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  1. 2014.07.18 렌즈와 초점거리 사이의 거리
  2. 2014.06.26 머신비전 광학 기술_렌즈의 분류 방법 (3)

[광학 기술 백서 #3]렌즈와 초점거리 사이의 거리


  렌즈를 구분할 때 흔히 광각 렌즈, 표준 렌즈, 망원 렌즈라는 말을 많이 씁니다.
  그러면 이러한 렌즈의 성질은 무엇으로 구분을 하는 것일까요?
  그리고 렌즈의 종류에 따라 나타나는 특징은 무엇이 있을까요?
  오늘은 렌즈의 종류를 구분하는 방법과 이에 따른 특징들을 살펴보도록 하겠습니다
.


렌즈란 무엇인가?

  

  렌즈는 외부의 빛을 카메라 뒤쪽의 필름이나 센서에 도달할 수 있도록 모아주는 장치를 말합니다.

  렌즈는 흔히 플라스틱이나 유리를 이용하여 제작을 하게 되고 이런 렌즈를 통과하는 빛은 렌즈 내부에서 굴절을 한

후 일정한 거리에서 한점에서 만나게 됩니다. 이 때 이렇게 빛이 만나는 점을 초점거리(f)라고 하며 이 초점 거리에 따라 렌즈의 중요한 특징들이 결정되어집니다.

초점 거리에 따른 렌즈의 구분

  

  먼저 초점 거리에 따라 렌즈를 어떻게 구분할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다.
렌즈마다 약간씩의 차이는 있겠지만 보통 렌즈는 초점 거리의 길이에 따라 다음과 같이 구분됩니다.


표준렌즈: 50 또는 55mm의 초점 거리
광각렌즈: 17, 28, 35mm의 초점 거리
망원렌즈: 85, 135, 300mm 또는 그 이상의 초점거리
줌렌즈: 초점거리를 임의로 조절할 수 있는 렌즈

  

  표준렌즈의 초점 거리가 50mm로 되어 있는 이유는 이 초점 거리에서 렌즈를 통해 볼 수 있는 상이 사람의 눈으로 보는 것과 가장 비슷하기 때문입니다.


렌즈 구분의 원리

  
  그러면 광각 렌즈와 망원 렌즈는 어떻게 구분을 할까요?

  이미 눈치를 채신 분들도 있겠지만 광각렌즈는 표준렌즈보다 초점거리가 짧은 것들을, 망원렌즈는 표준렌즈보다 초점 거리가 긴 것을 의미합니다.

  이제 초점 거리에 따라 왜 이렇게 렌즈의 구분이 바뀌는지 알아보도록 하겠습니다.


  위의 그림에서 붉은 선은 표준 렌즈의 초점을 나타내고 있습니다. 


  보시는 바와 같이 표준 렌즈는 광축(점선)에 평행한 광선이 렌즈를 지나 한점에 모입니다
. 이때 빛이 모이는 점을 앞으로 이동시킨다고 생각하면 렌즈로 향하던 평행한 빛은 초점의 이동에 따라 바깥쪽으로 퍼지게 됩니다.(파란색 실선) 바로 이것이 광각 렌즈입니다. 렌즈로 들어오는 빛을 우리가 렌즈를 통해 볼수 있는 시야의 범위라고 하면 광각렌즈의 시야는 표준렌즈보다 넓어지게 됩니다.


  같은 방법으로 이번에는 표준렌즈의 초점을 뒤쪽으로 이동시켜 보겠습니다. 이때에는 광각렌즈와는 반대로 렌즈를 통과하는 빛이 좁아지게 됩니다.(녹색 실선) 이 렌즈가 바로 망원 렌즈입니다. 망원 렌즈는 표준렌즈보다 더 좁은 시야 범위를 가지고 있습니다.


  이처럼 초점거리에 따라 렌즈를 통해 볼 수 있는 시야의 범위가 넓어지거나 좁아지는데 바로 이를 통해 광각렌즈와 표준렌즈, 그리고 망원렌즈를 구분할 수 있습니다.

  이렇게 시야각이 달라지더라도 상이 맺히는 센서나 필름의 크기는 일정하기 때문에 같은 거리에서 찍은 사진을 통해서 나타나는 물체의 크기는 광각렌즈->표준렌즈->망원렌즈의 순서로 커지게 됩니다.

실제 사용 예시


  그러면 각각의 렌즈가 실제로 어떻게 사용되고 있는지 실제 촬영한 사진을 통해 알아보도록 하겠습니다.



  위의 사진은 같은 거리의 물체를 초점거리가 다른 렌즈를 사용하여 촬영한 예입니다. 이미 설명했던 바와 같이 초점거리가 길어질수록 물체의 크기가 커지는 것을 알 수 있습니다.



  또한 초점거리에 따라 렌즈에서 표현되는 원근감도 차이가 나게 됩니다. 이 원리에 대해서는 앞서 설명한 "Telecentric 렌즈의 원리"에서 언급하였으니 생략하도록 하겠습니다.

  이처럼 렌즈는 초점 거리에 따라 그 성질과 효과에 차이가 나게 됩니다.
  그러므로 렌즈의 이러한 성질을 잘 알고 용도에 맞게 쓸 수 있도록 주의해야 하겠습니다
.


 필진 소개



박강환, Benjamin Park

(앤비젼 제품 기획팀/광학 담당)

광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist



Posted by 비전만

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[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.


 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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  1. kmw9058 2017.01.13 11:20  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    감사합니다.

  2. 2017.11.27 17:59  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    비밀댓글입니다

  3. 궁금타 2019.09.20 08:41  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    궁금한게 있습니다
    같은 200만인데 8.8 6.6 / 11.26 5.98로 사이즈가 다릅니다
    그럴경우 렌즈는 서로 호환이 되나요?
    아니면 둘이 별도의 렌즈를 선정을 해줘야하나요?