Display leggibili alla luce del sole: i parametri più importanti dei display LCD per esterni da conoscere

Introduzione ai display leggibili alla luce del sole

L’articolo tratta i parametri più importanti dei display LCD TFT a lettura solare che devono essere presi in considerazione se il display LCD deve essere utilizzato in ambiente esterno. Significa che tratteremo questioni come il contrasto, la luminosità e i riflessi, e come questi parametri influenzano ciò che vediamo; e ciò che vediamo, in effetti, è il contrasto, non la luminosità di un display. Il contrasto deriva dal valore della luminosità di un display e dai suoi riflessi e si spera che alla fine di questo articolo saprete esattamente come funziona e come ottenere il miglior risultato possibile.

I parametri più importanti dei display LCD per esterni

Come delinea l’agenda presentata, esamineremo elementi come il contrasto, perché questo è il fattore chiave per vedere chiaramente l’immagine e il contenuto. Si parlerà anche della luce solare e di altre sorgenti luminose e di come queste influenzino la visione del display. Passeremo poi ai riflessi, alla luminosità del display e, infine, al funzionamento di un display a diverse temperature, dato che esistono soluzioni speciali per l’ambiente esterno (temperature molto alte o basse).

Rapporto di contrasto dei display LCD per esterni

Il rapporto di contrasto è un parametro che si trova facilmente in ogni scheda tecnica di display. Viene misurato dopo la produzione e consegnato al cliente sotto forma di numero di riferimento. I contrasti riportati nelle schede tecniche degli esempi precedenti sono di un paio di centinaia di euro e sono standard per i display industriali. Per gli schermi di fascia bassa il valore di contrasto è compreso tra 300 e 500, mentre per quelli di fascia alta può arrivare fino a 1000-2000. Se abbiamo un display con un contrasto così elevato, possiamo vedere l’immagine perfettamente. Il numero sarà diverso, tuttavia, se si acquista un televisore standard. Se si consultano le specifiche del televisore, si può trovare un numero come 1 a 1.000.000, ma è un po’ complicato e non è necessariamente il più importante da avere. Come vedremo nella prossima parte di questo articolo, il contrasto reale nel mondo reale è molto più basso anche dei numeri indicati qui per i display industriali, e potrebbe essere anche centomila volte più basso di quanto si possa vedere nelle specifiche di un televisore, e comunque vedere l’immagine chiaramente. Il primo aspetto del contrasto è il rapporto tra le parti luminose del display e le parti scure; è semplice da misurare, basta misurare la luminosità. Se immaginiamo che l’immagine di una spirale in bianco e nero sia su un display LCD, possiamo misurare quante candele ci sono nella parte bianca. Diciamo che si tratta di un display da mille candele o simili. Quindi, avendo la retroilluminazione accesa e i pixel bloccati, possiamo misurare quante candele ci sono nella parte nera. Poiché la differenza tra loro è grande, vedremo questo nero e le altre parti bianche, ma questo non è il vero nero. Poiché i pixel non sono perfetti e da essi fuoriesce un po’ di luce (non bloccano perfettamente la luce), quando misuriamo la luminosità, il risultato potrebbe essere di circa 10 candele. In alcuni televisori, come ad esempio gli OLED, il contrasto può essere molto elevato perché quando il televisore ha i pixel spenti, questi non emettono luce e ciò che si percepisce è un vero nero. Vi consiglio di andare a vedere questo tipo di TV in un negozio perché è un’esperienza diversa. Se lo sfondo è completamente nero, nero vero, non è una cosa a cui siamo abituati nei televisori standard con display LCD TFT. Ecco perché potremmo avere contrasti come un paio di centinaia o un migliaio, o un milione, a seconda di come lo si misura. Entrando più nel dettaglio, consideriamo il contrasto reale che chiamiamo Rapporto di contrasto effettivo (ECR). Nelle nostre schede tecniche abbiamo un CR, Rapporto di contrasto. È un valore che misuriamo in perfette condizioni di fabbrica, in una stanza buia dove misuriamo solo le parti bianche e scure dello schermo senza alcun riflesso. Nel mondo reale, però, la luce è presente nella stanza o all’esterno. Poiché ogni superficie, che non sia veramente nera, riflette la luce del sole, si ottengono dei riflessi che aggiungono luminosità. La luminosità si aggiunge a entrambe le parti, quella bianca e quella nera, abbassando notevolmente il contrasto. La tabella qui sopra presenta una scala di leggibilità dei display LCD per esterni e, come si può vedere, i rapporti di contrasto effettivo sono molto, molto bassi rispetto alle schede tecniche che abbiamo visto in precedenza, dove erano 500 a 1 o addirittura 1.000.000 a 1 nelle specifiche di un televisore. Qui abbiamo solo da 1 a 2, o da 3 a 4 e fino a 20 e si può notare che la leggibilità ragionevole inizia a 5. 5 è un contrasto accettabile e la maggior parte delle cose che vediamo sono comprese tra 5 e 10. Come si può vedere, quando il rapporto di contrasto effettivo è 10, è ben leggibile; se è 15, è eccezionale e 20 è eccellente! Quello che vedete in questo momento sullo schermo potrebbe avere un contrasto di 15 a 1 o di 10 a 1 e l’immagine risulterebbe comunque perfetta. Naturalmente, se si scende troppo in basso, vicino a 1, non si può vedere nulla perché i valori del chiaro e dello scuro si equivalgono. Il contrasto reale è molto più basso di quello che si può vedere nelle specifiche, per questo il contrasto stesso in una specifica non è il fattore più importante per un ambiente luminoso. Se lavorassimo in un ambiente buio, forse guarderemmo il contrasto e diremmo che un display da 1.000 a 1 è migliore di uno da 500 a 1, ma nella vita reale, quando abbiamo un ambiente luminoso, questi due display sembreranno molto simili e saranno leggibili in modo simile perché il valore reale del rapporto di contrasto effettivo sarà molto più basso ed è legato ad altri fattori, non al contrasto stesso. Il grafico qui sopra presenta alcuni calcoli aggiuntivi. Come si può vedere, se prendiamo un giornale tipico, possiamo aspettarci un contrasto di 20 a 1 alla luce del sole. È molto basso, ma perfettamente leggibile e diremmo che il giornale è uno dei migliori che si possano vedere e leggere chiaramente alla luce del sole. Abbiamo poi alcune informazioni sui notebook in cui la luminosità è inferiore e una formula per il calcolo dell’ECR. Entreremo nel dettaglio di come calcolarlo più avanti, ma come potete vedere, il tipico notebook del 2007 aveva una luminosità dello schermo di 200, forse 300 candele. Oggi i notebook sono caratterizzati da una maggiore luminosità, ma allora, nel 2007, potevamo aspettarci un contrasto molto basso, per cui era molto difficile leggere o lavorare con quel tipo di notebook alla luce del sole.

Come la luce solare influisce sulla leggibilità dei display LCD per esterni

Entriamo ora un po’ più nel dettaglio e prendiamo l’esempio dei numeri di un display a media luminosità, pari a 400 candele. Come sapete, i nostri display IPS ad alta luminosità hanno una luminosità standard di 1000 candele, ma in questo caso abbiamo intenzionalmente scelto una luminosità inferiore ai fini del calcolo. Abbiamo quindi 400 candele e un rapporto di contrasto di 400, per facilitare il calcolo. Poi portiamo il nostro display all’aperto alla luce del sole, dove possiamo aspettarci una luminosità di circa 10.000 candele e ipotizzare quattro riflessi del 4,5%. Ciò significa che la superficie del display rifletterà il 4,5% della luce in arrivo. In questo caso rifletterà circa 450 candele, e rifletterà su tutta la superficie, sia sulle parti chiare che su quelle scure. Quindi, qualsiasi cosa avessimo prima, se andiamo all’aperto, dobbiamo aggiungere i riflessi e questi vengono aggiunti all’intera superficie, alla parte chiara e a quella scura, e il valore del Rapporto di contrasto è completamente diverso, e si scende da 400 a 2 a 1 soltanto. Come abbiamo già imparato, 2 a 1 è piuttosto illeggibile o scomodo. Non ci piace guardare questo tipo di esposizioni perché dobbiamo sforzarci di vedere cosa c’è. Quindi, è troppo basso, quindi come possiamo migliorarlo nei display leggibili alla luce del sole? In realtà possiamo fare due cose. La prima cosa è semplice: possiamo aumentare la luminosità, quindi saliamo e se arriviamo, ad esempio, a 800 o 1000 candele, avremo un rapporto di contrasto di 3 a 1 o altro. Cos’altro possiamo fare? Possiamo diminuire il tasso di riflessione, quindi possiamo modificare la superficie del display e fare in modo che rifletta meno. Per questo motivo a volte utilizziamo un rivestimento antiriflesso sul vetro. E dal 4,5%, ad esempio, scenderemo forse all’1%, quindi la luminosità del riflesso passerà a 100 candele. Quindi il contrasto reale, dopo un rapido calcolo, sarebbe 500 diviso per 100, cioè 5 a 1. Quindi, se riduciamo solo la superficie senza modificare la luminosità del display, siamo in grado di passare da un contrasto di 2 a 1 a un contrasto di 5 a 1, che sarà sufficiente o addirittura perfetto in condizioni di luce solare. Di solito, facciamo entrambe le cose. Cerchiamo di aumentare la luminosità e di diminuire i riflessi il più possibile, perché i riflessi nei casi più esterni sono elevati.

Riflessioni – Vetro di protezione, incollaggio ad aria e incollaggio ottico nei display leggibili alla luce del sole

Se abbiamo un display LCD installato all’esterno, non solo abbiamo bisogno di uno strato antiriflesso per ridurre i riflessi, ma dobbiamo anche proteggere il display, di solito aggiungendo un vetro supplementare. Poiché si trova all’aperto, dobbiamo proteggere il display da atti di vandalismo e anche dall’ambiente stesso, dall’acqua, dalla polvere e da tutto ciò che ci si può aspettare all’aperto. Quindi, abbiamo messo un vetro aggiuntivo. A volte si tratta solo di un vetro coperto, a volte di un vetro a contatto, a seconda dell’applicazione, e di solito sono separati da uno strato d’aria. I vantaggi sono molteplici: meccanici, economici, di facile montaggio e inoltre, se il vetro si distrugge, il display potrebbe essere ancora a posto; inoltre possiamo sostituire solo il vetro senza sostituire l’intero display. Da un punto di vista ottico, però, questa soluzione presenta numerosi svantaggi. Se il vetro aggiuntivo non è incollato otticamente alla superficie del display, c’è dell’aria in mezzo. Ciò significa che abbiamo più riflessioni. Abbiamo riflessi dal vetro stesso, dal vetro all’aria e di nuovo dal display, perché il vetro è un ambiente otticamente diverso dall’aria. Quindi, a volte abbiamo anche il 10% di riflessioni o più. Per questo motivo è necessario aumentare anche la luminosità. Non è così facile da maneggiare, quindi il contrasto potrebbe ancora una volta non essere sufficiente. Considerando il nostro esempio, se abbiamo il 10% di riflessi anche aumentando la luminosità a 2000 candele, senza diminuire i riflessi, abbiamo un contrasto di 3 a 1. Anche in questo caso, il display passa da illeggibile a appena leggibile solo aumentando la luminosità e i riflessi. L’altra soluzione consiste nell’aggiungere il bonding ottico. Se aggiungiamo l’incollaggio ottico, cioè rimuoviamo l’aria tra il display e il vetro di copertura, e il materiale di incollaggio ottico sarà il più vicino possibile al vetro e al display, allora dal punto di vista della luce sarà lo stesso ambiente. Se non cambiamo l’ambiente non abbiamo riflessi, come se avessimo un grande pezzo di vetro all’interno. L’incollaggio ottico elimina molti riflessi e migliora anche la luminosità del display, perché se c’è un vuoto d’aria, anche la luce del display viene riflessa e si perde qualche punto percentuale di luminosità. Con il bonding ottico la luce del display esce e solo la luce esterna si riflette sulla superficie del display, riducendo così i riflessi. Una spiegazione più dettagliata è riportata qui sopra. Questa è la situazione in cui la luce del display fuoriesce dal display attraverso la fessura d’aria e il vetro di copertura. Il 95% si spegne, ma il 5% si riflette. Una parte di essa si spegnerà alla fine, ma una parte no, e il risultato sarà un po’ di sfocatura del display. Se utilizziamo il bonding ottico, l’immagine sarà molto più chiara. Se avete la possibilità di confrontare un display con incollaggio ad aria e un display con incollaggio ottico, vedrete che con l’incollaggio ottico i colori sono migliori, più vividi e l’immagine è letteralmente più chiara, perché in questa situazione l’intera luce esce senza riflessi, dispersioni o simili. Il rivestimento aggiunge un ulteriore strato alla superficie. Di solito si tratta di un vetro, quindi aggiungiamo questo rivestimento al vetro per diminuire i riflessi. Come già detto, la riflessione tipica del vetro è del 4% o del 5%. Se aggiungiamo il cosiddetto rivestimento AR, ovvero il rivestimento antiriflesso, possiamo ridurre questo numero all’1% – 2,5%, con una notevole differenza nel contrasto che vediamo come spettatori del display.

Linee di display LCD TFT ad alta luminosità Riverdi

Un rapido promemoria delle linee di visualizzazione di Riverdi. In primo luogo, abbiamo la nostra linea di display di vecchia generazione, basata su vetro TN, vetro standard Twisted Nematic. Quando abbiamo introdotto questa linea, la maggior parte dei display presenti sul mercato all’epoca erano da 200 a 300 candele. La nostra linea era lo standard più elevato del settore e i display di Riverdi erano da 500 a 600 candele. Oggi la luminosità è troppo bassa, per questo abbiamo deciso di introdurre una nuova linea. Abbiamo cambiato il vetro da TN a IPS per avere tutti gli angoli di visione possibili e per avere colori migliori e, allo stesso tempo, abbiamo aumentato la luminosità a 1000 candele. 1000 candele è un numero universale che possiamo utilizzare in ambienti interni molto luminosi, come sale mediche o strutture industriali, o una macchina del caffè vicino alla finestra, dove la luce del sole entra dalla finestra. Con 1000 candele possiamo avere un’immagine perfetta e una visualizzazione chiara e queste 1000 candele ci permettono anche di costruire dispositivi all’aperto se manteniamo basso il riflesso. Possiamo farlo aggiungendo un po’ d’ombra, in modo da non avere la luce diretta del sole, oppure avendo uno strato antiriflesso aggiuntivo sull’ultima superficie, che di solito è il vetro. Come si può vedere nella tabella precedente, se aggiungiamo qualcosa sulla parte superiore del display, che di solito è un touch screen, la luminosità diminuisce a causa dei riflessi. Anche il vetro non è perfettamente trasparente. Il vetro tipico ha una trasparenza compresa tra il 95% e il 97%, quindi pochi punti percentuali si perdono nel vetro stesso, il resto si perde a causa dei riflessi. Come si può notare, se è incollato all’aria, si perde di più rispetto all’incollaggio ottico. Quando abbiamo un legame ottico, perdiamo meno perché non c’è riflessione interna. I numeri riportati nella nostra tabella sono molto prudenti. Nel mondo reale sono in genere più alti, ma questo è il minimo che ci si può aspettare. In genere si può perdere dal 10% al 12%, ma cerchiamo di essere prudenti, per questo mostriamo 850 candele, quindi il 15% in meno e questo è il minimo che ci si può aspettare dai nostri display con pick-up e pick-up ottico. Per la linea di vecchia generazione, abbiamo anche una versione con touch resistivo. Il touch resistivo comprende più strati, abbiamo un’altra intercapedine d’aria che è necessaria per la pressione, perché il resistivo deve essere premuto meccanicamente, ecco perché abbiamo una luminosità ancora più bassa, quindi ci sono più riflessi rispetto al tipico pickup senza legame ottico.

Display LCD per esterni – temperature di esercizio e di stoccaggio

Quindi, sappiamo già come rendere un display leggibile all’esterno. Sappiamo che possiamo aumentare la luminosità o diminuire i riflessi e abbiamo un’immagine che possiamo vedere. Ora dobbiamo pensare a come far funzionare il display a temperature esterne. Come sapete, l’intervallo di temperatura operativa standard per i display che offriamo è compreso tra -20 e +70 gradi Celsius. Si tratta di una temperatura operativa standard del settore. L’intervallo di temperatura di conservazione è un po’ più ampio e va da -30 a +80 gradi Celsius. Alcuni dei nostri display, ad esempio quelli da 7″, sono stati testati in un intervallo di temperatura compreso tra -30 e + 80 gradi e funzionavano, quindi la temperatura di esercizio reale è più alta di quella indicata nelle specifiche, ma questo è ciò che garantiamo. Ma per i veri LCD da esterno è troppo basso, su entrambi i lati. Quindi -20 gradi in molti casi non sono sufficienti. In Scandinavia e in molti altri Paesi, le temperature previste sono inferiori a -20 e per i display da esterno sono necessari -30 o -40 gradi di temperatura operativa. Anche per quanto riguarda la fascia alta è un problema, perché se siamo all’aperto in estate e la luce solare diretta raggiunge la superficie del display, possiamo superare anche i +70 o +80 gradi. Quindi, abbiamo bisogno di una tecnologia diversa. In un tipico LCD sono presenti cristalli liquidi. I cristalli liquidi devono essere in fase liquida per funzionare e al di sotto della temperatura minima di esercizio iniziano a congelare. Ciò significa che diventa solido e i cristalli non possono muoversi o si muovono molto lentamente. Al di sopra della temperatura minima di esercizio, nell’intervallo compreso tra -20 e +70 gradi Celsius, è in fase liquida e funziona normalmente. Chiamiamo questa fase nematica, quindi la fase nematica è una fase in cui la luce può essere gestita da un cristallo liquido. Il cristallo liquido può cambiare la polarizzazione della luce, ma deve spostare meccanicamente i cristalli all’interno della cella a cristalli liquidi, quindi deve essere in fase nematica. Al di sotto della temperatura minima di esercizio, diventa solido e non può muoversi. Al di sopra della temperatura massima di funzionamento, che è di +70 o +80 gradi per i display tipici, ma a volte solo di +50 gradi per i prodotti di consumo, si passa alla fase isotropica. Isotropo significa che non è più possibile modificare la polarizzazione della luce. È come se tutta la luce potesse passare attraverso i cristalli liquidi e non si potesse controllare con la tensione o altro, quindi non si possono accendere e spegnere i pixel. Per questo motivo abbiamo un’altra soluzione che chiamiamo display Hi-Tni. Hi-Tni significa High temperature Twisted nematic – isotropic, e utilizziamo questa tecnologia per i display esterni, ad esempio per l’industria navale, automobilistica e militare. https://youtu.be/jkD-hcuPHMc L’immagine qui sopra mostra un esempio di display Hi-Tni e per esterni. Abbiamo quindi due tipi di celle, due cristalli liquidi che possiamo utilizzare. Una funziona a temperature comprese tra -20 e +110 gradi e l’altra funziona a temperature comprese tra -40 e +110 gradi . Quindi, in questo intervallo siamo al sicuro, possiamo andare molto in basso con la temperatura e non diventerà solido, e possiamo andare molto in alto con la temperatura fino a 110 gradi e non diventerà isotropo. Forse avete anche visto alcuni display utilizzati all’aperto che a volte diventano neri. Si tratta del cosiddetto effetto di oscuramento. Se diventano neri, significa che i cristalli sono diventati isotropi. A volte si nota che una parte del display è nera o a volte l’intero display diventa nero, a seconda della temperatura. L’aspetto positivo è che non danneggia il display, quindi una volta che la temperatura si abbassa torna alla fase nematica e il display funziona di nuovo, ma a temperature elevate non si vede nulla sul display, non funziona. Nell’immagine qui sopra, abbiamo un esempio tratto da una scheda tecnica di un display con temperature elevate. Come abbiamo detto, si tratta di un cristallo liquido da -40 a +110 gradi, e questa è la tecnologia più recente. Ma bisogna fare attenzione! Questo riguarda solo la superficie del display, il vetro TFT stesso. Se la luce solare raggiunge il display, può aumentare la temperatura dell’intero display come modulo. Per l’intero modulo del display, l’intervallo di temperatura operativa può essere compreso tra 0 e +50 gradi o -20 e 70 gradi. Possiamo avere due temperature di funzionamento, il che significa che se utilizziamo il display all’aperto, siamo al sicuro dalla luce del sole, la superficie del display può raggiungere livelli molto elevati, ma dobbiamo controllare la temperatura ambiente all’interno dell’alloggiamento del display per non raggiungere livelli troppo elevati. Il valore massimo è di +50 o +70. Di solito sono necessarie ventole per rimuovere il calore dall’interno. In genere, nel nostro caso abbiamo un computer all’interno e altri dispositivi che non possono funzionare a temperature elevate, come +100 gradi, quindi controlliamo comunque la temperatura. Quindi, la temperatura interna non può essere troppo alta e di sicuro non può essere così alta come quella che può sopportare un cristallo liquido, ovvero +110 gradi. E questo è tutto in questo articolo su contrasto, luminosità e temperature. Un’ultima cosa: se avete intenzione di acquistare un portatile oggi, potete trovare la luminosità nelle specifiche. Osservate questo numero perché determinerà la qualità del vostro portatile all’esterno. Oggi sul mercato ci sono portatili che hanno 1000 candele o anche di più. Se siete alla ricerca di un nuovo dispositivo, il mio consiglio vale anche per i telefoni cellulari. I telefoni cellulari a bassa luminosità possono avere 300, forse 500 candele, ma oggi lo standard si aggira intorno alle 1000 candele, ma ci sono telefoni sul mercato che hanno già 1500 o addirittura 1800 candele. Ciò significa che se ci si trova alla luce del sole si riesce comunque a vedere chiaramente l’immagine. Naturalmente la batteria si scaricherà più velocemente, ma a volte non è così importante, magari si vuole solo controllare qualcosa velocemente, leggere qualcosa e si vuole avere un’immagine chiara, ma sappiate che questo numero è piuttosto importante quando si acquistano nuovi dispositivi!