광시스템

비구면렌즈란?

구형이 아닌 곡면으로 만들어진 렌즈입니다.
포물선면과 다항식으로 표현되는 면을 지닌 것으로 타원체, 쌍곡면, 4 차 곡면 등이 있습니다.
여기서는 일반적인 렌즈 설명과 비구면 렌즈의 필요성, 장점 등에 대해 설명하겠습니다.

평이한 설명은 이곳으로

비구면렌즈 화상

일반적인 렌즈의 형상 및 기능

볼록렌즈

  • 양볼록렌즈

    양볼록렌즈
    볼록면 2면을 조합한 렌즈.

  • 평볼록렌즈

    평볼록렌즈
    한쪽면이 평면이 있는 것 같은 렌즈.

  • 볼록 메니커스 렌즈

    볼록 메니커스 렌즈
    의미는 초생달 형태의 렌즈이며,
    한쪽면은 볼록이며, 한쪽면은 오목인 렌즈.
    렌즈의 중심부분이 주변 가장자리에 비해 더
    두꺼운 볼록렌즈 형태로 된 것.

볼록렌즈

오목렌즈

  • 양오목렌즈

    양오목렌즈
    오목면 2면을 조합한 렌즈.

  • 평오목렌즈

    평오목렌즈
    한쪽면이 평면이 있는 것 같은 렌즈.

  • 오목 메니커스 렌즈

    오목 메니커스 렌즈
    의미는 초생달 형태의 렌즈이며,
    한쪽면은 볼록이며, 한쪽면은 오목인 렌즈.
    렌즈의 중심부분이 주변 가장자리에 비해 더 얇은
    오목렌즈 형태로 된 것.

오목렌즈

비구면렌즈의 필요성

렌즈란?

렌즈는 작은 것 또는 멀리 있는 것을 더욱더 크게 확대하여 보려할때,
카메라와 같이 피사체를 필름에 모사할때 등에 사용합니다.
일반적인 렌즈의 형상은 구면(오목, 볼록) 및 평면으로, 글래스를 연마를 하여 만들수 있습니다.

일반 렌즈 : 제1의 문제점

작은 것 및 멀리 있는 것을 관찰할 때에는, 배율이 높은 렌즈를 사용합니다만, 배율이 높아짐으로써 렌즈에 들어가는 광량이 소량으로, 좀더 확대하면 할수록 관찰이 어려워 집니다.
또한, 고속으로 이동하는 스포츠카를 사진 촬영할 경우등, 셔터스피드를 보다 빠르게 할 필요가 있는 경우도 같습니다. 들어가는 광량이 소량이 되어, 얻어진 상은 어둡게 됩니다.

일반 렌즈 : 제2의 문제점

들어가는 광량이 대량일때에는, 대구경 렌즈를 사용하면 좋긴하지만, 구경이 크게 됨으로써, 수차가 크게 됩니다.

수차란?

수차란 렌즈의 중앙에서 들어오는 빛과, 렌즈의 말단에서 들어오는 빛의 초점이 어긋나 버리는 것입니다.
사진으로 비유하면, 중앙 핀트는 맞는데 구석의 초점이 맞지 않는 등의 문제가 발생합니다.
이러한 문제점 때문에, 수차가 큰 렌즈를 그대로 사용할 수 없습니다.

수차를 작게하기위해서는?

몇장의 오목렌즈 및 볼록렌즈를 조합함으로써, 완전하지는 않지만 수차를 작게하는 것이 가능합니다.

일반 렌즈 : 제3의 문제점

렌즈에 들어오는 광량을 대량으로 하기위해서는 큰 구경의 렌즈가 필요합니다. 그러나 대구경 렌즈는 수차가 크게 됨으로, 몇장의 렌즈를 조합하여 수차를 작게 합니다.
문제점은 해결된것처럼 보이지만, 큰 렌즈를 몇장 조합해야하므로, 카메라 등의 제품에 장착했을 때에는 소형화, 경량화는 어렵게되며, 비용도 소요됩니다.
이와 같이, 가장 큰 문제점이었던 수차가 없는 렌즈의 개발이 진행되었습니다.
그래서 등장한 것이 "비구면 렌즈" 입니다.

지금까지 문제점이었던 수차가 없는 비구면 렌즈는?

  • 비구면렌즈
  • 비구면렌즈

비구면렌즈란 구면(오목, 볼록) 및 평면이 아닌 곡면으로 되어진 렌즈를 말합니다.
포물선면이나 쌍곡면, 타원면 이외에, 고차 다항식 (4 차 곡면 등)이 있습니다. 또한 도넛과 럭비공 같은 비축대칭도 제안되고 있습니다.
가장 큰 특징은 지금까지 렌즈의 문제점이던 수차가 없는 것입니다.
들어오는 광량을 대량으로하기 위해 아무리 구경이 큰 렌즈를 해도 수차가 없습니다.
이와 같이, 구면 렌즈를 2,3장 조합해야 하지만, 비구면렌즈이면 1장으로 가능합니다.
그 결과, 제품의 소형화, 경량화, 또한 비용 절감이 가능합니다.

비구면렌즈의 문제점과 해결

그러나, 이 비구면렌즈에도 문제점이 있습니다.
그것은 비구면의 형상이 복잡하기 때문에, 지금까지의 렌즈처럼 연마하여 제작하는 것이 어렵습니다.
따라서 실용화가 지연되었습니다.

그래서 연마가 아닌, 비구면 형태의 금형으로 완성형태에 가까운 유리 재료 (preform)을 넣고 가열하여 연화시킨 후, 프레스하는 공법이 있습니다. 이것을 "글래스몰드" 라고 합니다.
글래스몰드로 만들면, 연마로는 어려웠던 비구면렌즈를 용이하게 제작할 수 있습니다.

글래스몰드의 문제점과 해결

그러나, 글래스몰드에도 또한 문제점이 있습니다.
그것은 매우 높은 온도가 아니면 유리를 연화할 수 없는 것입니다.
연화하기 위하여는 고온으로 하지 않으면 안되기 때문에 시간이 오래 걸리고 연화 유리의 온도는 고온이므로, 금형은 빨리 열화되어 사용할 수 없게 됩니다. 또한 프레스한 글래스를 냉각하는데도 시간이 걸립니다.
따라서 낮은 온도에서 연화하는 글래스몰드에 적합한 글래스(글래스몰드재료)의 개발이 진행되고 있습니다.

그러나 글래스몰드재료는 그 이외에도 투명할 것, 온도가 변화해도 굴절 등의 특성이 변화하지 않는 것, 상처가 쉽게 나지 않는 제품화를 위해 많은 종류가 준비되어 있을 것, 성형하는 도중에 글래스의 투명성을 잃게되는 결정 및 휘발성 물질 등의 현상이 발생하지 않을 것, 금형과 반응하기 쉬운 물질을 포함하지 않을 것, 납과 비소 등 공해 물질을 포함하지 않을 것 등 많은 조건을 만족해야합니다.
이런 점에서 플라스틱과 글래스를 비교하면 글래스가 우수합니다. 플라스틱은 저렴하고 대량 생산할 수있는 특징이 있습니다.

이와같은 어려운 조건중, 325℃의 저온에서 녹는 글래스몰드재료, K-PG325슈퍼비드론이 개발되었습니다.

글래스재료→Preform→글래스몰드→비구면렌즈

그러나, 저온에서 성형이 가능한 글래스몰드재료를 사용하여도, 역시 글래스몰드 제품은 아직 고가입니다.
이 원인의 하나로 글래스몰드를 행하기 전에 재료가 비싸다는 것을 들 수 있습니다.
이 글래스몰드를 행하기 전의 재료를 일반적으로 "프리폼"라고 부르고 있습니다.
프리폼도 「연마프리폼」라고 불리는 구면렌즈와 같이 연마로 만들수 밖에 없지만, 용해하여 직접 프리폼을 만든는 공법이 개발되어, 실용화되고 있습니다. 이 제품을 「Gob Preform」라고 부르고 있습니다.

글래스몰드 장치

글래스몰드를 행하는 장치에는 코스트다운을 하기위해, 고속으로 가열, 냉각 할 수 있는 것이 필요합니다.
이 이외에 고정밀도 렌즈를 만들기 위한 조건으로서, 고온 및 성형하중 조절이 고정밀도가 가능할 것과, 온도에 의한 왜곡이 일어나지 않는 것이 요구됩니다.

또한 글래스몰드는, 성형 분위기중 (성형할때의 주위 공기)에 산소가 들어가 버리면, 금형의 열화 및 글래스와 금형의 융착이 발생하기 때문에, 성형 분위기가 완벽하게 유지되고, 질소와 아르곤 등의 비산화 분위기로 유지할 수 있어야 합니다.
또한 글래스몰드 제품으로써, 전술한 비구면 글래스 이외에 최근에는 미세 구조를 가진 광학 제품 (회절 격자와 마이크로렌즈어레이 등)에도 요구되고 있습니다.
이러한 광학 제품을 정밀하게 성형하기위해서는, 성형 분위기의 기압을 필요에 따라 조정하는 기능도 필요합니다.

진공OSUBESITA는, 연구 개발 용도와 소량 제품 생산에 적합한 글래스몰드 성형 장치입니다.

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