Ausgabegeräte - Bildschirme

CRT-Monitor, Flachdisplay, Beamer, Plasmabildschirm

1. Monitor (CRT)

 

1.1. Prinzipielle Funktionsweise

 

1.2. Kenngrößen

 

Bildschirmgröße
  • Maßeinheit = Zoll (inch)
  • in der Regel ein Verhältnis von Breite zu Höhe von 4:3
  • daher ist für die Angabe der Bildschirmgröße nur eine Längenangabe notwendig
  • wird in der Länge der Diagonalen angegeben
  • aus der Diagonalen kann man mit Hilfe des Satzes von Pythagoras die Breite und Höhe berechnen
  • da bei CRT-Monitoren nicht der gesamte Bereich der Bildröhre angestrahlt werden kann, ist das sichtbare Bild kleiner als die Größe der Röhre
  • die Größenangabe bezieht sich jedoch immer auf die Größe der Röhre, nicht auf das sichtbare Bild

Auflösung

 

 
logische Auflösung
  • Anzahl der waagerechten und senkrechten Pixel, die die Grafikkarte einzeln ansteuern kann, z.B. 800x600, 1024x768
physikalische Auflösung
  • Anzahl der Pixel auf dem Bildschirm, z.B. bei einem 17 Zoll Monitor immer 1381x1036 Pixel
Lochmaskenabstand
  • Abstand zweier waagerecht nebeneinander liegenden Öffnungen einer Loch- oder Streifenmaske
  • typische Werte zwischen 0,31mm und 0,25mm
Bildwiederholfrequenz
  • auch Vertikalfrequenz
  • Refresh Rate
  • Anzahl der Bilder, die pro Sekunde dargestellt werden können
  • Angabe in Hertz
  • typische Werte zwischen 72Hz und 120Hz einstellbar
Zeilenfrequenz
  • auch Horizontalfrequenz
  • Anzahl der Zeilen  mal Bildwiederholfrequenz
  • Horizontal Frequency
  • Anzahl der Zeilen, die pro Sekunde geschrieben werden
  • darunter fallen zunächst alle Zeilen des Bildschirms z.B. 768 bei der eingestellten Auflösung von 1024x768
  • da innerhalb einer Sekunde jede Zeile mehrfach angesteuert wird, z.B. 72mal bei einer Bildwiederholfrequenz von 72Hz, ist die Zeilenfrequenz um den Faktor der Bildwiederholfrequenz höher als die tatsächlich vorhandenen Zeilen (in unserem Beispiel: 768 x 72Hz = 55296Hz = 55,29kHz)
  • Angabe in Kilohertz
  • typische Werte zwischen 50kHz und 120kHz
Videobandbreite
  •  Auflösung mal Bildwiederholfrequenz
  • Grenzfrequenz des Videoverstärkers im Monitor
  • Angabe in Kilohertz
  • abhängig von der Bildwiederholfrequenz und der Auflösung
  • ist der Grenzwert, bei dem die Amplitude des Signals auf 70% des maximal möglichen Wertes sinkt
  • Amplitudenabfall auf 70% entspricht -3 dB (Dezibel)

  • sollte in der Praxis um den Faktor höher liegen

Darstellungsmodus

 

 
Non-Interlaced Modus
  • alle Zeilen werden nacheinander geschrieben
Interlaced Modus
  • jede zweite Zeile wird geschrieben, d.h. das erste Halbbild entsteht
  • danach werden die bisher nicht geschriebenen Zeilen nacheinander angesteuert, d.h. zweites Halbbild entsteht

 

 

 

Berechnungsbeispiel für die Bildschirmgröße

 

Satz des Pythagoras Anwendung auf 17'' CRT Bildschirmgröße

Auf Grund des Verhältnisses von Breite zu Höhe mit 4:3, kann mit Hilfe des Satzes vom Pythagoras die Breite und Höhe eines Bildschirmes berechnet werden.

Die Diagonale wird der Einfachheit halber mit c angegeben, die Breite als vierfaches und die Höhe als  dreifaches von x.

 

Das Vielfache, mit dem die Höhe und Breite eines 17'' Monitors multipliziert werden ist daher: Die Bildbreite und die Bildhöhe eines 17'' Monitors errechnen sich also:

Bildbreite = 4*3,4'' = 13,6'' = 34,5cm

Bildhöhe = 3*3,4'' = 10,2'' = 25,9cm

In der Praxis ist der sichtbare Bildschirmbereich eines 17'' CRT Monitors aber kleiner und beträgt nur 31,7cm x 23,8cm.

 

 

 

Berechnungsbeispiel für die Auflösung

 

Sichtbarer Bildschirmbereich Lochabstand Auflösung

Gehen wir von den Maßen eines 17'' CRT Monitors aus, können wir mit folgenden Standardmaßen rechnen:

 

 

Der Lochmaskenabstand begrenzt die Anzahl der Pixel: Daher berechnet sich die Auflösung für Höhe und Breite:
  • Breite = 31,7cm

  • Lochabstand = 0,28mm

  • Vertikale Auflösung = 23,8cm : 0,28mm = 850
  • Höhe = 23,8cm
 
  • Horizontale Auflösung = 31,7cm : 0,28mm = 1132

Der Lochmaskenabstand ist daher ideal für die Auflösung 1024 mal 768 geeignet.

 

 

 

Berechnungsbeispiel für die Horizontalfrequenz

 

Auflösung Bildwiederholfrequenz Horizontalfrequenz

Gehen wir wieder von den Maßen eines 17'' CRT Monitors aus, können wir mit folgenden Standardmaßen rechnen:

 

 

Eine flimmerfreie Darstellung kann schon mit einer Bildwiederholfrequenz von 72Hz erreicht werden.

Das heißt, jede Zeile wird 72 mal pro Sekunde angesteuert.

Da die 768 Zeilen 72mal pro Sekunde angesteuert werden errechnet sich die Horizontalfrequenz so:
  • Auflösung = 1024 x 768

  • Anzahl der Zeilen = 768

  • Bildwiederholfrequenz = 72Hz

  • Horizontalfrequenz = 768 x 72 Hz = 55,3kHz

Die Horizontalfrequenz bei CRT Monitoren ist in der Praxis etwas höher, da zusätzlich zu den sichtbaren Zeilen auch nichtsichtbare Zeilen am oberen und unteren Bildrand geschrieben werden.

 

 

 

2. Flachdisplay

2.1. LCD und TFT

 

Funktionsprinzip Erklärung / Veranschaulichung
  • Ein Liquid Cristal Display nutzt Flüssigkristalle für die Bilddarstellung. Diese Flüssigkeitskristalle bestehen aus stäbchenförmigen Molekülen, die durch das Anlegen von elektrischen Feldern ausgerichtet werden können.
  • wie z.B. Metallspäne, die sich ausrichten, wenn sich ein Magnet nähert
  • Die Flüssigkeitskristalle befinden sich zwischen zwei dünnen Folien.
  • wie in einer doppelt verglasten Fensterscheibe, nur das sich zwischen den Scheiben kein Vakuum, sondern die Flüssigkeitskristalle befinden
  • Auf den Außenseiten der Folien befindet sich jeweils ein Polarisationsfilter.
  • Diese Polarisationsfilter sind aber nicht identisch.
  • Daher könnte eigentlich gar kein Licht durch ein LC-Display gelangen - und es wäre immer dunkel.
  • ein Polarisationsfilter lässt nur das Licht einer ganz bestimmten Schwingungsebene durch.
  • Die Lösung des Problems übernehmen die Flüssigkeitskristalle.
  • Wenn kein elektrisches Feld angelegt wird sind die Flüssigkeitskristalle so angeordnet, dass sie das Licht der Hintergrundbeleuchtung um 90 Grad brechen. Genau dieses Licht kann aber das zweite Polarisationsfilter passieren. Das bedeutet, wenn kein elektrisches Feld an die Flüssigkeitskristalle angelegt wird, sieht der Betrachter einen hellen Lichtpunkt.
  • Einen dunklen Bildpunkt erzeugt man dann durch das Anlegen eines elektrischen Feldes.
  • elektrisches Feld an = dunkler Bildpunkt
  • elektrisches Feld aus = heller Bildpunkt
  • Das elektrische Feld wird durch eine rechteckförmige Wechselspannung aufgebaut. So können durch die Veränderung des Tastverhältnisses und der Frequenz unterschiedliche Helligkeitsgrade erreicht werden.
 
  • Farb-LCD-Anzeigen lassen sich ähnlich wie Farb-CRT-Monitore realisieren, indem man einen Pixel aus drei Bildpunkten aufbaut.
 

 

 

Unterschied LCD und TFT

 

LCD TFT
  • LCD-Anzeigen werden auch als passive LC-Displays bezeichnet, da die einzelnen Leuchtpunkte matrizenförmig angesteuert werden, d.h. sie werden zeilenweise angesteuert.
  • einziger Unterschied zu LCD ist die Ansteuerung der einzelnen Leuchtpunkte
  • jeder einzelne Bildpunkt wird von einem eigenen Dünnfilmtransistor geschaltet
  • zeilenweise Ansteuerung hat den Nachteil, dass sich  auch außerhalb der Kreuzungspunkte der Matrix unerwünschte elektrische Felder bilden. Die Bilddarstellung wird daher unsauber.
  • so wird matrizenförmige Bildung von elektrischen Feldern vermieden
  • das Bild ist schärfer

 

 

2.2. OLED

 

  • es gibt Kunststoffe, die unter Stromzufuhr leuchten

  • darauf basiert das Grundprinzip des OLED

  • auf eine transparente Elektrode wird eine dünne lichtemittierende Polymer- Schicht aufgetragen

  • darauf kommt eine zweite Elektrode

  • fließt ein Strom von einer Elektrode zur anderen, leuchtet der Kunststoff

  • jede OLED-Zelle wird einzeln angesteuert

Aufbau eines OLED-Bildpunktes

 

 

 

Kenngrößen für Flachbildschirme

 

Reaktionszeit

 

  • Zeit, die ein Pixel braucht, um zwischen zwei Farben zu wechseln
  • Hersteller verwenden dafür gern die "grey-to-grey" Methode, d.h. die Zeitspanne des Wechsels von Hellgrau nach Dunkelgrau, was etwa 4 ms dauert
  • nach ISO-Norm werden jedoch zwei Schaltvorgänge gemessen. Zunächst der Wechsel von Schwarz nach Weiß und anschließend von Weiß nach Schwarz, was zwischen 12 bis 16 ms liegt.

Kontrast

  • Kontrast zwischen dem hellsten und dunkelsten Bildpunkt
  • heute bei 500:1
Helligkeit
  • abgegebene Lichtleistung pro Fläche
  • heute bei 260 cd/m2

 

3. Beamer - LCD/TFT-Panel

  • Einfache LCD/TFT Beamer arbeiten prinzipiell wie ein LCD/TFT Bildschirm, nur durchleuchtet statt einer schwachen Hintergrundbeleuchtung ein sehr starker Lichtstrahl das Display. Anschließend wird der Lichtstrahl nach außen geführt und auf eine Leinwand projeziert.
  • Die Farbintensität und der Kontrast sind jedoch nur mittelmäßig.
  • Bei höherwertigen LCD/TFT Beamern wird das Licht einer sehr hellen Lampe mit Hilfe von Filtern zunächst in die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau aufgeteilt.
  • Jeder der drei Farbstrahlen wird mit einem Spiegel auf eine andere LCD/TFT Matrix geleitet und stellt somit die Hintergrundbeleuchtung der Matrix dar.
  • Nach dem Durchleuchten der Matrix werden die drei Strahlen in einem Prisma zusammengeführt und über eine Linse nach draußen geführt.

 

4. Plasmabildschirm

  • Zwischen zwei transparenten Elektroden befinden sich winzige Zellen, die mit Xenon-Gas gefüllt ist.
  • Beim Ansteuern der Elektroden mit einer Spannung kommt es innerhalb der Zellen zu Entladungsprozessen, bei denen das Xenon-Gas ein ultraviolettes Licht abgibt.
  • Das ultraviolette Licht regt die Phosphorschicht auf der Bildschirmrückseite zum Leuchten an.
  • Um ein Farbbild zu erzeugen, werden drei Xenon-Zellen für einen Bildpunkt benötigt.
  • Diese Xenon-Zellen besitzten entweder eine rote, grüne oder blaue Phosphorschicht, so dass die Farbbilddarstelltung wie beim CRT-Monitor durch das additive Farbmischverfahren erfolgt.
  • Die Ansteuerung der Bildpunkte erfolgt wie beim TFT-Monitor gleichzeitig, so dass das Bild flimmerfrei und scharf ist.