Um pouco mais sobre filtros polarizadores

A luz é uma onda eletromagnética, tal como Faraday desconfiou, e acabou provando.

A polarização da luz é o alinhamento destas ondas eletromagnéticas, e a luz comum é a total bagunça de polarização, com todas as polarizações possíveis.

A polarização da luz pode ser encarada como um vetor, e como tal, pode ser decomposta em, pelo menos, dois outros vetores menores. Um filtro polarizador faz a decomposição das polarizações em duas outras polarizações perpendiculares, bloqueando uma e permitindo que a outra passe.

Explicando um pouco mais de vetores

Observe os dois vetores abaixo:

O Vetor mostrado em preto tem o mesmo tamanho nas duas representações, mas por estar em ângulos diferentes em cada uma delas, as componentes horizontal (em vermelho) e vertical (em verde) são diferentes. (Nota: Estas cores são para ilustrar aqui, e não tem nenhuma relação com cores da luz.)

Abaixo estão os mesmos vetores, mas mostrando as linhas que dão uma ideia melhor da adição dos vetores horizontal e vertical. Observe a linha vermelha paralela com o vetor na horizontal e a linha verde em paralelo com o vetor vertical.

Mas as componentes de um vetor não precisam ser necessariamente perpendiculares, como mostrado abaixo.

Na esquerda temos dois vetores não perpendiculares gerando um vetor resultante em preto. No centro é mostrado os paralelos destes vetores, e na direita está de forma bem explícita a soma dos vetores, o que ajuda a entender como chega-se a esta resultante em preto.

Uma forma de entender é imaginar um grupo de pessoas empurrando algo pesado. Todos podem empurrar em uma direção, formando um vetor que é o somatório de forças paralelas, que também são vetores paralelos. Mas pode ser necessário que se arraste ao mesmo tempo um pouco para um lado, então alguém pode ir para um lado empurrando perpendicularmente em relação aos outros. O objeto se moverá de acordo com a soma dos vetores de força exercidos por todos que o empurram.

Outro detalhe sobre o grupo empurrando um objeto pesado. Mesmo que todos empurrem na mesma direção, conseguirão eles empurrar perfeitamente em paralelo? Conseguirão eles terem seus vetores individuais perfeitamente paralelos? Não, mas o objeto se moverá segundo o vetor resultante da soma dos vetores de cada empurrador e mais a ação do atrito, que pode ser encarado como um vetor em contrário.

Mas estamos falando de fotografia, e não de empurrar objetos pesados.

(Para uma complexa e bem mais completa explicação sobre vetores veja aqui.)

Vetores e filtros polarizadores

Como falado acima, a luz comum é uma completa bagunça de polarizações, existindo todas as polarizações possíveis. Claro que, no geral, a luz refletida por objetos também é assim (As exceções serão vistas adiante.). E o que acontece se usar um filtro polarizador?

O filtro polarizador não polariza a luz, e sim, elimina, filtra a polarização, dividindo a luz em duas polarizações perpendiculares, deixando passar uma e eliminando a outra. Com isto acontece a eliminação de metade da luz não polarizada que chega ao filtro. Do outro lado do filtro se terá somente luz polarizada.

No caos de polarizações da luz vão ter algumas que coincidem com a polarização do filtro, passando completamente e outras que coincidem perpendiculares à ela, sendo totalmente bloqueada, mas quase tudo estará em algum ponto entre os modos, então será dividida em duas componentes, com uma sendo bloqueada e outra passando. Em média, metade da energia da luz passará, o que em fotografia significa diminuir a luz em um ponto, um EV.

Existe fonte de luz polarizada?

Sim, existe. O LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) é luz polarizada. E ainda, as ondas de luz dele são paralelas, e assim ele consegue fazer um ponto de luz à longa distância. O feixe não tende a se alargar (Pelo menos significantemente.).

Um teste que pode fazer é girar um LASER Pointer em um filtro polarizador e verá o feixe quase todo passando e praticamente desaparecendo em uma rotação de 90 graus entre o máximo e o mínimo.

Só para ter uma ideia da experiência citada acima, tem um último diagrama de vetores:

Imagine a polarização do LASER em preto na esquerda e as componentes verde e vermelha sendo a decomposição feita pelo filtro polarizador. Uma delas passa e a outra é removida. Vamos imaginar que a verde passa e a vermelha é removida. Agora, girando o filtro no sentido anti-horário, temos a decomposição mostrada no meio. Note que a componente verde diminui, e a vermelha aumenta. Se a verde está passando, então passará menos luz. Se continuar a rodar o filtro no sentido anti-horário, pode-se chegar ao ponto no qual ele fica perpendicular à polarização, e assim a componente verde zera e vermelha passa a ser toda a luz do LASER, que não passa pelo filtro.

E fontes naturais de luz polarizada?

Sim, existem, e são muito mais comuns do que as pessoas imaginam. Existem duas formas comuns da natureza gerar luz polarizada (e mais um bando de outras não tão comuns), por dispersão (como a dispersão atmosférica) e por reflexos não metálicos, tal como vidro e água.

Por isto que fotógrafos usam filtros polarizadores para realçar o céu. Alinhando corretamente o filtro, girando ele, é possível retirar uma boa parte da dispersão atmosférica, avivando o céu e a cena.

Vidros são famosos por gerarem reflexos que dificultam as pessoas verem através deles. Um outro uso para o filtro polarizador é justamente cortar este reflexo e permitir ver através do vidro. O efeito colateral é retirar metade da luz do que se quer fotografar. Mas perder metade da luz pode ser uma perda pequena se levar em conta que matou 99% ou mais do reflexo.

Mas não é só vidro e água que geram reflexos polarizados. Aqueles reflexos em móveis envernizados, em cerâmicas, até em plásticos, são polarizados, portanto podem ser eliminados (ou reduzidos) com um filtro polarizador.

Exemplos

Nada como exemplos para ilustrar. Esta deve ser a parte mais divertida do artigo. Aqui as fotos estão em trios. Todas feitas com um Nikon D90 em ISO 200 em prioridade de abertura, exceto quando mencionado em contrário, usando uma lente 50mm F1.8 G AF-S em F16.

Céu e árvore florida

Abaixo estão 3 fotos de uma parte da copa de uma árvore, que está florida, e uma parte do céu.

Sem filtro polarizador. O tempo de exposição foi de 1/200 s.

Com filtro polarizador alinhado para reduzir a dispersão atmosférica. O tempo de exposição caiu para 1/60 s.

Com filtro polarizador alinhado para não reduzir a dispersão atmosférica. Tempo de exposição de 1/100 s.

Uma coisa que se nota na legenda é que o tempo de exposição dobrou, quando não mais do que dobrou. O céu, que domina a cena, pouco mudou, mas na realidade mudou muito e é compensado pelo aumento do tempo de exposição. A terceira foto, com o filtro alinhado para não cortar a dispersão atmosférica, foi exatamente o dobro do tempo de exposição em relação à primeira, portanto metade da luz foi descartada pelo filtro.

A segunda foto, quando o filtro foi alinhado para cortar a dispersão atmosférica, o tempo de exposição triplicou, portanto 2/3 da luz da cena foi retirada. Note que o verde da árvore ficou mais claro, mais vivo, então pode-se concluir que outra coisa foi mais cortada para que aumentasse o tempo de exposição da cena, que no caso deve ter vindo do céu.

Uma observação. O efeito pode depender da orientação em relação ao sol.

Realçando nuvens

Serve também para realçar nuvens, mas os efeitos depende do ângulo em relação ao sol. As fotos abaixo foram feitas no horário de Verão (GMT-2 quando o normal seria GMT-3), às 16:46, com a câmera apontando para o Norte.

Com filtro polarizador, para realçar a a dispersão atmosférica. ISO 200, F8 e 1/800 s.

Sem filtro polarizador. ISO 200, F8 e 1/1600 s.

Nota-se quase nenhuma diferença entre as fotos acima. A principal diferença está no tempo de exposição que foi duas vezes mais rápido sem o filtro. Agora compare ao resultado abaixo, que foi obtido girando o filtro em 90 graus aproximadamente.

Com filtro polarizador, para atenuar a a dispersão atmosférica. ISO 200, F8 e 1/640 s.

Dá para notar alguns detalhes a mais das nuvens que não se via tão bem nas outras duas fotos, e o tempo de exposição aumentou mais ainda,o que indica que mais luz foi bloqueada pelo filtro.

Existem ângulos em relação ao sol que não funciona tão bem, e devem existir outros nos quais funciona melhor. Por isto foi mencionada a hora, a direção etc.

Uma paisagem

Poucos minutos antes de fazer as três fotos acima foram feitas as 3 abaixo, só que desta vez vez apontando para o Oeste.

A ideia era controlar a dispersão atmosférica e o reflexo da água com o filtro polarizador.

Filtro polarizador sendo usado para realçar o reflexo da luz na água e aumentar a dispersão no ar.ISO 200, F8 e 1/320 s.

Sem filtro polarizador.ISO 200, F8 e 1/800 s.

Tem pouca diferença, mas houve um corte de mais da metade da luz, o tempo de exposição mais do que dobrou. Sem o filtro a serra parece estar um pouco melhor.

Filtro polarizador sendo usado para atenuar o reflexo da luz na água e a dispersão no ar.ISO 200, F8 e 1/250 s.

Note que o tempo de exposição mais do que triplicou.

Pode notar que o céu não parece ter sofrido mudanças significativas, mesmo com a alteração do tempo de exposição entre as fotos.

Os telhados ficaram menos brilhantes, isto é, com menos reflexo. A água ficou com menos pontos brilhantes.

O muro de pedra que barra o rio, à direita, ficou mais claro, pois o tempo de exposição aumentou. Ao retirar parte da luz das coisas mais brilhantes, as coisas menos brilhantes podem ser realçadas.

O vidro da janela

Este é um dos exemplos mais impactantes que poderia ter.

Para entender melhor este exemplo é melhor eu explicar como era a cena. Esta é uma janela no Centro Histórico de Paraty, e ela estava à sombra. Estas fotos foram feitas por volta de 16:21 em horário de verão (GMT-2). O sobrado que aparece no reflexo estava iluminado por um sol forte, pois o céu estava limpo. Dá para ver algumas sombras fortes no reflexo do sobrado. Portanto o sobrado estava muito mais claro do que a parede onde estava esta janela. Um perfeito pesadelo de reflexo. E para completar, a parece branca do sobrado se tornava uma das fontes de luz difusas que iluminavam esta janela.

Sem filtro polarizador. Tempo de exposição de 1/100 s.

A primeira foto é como vemos a cena, com o reflexo da sacada do sobrado iluminado pelo sol aparecendo no vidro.

Com filtro polarizador realçando o reflexo. Tempo de exposição de 1/40 s.

Com filtro polarizador retirando o reflexo. Tempo de exposição de 1/30 s e ISO 220 (Errei ao não desligar o ISO automático da câmera, o que a fez compensar o tempo de exposição baixo subindo o ISO. O tempo de exposição possivelmente seria algo em torno de 1/28 s para ISO 200).

Na segunda foto o reflexo foi realçado, mas às custas de tirar metade da luz de toda a cena. Na realidade, pelo tempo de exposição, parece que um pouco mais da metade da luz foi retirada.

A terceira foto é mais impactante ainda. Todo o reflexo foi removido, a ponto de poder ver perfeitamente a decoração de natal através do vidro. Nada de pesadelo de reflexo. Outra consequência é que até a parede ficou mais clara em relação à segunda foto.

Mas se prestarem atenção, tem mais um detalhe muito importante. Não é só o vidro e água que geram reflexos. Perceba a moldura azul da janela, que ficou mais viva, mais azul, na terceira foto. Como a parede do sobrado, iluminada pelo sol, se tornou uma outra fonte de luz, existia um reflexo dela na moldura da janela. Este reflexo existe na primeira foto, e mais intensamente na segunda, atenuando o azul da moldura, e é eliminado na terceira. A sensação da terceira foto é que não existe uma fonte de luz fixa, e a cena é toda iluminada por luz difusa, e que nas outras duas fotos existe uma forte fonte de luz além da luz difusa que existia.

Um filtro polarizador tem o potencial de mudar uma cena, e a sensação que temos dela.

Reflexo na água

Aqui é um exemplo de uso em reflexo de água. Ele foi feito em uma maré alta em Paraty. Mesmo o reflexo não sendo tão afetado como foi no caso do vidro, ele foi afetado. Existia vento, e perturbações na água. Pode ser que em situação de águas perfeitamente calmas o efeito seja melhor.

Sem filtro polarizador. Tempo de exposição de 1/200 s.

É possível notar uma diferença entre o reflexo e o refletido.

Com filtro polarizador alinhado para cortar o reflexo. Tempo de exposição de 1/80 s.

Nesta segunda foto, com o filtro alinhado para cortar o reflexo, dá para notar a diminuição do reflexo, mas também se nota o clareamento do refletido e das sombras. Então houve um corte de metade da luz, mas o tempo de exposição mais do que dobrou, clareando a cena toda, inclusive o que deveria aparecer do reflexo.

Com filtro polarizador alinhado para realçar o reflexo. Tempo de exposição de 1/80 s.

O reflexo ficou um pouco mais próximo do resto da cena, mas as sombras continuam realçadas.

Aparentemente o fotômetro da câmera escolheu 1/80 s por algum erro de medida, clareando um pouco as sombras.

Muitas das minhas fotos de maré alta de Paraty foram feitas com ajuda de filtros polarizadores para realçar os reflexos.

Lona do circo

Estas duas fotos foram feitas meses atrás, e foram elas que me inspiraram a escrever este artigo. É possível ver claramente a diferença no nível de reflexo na parte de cima da lona da tenda. Uma tem um forte reflexo e outra tem pouco. Ambas foram feitas na mão, e não com a ajuda de um tripé, e foram com o filtro polarizador. Em cada uma o filtro está em um alinhamento de cerca de 90 graus do outro, hora realçando o reflexo e hora retirando-o.

Não tem uma versão sem filtro desta cena.

reflexos realçados.

Reflexos atenuados.

O que aconteceu aqui foi bem parecido com o que aconteceu na parte azul da janela que foi mostrado acima.

LCDs

Monitores em geral são muito brilhantes, e acabam estourados em fotografias de ambiente, ficando aquele retângulo de conteúdo disforme e ininteligível. Existem várias tecnologias de monitores, entre elas temos o TRC (Tubo de Raios Catódicos, que caiu em desuso), o plasma, o LED (Os verdadeiros de LED são raros no mercado.) e o LCD (Liquid Cristal Display). Existem muitos tipos de telas LCDs, desde as usadas em calculadoras às usadas em monitores de computador e TVs. As telas LCDs coloridas dependem de uma iluminação vinda de trás, que pode ser feita pode LEDs (O que chamam comercialmente de monitores LEDs, mesmo não sendo um monitor LED de verdade.) ou lâmpadas fluorescentes.

Uma característica do LCD é trabalhar com luz polarizada. É assim que é controlada a intensidade de um pixel, controlando alteração de polarizações de luz entre filtros polarizadores.

Note que no parágrafo acima tem escrito "luz polarizada". Se a luz que sai de um LCD é polarizada, ela é vulnerável à ação de um filtro polarizador. Então pode ter a sua intensidade controlada conforme varia o ângulo do filtro polarizador. É um simples caso de decomposição de vetores, o que já foi explicado no início.

Este assunto já foi tratado por mim antes antes em Como tirar fotos de LCD sem estourar.

Foto tirada durante o Parary em Foco de 2009 dentro do antigo cinema de Paraty. Um filtro polarizador foi usado para equilibrar o brilho do monitor com a a cena e a imagem projetada na tela. Esta foto foi feita com uma Panasonic FZ28.

Arco-Íris

Pode-se dizer que este é o argumento mais convincente para sempre se ter um filtro polarizador à mão, pois é difícil prever quando vai se encontrar com um arco-íris.

A minha descoberta de que ele é feito de luz polarizada foi interessante. Aconteceu na tarde da terça feira de carnaval de 2010, quando eu fotografava maré alta no Centro Histórico de Paraty e usava um filtro polarizador para realçar o reflexo. Repentinamente caiu uma pequena chuva, o suficiente para formar um arco-íris. Pego a câmera e aponto para ele, e ele desaparece como um passe de mágica. Fico surpreso, olho de novo por fora da câmera, e ele estava lá. Neste momento me lembro do processo de formação do arco-íris, e que o processo inclui reflexão de luz nas gotas de água da chuva, portanto a luz fica polarizada. Giro a câmera em 90 graus e ele está lá, vivinho, bem realçado. (Pode ver como é a física do arco-íris aqui na Wikipedia.)

Então, o filtro polarizador pode matar o arco-íris de uma cena deixando passar cerca de metade da luz da cena, como também pode deixar ele passar praticamente todo, eliminando metade da luz da cena, realçando ele, tornando ele mais importante na cena.

Esta foto, que eu me lembre, foi feita usando um filtro polarizador para realçar o arco-íris. Não foi tirada no mesmo carnaval no qual descobri que o arco-íris era de luz polarizada.

ND Variável

Lembram-se da decomposição de vetores, da decomposição da luz? Imagine que tem um filtro polarizador que já decompõe toda a luz que chega na lente, gerando somente luz polarizada. Agora coloque um outro filtro polarizador atrás do primeiro, em um ângulo com a polarização do primeiro. Este segundo filtro vai decompor a luz polarizada do primeiro deixando passar somente uma componente. Ou seja, menos luz chega ao sensor/filme da câmera. Assim temos um tipo de filtro ND (Densidade Neutra).

Se adicionarmos a capacidade de mudar o ângulo entre os filtros polarizadores podemos controlar quanto de luz passa pelo conjunto, e temos um filtro ND variável. Na realidade esta ideia foi usada no caso de fotografia de monitores LCDs mencionado acima, mas agora ele é usado na cena toda.

Ainda não se perde as funcionalidades dos filtros polarizadores, pois o primeiro filtro deve se capaz de agir como tal, eliminando reflexos, controlando intensidades de luz vinda de LCDs etc.

Este foi o truque que usei no meu trabalho de fotografia 30 segundos ao sol. Vale a pena ver este trabalho.

Mas nem tudo são flores

Existem algumas consequências do uso do filtro polarizador, além da já mencionada que é a perda de metade da luz. Isto afeta a exposição, necessitando aumentar o tempo ou aumentar a sensibilidade. De dia pode não ser problema, mas de noite, especialmente em fotos sem tripé ou outro apoio, pode se tornar problema.

Existem filtros polarizadores circulares, os CPL, mas eles não funcionam do mesmo modo, e o que testei não funcionou bem com o monitor LCD do meu notebook.

E já observei decomposição da luz em películas de proteção de vidro de carro quando usei um filtro polarizador. Neste caso, quando tentava eliminar o reflexo das coisas de dentro do ônibus, obtive algo parecido com um arco-íris.

Conclusões

O assunto é bem extenso, e até daria para fazer um workshop ou um livro só sobre usos para filtros polarizadores.

Mesmo eu conhecendo bem o assunto (não dá para falar e mostrar tudo o que eu sei) eu acredito que tenham muitos outros usos e implicações que eu não conheça. Tem um artigo sobre polarização interessante na Wikipedia, que me faz entender que ainda tenho muita coisa a aprender sobre o assunto.

E também sei de usos de polarizações na área de rádio frequência, o que não é assunto para este artigo.

Notas finais

Existe a chance de atualizações neste artigo, conforme eu consiga um exemplo da decomposição da luz na película de proteção de um vidro de carro, e conforme eu consiga fotografar controladamente um arco-íris com o filtro nas duas posições e sem o filtro.