광학을 선택할 때 평가돼야 할 기본 매개변수 ④
Opto Engineering
매크로 렌즈(MACRO LENSES)
매크로 렌즈는 작동 거리가 초점 거리에 비견되는 고정 초점 렌즈다. 물체와의 권장 작동 거리는 일반적으로 고정돼 있으므로 매크로 광학은 대개 배율로 설명된다. 매크로 렌즈는 작고 고정된 FOV를 이미지화하도록 특별히 설계됐기 때문에 기하학적 왜곡이 매우 낮다. 예를 들어, Opto Engineering® MC 시리즈 렌즈의 왜곡은 0.05~0.01% 범위다.
고정 초점 거리 렌즈
고정 초점 렌즈는 엔트로 센 트 렌즈로, 광축에서 발산하는 광선을 수집한다(그림 45 참조). 고정 초점 렌즈는 머신비전에서 일반적으로 사용되는 광학 제품이다. 표준 응용 분야에 적합하며 가격이 저렴하다.
기본 매개변수인 초점 거리와 센서 크기를 알면 시야와 작동 거리를 쉽게 계산할 수 있다. 초점은 최소 작동 거리에서 무한대로 조정할 수 있다. 보통 조리개는 기계적으로 제어돼 렌즈 F/#과 광도, 필드 깊이, 해상도를 조정할 수 있다.
고정 초점 렌즈는 저렴하고 다용도이지만, 모든 응용 분야에 적합하지 않다. 보통 정밀한 측정 애플리케이션과 호환되지 않는 중요한 원근감 오류와 기하학적 왜곡이 발생한다. 또한, 수동으로 조절할 수 있는 조리개와 초점은 기계적 플레이를 도입해 일관되고 반복할 수 있는 설정이 필요한 응용 분야에 적합하지 않다.
예) 세라믹 타일 (100×80mm)은 200mm 떨어진 고정된 초점 거리의 렌즈로 검사해야 한다. 어느 렌즈를 선택하겠는가? 카메라 센서는 2.292 픽셀의 2592×1944 해상도를 가지고 있다. 기본 렌즈 방정식은 아래와 같다.
1 / s’(+) - 1 / s (-) = 1 / f (+)
M = h’/ h = s’/ s
구하려는 것은 다음 값이다.
1 / s (h / h’- 1) = 1 / f
그러므로 아래에 나와 있는 식이 성립한다.
WD = -s = -f (h / h’- 1)
또는, 결과적으로 다음과 같다.
f = s / (h / h’- 1)
그리고 아래에 있는 식도 성립하는 것을 확인할 수 있다.
h = h’(1 + s / f)
렌즈와 이미지 높이에 대한 물체 위치는 보통 음수이고, f와 h(초점 거리와 물체 높이)는 일반적으로 양수이다. 또한 머신비전에서 원하는 시야의 최댓값을 h로 지정하고 센서의 짧은 면을 h’로 지정해 최소한의 시야가 커버되는지 확인한다.
센서 해상도와 픽셀 크기가 주어지면 센서 크기를 계산할 수 있다. h’ = -4.28mm 및 h = 100mm로 설정한다.
따라서 s = -200mm로 설정하면 f = 8.2mm가 된다.
표준 8mm 렌즈를 사용하면 약간 더 넓은 FOV(137x102mm)를 커버할 수 있다.
확장 튜브
대부분의 표준 렌즈에서 작동 거리(WD)는 고정된 매개변수가 아니다. 초점 거리는 특정 노브를 조정해 변경할 수 있다. 그런데도 항상 초점이 맞지 않는 최소 물체 거리(MOD, Minimum Object Distance)가 있다. 렌즈와 카메라 사이에 확장 튜브(그림 46 참조)를 추가하면 백 포커스 거리가 증가하므로 MOD를 줄일 수 있다.
이것은 렌즈의 배율을 증가시키고 FOV를 감소시킨다. 비전 업계에서는 일반적이지만 이 절차는 렌즈 성능(해상도, 왜곡, 수차, 밝기 등)을 저하시키므로 가능한 한 피해야 한다. 이런 경우 짧은 작동 거리(매크로 렌즈)에서 작동하도록 설계된 렌즈를 사용하는 것이 좋다.
가변 렌즈(VARIFOCAL LENSES)
가변 초점 렌즈는 가변 초점 거리를 갖는 렌즈로서 렌즈 내부에서 서로에 대해 광학 요소 그룹을 이동시킴으로써 조정될 수 있다. 다양한 초점 거리는 작동 거리와 배율을 여러 가지로 구분해 렌즈 하나로 여러 가지 구성을 제공한다. 그러나 가변 초점 렌즈는 고정 초점 거리 렌즈의 신뢰성 문제와 조립품 내부의 렌즈 그룹의 상대적 동작으로 인한 불확실성이 더 크다.
줌 렌즈(ZOOM LENSES)
줌 렌즈(parfocal lens)는 초점 거리를 변경할 때(즉, 초점은 프로세스 전체에서 유지됨) 작동 거리가 일정하게 유지되는 특수한 유형의 가변 초점 광학 렌즈다. 사실, 줌 렌즈는 일반적으로 작동 거리를 변경하지 않고 배율을 변경할 수 있는 렌즈로 정의된다. 이 카테고리에서는 매크로 줌(예: Opto Engineering® MCZR 과 MZMT)과 텔레 센 트릭 줌 렌즈(Opto Engineering® TCZR)가 있다.
SCHEIMPFLUG 광학
Schempflug 광학은 Scheimpflug 기준을 충족하도록 설계된 고정 초점, 매크로, 또는 텔레 센 트릭 유형 중 하나인 렌즈의 특수 클래스이다. 광학 장치의 물체 평면이 이미지 평면에 평행하지 않은 것으로 가정한다(예: 45°로 편평한 대상을 촬영하는 카메라 - 렌즈 시스템). 이 때문에 초점 평면과 대상 평면이 교차하는 경우에만 이미지가 선명해진다.
이미지와 대상 평면이 공액을 이루기 때문에 특정 각도로 첫 번째 평면을 기울이면 해당 각도로 기울여야 한다. 초점 평면이 대상 평면에 정렬되면 이미지의 초점이 복원된다. 이미지 평면 기울이기는 특수한 기울임 마운트를 사용해 광학 장치에 대한 카메라의 각도를 변경함으로써 실현된다. 오른쪽 그림은 Scheimpflug 텔레 센 트릭 설정의 예를 보여준다.
센서 면이 기울어져야 하는 각도는 Scheimpflug 기준에 의해 주어진다.
tan(θ’) = M · tan(θ)
θ’= atan(M · tan(θ))
여기에서 M은 렌즈 배율이고 θ’는 이미지면 경사각(즉, 센서 측)이며 θ는 물체 평면 경사각이다.
높은 배율에서 이 조건을 충족하는 것은 불가능하다. 45° 기울어진 물체 평면은 센서를 80° 기울여야 하기 때문에 심각한 기계 혹은 비네팅 문제를 일으킨다(그림 47, M = 5 검정색 참조, M = 1 청색, M = 0.25 적색).
IR 옵틱
우리는 머신비전에서 IR 방사선의 흥미로운 하이테크 응용을 많이 발견한다. 스펙트럼의 일부 지역에서 이미징 프로세스에는 IR 광학이라는 특수 설계된 렌즈가 필요하다.
절대 온도가 0K를 초과하는 모든 물체는 적외선(IR) 방사를 방출한다. 적외선 복사 에너지는 물체의 온도와 방사율로 결정되며 0.76μm(가시 범위의 빨간색 가장자리)에서 1,000μm(마이크로파 범위의 시작) 범위의 파장을 특징으로 한다. 물체의 온도가 높을수록 모든 파장에서 분광 복사 에너지 또는 방출이 높아지고 방출의 피크 파장은 더 짧아진다. 검출기 범위의 한계 때문에 IR 방사는 종종 다양한 검출기의 응답을 기반으로 세 개의 작은 영역으로 나뉜다.
SWIR(0.9~1.7μm)은 광원에서 나오는 방사선이 가시 범위에서와 비슷한 방식으로 물체에 반사되므로 ‘반사된 적외선’ 영역이라고도 한다.
SWIR 이미징은 물체를 이미지화하기 위해 일종의 조명이 필요하며 주변 달빛이나 별빛과 같은 일부 빛이 있는 경우에만 수행할 수 있다. 실제로 SWIR 지역은 야외 야간 촬영에 적합하다. SWIR 이미징 렌즈는 SWIR 파장을 위해 특수 설계, 최적화, 반사 방지 코팅이 돼 있다.
Indium Gallium Arsenide(InGaAs) 센서는 SWIR에서 사용되는 기본 센서로서 전형적인 SWIR 대역을 포함하지만, 0.550㎛ 내지 2.5㎛의 높이를 갖는다.
MWIR(3~5μm)과 LWIR(8~14μm) 영역은 방사 자체가 대상에서 방출되고 대상을 이미지화하는 데 외부 광원이 필요 없기 때문에 ‘열 적외선’이라고도 한다. 두 가지 주요 요소는 물체가 열 화상 카메라에 얼마나 밝게 보이는지를 결정한다. 물체의 온도와 방사율(에너지 방출이 얼마나 효율적인지를 나타내는 물체의 물리적 특성)이다. 물체가 뜨거워지면 더 많은 에너지를 방출하고 열 화상 시스템에 더 밝게 보인다.
대기 방해 물질은 SWIR 대역보다 MWIR과 LWIR 대역에서 산란을 덜 일으킨다. 그러므로 더 긴 파장에 민감한 카메라는 연기와 먼지와 안개에 영향을 덜 받는다.
MWIR은 3~5μm 스펙트럼 대역의 빛을 수집한다. MWIR 카메라는 온도 측정과 이동성에 초점을 맞추는 것보다 고품질 이미지를 얻는 것이 주 목표인 경우에 사용된다. 스펙트럼의 MWIR 대역은 흑체 물리에 의해 열 콘트라스트가 더 높은 영역이다.
LWIR 밴드에서는 MWIR 밴드에 비해 지상 물체에서 방사되는 방사선이 훨씬 많다. 그 때문에 방사선의 양은 온도에 따라 덜 변한다. 이것이 MWIR 이미지가 일반적으로 LWIR보다 우수한 대비를 제공하는 이유이다. 예를 들어, 뜨거운 엔진과 배기 가스의 방사 피크가 MWIR 밴드에서 발생하므로 카메라는 특히 차량과 항공기에 민감하다.
MWIR의 주요 검출기 재료는 InSb(Indium antimonide)와 HgCdTe(mercury cadmium telluride)이며, 또한 MCT 및 부분적으로 납 셀레 나이드(PbSe)라고도 한다.
LWIR은 8~14μm 스펙트럼 대역의 빛을 모으고 가장 많이 사용되는 열 화상 카메라로 파장 범위이다. 실제로 플랑크의 법칙에 따르면 육상 표적은 주로 LWIR에서 방출된다. LWIR 시스템 애플리케이션에는 온도 기록과 온도 제어, 예측 유지보수, 가스 누출 감지, 넓은 온도 범위(넓은 동적 범위가 필요한 장면)의 이미징, 두꺼운 연기를 통한 이미징 등이 있다. LWIR의 냉각되지 않은 검출기는 비정질 실리콘(a-Si)과 산화 바나듐(VOx)이며, 냉각된 검출기는 주로 HgCdTe이다.
Athermalization(열화): 모든 재료는 특정 온도 팽창 계수를 특징으로 하며 물리적 치수를 늘리거나 줄임으로써 온도 변화에 반응한다. 따라서 광학 요소의 열팽창은 온도의 변화로 인한 디포커싱을 일으키는 시스템의 광학 성능을 변경시킬 수 있다. 광학 시스템은 중요한 성능 매개변수(예: 변조 전달 함수, 후면 초점 길이, 유효 초점 길이 등)가 작동 온도 범위에서 눈에 띄게 바뀌지 않으면 열화된다.
열화 기술은 능동적이거나 수동적일 수 있다. 능동 열처리는 렌즈 요소의 위치를 기계적으로 조정하는 모터나 기타 활성 시스템을 포함하며, 수동 열처리는 적절하게 선택한 렌즈 재료와 광학 출력(광학 보상)을 결합하거나 팽창 봉을 사용해 열 디포커싱을 보상하기 위한 설계 기술을 사용한다. 시스템이 초점을 유지하도록(기계적 보상) 렌즈 요소를 기계적으로 변위시키는 다른 열팽창 계수를 사용한다.
자료 제공: Opto Engineering(www.opto-engineering.com)
