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Polarisator für Licht Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein Polarisator für Licht, der auf Dichroismus beruht, also komplementär polarisiertes Licht absorbiert, statt es wie polarisierende Strahlteiler zu reflektieren. Dadurch eignet es sich, Lichtstrahlen, die in der „falschen“ Ebene schwingen, zu unterdrücken. Dies wird in der Fotografie unter anderem dazu verwendet, Spiegelungen auf nichtmetallischen Oberflächen zu unterdrücken oder hervorzuheben. Es ist auch möglich, Polarisationsfilter direkt bei einer Lichtquelle einzusetzen, um dadurch ein gleich schwingendes Licht zu erhalten. Hierbei ist zu beachten, dass der Polarisationsfilter eine beträchtliche Lichtmenge aussperren kann und diese Lichtmenge absorbiert, indem er sie in Wärme umwandelt.[1]
Einige Wissenschaftler nehmen an, dass bereits seefahrende Wikinger einen Polarisationsfilter (Sonnenstein) benutzten, um am trüben Himmel die Richtung zur Sonne festzustellen.[2]
Bereits im 19. Jahrhundert, also in der Frühzeit der Fotografie, hat man erkannt, dass sich störende Glanzreflexe, etwa bei der Aufnahme von Ölbildern oder hinter Glas befindlichen Objekten, durch die Anwendung polarisierender Medien unterdrücken ließen.
Mangels Alternativen nutzte man zunächst entweder Nicolsche Prismen oder Turmalinkristalle.
Die Entdeckung der stark polarisierenden Wirkung von künstlich hergestellten Kristallen aus schwefelsaurem Jod-Chinin („Herapathit“) durch den englischen Arzt William Bird Herapath im Jahr 1851 führte auf Grund der geringen Größe von maximal 1 cm² der entstehenden Kristalle zunächst zu keiner praktischen Anwendung. Erst 1926 gelang es A. Zimmern in Paris, besser für optische Zwecke nutzbare flache Kristallblätter von 2–3 cm herzustellen.
Ferdinand Bernauer gelang es dann 1935, große, auch für fotografische Zwecke nutzbare großflächige, aber nur einen Bruchteil eines Millimeters dicke, monokristalline Flächenfilter aus schwefelsaurem Chinin herzustellen. Zur praktischen Anwendung wurden diese Kristalle zwischen zwei Glasplatten montiert.[3] Die Firma Carl Zeiss übernahm die Produktion, zunächst zur Erinnerung an Herapath unter der Bezeichnung Herapathit-Filter, dann aber bereits ab 1936 unter dem Namen Bernotar.
Im Unterschied zu diesem Einkristallfilter stand der von Edwin Herbert Land nahezu gleichzeitig gemeinsam mit der Firma Kodak entwickelte Vielkristallfilter („Polaroid-Filter“). Bei diesem sind in einem Kolloid eine Vielzahl winziger, gleichgerichteter Herapathitkristallnadeln eingelagert.
Seit 1939 schließlich stehen außerdem noch großflächige dichroitische Folienfilter aus Zellulose-Farbstoffkomplexen („Cellipolar“) zur Verfügung.[4]
Polarisationsfilter verwenden Materialien, die meist aus langen Kettenmolekülen bestehen, die parallel zueinander ausgerichtet sind. Eine elektromagnetische Welle, deren E-Feld-Vektor (Vektoren der elektrischen Feldstärke) in Richtung der Stege dieser Kettenmoleküle liegt, kann mit diesen gut wechselwirken und hierin in dieser Richtung sehr einfach Schwingungen anregen. Bei absorbierenden Polarisationsfiltern wird diese Welle von Filter absorbiert. Eine Welle, deren E-Feld hingegen senkrecht zur Richtung der langen Kettenmoleküle schwingt, kann hingegen kaum Schwingungen anregen. Die Welle passiert den Filter.[5]
Insgesamt kann unterschieden werden:[6]
Reflektierende Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest. Ein Beispiel dafür sind Wire-Grid-Polarisatoren, die aus einer Vielzahl von dünnen, parallel zueinander angeordneten Drähten bestehen. Licht, das in Richtung dieser Drähte polarisiert ist, wird reflektiert, während senkrecht zu diesen polarisiertes Licht durchgelassen wird. Andere reflektierende Polarisatoren nutzen den Brewster-Winkel. Der Brewster-Winkel ist ein besonderer Einfallswinkel, bei dem nur s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Der reflektierte Strahl ist s-polarisiert und der durchgelassene Strahl wird teilweise p-polarisiert.
Dichroitische Polarisatoren absorbieren eine bestimmte Polarisation des Lichts und lassen den Rest durch. Moderne Nanopartikelpolarisatoren sind dichroitische Polarisatoren.
Doppelbrechende Polarisatoren nutzen die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Polarisation des Lichts. Verschiedene Polarisationen werden bei unterschiedlichen Winkeln gebrochen.
Dies kann zur Auswahl bestimmter Polarisationen des Lichts genutzt werden.
Linear polarisierende optische Filter werden meist nach dem von Edwin Herbert Land entwickelten Verfahren aus makromolekularen Folien hergestellt, die in einer Richtung plastisch gedehnt werden. Dieses Recken richtet die Moleküle parallel aus. Eindiffundiertes Jod lagert sich an diese Ketten an und stellt Ladungsträger zur Verfügung, die in Richtung der Kettenmoleküle beweglich sind, was zur Absorption der dazu parallelen elektrischen Feldkomponente führt.[7] Diese H-Filter genannten Polarisationsfilter sind, wie die zuvor von Land entwickelten Folien mit eingelagerten Herapathit-Kristallen (J-sheet genannt), unter der Marke Polaroid bekannt geworden.
Ideale lineare Polarisatoren werden durch das Gesetz von Malus beschrieben.
Typische zirkulare Polarisationsfilter, wie sie unter anderem in der Fotografie oder der 3D-Technik eingesetzt werden, bestehen wie Zirkularpolarisatoren allgemein aus zwei direkt hintereinander geschalteten optischen Elementen: einem linearen Polarisationsfilter und einer λ/4-Verzögerungsschicht bzw. -Plättchen.[8] – Diese sind bei zirkularen Polarisationsfiltern stets fest miteinander verbunden. Zunächst passiert (unpolarisiertes) Licht einen linearen Polarisationsfilter, der je nach Drehwinkel eine bevorzugte Polarisationsrichtung hindurchlässt – die andere Komponente wird reflektiert, bzw. absorbiert. Anschließend fällt das linear polarisierte Licht auf das zweite Element, die λ/4-Verzögerungsschicht, dessen optische Achse um +45° bzw. −45° gegenüber dem linearen Polarisationsfilter gedreht ist. Durch die 45°-Drehung kann das linear polarisierte Licht wiederum als Überlagerung zweier senkrecht zueinander, linear polarisierter Lichtstrahlen gleicher Phase aufgefasst werden. Die λ/4-Verzögerungsschicht bewirkt nun eine Phasenverschiebung von δ = π/2 der beiden linear polarisierten (Teil)strahlen. Das Ergebnis ist zirkular polarisiertes Licht, das je nach Verdrehung des linearen Polarisationselements und der λ/4-Verzögerungsschicht, links- bzw. rechts-händisch rotierend ist. Die Güte der zirkularen Polarisation hängt stark vom Wirkungsgrad des linearen Polarisationselements und der exakten Ausrichtung der λ/4-Verzögerungsschicht ab, da andernfalls Anteile anderer Polarisation zur λ/4-Verzögerungsschicht geraten und eine von 45° verschiedene Drehung elliptisch polarisiertes Licht erzeugt.
„Echte“ zirkulare Polarisationsfilter erzeugen zirkular polarisiertes Licht direkt aus unpolarisiertem Licht, indem chirale Moleküle die Komponente mit entgegengesetzter Chiralität absorbieren, siehe Circulardichroismus.
Eine weitere Möglichkeit, zirkular polarisiertes Licht zu erzeugen, ist das fresnelsche Parallelepiped. Seine Funktion basiert nicht auf Doppelbrechung oder Circulardichroismus, sondern auf der Totalreflexion von zunächst 45° linear polarisiertem Licht in einem Glaskörper spezieller Geometrie. Es wird in der Regel nicht als zirkulares Polarisationsfilter bezeichnet.
In der Fotografie werden Polarisationsfilter unterschiedlich eingesetzt:
Im Gegensatz zu älteren Kameras ohne Autofokus, Innen-Belichtungsmessung u. dgl., aber auch digitalen Kompaktkameras ohne halbdurchlässigen Spiegel, bei denen man auch auf einfache lineare Polarisationsfilter zurückgreifen kann, müssen bei modernen analogen und digitalen Spiegelreflexkameras lineare Polarisationsfilter mit nachfolgender Zirkularpolarisation durch eine so genannte λ/4-Verzögerungsplatte verwendet werden. Linear polarisiertes Licht kann nämlich in einigen Bauelementen solcher Kameras (z. B. dem Autofokus oder der Innen-Belichtungsmessung) zu falschen Messergebnissen führen, und damit zum Beispiel zu Fehlfunktionen des Autofokus. Aus diesem Grunde haben sich heute auf dem Markt überwiegend zirkulare Polarisationsfilter (CPL) durchgesetzt.
Aufgrund ihres asymmetrischen Aufbaus ist die Wirkung zirkularer Polarisationsfilter auf linear polarisiertes Licht (wie z. B. Reflexionen) nur dann erkennbar, wenn man von der Seite mit dem λ/4-Plättchen her durchblickt (bei Kamerafiltern ist dies die Seite mit dem Objektivgewinde). In „falscher“ Richtung dagegen erzeugt das λ/4-Plättchen aus der linearen eine elliptische oder zirkulare Polarisation, die vom nachfolgenden Polarisationsfilter nur noch teilweise unterdrückt werden kann.
Wenn man zwei lineare Polarisationsfilter hintereinander anordnet und gegeneinander verdreht (bei 90° zueinander: „gekreuzt“, „Kreuzpol“), erhält man die Wirkung eines stufenlos verdunkelbaren Graufilters. Will man den Effekt auf aktuellen Kameras nutzen, so geht dies in dieser Anordnung:
Viele gängige Filter weisen im Blaubereich keine große Sperrwirkung mehr auf. Verwendet man solche gekreuzt, so erhält man ein blaustichiges Bild bei nur mäßiger Abdunkelung.
Durch die Filterung einer Polarisationsrichtung wird der Lichtstrom halbiert. Durch zusätzliche Verluste (Spiegelungen an der Filteroberfläche oder Absorption im Filterglas) kann die Transmission eines Polfilters zusätzlich verringert sein. Polfilter reduzieren die auf die Bildebene einfallenden Lichtstrom um mindestens eine, häufig anderthalb und teilweise bis zu zwei Blendenstufen.[9]
Im folgenden Beispiel wurde das Motiv zuerst ohne Polfilter und unmittelbar danach mit Polfilter fotografiert. Die Farben des Himmels und der Meeresoberfläche wirken durch den Polfilter gesättigter und der Kontrast nimmt zu. Auch das Laub erscheint durch den Filter bunter, zugleich flächiger (weniger räumlich) und matter, weil der Filter das Glänzen der Blätter schluckt, welches dem Betrachter Information über die dreidimensionale Form und die Oberflächenbeschaffenheit der Blätter liefert.
| Ohne Polarisationsfilter | Mit Polarisationsfilter |
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Das folgende Beispiel zeigt, wie ein linearer Polarisationsfilter die Sichtbarkeit von Spiegelungen an nichtmetallischen Oberflächen beeinflusst, z. B. Lack, Glas und Wasser. Polarisationseffekte an metallischen Oberflächen sind deutlich schwächer ausgeprägt.
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Beispiele für die Auswirkung eines Polfilters:
Vergleicht man die Hauswand in den Bildern (rechter Bildbereich), so erreicht die Anhebung der Helligkeit durch die automatische Belichtungskorrektur im mittleren Bild nicht ganz das Niveau des ungefilterten Bildes (links); im rechten Bild wird dagegen die Belichtung (bezogen auf die Hauswand im ungefilterten Bild) überkorrigiert.
Bei den üblichen Polarisationsfilter sind Farbveränderungen nicht erwünscht. Ein sogenannter Warming Polarizer nimmt einen Teil des blauen Lichts heraus, wirkt also wie eine Kombination aus Polarisationsfilter und einem leichten Gelbfilter. Rote, gelbe und grüne Farben werden betont und vermitteln einen wärmeren Bildeindruck.
Es gibt spezielle Polarisationsfilter, die polarisiertes Licht in bestimmten Farben betonen. Je nach Stellung des Filters und Polarisationsrichtung sind das unterschiedliche kontrastierende Farben. Die dadurch erzielten Aufnahmen erfahren deutliche Farbveränderungen. Es gibt solche Polarisationsfilter für Grün und Rot sowie für Gelb und Blau. Der Gelb-und-Blau-Filter wird auch als Gold-N-Blue Filter vermarktet. Der Einsatzbereich ist meistens in der Landschaftsfotografie. An trüben Tagen kann man damit an einem grauen Himmel oder Gewässer künstliche blaue und gelbe Farben erzeugen. Der Rot-Grün-Filter wird in der professionellen Fotografie kaum eingesetzt, da die Ergebnisse sehr künstlich wirken nur selten ästhetisch ansprechend sind. Der automatische Weißabgleich in Digitalkameras funktioniert mit solchen Filtern nicht richtig.
In vielen Bildbearbeitungsprogrammen kann die Funktion des Polarisationsfilters, Farben oder Kontraste zu verändern, manuell oder durch digitale Filter prinzipiell ebenfalls durchgeführt werden. Da dem Bildbearbeitungsprogramm i. A. keine Information über die Polarisation des einfallenden Lichts vorliegt, kann dadurch die Funktion des Polarisationsfilters allenfalls angenähert werden.
Reflexionen können durch digitale Filter im Nachhinein nicht entfernt werden, da durch das Erreichen des Sättigungswerts ein Informationsverlust im Bild entsteht. Eine Reflexion kann höchstens manuell retuschiert werden.
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