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문제 정의
- [8] 앞선 연구를 통해 스크래치나 지문과 같은 다양한 자극이 렌즈에 가해져 렌즈나 코팅막에 결함이 생길 경우 투과율의 평균과 표준편차에 변화가 생김을 확인하였으며 자극이 가해지지 않은 일반적 안경렌즈에 대한 투과율 측정결과 또한 일반적으로 시행되는 투과율 측정방법과 거의 일치함으로써 투과율 분석과 관련된 국소 투과율 현미경과 이를 활용한 연구방법의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 이에 본 연구에서는 이 국소 투과율 현미경을 이용하여 다양한 안경렌즈에 대하여 국소적 투과율을 측정하고 이를 비교 분석함으로써 렌즈 전체의 평균적 특성과 국소적 특성을 함께 연구하였다.
- 2에서 확인할 수 있으며 결국 이러한 큰 렌즈별 편차는 염색착색법 공정이 가지는 한계에 의한 결과임을 알 수 있다. 착색렌즈에서 렌즈별 투과율 차이가 생기는 것에 대해서는 익히 알려진 사실이었지만 그 정량적 분석에 관한 결과를 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 국소적 투과율의 공간 적 분포를 관찰하기 위하여 렌즈면을 집광된 레이저 빔에 대해서 스텝당 0.1 µm의 정밀도를 가지는 3축의 전동이송장치(motorized xyz-stage)를 이용하여 정밀하게 제어하며 이동시키면서 측정하여 렌즈의 투과율 신호의 분포를 비접촉적인 방법으로 분석할 수 있었다.
- 기존에 행해지던 외관검사를 국소 투과율 현미경을 이용하여 분석함으로써 렌즈의 외관을 그대로 유지한 상태에서 비접촉적인 방법으로 렌즈의 광학적 균일도를 분석하고 결과를 비교할 수 있었다. 분석된 결과를 토대로 했을 때 이러한 연구 혹은 방법은 렌즈의 성능 평가와 광학적 품질 향상에 적용할 수 있으며 특히 렌즈와 결합된 안광학계와 관련된 연구의 경우에 있어서도 렌즈의 국소적 투과율의 균일도를 고려한 분석이 이루어져야 한다고 할 수 있겠다.
- 6 µm 간격마다 하나의 데이터를 얻는 방식으로 측정되었다. 기하학 중심을 기준으로 가로, 세로 각 3 mm 영역에서 측정된 렌즈 하나당 총 14,560 포인트에 대한 국소 투과율의 평균을 그 렌즈의 투과율로 제시하였고 국소적 투과율에 대한 표준 편차를 렌즈의 국소적 투과율 불균일성으로 분석한 후 렌즈별로 비교하였다.
- 본 연구에서 더 주목한 부분인 렌즈의 투과율 불균일성은 한 렌즈에서 측정되는 14,560 포인트에 대한 국소적 투과율의 표준편차를 계산하여 비교분석한 것이다. 무착색렌즈와 착색렌즈의 국소적 투과율 불균일성에 대한 결과를 Fig.
- 본 연구에서는 광학렌즈의 투과율 균일도를 측정할 수 있는 장치인 국소 투과율 현미경을 이용하여 5종의 무착색렌즈와 9종의 착색렌즈 총 14종 70장의 안경렌즈에 대한 국소적 투과율을 측정하여 그 결과를 비교하였다.
- 양호한 시생활을 위해서는 높은 투과율은 안경렌즈에서 가장 중요한 요소이다. 이를 위해 렌즈 재질과 공기와의 굴절률 차이로 인해 생기는 투과율 감소를 줄이기 위하여 반사광선의 억제를 유발하는 간섭 현상을 이용한 반사방지 코팅막을 시행함으로써 투과율을 높이고 있다. 아울러 다양한 코팅막의 출현은 안경렌즈의 광학적 요소 신뢰성, 자외선 차단 능력 그리고 온도 자극에 의한 코팅 박막의 변화와 같은 렌즈와 코팅막에 대한 특성 및 성능을 비교 분석하는 연구로도 이어지고 있다.
- BS7394의 분류를 기준으로 했을 때 A타입과 B타입 렌즈는 중굴절률에 속하고 C타입은 고굴절률로 분류된다. 착색렌즈로는 갈색과 회색의 경우 착색농도 15%, 20%, 50% 그리고 80%로 각 4종씩의 렌즈와 15% 착색농도의 파란색을 포함하여 총 9종의 착색렌즈가 측정되었다. 착색렌즈의 굴절률은 모두 1.
- 실험에 사용한 광검출기는 렌즈에 의한 광선의 편향 효과를 무시할 수 있는 구조이며 아울러 본 실험에서 측정에 사용된 모든 안경렌즈는 굴절력 0 디옵터의 평면렌즈이다. 투과율 측정결과에 영향을 줄 수 있는 외부로부터의 광선유입과 노이즈를 차단하기 위하여 제작된 밀폐형의 알루미늄 상자로 렌즈를 포함한 모든 장치를 감싼 상태에서 측정하여 광검출기에 측정되는 광신호는 렌즈를 투과한 레이저광만 측정되도록 하였다.
- 평면렌즈가 시료로써 측정된 관계로 투과율 측정은 기하학적 중심을 기준으로 가로, 세로 각 3 mm 정사각형 크기이며 이 영역에 대해 0.2 mm 간격으로 가로, 세로 각 16라인 총 32라인에 대해 선형으로 스캔하였다. 각 라인에서 측정되는 데이터는 455개로 약 6.
대상 데이터
- 각 라인에서 측정되는 데이터는 455개로 약 6.6 µm 간격마다 하나의 데이터를 얻는 방식으로 측정되었다.
- 수작업으로 착색되는 렌즈별 착색시간은 갈색과 회색에 공통적으로 20%, 50% 그리고 80% 착색농도에 대해 각각 30초, 5분 그리고 15분이 소요되었다. 모든 렌즈는 각 종별로 5장씩 총 14종 70장의 렌즈가 측정되었으며 모두 동일 렌즈회사에서 제조되었다.
- 실험에 사용된 안경렌즈는 크게 무착색렌즈와 착색렌즈 로 구분된다. Table 1에서 볼 수 있듯이 무착색렌즈로는 안경렌즈로서의 사용빈도가 높은 굴절률 1.
- 집광된 레이저의 투과되는 정도는 측정렌즈 직후방의 광검출기에 의해 측정되었다. 실험에 사용한 광검출기는 렌즈에 의한 광선의 편향 효과를 무시할 수 있는 구조이며 아울러 본 실험에서 측정에 사용된 모든 안경렌즈는 굴절력 0 디옵터의 평면렌즈이다. 투과율 측정결과에 영향을 줄 수 있는 외부로부터의 광선유입과 노이즈를 차단하기 위하여 제작된 밀폐형의 알루미늄 상자로 렌즈를 포함한 모든 장치를 감싼 상태에서 측정하여 광검출기에 측정되는 광신호는 렌즈를 투과한 레이저광만 측정되도록 하였다.
- 55로 무착색렌즈 중 A타입과 같다. 측정에 사용된 무착색렌즈와 착색렌즈 모두 하드멀티코팅처리가 된 평면렌즈이며 직경 72 mm의 크기를 가 지고 있다. 이들 중 무착색의 A타입 렌즈 1종은 초경발수코팅이 되어 있고 B타입 렌즈 1종은 청광차단렌즈이다.
이론/모형
- 1 µm의 정밀도를 가지는 3축의 전동이송장치(motorized xyz-stage)를 이용하여 정밀하게 제어하며 이동시키면서 측정하여 렌즈의 투과율 신호의 분포를 비접촉적인 방법으로 분석할 수 있었다. 집광된 레이저의 투과되는 정도는 측정렌즈 직후방의 광검출기에 의해 측정되었다. 실험에 사용한 광검출기는 렌즈에 의한 광선의 편향 효과를 무시할 수 있는 구조이며 아울러 본 실험에서 측정에 사용된 모든 안경렌즈는 굴절력 0 디옵터의 평면렌즈이다.
성능/효과
- 105%로 조금 더 낮게 측정되었다. B타입의 경우 일반멀티코팅 처리가 된 SH1은 투과율의 평균과 표준편차가 각각 98.65%와 0.165%로 측정이 되었지만 청광차단 처리가 된 SH2의 경우 측정결과가 각각 98.74% 와 0.158%로 측정되어 A타입과 B타입에서 공통적으로 특수코팅 및 처리가 된 렌즈에서 더 높은 투과율과 더 낮은 표준편차가 측정되었다. C타입의 HG1은 투과율의 평균과 표준편차는 각각 98.
- 실험에 사용된 안경렌즈는 크게 무착색렌즈와 착색렌즈 로 구분된다. Table 1에서 볼 수 있듯이 무착색렌즈로는 안경렌즈로서의 사용빈도가 높은 굴절률 1.55의 A타입 렌즈 2종, 굴절률 1.57의 B타입 렌즈 2종 그리고 굴절률 1.60의 C타입 렌즈 1종으로 총 5종의 무착색렌즈가 측정되었다. BS7394의 분류를 기준으로 했을 때 A타입과 B타입 렌즈는 중굴절률에 속하고 C타입은 고굴절률로 분류된다.
- 2~4에서 볼 수 있다. 갈색 80%(BR80)을 제외하면 나머지 모든 시료에서 무착색렌즈군의 표준편차의 평균인 0.161%보다 최소 2배 이상 높게 측정되었고 특히 갈색50%(BR50)의 경우 5배 이상 높은 1.217%의 표준편차가 측정되었다. 착색렌즈군의 표준편차 평균은 0.
- 같은 농도의 착색렌즈에서 렌즈별 투과율 편차가 큰 것은 렌즈 제작과정에서 다른 공정에 비해 착색공정이 상당부분 수작업으로 진행되고 육안비색법에 의해 색이 결정되기 때문이라고 할 수 있다. 같은 농도로 착색된 렌즈들 중에서 갈색 50%(BR50) 렌즈의 경우 가장 높은 투과율과 가장 낮은 투과율은 각각 69.47%와 66.48%로 최대 2.99%의 투과율 차이가 생기는 것으로 측정되었다. 동일 투과율에서 1쌍의 렌즈의 가시광선 투과율 차이는 3% 이하로 규정하고 있다.
- 착색렌즈의 경우 기본적으로 착색밀도가 높아질수록 낮은 투과율이 측정되었다. 공장에서 동시에 다량이 착색이 되는 방법으로 제작되는 15% 착색농도렌즈를 기준으로 했을 때 투과율은 갈색(BR15), 회색(GR15) 그리고 푸른색 (BL15)에서 각각 91.50%, 90.39% 그리고 90.25%로 측정되었다. 최 등의 연구에 의하면 같은 총분광투과율에 대한 착색시간을 비교해 보면 착색농도에 관계없이 갈색이 가장 짧은 시간이 걸리고 회색, 푸른색 순으로 길게 소요된다고 보고되었다.
- 측정된 국소적 투과율의 평균을 그 렌즈의 투과율로 계산한 후 비교한 결과 멀티코팅이 된 무착색렌즈의 경우 렌즈의 굴절률에 관계없이 평균적으로 높게 그리고 렌즈별 투과율도 균일하게 측정되었다. 다만 초경발수 코팅과 청광차단처리가 된 렌즈에서 같은 굴절률의 일반 멀티코팅된 렌즈에 비해 투과율은 조금 더 높게 렌즈별 편차는 더 낮게 측정되었다. 반면 멀티코팅된 착색렌즈의 경우 착색농도에 따라 투과율이 낮게 측정되었고 렌즈별 투과율의 편차도 무착색렌즈에 비해 평균 3.
- 또한 측정된 국소적 투과율의 표준편차를 계산하여 각 렌즈의 투과율 균일도를 비교한 결과에서도 무착색렌즈의 불균일도에 비해 착색렌즈의 불균일도가 평균 3.1배 크게 측정되었다. 이상의 결과를 통해 플라스틱 렌즈의 제작 공정 중 염색착색 공정이 렌즈별 투과율의 편차와 각 렌즈의 국소적 투과율 불균일도를 크게 하는 가장 주된 원인임을 알 수 있었다.
- 앞서 착색렌즈의 렌즈별 투과율의 편차가 무착색렌즈에 비해서 크게 증가하였는데 이러한 투과율의 불균일 정도 역시 착색렌즈에서 크게 증가하였다. 모든 착색렌즈에서 무착색렌즈의 평균 불균일도인 0.014%보다 2.5배 이상 큰 불균일도가 측정되었고 착색렌즈의 평균 불균일도인 0.043%는 무착색렌즈의 3.1배에 가까운 수치임을 알 수 있다. 이상을 종합하면 렌즈 착색 공정은 숙련공에 의해 이루어짐에도 불구하고 렌즈별 투과율의 차이도 만들어내고 무엇보다 한 렌즈의 국소적 투과율 불균일도도 크게 증가시킴을 본 연구 결과에서 알 수 있다.
- 014%의 불균일도를 보였다. 무착색렌즈에서는 HG1이 가장 균일한 투과율을 보였고 SH1이 가장 불균일하게 측정되었다.
- 167%로 측정되었다. 무착색렌즈의 경우 투과율은 B타입 SH2가 가장 높았고 렌즈별 표준편차는 A타입 MD2가 가장 낮아서 같은 렌즈 종에서 가장 균일한 투과율을 보임이 분석되었다.
- 다만 초경발수 코팅과 청광차단처리가 된 렌즈에서 같은 굴절률의 일반 멀티코팅된 렌즈에 비해 투과율은 조금 더 높게 렌즈별 편차는 더 낮게 측정되었다. 반면 멀티코팅된 착색렌즈의 경우 착색농도에 따라 투과율이 낮게 측정되었고 렌즈별 투과율의 편차도 무착색렌즈에 비해 평균 3.7배 크게 나타남을 측정결과를 통해 확인할 수 있었다.
- [9] 비록 표준 가시광선 투과율에 대한 측정결과는 아니지만 숙련공에 의해 제작되었음에도 불구하고 특정 파장에서 규정의 한계치에 가까운 렌즈별 투과율 차이가 생길 수 있음을 결과를 통해 확인할 수 있었다. 아울러 착색렌즈의 렌즈별 투과율 편차는 공장에서 한꺼번에 대량으로 착색되는 15% 농도의 렌즈에서도 무착색렌즈에 비해 높은 표준편차가 측정됨을 Fig. 2에서 확인할 수 있으며 결국 이러한 큰 렌즈별 편차는 염색착색법 공정이 가지는 한계에 의한 결과임을 알 수 있다. 착색렌즈에서 렌즈별 투과율 차이가 생기는 것에 대해서는 익히 알려진 사실이었지만 그 정량적 분석에 관한 결과를 본 연구를 통해 확인할 수 있었다.
- 1배에 가까운 수치임을 알 수 있다. 이상을 종합하면 렌즈 착색 공정은 숙련공에 의해 이루어짐에도 불구하고 렌즈별 투과율의 차이도 만들어내고 무엇보다 한 렌즈의 국소적 투과율 불균일도도 크게 증가시킴을 본 연구 결과에서 알 수 있다. 렌즈별 투과율의 편차는 색 차계를 이용한 일반적 투과율 분석으로도 가능하지만 렌즈의 국소적 투과율 불균일도는 국소적 투과율을 측정하여 그 결과를 종합해야만 알 수 있는 것이다.
- 1배 크게 측정되었다. 이상의 결과를 통해 플라스틱 렌즈의 제작 공정 중 염색착색 공정이 렌즈별 투과율의 편차와 각 렌즈의 국소적 투과율 불균일도를 크게 하는 가장 주된 원인임을 알 수 있었다. 본 연구에서 구체적으로 얻어진 렌즈의 불균일도와 관련된 정보가 시생활에 미치는 영향에 대해서는 차후 좀 더 다양한 시료와 상황에 대한 분석이 필 요하다고 할 수 있다.
- 6에서 각각 볼 수 있다. 이중 Fig. 5에 나타낸 무착색렌즈에 대한 측정결과를 보면 MD1, MD2, SH1, SH2 그리고 HG1이 각각 0.013%, 0.014%, 0.016%, 0.014% 그리고 0.011%로 평균 0.014%의 불균일도를 보였다. 무착색렌즈에서는 HG1이 가장 균일한 투과율을 보였고 SH1이 가장 불균일하게 측정되었다.
- 217%의 표준편차가 측정되었다. 착색렌즈군의 표준편차 평균은 0.591%로 무착색렌즈군에 비해 3.7배 크게 분석되었다. 같은 농도의 착색렌즈에서 렌즈별 투과율 편차가 큰 것은 렌즈 제작과정에서 다른 공정에 비해 착색공정이 상당부분 수작업으로 진행되고 육안비색법에 의해 색이 결정되기 때문이라고 할 수 있다.
- 측정된 국소적 투과율의 평균을 그 렌즈의 투과율로 계산한 후 비교한 결과 멀티코팅이 된 무착색렌즈의 경우 렌즈의 굴절률에 관계없이 평균적으로 높게 그리고 렌즈별 투과율도 균일하게 측정되었다. 다만 초경발수 코팅과 청광차단처리가 된 렌즈에서 같은 굴절률의 일반 멀티코팅된 렌즈에 비해 투과율은 조금 더 높게 렌즈별 편차는 더 낮게 측정되었다.
후속연구
- [12-13]아울러 입체시와 대비감도 또한 착색렌즈의 색상과 농도에 영향을 받는다고 알려져 있다.[14-15] 착색렌즈와 양안시와의 관련 실험들은 가시광선 파장영역대에 대한 투과율 측정을 통한 분석이 이뤄져 특정 파장에 대한 분석인 본 연구의 결과는 다소 제한적이기는 하지만 양안시와 관련된 이러한 연구들에서 착색렌즈의 색상과 농도는 가장 중요한 변수이므로 실험에 사용되는 렌즈에 대해서는 착색렌즈별 투과율과 편차에 대한 분석도 필요하겠지만 본 실험과 같은 렌즈의 불균일도에 대한 분석도 실시하여 균등한 균일도를 가지는 렌즈들을 이용한 연구가 차후 이뤄져야 한다고 할 수 있겠다.
- 이상의 결과를 통해 플라스틱 렌즈의 제작 공정 중 염색착색 공정이 렌즈별 투과율의 편차와 각 렌즈의 국소적 투과율 불균일도를 크게 하는 가장 주된 원인임을 알 수 있었다. 본 연구에서 구체적으로 얻어진 렌즈의 불균일도와 관련된 정보가 시생활에 미치는 영향에 대해서는 차후 좀 더 다양한 시료와 상황에 대한 분석이 필 요하다고 할 수 있다.
- 기존에 행해지던 외관검사를 국소 투과율 현미경을 이용하여 분석함으로써 렌즈의 외관을 그대로 유지한 상태에서 비접촉적인 방법으로 렌즈의 광학적 균일도를 분석하고 결과를 비교할 수 있었다. 분석된 결과를 토대로 했을 때 이러한 연구 혹은 방법은 렌즈의 성능 평가와 광학적 품질 향상에 적용할 수 있으며 특히 렌즈와 결합된 안광학계와 관련된 연구의 경우에 있어서도 렌즈의 국소적 투과율의 균일도를 고려한 분석이 이루어져야 한다고 할 수 있겠다.
- 4에서 볼 수 있다. 착색색상, 시간 그리고 농도와 투과율 간의 관계에 관해서는 차후 더 다양한 시료들을 이용한 연구를 통하여 분석되어야 하겠다.
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