FRAMOS / 최적의 이미지 구현을 위한 렌즈 선택 시 고려해야 할 5가지 핵심 기준

렌즈 선택은 R&D와 제조에서 빈번히 마지막 절차로 남긴다. 올바른 렌즈 선택에 노력을 기울이면 카메라 이미지 센서의 잠재력을 활용할 수 있다. 그뿐만 아니라 해결책 구축에 핵심이 되는 데이터 축소 와 시스템 단순화의 첫 번째 도구 중 하나이기도 하다. 다음 5가지 핵심 기준을 알고 있으면 애플리케이션에 가장 적합한 렌즈를 선택할 수 있다.

1. 렌즈는 센서에 꼭 맞아야 한다.

렌즈를 정의하기 가장 좋은 것은 이미지 센서이다. 그렇다면 해상도와 이미지 센서 크기 그리고 픽셀 피치는 무엇을 의미하는가? 5메가 픽셀 센서가 5메가 픽셀 렌즈와 직접 호환되는 것은 아니므로, 이 변수들을 반드시 살펴봐야 한다.

센서 크기

렌즈의 역할은 장면(scene)에서 빛을 모아서 이미지 센서에 투사하는 것이다. 센서에 투사된 유용한 부분을 렌즈의 '이미지 서클'이라고 한다. 이미지 서클이 일치하는지 또는 센서보다 큰지 확인하는 것이 중요하다. 이렇게 하면 불필요한 비네팅(vignetting : 센서 전체에 불균일한 조명이 생성됨)이 방지되고 이미지 품질을 일관되게 유지할 수 있다.

렌즈 및 이미지 센서는 인치 형식 1/2", 2/3" 등으로 표시하거나 mm 단위로 직접 측정한다. 인치 표기법은 센서와 렌즈의 이미지 서클의 감광 영역을 물리적으로 측정하지 않는다. 때문에 측정 규칙을 혼용할 수는 없다. 이미지 서클에 대한 센서용 렌즈의 크기 초과는 표준 시스템의 이점이 제한되며, 일반적으로 불필요한 비용을 초래한다.

센서 해상도

렌즈를 선택할 때 렌즈의 해상도와 분해능이 동일하지 않다. 두 값이 어떻게 다른지와 어떤 것이 중요한지를 이해해야 한다. 렌즈 제조업체는 렌즈의 해상도를 전체 이미지 서클에서 가장 작은 픽셀 크기의 조합으로 광고한다. 예를 들어, 아래에 설명된 렌즈는 5메가 픽셀이다. 이미지의 면적을 픽셀 수로 나누면 픽셀 크기 측면에서 분해능을 알 수 있다. 이 경우 렌즈는 3.45μm 이상의 픽셀 크기에 적합하다.

이 렌즈는 픽셀이 5메가 픽셀 센서용으로, 이보다 더 크거나 작은 픽셀로 설계되지 않았다. 픽셀이 커지면 최대 이미지 형식에 부적합하다. 픽셀이 작아지면, 렌즈는 그 픽셀 수준에 맞게 자세히 집중할 수 있는 분해능이 없다. <그림 2>

렌즈의 분해능을 바르게 이해하기 위해 MTF(Modulation Transfer Function) 차트를 사용할 수 있다. 이들은 많은 렌즈 제조업체가 제공해서 알려진 센서와 함께 사용할 때 렌즈를 자세히 비교하고 검증할 수 있다.

MTF는 mm당 선 쌍(line pair) 단위로 렌즈에서 생성된 이미지를 측정한 것이다. 선 쌍은 같은 두께의 검정색 선 1개와 흰색 선 1개다. 실제 렌즈의 선 쌍을 재현하는 능력은 측정 가능한 대비(contrast)가 없을 때까지 mm당 선 쌍의 수를 늘려서 측정된다. 여기서 렌즈는 더 이상 선을 재현할 수 없고 대신 평균 선인 회색 얼룩을 생성한다. 선을 더 이상 구분할 수 없는 경우 렌즈의 해상도가 제한된다.

원하는 MTF를 결정하려면 아래 수식을 사용해 센서에 필요한 최대 MTF를 결정한다. 그런 다음 일반 애플리케이션에서는 20% 이상, 보다 정밀한 시스템에서는 40% 이상의 대비를 가진 렌즈를 찾는다.

예를 들어, 픽셀 크기가 3.45μm인 센서는 렌즈가 144lp/mm를 캡처할 수 있어야 함을 의미한다. 카메라와 렌즈의 조합은 항상 확인해야 한다. 현장에서 센서와 렌즈 조합을 간단히 적용할 수도 있지만 주관적일 수 있다. 테스트 차트를 사용하면 이미지의 렌즈 음영 해상도 왜곡(shading resolutions distortion)과 변형을 보고 이해할 수 있는 렌즈 테스트가 가능하다. <그림 4>

2. 작업 거리와 시야 (FOV, Field of view)

모든 렌즈는 최적의 작동 거리 범위를 갖는다. 이는 종종 데이터 시트에서 ‘권장 작동 거리(recommended working distance)’ 라고 한다. 렌즈를 캡처된 물체(또는 관찰되는 장면)와 지정된 거리에 장착하면 최대 이미지 품질이 달성된다. 렌즈를 선택할 때 고려해야 할 또 다른 중요한 요소는 물체의 크기이며, 이를 시야(FOV)라고 한다.

즉, 선택된 작동 거리에서 카메라로 캡처할 영역의 측정값이 된다. 렌즈 와 센서 조합의 FOV는 렌즈의 초점 거리를 바탕으로 결정된다. 초점 거리 ∫는 밀리미터로 표시되며 다음 공식을 사용해 계산할 수 있다.

예를 들어, 높이가 6.6밀리미터인 센서로 5미터에서 2미터 높이의 물체를 관찰하려면 초점 길이가 16mm[(6.6/2000) * 5000 = 16.5]인 카메라가 필요하다.

초점 거리를 계산할 때 사용 가능한 초점 거리가 나오지 않으면, 다음으로 사용할 수 있는 낮은 초점 거리를 선택하는 것이 가장 좋다. 그러면 초점 거리가 넓어지고 애플리케이션에 버퍼(Buffer)가 제공된다.

일반적으로 산업용 렌즈는 고정 초점 거리이다. 보통 FOV를 변경할 수 있는 기능이 필요 없기 때문에, 검사 작업의 정확성과 반복성을 위한 것이다. 이 선택은 보다 경제적인 렌즈가 사용되도록 돕는다.

3. 렌즈의 종류

머신비전 애플리케이션에서 가장 많이 사용되는 렌즈는 ‘내심 렌즈(endocentric lenses)’로 알려졌다. 이 렌즈는 눈의 원근과 밀접하게 일치하며 고정된 조리개와 시야각을 갖고 있다. 멀리 있는 물체는 더 작게 표시되고 가까이 있는 물체는 더 크게 보인다. 모든 렌즈에서 그런 것은 아니며, 이것의 대안으로 텔레센트릭 렌즈(telecentric lenses)가 있다.

텔레센트릭 렌즈를 사용하면 물체는 카메라와의 거리에 관계없이 항상 동일한 크기로 보인다. 주로 측정 기술에 사용된다. 이 유형의 렌즈는 왜곡된 원근감 없이 대상물을 캡처해 더 정확하게 거리를 조율할 수 있다는 장점이 있다. 대부분의 산업용 애플리케이션에서 내심 렌즈를 사용하므로, 렌즈의 범주에 대해 자세히 검토해 본다.

렌즈는 보통 ‘나사산(thread)’이나 ‘마운트(mount)’의 크기에 따라 분류된다. 산업용 애플리케이션은 대개 직경 1인치의 나사산이 있는 C 마운트 렌즈를 사용한다.

이 센서는 최대 4/3인치의 센서 또는 22.5mm까지의 센서 대각선에 적합하다. 대형 센서, 풀 포맷, 긴 선형 배열 센서(linear array sensors)의 경우 F 마운트 렌즈가 사용된다. C 마운트 렌즈와 같은 CS 마운트 렌즈는 나사 지름이 1인치이며 ‘후방 초점 거리’(센서와 렌즈 사이의 거리)가 짧다.

이렇게 하면 더 짧은 초점 거리와 더 큰 구경이 가능하다. CS 마운트의 최대 센서 크기는 일반적으로 1/2"이다. C 마운트 렌즈를 CS 마운트 카메라에 연결해 기존 장비를 쓸 수 있도록 5mm 연장 링을 사용할 수 있다. 이는 C 마운트의 큰 백 포커스 거리(back focal distance)가 CS 마운트를 완전하게 통합하므로 가능하다. 즉, CS 마운트 렌즈를 C 마운트 카메라에 사용할 수 없다는 점에 유의해야 한다.

S-Mount와 M12 렌즈도 인기 있다. 그것들은 종종 수 밀리미터에서 수 센티미터밖에 안 된다. M12 렌즈는 대부분 초점 거리가 짧은 렌즈를 갖고 있다. ‘어안(fish-eye) 렌즈’라고 부르기도 한다. 조리개가 포함돼 있으며 넓은 시야(160° 또는 180°)를 커버하는 데 적합하다. 모바일 장치와 자동차 및 보안 분야에서 자주 사용된다. 리어뷰(rear-view) 카메라에서도 인기가 높고, 엔터테인먼트와 산업 분야를 위한 VR과 증강 현실 솔루션(Augmented Reality solutions)에 대한 관심이 많다.

‘충격 방지’ 렌즈는 산업 분야에서 사용되는 특수 렌즈이다. 진동이나 움직임이 많은 곳 특히, 열악한 환경에 맞게 설계됐다. 차체 구조, 프로토타입 제작을 위한 3D 측정 시스템, 서브 픽셀 정밀 측정이 필요한 애플리케이션에서도 정확하고 안정된 결과를 얻을 수 있다.

또한 인쇄 기계와 같은 부정확한 측정, 인프라 모니터링을 위한 도로, 레일 맵핑(rail mapping)과 같은 차량 장착 시스템 등, 광축이 안정적이어야 하는 경우에도 유용하다.

렌즈는 강한 진동과 충격 하중으로부터 렌즈를 보호하는 특별한 기구적 디자인을 갖고 있다. 초점 링은 잠글 수 있다. 셔터 블레이드가 움직이는 기계식 조리개 대신 조리개 플레이트를 사용해서 정확한 조리개 값을 선택할 수 있다.

4. 최적의 조명 및 조리개

주변 광, 그 강도, 색 온도 또는 특정 파장은 렌즈 선택에 영향을 미친다. 렌즈 내부에서 가변 조리개가 센서에 떨어지는 빛의 양을 제어한다.

사람의 눈동자와 마찬가지로, 조리갯값을 변경하면 센서로 통과할 수 있는 빛의 양이 제어된다. 용어 ‘F-수치(F-Number)’는 가변 조리개를 나타낸다. 이 무차원수(상수)는 렌즈의 초점 거리에 대한 물리적 구경의 비율이다. 대부분 닫힌 조리개인 F 수치가 높은 렌즈는, 더 낮은 F 수치 또는 열린 조리개를 가진 동일한 렌즈보다 적은 빛을 투과시킨다.

주어진 픽셀 크기에 대해 조리개가 열리는 정도가 초점의 심도를 책임진다. 조리개를 넓게 열면 초점 심도가 짧아진다. 축소된 초점 심도는 시스템 성능에 영향을 줄 수 있다.

예를 들어 병에 있는 라벨을 읽을 때 병의 곡률이 초점 심도보다 크면, 카메라 시스템은 인쇄 품질이나 정렬의 결함을 분석할 수 없다. 병의 깊이 범위에 따른 일관된 이미지 선명도가 필요하면 더 높은 F-번호를 선택해야 한다.

높은 F-수치를 사용하면 센서에 닿는 빛의 양이 줄어든다. 따라서 카메라 노출 시간의 적절한 조명과 유연성이 중요하다. 카메라 시스템 노출, 조명 레벨, 카메라 노출 균형의 중요성은 음료 공장(bottling plant) 예제에서 확인할 수 있다.

이 경우 병이 매우 빠르게 움직인다. 모션 블러(motion blur)를 피하기 위해서 짧은 노출 시간이 필요하다. 레이블을 정확하게 이미지화하려면 좋은 피사계 심도(DOF, depth of field)가 필요하다(F 수치를 늘려야 한다). 두 선택 모두 좋은 이미지를 얻으려면 장면에 빛을 많이 추가할 필요가 있음을 의미한다.

머신비전 렌즈는 일반적으로 가변 조리개를 갖지만 소형 S-마운트 렌즈는 그렇지 않다. M12 렌즈 제조업체는 다른 조리개를 가진 동일한 렌즈 모델을 만든다. 따라서 각 렌즈의 성능을 이해하는 것이 중요하며 최상의 렌즈가 있는지 확인하기 위해 여러 렌즈를 실험하는 것이 좋다.

5. 스펙트럼과 렌즈 초점 위치

사용할 수 있는 빛 색상 또는 스펙트럼 내용이 렌즈 선택에 큰 영향을 준다. 애플리케이션이 녹색과 같은 단일 파장 대역 또는 색상의 이미징과 호환되는 경우, 녹색 LED를 광원으로 사용하고 렌즈에 녹색 필터를 추가하는 시스템을 구축할 수 있다.

이렇게 하면 백색광에 비해 시스템의 화질이 향상된다. 유일한 단점은 컬러 디테일을 희생하게 된다(단색 센서를 사용하는 것이 일반적)는 것이다. 이 구성은 또한 시스템의 미광에 대한 감수성을 감소시킨다.

장면에 흰색 빛(여러 파장의 빛이 결합된 경우)이 켜지면 빛이 렌즈를 통과하므로 색수차(color aberrations)가 발생할 수 있다. 렌즈 재료의 물리적 특성에 기인하는 것이다. 일반적인 렌즈는 가시 범위에서 보정된다. 렌즈가 백색광과 근적외선(NIR) 빛의 초점을 동일점에 맞추도록 최적화됐을 때 ‘IR 보정됨’이라고 알려졌다.

올바른 렌즈 선택

다음 검사 목록은 사용할 수 있는 다양한 렌즈에서 개별 애플리케이션 요구 사항에 적합한 렌즈를 선택하는 데 도움이 되는 개요를 제공한다.

- 센서와 픽셀 크기가 이미지 서클과 렌즈의 해상도와 일치하는가?

- 작동 거리와 필요한 이미지 크기로 인한 초점 거리는 얼마인가?

- 카메라에 필요한 렌즈 마운트는 무엇인가?

- 사용할 수 있는 빛의 양과 최적의 F 수치는 무엇인가?

- 렌즈는 필요한 파장에 적합하며 필터가 필요한가?

위의 체크리스트와 결합된 5가지 기준을 만족하면 최적의 이미지를 얻기 위한 올바른 렌즈를 선택할 수 있다.

자료 제공 : FRAMOS(www.framos.com)