렌즈
렌즈란 무엇입니까?
렌즈는 최소 하나의 곡면을 가진 투명 소재로 만든 광학 부품입니다. 렌즈의 기본 기능은 투과된 광선을 굴절(방향 바꿈)시켜 초점에 모으거나, 발산시켜 빛을 퍼지게 하는 것입니다. 렌즈의 응용 분야는 매우 다양해서 안경, 카메라, 자동차 헤드램프에서부터 레이저 시스템, 가상 현실 고글, 광 네트워크에 이르기까지 모든 곳에서 사용됩니다.
렌즈는 유리(가시광선의 경우) 또는 ZnSe(적외선의 경우)와 같이 다양한 투명 소재로 만든 기본적인 광학 부품이며 굴절을 통해 빛을 조작합니다. 이런 상호 작용을 통해 렌즈를 통과하는 빛을 모으거나 발산시켜 빛의 전달 방향을 바꿉니다.
볼록 렌즈, 오목 렌즈, 또는 더 복잡한 형태의 렌즈 등 렌즈의 모양에 따라 빛에 미치는 효과가 달라집니다. 일반적으로 영상이나 빔에 집중시키기 위해 광선을 하나의 지점으로 모으거나, 세기를 약화시키거나 시야각을 넓히기 위해 퍼뜨리는 것을 의미합니다. 렌즈는 빛의 방향과 초점을 맞추는 이러한 고유한 기능으로 인해 간단한 확대경부터 고급 과학 장비에 사용되는 복잡한 부속품에 이르는 수많은 광학 장치의 필수 부품으로 사용됩니다.
렌즈의 기본 작동 원리
렌즈는 굴절을 이용해 작동하는데, 굴절이란 빛이 하나의 물질에서 다른 굴절률을 가진 다른 물질로 이동할 때마다 발생하는 광학 현상입니다. 물질의 굴절률은 빛이 물질의 내부를 이동할 때 '속도 감소'의 정도를 정량화한 수치입니다. 구체적으로 굴절률은 진공에서 빛의 속도와 물질 내부에서의 빛의 속도 사이의 비율로 정의됩니다.
이 '속도 감소'로 인해 빛은 표면에서 수직이 아닌 각도로 물질에 들어갈 때 방향이 변경(굽음 또는 굴절)됩니다. 빛이 방향을 바꾸는 정도는 두 매질 사이의 경계면에 부딪히는 각도와 굴절률에 따라 달라집니다. 이 관계는 그림에 표시된 '스넬의 법칙'이라는 방정식으로 정량화됩니다.
하나의 물질에서 다른 물질로 이동하는 광선의 굴절(방향 변경)은 스넬의 법칙이라는 간단한 방정식에 의해 결정됩니다. 곡면 표면에서 수직인 가상선의 방향은 위치에 따라 달라집니다. 따라서 광선이 굴절되는 각도도 위치에 따라 달라지며, 항상 스넬의 법칙을 따릅니다.
스넬의 법칙은 빛이 굴절되는 방식을 설명할 뿐만 아니라 렌즈의 설계와 기능의 근거가 됩니다. 특정 곡률로 렌즈의 형상을 만들면 렌즈를 통과하는 빛의 경로를 제어할 수 있으므로 광학 엔지니어는 다양한 응용 분야의 요구 사항에 따라 광선을 모으거나 분산시킬 수 있습니다. 이런 방식으로 빛을 조작하는 능력은 광학 기술과 광범위한 과학 및 일상 응용 분야에서 기초적인 기술입니다.
일반적인 렌즈 유형
렌즈 유형은 매우 다양하지만, 크게 몇 가지 그룹으로 분류할 수 있습니다. 가장 기본적인 특징은 볼록한 표면과 오목한 표면입니다. 볼록한 표면은 바깥쪽으로 휘거나 튀어나와 있는 반면, 오목한 표면은 안쪽으로 휘거나 들어가 있습니다.
볼록, 오목, 평평한 표면의 세 가지 표면 모양은 도표에 표시된 대로 총 여섯 가지의 다른 방식으로 조합할 수 있습니다(적어도 하나는 휘어져 있다고 가정). 이 조합으로 인해 가장자리보다 중앙이 두꺼워지면 볼록 렌즈라고 합니다. 볼록 렌즈는 빛을 모읍니다. 즉, 빛을 집중시킵니다.
렌즈가 중앙보다 가장자리가 두꺼우면 오목 렌즈입니다. 오목 렌즈는 빛을 발산시키거나 확산시킵니다.
여섯 가지 기본 렌즈 모양은 다음과 같습니다. 볼록 렌즈는 광선을 초점으로 모읍니다. 오목 렌즈는 광선을 발산시켜 확산시킵니다.
렌즈 모양
(볼록 표면, 오목 표면 여부를 판단한 후) 다음에 구분할 특징은 곡선의 형태입니다. 구체적으로 각 표면이 구면인지, 비구면인지, 원통형인지 또는 자유형과 같이 훨씬 더 복잡한 형태인지를 보는 것입니다. 그림에 있는 설명을 참조하십시오.
렌즈의 각 표면은 구면, 비구면 모양 또는 원통형의 단면일 수 있으며 평평할 수도(플라노) 있습니다.
이 모든 다양한 렌즈 모양이 필요한 이유는 무엇입니까? 한 가지 이유는 구면 렌즈가 모든 광선을 하나의 공통 초점으로 향하게 한다는 이전의 설명이 정확하게는 사실이 아니기 때문입니다. 실제로는 평행 광선이 구면 렌즈를 만나면, 렌즈 가장자리 쪽으로 들어오는 광선은 중앙 근처로 들어오는 광선보다 약간 더 가까운 지점으로 초점이 맞춰집니다. 결과적으로 초점이 맞춰진 지점은 완벽한 지점이 아닙니다. 이 문제를 '구면 수차'라고 하는데 이로 인해 이미징 시스템의 해상도가 저하되며, 레이저를 매우 작은 점 크기로 집중시키는 기능이 제한됩니다.
구면 렌즈는 모든 광선을 정확히 같은 지점으로 초점을 맞추지 않으며 이는 성능을 제한합니다. 비구면 렌즈는 이 문제를 피할 수 있습니다. 하지만 회절 때문에 어떤 렌즈도 완벽한 초점을 이룰 수는 없습니다. 이에 대한 영향은 여기에서 다루지 않습니다.
이 문제를 해결하는 방법은 두 가지가 있습니다. 첫 번째는 구면이 없는 렌즈, 즉 비구면 렌즈를 사용하는 것입니다. 이 렌즈는 구면 수차가 없습니다.
또 다른 해결책은 하나의 구성요소만 사용하기 보다는 여러 개의 렌즈를 함께 조합하는 것입니다. 여러 표면을 가진 렌즈 시스템을 만들면 광학 설계자가 구면 수차와 여러 가지 기타 성능 제한 수차를 최소화할 수 있습니다.
여러 렌즈를 조합하면 구면이든 비구면이든 단일 렌즈에서 발생하는 또 다른 문제를 해결할 수 있습니다. 이것은 렌즈가 비축광을 평면보다는 곡면에 모으는 경향이 있기 때문입니다. 대부분의 이미지 센서가 평평하고, 많은 소재 처리 응용 분야에서는 평평한 표면에 초점을 맞춰야 하기 때문에 이러한 '상면 만곡'은 일반적으로 발생하는 문제입니다.
여러 렌즈를 조합하면 상면 만곡을 제거하고 다른 많은 수차와 성능 문제를 해결할 수 있습니다.
원통형 렌즈는 방금 설명한 구면 및 비구면 표면과 동일한 방식으로 작동하지만 1차원에서만 작동합니다. 따라서 원통형 볼록렌즈는 빛을 점에 모으지 않고 선에 모읍니다.
원통형 렌즈는 1차원에서만 초점을 맞추므로, 선 빔을 형성할 때 사용하는 경우가 많습니다.
원통형 렌즈의 응용 분야는 많습니다. 예를 들어, 원통형 렌즈는 레이저 라인 생성 장치로 사용됩니다. Powell 렌즈는 균일한 강도의 분포를 갖는 레이저 라인을 생성하도록 특별히 형상화된 비구면 원통형 렌즈의 한 종류입니다. 원통형 렌즈는 대부분의 다이오드 레이저의 비대칭 출력을 원형 빔으로 바꾸는 데에도 사용할 수 있습니다.
원통형 렌즈는 아나모픽 렌즈에도 폭넓게 사용됩니다. 이 렌즈는 영화 촬영(영화 사진) 시 표준 필름 프레임이나 디지털 센서에 와이드스크린 이미지를 캡처할 때 사용됩니다. 아나모픽 렌즈는 넓은 시야각을 좁은 기록 매체에 압축합니다. 그런 다음 더 넓은 포맷을 프로젝션이나 또는 디지털 후처리 중에 원래 종횡비로 다시 늘립니다.
렌즈 재료
렌즈는 빛을 투과하는 물질로 만들어지는데 현재 사용되고 있는 광학 소재는 다양합니다. 소재는 광학, 기계, 열, 때로는 화학적 특성의 특정한 조합을 기반으로 특정 응용 분야에 맞게 선택됩니다.
광학적 특성이 가장 중요한 요소인 경우가 많으며, 일반적으로 렌즈 소재를 선택하는 시작점이 됩니다. 특히, 대부분의 경우 투과 범위가 핵심 요소입니다. 소재가 원하는 파장을 투과하지 못하면 렌즈를 만들 수 없기 때문입니다.
광학 유리는 가시광선과 근적외선에서 작동하는 정밀 렌즈(예: 레이저 또는 계측 응용 분야)에 가장 널리 사용되는 소재입니다. ZnSe는 CO₂ 레이저 렌즈용으로 가장 인기있는 소재이며, 기타 많은 적외선 응용 분야에서도 사용됩니다.
플라스틱은 소비자용 안경과 콘택트 렌즈에서 매우 흔하게 사용되어 왔습니다. 플라스틱은 가볍고 충격에 강하며 사실상 어떤 모양으로든 쉽게 만들 수 있고, 비교적 저렴하기 때문입니다. 하지만 유리 렌즈보다 훨씬 더 쉽게 흠집이 생깁니다. 폴리카보네이트와 'CR39'라는 폴리머는 대부분의 안경에 사용되며 '하이드로겔'은 소프트 콘택트 렌즈의 주요 재료입니다.
Coherent는 하나의 부품에서 f-세타 스캔 렌즈 및 IR 열 화상 렌즈와 같은 복잡한 다중 소자 시스템에 이르기까지 정밀 응용 분야를 위한 다양한 유형의 렌즈를 생산합니다. Coherent 광학에 대해 자세히 알아보세요.