[논문]고휘도 LED를 이용한 머신비전용 조명광원 제어기 개발

박양재

doi:10.14400/jdc.2014.12.4.311

[국내논문] 고휘도 LED를 이용한 머신비전용 조명광원 제어기 개발
Using High Brightness LED Light Source Controller for Machine Vision 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.12 no.4, 2014년, pp.311 - 318

초록
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본 논문은 의료영상시스템, 공장자동화 시스템에서 핵심기술인 정확한 검사와 계측을 위하여 보다 선명하고 안정정인 환경을 제공하기 위한 조명으로 고휘도 LED를 이용한 조명광원의 제어기를 개발하였다. 고휘도 LED 전용드라이버를 장착하여 정전류 방식으로 안정된 전원을 공급하도록 설계하고, 32비트 ARM 프로세서 코어를 사용하여 화상처리 시 필수적인 요소인 광량을 256단계로 나누어 리모트 컨트롤 및 외부 인터페이스가 가능하도록 하여 볼륨의 저항 값 오차로 인하여 발생되는 밝기 값의 부정확을 방지하고 디지털화함으로써 빛의 재현성을 개선하였다. 아나로그 전원에 비하여 조광 범위가 넓고 낮은 레벨에서도 조광이 가능하도록 설계 하였으며 또한 RS-485 통신기능을 추가하여 외부장치로부터 데이터를 받아 사용자가 광량조절 및 ON/OFF 제어가 가능하도록 개발 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is to introduce a lighting source controller using high brightness LED to create a clear and reliable condition for an accurate measurement and testing, which is a core technology in clinical image system and mechanical automation system. This controller is designed to supply a stable power in a constant-current system by installing a high brightness LED driver, and to improve the reproducibility of brightness by using 32-bit ARM processor core, dividing brightness quantity into 256 levels, making the remote control and the external interface possible, and preventing and digitizing the brightness inaccuracy caused by errors of resistance values. This controller enables the lighting range to be wide and possible in a low lighting level compared to analog, adds the RS-485 communication function, and makes it for the users to control the on-off function and the dimming level by receiving date from an external device.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

머신비전용 조명광원은 공장자동화 분야, 의료영상분야, 산업체 제조부문에서 측정 및 검사 및 공정 감시 등 카메라의 시인성을 높이는 필수적인 장비로 산업체의 수요가 증대되고 있다. 본 논문에서는 고휘도 LED와 광학렌즈를 설계하여, 771,000 lux의 광량과 빛의 균일도(유니포미티)가 우수한 머신비전용 조명광원과 광량을 제어하고 외부에서도 제어가 가능한 제어기를 개발하였다. 개발된 제어기는 LED 정션 온도를 제어기 외부에서 확인할 수 있도록 전면 판넬에 표시하고 과열을 방지하는 기능을 추가하여 과열로 인한 LED 광량저하와 수명을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다.
비전시스템은 최상의 이미지, 즉 관심영역은 뚜렷이 나타내고 그렇지 않은 영역은 약한 배경으로 비추어지는 구성 대조감을 갖는 이미지를 뜻한다. 본 논문에서는 최상의 이미지를 형성하는 가장 중요한 요소인 조명광원을 고휘도 LED를 이용하였으며 효율적인 광원을 제어하기 위한 제어기를 개발하였다.

제안 방법

(9) 밝기 저장 기능 – 마지막 설정한 밝기 값을 자동 저장하는 기능을 넣어 제어기를 OFF했다가 ON하여도 마지막 밝기 값을 유지하도록 설계하였으며, LOCK 스위치를 누를 때도 현재의 값을 저장하도록 설계하였다.
고휘도 LED를 장착하는 기구는 구리를 사용하여 열전도율을 최대로 높였으며, 방열판의 핀 간격을 최대한 줄여서 방열효과를 크게 설계하였다. 고휘도 LED블록과 방열판과의 접촉은 특수 열전도체로 열의 전도성 및 접착면의 틈이 없도록 설계 하였고, 방열판도 측수분체도장으로 방열효과를 높여서 최대밝기에서 고휘도 LED 정션 온도가 55도에서 60내외로 유지되도록 설계하였다.
고휘도 LED를 장착하는 기구는 구리를 사용하여 열전도율을 최대로 높였으며, 방열판의 핀 간격을 최대한 줄여서 방열효과를 크게 설계하였다. 고휘도 LED블록과 방열판과의 접촉은 특수 열전도체로 열의 전도성 및 접착면의 틈이 없도록 설계 하였고, 방열판도 측수분체도장으로 방열효과를 높여서 최대밝기에서 고휘도 LED 정션 온도가 55도에서 60내외로 유지되도록 설계하였다. [Fig.
드라이브 회로는 STEP DOWN을 이용하여 전압을 조절하고, OP-AMP를 이용하여 아나로그 신호를 SYSTEM 보드로 보내서 전류를 측정한 후 STEP DOWN회로에 피드백하는 알고리즘으로 구성하였다. 또한 과전류 방지 소자를 이용하여 과전류가 LED에 흐르지 않게 방지하였으며, 스트로브 회로를 넣어 스트로브 조명 컨트롤이 가능하게 설계하였다.
드라이브 회로는 STEP DOWN을 이용하여 전압을 조절하고, OP-AMP를 이용하여 아나로그 신호를 SYSTEM 보드로 보내서 전류를 측정한 후 STEP DOWN회로에 피드백하는 알고리즘으로 구성하였다. 또한 과전류 방지 소자를 이용하여 과전류가 LED에 흐르지 않게 방지하였으며, 스트로브 회로를 넣어 스트로브 조명 컨트롤이 가능하게 설계하였다. [Fig.
머신비전용 조명광원 제어기의 시스템의 요구사항을 테스트하는 프로그램을 개발하였다. 측정할 항목들은 다음과 같다.
머신 비전(Machine Vision)은 기계에 인간이 가지고 있는 시각과 판단능력을 부여한 것을 말한다. 사람이 시각으로 인지하고 판단하는 기능을 하드웨어와 소프트웨어의 시스템이 대신 처리하는 기술로, 제품의 외관에 대한 검사 혹은 측정을 카메라, 조명장치, 영상보드, 광학기기, 영상처리 소프트웨어 등을 이용하여 수행한다. 이러한 특성으로 인해 머신비전은 하드웨어, 광학계, 소프트웨어를 통합한 고도의 전문성이 요구되는 분야이다.
(4) 최대/최소 전류 값 설정- 밝기가 최소일 때 LED 전류 값과 최대 일 때의 LED 전류 값을 설정하여 전송한다. 이 때 전송한 값을 이용하여 내부적으로 1/100 나누어 100 단계의 밝기 조정에 적용하였다. [Fig.
일반 구면 렌즈 대신에 비구면 렌즈를 사용하여 스폿 광원이 빛에 의한 왜곡이 최소화 여부를 실험하였다[3]. 측정방법으로는 광파이버를 제거한 후 광원을 출력하여 지정된 구간별 광량을 측정하여 균일도를 확인하는 스폿 실험 결과 평균 5,442 lux이며, 편차는 10% 이내로 유니포미티(균등한 밝기)가 우수하고 외곽 엣지가 명확하게 측정 되었다.
임베디드 소프트웨어 기술인 ARM Cortex-M 시리즈 프로세서 기반 마이크로컨트롤러를 위한 프로그래밍을 구현하여 4096 스텝의 정전류 제어 알고리즘과 밝기조정 D/A회로 제어를 구현하였다.

대상 데이터

7] 렌즈의 구성도와 같이 렌즈를 개발하였다. 렌즈는 총 3개로 구성되어 있으며, 첫 번째는 콜리메이션 렌즈로 고휘도 LED에서 약 120도의 각도에서 나오는 빛을 두 번째 렌즈의 화각에 맞게 조정하는 역할을 하며, 두 번째 렌즈인 비구면 렌즈는 고휘도 LED에서 나오는 빛의 색수차를 없애기 위해 사용된다[2]. 마지막에 사용된 렌즈는 다사 한번 비구면 렌즈를 사용하고 반대쪽은 반구렌즈를 사용하여 색수차가 없는 빛을 한 점으로 모으는 역할을 한다.

성능/효과

(4) 자동 정전류 보상 알고리즘 설계-실시간으로 들어오는 LED 전류의 변화를 캡쳐하여 온도 및 환경에 따른 전류의 변화를 일정하게 흐르게 하는 기능을 수행한다. 이렇게 LED에 흐르는 전류를 고정하면 일정한 밝기가 유지될 수 있다[1][4].
또한 광파이버를 사용할 때 빛의 입사각이 매우 중요한 요소인데 이 렌즈를 사용함으로써 입사각을 조정하여 최대 광량을 낼 수 있게 되었다. 각 렌즈들은 모두 양면 AR코팅을 함으로써 빛의 투과율을 최대로 출력할 수 있게 되었으며, 반사를 최소화 할 수 있게 되었다.
본 논문에서는 고휘도 LED와 광학렌즈를 설계하여, 771,000 lux의 광량과 빛의 균일도(유니포미티)가 우수한 머신비전용 조명광원과 광량을 제어하고 외부에서도 제어가 가능한 제어기를 개발하였다. 개발된 제어기는 LED 정션 온도를 제어기 외부에서 확인할 수 있도록 전면 판넬에 표시하고 과열을 방지하는 기능을 추가하여 과열로 인한 LED 광량저하와 수명을 안정적으로 유지할 수 있도록 하였다.
머신비전용 광원은 고휘도 LED와 개발된 렌즈로 광원의 왜곡을 최소한으로 줄이는 점광원으로 구성되었으며, 1미터 광파이버를 사용 하였을 때 밝기 테스트에서 771,000 lux가 출력되었으며, 결과는 [Fig. 10(a)]와 [Fig.
일반 구면 렌즈 대신에 비구면 렌즈를 사용하여 스폿 광원이 빛에 의한 왜곡이 최소화 여부를 실험하였다[3]. 측정방법으로는 광파이버를 제거한 후 광원을 출력하여 지정된 구간별 광량을 측정하여 균일도를 확인하는 스폿 실험 결과 평균 5,442 lux이며, 편차는 10% 이내로 유니포미티(균등한 밝기)가 우수하고 외곽 엣지가 명확하게 측정 되었다. [Fig.

후속연구

향후 연구과제로는 광학렌즈의 개발로 최대광량을 1,000,000lux 이상을 출력하는 조명광원과 빛의 균등한 밝기를 나타내는 유니포미티의 편차가 5%이내의 조명광원 개발에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컴퓨터비전 또는 머신비전 분야는 어떤 장비의 필수요소로 활용되는가?	부적당한 조명으로 입력된 이미지를 알고리즘으로 보상하는 것은 시스템에 큰 부하로 작용하게 된다. 컴퓨터비전 또는 머신비전 분야는 산업체 제조분분에서의 측정, 검사 및 공정 감시 등의 업무와 의료영상시스템에서 내시경 카메라의 조명, 수술방의 조명 등 각종 의료장비의 카메라의 시인성을 높이는 주요 장비로 필수적인 요소이다.
	좋은 실내조명의 조건은?	따라서 조명광원이나 기기들은 인간의 생리적인 부분이 반영하여 적절한 환경이 구성되도록 설계 되어져야 한다. 실내조명은 밝기가 충분하고 일정해야 시력을 보호할 수있고 눈의 피로도 줄일 수 있다. 좋은 조명은 눈이 부시지 않아야 하고, 적당한 음영이 있어야 하며 기분 좋은 색이어야 한다. 머신비전 분야에서도 조명은 가장 중요한 부분이다.
	머신 비전은 어떤 요소들을 이용하여 제품 외관 검사 혹은 측정을 수행하는가?	머신 비전(Machine Vision)은 기계에 인간이 가지고 있는 시각과 판단능력을 부여한 것을 말한다. 사람이 시각으로 인지하고 판단하는 기능을 하드웨어와 소프트웨어의 시스템이 대신 처리하는 기술로, 제품의 외관에 대한 검사 혹은 측정을 카메라, 조명장치, 영상보드, 광학기기, 영상처리 소프트웨어 등을 이용하여 수행한다. 이러한 특성으로 인해 머신비전은 하드웨어, 광학계, 소프트웨어를 통합한 고도의 전문성이 요구되는 분야이다.

참고문헌 (15)

Jae-Young Yoo(2005), Analysis on radiation of heat for the life Improvement of Light Emitting Diode Lighting, 1-50.
Jong-Ha Park, Hoon Kim, Hee-Jun Kim, Gyun Chae, Eui-Byung Kang(2009), High Efficient Constant-Current Multi-Channel LED Driver, Summer Conference on The Institute of Electronics and Information Engineers, 1226-1227.
Ju-Hwan Kim, Mi-Suk Jeong, Seong-Woo Kim(2007), Aspherical Lens Design of LED surface source, Optical Society of Korea Annual Meeting, 299-300.
Ki-Man Jeon, Hye-dong Jung(2008), Multi Channel PWM Design for Dimming Control of LED BLU, Control and Information Symposium on The Korean Institute of Electrical Engineers, 211-212.
Ki-Yun Kim, Kwang-Keun Ham(2013), A Design of Heat-Sink and DMX512 Communication Control for High-Power LEDs, The Journal of Korea Information and Communications Society, Vol.38C, No.08. 726-727.
Kook-Se Lee, Nam-Mee Moon(2010), Analysis of Characteristics of White LED Light Source for TV Lighting, The Korean Society of Broadcast Engineers, Vol.15, No.4-01.462-473.

원문보기 상세보기
Lumiled(2002), Electrical Design Consideration for Super Flux LEDs. 8-12. 2
R. Jones, C. Wykes(1989), Holographic and Speckle Interferometry, Cambridge University Press, 231-232.
S. Periata,(1998), Applications of Advanced Solid State Lamp. IEEE Indus. Appl. Mag, 31-42.
Sung-Ho Chang, Sang-Won Seo(2007), Research of Measurement and Evaluation of White Uniformity Considering Visual Angle on TFT-LCDT, The Journal of the Ergonomics Society of Korea, Vol.26, No.4, 33-39.

원문보기 상세보기
www.ipss.co.kr
www.keil.com
www.ledworld.kr
www.luminus.com
www.microscan.com

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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