광학

광학(光學)^[1]은 물질과의 상호작용과 그것을 사용하거나 감지하는 기구의 구성을 포함하여 빛의 행동과 성질을 연구하는 물리학의 한 분야다. 광학에서는 보통 가시광선, 자외선, 적외선의 행동을 설명한다. 빛은 전자파이기 때문에 X선, 전자레인지, 전파와 같은 다른 형태의 전자기 방사선은 비슷한 성질을 보인다.^[1]

대부분의 광학적 현상은 빛의 고전적인 전자기적 설명을 사용하여 설명할 수 있다. 그러나 빛에 대한 완전한 전자기적 설명은 실제 적용하기 어려운 경우가 많다. 실용적인 광학들은 보통 단순화된 모델을 사용하여 이루어진다. 이들 중 가장 흔한 기하학적 광학들은 빛을 직선으로 이동하고 그것들이 표면을 통과하거나 반사할 때 구부러지는 광선의 집합체로 취급한다. 물리적 광학(물리적 광학)은 기하학적 광학에서는 설명할 수 없는 회절과 간섭과 같은 파동 효과를 포함하는 보다 포괄적인 빛의 모델이다. 역사적으로 광선을 이용한 빛의 모형이 먼저 개발되었고, 빛의 파동모형이 그 뒤를 이었다. 19세기 전자파 이론의 진보로 인해 광파가 사실 전자파 복사라는 사실을 발견하게 되었다.

어떤 현상은 빛이 파동 같은 성질과 입자 같은 성질을 모두 가지고 있다는 사실에 따라 달라진다. 이러한 효과에 대한 설명은 양자역학을 필요로 한다. 빛의 입자 같은 특성을 고려할 때, 그 빛은 "포톤"이라고 불리는 입자의 집합체로서 모델링된다. 양자 광학에서는 광학 시스템에 양자 역학의 응용을 다룬다.

광학학은 천문학, 다양한 공학 분야, 사진, 의학(특히 안과와 검안학, 이를 생리적 광학이라고 부른다)을 포함한 많은 관련 분야와 관련되고 연구된다. 광학의 실용적인 적용은 거울, 렌즈, 망원경, 현미경, 레이저, 광섬유를 포함한 다양한 기술과 일상적인 물체에서 발견된다.

역사

광학은 고대 이집트인들과 메소포타미아인들의 렌즈 개발에서 시작되었다. 광택이 나는 크리스털로 만들어진 가장 초기의 알려진 렌즈는 기원전 2000년경 크레타(그리스 헤라클리온의 아르카로지 박물관)에서 유래한 것이다. 로도스의 렌즈는 님루드 렌즈와 같은 아시리아 렌즈와 마찬가지로 기원전 700년경부터 시작된다.^[2] 고대 로마인과 그리스인들은 렌즈를 만들기 위해 유리구들을 물로 채웠다. 이러한 실질적인 발전은 고대 그리스와 인도 철학자들의 빛과 시각의 이론의 발전, 그리고 그레코로만 세계의 기하학적 광학의 발전이 뒤따랐다. 광학이라는 단어는 고대 그리스어인 πιιι ((optikē)에서 유래되었는데, '출연, look'이라는 뜻이다.^[3]

광학에 관한 그리스 철학은 비전이 어떻게 작용하는지에 대한 두 개의 대립적인 이론, 즉 내분비 이론과 방출 이론으로 분해되었다.^[4] 내분비 접근법은 눈에 포착된 자기(이돌라라 불리는)의 복제물을 주조하는 물체에서 비전이 나온다고 보았다. 데모크리토스, 에피쿠로스, 아리스토텔레스, 그리고 그 추종자들을 포함한 많은 전파자들이 있는 가운데, 이 이론은 비전이 진정 무엇인지에 대한 현대 이론과 어느 정도 접점을 갖는 것 같지만, 그것은 어떠한 실험적인 기초가 결여된 추측으로만 남아 있었다.

플라톤은 먼저 시각적 지각은 눈이 방출하는 광선에 의해 이루어진다는 생각인 배출 이론을 명확히 했다. 그는 또한 티마이오스에서의 거울의 패리티 반전에 대해 언급했다.^[5] 몇 백년 후, 유클리드(BC 4~3세기)는 시각과 기하학적 광학을 창조하면서 기하학적 광학을 창조한 '광학'이라는 논문을 썼다.^[6] 그는 그의 연구를 플라톤의 방출 이론에 근거하여, 그가 원근법의 수학적 법칙을 기술하고 질적으로 굴절의 효과를 기술했는데, 비록 그는 눈에서 나오는 한 줄기 빛이 누군가가 눈을 깜박일 때마다 즉각적으로 별을 밝힐 수 있다고 의문을 제기했음에도 불구하고, 이 이론에서 그는 원근법의 수학적 법칙을 기술하고 굴절의 효과를 질적으로 기술했다.^[7] 유클리드는 빛의 최단 궤적 원리를 명시했고, 평면 미러와 구형 미러에 대한 다중 반사를 고려했다. 프톨레마이오스는 그의 논문에서 눈의 광선(또는 유동)이 원뿔을 형성하고, 정점이 눈 안에 있으며, 시각장을 정의하는 기초가 되는 시력에 대한 외향적인 이론을 주장했다. 광선은 민감했고, 표면의 거리와 방향에 대한 정보를 관찰자의 지성으로 다시 전달하였다. 그는 유클리드(유클리드)를 상당 부분 요약하고, 굴절각과 발생각 사이의 경험적 관계를 알아차리지 못했지만 굴절각의 측정 방법을 계속 설명했다.^[8] 플루타르치(1~2세기)는 구형 거울에 대한 다중 반사를 묘사하고, 이미지의 운율성 사례를 포함하여 실제와 가상 둘 다 확대 및 축소된 이미지의 생성을 논의하였다.

중세에는 광학에 대한 그리스 사상이 회교 세계의 작가들에 의해 부활되고 확장되었다. 그 중 가장 이른 것 중 하나는 아리스토텔레스와 유클리드 광학 사상의 장점을 쓴 알 킨디(C. 801–873)로 광학 현상을 더 잘 계량화할 수 있기 때문에 방출 이론을 선호했다.^[10] 984년 페르시아 수학자 이븐 사흘은 스넬의 법칙에 준하는 굴절의 법칙을 정확하게 기술하면서 "불타는 거울과 렌즈에 대하여"라는 논문을 썼다.^[11] 그는 렌즈와 곡선 거울의 최적의 모양을 계산하기 위해 이 법칙을 사용했다. 11세기 초 알하센(Ibn al-Haytham)은 반사 및 굴절을 탐구하고 관찰과 실험을 바탕으로 비전과 빛을 설명하는 새로운 시스템을 제안하는 광학서(Kitab al-Manazir)를 저술하였다.^{[12][13][14][15][16]} 그는 눈이 광선을 방출하는 프톨레마이오스 광학(Ptolemaic optics)의 '배출 이론'을 거부하고, 그 대신 보는 물체의 모든 지점에서 모든 방향으로 빛이 직선으로 반사된다는 사상을 내세웠으며, 눈이 광선을 어떻게 포착했는지를 정확하게 설명할 수는 없었지만 눈에 들어왔다.^[17] 알하센의 작품은 아랍 세계에서 크게 무시되었지만, 서기 1200년경에 익명으로 라틴어로 번역되었고, 폴란드 수도사 위텔로에^[18] 의해 더욱 요약되고 확대되어 향후 400년 동안 유럽에서 광학에 관한 표준 텍스트가 되었다.^[19]

13세기 중세 유럽에서 영국의 주교 로버트 그로스테스트는 광범위한 과학적 주제에 대해 저술하였고, 빛의 인식론, 형이상학이나 우주론, 빛의 식이론이나 물리학, 빛의 신학 등 네 가지 다른 시각에서 빛을 ^[20]논하여 아리스토텔레스와 플라톤주의를 바탕으로 하였다. 그로스테스테의 가장 유명한 제자 로저 베이컨은 알하센, 아리스토텔레스, 아비케나, 에반로, 유클리드, 알 킨디, 프톨레마이오스, 라이더스, 아프리카 콘스탄티누스 등 최근 번역된 광학적이고 철학적인 작품들을 인용하여 작품을 썼다. 베이컨은 유리 구의 일부를 돋보기로 사용하여 빛이 물체로부터 방출되기보다는 반사된다는 것을 증명할 수 있었다.

최초의 착용 가능한 안경은 1286년경 이탈리아에서 발명되었다.^[21] 이것이 13세기 베니스와 피렌체에서,^[22] 그리고 후에 네덜란드와 독일 양쪽에 센터를 만드는 광학 산업의 시작이었습니다.^[23] 안경 제작자들은 당시의 초보적인 광학 이론(대부분 안경들이 어떻게 작동하는지조차 제대로 설명하지 못하는 이론)보다는 렌즈의 효과를 관찰함으로써 얻은 경험적 지식을 바탕으로 시력 교정을 위한 개선된 유형의 렌즈를 만들었다.^[24][25] 이러한 실제적인 개발, 숙련, 렌즈와의 실험은 1595년경 복합 광학 현미경의 발명으로 직결되었고 1608년 굴절 망원경이 발명되었는데, 이 두 가지 모두 네덜란드의 안경 제작 센터에 나타났다.^[26][27]

17세기 초 요하네스 케플러는 글에서 기하학적 광학으로 확대하여 렌즈 덮기, 평평하고 구부러진 거울에 의한 반사, 핀홀 카메라의 원리, 빛의 세기를 지배하는 역제곱 법칙, 월식과 일식과 천문 시차 같은 천문 현상에 대한 광학적 설명 등을 하였다. 그는 또한 영상을 기록한 실제 기관으로서의 망막의 역할을 정확하게 추론할 수 있었고, 마침내 안경제작자들이 지난 300년 동안 관찰해왔던 다양한 종류의 렌즈들의 효과를 과학적으로 정량화할 수 있었다.^[28] 망원경의 발명 이후 케플러는 그들이 어떻게 작용하는지에 대한 이론적 근거를 제시하고 케플러안 망원경으로 알려진 개선된 버전을 두 개의 볼록렌즈를 사용하여 더 높은 확대율을 만들어냈다.^[29]

광학 이론은 17세기 중반 철학자 르네 데카르트가 쓴 논문들로 진행되었는데, 이 논문은 빛이 그것을 생성하는 물체에 의해 방출된다고 가정하여 반사, 굴절 등 다양한 광학적 현상을 설명했다.^[30] 이것은 고대 그리스 배출 이론과 실질적으로 다르다. 1660년대 후반과 1670년대 초에 아이작 뉴턴은 데카르트의 사상을 빛의 말뭉치 이론으로 확장시켰는데, 백색 빛이 프리즘으로 그것의 성분 부분으로 분리될 수 있는 색의 혼합물이라고 판단한 것으로 유명하다. 1690년 Christiaan Huygens는 1664년 Robert Hooke에 의해 만들어진 제안을 바탕으로 빛의 파동 이론을 제안했다. 후크 자신도 뉴턴의 빛 이론과 두 사람 사이의 불화는 후크가 죽을 때까지 계속되었다고 공개적으로 비판했다. 1704년 뉴턴은 옵틱스를 발표하였고, 그 당시 물리학의 다른 분야에서의 성공 때문에 일반적으로 빛의 본질에 대한 논쟁에서 승리자로 여겨졌다.^[30]

뉴턴 광학은 일반적으로 토마스 영과 아우구스틴-장 프레스넬이 빛의 파동 본성을 확고히 확립한 빛의 간섭에 관한 실험을 실시하기 전까지 받아들여졌다. 영의 유명한 이중 슬릿 실험은 빛이 중첩 원리를 따른다는 것을 보여주었는데, 중첩 원리는 뉴턴의 말뭉치 이론으로 예측되지 않은 파동 같은 성질이다. 이 연구는 빛을 위한 회절 이론으로 이어졌고 물리적 광학에서 연구의 전 영역을 열었다.^[31] 1860년대에 제임스 서기 맥스웰에 의해 전자파 이론과 성공적으로 통합되었다.^[32]

광학 이론의 다음 발전은 1899년에 막스 플랑크가 빛과 물질 사이의 에너지 교환이 그가 퀀타라고 부르는 이산적인 양에서만 발생한다고 가정함으로써 흑체 방사선을 올바르게 모델링한 것이다.^[33] 1905년 알버트 아인슈타인은 빛 자체의 양자화를 확고히 확립한 광전효과 이론을 발표했다.^[34][35] 1913년, 닐스 보어는 원자가 분리된 양의 에너지만 방출할 수 있다는 것을 보여주었고, 따라서 방출과 흡수 스펙트럼에서 보이는 이산 선들을 설명하였다.^[36] 이러한 발전에서 비롯된 빛과 물질의 상호작용에 대한 이해는 양자 광학의 기초를 형성했을 뿐만 아니라 양자 역학의 발전에도 전체적으로 결정적이었다. 궁극의 정점인 양자 전자역학 이론은 실제 광자와 가상 광자의 교환 결과로서 일반적으로 모든 광학 및 전자기 과정을 설명한다.^[37] 양자 광학은 1953년 마저와 1960년 레이저의 발명으로 실질적인 중요성을 얻었다.^[38]

양자장 이론의 폴 디랙의 연구에 이어, 1950년대와 1960년대에 조지 수다르산, 로이 J. 글라우버, 레오나드 만델은 양자 이론을 전자기장에 적용하여 광검출과 빛의 통계에 대한 보다 상세한 이해를 얻었다.

고전 광학

고전 광학계는 기하학적 광학(또는 광학) 광학(또는 광학)과 물리적 광학(또는 파동) 광학의 두 가지 주요 갈래로 나뉜다. 기하학적 광학에서는 빛이 직선으로 이동하는 것으로 간주되는 반면 물리적 광학에서는 빛을 전자기파로 간주한다.

기하학적 광학은 사용된 빛의 파장이 모델링되는 시스템의 광학적 소자의 크기보다 훨씬 작을 때 적용되는 물리적 광학의 근사치로 볼 수 있다.

기하학적 광학

기하학적 광학 또는 광학(Ray optics)은 직선으로 이동하고 다른 매체들 사이의 인터페이스에서 반사 및 굴절의 법칙에 의해 경로가 지배되는 "선"이라는 관점에서 빛의 전파를 설명한다.^[39] 이 법칙들은 AD^[11] 984년 이전까지 경험적으로 발견되었고 그때부터 현재까지 광학 부품과 기구의 설계에 사용되었다. 그것들은 다음과 같이 요약될 수 있다.

한 줄기 빛이 두 투명한 물질의 경계에 닿으면 반사선과 굴절선으로 나뉜다.

반사의 법칙에 따르면 반사된 광선은 발생 평면에 있으며, 반사 각도는 발생 각도와 같다고 한다.

굴절의 법칙에 따르면 굴절된 광선은 발생 평면에 있으며, 굴절 각도의 사인(sine)을 굴절각의 사인(sine)으로 나눈 입사각의 사인(sine)은 상수(相數)라고 한다.

${\displaystyle \frac{\sin }{}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{1\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{\sin }{{}_{}}}$ ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\theta \mathrm{}}_{}}{}2}$ =$$n {\$displaystyle${\$frac$ {\$sin {\theta _{$1}{1}{\sin ${\sina _{2}}}=n$

여기서 n은 어떤 두 가지 재료와 주어진 빛의 색에 대한 상수다. 첫 번째 재료가 공기 또는 진공인 경우 n은 두 번째 재료의 굴절률이다.

성찰과 굴절의 법칙은 한 줄기 빛에 의해 두 점 사이를 가로지르는 경로가 최소한의 시간 안에 통과할 수 있는 길이라는 페르마의 원칙에서 도출될 수 있다.^[40]

근사치

기하학적 광학들은 근사치 또는 "작은 각도 근사치"를 만들어 단순화되는 경우가 많다. 그러면 수학적 행동이 선형적이 되어 광학적 요소와 시스템이 간단한 행렬로 설명될 수 있다. 이는 근사적인 이미지와 물체 위치, 확대 등 광학 시스템의 기본적 특성을 찾는 데 사용되는 가우스 광학 및 근축 광선 추적 기법으로 이어진다.^[41]

반사

반사는 투시반사와 확산반사의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 명상반사는 간단하고 예측 가능한 방법으로 빛을 반사하는 거울과 같은 표면의 광택을 설명한다. 이를 통해 실제(실제) 또는 외삽된(가상) 공간과 연관될 수 있는 반사된 이미지를 제작할 수 있다. 확산반사는 종이나 돌과 같이 광택이 없는 물질을 묘사한다. 이러한 표면으로부터의 반사는 재료의 미세한 구조에 따라 반사된 빛의 정확한 분포로 통계적으로만 설명할 수 있다. 많은 확산 반사체는 어떤 각도에서 볼 때 동일한 휘도를 갖는 표면을 기술하는 램버트의 코사인 법칙에 의해 설명되거나 근사치가 될 수 있다. 광택 있는 표면은 반사되는 모양과 확산 반사 효과를 둘 다 제공할 수 있다.

반사된 광선의 방향은 입사 광선이 표면과 수직으로 부딪히는 지점의 선인 표면과 정상적인 각도에 의해 결정된다. 입사광선과 반사광선, 정상광선은 하나의 평면에 놓여 있으며 반사광선과 표면정상 사이의 각도는 입사광선과 정상 사이의 각도와 동일하다.^[42] 이것은 성찰의 법칙으로 알려져 있다.

평평한 거울의 경우, 반사 법칙은 물체의 이미지가 직립되어 있고 물체가 거울 앞에 있을 때와 거울 뒤의 거리가 같다는 것을 암시한다. 이미지 크기가 개체 크기와 동일함. 그 법은 또한 거울 이미지가 반전된 패리티라는 것을 암시하는데, 이것은 우리가 좌우우우 뒤집기로 인식한다. 두 개(또는 짝수) 미러의 반사로부터 형성된 영상은 패리티가 반전되지 않는다. 코너 반사경은 입사 광선이 왔던 방향으로 되돌아가는 반사 광선을 생성한다.^[42] 이를 역반사라고 한다.

표면이 곡선인 거울은 표면의 각 지점에서 광선 추적과 반사 법칙을 사용하여 모델링할 수 있다. 포물선 표면이 있는 거울의 경우 거울에 발생하는 평행선은 공통의 초점에서 수렴되는 반사광을 생성한다. 다른 곡면도 빛의 초점을 맞출 수 있지만, 이탈 형상으로 인한 일탈로 인해 초점이 우주에 가려질 수 있다. 특히 구면 거울은 구면 일탈을 나타낸다. 곡선미러는 1보다 크거나 작은 배율로 이미지를 형성할 수 있으며 배율은 음수일 수 있어 이미지가 반전되었음을 나타낸다. 거울에 비친 반사에 의해 형성된 직립 이미지는 항상 가상적인 반면, 반전된 이미지는 실제적이고 화면에 투영될 수 있다.^[42]

수축

굴절은 빛이 굴절의 변화 지수를 가진 공간의 영역을 여행할 때 발생한다; 이 원리는 렌즈와 빛의 집중을 허용한다. 굴절률의 가장 간단한 경우는 굴절률 $n{\displaystyle {}_{}}$ ${\$}의 지수를 가진 균일한 매체와$$ 굴절률 ${\displaystyle {n\mathrm{}}_{}}$ 2${\$}}의 다른 매체 사이에 인터페이스가 있을 때 발생한다$.$ 이러한 상황에서 스넬의 법칙은 광선의 결과 변형을 설명한다.

${\displaystyle n_{1}\sin \theta _{1}=n_{2}\sin \theta _{2}\}$

여기서 $\theta {\displaystyle {}_{}}$ ${\$및$$ ${\displaystyle {\theta \mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$ ^[42]$\theta _{2$}} 각각 정상$$(인터페이스에 대한)과 입사 및 굴절파 사이의 각도다.

매체의 굴절 지수는 그 매체의 속도 v와 관련된다.

${\displaystyle n}$= ${\displaystyle c}$/ ${\displaystyle v}$ ${\displaystyle n=c/v$

여기서 c는 진공에서 빛의 속도다.

스넬의 법칙은 굴절의 지수와 매체의 기하학적 지표가 알려진 한 선형 매체를 통과할 때 광선의 편향을 예측하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어 프리즘을 통한 빛의 전파는 프리즘의 모양과 방향에 따라 광선이 굴절되는 결과를 낳는다. 대부분의 소재에서 굴절지수는 빛의 주파수에 따라 달라진다. 이것을 고려해 볼 때, 스넬의 법칙은 프리즘이 어떻게 빛을 스펙트럼으로 분산시키는지 예측하는 데 사용될 수 있다. 프리즘을 통해 빛을 통과할 때 이 현상이 발견된 것은 아이작 뉴턴의 소행으로 유명하다.^[42]

어떤 매체는 위치에 따라 점진적으로 변화되는 굴절 지수를 가지며, 따라서 매체의 광선은 곡선이다. 이 효과는 더운 날에 나타나는 신기루를 책임진다: 높이를 가진 굴절 공기의 지수가 바뀌면 광선이 구부러져 먼 곳에 (물웅덩이의 표면에 있는 것처럼) 반사된 모습이 만들어진다. 굴절지수가 다양한 광학소재를 GRIN(Gradient-index)소재로 부른다. 그러한 물질은 그라데이션-지수 광학을 만드는 데 사용된다.^[43]

굴절률이 높은 물질에서 굴절률이 낮은 물질로 이동하는 광선의 경우, ell 1 ${\$ $\theta$ _${1$}가 큰$$ 경우 ${\displaystyle {2\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$ $\theta _{$$1}}$가 없다고 스넬의 법칙은 예측한다. 이 경우 전송은 일어나지 않으며, 모든 빛이 반사된다. 이러한 현상을 총체적 내부반영이라고 하며 광섬유 기술을 허용한다. 빛이 광섬유를 타고 내려가면 내부반사를 통해 케이블 길이에서 빛이 손실되지 않는다.^[42]

렌즈

굴절로 인해 광선이 수렴하거나 이탈하는 장치를 렌즈라고 한다. 렌즈는 초점 길이가 특징인데, 수렴 렌즈는 양의 초점 길이를 갖는 반면, 분산 렌즈는 음의 초점 길이를 갖는 것이다. 초점 길이가 작을수록 렌즈의 수렴 또는 이탈 효과가 더 강하다는 것을 나타낸다. 공기 중에 있는 간단한 렌즈의 초점 길이는 렌즈메이커의 방정식에 의해 주어진다.^[44]

광선추적은 렌즈에 의해 이미지가 어떻게 형성되는지를 보여주는 데 사용될 수 있다. 공기 중의 얇은 렌즈의 경우, 영상의 위치는 간단한 방정식에 의해 주어진다.

${\displaystyle \frac{1}{}}$ ${\displaystyle \frac{{S\mathrm{}}_{}}{}}$+ ${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}$= ${\displaystyle 1\frac{\mathrm{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{f}{}}$ ${\$1}{1}}+{\frac {1}{$S_}}={\frac {1$

여기서 $S{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {1\mathrm{}}_{}}$ ${\$}는$$ 물체에서 렌즈까지의 거리, ${\displaystyle {S\mathrm{}}_{}}$ 2 ${\$}}는$$ 렌즈에서 이미지까지의 거리, $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$는 렌즈의 초점 길이이다. 여기서 사용하는 기호 규약에서는 물체와 이미지가 렌즈의 반대쪽에 있으면 물체와 영상 거리가 양수다.^[44]

들어오는 병렬 광선은 렌즈 반대편의 렌즈에서 한 초점 길이의 지점에 수렴 렌즈에 의해 집중된다. 이것을 렌즈의 후방 초점이라고 한다. 한정된 거리에 있는 물체로부터의 광선은 초점 거리보다 렌즈로부터 더 멀리 집중된다; 물체가 렌즈에 가까울수록 이미지는 렌즈로부터 더 멀리 있다.

다이버깅 렌즈로, 들어오는 평행선은 렌즈를 통과한 후, 렌즈 앞 하나의 초점거리에서 발생한 것처럼 보일 정도로 갈라진다. 이것이 렌즈의 앞쪽 초점이다. 유한한 거리에 있는 물체로부터의 광선은 초점보다 렌즈에 더 가까운 가상 이미지와 연관되며, 물체와 같은 면에 있다. 물체가 렌즈에 가까울수록 가상 이미지는 렌즈에 가까이 있다. 거울과 마찬가지로 하나의 렌즈에 의해 생성되는 직립 영상은 가상인 반면 반전된 영상은 현실이다.^[42]

렌즈는 이미지를 왜곡하는 이상을 겪는다. 단색 이상 현상은 렌즈의 기하학이 각 물체 지점에서 영상의 단일 지점까지의 광선을 완벽하게 직접 전달하지 못하기 때문에 발생하는 반면, 색채 이상은 렌즈의 굴절 지수가 빛의 파장에 따라 달라지기 때문에 발생한다.^[42]

물리광학

물리적 광학에서 빛은 파동으로 전파되는 것으로 간주된다. 이 모델은 기하학적 광학으로는 설명되지 않는 간섭과 회절과 같은 현상을 예측한다. 공기 중 광파의 속도는 약 3.0×10⁸ m/s이다(진공 중 정확히 299,792,458 m/s). 가시광선의 파장은 400~700nm에 달하지만 적외선(0.7~300μm)과 자외선(10~400nm)에도 '빛'이라는 용어가 적용되는 경우가 많다.

파동 모델은 어떤 매체에서 "떨어지는" 것에 대한 설명을 요구하지 않고 광학 시스템이 어떻게 행동할지에 대한 예측을 하는 데 사용될 수 있다. 19세기 중반까지 대부분의 물리학자들은 빛 교란이 전파되는 "이상의" 매개체를 믿었다.^[45] 전자파의 존재는 1865년 맥스웰의 방정식에 의해 예측되었다. 이러한 파동은 빛의 속도로 전파되며 서로 직교하는 다양한 전기장과 자기장을 가지고 있으며, 또한 파동의 전파 방향에도 영향을 미친다.^[46] 현재 광파는 양자역학적 영향을 고려해야 하는 경우를 제외하고 일반적으로 전자기파로 취급된다.

물리적 광학을 이용한 광학 시스템의 모델링 및 설계

광학 시스템을 분석하고 설계하는 데 많은 간단한 근사치를 사용할 수 있다. 이들 대부분은 직교 전기 벡터와 자기 벡터가 있는 벡터 모델을 사용하는 것이 아니라 광파의 전기장을 나타내기 위해 단일 스칼라 양을 사용한다.^[47] Huygens-Freshnel 방정식은 그러한 모델 중 하나이다. 이것은 1815년, 파전선의 각 지점이 파동의 중첩 원리와 결합한 2차 구형 파전선을 발생시킨다는 Huygens의 가설에 근거하여 1815년 Freshnel에 의해 경험적으로 도출되었다. 맥스웰 방정식을 이용해 도출된 키르호프 회절 방정식은 후이겐스-프레셀 방정식을 보다 단단한 물리적 기초 위에 놓는다. Huygens-Freshnel 원리의 적용 예는 회절 및 프라운호퍼 회절 관련 조항에서 찾을 수 있다.

광파의 전기장과 자기장 모두의 모델링을 포함하는 보다 엄격한 모델은 전기 및 자기 특성이 빛과 물질의 상호작용에 영향을 미치는 물질을 다룰 때 필요하다. 예를 들어 금속 표면과 상호작용하는 광파의 행동은 유전체와 상호작용할 때 일어나는 것과 상당히 다르다. 또한 벡터 모델을 사용하여 편광 광선을 모델링해야 한다.

유한요소법, 경계요소법, 전송선 매트릭스법과 같은 수치 모델링 기법을 사용하여 분석적으로 해결할 수 없는 시스템에서 빛의 전파를 모델링할 수 있다. 그러한 모델은 계산적으로 요구되며, 일반적으로 분석 솔루션을 통해 달성할 수 있는 그 이상의 정확성을 요구하는 소규모 문제를 해결하는 데만 사용된다.^[48]

기하학적 광학의 모든 결과는 음향 공학 및 신호 처리에 사용되는 많은 동일한 수학적 및 분석 기법을 적용하는 푸리에 광학의 기법을 사용하여 복구할 수 있다.

가우스 빔 전파는 레이저 빔과 같은 일관성 있는 방사선의 전파를 위한 단순한 근축 물리적 광학 모델이다. 이 기법은 부분적으로 회절을 설명하기 때문에 거리만큼 레이저 빔이 팽창하는 속도와 빔이 집중될 수 있는 최소 크기를 정확하게 계산할 수 있다. 따라서 가우스 빔 전파는 기하학적 광학 및 물리적 광학 사이의 간격을 메워 준다.^[49]

중첩 및 간섭

비선형 효과가 없는 경우, 중첩 원리를 사용하여 간단한 교란 추가를 통해 상호 작용하는 파형의 형태를 예측할 수 있다.^[50] 결과 패턴을 생성하기 위한 파동의 이러한 상호작용은 일반적으로 "상호작용"이라고 불리며 다양한 결과를 초래할 수 있다. 파장과 주파수가 같은 두 파장이 위상일 경우 파동 파고와 파동 수조가 모두 정렬한다. 이로 인해 건설적인 간섭이 발생하고 파형의 진폭이 증가하며, 빛의 경우 해당 위치에서 파형의 밝기와 관련이 있다. 또는 같은 파장과 주파수의 두 파장이 위상을 벗어나면 파장대가 파동 수조와 정렬되고 그 반대의 경우도 마찬가지일 것이다. 이로 인해 파괴적인 간섭이 발생하고 파형의 진폭이 감소하며, 빛의 경우 해당 위치에서 파형의 조광과 관련이 있다. 이 효과의 예는 아래를 참조하십시오.^[50]

합쳐진 파형을 치다
웨이브 1
파도 2
	위상 2파	2파 180° 아웃 위상의

Huygens-Freshnel 원칙은 파도의 모든 지점이 새로운 교란의 생산과 연관되어 있다고 기술하고 있기 때문에, 파도의 지점이 다른 위치에서 자신을 건설적으로 또는 파괴적으로 간섭하여 규칙적이고 예측 가능한 패턴으로 밝고 어두운 프링크를 생성하는 것이 가능하다.^[50] 중간계량학은 보통 거리나 각도 분해능을 정밀하게 결정하는 수단으로서 이러한 패턴을 측정하는 과학이다.^[51] 미켈슨 간섭계는 빛의 속도를 정확하게 측정하기 위해 간섭 효과를 사용한 유명한 악기였다.^[52]

박막과 코팅의 외관은 간섭 효과의 직접적인 영향을 받는다. 항억제 코팅은 파괴적인 간섭을 사용하여 코팅된 표면의 반사율을 낮추고 눈부심과 원치 않는 반사를 최소화하는데 사용할 수 있다. 가장 간단한 경우는 입사광 파장의 4분의 1 두께의 단일 층이다. 필름 상단에서 반사된 파동과 필름/소재 인터페이스에서 반사된 파동은 정확히 180° 위상 밖으로 나와 파괴적인 간섭을 일으킨다. 파장은 일반적으로 가시 스펙트럼의 중심 부근에 있는 파장에 대해 약 550nm의 위상 밖에 없다. 다중 레이어를 사용하는 보다 복잡한 설계는 넓은 대역에 걸쳐 낮은 반사율을 달성하거나 단일 파장에서 극도로 낮은 반사율을 달성할 수 있다.

박막의 건설적인 간섭은 다양한 파장에서 빛의 강한 반사를 만들 수 있으며, 코팅 설계에 따라 좁거나 넓을 수 있다. 이러한 필름은 컬러 텔레비전 카메라에서 유전체 미러, 간섭 필터, 열 반사기 및 색상 분리를 위한 필터를 만드는 데 사용된다. 이 간섭 효과는 또한 오일 슬라이스에서 볼 수 있는 다채로운 무지개 무늬를 유발하는 것이다.^[50]

회절 및 광학적 분해능

회절은 빛의 간섭이 가장 일반적으로 관찰되는 과정이다. 그 효과는 1665년 프란체스코 마리아 그리말디가 처음으로 설명했는데, 그는 또한 라틴어 디프링게르에서 '갈기갈기 찢기'^[53][54]라는 용어를 만들었다. 그 세기 후, 로버트 후크와 아이작 뉴턴은 또한 현재 뉴턴의 고리에서^[55] 회절이라고 알려진 현상들을 묘사했고 제임스 그레고리는 새 깃털에서 회절 패턴을 관찰한 것을 기록했다.^[56]

Huygens-Fresnel 원리에 의존한 최초의 물리적 회절 광학 모델은 1803년 토마스 영에 의해 두 개의 촘촘한 슬릿의 간섭 패턴에 대한 간섭 실험에서 개발되었다. 영은 두 슬릿이 말뭉치가 아닌 두 가지 독특한 파도의 원천으로 작용해야만 그의 결과가 설명될 수 있다는 것을 보여주었다.^[57] 1815년과 1818년 아우구스틴-장 프레스넬은 파장 간섭이 회절을 어떻게 설명할 수 있는지에 대한 수학을 확고히 확립했다.^[44]

회절의 가장 단순한 물리적 모델은 특정 파장(λ場)의 빛으로 인한 빛과 어두운 프링의 각도 분리를 설명하는 방정식을 사용한다. 일반적으로 방정식은 형태를 취한다.

$\displaystyle m\da =d\sin \theta }$

여기서 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle d}$은(영 실험의 경우 그것은 두 개의 슬릿이었다), $\theta {\displaystyle }$ ${\displaystyle \teta}$은(는) 중심 프린지와 $m{\displaystyle }$ ${\displaystyle m}$ 순서 사이의$$ 각도 분리인데$$, 여기서 중심 최대값은 ${\displaystyle \mathrm{m}}$= 0 ${\displaystystyle m=0}$이다$.$^[58]

이 방정식은 단일 간격을 통한 회절, 다중 슬릿을 통한 회절, 또는 동일한 간격에서 다수의 슬릿을 포함하는 회절 격자를 통한 회절 등 다양한 상황을 고려하기 위해 약간 수정된다.^[58] 회절의 더 복잡한 모델은 프레넬이나 프라운호퍼 회절의 수학으로 작업해야 한다.^[59]

X선 회절은 결정의 원자가 하나의 앙스트롬의 순서에 있는 거리에 일정한 간격을 두고 있다는 사실을 이용한다. 회절 패턴을 보기 위해 그 간격과 파장이 비슷한 X선이 결정체를 통과한다. 크리스탈은 2차원 그라프트가 아닌 3차원 물체이기 때문에 연관된 회절 패턴은 Bragg 반사에 따라 두 방향으로 달라지는데, 연관된 밝은 점들이 독특한 패턴으로 발생하고 $d{\displaystyle }$ ${\displaystyle$ d$}$은 원자 사이의 간격의 두 배가 된다$$.^[58]

회절 효과는 광학 검출기가 광학적으로 분리된 광원을 해결할 수 있는 능력을 제한한다. 일반적으로 개구부를 통과하는 빛은 회절을 경험하게 되며 (회절제한 광학에서 기술한 바와 같이) 생성될 수 있는 최고의 이미지는 주변의 밝은 고리를 가진 중심점으로 나타나며, 어두운 null로 구분된다. 이 패턴을 에어리 패턴이라고 하며, 중앙 밝은 로브는 에어리 디스크라고 한다.^[44] 이러한 디스크의 크기는 다음과 같다.

${\displaystyle \sin \theta =1.22{\frac {\lambda }{D}}}$

여기서 θ은 각도 분해능, λ은 빛의 파장, D는 렌즈 구멍의 지름이다. 두 점의 각도 분리가 에어리 디스크 각도 반지름보다 현저히 적으면 영상에서 두 점을 확인할 수 없지만, 각도 분리가 이보다 훨씬 크면 두 점의 뚜렷한 영상이 형성되어 해결이 가능하다. 레일리는 각도 분리가 에어리 디스크 반경(첫 번째 null, 즉 빛이 보이지 않는 첫 번째 장소까지 측정)과 같은 두 점을 해결할 수 있다고 다소 자의적인 '레이리 기준'을 정의했다. 렌즈나 그 구멍의 지름이 클수록 해상도가 미세하다는 것을 알 수 있다.^[58] 매우 큰 기준선 구경을 모방할 수 있는 능력을 가진 간섭계는 가능한 한 가장 큰 각도 분해능을 허용한다.^[51]

천문학적 이미징의 경우, 대기 산란과 분산으로 인해 별들이 반짝거리게 되는 가시 스펙트럼에서 최적의 분해능이 달성되는 것을 방지한다. 천문학자들은 이 효과를 천문학적인 시각의 질이라고 부른다. 적응 광학이라고 알려진 기법은 이미지의 대기적 혼란을 제거하고 회절 한계에 접근하는 결과를 얻기 위해 사용되어 왔다.^[60]

분산 및 산란

굴절 과정은 빛의 파장이 다른 거리와 유사한 물리적 광학 한계에서 산란과 같이 일어난다. 가장 단순한 산란 유형은 톰슨 산란으로 전자파가 단일 입자에 의해 비껴갈 때 발생한다. 빛의 와블리크 특성이 뚜렷이 드러나는 톰슨 산란 한계에서는 주파수에 의존하고 엄격히 양자 역학적 과정인 콤프턴 산란과 달리 빛이 주파수와 독립적으로 분산된다. 통계적으로 볼 때 빛의 파장보다 훨씬 작은 수많은 입자에 의한 빛의 탄성 산란은 레일리 산란으로 알려진 과정인 반면 파장이 비슷하거나 더 큰 입자에 의한 산란 과정은 미에 산란으로 알려져 있고 틴달 효과는 흔히 관찰되는 결과라고 한다. 원자나 분자에서 산란되는 빛의 소부분은 라만 산란을 겪을 수 있으며, 이 경우 원자와 분자의 흥분으로 주파수가 변화한다. 브릴루인 산란은 촘촘한 물질의 시간과 움직임에 따라 국소적인 변화로 빛의 빈도가 변할 때 발생한다.^[61]

분산은 물질 특성(물질 분산)이나 광학 도파관 기하학(파도관 분산)으로 인해 빛의 주파수가 위상 속도가 다를 때 발생한다. 가장 친숙한 형태의 분산은 파장 증가에 따른 굴절 지수의 감소로 대부분의 투명한 물질에서 볼 수 있다. 이것을 "정상 분산"이라고 한다. 모든 유전체 물질에서 발생하며, 물질이 빛을 흡수하지 않는 파장 범위에서 발생한다.^[62] 매개체가 상당한 흡수를 하는 파장 범위에서는 파장과 함께 굴절 지수가 증가할 수 있다. 이것은 "열성 분산"^[42][62]이라고 불린다.

프리즘에 의한 색의 분리는 정상적인 산포의 한 예다. 프리즘 표면에서 스넬의 법칙은 normal에서 정상까지의 각도에서 발생하는 빛 사건은 각도 아크신(sin)/n에서 굴절될 것이라고 예측한다. 따라서 굴절률이 높은 청색광은 적색광보다 더 강하게 휘어져 있어 무지개 패턴이 잘 알려져 있다.^[42]

물질 분산은 흔히 아베 숫자로 특징지어지는데, 이것은 3개의 특정 파장에서 굴절 지수를 바탕으로 한 단순한 분산 측도를 제공한다. 도파관 분산은 전파 상수에 따라 달라진다.^[44] 두 종류의 분산은 모두 전자파의 진폭과 동일한 주파수로 변화하는 파형의 그룹 특성에 변화를 일으킨다. "그룹 속도 분산"은 방사선의 신호 "envelope"의 확산으로 나타나며, 그룹 분산 지연 매개변수로 정량화할 수 있다.

${\dplaystyle D={\frac {1}{v_{g}^{2}}:{\frac {dv_{g}}{d\lambda }}}}$

여기서 $v{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle g_{}}$ ${\$는 그룹$$ 속도다.^[63] 균일한 매체의 경우 그룹 속도는

${\displaystyle v_{g}=c\leftda {\frac {dn}{dn}}{d\pa }\오른쪽)^{-1}$

여기서 n은 굴절의 지수, c는 진공에서 빛의 속도다.^[64] 이렇게 하면 분산 지연 매개변수에 대한 보다 간단한 형태를 얻을 수 있다.

${\displaystyle D=-{\frac {\lambda }{c}\,{\frac {d^{2}n}{d\lambda ^{2}}.}$

D가 0보다 작을 경우, 매체는 양의 분산이나 정상적인 분산을 갖는다고 한다. D가 0보다 크면 매체는 음의 산포를 가진다. 광 펄스가 정상적으로 분산된 매체를 통해 전파되는 경우, 그 결과 고주파 구성 요소가 저주파 구성 요소보다 더 많이 감속된다. 따라서 맥박은 시간에 따라 주파수가 증가하면서 양성으로 짹짹거리거나 위로 차오른다. 이것은 프리즘에서 나오는 스펙트럼이 가장 덜 굴절된 붉은 빛과 가장 굴절된 푸른 빛/보라빛 빛과 함께 나타나게 한다. 반대로 펄스가 비정상적으로(부정적으로) 분산형 매체를 통해 이동하면 고주파 성분이 하위 요소보다 더 빨리 이동하며, 맥박이 부정적으로 짹짹거리거나 하강하게 되어 시간에 따라 주파수가 감소한다.^[65]

그룹 속도 분산의 결과는 음이든 양성이든 궁극적으로는 맥박의 시간적 확산이다. 이는 광섬유를 기반으로 하는 광통신 시스템에서는 산산이 너무 높으면 정보를 나타내는 펄스 그룹이 각각 시간에 따라 퍼지고 합쳐져 신호를 추출할 수 없게 되기 때문에 산포관리가 매우 중요하다.^[63]

양극화

양극화는 파동의 진동 방향을 설명하는 파동의 일반적인 특성이다. 많은 전자파와 같은 횡파의 경우, 파형의 이동 방향에 수직인 평면의 진동 방향을 설명한다. 진동은 단일 방향(선형 분극)으로 방향을 잡거나 파동이 이동함에 따라 진동 방향이 회전할 수 있다(원형 또는 타원형 분극). 원형으로 편극된 파동은 이동 방향으로 오른쪽 또는 왼쪽으로 회전할 수 있으며, 그 두 회전 중 파동에 존재하는 것을 파동의 운율이라고 한다.^[66]

양극화를 고려하는 전형적인 방법은 전자파가 전파될 때 전기장 벡터의 방향을 추적하는 것이다. 평면파의 전기장 벡터는 x와 y(이동 방향을 나타내는 z와 함께)라는 두 개의 수직 구성 요소로 임의로 나눌 수 있다. x-y 평면에서 전기장 벡터에 의해 추적된 형상은 양극화 상태를 묘사하는 리사쥬스 형상이다.^[44] 다음 그림은 x 및 y 성분(적/좌/녹/우)과 함께 시간(수직 축)을 가진 전기장 벡터(파란색)의 진화와 평면 내 벡터에 의해 추적된 경로(보라색)의 몇 가지 예를 보여준다. 전파 반대 방향을 따라 우주에서 지점을 진화하면서 특정 시간에 전기장을 볼 때도 같은 진화가 일어날 것이다.

위의 가장 왼쪽 그림에서 광파의 x와 y 구성 요소는 위상이다. 이 경우 강도의 비율은 일정하므로 전기 벡터(이 두 성분의 벡터 합)의 방향은 일정하다. 벡터 끝은 평면에서 하나의 선을 추적하기 때문에 이 특별한 경우를 선형 분극이라고 한다. 이 선의 방향은 두 구성 요소의 상대 진폭에 따라 달라진다.^[66]

중간 그림에서 두 직교 구성 요소는 동일한 진폭을 가지며 위상 이탈이 90°이다. 이 경우 다른 성분이 최대 또는 최소 진폭일 때 한 성분이 0이 된다. 이 요건을 충족하는 두 가지 가능한 위상 관계가 있다. 즉, x 성분이 y 성분보다 90° 앞서거나 y 성분보다 90° 뒤처질 수 있다. 이 특별한 경우 전기 벡터는 평면에서 원을 추적하기 때문에 이러한 양극화를 원형 양극화라고 한다. 원의 회전 방향은 2상 관계 중 어떤 관계가 존재하는가에 따라 달라지며, 우측 원형 양극화와 좌측 원형 양극화에 해당한다.^[44]

다른 모든 경우에서 두 성분이 동일한 진폭을 가지지 않거나 위상 차이가 0도 배수가 90도인 경우, 전기 벡터가 평면에서 타원을 추적하기 때문에(극화 타원) 양극화라고 한다. 이것은 오른쪽 위의 그림에서 볼 수 있다. 양극화의 상세한 수학은 존스 미적분학을 이용하여 이루어지며 스톡스 파라미터로 특징지어진다.^[44]

변화하는 양극화

양극화 모드에 따라 굴절 지표가 다른 매체를 바이레프링겐트라고 한다.^[66] 이 효과의 잘 알려진 징후는 광파 판/소매(선형 모드) 및 패러데이 회전/광학 회전(원형 모드)에서 나타난다.^[44] 배지 매체의 경로 길이가 충분할 경우, 평면파는 굴절로 인해 현저하게 다른 전파 방향을 가진 물질에서 빠져나간다. 예를 들어, 이것은 시청자에게 두 개의 오프셋, 즉 그것들을 통해 보는 모든 것의 직교 편광 영상을 제공하는 석회석의 거시적 결정의 경우다. 1669년 에라스무스 바르톨리누스에 의해 처음으로 양극화의 발견을 제공한 것은 이런 효과였다. 또한 위상 변화, 즉 양극화 상태의 변화는 대개 주파수에 의존하는데, 이는 이분법과 결합하여 밝은 색상과 무지개 같은 효과를 일으키는 경우가 많다. 광물학에서 플뢰크로이즘이라고 알려진 그러한 성질은 양극화현미경을 이용하여 광물을 식별하기 위한 목적으로 자주 이용된다. 또한, 일반적으로 양수성이 아닌 많은 플라스틱은 광탄성의 기초가 되는 현상인 기계적 스트레스를 받을 때 그렇게 될 것이다.^[66] 광선의 선형 양극화를 회전하기 위한 비경련 방법은 효율적인 콜린어 전달을 위해 설계된 프리즘 세트에 총 내부 반사를 사용하는 프리즘 양극화 회전기의 사용을 포함한다.^[67]

특정 양극화 모드의 진폭을 줄이는 매체를 이분법이라고 하는데, 편극화 필터로 알려진 하나의 모드에서 거의 모든 방사선을 차단하는 장치나 단순히 "양극화기"라고 한다. 에티엔-루이-말루스(Etienne-Louis Malus)의 이름을 딴 말루스의 법칙은 완벽한 편광기를 선형 편광 광선에 놓았을 때 통과되는 빛의 강도 I는 에티엔-루이 말루스의 법칙에 의해 주어진다.

$(\displaystyle I=I_{0}\cos ^{2}\theta _{i}\quad ,}$

어디에

내가₀ 처음의 강렬함이야

그리고 θ은_i 빛의 초기 양극화 방향과 편광기의 축 사이의 각도다.^[66]

비극광의 빔은 모든 가능한 각도에서 선형 편광의 균일한 혼합물을 포함하는 것으로 생각할 수 있다. ${\displaystyle {\cos }^{}}$ ${\displaystyle {2\mathrm{}}^{}}$ ${\displaystyle {}^{}}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \cos ^{2}\theta }$의 평균 값이 1/2이므로$$ 전송 계수는

${\displaystyle {\frac {I}{I_{0}}={\frac {1}{1}:{2}}\쿼드 }$

실제로 폴라라이저에서는 일부 빛이 손실되고 비폴라화 빛의 실제 전달은 이보다 다소 낮으며, 폴라로이드형 폴라라이저의 경우는 약 38%이지만 일부 바이얼링 프리즘 유형의 경우 상당히 높은(>49.9%)가 될 것이다.^[44]

확장된 매체에서의 이단성과 이분법 이외에도 굴절률이 다른 두 물질 사이의 (반사적) 인터페이스에서도 양극화 영향이 발생할 수 있다. 이러한 효과는 프레스넬 방정식으로 처리된다. 파동의 일부가 전송되고 일부가 반사되어 발생각과 굴절각 등에 따라 비율이 달라진다. 이렇게 해서 물리적 광학들은 브루스터의 각도를 회복한다.^[44] 빛이 표면의 얇은 필름에서 반사될 때, 필름 표면으로부터의 반사 사이의 간섭은 반사된 빛과 전달된 빛에서 양극화를 일으킬 수 있다.

자연광

전자기 방사선의 대부분의 출처에는 빛을 방출하는 원자나 분자가 다량 포함되어 있다. 이러한 방출체에 의해 생성된 전기장의 방향은 상관관계가 없을 수 있으며, 이 경우 빛이 양극화되지 않았다고 한다. 방출체 사이에 부분적인 상관관계가 있을 경우 빛은 부분적으로 편광된다. 양극화가 선원의 스펙트럼 전체에 걸쳐 일관된다면 부분 편광은 완전히 비편광 성분과 완전히 편광된 성분의 중첩으로 설명할 수 있다. 그런 다음 빛에 대해 양극화의 정도와 양극화 타원의 매개변수를 설명할 수 있다.^[44]

빛나는 투명한 물질에 의해 반사되는 빛은 빛이 표면에 정상(수직)인 경우를 제외하고 부분적으로 또는 완전히 극성을 띤다. 수학자 에티엔-루이 말루스가 편광에 대한 첫 번째 수학 모델을 개발할 수 있도록 측정을 할 수 있게 한 것은 이러한 효과였다. 양극화는 빛이 대기 중에 흩어질 때 발생한다. 흩어진 빛은 맑은 하늘에 밝은 빛과 색깔을 만들어 낸다. 이렇게 흩어진 빛의 부분적인 양극화는 사진 속의 하늘을 어둡게 하기 위해 편광 필터를 사용하는 것을 이용할 수 있다. 광학 양극화는 주로 광학 활성(치랄) 분자가 보여주는 원형 이분법과 광학 회전("원형 바이얼링") 때문에 화학에서 중요하다.^[44]

모던 광학

현대 광학은 20세기에 유행한 광학 공학의 영역을 포괄한다. 광학 과학의 이러한 영역은 일반적으로 빛의 전자기 또는 양자 특성과 관련이 있지만 다른 주제를 포함한다. 현대 광학의 주요 하위 분야인 양자 광학에서는 특히 빛의 양자 기계적 특성을 다룬다. 양자 광학이란 단지 이론적인 것이 아니다; 레이저와 같은 몇몇 현대적인 장치들은 양자 역학에 의존하는 작동 원리를 가지고 있다. 광전자 증배기와 채널트론과 같은 광 검출기는 개별 광자에 반응한다. CCD와 같은 전자 이미지 센서는 개별 광자 이벤트의 통계에 해당하는 샷 노이즈를 나타낸다. 발광 다이오드와 광전지 역시 양자역학 없이는 이해할 수 없다. 이들 기기의 연구에서는 양자 광학기가 양자 전자와 중복되는 경우가 많다.^[68]

광학 연구의 특수 영역은 수정 광학 및 메타 물질에서와 같이 빛이 특정 물질과 어떻게 상호작용하는지에 대한 연구를 포함한다. 다른 연구는 단수 광학, 비이미징 광학, 비선형 광학, 통계 광학 및 방사선 측정에서와 같은 전자기파의 현상학에 초점을 맞추고 있다. 또한 컴퓨터 엔지니어들은 "차세대" 컴퓨터의 가능한 구성요소로서 통합 광학, 기계 비전 및 광 컴퓨팅에 관심을 가지고 있다.^[69]

오늘날 광학 순수과학은 응용광학과는 구별하기 위해 광학 또는 광물리학이라고 하는데, 이를 광공학이라고 한다. 광학 공학의 두드러진 하위 분야로는 렌즈 설계, 광학 부품의 제작 및 시험, 이미지 처리와 같은 실용적인 응용을 가진 조명 공학, 광전자 및 광전자 공학이 있다. 이러한 분야 중 일부는 피험자의 용어 사이에 모호한 경계와 겹치며, 이는 세계의 다른 부분과 산업의 다른 영역에서 약간 다른 것을 의미한다. 비선형 광학 연구자들의 전문 커뮤니티는 레이저 기술의 진보로 인해 지난 수십 년 동안 발전해 왔다.^[70]

레이저스

레이저란 전자기 방사선의 일종인 빛을 자극 방출이라는 과정을 통해 방출하는 장치다. 레이저라는 용어는 방사선의 자극적 방출에 의한 빛 증폭의 약자다.^[71] 레이저 빛은 대개 공간적으로 일관성이 있는데, 이는 빛이 좁고 낮은 전파 빔에서 방출되거나 렌즈와 같은 광학 구성요소의 도움을 받아 하나로 변환될 수 있다는 것을 의미한다. 레이저와 동등한 마이크로파인 마저가 먼저 개발되었기 때문에 보통 마이크로파와 무선 주파수를 방출하는 장치를 마저라고 부른다.^[72]

최초의 작업용 레이저는 1960년 5월 16일 테오도르 마이먼에 의해 휴즈 연구소에서 시연되었다.^[74] 처음 발명되었을 때, 그것들은 "문제를 찾는 해결책"^[75]이라고 불렸다. 그 이후로 레이저는 수천 개의 매우 다양한 애플리케이션에서 효용성을 발견하면서 수십억 달러의 산업이 되었다. 일반인들의 일상 생활에서 가장 먼저 볼 수 있는 레이저의 적용은 1974년에 도입된 슈퍼마켓 바코드 스캐너였다.^[76] 1978년에 도입된 이 레이저디스크 플레이어는 레이저를 포함한 최초의 성공적인 소비자 제품이었지만, 이 소형 디스크 플레이어는 1982년부터 소비자 가정에서 진정으로 보편화된 최초의 레이저 장착 장치였다.^[77] 이 광학 저장 장치는 폭이 1밀리미터 미만인 반도체 레이저를 사용하여 디스크 표면을 스캔하여 데이터 검색을 한다. 광섬유 통신은 레이저에 의존하여 빛의 속도로 대량의 정보를 전송한다. 레이저의 다른 일반적인 응용 프로그램으로는 레이저 프린터와 레이저 포인터가 있다. 레이저는 무혈 수술, 레이저 눈 수술, 레이저 캡쳐 마이크로 절개 등의 분야와 미사일 방어 시스템(EOCM), 전자 광학 대응(Electro-optical resolution, Lidar) 등의 군사 응용 분야에서 의학에 사용된다. 레이저는 홀로그램, 버블그램, 레이저 광선 쇼, 레이저 제모에도 사용된다.^[78]

카피차-디락 효과

카피차-디락 효과는 입자 빔이 스탠딩 파형을 만난 결과로 확산되게 한다. 빛은 다양한 현상을 이용하여 물질을 위치시키는 데 사용될 수 있다(광학 핀셋 참조).

적용들

광학은 일상 생활의 일부분이다. 생물학에서 시각 시스템의 편재성은 광학이 오감 중 하나의 과학으로 하는 중심 역할을 나타낸다. 많은 사람들이 안경이나 콘택트렌즈로부터 이익을 얻으며, 광학 장치는 카메라를 포함한 많은 소비재의 기능에 필수적이다. 무지개와 신기루는 광학 현상의 예다. 광통신은 인터넷과 현대 전화 모두를 위한 근간을 제공한다.

사람의 눈

인간의 눈은 망막이라고 불리는 광수용체 세포 층에 빛을 집중시켜 기능하는데, 이것은 눈의 뒷부분의 내막을 형성한다. 초점은 일련의 투명한 미디어에 의해 달성된다. 눈에 들어오는 빛은 각막을 먼저 통과해 눈의 광학적 힘을 상당 부분 공급한다. 그리고 나서 빛은 각막 바로 뒤에 있는 수액 즉, 앞쪽 챔버를 통해 계속되어 동공을 통과한다. 그 다음 빛은 렌즈를 통과하는데, 렌즈는 빛을 더 집중시키고 초점을 조정할 수 있다. 그리고 나서 빛은 눈에 있는 유체의 본체인 유리 유머를 통과하여 망막에 도달한다. 망막의 세포들은 시신경이 빠져나가는 곳을 제외하고 눈의 뒤쪽에 선을 긋는다; 이것은 사각지대를 초래한다.

광수용체 세포에는 두 가지 유형이 있는데, 이는 빛의 다른 면에 민감하게 반응하는 막대 세포와 원뿔 세포가 있다.^[79] 로드 셀은 넓은 주파수 범위에서 빛의 강도에 민감하므로 흑백 시력을 담당한다. 로드 세포는 중심 시력을 담당하는 망막의 영역인 포베아에 존재하지 않으며 빛의 공간적, 시간적 변화에 원뿔 세포만큼 반응하지 않는다. 그러나 망막의 원추세포보다 20배나 많은 봉합세포가 있는데, 이는 봉합세포가 넓은 영역에 걸쳐 존재하기 때문이다. 로드는 분포가 넓기 때문에 주변 시력을 담당한다.^[80]

이와는 대조적으로, 원추세포는 빛의 전체적인 강도에 덜 민감하지만, 다른 주파수 범위에 민감하여 색과 광시의 지각에 사용되는 세 가지 품종으로 나온다. 원추세포는 포베아에 고도로 집중되어 있고 시력이 높아 막대세포보다 공간 분해능이 뛰어나다는 것을 의미한다. 원추 세포는 막대 세포처럼 희미한 빛에 민감하지 않기 때문에 대부분의 야간 시력은 막대 세포에 제한된다. 마찬가지로 원추세포가 포베아 안에 있기 때문에 중심시력(대부분의 독서에 필요한 시력, 바느질 등 미세한 세공, 사물의 세심한 검사 등을 포함한다)은 원추세포에 의해 이루어진다.^[80]

렌즈 주위의 담도 근육은 눈의 초점을 조절할 수 있게 한다. 이 과정은 숙소로 알려져 있다. 가까운 지점과 먼 지점은 물체를 날카로운 초점에 둘 수 있는 눈에서 가장 가깝고 먼 거리를 정의한다. 정상적인 시력을 가진 사람의 경우, 먼 지점은 무한대에 위치한다. 근점의 위치는 근육이 얼마나 렌즈 곡률을 높일 수 있는지, 나이가 들면서 렌즈가 얼마나 유연해졌는지에 따라 달라진다. 검안사, 안과 의사, 안경사는 보통 보통 25cm의 판독 거리보다 가까운 가까운 가까운 지점을 고려한다.^[79]

시력의 결함은 광학 원리를 이용하여 설명할 수 있다. 나이가 들면서 수정체가 덜 유연해지고 근점이 눈에서 멀어지는데, 이는 노안이라고 알려진 질환이다. 마찬가지로, 초시경을 앓고 있는 사람들은 주변의 물체가 망막에 이미징될 수 있을 정도로 렌즈의 초점 길이를 줄일 수 없다. 반대로 먼 물체가 망막에 이미징될 수 있을 정도로 렌즈의 초점 길이를 늘릴 수 없는 사람들은 근시에 시달리며 무한대보다 상당히 가까운 원점을 가지고 있다. 난시라고 알려진 질환은 각막이 구형이 아니라 한 방향으로 더 휘어져 있을 때 발생한다. 이로 인해 수평으로 확장된 물체가 수직으로 확장된 물체보다 망막의 다른 부분에 집중되게 되고, 이로 인해 영상이 왜곡되게 된다.^[79]

이 모든 조건은 교정 렌즈를 사용하여 교정할 수 있다. 노안과 초시의 경우 수렴 렌즈는 가까운 지점을 눈에 가깝게 하는 데 필요한 추가 곡률을 제공하는 반면 근시의 경우 분산 렌즈는 먼 지점을 무한대로 보내는 데 필요한 곡률을 제공한다. 난시는 원통형 표면렌즈로 각막의 불균일성을 보완하여 다른 방향보다 한 방향으로 더 강하게 구부러지는 원통형 표면렌즈로 교정한다.^[81]

교정 렌즈의 광학적 힘은 미터 단위로 측정한 초점 길이의 역수 값과 같은 디옵터 단위로 측정되며, 수렴 렌즈에 해당하는 양의 초점 길이와 편차 렌즈에 해당하는 음의 초점 길이를 갖는다. 난시에도 맞는 렌즈의 경우 구면전력에 1개, 원통전력에 1개, 난시의 방향각도에 1개 등 3개의 숫자가 주어진다.^[81]

시각 효과

착시현상(시각적 환상이라고도 함)은 객관적 현실과 다른 시각적으로 인지된 이미지로 특징지어진다. 눈으로 수집된 정보는 뇌에서 처리되어 이미징되고 있는 물체와 다른 인식을 준다. 착시현상은 그것을 만드는 대상과는 다른 이미지를 만들어내는 물리적 효과, 과도한 자극의 눈과 뇌에 미치는 생리적 영향(예: 밝기, 기울임, 색, 움직임), 눈과 뇌가 기준에서 무의식 상태로 만드는 인지적 착시현상 등 다양한 현상의 결과일 수 있다.es.^[82]

인지 착시 현상에는 어떤 광학 원리를 무의식적으로 잘못 적용한 데서 비롯되는 것들이 포함된다. 예를 들어 아메스실, 헤링실, 뮐러라이어, 오비슨, 폰조, 샌더, 룬트 착시 등은 모두 2차원 렌더링으로 무한대의 소멸 지점에서 수렴하기 위해 나타나는 것과 같은 방식으로, 수렴선과 편차를 이용하여 거리의 출현을 암시하는 것에 의존한다.이미지를 예술적 시각으로 그려라.^[83] 이 제안은 달이 본질적으로 같은 각도 크기를 가지고 있음에도 불구하고, 달이 지평선 근처에 정점에 있는 것보다 훨씬 더 크게 나타나는 유명한 달 착시 현상에도 책임이 있다.^[84] 이 환상은 프톨레마이오스를 너무 혼란스럽게 해서, 그가 논문 '옵틱스'에서 그것을 묘사할 때 그것을 대기 굴절 탓으로 잘못 돌렸다.^[8]

또 다른 유형의 착시현상은 깨진 패턴을 이용하여 정신이 존재하지 않는 대칭이나 비대칭을 지각하도록 속인다. 카페 벽, 에렌슈타인, 프레이저 나선, 포그겐도르프, 샬너 착시 등이 대표적이다. 관련성은 있지만 엄밀하게 착시하지는 않지만 주기적인 구조의 중첩으로 인해 발생하는 패턴이다. 예를 들어 그리드 구조를 가진 투명 조직은 뮤레 패턴이라고 알려진 모양을 생성하는 반면, 병렬 불투명 선이나 곡선으로 구성된 주기적인 투명 패턴의 중첩은 라인 뮤레 패턴을 생성한다.^[85]

광학 기기

싱글렌즈는 사진렌즈, 교정렌즈, 돋보기 안경 등 다양한 용도가 적용되며, 싱글미러는 포물선 반사기와 백미러에 사용된다. 많은 거울, 프리즘, 렌즈를 결합하면 실용적인 복합 광학 기구가 만들어진다. 예를 들어, 잠망경은 장애물 주변을 볼 수 있도록 정렬된 평면 미러 두 개일 뿐이다. 과학에서 가장 유명한 복합 광학 기구는 16세기 후반 네덜란드인에 의해 발명된 현미경과 망원경이다.^[86]

현미경은 단지 두 개의 렌즈로 처음 개발되었다: 객관적인 렌즈와 안구. 목표 렌즈는 기본적으로 확대경이며 초점 길이가 매우 작은 반면, 아이피스는 일반적으로 초점 길이가 더 길다. 이것은 가까운 물체의 확대된 이미지를 생성하는 효과가 있다. 일반적으로 확대된 영상이 에너지 절약과 광선의 더 넓은 표면적 확산으로 인해 더 어둡기 때문에 추가적인 조명의 원천이 사용된다. 복합현미경으로 알려진 현대의 현미경에는 기능을 최적화하고 영상 안정성을 강화하기 위해 그 안에 많은 렌즈(일반적으로 4개)가 들어 있다.^[86] 약간 다른 종류의 현미경인 비교현미경은 나란히 영상을 보면서 인간이 사용할 때 입체적으로 나타나는 입체 쌍안경을 연출한다.^[87]

굴절 망원경이라고 불리는 최초의 망원경도 하나의 목적과 안과 렌즈로 개발되었다. 현미경과는 대조적으로 망원경의 객관적 렌즈는 광학적 이상을 피하기 위해 초점 길이가 크게 설계되었다. 목표는 훨씬 더 작은 초점 길이의 아이피스의 초점에 있도록 조정된 그것의 초점에 먼 물체의 이미지를 집중시킨다. 망원경의 주요 목표는 반드시 확대되는 것이 아니라 목표 렌즈의 물리적 크기에 의해 결정되는 빛의 집합이다. 따라서 망원경은 일반적으로 안료를 교환하여 변경할 수 있는 확대보다는 목표의 직경으로 표시된다. 망원경의 확대는 목적의 초점 길이를 아이피스의 초점 길이로 나눈 값과 같기 때문에 초점 길이의 작은 아이피스는 더 큰 확대를 일으킨다.^[86]

큰 거울을 만드는 것보다 큰 렌즈를 만드는 것이 훨씬 어렵기 때문에 대부분의 현대 망원경은 망원경, 즉 객관적인 렌즈보다는 일차 거울을 사용하는 망원경을 반영하고 있다. 굴절 망원경에 적용한 반사 망원경, 즉 1차 거울이 클수록 더 많은 빛이 모이고, 그 확대는 여전히 1차 거울의 초점 길이를 안경의 초점 길이로 나눈 것과 같다. 전문 망원경은 일반적으로 안구가 없고 대신 기기(흔히 충전 결합 장치)를 초점에 배치한다.^[86]

사진

사진의 광학에는 렌즈와 전자파 방사선이 기록되는 매체(플레이트, 필름, 충전 결합 장치 등)가 모두 포함된다. 사진기자들은 카메라와 카메라의 상호성을 고려해야 하며, 카메라와 카메라의 상호관계로 요약된다.

노출 ∝ AropureArea × 노출시간 ×씬루머넌스^[88]

즉, 조리개가 작을수록(초점 깊이가 커짐), 빛이 덜 들어오므로, 시간의 길이를 늘려야 한다(동작 발생 시 흐릿해질 수 있음). 상호주의 법칙의 사용의 예로는 Sunny 16 규칙이 있는데, 이것은 일광에서 적절한 노출을 추정하는 데 필요한 설정에 대한 대략적인 추정치를 제공한다.^[89]

카메라의 조리개는 f-number 또는 f-stop, f/#라고 불리는 단위 없는 숫자로 측정되며, $N{\displaystyle }$ ${\displaystyle N}$로 표기되어 있다$.$

${\displaystyle f/\#=N={\frac {f}{D}\}$

여기서 $f{\displaystyle }$ ${\displaystyle f}$은 초점 길이, $D{\displaystyle }$ ${\displaystyle D}$은 입구 동공 직경이다. 관례상 "f/#"는 단일 기호로 취급되며, 숫자 부호를 값으로 대체하여 f/#의 구체적인 값을 표기한다. f-스톱을 늘리는 두 가지 방법은 입구 동공 직경을 줄이거나 더 긴 초점 길이로 바꾸는 것이다(줌 렌즈의 경우 단순히 렌즈를 조절하는 것만으로 가능하다). f-number가 높을수록 렌즈가 핀홀 카메라의 한계에 접근하기 때문에 필드 깊이가 커져서 거리에 상관없이 모든 영상을 완벽하게 포커싱할 수 있지만 노출 시간이 매우 길다.^[90]

렌즈가 렌즈의 초점 길이에 따라 변경되는 시야. 필름의 대각선 크기 또는 카메라의 센서 크기와 렌즈의 초점 길이와의 관계에 근거한 세 가지 기본 분류가 있다.^[91]

• 일반 렌즈: 약 50°의 시야각(이 각도가 대략 인간의^[91] 시력과 동등하다고 간주되기 때문에 정상이라고 함)^[92]과 필름 또는 센서의 대각선과 거의 동일한 초점 길이.
• 광각 렌즈: 시야각은 60°보다 넓고 초점 길이는 일반 렌즈보다 짧다.^[93]
• 롱 포커스 렌즈: 일반 렌즈보다 시야가 좁은 각도. 이것은 필름이나 센서의 대각선 측정치보다 초점 길이가 긴 렌즈다.^[94] 롱 포커스 렌즈의 가장 흔한 유형은 망원렌즈로, 특수 망원 그룹을 사용하여 초점 길이보다 물리적으로 짧은 디자인을 하고 있다.^[95]

현대의 줌 렌즈는 이러한 속성의 일부 또는 전부를 가질 수 있다.

필요한 노출 시간에 대한 절대값은 (필름 속도 또는 디지털 미디어에 대해 양자 효율에 의해 측정되는) 매체의 빛에 얼마나 민감한지에 따라 달라진다.^[96] 초기 사진에는 광감도가 매우 낮은 매체를 사용했기 때문에 매우 밝은 사진을 찍기 위해서라도 노출 시간이 길어야 했다. 기술이 발전하면서 필름 카메라와 디지털 카메라를 통한 감수성도 높아졌다.^[97]

물리적 광학 및 기하학적 광학에서 얻은 다른 결과는 카메라 광학에도 적용된다. 예를 들어, 특정 카메라 설정의 최대 해상도는 동공 크기와 관련된 회절 한계와 Rayleigh 기준에 의해 대략적으로 결정된다.^[98]

대기 광학

대기의 독특한 광학적 특성은 다양한 광학 현상을 일으킨다. 하늘의 푸른색은 더 높은 주파수(파란색) 햇빛을 관찰자의 시야로 되돌려 놓는 레일리 산란(Rayleigh screding)의 직접적인 결과물이다. 푸른 빛은 붉은 빛보다 더 쉽게 산란되기 때문에 일출이나 일몰 때처럼 두꺼운 대기를 통해 관측될 때 태양은 붉은 색을 띠게 된다. 하늘의 추가적인 입자 물질은 다른 각도로 다른 색상을 흩뿌릴 수 있으며, 해질녘과 새벽녘에 화려한 빛을 발하는 하늘을 만든다. 얼음 결정과 대기 중의 다른 입자들로부터 산란되는 것은 할로, 여광, 코로나, 햇빛, 그리고 태양 개들을 책임진다. 이러한 종류의 현상의 변화는 입자의 크기와 기하학적 형태에 기인한다.^[99]

신기루는 공기의 굴절 지수의 열적 변화로 광선이 휘어지는 광학적 현상으로 원거리 물체의 변위되거나 심하게 왜곡된 이미지를 생성한다. 이와 관련된 다른 극적인 광학 현상으로는 일그러진 형상으로 예측한 것보다 해가 더 일찍 떠오르는 노바야 제믈랴 효과가 있다. 멋진 형태의 굴절은 "동화성"처럼 수평선이나 심지어 수평선 너머에 있는 물체들, 예를 들어 섬, 절벽, 배, 빙산 같은 물체들이 길쭉하고 높아 보이는 파타 모가나라고 불리는 온도 역전현상과 함께 일어난다.^[100]

무지개는 빗방울 속의 빛의 내부반사와 분산 굴절이 결합한 결과물이다. 줄지어 늘어선 빗방울의 등을 한 번 반사하면 바깥쪽은 빨갛게 달아 40~42°에 이르는 하늘에 각진 크기의 무지개가 생긴다. 이중 무지개는 각도가 50.5~54°인 두 개의 내부 반사에 의해 만들어지며, 겉은 보라색이다. 무지개의 중심에서 태양을 180° 떨어진 곳에서 무지개가 보이기 때문에, 무지개는 태양이 지평선에 가까이 있을수록 더욱 두드러진다.^[66]

참고 항목

• 이온 광학
• 광학 분야의 중요 출판물
• 광학 주제 목록

참조

추가 읽기

• Born, Max; Wolf, Emil (2002). Principles of Optics. Cambridge University Press. ISBN 978-1-139-64340-5.
• Hecht, Eugene (2002). Optics (4 ed.). Addison-Wesley Longman, Incorporated. ISBN 978-0-8053-8566-3.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for scientists and engineers (6, illustrated ed.). Belmont, CA: Thomson-Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul A.; Mosca, Gene (2004). Physics for Scientists and Engineers: Electricity, Magnetism, Light, and Elementary Modern Physics. 2. W.H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0810-0.
• Lipson, Stephen G.; Lipson, Henry; Tannhauser, David Stefan (1995). Optical Physics. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-43631-1.
• Fowles, Grant R. (1975). Introduction to Modern Optics. Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-65957-2.

외부 링크

위키미디어 커먼즈에는 광학 관련 미디어가 있다.

관련 토론

• BBC의 우리 시대의 광학 프로그램

교과서 및 자습서

• 빛과 물질 – 광학 처리가 포함된 오픈 소스 교과서 28-32장
• 광학2001 – 광학 라이브러리 및 커뮤니티
• 기본 광학 – Melles Griot 기술 가이드
• 빛과 광학의 물리학 – 브리검 영 대학교 학부 도서
• PV용 광학 – 고전적 광학에 대한 단계별 도입

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추가 읽기

• 광학 및 광학: 물리학 연구소의 출판물에 의해 우리의 삶을 향상시키는 물리학

사회