| 前回つぶやきの続編です。もし読まれていない方は先に前回つぶやきの方を読んで下さい。
今回も役に立たないお話の続きです（笑）。
前回では普通の偏光フィルター二枚を使って、可変ＮＤフィルターに出来ることを書きましたが、最近はＡＦカメラ全盛なので、偏光フィルターといっても多くの人は普通の偏光ではなく、円偏光フィルター（サーキュラーＰＬ）の方をお持ちでしょう。サーキュラーＰＬの場合は二枚重ねても前回で述べたような可変ＮＤフィルターは出来ません。何故ならサーキュラーＰＬは偏光膜を通過した光（直線偏光）を円偏光に変換する「１／４波長板」なるものが偏光膜の後に重ねられているからです。円偏光は難しい説明を省きますが、偏光軸に方向性がありません（回転させながら光は進みます）。これはハーフミラーを必ず持っているＡＦカメラ対策のものです。直線偏光した光はハーフミラーの所で偏光の向きによって反射率を変えてしまいます。ＡＦ一眼レフの露出センサー／ＡＦセンサーはファインダー部にあるにしても、シャッター膜の前にあるとしても、クイックリターンミラー（ハーフミラー）よりも後側にあります。その結果、光量は同じでも直線偏光の向きによってハーフミラーでの反射率／透過率が変わってしまい、露出値が狂ったり、ＡＦが作動不良になったりするのです。その為に直線偏光を向きのない偏光（円偏光）に変えてカメラに届けるのがサーキュラーＰＬフィルターです。
蛇足ですが、サーキュラーＰＬフィルターを逆から見ると、一切の偏光除去効果は生まれません。これは物体表面で反射して直線偏光になった光が先に１／４波長板を通過してしまうと、その時点で直線偏光ではなくなるため、続く（直線）偏光板を、偏光軸がどちらを向いていても通過してしまうからです。皆さんもフィルターを逆向きにして肉眼で確認してみてください。この事を知らないと、中古フィルターを見つけたときに外側（レンズ側ではない方）から覗いて偏光効果を確認できず「お前は既に死んでいる！」と勘違いしてしまいます。
サーキュラーＰＬフィルターは直線偏光を向きのない偏光（円偏光）に変えてしまうため、一枚目のフィルターを通過した光も直線偏光にはならず、従って二枚目のフィルターでそのまま通過させたり（この場合前回掲載した普通のＰＬの左の写真のように、二枚重ねでも濃度が変わらない）、完全除去したりする（この場合は前回の右の写真の用に真っ黒になる）ことは出来ないのです。だから何も起きない．．．と思って実験してみました。すると予想外の事が起きました。
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| サーキュラーＰＬフィルターを二枚重ねた写真。左側が一番暖色系になる位置のもの、右側は一番寒色系になる位置のもの。これだけの色味の違いが出ます。但しこの写真でも分かるように二枚重ねの部分の濃度はＣーＰＬフィルター二枚分あり、露出倍数は６〜８ある事になります。 |
二枚のフィルターの偏光軸の相対的な角度を変えても理論どおり濃度変化は起きませんが、色味が変わったのです。僅かなブルーから僅かなアンバーに。多分ケンコーの型番で言えば、Ｗ２からＣ２ぐらいの変化はあると思います。恐らく１／４波長板の特性により、直線偏光軸との相対角度で光の周波数特性が変わるのでしょう（下記注釈参照）。これは濃度があまり濃くならないために、ムラは事実上ありません。ひょっとしたら使えるか？？但し二枚のＣーＰＬフィルターを重ねていますので、露出倍数は６〜８あり、ガラス４枚重ねによる画質低下も相変わらずあります。それでも興味のある方は実験してみてください。
| （注釈）この様な現象を起こす理由を推論してみましょう（正しくないかも知れません）
１／４波長板というのは、異方性（９０度違う方向〜Ｘ軸とＹ軸で屈折率が異なる特性）を持つ物質で作ります。
一方、光の屈折体の中の速度は、屈折率に反比例します。つまり屈折率の大きい物体の中では光は遅く進みます。
異方性を持つ物体の中を、Ｘ軸／Ｙ軸と同じ方向の振幅を持つ一組の直線偏光が進むとすると、それぞれの光が感じる屈折率が異なるために、Ｘ軸の偏光とＹ軸の偏光では速度が異なり、物質を通過したときの位置（位相）が異なってしまいます。異方性物質の厚みを調節することで、一方（Ｘ軸に平行な偏光）の位相を直交するもう一方の光（Ｙ軸に平行な偏光）から１／４波長（位相で９０度）だけ遅らせる様な特性をもたせた物が１／４波長板です。（説明するのが難しいね〜）。
円偏光というのはＸ軸とＹ軸それぞれの振幅方向を持ち、位相が９０度ずれた一組の直線偏光と同じ事ですが（この二つの偏光の合成ベクトルは、くるくる回転することになります）、それは直線偏光板の後に、直線偏光軸に対して４５度ずれた角度で１／４波長板を貼りつけることで生成されます（これがサーキュラーＰＬフィルターの基本構造）。
所で、１／４波長板というのは、光のある基準波長に対して設計されます。写真用に用いられる１／４波長板は恐らく可視光線の丁度中央の光の波長で設計されているでしょう。しかし、可視光の範囲は広いから、大多数の光は基準波長からズレている事になります。この基準波長からズレた光が入射すると、片方（Ｘ軸）の偏光が遅れる波長も１／４からズレるため、１／４波長板を通過した光は完全な円偏光にはならず、僅かな直線偏光成分が残ります。それは片方の軸（Ｘ軸）に設計基準波長よりも波長の長い（赤い色）の成分が残り、もう片方の軸（Ｙ軸）には設計基準波長よりも波長の短い（青い色）の成分が残ることになります。両者を合計すれば元の白い色に戻ります。
しかし１／４波長板の背後にもうひとつ直線偏光板を置いて、Ｘ軸成分の偏光を取り除く位置にすればＹ軸の青い色の直線偏光成分が残るので青みがかり、逆にＹ軸成分の偏光を取り除く位置にすればＸ軸の赤い色の直線偏光成分が残るのでアンバーがかる、という訳です。（この説明で理解できた人、もしくは誤りを発見できた人は手を挙げてください〜（笑）） |
あ〜、疲れた。この説明はどの本にも載っていなかったので、ウン十年前に学んだ（すっかり忘れてました）偏光について復習し、その後思考実験を繰り返して導いた推論です。５時間ぐらいかかりました（笑）。
ところで「普通のＰＬフィルターとサーキュラーＰＬフィルターを重ねたらどうなるのでしょう？」という素敵な疑問をモグラさんが投げかけてくれました。これは面白いですよ！どうなるか上記の説明でお分かりになるでしょうか？
色温度可変フィルターは一枚目の偏光板を通過した可視光が、次に１／４波長板を通過して（微妙な直線偏光成分を残した）円偏光になり、その上で更に直線偏光板を通過したときに成立します。ですから前から
ＣーＰＬ → ＰＬ → レンズ （ＰＬ→１／４波長板→ＰＬ→レンズ）
と装着した場合は、色温度可変フィルターになります。但しレンズ直前のフィルターはＰＬなので１／４波長板が無く、直線偏光がレンズに入射することになります。だからこれはＭＦカメラ専用です。ＡＦカメラで使う場合は、ＣーＰＬフィルター２枚が必要です。逆に、
ＰＬ → ＣーＰＬ → レンズ （ＰＬ→ＰＬ→１／４波長板→レンズ）
と装着した場合は、一枚目の偏光板を通過した可視光は直線偏光になり、そのまま第二の偏光板に突入します。だからこの場合は可変ＮＤフィルターになります。そして最後に１／４波長板がありますので、この可変ＮＤフィルターはＡＦカメラで使える事になります。前回つぶやきで書いた普通のＰＬフィルター二枚による可変ＮＤフィルターの場合はＭＦカメラ専用という事になります。
いや、モグラさんの素敵な質問が無ければ、この役に立たない可変ＮＤフィルターと色温度可変フィルターのＡＦスペックの説明を落とすところでした。Thanks!
冒頭に「役に立たない」と書きましたが、今回のつぶやきは皆さんの睡眠薬になったかも知れませんね(^o^)。
| 今回、直線偏光から円偏光への変換原理を調べるために、大阪大学大学院、基礎工学研究科、物理系／電子光科学専攻、光エレクトロニクス講座、山本研究室、田中助手（応用光学）のホームページにあるレーザー実験のページを参照しました。このホームページはまだ未公開で、田中助手が物理の大学生の実験課題に用意しているページのようです。ＹＡＨＯＯ検索で見つけました。もっと分かりやすい説明をご覧になりたい方はそちらを参照下さい。ただ、一点だけ記載に誤りがありますのでご注意下さい。
(b)円偏光は，互いに９０度をなす偏光ベクトルがπ／４の位相差で振動しているのと等価
緑字の部分は正しくはπ／２、もしくはλ／４です。 |
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