브라이트 필드(Bright field)와 다크 필드(Dark field)는 머신비전 전문가가 비전 검사에서 조명을 검토할 때 사용하는 용어다. 브라이트 필드와 다크 필드를 활용해 조명 각도를 조절하면 표면 검사를 진행할 때 검사하고자 하는 영역을 균일하고 선명하게 부각할 수 있어 업계에서는 일반적으로 활용하고 있다.

 

브라이트 필드에 대한 정확한 이해

 

머신비전 업계에서 일반적으로 사용하고 있음에도 불구하고 아직까지 브라이트 필드와 다크 필드에 대한 정확한 개념을 혼동하는 경우가 있다. 특히 많은 사람들이 브라이트 필드를 화각(FOV)과 혼동하곤 한다. 그러나 브라이트 필드와 화각(FOV)은 광학 및 이미징 분야에서 분명 서로 다른 개념이다. 브라이트 필드는 렌즈나 광학 장치에서 빛이 모이는 영역을 가리키는 용어로 빛을 모으거나 집중시키는 영역을 나타낸다. 반면 화각은 카메라나 눈이나 기타 광학 장치로 볼 수 있는 시야의 넓이를 말한다. 즉, 화각이 넓을수록 한 장면에서 볼 수 있는 영역이 넓어지는 것을 의미하는 것이다. 따라서 브라이트 필드는 광을 모으는 영역에 관한 것이고 화각은 시야의 넓이에 관한 것이라고 이해할 수 있다.

 

​

브라이트 필드는 아래 면이 거울이라고 가정했을 경우 빛이 그대로 반사되어 렌즈로 들어가는 영역이다. 이 빛은 반사되어 렌즈를 통해 들어가기 때문에 샘플이 밝게 표현되는 밝은 이미지를 획득할 수 있다. 브라이트 필드는 가장 일반적으로 사용되는 조명 기술 중 하나로 시료가 밝은 배경에 대조되어 관찰되는 것이 특징이다.

​

브라이트 필드는 각인, 긁힘 등 움푹 들어간 부분 등 표면 결함을 감지하는데 용이하다. 금속 표면의 움푹 파인 부분에는 빛이 렌즈로 들어가지 못하고 다른 곳으로 반사되기 때문에 파진 부분은 이미지가 어둡게 나오게 되고 평평한 부분은 렌즈로 빛이 올바르게 들어가게 되는 것이다. 브라이트 필드를 조명에 적절하게 이용하려면 광원이 시료 또는 이미징 표면에 대해 90도에서 45도 각도 사이에 있어야 하며 일반적으로 광원을 피사체나 표면에 가깝게 위치시키는 것이 유리하다.

​

다크 필드에 대한 정확한 이해

​

브라이트 필드가 빛이 렌즈의 화각 안으로 들어오는 영역이라면 다크 필드는 화각에 들어오지 않는 영역을 의미한다. 다크 필드는 빛이 시료를 직접 비추지 않고 옆에서 오는 빛을 활용한다. 반사광을 그대로 받아들이는 브라이트 필드에서의 조명과 달리 다크 필드 내에 위치한 조명은 산란된 빛만 렌즈가 캡처한다. 다시 말해 시료는 조명되지 않은 상태에서 어두운 배경에서 밝게 나타나므로 이미지의 가장자리와 표면 결함이 더욱 두드러지게 나타나게 된다.

 

다크 필드는 어두운 배경을 만들기 위해 측면에서 조명을 사용하는 경우가 일반적이다. 이렇게 되면 금속 표면의 배경이 어둡게 된다. 반면 움푹 파진 부분만 빛이 산란되어 렌즈로 들어가기 때문에 금속 표면의 스크래치 부분이 밝게 빛나 윤곽이 뚜렷하게 나타나게 된다. 다크 필드는 일반적으로 10도에서 15도 정도의 낮은 빛 각도로 조명을 설치하는 것이 이상적인데 이 각도는 가장자리, 결함, 능선 등 빛을 적절히 산란하면서 대상 표면이 카메라에 너무 많은 빛을 반사하지 않게 한다.

​

 

브라이트 필드와 다크 필드를 활용해 각각의 특징에 유리한 응용 검사를 실시할 수 있다. 먼저 브라이트 필드를 활용한 조명 검사는 반도체 다이의 표면 검사, 자동차 부품 검사(부품 크기, 모양, 위치 검사), PCB 회로 검사, 식품 품질 검사, 물류 바코드 판독 검사, 이차전지 케이스 찍힘 결함 검사, 현미경 세포 검사 등 다양한 산업에서 높은 명암 대비를 활용하여 사용되고 있다. 다크 필드는 브라이트 필드에서의 조명으로는 검사할 수 없는 반사율이 높은 시료(거울 표면 검사, 바코드 검사, 광택이나 반사가 강한 금속표면, 투명 물체나 유리, 광택이 강한 플라스틱 부품이나 보호 필름이 부착된 제품) 표면을 효과적으로 검사하는 데 사용된다. 브라이트 필드가 조명의 검사 대부분에 사용된다면 다크 필드는 좀 더 구체적이고 제한된 요구 사항을 가진다는 점이 차이점이다.

​

​텔레센트릭 렌즈에 따른 브라이트 필드와 다크 필드

​

렌즈의 화각(FOV)이 커지면 브라이트 필드의 영역도 점점 커진다. 그렇기 때문에 매크로 렌즈나 CCTV 렌즈에서 화각이 커질수록 조명 역시 화각을 커버하기 위해 커다란 조명을 사용해야 한다. 반면 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)는 빛이 평행하게 들어오도록 만들어졌기 때문에 CCTV, Macro Lens보다 화각이 좁다. 다시 말해 브라이트 필드 영역도 좁기 때문에 커다란 조명을 사용하지 않아도 돼 공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.

 

텔레센트릭 렌즈에서는 일반적으로 동축 조명(Coaxial Illumination)이 많이 사용된다. 동축 조명은 텔레센트릭 렌즈에서 브라이트 필드를 더 효과적으로 활용해 특정 조건에서의 높은 정밀도측정이나 검사를 가능하게 한다. 동축 조명은 빛의 방향이 렌즈의 방향과 동일한 경로를 가지도록 설계되었기 때문에 물체의 표면에서 반사된 빛은 렌즈로 집중된다. 텔레센트릭 렌즈는 일반적으로 동축 조명과 함께 많이 쓰이지만 렌즈 아래에 링 조명을 설치하여 사용하기도 하고 낮은 배율만 아니라면 링 조명의 경우에도 효율적인 크기로 제작하여 사용할 수 있다.

 

​​텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)에서 다크 필드(Dark Field)는 브라이트 필드보다 넓은 영역을 차지한다. 그로 인해 더 작은 조명으로 넓은 영역의 다크 필드에서 효율적으로 사용할 수 있다. 이는 더 넓은 영역과 원활한 조건에서의 다크 필드를 활용할 수 있어 일관된 물체 크기를 유지하는 텔레센트릭 렌즈의 명암 대비를 더욱 밝고 명확하게 부각해 시각적 분석에 높은 해상도와 정확성을 제공한다.

​

선명한 이미지를 취득한다는 것은 비전 검사에서 수월한 알고리즘을 만드는데 도움이 된다. 이를 통해 반도체 검사, 포장 검사 및 표면 검사에 있어 더욱 정밀하고 세밀한 검사를 진행할 수 있다. 특히 브라이트 필드와 다크 필드와 같이 조명 원리를 잘 활동한다면 뚜렷한 명암 대비를 가진 이미지를 취득하는데 도움이 되며 편광 또는 확산은 표면의 불규칙성, 질감 및 결함을 강조할 수 있어서 긁힘, 찌그러짐 또는 기타 결함을 감지하는 등 표면을 정확하게 검사할 수 있다.

 

헬로티 김재황 기자 |