SWIR 이미징 - 어플리케이션 및 기술
표면 아래에는 무엇이 숨겨져 있을까요?
멀티 스펙트럼 및 SWIR 기술
Basler 웹 세미나에서는 다음과 같은 SWIR과 멀티 스펙트럼 이미징에 대한 주요 질문에 답변을 제공합니다.
멀티 스펙트럼 기술과 SWIR이란 무엇인가요?
이 기술들은 어떤 용도로 사용할 수 있나요?
일반적인 솔루션에는 어떤 것들이 있고, 각각의 장단점은 무엇인가요?
모범 사례 예시
향후 전망
SWIR은 무엇인가요?
SWIR은 단파 적외선(Short Wave Infrared)의 약어로 900nm에서 2,500nm(나노미터) 사이의 전자기파 스펙트럼 범위를 말합니다. 한편 사람의 눈은 약 400nm에서 800nm까지의 빛만 감지할 수 있습니다.
SWIR 스펙트럼에서 소재의 특성
SWIR 빛은 가시광선과 유사한 속성을 가지고 있습니다. 광자는 오브젝트와 상호 작용하여 이미징 과정에서 컨트래스트를 생성합니다. 각각의 소재는 파장에 따라 서로 다른 방식으로 빛을 반사, 흡수 또는 투과합니다.
예를 들어 실리콘은 가시광선 범위에 있는 거의 모든 방사선을 반사합니다. 1,100nm보다 높은 파장의 경우, 실리콘은 더 많은 방사선을 투과시켜 투명해집니다. 마찬가지로, 색을 입힌 유리, 일부 플라스틱이나 연기도 투명하게 보입니다. 하지만 반대의 작용도 일어납니다. 일부 소재는 SWIR 스펙트럼에서 더 많은 방사선을 흡수합니다. 따라서 짧은 파장에 비해 더 높은 컨트래스트를 얻을 수 있습니다.
이러한 특징은 이미지 처리 과정에서 새로운 기회를 제공합니다. 소금과 설탕, 물, 이소프로판올(isopropanol)뿐만 아니라 다양한 유형의 플라스틱도 구분할 수 있습니다.
SWIR 카메라로 온도 감지
SWIR 기술의 또 다른 적용 사례는 열 차이 감지입니다. 온도가 약 140°C가 넘는 오브젝트는 점점 더 많은 양의 적외선을 방출하는데, 이는 SWIR 카메라로 감지할 수 있습니다. 오브젝트가 뜨거울수록 더 많은 적외선이 방출되어 오브젝트가 이미지에서 더 밝게 나타납니다. 즉, SWIR 기술을 이용하면 접촉 없이도 재료와 제품의 온도를 모니터링할 수 있기 때문에 프로세스 모니터링 과정에서 커다란 이점을 얻을 수 있습니다. 이러한 특징은 기존의 온도 측정 방법이 실용적이지 않거나 위험한 환경에 특히 유용합니다.
SWIR 비전 시스템
SWIR 범위에서 이미지를 획득하려면 단파 적외선 스펙트럼에 맞게 조정된 특수 제품이 필요합니다. 적합한 구성 요소를 선택하는 것은 SWIR 이미징의 품질에 매우 중요하며 이를 위해서는 각 어플리케이션의 특정 요구 사항을 이해해야 합니다.
visSWIR 카메라
SWIR Imaging에는 특수 센서가 필요합니다. 일반적인 실리콘 센서는 약 1,000nm까지의 파장만 감지할 수 있지만, 인듐 갈륨 비소(InGaAs) 센서는 SWIR 스펙트럼을 정확히 감지할 수 있어 매우 적합합니다.
visSWIR 카메라는 가시광선과 SWIR 범위 모두에서 민감하게 반응합니다. 따라서 visSWIR 카메라는 실리콘 센서가 탑재된 카메라가 포착하는 파장(약 400-1,000nm)과 SWIR 스펙트럼의 파장을 모두 포착할 수 있습니다. 가시광선과 SWIR 범위 중 하나에서만 이미지를 획득할 수 있는 기존 기술과 달리, 이 새로운 이미지 센서는 400nm에서 1,700nm까지의 전체 범위에서 사용할 수 있습니다.
SWIR 렌즈
기존 렌즈는 일반적으로 가시광선 스펙트럼에 최적화되어 있거나 적외선 구성 요소를 완전히 걸러냅니다. 이런 이유로 가시광선 범위를 배제하는 특수 SWIR 렌즈가 개발되었습니다. 전체 대역폭에 대해 선명한 이미지를 제공하기 위한 특수 visSWIR 호환 가능 광학 장치도 있습니다. 하지만 이런 구성 요소들은 파장 범위가 매우 넓기 때문에 소위 초점 이동 현상이 발생하는 경향이 있습니다. 각 파장은 렌즈의 광학 경로에서 조금씩 다르게 굴절되기 때문에 초점이 렌즈의 광학 축을 따라 스펙트럼 범위(Spectral Range) 내에서 이동합니다. 하지만 카메라에서 선명한 이미지를 생성하려면 초점이 최대한 일정해야 합니다. 이 경우 초점 이동을 보정할 수 있는 특수 렌즈가 있습니다. 그러나 파장 범위가 넓지 않다면 일반적으로 교정 기능이 없는 가성비 좋은 렌즈로도 작업을 충분히 수행할 수 있습니다.
SWIR 필터
광학 필터 는 파장 범위에 따라 광 투과율을 제어할 수 있기 때문에 다양한 어플리케이션에서 중요한 역할을 합니다. 특히 visSWIR 카메라의 경우에는 일부 어플리케이션에서 주변 광을 차단하는 것이 중요합니다. 주변 광을 차단하면 특정 파장에서 컨트래스트가 증가하여 개별 특징이 부각됩니다.
SWIR 조명
실내 LED 조명에는 일반적으로 SWIR 스펙트럼의 파장을 포함하지 않습니다. 따라서 SWIR 조명 예를 들어 대역 스펙트럼이 넓은 할로겐 램프나 대역 스펙트럼이 좁게 정의된 특수 LED 조명이 추가로 필요합니다. 이러한 조명을 사용하면 1,000nm 이상의 파장에서 센서의 감도를 활용할 수 있습니다.
특정한 파장을 검사해야 하는 경우에는 좁은 대역 스펙트럼을 이용해 LED를 추가 필터 없이 사용할 수 있습니다. 이는 여러 파장을 검사해야 하는 경우에 특히 실용적입니다. 이 경우 서로 다른 LED 스펙트럼에 빛을 깜빡일 수 있어 더 이상 필터를 기계적으로 교체할 필요가 없습니다. LED는 할로겐 광원보다 비용이 비싸지만 내구성이 훨씬 더 뛰어나 산업용으로 적합합니다. 궁극적으로 어떤 광원이 가장 적합한지는 어플리케이션 분야에 따라 달라집니다.
SWIR 카메라에 적합한 어플리케이션
다음 사례들은 모든 산업에서 SWIR 기술을 활용할 수 있는 매우 다양한 종류의 어플리케이션을 소개합니다. visSWIR 센서를 사용하면 SWIR 기술을 더욱 다양한 어플리케이션에서 활용할 수 있습니다.
어플리케이션에 대한 지원이 필요하신가요? Basler에서 개별 상담을 통해 고객님의 어플리케이션에 맞게 조정된 Basler SWIR 포트폴리오를 소개해 드리겠습니다.
이 기술의 원리는 무엇인가요?
과거에는 가시광선과 SWIR 스펙트럼 모두에서 이미지를 촬영하기 위해서는 카메라 2대 또는 센서 기술이 필요했습니다. 그러나 현재는 가시광선과 SWIR을 동시에 지원하는 visSWIR 이미지 센서가 시장에 보급되었습니다. 이 SWIR 이미지 센서는 고해상도 이미지와 우수한 이미지 품질을 제공합니다.
Sony의 SenSWIR 기술
SWIR 카메라는 CMOS 센서 대신 InGaAs(인듐 갈륨 비소) 또는 CQD(콜로이드 양자점) 센서를 사용합니다. InGaAs 센서는 과거에 픽셀 크기가 상당히 큰 경우와 SWIR 범위에서만 사용할 수 있었습니다. CQD 센서는 픽셀이 더 작고 가시광선 범위에서도 광 민감도가 높지만, SWIR 범위에서 InGaAs 센서에 비해 양자 수율이 상당히 낮습니다.
Sony의 SenSWIR 센서를 사용하면 InGaAs 기술을 기반으로 visSWIR Imaging 기능을 구현할 수 있으며, 최대 1,700nm의 전체 visSWIR 범위에서 높은 양자 효율이 일정하게 유지됩니다. SenSWIR 센서는 기존 InGaAs 센서보다 픽셀이 작고 해상도가 높아 매우 우수한 이미지 품질을 제공합니다. 따라서 많은 어플리케이션 분야에서 검사 및 품질 관리에 대한 정확도가 더욱 높아집니다. 이러한 이점의 비결은 Sony의 반도체 제조 시설에서 생산된 구리 간(Cu-Cu) 연결입니다. 이 센서는 기존 SWIR 센서에 비해 인듐 인산염 층(InP 층)의 두께가 얇기 때문에 가시광선 스펙트럼에서도 빛에 민감합니다.
센서는 크기와 해상도에 따라 다양합니다. 1세대 IMX990은 1.3MP, IMX991은 VGA 해상도를 각각 5µm의 픽셀 크기로 제공하고, 2세대 IMX992는 5.3MP, IMX993은 3.2MP 해상도를 각각 3.45µm의 픽셀 크기로 제공합니다. 이 센서들은 Basler ace 2 X visSWIR 카메라 모델에 사용됩니다.
