반사 금속 부품의 머신비전 오검출이 반복된다면

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가공이 끝난 알루미늄 하우징을 검사할 때 가장 답답했던 문제는 흠집보다 반사광이 더 선명하게 찍힌다는 점이었습니다. 육안으로는 깨끗한 부품인데 영상에서는 하얀 띠가 결함처럼 나타났고, 같은 부품을 조금만 돌려 놓아도 판정 결과가 바뀌었습니다.

카메라 노출과 임계값을 계속 조정해 봤지만 양품을 불량으로 잡는 비율만 달라질 뿐 문제가 사라지지는 않았습니다. 결국 일반 링 조명을 편광 필터를 적용한 머신비전 조명으로 바꿔 약 한 달간 사용했고, 그 과정에서 편광의 장점과 한계를 꽤 분명하게 확인했습니다.

일반 링 조명에서 편광 조명으로 바꿔 본 첫 주

노출값보다 빛의 방향이 먼저였습니다

처음에는 카메라 앞에 편광 필터 하나만 끼우면 반사가 없어질 것이라 생각했습니다. 실제로는 조명 쪽에도 편광판을 부착하고, 렌즈 쪽 필터를 서로 교차하는 방향으로 돌려야 효과가 확실했습니다. 필터 각도를 5~10도씩 천천히 움직이자 금속 표면의 강한 하이라이트가 어두워지고 미세한 찍힘과 스크래치가 상대적으로 또렷해졌습니다.

광학의 기본 개념을 이해하면 이 현상이 조금 쉬워집니다. 카메라는 물체 자체만 보는 것이 아니라 표면에서 반사되어 들어오는 빛을 기록합니다. 따라서 반사성 소재 검사에서는 해상도를 높이기 전에 어떤 방향과 성질의 빛이 렌즈로 들어오는지를 통제하는 편이 효과적이었습니다.

제가 사용한 구성은 500만 화소 모노 카메라, 16mm 렌즈, 백색 링 조명, 조명용 편광판과 렌즈용 회전식 편광 필터였습니다. 기존 장비에 필터만 추가하는 방식이라 카메라와 렌즈를 전부 교체할 필요가 없었고, 테스트용 부품으로 효과를 확인한 뒤 생산 설비에 적용할 수 있었습니다.

• 좋았던 점: 알루미늄 절삭면의 번쩍임이 줄어 스크래치와 눌림 자국의 대비가 안정됐습니다.
• 아쉬웠던 점: 필터를 통과하며 광량이 크게 감소해 노출 시간을 기존보다 늘려야 했습니다.
• 의외의 변수: 검은색 아노다이징 부품은 편광 각도에 따라 표면 얼룩이 더 강조되기도 했습니다.
• 비용 측면: 소형 필터는 비교적 부담이 적지만 대구경 렌즈와 대형 조명용 편광판은 크기와 내열 사양에 따라 가격 차이가 컸습니다.

편광 필터를 주문하기 전에 현재 렌즈의 필터 나사 지름과 조명 발광면 크기를 확인하는 것이 좋습니다. 지름이 맞지 않아 변환 링을 여러 개 겹치면 비네팅과 초점 간섭이 생길 수 있습니다.

한 달 써보니 드러난 장점과 놓치기 쉬운 단점

반사를 줄였다고 검사 조건이 완성되지는 않았습니다

편광 조명을 설치한 뒤 첫날에는 오검출이 눈에 띄게 줄었습니다. 그러나 생산 속도를 원래 수준으로 높이자 일부 영상이 흐려졌습니다. 필터 때문에 광량이 부족해져 노출 시간을 길게 설정한 상태에서 부품이 이동하니 모션 블러가 생긴 것입니다. 정지 상태의 샘플 영상만 보고 성공이라고 판단했다면 양산에서 다시 문제가 생겼을 상황입니다.

이때 조명 밝기를 무작정 최대로 올리기보다 스트로브 컨트롤러를 연결해 촬영 순간에만 강하게 발광하도록 바꿨습니다. 조리개를 과도하게 열지 않고 짧은 노출을 유지할 수 있어 피사계 심도와 윤곽 선명도가 함께 안정됐습니다. 광의 성질과 용어를 참고하되, 실제 현장에서는 이론값보다 부품의 표면 처리와 이동 속도를 포함한 반복 촬영 결과가 더 중요했습니다.

특히 편광판은 열에 무조건 강한 부품이 아니었습니다. 고출력 조명을 계속 켜 두자 발광면 가까운 편광판이 서서히 변색되었고, 영상 중앙과 가장자리의 밝기 차이도 커졌습니다. 이후에는 듀티비를 제한하고 조명과 편광판 사이에 간격을 두었으며, 일정한 기준 샘플을 매주 촬영해 밝기 변화를 확인했습니다.

1. 양품 30개와 대표 불량 10개를 준비해 필터 적용 전후 영상을 같은 위치에서 저장합니다.
2. 자동 노출과 자동 게인을 끄고 노출, 게인, 조리개 값을 기록합니다. 자동 기능이 켜져 있으면 편광 효과와 카메라 보정 효과를 구분하기 어렵습니다.
3. 렌즈 필터를 0도부터 90도까지 돌리며 10도 간격으로 영상을 비교합니다. 가장 어두운 각도가 항상 결함 검출에 가장 좋은 각도는 아닙니다.
4. 부품을 상하좌우로 이동하고 15도 정도 회전시켜도 동일한 판정이 나오는지 확인합니다.
5. 컨베이어의 실제 최고 속도에서 촬영해 모션 블러와 트리거 지연을 함께 점검합니다.

모든 반사 소재에 같은 방식이 통하지는 않았습니다

평평한 금속판과 완만한 곡면에서는 교차 편광 효과가 컸지만, 크롬 도금처럼 거울에 가까운 표면이나 모서리가 많은 부품에서는 반사가 완전히 사라지지 않았습니다. 곡면의 각 지점이 서로 다른 방향으로 빛을 반사하기 때문입니다. 이런 부품은 편광만 고집하기보다 돔 조명이나 동축 조명, 저각 조명을 샘플별로 비교하는 편이 빨랐습니다.

투명 플라스틱을 검사했을 때는 또 다른 특성이 나타났습니다. 성형 과정에서 남은 응력이 편광 영상에 무늬처럼 드러나 표면 흠집 검사에는 방해가 됐지만, 반대로 내부 응력을 관찰하려는 목적에는 유용했습니다. 결국 편광은 반사 제거 장치가 아니라 특정 방향의 빛을 선택하는 도구로 이해해야 활용 범위와 한계를 제대로 판단할 수 있습니다.

• 평탄한 금속 표면의 번쩍임 억제에는 효과가 큰 편이었습니다.
• 헤어라인처럼 방향성이 있는 표면은 부품 방향까지 바꿔 가며 검증해야 했습니다.
• 곡률이 큰 부품은 돔 조명과 편광 필터를 함께 썼을 때 더 균일했습니다.
• 투명 수지에서는 응력 무늬가 결함인지 재료 특성인지 먼저 구분해야 했습니다.
• 색상 판별이 중요하면 모노 영상뿐 아니라 컬러 채널별 변화도 확인할 필요가 있습니다.

알루미늄 커넥터 1만 개 검사에서 조건을 잡은 과정

오검출 8.4%를 낮춘 설정 순서

실제로 적용한 대상은 가로 42mm 크기의 알루미늄 커넥터 하우징이었습니다. 상면의 0.3mm 이상 찍힘과 길이 2mm 이상의 스크래치를 찾는 검사였는데, 절삭유 자국과 가공 결이 조명을 강하게 반사하면서 초기 오검출률이 8.4%까지 올라갔습니다. 작업자는 양품을 다시 확인하느라 한 시간마다 설비를 멈춰야 했습니다.

첫 번째 시도에서는 임계값 범위를 좁혔지만 옅은 스크래치를 놓쳤습니다. 두 번째로 카메라 게인을 올리자 결함과 함께 센서 노이즈도 커졌습니다. 세 번째 시도에서 링 조명 발광면에 편광판을 붙이고 렌즈에 교차 편광 필터를 설치했으며, 필터를 완전히 직교시키지 않고 가장자리 가공 결이 약간 보이는 위치에서 멈췄습니다. 모든 반사를 없애는 것보다 결함과 정상 무늬 사이의 차이가 가장 큰 각도를 찾는 것이 핵심이었습니다.

영상 밝기를 수치로 확인할 때는 Optical density 관련 정의도 참고했습니다. 다만 현장 판정 기준은 용어 자체가 아니라 정상 영역과 결함 영역의 회색조 값 차이, 조명 편차, 반복 촬영 분산을 기준으로 세웠습니다. 한 장이 잘 찍히는 조건보다 100장을 연속 촬영해도 값이 흔들리지 않는 조건을 선택했습니다.

1. 먼저 세척 직후 부품과 30분 방치한 부품을 나눠 촬영했습니다. 잔류 절삭유가 시간에 따라 퍼지는 현상을 검사 변수에 포함하기 위해서였습니다.
2. 조명 거리를 70mm, 90mm, 110mm로 바꿔 비교했고, 90mm에서 중심부 과노출과 가장자리 광량 저하의 균형이 가장 좋았습니다.
3. 노출 시간은 이동 중 번짐이 발생하지 않는 범위로 줄이고, 부족한 광량은 짧은 스트로브 발광으로 보충했습니다.
4. 편광 필터의 최종 각도를 표시 펜으로 기록하고 잠금 링을 고정했습니다. 청소 후 필터가 돌아가 조건이 달라지는 일을 막기 위한 조치였습니다.
5. 주간과 야간에 각각 5,000개씩 검사해 작업장 외광과 설비 온도 변화까지 확인했습니다.

조건 변경 후 첫 1만 개에서 오검출률은 1% 아래로 내려갔고, 준비한 대표 스크래치 샘플은 모두 검출했습니다. 다만 다음 주에 오검출이 다시 늘어 원인을 추적해 보니 필터 표면에 절삭유 미스트가 얇게 묻어 있었습니다. 이후 무먼지 천과 광학용 세정액을 사용한 주 1회 청소, 기준 샘플 촬영, 필터 각도 표시 확인을 작업표준에 넣었습니다.

현장에서 가장 오래 유지된 설정은 가장 어두운 영상도, 가장 선명해 보이는 한 장도 아니었습니다. 부품 위치와 표면 상태가 달라져도 정상 영역의 밝기 분산이 작게 유지되는 조건이었습니다.

현재는 교대 시작 때 양품 기준편과 스크래치 기준편을 각각 세 번 촬영합니다. 세 영상의 평균 밝기와 결함 점수가 관리 범위를 벗어나면 알고리즘을 다시 조정하지 않고 먼저 필터 오염, 각도, 조명 거리, 케이블 체결 상태를 확인합니다. 어느 날 야간조가 기준편 점수 하락을 발견했을 때도 이 순서대로 살펴본 덕분에 느슨해진 조명 브래킷을 10분 안에 찾아냈고, 생산품을 잘못 격리하지 않은 채 다음 로트를 이어서 검사할 수 있었습니다.

• 교대 시작 전 기준편을 같은 방향으로 장착합니다.
• 필터 각도 표시선과 잠금 링의 풀림을 확인합니다.
• 광학면은 에어건을 가까이 대지 않고 전용 도구로 닦습니다.
• 불량률이 갑자기 변하면 임계값 수정 전에 원본 영상을 별도로 보관합니다.
• 필터 교체일과 조명 누적 발광 시간을 기록해 서서히 진행되는 열화를 추적합니다.