Displaytechnik Exakte RGB-Farbbestimmung

Großdisplay mit einzelnen RGB-LEDs
Großdisplay mit einzelnen RGB-LEDs

Eine exakte Farbwiedergabe ist ein extrem wichtiger und doch oft missverstandener Faktor bei der Entwicklung elektronischer LED-Anzeigen, Werbetafeln und Displays. Um eine plastische, genaue Farbmischung in diesen Anwendungen zu erzielen, muss die Anzeigenelektronik in der Lage sein, die Farb- und Intensitätsgradation jedes einzelnen Pixels der Arrays anzusteuern.

Ganz gleich, ob die Vollfarb-Displays bedrahtete (Through-Hole, TH) LEDs oder SMD- (Surface Mount Device) LEDs enthalten - eine der größten Herausforderungen bei diesen Designs ist die Darstellung eines konsistenten weißen Lichtes mit hoher Qualität. Obwohl alle Fernseh-geräte (und viele Farbbildschirme) mit einem Standard-RGB-Mischungsverhältnis von 3 : 6 : 1 arbeiten, um auf diese Weise einen neutralen Weißwert zu erzeugen, sind viele Faktoren zu beachten, um schlussendlich garantieren zu können, dass dieses auch mit LEDs funktioniert.

Die Ursprünge des Verhältnisses - 3 : 6 : 1

Um die Wende zum 20. Jahrhundert entwickelte sich das Mischen von Farben von der Kunst zur Wissenschaft. Grund hierfür war der Beginn der Hochgeschwindigkeits-Drucktechnologie, die eine genaue, wiederholbare Farbreproduktion mit nur wenigen Tinten oder Farben erforderte.

Einige Jahrzehnte später wandelte sie sich erneut, um den Ansprüchen an ein modernes Lichtdesign zu entsprechen und dann nochmals, um mit Hilfe der roten, grünen und blauen (RGB) Phosphor-Punkte von Kathodenstrahlröhren von Farbfernsehern und Displays farbgetreue Bilder darzustellen. Maßgeblichen Einfluss auf die Definition hatte das National Television Standards Committee (NTSC), das um 1940 von der United -States Federal Communications Commission ins Leben gerufen wurde, um die Entwicklung eines analogen Fernsehsystems zu unterstützen.

Diese frühen Standards bezogen sich auf den Farbraum CIE 1931 RGB, der von der „International Commission on Illumination“ definiert wurde und die Farben beschreibt, die dem menschlichen Farbempfinden am nächsten kommen. Dies sind drei monochromatische Grundfarben mit standardisierten Wellenlängen von 435,8 nm (violett), 546,1 nm (grün) und 700 nm (rot).

Hieraus leitete sich die Basis für den Farbraum CIE XYZ ab und beschreibt Farbe als Funktion von Leuchtdichte (Y) und zwei weiteren Werten (X und Z), die der Reaktion der menschlichen Augenzapfen auf lang-, mittel- und kurzwellige Lichtfrequenzen entsprechen. Da die X- und Y-Werte ungefähr Rot und Blau entsprechen, ist man fälschlicherweise verleitet, sie als Farbwerte zu interpretieren. Diese Werte sind jedoch tatsächlich Parameter, die aus der charakteristischen Reaktion des Auges auf eine Frequenz abgeleitet wurden.

Die Farbdarstellung des Farbraumes CIE 1931 (CIE 1931 (2)) (Bild 1) ist ein zweidimensionales Bild, das von dem dreidimensionalen Farbraum CIE XYZ abgeleitet wurde. Dieses vereinfachte Modell ist ein nützliches Werkzeug für die Farbanpassung, aber auch für das Verständnis weiterer Beziehungen zwischen zwei oder mehr Farben.

Die äußere Grenze der chromatischen 2D-Raumkurve wird von spektralen (monochromatischen) Punkten gebildet, deren jeweilige Wellenlängen in Nanometern angegeben werden. Die gerade Linie des Raumes unten wird im angelsächsischen Sprachraum „the line of purples“ genannt, denn sie beschreibt die Reaktion des menschlichen Auges auf eine Folge von Verhältniswerten zwischen Rot und Blau.

Dieses Farbsystem war das erste, das die Wahrnehmung und Wiedergabe von Farben in einer quantifizierbaren Methode beschrieb, und es wird von Ingenieuren immer noch als der sogenannte „Gold Standard“ angesehen.

Das gängige RGB-Mischungsverhältnis 3 : 6 : 1 ist von dieser frühen Forschung abgeleitet und wird als Instrument eingesetzt, um einen spezifischen Weißpunkt zu definieren, der sich auf die vorgegebenen farbmetrischen Werte des Phosphors der Farbbildröhre bezieht. Frühe Untersuchungen haben erbracht, dass NTSC das Farb-TV-System mit dem CIE-Standard mit Normlichtart C im Jahre 1953 etabliert hatte.

Dennoch ergibt eine Einbeziehung von CIE-Normlichtart C mit voreingestellten farbmetrischen Parametern nicht das Verhältnis von R : G : B = 3 : 6 : 1. Elf Jahre später (1963) empfahl die CIE D65 als Standard für das Tageslicht-Normlicht. Diese Aktion nahm den Ursprung des 3:6:1-RGB-Mischungsverhältnisses vorweg, das dann eintrat, als die Normlichtart D65 nachfolgend von NTSC übernommen wurde.

Bild 2 zeigt die Koordinaten von jeweils Rot, Grün und Blau mit D65 als Zielnormlicht im CIE-1931-Diagramm. Die x-y-Koordinaten für die relevanten Farbpunkte und das prognostizierte Ziel-Normlicht D65 lauten:

  • Rot: 0,67, 0,33
  • Grün: 0,21, 0,71
  • Blau: 0,14, 0,08
  • D65: 0,3128, 0,3292

Das gewünschte Mischungsverhältnis, um die Zielfarbe aus den Primärquellen herzustellen, ergibt sich aus der Berechnung der relativen „Entfernung“  zwischen den Koordinaten des Phosphors und der Zielfarbe innerhalb des Farbraumes. Die Konvention besagt, dass die sich daraus ergebenden Werte in Bezug zur blauen Quelle gerundet werden, um nachfolgende Berechnungen zu vereinfachen.

Die Grenzen der Anwendung

Anders als die in früheren Farbbildröhren verwendeten Standard-Phosphore haben die in modernen Lichtsystemen eingesetzten roten, blauen und grünen Emitter spektrale Charakteristika - sie besetzen verschiedene chromatische Koordinaten im Farbraum - die in den meisten Fällen nicht mit den entsprechenden Phosphor-Koordinaten von TV-Applikationen übereinstimmen.

Die spektralen Charakteristika von LEDs werden hauptsächlich durch ihre Sperrschicht-Struktur bestimmt. Deren Abstrahlung wird während des Herstellungsprozesses an eine primäre Wellenlänge angepasst. Die Abstrahlung von grünen LEDs kann z.B. zwischen 520 nm und 540 nm liegen, wobei die dominante Wellenlänge eines speziellen Bauelementes eine individuelle Zahl chromatischer Koordinaten erzeugt. Dies wiederum beeinflusst das RGB-Verhältnis, das für ein exaktes Weiß oder jegliche andere Farbe innerhalb des farbadditiven Prozesses sorgt.

Die Tabelle 1 zeigt, wie das RGB-Verhältnis variiert, wenn ein Ziel-Weißpunkt reproduziert werden soll - abhängig von den chromatischen Koordinaten der eingesetzten primären Farbemitter.


dominante Wellenlänge (nm)x Koordinate
y Koordinate
Rot 622
0,69180,30472,1
Grün 5300,18870,71614,3
Blau 4760,11530,10401,0
Rot 6220,69180,30474,1
Grün 5300,18870,716110,6
Blau 4650,14340,05161,0
Tabelle 1. Chromatische Koordinaten und RGB-Mischungsverhältnis von zwei LED-Quellen.

In diesem Beispiel haben die beiden RGB-LED-Kombinationen identische rote und grüne Emitter-Charakteristika, doch ihre blauen Emitter haben unterschiedliche dominante Wellenlängen (465 nm bzw. 476 nm). Ganz offensichtlich bewirkt die Änderung einer dominanten Wellenlänge von nur einer LED dramatische Änderungen der Werte des RGB-Verhältnisses, wenn man den Ziel-Weißpunkt D65 erreichen will. Die LED-Gruppe mit dem blauen 476-nm-Emitter erfordert ein RGB-Mischungsverhältnis von 2,1 : 4,3 : 1,0. Bereits ein einfacher Wechsel auf einen 465-nm-Emitter verschiebt das Ergebnis auf 4,1 : 10,6 : 1.

Diese macht deutlich, dass bei Anwendung des Standard-Mischungsverhältnisses von 3 : 6 : 1 bei den meisten LED-Quellen die abgestrahlte Farbe merklich vom Standard-Weißpunkt D65 oder jedem anderen vom Kunden bevorzugten Weißpunkt abweichen kann. Darüber hinaus wird jede andere Farbe des Displays aufgrund des fehlerhaften Weißpunktes ähnlich verfälscht.