Horst Petschenig 1CHIF

Seite 1 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

CRT-Monitore

Das Prinzip Der Kern jedes CRT-Monitors ist eine Elektronenröhre. Diese besteht wesentlich aus

einem Glaskolben

einer Kathode

einer Anode

einem Wehneltzylinder

verschiedenen Fokussierelektroden und

einer Anode.

Der Wehneltzylinder steuert vor allem die austretende Helligkeit und soll verhindern, dass der Elektronenstrahl auseinanderläuft. In der Elektronenröhre wird zwischen der geheizten Kathode und der Anode eine hohe elektrische Spannung aufgebaut. Die austretenden Elektronen werden be-schleunigt und fliegen durch den Glaskolben bis zur Fluoreszenzschicht auf der Scheibe, auf der dann ein Lichtfleck erscheint. Dieser Lichtfleck ist unfokussiert und verschwommen. Daher muss er begrenzt wer-den. Dazu ist der Anodenzylinder auf geringer Länge unterteilt. An diesen Stellen ist ein weiterer Zylinder angebracht. Dort wird die Fokussierspannung aufgebaut und der Elektronenstrahl fokussiert. Mithilfe von magnetischen Feldern, erzeugt durch Ablenkplatten, wird der Strahl ab-gelenkt und kann so auf jeden Punkt des Bildschirms treffen. Ein Problem dieser Technik ist die schwankende Bildschärfe, da der Schirm nicht in dem Maße gekrümmt ist, wie es für einen gleichen Abstand des Fokuspunktes sein müsste. In neueren Farbbildröhren sind drei Elektronenstrahler, deren Strahlen sich in je-dem Bereich der Fluoreszenzschicht treffen, daher kann immer nur eine Fluores-zenzfarbe die Schlitzmaske durchqueren und die Leuchtschicht treffen. Die Elektronenstrahlsysteme sind so aufgebaut, dass sie immer gemeinsam auf ei-nen Punkt des Bildschirms treffen. Außerdem müssen die Strahlen in einem be-stimmten Winkel durch die Lochmaske fallen, sodass sie die richtigen Farbpunkte treffen. Bei Computermonitoren wird vor allem die Delta-Lochmasken-Technologie ver-wendet, da diese Technologie feinere Strukturen (z.B. beim CAD-Zeichnen) und eine höhere Auflösung zulässt.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 2 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Aufbau einer Lochmasken-Bildröhre: 1. Glühkathoden 2. Elektronenstrahlen 3. Bündelungsspulen 4. Ablenkspulen 5. Anodenanschluss 6. Lochmaske 7. Fluoreszenzschicht mit roten, grünen

und blauen Subpixeln 8. Nahansicht der Fluoreszenzschicht

Das Bild wird zeilenweise aufgebaut Es gibt zwei Techniken zum Aufbau eines Bildes:

1) Beim Zeilensprungverfahren wird zuerst jede zweite Bildzeile, also nur die ungeradzahligen Zeilen, dargestellt. Dann werden im vertikalen Durchlauf die geradzahligen Zeilen ergänzt. Dies bewirkt eine Verdoppelung der Bildfre-quenz, was eine deutliche Verringerung von Flimmern zufolge hat.

2) Beim Vollbildverfahren wird das Bild zeilenweise in voller Auflösung erzeugt. Dies liefert bessere Bilder dank der doppelten Zeilenzahl, erfordert allerdings auch aufwändigere Technik, da die Horizontalablenkeinheit die doppelte Fre-quenz liefern muss. Dieses Verfahren wird vor allem bei Computermonitoren eingesetzt, kann manchmal aber auch beim Fernseher als HDTV-Methode verwendet werden.

Sehr schneller Bildaufbau Der große Vorteil von Elektronenröhrengeräten ist die schnelle Reaktionszeit. Diese ist praktisch nicht vorhanden, da die Elektronen sich mit (Fast-)Lichtge-schwindigkeit bewegen. Weitere Vor- und Nachteile der Elektronenstrahltechnologie:

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 3 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Vorteile

guter Schwarzwert vom Betrachtungswinkel fast vollständig unabhängige Farbdarstellung,

auch bei dunklen Bildpartien durch analoge Signalverarbeitung keine Grenze der darstellbaren Farben keine vorgegebene Ideal-Auflösung selbstleuchtend lange Haltbarkeit günstig Leistungsaufnahme bei dunklen Bildern geringer

Nachteile

groß und schwer mögliche Beeinflussung durch externe Magnetfelder „Flimmern“ und „Fiepen“ gerade bei älteren Geräten Nachleuchten des Leuchtschirms schwache Röntgenstrahlung, Entsorgung der Bildröhre Verschleiß der Bildröhre

RGB Farben (Rot Grün Blau) Mit den Farben Rot, Grün und Blau kann man alle anderen Farben (mithilfe Hell- und Dunkeleffekten) darstellen. Diese Technik kommt vor allem bei Röhrenmonitoren, Fernsehgeräten und bei Projektoren vor.

Der RGB-Farbraum kann als dreidimensionaler Raum dargestellt werden

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 4 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Wichtige RGB-Farbräume:

CIE-XYZ-Farbraum

CIE-RGB-Farbraum

NTSC-RGB

Farbraum von PAL und SECAM

Additive Farbmischung

Die additive Farbmischung ist ein optisches Modell, welches das Mischen von farbigem Licht beschreibt. Wenn man die Grundfarben (Rot, Grün, Blau) mischt,

entsteht Weiß. Bei Computerbildschirmen setzt sich das Bild aus vielen kleinen Farbflächen zu-sammen. Die Grundfarben werden „addiert“ und bilden so bei hinreichendem Ab-stand zur Netzhaut des Auges einen gemischten Farbreiz, einen einheitlichen Farb-ton.

Additive Farbsynthese:

Rot + Grün + = Gelb

+ Grün + Blau = Cyan

Rot + + Blau = Magenta

Rot + Grün + Blau = Weiß

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 5 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Wichtige Parameter eines CRTMonitors

Lochabstand in der Lochmaske ( < 0,29mm )

Eine Lochmaske ist ein dünnes Metallgitter, welches in Farbbildröhren etwa 20 mm hinter dem Bildschirm angebracht ist. Die Lochmaske besitzt so viele Löcher, wie Farbtripel auf dem Bildschirm vorhanden sind, zu jedem Loch gehören drei farbig fluoreszierende Leuchtstoffpunkte. Die Auflösung einer Bildröhre ist wesentlich vom Lochabstand abhängig. Dieser be-trägt bei Monitoren 0,21 bis 0,28 mm, wobei normalerweise der Abstand zwischen zwei Löchern (Lochmitte zu Lochmitte) angegeben wird. Je geringer der Lochab-stand ist, desto höher ist die mögliche Auflösung der Röhre und umso detailrei-cher ist die Bilddarstellung - vorausgesetzt, die Fokussierung und die Konvergenz sind exakt.

Bildschirmdiagonale (von 8'' bis > 36'' , Office-Arbeitsplatz mind. 17'' )

Die Bildschirmdiagonale ist ein Maß für die Größe eines Bildschirms. Sie bezeich-net den Abstand zwischen zwei sich diagonal gegenüberliegenden Ecken. In der Werbung wird die Bildschirmdiagonale insbesondere bei Computermonitoren und Flüssigkristallanzeigen häufig in Zoll angegeben und ist üblicherweise eine run-de Maßzahl und nicht ein gemessener Wert. Bei Kathodenstrahlröhrengeräten erfolgt die Angabe der Bildschirmdiagonalen üb-licherweise zweiteilig als physische und sichtbare Bilddiagonale, da aus technischen Gründen ein Teil der Röhre immer verdeckt ist. Wenn nur ein Wert angegeben ist, ist normalerweise die physische Diagonale gemeint. Da bei der Größenangabe von Röhrenmonitoren nicht die sichtbare Diagonale, son-dern die Gesamtgröße der (teils nicht sichtbaren) Röhre ausschlaggebend war, ist

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 6 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

der Vergleichswert gegenüber Flachbildschirmen in der Regel um etwa zwei Zoll zu reduzieren. Ein 19-Zoll CRT entspricht also etwa einem 17-Zoll TFT.

Max. Videobandbreite – Pixelfrequenz Die Videobandbreite gibt an, wie die Qualität der Videoelektronik des Monitors ein-zuschätzen ist. Die Videobandbreite gibt dabei die höchste Signalfrequenz an, die von der Videoelektronik mit einer max. Dämpfung von 3dB dargestellt werden kann. Videobandbreite = Zeilenzahl * Spaltenzahl * Vertikalfrequenz Bei der Zeilenzahl und Spaltenzahl ist die Brutto-Zahl zu nehmen. Der Pixeltakt gibt an, wie viele Pixel pro Sekunde auf dem Monitor dargestellt wer-den. Allerdings werden auch die inaktiven (also nicht sichtbaren) Zeilen und Pixel mitgezählt. Er errechnet sich aus dem Produkt der horizontalen Pixelzahl und der Zeilenfrequenz. Beispiel: Anzahl der horizontalen Pixel (Spalten): 1024 Anzahl der vertikalen Pixel (Zeilen): 768 Bildwiederholrate: 72 Hz Zeilenfrequenz: 768*72Hz = 55,3 kHz

1024 * 55,3 kHz = 56,6MHz Pixeltakt Der Pixeltakt muss kleiner als die Videobandbreite sein!

Max. Zeilenfrequenz Die Zeilenfrequenz oder auch Horizontalfrequenz gibt die Wiederholrate von Zeilen (horizontalen „Linien“) auf einem Anzeigegerät (z. B. Computermonitor) an. Sie er-rechnet sich aus den dargestellten Vollbildern/s mal der Zeilenanzahl eines Vollbil-des.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 7 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Max. Bildwiederholfrequenz Die Bildwiederholfrequenz oder Bildwiederholrate ist ein Begriff aus der Film-, Fernseh- und Computertechnik. Sie bezeichnet die Anzahl der Einzelbilder pro Sekunde, die z. B. auf eine Kino-leinwand projiziert werden oder auf einen Fernsehbildschirm oder Monitor durch des-sen Elektronenstrahl geschrieben werden. Man gibt diese i. A. in der Einheit Hertz (Hz) an. Berechnung:

Die Bildwiederholfrequenz fV von Computermonitoren lässt sich näherungsweise fol-

gendermaßen berechnen:

Wobei fH die Horizontalfrequenz (Anzahl der Zeilen pro Sekunde) und

n die Anzahl der Zeilen (vertikale Auflösung) ist.

Einstellmöglichkeiten der Bildgeometrie In der Bildgeometrie können folgende Einstellmöglichkeiten vorkommen:

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 8 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Die Kissenverzerrung ist eine Verfälschung der Bildgeometrie der Bildröhre eines Computermonitors oder Fernsehers, die daran zu erkennen ist, dass ein Rechteck eine Zipfelbildung an den Ecken aufweist, das wie ein (namensgebendes) Kissen aussieht. Weil der Strahlweg auf Grund des flach gewölbten Bildschirmes an den Rändern län-ger ist als in der Mitte, entstehen so genannte Kissenverzerrungen. Bei Schwarz/Weiß–Röhren lassen sich diese Verzerrungen durch Korrekturmagnete ausgleichen, welche an der Ablenkeinheit angebracht sind. Bei Farbbildröhren ist dies nicht mehr möglich. Daher benötigt man dort die Ost-West-Korrektur (Horizontalkorrektur), um die seitlichen Verzerrungen auszugleichen und die Nord-Süd-Korrektur (Vertikalkorrektur) für die Verzerrungen oben und unten. Trapezverzerrung liegt vor, wenn die Ober- oder Unterkante der Bildschirmanzeige zu breit oder zu schmal ist. Parallelogrammverzerrung bedeutet, dass sich die Bildkanten zur rechten oder lin-ken Seite neigen. Die Bilddrehung muss eingestellt werden, wenn die Bildschirman-zeige nicht achsensymmetrisch ausgerichtet ist. Unsymmetrische Kissenverzerrung liegt vor, wenn sich die Seitenkanten der Bild-schirmanzeigen einseitig nach innen oder außen biegen. Die vertikale Linearität muss eingestellt werden, wenn die Bildschirmanzeige oben oder unten gestaucht erscheint.

Weitere Parameter Bildkonvergenz Bei Röhrenbildschirmen müssen die Farben Rot, Grün und Blau zueinander konver-giert (zusammengeführt) werden. Diese nennt man Konvergenzeinstellung. Durch die Konvergenzeinstellung wird erreicht, dass die Farben deckungsgleich sind. Wenn die Farbauszüge nicht deckungsgleich sind, hat das Fernsehbild Farb-säume (die Farbränder liegen deutlich nebeneinander). Um die Farben Rot, Grün und Blau zu konvergieren, benutzt man ein so genanntes Konvergenzraster. Das besteht aus horizontalen und vertikalen Linien auf schwar-zem Hintergrund. Da die Farbe Grün auf dem Bildschirm, bei der Anordnung der Farben (Farbtrio), immer zwischen Rot und Blau liegt, werden auch nur die Farben Rot und Blau zu-

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 9 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

sammengeführt (konvergiert). Die Linien bestehen aus den Farben Rot, Grün und Blau und ergeben ein Raster von weißen Linien, wenn die drei Farben richtig über-einander liegen, also richtig konvergiert (zusammengeführt) sind. In der Produktion von Farbbildröhren wird das Weißraster nur zur Kontrolle der Kon-vergenz und zur Fokuseinstellung (Linien-Fokussierung) benutzt. Deshalb nennt man es auch Fokusraster.

Schärfe, auch im Randbereich Die Bildschärfe ist das Hauptkriterium zur Beurteilung der Bildqualität. Die Erklärung für eine unschärfere Bilddarstellung in den Randbereichen des Moni-tors ist einfach: In der Bildschirmmitte trifft der Elektronenstrahl senkrecht auf die Phosphorschicht und kann somit einen Punkt am besten fokussieren. In den Ecken kommt der Elekt-ronenstrahl dagegen schräg auf dem Phosphor an und regt eine größere Fläche zum Leuchten an. Benachbarte Punkte werden leicht angeregt und sorgen für eine verschwommene (unschärfere) und ellipsenförmige Darstellung des fokussierten Punktes. Mithilfe der „Degaussing-Methode“ (Entmagnetisierung) kann man, wenn man es bis zu 10-mal anwendet, seine Bildschirmschärfe im Randbereich erhöhen.

Schattenbildung

Die Helligkeitseinstellung bestimmt, wie dunkel Farben und Schatten auf dem Bild-schirm angezeigt werden. Sollten sich einmal falsche Farben, dunkle Bereiche, Schatten, oder Farbverzerrungen ein-stellen, könnten diese Fehler durch störende Magnetfelder im Monitor hervor gerufen wer-den. Führen Sie in diesem Falle eine Entmagnetisierung durch, falls diese Option im Menü Ihres Bildschirms vorhanden ist. Dieser Vorgang darf nicht kurz hintereinander wiederholt werden. Wenn das Resultat nicht befriedigt, kann der Vorgang nach frühestens 30 Minuten wiederholt werden.

Farbtemperatur, Reinheit

Die Bildschirme sind werksseitig auf ein Gamma von 2,2 und eine Farbtemperatur von 6500 Kelvin justiert. Mittels Farbmanagement-Software lassen sich diese Werte (soweit darstellbar) anpassen.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 10 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Flachbildschirme kennen wie Röhrenbildschirme eine maximale und minimale dar-stellbare Bildschirmauflösung. Bei Flachbildschirmen ist aber die maximale Auflösung besonders wichtig, da sie bauartbedingt deren native Auflösung ist: Während ein Röhrenmonitor mit seinem sich bewegenden Elektronenstrahl alle Auflösungen im Prinzip gleich scharf wiedergibt, kann ein Flachbildschirm mit seinen ortsfesten Pi-xeln nur seine maximale Auflösung mit der maximal möglichen Schärfe darstellen, alle anderen Auflösungen müssen interpoliert werden, und erscheinen daher weniger scharf. Die native Auflösung wird in der Typenbeschreibung des Monitors angege-ben.

Als Desktop-Bildschirmauflösung des Betriebssystems ist daher heute die native (= maximale) Bildschirmauflösung des verwendeten Flachbild-Monitors besonders zu empfehlen. Moderne Betriebssysteme wie Windows 7 übernehmen die Skalierung der Bildschirmdarstellung in die gewünschte Darstellungsgröße selbst, und ermögli-chen der Grafikkarte so, den Flachbildschirm in seiner nativen Auflösung anzusteu-ern.

Interlaced und Non-Interlaced Das Zeilensprungverfahren (auch als Zwischenzeilenverfahren bezeichnet; dient zur Verringerung des Bildflimmerns in der Fernsehtechnik und wurde Ende der 1920er Jahre bei Telefunken durch Fritz Schröter entwickelt; 1930 als „Verfahren zur Abtas-tung von Fernsehbildern" patentiert. Es wird noch heute weltweit bei der Aufnahme, Bearbeitung und Darstellung von Bildern verwendet. Interlaced: Vollbild pro 2 Hertz der Vertikalfrequenz Non-Interlaced: Vollbild pro 1 Hertz der Vertikalfrequenz

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 11 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Anschlussmöglichkeiten und Powermanagment CRT-Monitore besitzen einen analogen Anschluss und/oder einen DVI-Anschluss Das Power Management ist ein Werkzeug zur Reduzierung des Energieverbrauchs von Rechner-Systemen. Es steuert die Systemkomponenten in Abhängigkeit von den Anforderungen so, dass der Energieverbrauch möglichst gering gehalten wird. Dazu werden gerade nicht benötigte Komponenten abgeschaltet oder in einen Be-triebsmodus mit verringertem Energieverbrauch geschaltet.

Strahlungsnorm (min. TCO99) Strahlungsnorm bei Bildschirmen Ob elektromagnetische Strahlung von Computerbildschirmen Krankheiten verursa-chen kann, ist unter Experten umstritten und hängt nicht zuletzt von Art und Stärke der Strahlung ab. Um die Gesundheitsgefahren möglichst klein zu halten, wurden Grenzwerte und Normen eingeführt.

TCO '99

Das Prüfsiegel TCO '99 erweitert den Geltungsbereich auf die Kategorien Flachbild-schirme, Kathodenstrahl-Monitore, Desktop- und Notebook-PCs, Tastaturen und Drucker.

Es beinhaltet nicht nur die Grenzwerte der TCO '95 für elektrische und magnetische Felder, sondern definiert auch weitere Richtlinien für Ergonomie und Emissionen. Drucker müssen u.a. auch Kriterien zu Staub- und Ozon-Emissionen erfüllen. Bild-schirme werden auf folgende Kriterien geprüft:

Gleichmäßige Leuchtdichte Verbesserter Leuchtdichtenkontrast Flimmer- und Flackerfreiheit Ionisierende Strahlung muss gegen 0 gehen Vermeidung von Reflexionen des Bildschirmgehäuses Verminderter Lärm von Bildschirmen (unangenehmes Pfeifen) Vorgeschriebene Leistungsaufnahme des Monitors im Stand-by-Modus und im

abgeschalteten Modus (maximal 15 Watt / 5 Watt).

Zudem wurden die ökologischen Richtlinien erweitert: es dürfen keine FCKWs oder chlorierte Lösungsmittel verwendet werden; verbaute Teile dürfen nicht bromhaltig sein bzw. chlorierte Flammschutzmittel verwendet werden. Zur Entsorgung der Gerä-te muss der Hersteller einen Vertrag mit einer Recyclingfirma abschließen.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 12 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Bildröhrentyp (Trinitron, Flatron...) Durch die Miniaturisierung der Strahlerzeugungssysteme in den 1970er Jahren war deren nebeneinanderliegende ("In-Line") Anordnung im Bildröhrenhals zusammen mit einer gleichzeitigen Reduzierung des Halsdurchmessers möglich. Die Leucht-stoff-Pigmente auf dem Bildröhrenschirm wurden dementsprechend ebenfalls ne-beneinander in Streifen angeordnet. Die notwendige Anzahl der Korrekturmaßnah-men zur Erzielung der Strahlkonvergenz verringerte sich dadurch erheblich. Es wer-den Streifen- und Schlitzmasken verwendet, bei denen aufgrund der größeren relati-ven offenen Fläche mehr Elektronen zur Leuchtschicht gelangen, anstatt ungenutzt auf der Maske zu landen. Diese Röhren liefern daher bei gegebenem Strahlstrom ein helleres Bild als die bis dato aktuellen Delta-Röhren. Im Laufe der Zeit wurde die Inline-Röhre zur Black-Matrix-Röhre weiterentwickelt. Diese hat zwischen den einzelnen Leuchtstreifen einen lichtundurchlässigen Streifen aus lichtabsorbierendem Material. Er erhöht den Kontrast (die Bildschirmfläche er-scheint bei Fremdbeleuchtung dunkler) und die Farbreinheit (der durch die Maske begrenzte Strahl darf nun etwas mehr daneben treffen, bevor nicht zur zugehörigen Kathode zugeordnete Leuchtstreifen angeregt werden). Sony entwickelte parallel die Trinitron-Röhre, deren augenfälligster Unterschied ge-genüber der Inline-Röhre der Einsatz senkrecht gespannter Drähte anstelle der Schlitzmaske ist. Dies verringert wiederum die Fläche, auf der Elektronen ungenutzt abgeführt werden. Die Auflösung der Inline-Röhren ist aufgrund der gröberen Schlitzmuster in vertikaler Richtung schlechter, und es bilden sich an harten Kontrastübergängen im Bild leich-ter wahrnehmbare Farbsäume, obwohl die Konvergenzeinstellung stimmt. An senk-rechten Linien treten Aliasing- und Treppeneffekte auf, die diese Röhren für CAD-Arbeitsplätze ungeeignet machen.

Darstellung einer weißen "12" auf schwarzem Hintergrund auf einem Fernseher. In der Nahaufnahme erkennt man die einzelnen Farben, aus denen die Zeichen zu-sammengesetzt sind.

Die Flatron-Bildröhre ist eine von der koreanischen Firma LG Electronics Mitte der 1990er-Jahre entwickelte Farbbildröhre.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 13 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT

Zu dieser Zeit setzte bei Fernsehgeräten und Computermonitoren ein Trend zu nur noch sehr schwach gewölbten (flat square) und später völlig planen (ultraflat) Bild-schirmen ein. Die frühen "ultraflat"-Bildröhren (z. B. Diamondtron-NF, Flat-Trinitron) waren aber lediglich außen plan, die Bildschirminnenseite war, wie bei den bisheri-gen Bildröhren auch, zylindrisch oder sphärisch gewölbt. Durch die somit nicht plan-parallele, sondern einer plankonkaven Zerstreuungslinse ähnelnden Geometrie des Bildschirmglases ergaben sich optische Verzerrungen, Probleme mit Reflexionen von Umgebungslicht und weitere Probleme.

Horst Petschenig 1CHIF

Seite 14 von 14 06.02.2010 Projekt Bildschirmtechnologien Gruppe 0: CRT