46. 광학 수차의 비교

 

광학적 수차는 수학적으로 완벽한 모델에서 나타나는 편차임을 이전 포스팅부터 설명헀다.

여기서 주의해야할 것은 이러한 편차가 물리적, 광학적 혹은 기계적 결함으로 인해 발생하는 것이 아니라는 점이다.

오히려 렌즈의 형태 자체가 원인이 되거나 빛이 지닌 파동 특성 때문에 시스템 내에서 광학 요소를 배치하면서 발생할 수 있다.

 

광학 시스템을 설계할 때 이미지의 크기와 위치를 계산하기 위해서는 주로 첫 번째 차수 혹은 근축 광학이 사용된다. 근축 광학(paraxial optics)은 빛을 광선으로 취급하고 광학 수차의 발생을 고려하지 않으므로 수차를 일으키는 파동 현상은 제외시켰다.

 

 

대개는 사용 중인 시스템에 두 가지 이상의 수차가 존재하기 때문에 광학 시스템에 존재하는 수차를 구별하는 작업이 절대 쉬운 일이 아니며 컴퓨터 분석 단계에서 조차도 식별에 어려움이 따른다.

 

이러한 수차를 파악하고 보정 작업을 하기 위해 광학 설계자는 computer generated spot diagram, wave fan diagram, ray fan diagram과 같은 다양한 종류의 툴을 써야한다.

 

특히 Spot diagram은 시스템으로 이미징 처리된 후에 빛의 단일 지점이 어떻게 나타나는지를 보여준다.

Wave fan diagram은 완벽한 파동이 x 방향을 따라 평평하게 되는 위치에서 일반 웨이브프런트를 평평한 웨이브프런트와 비교하며. Ray fan diagram은 ray fan을 pupil 좌표와 비교하는 점들로 구성된 도표이다.

 

아래의 이미지는 W111, Tilt의  H=1가 1이 되는 tangential (수직, y 방향)과 sagittal (수평, z 방향) plane을 표현한 대표적인 wave fan과 ray fan diagram이다.

 

 

언급했지만 특히 시스템의 설계 단계에서는 수차를 알아내는 것이 수차 보정을 위한 첫 번째 작업이다. 광

학 설계자가 수차 보정을 하고자하는 이유는 가능한 최상의 성능을 발휘할 수 있도록 회절 제한 시스템을 생성하기 위함이다.. 회절 제한 시스템은 모든 수차를 Airy disk 크기 또는 원형 구경에 의해 발생하는 회절 패턴 크기 이내로 억제한다.

 

 

아래의 방정식은 Airy disk spot size (d)를 구하는 데 사용되며, 여기서 λ는 시스템에서 사용되는 파장 그리고 f/#는 시스템의 f-넘버이다.

 

d = 2.44  * λ * (f / #)

 

광학 수차 예제

 

시스템을 설계하고 제작한 후에는 레이저와 같은 점광원(point source)을 이미징해 수차를 관찰하면서 이미지 면에 단일 점이 어떻게 나타나는지를 시스템을 통해 확인해야한다. 다양한 수차가 존재하더라도 일반적으로 이미지가 스팟 형태에 가까울수록 수차의 발생은 줄어들게 된다. 단, 시스템으로 스팟을 확대할 수 있기 때문에 스팟의 크기하고는 관련이 없다.

 

아래의 7가지 예제는 시스템 내에 존재하는 해당 수차가 단 한 가지인 경우에 일반 테스트 타깃을 이용해 수차가 존재하는 이미지의 시뮬레이션, 광선의 동작 그리고 수차를 최소화하는 보정 방법에 대한 설명이다.

 

Code V로 생성 했고, 수차를 보다 잘 보여주기 위해 이를 과장해서 표현했다. 단, 고차원의 수차를 보정하는 과정은 더욱더 복잡하고 이미지 품질의 향상이 미미하기 때문에 본문에서는 보편적으로 알고 있는 1차와 3차 수차에 관해서만 다룰 것이다.

 

 

 

 

 

출처: https://www.edmundoptics.co.kr/knowledge-center/application-notes/optics/comparison-of-optical-aberrations/