안녕하세요. 이수민 전문가입니다.
렌즈 공식 1/a + 1/b = 1/f에 물체 거리 a = 2f를 넣으면 1/b = 1/f − 1/(2f) = 1/(2f)가 되어, 상도 렌즈 반대편 2f 지점에 생겨요. 배율은 m = −b/a = −1이라서 크기는 물체와 똑같고, 마이너스 부호는 위아래가 뒤집혔다는 뜻이에요. 렌즈를 통과한 빛이 실제로 한 점에 모여 만든 상이라 스크린에 맺을 수 있는 실상이고, 물체와 같은 크기의 도립 실상이 돼요.
물체 꼭대기에서 광축과 나란히 나간 빛은 렌즈를 지나 반대편 초점을 통과하고, 렌즈 중심을 지나는 빛은 꺾이지 않고 직진해요. 두 빛은 반대편 2f 위치에서, 광축 아래로 물체 높이만큼 내려간 지점에서 만나요. 물체와 상이 렌즈를 기준으로 완전히 대칭을 이뤄요.
물체를 2f보다 멀리 두면 상은 f와 2f 사이에 작게 맺히고, f와 2f 사이에 두면 2f 바깥에 크게 맺혀요. 2f 위치는 그 경계여서 물체와 상 사이 거리가 4f로 가장 짧아지고, 실험실에서는 스크린에 같은 크기의 상이 맺히는 위치를 찾아 렌즈의 초점 거리를 재기도 해요 :)