Z notatnika optyka: Polar

Zapraszamy do lektury kolejnego odcinka cyklu "Z notatnika optyka". W tym tygodniu Bernard Piechal zajął się zjawiskiem polaryzacji, oczywiście w kontekście fotografii, a dokładniej filtrów polaryzacyjnych.
Filtry polaryzacyjne to trudny temat - aby wytłumaczyć co to, po co toto i jak się to używa, trzeba zahaczyć o falową naturę światła. A jednocześnie temat potrzebny, bowiem filtr polaryzacyjny jest jednym z dwóch, obok filtra UV (rzekomo ochronnego), najpopularniejszych kandydatów na "mój pierwszy filtr". Niestety większość poradników na ten temat skierowanych do fotografów kończy się, jak amen w pacierzu, alegorią, w której przepychamy nitkę przez grzebień.

Zapraszam zatem na odcinek o polaryzacji bez alegorii. Będą za to bonusy: spróbuję rysować w 3D ;)

Światło to nie nitka
Światło jest falą elektromagnetyczną. To znaczy: jest falą falujących pól elektrycznego (co sobie oznaczę E) i magnetycznego (B). Jeżeli można to jakoś zobrazować, to wygląda to tak:


To co mamy na rysunku to taki zamrożony w czasie obraz. Oczywiście taka falka porusza się w kierunku w którym światło biegnie. Co jest tu ważne to to, że mamy falujące pole elektryczne oraz pole magnetyczne falujące zawsze prostopadle do elektrycznego. Ja narysowałem to tak, że pole elektryczne faluje w kierunku tylko pionowym, a magnetyczne poziomym. Ale mogłoby być i odwrotnie, albo mogłoby być wszystko obrócone na przykład o 30°. A może być i tak, że światło jest mieszaniną promieni i dla każdego z nich kierunek drgań pola elektrycznego jest inny (a magnetycznego zawsze prostopadły do elektrycznego dla tego samego promienia).

Otóż polaryzacja światła to jest wielkość, która mówi o tym, jakie są kierunki drgania pól. Ta mieszanina, którą wymieniłem na końcu, to światło niespolaryzowane. A mieszanina promieni, w których pola elektryczne falowałyby wszystkie w tym samym kierunku byłaby liniowo spolaryzowana. Przyczepiłem się tego pola elektrycznego, bo ogólnie przyjęta konwencja jest taka, że jako kierunek polaryzacji podaje się właśnie kierunek drgań pola elektrycznego a nie magnetycznego.

Zatem na przykładzie: mamy światło spolaryzowane pionowo. To znaczy, że wszystkie fale świetlne biegną tak, że pole elektryczne faluje pionowo, a magnetyczne poziomo, a takich fal, gdzie jest odwrotnie nie ma.

Recepta na filtr polaryzacyjny
Bierzemy sobie długą cząsteczkę alkoholu poliwinylowego i przyczepiamy na koniec atom jodu. Dostajemy cząsteczkę, w której istnieje jeden elektron, który nie jest przyczepiony mocno do żadnego atomu, tylko może latać po całej cząsteczce. Następnie takie cząsteczki nakładamy na plastikową folię, którą mocno rozciągamy w jednym kierunku. W wyniku rozciągania folii cząsteczki układają się, średnio licząc, w kierunku, w którym rozciągaliśmy. Taką rozciągniętą folię naklejamy na kawałek szkła, aby było jakieś mechaniczne podparcie. I co się dzieje, jak na coś takiego padnie światło?

Jeżeli ustawimy folię tak, że cząsteczki będą ułożone prostopadle do polaryzacji światła (czyli prostopadle do drgań pola elektrycznego) to... nic się nie dzieje. Takie światło nie reaguje z niczym w cząsteczce i po prostu przechodzi przez filtr. Natomiast jeżeli ustawimy sobie folię tak, że cząsteczki będą równoległe do kierunku polaryzacji (czyli drgań pola elektrycznego), to pole elektryczne zacznie przepychać ten swobodny elektron po całej cząsteczce w tę i z powrotem. A skoro zacznie przepychać, to będzie na to zużywać energię, a więc będzie pochłaniane. No i mamy filtr polaryzacyjny: światło spolaryzowane prostopadle do kierunku ułożenia cząsteczek przechodzi, a równolegle - jest pochłaniane. Banał, nie? Na opracowaniu tej metody przed pierwszą wojną światową wyrosła jedna znana firma o nazwie... na "P".

Co jeszcze polaryzuje
Trochę tego jest, ale wspomnę tu o przede wszystkim o odbiciu. Otóż, jak wspomniałem w odcinku o powłokach antyrefleksyjnych, odbicie od powierzchni szkła zależy od polaryzacji. Te dwa różnie odbijane kierunki polaryzacji są takie:


Oczywiście, jeżeli światło pada prostopadle (czyli dla
θ
=0), to te dwa kierunku są równoważne. Jednak w miarę zmieniania kąta padania (startując od kierunku prostopadłego do powierzchni) światło spolaryzowane "płasko" do powierzchni (ozn. jako prostopadłe) będzie się odbijać coraz bardziej. Za to odbicie światła spolaryzowanego "na sztorc" (ozn. jako równoległe) zacznie spadać i dla pewnego kąta odbicia w ogóle nie będzie. Dla tego kąta światło odbite będzie całkowicie spolaryzowane i pod tym kątem należy się ustawić w stosunku do szyby, aby można było odbicia wygasić całkiem za pomocą filtra polaryzacyjnego. Ten kąt nazywa się kątem Brewstera i dla szkła o n=1,5 wynosi 56 stopni.

To dotyczy też niemetali, które są nieprzezroczyste - są nieprzezroczyste dlatego, że światło jest w nich pochłaniane po przebyciu odległości mikroskopijnych, ale nie znaczy to, że na powierzchni nie ulega załamaniu. Odbicie od niemetalu może być spolaryzowane z tego samego powodu co od szyby. Materiał, który nie umie światła spolaryzować przy odbiciu to jest metal.

Można o tym pamiętać. Na przykład wtedy, gdy się robi zdjęcie aparatu fotograficznego. Jak się ustawimy z lampą i aparatem pod odpowiednim kątem, to się może okazać, że bezpośrednie odbicie lampy w pomalowanym na czarno wierzchu pokrętła korekcji ekspozycji jest spolaryzowane. Za to odbicie od polerowanych metalowych pierścieni nie jest. Pierwsze można wygasić polaryzatorem, ale drugie zostanie. Dostaniemy...

...głęboko ciemne pokrętła ze "świecącymi obwódkami".

Kołowo...
Czasem mówi się, że jak aparat ma autofocus, to filtr polaryzacyjny ma być kołowy. Tak naprawdę to nie dotyczy tylko aparatów z autofocusem, ale także niektórych lustrzanek starszych od większości współczesnych modelek (na przykład Olympusów OM-3 i 4, czy Nikonów F3). Powodem jest półprzepuszczalne lustro. Kiedyś lustrzanki miały lustra z aluminium napylanego na powierzchnię płytki szklanej. Takie lustro odbijało jak metal, a więc nie polaryzowało. Lustra półprzepuszczalne mają dużo mikroskopijnych punktów pozostawionych bez aluminium. Te miejsca odbijają na tej samej zasadzie co powierzchnia szkła, a więc odbicie zależy od polaryzacji. I dotyczy to całkiem sporej części światła, bo typowe półprzepuszczalne lustro przepuszcza do czujnika AF lub światłomierza prawie połowę światła. Jeżeli w tej sytuacji użyjemy polaryzatora liniowego, czyli takiego, jak wcześniej opisałem to pojawią się problemy.

Na przykład, jeżeli ustawimy filtr tak, aby przepuszczał polaryzację pionową, to lustro taką polaryzację odbije sporo słabiej niż poziomą. A więc obraz na matówce będzie ciemny, za to do światłomierza czy czujnika AF przejdzie światła nieproporcjonalnie dużo. Natomiast jak filtr ustawimy poziomo będzie odwrotnie: nadmiar obrazu na matówkę, a niedomiar do czujnika AF. Zwracam uwagę, że kręcenie filtrem w takiej sytuacji spowoduje, że obraz na matówce będzie ciemniał i jaśniał, nawet jeżeli światło wpadające w obiektyw będzie zupełnie niespolaryzowane.

Aby uniknąć takich artefaktów trzeba użyć filtra, który nazywa się kołowym (ang. "circular polarizer"). Taki filtr składa się z dwóch warstw: pierwszą jest zwykły liniowy polaryzator, taki, jak wcześniej opisałem. Potem jest przyklejona warstwa, która zamienia polaryzację liniową na coś, co się nazywa polaryzacją kołową, a z punktu widzenia fotografa po prostu rozpolaryzowuje światło. Taki filtr można rozpoznać od liniowego po tym, że działa tylko w jedną stronę: jeżeli filtr liniowy odwrócimy, to nadal działa jak polaryzator. Jeżeli odwrócimy filtr polaryzacyjny kołowy - będzie działał jak filtr szary i tyle.
Komentarze
Polecane artykuły
“Fotografia to moje zajęcie” - wywiad z Tadeuszem Rolke
24 Maj 2019
Z aparatem pracuje od 75 lat, ale ani myśli odwieszać go na kołek. O ostatnich projektach, pomysłach na kolejne cykle i o kobietach z Tadeuszem Rolke rozmawia Monika Szewczyk.
2
Moscow International Foto Awards 2019 - Polacy zdominowali sekcję photobooków. Triumfują też w pozostałych kategoriach
23 Maj 2019
Tegoroczna odsłona konkursu MIFA przynosi wiele nagród fotografom znad Wisły. Książki fotograficzne Igora Pisuka i Dominiki Koszowskiej uznane zostały najlepszymi publikacjami roku. Oprócz nich triumfy święci jeszcze 9 fotografów z Polski.
0
Życie fotograficzne i uczuciowe - historia Tadeusza Rolke
20 Maj 2019
Świadek minionego stulecia - powstaniec warszawski, przymusowy robotnik, stalinowski więzień i... bon vivant. Od kilkudziesięciu lat nie rozstaje się z aparatem, inspirując kolejne pokolenia artystów. Właśnie kończy 90 lat. Życie i twórczość kultowego fotografa przybliża autorka wywiadu rzeki z Tadeuszem Rolke, Małgorzata Purzyńska.
2
Nie żyje Bogdan Konopka - wybitny przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, autor pierwszej Kolekcji Wrzesińskiej
20 Maj 2019
W wieku 66 lat zmarł Bogdan Konopka - jeden z najważniejszych przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, odznaczony brązowym medalem „Zasłużony Kulturze Gloria Artis”.
0