Die Welt bunter sehen: Wie funktioniert eine Multispektralbrille (Regenbogenbrille)?

11.11.15

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Ziehst du eine Multispektralbrille an, wird plötzlich alles bunt: Um jede Lichtquelle erscheinen mehrere Fächer von Regenbogenfarben. Wie funktioniert das?

(Bild oben: Fotografiert durch eine Multispektralbrille. Das Licht von oben wird zu einem Fächer aus "Regenbogen")

Thema des Science Festivals 2015 ist das Licht. Passend dazu gibt's die Multispektralbrillen von science.lu: Wenn du sie anziehst, wird die Welt plötzlich zur Disko. Vor allem, wenn du in Richtung einer Lichtquelle guckst und dazu deinen Kopf bewegst. Es ist, als würden Regenbögen vor dir tanzen. Doch wie lässt sich das erklären?

Die Multispektralbrille spaltet Licht in seine einzelnen Farben auf.

Mit Hilfe der Multispektralbrille kannst du die einzelnen Farben erkennen, aus denen das Licht einer Lichtquelle zusammengesetzt ist. Sonne, Glühbirne, Kerze, Neonröhre, oder Energiesparlampe haben alle verschiedene Farbspektren.

Genauso können auch viele Millionen Regentropfen zusammen das weiße Sonnenlicht in alle Farben auftrennen - beim Regenbogen. Oder du benutzt eine gewöhnliche CD, die kann’s auch!

Doch wie spaltet die Multispektralbrille das Licht auf? Dazu etwas Physik zur Beschaffenheit der Multispektralfolie, die sich an Stelle der Brillengläser befindet. Und auch etwas Physik zur Wellennatur des Lichts.

Eine transparente Folie mit zwei eingeprägten, um 90° versetzten optischen Gittern!

Du schaust durch eine Plastikfolie, in die mehrere Hundert feine Linien pro Millimeter (!) eingeritzt wurden. (Abb. 1) In der Physik wird dies ein „optisches Gitter“ genannt. Bei eine handelsüblichen Multispektralbrille wurde nicht nur ein solches Gitter in die Folie eingeprägt, sondern gleich ein zweites rechtwinklig zu dem ersten.

Abb. 1: Ein optisches Gitter ist mit unzähligen sehr feinen regelmäßig eingeritzten Linien versehen.

Welche Rolle spielen die eingeritzten Linien?

Sie streuen das auftreffende Licht in alle Richtungen. (Abb.2) Wieso? Siehe Infobox!

Abb. 2.: Jede Linie streut auftreffendes Licht in alle Richtungen.

Sonnenlicht besteht aus allen Regenbogenfarben.

Das weiße Licht der Sonne besteht aus unzähligen Lichtwellen von verschiedenen Wellenlängen (Abb. 3). Jede Wellenlänge entspricht einer bestimmten Farbe aus dem Regenbogenspektrum (Abb. 4). Rotes Licht hat die größte Wellenlänge, dann folgen - mit abnehmenden Werten - gelbes, grünes und schließlich blaues und violettes Licht.

Abb.3 : Wellenlänge

Abb. 4: Regenbogenspektrum : Für unser Auge sichtbares Spektrum des Sonnenlichts.

Die Multispektralfolie offenbart die Regenbogenfarben, da die gestreuten Lichtwellen sich überlagern und dabei entweder verstärkt oder zerstört werden.

Überlagerung (Interferenz) von Lichtwellen : Zerstörung oder Verstärkung.

Betrachtet man die Folie unter einem bestimmten Sehwinkel, so treten unzählige Lichtstrahlen, welche von den einzelnen Linien gestreut werden, ins Auge. Sie überlagern sich, und das Resultat dieser Überlagerung ist eine gegenseitige Zerstörung der Wellen – außer für eine einzige Wellenlänge, wo eine Verstärkung stattfindet. Und zwar für die Wellenlänge, die genau dem Gangunterschied der Lichtstrahlen aus zwei benachbarten Linien entspricht (Abb. 4). Nur dann sind alle ins Auge eintretenden Wellen im Gleichschritt, und die Summierung ergibt eine verstärkte Welle, also sichtbares farbiges Licht!

Abb. 5: Die ins Auge tretenden Wellen verstärken sich nur dann, wenn ihr Gangunterschied einer Wellenlänge entspricht.

Für jeden Sehwinkel nur eine Farbe!

Die Abbildung 6 zeigt, dass der Gangunterschied von benachbarten Lichtstrahlen vom Sehwinkel abhängt. Aus den verschiedenen Richtungen dringt also unterschiedlich farbiges Licht ins Auge!

Abb.6: Für jeden Sehwinkel ist der Gangunterschied anders. 1: Nur rotes Licht wird verstärkt. 2: Nur grünes Licht wird verstärkt. 3: Nur blaues Licht wird verstärkt.

Ein weißer Lichtpunkt ist von Regenbogenfächern umgeben.

Betrachtet man eine Glühlampe, oder die Flamme einer Kerze durch die Multispektralbrille, so sieht man außer dem weißen Lichtpunkt rechts und links ein Regenbogenfächer. Und da ein zweites Gitter dem ersten rechtwinklig überlagert ist, erscheinen auch solche Fächer über und unter dem Lichtpunkt.

Abb. 7: Außer dem weißen (W) Licht der Lichtquelle dringt von rechts her ein Fächer von Regenbogenfarben (R, G, B, …) ins Auge. Das Gleiche natürlich auch von links.

Eine Verstärkung der gestreuten Wellen findet auch statt, wenn der Gangunterschied zwischen zwei benachbarten Wellen genau zwei ganzen Wellenlängen entspricht. Das ist für schräger gestreute Lichtwellen der Fall, deren Gangunterschied grösser ist. Man sieht dann noch weiter rechts und links, oben und unten einen zweiten Regenbogenfächer.

Und zum Schluss das Allerbeste: Es erscheinen noch viel mehr Regenbogenfächer - in 45°, 27° usw. zu der Senkrechten und der Horizontalen!

Die Ursache für das Erscheinen der Regenbogenfächer ist die sich regelmäßig wiederholende Struktur der Multispektralfolie. Es entstehen daher Regenbogenfächer auf den beiden Achsen quer zu den eingeprägten Linien (Achsen 1 und 2 auf Abb. 8). Doch die Überlagerung der beiden optischen Gitter erzeugt nicht nur zwei, sondern unendlich viele solche Strukturen, welche von den Punkten der sich kreuzenden Linien gebildet werden: Zum Beispiel die Strukturen entlang den Achsen 3 und 4 auf Abb.8. Da der Abstand der sich wiederholenden Struktur kleiner ist, erscheinen die entsprechenden Regenbogenfächer unter größerem Sehwinkel.

Abb. 8: Die sich regelmäßig wiederholende Struktur der Multispektralfolie ist die Ursache für das Erscheinen der Regenbogenfächer. Es gibt solche Strukturen entlang der Achsen 1, 2, 3, 4, …

Es erscheinen deshalb im Feld der Multispektralbrille noch sehr viele Regenbogenfächer. Abb.9 zeigt, was du wirklich siehst!

Abb. 9: So sieht jeder Lichtpunkt tatsächlich in der Multispektralbrille aus. (Die Achsen 1,2,3 und 4 sind die Gleichen wie in Abb. 8.)

Autor: André Mousset (Physiker)

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Infobox

Warum werden die Lichtwellen von den Linien des Gitters gestreut?

Wegen der Lichtbrechung beim zweifachen Durchgang durch die Plastikfolie!

Und weil die Linien sehr schmal sind. Das Phänomen tritt auch bei Wasserwellen auf, die auf eine kleine Öffnung zukommen. Hinter der Öffnung breiten sie sich in alle Richtungen aus.


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