갖가지 볼록렌즈의 모양. 왼쪽부터 양볼록, 평볼록, 초승달 볼록렌즈.
볼록렌즈(Convex lens)는 중앙 부분이 가장자리보다 두꺼워 볼록한 형태를 띠는 렌즈이다. 볼록렌즈는 작은 물체를 크게 확대하여 볼 수 있는 대신에 볼 수 있는 범위가 작으며 글씨를 크게 보이게 하는 돋보기의 소재로 널리 쓰인다.
렌즈의 양면은 보통 구면이 쓰이며, 오목렌즈와는 반대로 빛을 모이게 하는 집광성을 가지고 있어서 돋보기를 가지고 태양 빛의 초점을 모으면 검은 색종이를 태울 수도 있다. 또한 작은 물체를 크게 볼 수 있으므로, 현미경, 돋보기, 사진기 등에 널리 쓰인다. 의학용으로는 멀리 있는 것은 잘 볼 수 있지만, 가까이 있는 것은 잘 볼 수 없는 원시안(주로 노인)의 교정 등에 사용된다. 일반적으로 유리로 된 것이 쓰이나 특수한 목적으로 사용되는 것으로는 석영·형석·플루오린화 마그네슘 등으로 만든 것도 있다.
개요
볼록렌즈는 가운데가 볼록한 렌즈이다. 광선이 통과할 때는 뒤편의 한 점에 모이고, 물체와 렌즈 사이의 거리에 따라 물체와 같은 편에 바로 선 허상(虛像)이 생기기도 하고 뒤편에 거꾸로 선 실상(實像)이 생기기도 한다. 현미경, 망원경, 사진기 따위에 렌즈로 쓴다.
광축에 평행하게 들어온 빛들은 모두 렌즈의 한 점에 모이게 되는데 이 점을 볼록렌즈의 초점이라고 한다. 렌즈의 중심과 초점까지의 거리를 초점거리라고 한다.
볼록렌즈는 투명한 유리나 플라스틱 또는 기름과 같은 물질로 만든 광학 소자로 들어오는 광선 다발을 한 점에 모으는데 쓴다. 렌즈의 기본 특성은 렌즈의 지름 D, 초점거리 f 또는 그것의 역수인 굴절능 ϕ=1/f로 나타내며, 볼록렌즈는 초점거리가(따라서 굴절능이) 양수이다. 렌즈 양쪽 면의 모양에 따라서 평볼록, 양볼록, 초승달 볼록렌즈라고 한다.
볼록렌즈의 작도
양쪽의 볼록한 정도가 같은 볼록렌즈의 경우 대칭적으로 초점이 렌즈의 앞뒤로 존재한다. 광축에 평행한 빛이 볼록렌즈를 통과하면 초점을 지나고, 반대로 렌즈의 뒤에서 광축에 평행한 빛도 렌즈의 앞쪽의 초점을 지난다. 마찬가지로, 볼록렌즈의 앞쪽의 초점을 지나간 빛은 볼록렌즈를 통과하고 난 후 광축에 평행하게 진행한다.
왼쪽에 있는 물체에서 반사되는 빛은 하나의 광원으로 생각할 수 있고, 충분히 얇은 볼록렌즈에 대해서, 볼록렌즈의 특성과 대칭성을 이용해서 물체에서 나오는 3가지 빛의 경로를 그릴 수 있다. 오른쪽 그림의 빨간색 선이 빛의 경로이고, 렌즈를 지나는 빛의 경로는 다음과 같이 작도한다.
- 렌즈의 광축에 평행하게 들어온 빛은 렌즈 뒤쪽의 초점을 향해 나아가도록 그린다.
- 렌즈 앞쪽의 초점을 지나는 빛은 렌즈를 통과한 후 광축에 평행하게 나아가도록 그린다.
- 렌즈의 중심을 통과하는 빛은 그대로 직진하게 그린다.
오른쪽 그림의 점선과 같이 각각의 실제로 진행되는 빛의 경로의 반대쪽으로 반직선을 그릴 수 있다. 실제로 빛이 지나가는 경로는 아니지만, 점선끼리 겹치는 지점에서 허상을 만들어낸다.
볼록렌즈에서 물체의 위치와 초점거리에 따라 생기는 상의 종류와 크기가 달라진다.
- 물체와 렌즈의 거리가 초점거리보다 2배보다 긴 경우: 물체보다 크기가 작은 도립 실상
- 물체와 렌즈의 거리가 초점거리의 2배인 경우: 물체와 크기가 같은 도립 실상
- 물체와 렌즈의 거리가 초점거리보다 길고, 초점거리의 2배보다 짧은 경우: 물체보다 크기가 큰 도립 실상
- 물체가 초점에 위치한 경우: 상이 생기지 않는다.
- 물체가 초점거리보다 렌즈에 더 가까운 경우: 물체보다 크기가 큰 정립허상
오목거울
렌즈를 통과하거나 거울에 반사된 빛을 모은다는 점에서, 광학적으로 오목거울은 볼록렌즈와 동일한 역할을 한다. 다만 렌즈가 빛을 투과시킨다면, 거울은 빛을 반사시킨다. 오목거울은 볼록렌즈처럼 작은 물체를 크게 보이게 하므로 치과에서 사용하는 구강 내 치료용 거울이나 화장 거울 등에 사용되며, 숟가락의 안쪽면도 일종의 오목거울과 같은 역할을 한다.
볼록렌즈와 오목렌즈의 차이점
| 분류
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오목 렌즈
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볼록 렌즈
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| 모양
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렌즈 중앙이 가장자리보다 얇다.
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렌즈 중앙이 가장자리보다 두껍다.
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| 굴절방식
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입사하는 빛을 퍼뜨림
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입사하는 빛을 모음
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| 초점거리
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음수
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양수
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| 광축에 대한 빛의 굴절
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광축에서 멀어질수록 빛이 더 많이 퍼진다.
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광축에 가까울수록 빛이 더 많이 모인다.
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| 용도
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근시용 안경에 주로 사용
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망원경, 카메라, 현미경, 원시용 안경, 자동차의 전조등
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참고자료
같이 보기
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| 도구
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