圓偏光鏡片的性質


在前一篇《被動式眼鏡之偏光立體系統》的文章裡,已經大概介紹過了線偏光和圓偏光在立體系統中的性質和應用;而這一篇算是用來額外補充一些圓偏光的原理和性質。不過由於 Heresy 本身不是學這方面的,所以大部分的東西都是看資料拼湊出來的,所以如果有發現錯誤,也歡迎指正。

波片的性質

首先,之前已經提過了,圓偏光鏡片是由線偏光鏡和一個四分之一波長的波片(wave plates)所組成的,而這片波片基本上是用特殊的雙折射材質所製作的,「雙折射」的光學性質就是當光線射入後,光線會有兩個不同方向的折射。而波片本身根據其本身的材質有所謂的「光軸(optic axis)」,當一個線偏振光射入時,他的振動會被分解成兩個方向的振動:其中一個是光軸的方向、稱為快速軸,另一個則是和光軸垂直的方向、稱為慢速軸。

當射入四分之一波片的線偏振光和光軸平行或垂直(和光軸夾腳為 0 度或 90 度)時,會因為另一個方向的振幅為零,而維持原來的線偏振光的(基本上就是沒有被分解成兩個方向)。而當線偏振光和光軸夾角是 45 度時,分解出來兩個方向的振幅會相等,就會形成所謂的圓偏振光;但是如果是其他角度的話,則會因為分解出來兩個方向的振幅不同,而變成橢圓偏光。所以實際上,圓偏光和線偏光都可算是橢圓偏光的特例。

而波片除了會將光的振動分為兩個方向外,在這兩個方向震動會因為波片厚度的不同,有不同的相位差;而用在圓偏光鏡片上的四分之一波片,就是會產生 1/4 的相位差。也因為這四分之一的相位差,所以在快速軸與慢速軸兩個方向的波合成後,就會產生出一個振動方向會旋轉的波。

下圖就是一個簡單的示意圖。光是沿著粗黑線往左邊前進,而紅色的波和綠色的波則就是被分解出來的兩個互相垂直的波動,在圖中應該可以明顯看出綠色的波比紅色的波快了 1/4 個波長;而在這樣的情況下,紅色的波和綠色的波就會合成、變成圖中藍色虛線的波(實線的部分是代表震動方向)。而這樣的情形,就相當於最後的光的振動方向,是邊前進、邊以淺藍色箭頭的方向在旋轉了~

而如果再考慮到射入的線偏極光和波片光軸有 45 度和 -45 度兩種的情況,紅綠兩個波的相差也會有 1/4 和 -1/4 的區別;也因此所產生的波的旋轉方向也會有完全相反的情形發生,下圖就是這樣的例子。

這樣性質的光,基本上就是這篇講的圓偏振光了~

也就是說,當我們將和波片光軸夾 45 角的線偏振光射入波片後,就可以產生圓偏光;而如果將圓偏振光射入波片,也可以再將他轉換為原有方向的線偏振光。

 

圓偏光片的一些性質

由於波片這種可以把線偏光和圓偏光互轉的性質,再加上圓偏光鏡片是由一片線偏光和波片所組成的,所以他會有一些特殊的性質。

首先,因為圓偏光片是由線偏光片和四分之一波片所組成的,所以有正反面之分;在這邊先把波片的那面當做正面、線偏光那面稱做反面。而當非極化光由反面射入時,就會先經過線偏光鏡、轉換成線偏光後再經過波片,最後從正面出來的就會是圓偏振光了~

而如果一個圓偏光由正面射入的話,就會先經過波片、被轉換成線偏光,然後再經過線偏光鏡;而射入的圓偏振光旋轉方向的不同,會產生不同方向的線偏振光,所以會導致兩種圓偏振光(左旋、右旋)中,只有一種可以由正面穿透。

下面是一個簡單的示意圖。圖中有灰白條紋的圓形是線偏光片、條紋方向就是代表他的偏振方向;灰色的圓形則是代表四分之一波片,較深色的線條是代表他的光軸。實際上圓偏光鏡片應該是把這兩片黏在一起的,也就是紅色框框起來的區域(CPL)其實是一片的兩層鏡片,這邊把他分開,只是要凸顯光經過鏡片時的轉換過程。

上圖中的自然光(右側的黃色箭頭)由線偏光鏡往左射入圓偏光鏡片,在經過線偏光鏡片後,就變為垂直方向的線偏振光,而接下來再經過波片後,就被轉換成為圓偏光;圓偏光到達左測的鏡片後,由波片這面射入,圓偏光經過波片後又被轉換成為線偏光,然後再通過線偏光鏡。由於左右兩邊的圓偏光鏡片是相同的(波片的光軸和線偏鏡片夾角相同),所以右邊鏡片產生的圓偏振光的,可以通過左側鏡片。

但是如果將右測的鏡片換成另一種型態、也就是將波片光軸和線偏鏡方向轉 90 度的話(CPL Type 1 改為 Type 2,也就是將左旋改為右旋、或將右旋改為左旋),就會讓所產生的圓偏振光的旋轉方向相反,而導致圓偏振光在左側鏡片的波片後所產生的線偏振光和線偏光鏡片互相垂直,而無法通過。

而由於波片將射入的圓偏振光轉微線偏振光的方向,是根據波片光軸的方決定的,而圓偏光鏡片的線偏鏡片和波片又是以固定的相對角度黏合在一起,所以波片所產生的線偏振光會不會被後方的線偏光鏡遮蔽,基本上只是取決於入射的圓偏光的旋轉方向(左旋或右旋),不會像線偏光鏡片一樣,轉了九十度就由穿透變成遮蔽。

也就是說,圓偏光有幾項性質:

  1. 右旋圓偏光鏡片產生的右旋圓偏振光可以由正面(波片側)穿過右旋偏光鏡片,反之亦然。
  2. 右旋圓偏振光沒有辦法由正面穿透左旋圓偏光鏡片,反之亦然。
  3. 圓偏光鏡片的遮蔽效果,不會因為兩片圓偏光鏡片間的相對角度而造成影響。

而也由於上面這些性質,所以使得圓偏光鏡片可以用來當立體系統區分左右眼的濾鏡,同時不會像線偏光一樣,會因為角度上的問題影響立體效果。

參考資料:

對「圓偏光鏡片的性質」的想法

  1. […] 圓偏光的基本設計,就是在線偏光鏡的其中一面,再加上一個 1/4 波長延遲膜(quarter-wave retardation plate,一般又叫波片、wave plates),如此就可以產生偏振方向會旋轉的圓偏振光。而這片波片就像線偏光鏡一樣,也是有方向性的,一般在圓偏光鏡片裡會是和線偏光鏡的偏振方向成 45 度;根據和線偏光鏡相對角度的差異(一個是正的、一個是負的),圓偏光鏡片也有左旋偏光鏡片和右旋偏光鏡片之分,可以產生左旋和右旋兩種性質不同的偏振光。關於圓偏光的一些額外性質,可以參考《圓偏光鏡片的性質》這篇。 […]

  2. 您好,關於您的第一個問題…Heresy 無法、也不適合在這邊回答就是了。而第二個連結,Heresy 也有看到。由於 Heresy 本身不是學這方面的,所以也只能就 Heresy 知道的來寫,如果有誤,也還麻煩指正了。

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