Русский Русский English English

Поляризационное разделение ракурсов

Немного теории

В данном разделе кратко изложены теоретические основы поляризационного разделения ракурсов. Информация сжата до минимума, поэтому если вас интересует физически корректное представление материала - прошу изучить соответствующие разделы физики в книгах или статьях.

Видимый свет, благодаря которому мы получаем информацию об окружающем нас мире, - это узкий диапазон электромагнитного излучения с длинами волн от 400 нм до 750 нм. В электромагнитной волне вектора напряжённости электрического поля E и напряжённости магнитного поля Н перпендикулярны друг другу и лежат в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, поэтому очень часто в поясняющих рисунках оставляют только вектор E, перпендикулярный вектор H подразумевается. Во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет вектор напряжённости электрического поля E, поэтому его называют световым вектором.

Естественно поляризованный свет

Неполяризованный свет или естественный свет, испускаемый обычными источниками (например, солнечный свет, излучение ламп накаливания и т. п.), состоит из огромного числа волн, колеблющихся с различной частотой, с различной амплитудой и с различной ориентацией светового вектора. Распределение светового вектора E по углам симметрично относительно направления распространения волны. Схематично естественный свет можно представить рисунком слева.

Частично поляризованный свет

Частично поляризованный свет - то же, что и естественный, но распределение светового вектора E по углам несимметрично. Частично поляризованный свет характеризуется такой величиной, как степень поляризации - отношением Emax к Emin. Для естественно поляризованного света степень поляризации равна единице.

Если при распространении электромагнитной волны световой вектор сохраняет свою ориентацию, такую волну называют линейно-поляризованной или плоско-поляризованной. Плоскость, в которой колеблется световой вектор называется плоскостью колебаний (плоскость yz на рисунке), а плоскость, в которой совершает колебание магнитный вектор – плоскостью поляризации (плоскость xz на рисунке).

Линейно поляризованного света в природе не существует. Это - математическая абстракция. Говоря о линейно поляризованном свете, в действительности имеют в виду частично поляризованный свет с высокой степенью поляризации, то есть когда нелинейные составляющие пренебрежимо малы. Границу пренебрежения устанавливают в зависимости от решаемой задачи.

Линейная поляризация

Если вдоль одного и того же направления распространяются две монохроматические волны, поляризованные в двух взаимно-перпендикулярных плоскостях, то в результате их сложения в общем случае возникает эллиптически-поляризованная волна. В эллиптически-поляризованной волне в любой плоскости P, перпендикулярной направлению распространения волны (в данном случае эта плоскость = xy), конец результирующего вектора за один период светового колебания обегает эллипс, который называется эллипсом поляризации. Форма и размер эллипса поляризации определяются амплитудами ax и ay линейно-поляризованных волн и фазовым сдвигом Δφ между ними. Стоит отметить, что по знаку фазового сдвига различают левую и правую поляризацию. Частным случаем эллиптически-поляризованной волны является волна с круговой поляризацией (ax = ay, Δφ = ± π / 2).

Эллиптическая поляризация

Поляризационные фильтры

Два поляроида

У многих кристаллов поглощение света сильно зависит от направления электрического вектора в световой волне. Это явление называют дихроизмом. Этим свойством, в частности, обладают пластины турмалина, использованные ещё в опытах Малюса. При определенной толщине пластинка турмалина почти полностью поглощает одну из взаимно перпендикулярно поляризованных волн (например, Ex) и частично пропускает вторую волну (Ey).

В настоящее время широко применяются искусственные дихроичные плёнки, которые называются поляроидами. Поляроиды почти полностью пропускают волну ‘разрешённой’ поляризации и не пропускают волну, поляризованную в перпендикулярном направлении. Таким образом, поляроиды можно считать идеальными поляризационными фильтрами.

Поляроиды можно использовать как для поляризации естественного света, так и для фильтрации уже поляризованного света. На паре поляроидов можно наглядно продемонстрировать их работу - при вращении одного относительно другого на 90 градусов можно наблюдать практически полное затухание проходящего через них света.

Изменение поляризации света при отражении от поверхностей прозрачных сред

Среды, не поглощающие волны видимого диапазона, мы воспринимаем как прозрачные - это стекла, вода, воздух, хрусталь, бриллианты и много других бесцветных кристаллов. Для гладких поверхностей (неровности много меньше длины волны) законы отражения и преломления хорошо изучены. Однако оказалось, что степень отражения/поглощения световой волны может сильно зависеть от поляризации волны.

Например стекло, опытным путём было определено, что при угле падения 57 градусов отражаются световые волны с поляризацией только в одной плоскости - то есть отражённый свет полностью поляризован (степень поляризации 103-104). Этот угол называется углом Брюстера (и для стекла он равен 57 градусам).

Этот эффект давно научились использовать фотографы - если направить объектив под углом Брюстера к стеклу, то поворотом поляроида можно полностью убрать блики! А используя тот же приём для водной поверхности (угол Брюстера равен 53 градусам) - можно заснять подводный мир. При углах падения света, отличных от угла Брюстера, свет поляризуется лишь частично, и вы не сможете убрать блики полностью.

Изменение направления поляризации света в жидких кристаллах

ЖК-мониторы уже давно вошли в нашу обыденную жизнь, и вы наверное даже и не догадываетесь, что принцип их работы напрямую связан с поляризацией света. ЖК-монитор состоит из огромного числа маленьких пикселей. Каждый такой пиксель состоит из триады раскрашенных жидко-кристаллических ячеек (красной, зелёной и синей). С двух сторон от жидкокристаллической панели приклеиваются линейные поляризаторы. Сзади располагается подсветка (сами ЖК-ячейки не светятся).

Проходя через первую поляризационную плёнку, свет поляризуется. Напряжение на жидко-кристаллической ячейке заставляет сворачиваться её в спираль, при этом происходит изменение направления поляризации поляризованного света. После прохождения поляризованного света через вторую поляризованную плёнку происходит снижение интенсивности. Управляя напряжением на ячейке меняют угол ‘сворачивания’ плоскости поляризации света. Таким способом управляют интенсивностью свечения отдельной ячейки. 3 ячейки смешиванием образуют цвет пикселя а весь монитор - полное изображение.

Важным следствием является тот факт, что на выходе любого цветного ЖК-монитора мы получаем поляризованный свет.

Практические способы разделения ракурсов

Для разделения ракурсов, построения стереосистемы используется комбинация или одно из описанных выше свойств поляризованного света в различных средах:

  • затемнение поляризованного света с помощью фильтров (всегда используется для очков);
  • отражение поляризованного света;
  • изменение направления поляризации уже поляризованного света (iZ3D, Perceiva DSD190).

Каждый ракурс источника поляризуется, а наблюдатель вооружается компактными очками. Различают два основных способа поляризации для стерео:

  • линейная, линейные поляризаторы для каждого ракурса располагаются перпендикулярно;
  • круговая, фильтры для каждого ракурса поляризуются в разных направлениях (отрицательный/положительный сдвиг фазы);

При использовании линейных фильтров, очки должны располагаться всегда в одном положении - при изменении угла фильтры пропускают часть противоположно-поляризованного света - другой ракурс, образуется гхост. Причём сильное взаимопроникновение ракурсов происходит уже при малых углах наклона. При использовании круговой поляризации головой можно крутить свободно, что является основным преимуществом её перед линейной для стерео, однако она обходится дороже.

Как известно, идеально поляризованного света не бывает, а значит не бывает идеальных фильтров. Для достижения большего затухания нежелательного ракурса толщину поляроида увеличивают, что сказывается на уровне поглощения света в целом - понижается контраст, а для круговой поляризации ещё сильнее (круговые фильтры представляют собой линейный поляризатор + прослойку для разделения линейно поляризованного света на две перпендикулярные волны света с круговой поляризацией). Хорошие очки с линейными поляризационными фильтрами при одинаковом уровне затемнения ‘паразитного’ ракурса в разы выигрывают по контрасту очкам с круговыми фильтрами.

Copyright © Kirill Gavrilov, 2008-2017