상이 정확하게 초점을 맺더라도 눈은 다른 광학 시스템처럼 완벽하지 않다. 광학적으로 높은 질의 눈은 매우 작고 선명한 이미지를 형성하며, 반대의 경우에는 상이 흐려지고 퍼진다. 정상안에서 가장 큰 수차는 구면수차(약간 +)와 코마수차(값이 가변적)이나 두 수차는 각막과 수정체 사이의 보상 메커니즘으로 기대보다 낮은 영향을 미친다. (여러 광학 요소의 수차와 망막상의 한 점의 이미지)
야간에 불빛이 달무리처럼 번져 보이는 halo현상은 c/l를 착용하거나 시력교정술을 받은 사람, 혹은 안질환을 가지고 있는 사람(특히 백내장)들은 비교적 쉽게 느낄 수 있다. 그렇다면 안질환이 없는 안경 착용자는 야간에 선명한 시력을 확보할 수 있을까? 안경렌즈를 착용하는 고객 중에서도 특히 광학 수차를 가진 안경을 착용한 고객은 특별한 안질환이 없더라도 이런 불편함으로 야간 운전에 충분히 지장을 받을 수 있다. (sorcha murray: correct your night time vision problems with laser eye surgery, optilase eye clinic, dec 18, 2014))
1904년 n.tscherning은 각 렌즈 도수에 대해 수차가 최소화되어 최적의 광학적 성능을 나타내는 'best form'을 수학적으로 증명했다. 안쪽 원은 원용, 바깥 원은 근용에서의 최상의 형태를 보여준다. 예를 들어, +6.00d의 렌즈를 제작할 때 14커브를 사용해야 하는데 이는 외관이 불량하고, 프레임에 가공이 어려우며 높은 수준의 배율변화를 초래한다. (tscherning s ellipse)
회선 각도에 따른 렌즈타입별 수차 비교, 구면 vs 비구면 vs 개인맞춤양면비구면(s+5.00d기준)
일반적으로 안경렌즈의 광학 중심을 통해 사물을 볼 때는 형성된 이미지가 수차의 영향을 받지 않는다. 하지만 우리 눈은 항상 움직이며 주시하기 때문에 광학 중심점뿐만 아니라 광축을 벗어난 부분(off-axis)을 통해서도 선명한 상이 요구된다. 광축을 벗어난 입사광(off-axis)은 다양한 수차에 의해 상의 질이 손상돼 시생활에 안정피로를 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해서 렌즈의 주변부까지 수차가 제어된 안정적인 성능을 가지는 렌즈 디자인이 매우 중요하다.
렌즈 주변부에 수차가 생긴 렌즈들은 왜 흐림 현상이 나타나는 것일까? 첫번째, 도수 에러(power error)다. 렌즈의 광학 수차 중 상면만곡은 렌즈가 곡률을 가진 포물면이기 때문에 실제 결상하는 상이 곡면상(petzval surface)으로 맺어 광학 중심점에서 벗어날수록 이미지의 변형과 흐림 현상이 나타나는 자이델 5수차 중 하나다. 일반적으로 망막이 구형이고, 상의 왜곡이 발생하더라도 시중추에 의해 어느 정도 보정되기 때문에 큰 문제가 되지 않는다고 알려져 있으나 실제 안경렌즈를 통해 망막에 결상하는 형태(fps)는 이러한 곡면상(ps)과도 다소 차이가 발생해 착용자는 도수 에러(power error)에 놓이게 된다. 두번째, 비점수차의 발생(oblique astigmatism)이다. 비점수차는 렌즈 주변부에서 빛의 굴절면이 서로 상충하여 나타나는 현상인데 이는 2개의 초점이 다르게 결상하면서 원치않는 난시의 효과로 나타난다. 이러한 수차들을 효과적으로 컨트롤 하기 위해서 렌즈의 베이스커브를 조절해 주변부 수차를 케어하는 방법이 가장 간단하다. 바로 체르닝 곡선의 'best form'의 형태로 제작하는 방식이다.
하지만 위의 그림에서 보는 것처럼 +6.00d의 렌즈가 최소의 수차를 가지기 위해서는 대략 14.0의 베이스커브를 가지는 볼록한 렌즈의 형태가 디자인되어야 하므로 광학적으로는 안정적일지 몰라도 안경렌즈로 사용되기에는 미관상으로도, 중량면에서도 부적합하며 조제가공도 사실상 불가능에 가깝다. 이것이 'best form' 디자인의 렌즈가 실제 안경 렌즈로 상용화되지 않는 이유다.
미적인 만족도를 높이기 위해 렌즈를 편평하게 제작할 경우 렌즈의 주변부에서 구면 도수가 증가되고, 원치않는 난시가 생겨 렌즈 주변부에서 처방전과 전혀 다른 도수로 변하게 된다. 모든 렌즈는 수차를 완전히 제거할 수는 없지만 광학적인 안정성과 미적 만족도 사이에서 적절한 타협점을 찾는 것이 가장 중요하다. 렌즈 설계자는 이러한 차이를 최소화하는 것을 목표로 삼고 비구면(aspheric)렌즈를 제작한다. 비구면렌즈는 'best form'렌즈에 비해 우수한 광학적 성능을 나타내지는 않지만 더 편평하고 얇고 가벼우면서 동등한 시야를 제공하며 정밀한 수차 보정을 위해 전면, 후면, 양면에 가공한다. 이렇게 수차 제어된 비구면렌즈는 광학 중심 외에 발생되는 원치 않는 난시를 제어하며 상의 시각적 이점과 미관상 이점을 모두 제공한다.
전면비구면 양면비구면 seemax
전면 비구면은 수차가 컨트롤된 축을 제외하고는 여전히 많은 양의 수차가 존재한다. 이를 보완하기 위한 방법으로 nikon사의 양면 비구면렌즈(das)는 전면 1개, 후면 2개 축으로 프리폼(디지털 서페이싱)가공하여 수차 보정 정밀도를 높였다. 단면 비구면렌즈에 비해 더욱 안정적이지만 45°, 135°와 같은 사축방향에서는 여전히 수차가 존재한다. 양면비구면렌즈보다 더 나은 시력 교정과 안정적인 수차보정을 위해 개발된 nikon의 seemax 렌즈는 유일하게 안경렌즈의 후면에서 8개의 비구면축으로 수차를 컨트롤하기 때문에 어떠한 시선에도 왜곡없이 자연스럽고 선명한 시야를 제공한다.
또한 기존의 수차 제어는 광학중심점을 기준으로 컨트롤되기 때문에 안경테가 크거나 안경 렌즈의 직경이 작은 경우에는 안경테의 주변부까지 실제적으로 그 효과가 다 미치지 못한다. 프레임 최적화 설계를 적용한 니콘의 개인맞춤 양면 비구면렌즈는 고객이 선택하는 안경테의 크기와 모양, pd, oh를 반영한다. 이러한 개인 맞춤형 비구면렌즈는 복잡한 도수를 가진 고객(단난시, 고난시 등)에게도 콘택트렌즈를 착용한 것처럼 넓은 시야와 선명도, 어떠한 시선에도 안정적인 시력을 제공한다. 같은 1.0의 시력을 가져도 '볼 수 있다'는 것과 '잘 본다'는 것은 전혀 다른 의미다. 안경렌즈의 기능은 단순히 '볼' 수 있는 것이 아니라, '잘'보는 것이 중요한 이유는 시력의 질이 개인 삶의 만족도에 큰 영향을 미치기 때문이다. 시각적 불편함을 겪는 고객에게 안경이라는 이질감을 최소화할 수 있도록 nikon r&d에서는 지속적인 연구 개발을 진행 중이다.