DE29705870U1

DE29705870U1 - Flachbildschirm

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Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 1998-08-20
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Description

Beschreibung eines Funktionsprinzips für einen
großformatigen Flachbildschirm

Dr.-Ing. Gerd-P. Fehlert

Vorbemerkung

Zur Erzeugung bewegter elektronischer Bilder sind unterschiedliche Verfahren möglich. Die Spannbreite reicht vom Einsatz einer einzigen Energiequelle zur seriellen Ansteuerung aller Bildpunkte (übliches Elektronenstrahlverfahren) bis hin zur Ansteuerung jedes einzelnen Bildpunktes als Strahlungsquelle (z.B. durch RGB LEDs). Dazwischen liegen eine Reihe weiterer Verfahren, von denen hier ein spezielles beschrieben werden soll.

Einleitung

Um flache und großformatige Bildschirme zu realisieren, ist das bekannte Elektronenstrahlverfahren wenig geeignet. Mit zunehmender Bildfläche nimmt auch die Bautiefe der Röhre und damit das gesamte Volumen des Fernsehers/ Monitors zu. Ebenso steigt die gefährliche Hochspannung mit den bekannten Nebenwirkungen an.

Bildschirme, bei denen kleinflächige Leuchtquellen in einer Matrix zusammengestellt sind, würden das Problem schon eher lösen helfen. Die Ansteuerung jedes einzelnen Matrixpunktes ist aber bei großformatigen Bildschirmen sehr aufwendig. Mit steigender Bildpunktzahl (Pixelzahl) erhöht sich die Ausschussrate der produzierten Bildschirme erheblich, was zwangsläufig zu einem höheren Preis des verkaufbaren Endgerätes führt.

Werden die Strahlungsquellen auf eine Zeile beschränkt, so verringern sich Aufwand und Preis. Der Einfluss des Produktionsausschusses bei den Zeilenarrays ist gering, da nicht die ganze Zeile in einem Stück gefertigt werden muss. Schadhafte Teile können schon vor der Endmontage getestet und sofort aussortiert werden.

Das Problem der vertikalen Umlenkung kann z.B. durch schnell rotierende Planspiegel gelöst werden. Dies ist aber, ähnlich wie bei der Elektronenbildröhre, mit einer größeren Bautiefe und Verzerrungen an den oberen und unteren Rändern verbunden. Durch ein anderes Verfahren ist auch eine geringe Bautiefe des Bildschirms erreichbar. Hierbei kann jede einzelne Zeile mit Hilfe eines elektrodynamischen Verfahrens bewegt werden.

Horizontaler Bildaufbau

Um die große Bautiefe zu vermeiden, die bei Verwendung einer einzigen Strahlungsquelle notwendig ist, werden Lichtquellen, entsprechend der Pixelzahl, in einer Zeile am unteren ßildrand angeordnet. Ihr Strahlengang verläuft senkrecht nach oben, also parallel zum Bildschirm.

Die Umlenkung der Strahlen auf die jeweils aktive Zeile im Bild erfolgt durch den dazugehörenden schräggestellten Spiegelstreifen. Alle anderen Streifen, die sich zwischen Lichtquelle und aktiver Zeile befinden, werden in Ruhestellung gehalten.

Trifft das Licht auf die Mattscheibe, so wird die bestrahlte Stelle zum Leuchten (bzw, zum Nachleuchten) angeregt. In senkrechten Spalten sind auf dem Bildschirm die Farbträger ROT, GRÜN und BLAU angeordnet. Für jeden Biidpunkt werden somit drei identische Lichtquellen benötigt.

Strahlungsquellen

Die Anforderungen an diese Lichtquellen sind folgende: starke Bündelung des Strahlengangs und genügende Kurzwelligkeit, um die Leuchtschicht anzuregen. Die Verwendung von Laserdioden erscheint wegen der starken Bündelung zweckmäßig, da ein schmaler Spalt von nur 500&mgr;&igr;-&eegr; auf einer Länge (=Höhe des Bildschirms) von z.B. 90cm passiert werden muß. Kann durch andere Dioden eine genügend parallele Strahlung garantiert werden, so können die teuren Laserdioden entfallen da speziell kohärentes Licht nicht benötigt wird .

Aufbau eines Spiegelstreifens

Für jede Bildzeile existiert ein beweglicher Spiegelstreifen. Der Spiegelstreifen ist an der unteren Kante mit einem Trägermaterial verbunden, ähnlich dem Basismaterial, das für elektronische Platinen verwendet wird.

Die Hersteilung der Spiegelstreifen kann in einfachen Schritten durchgeführt werden: nachdem die Klebeschicht aufgetragen und durch eine Ätztechnik bis auf die gewünschten Stellen entfernt worden ist, wird eine komplette Spiegelfolie aufgelegt. Die notwendigen Unterbrechungen werden ebenfalls weggeätzt.

Am rechten Rand entstehen somit die Steckkontakte zur Einspeisung des Stromes. Auf der linken Seite liegt der für alle Zeilen gemeinsame Anschluß, der elektrische Nullpunkt (Abb. 1).

Im Abstand von jeweils einem Pixels sind senkrechte Schlitze in der Unterkante des Streifens angebracht. Diese Schlitze unterbrechen die Stromführung, da der Strom nur durch die obere Kante fließen soll. Dadurch wird das Folienmaterial an seiner Biegekannte bis oberhalb der Klebestelle perforiert. Es entsteht eine Art Scharniereffekt, der die nötigen Biegekräfte verringert.

Vertikaler Bildaufbau

Eine Maske verhindert, dass Streulicht in die Bereiche der Nachbarpixel gelangt. Nach dieser Maske folgt eine Glasscheibe, auf deren Rückseite in senkrechten Streifen Leutstoffe für Rot, Grün und Blau angebracht sind.

Die ganze Anordnung besteht aus der beschichteten Glasplatte, der Maske, dem Zwischenraum für den Strahlengang bzw. den beweglichen Spiegelstreifen und dem Trägermaterial. Diese komplette Einheit ist von den Wicklungen einer Spule umgeben, deren Wicklungen in horizon-taler Richtung zwischen den leuchtenden Femsehbildzeilen verlaufen. Im Innern der Spule wird das senkrecht verlaufende Magnetfeld erzeugt (Abb. 2).

Entsprechend der heutigen PAL-Norm muß also alle 64 Microsekunden der nächst folgende Spiegel umgelenkt werden. Die Umlenkung muß entsprechend innerhalb von 12 Microsekunden abgeschlossen sein. Für die Dauer der restlichen 52 Microsekunden wird eine komplette Fernsehzeile dargestellt. Durch andere Fernsehnormen (oder bei Monitoren) sowie durch spezielle Maßnahmen können diese Zeiten unterschiedlich aus fallen.

Zur Umlenkung des Spiegelstreifens könnten auch verspiegelte Piezofolien zum Einsatz kommen. Hier erscheint aber die Lebensdauer der Folien nicht ausreichend zu sein. Vorteilhaft wäre der geringere Aufwand, da die Magnetspule entfällt. Ebenso kann die Umlenkung auch durch rein elektrische Kräfte erfolgen. Die geringe Energiedichte und die hohen Spannungen sprechen eher dagegen.

Funktionsbeschreibung

Ein senkrechtes Magnetfeld im innern des Bildschirms wird durch eine waagerecht um den Bildschirm gewickelte Spule erzeugt. Die Zwischenräume zwischen den Windungen bleiben für den sichtbaren Zeileninhalt des Bildes frei. Durch die Oberkante des Streifens fließt ein elektrischer Strom in horizotaler Richtung. Zusammen mit dem Magnetfeld, werden die Spiegelsteifen nach vorne gebogen und somit die Lichtstrahlen auf die Mattscheibe gelenkt (Abb. 2).

Durch Umpolen des Stromes kehrt der Spiegelstreifen wieder in seine ursprüngliche Lage zurück. Der Streifen in der ersten Zeile braucht keine Bewegungen auszuführen, er bleibt immer in der Umlenkposition.

Der Strom, der die jeweils letzte Zeile aktiv werden lässt, ist zeitgleich der Strom, der auch die darüber liegende Zeile deaktiviert. So können von einer bipolaren Stromquelle immer zwei Zeilen mit einem Stoßstrom für den Schaltvorgang versorgt werden (Abb. 3).

Der Spulenstrom ist ein mit der Zeilenfrequenz gepulster Gleichstrom, da höhere magnetische Feldstärken nur für den Umschaltvorgang benötigt werden. Während der Darstellung einer Zeile kann der Spulenstrom auf einen Haltewert zurückgehen (Abb. 4).

Für die Umlenkzeit des Spiegelstreifens fließt, genau wie bei der Magnetspule, ein höherer Strom. Für die aktive Zeilendarstellung, wird nur ein Haltestrom benötigt, der den Streifen in seiner gebogenen Stellung hält. Danach fließt ein hoher Strom in umgekehrter Richtung, um den Streifen in seine Ruhelage zurückzubringen. Nur die Spiegelstreifen unterhalb der aktiven Zeile erhalten in ihrer deaktiven Zeit einen geringen Haltestrom. Die Streifen oberhalb der aktiven Zeile können stromlos sein (Abb. 4).

Arbeitsfrequenzen der Spiegelstreifen

Die Darstellung des Zeileninhaltes ist nicht zwangsläufig an den Verlauf der übertragenen Daten gebunden ist. So müssen die 1 2^s, die früher für den Zeilenrücksprung nötig waren,.nicht unbedingt eingehalten werden und stattdessen auf 32//s (halbe Zeilenzeit bei bestehender PAL-Norm) ausgedehnt werden.

Durch diese Maßnahme verringert sich die maximale Schwingfrequenz (höchster Frequenzan-teil) der Spiegelstreifen von 41,67kHz auf 15,625kHz. Bei einer 10OHz Bildfrequenz und doppelter Zeilenzahl verringert sich der Wert von 166,67kHz auf 62,5kHz

Bei einer 10OHz-Technik wird jeder Spiegelstreifen innerhalb von 10ms 1 mal für
aktiviert, für die gleiche Zeit bleibt er in der aktiven Stellung und für weitere 8jus wird er wieder deaktiviert. Das heißt, er macht 100 Bewegungen pro Sekunde. Dies wird sicherlich zu höhrbaren Geräuschen an der Frontscheibe führen. Überlagert werden diese 100 Hertz durch die anderen 1000 Zeilen, die, zeitlich leicht versetzt, die gleiche Schwingung ausführen.

Arbeitsfrequenzen der Leuchtdioden

Die Helligkeit eines Bildpunktes wird durch eine Pulsweitenmodulation erreicht. Die Helligkeit kann durch jeweils einen 1/256 Teil der maximalen Zeit gesteigert werden. Für die Dauer der Zeilendarstellung von 8 &mgr;&bgr; ergeben sich Einstellzeiten im Bereich von 0 bis 8//s. Bei 256 Schritten sind dies 31,25ns pro Schritt. Die maximale Frequenz an den Dioden liegt dann im Megahertzbereich, wodurch eine gute Frequenzauslastung der Dioden erreicht wird. Die Länge einer Zeile hat auf diese Frequenz keinen Einfluß, wohl aber die Anzahl der Zeilen und die Bifdwiederholrate. Dies ist im Hinblick auf ein Breitwandformat von Interesse.

Strahlungsleistung

Um eine Verlängerung der Umschaltzeiten der Spiegelstreifen zu erreichen, muss die zeilzliche Darstellung einer Bildzeile entsprechen verkürzt werden, z.B. auf 8//s. Durch einen 1:1 Pulsbetrieb der Lichtquellen (8/ys ein und 8/ys aus) kann die durchschnittliche Strahlungsleistung der Dioden erhöht werden. Da die Pixel nicht der Reihe nach angesteuert werden, sondern alle Pixel einer Zeile gleichzeitig, zählt die Strahlungsleistung aller Dioden zusammen.

Elektrischer Leistungsbedarf

Bei maximaler Helligkeit, d.h. maximaler Pulsbreite, einer Pulsleistung von beispielsweise 40 mW pro Diode bei insgesamt 5331 Dioden, ergibt sich eine mittlere Leistungsaufnahme von 106 Watt (Tastverhältnis 41:1).

Die Spitzen-Schaltleistungen für die Spiegelstreifen liegen schätzungsweise bei 4 Volt/ 5A, im Mittel also bei 10 Watt. Die Magnetspule benötigt im Mittel ca 20 Watt. Der Empfangsteil schlägt ebenfalls mit ein paar Watt zu Buche. Insgesamt dürfte die Leistungsaufnahme bei mittlerer Helligkeit bei unter 100 Watt liegen.

Mechanische Anforderungen

Als typische Größe des Flachbildschirms wird eine Höhe von 90cm und eine Breite von 160cm angesehen. Bei einer Zeilenzahl von ca 1000 ergibt dies einen Zeilenabstand von 0,9mm. Werden quadratische Pixel angenommen ergeben sich 1 777 Spalten (Bildpunkte pro Zeile). Für jedes Pixel werden drei Dioden benötigt (300/ym pro Diode), dies ergibt eine Gesamtzahl vom 5331 Dioden.

Die Spiegelstreifen müssen bei dieser Zeilenhöhe (0,9mm) an ihrem oberen Ende Hübe von ca 500&mgr;&igr;&eegr; ausführen. Bestimmte Anforderungen müssen erfüllt sein:

geringe Masse der Streifen
hohe Steifigkeit in horizontaler Richtung
leichte Biegbarkeit in vertikaler Richtung
hohe Strombelastbarkeit.

Bei einer Bildwiderholrate von 100Hz führt ein Streifen 100 Schwingungen pro Sekunde aus, nach 5.000 Stunden sind dies 1,8 Milliarden Schwingungen.
I.

Eine dicke und stoßfeste Glasplatte auf der Vorderseite und eine mechanisch stabile Anordnung auf der Rückseite dienen zum Schutz des Bildschirms. Sie verhindern einerseits eine machanische Beschädigung der Magnetspule, andererseits geben sie der Anordnung die nötige Stabilität, da sich in dem Zwischenraum, in dem sich die beweglichen Spiegel befinden, ein leichtes Vakuum zur Verminderung der Dämpfung durch das Luftvolumen um die schwingenden Spiegelfolien befindet.

An der rechten Seite befinden sich die elektrischen Anschlüsse zur Stromeinspeisung in die Spiegelstreifen. Durch aufsteckbare Steckerbuchsen, auf der Steuerplatine aufgelötet, werden die Stromimpulse aus der Dekodierelektronik zugeführt.

Vorteile des Verfahrens

Auf Grund der Größe des Bildschirms liegen die mechanischen Komponenten in leicht beherrschbaren Größenordnungen. Es können bekannte Verfahren, wie Ätz- oder Schneidetechnik bei der Herstellung der Spiegelstreifen verwendet werden.

Alle Einzelteile sind in herkömmlicher Technik preiswert zu fertigen. Es werden keine gefährlichen Materialien verwendet. Alle Techniken sind bekannt und bewährt.

Der Austausch einzelner Komponenten, wie das Zeilenarray mit den Laserdioden, der Bildschirm mit den Spiegelstreifen oder die Steuerelektronik sind ohne weiteres möglich.

Das ganze Gerät ist vollkommen frei von gefährlichen Hochspannungen, lonisations- oder Röntgenstrahlungen. Die höchste Betriebsspannung dürfte an der Magnetspule mit 24 Volt anfallen.

Weitere Vorteile entstehen, wenn die Strahlungsquellen auf eine Zeile beschränkt werden, so verringern sich Aufwand und Preis. Der Einfluss des Produktionsausschusses bei den Zeilenarrays ist gering, da nicht die ganze Zeile in einem Stück gefertigt werden muss.

Schadhafte Teile können schon vor der Endmontage getestet und sofort aussortiert werden.

Weiterhin erscheint auch die Frequenzbelastung für die Dioden akzeptabel. Die Belastung der Spiegelstreifen fällt allerdings recht hoch aus. Die Anzahl der Bewegungen pro Sekunde wächst mit der Bildwiederholrate. Die Ansprechzeiten verkürzen sich zusätzlich mit der Zeilenzahl. Die Länge einer Zeile ist beliebig und nur durch die Kosten für die Dioden begrenzt.

Erklärung zu den Zeichnungen

1.A !imker Bildrand, Beginn der ersten Spalte

1.B rechter Bildrand, Ende der letzten Spalte

1 .C Für alle Zeilen gemeinsamer Stromanschiuss (Nullpunkt der bipolaren Spannungsquelle)

1.D Unterbrechung des Metallstreifens, Strom fließtsomit nur an der Oberkannte

1.E Perforierung verringert die Biegekraft am Matallspiegelstreifen (Scharniereffekt)

1 .F Anschlusspunkt für die Stromzufuhr einer Bildzeile

1.G linke Spalte des Bildschirms

1.H rechte Spalte des Bildschirms

2.A Frontscheibe

2.B Magnetspule Windungszahl größer als Zeilenzahl

2.B1 Magnetspule (vordere Windung)

2.BI Magnetspule (hintere Windung)

2.C durchsichtiger Kitt zwischen Frontscheibe 2.A und Trägerscheibe 2.D

2.D Trägerscheibe für Farbleuchtstoff 2. G und Maske 2.H

2.E stromführende Spiegelstreifen

2.E1 Metallspiegel in gebogener Form (aktiv)

2.E2 Metallspiegel in gerader Form (passiv)

2.F Schicht mit Farbleuchtstoffen (RGB)

2.G Maske

2.H Strahlengang

2.I Trägerschicht für bewegliche Metallspiegelstreifen (Bildzeilen)

2.J rückwertige Schutzschicht

3.A Metallspiegel (n-1)

3.B Metallspiegel (&eegr;)

3.C Metallspiegel (&eegr;+1)

3.D deaktivierender Strom für Bildzeile (n-1)

3.E aktivierender Strom für Bildzeile (n)

3.F Haltestrom für Bildzeile (n+1)

3.G Bipolare Spannungsquelle

4.A Spannungsverlauf an der Magnetspule

4.B Stromverlauf am Metallspiegel (n-1)

4.C Stromverlauf am Metallspiegel (n)

4.D Stromverlauf am Metallspiegel (n+1)

4.E Zeile n-1 wird deaktiviert und Zeile &eegr; wird aktiviert

4.F Zeile &eegr; wird aktiv gehalten (Darstellung der Bildzeile)

4.G Zeile &eegr; wird deaktiviert und Zeile n+1 wird aktiviert

4.H Zeitraum zur Aktivierung und Darstellung der Bildzeile (1 /Zeilenfrequenz)

Claims

Dr.-lng. Gerd-P. Fehlert
Kriegerheimstraße 60
D-42 115 Wuppertal
Tag: 04.04.1997
Tel 0202-271233-0
Fax 0202-271233-1

Deutsches Patentamt

D-80 297 München

Betreff:
Thema:

Schutzanspruch für ein Gebrauchsmuster Flachbildschirm

Schutzanspruch:

Elektrisch steuerbare Bildzeilen zur Verringerung der Bautiefe eines Bildschirms (Monitors). Die Steuerbarkeit jeder einzelnen Zeile besteht darin, das Licht ungehindert passieren zu lassen oder es in einem Winkel von 90 Grad nach vorn auf die Mattscheibe zu reflektieren. Die steuerbaren Lichtquellen sind in Form einer kompletten Bildzeile am unteren Rand des Schirms angeordnet. In senkrechten Streifen sind auf der Mattscheibe Leuchtstoffe aufgetragen, die zu einem Nachleuchten in den Farben Rot, Grün und Blau angeregt werden.

Mit freundlichen Grüßen

Dr.-lng. Gerd-P. Fehlert