Experimentalphysikalisches Seminar II. 3D Kinotechnik. 3D Kino 1950er 3D Kino 2009

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1 Experimentalphysikalisches Seminar II 3D Kinotechnik 3D Kino 1950er 3D Kino 2009 Bildquellen 1 Viele Kinofilme werden heutzutage in 3D gezeigt. Die aufwendige Produktion großer Kinoblockbuster basierend auf der reald-technik nahm Ende der 2000er Jahre ihren Anfang und ist heute sehr gängig. Bereits in den 1950er Jahre gab es bereits einen 3D-Trend im Kino, damals noch mit der schon lange bekannten Rot-Grün-Technik. Allerdings setzte sich dieses Verfahren auf Dauer nicht durch, da diese Technik starke Farbverfälschungen mit sich bringt. Die neuere reald-technik basiert auf zirkularer Polarisation und hat den großen Vorteil, dass weder Farbverfälschungen noch Artefakte beim Kippen oder Neigen des Kopfes auftreten

2 2 1. Grundlagen zur Erzeugung von 3D-Projektionen 1.1 Stereoskopie Der Begriff Stereoskopie bezeichnet den Effekt, dass die richtige Überlagerung von zwei Bildern zu einem Tiefeneindruck führen kann. Die Tiefenwahrnehmung des Menschen basiert darauf, dass beide Augen jeweils ein Bild der gleichen Umgebung wahrnehmen, jedoch aus einer leicht versetzten Perspektive. Aus den unterschiedlichen Perspektiven errechnet das Gehirn dann die dreidimensionale Position des Objekts in Bezug auf den Betrachter. Das Grundprinzip von jeder 3D-Darstellung (Kino oder Bilder) ist es nun, zwei aus verschiedenen Perspektiven aufgenommene Bilder in die Augen des Betrachters zu leiten, wobei jeweils nur ein Bild in ein Auge fallen darf. Aus den beiden unterschiedlichen Bildern konstruiert das Gehirn dann analog zum normalen Sehen einen Tiefeneindruck. 1.2 Stereoskopische Verfahren Farbfilter Die einfachste Variante, um sicherzustellen, dass nur ein Bild in ein Auge trifft, ist die Verteilung der beiden Bilder auf zwei getrennte Wellenlängenbereiche. Typisch hierfür sind rot-rün oder rot-cyan Bilder. So erlaubt beispielsweise ein Rot-Filter vor einem Auge nur die Transmission von Licht von Wellenlängen größer als 600 nm. Wählt man als zweite Farbe einen Bereich, der sich nicht mit dem roten überschneidet, so kann man gezielt steuern, welches Bild in welches Auge fallen soll, indem man es entsprechend einfärbt. Das Farbfilter-Verfahren hat aber den offensichtlichen Nachteil, dass der Eindruck der 3D- Bilder oder Filme nicht farbecht ist. Deshalb liegt es nahe, nicht die Wellenlänge des Lichts sondern seine Polarisation als Kriterium zur Bildtrennung heranzuziehen Polarisationsverfahren Vor die beiden Projektoren, die die unterschiedlichen Informationen tragen, werden zueinander senkrechte Polarisatorfolien platziert. Das Licht fällt von dort auf die metallische Leinwand. Setzt man nun vor beide Augen ebenfalls zwei zueinander senkrechte Polarisatoren (die natürlich senkrecht/parallel zu denen vor den Projektoren sind), dann lässt jeder Filter nur jeweils ein Bild zum Auge passieren das Licht vom jeweils anderen Bild wird vom Polarisator absorbiert. Abb. 1 zeigt schematisch den Strahlengang einer solchen Projektion. Der Nachteil dieses Ansatzes wird offenkundig, wenn man den Kopf zur Seite neigt die Polarisatoren der Brille sind dann nicht mehr senkrecht/parallel zu denen vor den Projektoren, wodurch beide Bilder in jedes Auge fallen und der Tiefeneindruck verschwindet.

3 3 Abb. 1: 3D-Projektion mit linearen Polarisatoren [1] Dies kann nun mit dem Einsatz von zirkularer Polarisation umgangen werden. Dieses lizensierte sog. RealD 3D-Verfahren wird heute typischerweise im 3D-Kino genutzt. Zirkular polarisiertes Licht kann sehr einfach erzeugt werden, nämlich mit der richtigen Kombination eines Polarisators und eines λ/4-plättchens. Wählen wir die richtige Winkeleinstellung zwischen Polarisator und λ/4-plättchen, so können wir links- bzw. rechtszirkular polarisiertes Licht erzeugen. Wie das funktioniert, wird vereinfacht in Anhang A besprochen. Das 3D-System funktioniert dann folgendermaßen: Betrachten wir zunächst das Licht ausgehend von der linken Lampe, siehe Abb. 2. Das Licht der Lampe fällt durch das Dia und wird dann durch den Polarisator linear polarisiert. Danach fällt es auf ein λ/4-plättchen, das im 45 -Winkel zum Polarisator steht, wodurch das Licht linkszirkular polarisiert wird. Nun trifft es auf den Metallschirm dort wird das Licht reflektiert, allerdings erfährt es wie an jedem Spiegel einen Phasensprung. Dieser Sprung resultiert in einer Änderung der Drehrichtung: Das Licht vom linken Projektor ist nach der Reflektion rechtszirkular polarisiert. Das Licht trifft nun auf die Brille, in der jeweils λ/4-plättchen und Polarisator hintereinander geklebt sind sie wirken als Analysator für links- bzw. rechtszirkular polarisiertes Licht und sind so eingestellt, dass die Kombination vor dem rechten Auge das rechtszirkulare Licht absorbiert, wohingegen das rechtszirkulare Licht am linken Auge durchgelassen wird. Insgesamt wurde also über die zirkulare Polarisation sichergestellt, dass das Licht aus dem linken Projektor nur in das linke Auge fällt. Analog verhält es sich mit dem rechten Auge hier kommt nur das Licht aus dem rechten Projektor an.

4 4 Abb. 2: Prinzipskizze der 3D-Projektion mit zirkularer Polarisation ( reald-verfahren ) [1] 1.3 Aufbau der Kinobrille Den Aufbau einer reald-kinobrille kann man schon in Abb. 2 erkennen, Abb. 3 zeigt nochmal ein Foto einer solchen Brille: Abb. 3: Kinobrille Wie aus theoretischer Sicht erwartet, besteht die Brille aus zwei aufeinander geklebten Materialien. Auf der Rückseite, also der Seite des Auges, befindet sich eine lineare Polarisatorfolie, auf der Vorderseite ein Verzögerungsplättchen, also ein λ/4-plättchen in Folienform. Die beiden Folien sind im linken und rechten Glas im +/- 45 Winkel zueinander orientiert.

5 5 1.4 Aufgaben zur Vorbereitung 1. Sie sollten bei der Versuchsdurchführung wissen, wie die beiden 3D-Polarisationsverfahren (linear und zirkular) funktionieren. 2. Sie sollten wissen, wie zirkular polarisiertes Licht erzeugt wird. 3. Für die genannten Polarisationsverfahren wird ein metallischer Schirm benötigt (im Kino ist das in der Regel eine silberbeschichtete Leinwand). Warum kann man keine gewöhnliche, nichtmetallische Leinwand verwenden? 4. Wie ist ein linearer Polarisationsfilter aufgebaut bzw. wie funktioniert er? 5. Um einen 3D-Effekt zu erzielen, sollte wie oben dargestellt ein Auge immer nur eins der beiden Bilder sehen. Warum ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, für das andere Auge jeweils vollständige Dunkelheit herzustellen? Tipp: Das λ/4-plättchen ist auf die Wellenlänge λ = 532nm abgestimmt. Bemerkung dazu: Die Resthelligkeit der Bilder ist für das Gehirn kein Problem das Gehirn kann dies offenbar ignorieren, sodass sich der 3D-Effekt trotzdem einstellt. 2. Praktikumsversuch 2.1 Versuchsdurchführung Projektion mit zirkularer Polarisation Bevor Sie die Projektion aufbauen können, müssen Sie die Orientierung der Polarisatoren in der Kinobrille kennen. Vorversuch: Halten Sie eine Kinobrille in Blickrichtung und entgegengesetzt zur Blickrichtung vor einen PC-Bildschirm (Flachbildschirm) oder ein Handy ohne eingebauten Polarisationsfilter und drehen Sie sie etwas. Was können Sie aus den Ergebnissen bzgl. des Aufbaus der Brille schließen? (Material: Kinobrille, linear polarisiertes Display) Versuch 1: Bestimmung der Orientierung der Linearpolarisatoren der Kinobrille Strahlen Sie dazu mit dem vorhandenen Lasermodul Licht auf die blaue gerahmte Brille in der Halterung (alle vorhandenen reald-brillen haben die gleiche Orientierung, Sie können sie also zum Ausmessen verwenden). In welcher Richtung müssen Sie die Brille in den Lichtstrahl halten, um linear polarisiertes Licht zu erhalten? Bestimmen Sie die Polarisationsrichtung der Brillengläser, indem Sie einen linearen Polfilter in einem drehbaren Halter dahinter schalten und das Minimum bzw. Maximum suchen. Tipp: Suchen Sie das Minimum (das ist leichter zu finden als das Maximum) und drehen Sie den Filter dann um genau 90, damit sie später im Aufbau maximale Helligkeit erhalten. (Material: Lasermodul, Kinobrille, linearer Polfilter, Schirm )

6 6 Aus Versuch 1 wissen Sie nun die Orientierung der linearen Polarisatoren in Ihrer Brille. Versuch 2: Erstellen Sie selbst eine 3D-Projektion wie in Abb. 4 gezeigt. Material: Lichtquelle, 3D-geeignete Dias, Projektionsschirm, 2 lineare Polfilter, 2 λ/4- Plättchen. Aufbauschritte: Vorbemerkung: Achten Sie darauf, alles von Anfang an sehr sorgfältig und sauber aufzubauen! Andernfalls ist der 3D-Effekt weniger eindrucksvoll. 1. Schritt: Beachten Sie, dass die Lampen in der gleichen Höhe sind und setzen Sie die Dias in richtiger Orientierung vor die Lampen. Achten Sie darauf, dass die Dias gut ausgeleuchtet sind und kein Streulicht daran vorbeigeht. 2. Schritt: Setzen Sie die Dias ein, achten Sie auf die richtige Orientierung (die Seite, die mit Projektor beschriftet ist, zeigt zur Lampe usw.) Bilden Sie die Dia-Motive mit Hilfe der Linsen nun scharf auf dem Schirm ab. Achten Sie auf die korrekte Höhe der Linsen und stellen Sie die Linsen so auf, dass das linke Bild gegenüber dem rechten auf dem Schirm leicht nach Links verschoben ist (max. 1cm) Der obere und untere Rand beider Abbildungen sollte jeweils möglichst gleich sein, auch die Bildgröße sollte gleich sein. Sie können zur Bild-Feinpositionierung vorsichtig die Linsen bewegen, müssen aber darauf achten, dass die Abbildung noch scharf bleibt. 3. Schritt: Positionieren Sie nun die Polarisatoren geeignet im Strahlengang. Hier müssen Sie darauf achten, dass Sie das Bild nicht abschneiden. Betrachten Sie das Bild auf den Polarisationsfiltern wenn Sie diese auf der optischen Achse verschieben, sehen Sie wie sich die Größe verändert. So haben Sie die Möglichkeit, die ideale Position zu finden. 4. Schritt: Sind Linsen und Linearpolarisatoren korrekt aufgebaut, müssen Sie noch die λ/4-plättchen einsetzen. Die sich die Achse des Plättchens schwer bestimmen lässt und es daher schwierig ist, den 45 -Winkel zu finden, können Sie die richtige Orientierung durch Ausprobieren herausfinden: Schalten Sie eine der Lampen aus, z.b. die für das linke Bild, sodass nur das rechte Bild auf dem Schirm erscheint. Dieses sollten Sie ja am Ende mit dem linken Auge NICHT sehen. Schließen Sie daher das rechte Auge und betrachten das Bild nur mit dem linken. Jetzt drehen Sie solange am Halter des λ/4-plättchens, bis das Bild so dunkel wie möglich wird. Danach machen Sie dasselbe mit dem anderen Bild. 5. Wenn Sie alle Komponenten richtig ausgerichtet und eingestellt haben, schalten Sie beide Lampen an, setzen die 3D-Brille auf und betrachten das Bild am Schirm. Wenn Sie den Eindruck haben, dass das Betrachten anstrengend ist oder der Effekt sich noch nicht richtig einstellt, verschieben Sie mit Hilfe der Linsen eins der Bilder ganz wenig nach links oder rechts.

7 7 Abb. 4: Aufbau der Projektion mit zirkularer Polarisation (1: Lampen, 2: Dias, 3: Linsen, 4: lineare Polarisatoren, 5: λ /4-Plättchen, 6: Schirm) Projektion mit linearer Polarisation Sie sollen nun zum Vergleich noch die etwas einfachere Projektion mit zwei linearen Polfiltern aufbauen. Aus wissen Sie, wie das funktioniert, daher: Versuch 3: Vermessen Sie die Orientierung der Polfilter der Papp-3D-Brillen für das lineare Polarisationsverfahren (Achtung: Die Tragebügel lassen sich in zwei Richtungen klappen. Achten Sie darauf, dass alle verwenden Brillen in die gleiche Richtung gefaltet sind.). Bauen Sie analog wie in Versuch 2 eine 3D-Projektion, nun im Linearverfahren, auf. Sie müssen voraussichtlich die Orientierung der Bilder zueinander wieder etwas verändern, um den besten Effekt zu erzielen. Was fällt Ihnen nun auf, wenn Sie die 3D-Projektion betrachten und dabei den Kopf neigen? Bildquellen: [1] [2] A. Bergmann, J. Küchenmeister, A. Langendörfer, C. Lang, A. Hasenohr, G. Quast, 3D- Kino im Schülerversuch, (Physik in der Schule, Heft 6/64, 2015) [3] discovery.thorlabs.com

8 8 Anhang A) Erzeugung von zirkular polarisiertem Licht Ein λ/4-plättchen ist ein doppelbrechendes Material, es hat daher für Licht mit verschiedener Polarisationsrichtung unterschiedliche Brechungsindizes und damit unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten. Wir machen nun folgendes: Wir polarisieren einfallendes Licht zunächst linear, in dem wir es durch einen linearen Polarisationsfilter schicken. Wir betrachten also, was passiert, wenn wir Licht unter dem Einfallswinkel durch den Polarisator schicken. Wie in Abb. A1 dargestellt, zerlegen wir den Vektor des einfallenden Feldes in seine Komponenten parallel (also hier E 0x ) und senkrecht (hier E 0y ) zur Durchlassrichtung des Polarisators. Abb. A1: Aufteilung des elektrischen Feldes einer linear polarisierten Welle an einem Polarisator [3] Wir haben also unseren Gesamtfeldvektor zerlegt: E 0 = E 0x + E 0y Als nächstes schicken wir das linear polarisierte Licht durch ein λ/4-plättchen. Die beiden Teilwellen E 0x und E 0y sind senkrecht zueinander polarisiert, weshalb ihre Ausbreitungsgeschwindigkeiten im λ/4-plättchen unterschiedlich sind. Wegen dieser unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen also die Phasen beider Teilwellen innerhalb des λ/4-plättchens immer weiter auseinander. Wählt man nun die Dicke des λ/4-plättchens so, dass die Phasenverschiebung nach Durchlauf durch das Plättchen gerade eine Viertel- Wellenlänge beträgt (also π/2), so kreist der E-Feld-Vektor des resultierenden Feldes nach Austritt gleichförmig um die Ausbreitungsrichtung. Sind die Amplituden der beiden Teilwellen gleich, so erhält man schließlich zirkulare Polarisation, sind sie nicht gleich, elliptische Polarisation. Schematisch ist das in Abb. A2 dargestellt. Gleiche Amplituden erhält man, wenn der Einfallswinkel der linearpolarisierten Welle zur Achse des λ/4- Plättchens genau 45 (oder -45 ) beträgt.

9 9 Abb. A2: Erzeugung zirkularer Polarisation Die Erzeugung zirkularer Polarisation lässt sich also so zusammenfassen: 1. Erzeuge linear polarisiertes Licht mit dem linearen Polarisationsfilter, dabei sind E 0 der resultierende E-Feldvektor und E 0x und E 0y die beiden senkrecht zueinander polarisierten Teilwellen mit E 0 = E 0x + E 0y 2. Schicke das linear polarisierte Licht durch das λ/4-plättchen, und zwar unter einem Winkel von Θ = 45 gegenüber dessen Achse. Bei Θ = 45 ändert die Schraube ihren Drehsinn. Man spricht dann von rechts- bzw. linkszirkularer Polarisation. Unter diesen Bedingungen erhält man gleiche Amplituden der Teilwellen, also E 0x = E 0y Die Phasenverschiebung zwischen beiden Teilwellen beträgt aufgrund der Dicke des λ/4-plättchens bei 532nm genau π/2 und wir erhalten zirkulare Polarisation.