DE19621911C2 - Farbdisplay und Anwendungen - Google Patents

Farbdisplay und Anwendungen

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Description

Farbdisplays sind seit langem auf dem Markt. In der Regel werden sie aus einer dreifarbigen LCD-Leuchtmatrix aufgebaut. Ihre Helligkeit bekommen sie durch weiße Hintergrundbeleuch­ tung, aufgebaut aus Neonleuchtstoffröhren, Halogenlampen, Metalldampflampen etc.
Nachteilig hierbei ist vor allem, wenn diese Displays in Projektionsgeräte eingebaut werden, die starke Hitzeentwicklung der Hintergrundbeleuchtung, die gegebenenfalls das Display schädigen. Ein weiterer Schwachpunkt ist, das diese LCDs über eine Polarisationsfolie verfügen, die allein 50% der Hintergrundbeleuchtung absorbiert.
Bei hochauflösenden LC- oder TFT-Displays entsteht bei der Produktion eine hohe Ausschußquote, da es technisch sehr aufwendig ist, ein fehlerfreies Display zu fertigen. Für jeden Bildpunkt müssen drei LCDs aufgebaut werden, das sind rund 4,4 Millionen LCDs bei einer Auflösung von 1280 × 1024 Pixeln.
Durch die DE 36 33 708 A1 (Fig. 6) ist ein Farbdisplay aus stabförmigen Elementen bekannt, die allerdings matrixförmig angeordnet sind und daher einen hohen Ansteuerungsaufwand erfordern. Hintergrundbeleuchtungen von LC-Displays mittels Leuchtdioden sind aus der DE 40 27 858 A1 und der Literaturstelle WAITL, Günter u. a. "Hintergrundbeleuchtung mit LED's" in Elektronik 19/1991, S. 96 bis 99 bekannt. Dort sind allerdings keine Farbdarstellungen angesprochen.
Ziel der Erfindung ist es, bei Farbdisplays die Lichtausbeute bei kompakter Bauweise deutlich zu verbessern und gleichzeitig durch die einfache Bauweise die Ausschußquote bei der Produktion zu verringern. Erfindungsgemäß wird dieses durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gelöst.
Im einfachsten Fall kann ein derartiges Farbdisplay aus nur einem Monochrom-LC-Display aufgebaut werden, das mit einer zyklischen grün-blau-rot Hintergrundbeleuchtung farbige Bilder erzeugt. Das Monochrom-Display wird dabei als aktive Lochmaske benutzt. Die Hintergrundbe­ leuchtung kann zum Beispiel aus einer Weißlichtquelle aufgebaut sein, die mittels einer rotierenden Farbscheibe jeweils die drei Farben erzeugt. Um ein farbiges Bild zu erzeugen, müssen die drei Farbanteile miteinander gemischt werden. Bei Erzeugung von 25 Bildern pro Sekunde bedeutet dies, daß im einfachsten Fall pro Bild und pro Farbe 1/75 Sekunde zur Verfügung steht. Die Farbintensität wird dabei durch Öffnen der Mikroblende (LCD-Pixel) erzeugt. Die Kompensation der unterschiedlichen Helligkeiten durch Inhomogenitäten der Beleuchtung wird dabei durch eine Basisöffnungszeit erzielt, das heißt, daß das jeweils dunkelste blau, rot und grün der Grundöffnungszeit entspricht. Dieser Wert wird jedem weiteren Farbwert aufgeschlagen. Er wird für jeden Pixel in Kombination zur Farbe ermittelt und gespeichert. Somit ist es zum Beispiel auch möglich, Farbschwankungen der Farbscheiben oder allgemein der Farbhintergrundbeleuchtung zu kompensieren.
Besser ist es jedoch, die Hintergrundbeleuchtung mittels Farbdioden zu erzeugen. Für jede der drei Farben gibt es eine Diode. Für die flächige Ausleuchtung benötigt man also eine Vielzahl von Dioden, die in Abhängigkeit ihres Abstrahlwinkels kaskadenartig nebeneinander positioniert werden. Jede einzelne Diode beleuchtet somit eine Vielzahl von LCD-Pixeln. Über Pulsweitenmodulation ist man in der Lage, die Helligkeit jeder einzelnen Diode zu steuern und somit auch die Helligkeit des gesamten Displays zu beeinflussen.
Ein großer Nachteil bei den klassischen Displays ist die Polarisationsfolie zwischen LCD und Beleuchtung, die üblicherweise 50% des Lichtes absorbiert. Selbstpolarisierende Flüssigkristalle (PDLC = polymer dispersed liquid crystal) haben diesen Nachteil nicht, da sie auf Polarisationsfolien verzichten können. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, das Display aus PDLC-Flüssigkristallen aufzubauen. Die Lichtausbeute wird somit deutlich erhöht.
Eine Variante zur Steuerung der Farbintensität der einzelnen Bildpunkte ist die Nutzung der Grauwerteinstellung des Displays. In Abhängigkeit der Intensität
  • - schwache Farbe = hoher Grauwert,
  • - intensive Farbe = niedriger Grauwert
können somit die einzelnen Farbpixel individuell gesteuert werden. Durch die Vielzahl der sich überlappenden Dioden-Lichtquellen kann es zu Unstetigkeitsstellen bei der Hintergrund­ beleuchtung kommen. Diese lokalen Minima und Maxima können durch die Kalibrierung der einzelnen Pixel kompensiert werden. Für jede Farbe (blau, rot, grün) gibt es zu jedem Pixel einen signifikanten Basisgrauwert, so daß der Betrachter des Displays einen homogen ausgeleuchteten farbigen Bildschirm pro Farbe sieht. Diese Kalibrierung wird digital abgespeichert und dient als Abgleich der zu projizierenden Farbwerte.
Es ist sinnvoll, daß die digitale Steuerung zwischen Hintergrundbeleuchtung, Display und Bilddaten von einem leistungsfähigen Controller übernommen wird, vorzugsweise von einem PC. Umgekehrt kann das Display somit auch als PC-Monitor genutzt werden.
Ein derart aufgebautes Display kann ein Bindeglied zwischen unserer digitalen und analogen Bilddarstellung werden. Es ist sowohl als reiner PC als auch als einfaches digitales Fernsehempfangsgerät zu verkaufen.
Eine besonders interessante Anwendung ist die Darstellung hochaufgelöster Bild- und Schriftinformationen, wie sie typischerweise durch Zeitschriften und Tageszeitungen publiziert werden. Wie schon oben erwähnt, sind sämtliche technische Voraussetzungen zur Projektion und Speicherung zur Information durch den PC vorhanden. Nutzt man die Verbreitung von Daten über TV-Kanäle, so hat man ein kostengünstiges Transportmittel für die riesigen Datenfluten. Der Anwender benötigt nur noch ein TV-Empfangsteil in seinem Basisgerät. Die Daten könnten zu tarifgünstigen Zeiten (z. B. Nachts) gesendet und über spezielle digitale Codes verschlüsselt sein. Für die zu jeder gewünschten Zeit möglichen Decodierung benötigt der Anwender einen Softwareschlüssel, der auf einer Scheckkarte gespeichert ist, oder man erhält seinen Schlüssel digital via Telefonnetz. Die Gebühren für die Nutzung der Informationen können dann, je nach System, entweder beim Kauf der Software-Scheckkarten oder direkt über die Telefonrechnung abgebucht werden. Möglich wäre auch eine Verbindung von bereits gebräuchlichen Kreditkarten und Softwareschlüssel, so daß der Anwender, wie gewohnt, per electronic cash die Gebühren begleichen kann. Auf dem oben beschriebenen Wege ist es möglich, einer breiten Bevölkerungsschicht riesige Datenmengen zugänglich zu machen. Die Infrastruktur wie TV- Kanäle, Satelliten, Telefonnetze etc. sind weltweit flächendeckend vorhanden.
Besonders sinnvoll wird die Anwendung, wenn man das erfindungsgemäße Farbdisplay als Basis für ein Projektionsgerät benutzt. Die kompakte, leistungsstarke Diodenbeleuchtung ermöglicht es, mit einem sehr hohen Wirkungsgrad eine qualitativ hochwertige Hintergrundbeleuchtung zu realisieren. Schwachpunkte solcher Diodenbeleuchtungen waren bislang die blauen Dioden.
Seitdem es 5A-N-Dioden mit 100 facher Lichtausbeute im Vergleich zu SIC-Leuchtdioden gibt, ist dieser Nachteil behoben. Somit ist es möglich, eine Standardhintergrundbeleuchtung mit zehnfacher Lebensdauer und einer Energieeinsparung von 75% im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungen herzustellen.
Im folgenden Teil wird das erfindungsgemäße Farbdisplay dargestellt:
Fig. 1: Schematische Darstellung des Farbdisplays mit Projektionsanwendung
Fig. 2: Schematische Darstellung einer Anwendung des Farbdisplays
In Fig. 1 wird das erfindungsgemäße Farbdisplay schematisch dargestellt. Die drei Grundfarben blau (1), grün (2) und rot (3) hinterleuchten das Monochromdisplay (4). Der Microcontroller (7), vorzugsweise ein PC, synchronisiert die Beleuchtung mit dem Display (4) und den einzelnen LCD-Pixeln. Die Bilddaten werden über ein TV-Modul (8) geliefert, das aus einem Empfangsteil und einem Framegrabber besteht, so daß über einen schnellen Datenbus, vorzugsweise PCI, die digitalen Bilddaten zum Microcontroller gelangen. Über ein optisches Linsensystem (5) kann das Bild vom Farbdisplay auf beliebig große Projektionswände (6) vergrößert werden.
In Fig. 2 wird schematisch dargestellt, wie die gebührenpflichtigen Daten abgerechnet werden. Das Display (9) mit Controller verfügt über ein TV-Empfangsteil (10) und einen Telefonanschluß (12) sowie über einen Telefonkartenleser (11) oder ähnliche Paykartensysteme. Derartig ausgestattet können beliebige Datenmengen über TV-Kanäle übermittelt werden und vom Kunden selektiv und zeitunabhängig gespeichert und wieder abgerufen werden können. Eine Anwendung wäre z. B. die Verbreitung regionaler Tageszeitungen.
Zusammenfassend bleibt zu sagen, daß das erfindungsgemäße Display überall in technischen Geräten Einsatz finden kann. Es stellt nicht nur einen hohen Gebrauchswert durch seine qualitativ hochwertigen optische Bilder dar, sondern ist auch aus energiepolitischer und volkswirtschaftlicher Sicht von großem Nutzen. Berücksichtigt man, daß die Lebensdauer einer Diodenbeleuchtung 10mal so groß ist wie eine Standard-Glühfadenbeleuchtung bei gleichzeitig 75% Energieersparnis, so lassen sich bei flächendeckendem Einsatz der Erfindung als TV-Gerät leicht ein bis zwei Kern- oder Kohlekraftwerke mit einer Leistung von drei bis fünf Gigawatt einsparen.

Claims (7)

1. Farbdisplay, aufgebaut aus einem Monochrom-LC-Display (4) mit farbiger Hintergrundbeleuchtung und einem oder mehreren Microcontrollern (7), wobei zur Erzeugung eines Farbbildes jeweils die Rot-, Blau- und Grünanteile der Hintergrundbeleuchtung zeitlich nacheinander erzeugt werden, und das Monochrom-LC- Display mit einer höheren, vorzugsweise der dreifachen Taktfrequenz der Hintergrundbe­ leuchtung getaktet ist.
2. Farbdisplay nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die farbige Hintergrund­ beleuchtung mit Hilfe von roten, blauen und grünen Leuchtdioden (1, 2, 3) erfolgt, die mittels Pulsweitenmodulation angesteuert werden.
3. Farbdisplay nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Monochromdisplay (4) aus PDCL-Streuzellen besteht.
4. Farbdisplay nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grauwerte des Monochrom-LC-Displays (4) einerseits die Farbintensität pro Pixel steuern, andererseits aber auch zum Ausgleich für Beleuchtungsinhomogenitäten dienen.
5. Farbdisplay nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Steuerungen von Microcontrollern ausgeführt werden - vorzugsweise von einem PC (7).
6. Farbdisplay nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbdisplay (4, 9) über ein TV-Empfangsteil (10) verfügt, sowie einen Telefonanschluß (12) und einen Kartenleser (11) aufweist und mittels einer Soft- und Hardwarelösung Freischaltungen von Informationen ermöglicht.
7. Farbdisplay nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Farbdisplay (9) mit geeigneten Linsensystemen (5) als Projektionsmonitor (13) genutzt verwendbar ist.
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