실험사진으로 보는 빛의 성질

출처는 안경사 국가고시를 준비하는 모임입니다.
http://cafe.daum.net/medigate/F8as/2

학교에서 배우는 광학에 대한 내용이 사진과 함께 전부 다 잘 설명되어 있네요

실험 사진으로 보는 기초기하광학

광의 반사( θ1=θ3)

입사광과 평행하게 반사되기 위한 거울 구조

두거울의 각도에 따라 여러상이 만들어짐.

(+), (-)곡률반경의 구면 반사체

반사체 광선 추적 1.평행광선 입사 ⇒ 초점광선 반사

2. 주광선 입사 ⇒ 주광선 반사 3.초점광선 입사 ⇒ 평행광선 반사

(-) 곡면거울 거울곡률반경 안에 있는 경우 상은 크게보인다

(+) 곡면거울 위치에 관계 없이 항상 상은 작게보인다

광의 굴절 n1sinθ1 =n2sinθ2

광의 굴절의 법칙

빛은 투명한 물체를 통과할 수 있는데, 이때 빛의 속력이 느려집니다. 이러한 현상은 빛이 투명한 어떤 물질에서 다른 투명한 물질로 들어갈 때 휘기 때문입니다. 이러한 효과를 굴절이라고 합니다. 굴절은 빛이 투명한 물질마다 서로 다른 속력으로 움직이기 때문에 일어 납니다. 빛은 공기 중에서 1초에 300,000 ㎞ 속력으로 움직입니다. 빛이 유리 속이나 물 속으로 들어갈 때 속력이 줄어드는데, 이 때 굴절이 일어납니다.
스넬의 법칙 ( n1sinθ1 = n2sinθ2 )
두 매질 사이에서(굴절률 n1,n2) 빛이 진행하는 경우. 매질 n1인 곳에서 빛이 법선을 따라 진행하였을 경우 두 매질 사이의 굴절률 차이 때문에 굴절 되어 진행합니다. (굴절률: 매질 마다 특유의 상수로서 일반적으로 밀도라고 생각하는 것이 편합니다. 그러므로 밀도가 클수록 굴절률이 크고 ,굴절되는 각도도 커집니다.) Fernat's Principal에 따라 snell's law을 정리하면 매질의 굴절률은 각도에 반비례하고 속도에 비례합니다. 또한 매질을 따라 빛이 진행할 때 진동수는 변하지 않습니다. ( Fernat's Principal : 빛이 진행할 때 최단거리를 선택하여 진행한다는 이론입니다.) 빛이 굴절률 n1 인 매질1에서 굴절률 n2 인 매질2로 진행할 때 굴절각과 입사각의 사인값의 비는 항상 일정한데 이 값을 매질1에 대한 매질2의 굴절률이라고 합니다.두 매질에 대하여 입사각이 어떠한 값을 갖더라도 sin θ1 / sin θ2의 값은 항상 일정한 값을 나타내는데 이것이 바로 스넬의 법칙입니다.

광의 내부 전반사

(굴절광의 각이 90도가 넘은 경우 굴정되지 않고 내부로 반사)

전반사 이용한 광섬유 원리 해석

어항속의 물고기들의 전반사 상

물통 물줄기 구멍 - 물줄기를 따라 계속 전반사가 일어난다.(마치 광이 휜 것처럼)

유리관에 광을 비출 때 연속해서 내부 전반사가 일어난다

전반사 이용한 광섬유 공예품

렌즈의 광경로

렌즈의 광선 추적

1. 평행광선은 ⇒ 초점광선으로 출사 2. 주광선은 ⇒ 주광선으로 출사

3. 초점광선은 ⇒ 평행광선으로 출사

(+), (-)렌즈 광경로

프레스넬 렌즈

여러 가지 응용의 예

단색수차

광학계의 성능을 좌우하는데 결정적인 역할을 하는 것이 수차이다. 수차는 광학계가 곡률과 굴절률을 가진 렌즈를 쓴다면 어쩔 수 없이 발생하는 현상이다. 이를 최소화 하는 것이 광학계 설계의 잘됨과 잘못됨을 판단하는 기준이 될 수도 있다. 수차를 엄밀하게 말하면 광학계의 결함을 만들어 내는 요인이라고 할 수 있다. 이 수차들은 각각의 광선을 추적하여 찾아낼 수 있다. 기하적인 접근법과 파동적인 접근법이 있다.(구면수차, 비점수차,Coma, 상의 왜곡, 상의만곡)

1.구면수차와 코마(Sphrical aberration and coma)

광축상의 한 물점에서 출발한 여러 ray 들에 의한 상공간( image space )에서의 대응점들의 불일치를 말하는 것으로서 Seidel 수차의 첫 번째이고 다른 수차를 감소시키기 전에 보정해야 할 수차이다. 종구면수차( LSA : longitudinal spherical aberration )는 근축광선과 임의 광선이 광축 상에서 교차하는 점들 사이의 거리를 나타내며 횡구면수차( TSA : transverse spherical aberration )는 광선들이 근축 초점 면( paraxial focal plane )에서 교차하는 점들 사이의 거리로 나타낸다. 종구면수차 의 계산은 임의 높이에서의 유한 광선 추적에 의한 뒷초점거리와 Gauss 광선 추적에 의한 뒷초점거리의 차이이다. 그리고 코마(coma)는 광학계의 정현조건(Sine condition)을 계산하여 그 광학계의 코마수차를 대신한다.

2. 비점수차(astigmatism)와 상면만곡(Astigmatism and field curvature)

비스듬한 각도에서 들어오는 광선의 초점을 정확한 곳에 맺지 못하는 렌즈의 결점으로 인해서 생기는 오차. 광축을 벗어난 물점에서 tangential plane(Y축)을 따라 주광선과 약간 벗어난 광선을 추적하여 상공간에서 주광선과 만나는 점을 tangential focus라 하고 물점에서 출발하여 sagittal plane(X축)을 따라 주광선과 약간 벗어난 광선을 추적하여 상공간에서 주광선과 만나는 점을 sagittal focus라 하며 이 두 focus의 불일치를 나타내는 수차 량이다.

위치에 따른 여러 초점형태

눈에서의 비점수차

3. Coma

4. 왜곡수차

왜곡 수차(Distortion) : 횡배율이 각도에 따라 변하는 것을 나타내는 값으로써 시계각 β로 입사하는 주광선이 Gauss상면과의 교점 YP와 Gauss상의 높이 YG와의 차이가 왜곡수차이며 Gauss상의 높이는 근축광의 상점의 높이를 입사고와 비례적으로 계산하여 결정한다.

통형왜곡수차 실패형왜곡수차

색수차

색수차는 파장에 따라 굴절률이 다르기 때문에 나타나는 현상으로서 Fraunhofer C, d및 F선에 대하여 굴절률을 nC, nd, nF로 표시하며, 각 파장에 대하여 평행광선을 추적하여 축상의 상점간 거리차인 뒷초점 거리차를 계산한 것이 종색수차(Longitudinal chromatic aberration)이고, 시계각에 따라서 파장별로 Gauss상면상의 교점 높이의 차이를 계산하면 횡색수차(Transverse chromatic aberration)가 된다.