표준 싱글 센서 카메라와 달리 프리즘 기반 카메라는 하나의 렌즈로 동일 광경로를 공유하는 여러 개의 센서를 사용하여 여러 파장대의 동시 이미지를 생성합니다. 이러한 카메라는 움직임이나 시야각에 관계없이 픽셀 단위로 정밀하게 정렬되어 입사광을 여러 채널로 분리합니다.
렌즈의 역할
카메라 이미징에서 렌즈는 시스템의 중요한 부분입니다. 렌즈는 특정 각도의 광선을 센서에 집중시켜 환경을 2차원적으로 표현하는 데 사용됩니다. 카메라 렌즈는 일반적으로 다양한 물질, 두께, 반경, 코팅 등의 여러 렌즈 요소로 구성되어 있어 다양한 카메라와 애플리케이션에 최적화된 다양한 시야를 가진 다양한 가격대의 렌즈를 만들 수 있습니다.
이전에도 여러 번 언급되었듯이 프리즘 기반 카메라에 적합한 렌즈를 선택하는 것은 굉장히 중요합니다. 이는 초점 거리, 이미지 서클, 예상 프레임 속도, 초점 심도 및 조명 조건에 충분한 조리개를 가진 렌즈를 선택하는 것 이상을 의미합니다. 또한 설계에 따라 프리즘 기반 카메라에 최적화된 렌즈를 선택해야 한다는 의미이기도 합니다. 그 이유는 무엇일까요? 센서와 애플리케이션에 맞춰 싱글 센서 카메라용으로 설계된 표준 렌즈를 사용하면 안 되는 이유는 무엇일까요?
프리즘이 이미징에 미치는 영향
그 이유에는 여러 요인이 있으며, 그 요인 중 하나는 (굴절 법칙에 따라) 광학 경로를 변경하는 두꺼운 유리 구성 요소인 프리즘이 렌즈의 후면부와 센서 사이에 있다는 것입니다. 또 다른 이유는 이러한 렌즈가 단파 가시광선 파장(즉, 청색)에서 근적외선 파장에 이르기까지 넓은 파장 범위에서 사용된다는 것입니다. 렌즈를 전체 스펙트럼 범위에서 최적화하고 제조하는 것은 복잡하고 비용이 많이 드는 프로세스이며, 기술이 발전함에 따라 가시광선 및 근적외선(NIR)뿐만 아니라 단파 적외선(SWIR) 파장대의 스펙트럼을 포함하는 확장된 스펙트럼 감도 범위를 가진 카메라가 점점 더 많이 등장하고 있기 때문에 이러한 프로세스가 더욱 어려워지고 있습니다.
프리즘은 렌즈 표면에 있는 이색(dichroic) 필터를 통해 빛을 다양한 파장대로 분리하여 이미 필터링된 파장 범위의 광자만이 각 센서에 닿도록 할 수 있습니다. 그 결과, Bayer 필터 센서 보다 훨씬 더 뛰어난 색 분리 효율성을 제공할 수 있게 됩니다. Bayer 필터를 사용하는 경우 종종 엣지를 따라 잘못된 색상이 나타나거나 흐릿한 패턴이 나타나는 것과 같이 원치 않는 광학적 아티팩트가 발생하게 됩니다.
Bayer 보간으로 인한 아티팩트(무아레 패턴)(왼쪽)와 멀티 센서 프리즘 카메라로 캡처한 이미지(오른쪽) 비교
모든 각도 고려
프리즘 카메라 렌즈에서 고려해야 할 또 다른 중요 사항은 프리즘 블록으로 입사하는 광선의 입사각입니다.
굴절의 법칙에 따라 광선은 밀도가 낮은 매질에서 밀도가 높은 매질로 또는 밀도가 높은 매질에서 낮은 매질로 통과하는 경우 법선 쪽으로 또는 법선에서 멀어지는 방향으로 굴절됩니다. 광은 프리즘을 통과할 때도 이 규칙을 따르게 됩니다. 프리즘 블록은 이색 필터를 포함한 여러 레이어로 구성되어 있습니다. 이러한 필터는 가파른 투과율 경계 덕분에 정확한 파장 분리가 가능하지만 광학 간섭을 기반으로 작동하기 때문에 본질적으로 각도에 따라 동작이 달라지게 됩니다. 즉, 입사각에 따라 투과되는 광선의 양이 달라집니다. 이로 인해 이미지에 색상 음영 효과가 발생할 수 있습니다. 입사각이 다양할수록 음영 효과가 더 잘 나타나게 됩니다.
이색 필터를 사용하는 R-G-B 프리즘을 통한 광 분리
이 부분에서 렌즈 동공(pupil)이 중요해집니다. 렌즈의 입사 및 사출 동공은 광선이 렌즈로 입사 및 사출되는 방식을 정의하는 가상의 "창"입니다. 렌즈를 전면 또는 후면에서 바라볼 때 확인할 수 있는 이러한 가상 조리개는 다양한 각도의 광선이 렌즈로 입사하는 방식과 렌즈에서 사출된 후 센서 쪽으로 이동하는 방식을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.
프리즘 내부 표면에 대한 이색 필터의 각 의존성으로 인해 발생하는 음영 효과를 최소화하려면 렌즈에서 사출되는 광선이 가능한 한 프리즘 표면에 수직이 되어야 합니다. 이는 광학 설계 과정에서 가상으로 사출 동공을 프리즘에서 더 멀리 "움직임"으로써 구현할 수 있습니다.
싱글 센서 카메라로 이미징하는 경우 사출 동공의 위치가 중요한 역할을 하지 않기 때문에 표준 렌즈는 특정 광선 각도에 맞춰 최적화되어 있지 않습니다. 설계 복잡성을 추가하는 것과 추가적인/더 큰 렌즈 요소는 비용을 높이게 될 뿐 고객에게 큰 이득이 되지 않습니다. 그러나 이는 프리즘 카메라에 표준 렌즈를 사용하는 경우 광선이 상대적으로 더 큰 각도로 프리즘 표면에 닿게 되어 일부 광선이 투과되지 않기 때문에 주어진 파장대에서 이미지가 국부적으로 어두워져 실질적으로 이미지에 색상 그라디언트(gradient)가 생긴다는 것을 의미합니다.
표준 렌즈(왼쪽)와 프리즘 전용 렌즈(오른쪽)를 통한 이색 필터의 각도 의존성으로 인해 발생하는 색상 그라디언트
최첨단 멀티 센서, 프리즘 최적화 렌즈의 경우에도 약간의 색상 그라디언트가 생길 수 있기 때문에 JAI는 잔여 변색을 방지하기 위해 음영 보정이라는 카메라 내장 기능을 구현했습니다. 이 보정 방법은 3가지 색상 채널 모두에서 광에 대해 균일하고 균등한 응답을 생성하도록 설계되었습니다.
초점면 고려 사항
그러나 색상 음영 외에도 고려해야 하는 이미지 품질 요소가 더 있습니다. 또한 광선은 물질 경계를 통과할 때 파장에 따라 다르게 동작합니다. 이에 따라 스펙트럼 채널이 다른 경우 서로 다른 초점 거리를 갖게 될 수 있습니다. 최적화되지 않은 렌즈 시스템을 사용하는 경우, 특히 렌즈가 가시광선 및 근적외선(NIR) 범위 모두에서 이미징에 사용되는 경우 다른 파장대가 흐릿하거나 이동되어 보일 수 있습니다.
렌즈가 동일한 초점면에서 다른 파장의 초점을 맞출 수 없는 현상을 종색수차라고 합니다. 이 수차가 큰 경우 JAI의 Apex 시리즈, Fusion 시리즈 , Fusion Flex-Eye 카메라 같은 멀티 센서 카메라의 모든 채널에서 선명한 이미지를 얻을 수 없게 됩니다. 다시 말해 일부 가시광선 채널이나 NIR 채널의 초점이 약간 흐려지게 됩니다.
종색수차
가장 중요한 수차 중 다른 하나는 횡색수차라고 합니다. 이 경우 파장이 다른 광선이 약간 이동된 위치에 나타나 물체 주변에 무늬를 만들게 됩니다. 각 파장대에 따라 배율이 다르기 때문에 이미지의 엣지로 갈수록 효과가 더욱 뚜렷해집니다.
JAI는 모든 프리즘 기반 카메라의 센서가 서브픽셀 정확도로 정렬될 수 있도록 최선의 노력을 다했습니다. 따라서 채널에 따른 광학적 이동을 방지하여 정밀한 센서 정렬의 이점을 극대화할 수 있는 렌즈를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 그러나 종색수차와 달리 이 현상은 이미지 세부 정보의 큰 손실 없이 소프트웨어를 통해 어느 정도 보정할 수 있습니다. 이러한 JAI 특허 기능을 지원하는 카메라에 대해 더 자세히 알아보시려면 JAI 전문가에게 문의해 주십시오.
횡색수차
적합한 조합 찾기
머신 비전 시스템용 프리즘 카메라를 선택하는 것은 일반적으로 특정 애플리케이션에서 더 높은 정밀도와 더 높은 전체 이미지 품질이 요구되기 때문입니다. 그렇기 때문에 전체 이미지의 끝에서 끝까지 균일하게 높은 수준의 선명도를 제공할 수 있는 최적화된 렌즈를 함께 사용하는 것이 굉장히 중요합니다. JAI의 프리즘 최적화 렌즈는 정확히 이를 구현하도록 설계되어 전체 센서에 안정적인 MTF와 균형 잡힌 상대 조도를 제공합니다.
그러나 광학의 세계에서 완벽한 렌즈는 존재하지 않는다는 점을 확실히 해야 합니다. 다른 수차를 낮출 수는 있지만 완전히 제거할 수는 없습니다. 일반적으로 렌즈는 이점과 요구 사항을 조율하여 최종 선택하게 됩니다. 따라서 "애플리케이션에 가장 중요한 것이 무엇인가?"를 고려해야 합니다. 가장 중요한 부분이 낮은 색상 음영인가요? 모든 채널에서 높은 수준의 선명도를 갖는 것인가요? 모든 파장대에서 픽셀 단위로 정밀하게 이미지를 매칭하는 것인가요? 아니면 전제 비용을 낮추는 것인가요? JAI의 전문가들이 올바른 선택을 하실 수 있도록 기꺼이 도와드리겠습니다.