물리광학
1. 개요
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학에서 사용되는 고주파 근사 방법이다. 빛의 파동성을 무시하는 기하 광학과 파동을 엄밀하게 다루는 전자기학의 중간적인 방법으로, 면에서의 전자기장을 추정하여 적분함으로써 투과 또는 산란된 전자기장을 계산한다. 광학에서는 회절 효과를, 전파공학에서는 안테나나 레이더 산란 현상을 계산하는 데 사용된다. 물리 광학은 반사, 간섭, 회절, 편광을 대략적으로 기술하지만, 광학 경계에서 떨어진 영역에서의 장은 부정확하며, 회절의 편광에 대한 의존성을 기술할 수 없다. 가장자리 부근이나 그림자와의 경계에서는 정확하지 않으며, 정반사 방향에서 멀어질수록 정확도가 감소하는 한계가 있다.
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물리광학 -
초점 (광학)
광학계에서 초점은 물점에서 나온 빛이 스크린이나 촬상면에 최대한 수렴된 상태를 뜻하며, 오목/볼록 거울의 형태에 따라 빛 반사 특성이 달라 반사 망원경에 응용되고, 기하학에서는 원뿔 곡선을 정의하는 두 점으로 사용된다. -
물리광학 -
투과계수
투과 계수는 파동이 매질이나 장벽을 통과하는 정도를 나타내는 무차원 값으로, 광학, 통신, 양자역학 등 다양한 분야에서 파동의 투과 정도를 나타내는 지표로 활용되며 반사 계수와 밀접한 관련을 가진다. -
크리스티안 하위헌스 -
등시 곡선
등시 곡선은 중력의 영향으로 물체가 곡선을 따라 움직일 때 시작 지점과 관계없이 최하점에 도달하는 데 동일한 시간이 걸리는 곡선이며, 사이클로이드가 등시 곡선임을 크리스티안 호이겐스가 증명했다. -
크리스티안 하위헌스 -
하위헌스 원리
하위헌스 원리는 파면의 각 점을 새로운 파동의 근원으로 보고 파동의 전파를 설명하는 원리로, 빛의 직진성과 회절 현상 설명에 사용되었으며, 후에 수정되어 하위헌스-프레넬 원리로 발전하고 현대 물리학의 양자장론과도 연관된다.
2. 물리 광학의 원리
물리 광학은 빛의 파동성을 고려하여 빛의 전파를 설명하는 방법이다. 기하 광학이 파동 효과를 무시하는 반면, 물리 광학은 전자기학적 관점에서 빛의 행동을 더 정확하게 묘사한다. 다만, "물리적"이라는 명칭은 기하 광학보다 더 물리적이지만, 완벽한 물리 이론은 아니라는 점을 시사한다.
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학에서 널리 사용되는 근사법이다. 표면에서 광선 광학을 이용해 장을 추정한 후, 표면 적분을 통해 전송 또는 산란되는 장을 계산한다. 이는 섭동 이론을 적용한다는 점에서 본 근사와 유사하다.
광학에서는 주로 회절 효과를, 라디오에서는 광학 효과와 유사한 현상을 추정하는 데 쓰인다. 간섭, 회절, 편광 등 다양한 효과를 다루지만, 편광에 대한 회절의 의존성은 고려하지 않는다. 고주파 근사이므로, 라디오보다는 광학에서 더 정확하다.
2004년에는 도체 산란체의 파동 회절 문제를 더 정확히 해결하는 개선된 이론이 발표되었다.
2.1. 기본 개념
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학에서 일반적으로 사용되는 근사의 이름이다. 이 방법은 파동 효과를 무시하는 기하 광학과 정확한 이론인 완전 파동 전자기학 사이의 중간적인 방법이다. "물리적"이라는 단어는 기하 또는 광선 광학보다 더 물리적이라는 것을 의미하며, 정확한 물리적 이론이라는 의미는 아니다.
이 근사는 광선을 사용하여 어떤 면에서의 전자기장을 추정하고, 그것을 그 면 전체에 걸쳐 적분함으로써 투과 또는 산란된 전자기장을 계산한다. 광학에서는 렌즈, 거울, 조리개 등의 면에서 적분한다. 이는 양자역학에서의 문제를 섭동으로 다루는 본 근사와 유사하다.
물리 광학은 광학에서 회절 효과를 개산하는 일반적인 방법이다. 전파공학에서는 반사경 안테나나 레이더산란 등에 나타나는 광학 현상과 매우 유사한 현상을 개산하는 데 사용된다.
이 근사는 전파가 입사한 물체의 구성 물질과 유사한 물질의 접평면에 나타날 전류를, 파면상의 각 점(기하학적으로 비춰지는 부분 등)에서의 산란체상의 전류로 간주한다. 그림자가 지는 부분에서의 전류는 0으로 간주된다. 그 전류를 적분하여 근사 산란장을 얻을 수 있다. 이는 크고 매끄러운 볼록 형상의 물체나 반사율이 낮은 면에 유효하다.
반사, 간섭, 회절, 편광을 대략적으로 올바르게 기술하지만, 광학 경계에서 떨어진 영역에서의 장은 비교적 부정확하며, 회절의 편광에 대한 의존은 기술할 수 없다. 고주파 근사이므로, 광학보다는 전파의 영역에서 더욱 정확한 경우가 많다.
회절과 크리핑파(en)를 고려하여 보정하지 않는 경우, 면의 가장자리 부근이나 그림자와의 경계에서는 광선 광학에 의한 전자기장이나 전류는 통상 부정확하다.
2.2. 근사 방법
이 근사는 광선을 사용하여 면에서의 전자기장을 추정하고, 이를 면 전체에 대해 적분하여 투과 또는 산란된 전자기장을 계산한다. 이는 양자역학의 본 근사와 유사하게 문제를 섭동 이론으로 다루는 방법이다.
광학에서 이는 회절 효과를 추정하는 표준적인 방법이다. 전파공학에서는 반사경 안테나나 레이더 산란 등에 나타나는 광학 현상과 매우 유사한 현상을 계산하는 데 사용된다. 이 근사는 여러 간섭, 회절 및 편광 효과를 모델링하지만, 편광에 대한 회절의 의존성은 모델링하지 않는다. 이는 고주파 근사이므로, 라디오보다 광학에서 더 정확한 경우가 많다.
물리 광학 근사는, 전파가 입사한 물체의 구성 물질과 유사한 물질의 접평면에 나타날 전류를, 파면상의 각 점 (기하학적으로 비춰지는 부분 등)에서의 산란체상의 전류로 간주한다. 그림자가 지는 부분에서의 전류는 0으로 간주된다. 그 전류를 적분하여 근사 산란장을 얻을 수 있다. 이는 크고 매끄러운 볼록 형상의 물체나 반사율이 낮은 면에 유효하다.
광선 광학 장 또는 전류는 회절 및 크리핑 파 (en) 계산으로 보완되지 않는 한, 일반적으로 가장자리 또는 그림자 경계 근처에서는 정확하지 않다. 물리 광학의 표준 이론은 산란장의 평가에 결함이 있어, 정반사 방향에서 멀어질수록 정확도가 감소한다.
3. 물리 광학의 응용
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학 등 다양한 분야에서 활용된다. 이 방법은 빛의 파동성을 고려하여 기하 광학과 전자기학 사이의 중간적인 접근 방식을 취한다.
물리 광학 근사는 빛이 어떤 면에 도달했을 때의 전자기장을 추정하고, 이를 바탕으로 투과되거나 산란되는 전자기장을 계산한다. 이는 양자역학에서 섭동 이론을 사용하는 본 근사와 유사하다.
하지만, 면의 가장자리나 그림자와의 경계 부분에서는 광선 광학에 의한 전자기장이나 전류가 부정확해지는 경우가 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 기하 광학적 회절 이론과 같은 다른 방법을 함께 사용하기도 한다.
3.1. 광학
이 근사는 렌즈, 거울, 조리개 등에서 빛의 회절 효과를 추정하는 데 사용된다. 회절, 간섭, 편광 현상을 모델링하지만, 편광에 대한 회절의 의존성은 정확하게 모델링하지 못한다. 이는 고주파 근사이므로, 라디오보다 광학에서 더 정확한 경우가 많다. 광학에서 이 근사는 일반적으로 광선으로 추정된 장을 렌즈, 거울 또는 조리개에 대해 적분하여 전송되거나 산란된 장을 계산하는 것으로 구성된다.
3.2. 전파 공학
전파공학에서는 반사경 안테나나 레이더 산란 등에서 나타나는 광학 현상과 매우 유사한 현상을 추정하는 데 사용된다. 이 분야에서 물리 광학 근사는, 전파가 입사한 물체의 구성 물질과 유사한 물질의 접평면에 나타날 전류를, 파면상의 각 점(기하학적으로 비춰지는 부분 등)에서의 산란체상의 전류로 간주하는 것을 의미한다. 그림자가 지는 부분에서의 전류는 0으로 간주된다. 그 전류를 적분하여 근사 산란장을 얻을 수 있다. 이는 크고 매끄러운 볼록 형상의 물체나 반사율이 낮은 면에 유효하다.
반사, 간섭, 회절, 편광을 대략적으로 올바르게 기술하지만, 광학 경계에서 떨어진 영역에서의 장은 비교적 부정확하며, 회절의 편광에 대한 의존은 기술할 수 없다. 고주파 근사이므로, 광학보다는 전파의 영역에서 더욱 정확한 경우가 많다.
회절과 크리핑파(en)를 고려하여 보정하지 않는 경우, 면의 가장자리 부근이나 그림자와의 경계에서는 광선 광학에 의한 전자기장이나 전류는 통상 부정확하다.
4. 물리 광학의 한계
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학에서 사용되는 근사적인 방법으로, 다음과 같은 한계를 갖는다.
* 광선 광학 장 또는 전류는 가장자리나 그림자 경계 근처에서 부정확하다.
* 산란장 평가에 결함이 있어, 정반사 방향에서 멀어질수록 정확도가 떨어진다.
* 회절의 편광에 대한 의존성을 기술할 수 없다.
4.1. 정확도 문제
광선 광학 장 또는 전류는 회절 및 크리핑 파 (en) 계산으로 보완되지 않는 한, 일반적으로 가장자리 또는 그림자 경계 근처에서는 정확하지 않다.
물리 광학의 표준 이론은 산란장의 평가에 결함이 있어, 정반사 방향에서 멀어질수록 정확도가 감소한다.
4.2. 편광 의존성
물리 광학 근사는 광학에서 반사, 간섭, 회절, 편광을 대략적으로 올바르게 기술한다. 하지만, 이 근사는 광학 경계에서 떨어진 영역에서의 장은 비교적 부정확하며, 회절의 편광에 대한 의존성은 기술할 수 없다. 이는 고주파 근사이므로, 광학보다는 전파의 영역에서 더 정확한 경우가 많다.
5. 다른 이론과의 관계
물리 광학은 광학, 전기 공학, 응용 물리학에서 일반적으로 사용되는 근사 방법의 이름이기도 하다. High frequency approximation영어 이는 빛의 파동성을 무시하는 기하 광학과, 빛을 파동으로 다루는 전자기학 사이의 중간적인 방법이다. '물리'라는 이름은 기하 광학보다 더 물리적이라는 의미이지, 정확한 물리적 이론이라는 의미는 아니다.
이 방법은 광선을 사용하여 어떤 면에서의 전자기장을 추정한 후, 그 면 전체에 걸쳐 적분하여 투과 또는 산란된 전자기장을 계산한다. 이는 양자역학에서 문제를 섭동으로 다루는 본 근사와 유사하다.
물리 광학은 광학에서 회절 효과를 추정하는 일반적인 방법이다. 전파공학에서는 반사경 안테나나 레이더 산란 등에서 나타나는 광학 현상과 비슷한 현상을 계산하는 데 사용된다. 전파가 입사한 물체의 구성 물질과 유사한 물질의 접평면에 나타날 전류를, 파면상의 각 점에서의 산란체상의 전류로 간주하며, 그림자가 지는 부분의 전류는 0으로 간주하고, 이 전류를 적분하여 근사 산란장을 얻는다. 이는 크고 매끄러운 볼록 형상의 물체나 반사율이 낮은 면에 유효하다.
물리 광학은 반사, 간섭, 회절, 편광을 대략적으로 올바르게 기술하지만, 광학 경계에서 떨어진 영역에서의 장은 비교적 부정확하며, 회절의 편광에 대한 의존은 기술할 수 없다. 고주파 근사이므로, 광학보다는 전파의 영역에서 더욱 정확한 경우가 많다.