VYUŽITÍ PRINCIPU POLARIZACE V PRAKTICKÉM ŽIVOTĚ

MASARYKOVA UNIVERZITA Lékařská fakulta

VYUŽITÍ PRINCIPU POLARIZACE V PRAKTICKÉM ŽIVOTĚ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Vedoucí bakalářské práce: MUDr. Jan Richter

Autor práce: Miroslava Cihlářová Studijní obor: Optometrie

Brno, květen 2008

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma Využití principu polarizace v praktickém životě zpracovala samostatně za použití uvedené literatury a po odborných konzultacích s MUDr. Janem Richterem.

V Brně dne 2. 5. 2008

..................................... podpis

Děkuji tímto MUD.r Janu Richterovi za odborné vedení, rady a cenné připomínky při zpracování bakalářské práce.

OBSAH

1. ÚVOD ........................................................................................................... 6 2. SVĚTLO JAKO ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ ..................................... 7 3. PRINCIP POLARIZACE ............................................................................... 8 3.1 Světlo z hlediska polarizace ............................................................ 8 3.2 Způsoby polarizace světla ............................................................... 9 3.2.1 Polarizace světla odrazem ............................................... 10 3.2.2 Polarizace světla lomem .................................................. 11 3.2.3 Polarizace světla dvojlomem............................................. 13 3.2.4 Polarizace světla absorpcí................................................ 14 3.2.5 Polarizace světla rozptylem ............................................. 14 4. VUŽITÍ PRINCIPU POLARIZACE .............................................................. 15 4.1 Využití polarizace v optice a v oftalmologii .................................... 15 4.1.1 Polarizační brýle .............................................................. 15 4.1.1.1 Oslnění ............................................................... 15 4.1.1.2 Princip polarizačních čoček ................................ 16 4.1.1.3 Využití polarizačních čoček ................................ 17 4.1.2 Tenzometr ........................................................................ 18 4.1.3 Testy sloužící ke zjištění stereopse ................................. 19 4.1.3.1 Titmusův test ...................................................... 19 4.1.3.2 Randotův stereotest ........................................... 20 4.1.4 Testy na vyšetření refrakční rovnováhy s využitím polarizace ........................................................................ 21 4.1.4.1 Schultzeho test ................................................... 21 4.1.4.2 Thiel-Haaseho test ............................................. 22 4.1.4.3 Bichromatický balanční test dle Cowena ............ 23 4.1.4.4 Osterbergův test ................................................. 24 4.1.5 POLA- test ........................................................................ 25

-4-

4.1.6 Ames-Glidonův standardní eikonometr ............................ 26 4.1.7 Skenovací laserová polarimetrie pomocí přístroje GDx ...27 4.1.7.1 Princip funkce GDx ............................................. 28 4.2 Využití principu polarizace v technické praxi ................................. 29 4.2.1 Fotoelasticimetrie ............................................................. 29 4.2.2 Polarizační filtry ve fotografování ..................................... 29 4.2.4 Polarimetrie ...................................................................... 31 4.3 Využití polarizace světla v běžném životě ..................................... 31 4.3.1 LCD - Liquid Crystal Display ............................................ 31 4.3.2 3D kina ............................................................................. 33 4.4 Využití polarizovaného světla v životě některých živočichů ........... 35 5. ZÁVĚR ....................................................................................................... 36 Seznam použité literatury ................................................................................ 37

-5-

1. ÚVOD

Tato práce by měla podat všeobecný přehled o možnostech využití polarizovaného světla v praktickém životě. S polarizovaným světlem se můžeme setkat všude kolem nás. Každé světlo odražené od rovinného předmětu je alespoň částečně polarizované. Lidské oko však nedokáže rozlišit polarizované světlo od nepolarizovaného, proto pro pozorování takového světla je nutné použít polarizační filtr. S polarizací světla se můžeme setkat ve volné přírodě, v technické praxi, ale i v optice a v oftalmologii. V oftalmologii se nejčastěji využívá polarizovaného světla při zjišťování prostorového vidění, vyšetření refrakční rovnováhy či zjištění stavu binokulárního vidění. Zde slouží polarizované světlo především k separaci jednotlivých zrakových vjemů obou očí. Cílem této práce je ve stručnosti vysvětlit princip polarizace světla, zkráceně popsat vznik polarizovaného světla a shrnout v krátkém přehledu možná využití principu polarizace v praktickém životě.

-6-

2. SVĚTLO JAKO ELEKTROMAGNETICKÉ VLNĚNÍ

Světlo je příčné elektromagnetické vlnění, které ke svému šíření nepotřebuje žádné látkové prostředí (šíří se tedy např. i vakuem). Důležitou charakteristikou světla je jeho rychlost c. Rychlost světla ve vakuu je c = 299 792 458m*s-1. Jedná se o maximální možnou rychlost, kterou se může fyzikální objekt pohybovat. V látkovém prostředí je rychlost světla vždy menší a její velikost je ovlivněna nejen vlastností prostředí, ale i frekvencí světla. Vlastností vlnění je přenos energie pomocí elementárních energetických částic, které nazýváme kvanty (u světla fotony). Podle přenášené elementární energie rozdělujeme spektrum optického záření na různá pásma, kterým odpovídají příslušné frekvenční rozsahy (vlnové délky). Jako viditelné světlo se označuje elektromagnetického vlnění, na které je citlivý lidský zrakový orgán – oko. Fyziologický vjem zvaný vidění vyvolává elektromagnetické vlnění o vlnových délkách 390nm až 790nm. Význam těchto vln tkví v tom, že naše oko je schopné interakce s těmito vlnami a umožňuje nám tak vidět okolní prostředí. Přirozené světlo, emitované Sluncem a vnímané mozkem jako bílé, je tvořeno spojitým spektrem záření, z nichž každé je v procesu vnímání transformováno na barvy. Toto spektrum barevných paprsků lze vidět jako duhu, ve které je každý paprsek charakterizován specifickou vlnovou délkou λ. [1,5]

-7-

3. PRINCIP POLARIZACE

3.1 SVĚTLO Z HLEDISKA POLARIZACE Světlo je příčné elektromagnetické vlnění, které je charakterizováno dvěma vzájemně kolmými vektory, intenzitou elektrického a magnetického pole. Poněvadž přirozené světlo je výslednicí nesmírného počtu světelných rozruchů vyvolaných vždy jinými atomy, nezaujímají zmíněné roviny elektrické a magnetické intenzity pevnou polohu, ale jejich poloha se nepravidelně mění a rotuje kolem směru šíření. To znamená, že elektrické pole je v libovolném místě vždy kolmé ke směru šíření vlny, ale mění nahodile svůj směr. Jsou-li kmity vlnění určitým způsobem uspořádány, dosáhneme polarizovaného záření. [1,4]

Obr.1 Směr kmitání elektrické složky nepolarizovaného a polarizovaného světla (pohled ve směru šíření světla) [13]

Rozeznáváme tyto druhy polarizace: •

lineárně polarizované světlo

r r E E Všechny vektory kmitají stále v jedné přímce, tudíž vektor má stále stejný směr, případně směr opačný.

-8-

•

kruhově polarizované světlo

r r E E Konce vektorů opisují kruh. Velikost těchto vektorů je konstantní, ale směr kmitání se mění. •

elipticky polarizované světlo

r r E E opisují elipsu, ale v tomto případě mění vektor svojí Konce vektorů velikost i směr. [10]

3.2 ZPŮSOBY POLARIZACE SVĚTLA

Přirozené nepolarizované světlo lze různými způsoby přeměnit na světlo polarizované. K přeměně přirozeného nepolarizovaného světla na lineárně polarizované můžeme využít: •

odraz světla

•

lom světla

•

dvojlom světla

•

absorpci světla

•

rozptyl světla

3.2.1 Polarizace světla odrazem Dopadá-li světlo na rozhraní dvou optických prostředí, dochází k odrazu a lomu světla. Vztah mezi úhlem dopadu α a odrazu α´, měřených od kolmice dopadu, určuje zákon odrazu světla. Zákon odrazu zní: úhel odrazu α je roven úhlu dopadu α´. α = α´

-9-

Pokud nepolarizované světlo dopadá pod určitým úhlem na rozhraní, dochází k lineární polarizaci světla. Při polarizaci světla odrazem vektor

r E intenzity elektrického pole kmitá v rovině kolmé k rovině dopadu, tedy v přímce rovnoběžné s rovinou rozhraní. Stupeň polarizace světla závisí na úhlu dopadu světla. Odražené světlo je úplně polarizované jen při určitém úhlu dopadu, jehož velikost závisí na indexu lomu rozhraní na němž se světlo odráží. Tento úhel je určen Brewsterovým zákonem a nazývá se Brewsterův či polarizační úhel αp a platí:

tgα p =

[1,2,4]

n′ n

Obr.2 Polarizace světla odrazem

3.2.2 Polarizace světla lomem Průchod světla rozhraním, které rozděluje dvě prostředí s odlišnými optickými vlastnostmi, nazýváme lom neboli refrakce. Jestliže není směr dopadajícího svazku kolmý k povrchu, světlo pak lomem mění svůj směr. Úhel lomu je spojen s úhlem dopadu vztahem vymezujícím zákon lomu světla. Ten objevil v 17.století Holanďan W.Snell a po něm se zákon lomu nazývá také

- 10 -

Snellův zákon. Zákon lomu zní: podíl rychlostí světla v1 a v2 je roven podílu sinů úhlu dopadu α a úhlu lomu β. Pomocí indexů lomu, tj. poměrů rychlosti světla ve vakuu a v daném prostředí, lze zákon vyjádřit ve tvaru:

n1·sinα= n2·sinβ kde symboly n1 a n2 jsou bezrozměrné veličiny nazývané index lomu, charakterizující dané prostředí a symboly α a β vyjadřují velikost úhlu dopadu a lomu. Při lomu světla dochází pouze k částečné polarizaci. A to tak, že

r kmitosměr vektoru intenzity E elektrického pole splývá s rovinou dopadu,

r kdežto u polarizovaného světla odrazem kmitá vektor intenzity E v rovině

r kolmé k rovině dopadu. Vektory intenzity E v lomeném a odraženém světle jsou tedy navzájem kolmé.

Obr.3 polarizace odrazem a lomem: odražené světlo se skládá pouze ze složek kolmých ke stránce. Oproti tomu světlo lomené je tvořeno původními složkami rovnoběžnými se stránkou a slabšími složkami kolmými ke stránce. Lomené světlo je tudíž jen částečně polarizováno. [4]

- 11 -

Lomené světlo není nikdy úplně polarizované. Ale opakovaným lomem (např.na soustavě skleněných destiček ) se stupeň lineárně polarizovaného světla zvyšuje. Lze tak odvodit vztah pro stupeň polarizace:

P=

m  2n  m+ 2   n −1

2

,

kde m je počet polarizačních destiček, n je index lomu destiček a P je stupeň polarizace. [1,2,4]

3.2.3 Polarizace světla dvojlomem Šíření světla ovlivňují vlastnosti prostředí, kterým světlo prochází. Optická prostředí dělíme na dvě skupiny, izotropní a anizotropní. Šíří-li se světlo v optickém prostředí ve všech směrech stejnou rychlostí, jedná se o prostředí opticky izotropní. Pokud však rychlost světla v optickém prostředí závisí na směru, kterým se světelné vlnění šíří, pak mluvíme o prostředí opticky anizotropním. Anizotropní prostředí mohou vytvářet některé krystaly, např. krystal křemene. Tyto látky se nazývají dvojlomné, neboť paprsek se po dopadu štěpí na dva paprsky, řádný (ordinarius) a mimořádný (extraordinarius), které se šíří krystalem různými směry a různou rychlostí. První paprsek se šíří stejnou rychlostí nezávisle na směru v krystalu, řídí se tedy zákonem lomu, zatímco rychlost šíření mimořádného paprsku závisí na směru. Oba paprsky jsou tedy

r E lineárně polarizované v paprsku řádném i mimořádném, ale vektory intenzity elektrického pole obou paprsků kmitají v navzájem kolmých rovinách.

- 12 -

Obr.4 Polarizace světla dvojlomem

U některých krystalických látek existuje jeden směr, v němž nenastává štěpení. Tyto krystalické látky se označují jako krystaly jednoosé. U jiných krystalických látek existují dva takové směry a příslušné krystaly se nazývají dvojosé. Přirozený dvojlom světla nastává jen u látek anizotropních. Ovšem také látky izotropní se mohou stát různým způsobem anizotropními, a to například tlakem, tahem, ohýbáním, zahříváním či působením elektrického pole apod. V těchto případech pak mluvíme o umělém dvojlomu. [1,2]

3.2.4 Polarizace světla absorpcí Některé dvojlomné krystaly se vyznačují tím, že jeden z obou paprsků vzniklých dvojlomem pohlcují. Tento jev se nazývá dichroismus a krystaly, které se tímto chováním vyznačují, se označují jako dichroické. V přírodě se vyskytuje dichroitický krystal turmalín. Jednou z uměle vytvořených dichroitických látek je síran chininojodný, nazývaný herapatit. Z tohoto materiálu lze následně vyrobit polarizační filtry, označované také polaroidy. Prochází-li pak takovým polaroidem světlo, dojde k pohlcení elektrické složky světelného vlnění v jednom směru a zbylá část

r E světla, jejíž vektor elektrické intenzity je na tento směr kolmý, polaroidem prochází. Po průchodu světla polaroidem je intenzita tohoto polarizovaného

- 13 -

světla menší, než byla původní intenzita nepolarizovaného světla. Procházející světlo je tedy polaroidem zeslabováno. Polarizační filtr, kterým se přirozené světlo mění na světlo polarizované, se nazývá polarizátor. Další polarizační filtr- analyzátor nám slouží ke zjištění orientace roviny, v níž leží polarizovaná světelná vlna. Shodují-li se polarizační osy polarizátoru a analyzátoru, bude intenzita procházejícího světla snížena pouze o absorpční hodnotu danou typem použitých filtrů. Zkřížíme-li oba polarizační filtry navzájem tak, aby byly jejich směry polarizace navzájem kolmé, světlo prakticky neprochází. [1,2,3]

3.2.5 Polarizace světla rozptylem K polarizaci světla rozptylem dochází díky mnohočetným odrazům a ohybem na malých částicích. Při průchodu zkaleným prostředím se světlo na malých částicích ohýbá a rozptyluje. Rozptýlené světlo je částečně

r polarizováno a jeho vektor elektrické intenzity E kmitá v rovině kolmé k rovině určené dopadajícím svazkem a směrem pozorování. Stupeň polarizace rozptylem se odvíjí od velikosti rozptylujících částic. Čím je průměr těchto částic větší, tím stupeň polarizace klesá. Tohoto druhu polarizace se využívá např. při studování roztoků. [2]

- 14 -

4. VYUŽITÍ PRINCIPU POLARIZACE

4.1 VYUŽITÍ POLARIZACE V OPTICE A V OFTALMOLOGII

4.1.1 Polarizační brýle

4.1.1.1 Oslnění Lidské oko disponuje celou řadou anatomických a fyziologických obranných mechanizmů, které zajišťují ochranu oka před světlem. Patří mezi ně zavírací reflex očních víček, zúžení průměru pupil (zornic), filtrace přes transparentní média (slzy, rohovka, sklivec, čočka), adaptace sítnice na intenzitu světla atd. Ale tyto přirozené obranné mechanizmy mohou být nedostatečné a tak je třeba zajistit dodatečnou ochranu pomocí čoček s filtry, buď trvale, pro komfortní vidění nositele, nebo pro dočasnou specifickou ochranu oka v nepříznivých světelných podmínkách. Mezi nepříznivé účinky působení světla patří oslnění. Jedná se o světelnou energii, jejíž rozložení v čase nebo v prostoru způsobí překročení adaptačních schopností lidského zraku a dojde k oslnění. Jedná se o příliš mnoho záření, které oko není schopné účinně využít. Pokud toto záření dopadající do oka dosáhne 10-12 násobku množství, které je oko schopno ještě zpracovat, je vnímání daného obrazu způsobené tímto zářením bolestivé. Podle příčiny rozlišujeme oslnění na: • absolutní - jas světelného zdroje je příliš velký, než aby se na něj člověk mohl adaptovat • přechodné - způsobeno náhlou změnou jasu v zorném poli pozorovatele • oslnění kontrastem – existují-li současně v zorném poli pozorovatele plochy o velmi rozdílném jasu

- 15 -

Velmi důležitou roli zde hraje čas. Neboť při dlouhodobém působení způsobuje zdravotní potíže i malé oslněné nebo odraz od lesklé plochy. Redukci takového množství záření zajišťují speciální polarizační čočky. Ty snižují intenzitu dopadajícího světla do oka na takovou hodnotu, kterou může oko snadněji zvládnout. [5]

4.1.1.2 Princip polarizačních čoček Polarizační čočky využívají lineární polarizace. Denní světlo se prostorem šíří ve vlnách, které kmitají všemi směry optického prostředí. Doje-li k odrazu světla od lesklé nekovové plochy, nastává částečná či úplná polarizace odraženého světla. Světlo se pak šíří ve vlnách, které kmitají pouze ve dvou rovinách, a to horizontální a vertikální. Vertikálně polarizované světlo je pro naše oči velmi užitečné. Umožňuje nám vidět kontrastně a barevně, zatímco horizontálně polarizované světlo vytváří nepříjemné oslnění, optické šumy a zabraňuje tak jasnému vidění. Polarizační filtry mají za úkol toto negativní horizontálně polarizované světlo potlačit a naopak propouštět pouze světlo vertikálně polarizované. [11,12,24]

Obr.5 Absorpce horizontálně polarizovaného světla polarizačním filtrem [24]

- 16 -

První polarizující materiál, turmalín, byl objeven počátkem 19. století. První tenký polarizační film, komerčně známý jako Polaroid, vyvinul v roce 1928 Edwin Herbert Land. Tenký film podobný potravinové fólii je napuštěn dichroickým materiálem např. krystaly jódu nebo speciálními organickými molekulami, které obsahují dlouhé řetězce uhlovodíkových makromolekul. Napnutím filmu se molekuly seřadí do jedné roviny a vytvoří nejvhodnější plochu k absorpci světla. Takto srovnané molekuly absorbují oslňující paprsky a propouští k oku pouze ty, které nesou užitečné informace. Výsledný materiál, polaroid, pak má vlastnosti polarizačního filtru pro viditelné světlo, jehož osa propustnosti leží v rovině filtru kolmo ke směru tažení fólie. [3,13] V současnosti se jako materiál, jež zajišťuje polarizaci využívá polyvinilacetátu „sendvičovitě“ umístěného mezi materiál čočky a vytvrzující lak.

4.1.1.3 Využití polarizačních čoček Polarizační čočky v určitém úhlu polarizují dopadající světlo a zamezují tak přímým odleskům od vodní hladiny, ledové plochy nebo jiných podobných prostředí. Polarizační čočky jsou proto vhodné pro dlouhodobé pochody po rovných sněhových pláních např. v arktickém prostředí. Ale mohou se jimi eliminovat i například odlesky ledové sáňkařské dráhy či jiné ledové plochy a proto mohou být užitečné pro bruslaře či rychlobruslaře. Podobně i rybáři jsou vystaveni nepříznivým slunečním podmínkám. Reflexy od vodní hladiny mohou dráždit oči. Jelikož rybáři potřebují dokonale rozeznat kontrasty, jsou pro ně vhodné polarizační čočky, které chrání oči před nežádoucími reflexy. [8] V dnešní době nalezly polarizační čočky uplatnění především při řízení automobilů. Tyto čočky minimalizují riziko oslnění a pomáhají tak předejít nehodám způsobeným oslněním. Toto oslnění může způsobit intenzivní

- 17 -

sluneční světlo odražené od nejrůznějších hladkých povrchů jako je např. vozovka, kapota, palubní deska automobilu, nebo metalický lak protijedoucího auta. [13]

Obr.6 Pohled z automobilu bez polarizačních

Obr.7 Pohled z automobilu s polarizačními

brýlí [13]

brýlemi [13]

4.1.2 Tenzometr Tento přístroj s využitím polarizace světla slouží ke zkoumání mechanického napětí v čočkách a je velmi důležitý pro kontrolu kvality zábrusu brýlových čoček do kovových obrub. Tenzometr pracuje na principu fotoelasticimetrie, o této metodě blíže v kapitole 4.2.1. Konstrukčně se tenzometr skládá ze dvou polarizačních folií vzájemně stočených o 90˚, které plní funkci polarizátoru a analyzátoru. Mezi nimi je prostor pro vložení brýlové obruby i se zabroušeným sklem. Ze spodu je přístroj prosvětlen žárovkou. Pomocí analyzátoru pak lze pozorovat charakteristické obrazce, které poskytují informaci o mechanickém napětí v brýlové čočce. Po takovémto zjištění je nutné brýlovou čočku vyjmout z očnice a v místě pnutí ji zbrousit. Jinak by hrozilo vyštípnutí a znehodnocení čočky.

- 18 -

Obr.8 Tenzometr

4.1.3 Testy sloužící ke zjištění stereopse Tyto testy využívají polarizovaných skel k ověření stereopse, tedy prostorového vidění. Stereopse je schopnost vytvořit hloubkový vjem spojením obrazů, jejichž jednotlivé části dopadají na sítnici na lehce disparátní místa. Prostorové vidění je tedy možné jen za přítomnosti jednoduchého binokulárního vidění. [6]

4.1.3.1 Titmusův test Je použitelný již u malých dětí k hrubému průkazu stereopse do blízka. Pacient pozoruje na polarizované předložce obraz mouchy přes speciální brýle s polarizačními skly, které mají za úkol separovat monokulární vjemy. Následně je vyzván, aby mouchu uchopil mezi palec a ukazováček. Pokud má pacient stereopsi, chytá mouchu nad podložkou, protože z ní moucha vystupuje a pacient vidí mouchu tedy plasticky. Pokud pacient stereopsi nemá, vidí mouchu plošně a snaží se ji uchopit na podložce. [6]

- 19 -

Obr.9 Titmusův stereotest [14]

4.1.3.2 Randotův stereotest Pacient přes polarizovaná skla brýlí pozoruje jednotlivé části testu. Jednou z možností vyšetření je pozorování Randotových tabulek. Ty jsou složeny ze čtyř polí, z nichž tři obsahují skrytý znak a čtvrté je prázdné a slouží jako kontrolní. Po nasazení speciálních brýlí by se pacientovi se stereopsí měli obrázky zjevit. Následně se ptáme pacienta, co v kterém poli vidí, či jednodušeji, které pole neobsahuje žádný obrázek. Další možností jsou kresby zvířat, které vyplňují tři řádky. V každém řádku po nasazení brýlí s polarizačními skly se jeví vždy jen jedno zvířátko jinak než ostatní, je viděno plasticky. Pacienta se tedy ptáme, který obrázek zvířete vystupuje do popředí. Poslední částí testu jsou políčka s kruhy. Je zde deset polí a každé obsahuje tři kruhy, z nichž jen jeden je při pozorování přes polarizovaná skla viděn plasticky. Pacienta vyzveme, aby v každém poli určil daný vystupující kruh. Pokud však pacient u všech částí testu vidí znaky jen plošně, nemá zřejmě prostorové vidění. [23]

- 20 -

Obr.10 Randotův stereotest [23]

4.1.4 Testy na vyšetření refrakční rovnováhy s využitím polarizace Tyto testy využívají k disociaci binokulárního vjemu vlastností polarizovaného světla a funkci polarizátoru a analyzátoru. Polarizované testy jsou v postatě separátory, které pracují na podkladě pozitivní nebo negativní polarizace. Při pozitivní polarizaci jsou černé polarizované znaky na bílém nepolarizovaném podkladě, znak tedy vystoupí z podkladu. Při negativní polarizaci je tomu naopak. Polarizován je podklad testu, ne znak a testové značky tak zmizí na tmavém pozadí. Při těchto testech je binokulární vidění nejméně zatěžováno a proto jsou výsledky těchto testů hodnoceny jako relativně nejspolehlivější. [7]

4.1.4.1 Schultzeho test Tento test vychází z principu negativní polarizace. Světelný test, který plní formu polarizátoru, je vodorovně rozdělený na dvě poloviny. U obou polovin je polarizovaný jen podklad textu, a to tak, že v horním poli jsou osy polarizátoru orientovány ve směru 45°, v dolním poli ve směru 135°. Do obou polovin jsou vepsány odlišné znaky. Funkci analyzátory plní pola-filtry, které se vkládají do zkušební obruby nebo jsou již v základní výbavě foropteru. Osy analyzátoru

- 21 -

jsou před pravým okem orientovány ve směru 45°, před levým okem ve směru 135°. Neboť je orientace polarizátorů zkřížená, vyplývá z tohoto uspořádání, že pravé oko vidí černé znaky na světlém pozadí v horním poli testu a nevidí dolní znaky, neboť ty splynou s černým pozadím. Levé oko vidí naopak znaky v dolním poli, ale nevidí znaky v poli horním. [7]

Obr.11 Schultzeho test [7]

4.1.4.2 Thiel-Haaseho test Test využívá principu pozitivní polarizace. Polarizátor tedy nemá polarizovaný podklad, ale má polarizované samotné testové znaky. Testové znaky tvoří obvykle tvar jednoduchého kříže. Jeho ramena polarizují procházející světlo v navzájem kolmých rovinách, ale světlo procházející středovým čtvercem je nepolarizované. Test se opět pozoruje přes pola-filtry, které mají své osy navzájem stočené o 90°. Při pozorování následně obě ramena kontrastně vystoupí na světlém pozadí. [7]

- 22 -

Obr.12 Thiel-Haaseho test [7]

4.1.4.3 Bichromatický balanční test dle Cowena Cowenův test využívá kombinace polarizovaného světla a červeno zeleného filtru. Na základě tohoto testu lze zjistit, zda se jedná o kontrastní nerovnováhu podmíněnou funkčně nebo refrakčně, či zda se jedná o eventuální podkorigování nebo překorigování. Na společném testovém poli, jehož levá ( pravá ) polovina je složená ze zeleného ( červeného ) filtru, vnímá pacient při pohledu přes analyzátory pravým ( levým ) okem oba horní ( dolní ) Landoltovy kruhy s využitím pozitivní polarizace. Jeví-li se oběma očím všechny čtyři Landoltovy kruhy stejně kontrastně, jedná se o refrakční i zrakovou vyváženost. Pokud však jedno oko vnímá jeden kroužek v určitém poli kontrastněji, hovoříme o porušené refrakční rovnováze. [7]

- 23 -

Obr.13 Bichromatický balanční test dle Cowena [7]

4.1.4.4 Osterbergův test Je součástí projekčních optotypů a využívá negativní polarizace. Sestává se ze čtyř čtvercových polí orientovaných diagonálou svisle ve tmavém poli. Políčka obsahující znaky s černými číslicemi 3 ( 5 ) 9 ( 6 ) tvoří zeleně ( červeně ) zbarvený podklad. Na základě polarizační separace dochází k disociaci zrakových vjemů. Každé oko vnímá jen dvě políčka s příslušnými číslicemi – pravé ( levé ) ve svislém ( horizontálním ) uspořádání. Jsou- li pole vzájemně posunutá, jedná se o heteroforie. [7]

- 24 -

Obr.14 Osterbergův test [7]

4.1.5 POLA- test POLA – testy se používají ke zjištění stavu binokulárního vidění. Využívají vlastnosti polarizovaného světla a slouží k diagnostice heterofórií, aniseikonií a stereoskopického vidění. Přístroj tvoří světelná skříň o rozměrech 100x100 cm s prosvětleným testovým polem o velikosti 30x30 cm, ve kterém dochází k obměně zkušebních testů. Nejdokonalejší verze obsahuje speciální mikrozrnný displej s vysokou rozlišovací schopností a vysokým kontrastem. Výměna testů je řízena dálkovým ovládáním. Projekční forma testu vyzařuje bílé neutrální světlo. Vyšetření se běžně provádí ze vzdálenosti 5 m, ale v menších místnostech je možné mít i zrcadlové uspořádání. Pro binokulární vyšetření se používají znaky na principu pozitivní polarizace. Polarizační osy částí testu jsou orientovány diagonálně, podobně jako vůči nim zkřížené osy analyzátorů. Polarizační roviny testových znaků pro

- 25 -

pravé (levé) oko a analyzátoru na pravém (levém) oku jsou navzájem kolmé a vzniká tak vjem černého znaku na bílém pozadí. Určení a vyhodnocení motorických a senzorických složek poruch binokulárního vidění však vyžaduje rozdílný postup v používání základních a doplňkových testů. POLA – test dále obsahuje testy: •

Křížový test

•

Ručičkový test

•

Hákový test

•

Hrubý stereotest

•

Stereovalenční test

•

Cowenův test

•

Dvojitý ručičkový test

•

Jemný stereotest

•

Diferencovaná stereotest

[7]

4.1.6 Ames-Glidonův standardní eikonometr Ames-Glidonův standardní eikonometr je subjektivní přístroj sloužící k měření stupně aniseikonie, tedy rozdílu velikostí obrazů na sítnicích očí při binokulárním vidění. Tento typ eikonometru využívá k separaci zrakových vjemů obou očí vlastností polarizovaného světla. Umožňuje vyhodnotit stupeň aniseikonie ve dvou základních směrech, tedy vertikálním a horizontálním. Základ testu je tvořen centrální terčovou figurou a osovým křížem, které nejsou vyrobeny z polarizační folie a slouží proto jako fixační a fúzní předmět. Na koncích ramen se nachází příčné koincidenční značky, které jsou vyrobeny z polarizačních folií. Polarizační osy jednotlivých částí značek jsou orientovány diagonálně. Obvykle liché koincidenční značky 1,3,5 a 7 ve 135° a sudé koincidenční značky 2,4,6 a 8 ve 45°. Pacientovi jsou nasazeny brýle

- 26 -

s polarizačními filtry tak, aby jejich polarizační osy byly natočeny ve 45° před pravým okem a ve 135° před okem levým. Pak jsou pravým okem vnímány pouze liché koincidenční značky a levým okem pouze značky sudé. Jedná-li se o iseikonii, tedy stav, při kterém jsou obrazy na obou sítnicích očí zcela shodné, jeví se pacientovi všechny koincidenční značky v normálovém koincidenčním postavení. Při aniseikonii vnímá pacient koincidenční značky určitým způsobem posunuty. [7]

Obr.15 Ames-Glidonův standardní eikonometr [7]

4.1.7 Skenovací laserová polarimetrie pomocí přístroje GDx Jedná se o strukturální vyšetřovací metodu v diagnostice glaukomu. Glaukom, nebo-li zelený zákal, je nejrozšířenější neurodegenerativní onemocnění zrakového nervu. Změny v rozložení vrstvy nervových vláken zrakového nervu jsou prvním znakem onemocnění glaukomem. Rychlost úbytku nervových vláken nemocného oka je mnohonásobně vyšší než přirozený úbytek, který je fyziologickým projevem stárnutí. Proto je vyšetření

- 27 -

vrstvy nervových vláken (RNFL) v poslední době jeden z nejefektivnějších postupů sloužících pro včasnou detekci onemocnění a sledování jeho progrese. [9]

4.1.7.1 Princip funkce GDx GDx měření je založeno na principu polarizovaného světla procházejícího vrstvou nervových vláken a jeho následné změně. Velikost změny světla je přímo úměrná síle peripapilární retinální vrstvy nervových vláken. Fyzikální princip měření tloušťky nervové vrstvy využívá faktu, že nervová vlákna jsou dvojlomná. Dopadne- li světlo na povrch s pravidelnou strukturou, rozdělí se paprsek do dvou vzájemně kolmých rovin. Dále je založen na analýze vztahu pro intenzitu při interferenci řádného a mimořádného paprsku, když směry propustnosti polarizátoru a analyzátoru jsou rovnoběžné. Detektor pak vyhodnocuje odraz světla a zpoždění. Pomocí přístroje GDx můžeme tedy provést analýzu vrstvy nervových vláken zrakového nervu a přímo a exaktně změřit sílu vrstvy nervových vláken.

Obr.16 Fotografie přístroje GDx VCC [9]

- 28 -

4.2 VYUŽITÍ PRINCIPU POLARIZACE V TECHNICKÉ PRAXI

4.2.1 Fotoelasticimetrie Tato metoda využívá principu polarizace světla ke zkoumání mechanického napětí v různých objektech. Jak už bylo řečeno v kapitole 3.2.3, i izotropní látky se mohou uměle stát látkami anizotropními, které pak vykazují dvojlom. Fotoelasticimetrie využívá umělé anizotropie vyvolané mechanickým namáháním v některých látkách, z nichž se vyrábí model zkoumaného objektu. Ten se následně deformuje a pak se tento mechanicky namáhaný materiál vloží mezi polarizátor a analyzátor a prosvětluje se polarizovaným světlem. Pomocí analyzátoru pak lze pozorovat charakteristické obrazce, které poskytují informaci o mechanickém napětí v modelu. Díky polarizaci světla se zviditelní místa se stejným napětím jako místa stejné barvy a jasu. Na základě těchto informací je pak možné posoudit zkoumaný materiál z hlediska bezpečnosti, odhalit možnost vzniku vad při jeho používání, existence skrytých vad, atd. [1,10]

4.2.2 Polarizační filtry ve fotografování Polarizační filtr je velmi užitečné zařízení, které napomáhá zlepšit kvalitu fotografií. Polarizační filtr je předsádkový filtr, který se skládá ze dvou částí. Ty se vůči sobě dají natáčet a tím se mění celý účinek filtru. Filtr se namontuje před objektiv fotoaparátu a jeho otáčením se ovlivňuje míra filtrace. S polarizačním filtrem lze dosáhnout věrnějšího podání barev díky eliminaci odrazů od objektů na scéně. Při rozptylu světla díky volně se vznášejícím částicím ve vzduchu dochází k polarizaci světla. Polarizační filtr se převážně používá za účelem zvýraznění modrých ploch. Ztmavuje modrou

- 29 -

oblohu a tím zvýrazňuje mraky na obloze, současně pomáhá i odstranit opar ve vzdáleném horizontu.

Obr.17 fotografie napůl pořízena s a napůl bez polarizačního filtru [16]

Účinek efektu však záleží na poloze osy objektivu ke slunci. Vzhledem k tomu, že světlo rozptýlené částicemi ve vzduchu je nejvíce polarizované ve směru kolmém na směr šíření světla před rozptylem, je účinek polarizačního filtru největší tehdy, je-li namířen kolmo ke slunci. Naopak pokud je polarizační filtr namířen ve směru rovnoběžném jako sluneční světlo, má nulový efekt. Polarizační filtr odstraňuje odlesky z nekovových předmětů, například na vodní hladině nebo při fotografování skrz sklo (okna, vitríny, ale třeba také brýle na očích). Nevýhodou polarizačních filtrů je, že občas změkčují kresbu a obrázky posléze nejsou tak ostré. Polarizační filtr má nevýhodu i proto, že způsobuje úbytek světla o cca 1,5EV, což může vést za špatných světelných podmínek k prodloužení času expozice. Polarizační filtry rozlišujeme na filtry lineární a cirkulární. Všechny filtry mají v sobě lineární fólii, ale cirkulární polarizační filtr vypadá tak, že za polarizační fólií má další vrstvu, která lineárně polarizované světlo roztáčí. Oscilování vektoru elektrického pole v jednom směru se změní na otáčení kolem směru, kterým se světlo šíří. Cirkulární filtr mění světlo lineárně polarizované (vlny kmitající v jednom směru) na světlo kruhově (cirkulárně) polarizované. [15,16]

- 30 -

4.2.4 Polarimetrie Polarimetrie využívá polarizovaného světla při zkoumání opticky aktivních látek. Látky jsou opticky aktivní, mají-li schopnost stáčet rovinu lineárně polarizovaného světla. Tuto vlastnost mají některé látky pevné a také některé roztoky obsahující v molekule např. asymetricky umístěný uhlík. Příkladem může být vodný roztok sacharózy. Podle směru stočení kmitové roviny se opticky aktivní látky dělí na pravotočivé a levotočivé vzhledem k pozorovateli hledícímu proti směru šíření světla. Stočení kmitové roviny polarizovaného světla se měří polarimetrem. Ten se konstrukčně skládá z několika částí. Světlo z monochromatického zdroje je kolimátorem zpracováno na rovnoběžný svazek paprsků. Průchodem skrz polarizátor dojde k lineární polarizaci tohoto světla, které dále prochází opticky aktivní látkou a vstupuje do analyzátoru, kterým lze otáčet kolem optické osy přístroje. Výsledná intenzita prošlého světla se pozoruje dalekohledem. Otáčením analyzátoru se snažíme dosáhnout polohy, při níž je zorné pole stejně temné jako bylo při zkřížení kmitové roviny polarizátoru a analyzátoru před vložením zkoumané látky do polarimetru. Úhel otočení analyzátoru vůči polarizátoru se měří na stupnici a udává stočení roviny polarizovaného světla. Úhel stočení polarizační roviny je úměrný koncentraci aktivní látky v roztoku. [1,10,20]

4.3 VYUŽITÍ POLARIZACE SVĚTLA V BĚŽNÉM ŽIVOTĚ

4.3.1 LCD - Liquid Crystal Display LCD - Liquid Crystal Display je ploché zobrazovací zařízení založené na využití změn optických vlastností kapalných krystalů v závislosti na změnách elektrického pole, které na ně působí.

- 31 -

Kapalné krystaly jsou organické látky, které mají podlouhlé molekuly uložené v rovnoběžných vrstvách podobně jako je tomu u polaroidu. Vyznačují se vlastnostmi kapalných i pevných látek. V určitém teplotním rozmezí jsou tekuté, ale zároveň mají optické a elektromagnetické vlastnosti jako látky pevné a mají uspořádanou strukturu. Elektrické pole ovlivňuje orientaci molekul a mění tak optické vlastnosti kapalných krystalů. V závislosti na poloze molekul materiálu dochází ke změně polarizace světla, které jimi prochází. Konstrukčně se zobrazovače LCD skládají ze dvou skleněných destiček, mezi nimiž se nachází tenká vrstva kapalného krystalu. Vnitřní strana skleněné destičky je pokryta tenkou vrstvou metal oxidu, který působí jako elektroda. Elektrody jsou použity k nastavení napětí mezi částmi, které chceme zviditelnit. Následuje polymerová zarovnávací vrstva (obvykle polyamid). Tato vrstva prochází procesem škrábání, který v ní zanechá série rovnoběžných drážek. Tyto drážky pomáhají zarovnávat molekuly LC do správného směru. Na povrch skleněné destičky se nanesou polarizační fólie v odpovídajícím směru. Displej je dokončen připojením vývodů, kterými se přivádí napětí do určených částí displeje.

Obr.18 Schéma obvyklého složení LC displeje [19]

Polarizační fólie a kapalné krystaly jsou uspořádány tak, že v klidovém stavu propouštějí světlo z jedné strany displeje na druhou - displej je světlý. Pokud chceme na displeji zobrazit například číslici, přivedeme elektrické napětí

- 32 -

na krystaly v příslušných místech displeje. Světlo zpolarizované prvním filtrem prochází krystaly, které v daných místech stočí jeho rovinu polarizace tak, že v těchto místech už neprojde světlo filtrem druhým. Tyto úseky displeje proto vidíme černě. Velikostí napětí přiváděného na jednotlivé body displeje můžeme také měnit velikost stočení polarizační roviny a tím intenzitu světla, které tímto bodem prochází. Dokážeme tak vytvořit různé stupně šedé barvy. Konstrukce barevných displejů je téměř stejná jako u jednobarevných. Navíc však každý bod displeje obsahuje červený, zelený a modrý filtr a ty jsou umístěny na horní skleněné destičce vedle sebe. Propouštěním světla do barevných filtrů a jeho smícháním dosáhneme požadované barvy. Výhodou LCD zobrazovačů je, že neprodukují téměř žádné škodlivé záření, mají plochou obrazovku s dokonalou geometrií obrazu a stabilní ostrý obraz bez blikání, což šetří oči pozorovatele. Další výhodou těchto zobrazovačů je nízká spotřeba elektrické energie. Zobrazovače LCD se využívají především v monitorech počítačů, mobilních telefonech, kalkulačkách apod. [1,17,18]

4.3.2 3D kina 3D kina umožňují promítání 3D filmů, díky kterým se natočené scény jeví divákovi nikoli plošně, ale v celé jejich hloubce. Divák tak má pocit, že je sám součástí děje, neboť ho obklopují postavy a prostředí samotného filmu. 3D kina jsou vybavena speciálním 3D projekčním zařízením. Filmy, které jsou v těchto kinech promítány, jsou natáčeny speciální technologií. Část filmu, která má být promítána trojrozměrně, je natáčena pomocí dvou kamer. Ty musí být pevně umístěny na stativu tak, aby vzdálenost objektivů odpovídala vzdálenosti lidských očí – cca 65 mm. Kamery musí být dokonale synchronizované, a to jak z hlediska času snímání, tak s ohledem na ostření, zoom, barevné vyvážení a clonu. Tyto funkce poskytují jen profesionální plně elektronicky ovládatelné kamerové systémy. Film se poté běžným způsobem

- 33 -

sestřihá a ozvučí. Je ale nutné stále dodržet synchronizaci záznamů obou kamer. Při projekci v kině se promítá film dvěma promítacími stroji, z nichž každý má na objektivu polarizační filtr. Polarizační roviny těchto filtrů jsou navzájem kolmé, stejně jako roviny polarizačních skel brýlí, kterými divák tento film sleduje. Film je nutné promítat na speciální plátno, jehož odrazná plocha zachová rovinu polarizace světla. Každé divákovo oko pak vnímá obraz natočený jen jednou kamerou. Složením obrazů z obou očí v mozku diváka vzniká výsledný obrazový vjem. [10,21]

Obr.19 Schéma principu projekce 3D filmu [10]

- 34 -

4.4

VYUŽITÍ POLARIZOVANÉHO SVĚTLA V ŽIVOTĚ NĚKTERÝCH ŽIVOČICHŮ

Někteří živočichové jsou schopni pozorovat polarizaci slunečního světla. Ta je způsobena především rozptylem světla díky volně se vznášejícím částicím ve vzduchu. Polarizace slunečního světla procházejícího atmosférou je lineární a vždy kolmá ke směru, kde je slunce. Světlo, které se po rozptylu šíří stejným nebo přesně opačným směrem, jako před ním, není polarizované vůbec. Mnoho živočichů využívá tohoto jevu pro navigaci. Například pro holuby je to jedna ze schopností umožňujících mu navádění. Tato schopnost je především častá mezi hmyzem. Včely využívají polarizaci slunečního světla pro orientaci svého tance, kterým sdělují, kde se nachází potrava. Naopak podle polarizovaného světla Měsíce se orientuje africký chrobák Scarabaeus zambesianus. Polarizace světla hraje důležitou roli i u chobotnic, sépií nebo strašilek. Sépie mají na své pokožce některé vzory polarizované. Jejich rychle se měnící výrazné obrazce slouží k vzájemné komunikaci. [22]

- 35 -

5. ZÁVĚR

Ve své bakalářské práci jsem se snažila shrnout důležité informace o polarizaci světla, způsobech vzniku polarizovaného záření a následném jeho využití v běžném životě. Ve své práci jsem se spíše zaměřila na využití principu polarizace v oblasti optiky a oftalmologie, neboť je mi toto pojetí blízké. Polarizace světla má v dnešní době rozsáhlé praktické využití. Pomocí polarizovaného světla lze zkoumat mechanické napětí v různých tělesech či studovat opticky aktivní látky. Technologické využití je velmi široké. S polarizovaným světlem se setkáváme v každodenním životě. Dnes téměř každý vlastní kalkulátor, mobilní telefon nebo notebook – ve všech těchto zařízeních, které mají displej z kapalných krystalů, se k vytváření obrazu používá polarizované světlo. K tomu, aby byly případy využívající princip polarizace lépe pochopeny, může posloužit i moje bakalářská práce.

- 36 -

SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY

monografie [1] Lepil, O., Fyzika pro gymnázia – Optika, 3. přepracované vydání, Prometheus, Praha 2002 [2] Fuka, J., Havelka, B., I. Optika – fyzikální kompendium pro vysoké školy, IV. díl, (Státní pedagogické nakladatelství, Praha 1961) s. 636–736. [3] Hecht, E., Optics - Fourth edition, Adelphy University, Addison Wesley, 2002 [4] Halliday, D., Resnick, R., Walker, J.: Fyzika- část 4.,VUTIUM, Brno, 2000 [5] Vrbík, P., Hygiena optického záření a osvětlování, Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví v Brně,Brno, 1998 [6] Hromádková, L., Šilhání, Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví v Brně, Brno, 1995 [7] Rutrle, M., Přístrojová optika, Institut pro další vzdělávání pracovníků ve zdravotnictví v Brně, Brno, 2000

časopisecká literatura [8] Vilém, R., Zimní sportovní sezona, Česká oční optika 4/1998, str.18-21 [9] Rozprávková, A., Skenovací laserová polarimetrie pomocí přístroje GDx VCC jako slibná metoda pro sreening glaukomu, Česká a slovenská oftalmologie, ročník 62, vydává Česká lékařská společnost J.E.Purkyně, 1/2006

internetové zdroje [10] http://fyzika.jreichl.com/index.php?sekce=browse&page=462 [11] http://www.bryle.cz/slunecni-bryle/polarizace/polarizace-a-vyhodypolarizacnich-bryli.html

- 37 -

[12] http://www.polaroideyewear.com/eyewear.jsp?FOLDER%3C%3Efolder _id =2534374302032256&bmUID=1207818023423&id=m5 [13] http://www.drivewearlens.com/engine.php [14] http://www.oculus.cz/pomucky.htm [15] http://www.paladix.cz/clanky/polarizacni-filtry-teorie.html [16] http://www.fotoradce.cz/polarizacni-filtr.php [17] http://www.nakupujem.cz/lcd-monitory/ [18] http://fyzweb.cuni.cz/dilna/krouzky/3Dfot/podr1.htm [19] http://www.merck-chemicals.com/merck4lcds/cs_CZ/Merck-International -Site/EUR/ViewCatalog-Browse?CatalogCategoryID=lWeb.s1OnVYAAAEW xVFwbT4Q [20] http://www.physics.muni.cz/ufkl/Vyuka/Praktika/BOZF0221-Optometrie1Navody-2up.pdf [21] http://www.21stoleti.cz/view.php?cisloclanku=2007051804 [22] http://encyklopedie.seznam.cz/heslo/144558-polarizace-elektrodynamika #Polarizace_v_p.C5.99.C3.ADrod.C4.9B.2C_v.C4.9Bd.C4.9B_ a_technologi.C3.ADch

jiné zdroje [23] Randot stereotests, 1995 Stereo optical company, INC., materiály pro postup při vyšetřování, Fakultní nemocnice Brno, Dětská nemocnice [24] Propagační materiály Polaroid - Metzler Optik Partner s.r.o.

- 38 -