고성능 이미징 시스템에 적용된 액체 렌즈 응용 방법
Edmund Optics
액체 렌즈를 사용하면 이미징 시스템이 기계적인 움직임 없이 전자적으로 초점을 조정할 수 있어 피사계 심도(DOF) 제한을 극복할 수 있다.
이는 다양한 물체 높이와 작동 거리를 가진 애플리케이션에 적합한 솔루션이 될 수 있다. 이 유형의 애플리케이션에 대한 기존 솔루션으로 전동 줌 렌즈를 이용하거나, 물체를 재배치해서 초점을 맞추는 것이 있다. 기존 렌즈에서 피사계 심도를 증가시키는 또 다른 방법은 이미징 렌즈의 조리개 크기를 줄여 f/#을 높이는 것이다. 그러나 이는 이미징 시스템을 통과하는 해상도와 광량을 감소하게 해서 획득 속도를 증가시키고, 이미지 품질을 감소시킬 수 있다.
이미징 시스템은 액체 렌즈를 통합한다. 이로써 물체와 카메라의 거리에 관계없이 속도나 이미지 품질을 떨어뜨리지 않고 전자식으로 초점을 변경할 수 있다. 유리로 만들어진 기존의 광학 렌즈와 마찬가지로 액체 렌즈는 단일 광학 요소이지만, 모양을 바꿀 수 있는 광학 액체 재료로 구성된다. 유리 렌즈의 초점 길이는 재질과 곡률 반경에 따라 다르다.
유리 렌즈는 곡률 반경을 변경해서 초점 거리를 바꿀 수 있다는 점에서 독특하지만 액체 렌즈에도 같은 기본 원리가 적용된다. 이 반경의 변화는 전자적으로 제어되며 밀리 초 단위로 빠르게 변경된다. 제조업체는 액체 렌즈의 곡률 반경과 굴절률을 제어하기 위해 전기습윤(electrowetting)에서 형태 변경 폴리머(polymer)에 이르는 기술을 사용한다.
단일 광학 렌즈는 불충분한 이미징 성능을 제공한다. 이 때문에 대부분의 이미징 렌즈는 다중 요소 어셈블리이다. 같은 이유로 액체 렌즈만 사용하는 것은 좋지 않다. 그러나 다중 요소 설계에서 액체 렌즈와 이미징 렌즈를 통합함으로써 액체 렌즈의 속도와 유연성을 활용할 수 있다. 밀리 초 단위로 광학을 무한대에 가깝게 초점을 맞출 수 있다.
그러므로 액체 렌즈 통합은 검사 대상 물체의 크기가 다르거나, 렌즈와 거리가 다른 여러 거리에서 초점을 맞출 필요가 있는 애플리케이션에 이상적이다. 바코드 판독과 패키지 분류, 보안, 빠른 자동화. 액체 렌즈는 빠른 초점 조정이 필요한 다양한 애플리케이션에서 이미징 시스템의 유연성을 극대화하는 데 사용할 수 있다.
가변 초점 액체 렌즈(전기습윤)
가변 초점 액체 렌즈는 전기습윤이라는 프로세스를 사용해 초점을 맞춘다. 이는 액체의 습윤 특성을 따라서 모양과 곡률을 조작하기 위해 전기장을 적용하는 것이다. 액체 렌즈 셀은 비전도성 오일과 계면으로 분리된, 수용액의 두 가지 혼합 불가능한 액체를 포함한다.
두 액체 사이의 계면에 전압을 가하면 수십 밀리 초 내에 렌즈의 곡률과 초점 거리가 변경된다. 더 많은 전압을 적용하면 액체 렌즈의 전체 곡률과 광학 출력이 증가한다. 가변 초점 액체 렌즈의 용량 특성은 열평형이 달성되면 고온 환경에서 안정적인 작동을 가능하게 한다. 또한 렌즈 내의 두 액체는 밀도가 똑같으므로 시스템이 진동과 충격에 영향을 받지 않는다. 가변 초점 액체 렌즈는 소형이기 때문에 기존 대물렌즈를 사용하는 데 제한이 있어 작업하기 어려울 수 있다.
가변 초점 액체 렌즈를 고정 초점 거리 이미징 렌즈와 통합하다
Edmund Optics의 TECHSPEC® Cx 렌즈는 독창적인 모듈식 3피스 디자인의 고정 초점 거리 이미징 렌즈이다. 전후면 렌즈 요소는 별도로 내장돼 렌즈의 중앙 조리개에 쉽게 접근할 수 있다. 이로써 사용자는 가변 초점 액체 렌즈를 Cx 렌즈의 중앙에 쉽게 통합할 수 있다.
다양한 초점 길이로 제공되는 TECHSPEC® Cx Lenses는 다중 요소 이미징 어셈블리의 이미지 성능으로 액체 렌즈의 전자 자동 초점 작동거리 조정 기능을 제공한다. 위의 단계별 다이어그램은 Cx 렌즈에 가변 초점 액체 렌즈를 설치하는 방법을 설명한다. 전위차계로 액체 렌즈를 직접 제어하는 것 외에도 필요한 하드웨어가 모두 내장된 카메라를 사용할 수도 있다.
초점 조정 가능 렌즈
Optotune 전자 초점 조정식 렌즈는 폴리머 막으로 밀봉된 광학 유체 충전 용기로 구성된다. 전동 액추에이터는 멤브레인에 압력을 가해서 렌즈의 곡률(및 광학 파워)을 변경시킨다.
전류 의존성 때문에 작동 전압이 낮고, 밀리 초 내에 초점을 맞춘 전자 초점 조정식 렌즈 기능이 작동한다. 이 렌즈는 편광을 변경하지 않고 높은 레이저 손상 임계값을 가지며 최소 수차를 발생시킨다.
고정 초점 거리 이미징 렌즈와 Optotune 전자 초점 조정식 렌즈를 통합하다
C-Mount 하우징과 함께 Optotune 전자 초점 조정식 렌즈를 사용할 수 있다. 적절한 나사식 어댑터를 사용해 Optotune 초점 조정식 액체 렌즈를 TECHSPEC® C 시리즈 또는 Ci 시리즈 고정 초점 거리 이미징 렌즈의 전면에 쉽게 부착할 수 있다. 기존 고정 초점 거리 렌즈에 액체 렌즈를 부착하는 것은 큰 피사계 심도가 필요한 애플리케이션에 유용할 수 있다.
액체 렌즈는 이미징 렌즈의 초점 범위에 걸쳐 전자 초점이 가능하다. 아래의 단계별 표는 다양한 센서 크기에 필요한 적절한 이미징 렌즈와 어댑터, 액체 렌즈 조합을 보여준다.
액체 렌즈는 고정 초점 거리 렌즈 앞에 위치하고 제한 조리개가 될 수 있으며 비네팅(vignetting)을 고려해야 한다. 다음 표는 여러 센서 형식에 각기 다른 초점 거리 이미징 렌즈 내에서 서로 다른 크기의 두 가지 Optotune 액체 렌즈를 사용해 비네팅 양에 대한 개요를 제공한다.
결론
액체 렌즈는 유연한 이미징 시스템을 만드는 데 사용할 수 있는 광학 구성 요소이다. 빠른 초점 조정과 높은 처리량, 피사계 심도, 작업 거리 조정이 필요한 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공한다. 프로세스 초기부터 액체 렌즈를 설계에 통합함으로써 탁월한 유연성을 갖춘 광범위한 고성능 이미징 렌즈를 생산할 수 있다.
자료 제공: Edmund Optics(www.edmundoptics.co.kr)
