KR20060103254A - 빛의 반사법칙을 이용한 입체영상 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오목거울에 의한 빛의 반사법칙을 활용하여 입체영상을 구현하고자 하는데 있다. 오목거울을 통하여 빛으로 된 실상(實像)을 구현함으로써 홀로그램과 같은 시각효과를 가져올 수가 있다.

본 발명에 따른 오목거울을 활용한 입체영상을 활용할 경우, 각종 캐릭터 상품이나 선물용 제품으로의 다양한 활용이 가능하다. 또한 각종 용도로의 응용상품 개발이 가능하다.

저렴한 가격으로 대량생산이 가능하므로 저가형 홀로그램 제품의 양상이 가능하다는 장점도 아울러 지니고 있다.

오목거울, 반사, 실상(實像), 홀로그램

Description

빛의 반사법칙을 이용한 입체영상{The hologram by the reflected light}

[도1] 은 빛의 '반사의 법칙' 설명도이다.

[도2] 는 빛의 반사 경로를 그린 설명도이다.

[도3] 은 물체의 위치에 따른 오목거울의 상(像)의 종류를 그린 설명도이다.

[도4] 는 본 발명에 따른 오목거울을 활용하여 입체영상을 구현하기 위한 오목거울의 구조도이다.

"반사 反射 (reflection)"란 파동이 한 매질(媒質)에서 다른 매질로 향해 전파(傳播)해 갈 때, 경계면에서 일부 파동이 진행방향을 바꾸어 원래의 매질 안으로 되돌아오는 현상을 말한다.

빛의 경우 회절(回折)을 무시하면 프레넬의 법칙에 따른다. X선 등의 브래그반사는 원래 회절현상이지만, 격자면(格子面)에서 반사된 것과 같이 되므로 반사라 한다. 빛이 거울에서 반사되는 것과 같은 경우를 거울반사 또는 정반사(正反射), 갈은 유리에서처럼 반사파가 사방으로 흩어지는 반사를 난반사(亂反射) 또는 확산반사라 한다. 일반적으로 거울반사는 반듯한 면에서, 난반사는 울퉁불퉁한 면에서 일어나지만, 면과 반사의 상태는 파장에 따라 좌우된다. 가령 빛과 같이 파장이 짧은 파동을 난반사하는 면이라도 파장이 긴 전파 등에서는 거울반사를 하는 경우가 있다. 또 빛이 투명한 제2매질로 향해 전진할 때에는 보통 빛의 일부만 반사될 뿐이지만, 특별한 조건하에서는 제2매질로 전혀 들어가지 않고 전부 반사하기도 한다. 이런 반사를 전반사(全反射)라 한다.

반사의 법칙은 입사파와 반사파의 방향에 관한 법칙으로 입사파와 반사파는 반사면에 수직인 동일 평면 위에 있으며, 반사면에 수직으로 세운 법선(法線)에 대해 서로 반대쪽에 있고, 반사각과 입사각은 동일하다. 이 법칙은 정반사의 경우뿐만 아니라 난반사의 경우에도 울퉁불퉁한 낱낱의 미소한 면에서 성립한다. 또 반사면이 2차곡면으로 되어 있는 거울 등에서는 거울축에 평행으로 입사한 빛은 2차곡선인 반사면의 기하학적 초점에 모인다.

*(정반사(正反射)란 반사명이 완전평명이라서 평행광성이 입사했을때, 반사광선도 평행광선이 되는 반사이다.

난반사 亂反射 (scattered reflection)란 물체의 울퉁불퉁한 표면에 입사한 빛이 여러 방향으로 산란 반사해서 흩어지는 현상이다.

확산반사(擴散反射)라고도 한다. 거울같이 매끄러운 평면에 입사한 빛은 정반대 방향으로만 고르게 반사하는 정반사(正反射:거울반사)를 하지만, 대개의 경우 아무리 매끄러워 보이는 평면이라도 빛의 파장과 같은 정도의 척도로 보면 결코 완전한 평면이 아니며, 여러 방향으로 향한 오톨도톨한 작은 면의 집합체로 여길 수 있기 때문에 한 방향에서 입사한 빛이 그 작은 면을 각각 2차적인 새 광원으로 삼 아 여러 방향으로 반사하여 흩어지는 난반사를 일으킨다. 어떤 한 물체가 어느 방향에서나 보이는 것은 이러한 현상 때문이다.)

오목거울을 이해하기 위해서는 평면거울 (plane mirror)을 먼저 살펴볼 필요가 있다. 평면거울이란 평면을 반사면으로 한 거울을 말한다.

제조는 유리 표면에 은 ·알루미늄 등을 진공증착(眞空蒸着)하여 만든다. 반사를 이용하므로 색수차(色收差)가 없고, 평면에 의한 반사이므로 다른 수차도 없다. 물체의 위치에 관계없이 배율 1의 완전한 상(像)이 생긴다.

단, 광선은 실제로 상점(像點)을 지나지 않고, 반사광선을 반대로 연장한 상점에서 교차하므로, 거울 뒤쪽의 물체와 대칭적인 위치에 허상(虛像)이 되어서 맺어진다. 또, 거울을 마주 대하면 좌우가 바뀌어 보인다.

광학기기 등에 사용되는 것은 빛의 파장의 몇분의 1의 평탄도(平坦度)가 요구되나, 모습 등을 보는 데 사용되는 것은 엄밀하지 않아도 된다.

구면거울 (球面거울)(spherical mirror)이란, 구면(球面)의 일부를 반사면으로 하는 거울로 볼록거울과 오목거울이 이에 속한다.

구의 바깥쪽을 반사면으로 하는 凸형의 구면거울은 볼록거울이라 하며, 구의 안쪽을 반사면으로 하는 凹형의 구면거울은 오목거울이라 한다. 볼록거울·오목거울 어느 것이나 결상작용(結像作用)이 있고, 거울면의 중심을 극 또는 경심(鏡心), 경구(鏡球)의 곡률중심을 구심(球心), 극과 구심을 잇는 직선을 거울축 또는 광축, 또는 주축이라 한다.

두 가지 모두 물체의 바른 영상을 얻기에는 적당하지 않으나 한 장의 평면거 울과 달라서 작은 평면거울을 여러 가지 각도로 세워 놓은 것과 같은 기능을 갖는 것으로서 특수한 목적에 사용되고 있다. 예를 들면, 평면거울보다 훨씬 넓은 범위를 바라볼 수 있게 한 백미러의 볼록거울이나, 빛을 한 곳으로 모으는 집광기(集光器)의 오목거울 등은 그 대표적인 예이며, 이 밖에 반사망원경이나 슈미트카메라 등, 정밀한 광학기계에도 널리 이용되고 있다.

구면거울의 초점은 반사면으로 되어 있는 구면 반지름의 1/2로서 그 위치는 거울의 중심과 구면의 중심을 잇는 선상에 있다. 단, 볼록거울은 빛을 발산시키는 기능을 갖는 것으로 허초점(虛焦點), 즉 초점이 거울의 후방에 있으며, 그에 의한 물체의 영상은 모두 허상이고, 물체를 거울에 대해서 어떤 위치에 놓더라도 상은 실물보다 작고 정립하고 있다.

이에 대해서 오목거울에서는 상의 성질이 물체의 위치에 따라 변하며, ① 물체가 초점보다 거울 가까이에 있을 때는 정립된 상(허상)이 확대되어 나타난다. ② 물체가 초점과 구면중심의 중간에 있을 때는 도립(倒立)된 실상이 확대되어 나타난다. ③ 물체가 구면의 중심보다 먼 곳에 있을 때는 축소된 도립상(실상)이 된다. 즉, 광학적으로 볼록거울에서는 오목렌즈와, 오목거울에서는 볼록렌즈와 동일한 기능을 갖는다고 볼 수 있다.

구면거울의 축 위에 있는 물체와 상의 위치, 크기, 초점거리 및 상의 배율은 다음 식으로 구한다. 즉, 경심에서 물체까지의 거리를 a, 경심에서 상(像)까지의 거리를 b, 초점거리를 f, 곡률반지름은 r, 상(像)의 배율을 m이라 하면, 1/a+1/b=1/f=2/r, m=b/a가 된다.

여기서 a, b가 양(+)이면 거울 앞쪽에 실상이 생기고, a와 b가 음(-)이면 거울 뒤쪽에 허상이 생긴다. 또 f＞ 0이면 오목거울, f ＞ 0이면 볼록거울이며, m은 상이 정립할 때를 +, 도립할 때를 -로 한다.

단, 이 관계식이 정확하게 성립되는 것은, 빛이 광축에 따라 좁은 폭을 가지고 입사할 때이며, 거울면 전체에 들어오는 빛이나 광축에 대해서 큰 각도로 입사하는 빛에 대해서는 엄밀히 맞지 않는다.

이 경향은 특히 초점거리가 거울에 비해서 작을수록 두드러지며, 이것을 일반적으로 구면수차라 한다. 구면수차를 피하기 위해서는 보통 구면거울 대신에 반사면을 포물면으로 한 포물면거울이 사용된다.

*(실상實像(real image)이란 렌즈나 반사경에 의해 맺어지는 영상(映像) 중에서 실제로 광선이 모여 이루어진 상이다. 그렇지 않은 것을 허상(虛像)이라 한다. 실상은 실제로 광선이 모인 영상이므로 사진필름이나 스크린에 비출 수 있으나 허상은 그런 것들 위에 직접 비출 수 없다. 볼록렌즈나 오목거울을 써서 물체의 영상을 맺게 할 때 물체가 초점거리 바깥쪽에 있으면 실상이 맺어지지만, 그 초점거리 안쪽에 있으면 허상이 맺어진다. 또한 오목렌즈 ·볼록거울 ·평면거울 등 앞에 물체를 놓았을 때도 모두 허상이 된다.

허상虛像(virtual image)은 평면거울의 상이나 볼록거울[凸面鏡], 오목[凹]렌즈의 초점 앞에 물체를 두었을 때의 상이다. 물체로부터 나온 빛이 렌즈 또는 반사거울의 광학계(光學系)를 통과했을 때 발산광선(發散光線)이 되어 실제로 상을 맺지 못하나 그 광선을 반대 방향으로 연장시킨 것이 상을 만드는 경우이다.

정립상(正立像)은 똑바로 선상을 도립상(倒立象)이란 뒤집힌 상을 말한다.)

이러한 사항을 도표로 정리하면 다음과 같다.

[표 1] 거울의 종류에 따른 상의 양태(樣態)표

*a:물체에서 거울의 중심(경심)까지의 거리

b:물체의 상에서 경심까지의 거리

f:초점거리(초점에서 경심까지의 거리)

r:곡률반지름(구면 거울을 하나의 구(球)로 보았을 때 그 구의 반지름)

구면거울의 경우 f=1/2r의 관계에 있다. 다시말해 초점거리의 두배가 곡률반지름이 된다.

*[허초점:볼록거울에만 존재. 볼록거울에 주축(경심과 구(球)의 중심인 구심 (球心)을 이은 연장선)과 평행한 광선을 입사시키면 반사한 빛은 마치 거울 뒤의 한 점에서 나온 것처럼 진행한다. 이 점을 볼록거울의 허초점이라 한다.]

홀로그램이란 입체적인 영상을 만들어내는 기법의 하나이다. 우리가 물체를 볼 수 있는 것은 빛이 존재하기 때문이다. 빛에는 고유한 특성이 몇 가지 있는데, 그 가운데 하나가 빛의 간섭성이다. 예를 들어 잔잔한 수면 위에 돌을 하나 던지면 수면 위에 물결이 일어난다. 그리고 여기에 돌을 하나 더 던지면 수면 위에는 두 물결이 서로 충돌하는 현상이 일어난다. 이와 마찬가지로 빛도 두가지가 동시에 만나게 되면 서로 간섭을 하게 되는데, 이러한 현상을 이용하면 입체상을 만들 수 있다. 레이저광은 간섭성이 좋으므로 두 개의 레이저광을 감광재료에 비추어 물체로부터 나오는 반사광 또는 투사광을 본래의 레이저광과 간섭시켜 그 간섭무늬를 기록한다. 이렇게 상호작용하는 여러개의 레이저 광선을 얇은 공기층에 쏘아서 만든 3차원 형상(입체상)을 홀로그램이라 한다.

좀더 자세히 살펴보면, 두 개의 레이저광이 서로 만나 일으키는 빛의 간섭효과를 이용, 사진용 필름과 유사한 표면에 3차원 이미지를 기록한 것이다.

홀로그램은 제작에 사용되는 여러 가지 기술에 따라 시각적으로 다양한 입체적 효과를 갖게 된다. 이 이미지를 재생하는 기술을 홀로그래피(Holography)라 하고, 이 기술에 의해 만들어진 상품을 홀로그램(Hologram)이라고 한다. 홀로그램은 1948년 영국의 물리학자 데니스 가보(Dennis Gabor)가 그 원리를 발견하여 노벨상의 영예를 안았고, 1960년대 레이저의 개발로 본격적인 홀로그램의 응용기술이 발전되었다.

홀로그램은 빛의 간섭효과를 이용해서 모델로부터 굴절된 빛을 새롭게 창조하는 것이다.

셔터를 통과한 레이저빔은 광선 분리기(Beam Splitter)에 의해 2개의 광선으로 분리된다. 분리된 광선 중에서 물체로 투영되는 광선을 오브젝트 빔(object beam)이라 하고, 분리된 다른 한 광선을 레퍼런스 빔(reference beam)이라고 한다.

레퍼런스 빔은 거울에 반사되어 렌즈를 통과한 후 홀로그램 필름판에 비쳐진다. 오브젝트 빔은 거울에 의해 굴절되어 렌즈를 통과한 후 물체에 직접 투사되는데, 물체는 그 빛의 일부를 홀로그램 필름판에 반사 시킨다.

모델로부터 반사된 빛과 레퍼런스 빔으로 부터 나온 빛은 상호작용을 통해 간섭패턴 이라고 불리는 명암을 가진 복잡한 패턴을 형성하게 된다.

간섭패턴은 빛에 민감한 소재에 의해서 마스터 플레이트에 기록된다. 이렇게 해서 만들어진 마스터 홀로그램을 통해 프로덕션 마스터가 만들어지며, 이 프로덕션 마스터는 최종 홀로그램의 대량생산에 사용된다.

홀로그램 이미지는 그것을 만드는 데 사용된 레이저 광선이 사용된 것과 똑같은 각도에서 비쳐졌을 때 볼 수 있게 된다.

이처럼 기존의 3차원 홀로그램은 레이저광선을 이용해야 하므로 제작의 난이도가 높아지고 아울러 생산단가가 상승하는 문제점이 있었다. 하지만 상술한 오목거울의 반사원리를 활용하면 손쉽게 홀로그램을 구현할 수 있는 장점이 있다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상술한 바와 같은 다양한 문 제점들을 극복하여 저렴한 가격으로 대량생산이 가능하며, 손쉽게 제작이 가능한 홀로그램(입체영상)을 구현하는 방법을 제공하는데 있다.

오목거울에 의한 빛의 반사의 원리는 다음과 같다.

(1).거울축(주축)에 평행으로 입사한 광선은 반사후 초점을 지난다.

(초점에서 나온 것처럼 반사한다)

(2).거울의 경심으로 입사한 광선은 거울축에 대한 입사각과 같은 각으로 반사한다.

(3).초점을 향하여 입사한 광선은 거울축에 평행으로 반사한다.

(4).구심으로 입사한 광선은 입사한 경로를 따라 그대로 반사한다.

이러한 오목거울의 반사의 원리를 이용하여 입체영상을 구현하고자 하는 것이 본 발명의 주된 기술이다.

[*반사의 법칙: 거울의 종류에 관계없이 다음의 법칙을 따른다.

(1).입사각과 반사각은 동일하다.

(2).입사광과 반사광 그리고 법선(반사면에 수직인 직선을 일컫는다)은 동일 평면상에 존재한다).]

본 발명에 따른 "오목거울을 활용한 입체영상"은 초점거리가 동일한, 다시말해 곡률반지름이 동일한 2개의 오목거울을 사용하여 구성된다.

곡률반지름이 동일한 2개의 오목거울을 서로 경심(거울의 중심)이 상대 오목거울의 초점에 위치하도록 붙여 놓으면 오목거울의 반사법칙에 따라 입체영상을 구 현할 수 있다.

예를 들어, 곡률반지름이 10㎝인 오목거울 2개를 가지고 입체영상을 만들어 보자.

(1).서로가 경심이 상대거울의 초점에 오도록 붙인다.(서로 맞대 붙이면 자동으로 상호간 초점이 상대방 오목거울의 경심에 놓이게 되어 있다).

(2).오목거울을 서로 맞대고 붙이기 전에 입체영상으로 만들 물체를 두 거울 사이에 넣도록 한다.

(3).서로 맞붙인 오목거울을 횡으로 놓는다.

(4).위에 놓인 오목거울의 경심을 기준으로 지름 2㎝크기로 잘라낸다.

(다이아몬드 커팅기를 활용하여 절단한다)

(5).실상이 위에 놓인 오목거울 위에 조사(照射)된다.

위는 한 실례에 불과하며 곡률반지름이 어떠한 것이든지 입체영상의 구현이 가능하며, 상단부의 오목거울의 절개(切開) 직경도 얼마든지 다양화 할 수가 있다.

다시말해 입체영상으로 만들고자 하는 물체의 크기에 따라 얼마든지 다양한 곡률반지름을 지닌 오목거울을 통하여 원하는 크기의 입체영상을 구현할 수가 있다.

곡률반지름이 같은 두 개의 오목거울은 당연히 초점거리도 서로 같게 되어있다. 예를 들어 곡률반지름이 같은 A, B 두 개의 오목거울을 맞댄다고 가정하자. A의 경심(거울의 중심)은 B거울의 초점에 위치하게 되고, B거울의 경심은 반대로 A거울의 초점에 위치하게 된다.

A와 B 오목거울을 횡으로 놓는다. A거울이 위에 B거울이 아래에 위치하게 놓았다고 가정하자.

A와 B거울을 잠시 떼고 그 사이에 소형물체를 넣는다. 그러면 소형물체 C는 거울 B위에 위치하게 된다.

물체 C의 위치는 거울 A의 입장에서 보면 초점과 경심사이에 위치하게 된다. 따라서 오목거울의 반사법칙에 따라 물체 C의 상은 거울 안쪽에 확대정립허상으로 맺히게 된다. 그러나 이를 우리가 볼 수는 없다. 오목거울의 반사면이 안쪽으로 향해 A와 B가 서로 붙어 있고 외부는 은 ·알루미늄 등을 진공증착(眞空蒸着)한 표면이라 상이 맺힐 수 없기 때문이다. 따라서 위쪽 거울인 A의 경심을 중심으로 원의 형태로 유리를 절개할 필요성이 있다.

그러면 절개된 부분을 뚫고 정립허상이 투영되므로 눈으로 입체영상을 볼 수가 있는 것이다.

상술한 방법으로 제조한 오목거울을 활용한 입체영상은 레이저를 사용하지 않고도 3차원 입체영상의 구현이 가능하므로 저가로 입체영상물을 제조할 수 있다는 장점이 있으며, 손쉽게 원하는 크기와 유형의 입체영상을 제조할 수 있으므로 손쉽게 대량생산할 수 있다는 장점을 지니고 있다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허등록청구범위에 속한다 할 것이 다.

Claims (1)

1. 곡률반지름이 동일한, 다시말해 초점거리가 동일한 오목거울을 활용하여 제조한 입체영상.

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