신속한 자동 초점 조절 및 시야의 한계 극복 머신 비전 용도의 액체렌즈
Edmund Optics
액체렌즈는 어떠한 기계적 동작 없이도 전기적으로 초점 조절을 하면서 이미징 시스템이 갖는 Depth of Field(DOF)의 한계를 극복할 수 있다. 피사체의 높이와 작동 거리에 다양한 변화가 필요한 애플리케이션에 우수한 솔루션이 바로 액체렌즈이다. 기존에는 이러한 애플리케이션을 위한 솔루션으로 motorized zoom lens를 사용하거나 피사체의 위치를 직접 재설정해가며 초점을 맞추곤 했다.
구식 렌즈를 이용해 DOF를 높일 수 있는 또 다른 방식으로는 f/#을 증가시키는 것으로 이를 위해선 이미징 렌즈의 aperture 크기를 줄여야만 한다. 그러나 이러한 방식은 해상도를 비롯해 이미징 시스템으로 투과하는 광량 또한 감소시켜, 결과적으로 획득 비율(acquisition rate)과 이미지 품질의 저하로 이어진다. 따라서 이미징 시스템에 액체렌즈를 결합할 경우 카메라와 피사체의 간격과 상관없이 스피드와 이미지 품질을 절충하지 않으면서 초점 자체를 전기적으로 조절할 수 있게 된다.
액체렌즈는 유리로 제작되는 기존 방식의 광학 렌즈와 마찬가지로 단일 광학 요소로 제작되긴 하지만 광학 액상 소재로 구성되어 형태 자체를 변경할 수 있다. 글래스 렌즈의 초점 거리는 제작 소재와 곡률 반경에 따라 좌우된다. 액체렌즈에 동일한 기본 원리를 적용하더라도, 액체렌즈는 독특한 특성에 따라 곡률 반경을 전환하면서 초점 거리를 변경할 수 있다. 곡률 반경의 전환은 전기적 제어되면서 대략 밀리세컨드 단위로 신속하게 이루어진다. 렌즈 제조업체들이 이용하는 기술로는 폴리머의 형태 변형을 위한 electrowetting부터 곡률 반경과 액체렌즈의 굴절률 제어를 위한 acusto-optic tuning이 있다.
단일 광학 렌즈만으로는 이미징 성능을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 이미징 렌즈의 대다수는 multi-element assembly를 이룬다. 따라서 액체렌즈만 단독으로 사용하는 것은 바람직하지 않다. 이미징 렌즈에 액체렌즈를 통합한 multi-element 디자인을 활용하면 액체렌즈의 속도와 유연성을 적절히 이용할 수 있다.
액체렌즈를 결합하면 밀리세컨드 단위로 클로즈업 포커싱과 optical intinify 포커싱이 가능해져 검사할 피사체의 크기가 제 각각이거나, 바코드 판독, 포장 분류, 보안, 고속 자동화 장치에서처럼 렌즈와 피사체의 거리가 일정하지 않은 케이스를 포함해 작업 거리가 다변하는 곳에서 포커싱을 해야하는 용도에 이상적인 방안이 될 수 있다.
즉, 액체렌즈는 신속하게 초점을 조절해야 하는 용도에서 시스템의 유연성을 최대화할 수 있다.
액체 렌즈의 특징
기존의 렌즈를 사용할 경우 신속한 초점 재조절이 필요한 고속 또는 고정밀 애플리케이션에서 선명하면서도 정확한 이미지를 캡처하는 데 어려움이 따른다. 이러한 한계를 극복하기 위해 액체렌즈를 이용하면 빠른 초점 조절이 가능해져 다양한 작동 거리에 위치하거나 높이가 서로 다른 피사체를 손쉽게 촬영할 수 있다.
액체렌즈는 전류나 전압이 가해지면 자체 형태가 바뀌는 광학 등급의 액상을 함유한 소형의 셀(cell)이다. 이러한 형태의 변화는 수 밀리 초 내에 일어나며 렌즈에 광학적 파워를 발생시켜 초점 거리와 작동 거리가 이동하게끔 한다. 이미징 시스템에 액체렌즈를 결합하면 고속의 초점 조절, 다양한 심도와 작동 거리를 수용해야하는 애플리케이션에 이상적인 솔루션이 된다.
- 이미징 어셈블리에 액체렌즈를 통합하면 신속한 자동 초점 가능
- 다양한 피사체의 크기와 작동 거리 보정
- 고속 머신 비전 시스템의 처리량 증가
- 바코드 판독, 고속 자동화 시스템, 패키지 분류 및 보안에 적합
가변 초점 액체 렌즈- 전기 습윤
가변 초점 액체 렌즈는 전기장을 적용하여 액체의 습윤 특성, 따라서 모양과 곡률을 조작하는 전기 습윤이라는 프로세스를 사용하여 초점을 맞춘다. 액체 렌즈 셀에는 두 가지 비혼 화성 액체, 즉 비전 도성 오일과 계면으로 분리된 수용액이 들어 있다. 두 액체 사이의 경계면에 전압을 적용하면 렌즈의 곡률과 초점 거리가 수십 밀리 초 이내에 변경된다.
많은 전압을 적용하면 액체 렌즈의 전체적인 곡률과 광학 성능이 증가한다. 초점 조절이 가능한 액체 렌즈의 정전 용량 특성은 열평형이 달성되면 고온 환경에서 안정적인 작동을 가능하게 한다. 또한 렌즈 내의 두 액체는 밀도가 동일하므로 시스템이 진동과 충격에 민감하지 않다. 가변 초점 액체 렌즈는 크기가 작아 기존 대물렌즈와 함께 사용하기 어렵기 때문에 작업하기 어려울 수 있다. 크기가 제한 요소가 적은 광학 설계에 완전히 통합하여 사용하면 적합하다.
가변 초점 액체 렌즈와 고정 초점 렌즈의 통합
EO의 TECHSPEC® Cx 렌즈는 고유한 모듈식 3피스 디자인의 고정 초점 거리 이미징 렌즈다. 전면 및 후면 렌즈 요소가 별도로 내장되어 렌즈의 중앙 조리개에 쉽게 접근할 수 있다. 이를 통해 사용자는 가변 초점 액체 렌즈를 Cx Lens의 중앙에 간단히 통합할 수 있다. 다양한 초점 거리로 제공되는 TECHSPEC® Cx 렌즈는 다 원소 이미징 어셈블리의 이미지 품질 성능과 함께 액체 렌즈의 전자식 자동 초점 작동 거리 조정 기능을 제공한다.
단계별 다이어그램은 Cx 렌즈에 초점 조절이 가능한 액체 렌즈를 설치하는 방법을 설명한다. 전위차계로 액체 렌즈를 직접 제어하는 것 외에도 필요한 모든 하드웨어가 이미 내장된 카메라를 사용할 수도 있다. Pixelink와 IDS 모두 이러한 카메라를 제공한다. 다음 각 카메라 소프트웨어 패키지를 사용하여 액체 렌즈를 쉽게 제어할 수 있다.
초점 조절 가능 렌즈
Optotune Electrically 초점 조절 가능 렌즈는 폴리머 멤브레인으로 밀봉된 광학 유체로 채워진다. 전류 구동 액추에이터는 멤브레인에 압력을 가하여 렌즈의 곡률을 변경한다. 전류 의존성으로 인해 전기 초점 조정 가능한 렌즈는 낮은 작동 전압으로 작동하며 밀리 초 이내에 초점을 조절한다. 이 렌즈는 편광을 변경하지 않고 레이저 손상 임계값이 높으며 수차를 최소화한다.
Optotune 초점 조절 가능 액체 렌즈와 고정 초점 거리 렌즈의 통합
Optotune 초점 조절 가능 액체 렌즈는 C-Mount 하우징과 함께 사용할 수 있다. 적절한 나사산 어댑터를 사용하면 Optotune 초점 조절이 가능한 액체 렌즈를 TECHSPEC® C Series 또는 Ci Series 고정 초점 렌즈의 전면에 쉽게 부착할 수 있다. 기존의 고정 초점 거리 렌즈에 액체 렌즈를 부착하면 깊은 피사계 심도가 필요한 응용 분야에서 유용할 수 있다.
액체 렌즈는 이미징 렌즈의 초점 범위 전체에서 전자 초점을 가능하게 한다. 아래의 단계별 표는 다양한 센서 크기에 필요한 적절한 이미징 렌즈, 어댑터 및 액체 렌즈 조합을 보여준다. 액체 렌즈는 고정 초점 렌즈 전면에 배치되기 때문에 조리게 작동에 제한될 수 있으며 비네팅을 고려해야한다. 다음 표는 여러 센서 형식에 대해 서로 다른 초점 거리 이미징 렌즈 내에서 서로 다른 크기의 Optotune 액체 렌즈 2개를 사용하여 비네팅에 대한 좋은 개요를 제공한다.
결론
액체 렌즈는 강력하고 유연한 이미징 시스템을 만드는 데 사용할 수 있는 혁신적인 광학 부품이다. 빠른 초점, 높은 처리량, 피사계 심도 및 작동 거리 조절이 필요한 애플리케이션에 이상적인 솔루션을 제공한다.
공정 초기부터 액체 렌즈를 디자인에 통합함으로써 탁월한 유연성으로 모든 범위의 고성능 이미징 렌즈를 생산할 수 있다.
자료 제공: Edmund Optics(www.edmundoptics.eu)
