Ein Polarisationsfilter (kurz auch Polfilter) ist ein Polarisator. Es lässt nur Transversalwellen (zum Beispiel Licht) einer bestimmten Schwingungsrichtung durch und absorbiert im Gegensatz zu anderen Polarisatoren den Rest.

Physikalischer Hintergrund

Licht ist eine elektromagnetische Welle, d. h. sie schwingt transversal (also rechtwinklig) zur Ausbreitungsrichtung. Dabei kann es in allen möglichen Richtungen (beziehungsweise Ebenen) rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung schwingen. Wenn die transversale Schwingungsrichtung zeitlich konstant ist, nennt man es polarisiert.

Es gibt verschiedene Erscheinungsformen von polarisiertem Licht: linear polarisiert, zirkular polarisiert und – als Kombination daraus – elliptisch polarisiert. Linear polarisiertes Licht schwingt nur in einer Ebene. Bei zirkular polarisiertem Licht ist die Schwingungsebene in Form einer Helix im Raum . Die Projektion dieser Helix auf eine zur Ausbreitungsrichtung orthogonale Ebene ist ein Kreis, woraus sich die Bezeichnung zirkular ableitet. Zirkularpolarisation kann dadurch erzeugt werden, dass zwei linear polarisierte Wellen mit konstanter Phasenverschiebung zueinander 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 Polarisation elliptisch. Das Vorzeichen der Phasenverschiebung (positiv oder negativ) bestimmt die Drehrichtung der Polarisationsachse, weswegen bei zirkular oder elliptisch polarisierten Wellen auch immer die Drehrichtung (rechts bzw. links drehend) angegeben wird.

Zufällig polarisiertes Licht („unpolarisiertes“ Licht) ändert die Polarisation ständig in nicht vorhersehbarer Weise.

Bestimmte Stoffe ändern (drehen) die Polarisationsrichtung, teilweise auch in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Andere Stoffe filtern Polarisationsarten heraus. Dabei handelt es sich um organische makromolekulare Stoffe, die manchmal eine Textur aufweisen müssen (sie werden gestreckt). Auch anorganische Kristalle besitzen oft eine polarisationsbeeinflussende Wirkung.

Aus solchen Stoffen werden Polarisationsfilter hergestellt. Die häufigsten sind gestreckte makromolekulare Stoffe, die dadurch parallele Strukturen ausbilden, zwischen denen Jod eindiffundiert ist^[1], wodurch sie Licht einer bestimmten Polarisationsrichtung absorbieren. Sie sind von Edwin Herbert Land entwickelt worden und unter der Marke Polaroid-Filter bekannt geworden.

Lineare Polarisationsfilter

Ein Polarisationsfilter zur Linearpolarisation lässt nur Licht einer bestimmten Polarisierungsrichtung durch. Demzufolge ist das Licht, welches den Polarisationsfilter verlässt, linear polarisiert. Solche Filter werden in LCD-Bildschirmen, in der Fotografie und in der Spannungsoptik eingesetzt.

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 gegenüber dem ersten um 45° gedreht ist, so tritt gegenüber der Ausgangspolarisation um 90° gedrehtes linear polarisiertes Licht hindurch, wobei es deutlich schwächer ist als das Licht, das aus dem ersten Filter kommt.

Zirkular-Polarisationsfilter

Fotografie

In der Fotografie unterscheidet man zwischen linearen und zirkularen Polarisationsfiltern, je nach Art der Polarisation des austretenden Lichts. Die eigentliche Filterung ist hier 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 eine so genannte λ/4-Verzögerungsplatte gesendet wird. Sie hat für verschieden polarisiertes Licht verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeiten . Die optische Achse der Platte 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 in modernen Kameras keine Abhängigkeiten von der ausgewählten Polarisationsrichtung mehr zeigen.

Reflexionsvermeidung

„Echte“ Zirkularpolarisationsfilter^[2] erzeugen aus zufällig polarisiertem Licht zirkular polarisiertes Licht ohne es linear zu polarisieren. Sie werden zur Kontrastverstärkung vor Bildröhren eingesetzt und lassen hindurchtretendes, nahezu senkrecht an der Bildröhre reflektiertes Fremdlicht nicht ein zweites Mal passieren, da dieses dann eine Drehrichtung aufweist, für die das Filter von hinten intransparent ist. Solche Filter unterdrücken besondes Reflexionen von glatten, senkrecht zum Licht stehenden Flächen (auch und besonders von metallischen) – das Licht muss allerdings auf dem Hin- und Rückweg durch den Filter, ansonsten ist keine Wirkung zu beobachten.

Laser/Optik

Aus der meist linear polarisierten Laserstrahlung kann durch eine λ/4-Verzögerungsplatte oder -spiegel zirkular polarisierte Strahlung erzeugt werden, Das geschieht nahezu verlustfrei. Die Verzögerungsschichten können auch als Spiegel gleichzeitig der Strahlumlenkung dienen. Zirkular polarisierte Strahlung erlaubt zum Beispiel richtungsunabhängige Laserschneid-Ergebnisse; bei linear polarisierter Strahlung ist die Schnittqualität dagegen je nach Schneidrichtung verschieden.

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.

• 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.

• 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).

• 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.

Besonderheiten bei der Fotografie

Bei modernen analogen und digitalen Spiegelreflexkameras müssen lineare Polarisationsfilter mit nachfolgender Zirkularpolarisation verwendet werden, da linear polarisiertes Licht in einigen Bauelementen dieser Kameras (z. B. Autofokus und Innen-Belichtungsmessung) zu falschen Messergebnissen führen kann. Auch kann es zu Fehlfunktionen des Autofokus kommen. Aus diesem Grunde haben sich die zirkularen Filter auf dem Markt durchgesetzt.

Bei digitalen Kompaktkameras ohne halbdurchlässigen Spiegel genügt auch ein einfaches lineares Polarisationsfilter. In älteren Kameras konnten auch lineare Polarisationsfilter ohne Zirkularpolarisation verwendet werden. 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.

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.

Vermeidung von Spiegelungen

Das folgende Beispiel zeigt, wie ein lineares Polarisationsfilter die Spiegelungen an nichtmetallischen Oberflächen, wie z. B. Lack, Glas und Wasser, beeinflusst. (Auf blank poliertes Metall auf einem Foto hat ein Polfilter keinerlei Auswirkungen, er ist vergleichbar mit einem Graufilter.)

Beispiele für die Auswirkung eines Polfilters:

• Links: Motiv ohne Polfilter
• Mitte: Die besonders auffälligen Spiegelungen des Hauptmotivs (Auto) werden hervorgehoben, da die Polarisationsebene des Filters gleich der Polarisationsebene der dominanten Reflexionen ist. Die andere Orientierung der Fensterscheiben rechts im Bild bewirkt eine Polarisation, die den Polfilter den Reflex absorbieren lässt. Das Licht, das beispielsweise von den Blättern reflektiert wird, hat verschiedene Polarisationsrichtungen und wirkt in seiner Gesamtheit unpolarisiert. Dort wirkt das Polfilter wie ein Graufilter.
• Rechts: Die Spiegelungen des Hauptmotivs werden stark gedämpft; man kann durch die Windschutzscheibe des Wagens hindurchsehen. Die automatische Belichtungskorrektur der Kamera hat die Helligkeit des Hintergrundes angehoben.

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.

 Commons: Polfilter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien