Teardown: Wie funktionieren Laser-Beamer?

Teardown: Wie funktionieren Laser-Beamer?

Luca Fontana
Zürich, am 07.10.2019
Bilder: Manuel Wenk
RGB-Laser-Beamern gehört die Zukunft. Um dir zu erklären, warum das so ist und wie die Geräte funktionieren, haben wir einen verdammt teuren Beamer geopfert: denn Auseinandernehmen ist das Eine, wieder zusammenbauen etwas ganz Anderes.

Beamer sind ein spannendes Stück Technologie. Da ist ein Kasten. Da drin eine Lampe. Die strahlt entweder auf einen Chip oder auf einen LCD. Von dort aus geht der Lichtstrahl durch eine Linse und dann auf die Leinwand. Fertig ist die Kino-Magie.

Nur, ganz so einfach ist es nicht.

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Ging ich im obigen Artikel vor allem der Frage nach, wie das Bild in einem Beamer entsteht, möchte ich in diesem Artikel die Beleuchtungstechnik unter die Lupe nehmen. Genauer gesagt jene in einem Laser-Beamer. Anlass dazu gab mir LGs neuer Ultra-Short-Throw-Beamer.

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Den Beamer habe ich auseinandernehmen und auf LGs Firmengeheimnisse Herz und Nieren prüfen dürfen. Das habe ich ziemlich wortwörtlich genommen; mir ist es danach nicht mehr gelungen, das elende Ding wieder zusammenzubauen. Einen ausführlichen Beamer-Test wird es also nicht geben, sorry. Dafür aber wahnsinnig tolle und seltene Fotos des Innenlebens eines Laser-Beamers.

Trotz guter Laune: Projekt «Zusammenbau» ist gescheitert.
Trotz guter Laune: Projekt «Zusammenbau» ist gescheitert.

Auf geht’s.

Die Gegenwart: Laser im Beamer

Laser-Beamer sind speziell, weil sie als Lichtquelle keine gewöhnliche Lampe verwenden, sondern Laser. Keine Laser im Stile eines «James Bond jagt Dr. No», sondern dutzende, kleine Laserdioden, die zu einem einzigen, grossen Lichtstrahl gebündelt werden. Ein einziger, starker Laser könnte nämlich missbraucht werden. Oder sonst wie bei einem Unfall für Verbrennungen und Blendungen sorgen.

Dutzende Laserdioden formen ein ganzheitliches Lasermodul.
Dutzende Laserdioden formen ein ganzheitliches Lasermodul.

Im Prinzip gilt: Je mehr Dioden vorhanden sind, desto stärker das Licht. Das kommt gerade der Bildqualität in hellen Wohnzimmern zu Gute. Zudem sind die Dioden langlebiger: Eine UHP-Lampe im Beamer strahlt durchschnittlich etwa 4000 Stunden lang. Laserdioden hingegen halten um die 20 000 Stunden durch.

So sieht’s aus, wenn du die Linsenklappe aufschraubst und die Dioden freigelegt werden.
So sieht’s aus, wenn du die Linsenklappe aufschraubst und die Dioden freigelegt werden.

DLP-Laser-Beamer mit Farbrad und Phosphor

In DLP-Beamern entsteht das Bild dank dem etwa 1×1.5 cm grossen DMD-Chip. Dessen Oberfläche besteht aus Millionen mikroskopisch kleiner Spiegel, die rasterförmig angeordnet sind, sich individuell steuern lassen und je für ein Pixel stehen. Wenn das Pixel strahlen soll, wird sein Spiegel so in den Lichtstrahl gestellt, dass das Licht zur Linse reflektiert wird.

Der DMD-Chip sieht auf den ersten Blick wie ein gewöhnlicher Chip aus. Tatsächlich besteht er aus Millionen winzig kleiner Spiegel, die du von Auge nicht sehen kannst. Ähnlich wie die Pixel auf der TV-Oberfläche.
Der DMD-Chip sieht auf den ersten Blick wie ein gewöhnlicher Chip aus. Tatsächlich besteht er aus Millionen winzig kleiner Spiegel, die du von Auge nicht sehen kannst. Ähnlich wie die Pixel auf der TV-Oberfläche.

Die Farbe des Pixels kommt vom Farbrad. Denn das zunächst weisse Licht muss «eingefärbt» werden.

So sieht ein Farbrad in einem DLP-Beamer aus.
So sieht ein Farbrad in einem DLP-Beamer aus.

Das Problem bei Laser-Beamern: Laserlicht ist bläulich. Nicht, weil Dioden mit weissem Licht nicht herstellbar wären. Sie sind aber teuer in der Produktion und nicht so langlebig wie bläuliche Laserdioden.

Darum wird dem Farbrad ein Phosphor-Rad vorgeschoben: Das energiereiche blaue Laserlicht regt die Phosphorschicht zum Gelbleuchten an. Anschliessend wird das gelblich leuchtende Phosphorlicht durchs Farbrad geleitet und zusätzlich mit Rot und Grün «eingefärbt». Die Spektralanteile des blauen Laserlichts bleiben erhalten: Rotes, grünes und blaues Licht trifft auf den DMD-Chip und von da aus auf die Leinwand.

Das Zusammenspiel zwischen Phosphor-, Farbrad und DMD-Chip.
Das Zusammenspiel zwischen Phosphor-, Farbrad und DMD-Chip.
Grafik: Sven Mathis

LCD-Laser-Beamer mit dichroitischen Spiegeln

Im Prinzip funktionieren LCD-Beamer genau gleich wie LCD-Fernseher: Licht trifft von hinten auf LCD-Panels, die aus Millionen Pixeln bestehen und das Bild erzeugen. Nur, dass es im Beamer nicht ein einziger, sondern gleich drei LCD-Panels sind.

Dem LG RGB-Laser-Beamer geht’s an den Kragen.
Dem LG RGB-Laser-Beamer geht’s an den Kragen.

Jedes der drei LCD-Panels steht für eine Grundfarbe: Rot, Grün oder Blau. Das Licht, das von hinten aufs LCD trifft, hat die jeweils gleiche Farbe wie das Panel selbst. Bei LCD-Beamern wird das Licht aber nicht eingefärbt, sondern zuvor in seine Spektralanteile gespalten: Weisses Licht besteht nämlich aus den Farben Rot, Grün und Blau. Gespalten wird das Licht von dichroitischen Spiegeln. Diese können ausgewählte Spektralanteile – etwa nur Rot, oder nur Grün – spiegeln oder durchlassen.

Nur: Das Problem mit Laserlicht ist bei LCD-Beamern dasselbe wie bei DLP-Beamern – es ist anfangs blau. Darum wird auch hier ein Phosphor-Rad eingesetzt, um es in ein nicht ganz so reines Weiss umzuwandeln.

Ein LCD-Beamer mit dem vorgeschobenen Phosphor-Rad (gelber Balken).
Ein LCD-Beamer mit dem vorgeschobenen Phosphor-Rad (gelber Balken).
Grafik: Luca Fontana

Oben: Das Phosphor-Rad vor dem Lasermodul wird vom blauen Laser angestrahlt, das Phosphor zum leuchten gebracht und so das blaue Licht in gelbliches Licht umgewandelt. Dann «spalten» dichroitische Spiegel – die schrägen, türkisfarbenen Balken in der Grafik – Rot und Grün aus dem gelblichen Licht, während das Laser-Blau direkt zum LCD-Panel gespiegelt wird.

Unten: Der Blick aufs Lasermodul, das direkt auf den dichroitischen Spiegel strahlen würde, wenn es eingeschaltet wäre. Was hier fehlt, ist das Phosphor-Rad. Das liegt daran, dass das Foto vom RGB-Laser-Beamer stammt, wo kein Phosphor-Rad mehr nötig ist. Dazu später mehr.

Weil der dichroitische Spiegel freigelegt ist, gelangt Licht von allen Seiten auf ihn und wird in seine Spektralanteile gespalten. Darum siehst du alle möglichen Farben rundherum schimmern, obwohl gar kein Laser eingeschaltet ist. Hammer.
Weil der dichroitische Spiegel freigelegt ist, gelangt Licht von allen Seiten auf ihn und wird in seine Spektralanteile gespalten. Darum siehst du alle möglichen Farben rundherum schimmern, obwohl gar kein Laser eingeschaltet ist. Hammer.

Zum Schluss gehen alle Lichtstrahlen durch ein Prisma – das türkisfarbene «X» in der Grafik oben. Im Prisma wird das rote, grüne und blaue Bild zu einem einzigen, farbigen Bild zusammengesetzt. Von dort an geht’s via Linse zur Leinwand.

Ein Blick auf den Spiegel, der das vom Prisma zusammengesetzte Bild zur Linse spiegelt.
Ein Blick auf den Spiegel, der das vom Prisma zusammengesetzte Bild zur Linse spiegelt.

Einen Nachteil haben Laser betriebene DLP- und LCD-Beamer: Nur die Farbe Blau kommt direkt vom Laser. Rot und Grün gibt’s erst in Verbindung mit Phosphor. Würdest du ein Diagramm des vom Beamer erzeugten Bildes mit seinen unterschiedlichen Spektralanteilen machen, sähe das etwa so aus:

Auf der X-Achse die Wellenlänge der entsprechenden Farben. Je grösser die Kurve, desto grösser der Spektralanteil der jeweiligen Wellenlänge.
Auf der X-Achse die Wellenlänge der entsprechenden Farben. Je grösser die Kurve, desto grösser der Spektralanteil der jeweiligen Wellenlänge.
Grafik: Luca Fontana

Oben: Die blauen Anteile sind zahlreich und vor allem schmalbandig. Optisch gesehen ergibt das ein sehr reines und intensives Blau. Grün und Rot hingegen sind breitbandig und dadurch deutlich blasser.

Um ein SDR-Bild darzustellen, ist das kein Problem. Die meisten Laser-Beamer korrigieren das Rot-Grün-Manko mit einer leistungsfähigen Color-Management-Software. Soll ein HDR-Bild dargestellt werden – also ein Bild mit erhöhten Farbräumen, die in ein kontrastreicheres Bild resultieren mit natürlichen Farben –, wird’s schwieriger. Darum sind HDR-fähige Laser-Beamer auch so selten.

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Die nahe Zukunft: RGB-Laser-Beamer

RGB-Laser-Beamer verwenden nicht ein Laser-Modul mit bläulichem Laserlicht, sondern gleich deren drei: Zwei blaue und ein rotes Modul. Eine «G-Refiner»-Linse vor einem der beiden blauen Module wandelt blaues Licht in grünes um.

Im RGB-Laser-Beamer LGs mit seinem DMD-Chip sieht das schematisch so aus:

Beim RGB-Laser-DLP-Beamer gibt's drei Laser-Module statt nur einen
Beim RGB-Laser-DLP-Beamer gibt's drei Laser-Module statt nur einen
Grafik: Sven Mathis

In der Praxis? So hundertprozentig sicher, wo die jeweiligen Laser-Dioden genau sitzen, bin ich mir nicht. Die Ingenieure, die das wüssten, hocken wohl in Südkorea, wo die Beamer gebaut oder wenigstens entworfen werden.

Meine Theorie erkläre ich dir gleich. Zuerst aber der Anblick, der sich mir beim Aufschrauben geboten hat:

Von oben und von rechts strahlen die beiden blauen Module. Von oben links strahlt das rote Laser-Modul.
Von oben und von rechts strahlen die beiden blauen Module. Von oben links strahlt das rote Laser-Modul.

Meine Vermutung ist, dass die zwei blauen Laser-Module oben rechts und seitlich rechts sitzen. Also dort, wo das Licht bläulich und orange schimmert. Die Linse, die sich vor den seitlichen rechten Dioden befindet, ist grösser als die anderen Linsen. Darum vermute ich, dass das die G-Refiner-Linse ist, die blaues Laserlicht in Grün umwandelt. Dass Orange im Bild rührt wohl daher, dass ich den Deckel entfernt habe: Darum bricht die Linse Umgebungslicht, das dort normalerweise nicht vorhanden ist.

Oben links müssten demnach die roten Laserdioden sitzen. Beim grün-schimmernden dichroitischen Spiegel würden alle drei Lichtstrahlen aufeinandertreffen und von dort aus richtung DMD-Chip gespiegelt werden – so meine Theorie.

Ein extrem seltener Blick ins Innere eines RGB-Laser-Beamers. Vielleicht sogar der einzige, den du momentan im gesamten Internet finden wirst.
Ein extrem seltener Blick ins Innere eines RGB-Laser-Beamers. Vielleicht sogar der einzige, den du momentan im gesamten Internet finden wirst.

Ob ich richtig liege, kann ich nicht nachprüfen. Dafür müsste ich den Beamer mit Strom versorgen und einschalten. Keine Ahnung, ob das eine gute Idee ist bei freiliegenden Lasern.

Funktionieren würde der Beamer ohnehin längst nicht mehr: Um ans Innere der Lichtweg-Architektur zu kommen, musste ich Gewalt an Orten anwenden, wo du bei einem Beamer definitiv keine Gewalt anwenden solltest. Beim Kühlkörper zum Beispiel. Auf dem Bild unten siehst du ihn oben rechts – ein gerilltes Kästchen mit kupfernen Verbindungen.

Oben rechts: der Kühlkörper für die Laserdioden.
Oben rechts: der Kühlkörper für die Laserdioden.

Mittlerweile ist der Kühlkörper im Kühlkörper-Himmel. Videoproducer Manu war er beim Schiessen des nächsten Fotos im Weg – zusammen mit den beiden Laser-Modulen, die an dieser Stelle durch die Linsen strahlen würden.

Hier würden eigentlich zwei Laser-Module durch die Linsen strahlen.
Hier würden eigentlich zwei Laser-Module durch die Linsen strahlen.

Letztere mussten wir sowieso rausschrauben, um die Dioden separat fotografieren zu können. Der Kühlkörper versperrte aber den Weg zu den Schrauben. Also musste er weg. Du siehst: Was wir tun, tun wir im Namen der Wissenschaft. Nicht aus Freude an der Zerstörung.

Aber falls du anhand der obigen Bilder bezüglich Funktionsweise eine andere Vermutung hast als ich, dann schreib’ sie in die Kommentare. Fall du’s sogar ganz genau weisst, können wir ja zusammen eine Folgeartikel schreiben.

Laser-Modul und DMD-Chip nebeneinander.
Laser-Modul und DMD-Chip nebeneinander.

Was ich hingegen sicher sagen kann: Dank den zwei zusätzlichen Modulen braucht es keine Phosphor-Schicht oder Farbrad mehr, wie es bei DLP-Beamern üblich ist. So sind Rot und Grün im RGB-Beamer-Bild genauso rein wie Blau. Dadurch werden deutlich grössere Farbräume möglich als bei anderen Beamern. Dazu entfällt der bei DLP-Beamern übliche Regenbogen-Effekt in schnellen Actionszenen.

Technologie auseinandernehmen: Geiler Scheiss

Was du hier oben gesehen hast, sind äusserst seltene Bilder des Innenlebens eines Beamers. Vielleicht sogar einzigartige. Einen ausführlichen Test hätte ich wohl lieber vorher gemacht, ich Hirni, denn das Ding zusammenzubauen ist… schlichtweg unmöglich.

Das Gehäuse wegnehmen ist der einfache Part. Erst danach wird’s richtig schwierig.
Das Gehäuse wegnehmen ist der einfache Part. Erst danach wird’s richtig schwierig.

Trotzdem würde ich sagen, dass sich die Übung gelohnt hat. Meine Frage an dich lautet: Was soll ich als nächstes auseinandernehmen nachdem ich es getestet habe? Willst du überhaupt mehr solche Artikel? Falls ja, will ich schauen, was sich machen lässt. Nicht alle Hersteller lassen mich eines ihrer Premium-Produkte in seine Einzelteile zerlegen.

Aber Fragen kostet ja nichts.

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Luca Fontana
Luca Fontana
Editor, Zürich
Abenteuer in der Natur zu erleben und mit Sport an meine Grenzen zu gehen, bis der eigene Puls zum Beat wird — das ist meine Komfortzone. Zum Ausgleich geniesse ich auch die ruhigen Momente mit einem guten Buch über gefährliche Intrigen und finstere Königsmörder. Manchmal schwärme ich für Filmmusik, minutenlang. Hängt wohl mit meiner ausgeprägten Leidenschaft fürs Kino zusammen. Was ich immer schon sagen wollte: «Ich bin Groot.»

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