Polaroidfilter

Polarisationsfilter für Kamera-Objektiv

Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein Polarisator. Es lässt nur Licht einer bestimmten Schwingungsrichtung durch.

Wirkungsweise

Prinzip eines linearen Polarisationsfilters, das aus einem Gemisch aus zwei senkrecht zueinander polarisierten Lichtstrahlen nur den einen durchlässt. Dargestellt ist das elektrische Feld als Welle. Die Stäbe sollen Drähte andeuten, die das elektrische Feld kurzschließen. Bei einem optischen Polarisationsfilter wirken anstelle von Drähten atomare Effekte. Ebenso kann man sich vorstellen, dass die Welle das magnetische Feld darstellt. In diesem Fall stellen die Drähte magnetische Drähte dar, bei denen das magnetische Feld kurzgeschlossen wird.

Entlang der gedachten Linien schwingt polarisiertes Licht. Zirkular polarisiertes Licht ist links, elliptisch polarisiertes Licht in der Mitte und linear polarisiertes Licht ist rechts dargestellt. Dargestellt ist das Schwingungsverhalten, wenn man direkt von vorne (oder von hinten) auf den Lichtstrahl schaut. D. h. Abhängigkeiten von der Ausbreitungsrichtung sind nicht sichtbar

Aufnahme oben ohne, unten mit Polfilter

Licht kann man als eine elektromagnetische Welle, die transversal (also rechtwinklig) zur Ausbreitungsrichtung schwingt, betrachten. Dabei kann es in allen möglichen Richtungen (beziehungsweise Ebenen) rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Wenn die transversale Schwingung zeitlich konstant ist, nennt man es polarisiert. Es gibt verschiedene Erscheinungsformen von polarisiertem Licht: linear polarisiert, zirkular polarisiert und elliptisch polarisiert. Linear polarisiertes Licht schwingt in Ausbreitungsrichtung nur in einer ganz bestimmten Ebene. Bei zirkular polarisiertem Licht schwingt das Licht senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, wobei sich die Schwingungsebene in Form einer Helix in den Raum schraubt. Die Projektion dieser Helix auf die zur Ausbreitungsrichtung orthogonale Ebene ist der Kreis, woraus sich der Name Zirkular ableitet. Diese Helixstrukur kann dadurch erzeugt werden, dass 2 linear polarisierte Wellen addiert werden. Die Wellen stehen hierbei wiederum senkrecht aufeinander und sind 90° phasenverschoben. Stehen die beiden Wellen nicht senkrecht aufeinander, sind nicht 90° phasenverschoben oder haben unterschiedliche Amplituden wird die Abbildung der Helix elliptisch. Die Welle ist somit elliptisch polarisiert. Da die Phasenverschiebung positiv oder negativ sein kann, dreht die Polarisationsachse rechts bzw. links herum, weswegen bei zirkular oder elliptisch polarisierten Wellen auch immer die Drehrichtung rechts bzw. links angegeben wird. Unpolarisiertes Licht lässt sich als Licht auffassen, bei dem die Polarisation sich mit der Wellenlänge ändert bzw. dessen Polarisation sich ständig in nicht vorhersehbarer Weise ändert. Damit ist die Richtung des Lichtes statistisch verteilt.

Ein Polarisationsfilter lässt nur Licht einer bestimmten Polarisierung des Filters durch. Demzufolge ist das Licht, welches den Polarisationsfilter verlässt, immer polarisiert.

Man unterscheidet zwischen linearen und zirkularen Polarisationsfiltern, je nach Art der Polarisation des austretenden Lichts. Die eigentliche Filterung ist dabei allerdings immer die der linearen Polarisation.

Beim linearen Polarisationsfilter ist das austretende Licht immer Licht einer bestimmten Polarisation, es schwingt also immer entlang einer gedachten Linie, die durch das Polarisationsfilter bestimmt wird, und wird linear polarisiertes Licht genannt.

Bei zirkularen Polarisationsfiltern wird das linear polarisierte Licht anschließend noch in zirkular polarisiertes Licht umgewandelt. Dies wird erreicht, indem das Licht nach der linearen Polarisation durch ein so genanntes λ/4-Plättchen gesendet wird, welches für verschieden polarisiertes Licht verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten hat. Die optische Achse des λ/4-Plättchens muss hierzu um 45° gegen die Polarisationsrichtung des linearen Polarisationsfilters gedreht werden. Das nun zirkular polarisierte Licht hat gegenüber dem linear polarisierten Licht den technischen Vorteil, dass keine Schwingungsrichtung bevorzugt wird und sich somit in der weiteren Verarbeitung keine Abhängigkeiten von der ausgewählten Polarisationsrichtung mehr zeigen.

Mit Hilfe von Polarisationfiltern lässt sich auch die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Licht drehen. Lässt man Licht durch ein lineares Polarisationsfilter auf ein weiteres lineares Filter fallen, dessen Polarisierung z. B. um 45° gedreht ist, so tritt entsprechend linearisiertes Licht durch. Dies ist die Folge davon, dass man linearisiertes Licht auch als zwei linear polarisierte Lichtstrahlen beschreiben kann, die gegenüber dem Originalstrahl gedreht sind (solange die Drehung nicht 90° bzw. 270° beträgt). Lässt man das Licht auf ein weiteres lineares Polarisisationsfilter fallen, das gegenüber dem ersten um 90° gedreht ist, so wird das Licht nun um 90° gegenüber der ursprünglichen Polarisationrichtung gedreht, wo bei es deutlich schwächer ist als das Licht, das aus dem ersten Filter kommt.

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 einigen 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. Um zu verhindern, dass das Licht dabei an der Leinwand seine Polarisation verliert, muss eine metallisierte Leinwand verwendet werden, welche jedoch meist schlechte Reflexionseigenschaften hat.

Ein genau 90° zur Sonne aufgenommenes Bild mit Polfilter: In der Mitte ist der Himmel am dunkelsten, gegen beide Seitenränder wird er heller.

• 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 Austrittswinkel etwa 30° bis 40° beträgt, also nahe dem Brewster-Winkel 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 wird verbessert, weil das Polarisationsfilter störende (blaue) Reflexe des Himmels teilweise unterdrückt.
  • Das Blau eines wolkenlosen Himmels ist teilweise polarisiert. Mit Hilfe eines Polarisationsfilters 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.
  • Beim Fotografieren eines Regenbogens bewirkt ein Polfilter in seinen beiden Extremstellungen folgendes: Da die Farbenlinien polarisiertes Licht sind, werden sie bei geeigneter Polarisation unterdrückt – kein Regenbogen ist sichtbar. Dreht man den Polfilter 90° aus dieser Position heraus, wird der Regenbogen fast vollständig durchgelassen, das zufällig polarisierte Licht der Wolken rundherum wird zu etwas mehr als der Hälfte geschluckt. Relativ zur Umgebung scheint der Regenbogen so viel kräftiger.
  • Unerwünschte Reflexionen an metallischen Oberflächen können beim Einsatz von Kunstlicht durch den Einsatz von Polarisationsfiltern an der Kamera und an den Beleuchtungskörpern unterdrückt werden. Da der finanzielle Aufwand durch die teuren großformatigen Filterfolien für die Scheinwerfer sehr hoch ist, wird dieses Verfahren jedoch nicht im nennenswerten Umfang eingesetzt.
  • Es sollten insbesondere bei analogen und digitalen Spiegelreflexkameras zirkulare Polfilter verwendet werden, da linear polarisiertes Licht in einigen Bauelementen dieser Kameras (z. B. Autofokus und Belichtungsmessung) zu falschen Messergebnissen führen kann. Bei digitalen Kompaktkameras ohne halbdurchlässigen Spiegel genügt grundsätzlich ein lineares Polarisationsfilter.
• Anzeigen wie Flüssigkristallbildschirme 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).

Spannungen in Glas

• 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.
• Polarisationsfilter werden auch für Sonnenbrillen verwendet. Vorteile ergeben sich für Autofahrer, da Reflexionen an Heck- und Windschutzscheiben anderer Fahrzeuge teilweise reduziert werden und der Fahrer daher mehr Durchblick erhält. Eine Polbrille oder "Anglerbrille" ist eine Sonnenbrille, die durch gezieltes Ausfiltern einer bestimmten Schwingungsebene des Lichtes die Reflexion der Wasseroberfläche verringern soll, um die Sicht unter die Oberfläche zu verbessern.

Filter für Kameras

Darstellung eines Polfilters einer Kamera in verschiedenen Einstellungen

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

Aufgrund dieses Aufbaus ist die Wirkung zirkularer Polarisationsfilter auf linear polarisiertes Licht (wie z. B. Reflexionen) 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 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:

• Das Filter, das motivseitig (vorne) aufgeschraubt ist, muss entweder ein lineares oder ein verkehrt herum benutztes zirkulares sein.
• Das kameraseitig (hintere) sollte ein zirkular polarisierendes Filter sein, damit die Polarisation des vorderen Filters nicht die Belichtungsmessung beeinflusst.

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.

Beispiele

Verstärkung von Farben und Kontrasten

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

Vermeidung von Spiegelungen

Das folgende Beispiel zeigt, wie ein Polfilter die Spiegelungen an elektrisch nichtleitenden Oberflächen, wie z. B. Lack, Glas und Wasser, beeinflusst.

Ohne Polarisationsfilter

Filter steht in der Polarisationsebene der Reflexionen

Filter steht quer zur Polarisationsebene der Reflexionen

Beispiele für die Auswirkung eines Polfilters:

• Links: Motiv ohne Polfilter
• Mitte: Die besonders auffälligen Spiegelungen des Hauptmotivs (Auto) werden nicht gefiltert, da die Polarisationsebene des Filters gleich der Polarisationsebene der dominanten Reflexionen ist. Auf das Licht, das von anderen Stellen unpolarisiert reflektiert wird, wirkt das Polfilter wie ein Graufilter. Wenn die Kamera auf automatische Belichtungskorrektur eingestellt ist, wird das Bild aufgehellt; dadurch entsteht beim Betrachter der Eindruck, dass die Spiegelungen verstärkt werden.
• Rechts: Die Spiegelungen des Hauptmotivs werden stark gedämpft; man kann durch die Windschutzscheibe des Wagens hindurchsehen. Eine automatische Belichtungskorrektur in der Kamera hebt die Helligkeit des Bildes an.

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.

Weblinks

• Onlinevideo zum Einsatz von Polfiltern
• Artikel: Alles was Sie über Polfilter wissen müssen

Siehe auch

Gesetz von Malus