Geschichte der Großbildprojektion – Teil 4

Die Grundlagen zu Laser-Projektoren

Bereits die ersten Videoprojektoren – vorgestellt in unseren ersten drei Serienbeiträgen – arbeiteten reflektiv (Öl, LCOS/DILA, DMD) und transmissiv (LCD). Das sind immer noch die Grundlagen für die auch heute noch verwendeten Projektoren. Geändert haben sich seitdem nur Auflösung, Kontrast, Farbraum, Signalverarbeitung – und die Art der verwendeten Leuchtmittel: Aktuell punktet Laserlicht aus Dioden.

Laserbasierter 6P-RGB-Kinoprojektor von Barco
Extrem heller, laserbasierter 6P-RGB-Kinoprojektor von Barco. Das System besteht aus dem Projektionsgehäuse und zwei Flüssigkeits- Kühlern (hier nicht zu sehen) (Bild: Barco)

Inhalt dieses Grundlagenartikels:

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Der große Umstieg auf Laserlampen nahm bei den Projektoren-Herstellern ab 2013 Fahrt auf: Mittlerweile sind 90 % aller Videobeamer mit Laserlampen ausgestattet. Doch schauen wir erstmal in die Historie der sogenannten Laser-Projektoren.

Laser-Projektoren ab 1993

Das Wort „Laser“ ist eigentlich ein Akronym und steht für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“. Das Prinzip eines Laser-Farbprojektors wurde bereits 1968 von der NHK in Japan vorgestellt. In Deutschland präsentierte die Schneider AG dann Ende 1993 den ersten eigenen Prototyp auf der Internationalen Funkausstellung in Berlin. Entwickelt wurde er damals in Zusammenarbeit mit Daimler-Benz und der Jenoptik AG. Es war der erste Solid-State-Laser-Projektor, jedoch Gas-Ionen-basiert. Die drei Laserstrahlen Rot, Grün, Blau wurden entsprechend der anliegenden Video-/Computersignale in der Helligkeit beeinflusst und über Spiegel zu einem Strahl vereint. Dieser wurde dann in eine Glasfaserleitung eingekoppelt und in den Projektionskopf geleitet. Hier befand sich die Ablenkeinheit, die den Strahl Zeile für Zeile, von links nach rechts und von oben nach unten, mit 120 Hz und 90 km/s auf die Projektionsfläche leitete. Diese Ablenkung erfolgte durch einen speziellen Scanner mit einem Facettenspiegel (Zeilenaufbau) und einem Kippspiegel (Zeilenvorschub).

Die Vorteile waren gestochen scharfe Bilder (keine Fokussierung nötig) mit konstanter Farbkonvergenz, hohem Kontrast und großem Farbspektrum. Und diese konnten mit beliebiger Größe und Projektionsentfernung auf beliebig geformten Oberflächen erzeugt werden. Man kennt den Effekt ja aus den Laser-Lightshows.

Allerdings stellte die notwendige technische Teilequalität für eine Serienfertigung an das Unternehmen immer neue Herausforderungen. Die mechanisch-optische Ablenkeinheit musste mit höchster Präzision gefertigt werden, immer wieder sorgte auch der für Laserwiedergabe typische Speckle-Effekt (eine unruhige Granulation im Bild) für Probleme. Zudem mussten die Gas-Ionen-Laser aufwendig mit Wasser oder Luft gekühlt werden.

Den ersten Laser-TV stellte dann die extra für diese Technik neu gegründete Schneider Laser Technologies AG auf der IFA 1997 vor. Beim International Planetarium Society Meeting in Montreal 2001 präsentierte das Carl-Zeiss- und Schneider-Konsortium auch noch den sogenannten ZULIP (Zeiss Universal Laser Image Projector). Leider kam das Schneider-Konsortium aber über den Prototypstatus nie hinaus. Immer wieder tauchten neue Probleme auf, zudem schnellten die Entwicklungskosten sowie die voraussichtlichen Herstellungskosten in die Höhe. 2002 meldete dann die Schneider Technologies AG Insolvenz an, und im Oktober 2002 wurden die Produktionsanlagen in Türkheim, Warenbestände und die Schneider-Markenrechte an den chinesischen Elektronikkonzern TCL verkauft.

Der erste Laser-Videoprojektor wurde dann erst im Juli 2008 in einem Pekinger Kino installiert, dem Beijing Hua Xing Ultimate Movie Experience. Entwickelt wurde er von Beijing Phoebus Vision Opto-Elec Technology Co Ltd und CAS Academy of Opto-electronics. Auch Kodak präsentierte 2010 seinen ersten Laserprojektor in einem Kino in den USA. Hierbei wurden die Laserstrahlen von Texas-Instruments-DLP-Spiegelchips auf die Leinwand reflektiert. Dieser Projektor hatte 2k Auflösung und 11.000 Lumen Helligkeit.

Kodak Laser-Digital-Kinoprojektor
Nach fünf Jahren Entwicklungszeit stellte Kodak 2010 den ersten Prototyp eines Laser-Digital-Kinoprojektors vor. (Bild: Kodak)

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Ära der Laserprojektoren

Ab 2013 hat die Produktion von Projektoren mit dem monochromatischen Licht dann wieder Fahrt aufgenommen. Allerdings nicht mehr mit direkter Laserstrahl-Ablenkung zum zeilenmäßigem Bildaufbau, ähnlich der Kathodenstrahlröhre wie bei dem Schneider-Modell. Stattdessen kommt Laserlicht aus Dioden zum Einsatz, gesteuert mittels LCOS-, DLP-Chips oder transmissiv mit drei LCD-Panels. Über Prismen zusammengeführt wurden die drei Farben als komplettes Bild über das Objektiv projiziert.

Wiederum war Digital Projection einer der Vorreiter. Bereits 2013 stellten sie einen 11.000-Lumen-Projektor mit Solid-State-Beleuchtungsquelle vor. 2014 begeisterte das Unternehmen die Fachwelt mit der Vorstellung des „Insight 4k Laser-Projektors“. Mit dem NEC NC1100L wurde auf der CinemaCon im April 2014 gar der erste Digital-Cinema-Laser-Phosphor-Projektor mit vollem DCI-Farbraum präsentiert. Unsere damalige Sicht auf das Thema ist hier online: www.professional-system.de/basics/laser-beamer-mit-laserin-die-zukunft. In Deutschland wurde im Jahr 2014 der erste Laserprojektor im Cineplex in Penzing eingebaut. Sensationell daran: Penzing ist eine Gemeinde im oberbayerischen Landkreis Landsberg am Lech mit nur 4.000 Einwohnern … Mittlerweile haben sich die Laserlampen etabliert und werden wohl auch noch dieses Jahrzehnt die Projektionstechnik dominieren.

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Grundlagen der Laserlampentechnik

Prinzipiell werden zur Erzeugung eines Laserstrahls drei Dinge benötigt:

  1. eine Pumpenenergiequelle
  2. ein Resonationsbereich (z. B. zwei Reflexionsspiegel)
  3. aktives Lasermaterial

Beim aktiven Lasermaterial werden für die Projektoren-Anwendungen hauptsächlich Gas, Halbleiter oder Festkörper eingesetzt.

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Gas-Ionen-Laser

Beim Argon- oder Kryptonionenlaser sind Ionen für die Laseremission verantwortlich. Damit Ionen im Laser vorhanden sind, muss das Gas ionisiert sein. Dies setzt eine Plasmaentladung in der Laserröhre mit relativ hoher Stromdichte voraus. Aus diesem Grund haben Ionenlaser eine sehr hohe Stromaufnahme. Die Anschlussleistung beträgt zwischen 1 kW und 80 kW für eine optische Ausgangsleistung zwischen 0,1 W bis über 20 W. Damit liegt der Wirkungsgrad bei unter 0,1 %, und es ist eine erhebliche Kühlung notwendig. Folgende Wellenlängen werden damit erzeugt:

  • Rot: HeNe (Helium-Neon) @ 632.8 nm, Krypton @ 647.1 nm
  • Grün: Argon @ 514.5 nm
  • Blau: Argon @ 488 nm, 457.9 nm
  • Multi-colour (Weißlicht): Gasgemisch Argon/Krypton: 647.1 nm, 514.5 nm, 488 nm, 476.5 nm, 457.9 nm

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Halbleiter-Laser

Eine Laserdiode (LD), Injektionslaserdiode (ILD) oder ein Diodenlaser ist ein Halbleiterbauelement ähnlich einer Leuchtdiode, bei dem eine direkt mit elektrischem Strom gepumpte Diode Laserbedingungen am Übergang der Diode erzeugen kann. Die Emission von Licht entsteht durch Rekombinationsprozesse von Elektronen und Löchern am Übergang zwischen p- und n-dotiertem Bereich.

Laserdiodenblock
Beispiel eines Laserdiodenblocks aus (je nach gewünschter Lichtleistung) vielen Dioden. Hierzu hat der Redakteur Luca Fontana einen LG Ultra Short Throw Beamer auseinandergebaut, und der Videoproducer Manuel Wenk begleitete ihn dabei mit dem Fotoshooting. (Bild: Manuel Wenk)

Die Endflächen des Bauelements sind teilreflektierend und bilden somit einen optischen Resonator, in dem sich eine stehende Lichtwelle ausbilden kann. Durch den Abfall des Elektrons von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres wird Strahlung in Form eines emittierten Photons erzeugt. Gleichzeitig stimulieren sie Energieübergänge anderer Elektronen. Dadurch hat der Bestrahlungsprozess einen lawinenartigen Charakter, der die Übergänge einzelner Elektronen synchronisiert.

Die Synchronisation wiederum gewährleistet die Übereinstimmung von Phase und Frequenz der emittierten Lichtwellen. Diese Strahlung wird als kohärent bezeichnet. Als kohärente Strahlung bezeichnet man dabei in den Naturwissenschaften elektromagnetische Wellen, die hinsichtlich ihrer räumlichen und zeitlichen Ausbreitung eine feste Phasenbeziehung haben.

Durch Beugung an der sehr kleinen, rechteckigen Austrittsöffnung der p-n-Übergangsschicht besitzt der Laserstrahl ohne optische Korrekturen eine große Strahldivergenz und ein elliptisches Strahlprofil. Da die aktive Zone parallel zur p-n-Übergangsschicht größer als senkrecht dazu ist, treten zwei verschiedene Divergenzen auf. Für technische Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, einen sowohl kreisförmig als auch kollimierten (parallelen) Lichtstrahl zu haben. Die Strahldivergenz lässt sich mithilfe von Kollimator-Sammel-Linsen (mit kleiner Brennweite) beheben. Das elliptische Strahlprofil kann durch Strahlformung zu einem kreisförmigen Strahl geformt werden. Dies lässt sich zum Beispiel mithilfe von zwei orthogonal angeordneten Zylinderlinsen erreichen.

Strukturell unterscheidet sich eine Laserdiode von einer herkömmlichen LED durch das Vorhandensein eines eingebauten optischen Resonators, der die entsprechende Frequenz verstärkt. Die Laserdiode verwendet einen ausreichend starken Pumpstrom, um das Schwellenerzeugungsniveau zu erreichen. Dann geht es in einen kohärenten Strahlungsmodus mit einer spektralen Breite von 1–2 nm über. Zum Vergleich: Die Spektrumsbreite einer LED variiert im Bereich von 30–50 nm. Da einzelne Laserdioden nur bis zu Leistungen von einigen Watt gefertigt werden können, werden für höhere Lichtausbeuten mehrere Dioden in sogenannten Barren oder Arrays zusammengefasst.

Die Frequenz bzw. Wellenlänge des von der Laserdiode emittierten Lichts ist außer vom Material noch abhängig von der Temperatur, dem Pumpstrom sowie ggf. der optischen Rückkopplung durch einen externen Resonator. Durch Stabilisierung dieser Parameter kann eine Bandbreite des emittierten Lichts von weniger als einem Megahertz erreicht werden.

Typische Wellenlängen von Laserdioden (Direct Injection) sind:

  • Rot: 635 nm, 638 nm, 642 nm, 650 nm, 660 nm
  • Grün: 515 nm, 520 nm
  • Blau: 445 nm
  • Violett: 405 nm

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SSI/SSL/DPSS: Festkörper-Laser

Bekannt geworden sind in der professionellen Projektionstechnik sogenannte SSI-Projektoren. Solid State Illumination oder SSL (Solid State Lightning) oder auch DPSS-Laser (Diode-Pumped Solid State) genannt, verwenden sie eine sehr leistungsstarke Infrarot-Lichtquelle, die dann auf einen bestimmten Kristall (Nd:Yag, kurz für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) fokussiert wird, um ein Licht mit einer Wellenlänge von 1.064 nm (IR) zu erzeugen. Der Vorteil hierbei ist: eine große Dichte im aktiven Medium, eine große Verstärkung, große Intensität, und eine effiziente Frequenzverdopplung wird möglich.

Schema einer Halbleiterdiode, versehen mit unterschiedlicher Ladungsträgerkonzentration, als p- und n-Halbleiter bezeichnet. Sie besitzen eine Durchlassrichtung und eine Sperrrichtung. Durch eine Pumpquelle angeregt werden Laserstrahlen erzeugt. (Bild: Maurice Bardel)

Da der Nd:YAG Laser nicht-sichtbares, infrarotes Licht abstrahlt, wird in vielen Fällen das infrarote Licht in sichtbares Licht umgewandelt. Dieses geschieht mithilfe eines nichtlinearen optischen Kristalls. Die Frequenzverdoppelung (532 nm) oder -verdreifachung (355 nm) durch nichtlineare Kristalle im Anschluss an den Laserresonator ist eine effiziente Methode, Laserstrahlung kürzerer Wellenlängen (im sichtbaren Bereich) zu erzeugen, wodurch sich vielfältige Anwendungen ergeben, bei denen die Absorption der ursprünglichen Wellenlänge von 1.064 nm nicht gegeben ist. Weil aber mehr Wärme freigesetzt wird, ist hier eine effiziente Kühlung (meistens Wasser) erforderlich.

Als aktive Lasermaterialien können dies Festkörper wie Kristall, Glas, Keramik sein, jedoch jeweils dotiert mit Fremdatomen. Typisch erzeugte Wellenlängen sind hierbei:

  • Red: 671 nm
  • Green: 532 nm
  • Blue: 473 nm, 457 nm

Mit der Weiterentwicklung der Laser-Dioden hat heutzutage mittlerweile fast jeder Projektorhersteller Modelle mit einem Laser-Lampenblock im Portfolio. Die meisten Projektoren arbeiten nach dem Laser-Phosphor-Prinzip und sind entweder mit einem Chip oder drei Chips ausgestattet, sei es auf Basis von LCD, DMD oder LCOS. Das Laserdioden-Licht hat neben den allseits bekannten Vorteilen noch eine herausragende Eigenschaft im Hinsicht auf Langlebigkeit der Chips. Das Laserlicht enthält keinen für die Chips schädlichen UV-Anteil.

Aufbau eines JVC-DILA-Laserprojektors
Beispiel des Aufbaus eines JVC-DILA-Laserprojektors der neuen Generation mit blauem Laser-Array und der Keramik-Phosphor-Disk zur Erzeugung des gelben Lichtstrahls. (Bild: JVC)

Bei dem Laser-Phosphor-Prinzip besteht die Lichtquelle aus einem Block, der aus mehreren Dioden mit blauem Laserlicht besteht (Barren). Ein Teil des blauen Lichts wird über ein Phosphorrad geleitet, aus dem gelbes Licht erzeugt wird; über Filter gewinnt man daraus einen roten und grünen Strahl. Neu vorgestellt wurde auch 2018 von Schott ein Keramik-Laser-Phosphor-Konverter. Die Konverter bestehen aus gelb oder grün gefärbter, fluoreszierender Keramik, die blaues Laserlicht in gelbes Licht umwandeln. Das nach diesem Schritt gelbe Licht wird im Inneren des Beamers mithilfe von Farbfiltern in die Primärfarben von Projektoren segmentiert, nämlich Rot, Grün und Blau (RGB).

Bei Anwendungen, bei denen ein größerer Farbraum gefordert wird, finden wir auch Projektoren mit RB-Laser (mit separater roter und blauer Laserlichtquelle) oder als High-End-Variante mit RGB-direkt-Laser-Licht-Quellen, meistens in Verbindung mit DMD- oder LCOS-Chips. Hierbei wird das Licht in schmalen RGB-Bündeln mit sehr genauen Spektralfrequenzen ausgestrahlt. Dadurch kann ein großer Farbraum erzeugt werden.

Prinzip eines Laser-Phosphor-Projektors am Beispiel eines JVC-DILA
Prinzip eines Laser-Phosphor-Projektors am Beispiel eines JVC-DILA. Aus dem geteilten blauen Strahl wird erst ein gelber Strahl und daraus ein roter und grüner Strahl erzeugt, die addiert mit dem ursprünglichen blauen Strahl das RGB-Licht ergeben. (Bild: JVC)

Diese RGB-Hochleistungslaser findet man hauptsächlich in Anwendungen in Nischenmärkten, bei denen der Farbraum Rec 2020 gefordert und eine Helligkeit bis zu 75.000 Lumen benötigt wird, wie zum Beispiel für Digital-Cinema-Anwendungen. Auszugsweise seien hier die Hersteller Barco mit der DP4K-Serie mit bis zu 56.000 Lumen, Christie mit der CP-Serie mit bis zu 55.000 Lumen oder NEC mit dem NC3540 mit 35.000 Lumen erwähnt.

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Aktuelle Laser-Video-Großbildprojektoren

Nachfolgend einige Laser-Video-Großbildprojektoren mit besonderen Features oder Anwendungen, vorgestellt in jüngster Vergangenheit:

Auf den AV Innovation Days in Lindlar feierte Christies neuester RGB-Laserprojektor 2021 seine Premiere. Mit einer Lichtleistung von 34.000 Lumen, einem Gewicht von 79,5 kg und einer Betriebslautstärke von unter 50 dB (bei voller Helligkeit) ist der neue Griffyn 4K32-RGB nach eigenen Angaben sowohl der leichteste als auch leiseste All-in-One-RGB-Laserprojektor am Markt.

Digital Projection füllte 2019 die Schlagzeilen mit der Präsentation des weltweit ersten 8K-DLP Solid-State Laser-Phosphor Illumination-Projektors. 2021 schraubte man an der Lichtausbeute und erreicht damit bis zu 37.000 Lumen. Mit einer abgesetzten 4K-Version, dem Satellite MLS, einem modularen Projektionssystem, wobei der Projektionskopf per Glasfaser mit Netzteil + Main Unit verbunden ist, erreicht man sogar 40.000 Lumen.

Remote-Lightsource-Projektor von Digital Projection
Der Clou des Remote-Lightsource-Projektors von Digital Projection aus 2019: Der Projektor besteht quasi aus zwei Teilen, der Kopf mit Objektiv ist getrennt von Elektronik und Netzteil. Diese werden vor Ort per Glasfaserkabel verbunden. (Bild: Achim Hannemann)
Digital Projection 8k-Laserprojektor
Der erste kommerzielle 8k-Laserprojektor von Digital Projection sorgte 2018 für Furore. Für die Auflösung von 7.680 × 4.320 Pixel werden drei 1,38″-DarkChip-DMD benutzt. (Bild: Sven Schuhen)

Zusammen mit der Uni Weimar entwickelt, war der innovative Insight HFR360 Multiview 4K-3Chip-DLP-Projektor eines der Highlights auf der ISE2020. Mit 360 Bildern pro Sekunde können bis zu sechs Betrachter gleichzeitig individuell angepasste 3D-Filme, 3D-CAD-Studien oder Präsentationen gleichzeitig verfolgen.

Epson begeisterte die Besucher auf der ISE 2019 mit dem interaktiven Vortex-Tunnel. Er bestand aus einer leicht milchigen, 4 m langen Plexiglasröhre mit einem Durchmesser von 2,5 m, die von 16 Laserprojektoren EB-L1755U und Weitwinkel-Optiken ELPLU03 als Doppelprojektion 360° bespielt wurde. Der Content in Bild und Ton war dabei nicht vorgegeben, sondern änderte sich dynamisch mit den Bewegungen des Besuchers, so entstand bei jedem Durchgang ein anderes visuelles Erlebnis. Als 3-LCD-Laser Projektor wurde 2021 auch der Epson EB-PU2010W mit 10.000 Lumen vorgestellt.

Auf der ISE 2019 hatte NEC den bis dato weltweit leisesten Laser-Projektor auf dem Stand. Mit nur 22 dB(A) und trotzdem 5.000 Lumen Helligkeit könnte man den PT 525UL sogar in der Oper einsetzen. Mit dem NC1202L hat Sharp NEC Display Solutions 2021 einen neuen DLP-Laserprojektor enthüllt, der für Kinos gedacht ist und mit 2.048 × 1.080 Bildpunkten (2K) auflöst sowie eine maximale Helligkeitsleistung von 7.000 Lumen verspricht. Die Lichtquelle soll bis zu 50.000 Stunden durchhalten und für ein Kontrastverhältnis von 1.600:1 sorgen. 3D-Unterstützung mit 120-Hz-Bildwiederholrate ist genauso gegeben wie DCI-Konformität. Wer es heller haben will, kann den NC244ML erwerben: Der RB-Laser-Kino-Projektor soll sogar bis zu 50.000 Stunden durchhalten, hat 4K-DCI Auflösung, 3D-Unterstützung und 24.000 Lumen.

Panasonic sorgte auf der ISE 2019 ebenfalls für Schlagzeilen. Dort wurde der kompakteste 3-Chip-DLP-Solid-Shine-Laserprojektor PT-RQ50K mit nativer 4k-Auflösung und 50.000 Lumen fürs Eventgeschäft promotet.

Panasonic bewarb 2019 den PT-RQ50 als weltweit kleinsten 4k-Laserprojektor mit 50.000 Lumen. Interessant ist dieser vor allem für die Event-Branche, aber auch für Festinstallationen in großen Veranstaltungsstätten. (Bild: Panasonic)

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Laser-Specials

Zu erwähnen sei noch, dass es auch sogenannte Hybrid-Illumination-Projektoren mit einer Mischung aus LED (rot) und Laserdiode (blau) gibt. Weiterhin hat jeder Hersteller bei seinen Laserprojektoren noch zusätzlich spezielle Feature eingebaut, um sich vom Mitbewerber abzuheben und auch dafür eine eigene Markenbezeichnung eintragen lassen zu können. Beispielsweise wirbt Panasonic mit Solid Shine, Optoma mit DuraCore Laser und MultiColor Laser, Sony mit Z Phosphor-Laser Light Source, JVC mit Blue-Escent, Barco mit Constant Light Output, Christie mit BoldColor technology, Digital Projection mit ColorMax und Epson mit True Colours – der Fantasie scheinen kaum Grenzen gesetzt. Diese technischen Besonderheiten und Unterschiede aber werden Thema eines weiteren Artikels.

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>> Geschichte der Großbildprojektion – Teil 1

>> Geschichte der Großbildprojektion – Teil 2

>> Geschichte der Großbildprojektion – Teil 3


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