머신비전 광학 기술_렌즈의 분류 방법

[광학 기술 백서 #1] 렌즈의 분류 방법

 

  공간상의 한 점에서 나온 빛을 센서 위에 한 점으로 모아 이미징을 하는 장치인 렌즈는 제조사, 가격대 등 다양한 기준으로 분류할 수 있습니다. 이번 포스팅에서는 제가 중요하다고 생각하는 “렌즈의 성능”에 관련된 분류기준으로 1) 이미지 서클의 크기에 따라, 2) 초점 거리에 따라 그리고 3) 렌즈의 작동 원리에 따라 정리해 보겠습니다.

1. 이미지 서클의 크기

  렌즈가 커버할 수 있는 센서의 크기에 따라 아래와 같이 분류할 수 있습니다. 

 

  통상 Large format으로 갈수록 렌즈의 가격이 급증하게 되는데, 이는 이미지 외곽부에서의 해상력과 왜곡수치를 제어하기 힘듦을 의미합니다. 현재 Large format렌즈는 약 80mm정도의 적당한 성능/가격의 렌즈들이 있으나, 이 정도 크기의 센서에서 고성능 렌즈를 제작하게 되면 가격은 몇 배 이상 올라가게 되죠. 

 

 

	C mount 렌즈	F mount 렌즈	Large format 렌즈
대응 센서 크기	~20mm	~40mm	~60mm 혹 그 이상
용도	현미경용 대물렌즈 CCTV 카메라	상용 DSLR 카메라 일부 산업용 카메라	산업용 카메라
사진

 

 

2. 초점 거리

  초점거리는 아래 그림과 같이, 광축에 평행하게 입사한 광선이 렌즈를 통과하여 광축을 지나게 될 때, 꺾인 부분부터 초점까지의 거리를 말합니다. 이 초점거리는 렌즈의 화각과 물체단에서 초점이 맞는 거리를 결정지어 센서에 맺히는 대상체의 범위를 정하게 됩니다.

 

 

  통상 아래의 기준으로 초점거리에 따라 렌즈를 분류합니다.

 

 

	광각렌즈	표준렌즈	망원렌즈
초점거리	~35mm	35~70mm	70mm~300mm
용도	풍경사진 근거리 CCTV용	인물사진	큰 센서의 카메라 우주 관찰
예제

 

3. 작동 원리

  분류 기준에 따르면, 대부분의 산업용 렌즈는 Large format이며 70mm 이상의 긴 초점을 가진 렌즈들 입니다. 그 이유는 검사속도 향상을 위해 대면적 센서를 사용하기 때문과, 초점거리를 길게 설계하였을 경우 짧은 초점거리의 렌즈보다 해상력/왜곡/광량의 uniformity등의 성능을 올리기 비교적 수월하기 때문입니다.

 

  마지막으로, 렌즈의 설계에 따른 작동원리에 따라 렌즈의 사용법이 바뀌어 아래와 같이 분류도 가능합니다. 

	단렌즈	줌렌즈(가변초점렌즈)	플로팅렌즈
초점거리	고정	가변	고정
배율	고정	가변	가변
상의 위치(working distance)	고정	고정	변화
달성가능 성능	100% (기준)	50%	75%

  단렌즈는 이름 그대로 한 개의 초점거리를 가지므로 초점이 맞는 위치가 고정되어 있습니다. 따라서 타겟하는 한 개의 배율에서 최적의 성능으로 설계할 수 있어 다른 렌즈보다 높은 성능으로 제작이 가능합니다. 사용환경(배율, 검사대상체의 크기, 카메라등)이 고정되어 있는 검사현장에서 사용되는 렌즈들 입니다. 

  줌렌즈와 플로팅렌즈는 일반 DSLR카메라에 많이 적용되는 렌즈입니다. 먼저 줌렌즈는, 초점을 바꿀수 있기 때문에 촬영자가 움직이지 않고 대상체를 줌(확대)하여 더 자세히 볼 수 있는 렌즈입니다. 물론 산업현장에서도 c-mount타입의 현미경용 줌렌즈는 pcb검사를 위해 많이 사용되고 있습니다. 

  마지막으로 플로팅 렌즈는 DSLR카메라에서 단렌즈로 부르는 렌즈로서, 초점링을 통해 렌즈의 배열을 조절하여, 중심배율에서 어느 정도 벗어난 곳에서도 포커스를 맞출 수 있게 제작된 렌즈입니다. 즉, 고정 초점이지만 대상체와의 거리를 조절하면서 배율을 변화시켜 촬영하는 렌즈입니다. 이 플로팅 렌즈는 산업현장에서는 특수한 검사(고해상도로 다양한 배율로 검사해야 하는 경우)환경에서 사용되는 렌즈입니다.

 

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필진 소개

정세영, Sam Jung (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 관한 이론은 간단하게, 현상은 조금 더 깊게, 복잡한 것들은 더 쉽게 설명하는 Optic Solution manager