Una luz de fondo es una forma de iluminación utilizada en pantallas de cristal líquido (LCD) que proporciona iluminación desde la parte posterior o lateral de un panel de visualización. Las pantallas 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. La retroiluminación se utiliza 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 la retroiluminación incluyen diodos emisores de luz (LED) y lámparas fluorescentes de cátodo frío (CCFL).
Los tipos simples de pantallas LCD, como las que se utilizan en 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.
Muchos tipos de pantallas, además de las LCD, generan su propia luz y no requieren retroiluminación, por ejemplo, las pantallas OLED , las de tubo de rayos catódicos (CRT) y las de plasma (PDP).
Un tipo similar de tecnología se llama luz frontal , que ilumina una pantalla LCD desde el frente.
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]
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 .
La retroiluminación LED de colores se utiliza más comúnmente 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 funcionar con energía de CA de voltaje relativamente alto [ especifique ] , que es proporcionada por un circuito inversor . La retroiluminación CCFL se utiliza en pantallas más grandes, como monitores de computadora, y normalmente son de color blanco; estos también requieren el uso de un inversor y un difusor. Los primeros paneles LCD utilizaban retroiluminación incandescente para lograr un alto brillo, pero la vida útil limitada y el exceso de calor producido por las bombillas incandescentes eran limitaciones graves. El calor generado por las bombillas incandescentes normalmente requiere que las bombillas se monten lejos de la pantalla para evitar daños.
Durante varios años (hasta aproximadamente 2010), la luz de fondo preferida para grandes paneles LCD con dirección matricial, como monitores y televisores, se basaba en una lámpara fluorescente de cátodo frío (CCFL) mediante el uso de dos CCFL en bordes opuestos de la pantalla LCD o mediante un conjunto de CCFL detrás de la pantalla LCD (vea la imagen de un conjunto 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. [ cita necesaria ]
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 .
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 suele ser 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 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 cambien hacia el amarillo, lo que reduce la gama de colores de la pantalla. [4] Los LED RGB constan de un LED rojo, un azul y un verde y se pueden controlar para producir diferentes temperaturas de color del blanco. Los LED RGB para retroiluminación se encuentran en pantallas de prueba de color de alta gama, 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 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. Los puntos rojos, verdes y azules reales se pueden alejar más 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 con retroiluminación 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). [6] 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 licenciataria de Nanosys y Avantama de Suiza . [7] [8] Sony ha adaptado la tecnología de puntos cuánticos 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, varias empresas mostraron retroiluminación LED mejorada con QD en televisores LCD, incluidas Samsung Electronics , LG Electronics y la china TCL Corporation . [10] [11]
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. 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 se ven afectados por este fenómeno, registrándose cambios de temperatura de color de varios cientos de Kelvin . Los LED blancos sufren cambios de color azul a temperaturas más altas que varían de 3141 K a 3222 K durante 10 °C a 80 °C respectivamente. [12] La eficiencia energética 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 anunció portátiles con retroiluminación LED. En octubre de 2008, Apple anunció que utilizaría retroiluminación LED en todos sus portátiles y en 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 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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