Produkt: Professional System 1/2019
Professional System 1/2019
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Eigenschaften, Aufbau und Einsatz

Grundlagen der Rückprojektion

Neben der Aufprojektion ist die Rückprojektion mit Beamer ein vielfach angewandtes Verfahren zur Darstellung großformatiger Bilder per Daten- oder Videoprojektor. Planer Detlef Hartmann erläutert die wichtigsten Parameter, Typen und Einsatzbereiche von Scheiben für die Rückprojektion.

Rückprojektion Beamer

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Inhalt dieses Grundlagenartikels:


Das Verfahren der Rückprojektion mit Beamer kommt insbesondere in Kontrollräumen bei Videowänden zum Einsatz, die sich in der Regel aus einzelnen Modulen – den sogenannten Rückprojektions-Cubes – zusammensetzen. Der Aufbau von Rückprojektionssystemen besteht im einfachsten Fall aus einer Projektionsscheibe oder einem Rückprojektionstuch und einem Projektor/Beamer. Je nach Projektionsgröße und möglichem Abstand des Projektors wird direkt oder über Spiegelsysteme das Bild projiziert. Das Rückprojektionsverfahren, bei dem von der rückwärtigen Seite der Projektionsfläche in Richtung des Betrachters projiziert wird, wurde bereits in der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts von dem Ingenieur Josef Behrens entwickelt und 1918 bzw. 1935 patentiert.

Rückprojektion
(Bild: Detlef Hartmann)

Vorteile & Nachteile der Rückprojektion mit Beamer

Welche Vorteile und welche Nachteile bietet dieses Verfahren? Beginnen wir mit den Nachteilen: Im Gegensatz zu dem schon bekannten Aufprojektionsverfahren befindet sich hier der Projektor nicht im Raum des Betrachters, somit benötigt eine Rückprojektion zusätzlichen Raum. Damit dieser möglichst klein gehalten werden kann, ist zumeist die Faltung des Strahlengangs über ein Spiegelsystem erforderlich, ein zusätzlicher Aufwand, auf dessen Technik später näher eingegangen wird. Ein weiterer Nachteil ist die geringere Lichtausbeute der Projektoren, da das Licht die komplette Scheibe durchdringen muss.

Dagegen stehen die Vorteile: Die Anordnung des Projektors in einem separaten Raum bedeutet nämlich auch weniger Störschallentwicklung – im Zuschauerraum ist es deutlich leiser. Zudem ist eine Störung des Strahlengangs durch den Betrachter oder dem Vortragenden (Schattenrisse!) ausgeschlossen. Außerdem ist ein Rückprojektionssystem relativ umempfindlich gegen Umgebungslicht. Dies ist aber abhängig von der Art und Qualität des eingesetzten Projektionsmaterials.

Rückprojektionscreens im Einsatz
Rückprojektionscreens im Einsatz: Giant Wide Angle Screen von dnp (links) und Starglas von Stewart Filmscreen

Das Ziel einer Rückprojektion ist es, den Content in maximaler Qualität und Helligkeit zu präsentieren und Störlicht zu eliminieren. Im Idealfall würde eine solche Rückprojektionsfläche wie nebenstehend funktionieren. Da eine solche Scheibe aus verschiedenen physikalischen Gründen bisher nicht realisierbar ist, gibt es verschiedene Lösungsansätze mit den ein oder anderen Vorteilen. Die verschiedenen Hersteller setzen dazu unterschiedliche Technologien und Materialien ein.

Wichtige Parameter

Bevor exemplarisch verschiedene Technologien beschrieben werden, sollten im ersten Schritt einige Aspekte betrachtet werden, die die Eigenschaften der Projektionsflächen vergleichbar und bewertbar machen. Welche technischen Daten werden von den Herstellern bereitgestellt und welche Angaben sind für die Auswahl einer Projektionsscheibe notwendig?

Nicht vergessen werden darf der erste Schritt zur Auswahl: Welche Aufgabe ist denn zu lösen? Prinzipiell werden zwei Bereiche bei den Anforderungen an Rückprojektionsflächen unterschieden, die lichttechnischen und die mechanischen Anforderungen. Die lichttechnischen Anforderungen werden teilweise von den technischen Daten der Hersteller erfasst. Zu den lichttechnischen Anforderungen gehören:

  • hohes Transmissionsvermögen
  • breiter Sichtwinkel
  • neutrale Farbwiedergabe
  • hoher Modulationskontrast
  • reflexionsarme Oberfläche
  • geringes Eigenrauschen

 

Zu den mechanischen Anforderungen gehören:

  • Brandsicherheit nach DIN
  • Reißfestigkeit
  • lange Lebensdauer
  • gute Reinigungsmöglichkeit
  • neutrales Verhalten bei Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen
  • Verarbeitungsqualität
  • Montagefähigkeit

Zunächst wollen wir die lichttechnischen Anforderungen an eine Rückprojektionsscheibe betrachten. Ein hohes Transmissionsvermögen bedeutet, dass im Mittel möglichst viel Licht des Projektors durchgelassen werden soll. Die Hersteller geben in der Regel den Transmissionsgrad nicht an; er kann jedoch messtechnisch ermittelt werden.

Der Transmissionsgrad sollte über die gesamte Fläche nahezu konstant sein. Bei den Herstellerdaten findet sich allerdings im Allgemeinen eine Angabe zum Gain oder Gainfaktor der Projektionsfläche. Damit ist der Leuchtdichtefaktor gemeint, der im direkten Verhältnis zum Transmissionsgrad steht. Wichtig dabei ist die Angabe zur Bezugsachse, denn in der Regel bezieht sich der Wert auf die Bildmittelachse; außerhalb der Achse nimmt der Gainfaktor ab.

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Wirkung der Diffusor-Schicht auf der Rückprojektionscheibe (Bild: Detlef Hartmann)

Damit ergibt sich ein weiterer Zusammenhang – die Abhängigkeit des Gainfaktors von den Betrachtungswinkeln (Sichtwinkel). Als Regel kann daher festgehalten werden: Je höher der Gainfaktor, desto heller das Bild (hoher Transmissionsgrad) und desto kleiner der Betrachtungswinkel. Daraus ergibt sich ein erstes Auswahlkriterium: die Auswahl der Scheibe wird durch die gewünschte Publikumsfläche bestimmt, die sowohl in der Horizonalen als auch in der Vertikalen (bei ansteigenden Stuhlreihen) bestimmt werden muss.

Eine weitere Anforderung besteht in einer farbneutralen Bildwiedergabe. Dazu gibt es jedoch keine technische Angabe, die einen geeigneten Rückschluss zulässt. Als Entscheidungskriterien bieten sich entweder die subjektive Sichtung oder die aufwändigere messtechnische Variante an. Je nach Material und Scheibenfarbe gibt es zwischen den verschiedenen Modellen und Herstellern mehr oder weniger deutliche Unterschiede, die in Farbneutralität und Farbbrillanz bestehen – wobei die Farbbrillanz auch abhängig ist vom Kontrastumfang (Modulationskontrast) der Projektionsfläche. Auch dazu gibt es von den Herstellern keine vergleichbaren technischen Angaben.

Es wird lediglich von High Contrast oder hohem Schwarzwert oder Ähnlichen technisch nicht aussagefähigen Eigenschaften gesprochen. Auch hier wiederum helfen nur der subjektive Eindruck oder die aufwändige Messung. Ein weiterer Punkt und der Anforderungsliste und ein Kriterium zur Auswahl ist die Reflexionsarmut einer Rückprojektionsfläche. Diese Daten sind nur bei wenigen Herstellern Teil der Dokumentation. Wünschenswert ist eine solche Angabe bei allen Herstellern, da sie je nach Einsatzzweck ein wichtiges Auswahlkriterium sein kann.

Durch unterschiedliche Beschichtungen der Scheibe werden Gainfaktor und/oder Betrachtungswinkel (Sichtwinkel) beeinflusst.
Durch unterschiedliche Beschichtungen der Scheibe werden Gainfaktor und/oder Betrachtungswinkel (Sichtwinkel) beeinflusst. (Bild: Detlef Hartmann)

Die Anforderung „geringes Eigenrauschen“ bezieht sich auf die Auflösungsqualität der Projektionsfläche. Hier muss geklärt werden, ob die Scheibe die Auflösung der eingesetzten Projektoren (XGA, SXGA, WUXGA etc.) auch darstellen kann. Zusammenfassend wird festgehalten: Vergleichbare technische Daten zu Rückprojektionsscheiben der verschiedenen Hersteller wie Atrium, Da-Lite, Stewart Filmscreen, Projecta, AV Stumpfl etc., um nur einige Hersteller zu nennen, gibt es für den Gainfaktor und die Betrachtungswinkel. Alle weiteren Anforderungen liegen entweder nicht von allen Herstellern vor, oder werden gar nicht erst angegeben.

Scheiben-Technologien

Im Grundsatz werden zwei Technologien unterschieden: die Diffusionsscheibe und die optische Scheibe. Bei den Diffusionsscheiben wird außerdem noch zwischen Acrylglas und optischem Glas unterschieden. Je nach Hersteller wird eine Acrylglasscheibe oder eine optische Glasscheibe mit einer optischen Beschichtung versehen. Einige Hersteller tragen die Schicht durch einen chemischen Prozess auf das Trägermaterial auf, andere bringen die optische Beschichtung mittels Folie auf.

Dieser Unterschied ist aber kein Auswahlkriterium. Entscheidend ist, ob die Verarbeitungsqualität den hohen Anforderungen an eine Rückprojektionsscheibe entspricht. Die Beschichtung, auch Diffusor genannt, bewirkt, dass das Licht gebrochen und auf der Scheibe verteilt wird.

Diffusionsscheiben

Je nach optischer Qualität der Scheibe bildet sich bei diesem Verfahren ein so genannter Hotspot, eine lokale helle Zone. Das bedeutet, die Lichtverteilung nimmt zu den Außenbereichen hin ab. Dieser Effekt wird umso deutlicher, je weitwinkliger die eingesetzte Projektionsoptik ist. Daher sollte man bei Diffusionsscheiben möglichst mit langen Brennweiten arbeiten. Einige Hersteller nutzen auch spezielles Acrylat, dem ein Diffusor beigemischt wird, um die gewünschten optischen Eigenschaften zu erzielen.

Um die Kontrasteigenschaften zu verändern, werden den Beschichtungen bei der Herstellung dunkle Pigmente beigemischt. Diese auch als „grey Screen“-Technologie bezeichnete Methode schränkt in der Regel die Sichtwinkel ein. An dieser Stelle wollen wir die Aufmerksamkeit auf ein Problem der Herstellerangaben lenken. Bei eigenen Projekten erfahren, aber auch aus Testberichten bekannt, kann die Herstellerangabe des Gainfaktors bzw. Betrachtungswinkels deutlich von der Realität abweichen.

Das kann bei Betrachtungsbereichen, die das gesamte Blickspektrum ausnutzen wollen, zu Problemen führen. Worin liegen die Unterschiede von Acrylglasscheiben und optischen Glasscheiben? Hier spielen in erster Linie die mechanischen bzw. physikalischen Eigenschaften der Materialien eine Rolle.

Ein Acrylat reagiert empfindlicher auf Temperaturveränderungen. Die mechanische Verformung ist dabei größer und kann sogar zu Bildverzerrungen führen. Dies kann zum Beispiel bei unterschiedlichen Temperaturen im Technikraum bzw. Projektionsraum auf der einen und Betrachtungsraum auf der anderen Seite der Fall sein – ein Umstand, der bei den Installationen oft übersehen wird. Hier spielt auch der Aufbau der Acrylglasscheibe eine Rolle. Setzt sich zum Beispiel die Scheibe aus zwei Platten mit einer dazwischen angeordneten optischen Schicht zusammen, wird der Effekt der unterschiedlichen Oberflächentemperaturen noch verstärkt.

Unterschiedliches Transmissionsverhalten bei Diffusionsscheiben (links) und optischen Scheiben mit Fresnel-Struktur
Unterschiedliches Transmissionsverhalten bei Diffusionsscheiben (links) und optischen Scheiben mit Fresnel-Struktur (Bild: Detlef Hartmann)

Die unterschiedliche Oberflächentemperatur kann zu Verformungen und damit zu Bildverzerrungen führen – je größer die Projektionsfläche, umso signifikanter ist die Wirkung. Ein ähnliches Problem ergibt sich bei unterschiedlichen Druckverhältnissen zwischen den Räumen, was z. B. durch Lüftungssysteme hervorgerufen werden kann.

Die Acrylglasscheibe wird aufgrund ihres geringen Eigengewichts und ihrer Flexibilität verformt. Hier zeigen sich die Vorteile von optischen Glasscheiben. Deren Nachteil liegt wiederum in ihrem vergleichsweise hohen Gewicht und dem aufwändigerem Handling. Glas hat allerdings den Vorteil der besseren akustischen Isolierung. Die Entscheidung, ob Acryl oder Glas zum Einsatz kommt, hängt von den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften und in dem finanziellen Aufwand ab. In den überwiegenden Fällen sind Diffusionsscheiben auf Echtglas- Basis kostenintensiver.

Optische Scheiben

Den Unterschied zwischen Diffusionsscheiben und optischen Scheiben zeigt sich am einfachsten am optischen Verhalten. Im Gegensatz zur Diffusionsscheibe wird bei der optischen Scheibe das Licht durch eine Linsenstruktur gelenkt. Erreicht wird dies durch die Struktur der 1822 von dem französischen Physiker Augustin Jean Fresnel entwickelten Stufenlinse. In einem aufwändigen Prozess wird die Struktur auf die optische Scheibe aufgebracht.

Die Fresnel-Struktur besteht dann aus tausenden konzentrisch angeordnete Linsenelemente, durch die das auftreffende Licht zum Betrachter hin fokussiert wird. Um eine gleichmäßige Lichtverteilung und einen erweiterten Betrachtungswinkel zu erhalten, wird die Fresnel-Struktur mit einer Prismenlinse, der so genannten Lentikular-Struktur, kombiniert. Damit der gewünschte Effekt erreicht wird, muss die dem Projektor zugewandte Seite eine Fresnel-Struktur haben, um das Licht fokussiert zum Betrachter hin zu lenken.

Die dem Betrachter zugewandte Seite ist dann mit der Lentikular-Struktur versehen, die eine gleichmäßige Lichtverteilung und einen weiten Betrachtungswinkel bewirkt. Diese aufwändige Konstruktion hat ihren Preis, entschädigt aber mit einer besseren optischen Qualität. Durch die Linsenstrukturen werden Hot Spots vermieden; die Lichtausbeute des Projektors ist deutlich besser und somit kann eine Kostenverschiebung erreicht werden. Außerdem ist der Einsatz von Projektoroptik mit kurzen Brennweiten möglich. Durch weitere mögliche Maßnahmen, z. B. einer speziellen Filterbeschichtung, die das Umgebungslicht absorbiert, wird die optische Qualität weiter verbessert. Diese Technik erhöht den Bildkontrast und den Schwarzwert des Bildes.

Je nach Ausführung der Lentikular-Struktur ist ein horizontaler Betrachtungswinkel bis zu ±90 Grad möglich. Ein Nachteil wird bei Betrachtung der oben gezeigten Skizze deutlich: Der Betrachter muss in vertikaler Achse zur Projektion sitzen, denn der Betrachtungswinkel ist in der Vertikalen sehr „eng“. Damit sind optische Scheiben bei ansteigendem Gestühl nur bedingt einsatzfähig.

Spiegelsysteme

Beim Einsatz von Diffusionsscheiben sollte auf Projektion mit von Weitwinkelobjektiven verzichtet werden. Das bedeutet, dass der Projektionsraum bei direkter Projektion relativ groß ausfallen würde. Hier kann auf den Einsatz von Spiegeln und Spiegelsystemen zurückgegriffen werden, um den Strahlengang zu falten und so den erforderlichen Raum zu verkleinern. Die Konstruktion und die Einrichtung von Spiegelsystemen ist nicht trivial.

Verwendung dabei dürfen nur Oberflächenspiegel finden. Hierbei unterscheidet man zwischen Folienspiegeln und festen Spiegeloberflächen. Die Folienspiegel weisen aufgrund ihrer Konstruktion ein sehr geringes Gewicht auf, sind jedoch auch sehr empfindlich und praktisch nicht zu reinigen. Dafür sind die Anschaffungskosten deutlich geringer als bei Oberflächenspiegeln, die dank ihrer Konstruktion deutlich stabiler und auch reinigungsfähig sind, aber auch relativ schwer. Besonders bei großflächigen Spiegeln sind hier auch konstruktive Maßnahmen zu ergreifen, um bei der notwendigen winkligen Anordnung eine Verformung durch das Eigengewicht zu vermeiden.

Bei Oberflächenspiegeln ist außerdem die herstellungsbedingte Fertigungsrichtung beim Einbau zu beachten, da es sonst zu Bildverzerrungen führen kann. Diese sind umso deutlicher, je höher die Bildauflösung ist. Aus den Erfahrungen als Sachverständiger ergibt sich, dass eine Rückprojektionskonstruktion sehr sorgfältig geplant und ausgeführt werden muss. Insbesondere bei Konstruktionen mit Spiegelsystemen können Effekte auftreten, deren Ursache erst nach eingehender Analyse festgestellt werden kann. Beispiele hierzu sind falsch gelenkte Luftströme, die zu „Bildflirren“ führen – wie beim Schliereneffekt verursacht durch aufsteigende heiße Luft – oder beim Auftreffen auf Folienspiegel artefaktische Verzerrungen hervorrufen. Auch zu stark gewinkelte Spiegelkonstruktionen können zu Verzeichnungen in der Bilddarstellung führen. Unterschiedlich auftretende mechanische Schwingungen der Spiegel und Scheibe, hervorgerufen durch zu labile Konstruktionen oder durch Luftbewegungen, führen z. B. zu Bildunschärfen.

Fazit

Die Liste der äußeren, konstruktionbedingten und durch das Zusammenspiel aus Projektor, Spiegel und Scheibe bedingten Einflüsse ist lang und zeigt, wie wichtig eine sorgfältige und detaillierte Planung und sorgfältige Ausführung ist. Eine entsprechend geplante und sauber konstruierte Rückprojektion bietet gegenüber einer Aufprojektion hinsichtlich der Bildqualität deutliche Vorteile. Es muss aber abgewägt und in der Planung herausgestellt werden, welche Vorteile bzw. Funktionalitäten zu welchen Investitionen möglich sind.

Das Basis-Wissen können Sie in diesem kostenlosen E-Dossier herunterladen und auch offline nachschlagen. Ein prominentes Beispiel für die Rückprojektion finden Sie in unserer Case Study zum ARD-Nachrichtenstudio. Weitere Details und Artikel erhalten Sie auf unserer Rückprojektion Themenseite.

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Produkt: Professional System 1/2019
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Kommentare zu diesem Artikel

  1. Kein Kommentar, sondern eine Frage:
    Muss der Raum hinter der Rückrojektionsleinwand, also dort, wo der Beamer steht, dunkel sein, damit es funktioniert, oder kann er auch hell sein?

    Auf diesen Kommentar antworten
    1. Hallo Johannes,
      Vor allem darf kein Licht auf die Leinwand fallen, da dies sonst den Kontrast schwächt und somit auch die Bildqualität, je nach Helligkeit des auf die Leinwand treffenden Umgebungslichtes, bis zur Unkenntlichkeit des Bildes beeinflussen kann. Solange das unterbunden wird, ist die Helligkeit in dem Raum, in dem der Projektor für die Rückprojektion steht, zweitrangig. Da dies aber eigentlich nur dadurch zu realisieren ist, dass zwischen Projektor und Rückprojektionsleinwand eine Wand mit Durchlass für die Projektoroptik ist, wird man Streulicht bzw. Lichtreflexionen durch das dortige Licht nie verhindern können. Gleiches gilt im Übrigen auch für das Licht der Projektion, dass durch helle Wände oder Gegenstände im Raum auf die Leinwand reflektiert wird. Auch eine Optik eines Projektors, Lüftungsöffnungen aus den Streulicht entweicht oder aber die Reflexion des Lichtes der Projektion auf der Leinwand kann über den Raum wieder zurück auf die Leinwand gelangen und die Bildqualität beeinflussen. Im Idealfall ist der Raum wie im Kino schwarz und dunkel.

      Auf diesen Kommentar antworten
  2. Sehr schöner Artikel und sehr ausführlich beschrieben.

    Auf diesen Kommentar antworten

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