광학

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1. 개요
2. 역사
- 2.1. 광학의 역사 (한국)
3. 분야
4. 응용
5. 광학 현상
참조

1. 개요

광학은 빛의 성질과 응용을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 고대 이집트와 메소포타미아에서 렌즈가 개발되면서 시작되었으며, 기하광학, 파동광학, 양자광학 등 다양한 분야로 나뉜다. 광학은 렌즈, 거울, 프리즘과 같은 광학 기기 설계에 활용되며, 망원경, 현미경, 카메라 등 다양한 기기에 적용된다. 또한, 광통신, 의료 광학, 디스플레이 등 다양한 분야에서 활용되며, 광학 위장과 같은 기술 개발에도 영향을 미친다. 빛의 분산, 굴절, 산란, 신기루, 무지개 등 다양한 광학 현상들이 존재한다.

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광학
개요
학문 분야	물리학
연구 대상	빛
주요 분야
관련 분야
기타
참고 서적	Opticks

2. 역사

광학의 역사는 고대 이집트와 메소포타미아에서 렌즈 개발로 시작되었다.^[2] 가장 오래된 렌즈는 기원전 2000년경 크레타에서 발견된 연마된 결정이다.^[2] 고대 로마와 그리스에서는 유리 구체에 물을 채워 렌즈를 만들었다. 고대 그리스와 인도 철학자들은 빛과 시각에 대한 이론을 발전시켰고, 그리스-로마 세계에서는 기하광학이 발전했다.^[3] '광학'이라는 단어는 고대 그리스어 옵티케/ὀπτική^grc에서 유래했다.^[3]

그리스 철학에서 광학에 대한 관점은 시각 작동 방식에 대한 내향설과 방출설로 나뉘었다.^[4] 플라톤은 시각적 지각이 눈에서 방출되는 광선에 의해 이루어진다는 방출설을 설명했다.^[5] 유클리드는 ''광학''에서 시각을 기하학과 연결시켜 기하광학을 창시했다.^[6] 프톨레마이오스는 ''광학''에서 시각에 대한 방출-내향 이론을 주장했고, 굴절각을 측정하는 방법을 설명했다.^[8] 플루타르크는 구면 거울에서의 다중 반사, 실제 이미지와 허상의 생성 등을 설명했다.

중세 이슬람 세계에서는 광학에 대한 그리스의 사상이 부활, 확장되었다. 알킨디는 방출설을 선호했다.^[9] 알하이탐은 《광학의 서》에서 빛의 직진, 분산, 반사, 굴절 등을 관찰하여 기록했다.^[90] 이 책은 1270년 라틴어로 번역되어 유럽 과학 연구에 큰 영향을 주었다.^[90]

13세기 중세 유럽에서 로버트 그로스테스트는 빛을 네 가지 관점에서 논의했다.^[15] 로저 베이컨은 유리 구체 일부분을 돋보기로 사용하며 빛이 물체에서 반사된다는 것을 보였다. 최초의 착용식 안경은 1286년경 이탈리아에서 발명되었다.^[16] 이는 13세기 베네치아와 피렌체에서 시작된^[17] 광학 산업의 시작이었다.^[18]

17세기 이후 광학은 체계적으로 연구되기 시작했다. 요하네스 케플러는 기하광학을 확장하여 렌즈, 반사, 핀홀 카메라 원리, 역제곱 법칙, 천문 현상 등을 설명했다. 르네 데카르트는 빛의 입자설을 주장했다. 아이작 뉴턴은 태양광을 프리즘에 통과시켜 굴절률에 따라 색상이 분해됨을 관찰했고,^[91] 1704년 《광학》을 출판하여 빛을 입자로 설명했다.^[92] 크리스티안 하위헌스는 빛을 파동으로 보고 빛의 반사와 굴절을 설명하는 수리 모형을 만들었다.^[93]

빛의 입자설과 파동설 논쟁은 20세기 초까지 계속되었다. 토머스 영은 이중 슬릿 실험으로 간섭 효과를 확인하여 빛의 파동성을 뒷받침했고,^[94] 제임스 클러크 맥스웰은 빛이 전자파의 일종임을 밝혔다.^[95] 알베르트 아인슈타인은 광전 효과 실험으로 빛의 입자성을 보였다.^[96] 양자 역학 발전으로 빛의 이중성이 설명되었고, 현대 물리학은 빛이 전자파 성질과 양자화된 에너지 특성을 동시에 갖는다고 설명한다.^[97]

2. 1. 광학의 역사 (한국)

3. 분야

광학은 빛의 특성과 응용에 따라 다양한 분야로 나뉜다.

광학의 세부분야로 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학, 광유전학 등이 있다.^[98] 기하광학은 빛의 입자성에 바탕을 두고 진공과 매질 속에서 빛이 지나가는 경로에 관심을 두고 기술하는 분야이고, 파동광학은 빛의 파동성에 바탕을 두고 호이겐스의 원리를 기본으로 회절, 간섭 등의 특성을 기술한다.^[98] 분광학은 빛이 매질을 통과하면서 나타나는 여러 현상들을 분석하여 물질의 특성을 연구하는 분야이고,^[98] 비선형광학은 매질 속에서 강한 세기의 빛이 반사 혹은 투과될 때 그 진동수가 두배 혹은 그 이상의 정수배에 해당하는 빛이 나오는 현상을 바탕으로 분광학과 함께 물성연구 등의 다양한 응용이 기대되는 분야이다.^[98] 양자광학은 양자 역학에 의해 밝혀진 빛알(혹은 광자, photon)로서의 빛의 성질을 기술하는 분야로 최근 각광받고있는 양자컴퓨터와 관련하여 활발한 연구가 진행 중인 분야이다.^[98] 광유전학은 빛으로 뇌를 조종하는 분야다.^[98] 이 밖에도 색채론 등이 있다.

일반적으로 광학적 현상을 설명하는 방법으로는 빛을 전자기파, 즉 전자기의 파동으로 보아 맥스웰 방정식에 기반하여 설명하는 방식인 파동광학, 즉 물리 광학과, 빛을 직진하는 광선으로 파악하여 기하학적 도형으로 설명하는 기하 광학이 사용된다.^[98] 물리 광학은 빛의 위상이나 편광과 같은 복잡한 현상을 감안하여 빛의 운동을 정확히 기술할 수 있으나, 매우 복잡한 수학을 사용하여야 한다는 단점이 있다.^[98] 빛을 받는 물체의 크기가 파장보다 충분히 크면 기하학적 모형으로도 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문에 간단한 예측에서는 기하 광학이 많이 사용되지만, 기하 광학은 간섭 효과나 회절, 위상과 같은 것은 무시하기 때문에 정밀한 계산 작업에서는 사용되지 않는다.^[98]

고전 광학은 크게 두 가지 분야로 나뉜다. 기하광학(또는 광선 광학)과 물리광학(또는 파동 광학)이 그것이다. 기하광학에서는 빛이 직선으로 진행한다고 가정하는 반면, 물리광학에서는 빛을 전자기파로 간주한다.

기하광학은 물리광학의 근사치로 볼 수 있으며, 사용하는 빛의 파장이 모델링되는 시스템의 광학 요소 크기보다 훨씬 작을 때 적용된다.

광학 분야는 독자적인 학회를 가지고 있으며, 독자적인 학술대회를 개최한다.

순수과학으로서의 광학은 '''광과학''' 또는 '''광물리'''(photophysics^영어)^[89]라고 불린다. 응용 지향의 광학은 '''응용광학''' 또는 '''광공학'''이라고 불리며, 특히 조명에 관한 응용은 '''조명공학'''이라고 불린다. 각 분야는 그 응용, 기술, 지향성 등이 다르기 쉽다. 광공학에서 최근 발전이 두드러진 분야에는 '''포토닉스''' 또는 '''광전자공학'''(옵토일렉트로닉스)으로 분류되는 분야도 있다. 이러한 분야와 "광학" 사이의 경계는 종종 모호하며, 지역이나 산업 분야에 따라 다른 방식으로 사용된다.

광의 실세계 응용은 광범위하기 때문에, 광학은 다른 과학기술 분야와 상호 관련되는 경향이 있다. 따라서 전자기술, 물리학, 심리학, 약학 등 여러 분야의 일부로서 광학을 접하게 될 수 있다.

3. 1. 기하광학

기하광학은 빛을 직진하는 광선으로 간주하여 빛의 경로를 기하학적으로 분석하는 광학의 한 분야이다.^[98] 빛의 입자성에 바탕을 두고 빛이 진공과 매질 속에서 어떻게 이동하는지를 다룬다.^[98] 렌즈, 거울, 프리즘 등 광학 기기 설계에 응용된다.^[10]

빛의 광선이 두 투명한 물질 사이의 경계면에 도달하면 반사광선과 굴절광선으로 나뉜다. 반사 법칙은 반사광선이 입사면에 놓여 있으며, 반사각은 입사각과 같다는 것이다. 굴절 법칙은 굴절광선이 입사면에 놓여 있으며, 입사각의 사인을 굴절각의 사인으로 나눈 값이 일정하다는 것이다. 이 상수는 두 물질과 주어진 색상의 빛에 대한 값으로, 첫 번째 물질이 공기 또는 진공인 경우 두 번째 물질의 굴절률이다.^[32] 이러한 반사 및 굴절 법칙은 페르마의 원리에서 유도할 수 있다.^[33]

기하광학은 종종 근축 근사를 통해 단순화되며, 이는 수학적 거동을 선형으로 만들어 광학 부품과 시스템을 간단한 행렬로 설명할 수 있게 한다. 이를 통해 가우스 광학 및 근축 광선 추적 기법을 사용하여 광학 시스템의 기본적인 특성을 찾을 수 있다.^[34]

반사는 정반사와 난반사 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 정반사는 거울과 같이 빛을 단순하고 예측 가능한 방식으로 반사하는 것을 말하며, 난반사는 종이와 같이 광택이 없는 재료에서 빛이 통계적으로 흩어지는 현상을 설명한다.

평면 거울의 경우, 반사의 법칙은 물체의 상이 똑바로 서 있으며 거울 뒤쪽에 물체가 거울 앞쪽에 있는 것과 같은 거리만큼 떨어져 있다는 것을 의미한다. 상의 크기는 물체의 크기와 같으며, 거울상은 좌우가 반전된 것처럼 보인다.

굴절은 빛이 굴절률이 변하는 공간 영역을 통과할 때 발생하며, 스넬의 법칙으로 설명된다. 굴절률은 매질에서의 빛의 속도와 관계가 있으며, 진공에서의 빛의 속도를 매질에서의 빛의 속도로 나눈 값이다.

프리즘을 통과하는 빛은 분산에 의해 스펙트럼으로 분산된다. 일부 매질은 위치에 따라 굴절률이 점진적으로 변하여 광선이 휘어지는데, 이는 신기루 현상을 일으킨다. 굴절률이 변하는 광학 재료는 그래디언트 굴절률 광학에 사용된다.^[35] 굴절률이 높은 물질에서 낮은 물질로 이동하는 광선은 전반사를 일으킬 수 있으며, 이는 광섬유 기술에 응용된다.

3. 2. 파동광학

파동광학은 빛을 파동으로 간주하여 회절, 간섭, 분산, 편광 등 여러 현상을 설명한다.^[98] 빛이 파동 중에서도 전자기파라는 점을 중시하여 맥스웰 방정식에 기반하여 빛의 성질을 논하는 광학을 전자기광학이라고 하며, 이는 파동광학의 일부로 간주되기도 하고, 파동광학보다 한 단계 진보된 광학으로 간주되기도 한다. 푸리에 광학, 회절 광학 등이 여기에 속한다.

일반적으로 광학적 현상을 설명하는 방법으로는 빛을 전자기파, 즉 전자기의 파동으로 보아 맥스웰 방정식에 기반하여 설명하는 방식인 파동광학, 즉 물리 광학과, 빛을 직진하는 광선으로 파악하여 기하학적 도형으로 설명하는 기하 광학이 사용된다.^[98] 물리 광학은 빛의 위상이나 편파와 같은 복잡한 현상을 감안하여 빛의 운동을 정확히 기술할 수 있으나, 매우 복잡한 수학을 사용하여야 한다는 단점이 있다.^[98] 빛을 받는 물체의 크기가 파장보다 충분히 크면 기하학적 모형으로도 비교적 정확한 결과를 얻을 수 있기 때문에 간단한 예측에서는 기하 광학이 많이 사용되지만, 기하 광학은 간섭 효과나 회절, 위상과 같은 것은 무시하기 때문에 정밀한 계산 작업에서는 사용되지 않는다.^[98]

물리 광학에서는 빛이 파동으로 전파된다고 간주하며, 이는 기하 광학으로는 설명할 수 없는 간섭과 회절과 같은 현상을 예측한다.^[36] 19세기 중반까지 대부분의 물리학자들은 빛의 교란이 전파되는 "에테르" 매질을 믿었다. 전자기파의 존재는 1865년 맥스웰 방정식에 의해 예측되었다. 이러한 파동은 빛의 속도로 전파되며, 서로 직교하고 파동의 전파 방향에도 직교하는 다양한 전기장과 자기장을 갖는다.^[37] 양자역학적 효과를 고려해야 하는 경우를 제외하고는 빛 파동은 일반적으로 전자기파로 취급된다.

휘헌스-프레넬 방정식은 빛파의 전기장을 나타내는 단일 스칼라 값을 사용하여 빛의 파동을 나타내는 모델중 하나이다.^[38] 이 방정식은 프레넬이 1815년에 경험적으로 유도한 것으로, 휘헌스의 가설, 즉 파면상의 각 점이 2차 구면 파면을 생성하고, 프레넬이 파의 중첩 원리와 결합하여 얻어졌다. 맥스웰 방정식을 사용하여 유도된 키르히호프 회절 방정식은 휘헌스-프레넬 방정식을 더욱 견고한 물리적 토대 위에 놓는다.

더욱 엄격한 빛파의 모델은 물질의 전기적 및 자기적 특성이 물질과 빛의 상호 작용에 영향을 미치는 경우에 필요하다. 예를 들어, 금속 표면과 상호 작용하는 빛파의 거동은 유전체 물질과 상호 작용할 때 발생하는 것과 매우 다르다.

수치 모델링 기법, 예를 들어 유한 요소법, 경계 요소법, 전송선 매트릭스법은 해석적으로 풀 수 없는 계에서 빛의 전파를 모델링하는 데 사용할 수 있다. 이러한 모델은 계산적으로 많은 자원을 필요로 하며, 일반적으로 해석적 해법으로 달성할 수 있는 것보다 정확도가 필요한 소규모 문제를 푸는 데만 사용된다.^[39]

기하광학의 모든 결과는 푸리에 광학 기법을 사용하여 복구할 수 있으며, 이 기법은 음향 공학 및 신호 처리에 사용되는 많은 동일한 수학적 및 분석적 기법을 적용한다.

가우시안 빔 전파는 레이저 빔과 같은 일관된 복사의 전파를 위한 간단한 파라악셜 물리 광학 모델이다. 이 기법은 회절을 부분적으로 고려하여 레이저 빔이 거리에 따라 확장되는 속도와 빔을 집속할 수 있는 최소 크기를 정확하게 계산할 수 있다. 따라서 가우시안 빔 전파는 기하 광학과 물리 광학 사이의 간극을 메운다.^[40]

3. 3. 양자광학

양자 역학에 의해 밝혀진 빛알(혹은 광자, photon)로서의 빛의 성질을 기술하는 분야이다.^[98] 양자컴퓨터와 관련하여 활발한 연구가 진행 중이다.^[98] 양자광학은 광자, 레이저, 비선형 광학 등을 다루며, 양자 컴퓨터, 양자 통신 등 첨단 기술 개발에 중요한 역할을 한다.

3. 4. 현대 광학

현대 광학은 20세기에 유행하게 된 광학 과학 및 공학 분야를 포함한다.^[57] 20세기에 발전한 빛의 과학과 기술 영역을 가리키며, 빛의 전자기적 및 양자역학적 성질과 관련이 있다.^[58]

양자 광학은 빛의 양자 역학적 특성을 다루는 현대 광학의 주요 하위 분야이다. 레이저와 같은 일부 최신 장치는 작동 원리가 양자 역학에 의존한다.^[56] 광전자 증배관과 채널트론과 같은 광 검출기는 개별 광자에 반응하며, CCD와 같은 전자 영상 센서는 개별 광자 사건의 통계에 해당하는 샷 노이즈를 나타낸다. 발광 다이오드와 광전지 또한 양자 역학 없이는 이해할 수 없다.^[56]

광학 연구의 특수 분야에는 결정 광학과 메타물질에서처럼 빛이 특정 물질과 상호 작용하는 방식에 대한 연구가 포함된다. 다른 연구는 특이 광학, 비상 광학, 비선형 광학, 통계 광학 및 복사 측정에서처럼 전자기파의 현상론에 중점을 둔다.^[57] 컴퓨터 엔지니어들은 "차세대" 컴퓨터의 가능한 구성 요소로서 집적 광학, 머신 비전 및 광자 컴퓨팅에 관심을 가져왔다.^[57]

오늘날 순수 광학 과학은 응용 광학 과학(즉, 광학 공학)과 구분하기 위해 광학 과학 또는 광학 물리학이라고 한다. 광학 공학의 주요 하위 분야에는 조명 공학, 광자 공학 및 광전자 공학이 있으며, 렌즈 설계, 광학 부품의 제작 및 시험 및 영상 처리와 같은 실제 응용 분야가 있다. 레이저 기술의 발전으로 인해 지난 수십 년 동안 비선형 광학 분야의 전문 연구자 공동체가 발전해 왔다.^[58]

현대 광학에는 홀로그래피, 포토닉 결정, 비결상 광학, 박막 광학, 광학 패턴 인식 등이 포함된다.

3. 5. 기타 광학 분야

광학의 세부분야로 기하광학, 파동광학, 분광학, 양자광학, 비선형광학, 광유전학 등이 있다.^[98] 기하광학은 빛의 입자성에 바탕을 두고 빛이 지나가는 경로에 관심을 두는 반면, 파동광학은 빛의 파동성에 바탕을 두고 호이겐스의 원리를 기본으로 회절, 간섭 등의 특성을 기술한다.^[98] 분광학은 빛이 매질을 통과하면서 나타나는 현상들을 분석하여 물질의 특성을 연구하고,^[98] 비선형 광학은 강한 세기의 빛이 반사 혹은 투과될 때 진동수가 두 배 이상인 빛이 나오는 현상을 바탕으로 한다.^[98] 양자광학은 양자 역학에 의해 밝혀진 광자(photon)로서의 빛의 성질을 기술하며, 양자컴퓨터와 관련하여 활발한 연구가 진행 중이다.^[98] 광유전학은 빛으로 뇌를 조종하는 분야다.^[98] 이 밖에도 색채론, 조명 공학, 패턴 인식 등도 광학과 관련된 분야이다.

4. 응용

광학은 일상생활의 일부이다. 생물학에서 시각계의 널리 퍼져 있음은 광학이 오감 중 하나의 과학으로서 중추적인 역할을 하고 있음을 보여준다. 많은 사람들이 안경이나 콘택트렌즈의 혜택을 받고 있으며, 광학은 카메라를 포함한 많은 소비재의 기능에 필수적이다. 무지개와 신기루는 광학 현상의 예이다. 광통신은 인터넷과 현대 전화의 기반을 제공한다.

망원경, 광학 현미경, 카메라 등은 대표적인 광학 기기이다. 렌즈, 프리즘, 거울, 회절격자, 편광 소자 (편광자와 위상차를 주는 위상자) 등은 광학 기기를 구성하는 광학 소자이다.

단일 렌즈는 사진 렌즈, 교정 렌즈, 확대경 등 다양한 용도로 사용되며, 단일 거울은 포물면 반사경과 백미러에 사용된다. 여러 개의 거울, 프리즘, 렌즈를 결합하여 복합 광학 기기를 만들면 실용적인 용도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 잠망경은 단순히 두 개의 평면 거울을 정렬하여 장애물을 넘어 볼 수 있도록 하는 것이다.

현미경과 망원경은 16세기 후반 네덜란드에서 발명된 대표적인 복합 광학 기기이다. 최초의 현미경과 망원경은 대물렌즈와 접안 렌즈라는 두 개의 렌즈만으로 개발되었다. 현미경의 경우 대물렌즈는 기본적으로 확대경이며, 매우 짧은 초점 거리로 설계된 반면, 접안 렌즈는 일반적으로 더 긴 초점 거리를 갖는다. 이는 근접한 물체의 확대된 상을 생성하는 효과를 낸다. 이때 에너지 보존 법칙에 의해 빛이 더 넓은 표면적에 퍼지므로 상이 어두워져, 추가적인 광원이 사용된다. ''복합 현미경''으로 알려진 현대 현미경에는 기능을 최적화하고 상의 안정성을 향상시키기 위해 여러 개의 렌즈(일반적으로 네 개)가 있다. 비교 현미경은 나란히 놓인 상을 보여 인간이 사용할 때 입체적으로 보이는 입체 양안 시야를 생성하는, 약간 다른 종류의 현미경이다.

최초의 망원경인 굴절 망원경도 단일 대물렌즈와 접안 렌즈로 개발되었다. 현미경과 달리 망원경의 대물 렌즈는 광학 수차를 피하기 위해 긴 초점 거리로 설계되었다. 대물 렌즈는 먼 물체의 상을 초점에 맞추는데, 이는 훨씬 더 짧은 초점 거리의 접안 렌즈의 초점에 맞춰 조정된다. 망원경의 주요 목표는 반드시 배율이 아니라 대물 렌즈의 물리적 크기에 따라 결정되는 빛의 수집이다. 따라서 망원경은 일반적으로 배율(접안 렌즈를 바꿔서 변경할 수 있음)보다 대물 렌즈의 직경으로 표시된다. 망원경의 배율은 대물 렌즈의 초점 거리와 접안 렌즈의 초점 거리의 비율과 같으므로, 초점 거리가 짧은 접안 렌즈일수록 배율이 더 높아진다.

큰 렌즈를 만드는 것보다 큰 거울을 만드는 것이 훨씬 어렵기 때문에 대부분의 현대 망원경은 ''반사 망원경''이다. 즉, 대물 렌즈 대신 주 반사경을 사용하는 망원경이다. 굴절 망원경과 마찬가지로 주 반사경이 클수록 수집되는 빛이 많아지고, 배율은 여전히 주 반사경의 초점 거리와 접안 렌즈의 초점 거리의 비율과 같다. 전문가용 망원경에는 일반적으로 접안 렌즈가 없으며, 대신 초점에 기기(종종 전하 결합 소자)를 배치한다.

4. 1. 광학 기기

망원경, 광학 현미경, 카메라 등은 대표적인 광학 기기이다. 렌즈, 프리즘, 거울, 회절격자, 편광 소자 (편광자와 위상차를 주는 위상자) 등은 광학 기기를 구성하는 광학 소자이다.

단일 렌즈는 사진 렌즈, 교정 렌즈, 확대경 등 다양한 용도로 사용되며, 단일 거울은 포물면 반사경과 백미러에 사용된다. 여러 개의 거울, 프리즘, 렌즈를 결합하여 복합 광학 기기를 만들면 실용적인 용도로 사용할 수 있다. 예를 들어, 잠망경은 단순히 두 개의 평면 거울을 정렬하여 장애물을 넘어 볼 수 있도록 하는 것이다.

현미경과 망원경은 16세기 후반 네덜란드에서 발명된 대표적인 복합 광학 기기이다. 최초의 현미경과 망원경은 대물렌즈와 접안 렌즈라는 두 개의 렌즈만으로 개발되었다. 현미경의 경우 대물렌즈는 기본적으로 확대경이며, 매우 짧은 초점 거리로 설계된 반면, 접안 렌즈는 일반적으로 더 긴 초점 거리를 갖는다. 이는 근접한 물체의 확대된 상을 생성하는 효과를 낸다. 이때 에너지 보존 법칙에 의해 빛이 더 넓은 표면적에 퍼지므로 상이 어두워져, 추가적인 광원이 사용된다. ''복합 현미경''으로 알려진 현대 현미경에는 기능을 최적화하고 상의 안정성을 향상시키기 위해 여러 개의 렌즈(일반적으로 네 개)가 있다. 비교 현미경은 나란히 놓인 상을 보여 인간이 사용할 때 입체적으로 보이는 입체 양안 시야를 생성하는, 약간 다른 종류의 현미경이다.^[74]

최초의 망원경인 굴절 망원경도 단일 대물렌즈와 접안 렌즈로 개발되었다. 현미경과 달리 망원경의 대물 렌즈는 광학 수차를 피하기 위해 긴 초점 거리로 설계되었다. 대물 렌즈는 먼 물체의 상을 초점에 맞추는데, 이는 훨씬 더 짧은 초점 거리의 접안 렌즈의 초점에 맞춰 조정된다. 망원경의 주요 목표는 반드시 배율이 아니라 대물 렌즈의 물리적 크기에 따라 결정되는 빛의 수집이다. 따라서 망원경은 일반적으로 배율(접안 렌즈를 바꿔서 변경할 수 있음)보다 대물 렌즈의 직경으로 표시된다. 망원경의 배율은 대물 렌즈의 초점 거리와 접안 렌즈의 초점 거리의 비율과 같으므로, 초점 거리가 짧은 접안 렌즈일수록 배율이 더 높아진다.

큰 렌즈를 만드는 것보다 큰 거울을 만드는 것이 훨씬 어렵기 때문에 대부분의 현대 망원경은 ''반사 망원경''이다. 즉, 대물 렌즈 대신 주 반사경을 사용하는 망원경이다. 굴절 망원경과 마찬가지로 주 반사경이 클수록 수집되는 빛이 많아지고, 배율은 여전히 주 반사경의 초점 거리와 접안 렌즈의 초점 거리의 비율과 같다. 전문가용 망원경에는 일반적으로 접안 렌즈가 없으며, 대신 초점에 기기(종종 전하 결합 소자)를 배치한다.

4. 2. 광통신

4. 3. 의료 광학

광학 기술은 의료 분야에서 진단 및 치료에 활용된다.^[67]^[68]^[69] 내시경, 레이저 수술, 광역학 치료 등은 광학 기술을 이용한 대표적인 의료 기술이다. 광유전학은 빛을 이용하여 뇌 기능을 연구하고 조절하는 최첨단 기술이다.

인체 눈의 모형. 1. 유리체, 3. 모양체, 6. 동공, 7. 전방(안구), 8. 각막, 10. 수정체피질, 22. 시신경, 26. 황반, 30. 망막.

인체의 눈은 빛을 망막의 광수용 세포층에 초점을 맞춤으로써 기능하며, 초점은 각막, 전방(안구), 동공, 수정체, 유리체 등 투명한 매체를 통해 이루어진다.^[67] 망막에는 빛의 강도에 민감한 간상세포와 색과 명시야를 인식하는 원추세포가 있다.^[68] 모양체 근육은 수정체의 곡률을 조절하여 조절을 가능하게 하며, 근점과 원점은 선명하게 초점을 맞출 수 있는 가장 가까운/먼 거리이다.^[67] 노안, 원시, 근시, 난시와 같은 시력 결함은 교정 렌즈를 통해 교정할 수 있으며, 렌즈의 광학적 굴절력은 디옵터로 측정된다.^[67]^[69]

4. 4. 디스플레이

4. 5. 기타 응용 분야

공상과학 등에 등장하는 광학 위장도 연구되고 있지만, 실현에는 요원하다.

5. 광학 현상

분산은 서로 다른 주파수의 빛이 재료 특성("물질 분산") 또는 광 도파관의 기하학적 구조("도파관 분산")로 인해 서로 다른 위상 속도를 가질 때 발생한다.^[51] 프리즘에 의한 색의 분리는 정상 분산의 예시인데, 굴절률이 더 높은 파란색 빛은 빨간색 빛보다 더 강하게 굴절되어 무지개 패턴이 생성된다.^[51]

프리즘을 통과하는 빛의 분산. 파란색 빛이 가장 많이, 빨간색 빛이 가장 적게 굴절된다.

굴절 과정은 빛의 파장이 다른 거리와 비슷한 물리 광학 한계에서 일종의 산란으로 일어난다.^[50] 통계적 관점에서, 파장보다 훨씬 작은 많은 입자에 의한 빛의 탄성 산란은 레이리 산란이며, 파장과 비슷하거나 더 큰 입자에 의한 산란은 미 산란으로 알려져 있으며, 틴들 현상이 일반적으로 관찰되는 결과이다.^[50]

2007년 10월 캘리포니아 산불 당시 일몰. 미립자와 대기오염에 의한 빛의 산란으로 하늘이 다채롭다.

대기 광학의 독특한 광학적 특성으로 인해 다양한 광학 현상이 나타난다. 하늘의 푸른색은 레이리 산란의 직접적인 결과이며, 푸른빛이 붉은빛보다 더 쉽게 산란되기 때문에, 일출이나 일몰처럼 두꺼운 대기를 통과하여 관찰될 때 태양은 붉은색을 띠게 된다.^[86]

신기루는 공기의 굴절률의 열적 변화로 인해 빛이 굴절되어 먼 물체의 이미지가 이동되거나 심하게 왜곡되는 광학 현상이다.^[87] 온도 역전으로 인해 발생하는 굴절의 한 형태는 파타모르가나로, 지평선 또는 지평선 너머에 있는 물체가 "요정 이야기의 성"처럼 길어지고 높이 솟아 보인다.^[87]

무지개는 빗방울 속에서 빛의 내부 반사와 분산 굴절이 결합된 결과이다. 빗방울의 뒷면에서 한 번 반사되면 하늘에 40°~42° 범위의 각도 크기를 가진 무지개가 생성되며, 바깥쪽은 붉은색이다. 이중 무지개는 두 번의 내부 반사에 의해 생성되며 50.5°~54°의 각도 크기를 가지며 바깥쪽은 보라색이다.^[86]

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