렌즈의 6대 수차

렌즈의  6대 수차 { Lens Aberrations  收差 }

 

렌즈를 통해 발생하는 이미지 왜곡. 인간의 시각으로 보는 실제 이미지와 렌즈를 통해 필름에 기록

되는 이미지의 차이를 말한다.

 

1] 색 수차(chromatic aberration) 色收差 :

 

빛을 구성하는 여러 색들이 렌즈를 통과 할 때  서로 다른 각도로 굴절되면서 발생하는 수차.

이미지 선명도를 떨어 뜨리며 피사체  외부에 무지개 색을 만들어내기도 한다 빛은 파장에 따라

매질의 경계면에서 굴절율이 다르다.                 

가시광선 (눈으로 볼 수 있는 빛) 빨 주 노 초 파 남 보  각각의 색응 파장이 있다                          

   1]파장이 짧을수록 굴절율이 크고,(파란색쪽)                                                        

   2]파장이 길수록 굴절율이 작아집니다. (빨간색쪽)                                      

   3]프리즘을 통과할 때 파장이 길면  덜 꺽이고 짧으면 더 많이 꺽인다.

물체의 한 점으로부터의 빛이 렌즈를 투과할 때 물체의 한 점을 구성하는 각기 다른

파장 성분은 각각 굴절의 정도가 달라서 한 점에 초점을 맺지 못하게 됩니다.

이렇게 초점 면에서 각기 다른 파장이 분산되는 현상을 색수차라 한다.

 

 

색 수차에는 축상색 수차와 배율색 수차가 있는데 렌즈의 축과 평행하게 입사된 빛이 파장에 따라 각기 다른 상면을 만드는 것을 축상색수차(위)라 하고, 렌즈의 광축에 비스듬하게 입사된 빛이 파장에 따라 상면에 크기가 다른 상을 맺게 되는데 이를 배율색수차(아래)라고 합니다.             

색수차는 조리개의 여닫음과는 관계없이 일어나며 렌즈의 초점거리가 길어질수록 더욱 심하게 나타납니다. 색수차의 보정에는 렌즈의 접합 등의 방법이 사용되고 있으나, 근본적으로는 파장에 따라 굴절율의 차이가 거의 없는 저분산 물질로 렌즈를 제작하는 것이 합리적입니다.

 

 

[2] 구면 수차(spherical aberration ) 球 面 收 差  곡면 수차

렌즈가 구면이라는 구조적 결함 때문에 생기는 수차.   렌즈 광선 축의 중심에서 벗어나 렌즈를 통과하는 빛은 그 중심을 통과하는 빛보다 더 크게 굴절을 하게 된다 이로 인해  발생하는 수차로 이미지 선명도를 떨어뜨리게 된다.

 

 

 

 

[3] 비점 수차 (Astigmatism) 非 點 收 差, 곡률 수차(curvature of field)  

 

평면보다 곡면에 초점을 맞추는 성질을 갖는 렌즈의 특성 때문에 평면을 포착하는 경우 평면 중심부와 외곽부의 포커스 차이를 발생시키는 것. (주축에서 떨어져 있는 물점(物點] )의 상(像)이 완전한 점이 되지 않고 고리모양 또는 방사상(放射狀)으로 흐릿해지는 현상.

그냥 쉽게 생각했을 때 사람 눈에서는 난시현상

 

 

 

[4] 코마 수차 (coma) 혜성 꼬리 현상

 

렌즈의 광선 중심축에서 벗어난 광선이(렌즈 통과 후 필름면의 한곳에 모이지 않고서로ㅗ 다른면에 초점이 맞춰지지 않는현상)  필름 위에 혜성 꼬리 같은 흔적을 남기게 되는 것.  렌즈의 축에 평행하게 입사된 빛은 나타나지 않는다.

 

 

 

Coma (코마) : 혜성이 태양에 접근하면서 태양의 빛을 받아 혜성의 핵에서 가스가 방출되어 먼지가  나와 핵을 둘러 싸게 되는데 이를 Coma라고 한다. 망원경을 통해 연구하던 Coma가 이런 현상을 발견해서 Coma라 하는것 같다.

렌즈의 중심 부근을 통과하는 빛은 대체로 1점에 집속 되는데 중심에서 떨어질수록 넓은 범위로 분포한다. 그것을 코마수차라하고, 그 크기는 광축에서 물점까지의 거리와 렌즈 벌림각에 제곱에 비례한다.  

 

수차가 생길 경우 화면 중심부는 섬세하게 묘사되는데 화면 주변로 갈수록 초점이 비대칭(상이 한쪽으로 흐른다)으로 흐려지는 코마플레이어 를 만들어져 콘트라스트가 손상되면서 상이 번지거나 흐리게 되어 디테일이 저하된다. 코마수차, 구면수차는 조리개개방시 심해지고 조리개를 조일수록  감소하므로 일종의 개방수치라고도 한다.                                                                                 

 

참고 조리개를 너무개방도 너무조이는것도 화질에는 도움이 되지앟고 적당히 렌즈의 중심부분을

사용( F5.6, F8, F11, 각 렌즈 전체 조리개의 중간부분)하는 것이 좋다 

 

 

 

[5] 왜곡 수차 (Distortions) Geometric Distortions 기하학적왜곡

 

철망과 같은 피사체를 필름 면과 수평이 되도록 촬영할 때 발생하는 왜곡으로 일그러짐 이라고도 

한다.                     

프레임을 중심으로 바깥쪽으로 발생하는 왜곡과 안쪽으로 구부러져 나타나는 왜곡이 있다. 극단적인 광각 렌즈나 망원 렌즈가 만드는 원근감의 과장도 기하학적 왜곡의 일종으로 본다. 렌즈는 이러한 수차를 해결하기 위해 많은 유리를 집합적으로 결합하여 만들어지며 최근에는 광선의 흐름을 컴퓨터로 계산하여 이를 렌즈 설계에 반영하고 있다.                         

사진상의 선(예)명도에는 관계가 없지만 측량이나 천체관측에는 문제가 있기 때문에 잘 보정되어 있을 필요가 있다.  가운데 그림이 –왜곡, 맨 왼쪽것이 +왜곡

 

 Flim, CCD에 정방형의 도형이 왼쪽 두개의 모양으로 상이 맺힘

 

 

 

[5] 상면만곡수차 像面彎曲, ( Curvature Of Image Field ) :  

조금 생소한듯 한데 한자 풀이 뜻을 보면 쉬울 듯. 영상상(像), 낯면 (像), 굽을만(彎), 굽을곡(彎), 

 

평면 피사체를 평면적인 상으로 초점을 맞추지 못하는 렌즈의 결함,   피사체의 중심을 초점을 맞추면 주변이 흐려지고 주변을 맞추면 중심이 흐려진다.(렌즈를 통과한 상은 물체가 평면이더라도 만곡하여 나타나는 현상)   수평과 수직선으로 이루어진 상의 평면은평편한 면이 아니라 렌즈의표면같이 굽어져 있다.  두 평면이 떨어져 있으면 실질적인 영향을 주는 상면은 이들 사이에 놓여있고 이면 또한 보통은 굽어져 있다.  이러한 굴곡을 상면 만곡이라고 한다. 

 

 

 

 

·         비구면(非球面 )렌즈, An Aspheric lens

 

렌즈의 특성상 완벽하게 수치를 잡아줄 수 없어서 개발되어진 렌즈.   1960년대 천체 만원경의 인공적으로 합성한 소재인 ED(Extra-Low Dispertion:저분산)글래스를 카메라렌즈에 이용하게 되고 이 초분산 렌즈를 상품화 하여 나온 렌즈가 Canon사의  L Lens와 NiKon사의 ED Lens이다.              L렌즈의 L은 Luxury의 약자 혹은 비구면을 뜻 하는 Low Dispertion을 의미하며 니콘사의 ED렌즈 또한 Extra Low Dispertion 혹은 Extra Ordinary Low Dispertion를의미한다.          APO (APOchomatic)3색보정, ED, L, 등은 색수차를 보정하기 위하여 저분산 유리를 사용한 고급렌즈입니다.

 

Lens의 수차를 없에는 방법

1} 볼록렌즈 : 렌즈의 중심부보다 주변부에서 광선의 굴절이 더 큽니다. (당연한 거지만)  이는 중심부의 렌즈 표면이 주변부에 비해 평평하기 때문인데 따라서 모든 광선은 초점을 형성하면서 한 점에서 모이게 됩니다. (빛을 한곳에 모으고 )

2} 오목렌즈 : 광선이 초점을 형성하지 못하고 분산시키므로 필름상에 선명한 이미지를 형성하지 못합니다.  (빛을 확산시키고)

3} 두 렌즈의 결합 : 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 결합하면 색수차를 없애 필름상에 선명한 이미지를 형성합니다.

4}저분산그라스의 사용 (단점 가격이 매우 비싸다)

5}렌즈를 코팅 (Coating) 한다.                                                                                              가시광선은 여러 개의 파장으로 이뤄져 있는 빛이기 때문에 렌즈 표면에서의 반사를 막기위해 코팅을 한다.  코팅을 하지 않게 되면 그단적인 각도로 렌즈에 들어갈 경우 고스트영상(유령 같은 영상)이 나타날 수도 있고 렌즈를 투과 할 때 렌즈와 공기가 닿는 표면에서 일어나는 반사 때문에도 뿌연사진이 표현되기도 한다 빛의 투과율을 높이기 위해 마그네슘의 얇은 막을 여러겹(다층막:멀티코팅)으로 진공증착시킨다.

  여기 까지 제조사의 제조  방법이지만  조리개를 개방치와 완전히 조이는 방법을 피하고 Lens의 중간 부분만을 사용한다던지(위부분의 코마수차에 서술) 하는 방법들이 있다.

 

자이델의 5대수차

1950년경 자이델( Ludwig Philpp von Seidel, 1821~1896 ) 이라는 수학자며 천체 물리학자가 이론적으로 정리하고 연구하여 지금까지 렌즈와 같은 광학기기의 설계에 큰 도움을 주었다하여 영예롭게 자이델이라고 자신의 이름을 붙히게 되었다고 한다. (색수차제외)

자이델<Seidel, Ludwig Philipp von>(1821~1896)
독일의 수학자·천문학자. 1854년부터 뮌헨대학 수학 교수로 있었다. 여러 가지 항성(恒星) 및 행성(行星)의 광도(光度)에 대하여 광범위한 연구를 하였고, 광학기계에 관해서 수리적(數理的)인 많은 연구를 하여 수차론(收差論)의 시조(始祖)가 되었다. ‘자이델의 5수차(五收差)’의 연구, 불유계조건(不遊系條件)의 연구는 오늘날까지도 광학기계의 설계에 중요한 역할을 하고 있다. 주요저서로 《Untersuchungen 웑er die gegenseitigen Helligkeiten der Fixsterne etc.》(1852) 《Untersuchungen 웑er die Lichtkr둭te der Planeten Venus, Mars, Jupiter und Saturn》(56) 등이 있다