텔레센트릭 렌즈 알아보기

[광학 기술 백서 #18]텔레센트릭 렌즈 알아보기

 

현재 머신 비전에서 렌즈의 배율이 점점 커지고, 렌즈를 통해 분석해야 할 이미지가 복잡해짐에 따라 렌즈의 성능도 나날이 발전하고 있습니다. 이런 와중에 Telecentric 렌즈라는 것이 나오게 되었는데, 도대체 Telecentric 렌즈가 무엇이고 어떤 원리로 만들어지게 되었는지 정확히 이해하기는 쉽지 않습니다.
이런 이유로 오늘은 Telecentric 렌즈의 원리와 그 기능에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

바늘 구멍 카메라

 

초기의 카메라는 과학자에 의해서가 아니라 그림을 그리는 화가들에 의해서 만들어졌습니다. 좀더 사실적인 그림을 그리길 원했던 당시의 화가들은 작은 상자에 구멍을 뚫어 이 구멍을 통해 들어오는 풍경을 그대로 붓으로 옮겨 그렸습니다. 이렇게 탄생하게 된 것이 바로 바늘 구멍 카메라입니다.

 

   이러한 바늘 구멍 카메라에서는 빛이 조그마한 구멍을 통해 들어오게 되는데 위의 그림과 같이 카메라 뒤쪽에 맺히는 상의 크기가 거리에 따라 달라지게 됩니다.

 

 

렌즈와 원근감

 

바늘 구멍 카메라에서 생기는 이러한 원근감은 현재의 카메라에서도 계속 발생하게 됩니다. 하지만 예전의 조그만 바늘 구멍 대신 빛을 모아주는 렌즈를 카메라에 사용하게 됨에 따라 예전과 달리 거리에 따른 상의 크기를 조절할 수 있게 되었습니다.

 

 

위 그림은 렌즈의 종류에 따라 상이 어떻게 보여지는지를 보여주는 예입니다. 두 그림을 비교해 보면 오른쪽의 그림이 왼쪽의 그림보다 원근감이 적게 보이는 것을 느끼실 수 있을 것입니다. 왜 똑같은 체스판을 촬영했는데 이렇게 차이가 나는 것일까요? 

 

 

 

초점 거리와 원근감

 

그 비밀은 바로 렌즈마다 가지고 있는 초점 거리에 있습니다. 초점 거리란 평행한 빛이 렌즈를 통과하며 모이는 점을 의미하는데 이 초점 거리가 길수록 원근감이 사라지게 됩니다.

 

이것을 설명하기 위해 다시 한번 바늘구멍 카메라를 보기로 하겠습니다.

 

 

위의 그림에서 보시는 바와 같이 카메라와 물체 사이의 거리가 길수록 물체간의 거리 차이에 따른 상의 크기 차이가 적게 나게 됩니다. 렌즈의 초점 거리는 바로 바늘 구멍 카메라에서 카메라와 물체 사이의 거리라고 할 수 있습니다. 그러므로 초점 거리가 길수록, 즉 카메라와 물체 사이의 거리가 멀수록 카메라에 맺히는 상의 거리에 따른 크기 차이가 줄어들게 됩니다.

 

Telecentric 렌즈

 

 

그러면 상의 크기가 거리에 관계없이 일정하게 하려면 어떻게 해야 할까요?

앞의 설명대로라면 카메라와 물체와의 거리를 무한대로 멀리 놓으면 거리에 따른 상의 크기 변화를 볼 수 없게 됩니다. 하지만 실제로 카메라를 사용할 때 무한대의 물체를 촬영하는 경우는 거의 없습니다. 결국 이를 해결하기 위해 사람들은 한가지 트릭을 사용하였습니다. 물체를 무한대로 놓을 수 없다면, 렌즈의 초점 거리를 무한대로 만드는 것입니다. 이렇게 되면 이론상으로 거리에 따른 물체의 크기 차이가 없어지게 됩니다.

 

바로 이런 원리로 만들어지게 된 것이 Telecentric 렌즈입니다. 

 

 

 

 

 

위의 사진은 지난 2007년 12월 일본 요코하마에서 개최한 일본 화상기기전에 출시된 Telecentric 렌즈를 촬영한 것입니다. 사진에서 볼 수 있듯이 경사를 가진 물체를 Telecentric 렌즈를 사용하여 촬영하면 오른쪽과 같은 이미지를 얻을 수 있습니다. 이처럼 Telecentric 렌즈는 원근감을 없애 거리에 상관없이 동일한 물체 크기를 볼 수 있게 합니다. 

 

Telecentric 렌즈의 용도

 

 

 

그러면 이러한 Telecentric 렌즈를 왜 사용하는 것일까요? 일반적으로 Telecentric 렌즈는 풍경사진이나 인물 사진과 같이 평범한 용도에서는 별로 필요가 없습니다. 오히려 원근감을 표현하지 못하니 예술적인 표현을 위해서는 사용하지 않는 것이 좋을 겁니다. 하지만 물체의 정확한 Dimension을 측정해야 하는 산업용 카메라에서 거리에 따라 상의 크기가 달라지는 렌즈는 큰 오차 요인이 됩니다. Telecentric 렌즈는 바로 이와 같이 산업용 카메라의 계측용 렌즈로 사용됩니다. 

 

 

 

 

 

Telecentric 렌즈의 종류

 

Telecentric 렌즈는 하나의 렌즈만을 Telecentric 렌즈로 사용한 Telecentric 렌즈와 양면을 모두 Telecentric 렌즈로 사용한 Bitelecentric 렌즈로 나뉘어집니다.

이 두 가지 렌즈는 모두 원근감을 없애기 위한 용도로는 쓰여지나 Image Side에서 차이점을 나타냅니다. 

 

일반적인 Telecentric 렌즈를 보여주고 있습니다. Image Plane의 위치가 일정할 때에는 상의 크기가 일정하나 Image Plane 위치가 바뀌게 되면 그 위치에 따라 상의 크기도 바뀌게 됩니다.

Bitelecentric 렌즈는 양면이 모두 Telecentric 렌즈로 구성되어 있어 Image Plane의 위치와 상관없이 항상 동일한 크기의 상을 만들 수 있습니다.

 

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필진 소개

 

박강환, Benjamin Park (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist