초점을 맞추세요: 카메라에 적합한 렌즈 찾기
렌즈에는 어떤 종류가 있나요?
렌즈를 선택할 때 고려해야 사항을 설명하기 전에 사용 가능한 다양한 유형의 렌즈를 검토해야 합니다. 일반적인 렌즈 종류에는 엔토센트릭 렌즈(entocentric lens) 또는 텔레센트릭 렌즈 그리고 광각 및 어안 렌즈가 있습니다. 이 외에 적외선 촬영을 위한 특수 렌즈도 있습니다.
하지만 여기에서는 머신 비전 애플리케이션에서 주로 찾을 수 있는 엔토센트릭 렌즈(entocentric lens)에만 초점을 맞출 것입니다. 일반적인 엔토센트릭 렌즈(entocentric lens)는 렌즈와 센서 모두에 대해 고정된 각도의 조리개를 갖고 있습니다. 개구각(aperture angle)은 사람의 눈과 비슷합니다. 멀리 있는 물체는 작게 보이고 가까이 있는 물체는 크게 보입니다. 가장 흔히 사용되는 엔토센트릭 렌즈(entocentric lens)는 사람의 눈에서 발견됩니다.
렌즈를 선택할 때는 어떤 요소들을 고려해야 할까요?
1. 센서 크기 및 이미지 서클
센서 크기는 적합한 렌즈 선택에서 결정적인 요소입니다. 고해상도 에어리어 스캔 및 라인 스캔 카메라는 특히 저해상도 카메라에 비해 더 큰 센서를 갖고 있습니다. 센서 규격은 임의의 표준에 의해 결정되는 것이 아니라 센서의 해상도 및 픽셀 크기에 의해 정의됩니다. 이론적으로는 여기에서 모든 것이 가능하며 그저 가격의 문제일뿐입니다. 센서 크기 단위는 인치이지만 센서 대각선 길이 1인치는 25.4 mm가 아니라 16 mm에 해당됩니다. 여기에는 역사적인 이유가 있습니다.
1.1 마운트
카메라 바디와 렌즈 사이의 인터페이스를 마운트라 부릅니다. 마운트는 표준 크기로 제작되며 카메라 바디의 나사산 종류에 따라 레이블이 붙습니다.
머신 비전 카메라용으로 가장 널리 사용되는 마운트인 C-마운트는 센서 대각선 길이가 1.5인치에 해당되는 20 mm인 경우에 적합합니다. 이보다 큰 센서에는 F-마운트 또는 F-바요넷이 일반적으로 사용되지만 이 유형은 산업용 애플리케이션에는 거의 사용되지 않습니다. 이런 애플리케이션에는 소형 센서에 적합한 CS- 및 S-마운트 렌즈가 더 많이 사용됩니다. S-마운트 렌즈는 1/2″, 1/3″ 또는 이보다 작은 센서 크기에 사용됩니다. CS-마운트 바디에 C-마운트 렌즈를 장착하려면 5 mm 어댑터 링이 필수입니다. 이 절차는 반대로는 할 수 없나요? CS-마운트 렌즈는 C-마운트 카메라에 부착할 수 없습니다.
1.2 이미지 서클 지름
마운트 크기에 비한 렌즈 마운트의 이미지 서클 간섭은 조건부로만 허용됩니다. “이미지 서클”이란 용어는 가장자리에 음영(비네팅)을 드리우지 않고 렌즈에 전달된 빛에 의해 조사되는 센서 표면을 나타냅니다.
센서 크기와 비슷하게 이미지 서클 지름도 인치 단위로 계산합니다. 이상적으로는 1/3” C-마운트 렌즈는 1/3” 센서가 탑재된 카메라에 부착해야 합니다. 이렇게 하면 이용 가능한 이미지 서클이 최적화됩니다. 그런 다음 1/2″ 크기 센서가 탑재된 카메라 바디에 같은 렌즈를 부착하면 비네팅이 발생합니다.
초점 거리가 같은 2/3인치 렌즈와 1/3인치 센서를 사용한다고 가정하면 비네팅(vignetting에 전혀 문제가 없습니다. 하지만 화각이 달라집니다. 원칙적으로 더 큰 렌즈를 사용하면 더 큰 이미지 서클이 생성되어 이미지의 선명도가 중앙에서 가장자리까지 일정하게 유지되므로 이는 장점이기도 합니다.
이 경우 이미지 서클의 많은 부분이 사용되지 않으므로 비용 낭비입니다. 렌즈의 크기는 센서 크기에 따라 결정되므로 렌즈가 얼마나 큰지는 중요하지 않습니다. 렌즈가 클수록 더 비쌉니다. 센서가 작을 때는 적절히 작은 렌즈를 사용해야 합니다.
결론: 이미지 서클 지름은 센서 크기와 일치하거나 더 커야 합니다.
2. 해상도 및 픽셀 크기
고해상도 이미지는 고해상도 렌즈를 사용해야만 생성될 수 있습니다.
초고해상도 이미지는 픽셀 수가 많은 것 이상의 무언가가 필요합니다. 렌즈가 픽셀 크기를 구분할 수도 있어야 합니다. 렌즈의 해상도 단위는 밀리미터당 라인 쌍(lp/mm)을 기준으로 하며 이는 밀리미터 당 얼마나 많은 수의 선이 서로 구분되어 보이는지를 나타냅니다. 더 많은 수의 라인 쌍이 구분될 수록 렌즈 해상도가 좋아집니다.
MTF 곡선(modulation transfer function)에서는 이미지 중심부터 가장자리까지의 렌즈 해상도가 표시됩니다. 제조업체에 이 곡선에 대해 문의할 수 있습니다. MTF 곡선을 계산하기 위한 기준은 검은색과 흰색 줄로 표시된 테스트 차트이며 이 차트에서는 최대 해상도를 lp/mm로 읽을 수 있도록 구조가 점차 세밀해집니다.
렌즈 해상도는 픽셀을 구분하려면 픽셀이 얼마나 커야 하는지 결정하는 데 도움이 됩니다. 대부분의 경우 구분 가능한 픽셀 개수는 렌즈에 직접 지정되어 있습니다.
5 MP 해상도의 센서일 경우 5백만 개의 이미지 포인트가 있으며 모두 5백만 개를 구분할 수 있는 렌즈가 필요합니다.
결론: 렌즈 해상도는 센서의 픽셀 크기와 매칭되어야 합니다.
여담: 백만 픽셀
많은 소비자용 카메라 또는 스마트폰 제조업체는 자사 기기의 메가픽셀 수가 특히 높다고 광고합니다. 이는 소비자에게 메가픽셀 수가 많을수록 해상도가 높아져 최상의 이미지를 얻을 수 있다는 것을 의미합니다. 하지만 렌즈가 맞지 않는다면 높은 메가픽셀 수는 실제로 별 도움이 되지 않습니다. 좋은 품질의 렌즈는 비싸기 때문에 많은 제조업체가 비용을 절감하려고 노력합니다. 예를 들어 카메라 해상도가 20MP인 스마트 폰은 이미 흐릿한 이미지를 생성하며, 이렇게 높은 픽셀 수의 센서는 흐릿함을 확대할 뿐입니다.
하지만 5 MP 해상도의 컴팩트 카메라와 고품질 렌즈는 적은 픽셀 수에 비해 훨씬 더 선명한 이미지를 만들어냅니다.
산업용 화상 처리 분야에서는 대개 VGA (0.3 MP)와 5MP 사이의 해상도를 가진 센서가 사용됩니다. 개별 픽셀이 너무 작고 노이즈는 너무 커서 까다로운 측정 및 검사 작업을 수행할 수 없기 때문에 최소한 C-마운트 카메라용으로 이보다 더 높은 해상도는 합리적이지 않습니다.
3. 초점 거리 및 센서 크기의 상호 작용
우리는 렌즈의 광학적 중심과 초점 사이의 거리를 초점 거리라 부릅니다. 평행한 입사광의 모든 광선은 초점에서 교차합니다. 때문에 렌즈의 초점 거리는 렌즈의 굴절률에 따라 달라지며 밀리미터 단위로 표현됩니다.
초점 거리가 길어질 수록 렌즈의 망원 사진 특성은 더 커집니다. 스포츠 포토그래퍼나 파파라치에게서 볼 수 있는 거대한 렌즈는 분명 소비자용 카메라의 렌즈에 비해 더 큰 초점 거리를 갖고 있습니다. 광각 및 어안 렌즈의 초점 거리는 이보다 작습니다.
초점 거리는 센서 너비, 대물 렌즈 너비 그리고 작동 거리에 의해 결정됩니다. 대부분의 렌즈 공급업체들은 자사 홈페이지에서 초점 거리를 계산할 수 있는 계산용 툴을 제공합니다.
이미지 서클: 이미지 서클 지름이 최소한 센서 크기와 일치하나요?
결론: 초점 거리는 센서 크기 및 애플리케이션 아키텍처와 맞아야 합니다.
4. 조리개 및 조명 조건
카메라 조리개 선택은 이미지 품질과 밝기에 직접적인 영향을 줍니다. F 값(또는 F 스톱)은 조리개 지름 대비 초점 거리이며 조리개가 얼마나 열리는지 지정합니다.
F 값이 커질 수록 조리개가 좁아져 센서에 닿는 빛이 적어집니다. 조리개가 넓게 열리면 센서에 닿는 빛이 많아져 우수한 이미지를 얻는 데 필요한 빛의 양이 감소합니다.
조명 여건이 빈약한 경우 조리개를 넓게 열면 도움이 됩니다.
조리개가 좁으면 장점과 단점 모두가 존재합니다. 비네팅 및 기타 수차와 같은 부정적인 효과는 감소하며 초점 깊이는 증가합니다. 너무 어두워지지 않도록 주의해야 합니다. 조리개가 너무 작으면 회절번짐현상 (diffraction blur)이 발생합니다. 그리고 조리개 가장자리의 입사광이 굴절되어 이미지 품질에 부정적인 영향을 줍니다.
따라서 각각의 렌즈에는 최적 F 값이 존재하는데 이는 사실상 최소 회절번짐현상 (diffraction blur)과 최대 피사계 심도 사이에 타협한 것에 해당됩니다.
결론: 조리개 값은 애플리케이션에서의 조명 여건에 적합해야 합니다.
점검 목록
앞의 내용을 이해했다면 다음과 같은 질문을 해야 합니다.
렌즈 마운트: 갖고 있는 렌즈가 카메라와 동일한 마운트(예: C-마운트)를 갖고 있나요?
해상도: 렌즈 해상도가 센서 해상도와 일치하나요?
초점 거리: 초점 거리는 센서 크기 및 애플리케이션에 적합한가요?
이미지 서클: 이미지 서클 지름이 최소한 센서 크기와 일치하나요?
조리개 값: 조리개 값이 애플리케이션에서의 지배적인 빛의 조건에 적합한가요?
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