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Iluminar desde el fondo

Imágenes de una pantalla de cristal líquido , con la retroiluminación electroluminiscente encendida (arriba) y apagada (abajo). La retroiluminación es un tipo de iluminación que...

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Imágenes de una pantalla de cristal líquido , con la retroiluminación electroluminiscente encendida (arriba) y apagada (abajo).

La retroiluminación es un tipo de iluminación que se utiliza en las pantallas de cristal líquido (LCD) y que proporciona luz desde la parte posterior o lateral del panel. Las pantallas LCD no generan luz por sí mismas, por lo que requieren iluminación —ya sea de la luz ambiental o de una fuente de luz específica— para crear una imagen visible. La retroiluminación se utiliza comúnmente en teléfonos inteligentes , monitores de computadora y televisores LCD . También se utiliza en pantallas pequeñas, como las de los relojes de pulsera , para mejorar la legibilidad en condiciones de poca luz. [ 1 ]

Las fuentes de luz típicas para la retroiluminación incluyen diodos emisores de luz (LED) y lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL).

Las pantallas LCD sencillas, como las que se usan en las calculadoras de bolsillo , no tienen fuente de luz interna y dependen de fuentes de luz externas para que la imagen sea visible para el usuario. Sin embargo, la mayoría de las pantallas LCD están diseñadas con una fuente de luz interna. Estas pantallas constan de varias capas, siendo la retroiluminación la primera capa desde la parte posterior.

Las válvulas de luz regulan la cantidad de luz que llega al ojo bloqueando su paso de maneras específicas. La mayoría de las pantallas LCD utilizan una combinación de un filtro polarizador fijo y uno conmutable para bloquear la luz no deseada.

Muchos tipos de pantallas, además de las LCD, generan su propia luz y no requieren retroiluminación; por ejemplo, las pantallas OLED , las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT) y las pantallas de plasma (PDP).

Un tipo de tecnología similar se denomina luz frontal , que ilumina una pantalla LCD desde la parte frontal.

En el informe "Engineering and Technology History" de Peter J. Wild se ofrece una revisión de algunos de los primeros esquemas de retroiluminación para pantallas LCD . [ 2 ]

Tipos de fuentes de luz

La fuente de luz puede estar compuesta por: [ 3 ]

Un ELP emite luz uniforme en toda su superficie, pero otras luces de fondo suelen emplear un difusor para proporcionar una iluminación uniforme a partir de una fuente irregular.

Las retroiluminaciones vienen en muchos colores. Las pantallas LCD monocromáticas suelen tener retroiluminaciones amarillas , verdes , azules o blancas , mientras que las pantallas a color utilizan retroiluminaciones blancas que cubren la mayor parte del espectro de color .

Uso

La retroiluminación LED de color se usa comúnmente en paneles LCD pequeños y económicos. La retroiluminación LED blanca se está volviendo dominante. La retroiluminación ELP se usa a menudo para pantallas más grandes o cuando la retroiluminación uniforme es importante; también puede ser de color o blanca. Una ELP debe ser alimentada por una tensión CA relativamente alta , que es proporcionada por un circuito inversor . Las retroiluminaciones CCFL se usan en pantallas más grandes, como monitores de computadora, y suelen ser de color blanco; estas 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, [ 8 ] [ 9 ] pero la vida útil limitada y el exceso de calor producido por las bombillas incandescentes fueron limitaciones importantes. El calor generado por las bombillas incandescentes generalmente requiere que las bombillas se monten lejos de la pantalla para evitar daños. A partir de 2021, han surgido pantallas de cristal líquido que usan miles a más de 10 000 mini-LED como retroiluminación para lograr un brillo superior a 1000 nits. [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]

Retroiluminación CCFL

18 lámparas CCFL en paralelo como retroiluminación para un televisor LCD.
Pantalla LCD con retroiluminación CCFL de borde

Durante varios años (hasta aproximadamente 2010), la retroiluminación preferida para los paneles LCD grandes con direccionamiento matricial, como los de monitores y televisores, se basaba en una lámpara fluorescente de cátodo frío (CCFL), ya sea mediante el uso de dos CCFL en los bordes opuestos del LCD o mediante una matriz de CCFL detrás del LCD (véase 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, falta de conmutación de alta velocidad, envejecimiento más rápido), la retroiluminación LED se está volviendo más popular.

Muchos modelos de pantallas LCD, desde las económicas pantallas TN hasta los paneles S-IPS o S-PVA con prueba de color, cuentan con lámparas CCFL de amplia gama cromática que representan más del 95 % de la especificación de color NTSC .

Retroiluminación LED

Pantalla LCD con retroiluminación de matriz LED

La retroiluminación LED en pantallas a color viene en dos variedades: retroiluminación LED blanca y retroiluminación LED RGB. [ 13 ] Los LED blancos se usan 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 para dar como resultado la emisión de luz blanca. Sin embargo, debido a que la curva espectral tiene un pico en amarillo, no coincide bien con los picos de transmisión de los filtros de color rojo y verde de la pantalla LCD. Esto hace que los primarios rojo y verde se desplacen hacia el amarillo, reduciendo la gama de colores de la pantalla. [ 14 ] Los LED RGB constan de un LED rojo, uno azul y uno verde y se pueden controlar para producir diferentes temperaturas de color de blanco. Los LED RGB para retroiluminación se encuentran en pantallas de prueba de color de gama alta como el monitor HP DreamColor LP2480zx o algunas computadoras portátiles HP EliteBook , 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 gama de colores enorme a las pantallas. [ 15 ] Al usar tres LED separados ( color aditivo ), la retroiluminación puede producir un espectro de color que se ajusta con precisión a los filtros de color de los píxeles LCD . De esta forma, se puede reducir la banda de paso del filtro para que cada componente de color deje pasar solo una banda muy estrecha del 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. Los puntos reales de rojo, verde y azul se pueden desplazar más lejos para que la pantalla sea capaz de reproducir colores más vivos.

Un método para mejorar aún más la gama de colores de los paneles LCD retroiluminados por LED se basa en LED azules (como los LED de nitruro de galio (GaN)) que iluminan una capa de fósforos nanocristalinos, llamados puntos cuánticos (QD). [ 16 ] Los puntos cuánticos convierten las longitudes de onda azules en las longitudes de onda más largas deseadas como colores verde y rojo de ancho de banda estrecho para una iluminación óptima del 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, licenciatario de Nanosys, y Avantama de Suiza . [ 17 ] [ 18 ] Sony adaptó la tecnología de puntos cuánticos de la empresa estadounidense QD Vision [ 19 ] para introducir televisores LCD con una retroiluminación LED de borde mejorada comercializada bajo el término Triluminos en 2013. Con un LED azul y nanocristales optimizados para los colores verde y rojo 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, varias empresas mostraron retroiluminación LED mejorada con QD para televisores LCD, incluidas Samsung Electronics , LG Electronics y la corporación china TCL . [ 20 ] [ 21 ]

Existen varios desafíos con las retroiluminaciones LED. La uniformidad es difícil de lograr, especialmente a medida que los LED envejecen, ya que cada LED envejece a un ritmo diferente. 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 ritmos diferentes; los LED blancos se ven afectados por este fenómeno, registrándose cambios de varios cientos de kelvin de temperatura de color . Los LED blancos sufren desplazamientos al azul a temperaturas más altas que varían de 3141 K a 3222 K para 10  °C a 80  °C respectivamente. [ 22 ] La eficiencia energética puede ser un desafío; las implementaciones de primera generación podrían potencialmente consumir más energía que sus contrapartes CCFL, aunque es posible que una pantalla LED sea más eficiente energéticamente. En 2010, las pantallas LED de la generación actual pueden tener ventajas significativas en el consumo de energía. Por ejemplo, la versión sin LED del monitor de consumo Benq G2420HDB de 24 pulgadas tiene un consumo de 49 W en comparación con los 24 W de la versión LED del mismo monitor ( G2420HDBL ).

Para superar los desafíos mencionados con las retroiluminaciones LED RGB y blancas, NDF Special Light Products ha desarrollado una tecnología LED de "fósforo remoto avanzado" [ 23 ] , específicamente para aplicaciones LCD de alta gama y larga duración, como pantallas de cabina , [ 24 ] pantallas de control de tráfico aéreo y pantallas médicas. Esta tecnología utiliza LED de bombeo azul en combinación con una lámina sobre 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 larga vida útil en condiciones operativas más exigentes. Debido a que la lámina de fósforo se coloca a distancia (remota) del LED, experimenta mucho menos estrés térmico que los fósforos en los LED blancos. Como resultado, el punto blanco depende menos de los LED individuales y de la degradación de los LED individuales a lo largo de su vida útil, lo que conduce a una retroiluminación más homogénea con una consistencia de color mejorada y una menor depreciación del lumen.

El uso de retroiluminación LED en ordenadores portátiles ha ido en aumento. Sony ha utilizado retroiluminación LED en algunos de sus portátiles VAIO delgados 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 2008Lenovo ha anunciado portátiles con retroiluminación LED. En octubre de 2008 , Apple anunció que utilizaría retroiluminación LED en todos sus portátiles y en la nueva pantalla Apple Cinema Display de 24 pulgadas , y un año después presentó un nuevo iMac con LED , lo que significa que todas las nuevas pantallas de ordenador de Apple pasaron a tener retroiluminación LED. Casi todos los portátiles con pantalla 16:9 presentados desde septiembre de 2009 utilizan paneles con retroiluminación LED. Lo mismo ocurre con la mayoría de los televisores LCD, que en algunos países se comercializan con el nombre engañoso de " televisor LED" , aunque la imagen sigue siendo generada por un panel LCD.

La mayoría de las retroiluminaciones LED para pantallas LCD son de iluminación lateral , es decir, varios LED se colocan en los bordes de una guía de luz (placa guía de luz, LGP), que distribuye la luz detrás del panel LCD. Las ventajas de esta técnica son la construcción de paneles planos muy delgados y su bajo costo. Una versión más costosa se denomina LED de matriz completa o LED directo y consiste en muchos LED colocados detrás del panel LCD (una matriz de LED), de modo que los paneles grandes se pueden iluminar uniformemente. La atenuación local de matriz completa se abrevia a menudo como "FALD". Esta configuración permite la atenuación local para obtener píxeles negros más oscuros según la imagen que se muestre.

Atenuación de la retroiluminación

La retroiluminación LED a menudo se controla dinámicamente utilizando la información de video [ 25 ] (control dinámico de retroiluminación o atenuación local dinámica de la retroiluminación LED, también comercializada como HDR, televisión de alto rango dinámico, inventada por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] ).

Utilizando PWM (modulación por ancho de pulso, una tecnología en la que la intensidad de los LED se mantiene constante, pero el ajuste del brillo se logra variando un intervalo de tiempo de parpadeo de estas fuentes de luz de intensidad constante [ 29 ] ), la retroiluminación se atenúa al color más brillante que aparece en la pantalla mientras que, simultáneamente, aumenta el contraste de la pantalla LCD a los niveles máximos alcanzables.

Si la frecuencia de la modulación por ancho de pulso es demasiado baja o el usuario es muy sensible al parpadeo, esto puede causar molestias y fatiga visual, similar al parpadeo de las pantallas CRT . [ 30 ] [ 31 ] Esto puede comprobarse simplemente moviendo una mano u objeto delante de la pantalla. Si el objeto parece tener bordes nítidos al moverse, la retroiluminación parpadea a una frecuencia bastante baja. Si el objeto aparece borroso, la pantalla tiene una retroiluminación continua o la está utilizando a una frecuencia superior a la que el cerebro puede percibir. El parpadeo puede reducirse o eliminarse ajustando el brillo de la pantalla al máximo, aunque esto puede afectar negativamente a la calidad de la imagen y a la duración de la batería debido al mayor consumo de energía.

Difusores

Para que una retroiluminación que no sea ELP produzca una iluminación uniforme, algo fundamental para las pantallas, la luz primero pasa a través de una guía de luz (placa guía de luz, LGP), una capa de plástico especialmente diseñada que difunde la luz mediante una serie de protuberancias espaciadas de forma irregular. La densidad de protuberancias aumenta a medida que nos alejamos de la fuente de luz, según una ecuación de difusión . La luz difusa se dirige entonces a ambos lados del difusor; la parte frontal apunta al panel LCD, mientras que la parte posterior cuenta con un reflector que redirige la luz que de otro modo se desperdiciaría hacia el panel LCD. El reflector a veces está hecho de papel de aluminio o de una simple superficie pigmentada de blanco.

Polarizadores reflectantes

Los sistemas de retroiluminación LCD se vuelven altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas, como estructuras prismáticas para captar la luz en las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadoras reflectantes que reciclan la luz polarizada que fue absorbida previamente por el primer polarizador de la LCD (inventado por los investigadores de Philips Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), [ 32 ] generalmente logrado utilizando las llamadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. [ 33 ] Estos polarizadores consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxialmente que reflejan el modo de polarización absorbido previamente de la luz. [ 34 ] Dichos 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. [ 35 ] La combinación de polarizadores reflectantes y el control dinámico de la retroiluminación LED [ 26 ] hacen que los televisores LCD actuales sean mucho más eficientes que los televisores basados ​​en CRT, lo que genera un ahorro energético mundial de 600 TWh (2017), equivalente al 10 % del consumo eléctrico de todos los hogares del mundo o equivalente a 2 veces la producción energética de todas las células solares del mundo. [ 36 ] [ 37 ]

Consumo de energía

La evolución de los estándares energéticos y las crecientes expectativas del público respecto al consumo de energía han hecho necesario que los sistemas de retroiluminación gestionen su consumo. Al igual que en otros productos electrónicos de consumo (por ejemplo, frigoríficos o bombillas), se aplican categorías de consumo energético a los televisores. [ 38 ] Se han introducido estándares para la clasificación de potencia de los televisores, por ejemplo, en EE. UU., la UE y Australia [ 39 ] así como en China. [ 40 ] Además, un estudio de 2008 [ 41 ] mostró que, entre los países europeos, el consumo de energía es uno de los criterios más importantes para los consumidores a la hora de elegir un televisor, tan importante como el tamaño de la pantalla. [ 42 ]

Véase también

Referencias

  1. ↑ Patente estadounidense 4,096,550 : W. Boller, M. Donati, J. Fingerle, P. Wild, Dispositivo de iluminación para una pantalla de cristal líquido de efecto de campo, así como fabricación y aplicación del dispositivo de iluminación , presentada el 15 de octubre de 1976.
  2. ↑ "Historias de primera mano: Evolución de las pantallas de cristal líquido - Contribuciones suizas" . Wiki de historia de la ingeniería y la tecnología. Archivado del original el 3 de julio de 2017. Consultado el 30 de junio de 2017 .
  3. ↑ Lee, Jiun-Haw; Liu, David N.; Wu, Shin-Tson (20 de noviembre de 2008). Introducción a las pantallas planas . John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-72194-0– vía Google Libros.
  4. ^ Kobayashi, Shunsuke; Mikoshiba, Shigeo; Lim, Sungkyoo (15 de abril de 2009). Retroiluminación LCD . John Wiley e hijos. ISBN 978-0-470-74483-3– vía Google Libros.
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  7. ↑ " [ Ben Krasnow ] Analiza el sistema de fechado de las cámaras de película" . 15 de octubre de 2019.
  8. ↑ https://www.mouser.com/datasheet/2/208/GF%20STYLE%20T-2-4786.pdf . Hoja de datos de las lámparas con fusible de la serie T-2 GF de JKL Components
  9. ↑ "Manual: RX1001VBK SM JVC" – vía Internet Archive.
  10. ↑西田宗千佳 (29 de enero de 2021). "¿Qué tan sorprendentes son los 'mini LED' y 'micro LED' de los que hemos oído hablar con tanta frecuencia últimamente?" .ブルーバックス(en japonés). 講談社. Consultado el 23 de octubre de 2021 .
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  • El primer monitor de ordenador con retroiluminación incandescente del mundo.
  • Tutorial animado sobre la tecnología LCD y de retroiluminación de 3M.
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