Evaluierung eines Leuchtdichte-Messgerätes Displays in der Praxis objektiv bewerten

Leuchtdichte-Messungen gehören zur den Standardverfahren bei der Evaluierung elektronischer Displays. Ein solches Messgerät sollte für möglichst viele der erforderlichen Messaufgaben geeignet und in der Handhabung einfach und fehlerfrei sein. In diesem Beitrag wird ein kommerzielles Leuchtdichte-Messgerät mit USB-Anschluss untersucht und beurteilt.

Zu den Verfahren, die für eine objektive Beurteilung von Display- Eigenschaften erforderlich sind, gehören die Bestimmung von Weiß-Leuchtdichte, Kontrastverhältnis, Graustufen und Farbe sowohl im Dunkelraum als auch mit (simuliertem) Umgebungslicht. Die Grundlage aller Messungen sind Leuchtdichte- Messungen, für die Beurteilung der Farbwiedergabe werden noch zwei weitere Parameter bestimmt. Soll ein Messgerät universell eingesetzt werden, dann stellen die Vielzahl der Messverfahren und die unterschiedlichen Eigenschaften der Displays hohe Anforderungen. Das neu von der Firma Gossen herausgebrachte „Mavo- Spot 2“ wurde im Rahmen einer Studienarbeit auf seine Praxistauglichkeit hin untersucht.

Messungen mit Umgebungslicht

Da es praktisch keine Anwendung von elektronischen Anzeigen im Dunkelraum gibt, lassen die Dunkelraumwerte in der Regel keine Rückschlüsse auf die Wiedergabequalität eines Displays in einer Anwendung mit Umgebungslicht zu. Daher muss ein Universal- Messgerät für Display-Parameter hier reproduzierbare Messungen ermöglichen. Eine typische Messaufgabe ist dabei die Ermittlung der Weiß-Leuchtdichte, mit der sich auch Alterungseffekte bestimmen lassen. Messgeräte ohne Optik können praktisch nur für Messungen im Dunkelraum bei senkrechter Abstrahlung eingesetzt werden. Blickwinkel- und Umgebungslichtmessungen sind hiermit nicht möglich, insofern haben Display- Messgeräte mit Optik eine große Verbreitung gefunden. Die wichtigsten Kriterien für Display- Messgeräte werden nachfolgend exemplarisch für das „Mavo- Spot 2“ untersucht und bewertet: Hoher Dynamikbereich bei gleichzeitig hoher Genauigkeit: Dies ist besonders bei Kontrastmessungen wichtig, da hier eine große Zahl (Weiß- Leuchtdichte) durch eine in der Regle sehr kleine Zahl (Schwarz-Leuchtdichte) geteilt wird. Hierzu zählt auch die Überlagerung (Superposition) der Primärfarben zu Weiß. Invarianz bei Gleich- und Pulssignalen:Einfache LC-Displays werden mit zeitlich konstanter Leuchtdichte betrieben, während bei „Active Matrix“- LC-Displays (AM-LCD) die LEDHinterleuchtung bei Dimmung einen pulsförmigen Verlauf aufweist. Bildröhren und Plasma-Displays hingegen emittieren „Lichtblitze“ im Bereich von Mikrosekunden.

 

  • Übereinstimmung des „elektrischen“ Messflecks mit der optischen Markierung: Dies ist vor allem wichtig für Umgebungslichtmessungen mit punktförmigen Lichtquellen und Messungen an kleinen Objekten wie z.B. Symbolen. Abweichungen führen hier zu erheblichen Messfehlern.
  • Flankensteilheit des Leuchtdichte- Messflecks: Licht außerhalb des Messflecks sollte das Messergebnis nicht verfälschen. Aufgrund von Streulicht etc. ist das jedoch praktisch unvermeidbar, der Einfluss sollte jedoch möglichst gering sein.
  • Polarisiertes Licht: LC-Displays und OLED-Displays strahlen polarisiertes Licht ab, Halbleiter-Lichtdetektoren weisen jedoch eine gewisse Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts auf. Ein Display-Messgerät muss also möglichst unempfindlich sein gegenüber unterschiedlichen Polarisationsrichtungen.
  • Einbindung in Software für die Messwert-Verarbeitung: Für die meisten Messgeräte wird Software zum Auslesen und Aufbereiten der Messwerte mitgeliefert. Sehr oft ist es jedoch notwendig, das Messgerät in eigene wie beispielsweise Prüfstands- Software zu integrieren

Das Messgerät in der Praxis

Das „Mavo-Spot 2“ ist ein Leuchtdichte- Messgerät mit Objektiv und USB-Schnittstelle, es eignet sich für die Bestimmung der Parameter und Eigenschaften bei allen Displays und Lichtquellen. Durch die Optik wird das Messobjekt bzw. die Messfläche anvisiert, die Messung wird dann durch Knopfdruck ausgelöst, das Ergebnis in einem Display in der Optik angezeigt, so dass das Messgerät nicht vom Auge genommen werden muss. Über Bedientasten können mehrere Funktionen ausgeführt werden wie z.B. das Ablegen des aktuellen Messwerts im Speicher für eine spätere Übertragung auf einen PC. Bei Display-Messungen ist es sehr praktisch, dass aus zwei Messungen das Kontrastverhältnis im Gerät direkt berechnet und angezeigt werden kann. Der mitgelieferte Abschatt-Tubus erlaubt dunkelraum-ähnliche Messungen bei festinstallierten Geräten im Umgebungslicht zur Überprüfung von Spezifikationswerten.

 

 

Messgenauigkeit bei unterschiedlichen Farben

Bei Dunkelraum-Kontrastmessungen moderner Fernseh-Displays werden Weiß-Leuchtdichten im Bereich 1000 cd/m2 durch Leuchtdichten für Schwarz von deutlich unter 1 cd/m2 erreicht. Messfehler gehen bei kleinen Leuchtdichten linear in das Kontrastverhältnis ein. Solche Messungen wurden durchgeführt und verglichen. Es zeigt sich, dass das „Mavo-Spot 2“ in diesem großen Dynamikbereich eine ausreichende Genauigkeit bietet. Bei einem weiteren Messverfahren zur Ermittlung der Messgenauigkeit werden die Leuchtdichten von Weiß sowie der Primär- und Sekundärfarben bestimmt. Diese werden zunächst einzeln gemessen und anschließend addiert (Tabelle 1). Die Sekundärfarben Cyan, Magenta und Gelb setzen sich aus je zwei Primärfarben zusammen, Weiß ergibt sich aus der Addition von Rot, Grün und Blau. Die beobachteten Abweichungen bewegen sich in dem für Messgeräte dieser Preisklasse üblichen Rahmen, wobei auch das LC-Display durchaus Schwankungen aufweisen kann.

Einfluss von gepulsten Lichtsignalen

Die meisten Displays strahlen auch bei konstantem Bildinhalt moduliertes Licht ab, diese Modulation ist für das menschliche Auge in der Regel nicht wahrnehmbar. Beispiele sind PWM-gedimmte Hinterleuchtungen für LC-Displays sowie Plasma-Displays im Subframe-Verfahren. Für diese Messungen wurde ein Diffusor mit einer Leuchtdiode bestrahlt. Die Leuchtdiode wurde mit einem frequenzvariablen Generator mit Rechtecksignalen mit einem Tastverhältnis von 50 % angesteuert. Bild 1 zeigt das Ergebnis der Messungen: Bei kleinen Frequenzen liegen der maximale und der minimale Leuchtdichte-Messwert auseinander, da unterschiedlich viele Pulse pro Integrationsintervall gemessen werden. Dieser Bereich ist jedoch für die Praxis wenig relevant, da der Mensch auf einem derart betriebenen Display ein störendes Flackern beobachten würde. Ab 30 Hz ist jedoch kein wesentlicher Unterschied mehr zu beobachten. Da sehr viele Pulse pro Integrationsintervall gemessen werden, fällt ein einzelner Impuls nicht mehr ins Gewicht. Neben objektiven Messungen wurden auch subjektive Tests mit Studenten durchgeführt. Die Aufgabe bestand darin, einen Röhrenbildschirm über die Grafikkarte mittels Helligkeits-, Kontrast-, Gammawert- und Farb-Regler auf dieselbe wahrgenommene Helligkeit einer Graustufe des Referenz- AM-LC-Displays einzustellen. Mit dem Versuch sollte herausgefunden werden, ob die vom Menschen als gleich hell beurteilten Monitore auch dieselbe gemessene Leuchtdichte aufweisen. Hierzu eignen sich die pulsartig betriebenen Bildröhren und ungedimmte AM-LC-Displays besonders. Es wird hier sozusagen ein Gleichspannungssignal mit dem Mittelwert eines Wechselspannungssignals verglichen (Tabelle 2).