Storia del Monitor LCD

Uno schermo a cristalli liquidi, o

Storia del Monitor LCD

Uno schermo a cristalli liquidi, o LCD (Liquid Crystal Display), è uno schermo sottile e leggero basato sulle proprietà ottiche di particolari sostanze denominate cristalli liquidi. Tale liquido è intrappolato fra due superfici vetrose provviste di numerosissimi contatti elettrici con i quali poter applicare un campo elettrico al liquido contenuto. Ogni contatto elettrico comanda una piccola porzione del pannello identificabile come un pixel (o subpixel per gli schermi a colori), pur non essendo questi ultimi fisicamente separati da quelli adiacenti come avviene invece in uno schermo al plasma. Sulle faccie esterne dei pannelli vetrosi sono poi posti due filtri polarizzatori disposti su assi perpendicolari tra loro. I cristalli liquidi torcono di 90° la polarizzazione della luce che arriva da uno dei polarizzatori, permettendole di passare attraverso l’altro.

Prima che il campo elettrico sia applicato, la luce può passare attraverso l’intera struttura, e, a parte la porzione di luce assorbita dai polarizzatori, l’apparecchio risulta trasparente. Quando il campo elettrico viene attivato le molecole del liquido si allineano parallelamente al campo elettrico, limitando la rotazione della luce entrante. Se i cristalli sono completamente allineati col campo, la luce che vi passa attraverso è polarizzata perpendicolarmente al secondo polarizzatore, e viene quindi bloccata del tutto facendo apparire il pixel non illuminato. Controllando la torsione dei cristalli liquidi in ogni pixel, si può dunque regolare quanta luce far passare. Si noti però che in questo modo un pixel guasto apparirà sempre illuminato. In realtà alcune tipologie di pannelli funzionano all’opposto, cioè sono trasparenti quando accesi ed opachi quando spenti per cui un pixel guasto resta sempre opaco.

Parlando di schermi a colori per pc o tv, l’unità di misura delle dimensioni dello schermo è comunemente il pollice (2,54 cm), ed è la distanza misurata in diagonale tra due angoli opposti del pannello. Le dimensioni variano oggi da 12 a oltre 100 pollici, con risoluzioni che, nelle tv, vanno da 800 x 600 a 1920 X 1080 pixel ed anche oltre per applicazioni speciali.

Una delle caratteristiche principali dei pannelli a cristalli liquidi (fatta salva la retroilluminazione) è il basso consumo di potenza elettrica, che li rende di per sè particolarmente indicati per applicazioni in apparecchiature alimentate da batterie elettriche. Gran parte del consumo è invece attribuibile alla retroilluminazione: ad esempio nelle TV, a causa della particolare luminosità richiesta, i consumi elettrici complessivi sono piuttosto elevati (un TV 32″ ha potenze di circa 120-180W).

Gli schermi LCD posso essere usati in due modalità denominate transmissivo e riflettivo. Gli schermi di tipo trasmissivo sono illuminati da un lato e vengono visti dall’altro. In pratica una luce viene posizionata sul retro dello schermo e i cristalli liquidi agiscono da filtro facendo passare solo la componente cromatica desiderata. In questo modo si ottengono schermi molto luminosi, d’altro canto, però la fonte di luce spesso consuma più energia di quella richiesta dallo schermo in sé. Questi schermi hanno una buona leggibilità in condizioni di scarsa luce ambientale, mentre diventano poco visibili in condizioni di forte illuminazione, risultando adatti per l’uso in interni.

Gli schermi LCD di tipo riflettivo usano la luce presente nell’ambiente che viene riflessa da uno specchio posto dietro lo schermo. Questo schermo ha un contrasto più basso rispetto al LCD transmissive, infatti la luce è costretta a passare due volte attraverso il filtro. Il vantaggio principale di questo tipo di schermo è che l’assenza di una fonte di luce artificiale mantiene i consumi energetici molto bassi. Un piccolo schermo LCD consuma così poco che può essere alimentato da una semplice cella fotovoltaica. Questi schermi hanno una buona leggibilità in condizioni di forte illuminazione ambientale, mentre risultano sempre meno leggibili al diminuire dell’illuminazione esterna.

Gli schermi transriflettivi cercano di unire le caratteristiche migliori dei trasmissivi e dei riflettivi. Hanno un semi-specchio posto dietro il display, in grado di riflettere la luce frontale (come i reflective), ma di far passare la luce proveniente da un illuminatore posto nella parte posteriore (come i trasmissive). Questo tipo di display si va diffondendo rapidamente, soprattutto negli apparecchi mobili (telefoni cellulari e computer palmari), per la sua buona leggibilità in tutte le condizioni di luce.

Schermi attivi e passivi

Gli schermi LCD con un numero modesto di segmenti, come quelli usati nelle calcolatrici o negli orologi digitali, sono provvisti di un contatto elettrico per ogni segmento. Il segnale elettrico per controllare ogni segmento è generato da un circuito esterno. Questo tipo di struttura diventa improponibile man mano che il numero di segmenti aumenta.

Gli schermi di medie dimensioni, come quelli delle agende elettroniche, hanno una struttura a matrice passiva. Questo tipo di struttura ha un gruppo di contatti per ogni riga e colonna dello schermo, invece che una per ogni pixel. Lo svantaggio è che può essere controllato solo un pixel alla volta, gli altri pixel devono ricordare il loro stato finché il circuito di controllo non si dedica nuovamente a loro. Il risultato è un contrasto ridotto ed una certa difficoltà a visualizzare bene le immagini in rapido movimento. Il problema chiaramente va peggiorando man mano che il numero di pixel aumenta.

Per gli schermi ad alta risoluzione, come i monitor per computer, si usa un sistema a matrice attiva. In questo caso lo schermo LCD contiene una sottile pellicola di transistor (Thin Film Transistor – TFT). Questo dispositivo memorizza lo stato elettrico di ogni pixel dello schermo mentre gli altri pixel vengono aggiornati. Questo metodo permette di ottenere immagini molto più luminose e nitide rispetto agli LCD tradizionali.

La durata media degli schermi LCD si attesta al giorno d’oggi intorno alle 50.000 ore. Questo dato, unitamente alla notevole e costante riduzione del loro prezzo, rende questa tecnologia una valida alternativa agli schermi a tubo catodico.

Parametri di caratterizzazione di un pannello LCD

I principali parametri che caratterizzano un recente schermo LCD a matrice attiva (TFT) per TV o PC sono contrasto, luminosità (o più propriamente luminanza), linearità dei grigi, angolo di visuale, tempo di risposta e resa cromatica. Inoltre per la televisione, pur non facendo parte del pannello vero e proprio, anche l’elettronica di scalatura dell’immagine è fondamentale nel determinare la qualità video.

Contrasto nativo e contrasto dinamico, retroilluminazione fluorescente o a led

Il rapporto fra la luminosità del bianco e la luminosità del nero è definito contrasto. Si tratta quindi di un parametro -tipico del pannello- dipendente dalla capacità dei cristalli liquidi di bloccare la luce proveniente dalla retroilluminazione. Il cosiddetto “contrasto dinamico” viceversa non dipende solamente dai cristalli liquidi (di seguito CL), ma anche dalla retroilluminazione: è infatti il rapporto fra il bianco, misurato con la retroilluminazione alla massima intensità, ed il nero, misurato con la retroilluminazione al valore minimo. I valori di contrasto dinamico sono pertanto formalmente molto più alti di quello nativo dei pannelli, mediamente di un rapporto di 1 a 5. Oggi i migliori pannelli vantano contrasti nativi dello stesso ordine di grandezza di quelli dinamici dei pannelli più vecchi; in genere comunuque i contrasti dinamici sono dell’ordine di grandezza delle diverse migliaia:1, mentre quelli statici oscillano attorno ai 1000:1 (ed in alcuni casi recenti anche significativamente oltre). Una immagine che abbia sia parti chiare che scure mette tuttavia in difficoltà un pannello che vanta alti contrasti dinamici in quanto la luminosità della retroilluminazione è unica, per cui il reale contrasto sarà quello nativo del CL e non quello dinamico. Dato che le retroilluminazioni a LED (quindi più “frazionate”) permettono di gestire separatamente le varie parti dell’immagine, queste dovrebbero permettere un parziale miglioramento della situazione, accendendo e spegnendo singoli gruppi di LED. Forti contrasti sono tuttavia necessari solo per l’uso in piena luce dello schermo; si rileva infatti che il contrasto realmente percepito dipende anche dall’illuminazione dell’ambiente e dalla finitura superficiale dello schermo (lucido/riflettente od opaco/diffondente). Poiché in ogni caso lo schermo non è un corpo nero e riflette una parte della luce che lo colpisce, è intuitivo che la luminanza del nero venga alterata se lo schermo è colpito da una forte luce ambiente. Viceversa, ad esempio per la visione di un film in un ambiente scuro (il tipico soggiorno alla sera), contrasti elevati sono in genere fastidiosi in quanto le parti di immagine più luminose hanno un effetto abbagliante, riducendo la percezione dei dettagli nelle parti più scure ed aumentando l’effetto scia percepito.

Tempi di risposta bianco-nero, grigio-grigio, tempo percepito ed effetto “scia”

Come noto il meccanismo di funzionamento di uno schermo a CL si basa sul fatto che, orientati in modo opportuno, i CL possono consentire o meno il passaggio della luce proveniente dalla retroilluminazione del pannello; il tempo di risposta totale è in genere definito come il tempo necessario ai CL per passare da uno stato “tutto chiuso” (nero) ad uno “tutto aperto” (bianco), per poi tornare al “tutto chiuso”. Tuttavia alcuni produttori misurano solo il passaggio bianco>nero (o viceversa) a cui conseguono quindi valori di tempo più bassi. Inoltre, non è detto che il passaggio bianco>nero abbia la stessa durata del passaggio nero>bianco. In realtà, questo valore spesso vantato dai produttori non è davvero significativo, in quanto è rarissimo che in un filmato si passi dal bianco al nero (o viceversa): ben più frequente è che si passi da una sfumatura di grigio ad un’altra e i tempi per le transizioni grigio-grigio (G2G) sono generalmente più lunghi di quelle bianco-nero.^[1] Oggi si è in parte corretta questa lentezza sul grigio-grigio mediante tecniche di “overdrive” (sovravoltaggio) dei pannelli CL, al costo però di un aumento del rumore delle immagini e/o talvolta di una riduzione dei colori riproducibili (6 bit anziché 8, simulati poi attraverso tecniche di dithering).

Il cosiddetto “effetto scia” che spesso viene attribuito ai pannelli LCD è in realtà ormai solo in parte riferibile al tempo di risposta dei CL: in parte è infatti da imputarsi alla persistenza della visione sulla retina, cioè dipende dalla fisiologia dell’occhio umano^{[citazione necessaria]}. Infatti, la percezione dell’effetto scia è anche legata al fatto che i pannelli LCD mantengono l’immagine fra un frame e l’altro e sono retroilluminati in continuo, a differenza di un tradizionale tubo a raggi catodici in cui l’immagine è “ricostruita” alla frequenza di refresh dello schermo (50 o 100 Hz la TV; da 60 fino a 120 Hz un monitor per PC). In altre parole, mentre i fosfori di un CRT tendono da soli a “spegnersi” subito dopo il passaggio del pennello di elettroni, in un LCD-TFT (come in tutti gli schermi a matrice attiva, plasma ed OLED) i pixel conservano la luminosità “fino a nuovo ordine”, cioè fino al successivo fotogramma del filmato. Questo è un grande vantaggio per uno schermo PC (l’immagine è stabile e non sfarfalla), ma diventa un problema con immagini in movimento (TV, film): ciascun fotogramma risulta infatti in parte sovrapposto al precedente a causa sia della lentezza dei CL a cambiare stato, sia alla persistenza della visione sulla retina. Di fatto anche con un teorico LCD con tempo di risposta istantaneo sarebbe sempre presente un certo effetto scia^{[citazione necessaria]}. Le soluzioni attualmente sul mercato sono sostanzialmente tre, commercialmente spesso accomunate (anche impropriamente) da diciture tipo 100Hz: paradossalmente tali varie soluzioni non hanno sempre a che fare con i 100Hz dei CRT ed anzi talune cercano di imitare il funzionamento di un classico CRT a 50Hz. Tale effetto viene ottenuto mediante l’intercalamento di quadri completamente neri, quadri intermedi interpolati “calcolati” dall’elettronica dello schermo oppure mediante spegnimenti sequenziali brevissimi delle lampade di retroilluminazione (realizzando una sorta di “scansione” luminosa dello schermo); per ovvi motivi i costruttori sono restii -in alcuni casi- a fornire precise indicazioni sul funzionamento preciso di queste nuove tecniche. Alcune di queste soluzioni potrebbero determinare un aumento della percezione di sfarfallamento dello schermo LCD.

Gli schermi LCD “televisivi” sono oggi caratterizzati da una luminosità molto elevata, dell’ordine delle centinaia di candele al metroquadro (cd/mq): questa elevata luminosità li rende ben visibili anche con una forte luce ambientale ma può risultare persino fastidiosa per la visione in un ambiente buio o semi-buio. Il motivo per cui i costruttori adottano retroilluminazioni così forti può essere spiegato con l’effetto che tale forte luminosità ha sul “contrasto dinamico”. Come già detto esso è, a parità di pannello CL, tanto più elevato quanto maggiore è il rapporto fra il bianco, misurato con la massima retroilluminazione, ed il nero, misurato con la minima retroilluminazione. Si comprende bene che l’aumento della luminosità massima è il modo più semplice per pubblicizzare valori di contrasto dinamico molto elevati. Inoltre, una forte luminosità tende ad aumentare la persistenza della visione sulla retina incrementando il tempo di risposta e l’effetto scia percepiti.

Discorso a parte merita la resa cromatica del pannello, ovvero la capacità di riprodurre una vasta gamma di colori. Premesso che nessun genere di schermo di alcun tipo è in grado di riprodurre tutti i colori percepibili dall’occhio umano, la resa cromatica dipende in buona parte dalla retroilluminazione, e nella fattispecie dalla monocromaticità dei colori RGB (rosso verde e blu) dei subpixel. Con le attuali lampade di retroilluminazione a scarica si ottengono risultati discreti ma l’uso di led permette di migliorare ulteriormente il livello di monocromaticità dei tre colori fondamentali, con il conseguente effetto di aumentare la superficie del gamut, cioè del triangolo avente per vertici i tre colori RGB e che rappresenta le sfumature di colore riproducibili dallo schermo. Tuttavia, non è detto che le sorgenti video (compresa l’alta definizione, HD DVD e Blu-ray) possano davvero sfruttare efficacemente questi gamut più estesi, essendo comunque codificate ad 8 bit per canale.

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