세계 최대 기계 시각 전시회가 보여준 것, 결국 광학이 기본이다

지난 10월 6일부터 8일까지 독일 슈투트가르트에서 세계 최대 기계 시각 전시회인 ‘비전(VISION) 2026’이 열렸다. 1987년 처음 열린 이후 2년마다 개최되는 이 전시회는 지난 2024년 행사에 38개국 약 483개 기업이 참가하고 약 8,000명이 방문했을 만큼 업계의 가장 중요한 국제 교류의 장이다.

올해 전시회도 심층 학습, 내장형 영상 처리, 초분광 영상 같은 최신 흐름을 전면에 내세웠다. 하지만 함께 열린 강연 마당의 주제 목록을 보면 촬영기 기술, 광학과 조명이 여전히 앞자리를 차지한다. 인공지능이 아무리 발전해도 영상을 만드는 단계의 기본기가 검사 성능을 좌우한다는 뜻이다.

앞선 글에서 검사 정확도를 좌우하는 첫 번째 요소로 조명을 다뤘다면, 이번에는 그 빛을 받아 상을 맺는 렌즈를 다룬다. 렌즈를 잘못 고르면 결함이 너무 작게 찍히거나, 검사 대상이 화면 밖으로 잘리거나, 설비 안에 촬영기를 설치할 공간이 나오지 않는다.

이 글은 시야 범위·작업 거리·초점거리를 계산하는 방법을 중심으로, 렌즈 선정 과정을 순서대로 정리한다.

출처: Messe Stuttgart, “VISION – World's Leading Trade Fair for Machine Vision” (2026) – https://www.messe-stuttgart.de/vision/en/
Tradefairdates, “VISION Stuttgart 2026” – https://www.tradefairdates.com/VISION-M617/Stuttgart.html

1. 렌즈 선택에 필요한 핵심 용어

렌즈를 고르기 전에 먼저 용어를 정리해야 한다. 렌즈 선정은 결국 다음 값들 사이의 관계를 맞추는 일이다.

여기서 꼭 기억해야 할 사실이 있다. 초점거리만으로는 시야 범위가 정해지지 않는다. 같은 25mm 렌즈라도 촬영 소자 크기와 작업 거리에 따라 보이는 범위가 완전히 달라진다. 그래서 렌즈 선택은 초점거리가 아니라 시야 범위와 작업 거리에서 출발해야 한다.

2. 계산 전에 정해야 할 네 가지

렌즈 계산은 다음 네 가지 값이 정해져야 시작할 수 있다.

1. 시야 범위: 검사 대상의 크기에 제품 위치 편차와 여유를 더한다. 이송 장치 위에서 제품이 좌우로 몇 mm 흔들린다면 그만큼 시야를 넓혀야 한다. 촬영 소자는 보통 가로가 더 긴 직사각형이므로, 가로와 세로 방향을 모두 확인한다.
2. 작업 거리: 촬영기를 설치할 수 있는 위치를 설비 도면에서 확인한다. 위쪽 구조물, 조명 설치 공간, 작업자 접근 공간을 모두 고려해야 한다.
3. 촬영 소자 크기: 사용할 촬영기의 촬영 소자 가로·세로 길이와 화소 수, 화소 크기를 사양서에서 확인한다.
4. 최소 결함 크기: 잡아야 할 가장 작은 결함이나 측정 정밀도를 정한다. 이 값이 필요한 해상도를 결정한다.

미국 자동화진흥협회(A3)는 렌즈를 고를 때 필요한 작업 거리를 초점거리, 검사 대상의 길이, 촬영 소자 크기의 세 가지 요소로 계산한다고 설명한다¹⁾. 즉 네 가지 중 세 가지를 정하면 나머지 하나를 계산할 수 있고, 마지막 최소 결함 크기로 그 결과가 충분한지를 검증하는 구조다.

3. 촬영 소자 크기: ‘인치 표기’를 그대로 믿으면 안 된다

촬영 소자 크기는 흔히 2/3인치형, 1인치형처럼 인치로 표기한다. 그런데 이 표기는 실제 크기가 아니다. 예전 촬영관의 바깥지름에서 유래한 관습적 이름이어서, 1인치형 촬영 소자의 대각선은 실제로 25.4mm보다 훨씬 짧다.

대표적인 형식별 크기는 다음과 같다.

표의 값은 대표값일 뿐, 실제 촬영 소자는 제품마다 다르다. 예를 들어 화소 크기 3.45µm에 가로 2,448화소인 2/3인치형 촬영 소자의 실제 가로 길이는 약 8.45mm로 표의 대표값과 차이가 있다. 계산에는 반드시 촬영기 사양서의 실제 값, 또는 ‘화소 크기 × 화소 수’로 구한 값을 써야 한다.

4. 배율과 초점거리 계산하기

네 가지 값이 정해지면 먼저 배율을 구한다.

배율은 실제 물체가 촬영 소자 위에 몇 배 크기로 맺히는지를 나타낸다. 시야 범위가 넓을수록 배율은 작아지고, 좁을수록 배율은 커진다.

배율과 작업 거리를 알면 필요한 초점거리를 계산할 수 있다.

이 식은 렌즈를 한 장의 얇은 렌즈로 가정한 근사식이다. 작업 거리가 초점거리보다 충분히 길면 분모의 배율을 무시하고 ‘작업 거리 × 배율’, 즉 ‘작업 거리 × 촬영 소자 크기 ÷ 시야 범위’로 더 간단하게 어림할 수 있다. 다만 이 간이식은 가까운 거리에서 초점거리를 조금 크게 계산하는 경향이 있다.

주의할 점은 작업 거리를 어디서부터 재느냐다. 미국 자동화진흥협회에 따르면 광학 계산에서 쓰는 물체 거리는 렌즈 안쪽에 있는 첫 번째 주요면에서 물체까지의 거리이며, 정확히 계산하려면 두 주요면의 위치와 렌즈의 실제 길이를 알아야 한다¹⁾. 반면 현장에서 말하는 작업 거리는 보통 렌즈 앞면에서 재는 거리다. 따라서 계산값은 출발점으로 삼고, 최종 확인은 렌즈 제조사의 사양 자료나 계산 도구로 해야 한다.

5. 실제 계산 예시: 가로 100mm를 300mm 거리에서 보려면

다음 조건으로 렌즈를 골라 보자.

계산 순서는 다음과 같다.

1. 배율 = 8.45mm ÷ 100mm = 0.0845
2. 필요 초점거리 ≈ 300mm × 0.0845 ÷ 1.0845 ≒ 23.4mm
3. 표준 렌즈 선택: 시판되는 고정 초점 렌즈는 16mm, 25mm, 35mm처럼 정해진 값이므로 가장 가까운 25mm를 고른다.
4. 다시 계산: 25mm 렌즈를 300mm 거리에 두면 배율은 약 25 ÷ (300 − 25) ≒ 0.091이 되어 시야 범위는 약 93mm로 줄어든다.
5. 조정: 시야 범위 100mm를 확보하려면 작업 거리를 약 321mm로 늘린다. 공간이 없다면 위치 편차 여유를 줄이거나, 더 짧은 초점거리를 검토한다.

만약 16mm 렌즈를 쓰면 같은 300mm 거리에서 시야 범위는 약 150mm로 넓어진다. 공간 문제는 해결되지만, 다음 장에서 보듯이 해상도가 떨어진다. 렌즈 선택은 언제나 시야 범위, 작업 거리, 해상도 사이의 맞바꿈이다.

세로 방향도 확인해야 한다. 배율 0.0845에서 세로 7.07mm짜리 촬영 소자의 세로 시야 범위는 약 84mm다. 검사 대상의 세로 크기와 위치 편차가 이 안에 들어오는지 함께 점검한다.

6. 해상도 확인: 결함이 몇 화소에 걸리는가

초점거리를 정했다면, 그 조건에서 최소 결함이 충분히 보이는지 확인해야 한다.

앞의 예시에서 25mm 렌즈로 시야 범위 100mm를 볼 때 화소 하나가 담당하는 실제 크기는 100 ÷ 2,448 ≒ 0.041mm다. 최소 결함 0.15mm는 약 3.7화소에 걸친다. 반면 16mm 렌즈로 150mm를 보면 화소당 약 0.061mm가 되어, 같은 결함이 약 2.4화소에만 걸친다.

결함이 한두 화소에만 걸리면 잡음과 구분하기 어렵다. 따라서 최소 결함이 여러 화소에 걸치도록 시야 범위와 화소 수를 정하는 것이 원칙이다. 몇 화소가 필요한지는 결함의 명암 대비와 판정 방식에 따라 달라지므로, 실제 시료로 시험해 기준을 정한다.

촬영기의 화소만 많다고 해상도가 확보되는 것도 아니다. 렌즈에도 해상력이 있어서, 렌즈가 구분할 수 있는 선의 간격(lp/mm)이 촬영 소자의 화소 크기를 따라가지 못하면 고화소 촬영기를 써도 영상이 흐릿하다. 렌즈 사양서에서 지원 화소 크기나 권장 촬영 소자를 확인하고 촬영기와 짝을 맞춰야 한다.

또 하나 확인할 것은 렌즈가 만드는 상의 크기(이미지 서클)다. 렌즈가 맺는 원형의 상이 촬영 소자의 대각선보다 작으면 영상의 네 모서리가 어둡게 가려진다. 렌즈의 대응 촬영 소자 형식이 촬영기보다 크거나 같은지 반드시 확인한다.

7. 피사계 심도·밝기·왜곡: 계산 밖에서 확인할 것들

초점거리 계산이 맞아도 현장에서 문제가 생기는 경우가 있다. 다음 세 가지는 계산과 별도로 꼭 확인해야 한다.

피사계 심도는 초점이 맞는 앞뒤 거리 범위다. 제품 높이가 일정하지 않거나 입체 형상을 검사해야 한다면 심도가 충분해야 한다. 조리개를 조이면(F값을 키우면) 심도는 깊어지지만 들어오는 빛이 줄어 영상이 어두워진다. 기계 시각 체계에서 최종 영상의 밝기는 조리개, 촬영기 신호 증폭, 노출 시간, 조명의 조합으로 결정되므로²⁾, 심도를 위해 조리개를 조였다면 조명을 강하게 하거나 노출 시간을 늘려 보완해야 한다. 이동 중인 제품이라면 노출 시간을 늘리는 대신 조명을 강화하는 편이 번짐을 막는 데 유리하다.

왜곡은 직선이 휘어 보이거나 위치에 따라 크기가 달라 보이는 현상이다. 단순한 유무 검사에는 큰 문제가 없지만, 치수 측정에서는 오차의 원인이 된다. 측정 용도에는 저왜곡 렌즈를 쓰거나, 물체 높이가 달라도 배율이 거의 변하지 않는 평행광 렌즈(텔레센트릭 렌즈)를 검토한다. 미국 자동화진흥협회도 평행광 렌즈를 치수와 형상 편차를 없애기 위한 정밀 측정용 렌즈로 소개한다¹⁾.

최소 촬영 거리도 확인해야 한다. 일반 렌즈는 일정 거리보다 가까이에서는 초점이 맞지 않는다. 작은 부품을 가까이에서 크게 찍어야 한다면 근접 촬영용 렌즈(매크로 렌즈)를 쓰거나, 렌즈와 촬영기 사이에 확장관(접사링)을 넣어 초점 위치를 옮긴다. 다만 확장관을 쓰면 렌즈의 설계 조건을 벗어나 해상력이나 밝기가 떨어질 수 있으므로 시험으로 확인해야 한다.

8. 렌즈 선정 점검표와 흔한 실수

렌즈를 주문하기 전에 다음 항목을 점검표로 확인하면 시행착오를 줄일 수 있다.

• 시야 범위: 가로·세로 모두 검사 대상과 위치 편차를 덮는가
• 작업 거리: 설비 안에 촬영기와 조명을 설치할 공간이 실제로 있는가
• 해상도: 최소 결함이 충분한 화소 수에 걸치는가
• 렌즈 해상력: 렌즈가 촬영기의 화소 크기를 지원하는가
• 상의 크기: 렌즈의 대응 촬영 소자 형식이 촬영기와 같거나 큰가
• 장착 규격(마운트): 렌즈와 촬영기의 장착 규격이 맞는가. 기계 시각 촬영기에는 C 장착 규격이 가장 널리 쓰인다.
• 심도와 밝기: 제품 높이 편차를 덮는 심도를 확보하면서 영상 밝기가 충분한가
• 왜곡: 치수 측정이라면 왜곡 허용 범위를 만족하는가

현장에서 반복되는 실수도 함께 기억해 두자.

• 인치 표기를 실제 크기로 계산: 촬영 소자 크기를 잘못 넣으면 초점거리 계산 전체가 틀어진다.
• 계산값 그대로 주문: 23.4mm처럼 계산된 값은 시판 렌즈에 없다. 가까운 표준 초점거리를 고른 뒤 시야 범위와 작업 거리를 다시 계산해야 한다.
• 조명 없이 렌즈만 시험: 렌즈의 해상력과 심도는 조명 조건에 따라 다르게 보인다. 실제 조명과 함께 시험해야 한다.
• 초점 고정 소홀: 설비 진동으로 초점 고리와 조리개 고리가 조금씩 돌아간다. 고정 나사를 조이고, 조정 후 기준 영상을 저장해 둔다.

또한 검사 대상의 크기가 자주 바뀐다면 배율을 바꿀 수 있는 배율 가변 렌즈(줌 렌즈)를 검토할 수 있지만, 배율을 바꿀 필요가 없다면 고정 초점 렌즈가 알맞다²⁾. 고정 초점 렌즈가 일반적으로 광학 성능과 안정성 면에서 유리하기 때문이다.

렌즈는 초점거리가 아니라 시야 범위에서 고른다

기계 시각 렌즈 선택은 초점거리 숫자를 고르는 일이 아니라, 시야 범위·작업 거리·촬영 소자 크기·해상도라는 네 가지 조건을 동시에 맞추는 일이다. 계산은 출발점이고, 실제 시료와 조명으로 확인하는 과정이 반드시 뒤따라야 한다.

본문의 핵심을 정리하면 다음과 같다.

• 출발점: 시야 범위와 작업 거리, 촬영 소자 크기, 최소 결함 크기를 먼저 정한다.
• 계산: 배율 = 촬영 소자 크기 ÷ 시야 범위, 초점거리 ≈ 작업 거리 × 배율 ÷ (1 + 배율)로 구한다.
• 재계산: 가까운 표준 초점거리를 고른 뒤 시야 범위와 작업 거리를 다시 계산한다.
• 검증: 최소 결함이 여러 화소에 걸치는지, 렌즈 해상력과 상의 크기가 촬영기와 맞는지 확인한다.
• 현장 확인: 피사계 심도, 밝기, 왜곡, 최소 촬영 거리를 실제 조명과 함께 시험한다.

제조기업은 검사 장치를 발주할 때 시야 범위, 작업 거리, 최소 결함 크기를 숫자로 정리해 요구사항에 포함할 것을 권한다. 체계 통합 기업(SI)은 렌즈 선정 근거를 계산서와 시험 영상으로 제시해, 발주사가 성능을 미리 검증할 수 있도록 해야 한다. 좋은 검사는 좋은 빛과 정확한 렌즈 선택에서 시작된다.

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