Es ist an der Zeit, 3D-Technologie in einem neuen, zirkular polarisierten Licht zu betrachten. Denn 3D-Technik ist auf dem Weg populär zu werden. Der Sprung von den Kinos in die Wohnzimmer ist gelungen. Mittlerweile sind fast alle neuen Fernseher der oberen Preiskategorie in der Lage 3D-Material darzustellen. Mit harten Bandagen wird der Kampf um die beste technische Umsetzung ausgefochten. In einem Wald aus Produktnamen könnte man dabei fast übersehen, dass es (bisher) nur drei relevante Technologien gibt:
- Polarisationsfiltertechnik, mit kleinen und passiven Polfilterbrillen (z.B. von LG, JVC und Hyundai)
- Shutterbrillentechnik, mit aktiven und schweren Brillen (z.B. von Samsung, Sony und Sharp)
- Autostereoskopische Displays, die ganz ohne Brillen auskommen (z.B. Nintendo 3DS)
Nun wollen wir uns ansehen, welche Technik und Physik hinter 3D-Darstellungen steckt. (Wie Bildschirme funktionieren, haben wir in einem früheren Artikel erklärt.)
Bis vor kurzem war die Polfiltertechnik ausschließlich aus Kinos bekannt. Doch jetzt, da sie auch mehr und mehr für das heimische Wohnzimmer verfügbar ist, scheinen Polfilterbrillen der Shutterbrillen-Konkurrenz das Fürchten zu lehren. Das Computermagazin CT stellt z.B. in einem Versuch fest, dass fast alle Testpersonen Polfilterbrillen angesichts ihres Gewichts und der größeren Helligkeit und Schärfe deutlich bevorzugen.
Das physikalische Prinzip der Polarisationsfiltertechnik und das Prinzip der Tiefenwahrnehmung sind leicht zu verstehen. Damit das Gehirn ein dreidimensionales Bild produzieren kann, muss jedes Auge ein Bild wahrnehmen. Das Konzept ist technisch in der Stereoskopie (altgr. stereos=räumlich, skopeo=betrachten), der Tiefendarstellung umgesetzt: jedes Auge bekommt ein separates Bild, da beim natürlichen Sehen die räumliche Position der Augen für zwei leicht unterschiedliche Perspektiven sorgt. Die Polarisationsfiltertechnik erzielt das dadurch, dass die Bilder für das linke und rechte Auge mithilfe ihrer Polarisation getrennt werden. Die Polarisation ist eine Eigenschaft des Lichts, das in beliebige Raumrichtungen quer (transversal) zu seiner Ausbreitungsrichtung schwingen kann. Diese Richtung heißt Polarisation (altgr. polos=Achse).
Im Kino werden die Bildsequenzen für linkes und rechtes Auge durch zwei Projektoren erzeugt. Jeder der Projektoren liefert zunächst unpolarisiertes Licht, also solches, bei dem die Photonen (die Lichtteilchen) zufällig verteilte Schwingungsrichtungen einnehmen. Das Lichtsignal der Projektoren wird jeweils durch einen Polarisationsfilter gelenkt. Ein Polarisationsfilter lässt nur eine spezielle Schwingungsrichtung (z.B. vertikal) zu und filtert alle anderen Anteile heraus. Die beiden gegensätzlich polarisierten Bilder treffen auf die Leinwand, von der aus das Licht zum Betrachter gelangt. Um das Signal aus gegensätzlich polarisiertem Photonen korrekt in das Bild für das linke und rechte Auge dekomponieren zu können, trägt man die Polfilterbrille. Sie besitzt die gleichen Filter wie die Projektoren: der Polfilter des linken bzw. rechten Auges lässt nur Licht der gewünschten Schwingungsrichtung durch (z.B. links=vertikal, rechts=horizontal).
Damit die Polarisation an der Leinwand nicht durch Streuung verloren geht, werden spezielle Silber- und Aluminiumleinwände eingesetzt. Um dem Betrachter zu erlauben, den Kopf seitlich zu bewegen, ohne dass der Tiefeneindruck zerstört wird, kommt statt linear polarisiertem Licht (also solches, dass entweder horizontal oder vertikal im Raum schwingt) zirkular polarisiertes Licht zum Einsatz, bei dem sich die Schwingungsrichtung spiralförmig dreht. Dadurch kann die Polfilterbrille – unabhängig von der Neigung des Kopfes – das Licht in das linke und rechte Bild zerlegen. Denn entscheidend ist nur, ob sich die Schwingungsebene mit oder gegen den Uhrzeigersinn dreht. Und daran ändert sich nichts, wenn man den Kopf auf die Schulter legt. Bei linear polarisiertem Licht würde beim Kopfneigen aus dem horizontal polarisierten plötzlich vertikal polarisiertes Licht und die Bilder für beide Augen wären vertauscht.
Damit ein Bildschirm sowohl dreidimensionale als auch gewöhnliche Videos wiedergeben kann, wird der Bildschirm mit einem Linienmuster aus abwechselnden Polarisationsfiltern überzogen. Da das Auge Polarisation nicht wahrnehmen kann, erhält man ohne Brille im 2D-Modus des Fernsehers das gewöhnliche, flache Bild. Setzt man hingegen die Polfilterbrille auf und wechselt zum 3D-Modus, so gibt der Fernseher zeilenweise alternierend die Bilder für linkes und rechtes Auge aus. Das Licht wandert durch die Polfilter und wird von der Brille dem zugehörigen Auge zugeführt. Die vertikale Auflösung des Bildschirms halbiert sich dabei allerdings, da nun nur jede zweite Zeile tatsächlich zu einem Bild beiträgt. Bei LCD-Displays muss beim Aufbau der Filter berücksichtigt werden, dass das austretende Licht durch die Flüssigkristallzellen (Liquid Crystal) bereits linear polarisiert ist. Um dem Licht seine schraubförmige Polarisation zu verpassen, durchfliegt es deshalb anschließend ein sogenanntes Lambda-Viertel-Plättchen, das die Schwingungsrichtung in Drehung versetzt.
Die Funktionsweise eines Polarisationsfilters selbst basiert darauf, dass das eintretende Licht die länglichen Moleküle des Filters zu einer Schwingung anregt. Die Moleküle schwingen bevorzugt in ihrer Längsrichtung, in der sie Licht nahezu vollständig durchlassen (genauer: aufnehmen und wiederabstrahlen). In ihrer Querrichtung sind sie kaum zu Schwingungen anzuregen, so dass in dieser Richtung polarisiertes Licht nicht passieren kann. Zusätzlich braucht man dann nur noch das Lambda-Viertel-Plättchen, dass aus linear polarisiertem zirkular polarisiertes Licht macht und umgekehrt. Das Plättchen beruht darauf, dass Licht sich in einigen (“doppelbrechenden”) Materialien je nach Polarisationsrichtung unterschiedlich schnell bewegt. Da das Licht [Vertikal Polarisierter Anteil]+[Horizontal Polarisierter Anteil] ist, wandert eine Komponente des Lichts langsamer durch das Plättchen als die andere und durch das “Hinterherhinken” beginnt die Schraubenbewegung. Eine Polfilterbrille muss also ein Sandwich aus Lambda-Viertel-Plättchen – zur “Entschraubung” des zirkular polarisierten Lichts – und einem linearen Polarisationsfilter sein, der nur das für das linke oder rechte Auge bestimmte Licht durchlässt.
Bevor auch in Heimkinos die Ära der Polarisationsfiltertechnik begann, gab es längst Shutterbrillen. Diese klobigen Geräte werden über Batterie mit Strom versorgt und erledigen die gleiche Aufgabe wie Polfilterbrillen, ohne jedoch mit polarisierten Bildsignalen zu arbeiten. Stattdessen verdunkeln sie abwechselnd je eine Seite der Brille, so dass das Auge im schnellen Wechsel ein Bild für das linke und eins für das rechte zugespielt bekommt. Der Bildschirm zeigt abwechselnd ein Bild für das linke und eines für das rechte Auge. Die Brille muss deshalb präzise mit dem Bildschirm synchronisiert sein, damit die Taktung nicht auseinanderwandert. Um den Schaltzeiten der Brille und des Bildschirms Rechnung zu tragen, wird das Bild jeweils nur einen Bruchteil der möglichen Zeit dargestellt. Der Nachteil, der durch das komplette Abblenden einer Seite verstärkt wird, ist ein Verlust an subjektiv wahrgenommener Helligkeit. Außerdem stehen die Brillen im Ruf zu flimmern und dadurch Kopfschmerzen zu verursachen.
Die Shutterbrillen arbeiten wie LCD-Bildschirme (Liquid Crystal Display) mit Flüssigkristallen. Lin LCDs werden sie eingesetzt, um die Helligkeit eines Subpixels präzise einzustellen. Bei der Shutterbrille ist man hingegen nur daran interessiert entweder alles Licht oder garkeines durchzulassen. Doch die gleiche Technik führt zum Ziel: eine nematische Drehzelle. Nematisch nennt man einen Flüssigkristall, wenn seine länglichen Moleküle eine bevorzugte Richtung besitzen. Und die haben sie: eingeschlossen zwischen einem vertikalen und einem horizontalen Polarisationsfilter dümpeln die Flüssigkristalle vor sich hin. Da Flüssigkristalle doppelbrechend sind und die Dicke der Schicht genau gewählt wurde, drehen sie die Polarisationsrichtung des Lichts um 90° (also von vertikal nach horizontal). Legt man eine Spannung an die Flüssigkristalle an, hören sie (je nach Richtung und Stärke der Spannung) auf die Polarisationsrichtung zu drehen.
Was passiert also? Das polarisierte Licht kommt vom Fernseher. Das linke Auge ist an der Reihe. Die Shutterbrille beschließt deshalb das rechte Auge abzudunkeln. Dazu erzeugt es eine Spannung an der nematischen Zelle der rechten Seite. Die Richtung des dazu erzeugten elektrischen Feldes ist so gewählt, dass die Flüssigkristalle nicht als 90°-Polarisationsdreher fungieren können. Das Licht tritt durch die Vorderseite mit dem horizontalen Filter. Von dem zuvor unpolarisiertem Licht kann nur der horizontale Anteil durchtreten: das Licht wird (linear) horizontal polarisiert. Das Licht, dass dadurch die Hälfte seiner Helligkeit verloren hat, passiert den Flüssigkristall und trifft auf den vertikalen Filter. Da endet die Reise, denn der vertikale Anteil wurde bereits weggefiltert. Das rechte Auge bleibt im Dunkeln.
Ob Polfilter oder Shutterbrille – natürlich ist es nicht angenehm, eine 3D-Brille tragen zu müssen. Deshalb ist bereits viel Geld in der Erforschung und Gestaltung sogenannter autostereoskopischer Displays (alter. auto=selbst) gewandert. Denn die brillieren ohne Brille.
Die grundsätzliche Herausforderung besteht darin, die genaue Position des Betrachters ermitteln zu müssen, um die Bilder genau so anzuzeigen, dass für die Betrachterposition ein Tiefeneindruck entsteht. Das geschieht über Head- oder Eye-Tracking, also die Erfassung der Position des Betrachters mithilfe einer oder mehrerer Kameras. Deshalb funktionieren autostereoskopische Display normalerweise ausschließlich für einen einzigen einsamen Betrachter. Mit Kenntnis der Position können autostereoskopische Displays etwas leisten, das Polfilter- und Shutterbrillen nicht bieten können (tun bisherige Modelle aber noch nicht): Bewegungsparallaxe. Als Parallaxe (altgr. parallagé=Abweichung) bezeichnet man die Tatsache, dass sich betrachtete Gegenstände scheinbar relativ zueinander bewegen, wenn man seine Betrachtungsposition verschiebt. Das klassische Beispiel ist ein Blick aus dem Autofenster: die Bäume rauschen schnell vorüber, während der dahinterliegende Berg sich kaum bewegt und der Mond am Firmament ruht. Deshalb erwarten wir beim Betrachten eines dreidimensionalen Gebildes, dass sich das Bild verändert wenn wir den Kopf bewegen, als wollten wir an einem dargestellten Gegenstand vorbeisehen.
So ist es auch die Parallaxe – die leichte Perspektivenänderung von verschobenen Positionen – die autostereoskopische Displays möglich macht. Die beiden Perspektiven sind natürlich die unser beiden Augen. Es gibt bisher zwei Umsetzungen: Parallaxenbarrieren und Lentikularlinsen. Ein Beispiel für die Technik der Parallaxenbarriere ist die mobile Spielkonsole Nintendo 3DS. Lentikularlinsen gibt es bereits seit ca. 100 Jahren und sind sicher jedem in Form von werbewirksamen aber sonst wenig spektakulären Wackelbildern bekannt.

Wie wird also der Blick nur auf die Pixel für das vorgesehene Auge gelenkt? Bei der Parallaxenbarriere wird unmittelbar vor dem Bildschirm ein dünnes vertikales Linienraster angebracht. Es wird so eingestellt (durch Headtracking oder durch einen Drehregler), dass die Blickstrahlen der jeweiligen Augen genau auf die Bildspalten fallen aus denen das Auge dann ein Gesamtbild zaubern soll.
Statt die Bildspalten durch eine Barriere zu verstecken werden beim Lentikularlinsenverfahren konvexe Linsen auf den Bildschirm geklebt. Konvex (lat. convexus=gewölbt) nennt man eine Linse, wenn ihr “Bauch” zum Betrachter zeigt. Linsen brechen Licht, da sich Licht in ihnen langsamer bewegt. Konvexe Linsen sind Sammellinsen, da das Licht “von dünn nach dicht, zum Lot sich bricht”. Die Linse wird also genau so geschliffen, dass der leicht seitliche Blick auf eine Nachbar-Bildzeile umgelenkt wird auf die eigene. So sieht jedes Auge nur sein Bild. Wenn nun der glückliche Besitzer des autostereoskopischen Display beschließt sich ein bisschen weiter nach links zu lehnen um nach dem Popcorn zu greifen, kann ein Gerät mit Head-Tracking die Pixelverteilung neu berechnen und für die neue Position anpassen. Beherrscht es diesen Vorgang nicht, verschwimmt das Bild, da die Bildzeilen sich nun überlagern. Lehnt er sich noch weiter nach links, kommt irgendwann der Punkt, an dem das Bild wieder klar ist.
Ein Gerät des Phillips 2009 gebaut hat, unterstützt 46 verschiedene Betrachtungswinkel. Wenn also alle schön still sitzen, kann man also auch mit seiner 46-köpfigen Familie ungehemmtes 3D-Vergnügen erfahren. Lentikularlinsen liefern übrigens ein helleres Bild als Parallaxenbarrieren, denn dort wird Licht von der Barriere geschluckt. Linsen leiten Licht nur um.
Autostereoskopische Fernseher sind momentan noch etwas für Schnösel und Ölscheiche, ein 43 Zoll LCD-Modell mit Lentikularlinsen aus China kostet ca. 20.000$.
Fazit: Bis die eingeschränkte Betrachterzahl bei autostereoskopischen Displays gelöst ist, sind Polfilterbrillen eindeutig die vielversprechendste Technologie. An coolen Forschungsideen mangelt es übrigens nicht, besonders beeindruckend sind Plasmon-Farbhologramme und Swept-Volume-Displays (rechts).