머신 비전용 액체 렌즈, 다양한 유형의 시스템 활용을 위한 솔루션
액체 렌즈는 틀림없이 광학 분야에서 가장 흥미로운 기술 혁신 중 하나이며 머신 비전에서도 많은 관심을 끌고 있다. 사실 액체 렌즈를 다른 유형의 광학 장치에 통합하여 특정한 특성을 부여하는 것이 가능하다. 액체 렌즈는 코일로 둘러싸인 멤브레인에 포함된 유체로 구성된 단일 광학 요소이다. 이 멤브레인은 전류가 흐르면 모양이 변하는 물질인 소위 압전 물질로 구성된다. 이 기능 덕분에 움직임이나 기계적 조정 없이 광학 특성을 변경할 수 있다(그림1 참조). 이 기사에서는 액체 렌즈가 머신 비전에 사용되는 다양한 유형의 광학 장치에 어떻게 통합될 수 있는지 살펴본다.
액체 렌즈 기술이 적용된 텔레센트릭 광학
<그림3>에서 볼 수 있듯이 보상을 위해 더 큰 렌즈(왼쪽)와 더 높은 해상도의 카메라를 사용하는 대신 TCEL 시리즈(오른 쪽)를 사용하면 샘플에 맞게 치수가 지정된 렌즈의 DOF를 확장할 수 있다. 대안으로 움직이는 z축을 사용할 수 있지만 훨씬 느리고 덜 정확하며 더 비싸다.
Opto Engineering의 TCEL 시리즈(그림2 참조)와 같은 텔레센트릭 광학 장치에 액체 렌즈를 통합하면 피사계 심도 (DOF)를 크게 높일 수 있다. 이는 DOF와 배율의 비례성으로 인해 더 작은 시야에서 특히 중요하다.
이러한 유형의 렌즈를 적용하는 일반적인 예는 전자 보드 검사이다(그림4 참조). 사실 작은 시야가 필요하므로 높은 배율이 필요하며 종종 광학 장치의 공칭 피사계 심도를 초과하는 커패시터와 같은 높은 요소가 있다.
다른 응용 사례로는 곡면 유리 검사, 크기 변경을 위한 작업 거리 조정, 위에서 아래로 제약 바이알 검사 및 액체 품질 관리 가 있다. 또한 소위 3D 스태킹이라고 하는 과초점 이미징을 위해 이러한 광학 장치를 사용하는 것도 가능하다. 이 기술에서는 서로 다른 초점 평면에서 키가 큰 물체의 여러 이미지를 획득하고 소프트웨어를 통해 이를 스티칭하여 3D 재구성을 얻는다.
또 다른 흥미로운 가능성은 Opto Engineering의 TCZEL 시리즈와 같은 두 개의 액체 렌즈 통합과 관련이 있다(그림5 참조). 이 혁신적인 디자인을 통해 배율과 작동 거리를 모두 제어할 수 있다(그림6 참조). 따라서 이 렌즈는 텔레센트릭 렌즈의 정확도, 줌 광학의 장점 및 액체 렌즈의 뛰어난 다용성을 결합하고 있다.
액체 렌즈 기술이 적용된 360° 뷰 광학
360° 뷰 렌즈는 한 대의 카메라로 샘플의 전체 검사를 수행하도록 설계된 특수 광학 장치이다. 이러한 광학 장치의 세 가지 주요 유형을 구분할 수 있다.
• 물체의 윗면과 바깥면을 획득하기 위한 외부 검사 렌즈
• 바닥과 내부 측면을 획득하기 위한 내부 검사 렌즈
• 거울을 이용하여 물체의 여러 이미지를 한 번에 획득하는 다중 뷰 렌즈
액체 렌즈의 통합으로 이러한 광학의 일부 속성을 수정할 수 있어 다용도가 크게 향상된다.
▶ 핀홀 렌즈에 통합
PCHI 광학은 구멍, 캐비티 및 용기를 쉽게 검사하기 위해 Opto Engineering에서 개발했다. 평평한 시야만 이미지화할 수 있는 일반 광학 또는 이른바 ‘핀홀 렌즈’와 달리 홀 검사 광학계는 구멍의 바닥과 수직 벽을 모두 이미지화하도록 특별히 설계되었다(그림7 참조).
PCHI023-AF 모델(그림8 참조)과 같은 액체 렌즈의 통합으로 즉각적인 재초점 덕분에 시야의 모양을 조정할 수 있다. 핀홀 렌즈를 로봇팔에 장착하여 복잡한 물체를 검사할 때 특히 유용하다.
▶ 보로스코픽 프로브(boroscopic probes)에 통합
PCBP 프로브는 캐비티에 프로브를 도입해야만 숨겨진 기능을 확인할 수 있는 엔진 부품, 컨테이너 및 튜브와 같은 구멍 이 뚫린 물체를 검사하는데 사용된다(그림10 참조). 카타디 옵트릭(catadioptric; 굴절 + 반사) 광학 설계는 섬유기반 프로브보다 훨씬 더 높은 해상도를 보장하고 전체 캐비티의 완전한 360° 내부 보기를 가능하게 한다.
보로스코픽 프로브는 가장 깊은 공동도 스캔하기 위해 로봇팔 또는 S.C.A.R.A.에 의해 처리되도록 고안되었다. 내장 조명은 장치를 매우 작게 유지하고 파노라마 삼각 측량 기술을 통해 간단한 3D 응용 프로그램에 적합하다.
PCBP023-AF 모델(그림11 참조)과 같은 액체 렌즈의 통합으로 다양한 직경에서 초점을 조정하는 보로스코픽 프로브의 다양성을 크게 높일 수 있다. 이는 포지셔닝에서 발생할 수 있는 부정확성을 보상할 수 있기 때문에 로봇 애플리케이션에서 특히 유용하다.
액체 렌즈 기술이 적용된 고정 초점 거리 렌즈
액체 렌즈는 최대 2/3" 센서용 5MP 광학을 특징으로 하는 Opto Engineering의 곧 출시될 EL5MP 시리즈(그림12 참조)와 같은 고정 초점 렌즈 렌즈에 통합될 수도 있다. 빠르고 정밀 한 재초점 덕분에 이 렌즈는 물류 및 로봇공학에서 일반적으로 사용되는 고속 응용 분야에 이상적이다. 광학 내부에 액체 렌즈를 통합하면 바로 사용할 수 있는 솔루션으로 제공되기 때문에 비전 시스템의 설치가 훨씬 간단해진다. 또한 고정초점 거리 렌즈 뒤에 액체 렌즈를 간단히 부착한 솔루션의 경우 훨씬 견고하고 신뢰할 수 있는 설계다.
액체 렌즈 컨트롤이 통합된 영역 스캔 카메라
액체 렌즈는 일반적으로 간단한 USB 동글 또는 보다 강력한 산업용 솔루션이 될 수 있는 전용 드라이버를 통해 제어된다. 그러나 최근의 발전으로 인해 액체렌즈를 카메라로 직접 제어할 수 있다.
통합 액체 렌즈 제어 기능이 있는 산업용 GigE 비전 PoE 카메라를 특징으로 하는 Opto Engineering의 ITALA G.EL 시리즈의 경우이다(그림13 참조). 3.2 MP에서 12 MP 범위의 해상도를 갖춘 ITALA G.EL 카메라는 내장 드라이버 덕분에 Optotune 액체 렌즈의 통합을 단순화하여 외부 전용 하드웨어를 피할 수 있다.
자료제공: Opto Engineering(www.opto-e.com)
