디지털 현미경도 렌즈가 중요합니다
Digital Microscope Lens
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.
since 2011
