전통적인 렌즈 설계 방식의 틀을 깨다

아크로매틱 렌즈는 광학 부품 중에서도 가장 흔히 사용되는 부품에 속합니다. 일반적으로 이 렌즈는 색 수차를 보정하고 최소 두 개의 파장광이 공통 지점에서 초점을 맺도록 하기 위해 두 개의 광학 요소가 서로 접합되어 있는 구조를 이룹니다. 단일 소재의 비구면 아크로매틱 렌즈는 새로운 유형의 렌즈로서 색 수차 교정 성능을 제공하기 위해 다양한 소재를 사용하는 대신 독특한 기하학적 구조를 적용하여 기존의 틀을 깨트리는 방식으로 제작됩니다. 또한 여러 개의 소재를 접합해야 하는 접착식 구조가 아니기 때문에 일반적인 아크로매틱 렌즈보다 대역폭이 더 넓으며, 복수의 소재 간에 열팽창 계수(CTE)가 존재하지 않아 고출력 레이저와의 호환이 가능합니다.

기존의 틀을 벗어난 제조 방식

아크로매틱 렌즈는 일반적으로 굴절률이 낮은 positive crown glass와 굴절률이 높은 negative flint glass의 두 가지 광학 요소가 서로 접합되어 있는 구조를 이룹니다. 단일 소재의 비구면 아크로매틱 렌즈는 혁신적이면서도 복잡한 비구면 형상으로 설계되어 여러 개의 소재를 사용해야 하는 필요성을 없애줍니다(그림 1).

그림 1: MATLAB으로 생성된 단일 소재 비구면 아크로매틱 렌즈의 레이아웃. 렌즈 구경의 절반만 그림으로 표현됨.

광학 설계 프로그램인 Zemax OpticStudio® 및 Synopsis’ Code V 등은 복잡한 비구형 표면을 명확하게 설계할 수 있는 능력이 부족했기 때문에 이러한 렌즈를 설계하고 최적화하기 위해서는 맞춤형 광학 디자인 코드를 개발할 필요가 있었습니다. 맞춤형 MATLAB 코드는 일반적으로 허용되는 비구면 표면의 수학적 표현을 제약하지 않음으로써 훨씬 더 높은 설계 자유도를 특징으로 합니다. 맞춤형 코드 개발과 관련된 보다 자세한 사항은 SPIE LASE 2020에서 발행한 컨퍼런스 자료를 통해 확인할 수 있습니다.¹

단일 소재 비구면 아크로매틱 렌즈의 이점

단일 소재로 구성된 비구면 아크로매틱 렌즈는 복수의 소재로 가공되는 기존의 아크로매틱 렌즈에 비해 더 많은 이점을 가지고 있습니다. 아크로매틱 렌즈의 경우 다른 대역 내 파장의 색 확산을 최소화하는 광축의 한 지점에서 다중 파장의 초점을 맞추는 것이 대개는 바람직함에 따라 색 초점 이동을 최소화하는 것이 무엇보다 중요한 관심사입니다. 그림 2는 단일 소재의 아크로매틱 렌즈와 동급의 이중 렌즈에서 색 수차로 인해 발생하는 각각의 공칭 초점 이동을 통해 광축 상에서 단일 소재의 아크로매틱 렌즈가 기존의 이중 렌즈보다 성능이 뛰어남을 보여줍니다.

그림 2: 100mm 초점 거리에 0.097 NA를 갖는 단일 소재 아크로매틱 렌즈의 색 초점 이동 공칭값은 10 µm로서 100mm 초점 거리에 0.013 NA를 갖는 아크로매틱 이중 렌즈(#32-327)의 색 초점 이동 공칭값인 200µm보다 20배가 개선됨.

단일 소재 아크로매틱 렌즈는 여러 소재를 접합하기 위한 광 접착제가 필요하지 않아 복수의 소재로 가공되는 기존의 아크로매틱 렌즈에 비해 고출력 레이저와의 호환성이 높습니다. 일반적으로 접착제의 레이저 손상 임계치(LIDT)는 기존의 아크로매틱 이중 렌즈에 대한 레이저 손상 임계치를 제한하는 요인으로 작용합니다.²

비접착 방식의 아크로매틱 렌즈는 여러 소재 간의 열팽창 계수가 존재하지 않음으로써 열적 안정성이 더욱 뛰어납니다. 기존의 아크로매틱 이중 렌즈를 구성하는 Crown과 flint 유리 사이의 열팽창 계수 차이는 열로 인한 응력과 디포커스를 유발하기도 합니다.

제조상의 당면 과제

단일 소재 아크로매틱 렌즈는 독특한 구조적 특성 때문에 기타 유형의 광학 부품보다 제조상 더 많은 어려움이 따릅니다. 에드몬드 옵틱스는 흔히 사용되는 광학 플라스틱 소재인 Zeonex E48R을 다이아몬드로 선삭 가공하여 단일 소재 아크로매틱 렌즈를 제조합니다. 다이아몬드 선삭 가공법을 이용하면 게르마늄과 실리콘 등의 기타 소재로도 단일 소재 아크로매틱 렌즈를 생산할 수 있습니다.

이와 같이 렌즈를 원하는 모양으로 가공하기 위해서는 기존의 연삭연마 기법보다 다이아몬드 선삭 기법으로 제조하는 것이 더욱 바람직합니다. 렌즈의 전면과 후면 사이의 정렬을 세밀하게 조정하기 위해서는 반복 작업이 필요하기도 합니다. 이처럼 정교한 작업은 평평한 고리 모양의 영역과 외부 직경을 포함한 다이아몬드 선삭 가공이 이루어지는 기준점에서 움직임이 일어나는 위치와 형상 측정 데이터를 피드백 루프로 순환 반복해가며 달성됩니다.¹

실제 성능 테스트

단일 소재로 제조된 아크로매틱 렌즈의 실제 성능이 공칭 성능과 얼마나 근접하게 일치하는지를 평가하기 위해 Optikos MTF 테스트 벤치와 일련의 10nm 대역폭 광학 필터를 사용해 450-650nm의 각기 다른 파장에서 최적의 초점 위치를 측정하는 방식으로 18개 샘플 렌즈의 색 초점 이동을 알아냅니다(그림 2). 해당 테스트에 관한 전체 내용은 SPIE LASE 2020 컨퍼런스 자료에서 확인할 수 있습니다.¹

18개의 단일 소재 비구면 아크로매틱 렌즈 샘플이 보여준 색 초점 이동값의 범위는 49 - 75µm로 나타났습니다. 참고로 그림 2에 있는 동급의 아크로매틱 이중 렌즈는 동일한 방식으로 측정이 되었으며 약 210µm의 색 초점 이동이 발생하였습니다. 단일 소재 아크로매틱 렌즈는 제조상의 공차로 인해 공칭 성능과 비교 시 약간의 성능 저하가 있었지만, 성능면에서 기존의 아크로매틱 이중 렌즈보다 3배 가량 크게 앞섰습니다(그림 3).

그림 3: 18개의 각기 다른 단일 소재 아크로매틱 렌즈와 일반적인 아크로매틱 이중 렌즈의 색 초점 이동 측정값을 비교한 것으로서 색 초점 이동이 단일 소재 아크로매틱 렌즈에서 현저히 낮음을 알 수 있음