このサングラスはなぜ防眩機能を備えているのですか?

オフィスワーカーにとって、車は一般的な移動手段です。日中は日差しが強いので、日差しを遮るためにサンバイザーを使う人も多いです。使いにくいだけでなく、視界も遮ってしまいます。しかし、日光を遮らないことも選択肢ではありません。長時間太陽に向かって運転すると、さまざまな目の病気にかかりやすくなります。強い光は目に不快感を与え、危険な運転を引き起こす可能性もあります。

そのため、「サングラス」はドライバーにとって「必需品」となっているのです。しかし、一般的なサングラスは紫外線やブルーライトを防ぐことはできますが、眩しさに対しては無力です。道路、水、雪、車のフロントウィンドウなどの水平面から反射した光はグレアを生じ、運転者の視界に重大な影響を及ぼします。短期的な死角は交通事故を引き起こしやすくなります。

したがって、偏光サングラスはまぶしさを効果的に軽減できるため、ドライバーにとってより良い選択肢となっています。ただし、特に強調する必要があるシナリオが 1 つあります。夜間、特に運転中などの暗い状況では、どのようなタイプのサングラスでも光がさらに弱まり、視力に影響を与えるため、夜間にサングラスを着用することはお勧めしません。

偏光サングラスは普通のサングラスよりも優れていると以前述べましたよね?何故ですか？今日は偏光サングラスの秘密を探ってみましょう。

文字通り言えば、偏光サングラスと普通のサングラスの違いは主に「偏光」という言葉にあります。この二つの単純な言葉の背後にはどんな謎が隠されているのでしょうか?偏光サングラスの秘密を理解するには、まず偏光サングラスの中核構造である偏光子を理解する必要があります。

1. 偏光サングラスのコア構造

——偏光板[1]

現代の光学理論によれば、光は電磁波です。光は波なので、横波でしょうか、縦波でしょうか？

1809年、フランスの物理学者エティエンヌ・ルイ・マルスは光の偏光を発見し、光が横波であることを証明しました。横波とは、光波の電気ベクトルの振動方向が光の伝播方向と垂直であることを意味します。伝搬方向に垂直な2次元空間の電気ベクトルにはさまざまな振動状態があり、これを光の偏光状態または偏光構造と呼びます。

光波の電気ベクトルの大きさと方向の変化の法則に従って、光は自然光（図2a）、直線偏光（図2b）、部分偏光（図2c）などに分類できます。私たちの生活の中で一般的な光源は、太陽光、ランプの光などの自然光です。放出される光の振動方向は無秩序です。マクロ的に見ると、あらゆる方向の振動が含まれており、界面反射によって直線偏光または部分偏光に変換されます。直線偏光の振動方向は通常非常に固定されており、単一の振動方向のみを含みますが、部分偏光は自然光と直線偏光の中間であり、方向によって振動の強度が異なります。光のさまざまな状態を理解した後、この理論を適用して、偏光サングラスがどのように機能するかの具体的なプロセスを分析できます。

図 2: いくつかの一般的な光の振動分布: (a) 自然光。 （b）直線偏光（c）部分偏光。

画像提供: 王小潔

光の横波特性は機械波の横波特性と似ています。機械波を使用して光の偏光現象をシミュレートできます。偏光サングラスがまぶしさを遮断できる理由は、偏光サングラスは特定の方向の光の吸収が少ないため、より多くの光が通過できるためです (図 3a)。他の方向の振動はより多く吸収され、通過する光はごくわずかになります (図 3b)。この特性は二色性と呼ばれます。二色性を持つ光学部品は偏光子と呼ばれ、通過できる光の振動方向を透過方向と呼びます。

図 3: 機械波を使用して光の偏光をシミュレートする: (a) 波の振動方向はスリットに平行です。 (b) 波の振動方向はスリットに対して垂直です。画像提供: 王小潔

一般的に、研究室で使用される偏光子はトルマリン結晶または硫酸キニーネ結晶です。偏光サングラスは一般的にある程度の柔軟性を備えているため、偏光層の素材は主にポリビニルアルコール（PVA）延伸フィルムとセルロースアセテートフィルム（TAC）を複数の配合、延伸、コーティングなどのプロセスを経て作られた複合材料です。

2. 偏光サングラスがまぶしさを防ぐ原理

グレアは地面からの太陽光の反射によって発生することが多いため、まず反射光の偏光状態を把握する必要があります。一般的に、界面における光の挙動は反射と屈折に分けられ、それらの間のエネルギー分配の比率は入射角に関係します。波としての光の界面における挙動は、エネルギー分布に加えて、光の偏光状態の変化などの問題を考慮する必要があります。

自然光は、紙面に対して垂直な方向と紙面に沿った方向の振動分布として表すことができ、それぞれ s と p で表されます。文字 s と p は、それぞれドイツ語の senkrecht (垂直) と parallel (平行) から取られています。電磁気学理論によれば、自然光が界面で反射されると、紙の表面に沿った振動成分（p成分）が弱くなり、自然光が部分的に偏光した光になると推測できます（図4）。

図 4: 反射と屈折後の自然光の振動の分布。このうち、点は振動方向が紙面に対して垂直、つまりs成分であることを示しており、オレンジ色の線分は振動方向が紙面に沿った方向、つまりp成分であることを示しています。画像提供: 王小潔

上記の原理を理解した上で、偏光サングラスがどのようにまぶしさを遮断するかを見てみましょう。

太陽光が路面に当たって反射する場合、反射光の光振動は主にs成分で構成され、つまり路面と平行な振動成分が強くなり、路面と垂直な振動成分が弱くなります。反射光を遮断するには、路面と平行な偏光方向の光を遮断する必要があります。したがって、偏光フィルターの透過方向は垂直にする必要があります。そうすることで、反射光のほとんどが除去され、グレアが軽減されます (図 5)。以上が偏光サングラスが眩しさを防ぐ基本原理です。

図5: 偏光フィルターの動作原理。画像提供: 王小潔

3. 偏光サングラスの効果を判断する

では、サングラスが偏光サングラスであるかどうかはどうやって判断するのでしょうか?

上記の紹介によれば、自然光が偏光子を通過すると、偏光子の透過方向に沿った成分のみが残ることがわかります (図 6)。

図 6: 偏光子を通過した後の自然光の振動の分布。画像提供: 王小潔

2 つの偏光板をそれぞれの透過方向に平行に配置すると、光は最初の偏光板を通過した後に 2 番目の偏光板をスムーズに通過できます。したがって、偏光子は依然として透明に見えますが、光の強度はわずかに弱くなります (図 7a)。 2 番目の偏光板を 90° 回転させると、光は最初の偏光板を通過した後、2 番目の偏光板を通過できなくなり、完全に暗く見えます (図 7b)。この原理を利用すると、偏光サングラスが偏光されているかどうかを判断できます。

図 7: 光がそれぞれ平行および垂直の透過方向を持つ 2 つの偏光子を通過するときの光透過: (a) 2 つの偏光子の透過方向は平行です。 (b) 2つの偏光子の透過方向は直交しています。

画像提供: 王小潔

偏光フィルターが手元にない場合は、液晶ディスプレイ (LCD) を使用できます。液晶ディスプレイは、液晶の光変調特性と偏光板を組み合わせてディスプレイの明るさを制御するため、LCD 画面から放射される光は偏光光になります。サングラスを目の前に置いて回転させながら液晶画面を観察することができます。光が明るい状態から暗い状態へ、明るい状態から暗い状態へ変化するのを観察できる場合、このサングラスは偏光サングラスです (図 8)。厳密に言えば、光が最も暗いときと最も明るいときのサングラスの角度の差は 90° です (図 7)。

図 8 (gif): LCD を利用して偏光サングラスを検出します。画像提供: 王小潔

さらに、LCDを使用して偏光サングラスの品質を判断することもできます。最も暗い状態と最も明るい状態における光の強度の比率を消光比と呼びます。消光比は偏光デバイスの品質を測定するための重要なパラメータです。消光比が小さいほど、偏光装置によって生成される偏光の偏光度が高くなります。一般的な人工偏光子の消光比は約1:1000です。

以上のことから、偏光サングラスは偏光層（偏光膜）を追加することで、反射などさまざまな要因による眩しさを効果的に軽減できることがわかります。同時に、偏光サングラスには、多くの場合、追加の UV フィルタリング層、吸収層などがあり、有害な紫外線をある程度遮断し、人間の目を効果的に保護することができます。通常のサングラスは光の強度を減らすだけで、眩しさなどの有害な光を効果的に遮断することはできません。

IV.偏光板のその他の用途[2]

偏光レンズは、偏光サングラスとして使用されるだけでなく、生活の中でさまざまな用途に使用できます。たとえば、写真愛好家にとって、偏光フィルターは最も馴染みのあるツールの 1 つです。水上やガラス張りの部屋でのシーンを撮影する場合、水面やガラスへの光の反射により強い反射が生じ、撮影品質に影響を与えることがあります。このとき、レンズの前に偏光フィルターを付けて反射光を遮断すると、水中やガラスの後ろの景色を鮮明に観察できるようになります（図9）。

図 9: 偏光フィルターを使用した屋内シーンの撮影 (a) 偏光フィルターなし(b) 偏光フィルター付き。画像提供: 王小潔

日食を観察する場合、太陽光線から目を保護するために、二重偏光板を使用したメガネを使用すると、太陽光の強度を弱めて観察することができます。また、私たちが普段観る3D映画も光の偏光特性を利用しています。 3D ムービーを撮影する場合、同じオブジェクトの 2 つの画像を同時にキャプチャするために 2 台のカメラが必要であり、その後、2 つの画像は別々に偏光されます。偏光フィルムで作られた3Dメガネの透過方向は互いに直交しています（図10）。映画を観るとき、各レンズは、その透過方向と同じ偏光方向の画像のみを人間の目に入るようにします。両目はそれぞれ異なる画像を見るため、3次元の画像が形成されます。

上記の紹介を読んだ後、光の偏光の原理を利用した他のどのような現象を人生で思い浮かべることができますか?

参考文献:

[1]。趙開華。光学における新しい概念の物理学コース[M]。北京：高等教育出版社、2004年。

[2]。宋峰。リベラルアーツ物理学 - 人生における物理学[M]。北京：サイエンスプレス、2013年。

著者: 王小潔、南開大学物理学学院、南開大学物理学普及基地

レビュー｜高慧華中科技大学

出典: 中国光学

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