La retroiluminación es una forma de iluminación utilizada en las pantallas de cristal líquido (LCD) que proporciona iluminación desde la parte posterior o lateral de un panel de visualización. Las LCD no producen luz por sí mismas, por lo que necesitan iluminación ( luz ambiental o una fuente de luz especial) para producir una imagen visible. Las retroiluminaciones se utilizan a menudo en teléfonos inteligentes , monitores de computadora y televisores LCD . Se utilizan en pantallas pequeñas para aumentar la legibilidad en condiciones de poca luz, como en los relojes de pulsera . [1] Las fuentes de luz típicas para las retroiluminaciones incluyen diodos emisores de luz (LED) y lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL).
Los tipos simples de pantallas LCD, como las que se usan en las calculadoras de bolsillo, se construyen sin una fuente de luz interna, por lo que se necesitan fuentes de luz externas para transmitir la imagen de la pantalla al usuario. Sin embargo, la mayoría de las pantallas LCD se construyen con una fuente de luz interna. Dichas pantallas constan de varias capas. La luz de fondo suele ser la primera capa desde atrás. 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 uno conmutado para bloquear la luz no deseada.
Muchos tipos de pantallas distintas de las LCD generan su propia luz y no requieren luz de fondo, por ejemplo, las pantallas OLED , las de tubo de rayos catódicos (CRT) y las de plasma (PDP).
Un tipo similar de tecnología se denomina luz frontal y ilumina una pantalla LCD desde el frente.
En el 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]
La fuente de luz puede estar compuesta por: [3]
Un ELP emite una luz uniforme en toda su superficie, pero otras retroiluminaciones frecuentemente emplean 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 luces de fondo amarillas , verdes , azules o blancas , mientras que las pantallas a color utilizan luces de fondo blancas que cubren la mayor parte del espectro de colores .
La retroiluminación LED de color se utiliza 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 blanca. Una ELP debe ser impulsada por una alimentación de CA de voltaje relativamente alto [ especificar ] , que es proporcionada por un circuito inversor . Las retroiluminaciones CCFL se utilizan en pantallas más grandes, como monitores de computadora, y generalmente son de color blanco; 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 severas. El calor generado por las bombillas incandescentes generalmente requiere que las bombillas se monten lejos de la pantalla para evitar daños.
Durante varios años (hasta aproximadamente 2010), la retroiluminación preferida para los paneles LCD de gran tamaño con matriz direccionable, como los de los monitores y televisores, se basaba en una lámpara fluorescente de cátodo frío (CCFL) utilizando 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. [ cita requerida ]
Muchos modelos de LCD, desde las baratas pantallas TN hasta los paneles S-IPS o S-PVA con prueba de color, tienen CCFL de amplia gama que representan más del 95% de la especificación de color NTSC .
La retroiluminación LED en las pantallas a color se presenta en dos variedades: retroiluminación LED blanca y retroiluminación LED RGB. [10] 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 para dar como resultado la emisión de luz blanca. Sin embargo, debido a que la curva espectral alcanza su 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, lo que reduce la gama de colores de la pantalla. [11] 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 alta gama, como el monitor HP DreamColor LP2480zx o portátiles HP EliteBook seleccionados , 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. [12] Cuando se utilizan tres LED independientes ( color aditivo ), la retroiluminación puede producir un espectro de colores que coincide estrechamente con los filtros de color de 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 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 rojo, verde y azul reales se pueden mover 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 de nanocristales, llamados puntos cuánticos (QD). [13] 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 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 de Suiza . [14] [15] Sony ha adaptado la tecnología de puntos cuánticos de la empresa estadounidense QD Vision [16] 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 delante de 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 de televisores LCD, entre ellas Samsung Electronics , LG Electronics y la corporación china TCL . [17] [18]
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 diferentes ritmos; los LED blancos se ven afectados por este fenómeno, con cambios de varios cientos de kelvin de temperatura de color que se registran. Los LED blancos sufren cambios de azul a temperaturas más altas que varían de 3141K a 3222K para 10 °C a 80 °C respectivamente. [19] La eficiencia energética puede ser un desafío; las implementaciones de primera generación podrían potencialmente usar más energía que sus contrapartes CCFL, aunque es posible que una pantalla LED sea más eficiente energéticamente. [ cita requerida ] En 2010, las pantallas LED de la generación actual pueden tener importantes ventajas de consumo de energía. Por ejemplo, la versión sin LED de la pantalla de consumo Benq G2420HDB de 24" tiene un consumo de 49 W en comparación con los 24 W de la versión LED de la misma pantalla (G2420HDBL).
Para superar los desafíos antes mencionados con las retroiluminación LED RGB y blanca, NDF Special Light Products ha desarrollado una tecnología LED de "fósforo remoto avanzado" [20] , específicamente para aplicaciones LCD de alta gama y larga duración, como pantallas de cabina , [21] pantallas de control de tráfico aéreo y pantallas médicas. Esta tecnología utiliza LED de bombeo azul en combinación con una hoja en la que se imprimen materiales luminiscentes de fósforo para la conversión de color. El principio es similar a 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 hoja 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 la vida útil, lo que da como resultado una retroiluminación más homogénea con una consistencia de color mejorada y una menor depreciación de lúmenes.
El uso de retroiluminación LED en los ordenadores portátiles ha ido en aumento. Sony ha utilizado retroiluminación LED en algunos de sus 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 [actualizar], Lenovo ha anunciado portátiles con retroiluminación LED. En octubre de 2008, Apple anunció que utilizaría 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 ordenador de Apple se convirtieron en pantallas con retroiluminación LED. Casi todos los portátiles con una pantalla de 16:9 introducidos desde septiembre de 2009 utilizan paneles con retroiluminación LED. Este también es el caso de la mayoría de los televisores LCD, que se comercializan en algunos países con el nombre engañoso de LED TV , aunque la imagen todavía se genera mediante un panel LCD.
La mayoría de las retroiluminaciones LED para LCD son de borde , es decir, se colocan varios LED en los bordes de una guía de luz (Light guide plate, LGP), que distribuye la luz detrás del panel LC. Las ventajas de esta técnica son la construcción de panel plano muy fino y el bajo coste. Una versión más cara se denomina full-array o LED directo y consta de muchos LED colocados detrás del panel LC (una matriz de LED), de modo que se pueden iluminar de forma uniforme paneles grandes. 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 de vídeo [22] (control dinámico de retroiluminación o retroiluminación LED de "atenuación local" dinámica, también comercializada como HDR, televisión de alto rango dinámico, inventada por los investigadores de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer y Adrianus de Vaan [23] [24] [25] ).
Utilizando PWM (modulación por ancho de pulso, una tecnología donde 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 de luz constante [26] ), la luz de fondo 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 incomodidad y fatiga visual, similar al parpadeo de las pantallas CRT . [27] [28] Esto puede ser probado por un usuario simplemente agitando 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 parece borroso, la pantalla tiene una luz de fondo iluminada continuamente o está operando la luz de fondo a una frecuencia más alta que la que el cerebro puede percibir. El parpadeo se puede reducir o eliminar configurando la pantalla al brillo completo, aunque esto puede tener un impacto negativo en la calidad de la imagen y la duración de la batería debido al aumento del consumo de energía.
Para que una retroiluminación que no sea ELP produzca una iluminación uniforme, lo cual es fundamental para las pantallas, la luz 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 a medida que se aleja de la fuente de luz según una ecuación de difusión . La luz difundida luego viaja a ambos lados del difusor; la parte frontal mira hacia el panel LCD real, la parte posterior tiene un reflector para guiar la luz que de otro modo se desperdiciaría de regreso hacia el panel LCD. El reflector a veces está hecho de papel de aluminio o una superficie simple pigmentada en blanco.
Los sistemas de retroiluminación de LCD se vuelven altamente eficientes mediante la aplicación de películas ópticas como la estructura prismática para llevar la luz a las direcciones deseadas del espectador y películas polarizadoras reflectantes que reciclan la luz polarizada que anteriormente era absorbida por el primer polarizador del LCD (inventado por los investigadores de Philips Adrianus de Vaan y Paulus Schaareman), [29] generalmente logrado usando las llamadas películas DBEF fabricadas y suministradas por 3M. [30] Estos polarizadores consisten en una gran pila de películas birrefringentes orientadas uniaxialmente que reflejan el modo de polarización absorbido anterior de la luz. [31] 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. [32] La combinación de estos polarizadores reflectantes y el control dinámico de la retroiluminación LED [23] 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 de electricidad de todos los hogares del mundo o igual a 2 veces la producción de energía de todas las células solares del mundo. [33] [34]
La evolución de los estándares energéticos y las crecientes expectativas del público en relación con el consumo de energía han hecho necesario que los sistemas de retroiluminación gestionen su energía. Al igual que para otros productos electrónicos de consumo (por ejemplo, refrigeradores o bombillas), se aplican categorías de consumo de energía para los televisores. [35] Se han introducido estándares para clasificaciones de energía para televisores, por ejemplo, en los EE. UU., la UE y Australia [36] , así como en China. [37] Además, un estudio de 2008 [38] 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. [39]
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