Projektoren (Beamer)

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LCD-Projektor

Flüssigkristallprojektoren (LCD) funktionieren im Prinzip wie Diaprojektoren, anstelle eines Dias kommen eine oder mehrere transparente Aktivmatrix-Flüssigkristallanzeigen, angesteuert durch Dünnfilmtransistoren, zum Einsatz. Heutzutage übliche Geräte verwenden drei, voneinander getrennte LCD-Matrizen (3LCD-Technologie) – für jede Grundfarbe eine –, deren Projektion über ein speziell angeordnetes Projektionssystem mit dichroitischen Spiegeln zu einem Bild zusammengefügt wird. Dadurch kann in jedem Bildpunkt jede Farbe erzeugt werden. Besonders hochwertige Geräte verwenden eine optische Einheit mit vier separaten LC-Matrizen, wobei eine Matrix extra für die differenzierte und lichtstarke Darstellung des Gelbs verwendet wird. Hierdurch kann man hohe Lichtausbeute mit guter Farbbalance verbinden, was herkömmlichen Geräten mit drei LC-Matrizen recht schwerfällt – ihre Gründarstellung besitzt einen leichten Gelbstich, eine Korrektur des Farbstiches ist meist mit einem recht hohen Helligkeitsverlust verbunden. Bei Geräten mit nur einer Flüssigkristallanzeige werden die drei Grundfarben wie auf LC-Flachbildschirmen durch drei, nebeneinander angeordnete, integrierte Matrizen dargestellt, was wegen der reduzierten Auflösung zu einem gröberen Bildeindruck führt.

Vorteile:

• relativ preiswert
• gute Lesbarkeit bei Texten und Grafiken durch die scharfe Abgrenzung der Bildpunkte
• klein und leicht
• im Vergleich zu Ein-Chip-DLP-Projektoren der gleichen Lichtleistungsklasse wesentlich bessere Farbintensität

Nachteile:

• Die scharf abgezeichnete Pixelstruktur („Fliegengitter“/Screendoor-Effekt) kann störend wahrgenommen werden, HD-Projektoren leiden allerdings nicht mehr so stark unter diesem Problem wie frühere XGA-Geräte.
• Aufgrund fixer Displayauflösung im Gerät ist die beste Qualität nur bei einer bestimmten Auflösung des Eingangssignals gegeben. Ansonsten ist eine qualitätsmindernde Skalierung nötig.
• Bei frühen Geräten: Nachziehen des Bildes durch die Trägheit der LCDs.
• Flüssigkristalle haben einen relativ beschränkten Betriebstemperaturbereich. Maßnahmen müssen getroffen werden, damit der Klärpunkt (Übergang von der flüssigkristallinen zur flüssigen Phase) nicht erreicht wird (Infrarotfilter, leistungsfähiger Lüfter).
• LCD-Memory-Effekt (Einbrennen): Werden Stellen zu lange mit zu hellen Bildern angeregt, so werden diese Stellen langsam permanent dunkel. Nach einigen 1000 Stunden Betriebsdauer sind die elektro-optischen Eigenschaften einer Schicht mit organischen Flüssigkristallen infolge der hohen Lichtintensität (insbesondere des kurzwelligen Lichtanteils) permanent gestört. Bei Verwendung von Polarisationsfolien mit organischen Farbstoffen können auch deren optische Eigenschaften vermindert werden. Dadurch werden die Eigenschaften des Projektors (Kontrast, Farbspektrum) beeinträchtigt. Anorganische LCD-Panels, welche seit 2008 vermehrt eingesetzt werden, besitzen dieses Manko laut Herstellerangaben nicht mehr und besitzen eine „weit längere“, bisher noch unspezifizierte Lebensdauer.
• Geräuschentwicklung durch Lüfter
• Empfindlichkeit gegenüber Staub und Rauch, da sowohl die Lampe als auch die LCDs mit frischer Luft gekühlt werden müssen. Eine Einkapselung bzw. Versiegelung der optischen Einheit ist daher nicht möglich (im Gegensatz zu DLP-Projektoren). In sehr staubigen oder rauchigen Umgebungen lässt die Bildqualität daher schnell nach.
• Fehlerhafte Konvergenz bei Mehr-Panel-Projektoren ist möglich.

DLP-Projektor

Als Bildwandler eines DLP-Projektors (Digital Light Processing) kommt ein Digital Micromirror Device (DMD) zum Einsatz, eine Integrierte Schaltung, auf der sich für jeden einzelnen Bildpunkt ein winziger, durch einen elektrischen Impuls kippbarer Spiegel befindet. Die Bilderzeugung erfolgt durch gezieltes Ansteuern der Kippspiegel, so dass das Licht in Richtung der Projektionsoptik geleitet oder abgelenkt wird. Da diese Art der Bilderzeugung nur die zwei Zustände an und aus kennt, müssen Helligkeitsabstufungen durch schnelles Pulsieren erreicht werden. Die DLP-Spiegel schalten bis zu 5000-mal pro Sekunde.

Die meisten Geräte verwenden zur Erzeugung eines Farbbildes ein schnell rotierendes Farbrad, wobei mit einem DMD nacheinander alle drei Grundfarben projiziert werden. Bei DLP-Projektoren neuerer Bauart wurde die Anzahl der Farbsegmente auf sechs bis sieben erhöht, um bei Farbmischungen exaktere Resultate erzielen zu können. Beachtenswert ist der Einsatz eines transparenten Segmentes im Farbrad bei allen neueren Ein-Chip-DLP-Projektoren, welche nicht speziell für den Heimkinoeinsatz vorgesehen sind. Dies hat den Vorteil einer höheren Lichtleistung bei der Darstellung weißer Flächen. Allerdings geht das transparente Segment auf Kosten der Farblichtleistung, wodurch DLP-Projektoren bei der Projektion auf größere Flächen eine sichtbar schlechtere Farbdarstellung und Intensität besitzen. Bei Projektoren für den professionellen Bereich (zum Beispiel Kino) kommen drei separate Bildwandler (DMD) zum Einsatz. LED-Projektoren schalten die Farben elektronisch um.

Der alleinige Technologieinhaber der DMD-Produktion ist die Firma Texas Instruments (Ti)

Vorteile:

• sehr hohe Geschwindigkeit, dadurch kein Nachleuchten bzw. Nachziehen des Bildes, hierdurch sehr gut für 3D-Projektion geeignet
• kein Einbrennen des Bildes (z. B. bei Computerspielen)
• höherer Kontrast (durch das tiefere Schwarz) als beim LCD-Projektor
• weniger stark ausgeprägte Pixelstruktur als bei LCD-Projektoren
• durch gekapselte Optik und langlebiges DMD weniger staubempfindlich als LCD-Projektoren.

Nachteile:

• Aufgrund fixer Displayauflösung im Gerät ist die beste Qualität nur bei einer bestimmten Auflösung des Eingangssignals gegeben. Ansonsten ist eine qualitätsmindernde Skalierung nötig.
• Regenbogeneffekte bei einigen Geräten mit Farbrad, wenn das Farbrad keine hohe Umdrehungsgeschwindigkeit hat (herstellerabhängig).
• Bei der Darstellung bestimmter, einzelner Grau- bzw. Farbwerte kann es zu einem sichtbaren Flimmern kommen.
• Farbtreue ist mitunter nicht gegeben. Insbesondere haben DLP-Projektoren ein Problem, sattes Grün darzustellen und auch alle Rot- und Orange-Farbtöne. Das betrifft hauptsächlich die Consumer-Geräte (Ein-Chip-DLP), da bei diesen die Farbradtechnik zum Einsatz kommt.
• Geräte mit Weißsegment besitzen eine schlechtere Farblichtleistung als LCD-Projektoren der gleichen Helligkeitsklasse.
• Geräuschentwicklung durch Lüfter und Farbrad

LED-Projektor

Bei LED-Projektoren kommen LEDs (Light Emitting Diode) als Lichtquelle zum Einsatz. Bildgebend war anfangs ein DLP-Element. Neuere Videoprojektoren setzen auch die LCD-Technik ein.

Da die Lichtleistung von Leuchtdioden insbesondere im Grünen zwischen 540 und 610 Nanometern Wellenlänge nicht besonders hoch ist, gibt es hybride Produkte, bei denen das grüne Licht statt mit einer Leuchtdiode durch eine Laserdiode erzeugt wird.

Vorteile:

• LEDs besitzen im Vergleich zu herkömmlichen Projektorlampen eine höhere Energieeffizienz: Bei gleicher Lichtleistung wird weniger Energie in Wärme umgesetzt, wodurch der Kühlbedarf sinkt.
• Der geringere Kühlbedarf erlaubt kleinere Gehäuse und geringere Lüftergeräusche (im Extremfall Passivkühlung).
• Der geringere Energiebedarf ermöglicht den Betrieb mit einem Akku.
• LEDs halten mehr als 20.000 Stunden, während herkömmliche Projektorlampen rund 4.000 Stunden halten.
• Da die Farben durch sequenzielles Aufleuchten der RGB-LEDs gebildet werden, fällt auch das normalerweise bei DLP-Projektoren notwendige Farbrad weg.

Nachteile:

• Aufgrund fixer Displayauflösung im Gerät ist die beste Qualität nur bei einer bestimmten Auflösung des Eingangssignals gegeben. Ansonsten ist eine qualitätsmindernde Skalierung nötig.
• Die Lichtleistung von LEDs ist zum Teil erheblich geringer als bei herkömmlichen Projektorlampen. Vor allem günstige Geräte besitzen teilweise nur 1/100 der Lichtleistung herkömmlicher Projektoren. Im Sommer 2011 gab es den ersten LED-Projektor mit 1000 ANSI-Lumen.
• Ein permanenter Lichtstromrückgang der LEDs lässt das Bild stetig dunkler werden. Ein LED-Wechsel ist teils nicht ohne weiteres möglich. Eine teilweise eingesetzte adaptive Erhöhung des LED-Stroms kann diesen Helligkeitsverlust wieder ausgleichen.
• Auch ohne Farbrad kommt es bei den DLP-basierten Modellen zum Regenbogeneffekt, da die Grundfarben nacheinander projiziert werden.

LCoS-Projektor

Bei der LCoS-Technik (Liquid Crystal on Silicon), wobei ebenfalls Flüssigkristallanzeigen zum Einsatz kommen, werden die LCDs im reflexiven Modus verwendet. Anders als bei der DLP-Technik ist diese LCD-Technik bei den verschiedenen Herstellern durch abweichende Markennamen wie SXRD (Sony) oder D-ILA bzw. DLA (Sanyo) vertreten. Die Projektionsoptik gleicht derjenigen eines DLP-Projektors, weil die Flüssigkristallanzeigen auf einem Reflektor mit darunterliegender Ansteuerungselektronik angebracht sind. Der Hauptvorteil der LCoS-Chips besteht darin, dass sich die Signalleitungen zum Ansteuern der einzelnen Bildpunkte hinter der Spiegelfläche verbergen, so dass die Abstände zwischen den Bildelementen gegenüber einem herkömmlichen LCDs geringer ausfallen, wodurch der bekannte „Fliegengittereffekt“ deutlich reduziert ist und höhere Kontrastwerte und insbesondere ein tieferes Schwarz zu realisieren sind

Vorteile:

• kompakte Bauweise
• scharfe Bilder
• geringer Helligkeitsverlust bei Einsatz hochauflösender LCDs

Nachteile:

• Aufgrund fixer Displayauflösung im Gerät ist die beste Qualität nur bei einer bestimmten Auflösung des Eingangssignals gegeben. Ansonsten ist eine qualitätsmindernde Skalierung nötig.
• leichtes Nachziehen des Bildes
• LCD-Memory-Effekt
• nachlassende Bildqualität mit zunehmender Betriebsdauer (Verringerung von Farbsättigung, Kontrast und Homogenität)

Laser-Projektor

Die bislang nur für den professionellen Markt entwickelten Techniken setzen auf einen Bildaufbau mit Hilfe eines modulierten und schnell abgelenkten Laserstrahls. Zwei verschiedene Techniken sind bekannt: die Laser-Display-Technologie (siehe unten) und die GLV-Technik (Grating Light Valve). Streng genommen handelt es sich nicht um eine Projektion – Objektive dienen allein der Strahlaufweitung, nicht der Abbildung.

Bei der in Gera und Jena entwickelten Laser Display Technology (LDT) wird das Bild zeilenweise auf die Projektionsfläche geschrieben. Die Ablenkung erfolgt durch einen speziellen Scanner mit einem Facettenspiegel (Zeilenaufbau) und einem Kippspiegel (Zeilenvorschub). Der Laserstrahl wird zuvor moduliert, womit Helligkeit und Farbe jedes Bildpunktes definiert sind. Im Gegensatz zur GLV-Technologie wird der Speckle-Effekt des Lasers mit der LDT nahezu vollständig unterdrückt. Dazu wird der Laserstrahl im Picosekundenbereich gepulst. Gefährdungen durch den Laserstrahl werden durch die Kombination verschiedener Sicherheitstechniken ausgeschlossen. Projektionssysteme der Laser-Display-Technologie sind im Einsatz für Flugsimulatoren. Hier wird eine gesamte Halbkugel mit vier Projektoren ausgeleuchtet (360° horizontal × 90° vertikal).

Vorteile:

• nahezu beliebig geformte Projektionsflächen
• keine Fokussierung nötig
• sehr hoher Kontrast
• großer Gamut durch die Mischung reiner Grundfarben (RGB), also monochromatischen Lichts

Nachteile:

• begrenzte Lichtstärke
• die Laserprojektoren sind klassifiziert als Laserklasse 3R (GLV) oder 4 (LDT), der Betrieb ist daher nur durch entsprechend ausgebildetes Personal erlaubt.
• potentielle Gefahr für das Auge durch direkt in das Auge gelenkte Strahlen

Alternativ gibt es auch Ansätze, bei denen der Laserstrahl aufgefächert und mit einem herkömmlichen Bilderzeuger (z. B. LCoS) kombiniert wird.

Röhrenprojektor

Die ersten Videoprojektoren mit weiterer Verbreitung verwendeten spezielle Kathodenstrahlröhren zur Darstellung des Bildes. Diese Röhren wurden auf sehr hohe Helligkeit getrimmt, um genügend Licht für die Projektion zu liefern. Für Farbprojektoren werden drei Röhren – eine für jede Grundfarbe – verwendet, die getrennte Objektive haben. Die Helligkeit und die unterstützte Auflösung steigt in der Regel mit der Röhrengröße an, es gibt mittlerweile drei Hauptgrößen für Projektionsröhren nämlich 7, 8 und 9 Zoll. In Bezug auf die höchstmögliche Schärfe des Elektronenstrahls unterscheidet man zwischen ES (elektrostatisch) und EM (elektromagnetisch) fokussierenden Geräten. EM-Geräte können bei richtiger Einstellung ein extrem scharfes Bild projizieren. 9-Zoll-Geräte mit EM-Fokus finden bis heute in hochauflösenden Flugsimulatoren und High-End-Heimkinos Verwendung. 7-Zoll- und 8-Zoll-Geräte wurden in der Vergangenheit oft in Rückprojektionsfernsehgeräten verwendet.

Vorteile:

• Wegen der Bildröhren sind die Projektoren sehr variabel in der Auflösung. Sie können in der Regel von NTSC bis 1080p und auch 3D-Material (Bluray-3D, sequential 3D) darstellen.
• Das Verfahren kennt keine Pixel (Bildpunkte). Somit werden die Bilder etwas unschärfer, aber natürlicher dargestellt.
• Es existiert fast keine Verzögerungszeit. Dadurch ist Video mit Zeilensprungverfahren (interlacing) kein Problem.
• Es ist keine Lampe erforderlich, da die Röhren selbst Licht erzeugen und typische Lebensdauern von mindestens 10.000 Stunden haben.
• Die Röhren erzeugen sehr hohe Kontraste (10.000:1 bis 30.000:1) und sehr gute Schwarzwerte.

Nachteile:

• Relativ geringe Gesamthelligkeit. Der Raum muss bei den meisten Modellen komplett abgedunkelt sein.
• Die Röhren sind sehr empfindlich gegenüber Einbrennen. Werden Stellen der Leuchtschicht zu stark oder zu lange angeregt, dunkeln sie dort nach und nach ab.
• Da bei Farbprojektoren die drei Projektionssysteme getrennt arbeiten, erfordern sie eine sehr aufwändige Einrichtungsprozedur. Die erschwert den mobilen Einsatz.
• Die Projektoren sind durch die Röhren sehr schwer.
• Abgesehen von älteren gebrauchten Modellen werden nur noch wenige neue Geräte gebaut (Barco, VDC).
• Gute gebrauchte bzw. neue Geräte sind immer noch sehr teuer.