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초점 거리 가변형 렌즈(Focus Tunable Lens)의 활용법
2021.06Hit. 957

초점 거리 가변형 렌즈 (Focus Tunable Lens)

대부분의 머신비전 어플리케이션에서 공통적으로 경험하는 기술적 난제는 거리가 다른 대상물들의 초점을 유지한 상태로 신속하게 촬영하는 것입니다. 이 문제를 해결하려면 기구적 시스템을 추가하거나 여러 대의 카메라와 조명을 설치해야 하는데 이는 많은 비용이 추가되는 작업입니다.

초점 거리 가변형 액체 렌즈(Focus Tunable Liquid Lens)는 사람의 눈이 동작하는 것과 같은 원리의 기술로서 유연하고 효과적인 솔루션을 낮은 비용으로 지원합니다.

 


사람의 눈은 주변에 있는 근육을 이용하여 수정체의 곡률을 변화시키고 이러한 곡률 변화를 통해 다양한 거리에 있는 물체를 선명하게 볼 수 있도록 초점을 맞춥니다. 이런 사람의 눈과 달리 일반적인 광학 렌즈는 유리(glass)로 만들기 때문에 임의로 곡률을 바꾸는 것이 불가능합니다. 그렇기 때문에 초점을 바꾸기 위해서는 렌즈와 센서 사이의 거리를 물체와의 거리에 맞게 수시로 조정해야 합니다. 일반적으로 초점 유지를 위해 많이 사용되는 오토 포커스(Auto Focus) 시스템은 모터를 이용하여 렌즈가 물체와 센서 사이에서 물리적으로 움직이도록 하는 방식입니다. 이런 원리로 인해 AF용 모터를 추가해야 하고 이로 인해 광학계의 크기가 커지고 비용도 증가하게 됩니다. 또한 사용하는 모터의 속도에 따라 오토 포커스의 속도도 제한을 받습니다.


물리적으로 렌즈를 이동시켜야 하는 전통적인 광학 시스템과 달리 초점 거리 가변형 렌즈는 사람의 눈과 같이 렌즈의 두께를 변형시키는 방식으로 이를 구현합니다. 그것이 가능한 이유는 형태 변형성을 가진 폴리머 렌즈 기술에 기반하기 때문입니다. 렌즈 모양을 변형시키는 핵심 부품인 컨테이너(container)는 탄성을 가진 얇은 폴리머 멤브레인(polymer membrane)으로 그 내부에 광학적 액체(optical liquid)를 담고 있습니다. 전자기 액츄에이터가 이 컨테이너에 가하는 압력을 제어함으로서 그 내부의 액체 형태가 변해서 렌즈 곡률을 바꾸게 됩니다. 즉 렌즈의 재료가 전류에 반응하는 다분자 중합체로 되어 있어서 전류값에 따라 마치 사람의 눈과 같이 렌즈의 곡률을 변경할 수 있는 렌즈입니다. Optotune사의 초점 가변형 렌즈는 이러한 곡률 변화 기능을 이용해서 일반 렌즈와 결합해서 초점의 위치를 변화시키거나 일정 수준의 줌 렌즈로 활용이 가능합니다.


렌즈의 반경이 몇 마이크로미터만 달라지면 광학적으로는 렌즈 전체가 몇 센티미터를 이동한 것과 동일한 효과가 있습니다. 초점 거리 가변형 렌즈는 복잡한 기구적 구조가 필요 없기에 시스템을 컴팩트하게 설계할 수 있고 기구적인 마찰과 노후 현상이 없습니다. 그리고 응답 시간이 수 밀리세컨드로 매우 짧고 수십 조 회의 수명이 보장되며 이동하는 광학 부품이 없으므로 공차에 대한 민감도가 낮아 공정 수율이 향상됩니다.

디옵터(Diopter)의 계산

초점 가변형 렌즈는 일반 상용 렌즈와 결합하여 사용하는 경우가 가장 일반적입니다. 또한 위에서 언급한 것과 같이 전류 값에 따라 곡률이 수시로 바뀌게 됩니다. 이런 특징으로 인해 일반적으로 활용하는 렌즈의 초점거리보다는 디옵터(Diopter)라는 수치를 활용하는 것이 더 바람직합니다.

디옵터는 렌즈의 굴절력을 나타내는 수치로 아래의 식과 같이 초점거리의 역수로 계산합니다.



디옵터를 계산할 때 주의할 점은 모든 거리를 미터(m)로 변환해야 한다는 점입니다. 예를 들어 초점거리가 50mm인 렌즈의 디옵터는 1/0.05m = 20 이 됩니다. 이미 언급했듯이 디옵터는 빛이 렌즈를 통과하여 꺾이는 정도를 의미하는 수치로 그 값이 클수록 빛이 더 잘 꺾인다고 판단하면 됩니다.

디옵터는 + 또는 ‒ 의 부호를 가지고 있는데 + 부호는 빛이 모이는 특성을 ‒ 부호는 빛이 퍼지는 특성을 나타냅니다. 디옵터 표현법의 장점은 여러 개의 렌즈를 결합하여 사용할 때 가장 잘 드러납니다. 만약 여러 종류의 렌즈들을 결합하여 하나의 광학계를 만든다고 할 경우 그 새로운 광학계의 디옵터는 각각의 렌즈들이 가지고 있는 디옵터들의 합입니다. 예를 들어 50mm의 볼록렌즈, 100mm의 오목렌즈, 200mm의 볼록렌즈가 결합될 경우 해당 3개의 렌즈로 이루어진 새로운 광학계는 다음과 같은 디옵터 값을 가지게 됩니다.


50mm 볼록렌즈 : + 20 dpt
100mm 오목렌즈 : - 10 dpt
200mm 볼록 렌즈 : + 5 dpt

전체 광학계 디옵터 = + 20 dpt - 10 dpt + 5 dpt = +15 dpt
초점 거리 : 66.67mm

일반 렌즈와 초점 가변형 렌즈의 결합

초점 가변형 렌즈는 대부분 일반 상용 렌즈와 결합해서 사용하게 되는데 어플리케이션과 그 용도에 따라서 아래 그림과 같이 두 가지 결합 형태로 사용할 수 있습니다. 일반 상용 렌즈와 초점 가변형 렌즈를 결합해서 사용할 때에는 디옵터의 개념을 이용해서 설계하고 활용하는 것이 더 유용합니다.


렌즈 앞쪽에 결합하는 형태

렌즈 뒤쪽에 결합하는 형태

렌즈 앞쪽에 결합하는 형태

가장 범용적으로 사용하는 결합 형태로서 별다른 조치 없이 렌즈를 부착시키는 것만으로 오토 포커스 효과를 얻을 수 있습니다. 그리고 이때 오토 포커스의 범위는 결합된 렌즈의 디옵터 값을 이용하여 계산할 수 있습니다.

예를 들어, 초점거리 25mm 렌즈의 앞쪽에 초점 가변형 렌즈 EL-10-30-C-VIS-LD-MV 모델을 결합한 경우를 보겠습니다. 25mm 렌즈의 디옵터 값은 40dpt입니다. 그리고 EL-10-30-C-VIS-LD-MV 모델은 -1.5dpt 부터 3.5dpt까지 디옵터 값이 변하는 제품입니다. 그러므로 두 렌즈가 결합된 렌즈는 38.5dpt ~ 43.5dpt의 디옵터 범위를 가진 새로운 렌즈가 됩니다.

38.5dpt ≤ 25mm lens + EL-10-30-C-VIS-LD-MV ≤ 43.5dpt

그러면 이 렌즈가 아래의 사진과 같이 렌즈 앞에서부터 각각 120mm와 200mm의 거리가 떨어져있는 상자의 바코드를 오토 포커스를 이용해서 읽을 수 있는지 확인해 보겠습니다.



이를 위해서 기하 광학에서 가장 중요한 공식 중 하나인 lens maker’s law를 다시 한번 확인하겠습니다.



위의 그림과 같이 렌즈와 물체와의 거리(a), 렌즈와 상까지의 거리(b), 렌즈의 초점거리(f) 사이에는 다음의 관계식이 성립합니다.

이 식에서 a는 working distance, b는 flange back distance로 바꿀 수 있으며 아래와 같이 디옵터로도 표현이 가능합니다.

위 예의 WD를 120mm와 200mm인 중간 값인 160mm로 놓고 기존 렌즈의 초점거리인 25mm에 대입하여 Dpt_FBD를 구하면 다음과 같습니다.

이는 일반적으로 25mm 렌즈가 160mm의 WD를 가지기 위해서는 렌즈와 센서 사이의 거리가 1/33.75m=29.63mm 떨어져 있어야 한다는 의미입니다. 결과적으로 이러한 구성을 위해서는 일반적인 C-mount 렌즈의 flange back distance인 17.3mm 렌즈보다 약 12mm 정도가 더 긴 extender ring을 사용해야 합니다.

Dpt_FBD 값이 33.75임을 확인했으니 이제는 WD 120mm와 200mm에서 대응이 가능한 렌즈의 디옵터 값을 확인해 보겠습니다.

WD=200mm일 경우
5+33.75 = 38.75dpt

WD=120mm일 경우
8.3 + 33.75 = 42.08dpt


결과적으로 25mm렌즈를 이용하여 WD를 120mm부터 200mm까지 조절하기 위해서 필요한 디옵터 값은 38.75dpt ~ 42.08dpt로 EL-10-30-C-VIS-LE-MV 렌즈를 이용해 얻을 수 있는 디옵터 값의 범위를 만족하게 됩니다. 그러므로 아래 사진과 같이 높이가 다른 두 대상물의 이미지가 모두 초점이 맞게 촬영이 가능합니다.



렌즈 뒤쪽에 결합하는 형태

초점 가변형 렌즈를 일반 렌즈의 뒤쪽에 결합하는 경우에도 앞쪽에 결합할 때와 동일하게 디옵터를 이용하여 전체 광학계의 새로운 초점거리를 계산할 수 있습니다.

그러나 다만 앞쪽에 부착할 경우와 달리 기존 렌즈 입장에서 인위적으로 렌즈와 센서 사이의 거리가 초점 가변형 렌즈의 두께만큼 떨어지는 효과가 발생하기 때문에 무조건적으로 확장 튜브(extension tube)를 사용하는 것과 같은 결과가 발생합니다.

또한 렌즈 뒤쪽에서 볼록 렌즈를 이용하여 빛을 다시 모아 주기 때문에 이미지 서클(image circle)이 기본 렌즈가 가지고 있는 것보다 작아집니다. 이런 이유로 35mm 초점거리 이하의 렌즈에서는 비네팅(vignetting) 현상이 발생하게 됩니다.

이런 특성으로 인해 렌즈의 뒤쪽에 결합하는 경우는 대부분 고배율 렌즈 광학계로 flange back distance의 변화에 비교적 적은 영향을 받는 어플리케이션에 주로 사용하게 됩니다.



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회사는 이용자 혹은 법정대리인의 요청에 의해 삭제/ 취급 정지된 개인정보를 “3. 개인정보의 보유 및 이용기간”에 명시된 바에 따라 취급하고 그 외의 용도로 열람 또는 이용할 수 없도록 취급하고 있습니다. 이용자의 개인정보를 최신의 상태로 정확하게 입력하여 주시기 바랍니다. 이용자가 입력한 부정확한 정보로 인해 발생하는 사고의 책임은 이용자 자신에게 있으며 타인 정보의 도용 등 허위정보를 입력할 경우 서비스 이용이 제한될 수 있습니다.
이용자 및 법정대리인은 개인정보를 보호 받을 권리와 함께 스스로를 보호하고 타인의 정보를 침해하지 않을 의무도 가지고 있습니다. 이용자 및 법정대리인의 개인정보가 유출되지 않도록 조심하시고 게시물을 포함한 타인의 개인정보를 훼손하지 않도록 유의해 주십시오. 만약 이 같은 책임을 다하지 못하고 타인의 정보 및 존엄성을 훼손할 시에는 『정보통신망 이용촉진 및 정보보호 등에 관한 법률』 등에 의해 처벌 받을 수 있습니다.

6. 개인정보 파기절차, 기한, 방법

이용자 및 법정대리인은 언제든지 등록된 이용자의 개인정보를 열람, 정정, 삭제, 취급 정지하는 등의 권리를 행사할 수 있습니다. 이를 원할 시 개인정보보호책임자에게 e-mail로 연락해주시면 지체 없이 조치하겠습니다. 이용자의 개인정보 오류에 대한 정정을 요청하신 경우에는 정정 완료 전까지 당해 개인정보를 이용 또는 제3자에게 제공하지 않겠습니다. 다만, 회사는 다음의 경우 개인정보의 전부 또는 일부에 대하여 열람 또는 정정을 거절할 수 있습니다.

  • 가. 파기절차
    • 이용자가 입력한 정보는 목적 달성 후 별도의 DB에 옮겨져(종이의 경우 별도의 서류) 내부 방침 및 기타 관련 법령에 따라 일정기간 저장된 후 혹은 즉시 파기됩니다. 이 때, DB로 옮겨진 개인정보는 법률에 의한 경우가 아니고서는 다른 목적으로 이용되지 않습니다.
  • 나. 파기기한
    • 이용자의 개인정보는 개인정보의 보유기간이 경과된 경우에는 보유기간의 종료일로부터 5일 이내에, 개인정보의 취급 목적 달성, 해당 서비스의 폐지, 사업의 종료 등 그 개인정보가 불필요하게 되었을 때에는 개인정보의 취급이 불필요한 것으로 인정되는 날로부터 5일 이내에 그 개인정보를 파기합니다.
  • 다. 파기방법
    • 전자적 파일 형태로 저장된 개인정보는 기록을 재생할 수 없는 기술적 방법을 사용하여 삭제합니다. 종이에 출력된 개인정보는 분쇄기로 분쇄하거나 소각을 통하여 파기합니다.

7. 개인정보 자동수집 장치의 설치•운영 및 그 거부에 관한 사항

회사는 이용자의 정보를 수시로 저장하고 찾아내는 쿠키(cookie) 등을 운용합니다. 쿠키란 회사의 홈페이지를 운영하는 데 이용되는 서버(http)가 이용자의 브라우저에 보내는 아주 작은 소량의 정보이며 이용자들의 컴퓨터 하드디스크에 저장되기도 합니다.

  • 가. 쿠키 등 사용목적
    • 이용자 접속 유형, 방문 시간, 접속 빈도, 이용형태 등을 분석하여 이용자에게 최적화된 정보제공을 위해 사용됩니다.
    • 각종 마케팅 서비스, 통계분석 등에 활용
  • 나. 쿠키 설정 거부 방법
    • 이용자는 쿠키 설치에 대한 선택권을 가지고 있습니다. 따라서, 이용자는 웹 브라우저에서 옵션을 설정함으로써 모든 쿠키를 허용하거나, 쿠키가 저장될 때마다 확인을 거치거나, 아니면 모든 쿠키의 저장을 거부할 수도 있습니다. 단, 이용자께서 쿠키설치를 거부하였을 경우 서비스 제공에 어려움이 있을 수 있습니다.
    • 쿠키 관련 설정 변경을 원하신다면, 웹 브라우저 상단의 도구 > 인터넷 옵션 > 개인 정보란을 확인해주십시오.

8. 개인정보 관리책임자

회사는 개인정보 취급에 관한 업무를 총괄해서 책임지고, 개인정보 취급과 관련한 정보주체의 불만처리 및 피해구제 등을 위하여 아래와 같이 개인정보 관리책임자를 지정하고 있습니다.

  • 개인정보 보호책임자
    • 성명 : 김종환 대표
    • 전화 : 02-424-8832
    • 팩스 : 02-6455-8832
    • 이메일 : alliovis@iovis.co.kr

※ 문의 주신 내용은 개인정보 관리담당부서로 연결되며, 회사는 이용자들의 민원 사항에 대해 신속히 응대하겠습니다.

9. 개인정보 안전성 확보 조치

회사는 개인정보보호법에 따라 개인정보를 취급함에 있어 개인정보가 분실, 도난, 누출 변조 또는 훼손되지 않도록 아래와 같은 안전성 확보 조치를 하고 있습니다.

  • 가. 정기적인 자체 감사 실시
    • 개인정보 취급 관련 안정성 확보를 위해 정기적으로 자체 감사를 실시하고 있습니다.
  • 나. 개인정보 취급 직원의 최소화 및 교육
    • 개인정보를 취급하는 직원을 지정하고 담당자에 한정시켜 최소화 하여 개인정보를 관리하는 대책을 시행하고 있습니다.
  • 다. 내부관리계획의 수립 및 시행
    • 개인정보의 안전한 처리를 위하여 내부관리계획을 수립하고 시행하고 있습니다.
  • 라. 해킹 등에 대비한 기술적 대책
    • 회사는 해킹이나 컴퓨터 바이러스 등에 의한 개인정보 유출 및 훼손을 막기 위하여 보안프로그램을 설치하고 주기적인 갱신·점검을 하며 외부로부터 접근이 통제된 구역에 시스템을 설치하고 기술적/물리적으로 감시 및 차단하고 있습니다.
  • 마. 접속기록의 보관 및 위변조 방지
    • 개인정보처리시스템에 접속한 기록을 최소 6개월 이상 보관, 관리하고 있으며, 접속 기록이 위변조 및 도난, 분실되지 않도록 보안기능 사용하고 있습니다.
  • 바. 개인정보에 대한 접근 제한
    • 개인정보를 처리하는 데이터베이스시스템에 대한 접근권한의 부여, 변경, 말소를 통하여 개인정보에 대한 접근통제를 위하여 필요한 조치를 하고 있으며 침입차단시스템을 이용하여 외부로부터의 무단 접근을 통제하고 있습니다.
  • 사. 문서보안을 위한 잠금장치 사용
    • 개인정보가 포함된 서류, 보조저장매체 등을 잠금장치가 있는 안전한 장소에 보관하고 있습니다.
  • 아. 비인가자에 대한 출입 통제
    • 개인정보를 보관하고 있는 물리적 보관 장소를 별도로 두고 이에 대해 출입통제 절차를 수립, 운영하고 있습니다.

10. 적용 개시일 및 변경 공지

이 개인정보처리방침은 2020년 9월 1일부터 적용되며, 법령 및 방침에 따른 변경 내용 발생 시 변경 사항의 시행 7일 전에 홈페이지 공지사항을 통해 공지할 것입니다.

동의합니다.