Der Monitor: Entwicklung, Technik und abgefahrene Lösungen

Die Visualisierung von Ausgabesignalen eines Computers ist so alt wie der elektronische bzw. elektrische Rechner selbst. Am Anfang zeigten einfache Lampen an, welches Ergebnis vorlag. Mit dem Röhrenmonitor und höherer Rechenleistung stieg auch die Komplexität der visuellen Ausgaben. Inzwischen können PC und Display dank 3D-Technik sehr realitätsnah Menschen und Gegenstände darstellen. Die Entwicklung der Bildschirmtechnik wollen wir Ihnen in diesem Artikel erläutern.

Zum Start zunächst ein Überblick in der Bildergalerie über einige der krassesten Setups überhaupt und das, was Sie im weiteren Artikel erwartet.



Röhrenmonitor
Der klassische Röhrenmonitor basiert ebenso wie Fernsehgeräte auf der Kathodenstrahlröhre von Ferdinand Braun. Neben Farbgeräten und größer werdenden Bildschirmdiagonalen wurde auch der Sichtbereich im Laufe der Jahre immer flacher, was zu weniger Verzerrungen führt. Die Schärfe und Qualität des Bildes wurde immer weiter verbessert. Mit größeren Sichtdiagonalen konnten mehr Pixel dargestellt werden. Mittlerweile spielen Röhrenmonitore in der Computertechnik kaum noch eine Rolle. Technisch gesehen arbeitet ein Röhrenmonitor nach dem eingangs erwähnten Prinzip der Kathodenstrahlröhre. In Farbmonitoren befinden sich auf der vorderen sichtbaren Seite eine Leuchtschicht, drei Kathoden, eine Anode, die Ablenkmagnete und eine Lochmaske. Jedes Pixel, dass auf dem Monitor dargestellt wird, ist in drei weitere Subpixel unterteilt, welche die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) unterteilt. Durch Elektronenbeschuss werden diese Subpixel zum Leuchten gebracht, wodurch die Leuchtschicht fluoresziert.

Der Leuchteffekt wird erzeugt, indem Elektronen von der Kathode emittiert werden. Durch die Anodenspannung von bis zu 35.000 Volt werden diese Richtung Mattscheibe beschleunigt. Die Helligkeit reguliert sich durch die Menge der beschleunigten Elektronen. Die bereits erwähnten Ablenkmagnete sorgen nun dafür, dass die Lochmaske von links nach rechts (mit hoher Geschwindigkeit) und von oben nach unten (mit niedrigerer Geschwindigkeit) abgetastet wird. Je schneller dieser Vorgang geschieht, desto flimmerfreier ist das erzeugte Bild.

LCD: Hintergrundbeleuchtung
Da die Flüssigkristalle das Licht nur sperren können und nicht selbst leuchten, muss eine Lichtquelle dahinter angebracht werden. Bisher kamen dazu hauptsächlich Kaltkathodenröhren (englisch: Cold Cathode Fluorescent Lamp, kurz CCFL) zum Einsatz. Inzwischen wird die Technik zunehmend von LEDs (englisch: Light-emitting Diode) verdrängt. LEDs haben zwei große Vorteile: Primär benötigen sie weniger elektrische Energie bei ähnlicher Lichtleistung und sie enthalten keine gesundheitsschädlichen Bestandteile. CCFLs weisen häufig Quecksilber auf.

Im Gegensatz zu vielen Fernsehgeräten werden die LEDs oder die CCFLs bei PC-Monitoren nur selten direkt hinter dem LC-Panel angebracht. Die Leuchtelemente befinden sich an den Seiten oder auch zusätzlich am unteren und oberen Rand. Eine spezielle Folie sorgt dann dafür, dass das Licht gleichmäßig hinter dem Panel verteilt wird. Bei einigen Einsteiger-LCDs sieht man auch, dass die Ränder bei dunklem Umgebungslicht hell leuchten - was natürlich nicht sein sollte.

LCD: Flüssigkristallpanel
Sehr verbreitet sind sogenannte TFT-TN-Panels: Jedes Subpixel wird von einem Dünnschichttransistor (englisch: Thin Film Transistor, kurz TFT) gesteuert und besteht aus einer nematischen Drehzelle (englisch: Twisted Nematic, kurz TN). Für jede Grundfarbe (RGB = Rot, Grün und Blau) gibt es ein Subpixel, zusammen bilden diese ein Pixel. So hat ein 24-Zoll-LCD mit der Auflösung 1.920 x 1.080 Bildpunkte 2.073.600 Pixel und die dreifache Menge an Subpixeln. Die Drehzelle besteht aus Flüssigkristall und wird von zwei Glasplatten eingeschlossen. Je nach elektrischer Spannung lässt die Zelle mehr oder weniger Licht durchscheinen. Durch die Mischung der Grundfarben über die Subpixel kann theoretisch nahezu jede Farbe dargestellt werden. Sind alle drei Drehzellen "geöffnet", leuchtet der Bildpunkt weiß.

LCD: Das Pixel im Detail
Das Licht aus der Hintergrundbeleuchtung durchdringt zunächst den Polarisator und wird linear polarisiert. Es wird nur Licht durchgelassen, das eine bestimme Schwingungsrichtung hat. Dies ist notwendig, da die Flüssigkristalle nicht das gesamte Lichtspektrum der Hintergrundbeleuchtung sperren könnten. Als Nächstes kommt das Glassubstrat und dient als Grundlage beziehungsweise Träger aller weiteren Schichten. Direkt darauf folgt eine Halbleiterschicht zum Transport elektrischer Energie, meistens wird das weitgehend transparente Indiumzinnoxid (englisch: Indium Tin Oxide, kurz ITO) eingesetzt. Durch das ITO sind auch die drei Dünnschichttransistoren der Zelle mit der Steuerelektronik verbunden. Die TFTs werden durch die Orientierungsschicht von den Flüssigkristallen getrennt. Je nach Höhe der Spannung und des daraus entstehenden elektrischen Feldes, welches durch den Dünnschichttransistor erzeugt wird, richten sich die Kristalle (mit dielektrischen Eigenschaften) aus und das polarisierte Licht wird um 90 Grad gedreht. Anschließend kann die Strahlung den zweiten Polarisator passieren. Durch den Farbfilter - je nach Subpixel Rot, Grün oder Blau - wird das Licht eingefärbt und verlässt das LCD in Richtung Anwender.

LCD: TN, IPS und VA
PC-Monitore arbeiten mit TN-, IPS- oder VA-Panel. TN (Twisted Nematic) ist die einfachste und preiswerteste Technik und kommt daher in vielen Einsteiger-LCDs zum Einsatz. Die Flüssigkristalle eines Twisted-Nematic-Panel in der Nähe der Orientierungsschicht richten sich bauartbedingt nicht korrekt aus und verursachen ein diffuses Licht, was einen geringeren Kontrast zur Folge hat. Durch einen Film wird der Effekt reduziert. Sitzen Sie allerdings nicht direkt vor dem LCD, können Sie sehen, dass der Kontrast deutlich abnimmt - man spricht dann von der Blickwinkelabhängigkeit. In IPS-Panels (In Plane Switching) werden die Flüssigkristalle parallel angeordnet. Dies sorgt unter anderem für einen höheren Kontrast - auch seitlich betrachtet. Allerdings hat die IPS-Technik auch einen Nachteil: Die Panels sind dicker und benötigen eine stärkere Hintergrundbeleuchtung, was in einem höheren Stromverbrauch gegenüber TN resultiert.

VA-Panels (Vertical Alignment) - egal ob MVA (Multi-domain Vertical Alignment) oder PVA (Patterned Vertical Alignment) - arbeiten mit einer Unterteilung der einzelnen Zellen (Subpixel) in Domänen. Dies ermöglicht die Steuerung der Kipprichtung der einzelnen Moleküle, dazu befinden sich winzige Vorsprünge auf dem Trägermaterial (Glasplatten). Die gesteuerte Ausrichtung der Kristalle sorgt für einen guten Kontrast und einen großen Blickwinkel.

LCD: 3D-Technik
Im Kino, vor dem 3D-Fernseher oder 3D-Monitor müssen Sie immer noch eine Brille aufsetzen, damit der räumliche Effekt sichtbar wird. Aktuell konkurrieren die beiden Methoden Shutter und Polfilter miteinander. Bei der Shutter-Technik kommt eine elektronische Brille zum Einsatz, die abwechselnd das linke und rechte Glas abdunkelt. Dies wird mit der Bildausgabe synchronisiert, sodass jedes Auge das richtige Bild erhält - ein 3D-Effekt wird sichtbar. Im PC-Bereich benötigen Sie dafür Nvidias Geforce 3D Vision (USB-Sender und Brille) sowie ein 120-Hertz-LCD. Der Nachteil der Shutter-Technik ist, dass die Brillen verhältnismäßig schwer sind und der Akku darin regelmäßig geladen werden muss. Einige Hersteller setzen inzwischen auf die Polfilter-Technik, dabei kommt eine Brille ohne Elektronik zum Einsatz. Die Bilder für das jeweilige Auge werden durch optische Eigenschaften der Brille getrennt. Der Nachteil ist, dass die vertikale oder horizontale Auflösung des LCDs halbiert werden muss, damit beide Bilder gleichzeitig gezeigt werden können. Langsam setzen sich 3D-Anzeigen durch, die ohne Brille funktionieren: Ein aktuelles Produkt ist Nintendos 3DS. Dabei kommt ein Raster zur Trennung der beiden Bilder zum Einsatz.

LCD: Multitouch
Bei Multitouch-Displays kommen in der Regel herkömmliche Bildschirme zum Einsatz. Unsichtbar darüber liegt eine Folie, welche die Eingaben des Anwenders verarbeitet. Häufig genutzt werden resistive oder kapazitive Systeme: Resistive Flüssigkristallbildschirme reagieren auf Druck, sodass zwei leitfähige Schichten verbunden werden. Bei kapazitiven Geräten genügt die reine Berührung. Es wird ein gleichmäßiges elektrisches Feld auf dem Display aufgebaut und durch die Berührung mit dem Finger kommt es zu einer Entladung, welche durch die Matrix und den Controller verarbeitet werden kann.

Ausblick: neue Techniken
Der direkte Nachfolger von LCD wird mit hoher Wahrscheinlichkeit OLED oder "Direkt"-LED werden. Außerdem sind unter anderem noch Bildschirme mit Öltröpfchen (EW-Ds), PNLC (Polymere Network Liquid Crystal) und Field Emission (FED) in der Entwicklung. OLED-Bildschirme (Organic Light Emitting Diodes) sind bereits serienreif und werden in Autoradios und Smartphones als Anzeige eingesetzt. Der große Vorteil der organischen Leuchtemitter ist, dass sie im Gegensatz zu LCDs selbstleuchtend sind und dadurch heller, stromsparender sowie kontrastreicher arbeiten können. Bei OLED-Displays besteht ein Pixel häufig aus drei Subpixeln in den Grundfarben Rot, Grün und Blau. Bisher hatten die Hersteller Probleme mit der Lebenszeit der Leuchtdioden, da vor allem Blau nur einen Bruchteil so lange leuchtet wie die andersfarbigen OLEDs. Laut Samsung ist dieses Problem aber behoben, sodass der Hersteller organische Leuchtemitter in seinen Handys einsetzt. Sony arbeitet an Bildschirmen mit "echter" LED-Anzeige. Dabei dienen die LEDs nicht nur als Lichtquelle, sondern bilden selbstleuchtende Subpixel.