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Projector light sources 101: What are the differences?

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.