3D-Bildschirme LEDs schaffen Raum

Moderne 3D-Brillen für den Fernseher nutzen – anders als die schon seit den 1970er Jahren bekannten Brillen mit eingefärbten Gläsern – LED-Technik um ein schärferes und realistischeres 3D-Bild zu erzeugen.

Dreidimensionales Fernsehen begann schon in den 70er Jahren. Eine Brille mit unterschiedlich gefärbten Gläsern - rot und grün - war damals ein Muss, um die Revolution in der Bildtechnik mitzuerleben. 3D-Brillen gibt es heute noch, doch sind die Bilder schärfer und realistischer geworden. Die heutigen Brillen kommunizieren mit dem Fernseher auf Basis von Infrarotlicht, das von IR-LEDs erzeugt wird und in Sekundenbruchteilen Signale übermittelt. Außerdem sorgen weiß leuchtende, leistungsstarke und gleichzeitig langlebige Dioden als Hintergrundbeleuchtung in den 3D-TV-Geräten für scharfe und kontrastreiche Bilder, die Basis für augenschonenden Fernsehgenuss sind.

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 zeitlich nacheinander dargestellt. Eine so genannte Shutterbrille sorgt heute 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. Speziell die »Shutterglass«-Technik ist heute interessant: Hier werden die Halbbilder nicht mehr wie früher eingefärbt oder wie aktuell im Kino mit einer Polarisation versehen, sondern einfach hintereinander gesetzt beziehungsweise alternierend dargestellt.

So wechseln sich die Bilder beziehungsweise 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-LEDs, 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 bis 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-Bild-Ablauf.

3D von hinten

Doch müssen 3D-Fernsehgeräte mehr leisten können als den schnellen Bildwechsel. Das Zusammenspiel von Brille und Fernseher benötigt eine besonders leistungsstarke Hinterleuchtung der LC-Bildschirme. Durch die Shutterbrille kommt nur ein Teil der Ausgangshelligkeit des Displays beim Betrachter an, nahezu 50 Prozent schluckt die Polarisation der Brille.

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 sind während des ganzen Frames offen, andere dunkeln schon nach der halben Zeit wieder ab. So bleiben von der ursprünglichen Leuchtdichte oftmals weniger als 20 Prozent übrig.

Neben der Helligkeit verschlechtert sich damit auch der Kontrast des Bildes. Um die Bildqualität zu verbessern, kann ein so genanntes »Blinking Backlight« oder ein »Scanning Backlight« zum Einsatz kommen. Ersteres lässt die gesamte LED-Hinterleuchtung synchron zum Bildaufbau weiß aufblitzen, sodass 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.

Beim Einsatz der Leuchtdioden als Hinterleuchtung von Flüssigkristallanzeigen lassen sich zwei grundsätzlich verschiedene Ansätze unterscheiden: Edge- und Direct-Backlights. Bei einem 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.

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 LEDs auf einer Platine ganzflächig hinter dem Display in einer Matrixanordnung platziert sind. 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 LEDs eingesetzt. Bei 40-Zoll-Fernsehern liegt diese bei über 1000 Stück. Mit der Direkthinterleuchtung lassen sich noch brillantere Fernsehbilder erzeugen. So steigt die Kontrasttiefe durch das so genannte Local- oder Area-Dimming.

Hinter dunklen Bereichen im Fernsehbild werden einzelne LEDs oder LED-Gruppen gedimmt oder ausgeschaltet. Außerdem können diese Dimmtechniken bis zu 50 Prozent Energie einsparen, sodass die LCD-TV-Geräte die entsprechenden Ökorichtlinien erfüllen. Aufgrund des geringeren Bedarfs an LEDs und der Möglichkeit, dünnere Fernsehgeräte zu designen, kommen mehr Edge-Light-Lösungen zum Einsatz.

Die Lichtleiterplatte, meist aus Acrylglas, gewährleistet eine homogene und lückenlose Hinterleuchtung des Displays und stellt das Kernstück des Edge-Light-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. Für diesen Zweck eignen sich speziell angepasste, schmale LEDs, deren Auskoppelfenster kleiner als 2 mm ist. Lichtleiterlösungen sind bei kleinen Displayanwendungen wie Mobiltelefon, 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.

Dünne Filme

Neuen Schwung bekommt das Diodenlicht in der Hinterleuchtung von LCD-Bildschirmen durch die Dünnfilm-Technik. 97 Prozent des Lichts geben Thin-Film-LEDs gebündelt nach vorne ab, ohne Streuverlust zur Seite. Dies steht dann direkt für die Einkoppelung in den Lichtleiter zur Verfügung. Anders als bei Volumen-Emitter-LEDs, 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 Hinterleuchtung wichtig ist. Ein weiterer Vorteil der Dünnfilme ist die proportional zur Chipgröße steigende Leuchtkraft der Dioden. So lassen sich bei Bedarf auch großflächige LEDs fertigen. Übliche Leuchtdioden verlieren hingegen Effizienz bei steigender Fläche.

Sichtbar und unsichtbar
Damit trotz der Shutterbrillen und der überlagerten Bilder im TV-Gerät ausreichend Helligkeit wahrgenommen wird, müssen 3D-Displays sehr hell leuchten. Für diese Aufgabe bietet Osram Opto Semiconductors ein breites Produktportfolio. Die »TOPLED Compact 4520« etwa besitzt eine Effizienz von 85 lm/W (bei 150 mA) und eigent sich für den Pulsbetrieb, denn sie kann dabei sehr hoch bestromt werden. Für die Kommunikation zwischen TV-Gerät und Shutterbrille eigenen sich beispielsweise IR-LEDs des Typs »SFH 4250S«. Sie sind in Stack-Chip-Technik aufgebaut. Stack-Chips sind bereits in zahlreichen Anwendungen abseits der TV-Geräte im Einsatz, beispielsweise in mobilen Endgeräten oder für Sicherheitssysteme wie Nachtsichtkameras in Fahrzeugen. Das Licht wird in einer für den Menschen nicht sichtbaren Wellenlänge von 850 nm abgegeben und ist optimal auf die Silizium-Fotodioden abgestimmt, welche die opitschen Signale dann wieder in elektrische umwandeln. Passend dafür sind die Dioden des Typs »SFH 235 FA« oder die SMT-Variante »BPW 34 FAS«, die beide mit einem Tageslicht-Sperrfilter versehen sind.