Warum sind diese Sonnenbrillen blendfrei?

Für uns als Büroangestellte ist das Auto das übliche Fortbewegungsmittel. Tagsüber ist die Sonneneinstrahlung stark und viele Menschen nutzen Sonnenblenden, um das Sonnenlicht zu blockieren. Es ist nicht nur umständlich in der Anwendung, sondern blockiert auch die Sichtlinie. Aber das Sonnenlicht nicht zu blockieren, ist auch keine Option. Langes Autofahren in der Sonne kann leicht zu verschiedenen Augenerkrankungen führen. Das starke Licht ist unangenehm für die Augen und kann auch zu gefährlichem Fahren führen.

Daher sind „Sonnenbrillen“ für Autofahrer zu einem unverzichtbaren Accessoire geworden. Gewöhnliche Sonnenbrillen können zwar vor ultravioletter Strahlung und blauem Licht schützen, sind jedoch gegen Blendung hilflos. Von horizontalen Oberflächen wie Straßen, Wasser, Schnee oder Autofenstern reflektiertes Licht erzeugt Blendung, die die Sicht des Fahrers erheblich beeinträchtigt. Kurzfristig auftretende tote Winkel können leicht zu Verkehrsunfällen führen.

Daher sind polarisierte Sonnenbrillen für Autofahrer die bessere Wahl, da sie Blendung wirksam reduzieren können. Es gibt jedoch ein Szenario, das besondere Aufmerksamkeit erfordert: Bei schlechten Lichtverhältnissen, beispielsweise nachts, insbesondere beim Autofahren, schwächt das Tragen einer Sonnenbrille jeglicher Art das Licht zusätzlich und beeinträchtigt die Sicht. Daher wird davon abgeraten, sie nachts zu tragen.

Wir haben bereits erwähnt, dass polarisierte Sonnenbrillen besser sind als gewöhnliche Sonnenbrillen. warum ist das so? Lassen Sie uns heute die Geheimnisse polarisierter Sonnenbrillen erkunden.

Wörtlich genommen liegt der Unterschied zwischen polarisierten Sonnenbrillen und gewöhnlichen Sonnenbrillen hauptsächlich im Wort „polarisiert“. Welches Geheimnis verbirgt sich hinter diesen beiden einfachen Worten? Um das Geheimnis polarisierter Sonnenbrillen zu verstehen, müssen wir zunächst die Kernstruktur polarisierter Sonnenbrillen verstehen – den Polarisator.

1. Die Kernstruktur polarisierter Sonnenbrillen

——Polarisator [1]

Die moderne optische Theorie sagt uns, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist. Da es sich bei dem Licht um eine Welle handelt, stellt sich die Frage, ob es sich um eine Transversalwelle oder eine Longitudinalwelle handelt .

Im Jahr 1809 entdeckte der französische Physiker Etienne Louis Malus die Polarisation des Lichts und bewies, dass Licht eine Transversalwelle ist, was bedeutet, dass die Schwingungsrichtung des elektrischen Vektors der Lichtwelle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts steht. Der elektrische Vektor im zweidimensionalen Raum senkrecht zur Ausbreitungsrichtung weist verschiedene Schwingungszustände auf, die als Polarisationszustand oder Polarisationsstruktur des Lichts bezeichnet werden.

Gemäß dem sich ändernden Gesetz der Größe und Richtung des elektrischen Vektors von Lichtwellen kann Licht in natürliches Licht (Abbildung 2a), linear polarisiertes Licht (Abbildung 2b), teilweise polarisiertes Licht (Abbildung 2c) usw. unterteilt werden. Die üblichen Lichtquellen in unserem Leben sind natürliches Licht wie Sonnenlicht, Lampenlicht usw. Die Schwingungsrichtung des emittierten Lichts ist chaotisch. Aus makroskopischer Sicht enthält es Schwingungen in alle Richtungen, die durch Grenzflächenreflexion in linear polarisiertes Licht oder teilweise polarisiertes Licht umgewandelt werden. Die Schwingungsrichtung von linear polarisiertem Licht ist normalerweise sehr festgelegt und enthält nur eine einzige Schwingungsrichtung, während teilweise polarisiertes Licht zwischen natürlichem Licht und linear polarisiertem Licht liegt und in verschiedenen Richtungen unterschiedliche Schwingungsintensitäten aufweist. Nachdem wir die verschiedenen Lichtzustände verstanden haben, können wir diese Theorie anwenden, um den spezifischen Prozess der Funktionsweise polarisierter Sonnenbrillen zu analysieren.

Abbildung 2: Mehrere gängige Lichtschwingungsverteilungen: (a) natürliches Licht; (b) linear polarisiertes Licht; (c) teilweise polarisiertes Licht.

Bildquelle: Wang Xiaojie

Die transversalen Welleneigenschaften des Lichts ähneln denen mechanischer Wellen. Wir können mechanische Wellen verwenden, um das Polarisationsphänomen von Licht zu simulieren. Der Grund, warum polarisierte Sonnenbrillen Blendung filtern können, liegt darin, dass polarisierte Sonnenbrillen in einer bestimmten Richtung weniger Licht absorbieren und daher mehr Licht durchdringen können (Abbildung 3a). während Schwingungen in andere Richtungen stärker absorbiert werden und nur sehr wenig Licht durchdringt (Abbildung 3b). Diese Eigenschaft wird Dichroismus genannt. Als Polarisatoren werden optische Bauteile mit Dichroismus bezeichnet, wobei die Schwingungsrichtung des durchtretenden Lichts als Transmissionsrichtung bezeichnet wird.

Abbildung 3: Verwendung mechanischer Wellen zur Simulation der Polarisation von Licht: (a) Die Schwingungsrichtung der Welle ist parallel zum Spalt; (b) Die Schwingungsrichtung der Welle ist senkrecht zum Spalt. Bildquelle: Wang Xiaojie

Im Allgemeinen sind die in Laboren verwendeten Polarisatoren Turmalinkristalle oder Chininsulfatkristalle. Polarisierte Sonnenbrillen verfügen im Allgemeinen über ein gewisses Maß an Flexibilität, sodass das Material ihrer Polarisationsschicht meist ein Verbundwerkstoff ist, der durch mehrere Compoundierungs-, Dehnungs-, Beschichtungs- und andere Prozesse aus gestreckter Folie aus Polyvinylalkohol (PVA) und Folie aus Zelluloseacetat (TAC) hergestellt wird.

2. Das Prinzip der polarisierten Sonnenbrille blockiert Blendung

Blendung wird häufig durch Sonnenlicht verursacht, das vom Boden reflektiert wird. Daher müssen wir zunächst den Polarisationszustand des reflektierten Lichts herausfinden. Im Allgemeinen wird das Verhalten von Licht an einer Schnittstelle in Reflexion und Brechung unterteilt, und das Verhältnis der Energieverteilung zwischen ihnen hängt vom Einfallswinkel ab. Da es sich um eine Welle handelt, sollte das Verhalten des Lichts an der Schnittstelle neben der Energieverteilung auch Aspekte wie die Änderung des Polarisationszustands des Lichts berücksichtigen.

Natürliches Licht kann als Schwingungsverteilung senkrecht zur Papieroberfläche und entlang der Papieroberfläche ausgedrückt werden, dargestellt durch s bzw. p. Die Buchstaben s und p stammen von den deutschen Wörtern „senkrecht“ bzw. „parallel“. Aus der elektromagnetischen Theorie lässt sich folgern, dass nach der Reflexion des natürlichen Lichts an der Schnittstelle die Schwingungskomponente (p-Komponente) entlang der Papieroberfläche schwächer wird, sodass das natürliche Licht zu teilweise polarisiertem Licht wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Verteilung der Schwingungen des natürlichen Lichts nach Reflexion und Brechung. Dabei zeigt der Punkt an, dass die Schwingungsrichtung senkrecht zur Papieroberfläche verläuft, also die s-Komponente, und das orangefarbene Liniensegment zeigt an, dass die Schwingungsrichtung entlang der Papieroberfläche verläuft, also die p-Komponente. Bildquelle: Wang Xiaojie

Nachdem wir die oben genannten Grundsätze kennen, wollen wir uns nun ansehen, wie polarisierte Sonnenbrillen Blendung verhindern .

Wenn Sonnenlicht auf die Straßenoberfläche scheint und reflektiert wird, besteht die Lichtschwingung des reflektierten Lichts hauptsächlich aus der s-Komponente, d. h. die Schwingungskomponente parallel zur Straßenoberfläche ist stärker, während die Schwingungskomponente senkrecht zur Straßenoberfläche schwächer ist. Um reflektiertes Licht zu blockieren, sollte Licht mit einer Polarisationsrichtung parallel zur Straßenoberfläche blockiert werden. Daher sollte die Transmissionsrichtung des Polarisationsfilters vertikal sein, damit der Großteil des reflektierten Lichts herausgefiltert und so die Blendung reduziert wird (Abbildung 5). Das oben genannte ist das Grundprinzip, wie polarisierte Sonnenbrillen Blendung verhindern.

Abbildung 5: Funktionsprinzip des Polarisationsfilters. Bildquelle: Wang Xiaojie

3. Bestimmen Sie die Wirkung polarisierter Sonnenbrillen

Wie können wir also feststellen, ob es sich bei unseren Sonnenbrillen um polarisierte Sonnenbrillen handelt ?

Aus der obigen Einleitung wissen wir, dass beim Durchgang von natürlichem Licht durch den Polarisator nur die Komponente entlang der Transmissionsrichtung des Polarisators übrig bleibt (Abbildung 6).

Abbildung 6: Schwingungsverteilung von natürlichem Licht nach Durchgang durch einen Polarisator. Bildquelle: Wang Xiaojie

Wenn zwei Polarisatoren parallel zu ihren Transmissionsrichtungen angeordnet sind, kann das Licht den zweiten Polarisator problemlos passieren, nachdem es den ersten Polarisator passiert hat. Daher erscheinen die Polarisatoren immer noch transparent, die Lichtintensität ist jedoch etwas schwächer (Abbildung 7a). Wenn der zweite Polarisator um 90° gedreht wird, kann das Licht den zweiten Polarisator nicht passieren, nachdem es den ersten Polarisator passiert hat, und erscheint vollkommen dunkel (Abbildung 7b). Mit diesem Prinzip können wir feststellen, ob polarisierte Sonnenbrillen polarisiert sind.

Abbildung 7: Lichtdurchlässigkeit, wenn Licht durch zwei Polarisatoren mit paralleler bzw. senkrechter Transmissionsrichtung geht: (a) Die Transmissionsrichtungen der beiden Polarisatoren sind parallel; (b) Die Transmissionsrichtungen der beiden Polarisatoren sind senkrecht zueinander.

Bildquelle: Wang Xiaojie

Wenn kein Polarisationsfilter zur Hand ist, können wir auf ein Flüssigkristalldisplay (LCD) zurückgreifen. Flüssigkristallanzeigen nutzen die Lichtmodulationseigenschaften von Flüssigkristallen in Kombination mit Polarisatoren, um die Helligkeit der Anzeige zu steuern, sodass das vom LCD-Bildschirm ausgestrahlte Licht polarisiertes Licht ist. Wir können die Sonnenbrille vor unsere Augen setzen, um den LCD-Bildschirm zu beobachten, während wir die Sonnenbrille drehen. Wenn Sie einen Lichtwechsel von hell zu dunkel und von hell zu dunkel beobachten können, handelt es sich bei dieser Sonnenbrille um eine polarisierte Sonnenbrille (Abbildung 8). Genau genommen beträgt der Winkelunterschied der Sonnenbrille bei dunkelstem und hellstem Licht 90° (Abbildung 7).

Abbildung 8 (gif): Erkennung polarisierter Sonnenbrillen mit Hilfe eines LCD. Bildquelle: Wang Xiaojie

Darüber hinaus können wir LCD auch verwenden, um die Qualität polarisierter Sonnenbrillen zu beurteilen. Das Verhältnis der Lichtintensität im dunkelsten und hellsten Zustand nennen wir Extinktionsverhältnis. Das Extinktionsverhältnis ist ein wichtiger Parameter zur Messung der Qualität von Polarisationsgeräten. Je kleiner das Extinktionsverhältnis ist, desto höher ist der Polarisationsgrad des von der Polarisationsvorrichtung erzeugten polarisierten Lichts. Das Extinktionsverhältnis allgemeiner künstlicher Polarisatoren beträgt etwa 1:1000.

Aus der obigen Einführung können wir ersehen, dass polarisierte Sonnenbrillen durch das Hinzufügen einer Polarisationsschicht (Polarisationsschicht) Blendung durch verschiedene Faktoren wie Reflexionen wirksam reduzieren können. Gleichzeitig verfügen polarisierte Sonnenbrillen oft über zusätzliche UV-Filterschichten, Absorptionsschichten etc., die schädliche ultraviolette Strahlen bis zu einem gewissen Grad blockieren und so einen wirksamen Schutz für die menschlichen Augen erreichen können. Gewöhnliche Sonnenbrillen reduzieren lediglich die Lichtintensität, können schädliches Licht wie beispielsweise Blendlicht jedoch nicht wirksam blockieren.

IV. Andere Anwendungen von Polarisatoren [2]

Polarisierte Gläser können nicht nur als polarisierte Sonnenbrillen verwendet werden, sondern haben auch viele andere Anwendungsmöglichkeiten im Leben. Für Fotografie-Enthusiasten ist beispielsweise ein Polarisationsfilter eines der bekanntesten Werkzeuge. Beim Aufnehmen von Szenen auf dem Wasser oder in einem Glasraum kommt es durch die Lichtreflexion auf dem Wasser oder Glas häufig zu starken Reflexionen, die die Aufnahmequalität beeinträchtigen. Wenn Sie zu diesem Zeitpunkt einen Polarisationsfilter vor der Linse anbringen, um das reflektierte Licht zu blockieren, können Sie die Landschaft im Wasser oder hinter dem Glas klar erkennen (Abbildung 9).

Abbildung 9: Fotografieren von Innenaufnahmen mit einem Polarisationsfilter (a) ohne Polarisationsfilter; (b) mit einem Polarisationsfilter. Bildquelle: Wang Xiaojie

Wenn Sie eine Sonnenfinsternis beobachten möchten, können Sie Ihre Augen mit Brillen mit doppelschichtigen Polarisatoren vor den Sonnenstrahlen schützen und so die Intensität des Sonnenlichts reduzieren, sodass Sie die Sonnenfinsternis beobachten können. Darüber hinaus nutzen auch die 3D-Filme, die wir normalerweise sehen, die Polarisationseigenschaften des Lichts. Beim Aufnehmen eines 3D-Films werden zwei Kameras benötigt, um gleichzeitig zwei Bilder desselben Objekts aufzunehmen. Anschließend werden die beiden Bilder separat polarisiert. Die Transmissionsrichtungen von 3D-Brillen aus Polarisationsfolien stehen senkrecht zueinander (Abbildung 10). Beim Betrachten eines Films lässt jede Linse nur Bilder mit der gleichen Polarisationsrichtung wie ihre Transmissionsrichtung zum menschlichen Auge gelangen. Die beiden Augen sehen unterschiedliche Bilder, wodurch ein dreidimensionales Bild entsteht.

Nachdem Sie die obige Einleitung gelesen haben, welche anderen Phänomene im Leben fallen Ihnen ein, die das Prinzip der Polarisation von Licht nutzen?

Quellen:

[1]. Zhao Kaihua. Neuer Konzeptphysikkurs in Optik[M]. Peking: Higher Education Press, 2004.

[2]. Lied Feng. Liberal Arts Physics – Physik im Leben[M]. Peking: Science Press, 2013.

Autor: Wang Xiaojie, Fakultät für Physik, Nankai-Universität, Nankai-Universität Physik-Popularisierungsbasis

Rezension ｜ Gao HuiHuazhong Universität für Wissenschaft und Technologie

Quelle: China Optics

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