Iluminar desde el fondo
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Este artículo trata sobre la retroiluminación en pantallas de cristal líquido. Para la ventana trasera de un automóvil, consulte Vidrio de automóvil . Para la práctica de diseño de iluminación, consulte Contraluz (diseño de iluminación) . Para otros usos, consulte Luz de fondo (desambiguación) .
Vistas de una pantalla de cristal líquido , tanto con luz de fondo electroluminiscente encendida (arriba) como apagada (abajo)

Una luz de fondo es una forma de iluminación utilizada en pantallas de cristal líquido (LCD). Como las pantallas LCD no producen luz por sí mismas, a diferencia de, por ejemplo, las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT), necesitan iluminación ( luz ambiental o una fuente de luz especial) para producir una imagen visible. Las luces de fondo iluminan la pantalla LCD desde el lateral o la parte posterior del panel de la pantalla, a diferencia de las luces delanteras, que se colocan frente a la pantalla LCD. Las luces de fondo se utilizan en pantallas pequeñas para aumentar la legibilidad en condiciones de poca luz, como en relojes de pulsera , [1] y se utilizan en teléfonos inteligentes , pantallas de computadora y televisores LCD.para producir luz de una manera similar a una pantalla CRT. En un informe sobre la historia de la ingeniería y la tecnología de Peter J. Wild se ofrece una revisión de algunos de los primeros esquemas de retroiluminación de las pantallas LCD . [2]

Los tipos simples de LCD, como las calculadoras de bolsillo, se construyen sin una fuente de luz interna, lo que requiere fuentes de luz externas para transmitir la imagen de la pantalla al usuario. La mayoría de las pantallas LCD, sin embargo, están construidas con una fuente de luz interna. Estas pantallas constan de varias capas. La luz de fondo suele ser la primera capa desde atrás. Las válvulas de luz luego varían la cantidad de luz que llega al ojo, bloqueando su paso de alguna manera. La mayoría usa un filtro polarizador fijo y uno de conmutación para bloquear la luz no deseada.

Tipos de fuentes de luz

La fuente de luz puede estar compuesta por:

Un ELP emite una luz uniforme en toda su superficie, pero otras luces de fondo emplean con frecuencia un difusor para proporcionar una iluminación uniforme desde una fuente irregular.

Las luces de fondo vienen en muchos colores. Las pantallas LCD monocromáticas suelen tener retroiluminación amarilla , verde , azul o blanca , mientras que las pantallas a color utilizan retroiluminación blanca que cubre la mayor parte del espectro de colores .

Uso

La retroiluminación LED de colores se usa con mayor frecuencia en paneles LCD pequeños y económicos. La retroiluminación LED blanca se está volviendo dominante. La retroiluminación ELP se utiliza a menudo para pantallas más grandes o cuando incluso la retroiluminación es importante; también puede ser de color o blanco. Un ELP debe ser impulsado por energía de CA de voltaje relativamente alto [ especifique ] , que es proporcionada por un circuito inversor . CCFLlas luces de fondo se utilizan en pantallas más grandes, como monitores de computadora, y suelen ser de color blanco; estos también requieren el uso de un inversor y un difusor. La retroiluminación incandescente fue utilizada por los primeros paneles LCD para lograr un alto brillo, pero la vida limitada y el exceso de calor producido por las bombillas incandescentes eran limitaciones severas. El calor generado por las bombillas incandescentes normalmente requiere que las bombillas se monten lejos de la pantalla para evitar daños.

Retroiluminación CCFL

18 CCFL en paralelo como luz de fondo para un televisor LCD
LCD con retroiluminación CCFL iluminada desde el borde

Durante varios años (hasta aproximadamente 2010), la luz de fondo preferida para paneles LCD grandes con dirección matricial, como en monitores y televisores, se basó en una lámpara fluorescente de cátodo frío (CCFL) mediante el uso de dos CCFL en los bordes opuestos de la pantalla LCD o mediante un matriz de CCFL detrás de la pantalla LCD (vea la imagen de una matriz con 18 CCFL para un televisor LCD de 40 pulgadas). Debido a las desventajas en comparación con la iluminación LED (mayor voltaje y potencia necesarios, diseño de panel más grueso, sin conmutación de alta velocidad, envejecimiento más rápido), la retroiluminación LED se está volviendo más popular.

Retroiluminación LED

Ver también: LCD con retroiluminación LED
LCD con retroiluminación de matriz LED

La retroiluminación LED en pantallas a color viene en dos variedades: retroiluminación LED blanca y retroiluminación LED RGB. [3] Los LED blancos se utilizan con mayor frecuencia en computadoras portátiles y pantallas de escritorio, y constituyen prácticamente todas las pantallas LCD móviles. Un LED blanco es típicamente un LED azul con fósforo amarillo de amplio espectro que da como resultado la emisión de luz blanca. Sin embargo, debido a que la curva espectral alcanza su punto máximo en amarillo, no coincide con los picos de transmisión de los filtros de color rojo y verde de la pantalla LCD. Esto hace que los colores primarios rojo y verde cambien hacia el amarillo, reduciendo la gama de colores de la pantalla. [4] Los LED RGB constan de un LED rojo, azul y verde.y se puede controlar para producir diferentes temperaturas de color de blanco. Los LED RGB para retroiluminación se encuentran en pantallas de prueba de color de alta gama, como el monitor HP DreamColor LP2480zx o las computadoras portátiles HP EliteBook seleccionadas , así como en pantallas de consumo más recientes, como las computadoras portátiles de la serie Studio de Dell, que tienen una pantalla LED RGB opcional.

Los LED RGB pueden ofrecer una enorme gama de colores a las pantallas. [5] Cuando se utilizan tres LED separados ( color aditivo ), la luz de fondo puede producir un espectro de color que se asemeja mucho a los filtros de color de los píxeles de la pantalla LCD . De esta manera, la banda de paso del filtro se puede reducir de modo que cada componente de color deje pasar solo una banda muy estrecha de espectro a través de la pantalla LCD. Esto mejora la eficiencia de la pantalla, ya que se bloquea menos luz cuando se muestra el blanco. Además, los puntos rojo, verde y azul reales se pueden mover más hacia afuera para que la pantalla sea capaz de reproducir colores más vívidos.

Un nuevo método [ especificar ] para mejorar aún más la gama de colores de los paneles LCD retroiluminados por LED se basa en LED azules (como GaN) que iluminan una capa de fósforos de nanocristales, los llamados Quantum Dots (QD) , [6] que convierten el longitudes de onda azules a las longitudes de onda más largas deseadas como colores verde y rojo de ancho de banda estrecho para una iluminación óptima de la pantalla LCD desde atrás. El fabricante, Nanosys , afirma que la salida de color de los puntos se puede ajustar con precisión controlando el tamaño de los nanocristales. Otras empresas que siguen este método son Nanoco Group PLC (Reino Unido), QD Vision , 3M , un licenciatario de Nanosys y Avantama deSuiza . [7] [8] Sony ha adaptado la tecnología Quantum Dot de la empresa estadounidense QD Vision [9] para introducir televisores LCD con una luz de fondo LED mejorada con iluminación de borde comercializada bajo el término Triluminos en 2013. Con un LED azul y nanocristales optimizados para verde y colores rojos frente a él, la luz blanca combinada resultante permite una gama de colores equivalente o mejor que la emitida por un conjunto más caro de tres LED RGB. En el Consumer Electronics Show 2015, Samsung Electronics , LG Electronics , la Corporación China TCLy Sony mostró retroiluminación LED mejorada con QD en televisores LCD. [10] [11]

La retroiluminación CCFL también ha mejorado a este respecto. Muchos modelos de LCD, desde pantallas TN baratas hasta paneles S-IPS o S-PVA de prueba de color, tienen CCFL de amplia gama que representan más del 95% de la especificación de color NTSC .

Hay varios desafíos con la retroiluminación LED. La uniformidad es difícil de lograr, especialmente a medida que los LED envejecen, y cada LED envejece a un ritmo diferente. Además, el uso de tres fuentes de luz separadas para rojo, verde y azul significa que el punto blanco de la pantalla puede moverse a medida que los LED envejecen a diferentes velocidades; Los LED blancos también se ven afectados por este fenómeno, registrándose cambios de varios cientos de kelvin . Los LED blancos también sufren cambios de azul a temperaturas más altas que varían de 3141 K a 3222 K para 10 ° C a 80 ° C respectivamente. [12] La eficiencia energética también puede ser un desafío; Las implementaciones de primera generación podrían usar más energía que sus contrapartes CCFL, aunque es posible que una pantalla LED sea más eficiente en términos de energía. [cita requerida ]En 2010, las pantallas LED de la generación actual pueden tener ventajas significativas en el consumo de energía. Por ejemplo, la versión sin LED de lapantalla de consumoBenq G2420HDB de24 "tiene un consumo de 49W en comparación con los 24W de la versión LED de la misma pantalla (G2420HDBL).

Para superar los desafíos mencionados anteriormente con la retroiluminación LED blanca y RGB, NDF Special Light Products ha desarrollado una tecnología LED de 'fósforo remoto avanzado' [13] , específicamente para aplicaciones LCD de alta gama y de larga duración, como pantallas de cabina , [14] Control de tráfico aéreopantallas y pantallas médicas. Esta tecnología utiliza LED de bomba azules en combinación con una hoja en la que se imprimen materiales luminiscentes de fósforo para la conversión de color. El principio es similar al de los puntos cuánticos, pero los fósforos aplicados son mucho más robustos que las nanopartículas de puntos cuánticos para aplicaciones que requieren una vida útil prolongada en condiciones operativas más exigentes. Debido a que la hoja de fósforo se coloca a una distancia (remota) del LED, experimenta mucho menos estrés por temperatura que los fósforos en los LED blancos. Como resultado, el punto blanco depende menos de los LED individuales y se degrada a lo largo de la vida útil de los LED individuales, lo que genera una luz de fondo más homogénea con una consistencia de color mejorada y una menor depreciación del lumen.

El uso de retroiluminación LED en computadoras portátiles ha ido en aumento. Sony ha utilizado retroiluminación LED en algunos de sus delgados portátiles VAIO de gama alta desde 2005, y Fujitsu introdujo portátiles con retroiluminación LED en 2006. En 2007, Asus , Dell y Apple introdujeron retroiluminación LED en algunos de sus modelos de portátiles. A partir de 2008 , Lenovo también ha anunciado portátiles con retroiluminación LED. En octubre de 2008, Apple anunció que usaría retroiluminación LED para todos sus portátiles y el nuevo Apple Cinema Display de 24 pulgadas , y un año después presentó un nuevo iMac LED., lo que significa que todas las nuevas pantallas de computadora de Apple ahora son LED. Casi todos los portátiles con pantalla 16: 9 introducidos desde septiembre de 2009 utilizan paneles con retroiluminación LED. Este es también el caso de la mayoría de los televisores LCD, que se comercializan en algunos países con el engañoso nombre de LED TV , aunque la imagen se sigue generando mediante un panel LCD.

La mayoría de las luces de fondo LED para LCD tienen iluminación de borde , es decir, se colocan varios LED en los bordes de una guía de luz (placa de guía de luz, LGP), que distribuye la luz detrás del panel LC. Las ventajas de esta técnica son la construcción de panel plano muy delgado y el bajo costo. Una versión más cara se llama LED directo o de matriz completa y consta de muchos LED colocados detrás del panel LC (una matriz de LED), de modo que los paneles grandes se pueden iluminar de manera uniforme. Esta disposición permite la atenuación local para obtener píxeles negros más oscuros según la imagen mostrada.

Atenuación de luz de fondo

La retroiluminación LED a menudo se controla dinámicamente utilizando la información de video [15] (control dinámico de retroiluminación o retroiluminación LED dinámica de "atenuación local", también comercializada como HDR, televisión de alto rango dinámico, inventada por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan [ 16] [17] [18] ).

Usando PWM (modulación de ancho de pulso, una tecnología donde la intensidad de los LED se mantiene constante, pero el ajuste de brillo se logra variando un intervalo de tiempo de parpadeo de estas fuentes de luz de intensidad de luz constante [19] ), la luz de fondo se atenúa al el color más brillante que aparece en la pantalla al mismo tiempo que aumenta el contraste de la pantalla LCD a los niveles máximos alcanzables

Si la frecuencia de la modulación de ancho de pulso es demasiado baja o el usuario es muy sensible al parpadeo, esto puede causar incomodidad y fatiga visual, similar al parpadeo de las pantallas CRT . [20] [21] Esto puede ser probado por un usuario simplemente moviendo una mano o un objeto frente a la pantalla. Si el objeto parece tener bordes bien definidos a medida que se mueve, la luz de fondo se enciende y apaga a una frecuencia bastante baja. Si el objeto aparece borroso, la pantalla tiene una luz de fondo iluminada continuamente o está operando la luz de fondo a una frecuencia más alta de la que el cerebro puede percibir. El parpadeo se puede reducir o eliminar configurando la pantalla al brillo total, aunque esto puede tener un impacto negativo en la calidad de la imagen y la duración de la batería debido al mayor consumo de energía.

Difusores

Para que una retroiluminación que no sea ELP produzca una iluminación uniforme, lo cual es fundamental para las pantallas, la luz se pasa primero a través de una guía de luz (placa de guía de luz, LGP), una capa de plástico especialmente diseñada que difunde la luz a través de una serie de protuberancias espaciadas de manera desigual. . La densidad de las protuberancias aumenta más lejos de la fuente de luz según una ecuación de difusión . La luz difusa luego viaja a ambos lados del difusor; la parte frontal está orientada hacia el panel LCD real, la parte posterior tiene un reflector para guiar la luz que de otro modo se desperdiciaría hacia el panel LCD. El reflector a veces está hecho de papel de aluminio o una simple superficie pigmentada de blanco.

Polarizadores reflectantes

Los sistemas de retroiluminación LCD se hacen altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas como la estructura prismática para obtener la luz en las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadoras reflectantes que reciclan la luz polarizada que antes absorbía el primer polarizador de la pantalla LCD (inventado por investigadores de Philips). Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), [22] generalmente se logra utilizando las llamadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. [23] Estos polarizadores consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxialmente que reflejan el antiguo modo de polarización absorbida de la luz. [24]Tales polarizadores reflectantes que utilizan cristales líquidos polimerizados orientados uniaxialmente (polímeros birrefringentes o pegamento birrefringente) fueron inventados en 1989 por los investigadores de Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan y Joerg Brambring. [25] La combinación de estos polarizadores reflectantes y el control de retroiluminación dinámica LED [16] hacen que los televisores LCD de hoy en día sean mucho más eficientes que los equipos basados ​​en CRT, lo que lleva a un ahorro de energía mundial de 600 TWh (2017), equivalente al 10% de el consumo de electricidad de todos los hogares del mundo o igual a 2 veces la producción de energía de todas las células solares del mundo. [26] [27]

El consumo de energía

La evolución de los estándares energéticos y las crecientes expectativas del público con respecto al consumo de energía han hecho necesario que los sistemas de retroiluminación administren su energía. En cuanto a otros productos electrónicos de consumo (por ejemplo, frigoríficos o bombillas), las categorías de consumo de energía se aplican a los televisores. [28] Se han introducido normas para clasificaciones de potencia para televisores, por ejemplo, en los Estados Unidos, la UE y Australia [29] , así como en China. [30] Además, un estudio de 2008 [31] mostró que entre los países europeos, el consumo de energía es uno de los criterios más importantes para los consumidores cuando eligen un televisor, tan importante como el tamaño de la pantalla. [32]

Referencias

  1. ^ Patente estadounidense 4.096.550 : W. Boller, M. Donati, J. Fingerle, P. Wild, Disposición de iluminación para una pantalla de cristal líquido con efecto de campo, así como fabricación y aplicación de la disposición de iluminación , presentada el 15 de octubre de 1976.
  2. ^ "Historias de primera mano: evolución de la pantalla de cristal líquido - contribuciones suizas" . Wiki de Historia de la Ingeniería y la Tecnología. Archivado desde el original el 3 de julio de 2017 . Consultado el 30 de junio de 2017 .
  3. ^ "¿Qué es la televisión LED?" . Ledtele.co.uk. Archivado desde el original el 11 de febrero de 2012 . Consultado el 19 de febrero de 2012 .
  4. ^ La evolución de las luces de fondo LED; Adam Simmons; Monitores de PC PCM, artículos sobre monitores, 12 de noviembre de 2017; "La evolución de las luces de fondo LED | Monitores de PC" . Archivado desde el original el 1 de diciembre de 2017 . Consultado el 27 de noviembre de 2017 .
  5. ^ Tecnologías de visualización de la competencia para obtener el mejor rendimiento de imagen; AJSM de Vaan; Revista de la sociedad de exhibiciones de información, volumen 15, número 9 de septiembre de 2007, páginas 657–666; http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1889/1.2785199/abstract ?
  6. ^ "QDEF" . Pioneros de Quantum Dot . Archivado desde el original el 29 de mayo de 2014.
  7. ^ Pantalla de puntos cuánticos sin cadmio. avantama.com. Consultado el 17 de agosto de 2019.
  8. ^ IEEE Spectrum, 2012, 8, p.11-12, Los puntos cuánticos están detrás de las nuevas pantallas
  9. ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 2 de septiembre de 2013 . Consultado el 23 de julio de 2013 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
  10. ^ IEEE Spectrum: CES 2015 - ¿Qué diablos son los puntos cuánticos? , 2 de enero de 2015 Archivado el 13 de enero de 2015 en la Wayback Machine.
  11. ^ IEEE Spectrum: CES 2015 - Haciendo apuestas en las nuevas tecnologías de TV. 7 de enero de 2015 Archivado el 28 de enero de 2017 en la Wayback Machine.
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  17. ^ Explicación de la atenuación local de LED; G. Morrison; CNET.com/news; 26 de marzo de 2016; "Explicación de la atenuación local LED" . Archivado desde el original el 23 de noviembre de 2017 . Consultado el 20 de noviembre de 2017 .
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  28. ^ "Directiva de implementación 2005/32 / EC del Parlamento Europeo y del Consejo con respecto a los requisitos de diseño ecológico para televisores", 2009; "Copia archivada" . Archivado desde el original el 17 de agosto de 2017. Consultado el 22 de noviembre de 2017 . .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
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enlaces externos

  • Tutorial animado de tecnología LCD y retroiluminación de 3M
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