머신 비전용 렌즈는 "진화 중"

새로운 렌즈 연이어 개발 … 산업현장의 꽃

본지 8월호 기사를 통해 머신 비전용 혹은 산업용 렌즈가 일반 렌즈와 구분되고 있다는 사실과 산업용 렌즈에는 크게 어떤 종류가 있는지를 간단하게 살펴보았다. 머신 비전 시스템에 있어 렌즈는 정확한 시각과 정보를 전달해주는 눈 역할을 한다. 최근에는 머신 비전에 특화된 몇 종류의 렌즈가 중점 개발되고 있다. 이 기사에서는 이러한 렌즈들이 어떤 특징을 가지고 있는지 살펴보도록 한다.

인터넷 홈페이지에서도 쉽게 머신 비전 렌즈를 구할 수 있는 시대가 왔다. 홈페이지를 방문하면 자신이 원하는 렌즈를 하나하나 살펴보고 구입할 수 있다. 렌즈 종류에 대해 잘 모르는 사람들을 위해 상담까지 해주는 곳도 많다.
머신 비전 장비를 취급하는 홈페이지를 살펴보면 주로 ▲텔레센트릭 렌즈 ▲매크로 렌즈 ▲라인스캔용 렌즈 등으로 분류되어있는 것을 알 수 있다. 물론 본지 8월호에서 다루었던 것처럼 ▲고점 초정용 렌즈 ▲무왜(無歪) 렌즈 ▲페리센트릭 렌즈 ▲동력장치 탑재형 렌즈 등 다른 기준으로 나누어두기도 한다. 이 역시 머신 비전에 특화되어있는 분류법으로, 앞서 나열한 분야와 서로 대응한다. 어느 형식으로 분류되어있든 사용자는 필요와 편의에 따라 적합한 렌즈를 고를 수 있다.

그렇다면 머신 비전 렌즈와 일반 렌즈는 어떤 차이가 있을까.

머신 비전 렌즈는 분야의 특성상 주로 일정한 영역을 검사하게 된다. 반복적인 생산 활동을 그것도 쉬지 않고 수행하는 반면 많은 종류의 피사체를 촬영할 필요가 없다. 그렇기에 포커스가 고정되어있는 경우가 많으며 피사계심도 또한 중점적으로 보지 않는다. 대신 빠른 생산속도에 맞추어 영상을 촬영해야 하므로 fps(초당 몇 프레임을 촬영할 수 있는지)가 기술적으로 중요해진다. 그리고 반도체 다이오드나 칩, 아주 미세한 균열 등을 촬영해야 하므로 점점 더 작은 것들을 촬영할 수 있는 능력이 대두되고 있다. 반면 상대적으로 먼 거리를 촬영하는 기능은 많이 강조하지 않는 추세이다.

산업 현장에서 일반 렌즈를 사용하였을 때 불편하게 작용하던 부분도 있었다. 예를 들어 멀고 가까운 거리를 정확히 표현한다든가 굴곡진 부분을 전부 담아내는 작업은 빠르고 정확한 검사를 필요로 하는 생산현장에서는 필요 없는 기술이었다. 멀리 있는 물체를 선명하게 보는 대신 가까이에 있는 물체를 전혀 보지 못하는 렌즈 역시 찬밥신세였다.

종사자 및 개발자들은 이처럼 생산현장에 불필요한 렌즈들을 등외시하고 이들과 반대되는 특징을 가진 렌즈를 개발하여 현장에 도입하였다. 그 결과 머신 비전 시장 안에서도 특히 각광받는 렌즈들이 생겨났다. 텔레센트릭 렌즈와 매크로 렌즈, 라인스캔용 렌즈가 그것이다.

다음은 머신 비전용 렌즈들이 어떤 모습을 중점적으로 발전시켜왔는지 대표적인 제품군들을 통해 살펴본다.

나 이런 렌즈야

텔레센트릭 렌즈

텔레센트릭 렌즈는 지난 호에서 설명하였듯 렌즈와 평행하게 들어오는 빛만을 받아들인다. 이 텔레센트릭 렌즈는 원근감에 따라 발생하는 왜곡에 영향을 받지 않는다. 거리가 멀든 가깝든, 기울어졌든 똑바로 서 있든 텔레센트릭 렌즈는 모두 비슷한 크기로 촬영할 수 있다. 이러한 특성으로 인해 높이나 경사에 따라 발생하는 왜곡을 줄일 수 있다.
이 텔레센트릭 렌즈 기술의 특징은 초점이 맞는 지점(Focus)에 Iris를 설치하였다는 것. 포커스 지점에 Iris를 설치하면 광축과 평행인 빛만 통과시킬 수 있다. 수직적인 빛을 차단하면서 카메라로부터 Z축, 즉 거리에 의한 영향을 최소화할 수 있다.

텔레센트릭 렌즈를 이용하면 공간 왜곡 등에 의해 일그러진 상(象)을 바로 인식할 수 있다는 장점이 있다. 울퉁불퉁한 표면도 공간 왜곡 없이 평면적으로 보이게 하는 이 렌즈는 굴곡 탓에 일반적 시야에서 잘 보이지 않는 오류를 검출한다든가 높이나 거리가 달라 서로 비교하기 어려운 사물들을 비교할 때에 유용하다.

본지 2012년 4월호에 실린 <머신비전 광학의 오해와 진실> 기사를 참조하면, 일반적인 렌즈가 나란히 놓인 물체들의 이미지를 획득하였을 때에는 조금이라도 광축을 벗어난 물체들은 정면이 아닌 측면이 보이게 된다. 즉 조금이라도 틀어져있으면 그 틀어진 부분까지 전부 포착해낸다는 이야기이다. 하지만 텔레센트릭 렌즈들은 FOV(Field of View)안에 있는 물체를 모두 정면에서 보는 것처럼 만들어 막대 형태 물체들의 지름을 측정하거나 정면만을 검사해야 하는 애플리케이션에 훨씬 유리하다.

하지만 이러한 텔레센트릭 렌즈에도 단점이 있다. 바로 대상 물체의 크기가 렌즈 직경보다 작아야 효과를 볼 수 있다는 것이다. 수직적으로 빛을 적게 받는 텔레센트릭 렌즈이기에 적어도 렌즈 직경보다 절반 이상이 작아야만 그 효과를 볼 수 있다.

매크로 랜즈

매크로 렌즈는 보통 확대 렌즈 혹은 접사(接寫) 렌즈라고 한다. 다양한 별명에서 알 수 있듯 매크로 렌즈는 접사 촬영을 할 수 있도록 설계한 확대용 렌즈이다.

사전에 따르면 매크로 렌즈는 근거리 촬영을 주목적으로 하여 수차 보정을 한 렌즈로서 무한대의 거리에서부터 통상 촬영 배율 1/2배까지 촬영할 수 있도록 만든 것이다. 쉽게 말하면 사물과 근접해 촬영하는 상황에 특화된 렌즈이다. 수 밀리미터 앞에 있는 피사체도 선명하게 촬영할 수 있다.

그렇다면 매크로 렌즈가 접사에 강세를 보이는 것은 왜일까. 일반 렌즈와 매크로 렌즈는 수차 보정 방식에서 차이를 보인다. 일반적으로 렌즈는 흔히들 무한원(無限遠)이라고 하는, 렌즈로부터 한없이 먼 지점까지 선명한 초점을 얻을 수 있도록 수차를 보정한다. 반면 매크로 렌즈는 가까운 거리에서 촬영하기에 알맞은 쪽으로 수차를 보정하게 된다. 즉 애초에 먼 거리를 촬영하기를 포기하고 아주 가깝게 찍는 데에만 심혈을 기울인 렌즈라고 할 수 있다.
장점이 뚜렷한 매크로 렌즈인 만큼 단점 역시 뚜렷하다. 접사 면에서는 타의 추종을 불허하는 매크로 렌즈이지만 일반 렌즈의 화각을 쫓아가기에는 버거운 면이 있을 정도이다. 억지로 렌즈 밝기를 낮추어주어야 겨우 다른 카메라 렌즈처럼 촬영할 수 있을 정도이다. 그렇기에 머신 비전에서는 반도체처럼 작은 부품들을 검사할 때 많이 활용한다.

라인스캔 렌즈

사실 라인스캔 렌즈라는 용어는 산업혁명 이전까지는 존재하지 않던 용어이다.

산업혁명 이후, 대량생산되는 물건들을 편하고 신속하게 검사하기 위해서 생산라인(Line)이라는 개념이 도입되었다.라인을 따라 물품을 생산하는 것은 물론이고 물건을 분석하고 불량품을 감지하는 등 많은 제작과정들이 이 위에서 이루어졌다.

머신 비전 기술이 크게 발전하면서 관계자들은 라인을 검사하기(Scan) 위해 몇몇 특정한 렌즈를 삽입한다든가, 카메라의 셔터 스피드나 노출 값을 조절한다든가 하여 대량생산에 맞춘 카메라를 만들기에 이르렀다. 이런 과정 끝에 탄생한 것이 바로 라인스캔 카메라이다. 즉 라인스캔 카메라니 라인스캔 렌즈니 하는 것이 모두 머신 비전 시스템에서 파생된 용어라고 할 수 있다.

라인스캔 렌즈는 일본식으로 수광부(受光側)라고 부르는, 빛을 받는 부분이 35~62mm정도 크기로 이루어져있다. 최근에는 카메라가 만들어내는 높은 화소에 대응하기 위해 60mm 이상의 수치가 필요한 실정이다. 이러한 수치는 에어리어 카메라나 센서 카메라 등 2차원 카메라용 렌즈로는 온전히 받아들이기 어렵다. 라인스캔 렌즈는 렌즈 중심에서 바깥부분까지의 수차가 적은 광선을 사용해 안정적인 해상도를 획득할 수 있다.
라인스캔 렌즈는 다른 렌즈보다 빛을 받는 면적이 크다는 특징이 있다. 하지만 이 때문에 이 렌즈가 라인스캔에만 특화되어있는 것은 아니다. 오히려 라인스캔 렌즈는 사용하기에 따라 다른 렌즈들보다 더욱 선명한 영상을 획득할 수도 있다. 라인스캔 렌즈가 일반 머신 비전 시스템에서 사랑받지 못하는 이유는 렌즈의 무게 때문이다. 렌즈가 크고 무겁기 때문에 렌즈나 카메라가 직접 움직이며 영상을 촬영하기에는 적합하지 않다. 그렇기에 자연스럽게 카메라가 움직이지 않아도 촬영이 가능한  라인스캔용 장비로 채택되었던 것이다.

라인스캔 렌즈를 선택할 때 주의사항으로는 렌즈 마운트 방식이 제각각이라는 점이 있다. 렌즈 제조사 및 카메라 제조사별로 마운트 방식이 다르기 때문에 사용하는 카메라의 마운트를 반드시 확인하여 정확하게 제품을 선정해야 한다.

또 다른 렌즈로는 무엇이 있나?

앞서 소개했던 것 외 머신 비전 렌즈로는 ▲고점 초정용 렌즈 ▲무왜(無歪) 렌즈 ▲페리센트릭 렌즈 ▲동력장치 탑재형 렌즈 등이 있다. (월간 비전시스템 2012년 8월호 26페이지 참조)

◆ 고점 초점형 렌즈: 초점이 변하지 않는 렌즈이다. 대부분의 머신 비전에서는 단순 검사만을 반복하므로 초점을 변경할 필요가 없다. 일반적인 머신 비전 검사에 많이 사용된다.

◆ 무왜 렌즈: Ultra Low Distortion 렌즈라고도 부른다. 보통 렌즈 원리와 반대로 상을 왜곡시키지 않고 프레임그래버 및 PC에 전송한다. 처리장치의 부하를 줄여주고 영상 처리 과정을 간단하게 만든다.

◆ Pericentric(360。View) 렌즈: 거울이나 반사판 없이도 측면 및 후면을 볼 수 있는 렌즈이다. 이 렌즈는 스스로가 360도 회전하며 영상을 획득한다.

◆ Motorized 렌즈: 모터와 같은 동력장치를 탑재한 렌즈이다. 스스로가 동력을 갖고 있기에 줌·포커스·조리개와 같은 조작은 물론 움직임까지도 원격으로 제어할 수 있다.

머신 비전 렌즈, 진화의 끝은

머신 비전은 다른 분야에 비해 굉장히 늦게 출현한 산업이다. 하지만 그 파급력은 다른 어떤 분야보다 컸다. 인간이 해오던 검사·감시·측정·오류 판단 등을 인간보다 더욱 빠른 속도로 수행함은 물론이고 자외선·적외선 검사처럼 인간이 하지 못하던 검사까지 가능케 한 머신 비전은 산업 현장의 혁명이라고 말할 수 있을 정도였다. 그리고 그 선두에는 단연 정보를 받아들이는 렌즈가 있었다.

머신 비전 렌즈는 이에 그치지 않고 더욱 눈부신 발전을 거듭하고 있다. 지난 호에서 살폈던 것과 같이 360˚회전이 가능한 렌즈는 물론이고 특정 광소자나 빛 영역을 감지할 수 있는 렌즈, 영상 왜곡 없이 처리장치로 전송할 수 있는 렌즈 등 수많은 제품들이 저마다의 특징을 뽐내고 있다. 머신 비전 렌즈의 이러한 발전은 산업현장이 지속되는 한 끊임없이 이루어질 것으로 판단된다.

글 |윤진근 기자 pen@automotivemnt.com