Iluminare din spate - Backlight
O lumină de fundal este o formă de iluminare utilizată în afișajele cu cristale lichide (LCD). Deoarece LCD-urile nu produc lumină de la sine - spre deosebire, de exemplu, de afișajele cu tub catodic (CRT) - au nevoie de iluminare ( lumină ambientală sau o sursă specială de lumină) pentru a produce o imagine vizibilă. Luminile din spate iluminează ecranul LCD din partea laterală sau din spate a panoului de afișare, spre deosebire de luminile din față, care sunt plasate în fața ecranului LCD. Lumina de fundal este utilizată în afișaje mici pentru a crește lizibilitatea în condiții de lumină slabă, cum ar fi ceasurile de mână , și sunt utilizate în telefoanele inteligente , afișajele computerului și televizoarele LCD pentru a produce lumină într-un mod similar cu un afișaj CRT. O revizuire a unor scheme de iluminare timpurie timpurie pentru LCD-uri este dată într-un raport Inginerie și istorie tehnologică de Peter J. Wild.
Tipurile simple de LCD-uri, cum ar fi calculatoarele de buzunar, sunt construite fără o sursă de lumină internă, necesitând surse de lumină externe pentru a transmite utilizatorului imaginea afișată. Majoritatea ecranelor LCD, totuși, sunt construite cu o sursă de lumină internă. Astfel de ecrane constau din mai multe straturi. Lumina de fundal este de obicei primul strat din spate. Supapele de lumină variază apoi cantitatea de lumină care ajunge la ochi, blocând trecerea acestuia într-un fel. Majoritatea folosesc un filtru polarizator fix și unul de comutare, pentru a bloca lumina nedorită.
Tipuri de surse de lumină
Sursa de lumină poate fi alcătuită din:
- Diodele emițătoare de lumină (LED-uri)
- Un panou electroluminiscent (ELP)
- Lămpi fluorescente cu catod rece (CCFL)
- Lămpi fluorescente cu catod fierbinte (HCFL)
- Lămpi fluorescente cu electrod extern (EEFL)
- În trecut, becuri incandescente
Un ELP emite lumină uniformă pe întreaga sa suprafață, dar alte lumini de fundal folosesc frecvent un difuzor pentru a oferi iluminare uniformă dintr-o sursă neuniformă.
Lumina de fundal vine în multe culori. Ecranele monocrome au în mod obișnuit lumini de fundal galbene , verzi , albastre sau albe , în timp ce afișajele color utilizează lumini de fundal albe care acoperă cea mai mare parte a spectrului de culori .
Utilizare
Iluminarea de fundal colorată cu LED este cea mai frecvent utilizată în panourile LCD mici și ieftine. Lumina de fundal cu LED alb devine dominantă. Iluminarea din spate ELP este adesea utilizată pentru afișaje mai mari sau atunci când chiar și iluminarea din spate este importantă; poate fi de asemenea colorat sau alb. Un ELP trebuie să fie acționat de o tensiune de curent alternativ relativ înaltă , care este furnizată de un circuit invertor . Iluminările de fundal CCFL sunt utilizate pe afișaje mai mari, cum ar fi monitoarele de computer, și sunt de obicei de culoare albă; acestea necesită, de asemenea, utilizarea unui invertor și difuzor. Lumina de fundal incandescentă a fost utilizată de primele panouri LCD pentru a atinge luminozitatea ridicată, dar durata de viață limitată și excesul de căldură produs de becurile incandescente au fost limitări severe. Căldura generată de becurile cu incandescență necesită de obicei ca becurile să fie montate departe de afișaj pentru a preveni deteriorarea.
Lumini de fundal CCFL
Timp de câțiva ani (până în 2010), lumina de fundal preferată pentru panourile LCD mari cu adresă matricială, cum ar fi monitoarele și televizoarele, s-a bazat pe o lampă fluorescentă cu catod rece (CCFL) utilizând două CCFL la marginile opuse ale LCD-ului sau o gamă de CCFL-uri în spatele ecranului LCD (a se vedea imaginea unei matrice cu 18 CCFL-uri pentru un televizor LCD de 40 inch). Datorită dezavantajelor în comparație cu iluminarea cu LED (este necesară o tensiune și o putere mai ridicate, un design mai gros al panoului, fără comutare de mare viteză, o îmbătrânire mai rapidă), iluminarea din spate cu LED-uri devine din ce în ce mai populară.
Lumini de fundal cu LED
Iluminarea cu LED-uri în ecranele color este disponibilă în două variante: lumini de fundal cu LED-uri albe și iluminare cu LED-uri RGB. LED-urile albe sunt utilizate cel mai adesea în notebook-uri și ecrane de birou și alcătuiesc practic toate ecranele LCD mobile. Un LED alb este de obicei un LED albastru cu fosfor galben cu spectru larg pentru a rezulta în emisia de lumină albă. Cu toate acestea, deoarece curba spectrală are vârfuri galbene, este o potrivire slabă cu vârfurile de transmisie ale filtrelor de culoare roșie și verde ale ecranului LCD. Acest lucru face ca primarele roșii și verzi să se deplaseze spre galben, reducând gama de culori a afișajului. LED-urile RGB constau dintr- un LED roșu, albastru și verde și pot fi controlate pentru a produce diferite temperaturi de culoare ale albului. LED-urile RGB pentru iluminarea din spate se găsesc în afișajele de înaltă calitate, precum monitorul HP DreamColor LP2480zx sau notebook-urile HP EliteBook selectate , precum și afișajele mai recente pentru consumatori, cum ar fi laptopurile din seria Studio Dell, care au un ecran LED RGB opțional.
LED-urile RGB pot oferi o gamă enormă de culori ecranelor. Când utilizați trei LED-uri separate ( culoare aditivă ), lumina de fundal poate produce un spectru de culori care se potrivește îndeaproape cu filtrele de culoare din pixelii LCD . În acest fel, banda de trecere a filtrului poate fi îngustată astfel încât fiecare componentă de culoare să permită doar o bandă foarte îngustă de spectru prin LCD. Acest lucru îmbunătățește eficiența afișajului, deoarece este blocată mai puțină lumină atunci când este afișat alb. De asemenea, punctele roșu, verde și albastru pot fi mutate mai departe, astfel încât afișajul să poată reda culori mai vii.
O nouă metodă de îmbunătățire a gamei de culori a panourilor LCD retroiluminate cu LED se bazează pe LED-uri albastre (cum ar fi GaN) care iluminează un strat de fosfor nanocristal, așa-numitele Quantum Dots (QD) , care convertesc lungimile de undă albastre în lungimea dorită lungimi de undă sub formă de lățime de bandă îngustă, culori verde și roșu, pentru iluminarea optimă a ecranului LCD din spate. Producătorul, Nanosys , susține că ieșirea de culoare a punctelor poate fi reglată exact prin controlul dimensiunii nanocristalelor. Alte companii care urmăresc această metodă sunt Nanoco Group PLC (Marea Britanie), QD Vision , 3M licențiat al Nanosys și Avantama din Elveția . Sony a adaptat tehnologia Quantum Dot de la compania americană QD Vision pentru a introduce televizoare LCD cu o lumină de fundal LED îmbunătățită, îmbunătățită, comercializată sub termenul Triluminos în 2013. Cu un LED albastru și nanocristale optimizate pentru culorile verzi și roșii din față, lumina albă combinată rezultată permite o gamă de culori echivalentă sau mai bună decât cea emisă de un set mai scump de trei LED-uri RGB. La Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , LG Electronics , China TCL Corporation și Sony au arătat iluminare cu LED-uri îmbunătățită QD a televizoarelor LCD.
Lumina de fundal CCFL s-a îmbunătățit și în acest sens. Multe modele LCD, de la afișaje TN ieftine până la panouri S-IPS sau S-PVA de protecție a culorilor, au CCFL-uri cu gamă largă care reprezintă mai mult de 95% din specificațiile de culoare NTSC .
Există mai multe provocări cu iluminarea din spate cu LED-uri. Uniformitatea este greu de realizat, mai ales pe măsură ce LED-urile îmbătrânesc, fiecare LED îmbătrânind cu o rată diferită. De asemenea, utilizarea a trei surse de lumină separate pentru roșu, verde și albastru înseamnă că punctul alb al afișajului se poate mișca pe măsură ce LED-urile îmbătrânesc la viteze diferite; LED-urile albe sunt, de asemenea, afectate de acest fenomen, înregistrându-se modificări de câteva sute de kelvini . LED-urile albe suferă, de asemenea, de schimbări de albastru la temperaturi mai ridicate, variind de la 3141K la 3222K pentru 10 ° C până la 80 ° C, respectiv. Eficiența energiei poate fi, de asemenea, o provocare; implementările din prima generație ar putea utiliza mai multă energie decât omologii lor CCFL, deși este posibil ca un afișaj LED să fie mai eficient din punct de vedere al consumului de energie. În 2010, afișajele LED de generație actuală pot avea avantaje semnificative de consum de energie. De exemplu, versiunea non-LED a ecranului de consum Benq G2420HDB de 24 " are un consum de 49W comparativ cu 24W din versiunea LED a aceluiași afișaj ( G2420HDBL ).
Pentru a depăși provocările menționate mai sus, cu lumini de fundal LED RGB și albe, o tehnologie LED „fosfor la distanță avansată” a fost dezvoltată de NDF Special Light Products, special pentru aplicații LCD de ultimă generație și cu durată lungă de viață, cum ar fi afișajele din cockpit , afișajele de control al traficului aerian și medicale afișează. Această tehnologie folosește LED-uri pompe albastre în combinație cu o foaie pe care sunt imprimate materiale luminescente cu fosfor pentru conversia culorilor. Principiul este similar cu Quantum Dots, dar fosforii aplicați sunt mult mai robusti decât nano-particulele cu punct cuantic pentru aplicații care necesită o durată lungă de viață în condiții operaționale mai solicitante. Deoarece foaia de fosfor este plasată la o distanță (la distanță) de LED-ul, acesta prezintă mult mai puțin stres de temperatură decât fosforii din LED-urile albe. Ca rezultat, punctul alb depinde mai puțin de LED-urile individuale și de degradarea LED-urilor individuale pe parcursul duratei de viață, ducând la o lumină de fundal mai omogenă, cu o consistență îmbunătățită a culorii și cu o depreciere mai mică a lumenului.
Utilizarea luminilor de fundal cu LED-uri în computerele notebook a crescut. Sony a folosit lumini de fundal cu LED-uri în unele dintre notebook-urile sale VAIO subțiri de ultimă generație din 2005, iar Fujitsu a introdus notebook-uri cu lumini de fundal LED în 2006. În 2007, Asus , Dell și Apple au introdus lumini de fundal LED în unele dintre modelele lor de notebook-uri. Începând din 2008, Lenovo a anunțat și notebook-uri cu iluminare LED. În octombrie 2008, Apple a anunțat că va folosi lumini de fundal cu LED-uri pentru toate notebook-urile sale și pentru noul ecran de 24 inch Apple Cinema , iar un an mai târziu a introdus un nou iMac cu LED-uri , ceea ce înseamnă că toate noile ecrane ale computerului Apple sunt acum LED-uri. Aproape fiecare laptop cu un ecran 16: 9 introdus din septembrie 2009 folosește panouri cu iluminare LED. Acesta este și cazul majorității televizoarelor LCD, care sunt comercializate în unele țări sub denumirea înșelătoare TV LED , deși imaginea este încă generată de un panou LCD.
Majoritatea luminilor de fundal cu LED-uri pentru LCD-uri sunt iluminate la margine , adică mai multe LED-uri sunt plasate la marginile unui ghid de lumină (placa de ghidare a luminii, LGP), care distribuie lumina în spatele panoului LC. Avantajele acestei tehnici sunt construcția cu panou plat foarte subțire și costul redus. O versiune mai scumpă se numește full-array sau LED direct și constă din multe LED-uri plasate în spatele panoului LC (o serie de LED-uri), astfel încât panourile mari pot fi iluminate uniform. Acest aranjament permite estomparea locală pentru a obține pixeli negri mai întunecați, în funcție de imaginea afișată.
Atenuarea luminii de fundal
Lumina de fundal cu LED-uri este adesea controlată dinamic folosind informațiile video (controlul dinamic al luminii de fundal sau lumina de fundal cu LED de „reglare locală” dinamică, comercializată și ca HDR, televizor cu gamă dinamică înaltă, inventată de cercetătorii Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer și Adrianus de Vaan).
Folosind PWM (modularea lățimii impulsurilor, o tehnologie în care intensitatea LED-urilor este menținută constantă, dar reglarea luminozității se realizează prin variația unui interval de timp de intermitent a acestor surse de lumină constante cu intensitate luminoasă), lumina de fundal este estompată până la cea mai strălucitoare culoare care apare pe ecran în timp ce crește simultan contrastul LCD la nivelurile maxime realizabile
Dacă frecvența modulației lățimii pulsului este prea mică sau utilizatorul este foarte sensibil la pâlpâire, acest lucru poate provoca disconfort și încordare a ochilor, similar cu pâlpâirea afișajelor CRT . Acest lucru poate fi testat de către un utilizator pur și simplu fluturând o mână sau un obiect în fața ecranului. Dacă obiectul pare să aibă muchii clar definite pe măsură ce se mișcă, lumina de fundal se aprinde și se stinge la o frecvență destul de scăzută. Dacă obiectul pare neclar, afișajul are fie o lumină de fundal iluminată continuu, fie operează lumina de fundal la o frecvență mai mare decât creierul poate percepe. Pâlpâirea poate fi redusă sau eliminată prin setarea afișajului la luminozitate maximă, deși acest lucru poate avea un impact negativ asupra calității imaginii și a duratei de viață a bateriei datorită consumului crescut de energie.
Difuzoare
Pentru ca o iluminare de fundal non-ELP să producă o iluminare uniformă, ceea ce este esențial pentru afișaje, lumina este trecută mai întâi printr-un ghid de lumină (placa de ghidare a luminii, LGP) - un strat special de plastic care difuzează lumina printr-o serie de umflături distanțate neuniform . Densitatea umflăturilor crește mai departe de sursa de lumină conform unei ecuații de difuzie . Lumina difuză se deplasează apoi pe ambele părți ale difuzorului; partea din față este orientată spre panoul LCD real, partea din spate are un reflector pentru a orienta lumina irosită în caz contrar spre panoul LCD. Reflectorul este uneori realizat din folie de aluminiu sau o suprafață simplă cu pigment alb.
Polarizatoare reflectorizante
Sistemele de iluminare din spate LCD sunt extrem de eficiente prin aplicarea filmelor optice, cum ar fi structura prismatică, pentru a câștiga lumina în direcțiile dorite ale vizualizatorului și a filmelor polarizante reflectorizante care reciclează lumina polarizată care a fost absorbită anterior de primul polarizator al ecranului LCD (inventat de cercetătorii Philips Adrianus de Vaan și Paulus Schaareman), realizat în general folosind așa-numitele filme DBEF fabricate și furnizate de 3M. Acești polarizatori constau dintr-un teanc mare de filme birefringente orientate uniaxial, care reflectă modul de polarizare absorbit anterior al luminii. Astfel de polarizatoare reflectorizante care utilizează cristale lichide polimerizate orientate uniaxial (polimeri birefringenți sau lipici birefringent) sunt inventate în 1989 de cercetătorii Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan și Joerg Brambring. Combinația acestor polarizatoare reflectorizante și controlul dinamic al luminii de fundal cu LED-uri fac ca televizoarele LCD de astăzi să fie mult mai eficiente decât seturile bazate pe CRT, ducând la o economie de energie la nivel mondial de 600 TWh (2017), egală cu 10% din consumul de energie electrică al tuturor gospodăriilor la nivel mondial sau egal cu de 2 ori producția de energie a tuturor celulelor solare din lume.
Consum de energie
Evoluția standardelor energetice și așteptările crescânde ale publicului cu privire la consumul de energie au făcut necesar ca sistemele de iluminare din spate să își gestioneze puterea. În ceea ce privește alte produse electronice de larg consum (de exemplu, frigidere sau becuri), categoriile de consum de energie sunt impuse pentru televizoare. Au fost introduse standarde pentru puterea nominală pentru televizoare, de exemplu, în SUA, UE și Australia, precum și în China. Mai mult, un studiu din 2008 a arătat că, în țările europene, consumul de energie este unul dintre cele mai importante criterii pentru consumatori atunci când aleg un televizor, la fel de important ca dimensiunea ecranului.
