Dichroitische Farbteilung (Spiegel und Prisma)

Wie trennt ein Projektor weißes Licht in Rot, Grün und Blau, ohne dabei den größten Teil davon zu verlieren?

Eine dichroitische Fläche ist eine Beschichtung aus vielen sehr dünnen Schichten, die einen Teil des Spektrums reflektiert und den Rest hindurchlässt. Sie sortiert Licht also nach Farbe, ohne es zu verbrauchen: Was nicht durchgelassen wird, verlässt die Fläche als reflektierter Strahl und lässt sich weiterverwenden. Genau darauf beruht die Farbteilung in Projektoren — und, in umgekehrter Richtung, das Wiederzusammenführen der Teilbilder.

Ein normaler Farbfilter ist wie eine getönte Scheibe: Was nicht Deine Farbe ist, bleibt darin hängen und wird zu Wärme. Ein dichroitischer Spiegel macht es anders — er wirft die eine Farbe zurück wie ein Spiegel und lässt die andere durch wie klares Glas. Nichts geht verloren, es geht nur woanders hin. Deshalb kann ein Beamer das Licht seiner Lampe in Rot, Grün und Blau aufteilen, jede Farbe einzeln bearbeiten und am Ende wieder zu einem Bild zusammensetzen, ohne dabei zwei Drittel der Helligkeit wegzuwerfen.

Ausführliche Erklärung

Das Wirkprinzip ist Interferenz an einem Schichtstapel. Auf einem Glasträger liegen abwechselnd Schichten mit hohem und niedrigem Brechungsindex, jede nur Bruchteile eines Mikrometers dick. An jeder Grenzfläche wird ein kleiner Teil des Lichts zurückgeworfen. Ob sich diese vielen Teilreflexionen verstärken oder auslöschen, hängt von der Wellenlänge und von den Schichtdicken ab — und weil das für jede Wellenlänge anders ausgeht, entsteht eine Fläche, die für einen Spektralbereich als Spiegel und für den anderen als Fenster wirkt. Wo diese Grenze liegt und wie steil sie verläuft, legt der Entwurf des Schichtstapels fest.

Im Projektor kommt dieses Bauteil an drei Stellen vor. Im Lichtweg eines Dreipanel-Geräts zerlegen dichroitische Spiegel das weiße Licht in Rot, Grün und Blau und schicken jede Farbe zu ihrem eigenen Bildwandler. Nach der Modulation führt ein Prisma mit denselben Flächen die drei Teilbilder wieder zusammen — Farbteilung und Farbvereinigung sind dieselbe Physik, nur in umgekehrter Richtung durchlaufen. Und im Einchip-Gerät sitzen dichroitische Segmente auf dem rotierenden Farbrad, das die Grundfarben zeitlich nacheinander durchlässt.

Warum es kein Filter ist

Der Unterschied zum Absorptionsfilter ist keine Feinheit, sondern der Grund für die Bauweise. Ein Absorptionsfilter wandelt den unerwünschten Anteil in Wärme um — und zwar dort, wo die ganze Leistung der Lichtquelle durch einen kleinen optischen Block läuft, also an der heißesten Stelle des Geräts. Die dichroitische Fläche lenkt denselben Anteil stattdessen um. Das hält erstens die Wärme aus dem Bauteil heraus und macht zweitens das abgezweigte Licht für den nächsten Farbkanal verfügbar. Ein Aufbau mit drei Bildwandlern gewinnt daraus seinen Wirkungsgrad: Jede Grundfarbe ist ununterbrochen im Einsatz, statt zwei Dritteln der Zeit in einem Absorber zu landen.

Die Trennkante wandert mit dem Winkel

Diese Eigenschaft begrenzt, was sich mit dichroitischen Flächen bauen lässt. Das Reflexionsspektrum einer Interferenzschicht hängt vom Einfallswinkel ab: Mit steigendem Winkel verschiebt sich die Trennkante zu kürzeren Wellenlängen. In einem Projektor fällt das Licht aber nie unter einem einzigen Winkel ein, sondern als Kegel — die Patentliteratur zur Farbteilung rechnet beispielhaft mit einem Mittelstrahl bei 30 Grad und einem Kegel von 10 Grad, also 20 bis 40 Grad Einfallswinkel über den Strahlquerschnitt. Jeder dieser Winkel sieht eine leicht andere Trennkante.

Dazu kommt, dass die Schicht bei schrägem Einfall die beiden Polarisationsrichtungen unterschiedlich behandelt. Einstellbar ist daran nichts, und genau das ist die Einordnung: Die Farbtrennung eines Geräts ist ein austariertes optisches System und keine Eigenschaft, die sich im Menü verschieben lässt. Was an Farbabweichung aus dem Lichtweg kommt, korrigiert die Bildkalibrierung im Signal — nicht in der Optik.

Häufiges Missverständnis

„Das Farbrad ist ein Satz Farbfolien." So sieht es aus, und so wird es gezeichnet. Tatsächlich sind die Segmente beschichtete Flächen, die ihre Farbe durch Reflexion des Rests erzeugen und nicht durch Schlucken. Der Unterschied ist an einem ausgebauten Rad sichtbar: Ein Segment zeigt im Durchlicht eine andere Farbe als im Auflicht, weil beide Anteile getrennt existieren. Ein echtes Farbglas zeigt beide Male dasselbe.

Nicht zu verwechseln mit

Dichroitischer Polarisator: Auch Polfilter werden dichroitisch genannt, dort aber im ursprünglichen Wortsinn — sie behandeln zwei Schwingungsrichtungen verschieden, nicht zwei Wellenlängenbereiche. Was gemeint ist, sagt der Zusammenhang. Siehe Polarisation des Lichts.
Dielektrisch: benennt das Material des Schichtstapels, während dichroitisch seine Funktion benennt. Die meisten dichroitischen Spiegel sind dielektrische Spiegel, aber nicht jeder dielektrische Spiegel trennt Farben.
Absorptionsfilter: erzeugt dieselbe Farbe im Durchlicht, verliert den Rest aber als Wärme.

Aus der Praxis

Die Farbteilung ist keine Stellgröße in einem Projekt — sie steckt im Gerät. Sichtbar wird sie erst dort, wo etwas nicht stimmt: Verändert sich die Farbe eines Geräts über die Bildfläche hinweg, ohne dass die Bildfläche selbst die Ursache ist, liegt eine Ursache im optischen Block nahe. Das ist ein Servicebefund und keine Einstellsache.

Für die Beratung nützlicher ist die Umkehrung. Wer wissen will, warum ein Dreipanel-Gerät bei gleicher Lampenleistung mehr farbige Helligkeit auf die Bildfläche bringt als ein Einchip-Gerät mit Farbrad, findet die Antwort hier: Das eine nutzt alle drei Farbanteile ununterbrochen, das andere nacheinander. Wie sich das in Zahlen niederschlägt, steht bei der Farbhelligkeit.

Verknüpfte Inhalte

Welche Farben ein Gerät überhaupt darstellen kann, ordnet der Farbraum ein; wie sich die Farbtrennung auf die Helligkeitsangaben auswirkt, steht bei der Farbhelligkeit. Warum dieselben Schichten bei schrägem Einfall auch die Schwingungsrichtung des Lichts trennen, erklärt Polarisation des Lichts. Wie dichroitische Segmente Farbrad und Prisma einer Laserphosphor-Lichtquelle bilden, steht bei der Laserlichtquelle.

Quellen

Wirkprinzip, Winkelabhängigkeit und die unterschiedliche Behandlung der Polarisationsrichtungen stammen aus einem Patent zur Farbteilung in Projektionssystemen und aus einem Enzyklopädie-Artikel zur Optik dichroitischer Spiegel. Die Angabe, dass die Segmente eines Farbrads dichroitische Filter sind, ist aus dem Bestand übernommen und in diesem Lauf nicht erneut am Dokument geprüft, weil die Fundstelle nicht mehr auflöste.

US 5 914 817 A, Thin film dichroic color separation filters for color splitters in liquid crystal display systems (1999) — Interferenzfilter als Farbteiler, Winkelverschiebung der Trennkante, Einfallskegel.
Paschotta, RP Photonics Encyclopedia, Dichroic Mirrors — Vielschicht-Interferenz, dielektrische Ausführung, Abgrenzung dichroitisch gegen dielektrisch.
Texas Instruments, DLPA022 DLP System Optics — dichroitische Segmentfolge des Farbrads.