빛의 반사와 편광각

[머신비전 광학 기술 백서 #24] 빛의 반사와 편광각

 

지난 블로그에서 전기장의 진동방향이 일정하거나, 시간에 따라 일정하게 변하는 현상인 빛의 편광에 대해서 알아보았습니다. 이번 블로그에서는 빛이 진행하면서 다른 매질을 만나 반사/굴절하게 될 때, 편광의 특성이 어떻게 변하는지에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

 

시작하기 앞서 한가지 개념(기준)을 정리해야 합니다. 위의 그림을 보시면 입사파(incident light)가 진행을 하다가 매질이 다른 물질의 표면(incident surface)를 만나 반사와 굴절을 하게 됩니다. 이때 표면에 수직인 normal 벡터와 입사파가 이루는 평면을 입사면(plane of incidence)이라고 합니다. 이제 이 입사면을 기준으로 편광의 방향을 살펴 보도록 하겠습니다.

 

TM모드(P편광)/ TE모드(S편광)

TM은 Transverse Magnetic의 약자로 “자기장의 진동방향이 입사면을 가로지른다”(수직하다)라는 뜻입니다. 따라서 TM모드의 전기장 방향(편광방향)은 입사면과 평행한 상태입니다. 반대로, TE모드는 Transverse Electric의 약자로 “전기장의 진동방향이 입사면을 가로지른다”라는 뜻으로, 서로 수직인 상태입니다. 각각 전기장이 입사면과 평행, 수직이므로 P편광(parallel), S편광(senkrecht, 독일어로 수직)상태라고도 말하죠. 

 

편광각(Brewster angle)

 

이러한 TE, TM모드는 편광각을 설명하는데 필요한 개념입니다. 편광각이란 반사각과 굴절각의 합이 90°인 경우의 입사각을 말하는데, 빛이 이 각도로 입사하는 경우에 반사파는 S편광이 되게 됩니다. 이때 굴절파는 S편광, P편광이 섞여있으며, 편광각이 아닌 각으로 입사하는 경우에는 입사파, 굴절파 모두 S편광, P편광이 섞여 있습니다. 즉, 이러한 편광각을 이용하면 무편광의 빛 중에서 완전편광된 빛을 뽑아 낼 수 있게 되는 거죠. 19세기 초, 부르스터라는 사람이 발견하여 부르스터각 이라고도 합니다. (굴절률이 큰 매질에서 작은 매질로 진행할 때 임계각에서 전반사 되는 현상과 비슷한 부분이 있죠). 

이러한 편광각을 박막설계에 이용하면, 편광상태가 수직인 두 개의 빛으로 완전히 분리할 수 있습니다. 

 

 

 

위 그림에서 보시면, 무편광의 빛이 편광각으로 입사하여 약 15%정도의 intensity를 가진 빛은 S편광으로 반사가 되고 나머지는 흡수, 투과가 됩니다. 이 투과된 빛에 다시 박막을 편광각으로 위치시키면 또다시 15%의 빛이 S편광되어 반사되게 됩니다. 이 와 같은 방법으로 몇 겹의 박막을 제작하게 되면, 편광각을 이용하여 P편광, S편광을 분리할 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