다이크로익 미러

|Team Syronoptics

다이크로익 미러(그리스어 dikhroos, "두 가지 색")는 듀얼 밴드 미러, 다이크로익 빔 스플리터 또는 박막 필터로도 알려져 있으며, 특정 파장 범위의 빛을 선택적으로 반사하고 다른 파장은 투과시키는 데 사용되는 광학 부품입니다.

일반적인 금속 거울(모든 가시광선을 반사)이나 흡수성 유색 유리(원치 않는 파장을 흡수하여 빛을 필터링)와 달리 다이크로익 미러는 박막 광학 간섭 원리를 이용하여 작동합니다. 이를 통해 흡수량이 거의 없는 매우 높은 반사율과 투과율을 달성할 수 있어 고출력 레이저 응용 분야 및 정밀 광학 시스템에 적합합니다.

작동 원리

다이크로익 미러의 작동은 상쇄 간섭과 보강 간섭에 의존합니다. 이 거울은 금속으로 코팅되지 않고 투명한 유전체 재료의 미세한 다층으로 코팅되어 있습니다.

광학 간섭

빛이 서로 다른 굴절률을 가진 두 재료의 경계에 부딪히면 빛의 일부는 반사되고 나머지는 투과됩니다. 굴절률이 번갈아 나타나는 여러 층을 쌓아 거울이 다음과 같이 설계됩니다.
  • 반사되는 파장: 대상 색상의 광파는 경계면에서 "동위상"으로 정렬되어 보강 간섭을 일으켜 거의 100% 효율로 빛을 반사합니다.
  • 투과되는 파장: 다른 파장은 반사 방향에서 상쇄 간섭을 일으켜 반사를 상쇄하고 빛이 기판을 통과하도록 합니다.

입사각 (AOI)

다이크로익 미러는 각도에 민감합니다. 스펙트럼 성능(반사 또는 투과되는 특정 색상)은 빛이 표면에 닿는 각도에 따라 달라집니다. 대부분의 표준 다이크로익 미러는 45°의 입사각(AOI)으로 설계되어 광 경로에 대해 90°로 빔을 방향 전환할 수 있습니다.

구성 및 재료

이색성 거울은 기판과 유전체 코팅 스택이라는 두 가지 주요 광학 구성 요소로 이루어져 있습니다.

기판

기판은 필터의 기계적 구조를 제공합니다. 산란 및 파면 왜곡을 최소화하려면 광학적으로 평평하고 투명해야 합니다. 일반적인 재료는 다음과 같습니다.
  • 광학 유리 (BK7): 가시광선 응용 분야의 표준입니다.
  • 용융 실리카(UV 등급): 열팽창 계수가 낮아 (내열성이 높음) 자가 형광이 낮기 때문에 형광 현미경 및 고출력 레이저에 선호됩니다.

유전체 박막 코팅

기능성 "거울" 표면은 진공 증착 또는 이온 빔 스퍼터링을 통해 증착된 수십(때로는 수백) 개의 유전체 재료 교대층으로 구성됩니다.
  • 고굴절률 층: 이산화티타늄 (TiO2), 오산화탄탈륨 (Ta2O5).
  • 저굴절률 층: 이산화규소 (SiO2), 불화마그네슘 (MgF2).

각 층의 두께는 일반적으로 목표 파장의 1/4(λ/4)로 제어되며, 이를 쿼터 웨이브 스택이라고 합니다.

유형 및 용어

이색성 미러는 스펙트럼을 분할하는 방식에 따라 분류됩니다.
  • 장파장 필터: 차단점보다 파장을 투과하고 더 짧은 파장을 반사합니다. (예: 빨간색 통과, 파란색 반사).
  • 단파장 필터: 차단점보다 짧은 파장을 투과하고 더 긴 파장을 반사합니다. (예: 파란색 통과, 빨간색 반사).
  • 핫 미러: 적외선(열)을 반사하고 가시광선을 투과합니다. 프로젝션 시스템에서 열 축적으로부터 구성 요소를 보호하는 데 사용됩니다.
  • 콜드 미러: 가시광선을 반사하고 적외선(열)을 투과합니다. 환자를 가열하지 않고 밝은 조명을 제공하기 위해 의료 및 치과 조명에 사용됩니다.

주요 사양

이색성 미러를 선택할 때 다음 사양이 중요합니다.

  • 컷 온(Cut-on) / 컷 오프(Cut-off) 파장: 투과율이 50%로 증가하는 파장(전환점).
  • 투과 범위: 빛이 통과하는 스펙트럼 대역(일반적으로 90% 이상 투과).
  • 반사 범위: 빛이 반사되는 스펙트럼 대역(일반적으로 98% 이상 반사).
  • 손상 한계: 고장 나기 전에 코팅이 견딜 수 있는 최대 레이저 출력 밀도.
  • 표면 평탄도: 미러의 매끄러움 정도를 나타내며, 일반적으로 파장의 일부(예: λ/10)로 표현됩니다.
Dichroic Mirror-2.png다이크로익 미러는 모든 가시광선을 반사하는 일반적인 금속 미러(표준 금속 거울)나 불필요한 파장을 흡수하여 빛을 거르는 흡수성 유색 유리와 달리, 박막 광학 간섭 원리를 이용하여 작동합니다. 이로 인해 흡수가 거의 없이 매우 높은 반사율과 투과율을 달성할 수 있어 고출력 레이저 애플리케이션 및 정밀 광학 시스템에 적합합니다.

작동 원리

광학 간섭

다이크로익 미러의 작동은 보강 간섭과 소멸 간섭에 의존합니다. 이 미러는 금속으로 코팅되지 않고 수많은 미세한 투명 유전체 재료 층으로 코팅됩니다. 빛이 굴절률이 다른 두 물질 사이의 경계면에 부딪히면 빛의 일부는 반사되고 나머지는 투과됩니다. 교대로 굴절률이 다른 여러 층을 쌓아 거울을 설계하여 다음을 달성합니다.
  • 반사되는 파장: 목표 색상의 빛 파동이 경계면에서 "동위상"으로 정렬되어 빛을 거의 100% 효율로 반사하는 보강 간섭을 생성합니다.
  • 투과되는 파장: 다른 파장들은 반사 방향에서 소멸 간섭을 일으켜 반사를 상쇄하고 빛이 기판을 통과하도록 합니다.

입사각(AOI)

다이크로익 미러는 각도에 민감합니다. 스펙트럼 성능(반사되거나 투과되는 특정 색상)은 빛이 표면에 닿는 각도에 따라 달라집니다. 대부분의 표준 다이크로익 미러는 45°의 입사각(AOI)에 맞춰 설계되어 광 경로에 대해 90°로 빔을 방향 전환할 수 있습니다.

구성 요소

다이크로익 미러는 기판과 유전체 박막 코팅이라는 두 가지 주요 부분으로 구성된 정밀 광학 부품입니다.

기판 재료

기판은 필터의 기계적 구조를 제공합니다. 산란 및 파면 왜곡을 최소화하기 위해 광학적으로 평평하고 투명해야 합니다.
  • 광학 유리(BK7): 가시광선 애플리케이션의 표준입니다.
  • 용융 실리카(UV 등급): 열팽창 계수가 낮고(내열성이 높음) 자가 형광이 낮기 때문에 형광 현미경 및 고출력 레이저에 선호됩니다.

유전체 박막 코팅

기능성 "거울" 표면은 진공 증착 또는 이온 빔 스퍼터링을 통해 증착된 수십(때로는 수백) 개의 유전체 재료 교대 층으로 구성됩니다.
  • 고굴절률 층: 이산화티타늄(TiO2), 오산화탄탈륨(Ta2O5).
  • 저굴절률 층: 이산화규소(SiO2), 불화마그네슘(MgF2).
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적용 분야

형광 현미경

생물학적 이미징에서 이색성 미러(종종 "필터 큐브"에 내장됨)는 여기광을 방출광과 분리하는 중요한 구성 요소입니다.
  • 고에너지 여기광(예: 파란색)을 샘플 쪽으로 반사합니다.
  • 저에너지 방출 형광(예: 녹색)을 샘플에서 접안렌즈 또는 카메라로 전달합니다.
  • 이러한 분리는 희미한 형광이 밝은 여기 광원에 의해 가려지지 않도록 보장합니다.

기판은 필터의 기계적 구조를 제공합니다. 산란 및 파면 왜곡을 최소화하려면 광학적으로 평탄하고 투명해야 합니다.

  • 밴드패스 필터: 특정 파장 대역을 투과시키고 해당 대역 양쪽의 빛은 반사합니다. 형광 및 생명 과학 응용 분야에 사용됩니다.
  • 노치 필터: 특정 파장 대역을 반사하고 해당 대역 양쪽의 빛은 투과시킵니다. 레이저 안전 고글 및 기타 광학 기기에 사용됩니다.
  • 에지 필터: 특정 파장보다 짧거나 긴 빛을 반사하고, 나머지 빛은 투과시킵니다. 형광 현미경 및 라만 분광법과 같은 응용 분야에 적합합니다.
  • 빔 스플리터: 입사광의 일부를 반사하고 나머지는 투과시킵니다. 일반적으로 현미경 및 프로젝터에 사용됩니다.
  • 핫 미러: 가시광선을 투과하면서 적외선(열)을 반사합니다.
  • 콜드 미러: 가시광선을 반사하면서 적외선(열)을 투과합니다. 환자를 가열하지 않고 밝은 조명을 제공하기 위해 의료 및 치과 조명에 사용됩니다.
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    3LCD 프로젝터

    고품질 프로젝터는 일련의 다이크로익 미러를 사용하여 백색광 광원을 빨간색, 녹색, 파란색(RGB) 구성 요소로 분할합니다.
    • 한 미러는 빨간색을 반사하지만 파란색/녹색은 통과시킵니다.
    • 두 번째 미러는 녹색을 반사하지만 파란색은 통과시킵니다.
    • 분리된 빔은 전용 LCD 패널을 통과한 다음 프리즘에 의해 재결합되어 풀 컬러 이미지를 투사합니다.

    레이저 고조파 분리

    레이저 물리학에서 이색성 미러는 레이저 고조파를 분리하는 데 사용됩니다. 예를 들어, Nd:YAG 레이저 시스템에서 이색성 미러는 기본 적외선 빔(1064 nm)을 주파수 두 배로 증폭된 녹색 빔(532 nm)으로부터 분리할 수 있습니다.
    레이저 물리학에서 이색성 미러는 레이저 고조파를 분리하는 데 사용됩니다. 레이저 고조파 분리 예를 들어, Nd:YAG 레이저 시스템에서 이색성 미러는 기본 적외선 빔(1064nm)과 주파수 두배 녹색 빔(532nm)을 분리할 수 있습니다.