AOI 검사 시스템에 최적화된 피사계 심도 확장용 통합 포커스 스태킹 솔루션
포커스 스태킹은 서로 다른 초점 위치에서 여러 장의 이미지를 촬영한 후, 각각의 가장 선명한 부분만을 합성하여 하나의 이미지로 만드는 방식으로 피사계 심도를 확장합니다. 이 기술이 리퀴드 렌즈 오토포커스와 결합되면, 표면 높이가 다양한 미세 구조를 빠르고 고배율로 검사할 수 있습니다. 하지만 이러한 솔루션을 개발하고 구현하는 데는 상당한 기술적 난이도가 따릅니다.
포커스 스태킹: 피사계 심도를 확장하는 솔루션
포커스 스태킹(Focus Stacking)은 초점이 서로 다른 다수의 이미지를 촬영한 후, 각 이미지의 선명한 부분만을 결합해 전체가 선명한 이미지를 만드는 기법입니다. '심도 합성' 또는 '포커스 합성'이라고도 불리며, 고배율 검사가 필요한 반도체 및 전자 부품 AOI 시스템에서 효과적으로 활용됩니다.
AOI 시스템은 하나의 시야 안에 부품, 솔더, 패턴, IC 구조 등 높이 차이가 큰 다양한 요소들을 포함하는 경우가 많습니다. 이들은 일반적으로 5μm에서 수백 μm에 이르며, 검사에서 가장 중요하면서도 단일 이미지로 선명하게 포착하기 어려운 대상입니다. 포커스 스태킹은 이러한 문제를 해결해주는 기술로, 심도가 확장된 이미지를 생성함으로써 신뢰도 높은 실시간 검사를 가능하게 합니다.
AOI에서 포커스 스태킹을 구현하는 통합 솔루션
포커스 스태킹은 해상도를 유지하면서 피사계 심도를 넓히는 강력한 기술이지만, 이를 실제 AOI 생산 환경에 적용하는 과정에는 고도의 엔지니어링이 필요합니다. 인라인 시스템처럼 빠른 사이클 타임이 요구되는 경우에는 이미지 품질뿐만 아니라 검사 속도도 매우 중요한 요소입니다. 비전 시스템 설계자들은 하드웨어 동기화, 이미지 취득, 알고리즘 최적화, 실시간 처리 등 모든 단계에서 정밀도와 생산성을 동시에 만족시킬 수 있도록 신중하게 설계하고 철저히 검증해야 합니다.
기계식 Z 스테이지보다 빠른 속도: 리퀴드 렌즈의 속도와 간편함
기존의 Z-스테이지 메커니즘과 비교할 때, 리퀴드 렌즈 오토 포커스 이 기술은 속도, 내구성, 통합 측면에서 분명한 이점을 제공합니다. 초점 조정은 밀리초 단위로 이루어지며, 기계적인 움직이는 부품이 없기 때문에 시스템이 더욱 컴팩트하고 마모에도 강합니다. 이러한 특성 덕분에 리퀴드 렌즈 기반의 포커스 스태킹은 고속, 고신뢰성, 공간 효율이 요구되는 고처리량 AOI 시스템에 특히 적합합니다.
별도의 I/O 보드나 프로그래밍 없이 리퀴드 렌즈 제어
리퀴드 렌즈를 AOI 시스템에 통합하려면, 렌즈 제어와 카메라 동기화를 위한 별도의 I/O 하드웨어와 소프트웨어 개발이 요구되는 것이 일반적입니다. 또한, 리퀴드 렌즈 제조사의 제한적인 프로그래밍 언어 지원은 기존 개발 환경과의 호환성 문제를 초래할 수 있습니다.
Basler는 리퀴드 렌즈 제어 알고리즘을 카메라 펌웨어에 직접 내장함으로써 이러한 복잡성을 제거합니다. 이 방식은 외부 I/O 하드웨어, 추가 배선, 커스텀 소프트웨어 개발의 필요성을 없애줍니다. 시스템 통합업체는 Basler의 인터페이스를 통해 간단한 파라미터 조정이나 슬라이더 제어만으로 렌즈를 제어할 수 있습니다. pylon 뷰어
포커스 스태킹: 픽셀 단위로 처리되는 고연산 집약적 프로세스
포커스 스태킹 파이프라인은 다음과 같은 고연산 작업 단계를 포함합니다:
멀티 프레임 이미지 캡처: 서로 다른 초점 깊이에서 5~20장의 이미지를 취득
포커스 측정: 라플라시안(Laplacian) 또는 그래디언트 분산(gradient variance)과 같은 알고리즘을 활용해 각 픽셀의 선명도를 계층별로 평가
포커스 맵 생성: 각 픽셀마다 가장 선명한 계층을 표시하는 맵 생성
이미지 합성: 가장 선명한 영역을 병합하고 계층 간 경계를 부드럽게 처리
CPU 부하 없이 고도화된 알고리즘 실행
알고리즘을 개발하고 최적화하는 데는 수 주에서 수개월이 소요됩니다. 표준 PC 환경에서 픽셀 단위 정밀도로 연산을 실행하려면 속도는 느리고 처리 비용은 매우 높습니다. 특히 한 사이클마다 10장 이상의 이미지를 처리해야 하므로 시스템에 가해지는 연산 부담이 크게 증가합니다.
Basler의 FPGA 기반 처리 기술은 연산 부담을 효과적으로 분산시켜, CPU 리소스 소모 없이 실시간 이미지 스태킹과 합성을 실현합니다.
제품 하이라이트: 개발 가속화를 위한 VA와 코프로세서로서의 FPGA
Basler의 솔루션은 프로그래머블 프레임 그래버에 구현된 FPGA를 코프로세서로 활용합니다. 이 아키텍처는 실시간 픽셀 수준의 처리를 제공합니다. 이미지 전처리 그리고 호스트 CPU의 부하는 최소 수준으로 유지합니다.
VisualApplets그래픽 기반 FPGA 프로그래밍 툴을 통해 AOI 시스템 개발자가 HDL 코딩 없이도 포커스 스태킹 알고리즘을 빠르게 프로토타입하고 적용할 수 있도록 지원합니다.
이 구성으로 가능한 사항은 다음과 같습니다:
픽셀 단위의 실시간 이미지 처리 성능
CPU 리소스 사용 최소화
Basler 카메라 및 리퀴드 렌즈 제어와의 원활한 통합
모듈화된 재사용 가능 IP 블록을 통한 개발 주기 단축
포커스 스태킹 알고리즘은 수동 Z축 포커싱 방식으로 작동하기 때문에 유연성과 비용 효율성을 모두 갖추고 있습니다. 당사는 정밀한 요건이 요구된 한 프로젝트에서 VisualApplets를 사용해 단 1주일 만에 구현 가능한 솔루션을 제시한 바 있습니다. 정밀도를 더욱 높이고자 할 경우, 고성능 프로세싱을 통해 알고리즘 확장도 가능합니다.
통합 솔루션으로 AOI 시스템 개발 가속화
AOI 시스템 개발은 복잡한 하드웨어 구성과 통합 작업을 짧은 개발 기간 안에 처리해야 하는 과제가 많습니다. Basler의 포커스 스태킹 비전 솔루션 모듈은 이러한 부담을 줄여주며, AOI 시스템 통합을 위한 이미지 처리 워크플로우를 전반적으로 간소화합니다.
당사의 솔루션은 렌즈 제어 및 포커스 스태킹 알고리즘을 비전 하드웨어 FPGA에 직접 통합함으로써, 개발 부담을 줄이고 출시 시간을 단축하며 안정적인 인라인 성능을 보장합니다.
주요 혜택:
포커스 스태킹처럼 연산 집약적인 작업도 전용 FPGA 하드웨어에서 전적으로 실행되어 CPU 부하가 줄어듭니다.
I/O 배선을 최소화하고 외부 제어 모듈 없이도 통합이 가능하며, 복잡한 이미지 알고리즘 개발 없이 손쉽게 구현할 수 있습니다.
개발 속도 향상과 시스템 병목 최소화로 제품 출시 기간을 획기적으로 단축할 수 있습니다.
