빛이라고 하면 누구나 태양빛을 가장 많이 떠올립니다. 그리고 우리가 눈으로 보는 빛은 가시광선이라고 부릅니다. 이외에도 적외선, 자외선, x선, 감마선 등 많이 들어보셨을테지요.

 

우리가 무엇을 본다는 것은 빛이 그 물체에 반사되어 눈의 망막에 맺혀 시신경을 통해 대뇌로 전달된 후 이미징 시키는 것 입니다. 빛이 물체에 닿을때 산란(scattering)된 빛이 우리 눈에 들어 오는 것인데 만약 이 빛의 파장이 물체보다 크다면 그 물체는 흐리멍텅하게 보이거나 볼 수 없게 됩니다.(다행히도 우리눈에 보이는 가시광선 빛의 파장은 수백나노미터(nm) 정도 인것에 비해 우리가 보는 물체는 수 밀리(mm)이상이므로 충분히 볼 수 있는 것입니다.)

기하광학이란 이 빛의 파장이 보려는 물체의 크기보다 아주 작을때의 영역이고, 이 둘이 비슷하게 되면 물리광학이라 부르고 만약 물체가 빛의 파장보다 훨씬 작을 경우엔 양자광학이라고 부릅니다.) 그리고 앞에서도 제목에서도 언급했듯이 저는 특별한 경우를 제외하고는 기하광학을 위주로 강좌를 할 것입니다.

 

우선은 이런 관점에서 빛의 성질부터 알아보겠습니다.

 

 

 

 

 

우선 용어부터 확실히 하겠습니다.

입사면 : 위 그림의 Interface라고 되어 있는 평면에 수직인(실선으로 네모)평면을 입사면이라고 부릅니다.

법선(벡터) : 위 그림에서 surface normal 이라고 적힌 점선을 가리킵니다.

입사각 : Interface로 들어오는 빛과 법선과의 사이각을 말합니다.

반사각 : Interface에 부딪혀 나가는 빛과 법선과의 사이각을 말합니다.

굴절각 : 굴절되어서 나가는(refracted ray) 빛과 법선과의 사이각을 말합니다.

 

반사법칙(위 그림 참조)

반사법칙이란 이 입사면을 따라 들어온 빛이 장애물에(여기선 interface) 부딪혀서 반사하게 될 때에 입사각과 반사각은 같다는 것 입니다.

 

굴절법칙

빛은 직진하다가 굴절율이 다른 매질을 만나게 되면 꺾여서 나아가게 되는데 이를 굴절법칙이라고 합니다. 그러나 이 굴절현상은 원인에 따른 결과일 뿐이고 이 원인은 빛이 진행할때 최단거리가 아닌 최소시간을 택하기 때문입니다. 빛의 속도는 대략  300,000km/s로 알려져있고 이를 불변하는 광속이라 부르지만 이는 진공에서의 속력입니다. 실제 진공이 아닌 매질속에서는 빛의 속력이 느려지게 되는데 이는 사실 빛의 속력이 느려지는게 아니라 물질속에 있는 입자가 빛과 상호작용하는데 시간이 지연되기 때문입니다. 

여하튼, 기하학적으로 최단시간에 대해 식을 풀어보면 위 그림의 제일 우측 하단에 sin값이 있는 식이 나오게 됩니다.

여기서 굴절율과 입사각을 대입하면 굴절각을  알 수 있게 됩니다. 참고로 굴절율은 속력에 반비례하는 양이고 앞에서 언급했듯이 빛의 속력은 매질에 따라 다르게 관찰되므로 매질에 따라 굴절율이 달라집니다.

 

역진(reversability) 의 원리

빛이 진행하는 경로를 그대로 바꿔 반대로 향하게 하면 오던 길을 그대로 따라갑니다. 즉, 굴절을 한 빛을 다시 역진시키면 다른 매질로 들어와 굴절하기 전의 입사 빛과 같은 경로로 돌아갑니다. 만약 이것이 성립하지 않는다면 굴절 법칙이 아무런 의미가 없겠지요?!

 

 

이렇게 몇가지 빛의 성질에 관해 알아봤는데 사실 이외에도 여러가지 법칙들이 많지만 우리가 기본적으로 기하광학을 공부하기 위해서는 우선 이정도만 알아두면 될 것 같습니다.

 

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