카메라용 렌즈 선택

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카메라 렌즈 마운트

카메라의 렌즈 마운트와 호환되는 렌즈를 선택해야 합니다. 대부분의 FLIR 머신 비전 카메라에는 C-마운트 또는 CS-마운트가 장착되어 있습니다. 또한 5mm C-CS 마운트 스페이서, M12 렌즈 마운트 및 CS-M12 어댑터를 제공합니다.

C-마운트 및 CS-마운트 카메라의 플랜지 백 거리

C-마운트 및 CS-마운트 렌즈는 대부분의 산업용 CCD 카메라와 렌즈에 사용되는 나사형 렌즈 마운트입니다. C-마운트 및 CS-마운트 장비의 차이점은 렌즈 플랜지(카메라에 맞닿는 케이스 부분)와 렌즈의 초점면(CCD 센서를 배치해야 하는 위치) 사이의 거리입니다. 이를 플랜지 백 거리라고 합니다.

일반적인 C-마운트 및 CS-마운트 렌즈의 다이어그램

C-마운트 렌즈의 플랜지 백 거리 사양은 17.53mm이고 CS-마운트 렌즈의 경우 12.53mm입니다. 하지만 FLIR 카메라에는 1mm 적외선 차단(IRC) 필터와 0.5mm 센서 패키지 창이 있기 때문에 이러한 물리적 거리가 상쇄됩니다. 이 두 가지 유리 부분이 렌즈와 센서 상평면 사이에 맞습니다. FLIR에서 컬러 카메라에는 IRC 필터를 설치하고, 단색 카메라에서는 IRC가 투명 유리 창으로 교체됩니다. 센서 패키지 창은 센서 제조업체에서 설치합니다. 이러한 유리 구성품의 굴절은 공칭 값에서 플랜지 백 거리의 오프셋이 필요합니다.

CS-마운트 카메라와 C-마운트 렌즈를 사용하는 경우, 5mm 스페이서를 추가하여 올바른 초점을 맞출 수 있습니다. 하지만 C-마운트 카메라와 CS-마운트 렌즈를 사용하는 경우는 올바른 초점을 맞출 수 없습니다.

M12 마이크로렌즈와의 호환성

M12(S-마운트라고도 함) 광학 렌즈는 더 작은 크기와 더 낮은 c 금속으로 인해 C-마운트 또는 CS-마운트 광학 렌즈에 대한 대체 제품으로 인기가 있으며, 렌즈, CS-M12 어댑터 및 M12 렌즈가 있는 일부 카메라 마운트가 사전 설치되어 있습니다.

FLIR의 주조 금속 M12 렌즈 홀더는 아연 합금으로 제조하며 Sony ICX445 CCD 및 Sony IMX035 CMOS와 같은 대형 센서에 맞게 설계되었습니다. 추가적인 특징으로는 백 초점 거리를 조정하기 위한 세트 스크루, 렌즈 홀더를 카메라 회로 기판에 정밀하게 정렬하기 위한 맞춤 핀, IRC 필터가 있습니다.

FLIR은 CS-마운트 렌즈 홀더가 장착된 카메라에 M12 렌즈를 부착하는 데 유용한 CS-M12 렌즈 어댑터를 제공합니다.

특정 광각(짧은 초점 길이) M12 렌즈에는 호환성 문제가 있을 수 있습니다. 호환성 문제는 아래 설명된 바와 같이 주로 백 초점 길이 차이로 인해 발생합니다.

렌즈가 초점을 맞추는 데 필요한 거리가 렌즈 홀더의 길이보다 긴 경우 렌즈의 초점을 맞추기 위해서는 렌즈를 홀더에서 분리해야 합니다.
렌즈가 초점을 맞추는 데 필요한 거리가 렌즈 홀더의 길이보다 짧습니다. 렌즈 홀더에 렌즈가 끝까지 조여져 있어도 이미지의 초점이 맞지 않습니다.
마이크로렌즈는 초점이 맞기 전에 IR 필터와 만날 수 있습니다.
마이크로 렌즈의 초점이 맞을 수 있지만 렌즈 세트 스크루로 고정하기에는 너무 짧습니다.

렌즈 초점 길이

렌즈를 선택할 때 또 다른 중요한 고려 사항은 초점 길이입니다. 초점 길이가 센서 형식의 대각선 크기와 거의 동일한 렌즈는 일반적으로 사람의 눈에 정상으로 보이는 원근감을 보여줍니다. 일반 초점 길이보다 짧은 렌즈(‘광각’ 렌즈라고도 함)는 더 넓은 시야를 캡처할 수 있습니다. 일반 초점 길이보다 긴 렌즈 또는 ‘망원’ 렌즈는 더 작은 시야를 캡처합니다. 따라서 초점 길이를 고려할 때는 센서 크기, 캡처할 시야, 렌즈가 피사체로부터 대략 얼마나 멀리 떨어져 있는지(‘작동 거리’라고도 함)를 고려해야 합니다.

초점은 광축에 평행한 모든 입사 광선이 교차하는 광축 상의 위치입니다. 장면(scene)의 동일한 지점에서 발생한 모든 광선이 이미지 평면의 동일한 지점에서 정확히 교차할 때 초점이 맞춰집니다. 이 개념은 아래 다이어그램에 나와 있습니다. 대칭 렌즈의 경우 초점 F와 F’가 렌즈로부터 같은 거리에 있다는 점에 유의하십시오. F를 통과하는 광선은 상평면에 도달하기 전에 광학 축과 평행하게 굴절됩니다.

초점 거리, 작동 거리 및 이미지 거리 간의 관계는 가우스 렌즈 공식으로 구할 수 있습니다.

많은 이미징 응용 분야에서, 작동 거리는 이미지 거리보다 상당히 큽니다. 이 경우, 다음과 같이 상기 방정식을 계산할 수 있습니다.

이미지 거리는 초점 거리와 거의 같습니다. 이 케이스에 대해 아래에 표시한 단순화된 광선 다이어그램은 이 케이스에 대해 센서 가장자리의 주요 광선만 그려 놓은 것입니다. 이들 광선은 방향의 변화 없이 렌즈의 중심을 통과합니다.

이 경우 초점 거리의 대략적인 값은 다음과 같습니다.

작동 거리가 초점 거리보다 많이 크지 않은 매크로 사진과 같은 근접 애플리케이션의 경우, 이미지 거리를 초점 거리로 추정할 수 없습니다. 위의 방정식의 보다 정확한 형태(가까운 작동 거리 및 먼 작동 거리 모두에 적용 가능)는 다음과 같이 구합니다.

많은 렌즈 공급업체의 웹사이트에서 초점 거리 방정식의 근사 형식을 기반으로 권장 초점 거리를 생성하는 렌즈 선택 계산기를 사용할 수 있습니다. 확신이 없는 경우, 계산이 간단하여 센서 치수를 알고 있다면 수동으로 수행할 수 있습니다. 센서 크기는 옛날부터 일반적으로 인치의 분수 단위로 주어지며, 센서의 유효 이미징 영역의 실제 크기로 직접 확대하거나 축소할 수 없습니다.’ 아래 표에는 여러 표준 센서 크기의 너비, 높이 및 대각선 크기 목록이 나와 있습니다.

예를 들어, 1/2” 센서, 100mm의 작동 거리 및 50mm의 수평 시야를 사용하는 애플리케이션을 생각해 보십시오. 테이블을 살펴보면 1/2” 센서는 너비 6.4mm, 높이 4.8mm, 대각선 8mm입니다. 지정된 수평 시야를 달성하기 위해 다음을 사용합니다.

또는 정확한 방정식 사용:

결과는 정확한 공식을 사용하면 11.3mm, 근사 공식을 사용하면 12.8mm의 초점 거리가 됩니다. 이러한 차이는 초점 길이에 비해 작동 거리가 감소함에 따라 증가합니다.

일단 요건에 가장 적합한 초점 거리를 선택하면 원하는 시야를 얻기 위해 작동 거리를 조정해야 할 수도 있습니다. 또한 초점 길이가 짧은 렌즈의 경우 뚜렷한 왜곡이 자주 보인다는 것을 명심하십시오. 실제 왜곡의 양은 사용되는 특정 렌즈에 따라 달라지며 실제 시야에 상당한 영향을 미칠 수 있습니다. 위의 방정식은 왜곡을 무시합니다. 렌즈 왜곡이 큰 경우(예: > 10%), 초점 길이를 예측하는 데 위의 방정식은 부정확하며 시작점으로만 사용해야 합니다. 렌즈의 데이터시트를 참조해야 합니다. 일반적으로 렌즈가 지원하는 각각의 센서 형식에 대해 광각 렌즈 및 피쉬아이 렌즈용 시야 각도가 지정됩니다. 이 시야 각도를 주어진 시야에 대한 작동 거리를 거리 단위로 계산하는 데 사용해야 합니다.

센서 크기

렌즈를 구입할 때 카메라에 사용되는 이미지 센서의 광학 크기(예: 1/3", 2/3" 등)와 호환되는지 확인하십시오. 렌즈는 전체 센서를 커버하는 이미지를 투사할 수 있어야 합니다. 2/3" 같은 대형 센서용으로 제작된 렌즈는 해상도 저하가 있을 수 있지만 1/3"와 같은 소형 센서와 함께 사용할 수 있습니다(아래 참조).

렌즈가 전체 센서를 커버할 만큼 충분히 큰 이미지를 투사하지 못할 가능성이 높기 때문에 1/3” 같은 소형 센서용으로 만들어진 렌즈는 1/2” 같은 대형 센서와 함께 사용할 수 없습니다. 이 경우 이미지 모서리가 흐리거나 어둡거나 완전히 검은색으로 나타날 수 있습니다.

다음 표에는 다양한 크기의 센서에 대한 활성 영역의 대략적인 너비(W), 높이(H), 대각선(D) 및 소형 센서에서 특정 렌즈를 사용하는 것과 관련된 크롭 팩터(crop factor)가 나와 있습니다. 예를 들어, 6mm 렌즈를 1/3” 센서와 페어링하면 1/4” 센서에서 어떤 렌즈가 동일한 시야를 갖는지 알고자 한다고 가정해 봅시다. 1/4” 센서에 대한 1/3” 센서의 크롭 팩터는 1.33입니다. 따라서 6 mm/1.33 = 4.5 mm의 초점 길이를 선택합니다.

센서 공간 해상도 및 메가픽셀 렌즈

렌즈를 선택할 때 또 다른 중요한 요소는 총 센서 면적에 대한 픽셀 수입니다. 이 측정치는 일반적으로 픽셀(단위 셀) 크기에 반비례하며 픽셀 수가 클수록 개별 픽셀이 작아지고 서로 더 가까워집니다. 결과적으로 센서의 픽셀 간격이 작을수록 작은 디테일을 기록(샘플)하는 능력이 우수해집니다. 이러한 능력을 공간 주파수 또는 공간 해상도라고 합니다. 고밀도 센서에는 센서의 해상도와 같거나 더 높은 해상도로 이미지를 투사할 수 있는 고품질 광학 부품으로 제작된 메가픽셀(MP) 렌즈가 필요합니다.

아래 표에는 FLIR 카메라에 사용되는 센서의 샘플과 MP 렌즈를 함께 사용해야 하는지 여부가 나와 있습니다. 메가픽셀 센서가 있는 MP 렌즈를 사용하는 것이 좋습니다. 다중 메가픽셀 센서의 경우, 렌즈의 MP 등급이 센서의 MP 수와 맞거나 초과해야 합니다. 일반 렌즈를 메가픽셀 센서에 사용하면 센서의 해상도가 충분하지 않을 수 있으며 그로 인해 이미지가 흐려질 수 있습니다. MP 렌즈를 비 메가픽셀 센서와 함께 사용할 수 있지만 비용 편익 관점에서는 비실용적일 수 있습니다.

이상적으로는 렌즈 형식과 센서 형식이 일치해야 최상의 성능을 발휘할 수 있습니다. 예를 들어, 1MP 1/3” 센서의 1MP 2/3” 포맷 렌즈는 렌즈가 생성하는 전체 디테일 중 일부만 센서가 캡처하기 때문에 해상도가 저하될 가능성이 높습니다. 1MP 1/3” 렌즈는 센서 면적이 작기 때문에 동일한 1MP의 이미지 콘텐츠를 캡처하기 위해 1MP 2/3” 렌즈보다 높은 해상도를 제공합니다. 센서 공간 해상도는 라인 페어 퍼 밀리미터(lpm 또는 lp/mm) 단위로 측정되며, 이는 센서가 해상도를 표시할 수 있는 흑백 막대 반복 쌍의 최소 크기를 나타냅니다. 픽셀 크기가 3.75마이크로미터에 불과한 Sony ICX445 와 같은 1/3" 1.3MP 센서는 ~133 lpm(1/3.75µm x 1/2 x 1000µm/mm)의 해상도를 표시할 수 있습니다. MP 렌즈는 Sony ICX445(1/3" 1.3MP) 또는 Sony ICX655(2/3" 5MP)와 같은 소형 메가픽셀 센서의 고 픽셀 밀도를 사용하기 위해 이미지를 더 세밀하게 투사할 수 있습니다.

렌즈의 해상도는 일반적으로 서로 다른 피치(lpm)를 가진 흑백 막대의 이미지 세트로 측정합니다. 바로 해상도를 표시할 수 있는 미세한 피치(센서에서)는 렌즈의 해상도로 간주됩니다. 이 해상도에 2를 곱한 다음(라인 쌍을 라인으로 변환) 센서 크기 치수를 곱하여 렌즈의 MP 등급을 결정합니다. 이러한 측정에는 몇 가지 함정이 있습니다. 첫째, 렌즈의 해상도는 시야에 따라 달라지므로(일반적으로 이미지 중심 부근이 가장 높음) 해상도가 측정되는 부분의 디테일이 MP 등급에 큰 영향을 미칩니다. 두 번째로 “방금 해상된” 해상도는 테스트 장치마다 다를 수 있기 때문에 함정이 될 수 있습니다. 예를 들어, 두 개의 렌즈가 133lpm의 해상도를 가지므로 MP 등급은 동일하지만 60lpm에서 동일한 대조도를 보이지는 않습니다. 따라서 MP 등급이 항상 모든 것을 말해 주는 것은 아닙니다.

렌즈 해상도를 보다 체계적으로 측정하는 것은 MTF (Modulation Transfer Function)입니다. MTF는 cycles/mm(cy/mm, 때로는 lp/mm 또는 lpm이라고도 함) 단위의 주어진 공간 주파수에서 검은색과 흰색 사이에서 부드럽게 순환하는 사인 곡선 패턴* 이미지의 진폭(대조도)을 측정합니다. 이러한 패턴의 공간 주파수가 높을수록 이미지가 균일한 회색으로 흐려질 가능성이 더 높습니다. 이 측정치의 공칭 “해상도”는 전기 회로의 대역폭과 유사한 저주파 대조도의 일부 비율로 대조도가 떨어지는 주파수입니다. 이는 일반적으로 MTF50(저주파 대조도의 50%) 또는 MTF30(저주파 대조도의 30%)으로 표현됩니다. MTF10도 가끔 사용되며 막대 패턴에서 얻은 “방금 해상된” 해상도와 거의 동일합니다(위 참조). MTF10은 안정적으로 측정하기 어렵기 때문에 주의해야 합니다. 또 다른 메트릭은 제한된 특정 주파수 세트에 대한 대조도를 측정하는 것으로, 주로 이미지에서 방사형 위치의 함수로 표시됩니다. MTF 데이터는 단순한 MP 등급에 비해 렌즈 품질에 대한 정보를 훨씬 더 자세히 제공할 수 있지만 해석이 더 복잡하며 데이터를 항상 사용할 수 있는 것은 아닙니다.

* MTF 측정은 포인트 스프레드 및 경사 엣지 분석과 같은 다른 방법으로도 수행할 수 있습니다.

기타 리소스