완벽한 렌즈 시스템은 아직 설계된 적이 없습니다. 모든 렌즈 시스템은 설계자의 숙련도나 해결해야 할 설계 과제의 난이도에 따라 크고 작은 수차(Aberration) 또는 결함을 가지고 있습니다.

기본적으로 렌즈 시스템은 구면(Spherical surface)을 가진 렌즈들로 구성되는데, 안타깝게도 구면은 완벽한 상을 형성하지 못합니다. 하지만 렌즈 설계자는 렌즈의 형태와 유리 재질을 신중하게 조합함으로써, 한 표면에서 발생하는 결함을 다른 표면의 반대되는 결함으로 상쇄시키려 노력합니다. 비록 완벽에 도달할 수는 없더라도, 이러한 과정을 통해 최종 결과물을 완벽에 가까운 수준으로 끌어올리는 것입니다.

구면 렌즈 표면에 의해 형성되는 이미지에서 나타나는 주요 수차들은 다음과 같습니다:

그림 1.

1. 에어리 원판 (Airy Disk)의 형태

• • 이상적인 상태: 빛의 회절로 인해 중앙의 밝은 점과 이를 둘러싼 흐릿한 고리(1차, 2차, 3차 고리)가 나타납니다.

  • 확산된 고리 구조: 구면 수차가 발생하면 중앙에 집중되어야 할 빛이 주변 고리 영역으로 번지게 되어, 이미지의 선명도와 대비(Contrast)가 떨어집니다.

2. 구면 수차의 빛샘 현상

• • 외측 광선 vs 내측 광선: 구면 렌즈의 특성상 가장자리(외측)를 통과하는 빛이 중심(내측)을 통과하는 빛보다 더 가깝게 굴절됩니다.

  • 초점의 불일치: 빛이 한 점에 모이지 않고 서로 다른 지점에 초점을 맺기 때문에, 스크린(검출기)에는 선명한 점이 아닌 확산된 고리 구조가 형성됩니다.

3. 렌즈 간격 조정에 의한 수차 교정

• • 잘못된 간격: 렌즈 사이의 거리가 맞지 않으면 광선들이 어긋나서 상이 흐릿하게 맺힙니다.

  • 최적의 간격: 렌즈 사이의 간격을 정밀하게 조정하거나 오목 렌즈(발산 요소)를 조합함으로써, 굴절력의 차이를 상쇄시켜 빛을 다시 한 점으로 모을 수 있습니다. 결과적으로 하단의 이미지처럼 작고 선명한 에어리 원판을 얻게 됩니다.

그림 2.

1. 비점 수차의 형태: 광축 밖의 점 광원이 한 점으로 모이지 못하고, 수평과 수직 방향의 초점이 어긋나면서 십자 모양이나 타원형으로 번지는 현상을 보여줍니다.

2. 이상적인 점상: 수차가 보정되었을 때 나타나야 할 아주 작고 선명한 흰색 점의 모습입니다.

3. 비점 수차 개념도 (원리)

• • 수평/수직 광선의 분리: 렌즈를 통과하는 빛이 수평 방향과 수직 방향에 따라 서로 다른 지점에 초점을 맺는 과정을 보여줍니다.

  • 자오선/구면 초점면: 빛이 맺히는 두 개의 서로 다른 평면(초점면)을 시각화했습니다. 이 두 면 사이의 거리가 멀수록 비점 수차가 심해집니다.

  • 착란 원 (Circle of Confusion): 두 초점면 사이에서 상이 그나마 가장 덜 번져 보이는 지점을 의미합니다.

4. 수차 교정 비교

• • 비점 수차 존재: 방향에 따라 초점 거리가 달라 상이 길게 늘어지고 흐릿합니다.

  • 교정된 상: 비구면 렌즈나 보정용 렌즈를 사용하여 수평/수직 광선을 다시 한 점으로 모은 상태입니다. 이상적인 점상에 가깝게 선명도가 회복된 것을 확인할 수 있습니다.

그림 3.

• A. 점 광원의 모습 (Coma): 코마 수차가 발생했을 때 실제 점 광원이 어떻게 보이는지 보여줍니다. 빛이 한 점에 모이지 못하고 한쪽 방향으로 꼬리가 길게 늘어진 혜성(Comet) 모양을 띠는 것이 특징입니다.

• B. 코마 수차 원리도: 렌즈의 각 동심원 영역(내측~외측)을 통과한 빛들이 서로 다른 배율과 위치에 상을 맺는 원리를 보여줍니다. 외측으로 갈수록 빛이 광축에서 더 멀리 벗어나게 됩니다.

• C. 이미지 평면에서의 왜곡: 광축 바깥쪽의 점들이 어떻게 동심원 고리 모양으로 겹치며 왜곡되는지를 도식화하여 설명합니다.

• D. 교정 전/후 비교: 일반적인 비구면 렌즈나 정교한 복합 렌즈 설계를 통해 왜곡된 혜성 모양의 상이 다시 선명하고 이상적인 점상으로 복원되는 과정을 비교하여 보여줍니다.

• 이상적인 점상 (교정 후): 모든 수차가 성공적으로 보정되어 빛이 다시 중앙의 작은 점으로 집중된 상태를 의미합니다.

그림 4.

• 배럴 왜곡 (Barrel Distortion): 왼쪽의 이미지처럼 격자 무늬가 마치 술통(Barrel)처럼 바깥쪽으로 불룩하게 튀어나와 보이는 현상입니다. 중앙에 비해 주변부의 배율이 낮아질 때 발생하며, 주로 시야각이 넓은 광각 렌즈에서 흔히 볼 수 있습니다. 직선이 곡선으로 휘어져 보입니다.

• 핀쿠션 왜곡 (Pincushion Distortion): 오른쪽의 이미지처럼 격자 무늬의 가운데를 누른 듯, 안쪽으로 오목하게 들어가 보이는 현상입니다. 중앙에 비해 주변부의 배율이 높아질 때 발생하며, 주로 망원 렌즈 계열에서 나타납니다. 마찬가지로 직선이 안쪽으로 휘어져 보입니다.

그림 5.

상면 만곡 (Field Curvature). 이 수차로 인해 평평한 피사체의 상이 평평하지 않고 곡면으로 맺힙니다. (왼쪽: 중심에 초점, 가운데: 주변에 초점, 오른쪽: 교정된 상)

그림 6.

1. 색 번짐 현상 예시 (좌측 상단)

• 실제 현상: 렌즈의 색수차로 인해 건물 테두리나 별 주변에 보라색 또는 녹색의 **무지개빛 테두리(Color Fringing)**가 나타나는 것을 보여줍니다. 이는 빛의 색깔별로 초점이 맺히는 위치가 달라 생기는 결과입니다.

2. 기본 원리: 굴절 차이 (우측 상단)

• 파장별 굴절률: 백색광이 렌즈를 통과할 때, 파장이 짧은 파란색은 더 많이 꺾여 렌즈와 가까운 곳에 초점을 맺고, 파장이 긴 빨간색은 덜 꺾여 더 먼 곳에 초점을 맺습니다. 

• 교정 전 상태: 빛이 한 점으로 모이지 않고 색깔별로 분산되어 있어 상이 흐릿하고 색 번짐이 발생합니다.

3. 색수차 교정 방법 (우측 하단)

• 단일 렌즈: 하나의 구면 렌즈만으로는 색 분산(수차)을 피할 수 없습니다.

• 아크로매틱 더블렛(Achromatic Doublet): 성질이 다른 두 종류의 유리(크라운 유리와 플린트 유리)를 조합한 복합 렌즈를 사용합니다. 앞의 렌즈에서 벌어진 색들을 뒤의 렌즈가 다시 반대 방향으로 굴절시켜 한 점으로 모아주는(교정 후) 원리입니다.

그림 6.

1. 이미지 가장자리의 색 번짐 예시 (좌측 상단)

• 교정 전: 이미지의 중심부보다는 주변부(가장자리) 테두리에서 빨간색이나 보라색의 색 번짐 현상이 도드라집니다.

• 교정 후: 수차가 보정되어 테두리가 색 번짐 없이 깨끗하고 선명하게 표현된 모습입니다.

2. 기본 원리: 배율 차이 (우측 상단)

• 축상 색수차(Axial Color)와 비교: 축상 색수차는 초점 위치의 앞뒤 차이로 인해 화면 전체가 흐려지는 반면, 배율 색수차는 초점이 맺히는 높이(배율)의 차이가 핵심입니다.

• 배율의 색수차: 파란색(B) 빛과 빨간색(R) 빛이 서로 다른 크기로 확대되어 맺히기 때문에, 광축에서 멀어질수록(가장자리로 갈수록) 이 배율 차이가 누적되어 색이 겹치지 않고 번지게 됩니다.

3. 교정 방법 (우측 하단)

• 단일 렌즈: 주변부에서 점 광원이 무지개색 스펙트럼처럼 옆으로 퍼지는 현상이 발생합니다.

• 아크로매틱 렌즈 조합: 유리의 종류와 렌즈의 배열을 정밀하게 설계하여 각 색상의 배율을 동일하게 맞춥니다. 이를 통해 이미지의 끝부분까지 색 번짐 없는 깨끗한 결상을 얻을 수 있습니다.