Polarizační filtry: Lineární, nebo cirkulární?

Jak se liší lineární a cirkulární polarizační filtr a kdy je který z nich potřeba? Na tuto otázku a některé další s ní související vám odpoví tento článek.

Lineární polarizační filtr je obyčejný polarizační filtr, tak jak, jsme o něm mluvili v prvním díle
tohoto seriálu. Proč je potřeba ještě nějaký jiný? Moderní jednooké zrcadlovky vybavené autofokusem a vestavěným expozimetrem měřícím světlo procházející skrz objektiv s lineárním filtrem můžou mít potíže. Světlo, přicházející objektivem se odráží od zrcadla, prochází hranolem a v hledáčku vidíme scénu přesně tak, jak ji vidí objektiv fotoaparátu. Nicméně naše oko není jediné zařízení, které potřebuje scénu skrz objektiv vidět. Obraz je potřeba dostat nejen do hledáčku (a později na film), ale také na sensory expozimteru a autofokusu. Vyvstává tu klasická nerudovská otázka – kam s nimi, aby nepřekážely.

Řešení jsou různá, design se liší přístroj od přístroje. Nejčastěji jsou ale založená na tom, že světelné paprsky se pomocí polopropustného zrcadla nebo hranolu rozdělí a zatímco část světla pokračuje směrem do hledáčku, druhá část směřuje na sensory. To, jak se světlo rozdělí, ale mívá co do činění se směrem, kterým světlo kmitá. Je-li světlo nepolarizované, t. j., jsou-li všechny směry zastoupené víceméně rovnoměrně, rozdělí se vpodstatě vždy stejně. Je-li ale světlo před rozdělěním výrazně polarizované, to, jak se rozdělí, závisí na směru, ve kterém je polarizované. (Je to podobné jako třeba u polarizační fólie, která, je-li světlo nepolarizované, tak vždy zhruba polovinu zadrží a polovinu propustí, zatímco je-li světlo polarizované, v závislosti na směru jeho polarizace nemusí zadržet prakticky žádné a všechno propustit, nebo naopak může zadržet všechno a nepropustit nic.) Expozimetr pak sice správně změří množství světla, které na jeho sensory dopadne, nicméně expozice, kterou na základě tohoto měření fotoaparát určí, může být zcela mimo, protože procento světla, které šlo na sensory expozimetru, neodpovídalo poměru typickému pro nepolarizované světlo, se kterým fotoaparát počítá. Stejně tak se může stát, že úhel polarizace bude takový, že se nedostane dostatečné množství světla na sensory autofokusu a ten proto bude nefunkční. Z těchto důvodů je u fotoaparátů, u kterých je autofokus nebo měření expozice vyřešené pomocí dělení světla, potřeba světlo, které je po průchodu polarizačním filtrem polarizované, než se dostane do objektivu fotoaparátu, zase nějakým způsobem depolarizovat. Depolarizace světla pomocí difúze nepřichází v úvahu, jelikož ta by kromě polarizace spolehlivě zlikvidovala i fotografický obraz. Je tudíž potřeba situaci řešit jinak a řešením jsou právě cirkulární polarizační filtry.

Obr. 1 – Transformace světla lineárně polarizovaného na světlo kruhově polariozvané pomocí čtvrtvlnné destičky.

Přesně řečeno, cirkulární filtry prošlé světlo nedepolarizují. Jen mění světlo lineárně polarizované (vlny kmitající v jednom směru) na světlo kruhově (cirkulárně) polarizované. To je světlo, u kterého elektrické pole rotuje. Díky tomu, že se vektor pole otáčí, co se dělení na bázi směru vektoru pole týká, chová se kruhově polarizované světlo podobně, jako světlo nepolarizované a automatiku moderních fotoaparátů nemate.

Cirkulární polarizační filtr vypadá tak, že za polarizační fólií má další vrstvu, která lineárně polarizované světlo roztáčí. Jedná se o tak zvanou čtvrtvlnnou destičku (quarter wave plate), což je destička ze speciálního materiálu, jehož krystalická struktura způsobuje, že světlo, které kmitá jedním směrem, se v něm šíří rychleji než světlo, které kmitá ve směru kolmém. Tato destička je za polaroidovou fólií připevněná tak, aby směr polarizace byl přesně uprostřed mezi těmito dvěma směry. Vlnu kmitající v tomto směru můžeme vidět jako součet dvou vln, jedné kmitající ve směru rychlé osy materiálu destičky a druhé ve směru osy pomalé. Tyto vlny jsou spolu ve fázi, t.j. nabývají minima a maxima na stejných místech. Tím, jak ale vlna prochází destičkou, složka kmitající v pomalém směru zaostává, takže po průchodu již vlny ve fázi nejsou. Jak bude jejich součet vypadat závisí na tom, o kolik se složka kmitající v pomalém směru destičky opozdí. Pokud se pomalá složka zpozdí o čtvrtinu vlnové délky, oscilování vektoru elektrického pole v jednom směru se změní na otáčení kolem směru, kterým se světlo šíří, to znamená, lineárně polarizované světlo se změní na světlo polarizované kruhově, viz Obr. 2.

Obr. 2 – Nahoře: vlny ve fázi, světlo lineárně polarizované. Dole: jedna vlna zpožděná o čtvrtinu vlnové délky, světlo kruhově polarizované.

To, o kolik se složka v pomalejším směru zpozdí, závisí na poučitém materiálu (konkrétně na rozdílu jeho indexu lomu v rychlém a pomalém směru) a na tloušťce destičky. Jedním z populárních bludů je tvrzení, že čtvrtvlnná destička je tlustá přesně čtvrtinu jedné vlnové délky světla. To je ovšem absolutní nesmysl. Jednak by se krystalická destička takto tenká těžko vyráběla a jednak by ani nesplňovala to, co od ní potřebujeme – aby zpožďovala světlo kmitající v jednom směru o čtvtinu vlnové délky. Selským rozumem – jedno auto předjede druhé auto o čtvrtinu svojí délky na dráze dlouhé čtvrtinu svojí délky pouze když se to druhé auto vůbec nehýbe a stojí na místě, nikoli když pouze jede pomaleji.
(Další poměrně rozšířšný blud týkající se cirkulárních polarizačních filtrů je, že cirkulární polarizační filtry mají fólii, která nemá mřížku tvořenou rovnými čarami, ale soustřednými kroužky a že proto nematou autofokus, který je na čáry jdoucí v jednom směru citlivý, nicméně ale protože většina ploch kolem nás je rovná a ne kulatá, tak polarizují méně než filtry lineární.)

Čtvrtvlnná destička není ale zcela dokonalé řešení. Je totiž čtvrtvlnná pouze pro jednu konkrétní vlnovou délku. Pro ostatní vlnové délky je zpoždění samozřejmě menší nebo větší než čtvrtina vlnové délky a výsledkem je pak světlo, které je polarizované ne kruhově, ale elipticky. Z hlediska dělení světla na dva různé paprsky je to podobné, jako by světlo bylo částečně lineárně polarizované. Čtvrtvlnná destička bývá zkonstruovaná pro vlnovou délku někde v polovině viditelného spektra. Pokud ale ve scéně bude převládat některá barva z kraje spektra (modrá nebo naopak červená) účinnost destičky bude nižší a měření expozice tak může být ne zcela přesné.

Dobrá. Víme tedy, že pro naši moderní zrcadlovku s TTL měřením expozice a autofokusem potřebujeme cirkulární polarizační filtr. Jak ale poznáme, že to, co nám někdo nabízí, je skutečně cirkulární filtr a ne lineární? Snadno. Jednak to na cirkulárním filtru obvykle bývá napsané a jednak to lehko zjistíme, podíváme-li se skrz filtr na nějaký lesklý nekovový objekt nejprve směrem, kterým filtr bývá našroubovaný na objektivu a pak filtr otočíme obráceně. Díváme-li se filtrem tak, jak filtr patří, filtr odstraňuje odlesky a při jeho pootáčení do stran vidíme, jak se scéna mění. Podíváme-li se ale přes filtr opačným směrem, to je obráceně než bývá našroubován na objektivu, tak zatímco lineární filtr se chová úplně stejně, u cirkulárního polarizačního filtru pak světlo dopadá nejdřív ne na polarizační fólii, ale na čtvrtvlnnou destičku, která lineárně polarizované světlo roztočí. Teprve pak až se dostane na polarizační fólii, ale ta, vzhledem k tomu, že světlo na ni dopadající už není lineárně, ale kruhově polarizované, ať už bude filtr natočený jakkoli jednoduše jen propustí zhruba polovinu dopadajícího světla. To znamená, budeme-li filtrem pootáčet doleva a doprava, nebude to mít žádný viditelný efekt.
Ze zcela stejného důvodu, pokud chceme používat dva polarizační fitry jako neutrální filtr s nastavitelnou hustotou, musí být filtr našroubovaný na prvním filtru obyčejný lineární filtr. (Filtr našroubovaný přímo na objektivu, by měl být takový, s jakým správně funguje náš fotoaparát, to je u fotoaparátů s automatikou kruhový.) Pokud bychom jako vnější filtr použili filtr cirkulární, tak díky tomu, že dojde k roztočení světla před jeho vstupem do druhého filtru, našroubovaného přímo na objektivu, tak můžeme filtry proti sobě natáčet jak chceme a výsledek bude vždy stejný. Druhý filtr pak sebere o trošku víc než polovinu světla, které se na něj dostane a vzhledem k tomu, že o něco více než polovinu původního světla pohltil už přední filtr, výsledný efekt bude asi -2,5 až -3 EV.

Jiný způsob, jak zjistit, jestli je polarizační filtr lineární nebo cirkulární, je, podívat se přes něj do zrcadla. Zrcadlo sice samo světlo nepolarizuje, ale dopadne-li na něj světlo již polarizované, odražené světlo bude také polarizované. Díváme-li se přes filtr tím směrem, jak bývá našroubovaný na objektivu, tak světlo jdoucí od našeho oka směrem do zrcadla zpolarizuje, zrcadlo polarizaci a její směr zachová a filtr pak odražené světlo jdoucí zpátky k našemu oku prakticky všechno propustí. Je-li filtr lineární, tak funguje na obě strany stejně a tudíž bude v zrcadle vypadat v obou případech stejně. Otočený cirkulární filtr ale polarizované světlo zase roztočí, takže světlo, které na zrcadlo dopadne a tudíž i to, které se odrazí, není lineárně polarizované a filtr ho část pohltí. Obráceně otočený cirkulární filtr se tudíž v zrcadle jeví výrazně tmavší.