머신 비전 렌즈의 유형
이미징 렌즈는 영상 시스템을 구성하는 복잡하고 까다로운 구성 요소로서 어떠한 렌즈를 선택해야 할지 그리고 이러한 결정으로 부터 비롯되는 절충안은 무엇인지를 파악하기란 쉽지가 않다. 제조업체에서 제공하는 렌즈 사양 시트(또는 데이터시트)는 업체마다 다르기 때문에 제품 사양을 비교하는 일은 고된 작업일 수밖에 없다. 다만 렌즈의 사양에 관해 언급하기 앞서 어플리케이션에 가장 적합한 렌즈의 유형이 무엇인지 어느 정도 파악하고 있어야 한다. Fixed Focal Length Lens가 최상의 선택인가? Zoom Lens는 어떠한가? 아니면 Telecentric의 경우는? 이에 따라 이번 기사에 서는 사용자의 어플리케이션에 필요한 렌즈의 유형은 무엇인가?라는 질문에 대한 답변을 다루도록 한다.
Variable Magnification Lens의 유형
• Fixed Focal Length Lens
Fixed Focal Length Lens는 프라임 렌즈(사진 또는 영화 촬영 용), FA 렌즈(일반적으로 factory automation의 FA를 의미) 혹은 단순히 머신 비전 렌즈 등의 다양한 이름으로 알려져 있다. 이렌즈는 머신 비전에서 가장 흔히 사용되는 유형으로서, 통상적으로 단일 초점 거리(예: 25mm 렌즈)를 일컫는 렌즈의 경우 대개는 Fixed Focal Length Lens를 가리킨다.
<그림1> 2개의 서로 다른 작동 거리에서 초점이 맞춰진 75mm Double Gausstype fixed focal length lens. 단, 작동 거리가 바뀌어도 렌즈 요소 사이의 간격은 변하지 않음.
Fixed Focal Length Lens는 고정된 시야각(AFOV)을 가지고 있다. 그럼에도 여전히 다양한 작동 거리에서 초점을 맞출 수 있으며, 개별 렌즈 요소 전체를 다 같이 움직이면서 요소간 상대적 간격을 바꾸지 않는 포커싱 방식이 가장 일반적으로 채택된다.
<그림1>은 초점 거리가 74mm이고 서로 다른 두 곳의 거리에서 초점을 맺은 Fixed Focal Length Lens를 보여준다. 초점을 맺은 상태에서도 요소간 간격은 변함이 없지만 이미지 면과 마지막 렌즈 요소간의 간격은 크게 변화한다. 위쪽 렌즈는 무한대에서 초점을 맞추고 아래쪽 렌즈는 200mm의 작동 거리에서 초점을 맞춘다.
렌즈 요소의 상대적 간격이 포커싱에 따라 달라지는 일부 렌즈에서는 ‘floating element focus’를 갖게 되지만, fixed focal length lens는 실제로 항상 <그림1>에서와 같이 작용한다는 것을 반드시 유념해야 한다. 이러한 간격의 변화는 시스템의 초점 거리에 변화를 부여하지만 일반적으로 시스템을 다양하게 구분하기 에는 충분하지 않다.
Fixed Focal Length Lens는 유연성과 성능이 뛰어남에 따라 다수의 머신 비전 용도에 사용된다. Fixed Focal Length Lens 와 가장 잘 맞는 용도로는 일반 부품 검수, 바코드 판독, 생체 계측, 문서 스캐닝, 번호판 판독, 그리고 기타 유형의 광학 문자 인식 (OCR) 및 광학 문자 검증(OCV)이 있다.
Fixed Focal Length Lens의 AFOV는 초점 거리가 센서 크기와 일치할 때의 값이다. 렌즈의 초점 거리가 짧아질수록 AFOV는 선형으로 증가한다. 이에 따라 초점 거리가 25mm인 렌즈의 경우에는 FOV가 50mm인 렌즈보다 두 배 큰 AFOV를 갖게 된다.
• Zoom Lens
Fixed Focal Length Lens는 고정식 AFOV를 갖도록 설계된 반면, Zoom Lens는 초점 거리, 즉 AFOV를 변경할 수 있도록 설계된다. Zoom Lens는 고해상도 대신에 높은 유연성을 필요로 하는 용도에 사용하기 적합하지만, 이미징을 하는 동안 FOV를 능동적으로 변경할 필요가 없다면 바람직한 선택이 아니다. 이처럼 초점 거리를 빠르고 정확하게 변경해야 하는 경우라면 스텝퍼 모터가 장착 되어야 한다.
Zoom Lens의 확대 기능은 특정 비율로 지정되며 사용 중인 렌즈의 최장 초점 거리 옵션을 최단 옵션으로 나누면 이러한 비율을 구할 수 있다. 예를 들어 Zoom Lens의 초점 거리가 8mm와 48mm 사이에서 바뀔 수 있다면, 이는 6X Zoom Lens(48mm/8mm = 6X)를 가리키게 된다. 또한 비율로도 표현할 수 있으며 이 경우 앞서 언급한 렌즈의 줌 비율은 6:1이 된다.
<그림2> 다중 광학 배율에서의 Zoom Lens
<그림2>는 동일한 Zoom Lens를 두 개의 서로 다른 초점 거리에서 설정한 경우를 보여준다. 단, 작동 거리가 변경되지 않음에도 요소와의 상대적 간격과 이미지 면까지의 거리가 변경됨을 유의해야 한다. 이처럼 기계적으로 복잡한 구조는 렌즈의 초점 거리를 변경 하면서 동시에 초점을 맞춰야 하는 정밀한 움직임을 요구함에 따라 이는 곧 렌즈 시스템의 비용 상승을 의미하기도 한다. 이 밖에도 복합적인 메커니즘과 광학 요소는 단일 용도가 아닌 다양한 용도에 맞게끔 설계되었기 때문에 Zoom Lens는 가격대가 비슷한 Fixed Focal Length Lens에 비해 해상도가 낮을 수밖에 없다.
Zoom Lens는 단일 초점 거리에서 최상의 성능을 발휘하며, 넓은 범위의 초점 거리에서도 기능을 하지만 전체적인 성능이 저하 되는 단점을 가지고 있다. Zoom Lens의 기타 광학적 특성 중 눈여겨볼 만한 부분은 렌즈의 디자인 방식에 따라 초점 거리의 변하면서 f/#가 변경될 수 있다는 점으로서 이는 렌즈의 복합적인 움직임으로부터 파생되는 결과물이기도 한다. 일반적으로 이 같은 방식의 디자인은 사진이나 영상 촬영 렌즈에서 기피되곤 하지만 머신 비전 렌즈에서는 그렇지 않은 경우가 많다. 또한 작동 시 f/#는 배율 변화에 따라 변경되기 때문에 노출 또한 달라진다는 점을 유의해야 한다.
정의에 따르면 Zoom Lens는 FOV가 바뀌더라도 초점이 그대로 유지된다. 초점 거리가 바뀌면서 렌즈가 초점에서 벗어난다면, Zoom Lens가 아닌 Varifocal Lens로 불리는 게 더 정확하다. Zoom Lens는 선정 방식이 Fixed Focal Length Lens와 거의 동일하지만 초점 거리는 고정 매개 변수와는 반대로 AFOV를 변경할 수 있는 가변 매개 변수임에 따라 각별한 주의가 요구된다.
Fixed Magnification Lens의 유형
• Telecentric Lens: Telecentric Lens는 강력한 광학적 기능을 탑재하고 고도로 특수화된 고정 배율 렌즈로서 고정밀 측정을 필요로 하는 시스템에 주로 사용된다. Telecentric Lens는 고정 초점 거리 렌즈보다 더 까다로운 렌즈라고 보편적으로 생각하지 만, 항상 그런 것도 아니다.
• Microscope Objective: Microscope objective는 1X 이상의 배율로 소형의 피사체를 이미징하는 데 일반적으로 사용된다. 이렌즈는 단일 작동 거리(WD)에서만 정상적으로 작동하는 고정 배율 광학 부품으로서 대부분은 다른 이미징 렌즈보다 상대적으로 크기가 작다. Microscope objective는 최소 작동 거리를 엄격하게 적용하지 않으면서 고배율 이미지를 생성해야 하는 용도에 사용하기 적합하다.
자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)
