elektronische displays dt 1 - eitidaten.fh-pforzheim.deeitidaten.fh-pforzheim.de/.../vorlesungen/displays/skript_displays.pdf · Bla FH Pf Elektronische Displays Blankenbach / Elektronische

Bla

FH

Pf

Elektronische Displays

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 1 / 81

Vorlesungsbegleitendes Skript in Deutsch


Karlheinz Blankenbach

1 Einführung Anwendungen, Markt, ...

2 Display Technologien Prinzip, Beispiele, Anwendungen, ...2.1 CRT Prinzip, Komponenten2.2 LCD Passiv - & Aktiv - Matrix, Ansteuerung, ...2.3 Plasma Prinzip2.4 VFD Prinzip, Ansteuerung2.5 (O)LED HL, OLED, LEP2.6 EL Displays & Hinterleuchtung

3 Messungen Kontrast, Farbe, Umgebungslicht, ...

4 Technologievergleich

Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach

FH Pforzheim ET/IT/TI

Tiefenbronner Straße 65

75175 Pforzheim

Tel.

Fax

Email

Web

: 07231 / 28 - 6658

: 07231 / 28 - 6060

: [email protected]

: www.displaylabor.de

www.k-blankenbach.de

Bilder, Daten etc. aus Firmenschriften, Internet, Büchern (Matschulat, Knoll, ...),

SID-Journal, Konferenzbände ELECTRONIC DISPLAYS, ...

Bla

FH

Pf



1. Einführung

Statement ‘Es gibt heute praktisch kein elektronisches Gerät ohne Display‘

Ziel - Anwendungen elektronischer Displays

- Grundlagen der relevanten Displaytechnologien

- Grundkenntnisse der wichtigsten Meßtechniken

- Aspekte zur Displayauswahl

Schlagwort 'Multimedia'

- Multimedia = Fähigkeit zur Ausgabe mehr als eines Formates

- Bilder

- Video

- Audio

- ...

- typischerweise versteht man hierunter einen PC, zunehmend aber

auch Anwendungen im industriellen und automobilen Bereich

Definition Multimedia Displays

- Auflösung ≥ QVGA (320 * 240)

- ≥ 256 Farben

- Schaltzeit < 100 ms

- Öffnungswinkel > 10°

- Format 4 : 3 ... 16 : 9

- ...

Marktvolumen - ≈ 40 Mrd. $ (2001), davon ca. 40 % Flachdisplays

- Steigerung bis 20 % pro Jahr prognostiziert

- CRT / FPD ≈ 1,5 : 1 (2001), ≈ 1 : 1 (2005)

Bla

FH

Pf



1.1 Beispiele 'guter' und 'schlechter' Display - Anwendungen

‘gut’ ‘schlecht’

Parkleitsystem Ulm (LCD) Öffentliches Internet-Terminal Ulm(CRT, 'verschrottet')

Plasma Display im Innenbereich(Spende ABLE DESIGN, München)

Shop in Frankfurt bei normalerBetrachtungsweise

Outdoor Sonnenlicht outdoor Schatten indoor

LCDs : reflektiv monochrom (links), ~ Farbe (Mitte, Spende Compaq) , transmissive (rechts)

→ Sorgfältige Displayauswahl vor allem bei hellem Umgebungslicht !

Bla

FH

Pf



1.2 Display - Einteilung

Displays

Direktsicht Projektion

LCD

Passiv Aktiv CRT

DMDDMD und Laser Displays sind keine Direktsicht-Displays Laser

Passiv Aktiv

'Licht schaltend' 'Licht emittierend'

Monochrome LCD

Reflektive Color LCD

Split Flap

Flip Dot

DMD (mit Lampe)

eInk

' Papier '

...

Color LCD

CRT

(O)LED

Plasma

VFD

EL

FED

....

Technologie - Bildgröße

d isp lay s ize(d iagonal)

400.1 1 5 10

projectiondirect v iew

100

C R T

L a se r TV , D M D

L C D

L E D

V F D , E L

/ inch

L C D , L E D , C R T, Sp lit F la p , F lip D o tb u ild w ith m o d u le s-> v id e o w a ll

Bla

FH

Pf



1.3 Display - Auswahl

Qualitätsaspekt → Technische Spezifikation

'Gute Ablesbarkeit' - Optik

- Elektronik

- Anwendung

Magic Circle

Optic

Electronic

Electro-Optic

ApplicationPower consumptionVoltageEMI, ...

ContrastSwitching timeGray scale, ...

Viewing angleContrastColorBrightnessReflections, ...

SizePriceWeightTemperatureVibrationDisplayed Data, ...

Weiterhin zu beachten:

- Lieferanten (Second Source, Liefertreue, ...)

- kundenspezifisch oder Serie

- Einsatzort (z.B. bei Großraumbüro mit CRTs muß evt. Klimaanlage größer dimensioniert

werden, somit können LCD - Monitore insgesamt billiger sein)

- Vorstellungen des Kunden (Design, Qualität, ...)

- 'Zukunft' der gewählten Technologie (VFD & FED sind möglicherweise am Aussterben)

- Produktlebensdauer und Weiterentwicklung

- ...

Alle diese Parameter müssen applikationsspezifisch gewichtet werden, der Kompromiß wird

oft über den Preises gefunden, nicht über die Qualität des Displays !

Bla

FH

Pf



1.5 Ergonomie

Auflösung des Auges:

α ≈ 1‘ = 1/60 ° = 1‘ Bogenmaß

αrad ≈ 3 . 10-4

→ dh

tan =α≈α

Minimum Reco gnable Ob ject Size

0,001

0,01

0,1

1

10

100

0,1 1 10 100 1000

viewing distance /m

heig

ht /c

m

Sichtwinkel ϕ

typisch 20° - 40°

empfohlen : 30°

h/2

d ( 6 0 - 90 c m)

ϕ 10° - 20°

/2

Büro d ≈ 60 cm Winkel 20° (Minimum) 40° (Maximum)

Bildschirmgröße 14" 28"

große LCDs in Verbindung mit einem kleinen Betrachtungsabstand sollten große

Blickwinkel aufweisen wegen Kontrastverminderung und Farbverschiebungen

Darstellung von Buchstaben

10mm

Segment 8Matrix 5*7 VGA 20*30

Readabilit ybad good

7-Segment

Starburst

14-Segment

A a

Bla

FH

Pf



1.5 Empfehlungen und Normen für Elektronische Displays

ANSI / HFS 100-1988 DIN 66234

Umgebungslicht 500 lx

Hintergrund-Leuchtdichte 10 cd/m²

Display-Leuchtdichte > 35 cd/m² 45 cd/m²

Betrachtungsabstand 50 cm

Buchstaben - Höhe 2,3 – 6,5 mm (d = 50 cm)(3,1 bevorzugt)

2,6 mmϕ = 18´

Breite ( ∅ vgl. I, M) 92 % der Höhe

Format (Punktmatrix) > 7 * 9 > 5 * 7

Modulation C M > 0,75 0,71

Kontrast Verhältnis C R 3 : 1 – 15 : 1(6 : 1 bevorzugt)

GleichmäßigkeitLeuchtdichte

> 50 %

CRT Flicker (Bildrate) vgl. 100 Hz Fernseher

Nicht beobachtet von90 % der Betrachter

50 – 60 Hz Negativmode,80 Hz Positivmode

Empfohlene Buchstabenhöhe Diagonale Höhe

21" 4,0 mm

Die Höhe nimmt mit der Diagonalen ab, da der 19" 3,6 mm

typische Betrachtungsabstand größer wird 17" 3,0 mm

Bla

FH

Pf



Darstellungs - ModiPositiv Negativ

Darstellung Dunkle Information aufhellem Hintergrund

Helle Information aufdunklem Hintergrund

Alternativ Positivkontrast Negativkontrast

Buchstabenleuchtdichte /cd/m² 10 - 15 80 - 160

Hintergrundleuchtdichte /cd/m² - 170 10 - 15

Optimaler Kontrast 1 : 8 - 1 : 12 8 : 1 - 10 : 1

CRT - Bildfrequenz /Hz 70 - 80 50 - 60

CRT : Negativmode ist wegen geringerer Bildfrequenz bei Computern leichter zu realisieren,

da die Wiederholrate geringer ist; vergleiche 'DOS – Mode' alter Computer mit Bernstein- oder

grüner Farbe (lange Abklingdauer des Phosphors ermöglicht eine flimmerfreie Bildfrequenz <

25 Hz)

Reflexionen scheinen bei Positivdarstellung (hell auf hellem Hintergrund) geringer auszufallen

als bei Negativdarstellung (hell auf dunklem Hintergrund), da die mittlere Leuchtdichte bei

Office-Anwendungen des Displays größer ist !

Displaynormen : CECC 20000 A3, ISO 9241, ISO 13406, IEC 47(CO)16, ...

Bla

FH

Pf



2. Displaytechnologien

2.1 Kathodenstrahlröhre (Cathode R ay Tube)

- seit mehr als 100 Jahren

- bis 1990 die einzige Technologie für Fernsehen und hochauflösende Anwendungen

- heutiger Marktanteil: > 60 % der Computermonitore und > 90 % der Fernseher

- einzigartiges Prinzip: ein Strahl wählt jedes Pixel an und steuert dessen Leuchtdichte

Hauptkomponente

n

der CRT

- + - +

.

. .

.

1

2 3

4

56

7

8

9

10

1 Evakuierter Glaskolben

2 Heizelement

3 aufgeheizte Kathode emittiert Elektronen

4 Wehnelt Zylinder (negatives Potential) fokussiert den Elektronenstrahl

5 abgelenkter Elektronenstrahl

6 Ablenksystem

- elektrostatisch für hohe Frequenzen (Oszilloskop) und kleine Ablenkwinkel

- magnetisch für große Ablenkwinkel und niedrigeren Frequenzen

7 Anode

8 Anodenspannung bis 35 kV zur Beschleunigung

9 Phosphor zur Lichterzeugung durch Aufprall schneller Elektronen

10 Wehnelt Spannung (Kathode, ≈ 80 V): je höher die Spannung desto geringer die

Strahlintensität und demzufolge die Leuchtdichte

Bla

FH

Pf



2.2.1 Lichterzeugung

- Elektronen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Innenseite des Phosphors

- die Strahlung muß die Phosphorschicht zum Betrachter hin durchdringen (Dämpfung)

Bandbreite Video - Verstärker

U D

t

~ f~

< f

<< f video

Pixelfrequency - Videobandwidth

video

video

f pixel

f pixel

f pixel

Displayed Signal

eine geringe Bandbreite des Videoverstärkers 'verwäscht' die Konturen

Bla

FH

Pf



2.1.3 Magnetische Ablenkung

Bewegte Elektronen werden in Magnetfeldern

auf Kreisbahnen (Lorentz - Kraft) abgelenkt; das

tritt auch in Halbleitern auf (Hall - Effekt).

Abgeflachte und Flachbildröhren : b > a

bei 'gleichem' Ablenkwinkel !

sphere flat

a

b > a

R

α

β = α

Bemerkungen -

-

-

typische Ablenkwinkel : 90°, 110° ('short neck'), definiert als

'Öffnungswinkel' links oben - rechts unten

110° ermöglichen eine geringere Bautiefe als 90° Ablenkwinkel

kleinere Anodenspannung vergrößert Bild (Leuchtdichte geringerer)

- Flachbildröhren benötigen Korrekturmaßnahmen um Konvergenz,

Farbreinheit und Schärfe zu gewährleisten

Bildaufbau Magnetische Ablenkeinheit

Bla

FH

Pf



2.1.4 Bildqualität

Phosphorschicht, Ablenkung, nicht kugelförmiger Schirm etc. bedingen eine Beeinträchtigung

der Bildqualität. Mit speziellen Schaltungen und Spulen kann Abhilfe geschaffen werden - zu

Lasten des Preises.

Geometrische Fehler verursacht durch magnetische Ablenkung

Linearität

bmin bmax

amax

aminLinearitätsabweichung sollte < 10 % sein

%100b

bbd:horizontal

%100a

aad:vertikal

max

minmaxh

max

minmaxv

⋅−

=

⋅−

=

Beispiel : 21" CRT für CAD Anwendungen

Gitterbreite Soll 20 mm, gemessen 19 mm (Minimum) und 21 mm (Maximum)

%5.9%10021

1921%100

aaa

dmax

minmaxX =⋅−=⋅

−=

Bla

FH

Pf



2.1.5 Beispiele von Bildfehlern

Moiré - Effekt

'Abtasteffekt' zwischen Bildraster und Pixel-

Pitch. Tritt auf, wenn beide etwa gleich groß

sind.

Beispiel: fein karierte Kleidung im Fernsehen

Konvergenz

Der Elektronenstrahl einer Farbe

trifft auf benachbarte Pixel, was

zu Farbveränderungen führt; tritt

meist in den Ecken auf (s. u.).

Konvergenz - Korrektur

- durch spezielle Spulen und Schaltungen

- vor allem bei Flachbildröhren notwendig

ohne Korrektur mit dynamischem Fokus

Bla

FH

Pf



2.1.6 Elektronik

- Umwandlung der Video- und Synchron-Eingangssignale für den Bildaufbau

- spezielle Stromversorgung für Hochspannung (Anode) und hohe Ströme (Ablenkung)

- Videosignal - Aufbereitung ohne Beeinflussung durch Stromversorgung erforderlich

- ...

Leuchtdichte- (Helligkeit) und Kontrasteinstellung durch die Kathodenspannung

Leuchtdichte Kontrast

Bla

FH

Pf



2.1.7 Entwicklungstrends

Verkürzung derBautiefe

- + - +

.

. .

.

1

2 3

4

56

7

8

9

10

Anzahl der e--Strahlen proFarbe

1 2 ~ 109

Name 'Dromedar' mit 1 Höcker 'Kamel'≈ 2 * Preis

Field EmissionDisplay (Flat CRT)

2.1.8 Zusammenfassung

Pros Cons

Preis große Bautiefe

Signalkompatibilität hoher Leistungsaufnahme

Verschiedene Auflösungen Röntgenstrahlen

Bilddiagonalen 1" - 40" schwer *

Monochrom erhältlich EMV

Multimedia - fähig Geometriefehler

robust Flicker bei niedriger Bildfrequenz

zahlreiche Anwendungen Phosphor - Degradation

(*) : Gewicht : 15" LCD-Monitor ≈ 5 kg , 17" CRT-Monitor ≈ 20 kg, 28" Fernseher ≈ 50 kg

Bla

FH

Pf



2.2 LCD-Technologie

- LCD : Liquid Crystal Display - Flüssigkristall - Anzeige

- flüssigkristallin : Materiezustand zwischen fester und flüssiger Phase mit dem

Orientierungsvermögen eines Kristalls und der Beweglichkeit einer Flüssigkeit

- LCD ist prinzipiell eine passive Technologie mit niedrigster Leistungsaufnahme

Beispiele : Armbanduhren, LCD - Thermometer, ...

- wegen der starken Absorption der Farbfilter müssen transmissive Farb - LCDs

als quasi - aktiv angesehen werden (Emission von Licht)

- LCDs sind flach und leicht

- LCDs sind die universellste Displaytechnologie

- Direktsicht - Diagonale 0.5" ... 40 " und Projektiondisplays

- robust und hohe Verfügbarkeit (automotive, Flugzeuge und Militär)

- kann preislich noch nicht mit CRTs bei Fernsehern und PC-Monitoren konkurrieren

25 Jahre LCD - Anwendungen

1975 1980 1985 1995

Watch, pocket calulator, ...

1990

bw

Technological Steps

Segment 8

Dot Matrix, Alphanumeric

Dot Matrix, graphic, passive

Active matrix

Remote controller, control panels, ...

Laptop, mobile phone, ...

Laptop, video, ...

c o l o r

Bla

FH

Pf



Flüssigkristall - Technologien

C:\kb_files\VORLESUN\DISPLAYS\lcd_allgemein\lcd_technologien_cast_s_182.abc

Montag, 15. März 1999

20:23

Nematic

Direct MultiplexActive Matrix

2 Terminal Devices

Liquid Crystal Displays

Bi-stable

Standard TN

Supertwisted

ECB

OMI

STN DSTN FSTN

Silicon

Amorphous Si

poly Si

Deposited Recristallized

Bulk (MOS)

Non-Silicon

CdSe Ge Te

Plasma Adressed

Diode

2D Pin Ring

Back-to-back

Threshold enhanced

MIM SiNx

Varistor

Smectic A

thermal, electric

Smectic C

Ferroelectric Guest Host

LC-classDriving

Twisted Nematic

Guest Host

Modulated TN

Polymer Dispersed

Dynamic Scattering

- nicht alle Effekte bisher kommerziell genutzt :

- bistabile LCDs für Chipkarten

- Plasma Adressed LC für Fernseher

- manche Technologien haben Nischen erobert :

- Electronically Controlled Birefingence als Farbdisplay bei Gameboys

- Smectic A bei 'Badewannen - Thermometern'

Bla

FH

Pf



2.2.1 Grundlagen der LCDs

optisches Prinzip: 'Schalten' von Licht Elektro-optische Kurve

U

light

polarizerglass 1 mmITO 50 nm

alignment layer LC 10 µm

spaceranalyzer

Transmission

Driving voltage

10 %

90 %

UonUoff

Slope and shape:

- Viewing angle

- Twist

- Pretilt- T

- LC - type- ...

eo curve

Positivmode

Übersicht : LC - Effekte für Displays

Ansteuerung Effekt Anwendung

Temperatur - Farbwechsel

- Thermometer

- thermische Ansteuerung

z.B. mit Laser

Elektrisches- & Magnetfeld - Transmissionsänderung - LCD

Elektro - optische Effekte von Flüssigkristallen

Typ Anwendung

Dynamische

Streuung

+ : milchig ↔ transparent

DS - Displays + : großer Blickwinkel

- : kleiner Kontrast

Lichtabsorption - Doppelbrechung TN, STN, ferroelektrisch (FLCD)

- Guest Host LC + absorbierendes Material

(hoher Kontrast + großer Blickwinkel)

Bla

FH

Pf



Funktionsweise TN - LCD : 90° - Drehzelle

- Flüssigkristalle richten sich an der Orientierungsschicht aus

- Oberseite ⊥ Unterseite → 90 °Verdrillwinkel der LC - Helix

Positivmode

E

U = 0 V U > UThreshold

10 µm

glassITO

Driving Voltage

10 %

90 %

UThreshold

rel. Transmission

90°

Positive Type : Polarizer || Orientation

Pixel view

Uon

alignment layer

alignment direction

polariser

orientation of polarizer

light

Positiv - Darstellung Negativ - Darstellung

- Taschenrechner, Uhren

- monochrome Grafik - LCDs

- alle Farbdisplays

selten verwendet, meist aus Designgründen

oder bei monochromen transflektiven Displays

zur Verbesserung der Ablesbarkeit bei

Dunkelheit (leuchtende Buchstaben)

Bla

FH

Pf



Funktionsweise STN - LCD : Doppelbrechung

- Verdrillwinkel (Twist) : 180° - 270°

- Farbeffekte durch anisotropen Brechungseffekt

- Kontrastwirkung aus Leuchtdichte und Farbwirkung

180° twist

index ellipsoid

Typ STN F STN D STN (*)

Struktur

polariser

STN cell

retardation film

active STN cell

passive STN cell

Transmission

T

λ

on

off

T

λ

on

off

T

λ

on

off

Farbe gewählt Blau Schwarz Schwarz

" nicht gewählt Gelb - grün Weiß Weiß

Preis geringster mittel höchster

* : DSTN : Doppel-STN; bei Ansteuerung versteht man hierunter Dual Scan STN (s.u.)

Bla

FH

Pf



2.2.2 LCD Betrachtungsmodi

Name Prinzip Anwendung

Reflektiv

ligh t s ource

re fle c ted ligh t

re fle c to r

L C D

- nutzt Umgebungslicht

- niedrige Leistungsaufnahme

- Uhr

- Taschen-

rechner

Transflektiv

l igh t sourc e

re flec ted ligh t

transf lec to r

L C Dligh t sou rce

(backligh t)

trans m itted ligh t

- Transflektor reflektiert das

Umgebungslicht zu ≈ 70 %

- Backlight-Anteil ≈ 30 %

- Backlight im Hellen aus

- s/w LCD

- Außenan-

wendung mit

Ablesefähig-

keit im

Dunkeln

Transmissiv

light source

(backlight)

transmitted lightLCD

- Höchste Leistungsaufnahme

(ca. 50 % bei Laptops)

- Anwendung bei Farb-LCDs

wegen geringer Transmission

der Farbfilter

→ quasi-aktives Display

- Farb - LCD

- im Dunkeln

Bla

FH

Pf



2.2.3 Ansteuermethoden

Bezeichnun g Statisch Multiplex

Methode aktiv Passiv aktiv

LC - Typen TN STN TN

Prinzip

LimitierungR ITO

C pixel

U pixel

- RC - Tiefpass - großer Pixelabstand wegen Zuleitungen

RLC C UddotEntladung von C via RLC

während eines 'Bildes',z.B. SXGA : 1024 Zeilen

Spannungs-Charakteristik

t

U

Limitation

ideal

f ≈ 50 Hz

Upixel < Umax

→ Kontrastreduktion

t

U

Udrive

Upixel ideal

Upixel Limitation

1 frame

1 row

Upixel ≠ const. bei Passivmatrix

→ Kontrastreduktion

Bla

FH

Pf



2.2.4 Statische Ansteuerung

on offoff

U

0

0

plate, electrode

front (pixel)

back, common

pixel 0U

f = 30 - 70 Hz

U

U

-Us

s

s

s

Abhängigkeit des Kontrastes von der Ansteuerspannung

transmission

driving voltage

10 %

90 %

Uon

Uoff

Static

Us = Uselect > Uon

Unonselect = 0

8 Uoff

1.5 Uoff

2 0 ° 4 0 °θ

Φ

90 ° / 12 °°

180 ° / 9 °°

0 ° / 3 °°

270° / 6 °°U =s

geringere Us = kleinerer 'Blickkegel'

siehe Passivmatrix - Multiplexansteuerung

→ Kontrast AM > PM

Bla

FH

Pf



Beispiel für Sieben - Segment - Anzeige

'A' : Datensignal ('0' oder '1') , 'B' : Backplane - Signal ('clock')

Pixelspannung : VPixel = B - C

→ einfache Ansteuerung mit XOR, da die Spannungsinversion

(kein DC !) automatisch passiert; es ist nur das Pixel zu 'setzen' !

Multiplex - Ansteuerung mit mehreren Backplanes (Common)

- 7 Leitungen per Digit

bei 4 Digits 28 Segmente

1 Common

29 Leitungen

-----------------------------------------

- pro Digit 3 Segm. + 3 Com.

- 4 Digits : 4 * 3 Seg. + 3 Com.

= 15 Leitungen ≈ Hälfte !

Bla

FH

Pf



2.2.5 Matrix - Ansteuerung

CRT Auswahl und Daten für jedes Pixel mit nur einem beweglichen

Elektronenstrahl → gewisse Bautiefe des Displays ist notwendig

Flat Panel

Display

flache Bauweise mit Einzelpixel

→ Matrix - Ansteuerung

Prinzip der

Matrix -

Ansteuerung

Eine Seite des Displays wird in Zeilen unterteilt (Scan), die andere in

Spalten (Daten). Die Kreuzungspunkte bilden die Pixel. Die

Matrixansteuerung erfordert eine nichtlineare elektro-optische Kennlinie

Überblick

Ansteuerung Passiv Aktiv

Eigenschaft Jedes Pixel wird von der zuge-

hörigen Zeile und Spalte

angesteuert

Jedes Pixel besitzt zusätzlich ein

nichtlineares Schaltelement, z.B.

einen Transistor

Pros billig Hoher Kontrast

Cons geringer Kontrast Teuer

Beispiel PM LCD und -OLED

Plasma, VfDs

AM LCD (TFT)

AM OLED

2.2.5.1 Passiv - Matrix LCD Ansteuerung (PM LCD)

von oben (vereinfacht) Seitenansicht

ITO

ITO

driving-voltage

0 - U

+ U

0

0

|2U|

pixel voltage

row 'scan'

column 'data'

1 Pixel

|U|

|U|

glass

Bla

FH

Pf



Ansteuersignale für eine 2*2 Passiv - Matrix

Zeilen- (scan) und Spaltensignale (data) wirken auf die Pixel

0

a0

T

Scan

Data

1 2 1 2UD

US

b0

US

0

UD

a

inverted(no DC)

t

one lineadressing

Effektivspannung für Pixel 'a' und 'b'

off !

SXGA: 1 ... 1024

1 2 1 2a

Scan

Data

∆U

1 2 1 2b

-

=on !2U

U

Jede Zeile wird sequentiell angesteuert wobei die zugehörigen 'Daten' an allen Zeilen anliegen

→ alle Pixel des Displays 'sehen' die angelegte Spannung 'ihrer' Spalte

→ starke nichtlineare elektro-optische Kennlinie erforderlich !

Bla

FH

Pf



Passiv - Matrix - Ansteuerung : Berechnung der Spannung U select

Mit der Alt & Pleshko Formel werden die Ansteuerspannungen berechnet :

1N

1NU

UR

nonselect

select

−+==

mit N : Anzahl der Zeilen = Multiplexrate

1LN

LC

off

onR +=

Kontrastverminderung im Vergleich zur

Statischen Ansteuerung für kleine N

Multiplex 1 : 3

N = 3 → R = 2 → Uselect = 2 Unonselect

CR direct = 10 → CR PM ≈ 4

z. B. 7-Segment mit 3 Backplanes

Multiplex 1 : 64

N = 64 → R = 1,134 ⇒ Uselect = 1,134 Unonselect

Einstellung von Unonselect nach eo- Kennlinie (s. u.)

z. B. Kleingrafik mit 128 * 64 pixel

Anzahl der Ansteuerspannungen (BIAS)

Def: BIAS N= + 1 N BIAS Anzahl der Spannungen

2 2 - 3 2

16 5 5

64 9 6

Stromversorgung bei Passiv-Matrix - Modulen

VR : Potentiometer für Ucontrast

Bla

FH

Pf



Einstellung von U nonselect für hohe Multiplex - Raten

transmission

driving voltage

10 %

90 %

Unonselect

Uselect(static)

1 : 64

twist 270°

1.134 Unonselect

shiftedby Ucontrast

Uselect(mux)

- Mux 1 : 2 : quasistatisch, hoher Kontrast (T10 - T90) : CR = 9 : 1

- Mux 1 : 64 : praktisch kein Kontrast (T90 - T85) : CR ≈ 1 : 1

Optimierung bei Multiplex - Ansteuerung

- LC mit steiler Kennlinie wählen (STN)

- verschiebe Unonselect und Uselect (= R Unonselect ) mittels der

sogenannten Kontrastspannung in den Bereich der höchsten

Steigung der elektro-optischen Kurve ( )

→ (T70 - T30) CR ≈ 2,3 : 1

→ - besserer aber immer noch kleiner Kontrast

- 'Ghosting' der nicht ausgewählten Pixel (rechts)

- geringe Graustufenfähigkeit

Bla

FH

Pf



Abhängigkeit von Kontrast und Multiplexrate

TN STN

2 0 ° 4 0 °θ

φ

90 ° / 12 °°

180 ° / 9 °°

0 ° / 3 °°

2 70 ° / 6 °°

stat ic

1 : 4

1 : 16

2 0 ° 4 0 °θ

φ

90° / 12 °°

180° / 9 °°

0 ° / 3 °°

270° / 6 °°

1 : 64

1 : 24 0

Elektrische Eigenschaften der Flüssigkristalle

- Ansteuerspannung muß mit der Multiplexrate gesteigert werden

- Schaltzeiten erhöhen sich mit der Multiplexrate

- Schaltzeiten verringern sich bei höheren Temperaturen

- der maximal erreichbare Kontrast verringert sich bei steigender Multiplexrate

- der vertikale Blickwinkel verringert sich mit der Multiplexrate

- STN (270°) ermöglicht eine 10-20* höhere Multiplexrate im Vergleich zu TN (90°)

bei gleichbleibendem Blickkegel

Twist Multiplex Bias Betriebs-

spannung /V

Blickwinkel /°

vertikal horizontal

Schaltzeit

@ 25°C /ms

Kontrast-

Verhältnis

1/4 3 2,5 - 5 5 - 45 ± 45 80 - 150 10 - 15

1/8 4 3 - 4,5 0 - 40 ± 40 100 - 200 8 - 12TN

1/16 5 3 - 5 10 - 40 ± 30 150 - 250 7 - 10

1/16 5 4 - 5 -20 - 45 ± 50 200 - 300 6 - 15

1/64 3 9 - 15 0 - 45 ± 45 200 - 300 4 - 12

1/128 13 15 - 20 5 - 45 ± 45 250 - 350 4 - 10STN

1/240 17 20 - 25 5 - 40 ± 45 250 - 350 4 - 10

Bla

FH

Pf



Optimierung bei Passiv - Matrix - Ansteuerung

Reduzierung der Multiplexrate für höheren Kontrast

Single Scan Dual Scan

LC D

d riv er

scan

LC D

d riv er 1

scan

d riv e r 2

1

2

Dual scan halbiert die Multiplexrate → höheres Kontrastverhältnis, aber höhere Kosten

durch Aufbringen des 2. Spaltentreibers (Anzahl der Spalten und Spalten bleibt konstant) und

aufwändigere Signale

Multi L ine A ddressing

- auch Active Adressing oder High Power Adressing genannt

- 2 oder mehr Zeilen werden gleichzeitig angesteuert → Pulsbreite ↑ , Ueff ↑ → CR ↑

Bla

FH

Pf



2.2.5.2 Aktiv - Matrix - Ansteuerung

- jedes Pixel wird mittels einem nichtlinearen Schaltelement adressiert:

- 3 Terminal Devices : Thin Film Transistor; Farb - VGA: (640*480*3): ≈ 106 TFTs

- 2 Terminal Devices : - Thin Film Diode (TFD, EPSON)

- Metall Insulator Metall (MIM, LFB Stuttgart, 4 Maskenprozeß)

- Aktiv - Matrix erlaubt 'Rückkehr' zur TN 90° Technologie

- Zeilensignal steuert TFT - Gate, die Datenspannung wird dann nur in dieser Zeile

auf den Speicherkondensator geleitet

→ höhere und unabhängige Daten - Spannungen möglich als bei Passiv - Matrix

→ Kontrast ↑, Graustufen ↑, maximale Pixelzahl ↑

Schaltplan

MOSFET

Stora geLC

Frontplane

capacitor

Scan

Data

- Scan und Datensignal auf einer Seite

- 1 TFT pro Pixel (AM OLED : 2)

- Speicherkondensator hält die Pixel-

spannung während einer Ansteuerperiode

Typische Pixelform

- 1 Pixel = 3 Subpixel RGB

- Apertur ≈ 60%

- SXGA : 1280 * 1024 * 3 ≈ 4 *106 TFTs

Bla

FH

Pf



Ansteuersignale für eine 2*2 Aktiv - Matrix

Das Zeilensignal am Gate des

MOSFETs schaltet die

Spaltenspannung (Daten) auf das

Pixel und den Speicherkondensator.

Dieser hält die Pixelspannung

(geringe Selbstentladung) bis zur

nächsten Ansteuerung der Zeile

konstant. Die Frontplane bildet den

2. Teil des Pixels und wird zwecks

Vermeidung von Gleichspannungs-

effekten getoggelt.

0

0

T

Scan / Gate

Data / Drain

Frontplane

0

U

1

1

2

2

1

1

2

2

fp

UD

UG

b0

UG

0

UD

t

a

on ! off !

SXGA: 1 ... 1024

Passive Matrixreduced contrast

1 2 1 2

t

a

FP

Scan

Data

∆U

Active Matrixdue to cap

1 2 1 2

t

b

-

=

An eingeschalteten Pixeln liegt die Maximalspannung an, alle ausgeschalteten Pixel haben

keine Spannung → TN 90° einsetzbar mit besserem Schalt- und Graustufenverhalten

Bla

FH

Pf



2.2.5.3 Vergleich von Passiv- und Aktiv-Matrix - Ansteuerung

Die geringe Spannungsdifferenz von

Uselect - Unonselect bei Passiv - Matrix

bewirkt :

- geringen Kontrast

- wenig Graustufen

- Ghosting von Pixel

- Übersprechen der Signale

- komplexe Ansteuersignale

- Signalverzerrungen

- geringe Muxrate erlaubt nur eine

geringere Auflösung

- lange Schaltzeiten

(eingeschränkt videotauglich)

- temperaturempfindlich : Farbe,

Kontrast, Graustufen, Spannung, ...

0

0

0

Contrast

U pixel

Udrive

passive matrix

active matrix

Ceff

(AM)

Ceff

(PM)

AM

PM

Storage capacitor !

Conductivity of LC

Tframe

1/1000 of frame period for SXGA

Zusammenfassung für Matrixansteuerung (auch für andere Technologien)

- nichtlineare Eigenschaften sind für die Multiplexansteuerung erforderlich

- Passiv-Matrix ist bei LCDs, EL und (O)LEDs nur für kleine Pixelzahlen geeignet

- deutliche Verbesserung aller Eigenschaften bei Aktiv-Matrix

- Passiv-Matrix ist bei Plasmadisplays aufgrund der starken Nichtlinearität und der

schnellen Schaltzeiten ausreichend

Vergleich Matrix Passiv Aktiv

typisches Kontrastverhältnis 20 : 1 200 : 1 Blickwinkel (CR > 5:1) horizontal 60° 130° vertikal 50° 80° Graustufen - + typische maximale Auflösung XGA UXGA Farbwiedergabe - + relativer Preis 1 2

Bla

FH

Pf



2.2.6 AMLCD - Modul

Nur 5 - 10 % des vom Backlight erzeugten Lichtes gelangen zum Betrachter, was

hauptsächlich vom Farbfiltern und den Polarisatoren verursacht wird

→ (quasi) aktiver Displaytyp

Bla

FH

Pf



Unterschied zwischen amorphem und polykristallinem Silizium für TFTs

amorphes Silizium wird bei 'normaler' TFT - Herstellung (CVD, Sputtern) 'erzeugt'

a-Si Poly-Si

geringe Elektronenbeweglichkeit Höhere Elektronenbeweglichkeit

erlaubt auf dem Glas integrierte Treiber

Glas kompatibler Niedertemperatur - Prozeß Hochtemperatur - Prozeß, erfordert

spezielles Glas oder Quarz

Großflächiger Prozeß (bis zu 30") Prozeß limitiert auf kleine Flächen

(bis zu 7")

Erfordert externe Treiber Erlaubt integrierte Treiber

Geeignet für mittlere bis große AMLCD-Panel Geeignet für kleine hochauflösende

AMCLD, z.B. 2" XGA für Projektoren

Alternativen: - laserbehandeltes a-Si (Spectra Physics)

- c-Si auf einem transparenten Substrat

Bla

FH

Pf



2.2.7 Ansteuerung von LCD - Modulen

Sieben - Segment direkt mit µC oder speziellem Controller

Alphanumerisch spezieller LCD Controller oder µC mit LCD - Ausgang

Kleingrafik spezieller LCD Controller

Hochauflösend Analoger Videoeingang oder Digitaltreiber

- RS 232- und Analog-Ansteuerung (geeignet bis QVGA) bei kleine Stückzahlen geeignet

- Ziel : Minimierung der Anschlußpins zur Elektronik

2.2.7.1 Sieben - Segment - Kleingrafik

Prinzip Bemerkung

IO-Pin von µC µC IO

- kein Multiplex

- Anzahl der µC-IO's

limitiert Digits

Multimeter-IC

7106Analog In

Spezieller IC mit

AD-Wandler

Character-

LCD µC HD 44780

ColumnDriver

- spezielle LCD-Controller

- teilweise in µC integriert

Grafik-

Controller µC HD 61830

ColumnDriver

CommonDriver

RAM

Mit Grafikbefehlen und

eingebautem Character-

Generator

Bit-Grafik

µC

ColumnDriver

CommonDriver

RAM

Der ganze Bildinhalt muß

im µC-RAM erstellt

werden und mit hoher

Datenrate zu den Treibern

übertragen werden

Bla

FH

Pf



Character-LCD - Module

Empfehlung : Typen mit eingebautem Character - Generator und Display RAM einsetzen

Versorgung /V Mux RAM /bit Segment Common

HD 44780 4,5 - 6.5 1 : 16 640 100 32

SED 1520 (*) 2,7 - 7,0 1 : 32 2560 122 16

(*) : auch für kleine Grafikanwendungen

Beispiel : LCD Charakter - Modul mit HD 44780

Bla

FH

Pf



Beispiel Befehl RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0

8 Bit Interface 0 0 0 0 1 1 0 0 0 03 * 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1 0 0 0 02 Zeilen, 5*7 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0Display an 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0Display CLS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Initialisierung

Eingabemode 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0Buchstabe ins

LCD RAM

'A' 1 0 0 1 0 0 0 0 0 1

2 Zeilen LCD mit HD 44780 Pin- and Controller kompatibles VFD

Bla

FH

Pf



2.2.7.2 Ansteuerung von Grafik-LCD - Modulen

Type Beispiel Pros Cons Typ. IC

Eingebauter

Controller

240 * 64 - einfach - wenig Fonts

- langsamer Bild-

aufbau

- HD 61830

- SED 1330

- T 6963

Modul mit

RAM

240 * 64 - geringe Leistungs-

aufnahme

- alles muß program-

miert werden

- Ansteuern mit

externem LCD-

Controller

- ca. 200 kB RAM für

4 Bit Graustufen

→ 16 Bit µC

Nur mit

Zeilen- und

Spalten-

treibern

320 * 240

(QVGA)

- Ansteuern direkt

vom µC

- Datenrate ~ MHz

- kein Font

- keine Grafik

- oft nur s/w

Color

Graphic

LCD's

VGA - Controller

verfügbar

- Preis

- PC - optimiert

- CL GD 62xx

- YG 610A

RS 232 Grafik - einfache Befehle - Preis

Analog-

eingang

QVGA -

UXGA

- kompatibel mit

analog PC-Karten

- Preis

- Bildqualität

PW 384

CL : CIRRUS LOGIC , T : TOSHIBA , YG : YAMAHA , PW : Pixelworks

Bla

FH

Pf



Ansteuerung über RS232 - Interface

Beispiel : LCD 128 * 64 von ELECTRONIC-ASSEMBLY (www.lcd-module.de)

Obiger Befehl zeichnet ein 128 * 64 großer Rechteck mit Ursprung rechts oben.

Bla

FH

Pf



2.2.7.3 Ansteuern von hochauflösenden LCD - Panels

Arten : - digitale Ansteuerung mit hohen Datenraten und speziellen Controllern

- Analogeingang mit AD-Wandler im LCD-Modul

Beide Arten sind sehr komplex, deshalb sind kommerzielle Lösungen zu bevorzugen,

besonders bei kleinen Stückzahlen (make or buy)

Panel mit Analogeingang

Spalten-treiber 1

240

Spalten-treiber 2

240

Spalten-treiber 3

240

Spalten-treiber 4

240

Gate-Treiber 1

120

Gate-Treiber 2

120

Clock-signale

R -V ideo-A /DR-Video-A/D

G-Video-A/DG-Video-A/D

B-Video-A/DB-Video-A/D

Frontplane-Signal

Spannungsversorgung fürLogik, Analogteil und Beleuchtung,

Referenzspannungserzeugung

S p a n n u n g s v e r s o r g u n g f ü r

L o g i k , A n a l o g t e i l u n d B e l e u c h t u n g ,

Referenzspannungserzeugung

Zeile

Spaltentreiberbank

Inverter und Dimmer für CFL

Inverter und Dimmer für CFL

Vss-Modulation

Buffer Buffer

Buffer Buffer

9 Analo g-Spannun gen fürColumn Treiber D/A

3 x 6 bitDaten

Clock,Latch,Invert

ControllerIC

ControllerIC

Sync-separator

Sync-separator

HsyncVsync

PLLNTSC/PAL

PLLNTSC/PAL

Synchronisation

Csync

R

G

B

Steuersi gnale

U1..U18

Regelun g:LC-Spannungen,Schwarzpegel,

Hellpegel, KontrastGraustufenentzerrung

Regelun g:LC-Spannungen,Schwarzpegel,

Hellpegel, KontrastGraustufenentzerrung

Bla

FH

Pf



Panel mit Digitaleingang

•

QVGAController

IC

QVGAController

IC

IC 1

Versor gungs-spannun gen

DC/DC-Wandler

Versor gungs-spannun gen

DC/DC-Wandler

IC 3

D/AD/A Buffer/Speicher

Buffer/Speicher

Funktionsdaten-Register (EE)PROM

Referenzspannungen für Graustufenentzerrung

Funktionsdaten-Register (EE)PROM

Referenzspannungen für Graustufenentzerrung

IC 2

Referenz-

spannun gen

parallele,digitale Schnittstelle

6 bit Rot

6 bit Grün

6 bit Blau

Hsync

Vsync

Clock

Wandler (extern) für Hinterleuchtung

5" QVGA320 x 240 (234)

Pixel Pitch: 320 µm

Datenrate

Datenrate = Auflösung * RGB Farben * Farbtiefe * Bildwiederholrate

Beispiel : XGA : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit * 60 Hz = 1,1 GBit/s

Norm Auflösung Pixel Clock / MHz

(Auflösung * Bildrate 60 Hz)

Datenrate / GBit/s

(8 Bit Farben)

VGA 640 * 480 18,5 0,45SVGA 800 * 600 28,8 0,7XGA 1024 * 768 47 1,1SXGA 1280 * 1024 78 1,9SXGAW 1600 * 1024 98 2,4UXGA 1600 * 1200 115 2,8HDTV 1920 * 1080 124 3,0UXGAW 1800 * 1200 130 3,1QXGA 2048 * 1596 196 4,7

Bla

FH

Pf



Ansteuerung von PC - kompatiblen Flachdisplays

Analog Digital

Prinzip

Pros - kompatible mit Standard - Grafikkarten - unbeeinflußt gute Bildqualität

- geringere Kosten falls Standard

Cons - Verlust an Bildqualität (DAC-ADC)

- höhere Kosten

- noch nicht Standard

- BIOS - Anpassung einzelner Typen

Vergleich industrieller digitaler Übertragungs - Standards

LVDS / TMDS PECL RS422/485 TTL

Datenrate /Mbps > 400 > 400 < 50 < 100Leistungsaufnahme gering mittel hoch hochEMV - Empfindlichkeit gering mittel mittel hochEMI - Emission gering mittel mittel hochSpannungshub /V 0,3 0,8 3,5 3,7Abschlußwiderstand 1* 100Ω 1* 100Ω +

2* 220Ω422 : 1* 100Ω485 : 2* 50Ω

Unter-schiedlich

Kabellänge /m < 15 < 1 < 1200 < 1Relativer Preis mittel hoch mittel gering

Standardkabel mit 20 - 50 Leitungen erlaubt nur Kabellängen bis 50 cm !

Ziel von LVDS und TMDS : Reduktion der Leitungszahl und größere Länge

- Verwendung von Twisted Pair

- Multiplexing - De-multiplexing

- 0 und 1 sind als Spannungsdifferenz anstelle vom Pegel (low, high) definiert

- 'kleine' Kabel sind bei Laptops notwendig

- LVDS wrd auch bei Digitalkameras eingesetzt

- Problem : Statische Aufladung der Leitungen falls viele '0' oder '1' hintereinander

übertragen werden → Bitinversion

- beide Übertragungsverfahren sind etabliert

Bla

FH

Pf



2.2.8 Hinterleuchtung von LCDs

Notwendig bei transmissiven und transflektiven LCDs, vor allem bei Farb - LCDs

Anforderungen

- hohe Leuchtdichte - gleichmäßige Leuchtdichte - dimmbar ohne Flackern

- niedrige Leistungsaufnahme - geringer Raumbedarf - niedrige Bauhöhe

- geringes Gewicht - geringe Wärmeentwicklung - freie Farbwahl

- weiter Temperaturbereich - hohe Lebensdauer - niedriger Preis

aber: diese Anforderungen sind (wie überall) nicht gleichzeitig erfüllbar !

HL-LED CCFL EL

Farben R,G,B, orange, gelb Weiß

(Farbe mit Filtern)

R,G,B, orange,

gelb, weiß

Leuchtdichte bei seit-

licher Einkopplung

≈ 50 cd/m² ≈ 150 cd/m² nicht möglich

Leuchtdichte bei Ein-

kopplung von unten

≈ 150 cd/m² ≈ 1200 cd/m² ≈ 50 cd/m²

Betriebsspannung 2 – 5 V pro LED 300 – 1300 V AC 50 – 200 V AC

Wechselspannung DC 30 – 100 kHz 200 – 1000 Hz

Helligkeitsregelung einfach aufwändig eingeschränkt

Leistungsaufnahme mittel - hoch gering gering

Wärmeentwicklung mittel - hoch gering – mittel gering

L pro mA @ 5V ≈ 0,3 cd/m² ≈ 2,5 cd/m² ≈ 1,25 cd/m²

Betriebstemperatur - 40 ... + 85 °C - 30 ... + 85 °C 0 ... + 50 °C

Lagertemperatur - 55 ... + 85 °C - 40 ... + 85 °C - 30 ... + 60 °C

Lebensdauer (L 50%) ≈ 120.000 h ≈ 70.000 h ≈ 10.000 h

Ausfallursachen Unterbrechung

LED-Bond, Lötstellen

Inverterelektronik,

mechanische

Schäden

Inverterelektronik

Bautiefe 1,5 – 7 mm 5 – 20 mm 0,7 – 1,5 mm

Bemerkung evt. auch OLED bzw.

PLED

Dimmung aufwändig Inverterfrequenz

im Hörbereich

Bla

FH

Pf



LED

CCFL

EL

Bla

FH

Pf



2.2.9 Kontaktierung von LCDs

- Kontaktierung ist notwendig für Anschluß des Displaymoduls an die Ansteuerelektronik

- Ziel ist die Reduzierung der Kontaktzahl zur 'Außenwelt'

z.B. Farb-VGA : 3 * 640 + 480 = 2400 Anschlüsse zu den Treibern auf dem Glassubstrat

typische Pixeltriplet-Breite 0,3 mm (RGB) = 0,1 mm pro Farbsubpixel (Dot)

minimal handelsüblich 8" VGA (4:3 Seitenverhältnis) → Breite ca. 160 mm

→ Pitch beträgt dann 160 mm / (640 * 3) = 0,08 mm = 80 µm

Technologien

PIN Zebra Heat Seal COG

Dicke - - O +Länge / Breite - - + -Einsatzgebiete Segment Alphanumerisch,

KleingrafikGrafik Grafik

Wärme / Feuchte O - O +Kosten - - O +Kontakt mit PCB löten Druck kleben / Druck anisotroper

LeitkleberVorteile einfach einfach einfach,

biegsamesAnschlußkabel

kleiner Pitch

Nachteile Baugröße, nurgroßer Pitch

Handmontage aufwändig

Vergleich der Pitch - Abstände

Pitch /µm 50 100 200 400 >1000

Pin

Zebra

Heat Seal

TAB

COG

Bla

FH

Pf



Pin - Connector

Zebra Heat Seal

Chip on glas (COG)

Bla

FH

Pf



2.3 Plasma Displays

- einzig kommerziell verfügbare Flachbildtechnologie mit großer Bilddiagonale

(≥ 42’’, Auflösung ≥ VGA, Bildformat 16:9)

- Lichterzeugung durch Plasmaeffekt (vergleichbar den Neonröhren)

- Farberzeugung durch Phosphore auf der dem Betrachter zugewandten Seite (vgl. CRT)

- Effizienz um etwa 2 Größenordnungen kleiner als bei Leuchtstoffröhren

Prinzip

- Zünden des Plasmas

erzeugt UV-Licht, das

vom Phosphor in sicht-

bares gewandelt wird

- Adressleitungen = Spalte

- horizontale Busleitungen

als Zeilen- und Halte-

elektrode

- Zeilenelektroden sind

einzeln selektierbar

- alle Haltelektroden sind

kammförmig miteinander

verzahnt

- 3 Subpixel (RGB) mit

entsprechenden

Phoshoren

Bla

FH

Pf



Prinzipielles Ansteuersignal

- Ansteuerung: Wechselspannung von etwa 500 V und 50 kHz

- zwischen Zeilen- und Halteleitung liegt ständig eine subkritische Spannung

- Plasmazündung durch Spaltenleitung (Matrixprinzip)

- Wechselspannung Uwall erzeugt Lichtpulse

- Graustufen durch Subframes unterschiedlicher Dauer

Bla

FH

Pf



Blockdiagramm

Bla

FH

Pf



2.4 Vakuumfluoreszenz - Technologie

- flache Elektronenstrahlröhren

- waren in den ersten Taschenrechnern, später von LCDs verdrängt (Stromverbrauch)

- heute in Haushalts- und HiFi-Geräten bzw. US-Autos (Uhren) etabliert

Funktionsweise

- Triodenprinzip der Elektronenröhre

- Kathode (10 µm dicke Heizfäden) verdampft Elektronen

- beschleunigt durch Gitterspannung (ca. 50 V)

- Gitter hat charakteristische Wabenstruktur

- phosphorbeschichtete Anode (ca. 100 V liegt) zur Fluoreszenz - Anregung

- Lichterzeugung auf der dem Betrachter zugewandten Seite

- Leuchtdichte bis zu 30.000 cd/m²

- großer Blickwinkel, hoher Kontrast, große Lebensdauer

- nachteilig ist das schlechte Verhältnis von aktiver Displayfläche zu mechanischer Größe

- eingeschränkte Farbtauglichkeit

Seitenansicht

Bla

FH

Pf



Aufbau

Beispiele

VFD- 7 - Segment + Symbole für

Mikrowellenherd (Spende FUTABA)

VFD 4*20 Zeichen

(LCD - kompatibel)

(Spende NORITAKE)

Farbanzeige SAMSUNG

Grafikdisplays ebenfalls möglich

Bla

FH

Pf



Ansteuerprinzip

oft mit LCD - kompatiblem Interface

Beispiel für 4 Ziffern - Anzeige

Bla

FH

Pf



2.5 (O)LEDs

Technologieunabhängig : kürzeste Schaltzeiten und höchste Leuchtdichte (Multiplex !)

2.5.1 Halbleiter-LEDs

- Halbleiterbauelement, daher Umwelteinflüsse (T, Vibration) weitgehend unkritisch

- Nichtgleichgewichts - Zustand (mehr Ladungsträger im Leitungs- als im Valenzband)

- der typische Wirkungsgrad nimmt mit der Wellenlänge zu :

Farbe blau grün rot IR

ηext 0,0005 0,001 - 0,01 0,01 - 0,2 0,05 - 0,3

Schichtaufbau Abstrahlcharakteristik

Spektrale Emission (OLED ähnlich)

Abstrahlwinkel ist begrenzt durch

Totalreflexion, kann durch diffuse

Strukturen vergrößert werden

Bla

FH

Pf



7-Segment - Anzeigen

Bei großen Ziffern werden pro Segment mehrere LEDs in Reihe geschaltet.

Ansteuerung mit LED - Controller

Bla

FH

Pf



Matrixanzeigen

Die Spanne reicht von kleinen

Modulen bis hin zu daraus

aufgebauten farbigen Videowänden

mit einer Fläche 1 - 50 m² mit Kosten

von ca. 50.000 DM/m²

Beispiel Außenanzeige ICE2

Hohe Leuchtdichte der Einzel - LED erforderlich

wegen Zeilenscan

VGA : 640 * 480 * 3 = 921.600 LEDs mit Leistungsaufnahme (2V, 20 mA) : 37 kW !!

Bla

FH

Pf



2.5.2 Neue LED-Materialien

Schichtaufbau Effizienz *

/ Lm/W

Leuchtdichte **

/ cd/m² @ 6V

Orga-

nische

LED

(OLED)

ca. 5 V

Kathode: Alu

Elektronentransportierendeund lichterzeugende Schicht

Löchertransportschicht

ITOGlas

~ 10 1.000

Light

Emitting

Polymer

(LEP)

ca. 5 VKathode: Alu

Polymerschicht

ITOGlas

~ 10 5.000

(*) : Tendenz steigend, Vergleich: Glühbirne 20 Lm/W ; Neonröhre 70 Lm/W

aber CRT 1 Lm/W, AMLCD: 2 Lm/W

(**) : Tendenz steigend, OLEDs und LEPs bis 106 cd/m² im Labor

- derzeit Lebensdauer ≈ 5.000 h und Kfz-Temperaturbereich möglich (OLED-Autoradio)

- Herstellung

- OLED im Vakuum bzw. unter Inertgas - Atmosphäre mit Schattenmasken

- LEP mit InkJet - Druckverfahren oder Spincoaten

Pros Cons

- niedrige Betriebsspannung

- multiplexbar (Schaltzeit und Leuchtdichte)

- geringerer Stromverbrauch als HL-LED

- großer Blickwinkel (> LCD und HL-LED)

- Flachdisplay

- selbstleuchtend mit hohem Kontrast

- größtes Potential aller neuen Technologien

- Verfügbarkeit

- geringe Lebensdauer vor allem bei

hohen Leuchtdichten

- wenig Erfahrung

- 'Rennen' zwischen OLEDs und LEPs

noch offen

Bla

FH

Pf



OLED Duty-Cycle - Leuchtdichte

0

200

400

600

800

2 3 4 5 6 7

Spannung /V

Leuc

htdi

chte

/cd/

m² Gleichspannung

1 : 1

1 : 4

1 : 40

- hohe Leuchtdichten für Passiv - Matrix OLEDs erforderlich

- getaktete Leuchtdichte ∼ Tastverhältnis

Matrix - Anzeigen

- Passiv - Matrix

- Aktiv - Matrix

2 polykristalline TFTs pro Subpixel erforderlich !

Bla

FH

Pf



2.6 Elektro - Lumineszenz - Technologie

- selbstemittierende Festkörperbauelemente → robust

- einfacher Aufbau

- Elektro - Luminenszenz - Schicht aus dotiertem ZnS (Phosphoreigenschaften wie CRT)

- Phosphor - Schichtdicke ca. 1 - 100 µm, d.h. auch transparente Displays möglich

- Anregung leuchtfähiger Zentren durch Elektronen (Feldstärke ~ 105 V/cm)

- Anwendungen : Matrix - Displays, Folien zur LCD- und Schalter - Hinterleuchtung

- Folien kostengünstig durch Siebdruckverfahren herstellbar

- keine Blickwinkelabhängigkeit

Ansteuerparameter

- unterschiedlichen Spannungen für RGB erschweren die Realisierung von Farbanzeigen

- hohe Spannungen → teure Treiberbauelemente

- relativ geringer Wirkungsgrad

Bla

FH

Pf



Matrixaufbau für (Farb-) Displays

Prinzip wie Passiv - Matrix LCDs

monochromes EL - Display

(Spende PLANAR)

Farbige EL - Matrixanzeigen können durch RGB - Phosphore oder durch 'Farbe aus Weiß'

(weißes EL - Licht wird durch RGB - Filter 'farbig') realisiert werden. RGB - Farben sind nicht

in ausreichendem Maße verfügbar → Entwicklung fast überall gestoppt

EL - Folien

- flexibel

- für Flächenanzeigen (Symbole) oder

zur LCD - Hinterleuchtung

- Kapazität Caktiv 0,3 - 0,6 nF/cm² (@ 150 VAC, 400Hz )

- Kapazität ~ Leuchtfläche

→ Inverterbelastung ~ Leuchtfläche

- praktisch nur Blindstrom

→ keine Erwärmung der EL - Folie

Bla

FH

Pf



Treiber für EL - Folien

- Kosten, Gewicht, Volumen, Zuverlässigkeit, Wirkungsgrad

- Stromform: Rechteck (Streß des Systems), Puls, harmonisch

- Einstellbare Parameter: Frequenz, Spannung

- geregelter oder gesteuerter Betrieb: Ausgangsspannung oder Leuchtdichte

- Überwachung: Strom (Schutz EL und Inverter), Übertemperatur, Spannung

- dimmbar

- Abgleich der Initialhelligkeit

EL - Treiber - Technologien

Prinzip Merkmale

Rechteck-

Inverter

- 'Rechteck' streßt EL

- einfacher Aufbau

- nicht dimmbar

Selbst-

schwinger

- sinusähnlichen Strom

- Wirkungsgrad durchschnittlich

- kostengünstig

- gute EMV - Eigenschaften

- nicht dimmbar

- Parallelbetrieb zur Leistungssteigerung

und Redundanz

PWM -

Inverter - Frequenz einstellbar

- idealer, harmonischer Stromverlauf

EL-Treiber

mit

Transfor-

mator

- hoher Wirkungsgrad

- galvanische Trennung

- dimmbar

Bla

FH

Pf



3. Messungen

Notwendig für - Evaluierung

- Messung der Applikations - Anforderungen

- Vergleich unterschiedlicher Displays und Technologien

- ...

hier : Schwerpunkt auf optischen Parametern

Weitere Aspekte - Ansteuerung, EMV, Stromversorgung, Temperatureffekte, Vibration, ...

- Schaltzeiten z. B. bei Passiv - Matrix LCDs (STN)

- ...

Grundlegende (elektro-) optische Meßparameter

- Leuchtdichte *

- Kontrast *

- Farbe *

- CRTs : Bildgröße, Linearität, Konvergenz, Spot, ...

- ...

(*) : Parameter für Messungen mit Umgebungslicht

Bedingungen - Einschalten

- Gleichmäßigkeit

- Blickwinkel

- Langzeitstabilität

- Lebensdauer

- Temperatur

- ...

L

t 9 - P un kt - Mess ung

D is p lay x

y

z

Φ

θ

0 ° / 3 °°

90 ° / 12 °°

180 ° / 9 °°

2 70 ° / 6 °°

Bla

FH

Pf



3.1 Leuchtdichte

- [L] = cd/m²

- Leuchtdichte ist der wichtigste Parameter bei optischen Displaymessungen

- Messungen z. B. maximale Leuchtdichte, Gleichmäßigkeit, Graustufen, Blickwinkel, ...

- Meßwert für Kontrastbestimmung (s. u.)

- die maximale Leuchtdichte ist ein Marketingargument für LCD - Monitore, dies ist aber

nicht das entscheidende Äquivalent für die Ablesbarkeit (siehe Umgebungslicht)

- Meßprinzip : lichtempfindlicher Sensor mit Augenempfindlichkeitskurve V(λ)

- Meßgeräte : - einfache Sensoren, oft mit PC - Interface für automatischen Test

- Farbmessgeräte

- Leuchtdichte (Sender) nicht mit Helligkeit (Empfänger) verwechseln !

Applikationsanforderungen typische Leuchtdichte / cd/m²

Luftfahrt, Militär, Präsentation 5000

CAD, CAE, Multimedia, Simulation 300

Vergleich - Sonne am Mittag

- Mond

- Glühbirne

- Xenon - Lampe

108 cd/m²

102 cd/m²

105 cd/m²

108 cd/m²

Bemerkungen - die meisten Firmenangaben beziehen sich auf Dunkelheit

→ Sensor direkt auf Bildschirmoberfläche (Abschirmung)

- Meßfleck ≥ 25 Pixel für Monitore, sonst Einzelpixel - Messung

- maximale Leuchtdichte wird oft in Bildschirmmitte gemessen

- Gleichmäßigkeit ist bei Videobeamern oft unbefriedigend :

heller Spot in der Mitte und starker Abfall zum Rand

Bla

FH

Pf



3.2 Kontrast

- Verhältnis der Leuchtdichte von weißen und schwarzen Pixeln oder Fläche

- Berechnung über Leuchtdichtemessungen

- unterschiedliche Bezeichnungen : - Pixel / Fläche weiß : on, select, bright

- Pixel / Fläche schwarz : off, non-select, dark

- Umgebungslicht hat starken Einfuß auf den Kontrast (s. u.)

Kontrastverhältnis

off

onR L

LC =

Beispiel: Papier ca. 10 : 1

Bemerkungen : - Angabe üblich als großer Wert : kleiner Wert

- menschlicher Bereich : CR = 3 : 1 - 500 : 1

- CR ≈ 10 : 1 wird für ermüdungsfreien Sehen empfohlen (Papier !)

- große Kontraste 'blenden' (entgegenkommendes Auto bei Nacht) !

- Meßwerte kritisch beurteilen, da relativ großer Meßfehler bei Loff

Messungen

LCD CRT

0

30

60

90

120

150

-40 -20 0 20 40

Angle /°

LCD Contrast Ratio @ 0lx / Horizontal Scan

- Blickwinkel nur mit Kontrastangabe !

- CR bis typ. 300 : 1

- Modulations Transfer Funktion

('0 - 1' - Zyklen pro mm)

- Kontrast durch Video-Bandbreite limitiert

Bla

FH

Pf



3.3 Farbe

'Das menschliche Sehen kann als Strahlungsdetektor mit Signalverarbeitung und adaptiven

Fähigkeiten beschrieben werden. Demzufolge sind objektive Meßverfahren zur Bestimmung

von Farben notwendig'

Beispiele : -

-

-

Beleuchtung in Lebensmittelgeschäften bei Fleisch und Obst oft rötlich um

einen 'frischen' Eindruck hervorzurufen

Bekleidungsgeschäfte haben Tageslichtfenster zur Anprobe

elektronische Kameras benötigen Weißabgleich für 'natürliche' Farben

Notwendigkeit für Farbmessungen :

- menschliches Sehen ist nur deskriptiv

- Farbeindruck hängt von der Beleuchtung ab

- unterschiedliche Eingangssignale (Spektren) können dasselbe 'Farbsignal' hervorrufen

Color Management - durchgängige Farbtreue vom Display oder Scanner zum Drucker

→ Notwendigkeit für Farbmessungen und Standardbeleuchtung

- Beispiel: Firmenlogo sollte weltweit identisch sein, auch bei

unterschiedlichen Materialien und Umgebungslicht

'Weiße' Spektren verschiedener Displaytechnolgien

CRT LCD LED

Spectrum CRT white

380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm

rel.

Inte

nsity

Spectrum LCD white

380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm

rel.

Inte

nsity

Spectrum LED white

380 420 460 500 540 580 620 660 700wavelength /nm

rel.

Inte

nsity

→ - welches Display zeigt das 'wahre' Weiß ?

- Farbsysteme zur Farbbestimmung und -vergleich sind demzufolge notwendig !

Bla

FH

Pf



3.3.1 CIE 1931 - Farbraum

- CIE : Commission Internationale d'Éclairage, 1931 : Jahr der Standardisierung

- CIE 1931 wird trotz einiger Schwächen heute noch verwendet

- auch als 'Lxy' bezeichnet in logischer Übereinstimmung mit anderen Farbmodellen

- Farbkoordinaten für - Gamut (Farbumfang)

- Color Management

- Blickwinkelabhängigkeit von LCDs

- Farbkodierung (Human Machine Interface)

- Einfluß von Umgebungslicht

Meßverfahren für CIE - Werte

- Messung der spektralen Emission eines beleuchteten oder emissiven Gerätes

- Multiplikation des Spektrums mit Normspektralwertfunktionen x (rot),y (grün),z (blau)

- Ergebnis sind die CIE Tristimulus Werte X, Y, Z, welche dann transformiert werden

- ZYX

Yy;

ZYXX

x++

=++

= (links mit RGB - Dreieck für Bildschirme)

Farbdifferenzen sind bei CIE 1931 koordinatenabhängig (MacAdam Ellipsen, rechts) :

starke Empfindlichkeit bei Blau für kleine Differenzen ∆x und ∆y im Gegensatz zu Grün

Bla

FH

Pf



3.3.2 Neuere Farbnormen

CIE 1976 UCS (Uniform C hromaticity S cale)

- lineare Transformation der Normfarbwerte XYZ

- alternative Bezeichnung Lu'v'

- zur Displaymessung empfohlen gemäß ISO 13406-2

- Transformation

3y12x2y9

Z3Y15XY9

'v

3y12x2x4

Z3Y15XX4

'u

++−=

++=

++−=

++=

0,3

0,4

0,5

0,6

0,1 0,2 0,3 0,4u'

red

white

blue

yellow

green

cyan

magenta

primaries and color inks ; perpendicular view

v'

CIE 1976 UCS LCD 0Lx

1976 CIELAB und CIELUV

- nichtlineare Transformation von XYZ

- konstante Farbdifferenzen → Farbabstandsformel

- CIELUV( ) ( )

( ) ( ) ( )222uv

nn

31

n

*v*u*L*E:differencecolor

Whiteforvalue:'n'index;UCSCIE1976:'v,'u

'v'v*L13*v;'u'u*L13*u;11616

YY

116*L

∆+∆+∆=∆

−=−=

−

=

- ∆E = 1 ist erkennbar, ∆E > 5 deutlich sichtbar

- auch als L*a*b* bzw. L*u*v* bezeichnet

Bla

FH

Pf



RGB - Farbraum

- RGB : additive Farbmischung der Primärfarben

- CMYK : subtraktive Mischung z.B. Drucker

- Anwendung bei elektronischen Displays zur Farbgenerierung

- aber Messung nach CIE

- relative Werte 0 ... 1 (z.B. 0 ... 255 für 8 Bit Grauskala)

- R = G = B = 1 : weiß

Meßgeräte zur Farbbestimmung

Monochromator Colorimeter

Prinzip Spektrum wird als Intensität für jede

Wellenlänge gemessen. Die

Farbkoordinaten werden gemäß

dem Farbmodell berechnet.

Licht wird mit 3 Sensoren mit speziellen

Filtern (Normspektralwert - Funktionen)

gemessen. Die Farbkoordinaten werden

gemäß dem Farbmodell berechnet.

Pros Hohe Genauigkeit Schnell, billig

Cons Langsames Meßverfahren Begrenzte Genauigkeit

Ein 'vernünftigen' Kompromiß ist ein Spektroradiometer , welches das komplette Spek-trum

mit einem Zeilensensor simultan mißt. Dies stellt ein schnelles, genaues und gün-stiges

Meßverfahren dar, bei dem das Display durch ein Objektiv angepeilt werden kann.

Bla

FH

Pf



3.4 Farberzeugung bei Elektronischen Displays

- gemeinsames Prinzip : additive Farbmischung mit RGB Subpixeln

- Anordnung der Pixel hängt von der Technologie ab

- Direktsicht - Displays haben sequentielle Subpixel, bei 3-Panel-Beamern übereinander

3.4.1 CRT Maskentechnologien

Lochmaske Schlitz - Streifen - Maske Streifenmaske

- Effekte der Pixelkonfiguration s. u.

- Aufgabe: Auftreffen jedes Farbstrahls nur auf dem betreffenden Phosphor (Konvergenz)

- diese Schattenmasken können sich erwärmen, schwingen, ... → Bildqualität sinkt

3.4.2 Flachdisplay - Pixelanordnung

Direktsicht (links)

Bei 3 - Panel - Beamern liegen

die drei Farb - Subpixel auf der

Leinwand übereinander !

→ höhere Bildqualität

Bla

FH

Pf



3.4.3 Vergleich CRT - Flachdisplay

- die Bilder zeigen alle 'Weiß'

- bei der Streifenmaske ist in der Mitte ein Stabilisierungsdraht sichtbar

- Streifenmasken habe eine höhere Leuchtdichte als Lochmasken

- Bildunschärfe bei CRTs durch Gaußförmiges Strahlprofil (wirkt verbreiternd)

CRT Lochmaske CRT Streifenmaske Flachdisplay (LCD)

CRT-Bilddiagonale bezeichnet die gesamte Röhrengröße inklusive den nicht sichtbaren

Bereichen. Nach DIN muß demzufolge die sichtbare Diagonale in 'cm' angegeben werden

bei Flachdisplays : sichtbare Diagonale - Panelgröße

Beispiel : 17" CRT entspricht von der sichtbaren Fläche einem 15" Flachdisplay

Bla

FH

Pf



Bildanpassung bei verschiedenen Auflösungen und Bildfrequenzen

- Darstellung verschiedener Auflösungen, z.B. Video auf XGA - Bildschirm

- CRT - Multisync - Monitore sind hier weitgehend problemlos einsetzbar

- bei Flachdisplays ist die Pixelzahl fix, d.h. verschiedene Auflösung sind 'anzupassen'

→ Scaling - Prozessoren zur Anpassung

Tip: beste Bildqualität wenn Signalauflösung = Displayauflösung

Anpassung der Auflösung (Pixelzahl)

Beispiel : SVGA Beamer : XGA komprimiert, VGA und Video expandiert → Artefakte

Kompression (nicht maßstäblich) Expansion (nicht maßstäblich)

- bei Farbbildern treten auch Farbverschiebungen auf

- weitere erforderliche Maßnahmen bei Multimedia - Wiedergabe :

- De-Interlacing (interlaced Standard-Video → non-interlaced CRT oder Flachdisplay)

- Frame Rate Conversion (50 Hz Video → 75 Hz CRT-Monitor oder 60 Hz LCD)

Bla

FH

Pf



Graustufen

... zur Darstellung von Bildern und Grafiken; Kleinanzeigen können nur '0' - '1' !

Video RAM = Auflösung * 3 (RGB-Farben) * # Bit Graustufen

Beispiel : 1024 * 768 * 3 * 8 Bit = 18,9 MBit = 2,4 MByte

Grafikspeicher

/MByte

Graustufen 4 Bit 8 Bit 16 Bit 24 Bit(8 bit per color)

Resolution Farbanzahl 16 256 65.565 16.7 106

VGA 640*480 0,15 0,3 0,6 0,9

SVGA 800*600 0,24 0,47 1,0 1,4

XGA 1024*768 0,39 0,78 1,5 2,4

Elektro - optische Kurve für CRTs und LCDs

(Flach) Displays sind aufgrund Standardisierung an die CRT-Kurve anzupassen !

Bla

FH

Pf



3.5 Öffnungswinkel und Blickwinkel

- hauptsächlich für LCDs relevant

- 'Öffnungswinkel' (Kegel) bezeichnet die geometrisch auftretenden Maximalwinkel (2D)

- 'Blickwinkel' bezeichnet nur 1 Dimension (1D), z.B. horizontal oder vertikal

- die Blickwinkelabhängigkeit reduziert den Kontrast und den Farbumfang

- Aktiv - Matrix LCDs (TN) haben größere Blickwinkel als Passiv - Matrix STN - LCDs

Beispiel für Iso - Kontrast Plot

Berechnung des 'Viewing Cone' aus

Betrachtungsabstand und

Bildschirmgröße

Wird sinngemäß auch für

Farbverschiebungen verwendetcontrast

10 : 1

20° 40°θ

Φ90° / 12°°

180° / 9°°

0° / 3°°

270° / 6°°

viewing conefor 17" at 50 cm

15°

Messgeräte

GonoScope ConoScope

Pros - 'Open frame' für Messungen mit

'beliebigen' Umgebungslicht

- billiger Sensor

- einfache 1D - Blickwinkelmessung

- schnelles Verfahren (~ 30 sec) zur

Bestimmung des Iso-Kontrast Plots

Cons - hohe mechanische Präzision

- Meßdauer (≈ 2 Stunden für

Iso - Kontrast Plot)

- teuer

- 'ungenauer' Sensor (CCD)

- nur Umgebungslicht - Simulation

Prinzip

Bla

FH

Pf



3.6 Umgebungslicht : Effekte und Optimierung

- Reflexionen des Umgebungslichtes auf dem Bildschirm 'überschreiben' dessen Inhalt

- alle Reflexionen (auch geringe) reduzieren Kontrast, Farbumfang und Graustufen

Beispiel : Umgebungslichtbedingungen für Automobil -

Ambient Bri ghtness on Instrument Cluster

1 10 100 1.000 10.000 100.000

Ambient Bri ghtness /lx

direct sunlight

ambient sunlight

clouds

city by night

night outside city

Kontrast - Umgebungslicht - Displayart

Contrast ratio =

3 : 1

500 : 1

Passive

Active

1 10 100 1000

Humanviewingrange

Backlight

Luminance of selected pixel

Luminance of nonselected pixel

Dimming

0.1

Rods & cones ConesAmbient li ghtdensit y / cd/m²

OutdoorIndoorNight

Rods < 10-3

- Aktive Display sind bei Umgebungslicht schlecht ablesbar, passive bei Dunkelheit

- durch Backlight und Dimmung sollte ein Kontrast von ca. 10 : 1 erzielt werden

Bla

FH

Pf



Kontrastverhältnis bei Umgebungslicht

reflectedoff

reflectedonR

lightambientoff

onR LL

LLC

L

LC

++

=→=+

Anmerkung : In den meisten Spezifikationen und Anzeigen wird das Kontrastverhältnis bei

absoluter Dunkelheit angegeben, was wenig praxisrelevant ist.

Messergebnisse bei Umgebungslicht

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1 10 100 1000 10000

Ambient Bri ghtness /lx

Contrast ratio relative to 0 lx

Transflective LCD

Transmissive LCD with high power backlightTransmissive LCD,

CR, Plasma, EL

Emissive Displays sind bei

starkem Umgebungslicht nicht

mehr ablesbar. Transmissive

LCDs können mit starkem

Backlight auch im Hellen noch

abgelesen werden. Passive

Displays sind am besten !

Anmerkung: Das Backlight des

transflektiven LCDs ist etwas

zu schwach.

Graustufen

-2,5

-2

-1,5

-1

-0,5

0

-1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0

log (Gray Scale)

0 lx

50 lx

200 lx

1000 lx

2000 lx

gamma = 2.3

log (Luminance)

normalized values

Ambient Li ghtGCfAbi Ill i i

Bei starkem Umgebungslicht sind kleine Graustufen (dunkle Bildteile) nicht mehr

unterscheidbar. Bei LCDs werden 'Schatten' auch bei 0 Lux schlecht aufgelöst !

Bla

FH

Pf



Blickwinkel - Kontrast und Farbe bei LCDs

Beleuchtungsstärke

| Leuchtdichte L on Farbe

0 lx

LCD 0 lx Horizontal Scan

0

20

40

60

80

100

-40 -20 0 20 40

Angle /°

Lon /cd/m² CIE 1931 LCD 0lx Horizontal Scan

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,2 0,4 0,6x

y

1000 lx

LCD 1000 lx Horizontal Scan

0

40

80

120

160

200

-40 -20 0 20 40Angle /°

Lon /cd/m²

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6x

y

LCD CIE 1931 1000 lx Horizontal Scan

Einfluß auf die Leuchtdichte und den Kontrast

- Umgebungslicht aus einer bestimmten Richtung erhöht die Leuchtdichte selektiv

- an der Reflexionsstelle wird der Kontrast stark herabgesetzt

Einfluß auf die Farbe

- die Farben des Displays (hier RGB) werden zum Farbort der Beleuchtung verschoben

- bei weißem Licht spricht man vom 'Ausbleichen' der Farben

Blickwinkelabhängigkeit des Kontrastes und die Farbverschiebung müssen bei graphisch -

gestalterischen Aufgaben und Bildbearbeitung an LCD - Monitoren besonders beachtet

werden, ebenso wie der Einfluß von Umgebungslicht !

Bla

FH

Pf



Anti - Reflexions - Maßnahmen

- alle Displays reflektieren das Umgebungslicht mehr oder weniger stark

- das reflektierte Licht addiert sich zur der vom Display erzeugten Leuchtdichte

Ausnahme sind reflektiv arbeitende Displays

- es gibt mehrere Methoden zur Entspiegelung

- Theorie: senkrechter Einfall auf Displays in Luft 2

1'n1'n

r

+−= mit n' für das Display

typischer Wert Luft - Glas : r ≈ 0,05 (5%)

Methoden

Antireflex-Schicht Polarisation Rauhe Oberfläche 'Jalousie'

Pros - gute Wirkung - Kontrast kann

verdoppelt

werden

- billig

- geringer Verlust

an Leuchtdichte

- billig

- eingeschränkter

Blickwinkel

(gut bei ATMs)

Cons - Farbfehler

- Verkratzen

- Preis

- empfindliche

Oberfläche

- Leuchtdichte-

einbuße

- Reflexion des

Polarisators

- Unschärfe - geringe Trans-

mission (0,3-0,7)

- eingeschränkter

Blickwinkel

Prinzip

Bla

FH

Pf



4. Technologievergleich

Display - Technologie und anwendungsspezifischen Parameter müssen zu dem Optimum für

das zu entwickelnde Produkt verknüpft werden (siehe Magic Circle) !

4.1 Vergleich multimediafähiger Direktsicht - Technologien

|Ca.-Kosten

Technologie Video Kontrast weitere Vorteile Nachteile Potential in DM/"

CRT ++ +

Preis,

großes Format,

Blickwinkel,

Lebensdauer

hohe

Leistungsaufnahme,

hohe Spannungen,

Bautiefe, EMV,

Einbrennen

gering 20

Passiv LCD o -

Billig, reflektiv für

outdoor,

Leistungsauf-

nahme

Blickwinkel,

Temperaturbereich

active adres-

sing, anti-ferro-

elektrische LCD

40

AM LCD ++ ++

Blickwinkel,

Leistungsauf-

nahme, reflective

TFT, IPS

teurer als Passiv-LCD,

Lichtverlust durch

Apertur

Integrierte

Treiber bei

poly-Si,

Preis ↓

60

Plasma + ++

Großes Format,

Blickwinkel

teuer,

hohe

Leistungsaufnahme

PALC 200

EL - - ++

Mittleres

Leistungs-

vermögen

keine Videofarben,

Einbrennen Videofarben 150

VFD - ++ Blickwinkel,

Lebensdauer

hohe Spannungen,

Bautiefe, Gewicht

gering 300

FED - + Einfacher Aufbau hohe Spannungen Diamant FED 200

Fazit : Eine universell einsetzbare und optimale Displaytechnologie für alle Anwendungen

existiert (noch) nicht !

Bla

FH

Pf



4.2 Industriemonitore

- Monitor, welcher in industrieller Umgebung genutzt wird, also auch ein 'Büromonitor'

oder ein speziell als 'Industriemonitor' entwickelter und gefertigter Bildschirm ?

- Veredelung aus Preisgründen von Büro- zu Industriemonitoren :

Blech- statt Plastikgehäuse, ... bereits ausreichend ?

- unterschiedliche Einsatzmöglichkeiten:

- Einsatz in der Warte mit 'Rund um die Uhr' - Betrieb

- Einsatz zur Bedienung vor Ort (Vibration, EMV, Temperatur, ... , ggf. Ex-Fähigkeit)

Typische Anforderungen und Eigenschaften für Büro- und Industriemonitore

Anforderung Büro Industrie

Ausfallsicherheit eher gering hoch

Einschaltzeit pro Tag < 8 h 8 - 24 h

Lebensdauer 3 Jahre > 5 Jahre

Verfügbarkeit < 12 Monate 5 Jahre

Temperaturbereich 5 - 40 °C 0 - 70° *

Vibration gering 3 g, 5 - 150 Hz

Schock gering 100 g , 10 ms Halbsinus

EMV eher gering ja

Ex-Fähigkeit nein machbar

Statischer Bildanteil niedrig hoch

Bilddiagonale ≥ 17" ≥ 10"

Tageslichttauglichkeit nein ggf. ja **

Stecker, Kontakte low cost professionell

Schutzart niedrig bis IP 65

Relativer Preis bezogen auf

einen CRT-Büromonitor

relativ hierzu AMLCD

1

2 - 3

3

5 - 7

(*) : Leitwarte, Schaltschrank (**) : z.B. Schienenfahrzeuge

Bla

FH

Pf



Vergleich verschiedener Technologien bezüglich Industrieanforderungen

Technologie CRT LCD Plasma EL VFD FED

Leuchtdichte /cd/m² 100 300 200 150 1000 200

Tageslichttauglichkeit nein bedingt * bedingt möglich möglich bedingt

Einbrennen bzw.

Imagesticking

ja ja ja ja ja ja

Blickwinkel groß mittel -

groß

groß groß groß groß

Temperaturbereich

/°C

0 - 60 0 - 60 5 - 50 -20 - +65 0 - 50 0 - 50

Schock möglich nein -

möglich

nein ja ja möglich

Vibration möglich möglich nein ja ja möglich

EMV-Kosten hoch gering hoch gering mittel mittel - hoch

Industriestecker ja nein Ja ja möglich möglich

Verfügbarkeit /Jahre 5 1 1 3 2 ?

Lebensdauer /h ** 10.000 25.000 15.000 100.000 50.000 ?

(*) : beim Einsatz reflektiver Technologien ja

(**) : bis zum Austausch von Komponenten

Die Angaben beziehen sich auf handelsübliche Monitore, keine Sonderentwicklungen

Bla

FH

Pf



Cost of Ownership

Kosten bei 5-jährigen Dauerbetrieb (50.000 h) inklusive Anschaffungskosten

Größe, Technologie * 17"-CRT 15"-AMLCD 10,4" EL 25" Plasma

Austauschkosten ** 1.800 400 - 30.000

Gesamtstromkosten ***

(0,15 DM/kWh) /DM

950 300 100 2.000

Anschaffungspreis

(Industrietauglich) /DM

2.000 4.000 3.000 10.000

Gesamtkosten in 5 Jahren 4.750 4.700 3.100 42.000

(*) : nutzbare Bildschirmfläche für CRT und LCD etwa gleich groß, bei EL und Plasma

keine größeren bzw. kleineren Diagonalen erhältlich

(**) : CRT 2* Bildröhre; LCD: 1 * Backlight, jeweils incl. Personaleinsatz;

Plasma 3* neu (Displaykosten ≈ Monitorkosten)

(***) : typische Leistungsaufnahme: CRT 130 W, LCD 40 W, EL 15 W, Plasma 270 W

- 'Gewinner' EL-Technologie bezogen auf Gesamt- und laufende Kosten

wenn Bilddiagonale und volle Farbfähigkeit 'egal', aber nur ein Produzent

- Plasmadisplays teuer aber große Bildfläche, kleinere nicht erhältlich

- Röhrenmonitore und AMLCD - Panel liegen bzgl. Kosten und Leistung etwa gleich

- LCD mit besseren EMV - Eigenschaften und kleinerem Einbauvolumen

- Vorteil CRTs durch jahrzehntelange Einsatzerfahrung

Fazit Die Entwicklung von Geräten mit elektronischen Displays erfordert ein um-

fangreiches Know How über die Technologien und ihre Leistungsfähigkeit!

Documents

elektronische displays dt 1 - eitidaten.fh-pforzheim.deeitidaten.fh-pforzheim.de/.../vorlesungen/displays/skript_displays.pdf · Bla FH Pf Elektronische Displays Blankenbach / Elektronische