초점심도 (Depth of Focus)

한 줄 정의: 상면(이미지 센서나 필름 면)이 광축 방향으로 조금 움직여도 상이 허용 가능한 선명도를 유지할 수 있는 상측 범위를 말합니다.

쉽게 풀면

카메라로 사진을 찍을 때 센서 위치를 아주 살짝 앞뒤로 옮겨도 사진이 크게 흐려지지 않는 여유 구간이 있는데, 이것이 초점심도입니다. 렌즈가 만든 상이 정확히 한 점에만 맺히는 것이 아니라 어느 정도 두께를 가진 영역 안에서는 여전히 선명하게 보이기 때문에 생기는 여유입니다. 이 여유가 넓을수록 센서나 필름의 위치 정렬이 조금 어긋나도 상이 잘 맺힙니다.

왜 중요한가

정밀 광학계에서는 센서나 검출기의 조립 오차가 항상 존재하므로, 초점심도가 넓을수록 조립과 정렬이 쉬워지고 제작 수율이 올라갑니다. 반도체 리소그래피 공정에서도 웨이퍼 표면의 미세한 굴곡을 감안할 때 초점심도가 충분해야 패턴이 균일하게 형성됩니다. 이 때문에 이미징광학 논문에서 렌즈 설계의 성능 지표로 자주 다뤄집니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

"The lens design achieved an extended depth of focus, allowing consistent imaging performance despite sensor tilt."

렌즈 설계로 초점심도를 확장해 센서가 약간 기울어져도 일관된 촬상 성능을 유지했다는 의미입니다.

"A smaller aperture increased the depth of focus at the cost of reduced light throughput."

조리개를 좁히면 초점심도는 늘어나지만 그만큼 들어오는 빛의 양은 줄어든다는 뜻입니다.

조금 더 깊게 보면

초점심도는 렌즈의 F수(구경비)와 사용 파장에 영향을 받으며, 일반적으로 F수가 클수록(조리개가 좁을수록) 초점심도가 넓어지는 경향이 있습니다. 이는 물체 쪽에서 상이 선명하게 유지되는 범위를 뜻하는 피사계심도와 짝을 이루는 개념으로, 초점심도는 상측(이미지 측), 피사계심도는 물체측 여유를 가리킵니다. 리소그래피에서는 초점심도가 노광 공정의 공정 여유(process window)를 결정하는 중요한 지표로 취급됩니다.

주의할 점

초점심도와 피사계심도를 같은 것으로 혼동하는 경우가 많은데, 둘은 광축 상에서 서로 다른 쪽(상측과 물체측)을 가리키는 별개의 개념입니다. 초점심도를 늘리기 위해 조리개를 과도하게 좁히면 회절 효과로 오히려 해상도가 떨어질 수 있습니다.