Polarisationsfilter und Polarisation - die Grundlagen

Die Kenntnis und Beeinflussung der Polarisation von Licht spielt in vielen optischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Die Auslegung eines optischen Systems konzentriert sich häufig auf die Wellenlänge und Lichtintensität, während die Polarisation vernachlässigt wird. Die Polarisation ist jedoch eine wichtige Eigenschaft des Lichts, die sich auch auf optische Systeme auswirkt, in denen sie nicht explizit gemessen wird. Die Polarisation des Lichts beeinflusst den Fokus von Laserstrahlen sowie die Grenzwellenlängen von Filtern und kann von Bedeutung sein, um unerwünschte Rückstrahlungen zu verhindern. Sie spielt bei vielen Messtechnikanwendungen wie Spannungsanalysen in Glas oder Kunststoff, pharmazeutischen Wirkstoffanalysen und biologischer Mikroskopie eine wichtige Rolle. Die verschiedenen Polarisationen von Licht können von Materialien auch unterschiedlich stark absorbiert werden. Diese Eigenschaft wird z. B. für LCD-Bildschirme, 3D-Filme und Sonnenbrillen mit Blendschutz genutzt

Was ist Polarisation?

Licht ist eine elektromagnetische Welle, deren elektrisches Feld senkrecht zur Ausbreitungsrichtung schwingt. Licht wird unpolarisiert genannt, wenn die Richtung des elektrischen Felds zeitlich wahllos schwankt. Viele gewöhnliche Lichtquellen wie Sonnenlicht, Halogenbeleuchtung, LED-Punktstrahler und Glühbirnen erzeugen unpolarisiertes Licht. Wenn die Richtung des elektrischen Felds klar definiert ist, handelt es sich um polarisiertes Licht. Die gebräuchlichste Quelle für polarisiertes Licht ist ein Laser.

Abhängig von der Orientierung des elektrischen Felds wird polarisiertes Licht in die folgenden drei Typen eingestuft:

• Lineare Polarisation: Das elektrische Feld des Lichts ist auf eine einzelne Ebene in der Ausbreitungsrichtung beschränkt (Abbildung 1). 
• Zirkulare Polarisation: Das elektrische Feld des Lichts besteht aus zwei orthogonalen linearen Komponenten gleicher Amplitude mit einem relativen Phasenunterschied von π/2. Das entstehende elektrische Feld dreht sich kreisförmig um die Ausbreitungsrichtung. Abhängig von der Drehrichtung wird es links- oder rechtszirkulares polarisiertes Licht genannt (Abbildung 2). 
• Elliptische Polarisation: Das elektrische Feld des Lichts beschreibt eine Ellipse. Diese Art der Polarisation entsteht durch die Kombination von zwei linearen Komponenten mit unterschiedlichen Amplituden und/oder einem Phasenunterschied ungleich π/2. Hierbei handelt es sich um die allgemeinste Beschreibung von polarisiertem Licht. Zirkular und linear polarisiertes Licht können als Sonderfälle von elliptisch polarisiertem Licht angesehen werden (Abbildung 3).

 

Die beiden orthogonalen linearen Polarisationen, die für Reflexion und Transmission besonders von Bedeutung sind, werden als p- und s-Polarisation bezeichnet. P-polarisiertes Licht (abgeleitet von „parallel“) weist ein elektrisches Feld auf, das parallel zur Einfallsebene polarisiert ist, während s-polarisiertes Licht (abgeleitet von „senkrecht“) senkrecht zu dieser Ebene polarisiert ist.

Abbildung 4: P und S sind lineare Polarisationen, die durch ihre relative Ausrichtung zur Einfallsebene definiert werden.

Beeinflussen der Polarisation

Polarisationsfilter

Um eine bestimmte Polarisation des Lichts auszuwählen, werden Polarisatoren, auch Polarisationsfilter genannt, verwendet. Diese können grob in reflektierende, dichroitische und doppelbrechende Polarisatoren unterteilt werden. Ausführlichere Informationen zum richtigen Polarisator für Ihre Anwendung finden Sie in unserer Auswahlhilfe für Polarisationsfilter.

Reflektierende Polarisatoren lassen die gewünschte Polarisation durch und reflektieren den Rest. Ein Beispiel dafür sind Wire-Grid-Polarisatoren, die aus einer Vielzahl von dünnen, parallel zueinander angeordneten Drähten bestehen. Licht, das in Richtung dieser Drähte polarisiert ist, wird reflektiert, während senkrecht zu diesen polarisiertes Licht durchgelassen wird. Andere reflektierende Polarisatoren nutzen den Brewster-Winkel. Der Brewster-Winkel ist ein besonderer Einfallswinkel, bei dem nur s-polarisiertes Licht reflektiert wird. Der reflektierte Strahl ist s-polarisiert und der durchgelassene Strahl wird teilweise p-polarisiert.

Dichroitische Polarisatoren absorbieren eine bestimmte Polarisation des Lichts und lassen den Rest durch. Moderne Nanopartikelpolarisatoren sind dichroitische Polarisatoren.

Doppelbrechende Polarisatoren nutzen die Abhängigkeit des Brechungsindex von der Polarisation des Lichts. Verschiedene Polarisationen werden bei unterschiedlichen Winkeln gebrochen. Dies kann zur Auswahl bestimmter Polarisationen des Lichts genutzt werden.

Unpolarisiertes Licht kann als schnell veränderliche wahllose Kombination von p- und s-polarisiertem Licht betrachtet werden. Ideale lineare Polarisatoren lassen nur eine dieser beiden linearen Polarisationen durch, sodass die anfängliche unpolarisierte Intensität I₀ um die Hälfte reduziert wird.

Für linear polarisiertes Licht der Intensität I0 kann die durch einen idealen Polarisator transmittierte Intensität, I, durch das Malus’sche Gesetz beschrieben werden:

Dabei ist θ der Winkel zwischen der einfallenden linearen Polarisation und der Polarisationsachse. Bei parallelen Achsen wird eine 100%-ige Durchlässigkeit erreicht. Demgegenüber wird bei Achsen, die 90° versetzt sind (Kreuzpolarisator), kein Licht durchgelassen (0%). In realen Anwendungen erreicht die Durchlässigkeit niemals genau 0%. Daher werden Polarisatoren durch ein Auslöschungsverhältnis charakterisiert, das zum Bestimmen der tatsächlichen Durchlässigkeit durch zwei Kreuzpolarisatoren verwendet werden kann.

Verzögerungsplatte

Während Polarisatoren eine bestimmte Polarisation des Lichts durchlassen und die anderen Polarisationen sperren, ändern ideale Verzögerungsplatten die bestehende Polarisation, ohne den Strahl abzuschwächen, abzulenken oder zu versetzen, indem eine Polarisationskomponente in Bezug auf die dazu orthogonale Polarisationsrichtung verzögert wird. Informationen zur Entscheidung für die optimale Verzögerungsplatte für Ihre Anwendung finden Sie unter Was sind Verzögerungsplatten?. Richtig ausgewählte Verzögerungsplatten können jeden Polarisationszustand in einen neuen Polarisationszustand umwandeln. Sie werden meistens zum Drehen einer linearen Polarisation sowie zum Umwandeln von linear polarisiertem Licht in zirkular polarisiertes Licht oder umgekehrt verwendet.

Anwendungen

Die Implementierung einer Polarisationssteuerung kann in einer Vielzahl von Bildverarbeitungsanwendungen von Nutzen sein. Polarisatoren werden an einer Lichtquelle und/oder einem Objektiv eingesetzt, um Glanzeffekte durch Lichtstreuung zu beseitigen, den Kontrast zu erhöhen und intensive Lichtflecke aus reflektierenden Objekten zu entfernen. Dies bewirkt intensivere Farben oder mehr Kontrast bzw. erleichtert die Erkennung von Oberflächenfehlern oder anderen sonst verborgenen Strukturen.

Verringerung von reflektierenden intensiven Lichtflecken und Glanzeffekten

In Abbildung 5 wurde ein linearer Polarisator vor dem Objektiv eines Bildverarbeitungssystems angebracht, um verwirrende Glanzeffekte zu beseitigen, damit ein elektronischer Chip deutlich sichtbar ist. Das linke Bild (ohne Polarisator) veranschaulicht die Streuung von willkürlich polarisiertem Licht durch die vielen Glasoberflächen zwischen dem Objekt und dem Kamerasensor. Ein Großteil des Chips ist aufgrund der Fresnel-Reflexion des unpolarisierten Lichts nicht erkennbar. Das Bild auf der rechten Seite (mit Polarisator) zeigt den Chip ohne verwirrende Glanzeffekte, die die Objektdetails verdecken, sodass der Chip ohne Behinderung angezeigt, analysiert und vermessen werden kann.

 

Das gleiche Phänomen ist in Figure 6 erkennbar. Im linken Bild (ohne Polarisator) wirkt unpolarisiertes Licht von der Sonne auf die Fenster des Gebäudes von Edmund Optics, wobei ein überwiegender Teil des Lichts von den Fenstern reflektiert wird. Im rechten Bild wurde ein Polarisationsfilter eingesetzt, um das reflektierte Licht, in dem ein Polarisationstyp überwiegt, vor dem Kamerasensor zu blockieren, sodass der Fotograf mit dem anderen Polarisationstyp das Gebäude leichter einsehen kann.

 

Eine weitere typische Möglichkeit, zu zeigen, wie Polarisatoren durch Reflektion entstehende Glanzeffekte verringern können, ist die Betrachtung von Gewässeroberflächen. Im linken Bild der Abbildung 7 wirkt die Gewässeroberfläche als Reflektor, sodass die Objekte unter der Oberfläche kaum erkennbar sind. Im rechten Bild sind die Ablagerungen auf dem Boden des Gewässers wesentlich deutlicher sichtbar.

 

Abbildung 7: Ein Polarisator vor dem Objektiv einer digitalen Spiegelreflexkamera reduziert die Glanzeffekte, die durch die teilweise reflektierende Gewässeroberfläche entstehen

Intensive Lichtflecke entstehen bei hochreflektierenden Teilen eines Bereichs in einem diffuser reflektierenden Bereich. In Abbildung 8 bewirkt ein Polarisator vor dem Objektiv einer Kamera sowie vor der Lichtquelle, die das Motiv beleuchtet, dass weniger intensive Lichtflecke auftreten.

 

Abbildung 8: Ein linearer Polarisator vor der Lichtquelle und ein weiterer Polarisator mit senkrechter Ausrichtung zum ersten vor dem Objektiv der Kamera beseitigen intensive Lichtflecke

Durch Kreuzpolarisierung von Licht mit zwei senkrecht zueinander ausgerichteten linearen Polarisatoren können intensive Lichtflecke reduziert oder gänzlich eliminiert werden.

Abbildung 9: Dieses Bildverarbeitungssystem ist eine Möglichkeit, um Streueffekte, Glanzeffekte oder intensive Lichtflecke zu eliminieren oder zu reduzieren. Die Lichtquelle wird durch den Polarisator polarisiert. Zusätzlich wird das reflektierte Licht, das abgebildet wird, nochmals vom Analysator polarisiert.

Die Winkeldifferenz zwischen den Polarisationsachsen der beiden Polarisatoren bestimmt direkt den Betrag der gesamten Lichtabschwächung durch die beiden Polarisatoren. Durch Änderung des Winkeloffsets kann die optische Dichte der beiden Polarisatoren beeinflusst werden, sodass ein ähnlicher Effekt wie bei der Verwendung eines Neutraldichtefilters erreicht wird. Dadurch wird sichergestellt, dass der ganze Bereich gleichmäßig beleuchtet wird.

Verbesserung von Kontrast und Farbeffekten

Aufgrund ihrer gleichmäßigen, diffusen Beleuchtung werden Ringlichtleiter gerne als Lichtquellen verwendet. Allerdings können Glanzeffekte oder Reflektionen durch den Ring selbst auftreten. Durch getrennte Polarisierung des Ringlichtausgangs und der Linse können diese Effekte reduziert werden, sodass Oberflächendetails deutlicher erkennbar sind (siehe Abbildung 10). 

Abbildung 10: Durch getrennte Polarisierung des Ringlichtausgangs und der Linse können Glanzeffekte weitgehend reduziert werden, sodass wichtige Oberflächendetails erkennbar werden.

Abbildung 11 zeigt ein Foto der Edmund Optics-Firmenzentrale und veranschaulicht die Veränderung der Farbe von Himmel, Gras und Laub, wenn vor dem Kameraobjektiv ein Polarisator verwendet wird oder nicht. Da die Elektronen in Luftmolekülen Licht in viele Richtungen streuen, erscheint der Himmel ohne Polarisator in einem helleren Blau (linkes Bild). Außerdem sind die Oberflächen der Blätter von Bäumen und der Grashalme sehr schwach reflektierend. Durch einen Polarisator wird ein Teil des Lichts, das von diesen Oberflächen reflektiert wird, ausgefiltert, sodass die Farbe dieser Oberflächen dunkler wahrgenommen wird.

 

Abbildung 11: Beim Fotografieren des Himmels kann ein Polarisator vor dem Objektiv die Farbe des Himmels erheblich verändern.

Spannungsauswertung

In amorphen Feststoffen wie Glas und Kunststoff führen Spannungen durch Temperatur- und Druckprofile im Material zu lokal begrenzten Schwankungen und Gradienten der Materialeigenschaften, sodass das Material doppelbrechend und inhomogen wird. Dies kann in durchsichtigen Objekten mithilfe des fotoelastischen Effekts quantifiziert werden, da Spannungen und die dadurch entstehende Doppelbrechung mit polarisiertem Licht gemessen werden können.

Abbildung 12: Eine Brille wird ohne Polarisation durchsichtig angezeigt. Mithilfe von Polarisatoren werden jedoch Spannungsschwankungen des Materials sichtbar und mit unterschiedlichen Farben angezeigt.

Spannungsfreie durchsichtige Objekte zwischen Kreuzpolarisatoren sollten vollkommen dunkel erscheinen. Wenn interne Materialspannungen vorhanden sind, ändert sich der Polarisationswinkel jedoch durch die lokal begrenzten Änderungen des Brechungsindex, sodass es zu Transmissionsschwankungen kommt

Ermittlung der chemischen Zusammensetzung

Die Polarisationssteuerung spielt auch in der Chemieindustrie, in der Pharmaindustrie sowie in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie eine wichtige Rolle. Viele wichtige organische chemische Verbindungen, z. B. pharmazeutische Wirkstoffe oder Zuckerarten, weisen mehrere Orientierungen auf. Die Untersuchung von Molekülen mit mehreren Orientierungen wird Stereochemie genannt.

Molekulare Verbindungen mit der gleichen Anzahl von gleichartigen Atomen, aber verschiedenen molekularen Anordnungen werden Stereoisomere genannt. Diese Stereoisomere sind „optische aktiv“ und drehen polarisiertes Licht in verschiedene Richtungen. Das Ausmaß der Drehung hängt von der Beschaffenheit und der Konzentration der Verbindung ab, sodass die Konzentration dieser Verbindungen polarimetrisch ermittelt und quantifiziert werden kann. Dies ist Voraussetzung, um die ggf. in einer Probe enthaltenen Stereoisomere zu ermitteln, was wichtig ist, da Stereoisomere sehr verschiedene chemische Wirkungen aufweisen können. Das Stereoisomer Limonen ist z. B. die Chemikalie, die für den charakteristischen Geruch von Orangen und Zitronen sorgt.

Abbildung 13: (+)-Limonen oder D-Limonen (links) wird dem Geruch von Orangen zugeordnet, da Orangen eine höhere Konzentration dieses Stereoisomers aufweisen. (+)-Limonen dreht die Orientierung des einfallenden Lichts. (-)-Limonen oder L-Limonen (rechts) wird Zitronen zugeordnet, da es hochkonzentriert in Zitronen vorhanden ist, und dreht einfallendes Licht in die entgegengesetzte Richtung wie (+)-Limonen.

Polarisationsmikroskopie

Viele verschiedenartige Mikroskopiertechniken, z. B. DIK-Mikroskopie (differentieller Interferenzkontrast), nutzen Polarisatoren, um verschiedene Effekte zu erreichen.

In einem einfachen Polarisationsmikroskopsystem befindet sich ein linearer Polarisator vor der Lichtquelle des Mikroskops unter dem Probentisch, um das in das System eintretende Licht zu polarisieren. Ein weiterer linearer Polarisator über dem Probentisch wird als „Analysator“ bezeichnet, da dieser Polarisator gedreht wird, um den gewünschten Effekt beim Analysieren der Probe zu erreichen, während der erste Polarisator feststehend bleibt. Der Analysator wird dann so gedreht, dass die Polarisationsebenen von Analysator und Polarisator 90° auseinander liegen. Die Durchlässigkeit des Mikroskops ist dann minimal (Kreuzpolarisatoren). Das Ausmaß der Lichtdurchlässigkeit ist proportional zum Auslöschungsverhältnis von Polarisator und Analysator.

Nachdem der Analysator senkrecht zum Polarisator ausgerichtet wurde, wird eine anisotrope oder doppelbrechende Probe auf den Probentisch gelegt. Die Probe dreht das Licht um einen bestimmten Betrag, der proportional zur Probendicke (d. h. zum zurückgelegten optischen Weg) und zur Doppelbrechung der Probe ist, bevor das Licht den Analysator erreicht.

Der Analysator lässt nur dann Licht durch, wenn eine durch die Probe bewirkte Phasenverschiebung auftritt, und blockiert weiterhin das ganze unbeeinflusste Licht von der Quelle, das zuerst vom Polarisator polarisiert wurde. Wenn die Doppelbrechung der Probe bekannt ist, kann die Dicke der Probe bestimmt werden. Wenn die Dicke der Probe bekannt ist, kann daraus die Doppelbrechung der Probe abgeleitet werden. Ein praktisches Diagramm, das für diesen Zweck verwendet wird, ist die Interferenzfarbtafel von Michel-Lévy in Abbildung 14.

Abbildung 14: Die Interferenzfarbtafel von Michel-Lévy veranschaulicht die Farbe eines doppelbrechenden Materials abhängig von Doppelbrechung und Materialdicke.