빛의 반사 서론
빛 반사는 광선이 표면에서 튀어 올라 방향을 바꿀 때 발생합니다. ‘빛의 반사’에 대한 세부적인 정의부터 여러 반사 유형 및 예시 이미지까지 빛의 반사에 관해 알아야 할 모든 것을 소개 기사에서 여러분에게 알려드리겠습니다.
빛의 반사란 무엇일까요?
빛의 반사(및 기타 형태의 전자기 복사)는 복사 에너지를 흡수하지 않고 표면에서 파동을 반사하는 표면 또는 기타 경계와 파동이 만날 때 발생합니다.
빛의 반사 예시
가시광선 반사의 가장 간단한 예시는 수영장의 매끄러운 수면입니다. 여기서 입사광은 질서 있게 반사되어 수영장 주변의 선명한 풍경 이미지를 보여줍니다. 수영장에 돌을 던지면(그림 1 참조), 물이 교란되어 파동을 형성하고 반사된 광선을 모든 방향으로 분산시켜 반사를 방해합니다.
빛의 반사를 발견한 사람은 누구일까요?
빛 반사의 초기 해석 중 일부는 고대 그리스 수학자 Euclid로부터 시작되었습니다. 그는 기원전 300년경 일련의 실험을 통해 조명 반사의 방식에 대한 잘 이해한 것으로 보입니다. 하지만, 그로부터 약 1,500년이 지난 후에야 아랍 과학자 Alhazen이 매끄러운 표면에 부딪힌 광선이 공간으로 반사될 때 정확히 어떤 일이 벌어지는지를 설명하는 법칙을 제안했습니다.
들어오는 빛의 파동을 입사파라 하며 표면에서 반사되어 나가는 파동을 반사파라 합니다. 그림 2에서 매끄럽고 평평한 거울에 손전등에서 나온 광선이 반응하는 경우처럼, 특정 각도(입사각)로 거울 표면에 입사된 가시 백색광은 입사각과 동일한 다른 각도(반사각)로 거울 표면에 의해 공간으로 다시 반사됩니다. 따라서, 입사각은 가시광선뿐만 아니라 전자기 복사 스펙트럼의 다른 모든 파장의 반사각과 동일합니다. 이러한 개념을 보통 반사의 법칙이라 합니다. 주목해야 할 점은 빛은 “구부러지거나” 굴절되지 않으며, 모든 파동은 동일한 각도로 반사되기 때문에 색상 요소로 분리되지 않는다는 것입니다. 대부분의 표면은 어느 정도 빛을 반사하지만, 빛을 반사하기 위한 최적의 표면은 유리 거울 또는 광택이 나는 금속과 같은 매우 매끄러운 표면입니다.
빛의 반사
빛 파동이 매끄럽고 평평한 표면에 입사하는 경우, 이는 도달할 때와 동일한 각도로 표면에서 반사됩니다. 본 튜토리얼을 통해 가상 사인파의 입사 및 반사각의 관계에 대해 알아봅니다.
빛은 어떤 경우에는 파동처럼 반응하고 또 어떤 경우에는 마치 입자로 구성된 것처럼 반응하기 때문에, 빛 반사에 관한 몇 가지 독립 이론이 등장했습니다. 파동 기반 이론에 따르면, 빛 파동은 광원에서 모든 방향으로 확산되고 거울에 부딪힐 때 빛이 도달하는 각도에 의해 결정된 각도로 반사됩니다. 반사 과정은 각 파동을 앞뒤로 변환하기 때문에 반전된 이미지가 관찰됩니다. 빛 파동의 모양은 광원의 크기와 거울에 도달하기 위해 이동하는 파동의 거리에 의해 달라집니다. 거울 가까이에 있는 광원에서 비롯된 파면은 고도로 구부러지는 반면, 멀리 떨어진 광원에서 방출되는 파면은 거의 선형으로 반사 각도에 영향을 줍니다.
파동 개념과 몇 가지 중요 세부 사항에서 구별되는 입자 이론에 따르면, 빛은 충돌 시 표면에서 반사되는 광자라고 일컫는 작은 입자의 흐름 형태로 거울에 도달합니다. 매우 작은 입자이므로 서로 매우 근접하여(사실상 나란히) 이동하여 다른 지점에서 반사되므로 반사 과정에 의해 순서가 반전되어 거울 이미지를 생성합니다. 빛이 입자 또는 파동으로서 반응하는지 여부와 상관없이 반사 결과는 같습니다. 반사된 빛은 거울 이미지를 생성합니다.
물체에 의해 반사된 빛의 양과 반사 방식은 표면의 질감 또는 부드러운 정도에 따라 매우 달라집니다. 표면의 결함이 입사광의 파장보다 작은 경우(거울의 경우와 동일하게), 사실상 모든 빛이 동일하게 반사됩니다. 그러나 현실에 있는 물체의 대부분은 나선형 표면을 갖고 있으므로, 입사광은 모든 방향으로 반사되어 난반사가 나타납니다. 우리가 일상에서 흔히 보는 많은 사물(사람, 자동차, 집, 동물, 나무 등) 은 스스로 가시광선을 내뿜는 것이 아니라 입사되는 자연 일광 및 인공광을 반사하는 것입니다. 예를 들어, 사과가 빛나는 적색으로 보이는 것은 표면이 비교적 매끄러워 적색 빛을 반사하고 빛의 다른 색상(녹색, 청색 및 황색) 파장을 흡수하기 때문입니다.
빛 반사의 종류는 몇 가지일까요?
빛의 반사는 크게 두 가지 종류의 반사로 분류할 수 있습니다. 정반사는 매끄러운 표면에서 일정한 각도로 반사된 빛을 의미합니다. 반면, 난반사는 모든 방향으로 빛을 반사하는 경향이 있는 거친 표면에서 생성됩니다(그림 3에서 묘사). 일상생활에서는 정반사보다 난반사가 훨씬 더 많이 발생합니다.
정반사 및 난반사
물체에 의해 반사된 빛의 양과 반사 방식은 표면의 질감 또는 매끄러운 정도에 따라 매우 달라집니다. 이 대화형 튜토리얼은 매끄럽고 거울과 같은 질감에서 매우 거칠고 울퉁불퉁한 표면으로 전환될 때의 반사율 변화를 조사합니다.
정반사와 난반사의 차이를 시각화하려면, 매우 다른 두 표면(매끄러운 거울과 거칠고 붉은빛을 띠는 표면)을 떠올려보세요. 거울은 백색광의 모든 요소(적색, 녹색, 청색 파장 등)를 거의 동일하게 반사하며 반사된 정반사는 입사광에서의 법선과 동일한 각도의 궤도를 따릅니다. 그러나, 거칠고 붉은빛을 띠는 표면은 대부분의 청색 및 녹색 요소를 흡수하고 적색 빛을 반사하므로 모든 파장을 반사하지 않습니다. 또한, 거친 표면에서 반사되는 난반사는 모든 방향으로 흩어집니다.
거울은 어떻게 빛을 반사할까요?
일상적으로 볼 수 있는 정반사의 가장 적합한 예시는 아마도 자신의 용모를 확인하려고 하루에도 여러 번 사용할 가정집 거울에서 생성되는 거울 이미지일 것입니다. 거울의 매끄러운 반사 유리 표면은 눈으로 직접 반사되는 빛으로부터 관찰자의 가상 이미지를 만들어 냅니다. 이러한 이미지를 ‘가상’ 이미지라 칭하는 이유는 실제로 존재하지 않으며(빛이 생성되지 않음) 뇌가 자연스럽게 만들어내는 가정 때문에 거울 면 뒤에 있는 것처럼 보이기 때문입니다. 관찰자의 측면에 놓인 물체의 반사를 보면, 물체에서 나온 빛이 거울에 부딪히기 때문에, 이러한 방식을 가장 쉽게 시각화할 수 있습니다.
거울에서 보이는 반사 유형은 거울의 모양, 및 경우에 따라, 반사되는 물체와 거울과의 거리에 따라 달라집니다. 거울은 항상 평평하지 않기 때문에 흥미롭고 유용한 반사 특성을 보여주는 다양한 구성으로 만들어질 수 있습니다. 오목 거울은 가장 큰 광학 망원경에서 흔히 볼 수 있으며, 매우 먼 별에서 방출되는 희미한 빛을 모으는 데 사용됩니다. 곡면은 아주 먼 거리에서 오는 평행 광선을 단일 지점으로 집중시켜 빛의 세기를 높입니다. 이러한 거울 디자인은 또한 확대된 얼굴 이미지를 보여주는 면도용 또는 미용 거울에서 흔히 볼 수 있습니다. 반짝이는 숟가락의 내부가 오목 거울의 일반적인 예이며 이러한 거울 유형의 몇 가지 속성을 보여주기 위해 사용할 수 있습니다. 숟가락 안쪽을 눈 가까이에 가져가면, 눈이 정방향으로 확대된 모습을 볼 수 있습니다(이러한 경우 눈은 거울의 초점보다 가깝습니다). 숟가락을 더 멀리 이동하면, 전체 얼굴이 거꾸로 반전되어 축소된 모습을 볼 수 있습니다. 여기서 이미지는 반사 광선이 거울 표면의 초점을 교차한 후에 형성되기 때문에 반전됩니다.
곡면이 있는 다른 일반적인 거울은 볼록 거울입니다. 볼록 거울은 자동차 백미러 응용 분야에서 자주 사용되는데, 외부 거울 곡률이 차량 뒤에서 발생하는 사건의 더 작은 파노라마 뷰를 생성합니다. 평행 광선이 볼록 거울의 표면에 부딪히는 경우, 광파는 바깥으로 반사되어 분산됩니다. 뇌가 광선을 추적할 때, 광선은 수렴하는 거울 뒤에서 오는 것처럼 보이며 더 작은 정방향 이미지를 생성합니다(광선이 초점을 교차하기 전에 가상 이미지가 형성되기 때문에 이미지는 정방향입니다). 볼록 거울은 또한 보안 및 안전을 위해 복도 및 기업에서 광각 거울로 사용됩니다. 곡면 거울을 활용한 재밌는 응용은 주로 박람회, 카니발 및 유령의 집에서 볼 수 있는 독특한 거울입니다. 이러한 거울은 대개 오목한 표면과 볼록한 표면이 혼합되어 있거나 곡률이 부드럽게 변화하는 표면을 사용하여 사람들이 자신을 관찰할 때 기이하고 왜곡된 반사를 만들어 냅니다.
나무 울타리 옆에 서 있는 젊은 여성의 반사를 보여주는 그림 4처럼 숟가락을 사용하여 볼록 거울과 오목 거울을 시뮬레이션할 수 있습니다. 여성과 울타리 이미지가 숟가락의 바깥쪽(볼록 거울)에서 반사될 때, 이미지는 정방향이지만 숟가락의 곡률이 달라지는 지점에서 왜곡됩니다. 반대로, 숟가락의 반대쪽(안쪽, 또는 오목한 표면)을 사용하여 장면을 반사하면 여성과 울타리의 이미지가 반전됩니다.
오목 구면 거울
오목 거울 곡률의 중심 너머의 물체는 초점과 곡률 중심 사이에 실제 이미지와 거꾸로 된 이미지를 생성합니다. 본 대화형 튜토리얼은 곡률 중심에서 물체를 멀리 이동시키면 거울에 의해 형성되는 실제 이미지의 크기에 어떠한 영향을 주는지 알아봅니다.
볼록 및 오목 거울에서 얻은 반사 패턴이 그림 5에 있습니다. 오목 거울에는 구 내부 지점과 유사하게 안쪽으로 구부러진 반사 표면이 있습니다. 주축 또는 광축과 평행한 광선이 오목 거울의 표면에서 반사될 때(이 경우, 올빼미의 발에서 나오는 광선), 광선은 거울 앞의 초점(빨간 점)에 수렴합니다. 반사면에서 초점까지의 거리를 거울의 초점거리라고 합니다. 이미지의 크기는 거울에서 물체까지의 거리 및 거울 면에 따른 물체의 위치에 따라 달라집니다. 이 경우, 올빼미는 곡률 중심에서 먼 곳에 위치하고 반사된 이미지는 거꾸로 뒤집혀 거울의 곡률 중심과 초점 사이에 위치합니다.
볼록 거울에는 구의 외부 지점과 유사하게 바깥으로 구부러진 반사 표면이 있습니다. 광축과 평행한 광선은 거울 너머의 초점에서 분기하는 방향으로 표면에서 반사됩니다(그림 5). 볼록 거울로 형성된 이미지는 항상 정방향이며 크기가 축소됩니다. 이러한 이미지는 거울 너머 초점에서 분기하는 반사 광선이 보이는 곳에서 발생하기 때문에 가상 이미지라고도 합니다.
보석 원석의 빛 반사
보석 원석의 절단 방식은 빛 반사 원리의 미적으로 더 중요하고 만족을 주는 응용 방법 중 하나입니다. 특히 다이아몬드의 경우, 개별 원석의 아름다움과 경제적 가치는 주로 보석의 겉면(또는 조각 면)의 기하학적 관계에 의해 결정됩니다. 다이아몬드 형태로 절단된 조각 면은 원석의 전면에 떨어지는 대부분의 빛이 관찰자를 향해 다시 반사되도록 설계됩니다(그림 6). 빛의 일부는 외부 상부 면에서 직접 반사되지만, 일부는 다이아몬드로 들어가며 내부 반사 후에 하부 면의 내부 표면에서 원석 밖으로 다시 반사됩니다. 이러한 내부 광선 경로와 다중 반사는 종종 "불"이라고 일컫는 다이아몬드의 반짝임을 만들어 냅니다. 완벽하게 절단된 보석은 그림 6과 같이 정면에서 보았을 때 눈부신 반사를 보여주지만, 후면에서 보면 더 어둡거나 흐릿하게 보이는 흥미로운 결과를 보여줍니다.
광선은 도달한 모든 각도로 거울에서 반사됩니다. 그러나 특정 상황에서, 빛은 일부 각도에서만 반사되고 다른 각도에서는 반사되지 않으며 이로 인해 내부 전반사라고 하는 현상이 발생합니다. 이는 매우 잔잔한 수면 아래에서 작업하는 다이버가 밝은 손전등을 수면 위로 직접 비추는 상황으로 설명될 수 있습니다. 빛이 수면에 직각으로 닿는 경우, 수직 빛줄기로 공기 중으로 투사되어 바로 물 밖으로 떠오르게 됩니다. 빛줄기가 사선 각도로 표면을 향하여 사각으로 충돌하는 경우, 빛줄기는 물 밖으로 떠오르지만 평평한 수면을 향한 굴절에 의해 구부러집니다. 떠오르는 빛줄기와 수면 사이의 각도는 빛줄기와 수면 아래 사이의 각도보다 작습니다.
다이버가 계속해서 손전등 빛을 수면에 대한 빗각에 가깝게 기울이면, 물에서 나온 빛줄기는 표면과 점점 더 가까워지다가, 어느 시점에는 표면과 평행이 됩니다. 굴절로 인한 빛의 휘어짐으로 인해, 떠오르는 빛줄기는 수면 아래의 빛이 같은 각도에 도달하기 전에 수면과 평행을 이룹니다. 떠오르는 빛줄기가 수면과 평행하게 되는 지점은 물의 임계각에서 발생합니다. 손전등 빛을 더 기울이면, 아무것도 떠오르지 않습니다. 굴절되는 대신 모든 빛이 거울 표면에서와 같이 수면에서 다시 물로 반사됩니다.
볼록 구면 거울
볼록 거울에 의해 반사된 물체의 위치와 관계없이, 형성된 이미지는 항상 가상이고 정방향이며 크기가 축소됩니다. 본 대화형 튜토리얼은 물체를 거울 표면에서 더 멀리 이동시키는 경우 거울 뒤에 형성된 가상 이미지의 크기에 미치는 영향에 대해 알아봅니다.
빛의 내부 전반사
내부 전반사 원리는 내시경과 같은 의료 절차, 광 펄스로 인코딩된 전화 음성 전송 및 정밀한 조명 효과가 필요한 현미경이나 기타 작업에 널리 사용되는 광섬유 조명기와 같은 장치의 작동을가능하게 하는 광섬유 광 전송의 기반이 됩니다. 쌍안경과 일안 반사형 카메라에 사용되는 프리즘도 내부 전반사를 활용하여 여러 90도 각도를 통해 사용자의 눈으로 이미지를 전달합니다. 광섬유 전송의 경우, 광섬유의 한쪽 끝으로 들어오는 빛이 다른 쪽 끝으로 지그재그로 이동할 때 얇은 광섬유 벽을 통과해 빠져나가지 않고 내부에서 여러 번 섬유 벽에 반사됩니다. 빛을 "배관(piping)"하는 이러한 방식은 광섬유 경로를 따라 여러 번 회전하면서 장거리 동안 유지될 수 있습니다.
내부 전반사는 특정 조건에서만 가능합니다. 빛은 상대적으로 굴절률이 높은 매질을 통과해야 하며 이 굴절률 값은 주변 매질보다 높아야 합니다. 따라서 물, 유리 및 많은 플라스틱은 공기로 둘러싸여 있는 경우에 사용이 적합합니다. 재료를 적절하게 선별하면, 섬유 또는 광 파이프 내부의 빛 반사가 내부 표면에 작은 각도로 발생하고(그림 7 참조), 모든 빛은 파이프 끝으로 나갈 때까지 파이프 안에 완전히 갇힙니다. 하지만, 광섬유 입구에서, 빛이 높은 입사각으로 끝에 부딪혀야 경계를 가로질러 광섬유로 이동할 수 있습니다.
반사 원리는 많은 광학 기기 및 장치에서 큰 이점을 얻기 위해 활용되며, 이는 이미지 형성에 관여하는 표면 반사를 줄이기 위한 다양한 메커니즘의 적용을 흔히 포함합니다. 반사 방지 기술의 기본 개념은 이익이 되고 의도한 표면에서 광선이 반사되면서, 관찰되는 이미지에 악영향을 미칠 수 있는 표면에서 반사되지 않도록 광학 장치에 사용되는 빛을 제어하는 것입니다. 현미경, 카메라 또는 기타 광학 장치용 최신 렌즈 설계에서 나타나는 가장 중요한 발전 중 하나는 반사 방지 코팅 기술의 개선입니다.
반사 방지 표면 코팅
다양한 반사 방지 코팅 조합이 렌즈 표면을 통해 투과되거나 반사되는 빛의 비율에 어떻게 영향을 미치는지 알아보세요. 본 튜토리얼은 또한 입사각의 함수로 반사율을 조사합니다.
원치 않는 빛 반사를 줄이기 위한 반사 방지 코팅의 사용
특정 재료의 얇은 코팅을 렌즈 표면에 적용하면, 빛이 렌즈 시스템을 통과할 때 발생하는 표면의 원치 않는 반사를 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 광학 수차에 맞게 고도로 보정된 최신 렌즈는 일반적으로 배럴이나 렌즈 튜브에 기계적으로 함께 고정되는 여러 개의 개별 렌즈 또는 렌즈 구성 요소를 포함하며, 이를 더 적절하게는 렌즈 또는 광학 시스템이라고 일컫습니다. 이러한 시스템의 각 공기-유리 인터페이스는 반사를 줄이기 위한 코팅이 되어있지 않은 경우 표면에 대해 수직인 입사 광선의 4~5%를 반사할 수 있어 수직 입사에서 95~96%의 투과 값을 생성합니다. 특별히 선택된 굴절률을 갖는 1/4 파장 두께의 반사 방지 코팅을 적용하면, 투과값을 3~4% 증가시킬 수 있습니다.
현대의 현미경용 대물렌즈와 카메라 및 기타 광학 장치용으로 설계된 대물렌즈는 점점 더 정교하고 복잡해지고 있으며 다중 공기-유리 인터페이스가 있는 15개 넘는 개별 렌즈 구성 요소를 포함할 수 있습니다. 구성 요소가 코팅되지 않은 경우, 축 광선으로 인한 렌즈의 반사 손실만 해도 투과 값이 약 50%로 감소됩니다. 과거에는 단층 코팅을 통해 눈부심을 줄이고 광 투과율을 개선하였지만, 이러한 코팅은 가시광선에 대해 99.9%를 초과하는 투과 값을 생성할 수 있는 다층 코팅으로 대부분 대체되었습니다.
그림 8에서 2개의 반사 방지층으로 코팅된 렌즈 구성 요소로부터 반사 및/또는 통과하는 광파의 개략도를 볼 수 있습니다. 입사파가 첫 번째 층(그림 8의 층 A)에 비스듬히 부딪혀 빛의 일부는 반사되고(R0) 일부는 첫 번째 층을 통해 투과됩니다. 두 번째 반사 방지층(층 B)을 만나면 빛(R1)의 다른 일부가 같은 각도로 반사되어 첫 번째 층에서 반사된 빛에 간섭합니다. 나머지 광파 중 일부는 유리 표면에서 다시 부분적으로 반사되고 부분적으로 투과됩니다. 유리 표면(R2)에서 반사된 빛은 반사 방지층에서 반사된 빛에 간섭합니다(보강 및 상쇄 모두). 반사 방지층의 굴절률은 유리 및 주변 매질(공기)의 굴절률과 다르며 원하는 굴절각을 생성하기 위해 특정 렌즈 구성 요소에 사용되는 유리의 조성에 따라 신중하게 선별됩니다. 광파가 반사 방지 코팅과 유리 렌즈 표면을 통과할 때 거의 모든 빛(입사각에 따라 다름)은 최종적으로 렌즈 요소를 통과하여 초점이 맞춰지고 이미지를 형성합니다.
현재 대부분의 현미경 및 렌즈 제조업체에서 자체 코팅 배합물을 생산하고 있지만, 불화 마그네슘은 박막 광학 반사 방지 코팅에 사용되는 많은 재료 중 하나입니다. 이러한 반사 방지 조치는 일반적으로 광학 장치의 이미지 품질을 크게 높여주는데, 가시광선 파장의 투과 증가, 원치 않는 반사로 인한 눈부심 감소, 가시광선 스펙트럼 범위 밖에 있는 원치 않는 파장의 간섭 제거 때문입니다.
가시광선 반사는 모든 현대 현미경 기능의 기초가 되는 빛의 반응 특성입니다. 빛은 보통 현미경 내의 하나 이상의 평면(또는 평평한)거울에 의해 반사되어 우리가 대안렌즈(접안렌즈)로 보는 가상 이미지를 형성하는 렌즈를 통해 빛의 경로로 향합니다. 현미경은 또한 분광기를 사용하여 일부 빛이 반사되도록 하는 동시에 빛의 일부를 광학 시스템의 다른 부분으로 전송합니다. 특별히 설계된 프리즘, 필터 및 렌즈 코팅과 같은 현미경의 기타 광학 구성 요소 또한 빛 반사 현상에 필수적으로 의존하여 이미지를 형성하는 기능을 수행합니다.
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