비구면 렌즈란? 구면수차 보정 원리와 제조 방법 비교

비구면 렌즈란 곡률반경을 렌즈 중심에서 주변부로 갈수록 연속적으로 변화시킨 곡면을 가진 렌즈로, 구면 렌즈에서 발생하는 구면수차를 보정할 목적으로 도입된다. 구면 렌즈는 중심부와 주변부의 곡률 변화가 균일하므로 개구수가 큰 주변광선일수록 강하게 굴절되어 이상적인 결상 위치에서 벗어난 지점에서 광축과 교차한다. 비구면 형상은 각 영역의 곡률을 ‘빛을 모으고자 하는 위치’에 맞추어 개별적으로 조정함으로써 이러한 결상 오차를 억제한다. 이 글에서는 구면수차를 포함한 수차 전반의 정리부터 연삭연마·글라스 몰드·수지 사출성형이라는 3가지 제조 방식의 비교, 그리고 수지 사출성형이 양산성을 실현하는 한편 안고 있는 설계상의 트레이드오프까지 다룬다.

📌 3줄 요약

• 비구면 렌즈는 곡률반경을 연속적으로 변화시켜 구면수차를 보정하는 렌즈로, 사진 렌즈의 대구경화·광각화에 필수적인 요소기술
• 제조 방식은 연삭연마·글라스 몰드·수지 사출성형의 3가지로 크게 나뉘며, 정밀도·양산성·비용의 균형이 방식마다 다름
• 수지 사출성형은 자유곡면과 양산성이 우수한 반면, 내열성·굴절률의 온도 의존성·복굴절 관리가 설계상의 과제이며, 광학수지 자체의 물성 설계가 성능을 좌우함

비구면 렌즈란? 구면수차를 보정하는 렌즈 형상

구면 렌즈는 구의 일부를 잘라낸 형상으로, 가공이 쉽고 비용을 절감하기 유리한 반면, 렌즈 중심을 지나는 근축광선과 주변부를 지나는 광선의 초점 위치가 일치하지 않는 구면수차가 원리적으로 발생한다 (광학기기·전자기기 개발생산 파트너.com 광학렌즈의 종류) 비구면 렌즈는 구면으로는 표현할 수 없는 곡면을 채택하여, 위치별로 곡률을 다르게 함으로써 구면수차를 줄이는 설계이다 (가쓰라 옵토 시스템즈 비구면 렌즈란).

사진 렌즈에서는 대구경 렌즈의 구면수차 보정, 그리고 초광각·줌 렌즈의 왜곡수차 보정에 비구면 형상이 특히 효과를 발휘한다 (파나소닉 디지털카메라 강좌 구면 렌즈와 비구면 렌즈) 스마트폰 카메라·차량용 카메라·XR 기기처럼 소형화·박형화와 높은 결상 성능이 동시에 요구되는 광학계에서는 비구면 형상의 채택이 거의 필수 조건이 되고 있다.

수차란? 구면수차를 중심으로 한 결상 오차의 분류

수차란 이상적인 결상 관계로부터의 편차를 나타내는 지표로, 단색수차와 색수차의 2가지로 분류된다. 단색수차는 다시 구면수차·코마수차·비점수차·상면만곡·왜곡수차의 5종류 (자이델 수차)로 나뉜다 (광학렌즈설계.com 광학설계의 기초 : 수차의 종류).

구면수차는 축상 물점에서 나온 광선이 렌즈에 입사할 때 개구수가 큰 광선일수록 강하게 굴절되어 이상적인 결상 위치에서 벗어난 채 광축과 교차함으로써 발생한다. 코마수차는 축외 물점에서 나온 빛이 상면의 한 점에 모이지 않고 혜성 모양으로 꼬리를 끄는 현상이며, 비점수차는 서로 직교하는 두 방향에서 초점 위치가 달라지는 현상으로 사람의 난시에 해당한다. 상면만곡은 평면 피사체의 상이 곡면 위에 결상되는 현상이고, 왜곡수차는 상의 형상 자체가 일그러지는 현상이다. 색수차는 매질의 굴절률이 파장에 의존하므로 발생하며, 축상색수차와 배율색수차로 나뉜다.

비구면 렌즈가 주로 보정 대상으로 삼는 것은 구면수차이지만, 색수차 억제에는 재료 측의 아베수 설계가 별도로 필요하며, 두 가지는 독립된 설계 변수로서 다루어진다.

비구면 렌즈의 제조 방법 연삭연마·글라스 몰드·수지 사출성형

비구면 형상의 제조 방법은 크게 3가지로 나뉜다.

연삭연마 방식은 비구면 형상에 가깝게 재료를 깎아낸 뒤 연마로 표면 거칠기와 형상을 다듬고, 측정을 통해 오차를 확인하면서 공정을 반복하는 방법이다. 높은 정밀도를 얻기 쉽고 설계 변경에 대한 대응력도 높아 시제품 단계에서 유리하지만, 공정이 긴 만큼 시간과 비용이 소요된다 (note 글라스 몰드 비구면 렌즈에 대하여).

글라스 몰드 방식은 마무리 치수·중량에 가까운 프리폼을 가열 연화시킨 뒤, 비구면 형상으로 연마된 정밀 금형으로 프레스하여 형상을 전사하는 가공법이다. 글라스가 본래 지닌 내스크래치성·내열성을 유지한 채로 고정밀이면서 효율적인 양산이 가능해진다 (후지필름 비구면 글라스 렌즈 성형) 다만 고온 공정에 따른 금형 열화와 분위기 관리의 어려움이 과제로 남는다.

수지 사출성형은 광학 플라스틱을 비교적 저온에서 금형에 충전하여 비구면을 포함한 자유곡면을 전사하는 방법이다. 저온 성형이 가능하므로 소형 카메라 유닛이나 판독 센서용 렌즈에 널리 사용되고 있다 (후지필름 비구면 플라스틱 렌즈 성형).

수지 사출성형의 우위성과 트레이드오프

수지 사출성형은 금형만 정밀하다면 자동 연속 운전에 의한 대량생산이 가능하며, 글라스 몰드와 같은 고온 프레스 공정을 거치지 않으므로 양산 단가를 낮추기 쉽다는 우위성을 지닌다. 곡률을 면 내에서 연속적으로 변화시키는 자유곡면 설계나, 부분적으로 곡률이 다른 복잡한 비구면 형상의 성형에도 대응하기 쉬워 설계 자유도가 높다는 점도 장점이다.

한편 수지는 내열성이 글라스에 비해 약하여 사용 환경이 제한되는 데다, 굴절률 및 선팽창률의 온도 의존성이 글라스의 10배 이상에 달하는 것으로 알려져 있으며, 흡수에 의한 굴절률 변화도 무시할 수 없다 (시마즈 제작소 비구면 수지 렌즈의 굴절률 측정) 또한 사출성형 시 분자배향이나 잔류응력에 기인한 복굴절의 발생, 내부 균질성 면에서 글라스보다 떨어지는 점, 성형 시 수축·변형도 설계상의 제약이 된다. 따라서 수지 사출성형으로 비구면 렌즈의 양산성을 살리려면, 성형 조건의 최적화뿐 아니라 내열성·굴절률 안정성·저복굴절을 겸비한 광학수지 자체의 재료 설계가 전제 조건이 된다.

광학수지에 요구되는 물성 아베수·복굴절·Tg의 관리

수지 사출성형 비구면 렌즈의 성능은 성형 조건 못지않게 광학수지의 물성 설계에 좌우된다. 색수차 억제에는 수지의 분산 특성을 나타내는아베수가 직접 관련되며, 값이 클수록 색수차를 억제하기 쉬워진다. 상의 번짐이나 대비 저하는 분자배향·잔류응력에 기인한복굴절에 의해 발생하므로, 저복굴절 설계는 비구면 렌즈에서도 상의 품위를 좌우하는 요소이다. 나아가 성형 온도 영역과 실사용 시 내열 한계를 규정하는유리전이온도（Tg）는 차량용 카메라처럼 고온 환경에 노출되는 용도에서의 채택 여부를 결정짓는다.

비구면 렌즈라는 형상 설계의 이점을 수지로 최대한 이끌어내려면, 이 3가지 물성을 높은 수준으로 양립하는 광학수지의 선정이 필수적이다.

Iupizeta EP의 위치 고굴절률·저복굴절·고내열을 양립하는 광학수지

미쓰비시가스화학의 광학수지 ‘Iupizeta EP’는 높은 굴절률로 렌즈의 박형화·고성능화를 실현하는 동시에, 독자적인 분자 설계로 굴절률의 이방성을 극한까지 억제하여 번짐 없는 선명한 화질을 확보하는 것을 특징으로 하는 광학수지이다 (Iupizeta EP 공식 제품 페이지) 우수한 유동성을 지녀 박형 렌즈나 복잡하고 미세한 비구면 형상도 금형 형상 그대로 정밀하게 성형할 수 있다는 점도 비구면 렌즈 용도와의 친화성을 높이고 있다.

예상 용도로는 스마트폰 카메라 렌즈, 차량용 카메라, XR 기기의 광학계가 포함되며, 가시광선부터 센싱용 근적외선 영역까지 대응하는 그레이드 구성을 통해 고굴절률·저복굴절·고내열이라는 본래 트레이드오프 관계에 놓이기 쉬운 요구를 동시에 충족하는 설계가 이루어져 있다. 수지 사출성형의 양산성을 비구면 렌즈라는 정밀 형상에서 살리는 데 있어, 이러한 물성 설계는 결정적인 역할을 한다.

정리

비구면 렌즈는 곡률반경을 연속적으로 변화시켜 구면수차를 보정하는 렌즈로, 수차 전반 중에서도 단색수차의 대표격인 구면수차에 대한 대책으로 자리매김한다. 제조 방법은 연삭연마·글라스 몰드·수지 사출성형의 3가지로 크게 나뉘며, 정밀도와 양산성의 균형은 방식마다 다르다. 수지 사출성형은 자유곡면 설계와 양산성이 우수한 반면 내열성·굴절률의 온도 의존성·복굴절과 같은 과제를 안고 있으며, 이를 극복하는 열쇠는 광학수지 자체의 물성 설계에 있다. 아베수·복굴절·유리전이온도를 높은 수준으로 양립하는 광학수지의 선정은 수지제 비구면 렌즈의 양산화와 고성능화를 동시에 실현하는 데 있어 필수적인 검토 사항이다.

Iupizeta EP에 대하여

Iupizeta EP는 미쓰비시가스화학이 개발한 광학수지로, 고굴절률·저복굴절·고내열성을 겸비하고 있으며, 우수한 유동성으로 박형·비구면 렌즈의 정밀 성형에도 대응한다. 상세한 물성 데이터나 샘플 제공에 대한 문의는 공식 사이트의 문의 양식을 통해 부담 없이 연락 주시기 바랍니다.

Iupizeta EP 공식 사이트