이번 글에서는 머신 비전에 많이 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈 에 대해서 알아보겠습니다.
간단하게 현미경 시스템에 대해서 알아봅시다.
위 그림에서 물체는 대물렌즈에 의해서 포착이 되며 무한하게 이미지가 투영됩니다. 그 후 튜브렌즈에 의해서 이미지가 결상이 되며 마지막에 접안렌즈에 의해서 사람 눈에 보이게 됩니다. 머신 비전에서는 보통 대물렌즈와 튜브렌즈가 사용이 되며 이미지가 결상되는 위치에 카메라(센서)가 위치하게 됩니다.
즉 현미경 시스템에서는 대물렌즈를 통해서 이미지가 무한대에 투영이 되며 튜브렌즈가 대물렌즈와 경통 사이에서 위치하여 이미지를 결상시켜줍니다.
- 대물렌즈는 물체에 가까운 곳에 있으며 물체를 확대하는 역할을 합니다. 그리고 여러 가지 수차를 보정하기 위해 많은 렌즈로 이루어져 있습니다.
- 튜브렌즈는 대물렌즈와 같이 사용되며 이미지 결상을 도와주는 역할을 합니다.
대물렌즈와 튜브렌즈가 사용된 시스템에서 Total 배율은 아래와 같이 계산 할 수 있습니다.
- 총 배율 = 대물렌즈 배율 * 튜브렌즈 배율
- 총 배율 = 튜브렌즈 초점거리 / 대물렌즈 초점거리
즉 초점거리 200mm인 1.0x 튜브렌즈와 10x 대물렌즈(초점거리 20mm)일 때 총 배율은 200mm / 20mm 즉 10x입니다.
머신 비전에서 가장 많이 사용되는 대물렌즈는 니콘, 미쓰도요, 올림푸스입니다. 니콘과 미쓰도요 렌즈는 초점거리 200mm로 보통 설계가 되며 올림푸스 대물렌즈는 초점거리 175mm로 설계가 됩니다.
이제 튜브렌즈를 통해서 결상되는 이미지 Size에 대해서 알아봅시다.
보통 대물렌즈의 Eyepiece size는 25mm입니다.
대물렌즈 Eyepiece 사이즈가 25mm일 경우, 1x 튜브렌즈 적용 시 카메라 단으로 25mm 광다발이 올라가게 됩니다. 튜브렌즈 배율이 0.5배일 경우 12.5mm, 2x 튜브렌즈인 경우는 50mm 광다발이 올라가게 됩니다. 이때, 대물렌즈가 1x라 가정할 때 F.O.V는 25mm 정도가 됩니다. 만약 대물렌즈가 10x라 하면 F.O.V 2.5mm, 대물렌즈가 20x라 하면 F.O.V 1.25mm 됩니다.
튜브렌즈의 배율이 커질수록 사용 가능한 카메라 Sensor size가 커지게 됩니다.
위 내용을 참고하여 뷰웍스 12K TDI 카메라에 필요한 튜브 렌즈를 알아봅시다. 뷰웍스 12K TDI 카메라는 12K x 5.0um이므로 센서 Full size는 12484*5.0= 대략 62.5mm입니다. 62.5mm / 25mm이므로 Tube lens 배율은 최소 2.5배 이상이 되어야 Sensor size 62.5mm가 커버 가능합니다.
한가지 유의할 사항은 카메라의 대각선 사이즈가 커지면 Tube lens의 배율이 높아지지만, 일반적으로 광학적인 성능은 떨어질 수 있습니다.
이제 아래 2가지 항목을 고민해 봅시다.
두 개의 광학계 총 배율은 모두 20배입니다.
- 일반 대물렌즈 10배 & 2.0x tube lens 조합
- 일반 대물렌즈 20배 & 1.0x tube lens 조합
Q1) 어느 경우가 광학계의 성능이 좋을까요?
Q2) 어느 경우가 센서 사이즈 46.5mm를 사용할 수 있을까요?
첫 번째 정답은 b) 광학계 입니다. 동일하게 배율은 20배이지만, 튜브렌즈 배율을 낮추고 대물렌즈 배율을 높이면 이미지 성능은 좋아집니다. 특히, 대물렌즈 배율이 높음에 따른 N.A가 높아서 a) 광학계보다 b) 광학계가 성능이 좋습니다. 하지만 튜브렌즈 배율이 1x임으로 센서 사이즈는 25mm 이상은 사용하지 못하게 됩니다.
그리고 두 번째 정답은 a) 광학계 입니다. 2.0x의 튜브 렌즈가 50mm까지의 센서 사이즈를 사용 할 수 있습니다.
- 50mm / 25mm = 2.0x
- 25mm / 25mm = 1.0x
이상으로 머신 비전에 사용되는 대물렌즈와 튜브렌즈 에 대해서 살펴보았습니다.
추가로 뷰웍스에서 최근에 출시한 렌즈에 대해 궁금하다면 아래 Link를 참고해 주세요!
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