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Referenz-Instrument für die präzise Messung von Sparkle

Das SMS-1000 ist das erste Messgerät auf dem Markt zur Messung von "sparkle" (Glitzern) bei Anzeigen, deren Oberfläche mit streuenden Mikrostrukturen (anti-glare coating) entspiegelt sind. Die Entstehung solcher Glitzereffekte kann mit der neu entwickelten Messtechnik einfach und präzise dokumentiert werden.

Was ist Sparkle? 
Als Sparkle wird die visuelle Wahrnehmung von Erscheinungen bezeichnet, die sich als Glitzern oder Funkeln der Anzeige (des Bildschirms) bemerkbar machen, als ein unregelmäßiges Muster von winzigen Flecken mit unterschiedlicher Farbe und Intensität, die anscheinend zufällig über die Anzeige verteilt sind und deren Erscheinungsbild sich stark mit der Sehrichtung ändert. 

Wie entsteht Sparkle?

Wie dieses Funkeln und Glitzern (en: sparkle) entsteht, wie seine Intensität von der Dimensionierung der Pixelmatrix der Anzeige und der Mattierung der Entspiegelungsfolie abhängt und wie man das Glitzern (sparkle) messtechnisch erfasst, das soll im Folgenden erläutert werden.

Abbildung: Aufsicht auf die beiden Komponenten, deren Eigenschaften das Ausmaß von Glitzern und Funkeln (Sparkle) entscheidend festlegen: 
-     Die Matrix der Teilbildelemente für die Primärfarben Rot, Grün und Blau,       
      die durch eine schwarze, lichtdichte Struktur (black matrix) voneinander
      getrennt sind, und 
-     die Oberfläche der Entspiegelungsschicht mit ihren lichtstreuenden 
      Mikrostrukturen.

Der Weg des Lichts zum Betrachter: In der Hinterleuchtungseinheit wird das Licht erzeugt und geformt (gleichmäßig über die Fläche und über den Sehrichtungsbereich). Es durchquert den auf dem Substratglas aufgebrachten hinteren Polarisator, die Flüssigkristall-Schicht und die Farbfilter (Rot, Grün und Blau), die die Teilbildelemente (sub-pixel) bilden. Das durch die Farbfilter in drei Anteile zerlegte Licht durchquert den vorderen Polarisator und die auf diesem aufgebrachte mikrostrukturierte Entspiegelungsschicht. Auf seinem Weg von der Lichtquelle zum Betrachter wird das Licht linear polarisiert, in Primärfarben zerlegt (R, G, B), an den Strukturen der Teilbildelemente und der schwarzen Matrix gebeugt und an den Mikrostrukturen der Entspiegelungsschicht gebrochen und gestreut. Sparkle entsteht also als Folge der physikalischen Prozesse Beugung, Brechung und Streuung beim Durchgang des Lichts. Mit zunehmender Auflösung der  Bildschirme (also abnehmender Pixelgröße) steigt das Glitzern merklich an. Einige Geräte weisen heute Pixelabmessungen von nur noch 78 mm auf (beim PC-Monitor für Büroanwendungen sind es etwa 300 mm).

Optimierung tut Not ...
Die Herausforderung an den Display-Ingenieur, der einen hochauflösenden Bildschirm mit einem "touchscreen" kombinieren soll, so dass der Kontrast und die Farbsättigung auch bei hoher Umgebungshelligkeit erhalten bleibt, lautet also wie folgt: 

- Realisierung einer effektiven Entspiegelung des Bildschirms, bei gleichzeitiger
- Vermeidung von Glitzer-Effekten, und bei gleichzeitiger
- Erhaltung der Deutlichkeit der dargestellten Information.

Die Lösung dieser komplexen Aufgabe erfordert ein messtechnisches Instrumentarium, das die quantitative Erfassung dieser drei Größen ermöglicht und so die Grundlage für ein optimales Gesamtergebnis legt.

Messung von Sparkle, Reflexionseigenschaften, Bildschärfe

Messung von Sparkle
Das Messobjekt (Kombination von Anzeige und mattierter Entspiegelungsschicht) wird 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 Intensitätsmodulation innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs wird die Kennzahl zur Bewertung des Sparkles bestimmt. Es wurden Verfahren entwickelt, um sowohl farbiges Sparkle bei weißer Hinterleuchtung wie auch reines hell-dunkel Sparkel bei monochromatischem Licht zu messen und zu bewerten. Dabei muss das Messobjekt im Vergleich zum Differenzverfahren  nicht bewegt werden.  

Messung von Reflexionseigenschaften
Die Reflexionseigenschaften werden bei Beleuchtung mit einer linearen Lichtquelle über die Aufnahme der örtlichen Verteilung des reflektierten Lichts (line spread function) gemessen, und dann in eine Richtungsverteilung umgerechnet. Somit ermöglicht das Gerät die Messung der bidirektionalen Verteilung der Reflexionskomponenten (BRDF, bidirectional reflectance distribution function) in der Umgebung der Spiegelrichtung. Mit entsprechenden Standards (spiegelnd, diffus streuend) kann die Messung leicht auf entsprechende Referenzwerte normiert werden.  

Messung von Bildschärfe (distinctness of image)
Die Bildschärfe der Anzeige ohne mattierte Antireflexschicht dient für die Messung als Referenz. Die Abnahme der Bildschärfe wird durch die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) der Streuschicht in Bezug auf die nackte Anzeige berechnet.  

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 über die Kontrolle der Reflexionen möglich ist. Vor dem Bildschirm angebrachte berührungsempfindliche Eingabegeräte ("touch-screens") erhöhen prinzipiell den Anteil des reflektierten Lichts, der sich nur durch eine sorgfältig ausgeführte optische Ankopplung (optical bonding) in akzeptablen Bereichen halten lässt. Durch einemattierte erste Oberfläche lassen sich Reflexionen unterdrücken und Spiegelbilder vermeiden, was zu guten ergonomischen Leistungen führt, allerdings nur dann, wenn gleichzeitig Sparkle-Effekte kontrolliert werden und die Bildschärfe erhalten bleibt. Zur Lösung dieser komplexen Optimierungsaufgabe wurde ein kompaktes Vielfach-Messgerät entwickelt und dem Displayingenieur zur Verfügung gestellt.