보드 레벨 카메라 모듈용 임베디드 비전 렌즈

임베디드 센서에 맞는 렌즈를 선택하는 방법

렌즈와 센서의 불일치는 비네팅, 색상 그라데이션, 또는 해상도 손실로 나타납니다. 다음 네 가지 매개변수가 서로 일치해야 합니다: 이미지 서클과 센서 대각선 길이, CRA와 센서 마이크로렌즈 설계, 렌즈 MTF와 센서 나이퀴스트 주파수, 그리고 후초점 거리와 센서 스택의 두께입니다.

이미지 서클은 센서의 대각선을 모두 덮어야 합니다.

렌즈는 원형의 이미지를 투영하며, 직사각형 센서는 그 원 안쪽에 위치합니다. 이미지 서클이 센서의 대각선 길이보다 작으면 모서리에 비네팅 현상이 발생합니다. 적당한 크기의 오버사이즈는 대개 문제가 되지 않지만, 언더사이즈의 경우 모서리에 비네팅이 발생하며 이미지가 전체 프레임을 채워야 할 때는 제대로 작동하지 않습니다. 이미지 서클 전체를 프레임 안에 담는 원형 이미지 피쉬아이 렌즈는 의도적으로 설계된 예외입니다.

1/2.5인치 센서용으로 지정된 렌즈는 해당 크기 이하의 모든 센서를 커버하지만, 1/1.7인치 센서에서는 비네팅 현상이 발생합니다. 데이터시트에는 이미지 서클이 밀리미터 단위나 센서 포맷 명칭으로 표기되는데, 두 값이 항상 동일한 정밀도로 공개되는 것은 아니므로, 제조사 간 포맷 명칭이 정확히 일치한다고 가정하기보다는 센서의 실제 대각선 길이를 기준으로 확인하시기 바랍니다. 전체 커버리지 계산에 대한 자세한 내용은 ‘센서 크기 및 렌즈 호환성’을 참조하십시오.

해상도: 렌즈의 MTF는 센서의 나이퀴스트 주파수를 충족해야 한다

픽셀 크기가 1.55µm인 12MP 센서의 나이퀴스트 주파수는 약 322 lp/mm입니다. 촬영 시 사용하는 조리개 값에서 렌즈가 이 주파수를 분해할 수 없다면, 센서의 추가적인 해상도는 무용지물이 됩니다. 촬영할 예정인 조리개 값에서 렌즈의 MTF 차트를 확인하십시오. 나이퀴스트 주파수에서 MTF가 대략 20%~30% 이상이면 허용 가능한 선명도를 판단하는 합리적인 기준이 됩니다. MTF 곡선 안내서에서는 이러한 차트를 읽는 방법을 설명하고 있습니다.

초점 거리 계산을 직접 풀어보세요

센서 크기, 목표 시야각, 작동 거리를 시야각 계산기나 EFL 계산기에 입력하여, 위에서 사용한 것과 동일한 공식을 바탕으로 시스템에 적합한 정확한 초점 거리를 구하십시오.

주광선의 각도가 내장 카메라의 화질에 미치는 영향

주광선각(CRA)은 렌즈가 센서의 특정 지점에 빛을 전달하는 각도를 말합니다. 임베디드 카메라에서 흔히 사용되는 1.4µm~2.5µm 크기의 소형 픽셀 센서는 각 픽셀 위에 특정 CRA 곡선에 맞춰 조정된 마이크로 렌즈를 사용하며, 일반적으로 모서리 부분에서는 20도에서 30도 사이입니다. 렌즈의 CRA가 센서의 설계 CRA와 일치하지 않을 경우, 색상 그라데이션(빨강, 녹색, 파랑 채널이 가장자리 쪽으로 갈수록 서로 다른 비율로 감소)이 발생하고 모서리 밝기가 저하되는데, 이러한 불일치는 균일한 이득 오류가 아니라 픽셀 수준에서 파장과 각도에 따라 달라지기 때문에 소프트웨어로는 완전히 보정할 수 없습니다.

이는 임베디드 및 보드 카메라 설계에서 주로 사용되는 소형 픽셀 센서에서 가장 중요한 사항입니다. 센서 데이터시트에는 CRA 곡선이 명시되어 있으며, 렌즈 데이터시트에는 이에 상응하는 CRA 사양이나 곡선이 명시되어 있습니다. 2µm 미만의 픽셀을 가진 센서용 렌즈를 선택할 때는, 두 곡선이 중심부뿐만 아니라 전체 화각 범위에서 일치하는지 확인해야 합니다. 불일치의 전체적인 원리와 매칭 절차에 대한 내용은 ‘주광선 각도 및 불일치 가이드’에 자세히 설명되어 있습니다.

Jetson 및 Raspberry Pi 카메라 모듈의 보드 수준 통합

Jetson Nano, Xavier NX, Orin 모듈은 물론 Raspberry Pi 및 대부분의 다른 MIPI-CSI2 보드 카메라는 카메라 PCB에 납땜되거나 클립으로 고정된 M12 렌즈 홀더를 통해 연결됩니다. 이러한 플랫폼에서 흔히 사용되는 센서로는 IMX477(라즈베리 파이 HQ 카메라), IMX219(라즈베리 파이 카메라 모듈 v2), IMX708 등이 있습니다. M12에는 표준화된 플랜지 거리가 없기 때문에 초점은 렌즈가 홀더에 나사산으로 조여지는 깊이에 따라 전적으로 결정되며, 후초점거리(BFL)는 렌즈 설계에 따라 달라집니다.

이러한 변동성은 결함이 아니라 보드 레벨 통합을 위한 특징입니다. 카메라 모듈을 교체하거나, 동일한 렌즈 설계가 커버 글라스나 IR 필터 두께가 다른 두 개의 센서 스택에서 모두 작동해야 하는 경우, 해결책은 다른 렌즈를 사용하는 것이 아니라 올바른 높이의 홀더를 사용하는 것입니다. PCB 풋프린트를 확정하기 전에, 렌즈의 지정된 후초점 거리와 전체 센서 스택(베어 센서, 커버 글라스, IR 필터, 스페이서 등)을 기준으로 홀더 높이를 확인하십시오. M12 렌즈 홀더 선정 가이드에는 홀더 높이 선정 및 나사산 결합에 대한 자세한 내용이 포함되어 있습니다.

다중 카메라를 활용한 Jetson 및 Raspberry Pi 설계는 통합의 수준을 한층 더 높입니다. 스테레오 쌍이나 멀티 카메라 어레이의 경우, 모든 모듈에서 초점 거리와 후초점 거리가 일치해야 합니다. 명목상 동일한 두 렌즈 유닛 간에 미세한 후초점 거리 차이만 있어도 좌우 이미지 간 초점 불일치로 나타나기 때문입니다. 단일 생산 로트에서 대량 구매하면 이러한 위험을 줄일 수는 있지만 완전히 제거할 수는 없습니다. 따라서 시동 단계에서 각 유닛의 중앙뿐만 아니라 화각의 모서리 부분에서도 초점을 확인해야 합니다.

성능, 크기, 비용의 삼각관계

임베디드 렌즈 선정은 광학 성능, 물리적 설치 공간, 단가라는 세 가지 요소 간의 절충 관계이며, 전력 소비는 설치 공간과 연계된 부차적인 요소로 작용합니다. 고정형 산업용 검사 스테이션과 달리, 임베디드 시스템은 대개 이 삼각형의 한쪽 요소를 우선시할 경우 다른 두 요소에서 타협을 피할 수 없습니다.

M12 렌즈는 작은 크기와 저렴한 가격을 자랑합니다. 고정 조리개를 갖춘 3g-15g 렌즈는 자체적으로 전력을 소비하지 않으며 산업용 광학 렌즈에 비해 가격이 훨씬 저렴하지만, C-마운트가 제공하는 조리개 조절 기능과 캠 기반 수차 보정 기능은 지원하지 않습니다. C-마운트와 CS-마운트는 정반대 위치에 있습니다. 조리개 링을 통해 필요에 따라 피사계 심도와 광량 사이에서 균형을 조절할 수 있고, 캠 메커니즘이 초점 범위 전반에 걸쳐 수차를 재조정해 주지만, 렌즈의 무게는 3배에서 10배 더 나가며 단위당 비용도 더 비쌉니다. 배터리로 구동되는 드론이나 휴대용 기기의 경우, 이러한 무게 차이는 단순한 사양상의 수치가 아니라 비행 시간이나 사용자 피로도에 실질적인 영향을 미치는 중요한 요소입니다.

조리개 제어 역시 덜 눈에 띄는 방식으로 광량과 상호작용합니다. C-마운트의 가변 조리개는 머신 비전 분야에서만 실용적입니다. 이는 일반적으로 조명이 프로그래밍 방식으로 제어되기 때문인데(구조화 조명, LED 링 라이트, 백라이트 어레이 등), 이를 통해 시스템은 센서에 빛이 부족해지지 않도록 하면서도 피사계 심도를 확보하기 위해 조리개를 조일 수 있습니다. 반면, 주변광이나 제어되지 않은 조명에 의존하는 임베디드 시스템은 항상 이러한 절충을 할 수 없기 때문에, 대신 빠른 F-값을 가진 고정 조리개 M12 렌즈를 선택하는 쪽으로 결정이 기울게 됩니다.

구매 결정을 내리기 전에 확인해야 할 주요 사양

초점 거리

초점 거리가 짧을수록 동일한 센서에서 더 넓은 시야를 확보할 수 있습니다. 2mm~4mm는 장애물 회피를 위한 초광각 시야를 제공합니다. 4mm~8mm는 범용 비전 용도로 사용됩니다. 8mm~16mm는 검사 및 바코드 판독에 적합한 좁은 시야를 제공합니다. EFL 계산기를 사용하여 대상 촬영 영역과 작동 거리를 바탕으로 초점 거리를 구해 보세요. 전체적인 방법에 따른 초점 거리 선택 방법은 관련 문서를 참조하십시오.

F값 (조리개)

F값이 낮을수록 더 많은 빛을 받아들입니다. F/1.4 렌즈는 F/2.8 렌즈보다 대략 4배 더 많은 빛을 통과시킵니다. 그 대가로 피사계 심도가 얕아집니다. 저조도 임베디드 비전 환경에서는 F/1.4~F/1.8을 우선적으로 고려해야 하며, 빛의 수집량보다 피사계 심도가 더 중요한 경우에는 F/2.0~F/2.8을 선택하는 것이 합리적입니다. 피사계 심도 계산기를 통해 수치를 확인해 보고, 머신 비전 분야의 F값 항목을 참고하여 두 요소 간의 기본 관계를 파악해 보십시오.

왜곡

배럴 왜곡은 직선을 곡선으로 왜곡시킵니다. SLAM 내비게이션, 사진측량 및 이미지에서 기하학적 구조를 측정하는 모든 응용 분야의 경우, 일반적으로 1% 미만의 왜곡이 요구됩니다. 측정 정확도가 중요하지 않은 감시 및 일반 모니터링의 경우, 5%~15%의 왜곡도 종종 허용됩니다. 표준 광각 M12 렌즈의 왜곡률은 일반적으로 10%~20% 정도이며, 저왜곡 모델은 이를 1% 미만으로 낮춥니다. 저왜곡 렌즈 가이드를 참조하십시오.

열적 안정성

온도 조절이 되는 공장 외부에서는 허용 온도 범위가 더 넓습니다. 차량이나 실외 인클로저에 내장된 카메라는 하루 동안 -30°C에서 +70°C에 이르는 온도 변화를 감지할 수 있으며, 드론 카메라는 햇볕에 달궈진 지면에서 추운 고지대까지 단 몇 분 만에 이동할 수 있습니다. 열팽창과 플라스틱 요소의 굴절률 변화는 초점면을 이동시키며, 플라스틱 요소를 사용하는 설계에 비해 전 유리 또는 전 금속 구조는 일반적으로 온도 변화에 따라 초점을 더 안정적으로 유지합니다. 다만 정확한 초점면 이동량은 초점 거리와 렌즈 설계에 따라 달라집니다. 소형 픽셀 센서에서 F/2 조리개 값을 사용할 경우 초점 심도는 불과 몇 마이크론에 불과하므로, 온도 변동이 충분히 크면 열적 보정이 제대로 이루어지지 않은 렌즈는 기계적 결함 없이도 초점이 흐려질 수 있습니다. 작동 온도 범위 내에서 렌즈 데이터 시트를 참조하여 열적 초점 안정성을 확인하십시오.

무게

이는 드론, 휴대용 기기, 로봇 팔과 같은 장비에서 특히 중요한데, 이러한 장비의 경우 추가되는 질량이 비행 시간, 사용자의 피로도 또는 서보 부하에 영향을 미치기 때문입니다. M12 렌즈의 무게는 일반적으로 3g~15g이며, C-마운트 렌즈는 일반적으로 50g~200g입니다. 광학 사양을 충족하면서도 가장 가벼운 렌즈를 선택하십시오.

IP 등급

IP67은 일시적인 수중 침수에도 견딜 수 있는 방진 구조를 의미하며, IP69K는 여기에 고압 세척 내성을 추가한 등급입니다. 이 등급은 실외, 농업용 및 세척이 필요한 환경에서 필수적이며, 관리가 잘 되는 실내 환경에서는 선택 사항입니다. 시험 방법에 대해서는 IP 등급 가이드를 참조하시기 바랍니다. 또한, 내구성 강화는 특정 SKU에만 적용되는 선택적 기능이며, 모든 C-마운트 또는 M12 렌즈의 공통된 특성이 아님을 유의하시기 바랍니다. 자세한 내용은 내구성 강화 렌즈 가이드를 참조하십시오.