복잡한 컴포넌트가 많은 완전 3D 프린팅 카메라에 대한 아이디어는 우리가 처음 3D 프린트 렌즈 제작을 실험했을 때부터 Formlabs 주변에 떠돌아다녔습니다.
당사의 애플리케이션 엔지니어인 아모스 더들리는 이 도전에 도전하여 최초의 완전 3D 프린팅 렌즈 교환식 카메라를 제작했으며, 이 카메라는 Formlabs SLA 3D 프린터로 제작되었습니다.
최초의 완전 3D 프린팅 렌즈 교환식 카메라는 온전히 Formlabs의 SLA 3D 프린터로 제작되었습니다.
Formlabs Clear Resin 및 광경화성 레진 조형(SLA) 3D 프린팅 은 일부 후처리를 통해 광학적으로 선명한 투명 물체를 만들 수 있습니다. Formlabs의 최신 SLA 3D 프린터인 Form 3+는 박리력을 줄여주는 플렉서블한 레진 탱크를 사용하여 한 단계 더 선명한 파트와 매끄러운 표면 마감을 구현합니다.
카메라 렌즈는 필름에서 결과를 쉽게 보고 측정할 수 있기 때문에 광학적으로 선명한 프린팅물의 가능성에 대한 흥미로운 테스트 사례입니다.
광학에서 광 파이프, 유체학에 이르기까지 다양한 응용 분야를 위한 투명 3D 프린트 파트를 제작하는 데 사용되는 마감 방법 가이드를 읽어보세요.
1단계: 렌즈 디자인, 왜곡 균형 맞추기
기능성 렌즈 제작은 적절한 렌즈 설계에서 시작됩니다. 광학 설계 소프트웨어는 렌즈 설계자가 렌즈의 동작과 렌즈가 카메라에 가할 제약을 예측하는 데 도움이 됩니다.
전문 렌즈 디자이너는 Zemax 및 Code V와 같은 광학 패키지를 사용하지만, 이러한 프로그램은 수천 달러에 달하는 비용이 듭니다. Optical Ray Tracer 같은 무료 오픈 소스 소프트웨어 패키지가 적합한 대안입니다.
상업용 카메라 렌즈는 구면 수차, 코마, 필드 곡률 등 일반적으로 구면 렌즈에 영향을 미치는 광학적 왜곡을 보정하기 위해 여러 요소를 사용합니다. 단순화를 위해 3D 프린트로 제작된 카메라는 단일 구형 렌즈 요소를 중심으로 설계되었습니다.
구면 렌즈의 각 면은 주어진 반지름을 가진 구의 단면입니다. Clear Resin(1.5403)의 굴절률 값을 광학 레이 트레이서에 삽입하면 구면 반경이 50mm인 대칭 렌즈가 렌즈 중심에서 약 47.5mm에 초점을 맞추는 것을 확인할 수 있습니다.
카메라의 단일 대물 렌즈는 광학 성능과 왜곡의 균형을 맞춰야 합니다. 저전력, 긴 초점 거리의 렌즈는 왜곡이 적지만 시야가 좁습니다. 렌즈의 시야각이 너무 좁으면 카메라를 조준하기 어렵습니다. 조리개 크기를 줄이면 위와 같이 일부 코마 왜곡을 제거하는 데 도움이 됩니다.
이러한 요소들 사이의 좋은 절충점은 프레임 내에 피사체를 배치하기에 충분히 넓은 50mm의 초점 거리입니다.
렌즈가 설계되면 CAD 프로그램에서 모델링할 수 있습니다. 렌즈가 대칭이기 때문에 두 개의 50mm 구를 적절한 거리에서 교차시키는 것만큼이나 간단합니다. 거리는 렌즈의 반경과 두께를 정의하지만 광학에 근본적인 영향을 미치지는 않습니다. 렌즈는 직경 40mm, 원통형 가장자리 2mm로 설계되었습니다.
2단계: Formlabs 3D 프린터로 광학 장치 3D 프린팅하기
Formlabs의 광경화성 레진 조형 방식 3D 프린터로 렌즈를 3D 프린트할 경우, 다양한 방향과 해상도를 고려해야 합니다:
- 수평으로 3D 프린트된 렌즈는 렌즈 축의 중심을 향해 레이어 라인 결함이 발생할 수 있습니다.
- 완벽하게 수직으로 3D 프린트된 렌즈는 적층 공정으로 인해 약간의 왜곡이 발생할 수 있습니다.
가장 선명한 렌즈는 빌드 플랫폼을 기준으로 30° 각도로 프린트했으며, 중요한 렌즈 표면에 지지대가 남지 않도록 가장자리에만 지지대를 배치했습니다.
3단계: 마무리 작업의 과제 해결
광학 선명도를 높이기 위해 수동 샌딩, 자동 샌딩, 침지 등 세 가지 방법으로 렌즈를 연마해 보았습니다.
시도 1: 수동 샌딩
400~12000의 입자를 가진 다양한 사포와 마이크로매쉬 패드를 200개 단위로 사용했으며, 렌즈를 매우 매끄럽게 마무리하기 위해 광택 처리했습니다. 이 작업은 다음 단계로 넘어가기 전에 이전 단계의 스크래치를 제거하고 그릿 레벨 사이에서 렌즈를 청소하기 위해 천천히 그리고 많은 주의를 기울여 수행되었습니다.
약 3000 그릿에서 광경화성 레진 조형 방식의 3D 프린팅 렌즈는 광택이 나고 촉감이 매우 부드러워집니다. 12000 그릿을 사용하면 앞에 있는 것을 반사합니다.
광학적으로 선명한 3D 프린트 렌즈를 만들려면 모든 레이어 라인을 완전히 제거해야 하는데, 수작업으로는 불가능했습니다. 렌즈는 촉감이 매끄러웠지만 반사가 여전히 흐릿하게 보였고, 렌즈를 빛에 얕은 각도로 잡았을 때 미세한 흠집이 보였습니다.
이 렌즈는 돋보기로는 선명했지만 초점을 맞추는 렌즈로는 충분히 정확하지 않았습니다.
시도 2: 자동 샌딩
레이어 라인의 대부분을 제거하는 수작업 샌딩 초기 단계에서는 샌딩되는 재료의 양을 조절하기가 어려웠습니다. 다음 단계는 레이어 라인을 줄이는 자동화된 방법을 시도하는 것이었습니다.
Amos는 오류를 줄이기 위해 렌즈 연마기를 설계하고 프린팅했습니다.
렌즈 기계 내에서 렌즈는 동일한 구형 반경을 가진 접시 안쪽을 향해 회전합니다. 접시도 회전하지만 렌즈와 축을 45도 벗어나 다른 속도로 회전합니다.
렌즈는 3D 프린트된 파트, 스프링, 작은 리벳을 결합한 키네마틱 커플링으로 서보 모터에 연결됩니다. 커플링은 렌즈를 단단히 고정하지만 접시에 유연하게 밀착되어 회전할 때 "흔들림"이 생길 수 있습니다. 접시에는 소량의 물과 다이아몬드 래핑 컴파운드가 연마제로 들어 있으며 렌즈와 동일한 Clear Resin으로 만들어져 있습니다.
이 기계는 레이어 라인을 빠르게 줄였지만 전체 공정에 쉽게 사용할 수 없었습니다. 연마 층 사이에 접시를 교체해야 더 미세한 수준의 연마로 그릿이 옮겨지지 않습니다.
시도 3: 담그기
프린트물을 서로 붙이던 중 3D 프린트로 만든 렌즈를 에폭시와 같은 점성 물질로 코팅하면 훨씬 선명해진다는 사실을 발견한 Amos는 액체 레진에 렌즈를 담근 다음 자외선 아래에서 후경화하기로 결정했습니다. 점성이 있는 레진가 층과 스크래치를 메워 완전히 매끄러운 표면을 형성합니다.
레진은 렌즈를 담그는 등 흔들면 기포가 생기는 경향이 있지만, 레진 탱크 위에 렌즈를 거꾸로 뒤집어 레진이 모이고 중앙에서 배출되도록 하면 기포를 제거할 수 있습니다.
레진 층은 레이어 분리선을 제거할 수 있을 정도로 가능한 한 얇게 프린팅합니다. 마지막으로 남은 기포는 주사기로 뽑아내고 렌즈를 자외선 램프 아래에서 완전히 후 경화시킨 후 반대쪽을 담급니다.
결과요?
레진에 담근 3D 프린트 렌즈는 매우 매끄럽고 표면 반사가 선명하고 선명합니다. 이 기술은 다른 광경화성 레진 조형 방식에도 사용할 수 있어 더욱 매끄러운 마감을 얻을 수 있지만, 디테일이 줄어드는 경향이 있습니다.
담그는 과정에서 초점 거리도 약간 변경되기 때문에 Amos는 렌즈 테스트 장치를 설계하고 프린팅했습니다. 이 장치에는 바퀴를 돌려 렌즈를 이미징 평면에서 더 가깝게 또는 더 멀리 이동시키고 렌즈의 초점 거리를 실험적으로 확인할 수 있는 나사산이 있습니다.
3D 프린트로 제작한 렌즈 테스터를 디지털 카메라에 장착하여 즉각적인 피드백을 받을 수 있습니다.
여러 요소와 더 많은 기능을 갖춘 3D 프린트 광학 장치와 렌즈를 만들 수 있나요? 나만의 렌즈와 렌즈 테스터, 또는 모험심이 강하다면 카메라 전체를 3D 프린트로 제작해 보세요!
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Amos의 블로그 에서 전체 3D 프린트 카메라 설계 과정에 대해 자세히 알아보고, 세계 최초의 3D 프린트 렌즈 교환식 카메라로 촬영한 사진
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