열화변형이 이미징 성능에 미치는 부정적 영향 최소화하기

물질은 온도가 상승할수록 팽창하고 온도가 감소할수록 수축합니다. 물질의 크기가 변경되는 정도는 열팽창 계수(CTE)와 재질의 등방성 또는 이방성 여부와 관련이 있습니다. 투명한 물질의 굴절률 역시 온도에 따라 달라집니다. 이러한 열적 현상은 급격한 온도 변화가 발생하는 환경에서 동적 온도 조정을 필요로 하는 견고한 머신 비전 시스템 제조업체 및 관련 이미징 시스템 종사자들이 해결해야 할 도전 과제일 수 있습니다. 물질은 팽창 및 수축 속도가 서로 다르기 때문에 금속과 유리를 둘 다 사용하는 시스템은 훨씬 더 많은 과제를 안고 있습니다. 금속 및 플라스틱 등의 소재는 CTE 값이 광학 시스템 내에 사용되는 광학 유리 소재의 CTE 값보다 10 - 100배 가량 높습니다.

그림 1: 물질의 길이는 물질별 특정 CTE를 기반으로 온도에 따라 달라짐.

CTE의 차이는 부품의 크기가 작거나 작동 시 온도 변화가 적으면 크게 중요하지 않을 수 있습니다. 총 간극의 10-15 micron으로 근접 피팅을 한 렌즈 배럴에 직경이 25mm보다 큰 광학 소자를 갖춘 시스템은 저온에서 옵틱을 상당히 수축시킬 수 있습니다. 렌즈 배럴의 직경을 축소하면 내부에 위치한 렌즈 소자에 충분한 응력이 가해지면서 소자에 균열이 가거나 가장자리에 칩과 같은 조각이 생성될 수 있습니다. 반대로 온도가 상승하면, 보어 갭의 크기가 증가하고 단일 렌즈 혹은 결합된 렌즈의 roll & decenter 현상이 악화될 수 있습니다(그림 2).

그림 2: A. 단일 소자의 roll 움직임. B. 결합된 소자의 roll 움직임. C. 단일 소자의 decenter 움직임. D. 결합된 소자의 decenter 움직임. 이와 같은 오류는 글래스 렌즈의 열팽창 및 이미징 렌즈 내의 금속으로 인한 광기계적 역학에 의해 발생할 수 있음.

굴절률

물질의 굴절률은 빛이 물질의 매질을 통과할 때 빛의 속도와 진공 상태에서 빛의 속도의 비율입니다. 굴절률의 온도 계수는 이 비율이 온도에 따라 얼마나 변하는지와 관련이 있습니다. 온도 계수에 관한 보다 자세한 사항은 광학 기판의 열적 속성 편을 참고하기 바랍니다.

열화 현상간 결합으로 인한 영향

열화 현상으로 인한 디포커스(Thermal defocus)는 렌즈 시스템의 작동 온도 범위에 걸쳐 굴절률의 변화 및 소재의 크기 변화와 직접적인 관련이 있습니다. 예를 들어, 렌즈 배럴에 열이 가해지면 렌즈 요소의 정점간 간격이 확장 및 분리되면서 앞서 설명한 바와 같이 decenter 혹은 roll 현상이 일어날 수 있습니다. 이 경우 글래스 소재의 굴절률이 바뀌고 모든 열화 반응이 서로 결합하면서 결국 온도 변화에 따라 렌즈 시스템의 초점 위치에도 영향을 미치게 됩니다(그림 3).

그림 3: 온도 변화로 렌즈의 굴절률 및 위치가 변하면서, 렌즈의 초점 거리 또한 변하게 됨.

비열화(Athermalization)의 유형

온도 변화에 따른 초점 거리 변화를 최소화하기 위한 비열화 기능은 온도 보정 설계 여부로 달성할 수 있습니다. 이러한 용어는 최종 사용자와 해당 환경에서 구성 요소를 사용하는 데 필요한 작업량을 나타냅니다.

온도 보정 기능이 없는 비열화(athermalization)는 렌즈 시스템의 설계상 초점 거리를 유지하기 위해 렌즈 시스템의 초점을 "적극적으로” 보정하거나 가열 또는 냉각 기능을 제공하는 서포트 하드웨어를 추가적으로 사용해야 합니다. 이 두 가지 예 모두 시스템의 원하는 초점 위치 또는 온도 설정점에서 광학 부품의 광열 안정화를 위해 활성 시스템에 대한 피드백 제어 기능이 필요합니다.

온도 보정 기능이 있는 비열화(athermalization)는 희귀 광물질을 사용하고 작동 온도 범위가 넓은 응용 환경에서 보다 강력한 성능을 제공하는 반면, 이러한 유형의 비열화(athermalization)는 부피가 크고 구현 비용이 더 많이 들 수 있습니다.

이와 같은 비열화는 굴절률과 치수의 변화를 함께 보정할 수 있도록 물질의 CTE 차이를 이용해 보정 기능을 광학적 시스템 설계 내에 구축하는 방식으로 이루어집니다. 또한, 다양한 물질을 결합함으로써 사용자의 추가적인 개입이나 광기계적 지원 없이도 온도 변화에 따라 초점 거리를 고정할 수 있습니다. 이 경우 기술적 구성 요소가 적기 때문에 온도 보정이 불필요한 비열화 방식을 통해 일반적으로 공간이 제한된 응용 분야에 더 적합한 제품을 생산할 수 있습니다. 안타깝게도 모든 광학 설계에 온도 보정 기능이 있는 비열화 방식을 적용할 수 있는 것은 아니며, 때로는 설계량 내에서도 필수 온도 보정 기능을 달성할 수 없는 경우가 더러 있습니다.

이미징 렌즈 및 성능

Athermal imaging lens는 위에 언급된 두 가지 방식 중 하나로 제조될 수 있습니다. 하지만 Edmund Optics®와 Ruda Cardinal에서 설계하고 Edmund Optics에서 제조한 TECHSPEC® Athermal Imaging Lenses는 온도 보정이 있는 비열화 디자인이 적용되었을 뿐만 아니라 충격과 진동으로부터 렌즈 손상을 방지할 수 있도록 산업 등급의 강건설계 또한 특징으로 합니다(그림 4).

그림 4: 150mm focal length, f/4 TECHSPEC Athermal Imaging Lens의 MTF 성능으로서 -10◦C ~ +50◦C에서 거의 동일함을 알 수 있음.

아래에 있는 그림 5는 60◦C의 작동 온도 범위에서 MTF를 유지하도록 설계된 렌즈를 예로 보여주는 것으로서 이러한 렌즈는 다양한 어플리케이션에 사용하기 적합합니다.

그림 5: -10◦C ~ +50◦C의 온도 범위에서 150mm focal length, f/4 TECHSPEC Athermal Imaging Lens의 MTF vs. 이미지 높이(필드 위치).