polarizace světla
Úvod
Světlo
Způsoby polarizace
Využití polarizace
• Polarimetrie
• Fotoelasticimetrie
• LCD displeje a zobrazovače
• Laserové diody
• Polarizační filtry
• 3D Kina
Demonstrace
Závěr

Polarimetrie

Polarizované světlo lze využít ke zkoumání opticky aktivních látek. Opticky aktivní látky jsou látky schopné stáčet kmitovou rovinu polarizovaného světla. Tomuto jevu se říká rotační polarizace. Opticky aktivními látky jsou například roztoky cukru, bílkoviny, oleje a podobně. Stočení kmitové roviny měříme pomocí polarimetru, jehož schéma je na obrázku č. 4.1. Polarimetrie je věda, která zkoumá opticky aktivní látky.


Obrázek č. 4.1 Schéma polarimetru

Princip polarimetru
  1. Přirozené světlo ze zdroje nejprve prochází polarizátorem, kde dochází k jeho polarizaci.
  2. Polarizované světlo poté prochází opticky aktivní látkou, jejíž vlastnosti zkoumáme.
  3. Po průchodu opticky aktivní látkou světlo vstupuje do analyzátoru a následně dopadá na matnici.
Rozbor polarimetru

Jako polarizátor a analyzátor se používají krystaly islandského vápence, který světelný paprsek rozdělí na paprsek řádný a paprsek mimořádný (každý úplně lineárně polarizovaný). Tyto krystaly jsou upravené tak, že jimi prochází pouze paprsek mimořádný. Osy polarizátoru a analyzátoru jsou před vložením látky do polarimetru zkřížené, což znamená, že zorné pole je tmavé. Vložením zkoumané látky se zorné pole rozjasní a otáčením analyzátoru se vyhledá poloha, při které je zorné pole opět tmavé. Úhel otočení analyzátoru se odečítá na úhloměrné stupnici. Určuje stočení roviny polarizovaného světla a je úměrný koncentraci aktivní látky v roztoku.


Fotoelasticimetrie

Polarizace světla se také využívá u metody zkoumání mechanických napětí v různých objektech. Tato metoda se nazývá fotoelasticimetrie. Podstatou této metody je využívání umělé anizotropie, která je vyvolaná mechanickým namáháním v některých látkách (například organické sklo, plast atd.). Model zkoumaného objektu, vyrobený z některé takovéto látky se mechanicky deformuje a zároveň prosvětluje polarizovaným světlem.


Princip fotoelasticimetrie

Pohledem přes analyzátor lze poté pozorovat charakteristické obrazce, podle kterých můžeme zjistit mechanické napětí v modelu. Jakmile tuto informaci o mechanickém napětí známe, můžeme následně posoudit zkoumaný materiál z hlediska bezpečnosti. Bezpečností se myslí například možnost vzniku vad v průběhu používání, nebo existence skrytých vad (obrázek č. 4.2 a 4.3).


               Obrázek č. 4.2 Napětí v pravítku                                  Obrázek č. 4.3 Napětí v háku

Fotoelasticimetrie a polarimetrie

Fotoelasticimetrie je metoda úplně stejná jako polarimetrie. S tím rozdílem, že místo zkoumaného roztoku v polarimetrii vložíme mezi analyzátor a polarizátor mechanicky namáhaný materiál.


Využití fotoelasticimetrie

Pomocí fotoelasticimetrie je možné zkoumat nejen opticky průsvitné materiály, ale i materiály neprůsvitné. Stačí najít záření určité vlnové délky, které zkoumanou látkou projde, a pomocí výpočetní techniky můžeme záření převést na opticky viditelné. Viditelné světlo je jen malá část z celkového množství elektromagnetických vlnění.


LCD displeje a zobrazovače

U LCD displejů se používají tenké polarizační fólie, tvořící nutnou součást displeje.


Princip LCD zobrazovačů

LCD (Liquid Crystal Display) je zobrazovací jednotka, takzvaný displej s kapalnými krystaly. Kapalné krystaly jsou složité organické látky podobné polaroidům, které mají v rovnoběžných vrstvách uložené podlouhlé molekuly. Na rozdíl od krystalů jsou v určitém teplotním rozmezí tekuté a oproti kapalinám mají uspořádanou strukturu molekul. U LCD zobrazovačů je hlavní, že elektrické pole ovlivňuje orientaci molekul a mění optické vlastnosti kapalných krystalů. Díky tomuto se polarizuje světlo, které jimi prochází.


Složení LCD zobrazovačů

Zobrazovač LCD se skládá ze dvou skleněných destiček, které jsou mezi sebou vyplněny tenkou vrstvou kapalného krystalu o tloušťce 30 µm až 100 µm. Vnitřní strany destiček pokrývá kovová vrstva, která má funkci elektrod. V horní kovové vrstvě je vytvořen reliéf znaků, které má displej zobrazovat a v dolní je vrstva je společnou elektrodou pro všechny znaky. Na vnější straně displeje je nalepena polarizační fólie.


Obrázek č. 4.4 Schéma LCD zobrazovače

Jak funguje LCD zobrazovač

LCD zobrazovač světlo nevyzařuje, proto musíme pro pozorování znaků osvětlit displej. V místech, ve kterých je přivedeno elektrické napětí k reliéfu znaku se mění elektrooptické vlastnosti určité oblasti kapalného krystalu. V tomto místě se světlo polarizuje a neprojde zpět polarizační fólií, což se nám jeví jako ztmavnutí displeje na místě zobrazeného znaku (zobrazený text na displeji je nesvítící část displeje). Díky tomu mají LCD zobrazovače nepatrnou spotřebu elektrické energie.


Alfanumerické zobrazovače

Tyto zobrazovače jsou nám známé například z kalkulaček, MP3 přístrojů, mobilů a podobně. Jsou složeny z řady Alfanumerických míst (obrázek č. 4.5), které nejčastěji tvoří rastr 5x8 bodů (obrázek č. 4.6). Pomocí tohoto rastru lze zobrazit všechny číslice a písmena abecedy.


         Obrázek č. 4.5 Alfanumerický zobrazovač          Obrázek č. 4.6 Alfanumerické místo s rastrem

Grafické zobrazovače

Konstrukčně složitější než alfanumerické zobrazovače jsou zobrazovače grafické, které zobrazují nejen text, ale i grafiku. Vyskytují se jako barevné grafické LCD displeje a umožňují zobrazení bodového rastru o velkém počtu bodů. Rozlišení může být i 1280x1024 bodů.


Obrázek č. 4.7 LCD displej

Laserové diody

S polarizovaným světlem se setkáme také u světla vyzařovaného laserovou diodou. O tom, že světlo vyzařované diodou je polarizované, se přesvědčíme pomocí polarizačního filtru. Laserové diody se využívají například v laserových ukazovátkách, nebo ve snímačích záznamu na CD (kompaktní disk).


Záznam na kompaktním disku

Záznam na CD má podobu mikroskopických důlků různých délek (takzvaných pitů), které jsou zaznamenány na lesklém povrchu disku. Tento záznam je digitální a na desce je zakódován pomocí délek a vzdáleností jednotlivých pitů (obrázek č. 4.8).


Obrázek č. 4.8 Mikroskopické zobrazení pitů

Princip snímače optického záznamu

Záznam z disku je snímán infračerveným laserovým zářením. Zdrojem tohoto záření je laserová polovodičová dioda L (obrázek č. 4.9). Na rovném lesklém povrchu disku se záření jen odráží, ale pity ho vlivem rozptylu výrazně zeslabují. Odražené záření je tedy proměnné intenzity. K oddělení záření postupujícího směrem k disku a záření proměnné intenzity směřujícího od disku slouží zvláštní odrazný hranol H (obrázek č. 4.9). Vlastností tohoto hranolu je, že vlnění polarizované v jednom směru propouští, ale vlnění polarizované ve směru kolmém odráží. Abychom změnili směr polarizace, je do cesty záření postupujícího k disku vložena čtvrtvlnová destička D (obrázek č. 4.9), která při průchodu záření stočí kmitovou rovinu o 45°. Dvojnásobným průchodem touto destičkou je dosaženo stočení kmitové roviny o 90°, což znamená, že záření při návratu zpět do zdroje neprojde hranolem a je odraženo směrem k fotodiodě F (obrázek č. 4.9). Ve fotodiodě se mění proměnný optický signál na signál elektrický.


Obrázek č. 4.9 Schéma optického snímače

(L – laserová dioda, M – holografická optická mřížka, H - odrazný hranol,
D – čtvrtvlnová destička, O – objektiv, Č - čočka, F - fotodioda)

Před vstupem do hranolu prochází záření ještě holografickou mřížkou, která vytváří interferenční maximum 0. řádu pro snímání záznamu a interferenční maximum 1. řádu pro řízení správné polohy svazku laserových paprsků.

Polarizační filtry

Polarizační filtry jsou často používány v praxi. V dnešní době jsou skoro nedílnou součástí při fotografování a velké využití mají i v polarizačních brýlích. Začátkem 20. století v roce 1929 byl patentován zcela nový materiál s obchodním názvem Polaroid. O tomto materiálu jsem se již dříve hovořil, vysvětlil princip fungování, uvedl způsob výroby a složení.


Polarizační brýle

Schopností polaroidu je zeslabovat procházející světlo. S tímto materiálem se nejčastěji setkáváme v polarizačních brýlích, ale ne všechny brýle jsou vyrobeny s polarizátorem. Polarizátory v brýlových čočkách jsou vertikálně orientované, pohlcují horizontálně polarizované světlo a propouští pouze přímé nepolarizované sluneční paprsky. Světlo odrážející se od okolních předmětů je většinou polarizované horizontálně. Z toho vyplývá, že paprsky odražené od okolních předmětů jsou pohlceny. Díky této vlastnosti brýle zabraňují nepříjemnému oslnění od okolních předmětů (například skleněných ploch, aut, silnic, hladin vod atd.), zajišťují jasnější vidění a zeslabují intenzitu světla dopadajícího na sítnici.


Obrázek č. 4.10 Sluneční brýle: bez polarizačního filtru/ s polarizačním filtrem

Polarizační filtry

Ve fotografické praxi se využívají polarizační filtry zejména k potlačení, nebo zvýraznění odlesků na fotografovaných předmětech. Cílem je dosažení sytějších barev s menším množstvím odlesků. K dosažení těchto vlastností fotografie je polarizační filtr nezbytný, protože polarizaci světla dochází i při rozptylu světla způsobeného částicemi volně se vznášejícími ve vzduchu. V praxi se filtr používá nejčastěji ve volné přírodě ke ztmavení oblohy a odstranění oparu.


Největší účinek polarizačního filtru nastává, když směr, kterým fotografujeme, svírá pravý úhel se směrem, kterým je od nás Slunce. Je to způsobeno tím, že světlo rozptýlené částicemi ve vzduchu je nejvíce polarizované ve směru, který je kolmý na směr šíření světla před rozptylem. Nejmenší účinek polarizačního filtru nastává, díváme-li se přímo proti Slunci, nebo od něj, nedokáže polarizační filtr ztmavit oblohu ani zredukovat opar, protože světlo, které se šíří od slunce k nám je nepolarizované.

Polarizační filtr se používá hlavně u barevných fotografií, protože zde nelze ztmavit oblohu a odstranit opar barevnými filtry, jak je tomu u černobílých fotografií.


Obrázek č. 4.11 Fotografie: bez polarizačního filtru/ s polarizačním filtrem

3D Kina

V moderní době se setkáme s polarizačními filtry i v tzv. 3D kinech. To jsou kina, ve kterých divák nevidí pouze 2D obrazy, ale vidí obraz trojrozměrně, což umocňuje pocit, že divák je součástí filmu.


Tvorba 3D filmu

Filmy ve 3D jsou natáčené speciální technologií pomocí dvou kamer. Tyto kamery jsou umístěny na stativu vedle sebe a vzdálenost jejich objektivů je rovna přibližně vzdálenosti lidských očí. Tím je zajištěno, že scény z filmu jsou natočené z úhlu, pod kterým je vidí lidské oči. Po natočení všech scén přichází na řadu klasické sestříhání a ozvučení, při kterém musí být dodržena synchronizace záznamů z obou kamer. V kině se film následně promítá pomocí dvou promítacích strojů, které mají na objektivu polarizační filtry. Polarizační roviny použitých filtrů u promítacích strojů jsou navzájem kolmé (obrázek č. 4.12). Stejně tak je tomu u skel brýlí s polarizačními filtry, kterými se divák dívá na film (obrázek č. 4.12). Díky těmto filtrům vnímá každé divákovo oko obraz natočený pouze jednou kamerou. Výsledný trojrozměrný efekt vzniká až v mozku diváka složením obrazů z obou jeho očí.


Obrázek č. 4.12 Využití polarizace v 3D kině

Nutností tedy ke sledování filmu ve 3D jsou polarizační brýle, bez kterých by divák vnímal obraz neostrý a rozdvojený. Aby vše fungovalo, musí se film promítat na speciální plátno, jehož odrazná plocha zachová rovinu polarizace světla. V případě, že by rovina polarizace nebyla zachována, obraz by byl nekvalitní a nevynikl by cílený 3D efekt. Pro tyto účely je nejvhodnější plátno s metalickým povrchem, například hliníkové.