머신 비전에서의 피사계 심도: 조리개, 작동 거리, 혼동 원
조리개, 초점 거리, 작업 거리, 혼동 원이 어떻게 선명 영역을 결정하는지, 조리개를 조일 때 어떤 경우에 효과가 있는지, 그리고 초점 심도와 피사계 심도가 어떻게 다른지.
Depth of field (DOF) in machine vision is the range of object distances that produce acceptably sharp images on the sensor. Four variables control it: f-number, focal length, working distance, and the permissible circle of confusion, which machine vision sets from pixel pitch rather than photographic convention. Shorter focal lengths and longer working distances extend DOF quadratically; stopping down helps linearly until diffraction cancels the gain. Run your own numbers in the Commonlands camera depth of field calculator.
머신 비전에서 피사계 심도란 무엇인가요?
Depth of field is the range of object distances over which a lens holds blur below the permissible circle of confusion on the sensor. In machine vision the blur limit comes from pixel pitch, not print sharpness, so practical DOF is far shallower than photography rules of thumb suggest. Any published DOF figure is unusable until you know the CoC behind it, and datasheets rarely state one.
Strictly, the circle of confusion does not define depth of field. It is a proxy that yields a theoretical DOF for a diffraction-limited lens at the working F-number, which turns a focus question into arithmetic. The real usable range depends on how the lens's MTF at your feature's spatial frequency holds through focus, which no single blur number captures. Commonlands can provide measured DOF tables for each of its lenses on request.
F-number and CoC act on DOF linearly, while the working-distance-to-focal-length ratio acts quadratically, so geometry is the strongest lever. That is also why a higher-resolution sensor, which tightens the CoC, shrinks the working DOF even though nothing about the lens changed. The working distance guide covers how WD fits the rest of the optical stack.
머신 비전 시스템에서 피사계 심도는 무엇에 의해 결정되나요?
피사계 심도는 f-값, 초점 거리, 촬영 거리, 허용 가능한 혼동 원(CoC)이라는 네 가지 변수에 의해 결정됩니다. 피사계 심도는 f-값과 CoC에 비례하여 선형적으로 증가하며, 촬영 거리와 초점 거리 비율의 제곱에 비례하여 증가합니다. 초점 거리와 촬영 거리는 제곱 비례로 작용하기 때문에 피사계 심도에 가장 큰 영향을 미치는 요소입니다.
조리개(f값)
Closing the iris shrinks the light cone and the blur circles from out-of-focus points. Doubling the f-number roughly doubles DOF, but each full stop halves the light, so two stops cost a factor of four in exposure. Many M12 lenses run at a single fixed f-number, so aperture is set at selection. An adjustable-iris C-mount lens such as the Commonlands CIL544 lets you tune it at the bench. See the f-number guide.
초점 거리
DOF scales with the inverse square of focal length, the strongest single lever during selection: a 6mm lens holds roughly 7 times more DOF than a 16mm lens at the same working distance and aperture, since (16/6)² ≈ 7.1. The cost is pixel density, since a shorter lens spreads pixels over a wider field of view. If the feature size needs the longer lens, the extra DOF must come from aperture or working distance. See the focal length selection guide.
작동 거리
DOF scales with the square of working distance, so moving the camera from 300mm to 600mm at constant focal length and aperture roughly quadruples it. Restoring the field of view needs a longer focal length, which gives some of the gain back, so model the two together. Early on, the camera can move and a DOF problem is cheap to fix. Once the mechanics are committed, WD is fixed and the remaining levers are optical.
허용 가능한 흐림 정도 (혼동 원)
Relaxing the CoC raises the calculated DOF, but the physical blur does not change. Only the label of what counts as acceptable moves. The right CoC is the largest blur the algorithm still tolerates at full reliability. The circle of confusion section below gives per-task starting values.
Working distance limits are not on every datasheet, and published DOF figures rarely state their CoC assumption. When comparing candidate lenses, request the assumed CoC or recompute DOF from f-number, focal length, and your own pixel-pitch CoC so the comparison is like for like.
조리개를 조이면 피사계 심도가 깊어지나요?
Stopping down increases depth of field roughly linearly with f-number, but it costs light and eventually adds diffraction blur that outweighs the gain. For sensors with 1.5-2µm pixels, diffraction typically becomes visible around F/2.8-F/4 and dominates by F/5.6-F/8.
광 손실
Each full stop halves the light, so going from F/2.8 to F/11, four stops, drops it to a sixteenth at the same exposure. Strobe power must rise or the exposure must lengthen, which risks motion blur on moving targets, and eventually the illumination system hits its power limit. This cost is often payable because illumination is programmable, but it must be budgeted, not assumed.
회절
작은 조리개를 통과하는 빛은 회절됩니다. 센서에 형성되는 점상은 에어리 원반이 되며, 그 직경은 f-값이 커질수록 커집니다:
On a sensor with 1.85µm pixels, an F/8 Airy disk spans nearly 6 pixels, and that blur floor sits under the entire image, so closing the iris past this point erases the resolution the extra DOF was meant to protect. A 3.45µm-pixel sensor tolerates roughly F/5.6-F/8; a 1.5µm-pixel sensor loses pixel-scale contrast near F/5.6. The diffraction limit guide covers the resolution side.
The practical operating band for typical machine vision sensors is F/2.8-F/8. Before going past F/8, compute the Airy disk against your pixel pitch. Commonlands can supply a measured through-focus MTF curve for a candidate lens, so the tradeoff is not left to the geometric estimate.
머신 비전에서는 어떤 서클 오브 컨퓨전을 사용해야 할까요?
Use a circle of confusion derived from pixel pitch, typically 1-2 pixel pitches depending on the task. Photographic CoC conventions run several times too large for machine vision sensors. Pixel pitch comes from the sensor datasheet, not the format name. See the sensor size guide.
머신 비전 기준은 CoC = k × 픽셀 피치로, 여기서 k는 해당 작업이 허용하는 블러 픽셀 수입니다:
| 과제 | 일반적인 CoC (픽셀) | 근거 |
|---|---|---|
| 계측학, 치수 측정 | 1 | 측정 임계값에서 1 픽셀 이상의 블러 처리는 가장자리 위치를 이동시킵니다. |
| 정밀 표면 검사 | 1 | 결함은 1~2픽셀 정도에 불과할 수 있으며, 블러 효과로 인해 잘 가려집니다 |
| 바코드, 2D 코드, OCR | 1-2 | 가장 얇은 막대, 셀 가장자리 또는 획은 선명하게 표시되어야 합니다. |
| 픽 앤 플레이스 위치 파악 | 1-3 | 배치 정확도는 허용 오차를 결정합니다 |
| 존재 감지, 로봇 내비게이션 | 2-4 | 픽셀 크기에 비해 특징의 크기가 크다 |
The definitive test is empirical: expose the real algorithm to controlled defocus at the working aperture and find the blur level where output error crosses the acceptance threshold. Enter that value, not a photography default, into the Commonlands depth of field calculator.
머신 비전에서 초점 초점 거리란 무엇인가요?
초점 심도 한계(hyperfocal distance)는 원거리 피사계 심도 한계가 무한대에 도달하는 가장 가까운 초점 거리입니다: H = f² / (N × c). H 지점에 초점을 맞추면, H/2부터 무한대까지의 모든 대상이 혼동 원(circle-of-confusion) 범위 내에 머무르게 됩니다. 이는 고정된 거리에서 이루어지는 검사보다는 피사체 거리가 가변적인 내비게이션 및 모니터링 카메라에 적합합니다.
Because H scales with f², focal length dominates. With c = 3.7µm, two pixel pitches on a 1.85µm sensor, the Commonlands CIL821 2.1mm M12 lens at F/2.4 gives H = 2.1² / (2.4 × 0.0037) ≈ 0.50m. Everything from about 0.25m to infinity then holds within budget, a workable fixed-focus setup for a robot navigation camera. The CIL160 16mm at F/1.9 gives H ≈ 36m, near limit around 18m. Focus it at the working plane instead.
Hyperfocal focus fits AMR and drone navigation, wide-area monitoring, and factory-set fixed-focus modules, where object distances vary and no plane deserves peak sharpness. It is the wrong strategy for inspection, metrology, and barcode reading: at H/2 blur equals the full CoC, a pure liability when the target sits at one controlled distance. See the focusing guide for setting focus at either target.
The calculation is only as good as its CoC: tightening c from 6µm to 3µm doubles H and can push the near limit beyond the closest object the camera must see. Before committing a factory focus setting, verify the algorithm's detection rate on images captured at H/2, where blur sits at the full CoC limit.
초점 심도와 피사계 심도의 차이는 무엇인가요?
Depth of field is the object-side tolerance: how far the scene can move while lens and sensor stay fixed. Depth of focus is the image-side tolerance: how far the sensor can shift along the optical axis before blur exceeds the permissible circle of confusion, about 2 × f-number × CoC in total. They are conjugates, not synonyms.
| 매개변수 | 피사계 심도 | 피사계 심도 |
|---|---|---|
| 시스템 측면 | 객체 측 | 이미지 측 (센서면) |
| 무엇이 움직이는가 | 피사체 거리 | 센서 위치 |
| 일반적인 범위 | 밀리미터에서 미터로 | 수십 마이크로미터 |
| 오류 시그니처 | 거리가 맞지 않는 부분은 흐릿하고, 다른 부분은 선명하다 | 조립 후 전체 이미지가 균일하게 흐릿해짐 |
The image-side window stays near 2 × N × c regardless of magnification, about 40µm at F/4 with c = 5µm, while object-side depth of field grows as magnification falls. A low-magnification system with generous depth of field therefore still carries the same tens-of-micrometers sensor-placement budget.
That window must absorb every sensor-position error in the build: PCB thickness variation, package height, flange tolerance, shims, and thermal drift, which can reach tens of micrometers in compact assemblies. A Commonlands lens that passes bench testing can still produce soft images after integration, so validate focus in the assembled camera at the working aperture, not on a bench at nominal flange distance.
피사계 심도가 중요한 용도에는 어떤 렌즈가 적합할까요?
Short focal lengths give forgiving DOF at fixed apertures, long focal lengths trade DOF for pixel density, and adjustable-iris C-mount lenses let the aperture be tuned on site. The three lenses below are examples of those cases, not a complete list: check the machine vision lens collection for current options. Commonlands ships in-stock lenses same day on orders placed before 12 PM PST.
We ranked them by how much control each gives over the depth-of-field budget, not by resolution. The adjustable-iris CIL544 leads because you can trade DOF against diffraction at the bench, while the two fixed-aperture M12 lenses lock that decision at selection time.
| 순위 | 렌즈 | 마운트 | EFL | 조리개 | 언제 선택해야 할까요? | 제품 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | CIL544 | C-마운트 | 25mm | F/1.8 가변 조리개 | 1.1인치 20MP 센서에서 피사계 심도와 회절 최적점을 찾기 위해 실험대에서 조리개 값을 훑어봐야 할 때. | 25mm C-마운트 렌즈 |
| 2 | CIL160 | M12 | 16mm | F/1.9~F/5.6 모델 | 높은 픽셀 밀도를 필요로 하며, 부품을 고정된 작업 거리에서 유지하는 고정 조리개 방식의 생산 라인. | 16mm M12 렌즈 |
| 3 | CIL059 | M12 | 5.9mm | F/1.7, F/2.8, F/4.0, F/5.6 fixed variants | Short-EFL layouts that need forgiving DOF; the four fixed-aperture variants let the DOF budget choose the F-number without an iris. | Low distortion 6mm M12 lens |
자주 묻는 질문
머신 비전에서 ‘혼동 원(circle of confusion)’이란 무엇인가요?
The circle of confusion is the maximum blur-spot diameter on the sensor that an application still treats as in focus. In machine vision it is an engineering tolerance set from pixel pitch and algorithm tolerance, typically 1-2 pixel pitches, far tighter than photographic conventions calibrated to human print viewing.
머신 비전에서 초점 초점 거리란 무엇인가요?
초점 초점 거리는 주어진 렌즈, 조리개, 혼동 원(circle of confusion) 조건에서 피사계 심도의 가장 먼 경계가 무한대까지 확장되는 가장 가까운 초점 거리입니다. 초점 초점 거리 H = f² / (N × c)에 초점을 맞추면, H/2부터 무한대까지의 모든 대상이 허용된 흐림 범위 내에 포함됩니다. 이는 고정 거리 검사보다는 항법 및 감시 카메라에 적합합니다.
머신 비전에서 초점 심도란 무엇인가요?
초점 심도란, 흐림 현상이 허용 가능한 혼동 원(CoC)을 초과하기 전까지 이미지 센서가 광축을 따라 이동할 수 있는 허용 범위를 말합니다. 이는 이미지 측의 허용 오차로, 총합이 대략 f-값 × 2 × CoC이며, 일반적으로 수십 마이크로미터 정도입니다. 피사계 심도는 이에 상응하는 피사체 측의 허용 오차이며, 이 두 용어는 서로 바꿔 쓸 수 없습니다.
머신 비전에서 피사계 심도를 늘리려면 어떻게 해야 하나요?
초점 거리를 짧게 하거나, 작업 거리를 늘리거나, 조리개를 조이는 순서로 시도해 보세요. 처음 두 방법은 빛의 양을 줄이지 않으면서 피사계 심도를 2제곱 비율로 확장합니다. 조리개를 조이는 방법은 선형적으로 효과가 나타나지만, 밝기가 줄어들고 결국 회절로 인한 흐림 현상이 발생합니다. 하드웨어를 변경하기 전에 Commonlands 피사계 심도 계산기를 사용하여 각 옵션을 시뮬레이션해 보세요.
회절 현상은 언제 작은 조리개의 장점을 상쇄하게 될까요?
에어리 원반이 센서의 픽셀 피치에 근접할 때, 에어리 원반의 직경은 대략 2.44 × 파장 × 조리개 수치입니다. 예를 들어, 550nm 빛에서 F/8일 때 직경은 약 10.7µm이며, 이는 1.85µm 센서에서 거의 6픽셀에 해당합니다. 3.45µm와 같이 더 큰 픽셀일수록 회절 현상이 지배적이 되기 전까지 더 높은 조리개 수치를 허용합니다.
작업 평면에 초점을 맞춰야 할까요, 아니면 초점 심도보다 먼 거리에 초점을 맞춰야 할까요?
대상이 정의되고 반복 가능한 거리에 위치할 때는 작업 평면에 초점을 맞추며, 이는 대부분의 검사 시스템에 해당합니다. 로봇 내비게이션, 광역 모니터링, 고정 초점 임베디드 카메라와 같이 피사체 거리가 지속적으로 변동하고 특정 평면이 두드러지지 않는 경우에는 초점 거리보다 먼 거리까지 선명하게 보이는 초점 거리(하이퍼포컬 거리)에 초점을 맞춥니다.
DOF 예산 검토가 필요하신가요?
Commonlands는 머신 비전용 M12 및 C-마운트 렌즈를 제조하며, 생산 품질 관리의 일환으로 MTF 테스트를 실시합니다. 샌디에이고 엔지니어링 팀에 작업 거리, 부품 높이 편차 및 센서 사양을 알려주시면, 적합한 렌즈와 작동 조리개를 추천해 드립니다. 재고가 있는 샘플의 경우, 태평양 표준시(PST) 기준 오후 12시 이전에 주문하시면 당일 발송됩니다.