Achromatic Lens를 사용하는 이유는 무엇일까요?

ACHROMATIC LENS의 구조

Achromat으로도 부르는 achromatic lens는 대개 positive low-index (crown) element 및 negative high-index (flint) element가 결합된 두 개의 광학 부품으로 구성됩니다. 간단히 말해 한 조각의 glass로만 구성되는 singlet lens 또는 singlet에 비해 doublet 디자인 사용에 따라 추가 디자인이 가능해 성능을 더욱 최적화할 수 있습니다. 따라서, achromatic lens는 유사한 지름 및 초점 길이를 갖고 있는 singlet에 비해 많은 이점을 갖고 있습니다.

achromatic lens는 다양한 구성으로 제공되며 가장 눈에 띄는 것은 positive, negative, triplet, 그리고 aspherized 제품입니다. doublet (2 elements) 또는 triplet (3 elements)일 수 있으며 elements 수는 렌즈가 보정하는 rays 수와는 관계가 없다는 점을 유념해야 합니다. 다시 말해, achromatic lens는 가시 파장의 적색 및 청색을 보정하도록 설계되었으며, 이는 doublet 구성인지 아니면 triplet 구성인지와는 상관이 없습니다. 각 유형에 대한 설명은 그림 1 — 4를 참조하십시오.

그림 1: Positive

그림 2: Negative

그림 3: Triplet

그림 4: Aspherized

Aspherized Achromatic Lens 탐구

Aspheric lens의 탁월한 이미지 품질과 achromatic lens에서의 정교한 color 보정을 연결하는 새로운 기술이 여기 있습니다. aspherized achromatic lens는 chromatic 및 spherical aberrations에 대한 뛰어난 보정 기능을 갖고 있는 비용 대비 효과적인 제품으로서 오늘날의 광학 및 영상 시스템에 필요한 엄격한 이미징 요건을 충족시키는 경제적인 방법을 제공합니다. Relays, condensing systems, high numerical aperture imaging systems, 그리고 beam expanders는 aspherized achromatic lens를 사용할 때 성능이 향상될 수 있는 렌즈 디자인의 일부 사례에 지나지 않습니다. 그림 5와 6에서는 achromatic lens를 aspherized achromatic lens와 비교합니다. 그림 5에서는 #45-209 12.5mm Diameter 14mm Focal Length TECHSPEC® Achromatic Lens의 modulation transfer function (MTF) 및 transverse ray fan aberration 도표를 보여 주며 그림 6에서는 #49-658 12.5mm Diameter 14mm Focal Length TECHSPEC® Aspherized Achromatic Lens에 대한 동일한 도표를 보여 줍니다. aspherized achromatic 디자인에서는 resolution 성능이 훨씬 좋아짐을 쉽게 알 수 있습니다.

그림 5: Achromatic Lens의 MTF 및 Transverse Ray Fan Aberration 도표

그림 6: Aspherized Achromatic Lens의 MTF 및 Transverse Ray Fan Aberration 도표

Aspherized achromatic lens는 photosensitive polymer와 결합된 glass optical lens elements로 제작됩니다. polymer는 doublet의 일면에만 적용되며 일반적인 multi-element components와 관련된 융통성을 제공함과 동시에 짧은 시간 안에 쉽게 복제할 수 있습니다. 하지만 glass element와 달리 aspherized achromatic lens는 작동 온도 범위가 -20°C부터 80°C까지로 비교적 좁습니다. 이 온도 범위는 aspherized achromat 표면에서의 Anti-Reflection (AR) Coatings 가능성도 제한합니다. aspherized achromatic lens 소재는 Deep-UV (DUV) transmission을 차단하기 때문에 일부 용도에는 적합하지 않습니다. 스크래치에 대한 내성은 없지만 이 렌즈는 비용 대비 효과적이며 교체하기도 간단합니다. 기술상의 이점은 상당합니다. 그림 7에서는 생산 공정을 보여 줍니다.

Diamond 연마 Aspheric 몰드 및 Achromatic Lens

Photopolymer 주입

Achromatic Lens 압축 및 UV 경화

마감 처리한 Aspherized Achromatic Lens

그림 7: Aspherized Achromatic Lens 생산

주목할 만한 성능 상의 특징

향상된 Polychromatic 이미징

achromatic lens는 multi-color "white light" imaging을 위한 단순한 렌즈에 비해 훨씬 우수합니다. achromatic lens("색깔이 없는 렌즈")를 구성하는 2개의 element는 함께 쌍을 이루어 유리 특유의 color separation 보정 능력을 제공합니다. 골치 아픈 chromatic aberrations을 제거함으로써 achromatic lens는 우수한 polychromatic 조명 및 이미징을 위해 비용 대비 효과가 가장 뛰어난 수단으로 자리잡아가고 있습니다. 이 개념에 대한 도해는 그림 8을 참조하십시오.

그림 8: Plano-Convex Lens를 사용할 경우와 Achromatic Lens를 사용할 경우의 Polychromatic 이미징 비교

Spherical Aberration 및 On-Axis Coma 보정

Spherical aberration 및 coma로부터의 해방은 더 큰 apertures에서의 보다 나은 on-axis performance를 의미합니다. 간단한 렌즈와 달리, achromatic lens는 clear aperture를 감소시키지 않고도 안정된 보다 작은 spot sizes와 더 뛰어난 이미지를 제공합니다. 그림 9에서는 axial object에 대한 achromatic lens의 longitudinal color 및 spherical aberration 보정 방법을 보여 줍니다. 그림 10에서는 프리즘과 비슷하게 청색광이 적색광보다 초점에 더 가깝게 white light를 분산시키는 double-convex lens를 보여 주며, 그림 11에서는 double-convex lens가 구 모양에 있어 어떻게 보정이 부족할 수 있는지 보여 줍니다. Spherical Aberration (SA)은 f/#에 따라 달라지며 작은 aperture에서는 덜 나타납니다.

그림 9: Achromatic Lens

그림 10: Longitudinal Color

그림 11: Spherical Aberration

보다 밝은 이미지와 더 높은 에너지 Throughput

Achromatic lens의 on-axis performance는 clear apertures가 더 커지더라도 저하되지 않기 때문에, 광학 시스템의 "stopping down"이 필요하지 않습니다. aperture를 "Stop down" 한다는 것은 전체 성능을 향상시키기 위해 예를 들어 pinhole 또는 iris diaphragm을 통해 크기를 줄이는 것을 의미합니다. 전체 clear aperture를 활용하기 때문에 achromatic lens 및 achromatic lens 시스템은 singlet lenses를 사용하는 상응하는 시스템에 비해 속도가 더 빠르고 보다 효율적이며 강력합니다.