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Come funziona il display LCD

Perché iniziare dal display? Perché è quello che abbiamo sempre davanti e probabilmente, proprio per il fatto di averlo costantemente sotto il naso, non ci siamo mai chiesti come funziona. La sigla LCD, che sta per Liquid Crystal Display, ci suggerisce la tecnologia che sta alla base di questi dispositivi, cioè la tecnologia dei cristalli liquidi.
Da un punto di vista macroscopico, un comune display LCD è composto da una lastra di materiale vetroso ricoperta da un sottile strato di plastica trasparente, dietro il display troviamo 1 o 2 lampade al neon, dette lampade di retroilluminazione.
Osservando più da vicino, la lastra ospita una matrice di celle, o pixel, oguno dei quali costituisce un'elemento dell'immagine dello schermo. Ogni pixel a sua volta è costituito da 3 sub-pixel, uno per ogni colore primario (rosso, verde, blu).

Esaminiamo adesso nel dettaglio il funzionamento di un sub-pixel.

LCD subpixel

Il cristallo liquido è posto tra due piastre di silicio rese semiconduttive tramite particolari trattamenti chimico-fisici (drogaggio). Queste due piastre ospitano gli elettrodi, uno per ogni lato del cristallo liquido. Le due piastre sono a loro volta coperte da due filtri polarizzatori, con angoli di polarizzazione a opposti. Infine cè un filtro colorato rosso, verde o blu che fornisce il colore al sub-pixel.

In assenza di cristallo, questo complesso sistema di strati non farebbe passare la luce, quindi sarebbe completamente opaco, nonostante i vari strati siano singolarmente quasi perfettamente trasparenti. Questo piccolo miracolo dell'ottica avviene grazie alle proprietà dei filtri polarizzatori.
La luce, attraversando il filtro a polarizzazione orizzontale, passa solo per metà, e precisamente passa solo la componente orizzontale (immaginate la luce come onde trasversali); il raggio di luce viene pertanto polarizzato in senso orizzontale dal primo filtro. Quando raggiunge il secondo filtro, che ha polarizzazione verticale, soltanto la componente verticale della luce riesce a passare, ma dal momento che la luce è già stata polarizzata la sua componente verticale è scomparsa, quindi dal secondo filtro non esce praticamente nulla.

Il cristallo liquido entra in gioco proprio modificando la polarità della luce. Quando il cristallo è in condizioni di riposo, ruota l'asse di polarizzazione della luce di 90°.
Osserviamo cosa accade in questo nuovo scenario: la luce entra nel primo filtro e viene polarizzata in senso orizzontale, perdendo la componente verticale, attraversa il cristallo subendo una rotazione di 90° (da orizzontale diventa verticale), quindi puù attraversare indisturbata il secondo filtro a polarizzazione verticale. In questo caso il sistema di lastre risulta trasparente. Se applichiamo una tensione elettrica ai due elettrodi, il cristallo liquido si deforma e non riesce più a ruotare l'asse di polarizzazione della luce, ricreando quindi lo stesso effetto che si avrebbe in assenza di cristallo.
Ecco trovato un modo per comandare il passaggio della luce! Se applico corrente, il cristallo si deforma, la luce non viene ruotata e il sub-pixel risulta nero. Se invece non applico nessuna tensione il cristallo è rilassato, la luce viene correttamente ruotata di 90° e il sub-pixel lascia passare la luce della lampada di retroilluminazione, apparendo quindi di colore bianco. Se a questo aggiungiamo i filtri cromatici, e organizziamo i sub-pixel a gruppi di 3, otteniamo dei pixel completi. Da notare che la quantità di luce che passa è inversamente proporzionale alla tensione applicata, quindi possiamo ottenere una quantità enorme di sfumature di colore regolando in modo graduale la tensione.

LCD zoom

Una volta capito il funzionamento di un singolo pixel, non è difficile immaginare il funzionamento complessivo del display. Adesso si tratta solo di capire come vengono pilotati i vari pixel.

Come detto prima, i pixel sono organizzati in una matrice, tipicamente di 1280 colonne per 800 righe, per un totale di 1.024.000 pixel su uno schermo tipico! Un milione di pixel sono una bella cifra! Esiste un modo per pilotarli tutti senza usare necessariamente un milione di circuiti elettronici? La risposta è semplice e si basa sul principio della battaglia navale.
Quando il controller del display deve aggiornare lo schermo, attiva la prima delle 800 righe e la prima delle 1280 colonne, selezionando il pixel alle coordinate (1,1) e impostando il suo colore tramite la regolazione di tre segnali elettrici (uno per ogni sub-pixel), poi passa alla colonna successiva e ripete la procedura con il pixel (2,1) e cosè via per tutta la prima riga. Una volta terminato il tracing della riga, passa alla riga successiva e riparte dalla prima colonna con il pixel (2,1), poi il (2,2), il (2,3) e così via finchè non ha aggiornato tutti i pixel fino al (1280,800).
Una volta terminato il refresh del quadro, l'immagine viene lasciata per qualche millisecondo, dopodichè si riparte per un nuovo ciclo e il tutto si ripete 60 volte al secondo, quindi la durata complessiva di un ciclo completo è di appena 16,7 millesimi di secondo!

Pillole

Se vi piacciono i numeri e volete impressionarvi un po' basta fare un paio di calcoli per capire quanti dati ci vengono sparati in faccia dal nostro display.
Ogni pixel è costituito da 3 sub-pixel, uno per ogni colore primario. Il livello di luminosità di ogni sub-pixel è codificato da un byte (256 possibili valori intermedi tra il "tutto acceso" e il "tutto spento"), quindi un pixel viene codificato da 3 byte (la classica modalità di colore a 24 bit). Considerato che nel nostro schermo tipico abbiamo 1.280x800 = 1.024.000 pixel, il numero di byte che serve per descrivere completamente l'immagine è 3 x 1.024.000 = 3.072.000, consideriamo inoltre che vengono prodotte 60 immagini al secondo, quindi questo numero va moltiplicato per 60, ottenendo 184.320.000 byte che corrisponde esattamente a 175,8 MB/s. Un video di 1 minuto, alla risoluzione di 1280x800, produce quindi una quantità di dati pari a 10,3 GB, più di un DVD a doppio strato!

Grazie a questi numeri "forse" state iniziando ad apprezzare la potenza del formato DivX e probabilmente vi starete chiedendo come mai i film in DVD vengono prodotti a 720x576 pixel invece di 1280x800, ho indovinato?

Ringraziamo Wikipedia per le bellissime immagini.

Vi aspetto per la prossima mini-lezione!

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23 Responses

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  1. marius says

    Ho un televisore LCD GRUNDIG 26″ Beko, la retroilluminazione funziona regolarmente schermo buio, alcune volte si intravedono le immagini, tutto questo detto dal TECNICO, però ha anche detto di sostituire lo schermo. Come faccio a sapere se effettivamente lo schermo LCD non funziona? c’è un modo per controllare la non funzionalità? G R A Z I E

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