정확한 포커싱의 시작: 비전 시스템에 꼭 맞는 렌즈 선택법
선명한 이미지를 원한다면, 카메라만큼 중요한 것이 바로 렌즈입니다. 렌즈는 해상도, 초점 거리, 크기 뿐만 아니라 설계 방식에서도 용도에 따라 달라집니다. 다음 글에서는 다양한 상황에 적합한 렌즈 선택 팁을 알려드리겠습니다.
렌즈에는 어떤 종류가 있고, 선택할 때 꼭 고려해야 할 요소는 무엇일까요?
이미지 처리 시스템의 성능을 위해 올바른 렌즈 선택은 매우 중요합니다. 광학계와 센서가 최적으로 작동하려면 센서 크기, 해상도, 초점 거리, 조리개 값 등 여러 기술적 요소를 고려해야 합니다.
먼저 주요 렌즈 유형에 대한 간략한 개요를 살펴보겠습니다: 일반적으로 엔도센트릭 렌즈, 텔레센트릭 렌즈, 광각 렌즈, 어안 렌즈로 나눌 수 있으며, 근적외선 대역 이미징에 특화된 렌즈도 별도로 사용됩니다.
이제부터는 머신비전 분야에서 가장 일반적으로 사용되는 엔도센트릭 렌즈에 대해 자세히 알아보겠습니다. 이 렌즈는 사람의 눈처럼 원근감을 표현하는 영상을 만들어내며, 멀리 있는 대상은 작게, 가까운 대상은 크게 보이게 합니다. 실제로 사람의 눈도 엔도센트릭 광학계의 한 예입니다.
최적의 렌즈를 선택하기 위해 고려해야 할 기술 요소는 다음과 같습니다:
센서 크기 및 이미지 서클 직경
해상도 및 픽셀 크기
초점 거리
조리개 개방 값과 조명 조건
1. 센서 크기 및 이미지 서클
센서 크기는 렌즈 선택 시 가장 중요한 요소 중 하나입니다. 고해상도 에어리어 스캔 또는 라인 스캔 카메라는 일반적으로 저해상도 카메라보다 더 큰 센서를 사용합니다. 센서 크기는 해상도와 픽셀 사이즈에 따라 결정되며, 특정한 표준이 없기 때문에 예산에 따라 다양한 크기 구현이 가능합니다. 센서 크기는 인치 단위로 표기되지만, 1인치는 실제로 25.4mm가 아닌 약 16mm로 간주됩니다. 이는 영상 처리 업계에서 관행처럼 굳어진 역사적 기준입니다.
1.1 마운트
렌즈와 카메라를 연결하는 부위는 표준화된 크기로, 마운트라고 불립니다.
C-마운트는 머신비전 카메라에서 가장 보편적으로 사용되며, 센서 대각선 길이가 약 20mm(1.5인치)에 적합합니다. 더 큰 센서에는 일반적으로 F-마운트 또는 F-바요넷 마운트가 사용되지만, 산업용 환경에서는 드물게 채택됩니다. 대신, 작은 센서에 적합한 CS-마운트와 S-마운트가 산업용 카메라에서 더 흔히 사용됩니다. S-마운트 렌즈는 주로 1/2″, 1/3″ 이하의 센서에 사용되며, C-마운트 렌즈를 CS-마운트 카메라에 장착하려면 5mm 어댑터 링이 필요합니다. 반대로 CS-마운트 렌즈는 C-마운트 카메라에 사용할 수 없습니다.
1.2 이미지 서클 직경
렌즈의 마운트 또는 마운트 크기만으로는 이미지 서클, 즉 균일하게 노출되고 비네팅(가장자리 음영) 없이 센서에 투사되는 영역에 대해 제한적인 판단만 가능합니다.
센서 크기와 마찬가지로 이미지 서클 직경도 인치 단위로 표기됩니다. 1/3″ C-마운트 렌즈는 1/3″ 센서를 사용하는 카메라에 가장 적합하며, 이 경우 이미지 서클이 최적으로 활용됩니다. 그러나 더 큰 센서(예: 1/2″)에 동일한 렌즈를 사용할 경우, 비네팅 현상이 발생하게 됩니다.
반대로 2/3″ 렌즈를 더 작은 1/3″ 센서에 사용할 경우에는 비네팅이 발생하지 않으며, 이미지의 가장자리까지 선명한 화질을 유지할 수 있습니다. 하지만 이미지 서클의 상당 부분이 사용되지 않기 때문에 비효율적입니다. 대형 렌즈는 일반적으로 가격이 더 비싸기 때문에, 작은 센서에는 그에 맞는 소형 렌즈를 사용하는 것이 비용 효율적입니다. 중요한 것은 이미지 서클 직경이 센서 크기와 같거나 그보다 커야 한다는 점입니다.
2. 해상도 및 픽셀 크기
고해상도 비전 시스템에는 단순히 메가픽셀 수가 많은 센서뿐만 아니라, 해당 해상도를 실제로 구현할 수 있는 렌즈도 필요합니다. 렌즈의 해상도는 미세한 디테일이 화면에 그대로 표현되는지, 아니면 손실되는지를 결정짓는 요소입니다. 다음 섹션에서는 해상도와 픽셀 크기를 왜 함께 고려해야 하는지, 그리고 렌즈의 성능을 어떻게 평가할 수 있는지에 대해 알아보겠습니다.
해상도와 밀리미터당 라인 수 (lp/mm)
렌즈의 해상도는 밀리미터당 라인 수(lp/mm)로 표시됩니다. 이 값은 1mm 내에 얼마나 많은 미세한 선을 서로 구분할 수 있는지를 나타냅니다. 수치가 높을수록 더 정밀한 디테일을 선명하게 표현할 수 있습니다. 센서가 가진 성능을 최대한 활용하려면, 렌즈의 해상도 역시 충분히 높아야 합니다.
MTF 곡선: 중심부터 가장자리까지의 선명도
MTF 곡선(변조 전달 함수)은 이미지 중심부터 가장자리까지 렌즈의 해상도를 시각적으로 나타냅니다. 이는 간격이 점차 좁아지는 흑백 선 패턴을 이용한 테스트 차트를 기반으로 하며, 렌즈의 선명도를 정량적으로 평가할 수 있게 해줍니다. MTF 곡선은 제조사에 요청하거나 데이터시트에서 확인할 수 있으며, 렌즈 성능을 객관적으로 비교·분석할 때 유용한 지표입니다.
실제 픽셀 크기 및 렌즈 선택
렌즈의 해상도는 센서의 픽셀 크기와 조화를 이루어야 하며, 그래야만 모든 픽셀에 정확한 초점을 맞출 수 있습니다. 예를 들어, 5메가픽셀 센서를 사용할 경우에는 실제로 5MP 해상도를 구현할 수 있는 렌즈가 필요합니다. 일부 렌즈는 지원 가능한 해상도를 ‘메가픽셀’ 단위로 표기해 선택을 쉽게 하지만, 이는 lp/mm나 MTF 곡선 같은 기술적 수치를 통한 성능 검증을 완전히 대체하진 못합니다. 센서 해상도와 렌즈 성능이 완전히 매칭될 때, 비전 시스템의 성능을 최대한으로 끌어낼 수 있습니다.
참고: 메가픽셀
많은 스마트폰이나 소비자용 카메라 제조사들은 고해상도 메가픽셀 수를 앞세워 제품을 홍보합니다. 하지만 메가픽셀이 많다고 해서 항상 더 선명한 이미지를 얻을 수 있는 것은 아닙니다. 렌즈 성능이 받쳐주지 않으면 높은 해상도 센서는 오히려 흐릿한 이미지만 더욱 확대해서 보여줄 뿐입니다. 고성능 렌즈는 가격이 비싸기 때문에, 제조사들이 종종 렌즈 품질을 낮추는 방식으로 비용을 절감하려 하기도 합니다. 예를 들어, 20MP 스마트폰 카메라도 렌즈가 제대로 받쳐주지 않으면 결과물은 흐릿해질 수밖에 없습니다.
그러나 5MP 해상도의 컴팩트한 카메라도 고품질 렌즈를 사용하면, 해상도는 낮더라도 훨씬 선명한 이미지를 얻을 수 있습니다.
머신비전에서는 일반적으로 VGA(0.3MP)부터 5MP 사이의 해상도를 가진 센서가 주로 사용됩니다. 특히 C-마운트 카메라의 경우, 이보다 높은 해상도는 그다지 실용적이지 않습니다. 픽셀 크기가 지나치게 작아지면 노이즈가 급격히 증가하여 정밀한 측정 및 검사 작업을 수행하기 어렵기 때문입니다.
3. 초점 거리와 센서 크기 간의 관계
렌즈의 광학 중심에서 초점까지의 거리를 우리는 ‘초점 거리’라고 정의합니다. 평행하게 들어오는 모든 빛은 이 초점에서 하나로 모이게 되며, 초점 거리
𝑓는 렌즈의 굴절력에 따라 달라지고 mm 단위로 표시됩니다.
초점 거리 및 이미지 효과
초점 거리가 길수록 렌즈의 망원 특성이 강해집니다. 스포츠 사진작가나 파파라치가 사용하는 대형 렌즈는 일반 소비자용 카메라의 렌즈보다 훨씬 더 긴 초점 거리를 가지고 있습니다. 반대로 광각 렌즈나 어안 렌즈는 그에 비해 초점 거리가 짧습니다.
초점 거리는 센서의 가로 길이, 촬영 대상의 가로 폭, 그리고 작업 거리(카메라와 대상 간 거리)에 의해 결정됩니다. 대부분의 렌즈 공급업체는 자사 웹사이트에서 초점 거리를 계산할 수 있는 도구를 제공하고 있습니다.
초점 거리별 화각 비교 예시 이미지
이미지 비교를 통해 확인할 수 있듯, 초점 거리가 길어질수록 화각은 좁아지고 줌 효과는 커집니다 — 이는 적절한 렌즈를 선택하는 데 있어 매우 중요한 요소입니다. 초점 거리는 항상 센서 크기 및 어플리케이션의 설치 조건과 일치해야 합니다.
4. 조리개 및 조명 조건
조리개 설정은 이미지의 밝기와 해상도에 직접적인 영향을 미칩니다. F값(F-number 또는 F-stop)은 초점 거리 대비 조리개 구경의 비율로 정의되며, 조리개가 얼마나 열려 있는지를 수치로 표현한 것입니다.
F값과 이미지 품질
F값이 클수록 조리개가 좁아져 센서에 도달하는 빛의 양이 줄어듭니다. 반대로 조리개를 넓게 열면 더 많은 빛이 유입되므로, 조명이 어두운 환경에서는 조리개를 크게 개방하는 것이 유리합니다.
조리개를 좁게 설정하면 피사계 심도가 깊어지고 비네팅 등의 수차가 줄어드는 장점이 있지만, 동시에 회절로 인한 흐림 현상이 발생할 수 있습니다. 이는 빛이 조리개 가장자리를 지날 때 굴절되며 이미지 선명도를 떨어뜨리는 원인으로 작용합니다.
따라서 각 렌즈마다 최적의 F값이 존재하며, 이는 최대 피사계 심도와 최소 회절 사이의 균형점을 의미합니다.
결론: 조리개는 너무 넓거나 너무 좁지 않게 어플리케이션의 조명 상황에 맞게 조절합니다.
렌즈 선택을 위한 체크리스트
렌즈를 결정하기 전에 다음 사항을 확인하세요:
렌즈 마운트: 렌즈 마운트(예: C-마운트)가 카메라와 호환되나요?
해상도: 렌즈 해상도가 센서 해상도와 일치하여 모든 디테일에 초점이 맞춰지나요?
초점 거리: 초점 거리가 센서 크기와 어플리케이션에서 원하는 이미지 영역에 적합한가요?
이미지 서클: 이미지 서클 직경이 비네팅 없이 센서 전체를 완전히 덮고 있습니까?
조리개: 렌즈의 조리개 밝기가 어플리케이션의 조명 환경에 충분한가요?
렌즈 및 호환 액세서리
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