08. 광학계 - 오토포커싱 방법(액체렌즈/스테핑모터)

이번 포스팅에서는 영상 오토포커싱 방법에 대해 알아보겠습니다. 

디지털 카메라에서 자주 사용하는 오토포커스 기능은 치수 및 align 용도와 같이 정밀도가 높고 고해상도 비젼을 필요로 하는 머신비전 시스템에도 자주 적용됩니다. 카메라 오토포커스에는 레이져 오토포커스와 이미지 오토포커스가 있는데 오늘은 이미지 오토포커스에 대해 알아보겠습니다.

 

1. 오토포커스 방법

1) 스테핑 모터를 이용한 오토포커싱

오토포커스 방식

촬상부에 모터 및 컨트롤러를 장착하여 위에서 아래로 순차적으로 찍어나가면서 최적 초점 위치를 트래킹하는 방식입니다.

이는 렌즈와 센서 사이의 거리를 조정하며 가장 콘트라스트 비가 좋은 최적 위치를 트래킹하기 위해 카메라를 물리적으로 이동하는 방식으로,  기구부와 카메라가 주로 일체형으로 제작되어 카메라 선정에 제약이 있고 많은 비용이 든다는 단점이 있습니다. 

출처 : 화인스택

2) 초점 가변형 액체렌즈를 이용한 오토포커싱

오토포커스 방식

액체렌즈는 폴리머막에 액체가 쌓여있는 형태로 링이 전기 신호를 받아 앞뒤로 움직이면서 초점을 맞출 수 있습니다. 

렌즈의 변형이 가능한 액체렌즈는 컨테이너라는 탄성을 가진 얇은 폴리머 멤브레인으로 내부에 광학적 액체를 담고 있습니다. 

전자기 액츄에이터가 이 컨테이너에 가하는 압력을 제어함으로써 그 내부의 액체 형태가 변해서 렌즈 곡률을 바꾸고 초점 거리를 제어할 수 있습니다.

즉, 렌즈의 재료가 전류(전기신호)에 반응하는 다분자 중합체로 되어 있어 전류값에 따라 마치 사람의 눈과 같이 렌즈의 곡률을 변경할 수 있는 것입니다. 

액체렌즈는 전기신호로 동작하여 응답시간이 수 밀리세컨드로 매우 짧고 복잡한 기구적 구조가 필요없다는 장점이 있습니다. 

이러한 액체렌즈는 기본이 되는 일반 렌즈에 추가해서 사용하는 형식이고 기본렌즈의 성격에 따라 약간 다르게 설치합니다. 

(일반 상용렌즈와 결합하여 사용할 때 초점거리는 렌즈의 굴절력을 나타내는 수치는 디옵터로 대체하여 사용합니다)

렌즈의 성격이나, 보는 대상체에 따라 아래와 같이 여러가지 형태로 사용하실 수 있습니다. 

출처 : 화인스텍

출처 : 이오비스

 

오토 포커스 원리

아래와 같이 반복방식으로 동작하여 화상의 컨트래스트를 이용하여 가장 선명도가 높은 렌즈 위치를 트래킹합니다.

컨트래스트 측정을 위해 라플라스, tenengrad, prewitt 에지 검출 등의 다양한 peak search 알고리즘이 적용되며, 이 결과로 최적 초점에 해당하는 전압을 트래킹하여 포커싱을 조절합니다. 

출처 : 이오비스

 

다른 적용 예 (높이가 다른 제품의 초점 맞추기)

액체렌즈는 초점 가변 렌즈로 렌즈의 위치는 그대로 있고 포커스는 앞뒤로 조절할 수 있는 렌즈를 뜻합니다.

카메라에 모터를 장작하여 최적 위치를 트래킹하는 방식과는 달리 FOV나 배율의 변경없이 초점을 가변할 수 있다는 장점이 있습니다.

따라서 높이가 다른 제품을 검사 할 때 제품 높이에 따라 포커싱을 조절할 때 및  일정 수준의 줌렌즈로 활용이 필요할 때 액체렌즈를 사용합니다.

출처 : 화인스텍

 

 

 

참고 링크

- 링크1 : 오토포커싱 방법

- 링크2 : 오토포커스 원리 및 디옵터

- 링크3 : 액체렌즈 자동초점제어 원리