Natürlich möchte
man bei der Visualisierung von 3D-Inhalten, dass die Farben genauso korrekt dargestellt
werden wie in zwei Dimensionen. Weil das INFITEC-Verfahren aber darauf beruht,
dass die Intensitätsverteilung über die Wellenlängen auf der linken und rechten
Seite unterschiedlich ist, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass die Farben
im linken und rechten Bild nicht übereinstimmen. Dies war früher, bei der
ersten Generation von INFITEC-Filtern, noch viel ausgeprägter, weil nur drei
Wellenlängenbänder pro Seite verwendet wurden. Daher war es in der Anfangszeit
der 3D-Projektion nach dem INFITEC-Verfahren oft nötig, einen speziellen
Farbprozessor zwischen die Bildquelle und die Projektoren zu schalten. Mit der
Einführung der Excellence®-Filter ist es wesentlich einfacher geworden, denn
das linke und das rechte Bild stimmen schon von sich aus farblich viel besser
überein. Spezielle Farbprozessoren müssen nicht mehr eingesetzt werden, die
noch verbleibenden Unterschiede zwischen den beiden Bildern können durch die
an jedem Projektor verfügbaren Farbeinstellungen korrigiert werden – sofern
das überhaupt nötig ist. Gleichzeitig führt die bereits im Filter eingebaute
Farbabstimmung dazu, dass das projizierte Bild heller ist. Der Grund dafür wird
weiter unten erklärt.
Wie machen die
Excellence®-Filter das? Das menschliche Auge weist drei verschiedene Sorten von
Sinneszellen für das Farbensehen (Zapfen) auf, je eine für Rot, Grün und Blau.
Eine grüne Farbempfindung wird beispielsweise ausgelöst, wenn das Auge
Lichtwellenlängen in einem bestimmten Bereich empfängt, der sich von den
Bereichen für rote und blaue Farbempfindungen unterscheidet. Unterteilte man
früher jeden dieser Bereiche in zwei Bänder, so sind es bei der
Excellence®-Technik jetzt drei Bänder pro Farbe. Nehmen wir wieder Grün als
Beispiel, wobei das Folgende genauso auf Rot und Blau übertragbar ist. Von den
drei Bändern, die den „grünen“ Wellenlängenbereich aufteilen, werden die beiden
äußeren dem linken, das innere dem rechten Auge zugeführt. Die beiden äußeren
Bänder sind nun so gewählt, dass der Farbeindruck, den das durchgelassene Licht
verursacht, genau der gleiche ist, wie der, den das mittlere Durchlassband
erzeugt. Die Tatsache, dass dies möglich ist, ist schon lange bekannt und wird
als Metamerie bezeichnet. Die äußeren Transmissionsbänder von Grün grenzen an
jeweils eins der äußeren Transmissionsbänder von Blau (auf der kurzwelligen
Seite) und Rot (auf der langwelligen Seite) und werden mit diesen
zusammengefasst. So werden aus den (gedachten) neun Bändern sieben, vier davon
für das linke und drei für das rechte Bild. Die spektralen Breiten dieser
Bänder werden in einem aufwändigen Simulationsprozess so an die Lichtquelle angepasst,
dass die wahrgenommenen Farben links und rechts möglichst genau übereinstimmen.
Natürlich ist dies
nicht für jeden einzelnen Projektor möglich (jedenfalls nicht zu einem
bezahlbaren Preis), so dass meistens immer noch leichte Farbunterschiede verbleiben,
die je nach Anwendung mehr oder weniger störend sein können. Diese kann man
aber mit den Einstellmöglichkeiten, die jeder moderne digitale Projektor
bietet, ausgleichen. Dabei weisen professionelle Projektoren mehr und
komfortablere Einstellmöglichkeiten auf als Geräte für den Hausgebrauch. Im
professionellen Bereich kann, wenn der Anspruch an die Farbwiedergabe sehr
hoch ist, die Farbeinstellung recht aufwändig ausfallen. Hierfür benötigt man
ein Spektroradiometer, mit dem man die Intensität über die Wellenlänge der
Strahlung des betreffenden Projektors sowohl ohne INFITEC-Filter als auch mit
vermisst. Diese Spektren werden dann miteinander und mit Daten zu dem
angestrebten Farbraum verrechnet; die Ergebnisse können bei professionellen
Projektoren direkt in das Einstellungsmenü eingegeben werden.
Bei den
Consumer-Geräten ist dies in der Regel nicht möglich. Andererseits genügt meist
eine visuelle Einstellung anhand von speziellen Testbildern. Bei hohen
Ansprüchen kommt auch hier wieder ein Spektroradiometer zum Einsatz, wobei dann
aber meist mehrere Iterationen durchlaufen werden müssen, bis alle Farben
stimmen. Dabei muss beachtet werden, dass jede Farbkorrektur unweigerlich Helligkeit
kostet, denn die Projektoren sind in der Regel so ausgelegt, dass sie ohne
Korrekturen den maximalen Lichtstrom liefern. Ist das Bild beispielsweise
leicht grünstichig, so kann man nicht Rot und Blau heller machen, sondern muss Grün
abdunkeln. Häufig kann ein geringer Farbunterschied zwischen dem linken und
rechten Bild auch toleriert werden, so dass man einen Kompromiss zwischen
Farbtreue und Helligkeit schließen kann.
Herkömmliche digitale Projektoren verwenden
Ultrahochdruck-Quecksilberdampflampen (UHP) als Lichtquellen, mit Ausnahme von
Kinoprojektoren, die Xenon-Lampen verwenden. Wir werden an dieser Stelle nicht
über Kinoprojektoren sprechen, sondern nur über Consumer-Geräte.
UHP-Projektorlampen enthalten gefährliche
Stoffe (Quecksilber) und leiden unter einer vergleichsweise geringen
Lebensdauer und damit unter der Notwendigkeit, die Lampen von Zeit zu Zeit zu
wechseln. Sie müssen auch nach dem Ausschalten der Lampe gekühlt werden, was
die minimale Abschaltzeit bestimmt. Darüber hinaus sind die für die Kühlung
benötigten Lüfter eine Geräuschquelle und unterliegen Verschleiß. All diese
Gründe veranlassten die Projektorhersteller, nach anderen Technologien zu
suchen, um das benötigte Licht zu erzeugen.
Ein gemeinsames Technologiemerkmal
effizienterer Lichtquellen sind Laser. Aber hinter diesem Schlagwort verbergen
sich mehrere verschiedene Technologien.
Reine Laserprojektoren verwenden Laser für
jede der Grundfarben Rot, Grün und Blau. Da Laser derzeit die effizientesten
Lichtquellen sind, werden Laserdioden für kleine batteriebetriebene Projektoren
bevorzugt, um die Betriebszeit pro Batterieladung zu erhöhen. Aber
Laserlichtquellen, sofern sie einzeln auftreten, zeigen ein unerwünschtes
Phänomen: Speckle, was man im Deutschen etwa mit „Sprenkel“ übersetzen kann.
Speckle entstehen durch Interferenzeffekte des Laserlichtstrahls mit sich
selbst, wenn er an irgendeiner diffus reflektierenden Oberfläche –
einschließlich Projektionsflächen – reflektiert wird. Sie können nur durch den
Einsatz mehrerer Laserdioden pro Primärfarbe vermieden werden, was die
Projektoren teurer, aber auch heller – und größer – macht. Im Kino wird dies
weitgehend angewendet, aber es gibt nur wenige speckle-reduzierte Laserprojektoren
für den Consumer-Bereich.
Stattdessen gibt es viele Projektoren mit dem
Namenszusatz „Laser“, die nur eine dieser Lichtquellen nutzen, um
blaues Licht zu erzeugen. Das erforderliche rote und grüne Licht wird anderweitig
erzeugt. Auf der einen Seite gibt es so genannte Laser-Phosphor-Projektoren,
die einen Teil des blauen Laserlichts nutzen, um eine Phosphor oder Luminophor
genannte Substanz anzuregen, gelbes Licht auszusenden, das in Grün und Rot
aufgeteilt werden kann. Im Prinzip ist dieser Stoff derselbe wie bei
Leuchtstofflampen. Der Phosphor – nicht zu verwechseln mit dem chemischen
Element Phosphor! – muss gekühlt werden, um der hohen Leistungsdichte des
blauen Laserlichts standzuhalten. Im Allgemeinen geschieht dies durch Drehen
eines Rades, das den Phosphor trägt – ein mechanisches Teil, das verschleißanfällig
ist. Aber auch andere Kühlverfahren und/oder Phosphore, die höheren
Temperaturen standhalten, sind in der Entwicklung. In jedem Fall reduziert die
aktive Kühlung den Wirkungsgrad des Systems.
Laser-Phosphor-Lichtquellen sind eine Art
Hybridlösung zur Erzeugung von Licht in rot, grün und blau. Auf der anderen
Seite gibt es eine weitere Hybridlösung mit einem blauen Laser und einer roten
LED. Auch hier wird das grüne Licht durch Umwandlung von blauem Laserlicht mit
einem Phosphorrad erzeugt. Wenn der Hersteller das Prinzip der Lichterzeugung
nicht benennt, kann der Anwender die verschiedenen Wege nicht unterscheiden, da
sie alle als „Laser“-Projektoren verkauft werden. Der Experte kann
das durch die Messung der Lichtspektren unterscheiden.
Eine weitere Möglichkeit, rotes, grünes und
blaues Licht zu erzeugen, besteht darin, ausschließlich LEDs zu verwenden.
Diese Geräte sind nicht ganz so effizient wie Laser (ohne Kühlung), aber immer
noch viel mehr als Quecksilberlampen. Bei LEDs gibt es überhaupt kein
Speckle-Problem, da ihr Wellenlängenbereich viel breiter ist als bei Lasern. Um
ihn noch breiter zu machen, ist die grüne LED oft tatsächlich eine blaue,
kombiniert mit einem grünen Phosphor. Hier muss der Phosphor nicht gekühlt
werden, da das Licht einer LED wesentlich weniger konzentriert ist als das
eines Lasers. Die einzige Einschränkung der LEDs ist derzeit die erreichbare
Helligkeit.
Sowohl Laser als auch LEDs haben eine
wesentlich längere Lebensdauer als UHP- oder Xenon-Lampen. Das An- und Abschalten
ist fast augenblicklich möglich und jedenfalls viel schneller als bei
herkömmlichen Lichtquellen, insbesondere wenn keine aktive Kühlung erforderlich
ist.
Kommen wir zum Wellenlängenmultiplex-3D (WMT).
Dies funktioniert bekanntlich gut mit herkömmlichen Lichtquellen, obwohl viel
Licht in den benötigten Filtern verloren geht. Wenn die Emissionsbanden der
Grundfarben Rot, Grün und Blau schmaler sind, aber nicht zu schmal, um in
jeweils zwei Bänder aufgeteilt zu werden, steigt die Effizienz eines WMT-3D-Systems.
Dies ist bei LED-Lichtquellen der Fall. Mit Laserprojektoren haben wir ein
Problem: Laserlinien sind so schmal, dass sie nicht in zwei Teile aufgeteilt
werden können, egal mit welcher Filtertechnologie. Die Lösung für reine
Laserprojektoren ist einfach, aber kostspielig: Verdoppelung der Anzahl der
Wellenlängen, die verwendet werden, um zwei Blaue, zwei Grüne und zwei Rote zu
erhalten, von denen jeweils eine für das linke und eine für das rechte Bild
verwendet wird. Diese Technik wird als 6P (für sechs Primärfarben) bezeichnet
und ist extrem effizient. Darüber hinaus bietet INFITEC für diese
Projektionssysteme leichte Brillen mit unzerbrechlichen Folienfiltern an.
Aber was ist mit Laser-Phosphor-Projektoren?
Das ursprüngliche Design kann nicht mit Wellenlängenmultiplex-3D verwendet
werden, da eine einzige blaue Laserlinie nicht in zwei Teile aufgeteilt werden
kann, die durch eine Brille getrennt werden können. Inzwischen kommen aber
erste Projektoren mit zwei verschiedenen blauen Laserwellenlängen auf den
Markt. Sie sind speziell auf die Wellenlängenmultiplex-3D-Technologie
abgestimmt. Und speziell für diese Projektoren entwickelte passive
Brillengläser sind ebenfalls bei INFITEC erhältlich.
UHP lamp-based
projectors suffer from containing hazardous substances (Mercury), comparatively
low lifetime and thus the need to replace the lamp from time to time. They
require cooling even after the lamp was switched off which determines the
minimum shut-down time. In addition, the fans for cooling are a source of noise
and subject to wear. All these reasons made the projector manufacturers look
for other technologies to generate the light required.
One common technology
feature of more efficient light sources are lasers. But behind this buzz word
there are several different technologies.
Pure laser projectors
use lasers for each of the primary colors red, green, and blue. As lasers are
currently the most efficient light sources, laser diodes are preferred for
small battery driven projectors to increase the on-time per battery charge. But
single laser light sources show an unwanted phenomenon: speckle. Speckles
result from interference effects of the laser light beam with itself when
reflected at any diffusively reflecting surface – including projection screens.
It can be avoided only by using several laser diodes per primary color, which
makes the projectors more expensive but also brighter – and larger. In cinema
this is applied to a large extent, but there are few speckle-reduced consumer laser
projectors.
Instead there are many
projectors called “laser” that use just one of these light sources to generate
blue light. The red and green light required is produced otherwise. On one hand
there are so-called laser phosphor projectors which use a part of the blue
laser light to excite a substance called phosphor or luminophore to emit yellow
light which can be split into green and red. In principle this substance is the
same as that in fluorescent lamps. The phosphor – not to be mixed up with the
chemical element Phosphorus! – has to be cooled to withstand the high power
density of the blue laser light. In general, this is done by rotating a wheel
which carries the phosphor – a mechanical part which is prone to wear. But
other cooling methods and/or phosphors that withstand higher temperatures are under
development. In any case active cooling will reduce the efficiency of the
system.
Laser phosphor
projectors are a kind of hybrid solution for generating light in red, green,
and blue. On the other hand, there is another hybrid solution using a blue laser
and a red LED. Again, the green light is produced by conversion of blue laser
light using a phosphor wheel. Unless the manufacturer uncovers the light
generation principle the user cannot discriminate the different ways because
all of them are sold as “laser” projectors. The expert of course can tell by
measuring the light spectra.
Still another way of
producing red, green, and blue light is using exclusively LEDs. These devices
are not quite as efficient as lasers (without cooling) but still much more than
Mercury lamps. With LEDs there is no speckle problem at all because their
wavelength range is much broader than that of lasers. In order to make it even
broader the green LED often is actually a blue one combined with a green
phosphor. Here the phosphor does not have to be cooled as the light of an LED
is much less concentrated than that of a laser. The only limitation of LEDs
currently is the achievable brightness.
Lasers and LEDs both
have a much longer lifetime than UHP or Xenon lamps. Start-up is possible
almost instantaneously, and shut-down is also much faster than with
conventional light sources, especially when no active cooling is required.
Let us come to
wavelength multiplex 3D (WMT). This is known to work well with conventional
light sources though a lot of light is lost in the filters required. When the
emission bands of the primary colors red, green, and blue are narrower but not
too narrow to be split into two bands each, the efficiency of a WMT 3D system
will increase. This is the case for LED light sources. With laser projectors we
have got a problem: Laser lines are so narrow, they cannot be divided into two
that can be separated by any kind of filters. The solution for pure laser
projectors is simple but costly: double the number of wavelengths used in order
to get two blues, two greens, and two reds, one of each for the left image and
one for the right one. This technique is called 6P for six primaries and is
extremely light efficient. In addition, INFITEC offers lightweight glasses with
unbreakable film lenses for these projection systems.
But what about laser phosphor projectors? The original design cannot be used with wavelength multiplex 3D, because a single blue laser line cannot be split into two which could be separated by glasses. But in the meantime, there are first projectors with two different blue laser wavelengths reaching the market. They are specially designed to fit with the wavelength multiplex 3D technology and passive glasses specially designed for these projectors are available from INFITEC.
In einem Forschungsprojekt der Daimler AG (ehemalige DaimlerChrysler AG) in Ulm wurde im Jahr 1999 unter der Bezeichnung Wellenlängenmultiplex-Visualisierungs-Systeme untersucht, in wie weit der neue technische Ansatz für eine verbesserte und funktional erweiterte Bilderzeugung in Virtual-Reality-Systemen geeignet ist. Für das aus diesem sehr erfolgreichen Projekt hervorgegangene Verfahren wurde die Marke INFITEC® eingetragen, die seitdem eine bedeutende Stellung in der 3D-Visualisierungsindustrie einnimmt. 2015 hat INFITEC® ihre neue 6P-3D-Brille speziell für Laser-Projektion auf dem Markt eingeführt.
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