Поляризационные фильтры: как они работают и для чего нужны

Поляризационные фильтры: как они работают и для чего нужны

Потому что они делают цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов.

Видимый свет, как и любое другое электромагнитное излучение, является волной. Поляризованным светом называется излучение, волны которого колеблются в одной плоскости. Изначально солнечный свет не поляризован, то есть у его волн нет чётко определённого направления поперечных колебаний. Но по пути к фотоаппарату свет то и дело отражается и преломляется. В итоге мы имеем блики на различных поверхностях, а на небе появляется специфичная пелена. Поляризационный фильтр создан, чтобы бороться с этим.

Длинный ответ

Чтобы развёрнуто ответить на вопрос «Зачем нужны поляризационные фильтры?», нужно начать с того, что такое поляризованный (и вообще любой) свет.

Световые волны – это видимый спектр электромагнитного излучения где-то между 400 и 700 нм. Он состоит из электрических и магнитных волн. Они довольно громоздко выглядят вместе (плюс магнитные волны никак не относятся к вопросу о поляризации), поэтому давайте ограничимся электрической составляющей. Волна колеблется перпендикулярно направлению своего движения.

Что же такое поляризация? Представьте себе световую волну, направленную прямо в ваш глаз. Если развернуть предыдущий рисунок на 90 градусов, то всё, что нам будет видно, это колебание волны вверх-вниз. Такой световой луч называется поляризованным. Так что поляризованным называется тот свет, электрическое поле которого колеблется только в одном направлении. Вертикально в данном случае. Это может быть и горизонтальная, и любая, в принципе, ориентация.

Ладно, но как тогда получить неполяризованный свет? Без проблем. Большая часть света, что мы видим, не поляризована. Свет, исходящий напрямую от солнца, не поляризован. То же касается лампочки накаливания, любого горячего светящегося объекта. В один момент времени поле может быть направлено в одну сторону, а в другой – совсем в другую. Это происходит в случайном порядке.

Линейная поляризация

Допустим, вам по каким-то причинам нужно получить поляризованный свет. Как это сделать? Просто используйте поляризатор. Это материал, пропускающий свет. Но пропускает он только свет, ориентированный в одном направлении.

Представим поляризатор, пропускающий только вертикально ориентированный свет. Если поставить его в одну линию с лампой и глазом, он отсечет любой свет, кроме поляризованного вертикально. Естественно, за счет потери части излучения, мы получим несколько более темную картинку.

Взяв поляризатор с горизонтальной ориентацией, мы получим горизонтально поляризованный свет.

И как все это использовать?

Здорово, но зачем вся эта поляризация нужна в обычной жизни, ведь мало кто собирается проводить ежедневные эксперименты? Вспомните солнцезащитные очки с поляризацией (нет, они так называются не только потому, что маркетологи зацепились за модное словечко и нашли повод поднять цену на них в несколько раз) и то, как они борются с бликами и отражениями.

Как это работает? Представьте себя стоящим в солнечную погоду на берегу озера. Свет попадает к вам в глаза со всех направлений, отражаясь от облаков, любой поверхности по соседству. Спокойный отражённый солнечный свет. Но если вы посмотрите прямо на воду, то увидите яркий блик прямиком от солнца. В нем нет ничего хорошего: он ослепляет, причиняет боль. «Пора положить конец этим надоевшим бликам!» – скажут в отделе маркетинга какой-нибудь фирмы по производству солнцезащитных очков. К счастью, хоть прямой солнечный свет не имеет поляризации, но, отражаясь от поверхности, он, как минимум, частично поляризуется (при некоторых углах падения – полностью). Причем направление поляризации параллельно плоскости, от которой отразился свет.

Получается, что большая часть (если не вся) отраженного от поверхности света имеет четко выраженную поляризацию. Всё, что нам остаётся сделать, это надеть солнцезащитные очки с вертикальным поляризационным фильтром и тем самым отсечь блики.

Эти же очки позволят заглянуть под поверхность воды.

Всё это справедливо и для поляризационного фотофильтра. Основная разница состоит в том, что за счёт изменяемой плоскости вращения вы сами можете задавать направление поляризации.

Круговая поляризация и зачем она нужна

Помимо линейной поляризации существует другой ее вид – круговая.

Вот две волны, колеблющиеся в перпендикулярных друг другу плоскостях. В случае, когда они совершают колебания в одной фазе, их суммарный вектор направлен по диагонали. То есть мы снова получаем линейно поляризованный свет.

Но если сдвинуть горизонтальную волну на 1/4 фазы, суммарный вектор двух волн будет вращаться по часовой или против часовой стрелки. То есть, поляризация не будет всё время направлена в одну сторону, она будет круговой.

Чтобы понять, как на практике работает круговой поляризационный фильтр, нужно принять тот факт, что линейно поляризованный свет состоит не из одной электрической волны, а из вектора суммы двух перпендикулярно колеблющихся волн, как на картинке выше. Собственно, сам фильтр состоит из двух частей: линейного поляризатора и специального материала, замедляющего одну компоненту поляризованного света на 1/4 фазы.

Так, а к чему вообще все эти заморочки с круговой поляризацией, когда есть линейная?

Всё дело в том, что электроника современных камер не может адекватно работать с линейно поляризованным светом. Возможны ошибки экспозамера и фокусировки. Со светом, имеющим круговую поляризацию, такой проблемы не возникает, потому что он ведет себя как обычный природный свет.

Использование поляризационного фильтра на фотокамере

Как я писал в начале, поляризационный фильтр делает цвета фотографии более насыщенными, а также избавляют картинку от бликов. Увеличенные насыщенность и контрастность полезна при съёмке пейзажей.

Левый снимок сделан без поляризационного фильтра. Правый – с ним. На втором снимке хорошо заметна как возросшая общая контрастность изображения, так и увеличенное количество деталей в облаках. Стоит обратить внимание, что из-за отсечения фильтром части света, нижняя фотография сделана на более длинной выдержке, чем верхняя: 1/125 секунды против 1/250. Настройки ISO и диафрагмы одинаковы.

Иногда схожего эффекта можно достигнуть при обработке (часто потратив на это больше времени), но вот чего вы точно не сможете добиться, так это избавления от бликов и отражений. Использование поляризационного фильтра на правой фотографии помогло убрать большую часть бликов на окнах. Это бывает чертовски полезно, когда вам нужно сделать кадр через стекло, но из-за отражений не удаётся ничего поймать.

Такой же эффект наблюдается и с бликами на поверхности воды. Правая фотография сделана с поляризационным фильтром.

Конечно, иногда поляризационный фильтр своим эффектом может сделать фотографию хуже. Например, когда вам нужно сохранить дымку в атмосфере или оставить отражения. Всё зависит от того, как вы захотите распорядиться им в своих руках. И не стоит забывать о том, что поляризационный фильтр всегда немного затемняет изображение.

Круговая поляризация

При круговой поляризации сигнал распространяется в обоих плоскостях (в вертикальной и горизонтальной) со сдвигом фазы на 90 градусов, представить можно в виде штопора.

Посмотрим на наиболее часто используемые антенны для FPV.

Четырехлепестковый клевер (Skew-Planar Wheel antenna) — антенна круговой поляризации, имеет отличную устойчивость к отраженным сигналам. Обычно она используется там, где аэродинамическое сопротивление не критично. Как правило это антенна на приемнике, хотя и на передатчик ее тоже можно поставить.

Трехлепестковый клевер (The Cloverleaf antenna) — обычно используется на передатчиках. Можно комбинировать с четырехлепестковым клевером для увеличения радиуса приема и увеличения качества сигнала.

Достоинства и недостатки круговой поляризации

Сигнал с круговой поляризацией всегда попадает на антенну, т.е. вне зависимости от угла между антенной на квадрике и на приемнике. Именно поэтому антенны с круговой поляризацией — стандарт для FPV.

Еще одно достоинство антенн с круговой поляризацией — это возможность отсекать отраженный сигнал.

Многолучевое распространение сигнала — одна из главных причин плохого качества видео (изменение цвета, помехи, скрэмблированное изображение, двоение и т.п.). Так бывает, когда сигнал отражается от объектов и приходит с другой фазой, при этом смешиваясь с основным сигналом.

Круговая поляризация бывает, как левой (LHCP), так и правой (RHCP). На передатчике и приемнике должны быть антенны с одним и тем же направлением, иначе будет очень сильная потеря сигнала.

Круговая поляризация хорошо защищает от переотраженных сигналов, потому что, когда сигнал отражается от объекта, меняется направление поляризации. Т.е. антенна LHCP отсекает RHCP сигнал и наоборот (кросс поляризация).

Изготовление

Поляризационная пленка производится из поливинилена с использованием поливинилового спирта (ПВС). Также, в ее состав может добавляться фосфорно-вольфрамовая кислота. В результате производства ее вытягивают в 5-7 раз более ее стартовой длины. Пленку отжигают на протяжении 15 мин. при 120-140 градусах.

В результате получают:

• экологичность, экономичность, простота;
• оптические свойства, равномерно рапределенные по всей площади;
• повышенная устойчивость к теплу и влаге.

Пленки вытянуты одноосно, что дает преимущественно молекулярную ориентацию ее компонентов, которые поляризуются по вектору оси вытяжки, благодаря чему пленка обретает необходимые свойства.

Поляризационные ПВС пленки в зависимости от содержащихся в них компонентов разделяют на 3 группы, в состав которых входят:

1. дихроичные красители;
2. поливиниленовые звенья;
3. полииодидные комплексы.

Передовым является электролитический метод полирования. Суть метода заключается в удалении поляризационной пленки силой электрического тока, которая образовалась на выпуклых местах поверхности. Вначале поверхности шлифуются так же, как и при простом механической полировке.

Режим обработки подбирают так, чтобы на выступах поляризационная пленка имела разрыв, а именно там, где силовые линии имеют большую концентрацию. На процесс электрохимического полирования влияет состав электролита. Перед процессом полировки деталь травят, а также шлифуют на станке. После полировки она промывается и просушивается.

После иодного окрашивания и ориентации, получается пленка хорошего качества. Такую технологию обычно используют для солнцезащитных очков.

Органическое стекло не имеет широкого распространения здесь, т.к. имеет низкое сопротивление царапанию, а это существенно понижает срок годности наружных линз. Для изготовления крупных линз и призм использование органической пленки напротив, является выгодным, поскольку малая плотность и простейшая производственная технология снижает общую массу оптического прибора или устройства, которые выпускаются большими партиями: фотоаппараты и проекторы.

Как получить

Таким образом получить поляризование светового потока можно тремя способами:

1. Отражением от диэлектриков. Где степень зависит от угла падения и степени преломления.
2. Пропустить поток сияния через анизотропную среду. Луч, направленный на толстый кристалл, получит параллельное разъединение на выходе.
3. Поляризатор (призма Николя).

Рекомендуем посмотреть видео на тему “Закон Малюса”.

Виды поляризованного света

Прежде чем научиться определять формулу степени световой поляризации и производить точные расчеты, необходимо понять, какие бывают основные виды поляризованного света:

1. Эллиптическая поляризация — конец волновой си такого света описывает сам эллипс.
2. Линейная поляризация – частные и непостоянный случай первого варианта, который действует строго в одном направление.
3. Круговая или циркулярной поляризация — любой естественный свет возможно представить, как сумму двух взаимно перпендикулярно поляризованных сред.

При этом две перпендикулярно поляризованные волны никогда не взаимодействуют с другими элементами. Их интерференция априори невозможна, так как с точки зрения взаимосвязи амплитуд, они как бы не существуют в реальности друг для друга. Когда они встречаются, то просто проходят дальше, не изменяя своих свойств.

Применение эффекта поляризации весьма обширно. Направив на определенный предмет естественный свет, а получив частично поляризованный, исследователи могут говорить о характеристиках данной поверхности. Однако определить степень поляризации частично поляризованного света нелегко.

Излучение, которое не оснащено конкретными выделенными направлениями, принято называть естественным.

Однако для обитателей нашей планеты это в некотором смысле необходимое приближение. Солнце дает мощный поток электромагнитных волн, имеющих различные длины. Это излучение изначально не поляризовано. Но проходя сквозь толстый атмосферный слой, световые лучи приобретает незначительную поляризацию. Так что уровень преломления естественного света в целом не равен нулю. Этой величиной, из-за ее небольших размеров, часто пренебрегают. Учитывается она только при проведении точных астрономических вычислений, где самая незначительная погрешность может прибавить новой сверхзвезде лет или расстояния.

123ru.net — быстрее, чем Я. самые свежие и актуальные новости Вашего города — каждый день, каждый час с ежеминутным обновлением! Мгновенная публикация на языке оригинала, без модерации и без купюр в разделе Пользователи сайта 123ru.net.

Как добавить свои новости в наши трансляции? Очень просто. Достаточно отправить заявку на наш электронный адрес mail@29ru.net с указанием адреса Вашей ленты новостей в формате RSS или подать заявку на включение Вашего сайта в наш каталог через форму. После модерации заявки в течении 24 часов Ваша лента новостей начнёт транслироваться в разделе Вашего города. Все новости в нашей ленте новостей отсортированы поминутно по времени публикации, которое указано напротив каждой новости справа также как и прямая ссылка на источник информации. Если у Вас есть интересные фото Вашего города или других населённых пунктов Вашего региона мы также готовы опубликовать их в разделе Вашего города в нашем каталоге региональных сайтов, который на сегодняшний день является самым большим региональным ресурсом, охватывающим все города не только России и Украины, но ещё и Белоруссии и Абхазии. Прислать фото можно здесь. Оперативно разместить свою новость в Вашем городе можно самостоятельно через форму.

123ru.net — ежедневник главных новостей Вашего города и Вашего региона. 123ru.net — новости в деталях, свежий, незамыленный образ событий дня, аналитика минувших событий, прогнозы на будущее и непредвзятый взгляд на настоящее, как всегда, оперативно, честно, без купюр и цензуры каждый час, семь дней в неделю, 24 часа в сутки. Ещё больше местных городских новостей Вашего города — на порталах News-Life.pro и News24.pro. Полная лента региональных новостей на этот час — здесь. Самые свежие и популярные публикации событий в России и в мире сегодня — в ТОП-100 и на сайте Russia24.pro. С 2017 года проект 123ru.net стал мультиязычным и расширил свою аудиторию в мировом пространстве. Теперь нас читает не только русскоязычная аудитория и жители бывшего СССР, но и весь современный мир. 123ru.net — мир новостей без границ и цензуры в режиме реального времени. Каждую минуту — 123 самые горячие новости из городов и регионов. С нами Вы никогда не пропустите главное. А самым главным во все века остаётся «время» — наше и Ваше (у каждого — оно своё). Время — бесценно! Берегите и цените время. Здесь и сейчас — знакомства на 123ru.net. Отели в Москве — здесь. Разместить свою новость локально в любом городе (и даже, на любом языке мира) можно ежесекундно (совершенно бесплатно) с мгновенной публикацией (без цензуры и модерации) самостоятельно — здесь.

Краснокнижные животные были замечены в городских парках Москвы

«Это только начало»: польский премьер-министр сделал заявление о России и Белоруссии

RuBaltic.ru: Варшава оказалась шокирована переговорами между Берлином и Минском

123ru.net — международная интерактивная информационная сеть (ежеминутные новости с ежедневным интелектуальным архивом). Только у нас — все главные новости дня без политической цензуры. «123 Новости» — абсолютно все точки зрения, трезвая аналитика, цивилизованные споры и обсуждения без взаимных обвинений и оскорблений. Помните, что не у всех точка зрения совпадает с Вашей. Уважайте мнение других, даже если Вы отстаиваете свой взгляд и свою позицию. Ru24.net — облегчённая версия старейшего обозревателя новостей 123ru.net.

Мы не навязываем Вам своё видение, мы даём Вам объективный срез событий дня без цензуры и без купюр. Новости, какие они есть — онлайн (с поминутным архивом по всем городам и регионам России, Украины, Белоруссии и Абхазии).

Наверняка вы слышали о поляризованных солнцезащитных очках, если сами не пользуетесь сами продукцией Polaroid. А задумывались ли вы, что в них особенного, как работает и где еще применяется эффект поляризации?

Вероятно, для вас станет сюрпризом, что поляризационные фильтры встроены практически в каждый дисплей. Убедиться в этом несложно: достаточно надеть хорошие солнцезащитные очки и повертеть в руках смартфон или взглянуть на монитор под углом. Но то, как поляризация связана с эффектом «черного зеркала», возникающего в эти моменты, не понять без дополнительных объяснений.

Ученый расскажет вам, что свет имеет корпускулярно-волновую природу, но это довольно сложная и запутанная концепция. Для объяснения того, что такое поляризационный фильтр и зачем он нужен, достаточно упрощенного объяснения, не подразумевающего серьезной лекции по физике.

Свет проявляет одновременно и свойства потока частиц, и свойства волны. Для наших целей, можно представить, будто он состоит из отдельных фотонов, которые движутся в пространстве колеблясь, будто на гребне волны. Вектор этого изгиба как-то расположен в пространстве. Исходящий от солнца естественный свет раскаленных докрасна тел и других естественных источников состоит из хаотично расположенных волн, в которых не прослеживается закономерностей. Встречаясь с различными отражающими поверхностями, световые волны начинают колебаться более упорядоченно, обычно горизонтально. Таковы, например, блики на поверхности озера или кузове автомобиля.

Когда не следует использовать поляризованные линзы?

Как правило, большинство людей не носят солнцезащитные очки внутри помещений, но тем не менее следует отметить, что поляризованные линзы в некоторых условиях затемняют или сильно уменьшают видимость на жидкокристаллических экранах (LCD), которые имеются у компьютеров и большинства других электронных устройств. Например, в поляризационных очках вы можете заметить, что изображение на смартфоне затемняется при повороте экрана на определенный угол.

Готовы отправиться на поиски новых солнцезащитных очков?

Что ж, вы уже нашли их. Поляризованные линзы обладают целым рядом достоинств:

• Устранение бликов
• Более четкое видение
• Лучшее цветовосприятие
• Меньшая утомляемость глаз

Можно легко и быстро снять очки, ответить на нужное письмо, проверить электронную почту, а затем снова надеть их, вновь получив дополнительную поляризационную защиту.