Comment optimiser la luminosité d'un écran pour une faible consommation en temps réel

Les écrans à cristaux liquides, ou LCD, sont omniprésents dans les applications, y compris sur les thermostats, les terminaux médicaux portables, les tableaux de bord automobiles, les tablettes et les ordinateurs portables. Dans ces applications, les concepteurs doivent trouver le moyen de rendre l'affichage aussi lisible que possible sans fatigue oculaire, tout en consommant le moins d'énergie possible.

À cet effet, la luminosité de l'écran peut être déterminée par la détection initiale de la luminosité de l'éclairage ambiant avec un capteur de lumière ambiante (ALS). Un capteur de lumière ambiante doit être monté à l'arrière de l'écran, où le niveau de lumière ambiante permet de déterminer la luminosité d'affichage adéquate qui réduit la consommation énergétique.

Cet article évalue la capacité de trois technologies de capteur de lumière ambiante et résout les défis liés au réglage de l'intensité et de la puissance des écrans LCD pour conserver la puissance et fournir un niveau approprié de luminosité d'écran.

Mesure précise des bandes visuelles

La première étape dans l'optimisation de l'éclairage d'un LCD est de détecter avec précision la lumière ambiante à l'aide d'un capteur de lumière ambiante. La plage de longueur d'onde de lumière visible à l'œil nu est approximativement de 400 nm à 750 nm (Figure 1). La photodiode, un dispositif à semi-conducteurs, est le dispositif de détection d'éclairage ambiant le plus logique pour cette application. La photodiode convertit la lumière en courant électrique.

Figure 1 : La lumière visible est une petite partie du spectre électromagnétique s'étendant de 400 nm à 750 nm. (Source de l'image : ECN)

Même si la plage de sensibilité à la lumière d'une photodiode en silicium (environ 300 nm à 1 100 nm) ne correspond pas à la plage visible à l'œil nu, la section superposée est utile (Figure 2).

Figure 2 : La réponse spectrale de l'œil humain par rapport à la réponse spectrale de la photodiode avec une zone superposée utile. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le premier défi de conception figure dans la capture de la plage spectrale de l'œil humain à partir du signal d'une photodiode.

Conversion d'une réponse spectrale de l'œil humain

L'utilisateur s'attend à ce que chaque machine et chaque instrument correspondent à ses exigences visuelles. Le capteur de lumière ambiante mesure l'éclairement sur l'écran du dispositif. Sans filtre optique, cette mesure peut inclure la lumière visible, ainsi que la lumière ultraviolette (UV) et infrarouge (IR). Les signaux UV et IR se combinent de sorte à donner une lumière ambiante visible qui est en apparence plus brillante. Par conséquent, la sortie du contrôleur de rétroéclairage de l'écran affiche sur l'écran une réponse photopique ou de l'œil humain incommodante sous des conditions de lumière ambiante.

Pour un mappage précis, le concepteur doit modifier la lumière ambiante à l'aide de photodiodes, de filtres optiques, d'amplificateurs et de convertisseurs. Le processus a été simplifié par l'intégration de ces éléments dans un seul capteur de lumière ambiante. L'objectif d'un capteur de lumière ambiante est alors de supprimer les composants IR et UV de la sortie du capteur et de présenter une réponse spectrale de l'œil humain, tout en maintenant la luminance globale du LCD à un niveau confortable (Figure 3).

Figure 3 : Le filtrage optique et d'autres calculs et composants internes permettent au capteur de lumière ambiante OPT3001 de mapper le signal d'entrée ambiant en une réponse spectrale de l'œil humain. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les caractéristiques avancées des semi-conducteurs ont permis l'exploitation de nouvelles applications, dans lesquelles les dispositifs incluent désormais des filtres de couleur permettant la détection individuelle des couleurs rouge, verte et bleue (RVB).

Filtres optiques UV et IR spécialisés

Grâce aux capacités des filtres optiques rouge, vert, bleu et transparent, où le filtre transparent permet le passage de la lumière non filtrée dans la photodiode, le capteur de lumière ambiante peut détecter quatre spectres lumineux avec quatre photodiodes distinctes. À l'aide des signaux des quatre photodiodes, le capteur de lumière ambiante produit une sortie numérique avec les trois couleurs primaires (RVB), une quatrième pour la réponse ambiante et une cinquième pour bloquer la lumière infrarouge (IRCUT). La sensibilité élevée, la vaste plage dynamique et les cinq filtres font du capteur de lumière ambiante la solution de détection des couleurs idéale pour une utilisation dans diverses conditions d'éclairage.

De nombreux fournisseurs produisent des solutions de capteur de lumière ambiante, notamment ROHM Semiconductor, ams, Texas Instruments, ON Semiconductor, OSRAM Opto Semiconductors, Inc et Vishay Semiconductor / Opto Division, pour n'en citer que quelques-uns. Passons à l'évaluation des capteurs de lumière ambiante de ROHM Semiconductor, ams et Texas Instruments.

Les capteurs de lumière ambiante de ROHM Semiconductor utilisent un filtre IRCUT

L'application cible du circuit intégré de capteur de couleur numérique à sortie série 16 bits BH1745NUC-E2 de ROHM Semiconductor est un capteur de lumière ambiante pouvant ajuster le rétroéclairage de l'écran LCD d'un téléviseur, d'un téléphone mobile ou d'une tablette.

Le BH1745NUC-E2 détecte la lumière UV et IR à travers un filtre transparent et utilise un filtre IRCUT avant les filtres rouge, vert et bleu (Figure 4).

Figure 4 : Le circuit intégré de capteur de couleur numérique à sortie série 16 bits BH1745NUC-E2 de ROHM est doté d'un filtre transparent à l'extérieur du filtre IRCUT. (Source de l'image : ROHM)

Dans le BH1745NUC-E2, un filtre IRCUT précède les filtres optiques rouge, vert et bleu pour permettre le passage de la réponse spectrale de l'œil humain à travers les convertisseurs analogique-numérique (CAN). Le filtre IRCUT diffuse la lumière visible, tout en bloquant la lumière infrarouge. Le filtre transparent permet de produire des algorithmes de gradation réalistes pour plus d'authenticité et une consommation énergétique inférieure. Le gain de chaque CAN 16 bits est préprogrammé afin de produire la meilleure précision de mappage pour l'expérience visuelle (Figure 5).

Figure 5 : Réponse spectrale rouge, verte, bleue, transparente (RGBC) du BH1745NUC-E2. (Source de l'image : ROHM)

La vaste plage dynamique du BH1745NUC-E2 (0,005 – 40k lux) et ses excellentes caractéristiques IRCUT en font une solution adaptée pour obtenir l'éclairement et la température de couleur de l'éclairage ambiant.

Le filtre IR du capteur de lumière ambiante d'ams effectue un préfiltrage pour tous les autres filtres

Les applications cibles du convertisseur couleur lumière-numérique TCS34727FN d'ams avec un filtre IR sont les téléviseurs, les combinés mobiles, les tablettes, les ordinateurs et les moniteurs. La stratégie du capteur de lumière ambiante TCS34727FN utilise une configuration différente de celle à cinq filtres optiques. La configuration des filtres du TCS34727FN utilise à l'origine un filtre de blocage IR pour les quatre filtres de couleur (rouge, vert, bleu et transparent) (Figure 6).

Figure 6. Le capteur de lumière ambiante TCS34727FN 16 bits est doté d'un filtre IR bloquant les quatre autres filtres. (Source de l'image : ams)

Le dispositif TCS34727FN possède quatre CAN d'intégration, qui convertissent simultanément les courants amplifiés de la photodiode en valeurs numériques 16 bits. Le filtre de blocage IR réduit le composant spectral infrarouge de la lumière entrante pour permettre des mesures précises des couleurs. La haute sensibilité, la vaste plage dynamique et le filtre de blocage IR font du capteur de lumière ambiante la solution de détection des couleurs idéale pour une utilisation dans de nombreuses conditions d'éclairage (Figure 7).

Figure 7 : La réponse spectrale RGBC du TCS34727FN spécifie les caractéristiques de chaque filtre optique et le gain de chaque CAN. (Source de l'image : ams)

Les applications du TCS34727FN incluent les produits à écran comme les téléphones cellulaires, les ordinateurs portables et les téléviseurs pour détecter l'environnement d'éclairage. Ce dispositif permet d'activer efficacement la luminosité automatique de l'écran pour une visualisation et des économies d'énergie optimales. Le TCS3472 peut passer à l'état de veille basse consommation entre les mesures de détection de lumière afin de réduire davantage la consommation énergétique moyenne.

Le capteur de lumière ambiante de Texas Instruments peut rejeter 99 % de la lumière IR

Les applications cibles du capteur de lumière ambiante OPT3001DNPT de Texas Instruments sont les contrôles de rétroéclairage d'écran, les systèmes de contrôle d'éclairage, les tablettes et les ordinateurs portables. Ce dispositif mesure l'intensité de la lumière visible avec une réponse spectrale de capteur correspondant rigoureusement à la réponse de l'œil humain (Figure 8). Pour permettre d'obtenir ce résultat, le dispositif est doté d'un filtre optique frontal avec une réjection de lumière infrarouge de plus de 99 % avant la diffusion de la lumière détectée au CAN d'intégration.

Figure 8 : Le schéma fonctionnel du système OPT3001 de Texas Instruments illustre le filtre optique qui offre une réjection IR de 99 % avant la diffusion du signal détecté vers le CAN d'intégration. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le CAN offre une plage dynamique effective de 23 bits avec gain automatique. Ce luxmètre monopuce rejette les signaux de lumière infrarouge tout en mesurant l'intensité de la lumière visible. Indépendamment de la source de lumière, la réponse spectrale de précision et la haute réjection IR de l'OPT3001 permettent au dispositif de mesurer avec précision l'intensité de la lumière comme elle est perçue par l'œil humain.

La haute réjection infrarouge permet de maintenir une haute précision lorsqu'une conception industrielle exige le montage d'un capteur sous un verre sombre pour des questions esthétiques.

Un problème intéressant qui peut se produire avec un écran rétroéclairé est que les mesures de lumière changent en fonction des différentes sources et entrées de lumière. Un verre sombre, par exemple, transmet des signaux de lumière infrarouge. La lumière incandescente a des longueurs d'onde infrarouges élevées qui, en raison de la transmissivité du verre, atteignent le capteur. Grâce à sa réjection infrarouge de 99 %, l'OPT3001 mesure uniquement ce qui se trouve dans la région visible et mappe la réponse de l'œil humain aux quatre réponses CAN collectives (Figure 9).

Figure 9 : L'OPT3001 capture le spectre de lumière visible avec la réponse de l'œil humain (gauche) et mappe cette dernière avec les quatre réponses CAN collectives (droite). (Source de l'image : Texas Instruments)

Pour pouvoir obtenir la réaction de l'œil humain, l'OPT3001 possède une fonctionnalité de réglage de gain automatique qui répond automatiquement au niveau de la lumière d'entrée. Le dispositif reste dans une plage optimale avec une bonne résolution et une précision étroite entre les plages. La précision relative entre les plages de gains est de 0,2 %.

Conclusion

Les capteurs de lumière ambiante peuvent être utilisés pour mesurer l'intensité de la lumière visible afin de fournir un écran LCD lisible pour l'utilisateur, et ce, avec une consommation énergétique réduite. L'objectif de chaque fabricant est de faire rigoureusement correspondre la réponse spectrale des capteurs à la réponse de l'œil humain, avec une réjection infrarouge considérable, tout en maintenant une puissance minimale, indépendamment de la source de lumière ou de l'application.

Cela étant dit, le résultat est subjectif, car les capteurs de lumière ambiante mentionnés dans cet article sont différents, avec des styles variés de filtrage optique, d'amplification de couleurs visuelles et des degrés différents de résolution CAN et de satisfaction. Par conséquent, la sortie d'un capteur de lumière ambiante est comparable aux défis de l'industrie audio : une personne peut accepter l'aspect ou le son d'une solution, alors qu'une autre peut la rejeter complètement. Cela laisse une certaine marge de créativité aux concepteurs pour différencier leur conception d'écran LCD.