광학기기

현미경 (광학기기)

광학기기(optical instrument, 光學機器)는 빛의 반사나 굴절, 방사(放射)를 응용하여 만든 기기를 말한다. 현미경, 망원경, 분광기, 사진기, 영사기 따위가 있다. 광학장비(光學裝備), 광학기구(光學器具)라고도 한다.

개요

광학기기 또는 광학장비, 광학기구는 관찰을 위해 상(image)을 강화하거나 특징적 속성을 분석하고 결정을 내릴 목적으로 광파(광자)를 가공하는 장치이다. 일반적인 예로는 잠망경, 현미경, 망원경, 사진기 등을 들 수 있다.

상세

광학기기는 태양이나 전등에서 복사되는 빛의 특성인 반사, 굴절, 흡수, 간섭, 회절 등을 이용하여 공간에 있는 물체의 상을 형성시키거나, 어떤 물체에서 발사되는 방사선을 분석하여 그 물체의 성질을 연구하는 장치의 총칭이다. 기계의 기능에 따라 눈의 시각력 증대를 목표로 하거나, 렌즈에 의한 상의 기록과 그 재현을 목적으로 하거나, 광학적인 측정, 상의 전파나 전송, 가간섭성 레이저광을 주체로 하는 것 등이 있다. 일반적으로 광학기기의 기초는 광학적으로 우수한 특정의 광학상수(光學常數)를 가진, 이른바 광학유리에 있다. 우수한 렌즈는 특유의 각종 수차를 가능한 한 없애거나 최소화할 수 있게 설계된다. 그러기 위해서는 렌즈 재료인 유리의 광학상수(굴절률·분산율·아베값)가 광범위하게 변화하는 유리를 선정함으로써 이들 수차를 없앨 가능성이 커진다.

19세기 말까지도 소다석회유리·칼륨석회유리·납유리 계통 등의 유리밖에 없어서 굴절률과 분산능은 비례적이었고, 더욱이 변화의 영역이 좁은 범위의 것밖에 얻지 못하였다. 그러던 것이 1883년경부터 예나대학의 아베 교수의 지도하에 오토 쇼트가 예나에 광학유리제조소를 세워 그때까지 얻지 못한 광학상수를 가진 광학유리, 특히 바륨을 함유한 광학유리를 만들게 되었다. 그 후 무수차(無收差) 렌즈의 설계가 자이스사(社)의 루돌프 등에 의해서 이루어진 것이 계기가 되어, 특별히 우수한 카메라 렌즈가 개발되기에 이르렀다. 그리고 1939년경부터 미국 카네기 지구물리연구소의 모레이 박사 등에 의하여 희원소(稀元素), 특히 란타넘·탄탈럼·탈륨·토륨 등의 산화물을 함유시킨 붕규산유리가 광학유리로서 쓰이게 되고, 다시 그 밖의 사람들에 의해서 저굴절·고분산의 플루오린산염계(系)의 광학유리가 만들어지게 되었다.

이와 같은 광학유리를 재료로 하여 렌즈를 설계함으로써 무수차·광각(廣角)의 밝은 카메라 렌즈가 등장하기에 이르렀다. 광학기기 중 특히 카메라의 성능을 높이기 위하여 렌즈의 표면에 엷은 막을 증착(蒸着)시킴으로써 어느 특정한 빛의 반사를 방지할 수 있어서 상(像)의 밝기를 한층 높인 것과 컴퓨터의 이용으로 렌즈 설계가 능률적으로 된 것은 주목할 만한 일이다.

근래에는 반지름이 약 40μm의 섬유 모양의 유리를 몇 만 가닥이나 다발로 한 광학계가 쓰이게 되었는데, 그것은 한 쪽 끝을 빛의 입사단면(入射端面), 다른 쪽을 출사단면(出射端面)으로 하고 전반사(全反射)에 의하여 적외선(열선) 또는 상 등에 의한 광통신(光通信) 등의 광학기기의 전송체(傳送體)로서 중요한 역할을 하게 되었다. 또 고체레이저 발진기로서 네오디뮴 등을 함유한 광학유리가 그 효과를 발휘하고 있다. 그리고 최근에는 광학변환(optical transfer function:OTF)으로 렌즈에 의하여 생긴 화상(畵像)에 어떤 함수변환(函數變換)을 시켜 원래의 상(像)의 조도분포(照度分布)와는 다른 상(像)의 조도분포를 만들어 그 분포상태를 알아보는 화상정보전달의 과학(기술)이 대두하게 되었다. 이것은 렌즈의 특성을 화상분포 상태하에서 해석 음미하는 데에 도움이 된다. 여기에는 수학의 푸리에변환(變換) 방식이 적용된다. 현재는 적외선 스펙트럼, 자외선 스펙트럼 연구가 활발해졌으므로, 이 방면의 광학기기로서 적외선 및 자외선 분광기 및 이것에 적응하는 렌즈, 프리즘의 재료가 개발되고 있다.

최근에는 레이저광(光)을 복사시켜 거리측정기·홀로그래피·레이저가공(加工) 등에 이용하는 광학기계나, 광학유리를 섬유속(纖維束)으로 만들어 광전송(光傳送)에 이용하는 일종의 광학관측기구도 만들어지고 있다. 어느 경우나 빛의 반사·굴절·간섭·회절 등의 성질을 이용하는 것으로서 여기에는 광학유리를 재료로 하는 렌즈·프리즘·반사경, 때로는 필터 등의 광학계(光學系)가 목적에 맞게 조립되어 형성된다. 다만 레이저광(光)인 경우에는 양자전자공학(量子電子工學)의 개념에 의하여 이해되는 발진기(發振器)가 기기의 형성에 주체를 이룬다.

광학기기는 각기 그 기능에 따라 다음과 같이 분류된다. ① 눈의 시각력 증강을 목적으로 하는 것(루페·안경·쌍안경·망원경·현미경 등), ② 렌즈에 의하여 생긴 상(像)의 기록과 그 재현을 목적으로 하는 것(카메라·영화·텔레비전·비디오촬영기·투영기 등), ③ 광학적인 측정을 목적으로 하는 것(거리계·트랜싯·간섭계·광도계·굴절계·분광계·분광기·렌즈미터 등), ④ 상(像)의 전파(傳播), 정보전달(통신) 등 광학섬유 속에 의한 상을 전송하는 것(파이버스코프·가스트로스코프, 그 밖의 상 전송기기), ⑤ 가간섭성(可干涉性) 레이저광(光)을 주체로 한 광학기계(카메라·통신·측량·측거의·홀로그래피·간섭계·가공기술 등). 이상과 같이 최근에 와서 광학기기의 영역과 그 응용은 널리 다방면에 걸쳐 개발되고 있다.

원리 및 특징

광학기기는 인간의 시각을 확장하거나 광파(light wave)를 분석하여 여러 특성을 결정하는 작업을 수행하는 데 사용하는 장치이다. 망원경, 현미경, 카메라와 같이 빛을 반사하고 굴절시켜 이미지를 형성하는 거울과 렌즈를 사용하는 장치도 있고, 광섬유와 같이 빛을 장거리로 보내는 작업을 하는 장치도 있으며, 레이저와 같이 빛의 분광학적 선폭이 좁고 방향성이 강하고 단위 면적당 세기가 강한 빛을 생성하는 장치도 있다.

망원경은 매우 먼 곳에 있는 물체를 보는데 사용하는 광학기기이다. 크게 렌즈 대신에 거울을 이용해서 상을 맺는 반사망원경과 렌즈를 이용하여 상을 맺는 굴절망원경이 있다. 굴절망원경에는 케플러식 망원경과 갈릴레이식 망원경이 있다. 굴절망원경은 적어도 두 개의 렌즈가 필요하다. 첫 번째 렌즈(그림1의 (1))는 물체(그림1의 (4))의 축소된 영상을 형성하는데 사용하고 그 축소된 영상은 첫 번째 렌즈의 초점에 가까운 곳(그림1의 (5))에 생긴다. 두 번째 렌즈(그림1의 (2))는 첫 번째 렌즈보다 초점거리(focal length)가 현저히 짧고 축소된 영상에서 두 번째 렌즈의 초점거리 만큼 떨어지게 설계된다. 첫 번째 렌즈의 구경(diameter)이 클수록 더욱 많은 양의 빛을 수집할 수 있어서 영상이 밝다.

그림 1. 케플러식 굴절망원경 구조

광학기기 중 현미경은 아주 작은 이미지를 확대하는데 사용한다. 현미경은 초점거리가 짧아서 물체에 근접하여 위치하는 대물렌즈(objective lens)와 그 확대된 영상을 눈으로 보는 접안렌렌즈(eyepiece)를 포함하며, 이 두 개의 렌즈를 이용하여 높은 배율(magnification)의 영상을 얻을 수 있다. 보고자 하는 물체를 재물대에 위치시키고, 반사경 또는 전등으로 물체에 빛을 조사하여 물체에서 산란된 빛을 대물렌즈로 확대한다. 접안렌즈로 눈에 물체의 확대된 영상을 선명하게 얻기 위해, 물체와 대물렌즈 사이를 조절하는 조동나사 또는 미동나사를 움직인다.

그림 2. 재물대 이동식 현미경 구조

카메라는 빛을 이용하여 물체의 이미지를 형성하고 기록하는 광학 기기이다. 영상은 필름에 기록되거나 디지털 방식으로 이미지를 저장하는 전자 센서로 감지된다. 모든 카메라는 그림 3과 같이 크게 물체의 이미지를 필름에 전사하는 렌즈와 전사된 영상을 기록하는 바디 부분과 셔터와 조리개와 같이 영상의 상태를 조절하는 조절장치로 구분된다.

빛은 카메라 렌즈를 통과하여 조리개라는 입구를 통해 빛의 양을 조절하며 카메라에 들어가고, 빛이 렌즈를 통과할 때 축소된 실제 이미지를 형성한다. 물체의 상은 카메라 뒷면의 필름 또는 감광센서(CCD)에 맺히는데, 렌즈를 앞뒤로 움직여 이미지에 초점을 맞춘다. 셔터는 실제로 필름 (또는 센서)에 닿는 빛의 양을 제어한다.

그림 3. 카메라 구조 (출처:한국물리학회)

광섬유는 굴절율이 높은 물질과 낮은 물질 사이에서 일어나는 전반사(total internal reflection) 현상을 이용하여 빛 신호를 손실 없이 전달시키는 가느다란 유리 또는 플라스틱 섬유다. 광섬유는 빛이 흘러가는 코어(core)와 코어보다 굴절율이 조금 낮은 클래딩(cladding)으로 구성되어있고, 광섬유는 버퍼(buffer)와 자켓으로 감싸여 보호된다.

그림 4. 광섬유 구조 (출처:한국물리학회)

레이저(laser)는 유도 방출에 의한 빛의 증폭(light amplification by stimulated emission of radiation) 현상을 통해 단색 파장을 가지는 광원으로 직진성이 우수한 빛을 만드는 장치이다. 레이저 빛의 파동은 결맞음성이 좋아서 간섭 현상을 손쉽게 일으킨다. 레이저는 광 증폭이 일어나는 증폭 매질(gain medium, 그림5의 1)과 증폭 매질이 유도 방출(stimulated emission)을 일으키게 하는 펌프(pump, 그림 5의 2)와 방출된 빛을 왕복시켜 유도 방출을 증폭시키는 공진기(cavity, 그림 5의 3과 4)로 구성되어있다.

그림 5. 레이저 구조

광학기기의 또 다른 부류는 광 또는 광학 재료의 특성을 분석하는데 사용되는 기기로 다음과 같은 광학기기 등이 있다.

• 광파의 간섭 특성을 측정하기 위한 간섭계(interferometer)
• 광의 분광학적 특성을 측정하거나 단색화를 위한 분광계(spectrometer)
• 편광의 상태를 측정하기 위한 편광계(polarimeter)
• 편광의 상태를 조절하기 위한 편광제어기(polarization controller)

참고자료

• 〈광학기기〉, 《네이버 국어사전》
• 〈광학기구〉, 《위키백과》
• 〈광학기기〉, 《두산백과》
• 〈광학기기〉, 《물리학백과》

같이 보기

• 광학
• 기기
• 빛
• 반사
• 방사
• 복사
• 렌즈
• 현미경
• 망원경
• 분광기
• 사진기
• 영사기
• 잠망경
• 방사선
• 광학유리

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