Polarisationsfilter

Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein Polarisator.

Wirkungsweise

Licht stellt eine elektromagnetische Welle dar, die transversal (also senkrecht) zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Hierbei kann es in allen möglichen Richtungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Es gibt verschiedene Arten von polarisiertem Licht: Linear polarisiert, zirkular polarisiert und elliptisch polarisiert. Linear polarisiertes Licht schwingt nur noch in eine ganz bestimmte, zur Ausbreitungsrichtung senkrechte Richtung. Bei zirkular polarisiertem Licht dreht sich die Schwingungsebene des elektrischen Feldes, die Stärke des Feldes ist immer gleich. Elliptisch polarisiertes Licht ist ähnlich wie zirkular polarisiertes Licht, nur dass sich hier die Feldstärke der elektromagnetischen Welle elliptisch ändert. Unpolarisiertes Licht lässt sich als Überlagerung mehrerer polarisierter Teilwellen auffassen.

Ein Polarisationsfilter lässt nur Licht durch, welches in der Polarisationsebene des Filters liegt. Dem zufolge ist das Licht, welches den Polarisationsfilter verlässt, immer polarisiert.

Man unterscheidet zwischen linearen und zirkularen Polarisationsfiltern, je nach Art der Polarisation des ausfallenden Lichts: Beim linearen Polarisationsfiltern ist das ausfallende Licht immer Licht einer bestimmten Polarisation, es schwingt also in genau einer Richtung und wird linear polarisiertes Licht genannt. Bei zirkularen Polarisationsfiltern wird das linear polarisierte Licht wieder so "durcheinandergewirbelt", dass es dann zwar noch in einer Polarisationsrichtung schwingt, diese sich jedoch pro Phase einmal um die Ausbreitungsachse dreht. Dies wird erreicht, indem das Licht nach der Polarisation durch ein so genanntes λ/4-Plättchen gesendet wird, welches für verschieden polarisiertes Licht verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten hat.

Filter für Kameras

In älteren Kameras konnten lineare Polarisationsfilter verwendet werden. Da inzwischen auch die Belichtungsmessung mit polarisationsempfindlichen Sensoren durchgeführt wird, würde ein linearer Polarisationsfilter zu einer fehlerhaften Belichtungsmessung führen. Auch kann es zu Fehlfunktionen des Autofokus kommen. Aus diesem Grunde haben sich die zirkulären Filter auf dem Markt durchgesetzt.

Aufgrund dieses Aufbaus ist die Wirkung zirkularer Polarisationsfilter nur 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 zerstört zunächst das λ/4-Plättchen jede Polarisierung des einfallenden Lichtes und der nachfolgende Polarisationsfilter kann dann nur noch wie ein Graufilter wirken.

Wenn man zwei lineare Polarisationsfilter hintereinander hält 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 nur noch in einer Anordnung: Der Filter, der vorne (zum Motiv hin) aufgeschraubt ist, muß entweder ein linearer sein oder ein verkehrt herum benutzter zirkularer. Der hintere (an der Kamera) ist jedoch beliebig wählbar. 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.

Anwendungen

Polarisationsfilter werden in wissenschaftlichen Instrumenten, z. B. Mikroskopen, benutzt, um Strukturen deutlicher hervortreten zu lassen.

In Polarimetern werden zwei Polarisationsfilter zur Messung der optischen Aktivität organischer Stoffe verwendet.

Für die Projektion von 3D-Filmen werden zwei Projektoren mit vorgesetzten Polarisationsfiltern verwendet. Die Polarisationsebenen sind dabei um 90° gegeneinander gedreht. Die beiden übereinander projizierten Bilder wurden von zwei verschiedenen Punkten aufgenommen; der Zuschauer betrachtet das Gesamtbild mit einer Brille, die ebenfalls aus zwei gegen einander geneigten Polfiltern besteht. Dadurch sieht jedes Auge ein unterschiedliches Bild und ein räumlicher Eindruck entsteht.

In der Fotografie werden Polarisationsfilter unterschiedlich eingesetzt:
- Unerwünschte Reflexionen von glatten, nichtmetallischen Oberflächen (z.B. Wasser, Glas) lassen sich unterdrücken. An nichtmetallischen Oberflächen wird bevorzugt Licht mit einer bestimmten Polarisation reflektiert, insbesondere wenn der Ausfallswinkel etwa 30° bis 40° beträgt, also nahe dem Brewsterwinkel liegt. Wenn der Polarisationsfilter geeignet ausgerichtet ist, werden die reflektierten Lichtwellen unterdrückt, so dass der unpolarisierte Hintergrund nicht von den Reflexionen überstrahlt wird. So ist es z.B. möglich, störende Reflexionen auf Fensterscheiben oder Wasseroberflächen auszublenden.
- Die Grünwiedergabe von Laub und Gräsern verbessert, weil das Polarisationsfilter störende (blaue) Reflexe des Himmels teilweise unterdrückt.
- Das Blau eines wolkenlosen Himmels ist ebenfalls polarisiert. Durch ein Polarisationsfilter kann ein Großteil des hellen Himmels zurückgehalten werden, so dass der Himmel auf dem Foto dunkler und somit kräftiger in seiner Farbe erscheint. Weiße Wolken treten deutlicher vor dem blauen Himmel hervor. Dieser Effekt tritt besonders stark im Winkel von 90° zur Sonne auf, bei anderen Winkelwerten geringer bis gar nicht.
- Ungeeignet ist ein Polarisationsfilter zum Fotografieren eines Regenbogens – die Farbenlinien sind polarisiertes Licht und würden unterdrückt.
- Es sollten insbesondere bei analogen und digitalen Spiegelreflexkameras zirkulare Polfilter verwendet werden, da das polarisierte Licht in einigen Bauelementen dieser Kameras zu falschen Messergebnissen führen kann. Bei digitalen Kompaktkameras ohne halbdurchlässigen Spiegel genügt grundsätzlich ein linearer Polarisationsfilter.

Anzeigen, die auf Flüssigkristallen beruhen, benötigen Polarisationsfilter, da durch ihren Einsatz der Kontrast zur Darstellung der Zeichen geschaffen werden kann bzw. der dazwischenliegende Flüssigkristall unter Wechselstromwirkung optisch aktiv wird (die Polarisationsebene dreht).

Spannungsoptik: Um die mechanische Beanspruchung (Spannungen und Spannungsspitzen) in technischen Bauteilen sichtbar zu machen, werden die Bauteile in Plexiglas nachgebildet, mit Licht durchstrahlt und zwischen Polarisationsfilter gesetzt. Die Spannungen führen zu farblich veränderten Linien, die durch ihre Dichte die Höhe der Spannung anzeigten. Inzwischen wurde das Verfahren durch die rechnerische Bestimmung der Spannungen mittels Finite-Elemente-Methode abgelöst.

Beispiele

Verstärkung von Farben und Kontrasten

Im folgenden Beispiel wurde das Motiv zuerst ohne Polfilter und unmittelbar danach mit Polfilter fotografiert. Wie deutlich zu erkennen ist, wirken Himmel und Meeresoberfläche durch das Polfilter wesentlich gesättigter und der Kontrast nimmt deutlich zu.

Vermeidung von Spiegelungen

Ein Polfilter unterdrückt (oder verstärkt) auch Spiegelungen an Lack-, Glas- und Wasseroberflächen.

Polfilter_ohne.jpg	Polfilter_falsch.jpg	Polfilter_richtig.jpg
Beispiele für die Auswirkung eines Polfilters:
* ohne: Motiv ohne Polfilter
* falsch: Spiegelungen der Umgebung (Himmel und Bäume) werden verstärkt. Da dies meist unerwünscht ist, wurde der Polfilter hier "falsch" angewendet.
* richtig: Spiegelungen der Umgebung werden stark bis ganz unterdrückt, man kann durch die Windschutzscheibe des Wagens hindurchsehen. Dieser Effekt ist oft erwünscht, daher wurde der Filter hier "richtig" angewendet.