Tecnica. Il filtro polarizzatore

Dalla rivista online FotonicaMenteMagazine, per FotonicaMente con il quale ho collaborato.

Il filtro polarizzatore e’ forse il filtro piu’ utile ma anche il piu’ complesso da utilizzare al meglio tra quelli che si trovano comunemente nel corredo di un fotoamatore. I possibili utilizzi del polarizzatore sono molteplici e spaziano dalla rimozione di riflessi da superfici non metalliche all’aumento del contrasto e saturazione generale fino alla produzione di magnifici cieli azzurri e saturi.
Per poter capire come utilizzare un polarizzatore e’ necessario comprendere perche’ funziona e questo ci aiutera’ anche a capire quando il suo utilizzo non potra’ aumentare la qualita’ dell’immagine o addirittura portare ad un suo degrado.

Allora pronti perche’ entreremo un po’ nel mondo della fisica quantistica!

La luce come sapete e’ fatta da fotoni, particelle sub-microscopiche formate da onde che poi non sono altro che oscillazioni del campo elettrico e magnetico. Se prendete ad esempio le onde della superficie del mare vedete che le oscillazioni sono tutte in direzione alto-basso: le creste si alzano e abbassano regolarmente.

Ora, la polarizzazione di un’onda qualunque non e’ altro che la direzione nella quale essa oscilla: possiamo allora dire che le onde del mare sono tutte polarizzate verticalmente. I fotoni invece (per fortuna, dal nostro punto di vista) sono piu’ complessi e possiamo trovare fotoni che oscillano in una qualunque direzione perpendicolare alla direzione in cui viaggiano.

Se in un fascio luminoso sono presenti in egual modo tutte le polarizzazioni il fascio si dice impolarizzato. Nel caso opposto in cui le oscillazioni dei fotoni avvengono tutte in un’unica direzione il fascio si dice perfettamente polarizzato…..e ovviamente il caso intermedio in cui c’e’ prevalenza di una direzione di polarizzazione il fascio e’ detto parzialmente polarizzato.
La luce che proviene da una normale fonte luminosa (luce solare, lampade e ovviamente flash) e’ impolarizzata, tuttavia esistono sostanzialmente tre diversi processi fisici che possono polarizzare parzialmente o totalmente un fascio di luce…e tutti e tre hanno stretto rapporto con la fotografia…

  • Polarizzazione totale per passaggio attraverso un filtro polarizzante (ovviamente il nostro polarizzatore!)

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Polarizzazione con l’uso del filtro polarizzatore:
L’effetto e’ davvero molto semplice. In pratica un filtro polarizzatore e’ costituito da un substrato vetroso o plastico sul quale e’ depositato uno strato di un materiale composto da molecole molto lunghe e orientate nello stesso modo. Solo la luce che ha asse di polarizzazione parallelo a quello di orientamento puo’ passare attraverso il filtro, ottenendo così un fascio di luce completamente polarizzato.
In commercio si trovano due tipi di polarizzatori, i cosiddetti polarizzatori lineari e ipolarizzatori circolari……e in giro si trova anche un po’ di confusione su cosa sono in realta’. Il punto e’ che esistono due modi di polarizzare la luce: polarizzarla linearmente e polarizzarla circolarmente. Nel primo caso i fotoni che riescono a passare dal filtro hanno asse di polarizzazione fisso (quello del filtro) mentre la direzione di polarizzazione perpendicolare all’asse del polarizzatore e’ completamente assorbita. Nel caso del polarizzatore circolare la direzione di oscillazione del campo elettrico ruota mentre il fotone si muove producendo un effetto simile all’elicoide del DNA per intenderci

Qui mi limito a dire che in realta’ il filtro che acquistiamo come “polarizzatore circolare” non e’ un vero polarizzatore circolare ma e’ costituito in genere da un polarizzatore lineare al quale e’ associata una lamina che cambia la polarizzazione da lineare a circolare (lamina di ritardo o lamina a quarto d’onda), oppure e’ costituito da un polarizzatore lineare e da un vero polarizzatore circolare.

L’uso del “polarizzatore circolare” e’ d’obbligo nelle fotocamere moderne perche’ se la luce e’ polarizzata linearmente all’uscita del polarizzatore essa puo’ creare false stime nell’esposizione o mandare in tilt il modulo AF. Comunque da ora in poi parleremo solamente di polarizzazione lineare in quanto l’uso del polarizzatore in fotografia e’ indicato quando vogliamo sfruttare fenomeni fisici che creano una luce parzialmente o totalmente polarizzata linearmente.

Polarizzazione per riflessione su superficie non metallica
Qui le cose sono un pochino piu’ complesse. In sostanza quando la luce impolarizzata viene riflessa su una superficie liscia NON METALLICA essa acquista un certo grado di polarizzazione che dipende dall’angolo di incidenza perche’ nel raggio riflesso la parte dell’onda che ha asse di polarizzazione appartenente al piano di incidenza-riflessione viene riflessa di meno rispetto a quella con polarizzazione perpendicolare al piano di incidenza riflessione (vedi figura).

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C’e’ poi un angolo di incidenza caratteristico, detto angolo di Brewster (che per il vetro vale 56°) , per il quale la polarizzazione e’ (quasi) totale. Come conseguenza pratica i riflessi di luce provenienti da specchi d’acqua o superfici riflettenti non metalliche hanno in genere un certo grado di polarizzazione e possono essere fortemente ridotti usando un filtro polarizzatore con asse orientato perpendicolarmente alla superficie riflettente (e’ questo il principio di funzionamento degli occhiali Polaroid con i quali e’ possibile ridurre moltissimo i riflessi dai lunotti delle auto).

Come esempio di applicazione consideriamo il problema classico del riflesso di una sorgente luminosa su una superficie vetrosa come la cornice a giorno di un quadro/fotografia.
Per semplificare le cose ho disposto la cornice su un tavolo con la sorgente e la macchina fotografica sui lati opposti del tavolo. Nella foto a sinistra (a) della figura seguente si vede l’effetto solito della riflessione parziale: praticamente la foto e’ illeggibile

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Poiche’ il piano di incidenza-riflessione in questo caso e’ verticale, la luce riflessa e’ parzialmente polarizzata con prevalenza della direzione orizzontale. Per diminuire drasticamente i riflessi e’ allora sufficiente ruotare il polarizzatore in modo da orientare il suo asse verticalmente. Per chi non si ricordasse tutto questo e’ sufficiente ruotare lentamente il polarizzatore e controllare nel mirino l’effetto sui riflessi.

Per un angolo di incidenza qualunque, come abbiamo gia’ detto, il grado di polarizzazione e’ solo parziale e ci aspettiamo quindi che usando il polarizzatore i riflessi vengano eliminati solo in parte. In effetti e’ così come si vede nella fotografia centrale (b) della figura qua sopra che e’ stata ottenuta inserendo il polarizzatore e cercando l’orientazione piu’ efficace (che manco a dirlo corrispondeva
con l’asse verticale). Come si puo’ vedere nell figura (b) il contrasto generale e’ migliorato nettamente, tuttavia il riflesso della sorgente e’ ancora ben visibile. Avendo a disposizione un po’ di tempo e’ pero’ possibile fare molto meglio. Per fortuna c’e’ un angolo di incidenza (che e’ sempre uguale a quello di riflessione) per il quale la luce che emerge e’ totalmente polarizzata.
Questo angolo e’ detto angolo di Brewster e si trova tabulato per diversi tipi di materiali. Ora, visto che nella borsa di un fotoamatore non si trova comunemente un goniometro tralascio di fornire la tabella o la formula per calcolarlo….la cosa essenziale e’ capire che esiste e quindi, muovendo la fotocamera in modo da modificare l’angolo di vista, trovare la posizione di ripresa migliore e scattare. Per farlo la procedura migliore e’ la seguente:

– Ruotare il filtro polarizzatore in modo da ottenere la massima riduzione dei riflessi
– Muovere la macchina nella direzione perpendicolare alla superficie riflettente in modo da trovare il punto nel quale il riflesso quasi scompare
– Correggere l’orientamento del filtro e scattare

In questo caso poiche’ la superficie era orizzontale ho mosso verticalmente la fotocamera
e, abbassandola un po’, ho trovato il punto di vista piu’ efficace per rimuovere il riflesso.

Nella foto (c) della figura soprastante, acquisita con angolo di riflessione uguale all’angolo
di Brewster, quasi tutto il riflesso e’ stato eliminato e il contrasto/saturazione sono migliorati
nettamente. Una minima parte del riflesso e’ rimasta a causa della non perfetta efficienza del mio filtro polarizzatore e di diffusioni secondarie.

Polarizzazione parziale per diffusione:
Il cielo in assenza di nuvole e’ di un bel blu….gia’ ma perche’? Perche’ la luce proveniente dal sole, che e’ formata da fotoni di colore differente, quando entra nell’atmosfera subisce il fenomeno della diffusione: in pratica i fotoni “rimbalzano” in direzioni casuali a causa di fluttuazioni di densita’ su
scala microscopica, facendo sì che la luce ci arrivi un po’ da tutte le direzioni. Il colore blu del cielo e’ poi dovuto semplicemente al fatto che fotoni di colore blu-violetto hanno una probabilita’ nettamente maggiore di venire diffusi rispetto a quelli rosso-arancio, con l’effetto netto di una colorazione blu del cielo e la colorazione rosso-arancio della bassa atmosfera al tramonto.

Anche qui la polarizzazione dei fotoni svolge il suo ruolo e fotoni con polarizzazione paralleli al piano di diffusione sono diffusi con minore probabilita’ rispetto a quelli con polarizzazione perpendicolare al piano di diffusione (cioe’ semplicemente quel piano nel quale troviamo sia il raggio di luce proveniente dal sole che quello diffuso che arriva verso di noi)….ancora una volta con il risultato di una luce diffusa parzialmente polarizzata.

Il grado di polarizzazione dipende molto dall’angolo di diffusione. Osservando la luce
che arriva direttamente dal Sole (angolo zero o molto piccolo) ci accorgiamo che essa e’ totalmente
impolarizzata. Ruotando lo sguardo vedremo che la luce diviene via via piu’ polarizzata, con il massimo grado di polarizzazione ottenuto guardando a 90° rispetto al sole.
Quindi se il sole e’ alto nel cielo (per semplicita’ consideriamo lo Zenit anche se alle nostre latitudini non lo troveremo mai lì)avremo il massimo grado di polarizzazione(che teoricamente sarebbe il 100% ma che in pratica e’ circa il 70% a causa di diffusioni multiple e altri fenomeni minori)in tutto il cerchio del cielo prossimo all’orizzonte.

Se invece il sole e’ basso il cerchio di massima polarizzazione lo si individua facilmente come il cerchio del quale il sole occupa il centro e i cui punti sono a 90° appunto rispetto al sole.

Per capire meglio tutto questo consideriamo dapprima il caso piu’ semplice del sole allo Zenit. Ricordatevi che il piano di diffusione e’ quel piano nel quale troviamo la direzione dalla quale proviene il raggio di luce diffuso e il raggio di luce che proveniva dal Sole (vedi figura qua sotto).

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Visto che la luce che ci proviene da punti prossimi all’orizzonte ha il massimo grado di polarizzazione nel piano orizzontale, per scurire il cielo e donargli saturazione e’ sufficiente ruotare il polarizzatore in modo da filtrare proprio i raggi di luce provenienti da quella porzione di cielo: posizionando l’asse del polarizzatore verticalmente [come indicato dalla linea tratteggiata della figura] la luce con polarizzazione orizzontale verra’ filtrata e il cielo di conseguenza apparira’ piu’ scuro e con contrasti piu’ marcati.

Osservando porzioni di cielo piu’ vicine allo Zenit, vedremo che il grado di polarizzazione e’ inferiore cioe’ la luce sara’ solo parzialmente polarizzata (vedi figura sottostante)

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quindi l’uso del polarizzatore (ancora una volta con asse verticale) produrra’ un effetto piu’ modesto. Osservando il cielo in prossimita’ del sole, infine, vedremo che il filtro polarizzatore non produrra’ alcun effetto in quanto la luce diffusa non sara’ polarizzata.

Se il sole non e’ allo Zenit le cose cambiano.La porzione di cielo vicino all’orizzonte non e’illuminata da raggi di luce che formano un angolo di 90° rispetto alla luce del sole e di conseguenza il grado di polarizzazione sara’ solo parziale (vedi figura sottostante)

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Tuttavia altre regioni del cielo, come abbiamo detto in precedenza, godono di una polarizzazione molto alta. Per capire come trovarle osserviamo prima la figura successiva

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La porzione di cielo (un cerchio) i cui punti mandano raggi di luce che sono perpendicolari al sole (in qualunque posizione esso si trovi) sono quelli per i quali la polarizzazione e’ massima e quindi l’uso del polarizzatore piu’ efficace. Poiche’ la direzione di polarizzazione e’ sempre perpendicolare
al piano di diffusione (il piano grigio nella figura)ne segue che l’asse del polarizzatore deve essere orientato nella direzione del sole. Questa regoletta e’ molto ma molto utile nel caso in cui il nostro obiettivo sia protetto da un paraluce non a petalo, con il quel e’ difficoltoso ruotare il filtro per cercare l’asse che realizza l’effetto cercato.

Facciamo un esempio con degli scatti acquisiti a meta’ mattina quindi con il sole a meta’ altezza nel cielo in direzione EST (per essere precisi sarebbe Nord-Est ovviamente).

Nella figura qua sotto riporto due scatti in direzione SUD. Il primo scatto (a sinistra) e’ senza filtro polarizzatore mentre il secondo (a destra) e’ con il polarizzatore orientato in modo da filtrare maggiormente la luce diffusa dall’atmosfera…..e quindi con asse ORIZZONTALE (perche’ orientato in direzione del sole)

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Come si vede chiaramente l’effetto del polarizzatore e’ quello di aumentare il contrasto e la saturazione scurendo i cielo nella parte in alto (piu’ prossima al cerchio perpendicolare al sole).

Per facilitare il confronto le immagini non hanno ricevuto alcuna elaborazione. Nell’esempio che segue gli scatti sono stati catturati in direzione EST quindi controluce.
Qui l’uso del polarizzatore non ha portato a nessun miglioramento dell’immagine. Anzi, guardando con attenzione l’immagine ci si accorge che il contrasto generale e’ (blandamente) diminuito e la stessa ha perso i toni caldi. In effetti come abbiamo detto in controluce oppure guardando nella direzione opposta al sole la luce diffusa dall’atmosfera non e’ polarizzata quindi il polarizzatore si comporta (quasi perche’ di colore blu scuro) come un filtro neutro portandosi dietro lo svantaggio di un aumento del tempo di scatto e della perdita di contrasto dovuta alla presenza di un’ulteriore superficie ottica.

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Concludo con un’altra osservazione che verra’ esemplificata nell’immagine della pagina successiva ottenuta a meta’ pomeriggio (Sole a OVEST a meta’ altezza nel cielo) in una giornata di cielo parzialmente nuvoloso.

L’immagine di sinistra e’ stata catturata con polarizzatore orientato verticalmente. Poiche’ la luce proveniente dalla porzione di cielo inquadrata aveva direzione di polarizzazione verticale, il filtro polarizzatore NON ha aumentato il contrasto nel cielo. Tuttavia la luce riflessa dall’acqua ha asse di polarizzazione orizzontale e per essa il filtro ha effetto, eliminando per buona parte i riflessi. Nell’immagine a destra il polarizzatore ha asse orizzontale e la situazione si presenta invertita: il cielo ha un contrasto maggiore e i riflessi sono presenti. Non e’ quindi possibile avere sia il cielo saturato/con maggior contrasto e l’eliminazione di riflessi se il sole e’ a 90 gradi rispetto alla zona inquadrata.

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CONCLUSIONI

L’utilizzo del polarizzatore non e’ immediato ma se si e’ compreso (almeno per sommi capi) perche’ funziona allora siamo davvero sulla buona strada per impiegarlo al meglio. Nel caso in cui si vogliano eliminare (quasi totalmente) i riflessi da una superficie non metallica basta ricordarci che la luce riflessa ha acquistato un certo grado di polarizzazione PERPENDICOLARE AL PIANO DI INCIDENZA-RIFLESSIONE e che quindi per eliminarla occorre ruotare l’asse del polarizzatore in modo da orientarlo lungo quel piano. Ricordo poi che esiste un angolo di incidenza e riflessione particolare (angolo di Brewster) per il quale la luce riflessa e’ TOTALMENTE POLARIZZATA e quindi il polarizzatore e’ particolarmente efficace.

Per quanto riguarda invece l’uso del polarizzatore con l’intento di scurire/saturare il cielo occorre tenere presente che a causa della diffusione da parte dell’atmosfera la luce acquista un certo grado polarizzazione che e’ massimo (70% reale, 100% nominale) quando l’angolo di diffusione e’ 90° cioe’ quando la luce proviene da porzioni di cielo a 90° rispetto al Sole. Purtroppo quando l’angolo di diffusione e’ molto piccolo (la luce proviene cioe’ da zone
di cielo prossime al Sole) oppure prossimo a 180° (cielo dalla parte opposta al Sole) la luce
incidente risulta impolarizzata e quindi il filtropolarizzatore del tutto inefficace. Per determinare immediatamente la direzione ottimale dell’asse del polarizzatore basta
inquadrare il soggetto e ruotare l’asse del polarizzatore nella direzione del Sole.
Concludo osservando che in controluce non solo il polarizzatore e’ inefficace ma che tipicamente il suo uso e’ controproducente a causa del fatto che esso introduce ulteriori riflessioni interne nell’ottica riducendo ulteriormente il contrasto.

Buoni esperimenti…..e cominciate, se avete un monitor LCD (che funziona sfruttando due polarizzatori incrociati), a vedere cosa succede fotografandolo con il polarizzatore!
Paolo Tomassini
tomassini.altervista.org

2 commenti Aggiungi il tuo

  1. Francesca ha detto:

    E’ possibile cambiare la istribuzione dei colori usando il polarizzatore? Grazie, Francesca

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    1. Paolo Tomassini ha detto:

      Sì il polarizzatore e’ usato anche per cambiare la composizione cromatica. Il rovescio della medaglia e’ che non e’ consigliabile utilizzare il polarizzatore se vogliamo ottenere una riproduzione fedele dei colori (vedi foto d’arte).
      paolo

      Mi piace

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