Geschichte der Großbildprojektion – Teil 2

ILA – Image Light Amplifier

Auf die Ära der Öllichtventilprojektoren folgten die Jahre der reflektiven Flüssigkristall-Lichtventil-Projektoren. Fachautor Achim Hannemann berichtet über die Technik und deren Anwendung, auch aus eigener Erfahrung.

(Bild: Achim Hannemann)

Inhalt:

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Nach einem raketenartigen Start im Jahr 1992 eroberte die Hughes-JVC ILA-Serie die Projektionswelt und war für sechs Jahre das „Nonplusultra“ in der Video/Daten-Projektion. Dieser Projektor hat wahrscheinlich nicht nur meine berufliche Laufbahn maßgebend geprägt, sondern auch den bis heute großen Markt mit den vielfältigsten Projektionsanwendungen bereichert.

Die ILA-Technik wurde 1980 von Dr. Bill Bleha von der Firma Hughes-JVC entwickelt, mit dem ich noch von 1990 bis 1998 zusammenarbeiten durfte.

Entwickelt und produziert wurden die Projektoren im kalifornischen Carlsbad (nahe San Diego). Die ersten Prototypen wurden in den Achtzigerjahren beim amerikanischen Militär und bei der NASA unter anderem im Kennedy Space Center installiert – die Serienproduktion begann 1990.

Mit diesem neuen Projektortyp war es zum ersten Mal möglich, Bilder, Präsentationen und Videos von TV-Live-Kameras oder Abspielgeräten, aber auch von Computer-Quellen in hellen Räumen wiederzugeben. Dank eines Kontrastverhältnisses von 1200:1, Auflösungen in unterschiedlichen Formaten bis 2.500 × 1.340 Linien und mit einer Helligkeit bis 12.000 ANSI-Lumen (je nach Modell) stellte die ILA-Technik sozusagen das Maß aller Dinge in der Projektionsbranche bis circa 1998 dar.

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Die Image Light Amplifier Technik

Die Arbeitsweise eines ILA-Projektor beruht auf einer Art Lichtventil mit Lichtverstärkung (Light Valve), auch ILA-Chip genannt. Dabei wird zur Ansteuerung des ILA-Chips eine Kathodenstrahlröhre verwendet. Im Folgenden geht es daher um die Light-Valve (Lichtröhre) als Kernstück des ILA-Projektors. Als Bemerkung vorab: Die komplette Signalverarbeitung und die Bilderzeugung finden im Röhrenteil des Projektors statt. Deshalb führt der Techniker für die Justage des Projektors auch zu 80 % Arbeiten der Einstellungen eines Röhrenprojektors durch.

Diagramm Aufbau Strahlenweg
Aufbau des Strahlenweges eines ILA-Projektors (Bild: Achim Hannemann)

Die Light Valve besteht aus einem dielektrischen Spiegel mit einem Layer aus Flüssigkristallen. Das Ladungsbild, erzeugt von der Kathodenstrahlröhre, wird elektrostatisch von der Halbleiterschicht auf die Flüssigkristallschicht übertragen und richtet die Flüssigkeitskristalle dem Ladungsbild entsprechend aus. Diese Liquid Crystals (LC) befinden sich in der sogenannten nematischen Phase. Dies bedeutet, dass die Moleküle in einer Vorzugsrichtung angeordnet sind, die parallel zur optischen Achse angeordnet ist.

Die Moleküle sind in der Längsrichtung frei verschiebbar und können auch um 180° umklappen. Die langgestreckten, stäbchenförmigen Molekül-Ketten lassen sich durch ein elektrisches Feld – beim ILA veranlasst durch eine Kathodenstrahlröhre – über eine fotoelektrische Halbleiterschicht umorientieren. Die Moleküle der Flüssigkristalle richten sich abhängig von der Feldstärke mehr oder weniger aus und beeinflussen so das Reflexionsvermögen des Spiegels.

Wie geschieht das im Detail? Licht besteht aus orthogonal zur Fortpflanzungsrichtung schwingenden Wellen. Diese bewegen sich in Ebenen, die jeden Winkel zwischen 0° und 360° einnehmen können. Leitet man Licht durch einen Polarisationsfilter (man kennt das Prinzip von Polarisationssonnenbrillen), erhält man nur noch Licht einer Wellenebene. Leitet man wiederum dieses polarisierte Licht auf die in sich gedrehten nematischen LC-Ketten, verändern diese die Polarisation des einfallenden Lichts – je nach Ansteuerung um bis zu 90°. Der Elektronenstrahl der Schwarzweiß-Röhre steuert dabei die Drehung der Kristallketten.

Alter Projektor im Foyer der Lang AG(Bild: Achim Hannemann)

Das in der Polarisationsebene gedrehte Licht kann dann, vom Spiegel reflektiert, den Polarisationssplitter (PBS) nur mit seinen vertikalen Anteilen passieren. Kurz gesagt, kein Signal an der Röhre bedeutet auch keine Reflexion des Xenon Lichts. Bei sehr hohem Röhrensignal (helle oder farbintensive Bildinhalte) auf den dielektrischen Spiegel erhält man bis zu 99 % Reflexion der starken Xenon-Lichtquelle.

Das weiße Licht wird über Prismen in seine Rot-, Grün-, Blau-Anteile gesplittet und, nachdem die UV- und IR-Anteile gefiltert wurden, jeweils einem ILA-Chip zugeführt. Sprich, wir haben drei ILA-Chips, die jeweils von einer schwarz-weißen Elektronenstrahlröhre mit der roten, grünen, blauen Quellensignalinformation angesteuert werden. Die drei Bildinhalte (separat in ihre Farbbestandteile aufgeteilt) werden dann über Optiken auf der Leinwand fokussiert und dort in Deckung gebracht.

Praktisch bedeutete das, die drei Farb-Grids zu matchen. Das Quellensignal wurde zu dieser Zeit in RGBHV-Signalen zugeführt. Da die Ansteuerung der Flüssigkristall-Chips, anders als bei LCOS- und der TFT-Technik, nicht über Transistoren, sondern über einen Elektronenstrahl funktioniert, ergibt sich auch keine Pixelstruktur im Bild.

Aufbau des ILA-Chips
Aufbau des ILA-Chips bzw. der Light Valve als zentrales Element des ILA-Projektors. Das Ladungsbild wird dabei von einer Kathodenstrahlröhre erzeugt. (Bild: JVC)

Jedoch stellten die Projektoren hohe Anforderungen an die installierenden Techniker. Neben den optischen Fokussierungen von den Röhren zu den Flüssigkristall-Chips, von Chips zu den Relais Lenses und letztendlich der Schärfeeinstellung der Projektionsobjektive musste jedes Quellensignal (z. B. diverse Computerfrequenzen wie VGA, SVGA, XGA und jede Videoauflösung wie Pal, HDTV etc.) eigens im Projektor eingestellt und abgespeichert werden. Der Vorgang dauerte pro Quelle mindestens zwei Stunden und musste bevorzugt im absolut dunklen Raum stattfinden. So war der Techniker schnell mal eine Nacht lang mit Justage beschäftigt.

Weiterhin gab es in den ersten Jahren nur Optiken mit festen Brennweiten. Somit war ein idealer Projektor-Standort zu finden, da die gewünschte Bildgröße abhängig von Optikfaktor und Projektor-Abstand zur Leinwand war. Das Feintuning der Bildgröße musste der Techniker dann wieder elektronisch über die Röhrenansteuerung vornehmen. Mindestens zwei Personen waren dabei erforderlich, denn das Handling und die Installation des 120 kg schweren Gerätes war zudem noch kräftezehrend.

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Vielfältige Anwendungen – außergewöhnliche Projekte

Mit dem Hughes-JVC ILA-Projektor hatten Agenturen und Kreative zum ersten Mal ein Instrument an der Hand, um ihre Ideen von großen Bildern ohne Einschränkungen umzusetzen. In kürzester Zeit zog die Projektionstechnik ein bei Messen, Events, Fernsehshows, Public Viewing, Konzerten, Sportveranstaltungen, Kunstprojekten oder -Ausstellungen, Gebäude-Mapping, Theatern und Kinos. Aber auch in Leitwarten, Simulationsanwendungen, Digital Signage, Universitäten, Militär und Wissenschaft oder Konferenzräumen kamen ILA-Projektoren zum Einsatz. Es konnten Multiprojektionen mit Edge Blending, 3D-Projektionen (mittels 2× ILA-Projektoren, ausgestattet mit Polarisationsfiltern auf den Optiken), Kuppelprojektionen sowie zahlreiche Industrie-Anwendungen mit vielen kreativen Applikationen realisiert werden.

Fast jeder Vermieter deckte sich mit dem Gerät ein. Viele ältere Anwender werden sich noch wehmütig, aber auch schmerzhaft an die aufwendigen, stressigen Installationen bei Events erinnern. Denn die Justage und die Kalibrierung der Projektoren war sehr zeitintensiv und konnte nur von ausgebildeten, erfahrenen Technikern durchgeführt werden.

Zwei Spiegel und ein ILA-Projektor
Rückprojektion über zwei Spiegel mit dem ILA-M420 in einem Vorstandsraum der Commerzbank (Bild: Achim Hannemann)

Beispielhaft für die neuen Projektionsanwendungen sollten hier einige außergewöhnliche Projekte erwähnt werden:

So wurde der erste Videowürfel in Europa 1994 von der Lang AG (damals Audiovision Lang) im Düsseldorfer Eisstadion unter der Decke installiert. Er bestand aus vier 150″ DNP- Rückprojektionsscheiben mit jeweils einem ILA Projektor.

Der erste europäische Event-Einsatz mit einem Hughes JVC-ILA-Projektor fand auf dem Audi-Stand auf der IAA 1993 statt. Dabei projizierte dieser Projektor vom Typ ILAM315 HD-Audi-Promotion-Filme aus einer Flugzeugdüse heraus auf eine 4 × 3 m großen Leinwand, die aus den Flügeln herausklappte.

Auch das Projektions-Mapping wurde angegangen: Bereits 1993 wurden ILA- Projektoren zur senkrechten Projektion von Schnittmustern auf Felle und Lederstücke zur optimalen Ausnutzung der Häute genutzt. 1994 wurde mit einem ILA-Projektor per Außenprojektion auf einen Wasserturm zur Simulation von dessen Sprengung der berechnete Sprengungsverlauf überprüft.

Visualisierung im RWE-Meteorit Museum
Andre Heller nutzte die Projektoren 1995 u. a. für seine
Visualisierungen im RWE-Meteorit Museum (Planung:
LightLife und Audio Visuelle Medien).
(Bild: AYM)

Auch weltbekannte Künstler entdeckten die Möglichkeiten einer Videoprojektion: So wurde bereits 1994 die Residenz in Würzburg mit mehreren ILA-Projektoren gemappt. Der Allround-Künstler Andre Heller nutzte die Projektoren 1995 für seine Visualisierungen in den Swarovski Kristallwelten und im RWE-Meteorit Museum (Planung: LightLife und Audio Visuelle Medien). Der Zauberkünstler David Copperfield erzeugte mit mehreren ILA-M315 und halbdurchlässigen, im 45°-Winkel aufgestellten Spiegeln seine holografischen Illusionen.

Deutschlands U- und S-Bahnhöfe dürften die Premierenorte von Digital Signage sein: 1994 baute Infoscreen (heute Ströer) das weltweit erste Digital-Signage Netzwerk in den U- und S-Bahnhöfen, beginnend in München, auf – mit ILA-Projektoren. Nach den ersten Tests stellte sich jedoch heraus, dass der Elektronenstrahl in den Röhren durch das Bremsen der U-Bahn abgelenkt wurde und das Bild bei jeder ankommenden Bahn um einen Meter horizontal wanderte.

Die Lösung war schnell gefunden, aber kostspielig: Die Projektoren mussten zur Abschirmung der Elektronenstrahlröhren in ein Mu-Metall-Gehäuse eingepackt werden. Mittlerweile umfasst das Infoscreen-Bahn DS Netzwerk ca. 721 Projektionsscreens, aktuell ausgestattet mit Panasonic-Projektoren, die mit Laser-Lampentechnik arbeiten.

Auch bei die Automobilindustrie war ILA beliebt. Zum ersten Mal war es möglich, ein Fahrzeug in HDTV-Bild-Qualität und in Fahrzeug-Echtabmessungen auf einer Leinwand zu präsentieren. Die Farbechtheit der Projektion, dank des Farb-Spektrums der Xenon-Lampe (Sonnenlichtspektrum), begeisterten gleichermaßen Kameraleute und Computer-Designer.

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Simulation, 3D, CAD/CAM und mehr

Mit der Markteinführung der ersten Silicon Graphics Workstations ab 1990 (Iris, Indigo) entstanden ganz neue Anwendungsfelder in der Projektionsgeschichte. 2D- und 3D- Simulations- sowie CAD/CAM-Darstellungen mit ILA-Großbildprojektoren in Anwendungen der Wissenschaft, Technik, in Hochschulen, Messen, Museen und Themen- arks erlebten einen Hype und sorgten für Aufsehen.

So wurde auf der Musikmesse 1995 beispielsweise eine 3D-ILA-Projektion in die Lobo-Laser-Show integriert oder begeisterte als 3D-Highlight bei der Ausstellung „150 Jahre Siemens-Future“.

1997 baute Screen New Technologies eine 3D-Cave bei der Gesellschaft für Mathematik und Datenverarbeitung Berlin-Adlershof (ab 2001 Fraunhofer FIRST) mit 4 × 150″ DNP-Rückproscheiben als Außenwände (eine als Schiebetür konstruiert) – mit jeweils polarisierter Doppelprojektion auf diese und mit zusätzlicher Doppelprojektion auf den Boden. Die Architektur-Simulationen waren so realistisch, dass nicht selten Betrachter beim virtuellen Hochhausrundgang auf dem Dach einfach umkippten – nachträglich wurde daher ein Geländer im Inneren der Cave eingebaut.

Die Kreativität der Techniker für selbstgefertigte Modifikationen war unerschöpflich, um neue Anwendungen zu ermöglichen: Zur 3D-Modifikation des Projektors wurden die Objektiv-Abdeckkappen ausgeschnitten und mit Polarisationsfolien beklebt und justiert. Mit den entsprechenden Polarisationsbrillen und zwei ILA-Projektoren – zwei synchronlaufende Bandmaschinen mit entsprechenden Inhalten vorausgesetzt – war das perfekte 3D-Filmerlebnis realisierbar.

Die Justage einer Doppelprojektion stellte schon erhöhte Anforderungen an einen ILA-Techniker, denn es mussten sechs Mal Gitter gematched und fokussiert werden. Für eine millimetergenaue mechanische Position der Projektoren wurden die ersten Doppelprojektionsgestelle konstruiert. Eigenentwickelte Spiegelgestelle verkürzten den Projektionsabstand und ermöglichten damit Rückprojektionen auch in hellen Räumen. Mehrere Horizontal-Projektionen mittels Edge Blending wurden auf Messen oder in Museen/Kunsthallen verwirklicht – allerdings war die Justage jedes einzelnen Projektors extrem aufwendig.

Zu erwähnen ist noch die Entdeckung einer Errungenschaft, die auch in der heutigen Zeit in den professionellen Projektoren eingesetzt wird. Bei einem Probeaufbau in der Showhalle des damaligen ILA-Distributors Infoscreen Development setzten wir die Frontoptiken bei laufendem Projektor ein. Naturgemäß strahlt der ILA-Projektor immer on-axis ab. Durch Verschieben der Objektive wanderte das Bild auf der Projektionsfläche vertikal oder horizontal mit. Die Erkenntnis war genial, man konnte den Projektor waagerecht positionieren und dennoch das Bild auf der Leinwand versetzt nach unten oder nach oben projizieren.

Natürlich mussten alle drei Objektive mit der gleichen Distanz synchron bewegt werden. Der Vater des Technischen Leiters der Firma, ein Feinmechaniker, baute daraufhin uns eine mit Rändelschrauben verstellbare Unterkonstruktion für die Objektivhalterungen. Somit war das erste Lens Shift geboren, welches Barco zwei Jahre später erst als Version mit Unterleg-Metallplättchen und später mit einem Elektromotor versehen übernahm.

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Ende der ILA-Ära

Mit dem letzten Flaggschiff der ILA-Technik, dem ILA- 12K, ging auch die Ära der ILA-Projektoren zu Ende. Das Modell verfügte über 12.000 Ansi Lumen und 2.000 × 1.280 Linien Auflösung sowie eine 7.000 Watt Xenon-Lampe. Das Gehäuse war fast 2 m hoch,1,5 m breit und 800 kg schwer – ohne Gabelstapler ging da nichts mehr. Hughes-JVC beabsichtigte, mit diesem Projektor Digital Cinema einzuführen. 1999 bereits wurde in zwei Kinos in Los Angeles und in New York die Star Wars Episode 1 als Premiere mit dem ILA-12k gezeigt. Doch wie wir heute wissen, war die Zeit für digitales Kino noch nicht reif.

Der Vollständigkeit halber sollte erwähnt werden, dass es auch ILA-Projektoren von den Firmen AmPro und Runco gab, die jedoch unbedeutende Stückzahlen produzierten und auch schnell wieder vom Markt verschwanden. Die ersten Konkurrenten der ILA-Projektoren im professionellen Bereich tauchten ab 1996 mit den LCD-Durchlichtprojektoren von Barco und den reflektiven DMD-Projektoren von Digital Projection auf. Im direkten Vergleich mussten sie sich in der legendären Shoot-Out-Halle auf der Photokina 1996 stellen.

Nachdem JVC alle Anteile des Hughes-JVC Joint Ventures selbst übernommen hatte, wollte das Management verstärkt mit dieser Technik in den Consumer-Markt einsteigen (in Form von Rückprojektionsfernsehern), vernachlässigte die Entwicklung der professionellen Sparte und investierte in die D-ILA-Technik.

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D-ILA

Die Hughes-JVC ILA-Technik wurde von der JVC D-ILA-Technik im Jahr 2000 abgelöst, konnte jedoch nicht mehr an die Erfolge des Vorgängers anknüpfen. Hierbei wurde das Flüssigkristall-Lichtventil durch einen reflektiven LCOS-Chip (Liquid Crystal on Silicon) ersetzt. Dadurch kann ein Bild direkt von einer digitalen Quelle erzeugt werden. Dies reduziert auch die Größe des Projektors erheblich.

Zur Ansteuerung des Chips wurde statt der Kathodenstrahlröhre eine TFT Aktiv-Matrix eingesetzt, ähnlich der DMD-Ansteuerung. Der grobe Aufbau eines LCOS-Chips besteht aus drei Schichten. Die oberste Schicht besteht aus Glas, das mit einer transparenten Elektrode ausgestattet ist. Die mittlere Schicht beinhaltet die Flüssigkeitskristalle in einer vertikal ausgerichteten Anordnung (ca. 3 Mikrometer dick). Die unterste Schicht ist wiederum eine Elektroden-Schicht (für jeden Pixel zur Ansteuerung getrennt), diesmal aber nicht durchsichtig, sondern reflektiv wie ein Spiegel (Reflexions- Wirkungsgrad ca. 91 %). Vor jedem LCOS-Chip befindet sich ein „Polarization Beam Splitter“.

Diagramm optische Einheit D-ILA Projektor
Optische Einheit eines D-ILA Projektors; zur Ansteuerung des Chips wird statt der Kathodenstrahlröhre eine TFT Aktiv-Matrix eingesetzt. (Bild: JVC)

2019 erhielt JVC das weltweit erste THX-4KHDR-Zertifikat für seine neuen DILA-Projektoren NX9 und DLA-RS3000. Die Kombination von Original D-ILA-Chip mit einer „Optical Light Engine“, die mit einem Wire-Grid-Lichtpolarisator ausgestattet ist, führt zu einem hohen nativen Kontrastverhältnis von 100.000:1. Mit einem speziellen Algorithmus werden die Eingangssignale analysiert, und mit geeigneter Blendensteuerung wird sogar ein dynamisches Kontrastverhältnis von 1.000.000.000:1 erreicht. Beide Modelle verfügen über den neuesten nativen 4K-D-ILA-Chip sowie die von JVC entwickelte 8K e-Shift-Technologie zur Erzeugung eines 8K-Bildes. Farbgenauigkeit, Schärfe und Kontrast werden von THX in hunderten Tests geprüft. Das THX HDR-Testlabor bestätigt auch, dass selbst in Szenen mit stark vergrößerten Objekten Weißwerte erzeugt werden, die den Erwartungen von Redakteuren und Coloristen in Produktionsstudios entsprechen.

Ein wesentliches Feature der neuen JVC-Projektoren ist die „Auto Tone Mapping“-Funktion, die die Einstellungen automatisch für das optimale HDR10-Bild anpasst. Die Mastering-Informationen des HDR10 MaxCLL (Maximum Content Light Level) / MaxFALL (Maximum Frame Average Light Level) können je nach Inhalt stark variieren. Um das beste HDR10-Erlebnis zu erzielen, ist es daher notwendig, für jede Programmierung die entsprechenden Helligkeitseinstellungen vorzunehmen. Die Einstellungen der neuen JVC Auto Tone Mapping-Funktion werden basierend auf den Mastering-Daten automatisch angepasst. Verschiedene HDR-Bilder mit unterschiedlicher Helligkeit können so ohne manuelle Anpassung der Einstellungen optimal betrachtet werden.

D-ILA Serie von JVC
Die aktuelle Serie der D-ILA-Projektoren von JVC (Bild: JVC)

THX testete das Tone Mapping, um sicherzustellen, dass alle Inhalte, auch in den hellsten und dunkelsten Bereichen, präzise wiedergegeben werden. Für Inhalte ohne Mastering-Informationen wird ein fester Wert gesetzt oder manuell angepasst.

Die THX-Anforderungen der Tone-Mapping-Tests werden dann erreicht, wenn der hohe Kontrast zwischen hellen und dunklen Bereichen der Inhalte präzise auf der Leinwand wiedergegeben wird.

Heute sind die D-ILA Projektoren vornehmlich im High-End-Heimkinomarkt und in speziellen professionellen Applikationen, wie Simulation, Wissenschaft, Militär und Medizintechnik zu finden.

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Ausblick

Im Teil 3 widmen wir uns dann den ersten Konkurrenten der ILA-Technik, die ab 1996 mit der DMD- und LCD-Technik bereits in den Startlöchern standen.


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Phantom HALR Screen by Stewart
Zur Bedeutung von Kontrast und Helligkeit bei Projektion
Kontrast und Helligkeit bestimmen ganz wesentlich den wahrgenommenen Bildeindruck und somit die Lesbarkeit und Einprägsamkeit des projizierten Bildes. Menschen sehen logarithmisch, d.h. Verbesserungen der Detailerkennbarkeit in dunklen Bildpartien werden stärker wahrgenommen als gleichgroße Verbesserungen in hellen Teilen (demgegenüber zeigen Lichtmessgeräte linear an).

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