Projektoroptik-Beamerguide

[Superwip]

Da die Optikexperten dieses Forums sich wohl vor allem in diesem Unterforum tummeln möchte ich euch fragen ob ihr noch etwas an meinem Beamerguide, insbesondere an dem Optik-Abschnitt auszusetzen habt bzw. noch irgendetwas beisteuern möchtet.

-> http://extreme.pcgameshardware.de/h...erguide-technik-empfehlungen-und-faq.html#1.3

Optik
Auch bei den optischen Features gibt es einiges zu erklären; alles weitere gilt jedenfalls nicht für LASER Projektoren, bei diesen gibt es zwar auch einige spezielle optische Features, die für wesentliche Qualitätsunterschiede verantwortlich sein können allerdings möchte ich mich auf die etablierten Technologien konzentrieren.

Optische Fehler (Linsensystem)
Ähnlich wie bei Kameras können auch bei Beamern diverse optische Fehler gegeben sein, die für die Bildqualität von nicht unerheblicher Bedeutung sind.

-Chromatische Aberration: Da Licht unterschiedlicher Wellenlängen/Farben unterschiedlich stark gebrochen wird kann es zu Unschärfe und Farbfehlern insbesondere am Bildrand kommen
-Geometrische Aberration bzw. Verzeichnung: Das Bild wird tonnenförmig oder kissenförmig verzeichnet, gerade Linien erscheinen gebogen
-Bildfeldwölbung: Unschärfe am Bildrand (dieser Fehler kann insbesondere bei der Verwendung einer gebogenen Leinwand vorkommen wenn die Optik nicht dafür optimiert ist)
-Streulicht: An Teilen der Optik gestreutes Licht kann zu Kontrastverlusten, einer inhomogenen Helligkeit und inhomogenen Kontrasten führen
-cos4-Randlichtabfall: Dieser Effekt führt dazu das der Bildrand etwas dunkler ist als das Zentrum-> schlechtere Homogenität; insbesondere Beamer mit Weitwinkeloptik können davon betroffen sein
-Vignettierung: Diverse unter diesem Begriff zusammengefasste Effekte können ebenfalls zu einer Abschattung von Bildbereichen, insbesondere am Rand führen
-Verschmutzungen und Beschädigungen: Können insbesondere Schlieren und stellenweise schlechtere Schärfe aber auch diverse andere Fehler verursachen
-Spannungsdoppelbrechung: Verspannungen des Glases können dazu führen das Licht abhängig von der Polarisationsrichtung unterschiedlich stark gebrochen wird; das Ergebnis ist meist eine vom Bildbereich abhängige Unschärfe (selten)

Man sollte gegebenenfalls mit geeigneten Testbildern auf das Vorhandensein dieser Fehler achten, auch in (guten) Tests wird oft darauf eingegangen. (Annähernd) Fehlerfreie Objektive sind wie im Kamerabereich leider teuer und daher meist auch nur in teuren Projektoren zu finden.

Siehe auch: Abbildungsfehler (Achtung: nicht alle dort beschriebenen Fehler betreffen Projektoren)

Vergrößerung/Zoom und Schärfebereich
Eine wichtige Eingenschaft von Beamern ist der Zoombereich, manche Beamer sind etwa mit Weitwinkelobjektiven darauf optimiert ein großes Bild in geringer Entfernung zu erzeugen, andere haben Teleobjektive für große Entfernungen. Einigen billigen Geräten fehlt die Zoomfunktion auch gänzlich, einige high-end Beamer, vor allem aus dem proffessionellen Bereich bieten auch Wechselobjektivsysteme (wobei die Objektive in der Regel allerdings sehr teuer sind). Bei Röhrenprojektoren kann man das Bild analog skalieren weshalb die Zoomfunktion hier weniger wichtig ist.

Ein damit zusammenhängender Punkt ist der Schärfebereich; dieser gibt an in welcher minimalen, Entfernung des Beamers zur Leinwand das Bild scharfgestellt werden kann, bei einigen Beamern gibt es auch eine maximale Entfernung. Dem Schärfebereich wird allerdings meist kaum Beachtung geschenkt- denn bei den meisten Beamern fängt er bereits weniger als einen Meter vor der Linse an und hat keine obere Grenze.

Bei Röhrenbeamern und anderen analogen Projektoren kann das Bild in gewissen Grenzen ohne optischen Zoom skaliert werden ohne das es zu wesentlichen Qualitätsverlusten kommt. Daher findet man bei solchen Projektoren nur selten Zoomobjektive.

Lens Shift (Linsenverstellung bzw. optische Trapezkorrektur)
Ist der Beamer nicht im vorgesehenen Winkel, was oft nicht möglich ist, auf die Leinwand ausgerichtet kommt es zu einer Verzerrung des Bildes zu einem Trapez (bei horizontaler oder vertikaler Fehlausrichtung) oder einem Deltoid (bei gleichzeitiger horizontaler und vertikaler Fehlausrichtung). Es gibt nun zwei Möglichkeiten diesem Problem zu begegnen: einerseits gibt es die Möglichkeit der digitalen Trapezkorrektur, die jedoch zulasten der Bildqualität geht; viel eleganter ist das Lens Shift-Verfahren: durch das Parallelverschieben zweier Linsen relativ zueinander kann der Trapezeffekt in gewissen Grenzen ohne Qualitätsverluste optisch ausgeglichen werden; insbesondere im Heimkinobereich sollte man auf dieses Feature achten, wenn man nicht sehr flexibel bei der Aufstellungsposition ist.
Bei Röhrenprojektoren ist Lens Shift im Wesentlichen nicht nötig, da diese eine analoge Trapezkorrektur bieten.

(DMD) Streulichtblende
Da DMD Chips der DLP Projektoren (in vermindertem Maß auch LCoS Chips), speziell im oberen und unteren Bereich des Bildes, viel Streulicht verursachen, dass Schwarzwerte, Kontrast und insbesondere auch die (Helligkeits-) Homogenität verschlechtert sind vor allem DLP Beamer mit einer Blende ausgestattet, die dieses Streulicht abschirmt. Billige (vor allem DLP) Beamer ohne Blende haben zum Teil eine sehr schlechte Homogenität von weniger als 50%.

Adaptive Blende
Einige Beamer besitzen eine motorisierte Blende bzw. Iris, über die der dynamische Kontrast erhöht werden kann, Bilder können also als ganzes verdunkelt werden. Allerdings kann das auch zum sogenannten "Bildpumpen" führen, d.h. die Helligkeit schwankt deutlich. Die Blende lässt sich in der Regel auch fixieren, eine enger eingestellte/fixierte Blende führt hierbei meist zu etwas höherem Kontrast und teils besserer Homogenität auf Kosten von Helligkeit im Vergleich zu einer offenen.

Motorisierung
Einige Beamer bieten eine motorisierte, fernsteuerbare Optik. Im Heimkinobereich kann dieses Feature in der Regel vernachlässigt werden, da der Beamer da meist genau ein mal eingestellt wird und dann Jahrelang an einem festen Platz hängt/steht. Praktisch kann das eventuell sein wenn man regelmäßig ein anderes Bildformat nutzt und die Optik entsprechend anpasst- dennoch ist das wohl in jedem Fall ein Luxusfeature.

Konvergenz
Bei 3Chip DLP, 3LCD, 3Chip LCoS und Röhrenbeamern muss die Optik präzise kalibriert sein bzw. werden, damit Pixel unterschiedlicher Farben sich perfekt überlappen, ansonsten kann es unter anderem zu störenden farbigen Rändern an Kanten kommen. Bei den allermeisten Beamern (mit Ausnahme der meisten Röhrenbeamer) sind diese Einstellungen bereits ab Werk vorgenommen und man muss sich nicht darum kümmern; sind die Einstellungen nicht perfekt ist es dafür aber bei vielen Geräten auch nicht einfach sie zu ändern, die meisten Beamer müssen dafür zerlegt werden wobei die Garantie verloren gehen kann; gröbere Konvergenzfehler sollte man bei solchen Geräten am besten direkt nach dem Kauf erkennen und den Beamer umtauschen.

Farbrad (1Chip-DLP)
Da DLP Chips grundsätzlich nicht in der Lage sind Farben darzustellen gibt es für die Farbwiedergabe zwei Möglichkeiten: entweder, man nutzt für jede der drei Grundfarben einen eigenen Chip (3Chip DLP) oder aber man beleuchtet den Chip abwechselnd in den einzelnen Grundfarben. Letzteres ist bei praktisch allen (leistbaren) DLP Beamern der Fall. Um die abwechselnde Beleuchtung zu realisieren gibt es grundsätzlich zwei gängige Methoden: entweder man nutzt RGB-LEDs, die abwechselnd geschaltet werden oder man nutzt einen Farbfilter, der abwechselnd die einzelnen Grundfarben aus dem eigentlich weißen Licht der Lampe herausfiltert. In der Praxis nutzt man hierzu ein sogenanntes Farbrad: eine rotierende, transparente Scheibe, die in verschiedene farbige Segmente unterteilt ist. Der Aufbau des Farbrades ist sehr wichtig für die Helligkeit, Farbwiedergabe, die Stärke des Regenbogeneffekts und auch die Lautstärke (da das schnell rotierende Rad immer ein Geräusch verursacht). Die Farbräder der ersten DLP Beamer hatten meist drei gleich große Segmente für die einzelnen Grundfarben; damit wurde allerdings viel Helligkeit verschwendet (2/3 der eigentlichen Helligkeit der Lampe, da ja immer nur eine Farbe durchgelassen wird) und der Regenbogeneffekt war vergleichsweise ausgeprägt. Moderne Farbräder besitzen meist doppelt so viele Segmente, und werden mit einer höheren Drehzahl gedreht um den Regenbogeneffekt zu verringern, außerdem wurde Weiß als vierte Grundfarbe hinzugefügt um die Effizienz zu verbessern (wobei allerdings die Spitzenhelligkeit in den einzelnen Grundfarben im Vergleich gesunken ist), teilweise wurde auch der Grünanteil im Verhältnis erhöht um die klassische Grünschwäche von 1Chip-DLP Beamern auszugleichen, einige Beamer verwenden auch mehr als drei Grundfarben. Erwähnenswert ist das man das Farbrad bei einigen Beamern auch tauschen kann.
Unterm Strich muss man festhalten, dass das Farbrad für viele Aspekte der Bildqualität bei einem 1Chip DLP Beamer (mit Ausnahme von RGB-LED Geräten) verantwortlich ist. Die Farbräder sind auch für die große Variabilität der Farbqualität bei 1Chip DLP Beamern verantwortlich- die auf den ersten Blick erstaunlich ist, wenn man bedenkt, dass es pro Auflösung meist nur 2-3 verschiedene DMD Chips gibt, die in allen verfügbaren DLP Beamern zum Einsatz kommen.

Rot-Grün-Blau-Weiß Farbrad eines älteren DLP Beamers


Regenbogeneffekt


Mikrolinsenmatrix (v.A. LCD)
Um den "Fliegengittereffekt", also sichtbare schwarze Abstände zwischen den einzelnen Pixeln, der vor allem bei LCD Projektoren auftritt zu reduzieren sind manche LCDs mit einer Matrix aus Mikrolinsen (eine Linse pro Subpixel oder Pixel) überzogen die eben diesen Effekt zumindest teilweise korrigieren soll. Bei (LCD) Beamern mit niedriger Auflösung ist dieses Feature am wichtigsten, da der Fliegengittereffekt dort am ausgeprägtesten ist. In den Technischen Daten ist aber nur selten etwas darüber zu finden und selbst wenn kann man daraus nur schwer die Qualität der Umsetzung abschätzen; daher kann man auch hier nur empfehlen Tests zu lesen oder selbst zu testen.

Polarisationsfilter und WireGrids (nur LCoS)
LCoS Chips reflektieren das auftreffende Licht steuerbar und können so ein Bild erzeugen- allerdings funktionieren sie in der Regel nur mit Licht einer Polarisationsrichtung, das übrige Licht wird diffus reflektiert. Um bei LCoS Beamern einen vernünftigen Schwarzwert und gute Kontraste zu erreichen muss das auftreffende Licht daher polarisiert werden. Manche Hersteller setzen dabei auf herkömmliche Polarisationsfilter mit makromolekularen Folien, wie man sie etwa aus 3D Brillen kennt aber es gibt noch etwas besseres: WireGrids ("Drahtgitter"). Diese bestehen aus Glasplatten auf die mit Photolithografischen Verfahren eine Struktur aus Aluminiumlamellen im Abstand von ~500nm aufgebracht wurde. Diese Gitterstruktur wirkt als Spiegel, der Licht einer Polarisationsrichtung durchlässt und die andere reflektiert; damit ausgestattete Projektoren, etwa die aktuellen D-ILA Modelle von JVC erreichen sehr hohe Kontrast- und gute Schwarzwerte.
Die Qualität der Polarisationsfilter und WireGrids lässt sich kaum aus den technischen Daten ablesen und auch schwer in Tests/Reviews direkt überprüfen allerdings macht sie sich -und das ist ja wesentlich- direkt beim (statischen) Kontrast bemerkbar.



Anamorphe Optik
Viele aktuelle Kinofilme werden in einem Bildformat gedreht das deutlich breiter ist als 16:9 (1,77:1), das native Bildformat gängiger Beamer, üblich ist vor allem 2,35:1. Daher hat man in vielen Filmen schwarze Balken oben und unten. Das ist zwar alles nur halb so schlimm, da man die schwarzen Balken bei einem Beamer nicht/kaum sieht allerdings bleibt zumindest eine gewisse Pixelfläche ungenutzt. Manche High-End Heimkinobeamer bieten als Lösung eine optionale anamorphe Optik; das ist eine Optik, welche das native (üblicherweise 1,77:1) Bild auf eine Breite von 2,35:1 streckt, so bleibt die volle vertikale Auflösung (von in der Regel 1080 Zeilen) erhalten, die Balken fallen weg (die Pixel werden rechteckig!). Damit das Ganze funktioniert muss das Bild allerdings auch entweder PC-seitig (via Grafiktreiber und/oder Videoplayersoftware), Beamerseitig (oder prinzipiell durch einen Videoreceiver mit entsprechendem Bildprozessor wobei mir kein derartiges Gerät bekannt ist) auf die native Auflösung gestreckt (umgerechnet) werden. Ein optisch äquivalentes Verfahren wurde übrigens im Zeitalter des analogen Films genutzt um Breitbildfilme auf gängigen 35mm/3:2 (1,5:1) Film aufzuzeichnen und von solchem wiederzugeben. Auf optischer Seite gibt es zwei gängige Realisierungsmöglichkeiten: einerseits Anamorphe Linsen und andererseits Prismen. Die Linsen sind kompakter, lassen mehr Licht durch und müssen nicht kalibriert werden dafür sind sie aber teurer und müssen mehr oder weniger auf den verwendeten Beamer abgestimmt sein. Alternativ zu einer präzise geschliffenen asphärischen Linse eignet sich auch eine Kombination aus zwei Prismen dazu das Bild zu verzerren; eine solche Prismenoptik ist flexibler und billiger, kann eventuell sogar selbst gebaut werden ist aber relativ klobig (teils ähnlich groß wie so mancher Beamer), muss präzise ausgerichtet werden und schluckt mehr Licht.

Eine Anamorphe Optik kann prinzipiell auch genutzt werden um das Bild schmaler zu machen, etwa um mit einem 16:9 Beamer Fotos mit 3:2 in ihrem nativen Format ohne Auflösungsverlust zeigen zu können.

Allgemein muss man jedoch festhalten das die Anamorphe Optik mit der Einführung hochauflösender Breitbildbeamer etwas an Reiz verloren hat, sie ist wohl nurnoch für wahre Heimkinoenthusiasten interressant.

Der wohl wichtigste Hersteller anamorpher Vorsatzlinsen für Beamer ist Schneider-Kreuznach, aktuelle Beamer mit Anamorph-Modus sind etwa die D-ILA Topmodelle von JVC, diverse High-End Beamer von SIM2 und Epsons LCD-Heimkinotopmodelle (wird der Beamer nur am PC genutzt ist, wie gesagt, kein spezieller Anamorph-Modus nötig!).

Farbkorrekturfilter
Gängige (vor allem Gasentladungs-) Beamerlampen geben kein perfekt weißes Licht ab sondern besitzen eine gewisse Eigenfarbe welche sich bei Gasentladungslampen auch im Laufe der Zeit verändern kann, auch das Objektiv hat zum Teil eine gewisse Eigenfarbe. Einige Beamer, etwa einige Geräte von SIM2 oder JVC besitzen variable Filter mit denen man das Licht auf ein normales Weiß kalibrieren kann wodurch man die Farbqualität weiter verbessern kann.

E-Shift
Bei dem von JVC und NHK Engineering Service Inc. entwickelten e-Shift Verfahren wird der bildgebende Chip des Projektors durch mikromechanische Aktuatoren um einen halben Pixel synchron zur Bildwiederholrate diagonal verschoben. Anstelle eines Einzelbildes werden also zwei um einen halben Pixel zueinander verschobene Bilder mit doppelter Bildwiederholrate überlagert. Dadurch wird eine Art optische Kantenglättung und eine effektiv höhere Auflösung erzielt. Das Verfahren wird aktuell exklusiv von JVC in den neuen D-ILA Topmodellen des Herstellers genutzt und dort als "4k e-Shift technology" vermarktet; es lässt sich prinzipiell aber auch mit LCD und DLP Projektoren nutzen.

Um die Schärfe zu verbessern optimiert ein Bildprozessor das Videosignal für das Verfahren; in dem Zusammenhang ist aus Sicht eines Spielers natürlich interessant wie groß der dadurch potentiell entstehende Inputlag ist; da soweit ich weiß noch kein derartiger Projektor einem entsprechenden Test unterzogen wurde kann ich derzeit nur empfehlen skeptisch zu sein, JVCs D-ILA Projektoren wurden auch für die Filmwidergabe (bei der der Lag vernachlässigbar ist) und nicht zum Spielen entwickelt; ein Fehlkauf in dieser Preisklasse ist natürlich nicht angenehm.

Light Bleeding
Light Bleeding beschreibt Störlicht das bei manchen Beamern (insbesondere bei billigen LCD Geräten und LCD Präsentationsgeräten) häufig durch die Lüftungsschlitze austritt. Es führt zu einer unnötigen Aufhellung des Raums und schadet damit dem effektiven Kontrast außerdem kann es direkt störend und ablenkend sein. Bei den meisten guten Heimkinogeräten wird das Licht ausreichend gut abgeschirmt, gegebenenfalls kann man es auch nachträglich abschirmen, etwa indem man den Beamer in eine "Hush Box" (siehe Zubehör) verpackt.

Fazit:
Die Optik ist -zumindest bei herkömmlichen LCD, LCoS und DLP Beamern- für Bildschärfe, Aufstellungsflexibilität, Farbqualität, Kontrast und Bildhomogenität sowie auch spezielle Aspekte wie den Fliegengittereffekt bei LCD Beamern oder dem Regenbogeneffekt bei 1-Chip DLP Geräten von enormer Bedeutung- und damit für praktisch alle Aspekte der Bildqualität. Daher kann es etwa in so gut wie jeder Hinsicht gravierende Unterschiede zwischen zwei Beamern geben, die den selben DLP Chipsatz nutzen. Am Ende sind jedenfalls folgende Punkte die wichtigsten: Zoom, Lens Shift und das Ergebnis- denn abgesehen von Zoom, Lens Shift, maximaler/minimaler Projektionsentfernung (und Anamorpher Optik) lässt sich die Optik aus Sicht eines Users (insbesondere vor dem Kauf) vor allem durch die effektive Bildqualität beurteilen.