Alle radici del contrasto

Aprile 2009. I televisori dopo avere convissuto per tanti anni con il tubo a raggi catodici hanno visto succedersi nel giro di pochi anni prima i display al Plasma e subito dopo i display a LCD, che però, a fronte di un minore consumo e più lunga vita, presentano in generale rispetto ai primi una resa dei colori e un contrasto inferiori.
Ecco allora le “grandi firme” muoversi alla ricerca di nuove soluzioni per risolvere gli ultimi aspetti in cui il Plasma è superiore, sviluppando gli OLED, impiegati per ora solo in piccoli display e più recentemente i SED, ancora a livello di prototipi.

Mentre OLED e SED sono ancora lontani da un concreto sviluppo industriale, i costruttori hanno migliorato le prestazioni dei display LCD (preservando così gran parte degli investimenti industriali) e sostituendo alle tradizionali lampade fluorescenti CCFL poste dietro al pannello LCD una nuova generazione di lampade a LED.

Il risultato è sorprendente per diversi aspetti: migliorano la profondità dei colori e il rapporto di contrasto, è più veloce la risposta a immagini in rapido movimento, si riduce lo spessore del display e infine diminuisce il consumo, caratteristica questa particolarmente apprezzata nei PC portatili.

Dal 2005 la retroilluminazione a LED è entrata nei display LCD per i notebook e per i televisori di fascia molto alta per via dell'elevato costo (quasi doppio) delle lampade di questo tipo.

Con lo sviluppo di nuove architetture di retroilluminazione e con il miglioramento delle tecniche di produzione di massa dei componenti a LED si è però assistito a una significativa discesa dei prezzi che hanno permesso alle grandi case di sviluppare numerosi modelli di televisori a LED con nuove prestazioni aggiuntive.

Nel 2009 è prevista l'entrata sul mercato di numerosi televisori LCD di questo nuovo tipo con un aumento di prezzo abbastanza contenuto rispetto alla tradizionale soluzione di retroilluminazione a lampada fluorescente.

Un'importante conferma di tutto ciò viene dalla recente decisione presa dalla Apple di utilizzare d'ora in poi display LCD a LED in tutte le sue nuove linee di notebook.
Molteplici sono i miglioramenti introdotti dalla retroilluminazione a LED negli LCD rispetto a quella con lampade fluorescenti CCFL.

L'unico inconveniente rispetto a tutti i vantaggi qui elencati rimane, almeno per ora, un prezzo molto più elevato rispetto alla soluzione tradizionale a fluorescenza, inconveniente tuttavia destinato ad attenuarsi sensibilmente con le nuove generazioni.

Superiore resa dei colori
La luce fornita dalla retroilluminazione a LED alla matrice LCD è molto più prossima al punto di bianco di quanto non sia quella fornita dalle normali lampade fluorescenti.
Ciò consente di migliorare notevolmente la monocromaticità dei subpixel RGB (rosso, verde, blu) e in definitiva la resa cromatica del display.

Sul diagramma della cromaticità aumenta la superficie del triangolo gamut che ha per vertici i tre colori RGB e che definisce la gamma di colori che il display è in grado di produrre.
Con la retroilluminazzione a LED la resa dei colori del display LCD può arrivare al 100-110% dello standard di colore Ntsc, usato come riferimento per la resa dei colori dei monitor, mentre con la retroilluminazione a fluorescenza il display LCD arriva a riprodurre al massimo l'80% dei colori Ntsc. I display ai fosfori, come il plasma e il CRT, arrivano a riprodurre il 90% circa dei colori Ntsc (figura 1).

Migliore efficienza luminosa
Essendo il bianco fornito dalla retroilluminazione a LED più puro, non servono più gli strati filtranti usati con la retroilluminazione a fluorescenza per ripulirla da componenti di colore indesiderate. Ciò migliora l'efficienza luminosa del display poiché meno luce viene bloccata quando viene presentato il bianco.

Rapporto di contrasto più elevato
Migliorando la resa del bianco, con la retroilluminazione a LED migliora il contrasto nativo o statico del display, cioè il rapporto fra le luminostà del bianco e del nero a retroilluminazione costante.
Si tende a dotare i display LCD di intensità luminose elevate per ottenere (e pubblicizzare) valori di contrasto dinamico (rapporto fra bianco a retroilluminazione massima e nero a retroilluminazione minima) molto elevati.

Però con immagini contenenti sia bianchi sia neri il contrasto non potrà essere che quello nativo essendo la retroilluminazione costante su tutta la superficie.
Invece con i LED, se si adotta una regolazione locale della luminosità nelle diverse aree del display, è possibile vedere le immagini con valori prossimi a quelli del contrasto dinamico.

Se la retroilluminazione a LED non è predisposta per la regolazione locale, come avviene in alcuni nuovi prodotti per ragioni di costo, il contrasto dell'immagine risulterà quello nativo e non quello dinamico, ma risulterà pur sempre migliore del contrasto con retroilluminazione a fluorescenza.

Si riduce il consumo
Le lampade a LED consumano da 1/3 a 1/30 rispetto alle lampade CCFL, ciò consente di ridurre il consumo fino al 40% rispetto alla soluzione a lampada fluorescente.
In generale i televisori LCD a LED rientano con ampio margine (15-20%) nel criterio Energy Star 3.0 creato per la qualifica del risparmio energetico dei computer e che in USA è stato adottato anche per i televisori.

Controllo automatico della luminosità
Agendo sulla sua polarizzazione si può variare con continuità l'intensità luminosa del LED, a differenza che nelle lampade fluorescenti dove tale regolazione è solo ON-OFF. Viene perciò introdotto un controllo automatico dell'intensità della retroilluminazione a LED in funzione del livello del segnale video e della luminosità ambientale, in modo da mantenere le condizioni ottimali del contrasto, del livello del nero e del consumo.

Minore ingombro
I moduli a LED utilizzati per la retroilluminazione, i cosidetti LED BLU (Back Light Unit) hanno spessori sensibilmente inferiori a quelli corrispondenti delle lampade CCFL. Ciò consente di ridurre lo spessore dai 2” (5 cm) dei più sottili display LCD a fluorescenza ad un solo pollice (2,5 cm) dei display LCD a LED, fino a speciali versioni da parete con spessore di soli 0.6” (1,5 cm).

Circuito d'alimentazione più semplice
I LED operano con tensioni continue di circa 3.5 V e con opportuni driver di alimentazione per regolarne la luminosità.
Invece le lampade fluorescenti funzionano con tensioni alternate più elevate (100V) ricavate dalla continua per mezzo di un inverter.
Con i LED si semplifica il circuito di alimentazione della retroillmuninazione, non serve il trasformatore, minore isolamento richiesto, con minore costo e migliore affidabilità.

Ecocompatibile
Mentre le lampade fluorescenti contengono mercurio, sostanza notoriamente tossica, i LED non impiegano mercurio e rispettano senza problemi la direttiva EU RoHS, Restriction of Hazardous Substances, del 1° Luglio 2006, che pone limiti severi all'utilizzo di materiali pericolosi per l'ambiente.

Aumenta la durata
Nelle lampade fluorescenti l'intensità luminosa si riduce a metà dopo 5000 ore di funzionamento, e in tali condizioni la lampada può operare per altre 15000 ore ma diventa scura alle estremità.
Le lampade LED invece presentano una degradazione molto lenta della luminosità e possono durare fino a 50000 ore senza problemi.

Più resistente alle sollecitazioni meccaniche
La più semplice e più compatta struttura meccanica dei LED rispetto ai CCFL li rende più robusti verso vibrazioni e sollecitazioni meccaniche in genere.

Soluzioni per la retroilluminazione a LED
I principali aspetti che diversificano le soluzioni per la retroilluminazione a LED riguardano sostanzialmente i tipi di LED, che possono essere di tipo “RGB” o “white”, e la disposizione dei LED nella struttura di retroilluminazione, che può essere uniforme o “edge”. La scelta delle soluzioni dipende da diversi fattori come le dimensioni del display, il tipo di prestazioni e la fascia di prezzo. Ciò determina scelte diverse fra i costruttori e fra i diversi modelli dello stesso costruttore. Come per ogni nuova tecnologia, vi è una forte evoluzione nella componentistica LED al fine di ottimizzare il rapporto costo/prestazioni. Perciò, dopo i prodotti LCD con retroilluminazione a LED commercializzati nel 2007-2008, è già stata annunciata una nuova generazione 2009-2010.

LED RGB e LED ai fosfori
Un modo per ottenere LED a luce bianca necessari per la retroilluminazione, è di inserire nello stesso bulbo 2 o 3 o 4 LED di diverso colore la cui risultante produca il colore bianco. Il metodo più comune, che dà il migliore compromesso fra luminosità e resa dei colori, è di mettere insieme LED dei tre colori fondamentali RGB, rosso, verde e blu, per questo chiamati LED RGB (figura 2).
Il driver di alimentazione, oltre che a compensare la deriva dei LED in temperatura, provvede anche a regolare automaticamente il mixaggio dei tre colori in modo da ottenere esattamente la temperatura colore D65 relativa al bianco. Un altro sistema per ottenere LED a luce bianca è quello di ricoprire un LED monocromatico con una o più resine epossidiche di diverso colore che dia un colore risultante bianco e chiamati anche semplicemente LED bianchi.
La combinazione più tradizionale è LED blu con fosforo giallo (figura 3). Rispetto ai LED RGB i LED bianchi hanno una minore efficienza luminosa e offrono una minore resa dei colori del display LCD, arrivando a riprodurre il 75% dei colori Ntsc, valore paragonabile alla migliore retroilluminazione a fluorescenza. I LED RGB consentono una resa dei colori del display LCD più elevata pari al 100-110% dello standard NTSC (figura 4).
Le maggiori case (ad es. Philips e Samsung) hanno brevettato nuovi LED bianchi ad alta intensità con strutture che ne migliorano la resa e la luminosità. La più costosa retroilluminazione a LED RGB viene utilizzata nei televisori di fascia alta (es. Sony XBR Bravia, Samsung serie 950) e nei monitor professionali, dove in particolare si può regolare con precisione la temperatura colore bianco fra 5000K e 9300K variando l'intensità relativa dei 3 LED (come il monitor SpectraView LCD2180 di NEC).

Struttura di retroilluminazione
La struttura di retroilluminazione BLU, BackLight Unit, illumina il pannello LCD passando attraverso una serie di pannelli, in particolare uno per renderla uniforme e uno polarizzatore. La combinazione degli assorbimenti di tali pannelli con quello LCD fa sì che dal display esca solo il 5-8% dell'intensità luminosa fornita dalla BLU. Per ottenere una tipica luminosità di 500 cd/mq, la BLU deve avere una luminosità particolarmente elevata, circa 9.000 cd/mq, e dovrà quindi essere debitamente strutturata per dissipare il calore prodotto. In particolare il driver di alimentazione previene surriscaldamenti con la riduzione automatica della luminosità.
Esistono due principali strutture delle BLU che utilizzano i LED: la direct-light in cui i diodi LED sono uniformemente distribuiti sul retro del pannello LCD, la edge-light dove i diodi LED sono disposti su un bordo del pannello da cui parte una guida ottica che trasporta la luce sulla matrice LCD (figura 5).
Nelle strutture direct-light i LED debbono essere abbastanza vicini fra loro per non dovere utilizzare pannelli diffusori troppo spessi. Nei grandi display per la Tv negli ultimi anni si è passati da qualche centinaio a qualche migliaio di LED alimentati in serie in blocchi di circa 100 diodi (figura 6).
Per assicurare uniformità di comportamento in temperatura ed eliminare eventuali difetti che danneggerebbero un intero blocco, la struttura BLU deve subire un burn-in iniziale con successiva ricalibrazione.
La struttura edge-light impiega solo alcuni LED disposti sul bordo del display, ciascuno munito di guide ottiche per distribuire la luminosità sulla intera superficie. La struttura edge-light rispetto alla direct-light consente di ottenere spessori inferiori, minori consumi e costi più bassi.
Lo svantaggio è di non consentire la regolazione locale della retroilluminazione (local dimming) ma solo la regolazione sull'intera superfice (global dimming). La struttura edge-light è la preferita per l'impiego nei piccoli-medi display per palmari, monitor e laptop e si sta diffondendo anche nei grandi e grandissimi display Tv di ultima generazione con l'impiego di nuovi moduli LED aventi notevole potenza luminosa ed accoppiati a guide ottiche particolarmente ottimizzate.

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