강건 설계 (RUGGEDIZATION)
이미징 렌즈를 위한 강건 설계
자료제공 : 에드몬드 옵틱스
대다수의 산업용 머신 비전 애플리케이션에서 이용되는 이미징 렌즈는 표준 이미징 렌즈의 성능을 뛰어넘는 특수한 요건을 필요로 한다.
공장 자동화, 로봇 공학, 산업 검수 분야에서 사용되는 렌즈의 경우 진동, 충격, 온도 변화, 오염물이 있는 특정한 환경에서도 작동되어야 하기 때문이다. 이와 같은 환경적 요건 때문에 다양한 시나리오를 충족할 수 있는, 강건 설계 렌즈(ruggedized lens)와 같은 새로운 종류의 렌즈가 특별히 고안되면서 여러 종류의 강건 설계가 생겨나고 있다.
현재 이용 가능한 강건설계의 종류는 산업 등급의 강건 설계(Industrial Ruggedization), 방수방진 등급의 강건 설계(Ingress Protection Ruggedization), 안정성 등급의 강건 설계(Stability Ruggedization)로 총 3가지이다. 에드몬드 옵틱스가 제공한 이 글을 통해 강건 설계에 대해 알아보자.
표준 고정 초점 거리 렌즈의 정의
강건 설계 렌즈 만의 특색 있는 품질을 제대로 파악하기 위해서는 우선적으로 표준 고정 초점 거리 렌즈(Standard Fixed Focal Length Lens)의 정의를 내려야 한다. 표준 이미징 렌즈는 F-마운트, 나사식 C-마운트 또는 유사한 마운트가 있는 산업용 카메라용으로 대개 설계되는 아이템이다. 이러한 렌즈는 하나의 나사식 배럴(threaded barrel) 내에 또 다른 나사식 배럴이 있어, 포커스를 수동으로 조절할 수 있기 때문에 옵틱을 회전하지 않고도 부드러운 움직임이 가능하다. 또한, 포커싱을 위한 엄지 나사(thumb screw)가 있기 때문에 시야 안에 들어온 피사체에 초점이 맞게 되면, 이 나사를 이용해 초점의 위치를 고정할 수 있다. 조리개(iris) 역시 대개 멈춤쇠(ball detent)를 이용해 수동 조절이 가능하여, 이러한 수동 조작을 통해 특정한 f-stop에 맞출 수가 있다. 그림 1은 이중 나사식 포커스(double-threaded focus), 다엽 조리개(multi-leaf iris), 멈춤쇠가 있는 표준 고정 초점 거리 렌즈의 단면을 보여준다. 다엽 조리개는 움직임이 있는 여러 장의 날(leaf)을 서로 겹쳐서 만든 것이며, 그림 2와 같이 f-stop을 조절할 때 날들이 함께 움직인다.
산업 등급의 강건 설계 (Industrial Ruggedization)
산업용 강건 설계 렌즈는 진동이 높은 환경에서 카메라의 신속한 가속/감속이 필요한 경우, 그리고 플랜트와 로봇 비전에서처럼 반복적으로 여러 대의 유사 카메라를 셋업해야 하는 검수 시스템을 포함한 다양한 용도에 적합 하다. 산업용 강건 설계(Industrial Ruggedization)는 렌즈로 하여금 진동이나 충격을 견뎌낼 수 있게 해 손상을 방지하고 초점의 변화를 막아주는 역할을 한다. 이러한 설계의 주요 특징은 단순화(simplification)로서 부품의 이동은 줄이면서 고정은 더욱 쉽게 만들어 준다.
산업용 강건 설계를 위해서는 iris가 제거되고 고정 조리개(ixed aperture stop)가 대신 사용되는데, 이는 여러 부품의 움직임을 막아준다. 얇은 조리개 날(iris leaf)의 경우 심한 충격이나 진동이 가해질 때 제자리에서 튕겨 나가거나 손상을 입기가 쉽다. 따라서 조리개 날들을 제거하는 단순한 변화를 통해 렌즈의 존속력을 향상시킬 수 있다.
이외에도, 포커싱 역시 단순화하기 위해 비회전 이중 나사식 배럴(non-rotating double threaded barrel) 대신에 클램프(clamp), 너트(nut) 등 여러 고정 나사와 같이 견고한 잠금 장치(locking mechanism)에는 단순한 단일 나사식(simple single thread)이 적용된다. 그림 3에서는 고정 나사(locking screw)와 단일 나사식 초점(single threaded focus)으로 초점의 이동이 줄어들고 조리개 대신 고정된 조리개(fixed aperture)를 사용한 산업용 강건 설계 렌즈를 보여준다. 로봇이나 자동 전기자(automated armature)에서 움직이는 렌즈에 충격이 가해지고 기계 상에 진동이 발생해도 산업용 강건 설계 렌즈의 포커싱과 f-stop은 영향을 받지 않는 것이 특징이다.
산업 등급의 강건 설계는 일단 시스템이 한 번 셋팅되면, 더 이상 변경할 일이 없는 애플리케이션에 적합하다. 또한, 이러한 설계가 적용된 렌즈는 복잡한 동작과 조정이 필요하지 않기 때문에 가격 면에서 이점이 있으며, 결과적으로 부품의 수가 상당히 줄어들고 비용을 절감 할 수 있다는 장점이 있다.
산업용 강건 설계 렌즈는 표준 렌즈와는 반대로 유연성이 없는 단점을 가지고 있다. 유연성이 없기 때문에 f-stop을 변경하는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 대부분의 경우 다른 종류의 렌즈를 사용하곤 한다.
일단, 초점의 이동이 매끄럽지 않으면, 초점을 맞출 때 옵틱에 회전이 일어나 초점이 변하면서 렌즈의 포인팅에 변화가 발생한다(피사체의 포인트가 이미지의 포인트에 맵핑(mapping)되는 방식). 게다가, 잠금 고정 방식은 초점 조절을 더 어렵게 만들어 육각 드라이버나 대형 렌치 같은 특수 도구가 필요할 수도 있다. 그렇지만, 대다수의 산업 용도에서는 기계의 셋팅을 결정하는 데 있어 표준 렌즈를 활용하기 때문에 이와 같은 불이익은 문제가 되지 않는다. 기계적 셋팅이 일단 정해지면, 애플리케이션에는 대신 산업용 강건 설계 렌즈를 사용하고 차후 변경할 일이 없도록 적절한 초점과 f-stop을 설정해 놓으면 된다.
방수방진 등급의 강건 설계 (Ingress Protection Ruggedization)
강건 설계의 다음 유형으로는 방수방진 용도의 강건 설계(Ingre
ss Protection Ruggedization)가 있다.
이러한 설계를 적용한 렌즈에서는 어셈블리 자체가 밀봉되어 있어 렌즈 내부 습기가 차거나 이물질이 유입되는 것을 막아준다. 이러한 개량은 주로 렌즈에 적용되나, 렌즈는 이미 고정 조리개와 단순화된 포커싱을 포함한 산업용 강건 설계 렌즈의 특성들을 가지고 있어 f-stop이나 포커싱 조절은 종종 밀봉 시 문제가 되곤 한다.
밀봉 처리는 대개 오링(O-ring)과 RTV 실리콘으로 마무리된다. 이와 같은 강건 설계는 일반적으로 습기와 수분이 많은 환경에서 작업이 이루어지는 애플리케이션에 적합하며 보호를 위해 렌즈와 카메라가 완전 밀폐되어 여유 공간을 가질 수가 없다. 방수방진 처리된 렌즈와 호환이 가능한 기타 작업 환경으로는 공기 중에 수분이나 먼지 혹은 기타 부유물이 존재할 때이다.
그림 4는 오링으로 완전 밀폐 처리된 방수방진용 강건 설계 렌즈를 보여준다.
이러한 강건 설계에는 보호 처리가 렌즈에만 이루어져있기 때문에 카메라와 렌즈 사이에 있는 경계부와 카메라에 추가적인 보호 처리가 이루어져야 하는 단점이 있다. 대개는 카메라와 렌즈를 같이 보호하기 위해 단일 밀폐 처리를 적용하는 것이 더 간편하기도 하다.
안정성 등급의 강건 설계(Stability Ruggedization)
마지막으로 다룰 강건 설계 유형은 안정성 용도의 강건 설계(Stability Ruggedization)로서 렌즈의 손상을 막아주고 진동과 충격 후에도 광점(optical point)과 포지셔닝(positioning)이 제자리를 유지해준다.
이는 산업용 강건 설계가 진화한 형태로서 조리개의 제거 및 더욱 간편해진 포커싱의 적용과 같이 간소화(simplification)라는 유사한 특징을 가지고 있다.
뿐만 아니라, 하우징 내에서의 움직임을 방지하기 위해 각각의 렌즈는 제자리에 고정이 되어 있다. 그림 5는 개별 렌즈가 원위치에 고정되어 있고 포커싱을 간소화하기 위해 클램프 잠금장치(clamping lock)가 사용된 안정성 강건 설계 렌즈를 보여준다.
광학 시스템에 있어서, 배럴의 내부 공간에는 렌즈들이 위치하게 된다. 렌즈의 외경과 배럴의 내경 사이에는 미세한(대개 50 microns 미만) 공간이 존재한다.
최소치의 간격에도 불구하고 수십 micron이 중심에서 벗어나는 것만으로도 렌즈의 포인팅에 상당한 영향을 주며, 이에 관한 내용은 그림 6.1, 6.2, 6.3에서 확인할 수 있다. 안정성 강건 설계 렌즈를 사용할 경우에는 시야의 중심에 피사체의 포인트가 존재하고 정확히 중심 픽셀 위로 포인트가 향한다면, 렌즈에 강한 진동이 가해지더라도 항상 동일한 지점 위로 향하기 때문에 안정된 이미지를 얻을 수가 있다.
안정성 강건 설계는 로봇 감지를 위한 렌즈, 사물의 위치 추적을 위한 렌즈, 3D 스테레오 비전 및 측정 장비와 같이 시야의 교정(calibration)이 필요한 애플리케이션에 중요한 역할을 한다. 이러한 애플리케이션에는 안정화를 위해 대개 단일 픽셀보다 훨씬 작은 값의 포인팅이 요구된다.
이와 같은 유형의 강건 설계는 표준 렌즈와 비교 시 유연성이 줄어드는 것과 같이 산업 등급의 강건 설계와 동일한 단점을 가지고 있다.
그뿐만 아니라, 렌즈 요소들을 제자리에 조립하고 고정하는 과정에서 안정성 강건 설계 렌즈에 더 많은 노동력이 필요하기 때문에 산업용 강건 설계 렌즈와 견주어 볼 때 디자인과 엔지니어링 공정이 추가되어 더 큰 비용이 들어간다.
결론
머신 비전 렌즈를 강건 설계하는 데는 여러 옵션이 있으나 모든 애플리케이션에 적용할 수 있는 단 한 가지 옵션은 존재하지 않는다.
최상의 강건 설계 렌즈를 위한 옵션을 결정짓기 위해서는 반드시 애플리케이션과 주변 환경을 고려하여 선택해야한다. 강건 설계된 렌즈들은 저마다 엇비슷한 장단점을 가지고 있기는 하지만, 애플리케이션 유형별로 각각의 요인 또한 검토해봐야 한다. 따라서 사용자의 애플리케이션에 가장 적합한 유형을 파악하는 것이야말로 시스템 수명을 연장하고 최적의 성능과 비용을 달성하는 데 있어 큰 도움이 될 것이다.
