카메라에 가장 적합한 렌즈를 선택하는 방법1

Basler

구입할 수 있는 모델들은 너무나 많은데 내 카메라에 꼭 맞는 모델은 무엇일까? 최적의 이미지 품질을 얻으려면 몇 가지 중요한 기준을 알고 있어야 한다. 예를 들어, 이미지 서클과 구경의 역할은 무엇이며 이러한 사양이 표면상으로는 비슷해 보이는데 렌즈 간 큰 가격 차이를 보이는 이유는 무엇일까? 본문에서는 이러한 질문에 답하고 가장 적합한 카메라와 렌즈 조합을 찾을 수 있는 방법을 설명한다.

1. 렌즈 마운트

렌즈 검색은 카메라에 대한 관찰에서부터 시작된다. 렌즈 마운트의 종류는 무엇이 있을까? 이것은 카메라 하우징에 렌즈를 고정하기 위한 연결 포인트이다.

두 가지 기계적 옵션이 있다. 하나는 F-마운트용 바요넷 옵션이고 다른 하나는 C-, CS- 및 S-마운트용 나사 스레드이다. 렌즈 플랜지와 센서 사이의 거리를 플랜지 초점 거리라 부른다.

 수십개의 서로 다른 마운트를 이용할 수 있는데, 머신 비전 카메라의 경우 다음 네 가지가 가장 일반적이다.

- F-마운트

- C-마운트

- CS-마운트

- S-마운트(M12)

F-마운트(또는 F-바요넷)은 원래 Nikon이 단렌즈 반사식 카메라용으로 넷 연결 방식이다. F-베넷의 플랜지 초점 거리는 46.5mm이다. 이 연결은 4/3" 센서에 적합한데 이것은 C마운트용으로는 너무 크다. C-마운트는 카메라 렌즈를 위한 표준 나사 스레드 연결 방식이다. 스레드의 공칭 지름은 1인치(24.5mm)이며 스레드 피치는 1/32인치이다. 이 마운트의 플랜지 초점 거리는 17.526mm(0.69인치)이다.

CS-마운트는 플랜지 초점 거리가 12.526mm(0.493인치)라는 것을 제외하면 C-마운트와 동일하다. CS-마운트 카메라는 5mm 어댑터를 이용해 C-마운트 렌즈와 결합할 수 있다. S-마운트 또는 M12에는 M12x0.5mm 스레드가 있다. 이는 지름이 12mm밖에 되지 않아 아주 작은 렌즈도 카메라에 부착할 수 있음을 의미한다. 소형 센서(<1/2")에 적합하다. 기본 버전은 웹캠에 많이 사용된다. 고품질 버전은 산업용 화상 처리에 사용된다.

마운트 크기가 이렇게 다양한 이유는 무엇일까? 센서 크기가 다양한데다 렌즈를 가능한 한 센서 크기에 가깝게 맞춰야 하기 때문이다. 이는 렌즈가 갖고 있는 성능을 최대한 활용할 수 있도록 렌즈 이미지 서클을 센서 표면적과 같거나 살짝 크게 해야 함을 의미한다. 이미지 서클이 센서 표면보다 너무 많이 크면 해상도 향상을 위해 더 잘 활용할 수 있는 센서 주변 표면이 낭비된다.

예를 들어 Basler Lense는 1/2" 미만의 센서에 이상적인데 이는 이 렌즈의 이미지 서클이 이 센서 크기에 완벽히 일치하기 때문이다. 좋은 소식은 카메라 제조업체가 이미 여러분의 카메라에 장착된 센서에 적합한 렌즈가 무엇인지 확인을 했을 것이라는 점이다. 예를 들어, Basler ace 카메라는 F-마운트가 필요한 대형 센서에 맞게 설계되어 있지 않기 때문에 항상 C 또는 CS-마운트가 부착되어 있다. 올바른 마운트를 결정한 뒤에는 올바른 이미지 서클을 결정해야 한다.

2. 이미지 서클/센서 크기

렌즈에 의해 투영된 이미지는 카메라 센서와 동일하거나 더 큰 영역을 커버해야 센서를 완벽히 활용할 수 있다. 렌즈의 데이터시트에서 이러한 정보가 제공되며 ‘최대 이미지 서클’이라는 제목 아래 있는 경우가 많다.

C-마운트의 경우 2/3" 렌즈가 선택 옵션이 가장 많다. 1" 또는 심지어 4/3" 렌즈조차 가격이 훨씬 비싸고 센서가 2/3"보다 큰 경우에만 선택해야 한다. 센서가 2/3"보다 훨씬 작은 경우(예: 1/2" 미만) 소형 센서에 최적화된 렌즈를 선택하는 것이 합리적인데 이는 이러한 렌즈가 보통 보다 낮은 가격에 더 높은 성능을 제공하기 때문이다.

따라서 2/3" 센서의 면적은 1/3" 센서 면적의 네 배에 달하며 작은 픽셀을 더 많이 담거나 더 많은 빛을 받아들일 수 있는 더 큰 픽셀을 설치할 수 있는 여유 있는 공간을 제공한다. 이것이 바로 센서 및/또는 카메라의 광 민감도를 결정하는 것이다. 다행인 것은 판매 중인 센서 크기가 다양하지만 제조업체가 사용하기에 적당한 렌즈 포맷을 지정할 것이라는 점이다(예: 1/4", 1/2").

적당한 마운트 및 이미지 서클 선택의 예로 Basler ace 카메라와 Basler Lenses를 살펴보겠다.

- ace 카메라는 1" 포맷 이하의 센서를 사용하기 때문에 C/CS-마운트가 부착된다.

- Basler Lenses는 C-마운트가 부착되며 1/2" 포맷에 해당되는 이미지 서클을 제공한다.

- 따라서 센서 포맷이 1/2" 이하인 Basler ace를 사용할 경우Basler Lens가 최적이다!

마운트와 이미지 서클을 결정한 뒤에는 올바른 초점 거리를 선택해야 한다.

초점 거리가 길어질수록 피사체를 더 가까이 끌어당길 수 있고 FOV초점 거리 f는 렌즈와 초점 사이의 거리이다. 이론적으로는 다음 공식을 이용해 초점 거리를 계산할 수 있다.

(+B) 또는 (+이미지 크기 B)가 괄호 안에 들어 있는 것은 이미지 크기가 보통 계산을 할 때 무시할 수 있을 정도로 매우 작기 때문이다. 값이 작기 때문에 최종 초점 거리 f에 별다른 영향이 없다.

실제로 계산은 간단히 수행할 수 있으며 복잡한 공식 계산은 없다. 일부 렌즈 제조업체들은 홈페이지에서 사용자가 필요한 데이터만 입력하면 자동으로 정확한 초점 거리를 받아볼 수 있는 LensSelector를 제공한다. 예: Kowa(http://kowa.eu/lenses/calculator/) 또는 Basler (http://www.baslerweb.com/en/support/tools/lens-selector).

  Lens Selector를 이용한 초점 거리 계산은 예를 들면 다음과 같다.

모든 초점 거리에 사용할 수 있는 렌즈는 없다. 대부분의 렌즈는 다음 초점 거리 중 하나를 갖고 있다. 4, 6, 8, 12, 16, 25, 35, 50, 75 및 100mm, 가장 흔한 것은 8mm–25mm이다. 계산된 초점 거리가 f=14.2와 같은 특이한 값을 가질 경우 선택할 수 있는 옵션은 두 가지가 있다. 초점 거리 12에서 카메라에는 더 넓은 영역이 포착되며 초점 거리가 16일 경우 측면이 잘리지만 픽셀들이 보다 작은 면적에 퍼져 해상도가 높아진다.

이런 경우엔 f=12옵션을 선택하는 것이 일반적이다. 가능하면 줌 렌즈 사용은 피하라. 초점 거리가 고정된 렌즈에서 필요한 절충은 초점 거리를 조절할 수 있는 줌 렌즈에서도 필요하다. 이는 항상 이미지 품질이 손상됨을 의미한다.

3. 렌즈 종류

초점 링 조절 방식에 따라 렌즈 종류를 세 가지로 나눌 수 있다.

1. 고정 초점 렌즈: 이 렌즈는 산업용 카메라에 사용되며 초점 거리가 고정되어 있다(단초점).

2. 줌 렌즈: 이것은 일반적인 소비자용 카메라 렌즈이며 초점 거리의 변화에 따라 초점을 자동으로 맞춘다.

3. 가변 초점 렌즈: 이것은 일반적인 네트워크 카메라 렌즈이며 초점 거리가 바뀔 때마다 재조정해야 한다. 줌렌즈와 비슷하게 광학적으로 많은 절충이 필요하다.

4. 품질 및 가격: 가격에 가장 큰 영향을 주는 요소들은 이미지 서클, 해상도, 그리고 최대 구경이다. VGA, 1 MP 또는 2MP 사이에서는 가격에 큰 차이가 나지 않지만 5MP는 눈에 띄게 비싸진다. 표준 범위 안에 있는 제품들은 가격과 품질 면에서 비슷하다.

자료 제공: Basler(www.baslerweb.com)