미국의 컨설팅 기업 ADL은 4차 산업혁명 속 새로운 물리적 이송 기술로 무인 항공기(UAV)를 꼽았다. UAV는 현대 사회에 군사, 통신, 인프라, 농업 등 다양한 분야에서 기술적 발전을 통해 활발하게 사용되고 있다. 

UAV에서 렌즈는 데이터 수집 및 분석의 핵심 역할을 한다. 고성능 UAV에 걸맞은 렌즈 시스템 설계는 무엇보다 중요하다. 이를 위한 정밀한 광학 시스템 설계는 필수다. 

UAV의 광학 시스템 설계

 

기술의 발전과 함께 머신비전은 더욱 새로운 분야에 활용되고 있다. 하지만 새로운 분야에 머신비전 기술을 접목하기 위해선 전통적인 머신비전 기술보다 더욱 고도화된 요구 사항을 요구한다. 새로운 영역에서 애플리케이션으로 작업할 때 이미징 시스템이 압력, 온도, 충격 및 진동 측면에서 다양한 환경 조건에 적응해야 하기 때문이다. 

 

기존의 전통적인 머신비전 응용 프로그램으로는 해결할 수 없었던 문제를 해결하는 UAV 이미징 애플리케이션은 급속히 증가하고 있다. 드론 기술의 발전으로 인해 이미징 기술도 일관된 영상 성능을 제공하기 위해 발전해야 할 필요성이 커지고 있기 때문이다. 

 

UAV가 비행하는 높은 고도의 환경에서는 렌즈의 성능이 무엇보다 중요하다. 이번 기사에서는 혹독한 환경을 위한 머신비전 렌즈 설계 방법에 대해 살펴본다. 아울러 다양하고 열악한 환경에서 영상 촬영 시 발생하는 본질적 문제, 해당 문제를 어떻게 해결하고 있는지 살펴본다. 

 

UAV 이미징의 중요성

 

UAV에서 이미징의 필요성은 매우 명백하다. 사용자에게 방향과 안내를 제공해야 하기 때문에 드론이 위치를 볼 수 있는 능력이 필요하다. 레이더 사용을 제외하고, UAV의 위치를 결정하는 유일한 방법은 UAV가 보고 있는 것을 찾는 것이다. 그러나 UAV에 대한 이미징의 필요성은 단순한 방향과 움직임을 넘어선다. 드론에 탑재된 많은 애플리케이션은 비전 시스템을 사용해 촬영하고자 하는 지역을 영상화해 다음 이동지 인식뿐만 아니라 환경을 평가하고 다양한 데이터를 얻는 데 이용한다. 

 

예를 들어 항공 사진 측량은 UAV에 탑재된 카메라 시스템을 사용해 지상의 3D 영역을 매핑하는 응용 프로그램이다. 지상 샘플 거리(GSD)는 항공 사진 측량이 이뤄지는 고도와 이미징 시스템 및 샘플의 나이퀴스트 주파수와 관련됐다. 따라서 고성능의 이미징 시스템은 UAV가 더 높은 고도로 날 수 있게 한다. UAV는 시야가 더 넓어지고, 적은 수의 사진으로 가능해진다.  현재 군용 드론 기술은 최대 15.2km인 50,000피트까지 날 수 있으며 온도와 압력은 각각 약 30˚C에서 -50˚C까지 및 100 kPa에서 약 20 kPa까지 다양하다.

 

 

온도와 압력으로 렌즈의 요소가 달라지고, 넓은 범위의 이미징이 어려운 점은 애플리케이션의 한계를 준다. 항공 사진 측량 능력을 발전시키기 위해서는 머신비전 시스템의 이미징 기능을  반드시 개선해야 한다. 

 

 

또 다른 중요한 응용 분야는 UAV 이미징 공간에서 식물상의 다중 및 하이퍼스펙트럼 이미징이다. 다중 스펙트럼 이미징은 여러 개의 분리된 파장 범위에서 데이터를 수집하는 것을 포함하며, 하이퍼스펙트럼 이미징은 단일하고 넓은 연속 파장 범위에서 데이터를 수집하는 것을 의미한다.

 

UAV에서 식물을 이미징하는 데 관련된 개념은 높이가 이미징 시스템에 상당한 영향을 미친다는 점에서 사진 측량법과 유사하다. 그러나 이런 종류의 이미징은 파장에 중요한 의존성을 추가해 문제를 더욱 복잡하게 만든다.

 

넓은 온도 및 압력 범위에서 작동하는 시스템을 설계해야 하는 어려운 과제에 대신, 높은 스펙트럼 분해능을 유지하면서 넓은 파장 범위에서 작동하면서 시스템을 설계해야 한다. 시스템의 스펙트럼 분해능은 시스템이 구별할 수 있는 최소 파장대 크기와 관련이 있다. 멀티 스펙트럼 이미징은 하이퍼스펙트럼 이미징보다 스펙트럼 분해능이 낮지만 설계가 훨씬 쉽고 비용이 적게 든다. 

 

 

필요한 스펙트럼 이미징 유형은 응용 분야에 따라 다양하다. 다양한 식물 종류는 특정 파장에서 매우 다른 특성을 나타내며, 이 중 대부분은 가시 스펙트럼에 포함되지 않는다. 이로 인해 다중 분광 이미징에서 작은 개별적인 스펙트럼 밴드를 가지는 것이 2D UAV 이미지에서 가장 많은 정보를 수집하는 데 매우 유용하다. 따라서 높은 스펙트럼과 고해상도 이미징을 모두 수행하는 시스템을 보유하는 것이 이런 응용에 이상적이다.

 

위에서 언급한 것처럼 UAV 기술과 이미징 기술의 빠른 발전으로 군사 및 상업 공간에서 다양한 응용 분야가 번성하고 있습니다. UAV 응용 프로그램을 사용하면 군사 작전에서는 목표 유인, 일반 전투 임무 및 감시를 통해 손실을 줄이고 더 중요하고 시급한 작전에 접근할 수 있게 한다. 산업 분야에서는 UAV가 사고 구호, 고고학 및 광산 분야를 변화시키며, 사진측량 및 환경 이미징과 유사한 개념을 활용해 시간과 노동력을 줄인다.

UAV 응용 분야에서 렌즈 성능 향상

 

위에서 언급한 대로 UAV가 비행하는 고도는 다양한 열악한 환경을 가져오며, 이 모든 환경이 렌즈의 성능에 영향을 미친다. 위에서 언급한 응용을 최적화하기 위해서는 고성능 이미징 시스템을 설계하는 것이 필요하지만,  다양한 조건에서는 어려운 작업이다. 온도 변화는 열팽창 계수(Coefficient of Thermal Expansion, CTE)라는 개념으로 인해 물체의 물리적 크기 변화를 유발한다. 

 

 

물체와 재료의 이동량은 재료 간에 다른 열팽창 계수에 따라 달라진다. 유리와 금속은 CTE가 다르기 때문에, 이로 인해 이미징 렌즈의 구성 요소가 이동하거나 가열 또는 냉각될 때 기울거나 일반적인 정렬 오류가 발생할 수 있습니다. 이로 인해 수차가 생기고 이미징 성능이 저하되며, 이는 UAV 이미징 애플맄이션에 해로울 수 있다. 

 

렌즈의 굴절률도 온도와 함께 변화하지만 이 현상의 영향은 열팽창으로 인한 물리적 크기 변화보다 시스템 성능에 덜 영향을 미친다. 따라서 목표는 렌즈 어셈블리의 구성 요소 내의 이동을 줄여 렌즈의 정렬에 대한 민감도를 줄이는 것이다.

 

첫 번째 문제인 렌즈 정렬 불량 문제는 주로 엄격한 렌즈 디자인을 통해 해결된다. 온도 범위 내에서 성능을 유지하기 위해 요소는 이동할 때 다른 요소가 성장 또는 수축을 보상하도록 설계됐다.

 

 

이런 설계는 보다 엄격하고 시간이 많이 소요되지만, 온도 범위 내에서 안정된 성능을 유지하는 유일한 방법이다. 이로 인해 일반적으로 더 적은 요소를 사용하는 디자인으로 이어진다. 저소자 디자인과 고성능 디자인 사이의 균형은 복잡하지만, 알아내는 것이 불가능하지는 않다. 금속과 유리 요소 사이의 접촉 지점에서 열팽창에 따른 압력을 완화하는 플렉서(flexure)가 디자인에 일반적으로 포함되기도 한다.

 

또한 각 요소 간의 이동에 민감하지 않도록 렌즈를 설계하는 것도 중요하다. 이것은 허용 범위가 동일한 개념을 중심으로 하기 때문에 렌즈 디자인에서 일반적인 과정이다. 그러나 허용 범위에 온도 변화에 내재된 이동을 추가하면 렌즈 디자인을 더욱 복잡하게 만든다. 렌즈의 감도를 낮추기 위해 렌즈 설계자는 시스템에 심각한 수차를 초래하는 현장을 줄이는 방법을 찾는다. 

이는 보통 이미징 어셈블리의 렌즈 곡률 반경, 유리 종류, 간격 및 두께를 신중하게 제어해 이뤄진다. 온도에 따른 공간 이동과 허용 범위 이동의 복합 효과는 감도가 낮은 렌즈를 설계하기 어렵게 만든다. 그러나 신중한 렌즈 설계자는 언급한 기술을 사용해 이를 균형 있게 조절한다.

 

렌즈는 고도 변화와 관련된 압력 변화에 대한 보상을 위해 설계될 수 있다. 이때 렌즈 설계 소프트웨어에서 렌즈 내부와 외부의 공기를 다양한 압력 값에서 정확하게 모델링해 렌즈에 미치는 영향을 정확하게 예측한 후, 이러한 변화를 견딜 수 있는 렌즈를 설계해야 한다.

 

극심한 충격 및 진동에 견딜 수 있는 렌즈 설계

 

렌즈가 UAV 응용에서 유용하게 사용되려면 온도, 압력 등 렌즈에 미치는 영향을 완화하는 방법 외에도 UAV 영상 촬영의 고도 변화에 적합한 다른 유형의 경화 기술을 추가할 수 있다. 

 

예를 들어 드론 비행에서 발생하는 빠른 가속 변화는 충격 및 진동에 견딜 수 있는 경화 기술이 필요하다. 이로 인해 영상 렌즈의 요소들은 고충격 상황에서도 비교적 안정적으로 유지될 수 있다. 이는 광학 기계 구조를 단순화하고 렌즈 바렐 내부의 단일 요소 렌즈 주변에 접착제를 도입해 렌즈 내부의 이동을 방지하고 정렬 오류를 방지함으로써 이뤄진다.

 

UAV 애플리케이션에서 고려해야 할 또 다른 요소는 침입 보호다. 유입은 영상 응용에서 불필요한 입자(물 또는 먼지와 같은)의 존재를 의미한다. 먼지와 물은 렌즈의 영상 성능을 저하하며, 빛이 이런 입자에 닿아 예측할 수 없는 방식으로 방향을 바꾸게 된다. 

 

이는 렌즈 바렐 내부의 요소들을 외부 세계로부터 밀폐함으로써 완화할 수 있다. 어셈블리 중에 렌즈 내부의 공기를 이화학 기체로 교체하여 기존의 입자를 제거하고 외부의 다른 입자가 렌즈 내부로 들어가는 것을 방지할 수도 있다.

 

 

이는 특히 UAV 애플리케이션에 유용한데, 열 변동으로 인한 큰 문제 중 하나는 렌즈에 응축물이 생기는 것이다. 

 

렌즈 내에 습도가 존재할 경우 물 입자가 쉽게 렌즈에 부착되어 해당 렌즈에 닿는 광선의 방향이 바뀌게 된다. 이로 인해 영상 성능이 심각하게 저하되며, 저온에서의 영상 응용에 있어서 주요한 문제 중 하나입니다. 그림 7에서 볼 수 있듯이, 이런 응축은 전면 요소에 hydrophobic 창을 더해 더욱 완화될 수 있다.

 

이전에 개요한 복잡성 외에도, UAV 영상 촬영에 관련된 중요한 고려 사항은 무게다. 높은 고도에서의 이미징을 위해 설계된 렌즈는 UAV의 효과적인 비행 능력에 방해가 되지 않도록 가볍게 제작되어야 한다. 비행체 영상용 렌즈의 설계가 복잡해질 것으로 생각할 수 있지만, 실제로는 설계를 단순화하는 데 도움이 됩니다. 가벼운 렌즈는 일반적으로 요소 수가 적고 복잡한 광학 기계 구성 요소가 적은 편입니다.

 

광학 기계 구성의 단순화는 이미 이런 유형의 렌즈 설계에서 흔히 사용되는 관행이다. 너무 많은 요소와 복잡한 광학 기계 설계로 인해 필요한 온도 보정은 매우 어렵기 때문이다.  

 

 

UAV 이미징과 같이 열악한 환경에서 머신비전 시스템을 더 다양한 응용 분야에 적용하는 것은 어려운 과제처럼 보일 수 있지만, 이미징 업계는 이를 수용하기 위해 여러 가지 유용한 설계 패러다임 등을 주문해 왔다. 

 

이런 접근은 특히 UAV 영상 응용 분야에서 두드러진다. 고도 변화는 다양한 조건을 가져오며, 이는 영상 시스템의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 

 

이미징 시스템에 있어 고도가 높고 변화가 심한 환경에서 온도 변화, 압력 변화, 충격 및 진동, 습도가 모두 문제가 된다. 이런 요소들이 UAV 영상 시스템에 미치는 영향을 어떻게 줄일지 결정함으로써 UAV 응용은 더욱 효율적이고 다양한 작업을 수행할 수 있게 된다. UAV 기술의 더 나은 발전을 위해 이미지 시스템은 기계 구성 요소의 능력과 맞먹을 수 있도록 발전해야 한다. 

 

헬로티 함수미 기자 |