편광 카메라(Polarized Camera)는 빛의 편광 속성을 이용하여 이미지를 캡처하는 카메라입니다.
편광 카메라를 사용하면 반사된 표면, 굴절된 표면 또는 산란된 표면에서 편광의 각도를 감지하고 필터링할 수 있습니다.
다양한 각도에서 반사되는 빛을 필터링하면 이미지가 더욱 선명하고 깨끗해집니다. 이를 통해 숨겨진 디테일을 보다 명확하게 포착하여 물리적 특성을 분석할 수 있습니다.

 

 

 

편광 카메라 산업 어플리케이션

 

편광이란?

편광이란 무슨 뜻일까요? 편광이란 빛의 극성(자기장+전기장)을 분리시키는 것을 의미하며, 이는 빛의 분극화(Polarization)를 뜻합니다.
빛은 전기장과 전기장에서 진동으로 이루어져 있습니다. 편광은 주로 물체의 투과되거나 굴절되어 일어나지만 편광 필터로 이용하여 빛을 일정한 방향으로 편광 시킬 수 있습니다.
편광 카메라는 이러한 빛의 극성 중 원하는 극성만을 구별하여 특정한 극성의 빛 성분만을 수신합니다.

 

임의의 각도에서 진동하는 비편광형 빛 대 특정한 각도로 정렬된 편광형 빛

편광 필터는 편광 축에 평행한(또는 구멍의 각도에 수직인) 빛을 통과하고, 편광 축에 수직으로 정렬된(또는 구멍의 각도에 평행한) 빛을 차단합니다.

 

 

편광에는 대략 선형 편광, 원형 편광, 타원형 편광 등 세가지 종류가 존재합니다.

 

왼쪽 부터 선형 편광, 원형 편광, 타원형 편광 / 출처: wikipidia

 

선형 편광(Linear polarization): 선형 편광은 편광의 진행 방향이 일정하고 수직 편광과 수평 편광으로 나누어집니다.
선형 편광은 물이나 유리 표면의 반사를 제거하거나 대비를 높여 더 선명하게 보여줍니다.

원형 편광(Circle polarization): 원형 편광은 두 가지 선형 편광 상태를 결합하여 빛을 원형으로 편광 시킵니다.
즉, 빛이 모든 방향으로 균일하게 회전하면서 진동하여 원형을 그립니다.
원형 편광은 주로 카메라의 자동 초점 및 노출 측정 시스템과 호환하여 사용합니다.

타원형 편광(elliptical polarization): 타원형 편광은 선형 편광과 원형 편광을 포괄하는 일반적인 형태의 편광입니다.
타원형 편광은 안테나와 통신 시스템 설계에서 특정 편광 상태를 수신하거나 전송함으로써 간섭을 줄이고 신호의 질을 향상시키는 데 사용됩니다.

 

<사진 2> 편광필터 적용 전 사진(왼), 편광필터 적용 후 사진(오)

 

편광 필터를 사용하면 다양한 각도에서 들어오는 빛의 굴절을 감지하고 필터링할 수 있습니다.

왼쪽 이미지는 편광 필터를 적용하지 않은 일반 칼라 센서로 촬영한 이미지이며 오른쪽 이미지는 편광 필터를 적용한 이미지입니다.
왼쪽 이미지는 일반 센서가 들어오는 빛의 강도(intensity)와 파장(wavelength)을 감지했습니다.
반면, 오른쪽 이미지는 편광 카메라 내부의 특수 편광 센서가 반사된 표면, 굴절된 표면, 산란된 표면에서 편광의 각도를 감지하고 필터링했습니다.

이처럼 편광 카메라는 특정 각도의 빛을 필터링하여 이미지의 품질을 향상하는 데 사용됩니다.
이러한 기능은 주로 머신 비전, 자동차 운전 보조 시스템, 드론, 로봇 등에서 물체의 형상, 질감, 색상 등을 더 정확하게 파악하는 데 활용됩니다.

 

 

편광카메라 제품 - 편광 카메라 구조

 

1. 편광 필터: 편광 센서의 구조와 원리

 

편광카메라는 빛의 편광 상태를 구분하기 위해 편광 필터를 사용합니다.
편광 필터는 특정 방향으로 진동하는 빛만 통과시키고, 다른 방향으로 진동하는 빛은 차단합니다.
편광카메라의 내부 안에 배치된 편광 센서는 여러 각도의 필터를 사용하여 서로 다른 편광 방향을 감지합니다.

 

아래 이미지는 화인스텍에서 취급하는 SONY의 IMX250MZ(모노 선형 편광) 센서가 탑재된 필터로
이 센서는 CMOS 센서로 미세한 금속 선들이 평행하게 배열된 와이어 그리드 편광 원리를 채택하고 있는 글로벌 셔터 센서입니다.

 

SONY의 IMX250MZ(모노 선형 편광) 센서 구조

 

 

편광 센서의 구조를 살펴보면, 가장 앞 단에 마이크로 렌즈가 빛을 집광하는 역할을 수행합니다.
마이크로 렌즈 밑에 위치한 편광 센서는 다각도로 이루어진 빛을 편광 시킵니다.
이를 통해 편광된 빛이 포토다이오드(광신호를 검출하여 전기적인 신호(전류)로 변환하는 소자)를 거쳐 빛 데이터가 이미지로 변환됩니다.
편광 센서는 0°, 45°, 90°, 135° 각도로 배열된 와이어 그리드를 이미지 센서 앞에 배치하여 여러 각도에서 편광된 이미지를 촬영합니다.

 

왼: 편광필터 적용 전 / 오: 편광 필터 반사 감소 적용 후

 

*와이어 그리드: 미세한 금속 선들이 평행하게 배열된 구조물로, 빛의 특정한 편광 상태를 선택적으로 통과시키거나 차단하는 역할을 합니다.
이 구조는 편광 필터의 일종으로, 특히 전자기파의 편광 방향에 따라 다른 투과율을 가지게 됩니다.

 

micro lens와 photodiode 사이에 배치된 편광 센서

 

편광 필터 실제 이미지_FLIR Sony Polarized Sensor - YouTube

 

 

와와이어 그리드 편광 원리는 90˚, 45˚, 135˚, 0˚의 각도로 배열된 픽셀들이 각자의 와이어 그리드 축을 기준으로 편광을 측정하는 방식입니다.
와이어 그리드 축에 대한 편광률은 와이어 그리드에 수직인 방향에서 광 투과율이 최대가 됩니다.
추가로 편광센서에서 특정 각도의 이미지만 취득하려 한다면, 예를 들어 90˚ 각도의 이미지만 취득하겠다고 하면, 해당 각도의 이미지만 가져오기 때문에 해상도가 1/4이 됩니다.

 

아래 이미지에서 오른쪽 이미지는 각도별 이미지를 추출한 이미지이므로,
각 이미지는 90˚, 45˚, 135˚, 0˚의 이미지를 나타냅니다. 각 이미지는 카메라 원본 이미지 1/4의 해상도를 가지고 있습니다.

왼: 픽셀 수준으로 확대 편광 필터 / 오: 편광 필터 각도 별 이미지(Quad) / image source: Flir

 

 

2. 표면의 반사 특성과 재질을 분석하는데 유용한 편광 카메라

 

편광의 특징을 이용하면 표면의 반사 특성과 재질을 분석하는데 유용합니다.
편광 필터를 사용하면 미세한 표면 구조와 결함을 감지하고 투명 물질의 내부 응력 분포를 시각화하고 분석하는 데 활용합니다.
예를 들어, 플라스틱, 유리 등의 재료 내부에 발생한 응력을 감지합니다.
또한 재료나 구조물의 손상 여부를 비파괴 방식으로 검사할 수 있습니다.
따라서 고가의 장비나 민감한 부품을 손상하지 않고 검사할 수 있어 경제적입니다.

 

 

편광 카메라 어플리케이션

 

선형 편광의 각도(AoLP) 모드에서의 물체 감지 및 대비개선

 

편광 필터를 이용한 반사 감소

 

3. 편광카메라 제품 – Blackfly S GigE

 

비전 검사에서 선명한 이미지를 취득하려면 유리, 플라스틱 및 금속과 같이
빛나는 표면에서 나오는 빛, 반사, 안개 및 눈부심 효과를 제거해야 합니다.
Blackfly S 편광 머신 비전 카메라는 Spinnaker SDK에 내장된 Sony의 센서 탑재 편광 및 눈부심 방지 기능을 갖췄으며 다양한 환경을 극복하는 솔루션을 제공합니다.

 

 

Blackfly S GigE

Flir - Blackfly S GigE

 

FLIR의 Blackfly S 카메라는 단일 프레임에서 4개 각도에서의 센서가 탑재되어 편광으로 빛을 캡처합니다.
Blackfly S는 Sony의 IMX253MZR 및 IMX250MZR 센서가 탑재되어 있습니다. 
이 센서는 12 및 5메가픽셀 IMX253 및 IMX250 Pregius 글로벌 셔터 CMOS 센서를 기반으로 하며 자체 편광 필터가 있습니다.

 

 

편광 센서가 장착된 Blackfly S 카메라는 센서에서 모든 편광각 및 강도를 동시에 감지하여
높은 속도와 함께 노출, 게인, 화이트 밸런스 및 색 보정에 대한 정밀하고 유연한 제어 기능을 갖췄습니다.
따라서 이미지 품질을 저하하지 않고 출력을 극대화하여 애플리케이션의 시스템 설계 복잡성을 낮춥니다.

 

 

편광 센서를 장착한 Blackfly S 카메라의 차별점

 

 

 

 

l 눈부심 방지 반사 제거 기능이 있는 Spinnaker SDK l

SDK는 편광 측정 기술을 활용하여 이미지에서 눈부심을 줄이는 기능을 제공합니다.
이를 통해 비금속 표면에서의 반사를 효과적으로 줄이고, 시스템 복잡성을 낮추며, 개발 시간을 단축합니니다.

 

L - 원본 편광 화상 | M - 관심 대상을 적색으로 표시한 편광 화상 | R - 눈부심 방지 감소가 활성화된 처리 화상 / image source: Flir

 

l 편광과 색상 결합 l

IMX250MYR 센서는 편광 필터와 색상 필터 배열을 결합한 이미지 센서입니다.
이 센서는 쿼드 베이어 패턴을 사용하여 각 2x2픽셀 블록이 동일한 색상 필터를 가지도록 배열되어 있습니다.
이를 통해 색상 정보보다 편광 정보를 더 정밀하게 측정할 수 있습니다.

각 RGB 픽셀 방향당 하나의 편광 필터가 있습니다

 

l 더 높은 프레임 속도(무손실 압축) l

Sony의 편광 CMOS 이미지 센서가 있는 Blackfly S GigE 카메라는 무손실 압축을 사용하여
화상 데이터 손실 없이 고해상도에서 더 높은 프레임 속도를 지원합니다. (예: 12MP에서 최대 14FPS)

 

l 편광 데이터의 해석 l

편광 이미징에서 빛의 편광 상태를 정확히 측정하려면 4가지 편광 각도에서 데이터를 수집해야 합니다.
Spinnaker SDK는 각 인근의 픽셀 데이터값을 생성하는 과정을 기본적으로 지원하여 편광 데이터를 쉽게 얻고 활용하게 합니다.

 

 

4. Blackfly S 편광 카메라 대표 어플리케이션 검사

 

Blackfly S는 편광 기능을 통하여 빛의 눈부심과 반사를 제거하여 UAS 또는 드론과 같은 응용 분야에서 원활한 이동 및 방향을 제공합니다.
또한 지능형 교통 시스템(ITS)에서도 반사되는 앞 유리를 통한 안전벨트 또는 모바일 장치 위반 화상 처리에 유용하게 사용됩니다.

탐지 및 식별 응용 분야에서도 아래에 그림과 같이 AoLP 모드(선형 편광의 각도)를 통해 위장 차량 또는 미세한 셀 구조 파악에도 활용할 수 있습니다.
마지막으로 눈부심과 반사를 제거하고 화상을 정리함으로써 딥 러닝 시스템 교육을 간소화할 수 있습니다.
이는 자율주행 차량 및 해양 잠수정(무인 수상정 - USV) 등 눈부심이 심한 환경에서 최적화된 애플리케이션입니다.

 

왼: 실외 조명 조건에서 앞유리의 반사 이미지 / 오: 센서 탑재 편광을 이용하기 전과 후의 위장된 차량 식별

 

 

이외에도 Blackfly S 카메라로 표준 현미경 장비로 생물학적 화합물에서의 건강한 조직과 병든 조직을 구분할 수 있습니다.
또한 반도체 및 전자 제품 제조, 평판 디스플레이(FPD) 제조 및 검사, 식품 포장, 화장품, 의약품 포장, 물류,
현미경 및 검사와 같은 여러 다른 응용 분야에 편광 기술로 반사면 영역을 다룹니다.

 

 

 

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