Ratgeber

Technik von LCD-Monitoren

Die qualitativ hochwertigeren Panels für Bildschirme sind die VA- und IPS-Panels. Aber auch TN-Displays sind durch Weiterentwicklungen besser geworden und für die meisten Anwendungen durchaus zufrieden-stellend. Noch dazu liegen sie preislich um einiges niedriger als die blickwinkelunabhängigeren und kontraststärkeren Panels. 

Die Vorteile von LC-Displays, wie der geringere Platzbedarf, ein schärferes und flimmerfreies Monitorbild und ein absolut flaches Display, sind zum Teil offensichtlich. Weniger Strahlungsemission, geringerer Stromverbrauch und nahezu keine Wärmeentwicklung sind weitere Vorzüge gegenüber der Bildschirmröhre (CRT), die man nicht beim bloßen Hinschauen auf die meist edel designten Monitore erkennen kann. Im Unterschied zum Röhrenbildschirm leuchtet ein LC-Display nicht von selbst. Während bei  CRTs Elektronenstrahlen die Leuchtphosphore auf dem Glas des Monitors zur Lichtemission anregen, erzeugt bei einem Flachbildschirm eine Hintergrundbeleuchtung, meist eine Kaltkathodenröhre, das Licht. Eine gleichmäßige Helligkeit über die Displayfläche wird mit Hilfe eines Reflektorsystems und einer Diffusorscheibe erzielt.

Der Name Liquid Crystal Display stammt von den Flüssigkeitskristallen (Liquid Crystals), durch die das Hintergrundlicht hindurchtritt und reguliert wird. Einerseits haben diese Flüssigkeitskristalle eine geordnete Struktur wie Kristalle. Ihre Molekülgruppen, die aussehen wie kleine Stäbchen, sind in eine Richtung ausgerichtet. Andererseits sind sie aber doch beweglich weil sie die Eigenschaft besitzen, ihre Stabmoleküle an einem elektrischen Feld auszurichten.

TN-Verfahren

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Das TN-Verfahren (Twisted nematic) hat durch die nicht immer senkrecht zur Betrachtungsrichtung angeordnten Moleküle einen niedrigeren Kontrast als die anderen Technologien. Das älteste Verfahren (1971) hat damit auch einen eingeschränkten Blickwinkel. Somit bietet es im Unterschied zu neueren Technologien die niedrigste Darstellungsqualität a) ohne angelegte Spannung: helle Zelle b) mit angelegter Spannung: dunkle Zelle.

Diese Beeinflussung durch elektrische Felder ist für die Bilderzeugung bei Flüssigkristallanzeigen entscheidend. Die Flüssigkeitskristalle sind zwischen zwei Glassubstratflächen eingebettet. Die beiden Glasscheiben umschließen außerdem noch Transistoren und zwei leitfähige ITO (Indium-Tin-Oxide)-Schichten, die das elektrische Feld erzeugen, sowie Farbfilter für die Farbdarstellung (siehe Kasten TFT). Die beiden Glasscheiben werden wiederum von zwei Polarisationsfolien umschlossen. Das Innere eines LCDs ist also aufgebaut wie ein Sandwich aus mehreren funktionalen Schichten.

LCD-MonitoreDas Hintergrundlicht sendet Lichtwellen aus, die in alle Richtungen schwingen. Der erste lineare Polfilter lässt aber nur noch Wellen mit einer bestimmten Schwingrichtung durch. Das Licht ist dann linear polarisiert. Dieses polarisierte Licht gelangt nun durch die erste Glassubstratfläche auf die dahinter liegende Flüssigkeitskristallschicht. Je nach Orientierung der Kristalle - also abhängig von der anliegenden Spannung an die Kristallzelle - wird die lineare Polarisierung des Lichtes in jedem Pixel nun um 90° gedreht oder nicht gedreht. Der zweite lineare Polarisator lässt dann das Licht entweder passieren, und es erscheint ein helles Pixel auf dem Bildschirm, oder es kann aufgrund seiner gegenläufigen Polarisierung nicht durch den Polfilter gelangen, und somit wird auch kein Licht an den Bildschirm weitergeleitet. Da vor den einzelnen Pixeln rote, blaue und grüne Filter sitzen, leuchten die Pixel in allen drei Grundfarben.

Die TN-LCD-TechnikDie verschiedenen Paneltechniken unterscheiden sich in der Orientierung der Kristalle und somit in ihrer Bilddarstellung. Die älteste, aber auch heute noch aktuelle Technik ist das TN-(Twisted Nematic)-Prinzip.

IPS-Technologie

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Bei der IPS-Technologie (In-plane-switching) sind alle Moleküle immer senkrecht zur Betrachtungsrichtung ausgerichtet. Dadurch ergibt sich ein Bildwinkel bis zu 170 Grad und eine deutlich bessere Farbtreue. Die Reaktionszeit ist aufgrund der weiten Drehwege der Moleküle relativ lang. a) ohne angelegte Spannung: dunkle Zelle b) mit angelegter Spannung: helle Zelle.

Die Stabmoleküle sind hier ohne angelegte Spannung zwischen den Glassubstraten so ausgerichtet, dass sie wie eine 90°-Schraube von der hinteren zur vorderen Polarisationsfolie zeigen. Die Stäbchen liegen also alle parallel zur Display-Oberfläche, aber gedreht, und die beiden linearen Polarisationsfilter sind ebenfalls um 90 Grad zueinander gedreht angeordnet.

Das Hintergrundlicht wird nun durch die erste Polarisationsfolie linear polarisiert. Dieses eintretende Licht folgt dem schraubenförmigen Verlauf der Stabmoleküle und wird dadurch selbst um 90 Grad gedreht. Das Licht hat also seine Polarisationsrichtung um 90 Grad geändert und kann nun ungehindert durch den zweiten Polfilter gelangen. Das Pixel erscheint also ohne Anlegen einer Spannung hell am Bildschirm. Wird nun mit Hilfe der Transistoren zwischen den ITO-Schichten, die die Flüssigkristalle einschließen, ein elektrisches Feld erzeugt, ändern die Kristalle ihre räumliche Ordnung. Die Stabmoleküle kippen um 90 Grad und haben ihre Helixorientierung verloren. Das eintreffende linear polarisierte Hintergrundlicht wird nicht mehr in seiner Polarisationsrichtung gedreht, und somit kann es den zweiten Polarisationsfilter nicht  passieren. Die Transmission des Lichts ist minimal und der Bildpunkt bleibt dunkel. Die Flüssigkeitskristalle wirken als eine Art Lichtventil, das je nach Höhe der Spannung das Licht mehr oder weniger stark durchlässt. Leider ist der Kontrastverlust bei solchen TN-Panels sehr winkelabhängig. Durch die inhomogene Ausrichtung der Moleküle im elektrischen Feld kommt es zu Streulicht, so dass bei einem seitlichen Betrachtungswinkel doch noch etwas Licht ins Auge gelangt und somit das Display nicht mehr tief schwarz erscheint.

MVA-Technik

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Die MVA-Technik (Multiple domains vertical lignment) erlaubt dank ihrer Grundausrichtung der Moleküle schnelle Reaktionszeiten und eine bessere Kontrastwiedergabe. So sind Kontraste bis 400:1 möglich, und die Betrachtungswinkel ereichen 160 Grad. a) ohne angelegte Spannung: dunkle Zelle b) mit angelegter Spannung: helle Zelle.

Die IPS-LCD-TechnikDie IPS (In-Plane-Switching)-Technik von Hitachi löst das Problem des kleinen Betrachtungswinkels besser. Bei diesem Prinzip wird das elektrische Feld nicht von hinten nach vorne an die Kristalle angelegt, sondern verläuft parallel zu den Polarisationsfolien. Wiederum sind die Polarisationsfolien um 90 Grad gedreht zueinander angeordnet. Im spannungslosen Zustand stehen die Kristalle parallel zur hinteren Polarisationsfolie. Das heißt bei einer senkrechten Ausrichtung der hinteren Polarisationsfolie stehen auch die Kristalle senkrecht davor. Das polarisierte Licht passiert die Kristalle ungedreht  und trifft auf die gekreuzt stehende vordere Polarisationsfolie, die es absorbiert. Auch bei seitlicher Betrachtung des Displays gelangen kaum Strahlen in das Auge. Das Kontrastverhältnis ist deswegen blickwinkelunabhängiger als bei einem TN-Panel. Bei angelegter Spannung kippen die Flüssigkeitskristalle und ändern nun die Polarisationsrichtung des Lichts per Doppelbrechung. Das so gedrehte Licht kann den vorderen Polarisationsfilter ungehindert passieren. Der Betrachter sieht einen weißen Bildschirm. Früher hatte die IPS-Technik den großen Nachteil, dass sie nicht so lichtdurchlässig war wie die TN-Technik. Man benötigte hellere Lichtquellen, was wiederum den Energieverbrauch in die Höhe trieb. Mit der neuen Technik "AP-IPS" ( advanced super In-plane switching) garantiert Hitachi aber eine deutlich verbesserte Helligkeit und eine noch bessere Blickwinkelstabilität bezüglich des Kontrasts und der Farbdarstellung. Ein Teil der technischen Literatur beschreibt auch IPS-Panels mit parallelen Polarisationsfolien und entsprechend gedrehter Kristallebene.

PVA-Technologie

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PVA-Technologie (Patterned multiple domains vetical alignment) zeichnet sich durch eine großen Betrachtungswinkel (170 Grad) aus. Dank der kurzen Ausrichtungswege der Moleküle ergeben sich auch kurze Reaktionszeiten. Auch der Kontrast ist durch die günstige Anordnung der Moleküle sehr hoch. a) ohne angelegte Spannung: dunkle Zelle b) mit angelegter Spannung: helle Zelle.

Die MVA-LCD-TechnikEine weitere Panelentwicklung stammt von Fujitsu und heißt MVA (Multidomain Vertical Alignment). Diese Technik ist ebenfalls blickwinkelunabhängiger als TN-Panel, und gegenüber dem IPS-Prinzip verfügt ein solches Display über ein besseres Kontrastverhältnis. Wie der Name schon sagt, zeigen hier die Molekülstäbe im spannungslosen Zustand auf den Betrachter vor dem LCD, sie sind also nicht mehr parallel zu den Polarisationsfolien - wie bei TN und IPS -, sondern senkrecht zu diesen ausgerichtet. Wiederum sind die beiden Polarisationsfolien gekreuzt angeordnet. Wegen der speziellen Orientierung der Kristalle bleibt die Polarisationsrichtung des Lichts unverändert, und es kann so nicht durch den zweiten Polarisator gelangen. Damit bleibt der Bildschirm ohne Anlegen eines elektrischen Feldes schwarz. Beim Anlegen von Spannung kippen die Kristalle und stehen nun schräg oder parallel zu den Polarisationsfolien. Es findet eine Doppelbrechung statt, welche das Licht in seiner Polarisation um 90° ändert. So passiert das Licht die zweite Polarisationsfolie, und der Bildpunkt erscheint hell. Das elektrische Feld verläuft, wie bei den TN-Panels, von der ersten zur zweiten Polarisationsfolie. Das "M" im Namen dieser Technologie steht für Multi Domain und bedeutet, dass die einzelnen Pixel in zwei oder mehrere Domänen (Subpixel) unterteilt werden. In dem einen Subpixel sind die Kristalle bei angelegter Spannung in die eine Richtung ausgerichtet, während in der angrenzenden Domäne die Kristalle sich genau in die entgegengesetzte Richtung orientieren. Durch diese unterschiedlichen Orientierungsrichtungen sieht der Betrachter bei verschiedenen Betrachtungswinkeln eine gleichmäßige Helligkeit über den ganzen Bildschirm. Die Unterteilung der Pixel in verschiedene Zellen dient also der hervorragenden Blickwinkelstabilität der MVA-Panels. Sie werden hauptsächlich für hochwertige, große (von 19 bis 23 Zoll) Displays verwendet, die vor allem in der professionellen Bildbearbeitung eingesetzt werden.

Die PVA-LCD-TechnikEine ähnliche Entwicklung treibt Samsung mit seiner PVA-(Patterned multidomains vertical alignment)-Technik voran. Sie soll laut Samsung einen höheren Kontrast und einen noch größeren Blickwinkel als das MVA-Prinzip mit sich bringen. Die Molekülstäbe stehen wiederum senkrecht zwischen den gekreuzt angeordneten Polarisationsfolien - diesmal allerdings sehr dicht nebeneinander in einer Reihe. Wie bei der MVA-Technik bleibt das von der ersten Polarisationsfolie polarisierte Licht zunächst ungedreht und kann die vordere Polarisationsfolie damit nicht passieren. Wirkt aber ein elektrisches Feld auf die Moleküle, so neigen sie sich um einen sehr kleinen Winkel und drehen nun die Polarisationsrichtung des Lichts. Dieses tritt dann ungehindert durch den vorderen Polarisator. Dieser kurze Ausrichtungsweg erhöht die Reaktionszeit des Displays, und die nebeneinander, in nur einer Schicht angeordneten Kristalle steigern die Lichtdurchlässigkeit, so dass diese Panels über einen sehr hohen Kontrast verfügen.

Emissionskurve Hintergrundbeleuchtung mittels Fluoreszenzröhren

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Hintergrundbeleuchtung mittels konventioneller Fluoreszenzröhren: Die spektrale Emissionskurve (schwarze Linie) passt nur schlecht zur spektralen Transmission (Durchlässigkeit) der LCD-Farbfilter.
Emissionskurve Hintergrundbeleuchtung mittels LEDs

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Hintergrundbeleuchtung mittels LEDs. Die Filter des LCDs und die Wellenlängenverteilung der LED-Beleuchtung stimmt wesentlich besser überein. Dies ermöglicht bei geeigneter Konfiguration ein deutlich brillanteres Bild.

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