텔레센트릭 렌즈

1. 개요

텔레센트릭 렌즈는 렌즈의 조리개에 위치한 작은 조리개를 통해 광축과 주 광선이 평행하게 결상하도록 설계된 렌즈이다. 물체 측, 상 측, 양 측 텔레센트릭 렌즈로 분류되며, 물체 측 렌즈는 정사영법을 제공하여 계측 및 머신 비전에, 상 측 렌즈는 빛의 입사각에 민감한 응용 분야에, 양 측 렌즈는 이미지 왜곡을 최소화하여 광학 리소그래피에 사용된다. 텔레센트릭 렌즈는 산란광의 각도 차이를 감지하는 데 적합하며, 물체 표면의 결함 검출에도 활용된다.

2. 정의

텔레센트릭 광학계는 렌즈의 초점에 작은 조리개를 위치시켜, 광축과 주 광선이 평행하다고 간주할 수 있도록 한 광학계이다. 텔레센트릭 렌즈는 이러한 텔레센트릭 광학계를 실현하기 위한 렌즈로, 일반적인 구면 렌즈와는 달리 조리개를 통과한 빛이 광축과 평행하게 결상되는 렌즈이다.

3. 종류

텔레센트릭 렌즈는 주 광선이 광축과 평행한 위치에 따라 다음과 같이 세 가지 종류로 나뉜다.

* 물체 측 텔레센트릭 렌즈: 물체 (피사체) 측만 광축과 주광선이 평행한 광학계이다.
* 상 측 텔레센트릭 렌즈: 상 측만 광축과 주광선이 평행한 광학계이다.
* 양 측 텔레센트릭 렌즈: 물체 측과 상 측 모두 텔레센트릭 광학계로 되어 있으며, 일반적으로 여러 개의 렌즈로 구현된다.

3.1. 물체 측 (Object-space) 텔레센트릭 렌즈

객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 입사 동공(렌즈 앞에 있는 광학 장치에 의해 형성되는 렌즈 조리개 스톱의 상)을 무한대에 두고, 일반 렌즈의 원근 투영법 대신 정사영법을 제공한다. 객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 작동 거리를 갖는데, 이 거리에 있는 물체는 초점이 맞춰져 카메라의 플랜지 초점 거리에서 이미지 센서에 선명하게 이미징된다. 더 가깝거나 더 먼 물체는 초점 이탈되어 흐릿할 수 있지만, 거리에 관계없이 동일한 크기를 가진다.

텔레센트릭 렌즈는 비슷한 초점 거리 및 f-수를 가진 일반 렌즈보다 크고, 무겁고, 비싼 경향이 있다. 이는 텔레센트릭성을 달성하기 위한 추가 부품 때문이기도 하고, 객체 공간 텔레센트릭 렌즈의 첫 번째 요소가 이미징될 가장 큰 물체만큼 커야 하기 때문이다. 객체 공간 텔레센트릭 렌즈의 전면 요소는 종종 카메라 마운트보다 훨씬 크다. 빛 수집을 늘리거나 피사계 심도를 얕게 하기 위해 렌즈를 더 크게 만드는 일반 렌즈와 달리, 더 큰 직경(하지만 다른 면에서는 유사한)의 객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 작은 렌즈보다 렌즈 속도가 더 빠르지 않다. 텔레센트릭 렌즈는 의도된 응용 분야 때문에 일반 사진 렌즈보다 더 높은 광학 해상도를 가지며, 더 많은 빛을 전달하는 경우가 많다.

상용 객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 주로 배율, 작동 거리, 최대 이미지 원 또는 이미지 센서 크기로 특징지어진다. 진정한 텔레센트릭 렌즈는 초점면 위치를 조정할 수 있는 초점 링이 없다. 그러나 일부 상용 텔레센트릭 렌즈는 초점 링을 갖추고 있는데, 이는 약간의 텔레센트릭성을 잃으면서 작동 거리와 배율을 약간 조정하는 데 사용될 수 있다. 때로는 제조업체에서 렌즈의 광학 수차로 인해 렌즈의 광학 품질과 달성할 수 있는 최대 광학 해상도를 설명하기 위해 센서 해상도 또는 픽셀 크기를 지정하기도 한다.

객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 이미지가 시야 전체에서 일정한 배율과 일정한 시야각을 가지기 때문에 계측 응용 분야에 사용되며, 머신 비전 시스템은 시야 내 물체의 정확한 거리와 위치에 관계없이 물체의 정확한 크기와 모양을 결정해야 한다.

물체를 후광 조명으로 조명할 때 텔레센트릭 효과를 최적화하기 위해 추가적인 이미지 공간 텔레센트릭 렌즈를 텔레센트릭(또는 콜리메이트된) 조명기로 사용할 수 있으며, 이는 종종 발광 다이오드 소스에서 평행 광 흐름을 생성한다.

3.2. 상 측 (Image-space) 텔레센트릭 렌즈

상 측(이미지 공간) 텔레센트릭 렌즈는 출사 동공(그 뒤의 광학 장치에 의해 형성된 조리개 스톱의 이미지)을 무한대에 위치시켜, 렌즈와 필름 또는 이미지 센서 사이의 거리에 관계없이 동일한 크기의 이미지를 생성한다. 이를 통해 렌즈는 물체 또는 샘플에서 나오는 빛을 이미지 크기를 변경하지 않고 다른 거리에 초점을 맞출 수 있다. 상 측 텔레센트릭 렌즈는 반전된 물체 공간 텔레센트릭 렌즈이며, 그 반대도 마찬가지이다.

상 측 텔레센트릭 렌즈 이후의 주 광선(조리개 스톱의 중심을 통과하는 광선)은 항상 광축과 평행하기 때문에, 이러한 렌즈는 빛의 입사각에 민감한 응용 분야에 자주 사용된다. 간섭 기반 색상 선택 빔 분할기 또는 필터뿐만 아니라 페브리-페로 간섭계도 상 측 텔레센트릭성을 사용하는 두 가지 예이다. 또 다른 예는 이미지 센서에서 픽셀 간의 상호 간섭을 최소화하고 센서의 양자 효율을 최대화하는 것이다. 포서즈 시스템은 처음에 상 측 텔레센트릭 렌즈를 필요로 했지만, 센서의 개선으로 입사각 요구 사항이 완화되었다. 상 측 텔레센트릭 렌즈는 모든 픽셀이 동일한 각도로 조명되기 때문에, 방사 측정 및 색상 측정 응용 분야에도 사용되며, 여기서 하나는 시야 위치에 관계없이 조도가 동일해야 한다.

3.3. 양 측 (Bi-telecentric) 텔레센트릭 렌즈

양측 텔레센트릭(혹은 이중 텔레센트릭) 렌즈에서 입구 및 출구 동공은 모두 무한대에 위치한다. 배율은 관찰 대상 물체의 거리와 렌즈로부터의 이미지 센서의 변화에도 불구하고 일정하게 유지되므로, 단측 텔레센트릭 렌즈보다 더 정확한 물체 크기 측정이 가능하다(즉, 물체 및 이미지 센서의 배치 오류에 측정값이 민감하지 않음). 양측 텔레센트릭 렌즈는 렌즈의 첫 번째 부분에 의해 형성된 무한대에 있는 물체의 이미지가 두 번째 부분에 의해 콜리메이티드되므로 무초점 (초점이 없는 시스템)이다.

상업용 양측 텔레센트릭 렌즈는 일반적으로 매우 낮은 이미지 왜곡과 면 굽음에 최적화되어 있어, 전체 시야에서 정확한 측정을 높은 광학 해상도로 수행할 수 있다. 이러한 렌즈는 종종 10개 이상의 렌즈 요소로 구성된다.

많은 광학 요소가 있는 크고 무거운 양측 텔레센트릭 렌즈는 반도체 웨이퍼에 전기 회로의 템플릿을 복사하여 인쇄하거나 제작하는 데 사용되는 광학 리소그래피에서 일반적으로 사용된다. 이는 제조된 장치의 기능에 작은 이미지 왜곡과 배치 오류가 치명적일 수 있기 때문이다.

텔레센트릭 광학계에는 물체 측 텔레센트릭 광학계, 상 측 텔레센트릭 광학계 및 양 측 텔레센트릭 광학계가 있다. 물체 측 텔레센트릭 광학계는 물체 (피사체) 측만 광축과 주광선이 평행한 광학계이며, 상 측 텔레센트릭 광학계는 상 측만 광축과 주광선이 평행한 광학계이다. 양측 텔레센트릭 광학계는 물체 측, 상 측 모두 텔레센트릭 광학계로 되어 있으며, 일반적으로 여러 개의 렌즈로 구현된다.

4. 특징

텔레센트릭 렌즈는 일반 렌즈보다 크고 무겁고 비싸지만, 높은 광학 해상도를 가지며 더 많은 빛을 전달하는 경우가 많다. 텔레센트릭 렌즈는 배율, 작동 거리, 최대 이미지 원 또는 이미지 센서 크기 등으로 특징지어진다.

일부 상용 텔레센트릭 렌즈는 초점 링을 통해 작동 거리와 배율을 조절할 수 있지만, 이 경우 약간의 텔레센트릭성을 잃을 수 있다. 제조사는 렌즈의 광학 품질과 최대 광학 해상도를 나타내기 위해 센서 해상도 또는 픽셀 크기를 지정하기도 한다.

5. 응용

텔레센트릭 렌즈는 일반 렌즈와 달리 원근 투영법이 아닌 정사영법을 사용하며, 물체와의 거리에 관계없이 이미지의 크기가 일정하게 유지되는 특징을 가진다. 이러한 특성 덕분에 여러 분야에서 활용된다.

* 객체 공간 텔레센트릭 렌즈: 계측 응용 분야에 주로 사용된다.
* 이미지 공간 텔레센트릭 렌즈: 빛의 입사각에 민감한 간섭 기반 색상 선택 빔 분할기나 필터, 페브리-페로 간섭계 등에 사용된다. 이미지 센서에서 픽셀 간 상호 간섭을 최소화하고 센서의 양자 효율을 최대화하는 데에도 사용된다. 포서즈 시스템이 이미지 공간 텔레센트릭 렌즈를 필요로 했으나, 센서 개선으로 입사각 요구 사항이 완화되었다.
* 양측 텔레센트릭 렌즈: 무초점 (초점이 없는 시스템)이다.

5.1. 계측 및 머신 비전

객체 공간 텔레센트릭 렌즈는 머신 비전 시스템이 시야 내 물체의 거리와 위치에 관계없이 정확한 크기와 모양을 결정해야 하는 계측 응용 분야에 사용된다.

후광 조명으로 물체를 조명할 때 텔레센트릭 효과를 최적화하기 위해 추가적인 이미지 공간 텔레센트릭 렌즈를 텔레센트릭(또는 콜리메이트된) 조명기로 사용할 수 있으며, 이는 종종 발광 다이오드 소스에서 평행 광 흐름을 생성한다.

5.2. 방사 측정 및 색상 측정

이미지 공간 텔레센트릭 렌즈는 모든 픽셀이 동일한 각도로 조명되기 때문에, 방사 측정 및 색상 측정 응용 분야에 사용되며, 시야 위치에 관계없이 조도가 동일해야 한다.

5.3. 광학 리소그래피

광학 리소그래피는 반도체 웨이퍼에 전기 회로 패턴을 복사하여 인쇄하거나 제작하는 데 사용된다. 이는 제조된 장치의 기능에 작은 이미지 왜곡과 배치 오류가 치명적일 수 있기 때문이다.

5.4. 광학 검사

텔레센트릭 광학계는 초점에 집광하지 않기 때문에 산란광의 산란 각도의 차이를 감지하는 데 적합하다는 특징이 있다. 2019년 도시바는 이 특징을 이용하여 물체 표면의 흠집이나 이물질에서 반사된 산란광을 이용하는 광학 검사 기술을 개발했다고 발표했다。이 기술에서는 흠집이 없는 표면에서는 입사각과 반사각이 같은 정반사가 되는 데 반해, 흠집이나 이물질로부터의 반사광은 산란광이 된다는 점을 이용하여, 산란 각도에 따라 다른 컬러 렌즈 필터를 통과시켜 산란광의 각도 분포를 색의 차이로 가시화하도록 되어 있다.