Dietrich ZawischaKontakt English version

Brillen für 3d-Filme

Für die im Verfahren von RealD® gezeigten 3D Filme benötigt man als Zuschauer eine Brille, die einer Sonnenbrille ähnlich sieht. Die Brillengläser sind Filter, die zirkular polarisiertes Licht entweder blockieren oder in linear polarisiertes umwandeln, das dann gesehen wird. Das für das rechte Auge bestimmte Bild erscheint in rechtszirkular polarisiertem Licht, das vom linken Brillenglas nicht durchgelassen wird (und umgekehrt). Von hinten beleuchtet erzeugt das rechte Brillenglas rechtszirkulares Licht, das linke linkszirkulares.

Für die hier behandelten Beobachtungen braucht man zwei solche Brillen.


Im linken Bild ist zu sehen, wie das rechte Brillenglas das dahinter liegende linke dunkel erscheinen lässt, während das rechte durchsichtig bleibt. Außerdem ist zu sehen, dass die dunkle Fläche nicht schwarz oder dunkelgrau ist, sondern dunkelviolett. Das ist im mittleren Bild nicht mehr so: hier ist die dunkle Fläche schwarz. Das dritte Bild zeigt schließlich, wie beim schrägen Blick durch zwei gegenüberliegende Brillen nicht dunkles Violett, sondern Blau und Braun auftritt.

Paradoxe Spiegelbilder

Unsere Augen sind nicht darauf eingerichtet, Polarisation wahrzunehmen. Außerdem tritt zirkular polarisiertes Licht in der Natur nur selten auf. Daher scheinen die folgenden Bilder bis auf das erste recht seltsam.

In beiden Reihen liegt die Brille im linken Bild auf einer glänzenden Alufolie, in der Mitte und rechts auf einer schwarzen Glasplatte. Die Fotos in der unteren Reihe wurden durch ein rechtes Brillenglas als Filter vor dem Objektiv aufgenommen. Dieses ist beim rechten Bild um 90° gedreht.

Ursache der verschiedenen Effekte ist, dass das von Glas reflektierte Licht unter dem gewählten Beobachtungswinkel linear polarisiert ist und dass sich die Händigkeit der Zirkularpolarisation bei Reflexion an Metall umkehrt.


Zirkularpolarisation

Rechts: Veranschaulichung und Vergleich von zirkular und linear polarisiertem Licht. Man kann die zirkularpolarisierte Welle als Überlagerung von zwei senkrecht zueinander schwingenden, linear polarisierten Wellen deuten, die um ein Viertel der Wellenlänge gegeneinander verschoben sind. Ohne Verschiebung ergibt die Summe wieder eine linear polarisierte Welle (unteres Teilbild). In den Bildern repräsentieren die Vektorpfeile die elektrische Feldstärke.

Man kann aus linear polarisiertem Licht zirkular polarisiertes mit Hilfe einer optisch anisotropen, also doppelbrechenden Schicht erzeugen, die so bemessen ist, dass von zwei aufeinander senkrechten Schwingungsrichtungen eine nach dem Durchgang gegen die andere um ein Viertel der Wellenlänge verschoben ist, und deren schnelle und langsame Schwingungsrichtung mit der Polarisation des einfallenden Strahle einen Winkel von 45° einschließen. Man nennt das optisches Element, das die Verschiebung um λ/4 bewirkt, ein λ/4-Plättchen. Entsprechend kann man mit einem λ/4-Plättchen Zirkularpolarisation in Linearpolarisation umwandeln.

Im Fall der Brillen ist das λ/4 Plättchen durch eine gedehnte Kunststofffolie realisiert. Durch die Dehnung vergrößert sich der Brechungsindex für Licht, dessen elektrisches Feld in dieser Richtung schwingt (außerordentlicher Strahl) und es wird langsamer. Man nennt diese Richtung die langsame Achse der Verzögerungsfolie. Die schnelle Achse ist dazu senkrecht.

Die Brillengläser bestehen aus horizontal ausgerichteten Linearpolarisationsfiltern, die dem Auge zugewandt sind, und darauf außen die Verzögerungsfolie, wobei die schnelle Achse beim rechten Glas von links oben nach rechts unten verläuft, beim linken von links unten nach rechts oben.

Eine rechtszirkulare Welle, links als Summe von zwei linear polarisierten Wellen dargestellt, rechts als Animation, die durch Doppelklick ein- und durch einfaches Draufklicken wieder ausgeschaltet werden kann.

(Die drei Bilder stammen aus Wikimedia Commons [1], [2], [3], Farben geändert)

Erklärungen zu den Bildern

Die Lambda-Viertel-Schicht erfüllt die Bedingung, den ordentlichen gegen den außerordentlichen Strahl um genau ein Viertel der Wellenlänge zu verschieben, exakt nur für eine einzige Wellenlänge. Diese wählt man am besten dort, wo das Auge am empfindlichsten ist, also um die 555 nm. Das hat zur Folge, dass z.B. das linke Brillenglas, das nur linkszirkular polarisiertes Licht durchlassen soll, im langwelligen (roten) und im kurzwelligen (blauen) Bereich doch noch ein wenig rechtszirkulares Licht durchlässt – statt Schwarz sieht man dann (Bild 1) ein dunkles Violett, die Mischung von (wenig) Rot und (wenig) Blau. Entsprechend wird unpolarisiertes Licht beim Durchgang durch das linear polarisierende Filter und die nachgeschaltete Lambda-Viertel-Platte nur für die eine Wellenlänge exakt zirkular, für alle anderen Wellenlängen bleibt ein, wenn auch nur sehr kleiner, Anteil der entgegengesetzten Drehrichtung. Veranschaulicht man das elektrische Feld durch einen Vektor, so beschreibt dessen Spitze in diesem Fall eine Ellipse (elliptische Polarisation).

Für die Filmprojektion lässt sich diese unerwünschte Farbbeimischung jedoch vollständig vermeiden: das polarisierende Filter muss gegen das analysierende nur um 90° gedreht, also vertikal stehen. Das zweite Bild zeigt das. Die beiden gegeneinander verdrehten Lambda-Viertel-Platten heben ihre Wirkung gegenseitig auf, die Auslöschung ist so gut wie bei zwei gekreuzten Linearpolarisationsfiltern.

Die Wellenlänge, für die die "Lambda-Viertel-Bedingung" erfüllt ist, ändert sich auch, wenn das Licht das Filter schräg durchläuft. Wie sich das auswirkt, ist an Bild 3 zu sehen, aber etwas umständlicher zu erklären.

Verfolgen wir den Weg des Lichts: dem Betrachter entgegenkommend, passiert es zuerst einen Linearpolarisator, dann die darüber liegende λ/4-Schicht, nach einem kurzen Weg durch Luft als nächstes die λ/4-Schicht der zweiten Brille, die genau so orientiert ist wie die zuerst durchlaufene, und schließlich wieder ein Polarisationsfilter, das wiederum genau so orientiert ist wie das erste; beide lassen nur horizontal polarisiertes Licht durch.

Man kann sich leicht davon überzeugen, dass Polarisationsfilter nicht sehr empfindlich gegen mäßiges Verkippen sind. Dagegen wirkt sich Verkippen der beiden λ/4-Schichten, die zusammen einem λ/2-Plättchen äquivalent sind, auf die Phasenverschiebung zwischen dem ordentlichen und dem außerordentlichen Strahl aus. Dies hat zur Folge, dass die Wellenlänge, für die der Gangunterschied tatsächlich λ/2 ist, von der Neigungsrichtung und vom Neigungswinkel abhängt.

Die Gläser in der linken Hälfte von Bild 3 sind um die langsame Achse, die in der rechten Bildhälfte um die schnelle Achse gekippt zu sehen. Beim Kippen wird die Weglänge, die das Licht in der Verzögerungsschicht zurücklegt, größer. Dadurch wird beim Kippen um die langsame Achse der Gangunterschied größer, die maximale Auslöschung erfolgt dann bei längeren Wellen und die kurzwelligen, blauen Anteile überwiegen dann im durchgelassenen Licht. Beim Kippen um die schnelle Achse wird der Winkel zwischen dem außerordentlichen Strahl und der optischen Achse und mit ihm der Brechungsindex kleiner, dies wirkt sich stärker aus als die Verlängerung des Weges und im durchgelassenen Licht werden die längerwelligen, gelben und roten stärker.

In Bild 4 liegt die Brille auf glänzender Alufolie. Hier ist nichts Besonderes zu bemerken, das Spiegelbild ist nur etwas verschwommen, sieht aber sonst genau so aus wie man es erwartet. Das ist in Bild 5 schon anders, da liegt die Brille auf einer schwarzen Glasplatte und das Spiegelbild hat dunklere Gläser. Dreht man die Brille um (Bild 6), so gibt es ein helleres Spiegelbild von dunklen Gläsern.

Bei den nächsten drei Bildern wurde ein rechtes Brillenglas als Filter vor das Objektiv der Kamera gehalten. Bild 7 zeigt, dass sich die Händigkeit des zirkularpolarisierten Lichtes bei Reflexion an Metall umdreht. Dass die dunklen Gläser nicht violett, sondern blau erscheinen, liegt wieder daran, dass man schräg darauf blickt und die Verzögerungsschicht daher um die langsame Achse gekippt erscheint.

Der bewölkte, graue Himmel, der sich in der Glasplatte spiegelt, erscheint im Bild 8 gelblich, im Bild 9 bläulich. Warum?

Das von der Glasplatte gespiegelte Licht ist fast vollständig linear polarisiert, die Schwingungsrichtung ist horizontal.

Durch dia Lambda-Viertel-Schicht wird daraus zirkular polarisiertes Licht, vollständig aber nur für die mittlere Wellenlänge. Für längere Wellen ist die Verschiebung kleiner als ein Viertel der Wellenlänge, es ergibt sich elliptisch polarisiertes Licht, wobei die große Achse der Ellipsen horizontal liegt (wenn die Verschiebung Null ist, bleibt das Licht horizontal polarisiert). Für kurze Wellen ist die Verschiebung größer als Lambda Viertel, wieder ergibt sich elliptische Polarisation, aber die große Achse der Ellipse ist jetzt aufrecht. Daher wird von dem horizontal polarisierendem Filter in der Brille von den längeren Wellen mehr als die Hälfte, von den kürzeren weniger als die Hälfte durchgelassen, das Grau wird rötlich-gelblich.

Licht, das ursprünglich vertikal polarisiert ist, erleidet dagegen eine Farbverschiebung in Richtung Blau.

Statt die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts zu ändern, kann man auch den Kopf um 90° neigen, dann sieht man den an der Glasplatte gespiegelten grauen Himmen bläulich. Im Bild 9 ist das vor das Objektiv gehaltene rechte Brillenglas um 90° verdreht.


Über das RealD Verfahren informiert die Homepage von RealD in dem entsprechenden Abschnitt.



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