Daten- und Videoprojektoren

Autor: Mag. Erhard Ipp, dztg. Entwicklungsleiter von Science-Vision, der Forschungsabteilung von In-Vision.
Erschienen im Jahresbericht der HTBLuVA Mödling, 1999.

Etwa 90% aller Informationen aus seiner Umwelt nimmt der Mensch über das Auge auf.  In der täglichen Unterrichtspraxis muss diese Tatsache natürlich Berücksichtigung finden, und so plagt sich der Lehrer meist an der Tafel oder auch mit dem Overheadprojektor herum, um den Schülern die Lehrinhalte sichtbar zu machen.  Manchmal - leider viel zu selten - gibt es auch ein Video, das gerade zum Lehrstoff passt. Und da beginnt auch schon das Problem: Fernsehgeräte sind zwar in ausreichender Zahl vorhanden, aber unter welchem Betrachtungswinkel erscheint der Bildschirm dem Schüler aus der letzten Reihe?  Details wird er jedenfalls nicht mehr erkennen können.  Also auf in den Filmsaal, und den Videoprojektor einschalten.  Das kostet zwar Zeit und ist auch nicht immer möglich, aber kein Schüler wird benachteiligt. 

Wie funktioniert aber so ein Videoprojektor, und warum kann nicht in jedem Klassenraum solch ein Gerät aufgestellt werden?  Die zweite Frage ist leicht zu beantworten:  Die Projektoren sind (noch) zu teuer und/oder (noch) zu "lichtschwach" für den nicht abgedunkelten Klassenraum.  Die Frage nach der Funktionsweise ist nicht mehr so leicht zu beantworten.  Gerade in letzter Zeit sind von verschiedenen Firmen Projektoren auf den Markt gebracht worden, denen ganz unterschiedliche Funktionsprinzipien zugrunde liegen.   Bis vor wenigen Jahren waren Videoprojektoren fast ausschließlich CRT-Projektoren, also Projektoren, bei welchen das Fernsehbild in die drei Grundfarben zerlegt, auf je einer Kathodenstrahlröhre dargestellt und durch drei Objektive auf den Bildschirm projiziert wird.  Diese Technik hat jedoch eine Reihe von Nachteilen.  Angefangen von den Schwierigkeiten die es bereitet, bei Änderung der Projektionsentfernung die drei Einzelbilder wieder zur Deckung zu bringen, bis zur physikalisch bedingten Verknüpfung der Bildqualität mit der Lichtstärke:  Durch die gegenseitige Abstoßung der Elektronen führt eine Erhöhung der Lichtstärke, die hier ja nur über einen stärkeren Elektronenstrahl zu erreichen ist, zu einem größeren Bildpunkt und damit zu geringerer Auflösung, also Bildschärfe.  Dieses System ist weder für die Tageslichtprojektion noch für das hochauflösende Fernsehen (HDTV) geeignet. 

Moderne Videoprojektoren sind sogenannte "Lichtventilprojektoren" (light-valve projection).  Lichtventile bestehen allgemein aus einer steuerbaren Substanz, die dem Lichtstrom aus einer lichtstarken Projektionslampe die Bildinformation entsprechend der angelegten elektronischen Signale aufprägt.   Eine Möglichkeit, den Lichtstrom bildgebend zu beeinflussen bietet das Flüssigkristall-Display (LCD), und von verschiedenen Firmen wurden bereits Projektoren in dieser Technologie sowohl für Spezialanwendungen als auch für den Konsumer-Bereich auf den Markt gebracht.  Die meisten dieser Projektoren beruhen auf Diaprojektion, das heißt das Licht des Kondensors wird durch das LCD geleitet und bildgebend beeinflusst.  Das Prinzip entspricht damit dem eines Dia- bzw. Filmprojektors, bei dem das Dia bzw. der Film durch ein LCD ersetzt ist.  Da mit einem LCD nur Grauwerte geschaltet werden können wird zur Farbprojektion derzeit meist ein System aus 3 LCDs verwendet.  Hier wird das weiße Licht des Kondensors zuerst in die drei Grundfarben (Rot, Grün und Blau) zerlegt, nach Durchgang durch die LCDs mittels Farbteilerwürfel wieder zusammengespiegelt, und mit einem gemeinsamen Objektiv projiziert.  Die lichtstärksten dieser Projektoren bringen über 1000 ANSI-Lumen auf die Projektionswand und würden sich damit recht gut für den Einsatz im Klassenzimmer eignen. Einer weiteren Erhöhung des Lichtstromes sind aber doch gewisse Grenzen gesetzt: Die Funktion der LCD beruht auf Drehung der Polarisationsebene - nicht benötigtes Licht (schwarzes Bild bzw. Bildanteile) wird in Polarisationsfolien absorbiert.  Nun ist Licht natürlich auch eine Energieform und führt damit zu einer entsprechenden Erwärmung der Polarisationsfolien, die im allgemeinen auf den LCD aufgeklebt sind.  Und LCD funktionieren nur bis etwa 65°C.

LCD-Projektoren bei denen ein Farb-LCD verwendet wird sind älteren Ursprungs und damit billiger, aber größer und lichtschwächer.

Abgesehen von diesen, auf Diaprojektion beruhenden Verfahren gibt es auch Verfahren, die auf Epiprojektion beruhen.  Der älteste für Großbildprojektion geeignete Projektor ist der sogenannte Eidophor-Projektor, bei dem eine Ölschicht auf einem sphärischen Reflektor durch ein von einem Elektronenstrahl eingeschriebenes Ladungsmuster  deformiert wird.  Das Licht erfährt bei der Reflexion keine Abschwächung, sondern wird an jenen Stellen, an denen der Ölfilm deformiert ist, nur etwas in der Richtung geändert (phasenmoduliert). Die Umwandlung dieser Phasenmodulation in eine Intensitätsmodulation (Projektionsbild) wird durch ein schlierenoptisches Dunkelfeldsystem bewerkstelligt.  Vereinfacht gesagt: Lichtstrahlen die am Reflektor nicht in ihrer Richtung geändert wurden werden zur Lampe zurück reflektiert, jene, deren Richtung durch die deformierte Ölschicht geändert wurde, gelangen ins Projektionsobjektiv und führen zu einem entsprechenden Bildpunkt auf der Projektionswand.  Da die Lichtstärke nur von der verwendeten Lampe abhängig ist, sind große helle Bilder mit hoher Auflösung möglich.  Da auch das zur Bildgestaltung nicht benötigte Licht am Reflektor reflektiert und nicht absorbiert wird, führt es zu keiner Erwärmung.  Derartige Projektoren wurden in den letzten Jahren z.B. anlässlich der Wiener Festwochen auf dem Rathausplatz zur Projektion von Opern und Konzerten verwendet.

In letzter Zeit wird intensiv an Verfahren zur Lichtmodulation gearbeitet, die zu einem, dem Eidophor-Projektor ähnlichen Projektionssystem führen.  Eines dieser Verfahren stellt eine geradezu ideale Verbindung mechatronischer und optischer Prinzipien dar, und da es kurz vor der Markteinführung steht, möchte ich es hier etwas ausführlicher beschreiben:  Herzstück dieses Projektionssystems ist eine Spiegelanordnung, die aus einer großen Zahl von winzigen Einzelspiegeln besteht.  Diese Spiegelanordnung wird als DMD (Digital Micromirror Device) bezeichnet.  Jeder quadratische Einzelspiegel hat eine Seitenlänge von 16µm (neuerdings 13µm), und ist mit Torsionsfedern gelagert.  In Abb. 1 ist eine Anordnung aus zwei derartigen Spiegeln dargestellt.  In Ruhelage, d.h. ohne jede Ansteuerung,  sind die Spiegelflächen der Einzelspiegel (in Abb. 1 durchsichtig gezeigt) parallel zur  Grundfläche angeordnet. Wenn sie durch die Elektronik (CMOS-Matrix) angesteuert werden, können sie in die zwei dargestellten Richtungen gekippt werden: In einer Endstellung sind sie um -10° (neuerdings -12°) gekippt (Off), in der zweiten Endstellung um +10°(+12°) (On).  Der Kippwinkel von ±10°(±12°) wird dabei durch Anschläge begrenzt.  Die Spiegelkippungen werden durch elektrostatische Anziehung bewirkt, die durch eine entsprechende Spannungsdifferenz zwischen Spiegel bzw. Auslenkelektrode und dem entsprechenden Speicherbaustein in der CMOS-Matrix hervorgerufen wird.

Ausgangspunkt zur Herstellung eines DMD ist die Fertigung eines CMOS Schaltkreises auf einem entsprechenden Substrat.  Eine relativ dicke Oxidschicht wird über der letzten Metallschicht des CMOS aufgebracht und dann mit Hilfe einer speziellen chemo-mechanischen Poliermethode (CMP) exakt planpoliert.  Dies ist notwendig, damit für die Herstellung aller Einzelspiegel exakt die gleichen Voraussetzungen gegeben sind.   Der Aufbau der Mikrospiegelstruktur erfolgt unter Verwendung von sechs Photomasken, mit deren Hilfe  mittels dünnfilmtechnischer Methoden nacheinander die Elektroden, Torsionsfedern und Spiegel sowie Abstandshalter aus Aluminium geformt werden.  Um die notwendigen Abstände  zwischen den einzelnen Aluminiumschichten  herzustellen werden Schichten aus organischen Materialien aufgebracht.  Die Struktur der einzelnen Aluminiumschichten wird durch ein Plasma-Ätzverfahren unter Verwendung einer SiO₂ -Ätzmaske geformt.  Nach Fertigstellung der letzten Schicht (Spiegelflächen) werden die organischen Schichten mittels Plasmaätzverfahren wieder gelöst.  Zuletzt wird noch ein dünner Ölfilm aufgebracht, damit die Anschläge der Auslenkelektroden während der Schaltvorgänge nicht durch Adhäsionskräfte an der Unterlage haften bleiben.

Abb. 2 zeigt die mit einem SEM (Scanning Electron Microscope) aufgenommene Struktur eines Mikrospiegelhalters, ohne den aufgesetzten Spiegel.  Deutlich sind die Torsionsbandfedern und die Anschläge an den Spitzen der Auslenkelektrode zu sehen.

Optisches Prinzip:

Das DMD kann als "Lichtschalter" (SLM, Spatial Light Modulator) aufgefasst werden mit dessen Hilfe das vom Kondensor gebündelte Licht in das Objektiv gespiegelt, oder am Objektiv vorbeigelenkt wird (DLP, Digital Light Processing system).  In Abb. 3 ist dieses Prinzip für einen Einzelspiegel dargestellt.   Da die Änderung der Lichtrichtung bei einer Spiegeldrehung jeweils doppelt so groß ist wie der Drehwinkel des Spiegels, kann der Kondensor um etwa 20° gegenüber der Projektionsachse verschwenkt sein.  Wichtig ist, dass auch das sogenannte "0°-Licht" nicht in das Projektionsobjektiv gelangt, da sonst ein "Pixelfehler" zu einem hellen, störenden Bildpunkt führen würde.  In der praktischen Ausführung ist dieser Aufbau natürlich nicht möglich,  da ja die ganze DMD-Fläche gleichmäßig ausgeleuchtet werden muss, und das Licht dann in der Eintrittspupille des Projektionsobjektivs konzentriert werden soll um ein helles Projektionsbild zu erhalten.  Es müssen also weitere Optische Elemente – Prismen und/oder Linsen- angeordnet werden.

Unterschiedliche Grauwerte können durch verschieden lange Auslenkzeiten der Mikrospiegel erhalten werden, da das Auge für sich in kurzen Zeitabständen (1/50 Sekunde) ständig wiederholende Lichtimpulse integrierend wirkt.  Da die minimale optische Schaltzeit etwa 2 µs beträgt, bleiben auch bei einer Bildwiederholfrequenz von 50 Bildern/s genügend Zeitintervalle um 256 oder sogar 1024 Graustufen darzustellen. 

Wie aber wird das System farbtauglich?  Eine Möglichkeit ergibt sich aus den kurzen Schaltzeiten des DMD und der Tatsache, dass das menschliche Auge auch nacheinander dargestellte Farben integriert und uns als Mischfarbe erkennen lässt.  Die als RGB-Signal  vorliegenden Bildinformationen werden der Elektronik des DMD nacheinander aufgeschaltet und damit nacheinander projiziert.  Zwischen Kondensor und DMD befindet sich ein sogenanntes Farbrad, also ein dreigeteiltes Filterrad, das in seinen Farbsegmenten die Farbanteile Rot, Grün und Blau des weißen Lichtes durchlässt.  Es ist natürlich eine exakte Synchronisation von Drehzahl und Winkellage des Farbrades mit der Ansteuerung des DMD erforderlich damit dem DMD z.B. genau dann die "Grauwertanteile" der blauen Bildinformation aufgeschaltet werden, wenn das blaue Segment des Farbrades in den Strahlengang des Kondensors eintritt.

Eine weitere Möglichkeit, einen farbtauglichen Projektor aufzubauen ist durch die Verwendung von drei DMD gegeben.  Hier muss das Licht durch ein Prismensystem zunächst in die Grundfarben zerlegt und nach Reflexion am jeweiligen DMD wieder zusammengespiegelt werden.   Ein möglicher Aufbau eines derartigen Projektors ist in Abb. 4 vereinfacht dargestellt:  Das Licht der Metalldampf- oder Xenonlampe wird zunächst meist durch einen Parabolreflektor parallel gerichtet, und mittels Kondensor auf das DMD gelenkt.  Um den Abstand des Projektionsobjektivs vom DMD gering halten zu können, erfolgt die Einspiegelung des Lichtes über ein sogenanntes TIR-Prisma.  "TIR" bedeutet "total internal reflection", also Totalreflexion.  Die Winkel diese Prismas sind dabei so gestaltet, daß für das vom Kondensor kommende Licht Totalreflexion gegeben ist, das vom DMD reflektierte Licht jedoch ungehindert passieren kann.  Die beiden Einzelprismen des TIR-Prismas sind nicht miteinander verkittet, sondern haben einen Abstand von etwa 10µm voneinander.  Die Farbteilerprismen müssen so ausgelegt sein, dass der Abstand von jedem DMD zum Projektionsobjektiv exakt gleich groß ist.  Auf die Prismen des Farbteilersystems werden vor dem Verkitten dichroitische Beläge aufgedampft.  Diese Beläge reflektieren jeweils einen bestimmten Spektralbereich (Blau bzw. Rot), und lassen Licht anderer Wellenlänge fast vollständig durch.  In Abb. 4 reflektiert z.B. das erste Farbteilerprisma Blau, und lässt Grün und Rot durch.  Das blaue Licht gelangt zum DMD3, wird dort entsprechend der Bildinformation reflektiert und gelangt nach nochmaliger Reflexion an der dichroitischen Schicht des ersten Farbteilerprismas in das Projektionsobjektiv.

Die Auflösung eines derartigen Projektors hängt von der Größe des DMD ab.  Da der Mittelpunktsabstand zweier Mikrospiegel 17µm beträgt, kann mit einem DMD der Diagonale 0,7 in. (17,8mm) eine Auflösung von 800x600 Bildpunkten (SVGA) erreicht werden.  Für XGA-Auflösung (1024x768 Bildpunkte) ist eine Diagonale von 0,9 in. (22,9mm), für SXGA-Auflösung (1280x1024 Bildpunkte) eine solche von 1,1 in. (27,9mm) erforderlich. Neue DMDs mit 13,68µm Spiegelabstand haben bei SXGA-Auflösung eine Diagonale von 0,9 in. Auch Projektoren mit HDTV-tauglicher Auflösung (1920x1080 Bildpunkte, Seitenverhältnis 16:9) wurden bei internationalen Messen bereits vorgestellt.  Die Lichtstärke ist dabei durchaus mit jener der Eingangs erwähnten Eidophor-Projektoren vergleichbar.