Brightfield 와 Darkfield는 같은 축 위의 두 점이다 - 조명 각도 설계 가이드.

Machine Vision Optics · Illumination 02

입사각이 만드는 마법
같은 결함도 조명 각도에 따라 보이거나 사라지는 이유

렌즈도, 센서도, 결함의 크기도 그대로인데 조명 각도 하나만 바꿨더니 안 보이던 스크래치가 갑자기 또렷해집니다. 그 비밀은 반사 법칙 하나에 있습니다.

지난 글에서 다룬 Brightfield와 Darkfield는 사실 같은 물리 법칙 위에서 조명 각도만 다르게 설정한 두 극단입니다. 표면이 빛을 어떻게 반사하는지, 그리고 그 반사광이 카메라 쪽으로 가는지 비껴가는지를 결정하는 것이 바로 입사각(Angle of Incidence)입니다. 이번 글에서는 슬라이더로 각도를 직접 움직여보면서, 왜 같은 결함이 어떤 각도에서는 보이고 어떤 각도에서는 완전히 사라지는지 체감해 보겠습니다.

반사의 기본 법칙

광학에서 가장 단순하면서도 강력한 법칙은 입사각과 반사각이 항상 같다는 것입니다. 표면이 매끄러운 거울 면(정반사, Specular)이라면 빛은 정확히 이 법칙을 따라 한 방향으로만 튕겨 나갑니다.

입사각 θᵢ = 반사각 θᵣ

중요한 건 이 반사광이 정확히 한 방향으로만 강하게 나간다는 점입니다. 카메라가 그 방향에 있으면 표면이 새하얗게(과다 반사) 보이고, 카메라가 그 방향에서 살짝만 벗어나도 표면은 거의 빛을 받지 못한 것처럼 어둡게 보입니다. 결함 검출의 모든 비밀이 바로 이 좁은 반사 방향 안에 있습니다.

결함이 있으면 반사 방향이 틀어진다

스크래치나 딤플처럼 표면이 국소적으로 기울어진 부분에서는 그 지점의 법선(수직선) 방향이 살짝 틀어집니다. 법선이 틀어지면 반사각도 함께 틀어지므로, 결함 부위에서 나온 반사광은 정상 표면의 반사광과 다른 방향으로 튕겨 나갑니다.

카메라가 정상 표면의 반사 방향에 정확히 맞춰져 있다면, 결함 부위는 반사광이 카메라로 들어오지 않아 어둡게(Brightfield에서 결함이 검게) 보입니다. 반대로 카메라가 정상 표면 반사를 피해 있는 상태(Darkfield)라면, 결함에서 비껴 나온 산란광만 카메라로 들어와 결함이 밝게 도드라집니다. 같은 결함, 같은 빛인데 카메라와 조명의 각도 관계만으로 결과가 정반대가 되는 것입니다.

직접 움직여보기 — 각도를 바꾸면 결함이 사라진다

조명 각도 시뮬레이터

슬라이더로 조명 입사각을 조절해보세요. 카메라는 표면 정면(90°)에 고정되어 있습니다.

조명 입사각 60°

현재 모드 Brightfield 영역

스크래치 보임? 보임 (어두운 선)

표면 밝기 매우 밝음

각도 스펙트럼 — Brightfield와 Darkfield는 한 줄 위의 두 점

고각(高角)
Brightfield
~60–85°

중간각
혼합 영역
~25–55°

저각(低角)
Darkfield
~5–20°

두 조명 방식은 별개의 기술이 아니라, 같은 입사각 축 위에서 위치만 다른 설정입니다. 각도를 80°에서 서서히 낮추면 표면 전체가 밝던 화면이 점점 어두워지고, 20° 아래로 내려가면 평탄한 면은 거의 보이지 않게 되면서 결함만 빛나기 시작합니다. 실제 조명 셋업에서는 이 사이의 어느 지점을 찾는 것이 핵심 튜닝 작업입니다.

각도별 신호 세기 그래프

입사각에 따른 정상 표면 신호(파란선)와 결함부 신호(주황선)의 변화 — 두 선이 교차하는 지점에서 결함의 대비(Contrast)가 역전됩니다 (데모용 정성 그래프)

조명 각도 설계 4단계

1

카메라 각도 고정

보통 표면 정면 90°

2

목표 결함 특성 파악

기울기 크기·방향성

3

각도 스윕 테스트

5°~85° 구간 실측

4

대비 최대 지점 고정

조명 각도 기계적 고정

고각(Brightfield)을 쓸 때 결함이 정상면보다 어둡게 나타나길 원할 때, 표면 전체를 밝고 또렷하게 봐야 할 때

저각(Darkfield)을 쓸 때 미세한 결함만 밝게 튀어나오게 하고, 배경은 최대한 어둡게 죽이고 싶을 때

요약: 조명과 결함 검출의 본질은 "각도 게임"입니다. 입사각과 반사각이 같다는 단순한 법칙 하나가, 카메라 위치를 고정한 상태에서 조명 각도만 바꿔도 같은 결함을 보이게 하거나 완전히 숨길 수 있게 만듭니다. 실제 라인 셋업에서는 결함을 가장 잘 드러내는 각도를 찾기 위해 조명 위치를 미세하게 스윕하며 테스트하는 과정이 필수입니다. 다음 글에서는 "동축조명(Coaxial Light)과 텔레센트릭 렌즈의 관계"로 조명-렌즈 조합 설계를 다룰 예정입니다.