원형 편광판(Circular polarizer, 종종 CP 또는 원형 편광 렌즈의 경우 CPL로 약칭)은 비편광된 빛을 원형 편광된 빛으로 변환하는 광학 부품입니다. 또한 역으로 원형 편광된 빛을 선형 편광된 빛으로 변환하거나 특정 편광을 선택적으로 차단하는 데 사용될 수도 있습니다. 원형 편광판은 사진 촬영, 입체 3D 디스플레이 및 전자 화면용 눈부심 방지 필터에 널리 사용됩니다.
작동 원리
표준 원형 편광판은 단일하고 균일한 재료가 아닙니다. 대신, 특정 방향으로 함께 적층된 두 개의 개별 층으로 구성된 복합 광학 장치입니다.
- 선형 편광판: 첫 번째 층은 입사되는 비편광된 빛을 필터링하여 단일의 특정 평면에서 진동하는 빛만 통과시킵니다.
- 4분의 1 파장판(지연판): 두 번째 층은 두 직교 편광 성분 사이에 정확히 π / 2 라디안(90°)의 위상 편이를 유도하도록 설계된 복굴절 재료(파장판)입니다.
장치가 원형 편광된 빛을 생성하려면 4분의 1 파장판의 고속 및 저속 광축이 선형 편광판의 투과축에 대해 정확히 45°로 정렬되어야 합니다.
선형 편광된 빛이 이 45° 각도로 4분의 1 파장판에 들어가면, 고속 및 저속 축을 따라 이동하는 동일한 진폭의 직교 성분으로 분리됩니다. 빛은 이러한 축을 따라 다른 속도로 이동하므로 한 성분은 다른 성분과 90°만큼 위상 차이가 나게 됩니다. 이 두 개의 위상 차이가 나는 직교 성분의 벡터 합은 앞으로 전파됨에 따라 원형으로 회전하는 전기장 벡터를 생성하여 원형 편광된 빛을 만듭니다.
좌회전 대 우회전 편광
- 우회전 원형 편광(RCP): 수신기에서 볼 때 전기장 벡터가 시계 방향으로 회전합니다.
- 좌회전 원형 편광(LCP): 수신기에서 볼 때 전기장 벡터가 반시계 방향으로 회전합니다.
수학적 표현
원형 편광판을 통한 빛의 변환은 존스 미적분을 사용하여 정확하게 설명될 수 있습니다. 수직으로 정렬된 선형 편광판과 고속 축이 45°인 4분의 1 파장판을 가정하면, 이 작동은 존스 벡터와 행렬을 곱함으로써 표현됩니다.
선형 편광판에서 나오는 빛의 존스 벡터는 수직 열 벡터로 쓸 수 있습니다.
E_선형 = [0, 1]
고속 축이 45°인 4분의 1 파장판의 존스 행렬은 상수와 곱해진 2x2 그리드로 표현됩니다.
M_QWP = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ]
행렬과 벡터를 곱하면 최종 원형 편광 상태가 산출됩니다. 행렬의 행을 열 벡터와 곱하면 계산은 다음과 같습니다.
E_원형 = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ] * [0, 1] E_원형 = (1 / √2) * [-i, 1]
상단에 허수 단위 "-i"가 있고 하단에 "1"이 있는 이 결과 벡터는 원형 편광된 빛을 설명합니다.
주요 응용 분야
사진 촬영
현대 사진 촬영에서는 선형 편광판보다 원형 편광판이 선호됩니다. 많은 디지털 단일 렌즈 반사식(DSLR) 및 미러리스 카메라가 부분적으로 은도금된 거울과 빔 분할기를 사용하여 위상 감지 자동 초점(PDAF) 센서 및 노출계로 빛을 보냅니다. 이러한 내부 구성 요소는 편광에 매우 민감합니다. 렌즈에 순수한 선형 편광판을 사용하면 카메라의 내부 광학 장치와 의도치 않게 교차 편광되어 측정 및 자동 초점 시스템이 작동하지 않을 수 있습니다. CPL은 빛을 선형으로 편광(환경 눈부심을 줄이기 위해)한 다음 즉시 원형 회전으로 "뒤섞어" 내부 빔 분할기가 정확하게 읽을 수 있도록 하여 이 문제를 해결합니다.
OLED 디스플레이 및 눈부심 방지
원형 편광판은 스마트폰 및 스마트워치와 같은 현대 OLED(유기 발광 다이오드) 디스플레이에서 내부 반사를 제거하는 데 광범위하게 사용됩니다.
- 주변광이 화면에 들어와 CPL을 통과하여 우회전 원형 편광이 됩니다.
- 이 빛은 OLED 픽셀 뒤에 있는 고반사성 금속 전극에 반사됩니다.
- 반사 시 편광의 방향이 반전됩니다(RCP가 LCP로 변환됨).
- LCP 빛이 CPL을 통해 다시 나가려고 할 때, 4분의 1 파장판과 선형 편광판의 조합에 의해 완전히 차단됩니다. 이는 밝은 환경에서 화면의 명암비를 극적으로 향상시킵니다.
입체 3D 영화
RealD 3D와 같은 시스템은 원형 편광을 사용하여 두 개의 다른 이미지를 동일한 영화 스크린에 다중화합니다. 한 프로젝터는 좌회전 원형 편광을 사용하여 왼쪽 눈 이미지를 투사하고, 다른 프로젝터는 우회전 원형 편광을 사용하여 오른쪽 눈 이미지를 투사합니다. 시청자는 좌우 렌즈가 반대 방향으로 조정된 원형 편광판인 수동 3D 안경을 착용하여 각 눈이 의도된 이미지100%를 수신하도록 합니다. 선형 편광 대신 원형 편광이 사용되는 이유는 시청자가 머리를 좌우로 기울여도 3D 효과를 잃거나 "고스팅" 현상이 발생하지 않기 때문입니다.