Referat Kathodenstrahlröhren , Flüssigkristalldisplays (Liquid Crystal Displays, LCD)

Die Kathodenstrahlröhre ist die bei weitem etablierteste Bildschirmtechnik und wird zu meist in Fernsehgeräten verwendet.

Ihr Funktionsprinzip beinhaltet eine Glasröhre unter Vakuum, in der mittels einer Glühkathode Elektronen ausgestrahlt und zu einem Strahl gebündelt werden. Die Elektronen werden beschleunigt und auf eine phosphoreszierende Schicht gelenkt, die dann zu leuchten beginnt.

Durch horizontale und vertikale Ablenkung und Variation der Strahlintensität lässt sich so aus einem Leuchtpunkt ein Monochrombild aufbauen.

Eine Farbdarstellung wird durch drei einzelne Elektronenstrahlen erreicht, die durch eine Maske auf unterschiedlich dotierte Phosphorschichten fallen und dort ein rotes, grünes oder blaues Leuchten erzeugen. Die Auflösung eines Farbmonitors wird demnach durch die Geometrie der Maske (Abstand und Durchmesser der Öffnungen) bestimmt. Derzeit werden am häufigsten Loch- oder Schlitzmasken verwendet.

Eine Kombination aus beidem entwickelte NEC jüngst mit der sogenannte Chromaclear-Technologie. Die Löcher in der Maske sind dabei elliptisch geformt und es wird damit eine höhere Leuchtdichte des Monitors durch mehr Leuchtfläche des Phosphors erzielt.

Bisher wurden Masken bis zu einem Punktabstand von 0,25 mm realisiert.

In der Trinitrontechnik haben längs aufgespannte Drähte eine Maskenfunktion; zur Etabilisierung werden ein bis zwei Querdrähte nötig. Dafür wird aber mehr Phosphorfläche bestrahlt und das Bild wird schärfer und heller.

CRTs sind derzeit die kostengünstigsten Bildschirme und haben je nach Qualität ein Bild mit hoher Farbbrillianz, hohem Kontrast und Helligkeit.

Nachteil: hohen Anforderungen an Platzbedarf, Gewicht und auch Stromverbrauch, besonders bei großen Monitoren.

Vorteil: hochaufgelöste Farbmonitore mit großer Helligkeit und hohem Kontrastverhältnis.

Bildschirmgröße

Die Bildschirmgröße wird in Zoll gemessen. Die Angabe bezieht sich auf die Diagonale der Bildröhre. Aufgrund des mechanischen Designs eines Monitors ist die tatsächliche Bildschirmgröße jedoch immer kleiner als die angegebene Bildschirmdiagonale. Deshalb gibt Nokia die verfügbare Bildschirmgröße in Höhe x Breite an. Die 'Nokia Full Screen^TM' - Funktion erlaubt einem Anwender, die aktive Bildfläche größer als die verfügbare Bildschirmfläche festzulegen. Dies ist insbesondere bei Auflösungen, die nicht der Standarddarstellung von 4:3 entsprechen, interessant, wenn z. B. die volle zur Verfügung stehende Bildbreite ausgenutzt werden soll.

Bildröhrentyp

Die meisten Computer-Monitore basieren auf Kathodenstrahlbildröhren (engl: Cathode Ray Tube, CRT) mit einer Lochmaske (engl. Flatter Squarer Tube, FST). Hierbei wird je ein Elektronenstrahl für die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau in getrennten Elektronensystemen der Bildröhre erzeugt. Der gebündelte Dreierstrahl trifft durch ein Loch der Maske, welche aus Metall bzw. Keramik besteht, auf die etwa 10 mm dahinter angebrachten RGB - Leuchtpunkte der Phosphorschicht, und regt somit den entsprechenden Bildpunkt zum Leuchten an. Die Vorteile der Lochmaskentechnologie liegen in der klaren Zeichendarstellung, speziell bei kleiner Lochgröße. Bei Monitoren mit einer Streifenmaske (engl: Aperture Grille, AG), werden die Elektronenstrahlen der einzelnen RGB - Leuchtpunkte horizontal durch ein 'Gitter' aus senkrecht gespannten Drähten auf das Phosphor der Bildröhre gelenkt. Diese 'Gitter' reagieren auf mechanische Erschütterungen sehr empfindlich. Deshalb stabilisieren zwei horizontal gespannte Drähte den Gitterrahmen. Bei stark aufgedrehter Helligkeit sind diese Haltedrähte manchmal als graue Linien sichtbar. Streifenmasken-Monitore besitzen eine größere Phosphorfläche, die von einem Elektronenstrahl getroffen wird. Dadurch entsteht eine größere Lichtmenge und durch die Verwendung von dunklerem Glas ein insgesamt strahlendes und kontrastreiches Bild.

Punktabstand

Der Punktabstand bezeichnet den Abstand der einzelnen Bildpunkte auf der Phosphorbeschichtung der Bildröhre und wird durch den direkten Abstand der Öffnungen in der Lochmaske / Streifenmaske definiert. Abbildungen können auf dem Bildschirm umso klarer dargestellt werden, je kleiner der Punktabstand ist. Für hohe Auflösungen wird ein Punktabstand von 0,22 - 0,25 mm empfohlen.

Entspiegelung

Reflexionen entstehen bei der Spiegelung von Umgebungslicht auf der Glasfläche der Bildröhre. Diese Spiegelungen bewirken, dass das einfallende Licht in das Gesichtsfeld des Benutzers zurückgeworfen wird und dabei die Bilddarstellung auf dem Bildschirm überlagert. Um die daraus resultierende Beeinträchtigung der Bildqualität (Verminderung von Kontrast und Bildschärfe) zu vermeiden, ist ein reflexionsfreier Bildschirm aus ergonomischer Sicht eine Grundanforderung an einen Monitor. Die meisten Maßnahmen zur Verminderung von Reflexionen basieren auf der Oberflächenbehandlung der Bildröhre mit Silica-Beschichtungen. Durch den Zusatz weiterer chemischer Stoffe wird eine statische Aufladung der Bildschirmoberfläche verhindert. Aufwendigere Verfahren setzen eine Mehrfachbeschichtung unterschiedlicher chemischer Stoffe ein, um die Reflexionseigenschaften zu verbessern. Das 'Nokia CoatingT' basiert auf einem Mehrschichtverfahren von Kunststoffen und Glas, die direkt auf die Bildschirmoberfläche aufgebracht werden. Es reduziert unangenehme Reflexionen und Blendeffekte, die für die Ermüdung der Augen und Sehstörungen mitverantwortlich sind. Darüber hinaus wird die von der Bildschirmfront ausgestrahlte, eventuell die Gesundheit gefährdende, nichtionisierte Strahlung verringert.

Horizontalfrequenz

Die Horizontalfrequenz, auch Zeilenfrequenz genannt, legt die Anzahl der horizontalen Linien fest, die innerhalb einer Sekunde dargestellt werden können. Die Horizontalfrequenz wird in Kilohertz (kHz) angegeben und reicht üblicherweise von 30 bis 150 kHz.

Auflösung
Die Auflösung gibt die auf dem Computer-Monitor durch die Grafikkarte darstellbare Anzahl von horizontalen und vertikalen Bildpunkten an. Die Auflösung hängt eng mit der Monitorgröße und dem Punktabstand zusammen. Je höher die Auflösung ist, desto detaillierter die Darstellung. Und es steht entsprechend mehr Bildfläche zur Verfügung. Die Wahl der Auflösung sollte nach ergonomischen Gesichtspunkten erfolgen. Ist die Auflösung zu hoch, werden Schriften zu klein und, insbesondere bei einem größeren Punktabstand, auch schwer lesbar dargestellt. Eine hohe Auflösung erfordert eine entsprechend hochwertige Grafikkarte.

Vertikalfrequenz

Die Vertikalfrequenz, auch Bildwiederholrate genannt, bezeichnet die Anzahl der Bildwechsel pro Sekunde, und wird deshalb in Hertz (Hz) angegeben. Das menschliche Auge nimmt Vertikalfrequenzen eines Bildröhrenmonitors unter 70 Hz bewusst als Flimmern wahr. Ab 85 Hz, idealerweise ab 100 Hz (insbesondere bei größeren Bildschirmdiagonalen) registriert die Netzhaut des Auges keine Bildwechsel, d.h. kein Bildflimmern mehr. Die Beanspruchung der Augen, und damit verbundenes Ermüden während der Arbeit am Bildschirmarbeitsplatz, wird minimiert. Sowohl die TCO´99, als auch die Bildschirmarbeitsplatzverordnung fordern deshalb eine Bildwiederholrate von min. 85 Hz als ergonomisch sinnvollen Wert. Nokia Monitore ermöglichen dem Benutzer, aufgrund ihrer technischen Konzeption, den Bildschirm, bei der für diesen Monitor ergonomisch empfohlenen Auflösung, mit einer Vertikalfrequenz von wenigsten 85 Hz zu betreiben. Die maximal einstellbare Bildwiederholrate ist abhängig von der eingestellten Auflösung und der Horizontalfrequenz, da der Betrag der Horizontalfrequenz, geteilt durch die Vertikalfrequenz, bestimmt, wie viele Bildzeilen sich auf dem Bildschirm darstellen lassen.

Videobandbreite

Die Videobandbreite entspricht der Anzahl von Bildpunkten, die pro Sekunde auf dem Bildschirm dargestellt werden kann. Sie wird in MHz gemessen und ist ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung der Signal-, und damit der Bildqualität.

Bildschärfe und Bildgeometrie

Die Bildschärfe, d. h. die klare und deutliche Bilddarstellung, ist im Zentrum eines Bildschirmes allgemein besser als in den Ecken. Der Grund hierfür ist, dass die Auffächerung des Elektronenstrahls in den Ecken zu einer elliptischen Verformung, und damit zu einer Defokussierung des Elektronenstrahls führt. Zur Optimierung der Bildschärfe in den kritischen Eckbereichen, setzt Nokia deshalb das Verfahren der dynamischen Strahlfokussierung ein. Weitere Bildparameter mit Einfluss auf die Bildschärfe sind Konvergenz und Moiré, die manuell über entsprechende Unterpunkte des Bildschirmmenüs nachregelbar sind.
Bei der Bilddarstellung auf einem Monitor sollten gerade Linien auch gerade bleiben, Quadrate nicht als gestauchte Rechtecke und Kreise nicht als Ellipsen abgebildet werden. Die Einhaltung der Bildgeometrie ist insbesondere bei Anwendungen im CAD/CAM Bereich ein wesentliches Bewertungskriterium für die Güte eines Computer-Monitors.
Zur Überprüfung von u. a. Bildschärfe und Bildgeometrie stellt Nokia ein eigens hierfür entwickeltes Monitor Testprogramm zur Verfügung.

Videoanschluss
Jeder Rechner enthält eine Grafikkarte, deren Leistungsmerkmale entscheidend die Güte der Bilddarstellung auf einem Monitorbildschirm bestimmen. Das wichtigste Kriterium ist, wie schnell und exakt die Grafikkarte den Bildaufbau des Monitors ermöglicht. Die Übertragung der analogen Videosignale von der Grafikkarte zum Monitor kann entweder über einen 5-poligen BNC-Anschluss oder über einen 9- bzw. 15-poligen D-Sub-Anschluss erfolgen. Beim BNC-Anschluss werden die RGB-Signale sowie die horizontale und vertikale Synchronisation über separate, gegenüber Hochfrequenzstrahlung abgeschirmte Koaxkabel an den Monitor übertragen. Oft erfolgt die Synchronisation auch über den Grünkanal (engl: Sync-on-Green). Insbesondere bei hochwertigen Monitoren ab 19 Zoll, sind BNC-Buchsen häufig zu finden.
Beim D-Sub-Anschluss entspricht der Monitoreingang dem Videoausgang der Grafikkarte. Dies ist derzeit die verbreitetste Anschlussart. Für Bildauflösungen, wie SVGA, die ohne Videobandbreiten von über 70 MHz auskommen, reicht dieser Anschluss normalerweise aus. Ein Vorteil des VGA-Anschlusses ist die Unterstützung der Plug & Play Funktion eines Monitors, die auf dem Display Data Channel (DDC) beruht. Über DDC 1 empfängt der Rechner vom Monitor via VGA-Kabel Informationen über mögliche Auflösungen. DDC 2 ermöglicht darüber hinaus die Steuerung von Monitorparametern, wie z. B. die der Bildposition über den Rechner. DDC 2AB definiert auch die Ansteuerung von Peripheriegeräten, wie z. B. von der Tastatur und von der Maus. Über den BNC-Anschluss kann dieser digitale Datenkanal nicht genutzt werden.

Peripherieanschlüsse

Nokia Monitore sind in der Regel mit einem integrierten Audiosystem, bestehend aus Aktivlautsprechern und einem Richtmikrofon, ausgestattet. Zur Ansteuerung dieser Systemkomponenten stehen die notwendigen Schnittstellen direkt am Monitor zur Verfügung. Der Universal Serial Bus, USB (engl.), bietet für Peripheriegeräte, wie z. B. Drucker, Maus und Tastatur, eine einheitliche Schnittstelle. Nach Anschluss über einen USB-spezifischen Stecker erkennt und konfiguriert der Rechner neu hinzugefügte Peripheriegeräte auch bei eingeschaltetem Rechner automatisch. Der USB erlaubt einen Datendurchsatz von maximal 12 Mbit/s. Gemäß der Bus-Architektur kann die Peripherie entweder direkt mit dem Rechner verbunden werden oder über einen Hub. Dieser Sternverteiler bietet weitere USB-Schnittstellen sowie deren Stromversorgung an.

LCD-Displays gehören zu den transmissiven Bildschirmen, d. h. eine Lichtquelle vor oder hinter dem Schirm wird moduliert. Flüssigkristalle sind organische Substanzen, die sich wie Flüssigkeiten verhalten, aber geordnete physikalische Eigenschaften von kristallinen Festkörpern besitzen.

Prinzipiell haben alle LCDs folgenden Aufbau:

Zwischen zwei Glasplatten befindet sich zwei um 90° zueinander orientierte Polarisationsfilter und darin eine Flüssigkristalllösung. Im einfachsten Fall sind die Kristalle im Ruhezustand ungeordnet; das linear polarisierte Licht wird nicht beeinflusst und kann die zweite Glasplatte nicht durchdringen.

Legt man an die Elektroden eine Spannung an, so beginnen die Kristalle sich im elektrischen Feld auszurichten.

Dadurch wird das polarisierte Hintergrundlicht (bei Farbdisplays) in seiner Ebene gedreht und kann passieren bzw. der schwarze Hintergrund wird freigelegt (z. B. Uhr-Displays). Die Kristallmoleküle haben in der Lösung eine gewisse Trägheit, die sich in der Ansprechzeit eines Displays, d. h. die Zeit, die von einem Bildsignal zur sichtbaren Veränderung eines Pixels, auswirkt. Auch nach Ende eines Signals vermögen die Kristalle nicht sofort ihren ursprünglichen Zustand einzunehmen, weshalb man bei schnellen Bewegungen auf dem LCD einen Schmiereffekt beobachten kann. Die Beweglichkeit der Moleküle ist zudem von der Umgebungstemperatur abhängig; tiefere Temperaturen verringern die Ansprechzeit.

Die Trägheit der Kristalle macht hohe Bildwiederholraten schwer realisierbar. Aus diesem Grund sind konventionelle LCDs für die Darstellung von Animations- oder Videosequenzen nur bedingt geeignet.

Passiv-Matrix-Displays:

Die Bildpunkte der passiven Zellen werden mittels Zeilen- und Spaltenförmig angeordneten transparenten metallischen Elektroden angesteuert. Ein Kreuzungspunkt beider Elektroden definiert einen Pixel.

Um die einzelnen Pixel in einen An- oder Aus-Zustand zu bringen erhält die gesamte Zeilenelektrode ein elektrisches Signal und zusätzlich die einzelnen Spaltenelektroden entlang der Zeile ein subtraktives oder additives Signal. Das erzeugt relativ hohe Spannungen an den AN-Pixeln und geringe Spannungen an den AUS-Pixeln.

Die gesamte Matrix wird zeilenweise (auch Multiplexverfahren genannt) adressiert. Graustufen können durch An- und Ausschalten eines Pixels entweder innerhalb eines Zeilenpulses oder von Bild zu Bild realisiert werden.

Eine Farbdarstellung erreicht man mittels drei zueinander gehörenden Zellen, die auf dem Glassubstrat mit Farbfiltern (Rot, Blau und Gelb) versehen werden. Ein sich daraus grundsätzlich ergebender Nachteil von passiven LCDs ist der sogenannte 'crosstalk':

In einem benachbarten Pixel kann im Verlauf des Bildaufbaus genügend Spannung akkumuliert werden, um eine leichte Aktivierung zu verursachen. Der Nachbarpixel wird ungewollt angesprochen und der Kontrast sinkt. Dieser Effekt verstärkt sich mit der Erhöhung der Zeilen- und Spaltenanzahl, daher nimmt mit zunehmender Auflösung eines passiven LCD-Displays zwangsläufig der Kontrast ab.

Eine kürzliche Weiterentwicklung, der Dual-Scan, soll diesen Effekt mindern. Der Bildschirm wird horizontal in zwei Hälften unterteilt, die unabhängig voneinander adressiert werden. Dies verringert die effektive Zahl der Zeilen und Spalten, und damit den crosstalk.

Aktiv-Matrix-LCD's (AMLCD):

Will man mit LCDs noch höhere Auflösungen und bessere Eigenschaften erreichen, so bietet sich die Aktiv-Matrix-Technik an.

Hier wird jeder Bildpunkt einzeln und unabhängig von allen anderen über ein Halbleiter-Schaltelement adressiert und bis zum nächsten Scan in diesem Zustand gehalten. Da es hier keinen Crosstalk gibt, der die Zahl der Pixel limitieren würde, eignen sich AMLCDs für höhere Auflösungen und große Bildschirme.

Als Schaltelemente können Dünnfilmtransistoren (Thin-Film-Transistor, TFT), Metall-Isolator-Metall (MIM) oder aber Dünnfilmdioden (Thin-Film-Diode, TFD) fungieren.

Derzeit ist die TFT-Technik weit verbreitet. In diesen Displays befinden sich auf einem Glassubstrat der LC-Zelle mittels üblicher Halbleitertechnik aufgebrachte Dünnfilmtransistoren, pro Bildpunkt einer, die zusätzlich mit Kondensatoren zur Ladungsspeicherung während eines Scans versehen sind.

Die Transistoren sind jeweils mit Zeilen- und Spaltenadressleitungen verbunden. Das gegenüberliegende Glassubstrat ist mit einer großflächigen Elektrode versehen und bildet somit einen gemeinsamen Anschluss für alle Transistoren. Wird an eine Zeilenelektrode ein Impuls geleitet, so werden alle Transistoren in dieser Zeile aktiviert und sind für die Adressierung bereit. Durch eine der gewünschten Graustufe entsprechende Spannung an einer Spaltenelektrode kann der Pixel angeschaltet werden. Er verbleibt durch die Ladung des Kondensators in dem Zustand, bis der Transistor beim nächsten Scanzyklus abgestellt wird, was störende Effekte durch Relaxaktion der LC-Mokelüle eliminiert. Ein Pixel in einem Farbdisplay besteht aus drei oder mehr Subpixeln mit entsprechenden Graustufen und Farbfiltern (blau, grün, gelb; oftmals kombiniert mit weiß oder einer weiteren Farbe).

TFT- Displays haben eine relativ geringe Lichtdurchlässigkeit. Bereits die Polarisationsfilter absorbieren ca. 50-60% des durchgehenden Lichtes. Zusammen mit den Farbfiltern, die ca. 75%, und den anderen Bauteilen des LCDs, die an die 50% absorbieren, erreicht ein AMLCD eine Gesamtlichtdurchlässigkeit von nur ca. 5%. Um ein bestimmtes Helligkeitsniveau zu erreichen, müssen starke Lampen für die Hintergrundbeleuchtung verwendet werden.

Die Herstellung insbesondere großer TFT-AMLCDs mit guter Qualität ist mit relativ hohen Produktionskosten verbunden. Das Herstellungsverfahren wird mit steigender Display-Größe und Auflösung aufwendiger und die Ausschussraten werden immer höher.

Häufigster Fehler ist eine defekte Isolierung zwischen den Zeilen- und Spaltenelektroden. Im Gegensatz zu passiven Displays befinden sie sich auf einer Seite, wodurch Kreuzungspunkte unvermeidlich sind. Eine defekte Isolierung an so einem Punkt kann dazu führen, dass ein Pixel entweder ständig aus oder an bleibt.

Die Häufigste Anwendung finden TFT-AMLCDs in Laptop-Computern oder Desktop-Monitoren der neueren Generation.

Ein Plasma-Display gehört zu den emmissiven Bildschirmen. Durch Elektroden wird ein eingeschlossenes, internes Gas ionisiert (Plasma) und beginnt eine elektromagnetische Strahlung zu emittieren.

Monochrome Plasma-Displays nutzen die im sichtbaren Bereich liegende Strahlung (meistens gelbliches Licht) direkt zur Bilddarstellung aus. Für Farbdisplays werden Gase mit Emissionen im UV-Bereich verwendet. Die UV-Strahlung trifft auf eine Phosphorschicht, die je nach Dotierung in verschiedenen Farben leuchtet. Jeder Bildpunkt besteht aus einer einzelnen Zelle.

Plasmadisplays erreichen eine hohe Farbbrillanz, Helligkeit und Kontrast. Sie sind sehr robust und gegenüber magnetischer Beeinflussung unempfindlich. Mit dieser Technik lassen sich besonders große, aber trotzdem flache Bildschirme herstellen.

Um das Gasplasma zu ionisieren werden hohe Spannungen benötigt, was in einer relativ hohen Stromaufnahme des Displays resultiert.

Die Elektroden müssen fein genug sein für sehr kleine Zellen und damit große Auflösungen, jedoch die hohen Spannungen verkraften können.

Die Plasmatechnik ist daher nur beschränkt für hochauflösende Color-Monitore bei Bildgrößen unterhalb von 17' geeignet. Jedoch lassen sich große, flache Displays mit Bildschirmdiagonalen bis zu 70' für Informationssysteme und HDTV mittels Plasmatechnik realisieren.

Große, gut auflösende Fernseher könnten einfach an eine Wand gehängt werden.

Plasmamonitore spielen im Desktop-Bereich noch eine untergeordnete Rolle. Dennoch besteht beispielsweise für CAD- und Grafikanwendungen ein Bedarf nach großen Monitoren, der durch CRTs wegen ihres Platz- und Strombedarfs nicht gedeckt werden kann.

Es wenden sich daher einige Hersteller der Entwicklung von Plasma-Desktopdisplays zu.