카메라에 가장 적합한 렌즈 선택 방법

카메라는 준비되어 있고 렌즈가 필요하다면, 구입할 수 있는 모델들은 너무나 많은데 내 카메라에 꼭 맞는 모델이 무엇일까 고민하게 될 것이다. 최적의 이미지를 얻으려면 몇 가지 중요한 기준을 알고 있어야 한다. 예를 들어, 이미지 서클과 구경의 역할은 무엇이며 이러한 사양이 표면상으로는 비슷해 보이는데 렌즈 간 큰 가격 차이를 보이는 이유는 무엇인가?
이 글에서는 이러한 질문에 답하고 가장 적합한 카메라와 렌즈 조합을 찾을 수 있는 방법을 소개한다.

- 바슬러 선임 시스템 개발자 시스템 기술 설계자
Christoph Czeranowsky 박사

렌즈 마운트
카메라에 적합한 렌즈 찾기는 카메라에 대한 관찰에서부터 시작된다. 렌즈 마운트의 종류는 무엇인가? 마운트란 카메라 하우징에 렌즈를 고정하기 위한 연결 포인트이다. 마운트에는 두 가지 기계적 옵션이 있다. 하나는 F-마운트용 바요넷(bayonet) 옵션이고 다른 하나는 C-, CS- 및 S-마운트용 나사 스레드(thread)이다. 렌즈 플랜지와 센서 사이의 거리를 플랜지 초점 거리라 부른다.

수십 개의 서로 다른 마운트를 이용할 수 있는데, 머신 비전 카메라의 경우 다음 네 가지가 가장 일반적이다.
- F-마운트
- C-마운트
- CS-마운트
- S-마운트(M12)

F-마운트(또는 F-바요넷)은 원래 Nikon이 단렌즈 반사식 카메라용으로 소개한 바요넷 연결 방식이며, F-바요넷의 플랜지 초점 거리는 46.5㎜ 이다. 이 연결은 4/3″ 센서에 적합한데, 이것은 C-마운트용으로는 너무 크다.
C-마운트는 카메라 렌즈를 위한 표준 나사 스레드 연결 방식이다. 스레드의 공칭 지름은 1인치(24.5㎜)이며 스레드 피치는 1/32인치이다. 이 마운트의 플랜지 초점 거리는 17.526㎜(0.69인치)이다.
CS-마운트는 플랜지 초점 거리가 12.526㎜(0.493인치)라는 것을 제외하면 C-마운트와 동일하다. CS-마운트 카메라는 5㎜ 어댑터를 이용해 C-마운트 렌즈와 결합할 수 있다.
S-마운트 또는 M12에는 M12×0.5㎜ 스레드가 있다. 이는 지름이 12㎜밖에 되지 않아 아주 작은 렌즈도 카메라에 부착할 수 있음을 의미하며, 소형 센서(<1/2″)에 적합하다. 기본 버전은 웹캠에 많이 사용되며, 고품질 버전은 산업용 화상 처리에 사용된다.
마운트 크기가 이렇게 다양한 이유는 무엇인가? 그 이유는 센서 크기가 다양 하고 렌즈를 가능한 한 센서 크기에 가깝게 맞춰야 하기 때문이다. 이는 렌즈가 갖고 있는 성능을 최대한 활용할 수 있도록 렌즈 이미지 서클을 센서 표면적과 같거나 살짝 크게 해야 한다는 것을 뜻한다.
이미지 서클이 센서 표면보다 너무 많이 크면 해상도 향상을 위해 더 잘 활용할 수 있는 센서 주변의 표면이 낭비된다. 예를 들어 Basler Lense는 1/2″ 미만의 센서에 이상적인데 이는 렌즈의 이미지 서클이 센서 크기에 완벽히 일치하기 때문이다. 좋은 소식은 카메라 제조업체가 이미 여러 제조사의 카메라에 장착된 센서에 적합한 렌즈가 무엇인지 확인을 했을 것이라는 점이다. 예를 들어, Basler ace 카메라는 F-마운트가 필요한 대형 센서에 맞게 설계되어 있지 않기 때문에 항상 C 또는 CS-마운트가 부착되어 있다. 올바른 마운트를 결정한 뒤에는 올바른 이미지 서클을 결정해야 한다.

이미지 서클/센서 크기

초점 거리

초점 거리가 길어질수록 피사체를 더 가까이 끌어당길 수 있고 FOV가 작아질수록 다음 사진처럼 변하게 된다.
초점 거리 f는 렌즈와 초점 사이의 거리이다. 이론적으로는 다음 공식을 이용해 초점 거리를 계산할 수 있다.

(+B) 또는 (+이미지 크기 B)가 괄호 안에 들어 있는 것은 이미지 크기가 보통 계산 할 때 무시되어도 값에 영향을 끼치지 않을 만큼 매우 작기 때문이다. 따라서 최종 초점 거리 f에 별다른 영향이 없다.

실제 계산은 간단히 수행될 수 있으며 복잡한 공식의 계산은 없다. 일부 렌즈 제조업체들은 자사 홈페이지에서 사용자가 필요한 데이터만 입력하면 자동으로 정확한 초점 거리를 받아볼 수 있는 Lens Selector를 제공한다. Lens Selector를 이용한 초점 거리 계산의 예를 들면 다음과 같다.

모든 초점 거리에 사용할 수 있는 렌즈는 없다. 대부분의 렌즈는 4, 6, 8, 12, 16, 25, 35, 50, 75 및 100 ㎜의 초점 거리 중 하나를 갖고 있다. 그 중 가장 흔한 것은 8㎜ - 25㎜ 이다. 계산된 초점 거리가 f=14.2와 같이 특이한 값을 가질 경우 선택할 수 있는 옵션은 두 가지가 있다. 초점 거리 12에서 카메라에는 더 넓은 영역이 포착되며 초점 거리가 16일 경우 측면이 잘리지만 픽셀들이 보다 작은 면적에 퍼져 해상도가 높아진다. 이런 경우엔 f=12 옵션을 선택하는 것이 일반적이다.
가능하면 줌 렌즈 사용은 피하는 것이 바람직하다. 초점 거리가 고정된 렌즈에서 필요한 절충은 초점 거리를 조절할 수 있는 줌 렌즈에서도 필요하다. 이는 항상 이미지 품질이 손상됨을 의미한다.

렌즈 종류
초점 링 조절 방식에 따라 렌즈 종류를 세 가지로 나눌 수 있다.

1.고정 초점 렌즈: 이 렌즈는 산업용 카메라에 사용되며 초점 거리가 고정되어 있다(단초점).
2.줌 렌즈: 이것은 일반적인 소비자용 카메라 렌즈이며 초점 거리의 변화에 따라 초점을 자동으로 조절한다.
3.가변 초점 렌즈: 이것은 일반적인 네트워크 카메라 렌즈이며 초점 거리가 바뀔 때마다 재조정해야 한다. 줌렌즈와 비슷하게 광학적으로 많은 절충이 필요하다.

품질 및 가격: 이미지 서클, 해상도 및 구경에 따라 차이 발생

마운트, 이미지 서클 및 초점 거리를 결정하고 나면 이미지를 포착한다는 기본 목표 달성을 위해 카메라에 맞는 렌즈를 찾기 위한 기본 요구 사항은 모두 만족시킨 것이다. 하지만 이미지 품질은 불만스러울 수 있다. 이제 ‘꼭 맞는’ 렌즈를 꼼꼼히 찾아야 할 때이다. 비슷한 제품을 아주 다양한 가격으로 공급하는 제조업체들을 많이 만나게 될 것입니다. 그 이유는 무엇인가?
가격에 가장 큰 영향을 주는 요소들은 이미지 서클, 해상도, 그리고 최대 구경이다. 특정 범위, 예를 들어 1.4 또는 1.8 구경에서는 가격이 상대적으로 비슷하다. 하지만 1.2 제품은 가격이 급격히 높아진다. 같은 현상이 해상도에도 적용된다. VGA, 1MP 또는 2MP 사이에서는 가격에 큰 차이가 나지 않지만 5MP는 눈에 띄게 비싸진다. 표준 범위 안에 있는 제품들은 가격과 품질 면에서 비슷하기 때문이다.

해상도 / 픽셀 크기 / 백만 픽셀 마케팅
해상도는 이미지 안에서 인지할 수 있는 가장 작은 디테일이 얼마나 작은지에 대한 측정치이다. 테스트를 위해 검정색과 흰색 줄무늬를 이용해 두 무늬의 경계를 구분할 수 있는 선에서 두 줄무늬를 얼마나 가까이 배치할 수 있는지에 대한 측정을 한다.

실제로, 해상도는 이미지 안에서 서로 구분할 수 있는 두 선 또는 두 점 사이의 측정 가능한 최소 거리를 나타낸다. 해상도는 밀리미터 당 라인 쌍(lp/㎜)(즉, 검정색 줄 한 개와 흰색 줄 한 개가 라인 쌍을 이룸) 또는 ㎛ 단위의 픽셀 크기로 표시된다. ㎛ 단위의 픽셀 크기는 밀리미터당 라인 쌍으로부터 계산할 수 있다.

픽셀 크기는 센서가 신호로서 처리할 수 있는 광량을 결정한다. 따라서, 픽셀이 큰 센서는 작은 픽셀을 가진 센서에 비해 더 많은 빛을 포집할 수 있다. 이는 센서 표면 자체에도 적용된다. 표면적이 넓을수록 신호 처리를 위한 공간이 넓어지는데, 이는 큰 픽셀이 적은 수가 있든, 작은 픽셀이 많은 수가 있든 마찬가지이다. 카메라의 데이터시트에 높은 픽셀 수가 적혀 있다면 높은 해상도를 암시 하지만, 이는 렌즈와 함께 조합해 검토하면 일부분만 진실이다. 카메라와 센서가 얼마나 많은 픽셀 수를 제공하는지에 관계없이 픽셀 수에 렌즈를 최적으로 매칭시켜야 한다.
렌즈에는 해상도를 표시하기 위해 ‘메가픽셀, 5MP’ 등의 레이블이 붙어 있을 수 있지만 센서 크기와 관계없는 lp/㎜ 또는 m 수치가 그렇지 못한 ‘메가 픽셀’ 레이블 정보에 비해 더욱 유용하다. 메가 픽셀 정보는 항상 센서 크기와 연계해 고려해야 한다.
예를 들어 센서의 12메가 픽셀(즉, 1200만 개의 이미지 포인트)의 이상적인 경우라면 렌즈에 의해 완전하게 구분되어야 한다. 이럴 경우에만 ‘진정한 의미의’ 12MP 해상도를 갖게 되는 것이다. 하지만 예를 들어, 렌즈 해상도가 5MP이고 카메라 센서는 2MP이라면 렌즈가 감지한 아주 섬세한 디테일과 구조는 카메라의 2MP 센서에서 유실될 것이다. 렌즈 데이터시트의 메가 픽셀 수치는 해상도를 파악하는 데 유용하긴 하지만 센서 크기에 독립되어 있는 ㎛ 또는 lp/㎜ 수치가 그렇지 못한 메가 픽셀 정보에 비해 더욱 유용하다. 따라서 메가 픽셀 정보는 항상 센서 크기와 연계해 고려해야 한다.

렌즈는 종종 카메라와 결합된 뒤 '고해상도' 카메라 센서의 데이터 시트 사양에 나와 있는 사양을 간신히 만족시키는 수준의 성능만을 발휘한다.
그 결과는 산업용 화상 처리 애플리케이션의 요구 사항과 기대치를 일부만 만족시키는 이미지 품질에 불과하다. 메가 픽셀 마케팅이 라는 용어는 이러한 맥락에서 사용할 수 있다. 따라서 높은 센서 해상도는 기본적으로 유익하긴 하지만 이에 걸맞은 렌즈 없이는 무용지물이다.

렌즈에서 5 MP 해상도는 어떤 의미가 있나요?
이상적인 해상도는 검정색과 흰색 줄 사이의 경계가 쉽게 인식되는 것을 의미한다. 이것은 물리적으로 확인하는 것이 불가능하므로 이론상의 문제로 남아 있다. 사실 이들 경계는 흰색에서 검정색으로 전환되면서 흐려져 그레이 톤을 만든다.

렌즈 해상도가 낮을수록 색상 전환이 덜 선명해진다. MTF(modulation transfer function)는 특정 해상도에서 렌즈가 제공하는 콘트라스트 레벨(예: 25%)을 결정한다(lp/㎜ 또는 픽셀 크기). MTF는 꼭 확인해야 할 주요 정보이다. 물리적 측정과 픽셀 크기를 감안했을 때 400 pixels/㎜의 해상도를 갖는 센서를 예로 들어보자. 이 해상도는 200 lp/㎜(line pairs)에 해당된다. 아래 도표를 보면 이 렌즈는 40% 콘트라스트 등급을 갖게 된다. 40%의 값이 낮게 들리지만 사실 이것은 꽤 높은 값이다.

따라서 해상도에 대한 정보(MP, Lp/㎜ 또는 ㎛)는 콘트라스트에 대한 정보와 조합될 때만 이해할 수 있다. 제조업체의 정보는 보통 콘트라스트 25%를 기준으로 하며, 25%의 MTF값은 이미지 샤프니스 차원에서 좋은 절충 지점이다.
2MP 카메라로 비슷한 해상도의 렌즈와 조합했을 때 보통 달성할 수 있는 것보다 높은 콘트라스트를 얻으려면 5MP 렌즈를 사용할 만한 가치가 있다. 렌즈에 감지된 섬세한 구조가 카메라 센서에서 어느 정도 유실되고, 5MP 렌즈가 저해상도 렌즈에 비해 더 비싸긴 하지만 콘트라스트는 눈에 띄게 높아질 것이다. 궁극적으로 카메라와 렌즈의 용도를 기준으로 추가 비용을 지불할 만한 가치가 있는지, 아니면 상대적으로 낮은 디테일로 충분한지 결정해야 한다.

구경
‘최대 상대 구경(Maximum relative aperture)’에서 렌즈 데이터시트는 1:1.8 또는 1:2.2와 같은 정보를 제공한다. 이 수치가 f 값 또는 f 스톱 k를 결정한다. 이 값은 구경 지름(d)에 대한 초점 거리(f)의 관계를 제공한다.

f 값이 커질수록 구경이 작아지고 렌즈에 들어오는 빛이 적어진다.
f 값은 f 값 k와 포집된 광량의 감소 사이의 관계를 보여 준다.

이는 구경이 작으면(즉, f 값이 큼), 예를 들어 f 값이 16이면 f 값이 1인 경우(작은 f 값)에 비해 256배 적은 빛이 들어옴을 의미한다. 

렌즈에는 다양한 종류의 구경을 장착할 수 있다. 이와 관련해 ‘조리개(또는 구경)’에 대해 알아야 한다.

고정 조리개란 변경할 수 없는 고정된 구경을 의미하며, 대개 S-마운트 렌즈에 설치된다. 수동 조리개는 수동으로 조절 및 변경할 수 있어 산업용 렌즈 및 IP 렌즈에서 찾을 수 있다. DC 조리개, P 조리개는 변화하는 빛의 상태에 따라 자동으로 조절할 수 있으며, 실외에서 작동하는 네트워크 카메라, 특히 모니터링 애플리케이션 및 지능형 교통 시스템에서 이 기능이 중요하다.
셔터 속도 변경으로 노출 시간을 쉽게 전자 제어할 수 있기 때문에 일반적으로 자동 조리개 기능은 권장하지 않는다. 이미지 밝기를 조절하기 위해 조리개 크기, 즉 f 값을 변경하면 피사계 심도(depth of focus)도 바뀌기 때문이다. 구경이 작아질수록(즉 f 값이 커질수록), 이미지 오류로 인한 영향이 작아지고 피사계 심도는 커진다. 하지만 구경이 작아진다 해도 구경 개구부에서 편차가 생겨 번짐 현상이 발생하기 때문에 이미지가 더 선명해지지는 않는다. 따라서 이미지 초점을 최적으로 맞출 수 있는 최적의 구경 설정이 있다. MV 카메라를 위한 최적의 구경 은 1:2.0(3㎛ 미만의 픽셀과 높은 해상도의 렌즈)와 1:11(10㎛ 초과 픽셀 크기 및 낮은 해상도의 렌즈) 사이이다.
C-마운트가 부착된 많은 MV 렌즈는 1:1.4의 구경으로 시작한다. 아주 높은 해상도의 렌즈나 초점 거리가 35㎜ 이상인 렌즈는 대개 1:2.0에서 1:2.8까지의 구경으로 시작한다. 대부분의 렌즈에서 수동 조절이 가능하기 때문에 구경은 보다 작게 할 수 있다. 하지만, 이미지 서클이 너무 큰 경우와 마찬가지로 높은 가격에 구입한 렌즈의 성능을 최대한 활용하지 못하게 된다. 따라서 광량이 충분한데 렌즈를 선택해야 할 경우 비교적 작은 구경의 렌즈를 선택하는 것이 좋다.

스펙트럼 범위

표준 렌즈는 파장이 400-700㎚ 사이인 가시광용으로 설계되어 있다. 이는 적외선 빛이 번지게 됨을 의미한다. 이러한 번짐 현상은 적외선만 사용한다면 받아들일 만 하다. 하지만 렌즈가 적외선과 가시광을 동시에 받아들일 경우 400-1000㎚ 사이의 파장을 처리할 수 있어야 한다. 이렇게 되면 렌즈 가격이 높아지거나 다른 쪽 성능을 포기해야만 해당 파장 범위를 커버할 수 있음을 의미한다.

작동 거리 / 배율 상수
대부분의 MV 렌즈는 산업용 애플리케이션에서 카메라와 피사체 간 평균 거리에 해당되는 대략 50㎝의 작동 거리에 최적화되어 있다. 표준 렌즈는 ß= 1:∞ 및 1:10(센서 크기:피사체 크기) 사이의 비율에서 최상의 이미지를 생성한다. 이것은 대개 최소 광학 거리(MOD)로 제한되어 있다. 이 거리를 늘려 배율을 높이기 위해 렌즈와 카메라 사이에 스페이서를 끼울 수 있는데, 렌즈가 해당 배율에 맞게 설계되어 있지 않기 때문에 일반적으로 이미지 품질이 심각하게 저하된다. 따라서 최적의 이미지 품질을 위해서는 가능한한 스페이서 사용을 피하는 것이 좋다.
산업용 화상 처리에서 자주 있는 경우와 같이 배율 상수가 1:10을 초과하면 대략 1:10-1:1 범위를 커버하는 매크로렌즈의 도움을 받을 수 있다. ß가 5이상(또는 5배 이상)인 배율은 현미경 렌즈의 영역이다.

결론
적합한 렌즈를 검색할 때 필요한 주요 기준을 간단히 정리하면 기준은 다음과 같다.
1. 카메라의 렌즈 연결 포인트에 따라 렌즈를 카메라에 고정하기 위해 필요한 렌즈 마운트 종류를 확인할 것
2. 렌즈 이미지 서클과 카메라 센서 크기가 최대한 일치하는지 확인하고. 렌즈 데이터시트의 ‘최대 이미지 서클’ 정보 항목 에서 다시 한 번 확인할 것
3. 정확한 초점 거리를 계산을 위해 제조업체 홈페이지의 온라인 Lens Selector를 이용해 볼것
4. 렌즈 종류는 초점 거리 조절 여부에 좌우되니 확인할 것
5. 해상도가 높은 것만으로는 아무런 의미가 없으니, 센서 해상도를 렌즈가 실제로 수용할 수 있는지 꼼꼼히 따져볼 것
6. 다양한 종류의 구경과 f 값에 익숙해지기 위해 ‘최대 상대  구경’ 항목의 f 값 데이터시트를 확인할 것
7. 렌즈가 처리해야 할 스펙트럼 범위는 무엇인가? 가시광만 처리 하면 되는지, 아니면 적외선도 처리해야 하는지 따져볼 것
8. 카메라와 피사체 간 최소 광학 거리(MOD)를 파악할 것 

자료제공 | 바슬러(www.baserweb.com)