Digi-Key Electronics
Avtor: Rich Miron
2018_266_22
Zasloni s tekočimi kristali (LCD-ji) se uporabljajo pri številnih napravah, vključno s termostati, medicinskimi ročnimi terminali, avtomobilskimi prikazovalniki, tabličnimi in prenosnimi računalniki. Oblikovalci teh naprav se morajo domisliti, kako naj bodo zasloni čim bolj berljivi brez naprezanja oči, hkrati pa čim manj energetsko potratni.
Pri doseganju teh zahtev si lahko pri določitvi svetlosti zaslona pomagamo tako, da najprej zaznamo svetlost osvetlitve okolice s pomočjo senzorja osvetlitve prostora (ALS). Senzor osvetlitve prostora je potrebno namestiti za zaslon prikazovalnika, z izmerjeno ravnjo osvetlitve prostora pa se potem določi sprejemljiva svetlost zaslona, kar zmanjša tudi porabo energije.
V tem članku bomo ocenili zmogljivost treh tehnologij za naprave ALS ter odpravili težave z intenzivnostjo in prilagoditvijo energije zaslonov LCD pri varčevanju z energijo in zagotavljanju ustrezne svetlosti zaslona.
Natančno merjenje vidnih pasov
Prvi korak pri optimizaciji svetlosti za zaslone LCD je natančno zaznavanje osvetlitve okolice z napravo ALS. Razpon svetlobne valovne dolžine, ki je vidna s človeškim očesom, je približno od 400 nanometrov (nm) do ~750 nm (slika 1). Fotodioda je polprevodniški element in najbolj logična izbira v tem primeru za napravo, ki zaznava pogoje osvetlitve okolice. Fotodioda pretvarja svetlobo v električni tok.
Čeprav razpon svetlobne občutljivosti silicijeve fotodiode (približno 300 nm do 1100 nm) ne ustreza popolnoma človeškemu vidnemu spektru, pa je njuno sovpadanje uporabno (slika 2).
Prvi izzivi pri tej zasnovi je, kako s signalom fotodiode zajeti vidni spekter človeškega očesa.
Prenos v spektralni odziv človeka
Ljudje pričakujejo, da bo vsak stroj in instrument prilagojen našim vidnim zahtevam. Naprava ALS meri osvetljenost zaslona naprave. Brez optičnega filtriranja bi ta meritev poleg vidne svetlobe vključevala tudi ultravijolično (UV) in infrardečo (IR) svetlobo. Zaradi signalov UV in IR je vidna svetloba okolice videti svetlejša. Posledično bo zaradi izhodne vrednosti nadzora osvetlitve zaslona od zadaj fotopični ali človeški odziv na zaslon pod pogoji osvetlitve okolice neprijeten.
Za natančno določitev spektra mora oblikovalec prilagoditi osvetlitev okolice z uporabo fotodiod, optičnih filtrov, ojačevalnikov in pretvornikov. To je z integracijo teh elementov v eno napravo ALS postalo lažje. Cilj naprave ALS je torej iz izhodnih vrednosti senzorja odstraniti komponenti UV- in IR-svetlobe ter predstaviti spektralno občutljivost človeškega očesa, pri tem pa ohraniti splošno svetilnost zaslona LCD na ustrezni ravni (slika 3).
Izboljšane značilnosti teh polprevodnikov so odprle nove možnosti uporabe, saj lahko naprave zdaj vključujejo barvne filtre, kar omogoča posamezno zaznavanje rdeče, zelene in modre barve (RGB).
Specializirani optični filtri za UV in IR
Z uporabo rdečih, zelenih, modrih in prozornih optičnih filtrov, pri čemer prozorni filter omogoča padanje nefiltrirane svetlobe na fotodiodo, zazna naprava ALS štiri svetlobne spektre s štirimi posameznimi fotodiodami. S štirimi filtriranimi signali fotodiode naprava ALS proizvede digitalni odziv treh primarnih barv (RGB), odziv svetlosti okolice in odziv blokirane infrardeče svetlobe (IRCUT). Naprava ALS je zaradi visoke občutljivosti, širokega dinamičnega obsega in petih filtrov popolna rešitev za barvni senzor za uporabo v spremenljivih svetlobnih pogojih.
Različni dobavitelji, ki proizvajajo rešitve ALS, vključujejo med drugim tudi naslednja podjetja Rohm Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, OSRAM Opto Semiconductors, Inc in Vishay Semiconductor / Opto Division. Zdaj pa k podajanju ocen za naprave ALS proizvajalcev Rohm Semiconductor, ams in Texas Instruments.
Naprave ALS podjetja Rohm Semiconductor uporabljajo filter IRCUT
Ciljna področja uporabe barvnega senzorja IC Rohm Semiconductorr BH1745NUC-E2 z digitalnim 16-bitnim serijskim izhodom so naprave ALS, ki prilagajajo osvetlitev ozadja zaslona LCD za televizorje, mobilne telefone ali tablične računalnike.
Senzor BH1745NUC-E2 zaznava UV- in IR-svetlobo skozi prozorni filter in uporablja filter IRCUT pred rdečim, zelenim in modrim (slika 4).
Pri senzorju BH1745NUC-E2 je filter IRCUT pred rdečim, zelenim in modrim optičnim filtrom, da omogoča prehod spektralnega odziva človeka do analogno-digitalnih pretvornikov (ADC-jev). Filter IRCUT prepušča vidno svetlobo, ob tem pa blokira infrardečo svetlobo. Prozorni filter pomaga pri izdelavi človeško realističnega algoritma zatemnitve za avtentičnost in majhno porabo energije. Ojačanje posameznega 16-bitnega ADC-ja je predhodno programirano tako, da prikaže najbolj natančno določitev vizualne izkušnje (slika 5).
Zaradi širokega dinamičnega obsega senzorja (0,005–40.000 luks) in odličnih značilnosti filtra IRCUT je senzor BH1745NUC-E2 primeren za pridobivanje osvetljenosti in barvne temperature osvetlitve okolice.
Filter IR naprave ams ALS prefiltrira za vse ostale filtre
Ciljna področja uporabe za pretvornik barvne svetlobe v digitalni signal ams TCS34727FN s filtrom IR so televizorji, mobilni telefoni, tablice, računalniki in monitorji. Trenutna strategija naprave TCS34727FN ALS uporablja drugačno konfiguracijo petih optičnih filtrov. Konfiguracija filtra za napravo TCS34727FN sprva uporabi filter za blokiranje IR-svetlobe za vse štiri (rdeči, zeleni, modri in prozorni) barvne filtre (slika 6).
Naprava TCS34727FN ima štiri povezane ADC-je, ki istočasno pretvorijo ojačane tokove fotodiode v 16-bitne digitalne vrednosti. Filter, ki blokira infrardečo svetlobo, zmanjša vstopno svetlobo, infrardeča spektralna komponenta pa omogoča natančno barvno merjenje. Naprava ALS je zaradi visoke občutljivosti, širokega dinamičnega obsega in filtra, ki blokira infrardečo svetlobo, idealna rešitev za barvni senzor za uporabo v spremenljivih svetlobnih pogojih (slika 7).
Naprava TCS34727FN se uporablja za zaznavanje svetlobnega okolja v izdelkih, ki temeljijo na zaslonih, kot so na primer mobilni telefoni, prenosni računalniki in televizorji. Naprava omogoča učinkovito samodejno svetlost zaslona za optimalno gledanje in varčevanje z energijo. Naprava TCS3472 lahko med meritvami zaznavanja svetlobe preklopi v varčevalno stanje čakanja in tako še dodatno zmanjša povprečno porabo energije.
Naprava ALS podjetja Texas Instruments odbije 99 % infrardeče svetlobe
Ciljna področja uporabe za napravo Texas Instruments OPT3001DNPT ALS so nadzor osvetlitve od zadaj, nadzorni sistemi osvetlitve in tablični ter prenosni računalniki. Naprava meri intenzivnost vidne svetlobe s spektralno občutljivostjo senzorja, ki se tesno ujema z občutljivostjo človeškega očesa (slika 8). Naprava je za doseganje tega opremljena s prednjim optičnim filtrom z več kot 99-odstotnim odbojem infrardeče svetlobe, preden zaznana svetloba preide v povezan ADC.
Naprava ADC ima 23-bitni efektivni dinamični obseg s samodejnim razponom ojačanja. Ta merilnik osvetljenosti z enojnim čipom odbija infrardeče svetlobne signale, ob tem pa še vedno meri intenzivnost vidne svetlobe. Ne glede na vir svetlobe natančen spektralni odziv in močno odbijanje infrardeče svetlobe naprave OPT3001 omogoča, da naprava natančno izmeri intenzivnost svetlobe, kot jo vidi človeško oko.
Močan odboj infrardeče svetlobe pomaga vzdrževati visoko natančnost, medtem ko industrijska zasnova iz estetskih razlogov teži k namestitvi senzorja pod temno steklo.
Pri osvetlitvi zaslona od zadaj lahko pride do zanimivega problema, in sicer da se meritve svetlobe ob različnih vnosih in virih svetlobe spreminjajo. Temno steklo na primer prenaša signale infrardeče svetlobe. Žarilna svetloba oddaja infrardeče valovne dolžine, ki zaradi stopnje prevodnosti stekla dosežejo senzor. Z 99-odstotnim odbojem IR naprava OPT3001 meri samo, kar je v vidni regiji in prilagodi odziv človeškega očesa na štiri skupne odzive ADC (slika 9).
Za pomoč pri doseganju odziva človeškega očesa ima naprava OPT3001 funkcijo samodejnega ojačanja, ki se samodejno odziva na raven vhodne svetlobe. Naprava ostane v optimalnem razponu z dobro ločljivostjo in veliko natančnostjo med razponi. Relativna natančnost med razponi ojačanja je 0,2 %.
Sklep
Naprave ALS je mogoče uporabljati za merjenje intenzivnosti vidne svetlobe, da uporabniku zagotovimo berljiv zaslon LCD z minimalno porabo energije. Cilj vsakega proizvajalca je, da skuša s temi senzorji čim boljše ujeti spektralno občutljivost človeškega očesa, vključno s pomembnim odbojem infrardeče svetlobe, ob tem pa ne glede na vir svetlobe ali uporabo vzdrževati najnižjo porabo energije.
Ob tem je potrebno poudariti, da gre za subjektivno nalogo, saj se naprave ALS, omenjene v tem članku, med seboj razlikujejo glede na način optičnega filtriranja, vizualnega barvnega ojačanja in stopenj ločljivosti ter zadovoljivosti ADC-ja. Zaradi tega je izbira naprave ALS podobna izzivom na področju avdioindustrije: nekdo lahko sprejme videz ali zvok ene rešitve, medtem ko je za nekoga drugega ta ista rešitev popolnoma nesprejemljiva. To pa oblikovalcem omogoča nekaj svobode pri kreativnosti in razlikovanju njihovih zasnov za zaslone LCD.
