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LC-Displays optimieren

LCD-Beleuchtung per Sensor

20. November 2018, 14:00 Uhr   |  Von Rich Miron, Applications Engineer bei Digi-Key Electronics

LCD-Beleuchtung per Sensor
© Bild: ECN

Bild 1: Das sichtbare Licht stellt einen kleinen Bruchteil des elektromagnetischen Spektrums dar und bewegt sich im Bereich zwischen 400 nm und 750 nm.

Display-Hersteller stehen vor der Aufgabe, LCDs in einer für die Augen angemessenen Helligkeit zu entwickeln, wobei das Display gleichzeitig möglichst wenig Strom verbrauchen soll. Wie also lässt sich die LCD-Beleuchtung optimieren?

Flüssigkristallanzeigen oder LCDs (Liquid Crystal Displays) sind in den verschiedensten Anwendungen wie Thermostaten, medizinischen Handbediengeräten, Kfz-Instrumentenclustern, Tablets und Notebooks anzutreffen. Für diese Anwendungen müssen Entwickler herausfinden, wie sie das Display ohne Augenbelastung so gut wie möglich lesbar machen und gleichzeitig den Stromverbrauch möglichst gering halten. Um diese Anforderungen zu erfüllen, lässt sich die Helligkeit der Anzeige festlegen, indem zunächst die Helligkeit der Umgebungsbeleuchtung mit einem Umgebungslichtsensor (ALS) erfasst wird. Ein Umgebungslichtsensor muss hinter dem Bildschirm montiert werden. Dort wird die Stärke des Umgebungslichts dann ermittelt, um die akzeptable Displayhelligkeit zu berechnen, mit der sich auch der Stromverbrauch senken lässt.

Sichtbare Wellenlängenbereiche exakt messen

Der erste Schritt, um LCD-Beleuchtungen zu optimieren, ist die exakte Messung des Umgebungslichts mit dem entsprechenden Sensor. Der für den Menschen sichtbare Wellenlängenbereich liegt etwa zwischen 400 nm und 750 nm (Bild 1). Die Photodiode stellt für diese Anwendung die logischste Wahl zur Messung des Umgebungslichts dar. Das Licht wird von der Photodiode in einen elektrischen Strom umgewandelt. Obwohl die Lichtempfindlichkeit der Silizium-Photodiode (etwa 300 nm bis 1100 nm) nicht mit der des menschlichen Auges übereinstimmt, gibt es eine hilfreiche Überschneidung (Bild 2). Die erste Herausforderung bei diesem Design liegt darin, aus dem Signal einer Photodiode die für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit herauszufiltern.

Bild: Texas Instruments
© Bild: Texas Instruments

Bild 2: Vergleich der Spektralempfindlichkeit des menschlichen Auges mit der Spektralempfindlichkeit der Silizium-Photodiode mit dem hilfreichen Überschneidungsbereich

Der Umgebungslichtsensor misst die Leuchtdichte des Gerätedisplays. Ohne optische Filterung würde diese Messung sichtbares Licht sowie ultraviolettes (UV) und infrarotes (IR) Licht beinhalten. In Kombination sorgen die UV- und IR-Signale dafür, dass das sichtbare Umgebungslicht heller erscheint. Dies führt dazu, dass das Display durch die Controller-Ausgabe für die Hintergrundbeleuchtung des Displays unter Umgebungslichtbedingungen für das photopische bzw. das Tagsehen des Menschen unangenehm ist.

Für eine präzise Abbildung muss der Entwickler das Umgebungslicht unter Zuhilfenahme von Photodioden, optischen Filtern, Verstärkern und Wandlern modifizieren. Diese Aufgabe wurde vereinfacht, indem alle diese Elemente in einen Umgebungslichtsensor integriert wurden. Ein Umgebungslichtsensor hat die Aufgabe, die IR- und UV-Anteile aus dem Ausgangssignal des Sensors herauszufiltern und eine für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit zu präsentieren, wobei er die insgesamte LCD-Leuchtdichte auf einem angenehmen Niveau halten sollte (Bild 3). Diese verbesserten Halbleitereigenschaften haben neue Anwendungen ermöglicht, bei denen Komponenten jetzt Farbfilter enthalten, die eine individuelle Farbmessung der roten, grünen und blauen (RGB) Lichtanteile ermöglichen.

Bild: Texas Instruments
© Bild: Texas Instruments

Bild 3: Optische Filter und weitere interne Komponenten und Berechnungen ermöglichen es dem Umgebungssensor OPT3001, das eingehende Umgebungssignal auf eine für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit abzubilden.

Spezielle optische UV- und IR-Filter

Durch die optischen Filter für rotes, grünes, blaues und weißes Licht misst der Umgebungslichtsensor vier Lichtspektren mit vier separaten Photodioden, wobei das Licht durch den Weißlichtfilter ungefiltert in die Photodiode gelangt. Mit den vier gefilterten Photodiodensignalen liefert der Umgebungslichtsensor digitale Signale der drei Primärfarben (RGB), ein viertes für die Umgebungsreaktion und ein fünftes zum Sperren von Infrarotlicht (IRCUT). Die hohe Empfindlichkeit, der große Dynamikbereich und die fünf Filter machen den Umgebungslichtsensor zu einer idealen Farbsensorlösung für den Einsatz unter verschiedensten Lichtverhältnissen. Anbieter von Umgebungslichtsensoren sind unter anderem Rohm Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, Osram Opto Semiconductors und Vishay Semiconductor (Opto Division), um nur einige zu nennen. Im Folgenden nehmen wir die Umgebungslichtsensoren von Rohm Semiconductor, ams und Texas Instruments in Augenschein.

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1. LCD-Beleuchtung per Sensor
2. Umgebungslichtsensoren von Rohm Semiconductor
3. Effektiver dynamischer Bereich

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