[Slice of ENVISION Life #3] 벌써 1.5년, 필진들이 말하는 앤비젼 블로그


앤비젼 블로그가 세상에 나온지 어느덧 1년 6개월이 지났습니다.

‘생생한 머신비전 지식과 앤비젼의 이야기’를 더 많은 분들과 소통하기 위해, 지난 시간 열심히 달려왔는데요!


각자의 분야에서 전문성을 발휘하며, 앤비젼 블로그의 구석구석을 든든히 채워나가기까지 블로그 필진들의 많은 수고와 노력이 있었습니다. 지난 1년 6개월을 돌아보고 앞으로의 방향에 대한 그들의 생각과 느낌을 듣기 위해, 필진들에게 공통된 질문을 던졌습니다. 그들의 한 마디, 지금 들어보시죠!



앤비젼 블로그 필진들에게 공통적으로 물었습니다!


Q1. 지난 1년 6개월, 블로그 필진으로 열심히 활약해주셔서 정말 감사합니다~ 블로그 필진으로 참여하면서 느꼈던 점이 있다면 자유롭게 이야기해주세요!


- 광학 담당 정세영님: 블로그 필진으로 참여하면서 얻었던 개인적인 유익은 '알고 있던 내용들을 보다 정확한 개념으로 스스로 학습하고 정리'할 수 있었다는 점입니다. 어떻게 독자 여러분들께 쉽게 설명해 드릴 수 있을지 많이 고민하였고, 덕분에 광학 책들을 정독하고 더 깊이 공부할 수 있었습니다.


- 광학 담당 박강환님: 저도 어떻게 독자분들이 관심을 가질만한 머신비전 광학의 핵심 이론을 어떻게 글로 쉽게 전달할지에 대한 고민이 많습니다. 머신비전 광학에만 초점을 맞추면 나올 수 있는 내용이 한정 되어 있지만, 포스팅의 범위를 광학 분야로 확장하면 더욱 흥미진진하고 재밌는 이야기를 많이 할 수 있을 것 같습니다.


 - 카메라 담당 목한상님: 저 같은 경우에는 머릿 속에 있는 내용을 글로 쓰는 것이 쉽지 않음을 많이 절감했습니다. 그래서 하나의 글이 나오기까지 제가 예상했던 시간보다 긴 시간이 필요했습니다. 올해는 생각의 끈을 이어 글로 쏟아내는데 충분한 시간을 내기 어려운 한 해여서 포스팅 수가 저조했네요. (더 이상 블로그 담당자를 피해다닐 수 없기에^^;;) 앞으로 분발하도록 하겠습니다.


- 응용 기술 담당 윤춘범님: 제가 맡은 블로그 파트의 경우 업무에서는 활용이 많이 되었지만, 앤비젼의 메인사업과는 간극이 존재했고 그로 인해 자료가 많이 부족했습니다. 그런데 그 덕분에 저도 여러 방면으로 자료를 찾고 글을 작성하면서 머릿속에 있던 내용들이 많이 정리되었고, 많이 배울 수 있었습니다.


- 앤비젼 이야기 담당 윤대건 그룹장님: 저는 블로그 콘텐츠를 작성하면서 스스로에게 질문을 던져볼 기회가 많았는데, 그 점이 가장 큰 도움이 되었습니다.


-앤비젼 이야기 담당 김지은님: 저는 블로그의 독자분들이 어떤 주제에 관심을 가질지, 어떻게 가감없이 담백하게 앤비젼의 이야기를 전할 수 있을지가 늘 고민입니다. 그런 고민의 와중에 "블로그 잘 보고 있다"라는 말이 주변에서 간간히 들려올 때마다 큰 힘을 얻고, 보람을 느낍니다.


Q2. 필진 여러분들이 기대하는 앤비젼 블로그의 역할은 무엇인가요?


- 광학 담당 정세영님: 저는 앤비젼 블로그가 머신비전 정보가 갈급한 분들에게 유용한 창구가 되었으면 하는 바람이 있습니다. 어떤 개념이나 이론, 원리 등에서 막혔을 때 검색이나 여러 경로를 통해 앤비젼 블로그에 들어오셔서 여러 기술적인 궁금증이 해결되었으면 합니다.


- 광학 담당 박강환님: 저도 비슷한 생각이예요! 이 글을 읽는 독자분들의 고민을 해결할 수 있는 단서를 블로그를 통해 발견하셨으면 하는 바램입니다.


- 카메라 담당 목한상님: 앤비젼의 블로그는 저희 고객분들뿐 아니라 많은 분들이 검색 등을 통해 다양하게 접한다고 들었습니다. 그래서 이 곳이 '앤비젼의 첫 인상'과 같은 곳이라는 생각이 드는데, 앤비젼에 대한 긍정적인 이미지를 갖게되는 첫번째 접촉점이 되었으면 하는 바람입니다.


응용 기술 담당 윤춘범님: 소통의 장이 되었으면 해요. 요새 SNS를 통해서 많은 교류를 하고 있는데, 블로그에

서도 댓글 등을 통해서 블로거와 독자와의 소통이 있어서, 독자들에게 꼭 필요한 정보를 제공할 수 있는 자리가 되었으면 합니다.


- 앤비젼 이야기 담당 윤대건 그룹장님: 어려울 수 있는 내용이나 이야기들을 자근자근 씹어서 이해하기 편하게 들려주는 역할이 되었으면 합니다. 사람으로 비유하면 “똑똑한 동네 옆집 형”같은 느낌이랄까요?


- 앤비젼 이야기 담당 김지은님: '생생한 머신비전 지식과 이야기'를 담은 공간이라고 소개하는만큼, 머신비전을 잘 알고 있는 분 혹은 잘 알고 싶은 분들이 꼭 봐야하는 블로그가 되었으면 하는 바람입니다. 또한 앤비젼을 이루는 사람과 과정에 대해 많은 분들이 더 잘 이해하고, 그 가치를 소통할 수 있는 공간이 되면 좋겠습니다.


Q3. 블로그 필진으로 참여하시면서 앞으로 기대하는 바 혹은 기여하고 싶은 바가 있다면?


- 광학 담당 정세영님:  튼튼한 건물을 쌓아올린다는 마음으로 블로그 포스팅 하나하나 제작해나가고 있습니다. 머

신비전이라는 큰 건물을 이루는 하나의 벽돌이 되어 부족한 부분들을 채워나가겠습니다.


- 카메라 담당 목한상님: 저의 블로그 포스팅을 통해 독자분들이 필요로 하는 내용을 보다 쉽게 이해할 수 있도록 돕고, 직면하고 있는 문제 상황에 대해 명쾌한 답을 드리고 싶습니다. 개인적인 욕심으로 내년부터는 다작의 화신이 되고 싶네요... (웃음)


- 광학 담당 박강환님: 저도 앞서 이야기 드린 것처럼, 지금보다 더 다양한 이야기로 독자분들이 더 재밌고 쉽게 광학을 이해할 수 있도록 돕고 싶습니다.


응용 기술 담당 윤춘범님: 저 또한 블로그 포스팅을 쓰면서 역량이 개발되는 것 같이 독자분들도 블로그의 정보를 통하여 같이 지식적으로 발전할 수 있도록, 실질적으로 필요한 정보들을 제공해 드리도록 노력하겠습니다.


- 앤비젼 이야기 담당 김지은님: 앤비젼 블로그가 더욱 발전하여, 머신비전의 지식과 정보 그리고 앤비젼의 이야기가 꼭 필요한 분들께 전달되길 기대합니다. 그래서 앞으로도 더욱 많은 분들과 소통하고, 사랑 받는 앤비젼 블로그가 되면 좋겠습니다.


Q4. 앤비젼 블로그 독자분들께 한 마디씩 부탁드립니다!


- 광학 담당 정세영님: 올 한 해도 너무 고생하셨습니다! 앤비젼 블로그를 통해 여러분의 머신비전 지식도 한 층 더 성장하셨기를 바랍니다.


 - 카메라 담당 목한상님: 올해 카메라 관련 포스팅을 거의 하지 못했는데, 내년에 분발하여 더 좋은 컨텐츠로 찾아뵙겠습니다!


- 광학 담당 박강환님: 블로그에 방문하시는 독자분들이 저희 블로그를 자주 활용하면서, 댓글로 많은 의견과 질문들을 올려주시면 보다 유용한 컨텐츠를 작성하는데 큰 도움이 됩니다! 많은 질문 부탁드려요~


응용 기술 담당 윤춘범님: 부족한 부분이 많은데 읽어주셔서 감사합니다. 많이 읽어주시고 많이 소통할수록 블

로그의 질도 올라갈 것이라고 기대합니다. 많이 도와주시고 응원 부탁드릴게요!


- 앤비젼 이야기 담당 윤대건 그룹장님: 저도 머신비전 기술 내용이 궁금하면 앤피디아를 먼저 찾아봐요~ 재밌게 보시고 댓글도 많이 달아주세요!


- 앤비젼 이야기 담당 김지은님: 블로그 필진들의 이야기처럼 앤비젼 블로그의 콘텐츠가 독자 여러분들에게 많은 도움이 되셨기를 진심으로 바랍니다. 내년에도 더 다양하고 유용한 머신비전 분야의 기반 지식과 다채로운 이야기로 찾아올 예정이니, 많은 의견과 격려, 응원 부탁드립니다~ 올 한 해, 뜻 깊게 잘 마무리하시고 다가오는 새해도 힘차게 준비하시길 기원하겠습니다!


 필진 소개



김지은
, Mary Kim

(앤비젼 Marketing communications manager)


비전이 없는 곳에 비전을, 진심이 없는 곳에 진심을, 가치가 필요한 곳에 가치를 소통하고 싶은 앤비젼 마케팅 커뮤니케이터



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[카메라 기술 백서 #8]Camera의 pixel size와 sensor size


  이번 포스팅은 카메라의 pixel size와 sensor size에 대해 얘기해 보려 한다. 앞서 큰 pixel이 가지는 장점을 설명하였더니 무조건 큰 카메라가 좋다고 여기진 않을까 걱정되어, 렌즈를 포함한 시스템의 관점에서 센서 크기를 어떻게 선택해야 할지 살펴보겠다.


  아래에 1920 x 1080의 해상도를 가진 2개의 이미지 센서가 있다. 그리고 위에 그려진 원은 어떤 특정한 렌즈가 커버할 수 있는 이미지의 크기(image circle)이다. 우측의 센서는 해당 렌즈를 사용하여 문제없이 영상을 취득할 수 있으나 좌측의 센서는 그렇지 못하다. 즉 더 큰 렌즈를 써야 한다.


 센서의 크기와 렌즈의 image circle 크기와의 관계는 결국 돈 문제로 귀결된다. 내가 원하는 이미지는 1920x1080 해상도의 이미지이며 10um의 분해능을 가지고 촬영하고 싶다. 그리고 이런 시스템을 좀 더 저렴하고 좋게 꾸미고 싶다. 여기서 저렴하게는 렌즈를 작게 만들고 이에 맞게 작은 센서를 사용하면 된다. 좋은 화질은 센서를 크게 만들면 되고 이에 맞게 큰 렌즈를 사용하면 된다. 슬프지만 이게 현실이다. 앞서 포스팅에서 큰 pixel size가 가지는 장점을 충분히 설명했으리라 생각되므로 큰 센서가 가지는 좋은 화질에 대한 설명은 생략하고 오늘은 렌즈와의 관계만 보겠다.


광학 포스팅을 읽어 보신 분은 MTF가 가지는 의미에 대해 잘 이해하고 있으리라 생각된다. 


아래에는 3대의 렌즈를 통해 spot 조명을 촬영하였을 때 이미지 센서에 맺히는 모양을 그려 보았다. 푸른색으로 표현된 렌즈는 5~10 사이에 충분히 작게 spot을 위치 시킬 정도로 샤프한 영상을 보여줬다. 그리고 녹색으로 표현된 그래프는 2.5~10.5 사이에 spot이 퍼져 있다. 푸른색의 렌즈가 5um의 pixel size에 대응할 수 있는 렌즈라면 녹색은 10um pixel size에 대응할 수 있는 렌즈가 된다.


쉽게 말해서 spot을 5um pixel로 촬영할 것인가 10um pixel로 촬영할 것인가에 따라 렌즈의 성능을 결정 지어야 한다.


처음 설명했던 상황을 다시 가져와 살펴보면



2개의 시스템에서 고려해야 할 사항은 단순하지 않다.


최종 목표는 ‘저렴한 가격에 좋은 화질은 기본이며 1920 x 1080 해상도로 10um의 분해능을 가지고 촬영하고 싶다’이며 고려할 사항을 나열해 보면 아래와 같다.


 

센서크기

감도 

노이즈 

렌즈크기 

렌즈해상력

 시스템1

 크다

 높다

 적다

 크다

 낮다

 시스템2

 작다

 낮다

 많다

 작다

 높다


  여기에 가격을 더하고 배율 변화에 따른 전체 시스템 크기를 고려한다면 생각해야 할 부분이 너무 많아진다. 카메라 노이즈로 인한 검출력 변화와 렌즈 해상력으로 인한 검출력 변화를 정확히 예측하고 수치화 하여 필요한 수준의 화질을 결정 수 있으며 가격을 고려한 선택을 하면 좋겠지만 너무 어려운 작업이 되므로 앤비젼 담당자에게 전화해 적합한 렌즈와 카메라를 선정해 달라고 하는 것이 가장 쉬운 방법이 될 것이다. 


 필진 소개



목한상, Kyle Mok

(앤비젼 Product Engineer/카메라 담당)


사진가가 되고 싶었던... 그래서 카메라와 함께 일하는...

카메라 담당 Product Engineer



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[광학 기술 백서 #26]가변 초점 렌즈


  기존 렌즈들은 초점이나 줌을 조정하기 위해 유리 또는 플라스틱 유리(고체)를 이동한다. 매우 오래된 방법이지만 성공적으로 사용할 수 있다. 하지만 사람의 눈은 완벽히 다르게 움직인다. 사람의 눈은 렌즈를 앞뒤로 이동하는 대신, 렌즈의 형태를 변경하여 초점을 조정하기 때문이다. 사람의 눈이 움직이는 원리를 바탕으로 개발하고 특허를 받은 렌즈인 Optotune사의 가변 초점 렌즈를 통해 동작 원리와 혜택을 소개하도록 하겠다. 


<그림1>기존 렌즈 동작 원리와 사람의 눈 원리 비교


동작 원리


  이 렌즈는 광학 유동체(optical fluid)와 고분자 분리막(polymer membrane) 조합을 기반으로 하는 형상 변화 렌즈이다. 핵심 요소는 광학 액체로 채워지고 얇고 탄성이 있는 고분자 분리막(polymer membrane)으로 봉해진 용기로 구성되어 있다. 원형 링이 가변 렌즈를 형성하는 분리막(membrane)의 중심 부분으로 밀어낸다. 


분리막(membrane)의 굴절률과 렌즈의 지름은,
     분리막(membrane)으로 원형 링을 밀거나,
     분리막(membrane)의 바깥 부분으로 압력을 가하거나,
     용기에서 광학 유동체를 주입하거나 빼내는 방법으로 변경할 수 있다.


볼록 렌즈에서 평면 렌즈 그리고 오목 렌즈에 이르기까지 렌즈의 형상을 변경할 수 있는 Optotune사의 가변 초점 렌즈의 동작 원리를 아래 그림을 통해 설명하도록 하겠다.


용기 쪽으로 밀어 렌즈를 형성할 수 있는 링으로 렌즈에 광학 유동체를 채울 수 있다.

렌즈를 형성하는 원형 링은 움직이지 않는다. 전류를 통하게 만들면 렌즈의 외곽 부분에서 분리막을 아래로 밀어 렌즈의 중앙 부분으로 광학 유동체를 주입하는 링만 움직인다.


<그림 2>형상 변화 폴리머 렌즈의 가능한 변경


가변 초점 렌즈의 혜택


  가변 초점 렌즈를 사용하였을 때 수 마이크로미터 단위의 렌즈 지름을 변경하여 렌즈 전체를 수 센티미터 단위로 이동하는 것과 같은 광학 효과를 얻을 수 있다. 광학 장비를 소형화할 수 있고, 더 적은 렌즈를 사용할 수 있으며, 불필요한 이동을 없애거나 적게 할 수 있다. 따라서 비싼 기계식 구동 장치를 이제는 사용하지 않아도 된다. 이동을 줄이면 완벽하게 폐쇄된 장비를 만들 수 있고, 먼지가 유입되지 않도록 할 수 있어 보다 견고한 장비를 만들 수 있다. 또한, 사용하는 재료는 유리보다 가벼워 전체 장비의 무게를 줄일 수 있다. 이동을 줄이고 가볍게 만들면 가변 렌즈를 사용하는 장비의 응답 시간을 밀리초 단위로 줄일 수 있고 더 적은 전력만 사용할 수 있다. 또 다른 장점은 생산 중에 드러난다. 가변 렌즈를 사용하는 장비는 허용 공차를 줄일 수 있어 높은 수율을 낼 수 있다는 점이 바로 그것이다.


기존 렌즈에 비한 가변 렌즈의 장점을 요약하면 다음과 같다.

·      초소형

·      적은 부품 수

·      빠른 응답

·      저전력

·      적은 허용 오차 감도


이 밖에 가변 초점 렌즈에 대해 궁금한 사항은 언제든지 댓글을 남겨주시면, 성심성의껏 답변하도록 하겠습니다.


 필진 소개



비전군, Mr Vision

앤비젼 공식 블로그의 마스코트.(비전군 & 비전양)

에어리어 스캔 카메라(Area scan camera)의 몸과 고해상도 렌즈(Super resolution lens)인 얼굴로 머신비전의 알짜배기 정보를 전파하는 지적인 소년



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  1. 비전돌이 2016.11.16 12:49  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요. 블로그를 통해 많은 정보를 접하면서
    위 논지와는 다르지만, 궁금한 점이 있어서, 질문을 드릴까 합니다.
    기본 렌즈 중에 CCTV렌즈와 마크로 렌즈가 있는데.
    보기에는 큰 차이가 없다고 느꼈지만, 세부적으로 어떻게 다른점이 있는지 알려주시면 감사하겠습니다.

  2. 정세영 2016.11.21 14:19  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요. 제품기획 담당자 정세영입니다.

    CCTV렌즈는 사용 목적이 감시 혹은 교통관측이기 때문에, Working distance 가 수 m ~ 수십 m 로 멀게 설계 되어 있습니다.
    반면 마크로 렌즈는 검사/접사의 목적을 갖고 있는 렌즈를 말하며, 통상 0.5x 수준 이상의 고배율 렌즈들을 말합니다. 정확한 기준이 있는 구분은 아니며, application 에 따라 위와 같이 구분하고 있습니다.

  3. celina 2016.12.15 11:32  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요
    올려주신 자료 잘 보았습니다.
    궁금한점이 있어서 이렇게 댓글남깁니다.
    옵토튠사의 가변 초점 렌즈에 대해 좀 더 정확하게 알려주실 수 있으신지요?
    렌즈 형상변화에 대해 자세히 알고 싶습니다.

    • Favicon of https://blog.envision.co.kr BlogIcon 비전만 2016.12.19 10:51 신고  댓글주소  수정/삭제

      celina님 안녕하세요
      이메일이나 연락처를 알려주시면 렌즈 제품 담당자가 문의에 대한 상세한 답변을 드리도록 하겠습니다. 알고 싶은 부분을 더 구체적으로 적어주시면 보다 구체적인 답변을 드릴 수 있을 것 같습니다. 감사합니다.

    • celina 2016.12.26 13:24  댓글주소  수정/삭제

      가변 초점 렌즈의 동작원리에 대해 그림으로 표현해주셨는데
      정확히 어떻게 렌즈의 형상이 변하는 것인지 그림만으로는 이해가 잘 되지 않습니다.

      또한, 이런 형상 가변 초점렌즈의 단점이 있다면 어떤 것이 있을 수 있는지 궁금합니다.

      메일 주소는 leehyewonny1@gmail.com입니다.
      감사합니다.

[광학 기술 백서 #25]Hoffman Modulation Contrast의 활용


현재에 사용하는 Modulation contrast 시스템은 modulator와 slit이 모두 광축에서 벗어난 형태로 구성되어 있으며 이로 인해 대물렌즈의 NA를 최대한 활용할 수 있게 되어 더 좋은 해상력과 화질을 구현할 수 있게 되었습니다. 또한 검사하고자 하는 물체의 미세한 형태와 특징들이 선명하게 그림자로 표현하여 마치 3차원과 같은 영상을 얻을 수 있게 되었습니다. 이러한 영상은 검사하고자 하는 물체의 형태를 돋보이게 만듭니다. (아래의 세포 사진 참조)


Modulator는 이러한 물체의 단단함, 굴곡, 굴절률의 변화, 두께와 같은 특성들에 따라 미세하게 밝기를 변화시키는 역할을 합니다. 이러한 결과로 나타난 이미지는 흡사 3차원 영상과 비슷하며 광학적으로 한쪽에서 빛을 조사시켜 얻는 높은 contrast를 지닌 이미지와 비슷한 영상을 얻을 수 있습니다. 


:

<그림 8>

출처: http://microscopy.berkeley.edu/courses/tlm/bf_review/key.html


그림 9에서 확인할 수 있듯이 관찰하고자 하는 물체의 기울기 방향에 따라 이미지는 밝을 수도 어두울 수도 있습니다. 다양한 굴곡과 평평한 면이 함께 포함되어 있는 가상의 물체를 고려하였을 때 그림 9의 (a)와 같은 굴곡에서는 빛이 modulator의 가장 어두운 면을 통과하여 어두운 이미지를 가지게 됩니다. 반면에 이와 반대의 굴곡을 가지고 있는 (c)와 같은 이미지에서는 빛이 투명한 부위를 통과하여 밝은 이미지를 가지게 됩니다. 평평한 면에서는 회색 부분을 통과하고 회색 이미지를 얻을 수 있습니다. 이러한 작용의 결과로 어떠한 굴곡을 가지고 있는 물체의 한쪽 부분은 밝은 면을 가지고 있는 반면 다른 부분은 어둡게 표현이 되고 별다른 굴곡을 가지고 있지 않을 경우에는 위 그림의 배경이 보여주듯이 회색으로 별다른 특징 없이 표시됩니다.


이렇게 굴곡의 방향과 기울기를 통해 생긴 contrast는 검사하고자 하는 물체에 가상의 그림자가 생긴 것과 같은 효과를 주게 됩니다. 이러한 효과가 modulation contrast imaging의 가장 일반적인 형태이며 편광필름을 돌리면서 이러한 contrast를 변화시킬 수 있고 편광필름과 slit, 그리고 물체를 회전시키면서 최종 영상의 contrast를 개선 또는 악화시킬 수 있게 됩니다.



<그림 9>


Modulator는 검사하고자 하는 물체가 어떻게 slit의 이미지를 shift시키는가에 따라 최종적인 이미지에 영향을 주기 때문에 amplitude filter라고 표현하기도 합니다. Modulator의 다양한 투과율 변화를 통해 모든 종류의 세포와 조직들뿐 아니라 수정이나 glass와 같은 투명한 물질의 이물이나 굴곡의 변화를 관찰할 수 있고 심지어 반사형 조명을 활용한 modulation contrast 현미경도 사용이 가능하여 곡물의 경계면이나 불투명한 물체 또는 금속표면 및 복잡한 회로나 전자 제품을 검사하는 데에도 활용되고 있습니다.


이러한 modulation contrast 기술은 한계도 있지만 수없이 많은 장점들을 가지고 있습니다. 그 장점들 중 한가지는 바로 기존에 사용되는 렌즈의 NA를 모두 활용할 수 있다는 점입니다. 이와 같이 NA를 충분히 활용하게 될 경우에 높은 수준의 해상력을 보유할 수 있게 되고 이를 통해 검사하고자 하는 물체의 contrast와 가시성을 높일 수 있다는 장점을 가지고 있습니다. 또한 이 방법은 렌즈의 높은 해상력을 그대로 유지할 있기 때문에 achromat와 같은 렌즈에도 적용이 가능하고 심지어 apo-chromatic 렌즈에도 사용이 가능하다는 장점을 가지고 있습니다.



필진 소개



박강환, Benjamin Park

(앤비젼 제품 기획팀/광학 담당)

광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist



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  1. 안창준 2017.07.06 09:29  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    호프만 콘트라스트에 대해서 잘 보았습니다.
    이 기법이 위상차 현미경 또는 쉬리렌 광학계와 비교한다면
    어떤 관계에 있는지, 그 차이와 공통점이 궁금하네요

    설명해 주신 내용을 기반으로 봤을때,
    결과는 DIC와 비슷하지만,
    원리는 특히 쉬리렌 광학계와 유사점이 많은것 같습니다.

[머신비전 광학 기술 백서 #23] 편광 Polarization


위 그림과 같이, 빛(전자기파)은 진행방향에 대해 수직한 평면에서 전기장과 자기장이 수직으로 진동하며 나아가는 횡파입니다. 이 때, 레이저를 제외한 모든 빛은 사방으로 전자기장이 진동하는 무편광된 빛입니다. 즉 편광이란, 빛이 진행할 때 전기장 진동방향이 시간이 변하더라도 한쪽으로 일정한 경우를 말하죠. 이러한 편광은 파장(색), 진폭(밝기)과 마찬가지로 빛의 특성 중 하나로, 가깝게는 선글라스 혹은 3D안경으로부터, 머신비전 Imaging에까지 다양하게 활용됩니다. 


편광의 종류

  • 선형편광(선평광 또는 평면편광)


위 그림은 왼쪽의 무편광 된 빛이 편광자를 지나면서 오른쪽의 선편광이 되는 현상을 나타낸 것입니다. 오른쪽 그림을 보면 시간에 따른 전기장의 진동방향이 선형으로 일정하기 때문에 선편광이라고 하죠. 빛이 얼마나 편광이 잘 되었나 하는 정도는 Polarization ratio(편광비) 혹은 Degree of Polarization(편광도) 로 나타낼 수 있습니다. 

먼저 편광비는, 광선다발 중 편광이 많이 된 방향과 이에 수직인 방향에 빛의 선속밀도의 비로 나타내며, 주로 레이저 스펙에 표현이 되어 있습니다. 편광도는 편광판을 돌려가며 빛의 최대, 최소 세기를 측정하여, 다음과 같은 식으로 구할 수 있습니다. 

이 값이 0일 때 무편광 빛, 1일 때 완전 선편광, 그 사이 값일 때 부분편광된 빛이라 합니다.

  • 원편광


전기장의 진동방향이 시간에 따라 일정하게 변하는, 즉 원을 그리는 편광형태도 있습니다. 이러한 편광을 원편광이라고 합니다. 원편광은, 서로 수직하며 진폭이 같은 두 전기장이 π/2 의 위상차를 가지고 진행하는 경우 생기게 됩니다. 무편광인 자연광에서 이러한 특수상황이 만들어 질리는 없겠죠? 

위상지연자라는 광학부품으로 원편광을 만들 수 있습니다. 위상지연자는, 방해석 같은 결정이 빛의 편광방향에 따라 진행속도가 달라지는 것을 이용한 것으로, 결정의 방향과 두께로 빛의 편광상태를 바꿀 수 있습니다. 적절히 이용하면 선편광의 방향을 바꾸거나, 선평광을 원편광 혹은 타원편광으로 바꿀 수 있습니다. 

  • 타원편광

타원편광의 경우 서로 수직하며 진폭이 다른, π/2의 위상차를 가진 두 전기장이 합성되거나, 서로 수직하고 진폭이 같으며, 위상차가 π/2, π, 3 π/2, 2 π의 위상차가 아닌 경우, 합성파는 타원 편광을 보이게 됩니다. 위 위상지연자의 두께를 사용하는 빛의 파장에 대해 적절히 조절하면 원하는 선편광, 원편광, 타원편광을 얻을 수 있습니다. 



 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



Posted by 비전만

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[광학 기술 백서 #22]Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #3,#4



Hoffman Modulation Contrast의 원리  #3 _시스템 해상력




<그림 3>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


Modulation contrast 모듈은 기본적으로 그림 3과 같이 두 가지의 구조를 가지고 있습니다. 그림 3의 좌측 구조(a)는 modulator와 slit의 위치가 광축 상에 위치하며 정확하게 대칭을 이루고 있습니다. 이 경우 시스템의 해상력은 아래의 공식에 의해 결정됩니다.


Resolution = λ/NA


여기에서 NA는 대물 렌즈의 numerical aperture를 의미하고 λ는 사용한 광원의 파장을 의미합니다. 이 구조에서 어두운 부분 (1% 투과율을 가지고 있는 구역)과 투명한 부분(100%의 투과율을 가지고 있는 구역)은 크기가 동일한 반면 회색 부분(15%의 투과율을 가지고 있는 구역)은 전체 영역의 약 10%만을 차지하는 얇은 줄무늬의 형태입니다. 

이와 비교하여 그림 3의 우측(b) 구조는 slit이 광축에서 벗어난 비대칭의 형태를 가지고 있으며 가장 어두운 영역이 modulator 한쪽 가장자리에 존재합니다. 이 구조는 기존의 구조와 비교하여 대물 렌즈의 대부분을 활용할 수 있기 때문에 해상도가 매우 개선됩니다.


Resolution = λ/(2NA)


위의 두 가지 서로 다른 시스템의 구성을 통해 확인할 수 있듯이 실제로 광축에 벗어난 형태를 가지고 있는 (b)와 같은 시스템이 광축상에 slit이 있는 (a)와 같은 시스템보다 2배 높은 해상력을 가지게 됩니다. 이는 이미 잠시 설명을 하였듯이 광축에서 벗어난 형태의 시스템에서는 투명한 부분이 대부분을 차지하고 있어 대물 렌즈의 대부분을 활용할 수 있기 때문입니다.



Hoffman Modulation Contrast의 원리  #4 _편광 필름


Condenser 렌즈의 아래쪽에는 조명이 나오는 출광부가 있으며 이 출광부에는 또 하나의 편광 필름이 있습니다. 이 편광 필름을 돌려 slit을 통과하는 빛의 폭을 조절할 수 있게 됨. 예를 들어 이 편광 필름과 slit의 편광 필름이 서로 수직하게 편광 방향을 조절하면 slit을 통과하는 빛은 절반이 차단되게 됩니다. 반면 편광의 방향이 서로 일치할 경우에는 slit을 통과하는 빛의 두께가 직각인 경우보다 2배가 두꺼워집니다.




<그림 4>


이렇게 편광 필름을 돌리면서 광량 조절이 가능한 빛은 대물 렌즈 뒤쪽의 modulator에서 투명한 영역을 통과합니다. (그림 3 (b)참조) 그러므로 편광 필름을 회전하면서 modulator의 투명한 부분을 통과하는 빛의 양을 조절할 수 있게 되고 이를 통해 가장 좋은 효과를 내는 지점을 찾을 수 있게 됩니다. 예를 들어 편광의 방향을 직각으로 맞춰 slit의 폭을 최소화 할 경우 매우 높은 contrast를 가지만 비교적 나쁜 품질의 이미지를 얻을 수 있게 됩니다. 반면 편광의 방향을 일치하도록 맞출 경우에는 slit을 통과하는 빛의 두께는 넓어지게 되고 전반적인 contrast가 줄어들지만 좋은 품질의 이미지를 얻게 됩니다. 



Slit이 두꺼울 때: contrast는 적지만 이미지 좋음


Slit이 얇을 때: contrast는 크지만 이미지 나쁨


<그림 5>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


이는 slit의 이미지가 물체를 통과하면서 발생하는 경로 차이로 인해 생기는 차이점인데, slit의 두께가 클 경우에는 물체의 굴절률이나 두께가 변하더라도 modulator에 결상되는 slit의 위치 변화에 그리 민감하지 않습니다 반면 slit을 통과하는 빛이 충분하기 때문에 더 좋은 이미지를 얻을 수 있습니다. 하지만 slit의 두께가 얇을 경우에는 modulation에서 결상되는 slit의 이미지도 좁아지고 이에 따라 modulator의 각기 다른 영역의 투과율에 더 큰 영향을 받게 됩니다. 이에 따라 contrast는 높아지고 slit을 통과하는 빛의 양은 적어지기 때문에 이미지는 좀더 나빠지게 됩니다.




<그림 6>


Modulation contrast 시스템의 초기 버전은 별도로 slit에 추가로 부착된 편광 필름이나 조명의 출광부에 편광 필름이 존재하지 않았습니다. 다만 그림 7에서 볼 수 있듯이 광축 상에 위치한 한 개의 단일 slit만이 존재하였습니다. 그러므로 초기 버전은 검사하고자 하는 물체의 contrast나 이미지 품질을 조절하지 못했습니다. 




<그림 7>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


 

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[광학 기술 백서 #21]Hoffman Modulation Contrast란 무엇인가? #1, #2


Hoffman Modulation Contrast는 투명 또는 반투명한 물체의 굴곡이나 굴절률의 변화를 빛의 밝기로 표현하는 방법입니다. 해당 방법은 물체의 contrast를 증가시켜 좀더 정확한 검사가 가능하도록 합니다. 이 기술은 1975년 Robert Hoffman 박사가 최초로 제안하였으며 현재에는 몇 가지 구성품들이 추가되어 좀더 완성도가 높아졌습니다.




<그림 1>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


위의 그림이 기본적인 Hoffman Modulation Contrast 현미경 광학계의 구성도입니다. 


Hoffman Modulation Contrast의 가장 핵심 구성품은 modulator라고 불리는 광학 필터인데 이 필터는 서로 다른 투과율을 가지고 있는 세 종류의 영역으로 구성되어 있으며 대물 렌즈의 후초점면에 위치하고 있습니다. modulator를 통과한 빛은 일반적인 회색이 가지는 밝기보다 상대적으로 더 어둡거나 밝은 빛으로 나뉘어지게 되고 이러한 현상을 modulate되었다고 합니다. 


이러한 modulation contrast에 사용 가능한 대물 렌즈는 10배부터 100배까지 전 영역에 걸쳐 있으며 기본적으로 모든 대물 렌즈에 대응한다고 보는 것이 맞습니다. 


Hoffman Modulation Contrast의 원리 #1 _Modulrator


이러한 modulator는 그림 2와 같이 총 세 가지의 다른 투과율을 가지고 있는 필터로 나뉘어져 있습니다. 가장 어두운 영역인 D는 modulator에서 가장 가장자리에 있으며 가장 작은 영역을 가지고 있습니다. 이 부분의 투과율은 1% 수준으로 실질적으로 빛을 거의 투과시키지 않습니다. 그림상에서 G로 표시된 회색 영역은 15%의 빛을 투과시키고 남아있는 부분인 B로 표시된 영역은 아무것도 없는 투명한 부분입니다. 




<그림 2>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


Modulator 아래쪽에는 조명을 위한 condenser lens와 함께 회전이 가능한 경통이 있습니다. 이러한 회전식 condenser lens 경통은 일반적인 bright-field 현미경 렌즈와 동일하게 별도의 조절 가능한 조리개를 가지고 있으며 이를 이용하여 Koehler 조명에 적합한 조명을 조절할 수 있습니다.

 


Hoffman Modulation Contrast의 원리  #2 _slit


경통 안에는 절반 정도가 편광필름에 의해 가려진 직사각형 형태의 작은 slit이 있습니다.. 이 slit과 편광필름의 크기는 다양한 배율을 지닌 대물 렌즈의 종류에 따라 달라지게 됩니다.


<그림 1>과 <그림 3>에서 확인할 수 있듯이 slit은 condenser 렌즈의 전초점거리 면에 위치하고 있습니다. 빛이 slit을 통과할 때, 이 slit의 이미지는 대물 렌즈의 후초점면에 맺히게 되는데 이곳에 바로 modulator가 있습니다. 


condenser 렌즈의 전초점면에 위치한 slit은 대물렌즈의 후초점면에 있는 modulator와 광학적으로 짝을 이루고 있습니다. 그렇기 때문에 condenser 렌즈에 의해 생긴 slit의 이미지는 검사하고자 하는 물체의 광학적인 밀도, 두께 등의 변화에 따라 일반적인 경로를 따르지 않고 미세한 경로 변화가 일어나게 됩니다.




<그림 3>

출처: http://www.olympusmicro.com/primer/techniques/hoffman.html


그리고 이러한 경로 변화로 인해 빛은 modulator의 밝은 영역 또는 어두운 영역을 통과하며 contrast를 극대화시키게 됩니다.


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[광학 기술 백서 #19]NA와 해상력의 관계


일반적으로 렌즈의 해상력은 NA와 비례하여 증가하는 것으로 알려져 있습니다. 이러한 이유로 많은 사람들이 해상력이 좋은 렌즈를 얻기 위해 일단 NA가 높은 렌즈를 찾는 것이 일반적입니다. 

그러면 NA라는 것이 무엇이길래 렌즈의 해상력에 영향을 주는 것일까요? 또한 NA가 높은 렌즈는 정말 해상력이 좋은 것일까요?

오늘은 이 궁금증에 대해서 알아보도록 하겠습니다.


렌즈의 해상력이란?


렌즈의 해상력은 얼마나 작은 물체를 얼마나 큰 밝기 차이(contrast)로 구분할 수 있는지를 나타내는 능력입니다.

렌즈의 해상력이 떨어지는 경우에는 비교적 큰 물체도 낮은 콘트라스트(contrast)로 결상(imaging)을 할 수밖에 없고, 반대로 렌즈의 해상력이 높으면 렌즈는 크기가 작은 물체도 높은 콘트라스트(contrast)로 이미지를 만들어냅니다.

그리고 이러한 해상력의 차이는 바로 렌즈가 만들어내는 Airy Disk에서 발생합니다.

Airy Disk란 빛이 작은 원형 틈을 통과할 때 생기는 회절과 간섭으로 인해 발생하는 동심원의 간섭 무늬로 아래의 그림과 같은 형태로 나타납니다.


   Airy Disk의 중심에 있는 가장 밝은 원이 전체 광원의 84%의 광량을 차지하고 그 주위에 어둡고 밝은 원반들이 차례로 나타납니다. 그리고 중심에 있는 가장 밝은 원이 렌즈의 해상력을 결정하는 주요한 요인이 됩니다.


                              

                               Airy Disk가 픽셀(pixel)보다 작을 경우            하나의 픽셀(pixel)에 높은

                                                                                         콘크라스트(contrast)로 선명히 상이 맺힘

                                                                                                            



                                Airy Disk가 픽셀(pixel)보다 클 경우              여러 개의 픽셀(pixel)에 걸쳐 낮은

                                                                                             콘크라스트(contrast)로 맺힘


예를 들어, 첫 번째 원이 작으면 렌즈는 물체단의 빛을 좀더 정밀하게 센서로 전달할 수 있다는 의미이고 반대로 이 원이 크면 렌즈는 물체단의 빛을 부정확하게 센서로 전달한다는 의미입니다.


위의 그림과 같이 Airy Disk의 크기로 인해 센서에서 나타나는 결함(defect)의 형상은 선명하게 또는 흐릿하게 표현될 수 있습니다. 그러므로 Airy Disk의 크기는 카메라가 결함(defect)를 표현하는 데에 가장 큰 요소가 됩니다.


회절과 수차


이러한 Airy Disk의 크기를 결정하는 주요 요인으로는 회절과 수차가 있습니다.

회절은 빛과 같은 파동이 가지고 있는 고유한 물리적인 특성으로 빛이 조리개와 같은 틈을 지날 때 꺾이는 현상을 말합니다.

이러한 회절은 틈이 작을수록 잘 생기기 때문에 조리개의 크기가 작아질수록 빛은 더 크게 꺾여 Airy Disk를 더 크게 만듭니다.


<개방 조리개에서의 회절>



<축소 조리개에서의 회절>


그러므로 회절을 줄이기 위해서는 조리개를 최대로 개방하여 사용해야 합니다.

반대로 수차는 렌즈의 설계나 제작에서 발생하는 오차로 인해 생기는 성능의 저하를 말합니다. 일반적으로 수차는 렌즈나 조리개가 작을수록 제어하기가 쉬워집니다. 

그러므로 회절과는 달리 수차는 조리개가 작을수록 적게 발생됩니다.

<수차가 적은 렌즈>


<수차가 많은 렌즈>


이렇게 렌즈의 성능을 좌우하는 두 가지 요소인 회절과 수차는 조리개 값에 따라 서로 상반된 형태로 발생하기 때문에 렌즈 제조사들을 이러한 두 가지의 요소들을 어떻게 균형 있게 제어하는가에 대해 많은 연구를 하게 됩니다.


NA와 해상력간의 관계


앞의 내용에서 회절은 조리개의 크기와 관계가 있다고 말을 하였습니다. 조리개가 클수록 회절이 적게 되고 이로 인해 렌즈의 해상력이 증가하게 됩니다. 그리고 이러한 조리개의 크기와 관계가 있는 항목이 바로 NA입니다. 


NA는 위의 그림과 같이 물체단의 점광원에서 렌즈로 들어가는 빛의 각도를 나타낸 값입니다.

일반적으로 



라는 공식으로 나타내며 n은 렌즈와 물체 사이의 물질 굴절률로 일반적으로 공기의 굴절률인 1을 사용합니다. 그리고 θ는 점광원이 만들어내는 빛의 사잇각입니다.


그러므로 NA는 렌즈나 조리개의 크기가 커질수록 커지게 됩니다. 즉 NA가 커지게 되면 조리개가 커지는 것과 같기 때문에 렌즈에서 발생하는 회절이 작아지게 됩니다. 이러한 이유로 이상적인 렌즈에서는 NA가 클 경우 회절이 작아지게 되고 결과적으로 해상력이 증가하게 됩니다.


다만 이러한 현상은 해상력에 영향을 주는 또 다른 항목인 수차가 없는 이상적인 렌즈일 경우에만 적용할 수 있습니다. 실제 렌즈에서는 조리개가 커질수록 수차가 발생할 확률이 늘어나게 되고 이를 제대로 제어하지 못할 경우에는 오히려 NA가 높아도 성능이 떨어지는 렌즈가 될 가능성이 있기 때문입니다.


그렇기 때문에 렌즈의 NA만을 성능의 척도로 삼기에는 무리가 있습니다. 오히려 NA가 과도하게 큰 렌즈들은 수차가 발생할 가능성이 높기 때문에 성능을 좀더 확실하게 검증할 필요가 있습니다.


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  1. 2018.11.18 21:31  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    비밀댓글입니다

[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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  1. ERICA 박건우 2016.11.03 08:50  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    분광학실험실에서 광학관련 석사를 예정중인 학생입니다.

    주인장분의 포스팅이 매번 광학기기관련 지식에 접근하는데 큰 도움이 되어 감사드립니다.

    한가지 질문이 있습니다.
    본 포스팅의 말미에 배치하신 이미지는 어떤 종류의 프로그램으로 시뮬레이션을 하신건지 궁금합니다.

  2. 이종욱 2017.04.24 18:38  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요 현재 telecentric lens를 이용해서 pcb기판 test 중입니다.

    telecentric lens를 사용함에 불구하고 FOV밖에서의 ghost image가 잡히는데 이를 해결하기 위한 방법이 있을까요?

  3. 윤영호 2018.04.05 16:17  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    안녕하세요 telecentric lens를 이용하여 측정을 하고있는데 간섭계를 구성하여 측정하고 있는데 고스트 프린지 현상때문에 실제보다 넓거나 좁은 측정 결과를 얻고있습니다. 지금 이현상에 NA에 의해 발생하는건지 lens에 의해 발생하는건지 궁금합니다. yyh3190@nate.com 답변 기다리겠습니다.

[광학 기술 백서 #17]Cardinal Elements에 대하여


렌즈의 결상 법칙



<렌즈의 결상 법칙>


일반적으로 렌즈는 "결상"이라는 현상을 통해 물체의 상을 필름이나 센서에 전달합니다. 그리고 이러한 "결상" 이라는 현상은3가지의 법칙을 따르게 됩니다. 우리는 이 3가지의 법칙을 렌즈의 결상 법칙이라고 합니다. 

렌즈의 결상 법칙은 위의 3가지 도식과 같이 나타나게 되는데 이는 아래와 같이 설명할 수 있습니다.


결상 법칙 #1 : 광축에 평행한 빛은 렌즈의 초점을 지나간다.

결상 법칙 #2 : 렌즈의 초점을 지나가는 빛은 광축에 평행하다.

결상 법칙 #3 : 렌즈의 중심을 지나가는 빛은 직진한다.


지구상에 존재하는 모든 렌즈는 바로 이 3가지의 법칙에 부합하게 빛을 굴절시킵니다. 

이러한 현상은 단렌즈 뿐만 아니라 일반적인 복합 렌즈에서도 동일하게 적용하게 됩니다.



복합 렌즈의 결상 법칙


하지만 렌즈의 결상 법칙을 여러 가지 렌즈들이 섞여 있는 복합렌즈에 적용시키는 경우에는 단일 렌즈와 달리 혼란이 오게 됩니다. 3가지 렌즈의 결상 법칙은 매우 단순한데도 불구하고 말입니다.

이해를 돕기 위해 아래의 그림을 예시로 보도록 하겠습니다.

복합 렌즈에서도 렌즈의 3가지 결상 공식을 적용시키기 위해 아래 그림과 같이 ①, ②, ③ 번의 빛이 복합 렌즈로 향하고 있습니다. 각각의 빛은 광축에 평행하고, 초점을 지나고, 렌즈의 중심을 지나가고 있습니다. 그런데 이 빛이 렌즈에서 꺾여서 초점을 지나고, 광축에 평행하고, 직선으로 나아가야 하는데 도대체 렌즈의 어느 부분에서 꺾이는 걸까요? 

단일 렌즈의 경우에는 렌즈의 중심에서 빛이 꺾여서 상측으로 들어가는 것으로 표현이 되어 있습니다. 그렇다면 복합 렌즈도 단일 렌즈와 같이 렌즈의 중심부에서 빛이 꺾이는 걸까요? 아니면 렌즈의 가장 앞부분이나 뒷부분에서 꺾일까요? 그것도 아니라면 다른 어떤 지점이 별도로 있는 걸까요?


<복합렌즈에서의 결상 법칙>


이를 살펴보기 위해서 단일 렌즈에서 빛이 꺾이는 현상을 좀더 자세히 살펴보도록 하겠습니다. 이미 알고 있다시피 빛은 굴절의 법칙에 따라 굴절률이 다른 물체의 경계 면에서 꺾이는 현상이 일어나게 됩니다.


<굴절의 법칙>


이러한 현상은 렌즈의 표면에서도 일어나게 되며 이러한 굴절의 법칙에 의해 렌즈의 결상 법칙이 생겨나게 됩니다. 

이러한 점을 염두에 두고 단일 렌즈의 결상 법칙 도식도롤 살펴보면 이상한 점을 발견할 수 있습니다. 굴절의 법칙에 따르면 굴절률이 다른 두 물질의 경계면에서 빛이 꺾이기 때문에 단일 렌즈에서는 빛이 공기 중에서 렌즈로 들어올 때와 렌즈에서 공기 중으로 나갈 때 두 번 꺾여야 합니다. 



<실제 광경로와 도식에서의 광경로>


하지만 도식에서는 빛이 렌즈의 중심에서 한번에 꺾이는 것으로 표현이 되어 있습니다. 

이는 실제로는 렌즈의 표면마다 굴절하는 빛의 경로를 편의를 위해 렌즈 안쪽에서 한번에 꺾인다고 가정을 하였기 때문입니다. 이 때 빛이 꺾이는 지점은 임의로 지정하는 것이 아니라 렌즈에 입사한 빛과 렌즈를 나가는 빛의 연장선이 만나는 지점에서 꺾인다고 가정합니다.




<렌즈를 통과하는 빛은 입사광과 출사광의 연장선이 만나는 점에서 꺾인다고 가정한다.>


이 지점을 Principal point라고 불리며 렌즈의 기준점 역할을 합니다. 또한 이 Principal point가 연결된 평면을 Principal plane이라고 합니다. 단일 렌즈에서 빛이 꺾이는 지점이 렌즈의 중심인 이유는 바로 입사광과 출사광이 서로 만나는 교점이 바로 렌즈의 중심이기 때문입니다.

이러한 원리는 여러 개의 단일 렌즈가 결합된 복합 렌즈에서도 동일하게 적용됩니다. 






<복합 렌즈에서의 Principal plane>


의의 그림을 보면 3개의 단일 렌즈로 구성된 복합렌즈를 통과하는 빛의 경로를 확인할 수 있습니다. 이 빛들은 결상 법칙에 따라 광축에 평행하게 렌즈에 입사한 붉은색 빛은 초점을 지나고 초점을 지나 입사한 푸른색 빛은 광축에 평행하게 렌즈를 통과하는 것을 확인할 수 있습니다.

그리고 이 빛들의 연장선을 그으면 각각의 지점에서 교차되는 것을 알 수 있습니다.

이 두 지점이 앞의 단일 렌즈에서 설명하였던 Principal point입니다. 

앞에서 설명한 단일 렌즈와 마찬가지로 빛은 이 교차점에서 꺾인다고 가정할 수 있습니다. 다만 이러한 꺾이는 지점이 두 군데가 발생합니다. 이 두 군데의 교차점은 각각 물체단의 principal point (H)과 이미지단의 principal point (H')으로 구분됩니다.

해당 principal point는 각각 물체단과 이미지단의 기준점으로 사용됩니다. 만약 어떤 렌즈의 초점 거리가 50mm라고 한다면 이 50mm의 초점 거리는 바로 물체단의 principal plane부터 물체단의 초점까지의 거리를 의미합니다. (H->f). 마찬가지로 이미지단의 principal plane에서 이미지단의 초점까지의 거리 (H'->f')도 초점거리입니다.



Cardinal elements


이렇게 principal point는 렌즈의 광학적인 수치를 이야기할 때 항상 언급되는 기준점의 역할을 합니다. 그러므로 렌즈를 계산하거나 렌즈의 특징을 이야기할 때 항상 확인해야 하는 항목입니다. 이렇게 렌즈의 가장 기본적인 특정을 설명하기 위해 확인해야 할 항목은 principal point 외에 두 가지가 더 있습니다. 그 중 한가지는 바로 렌즈의 화각을 결정하는 초점이고 또 한가지는 렌즈의 중심을 지나가는 광축입니다.

이 항목들은 이미 언급한 바와 같이 렌즈의 특징을 확인하거나 렌즈를 정의하기 위해 필요한 필수 요소입니다. 그리고 이러한 필수 요소들을 Cardinal elements라고 합니다.




< 렌즈의 Cardinal elements 및 그 정의>


이미 언급한 것과 같이 이러한 Cardinal element들은 해당 렌즈의 특징을 설명하는 데에 가장 기본적인 항목이기 때문에 렌즈 회사들은 해당 항목에 대한 정보를 고객에게 제공합니다. 

이러한 정보들은 렌즈의 datasheet에 명시되어 있습니다.




 필진 소개



박강환, Benjamin Park

(앤비젼 제품 기획팀/광학 담당)

광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist



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Posted by 비전만

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