Ein zirkularer Polarisator (häufig als CP oder CPL für Circular Polarizing Lens abgekürzt) ist eine optische Komponente, die unpolarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht umwandelt. Sie kann auch in umgekehrter Richtung eingesetzt werden, um zirkular polarisiertes Licht in linear polarisiertes Licht umzuwandeln oder bestimmte Polarisationszustände selektiv zu sperren. Zirkulare Polarisatoren werden häufig in der Fotografie, in stereoskopischen 3D-Displays und in Blendschutzfiltern für elektronische Bildschirme eingesetzt.
Funktionsprinzip
Ein standardmäßiger Zirkularpolarisator besteht nicht aus einem einzigen homogenen Material. Er ist vielmehr ein optisches Verbundelement aus zwei unterschiedlichen Schichten, die in einer bestimmten Orientierung miteinander laminiert sind:
- Linearer Polarisator: Die erste Schicht filtert das einfallende unpolarisierte Licht, sodass nur Lichtwellen passieren, die in einer einzigen festgelegten Ebene schwingen.
- Viertelwellenplatte (Verzögerungsplatte): Die zweite Schicht besteht aus einem doppelbrechenden Material (einer Wellenplatte), das so ausgelegt ist, dass es zwischen zwei orthogonalen Polarisationskomponenten eine Phasenverschiebung von genau π / 2 Radiant (90°) erzeugt.
Damit das Gerät zirkular polarisiertes Licht erzeugt, müssen die schnelle und die langsame optische Achse der Viertelwellenplatte exakt um 45°, gegenüber der Transmissionsachse des Linearpolarisators ausgerichtet sein.
Wenn linear polarisiertes Licht unter diesem Winkel von 45° in die Viertelwellenplatte eintritt, wird es in zwei orthogonale Komponenten gleicher Amplitude aufgeteilt, die sich entlang der schnellen und langsamen Achse ausbreiten. Da sich das Licht entlang dieser Achsen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausbreitet, tritt eine Komponente gegenüber der anderen mit einer Phasenverschiebung von 90° aus. Die Vektorsumme dieser beiden phasenverschobenen, orthogonalen Komponenten ergibt einen elektrischen Feldvektor, der bei der Vorwärtsausbreitung kreisförmig rotiert und dadurch zirkular polarisiertes Licht erzeugt.
Links- und rechtshändige Polarisation
- Rechtszirkular polarisiert (RCP): Der elektrische Feldvektor dreht sich aus Sicht des Empfängers im Uhrzeigersinn.
- Linkszirkular polarisiert (LCP): Der elektrische Feldvektor dreht sich aus Sicht des Empfängers gegen den Uhrzeigersinn.
Mathematische Darstellung
Die Transformation von Licht durch einen Zirkularpolarisator lässt sich mit dem Jones-Kalkül präzise beschreiben. Unter der Annahme eines vertikal ausgerichteten Linearpolarisators und einer Viertelwellenplatte, deren schnelle Achse bei 45° liegt, wird der Vorgang durch die Multiplikation der Jones-Vektoren und -Matrizen dargestellt.
Der Jones-Vektor des aus dem Linearpolarisator austretenden Lichts kann als vertikaler Spaltenvektor geschrieben werden:
E_linear = [0, 1]
Die Jones-Matrix einer Viertelwellenplatte, deren schnelle Achse bei 45° liegt, wird durch ein 2x2-Raster dargestellt, das mit einer Konstanten multipliziert wird:
M_QWP = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ]
Die Multiplikation der Matrix mit dem Vektor ergibt den endgültigen zirkular polarisierten Zustand. Wenn die Zeilen der Matrix mit dem Spaltenvektor multipliziert werden, sieht die Berechnung folgendermaßen aus:
E_circular = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ] * [0, 1] E_circular = (1 / √2) * [-i, 1]
Dieser resultierende Vektor mit der imaginären Einheit „-i“ an der oberen Position und „1“ an der unteren Position beschreibt zirkular polarisiertes Licht.
Wichtige Anwendungen
Fotografie
In der modernen Fotografie werden Zirkularpolarisatoren gegenüber Linearpolarisatoren bevorzugt. Viele digitale Spiegelreflexkameras (DSLR) und spiegellose Kameras verwenden teildurchlässige Spiegel und Strahlteiler, um Licht zu Phasendetektions-Autofokussensoren (PDAF) und Belichtungsmessern zu leiten. Diese internen Komponenten sind äußerst polarisationsempfindlich. Wenn am Objektiv ein rein linearer Polarisator verwendet wird, kann es unbeabsichtigt zu einer gekreuzten Polarisation mit der internen Optik der Kamera kommen, sodass die Belichtungsmessung und das Autofokussystem ausfallen. Ein CPL löst dieses Problem, indem er das Licht zunächst linear polarisiert (um störende Reflexionen aus der Umgebung zu reduzieren) und es anschließend unmittelbar in eine zirkulare Rotation „umwandelt“, damit die internen Strahlteiler es korrekt erfassen können.
OLED-Displays und Blendschutz
Zirkularpolarisatoren werden häufig in modernen OLED-Displays (organische Leuchtdioden), beispielsweise in Smartphones und Smartwatches, eingesetzt, um interne Reflexionen zu eliminieren.
- Umgebungslicht tritt in den Bildschirm ein und durchläuft den CPL, wodurch es rechtszirkular polarisiert wird.
- Dieses Licht wird von den stark reflektierenden Metallelektroden hinter den OLED-Pixeln reflektiert.
- Bei der Reflexion kehrt sich die Händigkeit der Polarisation um (RCP wird zu LCP).
- Wenn das LCP-Licht versucht, wieder durch den CPL auszutreten, wird es durch die Kombination aus Viertelwellenplatte und Linearpolarisator vollständig blockiert. Dadurch wird das Kontrastverhältnis des Bildschirms in hellen Umgebungen erheblich verbessert.
Stereoskopisches 3D-Kino
Systeme wie RealD 3D nutzen Zirkularpolarisation, um zwei verschiedene Bilder auf derselben Kinoleinwand zu multiplexen. Ein Projektor projiziert das Bild für das linke Auge mit linkszirkularer Polarisation, der andere das Bild für das rechte Auge mit rechtszirkularer Polarisation. Der Betrachter trägt eine passive 3D-Brille, deren linkes und rechtes Brillenglas als entgegengesetzt abgestimmte Zirkularpolarisatoren ausgeführt sind. Dadurch empfängt jedes Auge nur das für dieses Auge bestimmte Bild. Zirkularpolarisation wird anstelle von Linearpolarisation verwendet, da Betrachter ihren Kopf seitlich neigen können, ohne den 3D-Effekt zu verlieren oder „Geisterbilder“ wahrzunehmen.