SWIR 카메라: 알아야 할 기본 지식
머신 비전 시스템 제조업체라면 고객사가 모든 종류의 생산 환경에서 일관적인 수준의 품질 관리를 수행할 수 있는 시스템을 구축하는 것이 중요합니다. 이를 위해, 그동안은 일반 영역 스캔(area scan) 카메라에 의존해 왔습니다. 하지만 최근 SWIR 라인 스캔(line scan) 카메라의 해상도가 향상되고, 가격이 하락함에 따라 SWIR 카메라 고유의 장점을 활용하는 새로운 검사 시스템들이 개발되고 있습니다.
SWIR 카메라는 무엇인지, 그리고 어떻게 작동하는지, SWIR 카메라에 대해 알아야 할 기본 지식에 대해 살펴보겠습니다.
SWIR란?
SWIR 카메라를 이해하려면, 먼저 SWIR의 개념을 살펴봐야 합니다. SWIR는 Short Wavelength InfraRed의 약자로, 우리말로는 ‘단파 적외선’을 의미합니다. 일반적으로 900~2,500nm 사이의 빛의 파장대를 가리킵니다.
전자기 스펙트럼 - SWIR의 파장 대역 (900 ~ 2,500nm) - 산업용 카메라 JAI
SWIR 카메라란?
단파 적외선은 일반적으로 900~2,500nm 사이의 파장대로, 일반 카메라로는 확인할 수 없습니다. 일반적인 실리콘 센서의 상한은 약 1,000nm로, 이 파장대 범위를 벗어난 빛은 볼 수 없기 때문입니다.
이때 필요한 것이 바로 SWIR 카메라입니다. SWIR 이미지에는 SWIR 범위에서 작동할 수 있는 특수 센서와 카메라 구성 요소가 필요합니다. 인듐∙갈륨∙비소(InGaAs) 센서는 일반적으로 900~1,700nm 범위에 걸쳐 SWIR 이미징에 사용됩니다.
물체 자체에서 빛이 방출되는 장파 적외선(LWIR)과 달리, 단파 적외선(SWIR) 빛은 광자가 물체에 반사되거나 흡수되어 고해상도 영상 촬영에 필요한 강한 대비를 제공한다는 점에서 가시광선과 유사합니다. LWIR 카메라를 통해서는 뚜렷하지 않은 열 이미지를 얻을 수 있는 반면, SWIR 카메라는 가시광선 카메라와 마찬가지로 고해상도 이미지를 제공합니다.
SWIR 카메라는 실리콘 검사, 레이저 빔 프로파일링, 과분광 영상, 화학 및 플라스틱 감지, 머신 비전 영상, 농업용 감지, 감시 시스템 및 의료 영상을 포함한 많은 응용 분야에 사용됩니다. 또한, 휴대폰 안면 인식 센서 및 가시 조건이 좋지 않은 환경에서도 자율 주행 차량 영상화에 사용할 수 있습니다.
SWIR 카메라의 작동 원리
단파 적외선(SWIR) 이미징은 산업 및 과학 분야에서 광범위한 가능성을 제공합니다. CCD 및 CMOS 이미지 센서를 사용하는 기존의 머신 비전 시스템은 가시광선 스펙트럼 내의 이미지를 효과적으로 캡처할 수 있습니다. 하지만 SWIR 기술을 활용하는 시각 시스템은 가시광선 스펙트럼을 넘어 적외선 스펙트럼 내의 더 깊은 파장의 이미지를 캡처할 수 있으며, 이러한 시스템을 통해 가시 스펙트럼 외부의 세부 사항을 볼 수 있습니다.
단파 적외선은 일반적으로 900~1,700nm(=0.9~1.7 μm) 파장 범위의 빛으로 정의됩니다. 적외선을 감지하기 위해, SWIR는 광자학을 위한 특정 반도체의 제조에 사용되는 합금인 인듐(Indium)/갈륨(Gallium)/비소(Arsenide)로 만들어진 센서인 ‘InGaAs 센서’를 사용합니다. InGaAs는 합리적인 가격과 실용성으로 인해 SWIR에서 가장 많이 사용되는 재료입니다. 즉, 극저온학(cryogenics)과 같은 광범위한 냉각이 필요하지 않습니다.
InGaAs 센서 구조 - SWIR 카메라 작동 원리 - JAI
SWIR 대역 내의 파장은 가시광선처럼 물체와 상호작용합니다. 이 파장의 광자는 물체에 의해 반사되거나 흡수되어 강한 대비를 가진 고해상도 이미지를 만들 수 있습니다. SWIR 이미지는 대비 및 반사와 같이 가시광선에서 캡처한 것과 유사한 특성이 있지만 컬러가 아닌 흑백으로만 표시됩니다.
SWIR 카메라의 사용 예시
SWIR 카메라는 가시 스펙트럼을 넘어, 이미징을 통해 다양한 산업 분야에서의 새로운 응용을 가능하게 하고 현재의 머신 비전 시스템을 한 단계 더 발전시킵니다. SWIR 카메라는 자동차, 농업, 제약 및 보안 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있습니다. 특히 검사, 품질 관리 및 감시 응용 프로그램에 자주 사용됩니다. SWIR 카메라가 활용되는 구체적인 예시는 다음과 같습니다.
1. 식품 분류 및 이물질 판별
SWIR 카메라를 사용한 이물질 분류 작업 - JAI 공업용 카메라
일반적인 분류 설정에서 대상 물체(1)는 광원과 SWIR 카메라(2)를 통과하여 떨어진다. 이 과정에서 신속하게 이물질을 식별한 다음, 에어건(3)에 의해 분류된다.
SWIR 카메라는 과일과 채소를 분류하는 작업, 또는 음식에 이물질이 섞여 포장된 것을 감지하는 데 탁월합니다. 고객사가 냉동 완두콩을 검사하여 이물질이 없는지 확인해야 하는 농산물 유통 업체라고 가정해보겠습니다. 완두콩과 모양, 크기 및 색상이 비슷한 작은 플라스틱 조각이 있는 경우, 가시광선을 사용하는 일반 머신 비전 카메라로는 눈에 띄지 않을 것입니다. 하지만 SWIR 조명은 물에 강력하게 흡수되므로, 수분 함량이 높은 냉동 완두콩은 검사 시 이미지에서 매우 어둡게 나타납니다. 수분 함량이 거의 없거나 전혀 없는 플라스틱 조각은 빛을 반사하여 완두콩들 사이에서 돋보이게 되며, 분류기는 공기 제트를 사용하여 파일에서 플라스틱 조각을 걸러낼 수 있습니다. (그림 3)
2. 습기/수분 감지
SWIR 카메라를 통한 불투명한 컨테이너 내의 내용물(수분) 감지 - JAI Cameras
습기/수분 감지는 SWIR의 인기 있는 응용 분야입니다. 물은 가시광선에서 투명하지만, 1,450~1,900nm의 파장에서 강하게 흡수되어 이미지에서 검은색으로 보이게 합니다. 이러한 특성은 해당 필터 또는 조명을 통해 음식 및 음료, 목공, 섬유 또는 자동차 산업의 다양한 검사 작업에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 벌크 소재의 코팅 또는 건조 균일성 확인, 불투명 컨테이너의 내용물 주입 수준 검출, 손상되었거나 흠이 있는 과일 검출, 식물의 상대 수분량 측정 등이 있습니다.
3. 품질 관리
SWIR 대역폭은 불투명한 항목을 투명하게 만들 수 있습니다. 이러한 성질은 제품의 비파괴 검사에 사용할 수 있습니다. 예를 들어, SWIR 카메라는 주사기 제조업체에서 보호 캡을 통해 이미지를 촬영하여 바늘의 존재를 자동으로 확인하는 데 사용됩니다. 또 다른 예로, 파우더 또는 알약이 들어 있는 의약품 병의 내용물을 검사할 수 있습니다.
4. 지폐 검사
SWIR 카메라는 지폐의 위조 방지 검사에도 사용됩니다. 일반적인 RGB 카메라로는 근자외선 영역(UV)이나 근적외선 영역(NIR)에서 검사를 필요로 하는 보안 기능 검사를 수행할 수 없습니다. 따라서 SWIR 카메라를 사용하면 지폐의 고유한 모양이나 라벨, 변조 방지 보안 코드와 같은 기본 기능을 시각화하는 데 도움이 됩니다.
2-센서 SWIR 라인 스캔 카메라
JAI의 웨이브 시리즈: 2-센서 SWIR 라인 스캔 카메라
JAI 웹이브 시리즈 2-센서 SWIR 라인 스캔 카메라
- SWIR(단파 적외선) 광 스펙트럼의 동시 이중 대역 영상
- 파장 대역: 900nm ~ 1,700nm
- 활성 픽셀: 2 x 1,024 픽셀
- 회선 속도: 39kHz(39,230회선/초)
- 셀 크기: 25.0 μm x 25.0 μm
웨이브 시리즈 카메라는 단파 적외선(SWIR) 빛을 감지할 수 있는 2-센서 프리즘 라인 스캔 카메라입니다.
이 카메라는 인듐(Indium)/갈륨(Gallium)비소(Arsenide)의 ‘InGaAs 센서 기술’을 기반으로 하며, JAI의 프리즘 라인 스캔 기술과 결합되어 SWIR 광 스펙트럼(900~1,700nm)에서 듀얼 밴드 이미지를 제공합니다.
멀티 센서 카메라 기술은 JAI의 핵심 기능이며, JAI는 수년간 RGB와 NIR을 지원하는 카메라를 다양한 응용 분야에 공급해 왔습니다.
웨이브 시리즈 카메라는 SWIR 광 스펙트럼에 2-센서 이미징을 제공하여 추가적인 “숨겨진” 이미징 데이터를 제공합니다. 이 기능은 가시광선 및/또는 근적외선 스펙트럼을 촬영할 때 가능한 것 이상의 이미징을 통해 현재의 머신 비전 시스템을 향상합니다.
이제 SWIR 카메라의 원리와 응용 분야 및 예시에 대해 이해하셨을 것입니다. 그밖에 더 궁금하신 사항이나 JAI의 SWIR 카메라에 대해 더 알고 싶으시다면 언제든지 JAI에 문의해주세요. 지금 JAI의 제품 엔지니어와 상담해보세요!