[Section 3] 기하 광학의 시스템

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[Intro] 광학 미리보기

INTRO

기하광학은 빛을 광선(ray)으로 근사하여, 광선의 진행 경로에 따라서 굴절, 투과, 그리고 반사 현상을 기술하는 학문이다. 광선이 어떤 광학 시스템을 투과하면 광선의 진행 경로가 달라지는데, 기하광학에서의 광학 시스템과 특징을 알아보도록 하자.

곡면 광학 시스템

광선이 유리와 같은 비정질 고체 물질로 투과하면, 굴절률의 정도에 따라 속도가 달라지는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 굴절률이 작은 매질에서 높은 매질로 투과할 때, 광선의 속도는 다음의 공식을 따른다. 

 

빛의 속도

 

만약 어떤 매질이 곡면으로 형성되어있다면, 광선의 경로는 어떻게 될까? 다음과 같은 볼록, 오목한 매질에서의 광선 경로는 굴절률에 따라 다양한 경로를 형성한다. 

 

볼록렌즈와 오목렌즈 광학 시스템

 

위와 같이, 광선의 경로를 바꾸는 매질의 종류와 모양을 하나의 광학 시스템(Optical System)이라고 부른다. 그리고 광학 시스템의 면이 곡면(Aspherical surface)을 이루는 대표적인 광학 소자(Optical Device)가 바로 렌즈인 것이다.

렌즈의 초점

렌즈의 곡면에 따라 광선의 경로가 달라진다. 먼저, 광원으로부터 렌즈의 곡면 방향으로 광선이 입사한다고 가정하면, 다음과 같은 곡면을  볼록 렌즈(convex lense)라고 부른다. 이 볼록렌즈는 광선을 초점(Focal point)으로 수렴시키는 경향을 가지고 있다.

 

볼록렌즈와 초점

 

반대로 다음과 같은 곡면을 오목 렌즈(concave lense)라고 부른다. 이 오목렌즈는 광선을 발산시키는 경향을 가지고 있어서 발산 렌즈(diverging lenses)라고도 부른다. 

 

오목렌즈와 발산

광학 시스템 _ 기본 용어

가장 기본적으로 사용되는 용어를 정리하여 두자. 먼저 광학 시스템은 다음과 같이 광학 시스템을 기점으로 가상의 영역과 실제 영역으로 공간을 분리한다. 광선이 초점으로 모이는 영역이 실상(Real image)이고, 광원 혹은 광원이 광학 시스템으로 다가오는 부분이 가상(virtual image)이 되는 것이다. 

 

광학시스템 기본용어

 

마지막으로 광 축(Optical axis)이라는 용어를 많이 사용하는데, 확실히 짚고 넘어가자. 광학 시스템에서 볼록렌즈의 초점과 점광원(point source), S점을 잇는 가상의 선을 광축이라고 한다. 이때 광 축과 접하는 렌즈의 지점을 꼭짓점(vertex)이라고 말하며, 광학 시스템을 기술하기 위해서 자주 언급된다.

 

* 간혹 광학 시스템은 거울 등과 같이 평면의 형태를 취하기도 하는데 이를 비구면(aspherics)이라고 한다.