난시 이해를 위한 광학, 그리고 교정 원리 – 1

안녕하세요 안과전문의 송한입니다.

난시 완전히 이해하기 2편, 광학에 대한 내용입니다.

지난 포스팅에서는 “초점”이란 무엇인지 알아보았습니다.

오늘 알아볼 “광학(optics)”를 통해 정시, 원시, 근시, 그리고 노안은 무엇인지 알아보고 렌즈를 통과한 빛은 어떻게 굴절되는지 알아볼 예정입니다.

그 이해를 바탕으로 난시가 어떻게 발생하는지, 난시는 어떤 종류가 있는지 알게 되고 교정 방법까지 알 수 있습니다.

광원에서 시작된 빛은 처음에는 구면파를 보이다 점점 멀리 갈수록 그 곡률이 감소해 거의 “평평한 파면”이 됩니다.

위 그림을 보시면 처음 광원의 면이 구면을 띄지만, 멀리 갈수록 그 파면은 평평해 지는 것을 알 수 있습니다.

말이 어려워 그렇지,

호수 한 가운데 돌멩이를 던지면 위와 같이 동그란(구면) 파동을 보이지만 저 파동이 해안선에 올 때면 거의 일자 형태의 평평한 파도가 됩니다.

위 그림과 같이 광선은 구면파에 수직이므로 눈에 들어오는 광선들은 평행한 광선들이 됩니다.

즉, 결국 우리 눈에서 받아들이는 빛은 위와 같이 평행한 형태의 광선의 모습을 보입니다.

하지만 광원(물체)가 눈 가까이 오면

이렇게 발산하는 형태의 광선의 모습을 보입니다.

이런 광선을 어떻게 굴절시키느냐에 따라 정시, 원시, 근시, 난시 등이 발생하는데,

정시(emmetropia)

먼저 가장 기본이 되는 “정시正視”를 보겠습니다.

정시를 영어로는 emmetropia 라고 합니다.

정시는 멀리서 평행하게 들어온 빛을 꺾어 위 그림과 같이 망막(필름)에 한 점의 정확한 초점을 만들게 됩니다.

따라서 아주 선명한 상을 얻을 수 있는 상태랍니다.

가까운 거리의 경우 어떨까요?

먼 거리를 보고 있는 상태(먼 거리에 초점 = 비조절상태)에서의 모식도 입니다.

먼 거리로부터 온 빛(파란색)은 정확히 망막에 떨어지지만,

가까운 거리(빨간)는 망막 뒤에 초점이 맞춰지게 됩니다.

하지만 우리는 가까운 거리를 볼 수 있는 힘(조절력)이 있어 가까운 거리도 잘 볼 수 있습니다.

가까운 거리에서 조절력이 들어가면, 위와 같이 수정체가 두꺼워지고

이는 빛을 더 많이 굴절시켜 가까운 거리로부터 온 빛을 망막에 정확히 떨어뜨릴 수 있습니다.

따라서 가까운 거리를 잘 볼 수 있게 됩니다.

하지만 먼 거리는 반대로 망막 앞에 떨어지기 때문에 흐려보이게 되죠.

그래서 사람의 눈은 위 사진과 같이 가까운 거리(노트북)을 볼 때는 먼 거리(창가)는 흐리게 보입니다.

반대로 창가를 볼 때는 노트북이 흐려보입니다.

둘 다 동시에 선명하게 볼 수는 없습니다.

원시(Hyperopia)

흔히 먼 거리는 잘 보이는 상태로 알고 있는 “원시”는 어떤 상태일까요?

위와 같이 광선이 망막보다 뒤에 떨어지는 상태를 말합니다.

뒤에 떨어지는 이유는 여러가지가 있지만 가장 흔한 원인으로는 “눈의 길이(안축장)가 짧아서”입니다.

그림만 보면 원시는 먼 거리가 잘 안 보여야 할 것 같지만

앞서 설명드린 수정체를 두껍게 하는 “조절”이라는 과정을 통해 먼 거리를 잘 볼 수 있습니다.

(물론 심한 원시는 조절을 아무리 해도 안되어 안경을 써야만 합니다)

즉, 원시들은 항상 조절을 하고 있어야 합니다.

조절력이 아주 좋은 어릴때는 아무런 문제가 없지만 조절력이 떨어지기 시작하는 40대가 되면서 눈이 매우 피곤하고, 노안이 빨리 찾아오게 됩니다.

근시(Myopia)

근시는 원시와 반대로,

눈이 길어서 생기는 문제입니다.

위 그림과 같이, 멀리서 오는 빛(파랑)은 망막 앞에 떨어지기 때문에 먼 거리를 잘 볼 수 없습니다.

반면에 가까이서 오는 빛(빨강)은 망막에 떨어져 가까운 거리는 잘 보는 “근시”라는 이름이 생겼죠.

(아무런 조절 없이 잘 보이는 거기를 원점; far point 라고 합니다)

토릭의 이해(Toric)

지금까지는 굉장히 쉬운 내용이었습니다.

우리가 빛이 꺾이는 방향이 모두 동일한 구면(spherical)의 형태로만 이해했기 때문입니다.

구면이란, 위 그림과 같이 완벽한 구의 형태를 잘라 만든 렌즈라고 생각을 하시면 됩니다.

당연한 이야기가 되겠지만, 구의 형태는 모든 경선(meridian)이 동일한 굴절 값을 가집니다.

따라서 어디에서 빛이 들어오든 동일하게 빛이 굴절이 되므로 이해하기 어렵지 않습니다.

하지만,

우리 그렇게 완벽한 구의 형태를 가진 각막은 거의 없습니다.

원주(cylindrical)의 성격도 같이 가지고 있습니다.

원주렌즈란 위 그림과 같이 원통을 잘라 만든 렌즈라고 생각을 하면 쉽습니다.

이런 렌즈는 어떤 특징을 가질까요?

바로 한 방향의 굴절값만 가진다는 것인데,

위 그림과 같이 원주 렌즈의 방향(축)으로 들어오는 빛에 대해서는 굴절을 시키지만,

위 그림과 같이 축의 90도로 들어오는 빛에 대해서는 아무런 힘이 없어 굴절시키지 못합니다.

즉, 원주렌즈는 방향성을 가진다는 것이 구면렌즈와 가장 큰 차이가 있습니다.

구면 렌즈를 통과한 빛은 모든 방향에서 동일하게 굴절되어 수렴, 위와 같이 작은 점의 형태의 이미지를 형성할 수 있습니다.

반면에 원주 렌즈는 한쪽의 방향만 굴절을 시킬 수 있어 위 그림과 같이 한쪽만 줄어든 타원 형태 혹은 선 형태의 이미지를 만들게 됩니다.

우리의 눈은 이러한 구면 성질과 원주 성질이 적당히 섞여있습니다.

이러한 렌즈를

Sphero-cylindrical 렌즈

또는 Toric(토릭), 난시 렌즈라고 합니다.

그래서 항상 난시를 예를 들 때, 축구공과 비교해 럭비공을 난시가 있는 눈이라고 합니다.

Sturm of Conoid

Sturm의 코노이드는 빛이 굴절될 때 난시(Astigmatism)에 의해 형성되는 복잡한 초점 패턴을 설명하는 개념입니다.

이 개념은 난시의 광학적 문제를 이해하고 해결하는 데 핵심적인 역할을 하기 때문 다음 포스팅에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.