시작: Aspheric Lens의 장점

Spherical Aberration 보정

aspheric lenses의 가장 주목할 만한 장점은 spherical aberration 보정 능력입니다. Spherical aberration은 빛의 초점을 모으거나 집광을 위해 구면을 사용하는 데서 발생합니다. 다시 말해, 모든 spherical surfaces는 생산 오류와 상관 없이 spherical aberration이 발생하며 따라서 이를 보정하기 위해 non-spherical 또는 aspheric surface가 필요합니다. conic constant와 aspheric coefficients를 조절함으로써 aspheric lens를 aberrations을 최대한 상쇄하도록 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 사실상 spherical aberration이 전혀 발생하지 않는 aspheric lens에 비해 상당한 spherical aberration이 발생하는 spherical lens를 보여 주는 그림 1를 검토해 보십시오. spherical lens에서는 spherical aberration으로 인해 입사광의 초점이 다른 지점에 맺힘으로서 희미하게 보입니다. aspheric lens에서는 빛이 한 점에 초점이 맺힘으로써 희미한 부분이 생기지 않으며 이미지 품질이 개선됩니다.

aspheric lens와 spherical lens 사이의 focusing 성능 차이를 더 잘 이해하려면 25mm diameters와 25mm focal lengths(f/1 lenses)를 갖는 두 개의 비슷한 렌즈의 정량적 사례를 검토해 보십시오. 다음 표에서는 on-axis (0° object angle) 및 off-axis (0.5° 및 1.0° object angles)에서 집광된 587.6nm의 monochromatic light rays의 spot size 또는 blur size를 비교합니다. Asphere에서의 spot size는 spherical lens의 경우보다 몇 배나 작습니다.

그림 1: Aberration이 생기지 않는 Aspheric Lens에 비해 Spherical Aberration이 발생하는 Spherical Lens

기타 성능 상의 장점

spherical surfaces에 의해 유발되는 aberration을 보정하기 위한 다양한 기법이 존재하지만 aspheric lens가 제공하는 이미징 성능과 융통성에 필적할 만한 것은 없습니다. 사용하는 또 다른 기법으로는 렌즈의 "stopping down"을 통해 f/#를 늘리는 것이 포함됩니다. 이를 통해 이미지 품질을 높일 수 있긴 하지만 시스템의 light throughput을 줄여 두 가지 효과가 상쇄됩니다.

한 편, aspheric lenses를 사용하면 추가적인 aberration 보정을 통해 우수한 이미지 품질을 유지함과 동시에 high throughput (low f/#, high numerical aperture) 시스템을 설계할 수 있습니다. 높은 throughput의 디자인에서 발생하는 이미지 품질 저하는 약간의 이미지 품질이 저하되더라도 spherical system보다 성능이 우수하기 때문에 감수할 수 있습니다. 모두 spherical surfaces로 구성된 81.5mm focal length, f/2 triplet lens (그림 2)와 첫 번째 표면만 aspheric을 사용한 동일한 triplet을 고려해 보겠습니다. 여기에서 두 렌즈의 glass types, effective focal length, field of view, f/#, 그리고 전체 시스템 길이는 동일하게 설계되어 있습니다. 다음 표에서는 486.1nm, 587.6nm, 그리고 656.3nm 파장에서 on-axis 및 off-axis collimated, polychromatic light rays의 20% contrast에서의 modulation transfer function (MTF)을 정량적으로 비교합니다. aspheric surface가 있는 triplet lens에서는 모든 field angles의 이미징 성능이 향상되어 spherical surfaces만 있는 triplet에 비해 tangential 및 sagittal resolution values가 4배 가량 높습니다.

그림 2: Triplet Lens를 통과하는 Polychromatic Light

System Advantages

A시스템에 주는 혜택

Aspheric lenses는 여러 면의 spherical optics를 사용하는 것보다 더 많은 aberration 보정 효과를 주기 때문에 광학 디자이너들이 통상적인 spherical optics에 비해 적은 수의 elements를 사용해 aberration을 보정할 수 있게 해 줍니다. 예를 들어, 일반적으로 10개 이상의 elements가 사용되는 zoom lenses에서 한 손 가득한 spherical lenses를 한두 개의 aspheric lenses로 대체해 비슷하거나 보다 나은 광학 결과를 얻고, 전체 제작 비용을 절감하면서 시스템 크기도 줄일 수 있습니다.

광학 시스템의 elements 수가 많아지면 광학 및 기계적 매개변수 모두에 부정적인 영향을 주어 mechanical tolerances 가격이 높아지고 alignment 절차가 추가되고 anti-reflection 코팅 요건이 까다로워집니다. 이 모든 것들이 필연적인 지원 부품 수 증가때문에 전체 시스템 효용성을 크게 저하시킬 수 있습니다. 결과적으로 aspheric lenses는 유사한 f/# singlet 및 doublet lenses에 비해 가격이 높은데도 불구하고 전체 시스템 디자인 비용은 사실상 낮출 수 있습니다.

ACHROMATIC LENS의 구조

Asphere라는 용어는 sphere에 속하지 않는 모든 것을 뜻하지만, 여기에서는 렌즈의 중심에서부터 방사상으로 다양한 곡률반경을 갖고 있는 회전축에 대칭적인 광학 제품인 asphere의 한 종류만 다룹니다. Aspheric lens는 이미지 품질을 향상시키고 필요한 element 수를 줄여주며 광학 디자인 비용을 낮춰 줍니다. 디지털 카메라와 CD 플레이어부터 고성능 microscope objectives와 fluorescence microscopes에 이르기까지 aspheric lenses는 전통적인 spherical optics에 비해 이 제품이 제공하는 고유의 장점으로 인해 광학 기기, 이미징 및 photonics 업계의 모든 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

Aspheric lenses는 전통적으로 공식 1에 의해 주어지는 표면 프로파일(sag)로 정의되어 왔습니다.

이 때, A4, A6, A8...= 4번째, 6번째, 8번째… 순서의 aspheric 값

aspheric coefficients가 영이면 aspheric surfac Z = optical axis에 평행한 표면의 sag
s = optical axis로부터의 radial distance
C = curvature, radius에 반비례
k = conic constant
e는 원뿔로 간주됩니다. 다음 표에서는 conic constant k의 크기와 부호에 따라 실제 원뿔 표면이 어떻게 생성되는지 보여 줍니다.

Conic Constant	원뿔 표면
k = 0	구
k > -1	타원
k= -1	포물선
k < -1	쌍곡선

aspheric lenses의 가장 독특한 형태는 반경이 일정한 구와 달리 radius of curvature가 optical axis로부터의 거리에 따라 변화하는 것입니다(그림 3). 이 독특한 모양으로 인해 aspheric lenses는 표준 구면 렌즈의 표면에 비해 개선된 광학 성능을 제공합니다.

그림 3: Spherical 및 Aspheric Surface Profiles 비교

지난 수년간 orthogonal terms을 사용하는 두 가지 새로운 개념이 Q-type asphere라 불리면서 인기를 끌었습니다. 이 Q-type asphere에 속하는 Qcon과 Qbfs는 디자이너들이 orthogonal coefficient(수직교계수)를 이용해 asphere 최적화를 보다 자유롭게 수행하고 일반적으로 asphere 생산 소요 기간을 단축할 수 있게 해 줍니다.
 




링크 1: Aspheric Lenses의 모든 것

출처 : Edmund Optics