이미징 렌즈의 강건설계

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산업용 머신 비전 분야에 사용되는 이미징 렌즈는 표준 이미징 렌즈의 요구 사항을 능가하는 보다 특수한 요구 사항을 충족해야 합니다. 공장 자동화, 로봇 공학 및 산업 검수에서 사용하는 렌즈의 경우 요건이 까다로운 특수한 환경(진동, 충격, 온도 변화, 오염물)에서도 작동할 수 있는 능력을 반드시 갖추어야 합니다. 이러한 환경적 요건으로 인해 다양한 상황에서 적용이 가능하도록 새로운 등급의 견고한 렌즈들이 특별 설계되었습니다. 현재 공급 중인 4가지 유형의 강건 설계 타입은 다음과 같습니다.

Industrial Ruggedization

산업 등급의 강건설계 렌즈(industrial ruggedized lens)는 진동과 충격이 가해지는 환경에서 손상을 입거나 포커스 및 f/# 변경 없이 렌즈를 보호하도록 설계되었습니다. 이러한 목적을 달성하기 위해 움직임이 있는 부품들이 제거되면서 대신 유연성이 감소하는 특징을 보입니다. 표준 고정 초정 거리 렌즈(standard fixed focal length lens)는 충격과 진동이 가해지는 동안 제자리에서 튕겨 나갈 수 있도록 f/# 조절용 ball detent(멈춤쇠)와 여러 개의 얇은 leaf로 구성된 iris 및 포커스 메커니즘을 사용합니다. 산업 등급의 강건설계 렌즈의 경우 iris를 제거한 후 이를 고정 조리개 플레이트로 대체하며, 일반적으로 하나의 스레드 경통 내에 또 다른 스레드 경통이 있는 구조를 가진 포커싱 메커니즘은 단일 스레드와 견고한 잠금 메커니즘으로 대체합니다.

그림 1: 복잡한 메커니즘과 조절 가능한 iris를 갖춘 standard lens 대 단순 메커니즘을 갖춘 industrial ruggedized lens.

산업 등급의 강건설계는 일단 시스템이 한 번 세팅되면 더 이상 변경할 일이 없는 어플리케이션에 안성맞춤입니다. 또한 복잡한 움직임과 조절 기능이 제거되어 비용적 측면에서의 이점이 추가됨으로써 결과적으로 상당한 부품수의 감소와 비용 절감 효과를 얻을 수 있습니다. 이러한 강건설계는 고진동 공장 환경, 고속의 카메라 구동이 필요한 현장, 유사 카메라가 여러 대 반복 설치되는 검수 시스템, 로봇 비전 등과 같은 다양한 응용 분야에 활용됩니다.

Ingress Protection Ruggedization

방수방진 등급의 강건설계는 O-ring과 RTV 실리콘을 이용해 렌즈 자체를 밀봉시켜 습기와 이물질이 렌즈 내부에 유입되는 것을 차단시켜줍니다. 이러한 강건설계는 문제가 될 수 있는 조절 포커싱과 조리개를 봉인해야 하는 산업 등급의 강건설계 렌즈에 주로 적용됩니다. 방수방진 등급의 강건설계 렌즈는 습기가 많고, 작은 입자가 튀거나, 먼지가 많은 환경, 그리고 렌즈와 카메라를 완전히 차폐하기 위한 공간이 마땅치 않은 곳에 사용하기 적합합니다.

그림 2: O-ring으로 먼지, 이물질, 수분 등과 같은 오염물을 완전히 차단하는 Ingress Protection Ruggedized Lens로서 어셈블리 전면에는 발수 코팅이 된 윈도우가 장착됨.

방수방진 등급은 IEC 60529 표준에 따라 IP 등급을 구성하는 두 자리 숫자로 지정됩니다. 첫 번째 숫자는 고형물(분진) 및 입자에 대한 보호 수준을 나타내며, 0 - 6의 범위를 갖습니다. 구성 부품이 외부 분진으로부터의 침투에 대한 보호 테스트를 거치지 않은 경우 첫 번째 숫자는 X로 변경됩니다(표 1).

방진(고형물)에 대한 보호등급 분류:	보호 정도
x	보호 테스트가 실시되지 않았음을 명시적으로 표기
0	분진의 침투로부터 보호받지 못함
1	직경이 50mm 이상인 외부 분진으로부터 보호 가능
2	직경이 12.5mm 이상인 외부 분진으로부터 보호 가능
3	직경이 2.5mm 이상인 외부 분진으로부터 보호 가능
4	직경이 1mm 이상인 외부 분진으로부터 보호 가능
5	작동을 방해하지 않는 정도의 분진으로부터 부분적 보호 가능
6	분진으로부터 완벽 차단

표 1: IP 등급 표기 시 첫 번째 숫자는 밀폐 상태에서 분진으로부터 보호되는 정도를 나타냄.

두 번째 숫자는 습기에 대한 보호 수준을 나타내며, 0 - 9의 범위를 갖습니다(표 2).

방수(액체) 대한 보호등급 분류:	물의 유형	보호 정도
x	—	보호 테스트가 실시되지 않았음을 명시적으로 표기
0	—	수분의 침투로부터 보호받지 못함
1	물방울	수직으로 낙하하는 물방울로부터 보호 가능, 10분간 테스트 진행
2	물방울	수직에서 최대 15°까지 기울어져 낙하하는 물방울로부터 보호 가능, 10분간 테스트 진행
3	분무	수직에서 최대 60°까지 기울어져 분사되는 물로부터 보호 가능
4	분무	모든 방향에서 분사되는 물로부터 보호 가능, 최소 10분간 테스트 진행
5	강력(가압) 분사	직경이 6.3mm인 저압 분사로부터 보호 가능
6	강력(가압) 분사	직경이 12.5mm인 고압 분사로부터 보호 가능
7	연속적 침수	15cm - 1m의 깊이에서 최대 30분 동안의 완전 침수로부터 보호 가능
8	연속적 침수	1m 이상의 깊이에서 고압의 장시간 침수로부터 보호 가능
9 또는 9K	고압 및 고온의 강력 분사	고압 고온의 분사, 세척, 스팀 청소로부터 완벽한 보호 가능

표 2: IP 등급 표기 시 두 번째 숫자는 밀폐 상태에서 수분으로부터 보호되는 정도를 나타냄.

단, 표시 등급의 수치는 누적이 되지 않습니다. IPX7 또는 IPX8을 준수한다고 해서 IPX5 또는 IPX6의 준수를 보장하지는 않습니다. 강력 분사 등급과 연속 침수 등급을 모두 준수하는 제품은 두 가지 등급이 함께 명시됩니다. 예를 들어 방수 기능이 있는 TECHSPEC ® CW 시리즈 고정 초점 거리 렌즈는 IPX7 및 IPX9K 등급을 둘 다 가지고 있습니다.

Stability Ruggedization

산업 등급의 강건설계 렌즈와 마찬가지로 안정성 등급의 강건설계 렌즈(stability ruggedized lens)는 렌즈의 손상을 막아줄 뿐만 아니라 충격과 진동 후에도 optical pointing 및 positioning이 제자리에 유지되도록 설계되었습니다. Iris의 교체 및 간소화된 포커스 메커니즘 외에도 개별 렌즈 요소는 하우징 내에서의 움직임을 방지하기 위해 제자리에 고정 처리가 되어 있습니다.. 그림 3 은 각각의 렌즈 요소가 원위치에 고정되어 있고, 포커싱을 간소화하기 위해 clamping lock이 사용된 안정성 등급의 강건설계 렌즈를 보여줍니다.

그림 3: 모든 렌즈 요소가 제자리에 고정 처리된 stability ruggedized lens.

렌즈 요소들은 이미징 어셈블리의 배럴 내부 공간에 장착됩니다. 렌즈의 외경과 배럴의 내경 사이의 공간은 일반적으로 50 micron 미만입니 다. 이 간격은 이미 최소치임에도 불구하고 수십 미크론이 중심에서 벗어나게 되면 렌즈의 pointing에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 피사체의 point가 FOV의 중심에 위치하고 정확하게 중심 픽셀 위로 향한다면, 안정성 등급의 강건설계 렌즈를 사용할 경우 렌즈에 강한 진동이 가해지더라도 point가 항상 동일한 지점 위로 향하기 때문에 안정된 이미지를 얻을 수 있습니다.(그림 4). 안정성 등급의 강건설계는 측정 장비, 3D 스테레오 비전, 로봇 산업용 감지 렌즈, 객체 위치 추적용 렌즈 등 FOV의 정밀 보정이 요구되는 응용 분야에 주로 활용됩니다. 또한 이와 같은 어플리케이션의 경우 안정화를 위해 대개 단일 픽셀보다 작은 수치의 optical point가 요구됩니다.

흔들림이 없는 안정적인 시스템은 이미지 십자선에 매핑되지만(a), 흔들림이 있는 불안정한 시스템은 배럴 내에 있는 렌즈가 중심을 이탈하면서 부정확한 optical pointing을 갖게 됩니다(b). 피사체의 십자선은 안정적인 이미지(적색)와 달리 이미지 상에서 다른 위치(황색)에 매핑됩니다. 이 예제는 매우 광장되게 설명한 것으로서, 실제의 경우 단일 픽셀 이하로 차이가 생기는 경향이 있습니다.

그림 4: 흔들림이 없는 안정적인 시스템은 이미지 십자선에 매핑되지만(a), 흔들림이 있는 불안정한 시스템은 배럴 내에 있는 렌즈가 중심을 이탈하면서 부정확한 optical pointing을 갖게 됨(b). 이때 피사체의 십자선은 안정적인 이미지(적색)와 달리 이미지 상에서 다른 위치(황색)에 매핑됨. 이 예제는 매우 과장되게 설명한 것으로서, 실제의 경우 단일 픽셀 이하로 차이가 생기는 경향이 있음.

Athermalization

물질은 온도 변화에 따라 팽창 및 수축을 경험합니다. 열팽창 계수(CTE)는 소재의 크기가 얼마만큼 변하는지를 측정한 값입니다. 온도 변화가 극심한 고성능 비전 시스템을 사용하려면 온도에 따른 성능 변화를 최소화하기 위해 비열식 이미징 렌즈(athermalized imaging lens)가 필요합니다. 비열화(athermalization)란 광기계 시스템이 극한의 온도 변화 또는 단순 온도 변화로부터 안정화되는 과정을 말하며, 이와 같은 과정을 경험한 광기계 시스템을 설명하기도 합니다. 온도가 소재의 팽창에 미치는 광열적 및 광기계적 영향과 굴절률에 대한 자세한 내용은 광학 기판의 열적 특성 편을 참고하십시오.

비열화 방식은 열화변형 보정 기능을 통해 두 가지로 나뉠 수 있습니다. 보정 기능이 없는 비열화는 극한 또는 단순 온도 변화를 견디도록 설계 및 제조된 렌즈에 적용되지만, 초점 재조절, 온도 조정 등 추가적인 개입이 필요할 수 있습니다. 보정 기능이 있는 비열화는 광기구적 측면에서 온도 보정 설계를 갖춘 렌즈에 적용되어, 사용자로 하여금 별도의 온도 조정이 필요하지 않습니다. 열화변형을 최소화하는 비열화 방식에 관한 기타 자세한 정보는 비열화를 통한 열화변형 최소화 편에서 확인할 수 있습니다.

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