Principle : Imaging & Microscopy
레이저 헤드의 동축 비전 시스템은 센서, 렌즈, 조명, 소프트웨어가 서로 유기적으로 작동해야 최적의 결과를 얻을 수 있습니다. 특히 동축 비전은 정밀한 위치 판단이 핵심이기 때문에, 렌즈 선택 시에는 FOV, NA, WD, 배율 등을 종합적으로 고려하는 것이 중요합니다.
Apr 05, 2025
레이저 가공 시스템에서 동축 비전(Coaxial Vision)이 중요한 이유
산업용 레이저 가공 시스템은 정밀한 위치 제어와 공정 모니터링이 핵심입니다. 특히 레이저 마킹, 정밀 절단, 마이크로 가공과 같이 위치 오차가 허용되지 않는 작업에서는 동축 비전(Coaxial Vision) 시스템이 매우 중요한 역할을 합니다.
레이저 가공 기술이 아무리 정밀해도, 정확한 ‘눈’ 없이는 완성도가 떨어질 수밖에 없습니다. 동축 비전 시스템은 단순히 카메라를 다는 것이 아니라, 레이저 공정과 광학 설계, 비전 알고리즘이 유기적으로 융합된 정밀 기술입니다. 정확하게 보고, 즉시 판단하고, 곧바로 보정하는 시스템. 그 중심에 동축 비전이 있으며, 레이저 가공 산업의 미래는 더욱 스마트해질 것입니다.
오늘은 이 동축 비전 시스템의 구성 요소와, 핵심인 비전용 렌즈의 주요 파라미터에 대해 쉽고 자세히 알아보겠습니다.
동축 비전 시스템이란?
동축 비전 시스템은 레이저 광로와 동일한 경로(동축)를 통해 비전 센서가 공정 대상(워크피스)을 관찰하는 방식입니다. 일반 카메라가 측면이나 위쪽에서 보는 것과 달리, 레이저 빔이 나가는 경로 그대로를 카메라가 ‘공유’하기 때문에, 즉, 카메라가 레이저와 동일한 시야로 작업물을 바라보기 때문에, 가공 위치와 관찰 위치 사이의 오차가 없고 정밀한 위치 제어가 가능합니다.
- 마킹 위치가 어긋나지 않게 정렬되고
- 용접 위치도 실시간 추적할 수 있으며
- 공정 중 간섭 없는 모니터링이 가능합니다.
왜 동축 비전이 중요한가요?
1. 정밀한 위치 보정 (Alignment Correction)
레이저 가공은 마이크로미터(μm) 단위의 오차도 불량을 초래할 수 있습니다. 동축 비전 시스템은 카메라가 직접 가공 위치를 ‘정조준’하여,
- 사전 정렬 오차 보정
- 제품 로딩 시의 위치 편차 자동 수정
- CAD 대비 실물의 정렬 확인
이 가능해집니다.
2. 실시간 품질 모니터링
가공 중에도 동축 비전을 통해,
- 용접 비드 추적
- 마킹 위치 확인
- 절단부 확인 및 오염 감지
같은 실시간 피드백 기반 제어가 가능합니다.
3. 다양한 어플리케이션에 대응
동축 비전은 구조적으로도 매우 유연하여 다음과 같은 다양한 분야에 적합합니다:
- 자동차 에어백 스코어링
- 반도체 칩 패키징
- 의료기기 미세 용접
- 모바일 기기 금속 마킹
구성 요소
1. 렌즈 (Objective Lens)
동축 비전에서 중요한 건 광학계 설계입니다. 다음과 같은 주요 파라미터를 고려해야 합니다:
- F-number: 조리개의 크기로 광량과 심도에 영향을 줌. 낮을수록 밝고 얕은 초점.
- Focal Length (초점 거리): 시야각 결정. 좁은 시야에서 높은 해상도 확보 가능.
- FOV (Field of View): 한 화면에 볼 수 있는 범위. 제품 크기와 정밀도에 따라 설계.
- Working Distance (작업 거리): 렌즈와 워크 간 거리. 레이저 초점 위치와 연동 고려.
- Numerical Aperture (NA): 광학계의 해상력과 집광력. 높을수록 정밀도 향상.
👉 각 파라미터는 서로 연관되어 있으며, 해상도, 밝기, 심도, 작업 편의성에 직접적인 영향을 미칩니다.
2. 비전 센서 (Image Sensor)
- CMOS 또는 CCD 센서가 주로 사용되며, 픽셀 크기와 해상도는 전체 시스템의 시야와 정밀도를 결정합니다.
3. 조명 및 빔 스플리터
- 동축 비전은 레이저와 비전 광을 하나의 광축으로 통합하기 때문에, 빔 스플리터, 디커플러, 다이콤 필터 등을 조합한 정밀 광학 설계가 필요합니다.
4. 데이터 처리 기술
카메라로 얻은 영상 데이터를 실시간으로 분석하기 위한 머신비전 알고리즘도 핵심입니다:
- 엣지 검출, 템플릿 매칭, AI 기반 결함 인식
- 카메라 캘리브레이션 및 왜곡 보정
- 레이저 위치와 이미지상의 좌표 정합
동축 비전 시스템의 발전 방향?
1. AI 기반 비전 분석
딥러닝을 통해 위치 인식 및 결함 판단의 정확도를 높이고, 자동 공정 최적화로 진화할 것입니다.
2. 3D 비전 융합
OCT나 structured light 같은 기술과 융합되어, 표면 높낮이 분석도 가능해지고 정밀도는 한 단계 더 올라갈 것입니다.
3. 소형화 및 모듈화
카메라, 조명, 광학부를 하나의 통합 모듈로 구성하여, 장비 탑재성이 향상되고 유지보수도 쉬워질 전망입니다.
렌즈 선정 시 꼭 알아야 할 주요 파라미터
F-number (조리개 수, 광량과 심도 조절)
렌즈가 어느 정도의 빛을 받아들이는지를 나타내는 숫자입니다. 이 값은 렌즈의 초점 거리(focal length)를 조리개 구경(=빛이 들어오는 구멍 크기)으로 나눈 값으로 정의됩니다:
즉, F-number는 초점 거리 대비 구멍 크기가 얼마나 작은지 를 나타내는 것입니다.
→ 숫자가 클수록 구멍이 작아져서 빛이 적게 들어오고
→숫자가 작을수록 구멍이 커져서 더 많은 빛이 들어옵니다.
비전 시스템 적용 시: F-number가 낮으면 조명이 부족한 환경에서도 선명한 이미지 확보 가능
F-number가 작을 때 (예: F/1.4) | F-number가 클 때 (예: F/16) |
빛이 많이 들어온다 → 밝은 이미지 | 빛이 적게 들어온다 → 어두운 이미지 |
얕은 심도 → 배경 흐림 효과 (아웃포커싱) | 깊은 심도 → 앞뒤로 넓은 초점 범위 확보 |
노이즈가 줄고 빠른 셔터 가능 | 이미지 선명도 증가, aberation 감소 |
회절로 인해 해상도는 떨어질 수 있음 | 회절 영향 커질 수 있음 (F/16 이상) |
동축 비전 시스템은 레이저 가공기, 마킹기, 계측 장비에서 사용되며, 레이저 광축과 카메라 광축이 동일한 경로를 공유합니다. 즉, 하나의 렌즈를 통해 레이저도 투과되고, 비전 이미지도 수집되므로, 렌즈의 광학 특성이 결과에 직접적인 영향을 줍니다. F-number는 이때 다음 세 가지 측면에 큰 영향을 줍니다:
레이저 조사(illumination)와 이미지 수광량
동축 시스템에서는 레이저 반사 신호나 가공면 반사광을 수집하는 역할을 카메라가 담당합니다.
이때 F-number가 너무 크면 조리개가 좁아져서 반사광이 충분히 들어오지 않아 어두운 이미지가 생성됩니다.
예: 금속 마킹 표면에서 반사된 레이저 신호를 포착해야 할 경우
→ F/2.8 ~ F/4.0 정도의 작은 F-number를 사용하는 것이 좋습니다.
→ 더 밝은 이미지, 더 나은 신호-노이즈비(SNR) 확보 가능!
초점 깊이(Depth of Field, DOF)
동축 비전 시스템은 표면 평탄도가 다르거나, 가공 깊이에 따라 이미지가 달라질 수 있는 구조입니다.
→ 이때 F-number가 클수록 초점이 맞는 영역(DOF)이 넓어집니다.
예: 곡면이나 굴곡 있는 부품에 마킹을 하는 경우
→ F/8 ~ F/11의 큰 F-number를 사용하면
→ 비전 시스템이 초점 이탈 없이 안정적인 검출 가능!
레이저 포커싱과 이미지 품질의 균형
동축 시스템에서는 하나의 렌즈로 두 가지 역할을 동시에 수행해야 합니다.
역할 | 요구 |
레이저 빔 포커싱 | 높은 정밀도, 낮은 왜곡 |
이미지 캡처 | 밝기, 초점 깊이, 대비 등 확보 |
F-number가 작으면 빛을 많이 받아 밝지만, 심도가 얕아 약간의 높이 변화에도 초점이 나갑니다.
반대로 F-number가 크면 초점 범위가 넓지만 빛이 적게 들어오고 회절에 의해 해상도가 저하될 수 있습니다.
동축 비전에서 F-number 선택 가이드
적용 사례 | 조리개(F-number) 권장 | 이유 |
정밀 마킹 위치 보정 | F/5.6 ~ F/8 | 적절한 밝기 + 충분한 초점 깊이 |
굴곡진 표면의 품질 검사 | F/8 ~ F/11 | 넓은 DOF 확보로 오검 방지 |
빠른 공정 속도 + 저조도 환경 | F/2.8 ~ F/4.0 | 노출 시간 최소화, 밝기 확보 |
고해상도 정지 이미지 촬영 | F/4 ~ F/5.6 | 밝기와 해상도의 균형 유지 |
Field of View (FOV, 관찰 범위)
Field of View는 카메라가 한 번에 볼 수 있는 물체의 실제 영역 크기입니다. 쉽게 말해, 비전 시스템이 한 화면에 몇 mm × 몇 mm를 볼 수 있는지 나타내는 값이죠.
예시: FOV가 20mm x 20mm인 경우, 카메라는 물체의 2cm x 2cm 영역을 한 화면에 담을 수 있습니다.
동축 비전 시스템과의 연관성 레이저 마킹이나 스코어링(절단선 가공)에서, 너무 좁은 FOV는 전체 영역을 보기 어렵고, 너무 넓으면 세부 특징을 정확히 보기 힘듭니다. 따라서 레이저 가공 패턴의 크기, 공정 위치 정확도 요구에 따라 적절한 FOV 설정이 필요합니다.
Focal Length (초점 거리)
렌즈 중심에서 이미지 센서 또는 초점이 맺히는 지점까지의 거리입니다. 단위는 보통 mm로 표기하며, 렌즈의 '줌'과도 연관됩니다.
예시: 25mm 초점 거리 렌즈는 16mm보다 좁은 시야를 제공하지만 더 멀리 있는 대상을 클로즈업할 수 있습니다.
동축 비전 시스템에서의 역할 초점 거리가 길면 정밀한 부품의 확대 관찰에 좋지만, 시야가 좁아져 넓은 영역은 보지 못합니다. 반대로 짧은 초점 거리는 넓은 시야를 제공하지만 해상도나 정밀도가 낮을 수 있습니다.
- 긴 초점거리 → 좁은 화각, 높은 배율 / 짧은 초점거리 → 넓은 화각, 낮은 배율
- 동축 비전에서의 선택 기준: 카메라-작업물 거리 확보 여부, 배율 요구사항
Magnification (배율)
광학 이미징에서 "배율(Magnification)"이란, 실제 물체의 크기와 비교하여 이미지(영상)의 크기가 얼마나 커졌는지 혹은 작아졌는지를 나타내는 값입니다.
예를 들어,
- 40mm 크기의 물체가 20mm 크기의 센서에 꽉 차게 찍혔다면, 배율=40/20=2:1=2x
즉, 영상이 실제 물체보다 2배 더 큼을 의미합니다.
- 반대로 7.5mm 물체가 15mm 센서에 찍혔다면,배율=7.5/15=1:2=0.5x
이건 영상이 실제보다 절반 크기라는 뜻이죠.\
배율의 두 가지 유형
- 선형 배율 (Linear Magnification) : 물체와 영상의 실제 크기를 비교한 값입니다. 선형 배율은 이미지가 실제보다 몇 배로 확대 또는 축소되었는가를 직접적으로 알려줍니다.
- 각 배율 (Angular Magnification) : 물체를 눈으로 봤을 때 커보이는 정도, 즉 관찰 시각에서의 변화입니다. 각 배율은 시야 각도로 정의되며, 이 값은 주로 망원경, 확대경처럼 '어떻게 보이느냐'에 초점이 맞춰진 기기에서 중요합니다.
렌즈 종류별 배율 특성
렌즈 종류 | 배율 특성 |
전통적 렌즈 | 배율 조절 가능 (물체 거리 의존) |
텔레센트릭 렌즈 | 고정 배율 – 거리 변화에 영향 없음 |
현미경(목적 렌즈) | 배율 조절 가능, 고배율 시 작동 거리 매우 짧음 |
고정 배율 vs 조절 가능한 배율
특성 | 고정 배율 렌즈 | 조절 가능한 배율 렌즈 |
장점 | - 초점이 흐릿해도 중심 위치 파악 용이
- 가볍고 저렴
- 설계 간편 | - 다양한 FOV에 맞게 조정 가능
- 유연한 사용 |
단점 | - FOV마다 다른 렌즈 필요
- 초기 선택이 까다로움 | - 설계 복잡, 무게 증가
- 가격 상승 |
Numerical Aperture (NA, 광 수집 능력)
빛을 얼마나 많이 받아들이는지를 나타내는 수치로, 해상도 및 밝기 성능과 직결됩니다.
- n: 매질의 굴절률 (공기라면 약 1.0)
- θ: 렌즈가 수광하는 최대 각도
- NA가 클수록 해상도와 광량이 증가하지만, 초점 심도는 감소
- 고정밀 이미지가 필요한 경우 NA가 높은 렌즈 추천
Working Distance (WD, 작동 거리)
Working Distance란? 렌즈의 가장 앞쪽 요소(front lens)에서 물체까지의 거리를 말합니다.
예시: 100mm Working Distance는 렌즈와 관찰 대상 사이의 간격이 10cm라는 의미입니다.
동축 비전 시스템과의 연관성 레이저 가공 장비는 **레이저 포커스 거리(Spot 위치)**와 카메라가 관찰하는 위치가 **동일한 위치(Coaxial Alignment)**에 있어야 합니다. 이 때 Working Distance는 레이저 헤드 설계 및 포커스 렌즈와 동기화되어야 합니다.
주의할 점
- WD가 짧으면 높은 해상도를 얻지만, 장비 간섭이 발생할 수 있음.
- WD가 길면 설치와 조정이 편하지만 해상도가 떨어질 수 있음.
파라미터 간의 관계
파라미터 | 영향 받는 요소 | 서로의 관계 예시 |
F-number | 밝기, 심도 | 낮을수록 밝고 얕은 심도 |
Focal Length | 배율, 시야각 | 길수록 좁은 시야, 높은 배율 |
Magnification | 해상도, FOV | 높을수록 해상도↑, FOV↓ |
FOV | 센서크기, 배율 | 크면 넓은 관찰범위 |
NA | 해상도, 심도, 광량 | 클수록 해상도↑, 심도↓ |
Working Distance | 설치 제약, 광학 성능 조절 | 짧을수록 정밀도↑, 공간 제약↑ |
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