Polarisation des Lichts in der Projektion

Was ist Polarisation — und warum arbeiten Flüssigkristall-Bildwandler damit, während ein Spiegelarray sie nicht braucht?

Licht ist eine elektromagnetische Transversalwelle: Seine Felder schwingen quer zur Ausbreitungsrichtung. Als Polarisationsrichtung gilt die Richtung, in der das elektrische Feld schwingt. Bei linear polarisiertem Licht bleibt sie fest, bei unpolarisiertem Licht — dem Licht einer Lampe — wechselt sie regellos über alle Richtungen.

Halte eine Sonnenbrille mit Polfilter vor ein Handydisplay und drehe sie langsam. In einer Stellung siehst Du das Bild, in der um 90 Grad gedrehten wird es fast schwarz. Das liegt nicht an der Brille und nicht am Handy, sondern daran, dass Licht eine Schwingungsrichtung hat — und dass beide Geräte damit arbeiten. Genau dieser Effekt steckt auch in vielen Beamern: Er ist dort das Werkzeug, mit dem ein Bildpunkt hell oder dunkel gemacht wird.

Ausführliche Erklärung

Ein Polarisator lässt eine Schwingungsrichtung durch und hält die dazu senkrechte zurück. Für Zwischenwinkel gilt eine cos²-Abhängigkeit: Steht das einfallende Licht um den Winkel θ gegen die Durchlassrichtung, kommt der Anteil cos²θ hindurch. Diese Beziehung heißt Malussches Gesetz, nach dem französischen Physiker Étienne-Louis Malus, der die Polarisation durch Reflexion zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschrieb.

Eine Eigenschaft dieses Bauteils entscheidet über den ganzen Lichthaushalt eines Projektors: Ein Polarisator kann eine vorhandene Schwingungsrichtung nicht in die gewünschte umwandeln. Das ist physikalisch ausgeschlossen — er kann den unerwünschten Anteil nur entfernen. Aus unpolarisiertem Licht wird deshalb an einem einfachen Polarisator bestenfalls die Hälfte nutzbar, der Rest wird zu Wärme oder verlässt den Weg in eine andere Richtung.

Warum Flüssigkristalle darauf angewiesen sind

Ein Flüssigkristall-Bildpunkt macht Licht nicht dunkler, indem er es schluckt. Er verändert die Schwingungsrichtung des durchlaufenden Lichts, und ein zweiter Polarisator dahinter — der Analysator — entscheidet, was davon weitergeht. Die Patentliteratur zur Projektionsoptik beschreibt den Weg für ein reflektives Panel Schritt für Schritt: Ein polarisierendes Element schickt den einen Polarisationszustand zum Farbteiler und weiter zu den Bildwandlern; ein eingeschalteter Bildpunkt kehrt die Polarisation bei der Reflexion um; dasselbe Element wirkt auf dem Rückweg als Analysator und lässt nur das umgekehrte Licht in die Projektionsoptik. Was nicht umgekehrt wurde, kommt nicht im Bild an — das ist der Schwarzwert dieses Aufbaus.

Damit ist auch gesagt, warum dieses Bauteil zwei Aufgaben zugleich übernimmt: Es polarisiert das Beleuchtungslicht und trennt zugleich den Hin- vom Rückweg. Bei einem reflektiven Panel liegen beide Wege übereinander, und ohne eine solche Trennung ließe sich das Bild vom Beleuchtungslicht nicht unterscheiden.

Und warum das Spiegelarray sie nicht braucht

Ein kippender Spiegel lenkt Licht um, unabhängig davon, wie es schwingt. Der Hersteller des DLP-Bausteins stellt die Polarisationsunabhängigkeit deshalb ausdrücklich als Eigenschaft heraus: Dieses Verfahren spart den Polarisationsschritt und damit den Lichtverlust, der an ihm entsteht. Das ist kein Urteil über die Bildqualität der einen oder anderen Bauart — es erklärt nur, warum die Lichtbilanzen verschieden aussehen.

Ein Nebenbefund gehört dazu, weil er beide Themen verbindet: Auch dichroitische Schichten sind bei schrägem Einfall polarisationsabhängig, ihre Trennkante liegt für die beiden Ebenen nicht an derselben Stelle. Wer einen Lichtweg mit Farbteilung und Polarisation zugleich baut, entwirft deshalb kein Bauteil nach dem anderen, sondern beide gegeneinander.

Häufiges Missverständnis

„Ein Polfilter macht das Licht polarisiert." Genau das leistet er nicht. Er lässt den passenden Anteil durch und entfernt den Rest — das Ergebnis ist polarisiertes Licht, aber es ist weniger geworden. Der Unterschied klingt nach Wortklauberei und erklärt doch, warum Projektoren mit Flüssigkristall-Bildwandlern aufwendige Beleuchtungsoptiken haben: Wer die Hälfte behalten will, braucht vor dem Polarisator eine eigene Baugruppe, die den falsch schwingenden Anteil abtrennt und in die gewünschte Richtung dreht, statt ihn wegzuwerfen.

Nicht zu verwechseln mit

Dichroitische Farbteilung: trennt nach Wellenlänge. Verwirrend ist, dass auch Polfilter dichroitisch heißen können — dort im ursprünglichen Wortsinn, bezogen auf zwei Schwingungsrichtungen statt zwei Farben.
Polung im Elektrischen: Plus und Minus an einer Batterie oder die Anschlussrichtung eines Lautsprechers haben mit der Schwingungsrichtung von Licht nichts zu tun, auch wenn das Wortfeld dasselbe ist.
Polfilter in der Fotografie: dieselbe Physik, andere Aufgabe — dort werden Spiegelungen unterdrückt, hier wird ein Bild moduliert.

In der Planung

Sichtbar wird Polarisation im Projekt an zwei Stellen. Die erste ist die Bildfläche: Manche Materialien verändern die Schwingungsrichtung des auftreffenden Lichts. Für eine gewöhnliche Zweidimensional-Projektion spielt das keine Rolle, für Verfahren, die zwei Bilder über ihre Polarisation trennen, sehr wohl. Wo solche Verfahren im Raum vorgesehen sind, gehört die Bildfläche zur selben Entscheidung wie das Gerät und wird nicht danach ausgewählt.

Die zweite Stelle ist die Lichtbilanz. Wer zwei Geräte verschiedener Bauart mit gleicher Lampenleistung vergleicht und sich über unterschiedliche Lumen-Angaben wundert, findet einen Teil der Antwort hier: Der Polarisationsschritt kostet Licht, und er kostet es unabhängig davon, wie gut das Gerät sonst ist.

Verknüpfte Inhalte

Der Flüssigkristallmodus, der die Schwingungsrichtung im Ruhezustand unverändert lässt, steht bei vertikal ausgerichteter Flüssigkristall; die beiden Bauformen, die damit arbeiten, bei LCoS und transmissives LCD. Die Trennung nach Wellenlänge erklärt die dichroitische Farbteilung.

Quellen

Die physikalischen Grundlagen — Transversalwelle, Polarisationsrichtung, cos²-Abhängigkeit am Polarisator und die Feststellung, dass ein Polarisator nicht umwandeln kann — stammen aus zwei Artikeln einer Photonik-Enzyklopädie eines benannten Fachautors; ein Erscheinungsdatum gibt die Quelle nicht an. Der Aufbau des reflektiven Projektionswegs samt Analysatorfunktion und die Polarisationsabhängigkeit dichroitischer Schichten sind über eine Patentschrift belegt. Die Polarisationsunabhängigkeit des Spiegelarrays ist eine Herstellerangabe.

Paschotta, RP Photonics Encyclopedia, Polarization of Light — Transversalwelle, Polarisationsarten, p- und s-Polarisation.
Paschotta, RP Photonics Encyclopedia, Polarizers — Malussches Gesetz, Grenzen eines Polarisators, Bauarten.
US 5 914 817 A (1999) — polarisierendes Element als Analysator, Polarisationsumkehr am Bildpunkt, S- und P-Ebene an dichroitischen Schichten.
Texas Instruments, DLPB010E — Polarisationsunabhängigkeit des DLP-Bildwandlers.