RGB-Mini-LED-Backlight: Farbe kommt aus der Rückwand

Die Hintergrundbeleuchtung eines LCD hatte jahrzehntelang genau eine Aufgabe: viel Licht liefern, möglichst gleichmäßig. Welche Farbe daraus wird, entscheidet weiter vorn der Farbfilter, und der arbeitet subtraktiv. Er nimmt vom Angebot weg, was nicht gebraucht wird. RGB-Mini-LED dreht diese Arbeitsteilung teilweise um: Die Rückwand mischt die Farbe selbst, grob aufgelöst, aber regelbar, und das Panel davor muss weniger wegwerfen.

Was in der Rückwand ausgetauscht wird

Ein moderner Mini-LED-Fernseher beleuchtet sein Panel mit mehreren Tausend winzigen blauen Dioden, zusammengeschaltet zu Dimmzonen: je nach Gerät einige Hundert bis einige Tausend. Blau allein ergibt kein Bild. Darüber liegt deshalb eine Umwandlungsschicht, bei günstigen Geräten ein Leuchtstoff, bei besseren eine Quantum-Dot-Folie, die einen Teil der blauen Photonen in sehr reines Grün und Rot verwandelt. Vorn kommt weißes Licht an. Jede Zone darf heller oder dunkler sein als ihre Nachbarn, andersfarbig darf keine sein. Die Umwandlung erklärt die Seite zu Quantum Dots und QLED.

Bei einem RGB-Backlight entfällt dieser Umweg. In der Rückwand sitzen rote, grüne und blaue Mini-LEDs nebeneinander, und jede Farbe bekommt ihren eigenen Treiberkanal. Eine Zone speichert damit nicht länger einen Helligkeitswert, sondern drei. Aus der Lampe mit Dimmer wird ein grob aufgelöster Farbbildschirm, über dem der LCD-Stapel als feines Ventil liegt. Flüssigkristalle und Farbfilter bleiben, wo sie sind: Von ein paar Tausend Zonen käme man ohne sie nie auf Millionen Bildpunkte. Den Schichtaufbau zeigt die Seite zur Hintergrundbeleuchtung im LED-Fernseher.

Mit MicroLED hat das nichts zu tun, auch wenn beide Begriffe nach kleinen Dioden klingen. Ein MicroLED-Bildschirm leuchtet pro Bildpunkt selbst und kommt ohne Flüssigkristall aus. RGB-Mini-LED bleibt ein LCD. Der Blickwinkel gehört weiter dem Panel, und Schwarz bleibt eine Frage der Zone, nicht des Pixels, wie der Vergleich Mini-LED gegen OLED zeigt.

Warum Farbe im Backlight das Farbvolumen erweitert

Der größte Verlust in jedem LCD passiert am Farbfilter. Er teilt jeden Bildpunkt in ein rotes, grünes und blaues Feld, von denen jedes nur seinen eigenen Anteil durchlässt. Grob gerechnet bleibt ein Drittel übrig, zusammen mit den Polarisatoren am Ende nur eine einstellige Prozentzahl. Soll eine Fläche ein tiefes, gesättigtes Rot zeigen, wird die Rechnung noch schlechter: Grün und Blau werden fast vollständig geschluckt.

Genau hier greift eine farbige Rückwand ein: Leuchtet die Zone hinter dieser Fläche schon überwiegend rot, muss der Filter kaum noch etwas wegnehmen. Das gesättigte Rot wird heller, ohne dass die Beleuchtung insgesamt hochgefahren werden müsste. Sättigung auch bei hoher Leuchtdichte zu halten, ist genau das, was Farbvolumen ausmacht: Wo ein gewöhnliches Panel bunte Spitzlichter in Richtung Pastell ausbleichen lässt, hat ein RGB-Backlight noch Reserve. Am deutlichsten wird das bei kleinen, kräftig gefärbten Lichtern in dunkler Umgebung. Ein Rücklicht bei Nacht. Wie Primärfarben und Farbraum zusammenhängen, steht unter Farbraum und Farbvolumen. Was helle Farbspitzen für Filme bedeuten, behandelt die Seite zu HDR.

Beim Farbraum sollte man vorsichtiger argumentieren, als die Werbung es tut. Eine rote Diode strahlt schmalbandig, ungefähr so schmal wie ein guter Quantenpunkt. Grün ist der Problemfall: Grüne LEDs sind spektral deutlich breiter, ihre Flanken muss der Filter weiterhin abschneiden. Die genannten Abdeckungswerte sind hoch, waren es bei guten Quantum-Dot-Geräten aber schon vorher. Verlässlich gewinnt man Volumen, nicht die letzten Prozent am Rand des Farbraums. Dazu kommt eine Freiheit bei der Abstimmung: Über das Mischungsverhältnis der drei Kanäle lässt sich der Weißpunkt elektrisch verschieben, statt ihn mit Folien fest zu verdrahten.

Die Effizienzrechnung hat zwei Seiten

Jede Umwandlung durch Quantenpunkte kostet Energie. Ein blaues Photon trägt mehr Energie als das grüne oder rote, das der Nanokristall danach abgibt, und die Differenz wird zu Wärme. Bei Grün ist dieser Abstand klein, bei Rot fehlt dem umgewandelten Photon gut ein Viertel. Dazu kommt Streuung in der Folie. Eine rote Diode, die direkt rot leuchtet, umgeht beides. Der zweite und meist größere Posten ist der Filter: Man erzeugt nicht länger Licht in drei Farben, damit zwei davon geschluckt werden.

Gewonnen ist die Bilanz damit noch nicht. Blaue LEDs auf Basis von Indiumgalliumnitrid arbeiten ausgesprochen effizient, grüne aus demselben Materialsystem deutlich schlechter, ein altes Problem, das unter dem Namen Green Gap läuft. Rote Dioden bestehen aus Aluminium-Gallium-Indium-Phosphid und verlieren mit steigender Temperatur spürbar an Ausbeute, während ihre Wellenlänge zugleich wandert. Je kleiner der Chip wird, desto mehr Ladungsträger rekombinieren an seinen Kanten, ohne Licht zu erzeugen. Winzige rote Mini-LEDs sind also ausgerechnet dort schwach, wo man sie braucht.

Ob ein Gerät unterm Strich weniger Strom zieht, hängt deshalb am Bildinhalt und an der Güte der Bauteile, nicht am Prinzip. Eine weiße Textseite gewinnt wenig, eine nächtliche Neonszene kann bei gleicher Wirkung merklich sparsamer laufen. Was am Zähler ankommt, behandelt die Seite zum Stromverbrauch.

Dimmen bekommt eine zweite Achse

Lokales Dimmen regelt bisher nur Helligkeit. Die Lichtfarbe einer Zone bleibt dieselbe, und deshalb ist der Lichthof um ein helles Objekt vor dunklem Grund immer ein neutraler Schleier. Mit drei Kanälen pro Zone lässt sich auch die Farbe des Restlichts steuern. In einer nächtlichen Szene mit blauem Himmel können rote und grüne Dioden fast abgeschaltet bleiben. Das durchsickernde Licht ist dann blau statt grau, und ein Panel, das ohnehin nie ganz dichtmacht, verrät sich weniger deutlich. Was Restlicht für Schwarzwert und Blooming bedeutet, behandelt die Seite zu Kontrast und Schwarzwert.

Bezahlt wird das mit einem anspruchsvolleren Rechenwerk. Das Gerät zerlegt jedes Bild in zwei Ebenen: hinten ein grob aufgelöstes farbiges Lichtfeld, vorn eine feine Durchlasskarte. Beide zusammen müssen wieder das Original ergeben, und zwar innerhalb einer Bildperiode. Rechnet der Algorithmus daneben, entsteht kein grauer Halo mehr, sondern ein farbiger. Fehler in der Farbe verzeiht das Auge schlechter als Fehler in der Helligkeit.

Woran es in der Fertigung hakt

• Ansteuerung: Drei regelbare Farben pro Zone bedeuten dreimal so viele Treiberkanäle, mehr Leiterbahnen und mehr Abwärme im ohnehin heißesten Teil des Geräts.
• Binning: Dioden streuen ab Werk in Wellenlänge und Helligkeit. Bei einfarbiger Beleuchtung mittelt sich das weg, bei drei Farben wird daraus ein sichtbarer Farbfleck. Also muss enger sortiert und klüger verteilt werden.
• Wärme und Alterung: Rot verliert im Betrieb schneller an Leistung als Blau, und alle drei Farben verschieben ihre Wellenlänge mit Temperatur und Strom. Ohne Sensoren und Korrekturtabellen wandert der Weißpunkt, während das Gerät warmläuft.
• Gleichmäßigkeit: Farbschlieren in einer grauen Fläche fallen stärker auf als Helligkeitsschlieren. Dagegen hilft Abstand zwischen Dioden und Diffusor, der dem flachen Gehäuse im Weg steht.
• Kalibrierung: Eingemessen wird nicht mehr ein Bildschirm, sondern jede Zone mit drei Kanälen. Das kostet Fertigungszeit, und Fertigungszeit kostet Geld.

Ein Nebeneffekt wird selten erwähnt. Schmalbandige Grundfarben treffen jedes Auge etwas anders, weil die individuellen Empfindlichkeitskurven abweichen: Zwei Personen vor demselben Bildschirm beurteilen denselben Weißton nicht gleich. Bei breiten Spektren mittelt sich das heraus. Bei drei scharfen Linien nicht.

Wie weit die Technik heute ist

Neu ist der Gedanke nicht. Schon in der Frühzeit der LED-Fernseher gab es Spitzenmodelle mit rot-grün-blauer Hintergrundbeleuchtung, damals mit wenigen, großen Dioden. Weiße Dioden waren billiger, und dabei blieb es lange, wie die Geschichte des LED-Fernsehers zeigt.

Auf Fachmessen sind RGB-Rückwände inzwischen regelmäßig zu sehen, und einzelne Hersteller haben sie in ihre teuersten Serien gebracht, meist in sehr großen Diagonalen. Verbreitet sind sie nicht. Der ganz überwiegende Teil aller Geräte, die Mini-LED im Namen tragen, arbeitet weiter mit blauen Dioden und einer Umwandlungsschicht. Die Produktnamen helfen kaum, denn jeder Hersteller vermarktet seine Beleuchtung unter eigenem Kürzel, und ob farbige Dioden verbaut sind, verrät oft erst das Datenblatt.

Beurteilen sollte man ein solches Gerät ohnehin nicht an der Zahl seiner Zonen, sondern daran, ob die Farbe stabil bleibt: nach zwanzig Minuten Betrieb, in einer dunklen Szene mit einem grellen Objekt darin, bei einem langsamen Schwenk über eine große einfarbige Fläche. Eine mittelmäßige Umsetzung verliert gegen ein exzellentes gewöhnliches Backlight. Für die Auswahl im Laden gilt weiter, was in der Kaufberatung steht.

Interessant an der Sache ist etwas Kleineres, als die Werbung nahelegt. Nach zwei Jahrzehnten Hintergrundbeleuchtungen, deren Licht die Farbfilter anschließend vernichten, hat sich endlich jemand die Mühe gemacht, dieses Licht gar nicht erst zu erzeugen.