Messtechnik für LCDs Display-Kontrastmessung prüft Eignung für Cockpit-Anwendungen

Die Lufthansa rüstet ihre Piloten mit Subnotebooks, den „Pilot-Workpads“ aus. Da diese Rechner auch im Cockpit verwendet werden, sind die Anforderungen besonders streng. Dazu gehört die Ablesbarkeit des Notebookdisplays unter möglichst allen Umgebungsbedingungen zu gewährleisten. Zusammen mit autronic-Melchers hat die Fluggesellschaft ein Mess-Szenario entwickelt, um die Qualität der Displays zu kontrollieren.

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Mitte 2005 will die Lufthansa 4000 neue Subnotebooks anschaffen. Dazu wurde vergangenes Jahr in einer Ausschreibung das Anforderungsprofil definiert. Gesucht werden robuste Notebooks unter 2 kg Gewicht mit 12,1- oder 13,30-Display. Die geforderte Auflösung liegt bei 1024 x 768 mit 32 Bit Farbtiefe. Die Helligkeit soll zwischen 5 und 120 cd/m² über Funktionstasten oder über einen Regler am Gehäuse stufenlos regelbar sein. Die Vorgabe für das Kontrastverhältnis ist 300:1. Jedes angebotene Produkt muss hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften nach RTCA DOC 160 D zertifiziert sein.

Lufthansa wird die Geräte vor der endgültigen Auswahl auch noch selbst einer Reihe von EMI-(Electro-Magnetical-Interference-)Tests unterziehen um sicherzustellen, dass die Notebooks die Navigationsinstrumente im Cockpit nicht stören. Zur Bestimmung der Display-Ergonomie schließlich enthält die Ausschreibung die Verpflichtung, die Geräte von autronic-Melchers evaluieren zu lassen.

Die hohen Anforderungen an die Pilot-Workpads ergeben sich aus ihrer Anwendung. Um optimale Bedingungen für den Abflug sicherzustellen, wird jeder Startverlauf vorab auf dem Workpad berechnet. Dazu loggen sich Kapitän und Co-Pilot mit ihren Workpads an der Basisstation über eine LAN-Verbindung in das Firmennetzwerk ein und bringen ihre „Airportfiles“ – alle Flughafen-, Start- und Wetterdaten – auf den neuesten Stand. Aus diesen Daten wird das optimale Startgewicht berechnet und daraus alle wichtigen Größen wie die Startgeschwindigkeit oder der beim Abflug benötigte Treibstoff und Triebwerkseinsatz. Zudem ist der Vergleich der von Kapitän und Co-Pilot berechneten Daten ein wichtiger Sicherheitsfaktor: Nur wenn alle Daten übereinstimmen, wird gestartet.

Die Lichtverhältnisse, unter denen die Piloten mit den Workpads arbeiten, könnten unterschiedlicher nicht sein: Während die Piloten nachts in der Flugvorbereitung auf dem Vorfeld teilweise fast vollständig im Dunkeln arbeiten, ist tags die Sonneneinstrahlung über den Wolken enorm. Außerdem stellen direkte Sonne und blendende Scheinwerfer hohe Anforderungen an die Entspiegelung der Display-Oberfläche. Die Reflexionseigenschaften müssen daher in der Vermessung der Displays ebenfalls beachtet werden.

Umgebungsbedingungen zur Kontrastmessung

Für die Messungen an den Subnotebooks wurden folgende Umgebungsbedingungen gewählt: Dunkelraum, 300 lx Auflicht – was den Betrieb bei mäßiger Beleuchtung simuliert – und 5000 lx, als Simulation eines taghellen Cockpits. Für diese drei Beleuchtungsszenarien wurde der Schwarz-Weiß-Kontrast gemessen, der für das Lesen von Schrift entscheidend ist.

Im Gegensatz zu Röhrenmonitoren müssen LCDs hinterleuchtet werden. Die Hinterleuchtung soll möglichst gleichmäßig sein, eine hohe max. Leuchtdichte erreichen und – hier liegt eine Besonderheit in den Anforderungen für die Piloten-Notebooks – eine möglichst niedrige Minimalleuchtdichte im gedimmten Zustand. Die Gleichmäßigkeit der Hinterleuchtung wurde überprüft, indem die Leuchtdichte an neun Positionen in Richtung der Display-Normalen in Messflecken von ca. 3 mm Durchmesser gemessen wurde. Alle Displays zeigten akzeptable Abweichungen. Bei der max. Leuchtdichte stach eines der getesteten Geräte mit Werten um 250 cd/m² heraus, während die anderen durchschnittlich auf 137 cd/m² kamen.

Kriterium: Minimalwerte des gedimmten Displays

Die Minimalwerte des gedimmten Displays sind ein wichtiges Kriterium: Bei Nacht muss die Display-Hinterleuchtung soweit reduziert werden, dass der Anwender nicht geblendet wird. Ein zu helles Display stellt sogar eine Gefahr dar, da sich das menschliche Auge zwar schnell auf den Wechsel von dunkel zu hell umstellen kann, die Adaption an die Dunkelheit aber wesentlich langsamer geschieht. Aus Sicherheitsgründen dürfen daher Kfz-Armaturen bei Nacht keine höhere Leuchtdichte als 10 cd/m² aufweisen. Geht man von diesem Grenzwert aus, so lagen mehrere der Geräte darüber, teils sogar um das Doppelte.

Flüssigkristall-Displays lassen sich aus verschiedenen Winkeln unterschiedlich gut ablesen, weshalb die blickwinkelabhängige Kontrastmessung ein wesentlicher Aspekt der Display-Evaluation ist. Die Kontrastangaben der Hersteller beziehen sich immer auf Schwarz-Weiß-Kontraste unter Dunkelraumbedingungen. Messungen in vollkommener Dunkelheit haben aber wenig Aussagekraft für die Praxis. Gleichwohl ist die Messung der Leuchtdichte im Hell- und Dunkel-Zustand des Displays unter Dunkelraumbedingungen auch hier der Ausgangspunkt der Kontrastbestimmung, da sich so gewissermaßen die reinen Display-Eigenschaften charakterisieren lassen.

Die Messungen wurden mit dem von autronic-Melchers entwickelten Cono-Scope (Bild 1) durchgeführt. Dieses Messgerät stellt mit einer einzigen Messung alle Leuchtdichtewerte für den Blickrichtungskegel über dem Messpunkt fest. Somit entfällt die mechanische Positionierung des Detektors in unterschiedlichen Winkeln.

Die Ergebnisse werden in Kontrastdiagrammen dargestellt, auf denen sich ablesen lässt, dass alle getesteten Displays leicht 6:00-Uhr-optimiert sind. Das bedeutet, dass sie die optimale Darstellung erreichen, wenn der Betrachter in einem Winkel von ca. 3° zur Senkrechten leicht von unten auf den Bildschirm blickt. Die Kontrastwerte lagen meist im Bereich der in der Ausschreibung geforderten 300:1.

Diffuse Beleuchtung simuliert die Realität

Im Vergleich zum Dunkelraum verändert die Reflexion von Licht aus der Umgebung die Kontrastwerte entscheidend. Durch die Reflexion wird die Leuchtdichte der dunklen Bildanteile erhöht, wodurch der Kontrast sinkt. Um die Ablesbarkeit bei einer Beleuchtungsstärke von ungefähr 300 lx bewerten zu können, wurden die Displays diffus beleuchtet. Bei einer diffusen Beleuchtung wird aus sämtlichen Betrachtungsrichtungen mit nahezu gleicher Intensität auf das Messobjekt eingestrahlt. Eine vergleichbare reale Situation bietet ein bewölkter Himmel. Die Beleuchtung erfolgt bei der Messung mit dem Cono-Scope direkt durch die Linse des Messgeräts.

Die dargestellten Kontrastdiagramme zeigen die Ergebnisse von drei Standard-Notebooks. Alle verfügen über ein 12,10-TFT-LCD. Notebook (a) und (b) sind baugleich, Variante (b) verfügt zusätzlich über Touchscreen. Notebook (a) und (c) unterscheiden sich durch ein höheres Kontrastverhältnis im Dunkelraum.

Touchscreen für Pilot-Workpads nicht zu empfehlen

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Im Ergebnis zeigten alle Notebooks einen genügend hohen Kontrast (ca. 20:1) auf, um ein normales Arbeiten zu ermöglichen. Zwei der Geräte wurden auch in einer Variante mit Touchscreen gestestet und es zeigte sich, dass sie trotz guter Dunkelraumwerte (Bild 2b) eine weniger befriedigende Darstellungsqualität haben (Bild 3b).

Die kontrastreduzierende Wirkung der diffusen Reflexion zeigte sich noch deutlicher beim Test mit 5000 lx, bei dem sich die Werte im Bereich zwischen 2,3 und 5 bewegten (Bild 4). Da ein Kontrastverhältnis von 2,5:1 die Untergrenze ist, bei der Schwarz und Weiß noch sicher unterschieden werden können, wurde klar, dass die Option eines Touchscreens für die Pilot-Workpads nicht zu empfehlen ist: Die Kontrastwerte der Touchscreen-Modelle lagen deutlich unter 2 (Bild 4b).

Im Vergleich der Dunkelraumkontrastwerte mit den Messungen bei Auflicht ergab sich ein anderes „Ranking“ unter den getesteten Geräten und es zeigte sich, dass Displays, die bei einer Messung im Dunkeln bessere Werte aufwiesen, nicht unbedingt auch eine bessere Darstellung unter realen Anwendungsbedingungen boten (Bild 2c, 3c, 4c). Die diffuse Streuung des Lichts legt einen hellen Schleier über das Display. Damit verblassen dunkle Pixel im Auflicht und sind wesentlich heller als bei dunkler Umgebung. Der Kontrast wird deutlich reduziert und Farben waschen aus.

Reflexionen im Display können das Auge ermüden

Die Streueigenschaften der Display-Oberfläche müssen aber auch noch unter einem anderen Aspekt untersucht werden, der spiegelnden Reflexion. Spiegeln sich im Display beispielsweise Hemd und Krawatte des Piloten, beleuchtete Instrumente oder ein helles Cockpitfenster, dann fokussiert das Auge des Betrachters ständig zwischen dem Spiegelbild und dem eigentlichen Display-Inhalt um. Diese unwillkürliche Reaktion des Auges kann zu Ermüdung und Kopfschmerzen führen.

Die Messungen zur Reflexion wurden ebenfalls mit den Cono-Scope durchgeführt. Als Referenzwert für 100% wurde eine polierte schwarze Glasscheibe verwendet. Die Reflektionswerte lagen üblicherweise unter 0,8%. Ein Ergebnis überraschte allerdings: Das Notebook, das sich durch besonders gute Kontrast- und Leuchtdichtewerte ausgezeichnet hatte, zeigte eine deutlich spiegelähnliche Reflexionscharakteristik. Ebenfalls relativ stark spiegelnd waren die Touchscreen-Displays. Die Messungen bestätigten bekannte Nachteile der Touchpanel-Technik, die durch den inneren Aufbau der Touchscreens bedingt sind.

Datenblätter der Hersteller und der Augenschein reichen oft nicht aus, wenn es darum geht, Displays für anspruchsvolle Anwendungen zu beschaffen. Sich mit praxisnahen Messungen Klarheit zu schaffen, kann als Entscheidungshilfe nützlich sein.

*Marcus Planckh betreut die Presse- und Öffentlichkeitsarbeit von autronic-Melchers.

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