구면 수차 및 색수차

구면 수차는 구면 렌즈를 통과하는 빛이 광축에서 떨어진 거리에 따라 다르게 굴절되어 하나의 초점을 형성하지 못하는 현상이다. 이는 렌즈의 곡률이 완벽한 구형이기 때문에 발생하는 근본적인 한계이다.

광축에 평행하게 입사하는 빛줄기라도 렌즈 표면의 어느 부분을 통과하느냐에 따라 굴절 각도가 달라진다. 렌즈 가장자리(주변부)를 통과하는 빛은 중심부를 통과하는 빛보다 더 강하게 굴절되어, 초점이 광축 상에서 더 앞쪽에 형성된다[1]. 반대로, 렌즈 중심부를 통과하는 빛은 상대적으로 약하게 굴절되어 초점이 더 뒤쪽에 맺힌다. 이로 인해 모든 광선이 한 점에 모이지 않고, 초점면에서 흐릿한 원반 형태의 상을 만들게 된다.

이러한 초점 불일치는 렌즈의 굴절률과 곡률 반경에 의해 결정된다. 단일 구면 렌즈에서는 이 현상을 완전히 제거할 수 없으며, 렌즈의 조리개를 조여 주변부 광선을 차단하면 완화될 수 있다. 그러나 이는 들어오는 빛의 총량을 줄여 화질은 개선될지라도 시스템의 밝기를 떨어뜨리는 결과를 가져온다.

구면 렌즈는 가장 기본적이고 제작이 쉬운 렌즈 형태이다. 그러나 완벽한 구면 곡률을 가진 렌즈는 단일 초점을 형성하지 못하는 근본적인 한계를 지닌다. 이는 렌즈의 중심을 통과하는 광선과 가장자리를 통과하는 광선이 서로 다른 지점에 초점을 맺기 때문이다. 이러한 현상을 구면 수차라고 부른다.

구면 렌즈의 한계는 곡률 반경이 일정하다는 점에서 비롯된다. 렌즈 표면의 각 지점에서 입사각이 다르기 때문에, 스넬의 법칙에 따른 굴절 각도도 달라진다. 렌즈 가장자리로 갈수록 입사각이 커져 굴절 각도도 더 커지므로, 광선의 초점은 렌즈 중심부 광선의 초점보다 렌즈에 더 가까워진다. 이로 인해 한 점에서 발산된 빛이 렌즈를 통과한 후 하나의 점으로 재집합되지 못한다.

이러한 한계는 광학 시스템의 선예도와 해상도를 크게 저하시킨다. 초점면에서 형성되는 상은 선명한 점이 아니라 흐릿한 원반 모양을 띠게 된다. 구면 수차의 정도는 렌즈의 곡률 반경, 두께, 재질, 그리고 사용되는 조리개 값에 따라 달라진다. 조리개를 조여 렌즈 가장자리 부분을 차단하면 구면 수차를 줄일 수 있지만, 이는 들어오는 총 광량을 감소시키는 trade-off를 수반한다.

따라서 고정밀 광학 시스템에서는 구면 렌즈의 이러한 한계를 극복하기 위해 비구면 렌즈를 사용하거나, 서로 다른 곡률을 가진 여러 장의 구면 렌즈를 조합하여 수차를 상쇄하는 설계를 채택한다.

굴절률은 빛이 매질을 통과할 때 그 속도가 느려지는 정도를 나타내는 값이다. 이 값은 빛의 파장에 따라 달라지며, 일반적으로 파장이 짧을수록 굴절률이 크다. 이 현상을 분산이라고 부른다.

예를 들어, 가시광선 영역에서 보라색 빛은 파장이 가장 짧아 유리나 물 같은 매질에서 가장 강하게 굴절된다. 반대로 빨간색 빛은 파장이 가장 길어 가장 약하게 굴절된다. 이 차이는 프리즘을 통과한 백색광이 무지개색 스펙트럼으로 분리되는 현상으로 직접 관찰할 수 있다.

이러한 파장에 따른 굴절률 차이는 단일 구면 렌즈를 통과하는 백색광이 서로 다른 위치에 초점을 맺게 만드는 주된 원인이다. 결과적으로 렌즈는 하나의 선명한 초점 대신, 색상별로 길게 늘어난 초점 영역을 형성한다.

분산 현상은 빛이 굴절될 때 그 파장에 따라 굴절되는 정도가 달라지는 현상을 가리킨다. 이는 빛을 구성하는 서로 다른 색깔(즉, 서로 다른 파장)의 광선들이 굴절률이 다른 매질을 통과할 때 각기 다른 각도로 휘어지기 때문에 발생한다. 일반적으로 짧은 파장의 빛(예: 보라색, 파란색)이 긴 파장의 빛(예: 빨간색)보다 더 강하게 굴절된다.

이 현상은 프리즘을 통한 백색광의 분해로 가장 잘 관찰할 수 있다. 백색광이 프리즘을 통과하면 보라색에서 빨간색에 이르는 스펙트럼으로 분리되어 나타난다. 이는 유리와 같은 투명 매질의 굴절률이 빛의 파장에 의존적이기 때문이며, 이러한 성질을 매질의 분산 능력이라고 한다. 분산 현상은 색수차의 근본적인 원인이 된다.

분산의 정도는 재료에 따라 다르다. 예를 들어, 플린트 글래스는 크라운 글래스에 비해 분산 능력이 더 크다[3]. 광학 설계에서는 이러한 서로 다른 분산 특성을 가진 유리 재료를 조합하여 색수차를 상쇄시키는 방법이 널리 사용된다.

양의 구면 수차는 렌즈의 가장자리를 통과하는 광선이 렌즈의 중심부를 통과하는 광선보다 더 강하게 굴절되어, 광축 상에서 중심 광선의 초점보다 앞서서 교차하는 현상이다. 이는 렌즈의 곡률 중심 쪽으로 광선이 더 많이 휘어지기 때문에 발생한다. 결과적으로, 초점면에서는 중심부의 선명한 점 대신 가장자리에서 온 빛이 퍼져 나가는 흐릿한 원형의 반점을 형성한다. 이 반점은 중심이 가장 밝고 가장자리로 갈수록 점차 어두워지는 특성을 보인다.

구면 렌즈에서 양의 구면 수차는 가장 일반적으로 관찰되는 형태이다. 렌즈의 표면이 구면으로 이루어져 있을 때, 광축과 평행하게 입사하는 빛이라도 렌즈의 어느 부분을 통과하느냐에 따라 굴절 각도가 달라진다. 렌즈의 가장자리로 갈수록 입사각이 커지며, 스넬의 법칙에 따라 굴절각도 커지게 되어 초점 거리가 짧아진다. 따라서 모든 광선이 한 점에 모이지 못하고, 초점 앞쪽에 광선이 먼저 모인 후 다시 퍼지는 형태를 띤다.

이 현상의 영향을 정량적으로 이해하기 위해 다음 표를 참고할 수 있다. 표는 렌즈의 통과 위치에 따른 초점 위치의 상대적 변화를 보여준다.

양의 구면 수차는 단일 볼록 렌즈를 사용하는 간단한 광학 시스템에서 두드러지게 나타난다. 이 수차는 초점면에서의 화상 선명도를 저하시키고, 특히 고대비 경계 부분에서 번짐 현상을 유발하여 전체적인 화질을 떨어뜨린다. 수차 보정이 되지 않은 망원경으로 별을 관찰할 때, 별이 뾰족한 점이 아니라 흐릿한 원형으로 보이는 주된 원인 중 하나이다.

음의 구면 수차는 광축에서 멀리 떨어진 주변부 광선이 광축에 가까운 중심부 광선보다 더 강하게 굴절되어, 광축 상에서 초점보다 렌즈에 더 가까운 지점에 모이는 현상이다. 이는 구면 수차의 한 형태로, 렌즈의 형태나 사용 조건에 따라 발생한다. 음의 구면 수차가 발생하는 렌즈에서는 가장자리를 통과하는 광선의 초점 거리가 중심부 광선의 초점 거리보다 짧아진다.

구면 렌즈에서 음의 구면 수차는 일반적으로 발산 렌즈에서 관찰되거나, 특정한 형태의 오목-볼록 렌즈(메니스커스 렌즈)에서 발생할 수 있다. 또한, 볼록 렌즈라도 물체가 무한대가 아닌 매우 가까운 거리에 위치할 때 음의 구면 수차가 나타날 수 있다[5]. 광학 시스템 설계에서 양의 구면 수차와 음의 구면 수차를 가진 렌즈 요소를 적절히 조합하면 전체적인 구면 수차를 상쇄하여 보정하는 것이 가능하다.

음의 구면 수차는 상의 선명도를 떨어뜨리는 원인이 되며, 초점면에서의 빛 에너지 분포를 확산시켜 선예도를 감소시킨다. 이는 고성능 카메라 렌즈, 망원경, 현미경 등의 광학 기기에서 반드시 교정해야 할 주요 결함 중 하나이다.

축상 색수차는 색수차의 한 종류로, 렌즈의 광축 상에서 서로 다른 파장의 빛이 다른 위치에 초점을 맺는 현상을 가리킨다. 이는 분산 현상, 즉 렌즈 재료의 굴절률이 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에 발생한다. 일반적으로 보라색 계열의 짧은 파장 빛은 굴절률이 높아 렌즈 표면에서 더 강하게 굴절되어 초점 거리가 짧아진다. 반대로 빨간색 계열의 긴 파장 빛은 굴절률이 낮아 상대적으로 덜 굴절되어 초점 거리가 길어진다. 결과적으로 백색광과 같은 복합광을 렌즈에 통과시킬 때, 하나의 명확한 초점 대신 파장에 따른 일련의 초점이 광축을 따라 생기게 된다.

이 현상의 영향은 초점면에서 색상에 따른 선명도 저하로 나타난다. 예를 들어, 초점을 빨간색 빛에 맞추면 보라색 빛은 아직 초점을 맞추지 못해 보라색 테두리의 흐릿한 점으로 보인다. 반대로 초점을 보라색 빛에 맞추면 빨간색 빛이 초점을 벗어나게 된다. 이로 인해 형성된 상은 색상에 따른 번짐 현상을 보이며, 전체적인 화질과 해상도가 떨어지게 된다. 축상 색수차는 특히 단일 렌즈로 구성된 간단한 광학 시스템에서 두드러지게 관찰된다.

아래 표는 축상 색수차의 특성을 요약한 것이다.

이러한 수차를 보정하기 위해 개발된 대표적인 방법은 아크로매트 렌즈이다. 서로 다른 분산 특성을 가진 두 종류의 유리, 예를 들어 크라운 유리와 플린트 유리로 만든 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 접합한다. 이 조합을 통해 두 개의 특정 파장(예: 빨간광과 파란광)이 거의 동일한 지점에 초점을 맺도록 설계하여, 축상 색수차를 현저히 줄일 수 있다.

배율 색수차는 색수차의 한 종류로, 렌즈를 통과하는 빛의 파장에 따라 초점 거리뿐만 아니라 배율도 달라져 발생하는 수차이다. 축상 색수차가 광축 상의 점에서 초점 위치가 색깔별로 달라지는 현상이라면, 배율 색수차는 광축에서 떨어진 점, 즉 사물의 가장자리 부분에서 두드러지게 나타난다. 이로 인해 상의 크기가 색깔별로 달라지며, 특히 화면의 가장자리에서 무지개색 테두리나 색상의 분리 현상이 관찰된다.

배율 색수차의 원인은 렌즈의 굴절률이 파장에 따라 변하는 분산 현상에 있다. 서로 다른 파장의 빛이 렌즈의 가장자리 부분을 통과할 때, 그 굴절 각도가 다르기 때문에 결상되는 상의 크기에 차이가 생긴다. 일반적으로 가시광선 영역에서 보라색 빛은 적색 빛보다 더 강하게 굴절되어 더 작은 배율을 보이는 경향이 있다. 이는 아래 표와 같이 단순한 볼록 렌즈 하나에서 쉽게 확인할 수 있는 현상이다.

이러한 배율의 차이는 렌즈의 초점 거리가 색깔에 따라 변하는 축상 색수차와는 독립적으로 발생하며, 두 수차가 동시에 존재할 경우 화질 열화가 더욱 심각해진다. 배율 색수차는 망원경의 접안렌즈나 카메라 렌즈에서 광학 설계상의 중요한 과제로 다루어진다. 단일 렌즈로는 이 수차를 완전히 제거하기 어렵기 때문에, 서로 다른 분산 특성을 가진 크라운 유리와 플린트 유리로 만들어진 렌즈를 조합한 아크로매트 렌즈나 더 정밀한 아포크로매트 렌즈를 사용하여 보정한다.

비구면 렌즈는 구면 수차를 효과적으로 제거하기 위해 개발된 광학 요소이다. 전통적인 구면 렌즈는 제작이 용이하지만, 곡률 반경이 일정하여 빛의 굴절 각도가 렌즈 중심부와 가장자리에서 달라지는 근본적인 문제를 가진다. 비구면 렌즈는 이 문제를 해결하기 위해 렌즈 표면의 곡률을 위치에 따라 변화시켜 설계한다. 즉, 렌즈 가장자리로 갈수록 곡률을 점차적으로 변화시켜, 모든 입사 광선이 정확히 하나의 초점으로 모이도록 한다.

비구면 렌즈의 설계와 제조는 복잡하고 비용이 높은 편이다. 역사적으로 정밀한 연마 기술이 부족했기 때문에 실용화되기까지 오랜 시간이 걸렸다. 그러나 현대에는 고정밀 금형 성형 기술, 정밀 연마 기술, 그리고 유리 몰드 성형법과 같은 기술의 발전으로 대량 생산이 가능해졌다. 이로 인해 고성능 카메라 렌즈, 망원경, 현미경 뿐만 아니라 소형 카메라 모듈과 같은 일상적인 광학 장치에도 점차 적용되고 있다.

비구면 렌즈의 도입은 광학 시스템 설계에 큰 유연성을 제공한다. 구면 렌즈만으로 수차를 보정하려면 여러 장의 렌즈를 복잡하게 조합해야 하는 경우가 많다. 비구면 렌즈를 사용하면 동일한 성능을 더 적은 수의 렌즈로 구현할 수 있어, 시스템을 소형화하고 가벼워지게 할 수 있다. 또한, 플레어나 고스트 현상의 원인이 되는 불필요한 반사 면을 줄여 화질을 향상시키는 부수적인 효과도 있다.

렌즈 조합 설계는 단일 렌즈로는 제거하기 어려운 구면 수차와 색수차를, 서로 다른 형태의 수차를 발생시키는 여러 장의 렌즈를 적절히 배치하고 조합함으로써 상호 보정하는 방법이다. 이는 광학 설계의 핵심 기법 중 하나로, 현대의 복잡한 광학 시스템에서 필수적으로 적용된다.

기본 원리는 서로 다른 곡률, 두께, 유리 재질을 가진 볼록 렌즈와 오목 렌즈를 결합하는 것이다. 예를 들어, 크라운 유리로 만든 볼록 렌즈와 플린트 유리로 만든 오목 렌즈를 접합한 쌍안 렌즈는 대표적인 색수차 보정 렌즈이다. 크라운 유리는 분산이 작고, 플린트 유리는 분산이 크기 때문에, 두 렌즈가 만들어내는 색수차의 방향이 반대가 되어 전체적으로 색수차가 상쇄된다. 구면 수차의 경우에도, 단일 구면 렌즈에서 발생하는 수차를 여러 장의 렌즈에 분산시켜 각 렌즈의 곡률과 간격을 최적화하면 전체 시스템의 수차를 최소화할 수 있다.

이러한 조합 설계는 단순히 렌즈를 더하는 것이 아니라, 각 렌즈의 곡률 반경, 두께, 공기 간격, 유리 재질의 분산 값을 정밀하게 계산하여 최적의 형태를 찾는 과정을 포함한다. 컴퓨터 지원 광학 설계 소프트웨어의 발달은 수백만 가지의 가능한 조합 중에서 최상의 해를 찾는 것을 가능하게 하였다. 결과적으로, 고성능 카메라 렌즈나 망원경에는 서로 다른 특성을 가진 여러 장의 렌즈 요소가 정교하게 배열되어 하나의 우수한 화질을 구현해낸다.

특수 코팅 기술은 렌즈 표면에 얇은 박막을 입혀 반사를 억제하고 특정 파장의 투과를 조절함으로써 색수차를 보정하는 방법이다. 이 기술은 주로 분산 현상으로 인한 색수차를 줄이는 데 효과적이다.

코팅은 단일층 또는 다층으로 구성될 수 있다. 단층 코팅은 주로 하나의 파장에서 반사를 최소화하지만, 다층 코팅(멀티 코팅)은 가시광선 영역의 여러 파장에 걸쳐 반사율을 극적으로 낮춘다. 이는 불필요한 플레어와 고스트 현상을 줄이고, 대비와 선예도를 향상시킨다. 또한, 특정 설계를 가진 코팅은 특정 파장대(예: 적외선 또는 자외선)의 투과를 선택적으로 제어하여 해당 영역에서의 색수차를 교정하는 데 기여한다.

이러한 코팅은 렌즈의 광학적 성능을 개선할 뿐만 아니라, 렌즈 조합의 수를 줄여 경량화와 소형화를 가능하게 한다. 현대의 고성능 카메라 렌즈와 망원경에는 필수적인 기술로 자리 잡았다.

카메라 렌즈는 구면 수차와 색수차를 최소화하여 선명하고 색수차가 없는 이미지를 얻는 것을 핵심 목표로 설계된다. 고급 렌즈는 여러 개의 렌즈 요소를 조합하여 각 수차를 상쇄하는 복잡한 광학 설계를 채택한다. 예를 들어, 저분산 유리를 사용한 요소는 색수차를 줄이고, 비구면 렌즈를 포함하는 설계는 구면 수차를 교정한다. 이러한 교정 수준은 렌즈의 성능과 가격을 결정하는 주요 요소가 된다.

렌즈의 조리개 값은 구면 수차에 직접적인 영향을 미친다. 조리개를 조여(예: f/8, f/11) 작은 구경으로 사용하면, 렌즈 가장자리의 굴절 효과가 큰 부분을 차단하여 구면 수차가 현저히 감소하고 화질이 향상된다. 반면, 조리개를 최대 개방(예: f/1.4) 상태로 사용할 때는 구면 수차의 영향이 가장 두드러지며, 이미지가 부드럽거나 선예도가 떨어지는 결과를 초래할 수 있다.

현대의 고성능 렌즈, 특히 아포크로매틱 렌즈는 가시광선 스펙트럼 내 여러 파장(예: 빨강, 초록, 파랑)의 빛을 거의 동일한 초점면에 모으도록 설계되어 색수차를 극도로 억제한다. 또한, 디지털 카메라의 보급으로 인해, 렌즈 설계에서 발생하는 잔여 수차를 이미지 센서 전의 저패스 필터나 촬영 후 이미지 처리 알고리즘을 통해 소프트웨어적으로 보정하는 방법도 널리 활용된다.

망원경의 광학 성능은 구면 수차와 색수차의 보정 정도에 크게 좌우된다. 특히 천체 관측에서는 미세한 상의 왜곡도 연구에 치명적일 수 있어, 역사적으로 이들 수차를 극복하는 것이 주요 과제였다.

초기 굴절 망원경은 단일 구면 렌즈를 사용했기 때문에 심각한 색수차를 보였다. 이는 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라져 다른 색깔의 빛이 다른 지점에 초점을 맺는 현상으로, 천체 주변에 무지개색 테두리가 생기고 상의 선명도가 떨어졌다. 이를 해결하기 위해 긴 초점 거리를 가진 망원경이 제작되기도 했으나, 실제 사용에는 불편함이 컸다. 18세기 중반, 존 돌런드는 서로 다른 분산을 가진 크라운 유리와 플린트 유리 렌즈를 결합한 아크로매트 렌즈를 발명하여 색수차를 상당 부분 제거했다[8].

반사 망원경은 근본적으로 색수차가 발생하지 않는 설계로, 아이작 뉴턴에 의해 본격적으로 개발되었다. 빛을 굴절시키지 않고 반사시키기 때문에 파장에 따른 초점 차이가 생기지 않는다. 그러나 구면 거울을 사용할 경우 구면 수차가 문제가 되었다. 구면 수차는 거울 가장자리와 중심부에서 반사된 빛의 초점이 일치하지 않아 상이 흐려지는 현상이다. 이를 해결하기 위해 포물면 거울이 도입되었으며, 현대의 대형 망원경들은 보다 정교한 비구면 광학 설계와 적응 광학 시스템을 통해 대기 난류의 영향까지 보정한다.

결과적으로, 고성능 망원경은 여러 장치를 통해 이러한 수차들을 복합적으로 관리한다. 예를 들어, 슈미트-카세그레인 망원경이나 막스토프-카세그레인 망원경과 같은 복합 광학계는 보정판과 특수한 거울 형상을 결합하여 넓은 시야와 우수한 상질을 동시에 구현한다.

현미경은 높은 배율로 미세한 물체를 관찰하는 광학 기기이다. 구면 수차와 색수차는 현미경의 해상도와 이미지 선명도에 직접적인 영향을 미치는 주요 결함으로, 고배율 관찰 시 그 영향이 특히 두드러진다.

구면 수차는 현미경 대물렌즈에서 가장 심각한 문제를 일으킨다. 렌즈 가장자리를 통과하는 광선이 중심부를 통과하는 광선과 다른 지점에 초점을 맺으므로, 관찰 대상의 가장자리가 번지거나 선명하지 않게 보인다. 고배율 대물렌즈는 초점 거리가 짧고 개구수가 크기 때문에 구면 수차의 영향을 더 크게 받는다. 이를 보정하기 위해 현미경 대물렌즈는 여러 장의 볼록렌즈와 오목렌즈를 정밀하게 조합한 복합 렌즈 구조를 사용한다. 각 렌즈 소자의 곡률과 두께를 설계하여 서로 다른 경로의 광선이 거의 동일한 초점면에 모이도록 한다.

색수차는 현미경에서 백색광을 사용할 때 발생하는 중요한 문제이다. 서로 다른 파장의 빛이 렌즈 내에서 다른 각도로 굴절되어, 파란색과 빨간색의 초점 위치가 달라진다. 이로 인해 관찰 대상의 가장자리에 무지개색 테두리(색상 떨림)가 생기고 전체적인 이미지의 선명도와 대비가 떨어진다. 현미경은 주로 아포크로마트 대물렌즈를 채택하여 색수차를 교정한다. 아포크로마트 렌즈는 서로 다른 분산 특성을 가진 크라운 유리와 플린트 유리를 조합하여 적어도 세 가지 파장(보통 빨강, 초록, 파랑)의 빛을 동일한 초점면에 모으도록 설계되었다. 고성능 현미경은 더 넓은 파장 범위에서 색수차를 보정하는 슈퍼 아포크로마트 렌즈를 사용하기도 한다.

현미경의 성능은 이러한 수차를 얼마나 효과적으로 제어하느냐에 크게 좌우된다. 특히 생물학 연구나 반도체 검사와 같이 높은 해상도와 정확한 색 재현이 요구되는 분야에서는 고가의 수차 보정 렌즈가 필수적으로 사용된다.

코마 수차는 광학 시스템에서 구면 수차와 함께 나타나는 주요 수차 중 하나이다. 이 현상은 광축에서 벗어난 점광원, 즉 광축과 평행하지 않은 광선이 렌즈를 통과할 때 발생한다. 광선이 렌즈의 중심부와 가장자리부를 통과하는 경로 차이 때문에, 점광원의 상이 찌그러진 혜성(코마) 모양으로 퍼져 보인다. 이로 인해 상의 선명도와 대비가 크게 저하된다.

코마 수차는 주로 렌즈 표면의 비대칭적인 굴절 때문에 생긴다. 광축에서 멀리 떨어진 물체점에서 나온 광선 다발이 렌즈에 비스듬히 입사할 때, 렌즈의 서로 다른 원환대(annular zone)를 통과하는 광선들이 초점면의 서로 다른 위치에 모인다. 이 결과 하나의 점이 아닌, 한쪽으로 꼬리가 길게 늘어진 비대칭적인 흐릿한 점으로 맺힌다. 이 모양이 혜성을 연상시켜 '코마(coma)'라는 이름이 붙었다.

코마 수차의 방향과 정도는 광학 설계와 관련이 깊다. 단일 구면 렌즈를 사용할 때 특히 두드러지게 나타나며, 광축에 가까운 광선보다는 화각이 큰 광선에서 문제가 된다. 따라서 넓은 시야를 요구하는 망원경이나 카메라 렌즈에서 중요한 보정 대상이 된다. 코마 수차를 줄이기 위해 렌즈의 곡률 반경을 조정하거나, 여러 장의 렌즈를 조합하여 서로의 수차를 상쇄시키는 방법이 사용된다[11].

비점 수차는 광축에서 벗어난 점광원에서 나온 광선이 구면 수차와 마찬가지로 하나의 점으로 모이지 못하는 광학 수차의 일종이다. 주로 광축에 대해 비스듬히 입사하는 광선에서 발생하며, 이로 인해 상의 가장자리 부분이 흐려지거나 찌그러지는 현상이 나타난다.

비점 수차는 초점면이 평면이 아닌 곡면을 이루는 특징을 보인다. 즉, 상면의 중심부와 주변부가 서로 다른 위치에 초점이 맺힌다. 이 현상은 렌즈나 거울의 표면이 완벽한 대칭을 이루지 못할 때 두드러지게 나타난다. 특히 카메라 렌즈에서 조리개를 개방하여 촬영할 때, 화면의 모서리 부분이 뚜렷하게 선명하지 않은 경우가 많으며, 이는 비점 수차의 영향이 크다.

비점 수차는 크게 접선 방향과 사그러진 방향의 수차로 구분되며, 그 결과 상이 방사상이나 접선 방향으로 늘어난 모양을 보인다. 이를 보정하기 위해 여러 장의 렌즈를 조합하거나, 비구면 렌즈를 사용하여 곡률을 정밀하게 제어한다. 현대의 고성능 사진 렌즈나 망원경에서는 이러한 복잡한 렌즈 군 설계를 통해 비점 수차를 극소화한다.