High-Brightness-LCDs Bessere Sicht bei Tageslicht

Stark fallende Preise sind der Grund, dass LCDs mittlerweile auch für Anwendungen im Einzelhandel und in öffentlichen Institutionen erschwinglich geworden sind. Allerdings wird von den Displays...

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Stark fallende Preise sind der Grund, dass LCDs mittlerweile auch für Anwendungen im Einzelhandel und in öffentlichen Institutionen erschwinglich geworden sind. Allerdings wird von den Displays erwartet, dass sie auch draußen oder an Orten, an denen sehr helles Umgebungslicht auf die Displayoberfläche fällt, hohe Leistungen zeigen. Damit steigt der Bedarf an Flüssigkristallbildschirmen, die auch die letzte große Leistungshürde meistern: Lesbarkeit bei Tageslicht.

Damit das Bild sichtbar ist, muss die vom Display erzeugte Helligkeit stärker sein als die Intensität des Umgebungslichts, das auf die Bildschirmoberfläche fällt. Bei Sonnenlicht ablesbare Displays sind für gewöhnlich durch eine Helligkeit von 1000 cd/m² oder höher definiert. Bislang bestand die gängigste Lösung zur Erhöhung der Helligkeit im Einbau zusätzlicher, besonders leuchtstarker Hintergrundbeleuchtungen. Ohne diese würden transmissive LC-(Liquid-Crystal-)Displays für den Betrachter schwarz bleiben. Herkömmliche, große TFT-Bildschirme sind daher mit einer CCFL-Hintergrundbeleuchtung (Kaltkathoden-Fluoreszenzlampe) hinter dem Anzeigebildschirm ausgestattet. Bei vielen Anwendungen lässt sich die Lichtintensität einstellen, um eine optimale Helligkeit unter den gegebenen Beleuchtungsbedingungen zu gewährleisten.

Bei Dunkelheit beispielsweise ist nur eine schwache Hintergrundbeleuchtung erforderlich. Eine Reduzierung der Bildschirmhelligkeit spart nicht nur Energie, sondern erhöht auch die Lebensdauer der Lampe, die vom Betriebsstrom abhängig ist. Die Lebensdauer einer CCFL-Lampe liegt normalerweise bei etwa 20 000 h bei Betrieb mit halber Helligkeit. Um die Leuchtdichte auf über 1000 cd/m≈ zu erhöhen und somit die Lesbarkeit bei hellem Tageslicht zu verbessern, haben Entwickler häufig die Standard-Hintergrundbeleuchtungen übersteuert. Nachteil: die Lebensdauer der Lampen wird verkürzt.CCFL-Lampen verbessern die LesbarkeitEinige Hersteller produzieren extreme helle VHB-(Very-High-Brightness-)Hintergrundbeleuchtungen, bei denen die Lesbarkeit bei Tageslicht durch CCFL-Lampen verbessert wird, indem diese in mehreren Gruppen hinter dem Anzeigebildschirm angeordnet sind. Für größere Displayabmessungen sind Hintergrundbeleuchtungs-Kits mit zusätzlichen CCFL-Lampen erhältlich, die auf der gesamten Bildschirmoberfläche eine gleichmäßige Helligkeit erzeugen.

Zur Umrüstung eines existierenden Displays mit bewährtem Design auf ein draußen lesbares Modell ist ein hoher mechanischer und elektrotechnischer Aufwand erforderlich. Darüber hinaus werden an die Entwicklung von Tageslicht tauglichen Displays mit dieser Art von Hintergrundbeleuchtung besonders hohe Anforderungen gestellt. Insbesondere an das Energiemanagement und die Konzipierung einer geeigneten Stromversorgung. Eine VHB-Hintergrundbeleuchtung für ein transmissives 12,2 Zoll-Display, die mit acht CCFL-Lampen ausgestattet ist, verbraucht beispielsweise 20 W, um eine Leuchtdichte von 1850 cd/m² zu erzielen. Das reicht aus, um bei direktem Sonnenlicht problemlos Buchstaben oder Bilder auf dem Display erkennen zu können. Allerdings benötigt eine solche Ausstattung eine Betriebsspannung von 470 V~eff und eine Einschaltspannung von 1300 V~eff. Daher muss ein zusätzlicher Wechselrichter eingebaut werden, der wiederum den Konstruktionsaufwand und die Kosten für die Gesamtlösung in die Höhe treibt.

Da Wechselrichter in der Regel über einen Wirkungsgrad von lediglich 75 bis 80% verfügen, steigt der gesamte Stromverbrauch für eine solche Hintergrundbeleuchtung auf etwa 27 W. Bei der Entwicklung ist außerdem zu berücksichtigen, dass bei einer Leistungsaufnahme von 20 W durch die VHB-Hintergrundbeleuchtung eine beträchtliche Wärmeenergie freigesetzt wird. Hierdurch kann sich die Temperatur auf der Vorderseite des LCD-Bildschirms auf etwa 15 bis 20 °C über der Umgebungstemperatur erhöhen. Eine Lösung des Problems wäre die Befestigung eines wärmeleitenden Rahmens am Display. Wird jedoch auf diese Weise keine ausreichende Kühlung erzielt, muss ggf. ein Kühllüfter eingesetzt werden.

Eine andere mögliche Lösung sind transflektive Displays. Dabei reflektiert ein auf der Rückseite der Displayoberfläche angebrachter Polarisator einen Teil des Umgebungslichts und lässt gleichzeitig das von einer Hintergrundbeleuchtung ausgehende Licht passieren. Diese Technologie weist jedoch ein beschränktes Sichtfeld auf, sodass Farben und Kontrast je nach Blickwinkel stark variieren können. Darüber hinaus ist bei mittlerem Umgebungslicht, z.B. wenn sich der Benutzer zwischen direktem Sonnenlicht und Display befindet, das Bild eventuell nur schlecht zu erkennen. Aufgrund dieser Nachteile ist die Transflektiv-Technologie auf einige wenige Nischenanwendungen beschränkt.

Mehrere Schichten reflektieren das Sonnenlicht

An dieser Stelle setzt die als Photonenanreicherung (Photon Enhancement) bezeichnete Technologie an. Sie erzeugt eine zusätzliche Leuchtdichte von 1500 cd/m² indem sie die Energie des auf die Displayoberfläche auftreffenden Sonnenlichts ausnutzt und auf diese Weise mit all den Problemen wie mechanische Konstruktion, Energieaufnahme und Wärmemanagement aufräumt. Das Geheimnis der Photonenanreicherung liegt darin, dass im Gegensatz zu herkömmlichen Lösungen keine zusätzliche elektrische Beleuchtung erforderlich ist, um die vom Bildschirm ausgestrahlte Lichtintensität zu steigern.

Die Reflexion des durch die transmissive Displayoberfläche einfallenden Sonnenlichts wird durch eine Reihe reflektierender Schichten erzielt, die sich zwischen der gläsernen LCD-Oberfläche und der normalen Hintergrundbeleuchtung befinden (Bild 1 - siehe Heftseite). In der Praxis lässt sich im Vergleich zu einem TFT-Standarddisplay die doppelte effektive Leuchtdichte erzielen. Die Ra-Tek-Photonenanreicherung, in Anlehnung an den ägyptischen Sonnengott Ra, von Anders Electronics beruht auf einer Folie auf Polymerbasis, die mit einem speziellen, firmeneigenen Material beschichtet ist, das den Anreicherungseffekt erst ermöglicht.

Die Beschichtung wird im Vakuum-Sputter-Verfahren aufgebracht, um eine präzise Kontrolle von Stärke und Homogenität zu gewährleisten. Das ist sowohl für eine gleichmäßige Farbtreue über das gesamte Sichtfeld als auch für die Langzeitstabilität der optischen Eigenschaften von entscheidender Bedeutung. Die Ra-Tek-Folie lässt sich für alle transmissiven Standard-LCDs verwenden. So wird bei den Displays nicht nur die Lesbarkeit bei Tageslicht erhöht, sondern auch der Kontrast unter normalen Lichtbedingungen. Und das alles ohne zusätzlichen Stromverbrauch.

Rhett Evans arbeitet als Systems Sales Manager bei Anders Electronics plc in London.

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