Einleuchtend anders

Einleuchtend anders
Sony BrightEra-Technologie im Detail
LCD-Panels funktionieren als steuerbare Lichtventile. Mittels einer
Steuerspannung ist einstellbar, wie viel Licht eine LCD-Zelle
durchlässt. Das Arbeitsprinzip beruht auf der Tatsache, dass
Flüssigkristalle, die durch ein elektrisches Feld ausgerichtet werden,
in der Lage sind, die Polarisationsebene von Licht zu drehen.
Schließt man eine dünne Flüssigkristallschicht zwischen zwei lineare
Polarisationsfilter ein, so lässt die Anordnung je nach Ausrichtung der
Filter und der Flüssigkristallmoleküle mehr oder weniger Licht durch.
Die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle lässt sich nun durch ein
elektrisches Feld beeinflussen, das in geeigneter Weise über
(transparente) Elektroden angelegt wird.
Um ein definiertes Verhalten der LCD-Zelle zu gewährleisten,
müssen die Flüssigkristalle aber auch ohne ein elektrisches Feld
(also ohne Steuerspannung) eine definierte Ausrichtung einnehmen,
damit das LC Display im Ruhezustand in definierter Weise entweder
Licht durchlässt (normally white) oder sperrt (normally black). Für
diese Vor-Orientierung der Flüssigkristallmoleküle auch im feldlosen
Zustand sorgt die so genannte Alignmentschicht (Alignment Layer),
die zwischen der Flüssigkristallschicht und dem gläsernen
Trägersubstrat angebracht ist.
Bei herkömmlichen Panels besteht diese aus einer Kunststofffolie
(zum Beispiel aus Polyimid), deren Oberfläche durch mechanische
Bearbeitung - zum Beispiel Reiben mit einem Rayon-Textilgewebe eine Struktur erhält, entlang derer sich die Flüssigkristallmoleküle
bevorzugt ausrichten. Der Nachteil solcher Folien besteht darin, dass
sie als organische Materialien unter UV-Bestrahlung eine nur
begrenzte Langzeitstabilität besitzen. UV-Strahlung entsteht bei LCDPanels durch die Quecksilberhochdrucklampe des Projektors. UVFilter können diese Strahlung stark abschwächen, aber nicht gänzlich
beseitigen. Der verbleibende UV-Anteil bewirkt zusammen mit dem
kurzwelligen (blauen) Anteil des sichtbaren Lichtes mit der Zeit
Veränderungen in der Alignment-Folie. Deren Eigenschaften
verschlechtern sich also nach und nach, was zum Beispiel das
Kontrastverhalten des Panels verschlechtert.
Die BrightEra-Technologie von Sony verwendet nun neue,
anorganische Alignmentschichten. Diese sind erstens UV-durchlässig
und zweitens nicht empfindlich gegen kurzwelliges Licht (Abb. 1).
Daher lässt sich die Strahldichte (und somit Helligkeit und Kontrast),
die durch das Panel geschickt wird, erhöhen, ohne seine
Langzeitstabilität zu gefährden. In der Praxis bedeutet das, dass man
in einem Projektor stärkere Lampen einsetzen kann, ohne gleichzeitig
größere und damit teurere Panel einbauen zu müssen.
1
Leistungsstärkere Projektoren können auf diese Weise preisgünstiger
angeboten werden.
Abb. 1
Verbesserte Ansteuerung
Bei LCD Panels gibt es kein klassisches "Einbrennen", wie es zum
Beispiel bei Plasmadisplays auftreten kann. Wird innerhalb einer
LCD-Zelle das zur Ansteuerung benutzte elektrische Feld jedoch
immer in derselben Richtung angelegt, kann es mit der Zeit zur
Wanderung von Ionen der Flüssigkristallschicht in Richtung einer
Elektrode kommen. Dieser Effekt würde die Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle beeinflussen und unter ungünstigen
Umständen in Form von Geisterbildern sichtbar werden. Dieser
Effekt ist als "Image Sticking" (also "festklebende Bildinhalte") bzw.
"LCD Image Retention" („Einbrenneffekt“) bekannt.
Aus diesem Grund werden bei den meisten TFT-Displays die
einzelnen Bildzeilen jeweils mit inverser und bei jedem Frame
wechselnder Polarität angezeigt. Auf diese Weise kann sich der
Einbrenneffekt nicht ausbilden. Allerdings gibt es durch die von Zeile
zu Zeile inverse Polarität der Steuerspannung auch ein horizontales
elektrisches Feld zwischen den einzelnen Zeilen - also parallel zur
Substratebene. Dieses horizontale elektrische Feld verändert in
unerwünschter Weise auch die Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle im Bereich des Übergangs zwischen zwei
Zeilen, so dass die Zustände "ganz durchlässig" und "ganz gesperrt
"nicht mehr ideal realisierbar sind. Das wiederum wirkt sich negativ
auf den erreichbaren Kontrastumfang aus.
Bei der BrightEra-Technologie von Sony werden die Panelzeilen nicht
mehr invers, sondern gleichartig angesteuert - elektrische Felder
zwischen den einzelnen Zeilen, mit den negativen Folgen für den
Kontrast, können daher nicht mehr auftreten (Abb. 2).
2
Abb. 2
Warum macht man das nicht bei allen LCD-Panels so? Antwort: Bei
der üblichen Panel-Ansteuerung mit 60 Hz wäre womöglich ein
Flimmereffekt mit einer Frequenz von 30 Hz sichtbar - deshalb muss
man bei Ansteuerung mit 60 Hz zusätzlich die Steuerspannung pro
Zeile invertieren, damit sich ein etwaiger Flimmereffekt über das
gesamte Bild herausmittelt.
Bei der BrightEra-Technologie werden die Panels jedoch mit einer
Frequenz von 120 Hz angesteuert, was erstens etwaige
Flimmereffekte generell unterdrückt und zweitens die zuvor
angesprochene Ansteuerung der Feldinversion ermöglicht, die
zusätzlich den Kontrast verbessert.
Sonys BrightEra-Panels werden zudem im "normally black" Modus
betrieben. Durch die Ausrichtung der Polarisationsfilter und der
Alignmentschichten kann man einstellen, ob ein LCD-Panel im
spannungslosen Zustand lichtdurchlässig ist oder Licht sperrt. Da es
im spannungslosen Zustand keine unerwünschten, parasitären
elektrischen Felder gibt, kann man durch Optimierung der
Alignmentschichten das Verhalten des Panels in diesem
spannungslosen Zustand anpassen.
In der Regel ist man an einem möglichst hellen Projektionsbild
interessiert, so dass die meisten Panels am Markt vom Typ "normally
white" sind. Polarisationsfilter und Alignmentschichten sind hier so
ausgerichtet, dass das Panel im spannungslosen Zustand möglichst
viel Licht durchlässt. Der Sperrzustand ist dann allerdings
normalerweise kompromissbehaftet und die Flüssigkristallmoleküle
nicht optimal ausgerichtet. Das Panel ist daher bei "schwarz" noch
etwas lichtdurchlässig, weshalb man LCD-Projektoren normalerweise
auch ein schlechteres Kontrastverhalten nachsagt als anderen
Projektionstechnologien (Abb. 3).
3
Abb. 3
Die neuen BrightEra-Panels von Sony sind jedoch "normally black"
und ermöglichen es so, den erreichbaren Schwarzwert zu optimieren.
Dank der zuvor erwähnten Field-Inversion-Ansteuerung wird hier
jedoch auch im Durchlasszustand durch Wegfall parasitärer,
horizontaler Felder eine bessere Ausrichtung der
Flüssigkristallmoleküle und somit eine verbesserte Transparenz des
Panels erreicht. Dies kommt unmittelbar der Helligkeit zugute, ohne
gleichzeitig den Schwarzwert zu verschlechtern.
Darüber hinaus gelang es den Sony-Entwicklungsingenieuren, die
Größe der Transistorschaltung (Abb. 4), die für jedes Bildpixel auf
dem Panel vorhanden sein muss, um ca. 70% zu verkleinern. Diese
Dünnfilm-Transistorschaltung (Thin Film Transistor, TFT) befindet
sich auf dem Glassubstrat und ist daher zwangsläufig mit im Bild,
absorbiert Licht und ist manchmal als feine Rasterstruktur sichtbar ("
Fliegengittereffekt"). Je kleiner diese Transistorschaltung ist, desto
weniger Licht schluckt sie und desto heller wird das Projektionsbild.
Als erwünschter Nebeneffekt wird dadurch auch der "
Fliegengittereffekt" vermindert.
Abb. 4
Zusammenfassung (Abb. 5 & 6)
Die verkleinerte TFT Schaltung bewirkt also gemeinsam mit der
Feldinversionsansteuerung, dass auf der einen Seite die
Lichtdurchlässigkeit des Panels steigt, was der Helligkeit des
Projektionsbildes unmittelbar zugute kommt. Gleichzeitig verbessert
die "normally black" Auslegung des Panels das Sperrverhalten,
4
wodurch der erreichbare Kontrastumfang deutlich vergrößert wird,
ohne dafür Kompromisse bei der Bildhelligkeit eingehen zu müssen.
Zusätzlich kann durch die anorganischen Alignmentschichten ein
leistungstärkeres Lampensystem bei gleichbleibender Panelgröße
zum Einsatz kommen, wodurch sich auch die Gesamt-Lichtleistung
nochmals deutlich steigern lässt.
Sony BrightEra Technologie stellt also einen wichtigen Meilenstein
bei der Entwicklung moderner LCD-Panels dar, mit denen sich die
neuen LCD-Produkte von Sony durch sichtbar verbesserte
Kontrastwerte und erhöhte Bildhelligkeit von dem bisher mit der LCDTechnologie Machbaren deutlich absetzen.
Abb. 5
Abb. 6
5