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Optimierung von Kontrast, Reflexion und Sparkle bei berĂŒhrungsempfindlichen Bildschirmen

 

Tragbare Unterhaltungs- und ArbeitsgerĂ€te mit berĂŒhrungsgesteuerten Bildschirmen begegnen uns heutzutage ĂŒberall. Die Erkennbarkeit der dargestellten Information in heller Umgebung, unter Sonneneinstrahlung oder kĂŒnstlicher Beleuchtung lĂ€sst hĂ€ufig zu wĂŒnschen ĂŒbrig. Die Optimierung der Bilddarstellung erfordert technisches Knowhow und eine prĂ€zise Messtechnik, um die erwartete hohe Gebrauchstauglichkeit zu erzielen.

 

Warum kann unser neuer und meist teuer angeschaffter Tablet-PC sein MobilitÀtsversprechen eigentlich nur bis zu dem Moment einlösen, zu dem wir ihn ans Tageslicht tragen? Sind unsere elektronischen Helferlein Geschöpfe der Nacht, die ihre Magie in Form von kontrastreichen Bildern mit gesÀttigten Farben nur in dunkler Umgebung entfalten können und mit zunehmender Umgebungshelligkeit zu grauem Staub zerfallen?

Warum endet die Erkennbarkeit bei den meisten berĂŒhrungsempfindlichen Bildschirmen in heller Umgebung so rasch? Was sind die zugrunde liegenden physikalischen Effekte und wie kann den bekannten EinschrĂ€nkungen wirkungsvoll begegnen? Diese Fragen soll der folgende Beitrag beantworten und HintergrĂŒnde zum VerstĂ€ndnis der ZusammenhĂ€nge liefern.

 

1    Kontrasteigenschaften von Displays

Die Erkennbarkeit visueller Informationen, speziell die Lesbarkeit der Darstellung von Text, Zahlen und Symbolen auf einer elektronischen Anzeige wird durch den Kontrast bestimmt. Dieser wird z.B. durch das VerhĂ€ltnis der Leuchtdichte von benachbarten hellen und dunklen Bereichen auf dem Bildschirm quantitativ beschrieben. Betrachten wir als Beispiel einen Bildschirm, dessen helle Bereiche eine Leuchtdichte von 300 cd/m2 aufweisen, und dessen dunkelste Stellen in dunkler Umgebung eine Leuchtdichte von 0,5 cd/m2 zeigen. Dann kann dieser Bildschirm in dunkler Umgebung ohne störende Reflexionsanteile von Lichtquellen einen Kontrast von maximal 600 (= 300/0,5) darstellen – ein sehr hoher Wert im Vergleich zu einer Tageszeitung mit etwa 5 bis 7 oder eines Buchdrucks mit ca. 15.

 

1.1  Einflussfaktoren

Stellen wir uns einen Bildschirm vor, der mit einem zusĂ€tzlichen Deckglas oder einem Touchscreen versehen ist: Das aus der Anzeige tretende Licht wird also auf seinem Weg zum Auge des Betrachters drei Glas-Luft-ÜbergĂ€nge passieren. Dabei werden jeweils (je nach Material bzw. dessen Brechzahl und nach Einfallswinkel) mindestens 3% bis 5% des einfallenden Lichts reflektiert. Entsprechend wird auch von außen auf den Bildschirm einfallendes Licht an den drei glatten GrenzflĂ€chen teilweise reflektiert, was sich insbesondere in dunklen Bildbereichen störend bemerkbar macht, da der Dunkelzustand aufgehellt und der Kontrast somit reduziert wird.

Wenn z.B. eine Ă€ußere Lichtquelle eine reflektierte Leuchtdichte von nur 10 cd/m2 auf dem Bildschirm erzeugt, so ergibt sich dadurch eine Reduktion des Kontrasts von ursprĂŒnglich 600 auf nur 29,5, also auf etwa ein Zwanzigstel des Werts in dunkler Umgebung.

Diese enorme Reduktion des Kontrastes bereits durch relativ geringe Anteile von reflektiertem Licht, die sich dem Dunkelzustand der Anzeige ĂŒberlagern, ist der Grund fĂŒr die stark eingeschrĂ€nkte Erkennbarkeit der dargestellten Information und damit fĂŒr die stark beeintrĂ€chtigte Gebrauchstauglichkeit insbesondere von mobilen Rechnern oder von Smartphones im Freien bei hoher Umgebungshelligkeit.

Jede transparente Schicht, die vor der Anzeige angebracht wird (z.B. ein Touchscreen, oder eine Scheibe zum mechanischen Schutz der Anzeige) erhöht die IntensitĂ€t des reflektierten Lichts (zwei ÜbergĂ€nge pro Schicht, also je nach Material mindestens 6% bis 10% zusĂ€tzlich reflektiertes Licht).



Bild1: Linke HĂ€lfte: Display mit glatter OberflĂ€che, die das Spiegelbild einer Störlichtquelle (hier: Leuchtstoffröhre) zeigt. Die dargestellte Information ist vollstĂ€ndig ĂŒberdeckt (A). Rechte HĂ€lfte: Mattierte OberflĂ€che, die den Kontrast im Bereich des Bilds der Lichtquelle (B) zwar reduziert, aber die visuelle Information noch erkennen lĂ€sst.


1.2  Reflexionen

Spiegelnde Reflexionen, wie sie typischerweise bei Bildschirmen mit polierter OberflÀche (Englisch: glossy surface) auftreten (Bild 1), sind störend und behindern den Betrachter in dreierlei Hinsicht [1]:

(1) sie verringern den Kontrast der dargestellten visuellen Information durch Überlagerung von reflektiertem Licht,

(2) sie verringern die SĂ€ttigung der dargestellten Farben durch Überlagerung von weißem Licht (Ausbleichen der Farben) und

(3) außerdem verursachen die reflektierten, deutlich sichtbaren Bilder von Lichtquellen in der Umgebung einen Konflikt im menschlichen visuellen System, das automatisch versucht (durch VerĂ€nderung der Brennweite der Augenlinse), auf die dargebotene Bildinformation zu fokussieren. Der Konflikt entsteht dadurch, dass die visuelle Nutzinformation auf dem Bildschirm in einem Abstand von etwa 40 cm bis 80 cm vom Auge angezeigt werden, wĂ€hrend sich die Bilder von Störlichtquellen meist in einem Abstand von mehreren Metern befinden. Als Folge dieses Fusionskonfliktes können Kopfschmerzen und anderen körperlichen Beschwerden auftreten.
Einfache Abhilfe gegen störende Reflexionen kann manchmal dadurch geschaffen werden, dass der Bildschirm so ausgerichtet wird, dass sich keine Lichtquellen im Bildschirm spiegeln. In vielen Situationen des Arbeitsalltags (z.B. in der Bahn) hat der Benutzer elektronischer GerĂ€te mit Bildschirm keine wirkliche Kontrolle ĂŒber die Lichtquellen in seiner Umgebung. Außerdem ist bei hohen BeleuchtungsstĂ€rken im Außenbereich die Leuchtdichte der weißen Bluse oder des weißen Hemds oft hoch genug, um die Erkennbarkeit der Information auf dem Bildschirm zunichte zu machen.

 

Bild 2: Reduktion der IntensitĂ€t von Reflexionen an ÜbergĂ€ngen zwischen Luft und transparenten Materialien (z.B. Glas, Kunststoff) durch Streuung an Mikrostrukturen (links) und durch destruktive Interferenz  an einer dĂŒnnen Schicht (rechts). Im Fall der Streuung erreicht nur ein kleiner Teil des reflektierten Lichts das Auge des Betrachters.



Abhilfe schafft in diesen FĂ€llen nur eine gute Entspiegelung des Bildschirms, die durch eine spezielle Behandlung der OberflĂ€che des Displays erreicht werden kann (Bild 2), entweder durch Mattieren, z.B. durch Ätzen wie bei Bilderglas, durch glatte interferenzoptische Entspiegelungsschichten (destruktive Interferenz wie bei BrillenglĂ€sern und fotografischen Objektiven) oder durch eine Kombination beider Verfahren.

Fazit: Zur Erhaltung des Kontrastes von Bildschirmen in heller Umgebung muss der Anteil des reflektierten Lichts reduziert werden.



1.3  Methoden zur Verringerung von Reflexionen

Die Herstellung von GlĂ€sern mit optimierten Mattierungen erfolgt hauptsĂ€chlich durch Ätzen der GlasoberflĂ€che(n), was neben der Entspiegelung noch Verbesserungen bei der Haptik der OberflĂ€che zur Folge hat. Dies ist insbesondere bei berĂŒhrungsempfindlichen Eingabeschirmen ein wesentlicher Vorteil. Bei der Spiegelung von Störlichtquellen an streuenden OberflĂ€chen sind keine deutlichen Bilder der Lichtquelle wahrnehmbar (siehe rechte HĂ€lfte in Bild 1), was die Entstehung von ergonomisch nachteiligen Fusionskonflikten wirksam unterdrĂŒckt. Mattierte OberflĂ€chen, die Blendung durch Störlichtquellen unterdrĂŒcken, werden auch als glanzunterdrĂŒckend (Englisch: anti-glare) bezeichnet.

Mit dem gezielt eingestellten Streuverhalten der OberflÀche, die offensichtlich eine sehr wirksame Art der Entspiegelung darstellt, kann allerdings auch der Nachteil verbunden sein, dass die darzustellende Information, die sich (vom Betrachter aus gesehen) hinter der mattierten Schicht befindet, an "SchÀrfe" (Englisch: distinctness) verliert (Bild 3).

 

Bild 3: Verringerte "Deutlichkeit" ("SchÀrfe") der visuellen Information (hier die Skalierung) durch Streuung an der mattierten OberflÀche des Glases. Das mattierte Glas liegt links im Bild auf der Skala auf, der Abstand nimmt nach rechts zu.


Die Entspiegelung von OberflĂ€chen ohne Streuung durch optische VergĂŒtung erfordert das gleichmĂ€ĂŸige Aufbringen von sehr dĂŒnnen Schichten (typischerweise ÂŒ der LichtwellenlĂ€nge) aus geeigneten transparenten Materialien (siehe z.B. [2]) mit passender Brechzahl und hoher mechanischer WiderstandsfĂ€higkeit. Ferner mĂŒssen bei der Reflexionsreduktion durch solch dĂŒnne Schichten Kompromisse getroffen werden: Entweder ist die Entspiegelung sehr gut, aber nur fĂŒr einen kleinen WellenlĂ€ngenbereich, oder fĂŒr einen breiteren Spektralbereich weniger optimal.

 



Bild 4: Reflexionskomponenten R1, R2 und R3 von jedem der drei ÜbergĂ€nge zwischen Luft und transparenter Schicht fĂŒr senkrecht einfallendes (Lamb) und ausgehendes (LBLU)Licht. FS: Frontscheibe oder Touchscreen, P1, P2: Polarisatoren, SG1, SG2: LCD-SubstratglĂ€ser, LCL:FlĂŒssigkristall-Schicht, BLU: Hinterleuchtungseinheit.

 


Um bei einem Mehrschichtsystem nach Bild 4 eine wirksame UnterdrĂŒckung aller Reflexionskomponenten zu erreichen und damit einen hohen Kontrast auch in heller Umgebung sicherzustellen, liegt es nahe, zunĂ€chst dafĂŒr zu sorgen, dass von den Grenzschichten 2 und 3 möglichst wenig Licht reflektiert wird. Damit wĂ€ren dann bereits bis zu 2/3 des kontrastmindernden Lichts eliminiert. Da der Reflexionsgrad R eines Übergangs von Luft zum transparenten Medium (und umgekehrt) durch das VerhĂ€ltnis der jeweiligen Brechzahlen bestimmt wird (R = ((n1-n2) / (n1+n2))2), kann eine wirksame Entspiegelung dadurch erreicht werden, dass statt Luft ein Material mit gut angepasster Brechzahl verwendet wird (Englisch: optical bonding). Dieses Material muss außerdem möglichst transparent sein, ĂŒber die Zeit nicht vergilben oder sich anderweitig verĂ€ndern und ohne störende Partikel wie Staub oder LuftblĂ€schen eingebracht werden können. Diese zunĂ€chst einfach klingenden Forderungen stellen in der praktischen Umsetzung eine erhebliche Herausforderung dar, die nur durch sorgfĂ€ltige Optimierung von Materialien und Prozessen auch in der Großserie ein zufriedenstellendes Ergebnis sicherstellen kann.



2.    Der Sparkle-Effekt

Als Sparkle wird die visuelle Wahrnehmung von Erscheinungen bezeichnet, die sich als Glitzern oder Funkeln des Bildschirms bemerkbar machen, als ein unregelmĂ€ĂŸiges Muster von winzigen Flecken mit unterschiedlicher Farbe und IntensitĂ€t, das anscheinend zufĂ€llig, wie eine Art optisches Rauschen, ĂŒber die Anzeige verteilt ist und dessen Erscheinungsbild sich stark mit der Sehrichtung Ă€ndert. Dieser Effekt kann hĂ€ufig nach dem Aufbringen einer mattierten Entspiegelungsfolie auf den Bildschirm beobachtet werden.



Bild 5: Glitzern eines weißen Bildschirms in Kombination mit einer mattierten Entspiegelungsschicht. Das wahrgenommene farbige Muster verĂ€ndert sich stark mit der Richtung der Betrachtung.




Wie in Bild 6 veranschaulicht, wird das Licht auf seinem Weg von der Lichtquelle zum Betrachter linear polarisiert, in PrimÀrfarben zerlegt (R, G, B), an den Strukturen der Teilbildelemente und der schwarzen Matrix (Englisch: black matrix, siehe Bild 7) gebeugt und an den Mikrostrukturen der Entspiegelungsschicht gebrochen und gestreut.



Bild 6: Der Weg des Lichts zum Betrachter: In der Hinterleuchtungseinheit wird das Licht erzeugt und geformt (gleichmĂ€ĂŸig ĂŒber die FlĂ€che und ĂŒber den Sehrichtungsbereich). Es durchquert den auf dem Substratglas aufgebrachten hinteren Polarisator, die FlĂŒssigkristallschicht und die Farbfilter. Das in drei Anteile zerlegte Licht durchquert den vorderen Polarisator und die darauf aufgebrachte mikrostrukturierte Entspiegelungsschicht.


Sparkle entsteht also als Folge der physikalischen Prozesse Beugung, Brechung und Streuung an verschiedenen Displaykomponenten (Bild 6). Mit zunehmender Auflösung der Bildschirme (also abnehmender PixelgrĂ¶ĂŸe), gleichbleibender Mattierung und ohne geeignete Gegenmaßnahmen steigt das Glitzern merklich an. Einige GerĂ€te, z.B. Mobiltelefone, weisen heute Pixelabmessungen von nur noch 78 ”m auf, bei PC-Monitoren fĂŒr BĂŒroanwendungen sind es etwa 300 ”m.



Bild 7: Pixelmatrix eines LCD mit Subpixel fĂŒr die PrimĂ€rfarben Rot, GrĂŒn und Blau, die durch eine schwarze, lichtdichte Struktur (black matrix) voneinander getrennt sind.

 

 Bild 8: OberflĂ€chentopographie einer durch Ätzen mattierten OberflĂ€che.



3.    Messtechnische Erfassung von Sparkle, Reflexion und BildschĂ€rfe

Die Herausforderung an den Ingenieur, der einen hochauflösende Anzeige mit einem Touchscreen kombinieren soll, so dass die Deutlichkeit der dargestellten Informationen auch bei hoher Umgebungs-helligkeit erhalten bleibt, lautet also wie folgt:

  • Realisierung einer effektiven Entspiegelung des Bildschirms,
  • bei gleichzeitiger UnterdrĂŒckung von Glitzer-Effekten sowie
  • Erhaltung des Bildkontrastes und der BildschĂ€rfe.


FĂŒr die Lösung dieser komplexen Aufgabe ist die verlĂ€ssliche messtechnische Ermittlung dieser drei GrĂ¶ĂŸen eine Voraussetzung.

Ein Verfahren, das dem Entwicklungsingenieur erstmals ermöglicht, alle fĂŒr diese Optimierungsaufgabe relevanten GrĂ¶ĂŸen messtechnisch zu erfassen wurde bereits 2011 auf der Electronic Display Conference vorgestellt [3] und ist als GerĂ€t mittlerweile kommerziell verfĂŒgbar [4]. Die wesentlichen Bestandteile des Apparates sind eine elektronische Kamera mit hochwertigem Objektiv, ein Stativ zur Positionierung von Kamera und Messobjekt und ein PC zur Datenerfassung und Auswertung. Zur Erfassung von Sparkle wird das Messobjekt (die Kombination von Anzeige und mattierter Entspiegelungsschicht) von einer Kamera erfasst, das aufgenommene Bild wird bearbeitet (Nachbildung der lateralen Integration des Auges, das die Pixelstruktur nicht wahrnimmt durch ein Tiefpassfilter) und aus der Statistik der IntensitĂ€ts- und Farbmodulation innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs wird die Kennzahl zur Bewertung des Sparkles bestimmt. Dazu wurden Verfahren entwickelt, die sowohl farbiges Sparkle bei weißer Hinterleuchtung wie auch reines hell-dunkel Sparkle bei monochromatischem Licht messen und bewerten können.

 


Die Reflexionseigenschaften werden bei Beleuchtung mit einer linearen Lichtquelle ĂŒber die Aufnahme der örtlichen Verteilung des reflektierten Lichts (Englisch: line spread function) gemessen und dann in eine Richtungsverteilung umgerechnet [4]. Somit ermöglicht das GerĂ€t die Messung der bidirektionalen Verteilung der Reflexionskomponenten (Englisch: bidirectional reflectance distribution function, BRDF) in der Umgebung der Spiegelrichtung. Die IntensitĂ€tsprofile des reflektierten Lichts sind in Bild 8 prinzipiell dargestellt (abgeleitet aus einer Aufnahme wie in Bild 1). Mit kalibrierten Arbeitsstandards (spiegelnd, diffus streuend) kann die Messung leicht auf die entsprechenden Referenzwerte normiert werden.

 

Bild 9: Prinzipieller Verlauf der reflektierten Leuchtdichte im blauen und roten Bereich der in Bild 1 gezeigten Anzeige. Die Mattierung der OberflÀche reduziert die in Spiegelrichtung reflektierte Leuchtdichte auf 4,8% (Leuchtdichte B / Leuchtdichte A = 0,048).


Die Abnahme der BildschĂ€rfe wird durch die ModulationsĂŒbertragungsfunktion (MTF) der Anzeige mit Streuschicht in Bezug auf die nackte Anzeige berechnet, d.h. die Anzeige ohne mattierte OberflĂ€che dient fĂŒr diese Messung als Referenz.



4    Zusammenfassung und Fazit

Um die Erkennbarkeit von visueller Information, die auf elektronischen Bildschirmen dargestellt wird, auch in heller Umgebung sicherzustellen, muss der Kontrast erhalten bleiben, was nur ĂŒber die Kontrolle der Reflexionen möglich ist. Vor der Anzeige angebrachte Touchscreens erhöhen den Anteil des reflektierten Lichts, der sich nur durch eine sorgfĂ€ltig ausgefĂŒhrte optische Ankopplung in akzeptablen Bereichen halten lĂ€sst. Durch eine mattierte erste OberflĂ€che lassen sich Reflexionen unterdrĂŒcken und Spiegelbilder vermeiden, was zu guten ergonomischen Leistungen fĂŒhrt, allerdings nur dann, wenn gleichzeitig Sparkle-Effekte vermieden werden und die BildschĂ€rfe erhalten bleibt.



 



SMS-1000 Beschreibung und Technische Daten


Literaturhinweise

[1]    Michael E. Becker: Matte vs. glossy displays – a technical discussion, Electronic Displays Conference 2010
[2]    de.wikipedia.org/wiki/Antireflexbeschichtung
[3]    Michael E. Becker, JĂŒrgen Neumeier: Measurement and characterization of the sparkling of AG coated LCDs,
        Electronic Displays Conference 2011
[4]    Michael E. Becker: Measurement and evaluation of display scattering, JSID 13,1(2005), p. 81-89

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