พักเรื่อง “ในกล้อง” มาดูเรื่องนอกกล้องกันบ้างนะครับ แต่ยังเป็นของที่ใช้คู่กับกล้องกล้อง ก็คือ Polarizing filter นั่นเอง

    Polarizer (หรือ polarizing filter หรือ PL) เป็นอุปกรณ์จำเป็นสำหรับขาแลนด์ ช่วยให้ถ่ายฟ้าก็สวย ถ่ายน้ำก็ใส ถ่ายกระจกก็เห็นทะลุปรุโปร่ง เอฟเฟคการ “ตัดแสงสะท้อน” ที่ใช้ polarizing filter นี้เป็นหนึ่งในฟิลเตอร์ไม่กี่อย่างที่จำเป็นต้องทำตอนถ่ายเท่านั้น จะใช้ photoshop เอาทีหลังอย่างไรก็ไม่เหมือน แต่เคยสงสัยไหมครับว่ามันทำอย่างนั้นได้ยังไง  

คำเตือน
1. กระทู้นี้เป็นเนื้อหาฟิสิกส์ ใครไม่ถนัด และไม่ต้องการปวดหัว แนะนำให้ผ่านครับ  แต่ครั้งนี้ไม่มีสมการอะไรทั้งสิ้น อาจจะไม่ชวนงงเท่าคราวก่อนๆนะครับ
2. กรุณาอย่าใช้อ้างอิง เพราะผู้เขียนไม่ใช่ผู้เชี่ยวชาญ เพียงแต่สรุปจากที่อ่านจากหลายๆที่แล้วเข้าใจตามเท่านั้นครับ หากน้าๆท่านใดพบจุดผิด รบกวนบอกกล่าวด้วยจะเป็นพระคุณอย่างสูงครับ



PL ทำงานยังไง

ก่อนจะรู้ว่า PL ทำงานยังไง ต้องรู้พื้นฐานเกี่ยวกับคลื่นแสงก่อนสักเล็กน้อยครับ

Polarization ของคลื่น (แสง)

    แสงเป็นสิ่งประหลาดในเอกภพ คือทำตัวเป็นอนุภาคหรือคลื่นก็ได้ ในที่นี้เราจะสนใจมันในฐานะที่เป็นคลื่น พอแสงเป็นคลื่นได้ มันก็จะมีสมบัติหนึ่งที่เรียกว่า Polarization ของคลื่น คือการที่คลื่นสามารถสั่นในทิศทางอื่นนอกเหนือจากทิศที่มันเคลื่อนที่ได้ด้วย ให้นึกภาพการสะบัดเชือก จะเกิดการส่ง “พลังงาน” จำนวนหนึ่งไปตามเส้นเชือก ซึ่งนอกจากคลื่นจะเคลื่อนที่ไปตามแนวเชือกแล้ว มันยังบิดเชือกให้เคลื่อนที่ขึ้น-ลง อีกด้วย นั่นคือการที่คลื่นสั่นอย่างมีทิศทาง นอกเหนือจากทิศที่มันเคลื่อนที่

    แสงเกิดจากการสั่นของสนามแม่เหล็กและไฟฟ้าพร้อมๆกัน สนามแม่เหล็กกับสนามไฟฟ้ามันจะตั้งฉากกันเสมอ และตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของแสงด้วย  ในเรื่องนี้เราจึงสนใจเฉพาะทิศของสนามไฟฟ้าก็พอ เพราะทิศของสนามแม่เหล็กจะขึ้นอยู่กับสองทิศแรก
    ทีนี้คลื่นเป็นวัตถุที่อยู่ในสามมิติ แม้คลื่นจะเคลื่อนที่ไปข้างหน้าอย่างเดียว แต่ทิศทางการสั่นของสนามไฟฟ้าที่ตั้งฉากนั้น มันตั้งฉากได้หลายระนาบ  ทำให้เกิด “รูปร่าง” การสั่นได้หลายกระบวนท่า รูปแบบเหล่านี้เองที่เรียกว่า polarization ของแสง

Unpolarized กับ  Linear polarized light

    เวลามีแสงวิ่งมาเป็นกระจุกหลายๆเส้น (อาจจะใช้ลักษณนามไม่ค่อยถูกนะครับ ยึดเอาความง่ายเป็นหลัก แต่ให้เข้าใจเป็นพอ)  แต่ละเส้นก็จะมีการสั่นเป็นของตัวเอง ซึ่งอาจจะเหมือนหรือไม่เหมือนเพื่อนๆก็ได้ เวลาเรียกชื่อ เราจะสนใจว่าแสงทั้งกระจุกมันสั่น “เหมือน” หรือ “ต่าง” กันเท่านั้นครับ

    Unpolarized light เป็นกระจุกของแสงหลายๆเส้นที่วิ่งมาพร้อมๆกัน ต่างคนก็ต่างสั่นในทิศทางของตัวเอง  ส่วนใหญ่แหล่งกำเนิดแสงในธรรมชาติจะเป็น unpolarized light เพราะแต่ละส่วนของแหล่งกำเนิดแสงเดียวกันนั้น ต่างคนก็ต่างผลิตแสงเป็นของตัวเอง จึงไม่ค่อยสามัคคีกันเท่าไหร่

    Polarized light  คือแสงกระจุกเดิมที่ถูกกรองเอามาแต่การสั่นในระนาบเดียวกัน อาจจะสั่นแบบไหนก็ไม่รู้ล่ะ แต่ว่าทุกๆเส้นมีการสั่นเหมือนๆกัน   หรือ... มันอาจจะถูกผลิตมาให้สั่นเหมือนๆกันตั้งแต่แรกแล้วก็ได้ เช่นแสงจากเลเซอร์บางชนิดเป็นต้น



แสงสามารถเปลี่ยนรูปแบบ polarization ได้โดยการใช้ฟิลเตอร์ PL

    ใน polarizing filter ประกอบด้วยโลหะเส้นเล็กๆบางๆ เรียงตัวกันโดยเว้นช่องว่างนิดหน่อย โดยความกว้างเส้นโลหะและระยะห่างระหว่างเส้น ต้องน้อยกว่าความยาวคลื่นแสงมากๆ การเอาฟิลเตอร์นี้ไปวางขวางแสง จะทำให้เกิดผลสองอย่าง

1. แสงที่สั่นในทิศเดียวกับเส้นโลหะ จะทำให้อิเล็กตรอนในโลหะสั่นตาม แล้วเกิดการสะท้อนกลับ เหมือนการสะท้อนแสงบนผิวโลหะทั่วไป

2. แสงที่สั่นในทิศตั้งฉากกับเส้นโลหะ อิเล็กตรอนในโลหะไม่สามารถจะสั่นตามได้เพราะเส้นมันแคบ เมื่อรับพลังงานไว้เพื่อสะท้อนกลับไม่ได้ ก็ปล่อยให้แสงวิ่งผ่านไป

    การทำแบบนี้จึงกลายเป็นการ “กรองระนาบแสง” คือแสงเส้นไหนวิ่งมาขนานกับเส้นในฟิลเตอร์ จะผ่านไม่ได้ ส่วนเส้นไหนวิ่งมาตั้งฉากก็จะผ่านได้  หากเส้นไหนวิ่งมาในแนวเฉียงๆ ไม่ขนานหรือตั้งฉากซะทีเดียว ก็แตกเวกเตอร์ทะลุผ่านไปได้บางส่วน แล้วที่เหลือก็สะท้อนกลับ รวมๆแล้วแสงที่เคย unpolarized มาก่อน วิ่งผ่านฟิลเตอร์แล้วจะเหลือแสง polarizedที่มีความเข้มอยู่ครึ่งหนึ่งของแสงเดิม



    สรุปก็คือ polarizing filter นั้นทำหน้าที่ตัดแสงที่เคยสั่นผสมๆกันทุกทิศทางให้ผ่านไปได้เฉพาะบางทิศทางเท่านั้น (เปลี่ยน unpolarized ให้เป็น polarized นั่นเอง) แต่ถ้าแสงสั่นแบบมีทิศทางอยู่ก่อนแล้ว เราเอา polarizing filter ไปขวางอีก ก็อาจจะให้แสงผ่านหมด หรือไม่ยอมให้ผ่านเลยก็ได้ ขึ้นอยู่กับว่าวางถูกทิศหรือเปล่า




polarizing filter กับการถ่ายภาพ

    แหล่งกำเนิดแสงในธรรมชาติมักให้แสง unpolarized ออกมา เช่นดวงอาทิตย์ หลอดไฟต่างๆ เมื่อแสงที่ unpolarized ตกกระทบกับผิววัตถุบางชนิด คลื่นแสงที่สั่นในบางทิศทางจะหักเหเข้าไปในวัตถุ และที่เหลือจะสะท้อนตามกฎการสะท้อน และด้วยกฎบางอย่างทางฟิสิกส์ แสงที่สะท้อนออกมาจะกลายเป็น polarized light  ซึ่งสั่นในทิศขนานกับผิวสะท้อน

    เมื่อแสงสะท้อนนั้นมีทิศทาง พอเอา polarizing filter  ไปวางขวางไว้ ถ้าวางได้ทิศตั้งฉากกับแสง ก็จะเห็นแสงทะลุผ่านได้ แต่ถ้าวางขนานก็จะพบว่าแสงถูกบล็อกให้สะท้อนออกหมด นี่คือการที่ polarizing filter   “ตัดแสงสะท้อน” ได้



    ทีนี้ถ้าคิดต่อสักนิดอาจจะเข้าใจไปว่า … อย่างนี้เอา polarizing filter ไปส่องกับอะไรแล้วบิดให้ถูกมุม มันก็ควรจะมืดหมดเลยสิ เพราะว่าแสงจากวัตถุที่มาเข้าตาเรา ล้วนแต่เป็นแสงสะท้อนทั้งนั้น

    คิดอย่างนี้เกือบถูกครับ เพียงแต่ในความเป็นจริงผิวสะท้อนแสงของวัตถุต่างๆมันไม่ได้เรียบจริงๆ และแหล่งกำเนิดแสงก็ไม่ได้มีจุดเดียว ถึงแสงสะท้อนหนึ่งเส้นมันจะสั่นแบบมีทิศทางไปทางหนึ่ง แต่ก็ยังมีอีกนับไม่ถ้วนที่ตกกระทบผิววัตถุบริเวณใกล้ๆกัน แต่สั่นในทิศทางอื่น เพราะผิววัตถุไม่ได้เรียบ

    ในทางปฏิบัติ แสงที่กวนใจเรามากที่สุดคือแสงจากแหล่งกำเนิดแสงเข้มๆ เช่นดวงอาทิตย์ที่ส่องมาตรงๆ บนผิวสะท้อนเรียบๆมันๆ เช่นใบไม้ กระจก ผิวน้ำ หรือผิวอะไรที่ไม่ใช่โลหะ อย่างนี้แสงที่เข้ากล้องก็จะมีทั้งส่วนที่ polarized (จากแสงสะท้อนดวงอาทิตย์โดยตรง)  และส่วนที่ unpolarized (ได้มาจากแหล่งกำเนิดแสงที่สะท้อนมาอีกทีในมุมต่างๆกัน)  พอผ่าน polarizing filter แล้วหมุนให้ถูกทิศทาง เราก็สามารถจะตัด polarized light ซึ่งเป็นแสงจ้าๆที่เราไม่ต้องการออกไปได้ครับ


ทำไมถึงต้อง “แสงสะท้อนจากวัตถุที่ไม่ใช่โลหะ”

    ถ้าแสงตกกระทบโลหะ การสะท้อนแสงของโลหะเกิดจากการที่อิเล็กตรอนในโลหะรับพลังงานไว้แล้วส่งออกกลับคืนในรูปของแสงเหมือนเดิม ไม่เหมือนการสะท้อนคลื่นเฉยๆที่เกิดบนผิวสะท้อนอื่นๆ แสงที่โลหะปล่อยออกมานี้มีสิทธิ์จะ “ไม่สามัคคี” กันได้ ทำให้ได้แสง unpolarized ออกมา  ไม่ว่าจะหมุนฟิลเตอร์ไปทิศไหน แสงก็จะผ่านได้ครึ่งหนึ่งเท่ากันอยู่ดี ทำให้ได้ว่า polarizing filter ไม่สามารถตัดแสงสะท้อนจากโลหะได้


ทำไมกล้องทั่วไปใช้ PL เฉยๆ ส่วน SLR ต้องใช้ CPL

    แต่ก่อนเคยเข้าใจว่า PL เฉยๆนั้นต้องหน้าตาเป็นแผ่นสี่เหลี่ยม ส่วน CPL ก็คือ PL ที่เอามาตัดเป็นวงกลม พอมาหาอ่านจริงๆจังๆก็นึกขำตัวเองว่าคิดไปได้ยังไง

    เรื่องระหว่าง PL เฉยๆ กับ Circular PL หรือ CPL นั้นเริ่มต้นที่ว่า การสั่นอย่างมีทิศทางนั้นมีอยู่หลายแบบ คือสั่นใน “ระนาบ” ก็ได้ หรือจะ “ควง” เป็นวงๆก็ได้

Linear polarized คือแสงที่แสงที่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าสั่นในทิศทางเดียว ถ้าวาดเป็นกราฟของการสั่นสนามไฟฟ้า ก็จะเป็นคลื่นแบนๆ เหมือนสะบัดเชือกขึ้นลงในระนาบเดียว

Circular polarized คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าจะสั่น แล้วควงด้วย เหมือนสะบัดเชือกเป็นวงกลมเร็วๆ จะได้รูปสปริง  คือคลื่นวิ่งไปข้างหน้า  ตอนแรกสั่นขึ้นข้างบนอยู่ดีๆวิ่งมาหน่อยนึงเปลี่ยนไปสั่นทางขวา วิ่งมาอีกหน่อยสั่นลงไปข้างล่าง แล้วเปลี่ยนไปสั่นทางซ้าย แล้วก็กลับขึ้นมาสั่นข้างบนอีก



    ทีนี้ระบบวัดแสงและโฟกัสของกล้อง  SLR/ DSLR/DSLT  มันจะมี “กระจกโปร่งแสง” อยู่ชิ้นหนึ่งขวางอยู่หน้าฟิล์ม/เซนเซอร์ ที่มันต้องโปร่งแสงเพื่อแบ่งแสงเป็นสองส่วน ส่วนหนึ่งต้องสะท้อนส่งขึ้นปริซึมให้เรามองภาพได้ อีกส่วนให้ทะลุผ่านไปชนกระจกอีกบานด้านหลัง ลงไปที่ระบบโฟกัส-วัดแสง  โชคร้ายที่กระจกโปร่งแสงนี้ ทำตัวเป็น polarizer ได้ด้วย  ถ้ามีแสง linear polarized เข้ามาถูกทิศทาง มันก็ให้ผ่านมากหน่อย แต่ถ้าเข้ามาผิดทิศ ต่อให้ความเข้มเท่าเดิม แต่มันไม่ยอมให้ผ่านก็มี  ทำให้ระบบวัดแสง “เพี้ยน” ไปได้ครับ



    แต่ถ้า “บิด” แสงที่ผ่านเข้ามาให้เป็น circular polarized ซะก่อน มันจะทั้งสะท้อนและทะลุกระจกโปร่งแสงนี้ไปได้เท่ากันโดยไม่ขึ้นกับมุม จึงไม่มีปัญหาการวัดแสงเพี้ยน อุปกรณ์ที่ใช้บิด linear ให้เป็น circular นี้เรียกว่า Quarter-wave retardation เป็นแผ่นพลาสติกซ้อนเข้ามาด้านหลัง PL อีกชั้นหนึ่ง รวมทั้งสองชิ้นนี้เรียกว่า CPL นั่นเอง

    ส่วนกล้องที่ไม่มีกระจกโปร่งแสงที่ว่านี้ เช่น Compact หรือ Mirrorless  จะยอมให้แสงผ่านมาที่เซนเซอร์ได้โดยตรง จึงไม่มีปัญหาเวลาใช้กับ linear PL ธรรมดา ก็จะใช้ PL หรือ CPL ก็ได้ครับ (ซึ่งจริงๆ PL เฉยๆนั้นออกจะดีกว่าด้วย เพราะส่วนประกอบน้อยชิ้นกว่า พังยากกว่า)


    เรื่องราวโดยย่อของ PL และ CPL ก็เป็นฉะนี้ครับ ขอบคุณที่ติดตามอ่าน (หรือเปิดผ่านๆก็แล้วแต่) จนจบนะครับ  สวัสดีวันเสาร์แด่ทุกท่านครับ

รูปประกอบและความรู้ทางเทคนิค ดัดแปลงมาจาก
http://en.wikipedia.org/wiki/Polarizer
http://www.polarization.com/

หากผู้รู้ท่านใดพบว่ามีข้อผิดพลาด รบกวนช่วยแก้ไขให้ด้วยจะเป็นพระคุณอย่างสูงครับ

สวัสดีครับ