Lesen Sie den Fachbeitrag in der Polyscope: 2020-09 Local Dimming Polyscope
Autor: Claudio Hediger, dipl. Elektrotechniker und Informatiker HF – FAE | Projektleiter DMB Technics AG
Seit jeher werben viele Hersteller von Displays mit immer höheren Auflösungen ihrer Panels. Dabei ist die Auflösung nur eines von vielen Merkmalen eines qualitativ hochwertigen Displays. Seit einigen Jahren können Displays mit einer so hohen Auflösung produziert werden, dass dieses Kriterium inzwischen eher zweitrangig geworden ist. Eine hohe Pixeldichte bringt nämlich nicht nur Vorteile.
Betrachtet man die Struktur eines TFT-Displays unter dem Mikroskop, wird ersichtlich, warum das so ist. Eine hohe Pixeldichte (Bsp. folgend Fall_1 und Fall_2) nicht nur Vorteile mit sich bringt. Die folgende Grafik zeigt schematisch die Verhältnisse der notwendigen – im Vergleich zur nutzbaren Fläche.
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 Auflösung 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 Auflösungen und bei ca. 8% für hohe Auflösungen liegt. Das bedeutet, dass von einer Hintergrundbeleuchtung mit einer Helligkeit von ursprünglich 1 000 nur noch 100 an der Oberfläche des Displays messbar sind.
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.
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.
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.
Anwendungsgebiete
Die Anwendungsgebiete der Local-Dimming-Technologie 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 TFT-Technologie 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.
Zitat:
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
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.
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.
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-Bit-RGB- oder als 48-Bit-RGB-Signale einspeisen. Bei letzterem Format übertragen pro Pixeltakt zwei Pixel gleichzeitig die Daten. Zusätzlich zu den erwähnten RGB-Schnittstellen befindet sich auf dem Board ein HDMI-zu-RGB-Umsetzer. Dank diesem ist das Board sehr flexibel einsetzbar.
DMB Technics hat aber nicht nur das FPGA-Design, 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 Auflösung 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.
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 das 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».
Gerne erarbeiten wir gemeinsam mit Ihnen Ihre Displaylösung.
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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 – eine Erfolgsstory. Doch auch die Displaybranche unterliegt einem stetigen Wandel. Deshalb bleibt DMB Technics immer am Puls der Technik, getreu dem Motto: «Wer nicht investiert, verliert.»