3.2 Bildschirme

CRT-Monitor: die Kathodenstrahlröhre

Die Kathodenstrahlröhre (Cathode Ray Tube, CRT) entwickelte sich aus der Ende des 19. Jahrhunderts entstandenen Braunschen Röhre. Max Dieckmann und Gustav Glage demonstrierten 1906 eine frühe Bildübertragung mit einer Kathodenstrahlröhre. Die pauschale Aussage, dies sei die erste technische Umsetzung eines bildgebenden Verfahrens gewesen, ist zu weitgehend: Mechanische und fotografische Bildverfahren existierten bereits zuvor.

Im evakuierten Glaskolben erzeugt eine Elektronenkanone einen gebündelten Elektronenstrahl. Ablenkspulen führen ihn zeilenweise über die Leuchtstoffschicht an der Innenseite der Frontscheibe. Die Strahlintensität bestimmt die Helligkeit. Farb-CRTs verwenden drei Farbkomponenten und eine Loch- oder Streifenmaske, damit die Strahlen die passenden roten, grünen und blauen Leuchtstoffe treffen.

CRT-Monitore besitzen keine feste Pixelmatrix wie ein LCD und können verschiedene Auflösungen ohne die typische Skalierungsunschärfe eines Flachbildschirms darstellen. Dem stehen große Bautiefe, hohes Gewicht, Leistungsaufnahme, geometrische Verzerrungen und mögliche Flimmerwahrnehmung gegenüber. Heute sind CRTs vor allem historisch, in Sammlungen und in wenigen Spezialanwendungen relevant.

Progressive und Interlaced

Beim Progressive Scan wird jedes Bild vollständig Zeile für Zeile übertragen. Beim Interlaced-Verfahren besteht ein Bild aus zwei zeitlich versetzten Halbbildern: zunächst werden beispielsweise die ungeraden, danach die geraden Zeilen übertragen. Das Verfahren reduzierte bei historischen Fernsehstandards die erforderliche Übertragungsbandbreite und zugleich das wahrgenommene Großflächenflimmern.

Interlacing verbessert nicht grundsätzlich die Bildqualität. Bewegung zwischen den Halbbildern kann Kammartefakte und verringerte vertikale Bewegungsauflösung verursachen. Moderne Computermonitore arbeiten deshalb normalerweise progressiv; älteres Interlaced-Material wird für progressive Displays deinterlaced.

Additive und subtraktive Farbdarstellung

Scanner erfassen häufig rote, grüne und blaue Messkanäle, sind aber kein selbstleuchtendes additives Ausgabegerät. CMYK gehört zur subtraktiven Farbmischung; selbstleuchtende Anzeigen verwenden normalerweise RGB beziehungsweise ein erweitertes additives System.

RGB, sRGB und digitale Farbwerte

RGB beschreibt Farben durch drei Komponenten. Der Zahlenwert allein legt jedoch noch keine eindeutig wahrnehmbare Farbe fest; dafür werden ein konkreter Farbraum, ein Weißpunkt und eine Übertragungsfunktion benötigt. sRGB ist der verbreitete Standardfarbraum für Web- und Büroinhalte und wurde als IEC 61966-2-1 standardisiert. Größere Farbräume wie Display P3 oder Adobe RGB können stärker gesättigte Farben abbilden, benötigen aber einen farbverwalteten Arbeitsablauf.

Bei 8 Bit pro Kanal stehen 256 Codewerte je Rot-, Grün- und Blaukanal zur Verfügung. Daraus entstehen 256³ = 16.777.216 mögliche RGB-Kombinationen. 10 Bit pro Kanal ergeben 1.024 Stufen und über eine Milliarde Kombinationen; dies kann feinere Farbverläufe ermöglichen. 16-Bit-Dateiformate sind für Bearbeitung und Messdaten sinnvoll, bedeuten aber nicht, dass ein gewöhnlicher Monitor tatsächlich 16 Bit pro Kanal darstellen kann.

• Das Beispiel ergibt die CSS-Farbe #50C882.
• Farbtiefe beschreibt Codewerte; Farbraumabdeckung beschreibt den erreichbaren Bereich realer Farben.
• Ein großer Farbraum ist nur mit korrekten Profilen und passenden Inhalten zuverlässig nutzbar.

Qualitätsparameter eines Monitors

Bildsynchronisation und Bewegungsdarstellung

V-Sync begrenzt die Bildausgabe der Grafikkarte auf den festen Aktualisierungsrhythmus des Monitors und verhindert damit sichtbare Bildrisse (Tearing), kann aber Wartezeit und Verzögerung erzeugen. Variable Refresh Rate (VRR) lässt den Monitor seinen Aktualisierungszeitpunkt innerhalb eines unterstützten Bereichs an die Ausgabe der Grafikkarte anpassen.

FreeSync und G-SYNC bezeichnen Implementierungen beziehungsweise Ökosysteme für variable Bildwiederholraten. Entscheidend sind die tatsächlich unterstützte Spanne, Schnittstelle, Zertifizierung und Kombination aus Grafikkarte, Treiber, Kabel und Monitor. Eine hohe Hertz-Zahl, VRR und kurze Pixelreaktionszeit lösen jeweils unterschiedliche Probleme.

Monitoranschlüsse im Überblick

HDMI, DisplayPort, Kabel und Adapter

HDMI überträgt Bild, Mehrkanalton und Steuerinformationen seriell. HDCP ist ein optional beziehungsweise in bestimmten Geräteklassen erforderlicher Kopierschutzmechanismus für geschützte Inhalte, aber keine Voraussetzung dafür, dass HDMI grundsätzlich ein Bild überträgt. Seit HDMI 2.1 gehören unter anderem höhere Datenraten, Dynamic HDR, VRR und eARC zum möglichen Funktionsumfang; HDMI 2.2 ergänzt höhere Linkraten. Hersteller müssen deshalb die tatsächlich unterstützten Funktionen nennen, nicht nur eine Versionsnummer.

DisplayPort unterstützt neben Bild und Ton beispielsweise Multi-Stream Transport für mehrere Displays und VESA Display Stream Compression. Mini DisplayPort bezeichnet eine kleinere Steckerform. USB-C kann DisplayPort-Signale über Alternate Mode führen; ein Kabel kann außerdem USB-Daten und USB Power Delivery transportieren. Welche Auflösung und Frequenz funktionieren, ergibt sich aus Auflösung, Farbtiefe, Chroma-Unterabtastung, HDR, Kompression und der schwächsten Komponente im gesamten Signalweg.

Passive Adapter funktionieren nur zwischen elektrisch kompatiblen Signalarten und passenden Betriebsarten. Ein DVI-zu-HDMI-Adapter überträgt üblicherweise das digitale Videosignal; Audio hängt von Quelle und Umsetzung ab. Für VGA ist wegen der Digital-Analog-Wandlung ein aktiver Konverter erforderlich, wenn die Quelle kein analoges Signal bereitstellt.

Plasmabildschirme – historisch relevante Flachbildtechnik

Bei einem Plasma Display Panel (PDP) bilden mit Edelgas gefüllte Zellen die Subpixel. Eine elektrische Entladung erzeugt ultraviolettes Licht, das rote, grüne oder blaue Leuchtstoffe anregt. Adressierungs-, Halte- und Löschphasen steuern die Zellen. Das Bild entsteht damit selbstleuchtend und benötigt keine separate Hintergrundbeleuchtung.

Plasmafernseher boten gute Bewegungsschärfe, große Blickwinkel und für ihre Zeit starke Schwarz- und Kontrastwerte. Hohe Leistungsaufnahme und Wärmeentwicklung, Gewicht, Alterung der Leuchtstoffe und die Gefahr bleibender Einbrenneffekte waren Nachteile. Plasmadisplays sind heute keine verbreitete Präsentationstechnik mehr; die Massenproduktion endete bereits in den 2010er-Jahren.

LCD, TFT und LED richtig einordnen

Ein Liquid Crystal Display (LCD) moduliert Licht mithilfe elektrisch ausgerichteter Flüssigkristalle, Polarisationsfiltern und Farbfiltern. Bei Aktiv-Matrix-LCDs steuert mindestens ein Dünnfilmtransistor (TFT) jedes Subpixel. Deshalb sind „LCD“ und „TFT“ keine konkurrierenden heutigen Bildschirmarten: Ein typischer LCD-Monitor ist zugleich ein TFT-LCD.

„LED-Monitor“ bezeichnet im üblichen Handel meist ein LCD mit LED-Hintergrundbeleuchtung. Ältere LCDs verwendeten CCFL-Röhren. Edge-LED sitzt am Rand, Direct LED beziehungsweise Full Array verteilt LEDs hinter dem Panel; Full Array Local Dimming kann Zonen separat dimmen. Mini-LED verwendet sehr kleine LEDs und ermöglicht mehr Dimmzonen. QLED bezeichnet üblicherweise ein LCD mit Quantum-Dot-Farbumwandlung und ist nicht mit dem selbstleuchtenden OLED zu verwechseln.

LCD-Paneltypen: TN, IPS und VA

Aus dem Paneltyp allein lassen sich Preis, Stromverbrauch, Geschwindigkeit und Gaming-Eignung nicht zuverlässig ableiten. Moderne Varianten überschneiden sich stark. Messwerte des konkreten Monitors sind deshalb verlässlicher als das Kürzel allein.

Passiv-Matrix-Displays

Bei einer Passivmatrix kreuzen sich Zeilen- und Spaltenelektroden; ein Pixel besitzt keinen eigenen dauerhaften TFT-Schalter. Das vereinfacht den Aufbau, führt bei klassischen LCDs aber zu Übersprechen, niedrigem Kontrast und langen Reaktionszeiten.

Für PC-Monitore ist die klassische Passivmatrix praktisch bedeutungslos. Verwandte einfache Matrixansteuerungen existieren weiterhin in Segmentanzeigen und spezialisierten kleinen Displays. Aktiv-Matrix-Technik dominiert Computerbildschirme, Smartphones und Fernseher.

OLED und MicroLED

Organic Light Emitting Diodes erzeugen Licht direkt in den einzelnen Subpixeln. Eine Hintergrundbeleuchtung ist nicht erforderlich; vollständig abgeschaltete Pixel ermöglichen sehr tiefes Schwarz, hohen wahrgenommenen Kontrast, schnelle Übergänge und große Blickwinkel. OLED ist eine etablierte Displaytechnik und wird in Smartphones, Fernsehern, Notebooks und Monitoren eingesetzt.

Organische Materialien altern abhängig von Helligkeit, Temperatur und Nutzungsdauer. Lange statische Inhalte können ungleichmäßige Alterung und sichtbares Einbrennen begünstigen. Schutzmechanismen wie Pixelverschiebung, Logo-Dimmung und Ausgleichszyklen reduzieren das Risiko, beseitigen es aber nicht. Der Energiebedarf hängt stark vom Bildinhalt ab.

MicroLED verwendet anorganische, selbstleuchtende LEDs als Subpixel und verbindet prinzipiell sehr hohe Helligkeit mit tiefem Schwarz. Herstellung, Ausbeute und Kosten sind jedoch anspruchsvoll; deshalb ist MicroLED derzeit vor allem in sehr großen oder hochpreisigen Spezialanzeigen zu finden.

Allgemeine Vor- und Nachteile heutiger Flachbildschirme

Pixelfehler, Ergonomie und Auswahl

Ein Pixelfehler kann ein dauerhaft helles oder dunkles Pixel beziehungsweise Subpixel sein. Die frühere ISO 13406-2 ist nicht mehr der aktuelle Bezugspunkt; Herstellerbedingungen und einschlägige Normen der ISO-9241-Reihe sind zu prüfen. Garantie und zulässige Fehlerzahl unterscheiden sich nach Produkt und Anbieter.

Für einen PC-Arbeitsplatz sind Höhenverstellung, Neigung, ausreichender Sehabstand, blendfreie Aufstellung und passende Betriebssystemskalierung oft wichtiger als ein einzelner Spitzenwert. Blaulicht- oder Warmtonmodi können die Farbtemperatur am Abend verändern, ersetzen aber keine Pausen, angemessene Helligkeit und ergonomische Arbeitsgestaltung.