Displays in der Praxis objektiv bewerten

Displays in der Praxis objektiv bewerten

Hier muss jedoch angemerkt werden, dass die Genauigkeit der Ergebnisse sehr stark von der Sorgfalt der Versuchspersonen abhängt. So ließen sich die beiden Probanden 1 und 6 sehr viel Zeit und veränderten die Einstellung des Bildröhren-Gerätes so lange, bis ihrer Meinung nach Übereinstimmung erzielt war. Bei den anderen Versuchspersonen konnten vom Versuchsleiter deutlich wahrnehmbare Farbunterschiede zwischen Bildröhre und LC-Display konstatiert werden, die natürlich Einfluss auf die Genauigkeit haben. Da bei der Untersuchung eines anderen Messgerätes in demselben Versuch Unterschiede bis zu 20 % auftraten, ist das erzielte Ergebnis für das „Mavo-Spot 2“ als recht gut zu bezeichnen.

Übereinstimmung des „elektrischen“ Messflecks mit der optischen Markierung

Das untersuchte Gerät ist mit einer Optik ausgestattet, durch die der Benutzer das Messobjekt anpeilt. In der Mitte befindet sich ein schwarzer Kreis, der die lichtempfindliche Fläche des Sensors darstellt. Hieraus ergeben sich folgende Fragen:

• Liegen Visier und Sensor auf einer Linie, d.h., sind diese zentriert?
• Wie groß ist der Messfleck tatsächlich?
• Was passiert mit Licht, das außerhalb des aktiven Messflecks einfällt?

Für die Bestimmung der „Visiergenauigkeit“ wird auf einem LC-Display ein weißer Kreis auf schwarzem Hintergrund erzeugt, der mit dem Gerät vermessen wird. Dabei wird jeweils die Mitte des Messkreises genau auf den unteren, oberen, linken und rechten Kreisrand gelegt und dann die zugehörige Leuchtdichte bestimmt (Bild 2). Die Differenzen (Tabelle 3) sind relativ klein und teilweise von der Parallaxe verursacht.

Größe des Leuchtdichte- Messflecks

Es gibt einige Messaufgaben bei Displays und Leuchtquellen, bei denen die effektive Größe des Messfleckes und dessen „Flankensteilheit“ bekannt sein sollten. Die geometrische Flankensteilheit kann dadurch gemessen werden, dass ein im Vergleich zur Messfleck- Fläche kleineres Objekt sich relativ zur Optik in senkrechter Konfiguration bewegt. Hierfür wurde eine LED in einer Entfernung von einem Meter vor dem Messgerät angebracht. Anschließend wurde das Messgerät mit Hilfe einer softwaregesteuerten Positionierschiene in 1-mm-Schritten an der LED (5 mm Durchmesser) vorbeigeführt. Da die Gesamtfläche der LED an deren Rändern nicht vollständig in das Messergebnis eingeht, ist eine Geometriekorrektur erforderlich.

Für eine gegebenen Entfernung L berechnet sich der Durchmesser d1 des Messkreises mit einem Öffnungswinkel von 1°(Herstellerangabe) zu Dieser ist also knapp viermal so groß wie der Durchmesser der LED. Mit der vorgegebenen Geometrie kann der Überlappungsgrad und der daraus folgende Geometriekorrektur- Faktor berechnet werden. Bild 3 zeigt die gemessenen und die korrigierten Leuchtdichte-Werte. Die Abweichungen von einem idealen, plateauförmigen Verlauf sind durch die inhomogene LED-Leuchtdichte verursacht (Bild 4). Hieraus folgt auch, dass der Öffnungswinkel mit dem spezifizierten Wert von 1°gut übereinstimmt. Insgesamt beträgt die Flankensteilheit damit etwa 1 mm auf 1 m – ein für optische Messgeräte in dieser Preisklasse hervorragender Wert.

Einfluss von Streulicht

Eine weitere typische Display-Messaufgabe besteht darin, ein weißes oder schwarzes Symbol vor seinem inversen Hintergrund zu vermessen. Aus der Praxis ist der so genannte „Loading“-Effekt bei Plasma-Displays bekannt: Hier wird, ausgehend von einem kleinen weißen Rechteck mit 1 % der gesamten Display- Fläche, vor schwarzem Hintergrund die Leuchtdichte gemessen. Das weiße Rechteck wird nun zunehmend vergrößert, bis der gesamte Bildschirm weiß ist. Durch verschiedene elektronische Maßnahmen sinkt die Leuchtdichte des Plasma-Displays mit zunehmendem Weißanteil. Daher ist es wichtig, die reale Größe des Messflecks auf dem Display und den Einfluss benachbarter heller Objekte zu kennen. Dazu wurde ein großer weißer Kreis vor schwarzem Hintergrund vermessen, dessen Durchmesser in Folge immer weiter verkleinert wurde (Bild 5). Bis ca. 80 % sinkt der Leuchtdichte-Wert nur wenig mit abnehmendem Radius – aufgetragen als Verhältnis der Schwarzfläche im Verhältnis zur Gesamtfläche des Displays. Darüber hinaus ist eine deutliche Abnahme erkennbar, was auf ein leicht größeres Sichtfeld (FOV – Field of View) des „Mavo-Spot 2“ erklärt wird; der Messfleck ist dann größer als der weiße Kreis. Den Streulicht-Effekt eines Messgerätes kann man mit der „umgekehrten“ Methode ermitteln: Die Leuchtdichte eines schwarzen Kreises wird vor einem weißen Hintergrund gemessen (Bild 6). Ausgangspunkt ist auch hier ein großer schwarzer Kreis vor weißem Hintergrund, der einen Großteil der Display- Fläche einnimmt.

Wiederum wird der Kreis zunehmend verkleinert, bis er dem Messfleck entspricht. Der relativ rasche und große Anstieg der Leuchtdichte für „Schwarz“ bei Abnahme des Radius, also der Zunahme des weißen Flächenanteils, wird verursacht von Lichtreflexionen innerhalb der Optik des Messgerätes. Unter diesen Messbedingungen können also bei unsachgemäßem Messen Fehler bis zu einem Faktor 10 größer als der eigentliche Messwert auftreten. Sollen Präzisionsmessungen kleiner schwarzer Flächen vor weißem Hintergrund ausgeführt werden, so muss die weiße Fläche geometrisch abgeblockt werden. Dies geschieht im einfachsten Fall durch mattschwarze Lochmasken, optimale Ergebnisse lassen sich mit kegelstumpfförmigen mattschwarzen Oberflächen (Frustrum) erzielen.

Polarisiertes Licht

Bei der Messung der Leuchtdichte von Displays, welche polarisiertes Licht abstrahlen wie LC-Displays und OLED-Displays, darf das Messgerät keine winkelabhängigen Effekte zeigen. Dies kann leicht dadurch getestet werden, dass der Detektor vor einem LC-Display um seine eigene Achse gedreht wird. Dazu wurde das „Mavo-Spot 2“ senkrecht zur Mitte eines AM-LC-Displays mit Graubild drehbar angebracht. Zur Messung wird das Gerät in 30- Grad-Schritten im Uhrzeigersinn um die eigene Achse gedreht (Bild 7). Die Abweichung liegt hier unter 1 %, diese ist jedoch im üblichen Rahmen für derartige Messungen und liegt besser als in der Herstellerspezifikation (2 %) angegeben. Somit können Displays mit polarisiertem Licht ohne weitere Vorkehrungen problemlos mit hoher Genauigkeit vermessen werden.

Einbindung in eigene Mess-Software

Das „Mavo-Spot 2“ ist mit einer USBSchnittstelle ausgestattet, die als virtueller „Com“-Port auf dem PC erscheint. Dies ermöglicht eine einfache Einbindung über eine serielle Schnittstelle in eigene Programme für die Automatisierung von Messaufgaben. Dazu zählen Messungen von verschiedenen Graustufen und Farben, die automatisch auf dem zu vermessenden Display dargestellt und die zugehörigen Messwerte anschließend erfasst und gespeichert werden. Genauso können Lebensdauermessungen oder die blickwinkelabhängige Leuchtdichte mittels Drehtisch automatisiert werden. Exemplarisch wurde ein einfach gehaltenes Programm zur Verifikation der Schnittstellenfunktionen in MS Visual Basic erstellt und erfolgreich getestet. Es können Messungen getriggert, der Messbereich eingestellt oder der Speicher des Messgerätes ausgelesen werden.

Autor:
	Cand. B.Eng Moritz Honold studiert seit 2006 an der Hochschule Pforzheim Elektrotechnik/Informationstechnik. Als studentischer Mitarbeiter im Display-Labor der Hochschule Pforzheim hat er seine Kenntnisse bezüglich Ansteuerung und Vermessung von elektronischen Displays vertieft. honmor@hs-pforzheim.de
	Prof. Dr. Karlheinz Blankenbach forscht und lehrt seit 1995 an der Hochschule Pforzheim. Sein Spezialgebiet sind elektronische Displays vom Systemdesign über Hardund Software bis hin zur Messtechnik. Er ist Vorsitzender des Konferenzbeirates der Electronic Displays Conference (www.electronicdisplays.de) und Vorstand beim Deutschen Flachdisplay Forum (www.displayforum.de). karlheinz.blankenbach@hs-pforzheim.de

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