Polaryzacja w soczewkach okularowych

Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Aby dobrze zrozumieć działanie nowoczesnych polaryzacyjnych soczewek okularowych, trzeba zacząć od podstawowych informacji dotyczących samego zjawiska polaryzacji.


Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  
Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Polaryzacja światła to cecha wynikająca z jego własności falowych. Światło jest poprzeczną falą elektromagnetyczną, przy czym „wychylenie poprzeczne” dotyczy wektora pola elektrycznego E. Kierunek drgań tego wektora określa kierunek polaryzacji liniowej. Polaryzacja może być także innego typu, np. kołowa lub eliptyczna, wtedy, gdy koniec wektora E zatacza w trakcie propagacji kształt spirali o przekroju kołowym lub eliptycznym, ale te rodzaje są zdecydowanie mniej ważne dla optyków okularowych. Ważną cechą światła jest to, że wektor polaryzacji liniowej można rozkładać na dwa wektory składowe o wybranych kierunkach (rys. 1).

 

rysunki_01

Światło pochodzące bezpośrednio ze źródeł termicznych (m.in. żarówek, halogenów itp.) lub typowych luminescencyjnych (np. diod elektroluminescencyjnych LED) jest na ogół niespolaryzowane. Spolaryzowane zaś jest zwykle światło laserowe. Na drodze ze źródła do oka światło może ulec wielu zjawiskom optycznym: odbiciu, załamaniu, rozproszeniu, absorpcji, a każde z nich może wywołać częściową lub całkowitą (liniową) polaryzację światła.

Polaryzacja przez odbicie polega na tym, że światło, które pada na płaską powierzchnię, np. szklaną, jest odbijane w różnym stopniu w zależności od polaryzacji. Składowe wektora pola elektrycznego, które są równoległe do płaszczyzny odbijającej, są odbijane w innym procencie niż składowe do nich prostopadłe. Istnieje pewien szczególny kąt padania, zwany kątem Brewstera, przy którym składowa wektora E nierównoległa do płaszczyzny jest w całości załamywana, czyli nie odbija się, zaś druga częściowo odbija się, a częściowo załamuje (rys. 2). W tej sytuacji światło odbite jest całkowicie spolaryzowane. Zjawisko to jest bardzo łatwe do zaobserwowania. Wystarczy popatrzeć na okna budynków przez filtr polaryzacyjny, by zauważyć, że dla różnych ustawień filtra okna są jaśniejsze bądź ciemniejsze.

rysunki_02-2

Drugie zjawisko, które powoduje liniową polaryzację światła, to rozproszenie na drobnych (porównywalnych z długością fali światła) cząstkach. Zjawisko to jest powszechne w atmosferze ziemskiej i odpowiada za niebieską barwę nieba. Stopień polaryzacji światła dziennego zależy m.in. od kąta obserwacji względem pierwotnego biegu promieni.

Selektywna absorpcja światła także może wywoływać polaryzację, choć spotykana jest raczej w technice niż w środowisku naturalnym. Polega na tym, że składowa wektora pola E w wybranym kierunku jest wygaszana (poprzez absorpcję) w wyniku oddziaływania np. z długimi łańcuchami przewodzących polimerów, ustawionych w określonym kierunku. W związku z tym przechodzi tylko druga składowa, prostopadła do pierwszej.

Jak działają i są zbudowane soczewki polaryzacyjne?

Gdyby na drodze wiązki światła spolaryzowanego liniowo (czyli o ustalonym kierunku polaryzacji) ustawić polaryzator, czyli urządzenie, które przepuszcza tylko jedną składową wektora pola E, to dla różnych ustawień osi polaryzatora względem kierunku polaryzacji padającego światła uzyskamy efekt przepuszczenia światła o różnym natężeniu. Jeśli kierunek osi polaryzatora (czyli kierunek przepuszczanej polaryzacji) będzie prostopadły do kierunku polaryzacji padającego światła, to uzyskamy minimalne natężenie wiązki, bądź praktycznie zerowe. Jeśli osie będą ze sobą zgodne, to polaryzator przepuści maksimum światła. Jeśli światło padające będzie częściowo spolaryzowane, to ten efekt również nastąpi, z tym że różnica między minimalnym i maksymalnym natężeniem będzie mniejsza. Na tej prostej zasadzie działają filtry i soczewki polaryzacyjne (liniowe), także okularowe.

Filtry polaryzacyjne w urządzeniach optycznych czy układach laboratoryjnych są wykonywane w różny sposób, z wykorzystaniem np. zjawiska odbicia pod kątem Brewstera, całkowitego wewnętrznego odbicia, dichroizmu czy absorpcji. W przypadku soczewek okularowych ograniczenia związane z ich budową i konstrukcją opraw powodują, że możliwe jest praktycznie tylko wykorzystanie absorpcji. W takim przypadku polaryzator stanowi zazwyczaj dodatkową warstwę nakładaną na powierzchnię soczewki, wykonaną zwykle z polimeru, którego długie łańcuchy cząsteczkowe są ułożone w zadanym kierunku i nasycone np. atomami jodu, tak by utworzyć niezwykle cienkie „przewody elektryczne”. Składowa polaryzacji zgodna z kierunkiem ułożenia cząsteczek (równoległa) jest absorbowana znacznie bardziej niż składowa do niej prostopadła. Widać, że kierunek (oś) polaryzacji światła padającego, jak i oś ustawienia polaryzatora jest niezwykle ważna dla jego prawidłowego funkcjonowania. Na przykład, jeśli chcemy wyeliminować odblaski od powierzchni wody, które są spolaryzowane (częściowo lub całkowicie) poziomo, to kierunek przepuszczanej składowej polaryzacji powinien być pionowy. Na każdej soczewce polaryzacyjnej naniesione są znaczniki, które wskazują prawidłowy kierunek montażu.

Polaryzatory najczęściej są elementami statycznymi, to znaczy, że na etapie produkcji ustala się, jaki procent polaryzacji pionowej lub poziomej jest przepuszczany. Praktycznie nigdy nie osiąga się wartości 0% lub 100%. Na dodatek, patrząc przez polaryzator na zwykłe niespolaryzowane światło będziemy wszystko widzieli ciemniejsze, bo przecież część światła (składowa) jest pochłaniana. Często mówi się, że dobry polaryzator to ciemny polaryzator.

Pojawiają się też koncepcje polaryzatorów dynamicznych, w których stopień polaryzacji światła jest zależny np. od natężenia światła. Gdy oświetlenie jest słabe, polaryzator praktycznie nie działa, zaś całe światło jest przepuszczane. Jeśli oświetlenie jest silne, wybrany kierunek polaryzacji jest absorbowany.

Kiedy stosować soczewki polaryzacyjne?

Soczewki polaryzacyjne można i czasami trzeba stosować w sytuacji, gdy światło spolaryzowane jest niepożądane, czyli najczęściej wtedy, gdy światło odbite lub rozproszone utrudnia nam widzenie. Wynika z tego, że warto stosować soczewki polaryzacyjne w warunkach na zewnątrz, przy oświetleniu dziennym. Obserwuje się wtedy redukcję światła odbitego np. od kałuż, większe zróżnicowanie barw, poprawę kontrastu, przy czym końcowy efekt zależy od konkretnych warunków obserwacji. Najczęściej okulary wyposażone w soczewki polaryzacyjne wybierają osoby pracujące w silnym nasłonecznieniu (zwykle wtedy razem z filtrem przeciwsłonecznym i filtrem UV), amatorzy sportów wodnych i zimowych, wędkarze, bądź osoby, którym odblask od powierzchni wody, śniegu, czy szkła zmniejsza komfort widzenia.

Dostępne są także soczewki polaryzacyjne dla kierowców, które w niektórych warunkach poprawiają komfort widzenia poprzez poprawę kontrastu, choć − z drugiej strony − mogą utrudnić obserwację np. kałuż na drodze. Warto przy okazji pamiętać, że okulary polaryzacyjne utrudnią m.in. narciarzom, czy snowboardzistom zobaczenie gładkich tafli lodu.

Stosowanie soczewek polaryzacyjnych jest natomiast zwykle niewskazane do pracy i przebywania w pomieszczeniach, bowiem są ciemniejsze i nie ma też wielu sytuacji, gdy pracujemy z niekorzystnym światłem spolaryzowanym. Więcej, niektóre urządzenia, jak na przykład ekrany LCD, zawierające elementy polaryzacyjne w konstrukcji, mogą nie być dobrze widoczne lub sprawiać dyskomfort. Tu pewnym rozwiązaniem mogą być soczewki wyposażone w dynamiczny polaryzator, który przy słabym oświetleniu praktycznie nie funkcjonuje, a uaktywnia się w warunkach silnego oświetlenia.
Optycy zwracają też uwagę na to, by nie montować soczewek polaryzacyjnych w oprawach na żyłkę lub wierconych, a tylko w oprawach pełnych, bowiem soczewki takie są nieco mniej odporne mechanicznie, a bywa, że i też termicznie (rozwarstwiają się), choć mamy nadzieję na stałą poprawę tych parametrów.
Reasumując, polaryzacja pełni ważną funkcję w naszym środowisku wzrokowym i odpowiednio dobierając cechy soczewki okularowej dajemy szansę na wyższy komfort widzenia, a przez to komfort życia.

dr Jacek Pniewski


Polub i udostępnij
  •  
  •  
  •  

Polecamy