Polarizační filtry: Teorie

První díl rozsáhlého seriálu o polarizačních filtrech, ve kterém se dozvíte vše, co jste kdy chtěli o polarizačním filtru vědět a ještě něco navíc.

Polarizační filtr je jedním z nejužitečnějších filtrů a v žádné fotobrašně by neměl chybět. K čemu je dobrý? Dokáže potlačit nebo naopak zvýraznit odlesky a odrazy na nekovových předmětech. Nejedná se ale jen o odrazy od skla, na vodní hladině a podobně. Světlo se ve větší či menší míře odráží od všech povrchů a odražené bílé světlo způsobuje, že vidíme barvy méně saturované. Podaří-li se toto světlo odfiltrovat, barvy se stanou sytějšími. Nejčastěji se polarizační filtr používá k odstranění oparu a ztmavení modré oblohy.

Trocha teorie nikoho nezabije

Obr. 1 – Oscilující elektrická složka elektromagnetické vlny

Polarizační filtr dokáže odfiltrovat odražené světlo díky tomu, že je polarizované.
Co to vlastně je polarizované světlo? Světlo je elektromagnetické vlnění. Je to tak zvané příčné vlnění – vlny oscilují ve směru kolmém na směr šíření (viz Obr. 1). Takových směrů je ovšem nekonečně mnoho. Jsou to všechny směry v rovině kolmé na směr šíření. Jak je naznačeno na Obr. 2, normální nepolarizované světlo se skládá z vln oscilujících ve všech možných směrech. Lineárně polarizované světlo se sestává z vln, které kmitají (víceméně) jen v jednom směru. Přesněji řečeno, jejichž elektrická složka kmitá v jednom směru. Magnetická složka kmitá vždy ve směru kolmém. My si však budeme pro jednoduchost všímat pouze elektrické složky. K polarizaci světla dochází

• průchodem světla polarizujícím materiálem,
• odrazem světla od nekovového lesklého povrchu,
• lomem světla,
• rozptylem světla nárazem o částice.

Naopak k depolarizaci polarizovaného světla dochází například při difúzi světla při odrazu na texturovaném, matném povrchu nebo při průchodu průsvitným, mléčně zabarveným materiálem.

Nepolarizované světlo, vlny kmitají všemi směry	Polarizované světlo, vlny kmitají jedním směrem
Obr. 2 – Směr kmitání elektrické složky nepolarizovaného a polarizovaného světla (pohled ve směru šíření světla).

Některé materiály, které se skládají z rovnoběžných tenkých dlouhých krystalů nebo molekul, propouštějí jen světlo polarizované v jistém směru. Vlny, jejichž elektrická složka kmitá ve směru rovnoběžném s krystaly či molekulami, se přemění na elektrický proud a posléze, díky elektrickému odporu, na teplo. Protože mezi krystaly nebo molekulami jsou nevodivé mezery, ve směru na ně kolmém proud nevzniká a vlny v tomto směru kmitající materiálem projdou. Propuštěné světlo je polarizované ve směru kolmém na směr krystalů či molekul. Toto je zachycené na Obr. 3. Část světla kmitajícího pod úhlem x vzhledem ke směru krystalů či molekul, kterou materiál propustí, je daná Malusovým zákonem,

kde I_o je intenzita světla před průchodem a I intenzita propuštěného světla. První polarizující materiál, turmalín, byl objeven počátkem 19. století. Otcem moderních polarizačních fólií je E. H. Land, který v roce 1938 vynalezl výrobní postup, kdy se nejprve dosáhne rovnoběžné orientace dlouhých molekul polymeru mechanickým protažením materiálu v jednom směru a poté se zvýší jeho elektrická vodivost obohacením molekul o atomy jódu.

Filtry orientované stejne, svetlo prochází	Filtry orientované kolmo na sebe, svetlo neprochází
Obr. 3 – Polarizace světla průchodem přes polarizační fólii a zablokování světla pri zkrížení dvou polarizačních filtrů.

Výše zmíněný Malus se někdy v roce 1808 zabýval studiem světla odraženého skleněnou deskou. Zjistil, že v závislosti na úhlu, pod kterým světlo na desku dopadá, odražené světlo je buď více nebo méně polarizované ve směru rovnoběžném s deskou, od které se odrazilo, zatímco světlo, které deskou projde, je částečně polarizované ve směru kolmém. Dopadá-li nepolarizované světlo na desku kolmo, jak odražené, tak propuštěné světlo je nepolarizované. S tím, jak se ale světlo od kolmice více a více odchyluje, stává se odražené a propuštěné světlo stále více polarizovaným, až nakonec při jistém úhlu od kolmice je odražené světlo zcela polarizované. Propuštěné světlo je i tehdy polarizované pouze částečně.To můžeme vidět na Obr. 4. Tento úhel je známý jako Brewsterův úhel, je pro každý materiál jiný a dá se spočítat podle vzorce

kde theta_B je Brewsterův úhel, n₂ je index lomu materiálu, od kterého se světlo odráží a n₁ je index lomu média, kterým se světlo šíří. Například pro skleněnou desku je n₂ = 1.52, pro vzduch je n₁ = 1.00 a Brewsterův úhel vyjde jako 56.7 stupně. I pro mnoho dalších běžných materiálů (například pro rozhraní vzduch – voda) je Brewsterův úhel podobný. Pohybuje se kolem 55 stupňů.

a) obecný úhel	b) Brewsterův úhel
Obr. 4 – Polarizace světla při odrazu a lomu.

Velmi zajímavým materiálem je kalcit (CaCO₃). Ten na rozdíl od jiných materiálů láme světlo pod dvěma různými úhly. Každý paprsek se tak rozdělí ve dva – pozorujeme-li nějaký objekt skrz krystal kalcitu, vidíme ho zdvojeně. K rozdělení paprsku na dva dochází díky tomu, že osa symetrie krystalu běží diagonálně. Jeden ze dvou paprsků procházejících krystalem se chová zcela normálně, podle Snellova zákona, jako u všech běžných materiálů, zatímco druhý je tak trochu podivný. Rychlost šíření světla u něj závisí na tom, jakým směrem krystalem prochází. Světlo obou těchto paprsků je polarizované, a to ve směrech na sebe navzájem kolmých. Toho se využívá k výrobě refrakčních polarizačních filtrů. Tyto filtry ale mají menší účinnost než polarizační fólie a navíc jsou i objemnější, takže se využívají prakticky jen tam, kde polarizační fólie není z nějakého důvodu použitelná, například protože by se roztavila, jako třeba v laserové optice. V běžné fotografické praxi se s tímto typem polarizačních filtrů nesetkáme.

K polarizaci světla dochází mimo jiné také i při rozptylu světla způsobeného částicemi volně se vznášejícími ve vzduchu. Vlnění o kratších vlnových délkách je rozptylováno více než delší vlny. To, co vnímáme jako barvu oblohy, je sluneční světlo rozptýlené vzduchem. Jelikož v té části slunečním světla, která se rozptýlí, převládají kratší vlnové délky, a jelikož viditelné světlo krátkých vlnových délek se nám jeví jako fialové až modré a s tím, jak se vlnová délka zvětšuje, barva světla přechází přes zelenou, žlutou a oranžovou až k červené, jeví se nám obloha jako modrá, zatímco přímé nerozptýlené sluneční světlo jako žluté. Čím více částic se ve vzduchu vznáší a čím tlustší vrstvou vzduchu světlo musí projít, k tím většímu rozptylu světla dochází. Obloha je bledší, dálky se modrají a západy a východy slunce jsou proto červené. Naopak, ve velkých nadmořských výškách, kde světlo prochází tenčí vrstvou atmosféry, nebo je-li vlhkost vzduchu velmi malá, obloha je hodně tmavá. Rozptýlené světlo se šíří všemi směry. Nejvíce polarizovaná je ale ta jeho část, která se šíří kolmo na směr světla před rozptylem. Světlo je polarizované ve zbývajícím třetím kolmém směru, tedy ve směru kolmém jak na směr, ve kterém se světlo šíří před rozptylem, tak i po něm. Světlo, které se po rozptylu šíří stejným nebo přesně opačným směrem, jako před ním, není polarizované vůbec.

Co z toho plyne v praxi

a) ztmavení oblohy, zvýšení sytosti barev vegetace a země	b) podobný efekt, navíc redukce oparu a modrání dálek	c) redukce odlesků na vodní hladině
Obr. 5 – Efekt polarizačního filtru

Ve fotografické praxi se polarizační filtr nejčastěji používá v plenéru, ke ztmavení oblohy ( viz Obr. 5 a) a b) ). Navíc, protože modravý opar zastírající dálky vzniká úplně stejným způsobem jako nevýrazná bleděmodrá obloha, polarizační filtr současně pomáhá i odstranit tento opar ( viz Obr. 5 b) ). Vzhledem k tomu, že světlo rozptýlené částicemi ve vzduchu je nejvíce polarizované ve směru kolmém na směr šíření světla před rozptylem a protože slunce se chová prakticky jako bodový zdroj světla umístěný v nekonečnu (čili na nás a cokoli, co vidíme, svítí stejným směrem) je účinek polarizačního filtru největší, když směr kterým fotografujeme svírá se směrem, kterým je od nás slunce, pravý úhel. Bohužel naopak, díváme-li se přímo po slunci nebo naopak proti němu, ztmavit oblohu ani zredukovat opar polarizační filtr nedokáže, protože světlo, které se šíří ve směru od slunce k nám, je nepolarizované . Z tohoto důvodu se má polarizační filtr význam hlavně v barevné fotografii, kde na rozdíl od černobílé fotografie ke ztmavení oblohy a redukci oparu nelze použít žlutý, oranžový nebo červený filtr, u kterých tento problém nenastává. (Všimněte si také, že mraky jsou mléčný, difúzní materiál a světlo, které jimi projde je nepolarizované. Tudíž, je-li pod mrakem, polarizační filtr oblohu nijak neztmaví.)

Obr. 6 – Nerovnoměrné ztmavení oblohy polarizačním filtrem při použití širokoúhlého objektivu.

Další problém, který různá úroveň polarizace světla v různých směrech způsobuje, je nerovnoměrné ztmavení oblohy u objektivů zabírajících širší úhel. Obloha, která je na jedné straně fotografie mnohem tmavší, než na druhé, působí velmi rušivě (viz Obr. 6). Fotografujeme-li na kinofilm objektivem s ohniskem 20mm, je úhel záběru ve vodorovném směru (delší strana kinofilmového políčka) téměř 90 stupňů. To znamená, že budeme-li mířit objektivem ve směru svírajícím se spojnicí nás a slunce 45 nebo 135 stupňů, budeme mít na jednom kraji záběru oblohu maximálně ztmavenou a na druhém vůbec! V jiných směrech bude rozdíl méně markantní, nicméně stále veliký. U extrémně širokoúhlých objektivů se nerovnoměrnému ztmavení prakticky nelze vyhnout. Použití polarizačního filtru s těmito objektivy je značně riskantní záležitost, jelikož film je v tomto směru mnohem citlivější, než lidské oko a odhadnout, kdy na výsledné fotografii nebo diapozitivu bude nerovnoměrnost ztmavení ještě únosná, je poměrně obtížné. Prakticky jediná situace, kdy je použití polarizačního filtru na extrémně širokoúhlém objektivu poměrně bezproblémové, je, když je slunce téměř v nadhlavníku. Pak je totiž, ať se otočíme na kteroukoli světovou stranu, úhel ke slunci víceméně stejný, nerovnoměrnost ztmavení se odbývá pouze ve svislém směru a tam zpravidla není rušivá, protože jsme zvyklí na to, že různě vysoko, je obloha různě tmavá.

Není to ale vždy jen nerovnoměrnost ztmavení, která může způsobovat problémy, může to být i celková úroveň ztmavení oblohy. Speciálně v místech, kde bývá extrémně suchý vzduch, nebo ve velkých nadmořských výškách polarizační filtr může ztmavit oblohu tak, že je téměř černá (viz Obr. 7). Efekt bývá ještě umocněný, je-li například v záběru sníh na slunci a obloha je kromě ztmavení polarizačním filtrem ještě i podexponovaná. Někdy takto nepřirozeně tmavé nebe může vypadat zajímavě, jindy ale může fotografii pokazit. Míru ztmavení oblohy lze sice pomocí natočení filtru účinně regulovat, ale podobně jako v případě nerovnoměrného ztmavení, je většinou dost obtížné odhadnout podle obrazu v hledáčku, jaký bude skutečný efekt na filmu.

Obr. 7 – Extrémní ztmavení oblohy polarizačním filtrem ve vysoké nadmořské výšce.

Nemenší význam má použití polarizačního filtru ve fotografické praxi k odstranění nežádoucích odlesků, například na vodní hladině ( viz Obr. 5 c) ) nebo při fotografování skrz sklo (okna, vitríny, ale třeba také brýle na očích). I zde účinek polarizačního filtru závisí na úhlu šíření světla. Většinou se podaří odrazy zredukovat pouze částečně. Vzhledem k tomu, že Brewsterův úhel se pohybuje většinou kolem 55 stupňů, bývá účinek největší, fotografujeme-li směrem, který svírá s lesknoucím se povrchem úhel zhruba 35 stupňů. To však není vždy praktické. Například při kopírování obrazů, fotografií a jiných výtvarných děl a dokumentů potřebujeme fotografovat ve směru kolmém na předlohu, abychom se vyhnuli perspektivnímu zkreslení. Světlo odrážející se od lesklého povrchu ve směru kolmém ovšem není polarizované a polarizační filtr si tudíž s takovými odrazy neporadí. Stejně tak si neporadí ani se světlem odraženým kovovými předměty, které světlo nepolarizují. Při práci s umělým světlem v ateliéru lze tohle ale naštěstí obejít. Stačí použít polarizační filtr nejen na objektivu, ale také mezi světly a scénou. Odlesky jsou pak také polarizované a lze je polarizačním filtrem odstranit.

Nemusí to vždy být jen vodní hladina, sklo nebo jiné na první pohled lesklé předměty. Do jisté míry se leskne téměř všechno okolo nás. Fotografie pořízené kolem poledne vypadají obvykle dost nevábně a jedním z hlavních důvodů je skutečnost, že scény jsou vysoce kontrastní a barvy jsou nevýrazné díky spoustě bílého světla odrážejícího se od všech možných povrchů. Pokud není vyhnutí a člověk musí fotit v poledne, polarizační filtr často pomůže situaci alespoň částečně zachránit. Rozhodně stojí za to ho v takové situaci vyzkoušet. Všimněte si, že na Obr. 5 a) není tmavší jen obloha, ale polarizační filtr také pomohl odstranit odlesky od země a vegetace, takže na fotografii pořízené s filtrem jednak mají hezčí, sytější barvu a jednak také zdaleka tolik nebijí do očí černočerné stíny – vzhledem k tomu, že jejich okolí ztmavlo, se staly o něco méně nápadnými. Nejsou to ale jen o krajiny v poledním slunci. Polarizačním filtrem lze redukovat například i nežádoucí lesky na pleti modelky.

Ztmavování a zvyšování sytosti barev je ovšem dvojsečná zbraň. Tím, že polarizační filtr odstraní odražené a rozptýlené polarizované světlo, zvýší sytost barev nejen u objektů, u kterých nám o to jde, ale kromě toho také ztmaví a zviditelní prach rozptýlený ve vzduchu a usazený na povrchu věcí. Snímky tak někdy dostanou podivný nádech, zpravidla šedý, ale ne vždy. Záleží na tom, jaké barvy prach vznášející se ve vzduchu je (viz Obr. 8). Někteří lidé si tohle neuvědomují a považují to za chybu filtru, svádějí nádech na nedostatečnou barevnou neutralitu polarizační fólie filtru. K jejich velkému překvapení a zklamání problém nevyřeší ani ty úplně nejdražší filtry těch nejrenomovanějších značek. Vzhledem k tomu, že nádech bývá většinou do šeda a snímek potom působí trochu studeně, jsou poměrně populární kombinace polarizačního a mírně oteplujícího filtru a oteplující polarizační filtry, které tyto dva filtry spojují v jednom.

Obr. 8 – Extrémní případ zabarvení snímku způsobené zvýrazněním červeného prachu rozptýleného ve vzduchu polarizačním filtrem. Růžový nádech nad obzorem nejsou červánky. Jak dosvědčují krátké stíny, fotografie byla pořízena kolem poledne.

Polarizační filtr lze použít nejen k potlačení odrazů od lesklých povrchů, ale také naopak k jejich zvýraznění. Filtr sice odražené polarizované světlo sice nijak zesílit nemůže, maximálně ho může jen všechno propustit, nicméně jelikož pohltí polovinu ostatního, nepolarizovaného světla, odraz pak ve scéně více dominuje. Opět může jít jak o odrazy ve skle, na vodní hladině a pod., tak i například o oblohu. Večer,
kdy se mraky začnou jevit jako tmavé, můžeme kontrast mezi oblohou a mraky zvýšit tím, že oblohu pomocí polarizačního filtru zesvětlíme.

Další možnost použití polarizačních filtrů ve fotografii je jako náhrada za neutrální šedý filtr za účelem prodloužení expozice. Jako slabší šedý filtr se dá použít i jeden samotný polarizační filtr. Polarizační filtr je poměrně tmavý. Prodlužovací faktor polarizačního filtru obvykle bývá asi 2,5 – 3x, t.j., ubere cca 1¹/₃ – 1¹/₂ EV. (Žádný filtr totiž není zcela ideální a nejenže pohltí tu polovinu normálního nepolarizovaného světla, která kmitá převážně ve směru rovnoběžném se směrem molekul polarizační fólie, ale i menší část světla, které kmitá napříč.) Daleko lépe se ale k prodloužení expozice dají použít dva polarizační filtry našroubované na sebe. Díky tomu, že světlo, které polarizačním filtrem projde, je polarizované, tak jejich vzájemným natočením lze plynule regulovat, kolik světla dva filtry našroubované na sebe propustí, viz Obr. 3. Pokud budou oba filtry orientované stejně, propustí skoro stejné množství světla, jako filtr jeden – světlo zpolarizované prvním filtrem druhým téměř beze zbytku projde. Pokud ale jeden z filtrů pootočíme, druhý filtr část světla pohltí (viz Malusův zákon). Při vzájemném otočení o 90 stupňů neprojde prakticky žádné světlo. Má to ale jeden malý háček. Přední filtr musí být lineární, nikoli cirkulární. Tomuto tématu se ale už věnuje další část tohoto seriálu.