RGB 측정 시 4K 디지털 마이크로스코프의 활용
제품의 미묘한 색상 차이는 품질을 좌우합니다. 예를 들어 로트별로 제품의 색이 다르거나 외장 부품의 색이 일부가 다르면 외관 품질 및 신뢰도가 저해됩니다. 또한 기능성 필름 등은 부분적으로 색이 다르거나 육안으로는 판별할 수 없는 이품종이 혼입되어 있으면, 제품 본래의 기능과 성능이 저해되므로 불량품 유출로 이어질 우려가 있습니다.
여기서는 색의 측정 방법 및 표색계의 기초 지식, 그리고 4K 디지털 마이크로스코프를 사용한 RGB 측정 사례 등을 소개합니다.
색의 측정 방법
사람은 눈으로 물체를 볼 때 환경광과 밝기, 보는 각도 등에 따라 그 색을 느끼는 방식이 달라집니다. 또한, 보는 사람에 따라서도 색을 느끼는 방식은 다양합니다. 하지만 현대의 공업 대량 생산에서는 사람에 따라 색을 느끼는 방식의 차이가 제품 및 부품, 부재와 이들의 품질·성능의 편차, 나아가 최종 제품의 품질 저하로 이어지게 됩니다.
이러한 불량 발생을 방지하기 위해서는 색을 정확하게 측정하여 해당 수치로 색을 특정하는 것이 중요합니다. 따라서 대부분의 제조 현장에서는 색의 측정·수치화에 「색차계」와 「분광측색계」가 이용되고 있습니다. 다음은 이들의 특징 및 차이에 대한 설명입니다.
색차계란
색채계라고도 불립니다. 사람 눈의 망막은 물체를 볼 때 물체에서 반사된 빛(=가시광: 400~700 nm의 파장)을 적색(R)·녹색(G)·청색(B)의 3종류로 나누고, 뇌에 그 자극을 전달하여 색을 판단합니다. 색차계도 마찬가지로 이 3종류의 빛 자극을 측정하여 X·Y·Z의 「3자극값」으로 수치화합니다.
이 측정 방식을 「자극값 직독 타입」이라고 부릅니다. 이 타입의 색차계는 비교적 저렴하며 소형이라 사용하기 쉬워 제조 현장에서의 색 검사 등에서 폭넓게 이용됩니다. 하지만 광원에 따라 수치가 변하기 때문에 다음에 설명하는 분광측색계를 이용하는 고도의 해석에는 적합하지 않습니다.
분광측색계란
광원으로부터 조사되어 대상 물체에서 반사된 빛을 수광부의 여러 센서가 파장별로 분광하여 반사율을 측정합니다. 3자극값 X·Y·Z의 산출뿐만 아니라 분광 반사율에 따라 색(파장)을 그래프 등으로 해석할 수도 있습니다.
자극값 직독 타입인 색차계와 달리 다양한 조명 광원 데이터를 사용하므로 광원에 의한 표현 방식의 차이(연색성)나 특정 조건에서 두 색이 동일하게 보이는 조건 등색(메타메리즘), 대상 물체의 표면 상태 차이 등도 파악할 수 있습니다. 색차계에 비해 고가이지만, 색을 더욱 고도로 해석할 수 있어 주로 연구·개발 등에 활용됩니다.
CIE 표색계와 그 종류
대상 물체의 색을 측정하고 정량적으로 평가하려면 색이라는 모호한 개념에 대한 공통된 정의가 필요합니다. 따라서 빛과 조명 분야와 관련된 과학·기술의 다양한 국제 기준을 규정하는 국제 조명 위원회(CIE: Commission Internationale de l‘Eclairage)가 사람이 공통적으로 색을 정확하게 판별하기 위한 표색계를 정의했습니다. 이는 CIE 표색계로 불리며 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 그 중에서도 대표적인 표색계인 「RGB 표색계」 및 「XYZ 표색계」, 「L*a*b* 표색계」에 대해 설명합니다.
RGB 표색계
CIE가 처음 만든 것이 RGB 표색계로, 실존하는 R(적색)·G(녹색)·B(청색)의 3원색(3자극·원자극·색자극이라고도 함)의 혼합비(가법혼색)에 따라 색을 나타내는 시스템입니다. 3원색의 스펙트럼은 R=700 nm·G=546.1 nm·B=453.8 nm입니다. 단, RGB 표색계 가법혼색으로는 표현할 수 없는 색도 있습니다. 예를 들어 3원색을 어떤 비율로 섞더라도 선명한 실제 시안색을 만들 수는 없습니다.
RGB 표색계를 이용한 색 조합은 액정 모니터 등의 색 표시에도 사용되므로 모니터 표색계라고도 불립니다.
각 3원색을 0~255계조의 농담으로 나타내고 조합하여 256의 3승=16,777,216가지의 색을 표현할 수 있습니다. 또한 3원색을 모두 중첩시켰을 때는 흰색이 표시됩니다.
XYZ 표색계
XYZ 표색계는 다양한 산업 분야에서 폭넓게 이용되고 있습니다. RGB 표색계로는 색역의 단색광을 정확하게 재현할 수 없다는 불리함을 수학적인 방법으로 피하고자 고안된 시스템으로 X·Y·Z를 이용해 나타냅니다.
R·G·B는 실제로 존재하는 스펙트럼이므로 총천연색(true color)이라고 합니다. 반면에 이 표색계에서 이야기하는 X·Y·Z는 수학적인 방법으로 변환된 빛의 색으로, 실제로는 존재하지 않는 색도 있어 의색(false color)라고 불립니다. 사람이 지각하는 색의 체계화가 아닌, 색의 정량적 표시를 목적으로 의색을 사용하기 때문에 모든 색을 X·Y·Z의 값으로 표현할 수 있습니다.
XYZ 표색계의 3축은 각각 다음과 같이 할당됩니다.
X: 적색의 양(명도 없음)
Y: 녹색의 양(유일하게 명도 있음)
Z: 청색의 양(명도 없음)
그림은 3차원적인 상호 관계인 X·Y·Z 중 의도적으로 Z를 기재하지 않고 2차원 그래프로 나타낸 것으로 「xy 색도도」라고 합니다. x를 가로축, y를 세로축으로 한 말굽 형상의 그림으로 색상에 해당하는 「주파 길이」와 채도에 해당하는 「자극 순도」만 나타내고 명도는 표시하지 않습니다.
중앙 부근의 점은 「백색점」이라 불리며 백색인 것을 나타냅니다. 또한, 시안(C) 및 마젠타(M), 옐로우(Y)의 위치에서 인쇄용 잉크나 물감 등의 색은 xy 색도도에서는 채도가 낮기 때문에 XYZ 표색계가 얼마나 넓은 범위를 커버하고 있는지 알 수 있습니다.
L*a*b* 표색계
L*a*b* 표색계는 CIE가 1976년에 권장한 표색계입니다. L*a*b*는 엘스타·에이스타·비스타라고 읽습니다.
각각의 축에서 플러스·마이너스 값에 따라 표시되는 정도를 다음 그림과 함께 설명합니다.
L* 축: 밝기를 나타내는 명도축. 플러스 측은 백색(밝게), 마이너스 측은 흑색(어둡게)으로 나타납니다.
a* 축: 녹색~적색의 채도를 나타내는 축입니다. 마이너스 측은 녹색, 플러스 측은 적색이 강해집니다.
b* 축: 청색~황색의 채도를 나타내는 축입니다. 마이너스 측은 청색, 플러스 측은 황색이 강해집니다.
이들 3축에서 얻은 값을 색차 계산식에 대입하여 색차(=⊿E)를 구할 수 있습니다. 품질 검사에 많이 사용되는 색차계도 이 방법으로 색차를 산출합니다.
이 ⊿E를 관리 지표로 이용하면 각 공업 분야에서 색차 관리의 수치화와 기준색과의 비교 판정이 가능해지므로 품질 향상에 도움이 됩니다.
4K 마이크로스코프로 색 측정을 효율화하는 사례
제조 현장에서의 품질 관리 시 핸디 타입 색차계는 N수를 손쉽게 확보할 수 있으나 고정도 측정에는 적합하지 않습니다. 분광측색계는 정확하게 측정할 수 있고 넓은 범위를 측정하는 데 적합합니다. 하지만 제품의 연구·개발과 품질 보증과 관련하여 현미경으로 확대해야 할 만큼 측정 부분이 작거나, 측정 대상 또는 측정 부분이 좁은 경우에는 두 계기 모두 색 판정에 적합하지 않습니다.
KEYENCE의 초고해상도 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 4K 고해상도 확대 화상을 취득하여 정확한 RGB 값을 측정할 수 있어 미세한 대상 물체 및 측정 부분의 색 관리가 실현됩니다.
「VHX 시리즈」는 현재 전자 분야를 중심으로 다양한 업계에서 폭넓게 사용되는 sRGB(standard RGB)*를 사용합니다. 측정값은 Excel 시트를 사용해 XYZ값으로 손쉽게 변환할 수 있습니다. 또한 「VHX 시리즈」에 Excel을 직접 인스톨하여 사용할 수도 있습니다.
- TipssRGB란
- ·국제전기기술위원회(IEC)가 1999년에 규정한 국제 표준 규격입니다. 모니터와 프린터, 디지털 카메라 등을 중심으로 현재 다양한 제품이 이 규격에 의거합니다. 또한 모니터 및 다른 컬러 모드와의 높은 호환성을 바탕으로 범용성이 뛰어납니다. 고도의 색 관리를 간단하게 실현할 수 있으므로 화상 촬영 및 편집, 인쇄 등의 분야에서도 이용되고 있습니다.
RGB 측정에 의한 필름의 색차 평가
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 깊은 피사계 심도와 고분해능을 동시에 실현한 첨단 광학계와 4K CMOS, 다양한 기능을 간단한 조작만으로 활용할 수 있는 관찰 시스템을 탑재했습니다.
「VHX 시리즈」는 다양한 표면 상태를 지닌 필름의 선명한 확대 화상을 간단하고 신속하게 취득합니다. 예를 들어 표면에 요철이 있어도 깊은 피사계 심도로 시야 전체에 대한 자동 포커스를 실현합니다. 또한 조명 조건 설정이 어려운 광택 필름도, 버튼 하나로 전방위 조명 조사를 활용한 복수의 화상을 자동으로 취득하는 「멀티 라이팅」 기능을 사용하면 간단하게 조건을 설정할 수 있습니다.
이러한 간단한 조작으로 취득한 고해상도 4K 화상을 사용하여 고정도 RGB 측정 및 색차 평가를 실시할 수 있습니다. 또한 과거의 화상을 선택하는 것만으로 당시의 조건을 완전하게 재현할 수 있으므로, 같은 품종의 다른 개체에 대해서도 동일한 조건으로 RGB를 신속하게 측정하고 정량적으로 색차를 평가할 수 있습니다.
RGB 측정에 의한 이품종 필름 동정
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 선명한 4K 화상과 고정도 RGB 측정을 바탕으로 육안으로는 판별할 수 없는 이품종 필름의 동정에 도움이 됩니다.
「VHX 시리즈」는 정확한 RGB 측정값의 차이는 물론, 일반적으로는 콘트라스트가 낮아 확인하기 어려운 재질 및 가공 차이에 따른 미세한 텍스처의 차이도 선명하게 포착할 수 있습니다.
또한, 대상 물체의 정확한 표시를 위해 전용으로 설계된 27인치 대형 컬러 액정 모니터 위에 화상을 나열하여 비교함으로써 간단하게 필름 품종을 동정할 수 있습니다.
이러한 우수한 기본 성능 덕분에 필름의 RGB값을 측정하여 색차를 조사하거나 품종을 판별하는 등의 운용뿐만 아니라, 기존에는 난이도가 높았던 필름 표면의 미세한 결함·불량에 대한 고도의 관찰·해석도 쉬워집니다.
RGB값·XYZ값의 변환과 리포트 자동 작성
sRGB에 의거해 RGB 측정값을 XYZ값으로 변환하는 예를 아래 표에 정리했습니다. 또한 W.P.는 백색점을 의미합니다.
| RGB 방식 | 3원색&W.P. | XYZ ← RGB | RGB ← XYZ |
|---|---|---|---|
| sRGB(D65) | R(0.64, 0.33) | X = 0.4124R + 0.3576G + 0.1805B | R = 3.2410X - 1.5374Y - 0.4986Z |
| G(0.30, 0.60) | Y = 0.2126R + 0.7152G + 0.0722B | G = -0.9692X + 1.8760Y + 0.0416Z | |
| B(0.15, 0.06) | Z = 0.0193R + 0.1192G + 0.9505B | B = 0.0556X - 0.2040Y + 1.0507Z | |
| W(0.3127, 0.3290) |
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 Excel을 직접 본체에 인스톨할 수 있습니다. 따라서 측정값 변환 및 리포트 자동 작성까지 1대로 간단하게 실시할 수 있습니다.
「VHX 시리즈」를 이용한 RGB 측정·XYZ값으로 변환·리포트 자동 작성
- 과거 화상의 촬영 설정을 완전하게 재현할 수 있기 때문에 조명 및 카메라의 촬영 조건을 간단하게 통일할 수 있습니다.
- 외란광을 최대한 억제하여 화이트 밸런스를 적절하게 설정하기만 하면 정확한 sRGB값을 취득합니다.
- 「VHX 시리즈」에 Excel을 직접 인스톨할 수 있으므로 1대로 sRGB 측정 및 XYZ값으로 변환, 리포트 자동 작성을 할 수 있습니다.
RGB 측정을 비롯해 마이크로스코프가 필요한 각종 업무를 1대로 효율화
4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」는 사례에 있는 필름 외에도 다양한 대상 물체의 정량적인 RGB 측정에 활용할 수 있습니다. 또한 Excel을 직접 인스톨할 수 있기 때문에 리포트 자동 작성 기능을 이용하여 결과를 템플릿에 출력하고, XYZ값으로 자동 변환하는 일련의 작업을 1대로 수행할 수 있어 효율을 대폭 개선할 수 있습니다.
뿐만 아니라 자동 제어를 통해 마이크로스코프에 대해 잘 알지 못하는 사람도 간단하게 조작할 수 있으므로 작업의 속인화를 방지할 수 있습니다.
「VHX 시리즈」의 정확한 RGB 측정은 마이크로스코프로서의 우수한 성능과 기능이 밑바탕입니다. 따라서 각종 업계에서 연구·개발과 품질 보증 등을 위해 실시되는 관찰 및 2D·3D 측정, 나아가 자동 면적 계측·카운트 등의 업무를 1대로 다양하게 활용할 수 있습니다.
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