Resolution 및 Contrast의 한계: The Airy Disk

이 페이지는 Imaging Resource Guide의 단원 2.5입니다.

빛이 임의의 크기를 가진 aperture를 통과하면 (모든 렌즈는 finite aperture를 갖고 있음), diffraction이 발생합니다. 이로 인한 가운데의 밝은 부분인 diffraction pattern은 그 주변부의 강도가 점차 감소되는 일련의 concentric ring과 결합해 Airy Disk라 부릅니다(그림 1 참조).

이 패턴의 지름은 조명광의 wavelength (λ) 및 circular aperture의 크기와 관련되어 있는데 Airy Disk가 광선의 초점을 맞출 수 있는 가장 작은 지점이기 때문에 중요합니다. 피사체의 서로 다른 디테일에 초점을 맞춘 Airy 패턴이 가까이 근접함에 따라 이들은 중첩되기 시작합니다(refer to our application note Contrast for more information). 그림 1에서와같이 중첩된 패턴이 contrast를 감소시키기에 충분한 구조적인 간섭을 일으키면 결국은 서로 구분할 수 없게 됩니다. 그림 2.5에서는 f/2.8로 설정된 렌즈와 f/8로 설정된 렌즈에서 스폿 사이즈의 차이를 보여 줍니다.

픽셀 크기가 계속 작아지면서 이 효과는 더 큰 문제가 되며 결국은 극복하기가 매우 어렵게 됩니다. Airy Disk 또는 최소 스폿 사이즈는 f/#와 μm 단위의 파장을 이용해 계산할 수 있습니다.

(1)$$ \text{최소 스폿 사이즈 (Airy Disk 직경) [} \large{\unicode[arial]{x03BC}} \text{m]} = 2.44 \cdot \lambda \left[ \large{\unicode[arial]{x03BC}} \text{m} \right] \cdot f/ \# $$

$Diffraction Increases as the Imaging Lens Iris is Closed$

그림 1: 이미징 렌즈 조리개가 닫히면 (f/# 증가) diffraction이 증가합니다.

표 1에서는 녹색광(520nm 또는 0.520μm)을 이용해 서로 다른 f/#에 대해 계산한 Airy Disk 지름을 보여 줍니다. 가장 작은 감지 가능한 스폿 사이즈는 금방 작은 픽셀 크기를 초과할 수 있습니다. 이로 인해 사용 가능한 수준의 contrast를 가진 센서의 최대 분해능을 산출하는 데 어려움이 따릅니다. 게다가, 이것은 어떠한 렌즈 설계상의 제한 요소나 렌즈 부품 및 광학 어셈블리의 제작에 관련된 생산 오차도 감안하지 않은 것으로서 물리적으로 감지 가능한 가장 작은 스폿을 만드는 능력의 저하로 이어져 resolution 및 contrast 수준 감소를 유발할 수 있습니다.