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, por ejemplo, de las pantallas de tubo de rayos catódicos (CRT), plasma (PDP) u OLED ), 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 costado o la parte posterior del panel de visualización, a diferencia de las luces frontales , 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 manera similar a una pantalla CRT. En un informe Historia de la ingeniería y la tecnología de Peter J. Wild se ofrece una revisión de algunos de los primeros esquemas de retroiluminación para pantallas LCD . [2]
Los tipos simples de pantallas LCD, como las de 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. Sin embargo, la mayoría de las pantallas LCD 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. Luego, las válvulas de luz varían la cantidad de luz que llega al ojo, bloqueando su paso de alguna manera. La mayoría utiliza un filtro polarizador fijo y otro conmutable para bloquear la luz no deseada.
La fuente de luz puede estar compuesta por:
Un ELP emite luz uniforme en toda su superficie, pero otras luces de fondo emplean con frecuencia un difusor para proporcionar una iluminación uniforme desde una fuente desigual.
Las luces de fondo vienen en muchos colores. Las pantallas LCD monocromáticas suelen tener retroiluminación amarilla , verde , azul o blanca , mientras que las pantallas en color utilizan retroiluminación blanca que cubre la mayor parte del espectro de colores .
Colored LED backlighting is most commonly used in small, inexpensive LCD panels. White LED backlighting is becoming dominant. ELP backlighting is often used for larger displays or when even backlighting is important; it can also be either colored or white. An ELP must be driven by relatively high[specify] voltage AC power, which is provided by an inverter circuit. CCFL backlights are used on larger displays such as computer monitors, and are typically white in color; these also require the use of an inverter and diffuser. Incandescent backlighting was used by early LCD panels to achieve high brightness, but the limited life and excess heat produced by incandescent bulbs were severe limitations. The heat generated by incandescent bulbs typically requires the bulbs to be mounted away from the display to prevent damage.
For several years (until about 2010), the preferred backlight for matrix-addressed large LCD panels such as in monitors and TVs was based on a cold-cathode fluorescent lamp (CCFL) by using two CCFLs at opposite edges of the LCD or by an array of CCFLs behind the LCD (see picture of an array with 18 CCFLs for a 40-inch LCD TV). Due to the disadvantages in comparison with LED illumination (higher voltage and power needed, thicker panel design, no high-speed switching, faster aging), LED backlighting is becoming more popular.[citation needed]
LED backlighting in color screens comes in two varieties: white LED backlights and RGB LED backlights.[3] White LEDs are used most often in notebooks and desktop screens, and make up virtually all mobile LCD screens. A white LED is typically a blue LED with broad spectrum yellow phosphor to result in the emission of white light. However, because the spectral curve peaks at yellow, it is a poor match to the transmission peaks of the red and green color filters of the LCD. This causes the red and green primaries to shift toward yellow, reducing the color gamut of the display.[4] RGB LEDs consist of a red, a blue, and a green LED and can be controlled to produce different color temperatures of white. RGB LEDs for backlighting are found in high end color proofing displays such as the HP DreamColor LP2480zx monitor or selected HP EliteBook notebooks, as well as more recent consumer-grade displays such as Dell's Studio series laptops which have an optional RGB LED display.
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 coincide estrechamente con los filtros de color en los propios 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 sólo 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 rojos, verdes y azules reales se pueden alejar más para que la pantalla sea capaz de reproducir colores más vivos.
Un nuevo método [ especificar ] para mejorar aún más la gama de colores de los paneles LCD con retroiluminación LED se basa en LED azules (como GaN) que iluminan una capa de fósforos de nanocristales, los llamados puntos cuánticos (QD) , [6] que convierten la 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 licenciatario de Nanosys y Avantama de Suiza . [7] [8] Sony ha adaptado la tecnología Quantum Dot de la empresa estadounidense QD Vision [9] para presentar televisores LCD con una retroiluminación LED mejorada con iluminación de borde comercializada bajo el término Triluminos en 2013. Con un LED azul y nanocristales optimizados para el verde. y los colores rojos delante, 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 TCL y Sony mostraron retroiluminación LED mejorada con QD para televisores LCD. [10] [11]
La retroiluminación CCFL también ha mejorado a este respecto. Muchos modelos LCD, desde pantallas TN económicas 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 .
Existen 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 independientes 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 3141K a 3222K de 10 °C a 80 °C respectivamente. [12] La eficiencia energética también puede ser un desafío; Las implementaciones de primera generación podrían consumir más energía que sus contrapartes CCFL, aunque es posible que una pantalla LED sea más eficiente energéticamente. [ cita necesaria ] En 2010, las pantallas LED de la generación actual pueden tener importantes ventajas en el consumo de energía. Por ejemplo, la versión sin LED de la pantalla de consumo Benq G2420HDB de 24" tiene un consumo de 49W en comparación con los 24W de la versión LED de la misma pantalla (G2420HDBL).
Para superar los desafíos antes mencionados con retroiluminación LED RGB y blanca , NDF Special Light Products ha desarrollado una tecnología LED de 'fósforo remoto avanzado' [13] , específicamente para aplicaciones LCD de alta gama y larga duración, como pantallas de cabina , [14] Pantallas de control de tráfico aéreo y pantallas médicas. Esta tecnología utiliza LED de bomba azules en combinación con una lámina 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 larga vida útil en condiciones operativas más exigentes. Debido a que la lámina de fósforo se coloca a una 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 genera una retroiluminación más homogénea con una mejor consistencia del color y una menor depreciación del lúmen.
El uso de retroiluminación LED en ordenadores portátiles ha ido en aumento. Sony ha utilizado retroiluminación LED en algunas de sus portátiles VAIO delgadas 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 [actualizar], Lenovo también anunció portátiles con retroiluminación LED. En octubre de 2008, Apple anunció que usaría retroiluminación LED para todas sus computadoras portátiles y el nuevo Apple Cinema Display de 24 pulgadas , y un año después presentó una nueva 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 televisores LCD, que en algunos países se comercializan con el engañoso nombre de LED TV , aunque la imagen sigue siendo generada por un panel LCD.
La mayoría de las retroiluminación LED para LCD están iluminadas en los bordes , es decir, se colocan varios LED en los bordes de una guía de luz (Lightguide plate, LGP), que distribuye la luz detrás del panel LC. Las ventajas de esta técnica son la construcción de panel plano muy delgado y su 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 serie 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.
La retroiluminación LED a menudo se controla dinámicamente utilizando la información del vídeo [15] (control dinámico de la 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 el intervalo de tiempo de parpadeo de estas fuentes de luz de intensidad de luz constante [19] ), la luz de fondo se atenúa al color más brillante que aparece en la pantalla y al mismo tiempo 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 agitando una mano u 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 continuamente iluminada 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 ajustando la pantalla al brillo máximo, 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.
Para que una retroiluminación que no sea ELP produzca una iluminación uniforme, lo cual es 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 a través de una serie de protuberancias espaciadas de manera desigual. . La densidad de las protuberancias aumenta cuanto más nos alejamos de la fuente de luz según una ecuación de difusión . La luz difusa luego viaja a ambos lados del difusor; el frente mira 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 de una simple superficie pigmentada de blanco.
Los sistemas de retroiluminación de LCD se vuelven altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas como una estructura prismática para llevar la luz a las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadas reflectantes que reciclan la luz polarizada que anteriormente era absorbida por 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] Estos 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 dinámico de la retroiluminación LED [16] hacen que los televisores LCD actuales sean mucho más eficientes que los televisores CRT, lo que genera 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]
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 gestionen su energía. En cuanto a otros productos electrónicos de consumo (por ejemplo, frigoríficos o bombillas), se aplican categorías de consumo de energía a los televisores. [28] Se han introducido normas para las clasificaciones de potencia de los televisores, por ejemplo, en los EE.UU., la UE y Australia [29] , así como en China. [30] Además, un estudio de 2008 [31] demostró 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. [32]
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