렌즈의 해상도를 테스트하는 3가지 방식의 장단점 비교
EDMUND OPTICS
오늘날 6백만 픽셀이 넘는 카메라를 흔히 찾아볼 수 있을 정도로 센서 픽셀 크기는 더욱 작아졌고 수는 증가하고 있다. 렌즈 제조업체들은 센서의 발달과 더불어 성능 향상 정도를 측정하기 위해 적절한 계측 기술을 선정하는 것 또한 매우 중요한 과제가 됐다.
렌즈의 성능을 규정할 때 렌즈 성능에 영향을 미치는 모든 요소를 완전히 특정 지을 수 있는 테스트 옵션은 존재하지 않는다. 따라서 올바른 테스트 방법을 선택하기 전에 목표로 하는 제품 사양을 상세화 하는 작업이 우선적으로 실시돼야 한다. 또한 테스트 방식 외에 어플리케이션 환경에서 렌즈 시스템의 성능을 규정할 수 있는 대체 테스트법이 존재한다.
해상도는 렌즈가 피사체를 주변과 구별할 수 없을 때까지 관찰할 수 있는 형상이 얼마나 작을 수 있는지를 나타낸다. 해상도는 고유의 conjugate 및 작동 거리에서 이미지가 가지고 있는 콘트라스트의 양이 피사체 공간내 해당 지점에서의 공간 주파수와 관련됨을 보여주는 함수다. 픽셀의 크기는 계속해서 작아지고 픽셀 수는 증가하기 때문에 렌즈의 해상도 또한 증가할 수밖에 없다. 해상도는 적절한 영역을 샘플링해 콘트라스트를 측정하기 위해 기대치를 잘 관리하고 시스템의 한계를 합리적으로 설정하는 것이 중요하다.
해상도 테스트 방식은 사용자가 왜곡 및 상대 조명과 같은 기타 주요 파라미터에 대한 추가 정보를 수집할 수 있도록 한다. 렌즈의 해상도를 테스트하는 일반적인 방식으로는 reverse projection, modulation transfer function(MTF) testing, slanted edge MTF testing, camera testing이 있다. 각각의 방식은 고유의 장점과 단점이 있다.
역투사(Reverse projection)
역투사는 정밀도가 높은 테스트 타깃의 패턴이 이미지 면에 배치되고 이미징 렌즈를 통해 특정 working distance에 투영된 다음 역방향으로 향하게 된다. 광선의 lens modulation은 원상태로 되돌릴 수 있는 과정이기 때문에 해상도를 효과적으로 테스트할 수 있다. 해상도의 성능 사양이 이미지 공간 값으로 제공되기 때문에 이 방식은 활용도가 높다. 역투사에 사용되는 일반적인 테스트 타깃은 중심부로 갈수록 나선형 주파수가 증가하는 직교 방향 바(bar)로 구성된 USAF 1951 target이다. 이러한 바는 필드 전체에 걸쳐 분포되어 있어 작업자는 특정 필드 영역에서 렌즈의 초점을 맞춰가며 해상도를 최적화하고 한 번에 여러 개의 필드 포인트를 테스트 할 수 있다.
역투사법은 렌즈의 비점수차와 해상도를 테스트하는 신속하면서도 비용이 저렴한 방식이다. 작업자를 훈련시키는 과정이 상대적으로 쉽고 장비 구매 비용 또한 기타 방식에 비해 저렴하다. 이 방식이 가지고 있는 한 가지 단점은 작업자의 시력에 의존하기 때문에 다양한 콘트라스트의 수준을 감지할 수 없다는 점이다. 인간의 눈은 대략 20% 정도 되는 분해능이 가장 낮은 콘트라스트를 감지할 수 있지만 특정 콘트라스트 값은 감지가 불가능하다.
Modulation Transfer Function(MTF)
이미징 렌즈의 분해능 성능을 가장 포괄적으로 보여주는 것이 바로 modulation transfer function (MTF) 곡선이다. 이 곡선은 렌즈가 공간 주파수의 범위를 구별할 수 있는 콘트라스트의 양을 나타낸다. 이에 따라 MTF 곡선은 다양한 렌즈의 이미징 역량을 직접 비교하는 데 사용할 수 있다. 테스트 벤치는 상업용으로 사용되며 3차원 좌표계 내에서 렌즈의 체계적인 테스트를 수행할 수 있다(그림2).
작업자는 렌트를 통해 임펄스 신호를 전달하는 방식으로 MTF 테스트를 수행한다. 일반적으로 이 신호는 어두운 배경과는 대조적으로 점광원으로부터의 광 형태로 나타난다. 이때 주의할 점은 광원이 배치되는 자리와 이미지의 위치이다. 그 다음 임펄스 응답을 사용해 Nyquist까지의 공간 주파수(분해 가능한 가장 높은 샘플 주파수)에서 반응을 알아낸다. 테스트 환경은 굉장히 엄격하게 제어되기 때문에 측정된 값은 렌즈의 성능을 사실적으로 보여준다. 이는 곧 미광이나 상쇄와 같은 외부적인 현상이 시스템 수준의 성능 규격에는 반영되지 않고 실제로 달성 가능한 해상도가 MTF 곡선이 제시하는 것보다 낮을 수 있다는 것을 의미한다.
MTF 테스트 벤치로 산출된 값은 정의상 1차원, 2차원, 3차원 좌표계 내에서 공간 주파수의 함수를 콘트라스트라고 가리킨다. 콘트라스트를 공간 주파수로 나타내는 것은 크기를 기반으로 피사체가 얼마만큼 제대로 분해되는지를 설명하는 또 다른 방식으로서 해상도를 계측하는 가장 일반적인 방법이기도 하다.
Slanted Edge MTF
Slanted Edge MTF는 MTF 테스트 방식과 동일한 시스템 수준의 정보를 제공하지만 보다 빠르고, 저렴한 장비를 활용한다. 또한 slanted edge MTF 테스트법은 몇몇의 특정 각도에 위치한 high contrast edge target을 사용한다. 시스템 수준의 MTF는 배가(multiplicative)를 하기 때문에 렌즈의 MTF 도움만 필요로 한 경우라면 시스템 수준의 MTF에서 기타 부품이 기여하는 전부를 제거할 수 있다.
Slanted edge MTF를 얻을 수 있는 첫 번째 단계는 S자형 간선확산함수(edge spread function)와 도함수(derivative)를 측정해 필터링된 선분포함수(line spread function)와 MTF로 변환된 푸리에(Fourier)를 구하는 것이다.
이 프로세스는 edge target의 콘트라스트 전환이 Nyquist 한계보다 네 배 작은 스케일로 발생할 경우만 작동한다. Edge target의 전환이 100μm이고 목표 해상도가 100 lp/mm(Nyquist 샘플 크기는 5μm)인 경우 배율이 0.0125X(계산 시) 미만이더라도 edget target을 충분히 사용할 수 있다.
Camera test
카메라 테스트는 카메라를 사용하는 모든 테스트를 위한 포괄적 용어다. 현장에서 이미 사용하고 있는 대다수의 시스템은 성능을 규정하기 위해서 카메라 테스트를 거친다. Slanted edge MTF 테스트는 특정 카메라 테스트 중 하나이지만 해상도 측정에 흔히 사용되는 카메라 테스트는 아니다.
카메라 테스트 방식은 시스템 수준의 환경 관련 해상도 정보를 구하기 위해서 다른 기법이나 장비를 사용해 실제 용도에 적용될 수 있다. 이러한 테스트는 특정 세트의 성능 계측법을 이미지 필드의 올바른 위치와 테스트 환경에서 동시에 테스트 할수 있도록 사용자 정의 테스트 타깃을 활용하는 경우가 자주 있다.
센서는 계속해서 픽셀 크기가 작아지면서 더 많은 픽셀 수를 갖게 되기 때문에 센서와 인터페이스로 접속하도록 제작된 렌즈의 광학적 및 기계적 요건 또한 개선돼야 한다. 시스템 통합 업체 및 머신 비전 엔드 유저는 비전 시스템의 성능에 막대한 영향을 미치는 요인들을 잘못 해석하는 경우가 지나치게 많다. 따라서 각종 테스트 방식이 제공하는 정보 및 장단점을 이해하는 것이 무엇보다 중요하다.
자료 제공: EDMUNDOPTICS(www.edmundoptics.co.kr)
