광학 설계 및 렌즈 설계 소개

광학 설계란 무엇인가? 광학, 광학 시스템 및 광학 공학의 다른 분야와 어떻게 연결되는가? 어떻게 수행하는가?

이것이 바로 이 "쉬운 소개"의 주제입니다. 저희는 이 분야에 무엇이 포함되는지 알려드리고, 더 자세히 알고 싶으신 경우 다른 자료를 안내해 드리고자 합니다. 저희 사업은 일반적으로 렌즈 설계 또는 (더 정확하게는) 광학 설계라고 불리는 것에 크게 기반을 두고 있습니다. 이 글은 응용 광학 분야에 대해 궁금해하는 일반 독자를 위한 것입니다.

광학은 물리학의 한 분야로, 빛의 과학입니다. 광학은 빛의 행동에 대한 모든 측면을 다루므로 광범위한 영역을 포괄합니다. "하늘은 왜 파란색인가?"부터 "확대경은 왜 사물을 더 크게 보이게 하는가?" 그리고 "레이저는 어떻게 작동하는가?"와 같은 질문들은 모두 광학 과학의 적절한 영역에 속합니다.

빛에 대한 한 가지 흥미로운 사실은 빛이 때로는 파동처럼, 때로는 광자라고 불리는 매우 빠른 입자 또는 양자의 흐름처럼 행동한다는 것입니다. 이러한 파동-입자 이중성은 자연의 신비 중 하나로 남아 있지만, 실제로는 계산을 더 쉽게 만드는 측면을 강조하고 사용합니다! 레이저와 검출기에서는 양자 효과가 특히 중요하지만, 광학 설계에서는 파동 또는 "물리" 광학이 지배적인 경향이 있습니다.

광학 엔지니어는 광학을 사용하여 문제를 해결하고 빛이 유용하게 작동하도록 하는 장치를 설계하고 구축합니다. 이를 위해서는 어떤 솔루션이 물리적으로 가능한지 알기 위해 광학 과학을 상당한 세부 사항까지 이해하고 적용해야 합니다. 또한 사용 가능한 기술, 재료, 비용, 설계 방법 등 실용적인 측면을 알아야 합니다.

광학 엔지니어는 광학의 모든 분야에서 일하며, 다양한 기술을 사용하여 레이저를 설계하고, 망원경을 제작하고, 광섬유 통신 시스템을 만들고, 그 외에도 많은 일을 합니다.

다른 엔지니어링 분야와 마찬가지로 컴퓨터는 대부분의 광학 엔지니어에게 중요합니다. 그들은 계측기와 함께, 시뮬레이션, 설계 및 기타 여러 응용 분야에 컴퓨터를 사용합니다. 엔지니어는 스프레드시트 및 프로그래밍 언어와 같은 일반적인 컴퓨터 도구를 자주 사용하며, 또한 해당 분야를 위해 특별히 설계된 전문 소프트웨어를 자주 사용합니다.

렌즈란 무엇일까요? 이것이 간단한 질문이라고 생각할 수도 있습니다. 그저 투명한 유리나 플라스틱 조각이 휘어진 것, 맞죠?

네, 맞습니다. 이것은 한 가지 유형의 렌즈이며, 그중에서도 가장 일반적인 유형입니다(대부분의 안경 및 콘택트렌즈가 이 유형입니다).

하지만 렌즈 설계자에게 렌즈는 더 일반적인 장치입니다. 이는 특정 방식으로 빛을 모으고 분산시키려는 모든 시스템을 의미합니다.

이는 35mm SLR(단일 렌즈 반사식) 카메라용 교환식 "렌즈"(예: 표준, 광각, 망원, 줌)에 대해 논의할 때 우리가 생각하는 것에 더 가깝습니다. 만약 하나를 잘라보면(집에서 시도하지 마세요, 어린이 여러분!), 그러한 카메라 렌즈가 다양한 모양과 크기의 여러 단일 "렌즈"를 포함하고 있음을 알 수 있습니다. 우리는 이것들을 렌즈 요소라고 부르며, 완전한 렌즈를 광학 시스템이라고 부릅니다.

이러한 용어를 사용하면 오늘날의 렌즈 설계자는 광학 설계자라고 불리는 경우가 더 많습니다. 비록 이전 용어도 광선 굴절자와 같은 기발하고 설명적인 이름과 함께 여전히 널리 사용되지만 말입니다. 오늘날에는 "렌즈 설계자"가 광학 엔지니어링 제너럴리스트가 맡는 여러 직함 중 하나인 경우가 점점 더 많아지고 있습니다. 또한 렌즈 설계자는 특정 광학 배경 지식을 가지고 있을 수도 있고 없을 수도 있습니다. 오늘날 렌즈 설계를 하는 많은 사람들은 원래 물리학자이거나 다른 유형의 엔지니어입니다.

현대 렌즈 설계자는 일반적인 이중 초점 렌즈나 소형 35mm 카메라와는 거리가 먼 "렌즈"를 다룰 수 있습니다(비록 소형 카메라의 컴팩트 렌즈도 영리한 설계와 비용 효율적인 엔지니어링을 보여줄 수 있지만 말입니다). 어떤 방식으로든 빛을 사용하는 시스템(레이저 빔을 사용하는 모든 시스템 포함)이라면 렌즈 설계가 거의 확실하게 관련됩니다.

허블 우주 망원경은 아마도 가장 유명한 우주 기반 광학 시스템일 것입니다. Optical Research Associates(ORA®, 현재 키사이트 광학 설계 엔지니어링으로 알려짐)의 여러 엔지니어가 실제로 수리 광학 장치의 설계 및 기타 측면을 담당했습니다. ORA는 이 작업과 기타 우주 관련 작업으로 NASA 상을 수상하기도 했습니다.

렌즈가 무엇인지 알았으니, 이제 어떻게 렌즈를 설계할까요? 전체 세부 사항은 이 "간단한 소개"의 범위를 약간 벗어나지만, 일반적인 단계를 설명할 수 있습니다.

• 문제 정의: 다른 엔지니어 또는 분야에서 설계 문제의 요구 사항과 경계를 정의할 수 있습니다. 그러면 렌즈 설계자는 이를 시야각 및 초점 거리와 같은 상세한 광학 사양으로 변환해야 합니다. 또한 렌즈가 이미지를 얼마나 잘 형성해야 하는지에 대한 자세한 설명인 성능 사양을 정의해야 합니다. 이를 위해 다양한 유형의 광학 평가가 사용됩니다. 충족해야 할 많은 요구 사항이 있을 수 있으며, 일부는 설계 접근 방식 측면에서 서로 모순될 수 있습니다(예: 큰 조리개와 가벼운 무게는 일반적으로 상충되는 요구 사항으로, 절충과 타협으로 이어집니다).
• 사전 설계: 기본 요소를 설정하면 반사 대 굴절, 요소 수, 전체 크기 등과 같은 결정을 내려야 합니다. 사전 설계는 종종 실제 렌즈를 대신하는 얇은 렌즈를 사용하여 대략적인 그래픽 광선 추적을 포함한 종이와 연필 스케치를 포함합니다. 그래픽 소프트웨어 도구는 이 단계에서 특히 사전 설계 절충("만약 그렇다면")을 해야 할 때 큰 도움이 될 수 있습니다.

• 최적화: 렌즈를 최적화하기 전에 변수 세트(곡률, 두께, 굴절률 등 프로그램이 성능 개선을 위해 변경할 수 있는 매개변수), 오차 함수(광학 품질 측정치, 0은 일반적으로 "완벽함"을 의미함), 제약 조건(가능한 구성을 제한하는 경계 값)을 정의해야 합니다. 그런 다음 수치적 방법을 사용하여 모든 제약 조건을 준수하면서 오차 함수를 최소화하려는 체계적인 방식으로 변수를 변경할 수 있습니다. 때로는 순조롭게 진행되지만, 그렇지 않은 경우가 더 많습니다. 일부 소프트웨어는 여러 유형의 최적화 문제에 대해 상당히 스마트하지만, 일부 요구 사항과 미적 판단이 설계자의 머릿속에만 있고 오차 함수에 포함되지 않을 수 있기 때문에 아직 완전히 자동화된 프로그램은 없습니다. 이때 렌즈 설계자의 지침이 충돌을 해결하는 데 중요합니다.
• 최종 분석: 렌즈를 최적화한 후에는 원래 사양에 명시된 대로 작동하는지 확인해야 합니다. 최적화 오차 함수는 변조 전달 함수(MTF) 또는 에워싸인 에너지와 같은 사양과 완벽하게 일치하지 않을 수 있습니다. 목표에 미치지 못한다면 다시 돌아가서 더 최적화해야 할 수도 있습니다(변수를 추가하거나 제약 조건을 변경하는 등). 경우에 따라 다른 시작점을 찾아야 할 수도 있습니다.
• 제작 준비: 렌즈 설계가 요구 사항을 충족하더라도 제작을 준비하기 위해 해야 할 일이 더 많습니다. 이 주제에 대한 자세한 내용은 아래 "나머지 이야기"를 참조하십시오.

이것이 무엇을 빠뜨렸을까요? 사실 설계 과정의 "어려운 부분"이 많이 빠져 있습니다. 불완전하거나 변경되는 사양. 상충되는 요구 사항. 막다른 골목의 해결 시도. 비현실적인 일정. 컴퓨터 충돌. 아무도 쉽다고 말하지 않았습니다!

광학 기술에 숙련된 사람들에게는 결과 패턴의 모양과 크기를 통해 존재하는 수차의 양과 형태에 대한 정보를 알 수 있습니다. 이 정보를 통해 다양한 방법으로 수차를 보정하거나 줄일 계획을 세울 수 있습니다. 수차 이론은 수차를 구성 요소(실제로는 다항식 항)로 분해하며, 렌즈의 특정 표면에 수차에 대한 "책임"을 할당할 수도 있습니다. 심하게 구부러지거나 잘못 만들어진 표면은 상당한 양의 수차를 유발할 수 있지만, 표면 기여 정보는 적어도 진행 방법에 대한 단서를 제공합니다.

구면 수차 (SA)는 광축으로부터의 거리에만 의존하기 때문에 아마도 가장 이해하기 쉬울 것입니다. 대부분의 광학 표면은 구의 단면인데, 이는 이러한 표면 모양이 가장 만들기 쉽기 때문입니다. 단순한 구면 렌즈나 거울은 표면의 다른 높이에서 광선을 동일한 정도로 구부리지 않으므로, 광선은 축을 따라 약간 다른 거리에 초점을 맞춥니다. 이것이 SA입니다.

단순 렌즈의 경우, 적절한 렌즈 형태를 선택하여 SA를 줄일 수 있습니다(업계에서는 “렌즈 벤딩”이라고 부릅니다). 거울(HST의 경우처럼)의 경우, 거울을 약간 비구면 원추형 단면으로 만들어 SA를 보정할 수 있습니다(하지만 올바른 원추형 모양을 만들어야 하는데, 이것이 HST의 문제였습니다. 그들은 잘못된 테스트 표준에 완벽하게 맞춰 만들었습니다!).

물론 다른 수차도 있으며, 이들의 상호 작용으로 인해 원하는 보정을 하지 못할 수도 있습니다. 이것은 오래된 “양탄자 속 덩어리” 효과와 같습니다. 한 곳을 수정하면 다른 곳에서 문제가 발생합니다. 이로 인해 렌즈 설계가 다소 어려워질 수 있습니다(그리고 다음 주제인 최적화로 이어집니다).

HST는 또한 수차의 좋은 점을 보여줍니다. 즉, 수차가 무엇인지 자세히 알면 종종 수정할 수 있습니다(특히 충분한 예산이 있다면!). 광학 장치가 빛을 잘못된 방식으로 구부리고 있다면, 안경이 근시 시력을 교정하는 방식과 유사하게 수차를 상쇄하기 위해 요소를 재형성하거나 추가할 수 있습니다. (하지만 근시는 정확히 수차는 아닙니다. 근시안은 실제로 초점 거리가 잘못되어 망막에 초점을 맞추기 위해 추가 렌즈가 필요합니다.)

최적화는 광학 설계에서 매우 중요한 주제이므로, 위 렌즈 설계 방법 섹션에서 간략하게 설명되었음에도 불구하고 더 자세히 이야기해야 합니다. 최적화의 목표는 시작 렌즈를 가져와 성능을 향상시키기 위해 변경하는 것임을 기억하십시오. 최적화는 매개변수 값만 변경할 수 있고 표면의 수나 유형은 변경할 수 없으므로, 시작 렌즈는 적절한 유형의 적절한 수의 광학 표면을 가져야 합니다. 광학은 매우 정밀하므로(마이크로미터 단위의 거리도 큰 차이를 만들 수 있음), 최적화의 각 단계에서 모든 변수 값을 면밀히 결정해야 합니다.

먼저 로컬 최적화를 살펴보겠습니다. "로컬"이란 무엇을 의미할까요? 렌즈 모델이 있다면, 오차 함수는 스폿 크기나 RMS 파면 오차와 같이 이미지 성능과 상관관계가 있는 것입니다. 작을수록 좋습니다. 변수를 변경하면 렌즈가 변경되고, 광선 추적 값이 변경되며, 오차 함수는 새로운 값을 가집니다. 이를 플로팅할 수 있다면, 오차 함수 공간의 언덕과 계곡 지도를 만들 수 있을 것입니다(변수에 따라 1차원에서 99차원 이상까지). 위에서 다소 우스꽝스러운 스케치에서 수직 거리는 오차 함수 값(낮을수록 좋음)을 나타내고, 수평 위치는 렌즈의 변수 중 하나를 나타냅니다. 예를 들어, 전면 표면의 곡률일 수 있습니다.

작을수록 좋으므로, 이 지도에서 가장 낮은 지점, 즉 오차 함수 랜드(EFL)의 데스 밸리를 찾는 것이 목표입니다. 로컬 최적화는 EFL에서 가장 낮은 인근 영역을 찾으므로, 시작점을 선택하는 데 운이 좋거나(또는 현명하다면) 좋은 결과를 얻을 수 있습니다. 비유하자면, 로스앤젤레스에서 시작하면 로컬 최적화를 사용하여 데스 밸리에 도달할 수 있지만, 뉴욕에서 시작하면 그렇지 않을 것입니다. 아마 뉴저지 어딘가에 도달할 것입니다. 이 비유가 도움이 될까요? 아닐 수도 있지만, 요점은 로컬 최적화에서는 시작점 선택이 매우 중요하다는 것입니다. (우리의 그림에서 로컬 최적화는 가장 낮은 지점으로 안내하지 않을 것입니다. "현재 위치" 시작점의 오른쪽 또는 왼쪽 계곡 중 하나로 굴러 들어가게 할 것입니다.)

이제 전역 최적화를 고려해 보겠습니다. 이것은 오차 함수 랜드의 전체 지도를 살펴보고 (결국) 시작 위치에 관계없이 가장 낮은 지점을 찾는 알고리즘입니다. 플로리다에서 시작하더라도 전역 최적화는 결국 데스 밸리로 안내할 것입니다. 사용하는 방법에 따라 실제로 그곳에 도달하는 데 매우 오랜 시간이 걸릴 수 있으며, 그 과정에서 목적에 충분히 낮은 다른 많은 낮은 지점들에 대해 알게 될 수도 있습니다.

우스꽝스러운 비유일까요? 그럴 수도 있지만, 여기서 기억해야 할 점은 전역 최적화가 "오차 함수 공간" 전체를 고려하므로 실제 시작점이 훨씬 덜 중요하다는 것입니다. (우리의 그림에서 전역 최적화는 원하는 낮은 지점으로 안내해야 합니다.)

여기서 나머지 이야기를 실제로 다 알려드렸다면 이렇게 부드럽고(간략하지도 않은) 소개가 되지 않았을 것입니다. 필연적으로 생략된 부분이 많습니다.

• 조명 분석
• 제작 준비
• 광학 테스트와의 통합
• 제조 오류 효과 분석(이를 공차 분석이라고 합니다)
• 환경 영향(특히 열)
• 마운트 및 배플
• 산란광

설계자가 문제와 우선순위를 식별하는 데 필수적이지만, 소프트웨어는 이러한 문제의 거의 모든 부분에 도움을 줄 수 있습니다. 이 모든 것을 고려하더라도, 실제 사용에서 모든 요구 사항을 충족하는 렌즈를 실제로 제작하는 것은 여전히 어려운 과제입니다. 키사이트는 귀하의 목표 달성을 돕기 위해 여러 광학 설계 엔지니어링 소프트웨어 솔루션을 제공합니다. 귀하의 애플리케이션에 가장 적합한 광학 설계 소프트웨어를 선택하는 데 도움을 받으려면 당사에 문의하십시오.

광학에 대한 훌륭한 정보 출처가 많이 있으며, 대부분은 서적과 정기 간행물에 인쇄된 형태로 존재합니다. 이 목록은 시작점에 불과하며 시간이 지남에 따라 계속 추가될 것이며, 의견을 환영합니다.

기본 사항

• Molecular Expressions의 “광학 현미경 입문서” - 빛과 색상에 대하여

이 사이트에는 현미경의 기본 광학부터 고급 응용 분야 및 샘플 이미지에 이르기까지 현미경에 대한 흥미로운 정보가 많이 담겨 있습니다. 훌륭한 설명, 그래픽, 그리고 굴절, 반사 및 기타 광학 주제에 대한 일부 대화형 Java 튜토리얼을 위해 살펴볼 가치가 있습니다. 여기서 간략하게 언급된 회절, 편광 및 간섭을 포함한 여러 주제에 대한 세부 정보도 포함되어 있습니다. 정말 훌륭한 웹사이트입니다!

• Eyewitness: Light 저자: David Burnie (Dorling Kindersley, 1992)

Eyewitness Science 시리즈의 일부로, 명목상 어린이용이지만 훌륭한 설명과 아름다운 삽화가 특징입니다.

• Optics 저자: E. Hecht 및 A. Zajac (Addison-Wesley, 1974)

학부 물리학 수준의 훌륭한 교재입니다.

광학 엔지니어링 및 설계

• Designing Optics Using CODE V® 저자: Donald C. O'Shea, Julie L. Bentley
• Modern Optics Drawings: The ISO 10110 Companion 저자: Eric Herman, David M. Aikens, Richard N. Youngworth
• Modeling The Imaging Chain of Digital Cameras 저자: Robert D. Fiete
• Fabrication Methods for Precision Optics 저자: Hank H. Karow
• Rudolph Kingslake의 사진 렌즈의 역사
• Michael Schaub 외 저, 성형 광학: 설계 및 제조 (광학 및 광전자공학 시리즈)
• Michael J. Kidger 저, 광학 설계 기초
• Herbert Gross 저, 광학 시스템 핸드북
• W.T Welford 저, 광학 시스템 수차
• Rudolf Kingslake, R. Barry Johnson 저, 렌즈 설계 기초 (Academic Press, 2010)

실무 디자이너에게 필요한 기본 사항을 다룹니다.

• Donald O'Shea 저, 현대 광학 설계 요소 (Wiley-Interscience, 1985)

훌륭한 설명과 실용적인 지향성을 갖춘 뛰어난 대학 수준 교재입니다.

• Warren Smith 저, 현대 광학 공학 (제2판, McGraw-Hill, 1990)

광학 공학을 위한 표준 참고 자료이자 학습 도구입니다.

정기 간행물

• 광학 및 포토닉스 뉴스 (월간, 구독, Optica, Washington, DC)

뉴스 및 기술 기사 (월간 칼럼 "Light Touch"는 비전문가를 위한 "일상 광학"을 다룹니다).

• Photonics Spectra

기타 자료

• 렌즈 제작 방법 (Canon)

렌즈가 어떻게 만들어지고 작동하는지 알아보려면 이 캐논 웹사이트를 방문하십시오. 다양한 유형의 렌즈(청색 스펙트럼 굴절 광학 렌즈, 형석 렌즈, EF 렌즈 및 고급 렌즈 코팅)에 대해 알아보십시오. 캐논 제공. 또한 어린이를 위한 과학 섹션도 있습니다.

• 국제 광학 엔지니어링 학회(SPIE)와 Optica(구 OSA)는 유용한 정보와 다른 기관으로의 링크가 포함된 홈페이지를 운영하는 전문 학회입니다.
• Optics4birding.com은 조류 관찰 전용 사이트로, 고품질 광학 장비가 관찰 및 사진 촬영에 매우 중요합니다. “광학에 대해 알아보기” 페이지에서는 광학 장비의 실제 사용에 대한 이러한 개념의 중요성에 초점을 맞춘 유용한 접근 방식으로 많은 기본적인 광학 개념을 다룹니다.
• 더 많은 키사이트 자료를 보려면 저희 어린이를 위한 광학 교육 콘텐츠, 자료 페이지, 그리고 교육 자료와 프로젝트가 있는 Pinterest 보드를 참조하십시오.