렌즈 수차 간략 설명

 안녕하세요. 스타민s입니다. 우리가 안경을 쓰거나 망원경으로 별을 관찰하거나 DSLR으로 사진을 찍을 때 렌즈를 사용하게 됩니다. 가끔 핸드폰으로 촬영하거나 독보기로 무엇을 볼 때나 거울을 볼 때에 여러분을 느끼셧을겁니다. 이상하게 일그러지거나 흐리해지는 느낌을 받으셨을 겁니다. 그것은 왜 그런가 하면 바로 수차 때문입니다. 수차로 인해서 사진이나 기타등등 자세하게 담아낼 수 없기 때문에 전문가들은 렌즈나 다른 장치를 이용해서 수차를 줄이는 작업을 합니다. 그래서 보다 더 좋은 영상이나 결과물을 얻어내게 됩니다. 그러면 이 수차가 무엇인지 알아보도록 하겠습니다.

수차란?

 수차란? 빛이 렌즈같은 유리를 통과하거나 거울같은것을 반사하여 초점을 맺을 때, 한점에서 모이지 않고 색이 이상하거나 일그러져 보이는 현상을 수차라고 합니다. 수차에는 크게 색수차와 단색수차가 있습니다. 그리고 단색수차에는 5가지 수차가 있는데 이를 자이델 5대 수차라고 하고, 종류에는 구면수차, 코마수차, 비점수차, 만곡수차, 왜곡수차가 있습니다.

 색수차란 색에도 각각의 파장이 있습니다. 이 파장은 유리나 물등의 매체를 통과, 반사할 때 굴절률이나 반사각이 달라지게 합니다. 예를 들어서 렌즈를 통과한 물체의 상은 원래 모습보다 빨간색은 덜꺽이고 보라색쪽으로 갈수록 많이 꺽여서 색이 번지게 보입니다. 무지개를 생각하면 이해가 쉽습니다. 무색에 가까운 햇빛을 물방울을 통과하여 빨주노초파남보의 색으로 보이게 합니다. 무지개가 바로 굴절률이 달라서 보이는 현상입니다. 색수차는 색지움 렌즈를 사용하여 감소 시킬 수 있습니다.

자이델 5대 수차 (단색 수차)

 자이델 5대 수차라고 하는 단색수차를 알아보겠습니다. 이것은 필리프 루트비히 폰 자이델이 발견하여 그의 이름을 따서 자이델의 5대 수차라고 부릅니다. 자이델 5대 수차는 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상명만곡, 왜곡수차가 잇습니다.

1.  첫번째, 구면수차는 빛이 렌즈를 통과하거나 구면거울등에 상이 만들어 질 때, 한점에서 만들어지는 것이 아니라 작은 원판 형태로 초점이 맻히는 현상입니다. 렌즈의 중심쪽에 가까울 수록 굴절률이 작고, 렌즈의 밖같쪽으로 갈수록 굴절률리 더 커져서 한점에 상이 맺히지 않습니다. 구면수차는 렌즈의 조리개를 닫으면 거의 사라집니다. 그런제 구경이 더 닫히게 되면 회절현상이 일어나기 때문에 너무 닫으면 선명도가 떨어집니다. 렌즈가 구면이라서 구면수차가 생기는데 이것을 막기 위해서 비구면 렌즈로 만들어서 사용하기도 합니다.

2.  둘번째, 코마수차 입니다. 혜성형 수차라고도 합니다. 구면수차는 렌즈와 수평으로 들어오는 빛이 만드는 수차이면 코마수차는 광선속이 수직이 아닌 옆으로 (0도~90도~180도) 들어오면 초점이 맺히지 않고 마치 혜성의 꼬리처럼 상이 만들어집니다. 상의 가장자리에 코마컨트라스트가 교정되지 않는 렌즈는 렌즈로서의 가치가 없다고 합니다. 코마도 역시 렌즈 조리개를 줄임으로써 개선 할 수 있습니다.

3.  세번째, 비점수차 입니다. 구면수차와 코마수차가 어느정도 교정이 되어도 광축을 벗어난 지점은 여전히 초첨이 맞지 않습니다. 초점이 되는 곳이 아니라 그 주변에 맻히는 점이 고리모양이나 방사상모양, 즉 부채꼴처럼 흐릿하게 보이는 현상을 비점수차라고 합니다. 쉽게 말해서 구면수차는 상의 중앙이라고 하면 비점수차는 그 주변이 한 점에서 상이 맺히지 않는 현상입니다.

4.  네번째, 상면만곡 입니다. 평면으로 된 물체가 있다고 하자. 이 물체를 렌즈를 통해서 상을 맻히게 하면 평면이 아리라 구면으로 상이 맺히게 됩니다. 그래서 중심에 초점을 맞춰서 선명하게 하면 주변이 초첨이 맞지 않게 됩니다. 반대로 주변에 초점을 맞춰서 선명학 하면 중심이 초점이 안맞게 됩니다. 즉 렌즈를 통과한 상이 평면으로 나와야하는데 렌즈의 모양처럼 굽어져 있게 되고 이 굴곡을 상면 만곡이라고 합니다. 비점수차처럼 초점심도를 늘리기 위해 렌즈의 조리개를 닫으면 어느정도 개선이 된다고 합니다.

5.  다섯번째, 왜곡수차 입니다. 초점이나 선명도가 아니라 전체적인 모양과 관련이 있습니다. 폰을 들고 셀카를 찍어보신적이 있습니까? 본인을 두고 셀카를 찍으면 이쁘게 잘 나옵니다. 그 때 옆에서 누군가 끼어들어 본인은 가운데 있고 친구는 옆에 있게 하고 셀카를 찍으면 본인은 이쁘게 나오지만 친구는 얼굴이 둥글게 찍으러져 보입니다. 이게 왜곡수차 때문입니다. 편면으로 된 물체가 있다고 할때 가운데를 볼록 나오게 하는 모양 혹은 가운데를 오목하게 들어가게 하는 모양으로 전체적인 상이 보이게 됩니다. 줌렌즈는 가장 짧은 초점길이(최대 광각점)일 때 튀어나온듯한 왜곡을 보여 줍니다. 원통형 왜곡, 음의 왜곡이라고 하고, 가장 긴 초점길이(최대 망원점)일 때 가운데가 들어간듯한 왜곡을 보여 줍니다. 실패형 왜곡, 양의 왜곡이라고 합니다.

수차간략정리

 자이델 5대 수차를 다시한번 정리 하면 렌즈의 가운데 축을 지나는 곳에 따라 초점이 맞지 않아서 한점이 아닌 원형 모양으로 초점이 맺히는 현상을 구면수차라고 합니다. 비스듬하게 들어오는 빛은 초점을 맺히 못하고 마치 혜성의 꼬리모양으로 상이 흐려지는 현상을 코마수차라고 합니다. 구면수차의 교정이 이루어졌다고 해서 렌즈의 가운데가 아닌 주변에서 맻히는 상들은 한점이 아닌 원형이나 부채꼴 모양으로 상이 흐려지는 것을 비점수차라고 합니다. 렌즈를 통과한 상이 평면으로 맺혀야 하는데 렌즈의 모양처럼 둥근 모양으로 상이 맺히는 것을 상면만곡수차라고 하고, 전체적으로 가운데가 들어가거나 나와보이는 것처럼 보이는 현상을 왜곡수차라고 합니다.

 많은 광학관련 전문가들이 이런 수차들 없애려고 노력하고 있습니다. 그래야 상품의 가치도 좋아지고 과학쪽으로 망원경이나 현미경등을 사용 할때도 보다 선명하고 정확한 결과를 가져 올 수 있을 겁니다. 이상 렌즈의 가장 중요하다고 볼 수 있는 수차에 대해서 알아봤습니다. 감사합니다.