임베디드 비전 시스템에서 이미지 품질은 여러 개의 상호 연결된 구성 요소의 결과입니다. 센서와 처리 장치는 종종 주목을 받지만 렌즈 시스템과 그 매개변수도 똑같이 영향력 있는 역할을 합니다.
이러한 지표 중 하나는 빛의 섭취, 노출 및 이미지 선명도의 영향을 평가하는 F-수(또는 F-스톱)입니다.
이 블로그에서는 F-숫자, 임베디드 카메라에 미치는 영향, 그리고 이 매개변수를 선택하는 기준에 대한 전문가의 인사이트를 얻을 수 있습니다.
F-숫자란 무엇인가요?
F-수는 렌즈의 초점 거리가 개구 개구의 크기와 어떻게 관련되는지 나타냅니다. 두 길이를 비교하기 때문에 무차원 양으로 간주됩니다. 이 관계는 수학적으로 다음과 같이 표현할 수 있습니다:
F-수(f/N) = 초점 거리 / 조리개 직경
F-수가 낮은 렌즈는 조리개가 더 큰 반면, F-수가 높을수록 조리개가 더 작습니다. 이는 센서에 도달하는 빛의 양에 직접적인 영향을 미칩니다. 예를 들어, F-수가 1.8인 렌즈는 F4 등급인 렌즈에 비해 시스템에 더 많은 양의 빛이 들어올 수 있습니다.
이 차이는 저조도 조건에서 성능에 매우 중요할 수 있으며, 노출이 많을수록 소음이 적은 세밀한 이미지를 포착하는 데 도움이 됩니다.
F-Number가 임베디드 카메라 성능에 미치는 영향
저조도 이미징
산업 자동화, 농업, 의료 분야에서 사용되는 임베디드 비전 시스템은 균일하지도 예측할 수도 없는 조명 환경에서 작동합니다. F-수가 작은 렌즈는 센서에 도달하는 광자 수를 증가시켜 이미지 밝기를 향상시킵니다.
그렇게 하면 원치 않는 아티팩트나 신호 노이즈를 유발할 수 있는 고이득 설정에 대한 의존도를 크게 줄일 수 있습니다.
DoF 제어
F-숫자는 이미지에서 선명한 초점으로 나타나는 깊이(DoF)에 영향을 미칩니다. F-숫자가 낮을수록 깊이가 얕아집니다. 이는 객체 인식이나 결함 감지 시스템과 같이 애플리케이션이 전경 객체의 분리를 요구할 때 유용합니다.
그러나 F-숫자가 높을수록 현장 깊이가 증가하므로 여러 초점면이 관련된 물류 또는 감시 애플리케이션에 더 적합합니다.
노출 및 프레임 속도
임베디드 카메라의 노출 시간은 사용 가능한 빛의 양에 따라 영향을 받습니다. 따라서 낮은 F-수로 달성되는 더 넓은 조리개는 노출 기간을 단축시킵니다. 이는 시스템이 빠르게 움직이는 피사체를 포착하거나 높은 프레임 속도로 작동할 때 발생할 수 있습니다. 반면 조리개가 작을수록 노출 요구 사항이 증가하여 동적 장면의 성능에 영향을 미칠 수 있습니다.
열과 전력
노출 시간이 길어지고 게인 설정이 높아지면 센서와 처리 장치에 열 부하가 발생합니다. 이 시스템은 더 넓은 개구부를 통해 적절한 빛을 포착하여 처리 부담을 줄일 수 있습니다. 이는 임베디드 시스템의 하드웨어 설계와 열 인클로저를 좌우하는 낮은 열 출력과 전력 소비를 달성하는 데 도움이 될 수 있습니다.
센서 호환성
렌즈와 센서는 응집력 있는 단위로 작동해야 합니다. 따라서 매개변수의 불일치는 시스템의 광학 처리량을 감소시킬 수 있습니다. 예를 들어 픽셀 피치가 작은 센서와 F-수가 높은 렌즈를 결합하면 회절이 캡처된 이미지에 부드러움을 도입할 수 있습니다. 센서 크기, 픽셀 피치, F-수를 일치시키면 프레임 전체의 대비와 선명도를 유지하는 데 도움이 됩니다.
큰 조리개는 특히 픽셀 크기가 작은 센서의 경우 더 나은 빛 수집을 지원합니다. 그러나 렌즈 설계가 광학적 문제를 보완하지 못하면 구형 수차 및 비네팅과 같은 문제에도 취약합니다.
임베디드 애플리케이션에서의 선택 기준
- 고속 모션 캡처: F-수가 낮은 렌즈는 짧은 노출 시 모션 블러를 최소화합니다.
- 밝고 정적인 설정: 더 높은 F-수를 가진 렌즈는 성능 저하 없이 넓은 시야 깊이를 제공합니다.
- 컴팩트한 디자인: 시스템 폼 팩터는 렌즈 직경을 제한하므로 F-수와 크기 및 열적 고려 사항을 균형 있게 조정해야 합니다.
- 야외 성능: 다양한 조명 조건에서는 갑작스러운 변화를 수용하기 위해 조리개를 조절할 수 있는 렌즈가 필요합니다.
임베디드 카메라에 대한 기타 F-넘버 고려 사항
수차
F-숫자가 낮은 렌즈는 색차 수차나 플레어와 같은 광학적 수차를 유발할 수 있습니다. 일부 렌즈는 이러한 문제를 해결하기 위해 고급 코팅을 포함하지만, 이는 비용과 통합 복잡성을 증가시킬 수 있습니다. 이미지 모서리가 더 어둡게 보이는 렌즈 비네팅도 넓은 조리개에서 더 잘 드러납니다.
이미지 비공식성
이미지 프레임 전반에 걸쳐 균일한 밝기와 선명도를 유지하려면 조리개 크기, 렌즈 아키텍처, 센서 정렬에 주의를 기울여야 합니다. 이러한 영역의 불일치는 센서의 활성 영역 전반에 걸쳐 출력의 일관성에 영향을 미칠 수 있습니다.
렌즈 사양
렌즈 데이터시트에서 F-수는 광 투과율 및 조리개 폭과 직접적으로 상관관계가 있습니다. 일부 렌즈는 수동 또는 자동 홍채 제어 기능을 갖추고 있어 변화하는 환경에서 적응형 노출이 가능합니다. 다른 렌즈는 특정 조명 시나리오에 맞게 조정된 고정 조리개를 특징으로 합니다.
F-수는 변조 전달 함수(MTF), 시야각, 왜곡 지표와 같은 다른 사양과 함께 고려되어야 합니다. 이러한 모든 요소를 균형 있게 평가하면 시스템 요구에 맞는 정보에 입각한 렌즈 선택이 가능합니다.
센서 정렬
광학 보정은 F-수가 동적 범위, 밝기 및 신호 대 잡음 특성에 미치는 영향을 고려해야 합니다. 프로토타이핑 중에는 다양한 작동 조건에서 선명도, 노출 일관성 및 아티팩트 동작을 평가하기 위해 다양한 F-수 설정을 탐색하는 것이 중요합니다
고도로 커스터마이징 가능한 임베디드 카메라를 제공하는 e-con Systems
e-con Systems®는 2003년부터 OEM 카메라를 설계, 개발 및 제조해 왔습니다.
저희는 광범위한 맞춤화 기능을 바탕으로 다양한 엔지니어링 및 사용 사례 요구 사항을 지원하는 세계 최고 수준의 카메라 솔루션을 제공합니다.
카메라 셀렉터 페이지를 둘러보세요. 다양한 카메라 솔루션을 확인할 수 있습니다.
전문가 통합 지원이나 애플리케이션에 적합한 카메라 선택에 대한 안내가 필요하시면, 저희에게 camerasolutions@e-consystems.com 로 연락해 주시기 바랍니다.
Prabu는 e-con Systems의 최고 기술 책임자이자 카메라 제품 책임자이며 임베디드 비전 분야에서 15년 이상의 풍부한 경험을 갖고 있습니다. 그는 USB 카메라, 임베디드 비전 카메라, 비전 알고리즘 및 FPGA에 대한 깊은 지식을 제공합니다. 그는 의료, 산업, 농업, 소매, 생체 인식 등 다양한 분야에 걸쳐 50개 이상의 카메라 솔루션을 구축했습니다. 그는 또한 장치 드라이버 개발 및 BSP 개발에 대한 전문 지식을 갖추고 있습니다. 현재 Prabu의 초점은 새로운 시대의 AI 기반 애플리케이션을 지원하는 스마트 카메라 솔루션을 구축하는 것입니다.