머신비전 렌즈 선택 시 고려할 사항 ①
Computar
렌즈는 세계를 문제의 매체에 초점을 맞춘다. 그것은 매체가 판지 조각으로 일식을 보는 데 사용하는 핀 홀 렌즈(pin hole lens)처럼 간단할 수 있거나, 혹은 CCD인 Hubble 허블 우주 망원경의 수정 광학 우주 망원경 축(Corrective Optics Space Telescope Axial) 교체와 같이 복잡할 수 있다.
두 극단 사이의 어딘가에 머신비전 카메라에 사용되는 다양하고 효과적이고 저렴한 렌즈 해결책이 있다. 해결책에 쓰이는 렌즈는 관심 대상으로부터 빛에 초점을 맞춘다. 이 렌즈의 가장 일반적인 유형을 여기에 설명하고자 한다.
기본 렌즈 고려 사항
머신비전 애플리케이션을 위한 렌즈를 선택할 때 몇 가지 요소가 고려된다.
- 검사 대상과 카메라 사이의 거리, 즉 작동 거리(WD, Working Distance)는 어떻게 되는가? 이것은 렌즈의 초점과 초점 거리에 영향을 미친다.
- 대상 물체의 크기는 얼마인가? 이것이 시야(FOV, Field Of View)를 결정한다.
- 감지돼야 할 결함의 크기는? 센서의 분해능, 즉 이미지 센서와 픽셀 크기가 카메라 동작 또는 특수 고정 장치가 필요할 수 있는지 여부와 함께 결정된다.
- 조명 조건은 어떤가? 조명을 제어할 수 있는가? 아니면 피사체가 빛나는 환경인가? 대상이나 카메라가 움직이거나 움직이지 않는가? 움직인다면, 얼마나 빠르게 물체와 카메라 사이의 움직임은 셔터 속도에 영향을 미치며, 이는 렌즈나 f-번호로 들어오는 빛에도 영향을 미친다.
이러한 변수들 때문에 적절한 렌즈를 선택하는 것은 어려울 수 있지만 근본적으로 포커스 유형, 홍채 유형 그리고 초점 거리의 세 가지 주요 유형으로 시작할 수 있다.
초점은 대상 이미지가 센서에서 얼마나 명확하게 복제되는지를 나타낸다. 초점 거리는 렌즈의 광학 중심과 이미징 센서의 표면 사이의 거리를 말하며 배율을 결정한다. 렌즈는 고정 또는 가변 초점 거리로 사용할 수 있고, 조리개는 카메라 센서에 도달하는 빛의 양을 제어한다. 수동 또는 자동으로 조정할 수 있으며, 카메라 조리개와 함께 소프트웨어로 제어할 수도 있다.
초점 (Focus)
렌즈를 통해 이동하는 빛의 점광원이 센서 또는 매체에서 가장 작은 영역을 산출할 때 초점에 있는 물체이다. 렌즈는 수동 또는 자동 조정이 있을 수 있다. 초점은 수동 또는 자동으로 조정할 수 있다(자동 초점).
수동 포커스 (Manual Focus)
이름에서 알 수 있듯이 수동 초점 렌즈는 이미지를 관찰하는 작업자가 수동으로 조정한다. 수동 고정 초점 거리 렌즈는 일반적으로 조리개(홍채)용과 피사계 심도(DOF, Depth Of Field) 안에서 ‘미세’ 초점 조정을 위한 조정 링이 두 개 있다. 수동 초점 렌즈는 일반적인 공장 자동화 애플리케이션 같이 WD가 일정한 곳에서 쓰인다.
자동 초점 (Auto Focus)
자동 초점 렌즈에는 렌즈의 초점을 변경하는 모터가 내장돼 있다. 자동 초점 렌즈는 초점 거리를 변경하지 않으며(그림 2 참조), 단순히 피사계 심도에 따라 최적의 초점을 제공한다. 자동 초점 렌즈는 거리 센서로 ‘능동적’ 또는, 소프트웨어를 통해 ‘수동적’으로 모터에 신호를 제공한다. 작업자는 초점이 맞을 피사체 장면을 선택하고 자동 초점 렌즈는 피사체 WD가 변경될 때 렌즈 초점을 변경한다. 자동 초점 렌즈는 보통 스마트 카메라에 내장돼서 컨베이어로 내려오는 패키지처럼 물체의 작업 거리가 약간 다를 수 있는 검사를 위해 이미지 품질을 개선한다.
초점 거리 (Focus Length)
초점 거리는 렌즈의 광학 중심과 카메라 센서 표면 사이의 거리를 나타낸다. 초점 거리는 세계와 센서 사이의 겉보기 크기 변화(배율)의 한 요소이다. 시야와 작동 거리가 일정한 머신비전 애플리케이션의 경우 고정 초점 거리 렌즈의 간단하고 콤팩트한 디자인이 바람직하다. 가변 초점 렌즈는 머신비전 애플리케이션과 시연에 유용하다.
고정 초점 거리 (Fixed Focal Length)
광학 구성 요소의 수를 줄이면 비용이 낮아지고 광이 통과해야 하는 광학 구성 요소 또는 단계가 줄어들어 광학 왜곡이 최소화된다. 이름에서 알 수 있듯이 고정 초점 렌즈의 초점 거리는 기계 설계의 함수이며 변경할 수 없다. 일반적으로 사용할 수 있는 고정 초점 거리는 8mm, 16mm, 25mm 그리고 50mm이다. 단순함으로 인해 고정 초점 거리 렌즈는 수동 또는 자동으로 조정할 수 있다(자동 초점).
가변 초점 (Varifocal)
가변 초점 렌즈는 조작자가 렌즈의 초점 길이를 변경할 수 있도록 조정한다. 이 조정은 주어진 작동 거리에 대한 배율과 시야를 변경한다. 초점 길이가 변경되면 렌즈를 새 설정으로 초점을 다시 맞춰야 한다. 해당 렌즈에서 사용할 수 있는 범위는 4-8mm, 8.5-50mm 그리고 12-36mm이다. 일반적으로 조리개(홍채), 초점 거리, 마지막으로 초점 용도의 세 가지 조정이 있다.
줌 (Zoom)
줌 렌즈는 복잡한 렌즈로써, 초점 거리가 변경되는 동안 초점을 유지한다. 이 조정은 배율과 시야를 변경한다. 종종 '줌‘이라는 용어는 가변 초점 렌즈에 잘못 적용된다. 기계적 복잡성과 왜곡 가능성으로 인해 일부 데모와 평가에 유용하다.
조리개 (Iris)
조리개는 크기를 변경해 카메라 센서에 도달하는 빛의 양을 결정한다. 너무 많은 빛은 명암을 줄여서 눈에 띄지 않게 할 수 있다. 조리개는 하나의 리프 다이어프램(leaf diaphragm)이다.
수동 또는 자동으로 개구부를 조절할 수 있다. 공장 자동화처럼 광 레벨이 제어되는 머신비전 애플리케이션은 수동 조리개를 사용하지만, 옥외 검사 애플리케이션에는 자동 조리개를 사용한다. 조리개 조절이 자동일 때 조절 방법은 DC, Video, P-iris 중 하나이다.
리프 다이어프램 조리개는 일반적인 디자인 특성을 공유하며 초점과 피사계 심도에 영향을 준다.
피사계 심도는 이미지가 초점을 유지할 렌즈에 대한 거리 범위를 나타낸다. 이것은 렌즈에 빛이 들어가는 각도의 함수이다. 완전히 열린 조리개는 더 닫힌 조리개보다 작은 범위를 갖는다.
수동 조리개 (Manual Iris)
수동 조리개가 있는 렌즈는 일반적으로 실내 검사와 같이 광도가 제어되는 곳에서 사용된다. 위에서 언급한 피사계 심도 효과로 인해 많은 애플리케이션은 높은 광도와 감소된 조리개 조정으로 성능을 최적화한다.
자동 조리개 (Auto Iris)
조명이 엄격하게 제어되는 머신비전 애플리케이션을 항상 가질 수 있는 것은 아니다. 실외 번호판 판독과 철도 차량 ID는 두 가지 예시다. 이 경우 자동 조리개 렌즈를 사용하는 것이 좋다. 자동 조리개 컨트롤에는 DC, 비디오, P-Iris의 세 가지 유형이 있다.
DC 자동 조리개 (DC Auto Iris)
DC 자동 조리개 렌즈는 지원되는 카메라의 DC 신호로 제어된다. 이 신호는 카메라에 도달하는 빛의 양에 비례하며 DC 모터에 적용된다. 모터는 구멍을 열기 위해 스프링에 부딪쳐 움직인다. 스프링 장력은 구멍을 닫는다. 모터 신호를 꾸준히 조정하는 이 기술은 조리개가 계속해서 조정되고 있음을 의미한다.
비디오 자동 조리개 (Video Auto Iris)
비디오 자동 조리개 렌즈는 DC 자동 조리개와 비슷하게 작동한다. 가장 큰 차이점은 비디오 자동 조리개 렌즈가 지원되는 카메라에서 비디오 신호를 수신한다는 것이다. 이 신호는 카메라에 도달하는 광 레벨에 비례하며 렌즈의 회로에 의해 증폭된다.
P-조리개 (Precise Iris)
오늘날 메가 픽셀 카메라 센서는, 픽셀이 너무 작아서 구멍의 제약 때문에 광도가 매우 낮으면 회절로 인해 이미지가 흐려질 수 있다. 모든 렌즈에는 수차가 있으며 광 레벨이 증가함에 따라 강도가 카메라 센서의 여러 픽셀로 퍼질 수 있다. 이 효과는 픽셀이 작아질수록 악화된다. P-조리개는 지원되는 카메라와 함께 조리개 설정을 자동으로 조정해서 최상의 품질 또는 피사계 심도를 선택할 수 있게 해주며, 동시에 애플리케이션에 가장 높은 감도를 제공한다. DC 조리개나 비디오 조리개 렌즈와 달리 P-조리개 조정기의 주요 임무는 렌즈를 통한 빛의 흐름을 지속적으로 조정하지 않는 것이다. 최적의 조리개 위치를 설정할 수 있어 렌즈의 중앙과 가장 성능이 좋은 부분을 대부분 사용하고, 카메라 게인이 가벼운 수준으로 조정되도록 화질을 향상시키는 것이다.
기타 렌즈 고려 사항
3 모터 렌즈
복잡한 렌즈에는 전동 초점, 홍채, 줌 기능이 있다. 이러한 렌즈는 각 매개변수를 독립적으로 원격 제어할 수 있다. 이 유형의 렌즈에 대한 머신비전 애플리케이션은 실외 검사와 다양한 물체 치수의 ID이다.
초점과 확대/축소를 위한 사전 설정
특정 작동 거리에 대해 사전 설정하기 위해 초점/줌 회로에 선택 전위차계를 추가할 수 있다. 이 렌즈의 머신비전 애플리케이션은 스포츠 이벤트 타이밍이다.
스폿 필터 (Spot Filter)
조명 범위가 높으면 스폿 필터(선택 사항)를 사용할 수 있다. 스폿 필터는 렌즈 중앙에 있는 낮은 투과율 영역이다. 조리개를 완전히 열면 최소한의 영향을 미치지만 조리개가 닫히면 렌즈에 들어가는 빛을 줄이는 데 도움이 된다. 스폿 필터를 사용하면 광학 시스템의 동적 범위가 크게 증가할 수 있다. 이 옵션을 위한 머신비전 애플리케이션은 용광로 검사이다. <8월호에 계속>
자료 제공 : Computar(www.Computar.com)
