Smartphone-Hersteller reizen die Grenzen des visuellen Erlebnisses und der Anzeigequalität immer weiter aus. Dabei entwickelt sich die Color-on-Encapsulation (CoE)-OLED-Technologie zu einem wichtigen Faktor für erstklassige visuelle Ergebnisse. CoE ermöglicht eine intensive Farbwiedergabe bei extremer Helligkeit und sorgt gleichzeitig für eine geringere Farbsättigung, die für natürliche Hauttöne entscheidend ist, sowie für sanfte Helligkeitsverläufe, die die visuelle Konsistenz bei dynamischen Inhalten verbessern.
Um das volle Potenzial der CoE-Technologie auszuschöpfen, spielt jedoch ein fortschrittliches Display-Management eine entscheidende Rolle. Eine fein abgestufte Dimmung ist für Situationen mit wenig Licht unerlässlich, während eine ausgeklügelte Farbsteuerung für ein optimales visuelles Erlebnis sorgt. Die neuesten spektralen „Behind OLED“ (BOLED) -Sensoren ermöglichen eine präzise Farb- und Umgebungslichtmessung hinter CoE-OLED-Panels. Die Technologie sorgt dafür, dass Smartphones unabhängig von den Lichtverhältnissen ein konsistentes, natürliches und angenehmes Seherlebnis bieten.
CoE erobert Premium-Displays
Während Smartphone-Hersteller darum wetteifern, mehr KI-Leistung, längere Akkulaufzeiten und schlankere Designs in immer flachere Gehäuse zu packen, vollzieht sich im Inneren des Displays eine stille Revolution. Eine neue OLED-Technologie namens CoE (Color Filter on Encapsulation) gewinnt rasch an Boden – zunächst in faltbaren Smartphones und nun auch in den gängigen Flaggschiff-Modellen.
Durch den Wegfall herkömmlicher Polarisatoren und deren Ersatz durch fortschrittliche Antireflexionsfolien trägt die CoE-Technologie dazu bei, die Displays heller, dünner und deutlich energieeffizienter zu machen. Branchenanalysten gehen davon aus, dass sie zum Standard für Premium-Smartphones der nächsten Generation werden wird.
Displays werden immer heller, flacher und durchgängiger und Unter-Display-Kameras ersetzen die verbleibende Front-Hardware. Das stellt jedoch eine kaskadierende Herausforderung für eine der kleinsten, aber wichtigsten Komponenten in der User-Experience dar: Umgebungslicht- und Spektralfarbsensoren, die hinter dem OLED-Display versteckt sind. Das neue optische Verhalten von CoE in Kombination mit ultraschlanken Designs und reduzierter Akkukapazität erhöht die Anforderungen an die Messgenauigkeit weiter. Herkömmliche Lichtsensoren haben hinter CoE-Stacks Schwierigkeiten und messen häufig die Farbtemperatur oder Helligkeit falsch, da das Display bis zu 99 Prozent des einfallenden Lichts blockiert und gleichzeitig selbst Licht abgibt. Hinzu kommt, dass nur Spektralsensoren das tatsächliche Spektrum der Lichtquelle genau identifizieren können, während andere Sensortypen es nur schätzen können. Die Folge: eine inkonsistente automatische Helligkeitsanpassung, ungeeignete Farbanpassung und ineffiziente Stromnutzung.
CoE ist eine fortschrittliche OLED-Architektur, die die farberzeugenden Elemente neu anordnet. Anstatt den Farbfilter oder das RGB-Muster hinter der Versiegelungsschicht zu platzieren, wird bei CoE die Farbschicht auf die Versiegelung aufgebracht. Diese zusätzliche Farbfilterschicht zwischen der Außenwelt und dem Umgebungslichtsensor absorbiert und verzerrt das einfallende Licht, was eine genaue Erfassung erschwert.
Hier kommen die jüngsten Fortschritte in der Spektralsensorik hinter OLEDs zum Tragen. Eine neue Generation von Spektralsensoren mit hybriden Silberfiltern ist in der Lage, Licht durch CoE-Schichten hindurch präzise zu erfassen und deren einzigartige optische Eigenschaften auszugleichen, während gleichzeitig der Stromverbrauch niedrig bleibt. Durch die Erfassung eines vollständigeren Spektrums des Umgebungslichts bei gleichzeitiger Unterdrückung von Infrarot-Störungen tragen diese Sensoren dazu bei, dass Geräte in jeder Umgebung ein natürliches, angenehmes Seherlebnis bieten und gleichzeitig unnötigen Stromverbrauch des Bildschirms reduzieren.
Die Notwendigkeit einer naturgetreuen Farbanpassung
Smartphone-User bevorzugen Displays, auf denen Farben unter allen Umgebungslichtbedingungen natürlich und konsistent erscheinen. Insbesondere Displays mit einer für das Auge angenehmen Helligkeit, können dabei punkten. Um dies zu erreichen, muss das Display die Farbe und Intensität des Umgebungslichts präzise in Echtzeit messen – eine Funktion, die von speziellen Umgebungslichtsensoren (ALS) übernommen wird, die mit den stark gedämpften Signalen arbeiten können, die auf die Rückseite des OLED-Displays des Smartphones gelangen.
Die „natürliche” Farbwiedergabe hängt von der Leistung des Umgebungslichtsensors ab, der Echtzeitmessungen der Farbe (ausgedrückt als korrelierte Farbtemperatur, CCT) des auf den Bildschirm fallenden Umgebungslichts durchführt. Je zuverlässiger die Messung des Sensors das Spektrum jeder Lichtquelle korrekt identifiziert, desto besser kann der Weißpunkt-Anpassungsalgorithmus des Displays abgestimmt werden, um eine natürliche Farbbalance auf dem Display zu erzielen – und desto natürlicher erscheinen die Farben für den Betrachter.
Herausforderungen bei der Farberkennung hinter OLED-Displays
Die Platzierung von Umgebungslichtsensoren (ALS) hinter OLED-Displays zur Maximierung der Displayfläche bringt mehrere grundlegende Herausforderungen mit sich, die die Genauigkeit der Umgebungslichtmessung beeinträchtigen. Zwei der wichtigsten sind:
Starke Lichtabschwächung und begrenztes Sichtfeld
CoE-basierte OLED-Displays blockieren jegliches Umgebungslicht. Damit Licht den Sensor unter dem Display erreichen kann, versehen Displayhersteller das Panel mit Mikroperforationen. Die Mikrolochstruktur schränkt die Winkel ein, in denen Licht in den Sensor fallen kann. Umgebungslicht, das aus schrägen Winkeln einfällt, wird blockiert, wodurch das Sichtfeld (FoV) des ALS auf einen schmalen Streifen um die Senkrechte herum beschränkt wird. Diese Winkelbeschränkung verringert die Fähigkeit des Sensors, eine repräsentative Momentaufnahme der Umgebung zu erfassen.
Bei Lichtverhältnissen mit seitlicher Beleuchtung, beispielsweise wenn man neben einem Fenster steht, führen µ-Löcher zu einer falschen Charakterisierung des Umgebungslichts, die Displayhelligkeit wird zu dunkel eingestellt und die Farbe wird schlecht angepasst. Tatsächlich muss die Farbanpassung umso genauer sein, je dunkler das Display ist: Ein enges Sichtfeld führt somit sowohl zu einem schlechten Kontrast als auch zu einer schlechten Farbdarstellung. Die von Ams Osram entwickelte neue Einfallswinkel-Technologie gleicht die durch µ-Löcher in CoE-OLED-Displays verursachten Einschränkungen des Sichtfelds aus.
Displayhersteller versuchen, den Durchmesser der µ-Löcher so gering wie möglich zu halten, damit sie für den Benutzer unsichtbar bleiben. Dies schränkt nicht nur das Sichtfeld ein, sondern verringert auch die Durchlässigkeit des Displays weiter – von etwa 3 Prozent auf weniger als 1 Prozent für CoE-Displays. Das bedeutet, dass der hinter dem OLED-Display platzierte ALS nur einen winzigen Bruchteil des Lichts empfängt, das die Augen des Benutzers erreicht. In der Praxis sieht der Sensor zwischen 100- und 1.000-mal weniger Licht als der menschliche Betrachter. Diese Abschwächung wird durch den Einsatz von Mehrkanalsensoren noch verstärkt. Jeder Kanal filtert bestimmte Wellenlängen und reduziert so die gesamte Lichtintensität, die die Fotodioden des Sensors erreicht. Die Folge ist ein extrem schwaches Signal, das präzise gemessen und interpretiert werden muss.
Um diese Einschränkungen zu überwinden, hat Ams Osram eine neue Fotodiodentechnologie entwickelt, die für den Betrieb mit niedrigem Photonenfluss optimiert ist und selbst bei extremer Lichtabschwächung eine genaue Lichterkennung ermöglicht. Ergänzend dazu bietet eine Sigma-Delta-ADC-Architektur der nächsten Generation eine 20-fache Verbesserung der Empfindlichkeit und eine 5-fache Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) im Vergleich zu früheren Lösungen. Zusammen sorgen diese Entwicklungen für eine hochpräzise Messung des Umgebungslichts hinter CoE-OLED-Displays und ermöglichen so eine stabile automatische Helligkeitssteuerung und ein verbessertes Benutzererlebnis in Mobilgeräten der nächsten Generation.
Fünfkanal-Ansatz für die Spektralerfassung
In Zusammenarbeit mit Smartphone-Herstellern hat Ams Osram eine neue Reihe von „True Color”-Spektralsensoren entwickelt, die über fünf Filterkanäle im sichtbaren Lichtspektrum verfügen (siehe Abbildung 4). In Sensoranwendungen hinter OLEDs kann dieser Fünfkanal-Ausgang verarbeitet werden, um eine genaue Darstellung des Umgebungslichts zu erzeugen.
Mit einer Größe von etwa 2 mm2 verfügen diese ALS über fünf Spektralkanäle, die Licht in verschiedenen Bereichen des sichtbaren Spektrums erfassen. Innerhalb des ALS ist jeder Kanal sorgfältig auf die spektrale Empfindlichkeit der Zapfenrezeptoren des menschlichen Auges abgestimmt. Durch die Verarbeitung der Ausgangssignale dieser Kanäle mit speziellen Algorithmen kann der Sensor auch hinter einem CoE-OLED-Display genaue Farbdaten generieren. Diese Rekonstruktion des Spektrums ist für eine natürliche Farbanzeige und eine konsistente Weißpunktanpassung unerlässlich.
Diese Spektralmesstechnik ist so präzise, dass keine sperrigen externen Spektrometer mehr zur Kalibrierung erforderlich sind. Diese wurden bisher benötigt, da die eingebauten Sensoren einfach nicht genau genug waren. Die neuen Sensoren messen das Licht direkt hinter dem Display und berücksichtigen dabei Glas, Filter und Adhäsiva beziehungsweise Haftstoffe. Sie können auch Veränderungen im Laufe der Zeit ausgleichen, wie zum Beispiel leichte Farbverschiebungen durch die Alterung von OLEDs, Einbrennungen durch persistente Bilder oder Temperaturschwankungen. Dadurch wird sichergestellt, dass die Farben während der gesamten Lebensdauer des Geräts unverfälscht bleiben. Gleichzeitig werden teure Laborgeräte überflüssig sowie die Herstellung vereinfacht und eine gleichbleibende Leistung bei jedem Smartphone gewährleistet.
Hybride Silberfilter: Infrarot-Störungen unterdrücken
Eine der bedeutendsten Entwicklungen der neuesten ALS-Produkte ist die Einführung hybrider Silberfilter, die von Ams Osram in Premstätten bei Graz in Österreich hergestellt werden. Diese Filter besitzen zusätzlich zu dem interferometrischen Filter auf dem Wafer eine Silberbeschichtung (Ag). Dadurch werden Infrarotwellenlängen (IR) deutlich besser blockiert.
Silizium-Fotodioden sind von Natur aus empfindlich gegenüber IR-Licht, das vom menschlichen Auge nicht wahrgenommen werden kann. Bei früheren ALS-Modellen führte diese Empfindlichkeit zu überhöhten Lichtintensitätsmesswerten, insbesondere in Umgebungen mit starken IR-Quellen – wie Sonnenlicht oder Näherungssensoren. Der Hybrid-Silberfilter unterdrückt die IR-Empfindlichkeit im Vergleich zu früheren Modellen um das bis zu 1.000-fache und erreicht eine optische Dichte (OD) von OD4 bei IR-Wellenlängen.
Diese Verbesserung stellt sicher, dass die Ausgabe des Sensors nur das sichtbare Spektrum widerspiegelt, was zu einer besseren Übereinstimmung mit der menschlichen Wahrnehmung und zu genaueren Anzeigeanpassungen führt.
Fazit: Ein Paradigmenwechsel für visuelle Erlebnisse
Erweitertes Display-Management unterstützt die Stärken von CoE-Displays. Eine höhere Dimm-Granularität ist erforderlich, um eine höhere Helligkeit zu steuern; eine ausgeklügelte Farb-/CCT-Steuerung ist nötig, um einen hohen dynamischen Farbbereich zu steuern; und eine präzise Charakterisierung der Chromatizität des Umgebungslichts ist wichtig, um zwischen verschiedenen LED-Beleuchtungen zu unterscheiden. Weitere Anforderungen sind unter anderem kontextbezogene Farben und Display-CCT-Signaturen.
Neue Entwicklungen in der spektralen Farberkennung setzen neue Maßstäbe für die Messung des Umgebungslichts hinter OLED-Displays. Durch die Kombination von hybriden Silberfiltern, strahlformender Optik, ultraschneller Abtastung und robuster Kalibrierung bieten diese Sensoren: verbesserte Empfindlichkeit, genaue Farbwiedergabe, zuverlässige Leistung über alle Geräte hinweg sowie eine klare Trennung von Umgebungslicht und Displaylicht. Smartphone-Hersteller profitieren dadurch von einer besseren Displayleistung, einer höheren Nutzerzufriedenheit und einem Wettbewerbsvorteil in einem umkämpften Markt.
