KR20090099342A - 편광기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공자외선 파장 영역의 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광성분으로 분리하는 편광기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 편광기는 입사되는 광을 복굴절 시켜 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하기 위한 것으로서, 입사되는 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 일방향으로 광축이 형성되어 있는 하나 이상의 제1프리즘과, 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 제1프리즘의 광축 방향과 직교하는 방향으로 광축이 형성되어 있는 복수의 제2프리즘을 포함하며, 광이 진행하는 매질이 제1프리즘 및 제2프리즘 중 어느 하나에서 다른 하나로 2회 이상 바뀌도록 제1프리즘은 제2프리즘 사이에 하나 이상 배치된다.

편광, 광축, 복굴절, 프리즘

Description

편광기{Polarizer}

본 발명은 편광기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공자외선 파장 영역의 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광성분으로 분리하는 편광기에 관한 것이다.

편광기는 입사되는 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하는 것이다. 도 1에는 진공자외선 파장 영역의 광을 편광시키는 종래의 편광기가 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래 편광기는 마그네슘 플로라이드(magnesium fluoride : MgF₂)로 이루어지는 제1프리즘(10) 및 제2프리즘(20)을 포함한다. 제1프리즘(10)은 직각삼각기둥 형상으로 형성되며, Z축 방향으로 형성된 광축(11)을 가진다. 제2프리즘(20)은 직각삼각기둥 형상으로 형성되며, Y축 방향으로 형성된 광축(21)을 가진다. 제1프리즘(10)과 제2프리즘(20)은 그 경사면이 서로 평행하게 배치되며, 제1프리즘의 경사면과 제2프리즘의 경사면 사이에는 틈(A)이 형성되어 공기층이 존재하게 된다.

상기한 바와 같이 구성된 편광기의 제1프리즘(10)에 Z축 방향, 즉 제1프리즘의 광축 방향으로 진공자외선 파장 영역의 광이 입사되면, 입사된 광은 Z축 방향을 따라 제1프리즘(10)의 내부를 그대로 진행하게 된다. 제1프리즘을 통과한 광이 공기층을 통과한 후 제1프리즘(10)의 광축 방향과 직교하는 방향의 광축을 가지는 제2프리즘(20)으로 입사하게 되면, 제2프리즘(20)의 복굴절 특성 때문에 도 1에 도시된 바와 같이 X축 방향으로 진동하는 X축 편광(L1)과 Y축 방향으로 진동하는 Y축 편광(L2)으로 서로 분리되게 되며, 이와 같이 분리된 X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2) 중에서 필요한 편광을 선택적으로 사용하면 된다.

한편, 상기한 X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2)을 선택적으로 사용하기 위해서는 X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2)이 충분히 분리되어야 한다. 즉, X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2)이 일정거리 이상 떨어진 상태여야 한다.

하지만, 종래의 편광기에서 제1프리즘(10) 및 제2프리즘(20)을 형성하는 마그네슘 플로라이드는 복굴절 특성이 매우 작은 편이어서, 분리된 X축 편광(L1)과 Y축 편광(L2) 사이의 각, 즉 분리각(θ)은 약 0.5도 정도로 매우 작은 크기로 형성된다. 따라서, X축 편광(L1)과 Y축 편광(L2)은 편광기로부터 매우 멀리 떨어진 지점까지 진행한 뒤에야 서로 충분히 분리되며, 그 결과 편광기(100)에 의해 분리된 편광을 선택적으로 사용하기 위해서는 장비의 길이가 매우 길어져야만 하는 문제점이 있다.

또한, 진공자외선 파장 영역의 광이 제1프리즘(10)과 제2프리즘(20) 사이의 공기층(A)을 통과하는 도중, 공기 중에 포함된 산소나 수증기에 의해 흡수됨으로 인해 광의 세기가 약화되는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 직교하는 두 개의 편광이 큰 크기의 분리각을 가지면서 분리되도록 구조가 개선된 편광기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 편광기는 입사되는 광을 복굴절 시켜 상기 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하기 위한 것으로서, 상기 입사되는 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 일방향으로 광축이 형성되어 있는 하나 이상의 제1프리즘 및 상기 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 상기 제1프리즘의 광축 방향과 직교하는 방향으로 광축이 형성되어 있는 복수의 제2프리즘을 포함하며, 상기 광이 진행하는 매질이 상기 제1프리즘 및 상기 제2프리즘 중 어느 하나에서 다른 하나로 2회 이상 바뀌도록 상기 제1프리즘은 상기 제2프리즘 사이에 하나 이상 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 제1프리즘의 광축 방향과 제2프리즘의 광축 방향은 서로 직교하도록 형성되는데, 이는 복굴절 특성을 가지는 물질의 특징, 즉 광축 방향과 광축 방향을 제외한 나머지 방향에서의 굴절률이 상이하다는 특징을 이용하여, 광을 서로 직교하는 두 개의 편광으로 분리시키기 위함이다. 그리고, 제1프리즘 및 제2프리즘은 광이 진행하는 도중에 광이 진행하는 매질이 제1프리즘 및 제2프리즘 중 어느 하나에서 다른 하나로 2회 이상 바뀌도록 배치되는데, 이는 서로 직교하는 두 개의 편광 중 하나의 편광을 2회 이상 굴절시킴으로써 두 개의 편광 사이의 분리각을 증가시키기 위함이다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 분리되는 두 편광 사이의 분리각이 커지게 된다. 따라서, 두 편광이 충분히 분리되기 위해 편광이 진행하여야 하는 거리가 짧아지게 되며, 그 결과 편광기를 구비하는 장비를 작은 크기로 제작할 수 있다.

또한, 진공자외선 파장 영역의 광이 공기 중의 산소나 수증기에 흡수되는 것이 방지되며, 그 결과 광의 세기가 약화 되는 것을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광기의 단면도이다.

도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 편광기(200)는 제1프리즘(110)과, 제2프리즘(120,130)과, 밀폐유닛을 포함한다.

제1프리즘(110)은 광이 투과되도록 투명재질로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지는 물질로 이루어진다. 특히, 본 실시예의 경우 진공자외선 파장 영역의 광이 투과되는 마그네슘 플로라이드(magnesium fluoride : MgF₂)로 이루어진다. 제1프리즘(110)은 이등변삼각기둥 형상으로 형성되어 동일 형상의 두 개의 측면(111,112)을 가지며, 광의 입사방향 즉 Z축 방향으로 형성된 광축(110A)을 가진다.

제2프리즘(120,130)은 마그네슘 플로라이드로 이루이지며, 두 개 구비된다. 각 제2프리즘(120,130)은 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면(121,131)을 가진다. 각 제2프리즘(120,130)은 Y축 방향으로 형성된 광축(120A,130A)을 가진다. 2개의 제2프리즘은 그 경사면(121,131)이 각각 제1프리즘의 두 개의 측면(111,112)과 평행하게 배치된다. 각 제2프리즘의 경사면과 제1프리즘의 측면 사이에는 틈(N)이 형성되며, 이 틈은 질소가스 및 불활성가스 중 적어도 하나의 가스로 채워진다. 특히, 본 실시예에서 틈(N)은 질소가스로 채워진다.

밀폐유닛은 제1프리즘과 제2프리즘 사이의 틈(N)이 질소가스로 채워진 상태로 유지되도록 하기 위한 것으로 밀폐부재(140)를 포함한다. 밀폐부재(140)는 틈 사이에 끼워지는 끼움부(141)와, 끼움부의 단부로부터 연장 형성되며 제1프리즘 및 제2프리즘에 밀착되는 부착부(142)를 가진다. 밀폐부재(140)는 틈(N)을 밀폐시켜, 틈 내부를 질소가스 분위기로 유지시킨다.

상기한 바와 같이 구성된 편광기의 제2프리즘(120)의 측면에 광이 수직하게 입사되면, 광은 입사된 방향을 따라 제2프리즘(120)의 내부를 진행하게 된다. 이후, 광이 제2프리즘(120)과 제1프리즘(110) 사이의 틈(N)에 도달하면, 도 2에 확대되어 도시된 바와 같이 제2프리즘(120)의 굴절률과 질소가스의 굴절률 차이에 의해 광의 진행방향이 변하게 된다. 변화된 진행방향을 따라 진행하던 광이 제2프리즘의 측면에 도달하면, 도 2에 실선 및 점선으로 도시되어 있는 바와 같이 X축 방향으로 진동하는 X축 편광(L1)과 Y축 방향으로 진동하는 Y축 편광(L2)으로 분리된다.

이하, X축 편광(L1)과 Y축 편광(L2)이 서로 분리되는 원리에 대하여 설명하기로 한다. 복굴절 특성을 가지는 물질은 광축 방향으로의 굴절률과 광축 방향이 아닌 방향으로의 굴절률이 서로 상이한 특성을 가지는데, 이하에서는 설명을 편의를 위해 광축 방향으로의 굴절률을 A라고 하고 광축 방향이 아닌 방향으로의 굴절률을 B라고 한다.

X축 편광(L1)의 경우 제2프리즘(120) 및 제1프리즘(110)을 통과할 때 동일한 굴절률의 영향을 받는다. 즉, 제2프리즘의 광축(120A)은 Y축 방향이고 제1프리즘의 광축(110A)은 Z축 방향이므로, X축 편광(L1)은 제2프리즘(120) 및 제1프리즘(110)을 통과할 때 모두 굴절률이 B인 매질을 통과하게 된다. 따라서, X축 편광(L1)은 제2프리즘(120)에서 질소가스층으로 입사할 때 스넬의 법칙을 따라 굴절된 후, 질소가스층에서 제1프리즘(110)으로 입사할 때 다시 굴절되어 최초의 진행방향 즉 Z축 방향을 회복한 상태로 제1프리즘(110)의 내부를 진행하게 된다.

하지만, Y축 편광(L2)의 경우 제2프리즘(120) 및 제1프리즘(110)을 통과할 때 상이한 굴절률의 영향을 받는다. 즉, 제2프리즘의 광축(120A)은 Y축 방향이며, 제1프리즘의 광축(110A)은 Z축 방향이므로, Y축 편광(L2)은 제2프리즘(120)을 통과할 때는 굴절률이 A인 매질을 통과하게 되며, 제1프리즘(110)을 통과할 때는 굴절률이 B인 매질을 통과하게 된다. 따라서, 제2프리즘(120)에서 질소가스층으로 입사할 때 Y축 편광(L2)이 굴절되는 정도와, 질소가스층에서 제1프리즘(110)으로 입사할 때 Y축 편광(L2)이 굴절되는 정도가 서로 상이하게 되며, 그 결과 Y축 편광(L2)은 최초의 진행방향 즉 Z축 방향과 소정의 각도 차이를 가진 방향으로 제1프리즘의 내부를 진행하게 된다.

분리된 X축 편광(L1)은 Z축 방향을 따라 제1프리즘(110)의 내부를 진행하다 가 제1프리즘의 측면(112)과 제2프리즘의 경사면(131) 사이의 틈에 도달하면 다시 굴절된다. 이후, X축 편광(L1)이 틈을 통과하여 제2프리즘의 경사면(131)에 도달되면, X축 편광에 대한 제1프리즘(110) 및 제2프리즘(130)의 굴절률이 모두 B로 동일하므로, 앞서 설명한 바와 같이 X축 편광(L1)은 다시 제2프리즘의 경사면(131)에서 굴절하여 Z축 방향의 진행방향을 회복하게 되며, 이후 Z축 방향을 따라 계속 진행하게 된다. 한편, 제1프리즘과 제2프리즘 사이의 틈(N)에서는 질소가스와 프리즘의 매질 차이에 따라 X축 편광(L1)이 굴절된 상태로 진행하므로, 최초 편광기에 입사될 때의 광의 진행방향과 편광기(200)를 통과한 후의 X축 편광의 진행방향이 달라질 수 있으나, 실제적으로 틈 사이의 간격이 매우 좁으므로 틈을 진행하는 동안 발생되는 광 경로의 차이는 거의 무시할 수 있으며, 따라서 최초 입사되는 광(L)의 경로와 편광기를 통과한 후의 X축 편광(L1)의 진행방향은 거의 동일하게 된다.

Y축 편광(L2)은 도 2에 점선으로 표시된 방향을 따라 제1프리즘(110)의 내부를 진행하다가 제1프리즘의 측면(112)과 제1프리즘의 경사면(131) 사이의 틈(N)에 도달하면 다시 굴절된다. 이후, Y축 편광(L2)이 틈을 통과하여 제2프리즘의 경사면(131)에 도달되면 다시 굴절하게 되는데, 앞서 설명한 바와 같이 Y축 편광(L2)에 대한 제1프리즘(110) 및 제2프리즘(130)의 굴절률이 각각 B 및 A로 서로 상이하므로, Y축 편광(L2)은 일점쇄선(K)으로 표시된 진행방향으로 다시 굴절되지 못하고 일점쇄선의 방향과 소정의 각도 차이를 가진 방향으로 제2프리즘(130)의 내부를 진행하게 되며, 이후 제2프리즘(130)을 통과하여 공기 중에서 진행하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 편광기(200)의 경우 입사된 광이 편광기 내부를 진행하는 동안에 광이 진행하는 매질이 제2프리즘(120)에서 제1프리즘(110)으로 바뀐 다음 다시 제1프리즘(110)에서 제2프리즘(130)으로 2번 바뀌게 되며, 이 과정 동안 Y축 편광(L2)이 2번 굴절되게 된다. 그러므로, X축 편광과 Y축 편광 사이의 분리각(θ')이 종래(θ)보더 더 커지게 되며, 따라서 X축 편광(L1)과 Y축 편광(L2)이 종래보다 더 짧은 거리만 진행하더라도 충분히 분리될 수 있다. 그리고, 그 결과 편광기를 구비한 장비의 크기가 종래보다 더 작아지더라도 X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2) 중 어느 하나를 선택적으로 사용할 수 있게 된다.

또한, 제1프리즘과 제2프리즘 사이의 틈(N)이 질소가스로 채워져 밀폐되어 있으므로, 종래와 같이 진공자외선 파장 영역의 광이 공기 중의 산소나 수증기에 의해 흡수됨으로 인해 광의 세기가 약화되는 것이 방지된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광기(300)의 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 편광기(300)는 두 개의 제1프리즘(210,220)과, 두 개의 제2프리즘(230,240)과, 밀폐유닛을 포함한다.

두 개의 제1프리즘은, 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면을 가지는 제1직각프리즘(210)과, 이등변삼각기둥 형상으로 형성되어 동일 형상의 두 개의 측면(221,222)을 가지는 제1이등변프리즘(220)으로 구성된다. 제1직각프리즘(210) 및 제1이등변프리즘(220)은 Z축 방향으로 형성된 광축을 가지며, 광(L)의 진행방향을 따라 배치된다.

두 개의 제2프리즘은, 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면(231)을 가지 는 제2직각프리즘(230)과, 이등변삼각기둥 형상으로 형성되며 동일 형상의 두 개의 측면(241,242)을 가지는 제2이등변프리즘(240)으로 구성된다. 제2직각프리즘(230) 및 제2이등변프리즘(240)은 Y축 방향으로 형성된 광축을 가진다. 제2이등변프리즘(240)은 두 개의 측면(241,242)이 각각 제1직각프리즘의 경사면(211) 및 제1이등변프리즘의 두 개의 측면 중 좌측 측면(221)과 서로 평행하게 배치된다. 제2직각프리즘(230)은 그 경사면(231)이 제1이등변프리즘의 우측 측면(222)과 서로 평행하게 배치된다. 제1직각프리즘의 경사면(211)과 제2이등변프리즘의 좌측 측면(241) 사이, 제2이등변프리즘의 우측 측면(242)과 제1이등변프리즘의 좌측 측면(221) 사이 및 제1이등변프리즘의 우측 측면(222)과 제2직각프리즘의 경사면(231) 사이에는 각각 틈(N)이 형성되며, 이 틈(N)은 질소가스로 채워진다.

밀폐유닛은 제1프리즘과 제2프리즘 사이의 틈(N)이 질소가스로 채워진 상태로 유지되도록 하기 위한 것으로 밀폐부재(250)를 포함한다. 밀폐부재(250)는 제1프리즘 및 제2프리즘에 결합되며, 틈(N)을 밀폐시켜 틈 내부를 질소가스 분위기로 유지시킨다.

본 실시예에 따른 편광기(300)의 경우, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 입사된 광이 편광기 내부를 진행하는 동안 광이 진행하는 매질이 제1직각프리즘(210)에서 제2이등변프리즘(240)으로, 제2이등변프리즘(240)에서 제1이등변프리즘(220)으로, 그리고 제1이등변프리즘(220)에서 제2직각프리즘(230)으로 총 3번 바뀌게 되며, 이 과정 동안 Y축 편광(L2)은 3번 굴절하게 된다. 따라서, 본 실시예의 경우 앞서 설명한 실시예의 경우 보다 더 큰 분리각(θ'')을 얻을 수 있으며, 그 결과 X 축 편광(L1)과 Y축 편광(L2)을 충분히 분리되기까지 X축 편광(L1) 및 Y축 편광(L2)이 진행하여야 하는 거리가 더 짧아지게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

예를 들어, 상술한 실시예들에서는 Y축 편광이 2번 및 3번 굴절되도록 발명을 구성하였으나, Y축 편광이 4회 이상 굴절되도록 더 많은 수의 제1프리즘 및 제2프리즘을 교번적으로 배치함으로써 더 큰 크기의 분리각을 가지도록 발명을 구성할 수 있다. 다만, 이와 같이 복수 개의 프리즘을 교번적으로 배치하는 경우에도 마지막으로 광이 통과하는 프리즘의 광축 방향은 광이 진행하는 방향, 즉 앞선 실시예에서의 Z축 방향과 직교하는 방향으로 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 최종적으로 광이 통과하는 프리즘의 광축 방향이 광의 진행방향과 동일한 경우 광의 편광특성이 변화되는 것을 방지하기 위함이다.

도 1은 종래 편광기의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광기의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 편광기의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

200,300...편광기 110...제1프리즘

120,130...제2프리즘 210...제1직각프리즘

220...제1이등변프리즘 230...제2직각프리즘

240...제2이등변프리즘 140,250...밀폐부재

N...틈 L...광

L1...X축 편광 L2...Y축 편광

Claims (8)

1. 입사되는 광을 복굴절 시켜 상기 광을 진동방향이 서로 수직인 두 개의 편광으로 분리하기 위한 것으로서,

   상기 입사되는 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 일방향으로 광축이 형성되어 있는 하나 이상의 제1프리즘; 및

   상기 광이 투과되도록 광 투과성 소재로 이루어지며, 복굴절 특성을 가지며, 상기 제1프리즘의 광축 방향과 직교하는 방향으로 광축이 형성되어 있는 복수의 제2프리즘;을 포함하며,

   상기 광이 진행하는 매질이 상기 제1프리즘 및 상기 제2프리즘 중 어느 하나에서 다른 하나로 2회 이상 바뀌도록 상기 제1프리즘은 상기 제2프리즘 사이에 하나 이상 배치되는 것을 특징으로 하는 편광기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 각 제2프리즘의 광축은 모두 동일한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 편광기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1프리즘은 한 개 구비되어 상기 광의 진행방향 상에 배치되며,

   상기 제2프리즘은 두 개 구비되며, 상기 두 개의 제2프리즘은 상기 제1프리 즘을 사이에 두고 상기 광의 진행방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 편광기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1프리즘은 이등변삼각기둥 형상으로 형성되어 동일 형상의 두 개의 측면을 가지며,

   상기 각 제2프리즘은 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면은 가지며,

   상기 두 개의 제2프리즘은 각 제2프리즘의 경사면이 상기 제1프리즘의 측면과 각각 대면하며 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 편광기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 제1프리즘 및 상기 제2프리즘은 각각 두 개씩 구비되며 상기 광의 진행방향을 따라 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 편광기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 두 개의 제1프리즘은 각각 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면을 가지는 제1직각프리즘 및 이등변삼각기둥 형상으로 형성되어 동일 형상의 두 개의 측면을 가지는 제1이등변프리즘이며,

   상기 두 개의 제2프리즘은 각각 직각삼각기둥 형상으로 형성되어 경사면을 가지는 제2직각프리즘 및 이등변삼각기둥 형상으로 형성되어 동일 형상의 두 개의 측면을 가지는 제2이등변프리즘이며,

   상기 제2이등변프리즘은 제2이등변프리즘의 두 개의 측면이 각각 제1직각프리즘의 경사면 및 제1이등변프리즘의 두 개의 측면 중 어느 한 측면과 평행하게 배치되며,

   상기 제2직각프리즘은 제2직각프리즘의 경사면이 제1이등변프리즘의 두 개의 측면 중 다른 한 측면과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 편광기.
7. 제1항에 있어서,

   상기 제1프리즘 및 상기 제2프리즘 중 상기 광의 진행방향을 따라 마지막에 배치되는 프리즘의 광축은 상기 광의 진행방향과 직교하는 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 편광기.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1프리즘과 상기 제2프리즘의 사이에는 질소가스 및 불활성가스 중 적어도 하나의 가스로 채워진 틈이 형성되어 있으며,

   상기 제1프리즘과 상기 제2프리즘 사이의 틈을 밀폐하는 밀폐유닛;을 더 가지는 것을 특징으로 하는 편광기.

Images