LCD, LED und Plasma Display Technik

Veröffentlicht: Dienstag, 22. März 2011 08:56
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Die Plasma- und LCD/LED Technologie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Art und Weise, wie die Bildpunkte im Panel zum Leuchten gebracht werden. Alle Unterschiede auf einen Blick erhalten Sie hier ...


Plasma-Technik ( PDP )
Das Plasma-Panel besteht im Prinzip aus zwei aufeinander liegenden Glassscheiben, zwischen denen für jeden Bildpunkt (Pixel) eine mit dem Gas Xenon gefüllte Zelle eingeschlossen ist. Weiter sitzen in den Die Einzelzellen eines Pixels mit den unterschiedlich gefärbten Phosphoranteilen Die Plasmaentladung in einer der 3 "Einzelzellen" eines Pixels Glasscheiben winzige optisch transparente Elektroden, dünne Pixelrippen und Phosphorschichten. Die Elektroden werden nun elektrisch geladen und erzeugen dabei je nach Steuerspannung winzige Explosionen des Xenon-Gases (Plasma-Entladungen, daher der Name Plasma-Display), die ihrerseits eine ultraviolette Lichtstrahlung emittieren. Diese UV-Lichtstrahlung trifft nun auf die in der hinteren Glasplatte befindlichen Phosphorschichten und regt diese an, ihrerseits rotes, grünes und blaues Licht auszusenden. Dieses tritt dann für den Betrachter sichtbar durch die vordere Glasplatte aus und erzeugt in seiner Gesamtheit als Zusammenspiel aller Pixel das sichtbare Bild.



Je nach Hersteller kommt unterschiedlicher Phosphor in unterschiedlichen Mischungen zum Einsatz. Entsprechend unterschiedlich sind die Farbcharakteristiken je nach Hersteller. So kommt es, dass tatsächlich jedes Plasma-Panel seinen eigenen, charakteristischen Farbraum besitzt. Einzelheiten sind streng geheim und werden von den Herstellern unter striktem Verschluss gehalten.

Auf dem oberen Deckglas befinden sich diverse Filter zur Minderung von optischen Reflexionen (daher der eingeschränkte Betrachtungswinkel von etwa 170° bei Plasma-TV-Geräten) und zur Abschirmung elektromagnetischer Störstrahlungen (EMI, Elektro Magnetic Interference).

Während herkömmliche Kathodenstrahlröhren (CRT) das Bild aus einer raschen Abfolge ( Holddarstellung ) von leuchtenden und nicht leuchtenden Bildpunkten auf dem Bildschirm erzeugt, werden in einem Plasma-Panel sämtliche Pixel gleichzeitig "erhellt". Deshalb entsteht das Plasmabild spontan und besitzt eine überdurchschnittlich hohe Bildschärfe. Es erstreckt sich gleichmäßig bis in alle Ecken des Bildschirms - ohne visuelle Störungen wie Verzerrungen oder Flimmern. Es wirkt insgesamt ruhiger als ein CRT-Bild. Die daraus resultierend wohltuende Wirkung auf den Betrachter wird jeder "Büroarbeiter" erfahren können, der viele Stunden vor einem Computermonitor verbringen muss und von einem konvetionellen Monitor auf ein TFT-Panel umsteigt.

Einer der prinzipieller Nachteile der Plasma-Technologie ist jedoch, dass der Phoshor in den Pixel-Zellen altert und damit in der Leuchtkraft nachlässt. Dies wirkt sich zum einen auf die Gesamtlebensdauer des Plasma-TVs aus, zum anderen können so Einbrenneffekte entstehen, wenn ein immer gleichbleibendes Bild dargestellt wird, da die so übermäßig beanspruchten Pixel stärker "altern" als die anderen. Problematisch kann dies bei 16:9-Plasma-TV-Geräten sein, da viele Standard-TV-Formate ja nach wie vor im 4:3-Format ausgestrahlt werden. In diesem Fall altert der 4:3-Bereich im Plasma-Panel stärker als die unbeleuchteten seitlichen Streifen. 


LCD-Technik
Die Abkürzung LCD steht für Liquid Crystal Display oder eingedeutscht "Flüssigkristalldisplay. Auch bei LCD-Panels werden die Pixel aus Kammern - je Pixel eine Kammer - gebildet, die zwischen zwei Glasplatten eingeschlossen sind. Von hinten strahlt weißes Licht auf die Glasscheiben. In den Kammern befinden sich die Flüssigkristalle, in die auch hier wieder je Pixel eine Elektrode führt. Die Flüssigkristalle haben die Eigenschaft, je nach Höhe der an der Elektrode anliegenden Spannung mehr oder weniger Licht durchzulassen. Soweit funktioniert die Technik ganz ähnlich wie beim Plasma-TV-Gerät, allerdings haben wir wegen der weißen Hintergrundbeleuchtung zunächst nur ein Schwarz-Weiß-Bild. Doch wie kommt nun beim LCD-Panel die Farbgebung ins Spiel?

Der Aufbau eines LCD-Panels ist natürlich nicht ganz so einfach wie hier beschrieben. Es gibt nämlich eine weitere Schicht zwischen den Glasscheiben. In dieser sind je Pixel - in sogenannten Sub-Pixels die drei Vereinfachte schematische Darstellung der Farbgebung im LCD-Panel



Primärfarben rot, blau und grün enthalten. Die Sub-Pixels bilden innerhalb des quadratischen "Haupt- Pixels" eine Streifenstruktur. Die Filter wiederrum werden ebenfalls elektrisch angesteuert und üben je nach anliegender Spannung eine entsprechende Farbfilterfunktion aus. Diese Konstruktion wird auch TFT Thin Film Transistor genannt. Zusammengefasst: Zunächst wird im "Haupt-Pixel" mittels elektrischer Spannung in Flüssigkristallen die Helligkeit für das weiße Hintergrundlicht variiert. Dann wird in der Farbfilterschicht dem "Haupt-Pixel" seine entsprechende Farbe zugewiesen. Dies geschieht, indem in der Streifenstruktur seiner Sub-Pixels durch elektrische Spannung der eine oder andere Filter der drei Primärfarben rot, grün oder blau aktiv wird. Hier sehen Sie in einer Explosionsgrafik, wie die Bilddarstellung im LCD-Panel funktioniert.

 

Flüssigkristall- und Plasmabildschirme – Ein kurzer Technologievergleich. Die Flüssigkristall- und die Plasmatechnologie sind die beiden miteinander konkurrierenden physikalischen Technologien bei den immer beliebteren Flachbildschirmen - mittlerweile sind die "Flachmänner" so beliebt, dass Röhrengeräte und auch nach dem Rückenprojektionsverfahren arbeitende Fernsehgeräte nur noch Randerscheinungen im Marktgeschehen sind.

Plasmabildschirme werden auch durch PDP (plasma display panel) abgekürzt. Der erste funktionsfähige Schirm stammt aus dem Jahr 1964. Plasmaschirme arbeiten nach einem Prinzip, das dem der Leuchtstoffröhren ähnelt. Der Bildschirm besteht aus zwei Glasplatten oder -panelen. Zwischen ihnen befinden sich viele kleine Zellen. Jede Zelle ist mit einem Edelgasgemisch von Neon und 3%- 5% Xenon gefüllt; bisweilen wird auch Helium beigemischt (die genauen Mischverhältnisse und spezielle Beimengungen geben die Hersteller natürlich nicht absolut präzise Preis). In den Zellen werden unter dem Einfluss dort bestehender elektrischer Felder kleine Gasentladungen gezündet, durch die das Gas an diesen Stellen elektrisch leitet. In der Zelle entsteht ein Plasma: neben neutralen Atomen gibt es freie Ionen, Elektronen und angeregte Atome. Während der Entladung einer Zelle leuchtet diese blitzartig auf. Die lokalen elektrischen Felder in den Zellen werden mit Hilfe eines Gitters aus waagerechten und senkrechten Leiterbahnen jeweils an deren Kreuzungen erzeugt. Jede Kreuzung entspricht einem Bildpunkt (Pixel). Zur Farbdarstellung werden drei Leiterbahnsysteme verwendet mit drei Bildpunkten pro Kreuzung, wobei die drei Bildpunkte in den Grundfarben rot, grün und blau aufleuchten; die wirklichen Farben des gezeigten Bildes werden dann durch additive Farbmischung erzeugt, also etwa gelb durch Mischung aus rot und grün.

Zur Erzeugung eines Bildes wird jede Zelle einzeln durch einen zugehörigen Transistor gezündet. Die Grundfarben in den Kammern werden durch unterschiedliche Leuchtstoffe erzeugt. Eine Zelle blitzt auf, sobald der zugehörige Leuchtstoff von der durch das Plasma erzeugten unsichtbaren Ultraviolettstrahlung, kurz UV-Strahlung, getroffen wird. Die Leuchtstoffe wandeln somit die unsichtbare UV-Strahlung in sichtbares Licht um. Das ist der nämliche Vorgang wie in einer Leuchtstoffröhre. Man kann sich also einen Plasmaschirm als einen Schirm vorstellen, hinter dem viele kleine Leuchtstoffröhrchen zusammen ein Bild wiedergeben. Das Gas zwischen den beiden Glasplatten hat nur eine geringe Dichte. Deshalb genügen niedrige Plasmatemperaturen. Die Zündungsspannungen liegen im Bereich von einigen hundert Volt.

Welche Vorteile hat der Plasmabildschirm?

Bezüglich der Bautiefe sind LCD-TVs und Plasma-Fernseher sehr gering gehalten. Für den Plasma sprechen das bezüglich der Bildhelligkeit angenehme, leicht gedämpfte und nicht zu grelle Bild, die authentische Farbwiedergabe und der im Vergleich zu vielen LCD-Panels bessere Schwarzwert. Die einfachsten Schirme können 256 Graustufen und insgesamt 16,7 Millionen Farbnuancen wiedergeben, während aufwändige Geräte z.B. bei über 68 Milliarden Farben und 4.096 Grauabstufungen angelangt sind. Der Plasmabildschirm ist auch unempfindlich gegen Magnetfelder. Durch das tiefe, natürliche Bild ist ein hochwertiger Plasmabildschirm für den Filmliebhaber in vielen Fällen erste Wahl. Der – eigentlich größte – Nachteil von Plasmabildschirmen existiert nur noch als Vorurteil im Kopf weniger gut informierter Verbraucher: Nur noch alte oder sehr einfache Plasmabildschirme sind mit einem hohen Stromverbrauch, etwa 300 W bis 580 W wenig kosten- und umweltfreundlich. Durch mehr Effizienz bezüglich der Leuchtkraft haben moderne Plasmapanels keinen auffällig hohen Energieverbrauch mehr, was bereits viele unabhängige Untersuchungen ergeben haben.

Ein großer Nachteil liegt in der Einbrenngefahr. Da TV-Produktionen immernoch meist im Format 4:3 gesendet werden, die Schirme jedoch bereits das zukünftig übliche Seitenverhältnis von 16:9 haben, bleiben links und rechts zwei vertikale Balken schwarz. Dort altert der Bildschirm dann weniger. Nach relativ kurzer Zeit drohen dann den ganzen Schirm ausfüllende Kinofilme links und rechts heller zu werden. Und: Z.B. die Logos von TV-Sendern oder ein immer identisches Bild wie z.B. bei Computerspielen können hässliche Spuren in Form von eingebrannten Elementen hinterlassen. Gerade innerhalb der ersten drei Monate sind Plasmabildschirme sehr empfindlich gegen das Einbrennen. Aus diesem Grunde ist es auch nicht empfehlenswert, z.B. gebrauchte Plasmaschirme, die auf Messen in Betrieb waren, zu kaufen. Oftmals lief den ganzen Tag eine Sequenz auf dem Panel, und es haben sich verschiedene Elemente eingebrannt. Bei weniger “harten” Fällen können eingebrannte Elemente durch spezielle Testbildsequenzen wieder zumindest in großen Teilen eliminiert werden.

Flüssigkeitskristallbildschirme (LCD)

LCDs – Liquid Crystal Displays – kamen und kommen immer noch in einfacher Form bei vielen elektronischen Uhren und bei Taschenrechnern vor. Erst bei Notebooks und nun mehr und mehr bei Fernsehgeräten sind aufwändigere LC-Technologien auf dem Vormarsch. Flüssigkristalle scheinen ein Widerspruch in sich zu sein: Der typische feste Körper hat einen streng periodischen räumlichen, also kristallinen Aufbau: legt man einen Festkörper in eine Schüssel, füllt er sie – im Gegensatz zu einer Flüssigkeit – nicht automatisch aus.

Seit 1904 weiß man von der Existenz von Flüssigkeiten, die einerseits fluide sind, andererseits die typische kristalline Eigenschaft der Doppelbrechung von Licht haben. Dies liegt daran, dass sich die stäbchenförmigen Moleküle der kristallartigen Flüssigkeit ausrichten und bei hindurchfallendem Licht die Schwingungsebene der Lichtwellen ändern (Polarisation).

In Verbindung mit Polarisationsfolien, die vom normalen, unpolaristierten Licht beim Durchgang nur Licht einer bestimmten Polarisationsebene passieren lassen, wird damit Lichtdurchlässigkeit und -undurchlässigkeit, also hell und dunkel, erzeugt. Ändert man die Ausrichtung der Moleküle im Flüssigkristall, deren elektrische Ladung innerhalb eines Moleküls ungleich verteilt ist, durch elektrische Felder, kann man von hell auf dunkel schalten.

Damit wird prinzipiell folgendes Verfahren möglich. Man schließt die Flüssigkristalle zwischen zwei unterschiedlich polarisierenden Panelen ein. Diese werden so ausgewählt, dass die Schwingungsebenen, die Polarisationsebenen, der beiden Paneele senkrecht aufeinander stehen. Fällt normales, also unpolarisiertes Licht auf die erste Paneele, wird es so polarisiert, dass es die zweite nicht mehr passieren kann. Dies entspricht dem Zustand dunkel. Wird dann die Flüssigkristallschicht elektrisch manipuliert, ändert sich die Polarisation zwischen den Panelen, dann kann das eingedrungene Licht nunmehr nun auch die zweite Paneele passieren: Es wird hell.

Diesen Vorgang kann man sich nun zu Nutze machen. Direkt über und unter der durch die Glasschichten eines Bildschirms begrenzten Flüssigkristallschicht liegen Leiterbahnen aus durchsichtigem Material, die sich matrixartig kreuzen. Damit entsteht ein Gitter aus parallelen Leiterbahnen, deren Kreuzungen die hellen und dunklen Lichtpunkte ausmachen, aus denen die Abbildung besteht, die ein so konstruierter LC-Bildschirm wiedergibt. Bei sogenannten Aktivmatrix-Schirmen besitzt jeder Bildpunkt ein eigenes aktives Element, einen Transistor, genauer einen Dünnschichttransistor (thin film transistor, TFT), der erlaubt, die die jeweiligen elektrischen Felder bestimmenden Spannungen genau zu regeln und zu schalten. Bei einer passiven Matrix – verwendet für kleinere Bildschirme, etwa bei Notebooks – existiert eine Hintergrundbeleuchtung.

Zur Darstellung von Farben werden – ganz ähnlich wie beim Plasmabildschirm – jeweils drei Zellen von Flüssigkeitskristallen zusammengefasst, welche die Grundfarben rot, grün und blau wiedergeben. Unter der Flüssigkristallschicht befinden sich für jeden farbigen Bildpunkt (Pixel) drei Dünnschichttransistoren, die als Folienschichten auf das Glas aufgedampft werden. Sie erzeugen sehr kleine Bildpunkte, was eine hohe Bildschirmauflösung bedeutet. Jeder der Transistoren lässt sich einzeln ansteuern, auch in unterschiedlichen Stärken bzw. mit unterschiedliche vielen Impulsen. Die Reaktionszeiten aktueller LCDs können von 16 ms bis zu 2 ms reichen.

LED Backlight-Technologie

Mittlerweile hat sich der LCD-Fernseher flächendeckend durchgesetzt. Im Vergleich zu den großen Stückzahlen, in denen LCD-TVs verkauft werden, ist der Anteil an Plasma-Displays recht gering. Für wahre Filmliebhaber jedoch ist der Plasmaschirm aufgrund seines besseren Schwarzwertes immer noch die verlockendere Alternative. Doch dank LED Backlight soll auch dieser Plasma-Bonus bald der Vergangenheit angehören. Was die LED Backlight-Technik bei LCDs bewirken soll, steht in diesem kleinen Special.

CCFL-Displays

LC-Displays bieten sehr scharfe Bilder – aber kein perfektes Schwarz und keine höchstmöglich reinen Farben. Auch wenn CCFL-Displays inzwischen einen beachtlichen Standard erreicht haben, sieht man gerade in sehr dunklen Filmsequenzen deutlich, dass zwar ein recht dunkles Grau, aber kein echtes, sattes Schwarz geboten wird. Auch die Farbneutralität und die Farbbrillanz sind zwar sehr gut, aber noch nicht optimal. Ebenso verhält es sich mit der Kontrastdynamik, auch hier finden sich noch Schwächen, die sich in einer nicht ganz zureichenden Durchzeichnung dunkler Bildbereiche zeigen. Der Grund für diese visuellen Einschränkungen liegt an der von Leuchtstoffröhren (Kaltkathodenstrahlern, kurz CCFL) erzeugten weißlichen Hintergrundbeleuchtung. Hierbei wird das erzeugte Licht mittels eine Kunststoffs mit lichtleitender Funktion gleichmäßig auf dem Display verteilt. Anschließend werden verschiedene Farb- und Polarisationsfilter passiert und letztendlich die Flüssigkristallzelle – die Folge ist dann der entsprechend beleuchtete Bildpunkt (Pixel) auf dem Display. Schwächen dieser Technik zeigen sich beispielsweise bei der Farbwiedergabe. Für ein reines Weiß muss sich das Licht in gleichen Teilen aus Rot, Grün und Blau zusammen setzen – mit CCFL kaum in Perfektion möglich. Sichtbares Manko war daher die nicht ganz natürliche Darstellung von Grüntönen (z.B. sehr gut bei Fußballübertragungen am Rasen sichtbar). Ein weiterer Nachteil der CCFL-Technik: Die Leuchtstoffröhren können auf Grund ihres technischen Aufbaus nur gemeinsam gedimmt werden. Das bedeutet, dass je nach einkommendem Signal das Bild hell oder dunkel geschaltet werden kann. Mit dem Herunterfahren der Beleuchtungsstärke können die LCD-TVs dann in dunklen Szenen zwar ein tieferes Schwarz erzeugen. Doch sobald wieder ein helleres Bildelement hinzukommt, müssen wieder alle Leuchtstoffröhren hochgefahren werden – und aus dem Schwarz wird eher wieder ein Grau. Des Weiteren leidet beim gemeinsamen Dimmen der Hintergrundbeleuchtung die Darstellung feiner Kontrastunterschiede in dunklen Bildbereichen - gut sichtbar ist, dass das Bild dann "absumpft" und Strukturen verloren gehen.

LED-Backlight

Die Industrie hat sich daher etwas einfallen lassen: Anstatt der nur im Gesamten dimmbaren CCFL-Hintergrundbeleuchtung wurden unabhängig voneinander ansteuerbare Leuchtdioden (LEDs) verwendet, die sich auch in anderen Industriezweigen (z.B. Lichteinheiten in der Automobilindustrie mehr und mehr durchsetzen. Durch die gezielte Ansteuerung einzelner LEDs kann man erreichen, dass die gewünschten Bildinhalte komplett schwarz erscheinen, während andere Bereiche weiterhin eine hohe Leuchtkraft aufweisen – die Folge: Durch LED-Backlight werden neue Höhenflüge bezüglich des maximalen Kontrastverhältnisses erreicht. Dadurch, dass die LEDs in den schwarzen Bildbereichen auch tatsächlich aus sind, erscheint das Schwarz sichtbar tiefer und satter. Das Problem mit der nicht ganz reinen Farbwiedergabe bei der CCFL-Hintergrundbeleuchtung besteht bei RGB LED-Backlight auch nicht mehr, da roten, grünen und blauen Leuchtdioden deutlich besser für eine präzise Farbwiedergabe geeignet sind. An stellen, an denen z.B. reines Rot gefragt ist, werden die blauen und grünen LEDs komplett gedimmt, um so eine reinere Farbdarstellung zu erreichen. Um weißes Hintergrundlicht bereit zu stellen, agieren eine blaue, eine rote und eine grüne LED zusammen. Das Weiß erstrahlt natürlich, dadurch wird der Farbraum effektiv erweitert, Farben wirken intensiver und realistischer. In der tatsächlichen Praxis wirkt sich die LED Backlight Technologie noch nicht bei allen von uns in Augenschein genommenen Flachbild-LCD-TVs so wie gewünscht aus, was auch daran liegt, dass es beileibe nicht nur RGB Backlight-LCDs gibt, sondern auch LCDs mit Pseudo White LED-Backlight. Mehr dazu im nächsten Abschnitt.

LCDs – geschaffen für den mobilen Einsatz

Für den mobilen Einsatz – ganz gleich, ob im Fahrzeug, im Zug oder im Flugzeug – spielen Plasmaschirme keine Rolle. Hier greift man ausschließlich auf LC-Displays zurück, die man heute in praktisch jeder Größe herstellen kann. Setzt man LC-Displays mobil ein, z.B. im Auto oder im Flugzeug, ist es sehr wichtig, dass die Panels und die angeschlossene Elektronik drastischen Temperaturunterschieden trotzen. Von – 45 bis + 45 Grad sollten die Komponenten einwandfrei funktionieren. Natürlich sind gerade bei einem LC-Display, das in einem Auto oder einem Flugzeug untergebracht ist, die Ansprüche an eine hervorragende Bildqualität hoch, aber auch stationäre Displays, die auch auf vielen öffentlichen Plätzen (z.B. an Bahnhöfen, in Shopping Malls oder an Flughäfen) zu finden sind, ist eine herausragende Bildgüte wichtig. In unserer heutigen Zeit, in der viel gereist wird, verbringt man einen Großtel seiner Zeit im Auto, im Zug oder im Flugzeug. Dadurch wird die Unterhaltung „an Bord“ zu einem immer wichtigeren Qualitätsmerkmal. Und wenn man nicht unterwegs ist, wartet man am Airport oder Bahnhof bzw. verbringt Zeit im Hotel – dann ist es auch dem Wohlbefinden zuträglich, wenn das am Aufenthaltsort vorhandene Display mit einer hohen Bildgüte brilliert.

Die höhere Auflösung der LCD- Technik im Vergleich zum alten Röhren-TV

Die uns früher bekannten Röhren-Fernsehgeräte boten eine Auflösung, die dem ausgestrahlten PAL-Fernsehsignal entsprach. 720 x 576 Pixel wurden dargestellt. Aufgrund der „Passgenauigkeit“ von eingehendem PAL-Signal und nativer Auflösung des Röhrenfernsehgerätes war es klar, dass die Bildqualität im Rahmen der systembedingten Möglichkeiten als ansprechend zu bezeichnen war. Heute allerdings nahezu alle LC-Displays eine vom PAL-Signal abweichende Auflösung auf. Bei den Home-LCDs aus der Unterhaltungselektronikindustrie hat sich mittlerweile die sogenannte Full-HD-Auflösung von 1.920 x 1080 Bildpunkten durchgesetzt. Ein PAL-Signal von 720 x 576 Pixeln muss also erst auf die 5x so hohe Bildschirmauflösung skaliert werden. Es dürfte klar sein, dass selbst ein hervorragender Scaler die Unzulänglichkeiten des Ausgangssignals nicht kompensieren kann – das Bild erscheint nicht allzu scharf, zudem sind Rauschmuster sichtbar. Dass das PAL-Signal eine unterdurchschnittliche Qualität hat, wurde auf den niedrig auflösenden Röhren-TVs nicht sichtbar, sehr wohl aber auf einem hochauflösenden LCD. Nicht nur die geringe Auflösung, auch andere Signalschwächen wie Bildrauschen und unstimmige Farbübergänge werden hier offenbart. LC-Displays für den mobilen Einsatz weisen unterschiedliche Auflösungen auf. Hier ist zu beachten, dass das eingehende Bildsignal in hoher Qualität auf die Auflösung des verbauten LCD-Panels umskaliert werden muss. Sind die Bildsignale in hoher Auflösung – beispielsweise in Full HD 1.920 x 1.080 Pixel - so ist die Darstellung auf einem niedriger auflösenden LC-Display, welches z.B. im Auto oder im Flugzeug zum Einsatz kommt, problemlos in sehr guter Qualität möglich. Es ist immer einfacher, aus mehr Bildinformationen weniger zu machen als umgekehrt. Mehr dazu findet sich im nächsten Abschnitt „Scaling“.