렌즈선정을 위한 올바른 이해2 - 단초점 렌즈

edmundoptics

개요

본 연재 기사 ‘렌즈선정을 위한 올바른 이해’, 파트 2에서는 단초점 렌즈 선정 과정을 설명하며, 이 글을 읽기에 앞서 지난호의 파트 1의 전체 내용을 읽는 것을 권장한다.

렌즈 선정 과정으로는 다음 4단계로 요약할 수 있다.

1. 매개변수화 - 고객의 요구 사양을 기본 매개변수로 변환

2. 사양 검토 - 기본 매개변수를 기반으로 이미징 렌즈 사양 검토

3. 사양 분석 - 성능 및 비용을 고려한 이미징 렌즈 사양 분석

4. 제품 선정 - 매개변수에 따른 최적의 제품 및 사양 선정

각 단계에 따른 상세 내용은 다음에서 설명된다.

소개

산업용 이미징은 애플리케이션마다 요구되는 조건은 다르며, 제한된 공간에서 피사체와 이미징 렌즈사이 요구되는 최소 및 최대 공간을 고려한 작동거리와 피사체의 크기, 형상 그리고 위치에 따라 결정되는 최소 및 최대 시야 등을 예로 들 수 있다.

그러므로 렌즈 어드바이저는 최적의 렌즈 선정을 위해서 이러한 요구 및 기타사항을 확인 및 분석, 매개변수화 하여 주요 사양 선별 및 분석과정을 통해 애플리케이션에 적합한 제품 목록들을 정리하며, 성능 또는 비용을 고려하여 하나 혹은 그 이상의 품목들로 줄여 살펴볼 수 있다.

따라서 이 과정의 궁극적인 목표로는 비용 대비 최적의 성능을 고려하여 애플리케이션 내 적용 조건에서 요구하는 성능을 충족하거나 그 이상의 이미징 렌즈를 선정하는 것이다.

1 단계– 매개변수화

매개변수화 단계는 애플리케이션 세부사항에 대해 파악하면서 이미징 시스템의 기본변수(1)를 확인하는 과정이다. 이 과정에서 보안유지로 인해 애플리케이션의 세부사항 공개가 어려울 경우, 렌즈 어드바이저는 단순 피사체의 외관치수만을 고려하여 검토하기에 관련된 세부사항을 많이 파악 할수록 더 적합한 렌즈 선정이 가능하다.

예외적으로 고객이 이미 필요한 렌즈 사양(예: 기본배율, MTF 등)을 알고 있을 경우, 별도의 매개변수화 단계가 필요하지 않고 부분적으로만 확인을 하기에 본 글에서는 해당 사례를 제외하고 설명하고자 한다.

다음 정리된 매개변수화 과정에서는 고객이 이미 애플리케이션에서 적용할 카메라를 선정한 예시 이다. 최적의 카메라 선정을 위해서는 심층적인 이미지 전문 지식이 요구되지만 본 글에서의 논외적인 부분으로 간주하지 않았으며 가능한 렌즈 어드바이저와 논의를 통해 선정하는 것을 권장한다.

매개변수화 과정은 다음 표 1에 요약하였다.

애플리케이션 예시(그림 1과 2)를 통해 어떻게 매개변수로 정리되는 지를 보여준다.
다음 예시는 애플리케이션의 추가정보로서 불필요한 사양 선정을 방지하고자 최적의 매개변수 정리에 활용한다.

1. 측정 피사체– 앞서 살펴본 예시에서 Gear의 외/내경을 측정하고, Gear반경 중심부에 위치한 QR코드를 판독하는 애플리케이션이다. QR코드의 판독은 위치에 따른 최소 분해능의 조건으로 확인할 수 있다.

2. 파장– MTF는 적용된 파장에 따라 영향을 받으므로, 어떤 유형의 조명(예 : White LED, Brightfield 등) 사용 여부에 대한 확인이 필요하다.

3. 피사체의 콘트라스트– 콘트라스트가 높거나 Blob detection과 같은 알고리즘으로도 측정할 수 있는 수준의 해상도일 경우, 비용 효율적인 렌즈를 사용할 수 있다.

4. 픽셀 한계 분해능– 해당 분해능을 카메라 색도(Mono, RGB 등)로 결정된다.

5. 피사체의 위치– 이미징 시스템을 통해 확인할 시야와 피사체 크기 사이의 추가 공간을 고려하여 픽셀 및 렌즈 활용도를 높일 수 있다. 고정된 피사체의 경우, 보통 10~15% 으로 충분하며, 움직이는 피사체의 경우, 상대적으로 더 큰 비율로 고려해야 한다.

6. 피사체의 종횡비– 고정된 피사체가 1:1 종횡비가 아닌 타원형 또는 직사각형 형상일 경우, 피사체의 긴 축을 센서 가로 축에 따라 배치하여 사용하면 픽셀 및 렌즈 활용도를 높일 수 있다.

애플리케이션 예시 그림 1과 2에서 정리된 매개변수는 다음 표 2로 정리하였다.

2단계- 사양 검토

사양검토 단계는 최적의 렌즈를 선정함에 있어 가장 중요한 단계로, 이전 단계에서 확인한 매개변수들과 여러 조건을 통해 획득한 다양한 결과를 바탕으로 렌즈의 성능곡선(5)을 확인하는 단계이다. 본 단계에서 고객의 애플리케이션에서 최선의 제품을 적용할 수 있도록 에드몬드옵틱스 일본지사는 실험 계획법에 3가지 사양 검토 알고리즘 적용을 통해 신속성, 정확성 및 신뢰성 측면에서 평가하여 렌즈를 검토하였다.

그림 3과 4는 MTF와 왜곡(6)을 3차원 그래프로 표시하였으며 이 때 작동거리의 경우, 단일 값이 아닌 범위로 고려하여 정리하였다. 또한, 다른 렌즈성능 곡선 역시 본 단계에서 검토해야하지만 간단한 설명을 위해 다루지 않았다.

3단계– 사양 분석

사양분석 단계는 이전 단계에서 조회된 3개의 렌즈성능 곡선(2)에 연관된 자료를 정리하는 것이다. 이 자료에 대해서 3가지 주요 작업이 수행된다.

1) 선별- 애플리케이션 요구사항에서 불필요한 사양을 제거하는 과정이다. 예로, 그림 1과 2에 표기된 작동거리 범위에 해당하지 않는 값(작동거리 150mm 미만, 250mm 초과)은 고려하지 않는다.

2) 평가- 보간법과 같은 수치해석법을 적용하여 출력 데이터의 정확도와 정밀도를 수용 가능한 수준으로 높여 적용 및 확인한다.

3) 분류– 해당 작업의 마지막으로 애플리케이션 내 우선순위에 따라 결정한다. 예로, 제한된 비용에서 제품을 검토하거나 또는 비용보다는 성능을 중요시하여 제품을 고려하여 애플리케이션에 적용할 수 있다.

이 작업을 통해 확인된 선택가이드는 시각적으로 정리된 표와 그래프로 구성되어 있어 제품 선정과정에 있어 편리하다.

4단계– 제품선정

마지막 단계에서는 렌즈 어드바이저가 사전 단계에서 확인된 선택가이드를 통해 애플리케이션에서 하나 이상의 렌즈가 최종 선택지로 확인되기까지 다음 주요 정보와 함께 고객과의 계속적인 논의를 한다.

1. 애플리케이션의 적용범위에서 선정된 렌즈 사양과 성능곡선

2. 요구 조건을 충족하거나 그 이상의 적용 범위에서의 선정된 렌즈

결론

이미징 옵틱스에 대해 사양 검토, 분석, 그리고 시각적 자료를 효과적으로 활용한다면 보다 신속 정확하게 그리고 비용 효율적인 이미징 렌즈를 선정할 수 있다. 따라서 고객은 이러한 솔루션을 통해서 애플리케이션에서 요구하는 사양, 비용 및 일정 등을 충족하거나 그 이상의 제품군을 안내받을 수 있는 이점이 있다.

* 약어

WD- Working Distance(작동거리)

FOV- Field of View, see(1)(시야, 참고문헌(1) 참조)

pMag- primary Magnification, see(1)(기본배율, 참고문헌(1) 참조)

MTF- Modulation Transfer Function, see(7)(변조전달함수, 참고문헌(7) 참조)

LED- Light-Emitting Diode, see(8)(발광 다이오드, 참고문헌(8) 참조)

Q/A- Question/Answer(질문과 답변)

ROI- Region of Interest(검사영역)

MRS- Minimum Resolvable Size(최소 분해능 크기)

FFL- Fixed Focal Length(단초점)

UXGA- Ultra Extended Graphics Array(1600x1200), an imaging sensor array format

QR- Quick Response(QR 코드 약어)