Liquid Lens 개론
Edmundoptics
Liquid lens는 어떠한 기계적 동작 없이도 전기적으로 초점 조절을 하면서 이미징 시스템이 갖는 Depth of Field (DOF)의 한계를 극복하도록 한다. 피사체의 높이와 작동 거리에 다양한 변화가 필요한 애플리케이션에 우수한 솔루션이 바로 liquid lens이다.
기존에는 이러한 애플리케이션을 위한 솔루션으로 motorized zoom lens를 사용하거나 피사체의 위치를 직접 재설정해가며 초점을 맞추곤 했다. 구식 렌즈를 이용해 DOF를 높일 수 있는 다른 방식으로는 f/#을 증가시키는 것으로서 이를 위해서는 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 liquid lens를 결합할 경우 카메라와 피사체의 간격과 상관없이 스피드와 이미지 품질을 절충하지 않으면서 초점 자체를 전기적으로 조절할 수 있게 된다. 유리로 제작되는 기존 방식의 광학 렌즈와 마찬가지로, liquid lens 역시 단일 광학 요소로 제작되긴 하지만 광학 액상 소재로 구성되어 형태 자체를 변경할 수 있다. 글래스 렌즈의 초점 거리는 제작 소재와 곡률 반경에 따라 좌우된다.
Liquid lens에 동일한 기본 원리를 적용하더라도, liquid lens는 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 liquid lens의 굴절률 제어를 위한 acusto-optic tuning이 있다.
단일 광학 렌즈만으로는 이미징 성능을 충분히 발휘할 수 없기 때문에 이미징 렌즈의 대다수는 multi-element assembly를 이룬다. 이러한 연유로, liquid lens만 단독으로 사용하는 것은 바람직하지 않다. 하지만 이미징 렌즈에 liquid lens를 통합한 multi-element 디자인을 활용하면 liquid lens의 속도와 유연성을 적절히 이용할 수 있다. Liquid lens를 결합하면 밀리세컨드 단위로 클로즈업 포커싱과 optical intinify 포커싱이 가능해져 검사할 피사체의 크기가 제각각이거나, 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, liquid lens는 신속하게 초점을 조절해야 하는 광범위한 용도에서 시스템의 유연성을 최대화하는 데 사용될 수 있다.
Fixed Focal Length Imaging Lens에 Variable Focus Liquid Lens 결합 사용하기
TECHSPEC® Cx Lens는 독특한 모듈식 3-피스 디자인을 갖춘 fixed focal length lens이다. 전후면의 렌즈 요소는 각각 하우징 처리가 되어 렌즈의 center aperture stop에 쉽게 접근할 수 있게 해준다. 이에 따라 사용자는 Variable Focus Liquid Lens를 Cx lens의 중심부로 쉽게 결합할 수 있다. 다양한 초점 거리로 제공되는 TECHSPEC® Cx Lens는 multi-element imaging assembly의 고품질 이미징 성능과 electronic autofocus working distance 조절 기능을 함께 제공한다.
아래의 다이어그램은 Cx lens 내부에 Variable Focus Liquid Lens 장착 방법을 단계별로 설명해준다.
1 단계: Cx Lens의 focal length를 선택하고 호환 가능한 Variable Focus Liquid Lens와 Liquid Lens Holder를 고른다. 또는 간단하게 Cx lens와 호환 가능한 Variable Focus Liquid Lens 그리고 Liquid Lens Holder로 구성된 적절한 Cx Lens Kit를 선택해도 된다.
2 단계: Variable Focus Liquid Lens를 Liquid Lens Holder에 장착한 뒤 이 두 아이템을 Cx Lens의 중간부에 끼운다. 조립법이 담긴 매뉴얼은 당사 웹사이트에서 PDF 파일로 다운받을 수 있다.
3 단계, 1번째 옵션: Liquid Lens를 PixeLink USB 3.0 Autofocus Camera에 부착한다. 이 카메라는 driver와 autofocus의 완벽한 결합을 지원하며, 소프트웨어를 포함한다.
3 단계, 2번째 옵션: 표준 C-Mount camera를 사용한다. Driver는 미포함이며, 별도의 Liquid Lens driver를 반드시 구매해야한다(단, Liquid Lens Development Kit에는 포함되어 있음).
Fixed Focal Length Imaging Lens에 Optotune Focus-Tunable Liquid Lens 결합하기
Optotune Focus-Tunable Liquid Lens는 C-mount housing과 이용할 수 있는 광학 부품이다. 적절한 thread adapter를 사용하면, Optotune Focus-Tunable Liquid Lens를 TECHSPEC® C Series or Ci Series Fixed Focal Length Imaging Lens의 정면에 쉽게 부착할 수 있다.
보유하고 있는 fixed focal length lens에 liquid lens를 부착함으로써 넓은 depth of field가 필요한 애플리케이션에 유용하게 사용할 수 있다.
이미징 렌즈의 전체 초점 범위에서 전기적 초점 제어가 필요하면 liquid lens를 사용해야 한다.
아래의 표에서는 다양한 센서 사이즈가 필요한 imaging lens, adapter, liquid lens의 조합을 단계별로 보여준다. 만약 fixed focal length lens의 앞쪽에 liquid lens가 위치한다면, aperture의 제한이 발생해 vignetting을 감수해야 할 수도 있다.
자료 제공: 에드몬드옵틱스(www.edmundoptics.co.kr)
