Im ersten Teil unseres dreiteiligen Specials haben wir die ersten Messergebnisse und Eindrücke zu dem weltersten FullHD-LED-Heimkinoprojektor aus dem Hause Vivitek veröffentlicht. Schon dort hat sich abgezeichnet, dass die LED-Technologie einen großen Schritt nach vorne darstellt und sicherlich zukunftsweisend ist.

In diesem zweiten Teil wollen wir in gewohnter Cine4Home Manier darstellen, wie die LED-Lichtquelle technisch umgesetzt wurde. Wie funktioniert die neue Generation von LED-DLP-Projektoren? Was für technische Möglichkeiten und Vorteile bieten sich, welches Verbesserungspotenzial verbleibt? Diese Einblicke geben wir als Weltpremiere in einem besonders spannenden Special:

Auffällig sind die enorm großen Abmessungen des Projektors. Mit 520mmx244mmx560mm gehört er zu den absoluten Giganten seine Gattung. Warum ist ausgerechnet ein LED Projektor so groß, wo man doch hier besonders kompakte Abmessungen erwartet hätte? Wir riskieren einen Blick ins Innere:

1. Elektronik

Nimmt man den großen Vollmetalldeckel ab, so erhält man einen ersten Ausblick auf die Komponenten. Schnell wird deutlich, dass der modulare Aufbau dem eines PCs ähnelt und daher großzügig mit viel Lufträumen dimensioniert ist. Im vorderen Teil befindet sich der gesamte Lichtweg, im oberen hinteren Teil, die Signalelektronik und Steuerplatinen:

Besonders auffällig ist die linke Platine mit drei separaten Kühlkörpern. Hierbei handelt es sich um den elektronischen Treiber der LEDs, gleichsam der Steuereinheit. Sie stammt nicht aus dem Hause Vivitek, sondern ist eine Entwicklung von Osram:

Der Osram Rapcur LED-Treiber

Es handelt sich dabei um das Osram Rapcur F9030A Modul: Ein erstmals von OSRAM eingesetztes FPGA (Field Programmable Gate-Array) ermöglicht die präzise und äußerst schnelle Signalverarbeitung. Die hohen LED-Ströme von bis zu 30A und die sehr kurzen Schaltzyklen verlangen hohe Schaltgeschwindigkeiten. Der Rapcur-Treiber ermöglicht bei Strömen von 30A Ein- und Ausschaltzeiten von unter 1µs. Darüber hinaus kann der LED-Treiber Ströme in 255 Stufen liefern, dies entspricht 8 Bit. Durch diese schnellen Schaltzeiten ist ein "Pulsen" der LEDs technisch kein Problem.

Mit der Signalelektronik werden wir uns im kompletten Test genauer beschäftigen (Special Teil 3). Große Überraschungen sind bei ihr nicht zu erwarten, da es sich ebenfalls um eine "alte Bekannte" handelt.

2. Aufbau Lichtweg

Mit diesen ersten Einblicken haben wir uns selbstverständlich nicht zufrieden gegeben, sondern haben den Projektor weiter auf der Suche nach der LED Beleuchtung demontiert. Den gesamten Lichtweg haben wir entfernt, um Ihnen den Aufbau genau dokumentieren zu können.

"Gestrippter" LED Beamer ohne Lichtweg

Der Ausbau der optischen Komponenten bringt die erste Überraschung: Wider Erwarten wurde für den weltersten LED Projektor kein komplett neuer Lichtweg konstruiert, sondern eine herkömmliche Single-Chip Lightengine verwendet. Dabei handelt es sich um ein bekanntes Modell: Der Lichtweg ist nahezu identisch zu dem eines Planar PD8130 / 8150. Wahrscheinlich stammt er aus dem Hause Delta, dem Mutterkonzern von Vivitek, der viele OEM Produkte für Markenunternehmen liefert.

Lichtweg (links) und LED Lichtmodul (rechts)

3. Das LED Lichtmodul

Nun wird es spannend: An den herkömmlichen Lichtweg (im Bild oben links) wird das Herz des Projektors, das LED-Modul, angeflanscht (Bild oben rechts). Es wirkt auf den ersten Blick wie ein überdimensionales Lampenmodul. Tatsächlich ist es aber eine aufwändige Konstruktion, die einen eigenen kleinen Lichtweg beinhaltet. Im folgenden Bild sieht man, dass in diesem Modul, ähnlich wie bei einem 3LCD-Projektor, drei verschiedene LEDs gegenüber gestellt sind, für jede Grundfarbe eine eigene LED.

Das LED Modul mit drei separaten Grundfarben

Jede der drei LEDs muss aufgrund ihrer enormen Leistungsaufnahme (bis zu 30A bei 4V) ausreichend gekühlt werden. Aus diesem Grund wurde jede LED auf einen sehr großen, passiven Kühlkörper geschraubt.

Zusätzlich werden diese passiven Kühlkörper durch aktive Lüfter gleicher Größe im Chassis unterstützt. Hier erklärt sich auch die Größe des Projektors. Da man auf eine Flüssigkeitskühlung (leider) verzichtet hat, musste man der geringen Lautstärke zuliebe die Maße vergrößern. Die kleinen Maße der LEDs selbst zeigen aber, wieviel Potenzial zum Verkleinern zukünftiger Modelle besteht:

Das eigentliche LED-Modul besteht aus einer Kupferplatine mit nur wenigen Quadratzentimetern Fläche. Es wird wie ein Prozessor auf den gewünschten Kühlkörper geschraubt. Grundsätzlich ergeben sich durch diesen Aufbau dieselben Kühlmöglichkeiten, wie in der Prozessortechnik. Es ist schon jetzt abzusehen, dass "Tweaker" ihre helle Freude haben werden, wie bei PCs die Kühlung in Leistung und Lautstärke zu optimieren. In der Praxis wird man sogar auf herkömmliche PC-Komponenten zurückgreifen können. Doch zurück zu unseren LEDs: Die eigentliche Leuchtfläche ist nur wenige Millimeter groß und im Foto oben als silbernes Viereck zu erkennen. Es entspricht dem klassischen 16:9 Format und ist somit in seiner Ausleuchtung auf das native Bildformat moderner Projektoren abgestimmt. Die Dicke der Kabel liegt in der großen Stromstärke begründet: Bis zu 30A müssen sie vertragen.

Die direkte Draufsicht von oben gibt einen weiteren Aufschluss über den Aufbau: Jede der drei Grundfarb-LEDs (a) hat ihr eigenes Linsensystem (b) und strahlt auf ein Kreuz aus halbdurchlässigen Spiegeln (c). Diese lenken das Licht in einen kleinen Spiegelkanal (d), der in seiner Größe und seinem Format genau so konstruiert ist, dass er passgenau mit dem herkömmlichen Lichtweg abschließt. Besonders anschaulich wird das Ganze, wenn man es unter Strom setzt:

Im Bild oben kann man gut erkennen, wie das Licht der einzelnen farbigen LEDs durch die Spiegel überlagert und durch den schmalen Spiegelkanal geleitet wird, bis es als Lichtschein in den "normalen" Lichtweg gelangt.

4. Die LED-Steuerung

Wie bereits erläutert, handelt es sich beim Vivitek 9080FD um einen herkömmlichen DLP-SingleChip-Projektor. Das bedeutet, dass die einzelnen Grundfarben nicht wirklich auf der Leinwand gemischt werden, sondern stets zeitlich hintereinander, "sequentiell" auf die Leinwand projiziert werden. Allerdings erfolgt dies mit so einer hohen Geschwindigkeit, dass die eigentliche Farbmischung durch die Trägheit unserer Augen im Gehirn erfolgt.

Bei herkömmlichen DLP-Projektoren erfolgt die sequentielle Grundfarbenerzeugung durch ein Farbrad, das mit roten, grünen und blauen Segmenten das weiße Licht der UHP-Lampe filtert. Aufgrund mechanischer Limitationen erreichen diese Farbräder eine maximale Farbfrequenz von 300Hz. Dies ist zwar schnell, doch nicht schnell genug, um unser Auge komplett zu täuschen. Durch den von Generation zu Generation stetig wachsenden Kontrast werden so genannte "Farbblitzer" zunehmend auffälliger und werden als störend wahrgenommen. Auch aus diesem Grund haben DLP-Projektoren bei anspruchsvollen Heimkinofans immer mehr Marktanteile verloren.

4.1 Sequentielle Farberzeugung ohne Farbrad

Auch bei dem Vivitek LED-Projektor erscheinen die Grundfarben zeitlich nacheinander auf der Leinwand. Die drei LEDs des Lichtweges (siehe oben) leuchten nicht gleichzeitig, sondern werden wie eine Ampel durchgeschaltet: Rot -> Grün -> Blau -> Rot -> Grün-> Blau... usw. Die Ingenieure haben es sich aber zu Nutzen gemacht, dass moderne LEDs ungemein schnell in ihrer Reaktionszeit sind und im Millisekundenbereich an- bzw. abgeschaltet werden können. Dadurch ist es möglich, die Frequenz der Farbwiederholung gegenüber den herkömmlichen Farbradvarianten erheblich zu steigern.

Um der Ansteuerung der LEDs auf den Grund zu gehen, haben wir ihre Schaltung messtechnisch erfasst. Dafür haben wir ein Oszilloskop direkt an die Eingänge der LEDs angeschlossen (was in der Praxis schwerer ist, als es klingt).

Das obige Bild zeigt unseren Messaufbau: Zur linken der Vivitek LED Projektor mit "offenem Herzen", zur Rechten unser Oszilloskop, das die einzelnen Stromimpulse der LEDs in drei Kanälen parallel abbildet. Wer genau hinsieht, erkennt zudem das aktive Kühlsystem des Projektors mit seinen großen Lüftern.

Anhand des Oszilloskops können wir nun ablesen, mit was für einer Frequenz die Grundfarben gesteuert werden, in welcher Reihenfolge sie geschaltet werden und ob der Bildinhalt das Pulsschema beeinflusst. Wir beginnen mit dem normalen Bildmodus, ohne adaptive Lichtsteuerung und ohne Brilliant Color Funktion:

Pulsschema "RGB"

Der obige Graph zeigt einen Farbzyklus, bevor er sich genau so wiederholt. Hier kann man sehr leicht die Farbreihenfolge ablesen. Sie ist wie folgt:

Rot - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Rot - Grün - Blau - Rot - Grün
(und wieder von vorne)

Rot bzw. Blau werden pro Zyklus einmal im Rhythmus übersprungen, Grün erhält einen Impuls mehr. Zudem wird deutlich, dass die einzelnen Grundfarben nicht in einer konstanten Länge angesteuert werden, sondern die An- bzw. Auszeiten unterschiedlich lang ausfallen. Durch diese Methode gelingt es, die Farbtemperatur auf die von der Videonorm verlangten 6500K / D65 zu optimieren, ohne Kontrastpotenzial einzubüßen. Im Graphen erkennt man dies an der Länge der einzelnen Amplituden.

Wir spielen ein 50Hz PAL Signal zu, was bedeutet, dass der Projektor pro Sekunde 50 Bilder darstellt. Jedes Bild erscheint genau 20ms auf der Leinwand, bevor es vom nächsten abgelöst wird. Wie man in dem Graphen oben ablesen kann, haben wir diesen Zeitraum, sprich eine Bildlänge, messtechnisch erfasst.

Erfahrene DLP-Kenner wissen, dass die Farbgeschwindigkeit in Bezug zum Bildsignal gesetzt wird. Ein herkömmlicher Projektor mit "6 facher Farbradgeschwindigkeit" durchläuft den RGB-Zyklus genau sechsmal pro Einzelbild. Bei PAL-Zuspielung entspricht das bereits erwähnten 300Hz. Zählt man nun in obiger Messung die Impulse von Grün, so kommt man auf 18 Einschaltzeiten. Das bedeutet, dass pro Bild die Farbe Grün 18mal eingeschaltet wird, dreimal soviel, wie bei einem herkömmlichen Farbrad. Diese "18-fache" Geschwindigkeit übersetzt sich in einer Frequenz von 900Hz für Grün. Durch den veränderten Rhythmus ergeben sich für die anderen Grundfarben 850Hz bzw. 800Hz.

Diese RGB-Frequenzen sind beeindruckend hoch und zeigen, wie schnell die DMD-Spiegel schalten können. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem herkömmlichen Farbrad sind zudem die Ausschaltzeiten: Bei einem herkömmlichen, sich drehenden Farbrad befinden sich oft zwei Farbsegmente gleichzeitig im Lichtfenster der Lightengine. Während dieser Zeit muss der DMD-Chip abgeschaltet sein, was in Helligkeitsverlust und subtilem Flimmern mündet. Folgender Ablauf macht dies deutlicher:

Ein herkömmliches Farbrad hat störende Übergangszeiten
zwischen den Grundfarben

Das Farbrad dreht sich in unserem Beispiel im Uhrzeigersinn: Im Moment (a) befindet sich der Lichteintritt der Optical Engine komplett im grünen Farbsegment (kleines Viereck). In dieser Zeit projiziert der DMD-Chip die grünen Bildanteile auf die Leinwand. Das Farbrad dreht sich weiter und das rote Farbsegment wird ins Bild geschoben. Während der Übergangsphase (b) befinden aber zwei Farbsegmente (hier grün und rot) im Lichtweg. In dieser Zeit kann der DMD-Chip keine Farbe modulieren, weshalb er abgeschaltet bleibt. Erst wenn das nächste Farbsegment den Lichteintritt komplett überdeckt (c), ist der DMD Chip wieder aktiviert und projiziert in unserem Beispiel die roten Farbanteile des Bildes.

Derartige Abschaltzeiten durch Drehbewegungen entfallen bei der LED Beleuchtung gänzlich: In dem Moment, in dem z.B. die grüne LED abgeschaltet wird, kann die blaue LED zeitgleich angeschaltet werden. Die Pausen sind auf ein nicht merkliches Minimum reduziert.

Durch die "LED-Ampel" entfallen die Übergangszeiten

Im Bild oben haben wir die Umschaltzeiten von Rot auf Grün in Gelb gekennzeichnet und die von Grün auf Blau in Zyan. Man sieht, dass es keine oder nur kurze Verzögerungen gibt. Neben der höheren Lichtausbeute geben die kürzeren Umschaltzeiten den DMD-Spiegeln auch mehr Zeit, die einzelnen Farbtöne zu generieren. Dadurch werden Artefakte wie Solarisationen reduziert und die mögliche Farbtiefe signifikant erhöht. Gerade die Farbtiefe war bei DLP-Projektoren mit herkömmlichen Farbrädern eine große Schwäche.

4.2 Adaptive Lichtkontrolle

Mit all den obigen Neuerungen und Beobachtungen ist es aber noch nicht genug. LEDs haben den technischen Vorteil gegenüber Gaslampen, dass sie schnell gepulst werden können. Neben der sequentiellen Farberzeugung ist es möglich, diese Eigenschaft für eine Kontrolle der Lichtmenge in Echtzeit zu nutzen: Je kürzer man die Lichtimpulse gestaltet und gleichzeitig die Ausschaltzeiten verlängert, desto weniger Licht kommt an die Leinwand. Der Vivitek 6080 / 9080 bedient sich genau dieser Technik zur Lichtmodulation.

Pulsweitenmodulation bei abnehmender Bildhelligkeit

Je geringer die durchschnittliche Signalstärke eines Bildes, sprich je dunkler der allgemeine Helligkeitslevel, desto kürzer werden die LEDs angeschaltet, desto länger sind sie ausgeschaltet. Das geht so weit, bis kaum noch Ausschläge von dem Oszilloskop registriert werden. Diese "Pulsweitenmodulation" bleibt aber von unserem Auge unbemerkt, da sie sich in sehr hohen Frequenzen abspielt. Die kurzen Anschaltzeiten werden von uns einfach als dunkler wahrgenommen.

Parallel zu der Pulsweitenmodulation wird ein zweites System der adaptiven Lichtregelung eingesetzt: In ebenso hoher Geschwindigkeit können die LEDs nämlich auch gedimmt werden. Mit anderen Worten: Je geringer die geforderte Bildhelligkeit, desto schwächer der Treiberstrom, desto weniger Licht emmitieren die LEDs.

Die LEDs werden parallel auch gedimmt

Mit dem Oszilloskop kann man dieses Echtzeit-Dimmen anhand der Größe der einzelnen Amplituden ablesen. Je höher die Amplitude, desto mehr Licht wird ausgegeben.

Diese zwei adaptiven Lichtsysteme bieten einen sehr großen Spielraum von komplett aus (schwarz) bis zur maximal möglichen Lichtausbeute. Durch die schnellen Reaktionszeiten der LEDs ersetzt dieses System im Falle des Vivitek Projektors die herkömmliche "Dynamische Iris" komplett. Der technische Vorteil der neuen Variante ist eine höhere Schnelligkeit / Echtzeit (durch Wegfallen der Mechanik) und eine präzisere Ansteuerung. Positive Nebeneffekte herkömmlicher Blenden, wie etwa die Erhöhung des nativen Kontrastes, entfallen aber ebenso.

Die Leistungsfähigkeit der adaptiven Lichtsteuerung hängt vornehmlich von der Programmierung ab. Je präziser das obige System gesteuert wird, desto eher kann man Nebeneffekte wie Bildpumpen oder Farbreduktionen vermeiden. Wer aber nun denkt, dass dieses System den adaptiven Kontrast eines Projektors in unermessliche Höhen schnellen lässt, der irrt. Nach wie vor hängt der maximal mögliche Dynamikumfang von dem nativen Kontrast des Lichtweges ab, zumindest wenn man kein störendes Helligkeitspumpen in Kauf nehmen will. Wie im ersten Special Teil bereits dokumentiert, verfügt der Vivitek 6080 / 9080 über verschieden aggressive Modi, auf deren Wirkung wir im dritten Teil, dem Kompletttest, noch genau eingehen werden.

4.3 Brilliant Color Modus

Höhere Farbfrequenz, kürzere Ausschaltzeiten, adaptive Lichtkontrolle, schon jetzt zeigen sich die diversen Vorteile der neuen LED-Lichtquelle. Doch dies ist immer noch nicht alles: Statt die Grundfarben einzeln wie eine Ampel durchzuschalten, ist es auch möglich, zwei oder gar alle drei LEDs gleichzeitig anzuschalten. Nach dem Prinzip der additiven Farbmischung entstehen dabei die so genannten "Sekundärfarben":

Rot + Grün -> Gelb
Rot + Blau -> Magenta
Grün + Blau -> Zyan
Rot + Grün + Blau -> Weiß

In der herkömmlichen Farbradtechnik gibt es die speziellen "Brilliant Color"-Varianten, die neben den herkömmlichen Farbsegmenten auch derartige Sekundärfarben aufweisen. Im Heimkino kommen sie aber selten bis gar nicht zum Einsatz.

Durch die LEDs und ihre flexiblen Schaltzeiten ist es aber nun möglich, jede Art der Farbmischung zu Erzeugen. Der Vorteil liegt in dem Umstand, dass die Farben direkt in der Lichtquelle gemischt werden und so der DMD-Chip diese Aufgabe nicht mehr so umfangreich übernehmen muss. Auch beim Vivitek hat man sich diesen Vorteil zu Nutzen gemacht und bietet optional einen "Brilliant Color"-Modus im Bildmenü an. Aktiviert man ihn, so verändert sich das Pulsschema wie folgt:

Pulsschema "Brilliant Color"

Wenn man den Graphen des Oszilloskops genau analysiert, erkennt man, dass nun auch zwei LEDs parallel angeschaltet werden, nach obigem Prinzip. Es ergibt sich folgende Farbreihenfolge:

Gelb - Rot - Grün - Blau - Zyan - Grün - Rot - Gelb - Blau - Rot - Grün -
Blau - Zyan - Grün - Rot - Gelb - Blau - Zyan - Rot - Grün - Rot - Gelb - Blau -
Zyan - Grün - Rot - Grün - Rot - Gelb - Blau - Zyan

Auffällig an diesem Pulsschema sind zwei Dinge: Die starre Reihenfolge eines Farbrades wurde nicht simuliert, sondern die Sequenz auf die Bilddarstellung optimiert, aber: Die Sekundärfarbe Magenta kommt nicht vor!

Dieses Ergebnis ist einfach zu erklären: Die Ingenieure wollten mit dem Brilliant Color Modus einen besonders hellen und dennoch farbechten Modus bieten. Für unser Auge sind im überwiegenden Maße die grünen Spektralanteile für die wahrgenommene Helligkeit ausschlaggebend. In der Sekundärfarbe Magenta (Rot + Blau) befinden sich aber keine grünen Anteile, so dass diese keine große Helligkeit transportiert. Mit obigem Pulsschema ist es gelungen, die Anschaltzeit von Grün auf ein Maximum zu erhöhen, ohne Einbußen in der Farbtemperatur einzugehen.

Im Graphen oben kann man gut erkennen, wie lange die lichtfördernde Grundfarbe Grün im Verhältnis zu Rot und Blau angeschaltet ist. Auf die Simulation eines Weißsegmentes hat man aber bewusst verzichtet, was ein Beweis des Bemühens um gute Farben ist. Das Ergebnis auf der Leinwand werden wir im dritten Teil weiter dokumentieren.

5. Fazit

Der technische Aufbau des ersten LED Projektors zeigt, dass es zumindest bei SingleChip-DLP-Projektoren keine unsäglich aufwändige "Hexerei" ist, die neuartige Lichtquelle zu integrieren. Durch den Dreichip Aufbau ergeben sich diverse technische Vorteile:

- Flexible Kühlsysteme möglich

- Lange Lebensdauer

- Weniger Stromverbrauch

- Höhere Farbfrequenzen (900Hz): Kein Regenbogeneffekt

- Auf D65 optimiertes Pulsschema: Kein Kontrastverlust durch Farbkalibrierung

- Adaptive Lichtsteuerung in Echtzeit

- Simulation jeder Mischfarbe möglich (mit Brilliant Color Steuerung)

Diese Übersicht zeigt, wieviel Verbesserungspotenzial in der LED-Technik steckt. Der Vivitek 6080 / 9080 nutzt bereits einen großen Teil dieser Möglichkeiten, reizt sie aber nicht in allen Belangen komplett aus. Vor allem in der Kühlung, den Abmessungen und in der adaptiven Lichtsteuerung kann man durch weitergehende Optimierung noch wesentlich bessere Ergebnisse erzielen. Dennoch: Schon in der ersten Generation lässt der Vivitek LED Projektor die meisten seiner Single-Chip Konkurrenten mit herkömmlicher UHP-Lampe sichtbar hinter sich.

Ein neues Zeitalter beginnt...

Ihr
Cine4Home Team

6. Technische Daten (Herstellerangaben!)