Optoelektronik, Displays & HMI Das Auge als Vorbild

Zu den Technologien, die wesentlich zur Akzeptanz und Bedienerfreundlichkeit von Smartphones beigetragen haben, zählen Sensoren aller Art. Diese Sinnesorgane der Elektronik sind intelligente Mittler zwischen Umweltbedingungen und Digitalelektronik; ein Ende ihrer Ausbreitung im flachen Gehäuse ist nicht abzusehen. Nahezu ein Viertel des gesamten Sensormarkts fließt mittlerweile in die Informations- und Kommunikationstechnologie, und die Auguren (Intechno Consulting) prognostizieren ein zufriedenstellendes weiteres Wachstum. Der durchschlagende Markterfolg der Smartphones hat den Einsatz von MEMS und Sensoren in den Handys angekurbelt. Sie stellen neue Features und Datendienste für den Endverbraucher bereit, sie senken Kosten durch einen höheren Integrationsgrad und sie verbessern die Hardware-Leistung. Ihre Vielfalt ist ebenso beeindruckend wie ihre Wechselwirkungen: Neben Berührungs-, Bild-, Beschleunigungs-, Drehraten- und Kreiselsensoren (Gyros), Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, ergänzt um Mikrofon, Höhen- und Magnetfeldmesser (Kompass) und GPS, werten besonders auch optische Sensoren - zu denen die Kamera zählt - das moderne Handy beträchtlich auf. Aus der raffinierten Verknüpfung der über diese Technologien entstandenen Voraussetzungen entstehen raffinierte Anwendungsmöglichkeiten. Diese reichen - nimmt man zum Beispiel Display, Internetfähigkeit, Kompass und GPS - von der bereits erhältlichen Bilderkennungs-App („Goggles“), die sowohl fotografierte Sehenswürdigkeiten erkennt und beschreibt, als auch betrachtete fremdsprachige Texte (etwa Speisekarten) übersetzt und näher erläutert, bis künftig hin zu einem „Fenster in eine erweiterte Wirklichkeit“ (Augmented Reality), die Kameraaufnahmen kontextsensitiv mit virtuellen Darstellungen anreichert.

Auswirkung auf Stromverbrauch

Die Tatsache, dass die User der vernetzten Welt von heute über ihre Handy-Displays ständig und überall auf Videos und Internet-Content zugreifen und diese betrachten können, hat natürlich Auswirkungen auf den Stromverbrauch. Gleichzeitig sind die Erwartungen an eine bequeme Betrachtung ohne Überbeanspruchung der Augen und ständiges Nachstellen der Helligkeit recht hoch. Aus diesem Grund enthalten praktisch alle modernen Smartphones Umgebungslichtsensoren (ALS, Ambient Light Sensor), welche die Lichtverhältnisse erfassen und so für eine optimale Helligkeitssteuerung sorgen. Bei einer dunklen Umgebung wird die Display-Hintergrundbeleuchtung zurückgeregelt, während bei hellem Umgebungslicht auf besser lesbare Schriftarten und kontrastbildende Hintergründe umgeschaltet wird. Vorbild dieser ALS ist das menschliche Auge, und die Entwickler mühen sich, dieses möglichst naturgetreu nachzubilden. Sie müssen dabei von der Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges ausgehen, die generell durch die photopische Kurve (CIE-Kurve) beschrieben wird. Dieser ist zu entnehmen, dass das Auge gegenüber den ultravioletten (700nm) Spektralbereichen blind ist und die größte Empfindlichkeit im grünen Bereich (ungefähr 555 nm) liegt. Über eine normalisierte Empfindlichkeitskurve wird eine einfallende optische Leistungsdichte (in µW/cm²) in Empfindlichkeitseinheiten für das menschliche Auge, die in Lux gemessene Beleuchtungsstärke, umgewandelt. Bei 555 nm entspricht 1 lx ungefähr 0,15 µW/cm².

Einflüssen unterworfen

Für praktisch einsetzbare, preisgünstige Umgebungslichtsensoren ist es infolge von Herstellungs- und technologischen Problemen schwierig, dieses Spektrum und die photopische Kurve exakt nachzubilden. Andererseits können weder IR- noch UV-Strahlen völlig unterbunden werden, wobei beispielsweise Glühlampen einen sehr hohen, Leuchtstofflampen einen sehr niedrigen IR-Anteil aufweisen. Folglich kann wegen des breiten Spektralgehaltes in handelsüblichen Lichtquellen schon eine geringe Abweichung von der CIE-Kurve beträchtliche Auswirkungen auf die Helligkeitsmessung durch die ALS haben. Aus diesem Grund versuchen moderne ALS, diese unbefriedigende Übereinstimmung zu umgehen: Sie berechnen stattdessen die Helligkeit des Umgebungslichts mithilfe des Überlagerungsprinzips. Meist werden dazu zwei oder mehr verschiedene Arten von Fotodioden eingesetzt, die jeweils gegenüber einem anderen Bereich des Lichtspektrums empfindlich sind. Durch mathematische Kombination von deren Ausgangswerten gelangt der Sensor zu einer hinreichend genauen Messung für die üblichen Umgebungslichtquellen. Der Dynamikbereich von Lichtmessungen ist breit; das Auge kann Helligkeitspegel (nach einer bestimmten Anpassungszeit) von nur 10 bis 4 lx wahrnehmen, aber auch noch bei sehr hellen 108 lx noch Hell-Dunkel-Unterschiede erkennen. In der Handy-Realität ist die Spanne indes deutlich kleiner: von 0,1 lx bei Nacht bis zu 300 lx bei Bürobeleuchtung und 100.000 lx in hellem Sonnenlicht. Die meisten Smartphones benötigen eine genaue Erfassung der Lichtstärke zwischen 5 und 1.000 lx. Denn auf der einen Seite hat die Hintergrundbeleuchtung nicht die Kraft, mit dem Sonnenlicht in Wettbewerb zu treten, und auf der anderen Seite wird unter einer bestimmten Schwelle einfach eine Mindesthelligkeit eingestellt.

Feine Auflösungen notwendig

Dabei ist zu beachten, dass das Helligkeitsempfinden des Auges logarithmisch erfolgt: Ein Lux-Pegel muss verzehnfacht werden, damit ihn das Auge als doppelt so hell empfindet. Man braucht also eine feine Auflösung für Messungen bei wenig Licht, während für hohe Lux-Werte eine große Auflösung ausreicht. Die einfachste Methode zur Umsetzung dieser Erkenntnis besteht in der Verwendung von hoch auflösenden Wandlern mit einer am Frontend programmierbaren Verstärkung. Grundsätzlich geht es um das Erreichen eines optimalen Kompromisses zwischen Display-Helligkeit und dafür erforderlichem Leistungsverbrauch bei einer bestimmten Umgebungshelligkeit, um die Standzeit der Batterie so lange wie möglich zu erweitern. Dabei spielen aber auch Näherungssensoren eine gewichtige Rolle: Sie stellen fest, wie weit der Bildschirm vom Körper entfernt ist. Sie erkennen, wann der Nutzer das Handy zum Telefonieren ans Ohr hält und schalten nicht nur das Display ab, um Strom zu sparen, sondern auch die Berührungserkennung, um unerwünschte Eingaben zu vermeiden. Das gilt auch dann, wenn das Telefon nahe vor‘s Gesicht gehalten wird. Zudem werden laufende Aktivitäten wie Musikwiedergabe oder Browsen im Internet während eines Telefongesprächs automatisch gestoppt und anschließend wieder aufgenommen. Inzwischen sind zur Erleichterung des Entwicklungsarbeit optische All-in-One-Sensoren im Markt erhältlich, unter anderem von Osram, bei denen sowohl ein Umgebungslichtsensor als auch ein Näherungssensor - sowie gelegentlich auch (Infrarot-)LEDs - in einem Gehäuse integriert sind,

Nacktscanner im Smartphone

Forscher an der University of Texas arbeiten derzeit an einem Chip, mit dem Kleidung und Wände durchleuchtet werden können und der so Smartphones zu einem Röntgenblick verhilft. Der Mikrochip soll mittels einer Terahertz-Technologie feste Materialien wie Keramik, Plastik, Holz, Papier oder Textilien durchleuchten können, nicht jedoch Metall oder Wasser. Die Technik ist vergleichbar mit der von so genannten Nacktscannern auf Flughäfen. Die THz-Frequenz liegt im Bereich zwischen Infrarot- und Mikrowellenstrahlung. Der Einbau dieser Technik auf CMOS-Basis in elektronische Geräte soll vergleichsweise günstig sein. Um die Privatsphäre der Mitmenschen zu schützen, soll die Reichweite der neuen THz-Lösung auf höchstens zehn Zentimetern begrenzt werden. Die angedachten Anwendungen erstrecken sich auf den medizinischen Bereich, sind jedoch nicht darauf beschränkt.