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Osram Semiconductor

Um ein zweidimensionales Fernsehbild räumlich zu erleben, braucht der Mensch beide Augen. Sie nehmen Gegenstände aus verschiedenen Blickwinkeln wahr und liefern zwei unterschiedliche Bilder eines Objekts an das Gehirn. Dieses setzt dann beide zu einem Bild mit Tiefenwirkung zusammen.
Für die 3D-Technik sind deshalb immer zwei Kameras nötig, die das Bild aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufzeichnen. Beide „Halbbilder“ werden dann an das Fernsehgerät übertragen und dann zeitlich nacheinander dargestellt. Eine sogenannte Shutter-Brille sorgt anschließend beim Betrachter dafür, dass die Bilder der ersten Kamera von dem einen Auge und die Bilder der zweiten Kamera vom anderen Auge wahrgenommen werden.

Scharfe und realsitische Bilder

Durch den Einsatz von LEDs als Backlight haben die LCD-Fernseher, oft fälschlich als LED-Fernseher bezeichnet,einen Quantensprung in der Bildwiedergabe gemacht. Dabei kommen als Backlight zwei Verfahren zum Einsatz, die Direktbeleuchtung mittels großflächig angeordneten bis zu 1000 LEDs oder Edge-Light. Bei Edge-Light emittieren LEDs das Licht von der Seite her in eine Lichtleiterplatte hinter dem LCD. Die LEDs können je nach Helligkeitsanforderung, Layout und Bauteilspezifikation an ein bis vier Seiten angebracht sein und koppeln ihr Licht so in die Kanten des Lichtleiters ein. Das ermöglicht die heute so gefragten dünnen Flachfernseher auf LCD-Basis.

Die digitale Augenklappe

Speziell auf die „Shutterglass“-Technologie soll näher eingegangen werden: Hier werden die Halbbilder nicht mehr wie früher eingefärbt oder wie aktuell im Kino mit einer Polarisation versehen, sondern einfach hintereinander gesetzt bzw. alternierend dargestellt. So wechseln sich die Bilder bzw. Blickwinkel in Sekundenbruchteilen ab. Shutterbrillen enthalten LCD-Gläser, die abwechselnd für jedes Auge schnell zwischen durchsichtig und undurchsichtig umschalten. Während das eine Auge also das Fernsehbild einen kurzen Moment sieht, ist das andere kurzzeitig blind. Das passiert so schnell, dass für den Betrachter ein flüssiges, störungsfreies Bild entsteht, das dreidimensional wahrgenommen wird. Um im richtigen Moment abzudunkeln, kommuniziert der Fernseher mit der Brille via Infrarotlicht. Infrarotlicht emittierende Dioden, kurz IR-LED, die im Fernsehgerät verbaut sind, synchronisieren die Brille mit dem Fernsehbild.
Diese Dioden zeichnen sich durch kurze Ansprechzeiten, sowie ihre geringe Baugröße aus. Sie müssen Höchstleistungen vollbringen, um im 200-Hz- bis 600-Hz-Bereich im richtigen Moment das Signal zum Abdunkeln der Brillengläser zu liefern. In der Brille hingegen sind ein bis zwei Silizium-Fotodioden integriert, die das optische Signal der IR-LED in elektrische Signale umsetzen und so das Umschalten der LCD-Gläser steuern.
Der schnelle Wechsel der Blickwinkel wird nicht zuletzt durch die hohen Wiederholungsraten moderner LCD-TV-Geräte möglich. Bei 100 bis 600 Einzelbildern (Frames) pro Sekunde (100 Hz…600 Hz) können Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln problemlos hintereinander gesetzt werden, ohne den flüssigen Bildablauf zu stören. Menschen können ab rund 25 Hz keine einzelnen Aufnahmen mehr unterscheiden. Das Gehirn verarbeitet sie daher zu einem fließenden Bild-zu-Bildablauf.

LED-Licht macht die Sicht perfekt

Doch müssen 3D-Fernsehgeräte mehr leisten können als den schnellen Bildwechsel. Das Zusammenspiel von Brille und Fernseher benötigt eine besonders leistungsstarke Hinterleuchtung der LCD-Bildschirme.
Durch die Shutterbrille kommt nur ein Teil der Ausgangshelligkeit des Displays beim Betrachter an, nahezu 50 Prozent werden durch die Polarisation der Brille geschluckt. Die Flüssigkristallgläser der Brille absorbieren auch im lichtdurchlässigen Zustand zusätzlich noch fünf bis zehn Prozent des Lichts. Bei den Spezialbrillen gibt es überdies unterschiedliche Systeme: Einige, die während des ganzen Frames offen sind, andere, die schon nach der halben Zeit wieder abdunkeln. So bleiben von der ursprünglichen Leuchtdichte oftmals weniger als 20 Prozent übrig. Neben der geringeren Helligkeit verschlechtert sich damit auch der Kontrast des Bildes.
Um die Bildqualität zu verbessern, kann ein sogenanntes „Blinking Backlight“, beziehungsweise ein „Scanning Backlight“, zum Einsatz kommen. Das „Blinking Backlight“ lässt die gesamte LED-Hinterleuchtung synchron zum Bildaufbau weiß aufblitzen, so dass die durch die Brille reduzierte Helligkeit ausgeglichen wird. Beim zweiten Ansatz, dem „Scanning Backlight“, wird ein „schwarzer Balken“ zeilenweise durch die Hinterleuchtung geführt. Beide Varianten erhöhen die so genannte Kanaltrennung, also die selektive Wahrnehmung, für das rechte und linke Auge. Das so genannte Ghosting, das Überlappen der Einzelbilder für links und rechts, wird vermieden und die Bildschärfe vor allem bei Bewegtbildern sowie der Kontrast insgesamt erhöht.

Lösungen zur Hinterleuchtung

Beim Einsatz der Leuchtdioden als Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen lassen sich zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze unterscheiden: Edge- und Direct-Backlights. Bei einem Edge-light emittieren LED das Licht von der Seite her in eine Lichtleiterplatte hinter dem LCD (Bild 1).

Bild 1: Bei einem Edge-light emittieren LED das Licht von der Seite her in eine Lichtleiterplatte hinter dem LCD.

Bild 1: Bei einem Edge-light emittieren LED das Licht von der Seite her in eine Lichtleiterplatte hinter dem LCD.Osram Semiconductor

Die LED können je nach Helligkeitsanforderung, Layout und Bauteilspezifikation an ein bis vier Seiten angebracht sein und koppeln ihr Licht so in die Kanten des Lichtleiters ein. Die spezielle Strukturierung auf der Oberseite des Lichtleiters sorgt für eine flächig-homogene Auskoppelung des Lichts zum LCD hin.
Den zweiten Ansatz bilden Direkthinterleuchtungen, bei denen die LED auf einer Platine ganzflächig hinter dem Display in einer Matrixanordnung platziert sind (Bild 2).

Bild 2: Bei der Direkthinterleuchtung wird das Licht ohne Umlenkung in den Folienstapel und das LCD gestrahlt.

Bild 2: Bei der Direkthinterleuchtung wird das Licht ohne Umlenkung in den Folienstapel und das LCD gestrahlt.Osram Semiconductor

Ohne Umlenkung wird das Licht in den Folienstapel und das LCD gestrahlt. Um eine homogene Hinterleuchtung bei geringer Bauhöhe zu gewährleisten, wird neben speziellen Diffusorfolien auch eine große Anzahl an LED eingesetzt. Bei 40 Zoll Fernsehern liegt diese bei über 1000 Stück.
Die Direkthinterleuchtung ermöglicht Technologien die noch brillantere Fernsehbilder erlauben. So wird die Kontrasttiefe durch das sogenannte Local- oder Areadimming erhöht. Hinter dunklen Bereichen im Fernsehbild werden einzelne LED oder LED Gruppen gedimmt oder ausgeschaltet. Außerdem können mit Dimmtechniken Energieeinsparungen von bis zu 50 Prozent realisiert werden und die Ökorichtlinien für LCD TV Geräte erfüllen.
Aufgrund des geringeren LED-Bedarfs und der Möglichkeit, dünnere Fernsehgeräte zu designen, werden mehr Edge-light-Lösungen eingesetzt. Die Lichtleiterplatte, meist aus Acrylglas (PMMA), gewährleistet eine ideale, homogene und lückenlose Hinterleuchtung des Displays und stellt das Kernstück des Edgelight-Systems dar. Mit besonders flachen Lichtleiterausführungen von unter 2 mm Dicke lassen sich besonders schlanke LCD-TVs umsetzen, deutlich flacher als Displays mit direkter Hinterleuchtung. Hierfür werden angepasste, schmale LED, deren Auskoppelfenster kleiner als 2 mm ist, eingesetzt.
Lichtleiterlösungen sind bei kleinen Displayanwendungen, wie Handy, PC oder Navigation standardmäßig etabliert und setzen sich jetzt auch bei Großbildschirmen durch. Obwohl das Dimmen einzelner Areale direkt nicht möglich ist, wird an diversen bildverbessernden Techniken gearbeitet.

Dünnschicht-Technologie

Neuen Schwung bekommt das LED-Licht durch die Dünnschicht-Technologie. 97 Prozent des Lichts wird bei so genannten Thinfilm-LED gebündelt nach vorne, ohne Streuverlust zur Seite, abgegeben. Dies steht dann direkt für die Einkoppelung in den Lichtleiter zur Verfügung (Bild 3).

Bild 3: Bei Thinfilm-LED wird 97% des Lichtes gebündelt nach vorne, ohne Streuverlust zur Seite, abgegeben. Dies steht dann direkt für die Einkoppelung in den Lichtleiter zur Verfügung.

Bild 3: Bei Thinfilm-LED wird 97% des Lichtes gebündelt nach vorne, ohne Streuverlust zur Seite, abgegeben. Dies steht dann direkt für die Einkoppelung in den Lichtleiter zur Verfügung.Osram Semiconductor

Anders als bei herkömmlichen, Volumenemitter-LED, bei denen ein Teil des Lichts seitlich aus dem Chip austritt, geht hier fast keine Leuchtkraft verloren. Dadurch sind diese Dioden besonders effizient. Außerdem entsteht dank ihres hohen Wirkungsgrads weniger Wärme, die Einfluss auf die Längenausdehnung des Lichtleiters hätte, was gerade beim Einsatz in der Display-Hinterleuchtung wichtig ist. Die restliche entstehende Wärme muss durch ein gutes Systemdesign nach hinten über Platine und Gehäuse abgeführt werden.

Bild 4: Die Topled Compact 4520 LED punkten mit einer sehr hohen Effizienz von 85 lm/W (bei 150 mA) und sie eignen sich perfekt für den Impulsbetrieb.

Bild 4: Die Topled Compact 4520 LED punkten mit einer sehr hohen Effizienz von 85 lm/W (bei 150 mA) und sie eignen sich perfekt für den Impulsbetrieb.Osram Semiconductor

Ein weiterer Vorteil der Dünnfilm-Technologie ist die proportional zur Chip-Größe steigende Leuchtkraft der Dioden. So lassen sich auch großflächige LED fertigen. LED mit herkömmlichen Substraten verlieren hingegen Effizienz bei steigender Fläche.

Ausblick

Nahezu alle großen TV-Hersteller bieten 3D-TV an und bringen die ersten Systeme in den Handel, zunächst mit Diagonalen von über einem Meter. Mit nur geringen Aufpreisen für 3D-Fähigkeit werden die neuen Systeme offensiv vermarktet. Noch 2011 rechnet man mit einigen Hunderttausend verkauften Systemen, doch bereits 2013 sollen es weit über 30 Mio. Stück sein.