Elektronische Displays

Vorlesungsbegleitendes Skript in Deutsch

Karlheinz Blankenbach

1 Einführung Anwendungen, Markt, ...

2 Display Technologien Prinzip, Beispiele, Anwendungen, ... 2.1 CRT Prinzip, Komponenten 2.2 LCD Passiv - & Aktiv - Matrix, Ansteuerung, ... 2.3 Plasma Prinzip 2.4 VFD Prinzip, Ansteuerung 2.5 (O)LED HL, OLED, LEP 2.6 EL Displays & Hinterleuchtung 3 Messungen Kontrast, Farbe, Umgebungslicht, ...

4 Technologievergleich

Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach Tel. : 07231 / 28 - 6658 FH Pforzheim ET/IT/TI Fax : 07231 / 28 - 6060 Tiefenbronner Straße 65 Email : [email protected] 75175 Pforzheim Bla FHWeb : www.displaylabor.de Pf www.k-blankenbach.de

Bilder, Daten etc. aus Firmenschriften, Internet, Büchern (Matschulat, Knoll, ...), SID-Journal, Konferenzbände ELECTRONIC DISPLAYS, ...

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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 Bla20 % pro Jahr prognostiziertFH Pf - CRT / FPD ≈ 1,5 : 1 (2001), ≈ 1 : 1 (2005)

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

‘gut’ ‘schlecht’

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

Plasma Display im Innenbereich Shop in Frankfurt bei normaler (Spende ABLE DESIGN, München) Betrachtungsweise

Outdoor Sonnenlicht outdoor Schatten indoor

Bla FH Pf

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

→ Sorgfältige Displayauswahl vor allem bei hellem Umgebungslicht !

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1.2 Display - Einteilung

Displays

Direktsicht Projektion

LCD Passiv Aktiv CRT DMD DMD und Laser Displays sind keine Direktsicht-Displays Laser

Passiv Aktiv

'Licht schaltend' 'Licht emittierend'

Monochrome LCD Color LCD Reflektive Color LCD CRT Split Flap (O)LED Flip Dot Plasma DMD (mit Lampe) VFD eInk EL ' Papier ' FED ......

Technologie - Bildgröße

build with modules LCD, LED, CRT, Split Flap, Flip Dot -> video wall

LED Laser TV, DMD

VFD, ELBla FH Pf CRT

LCD

0.1 1 5 10 40 100 display size (diagonal) direct view projection / inch

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1.3 Display - Auswahl

Qualitätsaspekt → Technische Spezifikation

'Gute Ablesbarkeit' - Optik

- Elektronik

- Anwendung

Magic Circle Viewing angle Contrast Contrast Switching time Electro-Optic Optic Color Gray scale, ... Brightness Reflections, ...

Size Power consumption Price Weight Voltage Electronic Application Temperature EMI, ... Vibration Displayed 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 WeiterentwicklungBla FH Pf - ...

Alle diese Parameter müssen applikationsspezifisch gewichtet werden, der Kompromiß wird oft über den Preises gefunden, nicht über die Qualität des Displays !

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1.5 Ergonomie

Auflösung des Auges: Minimum Recognable Object Size 100 α ≈ 1‘ = 1/60 ° = 1‘ Bogenmaß 10

1 . -4 αrad ≈ 3 10 0,1 height /cm 0,01 h → tanα ≈ α = 0,001 d 0,1 1 10 100 1000 viewing distance /m

Sichtwinkel ϕ

h/2 ϕ 10° - 20° typisch 20° - 40° /2 d ( 60 - 90 cm) empfohlen : 30°

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

10 mm Bla FH APf a Segment 8 Starburst Matrix 5*7 VGA 20*30 7-Segment 14-Segment

bad good Readability

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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) 2,6 mm (3,1 bevorzugt) ϕ = 18´

Breite (∅ vgl. I, M) 92 % der Höhe

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

Modulation CM > 0,75 0,71

Kontrast Verhältnis CR 3 : 1 – 15 : 1 (6 : 1 bevorzugt)

Gleichmäßigkeit > 50 % Leuchtdichte

CRT Flicker (Bildrate) Nicht beobachtet von 50 – 60 Hz Negativmode, vgl. 100 Hz Fernseher 90 % der Betrachter 80 Hz Positivmode

Empfohlene Buchstabenhöhe Bla FHDiagonale Pf 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

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Darstellungs - Modi Positiv Negativ

Darstellung Dunkle Information auf Helle Information auf hellem Hintergrund dunklem 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

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2. Displaytechnologien

2.1 Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray 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 1 n der CRT 2 3 6 5 . . . . 9 7 4 10 8 - + - +

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 Bla FH Pf 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

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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

Pixelfrequency - Videobandwidth Displayed Signal

f pixel << f video

f pixel < f video

f pixel ~ f video Bla FH Pf U D

eine geringe Bandbreite des Videoverstärkers 'verwäscht' die Konturen

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2.1.3 Magnetische Ablenkung

flat Bewegte Elektronen werden in Magnetfeldern sphere auf Kreisbahnen (Lorentz - Kraft) abgelenkt; das tritt auch in Halbleitern auf (Hall - Effekt). b > a β = α Abgeflachte und Flachbildröhren : b > a α a bei 'gleichem' Ablenkwinkel !

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

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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 Linearitätsabweichung sollte < 10 % sein amin − = amax amin ⋅ vertikal : dv 100% amax

a b − b max horizontal : d = max min ⋅100% h b Bla FH Pf max Beispiel : 21" CRT für CAD Anwendungen Gitterbreite Soll 20 mm, gemessen 19 mm (Minimum) und 21 mm (Maximum) − − = amax amin ⋅ = 21 19 ⋅ = dX 100 % 100 % 9.5 % amax 21

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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

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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

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2.1.7 Entwicklungstrends

Verkürzung der 1 Bautiefe 2 3 6 5 . . . . 9 7 4 10 8 - + - +

Anzahl der e-- Strahlen pro 12~ 109 Farbe

Name 'Dromedar' mit 1 Höcker 'Kamel' Field Emission ≈ 2 * Preis Display (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 Bla FH Pf (*) : Gewicht : 15" LCD-Monitor ≈ 5 kg , 17" CRT-Monitor ≈ 20 kg, 28" Fernseher ≈ 50 kg

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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 Technological Steps

Laptop, video, ... Active matrix

Laptop, mobile phone, ... Dot Matrix, graphic, passive

Remote controller, control panels, ... Dot Matrix, Alphanumeric

Watch, pocket calulator, ... Segment 8

1975 1980 1985Bla1990 1995FH Pf bw c o l o r

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Flüssigkristall - Technologien

C:\kb_files\VORLESUN\DISPLAYS\lcd_allgemein\lcd_technologien_cast_s_182.abc Montag, 15. März 1999 20:23 Liquid Crystal Displays

Nematic Bi-stable

Active 2 Terminal Direct Multiplex Matrix Devices Smectic A

Twisted Standard TN Silicon Diode thermal, electric Nematic

Guest Host Supertwisted Amorphous Si 2D Pin Ring Smectic C Back-to-back

STN Dynamic poly Si DSTN Scattering FSTN Ferroelectric Threshold Guest Host Deposited enhanced Recristallized Modulated TN ECB

MIM SiNx Bulk (MOS) Varistor Polymer OMI Dispersed

Non-Silicon

CdSe Ge Te

Driving LC-class Plasma Adressed

- nicht alle Effekte bisher kommerziell genutzt : - bistabile LCDs für ChipkartenBla FH Pf - Plasma Adressed LC für Fernseher

- manche Technologien haben Nischen erobert : - Electronically Controlled Birefingence als Farbdisplay bei Gameboys - Smectic A bei 'Badewannen - Thermometern'

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2.2.1 Grundlagen der LCDs optisches Prinzip: 'Schalten' von Licht Elektro-optische Kurve Transmission eo curve light 90 % polarizer Slope and shape: glass 1 mm - Viewing angle ITO 50 nm - Twist U LC 10 µm - Pretilt alignment layer - T spacer - LC - type analyzer - ... 10 %

Driving voltage U off Uon Positivmode

Übersicht : LC - Effekte für Displays

Ansteuerung Effekt Anwendung - Thermometer Temperatur - Farbwechsel - thermische Ansteuerung z.B. mit Laser Elektrisches- & Magnetfeld - Transmissionsänderung - LCD

Elektro - optische Effekte von Flüssigkristallen

Typ Anwendung Dynamische + : milchig ↔ transparent Streuung Bla DS -FH Displays + Pf: großer Blickwinkel - : kleiner Kontrast Lichtabsorption - Doppelbrechung TN, STN, ferroelektrisch (FLCD) - Guest Host LC + absorbierendes Material (hoher Kontrast + großer Blickwinkel)

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Funktionsweise TN - LCD : 90° - Drehzelle

- Flüssigkristalle richten sich an der Orientierungsschicht aus - Oberseite ⊥ Unterseite → 90 °Verdrillwinkel der LC - Helix

Positivmode

light

polariser glass ITO alignment layer

10 µm U on E alignment direction

orientation of polarizer

rel. Transmission

90 %

U = 0 V 90° U > U Threshold Pixel view 10 %

UThreshold Driving Voltage

Positive Type : Polarizer || Orientation Bla FH Pf Positiv - Darstellung Negativ - Darstellung - Taschenrechner, Uhren selten verwendet, meist aus Designgründen - monochrome Grafik - LCDs oder bei monochromen transflektiven Displays - alle Farbdisplays zur Verbesserung der Ablesbarkeit bei Dunkelheit (leuchtende Buchstaben)

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Funktionsweise STN - LCD : Doppelbrechung

- Verdrillwinkel (Twist) : 180° - 270° - Farbeffekte durch anisotropen Brechungseffekt - Kontrastwirkung aus Leuchtdichte und Farbwirkung

index ellipsoid

180° twist

Typ STN F STN D STN (*)

polariser

Struktur active STN cell STN cell passive STN cell

retardation film

T T on T on on off off off Transmission Blaλ FH Pfλ λ 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.)

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2.2.2 LCD Betrachtungsmodi

Name Prinzip Anwendung

Reflektiv

light source - nutzt Umgebungslicht - Uhr

L C D - niedrige Leistungsaufnahme - Taschen-

reflected light rechner reflector

Transflektiv - Transflektor reflektiert das - s/w LCD Umgebungslicht zu ≈ 70 % light source - Außenan- ≈ wendung mit light source transm itted light - Backlight-Anteil 30 % L C D (backlight) Ablesefähig-

reflected light - Backlight im Hellen aus keit im transflector Dunkeln

Transmissiv - Höchste Leistungsaufnahme - Farb - LCD (ca. 50 % bei Laptops) - im Dunkeln - Anwendung bei Farb-LCDs light source transmitted light LCD (backlight) wegen geringer Transmission Bla der FarbfilterFH Pf → quasi-aktives Display

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2.2.3 Ansteuermethoden

Bezeichnung Statisch Multiplex

Methode aktiv Passiv aktiv

LC - Typen TN STN TN

Prinzip

Limitierung R ITO U pixel RLC Ud C pixel Cdot

- RC - Tiefpass Entladung von C via RLC - großer Pixelabstand während eines 'Bildes', wegen Zuleitungen z.B. SXGA : 1024 Zeilen

Spannungs- U U ideal U Charakteristik pixel ideal U pixel Limitation

1 row t t Udrive 1 frame LimitationBla FH Pf f ≈ 50 Hz

Upixel ≠ const. bei Passivmatrix Upixel < Umax

→ Kontrastreduktion → Kontrastreduktion

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2.2.4 Statische Ansteuerung

plate, electrode

f = 30 - 70 Hz U front (pixel) s 0

Us back, common 0

Us U pixel 0

-Us

off on off

Abhängigkeit des Kontrastes von der Ansteuerspannung

transmission 90° / 12°° Φ 90 %

180° / 9°° θ 20° 40° 0° / 3°°

Static

10 % 1.5 Uoff U = U U s off on driving voltage 270° / 6°° 8 Uoff

Us = Uselect > Uon geringere Us = kleinerer 'Blickkegel'

Unonselect = 0 Bla siehe FH Passivmatrix Pf - Multiplexansteuerung

→ Kontrast AM > PM

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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 ------Bla FH- pro PfDigit 3 Segm. + 3 Com.

- 4 Digits : 4 * 3 Seg. + 3 Com. = 15 Leitungen ≈ Hälfte !

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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 flache Bauweise mit Einzelpixel Display → Matrix - Ansteuerung

Prinzip der Eine Seite des Displays wird in Zeilen unterteilt (Scan), die andere in Matrix - Spalten (Daten). Die Kreuzungspunkte bilden die Pixel. Die Ansteuerung Matrixansteuerung erfordert eine nichtlineare elektro-optische Kennlinie

Überblick Ansteuerung Passiv Aktiv Eigenschaft Jedes Pixel wird von der zuge- Jedes Pixel besitzt zusätzlich ein hörigen Zeile und Spalte nichtlineares Schaltelement, z.B. angesteuert einen Transistor Pros billig Hoher Kontrast Cons geringer Kontrast Teuer Beispiel PM LCD und -OLED AM LCD (TFT) Plasma, VfDs AM OLED

2.2.5.1 Passiv - Matrix LCD Ansteuerung (PM LCD)

von oben (vereinfacht) Seitenansicht column 'data' driving- 0 - U voltage

ITO

+ U ITO Bla FH Pf |U| |2U| row 'scan'

0 glass 0 |U| 1 Pixel pixel voltage

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Ansteuersignale für eine 2*2 Passiv - Matrix

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

1 2 1 2 UD 0

Data UD

US a 0 a U T S b 0

one line adressing Scan inverted (no DC)

Effektivspannung für Pixel 'a' und 'b'

SXGA: 1 ... 1024 a b 1 2 1 2 1 2 1 2 Scan

Data

= 2U on ! off ! Bla∆U FH Pf 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 !

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Passiv - Matrix - Ansteuerung : Berechnung der Spannung Uselect

Mit der Alt & Pleshko Formel werden die Ansteuerspannungen berechnet :

U N + 1 mit N : Anzahl der Zeilen = Multiplexrate R = select = − Unonselect N 1

Kontrastverminderung im Vergleich zur = Lon + CR 1 N Loff Statischen Ansteuerung für kleine N

Multiplex 1 : 3 Multiplex 1 : 64

N = 3 → R = 2 → Uselect = 2 Unonselect N = 64 → R = 1,134 ⇒ Uselect = 1,134 Unonselect

CR direct = 10 → CR PM ≈ 4 Einstellung von Unonselect nach eo- Kennlinie (s. u.) z. B. 7-Segment mit 3 Backplanes 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 Bla FH Pf VR : Potentiometer für Ucontrast

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Einstellung von Unonselect für hohe Multiplex - Raten

transmission shifted 1 : 64 by Ucontrast 90 % U (mux) select

U (static) select

twist 270° 10 %

driving voltage U 1.134 U nonselect nonselect

- 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 Bla FH Pf

→ - besserer aber immer noch kleiner Kontrast - 'Ghosting' der nicht ausgewählten Pixel (rechts) - geringe Graustufenfähigkeit

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Abhängigkeit von Kontrast und Multiplexrate

TN STN 90° / 12°° 90° / 12°° φ φ

180° / 9°° θ 180° / 9°° θ 20° 40° 20° 40° 0° / 3°° 0° / 3°°

static 1 : 64 1 : 4 1 : 24 0 1 : 16 270° / 6°° 270° / 6°°

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- Blickwinkel /° Schaltzeit Kontrast- spannung /V vertikal horizontal @ 25°C /ms Verhältnis 1/4 3 2,5 - 5 5 - 45 ± 45 80 - 150 10 - 15 TN 1/8 4 3 - 4,5 0 - 40 ± 40 100 - 200 8 - 12 1/16 5 3 - 5Bla 10 - 40 FH± 30 Pf150 - 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 STN 1/128 13 15 - 20 5 - 45 ± 45 250 - 350 4 - 10 1/240 17 20 - 25 5 - 40 ± 45 250 - 350 4 - 10

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Optimierung bei Passiv - Matrix - Ansteuerung

Reduzierung der Multiplexrate für höheren Kontrast Single Scan Dual Scan

driver driver 1

1 s c s a LC D c n a LC D 2 n

driver 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 Line Addressing

- auch Active Adressing oder High Power Adressing genannt

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

Bla FH Pf

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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 Typische Pixelform

Scan

Data MOSFET

LC Storage capacitor

Frontplane

- Scan und Datensignal auf einer Seite - 1 Pixel = 3 Subpixel RGB - 1 TFT pro Pixel (AM OLED : 2) Bla- AperturFH ≈ 60% Pf - Speicherkondensator hält die Pixel- - SXGA : 1280 * 1024 * 3 ≈ 4 *106 TFTs spannung während einer Ansteuerperiode

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Ansteuersignale für eine 2*2 Aktiv - Matrix

1 2 1 2 Data / Drain Das Zeilensignal am Gate des UD MOSFETs schaltet die 0 Spaltenspannung (Daten) auf das UD

Pixel und den Speicherkondensator. 0 Dieser hält die Pixelspannung (geringe Selbstentladung) bis zur Frontplane Ufp nächsten Ansteuerung der Zeile 1 2 1 2 konstant. Die Frontplane bildet den 0 2. Teil des Pixels und wird zwecks t T Vermeidung von Gleichspannungs- UG a effekten getoggelt. 0 U G b 0 Scan / Gate

SXGA: 1 ... 1024 a b 1 2 1 2 1 2 1 2 Scan

Data - FP t Active Matrix t due to cap = off ! on ! ∆U Passive Matrix reduced contrast Bla FH Pf

An eingeschalteten Pixeln liegt die Maximalspannung an, alle ausgeschalteten Pixel haben keine Spannung → TN 90° einsetzbar mit besserem Schalt- und Graustufenverhalten

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 32 / 81 Elektronische Displays

2.2.5.3 Vergleich von Passiv- und Aktiv-Matrix - Ansteuerung

U Die geringe Spannungsdifferenz von drive

Uselect - Unonselect bei Passiv - Matrix active matrix bewirkt : passive matrix 0

1/1000 of frame period - geringen Kontrast for SXGA - wenig Graustufen Tframe - Ghosting von Pixel U pixel Storage capacitor ! - Übersprechen der Signale - komplexe Ansteuersignale

0 - Signalverzerrungen Conductivity of LC PM - geringe Muxrate erlaubt nur eine AM geringere Auflösung - lange Schaltzeiten Contrast C (AM) (eingeschränkt videotauglich) eff

- temperaturempfindlich : Farbe, C (PM) 0 eff Kontrast, Graustufen, Spannung, ...

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) horizontalBla FH 60° Pf 130° vertikal 50° 80° Graustufen - + typische maximale Auflösung XGA UXGA Farbwiedergabe - + relativer Preis 1 2

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 33 / 81 Elektronische Displays

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 34 / 81 Elektronische Displays

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 Bla FH Pf Alternativen: - laserbehandeltes a-Si (Spectra Physics) - c-Si auf einem transparenten Substrat

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 35 / 81 Elektronische Displays

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 - kein Multiplex

IO-Pin von µC µC IO - Anzahl der µC-IO's limitiert Digits

Multimeter-IC Spezieller IC mit 7106 AD-Wandler Analog In

Column Character- Driver - spezielle LCD-Controller

LCD µC HD 44780 - teilweise in µC integriert

Column Driver Grafik- Mit Grafikbefehlen und HD 61830 Common Controller µC Driver eingebautem Character- Generator RAM

Column Der ganze Bildinhalt muß DriverBla FH Pf Bit-Grafik im µC-RAM erstellt Common werden und mit hoher µC Driver Datenrate zu den Treibern

RAM übertragen werden

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 36 / 81 Elektronische Displays

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 37 / 81 Elektronische Displays

Beispiel Befehl RS RW D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 8 Bit Interface 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 3 * 0000110000 Initialisierung 0000110000 2 Zeilen, 5*7 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 Display an 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 Display CLS 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 Eingabemode 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 Buchstabe ins 'A' 1001000001 LCD RAM

Bla FH Pf

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 38 / 81 Elektronische Displays

2.2.7.2 Ansteuerung von Grafik-LCD - Modulen

Type Beispiel Pros Cons Typ. IC

Eingebauter 240 * 64 - einfach - wenig Fonts - HD 61830 Controller - langsamer Bild- - SED 1330 aufbau - T 6963

Modul mit 240 * 64 - geringe Leistungs- - alles muß program- RAM aufnahme miert werden

- Ansteuern mit - ca. 200 kB RAM für Nur mit externem LCD- 4 Bit Graustufen Zeilen- und 320 * 240 Controller → 16 Bit µC Spalten- (QVGA) treibern - Ansteuern direkt - Datenrate ~ MHz vom µC - kein Font - keine Grafik - oft nur s/w Color Graphic VGA - Controller - Preis - CL GD 62xx LCD's verfügbar - PC - optimiert - YG 610A

RS 232 Grafik - einfache Befehle - Preis

Analog- QVGA - - kompatibelBla mit FH- Preis Pf PW 384 eingang UXGA analog PC-Karten - Bildqualität

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 39 / 81 Elektronische Displays

Ansteuerung über RS232 - Interface

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

Bla FH Pf

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 40 / 81 Elektronische Displays

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

R-Video-A/D R R-Video-A/D 3 x 6 bit Spaltentreiberbank Daten G G-Video-A/D Spalten- Spalten- Spalten- Spalten- G-Video-A/D treiber 1 treiber 2 treiber 3 treiber 4 240 240 240 240 B Zeile B-Video-A/D B-Video-A/D Gate- Treiber 1

120

Gate- Treiber 2 9 Analog-Spannungen für Column Treiber D/A 120 Clock, Buffer Buffer Latch, Buffer Buffer Invert U1..U18 Frontplane- Signal Regelung: Regelung: Controller LC-Spannungen, Controller LC-Spannungen, Schwarzpegel, IC Inverter und Schwarzpegel, IC Inverter und Hellpegel, Kontrast Hellpegel, Kontrast Dimmer für CFL Graustufenentzerrung Dimmer für CFL Graustufenentzerrung Vss- Modulation Clock-

Sync- signale S pannungsversorgung für Sync- PLLPLL Spannungsversorgung für separator NTSC/PAL Logik, Analogteil und B eleuchtung, separator NTSC/PAL Logik, Analogteil und Beleuchtung, ReferenzspannunReferenzspannunggserzeuserzeuggunungg Synchronisation Csync Vsync Hsync SteuersiBlagnale FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 41 / 81 Elektronische Displays

Panel mit Digitaleingang

6 bit Rot IC 1 6 bit Grün 6 bit Blau QVGAQVGA Controller Controller Hsync IC IC Vsync Clock

parallele, • 5" QVGA digitale Schnittstelle 320 x 240 (234) Buffer/Buffer/ D/A Pixel Pitch: 320 µm D/A SpeicherSpeicher

VersorVersorggununggs-s- Funktionsdaten- spannunspannunggenen Funktionsdaten- ReReggisterister ( EE(EE)PROM)PROM Referenzspannungen Referenzspannungen für Graustufenentzerrung für Graustufenentzerrung DC/DC-WandlerDC/DC-Wandler Referenz- Wandler (extern) für Hinterleuchtung IC 3 IC 2 spannungen

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 Datenrate / GBit/s (Auflösung * Bildrate 60 Hz) (8 Bit Farben) VGA 640 * 480 18,5 0,45 SVGA 800 * 600 28,8 0,7 XGA 1024 * 768 47 1,1 SXGA 1280 * 1024 78 1,9 SXGAW 1600 * 1024 98 2,4 UXGA 1600 * 1200Bla 115 FH Pf 2,8 HDTV 1920 * 1080 124 3,0 UXGAW 1800 * 1200 130 3,1 QXGA 2048 * 1596 196 4,7

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 42 / 81 Elektronische Displays

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) - noch nicht Standard - höhere Kosten - BIOS - Anpassung einzelner Typen

Vergleich industrieller digitaler Übertragungs - Standards LVDS / TMDS PECL RS422/485 TTL Datenrate /Mbps > 400 > 400 < 50 < 100 Leistungsaufnahme gering mittel hoch hoch EMV - Empfindlichkeit gering mittel mittel hoch EMI - Emission gering mittel mittel hoch Spannungshub /V 0,3 0,8 3,5 3,7 Abschlußwiderstand 1* 100Ω 1* 100Ω + 422 : 1* 100Ω Unter- 2* 220Ω 485 : 2* 50Ω schiedlich Kabellänge /m < 15 < 1 < 1200 < 1 Relativer 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 notwendigBla FH Pf - LVDS wrd auch bei Digitalkameras eingesetzt - Problem : Statische Aufladung der Leitungen falls viele '0' oder '1' hintereinander übertragen werden → Bitinversion - beide Übertragungsverfahren sind etabliert

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 43 / 81 Elektronische Displays

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 R,G,B, orange, (Farbe mit Filtern) gelb, weiß Leuchtdichte bei seit- ≈ 50 cd/m² ≈ 150 cd/m² nicht möglich licher Einkopplung Leuchtdichte bei Ein- ≈ 150 cd/m² ≈ 1200 cd/m² ≈ 50 cd/m² kopplung von unten 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 Inverterelektronik, Inverterelektronik LED-Bond,Bla Lötstellen FHmechanische Pf Schäden Bautiefe 1,5 – 7 mm 5 – 20 mm 0,7 – 1,5 mm Bemerkung evt. auch OLED bzw. Dimmung aufwändig Inverterfrequenz PLED im Hörbereich

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 44 / 81 Elektronische Displays

LED

CCFL

EL Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 45 / 81 Elektronische Displays

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, Grafik Grafik Kleingrafik Wärme / Feuchte O- O+ Kosten -- O+ Kontakt mit PCB löten Druck kleben / Druck anisotroper Leitkleber Vorteile einfach einfach einfach, kleiner Pitch biegsames Anschlußkabel Nachteile Baugröße, nur Handmontage aufwändig großer Pitch

Vergleich der Pitch - Abstände

Pitch /µm 50 100 200 400 >1000 Pin Zebra Bla FH Pf Heat Seal TAB COG

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 46 / 81 Elektronische Displays

Pin - Connector

Zebra Heat Seal

Chip on glas (COG) Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 47 / 81 Elektronische Displays

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 Bla FH Pf - 3 Subpixel (RGB) mit entsprechenden Phoshoren

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 48 / 81 Elektronische Displays

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 49 / 81 Elektronische Displays

Blockdiagramm

Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 50 / 81 Elektronische Displays

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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 51 / 81 Elektronische Displays

Aufbau

Beispiele

VFD- 7 - Segment + Symbole für Mikrowellenherd (Spende FUTABA)

VFD 4*20 Zeichen (LCD - kompatibel)

(Spende NORITAKE) Bla FH Pf

Farbanzeige SAMSUNG

Grafikdisplays ebenfalls möglich

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 52 / 81 Elektronische Displays

Ansteuerprinzip oft mit LCD - kompatiblem Interface

Beispiel für 4 Ziffern - Anzeige

Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 53 / 81 Elektronische Displays

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 Abstrahlwinkel ist begrenzt durch Totalreflexion, kann durch diffuse Strukturen vergrößert werden

Spektrale Emission (OLED ähnlich)

Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 54 / 81 Elektronische Displays

7-Segment - Anzeigen

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

Ansteuerung mit LED - Controller

Bla FH Pf

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 55 / 81 Elektronische Displays

Matrixanzeigen

Die Spanne reicht von kleinen Beispiel Außenanzeige ICE2 Modulen bis hin zu daraus aufgebauten farbigen Videowänden mit einer Fläche 1 - 50 m² mit Kosten von ca. 50.000 DM/m²

Hohe Leuchtdichte der Einzel - LED erforderlich wegen Zeilenscan Bla FH Pf VGA : 640 * 480 * 3 = 921.600 LEDs mit Leistungsaufnahme (2V, 20 mA) : 37 kW !!

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 56 / 81 Elektronische Displays

2.5.2 Neue LED-Materialien

Schichtaufbau Effizienz * Leuchtdichte ** / Lm/W / cd/m² @ 6V Orga- Kathode: Alu nische Elektronentransportierende ca. 5 V ~ 10 1.000 und lichterzeugende Schicht LED Löchertransportschicht ITO (OLED) Glas

Light Emitting ~ 10 5.000 ca. 5 V Kathode: Alu Polymer Polymerschicht ITO (LEP) Glas

(*) : 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 - Verfügbarkeit - multiplexbar (Schaltzeit und Leuchtdichte) - geringe Lebensdauer vor allem bei - geringerer Stromverbrauch als HL-LEDBla FH hohen LeuchtdichtenPf - großer Blickwinkel (> LCD und HL-LED) - wenig Erfahrung - Flachdisplay - 'Rennen' zwischen OLEDs und LEPs - selbstleuchtend mit hohem Kontrast noch offen - größtes Potential aller neuen Technologien

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 57 / 81 Elektronische Displays

OLED Duty-Cycle - Leuchtdichte 800

600 Gleichspannung 1 : 1 1 : 4 400 1 : 40

200 Leuchtdichte /cd/m²

0 234567 Spannung /V

- hohe Leuchtdichten für Passiv - Matrix OLEDs erforderlich - getaktete Leuchtdichte ∼ Tastverhältnis

Matrix - Anzeigen

- Passiv - Matrix

- Aktiv - Matrix

Bla FH Pf

2 polykristalline TFTs pro Subpixel erforderlich !

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 58 / 81 Elektronische Displays

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

Bla FH Pf

- unterschiedlichen Spannungen für RGB erschweren die Realisierung von Farbanzeigen - hohe Spannungen → teure Treiberbauelemente - relativ geringer Wirkungsgrad

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 59 / 81 Elektronische Displays

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 ~ LeuchtflächeBla FH Pf

- praktisch nur Blindstrom → keine Erwärmung der EL - Folie

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 60 / 81 Elektronische Displays

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- - 'Rechteck' streßt EL Inverter - einfacher Aufbau - nicht dimmbar

Selbst- - sinusähnlichen Strom schwinger - Wirkungsgrad durchschnittlich - kostengünstig - gute EMV - Eigenschaften - nicht dimmbar - Parallelbetrieb zur Leistungssteigerung und Redundanz PWM - Inverter - Frequenz einstellbar Bla- idealer, FH harmonischer Pf Stromverlauf EL-Treiber mit - hoher Wirkungsgrad Transfor- - galvanische Trennung mator - dimmbar

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 61 / 81 Elektronische Displays

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 L - Gleichmäßigkeit - Blickwinkel t 9 - Punkt - Messung - Langzeitstabilität

- Lebensdauer z - Temperatur Bla FH Pf θ

- ... 90° / 12°° y Φ

180° / 9°° 0° / 3°° Dis play x

270° / 6°°

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 62 / 81 Elektronische Displays

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 108 cd/m² - Mond 102 cd/m² - Glühbirne 105 cd/m² - Xenon - Lampe 108 cd/m²

Bemerkungen - die meisten Firmenangaben beziehen sich auf Dunkelheit → Sensor direkt Blaauf Bildschirmoberfläche FH (Abschirmung) Pf - 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

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 63 / 81 Elektronische Displays

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 L = on CR Loff

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

LCD Contrast Ratio @ 0lx / Horizontal Scan

150

120

0 -40 -20 0 20Bla 40 FH Pf Angle /°

- Blickwinkel nur mit Kontrastangabe ! - Modulations Transfer Funktion

- CR bis typ. 300 : 1 ('0 - 1' - Zyklen pro mm) - Kontrast durch Video-Bandbreite limitiert

Blankenbach / Elektronische Displays / 08.11.01 64 / 81 Elektronische Displays

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 Spectrum LCD white Spectrum LED white rel. Intensity rel. Intensity Bla FH Pfrel. Intensity

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

→ - welches Display zeigt das 'wahre' Weiß ? - Farbsysteme zur Farbbestimmung und -vergleich sind demzufolge notwendig !

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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 X Y - x = ; y = (links mit RGB - Dreieck für Bildschirme) X + Y + Z X + Y + Z

Bla FH Pf

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

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

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3.3.2 Neuere Farbnormen

CIE 1976 UCS (Uniform Chromaticity Scale)

- lineare Transformation der Normfarbwerte XYZ - alternative Bezeichnung Lu'v' - zur Displaymessung empfohlen gemäß ISO 13406-2

- Transformation 4 X 4x u' = = X +15 Y +3Z − 2x +12y +3 9 Y 9y v' = = X +15 Y +3Z − 2x +12y +3

CIE 1976 UCS LCD 0Lx

primaries and color inks ; perpendicular view 0,6

0,5

red white 0,4 blue yellow green cyan magenta 0,3 0,1 0,2 0,3u' 0,4

1976 CIELAB und CIELUV

- nichtlineare Transformation von XYZ - konstante Farbdifferenzen → Farbabstandsformel

- CIELUV  1    Y  3 16  L * = 116   − ; u * = 13L * ()u' − u' ; v * = 13L * ()v' − v'   Y  116 n n  n Bla FH Pf u', v' :1976 CIE UCS ; index 'n' : value for White

∆ = ()()()∆ 2 + ∆ 2 + ∆ 2 color difference : E *uv L * u * v * - ∆E = 1 ist erkennbar, ∆E > 5 deutlich sichtbar - auch als L*a*b* bzw. L*u*v* bezeichnet

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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 Licht wird mit 3 Sensoren mit speziellen Wellenlänge gemessen. Die Filtern (Normspektralwert - Funktionen) Farbkoordinaten werden gemäß gemessen. Die Farbkoordinaten werden dem Farbmodell berechnet. gemäß dem Farbmodell berechnet. Pros Hohe GenauigkeitBla FH Schnell, billig Pf 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.

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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 Bla FHLeinwand Pf übereinander ! → höhere Bildqualität

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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 DiagonaleBla - Panelgröße FH Pf Beispiel : 17" CRT entspricht von der sichtbaren Fläche einem 15" Flachdisplay

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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 HzBla Video → 75 HzFH CRT-Monitor Pf oder 60 Hz LCD)

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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 Graustufen 4 Bit 8 Bit 16 Bit 24 Bit /MByte (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

Bla FH Pf

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

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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

90° / 12°° Beispiel für Iso - Kontrast Plot Φ

Berechnung des 'Viewing Cone' aus 15° Betrachtungsabstand und Bildschirmgröße 180° / 9°° θ 20° 40° 0° / 3°°

Wird sinngemäß auch für contrast Farbverschiebungen verwendet viewing cone 10 : 1 for 17" at 50 cm 270° / 6°° Messgeräte

GonoScope ConoScope Pros - 'Open frame' für Messungen mit - schnelles Verfahren (~ 30 sec) zur 'beliebigen' Umgebungslicht Bestimmung des Iso-Kontrast Plots - billiger Sensor - einfache 1D - Blickwinkelmessung Cons - hohe mechanische Präzision - teuer - Meßdauer (≈ 2 Stunden für - 'ungenauer' Sensor (CCD) Iso - Kontrast Plot) - nur Umgebungslicht - Simulation Prinzip Bla FH Pf

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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 Brightness on Instrument Cluster

direct sunlight

ambient sunlight

clouds

city by night

night outside city

1 10 100 1.000 10.000 100.000

Ambient Brightness /lx

Kontrast - Umgebungslicht - Displayart

Luminance of selected pixel Contrast ratio = Luminance of nonselected pixel

Night Indoor Outdoor

500 : 1 Dimming

Human viewing Passive range Backlight Active 3 : 1

0.1 1Bla 10 FH 100 1000 Pf Ambient light -3 Rods < 10 Rods & cones Cones density / cd/m²

- Aktive Display sind bei Umgebungslicht schlecht ablesbar, passive bei Dunkelheit - durch Backlight und Dimmung sollte ein Kontrast von ca. 10 : 1 erzielt werden

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Kontrastverhältnis bei Umgebungslicht

L L + L = on → = on reflected CR CR + ambient light + Loff Loff Lreflected

Anmerkung : In den meisten Spezifikationen und Anzeigen wird das Kontrastverhältnis bei absoluter Dunkelheit angegeben, was wenig praxisrelevant ist.

Messergebnisse bei Umgebungslicht

Contrast ratio relative to 0 lx Emissive Displays sind bei 1,40 Transflective LCD starkem Umgebungslicht nicht 1,20 mehr ablesbar. Transmissive 1,00 Transmissive LCD LCDs können mit starkem with high power 0,80 Transmissive LCD, backlight Backlight auch im Hellen noch CR, Plasma, EL 0,60 abgelesen werden. Passive

0,40 Displays sind am besten !

0,20 Anmerkung: Das Backlight des

0,00 transflektiven LCDs ist etwas 1 10 100 1000 10000 zu schwach. Ambient Brightness /lx

Graustufen

log (Luminance) 0 Ambient Light -0,5

-1 GCfAbiIllii 0 lx 50 lx -1,5 200 lx 1000 lx -2 2000 lx -2,5 Bla FH Pfgamma = 2.3 -1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 log (Gray Scale) normalized values

Bei starkem Umgebungslicht sind kleine Graustufen (dunkle Bildteile) nicht mehr unterscheidbar. Bei LCDs werden 'Schatten' auch bei 0 Lux schlecht aufgelöst !

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Blickwinkel - Kontrast und Farbe bei LCDs

Beleuchtungsstärke

| Leuchtdichte Lon Farbe

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

100 0,6 y

80 0,5

0,4 0 lx 60 0,3 40 0,2

20 0,1

0 0 -40 -20 0 20 40 0 0,2 0,4 0,6 Angle /° x

LCD CIE 1931 1000 lx Horizontal Scan Lon /cd/m² LCD 1000 lx Horizontal Scan 0,6 y 200 0,5

1000 lx 160 0,4

120 0,3

80 0,2

40 0,1

0 0 -40 -20 0 20 40 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5x 0,6 Angle /°

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)Bla werden zum FH Farbort der BeleuchtungPf 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 !

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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

2  n'−1 - Theorie: senkrechter Einfall auf Displays in Luft r =  mit n' für das Display  n'+1

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

Methoden Antireflex-Schicht Polarisation Rauhe Oberfläche 'Jalousie' Pros - gute Wirkung - Kontrast kann - billig - billig verdoppelt - geringer Verlust - eingeschränkter werden an Leuchtdichte Blickwinkel (gut bei ATMs) Cons - Farbfehler - Preis - Unschärfe - geringe Trans- - Verkratzen - empfindliche mission (0,3-0,7) Oberfläche - eingeschränkter - Leuchtdichte- Blickwinkel einbuße - Reflexion des Polarisators Prinzip

Bla FH Pf

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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/" Preis, hohe CRT ++ + großes Format, Leistungsaufnahme, gering 20 Blickwinkel, hohe Spannungen, Lebensdauer Bautiefe, EMV, Einbrennen Billig, reflektiv für Blickwinkel, active adres- Passiv LCD o-outdoor, Temperaturbereich sing, anti-ferro- 40 Leistungsauf- elektrische LCD nahme Blickwinkel, teurer als Passiv-LCD, Integrierte AM LCD ++ ++ Leistungsauf- Lichtverlust durch Treiber bei 60 nahme, reflective Apertur poly-Si, TFT, IPS Preis ↓ Großes Format, teuer, Plasma +++Blickwinkel hohe PALC 200 Leistungsaufnahme Mittleres keine Videofarben, EL - - ++ Leistungs- Einbrennen Videofarben 150 vermögen VFD - ++ Blickwinkel, hohe Spannungen, gering 300 LebensdauerBlaBautiefe, FH Gewicht Pf FED - + Einfacher Aufbau hohe Spannungen Diamant FED 200

Fazit : Eine universell einsetzbare und optimale Displaytechnologie für alle Anwendungen existiert (noch) nicht !

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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 Bla 1FH Pf 3 einen CRT-Büromonitor 2 - 3 5 - 7 relativ hierzu AMLCD

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

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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. ja ja ja ja ja ja Imagesticking Blickwinkel groß mittel - groß groß groß groß groß Temperaturbereich 0 - 60 0 - 60 5 - 50 -20 - +65 0 - 50 0 - 50 /°C Schock möglich nein - nein ja ja möglich 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

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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 *** 950 300 100 2.000 (0,15 DM/kWh) /DM Anschaffungspreis 2.000 4.000 3.000 10.000 (Industrietauglich) /DM 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 Bla FH Pf Fazit Die Entwicklung von Geräten mit elektronischen Displays erfordert ein um- fangreiches Know How über die Technologien und ihre Leistungsfähigkeit!

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