Optical Prisms 소개

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프리즘은 기하학 및 광학적으로 중요한 모양으로 연마, 가공한 고체 유리 광학 부품입니다. 각도, 포지션, 그리고 면의 개수는 유형 및 기능을 정의하는 데 도움을 줍니다. 프리즘의 가장 보편적인 용도 중 하나는 아이작 뉴튼 경이 실증한 바와 같이 백색광을 구성하고 있는 색상들로 분산시키는 것으로 구성됩니다(그림 1). 이 용도는 refractometer 및 spectrographic 부품에 의해 활용됩니다. 최초 발견 후 프리즘은 시스템 내에서의 빛의 "굴절", 시스템을 좀 더 작은 공간에 "접어 넣기", 이미지 방향 변경(handedness 또는 parity라고도 함), 부분 반사 표면을 사용한 optical beams의 결합 또는 분산에 사용되어 왔습니다. 이러한 사용은 망원경, 쌍안경, 측량 장비, 그리고 기타 많은 용도에서 흔히 볼 수 있습니다.

그림 1: 프리즘을 통한 분산

프리즘의 주목할 만한 특징은 프리즘 매질 내에서의 빛 반사를 흉내내기 위해 평면 거울 시스템으로 표현할 수 있는 능력을 갖고 있다는 점입니다. 프리즘은 빛의 경로를 구부리거나 접을 수 있고 이미지 패리티를 변경할 수 있기 때문에 미러 어셈블리 대체는 아마도 프리즘을 가장 유용하게 활용한 예일 것입니다. 한 개의 프리즘을 사용했을 때와 유사한 결과를 얻기 위해 여러 개의 미러를 사용해야 할 경우가 많습니다. 따라서, 여러 장의 미러 대신 한 개의 프리즘으로 대체하면 정렬 오류 가능성이 감소하고 정확도가 높아지며 시스템의 크기와 복잡성이 작아집니다.

프리즘 생산

프리즘의 원리에 대해 깊이 파고 들기 전에 생산 공정에 대해 알아보십시오. 대부분의 용도에 제대로 사용할 수 있으려면 프리즘을 생산할 때 매우 엄격한 공차 및 정확도를 준수해야 합니다. 모양, 크기 그리고 무엇보다도 면 개수의 다양성으로 인해 프리즘 생산을 위한 대규모 자동화 공정을 구축하는 것은 거의 불가능합니다. 게다가 대부분의 초정밀 프리즘은 소량 생산하는 추세라 자동화 공정이 필요하지도 않습니다.

먼저 지정된 등급과 종류의 유리 블럭("blank"라 부름)을 준비합니다. 이 블럭을 금속 다이아몬드가 붙어있는 연삭기로 연마 가공해 준 완성품을 만듭니다. 이 단계에서 대부분의 유리가 고속으로 제거되어 평면이 되지만 아직은 표면이 거친 상태입니다(그림 2a). 이 시점에서 프리즘은 원하는 규격에 매우 근접한 상태입니다. 다음은 표면에서 표면에 가까운 부분의 흠집을 제거하는 미세 연마 공정입니다. 이 단계를 smoothening이라 부릅니다. 첫 번째 단계 뒤에 남는 스크래치는 두 번째 단계에서 제거합니다(그림 2b). Smoothening 후 유리 표면은 뿌옇게 보이며 불투명합니다. 처음 두 가지 단계에서 유리를 더 빨리 제거하고 유리 자체의 과열을 막기 위해서는 프리즘 표면에 물을 뿌려야 합니다.

세 번째 단계에서는 지정된 표면 정밀도로 정확히 프리즘을 연마합니다. 이 단계에서는 유리를 광학용 연마제로서 보통 물과 pumice 또는 cerium oxide를 섞어 만든 "slurry"에 적신 polyurethane polisher에 문지릅니다(그림 2c). 정확한 연마 시간은 필요한 표면 규격에 크게 좌우됩니다. 연마가 완료되고 나면 모서리 깍기를 시작할 수 있습니다. 이 네 번째 단계에서는 프리즘의 모서리를 회전하는 다이아몬드 플레이트에 닿게 해 이전 단계를 거치면서 날카로워진 모서리를 살짝 무디게 합니다(그림 2d). 모서리 깍기 후에 연마된 프리즘을 세척, 검사(수동 및 자동 검사)한 후, 필요하면 전반적인 투과율 및/또는 반사율을 높이기 위해 AR 코팅 및/또는 metallic mirror coatings 처리를 적용합니다. 공정이 매우 복잡하고 프리즘의 표면 개수로 인해 더 많은 반복 작업이 필요할 수 있지만 Generating, Smoothening, Polishing 및 Chamfering Stages는 그림 2a - 2d에 대략적으로 요약되어 있습니다.

그림 2a: 프리즘 생산 공정: Generating 단계

그림 2b: 프리즘 생산 공정: Smoothening 단계

그림 2c: 프리즘 생산 공정: Polishing 단계

그림 2d: 프리즘 생산 공정: Chamfering 단계

프리즘 생산 전체적으로 가공 중인 각각의 표면을 계속 조정 및 고정할 필요가 있습니다. 한 곳에 프리즘을 고정하는 데는 blocking 및 contacting의 두 가지 방법 중 하나를 사용합니다. Blocking 방식에서는 프리즘을 뜨거운 왁스로 가득 찬 금속 툴에 배열합니다. 반면 Contacting 방식에서는 실온에서 광학 접합 공정을 거치며 이 때 Van Der Waals 상호작용만 이용해 두 개의 깨끗한 유리 표면을 함께 결합합니다. Contacting 방식은 Generating, Smoothening 또는 Polishing 단계에서 프리즘 표면과 contact block 사이의 왁스 두께를 보정하기 위한 추가 보정을 필요로 하지 않기 때문에 초정밀 공차가 필요한 경우 사용됩니다.

Generating부터 blocking 및 contacting까지 프리즘 생산 공정의 모든 단계에서 숙련된 광학 기술자는 가공 중인 프리즘 표면을 수작업으로 검사 및 보정해야 합니다. 결과적으로 이 작업은 노동력이 많이 필요하며 완수하려면 경험과 기술이 필요합니다. 전체 공정에 상당한 시간, 작업 및 집중이 필요한 경우가 빈번합니다.

이론: 빛과 굴절

프리즘의 작동 방식에 대한 이해는 용도에 따라 가장 적합한 프리즘 유형을 결정하는 데 있어 핵심 요소입니다. 이를 위해서는 먼저 광학 표면에서 빛이 어떻게 상호 작용하는가를 이해하는 것이 중요합니다. 이 상호작용은 Snell의 법칙(Snell's Law of Refraction)으로 기술됩니다.

이 법칙에서 $ \small{n_1} $은 입사 매질의 굴절률이며, $ \small{\theta_1} $은 입사광의 각도, $ \small{n_2} $ 는 굴절 또는 반사된 매질의 굴절률이며 $ \small{\theta_2} $는 굴절 또는 반사된 빛의 각도입니다. Snell의 법칙은 빛이 여러 가지 매질을 통과할 때 입사각과 투과 각도 간의 관계를 설명합니다(그림 3).

그림 3: Snell의 법칙 및 Total Internal Reflection

프리즘은 미러를 사용할 때 필요한 것과 같은 특수 코팅 없이도 빛의 경로를 굴절시킬 수 있는 능력으로 인해 주목받고 있습니다. 이러한 능력은 total internal reflection (TIR)이라 부르는 현상을 통해 이루어집니다. TIR은 입사각(법선으로부터 측정한 입사광의 각도)이 critical angle $ \small{\theta_c} $보다 클 때 발생합니다.

여기에서 $ \small{n_1} $은 광선이 처음 통과한 매질의 굴절률이고 $ \small{n_2} $는 광선이 빠져 나갈 때의 매질이 갖는 굴절률입니다. TIR은 빛이 굴절률이 높은 매질에서 낮은 매질로 들어갈 때 발생한다는 점을 주목하는 것이 중요합니다.

Critical angle (임계각)에서 굴절 각도는 90°입니다. 그림 3을 참조해 TIR은 θ가 임계각을 초과하는 경우에만 발생한다는 점을 주목하십시오. 각도가 임계각 미만이면 Snell의 법칙에 의해 주어진 바와 같이 반사와 함께 투과가 발생합니다. 프리즘 면이 원하는 각도에 대한 TIR 규격을 만족하지 않으면 반사 코팅을 사용해야 합니다. 이 것이 바로 어떤 용도에서는 코팅하지 않고도 원활히 동작하는데 일부 용도에서는 코팅한 버전의 프리즘이 필요한 이유입니다.

이론: 이미지 HANDEDNESS/PARITY

프리즘을 통한 중요한 이미지 처리 기능은 이미지 방향 변경으로 부르는, handedness (parity)입니다. 이 효과는 빛이 평면 거울, 임의의 평평한 반사면 또는 TIR을 일으키는 각도로 프리즘에 부딪힐 때마다 생깁니다. handedness에는 오른쪽과 왼쪽 두 가지가 있습니다. Right-handedness(그림 4)는 이미지가 반사 횟수가 짝수인 경우를 말하며 최소 한 위치에서 선명한 판독이 가능합니다(이미지를 텍스트로 가정). Left-handedness(그림 5)는 이미지 반사 횟수가 홀수인 경우를 말하며 이미지 위치가 불규칙해지고 마치 거울에 보이는 것과 비슷합니다.

그림 4: Right-Handedness 또는 Even Parity

그림 5: Left-Handedness 또는 Odd Parity

Parity 이외에 이미지 변경에는 세 가지 유형이 있습니다(그림 6). Inversion은 가로축을 중심으로 이미지를 반전시키는 것이며 reversion은 세로축을 중심으로 이미지를 반전시키는 것입니다. 두 가지 반전을 동시에 수행하면 이미지가 180° 회전하며 parity에는 아무런 변화가 생기지 않습니다. Parity의 또 다른 의미 하나는 광학 공간에서 물체나 이미지쪽으로의 전파 방향에 반대로 되돌아 봄으로써 결정되는 현상으로 정의하는 것입니다(그림 7).

그림 6: Inversion (맨 위), Reversion (중간), Rotation (맨 아래)

그림 7: Parity 결정 방법

프리즘을 사용할 때는 다음 네 가지 사항을 감안하십시오.

1. Image Handedness는 이미지가 반사될 때마다 변경됩니다.
2. 반사면의 평면 위에 있는 임의의 지점은 물체 및 물체의 이미지로부터 등거리입니다.
3. Snell의 법칙은 모든 표면에 적용할 수 있습니다.
4. Image Handedness/Parity 테스트를 수행할 때는 R, F 또는 Q와 같은 비대칭 문자를 사용하는 것이 가장 좋습니다. X, O, A 등의 문자 사용은 피하십시오.

프리즘 종류

프리즘 종류는 크게 dispersion prisms, deviation 또는 reflection prisms, rotation prisms, 그리고 displacement prisms으로 나눌 수 있습니다. Deviation, displacement, 그리고 rotation prisms은 이미징 용도로 주로 사용되고, dispersion prisms은 빛의 분산을 위해 만들어졌기 때문에 고품질 이미지가 필요한 용도로는 적합하지 않습니다.

Dispersion Prisms

프리즘 분산은 프리즘의 형상과 파장 및 프리즘 기판의 굴절률에 따른 index dispersion curve에 좌우됩니다. Angle of minimum deviation은 입사광과 투과된 빛 사이의 최소 각도를 의미합니다(그림 8). 녹색 파장은 적색보다 많이 굴절되고, 청색은 적색과 녹색보다 더 많이 굴절됩니다. 적색은 보통 656.3nm, 녹색은 587.6nm, 그리고 청색은 486.1nm로 정의됩니다.

그림 8: 프리즘을 통한 분산

Deviation, Rotation 및 Displacement Prisms

빛의 경로를 굴절시키거나, 이미지를 회전시키거나 원래의 축으로부터 이미지를 이동시키는 프리즘은 많은 이미징 시스템에 유용합니다. 광 굴절 각도는 대개 45°, 60°, 90°, 그리고 180°입니다. 이 점은 다른 시스템 설정에 영향을 주지 않으면서 시스템 크기를 작게 하거나 빛의 진행 경로를 조정하는 데 도움이 됩니다. Dove prism과 같은 Rotation prism은 역전된 이미지를 회전시키는 데 사용됩니다. Displacement prism은 빛의 진행 방향은 유지하면서 normal과의 관계는 조절합니다.

프리즘 선택 지침

용도별로 최상의 프리즘을 선택하려면 광학, 이미징, 그리고 포토닉스 업계에서 가장 많이 사용되는 다음 선택 지침을 감안하십시오.

프리즘 선택 지침

Equilateral 프리즘 - 분산

기능 White Light를 구성 색상으로 분산시킴 용도 분광 통신 파장 분리 추가 정보

Littrow 프리즘 - 분산, 굴절

기능 비코팅: White Light를 구성 색상으로 분산시킴 코팅: 빛의 경로를 60° 굴절시킴 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 분광(비코팅) Multi-Spectral Laser System 튜닝(코팅) 추가 정보

Right Angle 프리즘 - 굴절, 이동

기능 빛의 경로를 90° 굴절시킴 이미지는 왼쪽으로 회전 이미지/빔 이동을 위해 조합하여 사용 용도 내시경 현미경 레이저 측정기 의료 기기 추가 정보

Penta 프리즘 - 굴절

기능 빛의 경로를 90° 굴절시킴 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 시각적 조준 투사 계측 디스플레이 시스템 추가 정보

Half-Penta 프리즘 - 굴절

기능 빛의 경로를 45° 굴절시킴 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 Pechan Erector Assemblies 추가 정보

Amici Roof 프리즘 - 굴절

기능 빛의 경로를 90° 굴절시킴 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 현미경 망원경 접안렌즈 추가 정보

Schmidt 프리즘 - 굴절

기능 빛의 경로를 45° 굴절시킴 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 Stereo Microscopes Pechan Erector Assemblies 추가 정보

Retroreflectors (Trihedral 프리즘) - 굴절, 이동

기능 빛의 경로를 180° 굴절시킴 이미지는 왼쪽으로 회전 프리즘 방향에 관계 없이 프리즘 면으로 들어오는 모든 광선을 반사합니다. 용도 Interferometry Boresighting Rangefinding Laser Tracking Precision Alignment 추가 정보

Wedge 프리즘 - 굴절, 회전

기능 레이저 빔을 설정 각도로 개별적으로 굴절시키는 데 사용됨 두 개를 결합해 Beam Shaping을 위한 Anamorphic Pair 생성 용도 Beam Steering Tunable Lasers 비균등 이미지 처리 임업/산림학 추가 정보

Rhomboid 프리즘 - 이동

기능 회전 방향을 변경하지 않고 광축을 옮깁니다. 방향은 동일한 방향을 유지함(광 굴절 발생 안함) 용도 쌍안경 거리 측정기 레이저 기기 추가 정보

Dove 프리즘 - 회전

기능 비코팅: 프리즘 회전 각도의 2배만큼 이미지를 회전시킴 비코팅: 이미지는 왼쪽으로 회전 코팅: 프리즘 면으로 들어오는 모든 광선을 반사합니다. 코팅: 이미지는 오른쪽으로 회전 용도 Interferometry 천문학 패턴 인식 Detectors 뒤 또는 모서리 주변 이미지 처리 추가 정보

Anamorphic Prism Pairs - 확산

기능 한 쪽 방향으로 입사광의 직경을 확산시킵니다 타원형 빛을 원형으로 만드는 데 적합함 용도 Laser Diode Beam Expanders HD Imaging Lenses 추가 정보

Light Pipe Homogenizing Rods - 균질화

기능 균등하지 않은 광원을 균질화 용도 LED 조명 초소형 프로젝터 Laser Speckle Reducers OEM 조명 추가 정보

Tapered Light Pipe Homogenizing Rods - Homogenation

기능 Output Numerical Aperture (NA)는 줄이면서 균등하지 않은 광원을 균질화 용도 프로젝터 Micro-Display Relay Systems 추가 정보

이 소개글에서는 프리즘과 관련된 생산 공정 및 이론, 그리고 용도에 맞는 최상의 프리즘 선택에 도움이 될 내용들을 제시합니다. 직각 프리즘, roof 프리즘, 그리고 cube beamsplitters와 같은 combination 프리즘에 대한 자세한 내용을 보려면 Optical Prism Application Examples프리즘 용도 사례를 참조하십시오.