Area 카메라와 꼭 맞는 렌즈 선정법

[광학 기술 백서 #28] 머신 비전 장비를 구성하기 전에 당신이 꼭 알아야 필수지식! Area 카메라와 꼭 맞는 렌즈 선정법

 

이 포스팅의 제목을 보고 클릭하신 분들이라면 머신비젼 렌즈에 대한 관심이나 궁금증들이 있으실 거라 생각됩니다. 

머신 비전 렌즈에 관해서는 광학이론부터 성능, 특징, 제조사등 정말 많은 이야기를 할 수 있을 것 같은데, 오늘 이시간에는 

머신비젼 용 Area 카메라에 맞는 렌즈를 선정 하는 방법에 대해 포커스해서 소개하고자 합니다.

 

우선 Area 카메라라고 하면 작은 픽셀들이 사각형의 형태로 array 되어 있는 이미지 센서를 탑재한 카메라를 말합니다. 작게는 0.3M (30만화소) 부터 12M, 50M, 150M 등 점점 고해상도 센서를 탑재한 카메라들이 출시되고 있고 해상도가 커지는 만큼 센서를 구성하는 픽셀들은 작아져, 최근 머신비젼에도 1µm대의 pixel로 구성된 센서들이 출시되고 있습니다.

 

다양한 Area 카메라 중에 장비의 정밀도, 택타임(Tack time), 예산에 맞는 카메라를 선정하고 나면 렌즈를 선정하게 되는데, 렌즈는 Area 카메라의 마운트, 즉 렌즈 혹은 경통과 체결하는 부위의 규격에 따라 C-mount, F-mount, Large format 이렇게 세 가지로 분류할 수 있습니다. 

 

첫번째로 C-mount 카메라는 4/3'' 이하 크기의 센서를 탑재한 카메라이며 이 카메라(센서)에 대응되는 렌즈를 C-mount 렌즈라고 합니다. C-mount 렌즈를 초점 거리로 분류하자면 큰 화각을 통해 넓은 시야를 볼 수 있는 어안 렌즈로부터 광각 렌즈, 표준 렌즈를 거쳐 100mm수준까지 포진하고 있습니다. 또한, 함께 사용 가능한 센서의 사이즈를 한정 짓는 이미지 서클로 구분해보면 5MP 이하급의 1/2'' 부터 12MP, 25MP 급의 4/3'' 까지 대부분의 C-mount 카메라를 커버할 수 있습니다. (여기서 잠깐! 보통 머신비전 이미지 센서의 사이즈를 말할 때의 1인치는 일상생활에서 사용하는 25.4mm 가 아닌 16mm 로 계산해서 사용해야 한다는 점을 꼭 기억해 주세요.)

 

두번째로 F-mount는 여러가지 규격을 가지고 있는데, 그 중 Nikon사의 F-mount가 일반적으로 많이 쓰이고 있습니다. 이 F-mount는 Full frame 센서 사이즈, 즉 43.3mm 정도 까지의 센서크기를 수용 가능합니다. 

 

마지막으로 Large format 이라고 분류한 마운트는 특정 규격이 있지 않습니다. F-mount 카메라가 탑재할 수 있는 가장 큰 크기의 센서인 full frame 이상의 센서를 적용할 때, 주로 72mm 이상 지름을 가진 thread type 으로 제작하고 있습니다. 

 

그렇다면 이렇게 다양한 제품들 중, 내 장비에 필요한 렌즈는 어떻게 선정할 수 있을까요?

사실 렌즈를 선정하기 위해서는 고려해야 할 포인트들이 많지만, 여기서 다 짚을 수는 없고, 제일 중요한 키 포인트 몇가지만 정리하도록 하겠습니다. 

먼저 기본적으로 선정한 카메라의 센서크기보다 렌즈가 대응하는 이미지 서클의 크기가 커야 합니다. 렌즈는 object 쪽에 화각을 가지고 있듯이 뒷쪽 이미지 센서쪽으로도 화각을 가지고 있습니다. 이 화각과 초점거리에 의해서 대응 센서 크기가 결정이 되는데, 이는 데이터 시트상에서 확인할 수 있습니다. 

 

두번째로 검사 해상도를 좌우하는 배율이 대응되는지 확인해야 합니다. 배율이란, 선정한 카메라의 픽셀 크기와 검사해상도의 비율이 바로 배율인데, 보통 각 렌즈마다 대응하는 배율범위가 다 다르기 때문에 이 역시도 데이터시트에서 먼저 확인해야 합니다. 그리고 대부분의 C-mount 렌즈들은 0.2x 이하의 저 배율대를 지원하기 때문에 문제가 되지 않지만, 혹시 더 높은 배율이 필요하면 특별히 macro 검사가 가능하게 설계된 고배율 렌즈를 찾아야 합니다.

 

마지막으로 장비 사이즈 혹은 Working Distance를 결정하게 되는 초점거리를 잘 선택해야 합니다. 초점거리는 렌즈 설계에 의해 결정되는고유한 Parameter로 이 초점거리가 길수록 Working Distance와 전체 광학거리가 길어지게 됩니다. 보통 C-mount와 같이 저배율대 렌즈들의 경우에는 초점거리가 조금만 길어져도 Working Distance/전체 거리가 급격히 증가하기 때문에 장비 혹은 필요공간이 함께 커지게 되므로 이 부분까지 잘 고려해서 초점거리를 선정해야 합니다.

 

오늘 짧은 시간 동안 렌즈 선정법에 대해 공유를 드렸는데, 아마 이 글을 보면서 궁금한 내용이 더 많아졌을 거라 생각됩니다. 현재 사용하는 렌즈가 만족스럽지 않으시거나 위 내용에 추가로 궁금한 부분이 있다면 언제든지 머신비젼 전문가 그룹인 앤비젼에 문의하셔서 높은퀄리티의 지원을 경험해 보길 바랍니다.

 

 

 

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필진 소개

 

정세영, Sam Jung 앤비젼 제품 기획 그룹 / 광학 담당 광학에 관한 이론은 간단하게 현상은 조금 더 깊게 복잡한 것들은 더 쉽게 설명하는 Optic Solution Manager