프리즘

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1. 개요
2. 원리
- 2.1. 빛의 분산
- 2.2. 전반사
3. 역사
4. 종류
5. 기타 용도
6. 검안 (檢眼)
참조

1. 개요

프리즘은 빛을 굴절, 반사, 분산시키는 데 사용되는 투명한 광학 부품이다. 빛이 프리즘을 통과할 때 굴절률 차이로 인해 파장에 따라 굴절 각도가 달라지며, 가시광선은 무지개와 같은 스펙트럼으로 분산된다. 프리즘은 빛의 분산, 반사, 분할, 편광 제어 등 다양한 용도로 사용되며, 삼각 프리즘, 펜타프리즘, 빔 분할 프리즘, 니콜 프리즘 등이 있다. 아이작 뉴턴의 실험을 통해 빛의 분산 현상이 밝혀졌으며, 쌍안경, 카메라, 검안 등 다양한 분야에서 활용된다.

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회절격자는 빛의 회절과 간섭을 이용하여 특정 파장의 빛을 분리하는 광학 부품으로, 격자 방정식으로 설명되며, 투과형/반사형, 평면형/오목형 등 다양한 형태와 구조로 제작되어 분광기, 레이저, 광통신, CD/DVD 등 다양한 분야에 활용되고 횡문근과 같은 자연계에서도 관찰된다.
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프리즘
지도
기본 정보
유형	광학 소자
기능	빛을 굴절
모양	일반적으로 투명한 재료로 만든 다면체 적어도 두 개의 평면이 서로 평행하지 않음
광학적 특성
굴절	빛의 방향을 바꿈
분산	빛을 파장별로 분리 프리즘으로 흰색 빛을 통과시키면 무지개색으로 분산
구성 요소
재료	유리, 플라스틱, 결정 등
면	적어도 두 개의 평면이 서로 평행하지 않음 입사면과 출사면
종류
분산 프리즘	빛을 파장별로 분리 스펙트럼 생성
반사 프리즘	빛을 반사시켜 경로 변경 쌍안경, 카메라 등에 사용
편광 프리즘	특정 편광 방향의 빛만 통과 편광 현미경 등에 사용
빔 분할 프리즘	빛을 두 개 이상의 광선으로 분할 광학 장치 등에 사용
용도
과학	분광기 레이저
광학 기기	카메라 쌍안경 현미경
광학 통신	광섬유
디스플레이	프로젝터
추가 정보
특수 프리즘	펜타프리즘 도브 프리즘
역사	고대부터 사용 아이작 뉴턴이 빛의 분산 연구에 사용

2. 원리

빛은 공기와 유리같은 서로 다른 매질을 통과할 때 두 매질의 경계면에서 굴절한다. 이때 굴절하는 각도는 파장에 따라 다르다.(호이겐스의 원리) 특정한 파장의 빛이 두개의 투명한 매질을 통과하는 빛의 굴절률은 매질마다 고유한 값을 갖는다.(스넬의 법칙)

가시광선은 매우 다양한 파장의 연속적인 집합체이다. 프리즘을 통과하는 가시광선은 각각의 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절하며 두번의 굴절을 통해 분산된다. 분산된 가시광선은 파장에 따라 빨강에서 보라에 이르는 색을 띠게 된다. 그 결과 프리즘을 통과한 가시광선은 무지개와 같은 스펙트럼을 나타낸다.

일정한 조건에서 프리즘은 전반사를 일으킨다. 이러한 성질을 이용하여 프리즘을 거울과 같이 사용할 수 있다.

2. 1. 빛의 분산

빛은 공기와 유리같은 서로 다른 매질을 통과할 때 두 매질의 경계면에서 굴절한다. 이때 굴절하는 각도는 파장에 따라 다르다.(호이겐스의 원리) 특정한 파장의 빛이 두개의 투명한 매질을 통과하는 빛의 굴절률은 매질마다 고유한 값을 갖는다.(스넬의 법칙)

가시광선은 매우 다양한 파장의 연속적인 집합체이다. 프리즘을 통과하는 가시광선은 각각의 파장에 따라 서로 다른 각도로 굴절하며 두번의 굴절을 통해 분산된다. 분산된 가시광선은 파장에 따라 빨강에서 보라에 이르는 색을 띠게 된다. 그 결과 프리즘을 통과한 가시광선은 무지개와 같은 스펙트럼을 나타낸다.

일정한 조건에서 프리즘은 전반사를 일으킨다. 이러한 성질을 이용하여 프리즘을 거울과 같이 사용할 수 있다.

2. 2. 전반사

3. 역사

아이작 뉴턴 이전 시기에 일반적인 인식은 가시광선은 색이 없다는 것이었다. 뉴턴은 프리즘을 통한 실험을 통해 빛을 분산, 결합하여 가시광선 안에 이미 모든 색상이 들어 있음을 증명하였다. 뉴턴은 자신의 실험을 바탕으로 1704년 《광학》을 집필하였다. 후일 토머스 영과 크리스티안 하위헌스는 가시광선의 분산과 합성을 바탕으로 파장 이론을 성립하였다.

4. 종류

프리즘은 주요 용도에 따라 분산용 프리즘과 반사용 프리즘, 그리고 분할용 프리즘으로 나뉜다.

분산 프리즘은 굴절률이 파장에 따라 달라지는 성질을 이용하여 빛을 파장별로 분리해 스펙트럼을 얻는 데 사용된다. 백색광이 프리즘에 입사하면, 각 파장은 서로 다르게 굴절된다. 청색광은 적색광보다 더 많이 굴절되는 특성을 보인다.

회절격자에 의한 회절(1)과 프리즘에 의한 굴절(2)로 얻은 스펙트럼의 비교. 파장이 긴 빛(빨강)은 더 많이 회절되지만, 파장이 짧은 빛(보라)보다 덜 굴절됩니다.

분산 프리즘의 종류는 다음과 같다.

삼각 프리즘
아미치 프리즘
리트로우 프리즘
펠랭-브로카 프리즘
아베 프리즘
그리즘
페리 프리즘

스펙트럼 분산은 광학 프리즘의 가장 잘 알려진 특성이지만, 이것이 광학 프리즘의 주된 사용 목적은 아니다.

반사 프리즘은 빛의 경로를 바꾸거나 이미지를 반전시키는 데 사용된다. 쌍안경, 일안 반사식 카메라(SLR), 잠망경 등에 활용된다. 주요 반사 프리즘으로는 펜타프리즘, 포로 프리즘/Porro prism^영어, 포로-아베 프리즘/Porro–Abbe prism^영어, 아베-쾨니히 프리즘/Abbe–Koenig prism^영어, 슈미트-페칸 프리즘/Schmidt–Pechan prism^영어, 도브 프리즘/Dove prism^영어, 아미치 루프 프리즘/Amici roof prism^영어, 코너 큐브 등이 있다.

빔 분할 프리즘은 빛을 두 개 이상의 경로로 나누는 데 사용된다.

한 직각 프리즘의 빗변에 다양한 박막 광학적 층을 증착하고, 다른 프리즘에 접합하여 빔 스플리터 큐브를 형성할 수 있다. 이러한 큐브의 전반적인 광학 성능은 박막에 의해 결정된다. 일반적인 유리 기판과 비교하여 유리 큐브는 박막을 양쪽에서 보호하고 기계적 안정성을 향상시킨다. 또한 큐브는 에탈론 효과, 후면 반사 및 약간의 빔 편향을 제거할 수 있다.

이색성 색 필터는 이색성 프리즘을 형성한다.
편광 큐브 빔 스플리터는 복굴절 방식보다 소광비가 낮지만 가격이 저렴하다.
부분적으로 금속화된 거울은 무편광 빔 스플리터를 제공한다.
공기 간격 - 두 개의 삼각 프리즘의 빗변을 공기 간격을 두고 매우 가깝게 쌓으면, 한 프리즘에서의 전반사 저해를 통해 방사선의 일부를 두 번째 프리즘의 전파파로 결합할 수 있다. 투과 전력은 간격 폭에 따라 지수적으로 감소하므로 마이크로미터 나사로 여러 차수에 걸쳐 조정할 수 있다.
이프리즘(또는 프레넬 이프리즘): 밑면에서 결합된 두 개의 프리즘으로 넓은 꼭짓점 각도(~180°)를 형성하며, 공통 경로 간섭계에 사용된다.

프리즘은 빛의 편광 상태를 제어하는 데 사용된다. 니콜 프리즘, 글랜-푸코 프리즘, 글랜-테일러 프리즘, 글랜-톰슨 프리즘, 볼라스톤 프리즘, 로숑 프리즘, 프레넬 롬 등이 이에 해당한다.

복굴절 결정은 빛의 편광 제거를 유도하는 방식으로 조립될 수 있다. 코르뉴 편광 제거판, 리오 편광 제거판과 같이 빛의 편광을 제거하는 데 사용되기도 한다. 이상적인 단색 평면파의 경우 편광 제거는 관찰되지 않는데, 실제로 두 장치 모두 빔의 감소된 시간적 코히어런스 또는 공간적 코히어런스를 각각 그 편광 성분의 결맞음 붕괴로 전환하기 때문이다.

4. 1. 분산 프리즘

분산 프리즘은 굴절률이 파장에 따라 달라지는 성질을 이용하여 빛을 파장별로 분리해 스펙트럼을 얻는 데 사용된다. 백색광이 프리즘에 입사하면, 각 파장은 서로 다르게 굴절된다. 청색광은 적색광보다 더 많이 굴절되는 특성을 보인다.

분산 프리즘의 종류는 다음과 같다.

삼각 프리즘
아미치 프리즘
리트로우 프리즘
펠랭-브로카 프리즘
아베 프리즘
그리즘
페리 프리즘

스펙트럼 분산은 광학 프리즘의 가장 잘 알려진 특성이지만, 이것이 광학 프리즘의 주된 사용 목적은 아니다.

4. 2. 반사 프리즘

반사 프리즘은 빛의 경로를 바꾸거나 이미지를 반전시키는 데 사용된다. 쌍안경, 일안 반사식 카메라(SLR), 잠망경 등에 활용된다. 주요 반사 프리즘으로는 펜타프리즘, 포로 프리즘/Porro prism^영어, 포로-아베 프리즘/Porro–Abbe prism^영어, 아베-쾨니히 프리즘/Abbe–Koenig prism^영어, 슈미트-페칸 프리즘/Schmidt–Pechan prism^영어, 도브 프리즘/Dove prism^영어, 아미치 루프 프리즘/Amici roof prism^영어, 코너 큐브 등이 있다.

4. 3. 빔 분할 프리즘

프리즘은 주요 용도에 따라 분산용, 반사용, 분할용 프리즘으로 나뉘며, 각 용도에 따라 다양한 종류가 있다.^[1]^[2] 빔 분할 프리즘은 빛을 두 개 이상의 경로로 나누는 데 사용된다.

한 직각 프리즘의 빗변에 다양한 박막 광학적 층을 증착하고, 다른 프리즘에 접합하여 빔 스플리터 큐브를 형성할 수 있다. 이러한 큐브의 전반적인 광학 성능은 박막에 의해 결정된다. 일반적인 유리 기판과 비교하여 유리 큐브는 박막을 양쪽에서 보호하고 기계적 안정성을 향상시킨다. 또한 큐브는 에탈론 효과, 후면 반사 및 약간의 빔 편향을 제거할 수 있다.

이색성 색 필터는 이색성 프리즘을 형성한다.
편광 큐브 빔 스플리터는 복굴절 방식보다 소광비가 낮지만 가격이 저렴하다.
부분적으로 금속화된 거울은 무편광 빔 스플리터를 제공한다.
공기 간격 - 두 개의 삼각 프리즘의 빗변을 공기 간격을 두고 매우 가깝게 쌓으면, 한 프리즘에서의 전반사 저해를 통해 방사선의 일부를 두 번째 프리즘의 전파파로 결합할 수 있다. 투과 전력은 간격 폭에 따라 지수적으로 감소하므로 마이크로미터 나사로 여러 차수에 걸쳐 조정할 수 있다.
이프리즘(또는 프레넬 이프리즘): 밑면에서 결합된 두 개의 프리즘으로 넓은 꼭짓점 각도(~180°)를 형성하며, 공통 경로 간섭계에 사용된다.

4. 4. 편광 프리즘

프리즘은 빛의 편광 상태를 제어하는 데 사용된다. 니콜 프리즘, 글랜-푸코 프리즘, 글랜-테일러 프리즘, 글랜-톰슨 프리즘, 볼라스톤 프리즘, 로숑 프리즘, 프레넬 롬 등이 이에 해당한다.

복굴절 결정은 빛의 편광 제거를 유도하는 방식으로 조립될 수 있다. 코르뉴 편광 제거판, 리오 편광 제거판과 같이 빛의 편광을 제거하는 데 사용되기도 한다. 이상적인 단색 평면파의 경우 편광 제거는 관찰되지 않는데, 실제로 두 장치 모두 빔의 감소된 시간적 코히어런스 또는 공간적 코히어런스를 각각 그 편광 성분의 결맞음 붕괴로 전환하기 때문이다.

5. 기타 용도

프리즘에서의 전반사는 광학, 플라즈모닉스, 현미경 검사 등에서 다양하게 활용된다.^[3] 프리즘은 전파하는 빛을 표면 플라즈몬에 결합하는 데 사용되는데, 삼각 프리즘의 빗변에 금속을 증착하거나(크레츠만 구성), 에반산파를 매우 가까운 금속 표면에 결합시키는 방법(오토 구성)이 있다. 일부 레이저 활성 매질은 프리즘 형태로 만들 수 있는데, 저품질 펌핑 빔은 전면부에 입사하고 증폭된 빔은 주사 입사에 의해 전반사를 일으킨다.

웨지 프리즘은 단색광 빔을 고정된 각도로 편향시키는 데 사용된다. 이러한 프리즘 한 쌍을 빔 조향에 사용할 수 있으며, 프리즘을 회전시켜 원뿔형 "관심 영역" 내에서 원하는 각도로 빔을 편향시킬 수 있다. 가장 일반적으로 사용되는 구현은 리스리 프리즘 쌍이다.^[3] 진공 챔버나 큐벳의 투명 창은 약간 웨지 형태(10' − 1°)로 만들어 파브리-페로 간섭을 억제하기도 한다.

유사하지만 비대칭적으로 배치된 프리즘의 ''애너모픽 쌍''은 빔의 프로필을 변경할 수 있다. 이는 종종 레이저 다이오드의 타원형 출력에서 원형 빔을 만들기 위해 사용된다.

데크 프리즘은 범선에서 갑판 아래로 햇빛을 비추는 데 사용되었다.^[4] 촛불과 석유 램프는 목조 선박에서 화재 위험이 있기 때문이다.

6. 검안 (檢眼)

안과 의사들은 다양한 사시 문제를 치료하기 위해 프리즘과 축에서 벗어난 렌즈를 사용한다.^[5]

복시 (겹쳐 보임)
양성 및 음성 융합 문제

단일 프리즘이 있는 프리즘 안경은 두 눈의 상대적 이동을 수행하여 내사시, 외사시, 상사시 또는 하사시를 교정한다.

반대로, 결합 프리즘(또는 접합 프리즘, 주변 렌즈 또는 성능 안경)이라고 불리는 양쪽 눈에 동일한 굴절력을 가진 프리즘이 있는 안경은 양쪽 눈의 시야를 동일한 정도로 이동시킨다.

참조

_[1] 웹사이트 Definition of BIPRISM https://www.merriam-[...] 2023-02-09
_[2] 웹사이트 Fresnel biprism experiment - Wave Optics, Physics https://www.esaral.c[...] 2023-11-13
_[3] 논문 Wide-angle achromatic prism beam steering for infrared countermeasure applications https://works.bepres[...]
_[4] 서적 Wooden Boat Building: How to Build a Dragon Class Sailboat https://books.google[...] FriesenPress 2012-02-00
_[5] 논문 Postural orientation modifications in autism in response to ambient lenses 1996-00-00
_[6] 서적 学術用語集分光学編培風館

프리즘