Messung und Beurteilung des
Leuchtdichtekontrastes von Displays unter
diffusem Lichteinfall

Diffuser Lichteinfall reduziert den Anzeigekontrast von Displays durch „Auswaschen“ der Schwärze und der Farben. Im Rahmen der Produktentwicklung und Qualitätskontrolle von Displays ist die visuelle Empfindung und messtechnische Ermittlung des Leuchtdichte und des Lichtfarbekontrastes eine typische Messaufgabe. Der Dunkelraumkontrast (dark room contrast) ist der höchstmöglich messbare Kontrast. Er ist für die gängigen Standorte von Displays eher von theoretischer Bedeutung. Den realen Bedingungen unter künstlicher und natürlicher Beleuchtung entspricht der Umgebungslichtkontrast (ambient contrast). Für Kontrastmessungen unter Umgebungslichtbedingungen muss das Testdisplay diffus angeleuchtet werden. Eine bewährte Methode zur diffusen Probenbeleuchtung ist der Einsatz von Ulbrichtschen Kugeln. Dieser Fachbeitrag beschreibt Einsatzmöglichkeiten der Ulbrichtschen Kugel für Leuchtdichte und Lichtfarbkontrastmessungen von Displays.

Die Leuchtdichte beschreibt die fotometrische Helligkeit von ausgedehnten Lichtquellen. Der Lichtaustritt des Flächenstrahlers kann durch Selbstleuchten, Transmission und Reflexion erzeugt werden. Es gibt verschiedene Definitionen des Leuchtdichtekontrastes:

• Der Leuchtdichtekontrast beschreibt die Differenz der Leuchtdichten zweier angrenzender Leuchtfelder.
• Bei Displays spezifiziert der Leuchtdichtekontrast die Differenz zwischen der minimalen und der maximalen erreichbaren Leuchtdichte.
• Der Lichtfarbkontrast gibt die Farbkonstanz bei unterschiedlichen Leuchtdichten wieder.

Die Messung des Leuchtdichte und Lichtfarbkontrastes kann sowohl in dunkler als auch in heller Umgebung erfolgen. Für Dunkelmessungen wird das Leuchtdichtemessgerät typischerweise direkt auf das Display aufgesetzt (Kontaktmessung). Für Hellmessungen muss das Testobjekt hemisphärisch diffus (Simulation von diffusem Tageslicht) oder gleichzeitig sowohl hemisphärisch diffus als auch gerichtet (Simulation von Tageslicht mit direkter Sonneneinstrahlung) beleuchtet werden. In diesem Fall muss das Leuchtdichtemessgerät mit Abstand zum Testobjekt angebracht werden, um eine Abschattung zu vermeiden.

Ulbrichtsche Kugel für hemisphärische Beleuchtung:
Die Bezugsebene für die perfekte hemisphärische Beleuchtung liegt im Kugelmittelpunkt. Bei Anordnung von Displays im Kugelmittelpunkt sollte deshalb deren Größe deutlich kleiner sein als der Durchmesser der Ulbrichtschen Kugel, um eine gleichmäßige hemisphärische Ausleuchtung des Testobjektes sicherzustellen. Die Lichtquelle zur Ausleuchtung der Ulbrichtkugel kann innerhalb der Kugel oder außerhalb der Kugel angebracht werden. Interne Lichtquellen bieten bei Kolbenlampen die größte Effizienz bei der Ausnutzung des Lichtstroms der Lichtquelle und ermöglichen daher hohe Beleuchtungsstärken auf dem Testobjekt. Ein Nachteil ist, dass die Intensität dieser Lampen nicht geregelt werden kann. Externe Lichtquellen mit Kolbenlampen bieten eine geringere Effizienz bei der Lichtstromausbeute der Lampe. Sie bieten dafür aber die Möglichkeit der Intensitätsregelung mittels Blenden, die zwischen Lampe und Kugel angeordnet werden. Leuchtdichtemessgeräte werden außerhalb der Ulbrichtschen Kugel angeordnet und „sehen“ durch eine Öffnung in der Kugelwand auf die Oberfläche des Displays. Diese Öffnung wirkt als Lichtfalle, d. h., Licht, das die Kugel durch diese Öffnung verlässt, wird nicht zurückreflektiert. Die Testprobe wird aus der Richtung dieser Öffnung nicht beleuchtet. Diesen Effekt kann man zur Messung der Leuchtdichte mit und ohne Glanzanteil nutzen. Dazu wird die Messöffnung unter einem Winkel von z. B. 8° zur Probenfläche angebracht. Eine zweite Öffnung, die im invertierten Winkel von –8° zur Messöffnung angebracht ist, ermöglicht alternativ eine Probenbeleuchtung (Öffnung verschlossen mit Porteinsatz) oder keine Probenbeleuchtung (Öffnung verschlossen mit Lichtfalle) aus diesem Winkel. Die Leuchtdichtedifferenz entspricht der Glanzkomponente. Zur Messung der räumlichen Leuchtdichtekontrastverteilung, die eine Messung der Leuchtdichte bei unterschiedlichen Winkelausrichtungen des Testdisplays zum Leuchtdichtemessgerät erfordert, können mehrere Messöffnungen mit unterschiedlichen Winkelausrichtungen zur Probe an der Ulbrichtschen Kugel angebracht werden. Alternativ dazu kann ein goniometrischer Probenhalter in der Ulbrichtschen Kugel angebracht werden.

Leuchtdichte und Lichtfarbmessgeräte:
Zur Messung des Leuchtdichte und des Leuchtdichtefarbkontrastes bietet Gigahertz-Optik das Messgerät X4 mit Messkopf LDM-9812 an. Für Leuchtdichtekontrastmessungen ohne Farbe eignen sich die Spot-Leuchtdichtemessgeräte LM-9901, LDM-9810 oder Luxmessköpfe mit SRT-Vorsatzoptik.

Physiologische Bewertung des Leuchtdichte und
Lichtfarbkontrastes durch Probanden:
Neben der Kontrastmessung in Verbindung mit einem Leuchtdichtemessgerät können Ulbrichtkugeln auch in Anwendungen mit Probanden eingesetzt werden, um deren visuellen Eindruck des Leuchtdichte und Farbkontrastes von Displays und Oberflächen zu ermitteln.

Aufbaukriterien für Ulbrichtkugeln zur hemisphärischen Probenbeleuchtung:
Fünf unterschiedliche Aufbaustrategien kommen zur Anwendung:

1. Lichtquellen mit einer Kugelhalbschale
2. Lichtquellen mit einer Ulbrichtschen Kugel mit
   Lichtaustrittsöffnung
3. Lichtquellen mit einem Probenhalter im Zentrum der
   Ulbrichtschen Kugel
4. Lichtquellen mit goniometrischem Probenhalter im Zentrum
   der Ulbrichtschen Kugel
5. Lichtquellen für Anwendungen mit Versuchspersonen

1. Lichtquelle mit einer Kugelhalbschale:
Der Aufbau der Lichtquelle mit nur einer Kugelhalbschale kommt dann zur Anwendung, wenn die Probe nicht im Zentrum einer Ulbrichtkugel positioniert werden kann. Dies ist häufig in Produktionsprozessen der Fall, bei denen hohe Taktraten, das Risiko einer Verschmutzung sowie der Platzbedarf gegen eine Lösung mit dem Testobjekt in der Ulbrichtschen Kugel sprechen. Eine Alternative sind Lichtquellen, die mit nur einer Kugelhalbschale aufgebaut sind. Bei dieser Lösung ist darauf zu achten, das Baffel und Monitordetektor im Sichtfeld des Testobjekts liegen somit die diffuse Beleuchtung beeinträchtigen.

2. Lichtquelle mit Ulbrichtscher Kugel und Probe an der Lichtaustrittsöffnung:
Für viele Anwendungen im Messlabor oder im Produktionsbereich mit häufiger Nutzung sind Ulbrichtkugel-Lichtquellen, bei denen die Displays an einer Lichtaustrittsöffnung angebracht werden, die geeignete Lösung. Die einfache Handhabung der Probe und das reduzierte Verschmutzungsrisiko sprechen für diese Lösung.

3. Lichtquelle mit Probenhalter im Zentrum der Ulbrichtschen Kugel
Aufbauten, bei denen die auf einem Probenhalter befestigte Probe durch eine Öffnung im Kugelzentrum positioniert wird, sind preiswerter als Ulbrichtkugeln, bei denen eine Kugelhalbschale geöffnet werden kann. Für letztere Variante sprechen allerdings die einfachere Handhabung und Ausrichtung der Testprobe.

4. Lichtquelle mit goniometrischem Probenhalter im Zentrum der Ulbrichtschen Kugel
Lichtquellen mit einem goniometrischen Probenhalter im Zentrum der Ulbrichtschen Kugel ermöglichen die Messung der Leuchtdichte und des Lichtfarbkontrastes bei diffuser Beleuchtung aus unterschiedlichen Blickrichtungen zum Display. Der goniometrische Probenhalter ermöglicht die Winkelausrichtung des Displays in zwei Achsen zum Leuchtdichtemessgerät.

5. Lichtquelle für Anwendungen mit Versuchspersonen
In der Grundlagenentwicklung kann es erforderlich sein, den Leuchtdichte und Lichtfarbkontrast von Displays durch physiologische Wahrnehmungen zu ermitteln. Dazu werden die Eindrücke einer statistisch ausgewählten Gruppe von Probanden und ausgewertet. Der Aufbau der Ulbrichtschen Kugeln entspricht weitestgehend denen in messtechnischen Anwendungen. Der wesentliche Unterschied ist die Ausführung der Lichtquelle, da in Anwendungen mit Probanden Farbtemperatur und Intensität der Probenbeleuchtung dem Tageslicht entsprechen. Als Farbtemperatur wird üblicherweise die CIE-Normlichtart D65 gewählt. Die Beleuchtungsstärke auf der Probe sollte einstellbar sein und den Bereich bis 100.000 Lux umfassen. Auch in Anwendungen mit Probanden können goniometrische Probenhalter eingesetzt werden, um die Wahrnehmung der Leuchtdichte und der Lichtfarbe unter unterschiedlichen Betrachtungswinkeln zu ermitteln.

Bild 1: Konfiguration und Funktionsmerkmale einer Ulbrichtkugel-Lichtquelle



Bild 2: Ulbrichtkugel-Lichtquelle mit nur einer
Kugelhalbschale


Bild 3: Konfiguration und Funktionsmerkmale einer Kugelhalbschalen-Lichtquelle


Bild 4: Ulbrichtsche Kugel mit 500 mm Durchmesser und 127-mm-Applikationsport zur
Probenpositionierung in der Kugel


Bild 5: Ulbrichtsche Kugel mit 500mm Durchmesser. Eine Kugelhalbschale zu Öffnen zur
Probenpositionierung in der Kugel


Bild 6: Ulbrichtsche Kugel mit 500 mm Durchmesser zur diffusen Probenbeleuchtung. Integriertes Goniometer zur ferngesteuerten Theta und Phi-Winkelausrichtung der Probe zum Leuchtdichtemessgerät. Messöffnung in +8°-Anordnung zur Probe mit zusätzlichem Port in –8°-Anordnung zur Reflexionsmessung mit und ohne Glanz. Zugang zum Probenhalter durch verschiebbare Kugel. X4 mit LDM-9812 Leuchtdichte-, Lichtfarb- und Lichtspektrummessgerät.


Bild 7: Kontrast und Lichtfarbinspektionseinrichtung für Selbstleuchter und reflektierende Proben bei diffuser Beleuchtung mit tageslichtähnlicher Farbtemperatur (D65). Einstellbare Beleuchtungsstärke auf der Probe bis 100.000 lx. Der Bildausschnitt zeigt Details des Probenhalters. Der Probenhalter kann zusammen mit dem Goniometer aus der Kugel gefahren werden.