Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein Polarisator.
Wirkungsweise vom Polarisationsfilter
Licht stellt, unter anderem, eine elektromagnetische Welle dar, die transversal (also rechtwinklig) zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Hierbei kann es in allen möglichen Richtungen rechtwinklig 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 rechtwinklige 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 Polarisationsfilter 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 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.
Anwendungen vom Polarisationsfilter
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.
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.
Unterschiedlicher Einsatz von Polarisationsfilter
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 wird verbessert, weil der Polarisationsfilter störende (blaue) Reflexe des Himmels teilweise unterdrückt.
Das Blau eines wolkenlosen Himmels ist ebenfalls 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.
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.
Filter für Kameras vom Polarisationsfilter
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 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:
Der Filter, der motivseitig (vorne) aufgeschraubt ist, muss entweder ein linearer oder ein verkehrt herum benutzter zirkularer sein.
Der kameraseitig (hintere) sollte ein zirkular polarisierender 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.