FLUSSIGKRISTALLANZEIGEVORRICHTUNG MIT OPTOELEKTRONISHEM BAUELEMENT UND VERFAHREN ZUM STEUERN DER HINTERLEUCHTUNG EINER SOLCHEN ANZEIGEVORRICHTUNG
LC-Display mit optoelektronischem Bauelement und Verfahren zum Steuern der Hinterleuchtung eines LC-Displays
Die Erfindung betrifft ein LC-Display mit wenigstens einem optoelektronischem Bauelement und einer Lichtquelle zur Hinterleuchtung des Displays sowie ein Verfahren zur Steuerung der Hinterleuchtung.
' Bei LC-Displays, die eine Hinterleuchtung aufweisen, kann eine Steuerung der Hinterleuchtung in Abhängigkeit von der Umgebungshelligkeit, erfolgen. Dies ist insbesondere bei batteriebetriebenen oder mit Akku ausgerüsteten portablen Geräten vorteilhaft, da der Energieverbrauch, einer Hinterleuchtung sehr hoch ist. Um eine zweckmäßige Steuerung der Hinterleuchtung zu ermöglichen, muss ein Lichtsensor, in der Regel eine Fotodiode, möglichst genau die Lichtstärke des auf das Display fallenden Umgebungslichts messen. Gerade bei kleinen Ge- raten ist eine günstige Anordnung des Sensors problematisch. Insbesondere muss eine unbeabsichtigte Abschattung, beispielsweise durch die Hände eines Benutzers, vermieden werden. Ähnliche Probleme treten bei Infrarotsensoren zum Empfangen von Signalen eines elektronischen Geräts (z.B. Fernbe- dienung) auf, die häufig ebenfalls in der Nähe eines Displays angeordnet sind.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein LC-Display und ein Verfahren zur Hinterleuchtung eines LC-Displays bereitzustellen, bei denen ein optoelektronisches Bauelement platzsparend untergebracht und dennoch vor Abschattung geschützt ist.
Dieses Ziel wird mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der ünteransprüche.
Durch die Anordnung des optoelektronischen Bauelements hinter der Flussigkristallschicht des Displays ist das optoelektronische Bauelement gut geschützt und abgedeckt untergebracht, • kann aber trotzdem einfallendes Licht sensieren und somit die Intensität des Lichts oder übermittelte Signale detektieren.' Ferner kann das optoelektronische Bauelement optional Signale durch die Flüssigkristall'schicht- hindurch zu einem1 externen'- Ger^t senden. .Für .einen Datenaustausch zwischen- eine -an 'dem" Display angeschlossenem elektronischen Gerät. und -einem externen Gerät eignet* sich insbesondere .das Infrarot-Spektrum.
Die- Erfindung- .eignet sich besonders zum Bestimmen der Lichtstärke von Umgebungslicht, um eine Hinterleuchtung eines Flüssigkristall-Displays zu steuern.
Die Messung der Lichtstärke und das Austauschen von Daten mittels des -optoelektronischen Bauelements können "alternativ
* oder * gleichzeitig -in einem erfindungsgemäßeh 'Display verwirklicht werden. -'.Sollen beide Funktionen verwirklicht werden,
• kann dies wahlweise mit demselben optoelektronischen Bäuele- ment oder mit unterschiedlichen optoelektronischen Bauelementen geschehen, die vorzugsweise alle hinter dem Display angeordnet sind.
Die Stärke des Umgebungslichts kann bestimmt werden, indem dessen gesamtes Spektrum (100 nm bis 1 mm) oder selektiv Teile des Spektrums des Umgebungslichts gemessen werden.
Alternativ ist es möglich, von der Ansteuerung der Lichtquelle auf deren Lichtstärke zu schließen, um den Anteil des Umgebungslichts am gesamten gemessenen Licht zu bestimmen. Mit dem berechneten Wert der Lichtstärke der Lichtquelle kann der vom Sensor gemessenen Wert der Lichtstärke korrigiert werden, der von dem Umgebungslicht und der Lichtquelle herrührt. Für die erforderlichen Berechnungen eignen sich übliche Steuereinrichtungen -beziehungsweise Mikrocontroller.- ■
Durch die Anordnung des optoelektronischen Bauelements oder der optoelektronischen Bauelemente an einem? Ort,., der -sich von einem Betrachter * des Displays aus hinter, den- *Flüs-*' .. ;;. - sigkristallschichten befindet, kann exakt der Lichteinf ll aus- der Umgebung auf die Flussigkristallschicht gemessen wer- den. Eine versehentliche Abdeckung oder Abschattung.,des • optoelektronischen Bauelements kann nicht erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Messung der Lichtstärke darauf geachtet, dass das Licht, das von der Hinterleuchtung stammt, nicht berücksichtigt wird.' Dies kann beispielsweise durch' den Einsatz eines Fil- tersNor der* Lichtquelle ■ oder vor dem optoelektronischen Bauelement erreicht werden. Es kann aber * auch:,ein-Sensor eingesetzt werden1, der selektiv nur einen Teil des Spektrums. misst, und zwar dasjenige, das von der Hinterleuchtung nicht abgestrahlt wird.
Insbesondere bei sogenannten negativ Modus (negative mode) LC-Displays, bei denen die Information hell und der Hinter- grund dunkel dargestellt wird, wird vorzugsweise wenigstens ein optoelektronisches Bauelement, das für den Spektralbereich über 780 nm empfindlich ist, eingesetzt. Üblicherweise absorbieren die in derartigen Displays eingesetzten Polfilter
elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich und im UV-Bereich, jedoch nicht im Infrarot-Bereich. Wird in einem negativ Modus Display als optoelektronisches Bauelement ein Sensor eingesetzt, der sichtbares Licht erfasst, so hängt daher die Messung der Lichtstärke jeweils davon ab, wie viele
Segmente momentan angesteuert sind. Dagegen wird Licht im
Spektralbereich über 900 nm nahezu nicht absorbiert, so dass eine Messung in diesem Bereich besonders sinnvoll ist.
Für die Messung der Lichtstärke in negativ Modus LC-Displays eignen sich,besonders Infrarotsensoren, da eine Hinterleuchtung mit einer Kaltkathodenröhre- oder mit Leuchtdioden keine oder keine nennenswerte Infrarotstrahlung emittiert. Daher kann regelmäßig auf die Vorschaltung eines Filters vor den Sensor oder die Lichtquelle der Hinterleuchtung verzichtet werden. Wird die Lichtstärkenmessung im nahen Infrarotbereich (900 nm bis 1100 nm) vorgenommen, können auch keine Fehler infolge von Wärmestrahlung auftreten. Außerdem ist dieser Bereich besonders gut für eine Informationsübertragung nutzbar, da herkömmliche Sender und Empfänger (Sensoren) in diesem Wellenlängenbereich arbeiten.
Die Erfindung eignet sich besonders für transmissive LC- Displays, also für Displays, die nur mit Hinterleuchtung zu betreiben sind, und für LC-Displays, die Umgebungslicht reflektieren und zusätzlich mit einer Hinterleuchtung ausgerüstet sind (transflektive Displays) . Solche transflektive Displays, wie sie beispielsweise in der Zeitschrift Elektronik 22/2000 auf Seite 32 vorgestellt sind, benötigen bei Tages- licht regelmäßig keine Hinterleuchtung. Dabei spielt es grundsätzlich keine Rolle, ob es sich um DSTN-, TN-, STN-, FSTN-, HAN, DAP, OMI oder sonstige LC-Displays handelt.
Weiter Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch ein transflektives LC-Display mit einem Lichtleiter und, einem 'Reflektor, Figur 2 eine Ansicht des Lichtleiters von Figur 1, in der mögliche Positionen für ein optoelektronisches Bauelement dargestellt sind,
Λ Figu 3..'*-\*. ein Schnitt durch ein transflektive-s. LC-Display . ;;'. "".J ■ .-• .. ''.". -mit .-einem Lichtkasten als 'Reflektor>■: • •-, * . Figur.'"4.'' * 'eine' Ansicht des Lichtkastens , von Figur 3, in der ' . ' • "mögliche Positionen des Bauelements, dargestellt . ■'... sind,. , .. . . . ..
Figur 5.. .'.'ein durch ein negativ Modus. LC-Display gemessenes ...Spektrum, bei dem keine Segmente durchgesteuert ■• • ; ■- • •. sind (dunkel geschaltet) und Figur- 6 ein durch ein negativ Modus LC-Display gemessenes Spektrum, wenn alle Segmente des Displays durchgesteuert sind (hell geschaltet) .
Figur, 1 veranschaulicht ein einfaches transflektives LC- - Display, das Tageslicht oder Umgebύngslicht reflektiert und zusätzlich mit einer Hinterleuchtung. versehen ist. Es weist einen vorderen und einen hinteren Polfilter 1 auf, zwischen denen zwei parallele Glassubstrate 2 angeordnet sind. Eine Flussigkristallschicht 10 ist zwischen zwei Glassubstraten 2 eingebettet. Die Glassubstrate 2 sind über einen Kleberahmen 3 miteinander verbunden. Der Kleberahmen verhindert das Austreten des Flüssigkristalls.
Am hinteren Polfilter 1 des Displays ist ein Lichtleiter 4 angeordnet. Der Lichtleiter 4 befindet sich also auf einer
Rückseite oder auf der Seite 9 (Rückseite) des Displays, die dem Betrachter abgewandt ist. In den Lichtleiter 4 wird von einer Lichtquelle 5 Licht zur Hinterleuchtung des Displays eingekoppelt und genauso wie einfallendes Umgebungslicht in
Richtung des Betrachters reflektiert. Zu diesem Zweck ist der
Lichtleiter 4 an seiner dem Glassubsträt abgewandten Seite, mit einem Reflektor 11 versehen. Die Lichtquelle 5 ist paral- lel zu den Glassubstraten 2 angeordnet und sendet Licht nur
:-,eines, Teils des. sichtbaren- Spektrums., aus . Vorteilhafterweise-, ■ .handelt es sich um, eine Lichtquellen die, monochromes Licht- * „
•-bereitstellt. * ■ •:. '. .'
. Ein optoelektronisches Bauelement 6 , ist , an einer Seite des
Lichtleiters 4 angeordnet, die senkrecht zu den Glassubstra- ■* iiten.- 2 ausgerichtet ist. Das Bauelement 6 ist in einer Achse- . '.; ausgerichtet, die im wesentlichen mit- der Strahlungsachse der., Lichtquelle 5 übereinstimmt. Das . Bauelement 6 ist in .einer E- bene parallel zu dem hinteren Polfilter 1 und von dem vorde- - ren Polfilter weiter entfernt als von, dem hinteren Polfilter angeordnet. Als optoelektronisches Bauelement 6 ■ kommt 'ein* Fototransistor, der als Sender und/oder Empfänger eingesetzt sein kann, eine Fotodiode oder ein anderes Lichtmessmittel - (CCD) in Betracht. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Bauelement 6 um eine Fotodiode, die als Sensor dient.
Im Falle, dass die Lichtquelle in einem Spektralbereich ab- strahlt, der von dem optoelektronischen Bauelement bzw. Sensor gemessen wird, ist zwischen Lichtquelle 5 und Lichtleiter 4 ein Filter 7 angeordnet, der das betreffende Spektrum herausfiltert. Es werden daher vom Sensor nur solche Spektral-
komponenten gemessen, die von dem einstrahlenden Umgebungslicht, insbesondere dem Sonnenlicht, stammen. Dieses ist schematisch durch einen auf den Lichtleiter treffenden Lichtstrahl dargestellt. 5
Wenn auf den Filter 7 verzichtet werden soll, kann alternativ von der Ansteuerung der Lichtquelle 5 auf deren Strahlungs- ' stärke zurückgerechnet werden, um. den Anteil der Strahlung des Umgebungslichts an der gesamten gemessenen Strahlung zu
10 bestimmen. Diese Aufgabe kann von der Steuereinrichtung 8 ü-
.. ' •; bernommen werden.. Die .Steuereinrichtung 8 ist ein -Mikröcont-'1-'1.
• J,: •" roller, : der -a f die'-' Strahlungsstärke der Lichtquelle 5- auf- "- grund deren Leistungsaufnahme oder aufgrund eines Steuersignals schließt. Die für die Lichtquelle 5 errechnete Intensi- 5' ■ tat wird dann von der gemessenen .Gesamtintensität subtra-;.
.- ... hiert . '.' ■ • "-
: Der Sensor ist in der- Ebene der Lichtquelle angeordnet und daher für einen Betrachter des Displays nicht sichtbar. Eine- 0 eigene Gehäuseöffnung für den Sensor und das Verlegen von e- • lektrischen Leitungen zur Gehäusefront entfallen.
Das optoelektronische Bauelement 6 ist von einem'- nicht dargestellten Gehäuse und dem LC-Display nach außen hin vollstän- 5 dig abgedeckt.
Eine Steuereinrichtung 8, bei der es sich um einen Mikrocont- roller handelt, steuert aufgrund der im Bereich des Lichtleiters 4 gemessenen Strahlungsstärke des Umgebungslichts die 30 Leistung der Lichtquelle 5. Bei starkem auf das LC-Display auftreffenden Sonnenlicht ist das reflektierte Umgebungslicht für das Ablesen des Displays ausreichend. Bei abnehmender
Stärke des Umgebungslichts erfolgt ein entsprechender Ausgleich durch die Lichtquelle 5.
Durch das Dimmen der Lichtquelle 5 entsprechend der Licht- stärke des auf das LC-Display einfallenden Umgebungslichts wird bei Tageslicht der Energieverbrauch deutlich reduziert. Die Ablesbarkeit bleibt bei allen möglichen Lichtverhältnissen gut.
Werden transmissive LCDs eingesetzt, muss bei starkem, auf das .LC-Display', auftreffendem Umgebungslicht die ■ Intensität der. -Hinterleuchtung 5, erhöht werden.,; Bei abnehmendem Umge- bungsl.icht wird .die. Hinterleuchtung gedimmt um den. Energieverbrauch zu senken und den Betrachter nicht zu blenden. :, -
In Figur 2 sind günstige Positionen für ein optoelektronisches Bauelement 6 oder mehrere Bauelemente 6 gezeigt. Das Bauelement 6 bzw. Sensor ist jeweils an einer Oberfläche des1 Lichtleiters 4 angeordnet. Dabei kann der Sensor seitlich an., dem Lichtleiter 4 und parallel zur Strahlungsachse der Lichtquelle 5 befestigt sein. Eine Positionierung des oder der : Bauelemente 6 im direkten Strahlengang des- Umgebungslicht ist ebenfalls. -dargestellt.- Die Lichtquelle 5 besteht aus einer Vielzahl -von Leuchtdioden (LED).
Figur 3 veranschaulicht ein optoelektronisches Bauelement 6 oder Sensor, das zentral auf einem Reflektor 11 angeordnet ist. Das optoelektronische Bauelement 6 empfängt von einem externen elektrischen Gerät 12 Daten und sendet Daten dort- hin. Das elektrische Gerät kann eine Fernbedienung, ein Mobiltelefon, ein tragbarer Computer, ein Taschencomputer oder dergleichen sein.
Der Reflektor 11 ist ein Lichtkasten, der dazu dient, das von der Lichtquelle 5 stammende Licht möglichst gleichmäßig auf die Fläche des Displays zu verteilen. Die Lichtquelle 5, bei der es sich um eine Vielzahl von LEDs handelt, und der Sensor
5 sind senkrecht zu den Glassubstraten 2 orientiert.
Die Anordnung der aus einer Vielzahl von Leuchtdioden bestehenden Lichtquelle 5 und des optoelektronischen Bauelements 6 am Reflektor 11 ist in Figur 4 besonders deutliche darge- 10 stellt.
'' •- Figur 5 -veranschaulicht ein Strahlungsspektrum,*.' das, mit einem- hinter der Flussigkristallschicht angeordneten Sensor, also einem Sensor, der" von der Flussigkristallschicht-.' gegenüber dem 15 Umgebungslicht abgedeckt ist, gemessen wurde;. Die Messung er-. folgte bei ausgeschalteter Lichtquelle an einem'negativ Modus Display, bei dem keines seiner Segmente durchgesteuert ist.
Die Intensität der durch die Flussigkristallschicht einfal- 0 lenden und gemessenen Strahlung ist in Prozent über der Wellenlänge λ in hm angegeben. Für den beschriebenen Zustand zeigt sich, dass-das Display einfallende Strahlung nur im
• ■' Ultraviolett-Bereich und im- Bereich* des sichtbaren Lichts, also bis zu einer Wellenlänge von etwa 800 nm wirksam dämpft. 5
Figur 6 zeigt dieselbe Messung wie Figur 5 für den Zustand, dass alle Segmente durchgesteuert sind. Dabei erkennt man die Wirkungsweise der LCDs, Licht im sichtbaren Bereich, bis auf den Anteil der in den Polfiltern und durch Verluste verloren 0 geht durchzulassen. Ab einer Wellenlänge von etwa 850 nm ist
kein nennenswerter Unterschied zwischen den beiden in den Figuren 5 und 6 festgehaltnen Zuständen erkennbar. Ab etwa 900 nm bis etwa 1100 nm erfolgt keine nennenswerte Dämpfung der einfallenden Strahlung.
Eine Verfälschung des Messergebnisses ist also bereits ab einer Wellenlänge von wenigstens 850 nm ausgeschlossen. Ein besonders geeigneter Messbereich für den Sensor erstreckt sich wegen der ' geringen durch das Display • bedingten Dämpfung im Bereich von 900 nm bis 1100 nm.
Wird 'für'' die Hinterleuchtung* des Displays öine, Lichtquelle mit schmalbandigem Spektrum eingesetzt, die Licht im wesentlichen nur in einem Spektrum abstrahlt, das außerhalb des Messbe'reichs des Sensors liegt, kann' aufweinen Filter zum Herausfiltern des Lichts der Lichtquelle;' verzichtet werden. Beiirr ''Einsatz von Infrarotsensoren in Verbindung mit einer LED-Lichtquelle wird daher regelmäßig kein Filter benötigt.
Solche Infrarotsensoren eignen sich auch für dem Empfang von Signalen, die von einem elektrischen. Gerät abgestrahlt werden, um eine ' Datenverbindung mit einem mit dem Display * elekt- ' risch verbundenen Gerät herzustellen. Die Steuereinrichtung dient dann dazu, die empfangenen Signale in ihr Basisband um- zusetzen. Neben dem Sensor zum Empfangen von Signalen kann auch ein Licht- bzw. Infrarotsender hinter der Flussigkristallschicht angeordnet sein. Mit Sender und Empfänger kann ein Datenübertragungsprotokoll zu einem externen Gerät aufgebaut werden.