[기술기고] Fixed Focal Length, Angular Field of View(AFOV)에 대해

Fixed focal length lens는 Angular Field of View (AFOV)가 고정된 광학 부품으로서 각기 다른 작동 거리에서 렌즈의 초점을 맞추더라도 관찰 각도를 일정하게 유지하며 다양한 시야(FOV)를 확보할 수 있습니다. 일반적으로 AFOV는 센서의 가로 규격(너비)과 관련된 전체 각도(도 단위)로 지정되고 렌즈의 초점 거리에 따라 결정되며, 이때 센서의 크기가 정해진 경우 초점 거리가 짧을수록 AFOV가 넓어집니다.

두께가 얇은 단순 볼록 렌즈의 경우 초점 거리는 렌즈 후면에서부터 렌즈 전면의 무한대 거리에 있는 피사체가 형성한 이미지 평면까지의 거리입니다. 이 개념을 바탕으로 표현한 공식은 다음과 같으며 f는 초점 거리 h는 센서 크기를 가리킵니다.

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하지만 일반적으로 초점 거리는 렌즈의 뒤쪽 principal plane에서부터 측정하는데 이 평면이 이미징 렌즈의 기계 장치 뒷면에 있는 경우는 굉장히 드물게 있습니다. 이는 근축 방정식(paraxial equation)을 사용해 계산된 작동 거리가 왜 근사치에 지나지 않는지에 대한 이유 중 하나이며, 이에 따라 시스템의 기계적 설계는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 생성된 데이터나 렌즈 사양표에 나온 데이터를 사용해 배치될 필요가 있습니다.

근축 계산은 lens calculator에서와 마찬가지로 렌즈를 빠르게 선택할 수 있는 좋은 출발점이긴 하지만 산출된 수치를 활용할 때는 신중을 기해야 합니다.

Fixed Focal Length Lens를 사용할 때, 시스템(카메라 및 렌즈)의 FOV를 변경하는 방법에는 세 가지가 있습니다. 가장 쉬운 첫 번째 옵션은 렌즈부터 피사체까지의 작동 거리(WD)를 변경하는 것입니다. 피사체 면으로부터 렌즈를 멀리 이동시키면 FOV가 넓어집니다. 두 번째 옵션은 사용 중인 렌즈를 초점 거리가 다른 렌즈로 교체하는 것입니다. 세 번째 옵션은 사용 중인 센서의 크기를 변경하는 것입니다. 위 공식에 정의되어 있는 바와 같이 센서가 커야만 동일한 작동 거리에서 더 넓은 FOV를 얻게 됩니다.

종종 아주 넓은 시야각(AFOV)을 갖는 것이 편리할 수 있긴 하지만 일부 단점도 감안해야 합니다. 우선 초점 거리가 짧은 렌즈와 관련된 왜곡 수준은 실제 AFOV에 엄청난 영향을 줄 수 있으며 다양한 규모의 왜곡으로 인해 작동 거리에 따른 각도 변화를 유발할 수 있습니다. 이 밖에도 초점거리가 짧은 렌즈는 초점 거리가 더 긴 옵션에 비해 최상의 성능을 확보하거나 중간 크기부터 대형 크기까지의 센서를 커버하는데 데 일반적으로 더 많은 어려움이 있어 사용에 제약이 따를 수 있습니다.

시스템의 FOV를 변경할 수 있는 또 다른 방법은 Varifocal Lens 또는 Zoom Lens를 이용하는 것입니다. 이러한 유형의 렌즈는 해당 초점 거리를 조절할 수 있어 다양한 AFOV를 갖게 됩니다. Varifocal 및 Zoom Lens는 Fixed Focal Length Lens에 비해 크기와 비용 면에서 단점이 많고 Fixed Focal Length Lens와 동일한 수준의 성능을 제공할 수 없는 경우가 자주 발생합니다.

[자료제공: 에드몬드옵틱스 코리아]
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