KPI뉴스 - 2000년 난제 '렌즈 구면수차', 수학으로 해결한 대학원생

  • 흐림성산16.6℃
  • 맑음금산11.1℃
  • 맑음김해시15.5℃
  • 구름많음대관령12.6℃
  • 맑음보령12.6℃
  • 구름많음원주14.3℃
  • 맑음보은10.0℃
  • 흐림고산18.5℃
  • 맑음군산13.2℃
  • 맑음인제17.1℃
  • 맑음봉화7.9℃
  • 맑음홍성13.5℃
  • 구름많음의령군10.8℃
  • 맑음태백9.7℃
  • 맑음장수8.2℃
  • 구름많음철원17.2℃
  • 구름많음강화19.5℃
  • 맑음울진17.9℃
  • 구름많음완도14.6℃
  • 흐림서귀포19.2℃
  • 구름많음포항18.0℃
  • 맑음울릉도19.0℃
  • 맑음경주시12.3℃
  • 맑음양산시13.7℃
  • 구름많음순천10.2℃
  • 맑음서울16.8℃
  • 맑음서청주11.0℃
  • 맑음청송군8.8℃
  • 맑음문경11.0℃
  • 맑음구미13.0℃
  • 맑음이천15.5℃
  • 구름많음진도군12.4℃
  • 맑음청주15.6℃
  • 구름많음광양시15.5℃
  • 맑음상주12.2℃
  • 맑음세종12.6℃
  • 맑음대전13.2℃
  • 맑음인천17.7℃
  • 구름많음밀양13.4℃
  • 맑음영덕16.4℃
  • 맑음영광군12.2℃
  • 흐림장흥11.1℃
  • 맑음서산16.3℃
  • 맑음고창11.6℃
  • 맑음파주17.0℃
  • 구름많음창원15.3℃
  • 맑음대구15.2℃
  • 맑음속초19.2℃
  • 맑음거창10.2℃
  • 맑음부여11.2℃
  • 맑음북강릉18.6℃
  • 구름많음흑산도15.5℃
  • 맑음의성10.5℃
  • 맑음안동11.3℃
  • 맑음영천11.8℃
  • 흐림제주18.1℃
  • 맑음제천8.3℃
  • 맑음천안10.7℃
  • 맑음북춘천17.2℃
  • 맑음합천12.6℃
  • 맑음순창군11.5℃
  • 구름많음통영15.8℃
  • 구름많음남해15.6℃
  • 맑음전주14.3℃
  • 맑음정선군11.1℃
  • 맑음산청11.1℃
  • 구름많음해남11.6℃
  • 구름많음보성군13.3℃
  • 맑음백령도19.5℃
  • 맑음정읍12.3℃
  • 구름많음북부산12.9℃
  • 구름많음고흥11.0℃
  • 맑음광주15.4℃
  • 구름많음수원16.4℃
  • 맑음영월10.3℃
  • 맑음임실10.4℃
  • 맑음남원11.7℃
  • 맑음함양군9.7℃
  • 맑음추풍령10.2℃
  • 구름많음거제13.5℃
  • 맑음춘천17.2℃
  • 맑음고창군11.7℃
  • 맑음강릉17.9℃
  • 맑음홍천16.7℃
  • 구름많음부산16.9℃
  • 맑음동두천16.6℃
  • 맑음부안12.7℃
  • 맑음양평15.7℃
  • 맑음북창원15.8℃
  • 맑음영주9.3℃
  • 구름많음진주10.7℃
  • 구름많음여수16.7℃
  • 맑음목포16.7℃
  • 구름많음강진군12.5℃
  • 맑음동해19.8℃
  • 맑음충주11.1℃
  • 구름많음울산14.8℃

2000년 난제 '렌즈 구면수차', 수학으로 해결한 대학원생

김들풀 Google구글에서 선호하는 출처로 추가
기사승인 : 2019-07-10 14:13:23
멕시코 국립대학 박사과정 라파엘 곤잘레스

2000년간 해결되지 않았던 렌즈의 구면수차를 멕시코 대학원생이 수학으로 해결했다.

빛을 모으려면 렌즈가 필요하다. 렌즈는 한 점을 중심으로 원을 그리는 곡면으로 이루어졌다. 하지만 정확히 한 점으로 모으지 못해 주변으로 갈수록 안으로 모이는 현상이 만들어지는 문제점이 생기게 된다. 이것을 구면수차(Spherical aberration)라고 한다. 


▲ 렌즈 구면수차 이미지 [김들풀 기자]

​

그동안은 수차를 해결하기 위해 렌즈의 주변 각을 변형시킨 비구면 렌즈(일부분이 완전 곡면이 아닌 렌즈) 2개를 겹쳐 수차를 어느 정도 해결해왔다. 그런데 렌즈 하나로 이 모든 걸 해결했다는 뜻이다.


놀랄만한 이번 성과는 멕시코 국립대학(UNAM) 박사과정 학생인 라파엘 곤잘레스(Rafael González)가 수학으로 해결한 것이다. 그는 렌즈 단면을 일반적인 구형이 아닌 굴곡이 있게 수학공식으로 풀어냈다. 


연구 성과는 광학분야 학술지 어플라이드 옵틱스(Applied Optics) 최근호에 '구면수차가 없는 양면 비구면 일괄 렌즈 설계를 위한 일반 공식(General formula to design a freeform singlet free of spherical aberration and astigmatism)'이라는 논문 제목으로 게재됐다.


▲ 곤잘레스 분석으로 도출된 구면수차가 제거된 렌즈의 그림. [멕시코 국립대학(UNAM)]


고대 그리스의 과학자 아르키메데스가 오목 거울로 햇빛을 모아 적 함대를 태웠다는 이야기가 있지만, 공식적인 광학의 역사는 2000년 전으로 거슬러 올라간다.

2000년 전 그리스 수학자 디오클레스(Diocles)가 저서 '불타는 거울(Burning Mirrors)'에서 구면수차 문제를 언급했다. 또한 17세기의 천문학자인 크리스티안 하이겐스(Christiaan Huygens)는 1690년 저서 '빛에 관한 논고(Light on Treatise)'에서 아이작 뉴턴(Isaac Newton)과 고트프리트 빌헬름 라이프니츠(Gottfried Wilhelm Leibniz)가 망원경 렌즈의 구면수차를 해결하려고 했지만 실패했다고 말했다.

실제로 뉴턴이 고안한 뉴턴식 반사 망원경은 색 번짐(색 수차)는 발생하지 않지만, 반사경을 사용하고 있기 때문에 구면수차를 완전하게 보정할 수 없었다.

이후 1949년 와써맨(Wasserman)과 울프(Wolf)가 영국왕립학회지(Royal Society Proceedings)를 통해 구면수차 없이 렌즈를 설계하는 방법을 문제로 정했다. 이후 과학계에서는 'Wasserman-Wolf' 문제로 공식화됐다.

라파엘 곤잘레스는 이전부터 렌즈 구면수차의 문제를 수학으로 작업하던 중이었다. 그는 어느 날 아침 식사를 위해 빵에 누텔라를 바르다가 이 아이디어를 떠올렸다. 아이디어를 컴퓨터 시뮬레이션을 실시한 결과, 구면수차를 해소할 수 있었다.


▲ 그림의 매우 복잡한 수식은 렌즈의 표면을 분석해 설계할 수 있는 공식이다

그 후, 곤잘레스는 같은 과정 동료들과 함께 500개의 광선을 쏴서 시뮬레이션한 결과 99.9999999999%의 평균 만족도를 얻었다.

또한, 곤잘레스 연구팀은 1900년에 공식화된 레비 치비타(Levi-Civita) 문제도 해결한 것으로 알려졌다.

렌즈의 구면수차를 수학으로 해결함으로써 저렴하고 성능이 좋은 렌즈 개발로 획기적인 망원경이나 분광기 등이 나올 수 있는 토대가 마련됐다.

KPI뉴스 / 김들풀 전문기자 itnews@kpinews.kr


[저작권자ⓒ KPI뉴스. 무단전재-재배포 금지]