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광선

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목차

1. 개요

광선은 빛의 파면에 수직인 직선 또는 곡선으로 정의되며, 기하광학에서 광학계를 통과하는 빛의 전파 방식을 설명하는 데 사용된다. 페르마의 원리에 따라 두 점 사이를 지나는 광선은 가장 짧은 시간 내에 통과하는 경로를 가지며, 광선 추적을 통해 전파 방향을 계산할 수 있다. 광선은 태양 광선, 레이저 광선과 같이 빛의 묶음을 지칭하기도 하며, 자오선 광선, 가장자리 광선, 주광선, 근축 광선 등 다양한 종류가 있다. 또한 광섬유 내에서 광선은 메리디언 광선, 스큐 광선, 유도 광선 등 다양한 경로로 전파된다. 대중문화에서는 파괴적인 위력을 가진 무기나 특수 능력을 "~광선"이라고 부르기도 한다.

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광선
광선
설명이상화된 빛의 모델

2. 광선의 정의 및 특징

광선은 빛의 파면에 수직인 직선 또는 곡선이며, 그 접선은 파동 벡터와 일직선상에 있다. 균질한 매질에서 광선은 직선이다. 광선은 서로 다른 두 매질의 경계면에서 굴절되며, 굴절률이 변하는 매질에서는 곡선일 수 있다.[3] 기하광학은 광학계를 통과하는 광선의 전파 방식을 설명한다.

페르마의 원리에 따르면, 두 점 사이를 지나는 광선의 경로는 가장 짧은 시간 내에 통과할 수 있는 경로이다.[3]

광원에서 나온 빛을 스크린 위의 매우 작은 핀홀을 통과시킨 광선속을 극한까지 가늘게 한 것을 광선이라고 생각하지만, 실제로는 회절 현상 때문에 극한까지 가늘게 할 수는 없다. 균질한 매질 속에서는 광선은 파면에 수직이다.

직진, 반사, 굴절 법칙에 따른 광선 추적(레이트레이싱)으로 전파 방향을 구할 수 있다.

태양 광선, 레이저 광선 등과 같이 빛의 묶음을 가리켜 말하는 경우도 있다. 확산 광선, 평행 광선도 있다.

영어에서는 ray영어만으로도 광선을 의미하는 경우가 많지만, 레이트레이싱에서는 전파 등도 대상이 되므로, 특히 구별하기 위해 ray of light영어라고 명기하기도 한다.

3. 특수 광선

광학 시스템 분석에는 여러 가지 특수 광선이 사용된다. 이 광선들은 시스템 유형별로 분류되어 정의되고 설명될 수 있다.


  • 자오선 광선 (접선 광선): 광학계의 광축과 광선이 시작된 물체점을 포함하는 평면(자오면 또는 접선면)에 제한된 광선이다.[4]
  • 비대칭 광선: 자오면(접선면)에서 전파되지 않는 광선으로, 광축과 교차하지 않으며 평행하지도 않다.[4]
  • 가장자리 광선: 축상 물체점에서 시작하여 광학계의 조리개 조절장치 가장자리에 닿는 자오선 광선이다.[5][6][7] 실상 또는 가상상의 위치를 결정하는 데 사용된다.
  • 주광선: 물체의 가장자리에서 시작하여 조리개 조절장치의 중심을 통과하는 자오선 광선이다.[5][8][7] 상의 크기를 결정하는 데 사용된다.
  • 시상 광선 (횡단 광선): 물체점에 대한 자오면에 수직이고 굴절 전 주광선을 포함하는 평면(시상면)에서 전파되는 광선이다.[4]
  • 근축 광선: 광학계의 광축에 대해 작은 각도를 이루고 시스템 전체에서 축에 가까이 있는 광선이다.[10] 근축 근사를 사용하여 모델링할 수 있다.
  • 유한 광선 (실제 광선): 근축 근사를 하지 않고 추적되는 광선이다.[12][13]
  • 포물선 광선: 광축이 아닌 정의된 특정 "기준 광선"에 가깝게 전파되는 광선이다.[14] 광축에 대한 대칭이 없는 시스템에서 근축 모델보다 더 적합하다.

3. 1. 표면과의 상호작용

표면에서의 광선 다이어그램. \theta_\mathrm i는 입사각, \theta_\mathrm r는 반사각, \theta_\mathrm R는 굴절각이다.

  • '''입사광선'''은 표면에 입사하는 빛의 광선이다. 입사광선과 표면의 수직선(법선) 사이의 각도를 입사각이라고 한다.
  • 주어진 입사광선에 해당하는 '''반사광선'''은 표면에 의해 반사된 빛을 나타내는 광선이다. 표면 법선과 반사광선 사이의 각도를 반사각이라고 한다. 정반사(비산란) 표면의 경우 반사 법칙에 따르면 반사각은 항상 입사각과 같다.
  • 주어진 입사광선에 해당하는 '''굴절광선''' 또는 '''투과광선'''은 표면을 통과하는 빛을 나타낸다. 굴절광선과 법선 사이의 각도를 굴절각이라고 하며, 스넬의 법칙에 의해 주어진다. 에너지 보존 법칙에 따르면 입사광선의 세기는 굴절광선의 세기, 반사광선의 세기, 표면에서 흡수되는 세기의 합과 같아야 한다.
  • 물질이 복굴절성을 갖는 경우, 굴절광선은 '''보통광선'''과 '''비상광선'''으로 나뉠 수 있으며, 복굴절성 물질을 통과할 때 서로 다른 굴절률을 갖는다.

3. 2. 광학 시스템

자오선 광선 (접선 광선): 광학계의 광축과 광선이 시작된 물체점을 포함하는 평면(자오면 또는 접선면)에 제한된 광선이다.[4]
비대칭 광선: 자오면(접선면)에서 전파되지 않는 광선으로, 광축과 교차하지 않으며 평행하지도 않다.[4]

출사동공은 그 뒤의 광학계에 의해 형성된 조리개 조절장치의 상이며, 동공의 위치와 크기는 주광선과 가장자리 광선에 의해 결정된다.

가장자리 광선: 축상 물체점에서 시작하여 광학계의 조리개 조절장치 가장자리에 닿는 자오선 광선이다.[5][6][7] 실상 또는 가상상의 위치를 결정하는 데 사용된다.

조리개 조절장치를 이용한 단일 렌즈 이미징. 입사동공은 그 앞의 광학계에 의해 형성된 조리개 조절장치의 상이며, 동공의 위치와 크기는 각각 주광선과 가장자리 광선에 의해 결정된다.

주광선: 물체의 가장자리에서 시작하여 조리개 조절장치의 중심을 통과하는 자오선 광선이다.[5][8][7] 상의 크기를 결정하는 데 사용된다.
시상 광선 (횡단 광선): 물체점에 대한 자오면에 수직이고 굴절 전 주광선을 포함하는 평면(시상면)에서 전파되는 광선이다.[4]
근축 광선: 광학계의 광축에 대해 작은 각도를 이루고 시스템 전체에서 축에 가까이 있는 광선이다.[10] 근축 근사를 사용하여 모델링할 수 있다.
유한 광선 (실제 광선): 근축 근사를 하지 않고 추적되는 광선이다.[12][13]
포물선 광선: 광축이 아닌 정의된 특정 "기준 광선"에 가깝게 전파되는 광선이다.[14] 광축에 대한 대칭이 없는 시스템에서 근축 모델보다 더 적합하다.

3. 3. 광섬유


  • '''메리디언 광선'''은 광섬유의 축을 통과하는 광선이다.
  • '''스큐 광선'''은 비평면적인 지그재그 경로로 이동하며 광섬유의 축을 절대 통과하지 않는 광선이다.
  • '''유도 광선''' (결합 광선 또는 포획 광선)은 다모드 광섬유에서 코어에 의해 제한되는 광선이다. 단차형 광섬유의 경우, 섬유에 입사하는 빛은 섬유 축과 이루는 각이 섬유의 허용각보다 작으면 유도된다.
  • '''누설 광선''' (터널링 광선)은 광섬유에서 기하광학적으로는 전반사될 것으로 예측되는, 코어와 클래딩의 경계면에서 반사되는 광선이지만 곡선형 코어 경계면으로 인해 손실을 입는 광선이다.

4. 기하광학

기하광학은 광학계를 통과하는 광선의 전파 방식을 설명한다. 이미징할 대상은 각각 구면 파면과 해당하는 바깥쪽 광선을 생성하는 독립적인 점 광원의 집합으로 취급된다.[3] 광원에서 나온 빛을 스크린 위의 매우 작은 핀홀을 통과시킨 광선속을 극한까지 가늘게 한 것을 광선이라고 생각하지만, 실제로는 회절 현상 때문에 극한까지 가늘게 할 수는 없다. 균질한 매질 속에서는 광선은 파면에 수직이다.

직진, 반사, 굴절 법칙에 따른 광선 추적(레이트레이싱)으로 전파 방향을 구할 수 있다.

태양 광선, 레이저 광선 등과 같이 빛의 묶음을 가리켜 말하는 경우도 있다. 확산 광선, 평행 광선도 있다.

영어에서는 ray영어만으로도 광선을 의미하는 경우가 많지만, 레이트레이싱에서는 전파 등도 대상이 되므로, 특히 구별하기 위해 ray of light|레이 오브 라이트영어라고 명기하기도 한다.

5. 광선 추적 (레이 트레이싱)

광선 추적(레이트레이싱)은 빛의 직진, 반사, 굴절 법칙에 따라 빛의 전파 방향을 계산하는 방법이다. 광선 추적은 컴퓨터 그래픽스, 광학 설계 등 다양한 분야에서 활용된다.

6. 대중문화 속 광선

특촬 영화나 애니메이션 등에서는 빛을 발하며 파괴적인 위력을 가진 무기나 특수 능력을 가리켜 "~광선"이라고 부르는 경우가 많다. 그 실체는 빛의 묶음, 입자빔, 원리가 불명확한 것 등 다양하다. 정체를 잘 알 수 없는 광선에 대해서는 "괴광선"이라고 총칭하기도 한다.[1]

예: 스페시움 광선(울트라맨), 냉동 광선(8맨 외 다수)[1]

참조

[1] 웹사이트 What is a ray? http://www.zemax.com[...] 2008-05-30
[2] 서적 Field Guide to Geometric Optics SPIE Field Guides
[3] 서적 An Introduction to the Theory of Optics https://archive.org/[...] Edward Arnold
[4] 서적 Optical Principles and Technology for Engineers CRC
[5] 서적 Field Guide to Geometrical Optics https://books.google[...] SPIE
[6] 서적 Optical Design Fundamentals for Infrared Systems SPIE
[7] 서적 Optics Pearson
[8] 서적 Handbook of Optical Design https://books.google[...] CRC
[9] 서적 https://books.google[...]
[10] 서적 https://books.google[...]
[11] 웹사이트 Understanding Paraxial Ray-Tracing http://www.zemax.com[...] 2009-08-17
[12] 서적 Optics of the Human Eye Elsevier Health Sciences
[13] 서적 Aberrations of Optical Systems CRC Press
[14] 서적 An Introduction to Hamiltonian Optics Dover
[15] 웹사이트 Understanding Paraxial Ray-Tracing http://www.zemax.com[...] 2009-08-17
[16] 웹인용 What is a ray? http://www.zemax.com[...] 2008-05-30
[17] 서적 Field Guide to Geometric Optics https://archive.org/[...] SPIE Field Guides


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