DE102019113916A1 - Optoelektronische Leuchtvorrichtung mit einer Programmiereinrichtung und Verfahren zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung - Google Patents

Optoelektronische Leuchtvorrichtung mit einer Programmiereinrichtung und Verfahren zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung Download PDF

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Abstract

Eine optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) umfasst eine Mehrzahl von programmierbaren Pixeln, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes Pixel mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement aufweist, und eine Programmiereinrichtung (22), die derart ausgebildet ist, dass sie die Pixel in mehreren, aufeinander folgenden Zeiteinheiten programmiert, wobei ein Zeilenmuster, das eine Teilmenge der Zeilen der Matrix umfasst, vorgegeben ist, wobei die Programmiereinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass sie pro Zeiteinheit die Pixel derjenigen Zeilen programmiert, die von dem Zeilenmuster umfasst sind, und wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um mindestens eine Zeile verschoben wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine optoelektronische Leuchtvorrichtung mit einer Programmiereinrichtung und ein Verfahren zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung.
  • Zum Betrieb von optoelektronischen Leuchtvorrichtungen, insbesondere LED- bzw. pLED-Anzeigevorrichtungen, auch LED- bzw. pLED-Displays genannt, wird häufig Pulsweitenmodulation (englisch: pulse width modulation; kurz: PWM) zusammen mit passiver Matrix-Verschaltung eingesetzt. Dabei wird in einer Matrix aus Zeilen und Spalten immer nur eine Zeile betrieben. Jede Zeile bekommt eine gleich große Zeiteinheit innerhalb der Bildwiederholfrequenz zugeordnet. Das Durchwechseln der Zeilen bezeichnet man als Multiplexing. Bei einem Multiplexing von 1:32 muss die Helligkeit 32-mal höher sein als die gewünschte mittlere Helligkeit des Bildes. Die Treiber werden in monokristallinem Silizium hergestellt und weisen daher keine Frequenzbeschränkung bis 50 oder 100 MHz auf (Passiv-Matrix).
  • Dünnfilmtransistor-Technik (englisch: thin-film transistor; kurz: TFT) kann als kostengünstige Display-Treiber-Lösung ebenfalls verwendet werden. Jedoch liegt die obere Betriebsfrequenz von Dünnfilmtransistoren bei ca. 1 MHz. Zur Programmierung von LED- bzw. pLED-Displays, d. h. zum Schreiben der Bilddaten in das Display, sollten daher entsprechend niedrige Programmierfrequenzen verwendet werden (Aktiv Matrix).
  • Der vorliegenden Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Leuchtvorrichtung zu schaffen, die Dünnfilmtransistoren enthalten kann und dazu ausgelegt ist, mit Programmierfrequenzen betrieben zu werden, die für den Betrieb von Dünnfilmtransistoren geeignet sind. Ferner soll ein Verfahren zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung angegeben werden.
  • Eine Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine optoelektronische Leuchtvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Eine optoelektronische Leuchtvorrichtung gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Anmeldung umfasst eine Mehrzahl von programmierbaren Pixeln, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jedes der Pixel weist mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement auf. Die optoelektronische Leuchtvorrichtung kann ein Display sein.
  • Weiterhin umfasst die optoelektronische Leuchtvorrichtung eine Programmiereinrichtung zur Programmierung der Pixel. Die Programmiereinrichtung programmiert die Pixel in mehreren, aufeinander folgenden Zeiteinheiten.
  • Zur Programmierung der Pixel ist ein Zeilenmuster vorgegeben, das eine Teilmenge der Zeilen der Matrix umfasst und auch als Programmiermuster oder Programmiermaske bezeichnet werden kann. Pro Zeiteinheit programmiert die Programmiereinrichtung die Pixel derjenigen Zeilen, die von dem Zeilenmuster umfasst sind bzw. durch das Zeilenmuster vorgegeben sind. Ferner wird das Zeilenmuster, insbesondere von der Programmiereinrichtung, pro Zeiteinheit um mindestens eine Zeile verschoben, so dass die Programmiereinrichtung in jeder Zeiteinheit die Pixel zumindest teilweise unterschiedlicher Zeilen programmiert.
  • Die Pixelmatrix, die von der Programmiereinrichtung programmiert wird, muss nicht sämtliche Pixel der optoelektronischen Leuchtvorrichtung umfassen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die von der Programmiereinrichtung programmierte Pixelmatrix lediglich ein Segment der vollständigen Pixelmatrix der optoelektronischen Leuchtvorrichtung darstellt. Weitere Segmente können von einer oder mehreren Programmiereinrichtungen programmiert werden, welche die gleichen Merkmale wie die hier beschriebene Programmiereinrichtung aufweist.
  • Das vorgegebene Zeilenmuster umfasst stets mehrere Zeilen, jedoch weniger Zeilen als die Matrix aufweist, d. h., die Teilmenge ist eine echte Teilmenge der Menge der Zeilen der Matrix.
  • In einem Beispiel enthält die Matrix 15 Zeilen mit Pixeln, wobei die Zeilen von 1 bis 15 durchnummeriert sind. Das Zeilenmuster umfasst vier Zeilen und zwar Zeilen Nr. 1, 2, 4 und 8. Allgemein gilt, dass das Zeilenmuster nicht aus fortlaufenden Zeilen bestehen muss, sondern auch eine oder mehrere Lücke(n) aufweisen kann, die jeweils eine oder mehrere Zeile(n) umfassen. In dem vorliegenden Beispiel bestehen Lücken in dem Zeilenmuster zwischen den Zeilen 2 und 4 sowie den Zeilen 4 und 8.
  • Bei einer Anwendung des Zeilenmusters werden in einer ersten Zeiteinheit die Pixel derjenigen Zeilen der Matrix programmiert, die von dem Zeilenmuster umfasst sind. Ist das Zeilenmuster in der ersten Zeiteinheit in dem beschriebenen Beispiel so ausgerichtet, dass es in der Zeile 1 der Matrix beginnt, dann sind die Zeilen 1, 2, 4 und 8 in der ersten Zeiteinheit von dem Zeilenmuster umfasst und die Pixel dieser Zeilen werden programmiert.
  • Pixel derjenigen Zeilen, die in einer Zeiteinheit nicht von Zeilenmuster umfasst sind, werden in dieser Zeiteinheit nicht programmiert. In dem gegebenen Beispiel werden folglich die Pixel der Zeilen 3, 5 bis 7 und 9 bis 15 in der ersten Zeiteinheit nicht programmiert.
  • Die Programmierung der Pixel während einer Zeiteinheit erfolgt insbesondere mittels eines Multiplex-Verfahrens, d. h., die Pixel werden zeilenweise programmiert. In dem obigen Beispiel werden in der ersten Zeiteinheit zunächst die Pixel der Zeile 1, danach die Pixel der Zeile 2, danach die Pixel der Zeile 4 und anschließend die Pixel der Zeile 8 programmiert.
  • Jedes der Pixel kann eine Mehrzahl von Subpixeln aufweisen. Beispielsweise kann jedes Pixel drei Subpixel für die Farben rot, grün und blau enthalten, wobei jedes Subpixel ein entsprechendes optoelektronisches Halbleiterbauelement aufweist.
  • Bei der Programmierung einer Zeile während einer Zeiteinheit werden insbesondere alle Subpixel der betreffenden Pixel neu beschrieben.
  • In der auf die erste Zeiteinheit folgenden zweiten Zeiteinheit wird das Zeilenmuster um mindestens eine Zeile in der Matrix verschoben. Gemäß einer Ausgestaltung wird das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um genau eine Zeile verschoben. Wenn in dem obigen Beispiel das Zeilenmuster um genau eine Zeile nach unten verschoben wird, so sind in der zweiten Zeiteinheit die Zeilen 2, 3, 5 und 9 von dem Zeilenmuster umfasst und die Pixel dieser Zeilen werden programmiert, während die Pixel aller übrigen Zeilen in der zweiten Zeiteinheit nicht programmiert werden.
  • Das beschriebene Vorgehen wird entsprechend fortgesetzt.
  • Sobald das Zeilenmuster in einer bestimmten Zeiteinheit am Ende der Matrix angekommen ist, beginnt derjenige Teil des Zeilenmusters, der über das Ende der Matrix hinausgeht, wieder am Anfang der Matrix. In dem obigen Beispiel sind demnach in der neunten Zeiteinheit die Zeilen 9, 10 und 12 sowie die Zeile 1 der Matrix von dem Zeilenmuster umfasst.
  • Die Zeiteinheiten sind insbesondere jeweils gleich lang. Die Länge bzw. Dauer einer Zeiteinheit kann von der Länge bzw. Dauer des Auffrischungs- bzw. Erneuerungszyklus (englisch: refresh cycle) abhängen. Der Auffrischungszyklus kann genauso lange dauern wie Bildwiederholzeit (= 1/Bildwiederholfrequenz). Während eines Auffrischungszyklus müssen alle Zeilen der Matrix neu mit Informationen beschrieben werden. Ferner hängt die Dauer der Zeiteinheit von der Anzahl n der Bits der Bildinformation ab, die in einem Pixel bzw. Subpixel dargestellt werden soll. Ein Auffrischungszyklus wird insbesondere in 2n-1 Zeiteinheiten unterteilt. Die Länge einer Zeiteinheit ist folglich durch den Quotienten aus der Länge des Auffrischungszyklus und dem Term 2n-1 gegeben. Für einen Auffrischungszyklus von 16,7 ms und eine 4 bit-Information, d. h., n = 4, ergibt sich folglich eine Länge einer Zeiteinheit von 16,7 ms/15.
  • Das Zeilenmuster wiederholt sich nach 2n-1 Zeilen.
  • Jedes Pixel oder Subpixel kann einen Speicher aufweisen, in dem 1 bit abgelegt werden kann. Beispielsweise kann der Speicher ein Kondensator sein, der entsprechend geladen werden kann, damit seine Ausgangsspannung zwei Zustände angeben kann. Der Kondensator kann in eine sogenannte 2T1C-Schaltung, die neben dem Kondensator noch zwei Transistoren umfasst, eingebettet sein. Weiterhin kann ein Multi-Transistor-Äquivalent oder ein 1 bit Flip-Flop pro Pixel oder Subpixel zur Speicherung von 1 bit verwendet werden.
  • Sowohl für den Programmierbetrieb, unter dem man das Programmieren bzw. Schreiben der Bildinformationsdaten in jedes Pixel bzw. Subpixel versteht, als auch für den Ausführungsbetrieb, bei dem die abgespeicherten Bildinformationsdaten dargestellt werden, kann Pulsweitenmodulation, insbesondere binäre Pulsweitemodulation eingesetzt werden. Bei der binären Pulsweitenmodulation wird jedes Bit einzeln programmiert. Beispielsweise wird zunächst das höchstwertige Bit (englisch: most significant bit; kurz: MSB) programmiert, danach folgen die anderen Bits bis hin zum niedrigstwertigen Bit (englisch: least significant bit; kurz: LSB).
  • Die von den optoelektronischen Halbleiterbauelementen emittierte elektromagnetische Strahlung kann beispielsweise Licht im sichtbaren Bereich, Ultraviolett (UV)-Licht und/oder Infrarot-Licht sein.
  • Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente können beispielsweise als Licht emittierende Dioden (englisch: light emitting diode; kurz: LED), als organische Licht emittierende Dioden (englisch: organic light emitting diode; kurz: OLED), als Licht emittierende Transistoren oder als organische Licht emittierende Transistoren ausgebildet sein. Die optoelektronischen Halbleiterbauelemente können in verschiedenen Ausführungsformen Teil einer integrierten Schaltung sein.
  • Insbesondere können bei einer Verwendung von LEDs diese als pLEDs, d. h. Mikro-LEDs, ausgeführt sein. Eine µLED verfügt über ein nur sehr dünnes Substrat oder gar kein Substrat, was es ermöglicht, die µLED mit kleinen lateralen Ausdehnungen, insbesondere im µm-Bereich, herzustellen.
  • Bei der Verwendung von LEDs und/oder pLEDs als optoelektronische Halbleiterbauelemente ist der Betrieb mittels Pulsweitenmodulation vorteilhaft, um eine ausreichende Bildqualität zu erzielen. Ursache dafür sind die stark unterschiedlichen Wellenlängen einer LED bei verschiedenen Betriebsströmen.
  • Die beschriebene optoelektronische Leuchtvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt kann ein Aktiv-Matrix-LED-Display mit Speicherung von 1 bit pro Pixel bzw. Subpixel sein und ermöglicht die Verwendung von kostengünstiger TFT-Technologie sowie von einfachen, bewährten und zuverlässigen 2T1C-Schaltungen. Weiterhin können große Programmierfelder bei kleinen Programmierfrequenzen programmiert werden, geringe off-Zeiten erzielt werden, in denen die optoelektronischen Halbleiterbauelemente während der Programmierung ausgeschaltet sind, und das Flackern sowie die Bildqualität bei Filmaufnahmen des Displays kann durch eine künstliche Erhöhung der „Bildwiederholfrequenz“ verbessert werden.
  • Wie oben beschrieben kann das Zeilenmuster gemäß einer Ausgestaltung pro Zeiteinheit um genau eine Zeile verschoben werden. Dabei kann das Zeilenmuster jeweils um eine Zeile in der Matrix nach unten verschoben werden, es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Zeilenmuster in der Matrix um eine Zeile nach oben verschoben wird.
  • In einer alternativen Ausgestaltung wird das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um mehr als eine Zeile nach unten oder oben verschoben.
  • Die Programmiereinrichtung kann derart ausgestaltet sein, dass sie in aufeinander folgenden Zeiteinheiten, insbesondere während eines Auffrischungszyklus, in einer Zeile die Bits der Bildinformation, die durch die optoelektronischen Bauelemente wiedergegeben werden soll, gemäß einem vorgegebenen Bitmuster programmiert. Das Bitmuster kann für alle Zeilen gleich sein.
  • Beispielsweise können in dem Bitmuster die Bits gemäß ihrer Wertigkeit geordnet sein. Zum Beispiel können pro Pixel oder Subpixel zunächst das höchstwertige Bit und anschließend in absteigender Reihenfolge die niederwertigeren Bits bis hin zum niedrigstwertigen Bit programmiert werden. Diese Reihenfolge kann auch umgekehrt werden.
  • In einem Beispiel wird bei einer 4 bit-Bildinformation in einer ersten Zeiteinheit das höchstwertige Bit 3 (MSB) programmiert werden, während der 9. und 13. Zeiteinheit werden die nächst niederwertigeren Bits 2 bzw. 1 programmiert, bis schließlich in der 15. Zeiteinheit das niedrigstwertige Bit 0 (LSB) programmiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Bits in dem Bitmuster nicht gemäß ihrer Wertigkeit geordnet. Beispielsweise kann zwischen zwei in ihrer Wertigkeit direkt aufeinander folgende Bits ein weiteres Bit eingeschoben werden. Folgende Bitmuster seien als Beispiele für derartige Bitmuster genannt: Bit 3, Bit 0, Bit 2, Bit 1; Bit 3, Bit 1, Bit 2, Bit 0; Bit 1, Bit 3, Bit 2, Bit 0.
  • Weiterhin kann in dem Bitmuster zumindest ein Teil zumindest eines Bits in ein anderes Bit eingeschoben sein. Beispielsweise kann ein niederwertiges Bit in ein höheres Bit eingeschoben sein oder es können zwei oder mehr niederwertige Bits in ein höherwertiges Bit eingeschoben sein oder es können zumindest Teile eines oder mehrerer niederwertiger Bits in ein höherwertiges Bit eingeschoben sein. Durch das Einschieben zumindest von Teilen von niederwertigen Bits in höherwertige Bits wird die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass zusätzliche Flanken bei der Darstellung der Bildinformation auftreten, wodurch unbeabsichtigtes Flimmern der Bilddarstellung reduziert wird.
  • Jedem Pixel oder jedem Subpixel kann eine Pixeltreiberschaltung zugeordnet sein. Die Pixeltreiberschaltung kann insbesondere einen 1 bit-Speicher aufweisen, in den von der Programmiereinrichtung ein Bit eingeschrieben werden kann. Die Pixeltreiberschaltung verwendet die Programmierung, um das zugehörige Halbleiterbauelement anzusteuern, so dass dieses gemäß der Programmierung entweder leuchtet oder nicht leuchtet.
  • Ein Verfahren gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Anmeldung ist zum Steuern, insbesondere zum Programmieren, einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung geeignet oder bestimmt. Die optoelektronische Leuchtvorrichtung weist eine Mehrzahl von programmierbaren Pixeln auf, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jedes Pixel umfasst mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement. Die Pixel werden in mehreren, aufeinander folgenden Zeiteinheiten programmiert. Zur Programmierung der Pixel ist ein Zeilenmuster vorgegeben, das eine Teilmenge der Zeilen der Matrix umfasst. Pro Zeiteinheit werden die Pixel derjenigen Zeilen programmiert, die von dem Zeilenmuster umfasst sind bzw. durch das Zeilenmuster vorgegeben sind. Das Zeilenmuster wird pro Zeiteinheit um mindestens eine Zeile verschoben.
  • Das Verfahren zur Steuerung der optoelektronischen Leuchtvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt kann die oben beschriebenen Ausgestaltungen der optoelektronische Leuchtvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt aufweisen.
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen schematisch:
    • 1A und 1B verschiedene Strukturen zur Programmierung der Pixel von LED-Displays;
    • 2 einen Pixeltreiber mit einer Aktiv-Matrix-Struktur für eine OLED;
    • 3A eine Darstellung einer konventionellen Pulsweitenmodulation;
    • 3B eine Darstellung einer binären Pulsweitenmodulation;
    • 4 und 5 Darstellungen eines Displays und der Programmierung der Pixel des Displays;
    • 6 und 7 Darstellungen von Ausführungsbeispielen einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung und der Programmierung von Pixeln; und
    • 8 bis 10 Darstellungen weiterer Varianten der Pixel-Programmierung .
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil dieser Beschreibung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen. In den Figuren sind identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
  • 1A und 1B zeigen verschiedene Strukturen zur Programmierung der Pixel bzw. Subpixel von LED-Displays. Bei der LED-Display-Elektronik wird unterschieden zwischen dem Programmierbetrieb und dem Ausführungsbetrieb. Unter Programmierbetrieb versteht man das Programmieren bzw. Schreiben der Bildinformationsdaten in jedes einzelne Subpixel. Liegen die Bilddaten im Subpixel vor, so werden sie dort gespeichert und während des Ausführungsbetriebs ausgeführt, d. h., von dem Display dargestellt. Im einfachsten Fall besteht die Ausführung darin, die programmierte Information 0 oder 1 in den Zustand „LED angeschaltet“ oder den Zustand „LED ausgeschaltet“ zu übertragen. In anderen Fällen ist eine Spannung programmiert. Kleine Spannungen führen zu geringen Helligkeiten und hohe Spannungen zu hohen Helligkeiten der jeweiligen LED. Steckt mehr Elektronik im Pixel, so kann auch auf Pixelebene eine Pulsweitenmodulation durchgeführt werden.
  • Bei der Programmierung unterscheidet man zwischen der Daisy-Chain- und der Kreuz-Matrix-Programmierung. Die Kreuzmatrix-Programmierung ist üblich bei TFT-Schaltungen. Bei einer konventionellen Programmierstruktur, wie sie beispielhaft in 1A dargestellt ist, sind die Subpixel über eine Kreuzmatrix miteinander verbunden. Die Zeilenleitungen sind mit dem Zeilentreiber und die Spaltenleitungen mit dem Spaltentreiber verbunden. Üblicherweise befinden sich bei einem TFT-Display die Treiber nur am Rand des Displays.
  • Bei einer segmentierten Programmierstruktur, die beispielhaft in 1B dargestellt ist, ist das Display in verschiedene Segmente unterteilt. In jedem Segment befindet sich ein Zeilen- und ein Spaltentreiber. Der Treiberaufwand und die Verschaltung sind damit deutlich aufwändiger und komplizierter. Auch ist der Platz für die Treiber auf der Vorderseite meist nicht vorhanden. Der Vorteil der segmentierten Programmierstruktur besteht darin, dass die Programmierfrequenzen gegenüber der konventionellen Programmierstruktur deutlich gesenkt werden können, insbesondere linear mit der Anzahl der Segmente nach oben bzw. unten.
  • In 2 ist schematisch ein Pixeltreiber mit einer Aktiv-Matrix-Struktur für eine OLED dargestellt. In einem Kondensator C wird eine Information gespeichert, indem der Kondensator C auf eine bestimmte Spannung geladen wird bzw. nicht geladen wird. Über einen Transistor M1 erfolgt die Programmierung des Kondensators C. Über einen Transistor M2 wird die OLED mit einem Konstantstrom versorgt, sofern der Kondensator C eine entsprechende Spannung aufweist.
  • Der Spaltentreiber stellt im Programmierbetrieb für alle Spalten die Programmierspannung über eine Leitung data individuell bereit. Der Zeilentreiber schaltet die Zeilen schrittweise für die Programmierung über eine Leitung select durch. Die Programmierung kann mit konstanter Spannung, mit konstantem Strom oder mit Rückkopplung erfolgen.
  • Allgemein wird zwischen Subpixeln mit Speichern, die 1 bit-Information speichern können, und Subpixeln mit Speichern, die alle Bits speichern können, unterschieden. Können alle Bits im Subpixel gespeichert werden, so müssen diese auch dort ausgeführt werden. Das führt nicht nur zu einem hohen Speicheraufwand im Pixel, sondern auch einem Aufwand (Zähler, Komparator, Stromquelle) für die PWM in jedem Pixel, was die Schaltung teuer und aufwändig macht.
  • Die im Folgenden beschriebenen Subpixel sind so ausgestaltet, dass sie nur genau 1 bit speichern können. Allerdings kann die 1 bit-Information auch analog vorliegen und als Spannung in einem Kondensator gespeichert sein. Durch unterschiedlich hohe Spannungen kann zusätzlich zur PWM eine Strommodulation erfolgen, z. B. für das Dimming. Farbverschiebungen wegen Wellenlängenverschiebungen werden dann durch eine elektronische Farbkorrektur vermieden. Dies ist nur möglich im Dimming-Betrieb und nicht für den ständig wechselnden Bildinhalt.
  • Bei der Pulsweitenmodulation unterscheidet man zwischen der konventionellen Pulsweitenmodulation und der binären Pulsweitenmodulation (englisch: binary pulse width modulation). Beispielhaft sind die konventionelle und die binäre Pulsweitenmodulation in 3A bzw. 3B dargestellt.
  • Die Dauer eines Auffrischungszyklus beträgt in den in 3A und 3B dargestellten Beispielen 16,7 ms und die Bildwiederholfrequenz 60 Hz. Die Kurven 10 bezeichnen den Ausführungsbetrieb und die Pfeile 11 die Programmierzeitpunkte.
  • In den gewählten Beispielen wird während eines Auffrischungszyklus eine Bildinformation von 4 bit in dem Subpixel gespeichert. Die durchgezogenen Pfeile 11 zeigen die Programmierzeitpunkte für den Fall, dass alle 4 bit im Subpixel gespeichert und ausgeführt werden können. Nimmt man zusätzlich noch die gestrichelten Pfeile 11 hinzu, so sind dadurch die Programmierzeitpunkte für den Fall gegeben, dass nur 1 bit im Subpixel gespeichert werden kann.
  • In den Beispielen soll der Binärcode 1010 dargestellt werden, wobei gemäß der LSB 0-Kodierung zuerst höchstwertige Bit 3 (MSB) und zuletzt das niedrigstwertige Bit 0 (LSB) angegeben ist. Der Binärcode 1010 entspricht der Dezimalzahl 10 (= 8+2).
  • Bei der in 3A dargestellten konventionellen Pulsweitenmodulation liegt innerhalb eines Auffrischungszyklus nur eine steigende und eine fallende Flanke an der LED an.
  • Bei der in 3B dargestellten binären Pulsweitenmodulation wird beispielsweise zuerst das höchstwertige Bit (MSB, Bit 3) ausgeführt, dann mit halber Zeit das nächste Bit (Bit 2) und wieder mit halber Zeit das nächste Bit (Bit 1). Am Ende des Auffrischungszyklus wird das niedrigstwertige Bit (LSB, Bit 0) mit nur eine Zeiteinheit ausgeführt. In diesem Beispiel bekommt das niedrigstwertige Bit eine Zeiteinheit und das höchstwertige Bit 8 Zeiteinheiten.
  • Falls das Subpixel einen 4 bit-Speicher enthält, so ist nur zu Beginn des Auffrischungszyklus eine Programmierung erforderlich. Liegen hingegen nur 1 bit-Speicher vor, so gibt es einen großen Unterschied zwischen der konventionellen und der binären Pulsweitenmodulation. Für die konventionelle Pulsweitenmodulation sind 2n Programmiervorgänge, d. h., 16 Programmiervorgänge in dem vorliegenden Beispiel, notwendig, wobei n die Anzahl der Bits angibt. Für die binäre Pulsweitenmodulation sind nur n Programmiervorgänge, d. h., 4 Programmiervorgänge in dem vorliegenden Beispiel, notwendig. Die Ersparnis liegt folglich in diesem Beispiel bei einem Faktor 4. Für 8 bit liegt die Ersparnis bei 28/8 = 32 und für 10 bit bei 210/10 = 102,4.
  • 4 zeigt schematisch ein Display mit einer Pixelmatrix aus Zeilen und Spalten. Es sind beispielhaft 1.080 Zeilen vorgesehen sowie eine Bildwiederholfrequenz von 60 Hz und ein Auffrischungszyklus mit einer Länge von 16,667 ms. Die Programmierung der Pixel bzw. Subpixel erfolgt mit konventioneller PWM-Programmierung. Die Linien 12 in 4 geben den Zeitschlitz an, in welchem die jeweilige Zeile programmiert wird. Ferner sind in der Tabelle 1 für verschiedene Bitzahlen die sich daraus ergebenden PWM-Zeiteinheiten, die Ausführungszeit pro bit in µs, die Programmierzeit pro bit und Zeile in µs, die Programmierfrequenz in MHz sowie der prozentuale LED-aus-Anteil für den Fall, dass die LED während der Programmierung nicht leuchten kann, angegeben. Die PWM-Zeiteinheiten berechnen sich aus dem Term 2n-1, wobei n die Anzahl der Bits angibt. Die Ausführungszeit pro bit ist durch den Quotienten aus der Auffrischungszyklusdauer und der Anzahl PWM-Zeiteinheiten und die Programmierzeit pro bit und Zeile ist durch den Quotienten aus Ausführungszeit und Anzahl der Displayzeilen gegeben. Der prozentuale LED-aus-Anteil kann aus dem Quotienten aus Programmierzeit und Ausführungszeit berechnet werden.
  • Bei konventioneller PWM-Programmierung müssen innerhalb eines Auffrischungszyklus alle Zeilen neu mit Informationen beschrieben werden. Bei 1.080 Zeilen verbleibt nur 1/1.080 * 16,667 ms für die Programmierung einer Zeile. Zusätzlich muss bei 8 bit die Programmierung 28 = 256 Mal pro Zeile erfolgen. Geht man davon aus, dass während der Programmierung die LED nicht leuchtet, so ergibt sich eine Programmierfrequenz von 17 MHz und ein LED-aus-Anteil von 0,1 %. Da die Programmierfrequenz von 17 MHz deutlich größer ist als die obere Betriebsfrequenz von Dünnfilmtransistoren von 1 MHz, erlaubt dieser Vorschlag nicht die Verwendung von TFT-Technologie.
  • Das in 5 gezeigte Display unterscheidet sich von dem in 4 dargestellten Display durch die Anzahl der Zeilen, die in 5 um einen Faktor 10 auf 108 Zeilen verringert wurden. Dadurch reduzieren sich die Programmierfrequenzen ebenfalls um einen Faktor 10. Wie sich Tabelle 2 entnehmen lässt, ergibt sich für 7 bit eine Programmierfrequenz von unter 1 MHz. Allerdings muss das Display mit dem Faktor 10 segmentiert werden, wodurch sich ein 10-mal höherer Treiberaufwand für die Spaltentreiber ergibt. Außerdem lässt sich mit 7 bit kein qualitativ hochwertiges Bild erzeugen.
  • 6 zeigt eine optoelektronische Leuchtvorrichtung 20 als Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Anmeldung. Die im Folgenden beschriebene Funktionsweise der optoelektronischen Leuchtvorrichtung 20 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung gemäß dem zweiten Aspekt der Anmeldung dar.
  • Die optoelektronische Leuchtvorrichtung 20 umfasst ein Display 21 mit einer Mehrzahl von programmierbaren Pixeln, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind. Jedes Pixel umfasst ein oder mehrere LEDs. Ferner umfasst die optoelektronische Leuchtvorrichtung 20 eine Programmiereinrichtung 22 zur Programmierung der Pixel des Displays 21.
  • In 6 sind zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Displays 21 die Zeilen gegen aufeinanderfolgende Zeiteinheiten aufgetragen. In dem vorliegenden Beispiel enthält das Display 21 insgesamt 1.080 Zeilen. Die Linien 23 in der Darstellung von 6 stellen die Programmierzeitpunkte der jeweiligen Zeile dar. Danach findet im restlichen Teil der jeweiligen Zeiteinheit die Ausführung statt.
  • Um das Beispiel anschaulich zu gestalten, ist es auf 4 bit ausgelegt. In der Praxis braucht man für eine ausreichende Bildqualität mindestens 8 bit. In der ersten Zeiteinheit werden nicht alle Zeilen programmiert, sondern nur die Zeilen, die durch ein Zeilen- bzw. Programmiermuster vorgegeben sind. Das Zeilenmuster enthält in dem Beispiel die Zeilen 1, 2, 4 sowie 8 und wiederholt sich nach 2n-1 Zeilen, also hier nach 15 Zeilen. Folglich umfasst das Zeilenmuster die Zeilen 1, 2, 4, 8, 16, 17, 19,... Das Zeilenmuster wird zur Zeiteinheit 2 und 3 sowie allen weiteren Zeiteinheiten um jeweils eine Zeile nach unten verschoben. Dies kann als Staffelung (englisch: staggering) bezeichnet werden.
  • Die Anzahl der zu programmierenden Zeilen ist damit zu jeder Zeiteinheit konstant und gering. Ist die Anzahl der zu programmierenden Zeilen ungleich N x 2n-1, wobei N die Anzahl der Blöcke ist, in die die Zeilen eingeteilt werden, so müssen die verbleibenden Zeilen extra behandelt werden. Dazu kann ein ganzer Block angefügt werden und die verbleibende Zeit, in der keine zu programmierenden Zeilen mehr vorliegen, kann pausiert werden oder sofort nach der letzten Zeile kann nach oben zur ersten Zeile gesprungen werden.
  • In der Tabelle 3 sind für verschiedene Bitzahlen die sich daraus ergebenden PWM-Zeiteinheiten, die Programmierzeiteinheiten, die Gesamt-Zeiteinheiten aus PWM-Zeiteinheiten und Programmierzeiteinheiten, die Programmierzeilen pro Zeiteinheit, die Taktfrequenz in MHz sowie der prozentuale LED-aus-Anteil angegeben.
  • Für 8 bit ergeben sich 255 PWM-Zeiteinheiten und 8 Programmierzeiteinheiten. Zusammen macht das 263 Zeiteinheiten. Ferner ergeben sich 38 Programmierzeilen pro Zeiteinheit. Das errechnet sich aus 1.024 Zeilen mit N=4 Blöcken und 8 Programmierzeilen pro Block, d. h., 4 x 8 = 32. Die restlichen 6 Zeilen ergeben sich aus 26 = 64 mit 1.024 + 64 = 1.088 > 1.080. Es wird der Fall gerechnet, bei dem so bald wie möglich wieder zur Zeile 1 gesprungen wird.
  • Ab 12 bit wird in einem Block programmiert, da 212 größer als 1.080 ist. Wie sich Tabelle 3 entnehmen lässt, liegen vorteilhafte Lösungen für 8 und 10 bit und 1.080 Zeilen bei 60 Herz Bildwiederholfrequenz vor. Die LED-aus-Zeiten sind gering.
  • 7 und Tabelle 4 zeigen eine Variante von 6, wobei hier für die Programmierung der Subpixel doppelt so viel Zeit vorgesehen ist. Dadurch sinken die Programmierfrequenzen. Allerdings steigt der LED-aus-Anteil. Gute Lösungen sind damit bis 11 bit möglich.
  • Weitere Varianten des Ausführungsbeispiels aus 6 sind in den 8 bis 10 dargestellt.
  • Da die Bildwiederholfrequenz mit 60 Hz recht gering ist, kann das menschliche Auge diese niedrige Frequenz bei Pulsweitemodulation als Flimmern negativ wahrnehmen. Verwendet man Digitalkameras, Videokameras oder Smartphones, um das Display zu filmen oder zu fotografieren, so kann dies zu ungewünschten Effekten, insbesondere einem abgeschnittenen Bild, führen. Die binäre Pulsweitenmodulation nimmt bereits eine Zerhackung der Pulsweitenmodulation im Vergleich zur Standard-Pulsweitenmodulation vor. Im Folgenden werden Varianten beschriebenen, bei denen das binäre Pulsweitenmodulationssignal weiter zerhackt wird, um das beschriebene Problem zu reduzieren.
  • In der Tabelle von 8 zeigen die kursiven Zahlen in den Zeiteinheiten der ersten beiden Zeilen die Wertigkeit der jeweiligen Bits an. Vorliegend wird ein 4 bit-Beispiel betrachtet, so dass 3 für das höchstwertige Bit (MSB) und 0 für das niedrigstwertige Bit (LSB) steht. Die Linien 23 bezeichnen die Programmierzeitpunkte. Die mit dem Bezugszeichen 24 gekennzeichneten Linien sind zusätzliche Programmierzeitpunkte, um das Scrambling, d. h., die Verwürfelung, zu verbessern.
  • In dem in 8 dargestellten Beispiel wird das Bit 3 nach der halben Ausführungszeit vom Bit 0 unterbrochen. Dafür ist eine zusätzliche Programmierung notwendig. Ist das Bit 3 „high“ und ist das Bit 0 ebenfalls „high“, so ergibt sich dadurch keine Scrambling-Verbesserung. Sind Bit 3 und 0 unterschiedlich, erhält man eine Verbesserung. Das beschriebene Bitmuster kann in allen Zeilen angewendet werden.
  • Die Programmierfrequenz steigt in diesen 4 bit-Beispiel um 1/4 = 25%. In einem 8 bit-Beispiel nur um 1/8.
  • Das vorstehend beschriebene Bitmuster, bei dem das Bit 3 nach der halben Ausführungszeit von dem Bit 0 unterbrochen wird, wird für alle Zeilen angewandt.
  • Um die Wahrscheinlichkeit von unterschiedlichen Bits zu erhöhen, wird in dem in 9 dargestellten Beispiel das Bit 3 nach der halben Ausführungszeit von dem Bit 0 und zusätzlich dem Bit 1 unterbrochen. Sofern von den Bits 0, 1 und 3 eines einen anderen Zustand einnimmt, wird das Scrambling verbessert. Der Programmieraufwand ist identisch zu dem in 8.
  • Um das Scrambling weiter zu verbessern, werden niederwertige Bits in hochwertigere Bits verschoben. In dem in 10 dargestellten Beispiel wird das Bit 1 geteilt und in Bit 3 geschoben. Dadurch kann man Bit 3 dritteln und es entstehen noch kürzere Pulse und ein verbessertes Scrambling. Der Programmieraufwand steigt hier von 4 auf 7 Programmierungen pro Zeiteinheit und Block.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kurve
    11
    Pfeil
    12
    Linie
    20
    optoelektronische Leuchtvorrichtung
    21
    Display
    22
    Programmiereinrichtung
    23
    Linie
    24
    Linie

Claims (14)

  1. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20), mit: einer Mehrzahl von programmierbaren Pixeln, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes Pixel mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement aufweist, und einer Programmiereinrichtung (22), die derart ausgebildet ist, dass sie die Pixel in mehreren, aufeinander folgenden Zeiteinheiten programmiert, wobei ein Zeilenmuster, das eine Teilmenge der Zeilen der Matrix umfasst, vorgegeben ist, wobei die Programmiereinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass sie pro Zeiteinheit die Pixel derjenigen Zeilen programmiert, die von dem Zeilenmuster umfasst sind, und wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um mindestens eine Zeile verschoben wird.
  2. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um genau eine Zeile verschoben wird.
  3. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach Anspruch 1, wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um mehr als eine Zeile verschoben wird.
  4. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Programmiereinrichtung (22) derart ausgebildet ist, dass sie in aufeinander folgenden Zeiteinheiten in einer Zeile die Bits einer Bildinformation gemäß einem vorgegebenen Bitmuster programmiert.
  5. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach Anspruch 4, wobei in dem Bitmuster die Bits gemäß ihrer Wertigkeit geordnet sind.
  6. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach Anspruch 4, wobei in dem Bitmuster die Bits nicht gemäß ihrer Wertigkeit geordnet sind.
  7. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei in dem Bitmuster zumindest ein Teil zumindest eines Bits in ein anderes Bit eingeschoben ist.
  8. Optoelektronische Leuchtvorrichtung (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem Pixel eine Pixeltreiberschaltung zugeordnet ist.
  9. Verfahren zum Steuern einer optoelektronischen Leuchtvorrichtung (20), die eine Mehrzahl von programmierbaren Pixeln aufweist, die in einer Matrix aus Zeilen und Spalten angeordnet sind, wobei jedes Pixel mindestens ein optoelektronisches Halbleiterbauelement aufweist, wobei die Pixel in mehreren, aufeinander folgenden Zeiteinheiten programmiert werden, wobei ein Zeilenmuster, das eine Teilmenge der Zeilen der Matrix umfasst, vorgegeben ist, wobei pro Zeiteinheit die Pixel derjenigen Zeilen programmiert werden, die von dem Zeilenmuster umfasst sind, und wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um mindestens eine Zeile verschoben wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Zeilenmuster pro Zeiteinheit um genau eine Zeile oder um mehr als eine Zeile verschoben wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei in aufeinander folgenden Zeiteinheiten in einer Zeile die Bits einer Bildinformation gemäß einem vorgegebenen Bitmuster programmiert werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Bitmuster die Bits gemäß ihrer Wertigkeit geordnet sind.
  13. Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Bitmuster die Bits nicht gemäß ihrer Wertigkeit geordnet sind.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei in dem Bitmuster zumindest ein Teil zumindest eines Bits in ein anderes Bit eingeschoben ist.
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