какие типы поляризаторов вы знаете

Поляризационные фильтры в фотографии: практика применения

Содержание

Содержание

Поляризационные фильтры широко используются не только в науке или фотографии. В быту мы с ними тоже сталкиваемся — они есть в жидкокристаллических экранах, некоторые солнцезащитные очки так же могут иметь эффект поляризатора.

Какими бывают поляризационные фильтры

По физическим свойствам поляризационные фильтры делятся на два типа. Линейные широко использовались в пленочной фотографии. Сейчас из-за некоторой несовместимости с цифровыми камерами почти не используются.

Принцип действия линейного поляризатора.

В фотофильтрах используется два поляризатора и внешний установлен на вращающейся оправе. На практике эффект от вращения можно увидеть если посмотреть через солнцезащитные очки с поляризатором на экран смартфона и покрутить его: при одном положении смартфона экран будет очень темным, а при повороте на 90° — максимально ярким.

И раз уж речь зашла об очках. Солнцезащитные очки с поляризацией не только защищают от ультрафиолета и избыточной яркости, но и снижают количество бликов. Особенно хорошо это заметят те, кто много времени проводит у воды и на воде — например, рыбаки. Впрочем, и на снегу в горах от таких очков будет польза. Одно время такие очки рекомендовались и водителям — они действительно снижают блики на лобовом стекле и асфальте, делая картинку четче, но с активным использованием электронных приборов с LCD-экранами можно сесть в авто и не увидеть показаний спидометра или картинки с навигатора. А чтобы увидеть, придется повернуть голову пол определенным углом — это никак не способствует безопасному вождению.

Изменение светопропускания при вращении оправы — основной минус линейных поляризационных фильтров, но именно он позволил создать нейтральные фильтры переменной плотности, позволяющие снимать с длинными выдержками при ярком свете.

Циркулярные поляризационные фильтры (маркируются CPL или Circular PL) лишены этого недостатка — они уменьшают количество света примерно на две ступени независимо от положения вращающейся оправы.

Что дает поляризатор фотографу

Свет при отражении от неметаллических поверхностей поляризуется определенным образом, а поляризационный фильтр вращением оправы позволяет пропускать свет с одним направлением поляризации и задерживать все остальные.

На круговой панораме видно, как меняется яркость неба в зависимости от направления.

Синее небо, облака и зеленая листва часто служат примерами работы поляризационного фильтра. В воздухе содержится много аэрозольных частиц, отражаясь от которых свет поляризуется. Именно поэтому чистое небо часто выглядит бледным на фотографиях. Использование поляризационного фильтра позволяет добиться более глубокого цвета неба и зеленой листвы, а белые облака станут более контрастными. Особенно это хорошо заметно в ясный солнечный день, но только если объектив направлен перпендикулярно солнечным лучам. Такова особенность работы поляризационного фильтра — максимальный эффект достигается перпендикулярно солнечному свету, а минимальный, если объектив направлен параллельно солнечным лучам.

Более темное небо на правой стороне правого кадра подскажет, где использовался CPL-фильтр.

Если небо, снятое без фильтра, ярче только в направлении солнца, то с использованием фильтра хорошо заметны затемнения в плоскости, перпендикулярной направлению солнечных лучей, и изменившиеся отражения на воде.

Пропуская свет с одним направлением поляризации и задерживая со всеми остальными, поляризационный фильтр меняет не только интенсивность света, но и его качество. Поэтому эффект от его использования невозможно повторить в графическом редакторе. Если с контрастом и тоном неба или листвы еще можно что-то сделать, то с отражениями в стекле и воде вариантов уже нет.

Два соседних кадра: одна экспозиция и одинаковые параметры конвертации из RAW, все отличия только в повороте оправы поляризационного фильтра.

И снова между кадрами поворот оправы на 90° — как инструмент, контролирующий отражения, поляризационный фильтр не имеет аналогов.

Поляризационные фильтры одни из самых дорогих, поэтому если вы хотите снимать с ними на разные объективы, купите фильтр с диаметром резьбы под самый большой ваш объектив, а на остальные устанавливайте его с помощью переходных колец — не так удобно, но зато экономно.

При съемке через стекло так же, как и на примере выше, свет, отраженный от стекла, и свет, отраженный от предметов за стеклом, имеют разную поляризацию и вращая оправу фильтра можно контролировать то, что зафиксирует матрица фотоаппарата.

Слева снимок сделан без фильтра, справа — с CPL фильтром.

Поляризаторы незаменимы при работе с отражениями, но они не работают при съемке металла и отражениях от металлических поверхностей. В пейзажах они могут помочь прорисовать облака, сделать насыщеннее небо и зелень листвы в определенных условиях, но при съемке панорам или на широкоугольный объектив фильтры добавят темные переходы, которые никак не украсят картинку. А вот съемка через стекло или воду с этим фотоаксессуаром добавит немало интересных кадров в ваше портфолио.

Источник

Поляризационные фильтры: как они работают и для чего нужны

Короткий ответ

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.

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Линейные поляризаторы

Поглощающие поляризаторы

Светоделительные поляризаторы

В отличие от поглощающих поляризаторов, поляризаторы с расщеплением луча не должны поглощать и рассеивать энергию отклоненного состояния поляризации, поэтому они больше подходят для использования с лучами высокой интенсивности, такими как лазерный свет. Истинно поляризационные светоделители также полезны, когда две компоненты поляризации должны анализироваться или использоваться одновременно.

Поляризация отражением Френеля

Более полезный поляризованный луч можно получить, наклонив стопку пластин под большим углом к ​​падающему лучу. Как ни странно, использование углов падения, превышающих угол Брюстера, дает более высокую степень поляризации передаваемого луча за счет уменьшения общего пропускания. Для углов падения круче 80 ° поляризация прошедшего луча может приближаться к 100% всего с четырьмя пластинами, хотя в этом случае передаваемая интенсивность очень мала. Добавление большего количества пластин и уменьшение угла позволяет достичь лучшего компромисса между передачей и поляризацией.

Двулучепреломляющие поляризаторы

Тонкопленочные поляризаторы

Проволочные поляризаторы

Одним из простейших линейных поляризаторов является поляризатор с проволочной сеткой (WGP), который состоит из множества тонких параллельных металлических проволок, расположенных в плоскости. WGP в основном отражают непередаваемую поляризацию и поэтому могут использоваться в качестве поляризационных светоделителей. Паразитное поглощение относительно высокое по сравнению с большинством диэлектрических поляризаторов, хотя и намного ниже, чем у поглощающих поляризаторов.

Электромагнитные волны, компоненты электрического поля которых выровнены параллельно проводам, будут вызывать движение электронов по длине проводов. Поскольку электроны могут свободно двигаться в этом направлении, поляризатор ведет себя аналогичным образ на поверхность металла при отражении света, и волна отражается назад вдоль падающий пучок (минус небольшое количество энергии теряется в джоулев тепло из провод).

В целом это приводит к линейной поляризации передаваемой волны с электрическим полем, полностью перпендикулярным проводам. Гипотеза о том, что волны «проскальзывают» между проводами, неверна.

Закон Малуса и другие свойства

На практике часть света теряется в поляризаторе, и фактическое пропускание будет несколько ниже, чем это, около 38% для поляризаторов типа Polaroid, но значительно выше (> 49,9%) для некоторых типов двулучепреломляющих призм.

Если два поляризатора расположены один за другим (второй поляризатор обычно называют анализатором ), взаимный угол между их осями поляризации дает значение θ в законе Малуса. Если две оси ортогональны, поляризаторы пересекаются, и теоретически свет не передается, хотя, опять же, практически нет идеального поляризатора и пропускание не совсем равно нулю (например, скрещенные листы поляроида выглядят слегка синими). Если между скрещенными поляризаторами поместить прозрачный объект, любые поляризационные эффекты, присутствующие в образце (например, двулучепреломление), будут отображаться как увеличение пропускания. Этот эффект используется в поляриметрии для измерения оптической активности образца.

Круговые поляризаторы

Создание циркулярно поляризованного света

В приведенной выше схеме ось передачи линейного поляризатора расположена под положительным углом 45 ° относительно правой горизонтали и представлена ​​оранжевой линией. Четвертьволновая пластинка имеет горизонтальную медленную ось и вертикальную быструю ось, и они также представлены оранжевыми линиями. В этом случае неполяризованный свет, попадающий в линейный поляризатор, отображается как одиночная волна, амплитуда и угол линейной поляризации которой внезапно меняются.

Когда кто-то пытается пропустить неполяризованный свет через линейный поляризатор, только свет, электрическое поле которого находится под положительным углом 45 °, покидает линейный поляризатор и попадает на четвертьволновую пластинку. На иллюстрации три представленные длины волн неполяризованного света будут преобразованы в три длины волны линейно поляризованного света на другой стороне линейного поляризатора.

На рисунке справа показано электрическое поле линейно поляризованного света непосредственно перед тем, как он попадает в четвертьволновую пластинку. Красная линия и соответствующие векторы поля показывают, как величина и направление электрического поля изменяется вдоль направления движения. Для этой плоской электромагнитной волны каждый вектор представляет величину и направление электрического поля для всей плоскости, перпендикулярной направлению движения. (Обратитесь к этим двум изображениям в статье о плоских волнах, чтобы лучше это понять.)

Свет и все другие электромагнитные волны имеют магнитное поле, которое находится в фазе и перпендикулярно электрическому полю, изображенному на этих рисунках.

Чтобы понять влияние четвертьволновой пластинки на линейно поляризованный свет, полезно представить себе свет как разделенный на две составляющие, которые расположены под прямым углом ( ортогональным ) друг к другу. С этой целью синяя и зеленая линии представляют собой проекции красной линии на вертикальную и горизонтальную плоскости соответственно и представляют, как электрическое поле изменяется в направлении этих двух плоскостей. Две составляющие имеют одинаковую амплитуду и находятся в фазе.

Вверху справа показан свет с круговой поляризацией после того, как он покидает волновую пластину. Непосредственно под ним для сравнения находится линейно поляризованный свет, попавший на четвертьволновую пластинку. На верхнем изображении, поскольку это плоская волна, каждый вектор, ведущий от оси к спирали, представляет величину и направление электрического поля для всей плоскости, перпендикулярной направлению движения. Все векторы электрического поля имеют одинаковую величину, что указывает на то, что напряженность электрического поля не меняется. Однако направление электрического поля постоянно меняется.

Синяя и зеленая линии представляют собой проекции спирали на вертикальную и горизонтальную плоскости соответственно и показывают, как электрическое поле изменяется в направлении этих двух плоскостей. Обратите внимание, как правый горизонтальный компонент теперь находится на четверть длины волны позади вертикального компонента. Именно эта четверть фазового сдвига длины волны приводит к вращательной природе электрического поля. Важно отметить, что когда величина одного компонента максимальна, величина другого компонента всегда равна нулю. Это причина того, что есть векторы спирали, которые точно соответствуют максимумам двух компонентов.

В только что процитированном примере, используя соглашение о направленности, используемое во многих учебниках по оптике, свет считается левосторонним / направленным против часовой стрелки с круговой поляризацией. Ссылаясь на сопровождающую анимацию, она считается левшой, потому что, если направить большой палец левой руки против направления движения, его пальцы сгибаются в направлении вращения электрического поля, когда волна проходит через заданную точку в пространстве. Спираль также образует левую спираль в пространстве. Точно так же этот свет считается поляризованным против часовой стрелки с круговой поляризацией, потому что, если неподвижный наблюдатель смотрит против направления движения, человек будет наблюдать, как его электрическое поле вращается против часовой стрелки, когда волна проходит заданную точку в пространстве.

Чтобы создать правосторонний свет с круговой поляризацией по часовой стрелке, нужно просто повернуть ось четвертьволновой пластинки на 90 ° относительно линейного поляризатора. Это меняет местами быструю и медленную оси волновой пластины относительно оси передачи линейного поляризатора, меняя местами, какой компонент опережает, а какой отстает.

Пытаясь понять, как четвертьволновая пластинка трансформирует линейно поляризованный свет, важно понимать, что два обсуждаемых компонента не являются сущностями сами по себе, а являются просто мысленными конструкциями, которые можно использовать, чтобы оценить происходящее. В случае света с линейной и круговой поляризацией в каждой точке пространства всегда есть одно электрическое поле с определенным векторным направлением, четвертьволновая пластинка просто преобразует это единое электрическое поле.

Поглощение и прохождение света с круговой поляризацией

Приведенная выше иллюстрация идентична предыдущей аналогичной, за исключением того, что свет с левой круговой поляризацией теперь приближается к поляризатору с противоположного направления, а свет с линейной поляризацией выходит из поляризатора вправо.

Прежде всего отметим, что четвертьволновая пластинка всегда преобразует свет с круговой поляризацией в свет с линейной поляризацией. Только результирующий угол поляризации линейно поляризованного света определяется ориентацией быстрой и медленной осей четвертьволновой пластинки и направленностью циркулярно поляризованного света. На иллюстрации свет с левой круговой поляризацией, входящий в поляризатор, преобразуется в линейно поляризованный свет, который имеет направление поляризации вдоль оси пропускания линейного поляризатора и, следовательно, проходит. В отличие от этого, свет с правой круговой поляризацией преобразовался бы в свет с линейной поляризацией, который имел бы направление поляризации вдоль оси поглощения линейного поляризатора, которая находится под прямым углом к ​​оси передачи, и поэтому он был бы заблокирован.

Чтобы понять этот процесс, обратитесь к иллюстрации справа. Это абсолютно идентично предыдущей иллюстрации, хотя теперь считается, что свет с круговой поляризацией вверху приближается к поляризатору слева. Из иллюстрации можно заметить, что левосторонняя горизонтальная (если смотреть по направлению движения) составляющая опережает вертикальную составляющую и что, когда горизонтальная составляющая задерживается на четверть длины волны, она преобразуется в проиллюстрированный линейно поляризованный свет. внизу и будет проходить через линейный поляризатор.

Существует относительно простой способ понять, почему поляризатор, который создает заданную направленность циркулярно поляризованного света, также передает такую ​​же направленность поляризованного света. Во-первых, учитывая двойную полезность этого изображения, начните с представления, что свет с круговой поляризацией, отображаемый вверху, все еще покидает четвертьволновую пластину и движется влево. Заметьте, что если бы горизонтальная составляющая линейно поляризованного света была дважды задержана на четверть длины волны, что составило бы полную половину длины волны, результатом был бы линейно поляризованный свет, который находился бы под прямым углом к ​​входящему свету. Если бы такой ортогонально поляризованный свет был повернут в горизонтальной плоскости и направлен обратно через секцию линейного поляризатора кругового поляризатора, он явно прошел бы, учитывая его ориентацию. Теперь представьте себе свет с круговой поляризацией, который уже однажды прошел через четвертьволновую пластинку, повернулся и снова направился обратно в сторону кругового поляризатора. Пусть теперь этот свет представляет свет с круговой поляризацией, показанный вверху. Такой свет будет проходить через четвертьволновую пластинку во второй раз, прежде чем достигнет линейного поляризатора, и при этом его горизонтальная составляющая будет задерживаться во второй раз на одну четверть длины волны. Независимо от того, задерживается ли эта горизонтальная составляющая на одну четверть длины волны за два отдельных шага или на полную половину длины волны сразу, ориентация результирующего линейно поляризованного света будет такой, что он проходит через линейный поляризатор.

Если бы это был правосторонний свет с круговой поляризацией по часовой стрелке, приближающийся к круговому поляризатору слева, его горизонтальная составляющая также была бы задержана, однако полученный линейно поляризованный свет был бы поляризован вдоль оси поглощения линейного поляризатора и не Прошло.

Чтобы создать круговой поляризатор, который вместо этого пропускает правосторонний поляризованный свет и поглощает левосторонний свет, нужно снова повернуть волновую пластину и линейный поляризатор на 90 ° относительно друг друга. Легко понять, что, меняя положение осей передачи и поглощения линейного поляризатора относительно четвертьволновой пластины, можно изменить направление передачи поляризованного света и его поглощение.

Однородный круговой поляризатор

Однородный круговой поляризатор пропускает одну руку круговой поляризации без изменений и блокирует другую. Это похоже на то, как линейный поляризатор будет полностью пропускать один угол линейно поляризованного света без изменений, но полностью блокирует любой линейно поляризованный свет, который был ортогонален ему.

Однородный круговой поляризатор можно создать, поместив линейный поляризатор между двумя четвертьволновыми пластинами. В частности, мы берем описанный ранее круговой поляризатор, который преобразует свет с круговой поляризацией в свет с линейной поляризацией, и добавляем к нему вторую четвертьволновую пластину, повернутую на 90 ° относительно первой.

Обратите внимание, что не имеет значения, в каком направлении проходит свет с круговой поляризацией.

Круговые и линейные поляризационные фильтры для фотографии

Источник