Die Basics

Displays beeindrucken mit ihrer Leuchtkraft, hohen Auflösung und brillanten Farben. Eines haben sie aber gemeinsam: Sind sie ausgeschaltet, bleibt ein schwarzes Loch – man kann durch sie nicht hindurchsehen. Transparente Displays hingegen gibt es in verschiedenen Technologien. Ähnlich einer Brille für Augmented Reality kann es an einer Maschine den Durchblick auf das Werkstück erlauben oder in einem Schaufenster auf die dahinter stehenden Exponate und dabei zusätzliche Informationen zu diesen geben.

Aufbau eines Displays

Ein Farbdisplay besteht aus einzelnen Pixeln. In der Regel wird jedes Pixel aus drei Subpixeln in den Primärfarben Rot, Grün und Blau gebildet. Farbabstufungen werden durch Ansteuerung mit weniger als 100 Prozent Strom oder Spannung dargestellt. Die Bildelemente werden als Matrix zusammengeschaltet und zeilenweise angesteuert. In der Verdrahtungsebene befinden sich außer den Steuerinformationen für den Bildinhalt je nach Displaytyp auch die Stromversorgungsleitungen. Je mehr Leistung ein Bildelement für den Betrieb braucht, umso niederohmiger und damit massiver müssen sie ausgeführt werden. Bei Passiv-Matrix-LCD reicht das Anlegen einer Spannung, um die Flüssigkristallmoleküle zum Umschalten zu bewegen, bei Technologien wie LED muss ein Strom fließen, der die LED zum Leuchten bringt.

Anmerkung

Dieser Fachbeitrag ist Teil einer Serie über transparente Displays. Teil 2 und Teil 3 sind ebenfalls auf invidis.de veröffentlicht.

Transparente Displays: Die Technologien

Zunächst muss zwischen emissiven und modulierenden Display-Technologien unterschieden werden. Dabei ist gemeint, ob das Display selbst Licht emittiert oder das einer Lichtquelle moduliert, die von hinten strahlt. Abbildung 1 (nicht maßstäblich) zeigt die Struktur eines emissiven transparenten Displays. Das aktive Bildelement nimmt nur eine kleine Fläche ein, da es selbst nicht transparent ist. Der Rest des Subpixels steht für die Ansteuer- und Versorgungsleitungen des Bildelements zur Verfügung. Mit der Dicke des Materials nimmt die Leitfähigkeit zu, die Transparenz allerdings ab.

In Abbildung 2 ist die Pixelstruktur eines modulierenden Displays zu sehen. Um die Lichtquelle effizient auszunutzen, besteht der größte Teil des Subpixels aus dem modulierenden Teil. Bei Flüssigkristall-Displays befindet sich hier der Farbfilter. Jedes Subpixel wird über einen Transistor angesteuert, der einen Kondensator je nach Graustufe mit dem gewünschten Spannungspegel auflädt. Zwischen den Subpixeln befinden sich die Ansteuerleitungen. Die Abmessungen betragen zum Beispiel bei einem 55-Zoll-Display mit FHD-Auflösung (1.920 x 1.080) für ein Pixel 630 Mikrometer und ein Subpixel 210 Mikrometer, abzüglich der Gaps.

Je nach Anwendung und Betrachtungsabstand werden unterschiedliche Technologien für Displays eingesetzt. Während Apple mit den „Retina“-Displays versucht, eine möglichst hohe Pixeldichte (Dot Pitch) bei minimalem Abstand zwischen den Pixeln (Gap) zu erzielen, ist es bei transparenten Displays genau umgekehrt: Die leuchtenden Pixel sind nicht transparent, aber der Raum zwischen ihnen kann transparent gestaltet werden.

Apertur

Unter dem Begriff Apertur versteht man bei Displays den Bereich, aus dem das Licht austritt, im Verhältnis zur Gesamtgröße eines für ein Pixel genutzten Bereichs. Das emissive Display in Abbildung 1 weist eine geringe aktive Fläche auf, aus der der Lichtstrom austritt. Dieses Design ist günstig für ein transparentes Display, bei dem die aktive Fläche undurchsichtig ist, da der größere Teil Licht von hinten durchfallen lässt. Beim modulierenden Display in Abbildung 2 ist es umgekehrt, da dort die großen Flächen das durchfallende Licht sperren oder passieren lassen. Hier ist in jedem Pixel die für Transistor und Kondensator verwendete Fläche intransparent. Die für die Verdrahtung benötigten Flächen scheinen entweder permanent durch (bei einem transparenten Display) oder werden bei einem normalen TFT mit einem Schwarzdruck (Black Mask) lichtundurchlässig gemacht.

Betrachtungsabstand und Pixelpitch

Displays für Digital Signage im Außenbereich müssen groß sein, damit sie aus der Ferne abgelesen werden können. Sie müssen skalierbar sein, weil dort die Bildformate nicht festgelegt sind und sich nicht an die gängigen Seitenverhältnisse halten, sondern den verfügbaren Raum optimal ausnutzen sollen. Bei manchen Applikationen wie zum Beispiel Schildern an Haltestellen, sind die Abmessungen von den darzustellenden Informationen vorgegeben. Displays wie Wegweiser durch Einkaufszentren brauchen hingegen einen niedrigen Pixel Pitch, weil sie aus der Nähe betrachtet werden.

Abbildung 3 zeigt einen Zusammenhang zwischen dem Abstand des Betrachters und dem notwendigen Abstand der Pixel eines Displays. Die Grafik geht davon aus, dass ein optimales Verhältnis bei dem liegt, das ein TV-Gerät dem Betrachter bietet, nämlich bei 55 Zoll Diagonale mit Full HD-Auflösung ein Abstand von 3,5 Meter. Die y-Achse zeigt den entsprechenden Abstand beim in der x-Achse gegebenen Pitch. Daraus lassen sich zwei Schlüsse ziehen: Um den gleichen Eindruck wie am TV-Gerät zu erzielen, sollte der Pitch nicht größer, also nicht unterhalb der Geraden sein. Um den gleichen Eindruck zu erzielen, braucht der Pitch aber auch nicht feiner zu sein, muss also auch nicht oberhalb der Geraden liegen.

Für transparente Displays bedeutet das, dass eine Transparenz umso besser ist, je kleiner das aktive Bildelement bezogen auf den Pixelpitch ist. Desto mehr Freiraum bleibt für den transparenten Bereich zwischen den Pixeln, der aber auch als Verdrahtungsebene gebraucht wird. Diesem Trend entgegen spricht, eine möglichst große Helligkeit bezogen auf die Gesamtfläche zu erzielen. Ist das Bildelement nur klein, muss es – im Falle von transparenten Pixeln wie beim TFT – sehr durchlässig sein. Bei aktiven Displays wie LED oder OLED muss das Bildelement eine hohe Leistung pro Fläche von Strom in Licht umsetzen, was die Alterung beschleunigt.

Skalierbarkeit

Besonders beim Einsatz für Digital Signage ist ein einzelnes Display-Modul zu klein. Das Platzieren mehrerer Displays in Matrix-Anordnung vergrößert die Displayfläche. Um den Eindruck zu verstärken, sollten die Nahtstellen unsichtbar, das heißt die Ränder der einzelnen Module möglichst schlank sein. Anders als bei nicht-transparenten Displays können die Ansteuer-Elektronik und die Zuleitungen nicht hinter dem Display versteckt werden.

Mögliche Anordnungen zur Vergrößerung der aktiven Fläche zeigt Abbildung 4 am Beispiel des T-OLED. Die Ansteuer-Elektronik, die sich an einer Längsseite des Displays befindet, wird dabei so angeordnet, dass sie sich außerhalb des Blickfelds befindet. Sie kann auch hinter konstruktiven Elementen, beispielsweise Fensterrahmen, verborgen werden. Geht man von einem Display im Seitenformat 16:9 aus, lassen sich damit die rot angegebenen Seitenverhältnisse abbilden.

Über den Autor

Rudolf Sosnowsky  ist Leiter Technik bei Hy-Line Computer Components. Das Unternehmen ist als Mitglied der Hy-Line-Gruppe Spezialist für komplette Systemlösungen im Bereich Display- und Touchtechnologie sowie Embedded Computing auf Chip- und Boardebene. Zum anderen liefert Hy-Line Computer Components Lösungen für das Management und die Übertragung von Highspeed-Signalen wie DVI, HDMI, Displayport, USB, LVDS und V-by-One.

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