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Die Einflussfaktoren auf den Kontrast von Displays: Ausgabe 13/2020, 27.08.2020

Lokale Ausleuchtung bringt den Vorteil

Seit jeher werben viele Hersteller von Displays mit immer höheren Aufl ösungen ihrer Panels. Dabei ist die Aufl ösung nur eines von vielen Merkmalen eines qualitativ hochwertigen Displays. Seit einigen Jahren lassen sich Displays mit einer derart hohen Aufl ösung produzieren, dass dieses Kriterium mittlerweile eher zweitrangig geworden ist. Eine hohe Pixeldichte bringt nämlich nicht nur Vorteile.

Autor: Claudio Hediger, dipl. Elektrotechniker und Informatiker HF - FAE | Projektleiter DMB Technics AG

Bilder: DMB Technics

Wird die Struktur eines TFT-Displays unter dem Mikroskop betrachtet, zeigt sich, warum eine hohe Aufl ösung nicht zwingend das ultimative Qualitätsmerkmal sein muss. Eine hohe Pixeldichte bringt nämlich nicht nur Vorteile mit sich, wie die Beispiele in den Fällen 1 und 2 zeigen

Transmission des Displayglases bleibt unter den idealbedingungen
Da bei einem TFT-Display die einzelnen Pixel durch integrierte Transistoren geschaltet werden müssen, lässt sich nicht die gesamte Fläche des Glases nutzen. Das Apertur-Verhältnis wird mit steigender Aufl ösung immer schlechter. Ausserdem belegen die Transistoren und die notwendigen Zuleitungen einen grossen, meist gleichbleibenden Teil der verfügbaren Fläche. Dadurch liegt die Transmission des Displayglases selbst unter Idealbedingungen (alle Pixel aktiv) nur noch bei ungefähr 10 Prozent bei kleinen Aufl ösungen und bei zirka 8 Prozent für hohe Aufl ösungen. Das bedeutet, dass von einer Hintergrundbeleuchtung mit einer Helligkeit von ursprünglich 1000 cd/ m2 nur noch 100 cd/m2 an der Oberfl äche des Displays messbar sind.

Wie lässt sich das Kontrastverhältnis maximieren?
Um diesem Problem entgegenzuwirken, werden immer hellere Hintergrundbeleuchtungen eingesetzt. Neue LED-Technologien und die damit verbundenen verbesserten Wirkungsgrade machen das möglich. Doch dieses Vorgehen hat auch einen Nachteil. Physikalisch bedingt kann ein ausgeschaltetes Pixel nie 100 Prozent des Lichts blockieren, das von der Hintergrundbeleuchtung kommt. Sehr gut sichtbar ist das bei einem LCD-TV in einem dunklen Raum. Die schwarzen Bereiche wirken graublau. Der Helligkeitsunterschied von einem ausgeschalteten zu einem eingeschalteten Pixelbereich ergibt das maximale Kontrastverhältnis des LCD-Panels. Ist dieses Verhältnis besonders hoch, entsteht ein intensives Bild mit kräftigen Farben. Doch wie lässt sich nun das Kontrastverhältnis bei der immer höheren Pixeldichte weiter steigern? Die Lösung lautet Local Dimming.

Vollflächige Beleuchtung mittels LEDs
Beim Local Dimming wird das Licht für die Hintergrundbeleuchtung nicht wie meistens üblich von der Seite her eingekoppelt und homogen über die ganze Fläche verbreitet. Stattdessen wird eine vollflächige Beleuchtung mittels einzelner LEDs durchgeführt. Diese Bauart wird oft als Direct Type bezeichnet und ist die gebräuchlichste Beleuchtung.

Dynamische Lichtsteuerung
Dank dieser Technik entspricht nun jede LED einer eigenen Beleuchtungszone. Mithilfe intelligenter Elektronik lässt sich das Bildmaterial analysieren und berechnen, wie hell die einzelnen Zonen sein müssen. Bei dunklen Bereichen wird die LED-Zone gedimmt, bei hellen Bildinhalten entsprechend stärker beleuchtet. Durch diese dynamische Lichtsteuerung werden viel höhere Kontrastwerte erreicht. Je nach Bildinhalt sind Verhältnisse bis 50’000:1 und mehr möglich. Im Vergleich: Ein herkömmliches Panel hat meistens ein Kontrastverhältnis im Bereich von 1’000:1.

Vielfältige Anwendungsgebiete
Die Anwendungsgebiete der Local DimmingTechnologie sind sehr vielfältig. Hohe Kontrastverhältnisse bieten vor allem überall dort Vorteile, wo mit starkem Umgebungslicht gerechnet werden muss. Beispielsweise im Automobil- oder im Outdoorbereich.
Im Gegensatz zur OLED-Technologie, bei der jedes Pixel selbst Licht emittiert, lassen sich beim Local Dimming die Vorzüge der TFTTechnologie nutzen, ohne dass dabei auf einen erhöhten Kontrast verzichtet werden muss.

Dünner Markt
Weil die Local-Dimming-Technik vorwiegend bei TV-Geräten und im Automobilbereich Anwendung findet, gibt es so gut wie keine Lösungen für Integratoren auf dem Markt. Deshalb hat DMB Technics in die Entwicklung einer eigenen Lösung investiert.

«Als Display-Experte sehen wir uns dazu verpflichtet, uns mit den neuesten Technologien auseinanderzusetzen. Dabei ist es uns wichtig, dass wir das, was wir unseren Kunden anbieten auch verstehen. Durch den Aufbau eines Prototypen können die Herausforderung gemeistert werden. Deshalb investieren wir proaktiv auch in die Entwicklung neuer Lösungen.» D. Heimgartner, CEO

Verarbeitung der Bildsignale in Echtzeit
Als zentraler Baustein für diese neue Lösung greift DMB Technics auf ein FPGA zurück. Dieses verarbeitet die eingehenden Bildsignale in Echtzeit. Für jedes Segment der Hintergrundbeleuchtung wird der entsprechende Helligkeitswert berechnet. Sobald genügend Bildinformationen zu einer LED-Zeile vorhanden sind, wird die Hintergrundbeleuchtung angepasst. Dadurch ist die Latenz der Hintergrundbeleuchtung extrem niedrig – sie wird mehrmals pro Bild-Frame aktualisiert.

Interferenz-Effekt eliminiert
Das eingesetzte FPGA übernimmt ausserdem die Umsetzung des RGB-Signals zu LVDS. Weil diese Umwandlung ebenfalls intern stattfindet, erübrigen sich mögliche Probleme bei der Synchronisation der Hintergrundbeleuchtung mit dem Bildinhalt. Dadurch können auch Interferenz-Effekte elegant eliminiert werden. Nach der Berechnung des Bildinhaltes liegt intern eine Helligkeitsmatrix vor. Die Hintergrundbeleuchtung wird kontinuierlich an die neu berechneten Werte angepasst und sorgt damit für maximale Kontrastverhältnisse.

Generierung der Hintergrundbeleuchtung Für die Umsetzung wurde inhouse eine eigene Leiterplatte entworfen. Diese beinhaltet alle relevanten Komponenten. Die Umsetzung von HDMI zu RGB, die Generierung der Hintergrundbeleuchtungssignale mittels FPGA und die Generierung der LVDS-Signale befinden sich auf einem Board. Beim Konzept wurde berücksichtigt, dass bei vielen Displayprojekten nur RGB-Signale zur Verfügung stehen. So lassen sich die Bildinformationen beim FPGA entweder als 24-BitRGB- oder als 48-Bit-RGB-Signale einspeisen. Bei letzterem Format werden pro Pixeltakt die Daten von zwei Pixeln gleichzeitig übertragen. Zusätzlich zu den erwähnten RGBSchnittstellen befindet sich auf dem Board ein HDMI-zu-RGB-Umsetzer. Dank diesem ist das Board sehr flexibel einsetzbar.

65’535 Helligkeitsstufen
DMB Technics hat aber nicht nur das FPGADesign, sondern auch die Hintergrundbeleuchtung inhouse umgesetzt. Die 4-lagige Leiterplatte enthält bereits die benötigte Stromversorgung für die LEDs sowie die LED-Treiber zur Ansteuerung der LEDs. Damit lassen sich die einzelnen LEDs beziehungsweise die einzelnen Zonen mit einer Aufl ösung von bis zu 16-Bit dimmen. Das Ergebnis sind 65’535 Helligkeitsstufen.
Die derzeitige Lösung umfasst 288 Zonen bei einer maximalen Bildwiederholfrequenz von bis zu 60 Hz.

Die Erfolgsaussichten
Das Projekt ist zurzeit noch in der Entwicklungsphase. Es konnten jedoch bereits vielversprechende Resultate erzielt werden, die das Potenzial dieser Technologie sehr gut aufzeigen. Zusätzlich konnten während der Entwicklung viele neue Erkenntnisse dazugewonnen werden.

investment in die Zukunft
Dank dieser Eigenentwicklung kann DMB Technics Local Dimming zukünftig bei einer breiten Masse an Displays anbieten. Ziel ist es, dass diese Technologie an kundenspezifische Anforderungen angepasst werden kann – ganz im Sinne von «The Customizing Class».

infoservice
DMB Technics AG
Bösch 41, 6331 Hünenberg
Tel. 041 784 30 90, Fax 041 784 30 99
sales@dmbtechnics.com, www.dmbtechnics.com

 



Eine hohe Pixeldichte bringt nicht nur Vorteile.


Die Grafi k zeigt schematisch die Verhältnisse der notwendigen Fläche im Vergleich zur nutzbaren.


Beim Local Dimming wird das Licht für die Hintergrundbeleuchtung nicht wie meist üblich von der Seite her eingekoppelt und homogen über die ganze Fläche verbreitet


Als zentraler Baustein für diese neue Lösung greift DMB Technics auf ein FPGA zurück.


Die Hintergrundbeleuchtung wird kontinuierlich an die neu berechneten Werte angepasst.

Firmenportrait

DMB Technics ist ein wichtiger Systempartner und Know-how-Träger in der Displaybranche. Das Unternehmen hat sich in den 15 Jahren seines Bestehens als bedeutender Dienstleister und Entwicklungspartner in der Displaybranche etabliert. Doch auch die Displaybranche unterliegt einem stetigen Wandel. Deshalb bleibt DMB Technics immer am Puls der Technik, getreu dem Motto: «Wer nicht investiert, verliert.»