Farbraum bei variablem Lichtspektrum
4.3 Realisierung des Displayprototyps
4.3.1 Auswahl der technischen Komponenten
Die Realisierung der Hintergrundbeleuchtung des CwD orientiert sich am technischen Aufbau von Harbers und Hoelen, West et al., Ziemann et al., Sugiura et al., sowie Zeiler und Hüttner (Harbers und Hoelen 2001; Sugiura 2009; Sugiura et al. 2006; West et al. 2003; Zeiler und Hüttner 2009; Ziemann, O., Poisel, H., Bloos, M., Kramer, G. 2008). Die Autoren verwenden LEDs mit etwa 1W Leistung und ordnen diese flächig in einem Array hinter dem LCP an. Der Lichtverlust eines Direct Backlights ist am geringsten (Zeiler und Hüttner 2009). Da aufgrund der menschlichen Farbwahrnehmung viel Grün benötigt wird (vgl. Kapitel 2.2), ist ein Cluster von RGGB sinnvoll (Zeiler und Hüttner 2009). Die Verwendung mehrerer Primärfarben basiert auf der Grundlage von „Multi-Primary Displays“ (MPD) (vgl. Kapitel 2.4.5), wobei jedoch für die verwendeten Lichtspektren jeweils nur eine RGB-Kombination aktiv ist.
Name LED Herstellerbezeichnung Lichtstrom [lm] oder Farbort Strahlungsfluss[mW] u v 430nmViolet Avonec 3W430435m Hyper Violet (IF = 750mA) 950mW 0,235 0,039 450nmRoyalblau Cree XPEBRY-L1-0000-00P02 575mW 0,208 0,072
470nmBlau Cree XPEBBL-L1-B40-M3 45lm 0,140 0,184
520nmGrün 1 Cree XPEBGR-G2-Q4 100lm 0,057 0,566
520nmGrün 2 Cree XPEGRN L1 G4 Q4 100lm 0,059 0,570
550nmGrün KEM-HP1-3WG 102lm 0,109 0,578
620nmRot Cree XPEBRD-R20-P4 80,6lm 0,529 0,520
660nmTiefrot Cree XPEPHR-L1-P3-15-C 425mW 0,582 0,513
Tabelle 4.1: Auswahl der LEDs des Prototyps. Angaben des Lichtstromes im Datenblatt bei IF = 350mA. Die Farborte sind bei IF = 500mA gemessen
LEDs
Aus den Anforderungen und dem Lösungsansatz aus Kapitel 4.1 ergibt sich die Auswahl der LEDs anhand deren Peak-Wellenlänge. Die Verfügbarkeit von LEDs verschiedener Wellenlängen mit 1W Leistung ist begrenzt. Für den Prototyp werden verfügbare Wellenlängen auf Basis der melanopischen Wirkungsfunktionsmel(λ) nach 4.1 ausgewählt. Tabelle 4.1 listet die für den Prototyp verwendeten LEDs auf.
Der Lichtstrom bzw. der Strahlungsfluss der LEDs in Tabelle 4.1 wurde aus den Datenblättern entnommen. Die angegebenen Lichtströme im Datenblatt variieren. Bei den Cree-Modellen wird der Lichtstrom beiIF = 350mAangegeben. Der dargestellte Farbort ist der gemessene Farbort bei einem Durchlassstrom von IF = 500mA. Der Durchlassstrom von IF = 500mA ist der maximale Strom der verwendeten LED-Treiber. Der maximal Durchlassstrom der LEDs ist IF = 750mA. Abbildung 4.4 stellt die gemessenen Spektren und Abbildung 4.5 die Farborte der verwendeten LEDs bei einem Strom von 500mA dar. In Abbildung 4.4 sind zusätzlich die relativen Transmissionsspektren des roten, grünen und blauen Farbfilters des LCPs dargestellt.
Aus dieser Information folgt, dass die gewählten LEDs innerhalb der Transmissionsbereiche der Farbfilter liegen. Die 430nm Violet-LED liegt am Rand des blauen Farbfilters und wird dadurch proportional stärker absorbiert.
Aus der relativen Häufigkeit der unterschiedlichen Zapfen von L:M:S mit 40:20:1 aus Kapitel 2.2.1 lässt sich das Verhältnis zwischen den RGB-Farben abschätzen. Anandan verwendet für eine LED-Hintergrundbeleuchtung ein Verhältnis von 64 % Grün, 28 % Rot und 8 % Blau (An-andan 2006). Chao et al. verwendet für eine LED-Hintergrundbeleuchtung ein Verhältnis von 73,8 % Grün, 19,1 % Rot und 7,1 % Blau (Chao et al. 2008).
400 450 500 550 600 650 700 750 0,000
0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030
Bestrahlungsstärke [W/m²]
W ellenlänge [nm]
430nm T iefblau
450nm Royalblau
470nm Blau
520nm Grün 1
520nm Grun 2
550nm Grün
620nm Rot
660nm T iefrot
0 1 2 3 4 5 6
T ransmission
Subpixel Rot
Subpixel Grün
Subpixel Blau
Transmission [%]
Abbildung 4.4: Spektrale Bestrahlungsstärke der verwendeten LEDs bei 500mA Strom und Transmission der roten, grünen und blauen Subpixel
460 480
500
520 540 560
580
600
620
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
sRGB Gamut
T c
(K)
D65
430nm Tiefblau
450nm Royalblau
470nm Blau
520nm Grün 1
520nm Grün 2
550nm Grün
620nm Rot
660nm Tiefrot
v'
u'
Abbildung 4.5: Farborte der verwendeten LEDs bei 500mAStrom
Zeiler und Hüttner zeigen ein LED-Backlight mit 1W LEDs, die in einem RGGB-Array mit einem Abstand von 85mm flächig hinter dem LCP. Der CwD-Prototyp wird auf Basis eines 24 Zoll Displays realisiert. Die Grundplatte der Hintergrundbeleuchtung (Abbildung 4.6) ist
ϱϯϰŵŵ
ϯϯϲŵŵ
ϱϭϬŵŵ
ϯϭϬŵŵ
ŝĨĨƵƐĞƌͬ'ĞŚćƵƐĞƵƘĞŶƐĞŝƚĞ ĂĐŬůŝŐŚƚ 'ƌƵŶĚƉůĂƚƚĞ
ϴϱŵŵ
ϳϳ͕ϱŵŵ ϯϴ͕ϳϱŵŵ ϰϮ͕ϱŵŵ
Abbildung 4.6: Grundplatte des LED-Trägers und Wanne der Hintergrundbeleuchtung Name LEDs Anzahl LEDs Lichtstrom[lm] Gesamt Lichtstrom [lm]
470nmBlau 24 45 1 080
520nmGrün 1 24 100 2 400
520nmGrün 2 24 100 2 400
620nmRot 24 80,6 1 934
Gesamt 96 325,6 7 814,4
Tabelle 4.2: Abschätzung des Lichtstroms der LED-Hintergrundbeleuchtung
510mmx 310mm. Durch den Abstand von 85mm ergibt sich die Anzahl an LEDs von sechs in der Horizontalen und vier in der Vertikalen. Insgesamt sind es 24 LEDs.
Tabelle 4.2 zeigt die Addition der Lichtströme für 24 LEDs in der RGGB-Kombination des Tagmodus. Bei maximaler Ansteuerung der Hintergrundbeleuchtung ergibt sich ein Lichtstrom von 7 814,4lm mit einer Aufteilung von 61,4 % Grün, 24,8 %Rot und 13,8 % Blau.
Aus dem gesamten Lichtstrom der Hintergrundbeleuchtung φv =7 814,4lm und der Abstrahl-charakteristik der LEDs von ω = 135◦, lässt sich die Lichtstärke nach Gleichung 4.3 und die Leuchtdichte nach Gleichung 4.4 berechnen.
Iv = φv
Ω = 7 814,4lm
3,88sr = 2 014cd (4.3)
mit Ω = 4πsin2ω4. Zur Berechnung der Leuchtdichte wird fürAdie Fläche des 24 Zoll Monitors verwendet.
Lv = Iv
A = 2 014cd
0,54m∗0,344m = 10 842 cd
m2 (4.4)
Mit einer Leuchtdichte von 10 842cd/m2 und einer angenommenen Transmission von etwa 3 % des LCP (Lee 2009) ergibt sich eine resultierende Leuchtdichte von 325,26cd/m2 bei einem Durchlassstrom von IF = 350mA. Die Leuchtdichte ist hierbei bereits ausreichend für einen typischen Büromonitor. Der Durchlassstrom kann bis auf IF = 500mA erhöht werden. Damit ist ein Erhöhunge der Leuchtdichte möglich.
LED-Treiber
Als LED-Treiber wird eine dimmbare Konstantstromquelle mit maximal 500mA Ausgangs-strom benötigt. Es wird der Nautilus-Controller (H63194; Projektnummer P368) der Firma
„Digital Elektronik GmbH“1 ausgewählt. Der Nautilus-Controller wird mit 48V Spannung be-trieben und besitzt drei Ausgänge, die über das DMX2-Protokoll gedimmt werden können.
Die LED mit der maximalen Vorwärtsspannung bei 500mA ist die 550nm Grün mit 3,38V. Da nicht alle 24 LEDs mit einem Controller gesteuert werden können, werden die einzelnen LEDs in zwei Gruppen mit jeweils 12 LEDs aufgeteilt. 12 LEDs für die obere Displayhälfte und 12 LEDs für die untere Displayhälfte. Ein weiterer Grund für die Aufteilung der LEDs ist die Evaluierung der Farbwahrnehmung in Kapitel 5.1. Bei dieser Untersuchung wird die Hintergrundbeleuchtung des Displays im oberen und unteren Displayteil mit jeweils einer un-terschiedlichen LED-Kombination betrieben. 12 LEDs mit maximal jeweils 3,38V Spannung (gemessener Maximalwert) ergeben in Reihe geschaltet eine Spannung von 40,56V. Mit dem 48V Nautilus-Controller ist ein Betrieb innerhalb der Spezifikationen möglich.
Durch die Auswahl der sieben LEDs (Tabelle 4.1) und die doppelte Anzahl an 520nm und 550nm grünen LEDs werden insgesamt neun steuerbare Kanäle für die sieben Farben benö-tigt. Durch die Aufteilung der LEDs in zwei Gruppen (zwei mal neun Kanäle) werden sechs Nautilus-Controller mit insgesamt 18 Kanälen für den CwD-Prototyp verwendet.
1DIGITAL ELEKTRONIK GmbH, Berchtesgadner Str. 10, A-5083 St. Leonhard/Salzburg, Österreichhttp:
//www.de.at/
2DMX steht für Digital Multiplex und ist ein digitales Steuerprotokoll basierend auf RS-485 nach internatio-nalem Standard EIA-485.
(a) (b)
Abbildung 4.7: Visualisierung der ZEMAX Simulation der Displayhintergrundbeleuchtung.
Grüne Fläche ist Reflektor der Displaywanne, schwarze Fläche ist der Detektor
4.3.2 Simulation der Displayhintergrundbeleuchtung
Damit die Hintergrundbeleuchtung möglichst gleichmäßig ausgeleuchtet ist, wird für die Kon-struktion des Gehäuses der Hintergrundbeleuchtung der Abstand zwischen den LEDs und des Diffusors simuliert. Dies wird mit der Optik-Simulationssoftware Zemax durchgeführt (Moore 2012).
Optimierungsfunktion der Displayhintergrundbeleuchtung
Abbildung 4.7 stellt die Visualisierung des Modells zur Optimierung der gleichmäßigen Aus-leuchtung dar. Ausgehend von der Größe der Wanne der HintergrundbeAus-leuchtung und der Trä-gerplatte der LEDs (s. Abbildung 4.6) wird das Modell in Zemax erstellt. Die Seitenwände der Wanne sind ein ideal weißer diffuser Reflektor (grüne Flächen) mit einer Höhe von 120mm. Der Diffuser (schwarze Fläche) ist der Detektor. Es sind 24 weiße LEDs im Modell integriert. Die Firma Cree bietet für die Produkte der XPE-Serie Dateien für Zemax an, mit den gemessenen Abstrahlcharakteristiken der LEDs.
Die Optimierung des Abstandes der Diffusorplatte zu den LEDs basiert auf der Merit-Funktion.
Merit-Funktionen sind ein numerisches Verfahren zur Optimierung nichtlinearer optischer Sys-teme (Alt 2002). Zemax bietet zur Optimierung nicht-sequenzieller optischer SysSys-teme zwei Al-gorithmen an: DLS (Damped Least Squares) und OD (Orthogonal Descent). Die DLS-Methode entspricht dem Levenberg-Marquardt-Algorithmus und ist ein Standardverfahren in der Opti-mierung optischer Systeme (Levenberg 1944; Marquardt 1963). Die OptiOpti-mierung wird mit der DLS-Methode folgendermaßen implementiert: Der Abstand der Detektorfläche (Diffusor) zu
30 40 50 60 70 80 90 0,0
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
Homogenität
Z Position [mm]
Merit Function Operand 15, DIVI
Abbildung 4.8: Homogenität der simulierten Ausleuchtung, aufgetragen über dem Abstand des Diffusers zu den LEDs
den LEDs ist die Variable auf der Z-Achse. Zwischen 30mm und 90mmwird die Detektorflä-che in Schritten von 1mm erhöht. Der Detektor erfasst mit einer Auflösung von 200 Mal 200 Pixel die einzelnen Lichtstrahlen. Jede der 24 LEDs in der Simulation strahlt 5·105 Analyse-strahlen aus. Die Berechnung der Homogenität der Ausleuchtung ergibt sich aus der minimal am Detektor auftreffende Leuchtdichte geteilt durch die maximal auftreffende Leuchtdichte.
Ergebnisse der Optimierung der Hintergrundbeleuchtung
Abbildung 4.8 zeigt die Ergebnisse der simulierten Homogenität der Ausleuchtung abhängig vom Abstand der Diffusorfläche von den LEDs. Bei einem Abstand von 83mmist die simulierte Homogenität 70 %. Abbildung 4.9 stellt die simulierte Leuchtdichteverteilung bei 70mm und 83mmdar. Obwohl in Abbildung 4.8 ab einem Abstand von 75mmeine Annäherung der Kurve an 70 % zu sehen ist, zeigen die beiden Bilder der Detektorfläche (Abbildung 4.9) bei 83mm eine homogenere Ausleuchtung.
Es muss erwähnt werden, dass die Simulation auf die Diffusorplatte der Hintergrundbeleuch-tung begrenzt ist. Die in Kapitel 2.4 beschriebene Verwendung weiterer Folien (Diffusor, BEF, DBEF) werden die Homogenität weiter verbessern. Aufgrund der Komplexität und des enor-men Rechenaufwandes einer solchen Simulation wird in dieser Arbeit darauf verzichtet. Für die Simulation des Hintergrundbeleuchtung des dargestellten Modells benötigt der verwendete Hochleistungs-PC etwas sieben bis acht Stunden. Bei einem Experiment mit der Einbringung einer BEF-Prismenfolie in die Simulation wurde der Rechenvorgang nach sieben Tagen abge-brochen.
(a) (b)
Abbildung 4.9: Ergebnisse der Optimierungsfunktion bei 70mm (a) und 83mm(b) Abstand