3D-Displays Die Zukunft gehört den brillenlosen 3D-Technologien

Marktforschungsunternehmen sagen der 3D-Technologie ein erhebliches Wachstum voraus. Sozusagen aus dem Nichts soll der Markt bis 2018 auf ein Volumen von knapp 200 Mio. Einheiten pro Jahr anschwellen, mit einem Verkaufswert von rund 22 Mrd. Dollar. Dabei soll der größte Teil der 3D-Displays für tragbare Geräte genutzt werden, TV-Anwendungen stehen langfristig erst an zweiter Stelle.

Im TV-Bereich hat die Entwicklung von Shutter-Brillen für den entscheidenden Durchbruch bei der 3D-Darstellung gesorgt. Dabei setzt sich das zeitsequenzielle Verfahren gegenüber dem feldsequenziellen durch. Bei ersterem werden die beiden stereoskopischen Perspektiven im Wechsel von mindestens 60 Hz mit der vollständigen Bildschirmauflösung gezeigt. Um die räumlichen Bilder für die Augen entsprechend zu trennen, werden aktive Shutter-Brillen auf Basis von Flüssigkristallen mit der Anzeige synchronisiert. Sie „öffnen“ und „schließen“ sich derart, dass das linke und das rechte Auge getrennte Bilder sehen. Das menschliche Gehirn kombiniert diese leicht unterschiedlichen Bilder und generiert die Tiefenwahrnehmung eines dreidimensionalen Bildes.

Das feldsequenzielle Verfahren arbeitet im Prinzip ähnlich, nur dass bei der Darstellung der Teilbilder nicht die volle Bildschirmauflösung genutzt wird, sondern das Teilbild in dem Bereich des Schirms erscheint, der dem entsprechenden Auge am nächsten ist. Dies verstärkt zwar den dreidimensionalen Eindruck, verzerrt aber im Vergleich zum zeitsequenziellen Verfahren das Gesamtbild. Generell liegt der Vorteil der sequenziellen Verfahren aber darin, dass beide Stereobilder farblich ungefiltert und somit unverfälscht angezeigt werden.

Der Nachteil bei den Shutter-Brillen wie bei allen Filtermethoden zur 3D-Darstellung ist, dass im Vergleich zur normalen 2D-Darstellung die Hälfte der Bildhelligkeit verloren geht, da die Augen zur Hälfte der Zeit komplett abgeschattet sind. Bei den 3D-LC-Display-Fernsehern von Sharp kommen daher Technologien zum Einsatz, die die Bildqualität verbessern und die Helligkeit der Panels erhöhen. Dazu zählen das UV2A-Vefahren, Sharps Kerntechnologie für LC-Fernseh-Panels und die Verwendung von vier Primärfarben. Hierbei wurde den Standard-RGB-Pixeln die Farbe Gelb (Y) hinzugefügt, was nicht nur das Farbspektrum erweitert und lebhaftere Farben erzeugt (siehe Bild 1 oben), sondern auch die Transmissivität der Panels um fast 20 % erhöht.

Darüber hinaus werden die Panels mit einem an den Kanten angebrachten „LED Scanning Backlight“ hinterleuchtet und die Bildhelligkeit mit der FRED-Technologie (Frame Rate Enhanced Driving) verbessert. Bei letzterer kann eine der beiden Leiterbahnen zwischen den RGBY-Sub-Pixeln entfallen, was die Apertur um 10 % erhöht. Alle Maßnahmen zusammen führen zu einer Helligkeit, die 1,8-mal höher ist als die konventioneller Bildschirme zur Wiedergabe von 3D-Bildern, der Helligkeitsverlust durch die Shutter-Brille wird hier nahezu ausgeglichen.

Auto-stereoskopische Displays für tragbare Geräte

Den entscheidenden Nachteil des zeitsequenziellen 3D-Verfahrens – die Shutterbrillen selbst – können auch die helleren Panels nicht ausgleichen. Experten rechnen daher erst mit einem flächendeckenden Durchbruch der 3D-Visualisierung, wenn marktfähige, auto-stereoskopische Lösungen zur Verfügung stehen.

Für portable Applikation nutzt Sharp bereits eine brillenlose 3D-Display-Technologie, die auf dem Prinzip der Parallaxen-Barriere beruht. Durch eine Streifenmaske werden hierbei die Pixel spaltenweise so verdeckt, dass sie nur von jeweils einem Auge gesehen werden können. Die beiden Stereobilder für die räumliche Darstellung werden dabei zeitgleich auf dem Display in alternierenden Pixelspalten dargestellt, so dass das linke Auge nur das Stereobild für das linke Auge sieht und umgekehrt (Bild 2).

So entsteht ein räumliches Bild, auch ohne wie auch immer geartete Filter-Brillen. Da die Parallaxen-Barriere durch Flüssigkristalle erzeugt wird, kann die Ausrichtung des Rasters wechseln, so dass 3D-Bilder sowohl im Hoch- als auch im Querformat auf dem Bildschirm dargestellt werden können. Bei diesem Verfahrens ist es auch möglich, die Parallaxen-Barriere auszuschalten und auf dem Bildschirm konventionelle 2D-Bilder bei voller Auflösung des LC-Displays anzuzeigen. Bei dem umschaltbaren 2D/3D-Display mit Parallaxen-Barriere muss allerdings der Kompromiss eingegangen werden, dass im 3D-Modus nur die Hälfte der Auflösung und Helligkeit zur Verfügung stehen. Auf die 2D-Darstellung hat dies jedoch keinen wahrnehmbaren Einfluss.

Im Vergleich zu den ersten Produkten haben die neuen 3D-LC-Displays eine deutlich verbesserte Bildqualität. Entscheidend sind die Fortschritte bei der Auflösung: Der ursprüngliche Prototyp basierte auf einem QVGA-Display mit 320 × 240 Pixel. Da die Parallaxen-Barrierentechnik die Auflösung im 3D-Modus halbiert, waren die dreidimen­sionalen Bilder in der Schärfe wenig zufriedenstellend. Die Weiterentwicklung der „Continuous Grain Silicon“-Technologie (CGS) hat es ermöglicht, die Elektronen-Beweglichkeit zu verbessern und so die Pixel-Größe sowie die Breite der Leiterbahnen im LC-Panel erheblich zu verringern.

Das neue 3D-Display hat daher eine WVGA-Auflösung (480 × 800 Pixel, 246 ppi) bei einer Bildschirmdiagonale von lediglich 3,8 Zoll. Selbst im 3D-Modus erreicht das Display eine Pixel-Dichte von 123 ppi – ausreichend für brillante räumliche Bilder (Bild 3). Auch die 10,6-Zoll-Variante liefert mit ihrer „nativen“ WXGA-Auflösung bei der dreidimensionalen Darstellung klare Bilder.

Mit der CGS-Technologie sind schmalere Leiterbahnen möglich, das erhöht die Transmissivität des Panels. Außerdem trägt das optimierte Design der Parallaxen-Barriere zu einer größeren Lichtdurchlässigkeit bei. Insgesamt ist die neue Generation von 3D-Displays mit bis zu 150 cd/m² im 3D-Modus rund doppelt so hell wie die Vorläufer aus der Anfangszeit der Entwicklung. Das Redesign der Parallaxen-Barriere hat auch dazu geführt, dass die neuen 3D-fähigen LC-Module nur noch halb so dick sind wie die ersten Prototypen und dabei sogar noch die Touchscreen-Funktionen integrieren.

Dies ist vor allem für Hersteller von Mobiltelefonen, tragbaren Spielekonsolen sowie Tablet-PCs wichtig, die hohe Anforderungen an Größe und Gewicht der Geräte stellen. Seit der Einführung des iPhones sind speziell in der Kategorie der Smartphones die Touch-Funktionen als Grundelement einer intuitive Bedienung ein unverzichtbares Kriterium bei der Auswahl des Displays.

Ein Problem gilt es noch zu lösen: Aufgrund der Geometrie der Parallaxen-Barriere ist das räumliche Bild nur in bestimmten Bereichen, den so genannten „Viewing Diamonds“ zu erkennen (Bild 4), die in einer definierten Position direkt vor dem Display liegen und sich nach links und rechts entsprechend des Beugungsmusters wiederholen. Der neue Aufbau der Parallaxen-Barriere hat diese Bereiche – verglichen mit dem ersten Prototypen – erheblich vergrößert.

Bei den Smartphones, die in der Regel von einzelnen Anwendern genutzt werden, die sich ohnehin direkt vor dem Display befinden, bestehen quasi keine Einschränkungen, doch für Multi-User-Geräte wie Fernseher und e-Signage-Monitore ist diese Technologie weniger geeignet.