Optimierung der Displayhelligkeit hinsichtlich des Stromverbrauchs in Echtzeit

Flüssigkristallanzeigen oder LCDs (Liquid Crystal Displays) sind in den verschiedensten Anwendungen wie etwa Thermostaten, medizinischen Handbediengeräten, Kfz-Instrumentenclustern, Tablets und Notebooks anzutreffen. Für diese Anwendungen müssen die Entwickler herausfinden, wie sie das Display ohne Augenbelastung so gut wie möglich lesbar machen und gleichzeitig sein Stromverbrauch möglichst gering gehalten werden kann.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, kann die Helligkeit der Anzeige festgelegt werden, indem zunächst die Helligkeit der Umgebungsbeleuchtung mit einem Umgebungslichtsensor (ALS) erfasst wird. Ein Umgebungslichtsensor muss hinter einem Displaybildschirm montiert werden. Dort wird die Stärke des Umgebungslichts dann genutzt, um die akzeptable Displayhelligkeit zu ermitteln, mit der sich auch der Stromverbrauch senken lässt.

Dieser Artikel behandelt die Leistungsfähigkeit von drei Technologien zur Messung der Umgebungshelligkeit und bietet Lösungen für die Herausforderungen bei LCD-Displays hinsichtlich der Anpassung von Intensität und Stromverbrauch, um Energie zu sparen und dennoch eine angemessene Bildschirmhelligkeit bieten zu können.

Exakte Messung der sichtbaren Wellenlängenbereiche

Der erste Schritt zur Optimierung von LCD-Beleuchtungen ist die exakte Messung des Umgebungslichts mit dem entsprechenden Sensor. Der für den Menschen sichtbare Wellenlängenbereich liegt etwa zwischen 400 Nanometern (nm) und 750 nm (Abbildung 1). Die Photodiode – ein Halbleiterbauelement – stellt für diese Anwendung die logischste Wahl zur Messung des Umgebungslichts dar. Das Licht wird von der Photodiode in einen elektrischen Strom umgewandelt.

Abbildung 1: Das sichtbare Licht stellt einen kleinen Bruchteil des elektromagnetischen Spektrums dar und bewegt sich im Bereich zwischen 400 nm und 750 nm. (Bildquelle: ECN)

Obwohl die Lichtempfindlichkeit der Silizium-Photodiode (etwa 300 nm bis 1100 nm) nicht mit der des menschlichen Auges übereinstimmt, gibt es eine hilfreiche Überschneidung (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vergleich der Spektralempfindlichkeit des menschlichen Auges mit der Spektralempfindlichkeit der Silizium-Photodiode mit dem hilfreichen Überschneidungsbereich. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die erste Herausforderung bei diesem Design liegt darin, aus dem Signal einer Photodiode die für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit herauszufiltern.

Umwandlung in eine für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit

Der Mensch erwartet, dass jede Maschine und jedes Instrument auf seine visuellen Anforderungen zugeschnitten ist. 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 (Abbildung 3).

Abbildung 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. (Bildquelle: Texas Instruments)

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.

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, Inc und Vishay Semiconductor / Opto Division, um nur einige zu nennen. Lassen Sie uns nunmehr die Umgebungslichtsensoren von ROHM Semiconductor, ams und Texas Instruments in Augenschein nehmen.

Umgebungslichtsensoren von ROHM Semiconductor mit IRCUT-Filter

Die Zielanwendung des digitalen 16-Bit-Farbsensor-IC BH1745NUC-E2 mit seriellem Ausgang von ROHM Semiconductor ist ein Umgebungslichtsensor zur Anpassung der LCD-Hintergrundbeleuchtung von Fernsehern, Mobiltelefonen oder Tablet-PCs.

Der BH1745NUC-E2 misst das UV- und IR-Licht über einen Weißlichtfilter und vor dem Rot-, Grün- und Blaufilter kommt ein IRCUT-Filter zum Einsatz (Abbildung 4).

Abbildung 4: Beim digitalen 16-Bit-Farbsensor-IC BH1745NUC-E2 mit seriellem Ausgang von ROHM befindet sich der Weißlichtfilter außerhalb des IRCUT-Filters. (Bildquelle: ROHM)

Beim BH1745NUC-E2 ist den optischen Rot-, Grün- und Blaufiltern ein IRCUT-Filter vorgeschaltet, damit die für das menschliche Auge geeignete Spektralempfindlichkeit zu den Analog/Digital-Wandlern (ADC) gelangen kann. Der IRCUT-Filter ist für sichtbares Licht durchlässig und sperrt Infrarotlicht. Der Weißlichtfilter unterstützt die Erzeugung für den Menschen realistischer Dimmalgorithmen, um Authentizität und niedrigeren Stromverbrauch zu gewährleisten. Die Verstärkung jedes 16-Bit-A/D-Wandlers ist so vorprogrammiert, dass sie die bestmögliche Abbildung produziert, die dem visuellen Erlebnis am nächsten kommt (Abbildung 5).

Abbildung 5: Die Spektralempfindlichkeit des BH1745NUC-E2 für die Farben Rot, Grün, Blau und Weiß (RGBW). (Bildquelle: ROHM)

Der große Dynamikbereich (0,005 bis 40.000 Lux) und die ausgezeichneten IRCUT-Eigenschaften des BH1745NUC-E2 machen ihn zu einer guten Wahl zur Ermittlung von Leuchtdichte und Farbtemperatur des Umgebungslichts.

Umgebungslichtsensor von ams mit Vorfilterung durch den IR-Filter für alle anderen Filter

Zielanwendungen für den Farblichtdigitalisierer TCS34727FN mit IR-Filter von ams sind Fernseher, mobile Handgeräte, Tablets, Computer und Monitore. Bei der aktuellen Strategie des TCS34727FN wird auf eine andere Konfiguration der fünf optischen Filter gesetzt. Bei der Filterkonfiguration des TCS34727FN wird zuerst für alle vier Farbfilter (Rot, Grün, Blau und Weiß) ein IR-Sperrfilter verwendet (Abbildung 6).

Abbildung 6: Beim 16-Bit-Umgebungslichtsensor TCS34727FN werden die anderen vier Filter von der IR-Filterscheibe blockiert. (Bildquelle: ams)

Der TCS34727FN verfügt über vier integrierte Analog/Digital-Wandler, von denen die verstärkten Photodiodenströme gleichzeitig in digitale 16-Bit-Werte umgewandelt werden. Der IR-Sperrfilter minimiert den Infrarotanteil des einfallenden Lichtspektrums und ermöglicht so exakte Farbmessungen. Die hohe Empfindlichkeit, der große Dynamikbereich und der IR-Sperrfilter machen den Umgebungslichtsensor zu einer idealen Farbsensorlösung für den Einsatz unter verschiedensten Lichtverhältnissen (Abbildung 7).

Abbildung 7: Die RGBW-Spektralempfindlichkeit des TCS34727FN gibt die Eigenschaften der einzelnen optischen Filter und die Verstärkung der einzelnen Analog/Digital-Wandler an. (Bildquelle: ams)

Der TCS34727FN kommt in Display-basierten Produkten wie Smartphones, Notebooks und Fernsehgeräten zum Einsatz, um die Umgebungsbeleuchtung zu erfassen. Diese Komponente ermöglicht auf effiziente Weise die automatische Anpassung der Displayhelligkeit für eine optimale Anzeige und geringeren Stromverbrauch. Der TCS3472FN kann zwischen den einzelnen Messungen in einen energiesparenden Bereitschaftsmodus schalten, um den durchschnittlichen Stromverbrauch weiter zu senken.

Umgebungslichtsensor von Texas Instruments unterdrückt Infrarotlicht zu 99 %

Zielanwendungen für den Umgebungslichtsensor OPT3001DNPT von Texas Instruments sind die Steuerung von Display-Hintergrundbeleuchtungen, Beleuchtungssteuerungssysteme sowie Tablets und Notebooks. Diese Komponente misst die Helligkeit von sichtbarem Licht mit einem Sensor, dessen Spektralempfindlichkeit der des menschlichen Auges sehr nahe kommt (Abbildung 8). Um dies zu bewerkstelligen, verfügt der Sensor über einen optischen Frontend-Filter, der über 99 % des Infrarotlichts unterdrückt, bevor die Lichtmessung an den integrierten Analog/Digital-Wandler weitergeleitet wird.

Abbildung 8: Das Blockschaltbild des OPT3001 von Texas Instruments zeigt den optischen Filter, der das Infrarotlicht zu 99 % unterdrückt, bevor das gemessene Signal an den integrierten Analog/Digital-Wandler weitergeleitet wird. (Bildquelle: Texas Instruments)

Der Analog/Digital-Wandler verfügt über einen effektiven dynamischen Bereich von 23 Bit mit automatischer Verstärkungseinstellung. Dieses Einzelchip-Luxmeter unterdrückt IR-Lichtsignale, während die Helligkeit des sichtbaren Lichts weiterhin gemessen wird. Unabhängig von der Lichtquelle ermöglichen die präzise Spektralempfindlichkeit und die starke IR-Unterdrückung des OPT3001 exakte Messungen der Lichthelligkeit, wie sie vom menschlichen Auge wahrgenommen wird.

Die starke IR-Unterdrückung hilft bei der Aufrechterhaltung einer hohen Genauigkeit, wenn das industrielle Design aus ästhetischen Gründen die Montage des Sensors unter dunklem Glas erfordert.

Ein interessantes Problem, das bei einem hinterleuchteten Display auftreten kann, ist, dass die Lichtmessungen sich bei verschiedenen Lichteingängen und -quellen ändern können. Dunkles Glas etwa überträgt IR-Lichtsignale. Das Licht einer herkömmlichen Glühbirne enthält einen hohen Anteil an Infrarotwellenlängen, die aufgrund der Transmissivität von Glas den Sensor erreichen. Mit seiner IR-Unterdrückung von 99 % misst der OPT3001 lediglich den sichtbaren Bereich und bildet die Spektralempfindlichkeit des menschlichen Auges auf die kollektiven Ausgänge der vier Analog/Digital-Wandler ab (Abbildung 9).

Abbildung 9: Der OPT3001 erfasst das sichtbare Lichtspektrum sowie die Spektralempfindlichkeit des menschlichen Auges (links) und bildet selbige auf die kollektiven Ausgänge der vier Analog/Digital-Wandler ab (rechts). (Bildquelle: Texas Instruments)

Um die Reaktion des menschlichen Auges zu erzielen, verfügt der OPT3001 über eine automatische Verstärkungseinstellung, die automatisch auf die Helligkeit des einfallenden Lichts reagiert. Die Komponente verweilt im optimalen Bereich mit guter Auflösung und hoher Genauigkeit zwischen den Bereichen. Die relative Genauigkeit zwischen den Verstärkungsbereichen beträgt 0,2 %.

Fazit

Umgebungslichtsensoren können zur Messung der Helligkeit von sichtbarem Licht verwendet werden, um dem Benutzer bei minimalem Stromverbrauch eine lesbare LCD-Anzeige zu präsentieren. Das Ziel jedes Herstellers ist es, die Spektralempfindlichkeit dieser Sensoren so gut wie möglich an die des menschlichen Auges anzupassen, eine beträchtliche IR-Unterdrückung inklusive. Dabei soll unabhängig von Lichtquelle oder Anwendung so wenig Strom wie möglich verbraucht werden.

Vor diesem Hintergrund handelt es sich um eine subjektive Aufgabe, da kein Umgebungslichtsensor in diesem Artikel dem anderen gleicht. Sie unterscheiden sich hinsichtlich der verwendeten optischen Filter, der Verstärkung der sichtbaren Farben sowie der Auflösung des Analog/Digital-Wandlers und des Zufriedenheitsgrads. Das Ergebnis von Umgebungslichtsensoren ist daher den Herausforderungen der Audiobranche nicht unähnlich: Während eine Person das Aussehen oder den Klang einer Lösung annehmbar finden mag, kann eine zweite Person hierzu völlig gegensätzlicher Meinung sein. Dies gibt den Entwicklern etwas Spielraum für Kreativität und Differenzierung bei ihren LCD-Designs.