公益社団法人 応用物理学会 九州支部
リフレッシュ理科教室

解 説 ＜学校の先生方，一般の方向け＞
真中 浩貴（鹿児島大）
へんこうばんはたら

１．偏光板の 働 きとは
しんどう

しめ

しんどう

へんこう

光は波のように振動しながら進みますが, 図１(左)に示すように光が振動している方向を偏光
ほうこう

けいこうとうへんこうほ う こ う

方向と呼びます。太陽光や蛍光灯などでは, 光の偏光方向はあらゆる方向に向いていますが,へんこうばん

つ う か

しんどう

偏光板を通過させることによって, 一方向にだけ振動している光を取り出すことができます。したしめまいへんこうばんちょっこうしゃだんがって図１(右)に示すように, ２枚の偏光板の方向を直交させると光を遮断することができます。

しんどう ほ う こ う へんこうほ う こ う

よ う す

ちょっこう

まい

へんこうばんよ う す

図１(左)：光の振動方向(偏光方向)の様子, 図１(右)：直交する２枚の偏光板の様子
えきしょう

えきしょう

しんどうほうしゅつ

パソコンの液晶モニタや液晶テレビでは, 一方向にだけ振動している光が放出 されています。
へんこうばん

かくにん

さいきん

偏光板をかざして回転させると真っ暗になる角度があるので, 確認してみましょう。ただし最近のたてよこ

へんこうほ う こ う

ほうしゅつ

スマートフォンやタブレットでは, 縦と横の偏光方向を持つ光を同時に放出 しているため, 真っ
き し ゅ

暗にはならない機種もあります。
ふ く く っ せ つ げんしょう

２．複屈折現象とはと う め い ぶっしつ

つ う かにゅうしゃ

へんこうほ う こ う

こと

もっと

透明物質の中を通過する光の速度は, 入射した光の偏光方向によって異なります。光が最 も
つ う か

へんこうほ う こ う

そくじくほうこう

もっと

おそ

つ う か

へんこうほ う こ う

ち じ く ほうこうよ

早く通過できる偏光方向を速軸方向とよび, 最 も遅く通過する偏光方向を遅軸方向と呼びます。
そくじくほうこう

ち じくほうこう

かなら

ただし速軸方向と遅軸方向との間の角度は 必 ず９０度となります。
しめしんどうと う め い ぶっしつにゅうしゃ

そくじくほうこう

ち じ く

図２に示 すように一方向にだけ振動 している光を透明物質 に入射 すると, 速軸方向 と遅軸
ほうこう

ぶ ん り

つ う かこと方向 に光が分離 します。しかしこの二方向では光が通過 できる速度が異 なりますので, 光がと う め い ぶっしつころ

いち

ち え ん げんしょう

ふ くくっせつ

透明物質を出る頃には, この二つの波の位置に差が生じます。この遅延現象のことを複屈折とよくっせつりつはんぴれい

くっせつりつ呼 びます。なお光の速度は屈折率 に反比例 しますので, 二つの屈折率 の差によって生じる
げんしょう

くっせつ

ふ くくっせつよち え ん げんしょう現象であるため, 光が屈折していなくても複屈折と呼ばれています。このような遅延現象が起こと う め い ぶっしつ

ごうせい

へんこうほ う こ うにゅうしゃ

へんこうほ う こ うると, 透明物質から出てきた２つの波を合成した光の偏光方向は, 入射 した光の偏光方向から
へんこうばんちょっこう

しゅっしゃ へ ん こ う ば ん

つ う か

回転します。その結果, 図２のように２枚の偏光板を直交させても, 出射偏光板を光が通過できるようになります。

公益社団法人 応用物理学会 九州支部
リフレッシュ理科教室と う め い ぶっしつ

へん こ うにゅうしゃ

へんこうほ う こ う

図２：透明物質に偏光させ光を入射した時, 偏光方向が回転するイメージ図と う め い ぶっしつ

ふ くくっせつあらわ

どのような透明物質に複屈折が 現 れるのでしょうか？セロハンテープやキッチンラップは引きのしん

まのぶ ん し

せいれつ

け っ か

延ばされながら芯に巻き取られるため, 引き延ばされた分子がきれいに整列します。その結果,たてよこちがふ くくっせつしゅつげん

縦方向と横方向とでは光の進みやすさに違いが起こるため, 大きな複屈折が出 現 します。
とうめい

げ ん し

とくてい

せいれつ

ふ くくっせつあらわ

一方, 透明ガラスでは, 原子が特定の方向に整列しないように作りますので, 複屈折は 現 れとうめい

ふ くくっせつあらわ

へんけいません。透明プラスチックも複屈折はほとんど 現 れませんが, 外から力を加えて変形させること
ふ くくっせつ

かん たん

はっせい

げんしょう

おうりょく ゆ う き ふ く く っ せ つによって複屈折を簡単に発生させることができます。この現象のことを応力誘起複屈折, もしくはこ う だんせい こ う かよ光弾性効果と呼びます。

ふ くくっせつそくていりょうぶんぷぞう

図３(左)：CD ケースの写真, 図３(右)：複屈折測定による, ひずみ量の分布像

かたとうめいせい

ふ くくっせつ

とくしゅ

そ う ち

かんさつ

図３には, 堅 い透明 プラスチック製 の CD ケースの複屈折 を特殊 な装置 を用いて観察 した
け っ か

しめつめしゅうい

さまざま

くわ結果を示しています。CD ケースの爪の周囲には様々な方向からの力が加わるために, ひずみりょう

ふくざつ

ぶんぷ

じっさい

まい

へんこうばん

えきしょう

量が複雑に分布していることが分かります。実際に２枚の偏光板の間か, 先ほどの液晶モニタとへんこうばん

はさつめ

まわ

にじ も よ う

あらわ

かんさつ

偏光板の間に CD ケースを挟むと, 爪の周りに虹模様が 現 れますので, 観察してみて下さい。のうりょく

ひくつてっとうふくざつ

１９９０年代までは, コンピュータの計算能力 が低 かったため, 吊 り橋や鉄塔 などの複雑 なけんちくぶつ

せっけい

とうめい

も け いりょう

ぶんぷ

も く し

建築物を設計する時には, 透明プラスチックで模型を作り, 図３のようなひずみ量の分布を目視
かんさつけんちくぶつ

かじゅう

じっさいで観察して, 建築物の荷重がどこに集中するのかを実際に調べていました。

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リフレッシュ理科教室
ふ く く っ せ つ げんしょう

３．複屈折現象によって, なぜ様々な色の光が見えるのか？
ぶんかい

しめ

にじ も よ う

あらわ

はちょう

むらさきいろ太陽光をプリズムで分解すると, 図４に示すような虹模様が 現 れ, 光の波長が短い 紫 色 から,はちょう

れんぞくてき波長が長い赤色まで連続的に広がっています。これら全ての色の光を足し合わせると人間の目
はくしょくこうけいこうとうはっこうには白色に見えるので, 太陽光のことを白色光とも呼びます。一方, 蛍光灯では発光させる光のじんこうてきせいぎょいろみかちゅうはくしょく

ちゅうこうしょく

色を人工的に制御することによって光の色味を変えることができますので, 「昼 白色」「昼光色 」
でんきゅうしょくいろみこと

かんはんばい「電球 色」などの色味が異なる管が販売されています。

はちょう

かんけい

図４：光の波長と色との関係と う め い ぶっしつ

はくしょくこうにゅうしゃ

はちょうごとこと

ふ くくっせつへんこうほ う こ う

透明物質に白色光を入射した時, 図５(左)に示すように, 複屈折によって偏光方向が回転す
しゅっしゃ へ ん こ う

しゅっしゃ へ ん こ う ば ん

ちょっこうしゃだん

る角度は光の波長毎に異なるため, 出射偏光が出射偏光板と直交している色の光だけが遮断
け っ かと う か こ うしゃだん

ほしょく

かんけい

されます。その結果, 人間の目で見える透過光の色は, 遮断された色と補色の関係にある色, すしめしきそうかんずたいかくがわそうとう

まい

なわち図５(右)に示 す色相環図 の対角側 に相当 する色となります。先ほどと同じように２枚 のへんこうばん

えきしょう

へんこうばんはさへんこうばん

偏光板の間や, 液晶モニタと偏光板の間に CD ケースを挟みながら偏光板を回転させると光のかんさつ色が変化しますので, 観察してみましょう。にゅうしゃこう

はちょう

ふ くくっせつへんこうほ う こ うこと

図５(左)：入射光の色(波長)の違いによって, 複屈折による偏光方向の回転する角度が異な
しきそうかんず

たいかくせんほしょく

かんけいるイメージ図, 図５(右)：色相環図, 対角線が補色の関係に相当する