스넬의 굴절법칙 (Snell's Law of Refraction)
한 줄 정의: 빛이 굴절률이 다른 두 매질의 경계를 지날 때, 입사각과 굴절각의 사인 값이 각 매질의 굴절률에 반비례하여 관계를 이룬다는 법칙입니다(n1 sin θ1 = n2 sin θ2).
쉽게 풀면
빨대를 물이 든 컵에 넣으면 물속의 빨대가 꺾여 보이는 현상을 본 적이 있을 것입니다. 이는 빛이 공기에서 물로 들어갈 때 속도가 달라지면서 진행 방향이 꺾이기 때문인데, 이 꺾이는 정도를 정확히 계산하는 규칙이 스넬의 굴절법칙입니다. 매질마다 빛이 얼마나 느리게 가는지를 나타내는 값이 굴절률이며, 굴절률이 클수록 빛의 경로가 더 많이 꺾입니다.
왜 중요한가
렌즈, 프리즘, 광섬유 등 빛을 굴절시켜 원하는 방향으로 조절하는 모든 광학 부품의 설계는 스넬의 굴절법칙을 기본 원리로 합니다. 렌즈의 곡률과 재질을 정하면 이 법칙을 통해 빛이 어디로 꺾여 어디에 모이는지를 계산할 수 있으므로, 모든 광학 설계 계산의 가장 근본적인 출발점이 됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
"각 렌즈 표면에서 스넬의 굴절법칙을 적용하여 광선추적을 수행하였다."
광학 설계 소프트웨어나 계산에서 각 면마다 빛의 경로를 구하는 데 이 법칙이 반복적으로 적용됨을 보여줍니다.
"임계각을 초과하는 입사각에서는 스넬의 굴절법칙 대신 전반사가 발생함을 확인하였다."
굴절법칙이 성립하는 범위를 벗어나는 전반사 현상과의 관계를 설명하는 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
입사각이 매우 작을 때 sin θ를 θ로 근사하면 근축 근사의 계산식이 유도되며, 이는 렌즈 설계의 기초가 됩니다. 또한 굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 빛이 진행할 때 입사각이 특정 임계각을 넘으면 굴절이 일어나지 않고 전반사만 일어나게 됩니다.
주의할 점
굴절률은 빛의 파장에 따라 달라질 수 있어(분산), 색에 따라 굴절각이 조금씩 다르게 나타나며 이것이 색수차의 원인이 됩니다.