Ripercorriamo le tappe di sviluppo della tecnologia D-ILA. Dai primi videoproiettori a risoluzione SXGA+ ai nuovi modelli 4K. Caratteristiche costruttive, vantaggi e prestazioni di un progetto tecnologicamente avanzato.
La tecnologia D-ILA, Direct-Drive Image Light Amplifier, è stata
sviluppata da JVC e viene implementata in tutti i videoproiettori LCOS
(Liquid Crystal On Silicon, cristalli liquidi su silicio) del produttore
nipponico.
Fra gli eventi significativi di questa tecnologia, considerati
milestone, il primo D-ILA a risoluzione SXGA+ introdotto nel 1998 a cui è
seguito, nel 1999, il modello QXGA con risoluzione 2.048 x 1.536 pixel.
Il primo videoproiettore 4K mostrato in pubblico è stato un D-ILA, al
Siggraph di Los Angeles nel 2001.
Nel 2005, all’Aichi Expo di Nagoya, JVC ha dimostrato un proiettore
8K, basato sempre su tecnologia D-ILA. Nel 2007 la tecnologia D-ILA ha
reso disponibile un chip da 2 megapixel da 0,7”: ciò ha reso possibile
la proiezione di immagini 1080p, con rapporto di contrasto nativo di
oltre 30.000:1, senza l’impiego di un iris. La tecnologia D-ILA offre
anche un Gamut esteso, ottenuto con l’utilizzo di filtri colori e
tecniche di colour management specifici. In questo articolo esaminiamo
nei dettagli la tecnologia, analizzandone i principali vantaggi
nell’impiego in impianti home theater.
La tecnologia vista da vicino
D-ILA è una tecnologia proprietaria di JVC basata su cristalli liquidi a matrice attiva con capacità riflessiva (LCOS).
L’impiego
dell’elettronica CMOS e la configurazione ad alta densità dei pixel
sono la chiave per riprodurre tutti i dettagli di un’immagine ad alta
definizione. Per sviluppare definizioni sempre più elevate è
necessario agire su due fronti: ridurre la dimensione dei singoli pixel
e, contemporaneamente, lo spazio che intercorre fra un pixel e l’altro.
JVC ha creato il chip D-ILA che utilizza un layout particolare:
l’elettronica necessaria a pilotare ciascun pixel è posta dietro lo
strato a cristalli liquidi che forma l’immagine e non fra i singoli
pixel come accade con le tecnologie trasmissive. Questo risultato è
stato possibile perché la sorgente di luce non attraversa il pannello
LCD ma viene riflessa dal pannello stesso. Da qui il temine di
tecnologia riflessiva e non trasmissiva.
Il risultato è un fattore
di riempimento dello spazio destinato ai pixel vicino al 90% e
l’eliminazione virtuale di effetti ‘griglia’ o ‘zanzariera’, evidenti
in altre tecnologie trasmissive. Il backplane, così viene chiamato lo
stato a semiconduttore posizionato dietro al pannello LCD che indirizza
i segnali su ciascun pixel della matrice, assicura i più elevati
livelli di colore e la migliore interpretazione della scala di grigi.
Il
risultato si traduce in un rapporto di contrasto notevole: immagini
con un’ampia gamma dinamica, omogenee e naturali, riproduzione accurata
dei dettagli e delle informazioni contenute nella sorgente originale.
La qualità della temperatura colore si raggiunge con un sistema ottico
avanzato. Il contrasto elevato viene ottenuto allineando verticalmente i
cristalli liquidi, con un sistema a griglia ottica di alta precisione.
Ecco quali sono le sue principali caratteristiche.
Efficienza e
versatilità L’uso dei dispositivi CMOS al silicio a singolo cristallo
fornisce elevate prestazioni di indirizzamento diretto dei pixel; ciò
si unisce all’elevata efficienza e versatilità dei materiali
elettro-ottici e dei cristalli liquidi. Elevata risoluzione La
tecnologia D-ILA si presta a visualizzare immagini ad alta risoluzione.
Ad oggi è stata raggiunta la risoluzione 4K ma sono stati
presentati prototipi di videoproiettori anche con risoluzione 8K.
Immagini nitide La struttura che caratterizza i pannelli riflessivi
consente di ridurre lo spazio che intercorre fra un pixel e l’altro.
Ciò porta a ridurre l’effetto zanzariera, ossia la percezione dei pixel
durante la visualizzazione delle immagini. In aggiunta, i cristalli
liquidi presenti sui pannelli riflessivi agiscono in modo da unire i
pixel adiacenti per raggiungere una migliore omogeneità.
Ciò rende
le immagini digitali più morbide alla vista, e quindi più gradevoli
all’occhio. Configurazione a 3 pannelli La possibilità di utilizzare
tre pannelli, in modalità RGB, consente di raggiungere una maggiore
gamma dinamica e di evitare artefatti tipo ‘arcobaleno’.
Con la
tecnologia D-ILA, i segnali che compongono i contenuti video vengono
indirizzati direttamente al dispositivo d’immagine. Viene sfruttato
l’indirizzamento a matrice attiva dei cristalli liquidi per replicare
esattamente le immagini digitali in ingresso. A ogni pixel si accede
direttamente attraverso la circuitazione a matrice, collocata subito
dietro lo strato LCD. Dal momento che tutta l’elettronica si trova
dietro al percorso di proiezione della luce, la luce non deve
attraversare alcun ostacolo.
Uniformità Non si osservano fenomeni
di cross-talk, riflessione o immagini fantasma nel quadro, questo
grazie al pilotaggio digitale dei segnali che elimina gli artefatti. In
aggiunta, l’architettura SRAM fornisce un’eccellente uniformità di
tensione su tutta l’area attiva del pannello e, conseguentemente, una
buona uniformità di tutta l’immagine. Allineamento cristalli liquidi
L’allineamento verticale dei cristalli liquidi nematici (VAN –
Vertically Aligned Nematic) permette di raggiungere un elevato rapporto
di contrasto attraverso l’intero spettro di luce visibile. Il termine
‘nematico’ descrive la struttura dei cristalli liquidi le cui molecole
si allineano in linee parallele sciolte.
JVC è stata fra le prime
aziende a utilizzare l’allineamento dei cristalli liquidi con strati
non organici, garantendo così una più estesa vita operativa dei
pannelli; l’allineamento dei cristalli liquidi inorganici, infatti, non
mostra alcuna degradazione nei test di invecchiamento. Le molecole dei
cristalli liquidi vengono allineate quasi perpendicolarmente alla
superficie, con piccolo angolo di pre-tilt allo stato di ‘off’, fattore
importante per ottenere un elevato rapporto di contrasto e un’immagine
uniforme.
Con l’angolo di pre-tilt ottimizzato, il rapporto
intrinseco del dispositivo per un sistema ottico f/2.4 è maggiore di
40.000:1. Efficienza e rapporto di contrasto L’efficienza di
conversione della polarizzazione (PCE) dei cristalli liquidi VAN è
molto efficiente: il valore si approssima al 100%. Il dispositivo D-ILA
offre anche un alto rapporto di apertura, pari al 89%.
Uno dei
benefici derivati dall’allineamento VAN è il rapporto di contrasto,
essenziale per una buona qualità dell’immagine. Il ritardo residuale
del modo VAN è molto piccolo e lo stato di buio del dispositivo D-ILA è
acromatico, per un alto rapporto di contrasto, qualunque sia il
colore. Scala di grigi I cristalli liquidi VAN (Vertically Aligned
Nematic) sono caratterizzati da un tempo di risposta lento se comparato
con la durata dell’ultimo bit significativo (LSB).
D’altra parte,
nello stato luminoso, grazie al pilotaggio multi-impulso lo strato di
cristalli liquidi può produrre più luce. Tramite l’aumento dei
sub-frame, si ottiene una scala di grigi più omogenea. Inoltre,
pilotando i cristalli liquidi nematici tramite una tensione a impulsi
si ottiene il vantaggio di una luce in uscita con caratteristiche non
lineari. L’elevato contrasto e il grande numero di sub frame permettono
alla scala di grigi, con immagini molto scure o quasi buie, di essere
riprodotta accuratamente.
È dunque possibile creare un’immagine
omogenea senza utilizzare tecnologie specifiche, come quelle usate nei
sistemi PDP e DLP. Il pilotaggio digitale può controllare una precisa
scala di grigi. La curva gamma viene stabilita secondo un metodo di
calibrazione e la scala di grigi è di 10 bit. Gamma e stabilità La
curva gamma viene ottenuta da un insieme di parametri selezionati che
modellano la curva stessa.
La stabilità nei diversi ambienti di
funzionamento è molto importante per le applicazioni consumer.
L’utilizzo dell’allineamento VAN dei cristalli liquidi porta con se il
vantaggio che lo stato di buio e lo stato di bianco sono molto stabili,
viene influenzata solo la porzione di mezzo del livello di grigio.
Questo perché alcune caratteristiche proprie del modo VAN risultano
stabili in un ampio range di temperature.
Allo stato buio e allo
stato luminoso tutti i segnali vengono pilotati equamente, così che
queste porzioni non risentono del tempo di risposta dei cristalli
liquidi. Nel mezzo del livello di grigio, alcuni impulsi vengono
pilotati e la luce in uscita viene modulata dalla risposta del
cristallo liquido.
L’entità di tale modulazione, comunque, può
essere ridotta dal modello di pilotaggio. Tempo di risposta Un altro
vantaggio nell’utilizzare il pilotaggio digitale è il tempo di risposta
nelle immagini in movimento. Vengono intenzionalmente inserite
porzioni di nero fra ogni quadro nei principali livelli di grigio. La
tensione di pilotaggio è relativamente alta, comparata con il
pilotaggio analogico, e così il tempo di risposta è più veloce.
Inoltre,
per tutti i livelli di grigio vengono utilizzate le stesse tensioni di
pilotaggio, così da ottenere un eccellente tempo di risposta per tutte
le immagini in movimento.
Engine ottico di 3ª generazione
La tecnologia di
proiezione D-ILA ha compiuto numerosi progressi dalla sua nascita,
migliorando compattezza, efficienza luminosa e rapporto di contrasto a
ogni successiva generazione di proiettori.
La Figura 3 mostra l’engine ottico di terza generazione dei sistemi
RGB che utilizza i polarizzatori a griglia Moxtek. Questi elementi
sostituiscono il vetro solido PBS utilizzato nei primi proiettori,
permettendo un più elevato rapporto di contrasto del solo sistema
ottico.
La luce bianca di proiezione, ottenuta da una sorgente ad alta
intensità luminosa (lampada UHP ad breve ravvicinato) viene collimata e
inviata a un integratore e a elementi ottici per un più efficace
polarizzazione. L’integratore aumenta l’uniformità dell’illuminazione
attraverso l’apertura dei modulatori D-ILA e l’elemento di recupero
della polarizzazione ruota lo stato di polarizzazione ortogonale nello
stato funzionale alla proiezione.
Il fascio luminoso viene quindi suddiviso in componenti RGB da
filtri dicroici e inviato attraverso gli splitter della griglia PBS sul
chip D-ILA. La luce di proiezione, modulata dall’immagine dai tre
dispositivi D-ILA, viene analizzata tramite gli stessi elementi PBS e
combinata da un prisma dicroico incrociato, che trasmette l’immagine a
colori all’obiettivo di proiezione.
Nei videoproiettori JVC con risoluzione 4K, commercializzati a
partire dal 2011, al motore ottico D-ILA è stato aggiunto il dispositivo
e-shift che consente di quadruplicare il numero di pixel totali
proiettati sullo schermo, come si può vedere dall’immagine in apertura
dell’articolo.
Sviluppi futuri
L’abilità nel creare immagini in
movimento con risoluzione 4K sta rapidamente progredendo, così come la
capacità di trasmettere dati con una maggiore larghezza di banda.
Tutto ciò consentirà di evolvere ancora di più i vari campi
d’applicazione, dal cinema alla visualizzazione di simulatori. Per la
proiezione di immagini in UHD (Ultra High Definition) da 4K, JVC sta
sviluppando nuovi chip 4K da 1,3 e 1,7 pollici (Figura 6). La dimostrata
versatilità del progetto D-ILA indica che questa tecnologia continuerà
verso la risoluzione 8K (Super Hi Vision).
Nel prossimo futuro è previsto l’allargamento della base di
applicazioni D-ILA, con le nuove tecnologie di illuminazione a LED e
sistemi concept che comprendono i display olografici 3D. A cura di
Pierluigi Sandonnini
Principi operativi
I
cristalli liquidi vengono utilizzati in modalità VAN (Vertically
Aligned Nematic) e rispondono alla tensione RMS media del segnale PDM
(Pulse Width Modulation) sul tempo di quadro.
Nel backplane al silicio (lo strato che si trova dietro la matrice a
cristalli liquidi) si impiega una SRAM ad alta velocità. La procedura
fondamentale di un dispositivo D-ILA digitale consiste in due fasi:
indirizzamento dei dati e pilotaggio dei cristalli liquidi. In figura
viene mostrato lo schema a blocchi. Il segnale in ingresso viene
processato dal controller e convertito in bit.
In questa fase, viene utilizzata una tavola di riferimento per
determinare la corretta sequenza di bit per il livello di grigio da
raggiungere. Terminata la fase di indirizzamento dei dati, il passo
successivo è quello di pilotare i cristalli liquidi. Vengono utilizzati
tre segnali aventi differente tensione: V0, V1 e ITO. Queste tensioni
sono applicate a tutti i pixel del display, allo stesso tempo, così
ciascun pixel può essere pilotato nelle stesse condizioni. I segnali V0 e
V1 provengono dalle informazioni dei pixel della SRAM.
La tensione di pilotaggio dei cristalli liquidi viene fornita dalla
tensione ITO-V1 o ITO-V0. In questo modo, la tensione di soglia del
dispositivo e la massima tensione applicate a ogni singolo dispositivo
possono essere regolate. Il dispositivo genera oltre 50 sub frame.
In questa configurazione possono essere gestiti 24 bit e la
lunghezza di ogni bit piano può essere determinata liberamente: in
teoria vi sono 224 livelli di scale di grigio. In pratica, si utilizza
una combinazione di sequenze di bit che permette di raggiungere 10 bit,
1024 stati indirizzabili.
Così, una scala di grigio può essere riprodotta senza creare
contorni all’immagine come accade nei dispositivi che operano in modo
sequenziale. In questo schema i cristalli liquidi vengono pilotati da
frequenze che approssimano un’onda quadra di svariati kHz; una frequenza
significativamente più elevata rispetto a un dispositivo analogico (60 o
120 Hz). Ciò contribuisce all’alta affidabilità dei dispositivi D-ILA.