Come ottimizzare la luminosità del display per il risparmio energetico in tempo reale

I display a cristalli liquidi, o LCD, si trovano in innumerevoli applicazioni, tra cui termostati, terminali palmari medicali, cruscotti delle vetture, tablet e notebook. In queste applicazioni, i progettisti devono studiare come ottenere la massima leggibilità del display senza affaticare gli occhi e allo stesso tempo consumare meno energia possibile.

Per soddisfare questi requisiti, la luminosità del display può essere regolata rilevando innanzitutto il livello di luce ambiente con un sensore apposito (ALS). Dietro lo schermo del display viene montato un ALS che rileva il livello di luce ambiente sulla base del quale viene stabilita una luminosità del display accettabile per l'occhio e che, al contempo, riduca al minimo il consumo energetico.

Questo articolo valuta le capacità di tre tecnologie ALS e indica una soluzione per le sfide poste dalla regolazione dell'intensità e dal consumo energetico degli schermi LCD allo scopo di coniugare il risparmio di energia e un'adeguata luminosità dello schermo.

Misurazione accurata delle bande visive

Il primo passo nell'ottimizzazione della luminosità degli LCD consiste nel rilevare con precisione la luce ambiente utilizzando un ALS. La porzione dello spettro elettromagnetico visibile dall'occhio umano è approssimativamente compresa tra 400 e 750 nm di lunghezza d'onda (Figura 1). Un dispositivo a stato solido come il fotodiodo per il rilevamento delle condizioni di illuminazione ambientale è il componente più logico da impiegare per questa applicazione. Il fotodiodo converte la luce in una corrente elettrica.

Figura 1: Quella visibile dall'occhio umano è una porzione ristretta dell'intero spettro elettromagnetico e va da 400 a 750 nm. (Immagine per gentile concessione di ECN)

Sebbene l'intervallo della sensibilità alla luce del fotodiodo al silicio (da circa 300 nm a 1100 nm) non corrisponda a quello umano, la sovrapposizione che si produce è utile (Figura 2).

Figura 2: Grafico della risposta spettrale dell'occhio umano rispetto a quella del fotodiodo in cui si nota l'area di sovrapposizione utile. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La prima sfida in questo progetto è quella di catturare l'intervallo spettrale dell'occhio umano dal segnale di un fotodiodo.

Trasformazione nella risposta spettrale umana

L'utente si aspetta che ogni macchina e strumento sia appropriato per le sue esigenze visive. L'ALS misura l'illuminamento sul display del dispositivo. Senza filtraggio ottico, questa misurazione includerebbe la luce visibile, oltre ai raggi ultravioletti (UV) e infrarossi (IR). I segnali UV e IR si combinano rendendo di conseguenza più luminosa la luce visibile ambientale. A causa di ciò, l'uscita del controller di retroilluminazione del display produrrà una risposta fotopica, o umana, spiacevole al display nelle condizioni di luce ambiente.

La mappatura precisa richiede al progettista di modificare la luce ambiente utilizzando fotodiodi, filtri ottici, amplificatori e convertitori. Grazie all'integrazione di questi elementi in un singolo dispositivo ALS, tutto ciò è reso più semplice. L'obiettivo di un ALS, quindi, è rimuovere le componenti IR e UV dall'uscita del sensore e presentare una risposta spettrale dell'occhio umano, mantenendo la luminanza complessiva dell'LCD a un livello confortevole (Figura 3).

Figura 3: Il filtraggio ottico, altri componenti interni e appositi calcoli consentono all'ALS OPT3001 di mappare il segnale ambiente in ingresso sulla risposta spettrale dell'occhio umano. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Le caratteristiche dei semiconduttori così migliorate hanno aperto la strada a nuove applicazioni in cui i dispositivi ora integrano filtri colorati che consentono il rilevamento dei singoli colori rosso, verde e blu (RGB).

Filtri ottici speciali per UV e IR

Grazie ai filtri ottici rossi, verdi, blu e trasparenti (questi ultimi atti a far pervenire al fotodiodo luce non filtrata) il dispositivo ALS rileva quattro spettri di luce con quattro fotodiodi separati. Usando i quattro segnali del fotodiodo filtrato, l'ALS produce un ritorno digitale dei tre colori primari (RGB), un quarto per la risposta ambientale e un quinto per bloccare la luce infrarossa (IRCUT). L'alta sensibilità, l'ampia gamma dinamica e i cinque filtri rendono l'ALS una soluzione ideale per sensori di colore da utilizzare in condizioni di illuminazione variabili.

Tra i numerosi produttori e fornitori di ALS ne citiamo solo alcuni come ROHM Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, OSRAM Opto Semiconductors, Inc e Vishay Semiconductor / Opto Division. Esaminiamo ora i dispositivi ALS di ROHM Semiconductor, ams e Texas Instruments.

I dispositivi ALS di ROHM Semiconductor utilizzano il filtro IRCUT

L'applicazione di destinazione per il sensore di colore digitale con uscita seriale a 16 bit BH1745NUC-E2 di ROHM Semiconductor è un ALS che regola la retroilluminazione del display LCD di un apparecchio TV, di uno smartphone o di un tablet.

BH1745NUC-E2 rileva la luce UV e IR attraverso un filtro trasparente e utilizza un filtro IRCUT prima dei filtri del rosso, del verde e del blu (Figura 4).

Figura 4: BH1745NUC-E2 è un sensore di colore digitale con uscita seriale a 16 bit dotato di filtro trasparente all'esterno del filtro IRCUT. (Immagine per gentile concessione di ROHM)

In BH1745NUC-E2, un filtro IRCUT precede i filtri ottici rosso, verde e blu per consentire alla risposta spettrale umana di passare ai convertitori analogico/digitale (ADC). Il filtro IRCUT consente il passaggio della luce visibile mentre blocca la luce nello spettro degli infrarossi. Il filtro trasparente apporta un aiuto nella realizzazione di algoritmi di dimmeraggio realistici dal punto di vista umano, per autenticità e basso consumo energetico. Il guadagno di ogni ADC a 16 bit è preprogrammato per produrre la mappatura più accurata sull'esperienza visiva (Figura 5).

Figura 5: Risposta spettrale corrispondente a rosso, verde, blu e trasparente (RGBC) di BH1745NUC-E2 di ROHM (Immagine per gentile concessione di ROHM)

L'ampia gamma dinamica del BH1745NUC-E2 (0,005 - 40.000 lux) e le eccellenti caratteristiche IRCUT lo rendono idoneo per ottenere l'illuminamento e la temperatura del colore della luce ambiente.

Il filtro IR dell'ALS di ams funge da prefiltro per tutti gli altri filtri

Le applicazioni privilegiate per il convertitore da luce a digitale TCS34727FN di ams con filtro IR sono TV, cellulari, tablet, computer e monitor. L'attuale strategia per gli ALS TCS34727FN utilizza una configurazione diversa dei cinque filtri ottici. La configurazione del filtro per TCS34727FN utilizza per primo un filtro di blocco IR per tutti e quattro i filtri di colore (rosso, verde, blu e trasparente) (Figura 6).

Figura 6. L'ALS TCS34727FN a 16 bit dispone del filtro IR che funge da blocco degli infrarossi per gli altri quattro filtri. (Immagine per gentile concessione di ams)

Il dispositivo TCS34727FN dispone di quattro ADC integrati che convertono simultaneamente le correnti amplificate del fotodiodo in valori digitali a 16 bit. Il filtro di blocco IR riduce al minimo la luce in ingresso nella sua componente spettrale dell'infrarosso consentendo misurazioni accurate del colore. L'alta sensibilità, l'ampia gamma dinamica e il filtro di blocco IR rendono l'ALS una soluzione ideale per sensori di colore da utilizzare in condizioni di illuminazione variabili (Figura 7).

Figura 7: La risposta spettrale RGBC di TCS34727FN mostra le caratteristiche di ogni filtro ottico e il guadagno di ogni ADC. (Immagine per gentile concessione di ams)

TCS34727FN è ampiamente utilizzato in prodotti dotati di display come smartphone, notebook e televisori per rilevare l'illuminazione ambientale. Questo dispositivo consente la regolazione automatica efficiente della luminosità del display per una visione ottimale e un risparmio energetico. TCS3472 può entrare in uno stato di attesa a potenza ridotta tra un rilevamento della luce e l'altro per contenere ulteriormente il consumo energetico medio.

L'ALS di Texas Instruments respinge il 99% della luce IR

Le applicazioni tipiche per l'ALS OPT3001DNPT di Texas Instruments sono i controlli della retroilluminazione dei display, i sistemi di controllo dell'illuminazione e i display di tablet e notebook. Questo dispositivo misura l'intensità della luce visibile con una risposta spettrale del sensore molto vicina a quella dell'occhio umano (Figura 8). Questo risultato viene ottenuto tramite un filtro ottico anteriore che respinge oltre il 99% della luce a infrarossi prima che la luce rilevata raggiunga l'ADC di integrazione.

Figura 8: Il diagramma a blocchi del sistema OPT3001 di Texas Instruments mostra il filtro ottico che blocca il 99% della luce IR prima che il segnale rilevato raggiunga l'ADC di integrazione. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

L'ADC ha una gamma dinamica efficace a 23 bit con intervallo di guadagno automatico. Questo esposimetro a chip singolo respinge i segnali luminosi a infrarossi ma nel frattempo misura l'intensità della luce visibile. Indipendentemente dalla sorgente luminosa, la risposta spettrale di precisione dell'OPT3001 e la forte reiezione dei raggi infrarossi consentono al dispositivo di misurare con precisione l'intensità della luce visibile dall'occhio umano.

Una forte reiezione dei raggi infrarossi aiuta a mantenere l'alta precisione quando la progettazione industriale richiede il montaggio del sensore sotto un vetro scuro a fini estetici.

Un problema interessante che può verificarsi con un display retroilluminato è che le misurazioni della luce cambiano a seconda dei diversi input e sorgenti luminose. Il vetro scuro, ad esempio, trasmette segnali luminosi a infrarossi. Le lampade a incandescenza hanno una forte componente infrarossa che, a causa del coefficiente di trasmissione del vetro, raggiunge il sensore. Con la sua capacità di reiezione dei raggi infrarossi pari al 99%, OPT3001 misura solo ciò che è nella regione visibile e mappa la risposta dell'occhio umano sulle quattro risposte collettive dell'ADC (Figura 9).

Figura 9: OPT3001 cattura lo spettro nella regione visibile e la risposta dell'occhio umano (a sinistra) e mappa tale risposta con le quattro risposte collettive dell'ADC (a destra). (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Per avvicinarsi alla reazione dell'occhio umano, l'OPT3001 ha una funzione di impostazione del guadagno automatico che risponde automaticamente al livello di luce in ingresso. Il dispositivo si mantiene nell'intervallo ottimale con una buona risoluzione e una precisione notevole tra gli intervalli. La precisione relativa tra gli intervalli di guadagno è dello 0,2%.

Conclusione

Gli ALS possono essere utilizzati per misurare l'intensità della luce visibile e quindi per offrire all'utente un display LCD leggibile con il minor consumo energetico possibile. L'obiettivo di ogni produttore è di far combaciare quanto più possibile la risposta spettrale di questi sensori con quella dell'occhio umano, compresa la significativa reiezione all'infrarosso, tenendo al contempo i consumi al minimo indipendentemente dalla sorgente luminosa o dall'applicazione.

Ciò detto, si tratta comunque di una valutazione soggettiva perché ogni ALS di questo articolo si comporta diversamente in base ai vari tipi di filtraggio ottico, di amplificazione del colore visivo e dei livello di risoluzione dell'ADC e di gradimento. In definitiva, il risultato prodotto da un dispositivo ALS è simile a quanto accade nell'industria audio: un individuo può accettare l'aspetto o il suono di una soluzione che un secondo individuo potrebbe respingere totalmente. Ciò offre ai progettisti una certa libertà di creatività e differenziazione nei loro progetti per LCD.