KR200312922Y1 - 렌즈의 수차 실험장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 학생들이 직접 설치하고 관찰하여 렌즈와 같은 광학계의 수차현상의 특성을 깊이 이해할 수 있도록 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡수차, 왜곡수차 및 색수차실험을 위한 실험기기들로 구성된 렌즈의 수차 실험장치에 관한 것이다. 이를 위해, 수차실험별로 구비된 다양한 종류의 수차판, 렌즈, 스크린, 회절판, 조리개, 직선광원장치 및 전원공급장치가 사각의 케이스 내에 수납되고, 상기 각 실험기기의 정렬을 위해 대소크기로 구분된 2종의 레일과, 상기 레일에 장착되어 슬라이딩 이동이 가능한 캐리어와, 캐리어에 실험기기의 장착 및 장착후 승강이 가능하도록 구비된 포스트홀더 및 포스트를 포함하여 이루어진다. 이 때 상기 각 실험기기가 빛의 출사방향에 맞추어 고정될 수 있도록 하부바 및 하부바 양측의 가이드봉에 끼워져 승강이 가능한 상부바로 구성된 다기능홀더가 포함된다.

Description

렌즈의 수차 실험장치{A Laboratory Device Of Lens Aberration}

본 고안은 렌즈 수차(收差)에 관한 실험장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 렌즈의 광학적 성질인 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡수차, 왜곡수차 및 색수차를 관찰 및 측정할 수 있도록 학생들이 직접 설치 및 관찰이 용이한 실험자재로 구성된 렌즈의 수차 실험장치에 관한 것이다.

일반적으로 빛은 균일 매질 안에서는 직진성을 갖고 있으나, 서로 다른 매질을 만나면 굴절, 확장 또는 집중되는 등의 광학적 변화가 발생된다.

특히, 이러한 특성은 렌즈와 같은 매질구조를 통하여 보다 용이하게 파악할수 있는데, 종래에는 이러한 빛의 성질을 학생들에게 설명하려면 여러 가지 자연현상이나 일상생활에서 접하게 되는 사례를 통해 학생들을 이해시키고 가르쳐야 하므로 가르치는 교수나 배우는 학생들에게 있어 빛을 다루는 광학은 서로 어려운 학습이었다.

따라서, 종래의 광학실험실습은 이미 입증된 사실적 이론을 토대로 그려진 그림이나 좀 더 나아가 촛불이나 전구 등을 활용한 간단한 실험도구를 통하여 몇가지 간단한 실험을 통하여 학습하는 것이 전부였다. 그러나, 이러한 간단한 실험조차도 별도의 암실과 그에 따른 실험장비를 구비하여야 했다. 물론, 고도의 전문연구를 위한 실험실에서의 실험실습을 위한 실험기자재는 개발되어 있었으나, 이러한 전문 실험기자재는 경제적인 측면이나 비교적 저학년의 학생들을 대상으로 하는 실험자제로서는 부적합한 문제점이 있다.

이에 따라 비교적 저학년의 학생들에게도 빛의 여러 가지 광학적인 특성을 직접 눈으로 확인하여 체험하며 실험 및 실습에 참여할 수 있도록 하는 기자재의 개발에 당위성이 부여되고 있다. 나아가 학생들을 가르치는 교수들에게도 이론적인 가르침보다는 직접 보여주며 가르칠 수 있도록 하여 학습능률의 배가를 구현할 수 있는 구조의 광학 실험장치 개발이 요구되고 있다.

따라서 본 고안은 상기와 같은 종래의 문제점들을 감안하여 안출한 것으로써, 본 고안의 제 1목적은 사각의 케이스 내측에 광을 발생시키는 직선광원, 전원 공급을 위한 직류전원장치, 물체, 렌즈, 필터, 수차판 등의 실험기기들을 설치하기위해 캐리어가 구비된 레일, 렌즈홀더, 포스트 및 포스트홀더로 광학실험장치를 구성하여 학생들이 손수 실험하고 관찰할 수 있는 렌즈의 수차 실험장치를 제공하는 것이다.

그리고, 본 고안의 제 2목적은 렌즈의 특성인 수차의 광학적 현상을 깊이 이해할 수 있도록 구면수차, 코마수차, 비점수차, 상면만곡수차, 왜곡수차 및 색수차에 관한 실험을 수행할 수 있는 다양한 수차판이 구비되는 렌즈의 수차 실험장치를 제공하는 것이다.

이러한 본 고안의 목적들은, 폭방향을 따라 장착되어 길이방향을 따라 이송되는 다수의 제 1캐리어와, 상기 제 1캐리어에 높이방향을 따라 고정된 중공의 포스트홀더 및 상기 포스트홀더 의 상부에 승강이 가능하도록 끼워진 포스트를 포함하며 일측에 길이방향을 따라 제 1눈금이 표시된 일정길이의 제 1레일; 하부바의 양측에 수직 부착된 가이드봉을 따라 상부바가 승강하면서 사이로 렌즈를 포함하는 각종 실험기기가 광학적으로 대응 고정되며 상기 포스트에 결합되는 다기능 홀더;를 포함하여 커버가 구비된 케이스 내에 수납되며, 상기 실험기기는 직류전원장치에 전기적으로 연결되어 상기 렌즈의 일면을 향해 빛을 출사하는 직선광원과, 빛이 투과되면서 광학적 변형, 변색 및 왜곡되는 코마수차, 비점수차, 구면수차, 상면만곡수차 및 왜곡수차의 실험을 위해 원틈 또는 실틈의 다양한 배치에 따라 상대적으로 투명하게 형성된 광차단 패널을 포함하여 상기 직선광원 및 렌즈의 사이로 위치하는 수차판과, 빛이 투과되기 위한 원틈 또는 실틈이 상대적으로 투명하게 형성된 광차단 흑색패널을 포함하여 상기 직선광원 및 렌즈의 사이에 위치하는 회절판과,상기 빛의 투과량이 조절되도록 상기 직선광원과 렌즈의 사이에 위치하며 외주연 하부에 상기 포스트의 상부가 결합되는 조리개와, 상기 렌즈를 투과한 빛의 맺힘상 관찰을 위해 상기 렌즈의 타면에 위치하며 하부에 제 2눈금이 표시된 스크린을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈 수차의 실험장치에 의하여 달성된다.

여기서 상기 포스트를 기점으로 상기 렌즈 또는 수차판이 상기 제 1레일에 비해 상대적으로 작은 길이로 전후 이송될 수 있도록 상기 포스트 및 다기능홀더의 사이에 상기 제 1레일의 길이방향을 따라 장착되고 상기 다기능홀더가 결합되도록 다수의 제 2캐리어가 장착되며 길이방향을 따라 측부에 제 2눈금이 표시된 제 2레일이 더 포함되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 포스트를 기점으로 상기 직선광원, 수차판, 렌즈 또는 스크린이 상기 제 1레일의 폭방향을 따라 좌우이송이 가능하도록 상기 다기능홀더는 상기 포스트의 상단에 결합되는 슬라이드 바가 더 구비되고, 상기 슬라이드 바의 양측에 수직 부착된 가이드 봉을 따라 하부 바 및 상부 바가 수직 이동이 가능한 것이 바람직하다.

또한 상기 다기능홀더의 하부바 중앙 및 대응하는 상부바의 중앙에는 V홈 및 상부바를 관통하는 조임조절나사로 탄성력이 조절되는 조임체가 구비되는 것이 바람직하다.

아울러 상기 각 캐리어, 포스트홀더 및 다기능홀더의 슬라이드 바, 하부바 및 상부바의 일측에는 움직임을 고정하는 고정나사가 더 구비되는 것이 바람직하다.

더불어 색수차의 실험을 위해 적색, 녹색 및 청색의 필터가 포함된 수차판이 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 고안의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 고안에 따른 렌즈의 수차 실험장치의 사시도,

도 2a는 본 고안에 따른 일실시예의 다기능홀더의 사시도,

도 2b는 본 고안에 따른 다른 실시예의 다기능홀더의 사시도,

도 3은 본 고안에 따른 렌즈의 구면수차 실험을 나타나는 사시도,

도 4는 본 고안에 따른 렌즈의 코마수차 실험을 나타나는 사시도,

도 5는 본 고안에 따른 렌즈의 비점수차 실험을 나타나는 사시도,

도 6은 본 고안에 따른 렌즈의 상면만곡수차 실험을 나타나는 사시도,

도 7은 본 고안에 따른 렌즈의 왜곡수차 실험을 나타나는 사시도,

도 8은 본 고안에 따른 렌즈의 색수차 실험을 나타나는 사시도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 렌즈의 수차 실험장치 200 : 케이스

210 : 커버 220 : 쇄정장치

300 : 쿠션재 110 : 직선광원

110a: 직류전원장치 120 : 검사렌즈

120a: 줄맞춤렌즈 130: 제 1레일

130a: 제 1눈금 130b: 홈

131: 제 1캐리어 131a: 돌출부

132: 포스트 133: 포스트홀더

140: 제 2레일 140a: 제 2눈금

141: 제 2캐리어 150: 스크린

160: 다기능홀더 161: 슬라이드 바

162: 가이드봉 163: 하부바

163a: V홈 164: 상부바

165: 조임체 166: 조임조절나사

167 : 고정나사 170 : 회절판

180: 수차판 190: 조리개

다음으로는 본 고안에 따른 렌즈의 수차 실험장치에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.

우선 본 고안의 설명에 앞서 본 고안에서 빈번하게 언급되고 있는 렌즈수차란 "광학계(光學系)에서 상을 맺을 때 한 점에서 나온 빛이 광학계를 지난 다음, 한 점에 모이지 않아 영상이 빛깔이 있어 보이거나 일그러지는 현상" 이다. 본 고안에 따른 각 실험에서는 빛의 출사방향에 각종 수차판(180) 및 렌즈(120,120a)를 일렬로 배치시키고 렌즈(120,120a) 뒤에는 스크린(150)을 배치함으로써, 수차판(180) 및 렌즈를 통과한 빛의 일그러짐 또는 색상변화가 스크린(150)에 영사된 모습으로서 확인될 수 있다.

도 1은 본 고안에 따른 렌즈의 수차 실험장치의 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 실험장치는 사각의 케이스(200) 내측에 빛을 출사하기 위한 직선광원(110) 및 전원공급을 위한 직류전원장치(110a)과, 렌즈(120,120a), 회절판(170), 조리개(190) 및 스크린(150) 등이 수납되어 있고, 상기 각 실험기기들의 배치 및 정렬을 위해 제 1레일(130), 제 2레일(140) 등이 포함되어 있다.

아울러 렌즈(120,120a)의 수차실험을 위해 다수의 수차판(180)이 구비되는데, 상기 수차판(180)은 광의 변형, 변색 및 왜곡을 통해 코마수차, 비점수차, 구면수차, 상면만곡수차, 왜곡수차 및 색수차의 실험을 하기 위한 것으로, 원틈 또는 실틈의 다양한 배치에 따라 상대적으로 투명하게 형성된 광차단 패널을 포함하는 구조이다. 이와 같은 각종 실험기기들은 상기 케이스(200) 내에 수납되면서 쇄정장치(220)에 의해 고정되는 커버(210)로 덮여지는데, 이 때 커버(210)의 내측에는 요철이 형성된 쿠션재(300)가 부착되어 있다.

또한 상기 직선광원(110), 회절판(170), 각 렌즈(120,120a), 수차판(180) 및 조리개(190) 등이 수차실험을 위해 빛의 출사방향을 따라 일직선상에 배치될 수 있도록 상기 제 1레일(130)에 장착되어 직선 슬라이딩 이동할 수 있는 다수의 제 1캐리어(131)가 상기 케이스(200) 내에 수납되어 있다. 아울러 상기 제 1캐리어(131)의 상부에 각종 실험기기가 장착되도록 중공의 포스트홀더(133) 및 포스트홀더(133)에 끼워져 승강이 가능한 포스트(132)가 구비되어 있다.

더불어 상기 제 2레일(140)은 상기 포스트홀더(133) 및 포스트(132)에 의해 상기 제 1캐리어(131) 상부에 장착되며 장착시에는 상기 제 1레일(130)의 길이방향을 따라 배치된다. 상기 제 2레일(140)의 상부에는 수차실험의 종류에 따라 다기능홀더(160)에 고정된 수차판(180) 및 검사렌즈(120)가 선택적으로 장착되고 이동될 수 있도록 해당 실험기기의 개수별로 제 2캐리어(141)가 장착된다.

여기서, 상기 직선광원(110)은 할로겐램프등을 이용하여 광을 유발시키는 장치로서 직류전원장치(110a)를 통하여 전원을 공급받아 작동된다. 또한 상기회절판(170)은 소정형상의 원틈, 실틈, 이중실틈 등이 광차단 흑색패널에서 상대적으로 투명하게 형성된 것이다. 이 때 각 틈의 형상에 따라 다수개가 구비되며 실험시 상기 직선광원(110)과 수차판(180) 사이에 위치하며 빛이 상기 원틈 또는 실틈을 통과하게 된다.

그리고 상기 제 1레일(130)은 상단 양측으로 길이 방향을 따라 홈(130b)이 형성되고 상기 홈(130b)에 짝을 이루어 끼워지는 돌출부(131a)가 상기 제 1캐리어(131)에 구비되어 형상적으로 대응함으로 제 1레일(130)의 길이방향을 따라 좌우로 이송된다. 상기 제 1캐리어(131)는 필요에 따라 상기 제 1레일(130)에 끼워 사용하는 개수를 가감하여 사용할 수 있도록 본 고안의 실시예에서는 6개 정도가 바람직하다.

그리고, 상기 제 1캐리어(131)의 중앙부에는 볼트 결합이 가능하도록 구멍이 형성되어 상기 포스트홀더(133)가 장착되며, 상기 포스트홀더(133)는 중공으로서 중앙부에 상하 이동으로 높이 조절이 가능하게 포스트(132)가 끼워진다.

상기 포스트(132)의 상단에 장착되는 다기능홀더(160)로서, 상기 포스트(132)와 하부바(163)가 결합되고 상기 하부바(163)의 양측으로 수직 부착된 가이드봉(162)을 따라 상부바(164)가 수직 이동하여 렌즈(120,120a) 또는 각종의 실험기기의 홀딩이 가능하다.

도 2a는 본 고안에 따른 일실시예의 다기능홀더의 사시도이고, 도 2b는 본 고안에 따른 다른 실시예의 다기능홀더의 사시도이다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 상기 다기능홀더(160)는 상기 포스트(132)의 상단에 결합되는 슬라이드바(161)가더 구비되어 좌우의 이동이 가능하고 상기 슬라이드바(161)의 양측으로 수직 부착된 가이드봉(162)을 따라 하부바(163) 및 상부바(164)가 수직 이동하여 상하좌우의 이동이 가능하게 구비된다.

그리고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 하부바(163)는 상기 슬라이드바(161)에 직접 끼움 가능하여 상부로의 수직 이동 없이 좌우의 이동만이 가능하게 구성할 수 있다.

아울러, 상기 다기능홀더(160)의 하부바(163)의 중앙에는 V홈(163a)이 형성되고 상기 상부바(164)의 중앙에는 스프링에 의하여 탄성력이 제공되는 조임체(165)가 상기 상부바(164)를 관통하는 조임조절나사(166)로 결합되어 구비된다. 따라서, 회절판(170), 직선광원(110), 각 렌즈(120,120a), 수차판(180)과 같은 실험기기들이 상기 상부바(164)와 하부바(163)의 사이에 장착시 보다 쉽고 안정감 있게 장착될 수 있다.

상기 직선광원(110)에는 직류전원장치(110a)를 통하여 전원을 공급하며, 할로겐램프 등을 이용하여 광을 유발시킨다. 또한, 상기 직선광원(110)의 직선 광에 대하여 회절판(170) 또는 수차판(180)이 상기 직선광원(110) 바로 앞에 선택적으로 구비하고 상기 렌즈(120,120a)를 통한 빛의 수차현상이 관찰되는 스크린(150)을 구비시킴으로서 수차실험을 하게 된다.

아울러, 광학 실험을 위하여 상기 제 1캐리어(131)의 위치를 정확히 계산하여 조정할 수 있도록 상기 제 1레일(130)의 길이방향을 따라 일측 하단에 제 1눈금(130a)이 표시되는 것이 바람직하다. 또한 상기 제 2캐리어(141)의 일측하단에도 제 2캐리어(141)의 위치계산을 위해 제 2눈금(140a)이 표시되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제 1캐리어(131), 포스트홀더(133)와 다기능홀더(160)의 슬라이드바(161), 하부바(163) 및 상부바(164)의 일측에는 고정나사(167)를 구비하여 정확한 위치를 조정한 후 움직임이 없도록 고정할 수 있다.

이상과 같이 구성된 제 1캐리어(131)에는 기본적으로 장착되는 직선광원(110)을 포함하여 스크린(150), 줄맞춤렌즈(120a), 회절판(170) 및 조리개(190) 등이 고정되며, 검사렌즈(120), 수차판(180) 등은 제 1캐리어(131) 또는 제 2캐리어(141)에 수차실험의 종류에 따라 선택적으로 고정 조합된다.

이하에서는 본 고안에 따른 수차실험의 과정에 대해 기재하기로 한다.

도 3은 본 고안에 따른 렌즈의 구면수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1레일(130) 일측의 제 1캐리어(131)에 다기능홀더(160)로 장착된 직선광원(110)을 포스트홀더(133) 및 포스트(132)로 배치하고, 그 앞에 역시 같은 과정으로 원틈이 형성된 회절판(170) 및 줄맞춤렌즈(120a)가 순차적으로 배치되도록 한다. 그리고 제 2레일(140)을 준비하여 포스트(132) 및 포스트홀더(133)로 해당 제 1캐리어(131)에 장착하여 배치시키고, 2개의 제 2캐리어(141) 중 일측의 제 2캐리어(141)에 구면수차 실험을 위한 수차판(180)을 다기능홀더(160)로 고정하여 장착한다.

그리고 타측의 제 2캐리어(141)에 다기능홀더(160)로 고정된 볼록형태의 검사렌즈(120)를 장착한다. 이 때 제 2캐리어(141)의 상부중앙과 수차판(180) 및 검사렌즈(120)가 고정된 상기 다기능홀더(160) 하부바(163)의 하부중앙은 체결로 고정된다.

마지막으로 상기 제 1레일(130)의 타측에는 포스트(132) 및 포스트홀더(133)로 고정된 스크린(150)이 해당 제 1캐리어(131) 상에 고정된다. 이와 같은 장착 고정으로 각 실험기기는 제 1레일(130)을 따라 순차적으로 배치 정렬된다.

1) 구면수차실험

직선광원(110)에 전원을 공급하면, 빛은 회절판(170)의 원틈을 지나 줄맞춤렌즈(120a)를 거쳐 수차판(180)에 도달하고 수차판(180) 및 검사렌즈(120)를 지나 스크린(150) 상에 최종적으로 도달한다.

이 때 회절판(170)을 줄맞춤렌즈(120a)의 초점거리에 놓도록 해당 제 1캐리어(131)를 이동시켜 무한점에 있는 상을 만든다. 그리고 수차판(180) 측 제 2캐리어(141)를 제 2레일(140)을 따라 이동시켜 검사렌즈(120) 측 제 2캐리어(141)에 근접시킨다.

이 후 스크린(150) 측 제 1캐리어(131)를 이동시켜 초점을 맞추면서 비교적 가장 명확한 초점(상점)이 될 때까지 이동시키다가 해당 지점에서 정지시키고 검사렌즈(120)와의 거리를 측정 기록한다. 이와 같이 최초 직선광원(110)에서 출사한 빛은 수차판(180)을 지나 검사렌즈(120)에 도달할 경우 검사렌즈(120)의 비평면성 즉 볼록한 형태에 의해 검사렌즈(120)의 각 지점을 지난 빛의 최종도달위치에서 차이가 발생된다. 이 때 회절판(170)은 빛의 평행성이 담보되도록 구비되고 수차판(180)은 상점을 만들어주기 위해 검사렌즈(120) 전방에 고정된다.수차판(180)을 지나면서 만들어진 광선속의 상은 검사렌즈(120)의 각 지점을 지나면서 서로 다른 위치에서 맺히게 되는 구면수차현상을 유발한다.

도 4는 본 고안에 따른 렌즈의 코마수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1레일(130) 위에 직선광원(110), 원틈이 형성된 회절판(170), 수차판(180) 및 평면형태의 검사렌즈(120), 스크린(150) 순으로 정렬 배치한다. 이 때 수차판(180) 및 검사렌즈(120)는 서로간의 근접여부가 조절되도록 제 2레일(140) 상에 배치된다.

2) 코마수차실험

우선 수차판(180)을 검사렌즈(120)에 근접시키고, 스크린(150)을 움직여 명확한 상이 맺히도록 조정한다. 빛이 구면수차가 없는 평면형태의 검사렌즈(120)를 통과할 경우 수차판(180)에서 만들어진 상은 검사렌즈(120)의 중심 즉 정점에서 벗어날수록 흐려지고 가까울수록 선명하게 된다. 이는 스크린(150)에 맺히는 형태로 확인될 수 있다.

이와 같이 정점을 중심으로 하는 일정광축에서부터 벗어나게 되면 혜성의 형태로 퍼져나가는 상이 맺히기 때문에, 이러한 현상을 코마(coma) 수차라 한다. 즉 코마수차는 횡배율의 차이에 의해 발생되며 이 때 사용되는 수차판(180)에는 원틈이 동일정점을 중심으로 방사상 형태로 형성되며 상기 각 원틈을 통해 빛이 출사하면서 검사렌즈(120)의 정점 및 정점에서 동일외경으로 벗어난 해당 부위를 지나게 된다. 스크린(150)의 이동위치를 제 1레일(130)의 제 1눈금(130a)을 통해 확인하고 기록하며, 검사렌즈(120)에 대한 수차판(180)의 근접위치는 제 2레일(140)의 제 2눈금(140a)을 통해 확인 및 기록한다.

도 5는 본 고안에 따른 렌즈의 비점수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1레일(130) 상에 직선광원(110), 원틈이 형성된 회절판(170), 수차판(180) 및 검사렌즈(120), 스크린(150) 순으로 배치 정렬한다. 이 때 수차판(180) 및 검사렌즈(120)는 서로간의 근접정도가 조절되도록 제 2레일(140) 상에 배치시킨다.

상기 비점수차는 광학계에서 규정하는 자오면(tangential plane)과 구결면(sagittal plane)에서 자오상점과 구결상점의 거리차를 말하는 것으로 광축에서 떨어져 있는 상이 완전한 점이 되지 않고 흐릿해지는 현상이다. 이에 따라 광축과 상점을 포함한 자오면 상의 결상점은 그것에 수직인 구결면상의 결상점과는 약간 다른 위치에 생긴다.

3) 비점수차실험

우선 스크린(150)을 움직여 명확한 상을 찾아 그 위치를 관찰 및 기록한다. 그리고 검사렌즈(120)를 수직축을 기준으로 회전시키는데 이 때 수평면이 자오면이고 수직면이 구결면이다, 아울러 이 때 사용되는 수차판(180)에는 서로 일정각도를 갖는 동일길이의 실틈이 정점을 중심으로 교차 형성되어 있어 상기 수차판(180)의 실틈을 통과하면서 형성되는 상중 서로 수직한 2개의 상이 자오면과 구결면이다. 이에 따라 상기 수차판(180)의 위치는 고정시키고 상기 검사렌즈(120)을 고정한 다기능홀더(160)에서 상부바(164)를 가이드봉(162)을 중심으로 들어올린 뒤 일정각도만큼 검사렌즈(120)를 회전시키고 재고정하는 과정을 거쳐 각 자오면과 구결면의결상점을 찾아 기록한다.

도 6은 본 고안에 따른 렌즈의 상면만곡수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1레일(130) 상에 직선광원(110), 수차판(180), 조리개(190), 검사렌즈(120) 및 스크린(150)을 배치 정렬한다. 이 때 상기 검사렌즈(120)는 위치조정을 위해 제 2레일(140) 상에 배치시킨다. 아울러 이 때 구비된 상기 수차판(180)은 동일직선상에 원틈이 다수 형성된 것으로 제 1캐리어(131) 상에 고정되어 상기 직선광원(110)의 빛 출사방향으로 근접위치되고, 상기 조리개(190)는 포스트(132) 및 포스트홀더(133)에 외부 하우징에 직접 결합되어 제 1캐리어(131)에 고정된다.

4) 상면만곡수차실험

스크린(150)을 이동시키면서 상이 명확해지는 지점을 찾아 기록한다. 그리고 조리개(190)의 크기와 검사렌즈(120)의 위치를 변경하면서 실험을 반복한다.

상기와 같이 수차판(180)에 동일직선(평면)상에 원틈이 형성되어 빛이 통과하더라도 검사렌즈(120)를 통과한 뒤 맺힐 경우에는 곡면상에 맺히게 된다. 이는 스크린(150)의 이동에 따라 각 원틈을 지나면서 형성된 상의 명확성정도에 따라 확인이 가능한데 즉 평면의 상이 곡면으로 되는 현상이 상면만곡수차이다. 상기 검사렌즈(120)가 볼록형태일 경우 상은 안쪽으로 휘어지고 오목형태일 경우 밖으로 휘어진다. 이와 같이 휘어진 상면을 페츠발면이라고 한다.

도 7은 본 고안에 따른 렌즈의 왜곡수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 직선광원(110), 수차판(180), 조리개(190), 검사렌즈(120)및 스크린(150) 순으로 제 1레일(130) 상에 배치 정렬된다. 이 때 조리개(190)는 왜곡수차의 2가지 형성모드에 따라 검사렌즈(120)의 앞 또는 뒤에 선택적으로 장착된다.

5) 왜곡수차실험

우선 스크린(150)을 움직여 상이 명확해지는 위치를 찾아 기록하고, 조리개(190)를 검사렌즈(120)의 전방 즉 수차판(180)의 후방에 장착하여 실험한다.

이후 조리개(190)를 검사렌즈(120)의 후방 즉 스크린(150)의 전방에 두고 실험한다.

왜곡수차는 검사렌즈(120)의 횡배율이 같이 않을 경우 원물체의 상이 다른 상으로 형성되는 것이다. 이 때 구비되는 상기 수차판(180)은 격자형태로 실틈이 형성된 것으로 만일 조리개(190)가 검사렌즈(120) 앞에 위치할 경우(횡배율이 작아짐)에는 광축에 가까운 물점보다 먼 물점의 배율이 더 작게 되면서 술통형 왜곡수차(barrel distortion)이 발생된다. 그리고 조리개(190)가 검사렌즈(120) 뒤에 있어(횡배율이 커짐) 먼 물점의 배율이 더 클 경우 바늘꽂이형 왜곡수차(pincushion distorion)이 발생된다. 즉 조리개(190)의 상대적인 위치에 따라 횡배율이 변화되어 왜곡수차의 형태가 달라지게 된다.

도 8은 본 고안에 따른 렌즈의 색수차 실험을 나타나는 사시도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 1레일(130) 상에 직선광원(110), 회절판(170), 수차판(180) 및 검사렌즈(120), 스크린(150)순으로 배치 정렬되며, 이 때 수차판(180) 및 검사렌즈(120)는 서로간의 거리조절을 위해 제 2레일(140) 상에 배치된다. 그리고 상기수차판(180)은 적색, 녹색, 청색의 필터가 장착된 것이다.

6) 색수차실험

우선 스크린(150)을 움직여 명확한 상이 표시되는 위치를 찾아 기록한다. 그리고 수차판(180)을 색상별로 바꿔가면서 실험을 반복한다.

색수차는 파장에 따른 굴절률의 차이에 의해 생기는 현상으로, 검사렌즈(120)를 통해 물체의 상을 맺게 하면 물체의 색(빛의 파장)에 따라 상의 위치나 배율이 달라진다. 색수차는 종색수차와 횡색수차로 구분되는데 광축상에서 파장별 상위치의 차이가 종색수차이고 광축에 수직한 방향의 파장별 상크기의 차이가 횡색수차이다.

색수차를 위한 수차판(180)에 백색광을 출사하여 검사렌즈(120)를 지날 경우 빨강에 가까운 긴 파장의 빛일수록 초점이 검사렌즈(120)에서 먼 곳에, 보라에 가까운 짧은 파장의 빛일수록 검사렌즈(120)와 가까운 곳에 초점이 맺히므로 상이 아롱져 덜 선명해 보인다. 이에 따라 색수차실험에서는 검사렌즈(120) 전방에 각 색상별 필터를 가진 수차판(180)을 배치시켜 직선광원(110)의 백색광이 통과되도록 하여 색수차실험을 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안에 따른 렌즈의 수차 실험장치에 의하면, 사각의 케이스 내측에 직선광원, 전원 공급을 위한 직류전원장치(110a), 각종 수차판, 렌즈, 회절판, 스크린 등의 실험기기들을 설치하기 위해 캐리어가 구비된 대소크기의 레일, 다기능홀더, 포스트 및 포스트홀더로 광학실험장치를 구성하여 학생들이 직접 실험하고 관찰하는데 편리하고 용이한 장점이 있다.

그리고, 광학계의 수차현상에 관한 육안관찰 등의 체험으로 수차발생 원리를 비교적 빠른시간 내에 이해할 수 있는 효과가 있다.

이로써, 경제적이고 실효성 있는 광학실험장치 및 관련 실험을 응용하여 학습할 수 있어, 학생 및 교수들의 실력증진과 과학기술발전에 기여할 수 있는 참된 실험실습을 폭넓게 진행할 수 있는 효과가 있다.

비록 본 고안이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 고안의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 고안의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (6)

1. 폭방향을 따라 장착되어 길이방향을 따라 이송되는 다수의 제 1캐리어(131)와, 상기 제 1캐리어(131)에 높이방향을 따라 고정된 중공의 포스트홀더(133) 및 상기 포스트홀더(133) 의 상부에 승강이 가능하도록 끼워진 포스트(132)를 포함하며 일측에 길이방향을 따라 제 1눈금(130a)이 표시된 일정길이의 제 1레일(130);

   하부바(163)의 양측에 수직 부착된 가이드봉(162)을 따라 상부바(164)가 승강하면서 사이로 렌즈(120,120a)를 포함하는 각종 실험기기가 광학적으로 대응 고정되며 상기 포스트(132)에 결합되는 다기능 홀더;를 포함하여 커버(210)가 구비된 케이스(200) 내에 수납되며,

   상기 실험기기는 직류전원장치(110a)에 전기적으로 연결되어 상기 렌즈(120,120a)의 일면을 향해 빛을 출사하는 직선광원(110)과,

   빛이 투과되면서 광학적 변형, 변색 및 왜곡되는 코마수차, 비점수차, 구면수차, 상면만곡수차 및 왜곡수차의 실험을 위해 원틈 또는 실틈의 다양한 배치에 따라 상대적으로 투명하게 형성된 광차단 패널을 포함하여 상기 직선광원(110) 및 렌즈(120,120a)의 사이로 위치하는 수차판(180)과,

   빛이 투과되기 위한 원틈 또는 실틈이 상대적으로 투명하게 형성된 광차단 흑색패널을 포함하여 상기 직선광원(110) 및 렌즈(120,120a)의 사이에 위치하는 회절판(170)과,

   상기 빛의 투과량이 조절되도록 상기 직선광원(110)과 렌즈(120,120a)의 사이에 위치하며 외주연 하부에 상기 포스트(132)의 상부가 결합되는 조리개(190)와,

   상기 렌즈(120,120a)를 투과한 빛의 맺힘상 관찰을 위해 상기 렌즈(120,120a)의 타면에 위치하며 하부에 제 2눈금(140a)이 표시된 스크린(150)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 포스트(132)를 기점으로 상기 렌즈(120,120a) 또는 수차판(180)이 상기 제 1레일(130)에 비해 상대적으로 작은 길이로 전후 이송될 수 있도록 상기 포스트(132) 및 다기능홀더(160)의 사이에 상기 제 1레일(130)의 길이방향을 따라 장착되고 상기 다기능홀더(160)가 결합되도록 다수의 제 2캐리어(141)가 장착되며 길이방향을 따라 측부에 제 2눈금(140a)이 표시된 제 2레일(140)이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 포스트(132)를 기점으로 상기 직선광원(110), 수차판(180), 렌즈(120,120a) 또는 스크린(150)이 상기 제 1레일(130)의 폭방향을 따라 좌우이송이 가능하도록 상기 다기능홀더(160)는 상기 포스트(132)의 상단에 결합되는 슬라이드바(161)가 더 구비되고, 상기 슬라이드바(161)의 양측에 수직 부착된 가이드봉(162)을 따라 하부바(163) 및 상부바(164)가 수직 이동이 가능한 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 다기능홀더(160)의 하부바(163) 중앙 및 대응하는 상부바(164)의 중앙에는 V홈(163a) 및 상부바(164)를 관통하는 조임조절나사(166)로 탄성력이 조절되는 조임체(165)가 구비되는 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 각 캐리어, 포스트홀더(133) 및 다기능홀더(160)의 슬라이드바(161), 하부바(163) 및 상부바(164)의 일측에는 움직임을 고정하는 고정나사(167)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.
6. 제 1항에 있어서, 색수차의 실험을 위해 적색, 녹색 및 청색의 필터가 포함된 수차판(180)이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 렌즈의 수차 실험장치.