수차란? 수차는 점 물체에서 나온 여럭 가닥읜 광선이 결상광학계를 지나 상을 만들때 그 광선 모두가상점에 모이지 못하고 일분가 벗어나는 현상입니다. 수차가 있으면 점 물체의 상이 점이 아닌 옆으로 번진 흐릿한 모양이 되므로 상의 품질이 나빠집니다. 광선의 색깔이 달라서 생기는 수차를 색수차, 색깔이 같은 광선이 광학계에 들어올때의 위치나 방향이 달라서 생기는 수차를 단색수차라고 합니다. 단색 수차에는 구면수차. 비점수차, 왜곡수차, 상면만곡이 있습니다 . 수차들은 안경렌즈의 기본적인 기능인 결상을 방해하여 안경렌즈가 뚜렷하게 상을 보지 못하게하는 주 원인입니다. 구면수차란 Spherical aberration? 빛을 모으려면 렌즈가 필요합니다. 렌즈는 한점을 중심으로 원을 그리는 곡면으로 이루어져있습니다. 하지만 정확히 한점로 모이지 못해 주변으로 갈수록 안으로 모이는 현상이 만들어지는 문제점이 생기게 됩니다. 이것을 구면수차라고 합니다. 1. 구면수차가 생기는 원인? 렌즈의 굴절면과 거울의 반사면은 주로 구면으로 만드는데 그 이유는 제작하기 쉬우며 제작비가 덜 들기 때문입니 다. 그 결과 렌즈나 거울에 들어오는 광선이 광축에서 멀어질수록 굴절 또는 반사되는 광선이 꺽이는 각도가 더 커지 게 됩니다.  2. 구면수차를 줄이는 방법? 구면수차를 줄이는 방법은 아래와 같습니다. 1) 렌즈 재료와 앞, 뒤 구면의 곡률을 바꾸는 방법입니다. 2) 광학 특성이 다른 구면 렌즈 여러 장을 조합하는 방법입니다. 3) 비구면 렌즈를 사용하는 방법입니다. 4) 구면렌즈의 굴절률 분포를 주는 방법입니다. 3. 새로운 성과? 멕시코 국립대학 박사과정 학생인 라파엘 곤잘레스가 수학적으로 해결하였습니다. 라파엘 곤잘레스는 렌즈 단면을 일반적인 구형이 아닌 굴곡이 있게 설명하였습니다. 연과 성과는 광학분야 학술지 어플라이드 옵틱스 최근호에 구면 수차가 없는 영면 비구면 일괄 렌즈 설계를 위한 일반공식이라는 논문 제목으로 게재 되었습니다. 라파엘 골잘레스는 이전부터 렌즈 구면수차의 무제를 수학으로 작업하던 중이였습니다. 그느 어느날 아침 식사를 위 해 빵에 누텔라를 바르다가 아이디어를 떠올렸습니다. 아이디어를 컴퓨터 시뮬레이션을 실시한 결과 99.999999999% 구면수차를 해소 할 수 있었습니다. 렌즈의 구면수차를 수학으로 해결함으로써 저렴하고 성능이 좋은 렌즈 개발로 획 기적인 광학기기들이 나올수 있는 토대가 마련되었습니다. 2000년간 해결되지 않았던 렌즈의 구면수차를 멕시코 대학원생이 수학으로 해결했다. 빛을 모으려면 렌즈가 필요하다. 렌즈는 한 점을 중심으로 원을 그리는 곡면으로 이루어졌다. 하지만 정확히 한 점으로 모으지 못해 주변으로 갈수록 안으로 모이는 현상이 만들어지는 문제점이 생기게 된다. 이것을 구면수차(Spherical aberration)라고 한다. 그동안은 수차를 해결하기 위해 렌즈의 주변 각을 변형시킨 비구면 렌즈(일부분이 완전 곡면이 아닌 렌즈) 2개를 겹쳐 수차를 어느 정도 해결해왔다. 그런데 렌즈 하나로 이 모든 걸 해결했다는 뜻이다. 놀랄만한 이번 성과는 멕시코 국립대학(UNAM) 박사과정 학생인 라파엘 곤잘레스(Rafael González)가 수학으로 해결한 것이다. 그는 렌즈 단면을 일반적인 구형이 아닌 굴곡이 있게 수학공식으로 풀어냈다. 고대 그리스의 과학자 아르키메데스가 오목 거울로 햇빛을 모아 적 함대를 태웠다는 이야기가 있지만, 공식적인 광학의 역사는 2000년 전으로 거슬러 올라간다. 2000년 전 그리스 수학자 디오클레스(Diocles)가 저서 '불타는 거울(Burning Mirrors)'에서 구면수차 문제를 언급했다. 또한 17세기의 천문학자인 크리스티안 하이겐스(Christiaan Huygens)는 1690년 저서 '빛에 관한 논고(Light on Treatise)'에서 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 고트프리트 빌헬름 라이프니츠(Gottfried Wilhelm Leibniz)가 망원경 렌즈의 구면수차를 해결하려고 했지만 실패했다고 말했다. 실제로 뉴턴이 고안한 뉴턴식 반사 망원경은 색 번짐(색 수차)는 발생하지 않지만, 반사경을 사용하고 있기 때문에 구면수차를 완전하게 보정할 수 없었다. 이후 1949년 와써맨(Wasserman)과 울프(Wolf)가 영국왕립학회지(Royal Society Proceedings)를 통해 구면수차 없이 렌즈를 설계하는 방법을 문제로 정했다. 이후 과학계에서는 'Wasserman-Wolf' 문제로 공식화됐다. 라파엘 곤잘레스는 이전부터 렌즈 구면수차의 문제를 수학으로 작업하던 중이었다. 그는 어느 날 아침 식사를 위해 빵에 누텔라를 바르다가 이 아이디어를 떠올렸다. 아이디어를 컴퓨터 시뮬레이션을 실시한 결과, 구면수차를 해소할 수 있었다. 그 후, 곤잘레스는 같은 과정 동료들과 함께 500개의 광선을 쏴서 시뮬레이션한 결과 99.9999999999%의 평균 만족도를 얻었다. 또한, 곤잘레스 연구팀은 1900년에 공식화된 레비 치비타(Levi-Civita) 문제도 해결한 것으로 알려졌다. 렌즈의 구면수차를 수학으로 해결함으로써 저렴하고 성능이 좋은 렌즈 개발로 획기적인 망원경이나 분광기 등이 나올 수 있는 토대가 마련됐다. UPI뉴스 / 김들풀 전문기자 [저작권자ⓒ UPI뉴스. 무단전재-재배포 금지] Smart Optics 2000년의 난제 '렌즈의 구면 수차를 없애는 공식'을 만든 멕시코의 대학원생완벽한 일반식으로 풀었다 2000년 동안 광학의 숙제로 남아있던 난제를 멕시코의 한 대학원생이 풀었다. 렌즈의 빛이 한 점에 모이지 않아 여러 개의 초점이 생기는 ‘구면 수차’라 불리던 문제다. 일단 문제가 뭐였는지부터 살펴보자. 우리는 구면 렌즈의 빛이 한 점에 모인다고 생각한다. 아래 사진 위쪽에 있는 ‘완벽한 렌즈’처럼 렌즈를 통과한 빛이 이론상의 한 점에 모여 상을 이룬다고 생각한다. 그러나 실제 구면 렌즈에서의 빛은 아래 그림의 밑 쪽에 있는 모양으로 모인다. 렌즈의 바깥쪽을 통과해 들어온 빛의 초점이 렌즈의 중앙에 가까운 지점을 통과한 빛보다 앞쪽에 잡힌다. Mglg/Wikipedia 이 때문에 카메라의 뷰파인더를 자세히 보면 가운데 있는 상은 초점이 또렷하게 맞지만, 뷰파인더 가장자리 쪽은 흐릿하게 보이는 현상이 생긴다. 이를 해결하기 위해 역사적으로 수많은 과학자가 ‘한 초점에 빛이 모이게 만드는 일반 공식’을 찾기 위해 노력했으나, 완벽한 식을 산출하지는 못했다. 2000년 전 디오클레스의 저서 ‘불타는 거울‘에 지금 우리가 말하는 ‘구면 수차‘에 대한 문제가 언급된 바 있다. 17세기의 천문학자 크리스티안 호이겐스는 1690년 자신의 저서 ‘빛에 관한 논고(Treatise on Light)’에서 천재 물리학자 아이작 뉴턴과 천재 수학자 고트프리트 라이프니츠가 망원경 렌즈의 구면 수차를 해결해보려 노력했으나 실패했다고 썼다. 1949년 와세르만 울프는 영국 왕립학회보에 ‘구면 수차가 없는 렌즈를 디자인하는 방법’이라는 공식 문제를 제기했으며 두 개의 인접한 비구면 렌즈에 수많은 수치를 대입해 구면 수차를 보정하는 방식을 제안했다. 현재 우리가 사용하는 카메라의 대부분은 이런 방식으로 구면 수차를 보정한 렌즈를 사용한다. 이 2000년을 이어온 광학 문제를 멕시코의 한 공과대학 대학원생이 푼 것이다. 특히 이번에 몬테레이공과대학교의 라파엘 곤살레스가 내놓은 해답은 산술적으로 근사값을 얻어내는 방식이 아니라 하나의 일반식으로 구면 수차가 없는 이중 비구면 단일 렌즈를 디자인 할 수 있다는 점에서 엄청난 공학적 발견으로 주목을 받는다. 곤살레스는 연구 팀과 구면 수차 해결을 고민하던 어느 날 아침 빵에 누텔라를 바르다가 이 공식의 아이디어를 떠올렸다고 밝힌 바 있다. 아이디어가 떠오르자마자 곤살레스는 공식을 확인할 수 있는 프로그래밍을 짜기 시작했으며 500개의 레이로 시뮬레이션을 돌린 결과 99.9999999999%의 정확도로 한 점에 초점이 모이는 것을 확인했다고 한다. 곤살레스의 논문 ‘구면 수차가 없는 이중 비구면 단일 렌즈를 디자인하기 위한 일반식’은 응용 광학 저널에 실렸다. 몬테레이공과대학 아래는 이 공식을 활용해 디자인한 이중 비구면 단일렌즈의 모습이다. 우리가 알고 있는 구면 렌즈와는 전혀 다른 모습이다. 라울 곤살레스 연구팀이 예시로 든 구면 수차 없는 렌즈의 모양과 라울 곤살레스의 사진. 몬테레이공과대학교 한편 곤살레스 연구팀은 1900년에 공식화된 레비-치비타(Levi-Civita) 문제도 해결한 것으로 보도됐다. 레비-치비타 문제를 해결한 논문은 ‘구면 수차 및 비점 수차가 없는 자유형 단일 렌즈 디자인을 위한 일반식’이라는 제목으로 같은 저널에 실렸다. 박세회 뉴스 에디터, HuffingtonPostKorea |
어느 날 아침 빵에 누텔라를 바르다가 비구면
저작권 © 2024 boxhoidap Inc.
