디지털 현미경 배율 제대로 알기
현미경 배율 – 높으면 좋은 거 아니에요? 제대로 알려드립니다
디지털 현미경 배율 이렇게 구합니다
좋은 현미경을 고르기 위해 마이크로비투비를 찾아주셔서 감사드립니다. 좋은 현미경이란 고객의 목적. 관찰 목적에 잘 부합하는 현미경일 것입니다. 이런 현미경을 선택하기 위해 고객께서 꼭 알아 두셔야 할 내용이 배율입니다.
배율은 광학기기인 현미경의 성능을 파악하는 주요한 요소이지만 배율이 높다고 하여 고객의 관찰 목적에 부합한다고 볼 수 없습니다. 이 점을 좀 더 자세히 디지털 현미경의 관점에서 설명해 보겠습니다.
정말 현미경이 필요하세요?
사람의 눈으로 확인하기 힘든 작은 물체를 보는 방법 중 하나가 현미경을 사용하는 것입니다. 그외 여러가지 방법이 있을 수 있는데 우선 돋보기로 볼 경우 이론적으로 5배까지 가능한 것으로 알려져 있습니다. 돋보기의 경우 배율이 높을 수 록 중심부와 주변부간의 왜곡이 발생하여 오랫동안 들여다 보면 눈이 피곤할 수 있습니다. 렌즈의 크기를 키우는 것도 제작상의 어려움으로 한계가 있습니다.
5배에서 20배 사이의 제품을 관찰하는 광학기구로 루페가 있습니다. 루페는 렌즈를 두개 결합하여 최고 20배율 정도까지 확대가 가능합니다. 하지만 루페도 오랫동안 사용할 경우 눈이 쉬 피곤해집니다.
20배 이상의 배율이 필요할 때 디지털 현미경을 사용할 수 있습니다. 그러나 요즘 추세는 약 3-10배 사이의 구간에서도 디지털 현미경을 사용하는 경우가 있습니다. 많은 부품을 한눈에 검사하고 싶을 때, 확대경을 사용하는 것이 작업자의 피로도를 현저히 증가시킬 때 이럴 때는 광시야각 렌즈를 사용하는 디지털 현미경을 이용하여 검사효율이나 작업능률을 올릴 수 있습니다.
500배 이상의 경우 디지털 현미경으로 관찰하는 것이 비효율적일 수 있습니다. 500배 이상의 관찰이 요구되는 경우는 세포단위의 생물학에 관련된 관찰인 경우가 많습니다. 500배 이상의 관찰이 요구되는 경우 SEM같은 전자 주사현미경이 오히려 더욱 유효할 것입니다.
디지털 현미경 배율은 어떻게 구해지는가?
대안렌즈와 대물렌즈의 곱으로 표현되는 실체 현미경의 배율과 달리 , 디지털 현미경의 배율은 대물렌즈와 이미지처리 센서와 디스플레이의 조합으로 결정됩니다.
디지털 현미경의 배율 = 대물렌즈의 광학배율 X {디스플레이(모니터)의 대각길이/이미지처리센서의 대각길이}
위 공식에 의거하여 알 수 있는 것은 디지털 현미경의 배율은 물체가 디스플레이되는 모니터의 크기가 클 수 록 배율이 커지며 이미지 처리센서의 화소가 작을 수록 배율이 커진다는 것입니다.
위 사진은 27인치 모니터를 사용했을 때 MSP-120FPS의 최고 배율을 측정한 것입니다. MSP-120FPS는 접촉식 운영시 최고 배율에서 최대 해상도인 1920X1080픽셀 모드일 때 가로 2.9m X 세로1.6mm의 직사각형 면적(FOV)으로 사물을 확대해 줄 수 있습니다. 실제 1mm를 모니터 위에 자를 갖다대고 재어 보면 약 200mm가 되는데 이때 우리는 디지털 배율로 200배라고 표현하는 것입니다. 이상적으로 모니터의 도트크기에 픽셀값을 곱하여 길이를 정밀하게 구할 수 있지만 모니터위에 자를 갖다대고 밀리미터 단위로 측정을 하여도 비교적 정확한 값이 나오게 됩니다.
오른 쪽 미리보기 영상처럼 프로그램 상에서는 약 151mm로 나타나며 이때의 디지털 배율은 약 151배라고 할 것입니다.
고객들께서 30만 화소인 OPT-500이 사양에 배율 500배를 보여주는데 200만 화소나 500만 화소인 MSP 시리즈가 왜 배율이 작은 지 물어보십니다 아래 그림을 보면 그 이유를 이해할 수 있습니다.
디지털 현미경은 약 20배에서 50배 사이에서 가장 많이 운용되며 확대경이나 SEM, 실체현미경같이 중후한 장비들과 비교할 수 없이 간편하게 즉각적으로 어떤 상황에도 유연하게 대응할 수 있는 것이 장점입니다.
위의 그림에서 보듯이 OPT-500은 접촉식 운영시 최고 배율에서 최대 해상도인 640X480픽셀 모드일 때 가로 1.1mm X 세로 0.9mm 의 직사각형 면적(FOV)으로 사물을 확대해 줍니다. 이때 1mm는 약 135mm 로 135배로 디지털 배율을 표현할 수 있으며 전체화면을 기준으로 계산하면 1mm가 실제 500mm로 표현되기에 약 500배라고 표현하는 것입니다.
그러나 OPT-500의 경우 전체화면으로 보기 위해서는 일반적인 미리보기 영상의 1픽셀을 가로와 세로를 4배로 확대해야 합니다. 그러므로 픽셀의 뭉개짐 현상이 생기게 됩니다.
200만화소의 MSP-120FPS 경우, 전체화면으로 보는 영상은 약 30%를 확대해야 하므로 OPT-500보다 선명한 화면을 볼 수 있습니다.
아래 그림에서 확인할 수 있듯이 왼쪽부터 오른쪽으로 차례로 500만화소 200만화소 30만화소 이미지 처리센서를 나타내고 있는데, 이미지처리 센서의 크기가 클수록 디지털 현미경의 배율은 작아지겠지만 화질은 당연히 500만화소 200만화소 제품이 30만 화소 제품 보다 좋을 것 입니다.
화소가 높을수록 화질이 좋지만 디지털 현미경은 이미지 처리속도도 중요하다
그러니까 30만 화소 보다 200만화소 보다 500만 화소가 더 낫겠네요
제 답은 글쎄요.. 입니다. 이유는 현미경으로 무엇을 할 것인가? 에 따라 답이 달라질 수 있기 떄문입니다. 속담에 견문발검이란 말이 있습니다. 모기 잡을 때 검을 쓴다는 말입니다. 모기 잡을 때는 검..까진 필요가 없고 파리채나 손바닥이면 족한 것입니다. 화소가 높을 수 록 이미지가 커지며 화소가 조밀하니까 화질이 좋을 것은 명약관화입니다. 그러나 디지털 현미경으로 4K급 화질을 구현했다는 말을 아직 들은 바 가 없습니다. 이유는 디지털 현미경의 대안렌즈에 해당하는 CMOS 센서에서 보내주는 이미지의 처리속도 때문입니다. 대부분 디지털 현미경에서 200만화소는 초당 약 15프레임. 500만화소는 초당 5프레임 이하로 이미지 처리속도가 떨어집니다. 사실 현미경의 목적이 정지화면에 초점이 맞춰져 있으므로 실시간으로 화상을 빠르게(30~60프레임으로) 처리할 필요가 없기 때문입니다. (게임화면이 아니기 때문이라면 설득이 될까요?)
디지털 현미경은 실시간 동영상이다
그러나 200만화소. 500만화소로 화소를 높이면 화질은 좋아지지만 우리가 눈으로 보기에 불편할 수 있습니다. 자세하게 말하면 딜레이(계단)현상이 나타납니다. 울렁이는 화면을 오래 보면 머리가 어지럽거나 속이 메스꺼울 수 있습니다. 집중력이나 검사효율이 떨어지는 것은 당연한 일이겠지요. 그래서 아직도 30만화소. 130만 화소 디지털 USB 현미경이 시중에 많이 있습니다. 화소가 낮기 때문에 미리보기 영상의 프레임이 25프레임 이상으로 화면이 끊긴다는 느낌이 상대적으로 덜합니다.
그러나 디지버드는 다른 제품과 이렇게 다릅니다
디지버드 USB현미경은 200만화소 500만화소로 작동하는 MSP 계열과 30만 화소 OPT-500으로 세그먼트가 나뉘어져 있습니다. 200만화소 MSP-120FPS는 고속의 이미지처리 칩셋을 내장하고 있어 1920X1080 픽셀의 풀HD영상을 30프레임으로 보여줍니다. High Speed 모드를 활성화하면 최고 60프레임까지 끊기지 않는 화면을 보여줍니다. 640X480 VGA 해상도로 화면 크기를 축소하면 최고 120프레임까지 지원하여 빠르고 움직이는 관찰대상을 부드러운 화면으로 보여줍니다. 흐르는 유체의 작은 움직임이나 유체 속에 부유하는 입자의 자연스러운 이동을 관찰하기에 최적의 화면 속도를 보여줍니다. 눈의 피로가 획기적으로 줄어들고 검사효율이 높아지는 효과가 있습니다.
광시야각렌즈를 탑재한 MSP-8000 프로의 경우 500만화소임에도 불구하고 640X480 VGA 해상도로 초기화면이 나타날 때 평균 30fps 의 속도를 보여줍니다. 이것은 전체적인 윤곽을 파악하고 세밀하게 좁은 구역으로 초점을 맞추어가는 현미경의 관찰 방식에 최적화된 것으로 최고 화질에서는 정지화면에 정밀하게 초점을 맞출 수 있습니다. 해상도를 130만화소 200만화소 500만화소로 높여가며 인쇄 품질의 고해상도 파일을 캡처하여 저장할 수 있습니다.
배율 보다 FOV에 집중해 주십시오
디지털 현미경의 경우 배율로만 제품의 성능을 판단하기에 어려움이 있음을 위의 배율 계산 과정으로 설명하였습니다. 관찰 목적을 달성하기 위해서 관찰 대상의 크기가 얼마나 되는지. 이것이 화면안에 적당한 크기로 몇개가 보일 것인지 판단해야 합니다. 관찰대상이 되는 부분은 관찰 대상 전체일 수 있고 일부분일 수도 있습니다. 그러므로 관찰 단위로 적당한 면적의 FOV (Field of View)를 미리 파악하는 것은 현미경 선택의 주요한 요소입니다.
배율표 이렇게 이용합니다
FOV의 개념은 현미경으로 보여줄 수 있는 직사각형의 면적을 의미합니다. 참고로 MSP-120FPS의 배율표를 참고하겠습니다.
만일 자신의 제품이 가로 세로 약 3mm 정도의 정사각형 부품이라 가정하면 위의 배율표에서 볼 수 있듯이 WD가 10mm 인 지점. 즉 물체와 현미경간의 거리가 10mm 정도 되었을 때 가로 16.8mm 세로 9.5mm 인 직사각형 내부에 아래처럼 보일 수 있습니다. 이때의 배율이 약 30배입니다.
FOV를 파악하는 것이 중요한 이유는 다음 그림 처럼 FOV를 알야야 부품을 몇 개가 한 화면에 들어오는지 파악 할 수 있기 때문입니다.
배율표에 의거. MSP-120FPS 는 1920X1080 모드에서 WD 10mm , 물체와 현미경 캡의 끝단 사이의 거리가 10mm 일 때 가로 세로 3mm 인 부품을 총 8개까지 한눈에 볼 수 있음을 알 수 있습니다. 디지버드와 VITINY 제품은 잘 준비된 배율표를 고객에게 제공하고 있습니다. 고객들은 배율표를 보고 제품이 몇배로 보이게 되며 FOV가 얼마이며 WD가 어느정도 인지 가늠할 수 있습니다.
FOV 가 넓은 현미경의 장점
많은 부품을 한번에 관찰 할 수 있으며 작업거리가 충분히 확보되기 때문에 수리나 비전카메라로 커스터마이저될 수 있습니다. 디지버드의 MSP-8000은 FOV 가 넓은 광시야각 렌즈를 장착하고 있습니다. MSP-8000은 최대 WD 500mm 거리에서 가로 114X세로85.5mm의 FOV를 보여줍니다. 이때 배율은 약 6배로서 일반 확대경이 보여줄 수 있는 것 보다 조금 더 큰 배율을 보여줍니다.
배율이 연속적으로 컨트롤 되나요 혹은 배율을 지정하여 볼 수 있나요? 배율이 화면에 표시되나요?
배율의 높음을 자랑하는 것이 현미경을 고르는 핵심이 아님을 이제 아셨을 것입니다. 그렇다면 이 배율을 20배. 50배. 100배 이런 식으로 내가 지정하여 배율로 관찰 할 수 있을까요? 혹은 10배에서 380배까지 자연스럽게 배율을 주밍 (zooming) 할 수 있을까요? 그것을 알아보겠습니다.
USB현미경 배율은 이렇게 조정합니다
우선 디지버드 같은 USB현미경의 경우 모두 아래와 같이 관찰 대상과 현미경간의 거리에 따라 배율이 결정됩니다. 그러므로 배율을 높이려면 현미경과 관찰 대상간의 거리를 최대한 가깝게 하고 배율을 낮추려면 현미경과 관찰 대상간의 거리를 최대한 멀리합니다. 배율이 화면에 자동으로 표시되지 않지만 측정화면의 진입하여 캘리브레이션이란 과정을 완료하게 되면 촬영한 화면의 배율을 직관적으로 가늠할 수 있는 스케일바가 화면 좌측 상단에 표시됩니다.
배율조정이 연속적인 비접촉식 운영 – 고정스탠드가 필요해요
디지버드 MSP-8000의 경우 아래 그림과 같이 관찰 대상과 거리가 가까우면 배율이 올라가고 FOV는 좁아지지만 거리가 멀어질 수 록 배율이 낮아지면서 넓은 FOV가 확보됩니다. 스탠드를 이용하여 관찰대상과 거리를 조정하여 배율을 결정하는 방식을 우리는 비접촉식 운영이라 부릅니다.
참고로 비접촉식으로 운영되는 MSP-8000은 최소 27mm이상의 관찰 대상간의 거리가 필요하기에 상대적으로 다른 현미경에 비해 많은 부품은 한번에 파악하기 좋은 장점이 있습니다. 작업 거리 WD 확보가 용이한 것도 장점입니다.
배율조정이 연속적이 아닌 접촉식 운영
이렇게 높이를 조정해 가다보면 관찰대상과 현미경 캡 사이의 거리가 0이 되는 지점(접촉점)이 있습니다. 디지버드 MSP-120FPS 의 경우 약 60배 이상의 배율에서는 캡의 높이에 따라 두번씩 초점이 맞게 됩니다. 그래서 롱캡의 경우 60배와 200배. 쇼트캡의 경우 80배와 140배에서 한번씩 초점이 맞아 총 4개의 배율을 사용할 수 있습니다. 보통의 USB현미경의 경우 두번 밖에 초점이 맞지 않아 60배이상에서 최고 배율인 200배 사이의 배율을 관찰 할 수 없는 경우가 많습니다. 디지버드 OPT-500과 MSP-120FPS는 쇼트캡이 있어서 이런 한계를 뛰어넘을 수 있습니다.
접촉식 상황에서 배율 한계를 극복하는 디지버드 현미경
그렇다면 60배 이상에서 70배. 100배 150배 같은 배율은 볼 수 없을까요? 디지버드는 2가지 방법으로 훌륭하게 이문제를 해결할 수 있습니다.
- 휠을 돌려 디지털 배율 확대 가능마우스 가운데 휠을 돌리면 디지털 적으로 배율 확대가 가능합니다. MSP시리즈는 200만화소 500만 화소이기 때문에 200%까지 확대해도 선명한 화면을 볼 수 있습니다.
- 쇼트캡을 장착하거나 캡을 벗겨서 세밀한 높이조정가능디지버드 USB현미경의 쇼트캡을 이용하면 전용스탠드와 연결하여 60배 이상에서 배율을 세밀하게 조정하는데 큰 도움을 줍니다. 접촉식으로 운영할 수 없는 샘플을 관찰하고 다루는데도 무척 유용합니다.
VITINY 현미경 배율 조정은 자유자재로 내가 원하는 만큼!Vitiny 현미경 중 UM12, UM08A, UM20 은 현미경과 제품간의 거리를 조정하는 물리모터가 내장되어 있어 초점이 맞는 구간의 FOV에 도달하면 모니터의 해상도를 고려하여 자동으로 배율을 알려주게 됩니다. 리모컨의 STATUS 버튼을 눌러 배율에 고정하고 OZ나 SZ버튼을 누르면 배율이 자동으로 변하는 것을 볼 수 있습니다. 그러나 고정초점 줌렌즈의 경우 WD가 고정된 상태에서 줌링을 돌려 배율을 조정하므로 화면에 배율이 자동으로 표시되지 않습니다.