TC 동축조명 화면이 뿌옇다면? 원인 3가지와 해결 방법.

Machine Vision Optics · Illumination 03

동축조명(Coaxial Light)과
텔레센트릭 렌즈의 관계

두 기술은 따로 등장한 적이 거의 없습니다. 동축조명은 "수직으로 비추는" 조명이고, 텔레센트릭은 "수직으로만 보는" 렌즈입니다. 같은 방향을 공유하기 때문에 짝을 이룹니다.

지난 글에서 입사각이 결함의 보임/안 보임을 결정한다는 것을 확인했습니다. 그런데 만약 입사각을 0°, 즉 표면에 완전히 수직으로 만들면 어떻게 될까요? 그 답이 바로 동축조명(Coaxial Light)입니다. 그리고 이 수직 조명의 효과를 끝까지 살리려면, 보는 쪽인 카메라·렌즈도 수직으로만 봐야 합니다. 이번 글에서는 왜 동축조명이 텔레센트릭 렌즈와 거의 항상 세트로 쓰이는지, 광로 구조부터 따라가 보겠습니다.

동축조명 — 빔스플리터로 광축을 맞추는 기술

동축조명은 하프미러(빔스플리터)를 이용해 LED 조명의 광축과 카메라의 광축을 정확히 일치시킵니다. 조명에서 나온 빛이 빔스플리터에서 90° 꺾여 대상에 수직으로 입사하고, 그 반사광은 다시 같은 빔스플리터를 투과해 카메라로 들어갑니다.

결과적으로 조명도 카메라도 표면에 대해 입사각 0°로 작동합니다. 표면이 완전히 평평하고 카메라 방향을 향해 있는 부분만 강하게 반사되어 밝게 보이고, 조금이라도 기울어지거나 단차가 있는 부분은 반사광이 카메라 경로를 벗어나 어둡게 보입니다. 지난 글의 Brightfield 원리를 입사각 0°까지 극단으로 밀어붙인 버전이라고 볼 수 있습니다.

텔레센트릭 렌즈 — 평행광만 통과시키는 렌즈

일반 렌즈는 한 점(초점, Entrance Pupil)에서 모든 광선이 퍼져 나가는 구조라, 대상의 위치가 광축에서 멀어질수록 보는 각도(시차, Parallax)가 달라집니다. 반면 텔레센트릭 렌즈는 광선을 광축과 평행하게 정렬시켜, 어느 위치에서 봐도 같은 각도(보통 0°, 즉 정면)로만 관찰합니다.

이 특성 덕분에 텔레센트릭 렌즈는 대상이 카메라에서 멀어지거나 가까워져도 크기가 거의 변하지 않고(낮은 왜곡), 구멍이나 단차 옆면을 비스듬히 보지 않고 정확히 정면에서만 보게 됩니다.

왜 두 기술이 짝을 이루는가

동축조명은 "조명을 0°로 쏘는" 기술이고, 텔레센트릭은 "0°로만 보는" 기술입니다. 둘 다 광축에 대해 완전히 수직인 성분만 다루는 기술이라는 공통점이 있습니다. 일반 렌즈에 동축조명을 달면, 렌즈의 가장자리 화각에서는 카메라가 표면을 비스듬히 보게 되어 동축조명의 "완전 수직" 효과가 화면 중심에서만 살고 가장자리에서는 깨집니다.

일반 렌즈 + 동축조명화면 중심만 정확한 수직 관찰, 가장자리는 비스듬히 봐서 효과 약화·왜곡 발생

텔레센트릭 + 동축조명화면 전체에서 동일하게 수직 관찰 — 동축조명 효과가 끝까지 살아남음

트러블슈팅 — 화면이 뿌옇게(워시아웃) 보이는 현상

동축조명을 실제로 셋업하다 보면 대비가 또렷해야 할 화면이 오히려 전체적으로 뿌옇고 흐릿하게(washed-out) 나오는 경우가 흔합니다. 텔레센트릭 렌즈와 짝지어도 빔스플리터 자체의 광학적 한계 때문에 생기는 현상이라, 원인을 구조적으로 이해해야 해결할 수 있습니다.

대상 거치지 않고 직행

원인은 크게 세 가지로 나뉩니다.

① 빔스플리터 표면 반사빔스플리터 유리 표면 자체에서 일부 빛이 대상에 닿지 않고 곧바로 카메라로 되돌아가, 화면 전체에 밝은 막을 깔아버림

② 다중 반사·플레어빔스플리터·렌즈 경통 내부에서 빛이 여러 번 튕기며 산란광이 누적되어 콘트라스트가 전체적으로 깎임

③ 표면 거칠기에 의한 산란대상 표면이 완전 매끈하지 않으면 정반사 외에 약한 난반사 성분이 섞여 들어와 전체 밝기를 끌어올림

공통점셋 다 "원치 않는 빛이 대상을 거치지 않고 센서에 누적"되는 구조적 문제

해결 방안

노광·게인 재조정노출시간·게인을 낮춰 워시아웃된 화이트 클리핑 영역을 줄이고 동적범위 내로 재배치

고품질 AR코팅 빔스플리터반사방지(AR) 코팅이 적용된 빔스플리터로 교체해 표면 반사 손실 자체를 줄임

편광판 추가조명 앞 선형 편광판 + 렌즈 앞 편광판(교차 배치)으로 산란된 비정반사 성분을 선택적으로 차단

차폐(베플) 설계빔스플리터 하우징 내부에 무반사 차폐물을 추가해 불필요한 다중 반사 경로를 물리적으로 막음

실무에서는 보통 노광 재조정 → 편광판 추가 → 빔스플리터 품질 점검 순서로 접근하는 것이 비용 대비 효율이 좋습니다. 편광판 하나만 제대로 넣어도 워시아웃이 크게 개선되는 경우가 많습니다.

직접 비교해보기 — 구멍 검사 시뮬레이션

일반 렌즈 vs 텔레센트릭 렌즈 + 동축조명

버튼을 눌러 렌즈 종류를 바꿔보세요. 같은 구멍(Through-hole)을 화면 가장자리에서 어떻게 다르게 보는지 비교합니다.

가장자리 구멍 형태 타원 (왜곡됨)

치수 측정 정확도 위치마다 다름

동축조명 효과 중심부만 유효

시야각(FOV) 위치에 따른 시차 그래프

화면 중심에서 가장자리로 갈수록 일반 렌즈(주황)는 관찰 각도가 급격히 커지지만, 텔레센트릭 렌즈(파랑)는 거의 0°를 유지합니다 (데모용 정성 그래프)

탭으로 보는 적용 비교

적용 대상	요구 정밀도	추천 구성
커넥터 핀/단자 검사	높음	텔레센트릭 + 동축조명
PCB 솔더 볼 검사	높음	텔레센트릭 + 동축조명
단순 외관 양/불 판정	중간	일반 렌즈 + 동축조명
대면적 저배율 검사	낮음	일반 렌즈 + 링조명

구성	비용	작동거리(WD)	화각 일관성
일반 렌즈 + 동축조명	낮음	유연함	중심부만 우수
텔레센트릭 + 동축조명	높음	고정적	전 화면 우수

선택 흐름 3단계

1

측정 위치 확인

화면 중심만? 전 영역?

2

정밀도 요구 확인

치수 측정 vs 양불 판정

3

예산·WD 제약 확인

텔레센트릭은 WD 고정적

요약: 동축조명은 조명을 표면에 수직으로 쏘는 기술이고, 텔레센트릭 렌즈는 표면을 수직으로만 관찰하는 렌즈입니다. 둘 다 "수직 성분만 다룬다"는 같은 철학을 공유하기 때문에, 화면 전체에서 일관된 검사 결과를 얻으려면 거의 항상 세트로 사용됩니다. 일반 렌즈에 동축조명만 붙이면 화면 중심부 외에는 효과가 떨어진다는 점이 핵심 트레이드오프이며, 빔스플리터의 표면 반사·다중 반사·표면 산란으로 인한 워시아웃 현상은 편광판·AR코팅·노광 재조정으로 단계적으로 줄여나가는 것이 실무적인 접근입니다.