머신비전 광학의 오해와 진실 #3

 

 

 

 

머신비전은 카메라, 프레임그래버, 렌즈, 조명, 케이블, 소프트웨어와 같은 여러 요소들이 애플리케이션에 적합하게 구성되어 영상을 얻게 됩니다. 적합한 영상을 얻기 위해서 각각 요소들이 중요한 역할을 하지만 머신비전의 조명과 렌즈는 그 중요성에 비해 알려진 부분이 적고, 잘못 알려져 있는 부분도 있습니다. 앤비젼은 앤비젼 솔루션레터를 통해 2011년 10월부터 5회에 걸쳐 머신비전 광학에 대해서 일반적으로 가지고 있는 생각과, 그 생각의 진실에 대해서 파헤쳐 보고자 합니다.

 

렌즈의 해상력은 f/8에서 가장 좋다?

일반적인 경우에는 위와 같은 말이 틀린 말이 아니지만 모든 경우에 맞다고 할 수는 없습니다. 좀 더 자세한 설명을 위해 렌즈의 해상력을 결정하는 두 가지 주요한 요소들에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

수 차

렌즈의 해상력에 영향을 주는 하나의 요소는 바로 수차입니다. 수차는 그 형태에 따라 여러 가지로 구분하지만 일반적으로 수차는 렌즈의 중심을 지나는 평행한 선인 광축에 근접한 빛이 들어오는 경우에는 잘 발생하지 않습니다. 하지만 렌즈로 들어오는 빛이 광축에서 멀어지게 되면 (렌즈의 가장자리로 가게 되면) 더 잘 발생하게 됩니다.

그러므로 수차는 렌즈의 물리적인 크기가 커지고 렌즈의 밝기가 밝아질수록 더 많이 발생할 가능성이 높아집니다. 이러한 수차를 줄이기 위해서는 비구면 렌즈와 같은 특수 기술과 함께 이를 설계대로 가공할 수 있는 가공 기술도 요구됩니다. 결과적으로 수차는 렌즈의 해상력을 결정하는 중요한 요인이지만 기술의 발전과 함께 점차 수차를 억제한 렌즈가 나오고 있으며 이에 따라 렌즈의 성능도 점차 좋아지고 있습니다.

 

회 절

렌즈의 해상력에 영향을 주는 또 하나의 요소인 회절은 빛이 작은 틈을 지나갈 때 퍼지는 현상을 말합니다. 회절은 렌즈를 통과한 빛이 센서에서 한 점에 모이는 것을 방해하기 때문에 회절이 적을수록 렌즈의 해상력에 긍정적인 영향을 주게 됩니다. 이러한 회절은 빛이 지나가는 틈이 작고, 빛의 파장이 길수록 더 잘 발생하게 됩니다.

그러므로 렌즈의 해상력은 빛이 들어가는 틈의 역할을 하는 렌즈의 크기를 크게 만들고 빛의 파장이 짧은 UV광을 사용하면 회절의 영향을 적게 받게 되어 좋아집니다.

하지만 회절은 수차와 달리 빛의 물리적인 성질이기 때문에 렌즈를 아무리 잘 만든다고 하더라도 완벽하게 없애거나 빛이 가지고 있는 회절의 특성보다 더 좋은 렌즈를 만들 수 없습니다.

 

수차/회절과 해상력

해상력은 이러한 수차와 회절이라는 두 가지 요인의 영향을 받게 됩니다. 하지만 수차와 회절은 각각 다른 특성을 가지고 있습니다.

수차는 광축에 가까울수록 즉 조리개를 조일수록 줄어드는 반면 회절은 통과하는 틈이 클수록 즉 조리개를 개방할수록 줄어들게 됩니다. 이러한 이유로 렌즈의 조리개가 개방 상태일 경우에는 수차가 해상력에 더 많은 영향력을 주게 되고, 반대로 조리개를 조이게 되면 회절이 해상력에 더 큰 영향을 끼치게 됩니다.

그러므로 일반적인 렌즈의 경우 수차와 회절의 영향력 합이 가장 최소가 되는 f/5.6이나 f/8에서 가장 좋은 성능을 보이게 됩니다.

 

해상력 저해 요인

하지만 이미 언급하였듯이 수차는 설계나 제작 기술에 따라 최소화할 수 있는 반면 회절은 백색광에서 같은 배율과 조리개값(f/#)을 가지고 있다면 항상 동일한 물리적인 값입니다.

그러므로 만약 최대 개방 조리개에서도 수차를 최소화할 수 있다면 해상력에 영향을 끼치는 요소는 회절만 남게 됩니다. 그리고 이 경우 일반적인 렌즈와 달리 조리개를 개방할수록 회절이 줄어들게 되므로 최대 개방 조리개에서 가장 좋은 해상력을 가지게 됩니다.

Diffraction Limited 설계

이렇게 수차의 영향을 최소화하여 회절에만 영향을 받도록 만든 설계를 diffraction limited 설계라고 합니다. 이렇게 설계된 렌즈들은 설계상으로는 수차가 발생하지 않아 렌즈의 중심부부터 주변부까지 균일한 성능을 내게 되고 또한 회절에만 영향을 받기 때문에 조리개를 조일수록 렌즈의 성능이 떨어지게 됩니다.

● Diffraction limited 설계를 통해 제작된 렌즈의 MTF graph(조리개를 조일수록 MTF가 떨어지는 것을 확인할 수 있음)

 

물론 아무리 diffraction limited 설계를 하였더라도 제작 시에 발생하는 공차로 인해 실제 렌즈의 성능이 설계와 같이 나오기는 불가능합니다.

하지만 일반적으로 diffraction limited 설계를 한 렌즈는 매우 tight한 제조 공차와 최신 기술로 제작되는 경우가 많아 기존 렌즈들보다 설계값에 근접한 성능을 내는 경우가 많습니다. 이러한 렌즈의 경우 렌즈는 f/8에서 성능이 가장 좋다는 일반적인 통념과는 다르게 조리개를 개방할수록 더 좋은 성능을 내게 됩니다.

결과적으로 모든 렌즈들이 f/8에서 최상의 성능을 보여주는 것은 아닙니다. Diffraction limited 설계가 적용된 렌즈의 경우에는 오히려 조리개를 개방할 경우 더 좋은 성능을 보여주게 됩니다. 하지만 사용자의 입장에서 조리개를 항상 개방하여 사용하는 경우는 많지 않습니다.

그러므로 application에 맞게 렌즈를 선정하고 필요할 경우에는 조리개를 개방하여 사용할 수 있는 렌즈도 있다는 사실을 염두해 두어야 할 것입니다.

 

 

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