구면수차 보정 (Spherical Aberration Correction)
한 줄 정의: 구면 렌즈에서 광축 근처를 지나는 광선과 가장자리를 지나는 광선의 초점이 서로 어긋나는 구면수차를 줄이기 위한 광학 설계 기법입니다.
쉽게 풀면
공 모양의 단순한 렌즈로 빛을 모으면 렌즈 가장자리를 통과한 빛과 중심 부근을 통과한 빛이 같은 한 점에 모이지 않고 조금씩 어긋난 위치에 모여 상이 흐릿해집니다. 구면수차 보정은 렌즈의 모양을 살짝 바꾸거나 여러 렌즈를 조합해서 이 어긋남을 최소화하는 설계 작업입니다.
왜 중요한가
구면수차 보정은 카메라, 현미경 대물렌즈, 레이저 집속 광학계 등 선명한 초점이 필수적인 모든 결상 시스템의 성능을 좌우하기 때문에 광학 설계 논문에서 렌즈 성능을 평가하고 개선하는 핵심 주제로 다루어집니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"Spherical aberration correction was achieved by combining a positive and negative lens with matched curvatures in an achromatic doublet."
곡률이 서로 맞춰진 양렌즈와 음렌즈를 조합한 색지움 이중렌즈를 통해 구면수차 보정을 달성했다는 설계 방법을 설명한 문장입니다.
"An aspheric surface was introduced into the objective lens to correct spherical aberration without adding extra lens elements."
추가 렌즈 요소 없이 구면수차를 보정하기 위해 대물렌즈에 비구면을 도입했다는 설계 개선 사항을 설명한 문장입니다.
조금 더 깊게 보면
구면수차 보정에는 서로 다른 굴절률과 곡률을 가진 렌즈를 조합하는 방법, 렌즈 표면을 완전한 구면이 아닌 비구면으로 가공하는 방법, 조리개 위치를 조정하는 방법 등이 있으며, 이는 정현조건(sine condition)을 만족시키는 방향으로 설계됩니다. 비구면 렌즈는 하나의 소자로도 여러 장의 구면렌즈와 맞먹는 수차 보정 효과를 낼 수 있어 소형화에 유리합니다.
주의할 점
구면수차는 렌즈 개구수의 세제곱 이상으로 급격히 커지는 경향이 있으므로, 조리개를 살짝 줄이는 것만으로도 큰 개선 효과를 볼 수 있지만 그만큼 회절한계에 의한 해상도 저하와 빛의 양 감소를 함께 감수해야 하는 트레이드오프가 있습니다.