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최근 수정 시각 : 2024-12-28 06:11:29

행렬광학

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1. 개요2. 상세
2.1. 자유 공간 전파2.2. 굴절률이 변화하는 경우2.3. 구면 전파2.4. 렌즈
2.4.1. 얇은 렌즈
2.5. 평면 반사2.6. 구면 반사
3. 활용
3.1. 복합 얇은 렌즈3.2. 두꺼운 렌즈

1. 개요

행렬을 사용한 광선 추적 방법.

광선 추적에는 기본적으로 스넬의 법칙을 사용하여 굴절각을 계산하는 행위가 반복적으로 이루어진다. 이것을 행렬 연산으로 간단히 처리하여 복잡한 계산을 빠르게 가능하게 한다. 이는 복합 렌즈계에서 그 빛을 발하게 된다.

이 문서에서는 광학적 부호 규약이 사용되었다.

2. 상세

2.1. 자유 공간 전파

파일:namu_행렬광학_자유공간.webp

그림과 같이 빛이 진공상에서 전파된다고 생각하자. 이때, 광선은 두 변수 [math((x,\,\theta))]로 기술가능하며, 위 그림에서는

[math(\displaystyle \begin{aligned} y_{2}&=y_{1}+d\sin{\theta_{1}} \\ \theta_{2} &=\theta_{1} \end{aligned} )]

이때, 근축광선을 고려한다면, [math(\theta \ll 1)]이므로 [math(\sin{\theta} \approx \theta)]로 근사할 수 있다. 따라서

[math(\displaystyle \begin{aligned} y_{2}&=y_{1}+d\theta_{1} \\ \theta_{2} &=\theta_{1} \end{aligned} )]

임을 알 수 있다. 이것을 행렬 꼴로 나타내면,

[math(\displaystyle \begin{bmatrix}y_2 \\ \theta_{2} \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
1 & d \\
0 & 1 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}y_1 \\ \theta_1 \end{bmatrix} )]

으로 나타낼 수 있다.

여기서 나온 행렬

[math(\displaystyle \pmb{\mathsf{T}} \equiv \begin{bmatrix}
1 & d \\
0 & 1 \\
\end{bmatrix} )]

전달 행렬(ray-transfer matrix)이라 한다.

2.2. 굴절률이 변화하는 경우

파일:namu_행렬광학_굴절률변화.webp

그림과 같이 굴절률이 [math(n_{1})]인 매질 I에서 굴절률이 [math(n_{2})]인 매질 II로 투과하는 경우를 보자.

이때, 스넬의 법칙에 따라

[math(\displaystyle n_{1}\theta_{1}=n_{2}\theta_{2} )]

이다. 이때, 작은 각에 대한 사인 함수의 근사가 사용되었다. 이상에서

[math(\displaystyle \theta_{2}=\frac{n_{1}}{n_{2}}\theta_{1} )]

이다. 또한 [math(y_{1}=y_{2})]라 볼 수 있으므로 이때, 전달 행렬은

[math(\displaystyle \pmb{\mathsf{T}} \equiv \begin{bmatrix}
1 & 0 \\ \\
0 & \dfrac{n_{1}}{n_{2}} \\
\end{bmatrix} )]

이다.

2.3. 구면 전파

파일:namu_렌즈방정식_구면에서의 굴절.svg

입사 광선은

[math(\displaystyle \begin{aligned} y_{1}&=h \\ \psi_{1}&=\alpha \end{aligned} )]

이라 둘 수 있고, 근축광선에 대하여

[math(\displaystyle \begin{aligned} \alpha \approx\frac{h}{a} \end{aligned} )]

이다. 이번엔 투과광에 대하여

[math(\displaystyle \begin{aligned} y_{2}&=h \\ \psi_{2}&=-\beta \approx \frac{h}{b} \end{aligned} )]


그런데, 이미 결과적으로 구면에서의 굴절은 다음과 같은 결론을 가진다는 것을 보았다.

[math(\displaystyle \begin{aligned} \frac{n_{1}}{a}+\frac{n_{2}}{b}=\frac{n_{2}-n_{1}}{R} \end{aligned} )]


이 세 식을 사용하면, 다음의 관계를 얻는다.

[math(\displaystyle \begin{aligned} \psi_{2}=\frac{n_1-n_2}{n_{2}R}y_{1}+\frac{n_{1}}{n_{2}}\psi_{1} \end{aligned} )]


따라서 이 경우엔 전달 행렬은

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}= \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
\dfrac{n_1-n_2}{n_2R} & \dfrac{n_1}{n_2} \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

이다.

2.4. 렌즈

첫 번째 곡면 반지름이 [math(R_{1})], 두 번째 곡면 반지름이 [math(R_{2})]이고, 두께가 [math(t)]인 렌즈를 생각해보자. 이때, 전달 행렬의 곱으로 렌즈의 전달 행렬을 구할 수 있다.

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}&= \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
\dfrac{n-1}{R_{2}} & n \\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
1 & t \\
0 & 1 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
\dfrac{1-n}{nR_{1}} & \dfrac{1}{n} \\
\end{bmatrix} \\&=\begin{bmatrix}
1-\dfrac{n-1}{nR_{1}}t & \dfrac{t}{n} \\
& \\
-(n-1)\biggl[ \dfrac{1}{R_{1}}-\dfrac{1}{R_{2}}+\dfrac{(n-1)}{nR_1 R_2}t \biggr] & 1+\dfrac{n-1}{nR_{2}}t \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

2.4.1. 얇은 렌즈

얇은 렌즈의 경우 [math(t \to 0)]이므로

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}&=\begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
-(n-1)\biggl[ \dfrac{1}{R_{1}}-\dfrac{1}{R_{2}} \biggr] & 1 \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

인데, 익숙한 항이 보일 것이다. 얇은 렌즈 방정식에서 논의했듯, 렌즈의 초점거리 [math(f)]를 사용하면

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}&=\begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
-\dfrac{1}{f} & 1 \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

임을 알 수 있다.

2.5. 평면 반사

반사의 경우 [math(y)]는 같고, [math(\theta)]가 같다는 것을 이용하면,

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}= \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
0 & 1 \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

2.6. 구면 반사

이 경우도 구면 굴절과 같은 방식으로 구할 수 있으며, 그 결과는

[math(\displaystyle \begin{aligned} \pmb{\mathsf{T}}= \begin{bmatrix}
1 & 0 \\\\
-\dfrac{2}{R} & 1 \\
\end{bmatrix} \end{aligned} )]

이다.

3. 활용

3.1. 복합 얇은 렌즈

파일:namu_행렬광학_활용_복합렌즈.webp

위 그림과 같이 초점 거리가 [math(f_1)], [math(f_{2})]인 두 얇은 렌즈가 [math(d)]만큼 떨어져있다고 생각하자.

이제 [math(x)]축과 평행한 한 광선이 들어온다. 이 광선의 광선 벡터는 다음과 같이 쓸 수 있다.

[math(\displaystyle \begin{aligned} \begin{bmatrix}
h \\
0
\end{bmatrix} \end{aligned})]

이제 이 빛이 첫 번째 렌즈를 통과하고, [math(d)]만큼 이동한 뒤 다시 두 번째 렌즈를 통과하므로 출사광의 광선 벡터는 다음과 같이 구해질 것이다.

[math(\displaystyle \begin{aligned} \begin{bmatrix}
1 & 0 \\\\
-\dfrac{1}{f_{2}} & 1\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & d \\
0 & 1
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 0 \\\\
-\dfrac{1}{f_{1}} & 1 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
h \\
0
\end{bmatrix}=\begin{bmatrix}
\biggl[1-\dfrac{d}{f_1} \biggr]h \\\\
-\biggl[ \dfrac{1}{f_1}+\dfrac{1}{f_2}-\dfrac{d}{f_{1}f_{2}} \biggr]h
\end{bmatrix} \end{aligned})]


따라서 출사광의 방정식은 다음과 같이 주어진다.

[math(\displaystyle y=-\biggl[ \dfrac{1}{f_1}+\dfrac{1}{f_2}-\dfrac{d}{f_{1}f_{2}} \biggr]h(x-d)+\biggl[1-\dfrac{d}{f_1} \biggr]h )]

결과값을 간단히 얻기 위해 다음과 같이 쓴다.

[math(\displaystyle y=-\frac{h}{f}(x-d)+\biggl[1-\dfrac{d}{f_1} \biggr]h )]

이것과 입사광의 방정식 [math(y=h)]의 교점 [math(\rm P)]의 [math(x)]좌표를 구해보자. 이것은 수학적 계산을 함으로써 쉽게 구할 수 있다.

[math(\displaystyle x_{\rm{P}}=d-\frac{f}{f_{1}}d )]


이제 출사광과 [math(x)]축이 만나는 점 [math(\rm F)]의 [math(x)]좌표는

[math(\displaystyle x_{\rm{F}}=d-\frac{f}{f_{1}}d+f )]


이 둘의 차가 두 렌즈의 등가 초점 거리 [math(f)]가 된다.

[math(\displaystyle \frac{1}{f}=\frac{1}{f_1}+\frac{1}{f_2}-\frac{d}{f_1 f_2} )]

3.2. 두꺼운 렌즈

파일:namu_행렬광학_활용_두꺼운렌즈_NEW.webp

그림과 같이 곡률 반지름이 [math(R_{1})]인 곡면과 곡률 반지름이 [math(R_{2})]인 곡면이 있는 두꺼운 렌즈가 있다. 이들의 정점[1]은 각각 [math(x=0)]과 [math(x=t)]이다.

이제 윗 문단과 같은 방식으로 접근하면, 출사광의 광선 벡터는

[math(\displaystyle \begin{aligned} \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
\dfrac{n-1}{R_{2}} & n \\
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
1 & t \\
0 & 1 \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
1 & 0 \\
& \\
\dfrac{1-n}{nR_{1}} & \dfrac{1}{n} \\
\end{bmatrix} \begin{bmatrix}
h \\
0
\end{bmatrix}\end{aligned}=\begin{bmatrix}
\biggl[1+\dfrac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]h \\\\
-\biggl[(n-1) \biggl[\dfrac{1}{R_1}-\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{(n-1)t}{nR_{1}R_{2}} \biggr] \biggr]h
\end{bmatrix} )]

이상에서 출사광의 방정식은

[math(\displaystyle y=-\biggl[(n-1) \biggl[\dfrac{1}{R_1}-\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{(n-1)t}{nR_{1}R_{2}} \biggr] \biggr]hx+\biggl[1+\dfrac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]h )]

이때, 계산의 편의성을 위해 다음과 같이 쓰자.

[math(\displaystyle y=\biggl[-\frac{h}{f}\biggr](x-t)+\biggl[1+\dfrac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]h )]


점 [math(\rm F)]의 [math(x)]좌표는

[math(\displaystyle x_{\rm F}=f+t+\biggl[\frac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]f )]


마찬가지로 점 [math(\rm P)]의 [math(x)]좌표는

[math(\displaystyle x_{\rm P}=t+\biggl[\frac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]f )]


이 둘의 차가 초점 거리가 된다. 그것은 [math(f)]로

[math(\displaystyle \frac{1}{f}= (n-1) \biggl[\dfrac{1}{R_1}-\dfrac{1}{R_2}+\dfrac{(n-1)t}{nR_{1}R_{2}} \biggr] )]

이것이 두꺼운 렌즈의 초점 거리이다.

이상에서 제2주요면의 위치는

[math(\displaystyle t-x_{\rm P}=s=-\biggl[\frac{n-1}{nR_{1}}t \biggr]f )]


이와 유사하게 제1주요면은 [math(R_{1})]과 [math(R_{2})]를 반전시키고, 전체 결과값에 음수를 붙이면 된다. 이상에서 물체 초점거리는 [math(f)]이고, 제1주요면의 위치는

[math(\displaystyle s=-\biggl[\frac{n-1}{nR_{2}}t \biggr]f )]

이다. 이때, 각 정점의 오른쪽에 있으면 양수이다.

[1] 광축과 표면이 만나는 점