렌즈가 극한의 환경을 견뎌야 자동화 기술이 발전합니다

자동화 시스템은 적용되는 산업 범위가 점차 확장되어 현대 생활에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 자동화가 농기계, 제조/가공 작업자가 사용하는 로봇, 드론에 적용되면서 머신 비전 시스템이 기존의 통제된 환경뿐만 아니라 신규 어플리케이션에도 구축되고 있습니다. 이때 충격, 진동, 물, 습도, 오염 물질, 온도 변화 등 노출 조건이 열악한 경우가 많습니다. 머신 비전 렌즈는 이미 고객이 기대하는 것보다 더 견고하지만 새로운 어플리케이션일 경우 2차 강건설계가 필요할 수 있습니다. 까다로운 조건을 통과할 수 있는 차세대 머신 비전 렌즈가 등장하면서 자동화 시스템은 고성능을 자랑하는 동시에 모든 환경을 극복할 수 있게 됐습니다.

왜 추가적으로 강건설계를 적용해야 할까요?

기존의 머신 비전 렌즈는 이미 공장 환경으로 인한 마모를 견딜 수 있게 설계되었습니다. 그래서 오랜 시간 동안 사용해도 고장이 나지 않습니다. 하지만 설계 당시 렌즈를 기계에 장착하거나, 트럭에 싣거나, 공장 바닥에 떨어뜨리거나, 그 외 충격, 진동, 오염 물질 등에 노출된 상태로 사용하는 경우를 고려한 것은 아닙니다. 다른 환경과 달리 공장 환경은 열악하더라도 보통 제어가 가능합니다.

기존의 머신 비전 렌즈는 다중 리프 조리개로 구경을 조절하고 이중 스레드 포커스 메커니즘을 통해 렌즈를 자유자재로 움직여 각각의 어플리케이션에 맞게 사용합니다(그림 1). 그러나 이렇듯 고정되어 있지 않은 부품이 충격이나 진동 때문에 본래 위치에서 벗어나면 픽셀 이동이나 해상도 저하가 예기치 않게 발생할 수 있습니다. 렌즈 어셈블리에 물이나 다른 오염 물질이 들어가면 렌즈를 사용할 수 없거나 렌즈 후면에 있는 카메라 센서가 손상될 수 있습니다. 온도 변화는 글래스 렌즈와 금속 하우징의 팽창 혹은 수축으로 이어지고 그 결과 포커스 위치가 달라지면 시스템의 포커스를 재조정해야 할 수도 있습니다. 자동화 기술의 발전으로 머신 비전 시스템을 더 극한의 환경에서 사용할 수 있게 됐지만 이때 렌즈의 성능이 저하되거나 렌즈를 아예 사용할 수 없게 된다는 점이 문제입니다. 자동화 농기계가 이러한 경우에 해당하는데 울퉁불퉁한 지형을 지날 때 발생하는 충격이나 진동, 공기 중의 물기나 습기, 날씨로 인한 온도 변화 등에 노출됩니다.

그림 1: 기존의 머신 비전 렌즈가 열악한 환경에서 발생하는 충격이나 진동에 노출돼 고정되어 있지 않은 부품이 본래 위치에서 벗어나면 렌즈의 성능이 저하될 수 있습니다. 오염 물질이 포커스 메커니즘 주변의 어셈블리에 예기치 않게 들어갈 수도 있습니다.

산업 등급의 강건설계로 렌즈의 복잡성을 최소화했습니다

가끔은 단순함이 최고의 솔루션입니다. 산업 등급의 강건설계는 렌즈 메커니즘을 단순화 및 간소화하여 더 가볍고 컴팩트하게 구현한 설계입니다. 설정 후 자동 수행(set-and-forget)이 필요한 기기나 OEM 어플리케이션과 통합하는 데 적합합니다. 그리고 충격이나 진동이 발생했을 때 포커스와 f/#가 유지되며 고정되어 있지 않은 부품의 수가 줄었습니다. 결과적으로 산업 등급의 강건설계 렌즈는 기존 렌즈보다 가격이 합리적입니다. 조절식 다중 리프 조리개 대신 고정식 구경 조리개를 사용했습니다. 부피가 큰 이중 스레드 포커스 메커니즘 대신 단일 스레드 포커스 메커니즘이 적용됐습니다. 산업 등급의 강건설계 렌즈가 기존 렌즈보다 가격이 합리적이고 충격과 진동에 강하긴 하지만 렌즈 파라미터는 자유자재로 조절하기 어렵습니다.

그림 2: 산업 등급의 강건설계는 렌즈 메커니즘을 단순화하고 충격이나 진동으로부터 포커스와 f/#이 유지되게 하며 산업 어플리케이션에서 '설정 후 자동 수행'이 필요한 이미징 렌즈에 적합합니다.

안정성 등급의 강건설계를 통해 충격과 진동으로부터 렌즈를 최대한 보호합니다

안정성 등급의 강건설계는 산업 등급의 강건설계를 토대로 구현했으며 충격과 진동으로부터 렌즈를 보호할 수 있게 보호 기능을 강화했습니다. 광학적 포인팅 안정성을 유지하기 위해 어셈블리 내 모든 글래스 요소를 고정 처리했습니다. 기존 렌즈의 경우 충격이나 진동이 발생하면 내부 렌즈 요소에서 디센터 현상이 나타나 이미지가 다른 픽셀로 이동할 수 있습니다(그림 3). 모든 요소를 고정 처리하면 이러한 픽셀 이동을 방지하고 극한의 환경에서도 성능을 유지할 수 있습니다.

STANDARD C SERIES IMAGING LENS

RUGGEDIZED Cr SERIES LENS

그림 3: 충격이나 진동 때문에 기존 렌즈에서 발생하는 픽셀 이동(좌)과 안정성 등급의 강건설계 렌즈에서 확인할 수 있는 향상된 포인팅 안정성(우)을 비교했습니다.

방수방진 등급의 강건설계로 방수 어셈블리를 구현했습니다

방수방진 등급의 강건설계는 렌즈에 씰링 처리를 하므로 물이나 고체 입자가 하우징에 들어가지 않게 해줍니다. 기존 렌즈의 경우 고정되어 있지 않은 부품으로 인해 씰링이 손상될 수 있어 산업 등급의 강건설계를 이미 적용한 렌즈에 O링으로 씰링 처리를 했습니다. 에드몬드옵틱스표 방수방진 등급의 강건설계 렌즈는 방수 제품으로 IEC(International Electrotechnical Commission) 방수방진 규정 중 IPX7 및 IPX9K 등급을 준수합니다. 이 렌즈를 (필요에 따라) 방수 카메라 및 조명과 사용하면 전체 이미징 시스템을 보호할 수 있습니다.

그림 4: 자동화 기기를 실외에서 사용하다 보면 물이 닿는 경우가 있는데 방수방진 등급의 강건설계는 머신 비전 시스템에 씰링 처리를 하므로 오염 물질이 어셈블리에 들어갈 수 없습니다.

비열식 강건설계로 높은 온도에서도 변하지 않고 견뎌 냅니다

글래스 렌즈 요소와 금속 하우징이 열에 의한 팽창과 수축을 반복하면 머신 비전 렌즈에서 초점 이동이 발생합니다. 이러한 문제로 인해 항공우주 분야 어플리케이션이나 온도 변화에 계속해서 노출되는 머신 비전 시스템에서 특히 취약합니다. 렌즈 어셈블리를 비열화하는 방식은 두 가지로 기구적 능동 비열화와 광학적 수동 비열화가 있습니다. 기구적 능동 비열화는 피드백 루프와 모터를 사용하여 하우징 내 렌즈 요소의 위치를 물리적으로 조정하여 열로 인한 초점 이동을 보정합니다. 반면에 광학적 수동 비열화는 정교한 설계와 적절한 소재 선택이 수반되어야 하고 이때 렌즈 요소를 조정하지 않아도 온도 변화 내내 렌즈 성능이 일정 수준을 유지합니다. 광학적 수동 비열화 렌즈는 여러 단계를 거쳐 설계되었으며 열 변화로 인한 영향을 최소화했습니다. 에드몬드옵틱스의 비열식 강건설계 렌즈는 희귀하거나 고가의 글래스를 사용하지 않았고 광학적 수동 비열화가 적용될 수 있는 온도는 -10°C - 50°C입니다(그림 5). 시스템 비용이나 복잡성이 불필요하게 증가하지 않았음에도 불구하고 일정 수준 이상의 온도 범위를 유지하고 있습니다.

그림 5: 위의 클립은 온도 변화로 인해 기존 렌즈에서 발생한 초점 이동을 보여주며, 아래의 클립은 온도 변화 과정에서 광학적 수동 비열화 렌즈가 해상도 사양을 얼마나 잘 유지하는지 보여줍니다.