WO2010072415A1 - Anzeigesystem mit circadianer wirkung auf den menschen - Google Patents

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WO2010072415A1
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Matthias Bues
Oliver Stefani
Achim Pross
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H10K50/125—OLEDs or polymer light-emitting diodes [PLED] characterised by the electroluminescent [EL] layers specially adapted for multicolour light emission, e.g. for emitting white light

Definitions

  • the present invention relates to a display system, in particular a monitor, screen or projector for the optical display of text and / or image information, which is designed to influence the human Circa dianrhythmik.
  • LC displays liquid crystal displays
  • OLED displays on the one hand are very energy-efficient and on the other hand allow excellent color rendering, these displays in contrast to conventional CCFL-illuminated displays (cathode ray tubes) emit blue light with a very similar spectrum as absorbed by the circadian photoreceptors in the eye (see Figure 1).
  • the biological effect of light differs considerably from the visual effect: light triggers the human's internal clock according to daily, weekly, and seasonal rhythms.
  • the influence of the body's own (for example circadian) rhythm through the light takes place via the skin and eyes.
  • Communication with the various body systems relies on the release of the hormone melatonin into the bloodstream (Rea M.: "Light much more than vision” in Light and Human Health, 5 th International Lighting Research Symposium, Paolo Alto, The Lighting Research Office of the Electric Power Research Institute, 2002, pp. 1-15).
  • FIG. 2 The sensitivity of this circadian photoreceptor as a function of the wavelength is shown in FIG. 2: Here, the relative sensitivity over the wavelength in nanometers is plotted; this shows a maximum of melatonin suppression and thus of circadian activation at a wavelength of 464 nm, ie of about 460 nm, which corresponds to blue light (Brainard G. et al.: "Action spectrum for melatonin regulation in humans : Evidence for a novel circadian photoreceptor. "Journal of Neuroscience 21 (2001), No. 16, pp. 6405-6412; Thapan, K .:” An action spectrum for melatonin suppression: evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor system in humans. ", Journal of Physiology, 535 (2001), No. 1, pp. 261-267).
  • melatonin The production of melatonin is suppressed by the influence of light; Melatonin triggers tiredness (an increase in melatonin is thus sleep-inducing) and thus controls the sleep-wake rhythm as well as other circadian rhythms (Wirtz-Justice A.
  • Another essential basis of the present invention is the color perception of humans: the color perception of humans in photopic vision (bright light) is primarily a reaction of the cones on the retina of the eye to incident light. Bright light stimulates the three types of cones in the eye (so-called K, M, L cones). The three absorption curves of the individual types of cones lie in the blue, green and red regions (see FIG. 3, which shows the degree of absorption of the individual conical types over the wavelength in nanometers). Each perceived color is associated with three specific signals. If all three types of cones are stimulated the same way, this is perceived by humans as white light.
  • red, green and blue values red, green and blue values
  • the actual, physical radiation flux of the three areas red (R), green (G) and blue (B) is not the same size, since the pin types are different sensitive (the highest sensitivity of the pin is for example 555 nm ). It is thus essential that different light mixtures (ie different light spectra) can appear the same to the human eye, although the respective spectral composition is different in the visible range (ie approximately from 380 to 750 nm).
  • metameric light spectrometers are understood as meaning different light spectra (ie light spectra which differ in their spectral composition or in the intensities of the individual wavelengths over the above-mentioned wavelength range), but which appear the same to the human observer. So cause the same color appeal.
  • color stimulation is understood to mean the color sensation produced by direct irritation of the retina of the eye due to the incident physical radiation of the visible light (ie due to the incident light spectrum).
  • the present invention can also be realized on the basis of other (additive) color spaces.
  • more than three primary colors can also be used for color mixing, which leads to a larger covered area in the CIE color space.
  • a realization on the basis of subtractive color models (for example by using an additional narrow-band 464 nm bandpass filter in front of the display area) is also possible.
  • a display system first comprises a display unit (eg LC screen or LCD) and a lighting unit (eg arrangement of a plurality of light-emitting diodes, LEDs, with different spectrums) which illuminates this display unit on the basis of an additive color synthesis (eg RGB color synthesis) with a predetermined light spectrum in blue, green and red area).
  • a display unit eg LC screen or LCD
  • a lighting unit eg arrangement of a plurality of light-emitting diodes, LEDs, with different spectrums
  • RGB color synthesis additive color synthesis
  • the lighting unit may itself (as a self-illuminating unit) form the display unit.
  • a predetermined light spectrum can then be generated with the illumination unit whose light intensity is in the wavelength range of about 420 nm to 500 nm which is decisive for the circadian effect (the range can also be selected correspondingly narrower, compare FIG ) is reduced relative to the light intensity above and below this wavelength range (or even only relative to the light intensity above or below this wavelength range) such that the predetermined light spectrum is metameric to a light spectrum generated without this decrease.
  • the light intensities above and / or below the decisive for the circadian wavelength range relative to the light intensity in this wavelength range so that the metamerism compared to without this increase (with physically corresponding light sources) generated Light spectrum results.
  • the light intensity may be the intensity averaged over a wavelength interval.
  • the illumination unit designed as a self-illuminating display unit (eg OLED screen)
  • the individual elements emitting layers of the individual OLED pixels
  • illumination subunits in the context of the present invention, are designed such that that they each generate the prescribed, predetermined light spectrum.
  • the relative increase in intensity or reduction in intensity in the decisive wavelength range from 420 nm to 500 nm (or narrower), at least 10%, at least 30%, at least 70% or at least 90% (the higher this value, the higher more pronounced are the effects mentioned above).
  • the lighting unit has a plurality of individual light sources (eg, in the case of a LED-illuminated LCD screen, the light-emitting diodes illuminating the non-self-illuminating display unit or with an OLED screen, the emitting layers of the individual image pixels), each with different light spectra, wherein the different light spectra differ in their maximum by at least a few 10 nm (the predetermined light spectrum is then by additive superposition with the individual light spectra of these light sources producible).
  • individual light sources eg, in the case of a LED-illuminated LCD screen, the light-emitting diodes illuminating the non-self-illuminating display unit or with an OLED screen, the emitting layers of the individual image pixels
  • the light sources, z. B. the four aforementioned light sources, within the scope of the invention with a suitable selection of the individual emission spectra also set so that white light can be generated by the additive superposition of their individual spectra.
  • the LED-illuminated LCD may be a time-sequentially controlled liquid crystal screen which accordingly does not require a color filter attachment or even an LC screen formed with such a color filter attachment
  • the emission spectra of the individual ones Select light sources so that the metamerism applies directly to the generated light spectrum (eg LCD without color filter attachment) or only after passage of the spectra through the corresponding optical elements or filters (eg LCD with color filter attachment).
  • the absorption spectra of the corresponding optical elements or filters are known, this is readily possible.
  • the illumination unit is designed such that it can be used to control a plurality of different predetermined, each can be generated to a generated without appropriate reduction and / or increase in intensity ranges light spectrum metameric light spectra. This can be achieved by a different mixing of the proportions of defined light sources or, for example, in the case of the LCD by a plurality of different sets of four LED light sources each (these then each having slightly different spectra).
  • the perceived R / G components may also be generated by a combination other than a red and a green LED.
  • the spectral sensitivity curves of the pins are relatively wide compared to the emission spectra of the LEDs, so that several differently colored LEDs "fit" into the sensitivity curve of a pin.
  • the spectra can be changed depending on the time of day.
  • LEDs As an alternative to such LEDs, however, it is also possible to use other illuminants with which the spectral relationships described in the context of the invention can be realized (for example "white” discharge lamps, ie fluorescent lamps with different emission spectra or with a different 464 nm component).
  • illuminants with which the spectral relationships described in the context of the invention can be realized (for example "white” discharge lamps, ie fluorescent lamps with different emission spectra or with a different 464 nm component).
  • the present invention thus utilizes the effect that different light mixtures can be metamers, ie appear the same to the eye, although their spectral composition is different.
  • Uncolored parts of the image (especially white parts) can stimulate or even do not stimulate the circadian rhythms of the observer by a specific spectral composition, without changing the perceived color, or stimulating the circadian photoreceptors.
  • achromatic components in particular: white are again generated.
  • Figures 1 to 3 the basic considerations on which the present invention is based.
  • Figure 4 shows a first, according to the invention modified liquid crystal flat display (flat display with RGB filters).
  • FIG. 6 to 8 further aspects of the invention.
  • the display unit 1 here has a diffuser element facing the illumination unit 2 or the light emitting diodes 3, with which a uniform illumination of the LC cells of the LC panel 6 (consisting of a two-dimensional matrix of such cells) is ensured.
  • an RGB color filter 7 is arranged, which allows the color representation of a corresponding to be displayed on the display unit 1 text and / or image information.
  • the exact mode of operation of the diffuser element, of the LC cell array and of the RGB color filter is known to the person skilled in the art.
  • the liquid crystal panel display or the actual display elements of the display unit 1 have not been modified here, so it may be a conventional liquid crystal panel display.
  • the color filters integrated in this flat display have not been removed for the primary colors red / green / blue (filter 7), since this is not possible without destroying the panel in the rules.
  • a plurality of light sources 3 spatially distributed over the surface of the diffuser element may also be present for each of the spectral regions 3a to 3d.
  • light-emitting diodes instead of light-emitting diodes, other types of light bulbs can also be used as light sources:
  • the RGB components are each multiplied by a correction factor, whereby nonlinearities due to characteristics of the light sources and the eye sensitivity are compensated by applying appropriate characteristics. This can be done both in the control unit 5 and in the image signal adaption. sung unit 4.
  • the display system according to the invention has a control unit 5 for the light sources or LEDs, in which the spectral characteristics of the
  • the respective required intensity in the 460 nm range (more precisely in that wavelength range which is decisive for the circadian effect, see above), which is also referred to simply as the "460 nm desired value" here, is the one
  • the desired light mixture (or composition) may be calculated (definition of the inventive lowering and / or raising of the circadian effective wavelength range, the range above and / or the range below (see above).)
  • the individual light sources 3a to 3d can then be controlled (according to the selected raising and / or lowering degree).
  • the image signal can also be optionally taken into account in the light mixture by using image content with a high uncoloured portion (ie for
  • Text documents a different spectral composition of the light mixture or another predetermined light spectrum is selected.
  • the consideration of the image signal can be realized by a continuous statistical evaluation of the current image content (with the shortest possible latency in the order of l / refresh rate) by the control unit 5 for determining the achromatic image components relative to the entire image area and selection of the other spectral composition Exceeding a threshold value. Also the spatial distribution the achromatic parts can be taken into account (eg large undisturbed area in the center of the picture has greater weight than unbounded areas.
  • the other spectral composition is chosen so that it maps white correctly (but would lead to color distortions in color representations).
  • the RGB image signal is therefore supplied to both the control unit 5 of the LEDs 3, and the Ricksignalanpassungs- unit 4 (and via this to the control unit 8 of the LC panel).
  • the control unit 5 supplies an RGB vector, which represents the factors with which the RGB components of the image signal are modulated.
  • a spectrometer In order to perform a calibration of the display system shown (this is usually required only once at startup), a spectrometer can be provided with which the exact spectral composition of the light spectra emitted by the individual light sources 3 can be determined. The spectra determined in this way then permit the exact determination of the intensity mixture or the setting of the predetermined light spectrum such that the above-described metamerism occurs.
  • color filters are no longer integrated in the LC panel; rather, the image representation is effected by time-sequential representation of the red, green and blue components of the image and by synchronous backlighting in the corresponding spectral colors (a corresponding method is also used in single-chip DLP projectors, so that the present invention can be realized according to these).
  • the LC panel must have enough short switching times.
  • the switching times must be so short that at a given refresh rate each color component (red, green, blue) of the image can be displayed by the LC panel without being affected by the previous color component.
  • a refresh rate of 60 Hz this means that the liquid crystals have to complete a complete cycle from black to white to black within 1/180 s.
  • the control unit 5 for light sources is synchronized with the control unit 8 of the LC panel in order to ensure a correct time-sequential control of the individual spectral components.
  • the basic colors used for color mixing span a polygon in the CIE color space.
  • An example is an LC panel with 5 basic colors (maxima at 420, 500, 520, 550 and 620 nm), which is controlled by a suitable image signal with 5 components. This can be generated, for example, by means of computer graphics methods.
  • the invention can also be implemented using projection systems (in particular: beamer with LED background illumination).
  • the melatonin production in the human body is thus either promoted or reduced by targeted control of the spectrum emitted by the illumination unit.
  • Concentration, fatigue and vigilance can be influenced by the display system according to the invention.
  • enhancement or attenuation of melatonin suppression can be achieved by altering the light intensity in the region around 460 nm.
  • some dynamics of the control of the lighting unit or of the predetermined light spectrum can be realized: For example, for an average Chronoty- pen a Melatoninabsenkung between 8 and 19 clock and in particular a Melatoninerhöhung from 19 clock to achieve a timely relaxation before the sleep phase.
  • An important advantage of the presented display system according to the invention is the virtually invisible but physiologically effective change in the emission spectrum of the display system.
  • the present invention can also be implemented in OLED-based display systems (or self-illuminating display units):
  • OLED-based display systems or self-illuminating display units
  • backlighting which is unavoidable in the case of transmissive LCD modules.
  • An advantage of an OLED display is that actually only the driven pixel is lit and the background remains black.
  • By deliberately adjusting the emitting color layers of the individual pixels (or illumination subunits) in the OLED display it is possible to provide differently circadian-effective RGB spectra, which bring about barely visible changes in the colors or a barely changed white.
  • Fig. 6 shows the spectrum of a backlight of RGB LEDs.
  • the latter have, in comparison to white (phosphorus layered) LEDs thus a different spectrum.
  • the three primary colors of the LEDs can be clearly seen in the spectrum (FIG. 6).
  • the spectrum of the white LED ( Figure 1) is more uniform over the entire wavelength range.
  • FIG. 7 shows a CIE 1931 diagram of a white phosphor LED backlight or backlight LCD.
  • the representable color space is defined by the vertices of the triangular triangle and can therefore only be done by shifting these vertices (by other primary colors with different saturation, ie more or less narrow-band spectrum), but not by pure mixing of existing basic colors.

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Anzeigesystem mit einer Beleuchtungseinheit, bei der mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt werden kann, dessen mittlere Lichtintensität über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm relativ zu der mittleren Lichtintensität oberhalb und unterhalb dieses Wellenlängenbereichs so herabgesetzt oder verstärkt werden kann, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem ohne diese Herabsetzung oder Verstärkung erzeugte Lichtspektrum mehr ist.

Description

Anzeigesystem mit circadianer Wirkung auf den Menschen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anzeigesystem, insbesondere einen Monitor, Bildschirm oder Projektor zur optischen Anzeige von Text- und/oder Bildinformationen, der zur Beeinflussung der menschlichen Circa- dianrhythmik ausgebildet ist.
Die heutige Arbeitsorganisation schafft häufig Bedingungen, die gegen die menschliche Physiologie verstoßen. War man vor der Erfindung der Glühbirne gezwungen, sich an den tageszeitlichen Lichtrhythmus anzupassen, so wurde mit Einführung des künstlichen Lich- tes die Möglichkeit geschaffen, den Arbeitsrhythmus durch andere Vorgaben festzulegen. Das Arbeiten in den frühen Morgen- oder späten Abendstunden kann daher insbesondere in den Wintermonaten eine gewisse Belastung darstellen. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Anzeigesystem zur Verfügung zu stellen, das den Arbeitsrhythmus positiv beeinflussen kann, indem es konzentrationsfördernd und/oder müdigkeitsreduzierend wirkt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es darüber hinaus, ein solches Anzeigesystem zur Verfügung zu stellen, welches, wenn überhaupt, bei Betrachtung der Anzeige, lediglich geringfügig getönt und/oder farblich verändert erscheint und welches vor allem die Wahrnehmung der Farbe weiß möglichst wenig verändert. Aufgabe ist es darüber hinaus, ein entsprechendes Anzeigeverfahren zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch Anzeigesysteme gemäß An- spruch 1 und 2 sowie Anzeigeverfahren gemäß der Ansprüche 23 und 24 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen der Vorrichtungen und der Verfahren lassen sich jeweils den abhängigen Ansprüchen entnehmen. Erfindungsgemäße Verwendungen beschreibt der Anspruch 26.
Nachfolgend wird die Erfindung nun zunächst allgemein, dann anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Die in den speziellen Ausführungsbeispielen rea- lisierten Merkmalskombinationen müssen dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung (die alleine durch die anhängenden Patentansprüche in ihrem Schutzumfang definiert ist) nicht genau in der gezeigten Merkmalskombination verwirklicht werden, sondern können auch in anderen Merkmalskombinationen realisiert werden. Insbesondere können einzelne der gezeigten Merkmale auch in Alleinstellung realisiert werden, d.h. ohne die anderen in den Ausführungsbeispielen mit ihnen zusammen verwirklichten Einzelmerkmalen. Die grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung basiert auf der Beobachtung, dass neuartige Displays, insbesondere: LC-Displays (Flüssigkristallbildschirme) mit LED-Beleuchtung oder OLED-Displays, einer- seits sehr energieeffizient sind und andererseits eine hervorragende Farbwiedergabe ermöglichen, wobei diese Displays im Gegensatz zu herkömmlichen CCFL- beleuchteten Displays (Kathodenstrahlröhren) blaues Licht mit einem sehr ähnlichen Spektrum, wie es von den circadianen Photorezeptoren im Auge absorbiert wird (vgl. Figur 1), emittieren.
Dies legte die Vermutung nahe, dass durch solche Displays die Müdigkeit des Betrachters verringert bzw. die Konzentration des Betrachters gefördert werden kann:
Der biologische Wirkungsbereich von Licht unterscheidet sich erheblich von der visuellen Wirkung: Licht triggert die innere Uhr des Menschen nach tages-, wo- chen- und jahreszeitlichen Rhythmen. Die Beeinflussung der körpereigenen (beispielsweise circadianen) Rhythmik durch das Licht erfolgt über Haut und Augen. Die Kommunikation mit den verschiedenen Körpersyste- men beruht auf der Ausschüttung des Hormons Melatonin in den Blutkreislauf (Rea M. : "Light much more than vision" in: Light and Human Health, 5th International Lighting Research Symposium, PaIo Alto, The Lighting Research Office of the Electric Power Research Insti- tute, 2002, S. 1-15) .
Im Auge befinden sich drei Arten von Zapfen als Photorezeptoren, welche beim photopischen Sehen (Tagessehen) den visuellen Prozess einleiten. Hierzu kommen die Stäbchen, die ein skotopisches Sehen (Nachtsehen, keine Farbwahrnehmung) ermöglichen. Eine Untergruppe der retinalen Ganlgienzellen enthält das Protein Me- lanopsin; diese ebenfalls lichtempfindlichen circadi- anen Photorezeptoren dienen nicht dem Sehen, sondern steuern das von der Zirbeldrüse produzierte Melatonin (Baumeier D. : „Der Einfluss von Licht auf die Psyche", Universität Leipzig, Dissertation, 2000) .
Die Empfindlichkeit dieses circadianen Photorezeptors in Abhängigkeit der Wellenlänge zeigt Figur 2: Aufge- tragen ist hier die relative Sensitivität über der Wellenlänge in Nanometern; diese zeigt ein Maximum der Melatonin-Suppression und damit der circadianen Aktivierung bei einer Wellenlänge von 464 nm, also von etwa 460 nm, was blauem Licht entspricht (Brai- nard G. et al . : „Action spectrum for melatonin regu- lation in humans : Evidence for a novel circadian pho- toreceptor." Journal of Neuroscience 21 (2001), No. 16, p. 6405-6412; Thapan, K.: „An action spectrum for melatonin suppression: Evidence for a novel non-rod, non-cone photoreceptor System in humans . " , Journal of Physiology, 535 (2001), No. 1, p. 261-267) .
Die Produktion von Melatonin wird durch Lichteinfluss unterdrückt; Melatonin löst Müdigkeit aus (ein Mehr an Melatonin ist somit schlaffördernd) und steuert somit den Schlaf -Wach-Rhythmus sowie andere circadia- ne Rhythmen (Wirtz-Justice A. et al . : „Circadiane und saisonale Rhythmen", Zentrum für Chronobiologie, Psy- chatrische Universitätsklinik Basel, Zentrum für Chronobiologie, Institut für Medizinische Psychologie, München, 2004) . Durch die Tagesrhythmik von Lichtstärke und Lichtfärbe werden auch Leistungs- bzw. Regenerationsphasen des Menschen unterstützt. Der Einfluss des Zeitgebers Licht auf den sog. endo- genen Oszillator hängt auch vom Tageszeitpunkt ab: Befindet sich dieser in der Tagphase, reagiert er kaum auf Lichtreize, zu Beginn der Nacht verschiebt sich die Rhythmik durch Lichteinfluss nach hinten und zu Ende der Nacht nach vorne. Bereits eine geringfügige Beleuchtung mit weißem Licht (bei einer Ausset- zung von Probanden über mehrere Stunden während der Nacht) zeigt eine signifikante Reduzierung der MeIa- tonin-Suppression bei anschließender Beleuchtung durch monochromatisches Licht.
Eine weitere wesentliche Grundlage der vorliegenden Erfindung bildet die Farbwahrnehmung des Menschen: Die Farbwahrnehmung des Menschen beim photopischen Sehen (helles Licht) ist in erster Linie eine Reaktion der Zapfen auf der Retina des Auges auf einfallen- des Licht. Helles Licht regt die drei Zapfenarten im Auge (sog. K-, M-, L-Zapfen) an. Die drei Absorptionskurven der einzelnen Zapfenarten liegen dabei im blauen, im grünen und im roten Bereich (vgl. Figur 3, die den Absorptionsgrad der einzelnen Zapfentypen aufgetragen über der Wellenlänge in Nanometern zeigt) . Mit jeder wahrgenommenen Farbe werden drei spezifische Signale verbunden. Werden alle drei Zapfenarten gleich angeregt, wird dies vom Menschen als weißes Licht wahrgenommen. Aus dieser Überlegung lässt sich folgern, dass sich weißes Licht aus unterschiedlichen Rot-, Grün- und Blauwerten (RGB-Werten) erzeugen lässt, so lange die Intensitäten im roten, grünen und blauen Bereich jeweils für dieselbe Erregung der K-, M- und der L-Zapfenarten sorgen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der tatsächliche, physikalische Strahlungsfluss der 3 Bereiche rot (R) , grün (G) und blau (B) nicht gleich groß ist, da die Zapfenarten unterschiedlich sensitiv sind (die höchste Empfindlichkeit der Zapfen liegt beispielsweise bei 555 nm) . Wesentlich ist somit, dass verschiedene Lichtmischungen (also verschiedene Lichtspektren) dem menschlichen Auge gleich erscheinen können, obwohl die jeweilige spektrale Zusammensetzung im sichtbaren Bereich (also etwa von 380 bis 750 nm) unterschiedlich ist.
Diese Tatsache bzw. dass unterschiedliche Lichtspektren für eine gegebene Lichtart beim Menschen den gleichen Farbeindruck hervorrufen können, wird auch als Metamerie bezeichnet. Unter metameren Lichtspekt- ren werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unterschiedliche Lichtspektren verstanden (also Lichtspektren, die sich über den oben genannten Wellenlängenbereich in ihrer spektralen Zusammensetzung bzw. in den Intensitäten der einzelnen Wellenlängen unter- scheiden) , die dem menschlichen Betrachter jedoch gleich erscheinen, also denselben Farbreiz hervorrufen. Unter Farbreiz wird hierbei die durch unmittelbare Reizung der Netzhaut des Auges aufgrund der eingestrahlten physikalischen Strahlung des sichtbaren Lichts (also aufgrund des eingestrahlten Lichtspektrums) hervorgerufene Farbempfindung verstanden. Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel des RGB- Farbraums beschrieben, dessen Aufbau und Eigenschaften dem Fachmann wohl bekannt sind (siehe beispiels- weise CIE-Normtafein) . Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung jedoch auch auf Basis anderer (additiver) Farbräume realisiert werden. Beispielsweise können auch mehr als drei Grundfarben zur Farbmischung eingesetzt werden, was zu einer größeren ab- gedeckten Fläche im CIE-Farbraum führt. Auch eine Realisierung auf Basis subtraktiver Farbmodelle (beispielsweise durch Einsatz eines zusätzlichen schmal- bandigen 464 nm Bandpassfilters vor der Anzeigefläche) ist möglich. Ein erfindungsgemäßes AnzeigeSystem umfasst zunächst eine Anzeigeeinheit (z.B. LC-Bildschirm bzw. LCD) und eine diese Anzeigeeinheit auf Basis einer additiven Farbsynthese (z.B. RGB-Farbsynthese) mit einem vorbe- stimmten Lichtspektrum beleuchtende Beleuchtungseinheit (beispielsweise Anordnung mehrerer Leuchtdioden, LEDs, mit unterschiedlichen Spektren im blauen, grünen und roten Bereich) . Alternativ dazu kann jedoch (beispielsweise in Form eines auf organischen Leucht- dioden, sog. OLEDs, basierenden zweidimensionalen Ar- rays) die Beleuchtungseinheit auch selbst (als selbstleuchtende Einheit) die Anzeigeeinheit ausbilden.
Im ersten Fall (nicht-selbstleuchtende Anzeigeeinheit) ist dann mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugbar, dessen Lichtintensität in dem für die circadiane Wirkung entscheidenden Wellenlängenbereich von etwa 420 nm bis 500 nm (der Bereich kann auch entsprechend enger gewählt werden, vgl. Figur 2) relativ zu der Lichtintensität oberhalb und unterhalb dieses Wellenlängenbereiches (oder auch nur relativ zu der Lichtintensität oberhalb oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches) so herabgesetzt ist, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem ohne diese Herabsetzung erzeugten Lichtspektrum metamer ist. Alternativ oder kumulativ dazu ist es selbstverständlich ebenso möglich, die Lichtintensitäten oberhalb und/oder unterhalb des für die circadiane Wirkung entscheidenden Wellenlängenbereiches relativ zur Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich so anzuheben, dass sich die Metamerie im Vergleich zum ohne diese Anhebung (mit physikalisch entsprechenden Lichtquellen) erzeugten Lichtspektrum ergibt. Die Lichtintensität kann dabei die über ein ellenlängenintervall gemittelte Intensität sein. Beim zweiten Fall der als selbstleuchtende Anzeigeeinheit ausgebildeten Beleuchtungseinheit (z.B. OLED- Bildschirm) sind dann die einzelnen Elemente (emittierende Schichten der einzelnen OLED- Pixel) , die im Rahmen der vorliegenden Erfindung dann auch als Be- leuchtungs -Untereinheiten bezeichnet werden, so ausgebildet, dass sie jeweils das vorbeschriebene, vorbestimmte Lichtspektrum erzeugen.
Diese (relative) Anhebung der Lichtintensität im cir- cadianen Wirkungsbereich bewirkt, dass über den beschriebenen Wirkmechanismus der Melatoninspiegel abgesenkt wird, was zu einem verstärkten Wachzustand führt .
Alternativ dazu ist es jedoch auch möglich, die Lichtintensität im für die circadiane Wirkung entscheidenden Wellenlängenbereich relativ zu den umgebenden Bereichen herabzusetzen. Dies bewirkt dann im Gegensatz zu der vorgenannten Intensitätserhöhung im entscheidenden Wellenlängenbereich eine Erhöhung des Melatoninspiegels und daraus resultierend eine Abschwächung des Wachzustandes .
In einer ersten vorteilhaften Variante beträgt dabei die relative Intensitätserhöhung bzw. Intensitätsverringerung im entscheidenden Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm (oder enger) , mindestens 10%, mindestens 30%, mindestens 70% oder mindestens 90% (je höher dieser Wert liegt, desto stärker treten die oben erwähnten Effekte auf) .
Besonders bevorzugt weist die Beleuchtungseinheit mehrere einzelne Lichtquellen (z.B. bei einem LED- beleuchteten LCD-Bildschirm die die nicht-selbstleuchtende Anzeigeeinheit beleuchtenden Leuchtdioden oder bei einem OLED-Bildschirm die emittierenden Schichten der einzelnen Bildpixel) mit jeweils unterschiedlichen Lichtspektren auf, wobei die unterschiedlichen Lichtspektren sich bezüglich ihrer Maxi- ma um wenigstens einige 10 nm unterscheiden (das vorbestimmte Lichtspektrum ist dann durch additive Überlagerung mit den einzelnen Lichtspektren dieser Lichtquellen erzeugbar) .
Besonders vorteilhaft lässt sich die vorliegende Erfindung dadurch realisieren, dass neben einer im grünen und einer im roten Bereich (also im Bereich von etwa 490 bis 575 nm und von etwa 650 bis 750 nm) emittierenden Lichtquelle eine weitere Lichtquelle verwendet wird, die ein Emissionsmaximum im Bereich oberhalb 380 nm aufweist (also im blauen Bereich) , dabei jedoch so ausgebildet ist, dass der relative Intensitätsanteil des von ihr emittierten Lichts im für die circadiane Wirkung entscheidenden Wellenlän- genbereich (420 nm bis 500 nm oder enger) möglichst klein ist. Besonders bevorzugt wird dieser weiteren, im blauen emittierenden Lichtquelle dann eine zweite im blauen emittierende Lichtquelle hinzugefügt, die jetzt jedoch ein Emissionsmaximum oberhalb des für die circadiane Wirkung entscheidenden Bereiches aufweist und deren relativer Intensitätsanteil (bezogen auf das insgesamt von ihr emittierte Licht) vom im für die circadiane Wirkung entscheidenden Bereich ebenfalls möglichst klein ist.
Diese Lichtquellen, also z. B. die vier vorbeschriebenen Lichtquellen (z.B. Leuchtdioden zur LCD-Schirm- Beleuchtung oder OLED-Schichten in selbstleuchtenden Bildschirmen) lassen sich im Rahmen der Erfindung bei geeigneter Wahl der Einzelspektren so ausbilden und anordnen, dass das mit ihnen (durch additive Überla- gerung) erzeugte Gesamtspektrum (also das vorbestimmte Lichtspektrum) zu einem Lichtspektrum metamer ist, das durch die additive Überlagerung der Spektren üblicherweise verwendeter entsprechender Lichtquellen (z.B. dreier LEDs oder OLED-Schichten, die im roten, grünen und blauen Bereich emittieren, wobei im blauen Bereich jedoch die überwiegende Intensität gerade im für die circadiane Wirkung entscheidenden Bereich emittiert wird) , entsteht.
Insbesondere lassen sich die Lichtquellen, z. B. die vier vorgenannten Lichtquellen, im Rahmen der Erfindung bei geeigneter Auswahl der einzelnen Emissionsspektren auch so einrichten, dass durch die additive Überlagerung ihrer Einzelspektren weißes Licht erzeugbar ist.
Je nach konkreter Implementation der Erfindung (beispielsweise kann es sich bei dem LED-beleuchteten LCD um einen zeitsequentiell gesteuerten Flüssigkristall- Bildschirm handeln, der demgemäß keinen Farbfiltervorsatz benötigt, oder auch um einen mit einem solchen Farbfiltervorsatz ausgebildeten LC-Bildschirm) sind die Emissionsspektren der einzelnen Lichtquellen so zu wählen, dass die Metamerie unmittelbar für das erzeugte Lichtspektrum gilt (z.B. LCD ohne Farbfiltervorsatz) oder erst nach Durchgang der Spektren durch die entsprechenden optischen Elemente bzw. Filter (z.B. LCD mit Farbfiltervorsatz) . Da die Absorp- tionsspektren der entsprechenden optischen Elemente bzw. Filter jedoch bekannt sind, ist dies ohne weiteres möglich.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Beleuchtungseinheit so ausgebildet, dass mit ihr mehrere unterschiedliche vorbestimmte, jeweils zu einem ohne entsprechende Herabsetzung und/oder Anhebung von Intensitätsbereichen erzeugten Lichtspektrum metamere Lichtspektren erzeugt werden können. Dies kann durch eine unterschiedliche Mi- schung der Anteile definierter Lichtquellen oder beispielsweise beim LCD durch mehrere unterschiedliche Sätze von jeweils vier LED-Lichtquellen (wobei diese dann jeweils leicht unterschiedliche Spektren aufweisen) realisiert werden. Die wahrgenommenen R/G- Anteile können auch durch eine andere Kombination als eine Rot- und eine Grün-LED erzeugt werden. Die spektralen Empfindlichkeitskurven der Zapfen sind im Vergleich zu den Emissionsspektren der LEDs relativ breit, so dass mehrere, unterschiedlich farbige LEDs in die Empfindlichkeitskurve eines Zapfens „passen" .
Erfindungsgemäß wird es damit möglich, nach vordefinierten Zeitintervallen jeweils das emittierte Lichtspektrum zu wechseln, ohne dass der Betrachter dies wahrnimmt, da der Farbreiz jeweils derselbe ist (metamere Lichtspektren) . Insbesondere können die Spektren tageszeitabhängig gewechselt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft somit ein Anzeige- System, insbesondere einen Monitor oder auch eine Monitorbeleuchtung mit variablem Lichtspektrum zur Beeinflussung der menschlichen Circadianrhythmik unter weitestgehender Beibehaltung der Farbwiedergabe. Beispielsweise können LED-beleuchtete Displays so modi- fiziert werden, dass sie ein alternatives RGB-Spek- trum bereitstellen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass eine Leuchtdiode, die ihr Emissionsmaximum im Bereich des circadian, wirksamen Blaus (also um 460 nm herum) aufweist, durch zwei al- ternative blaue Leuchtdioden, die z.B. Emissionsmaxi- ma im Bereich von etwa 420 nm und 500 nm aufweisen, ersetzt wird (die beiden letztgenannten Leuchtdioden sollten dann so ausgebildet sein, dass ihre spektralen Anteile im Bereich der circadian wirksamen Haupt- weilenlänge von etwa 460 nm möglichst gering sind) .
Alternativ zu solchen LEDs können aber auch andere Leuchtmittel, mit denen die im Rahmen der Erfindung beschriebenen spektralen Verhältnisse realisiert werden können, verwendet werden (z.B. „weiße" Entla- dungslampen, also Leuchtstofflampen mit unterschiedlichen Emissionsspektren bzw. mit unterschiedlichem 464 nm-Anteil) .
Bei der vorliegenden Erfindung wird somit der Effekt genutzt, dass verschiedene Lichtmischungen Metamere sein können, also dem Auge gleich erscheinen, obwohl ihre spektrale Zusammensetzung verschieden ist. Unbunte Anteile des Bildes (insbesondere weiße Anteile) können hierbei durch eine gezielte spektrale Zusam- mensetzung, ohne Änderung der wahrgenommenen Farbe, die circadianen Photorezeptoren stimulieren oder eben dies gerade nicht tun und so die Circadianrhythmik des Betrachters beeinflussen. Unter Heranziehen der Kenntnisse der Absorptionsspektren der K-, M- und L-Zapfen (siehe Figur 3) werden durch eine entsprechende Anpassung der Grün- und Rotemission des Bildschirms wieder entsprechende unbunte Anteile (insbesondere: weiß) erzeugt.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele beschrieben.
Dabei zeigen:
Figuren 1 bis 3 die grundlegenden Überlegungen, auf denen die vorliegende Erfindung beruht.
Figur 4 ein erstes, gemäß der Erfindung modifiziertes Flüssigkristall -Flachdisplay (Flachdisplay mit RGB-Filtern) .
Figur 5 ein weiteres erfindungsgemäß modifiziertes Flüssigkristall-Flachdisplay (zeitsequentielles Flachdisplay ohne RGB- Filter) .
Figuren 6 bis 8 weitere Aspekte der Erfindung.
Figur 4 zeigt eine Beleuchtungseinheit 2, die hier insgesamt vier einzelne Leuchtdioden 3a bis 3d mit jeweils unterschiedlichem Emissionsspektrum umfasst. Die vier Leuchtdioden 3a bis 3d wurden hier so gewählt, dass ihr Emissionsmaximum bei 560 nm (grüne Leuchtdiode 3c) , bei 700 nm (rote Leuchtdiode 3d) und bei 420 nm sowie bei 500 nm liegt (erste und zweite blaue Leuchtdiode 3a und 3b) . Die beiden Leuchtdioden 3a und 3b wurden dabei so gewählt, dass jeweils ihre relativen, in den Wellenwellenbereich von 460 bis 470 nm emittierten Lichtintensitäten weniger als 5 % betragen.
Die Wahl zweier LEDs mit Emissionsmaxima bei 420 und bei 500 nm stellt sicher, dass bei derjenigen Wellen- länge mit maximaler circadianer Wirkung (etwa 460 nm) praktisch keine Intensitätsanteile im Emissionsspektrum vorhanden sind. Dies bewirkt, dass trotz minimaler Melatonin-Suppression dennoch ein Blaureiz für das menschliche Auge vorhanden ist, so dass praktisch kein Farbwahrnehmungsunterschied zu der konventionellen Beleuchtung resultiert (metamere Spektren) . Durch Überlagerung der einzelnen Intensitäten bzw. Spektren der vier Leuchtdioden (RGB-Farbsynthese) wird die Anzeigeeinheit 1 beleuchtet. Selbstverständlich können auch mehr als vier Leuchtdioden mit je- weils unterschiedlichen Emissionsspektren eingesetzt werden.
Die Anzeigeeinheit 1 weist hier ein der Beleuchtungseinheit 2 bzw. den Leuchtdioden 3 zugewandtes Diffu- ser-Element auf, mit dem eine gleichmäßige Ausleuchtung der LC-Zellen des (aus einer zweidimensionalen Matrix solcher Zellen bestehenden) LC-Panels 6 gewährleistet ist. Im Strahlengang hinter den Lichtquellen 3, dem Diffusor-Element und dem LC-Zellen- array 6 ist ein RGB-Farbfilter 7 angeordnet, der die farbige Darstellung einer entsprechend auf der Anzeigeeinheit 1 anzuzeigenden Text- und/oder Bildinformation ermöglicht. Die genaue Funktionsweise des Diffu- ser-Elements, des LC-Zellenarrays und des RGB-Farb- filters ist dem Fachmann hierbei bekannt. Das Flüssigkristall-Flachdisplay bzw. die eigentlichen anzeigenden Elemente der Anzeigeeinheit 1 wurden hier nicht modifiziert, es kann sich somit um ein herkömmliches Flüssigkristall-Flachdisplay handeln. Insbe- sondere wurden die in diesem Flachdisplay integrierten Farbfilter für die Grundfarben rot/grün/blau (Filter 7) nicht entfernt, da dies ohne Zerstörung des Panels in der Regeln nicht möglich ist.
Erfindungsgemäß wurde aber die standardmäßige Hinter- leuchtung des Panels durch eine, wie nachfolgend noch beschrieben, steuerbare Beleuchtung, umfassend die Beleuchtungseinheit 2, eine Steuereinheit 5 für die LEDs der Beleuchtungseinheit 2 sowie eine Bildsignal- anpassungseinheit 4 ersetzt. Die LEDs der Beleuchtungseinheit 2 decken dabei einen bestimmten Spekt- ralbereich ab. Bevorzugt liegen die Intensitätsmaxima bei einer Anordnung mit vier LED-Gruppen bei den K/M/L-Empfindlichkeitsmaxima, also 420, 534 und 564 nm sowie beim Empfindlichkeitsmaximum der circadianen Photorezeptoren, also bei 464 nm.
Um eine gleichmäßige Ausleuchtung des Zellenarrays 6 (über das Diffusor-Element) zu erreichen, können (hier nicht gezeigt) für jeden der Spektralbereiche 3a bis 3d auch mehrere, räumlich über der Fläche des Diffusor-Elements verteilte Lichtquellen 3 vorhanden sein. Statt der Leuchtdioden können auch andere Arten von Leuchtmitteln als Lichtquellen eingesetzt werden:
Alle Arten von Leuchtmitteln, mit denen die vorbeschriebenen spektralen Verhältnisse realisierbar sind, z.B. „weiße" Entladungslampen (Leuchtstofflampen, 2 verschiedene, von denen eine einen größeren 464 nm-Anteil hat) .
Die Steuereinheit für das LC-Panel bzw. Flachdisplay (Steuereinheit 8) wurde ebenfalls unverändert übernommen. Dieser Steuereinheit ist jedoch die Bildsignalanpassungseinheit 4 vorgeschaltet. Diese Einheit 4 nimmt eine Anpassung der RGB-Anteile des Bildsignals abhängig von der spektralen Zusammensetzung der Emissionsspektren der Lichtquellen 3a bis 3d vor, um Farbabweichungen zu minimieren. Die Anpassung kann dabei wie folgt durchgeführt werden:
Die RGB-Anteile werden jeweils mit einem Korrekturfaktor multipliziert, wobei Nichtlinearitäten, bedingt durch Charakteristiken der Lichtquellen und die Augenempfindlichkeit, durch Anwendung entsprechender Kennlinien kompensiert werden. Dies kann sowohl in der Steuereinheit 5 als auch in der Bildsignalanpas- sungseinheit 4 erfolgen.
Zusätzlich weist das erfindungsgemäße Anzeigesystem eine Steuereinheit 5 für die Lichtquellen bzw. LEDs auf, in der die spektralen Charakteristiken der
Lichtquellen sowie die Filtercharakteristiken der Farbfilter 7 gespeichert sind. Mit diesen Informationen kann für die jeweils geforderte Intensität im 460 nm-Bereich (genauer gesagt in demjenigen Wellenlän- genbereich, der für die circadiane Wirkung entscheidend ist, siehe vorstehend), der hier auch vereinfacht als „460 nm-Sollwert" bezeichnet wird, diejenige Lichtmischung bzw. dasjenige (additiv zusammengesetzte) vorbestimmte Lichtspektrum berechnet werden, das gewünscht ist (Festlegung des erfindungsgemäßen Herabsetzens und/oder Anhebens des circadian wirksamen Wellenlängenbereichs, des Bereichs darüber und/oder des Bereichs darunter (siehe vorstehend) . Die einzelnen Lichtquellen 3a bis 3d können dann (entsprechend des gewählten Anhebungs- und/oder Herabsetzungsgrades) angesteuert werden.
Wie hier gezeigt, kann auch optional das Bildsignal bei der Lichtmischung berücksichtigt werden, indem für Bildinhalte mit hohem Unbuntanteil (also für
Textdokumente) eine andere spektrale Zusammensetzung der Lichtmischung bzw. ein anderes vorbestimmtes Lichtspektrum gewählt wird. Die Berücksichtigung des Bildsignals kann realisiert werden über eine fortlau- fende statistische Auswertung des aktuellen Bildinhaltes (mit möglichst kurzer Latenzzeit in der Größenordnung l/Bildwiederholfrequenz) durch die Steuereinheit 5 zur Feststellung der unbunten Bildanteile bezogen auf die gesamte Bildfläche und Auswahl der anderen spektralen Zusammensetzung bei Überschreiten eines Schwellwertes. Auch die räumliche Verteilung der unbunten Anteile kann berücksichtigt werden (z.B. große unbunte Fläche in der Bildmitte hat höheres Gewicht als unbunter Rahmen.
Die andere spektrale Zusammensetzung wird dabei so gewählt, dass sie weiß korrekt abbildet (bei farbigen Darstellungen aber zu Farbverfälschungen führen würde) .
Das RGB-Bildsignal wird daher sowohl der Steuereinheit 5 der LEDs 3, als auch der Bildsignalanpassungs- einheit 4 (und über diese an die Steuereinheit 8 des LC-Panels) zugeführt. Die Steuereinheit 5 liefert einen RGB-Vektor, der die Faktoren darstellt, mit denen die RGB-Anteile des Bildsignals moduliert werden.
Diese Information wird, in Folge der vorbeschriebenen statistischen Analyse des Bildsignals fortlaufend aktualisiert.
Um eine Kalibrierung des gezeigten Anzeigesystems durchzuführen (dies ist in der Regel nur einmal bei Inbetriebnahme erforderlich) , kann ein Spektrometer vorgesehen sein, mit dem die genaue spektrale Zusammensetzung der von den einzelnen Lichtquellen 3 emit- tierten Lichtspektren bestimmt werden kann. Die so bestimmten Spektren erlauben dann die genaue Bestimmung der Intensitätsmischung bzw. die Einstellung des vorbestimmten Lichtspektrums so, dass die vorbeschriebene Metamerie auftritt .
Figur 5 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Anzeigesystem, das sich von dem in Figur 4 gezeigten System lediglich dadurch unterscheidet, dass es auf einem zeitsequentiellen Flüssigkristall-Flachdisplay ohne RGB-Filter aufbaut. Nachfolgend werden daher nur die Unterschiedsmerkmale zum in Figur 4 gezeigten Bei- spiel beschrieben.
Bei der in Figur 5 gezeigten Ausprägung sind im LC- Panel keine Farbfilter mehr integriert, vielmehr er- folgt die Bilddarstellung durch zeitsequentielle Darstellung der Rot-, Grün- und Blauanteile des Bildes und durch eine dazu synchrone Hinterleuchtung in den entsprechenden Spektralfarben (ein entsprechendes Verfahren wird auch bei Ein-Chip-DLP-Projektoren an- gewendet, so dass sich die vorliegende Erfindung entsprechend auch bei diesen verwirklichen lässt) .
Das LC-Panel muss dazu ausreichend kurze Schaltzeiten aufweisen. Die Schaltzeiten müssen so kurz sein, dass bei einer gegebenen Bildwiederholfrequenz jeder Farbanteil (Rot, Grün, Blau) des Bildes vom LC-Panel dargestellt werden kann, ohne vom vorhergehenden Farbanteil beeinflusst zu werden. Bei einer Bildwiederhol - frequenz von 60 Hz bedeutet dies, dass die Flüssig- kristalle einen vollständigen Zyklus von schwarz zu weiß zu Schwarz innerhalb von 1/180 s durchführen müssen.
Die Steuereinheit 5 für Lichtquellen ist mit der Steuereinheit 8 des LC-Panels synchronisiert, um eine korrekte zeitsequentielle Ansteuerung der einzelnen Spektralanteile zu gewährleisten.
Ein hinreichend schnelles LC-Panel ermöglicht dabei auch die zeitsequentielle Darstellung für mehr Grundfarben als rot, grün oder blau. Dies kann einerseits zur Erweiterung des Farbraums genutzt werden, andererseits führt es bei dem hier beschriebenen erfindungsgemäßen Aufbau auch zu einer flexibleren Anpass- barkeit der spektralen Zusammensetzung, insbesondere bei Auswertung des Bildsignals durch die Steuerein- heit 5 für die Lichtquellen wie beim ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Erweiterung des Farbraums :
Die zur Farbmischung verwendeten Grundfarben spannen ein Vieleck im CIE-Farbraum auf. Je mehr möglichst gesättigte Grundfarben zur Verfügung stehen, umso besser kann die Form dieses Vielecks der Beran- dungskurve des CIE-Farbraumes angepasst werden. Ein Beispiel ist ein LC- Panel mit 5 Grundfarben (Maxima bei 420, 500, 520, 550 und 620 nm) , das durch ein geeignetes Bildsignal mit 5 Komponenten angesteuert wird. Dieses kann beispielsweise mittels computergra- phischer Verfahren generiert werden.
Alternativ zu den beiden beschriebenen Ausführungs- beispielen kann die Erfindung auch mit Projektions - Systemen (insbesondere: Beamer mit LED-Hintergrundbe- leuchtung) realisiert werden.
Erfindungsgemäß wird somit durch gezielte Steuerung des von der Beleuchtungseinheit abgestrahlten Spektrums die Melatoninproduktion im menschlichen Körper entweder gefördert oder reduziert. Konzentration, Müdigkeit und Vigilanz können durch das erfindungsgemäße Anzeigesystem beeinflusst werden.
Speziell kann eine Verstärkung oder Abschwächung der Melatoninsuppression durch Veränderung der Lichtin- tensität im Bereich um 460 nm herum erreicht werden. Um einer vorzeitigen Ermüdung eines Betrachters entgegenzuwirken, kann eine gewisse Dynamik der Steuerung der Beleuchtungseinheit bzw. des vorbestimmten Lichtspektrums realisiert werden: Beispielsweise für einen durchschnittlichen Chronoty- pen eine Melatoninabsenkung zwischen 8 und 19 Uhr und insbesondere eine Melatoninerhöhung ab 19 Uhr, um eine rechtzeitige Entspannung vor der Schlafphase zu erreichen.
Durch eine solche Dynamisierung lässt sich die Arbeitsrhythmik im Arbeitsalltag weiter verbessern.
Ein wichtiger Vorteil des vorgestellten erfindungsgemäßen Anzeigesystems ist die praktisch nicht sichtbare, jedoch physiologisch wirksame Veränderung des Emissionsspektrums des Anzeigesystems.
Die vorliegende Erfindung kann dabei auch bei OLED- basierten Anzeigesystemen (bzw. selbstleuchtenden Anzeigeeinheiten) realisiert werden: Hier entfällt eine Hintergrundbeleuchtung, die bei transmissiven LCD- Modulen unumgänglich ist. Ein Vorteil bei einem OLED- Display ist dabei, dass tatsächlich nur der angesteuerte Bildpunkt leuchtet und der Hintergrund schwarz bleibt. Durch gezielte Einstellung der emittierenden Farbschichten der einzelnen Pixel (bzw. Beleuchtungs- Untereinheiten) beim OLED-Display können unterschied- lieh circadian-wirksame RGB-Spektren bereitgestellt werden, die kaum sichtbare Veränderungen der Farben bzw. ein kaum verändertes Weiß mit sich bringen.
Die Figuren 6 bis 8 zeigen nun weitere Aspekte der Erfindung.
Im Gegensatz zu Fig. 1, die das Spektrum eines Flüssigkristalldisplays mit einer Hintergrundbeleuchtung aus weißen Phosphor LEDs zeigt, zeigt Fig. 6 das Spektrum einer Hintergrundbeleuchtung aus RGB-LEDs. Letztere haben im Vergleich zu weißen (Phosphor be- schichteten) LEDs somit ein anderes Spektrum. Die drei Grundfarben der LEDs sind im Spektrum (Fig. 6) deutlich zu erkennen. Im Gegensatz dazu ist das Spektrum der weißen LED (Fig. 1) gleichmäßiger über den gesamten Wellenlängenbereich.
Eine Darstellung des RGB Spektrums der LEDs gemäß Fig. 6 im CIE 1931 Diagramm ist in Fig. 7 zu sehen (Fig. 8 zeigt dagegen ein CIE 1931 Diagramm eines LCD mit weißem Phosphor LED Hintergrundbeleuchtung bzw. Backlight) . Durch unterschiedliches Mischen der drei Grundfarben kann die Position des in der Mitte befindlichen Weißpunktes verändert werden. Der darstellbare Farbraum wird durch die Eckpunkte des auf- gespannten Dreiecks definiert und kann daher nur durch Verschiebung dieser Eckpunkte (durch andere Grundfarben mit unterschiedlicher Sättigung, also mehr oder weniger schmalbandigem Spektrum) erfolgen, nicht aber durch reine Mischung bestehender Grundfar- ben.
Durch gezieltes Steuern der einzelnen Farben kann ein Weiß mit mehr oder weniger Blauanteil erzeugt werden. Dies hat eine Veränderung der Farbtemperatur zur FoI- ge. Im CIE 1931 Diagramm ist die sogenannte „Weißkurve" aller Farbtemperaturen zu erkennen.
Eine Erweiterung des steuerbaren Spektrums und ein dadurch vergrößert darstellbarer Farbraum wird durch die Verwendung zusätzlicher Farben erreicht. So gibt es mittlerweile eine Vielzahl verschiedener Spektren einzelner LEDs auch zwischen den eigentlichen R-, B- oder G- Bereichen, also z.B. LEDs mit Emissionsmaxima bei kleiner als 450 nm, bei ca. 505 nm, bei ca. 590 nm oder bei ca. 630 nm. (Beispiel: Philips Luxeon Re- bel Familie) .

Claims

Patentansprüche
1. Anzeigesystem zur optischen Anzeige von analog oder digital vorliegenden Text- und/oder Bildin- formationen umfassend eine Anzeigeeinheit (1) und eine diese Anzeigeeinheit (1) auf Basis einer additiven oder sub- traktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, mit einem vorbestimmten Licht- Spektrum beleuchtende Beleuchtungseinheit (2) , insbesondere eine Hintergrundbeleuchtung, zur Darstellung der Text- und/oder Bildinformationen
oder eine als selbstleuchtende, die Darstellung der Text- und/oder Bildinformationen auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, und mit einem vorbestimmten Lichtspektrum erzeugende Anzeigeeinheit ausgebildete Beleuchtungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugbar ist, dessen Lichtintensität über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm, von 440 nm bis 490 nm, von 450 nm bis 480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm relativ zu der/den Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches so herabgesetzt ist und/oder dessen Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches relativ zur Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich so angehoben ist/sind, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem ohne diese Herabsetzung und/oder Anhebung erzeugten Lichtspektrum metamer ist.
2. Anzeigesystem zur optischen Anzeige von analog oder digital vorliegenden Text- und/oder Bildinformationen umfassend eine Anzeigeeinheit (1) und eine diese Anzeigeeinheit (1) auf Basis einer additiven oder sub- traktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, mit einem vorbestimmten Licht - spektrum beleuchtende Beleuchtungseinheit (2), insbesondere eine Hintergrundbeleuchtung, zur
Darstellung der Text- und/oder Bildinformationen
oder eine als selbstleuchtende, die Darstellung der Text- und/oder Bildinformationen auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, und mit einem vorbestimmten Lichtspektrum erzeugende Anzeigeeinheit ausgebildete Beleuchtungseinheit dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes
Lichtspektrum erzeugbar ist, dessen Lichtintensität über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm, von 440 nm bis 490 nm, von 450 nm bis 480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm rela- tiv zu der/den Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches so angehoben ist und/oder dessen Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches relativ zur Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich so herabgesetzt ist/sind, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem ohne diese Herabsetzung und/oder Anhebung erzeugten Lichtspektrum metamer ist.
3. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet , dass die mittlere Intensität über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm, von 440 nm bis 490 nm, von 450 nm bis 480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm relativ zu der mittleren Intensität über einen oben an diesen Wellenlängenbereich angrenzenden Wellenlängenbereich gleicher Breite und/oder zu der mittleren Intensität über einen unten an diesen Wellenlängenbereich angrenzenden Wellenlängenbereich gleicher Breite um mindestens 10%, bevorzugt um mindestens 30%, bevorzugt um mindestens 50%, bevorzugt um mindestens 70%, bevorzugt um mindestens 90% herabgesetzt oder angehoben ist.
4. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (2) mehrere einzelne Lichtquellen (3a, 3b, ...) mit jeweils unterschiedlichen Lichtspektren, insbesondere mit Lichtspektren, deren Maxima sich um mindestens 10 nm, bevorzugt um mindestens 30 nm, bevorzugt um mindestens 50 nm, bevorzugt um mindestens 70 nm unterscheiden, aufweist und dass das vorbestimmte LichtSpektrum durch additive Überlagerung der einzelnen Lichtspektren der Lichtquel- len erzeugbar ist.
5. AnzeigeSystem nach dem vorhergehenden Anspruch,
gekennzeichnet durch
eine erste Lichtquelle (3a) , die ein Emissionsmaximum im Bereich oberhalb 380 nm und unterhalb einer Obergrenze von 420 nm, von 440 nm, von 450 nm und/oder von 460 nm hat, wobei bevorzugt der relative Intensitätsanteil von oberhalb der Obergrenze emittiertem Licht am insgesamt emittierten Licht kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5% ist, und/oder durch eine zweite Lichtquelle (3b) , die ein E- missionsmaximum im Bereich unterhalb 550 nm und oberhalb einer Untergrenze von 500 nm, von 490 nm, von 480 nm und/oder von 470 nm hat, wobei bevorzugt der relative Intensitätsanteil von unterhalb der Untergrenze emittiertem Licht am insgesamt emittierten Licht kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, bevorzugt kleiner als 5% ist,
und durch mindestens eine, bevorzugt mindestens zwei weitere Lichtquellen (dritte und/oder vierte Lichtquelle 3c, 3d) die ein Emissionsmaximum im grünen Bereich zwischen 490 und 575 nm und/oder im roten Bereich zwischen 650 nm und 750 nm aufweist/aufweisen.
6. Anzeigesystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und/oder die zweite Lichtquelle sowie mindestens eine der weiteren Lichtquellen, bevorzugt mindestens die dritte und die vierte Lichtquelle, so ausgebildet sind, dass das damit durch additive Überlagerung erzeugte und/oder erzeugbare vorbestimmte Lichtspektrum einem
Lichtspektrum metamer ist, das durch mindestens eine erste Lichtquelle mit einem Emissionsmaximum im Bereich von 420 nm bis 500 nm, von 440 ntn bis 490 nm, von 450 nm bis 480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm, eine zweite Lichtquelle mit einem Emissionsmaximum im grünen Bereich zwischen 490 und 575 nm und eine dritte Lichtquelle mit einem Emissionsmaximum im roten Bereich zwischen 650 nm und 750 nm erzeugbar ist.
7. Anzeigesystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die erste und/oder die zweite Lichtquelle sowie mindestens eine der weiteren Lichtquellen, be- vorzugt mindestens die dritte und die vierte
Lichtquelle, so ausgebildet sind, dass damit durch additive Überlagerung weißes Licht erzeugbar ist.
8. Anzeigesystem nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (2) mit mehreren einzelnen Lichtquellen mit jeweils unterschiedlichen Lichtspektren für mindestens eines der, bevor- zugt mehrere, bevorzugt alle der Lichtspektren mehrere räumlich beabstandet voneinander angeordnete, das jeweilige Lichtspektrum erzeugende Lichtquellen je Spektrum aufweist.
9. Anzeigesystem nach einem der fünf vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass
mindestens eine, bevorzugt mehrere, bevorzugt alle der Lichtquellen (3a, 3b, ...) (eine) Leuchtdiode (n) ist/sind.
10. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigeeinheit (1) ein zweidimensionales Ar- ray aus LCD-Elementen (6) ist oder umfasst, wobei die Beleuchtungseinheit (2) bevorzugt eine Hintergrundbeleuchtung mit mehreren Lichtquellen (3a, 3b, ...) mit jeweils unterschiedlichen Licht- spektren ist.
11. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Ausnahme des vorhergehenden Anspruchs,
dadurch gekennzeichnet, dass
die als selbstleuchtende Anzeigeeinheit ausgebildete Beleuchtungseinheit ein zweidimensionales Array aus einer Vielzahl einzelner, elektrisch unabhängig voneinander ansteuerbarer Be- leuchtungs-Untereinheiten in Form von organischen Leuchtdioden (OLEDs) ist oder umfasst, wobei bevorzugt mindestens eine, bevorzugt mehrere, bevorzugt alle der Beleuchtungs- Untereinheit (en) so ausgebildet ist/sind, dass mit ihr/ihnen ein vorbestimmtes Lichtspektrum so erzeugbar ist, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche, mit Ausnahme des vorhergehenden Anspruchs, für die Beleuchtungseinheit (2) beschrieben.
12. Anzeigesystem nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungs-Untereinheit (en) mehrere einzelne Emissionsschichten umfasst/umfassen, die Emissionseigenschaften entsprechend der in einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7 beschriebenen Lichtquellen aufweisen.
13. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass die Metamerie der beiden Lichtspektren unmittelbar für erzeugbare und/oder erzeugte Lichtspektren, also nicht durch optische Elemente in ihrer spektralen Zusammensetzung modifizierte Lichtspektren gilt.
14. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit Ausnahme des vorhergehenden Anspruchs,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Metamerie der beiden Lichtspektren für durch mindestens ein optisches Element, insbesondere für durch die Anzeigeeinheit (1) und/oder durch mindestens ein optisches Filterelement wie beispielsweise einen RGB-Filter (7) , in ihrer spektralen Zusammensetzung modifizierte Licht- spektren gilt.
15. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das Anzeigesystem einen Bildschirm, insbesondere einen Flüssigkristallbildschirm (LCD) , insbesondere einen zeitsequentiell gesteuerten oder mit einem Farbfiltervorsatz ausgebildeten und/oder einen LED-beleuchteten Farb-LCD, oder einen OLED-Bildschirm, und/oder einen Bildschirm eines tragbaren Computers, Mobilfunkgerätes oder PDAs oder einen Projektor, insbesondere einen LED beleuchteten Projektor, umfasst oder als ein derartiges Gerät ausgebildet ist.
16. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden An- Sprüche,
gekennzeichnet durch eine Bildsignalanpassungseinheit (4), mit der die einzelnen additiven oder subtraktiven Signalanteile der Farbsynthese, insbesondere die R-, G- und B-Anteile der RGB-Farbsynthese, des der Anzeigeeinheit zuführbaren und/oder zugeführten Bildsignals in Abhängigkeit von dem erzeugten vorbestimmten Lichtspektrum modifizierbar sind.
17. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine zur Regelung der Beleuchtungseinheit hinsichtlich ihrer emittierten Intensität ausgebil- dete Steuereinheit, insbesondere eine zur Regelung der additiv zu überlagernden Einzelintensi- täten von mehreren einzelnen Lichtquellen der Beleuchtungseinheit ausgebildete Steuereinheit (5) .
18. Anzeigesystem nach dem vorhergehenden Anspruch,
dadurch gekennzeichnet, dass in die Steuereinheit (5) die spektralen Charakteristiken der Lichtquellen und/oder die Filtercharakteristiken von in oder mit der Anzeigeeinheit verwendeten optischen Filterelementen wie beispielsweise RGB-Filtern (7) einprogrammiert sind.
19. Anzeigesystem nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Steuereinheit (5) zur Regelung der emittierten Intensität der Beleuchtungseinheit in Abhängigkeit vom von der Anzeigeeinheit anzuzeigenden Bildinhalt, insbesondere in Abhängigkeit vom Un- buntanteil dieses Bildinhalts, ausgebildet ist.
20. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass
mit der Beleuchtungseinheit mehrere vorbestimmte, jeweils zu einem ohne eine Herabsetzung und/oder Anhebung erzeugten Lichtspektrum meta- mere Lichtspektren erzeugbar sind.
21. Anzeigesystem nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch unterschiedliche, jeweils nach vordefinierten Zeitintervallen wechselnde vorbestimmte Lichtspektren
und/oder
durch eine tageszeitabhängige Änderung des Grades des Anhebens und/oder des Herabsetzens.
22. Anzeigesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Beleuchtungseinheit (2) fest oder lösbar mit der Anzeigeeinheit (1) verbunden ist.
23. Anzeigeverfahren zur Anzeige von analog oder digital vorliegenden Text- und/oder Bildinformationen auf einem Anzeigesystem, wobei mit einer Beleuchtungseinheit (2), insbesondere einer Hintergrundbeleuchtung, auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird, damit eine Anzeigeeinheit (1) beleucht wird und hierdurch die Text- und/oder Bildinformationen dargestellt werden
oder
wobei mit einer als selbstleuchtende Anzeigeein- heit ausgebildeten Beleuchtungseinheit auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird und mit diesem die Text- und/oder Bildinformationen darge- stellt werden dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird, dessen Lichtintensität über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis 500 nm, von 440 nm bis 490 nm, von 450 nm bis
480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm relativ zu der/den Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches so herabgesetzt ist und/oder dessen Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches relativ zur Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich so angehoben ist/sind, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem ohne diese Herabsetzung und/oder Anhebung erzeugten Lichtspektrum metamer ist.
24. Anzeigeverfahren zur Anzeige von analog oder digital vorliegenden Text- und/oder Bildinformationen auf einem Anzeigesystem,
wobei mit einer Beleuchtungseinheit (2) , insbe- sondere einer Hintergrundbeleuchtung, auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB- Farbsynthese, ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird, damit eine Anzeigeeinheit (1) beleucht wird und hierdurch die Text- und/oder Bildinformationen dargestellt werden oder wobei mit einer als selbstleuchtende Anzeigeeinheit ausgebildeten Beleuchtungseinheit auf Basis einer additiven oder subtraktiven Farbsynthese, insbesondere einer RGB-Farbsynthese, ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird und mit diesem die Text- und/oder Bildinformationen darge- stellt werden dadurch gekennzeichnet, dass
mit der Beleuchtungseinheit ein vorbestimmtes Lichtspektrum erzeugt wird, dessen Lichtintensi- tat über den Wellenlängenbereich von 420 nm bis
500 nm, von 440 nm bis 490 nm, von 450 nm bis 480 nm und/oder von 460 nm bis 470 nm relativ zu der/den Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches so ange- hoben ist und/oder dessen Lichtintensität (en) oberhalb und/oder unterhalb dieses Wellenlängenbereiches relativ zur Lichtintensität in diesem Wellenlängenbereich so herabgesetzt ist/sind, dass das vorbestimmte Lichtspektrum zu einem oh- ne diese Herabsetzung und/oder Anhebung erzeugten Lichtspektrum metamer ist .
25. Anzeigeverfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass
die Anzeige mit Hilfe eines Anzeigesystems nach einem der Ansprüche 2 bis 22 erzeugt wird.
26. Verwendung eines Anzeigesystems oder eines Anzeigeverfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Förderung und/oder Reduktion, ins- besondere zur tageszeitabhängigen Förderung und/oder Reduktion, der Melatoninproduktion im menschlichen Körper und/oder zur Konzentrations- steigerung und/oder zur Müdigkeitsreduktion beim Menschen.
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