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Expertenwissen
LCD-Technik und die Norm ISO 13406-2

Autor: Michael E. Becker

Hinweis:

Die Norm ISO 13406 wurde ersetzt durch die Norm DIN EN ISO 9241-303:2008 Ergonomie der Mensch-System-Interaktion – Teil 303: Anforderungen an elektronische optische Anzeigen.  

Kurzfassung

Der internationale Standard ISO 13406 beschreibt ergonomische Anforderungen an Computer-Monitore mit Flüssigkristall-Anzeigen (LCD-Bildschirme, Monitore), die erfüllt sein müssen, um die Arbeit mit ihnen sicher und effektiv zu machen. Dieser Beitrag stellt Aufbau und Funktionsweise von Flüssigkristallanzeigen vor (incl. neuer Technologien wie IPS, MVA, PVA etc.), fasst die elektro-optischen Eigenschaften von Flüssigkristall-Anzeigen zusammen und stellt den Bezug zur Ergonomie dieser Anzeigen her. Ein Einblick in diese Zusammenhänge und das Verständnis der wesentlichen Aspekte von ISO 13406 erleichtert die fachgerechte Auswahl von LCD-Monitoren für Unternehmen wie auch für den privaten Benutzer.

Gemäß ISO 13406 werden LCD-Monitore nach folgenden Kriterien klassifiziert:

  • Gleichmäßigkeit von Leuchtdichte, Kontrast und Farbe bezüglich Sehrichtung und über die Anzeigenfläche - "Sehrichtungs-Bereichsklassen",
  • Reflexionen und Kontrast unter Beleuchtung -"Reflexions-Klassen",
  • Bildaufbauzeit - "Anwendungs-Klassen (statische Bildinhalte, Filme, Videos),
  • Flimmer und Jitter-Effekte (Bildzittern),
  • Bildelement-Defekte - "Bildelement-Fehlerklassen" ("Pixel-Fehlerklassen")

Wie im Folgenden gezeigt wird, stellen moderne LCD-Monitore für viele Anwendungen im Arbeitsleben wie auch bei privater Nutzung die ergonomisch bessere Wahl dar.

Einleitung

LCD-Monitore erfreuen sich wegen der flachen Bauweise, der reduzierten Leistungsaufnahme, der geringeren Emission von elektromagnetischer Strahlung und wegen des "angenehmen visuellen Eindrucks" zunehmender Beliebtheit. In letzter Zeit werden sie aufgrund der deutlich gesunkenen Preise auf breiter Basis auch für Unternehmen rentabel (durch erhebliche ergonomische Vorteile und damit höherer Leistungsfähigkeit und verringerte krankheitsbedingte Ausfallzeiten) wie auch für den Privatkunden erschwinglich. Wenn Sie demnächst Flachbildschirme anschaffen wollen, werden vielleicht einige Fragen auftauchen:

wie gut ist dieser oder jener LCD-Monitor, wie kann ich ihre Leistungsfähigkeit vergleichen?

  • wieviele Pixeldefekte (= Bildelement-Defekte) darf mein LCD-Monitor aufweisen?
  • kann ich Videospiele und Filme darauf wiedergeben?
  • wie stark sind die Abhängigkeiten von der Sehrichtung?
  • (wie) kann ich den LCD-Monitor optimal einstellen?

Dieser Beitrag will Ihnen den LCD-Monitor, seine Vorzüge und seine Eigenheiten näherbringen, so dass es Ihnen je nach geplanter Anwendung und den daraus folgenden Anforderungen gelingen sollte, einen optimalen LCD-Monitor zu beschaffen.

Warum sollte ein Bildschirm am Arbeitsplatz ergonomisch sein?

Ganz einfach aus Kostengründen! Mit dem Computer als Arbeitsmittel erfassen und bearbeiten wir Tag für Tag Texte, Zahlen oder Bilder. Wenn die Darstellung auf dem Bildschirm die Gegebenheiten des menschlichen visuellen Systems berücksichtigt und somit visuell ergonomisch ist, werden vorzeitige Ermüdung (d. h. Leistungsabfall) und langfristige gesundheitliche Beeinträchtigungen wirksam verhindert.

Von der täglichen Arbeit am Bildschirm sind neben dem menschlichen Haltungs- und Bewegungsapparat vor allem die Augen betroffen. Die unterschiedlichen Leuchtdichten (umgangssprachlich "Helligkeiten") von Bildschirm, Vorlage, Tastatur und Umgebung und die unterschiedlichen Sehentfernungen veranlassen unser visuelles System zu ständigen Anpassungsleistungen (Adaptation, Akkommodation). Flimmernde Bilddarstellungen beeinträchtigen das Sehen und sind häufig die Ursache für Kopfschmerz und andere als unangenehm empfundene Symptome. Bei Blendungen und Spiegelungen steigt die Belastung der Augen zusätzlich (Fusionswettstreit, Kontrastreduktion, Blendung). Um die Belastungen durch Bildschirmarbeit für die Beschäftigten möglichst gering zu halten, ist es wichtig, bei Beschaffung und Aufstellung von Bildschirmen die ergonomischen Mindestanforderungen zu kennen und zu beachten. Nur so kann das wertvollste Kapital eines Unternehmens, die Mitarbeiter, wirkungsvoll geschützt und die Leistungsfähigkeit erhalten werden.

LCDs - Liquid Crystal Displays - Flüssigkristall-Anzeigen

Seit in der zweiten Hälfte der siebziger Jahre die ersten Flüssigkristall-Anzeigen in Form von kleinen reflektiven Displays in Armbanduhren, Taschenrechnern und anderen batteriebetrieben Geräten aufgetaucht sind, wurden auf diesem Gebiet der Anzeigentechnologie enorme Fortschritte erzielt. Die Realisierung von tragbaren Rechnern und Telekommunikationseinrichtungen (Computer in Laptop- und Notebook-Format , PDAs, tragbare Telephone, etc.) wäre ohne sie nicht möglich gewesen. Heute finden wir im Regal der Fachmärkte Computer-Monitore und Fernsehgeräte mit LCD-Bildschirm, die durch sehr gute Bildqualität auch bei bewegten Bildinhalten überzeugen.

LCDs - die Technologie

LCD-Bild1Alles eine Sache des "Blickwinkels"?

Eine (noch) sofort ins Auge fallende Eigenart von LCDs ist die Abhängigkeit der dargestellten Bildinformation von der Richtung, unter der die Anzeige angeschaut wird. Je nach Sehrichtung sind mehr oder minder deutliche Veränderungen von "Helligkeit" (Leuchtdichte), Farbe und Kontrast wahrzunehmen.




Bild 1: Schematischer Aufbau einer TN-LCD.
oben feldfrei = HELL,
unten mit hohem elektrischen Feld = DUNKEL
L: flächige Hinterleuchtung,
G: Glassubstrate, P: Polarisatorfolien

Dieser Effekt erklärt sich durch einen Blick auf den Aufbau solcher Anzeigen. Ein LCD besteht aus zwei ebenen Glasplatten (0,7 mm bis 0,5 mm Dicke), zwischen denen sich eine dünne Schicht von Flüssigkristallmaterial befindet (etwa 5 µm), deren Ausrichtung durch ein angelegtes elektrisches Feld gesteuert wird. Auf den Glasplatten sind über die gesamte Fläche Polarisatorfolien aufgebracht, so dass schließlich die Transmission dieser Anordnung elektrisch gesteuert werden kann. Dabei bestimmt das elektrische Feld zunächst die Ausrichtung der lokalen optischen Achse in der Flüssigkristallschicht, die Ausrichtung der optischen Achse bestimmt die Änderung des (zunächst linearen) Polarisationszustandes des sich durch die Schicht ausbreitenden Lichts und die Polarisatoren auf der Frontseite setzen Änderungen des Polarisationszustandes in für den Menschen wahrnehmbare Intensitätsänderungen um. Da auch die Sehrichtung des Betrachters den Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung des Lichts und der Ausrichtung der optischen Achse im Flüssigkristall beeinflusst, sind die resultierenden optische Effekte bei Flüssigkristallanzeigen immer (je nach Technologie mehr oder weinger) von der Sehrichtung abhängig. 

LCD-Bild1ADa eine solche Flüssigkristallanzeige kein Licht generiert sondern im Wesentlichen nur ein elektrisch steuerbares Lichtventil darstellt, muss für die Beleuchtung durch eine großflächige flache Lichtquelle hinter der Anzeige (backlight) gesorgt werden. Das vom Betrachter wahrgenommene Licht durchquert je nach Augenposition (d. h. Sehrichtung) die Flüssigkristallschicht unter unterschiedlichen Richtungen und erfährt demzufolge auch bei gleicher Ansteuerung unterschiedliche Veränderungen des Polarisationszustandes, was vom Betrachter als Unterschied von z. B. "Helligkeit" (d. h. Leuchtdichte), Kontrast und Farbe wahrgenommen wird.

Bild 1A: Ausbreitung von schrägen Lichtstrahlen durch eine TN-LCD.
Die Strahlen "sehen" eine veränderte Schichtdicke (d/cosθ) und veränderte Brechzahlen des Flüssigkristalls. Damit ändert sich die Transmission (nach Betrag und spektraler Verteilung) mit der Ausbreitungsrichtung des Lichts.
Die Darstellung von Farben erfolgt nach dem Prinzip der additiven Farbmischung, wobei jeder Bildpunkt der Anzeige (picture element = pixel) üblicherweise in drei individuell ansteuerbare Teilbildelemente (subpixel) der Grundfarben Rot, Grün und Blau unterteilt ist. Diese Farben entstehen durch die in der Anzeige integrierten Farbfilter aus dem Weißlicht der Hinterleuchtung. Je nach Anwendung sind die Teilbildelemente in Streifen (z. B. für Computer-Monitore) oder in Triaden (z. B. für Video-Bildschirme) angeordnet. Neuerdings setzen sich auch davon abweichende Bildelement-Anordnungen durch, die z. B. auf der unterschiedlichen Empfindlichkeit des Auges für Bilddetails unterschiedlicher Farben beruhen und die bei gleicher Anzahl von Subpixeln eine bei weitem höhere sichtbare Auflösung bieten als die hier gezeigten konventionellen Anordnungen.

Bild 2: Möglichkeiten der Anordnung von idealisierten Teilbildelementen (subpixel)
Mosaik (links), Streifen (Mitte) und Triade (rechts)

LCD-Bild3Bild 3: Tatsächliche Ausführung eines Bildelements mit drei Teilbildelementen,
deren rechte untere Ecke von den Dünnfilmtransistoren (TFTs) in Anspruch genommen wird. Die Zwischenräume sind durch eine schwarze Maske abgedeckt (black matrix), um weißes Licht von der Hinterleuchtung zu blockieren.
 

Eine wesentliche Herausforderung an die LCD-Entwickler über die letzten 15 Jahre war die Reduktion der Abhängigkeiten der optischen Eigenschaften von der Sehrichtung. Ein erster wichtiger Schritt in diese Richtung war die technische Realisierung der aktiv-Matrix-Ansteuerung, d. h. die Entwicklung einer Technologie, die es ermöglicht, jedem einzelnen Teilbildelement in der Anzeige sein eigenes aktives Schaltelement (z. B. Transistor) zuzuordnen. Das bedeutet bei einem Bildschirm mit 1024 * 768 Bildelementen, dass 2,36 Mio. winzigster Transistoren ohne Defekte auf die Glassubstrate aufgebracht und kontaktiert werden müssen ! 

Ein weiterer Schritt zur Reduktion der Abhängigkeiten von der Sehrichtung war die Einführung und Optimierung von elektro-optischen Effekten in Flüssigkristallen, die diesbezüglich bessere Eigenschaften aufweisen als der weitverbreitete TN-Effekt (twisted nematic). Hier ist insbesondere der IPS-Effekt (in-plane switching) zu nennen und die Einführung von Ausrichtungen senkrecht zu den Glassubstraten (vertical alignment) zusammen mit der Aufteilung der Teilbildelementflächen in Domänen mit unterschiedlicher Orientierung der optischen Achse (multi-domain effects). Die Eigenschaften des altgedienten TN-Effekts ließen sich durch zusätzliche doppelbrechende Kompensationsfolien (retarder foils) erheblich verbessern, die zusammen mit den Polarisationsfolien auf die Glassubstrate aufgebracht werden. 

Die zur Zeit in LCD-Monitoren gebräuchlichsten elektro-optischen Effekte sind:

  • TN-Effekt mit Kompensatoren (meist inhomogene Schichten biaxialer Moleküle),
  • IPS-Effekt (mit unterschiedlichsten Bezeichnungen der verschiedenen Hersteller),
  • MVA-Effekt (multidomain vertical alignment) in unterschiedlichen Varianten (z. B. PVA). 

Sehrichtungseffekte

Selbst wenn man den Kopf eines Betrachters relativ zum LCD-Monitor fixiert, sieht man unterschiedliche Stellen auf der Anzeige unter unterschiedlichen Richtungen. Je nach Anwendung des LCD-Monitors muss also sichergestellt sein, dass zumindest ein einzelner Betrachter mit beweglichem Kopf oder auch mehrere Betrachter gleichzeitig die dargestellte Bildinformation ohne störende Effekte wahrnehmen können.

Die geometrischen Verhältnisse an einem Computer-Arbeitsplatz mit LCD-Monitor sind in Bild 4 skizziert. Der Monitor ist gegenüber der Tischfläche um einen Winkel a geneigt (hier: 90°) und der Betrachter schaut unter dem Winkel θ auf die Mitte der Anzeigenfläche. Die Sehrichtung wird durch zwei Winkel beschrieben: dem Neigungswinkel θ bezüglich der Flächennormalen der Anzeige und dem Azimutwinkel φ, der auch als Richtung auf dem Ziffernblatt einer Uhr angegeben wird (z. B. 12:00 = vertikal von oben, 3:00 = horizontal von rechts).

 

LCD-Sehrichtung-bild4 LCD-Sehrichtung-Bild5
Bild 4: Sehrichtung (= Neigungswinkel θ) und Bildschirm-Neigungswinkel α
Bild 5: Senkrechte Sehrichtung auf die Mitte des Bildschirms
 

Aus beiden Bildern (dargestellt ist nur der Neigungswinkel θ) wird auch direkt ersichtlich, dass die obere Kante des Bildschirms immer unter einer anderen Richtung gesehen wird als die untere Kante . Der Benutzer eines LCD-Monitors mit z. B. 17" Diagonale sieht also bei einem Sehabstand von 50 cm (zur Mitte der Anzeigenfläche), wenn sich der Kopf über einer der Ecken befindet, die gegenüberliegende Ecke unter einem Neigungswinkel von 41°. Es sollte hier also sichergestellt sein, dass bei Änderungen der Sehrichtung über einen Neigungswinkelbereich von ± 41° keine visuell störende Effekte auftreten.

Bild 6: Auge eines Betrachters senkrecht über der Mitte des Bildschirms,
Sehrichtung auf die linke obere Ecke, G, beschrieben durch den Neigungswinkel θ und den Azimut φ.

LCD-bild7Bild 7: Darstellung der Sehrichtung (θ, φ) in einem Polardiagramm.
Der Neigungswinkel θ ist gleich dem Abstand vom Zentrum, der Azimut φ wird gemessen von der 3:00 Uhr Achse. Gebiete gleicher Farbe entsprechen Richtungen mit gleichen Messwerten.

Die Visualisierung der Sehrichtungsabhängigkeit von skalaren Größen wie Leuchtdichte oder Kontrast erfolgt in den gezeigten Polardiagrammen, in denen die Sehrichtung durch einen Neigungswinkel θ (= proportional dem Abstand zum Zentrum) und einen Azimutwinkel φ beschrieben wird. Jeder Punkt in diesen Diagrammen entspricht also einer Sehrichtung (θ, φ). Der dieser Sehrichtung entsprechende Messwert wird im Diagramm durch Farben, Graustufen oder durch entsprechende Höhenlinien dargestellt. Wenn diese Höhenlinien z. B. Linien konstanten Kontrastes darstellen (d. h. Iso-Kontrastlinien), werden solche Diagramme auch Iso-Kontrast-Diagramme genannt. Die International Organization for Standardization, ISO, hat hiermit jedoch nichts zu tun! 

Die Bedeutung der Sehrichtung auf die Qualität der Wahrnehmung von LCDs wird in der Norm ISO 13406 offensichtlich: alle wichtigen visuellen Größen werden als Funktion der Sehrichtung gemessen und die Ergebnisse in entsprechende Kategorien eingeteilt. 

So unterscheidet die Norm ISO 13406 die folgenden Sehrichtungs-Bereichsklassen:

  • Klasse I:    Der LCD-Monitor ist bei beweglicher Kopfposition für mehrere Benutzer geeignet.
  • Klasse II:   Der LCD-Monitor ist bei beweglicher Kopfposition für einen Benutzer geeignet.
  • Klasse III:  Der LCD-Monitor ist bei fixierter Kopfposition für einen Benutzer und über einen Bereich von Sehrichtungen geeignet.
  • Klasse IV:  Der LCD-Monitor ist bei fixierter Kopfposition für einen Benutzer und eine Sehrichtung geeignet. 
Die Sehrichtungsklasse ist ein Qualitätskriterium, welches sich nicht nur auf die Bildqualität bezieht, sondern auch stark von der Arbeistaufgabe abhängt. So sollte z. B. ein LCD-Monitor zum Einsatz an der Börse oder als Anzeige an öffentlichen Plätzen der Klasse I entsprechen, um sicherzustellen, dass der Bildschirminhalt von einer Vielzahl von Betrachtern gleichzeitig, also aus unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen gleich gut erkennbar ist. Bildschirme für Computerarbeiten an vertraulichen Inhalten in öffentlichen Verkehrsmitteln (z. B. Flugzeug, Bahn) können der Klasse IV angehören (privacy screen). Für LCD-Monitore am Arbeitsplatz ist mindestens die Klasse III wünschenswert.

Darstellung von Graustufen und Farbabstufungen

Neben den Darstellungen von Hell (maximale Leuchtdichte) und Dunkel (minimale Leuchtdichte) sollen Bildschirme auch Graustufen und Farbnuancen wiedergeben können. Dies wird dadurch erreicht, dass in Abhängigkeit vom Videosignal (analog oder digital) am Eingang des Bildschirms die Transmission der Teilbildelemente R, G und B erhöht wird, was als Zunahme der Helligkeit wahrgenommen wird. Bei gleicher Ansteuerung der Teilbildelemente ergeben sich unbunte Grautöne zwischen schwarz und weiß, bei unterschiedlicher Ansteuerung entsprechende Mischfarben. Die meisten Flüssigkristall-Bildschirme bieten heute eine Auflösung von 256 Stufen für jede Primärfarbe (8 bit), was (zumindest theoretisch) 16,777 Millionen darstellbarer Farben ergibt. 

Um die Austauschbarkeit von Monitoren mit Kathodenstrahlröhren und solchen mit LCDs zu gewährleisten muss der Zusammenhang zwischen Eingangsgröße (analoges Farbwertsignal, max. 700 mV) und dargestellter Leuchtdichte dem der CRT-Kennlinie entsprechen. Da die Physik der LCDs aber Kennlinien bedingt, die sich stark von denen der Kathodenstrahlröhren unterscheiden, muss eine elektronische Schaltung dafür sorgen, dass die LCD-Kennlinien entsprechend "verbogen" und korrigiert werden.

Kennlinien einer LCD-Zelle Kennlinien eines LCD-Monitors
Bild 8: Kennlinien einer TN-Zelle für drei Sehrichtungen,
Leuchtdichte als Funktion der Ansteuerspannung
Bild 9: Kennlinien eines LCD-Monitors in TN-Technik für sechs Sehrichtungen,
Leuchtdichte der Graustufen als Funktion des Farbwertsignals (R = G = B = 0 - 64)

Bild 8 zeigt drei elektro-optische Kennlinien einer TN-Zelle, die im feldfreien Zustand lichtdurchlässig ist (normally white) und deren Transmission mit steigender Spannung stetig abnehmen sollte. Sogar für senkrechte Betrachtung (0°, 0°) ist die Kennlinie aber weder streng monoton (d. h. zunehmender Spannung entspricht stetig abnehmende Leuchtdichte), noch entspricht sie der geforderten Kennlinie einer Kathodenstrahlröhre wie in Bild 10 dargestellt. Für einen Neigungswinkel θ = 40° bei φ = 270° (6:00 Richtung) ändert sich die Form der Kennlinie, wobei der Bereich der darstellbaren Leuchtdichte abnimmt und die Kurve nun zwei "Höcker" aufweist. Eine ganz und gar "pathologische" Kennlinie ergibt sich für die Sehrichtung θ = 40° bei φ = 90° (12:00 Richtung), mit einem Bereich zwischen 2,5 V und 3,5 V in dem die Leuchtdichte statt abzunehmen nun zunimmt. Für diese Sehrichtung tritt sogenannte Kontrastumkehr (Kontrast-Inversion) auf, d. h. Bildinhalte, die eigentlich dunkler sein sollten als das Umfeld fallen nun heller aus. Solche Kontrastinversionen erinnern an Solarisationseffekte in der Photographie werden als unnatürlich, verwirrend und störend wahrgenommen.

LCD-bild10Bild 10: Kennlinie eines CRT-Monitors mit Gamma = 2,2
Leuchtdichte als Funktion des Farbwertsignals (0 - 100%)

 

Nach Korrektur der "natürlichen Kennlinien" einer TN-Zelle durch die Elektronik des Monitors wird für einige Sehrichtungen die Ähnlichkeit zur Kennlinie der Kathodenstrahlröhre schon größer, wie in Bild 9 zu sehen ist. Insbesondere die Kennlinie für die Sehrichtung (10°, 270°) weist eine monoton ansteigende Charakteristik auf und ist der Zielkennlinie aus Bild 9 mit einem Gamma-Wert von 2,2 schon recht ähnlich. 

Da es aber nicht möglich ist, alle auftretenden Formen von Kennlinien elektronisch zu entzerren, muss der Entwickler des Monitors eine vorgesehene-Sehrichtung wählen (design viewing direction, hier 10°, 270°) für welche die elektro-optische Kennlinie so gut wie möglich entzerrt wird. Die Kennlinien der benachbarten Sehrichtungen ergeben sich dann aus der für die vorgesehene Sehrichtung gewählten Entzerrung. Je nach Qualität des LCD-Bildschirms und je nach verwendetem elektro-optischem Effekt ist der Bereich von Sehrichtungen, innerhalb dessen noch eine akzeptable Graustufenwiedergabe ohne Kontrastumkehr möglich ist, mehr oder weniger ausgedehnt. Eine Entzerrung von Kennlinien, die weit außerhalb dieses Bereiches liegen (z. B. bei (45°, 270°) ist mit der TN-Technik auch bei Verwendung von Kompensatorfolien nicht möglich. Um die erwähnten Abhängigkeiten von der Sehrichtung weiter zu reduzieren setzen die Hersteller von LCDs vermehrt neue elektro-optische Effekte ein, die bereits von sich aus oder aber durch zusätzliches Einführen einer Vielzahl von mikroskopischen Bereichen mit unterschiedlichen Ausrichtungen (domains) innerhalb der Bildelemente eine geringere Sehrichtungsabhängigkeit aufweisen.

Änderungen von Leuchtdichte ("Helligkeit") und Farbe mit der Sehrichtung

Die vom Betrachter wahrgenommene "Helligkeit", messtechnisch durch die Leuchtdichte beschrieben, ändert sich mit der Sehrichtung, wie in Bild 11 und 12 für zwei unterschiedliche LCD-Monitore dargestellt. Die geringste Änderung der Leuchtdichte zeigt der LCD-Monitor im linken Bild bei senkrechter Betrachtung (zentriert um das rot dargestellte Maximum der Leuchtdichte), der rechte Monitor hingegen bei etwa 17° Neigung zur Normalen bei einem Azimutwinkel von 90° (= 12:00 Uhr).

Polardarstellung der Leuchtdichteverteilung LCD-Monitor für senkrechte Betrachtung optimiert.

Polardarstellung der Leuchtdichteverteilung LCD-Monitor für Betrachtung von oben (12:00 Uhr) optimiert.

Bild 11

Bild 12

Veränderungen des Farbeindrucks mit der Sehrichtung müssen als Punktwolken in der Normfarbtafel dargestellt werden, da jede Farbe durch zwei Angaben beschrieben ist (umgangssprachlich "Farb-Koordinaten", Normfarbwertanteile, z. B. x und y, CIE 1931). Bild 13 zeigt die Änderung der Primärfarben Rot, Grün und Blau mit der Sehrichtung, gemessen in einem Neigungswinkelbereich von maximal 80°. Zur Messung wird im Dunkelraum auf dem Prüfling ein Prüfmuster mit der jeweils gewünschten Primärfarbe erzeugt und die Änderung der Farbe über den gesamten Bereich von Sehrichtungen erfasst. Ein idealer Monitor würde für jede Primärfarbe nur einen Punkt in der Normfarbtafel ergeben, was bedeutet, dass die Primärfarben (und damit auch die daraus gemischten Farben) aus allen Sehrichtungen als gleich wahrgenommen werden. 

Die Veränderung der Farben mit der Sehrichtung erfolgt hauptsächlich entlang einer Linie, die sich zwischen Unbuntpunkt und der am stärksten gesättigten Farbe erstreckt. Das bedeutet, dass sich bei diesem Monitor, wie allgemein bei allen LCD-Monitoren, mit der Sehrichtung im Wesentlichen nur die Sättigung der Farben ändert, nicht aber der Buntton. 

LCD-bild13Die am weitesten außen liegenden Farbörter spannen das Gebiet in der Normfarbtafel auf, innerhalb dessen alle darstellbare Farben liegen. Je größer dieses Dreieck ausfällt, um so größer der Farbumfang (color gamut) des Bildschirms.

Bild 13: Änderungen der Primärfarben Rot, Grün und Blau mit der Sehrichtung unter Dunkelraumbedingungen.
Es ändert sich hauptsächlich die Sättigung der Farben und deren Leuchtdichte (hier nicht dargestellt) 
Änderungen des Kontrastes mit der Sehrichtung und mit der Beleuchtung

Die Schlüsselgröße für die Beschreibung der Wahrnehmbarkeit von visueller Information ist der Kontrast, definiert als das Verhältnis der Leuchtdichte des Zeichens zu der Leuchtdichte des Hintergrundes. Die Quotientenbildung erfolgt so, dass das Ergebnis immer größer als Eins ist. Werden dunkle Zeichen auf einem hellen Hintergrund dargestellt, bezeichnet man dies als "Positiv-(kontrast)-Darstellung" (z. B. Buchdruck), bei der "Negativ-(kontrast)-Darstellung" sind die Zeichen heller als der Hintergrund des Bildschirms.

In den Prospekten der Monitorhersteller sind fast ausschließlich Dunkelraumkontraste angegeben (mit beeindruckenden Zahlenwerten !), eventuell zusammen mit dem Sehrichtungsbereich innerhalb dessen der Kontrast im Dunkelraum oberhalb von z. B. 10:1 bleibt. Dieser Sehrichtungsbereich wird dann durch die Angabe des Neigungswinkels θ in horizontaler und vertikaler Richtung angegeben (z. B. 40° vertikal, 60° horizontal).

Während die Dunkelraumkontraste im Bereich von 250:1 bis 500:1 und darüber liegen, geht der Kontrast unter realen Bürobedingungen (250 lx bis 500 lx Beleuchtungsstärke) je nach Entspiegelungsmaßnahmen auf Werte von einigen 10:1 bis 100:1 zurück.

Die Sehrichtungsabhängigkeit des Dunkelraumkontrastes für einige wichtige elektro-optische Effekte ist in Bild 14 dargestellt. Der TN-Effekt zeigt nur einen kleinen Bereich von Sehrichtungen mit hohem Kontrast (rot) um die Senkrechte herum, während die anderen Effekte erheblich größere Sehrichtungsbereiche mit hohem Kontrast aufweisen. Durch den Einsatz von speziellen Kompensator-Folien kann die Abhängigkeit des Kontrastes von der Sehrichtung beim TN-Effekt verbessert werden. 

Beim IPS-Effekt bewirkt das elektrische Feld im Wesentlichen eine Drehung der lokalen optischen Achse des Flüssigkristalls durch speziell geformte Elektroden, die hier allerdings nur auf einem der Substratgläser aufgebracht sind. Mit diesem Effekt wird ein hoher Kontrast bei geringer Änderung von Kontrast und Farbe mit der Sehrichtung erreicht. Ein gewisser Nachteil ist die verminderte Transmission des LCDs, die eine höhere Leistung der Hinterleuchtung erfordert (insbesondere bei batteriebetriebenen Geräten hinderlich). 

Die Klasse der MVA-Effekte zeichnet sich durch die senkrechte Ausrichtung der optischen Achse des Flüssigkristalls auf den Substratoberflächen aus und durch die Erzeugung von mikroskopisch kleinen Bereichen mit unterschiedlicher Orientierung innerhalb der Teilbildelemente im elektrischen Feld. Dadurch werden Änderungen der Transmission mit der Sehrichtung reduziert und es ergibt sich ein großer Bereich von Sehrichtungen mit hohem Kontrast. 

Der PVA-Effekt beruht auch auf einer Vielzahl von mikroskopisch kleinen Bereichen mit unterschiedlicher Ausrichtung der lokalen optischen Achse des Flüssigkristalls, wobei diese Bereiche durch entsprechend gewählte Form und Plazierung der Elektroden und so bewirkten Inhomogenitäten des elektrischen Feldes hervorgerufen werden.

LCD-bild14-TN LCD-Bild14-IPs

TN- Effekt

IPS-Effekt

LCD-Bild14-mva LCD-bild14pva

MVA-Effekt

PVA-Effekt

Bild 14: Sehrichtungsabhängigkeit des Kontrastes verschiedener elektro-optischer Effekte in Flüssigkristallen (unter Dunkelraumbedingungen)

Die unter Dunkelraumbedingungen gemessenen Kontraste entsprechen jedoch nicht den tatsächlichen Anwendungsbedingungen der LCD-Monitore, die im Allgemeinen in hellen Arbeitsumgebungen aufgestellt und benutzt werden. Deshalb schreibt ISO 13406 auch die Messung des Kontrastes unter Umgebungsbeleuchtung vor. Durch das von der Anzeige reflektierte Umgebungslicht wird insbesondere die Leuchtdichte des Dunkelzustandes größer, was zu einer Abnahme des Kontrastes führt. Die Überlagerung von weißem Umgebungslicht führt außerdem zu einem "Ausbleichen" ("Entsättigen") der dargestellten Farben, also zu einer Reduktion des darstellbaren Farbumfangs (color gamut). 

Im Gegensatz zu Monitoren mit Kathodenstrahlröhren (CRTs) können LCD-Monitore mit einer aufgerauhten Oberfläche versehen werden (anti-glare coating), die dafür sorgt, dass Lichtquellen, die sich in der Anzeige spiegeln, nur als konturlose helle Flecken wahrgenommen werden. Dies ist möglich, da bei LCDs die visuelle Information in einer Schicht entsteht, die nur etwa einen mm von der aufgerauhten Schicht entfernt ist (bei CRTs handelt es sich um 10mm und mehr), so dass keine Abnahme von Zeichenschärfe und Kontrast erfolgt. 

Bei CRT-Monitoren ohne aufgerauhte Oberfläche kann das Bild der gespiegelten Lichtquelle klar erkannt werden und das Auge des Betrachters versucht immer, dieses (weiter entfernte) Bild der Lichtquelle scharf zu stellen (Fusionswettstreit), was eine erhebliche Ablenkung von der Arbeitsaufgabe bewirkt und eine Belastung für das visuelle System darstellt. 

LCD-Bild15Das Fehlen von Spiegelbildern von Lichtquellen in der Umgebung stellt eine Erleichterung für unser visuelles System dar und gestaltet die Arbeit mit LCD-Monitoren angenehm und weniger ermüdend.

Bild 15: Illustration der Reflexionseigenschaften von Bildschirmen:
eine Lichtquelle (Leuchtstoffröhre), wie sie in einem CRT-Monitor erscheint (links),
und wie sie in einem LCD-Monitor aussieht (rechts).
ISO 13406-2 unterscheidet drei Reflexionsklassen. Für den Einsatz in einer Büroumgebung sollte der LCD-Monitor mindestens der Reflexions-Klasse II entsprechen. Die Praxis der Messtechnik zeigt, dass fast alle getesteten LCD-Monitore die Anforderungen nach Klasse I sowohl für Darstellung mit negativer bzw. positiver Kontrastpolarität einhalten.

Alles eine Frage der Geschwindigkeit ...

Im Gegensatz zu CRT-Monitoren ist es auffällig, dass LCD-Monitore meist keine störenden Flimmer-Effekte aufweisen. Dies liegt darin begründet, dass die lichterzeugenden Phosphore in CRTs sehr schnell auf den Beschuss mit Elektronen reagieren und die Lichterzeugung auch wieder schnell abklingt. Die Zeiten, die der Flüssigkristall zur Umorientierung benötigt sind dagegen um mindestens eine Größenordnung länger als die Zeitkonstanten der Phosphore. Dies vermeidet zwar unangenehme Flimmer-Effekte, die bis zu Kopfschmerzen führen können, kann aber gleichzeitig ein Hindernis bei der Wiedergabe von bewegten Bildinhalten (z. B. Video) sein.

Nach ISO 13406 ist die Bildaufbauzeit die Zeit, in der sich die Leuchtdichte des LCD-Monitors von 10% auf 90% und wieder zurück auf 10% ändert (mit Schwarz = 0% und Weiß = 100%). Zur Darstellung von Video-Inhalten ohne Verschmieren sollte die Bildaufbauzeit unterhalb von 10 ms liegen. Eine Problematik der vorliegenden Norm besteht jedoch darin, dass die Schaltzeiten bei LCDs zwischen mittleren Graustufen erheblich länger ausfallen können (z. B. 45 ms) als das Umschalten zwischen Schwarz und Weiß (hier 18 ms), wie in Bild 16 dargestellt. Diese Schwachstelle der Norm wird in kommenden Versionen korrigiert werden.

LCD-Bild16a LCD-bild16b

Schwarz-Weiß-Schwarz => 18 ms

Grau192-Grau128-Grau192 => 45 ms

Bild 16: Leuchtdichte als Funktion der Zeit zur Ermittlung der Bildaufbauzeiten  

Darüberhinaus sind die Bildaufbauzeiten auch von einigen Einstellungen der Graphik-Karte und des LCD-Monitors abhängig (z. B. Gamma-Kurve).

Wieviele defekte Bildelemente (Pixel) muss ich akzeptieren?

Ein Bildelement (Pixel) besteht auch bei LCDs, wie bereits weiter oben beschrieben, aus drei Teilbildelementen (Subpixeln), üblicherweise mit den Primärfarben Rot, Grün und Blau, die sich bei gleichzeitiger Ansteuerung und maximaler Intensität im Auge des Betrachters zu Weiß addieren. Es können folgende Defekte auftreten: 

  • Typ 1: ein stets helles Bildelement (Pixel)
  • Typ 2:  ein stets dunkles Bildelement (Pixel)
  • Typ 3:  ein helles oder dunkles Teilbildelement (Subpixel)
  • Fehlerhafter Bereich:  zwei oder mehr Pixel/Subpixel mit Fehlern in einer 5x5 Pixelgruppe 

Die Anzahl der defekten Pixel oder Subpixel wird nach ISO 13406 wie folgt klassifiziert: (maximale Fehlerzahl pro Typ auf 1 Million Pixel)

Fehlerklasse

Typ 1

Typ 2

Typ 3

Bereiche mit mehr als
einem Fehler vom
Typ 1 oder 2

Bereiche mit
Typ-3 Fehlern

I

0

0

0

0

0

II

2

2

5

0

2

III

5

15

50

0

5

IV

50

150

500

5

50


Um sicher zu gehen, lassen Sie sich den LCD-Monitor, den Sie erwerben möchten, auspacken, anschließen und mit geeigneten Prüfmustern ansteuern, so dass Sie sich persönlich von der Anzahl der defekten Pixel überzeugen können. Nehmen Sie dann eben jenes Exemplar mit, das Sie für gut befunden haben.

Der optimale Zeichensatz

Da Flachbildschirme eine feste, durch das Layout der Teilbildelemente gegebene Auflösung haben, kommt der Auswahl des Zeichensatzes, insbesondere der Schrifthöhe, eine besondere Bedeutung zu. Bei einem optimalen Sehwinkel von 22‘ ergibt sich für Großbuchstaben (z.B. „E“) die folgende Schrifthöhe in Abhängigkeit vom Sehabstand. 

Sehabstand [mm]

Optimale Schrifthöhe [mm]

500

3,2

550

3,5

600

3,8

650

4,2

700

4,5

Aus der Schrifthöhe und der Pixelgröße ergibt sich die Anzahl der anzusteuernden Pixel und damit die Bildschirm-Zeichengröße bei einem Sehabstand von 500 mm wie folgt:
  

Bildschirm-Diagonale

15 "

17"

18"

19"

Pixelgröße [mm x mm]

0,297 x 0,297

0,264 x 0,264

0,279 x 0,279

0,294 x 0,294

Anzahl anzusteuernder Pixel für „E“

11

13

12

11

Zeichengröße

11 p

13 p

12 p

11 p

 

Plug & play?

Von besondere Bedeutung für die Sicherstellung einer optimalen Leistung des LCD-Monitors ist die Einstellung des Gerätes auf das von der Graphikkarte generierte elektrische Signal, was mit Hilfe von geeigneten Testbildern und Prüfmustern geschehen kann. In der Praxis hat sich folgende Vorgehensweise bei der Einstellung bewährt: 

  1. Graphikkarte auf die Auflösung des LCD-Monitors und eine Bildwiederholfrequenz von 60 Hz einstellen.
  2. Durchführen der automatischen Bildjustage (z. B. mit Windows-Desktop oder einem weißen Bildinhalt). Falls dies nicht den gewünschten Erfolg bringt .
  3. Feinjustage: Bild mit alternierenden Pixeln (Schachbrettmuster) anzeigen. Regler „Clock“ und „Phase“ so verstellen, bis keine vertikalen oder horizontalen Streifen mehr sichtbar sind.
  4. Kontrast: Graustufenbild anzeigen. Kontrastregler so einstellen, dass alle Graustufen in 10% Schritten visuell unterscheidbar sind (insbesondere die 10%-20% und die 90%-100% Stufe).
  5. Farbmodus: Graustufenbild anzeigen. Einstellung so, dass keine der Graustufen einen Farbstich oder einen Farbsaum zeigt.
  6. Helligkeit (Leuchtdichte): Beliebigen, aber typischen Bildinhalt anzeigen. "Helligkeit" auf einen als angenehm wahrgenommenen Wert einstellen. 

Falls der LCD-Monitor über einen digitalen Signaleingang angesteuert wird (z.B. DVI), so entfallen die Schritte 2 und 3.  

Von Hause aus sollten sich, im Gegensatz zum CRT-Monitor, beim LCD-Monitor die "Helligkeit" und der Kontrast unabhängig voneinander einstellen lassen. In letzter Zeit werden (aus unerfindlichen Gründen) diese Einstellmöglichkeiten von einigen Herstellern leider "vermischt", was zu schwierigerer Einstellarbeit führt.

Vergleich von Monitoren mit CRTs und LCDs

  

CRT

LCD

Bemerkung

Kenngröße
Kontrast
(Dunkelraum)

sehr hoch,
bis 1000:1

350:1 – 600:1

Bei CRT’s hängt der Dunkelraumkontrast von der Einstellung des Helligkeitsreglers ab.
Kontrast
(Hellraum)

3:1 – 10:1

30:1 – 50:1

Bei diffuser Beleuchtung von 293 lx und einer gerichteten Lichtquelle mit 200 cd/m² (typische Büroumgebung).
Leuchtdichte 

80 – 120 cd/m²

150 – 250 cd/m²

 
Flimmern 

störend

nicht wahrnehmbar

wird in heller Umgebung stärker wahrgenommen
Bildaufbauzeit 

schnell,
1 ms

langsamer,
10 ms

LCDs sind mittlerweile videotauglich
Reflexionen 

störend,
typ. Klasse I/II

kein Bild der Lichtquelle,
typ. Klasse I

Bilder von Lichtquellen lenken stark ab
Pixelfehler

praktisch keine

typ. Klasse II

  
Gleichmäßigkeiten
Leuchtdichte   

gut

hinreichend
typ. Klasse IV

Bessere LCD-Monitore erreichen Klasse III
Kontrast

gut

hinreichend
typ. Klasse III

   
Farbe

gut

hinreichend
typ. Klasse IV

Bessere LCD-Monitore erreichen Klasse III

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass LCD-Monitore wegen ihrer Flimmerfreiheit und der stark reduzierten spiegelnden Reflexionen ein visuell angenehmes und "augenschonendes" Arbeiten insbesondere in heller Umgebung ermöglichen. Die Änderung von Leuchtdichte, Kontrast und Farbe mit der Sehrichtung ist für die meisten Anwendungen im Büro ausreichend gering. Alleine für Arbeiten mit grafischen Inhalten, bei der auch kleinste Änderungen von Graustufen und Farben von Bedeutung sind, zeigen CRT-Monitore noch wahrnehmbare Vorteile, insbesondere dann, wenn die erwähnten Bilddetails aus allen Richtungen gleich aussehen sollen. Darüberhinaus sind, dank der mittlerweile stark verkürzten Schaltzeiten, LCD-Bildschirme für Fernseh- und Videoanwendungen sehr gut geeignet. 

Da die Hersteller immer noch sehr zögerlich bei der Herausgabe von aussagefähigen Kenngrößen für ihre Produkte sind, müssen die Kunden und vor allem die gewerblichen (Groß)-Kunden unbedingt folgende Angaben vom Lieferanten der Monitore als Basis für eine solide Entscheidungsfindung verlangen:  

  • Daten, Kenngößen und Messdaten, die nach den Messverfahren von ISO13406-2 ermittelt wurden, oder
  • Klassifizierungen für die Monitore nach ISO 13406-2 (Sehrichtungsbereichsklassen, Reflexionsklassen, Bildaufbauzeiten, etc.), oder
  • ein qualifiziertes Prüfzertifikat einer anerkannten Prüfstelle, die auf Prüfungen nach ISO 13406-2 beruhen (z. B. ERGONOMIE GEPRÜFT vom TÜV Rheinland).

 

                                               Tüv-Siegel

Letzte Änderung: 16.5.2009

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