광학 설계 입문: 참고 사항

이것은 광학이지만, 광학 설계는 아닙니다! 정답은 레일리 산란입니다.

이것은 무엇을 의미할까요? 가시광선은 약 0.35마이크로미터(보라색)에서 약 0.75마이크로미터(빨간색)에 이르는 파장을 가진 전자기 복사의 한 형태입니다. 빛은 대부분 직진하지만, 공기 분자와 같은 입자도 빛을 산란시킬 수 있습니다. 이는 빛 에너지의 일부가 다양한 방향으로 퍼져 나간다는 것을 의미합니다. 파장의 크기(빛의 색을 결정)와 산란 입자의 크기 간의 관계가 산란 방향을 결정합니다.

우리 대기권의 경우, 이 효과는 가장 짧은 파장에서 가장 강하며, 빨간색 파장에서는 거의 0으로 감소합니다. 가시광선은 0.5마이크로미터(우리가 파란색으로 인식하는)에서 가장 강렬하기 때문에, 이 파장에서의 산란이 지배적이며 하늘은 파란색으로 보입니다.

더 자세한 설명을 보려면 다음 웹사이트를 참조하십시오.

레이저는 어떻게 작동할까요?

광학 설계자들은 자신들이 설계하는 많은 시스템(예: 슈퍼마켓 제품 스캐너 및 CD 플레이어)에서 레이저 광을 사용하지만, 레이저의 기본 원리는 빛의 광자 특성에 달려 있습니다. 광자는 원자와 분자가 흡수하고 방출할 수 있는 에너지 입자입니다.

원자가 빛 에너지 광자를 흡수하면, 이 추가 에너지를 일시적으로 저장합니다(우리는 원자가 더 높은 에너지 상태에 있다고 말합니다). 원자가 자연적인 낮은 에너지 상태로 '이완'될 때, 초과 에너지를 다른 광자 형태로 방출합니다(우리는 이것을 자발 방출이라고 부릅니다. 이는 그냥 발생합니다). 레이저는 유도 방출이라는 또 다른 유형의 광자 방출 때문에 가능합니다. 만약 많은 원자를 특정 고에너지 상태로 만들 수 있다면, 빛을 사용하여 모든 원자가 동시에 초과 에너지 광자를 방출하도록 유발하거나 '자극'할 수 있습니다(우리는 이 광자들이 동위상이거나 코히어런트하다고 말합니다).

많은 원자를 동일한 고에너지 상태로 만드는 다양한 방법(이를 레이저 '펌핑'이라고 함)과 빛 에너지의 큰 '펄스'를 형성할 만큼 충분히 오랫동안 원자를 유지하는 다양한 방법이 있습니다. 레이저는 정말 매력적입니다. 더 자세한 내용은 참고 자료를 참조하십시오.

빛에 대한 실험은 빛의 근본적인 본질에 대해 다양한 결론을 도출할 수 있습니다. 레이저 내부와 많은 광 검출기(예: 비디오 카메라에 있는 것)에서 빛은 입자의 흐름처럼 명확하게 행동하며, 각 입자는 특정하고 고정된 양의 에너지(우리가 광자라고 부르는 것)를 운반합니다. 그러나 레이저에서 나온 빛이 두 개의 가깝게 떨어진 핀홀을 통과할 때, 결과로 나타나는 간섭 패턴은 두 개의 돌을 물에 떨어뜨렸을 때 형성되는 간섭하는 물결파의 패턴과 유사합니다. 레이저 광은 여러 면에서 파동처럼 명확하게 작용합니다. 그러나 그것은 동일한 빛입니다. 우리는 이러한 불규칙한 행동을 종종 파동-입자 이중성이라고 부릅니다.

점 광원에서 나오는 파면은 일정한 위상을 가진 구형 표면입니다. 광선은 이러한 파면에 수직인 선으로, 특정 지점에서의 에너지 흐름 방향을 보여줍니다.

렌즈는 다양한 모양과 크기로 제공되며, 많은 광학 시스템은 여러 렌즈 요소를 사용하여 필요한 대로 이미지를 형성하고 수차를 최소화하면서 빛을 정확하게 구부립니다. 기본적인 구분은 양의(초점 또는 수렴) 렌즈와 음의(발산) 렌즈 사이입니다.

이러한 특정 예시들은 모양이 대칭적이지만(앞면과 뒷면 곡률은 같지만 부호는 반대), 대부분의 렌즈 요소는 대칭적이지 않습니다. 곡률, 유리 특성 및 두께는 모두 렌즈를 통과하는 빛의 경로를 렌즈가 변경하는 방식에 영향을 미칩니다. 이러한 매개변수를 결정하는 것(일반적으로 함께 작동하는 여러 렌즈의 경우)은 광학 설계자의 업무입니다.

광학 설계 소프트웨어를 사용하여 광학 시스템 모델을 평가하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 모델을 '평가'할 때, 실제로 렌즈가 제작되기 전에 시뮬레이션하고 성능을 예측하고자 합니다. 이미징 시스템은 빛을 선명한 초점으로 모으려고 하지만, 이보다 더 정밀해야 합니다. 더 일반적인 평가 방법 중 일부는 스폿 다이어그램, 에워싸인 에너지(encircled energy) 및 변조 전달 함수(MTF)입니다.

스폿 다이어그램은 점 객체에서 나온 광선이 이미지 표면에 어디에 떨어지는지를 보여주는 그래프입니다. 렌즈가 좋은 이미지를 형성하려면 광선들이 서로 가깝게 떨어져야 합니다. 에워싸인 에너지(encircled energy)는 스폿 다이어그램에서 에너지(광선 수를 세어 결정됨)가 중심에서 측정된 반경의 함수로 어떻게 분포하는지를 측정하는 방법입니다(일반적으로 그래프로 표시됨).

MTF는 공간 주파수와 관련이 있으며, 이는 장면의 부분이 얼마나 떨어져 있는지를 측정하는 척도입니다. 뒤에 어두운 집이 있는 흰색 울타리를 생각해 보십시오. 몇 미터 떨어진 곳에서 흰색과 어두운 줄무늬 사이의 대비를 쉽게 볼 수 있습니다. 이것은 낮은 공간 주파수입니다. 이제 흰 종이 위에 놓인 검은색 빗을 생각해 보십시오. 몇 미터 떨어진 곳에서는 어둡고 밝은 줄무늬가 전혀 있다는 것을 알아차리지 못할 수도 있습니다! 이것은 높은 공간 주파수이며, 장면의 미세한 디테일로 생각할 수 있습니다. 렌즈(예: 눈)는 높은 주파수보다 낮은 공간 주파수를 더 쉽게 이미징할 수 있습니다. MTF는 렌즈의 이러한 '주파수 응답'을 낮은 주파수에서 높은 주파수까지 보여주는 그래프입니다. 모든 렌즈에는 최대 또는 차단 주파수가 있으며, 이는 렌즈가 감지하기에는 너무 미세한 수준의 디테일이 항상 존재한다는 것을 의미합니다.

스폿 다이어그램은 점 객체에서 나온 광선이 이미지 표면에 어디에 떨어지는지를 보여주는 그래프입니다. 렌즈가 좋은 이미지를 형성하려면 광선들이 서로 가깝게 떨어져야 합니다. 이 그래프는 일반적으로 크게 확대되며(마치 현미경으로 이미지 스폿을 보는 것처럼), 그 모양은 렌즈의 수차 유형과 양을 나타낼 수 있습니다. 아마도 가장 특징적인 것은 이름이 상당히 설명적인 수차 코마(coma)일 것입니다.

렌즈 벤딩

렌즈 벤딩은 렌즈 요소의 전면 및 후면 곡률의 상대적인 값을 나타냅니다. 특정 거리에 초점을 맞출 수 있는 무한한 수의 렌즈(즉, 전면 및 후면 곡률 조합)가 있지만, 렌즈를 "벤딩"하는 방식에 따라 수차는 달라집니다.

그림 10. 렌즈 벤딩의 소형, 중형, 대형 예시.

각 렌즈의 벤딩은 자연스럽게 렌즈 품질에 영향을 미칩니다. 렌즈 설계자는 벤딩을 설계 매개변수 중 하나로 사용하며, 일반적으로 암묵적인 방식(즉, 최적화 프로그램이 다른 여러 요소 및 요구 사항과 결합하여 최적의 벤딩을 결정)으로 사용합니다.

문제의 정확한 본질을 파악하고 해결책을 고안하는 데는 여러 기관(키사이트가 인수한 Optical Research Associates 포함)의 많은 광학 엔지니어, 과학자 및 설계자의 노력이 필요했습니다. 교정 렌즈를 설치하는 수리 임무를 통해 HST는 거의 설계 성능을 회복했습니다.

HST에 대한 자세한 정보(및 천문학 및 기타 관련 주제에 대한 흥미로운 교육 자료)를 보려면 우주 망원경 과학 연구소 웹사이트를 방문하십시오.