광학을 선택할 때 평가돼야 할 기본 매개변수 ③

Opto Engineering

3. 렌즈 유형

다양한 용도와 응용 분야에 맞는 많은 종류의 광학 장치가 업계에서 제공된다. 아래는 가장 보편적인 렌즈 유형과 작동 원리와 일반적인 적용에 대한 간략한 개요다.

텔레 센 트릭 렌즈

텔레 센 트릭 렌즈는 평행 광선 번들(즉, 광학 축에 평행, 그림 31 참조)만을 수집하도록 설계된 특별한 종류의 광학을 나타내며, 따라서 원근법 오차를 제거한다.

광학 축에 평행한 광선만 받아들여지기 때문에, 텔레 센 트릭 렌즈의 배율은 물체 위치와 무관하다. 이 독특한 특징은 텔레 센 트릭 렌즈가 투시 오류 및 배율 변경으로 일관성 없는 측정을 초래할 수 있는 측정 애플리케이션에 이상적이다. 디자인상으로는 텔레 센 트릭 렌즈의 전면 요소가 적어도 원하는 FOV만큼 커야 하므로 이 렌즈는 매우 큰 물체를 촬영하는 데 부적합하다.

다음 그림(그림 32)은 일반적인 광학(entocentric)과 텔레 센 트릭 렌즈의 차이점을 보여준다. 고정 초점 렌즈는 엔트로 센 트 렌즈(entocentric lens)로, 광 축에서 발산하는 광선을 수집한다. 이렇게 하면 큰 FoV를 커버할 수 있지만, 작동 거리가 다를 때 배율이 다르기 때문에 이 렌즈는 물체의 실제 크기를 결정하는 데 적합하지 않다.

양방향 텔레 센 트릭(bi-telecentric lenses) 렌즈의 장점

향상된 배율 불변성

표준 텔레 센 트릭 렌즈는 축이 주 광축과 평행한 광선 원뿔을 수용한다. 렌즈가 물체 공간에서 단지 텔레 센 트릭이면, 광학 시스템을 통과하는 광선 콘은 필드 위치에 따라 상이한 각도에서 검출기에 도달한다.

또한, 들어오는 텔레 센 트릭 광선이 이미지 공간에서 양방향 텔레 센 트릭이 되기 때문에 광학 파면은 완전히 비대칭이다. 결과적으로, 검출기 평면상의 광선 원뿔에 의해 생성된 스폿은 이미지 공간에서 점에서 점으로 모양과 치수가 변경된다(점 확산 함수는 비대칭이 되고 작은 원형 점은 더 커지고 타원형으로 변한다. 테두리를 향한 이미지 중심).

더 안 좋은 점은 물체가 변위될 때, 특정 필드 포인트로부터 오는 광선은 이미지 평면상에서 앞뒤로 움직이는 스폿을 생성하고, 따라서 배율에서 현저한 변화를 발생하게 한다. 이러한 이유로 비 이중 텔레 센 트릭 렌즈는 물체 공간에서만 측정하면 텔레 센트리 시티가 매우 좋을지라도 낮은 배율 불변성을 나타낸다. 양방향 텔레 센 트릭 렌즈는 물체와 이미지 공간 모두에서 텔레 센 트릭이며, 이는 주 광선이 입사 시뿐만 아니라 출사 시에도 평행하다는 것을 의미한다.

이 기능은 점 분산 기능 불균일성 및 필드 깊이를 통한 배율 불변성 부족과 같은 모노 텔레 센 트릭 렌즈와 관련된 모든 정확도 문제를 극복하는 데 필수적이다.

필드 깊이 증가

필드 심도는 최상의 초점 위치에서 객체의 허용 가능한 최대 변위다. 이 한계를 초과하면 이미지 해상도가 좋지 않다. 피사체에서 오는 광선이 감지기에 충분히 작은 스폿을 만들 수 없기 때문이다. 흐림 효과는 광학 광선에 의해 운반된 기하학적 정보가 너무 많은 이미지 픽셀 위로 확산되기 때문에 발생한다. 피사계 심도는 기본적으로 렌즈 조리개 직경에 반비례하는 광학계 F/#에 따라 달라진다.

f- 숫자가 클수록 준 피사계 심도가 커지고 준선 종속성이 생긴다. F/#를 늘리면 광선 원뿔 발산이 줄어들어 탐지기에 작은 지점이 형성될 수 있다. 특정 값에 대한 F/# 값을 높이면 회절 효과가 발생하여 최대 달성 가능 해상도가 제한된다. 양방향 텔레 센 트릭은 매우 두꺼운 물체를 볼 때조차도 좋은 이미지 대비를 유지하는 데 도움이 된다(그림 34 참조). 광학 시스템의 대칭성 및 광선 평행도는 이미지 스폿을 대칭으로 유지하여 블러 효과를 감소시킨다. 그 결과 필드 깊이는 비 양방향 텔레 센 트릭 광학에 비해 20~30% 더 크게 인식된다.

고른 검출기 조명(Even detector illumination)

양방향 텔레 센 트릭 렌즈는 LCD, 섬유 및 인쇄 품질 제어(그림 35)와 같은 여러 응용 분야에서 유용하게 사용되는 검출기 조명을 매우 균일하게 나타낸다.

다이크로익 필터(dichroic filters)를 측광 또는 측광 측정을 위한 광학 경로에 통합해야 할 때, 양방향 텔레 센 트릭은 광선 팬 축이 표면에 수직인 필터를 때리도록 보장하여 전체 감지기 영역에 광학 대역 통과를 유지한다.

올바른 텔레 센 트릭 렌즈를 선택하는 방법

작동 거리와 조리개가 고정된 텔레 센 트릭 렌즈는 배율과 이미지 원으로 분류된다. 올바른 텔레 센 트릭 렌즈를 선택하는 것은 쉽다. 이미지가 센서에 맞도록 배율을 찾아야 한다.

예) 텔레 센 트릭 렌즈와 2048×2048, 5.5μm 센서를 사용하여 기계 부품(너트)의 기하학적 특성을 측정해야 한다. 너트는 샘플 위치에서 2mm의 불확도를 가진 직경 10mm의 원에 새겨져 있다.

최선의 선택은 무엇인가?

카메라 해상도와 픽셀 크기(2048×2048 pix, 5.5μm)가 주어지면 센서 크기는 11.26×11.26mm로 계산된다. FOV는 직경 12mm의 원을 포함해야 하므로 필요한 최소 배율은 0.938X이다.

Opto Engineering^® TC23009 텔레 센 트릭 렌즈(M=1.000X, 이미지 원 11mm)는 11.26mm×11.26mm의 FOV를 제공하지만 기계적 비네팅 때문에 실제 FOV는 단지 직경 11mm의 원인이다. 이 경우보다 정확한 부품 배치를 보장할 수 없는 경우 낮은 자해, 또는 큰 이미지 서클이 있는 렌즈를 선택해야 한다.

Opto Engineering^® TC2MHR016-x 렌즈(M = 0.767X, 이미지 원 16.0mm)를 사용하면 FOV가 14.68×14.68mm로 매우 가깝다.

자외선 텔레 옵틱스

회절 한계가 더 짧은 파장에서 더 높은 해상도를 가능하게 하므로(그림 36 참조) UV 렌즈는 표준 렌즈에 비해 우수한 결과를 얻을 수 있으며 1.75μm의 작은 픽셀로 효율적으로 작동할 수 있다.

예를 들어, Opto Engineering^® TCUV 시리즈 텔레 센 트릭 렌즈는 가까운 자외선 범위에서 작동하며 매우 까다로운 측정 애플리케이션을 위해 매우 높은 해상도를 제공한다.

Opto Engineering^® 텔레 센 트릭 렌즈가 홍채를 통합하지 않는 이유는 무엇인가?

TC 렌즈에는 홍채가 포함되어 있지 않지만 렌즈를 출하하기 전에 요청하면 추가 비용이나 지연 없이 조리개를 쉽게 조정할 수 있다.

Opto Engineering^® 텔레 센 트릭 렌즈가 홍채를 통합하지 않는 이유는 다음과 같다.

- 조리개를 추가하면 제품 수명 내내 한두 번만 사용할 수 있는 기능 때문에 렌즈가 더 비싸다.

- 홍채 삽입은 기계공의 정밀도를 떨어뜨리고 광학 얼라인먼트를 훨씬 나빠지게 만든다.

- 우리는 고객이 사용하는 동일한 조리개에서 렌즈를 테스트할 수 없다.

- 조리개 위치는 금속 시트 구경보다 훨씬 정확하지 않다. 이는 텔레 센 트릭성에 큰 영향을 준다.

- 홍채 형상은 원형이 아닌 다각형이다. 이렇게 하면 FOV를 가로지르는 주 광선의 경사가 변경되어 렌즈 왜곡 및 해상도에 영향을 준다.

- 조리개는 고정식, 둥근형, 다이어프램형일 수 없다. 렌즈의 텔레 센 트릭성을 보장하려면 적절한 센터링이 필수적이다.

- 원형의 고정된 조리개만 모든 렌즈의 밝기를 동일하게 만든다.

- 조정 가능한 조리개는 일반적으로 평평하지 않으며 정지 위치에서 불확실성을 일으킨다. 이는 텔레 센 트릭 렌즈를 사용할 때 중요하다.

- 홍채는 대부분의 산업 환경에서 위험할 수 있는 움직이는 부분이다. 진동으로 기계 장치가 쉽게 분해되거나 렌즈 조리개가 변경될 수 있다.

- 홍채 설정이 실수로 사용자에 의해 변경될 수 있으며 이는 원래의 시스템 구성을 변경한다.

- 최종 사용자는 옵션이 적고 MV 시스템에서 튜닝해야 하는 몇 가지 사항을 선호한다.

- OE가 표준으로 제공하는 것보다 작은 구경은 회절 한계로 인해 분해능이 감소하므로 의미가 없다. 반면, 훨씬 더 넓은 구멍은 필드 깊이의 감소를 일으킬 것이다. OE 렌즈의 표준 조리개는 이미지 해상도와 필드 깊이를 최적화하기 위한 것이다.

왜 OE 텔레 센 트릭 렌즈는 포커싱 메커니즘이 없는가?

조리개와 마찬가지로 포커싱 메커니즘은 렌즈의 움직이는 부분에서 기계적 플레이를 생성하여 광학 시스템의 센터링을 악화시키고 사다리꼴 왜곡을 유발한다.

또 다른 문제는 방사형 왜곡과 관련되어 있다. 광학 구성 요소 사이의 거리가 특정 값으로 설정된 경우에만 텔레 센 트릭 렌즈의 왜곡을 작게 유지할 수 있다. 올바른 위치에서 모든 요소를 이동하면 렌즈 왜곡이 증가한다. 포커싱 메커니즘은 광학 시스템 내부의 렌즈 위치를 불확실하게 만들고 왜곡 값을 알 수 없게 한다. 왜곡은 우리의 품질 관리 프로세스에서 얻은 값과 다르다.

360° 광학

많은 머신비전 애플리케이션은 검사될 많은 피처들이 맨 위가 아니라 객체 면에 위치하기 때문에 피사체 표면의 완전한 뷰를 필요로 한다.

병이나 용기와 같은 대부분의 원통형 물체뿐만 아니라 여러 종류의 기계 부품은 스크래치 및 불순물을 감지하거나 바코드를 읽거나 레이블이 올바르게 인쇄되었는지 확인하기 위해 측면 표면을 검사해야 한다.

이러한 경우 가장 일반적인 방법은 상단 뷰 외에도 부품의 여러 측면 뷰를 얻기 위해 여러 카메라(일반적으로 3, 또는 4)를 사용하는 것이다. 이 솔루션은 시스템 비용을 높이는 것 외에도 전자, 또는 소프트웨어가 다른 카메라의 여러 이미지를 동시에 처리해야 하기 때문에 시스템 성능에 병목 현상을 일으키는 경우가 많다.

 다른 경우에는 비전 엔지니어가 라인 스캔 카메라 시스템을 사용하여 외부 표면을 스캔하는 것을 선호한다.

이 접근법은 또한 많은 기술 및 비용 단점을 보여준다. 객체는 검사 속도에 영향을 미치는 FOV에서 기계적으로 회전해야 한다. 또한, 라인 스캔 카메라는 매우 강력한 조명을 필요로 한다. 또한, 선형 감지기의 크기가 크기 때문에 시스템의 광학 배율이 증가하여 필드 깊이가 감소한다.

360° 광학 카테고리는 물체에서 발산하는 광선을 포착하는 다양한 광학 솔루션을 포함하므로(그림 37 참조) 렌즈 전면의 물체 표면뿐만 아니라 물체의 측면 표면(아래 광학 다이어그램 참조)을 이미징한다.

앞의 이미지는 원심 렌즈(PC), 카타 디옵 트릭 렌즈(PCCD), 핀홀 렌즈(PCHI) 및 보로 스코프 렌즈(PCPB)에 적용되는 작동 원리를 보여준다. 다른 360° 옵티컬 솔루션은 텔레 센 트릭 옵틱과 미러 어레이를 결합하여 하나의 카메라(TCCAGE, PCPW 및 PCMP 시리즈)로 샘플을 완벽하게 볼 수 있다. <다음 호에 계속>

자료 제공: Opto Engineering(www.opto-engineering.com)