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LCD-Backlight-Technologien

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

1.1. Displaytypen

Abhängig von der Größe, Typ und Verwendung eines LCD-Displays kommen unterschiedliche Verfahren zur Hintergrundbeleuchtung zum Einsatz.

Transmissive Displays

Am weitesten verbreitet sind Transmissive Displays. Hier ist eine Lichtquelle (Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen, LEDs, Elektrolumineszenzfolie) hinter dem Display angebracht. Das abgestrahlte Licht durchleuchtet das LCD-Display nur von hinten. Transmissive Displays lassen sich in geschlossenen Räumen hervorragend ablesen. Im Freien verblasst es jedoch aufgrund des Auflichts.

Reflektive Displays

Ein Reflektives Display nutzt das Umgebungslicht. Das Licht passiert das Display und wird von einem hinter dem Display befindlichen Spiegel zurückgeworfen. Reflektive Displays sind zwar einfach und kostengünstig in der Herstellung, lassen sich aber nur bei hellem Licht ablesen. Im Dunkeln ist ein Ablesen nicht möglich. Daher werden Reflektive LCD-Displays oft mit einem im Rahmen untergebrachten Frontlicht ausgestattet.

Transflektive Displays

Transflektive Displays haben ein eingebautes Backlight und nutzen zusätzlich das Umgebungslicht. Das Backlight-Licht passiert einen halbtransparenten Spiegel und beleuchtet das Display von hinten. Das Umgebungslicht passiert das Display, wird vom Spiegel reflektiert und beleuchtet das Display zusätzlich von hinten.
Transflektive Displays sind ein Kompromiss aus dem transmissiven und reflektiven Beleuchtungsverfahren und erlauben eine relativ gute Ablesbarkeit des Displays unter allen Lichtverhältnissen. Es erreicht bei viel Umgebungslicht nicht die Helligkeit eines rein Reflektiven Displays und bei wenig Umgebungslicht nicht die Helligkeit eines Transmissiven Displays.

Abb. 1: Displaytypen
Abb. 1: Displaytypen

1.2. Backlight-Typen

Die verschiedenen Backlight-Typen unterscheiden sich in der Konstruktionsweise der Lichtführung und bei den verschiedenen Leuchtmitteln.
Bei punktförmigen Lichtquellen, wie z.B. einer Xenonlampe in einem Projektor, wird das Licht in eine der Stirnseiten eines Lichtleiters aus Glas oder Kunststoff eingekoppelt. Der Lichtleiter verteilt das Licht auf die gesamte Fläche des Backlights.
Für sehr kleine Displays werden oft Flächenstrahler wie Elektrolumineszenzfolien oder Polymer-OLEDs (P-OLEDs) eingesetzt.
Mittelgroße LCD-Displays werden meist mit weißen LEDs, die sich am Displayrand ("Edge Backlight", siehe dort) befinden, beleuchtet. Die Verteilung des Lichts über die Displayfläche übernimmt eine Lichtverteilerplatte.
Für große LCD-Displays, z.B. für Computer-Monitore oder TV-Geräte, werden Kaltkathodenröhren oder LEDs als Lichtquellen verwendet. Diese befinden sich in einer Wanne, die speziell ausgeformt sein kann. Eine Beschichtung im Inneren der Wanne reflektiert das nach hinten und radial seitlich austretende Licht und erhöht somit die Lichtausbeute.

Eine Weiterentwicklung des LED-Backlights mit weißen LEDs ist das Backlight mit blauen LEDs und Quantenpunkt-Lichtkonverter. Quantenpunkte erhöhen die Effizienz und optimieren das Lichtspektrum.

2. Backlight mit Elektrolumineszenzfolie

Bei kleinen LCD-Anzeigen, wie bei MP3-Playern oder Anzeigen im Armaturenbrett eines Autos, kommen häufig Elektrolumineszenzfolien (auch Leucht- oder Lichtfolie genannt) zum Einsatz. Ihr großer Vorteil ist ihre Robustheit, Langlebigkeit und geringe Leistungsaufnahme. Nachteilig ist die geringe Lichtausbeute.

Abb. 2: Display eines MP3-Players
Abb. 2: Display eines MP3-Players

Eine Leuchtfolie besteht aus zwei leitenden Schichten (Elektroden) zwischen denen sich, elektrisch isoliert, ein elektrolumineszentes Material befindet. Eine Elektrode ist lichtdurchlässig und besteht meist aus mit ITO (Indiumzinnoxid) beschichteter Kunststofffolie. Die zweite Folie ist metallisch bedampft und reflektiert das Licht. Die Gesamtdicke der Leuchtfolie liegt unter 1mm.
Bei dem elektrolumineszenten Leuchtstoff handelt es sich meist um Zinksulfid, einen II-VI-Verbindungshalbleiter, der mit verschiedenen Metallen wie Mangan (ZnS:Mn), Gold, Silber, Kupfer oder Gallium dotiert ist.

3. Backlight mit Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (Kaltkathodenröhren)

Hintergrundbeleuchtungen mit Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (Cold Cathode Fluorescent Lamp (CCFL))  sind jahrelang der Standard bei LCD-TV-Geräten und bei Computer-Monitoren gewesen. Da sie aus ökologischer Sicht nicht unbedenklich sind und aufgrund des technischen Fortschritts werden sie in Geräten des mittleren und höheren Preisgefüges allerdings zunehmend von LED-Hintergrundbeleuchtungen verdrängt.

Ein CCFL-Backlight besteht aus 14 bis 16 Leuchtröhren, die von einem Inverterbaustein (Netzteil mit Spannungsaufstockung) versorgt werden. Die Leistungsaufnahme ist abhängig von der Bildschirmgröße. Bei einem 27"-Panel liegt sie bei ca. 90W, bei 42"-Panels über 150W.

Abb. 3: Hintergrundbeleuchtung mit CCFL
Abb. 3: Hintergrundbeleuchtung mit CCFL

Die CCFLs befinden sich in einer Kunststoffwanne, die innen meist beschichtet ist.  Um die Wärme gut abzuführen und um die Lichtausbeute zu erhöhen, ist die Wanne ausgeformt.  Ein LCD-Panel sollte  immer senkrecht betrieben werden um die Konvektion sicherzustellen. Ein horizontaler Betrieb, z.B. an der Zimmerdecke über einem Bett, kann zu einem Hitzestau führen, der die Röhren vorzeitig altern lässt.
Um ein möglichst homogenes Lichtfeld zu erhalten, befindet dich zwischen den CCFLs und dem LCD-Display sich eine Diffusorscheibe aus einem transparenten weißen Kunststoff.
Mit CCFL-Backlights erreichen LCD-Panels eine Leuchtdichte von 500 bis 600 cd/m2.

Funktionsprinzip von Kaltkathodenröhren

Kaltkathodenröhren sind dünne, bei niedrigem Druck mit Quecksilberdampf und Edelgasen gefüllte Glasrohre, in deren Enden in der ungeheizte Elektroden eingelassen sind. Beim Anlegen einer hohen Spannung wird das Gas zum Leuchten angeregt. Hierbei stoßen beschleunigte Elektronen mit den Atomen des Quecksilberdampfes zusammen und geben Energie an das Quecksilberatom ab. Das Quecksilberatom wiederum gibt die aufgenommene Energie als UV-Strahlung ab.
Eine aus einer Phosphormischung bestehende Schicht auf der Innenseite des Gasrohres wandelt die für den Menschen unsichtbare UV-Strahlung in sichtbares weißes Licht um.
(Anmerkung: Die Lichterzeugung durch Gasentladung ist im Artikel "Plasma Displays" detaillierter beschrieben).

Abb. 4: Funktionsweise von CCFL
Abb. 4: Funktionsweise von CCFL

Ansteuerung

Kaltkathodenröhren benötigen wie Glimmlampen eine hohe Zündspannung. Hat sich nach der Zündung (ca. 1 Sekunde) der Strom durch die Röhre stabilisiert, wird die angelegte Spannung auf die Brenn- oder Arbeitsspannung reduziert. Eine zu hohe Brennspannung oder ein zu hoher Strom durch die Röhre bewirkt eine Lichtbogenentladung und zerstört die Lampe.
Um eine gleichmäßige Lichtverteilung in der Röhre zu erhalten, darf eine CCFL nur mit einer symmetrischen Wechselspannung hoher Frequenz betrieben werden. Um ein Flimmern oder eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung auf dem Bildschirm zu vermeiden müssen die Betriebsbedingungen der CCFLs einer Hintergrundbeleuchtung sehr stabil gehalten werden. Daher wird die Betriebsspannung und der Strom durch alle Röhren auf dem Inverterboard überwacht.
Die detaillierte Funktionsbeschreibung eines Inverterboards finden Sie hier.

Abb. 5: Arbeitskennlinie von CCFL
Abb. 5: Arbeitskennlinie von CCFL

Dimmen

Bedingt durch die Funktionsweise von LCD-Displays kann bei einer gesperrten LCD-Zelle ein gewisses Maß an Licht durchsickern. Dieses macht sich besonders in einer dunklen Raumumgebung als Einschränkung des Schwarzwertes negativ im Bildeindruck bemerkbar. Ein Zurücknehmen der Stärke der Hintergrundbeleuchtung durch Dimmen des LCD-Displays kann den Schwarzwert verbessern.
Das Dimmen des Displays kann durch eine Reduzierung des Stromes durch die CCFL (uneffektiv, Abb. 6 links) oder eine Überlagerung der Brennwechselspannung (40-150 kHz) mit einer niederfrequenten PWM (100-500 Hz, Abb. 7 rechts) vorgenommen werden.

Abb. 6 und 7: Dimmen von CCFL
Abb. 6 und 7: Dimmen von CCFL

Die Alterung von CCFLs

CCFLs haben eine hohe Lebensdauer von bis zu 20.000 Stunden. Je nach Bauart der Röhre verschlacken zuerst die Elektroden (Sputter-Bildung) weil sie chemisch mit dem Quecksilber oder dem Edelgas reagieren oder es verschleißt die Phosphorschicht. Eine CCFL wird als verbraucht angesehen, wenn die Leuchtkraft auf 50% der ursprünglichen Wertes abgefallen ist.

CCFLs sind ökologisch als bedenklich einzustufen, da die Röhren Quecksilber enthalten, das bei einer Zerstörung der Röhre in die Umwelt gelangen kann. Daher sind alte CCFLs bzw. LCD-Panels als Sondermüll zu behandeln und vorschriftmäßig zu entsorgen.

Abb. 8: Alterung von CCFLs
Abb. 8: Alterung von CCFLs

Prinzipielle Ansteuerung des CCFL-LCD-Panel in einem TV-Gerät

Ein typisches TV-LCD-Panel besteht aus dem LCD-Display mit der Hintergrundbeleuchtung, der Treiberelektronik und dem Inverter. Alle Komponenten sind auf einem Rahmen aus Stahlblech montiert. Abschirmbleche unterdrücken Störstrahlung, z.B. vom Inverter, in signalverarbeitende Stufen.
Das LCD-Panel ist über Steckverbindungen mit der Signalplatine und  mit dem Hauptnetzteil verbunden. Eine LVDS-Verbindung überträgt ein digitales RGB-Signal vom Ausgangstreiber des Image-Prozessors zum LCD-Panel. Das Bildformat ist immer der physischen Auflösung des LCD-Panel angepasst.

Abb. 10: Prinzipbild Ansteuerung eines LCD-Panels mit CCFL
Abb. 10: Prinzipbild Ansteuerung eines LCD-Panels mit CCFL

Auf der Treiberplatine des Panels werden die Ansteuersignale für die X- und Y-Treiberstufen erzeugt. Da die Helligkeit jedes Pixels abhängig von der Spannung über die jeweilige LCD-Zelle ist, muss das digitale Videosignal in analoge Spannungen umgewandelt werden. Eine komplexe Timingsteuerung gewährleistet eine exakte Adressierung jedes Pixels.
Der Inverter erzeugt die Betriebsspannung für die Kaltkatoden-Fluoreszenz-Lampen (CCFL) der Hintergrundbeleuchtung. Die Betriebsspannung U_BKL aus dem Hauptnetzteil liefert den gesamten Strom für die Lampen (z.B. bei 24V ca. 6A). Sie wird vom Inverter auf bis zu 2500V aufgestockt. Die Frequenz der Lampenspannung liegt, abhängig vom Typ des LCD-Panels, zwischen 40kHz und 150kHz.
Bei einigen LCD-Panels ist die Hintergrundbeleuchtung dimmbar. Hierfür erzeugt der Systemcontroller eine Pulsweitenmodulation (DIM-PWM) mit variablen Tastverhältnis (Duty Cycle). Dieses Signal wird zum Inverter-Baustein auf dem LCD-Panel durchgeschleift.
Mit dem Signal PWR_ON vom Systemcontroller werden die Betriebsspannungen für die Treiberplatine und die Hintergrundbeleuchtung ein- bzw. ausgeschaltet.

4. LED-Backlight

4.1. Entwicklung und Vorteile

Bis etwa 2007 scheiterte die Verwendung von LEDs als Ersatz von CCFL an den Kosten der Herstellung. Weil die Toleranzen auch innerhalb einer Fertigungscharge relativ groß sind, müssen die Leuchtdioden für eine gleichmäßig farbneutrale Hintergrundbeleuchtung selektiert werden. Schon für relativ kleine Schirme benötigt man eine hohe Anzahl von Leuchtdioden. In einem Notebook mit 12-Zoll-Display und seitlich angebrachten LED-Zeilen (Edge Backlight) kommen bis zu 50 LEDs zum Einsatz. Neue Verfahrensweisen und Werkstoffe haben aber den Markt für LED-Backlight geöffnet und lassen nun die Vorteile einer LED-Hintergrundbeleuchtung zur Geltung kommen.

Abb. 11: Farbräume von Displays mit CCFL- und LED-Backlight
Abb. 11: Farbräume von Displays mit CCFL- und LED-Backlight

Neben den ökologischen Vorteilen, dass LED-Backlights kein Quecksilber enthalten (dafür aber Gallium und Arsen), die Leistungsaufnahme wesentlich geringer ist (ca. 40% eines CCFL-Backlights) und eine längere Lebensdauer haben, machen LCD-Bildschirme auch einen besseren Bildeindruck.
Insbesondere zusammen mit der Local Dimming-Technologie haben LCD-Bildschirme mit LED-Backlight einen wesentlich höheren Kontrast und bessere Schwarzwerte. Auch der Farbumfang (Gamut) nimmt zu.
Das von CCFLs erzeugte Licht ermöglichte eine annähernde Widergabe des sRGB-Farbraums, wobei die Grün- und Gelbtöne benachteiligt wurden. Zudem ist das Weiß einer CCFL aus Licht vieler Wellenlängen zusammengesetzt. Für eine exakte Darstellung aller Farben sind aber die präzise Wellenlängen der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau erforderlich. Die Farbfilter des LCD-Displays müssen daher sehr schmalbandig sein, was bedingt durch das Farbspektrum einer CCFL die Farbsättigung eingeschränkt.
Die LEDs einer LED-Hintergrundbeleuchtung hingegen sind exakt auf die Wellenlängen der Primärfarben abgestimmt, sodass ein Farbumfang erreicht werden kann, der mehr als den NTSC-Farbraum abdeckt. Somit können LED-Backlights auch in (Profi-) Displays eingesetzt werden, die erweiterte Farbräume wie Adobe-RGB darstellen können. In Consumer-Geräten (Computermonitore, TV), wo immer im sRGB-Farbraum gearbeitet wird, bewirkt ein LED-Backlight brillantere Farben und eine gering verbesserte Grüngelb-Wiedergabe.

Zusatzinfo:
In der CE-Industrie wird normalerweise immer der sRGB-Farbraum verwendet. Dieser ist aber zu klein um erweiterte Farbräume zu beschreiben. Daher wird oft in der Beschreibung der Abbildungsleistung eines Displays ein Bezug zum größeren NTSC-Farbraum genommen. So deckt z.B. sRGB 72% des NTSC-Farbraums ab und LCD-Bildschirme mit LED-Backlight können theoretisch 114% des NTSC-Gamuts umfassen.

4.2. LED-Backlight-Typen

Generell kann man vier Typen von LED-Hintergrundbeleuchtungen unterscheiden:

Abb. 12: Double Dome-LED (Quelle: Sharp)
Abb. 12: Double Dome-LED (Quelle: Sharp)
  • Licht aus weißen LEDs. Weiße Single-Chip-LEDs liefern allerdings nur blaues und gelbes Licht, was zu einem unnatürlichen Farbeindruck führen kann. Bei LEDs einiger Hersteller harmonisieren zusätzliche grüne und rote Leuchtstoffe das Farbspektrum
  • ermischtes Licht aus Zellen mit roten, grünen und blauen LEDs
  • OLEDs als Flächenstrahler (z.Zt. noch begrenzt auf Kleinstdisplays von Mobilgeräten)
  • Licht aus blauen LEDs mit Quantenpunktröhren oder Quantenpunktfolien als Farbkonverter
Abb. 13: Double Dome-LED-Modul (Quelle: Sharp)
Abb. 13: Double Dome-LED-Modul (Quelle: Sharp)

4.3. Bauformen

Bei aktuellen LED-Fernsehbildschirmen werden zwei Konstruktionsprinzipien eingesetzt.

Edge Backlight

Bei Edge Backlight sind die LEDs am oberen und unteren Rand oder seitlich am LCD-Panel befestigt. Lichtverteilerplatten mit Mikrogravuren oder aufgedruckten Diffusionsmustern sollen für ein diffuses und gleichmäßiges Licht auf der ganzen Anzeigefläche sorgen, was bei größeren Bildschirmen zu Problemen führen kann. Vorteilhaft von Edge Backlight ist die geringe Gehäusetiefe von wenigen Millimetern.

Abb. 14: Edge-Backlight mit je 72 LEDs am oberen und unteren Displayrand (Quelle: Sharp)
Abb. 14: Edge-Backlight mit je 72 LEDs am oberen und unteren Displayrand (Quelle: Sharp)
Abb. 15: Schnitt durch ein Edge-Backlight
Abb. 15: Schnitt durch ein Edge-Backlight

Direct-LED (Full-LED)

Bei Direct-LED sind eine große Anzahl von LEDs hinter dem LCD-Display über die gesamte Bildfläche verteilt. Eine Diffusorscheibe mit Mikrolinsen oder Mikro-Lasergravur verteilt das Licht gleichmäßig. Zusammen mit dem Local Dimming-Verfahren lässt sich bei Direct-LED-Bildschirmen eine sehr hohe Kontrastwirkung erzielen.

Abb. 16: Direct-LED-Backlight (Quelle: Sharp)
Abb. 16: Direct-LED-Backlight (Quelle: Sharp)
Abb. 17: Schnitt durch ein Full-LED-Backlight
Abb. 17: Schnitt durch ein Full-LED-Backlight

LED-Backlight mit Quantenpunktkonverter

(Kurzbeschreibung, mehr Informationen im Artikel "Quantenpunkt-Displays")
Die zur Zeit als Quantenpunkt (Quantum Dot) -Displays angepriesenen Bildschirme sind prinzipiell LCD-Displays ganz konventioneller Bauweise. Um die Vorzüge eines Quantenpunkt-Displays zu erzielen wird lediglich die Hintergrundbeleuchtung modifiziert.Hierbei werden rote und grüne Quantenpunkte mit Licht aus blauen  LEDs bestrahlt und angeregt. Dabei wandeln sie einen Teil des blauen Lichts in rotes bzw. grünes Licht. Zusammen mit einem Anteil von direktem blauen Licht ermischt sich so ein vom Spektrum her optimales weißes Licht. Derzeit kommen dabei zwei Konstruktionsweisen zum Einsatz:

  • Blaue LEDs mit Glasröhren in denen sich Quantenpunkte in einer transparenten Matrix befinden (Color IQ von QD Vision). Dieses Prinzip wird bei Displays mit Edge Backlight angewendet.
Abb. 18: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktrohr
Abb. 18: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktrohr
  • Blaue LEDs mit einer Quantenpunktfolie (QDEF = Quantum Dot Enhancement Film von 3M / nanosys).
    Bei dieser Konstruktionsweise befinden sich die Quantenpunkte in der Mittellage einer dreischichtigen Folie. Die Quantenpunktfolie kann leicht in bestehende Direct-LED-Displaykonstruktionen integriert werden indem sie in den Stapel der optischen Folien eingefügt wird. Da die Quantenpunktfolie auch lichtstreuende Eigenschaften hat, kann sie zugleich eine Diffusorfolie ersetzen.
Abb. 19: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktfolie
Abb. 19: Funktionsweise eines Backlights mit Quantenpunktfolie

Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise von Quantenpunkten und weitergehende Informationen zu Quantenpunkt-Displays finden Sie im Artikel "Quantenpunkt-Displays".

Local Dimming

Zur Erhöhung des Kontrasts können eine bestimmte Anzahl ("Cluster") von LEDs gruppenweise in der Helligkeit gesteuert werden (Local Dimming = lokales Abdunkeln). So wird die Hintergrundbeleuchtung in mehrere Hundert Bereiche aufgeteilt. Aus der Helligkeitsinformation des Bildinhaltes wird eine Steuerinformation (PWM) für den Bereich des Bildes, das eine LED-Gruppe beleuchtet, abgeleitet und als Steuerinformation dem Treiber-IC der LED-Gruppe zugeführt. Entsprechend dem Bildinhalt wird so die lokale Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung angepasst und das Bild erscheint kontrastreicher.

Abb. 20: Direct-LED-Bildschirm mit Local Dimming
Abb. 20: Direct-LED-Bildschirm mit Local Dimming

4.4. Treiberschaltungen für LED-Backlights

Die Ansteuertechnik von LED-Backlights ist im Artikel "Treiberschaltungen für LED-Backlight" beschrieben.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] Farbfläche: Lizenz: Public Domain, Quelle: "CIE1931xy blank" by BenRG 
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE1931xy_blank.svg#mediaviewer/File:CIE1931xy_blank.svg

[2] Foto "Double Dome-LED", Quelle: Sharp "LED Full Backlight LE600.ppt" (Schulungsdokumentation), Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

[3] Foto "Double Dome-LED-Modul", Quelle: Sharp "LED Full Backlight LE600.ppt" (Schulungsdokumentation), Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

[4] Foto "Edge-Backlight ...", Quelle: Sharp "LED Full Backlight LE600.ppt" (Schulungsdokumentation), Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

[5] Foto "Direct-LED-Backlight", Quelle: Sharp "LED Full Backlight LE600.ppt" (Schulungsdokumentation), Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

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