Reaktionszeit

Schliereffekt

Gerade bei schnellen Bildwechseln, wie z.B. bei der Bewegung eines Fussballs, führt die Trägheit der einzelnen Bildpunkte zu Verzögerungen und damit zu dem unerwünschten Schliereffekt.

© Fussball-WM-Zeppelin   

Je nach Anwendung ihres Fernsehgerätes oder Monitors spielt die Reaktionszeit eine wichtige Rolle. Besonders dann wenn sie großen Wert auf Qualität bei schnellen Bildabläufen, wie etwa Sportsendungen oder Computerspielen, legen. Besonders ältere LC-Displays haben Probleme mit schnellen Bildabläufen, was sich in Form des bekannten «Schliereffektes» bemerkbar macht. Erst ab einer Reaktionszeit kleiner 10 Millisekunden kann der Effekt zumindest für Heimanwendungen vernachlässigt werden.

Was ist die Reaktionszeit?

Die Reaktionszeit (Response Time) meist angegeben in Millisekunden gibt an, wie lange ein Bildpunkt des Displays zum An- (Rise) und Ausschalten (Fall) benötigt. Die entsprechende ISO-Norm verlangt von den Herstellern die Messung der Zeit, in der ein Bildpunkt seinen Zustand zwischen 10% und 90% gemessen am Maximalwert ändert, wobei 0% als Schwarz und 100% als Weiß definiert ist. Die Reaktionszeit wird dabei als Summe aus Rise und Fall-Time angegeben. Der Wert sollte möglichst klein sein, da sonst bei schnellen Bildabläufen die störenden Schliereffekte auftreten und das Bild zu verschwimmen droht. Erst ab einer Reaktionszeit von 25 msec und kleiner lassen sich Videos in vertretbarer Qualität darstellen. Die Hersteller entwickeln bereits Displays mit Werten weniger als 10 msec, alles über 25 msec ist heutzutage nicht mehr akzeptabel. 1

Reaktionszeit bei LC-Displays

Die Reaktionszeit der Pixel bei LC-Displays gibt die Zeitspanne an, in der das Flüssigkristall in den LCD-Zellen sich ausrichtet, um das Licht der Hintergrundbeleuchtung durchzulassen oder zu sperren. Besonders schnelle Pixel haben eine Reaktionszeit von 8 ms, der Großteil der Geräte hat momentan Pixel mit 12 bis 16 ms Reaktionszeit. 2 Die Reaktionszeit eines LCD ist physikalisch durch die notwendigen Formänderungen der Flüssigkristalle bei einer Bildänderung begrenzt. Will man also die Reaktionszeit verkürzen, so müssen die Flüssigkristalle zu einer schnelleren Formänderung gebracht werden. Eine Möglichkeit ist die punkt- und zeitgenaue Anwendung einer Überspannung, um die Flüssigkristalle schneller zu verformen. Die Rückrichtung würde aber eine negative Spannung erfordern, die das LCD-Element zerstören könnte. Deshalb kann die Rückbewegung der Flüssigkristalle nicht beschleunigt werden und muss den Flüssigkristallen selbst überlassen werden. 3

Messung der Reaktionszeit durch Schwarz-Weiß-Wechsel

Bei der Messung der Reaktionszeit sollte der Wert für den Wechsel zwischen Schwarz und Weiss herangezogen werden und nicht wie bei vielen Herstellern üblich die Zeit für den Grey-To-Grey (grau zu grau) Wechsel. Bei LC-Displays müssen also die Flüssigkristalle eine größtmögliche Änderung ausführen. Folgende Punkte sollten berücksichtigt werden.

• Die Fall-Zeit ist immer größer als die Rise-Zeit, da jeder Bildpunkt nach dem Ausschalten noch nachleuchtet.
• Die Rise- und Fall-Werte werden meistens in Klammern nach der Gesamtzeit angegeben. Dabei ist es üblich, den Rise-Wert als ersten anzugeben, z. B. 16 (6/10).
• Die Herstellerangaben für die Reaktionszeit bei Flachbildschirmen werden meist nur in grey-to-grey Reaktionszeit angegeben, die tatsächliche schwarz-weiß-Zeit liegt jedoch weit höher. So erreichen die heute schnellsten Flachbildschirme mit 2 ms angegebener GTG (grey-to-grey) Reaktionszeit eine tatsächliche BWT (schwarz-zu-weiss) Reaktionszeit von rund 14 ms. 4

Reaktionszeit CRT versus LCD

Im Gegensatz zu CRT-Monitoren weisen LC-Displays keine störenden Flimmer-Effekte auf. Der Grund dafür ist, dass die lichterzeugenden Phosphore in CRT's sehr schnell auf den Beschuss mit Elektronen reagieren und die Lichterzeugung auch wieder schnell abklingt (~5msec). Hingegen ist die Reaktionszeit, die ein Flüssigkristall zur Umorientierung benötigt, um mindestens eine Größenordnung länger als die der Phosphore. Dies vermeidet zwar unangenehme Flimmer-Effekte, die auch zu Kopfschmerzen führen können, kann aber gleichzeitig ein Hindernis bei der Wiedergabe von bewegten Bildinhalten sein. Für eine schlierfreie Darstellung von Video-Inhalten sollen die Bildaufbauzeit unterhalb von 10 ms liegen. 5 Dieser Wert ist allerdings nur für LC-Displays wichtig, weil wie bereits erwähnt die Reaktionszeit bei Röhrenmonitoren aus technischen Gründen nicht relevant ist.

Reaktionszeit Plasma vers. LCD

Die Reaktionszeit der Pixelzellen in Plasmabildschirmen beträgt heute durchgehend etwa 8msec. Dabei unterscheiden sich die physikalischen Vorgänge, durch die der Zustand der Pixel von dunkel zu hell und wieder zurück wechselt, wesentlich von denen bei LCD's. Das Licht, das eine Plasma-Zelle aussendet, wird durch eine kleine, explosionsartige Gasentladung erzeugt. Deshalb kennt die Zelle nur den Zustand hell oder dunkel, aber keine Zwischenstufen. Diese entstehen vielmehr durch eine – je nach benötigtem Tonwert – höhere oder geringere Anzahl von Entladungen gleicher Intensität innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit. Diese „Lichtblitze“ in unterschiedlicher Frequenz nimmt das Auge des Betrachters als Durchschnittswert wahr – hohe Frequenzen erscheinen heller, niedrige dunkler. Ein Nachteil dieser „PCM“ (Pulse Code Modulation) genannten Schaltungstechnik besteht darin, dass sie an sehr dunklen Bild stellen bei der Darstellung feiner Details an ihre Grenzen stößt. 6

LCD mit LED-Hintergrund Beleuchtung

Auch bei geringen Reaktionszeit(en) kann es bei LC-Displays vorkommen, dass es zu den unerwünschten Nachzieheffekten kommt. Experten haben festgestellt, dass selbst bei Reaktionszeit(en) unter 16 msec, also der Bildwechselfrequenz von NTSC (bei PAL sind es 20 msec), der Effekt nicht verschwindet. Das liegt daran, dass das Auge den Übergang von einem Bild zum Nächsten wahrnimmt, weil die Hintergrundbeleuchtung auch während dem Übergang aktiv ist. Der Effekt verschwindet, wenn man zwischen zwei Bildern eine Dunkelphase einfügt, die LC-Zelle also kurzfristig schließt. Dazu müsste man bei konventioneller Hintergrundbeleuchtung aber mindestens acht Millisekunden Schaltzeit erreichen. Das ist zwar möglich, kostet aber die Hälfte des zur Verfügung stehenden Lichts und verschlechtert damit die Effizienz des Bildschirms – ganz abgesehen davon, dass man damit wieder Probleme mit Großflächenflimmern bekommt, die seit der 100 Hertz Technologie eigentlich Vergangenheit sein sollten. LED's haben dagegen den Vorteil, dass sie im gepulsten Betrieb arbeiten können, also mit kurzen oder längeren Dunkelpausen. Und die müssen sich nicht an der Bildwechselfrequenz orientieren, sondern können ein Vielfaches davon ausmachen, etwa 120, 150 oder 180 Hertz. Der Schmiereffekt wird reduziert, auch wenn die Reaktionszeit der Flüssigkristalle weit drüber liegt. Bewegungen sind dann auch auf einem LC-Display wesentlich exakter und schärfer möglich als bis jetzt. Und die Effizienz verschlechtert sich nicht, weil gepulste LED's in der Dunkelphase keinen Strom verbrauchen. 7

Ansätze zur Optimierung der Reaktionszeit für LCD's

• Viskosität: Hauptsächlich versucht man der Bewegungsunschärfe entgegenzuwirken, indem man die Reaktionszeit der Displays weiter reduziert, vor allem über die Viskosität der eingesetzten Kristallflüssigkeit.

• Überspannung: Bei der Overdrive-Technik wird an die LCD-Zelle kurzzeitig eine Spannung angelegt, die höher ist, als die für den eigentlichen Helligkeitswert erforderliche. Dadurch richten sich die Kristalle schneller aus. Das nächste Bild muss hierzu zwischengespeichert werden. Diese Information wird zusammen mit an das jeweilige Display speziell angepassten Korrekturwerten verwendet, um die genaue Zeit berechnen zu können, während der die Überspannung anliegen darf, ohne dass das jeweilige Pixel übersteuert wird. Das funktioniert jedoch nicht bei der Rückstellung des Kristalls, da es nicht weniger als keine Spannung gibt (die Ansteuerung erfolgt mit Wechselspannung), muss das Kristall passiv relaxieren.

• Black Stripe Insertion: Um die Bewegungsunschärfe aufgrund der Erhaltungsdarstellung entgegenzuwirken, können die Pixel bzw. das gesamte Display auch kurzzeitig dunkel geschaltet werden. Ein Nachteil dieser Methode ist, dass die Ansteuerung der Pixel deutlich schneller erfolgen muss, und es zum Bildflimmern kommen kann, und die effektive Bildhelligkeit sinkt. Daher sind hier Bildwiederholraten von mind. 85 Hz sowie eine um das Tastverhältnis Auszeit/Leuchtzeit hellere Hintergrundbeleuchtung erforderlich.

• Blinking Backlight: Bei der Verwendung von LED's zur Hintergrundbeleuchtung von LCD's lässt sich diese Methode einfacher als Black Stripe Insertion realisieren, da hierbei nicht die Pixel schneller angesteuert werden müssen, sondern für Pixelbereiche bzw. das gesamte Display die Hintergrundbeleuchtung für den Bruchteil einer Vollbilddauer ausgeschaltet werden kann.

• Scanning Backlight: Hierbei wird das LC-Display nicht mit weißem Licht, sondern nacheinander von roten, grünen und blauen Primärlichtern (häufig per LED) beleuchtet. Da bei LCD's mit zeitsequentieller Ansteuerung mit den Primärfarben keine helligkeitreduzierenden Farbfilter erforderlich sind und hohe Leuchtdichten vorhanden sind, lässt sich der Helligkeitsverlust durch die Sequenzabfolge leichter kompensieren. Zudem kann ein einzelnes Pixel alle Grundfarben anzeigen, anstatt das Pixel durch das Zusammenspiel von benachbarten Subpixeln zu interpolieren, wodurch die erzielbare Auflösung steigt.

• Vorverzerrung (Inverse Filtering): Hierbei wird aus den Daten des aktuellen und nächsten Bildes die Integration des Auges aus dem jeweils nächstem Bild herausgerechnet. Dazu werden ebenfalls die genauen Schalteigenschaften des jeweiligen Paneltyps benötigt. 8

Reaktionszeit bei Rückprojektions-TV

Je nach verwendeter Projektionstechnik (CRT, LCD, DLP) ergeben sich unterschiedliche Reaktionszeit(en). Bei der DLP-Projektionstechnik etwa kann es schon vorkommen, dass bei der Darstellung von 100 Bildern pro Sekunde (10msec) die einzelnen Spiegel teilweise tatsächlich ins schwitzen kommen und kleine Filmruckler sichtbar werden. Dadurch werden diverse Teile heiß und man benötigt eine sehr gute Kühlleistung. Leider sind die Lüfter noch nicht optimiert und können deshalb etwas lärmen. Die neuere LCoS-Technik hat zwei enorme Vorteile. Erstens schafft sie sehr hohe Auflösungen, die noch über 1600x1200 Pixeln liegen. Zweitens weisst sie sehr geringe Reaktionszeit(en) auf, was für ein absolut ruckelfreies Bild sorgt. Daher eignen sich LCoS-Rückprojektoren hervorragend für die neuen HD-Inhalte (hochauflösendes Fernsehen oder DVD's). 9 Bei der LCD-Projektionstechnik ergibt sich wieder ein Nachzieheffekt des Bildes. Grund dafür ist die Trägheit der Flüssigkristalle, die allerdings auf Grund der geringen Größe der Panels, wesentlich geringer ist, als bei vergleichbaren LC-Fernsehern oder Monitoren.