KR100317174B1 - 액체에 포함된 이물질의 광학 검사 방법과 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의료용 식염수등 유리병의 내부에 있는 이물질의 유무를 광학적인 방법으로 검사하는 장치에 관한 것으로 특히, 편광을 이용하여 이물질이 있을 경우에 얻어지는 영상신호의 신호대 잡음비를 높일 수 있는 영상획득 광학계와, 유리병 면의 불균일성과 광학계의 초점흐림에 의한 오차를 보상할 수 있는 영상처리 알고리즘을 특징으로 하는 광학식 이물질 검사 방법과 장치에 관한 것이다.

본 발명에서는 유리병에 입사되는 빛을 편광시키고 영상을 획득하는 카메라 앞에 별도의 편광자를 설치하여 이물질이 있을 경우에 얻어지는 영상신호의 신호대 잡음비를 높일 수 있는 광학계를 발명하였고, 병을 지나는 조명 빔의 밝기가 불균일한데서 발생하는 이물질 검출오차를 빔의 밝기를 정규화하여 처리하는 알고리즘을 적용하여 해결하였으며, 병의 외곽부분에 있는 이물질의 초점 흐림 때문에 발생할 수 있는 검출 오차를 보정하는 영상처리 방법과 장치를 발명하였다.

Description

액체에 포함된 이물질의 광학 검사 방법과 장치{Optical Method and Apparatus for Detecting Foreign Substances Mixed in solution}

(발명의 대상)본 발명은 의료용 식염수등 유리병의 내부에 있는 이물질의 유무를 광학적인 방법으로 검사하는 장치에 관한 것으로 특히, 편광을 이용하여 이물질이 있을 경우에 얻어지는 영상신호의 신호대 잡음비를 높일 수 있는 영상획득 광학계와, 유리병 면의 불균일성과 광학계의 초점 흐림에 의한 오차를 보상할 수 있는 영상처리 알고리즘을 특징으로 하는 광학식 이물질 검사 장치에 관한 것이다.

일반적으로 유리병에 담긴 수액제, 특히 의료용 약품들은 이물질이 섞여 있을 경우 치명적인 문제를 일으킬 수 있으므로, 대부분의 생산라인에서 이물질의 유무를 검사하며 가장 기본적인 검사 방법인 육안 검사 방법은 작업자의 시력이나 상태에 크게 의존하므로 일정한 검사 결과를 얻기가 곤란하다는 단점이 있다. 따라서 수액제의 검사는 할로겐 램프나 LED 등의 조명과 카메라와 영상처리기술을 이용하는 기계적 시각(machine vision)에 의한 검사 방법이 필요한 분야이다.

(종래기술)

의료용 시약등 유리병에 담긴 액체에 들어있는 이물질에 대한 기계적 시각(machine vision)에 의한 온-라인 검사 방법은 다양한 방법이 개발되어 왔다. 이러한 광학식 이물질 검사 장치는 특허로 제안된 선행기술이 많은데, 미국특허4,4492,475에서는 광섬유 다발로 빛을 전송하여 선모양의 빛을 검사 대상체인 유리병 내부의 액체에 조사시키고, 유리병을 회전시킨 후 갑자기 정지시켰을 때 투과된 빔을 선형 광 다이오드 어레이 센서로 측정하여 액체 내부에 있는 이물질을 검사하는 방법을 고안하였다. 이 방법은 유리병 내부의 액체가 회전할 때 이물질이 있으면 같이 회전하는데 착안한 것으로 현재까지의 대부분의 유리병 내부에 있는 액체에 포함된 이물질 검사에 기본 개념이 되고 있다.

이후 이러한 기본 개념을 바탕으로 하여 이물질 검출 성능을 향상시킬 수 있는 여러 가지 고안이 발명되었다. 미국특허 4,804,273 에서는 광원으로 레이저 조명을 사용하고 광검출기로 PM 튜브를 사용하는 이물질 검출 장치를 고안하였다. 이 특허에서 사용하는 방식은 병을 투과된 빛을 측정하는 투과형 측정 방식이 아니고, 액체 속의 이물질에 의해 산란되는 레이저빔을 측정하는 산란형 측정 방식을 사용하여 이물질 검출 신호의 신호대 잡음비를 향상하도록 하였다. 이 특허의 조명 방법은 레이저빔을 용기를 지지하는 지지대의 밑에 있는 여러 개의 구멍을 통해 용기의 아래에서 위쪽으로 통과시키는 방법으로, 이때 이물질에 의해 산란된 빛을 광검출기로 검출하여 산란된 빛에 비례하는 전기 신호를 얻은 후 처리한다. 검출된 전기 신호는 증폭되고, 저주파 신호와 고주파 신호로 필터링한 후 처리된다. 저주파 신호는 용기에서 항상 발생되는 산란광이고, 고주파 신호는 이물질에 의해 순간적으로 산란된 빛에 해당한다. 일정한 시간동안 고주파 신호를 적분하고 적분된 값과 기준신호를 비교하여 이물질을 판단하게 된다.

또한 미국특허 5,365,343에서는 낮은 대비(밝은색 이물질)를 가지는 물질을검출하기 위해 전 방향 산란 빛(forward scatter lighting)으로 용기를 조명하고 산란되는 빛을 카메라로 측정하는 방식과, 높은 대비 또는 검은색 물질을 검출하기 위해 후방 빛(back lighting)으로 용기의 좁은 영역을 조명한 후 투과되는 빛을 검출하는 방식을 동시에 사용하는 방법을 제안하였다. 전방향 산란 빛과 후방 빛의 광원을 각각 설치하고 광검출기를 겹치지 않게 분리하여 증가된 신호와 감소된 신호를 각각 검출한다. 이들 분리된 검출기는 분리된 렌즈를 통해 증가된 신호와 감소된 신호를 각각 검출하거나, 거울을 이용하여 각각의 영상을 하나의 렌즈를 통해 하나의 검출소자의 분리된 영역으로 측정하는 방식이다.

(발명의 목적)

본 발명의 목적은 유리병 내부에 있는 이물질을 검출하기 위한 광학 검사장치의 이물질 검출 성능을 높이기 위한 것이다. 기존의 장치는 검은색의 이물질과 밝은색의 이물질에 대해 좋은 성능을 유지하기 위해 투과빔과 반사빔을 이용하는 두 개의 검출 장치를 각각 적용하였으나, 본 장치에서는 이물질에 의해 빛이 산란될 때 편광 성분이 바뀌는 점을 이용한 편광 광학계를 도입하여 밝은색 물체에 대한 감도를 향상시켰으며, 영상신호 처리 알고리즘에 정규화와 평균 개념을 도입하여 이물질 검출신호에 대한 신호대 잡음비를 높이는데 목적이 있다.

(발명의 요점)

본 발명에서는 조명장치 앞에 편광자를 설치하여 유리병에 입사되는 빛을 편광시키고 영상을 획득하는 카메라 앞에 별도의 편광자를 설치하여 이물질이 있을 경우에 얻어지는 영상신호의 신호대잡음비를 높일 수 있는 광학계를 고안하였고, 병을 지나는 조명 빛의 밝기가 불균일한데서 발생하는 이물질 검출오차를 배경빔의 밝기를 정규화하여 처리하는 알고리즘을 적용하여 해결하였으며, 병의 외곽부분에 있는 이물질의 초점 흐림 때문에 발생할 수 있는 검출 오차를 보정하는 영상처리 방법을 창출한 것이다.

도 1 은 액체 속에 들어 있는 이물질 검사 장치 구성도

도 2 는 영상신호처리 순서도

도 3 은 이물질 검출실험 결과

도 3-(a) 는 초점이 맞았을 경우의 이물질 검사 데이타 (차이 영상)

도 3-(b) 는 초점이 맞지 않았을 경우의 이물질 검사 데이타 (차이 영상)

도 3-(c) 는 이물질이 검출된 부분의 최종 데이타

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(1) : 유리병 (2) : 유리병 회전장치

(3) : 조명장치 (3a) : 원통형 렌즈

(3b)(5b) : 편광판 (4) : 라인스캔카메라

(5) : 영상광학계 (5a) : 렌즈

(6) : 영상처리장치 (7) : LED 구동장치

(8) : 컴퓨터 (a) : 액체

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 유리병(1)을 빠른 속도(200∼2000RPM)으로 회전시키다가 갑자기 정지시켜 그 유리병(1)에 담긴 액체(a)는 계속 회전시키도록 하는 일반적인 유리병 회전장치(2)와 선모양의 빛을 만들어 유리병(1)에 조사시키는 조명장치(3)와 이 유리병(1)을 통과한 빛을 모아서 라인스캔카메라(4)의 수광부에 영상맺도록 구성된 영상광학계(5)와 유리병(1) 내부의 액체(a)에 포함된 이물질의 영상을 획득하는 라인스캔 카메라(4)와 이 라인스캔 카메라(4)의 영상신호를 저장하고 이 신호로부터 액체에 포함된 이물질을 찾아내는 영상처리장치(6) 및 영상처리 프로그램이 내장되고 LED 구동장치(7)에 연결된 컴퓨터(8)로 구성된다.

위에서 언급한 조명장치(3)와 영상광학계(5)는 같은 방향의 편광판(3b, 5b)이 설치되어 있어 조명장치(3)에서 내보내는 빛과 동일한 편광성분만을 카메라(4)의 센서에 들어갈 수 있도록 구성되며, 영상처리 프로그램(6)은 영상광학계(5)의 초점에 위치한 이물질 뿐 아니라 영상광학계(5)의 초점에서 벗어난 지점에 위치한 이물질도 찾아낼 수 있도록 카메라(4) 각 픽셀의 이웃한 수십개의 픽셀들의 누적 값을 처리하도록 구성되며, 카메라(4)의 센서에 입사되는 배경빛의 밝기 차이에 의한 이물질 판별 신호를 배경빛의 밝기로 정규화 시켜주도록 구성된다.

(실시예)

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보면 다음과 같다. 전체 장치의 구성은 도1과 같다. 조명장치(3)는 LED 라이트 바를 사용하였으며 앞에 원통형 렌즈(3a)를 사용하여 나오는 빛을 유리병(1)의 중심부에 집속시켰다. 그 앞에는 선형 편광판(3b)이 설치되어 특정방향으로 선형 편광된 빛만을 내보내도록 구성하였다. 유리병(1)의 중심부를 지난 빛은 영상 광학계(5)를 통하여 카메라(4) 센서에 집속되는데, 이 영상광학계(5)는 유리병의 중심부에 초점이 맞도록 구성되었다. 영상광학계(5)에는 선형 편광판(5b)이 조명장치(3)에 설치되어 있는 것과 같은 방향으로 설치되어 조명장치(3)에서 내보낸 것과 같은 편광 성분의 빛만이 카메라(4)의 센서에 도달할 수 있도록 구성되었다.

편광판(5b)의 앞에 렌즈(5a)가 설치되어 있다.

카메라(4)에서 획득된 영상은 영상처리 장치(6)에 유리병(1) 내부의 액체(a)가 1/2회전시간 이상의 시간(통상 1회전시간 정도를 사용)동안 여러 프레임의 영상이 저장되고 컴퓨터(8)에서 처리된다. 이 영상처리 과정은 도2의 순서도에 의한다. 우선 획득된 영상은 고주파 성분의 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 거친 후 수프레임에서 수백프레임의 간격으로 두 개의 영상들을 빼서 '차이 영상'을 구한다. 이 차이 영상에서는 정지하고 있는 물체의 정보는 없고 변화하고 있는 물체에 대한 정보만을 가지므로, 유리병(1)의 형태에 무관하게 유동하는 이물질에 대한 정보만을 담게 된다.

그 이후에는 정규화 과정을 거치는데, 이는 유리병(1)을 지나 카메라(4) 센서에 입사되는 배경빔의 밝기가 일정하지 않으므로 이물질이 밝은 곳에 위치할 경우와 이물질이 어두운 곳에 위치할 경우 신호의 크기가 달라지는 것을 보정하기 위한 과정이다. 정규화 작업은 각 영상의 밝기가 픽셀의 위치에 따라 다른 것을 보정할 수 있도록 앞에서 구한 각각의 차이 영상의 밝기 값을 각 영상의 밝기 값으로 나눈 후 일정한 값을 곱하여 이루어지는데 8비트로 디지털화(digitization) 할 경우에는 256미만의 자연수(통상 128 ~ 255)로 사용하고 10비트로 할 경우에는 1024미만의 자연수(통상 512 ~ 1023)를 사용한다. 이렇게 구한 차이 영상을 사용하여 이물질의 유무를 판단하게 된다.

이 차이 영상의 크기가 특정한 경계값보다 크면 이물질이 있는 것으로 판단한다. 이 과정에서 이물질이 없는 것으로 판단할 경우 또 하나의 판단과정을 거친다. 이 두 번째의 판단과정은 차이 영상의 면적 값을 고려하는 것인데, 이것은 영상 광학계(5)의 초점이 유리병(1)의 중앙부에 맞추어져 있으므로 유리병(1)의 외곽에 위치한 이물질의 경우 영상 흐림이 발생하고 따라서 이물질에 대한 차이 영상의 최대값이 작게 나타날 수 있기 때문이다. 이 두 번째의 판단과정은 차이영상의 최대값 주변의 수십개의 화소의 값에 대한 면적 값을 구하고 이것을 특정한 경계값과 비교하여 이물질 유무를 판단하는 것이다.

본 발명의 이론을 검증하기 위하여 장치를 구성하고 이물질이 있는 표본에 대하여 검출 실험을 하였다. 조명장치(3)는 폭 3 mm, 길이 200 mm 인 LED 라이트 바를 사용하였고, 여기서 나오는 빛을 길이 200 mm, 초점거리 60 mm인 원통형 렌즈(3a)를 사용하여 병(1)의 중앙부에 선 모양으로 집속시켰다. 유리병(1)은 제작된 회전 장치(2)를 통해 400 rpm의 속도로 10초간 회전시킨 후 갑자기 정지할 수 있도록 하였으며, 정지 직후 라인스캔 카메라(4)를 사용하여 5000 프레임의 영상을 1/3초 동안 획득하여 메모리에 저장한 후 전용의 영상처리 프로그램(6)으로 처리하였다. 카메라(4)는 2048 개의 화소를 가진 디지탈 선형 라인스캔 카메라(4)를 사용하였으며, 영상광학계(5)는 지름 200 mm인 콘덴싱 렌즈와 표준 니콘 F-마운트 렌즈를 조합하여 사용하였다.

도3은 실험 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도3-(a)는 영상광학계(5)의 초점이 이물질에 잘 맞은 경우의 이물질 추출 영상 데이타이다. 이 그래프는 이물질이 있는 경우와 없는 경우의 라인스캔 카메라(4)의 영상 두 개를 정규화 시킨 후 서로 빼서 구한 차이 영상이다. 이 경우에는 이물질을 나타내는 영상 값이 주위 배경에 비해 아주 크므로 절대치(이물질 검출의 문턱치인 10) 비교를 통하여 이물질을 쉽게 추출할 수 있다. 도3-(b)는 도3-(a)와 같은 실험 장치와 이물질이 들어 있는 표본을 사용하여 실험한 것이지만, 영상광학계(5)의 초점이 약간 벗어난 경우의 이물질 추출 차이 영상 데이타이다. 이러한 경우는 이물질이 병(1)의 중심부에 위치하지 않고 병(1)의 외곽부에 위치하는 경우로 디포커스(defocus)에 의한 상흐림이 일어나 영상 값의 높이가 줄어들고 그 대신 폭이 늘어난 것을 알 수 있다. 이러한 경우에는 영상 값의 높이만을 가지고 보면 배경 노이즈와 이물질 신호와의 차이가 크지 않기 때문에 오차를 유발할 수 있다. 따라서 이물질이 있는 부분의 최대값을 중심으로 주위 화소의 크기를 포함한 면적값을 구하여 이것이 특정치(이물질 검출의 문턱치인 5 ~ 8) 이상이면 이물질로 판단하는 알고리즘을 적용하여 찾는 것이 더욱 정확하다. 도3-(c)은 이물질 추출을 위하여 얻은 영상을 시간축으로 저장한 후 처리한 결과를 그래프로 나타낸 것으로, 특이값에 해당하는 것이 이물질의 존재를 나타낸다.

(발명의 변형 예, 응용 예)

본 발명은 실시예에 국한되지 않고 변형이나 응용 가능한 방법과 장치의 설계변경도 본 발명의 기술 범주에 포함된다.

검은색의 이물질은 빛의 흡수가 많아 투과빔을 측정하는 방식을 사용하는 것이 유리하고, 흰색 계통의 이물질은 빛의 흡수가 작은 대신 반사가 많아 산란빔을 측정하는 방식의 광학검사장치에 유리하다고 알려져 있다. 그러나 하나의 검사 장치에 두종류의 광학계가 동시에 설치되면 장치가 복잡해지는 단점이 있게 된다. 본 발명에서는 투과형 빔을 측정하는 하나의 광학검사 장치에 편광 광학계를 도입함으로써, 흰색계통의 이물질에서 신호가 작은 것을 산란에 의한 편광 상태 변화를 이용하여 신호를 크게 함으로써 검출 성능을 높이도록 하였다. 또한 배경 조명이 유리병을 통과하면서 빔의 세기가 크게 불균일해지는 현상을 영상처리과정에 정규화 방법을 사용하여 해결하였으며, 병의 외곽부분에 있는 이물질의 검출 성능을 높였다.

Claims (3)

1. 유리병(1)을 빠른 속도로 회전시키다가 갑자기 정지시켜 그 유리병(1)에 담긴 액체(a)를 계속 회전시키도록 하여 조명장치(3)로서 선모양의 빛을 만들어 유리병(1)에 조사시키고 이 유리병(1)을 통과한 빛을 모아서 영상광학계(5)의 라인스캔카메라(4)의 수광부에 영상이 맺도록 하고 유리병(1) 내부의 액체(a)에 포함된 이물질의 영상을 획득하여 영상신호를 저장하고 이 신호로부터 영상처리장치(6)에서 액체에 포함된 이물질을 찾아내어 이물질의 유무를 판별하되 조명장치(3)에서 내보내는 빛과 동일한 편광성분만이 카메라(4) 센서에 들어갈 수 있도록 하고,

   영상광학계(5)의 초점에 위치한 이물질 뿐 아니라 영상광학계(5)의 초점에서 벗어난 지점에 위치한 이물질도 찾아낼 수 있도록 카메라(4) 각 픽셀의 이웃한 수십개의 픽셀들의 누적 값을 처리하도록 하며, 카메라(4)의 센서에 입사되는 배경빛의 밝기 차이에 의한 이물질 판별 신호의 차이를 배경빛의 밝기로 정규화 시켜주는 것을 특징으로 하는 액체에 포함된 이물질의 광학 검사방법
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 영상처리 장치(6)와 프로그램은 유리병(1) 내부의 액체(a)가 1/2회전시간 이상의 시간동안 여러 프레임의 영상을 획득하여 저장하고 수프레임에서 수백프레임 간격으로 영상 밝기의 차이 영상을 구하여 각 픽셀의 영상의 밝기 값이 이물질 검출의 문턱치(threshold value)보다 크면 이물질이 있는 것으로 판단하도록 구성되며 상기한 차이 영상의 각 픽셀값과 이웃한 수십 개의 값의 누적치가 또 다른 이물질 검출의 문턱치보다 크면 이물질이 있는 것으로 판단하도록 구성되고, 또한 저장된 각 영상의 밝기가 픽셀의 위치에 따라 다른 것을 보정할 수 있도록 상기한 차이 영상의 밝기 값을 각각의 영상의 밝기 값으로 나눈 후 영상처리를 위한 디지털화 하는 자연수의 값을 곱하여 정규화 시킨 후 처리하는 것을 특징으로 하는 액체에 포함된 이물질의 광학 검사방법.
3. 액체(a)가 담긴 유리병(1)을 유리병 회전장치(2)에 안착시키고 유리병(1)의 일측으로 조명장치(3)를 설치하며, 조명장치(3)와 유리병(2) 사이에 원통형 렌즈(3a)와 선형편광판(3b)을 설치하여 유리병(1) 방향으로 선형 편광된 빛을 보내도록 구성시키고 유리병(2)의 타측으로 렌즈(5a)와 선형편광판(5b)으로 구성된 영상광학계(5)를 설치하여 조명장치(3)에서 보낸 편광성분의 빛이 라인스캔 카메라(4)의 수광부에 영상이 도달되게 하고 라인스캔 카메라(4)의 영상신호를 저장하고 이 신호로부터 액체(a)에 포함된 이물질을 찾아내는 영상처리장치(6)와 이물질의 유무를 판별하는 영상처리 프로그램이 내장되고 LED구동장치(7)가 연결된 컴퓨터(8)로 구성된 것을 특징으로 하는 액체에 포함된 이물질의 광학 검사장치.