Aufbau und Funktionsweise

Bildschirmtypen

LCD-/LED-Bildschirm

Der im PC-Bereich am weitesten verbreitete Bildschirmtyp ist der LCD-Bildschirm (LCD = Liquid Crystal Display). Das Funktionsprinzips dieses Bildschirmtyps beruht auf Flüssigkristallen, die beim Anlegen einer Spannung ihre Ausrichtung und damit auch die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts an die des elektrischen Feldes anpassen. Je nachdem, in welcher Richtung sich das Licht ausbreitet, wird es von Polarisationsfiltern entweder absorbiert oder durchgelassen. Als Lichtquelle dienen meistens weißleuchtende Leuchtdioden (LEDs), weshalb Flüssigkristall-Bildschirme auch häufig als LED-Bildschirme bezeichnet werden. Es gibt verschiedene Arten von LCD-Panels:

TN (Twisted Nematic, engl. für nematische Drehzelle)

Die Teilbildelemente sind in Form sogenannter TN-Zellen ausgeführt. Diese bestehen aus einer Schicht Flüssigkristallen, die zwischen zwei hauchdünnen Glasplatten angeordnet ist, die mit um 90° zueinander verdrehten Polarisationsfiltern beschichtet sind. Die Glasplatten sind jeweils zusätzlich mit einer Elektrodenschicht überzogen. Da die Flüssigkristalle um den gleichen Winkel verdreht ausgerichtet sind wie der zweite Polarisationsfilter, ist die Zelle ohne angelegte Spannung lichtdurchlässig, also transparent. Sobald aber eine Spannung angelegt wird, wird die Verdrehung aufgehoben und die Flüssigkristalle richten sich schließlich senkrecht zu den Glasplatten aus. In diesem Zustand lässt der Plarisationsfilter kein Licht mehr passieren. Je größer die angelegte Spannung, desto weniger Licht gelangt durch die Zelle hindurch.

IPS (In-Plane Switching, engl. für „auf einer Ebene schaltend“)

Bei dieser Ausführung sind die Teilbildelemente ähnlich wie TN-Zellen aufgebaut, allerdings befinden sich die Elektroden auf derselben Glasplatte, also auf einer Ebene. Aus diesem Grund richten sich die Flüssigkristalle nicht senkrecht, sondern parallel zu den Glasplatten aus.

Verwandte Technologien: PLS (Plane-To-Line Switching), AHVA (Advanced Hyper Viewing Angle)

VA (Vertical Alignment, engl. für vertikale Ausrichtung)

Der Unterschied zur TN-Zelle liegt, wie der Name bereits verrät, in der Ausrichtung der Flüssigkristalle: Im Ruhezustand sind diese stets senkrecht zu den Glasplatten ausgerichtet und lassen kein Licht hindurch. Sobald eine Spannung angelegt wird, richten sich die Flüssigkristalle parallel zu den Glasplatten aus – die Zelle wird transparent. Ein VA-Zelle verhält sich also genau umgekehrt wie eine TN-Zelle: Je größer die angelegte Spannung, desto mehr Licht kann die Zelle passieren.
Bei der verbesserten Variante MVA (Multi-domain VA) ist die Zelle in mehrere Bereiche, sog. Domänen, unterteilt. In jeder Domäne sind die Flüssigkeitskristalle anders ausgerichtet. Dadurch wird der Betrachtungswinkel der Zelle vergrößert.

Verwandte Technologien: S-PVA (Super Patterned VA), AMVA (Advanced Multi-domain VA)

Bildschirmtypen im Vergleich

Quellen:

Technische Merkmale

Die Bildschirmdiagonale gibt die Diagonale des sichtbaren Bildes in Zoll (1 Zoll = 2,54 cm) an. Die meisten PC-Monitore haben Bildschirmdiagonalen von 19 bis 28 Zoll.

Auflösung

Die Auflösung bestimmt, aus wie vielen Zeilen und wie vielen Spalten der Bildschirm besteht. Je höher die Auflösung, desto feiner und detailreicher erscheint das Bild. Die am weitesten verbreiteten nativen Bildschirmauflösungen sind 1920×1080 (FullHD), 2560×1440 (WQHD = Wide Quad HD) und 3840×2160 (U(tra)HD oder 4K). Ein Bildschirm kann zwar verschiedene Auflösungen bzw. Auflösungsmodi anzeigen, da die Bildelemente aber in einem festen Raster angeordnet sind, wird das Bild unscharf dargestellt, wenn der Bildschirm nicht mit der Auflösung des Rasters (auch native Auflösung) betrieben wird.

Bildwiederholungsrate

Die Bildwiederholungsrate oder -frequenz wird in Hz (Hertz) angegeben und bestimmt, wie viele Einzelbilder der Bildschirm pro Sekunde ausgeben kann. Je höher diese ist, desto weicher und flüssiger kann der Bildschirm schnelle Bewegungen darstellen. Die Bildwiederholungsrate eines Standardmonitors beträgt 60 Hz, für Spiele optimierte Bildschirme unterstützen sogar bis zu 240 Hz. Von der Bildwiederholungsrate ist auch die Reaktionszeit des Bildschirms abhängig: Je höher die Bildwiederholungsrate, desto niedriger ist die Reaktionszeit. Ein Bildschirm, der 60 Einzelbilder pro Sekunde (60 Hz) darstellen kann, hat z.B. eine Reaktionszeit von 1/60 s, das entspricht 0,01667 s oder 16,67 ms.
Die Bildwiederholungsrate des Bildschirms sollte immer mit der Bildrate der Grafikkarte übereinstimmen, da es sonst zu Darstellungsfehlern wie „zerissenen“ Bildern (engl. Tearing) oder stockenden, ungleichmäßigen Bewegungen (engl. Stuttering) kommen kann. Zur Synchronisation von Grafikkarte und Bildschirm gibt es verschiedene Techniken:

• V-Sync (Vertikale Synchronisation) ist ein rein softwarebasiertes Verfahren, das keinen speziellen Monitor erfordert. Wenn V-Sync in der entsprechenden Anwendung aktiviert ist, wird die Bildrate der Grafikkarte auf die Bildwiederholungsrate des Monitors eingestellt, auch wenn die Grafikkarte mehr Bilder pro Sekunde berechnen kann. Dadurch treten zwar weniger Darstellungsfehler auf, aber Bewegungen werden nicht mehr so flüssig dargestellt. Außerdem führt V-Sync zu einer spürbaren Verzögerung von Eingaben (engl. input lag).

• AMD FreeSync und NVidia G-Sync sind hardwarebasierte Techniken, die sowohl vom Monitor als auch von der Grafikkarte unterstützt werden müssen. Diese sorgen dafür, dass sich die Bildwiederholungsrate des Monitors dynamisch an die aktuelle Bildrate der Grafikkarte anpasst. Wenn die Grafikkarte beispielsweise aktuell nur eine Bildrate von 49 Bildern pro Sekunde liefern kann, senkt auch der Monitor seine Bildwiederholungsrate auf 49 Hz.

Reaktionszeit

Die Reaktionszeit gibt entweder die Zeitdauer in Millisekunden (ms) an,

• die eine Bildschirmzelle benötigt, um ihren Zustand zu wechseln (Reaktionszeit des Panels),
  oder
• die zwischen zwei Auffrischungszyklen des Bildschirms (engl. refresh cycles) liegt.

In der Regel wird allerdings nur die Reaktionszeit des Panels angegeben. Je kürzer die Reaktionszeit, desto weniger verschwommen bzw. unscharf erscheinen schnelle Bewegungen. Dieser Effekt kann auch eintreten, wenn die Reaktionszeit des Monitors höher als die der Zelle ist. Vor allem in actionlastigen PC-Spielen sind niedrige Reaktionszeiten deshalb sehr wichtig. Es existieren drei unterschiedliche Definitionen:

• Die Grauwert-Reaktionszeit (engl. Grey-to-Grey, GtG) ist die durchschnittliche Zeitspanne, welche die Zelle zum Wechsel von einem Grauwert zu einem anderen Grauwert benötigt.

• Im Gegensatz zur GtG gibt die Bewegtbild-Reaktionszeit (engl. Moving Picture Response Time, MPRT) an, wie lange ein bestimmter Grauwert zu sehen ist. Sie ist sowohl von der Dauer eines Auffrischungszyklus des Bildschirms als auch von der Bilddauer (engl. frametime) abhängig und deshalb höher als die GtG.

• Die Reaktionszeit Schwarz-Weiß-Wechsel (Black-White-Time, BWT) bestimmt die durchschnittliche Zeitspanne, die eine Zelle braucht, um vom schwarzen Zustand in den weißen Zustand und wieder zurück zu schalten.

Da in der Praxis nur selten ein Wechsel von Schwarz auf Weiß stattfindet, geben die Hersteller meist die Grauwert-Reaktionszeit (GtG) an. TN-Bildschirme liegen mit einer Grauwert-Reaktionszeit von 2 bis 3 ms an der Spitze, IPS-Bildschirme ordnen sich mit 5 bis 7 ms im Mittelfeld ein, während die VA-Bildschirme mit 8 bis 10 ms das Schlusslicht bilden. [Quelle] Bei Monitoren, die speziell für Spiele entwickelt wurden, ist hingegen die Bewegtbild-Reaktionszeit aussagekräftiger, da diese auch den Effekt der Bewegungsunschärfe berücksichtigt.
Um die Reaktionszeit zu steigern, setzen die Hersteller sog. Overdrive-Technologien ein. Dabei werden die Zellen kurzfristig einer Überspannung ausgesetzt, um die Ausrichtung der Flüssigkristalle zu beschleunigen. Meistens muss diese Funktion im OSD-Menü (On-Screen Display) des Monitors zuerst aktiviert werden.

Blickwinkel

Bei LCD-Bildschirmen ist die Helligkeit des Bildes vom Blickwinkel abhängig. Je weiter man das Bild von der Seite aus betrachtet, desto dunkler erscheint es. Das liegt an einer besonderen Eigenschaft der Flüssigkristalle: Sie sind doppelbrechend, d.h. sie spalten das senkrecht zur optischen Achse einfallende Licht in zwei Teilstrahlen auf. Wenn das Licht allerdings parallel zur optischen Achse, also der Kipprichtung der Kristalle, einfällt, findet diese Aufspaltung nicht statt und die Zelle bleibt schwarz. Je weiter sich der Einfallswinkel des Lichts der optischen Achse der Flüssigkristalle nähert, desto dunkler wird die Zelle.
Der Blickwinkel ist der Sichtbereich, in dem Helligkeit und Kontrast innerhalb eines bestimmten Bereichs (1/10 oder 1/5 des Kontrastverhältnisses [Quelle]) bleiben, ausgehend von senkrechter Betrachtung. Typische Werte liegen zwischen 160° und 170°. Den größten Blickwinkel haben mit bis zu 178° IPS-Bildschirme, den kleinsten Blickwinkel besitzen TN-Bildschirme. [Quelle]

Farbtreue

Die Farbtreue bestimmt, wie originalgetreu der Monitor Farben darstellen kann und ist abhängig von der der Farbtiefe des Bildschirms. Diese wird in Bit angegeben und bestimmt die maximale Anzahl darstellbarer Farben. Ein VA-Bildschirm mit einer Farbtiefe von 8 Bit pro Subpixelfarbe (Rot, Grün und Blau) kann beispielsweise jede Farbe in 256 (2^8) verschiedenen Helligkeitsstufen darstellen. Das entspricht einer theoretisch darstellbaren Palette von etwa 16,7 Millionen Farben (2^8 x 2^8 x 2^8). Wie viele Farben ein Monitor innerhalb des sichtbaren Farbspektrums tatsächlich anzeigen kann, hängt vom Farbraum, auch Gamut genannt, ab. Am weitesten verbreitet sind der Standard-RGB- (sRGB) und der Adobe-RGB-Farbraum. Monitore, die den erweiterten Farbraum (Wide Color Gamut) unterstützen, können noch größere Farbräume darstellen. Wichtige Farbräume jenseits des sRGB-Farbraums sind der für digitale Fimprojektion und im Heimkino-Bereich genutzte DCI-P3-Farbraum und der für UltraHD-Fernsehgeräte bestimmte Rec.2020-Farbraum.
Gerade im Bereich der professionallen Grafikbearbeitung ist eine hohe Farbtreue wichtig. IPS-Bildschirme haben die höchste Farbtreue, da sie sogar Farbtiefen bis zu 10 Bit erreichen. Die geringste Farbtreue weisen TN-Bildschirme auf: Sie haben meist nur eine Farbtiefe von 6 Bit; alle nicht darstellbaren Farben müssen durch ein als Dithering bezeichnetes Verfahren nachgebildet werden. Dabei wird eine nicht darstellbare Farbe aus benachbarten Bildelementen mit ähnlichen Farben (aus der Palette der verfügbaren Farben) erzeugt. Bei einer anderen Form des Dithering, die als temporales Dithering oder als FRC (Frame Rate Control) bezeichnet wird, wechselt ein Bildelement jeweils zwischen zwei Annäherungswerten. Während beim normalen Dithering das Bild grobkörniger erscheinkt, kann temporales Dithering ein leichtes Flimmern verursachen.

Kontrastverhältnis

Das Kontrastverhältnis, auch als Kontrast- oder Dynamikumfang bezeichnet, gibt den relativen Unterschied zwischen der hellsten darstellbaren Farbe (Weiß) und der dunkelsten darstellbaren Farbe (Schwarz) des Bildschirms an. Je größer das Kontrastverhältnis, desto schärfer wirkt das Bild und desto brillanter erscheinen Farben. Ein Bildschirm mit einem Kontrastverhältnis von 1000:1 kann z.B. einen weißen Bildpunkt 1000-mal heller darstellen als einen schwarzen Bildpunkt. Bei LCD-Bildschirmen wird ein dynamisches Kontrastverhältnis angegeben, da diese Dimming-Techniken (engl. für Abdunkelung) einsetzen: Die Stärke der LED-Hintergrundbeleuchtung wird jeweils an die allgemeine Helligkeit des aktuellen Bildes angepasst. Dadurch wird zwar der Kontrast zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern vergrößert, nicht aber innerhalb eines Bildes. Aus diesem Grund ist das dynamische Kontrastverhältnis um ein Vielfaches höher als das statische Kontrastverhältnis. TN- und IPS-Bildschirme kommen auf ein dynamisches Kontratsverhältnis von 700:1 bis 1000:1. VA-Bildschirme erreichen mit mindestens 2000:1 ein doppelt so großes Kontrastverhältnis. [Quelle]

Ausstattungsmerkmale

Anschlüsse

Pivot-Funktion

Curved

AMD FreeSync und Nvidia G-Sync

• G-Sync erfordert den Einbau eines speziellen Hardwaremoduls (der sogenannte „Scaler“) von Nvidia in den Monitor. Außerdem müssen sich die Hersteller einem strengen Zertifizierungs- und Qualitätssicherungsprozess unterwerfen, der auch mit entsprechenden Kosten verbunden ist. FreeSync baut hingegen auf einem offenen Standard (VESA Adaptive-Sync als Bestandteil von DisplayPort 1.2a) auf; die Art der Umsetzung bleibt also weitgehend den Monitorherstellen überlassen. Es fallen keinerlei Lizenzkosten an. Aus diesem Grund sind FreeSync-Monitore in der Regel günstiger als entsprechende G-Sync-Modelle.

• Im UHD-Modus unterstützt G-Sync höhere Bildwiederholungsraten als Freesync: Während normale FreeSync-Monitore nur maximal 60 Hz anzeigen können, beherrschen entsprechende G-Sync-Modelle bis zu 144 Hz.

• Während G-Sync die Bildrate der Grafikkarte durch die maximal vom Monitor unterstütze Bildwiederholungsrate begrenzt. erlaubt FreeSync auch höhere Bildraten. Vor allem bei den grafisch anspruchsloseren eSports-Titeln mit hoher Bildrate (z.B. Fortnite, Dota 2) kann so die Eingabeverzögerung minimiert werden. Allerdings werden Bewegungen unschärfer. [Quelle]

• Freesync-Monitore unterstützen Bildratenkompensation (LFC = Lower Framerate Compensation): Wenn die Bildrate der Grafikkarte unter die minimal unterstützte Bildwiederholungsrate des Monitors fällt, verdoppelt dieser automatisch Bilder, um wieder in den Synchronisationsbereich zu kommen. Wenn etwa die Grafikkarte aktuell nur 30 Bilder pro Sekunde ausgibt, verdoppelt der Monitor Bilder, um eine Bildwiederholungsrate von 60 Hz zu erreichen. Dadurch werden ruckelnde Bewegungen vermieden.

• Im Gegensatz dazu ist ULMB (Ultra-Low Motion Blur, engl. für „extrem geringe Bewegungsunschärfe“) nur auf G-Sync-Monitoren verfügbar. Dabei wird durch schnelles Ein-/Ausschalten der LED-Hintergrundbeleuchtung ein leichtes Flimmern wie bei alten Kathodenstrahlröhren-Monitoren erzeugt, um bewegte Objekte klarer erscheinen zu lassen. Nachteil: ULMB kann nicht gleichzeitig mit G-Sync aktiv sein.

Vergleich AMD FreeSync – Nvidia G-Sync

*3840×1200 | **ermöglicht entsprechend zertifizierten Freesync-Monitoren die Verwendung von G-Sync
Quellen: https://www.nvidia.com/en-us/geforce/products/g-sync-monitors/ | https://www.amd.com/en/technologies/free-sync

HDR (High Dynamic Range)

 Normale LCD-Bildschirme sind nicht in der Lage, extreme Helligkeitsunterschiede so darzustellen, wie sie das menschliche Auge wahrzunehmen vermag. Dies äußert sich besonders bei Darstellungen, die einen sehr hohen Kontrastumfang besitzen: Entweder sind die sehr hellen Stellen detailreich dargestellt und die sehr dunklen Stellen kaum zu erkennen oder umgekehrt. Aus diesem Grund gibt es immer mehr Monitore, die einen besonders hohen Dynamik- bzw. Kontrastumfang (High Dynamic Range) darstellen können.

DisplayHDR ist ein von der VESA (Video Electronics Standards Association) verabschiedeter, offener Standard, der mehrere Stufen umfasst: DisplayHDR 400, DisplayHDR 500, DisplayHDR 600, DisplayHDR 1000 und DisplayHDR 1400 für LCD-Bildschirme sowie DisplayHDR True Black 400/500 für OLED-Bildschirme, wobei die Zahl am Ende jeweils für die maximal (kurzzeitig) erreichbare Helligkeit des Bildschirms in cd/m² steht. Alle Stufen müssen den HDR10-Standard unterstützen. Um eine Zertifizierung für die erste Stufe DisplayHDR 400 zu erhalten, muss der Monitor folgende Mindestanforderungen erfüllen: 10 Bit Farbtiefe (8 Bit+FRC), maximale Helligkeit 400 cd/m², 95% Abdeckung des Standard-RGB-Farbraums und globale Dimmung. Da diese Werte mittlerweile aber jeder Standard-Bildschirm erreicht, ist die erste Stufe im Grunde überflüssig. Für die Wiedergabe von HDR10-Inhalten muss der Bildschirm ohnehin eine maximale Helligkeit von mindestens 1000 cd//m² erreichen und einen größeren Farbraum als Standard-RGB (Wide Color Gamut) darstellen können.

VESA-Standards für HDR-Monitore

HDR10

HDR10+ ist der von Samsung und Panasonic entwickelte Nachfolgestandard von HDR10. Im Gegensatz zum Vorgänger verwendet HDR10+ wie der konkurrierende Dolby-Vision-Standard dynamische Metadaten, um einen höheren Kontrastumfang und damit eine noch realistischere Farbdarstellung zu erreichen. Außerdem wurde die maximale Helligkeit von 1000 auf 4000 cd/m² erhöht. Bei Amazon Prime werden viele HDR10-Inhalte mittlerweile auch in einer HDR10+-Variante angeboten.HDR10+ ist der von Samsung und Panasonic entwickelte Nachfolgestandard von HDR10. Im Gegensatz zum Vorgänger verwendet HDR10+ wie der konkurrierende Dolby-Vision-Standard dynamische Metadaten, um einen höheren Kontrastumfang und damit eine noch realistischere Farbdarstellung zu erreichen. Außerdem wurde die maximale Helligkeit von 1000 auf 4000 cd/m² erhöht. Bei Amazon Prime werden viele HDR10-Inhalte mittlerweile auch in einer HDR10+-Variante angeboten.