Hintergrundbeleuchtung

LCD-Hintergrundbeleuchtung

Die Komponenten zur Hinterleuchtung von LC-Bildschirmen (LCDs) und -anzeigen elektronischer Geräte werden als Hintergrundbeleuchtung oder auch englisch als backlight bezeichnet. Beispiele sind digitale Messgeräte, Mobiltelefone oder Flachbildschirme von Fernsehgeräten und Monitoren. Bei LCD wird dadurch eine Kontraststeigerung gegenüber nicht selbstleuchtender, rein reflektierender Arbeitsweise erreicht.

Anforderungen

Die Aufgabe ist, den Bildschirm von hinten flach, gleichmäßig und effizient zu beleuchten. Die Farbe der Lichtquelle muss bei Farbbildschirmen weiß sein (die einzelnen Farbpixel des LCD lassen ihre jeweilige Farbe passieren), wohingegen sie bei monochromen Anzeigen beliebig gewählt werden kann. Die Lichtquelle darf nicht flimmern, um u. a. Überlagerungen (Schwebungen) mit der zeitmultiplexen Ansteuerung der Anzeigeelemente bzw. Pixel zu verhindern.

Lichtquelle

Leuchtdioden (siehe auch LED-Backlight) sind in Relation zu ihrer Lichtstärke immer noch sehr teuer. Zur Hintergrundbeleuchtung werden sie deshalb vor allem dort eingesetzt, wo sie ihre Vorzüge – lange Lebensdauer, Robustheit und kleine Abmessungen – besonders zur Geltung bringen können. Ein typisches Beispiel sind Bildschirme für mobile Kleingeräte wie Mobiltelefone oder Navigationsgeräte. Mit LEDs bestückte LCD-Fernseher sind im Handel erhältlich, haben sich aber bisher (2008) nicht auf breiter Front durchsetzen können.

Als kostengünstige Lichtquellen werden am häufigsten Leuchtstoffröhren (außer bei Großanzeigen meist Kaltkathodenröhren) verwendet. Ihre UV-Strahlung wird durch Verwendung speziellen Rohrglases blockiert, um die umgebenden Kunststoffe nicht zu schädigen. Kaltkathodenröhren finden sich bei nahezu allen Laptops, Monitoren, LCD-Fernsehern sowie einigen PDAs.

Für den Einsatz als Hintergrundbeleuchtung besonders geeignet erscheinen Lichtquellen, die von vornherein Flächenstrahler sind, weil damit die Anforderungen an die Lichtführung deutlich verringert werden. Bereits seit etwa 1950 gibt es Elektrolumineszenz-Folien, die mit weniger als 1 mm Stärke extrem flach sind. Der Wirkungsgrad, die Lebensdauer und die erzielbare Leuchtdichte von Elektrolumineszenz-Folien sind aber so gering, dass ein Einsatz in Monitoren oder Fernsehgeräten nicht sinnvoll ist. Als Flächenstrahler realisierbar sind weiterhin Xenon Niederdrucklampen mit dielektrisch behinderter Entladung (z. B. Planon von OSRAM) sowie organische Leuchtdioden (OLEDs). Diese könnten in einigen Jahren kommerziell erfolgreich werden, sobald der Wirkungsgrad und die Lebensdauer den Marktanforderungen entsprechen.

Glühlampen werden für Hinterleuchtungen nicht mehr benutzt.

Lichtführung

Das von punkt- oder stabförmigen Lichtquellen ausgesandte Licht muss möglichst gleichmäßig über die Fläche des Backlight verteilt werden. Dies bezeichnet man als Lichtführung. Bei relativ kleinen Backlights wird das Licht meistens an den Stirnseiten eines Lichtleiters eingespeist. In der Praxis ist der Lichtleiter eine flache Platte aus einem transparenten Kunststoff wie etwa Acrylglas. Diese enthält Extraktoren, die das Licht aus dem Lichtleiter auskoppeln. Die Auskopplung kann durch im Lichtleitermaterial verteilte streuende Strukturen, durch gezielte feine Oberflächenstrukturen oder durch feine, aufgedruckte Muster realisiert werden. Die inhomogene Verteilung der auskoppelnden Strukturen bewirkt, dass die gleichmäßige Ausleuchtung der Fläche auch z. B. mit nur einer stirnseitig einstrahlenden Kaltkathodenröhre erreicht wird. Zur Vergrößerung der Leuchtdichte können die Lichtquellen aber auch an zwei oder allen vier Stirnflächen angebracht werden. Ein Backlight nach diesem Prinzip wird als edge lit backlight bezeichnet.

Mit zunehmender Größe der Lichtquelle (und konstantem Seitenverhältnis, z. B. 16:9) wächst die Summe der Seitenlängen nur proportional zur Länge einer Seite, die Fläche dagegen quadratisch. Da die Leistung oder der Wirkungsgrad der Lichtquellen nicht beliebig gesteigert werden können, sind die edge lit backlight hier prinzipiell begrenzt. Für größere Formate werden deshalb Konstruktionen eingesetzt, die von den bekannten Leuchtkästen abgeleitet sind. Die Lichtquellen befinden sich dabei in einer flachen Wanne, die das Licht in ihrem Innern diffus reflektiert und nur zur offenen Seite hin austreten lässt. Für Leuchtstofflampen werden oft speziell geformte Reflektoren und für LEDs Diffusorlinsen eingesetzt, damit trotz einer geringen Bautiefe der Hintergrundbeleuchtung das aus der Lichtwanne austretende Licht annähernd homogen ist.

Diffusor

Das vom Lichtleiter oder der Lichtwanne verteilte Licht hat eventuell noch eine räumliche Struktur und muss gleichverteilt werden, damit es einer absolut gleichmäßig weiß leuchtenden Fläche nahe kommt. Eine einfache Lösung ist eine opal streuende Platte zwischen Lichtleiter oder Lichtwanne und LC-Bildschirm.

Meist setzt man jedoch Folien ein, die das Licht effizienter homogenisieren, als dies mit Opalglas möglich ist:

Von der Firma 3M wurden z. B. die sogenannten Vikuiti-Folien entwickelt, die das Licht gegenüber einem opalen Diffusor um den Faktor Zwei besser ausnutzen. Diese Folien reflektieren all jenes Licht zurück zum Lichtleiter, das hinsichtlich Richtung und Polarisation für die Hinterleuchtung des LCD nicht geeignet ist. Dieses Licht wird im Lichtleiter gestreut, dabei in Richtung und Polarisation vermischt und gelangt erneut in Richtung LCD. Ähnlich einer geometrischen Reihe wiederholt sich der Vorgang und führt zu einer besseren Ausnutzung des Lichtes.

Weitere Anwendungen

Das Prinzip der Hinterleuchtung wird u. a. auch in der Lichtwerbung benutzt, um selbstleuchtende Logos, Schriftzüge oder fotografische Aufnahmen herzustellen. Weitere Beispiele sind hinterleuchtete Klingel- und Namensschilder sowie Hausnummern. Auch hierfür werden meist Leuchtstoffröhren, vereinzelt jedoch auch Leuchtdioden oder Glühlampen eingesetzt. Die Ultraviolett-Filterung bzw. UV-Resistenz der Werkstoffe und Motive ist hier von besonderer Bedeutung, da die Nutzungsdauer sehr viel höher als bei elektronischen Geräten ist.

Lichttische und -kästen zur Betrachtung von Bild- und entwickeltem Filmmaterial arbeiten ebenfalls nach dem Prinzip der Hinterleuchtung.

Für die genannten Beispiele ist im Deutschen der Begriff backlight nicht üblich.

Siehe auch

• Flüssigkristallanzeige
• Flutlicht (zweite Bedeutung, d. h. die Einstrahlung von Licht in die Stirnseite einer Platte)

Weblinks

• Animation des Lichtrecyclings (engl.)