편광 빔스플리터(PBS)

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편광 빔스플리터(PBS)는 하나의 입사광을 서로 직교하는 편광을 가진 두 개의 개별 광선으로 분리하도록 설계된 정밀 광학 부품입니다.

표준 비편광 빔스플리터는 편광 상태와 관계없이 빛의 50%를 한 방향으로, 50%를 다른 방향으로 보내는 것처럼 광도를 기준으로 빛을 분할합니다. 반면 편광 빔스플리터는 전기장의 방향만을 기준으로 빛의 진행 경로를 나눕니다.

핵심 개념 & 용어

광학 시스템 내에서 PBS가 어떻게 기능하는지 이해하려면 작동을 지배하는 기본 물리 원리를 정의해야 합니다.

입사면

입사면은 입사 광선의 전파 방향과 광선이 닿는 광학 표면에 수직인 선(법선)이 이루는 기하학적 평면입니다. 편광 빔스플리터는 이 특정 평면에 대한 전기장의 방향을 기준으로 광을 분리합니다.

S 편광과 P 편광

이 용어들은 입사면을 기준으로 서로 직교하는 두 가지 선형 편광 상태를 나타냅니다:

  • P 편광: 빛의 전기장은 입사면과 평행하게 진동합니다. 표준 PBS에서 p 편광은 유전체 코팅을 통해 직진 투과합니다.
  • S 편광: 빛의 전기장은 입사면에 수직으로 진동합니다. S는 수직을 뜻하는 독일어 senkrecht에서 유래했습니다. 표준 PBS에서 s 편광은 유전체 코팅에 의해 90도 각도로 반사됩니다.

소광비(명암비)

소광비 ($ER$)는 PBS의 효율과 편광 순도를 정량화하는 지표입니다. 원하는 편광 상태를 분리하면서 원하지 않는 상태를 얼마나 효과적으로 차단하는지를 나타냅니다.

이상적으로 순수한 p 편광이어야 하는 투과 빔의 소광비는 원하는 편광 상태의 투과율과 원하지 않는 편광 상태의 투과율 간 비율로 계산됩니다:

ER = Tp / Ts

여기서 Tp는 p 편광의 투과율이고, Ts 는 잔류 s 편광의 투과율입니다. 높은 소광비(예: >1000:1)는 민감한 시스템에서 신호 오염을 방지하는 데 매우 중요합니다.

실제 응용 분야

편광 빔스플리터는 다양한 고급 광학 설계의 기본 구성 요소입니다. 정밀한 광경로 제어와 노이즈 감소가 필요한 시스템과 관련하여 미국 특허 문헌에 자주 언급됩니다.

광 아이솔레이터(송수신 스위치)

LiDAR 또는 간섭계와 같은 시스템에서 광 아이솔레이터는 빛의 단방향 밸브 역할을 하여 역반사로 인해 레이저 광원이 불안정해지거나 손상되는 것을 방지합니다. 이는 PBS와 1/4파장판(QWP)을 조합하여 구현합니다.

  1. 투과: p 편광 레이저 빔은 PBS를 직진하여 투과합니다. 그런 다음 QWP를 통과하면서 원형 편광으로 변환된 후 표적으로 진행합니다.
  2. 분리: 원형 편광이 대상물에서 반사되면 그 회전 방향이 반대로 바뀝니다. 이 빛이 QWP를 다시 통과하면 선형 편광으로 변환되지만, 편광축이 이제 90도 회전하여 s 편광이 됩니다.
  3. 빔 전환: 되돌아오는 이 s 편광이 PBS에 입사하면 유전체 코팅이 이를 90도 각도로 반사하여 레이저 공진기에서 안전하게 벗어나도록 합니다.

머신 비전용 동축 조명

자동 광학 검사(AOI) 시스템에서 표준 조명으로 반도체 웨이퍼나 가공 금속처럼 반사율이 높고 평평한 표면을 검사하면 강한 눈부심이 발생하여 미세 결함이 보이지 않게 됩니다. PBS와 QWP를 결합하면 이 문제를 해결하는 동축 조명 구성을 구현할 수 있습니다.

  1. 선택적 조명: 비편광 LED 광이 PBS 측면으로 입사합니다. 내부 코팅은 s편광만 아래쪽 물체 방향으로 반사하고 QWP를 통과시켜 원편광으로 변환합니다.
  2. 눈부심 감소: 빛이 반짝이는 평면에서 반사되면서 원형 편광의 회전 방향이 반전됩니다. 이 빛은 QWP를 다시 통과하면서 깨끗한 p 편광으로 변환됩니다.
  3. 이미지 캡처: 평평한 표면의 눈부심이 이제 완전한 p 편광 상태이므로 PBS를 그대로 투과하여 카메라 센서에 도달하고 균일하게 밝은 배경을 형성합니다. 결함에서 산란된 빛은 이러한 엄격한 편광 상태를 잃고 PBS에 의해 차단되므로 머신 비전 소프트웨어에서 대비가 높은 어두운 점으로 나타납니다.