편광은 기하광학이라기 보다는 빛의 파동광학으로서 전자기파를 공부할 때, 특히 빛의 반사, 투과를 설명할 때 빼놓을 수 없는 영역입니다.
비전공자에겐 다소 어려울 수도 있겠지만, 저도 비전공자인만큼 최대한 쉽게, 알아야 할 최소한만 공부하고 넘어갑시다.
편광이란?
편광이란 전자기파가 진행할 때 파를 구성하는 전기장 또는 자기장이 특정한 방향으로 진동하는 현상을 뜻합니다. (전자기파란 추후 다른 섹션에서 다시 설명; 일단 여기서는 전기장과 자기장으로 구성된 파동의 성질을 가진 빛이라고 생각하면 됨)
시작부터 어렵습니다.
여기서는 전기장(electic field)만을 고려해보겠습니다. 일반적인 빛(전기장)은 진행방향과 수직한 모든 방향으로 진동하는 빛이 혼합된 상태이지만, 편광은 특정 필터를 사용해서 특정 방향으로만 진동하게 만드는 것이라고 보면 됩니다.
그림을 보면서 설명하겠습니다.
빛이 흰색 실선과 같이 파동의 성질을 가지고 그림의 오른쪽 방향으로 진행한다고 했을때, 전기장은 빛에 수직인 여러방향으로 진동하는 파동의 조합입니다.
위 그림에서 보라색 방향의 전기장이 있고 빨간색 방향의 전기장이 있다고 생각해봅시다. 이렇게 여러 방향으로 진동하는 각각의 전기장을 벡터로 본다면 이들 벡터의 크기와 방향이 조합된 것을 전기장으로 보면 됩니다.
아직은 어렵군요.
이런 전기장을 특정 방향으로만 진동하게 만드는 것. 즉, 편광은 아래 그림과 같이 태양광, 전구 등의 편광되지 않은 빛을 (unpolarized) 특정 방향으로 진동하는 빛으로 만드는 것이라고 보면 됩니다.
편광의 종류
편광은 크게 linear polarization, circular polarization, elliptical polarization으로 나눌 수 있습니다. 우리말로는 선형, 원형, 타원형 편광이 되겠네요.
아래 그림과 같이
1) 전기장이 하나의 평면 상으로 진동하는 편광을 linear polarization,
2) 전기장이 크기가 같고 서로 수직이며 phase가 90도인 두 linear polarization의 조합으로 이루어진 편광을 circular polarization,
3) 전기장이 크기는 다른 서로 수직인 두 linear component의 조합으로 이루어졌거나 phase가 90도가 아닌 편광을 elliptical polarization이라고 합니다.
일반적인 것은 타원형 편광이고 선형과 원형은 타원형의 특별한 경우를 뜻합니다. 아래 그림은 각각 선형, 원형, 타원형 편광을 나타냅니다.
선형 편광은 위 그림과 같이 같이 발생합니다.
서로 수직인 두 전기장(빨강, 자주)의 합(녹색)으로 나타나는 전기장이 한 방향으로만 진동하는 경우 선형 편광이 됩니다.
원형 편광은 위 그림과 같이 발생합니다.
두 전기장의 phase가 PI/2일때 두 전기장의 합은 두 벡터의 합에 의해 진행 방향에 따라 진동하는 방향이 원형으로 회전합니다. 위상이 PI/2가 아니면 타원형 편광이 발생합니다.
반사와 편광
우리 일상생활에서 편광을 활용한 예는 쉽게 찾아볼 수 있습니다. 대표적인 예로 선글라스와 3D 안경을 들 수 있습니다.
편광처리된 선글라스는 태양에서 나온 빛이 일부는 반사되고 일부는 투과되는 특성을 이용합니다. 여기서 반사되는 성분만을 제거하여 눈부심을 해결하는 역할을 합니다.
전기장의 진동방향이 입사평면과 수직한 경우 수직편광 또는 s-편광(s는 독일어의 senkrecht(수직)에서 유래)이라고 하고 반대로 전기장 진동방향이 입사평면과 평행할 경우 수평편광 또는 p-편광(p는 독일어의 parallel(평행)에서 유래) 이라고 합니다.
아래 그림과 같이 입사광의 s와 p 편광이 섞여있는 상태에서 s-편광은 일부 투과되지만 거의 모두 반사가 일어납니다. 그러나 p-편광은 반사가 거의 일어나지 않고 대부분 투과됩니다. 즉, 반사되는 빛은 s-편광, 투과되는 빛은 p-편광으로 보면 됩니다.
s와 p 편광파의 반사/투과가 되는 비율은 프레넬 방정식(Fresnel equation) 포스팅을 참조하시기 바랍니다.
아래 그림은 편광 선글라스가 눈부심을 막아주는 원리를 설명하고 있습니다. 태양에서 나온 빛은 수직편광, 수평편광 성분을 모두 가지고 있지만 지표면에 반사되는 순간 수평편광은 대부분 투과되고, 수직편광 성분만 반사되어 사람 눈으로 들어옵니다.
따라서 편광 선글라스는 이 수직편광 성분만 선택적으로 block하여 눈을 부시게 하는 태양반사를 줄여줍니다. 반면, 정반사 되지 않고 난반사로 들어온 빛 수평편광 성분은 선글라스를 투과하기 때문에 눈부심 없이 scene을 볼 수 있습니다.
편광필터 (polarizer)
선글라스가 눈으로 들어오는 일부 편광 성분을 block 하는 것처럼 카메라 센서로 들어가는 빛 일부를 막아주는 역할을 하는 것이 편광필터 입니다.
편광필터는 영상 센서 광학계로 입사하는 빛의 hot spot과 glare를 줄이고 contrast를 개선하는데 사용됩니다. 또한 특정 상태의 편광을 전달하고 그 이외는 모두 차단하는데 사용됩니다.
아래 그림은 편광필터의 사용여부에 따른 사진의 변화를 보여줍니다. 좌측사진이 편광필터 미적용, 우측이 적용한 사진입니다. 사진만 보고도 편광필터의 사용 목적을 유추할 수 있겠죠?
(사진출처: 위키피디아)
대학원 시절 사람 얼굴 피부의 고유 텍스쳐(질감)를 획득해야 할 일이 있었습니다. 외부의 빛은 차단해야 했기에 암실에서 특정광원 환경에서 측정을 해야 했었는데, 그 때 빛의 반사 성분을 제거하기 위해 편광필터를 사용해야 했습니다.
광원에서 나와 정반사되는 편광된 빛을 필터로 차단하면 주변광에 의한 diffuse(산란) 되는 고유의 텍스쳐를 획득할 수 있다는 원리를 이용한 것이죠.
실제로 2000년대 초반 컴퓨터 그래픽스에서 사람 피부를 모델링 할때 편광필터를 많이 사용했습니다.
편광필터를 사진에 사용한 예는 다음 동영상을 참고하길 바랍니다.
Polarizing Filter In Portrait. How To Remove Glare From The Face.
Polarizing filter - perhaps the only filter whose effect can not be simulated in Photoshop. Cutting a polarized part of the light with a filter, you can make...
www.youtube.com
편광은 매우 어려운 광학 분야 중 하나입니다만, 전자광학 분야에서는 특정 목적을 위한 상황이 아니면 잘 사용하지 않습니다. 전자 광학을 공부하는데 있어 기본 개념만 이해하고 넘어가도 충분합니다.
포스팅을 마치겠습니다. 감사합니다.
[함께 읽어보면 좋은 포스팅]
프레넬 방정식
[출처] 직접작성 (Last updated: 2021.03.05)
[참고자료]
https://www.edmundoptics.co.kr/resources/application-notes/optics/introduction-to-polarization/
https://www.khanacademy.org/science/physics/light-waves/modal/v/polarization-of-light-linear-and-circular
https://en.wikipedia.org/wiki/Polarizing_filter_(photography)
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