머신 비전 Machine Vision을 위한 카메라 렌즈 종류와 선택(1)

이미지 처리 및 분석을 통한 기술 적용 분야가 많아지고 있습니다. 그 중 컴퓨터 비전 Computer Vision의 한 부분인 머신 비전 분야가 있습니다. 머신 비전은 산업 자동화와 제조 라인의 검사, 품질 관리, 제어 등에 사용되며, 그 이미지를 취득하는 다양한 비전 카메라들이 있습니다. 현 블로그에서는 비전 카메라에 장착되는 렌즈에 특성을 알아보겠습니다. 

 

텔레센트릭 렌즈 (Telecentric Lens)

광학 중심이 물체나 제품쪽으로 이동하면서도 배율이 일정하게 유지되도록 설계된 특수 렌즈이며, 정밀한 측정 및 검사에 사용됩니다. 특성을 보면 배율이 일정하고 일반 렌즈에 비해 왜곡을 최소화합니다. 일반 렌즈는 조리개가 렌즈 중간에 위치한 반면 텔레세트릭 렌즈는 조리개가 주점(Primary principal point) 위에 배치되어 광선이 평행하게 입사 및 출사할 수 있는 구조적 특징을 가지고 있습니다.

 

이러한 구조적 특성에 의해 물체의 왜곡을 최소화하고 깊이 변화에 무관한 정확한 크기 측정이 가능하며 동일한 조건에서 반복 측정이 가능한 장점을 가지고 있습니다. 반면 고가에 렌즈가 길고 무거우며 조리개가 작아 광량 손실이 있는 단점과 검사 대상 물체 크기가 렌즈 직경보다 작아야 한다는 단점을 가집니다. 세부적으로 반도체 검사나 PCB 및 전자부품 측정, 3D 스캐닝 시스템 등에 활용됩니다.

 

종류로는 아래 세가지로 구분할 수 있습니다. 아래 그림은 Bi-Telecentric Lens 구성도와 일반 렌즈 및 텔레센트릭 간 촬영한 물체를 비교한 예입니다. 일반 렌즈에서는 원근에 따른 물체의 크기가 다르지만 텔레센트릭 렌즈에서는 같은 크기의 물체는 동일하게 촬영됩니다.

 

1) Object-space Telecentric Lens: 물체가 렌즈에 가깝거나 멀어도 배율이 일정

2) Image-space Telecentric Lens: 이미지 센서에 광선이 평행하게 입사, 이미지 센서 크기에 무관하게 균일한 이미지 품질 유지

3) Bi-Telecentric Lens: 물체 및 이미지 센서 모두 Telecentric. 

 

 

 

매크로 렌즈 (Macro Lens)

작은 사물 또는 제품 등을 크게 확대하여 촬영할 수 있도록 설계된 특수 렌즈이며, 주로 접사(Close-up photography)에 사용됩니다. 일반적으로 곤충이나 꽃, 작은 전자부품 및 인쇄패턴과 같은 미세한 부분 촬영에 적합합니다.

매크로 렌즈의 특성은 배율이 크며 촬영 대상의 왜곡을 최소화하고 얕은 심도(Depth of Field)를 가집니다. 초점 거리별 유형을 보통 50~60mm는 문서 등의 근거리 접사, 90~105mm는 곤충이나 꽃 접사 촬용에 사용되며 150~200mm는 원거리 접사로 산업용 검사에 활용됩니다.

 

라인 스캔 렌즈 (Line Scan Lens)

라인 스캔 카메라와 함께 사용하는 특수 렌즈로 한 줄(Line)의 이미지를 정밀하게 촬용하기 위해 설계된 렌즈입니다. 우리가 일반적으로 사용하는 영역 스캔 (Area Scan) 방식과는 다른 연속적으로 고속 이미지 취득에 최적화 되어 있습니다.

 

라인 스캔은 한번에 물체의 가로 또는 세로의 한 줄만 촬영이 되며, 대상이 이동하면서 연속 라인 촬영을 통해 2차원 이미지를 구성합니다. 문서를 스캔할 때 방식과 유사하다고 보면 됩니다. 라인 스캔 렌즈의 특징을 보면 미세 결함도 감지할 만큼 해상도가 높고 전체 라인에 걸쳐 왜곡 없이 균일합니다. 그리고 균일하게 밝기를 유할 수 있는 광량 균일성과 열이나 진동에 강건하게 장시간 연속 촬영이 가능합니다.

 

아래 그림에서와 같이 라인 스캔 렌즈로 촬영된 이미지는 일반적으로 X축이 시간으로 볼수 있이며, Y축이 라인 스캔의 라인 크기입니다.