Smart-TV

So entstehen Bilder. Display-Technologien im Vergleich.

Sie lassen aus einer schwarzen Fläche Farben entstehen, bilden Formen und ahmen Bewegungen nach – die Displays von Fernsehern, Monitoren und Smartphones könnten geradezu als Zauberkünstler durchgehen. Wie sie ihre Magie entfalten, erklären wir Ihnen mit dem folgenden Artikel.

Punkte. Viele Punkte.

Bei der digitalen Bildverarbeitung werden Bilder aus der realen Welt in einzelne Bildpunkte aufgelöst, die sogenannten Pixel. Jedem dieser Pixel wird dabei eine Position, eine Farbe und ein Helligkeitswert zugeordnet. Ein Display ist mit einem feinen Raster aus Bildpunkten ausgestattet, das die entsprechenden Farben und Helligkeiten wiedergeben kann. Aus vielen Punkten entsteht so für das Auge ein zusammenhängendes Bild.

Damit die einzelnen Pixel die Vielzahl von Farben und Helligkeitsabstufungen darstellen können, bestehen sie wiederum aus drei Subpixeln in den Farben Rot, Grün und Blau (RGB). Jedes dieser Subpixel kann mit einer bestimmten Anzahl an Helligkeitsstufen leuchten. Durch additive Farbmischung setzt das Auge die drei Subpixel zu einem einheitlichen Farbeindruck zusammen: Wenn alle drei Subpixel dunkel sind, erscheint das Pixel schwarz, wenn sie gleich hell leuchten, als grau oder bei maximaler Helligkeit als Weiß. Farben entstehen durch die Kombination unterschiedlicher Helligkeitsstufen.

Die Anzahl der möglichen Helligkeitsstufen der Subpixel gibt auch an, wie viele Farben ein Display darstellen kann. Fernseher mit Full-HD-Auflösung arbeiten üblicherweise mit 256 Abstufungen (8 Bit) pro Farbe, aus denen sich durch Multiplikation von 256 Rottönen x 256 Grüntönen x 256 Blautönen insgesamt über 16,7 Millionen Farben ergeben. Neue Fernsehgeräte nach dem UHD-Standard arbeiten inzwischen mit 1.024 Helligkeitsstufen pro Subpixel (10 Bit) und ermöglichen damit über eine Milliarde unterschiedliche Farbeindrücke.

Unterschiedliche Wege zu drei Farben

Die Aufteilung in Pixel und Subpixel haben alle Displays gemeinsam. Die Unterschiede zwischen den Technologien ergeben sich vielmehr in der Art und Weise, wie Helligkeit und Farbe hergestellt werden. Wir erklären Ihnen im folgenden die beiden aktuellen Techniken von LCD-Displays mit LED-Hintergrundbeleuchtung und von OLED-Bildschirmen mit selbstleuchtenden Pixeln. Die Kathodenstrahlröhren, die in den wuchtigen Röhrenfernsehern für ein bewegtes Bild gesorgt haben, lassen wir außen vor, ebenso die bei Kinofreunden beliebten Plasma-Fernseher. Beide Geräteklassen spielen auf dem Markt für Fernseher keine Rolle mehr.

LED-LCD-Displays: Das Leuchten im Hintergrund

Der meisten Fernsehgeräte, die aktuell erhältlich sind, gehören zur Gruppe der LED-LCD-Displays. Die Bezeichnung ist zwar etwas sperrig, gibt aber in Grundzügen bereits das Funktionsprinzip wieder: Die LEDs (Leuchtdioden) erzeugen das Licht für die Hintergrundbeleuchtung, und LCD-Elemente (von Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige) sorgen für die Steuerung der Helligkeiten in den einzelnen Subpixeln, aus denen der Fernseher dann die Bilder zusammensetzt, indem sie das Licht ausgewählter Subpixel durchlassen bzw. ganz oder teilweise blockieren.

Bei den LED-LCD-Displays hinterleuchtet eine Lichtquelle mit LEDs die Flüssigkristallschicht. Die Flüssigkristalle können für jedes Subpixel getrennt angesteuert werden und regulieren dessen Helligkeit. Die Farbe kommt erst am Ende durch Filter zustande.

Licht von unterschiedlichen Seiten

Für den Aufbau der Hintergrundbeleuchtung sind zur Zeit zwei Techniken gebräuchlich, das Edge-LED- und das Direct-LED-Verfahren. Bei Edge-LED-Displays sind die Leuchtdioden an den Seiten einer Lichtleiterplatte angebracht, die das Licht annähernd gleichmäßig auf die gesamte Fläche des Bildschirms verteilt. Der Vorteil dieser Bauweise ist, dass sie sehr flache Geräte ermöglicht. Ein Nachteil besteht darin, dass die Helligkeitsverteilung nicht gleichmäßig ist und von den Rändern zur Mitte hin etwas abnimmt. Man bezeichnet diese Einstrahlungen am Rand als Clouding.

Je nach Art der Hintergrundbeleuchtung kann es bei LED-LCD-Displays zu leichten Unterschieden in der Helligkeitsverteilung kommen. Edge-LED-Displays sind am Rand etwas heller als in der Mitte, Direct-LED-Panels neigen eher zu Lichthöfen.

Bei Fernsehern mit Direct-LED sitzen die LEDs in einem Raster angeordnet hinter den LCD-Elementen, eine Diffusorscheibe verteilt das Licht der punktförmigen LEDs auf die Displayfläche. Durch die Bauweise bedingt sind Geräte mit Direct-LED-Technik in der Regel etwas tiefer als Edge-LED-Fernseher, dafür ist die Helligkeitsverteilung gleichmäßiger. Ungleichmäßigkeiten können auch hier vorkommen, sind aber spezielle Bildgestaltungen beschränkt – bei dunklen Weltraumszenen mit kleinen hellen Sternen etwa kann die Hintergrundbeleuchtung durchschimmern und einzelne Lichthöfe bilden, man spricht hier von Blooming.

Lokale Kontraststeigerung

Eine weitere Funktion der Hintergrundbeleuchtung ist die Kontraststeigerung an bestimmten Stellen des Bildes, auch Local Dimming genannt. Technologisch bedingt lassen Flüssigkristallanzeigen immer einen Teil des Hintergrundlichtes durch, auch wenn reines Schwarz angezeigt werden soll. Dunkle Szenen wirken daher nicht tiefschwarz, sondern dunkelgrau. Um den Kontrast zu steigern, werten die Fernsehgeräte die Bilddaten aus und passen die Helligkeit der LEDs an die einzelnen Bildteile an: Bei schwarzen Bildteilen wird die Hintergrundbeleuchtung ausgeschaltet, bei Bildteilen mit mittlerer Helligkeit wird sie gedimmt, nur bei strahlend hellen Bildausschnitten leuchten die LEDs mit maximaler Helligkeit. Je nach Art der Hintergrundbeleuchtung funktioniert das unterschiedlich gut: Bei Edge-LED-Fernsehern lassen sich nur einzelne vertikale Streifen abdunkeln, bei Direct-LED bildet die Hintergrundbeleuchtung ein Raster aus einzeln steuerbaren Feldern, die sich relativ genau an das Bild anpassen lassen.

Weiß ist nicht gleich Weiß

Damit am Ende ein farbstarkes Bild entstehen kann, muss am Anfang geeignetes Licht in die Hintergrundbeleuchtung eingespeist werden. Je größer das Farbspektrum der Lichtquelle ist, desto vielfältiger und kräftiger erscheinen später die Farben auf dem Bildschirm. In aktuellen Geräten werden zur Zeit zwei Technologien verwendet, die sogenannten „weißen LEDs“ und die „Quantenpunkte“. Die Prinzipien sind dabei ähnlicher, als die Begriffe es vermuten lassen. In beiden Fällen kommen LEDs zum Einsatz, die kurzwelliges, energiereiches blaues Licht aussenden.

Bei den „weißen LEDs“ wird dieses Licht durch eine Schicht aus einem Lumineszenzfarbstoff (gelber Phosphor) geleitet, der durch das blaue Licht angeregt wird und langwelligeres, energieärmeres gelbes Licht abgibt. Durch die Mischung der Farben wird annähernd weißes Licht erzeugt, allerdings sind die Farben Grün und Rot weniger stark vertreten als Blau und Gelb.
Bei neueren Geräten sorgen Quantenpunkte für ein farbreiches Ausgangslicht. Quantenpunkte sind winzige Nanokristalle aus Halbleitermaterialien. Sie werden wie Lumineszenzfarbstoffe durch blaues Licht zum Leuchten angeregt, im Unterschied zu diesen kann man die Quantenpunkte aber mit chemischen und physikalischen Verfahren so maßschneidern, dass sie genau in den gewünschten Farben leuchten. Die dritte RGB-Farbe kommt direkt von den LEDs, die nun – ohne Phosphorschicht – blau leuchten. Mit den drei reinen Ausgangsfarben lassen sich mehr und feiner abgestufte Farben erreichen. Displays mit Quantenpunkten sind bereits von zahlreichen Herstellern erhältlich – allerdings unter ganz unterschiedlichen Namen: Samsung nennt sie „SUHD“, Sony verwendet den Begriff „TRILUMINOS“, LG spricht von „Quantum Dots“.

Flüssigkristalle steuern das Licht

Neben der Lichtquelle und der Verteilung des Lichts auf die gesamte Displayfläche kommt es für ein gutes Bild auch auf die Steuerung an, mit der die Helligkeit der einzelnen Pixel und Subpixel eingestellt wird. Bei den LED-LCD-Fernsehgeräten funktioniert diese Steuerung über Flüssigkristalle. Ähnlich wie ein Ventil lassen die einzelnen Subpixel je nach angelegtem Steuersignal mehr oder weniger Licht durch.

Für die Regulierung der Helligkeit kommen unterschiedliche Techniken zum Einsatz, die sich vor allem in der Schaltgeschwindigkeit, Schaltgenauigkeit und in der Blickwinkelstabilität unterscheiden.
Bei günstigen Fernsehgeräten und in Monitoren für Computerspieler kommen häufig Displays mit der sogenannten Twisted-Nematics-Technologie (TN) zum Einsatz. Sie zeichnen sich durch sehr kurze Umschaltzeiten zwischen den einzelnen Bildern aus, sind aber bei der Farbwiedergabe ungenau, und auch die Blickwinkelstabilität ist meistens nicht besonders hoch: Betrachtet man das Bild von der Seite, verändern sich die Farben, und der Kontrast nimmt schnell ab.
In den meisten hochwertigen TV-Geräten sind mittlerweile Bildschirme verbaut, die nach dem Prinzip des In-Plane-Switching arbeiten. Sie sind nicht ganz so schnell beim Bildwechsel, verfügen dafür aber über eine sehr präzise Farbdarstellung und bieten auch von der Seite einen guten Bildeindruck.

OLED: Den Pixeln geht ein Licht auf

Während die klassischen LED-LCD-Displays auf eine Kombination von Hintergrundbeleuchtung, Flüssigkristallsteuerung und Farbfiltern setzen, sind es bei OLED-Displays die Bildpunkte selbst, die leuchten – anders gesagt: Jedes Subpixel besteht aus einer grünen, roten oder blauen LED. Das O in OLED steht dabei für „Organic“ und macht deutlich, dass für die Erzeugung der Farben Substanzen aus der organischen Chemie zum Einsatz kommen. Die selbstleuchtenden Bildpunkte der OLED-Displays versprechen eine außergewöhnliche Bildqualität: Dies macht sich vor allem beim Kontrast bemerkbar. Während bei LED-LCD-Geräten auch bei einem komplett schwarzen Bild die Hintergrundbeleuchtung leicht durchschimmert, ist ein schwarzes Pixel bei einem OLED-Display tatsächlich schwarz: Es emittiert nämlich kein Licht. Ein benachbartes Pixel kann dagegen mit voller Helligkeit leuchten und lässt so maximalen Kontrast entstehen. Diese Helligkeitsunterschiede zwischen benachbarten Bildpunkten können auch Flüssigkristall-Displays mit Local Dimming nicht erreichen, weil die getrennt regelbaren Bereiche der Hintergrundbeleuchtung nicht nur ein einzelnes Pixel, sondern meist Cluster mit über hundert Bildpunkten ansprechen.

Bei OLED-Displays besteht jedes Subpixel aus einer einzelnen Leuchtdiode. Dies kommt vor allem dem Kontrast zugute, da ein schwarz geschaltetes Pixel tatsächlich kein Licht mehr emittiert und nicht nur die Hintergrundbeleuchtung abdunkelt.

Auch die Blickwinkelstabilität und die Farbwiedergabe profitiert von den organischen Leuchtpunkten. Weil das Licht direkt ausgestrahlt wird, ermöglichen OLED-Displays einen großen seitlichen Betrachtungswinkel, ohne dass es dabei zu störenden Schwankungen in der Helligkeit oder in der Farbwiedergabe kommt. Und auch die Farbwiedergabe wirkt sehr natürlich, weil das Display die benötigten Farbanteile direkt erzeugt.
Dass sich OLED-Bildschirme trotz technologischer Vorteile und positiver Bewertungen in der Fachpresse bisher keinen großen Markt erobern konnten, liegt vor allem an der geringeren Haltbarkeit und der Anfälligkeit gegenüber Feuchtigkeit. Bei OLED lässt die Helligkeit der Bildpunkte im Laufe der Zeit nach, die Lebensdauer ist entsprechend die mittlere Betriebsdauer, nach der der Bildschirm noch mit halber Helligkeit leuchtet. OLEDs erreichen hier zur Zeit etwa 20.000 Stunden, durchschnittliche LED-LCD-Geräte kommen auf rund 100.000 Stunden. Viele Hersteller zögern daher noch mit der Einführung von OLED-Fernsehgeräten (bisher gibt es lediglich einige Geräte von LG und Panasonic) und auch die Auswahl in Sachen Größe, Ausstattung und Preis ist beschränkt.

Sie sind auf der Suche nach einem neuen Bildzauberer für Ihr Wohnzimmer? Dann sollten Sie sich von Ihrem IQ-Fachhändler beraten lassen. Bei ihm können Sie sich nicht nur ein eigenes Bild von der Qualität der aktuellen Fernsehgeräte machen, er kann Ihnen auch ausführlich die Technik erklären und findet das Gerät, dass am besten zu Ihnen und Ihren Sehgewohnheiten passt.

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