USB 디지털 현미경 렌즈 상식 과 주의점
디지털 현미경 렌즈 – 기초 원리 부터 주의점 까지 알려드립니다
USB 디지털 현미경도 렌즈가 중요합니다
앞으로 드릴 이야기는 디지털 현미경의 렌즈에 대한 이야기 입니다. 디지털 현미경도 광학 기기인 만큼 렌즈가 중요합니다. 그러나 시중에 나와 있는 디지털 현미경의 렌즈에 대한 기초적인 정보 조차 없어 안타까웠습니다. 렌즈에 대한 이야기를 읽고 나시면 자신에게 필요한 현미경을 고르는데 많은 도움이 될 것이라 확신합니다.
디지털 현미경은 대안렌즈가 없다
광학 현미경에는 대안렌즈. 대물렌즈가 있습니다. 두개의 렌즈가 서로 콜라보레이션을 통하여 사물을 보여줍니다
디지털 현미경은 대안렌즈에 해당하는 역할을 이미지 센서가 담당하고 있습니다. 스마트폰 카메라가 1000만화소니 800만화소니 하는 것들이 바로 이것을 의미합니다. 그런데 우리 디지털 현미경은 몇 화소일까요? 정답은 30만화소 130만화소 200만화소 500만화소 입니다. 이것을 도식으로 그려 보면 다음과 같습니다.
대안렌즈를 이미지 센서를 대신하고 있지만 대물렌즈는 여전히 광학렌즈입니다. 저는 대안렌즈를 대신하는 대물렌즈에 관해 이런 질문을 많이 받았습니다.
200만화소 500만화소라고요? 그럼 현미경이 폰보다 화질이 구린가요?
화소이야기를 하면 위처럼 묻는 고객이 많습니다. 화질 비교에 대하여 제가 고안해낸 효과적인 설명방법이 하나 있습니다. 모두가 사랑하는 1만원권을 스마트폰 카메라로 1200만화소로 찍었습니다. 아주 선명한 사진이 나오지요. 1200만 화소란 이 사진 내부의 모든 픽셀의 개수를 합친 것입니다.
폰으로 찍은 돈 사진의 화소 12,000,000개 and 사진 속의 붉은 사각형 내부 화소 수 = 48,000개
위 만원 권 사진 내부의 빨간 사각형은 4만 8천개의 픽셀로 이루어져 있습니다. 사실 빨간 사각형은디지버드 현미경 MSP-120FPS의 FOV와 일치합니다. FOV는 배율과 현미경 사양에 따라 다릅니다만, MSP-120FPS 의 경우 60 배율에서 FOV가 가로 12mm 정도 입니다
200만화소의 이미지센서를 장착한 MSP-120FPS 는 화면에 빨간 사각형의 내부의 이미지를 200만 픽셀의 화소로 보여주는 것이죠. 아무리 좋은 카메라라도 표면의 세세한 실상을 알기 힘들겠지만 현미경은 아주 가까이서 촬영을 할 수 있으니 30만화소 현미경으로 비춰 보아도 폰 카메라보다 6배 이상 정밀한 이미지를 보여줄 수 있습니다. 200만 화소라면 40배 이상, 500만화소라면 100배 이상 조밀한 이미지를 보여주게 되는 것입니다.
이런 이유로 1억 화소의 이미지 센서가 달린 폰카가 나와도 200만화소 현미경 보다 조밀한 이미지를 보여줄 수 가 없는 것입니다.
결론적으로 이런 차이는 폰카메라의 렌즈와 디지털현미경의 대물렌즈의 초점 거리와 화각의 차이 때문입니다. 디지털 현미경은 작은 관찰 대상을 크게 보기위해 별도로 제작된 대물렌즈가 존재하며, 앞으로 이 대물렌즈에 대하여 자세히 알아볼 것입니다.
USB현미경 대물 렌즈의 특성에 대하여 알아보자
USB현미경의 대물 렌즈는 대략 3가지로 분류할 수 있습니다. 우선 3가지로 분류하기 전에 일반적인 USB현미경 대물 렌즈의 특성을 알아보면 다음과 같습니다. 광학적으로 렌즈는 약 3배 정도의 광학배율을 가지고 있습니다. CMOS센서와 렌즈 사이의 거리가 멀어질수록 FOV가 작아지면서 좁은 면적을 비추게 되며 배율이 높아지게 됩니다. CMOS센서와 렌즈 사이의 거리가 가까울 수 록 FOV가 넓어지고 상대적으로 넓은 범위가 보이면서 배율은 낮아지게 됩니다. 대부분의 USB현미경은 CMOS센서가 고정되어 있고 수동으로(아날로그 방식으로) 렌즈부위가 경통을 통해 아래 위로 승강을 하며 CMOS센서와 렌즈 사이의 거리를 조절하게 됩니다.
겉에서 보면 렌즈가 움직이는 것을 볼 수 없지만 약 4cm 미만 길이의 경통 속에 렌즈가 아래 위로 승강하고 있습니다. 경통에 위치한 렌즈의 위치(높이)포지션에 따라 초점의 길이가 달라집니다. 초점 길이가 짦을 수록 배율이 올라가며 FOV가 작아집니다. 반대로 초점 길이가 길어 질수록 배율이 낮아지며 FOV가 넓어지게 됩니다. 초점 길이는 아래 사진 처럼 별도의 스탠드를 통하여 또는 현미경 끝에 씌워진 투명한 캡에 의해 조절됩니다.
USB현미경의 대부분이 위와 같은 방식으로 초점을 맞추기 위하여 경통 속의 대물렌즈를 수동으로 상하 조정합니다(가운데 휠을 손으로 돌려 조정). 그러나 VITINY UM12와 같은 제품은 렌즈는 고정되어 있고 CMOS 센서가 아래 위로 승강하는 독특한 방식을 채용하고 있습니다. 이때 상하조정은 물리적인 모터가 담당하고 있으며 단계가 디지털 1800단계로 결정됩니다. 이런 디지털 방식의 초점 조정은 정확한 측정과 현미경 설정을 재연하는데 수동 방식보다 유리합니다.
USB현미경 렌즈만의 특별함 : 접촉식 운영시 초점이 2번 맞는다.
USB현미경의 경우 특정한 배율을 보기 위해 렌즈를 갈아 끼워야 하는 일반 광학 현미경과 달리 대물 렌즈 하나로 비교적 넓은 범위의 배율로 관찰이 가능합니다. 또한 특정한 초점 거리구간에서는 현미경 자체와 물체는 고정시켜 놓은 상태에서 대물렌즈의 위상을 아래위로 조정하여 초점이 2번 맞게 할 수 있습니다. 대부분의 USB현미경은 20~30mm 사이의 투명한 캡을 이용하여 현미경이 보여줄 수 있는 최고의 배율과 약50-60배 정도에서 2번 초점이 맞게 제품을 만들고 있습니다.
디지버드 USB현미경 중 MSP-120FPS 와 OPT-500은 이런 USB현미경의 장점을 극대화하여 약 11mm 높이의 투명한 캡을 씌우면 80배, 130배 사이에서 2번 초점이 맞추어 관찰할 수 있습니다. 이런 쇼트캡은 최고 배율로 관찰 시 현미경과 관찰 대상 간의 거리를 스탠드를 사용하여 유지할 때도 유용하게 쓰입니다.
롱포커스 렌즈 VS 광각 와이드 렌즈 VS 편광렌즈
디지털 현미경의 대물렌즈를 종류별로 나타내자면 위의 4가지로 분류할 수 있습니다. 마이크로비투비에서는 4가지 렌즈를 장착한 현미경을 모두 취급하고 있으며 아래에 4가지 렌즈가 어떻게 작동하며 어디에 주로 사용되는지 자세히 알아보려 합니다.
롱포커스 렌즈
디지털 현미경의 장점은 휴대하기 간편하고 손에 쥐고 운용할 수 있는 편리함에 있습니다. 그러나 좀 더 프로페셔널한 환경에서 시료나 검체를 다룰 때 특별한 주의(caution)가 요구되는 경우가 있습니다. 이럴 때 길어야 5cm 이내의 작동거리(WD)를 가진 현미경은 불편할 수 있습니다. 또, 시료나 검체가 어떤 장치에 의해 잘 보호되어 직접 만질 수 없고 특별한 창이나 윈도를 통해서만 관찰해야 할 경우가 있습니다. 이럴 때 작동거리가 긴 현미경. 롱 포커스 렌즈가 유용합니다.
예를 들어 MSP-8000 프로는 최고배율인 150배를 약 30mm 정도 거리를 두고 보여줄 수 있습니다. USB현미경으로 가장 많이 관찰하는 50배 정도의 배율은 관찰 대상과 50mm 정도 거리를 두고 보여줄 수 있습니다. 곤충 관찰이나 부품 검사에 유용하게 활용하는 20배 정도의 배율이라면 약 150mm에서 구현이 가능합니다.
실제로 MSP-8000프로는 위 사진처럼 어린이들이 곤충의 표본을 관찰할 수 있는 과학관에 유용하게 사용되고 있습니다. 소중한 곤충표본을 보호하는 환경에서도 롱포커스 렌즈로 관찰 대상의 진면목을 샅샅이 관찰할 수 있는 것입니다. 또한 MSP-8000프로에 쓰인 렌즈는 일반 현미경 렌즈보다 밝은 렌즈를 사용하고 있습니다. LED조명을 사용하지 않는 순간에도 주변의 조명만으로 비교적 선명한 화질을 보여줍니다. 기타 USB현미경들은 조명이 부족한 환경에서는 노이즈가 심한 화면을 보여주어 관찰이나 캡쳐시 디테일이 깨지거나 명확하지 않을 수 있습니다.
와이드 렌즈
롱포커스 렌즈와 조금 개념이 다릅니다. 롱포커스 렌즈가 포커스를 길게 해주는 데 초점이 맞춰져 있다면 와이드렌즈는 많은 부품이 한눈에 보이는 비교적 넓은 범위의 FOV를 구현하는 것을 의미합니다.
정확한 정의는 없지만 대부분 15cm 이상의 WD를 가지며 3~10배 미만의 배율을 보여줄 수 있어야 합니다. 또한 와이드렌즈는 자료사진처럼 단차가 있어도 20mm이내라면 심도깊은 플랫한 화면을 보여주어야 할 것입니다. 와이드렌즈를 채용한 디지털 현미경은 그동안 볼록렌즈 채용한 산업용 LED 확대경을 통하여 검사업무를 진행해 온 현장에 좋은 대안이 됩니다.
앞서 롱포커스 렌즈 현미경으로 소개했던 MSP-8000프로의 경우 약300mm 높이에서 FOV가 72mm X 54mm 수준으로 약 10배의 배율을 보여줍니다. 놀라운 것은 MSP-120FPS의 경우 약 150mm 높이에서 FOV가 69.5mmX39mm로 7.7배율, 약 300mm 높이에서 FOV가 120mmX68mm로 4배율을 보여주어 오히려 MSP-8000프로보다 더 넓은 면적을 보여줍니다. MSP-120FPS의 경우 특히 150mm 이상의 작동거리(WD)에서는 와이드렌즈의 성격을 보여주는 것을 확인할 수 있습니다.
롱포커스 VS 와이드 렌즈 어떤 것이 우리 상황에 맞을까?
고객님들이 원하시는 부분이 롱포커스렌즈인지 와이드렌즈인지 헷갈릴 때가 많습니다.
제품사양의 배율표를 충분히 참고하셔서 제품의 최고 배율이 아닌 최적의 관찰 배율을 먼저 알아내야 합니다.
관찰대상과의 이격거리가 필요할 때는 MSP-8000프로의 롱포커스 렌즈가 좋은 선택입니다. 참고할 것은 MSP-8000프로는 500만화소 이며 일반 USB현미경에 비해 밝고 구경이 큰 렌즈를 채택하여 조명이 조금 부족한 환경에서도 관찰과 사진 촬영에 문제가 없다는 것입니다.
만일 10배 미만의 배율로 많은 부품이나 넓은 기판이 한눈에 보이시길 원한다면 와이드렌즈를 탑재한 MSP-120FPS도 좋은 선택이 될 것입니다. MSP-120FPS 는 최고 해상도에서도 화면 딜레이가 없고 빠른 화면 전환속도를 보여주기 때문에 장시간. 넓은 범위. 많은 샘플을 관찰/검사하는데 좋습니다.
만일 와이드렌즈가 맘에 들어 MSP-120FPS를 구입하셨다면 제대로 된 사용을 위해 기본 스탠드 말고 STD8000 상하조정 정밀 스탠드를 추가 구입하시거나 별도의 거치 방법이나 지그를 커스터마이즈 하셔야 한다는 것을 명심하십시오.
편광렌즈 – polarization lens
USB현미경에 편광렌즈를 장착하기 위해서는 편광렌즈 뿐 아니라 편광필터가 함께 장착되어야 합니다. 편광필터는 물체의 반사광을 편광필터를 조정하여 없애 주는 역할을 합니다. 표면이 매끄럽거나 표면의 굴곡이 심한 경우 현미경의 LED직사광이 난반사되어 표면의 디테일이 드러나지 않을 수 있습니다. 이런 경우 편광렌즈를 장착한 모델이 관찰에 도움이 됩니다. 하지만 실제로 이런 난반사를 편광필터를 써서 교정할 경우 화면이 전체적으로 어두워지는 단점이 있습니다. 이럴 때는 그에 맞추어 화면의 밝기를 올려주어야 할 것입니다. 밝기를 올리는 방법으로 brightness 를 조정하는 방법외 다양한 방법을 통하여 화면의 품질을 향상 시킬 수 있습니다. 다음부터 편광렌즈필터세트가 내장된 디지버드 MSP-8000P를 가지고 촬영을 해보면서 자세한 내용을 알아보겠습니다.
편광렌즈를 최대한 활용하는 방법을 소개합니다
어디에도 나와 있지 않은 편광렌즈와 필터가 포함된 USB현미경의 올바른 사용례를 공개합니다
이 파일은 편광이 적용되지 않은 사진입니다. 편광필터 렌즈세트가 있는 MSP-8000P로 촬영하였습니다. 이제부터 여러가지 설정 값을 조정해보겠습니다.
편광1단계
편광2단계
편광필터를 돌리면 위와 같이 반사가 되는 부분이 줄어들면서 급기야 오른 쪽 사진처럼 어두운 화면이 보입니다. 화면상에 반사는 확실히 사라졌지만 디테일 역시 구분할 수 없게 되었습니다. 자 어떻게 해야 할까요? 편광필터와 렌즈 세트로 이루어진 디지털 현미경에서는 역시 디지털적인 방법으로 문제를 해결합니다.
- 노출 값 조정 편광으로 디테일이 사라진 것 처럼 보이지만 사실 노출이 부족해졌을 뿐입니다. 디지털적으로 노출 값을 조금씩 올려줍니다(현미경 소프트웨어에서 조정). 노출 값을 올리면 대신 화면의 전환속도가 조금 떨어집니다.
- 감마값 조정
노출 값을 조정하는 것이 가장 쉬운 방법이라면 두번 째로 좋은 방법은 감마 값을 조정하는 것입니다. 노출 값을 조정하면 전반적인 노출이 증가하지만 감마 값을 조정하면 전체 명암을 계산하여 선형적으로 어두운 곳의 밝기를 올려줍니다. 그래서 노출값을 조정하는 것보다 부드러우면서 디테일이 드러나는 화면을 얻을 수 있습니다.
3. GAIN값 조정
영상이미지의 입력 값을 증폭해 주는 게인 값을 조정해 주는 방법도 있습니다. 게인값을 조정하면 어두운 암부의 이미지가 밝게 표시되지만 함께 노이즈 값도 올라가게 되므로 많이 조정을 하면 역효과가 납니다. 그러므로 게인값은 조금씩 조정하면서 이미지의 디테일을 살리면서 노이즈는 드러나지 않을 정도로 조절해야 합니다.
4. 밝기 조절
편광필터가 적용된 이미지에 밝기만 올리는 것이 가장 효과가 적습니다. 보이는 것 처럼 안개가 낀 듯한 뿌연 이미지를 보여줍니다. 일부 디테일이 드러나기는 하지만 노출. 감마. 게인 값을 조정하는 것 보다 못한 화면을 보여줍니다.
배율이 50배 이상인 관찰에는 편광기능이 큰 의미가 없습니다
일반적인 USB현미경의 경우 FOV 가로 세로가 11mm 이하인 경우에는 LED 조명의 반사광이 보이지 않게 됩니다. 또 일반적인 관찰의 경우 반사광이 심한 경우가 많지 않습니다. 관찰 대상과의 각도를 조금 조정하거나 현미경의 LED조명의 밝기를 조정하면 반사광 부분이 사라집니다.
편광렌즈가 필요한 경우는 관찰 면적이 경면(Polished space)이거나 도금된 부품의 면적이 절대 다수거나 도금된 부품과 다른 부품간의 휘도차가 크게 나는 경우가 있습니다. 이런 경우에는 편광렌즈로 반사를 조정하기 보다 LED나 조명의 각도. 방향. 면적을 조정하여 관찰 목적을 달성하는 데 초점을 맞추어야 하겠습니다.
편광필터렌즈 세트 없이 편광 효과를 내는 방법 공개
디지버드 MSP-8000P 편광렌즈 필터 적용모델의 사양표와 상대적으로 높은 가격을 보고 디지버드 USB현미경 중 최고 배율. 편광기능. 500만화소등의 사양이 높겠다 추측하시고 구매하셨다가 불만을 제기하시는 분들이 있습니다. 고객이 현미경을 통하여 관찰할 사물에 편광기능을 사용하는 것이 옳은 지 판단하는 것이 쉽지 않습니다. 몰마스터의 견해로는 대부분의 고객은 편광기능이 필요하지 않습니다.
- 현미경 자체 LED조명의 디밍기능을 활용하자
서서히 밝아지며 서서히 어두워지는 LED조명의 디밍기능을 적극적으로 활용할 수 있습니다. 일부 저가 모델의 경우 이런 LED조명의 디밍기능이 있음에도 조도를 조정한다는 느낌이 나지 않을 정도로 급격한 조도 변화 때문에 반사가 심하게 나타날 수 있는 것입니다. LED조명의 직진성이 강하므로 이를 제어하고 빛을 부드럽게 만들기 위한 방법으로 트레이싱 페이퍼나 불투명도가 높은 재질의 가리개를 제작하여 조명의 샤프니스를 줄여주고 부드럽게 확산광을 만들어 주는 것도 좋은 방법입니다. - 다른 조명을 적극적으로 활용해 보자
디지버드 USB현미경의 경우 MSP-120FPS MSP-8000 프로는 조명이 조금 부족한 곳에서도 제품의 디테일을 잘 살려줍니다. 그러나 조명이 강해서 문제라면 아예 자체 LED조명을 끄고 확산이 잘되는 은은한 스탠드 조명을 배경 조명으로 활용하며 촬영을 진행할 수 있습니다. - 조명의 방향을 바꾸어 보자
조명의 동서 남북 위치와 조명의 각도에 따라 관찰하고자 하는 대상의 디테일이나 결함이 드러날 수 있고 드러나지 않을 수 있습니다. 현미경 관찰의 성패는 렌즈와 함께 올바른 조명의 설계인 만큼 여러가지 조명을 실험해보십시오.