Flimmerndes Backlight – nur ein Mythos?

1
936

Einleitung

Manche Menschen fühlen sich beim Blick auf einen modernen LCD-Monitor durch ein lästiges Flimmern gestört, selbst wenn der Monitor – z.B. bei der Textverarbeitung – ein statisches Bild zeigt. Woran liegt das, und kann man dagegen etwas tun?

Flimmern

Wenn sich die Helligkeit des Lichts, das in unser Auge fällt, in kurzen zeitlichen Abständen stark verändert, nehmen wir das als Flimmern wahr. Bei etwa 3 Hell-Dunkel-Wechseln pro Sekunde (3 Hz) sind solche Helligkeitsänderungen sehr auffällig, bei höheren Frequenzen entsteht eine lästige Störwirkung, deren Maximum etwa zwischen 6 und 10 Hz liegt. Ab etwa 20 Hz lässt die Belästigung deutlich nach, oberhalb von etwa 50 Hz geht das Flimmern schließlich in einen konstanten Lichteindruck über. Die Frequenz dieses Übergangspunktes wird als Flimmerverschmelzungsfrequenz (FVF) bezeichnet.

Moderne Verfahren zur Wiedergabe bewegter Bilder arbeiten deshalb seit vielen Jahren mit Bildfrequenzen, die deutlich oberhalb von 20 Hz liegen. Für LCD-Bildschirme wird fast immer eine Bildfrequenz von 60 Hz verwendet. Damit liegt man eigentlich auf der sicheren Seite, doch warum sehen manche Menschen dennoch ein Flimmern?

Besonderheiten bei Bildschirmen

Zunächst entsteht beim konzentrierten Blick auf den Bildschirm ein hoher Sichtreiz, bei dem fast alle anderen Umgebungswahrnehmungen ausgeblendet werden. Dabei wird nicht nur das zentrale (foveale) Blickfeld angesprochen, sondern auch das seitliche (periphere) Blickfeld, bei dem die Flimmerverschmelzungsfrequenz generell erheblich höher liegt. Alte Röhrenmonitore und Fernseher mit 50 Hz flimmern beim direkten Blick für viele Leute noch nicht, beim Blick aus dem Augenwinkel wird das Flimmern dagegen sehr deutlich sichtbar. Vor zwanzig Jahren galten Bildfrequenzen von mindestens 72 Hz für Röhrenmonitore als flimmerfrei (TCO 92).

Vor allem bei jungen Leuten kann die individuelle Flimmerverschmelzungsfrequenz noch viel höher liegen, in Versuchsreihen wurden Werte über 100 Hz erreicht. Heutige LCD-Bildschirme verschieben die Flimmergrenze durch die hohe Helligkeit und den großen Kontrastumfang ebenfalls nach oben. Insgesamt ist die tatsächliche Flimmerverschmelzungsfrequenz ein sehr individueller Wert, der von technischen, persönlichen und situationsabhängigen Parametern stark beeinflusst wird. In der Praxis liegt sie irgendwo zwischen 40 und 120 Hz, meist aber zwischen 50 und 60 Hz.

Für empfindliche Menschen könnte die übliche Bildwechselfrequenz von 60 Hz also durchaus schon zu niedrig sein, doch das betrifft nur bewegte Bildfolgen. LCD-Monitore schalten beim Bildwechsel nahtlos auf das nächste Bild um, feststehende Abbildungen wie ein Textfenster sollten daher in jedem Fall flimmerfrei erscheinen. Wie also kann ein statisches Bild flimmern?

Backlight

Eine wenig bekannte zweite Flimmerquelle, deren Wirkung von der Bildfrequenz völlig unabhängig ist, finden wir in der Hintergrundbeleuchtung des LCD-Monitors, auch als Backlight bezeichnet. Kaltkathodenröhren (CCFL) oder Leuchtdioden (LED) erzeugen ein weißes Licht, das nach vorne durch das transparente Panel strahlt und dabei das Bild sichtbar macht, das von den Flüssigkristallen im Panel (LCD) gebildet wird. Die Kristalle bestimmen schließlich die Farbe und Helligkeit jedes einzelnen Bildpunktes.

Nicht immer ist die volle Helligkeit gewünscht, die solch ein Bildschirm erreichen kann. In abgedunkelter Umgebung kann ein Monitor, der stets mit voller Leistung des Backlights arbeitet, sogar sehr belastend für die Augen sein. Naheliegend wäre es, die Helligkeit der Bildpunkte einfach durch die Transparenz der Flüssigkristalle zu steuern, doch dadurch bliebe der dunkelste Punkt (Schwarzwert) stets gleich, während die helleren zunehmend abgeregelt würden. Als Folge davon würde der Bildkontrast als Verhältnis des hellsten zum dunkelsten Bildpunkt mit zunehmender Abregelung immer schlechter – das Bild würde flau.

Dieser Nachteil wird vermieden, wenn man stets den maximalen Transparenzbereich der Kristalle ausnutzt und stattdessen die Leuchtkraft des Backlights verändert. Am einfachsten wäre sicherlich eine Absenkung der Betriebsspannung, doch dadurch ergäbe sich nur ein kleiner Regelbereich, weil die verwendeten Lichtquellen nur innerhalb relativ enger Grenzwerte korrekt arbeiten können. Die allgemein angewandte Alternative besteht deshalb darin, das Backlight regelmäßig für einen Sekundenbruchteil auszuschalten. Solange diese Pause kurz genug ist, wird sie vom Auge nicht bemerkt, doch der Helligkeitseindruck sinkt mit zunehmender Länge der Dunkelphasen. Dieses Verfahren wird als Pulsweitenmodulation (PWM) bezeichnet.

Messgrafik: Helligkeitsverlauf bei CCFL mit PWM (140 Hz)
Helligkeitsverlauf bei CCFL mit PWM (140 Hz)

Hier ist sie also, die ominöse zweite Flimmerquelle: sobald man den Helligkeitsregler eines LCD-Monitors herunterdreht, entstehen Hell-Dunkel-Wechsel im Backlight, die die Bildhelligkeit modulieren und von empfindlichen Menschen genau so störend empfunden werden können wie die Bildwechselfrequenz. Mit einem ganz wesentlichen Unterschied: das Backlight flimmert nicht nur beim Bildwechsel, sondern andauernd. Folglich sind davon nicht nur Videos und Spiele betroffen, sondern gerade die typischen Büroanwendungen mit ihren großflächigen hellen Hintergründen: Textverarbeitung, Tabellenkalkulation, Mailclient, Dateiverzeichnisse usw.

Fortschritt durch LED?

Immer mehr Backlights werden heute nicht mehr mit CCFL, sondern mit LED bestückt. Dies bringt einige Vorteile mit sich, vor allem sinkt der Stromverbrauch hierdurch ganz erheblich. Mit Blick auf das Flimmern erweist sich aber eine andere Eigenschaft als wichtig: LED können viel schneller von hell auf dunkel und zurück umschalten als CCFL. Eigene Messungen zeigen, dass typische Schaltzeiten von CCFL im Bereich von 2 bis 5 Millisekunden liegen, doch LED sind um den Faktor 1000 schneller. Während ein CCFL-Backlight also in der Dunkelphase nur relativ langsam dunkel wird und oft gar nicht bis zum Schwarzwert kommt, schaltet ein LED-Backlight noch in der kürzesten Pause nahezu schlagartig auf Schwarz um. Der Umschaltkontrast steigt dadurch erheblich an, wodurch der Flimmereindruck noch verstärkt wird.

Messgrafik: Helligkeitsverlauf bei LED mit PWM (280 Hz)
Helligkeitsverlauf bei LED mit PWM (280 Hz)

Eine zweite Besonderheit zeigt sich beim Regelbereich. Die zulässigen Betriebsparameter bei CCFL erlauben bereits eine gewisse kontinuierliche Abregelung, der Anteil der PWM an der gesamten Abregelung kann deshalb etwas geringer ausfallen. Bei LED ist der kontinuierliche Bereich dagegen meist recht klein, die PWM-Technik muss demnach einen größeren Anteil übernehmen. Leistungsstarke Panels, die am Arbeitsplatz mit sehr weit abgeregelter Helligkeit laufen, erzeugen dann nur noch kurze Blitze mit nahezu voller Leistung, denen deutlich längere Pausen folgen. Derart kleine Tastverhältnisse (Hellzeit zur gesamten Schaltzeit) verstärken das Flimmern ebenfalls.

1 KOMMENTAR

  1. Irgendwie ist mir das noch nicht ganz klar: Wenn ich einen IPS (LCD) Monitor habe, der kontinuierliches Backlight verwendet und der ein Standbild anzeigt: Warum flimmert der denn noch? Die Panelpixel ändern sich ja bei gleichem Bild gar nicht und das Backlight ist auch kontinuierlich. Da sollte man doch immer genau zu jedem Zeitpunkt das gleiche Licht messen können?!

Diskussion: Neuen Beitrag verfassen