비구면 렌즈가 비쌀 수 밖에 없는 이유_구면수차 편

 

▷비구면 렌즈 편◁

-비구면 렌즈가 비쌀 수밖에 없는 이유-

 

-서론(TMI)-

잠깐 TMI를 하자면 

나는 학점은행제로 경영학사를 취득하고

학사편입 후, 물리학을 전공하였다.

물리학 전공에서 크게 반도체 & 광학 이 있었는데

둘 다 전공하였다.

당시 기하광학을 배우면서 렌즈에 대하여 배웠는데 

따로 실생활에 적용해볼 만한 기회가 없었다.

 

그런데

렌즈를 구입하기 위해 방문했던 안경가게에서

비구면 렌즈를 말씀하시다가

'비구면 렌즈'가 뭔지 아냐고 물어보셨다.

알고 있다고 말하려고 했는데

당연히 모를 거라는 말투로 

그냥 그런 게 있다고 말하면서 넘어가셨다.

 

썩 기분이 좋지 않았는데

이를 계기로 이번 블로그에 비구면 렌즈에 대하여 포스팅해보려고 한다.

 

-본론-

렌즈에는 수차라는 것이 존재하는데

( 수차 : 광학계의 성능을 저하시키는 요소 )

크게 색수차와 단색 수차로 분류되며

단색 수차에는 자이델의 5대라고 불리는 수차가 있다. 

 

< 수차의 분류 >

 

이때, 단색 수차에 해당하는 구면수차가 오늘의 주제이다.

 

사실 렌즈는 어렵게 들어가면 한없이 어렵고 

쉽게 생각하면 또 매우 간단하다.

적정선을 유지해보자.

 

 

<이상적인 렌즈의 경우>

다른 수차나 회절의 영향을 제외하고 구면수차만 생각하였을 때,

구면수차가 없는 이상적인 렌즈의 경우, 광축에 평행하게 들어오는 빛은 ( 입사광 ) 은

그림과 같이 한 점( 초점 )에 모이게 된다.

 

 

<구면수차>

그러나 실제 렌즈의 경우 광축에서 멀리 떨어진 렌즈 ( 렌즈의 가장자리 ) 부분에서 

빛이 더 많이 꺾여 기존의 초점보다 앞쪽에 맺히게 된다. 

이는 렌즈면이 구의 일부로 곡률이 일정하여 발생하는 현상이다.

즉, 구면에 의해 꺾이는 정도가 달라지게 되고 광축에 맺히는 초점거리가 달라지게 된다.

이렇게 되면

당연히 흐리게 보일 것이다.

카메라로 사진을 찍을 때를 생각하면 될 것 같다.

 '이거 왜 이렇게 초점이 안 맞아?'

= 상이 선명하지 않았을 때 

 

 

+a ( 몰라도 되지만 알고 싶은 )

 광축에서 발생하는 초점 사이의 거리차를 종 구면수차, L.SA ( Logitudinal Spherical Aberration ) 

광선이 스크린에 도달할 때 광축에서부터의 높이를 횡 구면수차 T.SA ( Transversal Spherical Aberration )

이 부분이 항상 헷갈렸다.

일반적으로 종 = 세로축, 그래서 종 구면수차가 스크린에서 발생한 차이일 것 같아서였다.

네이버에 뜻을 검색해보니,

횡색 수차 : 광축에서 떨어진 물점에서 출발한 입사광 주파수의 끝 영역에 있는 두 빛이

 광학계를 통과하여 맺는 상점 사이의 수직 거리.

횡 구면수차=수직거리=T.SA

개인적으로는 transversal = 횡단하는 ( = 교차하는 )

교차하는 것은 광축과 스크린인 것을 생각하는 게 더 기억하기 쉬운 것 같다.

 

 

-결론-

그렇다면 비구면 렌즈는 왜 비싼 것일까?

비구면은 말 그대로 렌즈면의 구면을 비구면으로 만든 것이다.

즉, 렌즈를 설계/가공할 때 비구면으로 제작함으로써 렌즈 가장자리에서

꺾이는 정도를 줄여서 설계하는 것이다.

 

어렵다.

비구면 렌즈를 제작하는 것이 어렵다.

비구면 렌즈 제작은 곡률을 조절하여 임의로 초점을 맞추어야 한다.

즉, 렌즈 가장자리와 중앙 부분의 곡률이 달라진다.

이렇게 곡률을 조절하여 초점을 맞추기 위해서는 광학설계 부분에서도 조건을 충족하여야 하며

제품이 만들어지는 제작 비용 ( 장비가 매우 고가 ) 또한 일반렌즈보다 비싸다.

( + TMI : 실제로 광학설계 툴을 이용해서 렌즈를 설계해본 적이 있는데 아주 간단한 모델도

최적의 조건을 맞추는 게 매우 힘들었다.

실제 사용되는 렌즈들을 더 까다로운 조건을 충족시켜야 하기 때문에 훨씬 더 어려울 것이다. )

 

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+TMI

카메라의 렌즈 경우, 볼록+오목 렌즈의 조합으로 초점거리를 맞출 수 있고

조리개를 이용하여 맞출 수도 있다. 

만약 여러 개의 렌즈를 결합하여 사용하게 되면 부피가 커지고 광학계도 복잡해진다. 

비구면 렌즈를 사용하면 광학계가 좀 더 간단해지고

( 구면수차 이외 ) 다른 수차들도 어느 정도 보정되면서 선명한 상을 얻을 수 있다.

 

그리고 컨택트 렌즈 같은 경우 렌즈를 결합해서 제작하면

렌즈 착용할 때 이물감이 많아지지 않을까...

보통 선호하는 것은 

착용한 지 안 했는지 모를 만큼 편안하게 사용할 수 있는 렌즈인데

 

그래서 여러모로 비구면 렌즈가 장점이 많지만 워낙 만들기 힘들어서 비싸다.

 

안경가게 사장님이 비구면 렌즈가 뭐냐고 물어봤을 때

안다고 대답하자!!

 

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