Kino in der 3. Dimension polarisiertes Licht macht s möglich! Kino in der 3. Dimension

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1 3. Polarisation von Licht 1 von 28 Kino in der 3. Dimension polarisiertes Licht macht s möglich! Alexander Radtke, Kusel/Contwig Man hat das Gefühl, man sitzt mittendrin im Geschehen: Häuser, Autos und die Schauspieler scheinen zum Greifen nahe. 3-D-Filme revolutionieren das Kino. Der Film wird dank raffinierter Technologie zu einem vollkommenen Erlebnis. Mit der Neuentwicklung der 3-D-Technologie wird ein Milliardengeschäft erwartet. Kino in der 3. Dimension Foto: Jörg Müller/Agentur Focus Laden Sie das Programm StereoPhoto Maker unter herunter! Der Beitrag im Überblick Klasse: 11/12 Dauer: Ihr Plus: 2 Folien 8 10 Stunden Zur besseren Orientierung dient folgende Legende: Information Aufgabe Inhalt: Das Anaglyph-Verfahren mit Rot-Cyan- Brillen Prinzipien der Tiefenwahrnehmung Polarisation einer elektromagnetischen Welle durch Absorption am Beispiel der Mikrowelle und Licht Der lineare Polarisationsfilter für Licht und seine Verwendung in einer 3-D-Brille Projektion mit polarisiertem Licht Der mechanische Polarisationsfilter Konstruktion eines 3-D-Projektors mit linearem Polarisator

2 2 von Polarisation von Licht Fachliche und didaktisch-methodische Hinweise Der Laie hat nur eine vage Vorstellung, dass die Basis für einen Tiefeneindruck das Sehen mit zwei Augen ist, von denen jedes ein anderes Bild empfängt. Sein Verständnis für die Technik endet bei den physikalischen Hintergründen und der Funktion der neuen 3-D-Brille. Wie schafft man es, Bilder auf einer Leinwand zu überlagern und sie wieder zu trennen? Wie funktioniert die Tiefenwahrnehmung? Welche Eigenschaften haben Bilder oder Videos, die einen Tiefeneindruck vermitteln? Warum das Thema für die Schüler interessant ist Für IT-Liebhaber sind HD-Formate in den Wohnzimmern mittlerweile Standard. Nur mit 3-D-TV, 3-D-Heimkinoanlage oder 3-D-Fotoapparat kann man sich als solcher von der Masse abheben. Kinos und die IT-Messe Cebit sind im 3-D-Rausch, seit epochale Kinofilme mit moderner 3-D-Darstellung auf Basis von polarisiertem Licht die Kinokassen füllen. Kino in 3-D ist ein vollkommenes Erlebnis. Es ist für die Schüler reizvoll. Gehen Sie mit Ihren Schülern auf eine Reise durch herkömmliche und moderne Techniken der 3-D-Darstellung. Vertiefen Sie zunächst das Wellenmodell für Licht, erarbeiten Sie die Polarisation durch Absorption und befähigen Sie Ihre Schüler, selbstständig, mit einfachsten Mitteln der Schulsammlung, einen 3-D-Projektor zu bauen. Fachliche Hintergrundinformationen Das Prinzip des modernen 3-D-Kinos ist eine Weiterentwicklung bereits bestehender, stets ähnlich funktionierender Techniken mit Rot-Cyan-Folien (Anaglyph-Verfahren) oder linearen Polarisationsfolien. Hierbei wird stets mit stereoskopischen Bildern gearbeitet, die den Unterschied der Augenbilder simulieren, der durch den Abstand der Augen verursacht wird. Die Bilder werden auf einer Projektionsfläche überlagert und durch einen geeigneten Filter, meist eine Brille, wieder getrennt. Das linke Auge sieht den Teil des Bildes, der für das linke Auge bestimmt ist, das rechte Auge sieht den Teil des Bildes, der für das rechte Auge bestimmt ist. Das Gehirn berechnet aus dem Unterschied der Augenbilder die Entfernung von den dargestellten Objekten und erzeugt einen Tiefeneindruck. Anstelle von zwei Rot-Cyan-Folien kann man auch einen linearen Polarisationsfilter verwenden. Nachteile der herkömmlichen Technologie ausgeräumt zirkular polarisiertes Licht Die Nachteile der herkömmlichen Technologie, welche die Betrachtung eines Films auf Dauer sehr anstrengend machen, wurden durch eine neue Methode teilweise ausgeräumt. Hierzu zählen unter anderem Farbverfälschung beim Anaglyph-Verfahren, Trugbilder, wenn man den Kopf um wenige Grad neigt bei linearer Polarisation, oder Synchronisationsprobleme bei der Verwendung von zwei Projektoren. Die moderne Technik verwendet kein linear polarisiertes Licht, bei dem die Polarisationsrichtungen der beiden Lichtwellen senkrecht zueinander stehen und durch entsprechende Polarisationsfilter mit senkrechten Transmissionsachsen in der Brille getrennt werden. Verwendet wird zirkular polarisiertes Licht. Hierbei überlagert man auf der Projektionsfläche die stereoskopischen Bilder durch eine linksdrehende und eine rechtsdrehende Welle. Die moderne 3-D-Brille ist eine Kombination aus einem λ/4-plättchen und einem linearen Polarisationsfilter. Die λ/4-plättchen erzeugen in den Brillengläsern aus dem linksdrehenden und dem rechtsdrehenden Licht je zwei linear polarisierte Wellen, die senkrecht aufeinanderstehen und die durch die folgenden linearen Polarisationsfilter, deren Transmissionsachsen ebenfalls senkrecht aufeinanderstehen, getrennt werden. Der Vorteil dieser Technik ist, dass es völlig egal ist, welche Kopfneigung der Zuschauer hat. Innerhalb der Brille wird stets die passende Lichtwelle hindurchgelassen und die unpassenden Lichtwellen herausgefiltert.

3 3. Polarisation von Licht 7 von 28 Materialübersicht V = Vorbereitungszeit SV = Schülerversuch Ab = Arbeitsblatt/Informationsblatt D = Durchführungszeit LV = Lehrerversuch Fo = Folie M 1 Fo Das Anaglyph-Verfahren zur Erzeugung eines Tiefeneindrucks V: 5 min D: 45 min Overhead-Projektor Rot-Cyan-Brillen M 2 Ab Einzelne Schritte zur Erforschung des Anaglyph-Verfahrens M 3 Ab, SV Ein Experiment zur Tiefenwahrnehmung V: 5 min D: 20 min Overhead-Projektor Laufzettel zur Stationenarbeit Thematische Übersicht über die Stationen M 4 Ab Das Hertz sche Gitter als Analysator D: 15 min Overhead-Projektor M 5 Ab, SV Einfach polarisiertes Licht herstellen V: 5 min D: 10 min D: 135 min Linsenzubehör Klebestreifen Schere Kerze Stationenzirkel Stück Papier/Pappe konvexe Linse mit Brennweite f = 5 cm Streichhölzer Folienausschnitt mit linearem Polarisationsfilter St. 1 2 Ab, SV Polarisation durch Absorption das Gesetz von Malus V: 5 min D: 20 min Analysator Polarisator (Polarisationsfilter mit bekannter Transmissionsachse) Lichtquelle St. 2 Ab, SV Die 3-D-Brille mit linearem Polarisationsfilter V: 5 min D: 20 min Schüler-Projektor (M 5) 3-D-Brille mit linearem Polarisationsfilter Polarisationsfilter mit bekannter Transmissionsachse St. 3 2 Ab, SV Projektion mit polarisiertem Licht ein Experiment V: 10 min D: 15 min Schüler-Projektor 3-D-Brille mit linearem Polarisationsfilter Papier metallische Oberfläche Klarsichtfolie oder durchsichtiger Klebestreifen St. 4 Ab, SV Ein mechanischer Polarisationsfilter Experiment V: 5 min D: 10 min Seil Befestigung für das Seil (z. B. Tischbein 2 Stativstangen 2 Stativstangenhalter M 6 Ab, SV Einen 3-D-Projektor mit linearem Polarisationsfilter bauen V: 5 min D: 45 min 2 stereoskopische Bilder Metallplatte ca. 50 x 50 cm (optional) Stativmaterial M 7 Fo Stereoskopische Bilder Zubehör zu M 6 2 Overhead-Projektoren 3-D-Brille mit linearem Polarisationsfilter

4 3. Polarisation von Licht 9 von 28 M 2 Einzelne Schritte zur Erforschung des Anaglyph-Verfahrens Tipp 1 Die Rot-Cyan-Brille Untersuchen Sie die Rot-Cyan-Brille und beschreiben Sie ihren Aufbau. Foto: Colourbox Tipp 2 Spektrum des sichtbaren Lichtes Eine natürliche Lichtquelle liefert alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Erklären Sie die Veränderung dieses Lichtspektrums, wenn weißes Licht die rote Folie oder die cyanfarbene Folie durchläuft. arbene Folie durchläuft. Tipp 3 Die Rot- und Cyan-Einfärbung Quelle: Wikipedia Setzen Sie die Brille auf. Betrachten Sie die beiden leicht voneinander abweichenden Bilder in der Rot- und Cyan-Einfärbung. Beschreiben Sie den Effekt, den Sie sehen. Tipp 4 Selektive Information Schließen Sie abwechselnd das linke und das rechte Auge. Nehmen Sie Stellung zu dem Ausdruck selektive Information für das linke und rechte Auge. Tipp 5 Zur Überlagerung der beiden Bilder mit der Rot-Cyan-Brille Beschreiben Sie Ihren Eindruck mit und ohne Rot-Cyan-Brille. Gehen Sie dabei auf die Eigenschaften der auf der Folie gezeigten Bilder ein.

5 10 von Polarisation von Licht M 3 Ein Experiment zur Tiefenwahrnehmung Um einen 3-D-Eindruck zu erzeugen, müssen die Bilder bestimmte Voraussetzungen erfüllen. Die Augen des Menschen sind circa 6,5 cm voneinander entfernt. Der Unterschied des Weges, den das Licht zurücklegt, ist abhängig von der Entfernung des entsprechenden Objekts vom Auge: Je nach Entfernung fallen die Lichtstrahlen auf unterschiedliche Bereiche der Netzhaut und erzeugen unterschiedliche Bilder. Deswegen sehen wir mit dem einen Auge ein anderes Bild als mit dem anderen. Aufgabe Informieren Sie sich, auf welcher Grundlage das Gehirn einen Tiefeneindruck erzeugt. Schildern Sie Ihre Erkenntnisse in einem kurzen Vortrag. Führen Sie das folgende Experiment durch. Schülerversuch: Es kommt auf den Blickwinkel an! Foto: Pixelio Versuchsdurchführung Halten Sie Ihren Daumen mit ausgestrecktem Arm vor Ihr Gesicht und fokussieren Sie Ihren Blick auf den Daumen. Schließen Sie nun abwechselnd das rechte und das linke Auge. Beobachten Sie den Vordergrund (vor dem Daumen), den Hintergrund (hinter dem Daumen) und den Daumen. Vergleichen Sie das Bild des rechten und des linken Auges. In welchen Bereichen der Bilder entstehen große Unterschiede, in welchen kleine?

6 3. Polarisation von Licht 11 von 28 Für Experten: Die Parallelblicktechnik Das Bild simuliert den Unterschied zweier Augenbilder. a) Vergleichen Sie den Vordergrund und den Hintergrund der beiden Augenbilder miteinander. Vergleichen Sie auch das fokussierte Zentrum der Bilder, die Dame. Der Hell/Dunkel-Unterschied ist irrelevant. Linkes Auge Rechtes Auge b) Stellen Sie eine Vermutung auf, welcher Informationsgehalt der Augenbilder dem Gehirn dient, einen Tiefeneindruck zu erhalten. Foto: Alexander Radtke Die Parallelblicktechnik Dies können Sie mit der Parallelblicktechnik herausfinden. Halten Sie ein Stück Pappe oder Papier vor die eigene Nase, senkrecht zwischen die Bilder. Nun schauen Sie auf diese Bilder, als ob Sie ein fernes Objekt betrachten möchten. Ein räumlicher Eindruck entsteht, wenn beide Bilder miteinander verschmelzen. Es ist hilfreich, die verschmolzenen Abbildungen nicht zu fokussieren Laufzettel zum Stationenzirkel: Polarisation von Licht Station Thema Art Pflicht/Wahl Informationsblatt Aufgabenblatt 1 Polarisation durch Absorption Theorie/ Praxis Pflicht 2 Die 3-D-Brille mit linearem Polarisationsfilter Praxis Pflicht 3 Projektion mit polarisiertem Licht Theorie/ Praxis Pflicht 4 Mechanische Welle und mechanischer Polarisationsfilter Praxis Wahl

7 3. Polarisation von Licht 13 von 28 M 5 Einfach polarisiertes Licht herstellen Materialien konvexe Linse mit Brennweite f = 5 cm Linsenzubehör Klebestreifen Schere Kerze Streichhölzer Folienausschnitt mit linearem Polarisationsfilter Gefahrenhinweis: Achtung mit der Kerzenflamme! Achtung mit dem heißen Wachs! Foto: Alexander Radtke Aufgabe Konstruieren Sie einen einfachen Projektor (siehe Abbildung), der polarisiertes Licht liefert. Bauanleitung Befestigen Sie den Folienausschnitt mit dem Klebestreifen an der Linse. Der Klebestreifen darf nicht in den Lichtweg des polarisierten Lichtes hineinragen. Die Orientierung der Transmissionsachse ist zunächst unbekannt. Das aus der Linse austretende Licht sollte nahezu parallel sein. Deshalb muss die Kerze im Brennpunkt bzw. nahe dem Brennpunkt der Linse stehen. Beobachtung Der Lichtweg verläuft von der Kerze zunächst durch die Linse und dann durch den Folienausschnitt, der als linearer Polarisationsfilter wirkt. Fazit Der Schüler-Projektor dient der Herstellung von linear polarisiertem Licht zu Versuchszwecken. Man kann ihn einzeln nicht zur 3-D-Projektion verwenden.

8 14 von Polarisation von Licht Station 1 Polarisation durch Absorption das Gesetz von Malus Im Jahre 1938 erfand der Amerikaner Edwin H. Land einen linearen Polarisationsfilter eine einfache Folie. Herzstück dieser Folie sind langkettige Kohlenwasserstoffmoleküle, die während des Herstellungsprozesses mit Jod versetzt werden, damit sie leitfähig sind. Man richtet die Moleküle dann in einer Richtung aus und fixiert sie innerhalb der Folie. Die parallel orientierten Molekülketten haben die besondere Eigenschaft, sichtbares Licht nur unter bestimmten Bedingungen durch die Folie zu lassen (zu transmittieren): Fällt Licht ein, dessen elektrischer Feldvektor ( E -Vektor) parallel zu den Molekülketten verläuft, werden in den Molekülketten elektrische Ströme induziert. Die Energie des Lichtes wird bei diesem Vorgang absorbiert. Die Lichtwelle wird ausgelöscht. Edwin H. Land Pionier der Fototechnik Fällt Licht ein, dessen E -Vektor senkrecht zu den Molekülketten entlang der Transmissionsachse ausgerichtet ist, wird dieses Licht nicht beeinflusst, da aufgrund der geringen räumlichen Ausdehnung der Kohlenwasserstoffmoleküle keine Ströme induziert werden. Die Intensität des unpolarisierten Lichtes wird halbiert: Alle Komponenten senkrecht zur Transmissionsachse verschwinden, parallele Komponenten werden durchgelassen. Das transmittierte Licht ist also nicht nur linear polarisiert, sondern hat auch nur halbe Intensität. Zur Untersuchung von polarisiertem Licht verwendet man eine Anordnung von baugleichen Polarisationsfolien, wobei die erste Folie als Polarisator bezeichnet wird. Sie macht aus unpolarisiertem Licht linear polarisiertes Licht. Die zweite Folie bezeichnet man als Analysator, da man hiermit das linear polarisierte Licht untersucht. Bettmann/CORBIS Gesetz von Malus Die Lichtintensität I 2, die durch einen Analysator hindurchgelassen wird, ist I 2 = I 1 cos 2 θ, wobei I 1 = die Lichtintensität ist, die auf den Analysator trifft, und θ = der Winkel zwischen den Transmissionsachsen von Polarisator und Analysator. Eine normale Lichtquelle (z. B. eine Kerze) ob künstlich oder natürlich liefert ausschließlich unpolarisiertes Licht. (Information vgl. Tipler 2009, S )

9 3. Polarisation von Licht 17 von 28 Station 3 Projektion mit polarisiertem Licht ein Experiment Trifft eine elektromagnetische Welle auf ein Medium, versetzt diese Welle die Elektronen dieses Mediums in Schwingung. Die Schwingung der Elektronen ist am heftigsten, wenn sie sich in Richtung des E -Vektors der ankommenden Welle bewegen können. Bei Metallen ist dies kein Problem. Metalle verfügen über freie Elektronen, die sich nahezu beliebig innerhalb des Metallkörpers bewegen können, also auch in Richtung eines elektrischen Feldes ( E -Vektors). Bei Bestrahlung mit Licht folgen die Elektronen der Richtung des schwingenden E -Vektors und beginnen selbst zu schwingen. Eine kleine Antenne Ein durch Licht zu Schwingungen angeregtes Elektron erzeugt wiederum eine elektromagnetische Welle, und zwar eine gleiche Wellenlänge. Kann dieses Elektron nun vollständig der Schwingungsrichtung einer z. B. linear polarisierten Welle (genauer: der Richtung des E -Vektors) folgen, so ist die vom Elektron ausgesendete Welle ebenfalls in gleicher Richtung linear polarisiert. Insgesamt bleibt also die Polarisationsrichtung einer elektromagnetischen Welle an einer metallischen Projektionsfläche erhalten. Bei einem nicht metallischen Körper sind die Elektronen stärker gebunden. Ihre Bewegungsfreiheit unterliegt gewissen Grenzen, die von Material zu Material verschieden sind. Deshalb können die Elektronen nicht beliebig der Richtung eines einfallenden E -Vektors folgen. Die Konsequenz ist, dass die Eigenschaften einer einfallenden polarisierten Welle bei nicht metallischen Körpern aufgehoben werden. Aufgaben 1. Nennen Sie die Eigenschaft metallischer Oberflächen, die für das Phänomen im Experiment von Station 3 von Bedeutung ist. 2. Erläutern Sie in eigenen Worten die Ursache dafür, weshalb nicht metallische Oberflächen die Polarisation von Licht nicht erhalten können. 3. Benennen Sie die Anforderung an eine Projektionsfläche (z. B. im Kino), will man die Eigenschaft der Polarisation einer elektromagnetischen Welle erhalten. Für Experten Kleben Sie entgegen der Aussage der Bauanleitung zu M 5 eine durchsichtige Folie (oder Klebeband) in den Lichtweg, sodass das Licht die Linse, dann die Polarisationsfolie und dann die durchsichtige Folie (oder das Klebeband) durchläuft. a) Verwenden Sie Ihre Brille als Analysator. Was beobachten Sie? b) Erklären Sie Ihre Beobachtung mit dem Wissen des Informationstextes. Durch das Schwingen des Elektrons ändert sich der Abstand zwischen negativem Elektron und positivem Atomkern periodisch und damit auch das zwischen ihnen herrschende elektrische Feld. Die beiden Ladungen bilden einen schwingenden Dipol (den Hertz schen Dipol). Eine solcher schwingender elektrischer Dipol ist nichts anderes als eine Antenne das heißt, ein solches Atom mit einem schwingenden Elektron sendet seinerseits wieder eine elektromagnetische Welle aus.

10 22 von Polarisation von Licht Erläuterungen und Lösungen Bestellen Sie für jeden Schüler eine Rot-Cyan-Brille und eine Brille mit linearem Polarisationsfilter für einen Preis von circa ct pro Stück. Besorgen Sie einige Brillen mehr (Klassenstärke : 2), da die Schüler die Gläser auch aus den Brillen herausschneiden, um einen Projektor zu basteln (M 5). Planen Sie für die Lieferung einen Zeitpuffer von mindestens 1 2 Wochen ein. Bezugsadresse: (aufgerufen am ) M 1 Das Anaglyph-Verfahren zur Erzeugung eines Tiefeneindrucks Werfen Sie die Farbfolie mit einem Overhead-Projektor an die Wand, während die Schüler ihren Kurzvortrag vorbereiten. Mit der Einstiegsfolie motivieren Sie das Thema und fragen den Wissensstand der Schüler ab. In den meisten Fällen sind rudimentäre Kenntnisse vorhanden, ansonsten helfen die Tippkarten (M 2) weiter. Den Kurzvortrag bereiten die Schüler durch entsprechende Recherche im Internet vor. Teilen Sie die Rot-Cyan-Brillen aus. Die meisten Anaglyph-Brillen sind so konstruiert, dass die rote Folie vor dem linken Auge und die cyanfarbene Folie vor dem rechten Auge sitzt. Erklären Sie Ihren Schülern, wie man die Brille korrekt aufsetzt. Ansonsten kommt leicht Enttäuschung auf. Bei falscher Verwendung bekommt man nämlich nur sehr vage einen Tiefeneindruck. Für die Erarbeitung des Anaglyph-Verfahrens sollte eine Doppelstunde ausreichen. Lösung: Kurzvortrag zum Anaglyph-Verfahren Beim Anaglyph-Verfahren werden zwei Bilder, ein rotes und ein cyanfarbenes, überlagert. Mit der Brille können diese Bilder wieder getrennt werden, sodass z. B. das linke Auge nur das Bild sieht, das für das linke Auge bestimmt ist. Durch die Wahl geeigneter Bilder entsteht ein räumlicher Eindruck von Tiefe. M 2 Einzelne Schritte zur Erforschung des Anaglyph-Verfahrens Zeigen Sie zur Festigung des erworbenen Wissens ein Anaglyph-Video. Videos und Filme: (aufgerufen am ) (aufgerufen am ) Lösungen 1. Die Rot-Cyan-Brille ist mit transparenter roter Folie links und transparenter cyanfarbener Folie rechts ausgestattet. 2. Durchläuft normales (natürliches) Licht z. B. die rote Folie, werden alle Wellenlängen, die nicht im roten Bereich liegen, absorbiert. Das Licht besteht also nur noch aus Wellenlängen aus dem Bereich um circa 700 nm. Die cyanfarbene Folie filtert entsprechend alle Wellenlängen heraus, die nicht im cyanfarbenen Bereich liegen. Das Licht besteht dann nur noch aus Wellenlängen im Bereich zwischen 480 nm und 500 nm. 3. Das cyanfarbene Bild ist durch die rote Folie völlig dunkel, das rote Bild erscheint durch die cyanfarbene Folie völlig dunkel. Die dunklen Abschnitte liefern dem Auge also keine Information.