광학설계#5

몇일간 회사일로 정신이 없어서 이제야 글을 올립니다. 오늘은 원론적인 이야기를 하려합니다. 물론 제가 이쪽일을 하면서 기본적인 원리를 이해하기 위해 나름대로 제가 가정을 해서 말씀드리는 사항이니 참조만 해주십시요. 저는 이렇게 생각하여 제 나름대로 쉽게 이해했다고 생각하고 있습니다. 광학을 하는 분들이 가장 흔히 접하고 많은 설계를 하는 것이 결상렌즈입니다. 단순히 MTF가 어떻다 수차가 어떻다라고 하는데 오늘은 그걸 제외하고 이걸 읽으시는 분이 광학에 대하 아무것도 모른다는 가정하에 글을 쓰려합니다. 일단 렌즈의 가장 중요한 목표는 일정 지점에서의 상을 원하는 거리의 지점에 선명하고 정확하게 맺히게 하는게 목표입니다. 이미지는 수많은 여러 개의 작은 화소 즉 점들이 모여 이루어졌다고 생각할 수 있습니다. 렌즈는 이 각각의 점들을 얼마만큼 원하는 위치에 정확하게 맺히느냐가 중요하다고 할 수 있습니다. 대부분의 광학프로그램들을 보시면 중간의 과정은 어떻더라도 물체에서 출발한 한점이 렌즈를 통해 얼마만큼 원래의 점의 크기를 유지하면서 가게 하느냐입니다. 만약 일반적으로 저희가 알고 있는 오목 볼록 형상의 렌즈가 아니더라도 위에서 말한 과정을 수행할 수 있다면 그것도 또한 렌즈역할을 한다고 할 수 있습니다. 대표적인 예를 들면 일정한 얇은 판에 작은 구멍을 여러개 뚫고 사물을 보아보십시요. 안경을 쓰시는 시력이 나쁘신 분들은 더욱 확연하게 느끼실수 있습니다. 그러면 어느정도 상이 선명하게 보이는걸 확인하실수 있습니다. 원리는 간단합니다. ‘허용착락원’이라는 개념을 들어보셨을 겁니다. 이미지를 구별할 수 있는 상의 크기를 나타내는 단위입니다. 이것은 이미지의 선명도와 심도등과 밀접한 관계가 있습니다. 사람의 눈은 허용착락원이 작을 수록 그 변화량을 감지하는 능력이 떨어져 마치 초점이 모든면에 맞는것처럼 느끼게 되므로 허용착락원이 작게 될 경우 즉 유효구경이 작게 될 경우에는 심도가 깊어집니다. 따라서 1) 피사체의 거리가 멀어지면 이미지의 입사영역이 작아져 유효구경이 작아지며 (같은 렌즈일 경우) 2) 렌즈초점거리가 짧으면(광각렌즈이면) 유효구경이 작아지며 (피사체가 같은 거리에 있을 경우) (광각렌즈는 망원렌즈에 비해 같은 영역을 나타내기 위해 더 작은 렌즈구경만 있으면 되기때문) 3) 조리개를 조이면 유효구경이 작아지기 때문에 심도가 깊어집니다. (같은 렌즈이며 피사체가 같은 거리에 있을 경우) 이런 원리로 시력이 나쁜 사람이 안경을 벗고도 판에 조그만 구멍이 뚫린 판을 통해 보면 상이 잘보이는것입니다 물론 구멍이 작을수록 더 잘 보이겠지요. 더 나아가서 생각해보면 지금 쓰고 계신 안경렌즈 대신에 평평한 프라스틱 판에 무수하게 작은 구멍을 뚫어 대신하면 크기만 잘 맞춘다면 렌즈대용으로 쓰일수 있습니다. 아니면 집에 있는 모기장을 조금뜯으셔서 보셔도 확인하실수 있습니다. 조금 엉뚱한 생각이지만 센서특성을 생각하지 않는다면 카메라모듈에서 렌즈를 쓰지 않고 여러 구멍이 뚫린 판을 대용으로 써도 된다는 생각도 가끔합니다. 뭐 해보지 않아서 모르고 상품화될 정도의 화질이 나올지도 모르긴 합니다만… 다만 아무래도 하나의 구멍으로 이루어진 광학계보다는 가려지는 곳이 많아져 전체적인 상이 어둡게 되어 해상도에 악영향을 줄수도 있다고 생각합니다. 지금까지의 이야기를 일반적인 광학프로그램의 DATA로 말해보면… ‘PSF(POINT SPREAD FUNCTION)’은 물체의 점이 이미지면에 맺힐 때 얼마만큼 퍼져서 맺히느냐를 보는것입니다. 당연히 점이 퍼져서 맺힐수록 밝기 및 선명도는 떨어집니다. ‘해상력’은 예를 들어 물체에서는 서로 최외곽이 1mm씩 떨어졌던 점들이 렌즈를 통과하면서 퍼져서 지름이 커져 최외곽간에 겹침이 발생하게 되면 두 점은 그만큼 구분을 할 수 없게 되어 해상력이 떨어지는것입니다. ‘수차’들은 이런 결상 즉 물체면의 점이 이미지면에 원래의 크기대로 맺히지 못하게 방해하여 해상력을 떨어뜨리는 것이라 생각할 수 있습니다. 조리개를 조여주면 이러한 잘못된 경로의 광선들을 잘라내어 제대로된 경로의 빛만 들어오게 하여 선명하게 보이게 해주는것입니다. 렌즈설계시 목표를 간단하게 정리하면 될수 있는한 넓은 조리개에 높은 MTF 라고 간단하게 말할수 있을 것 같습니다. 넓은 조리개일수록 넓은 입사동 즉 많은 빛이 입사하여 해상력을 높일 가능성이 커지지만 반대로 위에서 말한 허용착락원 즉 유효구경이 커져 해상력을 떨어뜨릴수 있습니다. 서로 반대의 요소를 적절하게 혼합하여 최적의 값을 찾는 것이 렌즈설계의 기본이라 할 수 있을 것 같습니다. 오늘은 여기까지 입니다. 오늘 이야기는 처음에도 말씀드렸다시피 제가 광학을 이해하는 한가지 가정이므로 틀린부분이 있다면 지적해주십시요. 읽어주셔서 감사합니다.