C-Mount Focus Tunable Lens 사용하기

소개

Optotune Electrically Focus-Tunable Lenses는 품질 제어, 분류, 바코드 인식 등을 포함한 다양한 종류의 머신 비전 용도에서 빠른 포커싱과 유연한 솔루션을 제공합니다. 피사체에 대한 기계적 조절이 반드시 필요한 일반적인 광학 부품의 setup과 다르게, Optotune의 electrically Focus-Tunable Lens는 초점을 다시 맞추는데 milliseconds밖에 걸리지 않으며 기계적 이동이 요구되지 않습니다. 게다가 focusing 용도에서는 highly flexible lighting parameter를 제공함으로써 광원의 수와 adaptive illumination의 전반적인 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

표준 electrically focus-tunable lens (EL-10-30)의 C-mount 버전인 Optotune C-Mount Focus-Tunable Lens (EL-10-30-C)는 표준 산업용 카메라와 호환이 가능합니다. Focal range를 추가적으로 조절하기 위해서는 C-mount focus-tunable lens에 offset lens가 결합되어야 합니다. Positive power offset lens와 결합되면, tunable lens는 short focal length에 도달할 수 있으며 표준 산업용 카메라와 바로 연결하여 사용이 가능합니다. Negative power offset lens와 결합하면, 결합된 렌즈는 무한대로 초점이 맞춰지며, fixed focal lenght lens의 close-up lens로써 기존의 광학 부품 앞에 EL-10-30-C가 위치할 수 있습니다. 제품 사양별 다양한 렌즈 구성에 대한 설명은 이 application note에서 상세히 다룹니다.

Offset Lens

EL-10-30-C의 protective glass는 12mm 또는 12.7mm diameter offset lens로 교체할 수 있습니다. 이것은 focal range를 원하는 값으로 shift할 수 있게 해줍니다. 예를 들어, VIS coated Optotune C-Mount Focus-Tunable Lens (#88-937)의 기본 focal range는 +200 ~ +80mm 입니다. focal length가 -150mm인 offset lens (#86-905)와 결합함으로써, focal range는 -600mm부터 무한대까지 그리고 무한대부터 +170mm까지 확장이 가능합니다($ \frac{1}{f_{\text{Result}}} = \frac{1}{f_{\text{EL-10-30}}} + \frac{1}{f_{\text{Offset}}} $). 참고: 허용되는 offset lens의 최대 두께는 4.7mm입니다.

Doublet Configuration: Camera Lens​를 위한 EL-10-30-C​

그림 1: EL-10-30-C의 Doublet Configuration

*½" format에서 수평 전체의 FOV

Plano-convex offset lens의 결합은 doublet system을 생성하며, 표준 산업용 카메라와 바로 결합이 가능합니다. 또한, 최대 ½" 센서 사이즈에 맞는 16mm의 짧은 focal length를 생성할 수 있게 됩니다. 그림 1과 표 1은 EL-10-30-C와 카메라 센서 사이의 거리에 맞게 추천되는 offset lens를 사용하여 setup한 것을 보여줍니다. Tunable lens에 적용되는 전류로 바꿈으로써, 100mm에서 무한대까지의 다양한 working distance에서 refocusing이 가능합니다. 그림 2는 EL-10-30-C와 30mm focal length plano-convex offset lens( f/#=5, ½" sensor size의 C-mount camera)를 사용하여 서로 다른 working distance에서 찍힌 이미지들을 보여줍니다.

그림 2: 30mm FL PCX Lens와 통합된 EL-10-30-C

Close-Up Configuration: Fixed Focal Length Lens와 결합한 EL-10-30-C

결합된 plano-concave offset lens와 함께 EL-10-30-C는 fixed focal length lens를 위한 close-up lens로도 사용됩니다. 이 조합은 전기적으로 제어되는 focusing unit이 되어 높은 광학적 품질을 제공합니다. Fixed focal length lens 하나로 다른 working distance를 수용하기 위해서는 반드시 refocusing이 필요합니다. 결합된 setup에서 모든 부품들은 고정된 자리에 위치하며; 다른 working distance에 따른 초점을 맞추기 위해서는 tunable lens의 곡률만 달라지게 됩니다.

그림 3: 결합된 Setup에 대한 도표

그림 4: 재고 번호가 적혀있는 결합된 Setup

결합된 setup의 한가지 예로 그림 3과 4가 있습니다. -150mm focal length plano-concave offset lens (#86-905)는 tunable lens를 향하는 plano side와 함께 사용됩니다.

그림 5: 일반적인 setup 및 결합된 setup의 광학적 품질 비교

그림 5에 있는 이미지는 결합된 setup이 fixed focal length lens만 사용하였을 때와 같은 품질 수준에 도달할 수 있다는 것을 보여줍니다. 이 배치는 14.5° ( ½" sensor size의 경우) FOV를 가지며 f/4에서 작동합니다.

Vignetting을 막기 위해서, stop position과 렌즈 앞단 사이의 거리가 짧은 fixed focal length lens를 사용하는 것을 추천합니다. 또한, Vignetting은 short focal length를 가지고 FOV가 20° (½" sensor size의 경우) 이상인 표준 wide field lens 사용 시 주의해야 합니다. 6.2°부터 14.5°( ½" sensor size의 경우)까지 다른 FOV를 가지는 추천 fixed focal length lens 제품들이 표 2에 정리되어 있습니다.

*½" format에서 수평 전체의 FOV

방향과 Focal Length 범위에 따른 Wavefront Quality

원칙적으로, Optotune의 focus tunable lens는 구면 렌즈 형태를 보입니다(이론상의 파라미터는 Product 페이지에 있는 ZEMAX package에서 찾을 수 있습니다). 렌즈의 표면 막은 탄력이 있기 때문에, 렌즈의 형태는 중력의 영향을 받습니다. 수직 optical axis 방향 렌즈의 경우, EL-10-30-C series의 RMS wavefront error는 대략 0.1λ (525nm에서 측정) 정도 됩니다. 수평 optical axis에서 렌즈의 배열은, Y-coma term이 추가되어야 합니다; 그러므로, 높은 이미지 품질을 위해서는 EL-10-30-C를 수직으로 위치한 optical axis와 함께 사용하는 것을 추천합니다.

그림 6: Electrically Focus-Tunable Lens의 wavefront 측정 (532nm, 80% Clear Aperture에서)

뿐만 아니라, 그림 6에서 볼 수 있듯이, 렌즈는 긴 focal length에 맞게 덜 굽었을 때 작은 wavefront error를 보입니다. 작은 전류 값에 따라 긴 focal range에서 작동할 수 있는 tunable lens처럼 fixed focal length lens의 위치에 설치하는 것을 추천합니다.

반응 시간

전류 계단의 상승시간은 약 2.5ms입니다. 그러나 완전히 렌즈가 장착되기까지 약 15ms의 시간이 걸립니다.

Electrically Focus-Tunable Lens 제어

EL-10-30-C의 focal length는 입력 전류(0 – 300mA)의 변화에 따라 제어됩니다. 간단한 focusing 용도에서는, 탐색표(look-up table)를 활용해 calibration만 충분히 해주어도 반복 정밀도가 좋아집니다. 렌즈에 가해지는 열이 중요한 경우, 더욱 정밀한 탐색 값을 계산해내기 위해 온도 감지 작업을 권장합니다. 각각의 렌즈는 256바이트의 메모리가 내장된 온도 센서를 가지고 있습니다.