Konvergenz in der Displaytechnik bezeichnet die möglichst genaue Überlagerung der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau, aus denen das Bild erzeugt wird. Daher ist Konvergenz bei allen farbigen Anzeigesystemen (insbesondere bei Verwendung von Röhren) von Bedeutung. Der folgende Text befasst sich im ersten Abschnitt mit Monitoren/ Displays und im zweiten Teil mit Projektionssystemen.
Konvergenz bei Monitoren
Röhrenmonitore bilden farbige Bilder über drei Elektronenstrahlen ab, welche auf dem Bildschirm auf entsprechende Phosphorpunkte (R,G,B) auftreffen und diese zum Leuchten bringen. Generell haben sich zwei verschiedene Systeme von Farbröhren durchgesetzt. Das sind zum einen Bildröhren nach dem Prinzip der Delta-Gun und zum anderen Systeme mit dem Funktionsprinzip der InLine-Gun. Um Aussagen über die Konvergenz treffen zu können, ist es wichtig, ein grundlegendes Verständnis für diese beiden Prinzipien zu besitzen. Daher im folgenden eine kurze Funktionsbeschreibung.
Delta-Gun
Hierbei werden drei Elektronenstrahlen abgegeben, die in einem Dreieck (Delta) angeordnet sind (Bild 1a). über die Ablenkeinheit gelangen die Strahlen auf die Lochmaske und von dort auf den Phosphorschirm (Bild 1b). Durch die Anordnung Lochmaske / Phosphorpunkte wird sichergestellt, dass auf auf den jeweiligen Phosphorpunkt nur der dazugehörende Elektronenstrahl trifft. Jeder der drei Elektronenstrahlen wird separat erzeugt und durch eine eigene Fokussiereinheit geformt.
InLine-Gun
Die abgebenden Elektroden sind in einer Linie angeordnet (Bild 2a). über die Ablenkeinheit gelangen die Strahlen auf eine Linienmaske, welche die drei Strahlen auf die Phosphorschicht verteilt. Die Phoshore sind hier senkrechte Linien (R,G,B), die von oben nach unten über den gesamten Schirm laufen (Bild 2b). Alle drei Elektronenstrahlen werden aus einer einzigen Elektronenkanone emittiert. Das System besitzt für alle drei Strahlen nur eine Fokussiereinheit. Bekanntestes Beispiel für eine InLine-Röhre ist Sony-Trinitron.
Wie kommen Konvergenzfehler zustande?
Das System Elektronenstrahl- Fokussiereinheit/ Ablenkeinheit- Schirm entspricht ähnlichen Gesetzen wie ein optisches System. Die wichtigtsen Fehler kommen dadurch zustande, dass die Elektronenstrahlen die elektrostatische Linseneinheit an unterschiedlichen Stellen passieren. Es treten folgende entscheidende Effekte auf:
Projektionsverzerrung (Curvature of field): Da die Monitoroberfläche keinen Ausschnitt einer idealen Kugel darstellt (vielmehr ein Abschnitt eines Zylinders oder eines Ellipsoides) sind die Weglängen zwischen Elektroden und Schirm zu verschiedenen Bildstellen unterschiedlich lang. Das führt zu unterschiedlichen Fokussierungsabständen, je nach Bildpunkt.
Astigmatisums: Hierbei ist die Lage der Elektronenstrahlen im Verhältnis zum Mittelpunkt der elektronischen Linse von Bedeutung. Liegen die Strahlen nicht im gleichen Abstand zum Bildmittelpunkt, werden sie unterschiedlich stark vergrößert. ( Bild 3 )
Coma: Objekte (Lichtstrahlen, Elektronenstrahlen), welche sich außerhalb des Linsenmittelpunktes befinden, werden verzerrt dargestellt. ( Bild 3 )
Die oben genannten Verzerrungen sind die Hauptursachen für Mißkonvergenz in Farbbildröhren. Darüberhinaus spielen z.B. elektromagnetische Streufelder eine Rolle. ( Monitor-FengShui: Stellen Sie Ihren Monitor in Ost-West-Richtung auf (hinten-vorn), so daß das Erdmagnetfeld gerade durch die Bildröhre geht.)
Wie wird Konvergenz erreicht?
Die meisten Schwierigkeiten bereitet das Delta-Gun-Prinzip. Hierbei muß ein Kreispunkt aus den drei Strahlen geformt werden, für jeden Lochmaskenpunkt. Weiterhin muß das gleichseitige Delta-Dreieck überall auf der Lochmaske gleich abgebildet werden. Die oben genannten Fehler führen dabei zu einem verhältnismäßig hohen Kompensationsaufwand. Mittels Vierpolfeldern wird das Strahlendreieck so beeinflußt, dass es an jeder Stelle gleichseitig und nicht verdreht ist. Eine andere Möglichkeit besteht im Anbringen von Magneten am Röhrenhals, welche ebenfalls das Problem Astigmatismus/ Coma korrigieren.
Das InLine-System bringt den großen Vorteil mit sich daß hierbei die Strahlen nur in einer Linie konvergiert werden müssen. Dazu werden an der Ablenkeinheit Felder angelegt, die der Mißkonvergenz entgegen arbeiten (Bild 4).
Alle oben genannten Einstellungen werden beim Herstellungsprozess der Röhre oder das Bildschirms /TV vorgenommen. Es ist nicht ratsam, ohne ein entsprechendes Service-Handbuch die Konvergenz-Hardware eines Bildschirms/ TVs zu verändern. Allerdings bieten manche Monitore die Möglichkeit, über eine Elektronik (OnScreenDisplay o.ä.) die Konvergenz zu beeinflussen. Hier kann man mit dem entsprechenden Testbild (Bild 7) und der unter dem Abschnitt Projektionssysteme genannten Vorgehensweise versuchen, die Konvergenz zu verbessern.
Konvergenz bei Projektionssystemen
Auch hier gilt: Nur wenn die drei Farbstrahlen möglichst genau den gleichen Punkt treffen, erhält man ein scharfes Bild mit guter Farbkonvergenz. Dabei geht man davon aus, daß die maximal zulässige Abweichung 0,5 Pixel (Bildelemente) betragen darf, um ein scharfes Bild zu erlangen.
Dies führt auch dazu, daß Projektionssysteme, die mit nur einem Bilderzeuger arbeiten, sich mit dem Problem Konvergenz nicht herumschlagen müssen, da hier, je nach Aufbau, drei oder mehr Subpixel ein Pixel bilden und der maximale Fehler schon unter 0,5 Pixel Abweichung liegt.
Wodurch entstehen Konvergenzprobleme ?
Die meisten Konvergenzprobleme ergeben sich durch das Konstruktionsprinzip bei Röhrenprojektoren. Hierbei sind die bilderzeugenden Röhren wie in Bild 5) zu sehen angeordnet. Es liegt nur die grüne Röhre senkrecht zur Projektionswand, Rot und Blau sind gekippt. Dadurch entstehen auf der Projektionswand Verzerrungen, die in Bild 6) ersichtlich sind. Nur die grüne Röhre erzeugt ein rechteckiges Abbild, Blau und Rot ergeben ein Trapez. Diese trapezförmigen Verzerrungen wiederum lassen, sieht man von anderen Problemen ab, das Bild, insbesondere an den Rändern und Ecken, unscharf erscheinen.
Weitere Konvergenzprobleme ergeben sich aus verschiedenen röhrenspezifischen Geometriefehlern. Beispiele hierfür können sein: Kissenverzerrung, Bilddrehung, Lage des Bildmittelpunktes usw. Diese Fehler treten für jede der drei Farben getrennt auf und summieren sich.
Auch bei Lichtventil-Projektoren (Bsp. LCD-Projektor) kann es zu Konvergenzverschiebungen kommen. Das ist dann der Fall, wenn der Projektor mit drei LCD-Filtern arbeitet, das Licht der Projektorlampe also aufteilt. Hierbei treten unterschiedlich lange optische Wege für die einzelnen Wellenlängen (Rot, Grün, Blau) auf. Die Wegdifferenzen kommen durch die Filterung des Lampenlichtes mittels dichroitischer Spiegel zustande.
Wie erreicht man Konvergenz?
Muß man die Konvergenz eines 3-Röhrenprojektors von Hand einstellen, kann das eine sehr langwierige Prozedur sein. Man stelle sich vor, man müsse 3 Computermonitore so aufeinander abstimmen, das sie exakt die gleiche Geometriedarstellung haben und auch noch in die gleiche Richtung zeigen, dass ganze bei nur 0,2 % Abweichung (0,5 Pixel Abweichung pro Farbe und PAL- Auflösung).
Eine mögliche Einstellung kann folgendermaßen erfolgen: Mittels eines Gitterbildes (Bild 7) wird als erstes die grüne Röhre soweit kalibriert, daß das bestmögliche Geometrieergebnis für Grün entsteht. Als nächstes wird die blaue, dann die rote auf das grüne Bild angepaßt. Stellt sich dabei heraus, daß die Einstellmöglichkeiten für Rot oder Blau nicht flexibel genug sind, muß Grün dem Fehler der jeweiligen Farbe angeglichen werden und die Prozedur beginnt von Neuem.
Dankenswerterweise sind heutzutage komfortablere (... und leider auch teurere Systeme) mit Kalibrierungssystemen ausgestattet, die diesen Vorgang automatisch und mit hoher Genauigkeit selbständig durchführen.
Die Konvergenzeinstellung eines Lichtventil-Projektors ist wesentlich unproblematischer da die allermeisten Projektoren mit nur einer Projektorlinse arbeiten. Es entfällt also die Geometrieeinstellung der einzelnen Farben zueinander. Trotzalledem ist es mittels elektronischer Kontrolle möglich, eventuell auftretende Lauflängenunterschiede auszugleichen.
Folgerungen
Beim Einsatz von Projektoren muß man sich immer Gedanken über die Farbkonvergenz machen.
Die aufwendigen Konvergenzeinstellungen lassen 3-Röhrenprojektoren für feste Installationen geeigneter erscheinen, da hier der Abstand Projektor- Leinwand gegeben ist. Die Konvergenz muß nur einmal eingestellt werden.
Bei mobilem Einsatz muß die Konvergenz jedesmal auf den Abstand Projektor/ Leinwand kalibriert werden.
Hier liegt der große Vorteil von Ein-Linsensystemen. Umfangreiche Konvergenzeinstellungen sind hier nicht notwendig.