Liquido o cristallo? La magia degli LCD

I display LCD funzionano grazie a sostanze organiche dalle peculiari proprietà: esse sono infatti fluide pur avendo un ordine molecolare che ricorda quello dei solidi cristallini, donde il nome di cristalli liquidi.

I display a cristalli liquidi si basano sul particolari proprietà ottiche di alcune sostanze organiche

Possiamo immaginare le molecole di queste sostanze come degli stecchini nella loro scatola: esse saranno tendenzialmente allineate ma, avendo legami come quelli dei fluidi, potranno disporsi diversamente se sottoposte a campi elettrici.

L’allineamento e la forma delle molecole dà loro la capacità di polarizzare la luce, ossia di far oscillare la radiazione elettromagnetica che la compone su un unico piano.

Un display LCD consta essenzialmente di due lastre di vetro le cui superfici interne sono scanalate in modo da orientare le molecole del cristallo liquido (i nostri “stecchini”) - fra esse contenuto - parallelamente alle scanalature stesse.

Le due lastre hanno le scanalature-guida ruotate di 90° l’una rispetto all’altra e imprimeranno così alle molecole del fluido una forma simile a quella di un nastro con le estremità ritorte ad angolo retto l’una rispetto all’altra.
Sui vetri sono inoltre depositati dei conduttori elettrici trasparenti la cui forma definisce i punti che comporranno l’immagine.

Esternamente ai due vetri troviamo due filtri polarizzatori i cui piani di polarizzazione sono orientati anch’essi a 90° l’uno rispetto all’altro. Per capire l'azione di un filtro polarizzatore possiamo pensare di impugnare l'estremità di una corda e metterla in oscillazione muovendo la mano: se la corda passa in una scatola con fenditure parallele alle oscillazioni stesse queste ultime si propagheranno indisturbate, se le fenditure sono perpendicolari le onde si arresteranno.
Gli effetti di un polarizzatore possono essere visualizzati con questo disegno

Un filtro polarizzatore, in pratica, “pettina” la luce lasciando passare solo le onde elettromagnetiche (nella frequenza della luce visibile, in questo caso) che oscillano parallelamente al piano di polarizzazione da esso definito.

La luce viene polarizzata dal primo polarizzatore ed entra nella fase liquido-cristallina. In virtù della torsione delle file di molecole la polarizzazione della luce viene ruotata di 90°, cosicché la radiazione riesirà a passare anche attraverso il secondo polarizzatore: il punto apparirà luminoso.

Se viene applicato un campo elettrico - tramite i conduttori già citati - le molecole si orienteranno secondo la direzione del campo stesso ed il “nastro” non sarà più ritorto ma bensì diritto: il piano di polarizzazione della luce non ruoterà ed essa verrà fermata dal secondo polarizzatore: il punto del display apparirà così nero.

Una variante dello schema LCD è l'LCOS (Liquid Crystal on Silicon), che in una qualche maniera fa proprio lo schema delle matrici DLP, quei chip composti da milioni di microspecchi orientabili costruiti con la tecnologia dei circuiti integrati.

Se un pannello LCD è di tipo trasmissivo - la luce lo attraversa ed esso ne modula l'intensità – una matrice DLP è invece riflettente, dato che ogni microspecchio riceve la luce prodotta dalla sorgente luminosa e la riflette sullo schermo di proiezione o su un assorbitore.

I chip D-ILA, con tecnologia LCOS, riuniscono modalità di funzionamento degli LCD e dei DLP
Le matrici LCOS funzionano per riflessione come i chip DLP

Una matrice LCOS può essere immaginata come un DLP nel quale i microspecchi sono sostituiti da elementi a cristalli liquidi. Lo schema di un LCOS presenta uno strato perfettamente planare sopra il quale sono disposti degli elettrodi riflettenti, uno per ogni pixel, direttamente collegati alla memoria video sottostante in tecnologia C-MOS.

Sopra agli elettrodi troviamo gli elementi a cristalli liquidi, pilotati dall'elettrodo trasparente che già conosciamo. Fra i vantaggi degli LCOS segnaliamo un fill factor (potremmo tradurlo con fattore di riempimento) più elevato di quello delle altre tecnologie.

Si tratta del rapporto fra superficie totale della matrice e superficie utile, quest'ultima definita come l'area che effettivamente riflette la luce: gli spazi fra i singoli pixel sono, con questo schema, molto piccoli e ciò comporta benefici effetti dato che la matrice sarà praticamente invisibile.

Gli “spigoli” del singolo pixel sono poi meno netti rispetto a quelli dei microspecchi e questa caratteristica genera immagini più gradevoli, secondo molti cinefili, in quanto più morbide rispetto a quelle prodotte dai DLP e simili a quelle generate dai proiettori a pellicola.

Questi spigoli “soft” sono però causa di un contrasto in generale minore rispetto a quello esibito dai DLP, limite che si ritrova anche nei display LCD classici.

Il prezzo e le dimensioni sono poi, in media, superiori a quelli dei proiettori DLP o LCD ma la cosa dipende anche dal fatto che questi apparecchi sono tipicamente a triplo chip – senza ruota colore, perciò – con conseguente aumento di ingombro e costo. Tecnologie di questo tipo sono state sviluppate da Sony, che la chiama SXRD, mentre JVC è proprietaria del marchio D-ILA (Digital Direct Drive Image Light Amplifier).

Ulteriori sviluppi in questa direzione sono proposti da Micron Technology, che introduce un'interessante variante degli LCOS. La “F” dei suoi FLCOS sta per ferroelectric e indica la particolare varietà dei cristalli liquidi usati in questi display, la cui commutazione avviene in 100 milionesimi di secondo invece che nel paio di millisecondi degli LCD più veloci.

I chip FLCOS sono così piccoli e poco avidi di energia da poter essere installati in proiettori tascabili

In questo modo si potrà ottenere un'immagine a colori inviando i dati dei canali RGB alternativamente alla stessa matrice FLCOS: il meccanismo è simile a quello usato dai DLP a singolo chip ma si può fare a meno della ruota colore, a tutto vantaggio della compattezza dell'insieme. Anche il consumo energetico è basso (0,9 W per un modulo da 800 x 600 pixel, “grande” 23,4 x 9,8 x 3,6 mm ) e non è un caso che queste matrici siano già usate nei pico-proiettori, così piccoli da essere tascabili.

Nella costruzione di un mini proiettore si nota il chip FLCOs e l'illuminazione a LED

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