Polarisationsfilter

Grundprinzip und Wirkungsweise

Ein Polarisationsfilter, kurz Polfilter, ist ein Polarisator für Licht. Er beruht auf Dichroismus: Licht mit einer bestimmten, unerwünschten Polarisation wird absorbiert, während Licht mit der passenden Polarisation durchgelassen wird. Polarisation bedeutet, dass die elektrische Feldstärke einer Lichtwelle in einer bestimmten Richtung schwingt. Ein Polfilter kann daher Lichtstrahlen unterdrücken, die in der „falschen“ Ebene schwingen.

Viele Polarisationsfilter bestehen aus Materialien mit langen, parallel ausgerichteten Kettenmolekülen. Schwingt der E-Feld-Vektor einer elektromagnetischen Welle parallel zu diesen Molekülketten, kann die Welle gut mit ihnen wechselwirken und wird bei absorbierenden Filtern aufgenommen. Schwingt das elektrische Feld senkrecht zu den Ketten, kann es kaum Schwingungen anregen und passiert den Filter. Dabei wird die absorbierte Lichtmenge in Wärme umgewandelt; ein Polarisationsfilter kann deshalb deutlich Licht schlucken.

Bauarten von Polarisatoren

Es gibt mehrere Funktionsweisen von Polarisatoren. Reflektierende Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest. Ein Beispiel ist der Wire-Grid-Polarisator, der aus vielen dünnen, parallel angeordneten Drähten besteht. Licht, das in Richtung der Drähte polarisiert ist, wird reflektiert; senkrecht dazu polarisiertes Licht wird durchgelassen. Andere reflektierende Polarisatoren nutzen den Brewster-Winkel. Das ist ein besonderer Einfallswinkel, bei dem nur s-polarisiertes Licht reflektiert wird; der reflektierte Strahl ist s-polarisiert, der durchgelassene Strahl wird teilweise p-polarisiert.

Dichroitische Polarisatoren absorbieren eine bestimmte Polarisation des Lichts und lassen den Rest durch. Moderne Nanopartikelpolarisatoren gehören zu dieser Gruppe. Doppelbrechende Polarisatoren nutzen dagegen, dass der Brechungsindex von der Polarisation des Lichts abhängt. Unterschiedliche Polarisationen werden dabei unter verschiedenen Winkeln gebrochen, sodass bestimmte Polarisationen ausgewählt werden können.

Lineare und zirkulare Filter

Lineare Polarisationsfilter lassen vor allem Licht einer linearen Polarisationsrichtung durch. Sie werden meist nach dem von Edwin Herbert Land entwickelten Verfahren aus makromolekularen Folien hergestellt, die in einer Richtung plastisch gedehnt werden. Durch dieses Recken richten sich die Moleküle parallel aus. Eindiffundiertes Jod lagert sich an die Ketten an und stellt Ladungsträger bereit, die in Richtung der Ketten beweglich sind. Dadurch wird die dazu parallele elektrische Feldkomponente absorbiert. Solche H-Filter und die früheren J-sheet-Folien mit Herapathit-Kristallen wurden unter der Marke Polaroid bekannt. Ideale lineare Polarisatoren werden durch das Gesetz von Malus beschrieben.

Zirkulare Polarisationsfilter bestehen typischerweise aus zwei fest verbundenen optischen Elementen: einem linearen Polarisationsfilter und einer λ/4-Verzögerungsschicht. Zunächst lässt der lineare Filter je nach Drehwinkel eine bevorzugte Polarisationsrichtung durch. Danach trifft das linear polarisierte Licht auf die λ/4-Schicht, deren optische Achse um +45° oder −45° gegenüber dem linearen Filter gedreht ist. Diese Schicht erzeugt eine Phasenverschiebung von δ = π/2 zwischen zwei senkrecht zueinander linear polarisierten Teilstrahlen. Das Ergebnis ist zirkular polarisiertes Licht, je nach Anordnung links- oder rechtshändig rotierend. Die Qualität hängt stark vom linearen Filter und von der exakten 45°-Ausrichtung ab; sonst kann elliptisch polarisiertes Licht entstehen.

„Echte“ zirkulare Polarisationsfilter können zirkular polarisiertes Licht auch direkt aus unpolarisiertem Licht erzeugen, indem chirale Moleküle die Komponente mit entgegengesetzter Chiralität absorbieren. Eine weitere Methode ist das Fresnelsche Parallelepiped, das auf Totalreflexion von zunächst 45° linear polarisiertem Licht in einem speziell geformten Glaskörper beruht; es wird aber meist nicht als zirkulares Polarisationsfilter bezeichnet.

Fotografische Nutzung

In der Fotografie werden Polfilter eingesetzt, um Reflexionen und Farbwiedergabe zu beeinflussen. Unerwünschte Reflexionen auf glatten, nichtmetallischen Oberflächen wie Wasser oder Glas lassen sich unterdrücken. An solchen Oberflächen wird Licht mit senkrechter Polarisation besonders stark reflektiert, vor allem wenn der Austrittswinkel zur Oberfläche etwa 30° bis 40° beträgt, also nahe dem Brewster-Winkel liegt. Ist der Filter passend ausgerichtet, werden reflektierte Lichtwellen abgeschwächt, sodass der Hintergrund weniger überstrahlt wird.

Polfilter können auch Farben und Kontraste verstärken. Die Grünwiedergabe von Laub und Gräsern verbessert sich, weil störende blaue Reflexe des Himmels teilweise unterdrückt werden. Das Blau eines wolkenlosen Himmels ist teilweise polarisiert; ein Polfilter kann einen großen Teil des hellen Himmels zurückhalten, sodass der Himmel dunkler und farbkräftiger wirkt und weiße Wolken deutlicher hervortreten. Dieser Effekt ist besonders stark im Winkel von 90° zur Sonne, bei anderen Winkeln schwächer oder gar nicht. Bei extremen Weitwinkelobjektiven kann der Himmel deshalb auf einer Bildseite sehr dunkel und auf der anderen hellblau erscheinen.

Auch Regenbögen werden beeinflusst, weil ihre Farblinien polarisiertes Licht sind. In einer geeigneten Filterstellung können sie unterdrückt werden, sodass kein Regenbogen sichtbar ist. Dreht man den Filter um 90°, wird der Regenbogen fast vollständig durchgelassen, während das zufällig polarisierte Licht der Umgebung zu etwas mehr als der Hälfte geschluckt wird; dadurch wirkt der Regenbogen relativ zur Umgebung kräftiger.

Metallische Reflexionen lassen sich normalerweise nicht so einfach mit einem Polfilter entfernen. Bei Kunstlicht kann man jedoch Polarisationsfilter an Kamera und Lichtquellen einsetzen; wegen teurer großformatiger Filterfolien und möglicher Überhitzung wird dieses Verfahren kaum verwendet. Eine Variante ist das „Kreuzpolblitzen“ mit Blitz und Polarisationsfiltern.

Besonderheiten und digitale Grenzen

Bei älteren Kameras ohne Autofokus oder Innen-Belichtungsmessung sowie bei digitalen Kompaktkameras ohne halbdurchlässigen Spiegel können einfache lineare Polarisationsfilter genutzt werden. Moderne analoge und digitale Spiegelreflexkameras benötigen dagegen meist Filter mit nachfolgender Zirkularpolarisation durch eine λ/4-Verzögerungsplatte. Der Grund ist, dass linear polarisiertes Licht in Bauteilen wie Autofokus oder Innen-Belichtungsmessung falsche Messergebnisse verursachen kann. Deshalb sind heute überwiegend zirkulare Polarisationsfilter, auch CPL genannt, verbreitet.

Zirkulare Filter wirken wegen ihres asymmetrischen Aufbaus nur in der richtigen Richtung wie erwartet. Bei Kamerafiltern ist die Seite mit dem Objektivgewinde die Seite mit dem λ/4-Plättchen. Wird der Filter umgekehrt verwendet, kann das Plättchen aus linearer Polarisation elliptische oder zirkulare Polarisation erzeugen, die vom nachfolgenden Polarisationsfilter nur teilweise unterdrückt wird.

Zwei gegeneinander verdrehte lineare Polarisationsfilter können wie ein stufenlos verdunkelbarer Graufilter wirken; bei 90° zueinander spricht man von „gekreuzt“ oder „Kreuzpol“. Für aktuelle Kameras sollte der vordere Filter linear oder ein verkehrt herum verwendeter zirkularer Filter sein, der hintere kameraseitige Filter dagegen zirkular, damit die Belichtungsmessung nicht gestört wird. Viele Filter sperren im Blaubereich nicht stark genug; gekreuzt können sie daher ein blaustichiges Bild mit nur mäßiger Abdunkelung erzeugen.

Ein Polfilter halbiert durch das Herausfiltern einer Polarisationsrichtung den Lichtstrom. Weitere Verluste entstehen durch Spiegelungen an der Filteroberfläche oder Absorption im Filterglas. Insgesamt reduzieren Polfilter den Lichtstrom auf der Bildebene um mindestens eine, häufig anderthalb und teilweise bis zu zwei Blendenstufen.

Digitale Bildbearbeitung kann Farb- und Kontraständerungen eines Polfilters teilweise nachahmen. Da dem Programm normalerweise keine Information über die Polarisation des einfallenden Lichts vorliegt, bleibt die Wirkung aber nur angenähert. Reflexionen können nachträglich nicht zuverlässig entfernt werden, wenn durch Überstrahlung der Sättigungswert erreicht wurde und Bildinformation verloren gegangen ist; höchstens manuelle Retusche ist dann möglich.

Weitere Anwendungen und Entwicklung

Polarisationsfilter haben zahlreiche Anwendungen außerhalb der Fotografie. In der Spannungsoptik wurden mechanische Spannungen in technischen Bauteilen sichtbar gemacht, indem man Bauteile aus Plexiglas nachbildete und zwischen Polarisationsfilter setzte. Spannungslinien erschienen farbig; ihre Dichte zeigte die Höhe der Spannung an. Dieses Verfahren wurde inzwischen weitgehend durch die rechnerische Bestimmung mittels Finite-Elemente-Methode ersetzt. Polarisationsfilter werden außerdem in Polarisationsmikroskopen eingesetzt, um Strukturen in Dünnschliffen deutlicher sichtbar zu machen, und in Polarimetern zur Messung der optischen Aktivität organischer Stoffe.

In einem Verfahren zur Projektion von 3D-Filmen trennen Polarisationsfilter zwei übereinander projizierte Bilder für das rechte und linke Auge. Lineare Polarisationsfilter sind unverzichtbare Bauelemente von Flüssigkristallbildschirmen. In Sonnenbrillen mit vertikaler Polarisationsrichtung, auch Polbrillen oder „Anglerbrillen“, können sie Reflexe auf Wasserflächen mindern, besonders nahe dem Brewster-Winkel. In der Augenheilkunde sind sie Teil von Testanordnungen zur Untersuchung des Binokularsehens, besonders des räumlichen Sehens.

Historisch wird vermutet, dass seefahrende Wikinger einen Polarisationsfilter, den sogenannten Sonnenstein, nutzten, um bei trübem Himmel die Richtung zur Sonne zu bestimmen. Sicher belegt ist, dass schon im 19. Jahrhundert, in der Frühzeit der Fotografie, polarisierende Medien gegen störende Glanzreflexe verwendet wurden. Zunächst nutzte man Nicolsche Prismen oder Turmalinkristalle. William Bird Herapath entdeckte 1851 die stark polarisierende Wirkung künstlicher Kristalle aus schwefelsaurem Jod-Chinin, dem Herapathit. 1926 stellte A. Zimmern in Paris flache Kristallblätter von 2–3 cm her. Ferdinand Bernauer entwickelte 1935 großflächige monokristalline Flächenfilter aus schwefelsaurem Chinin, die ab 1936 von Carl Zeiss unter dem Namen Bernotar produziert wurden. Parallel dazu entwickelte Edwin Herbert Land mit Kodak den Vielkristallfilter, den „Polaroid-Filter“. Seit 1939 gibt es außerdem großflächige dichroitische Folienfilter aus Zellulose-Farbstoffkomplexen, „Cellipolar“.