고해상도 이미징 시스템을 위한 센서와 마운트의 조건

Edmund Optics

소개

이미징 시스템은 현대 기술에서 일반화 되어가면서 카메라 렌즈 시스템은 거의 모든 곳에서 볼 수 있다. 스마트폰에서 자율 주행 자동차에 이르기까지 머신 비전을 사용하여 주변 환경을 기록과 관찰 그리고 분석하는 컴퓨터가 흔하게 됐다. 애플리케이션의 수는 지속적으로 확장되고 있으며 그 요구도 더욱 다양해졌다. 머신 비전 시스템의 성능에 대한 요구 사항이 점점 더 까다로워지므로 항상 더 많은 해상도가 필요한 상황이다.

고해상도 애플리케이션

콘트라스트와 함께 해상도가 높으면 검사 시스템의 경우 작은 결함까지 감지할 수 있다. 산업 계측에서 더 정밀함을 의미하며, 이미지 인식에서 더 많은 정보를 분류할 수 있음을 의미한다. 현재 기술로 성능을 유지하면서 해상도를 향상시킬 수 있는 유일한 방법은 센서의 크기를 늘리는 것이다.

물론 이것은 완벽한 솔루션이 아니다. 43.3mm 대각선의 풀 프레임 센서는 매우 높은 해상도를 제공할 수 있지만 훨씬 더 큰 렌즈가 필요하며 이는 전체 시스템의 크기, 무게 및 비용에 상당한 영향을 미친다. 더 큰 시스템은 견고성, 정렬 및 센서 가장자리에서 증가된 조명 롤 오프(illumination roll-off)와 같은 문제를 가지고 있다.

APS-C 센서와 마운트

APS-C 센서 형식은 90년대 중반부터 필름 크기를 기반으로 한다. 28mm 대각선 측정과 3:2의 종횡비를 가진다. 최근 소니와 e2v는 풀 프레임을 사용하지 않고도 더 높은 해상도와 성능을 제공하는 새로운 32 및 64MP APS-C 포맷 센서를 발표했다. 이 센서는 사용 가능한 수많은 작은 형식과 훨씬 큰 풀 프레임 옵션 사이의 간격을 메운다. 비교적 작고 저렴한 고해상도 시스템을 약속한다. 그러나 이와 같은 센서의 모든 잠재력을 실현하려면 올바른 렌즈가 필요하다.

마운트

이러한 종류의 센서 크기에 여러 가지 잘 알려진 옵션이 있다. F-마운트가 아마도 가장 유명 할 것이다. 최초의 F-마운트 렌즈는 원래 1959년 Nikon에 의해 SLR 카메라용으로 만들어졌다. 3개의 핀과 46.5mm의 긴 후면 플랜지 거리를 가진 베이 요넷 스타일 연결이 특징이다. F-마운트는 빠르게 교환할 수 있도록 설계되어 사진작가가 대물렌즈를 쉽게 변경할 수 있다. 렌즈와 센서 사이의 프리즘과 거울과 같은 큰 광학 요소를 수용하기 위해 후면 플랜지 거리가 필요했다.

SLR 카메라 시장에서 F-마운트는 큰 성공을 거두었다. 60년 전에 시작된 이 카메라는 SLR 카메라의 표준이 되었으며 현재 다양한 변형도 존재한다.
그러나 F-마운트는 머신 비전에 적합하지 않은 많은 기능이 있다. 베이 요넷(bayonet) 고정 장치는 매우 안전하지 않고, 광학 축과 기계 축 사이의 정렬을 유지하는데 어려움을 겪는다. 최신 머신 비전 시스템은 많은 양의 충격이나 진동에 자주 노출되므로 견고성의 부족은 커다란 문제이다. 교정 및 설정을 매우 어렵게 만들 수 있다. 백 플랜지 거리가 길면 광학 설계를 강제로 렌즈의 성능으로 제한하기 때문에 적합하지 않다. 또한 시스템에 불필요한 길이를 추가한다.

마지막으로 F-마운트의 수명으로 인해 업계 전체에 일관된 표준화가 없기 때문에 카메라 및 렌즈 제조업체 모두에게 어려운 일이다.
M42는 APS-C와 같은 중간 크기 센서에 사용할 수 있는 또 다른 대형 마운트 이지만, 불행히도 표준화가 부족하다. 여러 가지 사양이 있으며 표준 후면 플랜지 거리는 없다. 이는 광학 설계에 중요한 매개 변수다.

TFL 마운트

TFL은 2017년 JIIA(Japan Industrial Imaging Association)에서 표준으로 채택한 새로운 마운트 사양이다. 다른 마운트 유형이 직면한 모든 문제에 대한 탁월한 솔루션이 될 수 있다. C-마운트와 동일한 M35 x 0.75 미터 나사 및 후면 플랜지 거리 17.526mm를 특징으로 한다. 이는 TFL 마운트 렌즈는 C-마운트와 동일한 견고성과 사용 편의성을 제공하지만 더 큰 센서 크기를 수용할 수 있음을 의미한다.

짧은 초점 거리로 인해 광학 성능이 향상되고 더 작고 가벼운 디자인이 가능하다. 대형 C-마운트 렌즈와 비교할 때 추가 내부 직경으로 인해 더 높은 광학 해상도(lp/mm)로 설계할 수 있다. TFL 마운트는 새로운 마운트 유형이지만 인기가 높아지고 있으며 증가하는 수요를 충족시키기 위해 새로운 TFL 마운트 렌즈가 출시됐다.

결론

머신 비전을 위한 새로운 애플리케이션은 계속해서 높은 해상도를 추구한다. 동시에 이미징 시스템의 크기와 무게도 점점 중요한 매개 변수가 되고 있다. 그러나 현재의 기술에서는 픽셀이 얼마나 작을 수 있는지에 대한 물리적인 한계가 있다. 더 많은 해상도를 얻는 유일한 방법은 센서가 더 커지는 것이다. 현재 C-마운트 렌즈와 풀 프레임 렌즈 사이의 이미지 원 크기에는 큰 차이가 있다.

새로운 고해상도 APS-C 센서는 이를 직접 해결하지만 새로운 마운트가 필요하다. TFL 마운트는 APS-C 센서를 최대한 활용하기에 충분한 광학 해상도로 완벽하게 표준화되고 견고하며 콤팩트하다. 저렴한 대물렌즈를 사용할 수 있다.

자료 제공: Edmund Optics(www.edmundoptics.com)