렌즈 메커니즘의 모든 것

렌즈 마운트

렌즈를 카메라에 연결하는 방법에는 여러 가지가 있다. 렌즈와 카메라에 사용되는 몇몇 표준형 마운트 타입은 스레드나 바요넷(bayonet) 유형으로 제공된다. 렌즈는 마운트 타입과 기계적으로 호환을 이루어야 할뿐만 아니라 카메라와 플랜지 거리가 동일해야 한다. 플랜지 거리 혹은 플랜지 초점 거리는 마운팅 숄더에 서부터 이미지 면까지의 거리를 가리킨다.

C-Mount: C-마운트 표준은 머신 비전에서 가장 흔히 사용되는 렌즈 마운트 타입 중 하나이다. 이 C-마운트 표준은 1” 직경의 스레드와 인치당 32개의 스레드(32 TPI)를 특징으로 하며, 17.526mm의 C-마운트 플랜지 거리를 갖고 있다. 스레드된 마운트는 카메라와 렌즈 사이에서 견고하면서도 제어가 가능한 인터페이스를 제공하기 때문에 다양한 산업 용도에 사용하기 적합하다. CS-마운트 표준은 C-마운트 표준과 동일하지만 12.526mm의 짧은 플랜지 거리를 갖고 있다.

CS-마운트 카메라는 렌즈와 카메라 사이에 5mm 익스텐션 튜브를 사용해 C-마운트 렌즈를 수용하도록 수정이 가능하다. CS-마운트 렌즈는 C-마운트 카메라 위에 끼울 수 있어 C-마운트 카메라와 호환이 가능한 것처럼 보일 수 있으나 플랜지의 내부와 센서의 전면에서 이미지의 초점을 맞추기 때문에 C-마운트 카메라와는 사용이 불가능하다.

F-Mount: F-마운트 표준은 라인 스캔 카메라 및 대형 포맷 카메 라와 마찬가지로 바요넷 스타일의 마운트이다. 니콘에서 개발한 이 마운트는 35mm(43.3mm) SLR 촬영 카메라에 사용된다. F-마 운트 표준은 44mm의 직경과 46.5mm의 플랜지 거리를 갖고 있다. 스프링이 장착된 바요넷 연결부는 사용자에게 편리성을 제공하지만, 산업 용도에서 카메라와 렌즈 간의 정렬 오류를 유발하는 원인이 될 수 있다.

TFL & TFL-II Mount: TFL-Mount는 C-Mount와 사용하기에 너무 크고 F-Mount와 사용하기 에는 너무 작은 APS-C (27.0mm) 센서와 사용하도록 설계됐다. 이 마운트는 thread 사이즈가 M35x0.75mm이면서 C-Mount와 동일한 플랜지 거리 (17.526mm)를 갖고 있어 규격이 더 큰 C-Mount라고 할 수 있다. 견고함은 C-Mount와 동일하지만 F-Mount가 갖고 있는 결함이 없어 사이즈가 더 큰센서와 사용이 가능하다.

TFL-II Mount는 TFL-Mount와 유사하지만 APSH(35mm) 센서용으로 설계되었으며, 17.526mm의 동일한 플랜지 거리와 M48 x 0.75의 thread 사이즈를 갖고 있다.

S-Mount (M12): S-마운트는 보안 감시용 CCTV 카메라와 보드 레벨 카메라서 흔히 찾아볼수 있는 마운트로서 M12 렌즈와 사용된다. 소형 타입의 이 마운트는 미터법스레드와 M12 x 0.5의 피치(pitch)를 갖고 있으나 표준화된 플랜지 거리는 제공하지 않는다.

<그림1> C-Mount, F-Mount, TFL-Mount, TFL-II Mount의 타입별 도해로서 각각의 thread 사이즈, 피치, 플랜지 거리를 보여줌.

Lens Spacer와 Shim 및 Focal Length Extender

어플리케이션을 설계할 때는 이상적인 파라미터와 정밀하게 일치하거나 한계를 넘어서는 성능의 렌즈가 필요하기도 하다. 이와 같은 요건들을 충족하기 위해 사용자가 쉽게 이용할 수 있는 간단 도구로는 lens spacer, shim, focal length extender가 있다. Spacer와 focal length extender는 시야와 작동 거리를 수정해 주고, 이에 반해 shim은 텔레센트릭 렌즈를 정밀 조절할 수 있게 해준다.

Lens Spacer

대다수의 fixed focal length lens는 다양한 작동 거리(WD)에서 초점을 맞출 수 있도록 내장형 메커니즘을 갖고 있다. Fixed focal length lens는 초점을 맞출 수 있는 곳의 작동 거리인 지정된 범위 전체에 걸쳐 움직이는 특성(요소간 상대적 움직임은 없음)을 갖도록 설계된다. 이처럼 사전에 정의되는 범위는 렌즈의 설계 방식을 기초로 결정된다. 단, FOV나 WD가 작아야 하는 어플리케이 션에 맞추려면 렌즈의 한계를 벗어나는 설계가 유리할 때가 많다. 스페이서를 이용해 카메라와 렌즈 사이를 넓혀 시스템을 확장하면 렌즈가 최적으로 작동하는 WD의 범위가 변경된다.

스페이서를 추가하는 주요 목적은 비전 시스템의 배율을 늘리고 WD를 단축하는 데 있다. 이 두 가지 변화는 동시에 발생하며 가우시안 이미징 공식으로 설명된다. 위의 <공식1>은 이미지 거리 (d)와 렌즈의 초점 거리(f) 사이의 연관성을 보여준다. WD를 줄이려면 이미지 거리를 증가시켜야 한다. WD와 이미지 거리가 변경되면, <공식2>를 바탕으로 배율(m) 역시 변경해야 한다. <그림2>는 이러한 효과를 시각화해 보여준다. 이미징 렌즈는 복잡한 특징들을 많이 갖고 있어 스페이스 사용과 관련된 계산을 풀어나가기가 훨씬 더 어렵다.

<그림2> 이미지 거리, 작동 거리, 초점 거리 간의 연관성을 그림으로 표현한 예.

스페이스 사용 시 가장 큰 이점은 WD의 감소와 배율 증대 (FOV 감소)에 있다. 올바른 스페이서 선택은 용도별로 차이가 있지만 35mm focal length lens를 11mm 스페이서를 사용한 동일 35mm lens와 비교한 예를 검토해보자.

<표1> 동일한 35mm focal length lens에서 spacer를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우의 사양 비교(최소 working distance에 초점을 맞춤).

스페이서 사용에 따른 결과는 <표1>에서 찾아볼 수 있다. 이 예에서 WD가 절반 이상 줄었다시피 스페이서는 WD에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 배율은 두 배 이상 증가했다. 이러한 유형의 스페이 서는 트랙의 총 길이(이미지 면에서부터 피사체 면까지의 길이)를 줄여줌으로써 공간적 제한이 있는 시스템에도 사용하기 적합하다.

또한 스페이서의 성능이 광학 시스템에 미치는 영향에 주의할 필요가 있다. 스페이서를 추가하기 전에 렌즈가 물리적으로 작동하는 WD 범위는 대개 광학적 설계를 기초로 렌즈가 최상의 성능을 발휘 하는 위치를 가리키며 이러한 범위는 스페이서 사용에 따라 바뀌기 때문에 일반적으로 성능과 관련된 문제를 겪게 된다. <그림3>과 <그 림4>는 각각 최소 WD에서 11mm 스페이서를 사용해 f/4, 2/3”센서 상에서 위의 예에서 설명한 렌즈의 MTF 곡선을 보여준다.

통상적으로 스페이서의 길이가 초점 거리의 절반 이상일 경우 에는 스페이서를 사용하지 말아야 한다. 올바른 사용 방법을 따르고 시스템 성능에 미치는 영향과 한계점을 충분히 고려한다면 스페이서는 바람직한 도구가 될 수 있다. 대신 단색 조명을 채택하면 성능과 관련된 문제를 완화하는 데 도움이 된다. 성능을 최적 화하는 최고의 옵션이 바로 설계 범위 내에서 렌즈를 사용하는 것이다. 렌즈의 초점 거리가 길면 초점 거리가 짧은 렌즈에 비해 디자인이 더욱 단순해지기 때문에 초점 거리가 긴 렌즈에서 스페이 서의 활용도가 더 높다.

Shim
 

심(shim)은 스페이서와 기본 개념은 같지만 텔레센트릭 렌즈처럼 고정 배율 렌즈에 사용되는 도구이다. 심은 0.025 ~ 1.0mm 두께의 얇은 스테인리스 스틸 스페이서로서 최고의 이미지 품질을 보장하기 위해 미세한 정밀도로 WD를 제어하는 데 사용된다. 플랜지 거리는 하우징 설계 혹은 센서 배치에 대한 허용 오차로 인해 공칭 설계와 약간 다를 수 있다. 따라서 심을 렌즈와 카메라 사이에서 thin spacer처럼 사용하면 이와 같은 편차를 맞춤 지정및 보정할 수 있게 된다.

이미지 거리가 변할 경우 이미지의 품질 또한 변하게 된다. 이상적인 설계안과는 다르게 이미지 거리가 너무 동떨어져 버리면 눈에 띄는 blur나 이미지 저하가 MTF에 발생할 수 있다. 예를 들어 렌즈를 다른 카메라에 적용할 때 이러한 저하가 생기기도 한다. 심지어 동일한 모델의 카메라와 렌즈가 적용되었더라도 신규 시스템을 구성하다 보면 본래 카메라를 다른 카메라로 교체할 때부품 사이에 존재하는 미세한 차이로 작동 거리나 이미지 품질에 변화가 생길 수 있다. 이와 같은 경우 심으로 조금씩 조절해 가면 서 MTF와 초점을 다시 최적의 레벨로 되돌릴 수 있다.

신규 시스템이나 라인을 설정하는 동안에도 이미지 거리를 다소 조절할 필요가 있을 수 있어 대다수의 텔레센트릭 렌즈에는 심이 함께 제공된다. 주요 매개변수가 각각의 시스템에 맞게 설정되어 있다면, 다른 시스템으로 옮길 시에도 소프트웨어의 임계치와 교정 절차를 반복 수행할 수 있게 된다.

텔레센트릭 렌즈는 제조시 까다로운 계측을 요구하는 어플리 케이션에 자주 사용된다. 대개 이러한 어플리케이션은 스윙 로봇 팔의 작동 거리 범위가 제한된 경우, 주변에 오염물이 있거나 기존의 기계적 레이아웃을 새로운 새로운 계측 시스템에 장착해야 하는 경우 등의 도전 과제를 갖고 있다.

스페이서처럼 텔레센트릭 렌즈의 후면에 심을 추가 혹은 제거해 이미지 거리, WD, 초점 거리(그림2)를 활용하면 WD를 가용 범위 내로 살짝 조정할 수 있다. 단색의 어플리케이션 경우라면 심을 사용해 색 초점 이동을 보정하거나 초점을 다시 맞출 수 있다. 심은 사용자에게 이미지 거리를 정밀하게 제어할 수 있는 기능을 제공하여 진행 중인 어플리케이션에 가장 적합한 솔루션을 달성하도록 한다.

<그림4> 11mm spacer를 사용한 35mm focal length lens.

Focal Length Extender/Multiplier
 

머신 비전 시스템의 배율을 높이는 또 다른 방법은 focal length extender를 사용하는 것이다. Focal length extender는 렌즈 뒤쪽과 카메라 사이에 배치된다는 점에서 렌즈 스페이서와 비슷하 다. 하지만 focal length extender는 렌즈가 작동하는 WD 범위에 영향을 주지 않는다. Focal length extender에는 렌즈의 초점 거리를 배가시켜 이를 변경하는 음의 광학 요소 세트가 포함되어 있다. 예를 들어 2배율 focal length extender를 부착한 25mm focal length lens는 effective focal length가 50mm가 되며 동일한 WD 범위에서 원래의 절반에 해당하는 FOV를 갖게 된다.

Focal length extender는 또한 서로 겹쳐서 사용할 수 있으며, 이 경우 렌즈의 초점 거리를 수 배로 증가시킬 수 있다. 초점 거리가 25mm인 렌즈에 1.5X와 2X 두 개의 focal length extender를 사용하면, 새로운 초점 거리는 75mm가 된다.

스페이서를 사용할 때와 마찬가지로 focal length extender를 사용할 때에는 이미지 품질의 잠재적 저하를 고려해야 한다. 대물렌즈에 있는 개별 렌즈 요소는 광학 성능의 균형을 맞추기 위해 모든 요소를 아우르는 집합적 설계 방식을 따르기 때문에 음의 광학 요소를 추가하면 광학 수차가 추가로 더해져 성능 저하가 생기게 된다.

이 밖에도 focal length extender는 f/#를 변경하기 때문에 렌즈 내 광 처리량이 감소한다. 예를 들어 2X focal length extender를 사용하면 광 처리량이 4배로 줄어든다. 따라서 focal length extender를 구현하기 전에 이미지 품질에 미치는 영향을 필히 검토해야 한다.

자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)