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Imaging Lens의 Ruggedization

Imaging Lens의 Ruggedization

이 페이지는 Imaging Resource Guide단원7.2입니다.

Imaging lens는 표준 이미징 렌즈의 성능을 능가하는 특별 요건이 필요한 다수의 산업용 머신 비전 어플리케이션에 이용됩니다. 공장 자동화, 로봇 공학 및 산업 검수에서 이용하는 렌즈의 경우 까다로움이 요구되는 특수한 환경(진동, 충격, 온도 변화, 오염물)에서도 작동할 수 있는 능력을 반드시 갖추어야 합니다. 이러한 환경적 요건으로 인해 다양한 상황에서 사용이 가능하도록 여러 유형을 비롯해 새로운 등급의 견고한 렌즈들을 특별 설계 중에 있습니다. 현재 공급 중인 3가지 유형의 강건 설계 타입:

  1. Industrial Ruggedization (산업 등급의 강건 설계)
  2. Ingress Protection Ruggedization (Ingress Protection 등급의 강건 설계)
  3. Stability Ruggedization (안정성 등급의 강건 설계)

Industrial Ruggedization

Industrial Ruggedized lens는 진동과 충격에 의해서 렌즈에 손상이 가해지지 않고 초점과 f/#에 변화가 발생하지 않도록 설계된 렌즈입니다. 이러한 성능을 발휘하기 위해서는 고정이 더욱 쉽게 움직임이 있는 부품들을 제거해야 하지만, 대신 유연성은 포기해야만 합니다.

Standard fixed focal length lens에는 복잡한 메커니즘의 iris와 focus가 적용됩니다. 일반적으로 iris는 f/#을 조절하기 위해 여러 장의 얇은 날(leaf)과 둥근 멈춤쇠(ball detent)로 이루어진 구조로서, 충격이나 진동에 의해 제자리에서 빠져버릴 수가 있습니다. 산업용 강건 설계의 경우에는 iris를 제거하고 fixed aperture stop이 교체 적용됩니다. 게다가, 다른 threaded barrel 내에 있는 threaded barrel의 일반 포커싱 메커니즘은 single thread와 rigid locking 메커니즘으로 교체됩니다.

Standard Lens with complex mechanics and an adjustable
iris vs. Industrial Ruggedized Lens with simplified mechanics.
그림 1: 조절형 iris가 있는 복잡한 메커니즘의 Standard Lens vs. 단순한 메커니즘의 Industrial Ruggedized Lens.

Industrial Ruggedization은 일단 셋업이 완료되면 차후에 변경할 일이 없는 어플리케이션에 이상적입니다. 또한, 복잡한 움직임과 조절 기능이 제거되면서 이러한 유형의 렌즈는 비용면에서 추가적인 이점을 갖게 되어, 부품 수가 눈에 띄게 줄고 상당한 비용 절감이 가능해집니다. 진동이 많이 발생하는 공장 환경에서처럼 Industrial Ruggedization을 적용하는 다양한 어플리케이션이 있으며, 카메라를 급격히 가속/감속해야 하는 작업장, 여러 대의 유사한 카메라를 반복적으로 셋업해야 하는 검수 시스템, 그리고 robotic vision에도 활용됩니다.

Ingress Protection Ruggedization

Ingress Protection Ruggedization은 O-ring과 RTV 실리콘을 이용해 렌즈 자체를 밀봉시켜 습기나 이물질이 들어오는 것을 완전히 차단해줍니다. 조절형 focus나 iris는 밀봉 시에 문제를 일으킬 수 있으므로, 이러한 protection 처리는 주로 Industrial Ruggedized lens에 적용됩니다. Ingress Protection으로 강건 설계된 렌즈는 습기가 많고, 작은 입자가 튀거나, 먼지가 많은 환경, 그리고 렌즈와 카메라를 완전히 차폐하기 위한 공간이 마땅치 않은 곳에 적합합니다.

Ingress Protection Ruggedized Lens with an O-ring to seal
out contaminants.
그림 2: O-ring으로 이물질을 완전 차단하는 Ingress Protection Ruggedized Lens

Stability Ruggedization

Industrial Ruggedized lens와 유사한 Stability Ruggedization은 렌즈의 손상을 방지할 뿐만 아니라, 충격이나 진동을 겪을 후에도 optical pointing과 positioning이 원위치에 있도록 보장해줍니다. Iris를 원위치로 돌려놓는 것 외에도 간소화된 메커니즘과 개별 렌즈 요소는 제자리에 고정되어 있어 하우징 내에서의 움직임이 예방됩니다. 그림 3에서는 Stability Ruggedized lens 내에서 각각의 위치에 고정되어 있는 렌즈 요소들과 포커싱을 단순화해주는 clamping lock이 보여집니다.

Stability Ruggedized Lens with all lens elements glued
in place.
그림 3: 전체 렌즈 요소들이 제자리에 고정되어 있는 Stability Ruggedized Lens

이미징 어셈블리에서 렌즈 요소들은 배럴의 안쪽 구멍에 위치합니다. 렌즈의 외부 지름과 배럴의 내부 지름 사이에는 작은 간격이 존재합니다(주로 50 microns 미만). 이러한 최소 간격이 존재함에도 불구하고, 수십 micron이 중심을 벗어나는 것만으로도 렌즈의 pointing에 영향을 줄 수 있습니다. Stability Ruggedized lens를 사용할 때, 피사체의 point가 시야의 중심에 위치하고 정확히 중심 픽셀을 향한다면, 렌즈에 심한 진동이 가해져도 항상 그 위치를 향하게 됩니다(단원 4). Stability Ruggedization은 계측 장비, 3D 스테레오, 로봇 탐지용 렌즈, 피사체의 위치 추적 렌즈에서처럼 시야의 calibration이 필요한 어플리케이션에 매우 중요한 역할을 제공합니다. 이들 어플리케이션은 단일 픽셀보다 작은 값의 optical pointing stability가 종종 필요합니다.

Unperturbed system where object crosshair is mapped to
the image crosshair.
그림 4a: Object crosshair가 image crosshair 위로 매핑(mapping)된 안정된 모습의 시스템.
Perturbed system where lenses are decentered within
the barrel and the optical pointing stability changes. Object crosshair is
mapped to a different place on the image.
그림 4b: 배럴 내에서 렌즈가 중심을 벗어나고 optical pointing stability가 변해버린 불안정한 모습의 시스템. 이미지의 다른 곳에 매핑이 되어있는 object crosshair.
Image crosshairs overlayed, red crosshair is image from
Figure 4a and the decentered yellow crosshair is from Figure 4b.
Example is highly exaggerated actual changes tend to be on the order
of a pixel or less.
그림 4c: 오버레이된 image crosshair의 모습, red crosshair는 그림 4a로부터의 이미지, 그리고 중심을 벗어난 yellow crosshair는 그림 4b로부터의 이미지. 위의 예시는 실제 변화보다 더 과장되게 표현한 것으로서 대개는 약 1 픽셀 이하임.

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