Aspheric Lenses의 모든 것
시작: Aspheric Lens의 장점
Spherical Aberration 보정
aspheric lenses의 가장 주목할 만한 장점은 spherical aberration 보정 능력입니다. Spherical aberration은 빛의 초점을 모으거나 집광을 위해 구면을 사용하는 데서 발생합니다. 다시 말해, 모든 spherical surfaces는 생산 오류와 상관 없이 spherical aberration이 발생하며 따라서 이를 보정하기 위해 non-spherical 또는 aspheric surface가 필요합니다. conic constant와 aspheric coefficients를 조절함으로써 aspheric lens를 aberrations을 최대한 상쇄하도록 최적화할 수 있습니다. 예를 들어, 사실상 spherical aberration이 전혀 발생하지 않는 aspheric lens에 비해 상당한 spherical aberration이 발생하는 spherical lens를 보여 주는 그림 1를 검토해 보십시오. spherical lens에서는 spherical aberration으로 인해 입사광의 초점이 다른 지점에 맺힘으로서 희미하게 보입니다. aspheric lens에서는 빛이 한 점에 초점이 맺힘으로써 희미한 부분이 생기지 않으며 이미지 품질이 개선됩니다.
aspheric lens와 spherical lens 사이의 focusing 성능 차이를 더 잘 이해하려면 25mm diameters와 25mm focal lengths(f/1 lenses)를 갖는 두 개의 비슷한 렌즈의 정량적 사례를 검토해 보십시오. 다음 표에서는 on-axis (0° object angle) 및 off-axis (0.5° 및 1.0° object angles)에서 집광된 587.6nm의 monochromatic light rays의 spot size 또는 blur size를 비교합니다. Asphere에서의 spot size는 spherical lens의 경우보다 몇 배나 작습니다.
그림 1: Aberration이 생기지 않는 Aspheric Lens에 비해 Spherical Aberration이 발생하는 Spherical Lens
| Object Angle (°) | 0.0 | 0.5 | 1.0 |
| Spherical Spot Size (μm) | 710.01 | 710.96 | 713.84 |
| Aspheric Spot Size (μm) | 1.43 | 3.91 | 8.11 |
기타 성능 상의 장점
spherical surfaces에 의해 유발되는 aberration을 보정하기 위한 다양한 기법이 존재하지만 aspheric lens가 제공하는 이미징 성능과 융통성에 필적할 만한 것은 없습니다. 사용하는 또 다른 기법으로는 렌즈의 "stopping down"을 통해 f/#를 늘리는 것이 포함됩니다. 이를 통해 이미지 품질을 높일 수 있긴 하지만 시스템의 light throughput을 줄여 두 가지 효과가 상쇄됩니다.
한 편, aspheric lenses를 사용하면 추가적인 aberration 보정을 통해 우수한 이미지 품질을 유지함과 동시에 high throughput (low f/#, high numerical aperture) 시스템을 설계할 수 있습니다. 높은 throughput의 디자인에서 발생하는 이미지 품질 저하는 약간의 이미지 품질이 저하되더라도 spherical system보다 성능이 우수하기 때문에 감수할 수 있습니다. 모두 spherical surfaces로 구성된 81.5mm focal length, f/2 triplet lens (그림 2)와 첫 번째 표면만 aspheric을 사용한 동일한 triplet을 고려해 보겠습니다. 여기에서 두 렌즈의 glass types, effective focal length, field of view, f/#, 그리고 전체 시스템 길이는 동일하게 설계되어 있습니다. 다음 표에서는 486.1nm, 587.6nm, 그리고 656.3nm 파장에서 on-axis 및 off-axis collimated, polychromatic light rays의 20% contrast에서의 modulation transfer function (MTF)을 정량적으로 비교합니다. aspheric surface가 있는 triplet lens에서는 모든 field angles의 이미징 성능이 향상되어 spherical surfaces만 있는 triplet에 비해 tangential 및 sagittal resolution values가 4배 가량 높습니다.
그림 2: Triplet Lens를 통과하는 Polychromatic Light
| Object Angle (°) | 모두 Spherical Surfaces | 첫 번째 표면이 Aspheric | ||
|---|---|---|---|---|
| Tangential (lp/mm) | Sagittal (lp/mm) | Tangential (lp/mm) | Sagittal (lp/mm) | |
| 0.0 | 13.3 | 13.3 | 61.9 | 61.9 |
| 7.0 | 14.9 | 13.1 | 31.1 | 40.9 |
| 10.0 | 17.3 | 14.8 | 36.3 | 41.5 |
System Advantages
A시스템에 주는 혜택
Aspheric lenses는 여러 면의 spherical optics를 사용하는 것보다 더 많은 aberration 보정 효과를 주기 때문에 광학 디자이너들이 통상적인 spherical optics에 비해 적은 수의 elements를 사용해 aberration을 보정할 수 있게 해 줍니다. 예를 들어, 일반적으로 10개 이상의 elements가 사용되는 zoom lenses에서 한 손 가득한 spherical lenses를 한두 개의 aspheric lenses로 대체해 비슷하거나 보다 나은 광학 결과를 얻고, 전체 제작 비용을 절감하면서 시스템 크기도 줄일 수 있습니다.
광학 시스템의 elements 수가 많아지면 광학 및 기계적 매개변수 모두에 부정적인 영향을 주어 mechanical tolerances 가격이 높아지고 alignment 절차가 추가되고 anti-reflection 코팅 요건이 까다로워집니다. 이 모든 것들이 필연적인 지원 부품 수 증가때문에 전체 시스템 효용성을 크게 저하시킬 수 있습니다. 결과적으로 aspheric lenses는 유사한 f/# singlet 및 doublet lenses에 비해 가격이 높은데도 불구하고 전체 시스템 디자인 비용은 사실상 낮출 수 있습니다.
ACHROMATIC LENS의 구조
Asphere라는 용어는 sphere에 속하지 않는 모든 것을 뜻하지만, 여기에서는 렌즈의 중심에서부터 방사상으로 다양한 곡률반경을 갖고 있는 회전축에 대칭적인 광학 제품인 asphere의 한 종류만 다룹니다. Aspheric lens는 이미지 품질을 향상시키고 필요한 element 수를 줄여주며 광학 디자인 비용을 낮춰 줍니다. 디지털 카메라와 CD 플레이어부터 고성능 microscope objectives와 fluorescence microscopes에 이르기까지 aspheric lenses는 전통적인 spherical optics에 비해 이 제품이 제공하는 고유의 장점으로 인해 광학 기기, 이미징 및 photonics 업계의 모든 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.
Aspheric lenses는 전통적으로 공식 1에 의해 주어지는 표면 프로파일(sag)로 정의되어 왔습니다.
이 때,
A4, A6, A8...= 4번째, 6번째, 8번째… 순서의 aspheric 값
aspheric coefficients가 영이면 aspheric surfac Z = optical axis에 평행한 표면의 sag
s = optical axis로부터의 radial distance
C = curvature, radius에 반비례
k = conic constant
e는 원뿔로 간주됩니다. 다음 표에서는 conic constant k의 크기와 부호에 따라 실제 원뿔 표면이 어떻게 생성되는지 보여 줍니다.
| Conic Constant | 원뿔 표면 | |
|---|---|---|
| k = 0 | 구 |  |
| k > -1 | 타원 |  |
| k= -1 | 포물선 |  |
| k < -1 | 쌍곡선 |  |
aspheric lenses의 가장 독특한 형태는 반경이 일정한 구와 달리 radius of curvature가 optical axis로부터의 거리에 따라 변화하는 것입니다(그림 3). 이 독특한 모양으로 인해 aspheric lenses는 표준 구면 렌즈의 표면에 비해 개선된 광학 성능을 제공합니다.
그림 3: Spherical 및 Aspheric Surface Profiles 비교
지난 수년간 orthogonal terms을 사용하는 두 가지 새로운 개념이 Q-type asphere라 불리면서 인기를 끌었습니다. 이 Q-type asphere에 속하는 Qcon과 Qbfs는 디자이너들이 orthogonal coefficient(수직교계수)를 이용해 asphere 최적화를 보다 자유롭게 수행하고 일반적으로 asphere 생산 소요 기간을 단축할 수 있게 해 줍니다.
제작 방법은? ASPHERE 종류
정밀 유리 몰딩
정밀 유리 몰딩은 optical glass cores를 aspheric mold에 넣어 누를 수 있을 정도로 표면이 부드러워질 때까지 높은 온도로 가열하는 제조 기법의 한 종류입니다(그림 4). cores를 실내 온도로 냉각시키고 나면, mold의 형태가 유지됩니다. 몰드를 제작하는 일은 높은 초기 비용이 필요합니다. 이는 매끄러운 표면을 유지할 수 있도록 몰드를 아주 내구성 있는 소재로 정밀하게 만들어야 하고, 원하는 aspheric 형태를 얻으려면 glass cores의 수축을 감안해야 하기 때문입니다. 하지만, 몰드가 일단 완성되면, 각각의 렌즈에 대한 추가 비용이 표준 생산 기법에 비해 낮으므로 이는 대량 생산 용도에 아주 좋은 옵션입니다.
그림 4: 정밀 유리 몰딩 플랫폼
정밀 연마
여러 해 동안 machined aspheric lens는 렌즈 연마 및 광택 작업을 수행할 때 한 번에 한 개씩만 가능했습니다. Machined asphere의 개별 생산 공정은 크게 바뀌지 않았지만, 제조 기술이 크게 발전하면서 최근 이 생산 기술에서 달성 가능한 정확도가 높아졌습니다. 가장 주목할 만한 것은 computer controlled precision polishing (그림 5) 기능이 더 많은 polishing이 필요한 high spot들을 제거할 수 있도록 tool dwell 매개변수를 자동 조절한다는 것입니다. 고품질 polishing이 필요하면 표면 마감 처리를 위해 magneto-rheological finishing (MRF)을 사용합니다(그림 6). MRF 기술은 정교한 제거 위치 제어와 높은 제거 속도로 인해 표준 polishing 기법에 비해 짧은 시간에 고성능 마감 처리를 제공합니다. 다른 생산 기법에는 일반적으로 렌즈별로 고유한 특수 몰드가 필요하지만, polishing은 표준 세공 방식을 사용하기 때문에 원형 제작 및 소량 생산을 위한 기본 옵션으로 널리 채택되고 있습니다.
그림 5: Computer Controlled Precision Polishing
그림 6: Magneto-Rheological Finishing (MRF)
Hybrid Molding
Hybrid molding은 achromatic lens와 같은 표준 spherical surface에서 시작한 뒤 aspheric mold에 들어 있는 photopolymer 박막에 대고 눌러 aspheric surface를 형성합니다. 이 기법에서는 diamond 연마 aspheric 몰드와 glass achromatic lens(다른 유형의 singlet 또는 doublet lenses도 사용할 수는 있음)를 사용합니다. aspheric mold에 photopolymer를 주입한 뒤 achromatic lens를 대고 누릅니다. 두 개의 면이 압축되고 실온에서 UV를 이용해 경화시켜 구성 부품들의 광학 특성인 chromatic 및 spherical aberration 보정 기능이 결합된 aspherized achromatic lens 를 형성합니다. 그림 7에서는 hybrid lens 제작 과정을 보여 줍니다. Hybrid molding은 특별한 성능이 필요하고 수량이 초기 압형 제작 비용을 상쇄하고 남을 정도의 대량인 정밀 제품의 대량 생산에 유용합니다. aspherized achromatic lenses를 제작하는 hybrid process에 대한 자세한 내용을 보려면 Achromatic Lens를 사용하는 이유는 무엇일까요?를 참조하십시오.
그림 7: Hybrid Molding 기법
Plastic Molding
앞서 언급한 glass 생산 기법 이외에 플라스틱용의 독특한 기법이 존재합니다. Plastic molding에는 융용 플라스틱을 aspheric mold에 주입하는 단계가 들어 있습니다. 플라스틱은 유리만큼 열적으로 안정되어 있거나 압력에 잘 견디지 못하기 때문에 유사한 성능의 aspheric lens를 만들려면 특수 처리를 거쳐야 합니다. 하지만 플라스틱은 가볍고 쉽게 주조할 수 있으며 마운트에 결합해 단일 피스를 만들 수 있다는 점에서 장점을 갖고 있습니다. 광학용으로 적합한 품질의 플라스틱 선택에 제한이 따르긴 하지만 비용과 무게에 있어서의 장점으로 인해 플라스틱 aspheric lenses 디자인을 선택하곤 합니다.
ASPHERE 렌즈 종류별 장점
모든 용도에 동일한 렌즈 성능이 필요하진 않기 때문에 적절한 aspheric lens를 선택하는 것은 중요한 결정입니다. 고려해야 할 핵심 요소로는 프로젝트 스케줄, 전반적인 성능 요건, 예산, 그리고 예상되는 수요가 포함됩니다.
많은 용도에 기성품 aspheric lens가 완벽히 들어맞기 때문에 주문 즉시 제품을 받아볼 수 있다는 장점이 있습니다. 때로는 AR 코팅이나 지름 축소와 같은 작업을 통해 이들 표준 aspheric lens를 쉽고 빠르게 수정해 표준 상품에 가까운 요구 사항들을 해결할 수 있습니다. 기성품이 충분하지 않을 경우 원형, 시제품 생산 또는 대량 생산 용도를 위한 맞춤형 aspheric 생산을 고려해 보십시오.
| 유형 | 유형 |
|---|---|
| 정밀 유리 몰딩 | 많은 렌즈의 신속한 제작 및 낮은 압형 유지 비용으로 인해 대량 제작 요건에 적합합니다. |
| 정밀 연마 | 짧은 리드 타임, 최소한의 특수 압형 및 설치로 인해 원형 제작 또는 소량 제작에 적합합니다. |
| Hybrid Molded | Spherical 및 chromatic aberration 모두의 보정이 가능해 복수 스펙트럼 용도에 적합합니다. |
| Plastic Molded | Glass aspheric lenses의 가볍고 저렴한 대안으로서 대량 생산에 적합합니다. |
Aspheric Lenses 생산 규격
| Commercial | Precision | High Precision | |
|---|---|---|---|
| Diameter | 10 - 150mm | 10 - 150mm | 10 - 150mm |
| Diameter Tolerance | +0/-0.100mm | +0/-0.025 | +0/-0.010 |
| Asphere Figure Error (P - V) | 3μm | 1μm | <0.06μm* |
| Vertex Radius (Asphere) | ±0.5% | ±0.1% | ±0.05% |
| Sag | 25mm max | 25mm max | 25mm max |
| Typical Slope Error | 1μm per 1mm window | 0.35μm per 1 mm window | 0.15μm per 1 mm window |
| Centering (Beam Deviation) | 3 arcmin | 1 arcmin | 0.5 arcmin |
| Center Thickness Tolerance | ±0.100mm | ±0.050mm | ±0.010mm |
| Surface Quality (Scratch Dig) | 80-50 | 40-20 | 10-5 |
| Aspheric Surface Metrology | Profilometry (2D) | Profilometry (2D & 3D) | Interferometry |
* 632.8nm에서 1/10th wave, 디자인 및/또는 계측 기술에 의해 제한됨
ASPHERIC LENS 선택 안내
| Aspheric Lens Selection Guide | |
| Precision Polished Aspheric Lenses | |
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정밀 연마한 aspheric lenses는 아주 까다로운 용도에도 꼭 맞습니다. 높은 numerical aperture를 제공하면서 diffraction-limited spot size를 생성하도록 디자인되어 있습니다.
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| Precision Molded Aspheric Lenses | |
 Precision molded ashperic 렌즈는 laser diode collimation, bar code scanner, optical dat storage와 같은 대량 작업에 적합합니다.
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| Color-Corrected Aspheric Lenses | |
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구면과 색의 왜곡을 보정한 다양한 계열의 비구면 렌즈를 취급합니다. 이러한 렌즈는 전범위의 파장에 걸쳐서 near-diffraction limited focusing 성능을 요하는 용도에 적합합니다.
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| Infrared Aspheric Lenses | |
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MWIR Quantum Cascade Lasers를 위한 소형의 몰딩 비구면, Germanium과 Zinc Selenide 계열의 비구면 제품들과 같이 전체 Infrared 스펙트럼에 대한 솔루션을 제시해 드립니다.
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