Welche Art der Projektionsfläche – Farbe, Bildwand oder Projektionsscheibe – ist für die jeweilige Anwendung am besten geeignet?

Grundlagen: Physik der Beamer Leinwand

Kann man auf blanke Wände projizieren? Gibt es spezielle Beamer für helle Räume? Hier erfahren Sie Grundsätzliches zur Physik von Projektionsflächen, wie einer Beamer Leinwand, und den Möglichkeiten, auf „blanke“ Flächen zu projizieren.

Beamer Leinwand

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Jede Projektion steht und fällt mit der Fläche, auf die der Beamer projiziert. Die Wirkung eines noch so lichtstarken Projektors kann verpuffen, wenn die Projektionsfläche zuviel Licht absorbiert oder es ungünstig streut. Wie kann der Planer, Systemerrichter oder Anwender beurteilen, welche Art der Projektionsfläche – Farbe, Bildwand oder Projektionsscheibe – für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist? Unser Autor, der Medientechnik-Planer Detlef Hartmann, will diese Frage in einer mehrteiligen Serie beantworten.

Dieser Artikel beinhaltet folgende Abschnitte:

Am Anfang war das Licht …

Im ersten Schritt zu den Betrachtungen von Projektionsflächen ist es unerlässlich zu verstehen, wie das menschliche Auge arbeitet. Grundsätzlich ist Sehen mit Licht verbunden; der Mensch kann ohne eine Mindestbeleuchtung nicht sehen. Das von Lichtquellen (Sonne, Leuchten etc.) ausgesandte Licht wird von verschiedensten Materialien (feste Stoffe, Flüssigkeiten, Gasen), mit denen es in Berührung kommt, auf unterschiedlichste Weise beeinflusst. Licht wird reflektiert, absorbiert, gefiltert, gestreut, gebrochen etc. und gelangt durch das Linsensystem des Auges auf unsere Netzhaut. Auf den detaillierten Aufbau des menschlichen Auges werden wir hier nicht eingehen, an dieser Stelle sei auf einschlägige Literatur verwiesen.

Zum Verständnis für unser Thema ist die folgende Erläuterung der Arbeitsweise des Auges ausreichend. Das Licht gelangt durch die veränderbare Pupillenöffnung auf die mit der Netzhaut ausgekleidete Innenwand des Auges. Die Netzhaut enthält die lichtempfindlichen Rezeptorzellen Stäbchen und Zapfen, die das Licht in Nervenimpulse umsetzen und diese über den Sehnerv an das Sehzentrum leiten. Dieses rekonstruiert aus den auftreffenden Lichtimpulsen ein Abbild der Umwelt. Das Sehen ist ein Zusammenspiel aus verschiedenen Komponenten, dem Licht, der Umwelt, dem Auge und dem Gehirn, also ein informationsverarbeitender Prozess, eine permanente Wechselwirkung zwischen Umwelt und Gehirn.

Zum weiteren Verständnis ist die Betrachtung der Physik von Licht sinnvoll: Licht setzt sich aus elektromagnetischen Wellen verschiedener Wellenlängen zusammen. Das optische Spektrum, also der für das menschliche Auge sichtbare Bereich, liegt zwischen 770 nm und 400 nm. Das menschliche Auge besitzt drei verschiedene Farbsinneszellen (Zapfentypen) für die Farben Rot, Grün und Blau, bzw. für die verschiedenen Wellenlängen. Die Absorptionsmaxima der verschiedenen Zapfen liegen bei 420 nm (blau), 540 nm (grün) und ca. 560 nm (rot – eigentlich im gelben Bereich). Durch additive Farbmischung erhält der Mensch die unterschiedlichen Farbeindrücke.

Licht bewegt sich solange geradlinig, (im Vakuum mit einer Geschwindigkeit von ca. 300.000 km/s), bis es auf ein Hindernis trifft und dadurch „manipuliert“ wird. Gemeint sind dabei das Absorbieren, Reflektieren, Transmittieren oder Remittieren des Lichts – alle relevant für die Eigenschaften von Projektionsflächen.

Bei der Absorption trifft es auf eine Oberfläche auf und wird dort vollständig oder teilweise in Wärme umgewandelt – wie z. B. bei Sonnenkollektoren. Von Remission spricht man, wenn ein Gegenstand einen Teil des auftreffenden Lichtspektrums absorbiert und den Rest transmittiert (durchlässt) oder reflektiert. Damit erreichen lediglich bestimmte Wellenlängen des Lichts – die remittierten – mit erhöhtem Anteil unser Auge und vermitteln somit den Farbeindruck des Gegenstands.

Die Transmission beschreibt die Durchlässigkeit eines Mediums für z. B. elektromagnetische Wellen. Die Transmission hat auch für Projektionsflächen eine weittragende Bedeutung, denn nicht jede Aufprojektionsfläche ist vollständig „lichtdicht“. Das bedeutet zum einen den Verlust von Helligkeit des Projektionsabbilds, denn das auftreffende Licht wird nicht vollständig reflektiert, zum anderen eine weitere negative Beeinflussung des projizierten Bilds durch rückwärtig vorhandenes Störlicht. Die Transmission ist aber am wichtigsten für Rückprojektionssysteme, die aber erst im zweiten Teil der Betrachtungen zu Projektionsflächen behandelt werden.

Das Phänomen der Reflexion ist für die Betrachtung von Aufprojektionsflächen bedeutsamer. Eine Spiegelfläche reflektiert, je nach Güte des Spiegels, das auftreffende Licht vollständig. Dabei gilt: der Ausfallswinkel des reflektierenden Lichts entspricht dem Einfallswinkel des auftreffenden Lichts.

Güte von Aufprojektionsflächen

Welche der zuvor erwähnten Lichteigenschaften spielt nun für die Aufprojektionsfläche eine Rolle und wie lässt sich die Güte einer Projektionswand bestimmen? Grundsätzlich muss eine Aufprojektionsfläche das vom Projektor auftreffende Licht reflektieren.

Im Idealfall so, dass kein Lichtverlust entsteht. Das würde aber bedeuten, dass nur ein minimaler Betrachtungsbereich (beim Ausfallswinkel!) zur Verfügung steht. Die DIN 19045- 4 beschreibt die Eigenschaften von Projektionsflächen, aus denen sich die verschiedenen Anwendungsgebiete herleiten lassen. Als Grundlage zur Beurteilung von Reflexions- und Transmissionseigenschaften von Projektionsflä- chen wird der Leuchtdichtefaktor herangezogen. Dieser, auch als Gain oder Gain-Faktor bezeichnet, wird meist medienwirksam als Zahlenwert angegeben.

Im Sinne der Definition laut DIN 19045-4 ist dies nicht korrekt; sie definiert den Leuchtdichtefaktor folgendermaßen: „Der Leuchtdichtefaktor β ist nach DIN 5036 Teil 1 das Verhältnis der Leuchtdichte LP einer Bildwandprobe für eine gegebene Betrachtungsrichtung zur Leuchtdichte LW der vollkommen streuenden und vollkommen reflektierenden bzw. durchlassenden Fläche für eine vorgegebene Einstrahlrichtung. Damit kann der Leuchtdichtefaktor für die Beurteilung von Bildwänden für die Auflicht- oder die Durchlichtprojektion verwendet werden.“

Während die Leuchtdichte angibt wie hell eine bestimmte reflektierende Fläche oder eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung strahlt, beschreibt der Leuchtdichtefaktor also das Verhältnis der Leuchtdichte einer Bildwandprobe (ein Stück der realen, zu bewertenden Bildwand) zur Leuchtdichte einer „idealen“ Bildwand. Wie verhält sich eine solche ideale Projektionsfläche?

Für Aufprojektionswände wird zum Vergleich Barium-Sulfat-Pulver oder Magnesiumkarbonat als Messnormale, dem so genannten Weißstandard, genutzt. Dieses Material hat die Eigenschaft der vollständigen Farbneutralität und bestimmt den Normwert (siehe Abbildung 1) Das Licht trifft senkrecht auf die Projektionsfläche und wird „vollkommen streuend reflektiert“, d. h., es wird keinerlei Licht absorbiert, transmittiert oder in irgendeiner anderen Form manipuliert.

 „ideale“ Projektionsfläche
Abbildung 1: Reflexion bei einer „idealen“ Projektionsfläche (Bild: Detlef Hartmann)

Räumlich gesehen wird das Licht in alle Richtungen gleichmäßig reflektiert und anstelle eines Halbkreises ist eine Halbkugel zu berücksichtigen. Dieses Ideal wird in der Praxis nicht erreicht. Die DIN 19045-4 beschreibt weitgehend die „Realität“ bei vier verschiedenen Bildwandtypen, die mit den Bezeichnungen Typ D, P, M oder R gekennzeichnet werden. Hier betrachten wir zunächst den Bildwandtyp D, der auch als Diffusleinwand bezeichnet wird – ein Leinwandtyp, der in den meisten Anwendungen verwendet wird. Das Abstrahlverhalten wird durch ein Ellipsoid beschrieben, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Die Darstellung zeigt deutlich die Abhängigkeit des Leuchtdichtefaktors zur Richtungsangabe. Würde hier nur die Angabe des Gain-Faktors z. B. 1,2 angegeben, bleibt unklar in welcher Vorzugsrichtung dieser Wert gilt. Tatsächlich hat die Bildwand nur in der Richtung der Senkrechten den Wert 1,2 – parallel zur Projektionsfläche hingegen lediglich einen Wert von ca. 0,7. Sinnvollerweise sollten die Hersteller als Leistungsangaben ihrer Leinwände daher Werte für verschiedene Betrachtungswinkel in einer Tabelle oder als grafische Koordinaten dargestellt angeben.

Abbildung 2: Abstrahlverhalten einer Diffusleinwand
Abbildung 2: Abstrahlverhalten einer Diffusleinwand in Ellipsoidform (Bild: Detlef Hartmann)

Soweit die theoretischen Betrachtungen zur Beurteilung von Projektionswänden. Wie kann man nun eine Projektionsfläche in der Praxis bewerten? Der subjektive Eindruck von Lesbarkeit oder Farbechtheit ist für eine professionelle Vorgehensweise sicher nicht der korrekte Weg. Zumal diese Vorgehensweise sicher auch keine Planungssicherheit schafft. Als Nachweis einer technisch und mechanisch korrekt ausgeführten Bildwandinstallation kann also nur eine Messung des Leuchtdichtefaktors aus verschiedenen definierten Betrachtungswinkeln und der Farbdarstellung dienen.

Projektion auf blanke Wände?

Grundsätzlich ist diese Frage mit einem Ja zu beantworten, aber wie kann man hier die Güte einer solchen Projektionsfläche nachweisen? Wird zum Beispiel eine weiße Wandfläche als Projektionsfläche genutzt, ist grundsätzlich ein Bild zu sehen.

Aber wie verhält sich eine mit Wandfarbe gestrichene weiße Wand in Bezug auf die Wiedergabequalität eines Bilds? Eine Wandfläche ist im Allgemeinen nicht gleichmäßig strukturiert und weist somit unterschiedliche Helligkeits- und Schärfebereiche auf. Eine Standardwand mit weißer Wandfarbe eignet sich daher nicht als professionelle Präsentationsfläche! Welchen Nutzen bringen allerdings spezielle Projektionsanstriche, die diverse Hersteller anbieten, und welche Planungssicherheit ist beim Einsatz eines solchen Anstrichs möglich?

Hier entscheiden die Art der Anwendung und der Anspruch an die Projektionsfläche: Vor der Entscheidung für eine Lösung mit Projektionsfarbe muss definiert sein, welche Inhalte (Film oder Standbilder) mit welcher Auflösung projiziert werden sollen. Geklärt werden muss außerdem, wie der Zuschauerbereich aufgebaut ist (Betrachtungswinkel vertikal und horizontal), wie viel Störlicht auf die Projektionsfläche einfallen darf und welcher Projektor (Projektionstechnologie, Lichtleistung etc.) zum Einsatz kommen soll. Dann sollte festgelegt werden, welchen Anspruch die Projektionsfläche erfüllen muss und ob die gewünschte Qualität nachweislich erreicht werden soll. Das sind die Minimalkriterien, die zu einer Entscheidungsfindung herangezogen werden sollten.

Ist die Entscheidung für einen Wandanstrich mit Projektionsfarbe gefallen, sind die vorbereitenden Maßnahmen Voraussetzung für ein gutes Ergebnis: Der Untergrund, d. h. die zu beschichtende Wandfläche muss plan und frei von Unebenheiten, Wellen und Strukturen vorbereitet sein. Bei Gipskartonwänden kann als Anforderung an die Oberflächenqualität eine Qualitätsstufe angegeben werden. Für die Nutzung als Projektionsfläche sollte die Wand mit der Qualitätsstufe 4 hergestellt sein und die erhöhten Anforderungen nach Zeile 7 der DIN 18 202 eingehalten werden. Dann muss der Anstrich gemäß den jeweiligen Herstellerangaben erfolgen. Hier ist auch auf eine gleichmäßige und strukturfreie Verarbeitung zu achten.

Welche Vorteile bieten Projektionswandfarben? An erster Stelle wird immer der Kostenvorteil gegenüber einer Projektionsfläche aus Leinwandtuch aufgeführt. Dabei sollte man nicht nur die Kosten für Projektionsfarbe und Verarbeitung berücksichtigen, sondern auch die notwendigen Vorarbeiten. Ein weiterer Vorteil besteht in der Variabilität, um z. B. Wandflächen zu nutzen, die keine mechanischen Eingriffe zulassen (Denkmalschutz, architektonische Gründe, technische Gründe wie Wandheizung etc.), oder um Projektionsflächen zu gestalten, die z. B. für künstlerische Zwecke bewusst uneben gehalten sind, im Bereich der Heimkinoapplikationen und dort, wo der Betrachtungsabstand z. B. keine perforierten Leinwände zulässt.

Im letzten Beispiel können Projektionsflächen mit Hilfe von NXT, bzw. Biegewellenwandlern als Lautsprechersysteme (Flächenlautsprecher) ausgebildet werden. Projektionsanstriche bieten hier viele kreative Freiheiten. Der Nachteil von Projektionsanstrichen liegt in der Sicherheit eines definierten Ergebnisses. Um z. B. den Nachweis zu führen, den geforderten Leuchtdichtefaktor in der benötigten Gleichmäßigkeit (über den gesamten geforderten Betrachtungsbereich) erreicht zu haben, ist eine Messung dessen notwendig. Eine Messung zur Bestimmung des Leuchtdichtefaktors ist allerdings aufwändig. Dazu wird eine Lichtquelle benötigt, die ein Normlicht nach DIN 5033-7 produziert.

Des Weiteren wird eine Reflexionsnormale benötigt, also ein Stück Bildwand, dessen Eigenschaften bekannt sind. Mit Hilfe eines Lichtdichtemessgerätes werden die Projektionsfläche und die Reflexionsnormale in exakt bestimmten Winkeln vermessen. Aus diesen Messungen lässt sich der Leuchtdichtefaktor der Projektionswand berechnen, was auch die Frage der Planungssicherheit beantwortet. Im Fazit kann man festhalten, dass ein möglicher Einsatz von Projektionsanstrichen von den in der Planung festgelegten Anforderungen der Anwendung und der nachweislichen Qualität abhängt.

Diffusbildwände

Betrachten wir nun die verschiedenen Bildwände des nach DIN definierten Typ D, bestehend aus einem beschichteten Gewebe oder einem Kunststoff. Diese auch als Diffusbildwand bezeichnete Projektionsfläche wird typischerweise mit einem Gain-Faktor zwischen 1,0 und 1,3 angegeben. Wie zuvor beschrieben, sollte hier in Tabellenform oder grafisch das Verhalten der Bildwand über den gesamten Reflexionsbereich angegeben werden.

Ein höherer Reflexionsfaktor (Gain) signalisiert eine Bündelung des Reflexionsverhaltens in eine Vorzugsrichtung – wie Abbildung 2 für den Bildwandtyp D zeigt. Projektionswände dieses Typs weisen in der Regel je nach Hersteller und Ausführung einen Betrachtungswinkel bis maximal 50 bis 60 Grad aus der Mittelachse auf. Entsprechend dem Materialverhalten nimmt der Reflexionsfaktor zu den äußeren Winkelbereichen hin ab.

Neben den Reflexionseigenschaften sind zur Beurteilung der Qualität einer Bildwand auch deren mechanischen Eigenschaften ein wichtiges Kriterium: Wie ist die Verarbeitungsqualität des Tuches über die gesamte Fläche, gibt es Unregelmäßigkeiten in der Struktur oder Schattierungen? Wie reagiert das Material hinsichtlich Verfärbungen bei Sonneneinstrahlung (UVLicht!), die zumindest während der Nutzung der Projektionswand nicht vorhanden sein sollte.

Lässt sich das Material bei Verschmutzung reinigen, ohne die Reflexionseigenschaften zu beeinflussen? Auch das ist ein wichtiges Kriterium, gerade hinsichtlich Installation mit hohem Publikumsverkehr. Dabei spielt auch eine hohe mechanische Belastbarkeit eine Rolle. Auch hierfür können bei den Herstellern Angaben z. B. zur Zugbelastung und Reißfestigkeit angefragt werden. Diese Eigenschaften werden in der DIN 53354 beschrieben. Bei Installationen in öffentlichen Bereichen ist auch insbesondere auf die Einhaltung der Sicherheitsbestimmungen zu achten. Hier sind die DIN 19045 Teil 5 (Sicherheitstechnische Anforderungen an konfektionierte Bildwände), die o. g. DIN 53354 (Bestimmung von Reißfestigkeit, Zugfestigkeit, Reißdehnung und Spannungswerten im Zugversuch) und die DIN 4102 (Brandverhalten von Baustoffen und Bauteilen) zu erwähnen.

In den Artikeln Projektionswände für hochauflösende Inhalte und Projektion in taghellen Räumen gibt es weitere Informationen.

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