렌즈의 수차 - 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡수차, 왜곡수차, 색수차

렌즈의 수차

 

렌즈의 수차란?

 렌즈가 초점면에 맺는 상은 피사체의 형태와 똑같은 영상이 완전히 되지는 않습니다. 영상이 변형되거나 혹은 흐려질 수도 있고 색의 번짐이나 콘트라스트 차이의 현상으로 결함이 있습니다. 이러한 현상을 렌즈의 수차라고 합니다.

 수학자 자이델은 렌즈의 수차를 5가지로 말했습니다. 피사체의 한 점에서 나온 빛이 렌즈를 통과한 후 촬상 소좌 위에 한 점에 모여져야 할 곳에 모여지지 않기 때문에 발생하는 현상으로 사진이 흐려지는 원인이 되는 5가지 수차를 자이델이 발견했습니다. 그래서 이를 자이델 수차라고 합니다. 자이델이 분류한 렌즈의 구면 때문에 생기는 5가지의 수차를 구면수차, 코마수차, 비점수차, 왜곡수차, 상면만곡수차라고 합니다. 여기에 색수차를 포함해 총 6대 수차가 있습니다.

 

구면수차

 광축에 평행한 빛이 렌즈의 중심부를 지날 때와 바깥쪽을 지날 때 다른 곳에서 모이는 경우의 수차입니다. 렌즈가 평면이 아니고 구면이기 때문에 발생하는 수차로 중심과 주변부의 입사각의 차이로 일어나는 현상입니다. 렌즈의 중심과 바깥쪽을 통과한 빛이 상을 맺는 위치가 상이해 일어나는 수차이며 조리개를 조이면 줄이는 것이 가능합니다.

 

비점수차

 광축에 빗나간 곳의 한 점에서 렌즈로 들어오는 광선이 두 개의 다른 곳에 모여져서 일정한 흐려짐을 나타내는 것을 비점수차라고 합니다. 점이 렌즈를 통과해 상을 맺을 때 점으로 상이 맺히지 않고 좌우 혹은 상하로 번지는 현상입니다. 광축에서 떨어진 점이 상으로 맺히면 선으로 나타나는 수차입니다.

 

코마수차

 광축에 대해서 비껴가는 빛이 연속적으로 작은 원이 겹친 것 같이 보이는 수차입니다. 원이나 점이 통과해 상을 맺을 때 혜성의 꼬리처럼 흐려지는 현상으로 경사지게 입사한 빛이 초점면에서 하나로 모이지 않고 혜성 모양으로 맺히는 수차입니다. 플레어나 포그의 원인이 될 수 있고 구면수차처럼 조리개를 조이면 어느 정도 줄일 수 있습니다.

 

왜곡수차

 피사체의 직선 부분의 상이 맺히는 위치가 광축에 가까워지거나 멀어지기도 하여 영상이 비틀어지는 것을 왜곡수차라고 합니다. 영상은 선명하지만 맥주 통 모양이나 방패연 모양으로 왜곡돼 비칩니다. 의곡 수차 혹은 영어로는 디스토션이라고 하며, 배율이 낮은 광각 렌즈로 촬영할 때, 가까운 피사체일수록 잘 나타납니다. 대칭형 렌즈에서는 왜곡이 없고 실패형(방패연 모양)과 항아리형(맥주 통 모양) 왜곡으로 화상이 휜다 하여 왜곡수차라고 말합니다.

 

상면만곡수차

 광축에서 먼 곳에서 들어오는 빛은 렌즈의 가까운 곳에 모입니다. 그래서 여러 곳에서 오는 빛은 결국 구면상에 맺히기 때문에 평면인 촬상 소좌에 기록되는 영상은 가장자리로 갈수록 선명하지 않게 됩니다. 중심부와 주변부의 초점이 맺는 위치가 상이하기 때문에 생기는 수차로 화상의 왜곡은 없습니다. 하지만 주변부는 포커스가 맞지 않아 흐려집니다. 상을 맺는 면이 평면으로 되지 않고, 구부러진 구면으로 형성이 되기 때문에 초점이 흐려지는 현상을 상면만곡수차라고 합니다.

 

색수차

 빛의 파장이 다르기 때문에 발생하는 현상을 색수차라고 합니다. 빛은 파장에 따라 매질의 경계면에서 굴절률이 다른데 파장이 짧으면 굴절률이 높고, 파장이 길면 굴절률이 작아집니다. 물체의 한 점으로부터의 빛이 렌즈를 투과할 때 물체의 한 점을 구성하는 각각 다른 파장의 성분은 굴절의 정도가 각각 다르기 때문에 한 점에 초점을 맺지 못합니다. 이렇게 초점면에서 각기 다른 파장이 분산되는 현상을 색수차라고 말합니다.

 색수차에는 축상 색수차와 배율 색수차가 있습니다. 렌즈의 축과 평행하게 입사한 빛이 파장에 따라 각각 다른 상면을 만드는 것을 축상 색수차라고 말합니다. 그리고 렌즈의 광축에 비스듬하게 입사한 빛이 파장에 따라 상면에 크기가 다른 상을 맺게 하는데 이를 배율 색수차라고 합니다. 색수차는 조리개의 조임 여부에 따라 관계없이 생기며 렌즈의 초점거리가 길면 길수록 더 심하게 나타납니다. 색수차의 보정에는 렌즈 접합 등 방법이 사용되고 있습니다. 하지만 파장에 따라 굴절률의 차이가 거의 없는 저분산 물질로 렌즈를 제작하는 것이 합리적입니다. ED(Extra-low dispersion) 또는 L(ultra-Low dispersion), APO(Apochromatic) 등의 렌즈는 1매의 렌즈를 비구면으로 설계해 구면수차를 개선합니다. 초광각 렌즈에서는 왜곡수차를 보정하기 위해 비구면 렌즈의 요소를 사용하기도 합니다. 렌즈의 이름에 ED, L, APO 등이 붙으면 색수차를 보정하기 위해 저분산 유리를 사용한 고가의 고급 렌즈입니다. 주로 오목 렌즈를 포함하는 복합 렌즈를 사용합니다.

 색수차를 보정하는 보정 렌즈의 종류로는 첫째, 아크로매틱 렌즈가 있습니다. 황색과 청자색계의 두 가지 대표색으로 색수차를 보정한 렌즈입니다. 그리고 아포크로매틱 렌즈는 빨간색, 파란색, 초록색의 삼원색으로 색수차를 엄격하게 보정한 렌즈입니다.

 더블릿 렌즈란 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 결합하면 색수차를 없애고 촬상소자나 필름상에 선명한 이미지를 만듭니다. 볼록 렌즈는 렌즈의 중심부보다 가장자리에서 빛의 굴절이 큽니다. 이것은 중심부의 렌즈 표면이 주변부에 비해 평평하기 때문입니다. 그렇기 때문에 모든 광선은 초점을 형성하면서 한 점에 모이게 됩니다. 오목 렌즈는 광선이 초점을 형성하지 못하고 분산하므로 선명한 이미지를 만들지 못합니다. 이렇듯 두 렌즈의 특징을 결합한 것을 더블릿이라고 합니다.