머신 비전 용도에서의 Liquid Lens
Liquid Lens의 기본 원리
Liquid lens는 어떠한 기계적 움직임 없이도 전기적으로 초점을 조절할 수 있도록 함으로써 이미징 시스템이 갖는 심도(DOF) 의 한계를 극복할 수 있다. 피사체의 높이와 작동 거리에 다양한 변화가 필요한 어플리케이션에 적합한 솔루션이 바로 liquid lens이다.
기존에는 이 같은 어플리케이션을 위한 솔루션으로 motorized zoom lens를 사용하거나 피사체의 위치를 직접 재설 정해가며 초점을 맞추곤 했다. 구식 렌즈를 이용해 심도를 높이는 다른 방식은 f/#를 증가시키는 것으로서 이를 위해서는 이미징 렌즈의 조리개 크기를 줄여야만 한다.
그러나 이러한 방식은 해상도를 비롯해 이미징 시스템을 투과하는 광량 또한 감소시킬 수 있어, 결과적으로 획득 비율 (acquisition rate)과 이미지 품질의 저하로 이어질 수 있다. 따라서 이미징 시스템에 liquid lens를 결합시키면 카메라와 피사체의 간격과 상관없이 스피드와 이미지 품질을 저하시키지 않고, 초점을 전기적으로 변경할 수 있다.
유리로 제작되는 기존의 광학 렌즈와 마찬가지로, liquid lens 역시 단일 광학 요소로 제작되긴 하지만 광학 액상 소재로 구성됨에 따라 형태 자체를 변경할 수 있다. 글래스 렌즈의 초점 거리는 제작 소재와 곡률 반경에 따라 좌우된다.
Liquid lens에 동일한 원리를 적용하더라도, liquid lens는 곡률 반경을 변경하는 방식으로 초점 거리를 조절할 수 있는 독특한 특성을 가지고 있다. 곡률 반경의 전환은 전기적으로 제어 되고 대략 밀리초 단위로 신속하게 이루어진다. 렌즈 제조업체 들이 사용하는 기술로는 폴리머의 형태 변경을 위한 전기습윤 (eletrowetting)과 liquid lens의 곡률 반경과 굴절률을 제어하는 음향광학조율법(acusto-optical tuning method)이 있다.
단일 광학 렌즈만으로는 이미징 성능을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 이미징 렌즈 대다수는 다중 렌즈 결합 구조를 이룬다. 이러한 이유로 liquid lens만 단독으로 사용하는 것은 바람직하지 않 다. 하지만 이미징 렌즈에 liquid lens를 결합한 다중 렌즈 설계를 활용하면 liquid lens의 속도와 유연성을 적절히 이용할 수 있다.
Liquid lens를 결합하면 밀리초 단위로 클로즈업과 무한 광학 포커싱이 가능해져 검사할 피사체의 크기가 제각각이거나 바코드 판독, 포장 분류, 보안, 고속 자동화 장치에서처럼 렌즈와 피사 체의 거리가 일정하지 않은 케이스를 포함해 작업 거리가 다변하는 곳에서 초점을 맞춰야 하는 용도에 이상적인 방안이 될 수 있다. 즉, liquid lens는 신속하게 초점을 조절해야 하는 광범위한 용도에서 이미징 시스템의 유연성을 최대화하는 데 사용하기 적합하다.
<그림1> 초점 거리는 글래스의 굴절률과 렌즈 표면 형상에 따라 상이함
Lens Maker의 공식은 렌즈의 초점 거리를 계산하는 데 사용된 다. 이 공식을 통해 초점 거리가 굴절률(n)과 곡률 반경(R)에 따라 변경됨을 알 수 있다. 글래스의 굴절률이 높아질수록 초점 거리(f)는 짧아진다. 또는 곡률 반경(R)을 바꿔가며 초점 거리(f)를 짧게 만들 수도 있다. Liquid lens는 이러한 속성을 전기적으로 제어해가며 작동하는 광학 부품이다.
Liquid Lens의 특징
응답 시간: Liquid lens는 응답 시간이 빠르고 전압이나 전류를 통해 전기적 조절이 가능하여 응답 시간이 수 밀리초에 불과하다. Fixed Focal Length lens와 Zoom lens는 기계적인 작동이나 수동 조절로만 초점을 변경하기 때문에 이미징 시스템의 속도가 느려질 수 있다.
유용성: Liquid lens는 이미징 렌즈의 전후면에 장착되거나 결합될 수 있어 이미징 시스템을 통해 여러 위치에서 성능을 구현할수 있다. 크기: 각종 기계 부품은 liquid lens 디자인의 소형화를 위해 제거가 된다. 또한 기능면에서는 어셈블리 내에 여러 개의 개별 렌즈를 장착하는 것과 비슷하다. 다수의 렌즈를 제거하고 소형의 단일 액상 셀로 교체함으로써 전체 렌즈의 크기와 무게가 대체로 감소한다.
센서 적용 범위: Liquid lens는 소형 조리개의 크기에 따라서 규모가 제한된다(가장 큰 직경은 대략 16mm). 조리개가 작을수록 liquid lens의 규모를 더욱 제한하며, 기존의 머신 비전 렌즈 정면에 렌즈를 다시 장착해야 할 경우 최대 1/1.8”센서와 사용할 수 있다. 시스템 내부에 liquid lens가 내장된 경우에는 적용 가능한 센서의 크기의 범위를 줄일 필요가 없다.
포커싱: Liquid lens는 광범위한 광학적 출력(초점 거리)에 걸쳐 고속으로 작동하도록 설계됐다. Fixed focal length lens와 zoom lens에서 발견되는 이동식 부품과 기계적 조절 기능을 제거하여 포커싱 프로세스의 속도가 훨씬 빨라진다.
결합 과정의 복잡성: 가용 장비와 어플리케이션에 따라 liquid lens를 결합하는 작업의 난이도가 올라갈 수 있다. Liquid lens는 필터 및 조리개 등의 다양한 액세서리와 결합해서 사용할 수 있으 며, 거리 측정 센서와 제어 장치 같은 고속의 용도에 서 요구되는 광학 부품이다.
수명: Liquid lens는 전력 소모가 거의 없는 광학 부품이다. 일반 적으로 기계식 렌즈는 최대 10만 사이클을 견뎌낼 수 있는 반면, liquid lens는 대략 5000만 사이클을 견뎌낼 수 있다.
온도: Liquid lens 디자인에는 액상 내부의 온도 변화를 감지하고 보정하는 데 사용되는 서미스터(thermistor)가 포함된다.
Liquid Lens의 어플리케이션
Liquid lens는 적응성, 속도, 유용성이 뛰어남에 따라 머신 비전, 생명 과학, 측정 및 검사와 같은 다양한 용도에서 사용하기 적합 하다. 표준 머신 비전 렌즈는 전형적인 기계식 구조를 가지고 있어 빠르게 초점을 재조절해야 하는 고속 혹은 정밀 용도에서 뚜렷 하고 정확한 이미지를 캡처하는 데 어려움이 있다.
머신 비전: 대량의 어셈블리 라인은 빠르고 정밀·정확한 처리량을 요구한다. 검사 시스템에 liquid lens를 결합하면 다양한 거리에서 초점을 맞출 때 경제적이면서도 크기가 작은 최적의 솔루션을 제공할 수 있다. Liquid lens는 바코드 검사, 포장 분류, 품질 제어, 고속 자동화와 같은 용도에 사용하기 적합하다.
생명 과학: Liquid lens는 현미경 이미징 용도에서 focus stacking (z-stacking)의 프로세스를 개선하고 간소화해 준다. 심도(DOF) 가 제한되어 배율이 높은 대물렌즈로 이미징을 해야 할 때 focus stacking이 요구되는 경우가 많다. Liquid lens는 다양한 피사체 면에서 초점을 빠르고 정확하게 맞출 수 있어 focus stacking 의 속도 또한 높일 수 있으며, 튜브 렌즈 내부나 현미경 내부에 있는 무한 공간에 손쉽게 결합될 수 있다.
Liquid lens가 주로 활용 되는 분야로는 굴절 제어와 심도 조절이 매우 중요한 안과학이 있다. 안과용 표준 장비에는 인체의 눈을 교정하는 데 사용되는 여러 개의 글래스 렌즈가 들어 있다. 다수의 글래스 렌즈를 liquid lens 하나로 대체하면 이미징이나 검사 과정을 빠르게 진행할 수있고 OCT와 굴절검사기(phoropter)와 같은 안과용 장비의 전반 적인 크기 또한 줄일 수 있다.
무인 항공기: 무인 항공기(UAV)의 이미징 시스템에 liquid lens를 장착하면 다양한 높이에 걸쳐 선명도가 유지되는 이미지를 생성할 수 있다. Liquid lens를 사용하기 유리한 분야로는 농산물 검사 및 모니터링, 지리 정보 시스템, 감시가 있다.
측정 및 치수 렌더링: 거리 측정 센서 및 카메라와 짝을 이루어 사용하면, liquid lens는 3D 피사체의 여러 면에서 이미징 처리를 신속하게 진행할 수 있다. 생성된 이미지는 소프트웨어를 통해 스티칭(stitching) 방식으로 서로 연결되어 정확한 3차원 렌더링을 만들어낸다.
Liquid Lens의 기술
Corning Varioptic Variable Focus Liquid Lens 기술: Variable Focus Liquid Lens는 습윤성으로 액상의 형태와 곡률을 조정하는 기능을 전기장에 적용한 전기습윤(electrowetting) 방식으로 초점을 맞춘다. Liquid lens 의 셀(cell)에는 <그림2>에서처럼 경계 면에서 분리가 일어나는 두 가지 부동액(비전도성 오일과 수용액)이 들어 있다. 두 액체 사이의 경계면에 전압을 가하면 렌즈의 곡률이 바뀌면서 수십 밀리초 내에 초점 거리가 변경된 다. 인가 전압을 높이면 liquid lens의 곡률과 광학적 파워 또한 증가한다.
<그림2> Corning Varioptic Liquid Lens의 작동 원리를 그림으로 설명한 예
Variable Focus liquid lens는 정전용량성(capacitive characteristics) 을 가지고 있어 일단 열적 평형 상태에 도달하면 고온 환경에서도 안정적 으로 작동한다. 또한 렌즈 안에 들어 있는 두 액체의 밀도가 동일하여 진동과 충격의 영향을 덜 받는 시스템을 생성할 수 있다. Variable Focus liquid lens는 크기가 작아서 기존의 대물렌즈와 함께 사용하는 자체가 어려운 작업일 수 있다. 따라서 렌즈 크기의 영향을 덜 받도록 광학 설계 내부에 완전히 내장하는 것이 오히려 바람직하다.
<그림3> Optotune Electrically Focus-Tunable Liquid Lens의 작동 원리를 그림으로 설명한 예
Optotune Electrically Focus-Tunable Lens: Optotune Electrically Focus-Tunable Lens는 광유체로 채워지고 폴리머막으로 밀봉된 컨테 이너로 구성된다. 전류 구동식 액추에이터(actuator)는 폴리머 막에 압력을 가해 렌즈의 곡률이 변하게끔 한다. 전류의 영향을 받는 electricallyfocused tunable lens는 저전압에서 작동하며 밀리초 내로 초점을 맞춘 다. 이 렌즈는 편광 상태를 변경하지 않고 레이저 손상 임계치가 높으며 광학 수차를 최소화한다.
자료제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)
