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Schermi LCD, caratteristiche e consigli.

Tutti li usano, in questo momento voi stessi li avete con tutta probabilità davanti agli occhi, ma davvero in pochi sanno descriverne il funzionamento e snocciolarne le caratteristiche salienti. Sto parlando degli Schermi a cristalli liquidi (LCD), perno dell’industria dei televisori (dal 2008 le vendite di LCD hanno raggiunto più del 50% del market share globale, un ottimo risultato considerando che ivi sono inclusi pure i paesi del terzo mondo) e degli schermi per computer (anticipo che un televisore può essere utilizzato come schermo per il computer, se arrivate qui per rispondere a questa domanda).

I cristalli liquidi sono uno stato della materia che presenta proprietà caratteristiche sia dei liquidi (viscosità) che dei cristalli (struttura microscopica). La loro struttura cristallina, quando allineata, permette di agire sul campo elettromagnetico della luce (polarizzazione), l’applicazione di un potenziale elettrico permette di cambiare l’allineamento.

Quindi ponendo uno strato di cristallo liquido fra due lastre polarizzatrici (che selezionano un solo orientamento preferenziale del campo elettromagnetico della luce), è possibile regolare attraverso una differenza di potenziale (voltaggio) l’orientamento del cristallo e quindi del campo dopo aver attraversato il cristallo liquido. Così facendo si regola l’intensità di luce che, proveniente dalla retroilluminazione, esce dallo schermo. Sfruttando eventualmente una matrice colore (una matrice di pixel rossi, blu e verdi), entro cui regolare l’intensità con il cristallo per ogni colore primario in ogni pixel, è possibile costruire un’immagine a colori.

Gli schermi LCD si differenziano in due tipologie:

  • Passivi, costruiti affinché il pannello a cristalli liquidi rifletta la luce ambientale, come nel caso di calcolatrici e dei vecchi cellulari, per minimizzare i consumi.
  • Attivi che invece sono dotati di retroilluminazione ovvero la sorgente di luce posteriore al pannello che modulando i cristalli liquidi la gestisce e produce l’immagine e i colori. Quest’ultimo sistema è invece utilizzato per quelle applicazioni dove è necessaria qualità d’immagine come gli schermi dei televisori, computer, cellulari, macchine fotografiche…etc…

Negli schermi attivi la retroilluminazione, che può essere a lampada fluorescente (tipo tubi al neon, ma generalmente con altri gas più efficienti) o LED (sia bianchi, che Rossi Verdi e Blu, molto rari e costosi), emette la luce che viene poi gestita dal pannello per formare l’immagine. Quindi a prescindere dalle caratteristiche pubblicizzate è la conoscenza del tipo di pannello e retroilluminazione a fare la differenza qualitativa fra uno schermo buono oppure mediocre.

Esistono diverse tecnologie di costruzione del pannello, corrispondenti a diverse fasi di cristallizzazione del cristallo liquido, di seguito ne elencherò le principali.

  • TN: Twisted Nematic, è la tecnologia di gran lunga più utilizzata su monitor e televisori, perché decisamente la più economica. Permette anche i tempi di risposta più rapidi in assoluto, che oramai arrivano a pochi millisecondi. Soffrono tuttavia di pesanti limiti sulla riproduzione dei colori, infatti i pannelli TN, se non in rari e recenti modelli, non riescono a rappresentare 16 milioni di colori (8 bit per colore primario) che sono standard “truecolor” comune alle uscite video moderne, ma solo 262 mila (6 bit per colore). Vengono comunque commercializzati con la denominazione “truecolor” poiché le sfumature che il pannello non riesce a riprodurre direttamente vengono simulate modulando fotogrammi contigui, sistema che ha ovvi limiti visivi. Anche l’angolo di visione, a causa della polarizzazione utilizzata, è fortemente compromesso, specie nella direzione verticale. Non è uno schermo consigliabile a chi ha la passione per l’immagine foto e video.
  • IPS: la tecnologia In Plane Switching è stata ideata per estendere l’angolo di visione e per portare la riproduzione dei colori ad essere fedele quanto i migliori schermi a tubo catodico (CRT). La tecnologia è migliorata moltissimo, gli ultimi modelli addirittura garantiscono uno spazio colore più esteso del “truecolor” garantendo in alcuni modelli professionali fino 10-bit per colore, ovvero più di 100 milioni di colori (anche se alcuni con ausilio di simulazioni). Anche la risposta temporale, che un tempo precludeva l’utilizzo in alcuni ambiti, ora è a livelli più che soddisfacenti anche in ambito video e per un utilizzo generalista, anche se sicuramente non è il monitor più adatto al gaming. I monitor come i Dell U (U2412, U2711…etc..) e gli Apple cinemadisplay e iMac fanno uso, con lo stesso pannello, delle versioni più moderne di questa tecnologia (Horizontal-IPS).
  • PVA e MVA: Parallel e Multi domain Vertical Alignment sono tecnologie che cerca di colmare il gap fra TN e IPS. I PVA, realizzati da Samsung e Sony, offrono migliori performance in termini di colore (anche loro nelle ultime versioni hanno raggiunto 10-bit/colore ad esempio nella serie Bravia X4500) e contrasto, mentre gli MVA hanno tempi di risposta mediamente più rapidi e quasi tutti coprono comunque lo spazio truecolor.

Anche la retroilluminazione si divide in tipologie e la sorgente di luce può originare da lampade a fluorescenza o LED. Contrariamente a quanto pubblicizzato dal marketing, una retroilluminazione a LED (sebbene si tenda a fare confusione è solo la retroilluminazione a cambiare, un monitor “LED” è comunque un monitor LCD retroilluminato a LED!) non è sempre indice di migliore qualità. Al contrario! Spesso una retroilluminazione a LED non permette una copertura dello spazio colore estesa quanto una buona lampada a fluorescenza. Ad esempio il monitor Apple Cinemadisplay 27" (e iMac 27", modello 2011) e il Dell U2711 pur condividendo praticamente lo stesso pannello LG H-IPS hanno caratteristiche molto diverse: l’Apple riproduce meno colori ed in modo meno preciso del Dell (83% Cinemadisplay vs 96% Dell di copertura dello spazio AdobeRGB e una deviazione standard sulla precisione colore 3 volte più favorevole al Dell), ma riesce ad avere bianchi più brillanti e un contrasto dinamico decisamente migliore, che tuttavia non è una caratteristica importante come il contrasto nativo, che invece rimane uguale dato che è una proprietà del pannello (generalmente il pannello è la maggiore discriminante sulla qualità d’immagine della retroilluminazione e qualità più importante di un monitor) 1.

Sia i LED che le lampade possono essere posti su uno o più bordi dello schermo e poi avere una luce diffusa su tutto lo schermo per mezzo di guide di luce, in questo caso si parla di edge-lit display. Il vantaggio di utilizzare i LED in questo tipo di soluzione (come nel caso del Cinemadisplay) consiste nella riduzione di spessore e consumi (ed eventualmente costi di produzione) rispetto alle lampade a fluorescenza. Come ho già mostrato, non è sinonimo di qualità e tecnologia avveniristica contrapposta alle vecchie lampade, quindi non bisogna farsi sviare dal marketing.

Tuttavia i LED permettono anche soluzioni tecnologiche più innovative, che seppure riservate alle fasce più alte del mercato, garantiscono un vantaggio sulle soluzioni a lampada, specialmente per quanto riguarda il contrasto ma anche per la riproduzione dei colori.

E' possibile, anziché posizionare le luci solo nelle zone periferiche del pannello come nel caso degli edge-lit display, costruire una copertura con una matrice di LED (in inglese array) che illuminino tutta l’area del pannello con tante sorgenti locali. Questo tipo di copertura**,** chiamata **full LED array**, è molto adatta a regolazioni locali di luminosità, il cosiddetto **local dimming.** Regolando l’intensità luminosa del singolo LED (a onor del vero esistono anche pannelli edge-lit che sfruttano il local dimming, ma sono attualmente molto rari e non privi di problemi), questo sistema riesce ad incrementare il contrasto (anche su immagini statiche) oltre le capacità intrinseche del pannello e quindi garantisce immagini più brillanti e neri più profondi di quanto sarebbe possibile con retroilluminazione a lampada, oltre a permettere consumi ridotti e maggiore uniformità di illuminazione. Purtroppo questo sistema è stato accoppiato solitamente a pannelli più poveri di tipo TN per ovviare agli inconvenienti caratteristici dei TN pur mantenedo contenuti i costi, ultimamente però stanno uscendo sul mercato proposte che fanno uso di questa tecnologia accoppiata a pannelli di qualità più elevata (come il NEC EA232WMi e la TV VIZIO XVT373SV che montano IPS, o il Benq 2420 con pannello VA).

Infine, se applichiamo questo concetto di matrice di retroilluminazione utilizzando LED RGB colorati anziché bianchi, otteniamo non solo la possibilità di regolare localmente illuminazione (e quindi contrasti) ma anche colori, garantendo le massime performance. Questo tipo di retroilluminazione è il più costoso da applicare, e quindi riservato alle fasce più professionali del mercato come i monitor della serie HP DreamColor, i notebook HP Elitebook e Dell XPS (anche se accoppiati a pannelli TN), e alcuni televisori Sharp Aquos. Secondo alcuni l’utilizzo di LED RGB per la retroilluminazione è progressivamente inutile sui pannelli IPS attuali, che raggiungono comunque qualità di colore molto elevate che riescono a soddisfare perfettamente i requisiti dell’occhio umano anche con illuminazione tradizionale. In effetti il mercato non ha accolto con entusiasmo la novità dei LED RGB dati gli elevati costi e il guadagno qualitativo solo leggermente apprezzabile e sono attualmente rari gli accoppiamenti di questa retroilluminazione con pannelli ad alta qualità.

Una volta assemblato il monitor con pannello e retroilluminazione, le caratteristiche sintetiche (parametri numerici crudi basati su test) che riassumono le proprietà ottiche finali per determinare le prestazioni di uno schermo utilizzate sono davvero molte. Di seguito ne elencherò le più comuni

  • Il tempo di risposta, che può essere nero-bianco o grigio-grigio per indicare le situazioni di accensione completa di pixel completamente oscurati, oppure il cambiamento di stato di pixel già parzialmente accesi (ad esempio il pallone da calcio sul campo verde si riferisce alla parametro nero-bianco, perchè i pixel rosso e blu, prima oscurati sul campo verdi, devono venire accesi completamente per il pallone bianco. Invece il mutamento delle espressioni del viso, ottenute da sfumature diverse dello stesso colore rosa, sfrutteranno la transizione grigio-grigio in quanto i pixel sono già parzialmente illuminati). Tempi di risposta caratteristici sono nell’ordine dei 5 millisecondi per la transizione nero-bianco e fino a 1 ms per la grigio-grigio nel caso dei pannelli TN, mentre per i pannelli IPS sono rispettivamente nell’ordine dei 15 e 5 ms.
  • La copertura dello spazio colore in termini di percentuali dell’sRGB (spazio “truecolor” RGB, uscita della maggioranza delle schede video) o Adobe RGB (uno spazio più vasto che rappresenta in termini RGB i colori rappresentabili da una stampante 4 colori Ciano-Magenta-Giallo e Nero), o CIE 1931 (spazio convenzionale dei colori percepiti dall’occhio umano). I Pannelli IPS moderni riescono a coprire anche percentuali maggiori del 100% dello spazio Adobe RGB, mentre per monitor TN solo recentemente si è riusciti a raggiungere una copertura dell'80% dello stesso spazio colore.
  • Il contrasto misurato in termini di contrasto nativo, cioè il rapporto di luminosità fra un fotogramma nero e uno bianco nel caso in cui la retroilluminazione sia accesa, e dinamico, dove la retroilluminazione viene spenta. Questo secondo valore è praticamente inutile (raramente una scena è completamente nera, ed in tal caso poco interessa la profondità di quel nero) se non nei monitor ad Array LED, dove la regolazione luminosa locale può intervenire. Valori tipici di contrasto nativo sono 1000:1, i valori del contrasto dinamico sono invece più arbitrari in quanto dipendono molto dalla profondità del nero a illuminazione spenta.
  • Risoluzione, la risoluzione rappresenta il numero di pixel che lo schermo può rappresentare. Nei televisori la denominazione “full HD” indica una risoluzione di circa 2 megapixel (almeno 1920x1080), la denominazione HD-Ready solitamente corrisponde a 1366x768 (anche se strettamente indica una risoluzione di 1280x720). Il 4K indica solitamente pannelli di risoluzione doppia del FullHD per ogni lato: 3840×2160. Tenendo presente questa equivalenza di risoluzioni, un televisore LCD può essere tranquillamente utilizzato come monitor del computer. A seconda della dimensione del monitor la risoluzione può portare ad avere monitor più o meno densi di pixel (il famoso retina display dell’iPhone/iPod non è nient’altro che un monitor piccolo con una discreta definizione che quindi permette densità di pixel molto elevate, ovvero superiori ai 300 pixel per pollice, e similmente per il Macbook Retina che ha risoluzione leggermente superiore al FullHD su uno schermo 13"), con conseguenze sulla visualizzazione d’immagini ma anche sull’utilizzabilità del sistema operativo…etc…
  • Refresh Rate è la frequenza di aggiornamento dell’immagine, solitamente fra i 60 e i 75 Hz (Hertz, ovvero “volte al secondo”), più raramente 120 Hz e oltre. Dipendente anche dalla scheda video, frequenze di aggiornamento più elevate permettono immagini più fluide (se il flusso video regge il passo). Refresh rate di 120 Hz e appositi schermi sono indispensabili per la visualizzazione di immagini 3D. Refresh rate piu' elevati sono inutili per visualizzare immagini da sorgenti video, in tal caso vengono utilizzate per l'interpolazione fra i fotogrammi, ovvero per rendere più fluide le scene. Questo risulta in un effetto piuttosto artificiale e sgradevole rispetto a sorgenti di alta qualità (interpolare una sorgente nativa di un film girato a 24 frame al secondo e' assimilabile all’eresia) ma può aiutare a recuperare un po' dell’originale qualità rispetto alle sorgenti televisive. Infatti la il segnale televisivo funziona a 25 frame al secondo, trasmettere un film dotato di 24 fps genera artefatti ma sovracampionare la frequenza aiuta a ripristinare il look originale.
  • Varie che non ho voluto specificare perché ritengo abbastanza ovvie o poco interessanti, come dimensioni (misurata in pollici della diagonale), rapporto d’aspetto (il rapporto fra i due lati del rettangolo dello schermo, 4:3, 16:10, 16:9 …etc…), pixel pitch (la distanza media fra i pixel, banalmente correlata alla densità), predisposizione 3D, connettività, ergonomia…etc…

In conclusione le caratteristiche di un monitor LCD, sia esso di televisione, computer o cellulari, si basano sugli stessi principi di funzionamento, che sono decisamente più complicate, ma anche interessanti, di quella che attualmente viene spacciata come “scheda delle specifiche”, in cui solitamente non è indicata neppure la più importante fra le specifiche (il tipo di pannello), mentre si fa largo utilizzo di numeri privi di significato ma volti ad acchiappare l’acquirente (contrasto dinamico). Dato che il produttore non aiuta a fornire dati oggettivi, nel comprare un nuovo monitor cercate su internet specifiche e misurazioni in siti come www.anandtech.com www.tftcentral.com o, ancora meglio, iscrivetevi e postate sul forum (o commentate) e chiedete consigli.

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Aggiornamento (22-02-2015)

Negli ultimi anni le tecnologie sugli schermi si sono evolute rapidamente. Da un lato è ritornato in auge il dibattito sulla risoluzione (4K vs 1080p) e dall’altro stanno comparendo sul mercato alternative ai monitor LCD, OLED e Quantum Dot. Sebbene sia piuttosto presto per delineare vantaggi e svantaggi delle varie tecnologie e produttori, le caratteristiche sintetiche fondamentali rimangono simili a quelle descritte sopra così come le indicazioni di acquisto.

Tuttavia rimane interessante notare che le due nuove tecnologie, OLED e qDot, sono radicalmente differenti dai correnti LCD. Infatti i correnti LCD sono composti da una pellicola retroilluminata che genera l’immagine. Come ho spiegato risulta quindi difficile incrementare il contrasto (statico) che è la caratteristica di immagine più importante! Al contrario in OLED e quantum Dot ogni singolo pixel è sorgente di luce propria , e quindi basta che quello accanto sia spento per avere un contrasto teoricamente infinito, di conseguenza un’immagine estremamente realistica.

Gli OLED sono dei LED composti da molecole “organiche”, ovvero a base di carbonio anziché di silicio, il che permette di produrli di piccolissime dimensioni e creare così delle matrici di puntini luminosi a formare lo schermo. Sono da tempo implementati in schermi di piccole dimensioni (noti quelli della serie Samsung Galaxy, dall’S3 e Note in poi, ma anche nei mirini elettronici di molte macchine fotografiche high end) ma recentemente stanno venendo commercializzati anche in schermi di grandi e grandissime diagonali (e prezzi), specialmente da LG.

I quantum dot sono una tecnologia che ancora deve vedere la commercializzazione, ma ha il potenziale per essere più economica degli OLED a causa dei processi di stampa più facilmente scalabili. Composti di un centinaio di atomi hanno proprietà fisicamente molto interessanti, è la cosiddetta scala “mesoscopica” a metà fra il mondo “nano” e “micro”, un regime dove sia gli approcci comunemente utilizzati dalla fisica atomica sono poco efficaci. I quantum dot hanno la proprietà molto utile che la loro frequenza di emissione dipende dalla dimensione, quindi non serve, come nel caso dei LED e OLED (e futuri PHOLED), trovare dispendiosamente composti “magici” che risuonino alla frequenza opportuna e che siano chimicamente e fisicamente stabili ma “basta” costruire un aggregato del numero giusto di atomi per ottenere un emettitore del colore desiderato. Credo che le proprietà di contrasto e colorimetriche di questi schermi possano essere estremamente buone, perfino migliori degli OLED (sempre che il mercato non decida di relegare i qDot alla fascia bassa con schermi poco calibrati e mal costruiti)! Tuttavia i quantum dot emettono per proprietà di fosforescenza, quindi è probabile che subiranno effetti di ghosting e cattivi tempi di risposta, specialmente i primi modelli che usciranno sul mercato. Ma dobbiamo ancora vedere trattandosi sempre di speculazioni e non essendoci ancora nessun modello completo nelle mani di nessun reviewer.

Quindi si pone anche il problema 4K o FullHD? In particolare: OLED FullHD o LCD 4K? La cosa importante da valutare innanzitutto è sempre l’esigenza specifica, ad esempio un 4K permette molta più versatilità utilizzato come schermo esterno.

Tuttavia, l’aspetto visivo come ho cercato di far capire sopra, va sempre ben oltre la mera risoluzione. Il contrasto gioca un ruolo molto più importante, la riproduzione dei colori è più appagante della mera risoluzione, specialmente su una differenza molto fina come quella fra 4K e FullHD. L’upscaling di un buon televisore 4K aiuta (specialmente per le più comuni sorgenti 720p), ma non può generare informazione dove manca e non soccorre in aiuto dei puristi dell’immagine che preferiranno evitare artefatti.

Aggiungendo a questo la generale carenza di supporti 4K (e perfino FullHD ben fatti), come consiglio non richiesto, suggerirei nel caso si avesse un dubbio di puntare su un OLED. E, in effetti, attualmente, sono ben più costosi: i 4K sono crollati di prezzo durante la stagione natalizia, date le considerazioni di sopra, gli OLED FullHD sono invece rimasti stabili a prezzi ben più alti.

In ogni caso, a prescindere da come si evolva la situazione, si può sempre chiedere un consiglio nei commenti.

Comments

Comment by Michela Gabrielli on 2015-07-28 05:26:31 +0000

Vorrei sapere come mi devo regolare con una retroilluminazione di un sony vaio PCG 7N2M KO. C’è chi mi dice che non mi serve e chi invece che lo schermo è nero. A chi devo dar ragione?
Grazie,
Michela.

Comment by Andrea on 2015-07-28 07:39:29 +0000

Benvenuta Michela, grazie del commento.
La retroilluminazione va regolata rispetto all’ambiente.
In generale un ottimo confort visivo si ha quando lo schermo garantisce una illuminazione simile all’ambiente circostante, e l’ambiente circostante e' sufficientemente illuminato da leggere.

Il mio metodo empirico per valutare il confort sta nel mettere un foglio bianco da stampante scritto attaccato davanti allo schermo su cui c’e' una scrittura nera su bianca. Un po' trasparira' ma se riesco a leggere le scritte sul foglio senza problemi significa che la retroilluminazione e' a posto, paragonabile alla luce ambientale riflessa dal foglio bianco.

Ma a volte bisogna correggere il valore “ideale” verso il basso: se l’ambiente non e' abbastanza illuminato, o verso l’alto: in presenza di riflessi, ad esempio, che bisogna sempre cercare di evitare ma con un portatile non sempre e' possibile.

Se intendevi qualcos’altro o vuoi piu' informazioni fammi sapere!

Comment by Beppe on 2015-12-15 17:10:26 +0000

Ci sono un p’ò di errori nel testo ricontrolla, grazie per il testo comuque molto interessante.

Comment by Andrea Idini on 2015-12-15 18:26:06 +0000

Grazie Beppe per la segnalazione e l’apprezzamento!

Comment by INTELED on 2016-05-19 09:36:39 +0000

Buon articolo ma sarebbe interessante aggiungere un confronto di luminositá tra le differenti tecnologie.

Un saluto

Comment by Leds Screen Manufacturer on 2016-10-18 14:54:23 +0000

Una buona panoramica. Grazie!

Comment by Martina on 2017-04-19 17:46:27 +0000

Ciao, grazie per l’articolo, chiaro anche per chi, come me, non se ne intende.
Riesci a darci un altro aggiornamento dopo questo paio d’anni?
In particolare credi che ci sia ancora spazio per display con quantum dots oppure gli OLED si sono rivelati la tecnologia in assoluto vincente? Mi domando inoltre se abbia senso, come sembrerebbe fare la Samsung con la nuova serie Q, puntare sugli LCD con retroilluminazione a Quantum Dots (quelli che fanno chiamare QLED) oppure se i vantaggi che possono offrire probabilmente non valgano se confrontati con le prestazioni degli OLED.. Grazie!

Comment by Andrea on 2017-04-20 10:09:40 +0000

Ciao Martina grazie per il commento,
in questi anni non ho seguito moltissimo l’evolversi delle televisioni (finche' sono in ricerca la mia televisione e' piccola, povera e portabile 😛 ), e tecnologicamente ho perso un po' interesse perche' le grosse novita' scientifiche erano gia' state scoperte.

Questo Samsung QLED e' interessante come concetto, ma come dici e' una variazione sul tema LCD (questo articolo spiega bene https://www.cnet.com/news/qled-vs-oled-samsungs-tv-tech-and-lgs-tv-tech-are-not-the-same/https://www.cnet.com/news/qled-vs-oled-samsungs-tv-tech-and-lgs-tv-tech-are-not-the-same/). In pratica e' un livello extra fra l’LCD e la retroilluminazione (e le varie guide e polarizzatori), questo permette di giocare di piu' coi colori.
Lo permetterebbe perfino se fosse un LCD passivo, ma questo annienterebbe la luminosita' e creerebbe dei problemi di intereferenza sulle polarizzazioni.
Invece con un livello di QD non hai problemi di polarizzazione e anche se i livelli di colore non sono ancora affinati al 100%, hai comunque un grado in piu' con cui giocare, e non annienti cosi' tanto la luminosita'.

Quindi l’idea di base non e' cosi' dissimile a quando Sharp ha messo i LED gialli nella matrice colore insomma… E comunque le prestazioni degli LCD possono essere molto esaltanti, per l’occhio umano, se l’LCD e' ben fatto, e d’altronde questi QLCD non e' che vengono via gratis…

Il senso e' commerciale piu' che tecnologico, credo: per questi 2 anni non lasci campo libero ad LG nei televisori di altissima fascia. Ma questa tecnologia non e' scalabile o i costi non sono abbattibili. Fra 10 anni sicuramente non avremo 100" QLED competere con OLED o Qdots, perche' la retroilluminazione deve comunque essere omogenea e ben fatta e questo ha il suo costo.

I Qdots potenzialmente invece hanno processi di scala piu' simili a sistemi stampati e similmente gli OLED.

Per commenti, scrivimi ad andrea (punto) idini (at) gmail (punto) com. Static web, no cookies collected.