Licht verleitet Hinterleuchtung von Industrie-Displays

Bildschirme auf Flüssigkristallbasis haben sich seit langem durchgesetzt, doch haben sie einen entscheidenden Nachteil: Sie benötigen eine Hintergrundbeleuchtung. Neben der Frage, ob nun Leuchtstoffröhren oder Leuchtdioden das Ei des Kolumbus sind, ist besonders bei großen Displays auch die Lichtführung eine recht komplizierte Angelegenheit.

Selbstleuchtende Displays wären, da sind sich alle Experten einig, natürlich das Beste. Leider ist für die nächste Zukunft kaum damit zu rechnen, dass Bildschirme auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) große Verbreitung finden, und Plasmabildschirme bieten zwar überlegene Darstellungsqualität, sind aber aus verschiedenen Gründen außerhalb der Unterhaltungselektronik nicht wirtschaftlich einsetzbar.

Andere Verfahren spielen heute praktisch gar keine Rolle. Es bleibt also beim Flüssigkristalldisplay (LCD), zumeist als Aktivmatrix mit Dünnschichttransistoren (TFT), doch in speziellen Anwendungen findet durchaus auch noch die von alten Digitaluhren bekannte Passivmatrix-Anzeige (besonders die Sieben-Segment-Anzeige) Verwendung. Generell bestehen LCDs aus Segmenten, die unabhängig voneinander ihre Helligkeit ändern können.

Die Ausrichtung der Flüssigkristalle in jedem Segment wird mit elektrischer Spannung gesteuert. Damit ändert sich die Durchlässigkeit für polarisiertes Licht, das mit einer Hintergrundbeleuchtung und Polarisationsfiltern erzeugt wird. Es gibt zwar auch Lösungen, die mit reflektiertem Licht arbeiten, diese sind jedoch sehr kontrastarm.

Licht von hinten

Die Aufgabe der Hinterleuchtung ist es, den Bildschirm von hinten flach und gleichmäßig zu beleuchten. Während in der Unterhaltungselektronik, etwa bei modernen Fernsehern, immer öfter farbiges Licht (RGB-Leuchtdioden) verwendet wird, um Bewegungsunschärfen zu kompensieren, spielt dies für industrielle Anwendungen kaum eine Rolle.

Eine Ausnahme mit sehr schnell veränderlichen Bildinhalten sind moderne Digitaloszilloskope mit LC-Display. Nicht umsonst fiel den Anbietern der Abschied von der Kathodenstrahlröhre auch sehr schwer. Hier kommen selbstverständlich LCDs mit extrem kurzen Schaltzeiten zum Einsatz, doch all die Interpolationsmethoden, mit denen Flachbildfernseher das Problem umgehen, lassen sich hier nicht anwenden, ohne das Signal und damit die Messung zu verfälschen.

In der Praxis nutzt man die prinzipbedingte Unschärfe als Vorteil. Wo bei klassischen Oszilloskopen noch lang nachleuchtende Phosphore nötig waren, damit der Messtechniker das Signal überhaupt verfolgen konnte, hilft dieser der LC-Technik inhärente Fehler.

Für Industriemonitore im Allgemeinen ist, wenigstens für Farbdisplays, die Hintergrundbeleuchtung weiß (Bild 1), und jedes Farbpixel lässt nur seinen entsprechenden Farbanteil durch.

Selbstverständlich darf die Lichtquelle nicht flimmern, sonst kann es zu Überlagerungen mit der zeitgemultiplexten Ansteuerung der Pixel kommen. Generell ist es natürlich am sinnvollsten, Flächenstrahler zu verwenden, das würde den Aufwand für die Lichtführung weitgehend ersparen.

Der Klassiker dabei ist die weniger als 1 mm dicke Elektrolumineszenz-Folie. Leider genügen Lebensdauer und erzielbare Leuchtdichte nicht für den Einsatz in Monitoren oder Fernsehgeräten.

Bestimmte Niederdrucklampen mit dielektrisch behinderter Entladung lassen sich als Flächenstrahler realisieren, sind jedoch wenig verbreitet, doch die Zukunft gehört hier sicherlich den OLEDs.

Am häufigsten finden heute Leuchtstoffröhren (Kaltkathodenröhren, CCFL, Bild 2) Einsatz. Wie alle »Neonröhren« emittieren sie UV-Licht, das in Displays mithilfe spezieller Gläser blockiert werden muss, um die Kunststoffe nicht zu schädigen. Außerdem neigen auch CCFLs dazu, bei kleinen Störungen in der Stromversorgung zu flackern.

Dieser Grund sowie die Energieeffizienz und der notwendige Materialeinsatz machen Leuchtdioden zum interessanten Kandidaten für die Hinterleuchtung; speziell in Consumergeräten bieten sie noch weitere Vorteile. Inzwischen sind weiße Leuchtdioden auch stabil genug, um lange Lebensdauer zu gewährleisten.

Es stehen also entweder Linienstrahler (CCFL) oder Punktstrahler (LED) zur Verfügung. Beides ist natürlich nicht optimal zur Ausleuchtung einer Fläche geeignet, weshalb ausgefeilte Lichtführungsmechanismen verwendet werden.

Geführtes Licht

Von CCFLs erzeugtes Licht wird, wenigstens bei kleineren Displays, im Allgemeinen in einen Lichtleiter eingespeist, zumeist eine transparente Kunststoffplatte wie etwa Acrylglas. Je nach gewünschter Leuchtdichte befinden sich Lichtquellen an einer oder mehreren Seiten der »Verteilerplatte«.

Über gezielt eingebrachte Inhomogenitäten koppelt das Licht dann aus dem Lichtleiter aus und beleuchtet die Pixel. Je größer die Bildschirme werden, desto schlechter funktioniert dieses »edge lit backlight«. Da greift man eher auf das Prinzip des Leuchtkastens zurück: Die Lichtquellen befinden sich dabei in einer flachen, diffus reflektierenden Wanne, aus der das Licht nur zur offenen Seite hin austritt.

Für Leuchtstofflampen werden meist speziell geformte Reflektoren und für LEDs Diffusorlinsen eingesetzt, die für homogenes Licht sorgen sollen. Dennoch sind besonders bei Verwendung von CCFLs häufig Helligkeitsunterschiede festzustellen.

Kleine Leuchtdioden (Bild 3) lassen sich hingegen über die gesamte Fläche des Monitors verteilen (Full-LED-Prinzip), was unter Verwendung geeigneter Diffusorfolien eine gleichmäßigere Ausleuchtung gewährleistet.

Verwendet man sehr viele LEDs, die sich einzeln ansteuern lassen, so lässt sich auch das LCD-spezifische Problem des mangelhaften Schwarz beheben.

Teile der beleuchteten Fläche, die ein tiefes Schwarz darstellen sollen, können separat gedimmt oder abgeschaltet werden, was den Kontrast erhöht.