TFL 마운트: 고해상도 대형 포맷 CMOS 센서용

More and more industrial sensors are growing beyond the 1.1" form factor size thanks to increased resolutions. In addition, pixels are getting smaller, making the sensor more sensitive to optical path tolerances. To match these growing sensor trends, TFL-mount brings a standardized, compact, high performance design specifically targeted for APS-C and 4/3" sensors.

TFL Lens - Maximum Optical Performance Beyond 1.1" Sensors

C 마운트와 F 마운트 사이의 간극을 메우다

더 정밀한 광학 부품을 설계하고 제조하는 능력은 계속 향상되고 있지만, 기본적인 렌즈 기술은 여전히 대부분 유리를 통해 빛을 굴절시키는 방식에 의존하고 있습니다. 이제는 20 MP 이상의 해상도와 우수한 성능을 합리적인 가격으로 제공하는 산업용 센서를 C 마운트 카메라에 탑재하는 것이 일반적입니다. 그러나 센서의 크기와 해상도가 계속 증가함에 따라, C 마운트는 APS-C 및 4/3″ 센서 크기에서 성능 한계에 도달하고 있습니다. F 마운트와 M42 렌즈는 이러한 센서를 위한 가능한 솔루션을 제공하지만, 그에 따른 단점도 있습니다. C 마운트와 F 마운트 사이의 간극을 해결하기 위해 Atlas 카메라에는 TFL 마운트가 사용됩니다. 또한 Atlas 카메라에 적용된 능동 정렬 센서와 TFL 렌즈를 결합하면 이미지 중심부부터 모서리까지 매우 선명한 이미징을 구현할 수 있습니다.

센서가 해상도를 높이는 방법은 세 가지가 있습니다. 픽셀 크기는 그대로 유지하면서 센서 크기를 키우는 방법, 센서 크기는 그대로 유지하면서 픽셀 크기를 줄이는 방법, 또는 두 가지를 함께 적용하는 방법입니다(아래 예시 참조). 각 방법에는 트레이드오프가 있습니다. 일반적으로 더 작은 픽셀은 더 큰 픽셀에 비해 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아지는 경향이 있지만, 더 큰 센서는 비용이 더 높아지는 경향이 있습니다. 그러나 전반적인 흐름은 픽셀 크기가 계속 작아지는 동시에 센서 크기는 커지고 있음을 보여줍니다. 현재 머신 비전 업계는 C 마운트가 물리적으로 수용할 수 있는 한계까지 센서 크기가 커지고 있는 흥미로운 시점에 있습니다. C 마운트는 25.4 mm 나사식 마운트와 17.526 mm의 백 플랜지 거리(플랜지 초점 거리 또는 간단히 플랜지 거리라고도 함)를 정의하는 카메라 표준입니다.

Sony Pregius Sensors - adding more pixels

위: 센서는 더 많은 픽셀을 추가해 크기가 커지고 있으며, 동시에 픽셀 크기를 줄여 해상도도 높아지고 있습니다.

C 마운트의 한계에 도달하다

아래 그림 1과 같이, C 마운트 하우징의 개구부는 25.4 mm이지만 광학계가 구현할 수 있는 최대 직경은 약 17 mm입니다. 이는 렌즈 자체에 주 렌즈 배럴, 포커싱 내부 배럴, 그리고 광학 부품을 제자리에 고정하기 위한 리테이너를 수용해야 하는 기구 구조가 있기 때문입니다. 이러한 각 구조는 렌즈 어셈블리 내 광학 요소의 사용 가능한 유효 구경 크기를 줄입니다. 광학계의 크기가 작아질수록 렌즈에서 나오는 빛의 각도는 커집니다. 센서가 광학계보다 작을 때는 문제가 되지 않지만, 센서 크기가 커지면 C 마운트 내부에서 광학계가 센서와 잘 맞도록 구성하기가 더 어려워집니다. 이 각도(그림 2의 θ)가 커질수록 cos⁴(θ) 롤오프로 인해 이미지 모서리가 훨씬 어두워집니다. 그림 2는 각도에 따른 이러한 밝기 저하 관계를 보여줍니다. 또한 이미지 센서 자체도 픽셀 마이크로 렌즈가 어떻게 최적화되어 있는지에 따라 롤오프가 발생합니다. 따라서 광학 설계에서 이 각도를 최소화하는 것이 매우 중요합니다. 이러한 요소를 모두 고려하면, C 마운트 카메라에서 최상의 성능을 위한 실질적인 센서 크기 한계는 1.1″ 포맷(대각선 17.6 mm)이라고 할 수 있습니다.

그림 1, 왼쪽: C 마운트 1.1” 고해상도 12 mm 초점 거리 렌즈 후면의 단면도. 지지 기구 구조로 인해 마지막 렌즈의 최대 렌즈 직경은 25.4 mm C 마운트 개구부보다 작습니다. 이로 인해 대형 센서에서는 광선 각도가 더 가팔라지고, 밝기에 영향을 줄 수 있습니다(오른쪽 위 그래프). (빨간색 선은 1.1″ 센서 모서리로 향하는 광선을, 갈색 선은 1″ 센서를, 파란색 선은 센서 중심을 나타냅니다.)

그림 2, 오른쪽: 주광선 각도가 이미지 센서의 상대 밝기에 미치는 영향. 비용이 더 높은 광학계로 보정하지 않는 한, 더 가파른 각도는 가장자리 밝기를 낮춥니다. C 마운트 카메라의 대형 센서는 이 문제를 더욱 악화시킵니다.

Sony Pregius 3세대는 APS-C 포맷(대각선 27.9 mm)의 31.4 MP 센서인 IMX342와 함께 출시되었습니다. 이 센서는 C 마운트에는 너무 큽니다. 그러나 산업용 카메라 시장에서는 흥미로운 위치에 있습니다. 이 센서는 그다음 크기인 F 마운트(M42)에는 너무 작으며, F 마운트에는 여러 광학적 문제가 따르기 때문입니다. M42는 잠재적으로 합리적인 선택지가 될 수 있고, 실제로 M42 렌즈 마운트를 사용하는 카메라도 이미 존재합니다. 하지만 이 선택지를 실질적으로 활용할 수 있도록 카메라 업계가 공통적으로 따르는 표준은 존재하지 않습니다(플랜지와 나사 피치가 다양함). 반면 TFL은 APS-C 크기의 센서에 완벽한 마운트이며, 일본산업이미징협회(JIIA)의 렌즈 워킹 그룹을 통해 표준화되어 있습니다. TFL 마운트는 M35x0.75 mm이며 플랜지 거리는 17.526 mm입니다. 이는 C 마운트와 동일한 플랜지 거리입니다. 따라서 TFL 마운트는 더 큰 직경의 C 마운트로 생각할 수 있습니다.

TFL 마운트 vs F 마운트

TFL 마운트는 APS-C 센서 크기에서 F 마운트보다 여러 가지 장점을 제공합니다. 이러한 장점은 비용, 플랜지 거리, 그리고 렌즈가 카메라의 렌즈 마운트에 고정되는 방식에 있습니다. F 마운트 렌즈는 TFL 마운트 렌즈에 비해 더 큽니다. 이는 주로 훨씬 더 큰 센서(대각선 최대 43.3 mm, APS-C는 대각선 27.9 mm)를 커버하도록 설계되었기 때문입니다. 렌즈 크기가 커질수록 비용도 증가합니다. 대략적인 경험 법칙으로, 단일 렌즈 요소의 비용은 반지름의 제곱에 비례해 증가한다고 볼 수 있습니다. 여러 렌즈 요소로 확장해 보면, 더 큰 렌즈가 왜 더 비싼지 쉽게 알 수 있습니다.

APS-C 및 4/3" 센서용 TFL 마운트

그림 4: TFL 마운트는 APS-C 센서 주변의 렌즈 기구 구조를 위한 충분한 공간을 제공하여, 가파른 광선 각도로 인해 발생하는 문제를 줄여줍니다.

플랜지 거리가 중요한 이유

F 마운트 솔루션에 비해 TFL 마운트 솔루션이 갖는 또 다른 주요 장점은 플랜지 거리입니다. 위에서 언급했듯이, TFL 마운트는 C 마운트와 동일한 17.526 mm 플랜지 거리를 공유하므로 더 큰 직경의 C 마운트로 볼 수 있습니다. F 마운트의 플랜지 거리는 46.5 mm입니다. F 마운트의 긴 플랜지 거리는 사용할 수 있는 광학 설계 형태를 제한합니다. 이는 특히 짧은 초점 거리 렌즈에서 더욱 두드러지며, 이러한 렌즈는 일반적으로 짧은 후초점 거리(BFL)를 갖습니다. 후초점 거리는 플랜지 거리와 혼동해서는 안 되며, 마지막 광학 요소에서 이미지 평면까지의 거리입니다. 긴 BFL로 짧은 초점 거리를 구현하려면 렌즈를 역망원 설계로 만들어야 합니다. 즉, 렌즈의 초점 거리가 렌즈 전체 길이보다 짧은 형태입니다. 렌즈를 이러한 설계 방식으로 강제하면 해상도 측면에서 본질적인 트레이드오프가 발생합니다. 경우에 따라 후면 돌출부가 더 큰 렌즈로 이를 극복할 수 있는데, 이는 렌즈가 카메라 하우징 내부로 돌출된다는 의미입니다. 그러나 후면 돌출부가 큰 렌즈는 카메라 바디 내부에 제대로 맞기 위해 직경을 상당히 줄여야 하는 경우가 많으며, 이는 위에서 설명한 동일한 cos⁴(θ) 문제로 이어집니다. TFL의 더 짧은 플랜지 거리는 전체 시스템을 더 짧게 만드는 데 기여할 뿐 아니라, 광학 엔지니어가 렌즈 해상도를 극대화하도록 설계할 때 훨씬 더 큰 자유도를 제공합니다.

이처럼 더 짧은 플랜지 거리와, TFL 렌즈가 더 작은 센서용으로 설계되어 시야 의존 수차의 영향을 덜 받는다는 점이 결합되어, TFL 마운트 카메라용으로 설계된 렌즈는 더 작은 패키지 크기에서 더 높은 성능을 제공하며 더 비용 효율적입니다.

위: C 마운트, TFL 마운트, F 마운트의 플랜지 거리를 비교하고 카메라 크기에 미치는 영향을 보여주는 카메라 절개도.

나사식 마운트 vs 베이요넷 마운트

F 마운트는 나사식 스크류 마운트가 아니라 베이요넷 마운트입니다. 베이요넷 마운트는 사진 촬영에는 매우 유용합니다. 사용자가 다양한 상황에 맞게 렌즈를 빠르게 교체할 수 있고, 정해진 위치에 맞춰 결합되는 구조이기 때문에 전자 기능(조리개/초점 제어)을 쉽게 통합할 수 있기 때문입니다. 그러나 머신 비전의 대부분 애플리케이션에서는 이러한 장점이 실제 장점이 되지 않습니다. 렌즈는 거의 교체되지 않으며, 교체하더라도 시간에 민감하게 이루어지는 경우는 드뭅니다. 조리개 제어는 일부 특수 애플리케이션에서는 유용하지만 일반적으로 고정되어 있으며, 공장 환경에서 서보 모터나 마이크로 모터와 같은 움직이는 부품에 의존해 렌즈 초점을 수백만 번 조정하면 부품 마모로 이어질 가능성이 높습니다.

하지만 베이요넷 마운트의 주요 단점은 베이요넷 마운트 자체의 구조적 특성에 있습니다. 센서 크기가 커질수록 광축에 대한 센서의 허용 기울기 범위는 작아집니다. 그림 5는 이미지 평면의 기울기가 광축에 대해 어떻게 대형 센서에 더 큰 영향을 미치는지 보여줍니다. 특히 고해상도 애플리케이션에 필요한 낮은 f/#를 고려하면, 높은 광학 성능을 보장하기 위해 기울기 값을 작게 유지하는 것이 필수적입니다. 베이요넷 마운트는 이미징 시스템에서 더 많은 기울기를 허용하며, 렌즈와 카메라를 최적의 방식으로 결합하지 못합니다. 이는 주로 Nikon F 마운트의 공차가 공개된 수치가 아니기 때문에, 광학 회사들이 설계에 필요한 공차를 추정해야 하기 때문입니다. 반면 나사식 스크류 마운트 플랜지는 하나의 견고한 금속 부품으로 가공되며 매우 평평하게 만들 수 있습니다. 또한 나사식 스크류 마운트의 체결력은 베이요넷보다 훨씬 강합니다. 렌즈 플랜지와 카메라 플랜지는 렌즈 크기와 관계없이 진동이나 중력에도 흔들림이나 처짐 없이 밀착되어 고정됩니다. TFL 역시 공개된 표준이자 나사식 마운트이므로, 카메라 회사와 렌즈 회사 모두 가장 효율적으로 함께 작동하도록 무엇을 설계해야 하는지 정확히 알 수 있습니다.

image defocusing with increases tilt between lens and sensor

그림 5: 픽셀이 더 작아진 대형 센서에서는 엄격한 공차 유지가 필수적입니다. 베이요넷 렌즈 연결은 TFL 나사식 연결에 비해 카메라와 더 느슨하게 결합될 수 있습니다. 이로 인해 이미지 초점이 덜 선명해질 수 있습니다.

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위: 베이요넷 렌즈 마운트는 사진 촬영에는 적합하지만, 추가 부품, 다수의 구성 요소, 스프링 장착 클립 연결, 공개된 사양 표준의 부재로 인해 24/7 운전이 필요한 산업용 애플리케이션에는 불확실성을 초래합니다.

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위: 나사식 스크류 마운트(위에 표시된 TFL 렌즈)는 하나의 견고한 금속 부품으로 가공되어 카메라와 훨씬 더 강한 체결력을 제공합니다. 이를 통해 렌즈 크기와 관계없이 진동이나 중력에도 흔들림이나 처짐을 제거할 수 있습니다. TFL 역시 공개된 표준입니다.

TFL 마운트 + 능동 센서 정렬

완벽한 렌즈 마운트와 완벽한 렌즈가 있더라도, 카메라의 센서가 렌즈 배럴에 정밀하게 정렬되어 있지 않다면 큰 의미가 없습니다. 고품질 TFL 렌즈와 TFL 마운트 카메라의 가치와 성능을 극대화하려면, 센서가 카메라 내부에서 기울기나 회전 없이 중앙에 정확히 배치되도록 능동 센서 정렬이 필요합니다. 이 절차는 크기가 더 크고 픽셀 크기가 더 작은 센서에서 더욱 중요합니다. 이 두 가지 특성은 센서를 마이크로미터 단위의 배치 오차에 더 민감하게 만들기 때문입니다. 위 그림 5에서 강조한 것처럼, 몇 마이크로미터의 기울기만으로도 대형 4/3″ 또는 APS-C 센서에서 고해상도 렌즈의 초점이 효과적으로 흐려질 수 있습니다. LUCID의 능동 센서 정렬 시스템은 이미지 중심, 회전, 기울기, 후초점 거리를 측정합니다. 시각 측정 피드백을 기반으로 배치 중 센서 위치를 능동적으로 조정합니다. 자동화된 6자유도(6DoF) 기계 장치와 시각 검사 장치를 함께 사용해, 시스템은 센서 평면 전체에 오버레이된 시각 패턴을 실시간으로 분석합니다. 이 패턴은 최대 선명도를 기준으로 측정되어 균일한 센서 평면을 보장한 상태에서 센서가 고정됩니다. Atlas 및 Triton 카메라에 사용되는 LUCID의 능동 센서 정렬 기술에 대한 기술 자료를 확인해 보십시오.

위: LUCID의 능동 센서 정렬은 센서가 렌즈 배럴에 대해 기울기나 회전 없이 중앙에 배치되고 최적의 위치에 놓이도록 보장합니다. 이를 통해 빛이 렌즈를 통과해 센서까지 이동하는 최적의 경로를 확보하고, 센서 중심부터 모서리까지 최대 선명도를 제공합니다.

sensor optical alignment problems off-center

위: 카메라 부품에서 발생할 수 있는 여러 변수를 과장해 보여주는 애니메이션입니다. 이러한 변수는 카메라 내부의 정확한 센서 배치에 불일치를 유발할 수 있습니다.

머신 비전 카메라용 TFL 마운트

TFL 마운트 렌즈는 더 작고, 더 가볍고, 비용이 더 낮으며, 산업 현장에서 장기간 성능을 유지하도록 설계되어 있기 때문에 1.1″보다 크고 APS-C 크기까지의 센서에는 확실히 더 나은 선택입니다. 이 표준은 아직 머신 비전 시장에서 보급이 확대되는 단계이지만, 매일 사용되는 광학계와 카메라에 대한 유망한 새로운 접근 방식입니다. 물론 센서는 계속 발전할 것이며, 카메라 렌즈도 그에 맞춰 계속 발전할 것입니다. 예를 들어 Sony의 4^th gen Pregius S 24.5 MP IMX530 CMOS와 같이 1.1″를 넘는 더 큰 산업용 센서와 더 작은 픽셀 크기를 가진 센서가 점점 더 많이 시장에 등장하고 있습니다. 이 센서는 4/3″ 센서(대각선 19.3 mm)이며 2.74µm 픽셀 크기(3.45µm 대비 37% 더 작은 픽셀 크기)를 갖습니다. 이러한 센서는 LUCID의 고해상도 카메라 제품군인 Atlas와 같이, 능동 센서 정렬이 적용된 TFL 마운트 카메라와 고품질 TFL 렌즈를 함께 사용할 때 가장 효과적으로 활용할 수 있습니다.