Schermo a cristalli liquidi

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Lo schermo a cristalli liquidi, in sigla LCD dalla corrispondente espressione inglese liquid crystal display, è una tipologia di display a schermo piatto utilizzata nei più svariati ambiti, con dimensioni dello schermo che variano da poche decine di millimetri a oltre 100 pollici.

I maggiori produttori a livello mondiale di pannelli LCD sono AU Optronics, Chi Mei Innolux Corporation, LG Display, Panasonic Corporation, Samsung Electronics, S-LCD e Sharp Corporation.

Da circa trent'anni in particolare gli LCD sono utilizzati anche in ambito video, inizialmente nei computer portatili, in seguito anche nei monitor e nei televisori (inizialmente in televisori portatili con schermo di pochi pollici, in seguito anche nei normali televisori con schermi di varie decine di pollici) riuscendo, all'inizio del secolo, insieme allo schermo al plasma, a mandare in pensione il quasi centenario display CRT.

Il primo utilizzo dei cristalli liquidi per uno schermo fu opera di George Heilmeier nel 1965.

Funzionamentomodifica | modifica sorgente

Componenti di un LCD twisted nematic riflettivo
1) Polarizzatore verticale
2) Schermo di vetro con maschera delle zone scure
3) Strato con i cristalli liquidi
4) Strato di vetro con elettrodi
5) Polarizzatore orizzontale
6) Superficie riflettente
Funzionamento di un elemento a "cristalli liquidi" trasmissivo: a sinistra il pixel/schermo/segmento è spento e la luce (polarizzata) transita, mentre a destra, la rotazione dei "cristalli liquidi" dovuta all'applicazione di una differenza di potenziale impedisce il passaggio della luce.

L'LCD è 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 facce 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 (un pollice corrisponde a 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 640 x 480 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 sé 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, solo lievemente inferiori a quelli dei tubi corrispondenti (un TV 32" ha potenze di circa 120-180W, ma attenzione: è circa 30" effettivi), anche se le ultime generazioni di TV hanno consumi abbastanza contenuti ed un 46" recente consuma circa quanto un 40" della generazione precedente.

Schermi trasmissivi, riflettivi e transriflettivimodifica | modifica sorgente

Tipico esempio di display a "cristalli liquidi" riflettivo
Ingrandimento di uno schermo LCD a colori trasmissivo (cioè dotato di retroilluminazione). Come si vede, in uno schermo a colori ogni pixel è in realtà suddiviso in 3 subpixel dotati di filtro rosso verde o blu: variando la luminosità di ogni sezione si può ottenere una vasta gamma di colori.

Gli schermi LCD possono essere usati in due modalità denominate trasmissivo 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 riflessivi), ma di far passare la luce proveniente da un illuminatore posto nella parte posteriore (come i trasmissivi). 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 passivimodifica | modifica sorgente

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 (ormai quasi abbandonata).

Parametri di caratterizzazione di un pannello LCDmodifica | modifica sorgente

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 ledmodifica | modifica sorgente

Fotografia ravvicinata di uno schermo LCD televisivo (a colori, retroilluminato). Visibili i sub-pixel blu-rosso-verde che compongono l'immagine dell'uomo in giacca e cravatta

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 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 almeno 1 a 5. Oggi i migliori pannelli vantano contrasti nativi dello stesso ordine di grandezza di quelli dinamici dei pannelli più vecchi; in genere comunque i contrasti dinamici sono dell'ordine di grandezza delle diverse migliaia:1, se non delle decine di migliaia:1, mentre quelli statici ormai partono da attorno ai 1000:1 a salire.senza fonte 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 "cristalli liquidi" e non quello dinamico.

Si sta velocemente affermando la retroilluminazione a LED,senza fonte distinguendo due diversi metodi per il loro posizionamento, sensibilmente diversi tra loro: la retroilluminazione "laterale", costituita da LED posti sul bordo dello schermo e controllabili "in blocco", e quella "a tappeto luminoso", una tecnica più recente, la quale per mezzo di un microprocessore dedicato, permette il cosiddetto "local dimming", una funzione che agisce dinamicamente sulle varie porzioni di retroilluminazione, ottimizzandole in base ad ogni singolo fotogramma in riproduzione, migliorandone pertanto sensibilmente il contrasto.

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),senza fonte 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 sciamodifica | modifica sorgente

Come noto il meccanismo di funzionamento di uno schermo a "cristalli liquidi" si basa sul fatto che, orientati in modo opportuno, i "cristalli liquidi" 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 "cristalli liquidi" 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" (sovratensione) dei pannelli "cristalli liquidi", al costo però di un aumento del rumore delle immagini e/o talvolta -specie sui pannelli più vecchi- 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 "cristalli liquidi": in parte è infatti da imputarsi alla persistenza della visione sulla retina, cioè dipende dalla fisiologia dell'occhio umano. 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 o LED) 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 "cristalli liquidi" 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. Le soluzioni attualmente sul mercato sono sostanzialmente tre, commercialmente spesso accomunate (anche impropriamente) da diciture tipo 100 Hz: paradossalmente tali varie soluzioni non hanno sempre a che fare con i 100 Hz dei CRT ed anzi talune cercano di imitare il funzionamento di un classico CRT a 50 Hz. Tale effetto viene ottenuto mediante l'intercalamento di quadri completamente neri (o con luminosità ridotta), 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 tecniche. Alcune di queste soluzioni potrebbero determinare un aumento della percezione di sfarfallamento dello schermo LCD.

Luminosità e resa cromatica della retroilluminazionemodifica | modifica sorgente

Diagramma dello spazio dei colori CIE 1931 (gamma percepibile dall'occhio umano) e gamut del modello di colore sRGB (il triangolo nero contenente i colori riproducibili con l'RGB).

Gli schermi LCD "televisivi" sono oggi caratterizzati da una luminosità molto elevata, dell'ordine delle centinaia di candele al metroquadro (cd/m²): 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 "cristalli liquidi", 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. Va detto che comunque lo spazio colore delle sorgenti in HD come il BluRay è ben più ampio di quello delle sorgenti in SD, anche e soprattutto in ripresa.

Angolo di visuale in relazione a luminosità e contrastomodifica | modifica sorgente

Variazione di luminosità e contrasto al variare dell'angolo di visuale.

L'angolo di visuale è un altro parametro importante: anche in questo caso esistono diverse modalità di misurazione. Gli angoli di visuale pubblicizzati si riferiscono in genere all'angolo massimo sotto cui si può guardare lo schermo mantenendo una luminosità ed un contrasto "accettabili": il grado di "accettabilità" può essere liberamente stabilito dai produttori, per cui è possibile che i dati forniti da produttori diversi abbiano significati diversi. Ad esempio, il limite è in genere individuato da un contrasto di 10:1, per cui si ottiene un certo angolo di visuale; se si considera invece 5:1, l'angolo di visuale aumenterà, pur riferendosi allo stesso identico pannello "cristalli liquidi" con le stesse identiche caratteristiche.
Si noti inoltre che i valori dati dai produttori riguardano l'angolo estremo (in verticale ed in orizzontale) a cui si ha un decadimento del contrasto ai valori sopra citati, ma tale numero nulla dice riguardo a come questo valore decade al variare dell'angolo, a quali valori si hanno con angoli non orizzontali/verticali ma diagonali, né alle differenze fra angolo verso l'alto o verso il basso (per taluni pannelli fortissime). Indicazioni di questo genere possono essere ricavate da analisi polari come quelle rappresentate nella figura a lato, da cui si evince chiaramente che l'uniformità non è un punto di forza degli schermi lcd.

Imperfezione della scala dei grigimodifica | modifica sorgente

Come noto nel sistema RGB adottato da PC, DVD, DVB, alta definizione, ecc. il grigio[1] può assumere 256 livelli pari alle combinazioni possibili con 8 bit. Un valore 0 corrisponde al nero mentre 255 corrisponde al bianco. È intuibile quindi che, se uno schermo ha una luminosità massima -ad esempio- di 400 cd/m², tale livello di luminosità corrisponderà al bianco, cioè ad un valore di 255 sulla scala dei grigi. Molto meno esplicito è il fatto che al valore di 128 (metà scala) non corrisponda il valore di 200 cd/m²: il valore reale di luminosità è generalmente molto più basso ed il parametro che correla il segnale d'ingresso all'emissione luminosa è denominato correzione di gamma. In altri termini, la scala di grigi non è affatto lineare, ma segue un andamento esponenziale con dilatazioni e compressioni: come già detto -ad esempio- il nero (valore 0) non è completamente buio, e inoltre al crescere dei valori RGB l'andamento della luminosità cresce meno marcatamente di quanto ci si potrebbe aspettare, per poi aumentare notevolmente verso il fondo della scala. È quindi possibile che alcuni valori di grigio vicini non siano in pratica distinguibili fra loro, specie agli estremi della scala (basse ed alte luci). Va altresì notato che la variazione di luminosità e contrasto in genere non è lineare con l'angolo di osservazione, per cui questo tema si connette con quanto prima detto a proposito dell'angolo visuale. Alcune tipologie di pannelli (le famiglie *VA) addirittura presentano una scala dei grigi migliore (ovvero una miglior resa e distinzione delle diverse tonalità di grigio, in particolare sulle basse luci) se guardati in posizione leggermente angolata piuttosto che centralmente.

Difettimodifica | modifica sorgente

Oltre ai suddetti parametri prettamente tecnici, è opportuno accennare al problema dei pixel bruciati, cioè impossibili da controllare a causa di una difettosità al film di transistor tipico delle matrici TFT. È importante osservare che, contrariamente a quanto si potrebbe immaginare, non vale sempre l'equazione "pixel acceso = pixel bianco". Infatti in alcune famiglie tecniche di pannelli lo stato acceso del pixel corrisponde al bianco, mentre in altre corrisponde al nero (cioè nero=acceso, bianco=spento). Ne consegue che un guasto potrà risultare in un pixel (o più probabilmente un subpixel R, G o B) perennemente acceso oppure perennemente spento a seconda del tipo di pannello "cristalli liquidi" installato.

Famiglie tecniche di pannelli TFTmodifica | modifica sorgente

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi thin Film Transistor.

Le principali famiglie di pannelli a cristalli liquidi di tipo TFT sono:

  • TN - twisted nematic
  • VA - vertical alignment
    • MVA
      • P-MVA / S-MVA
      • A-MVA
    • PVA
      • S-PVA
    • ASV
  • IPS - in-plane switching
    • S-IPS
    • H-IPS
    • AS-IPS / ES-IPS
    • IPS-Pro

Notemodifica | modifica sorgente

  1. ^ a b In relazione a ciascun colore RGB si parla di bianco, grigio e nero, cioè rispettivamente da "massimo rosso (verde o blu)" a "nessun rosso (verde o blu)" passando per le sfumature intermedie.

Voci correlatemodifica | modifica sorgente

Altri progettimodifica | modifica sorgente

Collegamenti esternimodifica | modifica sorgente








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