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디지털 마이크로스코프를 이용한 렌즈의 관찰·측정

렌즈는 카메라·현미경·망원경·안경 등에 사용되는, 일상생활에서 흔히 볼 수 있는 광학 부품입니다. 렌즈는 크게 볼록 렌즈와 오목 렌즈라는 두 종류로 나눌 수 있습니다. 이들을 여러 개 조합하여 망원 렌즈나 줌 렌즈 등의 광학 렌즈를 설계합니다. 여기에서는 렌즈의 원리를 해설함과 동시에 디지털 마이크로스코프를 이용한 렌즈 관찰·측정 사례를 소개합니다.

굴절률(Refractive index)이란
분산(Dispersion)이란
색수차(Chromatic aberration)의 원리와 보정 방법에 대해서
색수차를 극한까지 보정하는 형석(플루오르화 칼슘 CaF2) 렌즈
디지털 마이크로스코프를 이용한 렌즈 관찰·측정 사례

굴절률(Refractive index)이란

굴절률은 「공기 속에서의 빛의 속도/물질 속에서의 빛의 속도」로 나타냅니다.
빛의 속도는 물질 및 빛의 파장 차이에 따라 변하므로, 굴절률도 물질과 빛의 파장에 따라 변합니다. 빛이 굴절하는 방향은 스넬의 법칙으로 구할 수 있습니다.

스넬의 법칙(n₁sinα=n₂sinβ)

굴절률 1(공기 등): n₁
굴절률 2(물·글라스 등): n₂
입사각: α
굴절각: β

분산(Dispersion)이란

백색광을 프리즘에 통과시키면 빛의 스펙트럼이 나타납니다.
이것을 빛의 분산이라고 합니다. 빛의 분산은 빛의 파장 차이에 따라 굴절률이 다르기 때문에 나타나는 현상입니다.

광학 글라스의 분산은 아베수 v라는 값으로 표현됩니다.

V={\frac {n_{d}-1}{n_{F}-n_{C> — 주: n_d는 나트륨 원자에서 나오는 D선의 굴절률입니다.

색수차(Chromatic aberration)의 원리와 보정 방법에 대해서

아래 그림처럼 빛의 분산에 따라 파장이 짧은 빛은 렌즈의 초점 위치가 짧아지고, 파장이 긴 빛은 초점 위치가 길어집니다. 따라서 특정 파장의 빛에 초점을 맞췄더라도 다른 파장의 빛은 초점이 어긋나 색이 번진 화상이 됩니다. 이 현상이 색수차입니다.

구면수차(Spherical aberration)란

빛의 파장 차이로 발생하는 것이 색수차인데, 한 가지 색의 빛으로도 발생하는 수차를 단색수차라고 하며 대표적인 것이 구면수차입니다. 볼록 렌즈의 표면은 둥근 구의 일부를 잘라낸 형태입니다. 그러므로 렌즈 바깥쪽으로 갈수록 입사각이 커져 굴절각도 커집니다. 렌즈의 중심 부근과 바깥쪽 사이에서 초점 위치에 차이가 발생하는 현상이 구면수차입니다.

수차를 보정하는 방법

수차가 반대 방향이 되는 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 조합하거나, 굴절의 크기가 다른 렌즈를 조합하여 수차를 상쇄할 수 있습니다.

구면수차 상쇄 방법 중 하나로 비구면 렌즈(Aspheric lens)가 있습니다. 여러 개의 렌즈를 조합하는 대신, 렌즈의 바깥쪽을 구면이 아닌 곡면으로 가공함으로써 렌즈의 수를 늘리지 않고 초점 위치를 보정할 수 있습니다.

색수차를 극한까지 보정하는 형석(플루오르화 칼슘 CaF2) 렌즈

색수차를 극한까지 보정하고자 할 때 사용하는 것이 형석으로 만든 형석 렌즈입니다.
천연 형석을 원료로 사용하여 일반 글라스에 없는 낮은 굴절률, 낮은 분산이란 특성이 있습니다.
뿐만 아니라 적색에서 녹색의 파장은 조금만 분산되고, 녹색에서 청색의 파장은 크게 분산되는 변칙 부분 분산이란 특성도 있습니다. KEYENCE의 디지털 마이크로스코프에도 형석 렌즈가 채택되어 수차가 적은 선명한 화질을 실현합니다.

디지털 마이크로스코프를 이용한 렌즈 관찰·측정 사례

KEYENCE의 4K 디지털 마이크로스코프 「VHX 시리즈」를 이용한 렌즈의 최신 관찰·측정 사례를 소개합니다.