이미징 렌즈는 이미징 시스템을 구성하는 복잡하고 민감한 광학 부품입니다. 렌즈를 선택해야 할 때 어떠한 결정을 내려야 하고 그리고 이러한 결정으로 인한 결과가 직접적으로 어떠한 절충안을 불러올지를 파악하기란 항상 쉽지만은 않습니다. 렌즈의 사양을 담은 시트는 제조사마다 다르기 때문에 비교 작업 자체가 어려운 임무일 수 있습니다. 종종 특정 용도에 필요한 렌즈의 유형을 결정하는 일이 매우 도전적일 수 있어도 렌즈의 사양을 비교하는 작업은 렌즈 선택만큼 복잡하지 않습니다. 가장 적절한 선택이 프라임 렌즈인가? 줌 렌즈는 어떠한가? 또는 텔레센트릭 렌즈는? 이번 단원에서는 다양한 렌즈 유형 간의 차이와 해당 어플리케이션에 필요한 렌즈를 선택하는 가장 적절한 방법에 관해 다룰 예정입니다.

단원 7.4.1: Variable Magnification Lens

Fixed Focal Length Lens

Focal Length 및 Field of View 이해하기에서 설명한 바와 같이 fixed focal length lens는 고정된 각도의 시야(AFOV)를 갖습니다. 이러한 렌즈는 여전히 서로 다른 작동 거리에서 초점을 맞출 수 있으며, 렌즈 요소들 사이에서 상대적 간격이 변하지 않은 채로 개별 렌즈 요소들을 움직이면서 초점을 맞추게 됩니다. Fixed focal length lens는 유연성과 성능이 뛰어나므로, 광범위한 머신 비전 어플리케이션에 사용할 수 있습니다. 또한 fixed focal length lens는 prime lens로도 알려져 있습니다(포토그래피 전문 용어).

그림 1은 서로 다른 두 개의 거리에서 초점이 맞춰진 75mm focal length fixed focal length lens를 보여줍니다. 각각의 렌즈 요소 간 거리가 변하지 않는 선에서 초점이 유지되는 반면, 이미지 면과 가장 마지막 렌즈 요소 사이의 거리는 크게 달라집니다. 상단의 렌즈는 optical infinity에서 초점이 맞춰지며, 하단의 렌즈는 200mm의 작동 거리에서 초점이 맞춰집니다.

렌즈 요소의 상대적 간격이 포커싱에 따라 달라지는 일부 렌즈에서는 “floating element focus”를 갖게 되지만, fixed focal length lens는 실제로 항상 그림 1에서와 같이 작용한다는 것을 반드시 유념해야 합니다. 이러한 간격의 변화는 시스템의 초점 거리에 변화를 부여하지만, 일반적으로 시스템을 다양하게 구분하기에는 충분하지 않습니다.

Zoom Lens

Fixed focal length lens는 고정된 각도 시야를 가지도록 설계되고 zoom lens는 초점 거리와 그에 따른 시야(FOV)를 변경하도록 설계됩니다. Zoom lens는 렌즈 사용 시 뛰어난 유연성은 필요로 하되 고해상도는 필요로 하지 않는 용도에 적합합니다. 다만 이미징 중에 시야를 적극적으로 변경할 필요가 없다면 zoom lens가 최상의 선택은 아닐 것입니다. 이와 같은 경우에는 stepper motor를 사용해야만 초점 거리를 신속 정확하게 변경할 수 있습니다.

Zoom lens는 특정 줌 비율을 갖도록 지정되며 줌 비율은 주어진 렌즈에서 가장 긴 초점 거리 옵션을 가장 짧은 옵션으로 나누면 구할 수 있습니다. 예를 들어 8mm와 48mm 초점 거리 사이에서 zoom lens의 비율이 달라진다면 이때는 6X zoom lens (48mm/8mm = 6X)를 가리킵니다. 이는 또한 비율로도 나타낼 수 있습니다. 앞서 언급한 렌즈의 경우 줌 비율은 6:1이 됩니다.

그림 2는 두 개의 서로 다른 초점 거리로 설정된 동일한 zoom lens를 보여줍니다. 단, 작동 거리가 변경되지 않았음에도 불구하고 이미지 평면과의 상대적인 간격과 거리가 모두 변경된다는 점을 유의해야 합니다. 렌즈의 초점 거리를 동시에 변경하고 초점을 유지하기 위해서는 정밀한 움직임이 필요함에 따라 기계적 구성이 복잡할수록 렌즈 시스템의 비용이 증가합니다. 또한 zoom lens는 복잡한 기계식 구성과 광학적 요소가 다중 작업을 하기 때문에 가격이 유사한 fixed focal length lens만큼 높은 해상도를 가질 수는 없습니다. Zoom lens는 하나의 초점 거리에서 최상의 성능을 얻고자 할 뿐만 아니라 광범위한 초점 거리에서 기능을 발휘해야 하기 때문에 전체적인 성능을 저하시킵니다.

그림 2: 다양한 광학 배율에서의 zoom lens

렌즈의 설계 방식에 따라 초점 거리가 변하면서 f/# 또한 바뀔 수 있는 등 zoom lens의 복잡한 움직임에 따른 직접적인 결과로 인해 다른 흥미로운 광학적 속성이 발생할 수 있습니다. 이러한 유형의 설계 방식은 일반적으로 사진용 렌즈나 비디오용 렌즈에 사용되지 않지만 머신 비전 렌즈에는 이러한 디자인이 종종 적용되기도 합니다. 또한 f/# (Lens Iris/Aperture Setting)의 경우 배율이 변하면서 작동 f/#도 여전히 변경됨에 따라 결과적으로 다양한 노출이 발생할 수 있음을 명심해야 합니다.

정의에 따르면 zoom lens는 시야가 변경될 시 초점을 그대로 유지하도록 합니다. 초점 거리가 바뀌면서 렌즈가 초점을 벗어날 경우에는 zoom lens가 아닌 varifocal lens를 사용해야 정확성이 더 높아집니다.

Macro Lens

Macro lens는 배율이 대략 1X (센서의 크기는 피사체와 동일) 이상이면서 작동 거리는 상대적으로 작을 때 fixed focal length lens의 일부로 간주할 수 있습니다. Macro lens는 배율이 높기 때문에 배럴에 명시된 계수보다 두 배가 큰 계수를 f/#으로 실행하는 경향이 있습니다(작동 f/#에 관한 더 자세한 정보는 f/# (렌즈의 Iris/Aperture 설정 )참조). 흔히 스페이서를 사용하거나 이미지를 거꾸로 반전시키는 방식으로 전형적인 fixed focal length lens를 macro lens로 변환할 수 있습니다. Macro lens의 구성 및 이미징 결과는 그림 3에 나와 있습니다.

 

그림 3: 50mm fixed focal length lens를 대략 70mm extension length와 결합하면 33mm 작동 거리에서 1.25X 배율이 산출됨.

단원 7.4.2: Fixed Magnification Lens

Telecentric Lens

Telecentric lens는 시스템의 정밀 측정이 필요할 때마다 사용해야 하는 광학 부품입니다. 이러한 렌즈는 고도의 전문화된 고정 배율 렌즈로서 강력하면서도 다양한 광학적 성능을 갖추고 있습니다. Telecentric lens의 작동 원리와 이점은 Telecentricity의 이점에서 자세하게 다룹니다.

Telecentric lens를 선택할 때 항상 어려움이 따르는 것은 아니지만 fixed focal length lens보다 선택하기 더 어렵다고 흔히들 생각합니다. Telecentric lens와 fixed magnification lens 선택에 관한 자세한 내용은 Fixed Magnification Lens 선택 방법 편을 참조하기 바랍니다.

Microscope Objective

현미경 대물렌즈는 크기가 아주 작은 피사체를 이미징할 때 사용되며 일반적으로 1X보다 큰 배율을 가지고 있습니다. 대물렌즈는 단일 작동 거리에서만 제대로 작동하는 고정 배율 광학 부품으로서 대개 다른 이미징 렌즈에 비해 크기가 다소 작습니다. 현미경 대물렌즈는 고배율 이미지가 요구되고 최소 작동 거리를 엄격하게 제한하지 않는 용도에 사용하기 적합합니다.

대물렌즈는 사용 목적에 맞는 최상의 정보를 사용자에게 제공하기 위해 대물렌즈의 광학적 속성을 설명해주는 다양한 데이터가 배럴에 기록되어 있습니다. 그림 4는 0mm 두께의 커버글래스와 200mm focal length tube lens 용으로 설계되고 포커싱할 때 필요한 20X optical magnification infinity corrected (infinite conjugate) microscope objective의 이미지를 보여줍니다. 이 대물렌즈의 NA는 0.42입니다(Numerical aperture에 관한 더 자세한 정보는 f/# (렌즈의 Iris/Aperture 설정 )참조). 현미경 대물렌즈에 관한 기타 자세한 정보는 Infinity Corrected Objectives 사용하기 편을 참조하기 바랍니다.

그림 4: 각각의 현미경 대물렌즈 옆면에는 고유의 데이터가 인쇄되어 있어 대물렌즈의 타입과 광학적 속성을 확인할 수 있음.

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