[KOR] [공학,과학] 아베수와 굴절률

[Contents]

1. 아베수(vd)와 굴절률(nd-index),

2. 광학 유리의 분류,
3. 재료 선택의 중요성,

4. 굴절률,
5. 분산 (Dispersion),

6. 아베수의 중요성,

7. 재료별 아베수와 굴절률

 

1. 아베수와 굴절률
광학 유리의 품질과 성능은 아베수와 굴절률이라는 두 가지 중요한 물성에 의해 결정됩니다. 이러한 특성은 광학 렌즈 및 광학 시스템 설계에 있어서 핵심적인 역할을 합니다.

굴절률 (Nd): 특정 파장(일반적으로 헬륨의 d선 파장인 587.6nm)에서의 굴절률을 나타내는 값으로, 종종 평균 굴절률로 사용됩니다.

아베수 (Vd, Abbe number): 아베수는 굴절률의 파장에 따른 변화, 즉 분산을 나타내는 값입니다.

 

 

2. 광학 유리의 분류
광학 유리는 아베수를 기준으로 크라운 유리와 프린트 유리로 분류됩니다.

크라운 유리 (Crown Glass): 아베수가 55 이상인 유리로 BK, K, SK 등이 속합니다.
프린트 유리 (Flint Glass): 아베수가 50 이하인 유리로 F, LF, SF 등이 이에 해당합니다.

3. 재료 선택의 중요성
각 유리 유형은 특유의 굴절률과 분산을 가지며, 이로 인해 광학 시스템 설계 시 필요한 자유도를 제공합니다. 또한, 각 유리는 다른 파장 영역에서 투과되는데, 이는 광학 시스템의 특성에 영향을 미칩니다.

4. 굴절률
굴절률(n)은 빛이 광학 소재를 통과할 때 속도가 어떻게 감소하는지를 나타냅니다. 고 굴절률 소재는 높은 NA 부품을 만드는 데 유리하며, 낮은 굴절률 소재는 반사를 줄이는 데 도움이 됩니다. 굴절률은 그 유리를 통과할 때 빛이 얼마나 꺾이느냐를 숫자로 나타낸 것이다. 보통 광학 유리들의 굴절률은 1.4에서 1.9사이이다. 그런데 같은 광학유리를 통과하더라도 빛의 파장에 따라 굴절률이 달라진다. 대개 파장이 짧은 보라색과 청색 빛이 더 많이 꺾이고, 파장이 긴 적색 빛은 덜 꺾인다.

 

5. 분산 (Dispersion)
분산은 파장에 따른 굴절률의 변화를 나타내며, 이를 통해 빛이 매체를 통과할 때 색상 분리가 어떻게 발생하는지 예측할 수 있습니다. 아베수가 낮을수록 높은 분산을 가지며, 아베수가 높을수록 낮은 분산을 가집니다. 즉,  파장에 따라 굴절률의 차이가 나는 현상을 분산(dispersion)이라 하고, 광학 유리에서 분산이 얼마나 되는지를 나타내는 숫자가 바로 분산계수이다.  분산 계수는 흔히 아베 수(Abbe number)라고 불리는데, 다음과 같이 정의된다.

 

여기서 nd, nF, nC 는 각각 유리의 녹색, 청색, 적색광 파장에서의 굴절률이다.

 

에른스트 아베는 독일의 유명한 광학 연구자로서 광학 유리의 특성과 굴절에 관한 이론을 개발한 인물로 알려져 있습니다. 그의 연구는 광학 산업에 혁신을 가져와 렌즈 및 다양한 광학 장치의 성능을 향상시키는 데 중요한 역할을 하였습니다. 그 이전에는 어떤 유리를 사용해야 하는지에 대한 명확한 이해가 없었으며, 이로 인해 많은 시행착오가 있었습니다. 아베의 연구 노력 덕분에 광학이 더욱 과학적인 기초 위에 세워질 수 있었습니다.

현재는 광학 유리의 표준화가 진행되어 다양한 광학 재료가 품질 및 특성에 따라 분류되고 있습니다. "플린트(flint)" 유리는 아베 수가 50보다 작은 유리로, 분산이 작다는 특징을 가지고 있습니다. 반면 "크라운(crown)" 유리는 아베 수가 50보다 큰 유리로, 분산이 상대적으로 크다는 특징을 가지고 있습니다.

이러한 광학 유리의 특성을 식별하기 위해 각 유리는 일련의 숫자로 표현됩니다. 일반적으로 여섯 자리의 숫자로 표기되며, 이 숫자는 해당 유리의 녹색 광에서의 굴절률과 분산계수를 나타냅니다. 예를 들어, 유명한 광학 유리인 BK7은 517642로 표기되며, 이는 해당 유리의 녹색 광에서의 굴절률이 1.517이고 아베 수가 64.2임을 나타냅니다. 이러한 표기법을 통해 렌즈 설계자는 원하는 광학 특성을 더 쉽게 식별하고 선택할 수 있습니다.

 

 

6. 아베수의 중요성
아베수는 광학 렌즈의 빛 분산 특성을 수치화하는 중요한 요소입니다. 높은 아베수는 색상 분리를 줄여 더 선명한 이미지를 제공하며, 눈의 피로를 감소시켜 편안한 시야를 제공합니다. 따라서 아베수가 낮은 렌즈는 장시간 사용 시 어린이 등에게 좋지 않을 수 있습니다.

 

7. 재료별 아베수와 굴절률
다양한 광학 재료는 아베수와 굴절률 측면에서 다르며, 이로 인해 각 재료는 특정 용도에 적합하게 선택됩니다. 이러한 특성은 렌즈 및 광학 시스템의 성능 및 색상 정확도에 영향을 미칩니다.

 

재질별 굴절률과 아베수

재질	굴절률	아베수
유리	1.523	59
고굴절 유리	1.6	42
고굴절 유리	1.7	39
고굴절 유리	1.8	25
플라스틱 CR39	1.5	58
중굴절	1.56	38
고굴절	1.61	42
고굴절	1.67	32
고굴절	1.74	33
트라이벡스	1.53	43
폴리카보네이트	1.58	30

아베수와 굴절률은 광학 공학 및 디자인에 있어서 핵심적인 요소로, 정확한 재료 선택과 렌즈 설계에 필수적인 정보를 제공합니다.