In unserer letzten Folge 5 haben wir uns mit dem Begriff der Schärfe befasst und gesehen, dass neben der Scharfeinstellung insbesondere Blende und Verschlusszeit dafür massgebend sind. In der vorliegenden Folge werden wir erkennen, dass noch ganz andere Faktoren die Schärfe eines Bildes beeinflussen. Wer denkt schon daran, dass sogar die Entwicklung des Filmmaterials in der altehrwürdigen analogen Fotografie Einfluss auf die Kantenschärfe hat? Und was geschieht denn eigentlich beim elektronischen Schärfen in der Bildbearbeitung?
Die Wirkung des Kanteneffekts
Durch Beugungserscheinungen und Verluste durch die Lichtstreuung treten in der Fotografie teilweise erhebliche Kontrastverluste ein. Ein guter Teil dieser Effekte ist jedoch erwünscht, weil es beispielsweise ohne die Wirkung des Streulichtanteils nicht immer möglich wäre, eine Szene fotografisch vollumfänglich abzubilden, wenn beispielsweise der Dynamikumfang einer Tageslichtszene mit Sonnenlicht viel zu hoch wäre.
Problematischer sind die Beugungsverluste, weil sich diese vor allem an den Hell-Dunkel-Kanten eines abzubildenden Objekts auswirken und somit den Kantenkontrast reduzieren. Ein genügend hoher Kantenkontrast ist jedoch gleichbedeutend mit visuellem Schärfeeindruck eines Bildes. In der chemischen Fotografie wird dieser Kontrastverlust durch einen fotochemischen Effekt (der eigentlich den fotografischen Systemfehlern zuzuordnen ist) ausgeglichen. Die Rede ist vom Nachbareffekt oder Kanteneffekt.
Bei der Entwicklung wird durch die Bildung von Inhibitoren der Kontrast einer Kante erhöht. In der digitalen Fotografie ist dies nicht der Fall, wodurch der Kontrastverlust an Kanten bestehen bleibt und nur algorithmisch korrigiert werden kann (siehe weiter unten Simulation des Kanteneffekts durch USM).
Ganz deutlich ist der Kanteneffekt bei der Lithentwicklung eines Lithfilms (extrem harter Strichfilm) zu beobachten. Der Kanteneffekt bewirkt an der äusseren Kante eines dunklen Tonwerts eine höhere Schwärzung als durch die Belichtung zu erwarten ist. Die Kante des angrenzenden hellen Bildtones dagegen erscheint heller als erwartet. Man kann sich diesen Effekt, der eine bedeutend bessere Bildschärfe vortäuscht, vereinfacht so erklären:
Auf der Kante der stark belichteten Fläche wirkt der frische Entwickler nicht nur von oben ein, sondern auch von der Seite her, denn in der benachbarten, weniger belichteten Zone wird deutlich weniger Entwickler verbraucht, so dass der dort noch vorhandene frische Entwickler die Entwicklung der Kante in der stark belichteten Zone unterstützen kann. Umgekehrt diffundiert der stark verbrauchte Entwickler beziehungsweise das dort entstandene, entwicklungshemmende Bromid in die angrenzende helle Zone zurück und hemmt dort die Entwicklung. Entwicklungshemmende, während der Entwicklung entstehende Produkte werden als Inhibitoren bezeichnet. Bei Schwarzweiss-Entwicklern sind dies insbesondere Bromide und Iodide.
Entstehung des Kanteneffekts durch Inhibitoren
Anders gesagt, treten bei jeder Entwicklung Konzentrationsunterschiede und damit Diffusionseffekte auf. Wenn bei der Entwicklung entwicklungshemmende Verbindungen, sogenannte Inhibitoren, frei werden, diffundieren diese bevorzugt aus den Bereichen hoher Dichte (wo viele Inhibitoren entstehen) in die Bereiche niedriger Dichte (wenig Inhibitoren). Dadurch ergibt sich an der Kante eine lokale Dichteerhöhung im stärker belichteten Teil und eine Dichtereduktion im weniger belichteten Teil. Dieser Kanteneffekt verbessert den Schärfeeindruck erheblich.
Eine nur periodische Bewegung des Entwicklerguts fördert die Ausnutzung des Inhibierungseffekts, der Grund, weshalb bei vielen lichtempfindlichen Materialien der visuelle Schärfeeindruck bei periodischer Entwicklerbewegung erkennbar besser ist als bei dauernder Bewegung des Entwicklerguts. Ganz besonders bemerkbar macht sich der schärfefördernde Kanteneffekt bei der Methode der Fineline-Entwicklung von Lithfilmen, wo nach einiger Einwirkungszeit das Entwicklergut völlig unbewegt fertig entwickelt wird.
In der Farbfotografie hat erst der bewusste Einsatz der chemischen Inhibierungseffekte durch DIR-Kuppler (Development-Inhibitor-Releasing) es ermöglicht, hohe Empfindlichkeit mit ausgezeichneter Bildqualität zu vereinen. Diese Farbkuppler bilden zusammen mit dem oxidierten Entwickler einerseits den sichtbaren Farbstoff, setzen andrerseits aber Inhibitoren frei, die im Schichtverband in alle Richtungen diffundieren und an die noch zu entwickelnden Silberhalogenid-Kristalle adsorbieren (sich oberflächlich anlagern), um dort die Entwicklung durch Vergiftung der katalytischen Silberkeime zu hemmen. Durch diesen automatischen Regelprozess wird nicht nur die Schärfe durch den Kanteneffekt, sondern auch die Feinkörnigkeit und die Farbbrillanz entscheidend verbessert.
Simulation des Kanteneffekts durch USM
Obwohl dieses Repetitorium dem Thema Optik gewidmet ist, mussten wir einen Exkurs zur Fotochemie vornehmen, um den folgenden Abschnitt besser zu verstehen:
Bei der digitalen Bilderfassung entsteht kein Kanteneffekt, daher resultiert bei jeder digitalen Bilderfassung eine gewisse Unschärfe. Weil bei diesem Verfahren keine Inhibitoren entstehen wie in der chemischen Fotografie, muss der Effekt auf irgendeine Weise simuliert werden. Die bei der digitalen Bilderfassung entstandenen weichen Übergänge zwischen den Tonwertstufen können nachträglich durch die Unscharfmaskierung (USM) härter gemacht werden. Man erreicht dies durch Erhöhung des Kontrasts beim Übergang zwischen zwei Tonwertstufen.
Viele Digitalkameras können das Bild automatisch schärfen. Das mag in der reinen Liebhaberfotografie und in der «Knipsologie» mit dem Handy durchaus seinen Sinn haben, entspricht jedoch nicht professionellem Gedankengut. Die Stärke der Kanten-Kontrasterhöhung ist nämlich keine feste Grösse, sondern in erster Linie vom Ausgabemedium des Bildes und vom Geschmack des Bildbearbeiters abhängig. Sofern die Kamera dies zulässt, ist es daher besser, auf jegliche automatische Schärfung zu verzichten. Lässt die Schnappschusskamera dies nicht zu, sollten Sie wenigstens die geringstmöglichste Schärfung im Menü voreinstellen (sofern wenigstens diese Wahl einstellbar ist).
Die künstliche Kantenschärfung nimmt man üblicherweise am Ende der Bildbearbeitung vor, sofern man die Publikationsart des Bildes dann bereits kennt. Verwendet wird dazu die Filterfunktion Unscharf maskieren, weil nur bei dieser professionellen Methode genügende Beeinflussungsmöglichkeiten vorhanden sind.
Grundsätzlich sollte man die Unscharfmaskierung erst dann vornehmen, wenn man weiss, für welchen Zweck das Bild verwendet wird. Erfolgt die Bildaufbereitung eines Rohbildes für Archivzwecke, so nimmt man weder eine Bildgrössenreduzierung noch eine Unscharfmaskierung vor. Wird das Bild dagegen für einen bestimmten und bekannten Verwendungszweck aufbereitet, kann die entsprechend notwendige Unscharfmaskierung vorgenommen werden. Die Stärke der Unscharfmaskierung richtet sich dabei nach dem Verwendungszweck. Bilder für die Bildschirmbetrachtung schärft man so, bis sie visuell korrekt aussehen. Bilder für den Vierfarbendruck werden in der Regel (abhängig vom Druckverfahren) etwas stärker geschärft. Grundsätzlich wird eine besser wirkende Unscharfmaskierung erreicht, wenn der Pixelradius klein gehalten (0,3 bis maximal 1 Pixel) und dafür der Prozentwert der Stärke entsprechend erhöht wird. Da die Unscharfmaskierung auch unruhige Flächen beeinflussen und körniger machen kann, sollte man bei flächigen Motiven den Schwellenwert auf Werte zwischen 2 bis 10 anheben.
Als Grundregel gilt: Ist das Bild für den fotorealistischen Ausdruck auf Tintenstrahl– oder Sublimationsdruckern vorgesehen, so schärft man etwa so, wie es auch auf dem Bildschirm als schön empfunden wird. Bilder für den Offsetdruck dürfen in der Regel einer geringfügig stärkeren Unscharfmaskierung unterzogen werden.
Die Unscharfmaskierung bewirkt eine nachträgliche Verbesserung der Bildschärfe. Bedeutet dies, dass unscharfe Aufnahmen nachträglich in ein tadelloses Bild verwandelt werden können? Um eine Antwort darauf zu finden, sollte man sich zuerst Klarheit verschaffen, wodurch sich eine Aufnahme mit ausgeprägter Bildschärfe von einer unscharfen unterscheidet.
Eine hohe Bildschärfe ist gekennzeichnet durch einen deutlichen Kontrast zwischen den Bilddetails. Das Bild zeigt eine gut sichtbare Detailzeichnung und klar erkennbare Strukturen. Bei unscharfen Aufnahmen ist die Abgrenzung einzelner Details nicht ausgeprägt. Die Tonwertunterschiede zwischen den abgrenzenden Bildteilen erfolgen verlaufend. Feine, nah beieinander liegende Linien sind nicht mehr einzeln erkennbar, sie «fliessen ineinander». Was bei der Bildvorlage an Detailinformation fehlt, lässt sich nachträglich durch die USM niemals korrigiert. Die Unscharfmaskierung ist daher nicht für die Korrektur ungenügender Bildschärfe in der Vorlage gedacht; ein unscharf fotografiertes Bild kann so nie scharf werden!
Die Bildserie verdeutlicht, dass man ein leicht unscharfes Bild durch USM nicht scharf machen kann. Wird wie im Beispiel rechts die USM so stark gewählt, dass es visuell scharf erscheint, entstehen unschöne Kantenkonturen.
Einstellparameter
Das Ausmass und die visuelle Wirkung der Unscharfmaskierung wird über drei Parameter gesteuert:
- Die Stärke bestimmt, in welchem Ausmass der Kontrast zwischen zwei benachbarten Tonwertstufen erhöht wird.
- Der Radius, das heisst die Anzahl Pixel, die beim Übergang zwischen zwei Tonwertstufen verändert werden, bestimmt die Breite der Kontur, welche bei der Kontrasterhöhung entsteht.
- Mit dem Schwellenwert (threshold) kann ein minimaler Unterschied zwischen zwei angrenzenden Tonwertstufen definiert werden, der überschritten sein muss, damit eine Unscharfmaskierung überhaupt stattfindet.
Unscharfmaskierung USM. Links: ungeschärft; Mitte: normal geschärft; Rechts; überschärft
Bildbearbeitungsprogramme und manche Scanprogramme kennen noch andere Scharfzeichnungsmodi, die man aber nicht oder nur sehr sorgfältig einsetzen sollte, sofern sie die erwähnten drei Einstellmöglichkeiten nicht beinhalten.
Die Streuung
Im Sprachgebrauch der Fotografen nennt man diffus reflektiertes Licht Streulicht und meint damit in der Regel eine unerwünschte Beeinflussung der Abbildungsqualität durch irgendwelche vagabundierenden Strahlen. In der Optik dagegen bedeutet jede Ablenkung des Lichts oder anderer Strahlung von ihrer ursprünglichen Richtung – die nicht durch Brechung, Reflexion oder Beugung, sondern durch kleine Hindernisteile bedingt ist – als Streuung.
Die bekannteste Art von Lichtstreuung an kleinen Partikeln kennen wir von Mattscheiben, Diffusionsfolien, Leuchttischscheiben und Streuschirmen. Das Licht fällt dabei auf die im betreffenden Medium eingelagerten kleinen Partikel und wird dadurch gestreut, das heisst in divergente Bündel umgewandelt.
Prinzip der Streuung
Infolge der Streuung des Lichts an den kleinen Partikeln einer Mattscheibe lassen sich reelle «Luftbilder» mit dem Auge in einer willkürlich gelegten Ebene überhaupt erst erkennen. Eine Scharfeinstellung ohne Mattscheibe wäre unserem Auge sonst nicht möglich. Die Bildentstehung auf der Mattscheibe kann man sich wie folgt vorstellen: Das Objektiv stellt in der Bildebene jeden Gegenstandspunkt als einen Bildpunkt dar. Infolge der Streuung eines jeden einfallenden Lichtstrahls auf den Körnchen der Mattscheibe erscheinen diese als mehr oder weniger helle, scheinbar selbstleuchtende Punkte. Die Summe all dieser Punkte ergibt das Bild.
Streuung ist aber auch an viel kleineren Partikeln möglich, sofern diese in sehr grosser Zahl auftreten. Je nach Partikelgrösse wird dabei nicht der gesamte Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, sondern vielmehr nur einzelne Wellenlängengruppen gestreut.
Die theoretische Optik unterscheidet zwei verschiedene Arten von Streuung:
Rayleigh-Streuung
Sind die ablenkenden Teilchen – verglichen mit der Wellenlänge des Lichts – sehr klein, kann man sich an die Theorie von Rayleigh halten. Der Forscher hat herausgefunden, dass Licht beim Durchgang durch eine grosse Menge Gas, wie auch durch reine Luft, eine leichte Ablenkung erfährt. Für Luft ist die Stärke der Streuung, der sogenannte Streukoeffizient, bei kurzwelliger Lichtstrahlung rund 10 mal grösser als bei langwelliger Lichtstrahlung.
Prinzip der Rayleigh-Streuung
Das Sonnenlicht, ein Wellenlängengemisch von rund 400 bis 700 nm, wird durch die Luftmoleküle gestreut, wodurch die Luftmasse ähnlich wie eine Mattscheibe wirkt und dadurch selbst sichtbar wird. Weil die Streuung des blauen Strahlungsanteils bedeutend grösser ist als bei den langwelligen Strahlen, erscheint uns der Himmel blau. In höheren Luftschichten ist die Zahl der Luftmoleküle geringer, der Himmel erscheint deshalb dunkler und der Weltraum selber, wo ja keine Atmosphäre vorhanden ist, erscheint schwarz.
Durchdringt die Sonne dicke Luftschichten, wie dies beim Sonnenauf- oder -untergang der Fall ist, wird ein merklich höherer Anteil an blauer Strahlung gestreut, die Sonne erscheint uns sehr gelb (denn Weiss minus Blau = Gelb).
Mehrere optische Phänomene sind dafür verantwortlich, wenn die Sonne beim Untergang sich glutrot verfärbt. Einerseits ist es die Streuung an den vielen Luftmolekülen und den Wassertröpfchen in der Atmosphäre, andrerseits geht in den letzten Minuten des Untergangs infolge Brechung an den Luftschichten zuerst der noch verbliebene restliche Blau- danach der Grünanteil unter, so dass zum Schluss nur noch der Rotanteil sichtbar bleibt.
Mie-Streuung
Sind die Teilchen grösser sowie kugelförmig und weisen sie einen Radius auf, der etwa der Wellenlänge des Lichts entspricht, lassen sich bei einer Ablenkung die Gesetze der Reflexion, Brechung und Beugung ebenfalls nicht anwenden. Die von Gustav Mie (1868-1957) im Jahr 1908 aufgestellte Theorie befasst sich mit diesem Phänomen. Die nach ihm benannte Mie-Streuung hat für Fragen der atmosphärischen Optik Bedeutung. Dunst und Nebel beispielsweise bestehen aus unzähligen kleinen kugelförmigen Wassertropfen, an denen ebenfalls Streuung auftritt. Je nach Tropfengrösse wird dabei vorwiegend blaue oder bei grösseren Partikeln auch grüne Strahlung gestreut. Durch die Mie-Streuung erklärt sich die orange bis rote Sonne beim Untergang über dem Meer, über Industriegebieten oder im Dunst. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, dass beim Sonnenuntergang auch die Brechung an Luftschichten eine Rolle spielt und dadurch der Blau- und Grünanteil früher untergeht als der Rotanteil.
Die Polarisation
Natürliches Licht
Wenn wir von Licht sprechen, meinen wir üblicherweise natürliches Licht. Man versteht darunter eine elektromagnetische Wellenerscheinung, deren Amplituden senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Stellt man sich einen solchen Lichtstrahl lotrecht auf die Erde gerichtet vor, besteht er aus einer Unzahl von Wellenebenen, die senkrecht auf der Ausbreitungsachse stehen, aber büschelförmig in alle Himmelsrichtungen zeigen. Man kann sich den Schnitt durch einen Strahl wie ein Rad vorstellen, dessen Achse die Fortpflanzungsrichtung darstellt und dessen Speichen die Lage der Schwingungsebenen symbolisieren.
Natürliches Licht
Durch Reflexion, Beugung, Streuung sowie beim Durchgang durch einen Polarisator können die Schwingungsebenen beeinflusst werden. Sobald die sich ausbreitende Welle im Schnitt nicht mehr ganz büschelförmig aussieht, handelt es sich um polarisiertes Licht. Je nachdem wie die Schwingungsebenen beeinflusst werden, entsteht linear, elliptisch oder zirkular polarisiertes Licht.
Linear polarisiertes Licht
Linear polarisiertes Licht
Unter bestimmten Voraussetzungen schwingt ein Lichtstrahl nur noch in einer Ebene, so als wäre natürliches (büschelförmiges) Licht durch eine Art «Briefkastenschlitz» gezwängt worden. Der «Briefkasten» hält dann alle Schwingungsebenen bis auf eine zurück. Licht, das derart nur noch in einer einzigen Ebene schwingt, bezeichnet man als linear polarisiert.
Elliptisch und zirkular polarisiertes Licht
Unter anderen Voraussetzungen kann es vorkommen, dass Licht aus zwei zueinander senkrecht stehenden Teilwellen besteht. Die Amplituden sind dabei ungleich gross und besitzen gegenseitig eine optische Phasenverschiebung von einem Viertel der Wellenlänge. Das Aussehen am Modell stellt man sich wie folgt vor: Die erste Halbwelle steigt bezüglich Ausbreitungsrichtung nach oben und fällt wieder zum Nullpunkt zurück. Die nächste Halbwelle beginnt dort nach vorn anzusteigen und fällt auch wieder zum Nullpunkt zurück. Beide Halbwellen stehen in einem Winkel von 90° zueinander und weisen unterschiedlich grosse Amplituden auf.
Lässt man den Lichtstrahl auf sich zukommen, so beschreiben beide Wellen im Schnitt eine Ellipse. Deshalb wird dieser Spezialfall der Polarisation als elliptisch polarisiertes Licht bezeichnet. Dabei lässt sich links und rechts elliptisch polarisiertes Licht unterscheiden, je nachdem, ob die horizontale oder die vertikale Lichtkomponente in der Phase vorauseilt oder hintennachhinkt.
Die Drehwirkung von elliptisch polarisiertem Licht kann man sich so vorstellen, indem man den Lichtstrahl in Zeitlupe auf sich zukommen lässt und den «Lichtvektor» betrachtet, der nun eine elliptisch geformte Spirale bildet.
Zirkular polarisiertes Licht
Ein spezieller, dem elliptisch polarisierten Licht sehr ähnlicher Fall ist zirkular polarisiertes Licht. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass hier die beiden Amplituden gleich gross sind. Stellt man einen solchen Lichtstrahl direkt auf sich zukommend vor, so beschreibt die Spitze des Lichtvektors einen Kreis, ähnlich einem Zapfenzieher. Man unterscheidet ebenfalls links und rechts zirkular polarisiertes Licht.
Doppelbrechung
Schickt man natürliches Licht ausserhalb der Kristallachse durch einen Kalkspatkristall (CaCO3) wird ein Lichtstrahl in zwei verschiedene Strahlen, den ordentlichen (o) und den ausserordentlichen (e), aufgespaltet. Beide Strahlen sind senkrecht zueinander polarisiert und breiten sich innerhalb des Kristalls mit unterschiedlicher Geschwindigkeit aus. Für den ordentlichen Strahl ist der Brechungsindex von Kalkspat 1,66. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des ausserordentlichen Strahls ist von der Richtung abhängig, in der er durch den Kristall fällt. In Richtung der Hauptachse breiten sich beide Strahlen mit derselben Geschwindigkeit aus, in allen anderen Richtungen ist die Geschwindigkeit des ausserordentlichen Strahls grösser und entspricht Brechungsindizes zwischen 1,66 und 1,49.
Doppelbrechung im Kalkspatkristall
Stoffe, die für unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen verschiedene Brechungsindizes aufweisen, nennt man anisotrope Stoffe, im Gegensatz zu isotropen Stoffen. Gewisse an sich isotrope Medien lassen sich durch Reckung und daher Ausrichtung ihrer Moleküle oder durch andere Beeinflussung in anisotrope umwandeln (Spannungsoptik, Kerrzelle, CD-RW).
Polarisationsfilter
Bei bestimmten anisotropen Kristallmaterialien, wie zum Beispiel Turmalin, wird der ordentliche Strahl gleichzeitig stark absorbiert, während der ausserordentliche praktisch unbeeinflusst durchgelassen wird. Solche Kristallplatten können natürliches Licht in linear polarisiertes umwandeln. Hält man zwei derartige Platten hintereinander, schalten sie in gekreuzter Stellung einfallendes Licht vollständig aus.
Gekreuzte Polarisationsfilter schalten Licht aus
Durch starke mechanische Reckung lassen sich isotrope Kunststoffe in anisotrope umwandeln. Lagert man noch lichtabsorbierende Farbstoffe ein, entstehen dadurch die modernen, neutralgrauen und trübungsfreien Linear-Polarisationsfilter.
Phase-Change-Verfahren
Eine alltägliche, jedoch zumeist unbekannte Anwendung der Polarisation ist das als Speicherschicht in wiederbeschreibbaren CDs verwendete Telluriumoxid. Dieses Oxid kann in seiner optischen Struktur durch Wärmeeinwirkung des Laserstrahls verändert werden. Im ursprünglichen Zustand ist Telluroxid kristallin und hat doppelbrechende Eigenschaften (anisotrop). Ein linear polarisierter Laserstrahl, der durch diese doppelbrechende Schicht fällt, wird zu einem zirkular polarisierten Strahl. Durch die Reflexion an der darunterliegenden Metallschicht wird die Drehrichtung des Lichts umgekehrt und durch Doppelbrechung des kristallinen Materials wieder linear polarisiert – jedoch gegenüber dem ursprünglichen Strahl um 90° gedreht. Der hinter einem Polarisationsfilter liegende Empfangssensor kann somit kein Licht empfangen; er registriert Null.
Erhitzt man Telluriumoxid jedoch sehr kurzfristig mit einem starken Laser, wird es amorph, verliert seine doppelbrechende, anisotrope Eigenschaft und wird isotrop. Der linear polarisierte Laserstrahl bleibt beim Durchgang linear und kann nach der Reflexion auf der Metallschicht vom Sensor als solchen erkannt werden; er registriert eine Eins. Bleibt hingegen der Brennlaser mit geringerer Energie – dafür etwas länger – auf isotropem Telluriumoxid, wird dessen Zustand wieder kristallin und somit anisotrop. Die CD kann erneut beschrieben werden. Das Verfahren, Materialien durch äussere Einwirkung vom amorphen in den kristallinen Zustand und umgekehrt zu ändern, wird als Phase-Change-Verfahren bezeichnert.
Polarisation durch Brechung und Reflexion
Das menschliche Auge kann polarisiertes Licht nicht von natürlichem unterscheiden. Dieses Unvermögen macht den Einsatz eines Polarisators vor dem Kameraobjektiv nicht gerade leicht. Wir wissen wohl alle, dass man mit Hilfe von Polarisationsfiltern Reflexe ausschalten kann. Aber eben, nur unter bestimmten Voraussetzungen. Beim Durchgang durch einen Polarisator wird natürliches Licht in linear polarisiertes umgewandelt oder bereits polarisiertes – bei richtiger Filterstellung – ausgeschaltet. Die Reflexausschaltung kann also nur funktionieren, wenn das Licht des Reflexes bereits linear polarisiert ist.
Tatsächlich wird natürliches Licht bei der Reflexion auf nichtmetallischen Flächen polarisiert, sofern das entsprechende Medium nicht nur eine totale Reflexion zulässt, sondern noch ein gewisser Anteil in das Medium eintreten kann. Nehmen wir als Beispiel eine Glasscheibe. Schräg auftreffendes Licht wird zum Teil reflektiert (Teilreflexion). Ein anderer Teil aber tritt ins Glas ein, und weil dieses Medium dichter als Luft ist, tritt darin eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit ein. Durch den Geschwindigkeitsverlust wird der Lichtstrahl von seiner geradlinigen Ausbreitung abgelenkt, es tritt Brechung ein.
Nach dem Brewster‘schen Gesetz ist das Licht des reflektierten Strahls dann vollständig linear polarisiert, wenn neben dem Reflexionsstrahl auch noch ein Brechungsstrahl vorhanden ist, und wenn zwischen diesen beiden Strahlen ein Winkel von 90° herrscht. Bei richtiger Drehung des Polarisationsfilters wird für den Betrachter daher der Reflexionsstrahl ausgeschaltet, der Reflex ist nicht mehr sichtbar.
Brewster’sches Gesetz
Nach dem Brewster’schen Gesetz ist das Licht des reflektierten Strahls dann vollständig linear polarisiert, wenn neben dem Reflexionsstrahl auch noch ein Brechungsstrahl vorhanden ist, und wenn zwischen diesen beiden Strahlen ein Winkel von 90° herrscht.
Aus dem Brewster’schen Gesetz ist leicht ersichtlich, dass der Polarisationswinkel ℇP eines Materials (unter welchem ein Reflex mittels Polarisationsfilter ausgeschaltet werden kann) von den Brechungseigenschaften dieses Materials abhängt. Für ein durchschnittliches Glas (n=1,5) beträgt der Polarisationswinkel rund 56° (=arctan n).
Bei glänzendem Metall tritt zwar auch eine Reflexion ein. Weil sie aber total ist und daher kein gebrochener Strahl entsteht, bleibt das Licht natürlich und kann durch einen Polarisationsfilter nicht ausgelöscht werden.
Polarisation durch Streuung
Auch durch Streuung kann natürliches Licht polarisiert werden, und zwar tritt eine weitgehende Polarisation in Streurichtungen auf, die senkrecht zum Lichtstrahl stehen. Fotografiert man mit einem Polarisationsfilter den Himmel so, dass die Aufnahmeachse im rechten Winkel zur Sonne steht, wird bei richtiger Stellung des Filters ein Teil des Streulichts ausgeschaltet und der Himmel wesentlich dunkler wiedergegeben. Der Effekt gestaltet sich umso intensiver, je reiner die Luft ist. In Grossstädten oder in Industriegebieten kann das Polarisationsfilter kaum eine merkliche Abdunkelung bringen. Auf dem Land oder gar im Gebirge hingegen lässt sich der Himmel nahezu schwarz wiedergeben. Die Abdunkelung ist allerdings nie über das gesamte Bildfeld möglich, da eine totale Polarisation nur unter den geschilderten Winkelverhältnissen stattfinden kann.
Gestreutes Licht ist linear polarisiert, wenn die Blickrichtung in einem 90°-Winkel zur Sonne steht. In dieser Aufnahmerichtung lässt sich der Streuanteil des Himmelslichts mittels Polarisationsfilter reduzieren; der Himmel wird dunkler. Beide Bilder wurden bei gleichem Standort zur gleichen Tageszeit – jedoch in anderer Blickrichtung – aufgenommen. In beiden Fällen wurde ein Polarisationsfilter mit gleichem Drehwinkel verwendet. Aber nur bei der Aufnahme des rechten Bildes stand die Sonne in einem räumlichen 90° Winkel zur Aufnahmerichtung.
In der Farbfotografie stellt die Anwendung des Polarisationsfilters die einzige Möglichkeit dar, den Himmel dunkler wiederzugeben und gleichzeitig die Farben der übrigen Objekte nicht zu verändern. Da es sich bei solchen Bildern ja immer um Landschaftsaufnahmen handelt, ist zusätzlich zur Abdunkelung des Himmels noch eine verbesserte Farbbrillanz der Umgebung bei Verwendung des Polarisationsfilters zu beobachten.
Linear-Polarisationsfilter
Linear-Polarisationsfilter bestehen aus mechanisch gereckten Kunststoffen mit orientierten stabförmigen Molekülen, die durch einen Farbstoff angefärbt wurden. Sie sind für Kamerazwecke glasgefasst oder existieren für Beleuchtungszwecke als grossformatige Folien. Natürliches Licht wandeln diese Filter in linearpolisiertes um, und bereits polarisiertes löschen sie bei richtiger Orientierung aus.
Zirkular-Polarisationsfilter
Spiegelreflexkameras mit Belichtungsmessung über Spiegel reagieren bei der Verwendung von Linear-Polarisationsfiltern mit Messfehlern. Um dies zu verhindern, empfehlen die Kamerahersteller die Verwendung von Zirkular-Polarisationsfiltern. Es handelt sich dabei um die Kombination eines Linear-Polarisationsfilters mit einer nachgeschalteten Viertel-Wellenplatte aus doppelbrechendem anisotropem Material. Diese als Verzögerungsschicht wirkende Platte wandelt linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes um. Verwendet man ein Zirkular-Polarisationsfilter vor dem Kameraobjektiv, wird bereits linear polarisiertes Licht ausgeschaltet, das natürliche jedoch zuerst linear und dann zirkular polarisiert. Bei der Reflexion des Messlichts an irgendwelchen Spiegelsystemen kann jetzt allerhöchstens eine Änderung der Drehrichtung eintreten, nicht aber eine erneute Linear-Polarisation. Das Messsystem erhält daher immer den gesamten Lichtanteil, der auch auf das Filmmaterial fällt – gleichgültig, in welcher Stellung der Filter steht. An der praktischen Einsatztechnik des Filters ändert sich gegenüber dem Linear-Polarisationsfilter nichts.
Wirkung des Zirkular-Polarisationsfilters
Polarisiertes Aufnahmelicht
Ein weiterer praktischer Einsatz von Polarisationsfiltern ist aus der Beleuchtungstechnik bekannt. Die Aufgabe, ein dick gespachteltes Ölgemälde zu reproduzieren, stellt manche Fotografen vor kaum zu bewältigende Probleme. Verwendet man nämlich ein übliches Reprolicht – links und rechts je eine Leuchte im Winkel von 45° – können immer einzelne, scharf gespachtelte Farbpartikel aufglänzen. Ein Polarisationsfilter vor dem Objektiv nützt selten etwas, denn solche Partikel liegen nicht alle zufällig im Polarisationswinkel.
Die Lösung ist eigentlich ganz einfach: Man stellt eine normale Reprobeleuchtung auf und montiert zusätzlich vor jede Leuchte eine Polarisationsfolie. Dabei muss darauf geachtet werden, dass die Molekularrichtung beider Folien gleich verläuft und beide entweder waagrecht oder senkrecht polarisieren.
Hinweis: Zwei Folien haben gleiche Molekularrichtung, wenn sie übereinandergelegt Licht passieren lassen. Absorbieren sie das Licht, sind die beiden Folien gekreuzt.
Polarisationsfolie mit Klebband am Reflektor der Leuchte befestigt
Durch richtiges Drehen eines vor dem Aufnahmeobjektiv angebrachten Polarisationsfilters lassen sich kompromisslos Reflexe ausschalten. Gleichzeitig mit dem Ausschalten der Ölreflexe werden die Farben brillanter dargestellt. Wünscht man einige wenige Reflexe, um dem Charakter des Ölgemädes gerechter zu werden, dreht man das Polarisationsfilter einfach wieder etwas zurück.
Polarisationsfolien – mit der Schere zuschneidbar – sind von verschiedenen Anbietern erhältlich. Zu beachten ist, dass die (sehr teuren) Polarisationsfolien nicht besonders hitzefest sind und daher schmelzen oder Blasen werfen, wenn das Einstelllicht zu lange brennt. Reduziertes Einstelllicht kann jedoch unbedenklich während 10 bis 20 Sekunden eingeschaltet sein, um den Drehwinkel des Polarisationsfilters vor dem Objektiv visuell zu bestimmen.
Links: Repro ohne polarisiertes Aufnahmelicht, rechts mit polarisiertem Aufnahmelicht
© by Jost J. Marchesi
In der 7. Folge am nächsten Freitag geht es um das Objektiv als Auge der Kamera.
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Folge 1: «Licht, das «Rohmaterial» der Fotografie» (28.05.2021)
Folge 2: «Lichtausbreitung, Reflexion und Absorption» (04.06.2021)
Folge 3: «Wie das Licht gebrochen wird» (11.06.2021)
Folge 4: «Abbildungsverhältnisse und Perspektive» (18.06.2021)
Folge 5: «Schärfe und Unschärfe» (25. Juni 2021)