비구면 렌즈

[머신비전 광학 기술 백서 #10]비구면 렌즈

 

 

  비구면 렌즈는 말 그대로 비구면(非球面), 즉 구면이 아니라는 뜻입니다. 영어로는 Aspherical Lens라고 하여 구형(spherical)이 아니라는 뜻을 그대로 내포하고 있습니다.

그러므로 비구면 렌즈는 일반 렌즈와 달리 일정한 곡률을 지니지 않고 렌즈의 위치에 따라 곡률이 바뀌는 렌즈를 의미합니다.

  위의 그림을 보시면 비구면 렌즈의 특징을 좀 더 확실히 아실 수 있습니다.
이 사진은 표면 연마를 막 끝낸 비구면 렌즈입니다. 아직 최종 centering 과정을 거치지 않아서 렌즈가 마운트에 접착되어 있는 것을 확인하실 수 있을 겁니다.
이 사진에서 반사된 빛의 패턴이 일반 렌즈와 달리 끝부분이 살짝 휘어집니다.
이처럼 비구면 렌즈는 중앙 부분과 가장자리 부분의 곡률이 다릅니다.

  이 그래프처럼 일정하게 변하는 일반 렌즈(파란색 실선)와 달리 비구면 렌즈(붉은색 실선)는 끝부분의 곡률 변화가 다릅니다. 그러면 이런 비구면 렌즈가 왜 필요할까요?

 

렌즈의 수차

  

  이것을 알기 위해서는 우선 렌즈의 수차에 대해 살펴볼 필요가 있습니다.
이론적으로 렌즈를 지나는 빛은 일정한 공식에 의해 정확히 경로를 계산할 수 있습니다.
하지만 이러한 공식을 실제 렌즈에서 오차없이 구현하기엔 어려움이 있습니다.

  이렇게 실제 렌즈를 사용할 때 이론치와 비교하여 나타나는 차이를 수차라고 하고, 렌즈에서 나타나는 대표적인 수차는 크게 5가지로 구분됩니다.(자이델의 5수차)

  이런 5가지의 수차 중에 가장 기본적이고 자주 나타나는 것이 바로 구면 수차(Spherical Abberation)입니다.
구면 수차란 렌즈의 두께 차이에 의해 생겨나는 수차로서, 렌즈의 가장자리를 통과하는 빛의 초점거리가 중앙 부분을 통과하는 빛의 초점거리보다 짧아지면서 생겨나는 현상입니다.

  이러한 수차를 보정하기 위해 여러 개의 렌즈를 서로 결합한 복잡한 렌즈군을 사용해야 합니다.하지만 이렇게 렌즈를 많이 사용하게 되면 렌즈 자체의 부피와 무게가 늘어나고 광학계가 복잡해지는 단점이 있습니다.

  이러한 단점을 보완하기 위해 만들어진 것이 바로 비구면 렌즈입니다.

비구면 렌즈는 일반 구면 렌즈와 달리 렌즈 각 부위의 곡률을 다르게 해서 가장자리와 중앙 부분의 초점 거리를 인위적으로 일치시켰습니다. 

 

 

  이러한 원리로 여러 개의 렌즈를 사용하여 보정할 수 있었던 구면 수차를 비구면 렌즈 하나로 보정할 수 있게 되어 광학계를 좀더 간단하게 구성할 수 있게 되었습니다.
  또한 비구면 렌즈를 사용하게 되면 다른 수차들도 어느정도 보정이 가능해 좀더 선명한 상을 얻을 수 있게 됩니다.

 

 

<일반렌즈(왼쪽)와 비구면 렌즈(오른쪽)를 사용한 제품의 크기 비교(Schneider사)>

비구면 렌즈의 한계

  

 그러면 이렇게 장점이 많은 비구면 렌즈를 왜 모든 렌즈에 사용하지 않는 것일까요?바로 여기에서 비구면 렌즈의 한계가 드러나게 됩니다.

앞에서도 설명했듯이 비구면 렌즈는 곡률을 조절하여 임의로 초점을 맞추기 때문에 일반 렌즈에 비해 그 제작이 상당히 까다롭습니다.
또한 렌즈 제작이 어렵기 때문에 제작 비용 또한 일반 렌즈에 비해 상당히 높습니다.
이런 이유로 비구면 렌즈는 위성용 렌즈나, 고급 렌즈와 같이 특별한 경우를 제외하고는 사용되질 않습니다.
비구면 렌즈를 제작하기 위한 장비도 매우 고가이기 때문에(수억~수십억) Schneider, Nikon과 같은 세계적인 렌즈 제작사를 제외하고는 만들기가 힘들다는 단점도 있습니다.

  이처럼 비구면 렌즈는 하나만으로 대부분의 수차를 보정할 수 있다는 장점이 있는 반면에 제작이 어렵고 고가라는 단점이 있기 때문에 꼭 필요한 경우가 아니면 일반 렌즈를 사용하는 것이 더욱 경제적이라 할 수 있습니다.

 

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필진 소개

 

박강환, Benjamin Park (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 대한 무한 열정으로 제품을 넘어 고객의 솔루션을 만드는 Optic Specialist