회절 및 수차

수차(Aberration)

 

한 점에서 나온 빛이 렌즈를 거쳐서 한 점에 모이는 상황은 근축광선의 조건을 만족할 때 뿐입니다. 여기서 근축광선이란 광축과 근소한 각도를 이루며 접근해 있는 광선을 가리키는 말이다. 예컨대 둥근 볼록렌즈의 정중앙을 통과하는 빛(광축)의 곁을 지나는 빛줄기입니다.

 

근축광선이 아닌 경우에는 렌즈를 거친 후에 상당히 넓은 영역으로 퍼져버립니다. 이렇게 이상적인 결상관계에서 어긋나는 것을 수차(aberration)라고 합니다.

 

1) 회절 수차 (diffraction aberration)

 

Airy Disk란 빛 또는 전자가 작은 원형 틈을 통과할 때 생기는 회절과 간섭으로 인해 발생하는 동심원의 간섭무늬이다. Airy Disk의 중심에 있는 가장 밝은 원이 전체 광원의 84%의 광량을 차지하고 그 주위에 어둡과 밝은 원반들이 차례로 나타납니다.

 

Airy Disk의 크기로 인해 나타나는 형상은 선명하게 또는 흐릿하게 표현될 수 있습니다.

 

회절은 빛이나 전자가 조리개와 같은 틈을 지날 때 꺾이는 현상을 말합니다. 이러한 회절은 틈이 작을수록 잘 생기기 때문에 조리개의 크기가 작아질수록 빛은 더 크게 꺾여 Airy Disk를 더 크게 만듭니다.

 

 

2) 구면수차 (spherical aberration)

 

빛이 광축에 평행하게 입사할 때, 렌즈의 중심부와 주변부의 굴절률의 차이에 의하여 초점이 한곳에 맺히지 못합니다.

 

렌즈 자체의 특성상 주변부로 들어온 빛이 꺾이는 각도와 중심부를 지나는 빛이 꺾이는 정도가 다르기 때문입니다.

 

렌즈가 곡면이라서 생기는 것이기 떄문에 렌즈를 평면에 가깝게 만들수록 잘 발생하지 않습니다.

 

 

3) 색수차 (chromatic aberration)

 

빛은 진행하는 매질에 따라 속도가 달라지게 됩니다. 이 속도차이로 인해 빛은 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때 굴절이 일어나 진행방향이 꺾이게 됩니다. 한편, 빛은 그 파장에 따라, 매질 내 진행 속도가 다르므로, 다른 매질로의 진행 시 굴절률도 달라져 꺾이는 정도가 달라지게 됩니다. 즉, 백색광과 같이 여러 파장이 섞여 있는 빛의 경우 파장에 따라 초점 위치가 달라져 선명한 이미지를 얻지 못하는 현상이 색수차입니다.

 

매질에서의 속도는 v = 거리/시간 = 파장/주기 로 나타낼 수 있고, 식에 따라 파장이 길수록 굴절률이 작고, 짧을수록 큽니다.

 

 

가속 전압 또는 렌즈의 전류가 불안정 하면 자기 렌즈의 초점거리에 변동이 생기게 됩니다.

 

4) 비점수차 (astigmatism aberration)

 

점이 아닌 수차. 촬영을 할 때는 분명 점을 촬영하였는데, 촬영한 이미지는 점이 아니게 보이는 현상입니다.

 

수평으로 들어가는 광선과 수직으로 들어가는 광선이 서로 다른 초첨을 맺습니다. 즉, 수직곡률과 수평곡률이 일정하지 않아서 마치 럭비공처럼 되어 초점이 한 곳에 일치하지 못합니다.

 

 

조리개 회절과 렌즈 수차의 앙상블

 

녹색 그래프는 렌즈 수차에 의해 상이 흩어지는 정도를 나타냅니다. 조리개를 조여 렌즈 중심 부위를 지나는 빛만 쓸수록 상이 선명해집니다. 주황색 그래프는 빛이 조리개날에서 회절하면서 흩어지는 정도를 나타냅니다. 조리개를 조일수록 직진하는 빛에 비해 회절하는 빛이 많아지므로 상은 점점 흩어집니다.

 

이렇게 상을 흐릿하게 만드는 두 가지 원인은 조리개값에 따라 반대로 나타납니다. 사진의 선명도는 이 두 원인의 조합에 의해 결정됩니다. 그렇다면 선명한 사진은 어떤 조건일 때 찍힐까? 조리개값 f/5.6일 때 가장 선명합니다. 이 값은 사진을 찍을 때 매우 중요합니다. 카메라와 렌즈 제조회사도 이걸 잘 알고 있습니다. 그래서 카메라는 모든 기능을 조리개값 f/5.6에 맞춰서 만듭니다. 저가형 렌즈도 어지간하면 조리개값 f/5.6을 포함하도록 만드는 이유이기도 합니다.

 

조리개를 많이 열면 렌즈의 수차에 의해 상이 흐려집니다.

조리개를 많이 조이면 회절량이 증가하여 상이 흐려집니다.