[물리학-광학] 02. 반사 | Reflection of Light

 

광선 근사

Ray Approximation

 

광선광학(ray optics): 기하광학이라고도 불리며, 빛에 대한 전제를 다음과 같이 설정한다.

1. 빛이 균일한 매질 상을 지날 때, 직선의 고정된 방향성을 가진다.
2. 빛이 불균일한 매질의 광학적 성질을 만나게 되면 진행방향을 바꾼다. e.g. 다른 매질의 경계면에 도달하는 경우

그림 1. 광선과 파면 [출처: Principles of Physics, Serway & Jewett, 12th ed., 2012, p.853]

 

광선 근사(ray approximation)

• 광선은 파동의 진행방향을 가리킨다.
• 광선은 파면에 대해 수직하게 이동[그림 1]한다. 광학에서 파면(wave front)이란, 공간상의 모든 점에서 광선과 수직하는 면을 의미한다.

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빛이 주어진 환경에 따른 광선 근사의 사용 가능성

 

그림 2. 회절 현상 [출처: University Physics Volume 3, OpenStax, 2016, p.32]

 

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파동의 파장(λ)과 틈이 있는 장애물의 틈 지름(d) 사이의 관계[그림 2]는 다음과 같이 정리할 수 있다.

1. λ << d: 파장보다 장애물의 틈 지름이 월등히 큰 경우 회절이 거의 일어나지 않으며 광선 근사를 사용할 수 있다.
2. λ ≒ d: 파장과 장애물의 틈 지름이 비슷한 경우 파동의 회절 현상이 나타난다. ⇒ 광선 근사를 더 이상 사용할 수 없다.
3. λ >> d: 파장이 장애물의 틈 지름보다 매우 큰 경우 틈은 '구면파'의 파원처럼 거동한다.

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광학기기(사진기, 안경, 망원렌즈 등)는 첫 번째 상황(λ << d)과 유사하기 때문에, 분석할 때 광선 근사를 사용할 수 있다.

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광선근사의 유효조건

$\lambda \lll d$λ⋘d​

기하광학(geometrical optics): 빛을 광선의 집합으로 간주하고, 광선의 세 가지 성질을 근거로 빛이 전파되는 경로나 상의 형성을 기하학적으로 고찰한다.

• 기하광학에서는 빛의 입자로서의 성질은 고려하지 않는다.

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광선의 세 가지 성질은 다음과 같다.

1. 광선은 모두 독립된 실체이다.
2. 균일한 매질에서는 직선경로를 택한다.
3. 서로 다른 매질의 경계면에서 광선은 반사 및 굴절한다.

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반사

Reflection of Light

 

그림 2. 반사 [출처: University Physics Volume 3, OpenStax, 2016, p.18]

 

반사(reflection): 반사현상, 진행하는 빛 또는 전자기파의 파동이 그 파동의 파장보다 훨씬 큰 장애물에 부딪힐 때, 그 파동은 '되돌아' 간다. 즉 반사된다.

• 광선이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 두 매질의 경계면에서 입사한 빛의 일부가 반사될 수 있다.
• 반사가 일정한 방향이 아닌 여러 방향으로 흩어지면, 산란(scattering)[그림 3]이라 한다.

 

그림 3. 요동하는 액체 면에 레이저를 쏠 경우, 반사광과 함께 산란빛이 나온다.

 

그림 4. 난반사 [출처: University Physics Volume 3, OpenStax, 2016, p.13]

 

반사의 종류는 편의 상 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

1. 정반사(specular reflection): 거울반사, 거울과 같이 매끄러운 면에서의 반사 ⇒ 대부분의 광학기기에 해당되는 반사 유형
2. 난반사(diffuse reflection)[그림 4]: 불규칙적인 모양의 거친 면에서의 반사 e.g. 도로가 건조한 경우, 전조등 빛의 일부가 거친 면에 의해 난반사되어 도로를 보다 분명히 볼 수 있다.

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종종 물체가 어떤 특정한 진동수에서만 반사될 수도 있는데, 이는 선택 반사(selective reflection)라고 한다.

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매질의 상태에 따라서는 다시 세 가지의 반사 유형이 존재한다.

1. 프레스넬 반사(Fresnel reflection): 서로 다른 굴절율을 갖는 매질의 경계면을 통과할 때 대부분의 빛은 매질을 통과하나 일부분이 반사되는 경우
2. 레일리 후방산란 반사(Rayleigh backscattering reflection): 진행하는 파동이 매질 중 미소 입자에 부딪혀 여러 방향으로 산란되는 데, 이들 중 정반사가 일어나는 경우
3. 브래그 반사(Bragg's reflection): 또는 브래그 회절, 원래는 회절 산란 현상이나, 이것이 결정면에서 빛이 반사된 것처럼 보이기도 함

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반사의 법칙 | Law of Reflection

정반사를 기준으로 입사각과 반사각은 서로 같은데, 이를 수식으로 나타낸 것이 반사의 법칙이다.

 

그림 5. 반사의 법칙 [출처: Principles of Physics, Serway & Jewett, 12th ed., 2012, p.856]

 

반사의 법칙

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• 의미: 입사각과 반사각은 서로 그 값이 같다[그림 5].
• 물리량

1. θ_1: 입사 광선과 수직으로 그은 법선 사이의 각도
2. θ_1': 반사 광선과 수직으로 그은 법선 사이의 각도

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역반사(retro-reflection): 두 거울 사이의 각도가 90도인 경우[그림 6] 반사된 빔은 원래 들어온 경로와 평행하게 되돌아간다.

그림 6. 각도가 90도인 두 거울과 반사파 모형 [University Physics Volume 3, OpenStax, 2016, p.20]