산업용 카메라 렌즈 가이드 1

Teledyne

소개

산업용 카메라에 사용되는 렌즈는 실제로 인클로저 내에 여러 광학 렌즈로 구성된 시스템이며, 이러한 유형의 카메라 렌즈를 기술적으로 ‘복합 렌즈’ 라고 칭한다. 특정 이미징 결과를 얻으려면 비전 시스템에 맞는 카메라 렌즈를 선택하는 것이 중요하다.

본문에서는 렌즈의 물리적 속성, 렌즈 유형 및 고유한 광학 특성, 다양한 크기의 센서와의 호환성, 충분한 조리개 및 광학 수차 효과 등을 살펴본다. 아울러 렌즈 선택으로 최대한 많은 이점을 얻을 수 있는 애플리케이션도 함께 소개한다. 카메라에 사용되는 다양한 렌즈는 그림 1에서 볼 수 있다.

물리적 구조

초점 거리

애플리케이션에 적합한 렌즈를 선택하려면 초점 거리를 신중하게 고려해야한다. 카메라 렌즈에는 프라임 렌즈와 줌 렌즈의 두 가지 주요 유형이 있다. 주요 차이점은 프라임 렌즈에는 고정 초점거리가 있고 줌 렌즈에는 초점거리 조정이 가능한 범위가 있다는 것이다.

초점 거리는 그림 2와 같이 카메라 센서와 카메라 렌즈의 빛이 초점을 맞추는 위치 사이의 거리이다. 초점 거리는 밀리미터 단위로 측정되며(mm로 표기됨) 이미지에 대한 정보를 제공한다. 렌즈가 캡처할 수 있는 화각(시야 또는 FoV라고도 함) 및 이미지 내 대상의 배율 등이 캡처된다.

원근에 큰 영향을 주지 않는 일반 초점 거리는 약 50mm이다. 이것은 사람의 눈으로 보는 것과 유사하다. 일반적인 줌 렌즈는 초점 범위가 35-70mm이고 피사체를 너무 많이 늘리거나 확대하지 않고도 다양한 원근을 제공한다. 이 관점은 캡처 방법에 대한 표준이다. 본문에서는 보다 확대 이미지를 얻기 위한 망원렌즈 및 커진 FoV를 위한 광각렌즈와 같은 렌즈 유형을 이해할 수 있도록 그 종류를 살펴본다.

초점 링

카메라 렌즈의 초점을 수동으로 조정하는 것을 초점을 당긴다고 표현한다(pulling focus). 이것은 개인이 카메라 위치를 조정하고 렌즈의 초점을 다시 맞춰야 할 때 수행된다. 상업용 이미징 애플리케이션에서는, 사용자는 산업용 카메라를 장비에 고정시키려는 경향이 있다. 카메라가 항상 동일한 대상을 향할 때 프라임 렌즈는 설정 중에 초점 거리를 변경하는 줌 링이 없다.

그러나 움직이는 구성 요소가 필요한 애플리케이션은 카메라 초점을 다시 조정해야 한다. 로봇 공학 또는 항공 이미징과 같은 애플리케이션에서는 대상과의 바뀌는 거리를 위해 카메라에서 다양한 초점을 맞출 수 있는 기능이 중요하다.

줌 링

줌 링을 사용하면 카메라의 초점 거리를 변경할 수 있다. 카메라의 초점 거리를 늘리면 줌 링이 실제로 FoV를 좁힌다.

그 결과 클로즈업 이미지가 생성되지만 주변 환경이 작게 보인다. 이에 대한 예가 그림 3에 나와 있다. 카메라를 더 많이 확대할수록(초점 거리가 길수록) 카메라의 초점이 멀어지고 FoV가 좁아진다.

카메라 렌즈 내의 광학 수는 렌즈 유형에 따라 크게 달라진다. 중요한 것은 렌즈가 줌 렌즈인지 프라임 렌즈인지 여부이다. 키트 렌즈는 카메라의 초점을 조정할 수 있어야 하기 때문에 렌즈 어셈블리 내에 더욱 많은 수의 렌즈를 구성한다. 줌 링이 있으면 센서에 도달하는 빛을 조정하는 데 많은 부품이 도입되기 때문에 카메라에 광학 기능이 추가된다. 그러나 프라임 렌즈는 훨씬 간단하고 부품 수가 적어 저렴하다.

렌즈 마운트

렌즈를 선택하기 전에, 카메라 또는 센서를 먼저 고려한다. 애플리케이션을 위해 카메라를 선택할 때 마운트 유형에 따라 렌즈가 결정될 수 있다. 제조업체는 렌즈를 카메라에 고정하기 위해 고유하고 독창적인 메커니즘을 사용할 수 있다. 다양한 렌즈 마운트를 통해 카메라 내에서 다양한 센서 크기를 조정할 수 있다.

대부분의 렌즈 마운트는 특정 센서 크기를 지원하도록 설계되었기 때문에 새 렌즈로 조정할 때 호환되는 카메라를 사용하거나 저렴한 솔루션을 위해 어댑터 링을 사용해야 할 수 있다. 이 링을 통해 카메라는 호환되지 않는 렌즈 마운트를 사용할 수 있다. 이것은 폭넓은 범위의 렌즈의 가능성을 열어준다. 렌즈를 어댑터링과 통합할 때, 제조업체가 적용한 일부 독점기술과는 호환되지 않을 수 있다.

이로 인해 자동 초점 또는 카메라를 통해 조리개를 조정하는 기능과 같은 유용한 기능이 손실될 수 있다. 그러나 산업용 카메라 제조업체가 OEM 통합을 제공하는 경우 렌즈 제조업체에만 해당되는 일부 기능을 통합할 수 있다. 예를 들어 Teledyne Lumenera는 Canon EF 렌즈에 내장된 자동 초점을 활용할 수 있다. 그러나, 광학 성능을 극대화하려면 카메라의 센서 크기에 맞는 렌즈를 사용하는 것이 이상적이다.

렌즈 마운트 유형에는 A, E, EF, C, CS 및 S 마운트(M12 마운트라고도 함)가 있다. C-마운트 및 CS 마운트 렌즈는 Teledyne Lumenera에서 머신 비전 및 산업용 애플리케이션에 가장 일반적으로 사용된다. 결론은 애플리케이션에 사용될 렌즈 마운트 유형이 카메라 유형과 크기 등에 따라 달라진다는 것이다.

렌즈 선명도

센서가 크고 메가 픽셀 수가 많은 산업용 카메라는 매우 선명한 이미지를 생성할 수 있다. 비전 시스템의 최대 해상도는 카메라 센서에 의해 결정된다. 그러나 이러한 고해상도 이미지를 생성하려면 카메라에 이미지 품질을 최적화하는 렌즈가 장착되어 있어야한다.

비전 시스템의 유효 해상도는 카메라 렌즈에 의해 제한된다. 이는 유리의 결함이 이미지 품질을 저하시킬 수 있기 때문이다. 광학 수차(optical aberrations)부터 스크래치나 내부 손상에 이르기까지 빛이 렌즈를 통과할 때 영향을 받는다. 렌즈의 가격은 선명도에 큰 영향을 미친다. 문제를 하나만 조정하거나 제조 공정의 청결도를 개선하고 결함에 대한 새로운 검사를 설치하면 렌즈의 비용을 증가시킨다.

산업용 이미징에서 카메라 렌즈는 밀리미터 당 선 쌍을 기준으로 선명도에 따라 등급이 매겨진다. 시각적으로 구별되는 차트에서 가장 좁은 선 쌍을 식별하여 렌즈를 통해 이미지를 얼마나 세부적으로 표현할 수 있는지를 나타내는 해상도 수준을 측정할 수 있다.

이미지 선명도를 더욱 정확하게 측정하기 위해 USAF 또는 Star Chart와 같은 특정 차트를 이미징한 결과를 분석하는 소프트웨어 솔루션도 있다. 이에 대한 예는 한 쌍의 카메라가 ISO 12233 이미지 품질 테스트 차트를 이미지화한 그림 5에서 볼 수 있다.

카메라의 노출 시간과 게인도 선명도에 큰 영향을 미친다. 목표가 해상도를 극대화하는 것이라면 카메라의 조명과 설정도 렌즈 선택과 함께 중요한 역할을 한다.  애플리케이션에 매우 선명한 세부 정보가 필요한지 고려하는 것이 중요하다. 높은 메가 픽셀 센서를 사용할 때 고품질 렌즈를 사용하면 고해상도를 얻을 수 있다. 이미지의 선명도를 높이려면 낮은 품질의 렌즈를 사용하더라도 큰 센서를 사용하면 된다. 고해상도 센서에 그런 종류의 디테일을 재현할 수 있는 렌즈가 장착되어 있다면 개선될 수 있다. 이미지를 최대한 활용하려면 센서와 렌즈 해상도 및 선명도가 모두 중요하다.

렌즈 유형

여러 유형의 렌즈가 있으며 각 유형 이미지를 생성하는 일련의 특성을 지녔다. 적절한 범주의 렌즈를 살펴보면 응용 분야에 맞는 선택을 할 수 있다. 이 섹션에서는 프라임 vs 줌, 광각, 직선 및 어안 렌즈, 망원, 매크로 및 틸트 시프트 렌즈와 같은 렌즈를 다룬다. 이러한 다양한 렌즈는 그림 6에서 볼 수 있다.

프라임 vs 줌 렌즈

렌즈에는 프라임 렌즈와 줌 렌즈의 두 가지 주요 유형이 있다. 이 렌즈의 주요 차이점은 초점 거리이다. 프라임 렌즈는 고정 초점 거리 렌즈인 반면 줌 렌즈에는 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 이동할 수 있는 링과 같은 메커니즘을 사용하여 초점 거리 범위를 조정할 수 있다. 프라임 렌즈와 줌 렌즈의 비교는 아래 그림 7에 나와 있다.

산업용 애플리케이션의 경우 카메라는 반복적인 작업을 수행하면 프라임 렌즈가, 카메라가 다양한 거리의 물체를 촬영해야 하는 애플리케이션의 경우는 줌 렌즈가 설치된다. 부품 수가 적기 때문에 프라임 렌즈가 저렴하다. 이러한 단순성은 제조 공정 중에 문제가 발생할 가능성이 적기 때문에 높은 품질을 가져올 수 있다.

줌 렌즈는 다양한 초점 거리를 지원하므로 큰 유연성을 제공한다. 초점 거리를 조정하기 위해 렌즈 시스템에는 빛을 다른 위치로 수렴하는 데 도움이 되는 광학 장치와 움직이는 부품이 있다. 이러한 복잡성이 추가되면 카메라 렌즈 비용이 늘어날 수 있다.

초점 거리를 조정할 수 있는 렌즈 시스템의 복잡성으로 인해 선명도도 떨어질 수 있다. 따라서 프라임 렌즈는 이미지 품질 향상에 신뢰감을 준다. 그러나 렌즈 기술은 시간이 지남에 따라 지속적으로 개선되었으며 프라임 렌즈와 줌 렌즈의 품질 차이가 계속 좁혀졌다. 따라서 프라임 렌즈와 줌 렌즈를 모두 고려하는 것이 안전하다.

광각 렌즈

광각 렌즈(wide-Angle Lens)는 렌즈가 제공하는 광 시야각으로 부터 그 이름이 붙여졌다. 한 쌍의 광각 렌즈는 그림 8에서 볼 수 있다. 이미지에서 렌즈 표면은 긴 초점 거리 렌즈보다 훨씬 더 많이 휘어진 것을 볼 수 있다. 커진 곡률은 넓은 각도의 빛이 렌즈로 들어가 렌즈 시스템을 통해 센서로 유도된다.

이 유형의 렌즈는 지능형 교통 시스템(ITS) 및 항공 이미징과 같이 하향식보기가 필요한 이미징 애플리케이션에 사용된다.

그림 9에서 왼쪽은 한 번에 여러 차선을 영상화하는 교통 비전 시스템을, 오른쪽은 정밀 농업에서 광범위한 작물을 영상화 하는데 사용되는 항공 영상 시스템이다. 초점 거리가 짧을수록 FoV가 더욱 넓다. 예를 들어 17mm 또는 28mm 렌즈를 사용하면 한 번에 많은 영역을 카메라 이미지로 표현할 수 있다.

더욱 넓은 FoV를 사용할 때의 문제는 왜곡이 추가된다는 것이다. 광각 렌즈의 왜곡을 보정하는 정교하고 값 비싼 광학 장치가 있다. 이미지 또는 비디오 편집 소프트웨어를 사용하면 왜곡을 조정하고 보정할 수 있으며 평평한 FoV로 이미지를 생성할 수 있다.

직선 및 어안 렌즈 

광각 렌즈 사용의 장점은 추가된 FoV이다. 그러나 발생하는 배럴 왜곡은 이미지 분석 결과에 영향을 미칠 수 있다.

Rectilinear 렌즈는 이러한 배럴 왜곡을 제거하도록 설계되었다. 약간의 왜곡이 있는 렌즈라도 후 처리에서 쉽게 수정할 수 있다. 매우 넓은 각도에서는 왜곡을 보정하도록 설계된 광학 장치가 있는 렌즈조차도 완벽하게 평평한 FoV를 갖지 않는다. 그러나 최신 렌즈 기술은 이러한 효과를 완화한다.

어안 렌즈는 매우 넓은 각도의 FoV를 사용하지만 왜곡이 있다.  어안 렌즈는 FoV에서 180도에 가까운 각도를 제공하지만 매우 둥근 모서리를 갖도록 이미지를 왜곡한다. 이미지 후 처리로 왜곡을 보정할 수 있다.

이는 이미지의 가장자리를 변경하는 것을 포함한다. 늘이기 및 축소를 통해 렌즈가 왜곡이 없는 이미지를 센서에 전달할 수 있도록 광학적으로 보정된 이미지는 선명도를 잃게 된다. 또는 이미지를 잘라서 왜곡된 부분을 제거할 수 있지만 이렇게 하면 넓은 시야각을 사용한 장점이 사라진다.

망원 렌즈

반대 스펙트럼에서는 망원 렌즈가 카메라의 FoV를 좁힌다. 100mm 또는 200mm와 같이 긴 초점 거리를 사용하면 카메라가 먼 대상에도 효과적으로 초점을 맞출 수 있다. 이 좁은 FoV는 광각 렌즈에서 흔히 볼 수 있는 왜곡이 없지만 품질이 낮은 렌즈 또는 매우 긴 초점 거리에서는 이미지의 측면 안쪽으로 구부러지는 핀쿠션 왜곡(pincushion distortion)이 발생할 수 있다.

그림 12에서 줌 망원 렌즈는 망원 프라임 렌즈 옆에 완전히 확장된 것을 볼 수 있다. 광각 렌즈에 들어가는 빛은 센서에 도달하기 위해 압착되어야 하는 반면 망원 렌즈의 빛은 센서에 직접적인 경로를 가지고 있다.

광각 렌즈 사용의 장점은 추가된 FoV이다. 그러나 발생하는 배럴 왜곡(barrel distortion)은 이미지 분석 결과에 영향을 미칠 수 있다. Rectilinear 렌즈는 이러한 배럴 왜곡을 제거하도록 설계되었다. 약간의 왜곡이 있는 렌즈라도 후 처리에서 쉽게 수정할 수 있다. 매우 넓은 각도에서는 왜곡을 보정하도록 설계된 광학 장치가 있는 렌즈조차도 완벽하게 평평한 FoV를 갖지 않는다. 그러나 최신 렌즈 기술은 이러한 효과를 완화한다.

매크로 렌즈

렌즈는 초점을 맞추면서 대상에 가까이 다가 갈 수 있다. 매크로 렌즈는 초점 거리(약 35~200mm, 배타적이지는 않음) 범위가 상당히 넓지만 최적의 결과는 범위의 중간부분이다. 너무 짧은 초점 거리를 원하지 않는 이유는 빛의 감소 때문이다.

넓은 렌즈 FoV를 사용하면 카메라가 피사체에 가까워져야 하므로 카메라가 햇빛을 차단하고 피사체에 그림자를 드리울 수 있다. 초점 거리가 너무 긴 경우 카메라를 더욱 멀리 배치해야 한다. 이것은 작은 피사체에 초점을 맞추려고 할 때 문제가 될 수 있으며 관찰자는 긴 초점 거리로 인해 물리적으로 거리를 두어야한다. 초점 거리가 매우 긴 경우 카메라가 대상에 가까워질 수 없으므로 렌즈가 제공할 수 있는 배율이 감소한다.

근접 매크로 이미지 캡처의 가치는 제공하는 배율에서 비롯된다. 매크로 렌즈는 센서가 캡처한 이미지를 의미하는 최소 1 : 1 배율을 제공할 수 있다.

즉 타겟의 실제 크기에 비례한다. 일부 매크로 렌즈는 표준 1 : 1 비율 이상으로 이미지를 확대 할 수 있으며 이로 인해 렌즈 가격이 급격히 상승한다. 그러나 작은 대상에 대한 세부 사항을 이미징 하는 것이 중요할 때는 많은 배율이 필요하다.

최소 초점 거리는 매크로 렌즈의 가치에 기여하는 또 다른 요인이다. 예를 들어, 두 개의 렌즈는 각각 동일한 배율로 매크로 이미지를 생성할 수 있지만, 렌즈의 작동 거리가 유연하기 때문에 목표물까지의 거리가 좁아도 초점을 맞출 수 있는 카메라가 더욱 가치 있다. 이는 최소 초점 거리가 더욱 좋은 렌즈가 더욱 긴 피사계 심도(DoF)를 생성한다는 것을 의미한다. 아래 그림 14에서 그레이색 필드가 DoF를 나타낸다.

틸트 시프트 렌즈

틸트 시프트 렌즈 사용의 이점은 작은 조리개 없이 전체 이미지를 초점으로 캡처할 수 있다는 것이다. 이는 이동 메커니즘으로 인해 복잡한 렌즈 시스템일 수 있다. 그림 16에서 상단 다이어그램은 건물 이미지를 캡처하지만 프레임에서 전체 높이를 얻지 못하는 지면 수준의 카메라이다.

가운데 다이어그램은 카메라 센서를 건물과 평행하게 유지하면서 프레임에 있는 건물의 전체보기를 캡처하기 위해 위쪽으로 이동한 틸트 시프트 렌즈가 있는 카메라이다. 틸트 시프트 렌즈 사용의 이점은 건물의 구조와 같은 수직선의 원근을 왜곡하지 않는 다는 것이다.

이는 원근 문제없이 이미지를 촬영한 건물의 중간 다이어그램에서 볼 수 있다. 하단 다이어그램은 프레임 내의 전체 건물을 캡처하기 위해 위쪽으로 기울어진 카메라를 보여준다. 그러나 카메라의 위쪽 각도로 인해 수직선의 각도가 이동한다. 이러한 뒤틀림은 대형 구조물을 이미징 할 때나 낮은 고도에서 이미징 할 때 문제가 될 수 있다.

틸트 시프트 렌즈의 또 다른 이점은 작은 조리개가 없이도 전체 이미지를 초점으로 캡처할 수 있다는 것이다. 렌즈를 기울여 초점면이 평소처럼 카메라 바로 앞에 있지 않고 지면을 향하도록 기울여서 명백한 DoF가 늘어나도록 한다. 또는 렌즈는 이미지의 한 부분만 초점이 유지되도록 광학 장치를 이동할 수 있다. 이 부분적 또는 선택적 초점은 이미지 내의 대상이 최소화된 것처럼 보이게 만든다.

앞서 언급했듯이 틸트 시프트 렌즈는 왜곡을 수정할 수 있다. 여기에는 카메라 센서가 이미지 평면에 위치하기 때문에 평행한 수직선이 포함된다. 틸트 시프트 렌즈를 사용하면 피사체를 촬영하기 위해 카메라를 위아래로 기울일 필요없이 카메라가 이미징이 되는 표면과 평행을 유지할 수 있다. 왜곡과 보정된 수직선 사이의 비교는 그림 16에서 중간에 보정된 이미지와 하단에 왜곡된 수직선이 있는 이미지를 보면 된다.

틸트 시프트 렌즈 자체는 각도를 조정할 수 있어 카메라를 제자리에 고정시킨다. 그림 17은 예시적인 틸트 시프트 렌즈의 프로파일이다. 렌즈의 바닥은 한 위치에 유지되고 나머지 렌즈는 대상을 향해 기울어 질 수 있다.

자료 제공: Teledyne(www.teledyne.com)