sciencetalk

In het raam van een Arriva-trein zag ik door mijn polaroid zonnebril een merkwaardig concentrisch ringenpatroon. Zonder polaroidbril was het onzichtbaar. Op de foto, gemaakt met de bril voor de camera, is het ook te zien. Bij alle ramen van de trein was het ringenpatroon te zien, op ongeveer dezelfde plek aan de hemel. Het patroon had geen vaste plek op de ruit; het verschoof mee met mijn hoofdbewegingen. De kijkrichting naar het centrum stond scheef op de ruit, circa 45°. Het zijn ramen met dubbel glas. Het ringenpatroon is alleen in Arrivatreinen zichtbaar, niet in NS-treinen.
 
Welk optisch verschijnsel zou dit zijn, en wat is er aan de hand met het raam als je dit ziet? Wat bepaalt de plaats van het centrum?
   
1

Dat het dezelfde plek aan de hemel leek te hebben doet me vermoeden dat het in de basis te maken heeft met de polarisatie van het licht. Ik kan de positie van de zon niet zien in de foto, maar wellicht kun je zelf bepalen wat de relatie is tussen de schijnbare plaats van het patroon en de hoek tot de zon.

Dat de ene ruit het wel doet en de andere niet heeft misschien te maken met de gebruikte anti-reflectieve coatings op het glas, en/of met de gelamineerde laag plastic die in het glas zit (ik weet eerlijkgezegd niet of treinramen aan de zijkanten normaliter van gelamineerd glas zijn).

Dit soort ruiten zijn samengestelde ruiten uit verschillende lagen. Dat is in ieder geval hardglas, een kunststof laagje binnenin die het glas intact houd als het breekt, en een opgedampte metaalcoating als zonwering aan de buitenkant.  Ik vermoed dat vooral deze laatste verantwoordelijk is voor een lichtbreking die je met je polaroidbril kunt zien.

Dat het met een of andere laag op het glas te maken heeft denk ik ook. Maar dan blijft het cirkelpatroon een raadsel omdat een laag op de ruit geen cirkelsymmetrie (of cilindersymmetrie) om het centrum heeft: het raam staat scheef op de kijkrichting naar het centrum.

Ik beschouw het stuk blauwe hemel waarnaar de camera kijkt als bron van de lichtstraal, niet de direkte zon. Dat stuk hemel stond op ongeveer 90° afstand van de zon en was daarom gepolariseerd.(1) Verticaal gepolariseerd, omdat dat stuk hemel en de zon laag boven de horizon stonden. Vanwege de scheve kijkrichting zou ik eerder parallelle rechte lijnen als interferentiepatroon verwacht hebben

Op internet vond ik een foto (link) met hetzelfde ringenpatroon, met als beschrijving: "You might see funny things through your camera if you decide to take a picture with your polarizing filter on. These concentric circles were made by the anti-burglar foil on our windows. The blue on the picture is the endless sky."   In dat geval was er blijkbaar ook een laag op het glas nodig voor het ringenpatroon.

Mooi patroon, maar de oorzaak?

 

Als die treinruiten uit dubbel glas bestonden zou je denken aan 'Brewster fringes', maar die zijn voor zover ik weet niet zo fraai gekleurd en ook niet cirkelvormig.

Je zou ook kunnen denken aan Newton's ringen, de kleuren en het cirkelpatroon stemmen daar mee overeen, maar die ringen doen zich in de regel alleen voor als een vlak en bol stuk glas of twee holle platen elkaar (vrijwel) raken, en die ringen zijn gelokaliseerd.

 

Stond de Zon gezien vanaf de camera min of meer boven het centrum van het patroon?

 

Ik denk aan dubbelbreking:
   
Dit schijnt ook voor te komen bij getint, gecoat glas.

 

Dat zou inderdaad best kunnen, het hangt er gewoon vanaf wat voor coating er precies op dat glas zit.

Het zou bijvoorbeeld kunnen dat er een dieelectrische reflectieve coating voor IR op zit (om transmissie van warmte te beperken). Zichtbaar licht zou een paar keer kunnen 'stuiteren' binnen zo'n coating, afhankelijk van golflengte, wat het 'regenboog effect' zou verklaren. Maar waarom het specifiek voor gepolariseerd licht is blijft me wat onduidelijk.

Een andere mogelijke oorzaak zou een filterlaag kunnen zijn die gemaakt is om UV te reflecteren, maar bij zichtbaar licht ongeveer een quarter-wave plate vormt en daarmee horizontale of verticale polarisatie in circulaire omzet. Om dat te achterhalen is het van belang te weten of die zonnebril horizontaal/verticaal of circulair gepolariseerd is.

Michel Uphoff schreef:Stond de Zon gezien vanaf de camera min of meer boven het centrum van het patroon?
Ik denk aan dubbelbreking:

De zon stond laag boven de horizon, ongeveer 90° verwijderd van het stukje hemel. Het blauwe licht van de hemel achter het ringenpatroon zou daarom gepolariseerd moeten zijn.

Dubbelbreking kan, maar de illustraties daarvan gaan meestal over in het materiaal ingebakken mechanische stress, die plaatselijke afwijkingen van de dubbelbreking veroorzaken. Cirkelpatronen en lijnpatronen hebben dan een vaste plaats in het materiaal. Maar bij de treinruit van Arriva had het cirkelpatroon geen vaste plek op de ruit (wel een vaste plek aan de hemel). 

De onderstaande knipperfoto laat dat zien. Hij is samengesteld uit twee foto's van de treinruit, met het verschil dat de bril 90° gedraaid was bij de tweede. Het camerastandpunt verschilde een beetje, zoals blijkt uit streepjes op de vuile ruit. Het cirkelpatroon heeft een vaste plaats aan de hemel, en beweegt niet mee met de vuile ruit.

De knipperfoto is ook interessant omdat de twee foto's duidelijk complementair zijn. Rode banden op de ene foto zijn groen op de andere, en donkere banden op de ene foto zijn helder op de andere. Vermoedelijk omdat de optelsom van beide plaatjes het ongepolariseerde beeld zonder ringenpatroon moet opleveren.

Benm schreef:Om dat te achterhalen is het van belang te weten of die zonnebril horizontaal/verticaal of circulair gepolariseerd is.

 
Het is een gewoon gepolariseerde zonnebril voor buiten, die horizontaal gepolariseerde schitteringen moet tegenhouden. Hij werkt complementair als je je hoofd 90° kantelt. Volgens mij worden circulair gepolariseerde brillen alleen in de bioscoop gebruikt, voor 3D films, en dan moet de projector ook circulair gepolariseerd licht uitzenden. Met het voordeel dat het niet uitmaakt of je je hoofd kantelt.

De enige polaroidbril ter wereld die verticaal gepolariseerd licht tegenhield was van James Bond, daarmee kon hij door een raam kijken zonder zijn hoofd te kantelen (A view to a kill, klik)

Wat men in zonnebrillen gebruikt verschilt nogal. Normaliter is het zo ontworpen dat het alleen verticaal gepolariseerd licht doorlaat, maar er bestaan allerelei varianten die niet per se heel effectief zijn. Gezien 90 graden draaien van de bril het inverse plaatje oplevert lijkt me dat hier sprake is van een 'traditionele' polaroid-achtige zonnebril.

Nog iets bijzonders van het Arriva ringenpatroon is dat de ringen equidistant zijn, terwijl de ringafstand van klassieke interferentieringen meestal naar buiten toe afneemt.
  Bewerkte foto's waarin de buitenste ringen beter zichtbaar zijn. Rechts is ook te zien dat de blauwe hemel de lichtbron is: de ringen houden op bij de boom.

Blijft fascinerend, zeker de vaste plek aan de hemel. Dat doet vermoeden dat een specifieke polarisatie nodig is om het effect zichtbaar te maken.

Jammer dat er een trein aan de ruit vast zit!

Misschien is er wel wat te onderzoeken als die trein ergens een tijdje stil staat. Wat me vooral interessant lijkt is om te zien wat er gebeurd als je controle hebt over de polarsiatie van het licht achter de ruit. Dat kan je op zich doen met een telefoon/tablet/etc met lcd scherm, al gaat dat wel een karwei voor 2 man worden

Iemand die er meer van weet wees me erop dat dit ringenpatroon lijkt op de conoscopische figuren die verschijnen als een anisotroop homogeen materiaal, zoals een dubbelbrekend kristal, tussen gekruiste polarisators wordt gelegd. Figuur 3 van deze webpagina geeft aan waarom er dan interferentie optreedt. Bij dit interferentiepatroon spelen reflecties dus geen rol, en of het raam van dubbel glas is maakt niet uit.
 
De 'bullseye', het centrum van de ringen, is de richting van de optische as van het materiaal. Veel anisotrope materialen zijn biaxiaal, ze hebben twee optische assen. In de richting van de tweede optische as moet ook een ringenpatroon met een bullseye zichtbaar zijn. Zou de ruit van Arriva biaxiaal zijn? Om dat te bepalen heb ik weer mijn polaroidbril opgezet in een Arrivatrein. Dat tweede ringenpatroon blijkt er inderdaad te zijn.
 
De hoek van de eerste optische as met de normaal van de ruit is ongeveer 45° naar rechts en 20° naar boven; en de hoek van de tweede bullseye 45° naar links en 20° naar beneden. De tweede bullseye is tijdens de treinreis minder vaak zichtbaar dan de eerste, het lijkt nodig te zijn dat het stukje landschap achter de bullseye een egale heldere achtergrond is. De eerste bullseye, die zich boven de horizon bevindt, is vaak zichtbaar omdat de hemel meestal egaal en helder is. De tweede bullseye is moeilijker zichtbaar om het landschap onder de horizon (gras en struiken) vaak onregelmatig en donker is. Een wateroppervlak dat de hemel weerspiegelt en een zonbeschenen wegdek zijn wel voldoende helder. 
   
Als de trein een bocht maakt blijft de hoek tussen de bullseye en de normaal van de ruit hetzelfde. Maar aan de hemel verschuift de plek van de bullseye wel, tijdens het maken van de bocht.
 
Opmerkelijk: een bullseye is soms ook zichtbaar op een witte wolk, terwijl het licht van zo een wolk ongepolariseerd is. Hoe wordt het licht dan toch gepolariseerd?
 

Kan natuurlijk prima zijn dat er bij Arriva aan de buitenkant een polarisatiefilter, of in ieder geval een filter met polariserende werking zit. Zodra je jouw bril ervoor houdt heb je je 2 crosspolarizers.
 
Dat zou verklaren waarom je het bij de ene trein wel ziet, en de andere niet, en waarom het ook bij wolken zichtbaar is.

Dat zou wel kunnen, maar in dat geval zou je dus door de polaroidbril te draaien een punt moeten vinden waarbij de ruit helemaal donker wordt (precies 90 tov de aanwezige polariserende laag). Ik weet niet of dat het geval is. Het zou kunnen dat die laag niet heel strict polariserend is, maar ook dat moet je tenminste een 'donkere hoek' kunnen vinden om het effect te verklaren.

Als ik zo naar de foto's kijk heeft de polaristatie van het licht van buitenaf in ieder geval niet zoveel invloed - ik kan me niet voorstellen dat het licht van zo'n stukje gras gepolariseerd is.

Helemaal donker hoeft het niet te worden. Als de tussenliggende laag de polarisatie draait, blijf je wat zien. En dat wat je ziet kan afhankelijk zijn van de hoek en de golflengte.
 
Ik vond dit plaatje:
 

 
Daar werd ook nog een uitleg bij gegeven:
 
 
RTP crystal viewed along the optical axis with fluorescent light illumination between cross polarizers. The polarizer axis is tilted by a few degrees relative to the crystal's ZX plane to produce the wide variety of colors. —Jesse Smith, AS-Photonics LLC
 
http://www.osa-opn.org/home/gallery/image_of_the_week/#image-24
 

Een polarisator aan de buitenkant van de ruit zou makkelijk herkenbaar zijn door vanaf het perron naar binnen te kijken via een polaroidbril. Bij een bepaalde stand van de bril zou het interieur onzichtbaar worden.

jkien schreef: ↑za 22 aug 2015, 08:58 De 'bullseye', het centrum van de ringen, is de richting van de optische as van het materiaal. Veel anisotrope materialen zijn biaxiaal, ze hebben twee optische assen. In de richting van de tweede optische as moet ook een ringenpatroon met een bullseye zichtbaar zijn.

Ik heb de kenmerken van conoscopische figuren samengevat in een ruimtelijke tekening die duidelijker is dan een omschrijving met woorden:


Birefringent sheet = dubbelbrekende plaat