Grundlagen der Videotechnik III
Analoge/digitale Signalquellen und Bildschirme
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre, LCD oder OLED-Display
Katodenstrahlröhren
RGB ist die beliebteste Schnittstelle für Computerbildschirme und LCD-Panels. Die meisten älteren Computerbildschirme akzeptieren analoge RGB-Signale an drei separaten Eingangsbuchsen. Sie modulieren drei separate Elektronenstrahlen, um das Bild zu erzeugen. Je nachdem, welcher Elektronenstrahl einen Phosphorpunkt auf dem Bildschirm anregt, wird dieser Punkt rot, grün oder blau leuchten. Durch die Mischung dieser drei Farben lassen sich alle Farben innerhalb des RGB-Farbraumes erzeugen.
Die RGB-Ansteuerung unterscheidet den Computermonitor vom Fernsehgerät. Fernsehgeräte verarbeiten FBAS-Signale, die alle Informationen überlagert enthalten, zu RGB-Signalen für die Bildröhrenansteuerung. Neuere Computerbildschirme nutzen DVI (Digital Visual Interface) damit RGB-Informationen in digitalen und analogen Formaten akzeptiert werden können.
Die Hauptvorteile von Bildröhren bestehen darin, dass sie sehr preiswert sind und mehr Farben als ein LCD-Panel darstellen können. Im Gegensatz zu LCDs lassen sich Bilder auf Bildröhren von beliebigen Blickwinkeln aus betrachten. Zu den Nachteilen von Bildröhren gehören ihre sperrigen Abmessungen sowie die Tatsache, dass sie beachtliche Magnetfelder abstrahlen. Aufgrund ihres Flimmerns können Bildröhren die Augen des Betrachters stark beanspruchen.
Flüssigkristallbildschirme (LCD)
Die LCD-Technik lässt sich in die beiden Hauptkategorien „Passivmatrix“ und „Aktivmatrix“ einteilen. Bei der Passivmatrix-Technik - deren gebräuchliche Familienmitglieder STN (Super Twisted Nematic)-Derivative enthalten - bildet ein mit Zeilen bedrucktes Glassubstrat ein “Flüssigkristall-Sandwich” mit einem mit Spalten bedruckten Substrat. Jedes Pixel befindet sich an der Kreuzung einer Spalte und einer Zeile. Zur Aktivierung eines bestimmten Bildpunktes steuert ein Schaltkreis die Zeile des Pixels an, während die Spalte des gewünschten Pixels auf Masse gelegt wird. Die daraus resultierende Spannungsdifferenz aktiviert das Flüssigkristall an dieser Stelle. Dies führt dazu, dass es lichtundurchlässig wird.
Die Passivmatrix-Technik hat auch Nachteile. So sind zum Beispiel die Refresh-Zeiten relativ langsam, was bei schnellen Bildsequenzen so genannte „Geisterbilder“ hervorrufen kann. Auch besteht die Möglichkeit, dass die Spannung an einem Kreuzungspunkt zwischen Spalte und Zeile in benachbarte Pixel „ausstrahlt“, die Flüssigkristalle teilweise aktiviert und verhindert, dass Licht durch den umgebenden Pixel-Bereich dringt. Von Betrachtern wird dies in Form von verschwommenen Bildern mit reduziertem Kontrast wahrgenommen.
Die Aktivmatrix LCD-Technik ist der Passivmatrix-Technik in diesen Punkten deutlich überlegen. Bei der Aktivmatrix-Technik besteht jedes Pixel im Prinzip aus einem Kondensator und einem Transistor. Daher stammt auch der bekanntere Ausdruck “Thin-Film-Transistor”- oder TFT-Display. Um ein bestimmtes Pixel anzusprechen, wird die gewünschte Zeile aktiviert und dann eine Spannung an der entsprechenden Spalte angelegt. Dies hat den Effekt, dass lediglich das gewünschte Pixel angesprochen wird und andere Bildpunkte in der Nachbarschaft nicht „einschalten“.
Da zur Steuerung eines bestimmten Pixels weniger Strom benötigt wird, lassen sich bei TFT-Displays Bildpunkte schneller umschalten und somit höhere Bildfrequenzen als bei passiven LC-Displays erzielen. Hinzu kommt, dass durch die Modulation der Spannung an den Pixeln viele Helligkeitsstufen realisiert werden können. Entsprechend einer 8-bit-Intensität sind heute 256 Helligkeitsstufen üblich.
Die Verbindungen zu einem TFT-LCD-Panel können auf Grund der verschiedenen, daran beteiligten Komponenten sich als eine sehr schwierige Aufgabe gestalten. Zunächst gibt es das Panel selbst, welches ein Pixel-Array enthält. Das Pixel-Array ist so aufgebaut, dass sich Bildpunkte je nach Zeile und Spalte bzw. entsprechend der Pixel-Taktfrequenz ansteuern lassen. Als Hintergrundbeleuchtung dienen häufig CCFLs (Cold Cathode Fluorescent Lamp). In einer CCFL werden Gasmoleküle angeregt, damit diese helles Licht abstrahlen und dabei wenig Wärme erzeugen.
Weitere Gründe, warum sich CCFLs für LCD-Panels eignen, sind ihre lange Haltbarkeit, ihre lange Lebensdauer und ihre relativ einfache Ansteuerung. LEDs sind hauptsächlich bei Panels mit kleinen bis mittelgroßen Abmessungen eine beliebte Lichtquelle für die Hintergrundbeleuchtung. Zu den Vorteilen von LEDs zählen niedrige Kosten, geringe Versorgungsspannung, lange Lebensdauer und eine gute Intensitätssteuerung. Bei größeren Panels können LED-Hintergrundbeleuchtungen jedoch mehr Leistung aufnehmen als eine vergleichbare CCFL-Hintergrundbeleuchtung.
Die zweite Komponente ist ein LCD-Controller, der die meisten Schaltkreise enthält, die zur Umsetzung eines Video-Signals am Eingang in das geeignete Format zur Darstellung auf dem LCD-Panel erforderlich sind. Normalerweise enthält der LCD-Controller einen Generator, der die Synchronisation und das Taktsignal für die einzelnen Pixel auf dem Panel steuert.
Um jedoch die Anforderungen hinsichtlich der Abmessungen des LCD-Panels und der Kosten erfüllen zu können, sind manchmal externe Schaltkreise erforderlich - “Timing Generator” oder “Timing ASIC”. Zusätzlich zu den Standard-Synchronisations- und Datenleitungen sind Steuersignale erforderlich, die die einzelnen Zeilen und Spalten des LCD-Panels ansteuern. In manchen Fällen können die in einem Multimedia-Prozessor integrierten PWM-Timer als Alternative für ein separates Steuer-IC verwendet und somit Kosten eingespart werden.
Weitere Leistungsmerkmale von LCD-Controller-ICs sind z.B. das Einblenden von Menüs (on-screen display) und Grafik (graphic overlay blending), Farb-Lookup-Tabellen, Dithering und Bildrotation. Solche LCD-Controller können sehr teuer sein und oft die Kosten des Prozessors, mit dem sie verbunden sind, übersteigen.
Die dritte Komponente ist ein LCD-Treiber, um die richtigen Spannungspegel für das LCD-Panel zu erzeugen. Das Treiber-IC dient als „Übersetzer“ zwischen dem Ausgang des LCD-Controllers und dem LCD-Panel. Die Zeilen und Spalten werden normalerweise separat angesteuert, wobei das Timing vom Timing-Generator gesteuert wird. Bei der Ansteuerung von Flüssigkristallen muss periodisch die Polarität geändert werden, da ein Gleichstrom die Kristallstruktur belastet und schließlich zerstört. Deshalb variiert die Polarität der Spannung an jedem Pixel je nach Implementierung entweder pro Bild, pro Zeile oder pro Pixel.
Mit dem Trend hin zu kleineren und preiswerteren Multimedia-Geräten hat sich ein Bestreben zur Integration der verschiedenen Komponenten eines LCD-Systems entwickelt. Heute gibt es TFT-LCD-Module mit Funktionen zur Timing-Erzeugung und Treiberschaltkreisen, die lediglich eine Datenbusverbindung, Takt/Synchronisationsleitungen und Stromversorgung benötigen. Die elektrische Schnittstelle bei einem integrierten TFT-LCD-Modul ist unkompliziert. Sie besteht typischerweise aus Datenleitungen, Synchronisationsleitungen, Stromversorgungsleitungen und einem Taktsignal. Einige Module werden statt mit parallelem Digitaleingang auch mit einem analogen Video-Eingang (FBAS) angeboten.
OLED-Displays (Organic Light-Emitting Diode)
Das Wort “Organic” bei OLED bezieht sich auf das Material zwischen zwei Elektroden. Sobald man eine Ladung an diese organische Substanz anlegt, wird Licht abgestrahlt. Diese Display-Technik ist zwar noch immer sehr neu, bietet aber eine Verbesserung gegenüber den LCDs und deren Nachteilen. Zum einen ist OLED eine selbst-emittierende Technik und benötigt daher keine Hintergrundbeleuchtung. Dies hat große Auswirkungen auf die Leistungsaufnahme des Display-Panels sowie auf die Kosten und das Gewicht – ein OLED-Panel kann extrem dünn sein. Zusätzlich kann es eine größere Farbpalette darstellen als vergleichbare LCD-Panels sowie bewegte Bilder besser als LCDs darstellen. Hinzu kommt, dass OLEDs größere Betrachtungswinkel und einen hohen Kontrast ermöglichen. OLEDs haben ein elektrisches Signal- und Daten-Interface, das dem von TFT-LCD-Panels ähnelt.
Trotz zahlreicher Vorteile beschränkt die derzeit noch begrenzte Lebensdauer den Einsatz von OLED-Displays. Bei OLEDs bricht das organische Material nach wenigen Tausend Betriebsstunden zusammen, obwohl bei einigen Displays bereits über 10 000 Betriebsstunden erreicht werden konnten. Für viele tragbare Multimedia-Anwendungen ist dies völlig ausreichend. In diesen Segmenten – Mobiltelefone, Digitalkameras und ähnliche Produkte - haben OLEDs ihre besten Zukunftsperspektiven. Es ist jedoch durchaus möglich, dass es bereits in naher Zukunft auch Fernsehgeräte oder Computerbildschirme mit OLED-Technik geben wird.
- Analoge/digitale Signalquellen und Bildschirme
- Bildschirme mit Kathodenstrahlröhre, LCD oder OLED-Display
- Literatur und Autoren
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