굴절의 법칙 (스넬의 법칙)편집자 확인

빌레브로르트 스넬리우스는 1621년 빛의 굴절 현상을 체계적으로 연구하여 그 법칙을 발견했으나, 그의 연구 결과는 생전에 출판되지 않았다. 그는 굴절이 입사각과 굴절각의 사인(sine) 비율이 일정하다는 사실을 실험을 통해 확인했다. 당시에는 각도 자체의 비율이 일정하다고 여겨졌으나, 스넬은 각도의 사인값을 비교해야 정확한 관계가 성립함을 밝혀냈다.

스넬의 발견은 그의 사후인 1637년, 르네 데카르트가 저서 《방법서설》에 수록된 부록 〈굴절학〉에서 공식적으로 세상에 알려지게 되었다. 데카르트는 스넬의 연구 결과를 독립적으로 유도하거나 참고하여 자신의 방식으로 발표했는데, 이 과정에서 스넬의 업적에 대한 정확한 인정이 이루어지지 않아 우선권 논쟁이 발생하기도 했다. 스넬의 원고는 크리스티안 하위헌스에 의해 발견되어 그의 공로가 재조명되었다.

스넬이 발견한 관계식은 현대적인 표기로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 θ₁은 입사각, θ₂는 굴절각을 의미한다. 이 공식은 빛이 진공에서 물질로 들어갈 때뿐만 아니라, 서로 다른 두 물질의 경계면에서도 적용된다. 그의 작업은 기하학적 광학의 토대를 마련하는 중요한 계기가 되었다.

빌레브로르트 스넬리우스의 실험적 발견 이후, 르네 데카르트는 1637년 출판된 저서 《방법서설》의 부록 중 하나인 《굴절 광학》에서 굴절 현상을 독립적으로 연구하고 수학적 법칙으로 공식화했다. 데카르트는 빛의 본질을 설명하기 위해 에테르 가설을 사용했으며, 빛이 더 밀도 높은 매질로 들어갈 때 속도가 증가한다고 잘못 가정했다. 그의 이론에 따르면, 빛의 속도 변화가 굴절 각도를 결정하는 원인이었다.

데카르트는 기하학적 추론을 통해 굴절의 법칙을 유도했다. 그는 입사각과 굴절각의 사인 비가 두 매질의 광학적 밀도에 의해 결정되는 상수임을 보였다. 그의 공식은 현대적인 표기법으로 n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂와 동일하지만, 여기서 사용된 굴절률(n)의 물리적 의미는 속도와 관련하여 오늘날의 이해와 반대였다[3].

데카르트의 공식화는 순수한 기하학적 접근에서 비롯되었으며, 실험적 데이터보다는 이론적 추론에 더 의존했다. 이로 인해 스넬의 실험적 업적과 데카르트의 이론적 공식화 사이에 우선권 논쟁이 발생하기도 했다. 그러나 데카르트의 작업은 굴절 현상을 정량적으로 설명하는 체계적인 수학적 틀을 제공했다는 점에서 중요한 의미를 가진다.

이 공식화는 이후 피에르 드 페르마와 같은 과학자들에 의해 비판을 받으며, 올바른 물리적 해석을 찾는 과정을 촉발시켰다.

굴절의 법칙은 두 매질 사이의 경계면에서 빛이 진행 방향을 바꾸는 현상을 설명하는 법칙이다. 이 법칙은 입사각과 굴절각 사이의 관계를 수학적으로 정의한다.

굴절률과 각도의 관계는 굴절률이라는 물리량을 통해 표현된다. 제1매질의 굴절률을 n₁, 제2매질의 굴절률을 n₂라고 할 때, 입사각 θ₁과 굴절각 θ₂ 사이에는 n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂라는 관계가 성립한다. 이 공식은 스넬의 법칙의 핵심적인 수학적 표현이다. 굴절률이 큰 매질(밀한 매질)로 빛이 들어갈 경우, 굴절각은 입사각보다 작아지며, 법선 쪽으로 휘어 들어간다. 반대로 굴절률이 작은 매질(소한 매질)로 나갈 경우, 굴절각은 입사각보다 커지며, 법선에서 멀어지는 방향으로 휘어 나온다.

굴절률은 매질의 고유한 특성으로, 진공 중의 빛의 속도 대비 해당 매질 중의 빛의 속도의 비율로 정의된다. 따라서 굴절률이 클수록 빛이 그 매질을 통과하는 속도는 느려진다. 이 속도 차이가 굴절 현상의 근본적인 원인이다. 일반적으로 굴절률은 파장에 따라 달라지는데, 이러한 성질을 분산이라고 하며, 이로 인해 프리즘에서 백색광이 스펙트럼으로 분리되는 현상이 발생한다.

표에서 볼 수 있듯이, 물(n≈1.33)에서 공기(n≈1.00)로 빛이 진행할 때, 입사각이 특정 각도(임계각)보다 크면 전반사가 일어난다. 이는 굴절의 법칙에서 sinθ₂의 값이 1을 초과할 수 없기 때문에 발생하는 현상이다.

굴절의 법칙은 두 매질의 경계면에서의 입사각과 굴절각 관계를 나타내지만, 3차원 공간에서의 방향을 명확히 기술하기 위해 벡터 형태로 표현되기도 한다. 이 표현은 특히 컴퓨터 그래픽스나 광선 추적 알고리즘에서 광선의 경로를 계산할 때 유용하다.

굴절면의 법선 벡터를 $\hat{\mathbf{n}}$, 입사 광선의 단위 방향 벡터를 $\hat{\mathbf{i}}$, 굴절 광선의 단위 방향 벡터를 $\hat{\mathbf{t}}$라고 하자. 또한 두 매질의 굴절률을 각각 $n_1$, $n_2$라 할 때, 굴절의 법칙의 벡터 공식은 다음과 같이 유도된다.

굴절광의 방향 벡터 $\hat{\mathbf{t}}$는 다음 공식으로 구할 수 있다.

$$\hat{\mathbf{t}} = \frac{n_1}{n_2} \hat{\mathbf{i}} + \left( \frac{n_1}{n_2} \cos \theta_i - \cos \theta_t \right) \hat{\mathbf{n}}$$

여기서 $\cos \theta_i = -\hat{\mathbf{i}} \cdot \hat{\mathbf{n}}$, $\cos \theta_t = \sqrt{1 - \left(\frac{n_1}{n_2}\right)^2 (1 - \cos^2 \theta_i)}$ 이다. 이 공식은 스넬의 법칙 $\sin \theta_t = (n_1 / n_2) \sin \theta_i$를 벡터 연산으로 풀어쓴 것이다.

이 벡터 표현은 3차원 공간에서 임의의 방향으로 입사하는 광선에 대한 굴절 방향을 직접 계산할 수 있게 해준다. 또한 $n_1 > n_2$이고 입사각이 임계각보다 클 때, $\cos \theta_t$ 값이 허수가 되어 전반사가 발생함을 수학적으로 보여준다.

굴절의 법칙은 파동의 성질을 통해 자연스럽게 설명된다. 빛을 전자기파로 보는 파동 광학 관점에서, 굴절은 서로 다른 매질에서 파동의 속도가 변하기 때문에 발생하는 현상이다. 빛이 한 매질에서 다른 매질로 진행할 때, 매질의 굴절률은 진공에서의 빛의 속도 대비 그 매질에서의 빛의 속도 비율로 정의된다. 따라서 굴절률이 높은 매질일수록 빛의 속도는 느려진다.

파면의 접근법을 사용하면 이 현상을 명확히 이해할 수 있다. 평면파가 경계면에 비스듬히 입사할 때, 파면의 한쪽 끝이 먼저 새로운 매질에 도달하여 속도가 변한다. 이로 인해 파면의 방향이 바뀌게 되는데, 이 방향의 변화가 바로 굴절이다. 구체적으로, 입사각과 굴절각의 사인 비는 두 매질에서의 파동 속도 비, 즉 굴절률의 역비와 같다. 이 관계는 스넬의 법칙의 수학적 표현과 정확히 일치한다.

이러한 파동 모델은 빛의 간섭이나 회절 같은 다른 현상들과도 일관되게 설명할 수 있는 강력한 틀을 제공한다. 또한, 파동의 주파수는 매질이 바뀌어도 변하지 않지만, 속도와 파장은 굴절률에 반비례하여 변화한다는 점도 유도된다[4].

페르마의 원리는 빛이 한 점에서 다른 점까지 이동할 때, 소요 시간이 극값(최소값 또는 최대값, 때로는 변분값)을 취하는 경로를 따라 진행한다는 원리이다. 이는 굴절의 법칙을 포함한 기하광학의 기본 법칙들을 매우 우아하게 유도할 수 있는 일반적인 원리로 작용한다. 페르마의 원리에 따르면, 빛은 가장 빠른 경로가 아닐 수도 있으나, 주변 경로에 비해 시간이 변하지 않는(정류하는) 경로를 선택한다[5].

굴절 현상에 페르마의 원리를 적용하면 굴절의 법칙을 유도할 수 있다. 서로 다른 굴절률 n₁과 n₂를 가진 두 매질의 경계면을 통과할 때, 빛은 실제 경로보다 더 짧은 직선 경로를 선택하지 않는다. 대신, 속도가 느린 매질(n₂, v₂ = c/n₂)에서의 이동 거리를 줄이고, 속도가 빠른 매질(n₁, v₁ = c/n₁)에서의 이동 거리를 늘리는 경로를 선택하여 전체 이동 시간을 최소화한다. 이 조건을 수학적으로 풀면, 입사각 θ₁과 굴절각 θ₂ 사이에 n₁ sinθ₁ = n₂ sinθ₂ 관계가 성립함을 보일 수 있다.

페르마의 원리는 빛의 경로가 최소 시간의 원리에 따른다는 고전적인 설명을 넘어, 파동 광학의 관점에서도 해석될 수 있다. 빛을 파동으로 보았을 때, 이 원리는 서로 다른 가능한 경로들을 따라 진행하는 파동들이 도착점에서 보강 간섭을 일으키기 위한 조건과 동등하다. 즉, 정류 경로 근처의 경로들에 대해서는 위상차가 거의 발생하지 않아 파동들이 서로 더해지지만, 다른 경로들은 상쇄 간섭을 일으킨다. 이로 인해 빛은 마치 그 경로만을 따라가는 것처럼 관찰된다.

빛의 굴절 현상은 에너지 보존 법칙의 관점에서도 설명할 수 있다. 빛이 서로 다른 매질의 경계면을 통과할 때, 입사하는 빛의 에너지 흐름은 반사와 굴절로 나뉘지만, 그 총합은 보존된다. 이는 경계면에서 에너지가 새로 생성되거나 소멸하지 않는다는 원리를 반영한다.

구체적으로, 입사광의 세기(I_i)는 반사광의 세기(I_r)와 굴절광의 세기(I_t)의 합과 같아야 한다. 이 관계는 각 매질의 굴절률과 입사각, 반사각, 굴절각을 통해 정량적으로 표현된다. 예를 들어, 수직으로 편광된 빛의 경우, 에너지 보존은 프레넬 방정식[6]을 통해 반사율(R = I_r / I_i)과 투과율(T = I_t / I_i)의 합이 1(R + T = 1)이 되어야 함을 보여준다.

이러한 에너지 보존 관계는 스넬의 법칙이 단순히 경로의 기하학을 설명하는 것을 넘어, 물리적 과정에서 근본적인 보존 법칙이 지켜지고 있음을 보여준다. 따라서 굴절각이 입사각과 굴절률에 의해 결정되는 것은, 에너지가 보존되는 방식으로 빛의 진행 방향이 조정되는 결과로 해석된다.

렌즈 설계는 굴절의 법칙을 기반으로 빛의 경로를 정밀하게 제어하여 원하는 상을 형성하는 공학 분야이다. 렌즈의 곡률 반경, 두께, 재료의 굴절률을 설계함으로써 빛을 모으거나(수렴) 퍼뜨리는(발산) 효과를 만들어낸다. 단일 렌즈보다는 여러 개의 렌즈를 조합한 렌즈 군을 설계하여 수차를 보정하고 화질을 극대화하는 것이 일반적이다.

렌즈 설계의 핵심은 빛이 렌즈 표면을 통과할 때의 입사각과 굴절각을 굴절의 법칙에 따라 계산하는 것이다. 설계자는 목표하는 초점 거리, 시야각, 해상도 등을 설정하고, 이를 달성하기 위한 각 렌즈 요소의 모양과 배열을 최적화한다. 이 과정에서 컴퓨터 지원 설계 소프트웨어가 광선 추적 기법을 사용하여 수백만 개의 광선 경로를 시뮬레이션한다.

현대의 정밀 광학 시스템, 예를 들어 카메라 렌즈, 현미경, 망원경, 반도체 포토리소그래피 장비 등은 모두 굴절의 법칙을 정교하게 적용한 설계의 결과물이다. 특히 고배율 현미경이나 천체 망원경에서는 극복해야 할 수차가 많기 때문에, 단순한 구면 렌즈가 아닌 복잡한 비구면 렌즈와 다중 군 렌즈 구조가 필수적으로 사용된다.

광섬유 통신은 굴절의 법칙과 전반사 현상을 핵심 원리로 활용하여 정보를 전송하는 기술이다. 광섬유는 중심부의 코어와 이를 둘러싼 클래딩으로 구성되며, 코어의 굴절률이 클래딩보다 높게 설계된다. 이 굴절률 차이 덕분에 코어 내부로 입사된 빛은 코어-클래딩 경계면에서 계속해서 전반사를 일으키며, 광섬유의 길이를 따라 손실 없이 전파될 수 있다.

광섬유 통신 시스템의 성능은 굴절률 분포에 크게 의존한다. 크게 두 가지 형태가 존재한다.

이 기술은 기존의 구리선 통신에 비해 대역폭이 넓고, 전자기 간섭에 강하며, 장거리 전송에서 신호 감쇠가 매우 적다는 장점을 가진다. 따라서 인터넷 백본 네트워크, 장거리 전화 회선, 고속 데이터 센터 연결 등 현대 통신 인프라의 근간을 이루고 있다.

프리즘은 굴절의 법칙을 이용하여 복합 빛을 그 구성 색깔로 분리하는 도구이다. 이 현상을 분산이라고 부른다. 분산이 일어나는 이유는 굴절률이 빛의 파장에 따라 달라지기 때문이다. 일반적으로 가시광선 영역에서 유리나 물질의 굴절률은 파장이 짧은 보라색 빛에서 가장 크고, 파장이 긴 빨간색 빛에서 가장 작다[8].

빛이 프리즘의 한 면에 비스듬히 입사하면, 프리즘 내부로 굴절되어 진행한다. 이때 파장에 따른 굴절률의 차이로 인해 각 색깔의 빛은 서로 다른 각도로 굴절된다. 이후 빛이 프리즘의 다른 면을 통과하여 다시 공기 중으로 나올 때, 한 번 더 굴절이 발생하며 분리가 더욱 두드러지게 된다. 결과적으로 프리즘을 통과한 빛은 무지개와 같은 스펙트럼으로 퍼져 나간다.

프리즘 분광은 과학 연구에서 중요한 분석 도구로 활용된다. 예를 들어, 어떤 물질이 방출하거나 흡수하는 빛의 스펙트럼을 분석함으로써 그 물질의 구성 성분을 알아낼 수 있다. 이는 천문학에서 별의 구성 원소를 분석하거나, 화학에서 미지의 물질을 동정하는 데 핵심적인 방법이다. 또한, 프리즘 분광기를 통해 정밀한 파장 측정이 가능하다.

이러한 분광 기술은 현대에 이르러 회절 격자와 같은 다른 원리를 이용한 장치들도 개발되었지만, 프리즘을 이용한 분광법은 여전히 기본 원리를 이해하고 간단한 실험을 수행하는 데 널리 사용된다.

굴절의 법칙에 따르면, 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 진행할 때, 입사각이 증가함에 따라 굴절각도 증가한다. 이때, 굴절각이 90°가 되는 특정한 입사각이 존재하며, 이 각을 임계각이라고 부른다. 입사각이 이 임계각보다 더 커지면, 굴절이 일어나지 않고 모든 빛이 경계면에서 완전히 반사되는 현상이 발생한다. 이를 전반사라고 한다.

전반사가 일어나기 위한 조건은 두 가지이다. 첫째, 빛이 굴절률이 높은 매질(예: 유리나 물)에서 굴절률이 낮은 매질(예: 공기)로 진행해야 한다. 둘째, 입사각이 임계각보다 커야 한다. 임계각(θ_c)은 두 매질의 굴절률 n₁과 n₂ (n₁ > n₂)를 이용해 sinθ_c = n₂/n₁ 으로 계산된다. 예를 들어, 유리(n₁ ≈ 1.5)에서 공기(n₂ ≈ 1.0)로의 임계각은 약 41.8°이다.

이 현상은 에너지 손실이 거의 없이 빛을 가둘 수 있어 매우 중요한 응용 분야를 가진다. 대표적인 예가 광섬유 통신이다. 광섬유의 중심부인 코어는 굴절률이 높고, 이를 둘러싼 클래딩은 굴절률이 낮게 설계된다. 코어 내부에서 진행하는 빛이 코어-클래딩 경계면에 임계각보다 큰 각도로 입사하면 전반사가 반복되어 빛이 광섬유 내부를 따라 먼 거리를 이동할 수 있다. 또한, 전반사 프리즘은 일반 거울과 달리 반사면에 은도금이 필요 없어, 망원경이나 쌍안경과 같은 광학 기기에 사용된다.

굴절률이 음의 값을 가지는 물질에서 관측되는 현상이다. 일반적인 물질의 굴절률은 양수이지만, 특정 조건과 구조를 가진 메타물질에서는 전자기파의 위상 속도가 음의 방향으로 진행하는 것처럼 행동하여 굴절률이 음수가 될 수 있다. 이 경우 입사광은 굴절의 법칙이 예측하는 일반적인 방향과는 반대편으로 굴절되는 독특한 현상을 보인다.

음의 굴절률을 나타내기 위해서는 물질의 유전율과 투자율이 동시에 음의 값을 가져야 한다. 이러한 특성을 갖춘 물질은 자연계에 존재하지 않아, 인공적으로 설계된 메타물질을 통해 구현된다. 메타물질은 파장보다 작은 크기의 구조를 주기적으로 배열하여, 빛과의 상호작용을 조절하고 자연계에서는 발견되지 않는 전자기적 특성을 부여한다.

음의 굴절률 물질은 여러 가지 놀라운 응용 가능성을 제시한다. 가장 주목받는 것은 완전 렌즈의 구현이다. 일반 렌즈는 회절 한계로 인해 물체보다 작은 세부 구조를 분해할 수 없지만, 음의 굴절률을 이용한 완전 렬즈는 이론적으로 이 한계를 뛰어넘어 초고해상도 이미징을 가능하게 한다[10]. 또한, 투명 망토와 같은 은폐 기술의 핵심 원리로도 연구되고 있다.

이 분야는 1968년 빅토르 베셀라고가 이론적으로 그 가능성을 처음 제안했으며, 2000년대 초반 데이비드 R. 스미스 연구팀이 마이크로파 영역에서 최초로 실험적으로 증명하면서 본격적인 연구가 시작되었다. 현재는 가시광선 영역으로 그 적용 범위를 확장하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

굴절의 법칙을 검증하는 실험은 비교적 간단한 장치로 수행할 수 있다. 핵심 장치는 광원, 투명한 매질이 들어 있는 용기, 그리고 각도를 측정할 수 있는 장치로 구성된다. 가장 일반적으로 사용되는 장치는 반원형 프리즘 또는 평평한 면이 있는 직사각형 광학 수조이다. 광원으로는 레이저 포인터나 협착된 빛을 내는 백열등을 사용하며, 빛의 경로를 명확히 보기 위해 약간의 연기를 분사하거나 수조에 우유를 약간 섞기도 한다.

각도 측정을 위해 용기 주변에 각도기가 부착된 원형 각도판을 배치한다. 실험 과정은 먼저 광원을 특정 입사각으로 매질에 조사한 후, 매질 내부 또는 외부로 나오는 굴절된 빛의 경로를 관찰하고 각도판의 눈금을 읽어 입사각과 굴절각을 기록하는 것이다. 매질로는 물, 유리, 아크릴판, 공기 등 다양한 물질을 사용하여 서로 다른 굴절률에 따른 굴절각의 변화를 관찰한다.

보다 정밀한 측정을 위해서는 광검출기와 회전 스테이지를 이용한 자동화된 실험 장치를 구성하기도 한다. 이 경우 광원과 검출기가 각도판에 정렬되어 고정되고, 시료가 놓인 회전 스테이지를 컴퓨터로 제어하여 입사각을 변화시키면서 굴절된 빛의 세기를 연속적으로 기록한다. 이를 통해 굴절각을 매우 정확하게 결정할 수 있으며, 스넬의 법칙의 수학적 관계를 그래프로 나타내어 검증하는 데 유용하다.

실험을 통해 측정한 입사각과 굴절각 데이터는 일반적으로 굴절의 법칙을 검증하는 데 사용됩니다. 가장 기본적인 분석 방법은 측정값을 스넬의 법칙 수식, 즉 n₁sinθ₁ = n₂sinθ₂에 직접 대입하여 굴절률 n을 계산해 보는 것입니다. 각 매질의 굴절률이 알려져 있다면, 측정된 각도로 계산한 좌변과 우변의 값이 일치하는지 확인할 수 있습니다.

데이터의 정량적 분석을 위해 그래프를 그리는 방법이 널리 사용됩니다. 입사각의 사인값(sin θ₁)을 x축으로, 굴절각의 사인값(sin θ₂)을 y축으로 하여 데이터 점들을 표시합니다. 굴절의 법칙이 성립한다면, 이 점들은 원점을 지나는 직선 위에 놓이며, 그 직선의 기울기는 두 매질의 굴절률 비, 즉 n₁/n₂의 값이 됩니다. 이 직선성을 확인하는 것은 법칙의 타당성을 보여주는 강력한 증거입니다.

실험 오차는 필연적으로 존재하므로, 데이터 분석 시 이를 고려해야 합니다. 각도 측정의 불확실성, 광선의 두께, 계면의 정렬 오차 등이 주요 오차 원인입니다. 최소제곱법과 같은 통계적 방법을 통해 최적의 직선을 맞추고, 그 기울기와 절편의 불확실성을 평가함으로써 실험의 정밀도를 높일 수 있습니다. 최종적으로 실험을 통해 구한 굴절률 값이 문헌에 보고된 표준값과 일치하는지 비교하여 실험의 정확도를 판단합니다.

반사의 법칙은 빛이나 다른 파동이 매질의 경계면에서 반사될 때, 입사각과 반사각의 관계를 설명하는 기본 법칙이다. 이 법칙에 따르면, 입사각은 반사각과 항상 같으며, 입사광선, 반사광선, 그리고 경계면의 법선은 모두 같은 평면 위에 존재한다[12].

반사의 법칙은 굴절의 법칙과 함께 기하광학의 근간을 이루며, 거울, 반사경, 광학계 설계 등 광학 기술의 기본 원리로 널리 활용된다. 이 법칙은 빛을 광자의 입자로 보는 관점에서도, 파동으로 보는 관점에서도 동일하게 성립한다. 경계면에서의 반사는 매질의 특성에 따라 정반사와 난반사로 구분되지만, 반사의 법칙은 주로 매끄러운 표면에서 일어나는 정반사에 적용된다.

반사의 법칙은 빛에 국한되지 않고, 소리 파동인 음파나 물의 파동과 같은 모든 종류의 파동 현상에 적용되는 보편적인 법칙이다. 또한, 이 법칙은 페르마의 원리에 의해 설명될 수 있으며, 이는 빛이 두 점 사이를 이동할 때 소요 시간이 최소가 되는 경로를 선택한다는 원리이다.

회절은 파동이 장애물의 모서리나 좁은 틈을 지날 때, 파면이 휘어지거나 퍼져나가는 현상을 가리킨다. 이는 파동의 고유한 성질이며, 굴절의 법칙과는 구별되는 독립적인 현상이다. 굴절이 서로 다른 매질의 경계면에서 파동의 진행 방향이 변하는 것이라면, 회절은 단일 매질 내에서 장애물에 의해 파동의 전파 형태가 변하는 것이다.

회절 현상은 파동의 파장과 장애물의 크기가 비슷할 때 두드러지게 관찰된다. 예를 들어, 가시광선의 파장(수백 나노미터)보다 훨씬 큰 구멍을 통과할 때는 빛이 직진하여 뚜렷한 그림자를 만들지만, 파장과 비슷한 크기의 아주 좁은 슬릿을 통과하면 빛이 퍼져나가 간섭 무늬를 형성한다[13]. 이 현상은 크리스티안 하위헌스의 2차 파동 원리로 정성적으로 설명할 수 있으며, 오귀스탱 장 프레넬에 의해 수학적으로 정교하게 발전되었다.

회절과 굴절은 광학 시스템에서 종종 함께 작용한다. 렌즈의 가장자리에서 발생하는 회절은 렌즈의 분해능을 제한하는 요인이 된다. 이는 렌즈의 구경이 유한하기 때문에, 렌즈를 통과하는 빛이 회절을 일으켜 점상(點像)이 퍼지기 때문이다. 또한, 프리즘을 이용한 분광에서도 프리즘 표면의 굴절로 인한 색분산과 더불어, 프리즘의 끝단에서의 회절 효과가 분해능에 영향을 미칠 수 있다.