[머신비전 하드웨어편 1편] 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)란 무엇인가? 원리부터 활용까지 완벽 정리

eins-solutionlab 2026. 7. 12. 10:00

머신비전 시스템에서 높은 정밀도의 측정을 요구할 때 가장 많이 사용하는 렌즈가 바로 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)입니다.

일반 렌즈만으로도 이미지를 촬영할 수 있지만, 정밀 측정에서는 작은 거리 차이만 발생해도 수십~수백 μm의 오차가 발생할 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 산업용 검사장비에서는 텔레센트릭 렌즈를 사용합니다.

이번 글에서는 텔레센트릭 렌즈의 원리부터 장점, 단점, 사용 분야, 선택 방법까지 실제 머신비전 실무 기준으로 자세히 알아보겠습니다.

텔레센트릭 렌즈란?

텔레센트릭 렌즈는 물체와 렌즈 사이의 거리가 조금 변해도 확대배율(Magnification)이 거의 변하지 않는 산업용 렌즈입니다.

일반 카메라는 가까운 물체는 크게 보이고 먼 물체는 작게 보입니다.

반면 텔레센트릭 렌즈는 가까워져도 크기 변화가 거의 없음.

멀어져도 크기 변화가 거의 없음.

즉, 거리 변화에 따른 원근 왜곡(Perspective Distortion)이 거의 발생하지 않습니다.

이것이 일반 렌즈와 가장 큰 차이입니다.

일반 렌즈와 차이점

항목	일반	렌즈텔레센트릭 렌즈
원근감	발생	거의 없음
배율 변화	큼	거의 없음
측정 정확도	낮음	매우 높음
외곽 왜곡	발생	매우 적음
가격	저렴	비쌈

[ 일반 렌즈에서 발생하는 문제 ]

예를 들어 직경 20mm 부품을 검사한다고 가정해보겠습니다.

부품 위치가 +5mm, -5mm 변하기만 해도 이미지 크기가 달라집니다.

즉,실제 제품은 동일하지만 영상에서는 20.00mm → 20.18mm → 19.84mm 처럼 보일 수 있습니다.

이러한 오차는 정밀 측정에서는 치명적입니다.

텔레센트릭 렌즈의 원리

일반 렌즈는 빛이 한 점(Focal Point)으로 모입니다.

하지만 텔레센트릭 렌즈는

광축과 평행한 빛(Parallel Light)만 통과하도록 설계되어 있습니다.

그래서 물체 위치가 조금 변해도

투영되는 크기가 거의 일정하게 유지됩니다.

쉽게 말하면 "거리가 달라도 항상 같은 크기로 보이도록 만든 렌즈"라고 이해하면 됩니다.

왜 머신비전에서는 꼭 필요할까?

머신비전에서는

길이 측정
직경 측정
홀 위치 검사
PCB 검사
반도체 검사

등 대부분이 실제 치수 측정입니다.

배율이 변하면 픽셀 크기 자체가 달라지므로 측정값도 모두 틀어집니다.

따라서 고정밀 검사에서는 거의 필수 장비입니다.

텔레센트릭 렌즈의 장점

1. 매우 높은 측정 정확도

거리 변화에 따른 오차가 거의 없습니다.

±0.01mm 이하 측정도 가능합니다.

2. 원근 왜곡 제거

원통 제품을 촬영하면 일반 렌즈는 윗부분이 크게 보입니다.

하지만 텔레센트릭 렌즈는 위아래 직경이 동일하게 촬영됩니다.

3. 치수 측정에 최적

대표적으로

외경
내경
Hole Diameter
Gap
Pitch

측정에 사용됩니다.

4. Edge Detection 성능 향상

영상 가장자리가 더욱 선명합니다.

Sub Pixel 알고리즘 정확도도 높아집니다.

단점도 존재한다

가격이 비싸다

일반 렌즈보다 3배~20배 이상 비쌀 수 있습니다.

크기가 크다

광학 구조상 렌즈 길이가 상당히 깁니다.

Working Distance 제한

사용 가능한 거리 범위가 제한됩니다.

밝기가 감소

광량 손실이 발생하여 강한 조명이 필요합니다.

텔레센트릭 렌즈 종류

Object Side Telecentric

물체 측만 평행광 가장 많이 사용됩니다.

Image Side Telecentric

센서 측만 평행광 특수 용도에서 사용됩니다.

Bi-Telecentric

양쪽 모두 평행광 가장 높은 정밀도를 제공합니다.

가격도 가장 높습니다.

어떤 검사에서 사용할까?

대표 적용 분야입니다.

반도체 검사
PCB 검사
LCD 검사
OLED 검사
자동차 부품 검사
의료기기 검사
정밀 가공품 검사
Connector 검사
Battery 검사
치수 측정 시스템

일반 렌즈로 대체하면 안 될까?

가능은 합니다.

하지만 다음 조건에서는 추천하지 않습니다.

±0.05mm 이하 측정
위치 오차 존재
높이 변화 발생
자동화 설비
정밀 치수 검사

이러한 경우에는 텔레센트릭 렌즈 사용이 사실상 필수입니다.

텔레센트릭 렌즈 선택 방법

다음 항목을 반드시 확인해야 합니다.

① FOV(Field of View)

검사 영역보다 조금 크게 선택합니다.

② Sensor Size

카메라 센서 크기와 맞아야 합니다.

예) 1/2", 2/3", 1", APS-C

③ Magnification

필요한 해상도를 계산하여 결정합니다.

예) 0.5X, 1X, 2X, 4X

④ Working Distance

설비 구조에 맞는 WD를 선택합니다.

⑤ Telecentricity

수치가 낮을수록 더욱 우수합니다.

실제 적용 사례

자동차 베어링 외경 측정

일반 렌즈 사용 시

측정값 : 39.95mm, 40.03mm, 39.98mm처럼 계속 변했습니다.

텔레센트릭 렌즈 교체 후 40.000mm, 40.001mm, 39.999mm수준으로 안정적인 결과를 얻었습니다.

실제로 자동 검사 장비에서는 이러한 이유로 텔레센트릭 렌즈를 많이 사용합니다.

실패 사례

사례 1. 비용 절감을 위해 일반 렌즈를 사용한 경우

한 제조업체는 초기 비용을 줄이기 위해 일반 렌즈를 사용했습니다. 제품 높이가 생산 과정에서 약 3mm 정도 달라졌고, 촬영 이미지의 크기도 함께 변했습니다. 그 결과 정상 제품이 불량으로 판정되는 일이 반복되었고, 결국 렌즈를 텔레센트릭으로 교체하면서 문제를 해결했습니다.

교훈: 정밀 치수 검사는 초기 투자 비용보다 측정 신뢰성이 더 중요합니다.

사례 2. Working Distance를 고려하지 않은 경우

텔레센트릭 렌즈를 구매했지만 설비 내부 공간이 부족해 권장 Working Distance를 확보하지 못했습니다. 이미지 가장자리가 흐려지고 측정 오차가 증가하여 장비를 다시 설계해야 했습니다.

교훈: 렌즈 선정 전에는 반드시 장비 구조와 Working Distance를 함께 검토해야 합니다.

사례 3. 조명 선택을 소홀히 한 경우

텔레센트릭 렌즈만 사용하면 모든 문제가 해결될 것이라 생각했지만, 조명이 약해 Edge가 흐려졌습니다. 이후 고출력 백라이트를 적용하자 측정 정확도가 크게 향상되었습니다.

교훈: 렌즈와 조명은 함께 설계해야 최고의 성능을 얻을 수 있습니다.

자주 묻는 질문(Q&A)

Q1. 텔레센트릭 렌즈는 일반 카메라에서도 사용할 수 있나요?

가능하지만 대부분 C-Mount 산업용 카메라에 맞춰 설계되어 있으며, 일반 촬영용으로는 크기와 가격 때문에 적합하지 않습니다.

Q2. 가격이 비싼 이유는 무엇인가요?

원근 왜곡을 최소화하기 위해 일반 렌즈보다 훨씬 복잡한 광학 설계와 정밀한 제조 공정이 필요하기 때문입니다.

Q3. 모든 머신비전 시스템에 필요한가요?

아닙니다. 단순 유무 검사나 색상 검사처럼 치수 측정이 중요하지 않은 경우에는 일반 산업용 렌즈만으로도 충분한 경우가 많습니다.

Q4. 텔레센트릭 렌즈만 사용하면 측정 정확도가 보장되나요?

아닙니다. 카메라 해상도, 조명, Camera Calibration, Pixel Calibration, Working Distance까지 함께 최적화해야 높은 정확도를 얻을 수 있습니다.

Q5. 어떤 조명과 함께 사용하는 것이 좋나요?

외경이나 윤곽 측정은 백라이트(Back Light)와 함께 사용하는 경우가 가장 많으며, 검사 대상에 따라 동축 조명이나 링 조명을 함께 사용할 수도 있습니다.

마무리

텔레센트릭 렌즈는 일반 렌즈보다 가격은 높지만, 정밀 측정과 치수 검사에서는 가장 중요한 핵심 부품입니다.

특히 반도체, 자동차, 배터리, 의료기기처럼 미세한 오차도 허용되지 않는 산업에서는 텔레센트릭 렌즈가 사실상의 표준으로 사용됩니다.

다음 편에서는 산업용 렌즈 왜곡(Distortion) 보정 방법을 통해 왜곡이 측정값에 미치는 영향과 보정 기법을 자세히 알아보겠습니다.