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Durch Kristalle zur Projektion

Videoprojektoren gibt es schon fast so lange, wie es Fernsehen gibt. Der Start in den Massenmarkt begann allerdings erst, als 1989 der erste LCD-Projektor sein noch recht schwaches Bild auf die Leinwand schickte. Seither hat die Entwicklung riesige Fortschritte gemacht, aber noch immer gibt es Neuerungen, die die Qualität und Lebensdauer der Geräte verbessern.

Grundprinzip
Das Projektionsprinzip bei der großen Masse der LCD-Projektoren ist dem eines Diaprojektors ähnlich. Eine konstant brennende Lampe mit genau definiertem weißen Licht leuchtet das bildgebende LC-Display gleichmäßig aus. Dieses ist optimalerweise glasklar, wenn weiße Flächen gezeigt werden und sperrt das Licht der Lampe komplett, wenn die Leinwand dunkel bleiben soll. Im Projektor ist dem LC-Display das Projektionsobjektiv nachgeschaltet, das das vergrößerte Bild auf die Bildwand wirft. Leider ist einiges mehr nötig, damit wir eine Präsentation im Großformat erleben können. Um das hier beschriebene Dia-Prinzip realisieren zu können, benötigt man einen Modulator, der die Lichtdurchlässigkeit einer planen Scheibe punktgenau und elektronisch gesteuert variieren kann. Hier kommt man bislang nur über einen Umweg zum Ziel. Um das Prinzip verstehen zu können, ist ein kurzer Ausflug in Physik und Chemie unumgänglich.

Polarisation
Licht kann bekanntlich als Welle betrachtet werden, die sich im Raum ausbreitet. Eine Lichtquelle wie eine Lampe sendet dabei eine Vielzahl an Wellen aus, deren Schwingungsebenen gleichmäßig um die Ausbreitungsachse verteilt sind. Man spricht von unpolarisiertem Licht. Nun gibt es sowohl physikalische Bedingungen als auch optisch aktive Materialien, mit deren Hilfe man aus unpolarisiertem Licht eine Ebene herausfiltern kann. Als Ergebnis hat man polarisiertes Licht, also Licht mit nur noch einer Schwingungsebene. Die Lichtleistung wird beim Filtern natürlich reduziert. Setzt man in den Strahlengang des polarisierten Lichtes nun einen zweiten, um 90° gedrehten Filter, so wird durch diesen optimalerweise kein Licht mehr hindurch treten. Was diese Polarisationseigenschaften mit einem LCD-Projektor zu tun haben, zeigen wir im nächsten Abschnitt.

Flüssigkristalle
Bereits 1888 entdeckte der Botaniker Friedrich Reinitzer chemische Verbindungen, die zwar flüssig sind, zugleich aber eine kristallähnliche Ordnung anstreben. Man nennt sie folglich Flüssigkristalle oder Liquid Crystal, abgekürzt: LC. Die Moleküle haben eine Stäbchen- oder Scheibengeometrie und es gibt darunter solche, die die Eigenschaft haben, die Ausbreitungsebene von Lichtwellen beeinflussen zu können. Die zweite Besonderheit von Flüssigkristallen ist, dass sich die Ausrichtung der Moleküle durch elektrische Felder beeinflussen lässt. Dazu muss sich das LC-Material in der so genannten „nematischen Phase“, einem besonderen Aggregatzustand befinden. Damit lassen sich Elemente konstruieren, die die Ausbreitungsebene von polarisiertem Licht durch Anlegen von elektrischen Feldern drehen können.

LC-Elemente
Der Aufbau einer einzelnen Zelle, deren Lichtdurchlässigkeit elektrisch geregelt werden kann, ist im Prinzip der folgende: Zwischen zwei Glasplatten befindet sich eine dünne Schicht des Flüssigkristalls. Durch eine feine Rillenstruktur an beiden Glasplatten sorgt man dafür, dass sich die Moleküle des LC-Materials direkt an den Platten einheitlich ordnen. Dabei ist die Ausrichtung der Strukturen und damit der Moleküle zwischen der einen und der anderen Glasplatte um 90° verdreht. Die Flüssigkristalle zwischen den Glasplatten folgen dieser Drehung und so entsteht eine gedrehte Struktur. Man spricht von einer „Twisted Nematic“ (TN) oder, wenn eine doppelt gedrehte Struktur verwendet wird, von einer „Double Twisted Nematic“ (DTN) Struktur. Polarisiertes Licht folgt dieser Spirale und wird folglich auch um 90° gedreht.

Damit das LC-Element sich elektrisch ansteuern lässt, werden auf beiden Glasplatten elektrisch leitende, lichtdurchlässige Schichten angebracht. Ein zwischen diesen Schichten angelegtes elektrisches Feld ändert die Ausrichtung der Moleküle, wodurch die Drehung der Polarisationsebene des Lichtes aufgehoben wird. Der komplette optische Aufbau eines LC-Elements sieht nun folgendermaßen aus: Das Licht der Lichtquelle wird zunächst durch ein Polarisationsfilter geschickt, so dass nur in einer Ebene schwingende Lichtwellen zur Verfügung stehen. Diese werden im spannungslosen LC-Element um 90° gedreht und treffen danach auf ein zweites Polarisationsfilter. Dessen Filterrichtung ist zumeist so gewählt, dass das im LC-Element gedrehte Licht hindurch treten kann. Legt man eine Spannung an die Elektroden an, so ändert sich der Drehwinkel des LC-Elementes und das Ausgangsfilter sperrt einen Teil des Lichtes. Es gibt auch Projektoren, bei denen der Ausgangsfilter so angeordnet ist, dass das Licht im spannungslosen Zustand gesperrt wird. Hierdurch lässt sich der Kontrast bei leicht reduzierter Lichtleistung erhöhen.

Elektronik
Eine passive Ansteuerung wie gerade beschrieben wäre für die Projektion bewegter Bilder viel zu träge. Um die Schaltgeschwindigkeit einer Zelle zu erhöhen, steuert man jeden Bildpunkt aktiv mit Hilfe eines Dünnfilmtransistors an. Diese Transistoren bestehen aus Polysilizium und müssen gut vor Licht geschützt werden. Sie sind zudem nicht beliebig klein zu konstruieren und beanspruchen immer einen Teil der Fläche eines jeden Pixels. Je höher die Auflösung und je kleiner und kompakter der Chip, umso größer ist der Verlust durch die optisch nicht nutzbaren Bereiche. Transistoren und Leiterbahnen reduzieren die Nutzfläche um 40-60%.

Matrix
Computerbilder setzen sich bekanntlich aus einer Matrix einzelner Bildpunkte zusammen. Die gängige Auflösung bei Präsentationen besteht aus 768 Zeilen zu je 1024 Bildpunkten. Auch das LC-Element in einem Projektor hat eine feste Anzahl Bildpunkte, wodurch die feinste Auflösung festgelegt ist. Diese Auflösung wird auch als die physikalische oder native Auflösung bezeichnet.

Farbe
Eine einzelne LC-Zelle ist nicht in der Lage, Farbe zu produzieren. Um eine vollfarbige Projektion zu erzielen nutzt man die Möglichkeiten der additiven Farbmischung, indem man drei Teilbilder in den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau exakt übereinander projiziert. Im Projektor wird dazu das weiße Licht der Lampe mittels dichroitischer Filter in die drei Farbanteile zerlegt. Dichroitische Filter haben die Eigenschaft, praktisch verlustfrei zu arbeiten. Sie lassen nämlich den jeweils gewünschten Farbanteil hindurch und reflektieren den gesamten Rest, der dann für eine weitere Separation zur Verfügung steht. Das Licht in den Grundfarben Rot, Grün und Blau trifft dann jeweils auf ein separates LC-Chip, wo ihm die Bildinformation aufmoduliert wird. Schließlich werden die drei Bildauszüge in einem Prisma zur Deckung gebracht und gelangen dann über das Projektionsobjektiv auf die Bildwand.

Bei den heutigen Projektoren werden die LC-Chips bei der Herstellung exakt justiert und dann verklebt. Sie lassen sich dann nicht mehr nachjustieren. Wurde die Justierung im Werk nicht genau genug gemacht, sind Farbsäume an dünnen schwarzen Linien zu sehen und der gesamte Bildeindruck ist leicht unscharf. Farbsäume können aber auch von billigen optischen Elementen wie dem Projektionsobjektiv her rühren.

Schwachpunkte und Gegenmittel
Vor einigen Jahren war das niedrige Kontrastverhältnis von LCD-Projektoren ein Minuspunkt für Projektionen in dunklen Räumen. Hier konnten aber erhebliche Fortschritte gemacht werden. Das Problem rührt unter anderem daher, dass Bildpunkte nicht komplett lichtdicht und damit schwarz zu schalten waren. Der Wechsel zur im spannungslosen Zustand lichtdichten Zelle (s.o.) hat hier viel bewirkt. Aber auch die Optimierung der Strukturen der Ausrichtungsschichten konnte nicht nur die Homogenität des Bildes verbessern, sondern auch das Kontrastverhältnis erhöhen. Zusammen mit weiteren Techniken lassen sich schon Kontrastverhältnisse von bis zu 1500:1 realisieren.

Zu einer besseren Nutzung des Lichtes tragen Polarisationskonverter und insbesondere die Microlens-Technik bei. Durch erstgenannte reduzieren sich die Lichtverluste, die dadurch entstehen, dass von der Lichtquelle nur eine Polarisationsebene verwendet werden kann. Mikrolinsen direkt auf dem LCChip vor jedem Bildpunkt konzentrieren das Licht auf den aktiven Bereich jedes Pixels. Somit reduzieren sich die Verluste, die durch Leiterbahnen und Dünnfilmtransistoren hervorgerufen werden.

Ein weiterer Schwachpunkt bei LC-Projektoren ist die begrenzte Lebensdauer der bisher fast ausschließlich verwendeten organischen Polarisationsfilter. Diese verändern sich insbesondere durch energiereiches blaues und ultraviolettes Licht. Bei Projektoren im Dauereinsatz konnten so schon nach wenigen Jahren Betriebsdauer irreparable Schäden entstehen. Sony hat nun den ersten Projektor mit anorganischen Filtern auf den Markt gebracht, von dem eine bessere Langzeitstabilität zu erwarten ist. Sie bestehen aus dünnen Lagen mit unterschiedlichem Brechungsindex. Der Polarisationseffekt basiert somit auf Brechung und nicht auf Absorption. Die nicht benötigten Polarisationsebenen werden daher nicht im Filter in Wärme umgesetzt, sondern aus dem Nutzlichtstrom herausgebrochen.

Quelle: AV-Views (http://www.av-views.de/)
 

Präsentationstechnik 08 / 2007

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