So. 20. April 2014 um 22:06

Smartphone Displays: Ein Tutorial über die Technologien

von Marc Hoffmann8 Kommentare

AMOLED, Super-AMOLED, IPS, TRILUMINOS, Glance Screen. Viele Begriffe und viele Features werden uns von den Herstellern um die Ohren gehauen und oft wissen die Kundinnen und Kunden gar nicht, was sie damit anfangen sollen oder wo die Vor- und Nachteile liegen. Deshalb haben wir uns gedacht, wir liefern euch einmal eine Übersicht über die wichtigsten Technologien und Features, um etwas Klarheit zu schaffen.

 

AMOLED und LCD: Eigenschaften und Funktionsweise

Generell gibt es heute zwei unterschiedliche Arten von Displays. Zum einen die seit vielen Jahren verwendeten LCD-basierten Displays, wie sie auch in Taschenrechnern vorkommen und bis zu den High-Tech Paneln weiterentwickelt wurden, wie sie heute in Monitoren und Smartphones zum Einsatz kommen und zum anderen die noch recht jungen AMOLED Displays. Letztere haben ihre Wurzeln vor allem im Smartphone Bereich und beginnen sich langsam auch im Segment der TV Geräte zu verbreiten.

 

Zuerst einmal ein paar Infos zu den AMOLED Displays

Die Abkürzung steht für Active-Matrix Organic Light-Emmitting Diode. Dabei handelt es sich um einen Zusammenschluss vieler kleiner selbst leuchtender Leuchtdioden, welche allerdings im Gegensatz zu ihren grossen Brüdern in Taschenlampen aus organischen Materialen auf Kohlenstoffbasis gefertigt werden. Dies ermöglicht eine deutlich günstigere Herstellung in Form von hauchdünnen Schichten und ist somit ideal für die Displayherstellung.

Aufgrund dieser selbst leuchtenden Eigenschaft wird auch keine Hintergrundbeleuchtung benötigt, was eine deutlich dünnere Bauweise ermöglicht als bei Displays auf LCD Basis. Die aktuelle Entwicklung geht inzwischen zu Displays welche auf dünne biegsame Folien aufgebracht werden. Bisher sind diese jedoch noch zu teuer um sie in der Massenproduktion einzusetzen. Das einzige Gerät am Markt mit einem wirklich biegsamen Display ist das Samsung Galaxy Round. Zwar setzt LG mit dem G Flex ebenfalls auf ein gebogenes Display, allerdings ist dieses nur leicht formbar und wird bereits in gebogener Form produziert um die Kosten im Rahmen zu halten.

 

Nun ein paar Grundlagen zu LCD Displays

Wie bereits erwähnt arbeiten LCD (Liquid Crystal Display) mit einer zusätzlichen Hintergrundbeleuchtung. Darüber liegt das sonst passive Flüssigkristallpanel, welches durch anlegen einer Spannung an die einzelnen Sub Pixel mehr oder weniger Licht hindurch lässt. Zwischen der Beleuchtung und der Flüssigkristall Schicht liegt noch ein Farbfilter, welcher die einzelnen Sub Pixel (jeweils rot, grün und blau, um einen ganzen Bildpixel zu bilden) mit einer bestimmten Lichtfarbe versorgt. Alternativ zur Hintergrundbeleuchtung gibt es noch sogenannte Transflektive Displays. Diese haben anstelle oder zusätzlich zur Beleuchtungsebene noch eine reflektierende Schicht, welche das einfallende Licht reflektiert und so ebenfalls wie eine Beleuchtung fungiert. Simple LCD Displays wie in Taschenrechnern oder Digitaluhren sind in der Regel transflektiv, im Bereich der Smartphones oder generell bei Displays deren Wiedergabequalität hoch sein soll, kommen sie jedoch nur noch äusserst selten zum Einsatz, da sie bei Tageslicht einen deutlichen goldfarbenen Schimmer bekommen. Lediglich bei Wearable Devices kommen sie gelegentlich zum Einsatz, wo beispielsweise Sony mit der Smart Watch 2 eine permanente Uhr anzeigen kann und dennoch keine Energie für die Beleuchtung verbraucht.

 

Bei Displays auf Flüssigkristall Basis wird es allerdings kompliziert, die Technik detaillierter zu erläutern, da es enorm viele verschiedene technische Ansätze gibt. Ältere Displays oder sehr günstige nutzen heute noch ein TN Panel. Diese basieren auf der alten Technik wie bei Taschenrechnern und sorgen durch Polarisationsfilter und diffus ausdehnende Flüssigkristalle für eine Steuerung des Lichtdurchlasses. Diese Technik ist zwar günstig herzustellen aber dafür auch recht ungenau. TN Panel leiden generell an schwachen Blickwinkeln und sorgen aus einer oder zwei Blickrichtung sogar für eine Umkehrung der Farben. Häufig werden diese noch bei günstigen PC Monitoren, TVs oder Laptops eingesetzt.

Am verbreitetsten sind die bekannten IPS Panel. Diese funktionieren sehr ähnlich wie TN Panel, haben aber eine sehr strukturierte Schicht aus Flüssigkristallen, welche wie Lamellen an Fensterläden überlappend geschichtet sind und somit sehr präzise und stark das Licht abschotten oder durchlassen können. Zudem wird die Streuung des Lichts innerhalb der Kristalle aufgrund der Schichtung und der deutlich dünneren Bauweise minimiert, was Farbverfälschungen verhindert und grosse Blickwinkelstabilität erzeugt.

Als weitere, auch als Parallelentwicklungen anzusehende Display Varianten, sind die VA-Panel und PLS-Panel anzusehen. VA-Panel sind generell etwas günstiger als IPS-Displays und können vor allem mit einem hohen Kontrast, extrem guten Schwarzwerten und bei entsprechender softwareseitiger Kalibrierung eine hohe Farbtreue erreichen, die mit IPS gleichzusetzen ist. Im realen Einsatz konnten VA-Displays vor allem mit einer grossen Leuchtkraft punkten, allerdings bei hohen Pixeldichten oft auf Kosten der Blickwinkelstabilität. Hauptsächlich wird diese Display Technologie von Sony in seinen High End Smartphones eingesetzt, wie dem Xperia Z, Z1 und Z2. PLS-Displays sind allerdings im Vergleich dazu sündhaft teuer und werden lediglich im professionellen Einsatz verwendet. Hier würde ein einzelnes Smartphone Display unter Umständen das Dreifache von einem gesamten Smartphone mit IPS-Bildschirm kosten.

Jedoch sind auch diese Grundeigenschaften nicht pauschalisierbar, denn hier gibt es wieder leichte Abwandlungen durch Anordnung, Form und Grösse der Subpixel sowie verschiedene Arten der Hintergrundbeleuchtung.

Vor- und Nachteile der grundlegenden Displayarten

 

AMOLED Vorteile gegenüber LCD Displays

  • Aufgrund der fehlenden Hintergrundbeleuchtung und der selbst leuchtenden Subpixel ist der erreichbare Schwarzwert bei AMOLED Displays immer gleich, unabhängig von der Helligkeit. Bei der LCD Technik bleibt immer eine gewisse Streuung innerhalb der Kristalle, wodurch bei steigender Helligkeit auch in den schwarzen Bereichen das Licht hindurch scheint und diese ins gräuliche abdriften.
  • Bei der Darstellung von sehr dunklen Inhalten ist der Stromverbrauch deutlich unter dem von LCD Displays. Gerade bei Geräten, die mit Windows Phone ausgestattet sind, profitiert das Gerät von dem schlichten Design mit viel schwarz davon, dass auch nur die Bereiche beleuchtet sind und damit Energie verbrauchen, die auch wirklich etwas Farbiges oder Weisses darstellen müssen. Ein LCD Display dagegen kann technisch nur ganzflächig ausgeleuchtet werden und braucht immer gleich viel Strom.

LCD Vorteile über AMOLED Displays

  • Viele LCD Panel kommen je nach verwendeter Technologie und Aufbau besser mit Tageslicht klar als AMOLED Bildschirme. Auch wenn keine explizit transflektiven Displays verwendet werden, wird von dem weissen Diffusor, welcher das Hintergrundlicht verteilt, immer ein Teil des einfallenden Lichtes reflektiert. Somit kann Sonnenlicht die Hintergrundbeleuchtung etwas unterstützen und das Display ist besser lesbar. AMOLED Displays dagegen können nur mit maximaler Helligkeit versuchen, dem Sonnenlicht gegenzusteuern.
  • Hier kommen auch wieder Nachteile beim Stromverbrauch von AMOLED zum Tragen, gerade wenn sehr helle Inhalte bildschirmfüllend dargestellt werden müssen, beispielsweise bei der Darstellung von Webseiten oder hell gestalteten Apps, liegt der Energieverbrauch oft höher als bei LCD-Displays mit Hintergrundbeleuchtung.
  • Ein besonders grosser Vorteil bei LCD-Paneln ist die Langlebigkeit. Im Laufe der Zeit kann zwar die Hintergrundbeleuchtung leicht in der Leuchtkraft nachlassen, dies geschieht aber gleichmässig und fällt kaum auf. AMOLED Displays dagegen verschleissen relativ schnell und bereits nach wenigen tausend Betriebsstunden fällt auf, dass vor allem die blauen Subpixel mehr an Leuchtkraft verlieren als rot und grün. Deshalb wird oft eine Pen-Tile Matrix als Pixelanordnung verwendet, bei welcher etwas mehr und grössere blaue Subpixel verwendet werden. Dies wirkt sich zwar etwas negativ auf die Schärfe aus, vor allem bei Displays mit geringerer Pixeldichte, dafür wird der Verschleiss gleichmässiger auf die drei Grundfarben verteilt und somit kommt kaum eine merkliche Farbverfälschung zustande. Bei drei Stunden Nutzung pro Tag kann sich die Leuchtkraft der Subpixel bereits nach einem Jahr um fast 10% verringern.

Besonderheiten einiger Displays

Neben den grundlegenden Display Techniken gibt es abhängig vom Hersteller noch einige technische Besonderheiten. Drei davon möchten wir hier gern erläutern da sie bereits kleinere und grössere Rollen gespielt haben.

 

Display Memory

Dieser Begriff sollte vor allem Nokia Fans im Moment ein Begriff sein. Display Memory beschreibt einen kleinen zusätzlichen RAM, welcher direkt am Display Controller eingesetzt wird. Dieser kann auf zwei verschiedene Arten eingesetzt werden. Er kann genau so gross sein, dass die Informationen für ein komplettes Bild hinein passen. In dem Fall kann er bei aktiver Nutzung zum Energiesparen eingesetzt werden, da bei einem unbewegten Bild, beispielsweise beim Lesen von einem eBook oder Artikel, die GPU des Smartphones fast komplett abgeschaltet werden kann und das Display selbst das letzte Bild im Speicher behält. Damit wird das ständige Auffrischen des Displays durch den Grafikprozessor überflüssig, wenn das Bild still steht und man spart Energie.

Die zweite Variante ist ein kleinerer Display Memory, welcher nur so viel Speicher hat, um ein monochromes Bild oder eins mit geringer Farbtiefe zu behalten. Dies wurde bisher vor allem von Nokia in den Windows Phones eingesetzt, welche das „Blick“ oder „Glance“ Feature unterstützen. Dabei wird im Standby ebenfalls die GPU komplett abgeschaltet und der zusätzliche Displayspeicher kann dann grundlegende Informationen wie Uhrzeit, Benachrichtigungssymbole oder Kalendereinträge, je nach Grösse aber auch Punktmatrix Bilder, dauerhaft anzeigen, ohne dass der Stromverbrauch signifikant steigt.  Da dieser Speicher aber das Display relativ teuer macht, will Nokia diesen im neuen Lumia 930 nicht verbauen, weswegen Nutzerinnen und Nutzer auf das Glance Feature verzichten müssen.

Das Glance Feature ist übrigens sowohl mit AMOLED als auch mit LCD Displays umsetzbar, jedoch ist der Energieverbrauch bei letzteren merklich höher, aufgrund der nötigen Hintergrundbeleuchtung, während bei AMOLED Bildschirmen die Inhalte auch heller dargestellt werden können.

 

Sonys TRILUMINOS Hintergrundbeleuchtung

Sony hat bereits seit einigen Jahren in seinen TV Geräten eine neue Technik der Hintergrundbeleuchtung im Einsatz, welche seit Sommer 2013 mit dem Xperia Z Ultra und dem Xperia Z1 auch Einzug in die Smartphonewelt gehalten hat. Normalerweise wird die Beleuchtung von LCD Bildschirmen durch weisse LEDs realisiert, welche an einer oder zwei Seiten des Displays verteilt angebracht sind und das Licht über eine dünne Diffusorschicht verteilt wird. Das schwierige hierbei ist jedoch, ein wirklich reines Weiss zu erzeugen, da LEDs die Eigenschaft haben, sehr kühl zu leuchten und somit in den blauen oder grünen Bereich abzurutschen. Auch unterschiedliche Helligkeiten durch die Regelung sorgen für Veränderungen in der Farbtemperatur. Je dunkler sie ist, desto mehr bewegt sich die Farbtemperatur in Richtung blau.

Deshalb setzt Sony keine weissen, sondern ultraviolette LEDs ein, welche bei jeder Helligkeit eine identische Wellenlänge des Lichts behalten, viele von euch kennen das sicher auch als „Schwarzlicht“. In den LEDs selbst befindet sich dann eine Mischung aus drei verschiedenen UV-aktiven Partikeln, wie man sie aus den Farben kennt, die unter Schwarzlicht leuchten. Hier kann man extrem reines blaues, rotes und grünes Licht erzeugen, welches in Kombination nahezu perfektes weisses Licht entstehen lässt. Durch Veränderung der Mischung aus diesen drei Partikeln lässt sich so die Farbtemperatur beliebig anpassen.

Mithilfe dieses sehr reinen Lichts kann der Hersteller nun besonders farbtreue Displays bauen, welche für die RGB-Filter der Subpixel eine Ideale Mischung der verschiedenen Wellenlängen liefert, ohne dabei die Farbtemperatur zu verändern bei unterschiedlichen Helligkeiten.

Nachteil dieser Technik ist allerdings, dass die LCD Panel sehr hochwertig und damit teurer produziert werden müssen. Denn bereits geringe Abweichungen in den Farbfiltern der Subpixel können bewirken, dass die sehr begrenzte Wellenlänge der drei Grundfarben nicht mehr vollständig durch die Farbfilter kommt und stark abgeschwächt wird, was zu starker Fehlkalibrierung des Displays führen kann.

 

Nokia Clear Black Displays

In den vergangenen Jahren hat der Smartphone-Hersteller Nokia unter anderem in seinem Lumia 800 eine Clear Black genannte Technik in seine LCD Displays verbaut. Dabei handelte es sich um eine Anordnung von zwei Polarisationsfiltern im Panel, welche dafür sorgten, dass einfallendes Licht zuerst auf eine Wellenausrichtung polarisiert und dann „gedreht“ wird. Kamen die Lichtwellen nun auf dem Displayhintergrund auf, wurden diese gedrehten Wellen reflektiert und vollständig vom ersten Filter blockiert. Damit wurde verhindert, dass Sonnenlicht die schwarzen Bereiche beleuchtete und grau wirken liess.

Hier wurde aber sehr schnell klar, dass neben dem angenehmen Effekt ein sehr sauberes Schwarz darzustellen, leider auch die Lesbarkeit im Sonnenlicht litt. Da nun die Hintergrundbeleuchtung vollständig gegen das Sonnenlicht ankommen musste, ohne dessen reflektiertes Licht zu nutzen und ohnehin die Beleuchtung selbst durch die Filter leicht abgeschwächt wurde, war auf den Geräten in der Sonne nahezu nichts mehr zu erkennen. Deswegen wurde die Technik relativ schnell wieder eingestampft.

Bildquellen: Engadget, Digi-Wo, Mobiflip, Nokia
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8 Antworten zu “Smartphone Displays: Ein Tutorial über die Technologien”

  1. zettie94 sagt:

    „Hier wurde aber sehr schnell klar, dass neben dem angenehmen Effekt ein sehr sauberes Schwarz darzustellen, leider auch die Lesbarkeit im Sonnenlicht litt.“

    Sorry, aber das ist einfach falsch. Das Gegenteil ist der Fall! Es gibt nur wenige Smartphones, welche mit dem Lumia 800 mithalten können was die Lesbarkeit in der Sonne betrifft.

  2. the_black_dragon sagt:

    Ich habe eben noch einmal etwas geforscht zu dem Thema. In der Tat war das Clear Black auch für bessere Lesbarkeit bei Sonne gedacht. Allerdings hatte es mit Sicherheit nicht den gewünschten Erfolg.
    Zum einen hatte ich ebenfalls ein Lumia 800 für einige Wochen und bei Sonne hatte ich starke Probleme, noch etwas zu erkennen. Momentan habe ich noch ein Lumia 925 hier ohne diese Technik und hier ist definitiv die Lesbarkeit deutlich besser. Die höhere Leuchtkraft der aktuellen Displays ist wesentlich Effektiver als der verbesserte Kontrast durch Clear Black.

    Immerhin wurde die Technik nach 2 oder 3 eingesetzten Geräten nicht ohne Grund eingestampft.

  3. Spooky1 sagt:

    Gutes Tutorial. Vielen Dank!

    Am Ende des folgenden Satzes fehlt das Verb „kosten“ nehme ich an:
    „Hier würde ein einzelnes Smartphone Display unter Umständen das Dreifache von einem gesamten Smartphone mit IPS-Bildschirm KOSTEN.“

  4. Barbara Walter sagt:

    Danke für den Hinweis, wurde korrigiert

  5. fumo sagt:

    „In den vergangenen Jahren hat der Smartphone-Hersteller Nokia unter anderem in seinem Lumia 800 eine Clear Black genannte Technik in seine LCD Displays verbaut.“

    Der Lumia 800 hat einen Clearblack AMOLED Dysplay, kein LCD. Deswegen die schlechte Lesbarkeit bei hellem Sonnenlicht. Nokia hat aber die Clearblack Technologie jetzt auf ihren IPS-LCD übertragen und somit verbessert.

  6. Schnatterente sagt:

    LCD Display *wegrenn*

  7. bodyiii sagt:

    Bin seit Nokia fan von AMELOD. da nehme ich die kurze Lebensdauer in kauf. Aber schwarz ist schwarz und weiß weiß. Einfach super.

  8. fazeless sagt:

    @bodyiii: weiß eben bei ADMOLED eben nicht weiß. Beim Lumia 800 war Webseiten immer eher gelblich. Nun mit dem 920 sieht es wesentlich besser aus. Schade das beim 930 gespart wurde.

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