Im dritten Teil über die Geschichte der Großbildprojektoren geht es um die Ablösung der ILA-Projektoren durch DMD- bzw. DLP- und LCD-Technologie. Autor Achim Hannemann schildert auch die ersten Projekte in Deutschland mit den damals neuen Projektorentypen.
Eine Installation aus dem Jahre 2000 des Videokünstlers Bill Viola kann heute noch in Frankfurt im öffentlich zugänglichen Atrium des Maintowers bewundert werden. Hier wurden zwei Barco ELM G10 in 12m Höhe unter der Decke in einem Gestell mit jeweils 45″-Abstrahlwinkel zum ca. 10 m entfernten Boden und zu der 15m entfernten Wand installiert. (Bild: Kira Perov)
Ab dem Jahr 1996 wurden die Hughes-JVC ILA-Projektoren (ausführlich beschrieben in Teil 2 dieser Serie) mehr und mehr von den DMD- und LCD-Projektoren verdrängt, doch die Anfänge der Techniken begann schon früher. Bei deren bilderzeugenden Elementen handelt es sich um grundlegend unterschiedliche Verfahren: Projektoren mit LC-Chip, also Projektoren, die ein kleines LC-Display (LCD) nutzen, arbeiten mit Durchlichtprojektion, und Digital-Light-Projektoren („DLP“) mit DMD-Chip machen sich die Reflexion von Licht zunutze.
Doch betrachen wir zunächst die Technik der Durchlichtprojektion oder transmissive Technik:
Durchlichtprojektionstechnik oder transmissive Technik
Entdeckt wurde das Phänomen der Flüssigkristalle (Liquid Crystal, kurz: LC) von dem Botaniker Friedrich Reinitzer im Jahr 1888. Der Physiker Otto Lehmann begründete 1891 die nach ihm benannte Kristallanalyse. Er war so fasziniert von der Flüssigkristallwelt, dass diese bis zu seinem Tod 1922 ein zentrales Thema seiner Forschungen blieb.
Flüssigkristalle zeichnen sich dadurch aus, dass sie innerhalb eines Temperaturbereichs von circa −20° Celsius bis +70° Celsius einen Art Zwischenphase zwischen der flüssigen und festen Phase aufweisen, in dem sich die Moleküle dieser Stoffe in mindestens einer räumlichen Richtung (nematische Phase) oder zusätzlich in Schichten (smektische oder cholesterische Phase) einheitlich orientieren.
Die einzelnen Schichten sind gegeneinander und in sich verschiebbar und drehbar. Wie in einem Kristall führt die Ordnung der Moleküle hier zu optischen Effekten (Doppelbrechung, Polarisation des Lichts usw.). Beim LCD (Liquid Crystal Display) wird durch Anlegen elektrischer Felder die Molekülstruktur in der Mesophase so beeinflusst, dass sich die Lichtbrechung des Flüssigkristalls reversibel ändert. Das heißt: Der Flüssigkristall kehrt nach dem Abschalten des elektrischen Feldes wieder in seinen Ursprungszustand (siehe auch Teil 2/ILA). Übrigens, der weltweite größte Hersteller dieser „Flüssigkristallsuppe“ ist das deutsche Unternehmen Merck KGaA aus Darmstadt.
Die LC-Projektor-Technik ist eine Durchlichtprojektion, bei der das Licht der Projektionslampe durch die Flüssigkristalle geleitet wird. Das weiße Licht der HMI-Lampe (oder Xenon) wird dabei über dichroitische Filter in seine RGB-Teile aufgeteilt und jeweils durch einen LC-Chip geschickt. Die Ansteuerung bzw. Drehung der Molekülketten (Lichtdurchlass oder Sperren) bewirken Dünnfilmtransistoren. Die Anzahl der Transistoren bedingt die darstellende Auflösung des Projektors. Da die Flüssigkristalle immer noch Restlicht selbst bei Sperrung durchlassen, hatten die LC-Projektoren der Vergangenheit verglichen mit den ILA-Projektoren ein geringeres Kontrastverhältnis, eine geringe Auflösung und auch eine geringere Lichtleistung.
Erste Versuche, mittels transmissiven Flüssigkristallen Videobilder zu erzeugen, fanden bereits 1968 in den RCA Laboratories statt. Es sollte aber noch Jahre dauern, bis die Technik in einem Projektor brauchbar eingesetzt werden konnte. Ein Problem war die Ansteuerung der Molekülketten, denn die Dünnschichttransistoren wurden gerade erst in den 1960er-Jahren von Paul K. Weimer ebenfalls in den RCA Laboratories entwickelt. Ein weiteres Problem war die Sensibilität der Flüssigkristalle auf UV/IR bzw. Wärmeeinstrahlung (jeder kennt auch heute noch das Schwarzwerden der LC-Displays beim Überschreiten des Clearing Points z. B. im Sonnenlicht).
Erste LCD-Videoprojektoren kamen ab 1988 von der US-Firma Projectavision, Inc. auf den Markt. Das Unternehmen wurde gegründet von dem Physiker, Mathematiker und Elektroingenieur Gene Dolgoff, der bereits seit 1968 an der Idee und dessen Umsetzung eines LC-Videoprojektors bastelte (Projectavision übernahm 1998 Vidikron, und ein Jahr später firmierten sie sich in Vidikron Technologies Group, Inc. um). Mit zahlreichen Patenten über die LC-Technologie zur Projektionstechnik versehen, vergab Projectavision ab dem Jahr 1990 Lizenzen an Panasonic und Samsung.
Für die Überraschung auf der Photokina in Köln 1988 sorgte jedoch die Firma Kodak mit der Vorstellung des LC500PS Video-Projektors. Bestückt mit einer 300W-Lampe konnte er Filme in 640×400-Pixel-Auflösung projizieren.
Epson und Sharp starteten 1989 mit eigenen LC Projektoren, hauptsächlich im portablen Bereich: (Epson VPJ700, Sharp XV100). Epson präsentierte 1989 mit dem VPJ700 einen LCD-Projektor, ausgestattet mit drei LCD-Chips (je 1,27″) mit jeweils 320×220-Pixel-Auflösung, sowie 100 Lumen Helligkeit, der allerdings für die professionelle Anwendung kaum zu gebrauchen war – immerhin wog er nur 7,6Kg.
Erste LCD-Videoprojektoren kamen ab 1988 von der US-Firma Projectavision, Inc. auf den Markt. Das Unternehmen wurde gegründet von dem Physiker, Mathematiker und Elektroingenieur Gene Dolgoff, der bereits seit 1968 an der Idee und dessen Umsetzung eines LC-Videoprojektors bastelte. Im Bild: Gene Dolgoffs LCD Projector-Prototyp (1984) (Bild: Timothy Drake/Wikipedia)
Auch deutsche Unternehmen brachten in den Neunzigern Videoprojektoren auf den Markt. So wurde der erste LC-Serienprojektor des Bonner Ingenieurbüros für Optoelektronik CrystalVision (die als erste das Kühlproblem der LCs in den Griff bekamen) 1990 in Deutschland unter dem Namen „Imagina90“ vorgestellt. Dieser LC-Projektor, ausgestattet mit einer 400W-Xenon-Lampe, lieferte über 100.000 Bildpunkte und wog 6,9 kg. Auch Liesegang stieg in die LCD-Videoprojektion ein.
Doch alle Geräte bis dato waren schon aufgrund ihrer minimalen Helligkeit für den professionellen Einsatz kaum zu gebrauchen. Immerhin waren es noch Leichtgewichte gegen die nachfolgenden professionellen Geräte, die alle über 50 kg wiegen.
1992 erregte Barco zunächst mit dem LCD 5000 Aufmerksamkeit in der Veranstaltungsbranche. Das Modell war mit einer 575WHMI- Lampe ausgestattet und wies einen Lichtstrom von 1.100 ANSI Lumen aus, auch wenn er nur VGA-Auflösung wiedergeben konnte. Der erste ernstzunehmende Mitstreiter der ILA-Projektoren kam mit dem Barco Graphics 8100 bzw. 8200 auf den Markt. Die Projektoren waren mit 3 × LC-TFT Panels ausgestattet und konnten XGA- sowie komprimierte SXGA-Auflösung projizieren. Dank der 650WMetalldampflampe strahlten sie mit 1.500 ANSI-Lumen (2.000AL). Ausgestattet mit einem Video-Decoder Board konnte man Pal, NTSC, Y/C, Composite und RGB anschließen.
Der Projektor VPJ 700 von Epson war für Anwendungen im portablen Bereich gedacht. (Bild: Epson)
Der integrierte Pixel-Map-Processor verarbeitete unterschiedlichen Computerquellen. Zudem wurden die RGB-Farben über eine einzige Optik rausgeführt. Die aufwendige Justage wie bei den ILA-Projektoren entfiel und reduzierte so die Aufbauzeit um Stunden. Trotzdem mussten die drei Chips jeweils per Hand mittels Rändelschrauben feinkonvergiert werden. Ab der Barco Reality-Serie war das dann mit der Fernbedienung über kleine Stellmotoren möglich.
Mit dem Barco 8200 Reality (SXGA, 2200AL) verdrängte Barco endgültig die CRT- und ILA-Projektionstechnik und sollte für die nächsten Jahre den Großbildprojektoren-Markt beherrschen. Bis heute ist die LC-Technologie in der Projektions- und Display-Technik nicht wegzudenken und behauptet durch verbesserte Backlight- und Lampen-Technologie (Laser-Phosphor- und LED-Leuchtmittel) trotz OLED- und LED-Displays seine Marktstellung.
Das erste weltweite Projekt mit dem Barco Graphics 8100 verwirklichte 1996 das Start Up-Unternehmen „Infoscreen Development“ (gegründet im März 1996) (später in Screen New Technologies umfirmiert). In einer Rekordzeit von nur drei Monaten entwickelte das Tochterunternehmen von Infoscreen (heute Ströer) ein neues 3 × 2,3 Meter großes Digital-Signage-System und führte zudem noch den Installations-Rollout in den Hauptbahnhöfen Deutschlands in dieser Zeitspanne durch. Anlässlich einer Deutschen Bahn Werbeaktion zu den olympischen Sommerspielen 1996 in Atlanta wurden in 30 ICE-Bahnhöfen 5,5 Meter hohe „Infoscreen-Tower“ mit einer 150″ großen Bildfläche installiert. Das Gehäuse war komplett aus Aluminium gefertigt und mit einer Klimaanlage bestückt. Integriert im Tower war eine Doppelprojektion von Barco Graphics 8100, senkrecht montiert auf einem speziell entwickelten Projektorschlitten. Die beiden Projektoren projizierten mit ihren Weitwinkeloptiken (1:0,8) über einen Oberflächenglasspiegel auf eine 150″-DNP-Rückprojektionsscheibe.
Die Inhalte, wie aktuelle News, Übertragung von olympischen Wettkämpfen sowie Werbeclip-Einspielung, wurden aus der Infoscreen-Zentrale in München mit einem eigen entwickelten Digital-Signage Content Management System verteilt (die kleinen 50″-Screens im Sockel des Infoscreen Towers wurden auch mit einer Rückprojektion mit Barco 6400 realisiert). Pünktlich zur Eröffnung der Sommerspiele am 19. Juli 1996 waren alle Tower online.
So weit so gut, doch nach kurzer Zeit fielen die HMI-Lampen reihenweise aus. Die Leuchtmittel stammten von einem asiatischen Hersteller und hatten einige Produktionsprobleme. Halogen-Metalldampflampen beinhalteten unter anderem ein Gasgemisch aus seltenen Erden, das ein exaktes Mischungsverhältnis im Glaskolben erfordert.
Eine Analyse der defekten Leuchtmittel ergab allerdings, dass die Gaszusammensetzung nicht optimal war und deshalb nach 200 h Laufzeit die Elektroden in der Mitte abbrannten bzw. abbrachen. Das Infoscreen-Development hatte seinerzeit innerhalb eines Jahres mit einem enormen Logistikaufwand alle 10 Tage die Leuchtmittel in ganz Deutschland ausgetauscht. Ein Trick an der Barco-Lampenhalterung machte es später möglich, auch Leuchtmittel von anderen Herstellern einzubauen.
DMD (Digital Micromirror Device) und DLP-Projektoren
Bereits 1977 forschte ein von Texas Instruments aufgestelltes Team um den Physiker Larry Hornbeck an der Idee der Licht-Modulation. 1987 entwickelte er einen ersten Prototyp auf der Basis von Micro-Spiegeln. Das erste Patent wurde von ihm 1991 eigereicht. Parallel wurde (nach Informationen des Autors) daran ebenfalls in den Achtzigerjahren am Heinrich Herz Institut in Berlin am DMD-Chip geforscht. Letztendlich hat Texas Instruments hat das Rennen gemacht.
Digital Signage mit Doppelprojektion: einer der 5,5m hohen Infoscreen Tower mit einer 150″ großen Bildfläche, die anlässlich einer Deutschen-Bahn-Werbeaktion zu den olympischen Sommerspielen 1996 in 30 ICE-Bahnhöfen installiert wurden. (Bild: Infoscreen)
Bei der DMD-Technik dient als Lichtventil ein aus tausenden Mikrometer-großen rechteckigen Spiegeln bestehendes System. Es setzt sich zusammen aus einem Silicium-Trägermaterial, auf dessen einer Seite sich eine 3 Mikrometer dicke Silicon-Schicht befindet, die mit einer 0,5-Mikrometer-Silberauflage verspiegelt ist. Diese Schicht ist mittels elektrostatischer Kräfte bildpunktgenau verformbar und reflektiert das Licht einer hellen HMI-Lampe. Die Ansteuerung der kippbaren Spiegel erfolgt über eine Aktivmatrix auf der Rückseite des Trägers. Beim Anlegen einer punktgenauen Spannung biegt sich die Spiegelschicht auf der anderen Seite um 0,1 Mikrometer durch und lenkt so das Licht der HMI-Lampe ab. Die Auflösung der DMD-Projektoren hängt also von der Anzahl der Spiegel mit der dazu gehörenden Aktivmatrix ab.
Texas Instrument hat das Prinzip ab 1996 industrialisiert, die Projektionstechnik unter dem Markennamen Digital Light Processing (DLP) registriert und bis heute weltweit Einzug in die Projektoren-Technologie erreicht.
Als ersten professionellen DMD-Projektor präsentierte Digital Projection 1996 einen 3-Chip-Projektor. „It was a Power Projector“, schwärmt Dermot Quinn, COO Digital Projection, heute noch. „Die Auflösung war SVGA und die Lichtleistung betrug 3.000 Lumen. Es wurde eine 2-kW-Cermax-Lampe verwendet (Sonderanfertigung eines kompakten Keramikgehäuses mit Ultrahochdruck-Xenon und 1,0 mm Bogenlänge). Jeder Aspekt wurde von uns für diese spezielle Anwendung entwickelt: Stromversorgungen, Lampen, Optiken, Linsen, Elektronik und Kühlsysteme. Es wurden ein sehr großer Sockel aus Aluminiumdruckguss und Abdeckungen aus Polycarbonat-Spritzguss mit Strukturschaum verwendet. Das war revolutionär.“
Jedoch gab es, wie ich mich erinnere, bei den ersten DLP-Projektoren Schwierigkeiten mit der Wärmeableitung des nicht reflektierten Lichtes bzw. des Lichts, welches ins Gehäuse abgelenkt wurde, denn die DMD-Chips wurden zu heiß und fielen aus. Doch mit einem verbesserten Lüftungskonzept fand man schnell eine Lösung. Nach dem Power 3gv Projektor (SVGA-Auflösung) folgte ein Jahr später schon die XGA-Version mit dem Modell Power 3dv, ebenfalls mit 3.000 Ansi Lumen. Bis heute ist Digital Projection einer der führenden Projektorentechnik-Innovatoren. 2016 stellten sie den ersten 3-Chip Laser Phosphor Projektor vor, 2018 den ersten 8K Projektor und 2019 das Satellite Modular Laser System (dazu mehr in Teil 4). Im Jahre 1996 präsentierte Christie (die 1999 Electrohome komplett übernahmen) ihren ersten 3-Chip DLP Projektor Elektrohome VistaPro, der sich schnell in der Event-Branche etablierte.
Die Fertigung von DLP-Projektoren im portablen Bereich wurde in Deutschland von Liesegang mit dem Projektor „ddv 800“ ab 1997 begonnen. Ab 1999 wurden auch die ersten DLP-Projektoren in IMAX-Kinos installiert.
Im Projektorenmarkt bis 3.500 Ansi Lumen mit den kleineren handlichen Geräten machte sich schnell der norwegische Hersteller Projectiondesign einen Namen, der 2001 von Barco übernommen wurde, die damit ihr Portfolio auch im mittleren, portablen Bereich ergänzten. Barco war bis dato hauptsächlich im High-End-Rental- und Installationsmarkt mit der ELM-Serie mit Lichtleistungen bis zu 12.000 ANSI-Lumen marktbeherrschend (interessant in diesem Zusammenhang: Barco war anfangs Verfechter der LC-Projektor-Technologie, setzte jedoch ab 1999 auch auf die DMD-Technik).
Eine Installation aus dem Jahre 2000 des Videokünstlers Bill Viola kann heute noch in Frankfurt im öffentlich zugänglichen Atrium des Maintowers bewundert werden. Hier wurden 2 × Barco ELM G10 (jeweils 10.000 Ansi Lumen) in 12 Meter Höhe unter der Decke in einem Gestell mit jeweils 45″-Abstrahlwinkel zum ca. 10 m entfernten Boden und zu der 15 m entfernten Wand installiert (Installation und Planung: SNT).
Die Fertigung von DLP-Projektoren im portablen Bereich wurde in Deutschland von Liesegang mit dem Projektor „ddv 800“ ab 1997 begonnen. (Bild: Bomas13/Wikipedia)
Ein Projektor projiziert an einer 5,3 × 3,2 m großen Glasscheibe vorbei, die im 45°-Winkel in den Raum hin installiert wurde, auf die dahinterstehende gleich große Leinwand. Ein zweiter Projektor strahlt im 45°-Winkel unter der Glaswand vorbei auf die Bodenleinwand. Der vor der Leinwand-Glasscheiben-Konstruktion stehende Betrachter sieht die beiden so erzeugten Videosequenzen überlappend in der Glasscheibe und gegenseitig spiegelnd auf Wand und Boden. Durch die speziell für diese Anordnung von Bill Viola produzierten, synchron laufenden Videofilme mit dem Titel „The World of Appearances“ ergeben sich verblüffende Bild-in-Bild-Effekte für den Zuschauer. Damit diese Wirkung erzielt wird, mussten die Winkel bei der Installation millimetergenau eingehalten werden. Mittlerweile wurden die Barco-Projektoren durch Panasonic-DLP-Projektoren mit 12.000 Lumen ersetzt.
DLP-Projektoren bestimmen auch heute noch den High-End-Projektions-Markt, wie z. B. in Anwendungen in großen Konferenzräumen, Sitzungssälen, bei Veranstaltungen, Shows sowie bei Projektionsmapping-Projekten, 3D-Projekten, Simulationen und im digitalen Kino.
Viele Hersteller wie Digital Projection, Panasonic, Christie, Barco, NEC, Optoma und weitere setzen auf die DLP-Technik im professionellen Bereich, und heutzutage sind sogar native Chip-Auflösungen in 4.096 × 2.160 und Darstellungen bis zu 8K-Auflösung möglich. Jedoch wurden die Xenon-, UHP- und HMI-Leuchtmittel ab 2014 mehr und mehr durch Laser-Phosphor-Lichtquellen ersetzt … doch darüber mehr im 4. Teil dieser Serie.
