[기초] Prism 라인 스캔(Line-scan) 카메라 소개

영역 스캔(Area-scan) 카메라는 칼라 영상을 얻기 위해 Bayer 센서 또는 Prism 방식의 Multi-sensor가 사용됩니다.

라인 스캔(Line-scan) 카메라도 마찬가지로 Bayer 센서, Prism 방식의 Multi-sensor 그리고 Trilinear 센서가 있습니다.

[기초] Trilinear 라인 스캔(Line-scan) 카메라 소개

이번 포스팅에서는 Prism 방식의 Multi-sensor 칼라 라인 스캔 카메라에 대해 소개하고자 합니다.

Prism 라인 스캔 카메라?

먼저 칼라 머신 비전 어플리케이션을 위해 영역 스캔 또는 라인 스캔 카메라를 사용할 것인지 생각해 봐야 합니다.

만약, 칼라 라인 스캔 카메라를 선택할 경우 Trilinear 또는 Prism 카메라를 선택해야 합니다.

Trilinear 카메라 처럼, Prism 라인 스캔 카메라는 세 개의 분리된 라인으로 RGB 정보를 캡쳐할 수 있습니다.

하지만 Prism 라인 스캔 카메라는 세 개의 분리된 라인 센서가 탑재되어 있습니다.

*Trilinear 카메라는 하나의 센서(Single sensor)에 세 개의 RGB 라인으로 구성되어 있습니다.

이 센서는 프리즘이 장착되어 단일 광학 평면에 정렬되어 세 개의 모든 센서가 동시에 타겟의 동일한 라인을 캡처할 수 있습니다.

*Trilinear 카메라는 순차적으로 캡처됩니다.

프리즘의 다이크로익(Dichroic) 코팅은 세 개의 개별 센서에 이미지를 분할하여 매우 정밀한 RGB 값이 각 라인 픽셀에 캡처됩니다.

<Prism 기반의 Multi-sensor 구조>

Multi-sensor Prism 라인 스캔 카메라는 언제 사용될까요?

1. 색상 정확도가 필요할 때 사용됩니다.

R,G,B 파장을 분리하는데 사용되는 다이크로익 프리즘 코팅은 Trilinear 카메라의 폴리머 필터(Polymer filter)보다 정밀한 분별력을 제공합니다.

결과적으로 색상 채널에서 크로스토크(Crosstalk)가 적어지며, 특히 스펙트럼 대역이 겹치는 곳에서 색상 정확도가 향상됩니다.

   
<왼쪽: GO-2400C-PMCL, 오른쪽: AP-1600T-PMCL>
Y축이 각각 QE와 스펙트럼 응답성을 보여주지만, 크로스토크(Crosstalk)를 설명하기 위한 예시입니다.
Bayer sensor와 Prism sensor의 스펙트럼 그래프에 차이가 있습니다.
회색 음영 부분이 크로스토크 즉, 간섭되는 부분이며 이러한 간섭으로 인해 색상 표현력이 떨어지게 됩니다.
하지만 Multi-sensor는 Bayer sensor보다 크로스토크가 적기 때문에, 색상 표현력이 월등하게 높습니다.

2. 카메라가 비스듬하게 장착되어 있거나 컨베이어 벨트의 속도가 다른 경우 사용됩니다.

Trilinear 카메라를 사용하여 기울어진 위치 또는 다양한 속도의 컨베이어 벨트에서 대상물을 캡처하면

라인 간격과 노출 동기화와 관련된 문제가 발생할 수 있습니다.

하지만 Prism 카메라는 한 번에 한 라인씩 캡처하고 빛은 프리즘에 의해 내부적으로 각 센서로 분할됩니다.

Prism 카메라가 대상을 기준으로 기울어져 있을 때, 모든 세 개의 라인 센서는 대상과 동일한 길이를 유지합니다.

또한 Prism 카메라는 각 라인에 대해 동시에 R,G,B 정보를 캡처하므로 대상의 속도에 따라 색상 데이터 품질에 영향을 미치지 않습니다.

3. "web"에 잔 물결 또는 대상의 방향이 바뀌는 경우 사용됩니다.

Trilinear 카메라를 사용하는 경우, 연속된 종이에서 작은 물결은 큰 문제를 만들 수 있습니다.

각 세 라인이 대상을 보는 방법이 바뀌어 픽셀 오프셋(pixel offset)과 색 줄무늬(color fringe)가 생기게 됩니다.

Prism 기반의 라인 스캔 카메라는 각 센서의 픽셀이 항상 정확히 동일한 지점에 집중되도록 하는 단일 광학 평면 때문에 이러한 문제를 방지합니다.

따라서 잔 물결 또는 대상의 방향이 바뀌거나 이동하여도 항상 같은 지점을 캡처하므로, 깨끗한 이미지를 얻을 수 있습니다.

4. 화이트 밸러스(white balance) 및 색상 보정(color correction)을 보다 효과적으로 제어하고 싶은 경우 사용됩니다.

Prism 카메라는 세 개의 라인 스캔 센서 각각에 대한 노출 설정을 개별적으로 제어할 수 있습니다.

즉, 화인트 밸런스는 각 개별 센서의 노출 설정으로 수행 된다는 것을 의미합니다.

응용 프로그램에서 노이즈를 최대한 감소시키고 깨끗한 색상 정보를 얻기 위해 

더 나은 감도와 노출 기반 화이트 밸러스의 조합은 Prism 라인 스캔 카메라의 장점입니다.

5. 머신 비전 시스템의 안정성을 오랜 시간 동안 유지하고 싶은 경우 사용됩니다.

다이크로익 프리즘 코팅은 Trilinear 폴리머 필터보다 광 투과율이 좋을 뿐만 아니라 시간에 지남에 따라 더욱 안정적입니다.

더 나은 광 투과율은 프리즘 기반 시스템이 낮은 강도(낮은 비용)의 광원(조명)을 사용할 수 있고,

여전히 좋은 밝기를 얻을 수 있음을 의미합니다.

Trilinear 시스템은 동일한 밝기를 얻기 위해서는 필터 특성상 고휘도 광원(조명)을 필요로 하므로 비용이 많이 들 뿐만 아니라

카메라의 칼라 필터의 수명이 훨씬 빠르게 저하될 수 있습니다.

라인 스캔 카메라에 대해 더 알고 싶으시다면?

[기초] Trilinear 라인 스캔(Line-scan) 카메라 소개

[기초] 라인 스캔(Line-scan) 카메라 소개

[기초] Line-scan 영상 취득 방식

출처: (C)JAI