광학 렌즈 기하학 이해하기

스넬의 법칙 | 용어 | 렌즈 형태

광학 렌즈는 빛을 제어하는 광학 설계에 있어서 가장 중요한 도구입니다. 광학 설계자들이 광학 렌즈에 대하여 이야기할 때, 그들은 단일 렌즈 또는 여러 개의 렌즈가 결합된 렌즈 어셈블리를 언급합니다(그림 1). 단일 (single) 렌즈 element의 예로는 plano-convex (PCX) lenses, double-convex (DCX) lenses, aspheric lenses 등이 있으며, 어셈블리 렌즈의 예로는 telecentric imaging lenses, infinity-corrected objectives, beam expanders 등이 있습니다. 각각의 결합은 렌즈 element의 나열로 구성되며, element마다 각각의 방향대로 빛을 제어하는 특정한 형태의 렌즈를 가지고 있습니다.

Plano-Convex Lens and Telecentric Imaging Lens

그림 1: Plano-Convex Lens (왼쪽의 단일 element)와 Telecentric Imaging Lens (오른쪽의 결합 element)

스넬의 굴절의 법칙

각각의 렌즈 기하학에 대하여 탐구하기 전에, 굴절을 이용해 어떻게 광학 렌즈가 빛을 구부리는지에 대한 특성을 고려해야 합니다. 굴절은 빛이 매질로 입사하거나 나올 때 일정량이 벗어나는 것을 의미합니다. 이러한 편차는 매질의 굴절률을 의미하며 빛의 각도는 일반적인 경계면에서 발생합니다. 이러한 특성을 스넬의 굴절의 법칙이라고 하며 (공식 1) $ \small{n_1} $은 입사되는 매질의 값이며, $ \small{\theta_1} $은 입사각을 의미합니다. $ \small{n_2} $는 굴절되는 매질의 값이며, $ \small{\theta_2} $는 굴절된 광선의 각도를 의미합니다. 스넬의 법칙은 두 가지 다른 매질 사이를 빛이 이동할 때 입사각과 투과각 사이의 관계를 설명합니다(그림 2).

(1)$$ n_1 \, \sin{\left( \theta_1 \right)} = n_2 \, \sin{\left( \theta_2 \right)} $$

$Snell's Law of Refraction$

그림 2: 스넬의 굴절의 법칙

광학 렌즈 용어

모든 광학 렌즈는 스넬의 굴절의 법칙을 따릅니다. 결과적으로 광학 렌즈의 형태가 빛이 광학 element로 어떻게 전파되는지를 결정합니다. 광학 렌즈의 사양에서 사용되는 용어를 이해하기 위해서 10개의 일반적인 용어를 고려해야 합니다(표 1). 더 많은 자세한 정의와 추가적인 용어 목록을 보시려면, 당사의 용어 정리를 참고하십시오.

약어	정의
일반적인 광학 렌즈 용어
$ \small{D} $, Dia.	Diameter (지름) – 렌즈의 물리적인 사이즈.
$ \small{R, R_1, R_2} $, etc.	Radius of Curvature (곡률 반경) – 꼭지점에서부터 곡면의 중심까지의 직선거리.
$ \small{\text{EFL}} $	Effective Focal Length (유효 초점 거리) – 광학 렌즈의 principle plane에서부터 이미지면 까지 거리로서 광학적으로 측정된 값.
$ \small{\text{BFL}} $	Back Focal Length (후초점 거리) – 광학 렌즈의 끝면과 이미지면 사이의 거리로서 기계적으로 측정된 값.
P, P"	Principle Plane – 입사된 빛이 굴절 때문에 꺾이게 되는 가상의 면. EFL은 principle plane의 위치에서부터 정의됨.
$ \small{\text{CT, CT}_1, \text{CT}_2} $, etc.	Center Thickness (중심 두께) – 주된 면의 위치에서부터 element 끝까지의 거리.
$ \small{\text{ET}} $	Edge Thickness (가장자리 두께) – 반지금, 지름 그리고 렌즈의 중심 두께에 따라 계산된 값.
$ \small{d_b} $	Entrance Beam Diameter (입사빔의 지름) – axicon으로 들어오는 평행한 빛의 지름.
$ \small{d_r} $	Exit Beam Diameter (출사빔의 지름) – axicon에서 나오는 링모양 빛의 지름.
$ \small{L}$	Length (길이) – cylindrical element(예: cylinder lens)의 끝에서 끝까지의 물리적 거리 또는 axicon의 꼭대기에서 work piece까지의 거리.

광학 렌즈 기하학

표 1의 일반적인 용어를 사용하면, 각각의 단일 렌즈 element의 기술적인 수치를 쉽게 이해할 수 있습니다. 표 2에서는 가장 일반적으로 사용되는 광학용 렌즈 10개와 그것의 일반적인 용도에 대해 보여줍니다. 광학 기술이 진보함에 따라, focus-tunable lens 같은 추가적인 단일 렌즈와 telecentric lens 같은 어셈블리 렌즈는 광학 설계를 위한 도구로서의 가치가 더욱 높아지고 있습니다. telecentric lens에 대해 더 배우고 싶으시다면, Telecentricity의 이점을 참고하시기 바랍니다.

일반적인 광학 렌즈 기하학
Plano-Convex (PCX) Lens \| 제품 보기
평면-볼록 렌즈. 단색광 조명을 이용하는 collimation 및 focusing 용도에 이상적입니다. 참고: 성능의 최적화를 위해 PCX len의 볼록면이 광원을 향해야 합니다.

Double-Convex (DCX) \| 제품 보기
이중-볼록 렌즈. image relay용 및 close conjugates에서의 피사체 이미지 처리용으로 적합합니다. 참고: conjugate 비율이 증가함에 따라 수차가 증가하게 됩니다.

Plano-Concave (PCV) Lens \| 제품 보기
평면-오목 렌즈. 1개의 평면 및 1개의 오목면으로 이루어져 있습니다. beam expansion, light projection 그리고 광학 시스템의 초점 거리 확장용으로 적합합니다.

Double-Concave (DCV) Lens \| 제품 보기
이중-오목 렌즈. 안쪽으로 향하는 2개의 동일한 오목면으로 이루어져 있습니다. beam expansion, light projection 그리고 광학 시스템의 초점 거리 확장용으로 적합합니다.

Positive Achromatic Lens \| 제품 보기
양의 무색 렌즈. PCX 또는 DCX 렌즈와 비슷한 기능을 하지만 더 작은 spot 사이즈와 우수한 이미지 품질을 제공합니다. Achromatic lens는 구면 및 색수차를 줄여주는 데 사용됩니다. Negative 버전은 빛을 분산시키는 데 사용 가능합니다. 더 많은 정보를 보시려면, Achromatic Lens를 사용하는 이유를 참고하십시오.

Aspheric Lens \| 제품 보기
비구면 렌즈. 레이저 focusing 또는 시스템에서 여러 개의 구면 렌즈를 대신하는 데 이용됩니다. 또한, 구면 수차를 없애거나 다른 수차들을 줄이는 데도 사용됩니다. 더 많은 정보를 보시려면, Aspheric Lens에 대한 모든 것을 참고하십시오.

Positive Cylinder Lens \| 제품 보기
양의 실린더 렌즈. 입사광을 하나의 라인에 초점을 맞추거나 이미지의 aspect 비율을 변경하는 데 이상적입니다. Negative 버전 또한 사용 가능합니다.

Plano-Convex (PCX) Axicons \| 제품 보기
평면-볼록 액시콘. 레이저 빛을 일정한 두께의 링모양으로 초점을 맞추는데 이상적입니다. 참고: apex angle이 작아질수록 더 큰 링을 형성합니다. 더 많은 정보를 보시려면, Axicon 자세히 알아보기를 참고하십시오.

(Full) Ball Lens \| 제품 보기
볼 렌즈. fiber coupling, 내시경, 바코드 스캔 용도에 적합합니다. Half ball lens 또한 사용 가능합니다. 더 많은 정보를 보시려면, Ball Lens 이해하기를 참고하십시오.

Rod Lens \| 제품 보기
로드 렌즈. fiber coupling 및 내시경 용도에 적합합니다. 45° 버전 또한 사용 가능합니다.

광학 렌즈는 plano-convex (PCX)부터 aspheric까지 다양한 모양과 사이즈로 제공됩니다. 각각의 렌즈의 장점과 단점을 아는 것은 목적에 맞는 광학 제품을 선택하는 데 있어 아주 중요합니다. 광학 렌즈 기하학을 이해하는 것은 광학적 설계에 맞는 최적의 광학 렌즈를 선택하기 위해 초보자부터 전문가까지 누구에게나 도움이 됩니다.