의 제한은 수십 년 동안 인라인 계측 시스템에 영향을 주었습니다.

스페클 문제 해결

엔지니어들은 다양한 방법을 사용해 레이저 삼각 측량에서 스페클의 영향을 줄이기 위해 노력합니다. 스펙클을 제어할 수 있는 기본적인 동인이나 변수는 카메라의 파장과 조리개이므로 더 짧은 파장과 더 큰 조리개 카메라로 이동하면 평균 스펙클을 50% 줄일 수 있습니다. 그러나 고저간 오차는 거의 변동이 없습니다. 스페클 라인이 움푹 패인 곳이 있는 도로라고 하면, 평균적으로는 깊지 않다고 생각할 수 있지만 결국에는 몇몇개의 큰 웅덩이에 부딪히게 됩니다.

스페클 효과를 방지하기 위해 일반적으로 사용되는 또 다른 방법은 여러 개의 이미지를 획득하여 평균을 구하는 것입니다. 이 방법은 스페클 패턴이 동작 또는 다른 수단으로 충분히 변경된 경우, 이미지 수에 대한 제곱근의 역으로 이미지에서 스페클을 제거합니다. 결과로 나타나는 이미지는 자연적으로 평균 공간적 특성을 갖게 되고, 이 프로세스에는 상당한 시간과 처리 오버헤드가 수반됩니다.

레이저 홀로그래피에 사용되는 전형적인 두 가지 기법은 레이저를 이동하거나 레이저와 조명을 비추는 스크린 사이에서 확장 장치를 이동해서 스페클을 줄이거나 거의 없애 줍니다. 이 방법은 스페클을 상당 부분 줄여주지만, 무거운 물체를 이동할 때(이 경우, 무게가 몇 그램 정도 나가는 모든 물체 포함) 카메라 통합 시간을 수 밀리 초로 제한하고 다수의 측정에서 10분의 몇 밀리 초가 필요하게 됩니다. 또한 확장 장치가 빔 품질을 저하시켜 빛의 얇은 층이 불가능 해집니다.

공장 자동화를 위한 스페클 없는 머신 비전의 이점 

코그넥스는 최근 3D 레이저 프로파일링 비전 솔루션인 In-Sight 3D-L4000의 특허를 취득하였습니다. 이 솔루션은 스페클의 모양과 효과를 없애고 똑바르고 선명하며, 밝은 라인을 생성하는 동시에, 더러운 환경에서 시스템의 성능을 강화하고 레이저 클래스 2M 레이저 안전도 제한 내에서 효과적으로 작동합니다.

In-Sight 3D-L4000은 스페클 없는 레이저 라인을 사용해 주조 자동차 부품을 검사합니다.

In-Sight 3D-L4000은 스페클 없는 레이저 라인을 사용해 주조 자동차 부품을 검사합니다.

In-Sight 3D-L4000 접근방식은 26 kHz에서 특수 확장 광학장치를 향해 빔을 전후로 스윕하는 MEM(미세전자기계) 미러에 의해 구동되는 450 nm 블루 레이저로부터 시작합니다. 이 솔리드 스테이트 광학 요소는 완벽히 균일한 부채꼴에서 한 방향으로 레이저 빛을 확산시키면서, 모놀리식 반도체 빔-스티어링 솔루션에 공통된 견고성과 미확산 레이저 빔에 상응하는 시트 두께를 유지하는 고유한 특성을 갖추고 있습니다.

또한 라인을 따른 강도 분산이 균일합니다. 필드 레이저는 레이저 팬을 집중시키며, 기존의 레이저 라인 생성기와 비교해서 커다란 빛의 손실이 없습니다. 이와 함께 2개의 광학 요소가 개체에서 레이저 라인을 생성하며, 다시 센서로 반사될 때 모든 스페클을 제거하면서 레이저의 밝기를 유지합니다. 스페클 효과를 완화하려는 기계식 시스템과 달리, 새로운 스페클 없는 레이저는 소스에서 스페클의 원인을 제거합니다. 이로써 성공적인 3D 레이저 스캔 검사 시스템 개발을 위한 경로를 따라 발생하는 가볍거나 심각한 문제들을 없애 줍니다.

마지막으로, 레이저 라인은 멀티파트 광학장치를 따라 수천 개의 포인트로부터 투사되기 때문에 레이저 프로젝터를 차단할 수 있는 오염물이 있더라도 선명하게 투사할 수 있게 합니다. 이 투사 방법은 작업자에게 안전하다는 추가적인 이점이 있습니다. In-Sight 3D-L4000 레이저 소스는 3B 또는 3R이 아닌 2M으로 분류되어 필요한 안전 장비, 엔지니어링 리소스 및 구축 비용이 크게 줄어듭니다.

스페클 없는 레이저 라인 및 스페클이 있는 레이저 비교

블루 스페클 없는 레이저 라인(왼쪽) 및 스페클이 있는 레드 레이저 라인(오른쪽)

제품에 조준되는 높은 레이저 강도는 ”스페클이 감소“된 다른 모든 3D 레이저 프로파일링 솔루션보다 더 높은 신호대잡음 값을 생성합니다. 이로써 개별 프레임 획득 시간이 26 us만큼 낮은 경쟁사의 솔루션보다 평균적으로 더 빠르게 시스템을 작동할 수 있습니다. 또한 스페클 감소는 더 높은 공간 분해능을 뜻하며, 그 결과 더욱 정확한 3D 측정이 가능해집니다. 레이저 라인의 선명함과 밝기, 수집 속도 등의 추가적인 이점 덕분에 같은 솔루션에서 고해상도 2D 그레이스케일 및 3D 용적 이미지를 생성할 수 있으므로 비용을 줄이면서 중요한 기능을 추가할 수 있습니다.

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