Polarizáló szűrő

A polarizációs szűrő (röviden polárszűrő ) egy polarizátor számára világos , az on dikroizmus alapú, így komplementer polarizált fény elnyelődik , inkább, mint polarizáló sugárosztó hogy tükrözze . Ez alkalmassá teszi a „rossz” síkban rezegő fénysugarak elnyomására. Ezt többek között a fényképészetben használják a nemfémes felületeken történő visszaverődések elnyomására vagy hangsúlyozására. Az is lehetséges, hogy polarizációs szűrőket használunk közvetlenül egy fényforrás mellett annak érdekében, hogy ugyanolyan módon oszcilláló fényt kapjunk. Meg kell jegyezni, hogy a polarizációs szűrő jelentős mennyiségű fényt képes blokkolni, és hővé alakításával elnyeli ezt a fénymennyiséget.

A kamera polarizáló szűrőket különböző irányban, lineárisan polarizált fényt kibocsátó LCD monitor előtt. Dőlt helyzetben az erőátvitel jelentősen csökken, keresztirányban majdnem nulla.

történelmi fejlődés

Egyes tudósok feltételezik, hogy a már tengerjáró vikingek polarizációs szűrővel ( napkővel ) határozták meg a felhős égen a nap irányát.

Már a 19. században, vagyis a fényképezés kezdeti napjaiban felismerték, hogy a zavaró fényes tükröződéseket, például olajfestményeket vagy tárgyakat üveg mögé véve, elnyomhatjuk polarizáló anyagok alkalmazásával.

Alternatívák hiányában kezdetben Nicol-prizmákat vagy turmalin-kristályokat használtak .

William Bird Herapath (1820–1868) angol orvos 1851-ben felfedezte a kénsav-jód- kininből („ Herapathit ”) mesterségesen előállított kristályok erősen polarizáló hatását eredetileg a kapott kristályokhoz a maximális méret kis mérete miatt 1 cm²-nél nincs gyakorlati alkalmazás. Csak 1926-ban sikerült A. Zimmernek Párizsban 2–3 cm-es lapos kristályleveleket előállítani, amelyek jobban megfelelnek optikai célokra.

Ferdinand Bernauernek 1935-ben aztán sikerült kénsavas kininből nagy, nagy területű, de csak egy milliméter vastag monokristályos felületi szűrőket előállítania, amelyeket fényképészeti célokra is fel lehet használni. Gyakorlati felhasználás céljából ezeket a kristályokat két üveglap közé szerelték fel. A Carl Zeiss vállalat vette át a gyártást, kezdetben Herapathit-Filter néven Herapath emlékére , majd már 1936-ban Bernotar néven .

Ezzel az egykristályos szűrővel szemben az Edwin Herbert Land által a Kodak céggel szinte egyidejűleg kifejlesztett többkristályos szűrő („Polaroid szűrő”) állt . Nagyszámú apró, egy vonalban lévő herapatit kristálytű van beágyazva egy kolloidba .

1939-től a cellulóz-festék komplexekből ("cellipoláris") készült nagy területű dikroikus filmszűrők is rendelkezésre állnak.

Lineáris polarizációs szűrők

A lineárisan polarizáló optikai szűrőket többnyire makromolekuláris fóliákból készítik, amelyeket egy irányban plasztikusan nyújtanak az Edwin Herbert Land által kidolgozott módszerrel. Ez a nyújtás párhuzamosan igazítja a molekulákat. A diffundált jód hozzákapcsolódik ezekhez a láncokhoz, és töltéshordozókat biztosít, amelyek a láncmolekulák irányában mozoghatnak, ami a párhuzamos elektromos térkomponens abszorpciójához vezet. Ezek a H-szűrőként ismert polarizációs szűrők a Polaroid márkanév alatt váltak ismertté , hasonlóan a Land által korábban fejlesztett filmekhez beágyazott herapatit-kristályokkal (úgynevezett J-lapokkal ) .

Az ideális lineáris polarizátorokat a Malus- törvény írja le.

Kör alakú polarizáló szűrők

A tipikus kör alakú polarizációs szűrők, például a fényképészetben vagy a 3D technológiában használtak , például a kör alakú polarizátorok, általában két optikai elemből állnak, amelyek közvetlenül egymás után vannak összekötve: egy lineáris polarizációs szűrőből és egy λ / 4 retardációs rétegből vagy lemezből . - Kör alakú polarizációs szűrőkkel ezek mindig szorosan kapcsolódnak egymáshoz. Először is a (nem polarizált) fény áthalad egy lineáris polarizációs szűrőn, amely a forgásszögtől függően lehetővé teszi az előnyös polarizációs irány áthaladását - a másik komponens visszaverődik vagy elnyelődik. Ezután a lineárisan polarizált fény a második elemre, a λ / 4 retardációs rétegre esik, amelynek optikai tengelye a lineáris polarizációs szűrőhöz képest + 45 ° -kal vagy -45 ° -kal forog. A 45 ° -os elfordulás eredményeként a lineárisan polarizált fény viszont értelmezhető két azonos fázisú, egymásra merőlegesen lineárisan polarizált fénysugár szuperpozíciójaként. A λ / 4 retardációs réteg most a két lineárisan polarizált (részleges) gerenda δ = π / 2 fáziseltolódását okozza. Az eredmény egy kör alakú polarizált fény, amely a lineáris polarizációs elem és a λ / 4 retardációs réteg forgásától függően bal vagy jobb oldali forgást eredményez. A körkörös polarizáció minősége nagymértékben függ a lineáris polarizációs elem hatékonyságától és a λ / 4 retardációs réteg pontos beállításától, mivel különben más polarizáció komponensei eljutnak a λ / 4 retardációs rétegbe és forgást eredményeznek eltér a 45 ° elliptikusan polarizált fénytől.

A „valódi” körkörös polarizációs szűrők körkörösen polarizált fényt generálnak közvetlenül a nem polarizált fényből, abban az esetben, ha a királis molekulák ellentétes kiralitással veszik fel a komponenst, lásd a körkörös dikroizmust .

A körkörösen polarizált fény előállításának másik módja a Fresnel párhuzamos . Funkciója nem a kettős törésen vagy a körkörös dikroizmuson alapul, hanem a kezdetben 45 ° -ban lineárisan polarizált fény teljes visszaverődésén, egy speciális geometriájú üvegtesten. Általában nem hívják kör alakú polarizáló szűrőnek.

Alkalmazás a fotózásban

A polarizációs szűrőket a fényképezés során különböző módon használják:

• A sima, nemfém felületek (pl. Víz, üveg) nem kívánt visszaverődése elnyomható. A merőleges polarizációjú fény észrevehetően erőteljesebben tükröződik a nemfémes felületeken, különösen, ha a felszín felé való kilépési szög 30 ° - 40 ° körül van, vagyis közel van a Brewster szögéhez . Ha a polarizációs szűrő megfelelően van beállítva, a visszavert fényhullámok elnyomódnak, így a nem polarizált hátteret nem ragyogják túl a visszaverődések . Tehát z. B. lehetséges elrejteni a bosszantó tükröződéseket az ablaküvegeken vagy a vízfelületen.
• A levelek és a fű zöld renderelése javult, mert a polarizációs szűrő részben elnyomja az égbolt zavaró (kék) visszaverődéseit.
• A felhőtlen ég kékje részben sarkított. A polarizációs szűrő segítségével a fényes égbolt nagy része visszatartható, így a fényképen látható ég sötétebb, ezért erősebb a színe. A fehér felhők világosabbak a kék ég ellen. Ez a hatás különösen erősen jelentkezik a Nappal 90 ° -os szögben, más szögértékek kisebbek vagy egyáltalán nem. Ez akkor mutatkozik meg leginkább, ha szélső látószögű objektívvel fényképez : gyakran az ég a fénykép egyik oldalán szinte fekete, a másikon pedig világoskék.
• Szivárvány fényképezésénél a polarizáló szűrő mindkét szélső helyzetében a következő hatásokkal jár: Mivel a színvonalak polarizált fények, megfelelő polarizációval elnyomják őket - szivárvány nem látszik. Ha a polarizáló szűrőt 90 ° -kal elfordítja ebből a helyzetből, a szivárványt szinte teljesen átengedi, a körülötte lévő felhők véletlenszerűen polarizált fénye valamivel több, mint a felét elnyeli. A környékhez képest a szivárvány sokkal erősebbnek tűnik.
• A mesterséges fény használatakor a fémes felületeken bekövetkező nem kívánt visszaverődések elnyomhatók a kamera polarizációs szűrőinek és a világítótestek használatával. Mivel a fényszórók drága, nagy formátumú szűrőfóliáinak költsége nagyon magas, ezt a módszert nem alkalmazzák jelentős mértékben. Alternatív megoldásként működhet vakuval és polarizációs szűrőkkel ("keresztpólusú villanások"). Mivel a polarizációs szűrőt itt használjuk a fényforrásnál, nagy a kockázata annak, hogy a polarizációs szűrő túlmelegedik, ha nem jut el elegendő hő.

• 

  Fénykép: fent polarizáló szűrő nélkül, alul

• 

  Fotó (fényképezőgép-vaku) a monitorokhoz való körkörös polarizációs szűrő nélkül és azzal együtt: a fémes visszaverődések eltűnnek

• 

  Polarizáló szűrővel és nagylátószögű lencsével pontosan 90 ° -kal a nap felé vett kép : az ég középen legsötétebb, és mindkét oldal felé világosabb lesz

• 

  Ha a szűrőt takarékosan használják, a színek félig természetesnek tűnnek

A fotózás különlegességei

A régebbi autofókusz nélküli kamerákkal , a beltéri expozícióméréssel és hasonlókkal, de a félig átlátszó tükrök nélküli digitális kompakt kamerákkal , amelyekhez egyszerű lineáris polarizációs szűrők is használhatók, a modern analóg és digitális tükörreflexes fényképezőgépeknek lineáris polarizációs szűrőkkel kell rendelkezniük. ezt követő körkörös polarizáció az úgynevezett λ / 4 retardációs lemezen keresztül alkalmazható. Ennek oka, hogy a lineárisan polarizált fény helytelen mérési eredményekhez vezethet az ilyen kamerák egyes elemeiben (pl. Autofókusz vagy beltéri expozíciómérés), és így például az autofókusz hibás működéséhez. Emiatt napjainkban a körkörös polarizációs szűrők (CPL) érvényesültek.

Aszimmetrikus felépítésük miatt a kör alakú polarizációs szűrők hatása a lineárisan polarizált fényre (például tükröződésekre) csak akkor látható, ha a λ / 4 lemez oldaláról nézzük át (kameraszűrőkkel ez az oldal a lencsével) szál ). A "rossz" irányban viszont a λ / 4 lemez ellipszis vagy kör alakú polarizációt generál a lineárisból, amelyet a későbbi polarizációs szűrő csak részben képes elnyomni.

Ha két lineáris polarizációs szűrőt egymás után rendez, és egymáshoz csavarja (egymáshoz képest 90 ° -on: „keresztbe”, „keresztezett pólus”), akkor egy szürke szűrő hatását kapja, amely folyamatosan sötétíthető . Ha az effektet a jelenlegi kamerákra szeretné használni, akkor ezt a következő elrendezéssel teheti meg:

• A motívum oldalán (elöl) felcsavarott szűrőnek lineárisnak vagy kör alakúnak kell lennie, amelyet fejjel lefelé használnak.
• A kamera oldalán (hátul) körkörösen polarizáló szűrőnek kell lennie, hogy az elülső szűrő polarizációja ne befolyásolja az expozíció mérését.

Sok általános szűrőnek már nincs nagy blokkoló hatása a kék területen. Ha ezeket keresztezetten használják, kékes árnyalatú képet kapunk, csak mérsékelt sötétséggel.

A polarizáló szűrő körülbelül két f-lépéssel csökkenti a beeső fény mennyiségét.

A színek és a kontrasztok javítása

A következő példában a motívumot először polarizáló szűrő nélkül, majd közvetlenül utána polarizáló szűrővel fényképeztük. Az ég és a tenger felszínének színe telítettebbnek tűnik a polarizáló szűrőn keresztül, és nő a kontraszt. A szűrő a leveleket színesebbé, laposabbá (kevésbé térbeli) és mattabbá is teszi, mivel a szűrő elnyeli a levelek fényét, amely információt nyújt a nézőnek a levelek háromdimenziós alakjáról és felületi textúrájáról.

Polarizációs szűrő nélkül	Polarizációs szűrővel

A visszaverődések elkerülése

A következő példa bemutatja, hogy a lineáris polarizációs szűrő hogyan befolyásolja a nemfémes felületeken a visszaverődések láthatóságát, pl. B. festék, üveg és víz. A fémes felületeken a polarizációs hatások sokkal kevésbé hangsúlyosak.

Polarizációs szűrő nélkül

A szűrő a visszaverődések polarizációs síkjában van

A szűrő merőleges a visszaverődések polarizációs síkjára

Példák a polarizáló szűrő hatására:

• Balra: motívum polarizáló szűrő nélkül
• Közép: A fő téma (autó) különösen észrevehető tükröződései hangsúlyosak, mivel a szűrő polarizációs síkja megegyezik a domináns reflexiók polarizációs síkjával. A képen a jobb oldali ablaktáblák másik iránya polarizációt okoz, amely lehetővé teszi a polarizáló szűrő számára a reflex elnyelését. A levelek által visszaverődő fénynek például sok polarizációs síkja van, és teljes egészében polarizálatlannak tűnik. Ott a polarizáló szűrő semleges sűrűségű szűrőként működik .
• Jobbra: A fő téma reflexiói ​​erősen csillapodnak; az autó szélvédőjén át láthat. A kamera automatikus expozíció-korrekciója megnövelte a háttér fényerejét.

Közelebbről megvizsgálva még mindig látható, hogy a motorházfedél reflexe csak erősen elsötétedik egy központi foltban, de nem az első szélén, ahol a reflexió a Brewster szögén kívül, és nem a bal hátsó sarokban jelenik meg. Az ég tükröződései fokozatosan megmaradnak az itt szomszédos sarokban és a kép szélvédőjének jobb felében is.

A polarizációs szűrő irányával párhuzamosan polarizált fény továbbra is élénk: különösen a bal oldali sárvédő lemezen található fényes, keskeny égsáv és a jobb oldali sárga házfalból érkező barnás visszaverődés a szélvédőn és a festéken.

Ha összehasonlítja a képeken látható ház falát (jobb oldali képterület), a középső kép automatikus expozíció-korrekciója miatt a fényerő növekedése nem egészen éri el a szűretlen kép szintjét (balra); A jobb oldali képen viszont az expozíció (a szűretlen képen látható házfal alapján) túlkorrigált.

Polarizáló szűrő speciális színhatásokkal

A szokásos polarizációs szűrőknél a színváltozás nem szükséges. Az úgynevezett felmelegedő polarizátor kiveszi a kék fény egy részét, így úgy működik, mint egy polarizációs szűrő és egy világossárga szűrő kombinációja. A piros, sárga és zöld színek hangsúlyosak, és melegebb kép benyomást keltenek.

Vannak speciális polarizációs szűrők, amelyek bizonyos színekben hangsúlyozzák a polarizált fényt. A szűrő helyzetétől és a polarizáció irányától függően ezek különböző kontrasztos színek. Az így kapott felvételek jelentős színváltozásokat tapasztalnak. Vannak ilyen polarizációs szűrők a zöld és a vörös, valamint a sárga és a kék számára. A sárga-kék szűrőt Gold-N-Blue szűrőként is forgalmazzák. Alkalmazási területe leginkább a tájfotózás. Felhős napokon mesterséges kék és sárga színeket hozhat létre szürke égen vagy víztömegben. A vörös-zöld szűrőt ritkán alkalmazzák a professzionális fotózásban, mivel az eredmények nagyon mesterségesnek tűnnek, és ritkán esztétikusak. A digitális fényképezőgépek automatikus fehéregyensúlya nem fog megfelelően működni ilyen szűrőkkel.

Cserélés szűrőkkel a digitális utófeldolgozásban

Számos képfeldolgozó programban a polarizációs szűrő funkciója a színek vagy kontrasztok megváltoztatására elvben manuálisan vagy digitális szűrők segítségével is elvégezhető. Mivel a képfeldolgozó program i. A. Ha nincs információ a beeső fény polarizációjáról, a polarizációs szűrő funkciója legfeljebb közelíthető.

A tükröződéseket digitális szűrők nem tudják visszamenőleg eltávolítani, mivel a telítettség elérésekor a képen lévő információ elvész. A tükröződést csak kézzel lehet retusálni.

Általános felhasználások

Mechanikai igénybevétel bemutatása deformáció során

Feszültségek üvegben

• A feszültségoptikában a műszaki alkatrészek mechanikai igénybevétele (feszültségek és feszültségcsúcsok) láthatóvá váltak a plexiből készült alkatrészek megismétlésével és a polarizációs szűrők közé helyezésével. A feszültségek különböző színű vonalakhoz vezetnek, amelyek sűrűségük miatt jelzik a feszültség szintjét. Időközben a módszert felváltotta a feszültségek számítási meghatározása a végeselemes módszerrel , amely nem korlátozódik két dimenzióra. Ha egy átlátszó műanyag lencse deformálódik két keresztezett polarizációs szűrő között, akkor a polarizációs sík az erő függvényében elfordul. Színes szerkezetek láthatók az átvilágító fényben.
• A polarizáló szűrőket tudományos eszközökben használják, pl. B. polarizációs mikroszkópok , amelyekkel vékony metszetű struktúrákat készítenek, világosabbak. A polariméterekben két polarizációs szűrőt használnak a szerves anyagok optikai aktivitásának mérésére .
• A 3D-s filmek vetítésének egyik módja polarizációs szűrőket használ a két kép két különböző pontból rögzített és egymásra vetített képének a jobb és a bal szem felé történő továbbításához.
• Az 1950-es években a polarizációs szűrőket "ég iránytűként" használták a nap helyzetének meghatározásához a felhős égbolton a sarki tengereken a navigációhoz , ahol a mágneses iránytű szintén kevés segítséget nyújt. A megfelelő használatát a „ nap követ ” a vikingek feltételezzük már a 9. és 11. században.
• A lineáris polarizációs szűrők a folyadékkristályos képernyők nélkülözhetetlen elemei .
• A polarizációs szűrőket - függőleges polarizációs irányban - napszemüvegekhez is használják , amelyeket aztán poláris szemüvegnek vagy "horgász szemüvegnek" neveznek . Ez egy sötét ablakot nyit a horgászok számára - csak a Brewster's Winkel közelében - az ég és a nap fényének visszaverődésén keresztül , hogy a lapos vízbe láthassanak. A hajósok számára is előnyös - főleg, ha a nap közepes magasságban van - mindaddig, amíg nem billentik oldalra a fejüket. Gyalog és kerékpárral a burkolat szerkezete csak az előtted lévő két-három lépés hátterében válik egyértelműbbé, mert kevésbé fényvisszaverő, láthatja a víz tócsájának alját. Az ilyen szemüvegek azonban kontraproduktívak az út közbeni kirakatba történő oldalra nézés szempontjából, hangsúlyozzák ezt a reflexet a függőleges üvegtáblán. A saját motorháztetőjük reflexjét lágyítják az autósok, de egyáltalán alig, amit éjszaka nedves úton távoli autólámpák okoznak, mert a reflexszög túl sekély.

web Linkek

Egyéni bizonyíték

1. ↑ Fritz Meisnitzer: a fényképezés egyszerű. Útmutató kezdőknek és haladóknak. Könyvcéh Gutenberg, 1973, ISBN 3-7632-1689-8 , 264-265 .
2. ↑ Ramón Hegedüs et al.: Lehet-e a vikingek ködös és felhős körülmények között navigálni tetőablak polarizációval? A polarimetrikus viking hajózás légköri optikai előfeltételeiről ködös és felhős ég alatt. In: Proc. R. Soc. A. 463. évfolyam, 2080. szám, 2007, 1081–1095. Oldal, doi: 10.1098 / rspa.2007.1811 .
3. ^ Martin Grabau: A polarizált fény belép a mindennapi élet világába . In: Journal of Applied Physics, 9. évfolyam, 1938. április, 4. szám, 217. o.
4. ↑ Wolfgang Baier: Forrásreprezentációk a fényképezés történetéhez . 2. kiadás, Schirmer / Mosel, München 1980, ISBN 3-921375-60-6 , 323. o.
5. ^ A fény polarizációjának állapota (PDF fájl; 298 kB). A Jenai Friedrich Schiller Egyetem Fizikai és Csillagászati ​​Kar, 3. o.
6. ↑ F. Pedrotti, L. Pedrotti, W. Bausch, Hartmut Schmidt: Optika mérnököknek: Alapismeretek . Kiadás: 3., szerkesztés. és frissítve. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-22813-6 , pp. 413 ff .