איך מחשיכים חלון בלי וילון?

מטוס הדרימליינר החדש מלא בחידושים מדעיים וטכנולוגיים. ניצלנו את העובדה שהוא הגיע לארץ כדי לצלם בו ובמעבדה סדרה של סרטונים על כמה מהחידושים המגניבים ביותר. והפעם – חלונות המטוס:

האור כגל

האור שאנחנו רואים הוא פשוט סוג של קרינה אלקטרומגנטית – כמו קרני רנטגן, קרינת רדיו, מיקרוגל, אינפרא-אדום, אולטרא-סגול ועוד. אז מה ההבדל בין כל ה'קרינות' הללו? – גודל אחד שנקרא 'אורך הגל'. הקרינה האלקטרומגנטית היא למעשה סוג של גל שנע במרחב, ואורך הגל הוא בעצם המרחק בין שני 'שיאים' קרובים של הגל.

רצף הקרינה האלקטרומגנטית – והסיווגים שלה לפי אורכי הגל

חשוב לציין שהקרינה האלקטרומגנטית קיימת ברצף של אורכי גל מהקטן ביותר (קרינת גמא) עד הארוך ביותר (קרינת רדיו) והיא לא באמת מחולקת ל'מקטעים' / סוגים.

האור שאנחנו רואים הוא הקרינה האלקטרומגנטית, שאורכי הגל שלה הם בין 0.0004 ל 0.0007 מילימטר (=400-700 ננומטר / מיליארדיות המטר).

ומהו בעצם הגל הזה של הקרינה האלקטרומגנטית? ממה הוא "עשוי"? זהו גל של שדה חשמלי המתקדם במרחב. שדה חשמלי זה מה שנמצא מסביב כל מטען חשמלי, למשל סביב בלון הטעון בחשמל סטטי יש שדה חשמלי. כפי שרואים בסרטון – למעשה גל אלקטרומגנטי הוא גל 'כפול' – כאשר במאונך לשדה החשמלי יש 'שדה מגנטי' המתנדנד במרחב, אולם לצורך פשטות ההסבר אפשר להתעלם ממנו.

חוץ מאורך הגל, יש עוד מספר גדלים שמתארים אותו – כמו התדירות (=מספר השיאים בשנייה), האמפליטודה (עוצמת הגל) וגם גודל שנקרא קיטוב הגל, שהוא החשוב להבנת החלון המתכהה.

הקיטוב של הגל הוא למעשה הכיוון שבו מתנדנד הגל – אם בתמונה למעלה הגל האדום נע מימין לשמאל, אך התנודות של השדה הן מעלה מטה – אז אפשר לומר שזה הקיטוב של הגל (אנכי – מעלה מטה). מקורות אור כמו השמש לדוגמה – פולטים אור בכל הקיטובים / הכיוונים האפשריים.

"סינון" אור

נניח שאנו רוצים לצמצם את כמות האור או חלק מהאור שמגיע ממקור אור מסויים. דרך אחת לעשות זאת היא להעביר את האור דרך מסנן צבעוני כלשהו, זכוכית או פלסטיק שקוף המכילים צבע. בשיטה הזו רק אור בצבע מסויים עובר דרך הפילטר, כאשר שאר הצבעים נחסמים. הסינון כאן הוא בעצם סינון של אורכי גל, משום שבאור הנראה צבעים שונים הם בעצם ביטוי של אורכי גל שונים של הקרינה. החסרון בשיטה הזו היא שהיא 'צובעת' את העולם הנראה בצבע של הפילטר, ושוללת ממנו את כל שאר הצבעים.

שיטת סינון מתוחכמת יותר היא סינון בהתבסס על תכונת קיטוב האור. אפשר להעביר את האור דרך חומר הנקרא מקטב, שהוא משמש כמין 'מסננת' אשר מעבירה אור רק בקיטוב מסויים, וזה הבסיס לחלון מתכהה באמצעות קיטוב. המקטב לא מסנן את הצבעים השונים וכך מושגת הפחתה של האור בלי לפגוע בצבעים.

פלסטיקים רבים משמשים כמקטבי אור, ומשמשים בשימושים שונים (נפוץ בעיקר במשקפי שמש – משקפי 'פולארויד'). הפלסטיקים מורכבים מפולימרים – מולקולות ענקיות שבנויות מיחידות קטנות החוזרות על עצמן הרבה פעמים, כמעין שרשרת. השרשראות הזעירות הללו מצליחות לסנן קיטובים שונים של אור – לחסום חלק ולהעביר את הרצויים. מקטב למעשה תמיד מוריד מעוצמת אור לא מקוטב שעובר דרכו: אור שהקיטוב שלו מקביל לסינון המקטב – יעבור ללא סינון, אור שמגיע ב'אלכסון', נאמר ב 45 מעלות, יעבור דרכו, אולם עוצמתו תהייה פחותה ב-50 אחוז בהשוואה למקור ואור שמישור הקיטוב שלו מאונך לחלוטין למישור המקטב פשוט יסונן ויחסם לחלוטין.

אם שמים שני מקטבים זה מול זה – ניתן באמצעות סיבוב יחסי ביניהם לשלוט במידת האור שיעבור עד כדי חסימה מוחלטת של האור – כאשר קווי הקיטוב של שני המקטבים נמצאים בזווית של 90 מעלות זה כלפי זה, כפי שמודגם בסרטון. זה אפקט יפה אבל הוא עדיין דורש כיוונון מכני.

גבישים נוזליים

פריצת הדרך בשליטה על עוצמת האור המקוטב הגיעה עם גילוי משפחה של חומרים הנקראת גבישים נוזליים (מחקר שזיכה את פייר-ז'יל דה ז'ן בפרס נובל בפיזיקה בשנת 1991). כולם מכירים גבישי סוכר, או מלח. גם יהלום הוא גביש. ברמה האטומית / מיקרוסקופית – הגביש מתאפיין בסדר רב מאוד של סידור החלקיקים שמרכיבים אותו (אולי בדומה לאריחים שמרצפים רצפה, רק שהגביש הוא תלת מימדי). כל הגבישים הם מוצקים – והחלקיקים המרכיבים אותם לא יכולים לנוע ממקום למקום. הגביש הנוזלי הוא חומר מפתיע – כי המולקולות שמרכיבות אותו מסודרות כולן באותו הכיוון, אבל בכל זאת יש להן יכולת תנועה (ולכן הוא נוזל). חלק מהגבישים הנוזליים יכולים לסובב קיטוב של אור, ומתברר שאפשר לשלוט במידת הסיבוב על ידי הפעלת מתח חשמלי על הגבישים. כל צגי ה LCD (Liquid Crystal Display – תצוגת גביש נוזלי) שנמצאים היום בטלוויזיות ובטלפונים סלולרים, מבוססים על שילוב של שני מקטבי אור, שביניהם נמצא גביש נוזלי שאפשר לשלוט במידת סיבוב קיטוב האור שלו באמצעות מתח.

מסכי ה-LCD הראשונים, שעדיין נפוצים היום בשעוני יד ובמחשבונים – היו רק בצבע 'שחור-לבן':

שעון דיגיטלי עם תצוגת LCD בצבעי שחור-לבן | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

בתצוגת LCD שנמצאת ללא מתח חשמלי – אור יכול לעבור דרך מקטב אחד, לסובב את הקיטוב שלו במעבר דרך גביש נוזלי, ולעבור דרך המקטב השני – המאונך – והתוצאה היא מראה שקוף. כאשר מופעל מתח חשמלי על הגביש הנוזלי – נמנע סיבוב קיטוב האור, והאור נחסם על ידי המקטב השני, והתוצאה היא 'צבע' שחור (חוסר אור) המוצג על המסך במקום המתאים. החלון במטוס הדרימליינר מבוסס בדיוק על טכנולוגיה זו.

עם השנים הומצאו צגי LCD צבעוניים, המורכבים מפיקסלים (נקודות אור) צבעוניות רבות היוצרות תמונה. על כל נקודת אור ספציפית בצבע אדום, ירוק או כחול נמצא מקטב אור הנשלט באמצעות גביש נוזלי. הפעלת מתחים בעוצמות שונות מצליח לשלוט בצורה מדוייקת בעוצמת האור של כל מקור אור, מה שמאפשר יצירה של מבחר גוונים גדול על ידי 'ערבוב' של הצבעים בעוצמות שונות.

סכמה כללית של מבנה מסך LCD | מקור: ויקיפדיה, יוצר Marvin Raaijmakers