Näyttö on älypuhelimien ja tablettien tärkein osa. Lisäämällä näytön alle RGB-värianturi voidaan tuottaa kirkkaampia, selkeämpiä ja miellyttävämpiä tuotteita. Niitä, jotka eroavat kilpailjoiden tuotteista.

Artikkelin kirjoittaja Naresh Shetty toimii vanhempana markkinointijohtajana Intersilissä. Hänen vastuullaan on optisten anturituotteiden markkinointi. Nareshilla on puolijohdealalta yli 20 vuoden kokemus ja hänellä on useita patentteja. Ennen Intersiliä hän työskenteli markkinoinnissa International Rectifierillä ja National Semiconductorilla. Nareshilla on elektroniikan suunnittelun tutkinto Teksasin yliopistosta.

Tablettien ja älypuhelimien markkinoiden kehitys osoittaa, että uudet houkuttelevat laitteet voivat vahvistaa OEM-yritysten asemaa. Kun huomio laajenee päällepuettaviin laitteisiin kuten älypuhelimiin, tarve muodikkaalle ja kilpailijoista erottuvalle suunnittelulle tulee yhä tärkeämmäksi.

Uusien suunnittelujen esteenä on ala, joka pitää varata käyttäjän huomion kohteeksi: itse laitteen käyttöliittymä. Koska värikkäiden nestekidenäyttöjen tai orgaanisten ledinäyttöjen ja kapasitiivisen kosketuspinnan yhdistelmä on niin voimakas, on vain luonnollista että se hallitsee suunnittelua. Mutta tämä ei tarkoita että kaikissa laitteissa pitäisi käyttää kirkasta lasia ja hopeisia muotoja. Sävytetty lasi tarjoaa monia mahdollisuuksia erottautua muista.

Kuva 1. RGB-anturit voivat erottaa tuotteiden suunnittelun toisistaan.

Vaikka lasin sävy muuttaa käyttöliittymän ulkonäköä, tätä on mahdollista kompensoida itse näyttöpaneelilla. Pikselien väritasapainoa voidaan muuttaa niin, että aktivoituna lasi näytön päällä näyttää olevan kirkas. Lisäksi näyttö voidaan suunnitella siten, että se ei vain kompensoi värjättyä lasia vaan myös ympäröiviä valaistusolosuhteita - aurinkoisen päivän sinisestä valosta joidenkin sisätilojen keltaiseen tai punaiseen sävyyn.

Tämän toiminnallisuuden avainvaatimus on tarkka ympäröivän valon RGB-anturi (red, green, blue) yksinkertaisen valkoisen ympäröivän valon anturin sijaan, jota tämän päivän älypuhelimissa käytetään määrittelemään näytön vaatima kirkkaus. Ottamalla huomioon sekä värit että ympäröivä kirkkaus näytöstä voidaan tehdä helpommin erottuva ja miellyttävämpi käyttää.

Ympäröivän RGB-valon havaitsemisesta kännykässä ja tabletissa seuraa toinenkin hyöty, kun sitä käytetään sisäänrakennetun kamera-anturin kanssa yhdessä. Tuomalla palautetta ympäröivästä valosta anturi tuottaa kameran algoritmeille tärkeää informaatiota, jonka perutaeella valkotasapainon automaattinen säätäminen varmistaa esimerkiksi ihonvärin ja värikylläisyyden oikeat tasot käyttäjän ottamissa valokuvissa. Oikean väripalautteen ansiosta algoritmit voivat jopa päätellä todennäköisen valonlähteen, kuten loisteputken tai pilvisen taivaan, minkä perusteella valotusominaisuudet voidaan laskea tarkemmin. Lisäksi salaman voimakkuus ja salamavirran teho voidaan optimoida, kun valonlähde ja sen voimakkuus tiedetään. Tämä johtaa parempaan akkukestoon laitteissa.

Tämä teknologia voi hyödyttää myös autoelektroniikan sovellusten instumenttipaneeleissa parantaen niiden luettavuutta ja houkuttelevuutta nopeasti muuttuvissa valaistusoloissa, kuten öisillä teillä, joilla monet muut valot sekoittuvat keltaisiin katuvaloihin.

Laadukkaille RGB-antureille on muitakin sovelluksia. Televisioon integroituna anturia voidaan käyttää ilmaisemaan näytön elektroniikalle laitteen ikääntymistä. Esimerkiksi OLED-näytöissä sinisillä pikseleillä on ikääntyessään taipumus muuttaa väriään nopeammin kuin punaisilla ja vihreillä elementeillä. Tätä väriä aistimalla RGB-anturi auttaa varmistamaan pysyvämmät värit television eliniän ajan.

Kuva 2. Esimerkki värin normalisoimisesta vihreäksi.

Ympäröivän valon aistimiseksi ja väritetyn lasin läpi suodattuvien värien aistimiseksi anturi asennetaan tyypillisesti lasipaneelin alapuolelle. Tämä tuottaa oikeat värireferenssit valaistusoloista, jotka vaikuttavat näyttöön. Näiden avulla näytönajuri voi muuttaa näytön aktiivisten pikselien RGB-tasapainoa, millä kompensoidaan sekä suodinvaikutuksia että ympäröivän valon vaikutuksia, kuten esimerkiksi liikaa punaisuutta tai muita värjääviä valoja.

Välkkymisen estämiseksi anturiin integroituja AD-muuntimia voidaan käyttää suodattamaan 50 tai 60 hertsin keinovaloa tai kameran salaman vaikutuksia. Näytteistetty data voidaan siirtää näytönajurille sarjaliitännän, kuten I2C:n kautta.

Anturi joka on asennettu niin, että se voi vastaanottaa valoa itse näytöstä tuo mahdollisuuden reagoida koko pikselistön muutoksiin. Voidaan esimerkiksi vertailla tietystä kuvasta vastaanotettua valoa tehdaskalibroinnin lukemiin ja tämän vertailun avulla lisätä tai vähentää punaisen, vihreän tai sinisen valon määrää näytöllä. Näin voidaan säilyttää sama värimaailma tuotteen koko eliniän ajan. Tämä tietysti edellyttää, että esimerkiksi OLED-paneeli ikääntyy tasaisesti koko pinnaltaan.

Väritulostimet vaativat myös tarkan anturin varmistaakseen, että kalibroinnin ja tulostamisen aikana oikea määrä mustetta kerrostetaan paperille. Tämä on tärkeä vaatimus, kun halutaan tulostaa värivalokuvia.

Koska fyysinen suunnittelu on niin tärkeää monille näille sovelluksille, ollakseen tehokas ympäröivän valon RGB-anturin täytyy olla paitsi tarkka myös kompakti. Jos piiri on alle kaksi milliä leveä, se voidaan helposti pakata lähelle kuvapiiriä tai sijoittaa huomaamattomasti lasipaneelin kehykseen ilman, että näytön koko pienenee.

Anturin pitää olla myös joustava niin, että se voidaan asentaa moniin eri paikkoihin. Tällaisia ovat esimerkiksi tummennetun erikoislasin takapinta television kaukosäätimen infrapunavastaanottimessa tai läheisyysanturit mobiililaitteissa, joissa toiminto perustuu käyttäjän ihosta heijastuviin infrapunasignaaleihin. Toisin kuin standardin lasin kohdalla, tämä materiaali mahdollistaa selvästi tehokkaamman infrapunalinkin. Tarvitaan itse asiassa infrapunasuodattamista tai -kompensaatiota, jotta voimakkaat infrapunasignaalit eivät vaikuta näkyvän valon mittaamiseen.

Yksi vaihtoehto on sijoittaa infrapunasuodin itse RGB-anturin päälle, mutta tämä lisää kustannuksia ja rakenteen monimutkaisuutta. Vaihtoehtoisesti laitteeseen voidaan integroida näkyvän valon fotodiodien lisäksi infrapuna-anturit, joiden ansiosta elektroniikka voi tehdä valon kompensoinnin digitaalisesti. Tällä lähestymistavalla on yksi keskinen etu infrapunasuodattamiseen verrattuna: valon havaitsemiseen voidaan käyttää enemmän älyä. Erilaiset näkyvän valon tyypit tuottavat laajasti vaihtelevaa infrapunavaloa. Esimerkiksi hehkulamput generoivat paljon infrapunaa, kun taas loisteputket tuottavat sitä hyvin vähän, vähemmän kuin mitä kohdataan päivänvalossa. Tätä dataa tulkitsemalla on mahdollista kuvan kompensointiohjelmistolla sopeutua erilaisiin valaistusoloihin.

Koska infrapunalasi suodattaa pois suuren osan näkyvästä valosta, RGB-fotodiodin pitää olla erittäin herkkä, jotta värit saadaan toistettua oikein anturia käytettäessä. Anturin pitää pystyä mittaamaan jopa 0,005 luxin väriarvoja suoriutuakseen hämäristä olosuhteista, kuten toiminnasta infrapunalasin alla. Silti anturin pitää pärjätä jopa 10 000 luxin valovoimasta sovelluksissa, joissa lasin läpäisykyky on paljon suurempi. Helppokäyttöisyyden kannalta anturin pitäisi toimia suoraan yhdessä laitteen isäntäprosessorin kanssa, jotta valovoima-alaa voidaan jatkuvasti säätää. Näin varmistetaan se, että näyttö toistaa värit johdonmukaisesti ja sen kirkkaus on ihanteellinen kulloisessakin valaistusympäristössä.

Kuva 3. RGB-anturin tyypillinen sovelluskaavio.

Tarkkuus ja toistettavuus ovat elintärkeitä, kun halutaan varmistaa johdonmukainen käyttäjäkokemus yksittäisissä tuotteissa ilman pitkiä kalibrointiprosesseja tuotannon aikana. Alle 10 prosentin variaatio riittää varmistamaan, että ympäröivien värien tasoihin ylletään tehokkaasti. Koska monet RGB-anturien sovelluksista ovat mobiililaitteissa, matala tehonkulutus on elintärkeä ominaisuus. Piirin analogiaosan pitää toimia suhteellisen pienellä virralla ja anturin elektroniikka pitää asettaa pienen tehonkulutuksen tilaan, kun sitä ei tarvita. Koska valaistusolosuhteet eivät todennäköisesti muutu kovin nopeasti, tehokas strategia tämän tyyppisen piirien käytössä on ottaa useita lukemia lyhyen ajanjakson aikana, jotta esimerkiksi läheisyysanturin ledifotodiodin välähdykset tulee otettua huomioon. Kun tarvittavat lukemat on saatu, anturi voidaan sammuttaa odottamaan seuraavaa jakso muutaman sekunnn kuluttua. Tämä strategia voi leikata anturijärjestelmän tehonkulutuksen useita kertaluokkia pienemmäksi.

Anturin suorituskykyä demonstroivien ohjelmistotyökalujen saatavuus on myös tärkeää. Kun kehittäjä näkee miten ympäröivän valon lukemat vastaavat standardiin kromaattiseen värijärjestelmään (CIE 1931), on paljon helpompaa arvioida miten tietynlainen lasi vaikuttaa lukemiin ja muuttaa sen perusteella värikompensaation astetta lopullisessa tuotteessa. Työkalut voivat myös näyttää, miten lähelle kannettavan dedikoidun värimittarin lukemia anturipiirin avulla päästään.

Kuva 4. Väritestin graafisen kartan esimerkki.

Esimerkki RGB-anturista, joka tyydyttää tämän nopeasti kasvavan markkinan tarpeet, on Intersilin ISL29125. Se tarjoaa matalan tehonkulutuksen toiminnan erilaisten tehonsäästömoodien avulla ja siirtää datan isännälle standardin I2C-liitännän kautta. ISL29125:n laaja dynamiikka-ala yltää 0,005 luxista 10 000 luxiin asti, mikä mahdollistaa piirin käytön suunnitteluissa eri toimintaympäristöissä ja sovelluksissa. Tehonsäästömoodissa Intersilin RGB-anturi kuluttaa virtaa alle 0,5 mikroampeeria ja aktiivisena se tarvitsee noin 85 mikroampeeria.

Kuva 5. ISL29125 RGB-anturin lohkokaavio.

Tarkkuutensa ja tehokkuutensa lisäksi ISL29125 on markkinoiden pienin kuusijohtiminen RGB-anturi. Tämä minimoi reiän koon, jonka läpi suunnittelussa pitää päästää riittävä määrä valoa tarkkaa värinmittausta varten. Kehityskortin ohjelmisto osaa dekoodata näytön lukemat CIE-värikartalla, mikä helpottaa kehitystyötä.

Integroinnin ja tehokkaan piirisuunnittelun avulla uuden polven RGB-anturit mahdollistavat edistyneempien ja houkuttelevampien käyttöliittymien suunnittelun niin kulutus-, auto- kuin teollisuuselektroniikan sovelluksissa.