머신비전 렌즈와 왜곡 수차

작성일: 2025-06-25 작성자: contact@webdot.co.kr

머신비전에 사용하는 렌즈를 선정할 때는 장비의 컨셉, 피사체와 광학계 간의 거리, 주변 환경의 밝기, 예산 등 다양한 요소를 종합적으로 고려해야 합니다. 머신비전 검사의 목적에 따라 렌즈의 요구 사항이 달라지며, 주요 작업은 아래 세 가지로 나뉩니다.

검사: 흠집, 자국 등 결함을 발견하는 작업

모니터링: 외관이나 패턴을 확인하여 품질을 유지하는 작업

치수 측정: 정밀한 크기나 형상을 측정하는 작업

특히 치수 측정의 경우 렌즈 성능을 저하시키는 여러 수차(aberration) 중에서도 왜곡 수차(Distortion Aberration)에 특별히 주의해야 합니다. 수차는 이미지 품질과 정확도를 저하시킬 수 있는 주요 요인으로, 왜곡 수차는 이미지의 선형성을 깨뜨려 측정 결과에 직접적인 영향을 미칩니다. 이 글에서는 렌즈의 대표적인 6가지 수차 중 하나인 왜곡 수차에 대해 알아보겠습니다.

렌즈에서의 왜곡이란?

렌즈에서의 왜곡(Distortion)은 실제 피사체의 형상과 달리, 렌즈를 통해 취득된 이미지가 변형되어 보이는 현상을 의미합니다. 이는 렌즈의 설계 및 구조적인 한계로 인해 발생하며, 특히 정밀한 측정이 중요한 머신비전에서 중요한 문제로 다뤄집니다.

머신비전 렌즈의 설계와 왜곡

일반적으로 머신비전 렌즈는 단일 렌즈알이 아닌 여러 렌즈알의 조합으로 설계됩니다. 왜곡을 줄이기 위해 볼록 렌즈와 비구면 렌즈를 조합하여 설계하지만, 렌즈의 중심부에 비해 렌즈의 외곽으로 갈수록 렌즈의 배율이 미세하게 달라지게 되어 발생하게 되는 왜곡현상은 완벽하게 해결하기는 어렵습니다.

왜곡에 좋은 렌즈는 이러한 구조적 한계를 최소화해 왜곡 현상을 효과적으로 해결한 렌즈를 의미합니다.

머신비전 렌즈의 렌즈 구성도

왜곡 수차의 특징

왜곡 수차는 렌즈의 해상력(선명도)에는 영향을 미치지 않습니다. 해상력은 초점을 정확히 모으는 능력에 달려 있으며, 다른 수차(예: 색수차, 구면 수차)는 이를 저하시킵니다. 반면, 왜곡 수차는 초점에는 영향을 주지 않고, 이미지의 기하학적 형태에만 영향을 미칩니다.

왜곡율(Distortion)의 측정과 파악

머신비전 렌즈의 왜곡 정도는 주로 데이터시트를 통해 왜곡율(Distortion)로 표현됩니다. 제품의 데이터시트에서 왜곡율을 확인함으로써 렌즈의 왜곡 수차에 대한 정도를 가늠할 수 있습니다. 또한, 렌즈의 왜곡율은 왜곡 타겟을 사용한 이미지 테스트로 직접 구할 수 있습니다.

실제 바이렉스에서 사용하는 타겟 NRD-100-0.6-G (이 외에도 다양한 형태의 타겟이 있습니다)

왜곡율(=Distortion)의 값을 구하는 공식

왜곡율(=Distortion)의 값을 구하는 공식값이 + n%라면 오른쪽 이미지 경향을, – n%라면 왼쪽 이미지의 경향을 띄게 됩니다.

슈나이더 렌즈 ‘DIAMOND_017_35x_V90’ 데이터시트에서는 렌즈의 중심부터 외곽으로 갈수록 왜곡율 변화를 확인할 수 있습니다.

슈나이더 렌즈 ‘DIAMOND_017_35x_V90’의 데이터시트

X축 (Image Height): 렌즈의 반지름, 0은 렌즈의 중심(중점)을 의미

Y축 (Distortion): 왜곡율

왜곡을 줄이는 방법

왜곡을 개선하는 방법에는 어떤 것이 있을까요? 왜곡을 줄이기 위한 방법은 크게 두 가지로 나뉩니다.

1. 소프트웨어 보정

검사 프로그램에서 렌즈의 왜곡 정도를 계산하고 적용하여 측정값을 보정합니다.

2. 하드웨어 개선

왜곡 성능이 더 좋은 렌즈 사용: 렌즈의 데이터시트를 확인하여 더 나은 스펙의 렌즈를 선정할 수 있습니다.

바이렉스에서 취급하는 두 렌즈의 왜곡율 좌: LA5024A_1120 우: LA5028A_1712

텔레센트릭 렌즈 활용: 텔레센트릭 렌즈는 특수하게 설계된 렌즈이며 주로 정밀 측정, 광학 검사 등에서 사용됩니다.

특징으로는 왜곡을 최소화하여 정확한 측정을 가능하게 하며, 일반적인 CCTV렌즈에 비해 초점 깊이(Depth of Field)가 커서 물체가 약간 다른 위치에 있어도 이미지 품질을 유지할 수 있습니다

https://blog.naver.com/virex_sales/222799793325

렌즈 중심부만 사용: 렌즈의 경우, 대부분이 중앙부분에는 왜곡이 좋고 외각으로 갈 수록 그 정도가 심해지는 현상을 띄게 되는데, 상대적으로 카메라 센서보다 큰 이미지 서클의 렌즈를 사용함으로써 렌즈의 중심부만 사용하는 방법이 있습니다.

왜곡율이 0.01% 정도인 렌즈의 이미지 서클 범위만 이미지 측정에 사용

왜곡 수차는 해상력에는 영향을 주지 않지만, 이미지의 형태와 측정의 정확도에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 소프트웨어 보정과 하드웨어 개선 방법을 적절히 활용해 왜곡 문제를 해결하면 머신비전의 성능과 신뢰도를 높일 수 있습니다. 따라서, 머신비전 렌즈 선택 시 왜곡율을 꼼꼼히 확인하고, 필요에 따라 적절한 보정 기술을 적용하는 것이 중요합니다.

VIREX Technial Support Enginner