아포크로매틱 렌즈
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1. 개요
아포크로매틱 렌즈는 일반적인 렌즈보다 색수차와 구면 수차 보정이 우수한 사진 또는 기타 렌즈이다. 이 렌즈는 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 색상을 동일한 평면에 초점을 맞추도록 설계되었으며, 천문학, 그래픽 아트, 사진 촬영 등 다양한 분야에서 활용된다. "APO" 표기는 렌즈의 색 정확도를 나타내는 데 사용되지만, 일부 제조사에서 남용하는 사례도 있다.
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| 아포크로매틱 렌즈 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
| 유형 | 사진 렌즈 |
| 용도 | 색수차 보정 |
| 상세 정보 | |
| 설명 | 아포크로매틱 렌즈는 사진 또는 기타 렌즈로, 색수차를 수정하도록 설계되었음 |
| 특징 | 서로 다른 세 가지 색상을 동일한 평면에 집중시킬 수 있음 |
2. 설명
아포크로매트(apochromat, 약칭 Apo) 렌즈는 일반적인 무채색 렌즈보다 색수차와 구면 수차 보정 성능이 뛰어난 사진용 또는 기타 렌즈를 말한다. 색수차는 렌즈를 통과한 빛의 색깔별로 초점이 맺히는 거리가 달라지는 현상으로, 사진에서는 이미지를 흐릿하게 만들고 명암 대비가 강한 경계면에 색 번짐을 유발한다. 천문학 분야, 특히 렌즈를 사용하는 망원경에서도 비슷한 문제가 발생한다.
아포크로매틱 렌즈는 일반적인 무채색 렌즈가 두 가지 색상의 빛만 같은 초점에 모으는 것과 달리, 세 가지 색상의 빛을 같은 초점에 모으고[1] 구면 수차도 더 효과적으로 보정하기 때문에 잔존하는 색수차(2차 스펙트럼)가 훨씬 적고 이미지가 더 선명하다.
이러한 특성 때문에 아포크로매틱 렌즈는 정밀한 색 보정이 필요한 분야에서 널리 사용된다. 천문학에서는 CCD 센서의 넓은 감도 범위(자외선부터 근적외선까지)에 대응하기 위해 망원경 대물렌즈에 아포크로매틱 설계를 적용한다. 구경 60mm에서 150mm 사이, 초점비 f/5에서 f/7 정도의 천체 사진용 아포크로매틱 렌즈들이 시중에 판매되고 있으며, 이를 통해 매우 선명한 광시야 천체 사진을 얻을 수 있다. 그래픽 아트 분야의 복사(copy)용 카메라도 선명한 이미지를 위해 아포크로매틱 렌즈를 주로 사용하는데, 전통적인 설계의 경우 최대 조리개가 f/9 정도로 제한되기도 했다. 최근에는 중형, 디지털, 35mm 카메라를 위한 고속 아포크로매틱 렌즈들도 개발되고 있다.
이러한 성능을 구현하기 위해 특수한 분산 특성을 가진 고가의 광학 유리나 액체를 사용하며, 온도 변화에 따른 성능 저하를 최소화하도록 설계된다.
다만, 일부 사진 렌즈 제조사에서는 "APO" 명칭을 비교적 느슨하게 사용하는 경향이 있어 주의가 필요하다. 때로는 "APO" 표시가 없는 렌즈가 더 우수한 색 정확도를 보이기도 하며, 일반적으로 "APO" 명칭은 사진 분야보다는 천문학용 광학 기기(망원경 등)나 현미경 분야에서 더 엄격한 기준에 따라 사용된다.
2. 1. 색수차 보정 원리
색수차는 렌즈를 통과한 빛의 색깔별로 굴절률이 달라 서로 다른 지점에 초점을 맺는 현상이다.[1] 이로 인해 사진에서는 이미지가 전반적으로 선명하지 못하고, 밝고 어두운 경계면 등에 원치 않는 색깔 테두리가 나타나게 된다. 천문학 분야, 특히 렌즈를 사용하는 망원경에서도 비슷한 문제가 발생한다.일반적인 ''무색 렌즈''(achromat)는 주로 두 가지 파장의 빛, 예를 들어 빨간색(~0.590 μm)과 파란색(~0.495 μm)을 같은 초점면에 모으도록 설계된다.[1] 반면, ''아포크로매틱 렌즈''(apochromat)는 이보다 발전하여 세 가지 색상의 빛, 일반적으로 빨간색(~0.620 μm), 녹색(~0.530 μm), 파란색(~0.465 μm)을 동일한 초점면에 모으도록 설계된다.[1]
이러한 설계 덕분에 아포크로매틱 렌즈는 무색 렌즈에서 여전히 남는 색수차(이를 2차 스펙트럼이라고 한다)를 크게 줄일 수 있다. 그 감소폭은 동일한 구경과 초점 거리를 가진 무색 렌즈에 비해 최대 10배에 달할 수 있다.[1] 또한, 아포크로매틱 렌즈는 무색 렌즈가 한 가지 파장에서만 구면 수차를 보정하는 것과 달리, 두 가지 파장에 대해 구면 수차를 보정하여 더욱 선명한 이미지를 제공한다.
아포크로매틱 설계는 세 가지 색상의 빛을 한 점에 모으기 위해 분산 특성이 특수한 광학 유리를 사용해야 한다. 이를 위해 일반적으로 가격이 비싼 플루오로-크라운 유리, 특수한 플린트 유리 등이 사용되며, 때로는 렌즈 요소 사이에 특수한 분산 특성을 가진 투명한 액체를 채워 넣기도 한다. 렌즈 설계 시에는 온도 변화에 따라 유리의 굴절률과 분산 특성이 변하는 점까지 고려해야, 넓은 온도 범위에서 초점을 다시 맞추는 불편함 없이 우수한 성능을 유지할 수 있다.
2. 2. 구면 수차 보정
아포크로매틱 렌즈는 일반적인 무채색 렌즈보다 색수차뿐만 아니라 구면 수차의 보정 능력도 더 뛰어나다. 무채색 렌즈가 일반적으로 한 가지 파장에서 구면 수차를 보정하는 것과 달리, 아포크로매틱 렌즈는 두 가지 파장에서 구면 수차를 보정하도록 설계된다.[1]3. 활용 분야
아포크로매틱 렌즈는 일반적인 무채색 렌즈보다 색수차와 구면 수차를 더 효과적으로 보정하는 능력 덕분에, 매우 정밀하고 선명한 이미지가 필수적인 여러 광학 분야에서 중요한 역할을 한다.
주요 활용 분야는 다음과 같다.
- 천문학: 망원경, 특히 렌즈를 사용하는 굴절 망원경에서 색수차를 최소화하여 관측 및 천체사진의 질을 높이는 데 사용된다. 특히 넓은 파장 범위에 감도를 갖는 CCD와 같은 디지털 이미지 센서를 사용하는 현대 천문 관측에서 중요하다.[1]
- 사진: 고품질 이미지를 요구하는 사진 분야, 특히 망원 렌즈와 같이 색수차가 두드러지기 쉬운 렌즈에서 색 번짐을 효과적으로 억제하기 위해 사용된다. 과거 그래픽 아트 분야의 복사(copy)용 카메라에서도 사용되었으며, 최근에는 다양한 종류의 카메라를 위한 고성능 렌즈에도 아포크로매틱 설계가 적용되고 있다.
- 현미경: 미세한 샘플을 관찰할 때 색 번짐 없이 정확하고 세밀한 이미지를 얻기 위해 현미경의 대물렌즈 등에 아포크로매틱 설계가 적용된다.
이처럼 아포크로매틱 렌즈는 높은 광학 성능을 제공하지만, "APO"라는 명칭은 분야나 제조사에 따라 사용 기준에 차이가 있을 수 있다. 특히 사진 렌즈 시장에서는 실제 성능과 무관하게 마케팅 목적으로 사용되는 경우가 있다는 비판도 있다.[2][3][4] 일반적으로 천문학이나 현미경 분야에서 'APO' 명칭이 더 엄격하게 사용되는 경향이 있다.
3. 1. 천문학
천문학자들은 망원경, 특히 렌즈를 사용하는 굴절 망원경에서 색수차와 같은 광학 수차 문제에 직면한다. 아포크로매틱 렌즈는 이러한 수차를 효과적으로 보정하여 천문 관측 및 사진 촬영의 정밀도를 높이는 데 기여한다.특히 CCD와 같은 디지털 이미징 센서는 넓은 파장 범위에 감도를 가지므로, 광대역 디지털 이미징을 위한 망원경 대물 렌즈에는 아포크로매틱 수준의 색 보정이 중요하다.[1]
렌즈의 성능을 나타내는 "APO" 명칭은 사진 분야보다 천문학 관련 광학 기기(망원경 등)에서 더 엄격하게 사용되는 경향이 있다. 예를 들어, "APO"로 표시된 망원경은 일반적으로 무한대와 같은 특정 거리에 최적화된 고성능 고정 초점 거리 렌즈를 의미하는 반면, 사진 분야에서는 상대적으로 저렴한 범용 줌 렌즈에도 APO 명칭이 사용되기도 한다.
3. 1. 1. 천체 사진
색수차는 렌즈에서 서로 다른 색상이 서로 다른 거리에 초점을 맞추는 현상이다. 사진 촬영에서 색수차는 전반적으로 부드러운 이미지를 생성하며, 검은색과 흰색 사이의 가장자리와 같이 대비가 높은 가장자리에 색상 테두리를 생성한다. 천문학자들은 특히 렌즈를 사용하는 망원경의 경우 비슷한 문제에 직면한다. ''무색'' 렌즈는 ''두'' 개의 파장을 동일한 평면에 초점을 맞추도록 수정되며, 일반적으로 빨간색(~0.590 μm)과 파란색(~0.495 μm)이다. ''아포''크로매틱 렌즈는 ''세'' 가지 색상(일반적으로 빨간색(~0.620 μm), 녹색(~0.530 μm), 파란색(~0.465 μm))을 동일한 평면에 초점을 맞추도록 설계되었다.[1] 아포크로매틱 렌즈의 잔류 색상 오차(2차 스펙트럼)는 동일한 구경과 초점 거리를 가진 무색 렌즈보다 최대 10배까지 작을 수 있으며, 무색 렌즈와 달리 두 개의 파장에서 구면 수차에 대한 보정도 이루어진다.천문학에서 광대역 디지털 이미징을 위한 망원경 대물 렌즈는 아포크로매틱 보정을 거치는 경우가 많다. 이는 일반적인 CCD 이미징 어레이의 광학적 감도가 자외선에서 가시 스펙트럼을 거쳐 근적외선 파장 범위까지 확장될 수 있기 때문이다. 60mm–150mm 구경 범위의 천체 사진용 아포크로매틱 렌즈가 여러 회사에서 개발 및 판매되고 있으며, 초점비는 f/5에서 f/7까지 다양하다. 노출 동안 적절하게 초점을 맞추고 안내하면 이러한 아포크로매틱 대물 렌즈는 주어진 구경 크기에 대해 광학적으로 가능한 가장 선명한 광시야 천체 사진을 생성할 수 있다.
그래픽 아트 프로세스(복사) 카메라 역시 가능한 가장 선명한 이미지를 위해 일반적으로 아포크로매틱 렌즈를 사용한다. 고전적으로 설계된 아포크로매틱 프로세스 카메라 렌즈는 일반적으로 최대 조리개가 약 f/9로 제한된다. 최근에는 중형, 디지털 및 35 mm 카메라용 고속 아포크로매틱 렌즈도 생산되고 있다.
아포크로매틱 설계를 위해서는 세 가지 색상 교차를 달성하기 위해 특수한 분산 특성을 가진 광학 유리가 필요하다. 이는 일반적으로 비용이 많이 드는 플루오로-크라운 유리와 특이한 플린트 유리, 그리고 유리 요소 사이의 얇은 공간에 매우 특이한 분산 특성을 가진 광학적으로 투명한 액체를 사용하여 달성된다. 아포크로매틱 설계를 하는 동안에는 온도 변화에 따른 유리와 액체의 굴절률 및 분산의 의존성을 고려하여 적절한 온도 범위에서 약간의 재초점만으로도 우수한 광학 성능을 보장해야 한다. 어떤 경우에는 이상 분산 유리가 없는 아포크로매틱 설계를 할 수도 있다.
3. 2. 사진 촬영
사진 촬영에서 아포크로매틱 렌즈(Apochromat, APO)는 일반적인 무채색 렌즈보다 색수차와 구면 수차 보정 성능이 뛰어난 렌즈를 말한다. 색수차는 렌즈를 통과한 빛의 색깔별로 초점이 맺히는 거리가 달라지는 현상인데, 이로 인해 사진에서는 이미지가 전반적으로 부드럽게(선명도가 떨어지게) 표현되고, 특히 밝고 어두운 부분이 만나는 경계선 주변에 색깔이 번져 보이는 현상(색 테두리, color fringingeng)이 나타난다.일반적인 무채색 렌즈는 보통 두 가지 색(예: 빨간색 약 0.590 μm와 파란색 약 0.495 μm)의 빛이 같은 면에 초점을 맺도록 설계된다. 반면, 아포크로매틱 렌즈는 세 가지 색(예: 빨간색 약 0.620 μm, 녹색 약 0.530 μm, 파란색 약 0.465 μm)의 빛이 같은 면에 초점을 맺도록 설계되어 색수차를 훨씬 효과적으로 줄인다.[1] 그 결과, 아포크로매틱 렌즈의 잔여 색수차(2차 스펙트럼)는 동일한 구경과 초점 거리를 가진 무채색 렌즈보다 훨씬 작을 수 있다. 또한, 아포크로매틱 렌즈는 무채색 렌즈와 달리 두 개의 서로 다른 파장에서 구면 수차도 보정한다.
과거에는 그래픽 아트 분야의 복사(copy)용 카메라에서 선명한 이미지를 얻기 위해 아포크로매틱 렌즈를 사용하기도 했으나, 최근에는 중형 카메라, 디지털 카메라, 35mm 카메라 등 다양한 종류의 카메라를 위한 고성능 아포크로매틱 렌즈가 개발되어 사용되고 있다.
다만, 일부 렌즈 제조사에서는 'APO'라는 명칭을 실제 색수차 보정 성능과 관계없이 마케팅 목적으로 다소 느슨하게 사용하는 경우도 있다는 비판이 있다. 독립적인 테스트 결과, 'APO' 명칭이 없는 렌즈가 오히려 더 뛰어난 색수차 보정 성능을 보여주는 사례도 발견되었다.[2][3] 일반적으로 'APO' 명칭은 사진 렌즈보다는 망원경이나 현미경과 같은 전문 광학 기기에서 더 엄격한 기준에 따라 사용되는 경향이 있다.[4]
한편, 고급 카메라 렌즈 중 아포크로매틱 성능을 갖춘 렌즈들은 'APO' 대신, 렌즈 설계에 사용된 특수 소재의 이름을 따서 '플루오라이트 렌즈(Fluorite lenseng)' 등으로 불리기도 한다. 예를 들어, 캐논은 1969년에 형석(Fluorite)을 사용한 아포크로매틱 망원 렌즈인 FL-F 300mm f/5.6을 선보인 바 있다.
3. 2. 1. 기타 분야
천문학에서 광대역 디지털 이미징을 위한 망원경 대물 렌즈는 아포크로매틱 보정을 거쳐야 한다. 일반적인 CCD 이미징 어레이의 광학적 감도가 자외선에서 가시 스펙트럼을 거쳐 근적외선 파장 범위까지 확장될 수 있기 때문이다. 60mm–150mm 구경 범위의 천체사진용 아포크로매틱 렌즈가 여러 회사에서 개발 및 판매되었으며, 초점비는 f/5에서 f/7까지 다양하다. 노출 동안 적절하게 초점을 맞추고 안내하면 이러한 아포크로매틱 대물 렌즈는 주어진 구경 크기에 대해 광학적으로 가능한 가장 선명한 광시야 천체 사진을 생성할 수 있다.그래픽 아트 프로세스(복사) 카메라도 가능한 가장 선명한 이미지를 위해 일반적으로 아포크로매틱 렌즈를 사용한다. 고전적으로 설계된 아포크로매틱 프로세스 카메라 렌즈는 일반적으로 최대 조리개가 약 f/9로 제한된다. 최근에는 중형, 디지털 및 35mm 카메라용 고속 아포크로매틱 렌즈가 생산되었다.
아포크로매틱 설계를 위해서는 세 가지 색상 교차를 달성하기 위해 특수한 분산 특성을 가진 광학 유리가 필요하다. 이는 일반적으로 비용이 많이 드는 플루오로-크라운 유리와 특이한 플린트 유리, 그리고 유리 요소 사이의 얇은 공간에 매우 특이한 분산 특성을 가진 광학적으로 투명한 액체를 사용하여 달성된다. 아포크로매틱 설계를 하는 동안에는 온도 변화에 따른 유리와 액체의 굴절률 및 분산의 의존성을 고려하여 적절한 온도 범위에서 약간의 재초점만으로도 우수한 광학 성능을 보장해야 한다. 어떤 경우에는 이상 분산 유리가 없는 아포크로매틱 설계를 할 수도 있다.
독립적인 시험을 통해 일부 사진 렌즈 제조업체에서 "APO" 지정을 다소 느슨하게 사용하여 렌즈의 색수차 보정 정확도를 설명하는 경우가 있음이 밝혀졌다. 비교 대상 렌즈가 "APO" 지정을 사용하지 않았음에도 더 우수한 색 정확도를 보인 사례도 있기 때문이다. 또한 렌즈 설계를 고려할 때 "APO"라는 명칭은 사진 분야보다 천문학 관련 광학(예: 망원경) 및 현미경에서 더 보수적으로 사용되는 경향이 있다. 예를 들어, "APO"로 표시된 망원경은 무한대와 같은 특정 거리에 최적화된 전문 고정 초점 거리 렌즈인 경우가 많지만, 사진 분야에서는 상대적으로 저렴한 범용 줌렌즈에도 APO 명칭이 붙기도 한다.
3. 3. "APO" 표기의 남용 사례
독립적인 테스트 결과, 일부 사진 렌즈 제조사들이 'APO' 명칭을 렌즈의 색수차 보정 성능을 나타내는 데 다소 느슨하게 사용한다는 점이 밝혀졌다. 실제로 'APO' 명칭이 없는 렌즈가 오히려 더 뛰어난 색 정확도를 보여주는 경우도 있었다.[2][3]또한 'APO'라는 명칭은 사진 분야보다는 천문학 관련 광학 기기(예: 망원경)나 현미경 분야에서 더 엄격한 기준으로 사용되는 경향이 있다. 예를 들어, 'APO' 표시가 붙은 망원경은 보통 무한대 초점에 최적화된 고성능 단초점 렌즈인 경우가 많지만, 사진 분야에서는 상대적으로 저렴한 범용 줌 렌즈에도 'APO' 명칭이 붙기도 한다.[4]
4. 비판적 시각
아포크로매틱 렌즈는 뛰어난 색수차 보정 성능을 제공하지만, 몇 가지 고려할 점이 있다. 우선, 세 가지 다른 파장의 빛을 하나의 초점에 정확히 모으기 위해서는 특수한 광학 재료가 필요하다. 여기에는 비용이 많이 드는 플루오로-크라운 유리나 독특한 특성을 가진 플린트 유리가 사용되며, 때로는 유리 사이에 특수한 광학 액체를 채워 넣기도 한다.[1] 이러한 고가의 특수 재료 사용은 렌즈의 제작 비용을 높이는 주요 원인이 된다.
또한, 렌즈 설계 과정 자체가 매우 복잡하다. 서로 다른 재료의 분산 특성을 정밀하게 계산하고 조합해야 할 뿐만 아니라, 온도 변화에 따른 유리와 액체의 굴절률 및 분산 변화까지 고려해야 한다. 이는 특정 온도 범위 내에서 최적의 성능을 유지하기 위한 것이지만, 설계와 제작의 난이도를 높이는 요인이 된다.[1] 과거 그래픽 아트 프로세스 카메라용으로 설계된 아포크로매틱 렌즈의 경우, 최대 조리개 값이 약 f/9 정도로 제한되기도 했다. 물론 최근에는 기술 발전으로 중형, 디지털 및 35 mm 카메라용으로 더 밝은(고속) 아포크로매틱 렌즈도 개발되고 있다.
참조
[1]
웹사이트
What do APO and Apochromatic mean?
http://stason.org/TU[...]
[2]
웹사이트
A 300mm f/2.8 photographic lens with the "APO" designation, tested for chromatic aberration
http://www.slrgear.c[...]
2011-03-28
[3]
웹사이트
A 300mm f/2.8 photographic lens without the "APO" designation, tested for chromatic aberration
http://www.slrgear.c[...]
2011-03-28
[4]
웹사이트
An inexpensive photographic zoom lens with the "APO" designation
http://www.sigmaphot[...]
2011-03-25
[5]
서적
天文アマチュアのための望遠鏡光学・屈折編
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