편광 Polarization

[머신비전 광학 기술 백서 #23] 편광 Polarization

 

위 그림과 같이, 빛(전자기파)은 진행방향에 대해 수직한 평면에서 전기장과 자기장이 수직으로 진동하며 나아가는 횡파입니다. 이 때, 레이저를 제외한 모든 빛은 사방으로 전자기장이 진동하는 무편광된 빛입니다. 즉 편광이란, 빛이 진행할 때 전기장 진동방향이 시간이 변하더라도 한쪽으로 일정한 경우를 말하죠. 이러한 편광은 파장(색), 진폭(밝기)과 마찬가지로 빛의 특성 중 하나로, 가깝게는 선글라스 혹은 3D안경으로부터, 머신비전 Imaging에까지 다양하게 활용됩니다. 

 

편광의 종류

• 선형편광(선평광 또는 평면편광)

 

위 그림은 왼쪽의 무편광 된 빛이 편광자를 지나면서 오른쪽의 선편광이 되는 현상을 나타낸 것입니다. 오른쪽 그림을 보면 시간에 따른 전기장의 진동방향이 선형으로 일정하기 때문에 선편광이라고 하죠. 빛이 얼마나 편광이 잘 되었나 하는 정도는 Polarization ratio(편광비) 혹은 Degree of Polarization(편광도) 로 나타낼 수 있습니다. 

먼저 편광비는, 광선다발 중 편광이 많이 된 방향과 이에 수직인 방향에 빛의 선속밀도의 비로 나타내며, 주로 레이저 스펙에 표현이 되어 있습니다. 편광도는 편광판을 돌려가며 빛의 최대, 최소 세기를 측정하여, 다음과 같은 식으로 구할 수 있습니다. 

이 값이 0일 때 무편광 빛, 1일 때 완전 선편광, 그 사이 값일 때 부분편광된 빛이라 합니다.

• 원편광

 

전기장의 진동방향이 시간에 따라 일정하게 변하는, 즉 원을 그리는 편광형태도 있습니다. 이러한 편광을 원편광이라고 합니다. 원편광은, 서로 수직하며 진폭이 같은 두 전기장이 π/2 의 위상차를 가지고 진행하는 경우 생기게 됩니다. 무편광인 자연광에서 이러한 특수상황이 만들어 질리는 없겠죠? 

위상지연자라는 광학부품으로 원편광을 만들 수 있습니다. 위상지연자는, 방해석 같은 결정이 빛의 편광방향에 따라 진행속도가 달라지는 것을 이용한 것으로, 결정의 방향과 두께로 빛의 편광상태를 바꿀 수 있습니다. 적절히 이용하면 선편광의 방향을 바꾸거나, 선평광을 원편광 혹은 타원편광으로 바꿀 수 있습니다. 

• 타원편광

타원편광의 경우 서로 수직하며 진폭이 다른, π/2의 위상차를 가진 두 전기장이 합성되거나, 서로 수직하고 진폭이 같으며, 위상차가 π/2, π, 3 π/2, 2 π의 위상차가 아닌 경우, 합성파는 타원 편광을 보이게 됩니다. 위 위상지연자의 두께를 사용하는 빛의 파장에 대해 적절히 조절하면 원하는 선편광, 원편광, 타원편광을 얻을 수 있습니다. 

 

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필진 소개

 

정세영, Sam Jung (앤비젼 제품 기획팀/광학 담당) 광학에 관한 이론은 간단하게, 현상은 조금 더 깊게, 복잡한 것들은 더 쉽게 설명하는 Optic Solution manager