고해상도 USB 3.0 산업용 카메라로 접촉각(Contact angle) 측정

USB 3.0 인터페이스가 장착된 산업용 카메라가 늘어나고 있습니다. 이 인터페이스는 이전의 병목 현상을 제거하여 최신 CMOS 고성능 센서로의 다리를 만듭니다. 이는 특히 높은 해상도, 빠른 프레임 레이트 및 최대 광감도가 필요한 다양한 비전 어플리케이션에 대한 새로운 가능성을 열어줍니다. 이것들은 측정기 제조업체 KRÜSS에 대한 주요 특징들입니다.

비디오 기반의 드롭 형상 분석기 시스템에서 IDS의 USB 3.0 카메라를 사용하는 이유입니다. 1200x800 픽셀의 해상도에서 초당 최대 200 프레임을 사용하면 습윤 프로세스를 중단없이 캡처한 다음 정밀하게 분석할 수 있습니다.

어플리케이션

드롭 형상 분석은, 액체의 세실 드롭(sessile drop)의 그림자 이미지에서 접촉각을 결정하고, 펜던트 드롭의 그림자 이미지에서 표면 장력 또는 계면 표면 장력을 결정하는 이미지 분석 방법입니다. 이 방법을 사용하면, 표면에서 액체의 습윤(wetting) 또는 접착 행동(adhesion behavior)을 측정하고 분석할 수 있으며, 산업 품질 보증과 화학 및 제약 산업의 연구 개발에 모두 사용됩니다.

예를 들어, 액체의 표면 장력은 세척 공정이나 인쇄, 페인팅 또는 코팅에서 중요합니다; 이러한 공정은 표면 장력에 타겟팅된 영향을 줌으로써 최적화될 수 있습니다. 한편, 접촉각 측정은 액체와의 접촉을 위해 준비된 고체의 습윤성을 측정하는 것입니다. 이 습윤성은 또한 의도적으로 영향을 받을 수 있습니다; 요구 사항에 따라 향상(예를 들어, 페인트를 준비) 또는 감소(예를 들어, 액체가 더 잘 흘러 가야 하는 경우)될 수 있습니다.

KRÜSS GmbH는 습윤 및 코팅 분석을 위한 측정 기술의 선도적인 공급업체 중 하나입니다. DSA25, DSA30 및 DSA100 측정 기기로, Hamburg에 본사를 둔 회사는 비디오 기반의 접촉각 측정 및 드롭 형상 분석을 위한 범용 드롭 형상 분석기를 개발하고 구성합니다.

이러한 시스템의 기본 기능은 비교적 간단한 용어로 설명될 수 있습니다: 드롭은 단단한 표면(세실 드롭) 상에 배출되거나 바늘 끝(펜던트 드롭)에 위치합니다. 카메라는 드롭 이미지를 캡처하는 데 사용되며, 이미지는 이미지 분석 소프트웨어로 전송됩니다. 이미지의 그레이 스케일 분석은 초기 윤곽선 감지를 수행하는 데 사용됩니다. 두 번째 단계는 윤곽에 드롭 형상을 설명하는 기하학적 모델을 맞추는 것입니다. 이를 통해, 계산된 드롭 형상 함수와 접촉면 사이의 각도로 접촉각을 결정할 수 있습니다. 드롭 이미지에서 접촉면의 투영이 기준선으로 참조됩니다.

"접촉각 측정에는 일반적으로 습윤의 역학을 캡처하는 것도 포함되고, 이는 고해상도와 높은 프레임 레이트의 조합이 필수적이라는 것을 의미합니다. 요구되는 전송 성능은 또한 충분히 높은 대역폭의 인터페이스를 필요로 합니다"라고 KRÜSS의 R&D 매니저인 Carsten Scheithauer는 사용된 카메라의 요구 사항을 요약합니다.

카메라

KRÜSS는, IDS의 USB 3 uEye CP 시리즈의 USB 3.0 산업용 카메라를 드롭 형상 분석기에 통합되고, IDS의 USB 3 uEye CP 시리즈의 USB 3.0 산업용 카메라는 Sony의 IMX174 센서가 장착된 UI-3060CP Rev. 2를 포함합니다.

이 만능 산업용 카메라는 크기가 29x29x29mm에 불과한 초소형 디자인으로, 공간이 부족한 측정 기기에 통합될 수 있습니다. 스크류-인 Micro USB 3.0 및 Hirose 연결로, 카메라는 산업 환경과 비산업 환경 모두에서 전문적인 어플리케이션에 적합합니다.

메모리가 통합되어 있으며, 일관되게 최신 세대의 고성능 CMOS 센서에 대하여 설계되었습니다. 여기에는 Sony의 2.3 메가 픽셀 IMX174 센서가 포함되며, 높은 프레임 레이트에서도 선명한 사진을 제공합니다. 아날로그 메모리가 장착된 센서 소자는, 모든 픽셀 신호들을 동시에 판독함으로써 초점면 왜곡을 효과적으로 방지합니다. 또한 다양한 노출 시간에서 듀얼 프레임 출력 모드를 지원합니다.

두 이미지들의 결합은, 동적 범위(dynamic range)가 73dB(12 비트)까지 증가하며, 높은 감도 및 극히 낮은 판독 노이즈를 갖습니다. Carsten Scheithauer는 "접촉각 측정과 같은 특수 프로세스의 경우, 낮은 노이즈와 최대 광 효율이 매우 중요합니다"라고 말합니다. IMX174 CMOS 센서의 높은 감광도 덕분에, 사용되는 카메라는 심지어 몇 광자들을 감지할 수 있습니다.

KRÜSS 드롭 형상 분석기에서, 카메라는 일반적으로 1200x800 픽셀의 해상도에서 초당 최대 200 프레임의 습윤 프로세스를 캡처합니다. 측정 작업에 따라, 비디오는 밀리초에서 몇 시간 사이의 길이가 될 수 있습니다. "흡수성 물질의 습윤과 같은 매우 빠른 프로세스를 조사하기 위해, 이미지 크기를 90x60 픽셀로 줄임으로써 초당 최대 2000 프레임의 프레임 레이트를 얻을 수 있으며, 획득된 데이터는 계속해서 신뢰할 수 있는 분석으로 이어집니다”라고 Carsten Scheithauer가 말하며, IDS의 USB 3 uEye CP 카메라가 제공하는 가능성을 강조합니다. "비디오의 모든 프레임이 사용되며, 우리의 방법에 따라 접촉각이 지속적으로 결정됩니다."

USB 3.0 인터페이스가 KRÜSS ADVANCE 소프트웨어에 손실 없이 대량의 이미지 정보를 고속으로 전송하여, KRÜSS ADVANCE 소프트웨어에서 드롭 형상 분석이 완전 자동으로 수행됩니다. 이것은 사용자 개입의 영향을 받지 않는 객관적인 측정 데이터를 보장합니다. 결과를 제시할 때, 소프트웨어는 각 측정 값에 해당 드롭 이미지를 할당하고 표시합니다.

이미지는 다른 파라미터 또는 방법을 사용하여 언제든지 재분석될 수 있습니다. 이미지 파일의 저장, 로드 및 관리에 시간을 많이 쓸 필요가 없습니다. 한 가지 매우 특별한 기능은 카메라 이미지의 연속 배경 녹화입니다. 측정이 진행되지 않을 때도 발생합니다. 따라서 라이브 이미지는 이전 기간을 분석하거나 비디오 파일로 저장하기 위해 언제든지 중지될 수 있습니다. 이는, 예를 들어 습윤 시점에 측정이 시작되지 않은 경우 가치 있는 정보가 손실될 수 없음을 의미합니다.

소프트웨어

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