머신비전용 텔리센트릭 렌즈 사용의 LED 스폿 조명 최신 동향

세구치 준이치 옵텍스FA LED 영업부

센싱 스폿 조명 ‘OPS-S 시리즈’

머신비전용 영역 카메라에 사용되는 렌즈는 크게 CCTV 렌즈와 텔리센트릭 렌즈(Telecentric Lens)의 2개가 있다. 수 ㎜ 이하의 비교적 작은 시야에서는 텔리센트릭 렌즈가 자주 사용되는데, 얼라인먼트나 치수 계측 및 외관 검사 등의 애플리케이션으로 사용되고 있다. 텔리센트릭 렌즈에서는 렌즈경통 옆에서 광원을 들이비춰 하프미러로 렌즈 광축과 동축으로 조사하는 동축 조명이 사용된다. 이 조명에는 오랫동안 할로겐 광원 박스와 라이트 가이드가 사용돼 왔다. 그러나 할로겐 광원에서는 램프 수명이 1,000~3,000시간 정도로 짧고 램프 교환이 빈번한 데에 비해, LED는 휘도 반감 시간이 2~4만 시간으로 길다. 할로겐 램프는 100W, 150W로 소비전력이 크지만, LED는 수 W 정도로 동등한 등급을 실현할 수 있다. LED 조명의 고휘도화와 장수명·에너지 절약·소형화 등의 장점 등으로 인해 현재는 LED 조명이 주류가 되고 있다. 여기에서는 텔리센트릭 렌즈에 사용되는 LED 스폿 조명의 최신 동향에 대해 소개한다.

LED 스폿 조명의 업계 표준 사양
LED 스폿 조명은 주로 텔리센트릭 렌즈에 삽입해 사용하기 때문에 호환성이 있는 선단 발광부의 형상에서부터 본체 전체까지 거의 대부분의 업계에서 비슷한 설계로 표준화돼 있다.

내부에는 파워 LED(순방향 전류가 수백 mA에 이르는 초고휘도 타입)가 1개 장착돼 있으며, 이 점광원을 로드 렌즈로 선단 φ6~7의 발광면에서 출사하는 구성을 취하고 있다.

정전류 구동 이유
머신비전용 LED 조명에서는 DC 12V 혹은 DC 24V로의 구동이 일반적이다. 그 이유는 LED의 순방향 전압은 약 2~4V 정도로, 링 조명이나 바 조명 등에서는 LED를 다수 사용하기 때문에 몇 개를 직렬로 접속시켜 제한 저항으로 전류치를 조정하기 위해서다.

스폿 조명의 경우 LED 1개인 구성에서는 정전류 구동이 표준으로 돼 있다. LED가 1개라서 DC 12V 구동시에는 저항으로 상당한 전력을 소비하게 되기 때문에 작은 본체의 스폿 조명에서는 이러한 발열이 큰 문제가 된다. 따라서 발열을 억제하기 위해 저항을 조명에 내장하지 않는 정전류 구동을 선택하고, 스폿 조명만 전용 정전류 전원을 사용하게 됐다.

정전류 구동시 문제
정전류 구동은 전용 전원이 되기 때문에 다른 링 조명이나 바 조명 등에서 사용되는 DV 12V의 PWM 제어 전원과 병용할 수 없어 전원을 각각 따로 따로 준비할 필요가 있다.

스폿 조명과 링 조명 등을 외부로부터 조광 제어를 하고 싶은 경우 스폿 조명에 저항 박스를 중계해 PWM 제어의 전원으로 구동할 수도 있다. 단, 저항 박스 분량의 추가 비용이 발생함과 동시에 장치 탑재 등의 설치 고정에 따른 수고스러움이 따른다.

저항 박스 접속시의 소비 전력은 10W 정도로 정전류의 3배가 된다.

LED의 밝기는 전류에 거의 비례하기 때문에 정전류 구동으로 전류치를 조정하고 밝기를 바꾸는 것은 이상적으로 보이기도 한다. 그러나 적색 LED에서는 온도 상승에 의해 발광 효율이 낮아져 휘도가 30%나 저하된다(그림 2). 백색이나 청색에서는 5% 정도로 저하가 발생한다. 전압 고정의 PWM 점등에서는 발열에 의해 LED의 순전압이 저하됨으로써 순방향 전류가 증가해 결과적으로 휘도가 보정되는 방향으로 작용한다. 따라서 정전류를 제어하는 경우 온도 상승에 의한 휘도 저하가 더 커짐을 확인할 수 있다.

신형 LED 스폿 조명 ‘OPS-S 시리즈’
‘FALUX-it 테크놀로지’로 문제 해결
OPS-S 시리즈는 트랜스를 내장한 신개발 ‘FALUX-it 테크놀로지’라는 전압 변환 정전류 회로를 탑재했다(그림 3). 이것은 적백청과 각기 색이 다른 순전압의 LED를 1개만 내장한 스폿 조명을 범용 DC 12V 전원에 직접 접속해도 규정 전류가 흐르도록 제어한다. LED에 최적인 순전압으로 변환함으로써 여분의 전력을 열 변환하지 않고 조명 발열을 억제해 그 전압에 의존한 정전류 제어가 가능해진다. 효율도 높아져 본체 온도가 기존보다 저하된다. 또한, DC 입력에서는 트랜스가 자기 포화되므로 자기 발진 회로에 의해 기능을 유지한다.

정전류 제어에서의 발열에 의한 발광 효율의 저하를 보정하기 위해 온도 보상 회로도 탑재했다. 이로 인해 점등 직후의 온도 상승이나 주위 온도의 변동이 있어도 휘도를 일정하게 유지할 수 있게 됐다.

DC 12V 구동에 의해 기존 저항 박스가 필요 없어져 저비용 컨트롤러 및 고기능 스트로보 컨트롤러에도 접속이 가능해진다. 또한, 링 조명 등의 DC 12V 조명과 같이 사용할 수 있기 때문에 전원 1대로 컨트롤할 수 있게 돼 원가 절감의 효과가 있다. 그림 4는 기존 제품과의 기기 구성을 비교한 그림이다.

오리지널 렌즈에 의한 고휘도화
텔리센트릭 렌즈용으로 매치할 수 있도록 지향성이 강한 독자적인 렌즈를 개발했다. 이 렌즈는 입사 측은 LED의 빛을 빠짐없이 거둬들여 방물면 형상의 렌즈로 평행도를 높이고, 2중의 로드 렌즈를 구성해 평행도를 유지하면서 균일도를 향상시켜 선단(끝)에서 출사한다. 이에 따라 보통 발광으로 기존 제품 대비 6배, 스트로보 오버 드라이브로 기존 제품 대비 10배의 고휘도를 실현할 수 있게 됐다(그림 5). 기존 스폿 조명은 정전류 구동이기 때문에 오버 드라이브할 수 있는 스트로보 전원이 없었지만, 범용 DC 12V 전원으로의 구동이 됨으로써 스트로보 전원으로의 오버 드라이브가 가능해졌다.

고휘도 및 고균일화
텔리센트릭 렌즈의 제작 치수와 배율로 분리해 광학계를 최적화함으로써 밝기와 고균일성을 양립할 수 있는 고휘도 타입과 고균일 타입의 2종류를 개발했다. 고배율/장거리 렌즈에는 고휘도 타입, 저배율/단거리 렌즈에는 고균일 타입이 효과적이다. 고휘도 타입에서도 조명 중심의 휘점 현상(Hot Spot)이 나오지 않게 했다(그림 6). 오리지널 렌즈가 LED의 위치 정밀도를 그다지 요구하지 않는 사양이므로 광축 어긋남도 없어진다.

그림 7에 나타낸 차트를 참고로 타입을 선정하도록 한다.

텔리센트릭 렌즈의 실물 기계를 사용해 밝기와 균일도를 평가했다. 또한, 고휘도 타입은 기존 제품다도 지향성이 강하기 때문에 집광렌즈를 사용하지 않아도 직접 조사의 사광 조명으로서도 충분히 사용할 수 있다.

그림 8은 거리에 의한 집광 직경과 조도 데이터를 나타낸 것이다.

센싱 기술의 ‘FALUX sensing’
OPS-S 시리즈는 조명에 포토다이오드를 탑재해 LED의 빛을 센싱하는 회로를 내장하고 있다. 이로 인해 스스로 휘도를 모니터링할 수 있게 됐다. 더욱이 모니터링된 수치를 파악하고 피드백 제어함으로써 약 5만 시간의 장기적 휘도 안정도 가능해졌다.

‘FALUX sensing’으로 휘도의 모니터링과 피드백 제어
‘FALUX-it’의 온도 보상 회로는 시간 축으로서 초 단위에서 분 단위의 변동을 억제해 밝기를 안정시키는 것이었다. 그러나 LED 조명은 수만 시간 동안 장기간에 걸쳐 사용되는 것으로, 장수명 LED 조명이라고는 해도 LED의 열화에 의해 4~5만 시간으로 휘도가 반감된다. 여기서 장기적인 사용이 가능하도록 휘도를 안정화시키는 것이 ‘FALUX sensing’이다. ‘FALUX sensing’은 다음의 3가지 단계로 실현된다(그림 9).

① 센싱
조명에 내장한 포토 다이오드로 휘도 측정

② 모니터링
컨트롤러 측에서 휘도의 측정치 표시

③ 피드백
휘도 변동을 전압 조정으로 안정화

조명의 밝기를 감지해 컨트롤러의 표시 패널에 휘도를 표시함으로써 외부 기기나 측정기를 이용하지 않고도 휘도를 모니터링할 수 있다. 또한, 공장 출하시의 밝기를 유지하기 위해 모니터 값이 안정되도록 출력 전압을 조정하는 피드백 제어가 가능해진다. 이로써 장기적 사용시에도 휘도의 변동을 1% 정도로 억제할 수 있다. 또, 피드백은 긴 연장 케이블 사용시 전압 강하에 의한 휘도 저하를 보정하는 것에도 효과적이다. ‘FALUX-it’의 온도 보상이 내부 온도 파라미터에 의한 정적 제어라고 한다면, ‘FALUX sensing’은 복수의 파라미터 변동에 의한 휘도 변화를 피드백으로 안정시키는 동적 제어라 할 수 있다.

조명은 이전과 마찬가지로 2핀의 커넥터를 채용하고, 이 2개의 선으로 전력 공급과 데이터 통신을 하는 전력선 통신을 실현하고 있다.

각 조명마다 계기 오차 조정 가능
LED 조명은 동일 기종이라도 밝기에는 어느 정도의 불균일함이 존재하는데, 이것은 컨트롤러의 조광 설정으로 조정한다. 즉, 컨트롤러 측에서 아무리 같은 조광값으로 설정한다 해도 같은 밝기가 된다고는 할 수 없는 것이다.

동일 기종의 조명을 사용하는 복수 장치에서 같은 휘도로 설정하는 것은 조도계 등 외부 측정기를 사용해 설정할 수밖에 방법이 없었다. 그러나 이 제품은 절대휘도를 내부 메모리에 격납해 이 절대휘도가 같은 값이 되도록 조광함으로써 복수의 조명을 동일 휘도로 조정하는 것을 가능케 한다.

고기능 조명 컨트롤러에 의한 제어
조명 컨트롤러 Advan ced ‘OPPF 시리즈’(그림 10)는 PWM 제어의 1,000계조 디지털 조광과 오버 드라이브의 스트로보 제어를 탑재한 고기능 조명 컨트롤러다. ‘FALUX sen sing’의 모니터링과 피드백의 기능을 실현하기 위해 중요한 역할을 담당한다.

‘FALUX sensing’용 컨트롤러로서의 역할
‘OPPF 시리즈’는 2개의 선에 의한 전력선 통신으로 조명에 전력을 공급하면서 측정한 값의 데이터 통신을 실시한다. 전력선 통신에 의해 취득한 휘도값을 전면 패널에 표시함으로써 휘도의 모니터링이 가능해진다. 센싱은 연속 점등뿐 아니라, 점등 제어시 약간의 점등 시간에도 정확하게 휘도를 측정한다. 또한 밝기의 하한값을 설정함으로써 설정값 초과시 알람을 출력하도록 한다.