편광 개요

빛의 편광을 이해하고 제어하는 것은 많은 광학 어플리케이션에서 매우 중요합니다. 광학 설계는 종종 빛의 파장과 강도에 초점을 맞추지만 편광은 무시합니다. 그러나 편광은 명시적으로 편광을 측정하지 않는 광학 시스템에도 영향을 미치는 빛의 중요한 특성입니다. 빛의 편광은 레이저 빔의 초점과 필터의 Cut-Off 파장에 영향을 미치며, 원치 않는 후방 반사를 방지하는 데 중요할 수 있습니다. 글래스 또는 플라스틱의 응력 분석, 의약품 성분 분석, 생물학 현미경 등 다양한 계측 어플리케이션에 필수적입니다. 또한 소재에 따라 빛의 다양한 편광을 여러 각도로 흡수할 수 있는데, 이는 LCD 화면, 3D 영화, 빛번짐 방지 선글라스에 필수적인 특성입니다.

편광 이해하기

빛은 전자기파이며, 이 파동의 전기장은 전파 방향에 수직으로 진동합니다. 이 전기장의 방향이 시간에 따라 무작위로 변동하는 경우 비편광 빛이라고 합니다. 햇빛, 할로겐 조명, LED 스폿 라이트, 백열등과 같은 일반적인 광원 다수가 비편광 빛을 생성합니다. 빛의 전기장 방향이 명확하게 정의되어 있는 경우 편광 빛이라고 합니다. 가장 흔한 편광 빛의 원천은 레이저입니다.

전기장의 방향에 따라 편광 빛을 세 가지 유형의 편광으로 분류합니다.

선형 편광: 빛의 전기장이 전파 방향을 따라 단일 면으로 제한됩니다(그림 1).
원형 편광: 전기장이 서로 수직을 이루며 진폭은 같지만 π/2의 위상차를 갖는 두 개의 선형 성분으로 구성됩니다. 최종 전기장은 전파 방향을 중심으로 원을 그리며 회전하고, 회전 방향에 따라 좌원형 편광 빛 또는 우원형 편광 빛이라고 합니다(그림 2).
타원 편광: 빛의 전기장이 타원을 그립니다. 진폭이 서로 다르거나 π/2가 아닌 위상차를 갖는 두 선형 성분의 결합으로 인해 발생합니다. 이는 편광 빛의 가장 일반적인 형태이며, 원형 및 선형 편광 빛은 타원 편광 빛의 특수한 경우로 볼 수 있습니다(그림 3).

그림 1: 선형 편광 빛의 전기장은 전파 방향을 따라 y-z 면(왼쪽)과 x-z 면(오른쪽)으로 제한됩니다.

그림 2: 선형 편광 빛의 전기장(왼쪽)은 진폭이 같고 위상차가 없는 두 개의 수직 선형 성분으로 구성됩니다. 그에 따른 전기장 파동은 y = x 면을 따라 전파됩니다. 원형 편광 빛의 전기장(오른쪽)은 진폭이 같고 위상차가 π/2 또는 90°인 두 개의 수직 선형 성분으로 구성됩니다. 그에 따른 전기장 파동은 원형으로 전파됩니다.

그림 3: 원형 전기장(왼쪽) 안에는 진폭이 같고 위상차가 π/2 또는 90°인 두 개의 성분이 있습니다. 그러나 두 성분의 진폭이 다르거나 π/2 이외의 위상차가 있는 경우에는 타원 편광 빛(오른쪽)이 생성됩니다.

반사와 투과에 가장 중요한 두 가지 직교 선형 편광 상태를 P-편광과 S-편광이라고 합니다. P-편광(독일어 parallel에서 유래) 빛은 입사면에 평행하게 편광된 전기장을 가지며, S-편광(독일어 senkrecht에서 유래) 빛은 입사면에 수직으로 편광됩니다.

그림 4: P-편광과 S-편광은 입사면에 대한 상대적 방향으로 정의되는 선형 편광입니다.

편광 제어하기

폴라라이저

특정 편광을 선택하기 위해 폴라라이저가 사용됩니다. 폴라라이저는 크게 반사, 다이크로익 및 복굴절 폴라라이저로 구분할 수 있습니다. 어플리케이션에 맞는 폴라라이저 유형에 대한 자세한 내용은 폴라라이저 선택 가이드에서 찾을 수 있습니다.

반사 폴라라이저는 원하는 편광만 투과시키고 나머지는 반사합니다. 와이어 그리드 폴라라이저가 대표적인 예로, 서로 평행하게 배열된 여러 개의 얇은 와이어로 구성됩니다. 와이어를 따라 편광된 빛은 반사되고, 와이어에 수직으로 편광된 빛은 투과합니다. 다른 반사 폴라라이저는 브루스터 각을 사용합니다. 브루스터 각은 S-편광 빛만 반사되는 특정 입사각입니다. 반사된 빔은 S-편광으로 편광되고 투과된 빔은 부분적으로 P-편광으로 편광됩니다.

다이크로익 폴라라이저는 특정 편광을 흡수하고 나머지는 투과시킵니다. 최신 나노입자 폴라라이저가 다이크로익 폴라라이저입니다.

복굴절 폴라라이저는 굴절률이 빛의 편광에 따라 달라진다는 점을 이용합니다. 편광에 따라 굴절 각도가 달라지며, 이를 이용하여 특정 편광을 선택할 수 있습니다.

비편광 빛은 P-편광과 S-편광이 빠르게 무작위로 조합되는 것이라고 보면 됩니다. 적절한 선형 폴라라이저는 두 선형 편광 중 하나만 투과시켜 초기 비편광 강도 I₀을 절반으로 줄입니다.

(1)$$ I = \frac{I_0}{2} $$

강도가 I₀인 선형 편광 빛의 경우, 적절한 폴라라이저를 투과한 강도 I는 말류스의 법칙으로 설명할 수 있습니다.

(2)$$ I = I_0 \cos ^2{\theta} $$

여기서 θ는 입사 선형 편광과 편광 축 사이의 각도입니다. 평행 축의 경우 투과율이 100%인 반면, 교차 폴라라이저라고도 하는 90° 축의 경우 투과율은 0%입니다. 실제 어플리케이션에서는 투과율이 정확히 0%에 도달하는 경우가 없으므로 폴라라이저는 소광비로 규정됩니다. 소광비를 사용하여 두 교차 폴라라이저의 실제 투과율을 파악할 수 있습니다.

웨이브플레이트

폴라라이저는 다른 편광을 버리면서 특정 편광만 선택하는 반면, 적절한 웨이브플레이트는 빔의 감쇠, 경로 이탈, 위치 변경 없이 기존 편광을 수정합니다. 이는 편광의 한 구성 요소와 직교하는 다른 구성 요소를 상대적으로 지연시킴으로써 구현됩니다. 어플리케이션에 가장 적합한 웨이브플레이트를 선택하는 데 도움이 되도록 웨이브플레이트 이해하기를 확인해 보세요. 올바르게 선택된 웨이브플레이트는 모든 편광 상태를 새로운 편광 상태로 변환할 수 있습니다. 선형 편광을 회전시키거나, 선형 편광 빛을 원형 편광 빛으로 또는 그 반대로 변환하는 데 가장 많이 사용됩니다.

어플리케이션

편광 제어를 구현하는 것은 다양한 이미징 어플리케이션에서 유용할 수 있습니다. 폴라라이저는 산란되는 빛으로 인한 빛번짐을 방지하고, 콘트라스트를 높이고, 반사 피사체에서 핫스폿을 제거하기 위해 광원, 렌즈 또는 둘 다에 배치됩니다. 덕분에 색상이나 콘트라스트가 더욱 강렬해지거나, 표면 결함이나 기타 숨겨진 구조를 더 잘 식별할 수 있게 됩니다.

반사 핫스폿 및 빛번짐 감소

그림 5에서는 혼란을 일으키는 빛번짐을 제거하여 전자 칩을 명확하게 볼 수 있도록 선형 폴라라이저를 머신 비전 시스템의 렌즈 앞에 배치했습니다. 왼쪽 이미지(폴라라이저 사용 안 함)는 피사체와 카메라 센서 사이의 여러 글래스 표면에서 산란되는 무작위 편광 빛을 보여줍니다. 칩의 상당 부분이 비편광 빛의 프레넬 반사로 인해 가려집니다. 오른쪽 이미지(폴라라이저 사용)에 나와 있는 칩은 빛번짐이 없어 피사체 디테일이 가려지지 않습니다. 따라서 방해 없이 칩을 보고, 분석하고, 측정할 수 있습니다.

그림 5: 폴라라이저를 머신 비전 카메라의 렌즈 앞에 배치하여 렌즈와 전자 칩 사이의 반사 표면에서 비롯된 미광을 줄입니다.

그림 6에서도 같은 현상을 확인할 수 있습니다. 왼쪽 이미지(폴라라이저 사용 안 함)에서는 햇빛에서 나오는 비편광 빛이 에드몬드옵틱스 건물의 창문과 상호작용하며, 이 빛의 대부분은 창문에서 반사됩니다. 오른쪽 이미지에서는 편광 필터가 적용되어 한 편광 유형에서 강한 반사광이 카메라 센서에서 차단되도록 하고, 사진작가가 다른 편광 유형을 사용하여 건물 내부를 좀 더 쉽게 볼 수 있도록 합니다.

그림 6: 폴라라이저를 DSLR 카메라 렌즈 앞에 배치하여 부분적으로 반사되는 식물 잎 표면에서 비롯된 빛번짐을 줄입니다.

폴라라이저가 반사로 인한 빛번짐을 어떻게 줄이는지 확인할 수 있는 또 다른 예시는 수면을 관찰하는 것입니다. 그림 7에서는 왼쪽 이미지의 수면이 반사되어 수면 아래의 모습을 가립니다. 그러나 오른쪽 이미지에서는 담수 바닥에 있는 돌 잔해가 훨씬 더 선명하게 보입니다.

그림 7: 폴라라이저를 DSLR 카메라 렌즈 앞에 배치하여 부분적으로 반사되는 수면에서 비롯된 빛번짐을 줄입니다.

핫스폿은 확산 반사 필드 내에서 반사율이 높은 부분입니다. 그림 8에서는 핫스폿을 줄이기 위해 폴라라이저를 카메라 렌즈 앞 그리고 대상을 비추는 광원 위에 배치했습니다.

그림 8: 선형 폴라라이저 하나를 광원 위에 배치하고, 첫 번째 폴라라이저에 수직 방향인 또 다른 폴라라이저를 카메라 렌즈 위에 배치하여 핫스폿을 제거합니다.

수직으로 배치된 두 선형 폴라라이저를 사용하여 빛을 교차 편광시킴으로써 핫스폿을 줄이거나 완전히 없앨 수 있습니다.

그림 9: 이 이미징 방식은 산란, 빛번짐, 핫스폿을 제거하거나 줄이는 한 가지 방법입니다. 광원은 폴라라이저에 의해 편광되며, 이미징 처리될 반사광은 이번엔 분석기에 의해 한 번 더 편광됩니다.

두 폴라라이저의 편광 축 사이의 각도 차이는 폴라라이저 세트의 전체 빛 감쇠량과 직접적인 관련이 있습니다. 각도 오프셋을 변경하여 폴라라이저 세트의 광학 밀도를 조절하면 ND(Neutral Density) 필터를 사용하는 것과 유사한 효과를 얻을 수 있습니다. 그러면 전체 필드가 고르게 조명됩니다.

콘트라스트 및 색상 효과 개선

링 라이트 가이드는 빛을 균일하게 확산시키기 때문에 인기가 많은 조명입니다. 하지만 링 자체의 빛번짐이나 반사가 발생할 수 있습니다. 링 라이트 출력과 렌즈를 따로 편광시키면 이러한 효과를 줄이고 그림 9와 같이 표면 디테일을 표현할 수 있습니다.

그림 10: 링 라이트 출력과 렌즈를 따로 편광시키면 빛번짐 효과를 크게 줄여 중요한 표면 디테일을 드러낼 수 있습니다.

그림 11은 에드몬드옵틱스 본사를 촬영한 사진으로 카메라 렌즈 앞에 폴라라이저를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때 하늘, 풀, 나뭇잎의 색상 변화를 보여줍니다. 공기 분자의 전자는 빛을 여러 방향으로 산란시키기 때문에 폴라라이저를 사용하지 않을 때 하늘의 모습은 왼쪽 이미지(폴라라이저 사용 안 함)처럼 더 밝은 색조의 파란색으로 보입니다. 또한 나뭇잎과 풀잎의 표면은 아주 살짝 반사됩니다. 폴라라이저를 사용하면 이러한 표면에서 반사되는 빛의 일부가 걸러져 표면의 인지된 색을 어둡게 합니다.

그림 11: 하늘을 촬영할 때 렌즈 앞에 폴라라이저를 사용하면 하늘의 색상을 확연히 바꿀 수 있습니다.

응력 평가

글래스나 플라스틱 같은 비정질 고체에서는 소재의 온도 및 압력 분포에 따른 응력이 소재의 특성에 국부적인 차이와 변화를 일으켜 소재를 복굴절적이고 비균질적으로 만듭니다. 투명한 피사체에서 광탄성 효과를 사용하여 이를 정량화할 수 있는데, 응력과 그에 따른 복굴절은 편광법을 통해 측정할 수 있기 때문입니다.

그림 12: 편광이 없으면 안경이 투명하게 보입니다. 그러나 폴라라이저를 사용하면 소재 응력 변화가 눈에 보이고 이는 색상 변화로 나타납니다.

교차 폴라라이저 사이에 비응력 투명 피사체가 있으면 완전히 어두운 필드가 나타나야 합니다. 그러나 내부 소재 응력이 있으면 굴절률의 국소적 변화로 인해 편광 각도가 회전하여 투과율 변화가 발생합니다.

화학 물질 식별

편광 제어는 화학, 의약품, 식음료 산업에서도 매우 중요합니다. 활성 의약품 성분이나 당과 같은 많은 중요한 유기 화합물은 여러 배향을 가지고 있습니다. 여러 배향을 가진 분자를 연구하는 것을 입체화학이라고 합니다.

같은 종류와 개수의 원자를 가지지만 분자 배열이 다른 분자 화합물을 입체이성질체라고 합니다. 이러한 입체이성질체는 '광학적으로 활성'되어 있으며 편광 빛을 다른 방향으로 회전시킵니다. 회전량은 화합물의 성질과 농도에 의해 결정되므로, 편광 측정법을 통해 이러한 화합물의 농도를 검출하고 정량화할 수 있습니다. 이는 샘플에 어떤 입체이성질체가 존재하는지 식별하기 위한 전제 조건이며, 이것이 중요한 이유는 입체이성질체가 매우 다양한 화학적 효과를 가질 수 있기 때문입니다. 예를 들어, 입체이성질체인 리모넨은 오렌지와 레몬에서 특유의 향을 내는 화학 물질입니다.

그림 12: (+)-리모넨 또는 D-리모넨(왼쪽)은 오렌지 향과 연관이 있습니다. 오렌지에 함유된 이 입체이성질체의 농도가 레몬보다 더 높기 때문입니다. (+)-리모넨은 입사광의 방향을 회전시킵니다. (-)-리모넨 또는 L-리모넨(오른쪽)은 레몬과 연관이 있습니다. 레몬에 고농도로 함유되어 있기 때문입니다. 입사광을 (+)-리모넨과 반대 방향으로 회전시킵니다.

그림 13: (+)-리모넨 또는 D-리모넨(왼쪽)은 오렌지 향과 연관이 있습니다. 오렌지에 함유된 이 입체이성질체의 농도가 레몬보다 더 높기 때문입니다. (+)-리모넨은 입사광의 방향을 회전시킵니다. (-)-리모넨 또는 L-리모넨(오른쪽)은 레몬과 연관이 있습니다. 레몬에 고농도로 함유되어 있기 때문입니다. 입사광을 (+)-리모넨과 반대 방향으로 회전시킵니다.

편광 현미경

DIC(Differential Interference Contrast) 현미경과 같은 여러 가지 유형의 현미경 기술이 폴라라이저를 활용하여 다양한 효과를 얻습니다.

간단한 편광 현미경 시스템에서는 선형 폴라라이저를 현미경 광원 앞, 샘플 스테이지 아래에 배치하여 시스템으로 들어오는 빛을 편광시킵니다. 샘플 스테이지 위에 배치된 또 다른 선형 폴라라이저를 '분석기'라고 합니다. 첫 번째 폴라라이저는 고정된 상태로 유지되는 반면, 분석기는 샘플 분석 시 원하는 효과를 얻기 위해 회전합니다. 그 다음에는 분석기와 폴라라이저의 편광면이 90° 떨어지도록 분석기가 회전합니다. 이렇게 되면 현미경의 투과율이 최소가 됩니다(교차 폴라라이저). 광투과율은 폴라라이저와 분석기의 소광비에 비례합니다.

분석기가 이방성 또는 복굴절 폴라라이저에 수직으로 정렬되면 샘플 스테이지 위에 시료를 놓습니다. 시료가 편광 빛을 시료 두께(광경로 거리)와 시료 복굴절에 비례하여 지정된 양만큼 회전시킨 후 빛이 분석기에 도달하게 됩니다.

분석기는 시료로 유도된 위상 변화를 거쳐 간 빛만 투과시키고 영향을 받지 않은 빛, 즉 폴라라이저에 의해 원래 편광된 광원에서 나온 빛은 계속해서 모두 차단합니다. 시료의 복굴절을 알면 시료 두께를 결정하는 데 사용할 수 있습니다. 시료 두께를 알면 시료의 복굴절을 추론하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 목적에 사용되는 편리한 차트가 그림 14에 나와 있는 미셸-레비 간섭 색상 차트입니다.