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Il colorimetro è uno strumento di misura che ogni esperto o semplice appassionato di calibrazione dovrebbe avere. Tra i vari prodotti presenti sul mercato, il modello 'i1Display Pro' di X-Rite è tra i più diffusi e tra quelli più interessanti. La frase ad effetto del produttore recita: “i1Display PRO è la combinazione ideale di precisione del colore, velocità e controlli per il massimo livello di accuratezza del colore sullo schermo.” e, dopo 10 anni di utilizzo e un’infinità di test sull'incertezza di misura, non possiamo che essere d’accordo! Magari sul “massimo livello di accuratezza del colore” avremmo speso un “*” per specificare che, con alcuni display e proiettori, questo è possibile soltanto se la sonda viene profilata con uno spettrometro professionale ad alta risoluzione.

 
A sinistra l'EODIS3 in modalità 'luminanza'; a destra in modalità 'illuminanza'
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Il colorimetro i1 Display Pro (d'ora in poi lo chiameremo EODIS3, ovvero Eye One DISplay di terza generazione), è dotato di un sistema ottico con doppia lente e un sistema di acquisizione con sensori coperti da filtri dicroici con un'ottima corrispondenza con la percezione del colore del sistema visivo umano. Presenta un design ergonomico 'all-in-one' che incorpora, sul coperchio a braccio, un diffusore per la misurazione della luce ambientale e quindi dell’illuminanza, oltre ad un contrappeso integrato lungo il cavo USB per le misurazioni del display a contatto. Immancabile la madrevite per l'aggancio ad un tripode fotografico.

Schema di uno spettrometro Ocean Optics: 1- ingresso; 2- slit; 3- specchio collimatore;
4- sistema di grating; 5- specchio di messa a fuoco; 6- sensore lineare
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Per la misura del colore, il colorimetro è il compagno perfetto e l'alternativa più economica dello spettrometro, quest'ultimo più costoso e lento ma più preciso nella misura delle coordinate cromatiche. Nello spettrometro la luce che entra nello strumento viene suddivisa nelle varie bande spettrali con vari sistemi ottici (filtri, prismi o specchi); l'energia luminosa, scomposta nelle bande spettrali, viene quantificata da sensori lineari o da fotodiodi discreti, in modo da rappresentare lo spettro di emissione della luce analizzata e, di conseguenza, le coordinate cromatiche. Non tutti gli spettrometri sono uguali: le maggiori differenze riguardano la sensibilità, la gamma dinamica e la risoluzione spettrale, indicata in nanometri FWHM (Full Width at Half Maximum): più basso è il valore FWHM, più alta sarà la risoluzione.

Curve di standardizzate tristimolo per il calcolo delle coordinate cromatiche
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Nel colorimetro, non è necessario che l'emissione luminosa venga suddivisa in bande spettrali: la luce viene analizzata nelle componenti tristimolo, simulando la percezione cromatica dell'occhio umano, mediante l'utilizzo di filtri colore che simulano la sensibilità spettrale delle tre classi di cellule sensoriali chiamate 'coni'. Nella maggior parte dei colorimetri, vengono usati tre sensori con tre diversi filtri colore, con risposta spettrale più vicina possibile alle tre curve standardizzata chiamate CMFs (Color Matching Functions). In alcuni colorimetri i sensori sono molti di più ma sempre con lo stesso obiettivo: avvicinarsi il più possibile alla risposta delle CMF standardizzate. Per approfondimenti, vi consigliamo la guida sulla percezione del colore, pubblicata a questo indirizzo.

Prime fasi dell'apertura dell'EODIS3 con rimozione del guscio
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All'interno dell'EODIS3 vengono utilizzati filtri dicroici di qualità molto elevata, in vetro di grado ottico con film sottile, caratterizzato anche da lunga durata. Il risultato è un'ottima corrispondenza con le tre curve CMF anche se non perfetta al 100%. Per prolungare la vita dello strumento, durante l'assemblaggio viene utilizzato un anello di gomma che funge da sigillo tra la camera di miscelazione ottica con i filtri e il PCB con i sensori. Questo sistema riduce anche l'invecchiamento da cause 'naturali' e la deriva (drift) dello strumento, mentre le prestazioni dei filtri sono abbastanza resistenti ai cambiamenti di calore e umidità.

Il piccolo magnete per la rilevazione della posizione del filtro per la misura di illuminanza
Il telaio è composto da due pezzi distinti; sulla destra il corpo principale
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EODIS3, presentato dieci anni fa, oggi è disponibile in tre versioni differenti: c'è la versione 'classica', perfetta per la stragrande maggioranza di applicazioni, una versione 'Plus' con gamma dinamica leggermente superiore e una versione OEM con le stesse caratteristiche di quella 'Plus ma senza software a corredo. Tutti e tre possono essere utilizzati con diverse tecnologie di visualizzazione: TV e display LCD con i più disparati sistemi di retro-illuminazione (CCFL, WG-CCFL, WLED, RGB-LED, QD-LED), TV e display OLED, proiettori con sorgenti a lampada, a stato solido e ibridi.

I due componenti principali del 'telaio' del colorimetro
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EODIS3 viene fornito anche con alcune tabelle di correzione spettrale (EDR), in modo che la corrispondenza tra i filtri dicroici impiegati e le curve CMF di riferimento, sia perfetta: in pratica, basterà impostare il tipo di prodotto che desideriamo misurare per avere una precisione nella misura del colore più elevata. Le tabelle EDR sono per i seguenti prodotti: CCFL-LCD, CCFL-LCD Wide Gamut, LED bianco, LED RGB Wide Gamut, RGB OLED, Plasma, RG Phosphor (GB-LED), Proiettori (DLP o LCD) con lampade a scarica ad alta pressione (UHP).

Il corpo principale con obiettivo e piccola scheda con sensori e componenti elettronici
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Per ognuno di questi tipi di visualizzazione è stata effettuata una caratterizzazione spettrale a intervalli di 1 nm utilizzando uno spettroradiometro Konica- Minolta CS-1000 che, unitamente ai dati di sensibilità spettrale univoci di ogni singolo strumento (misurati durante il processo di produzione), vengono utilizzati per il calcolo degli EDR.

I componenti principali con il 'barilotto' dell'obiettivo, le due lenti,
il filtro integratore e l'elettronica con i quattro sensori
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Questo sistema rende i1Display PRO completamente aggiornabile per supportare anche future tecnologie di visualizzazione. Ciò avviene tramite il SDK (Software Development Kit) che contiene le diverse caratterizzazioni spettrali. Nuove tecnologie di visualizzazione possono essere aggiunte direttamente in una nuova versione del SDK di X-Rite in modo che gli sviluppatori di software possano includerle nelle versioni future dei loro programmi. Inoltre, EODIS3 ha un elevato grado di coerenza inter- strumento, ossia tra i dispositivi dello stesso lotto di produzione ed offre anche un eccellente il livello di ripetibilità, cosa ancora più interessante e che lo avvicinano a strumenti professionali.

Il piccolo barilotto con un diaframma fisso e le due lenti in plastica
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Con le giuste impostazioni, EODIS3 può raggiungere una velocità di misurazione decisamente elevata, riuscendo a misurare in 0.25 secondi un pattern da 5 cd/m2 fino a 2.000 cd/m2 (per le versioni OEM Rev. B e la Plus) in maniera efficace e ripetibile. Tutte le versioni retail non plus e le OEM prodotte prima del 2017 sono certificate fino a 1.000 cd/m2 ma in realtà riescono a misurare livelli di luminanza più contenuti (può scendere 'più in basso') con una incertezza di misura molto contenuta. Il diffusore di misurazione ambientale integrato (una specie di 'lente di correzione del coseno') consente di eseguire misurazioni della luce ambientale in LUX e di eseguire misurazioni dell'illuminamento rivolgendo lo strumento direttamente verso l'ottica del videoproiettore.

La porzione distale dell'obiettivo con la piccola matrice che ospita i tre filtri dicroici
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i1Display PRO ha un'area di misurazione (o FOV - Field Of View) a contatto col pannello con diametro di 24 mm. L'obiettivo ha un angolo di campo dichiarato è di 5 gradi ma la realtà è decisamente diversa. Nei nostri test abbiamo misurato fino a ben 20 gradi di angolo di campo, ovvero quasi 35cm di diametro ad 1 metro di distanza. Dedicheremo alla misura dell'angolo di campo effettivo dell'EODIS3 un approfondimento, con una piccola sorpresa a cui stiamo lavorando assieme ad Adriano Lolli e che verrà apprezzata dagli appassionati di videoproiezione.

La scheda con i quattro sensori; in basso a destra i tre filtri dicroici
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L'EODIS3 è supportato da tutti i principali software di calibrazione, sia gratuiti (DisplayCal, HCFR) che a pagamento (Calman, Chroma Pure, ColourSpace). Per i nostri test abbiamo utilizzato HCFR, DisplayCal, Calman 2021 e ColourSpace (da ora in poi “CS”) che - al momento - gestisce la sonda in modo sensibilmente più efficiente rispetto alla 'concorrenza', grazie ad una eccellente implementazione del SDK ufficiale. Le verifiche dell'incertezza di misura sono state realizzate esclusivamente con questo software.

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Queste le modalità che la sonda e CS ci mettono a disposizione:

- FREQUENCY è più adatta ai display che hanno uno sfarfallio intrinseco a bassa frequenza, in genere inferiore a 150 Hz, come con i display CRT e alcuni display LCD con retroilluminazione CCFL.  Una possibile limitazione è che a livelli di scarsa illuminazione la precisione potrebbe ridursi, a meno che il tempo di integrazione non sia impostato su un valore alto. Tale modalità misura il numero di impulsi di sfarfallio nel tempo di integrazione impostato e normalizza il risultato in base al tempo di integrazione per raggiungere la frequenza di refresh;

- PERIOD è più adatta ai display che non lampeggiano o sfarfallano a una frequenza molto alta, superiore a 5.000 Hz. Su tali schermi questa modalità avrà una precisione maggiore a livelli di illuminazione estremamente bassi. Tale modalità misura il tempo tra un numero impostato di impulsi di refresh, entro il tempo di integrazione impostato, e divide il tempo di misura per il numero di impulsi;

- BURST è una modalità alternativa rivolta ai display con frequenza di refresh che cambia con i livelli di emissione luminosa, o PWM (Pulse Width Modulation) come sui display al plasma, OLED e proiettori DLP. Si noti che la modalità BURST è stata, in un certo senso, sostituita con l'introduzione della modalità AIO (All In One) sulle versioni Rev. B, ma potrebbe ancora essere preferibile su alcuni display con alto refresh/dithering e per l'uso su sonde Rev. A;

- AIO (All In One), presente solo nelle versioni Rev. B e plus, è una combinazione delle modalità “frequency” e “period”. Ha la capacità di sincronizzarsi con tutti i pannelli con qualsiasi tipo di “sfarfallio” / frequenza ed è la modalità suggerita per la maggior parte dei display. Altra funzione degna di nota è l’Intelligent Integration: s’imposta un valore cd/m2 al di sotto del quale la sonda eseguirà una seconda, terza, quarta, … lettura, con tempi di integrazione crescenti, fino al massimo di 6 secondi. Le letture si interromperanno non appena si otterrà una lettura stabile e valida. In caso contrario, verrà restituito un valore "zero". L'abilitazione dell'Intelligent Integration non è consigliata per le versioni 'Rev. A'.

Davide vs Golia: confronto con Klein K-10A

Per non farci mancare nulla e allo scopo di dimostrare scientificamente le miracolose capacità della EODIS3, abbiamo chiesto a Enrico Brancaccio (ebr9999 nel forum) di misurare contemporaneamente con EODIS3 OEM Rev. B (il cui costo si aggira oggi intorno ai 260 €) e K-10A (circa 7.000 €) un 'patchset' (segnali test) di 1.083 punti sul suo LG OLED E8. Ricevuti i dati, li abbiamo passati sotto un foglio di calcolo di nostra creazione, con un risultato esaltante. Qui in basso osservate il valore in 'Delta E 2000', tra le misure effettuate con il colorimetro Klein K-10A e con il 'nostro' EODIS3 OEM Rev B: 

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Ovviamente, il dato, oltre ai valori del dE2000 (che comunque ci dicono che non riusciremmo a distinguere una calibrazione fatta con una o con l’altra sonda), va interpretato. Le misure sono state effettuate contemporaneamente ma su punti diversi dello schermo. È poi stata applicata alla EODIS3 una matrice di correzione avente come riferimento la K-10A. I punti in cui i valori di x,y,Y si discostano dalla tolleranza NIST (National Institute of Standards and Technology), sono in gran parte concentrati sulle basse/bassissime luci dove la Klein ha una ripetibilità non proprio 'degna della sua fama'.

Infatti, senza alcun aumento dei tempi d’integrazione, la K-10A sotto al valore di luminanza di 0,7 NIT “balla” un po’ (il problema aumenta o diminuisce anche in base alla tecnologia misurata). Attraverso l’aumento dei tempi d’integrazione e grazie anche all’Intelligent integration di CS, si riesce ad aumentare notevolmente la ripetibilità ma a danno della velocità. Per mettere ancora più a fuoco le differenze tra le due sonde, abbiamo misurato con CS uno smartphone LG G7 con schermo LCD IPS, prima con retro-illuminazione al massimo della potenza, e poi al minimo, prima con la Klein K-10A e poi con la EODIS3. 

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Il display del G7 ThinQ ha una luminanza massima del bianco al 100% che sfiora gli 800 NIT; con la retro-illuminazione al minimo, la luminanza del bianco al 100% scende fino a poco meno di 3 NIT. Grazie al rapporto di contrasto di circa 1.500:1 è possibile scendere fino a 0,002 NIT (valore verificato con il fotometro Minolta LS150 che abbiamo in laboratorio). Ebbene, sulle basse luci, la velocità della Klein K-10A non è argomento di discussione; eppure, la precisione delle coordinate cromatiche, specialmente sui colori più saturi come il rosso, è meno convincente, soprattutto come ripetibilità, problema che costringe ad aumentare i tempi di integrazione della Klein e ad annullare il vantaggio temporale rispetto all'EODIS3.

In conclusione, le differenze tra le due sonde, oltre al prezzo (quello della K-10A è 28 volte superiore), sono la velocità (125 millisecondi in meno per la Klein) nella lettura dei pattern oltre i 5 NIT di luminanza, maggior capacità di lettura della luminanza in basso (0,00006 NIT per la Klein, 0,002 NIT per la EODIS3) e in alto (10.000 NIT per la Klein, 2.000 NIT per la EODIS3), un angolo di campo sensibilmente più contenuto e un mirino laser integrato nell'ottica che non lascia dubbi sulla zona 'inquadrata' dalla sonda. Vale quindi la pena spendere 7.000€ in una K-10A o è preferibile prima investire quei soldi in uno spettrometro professionale di provata accuratezza? Per noi non ci sono dubbi.

Link all'EODIS3_PLUS su amazon.it - Link all'EODIS3 su amazon.it

Link a Calman 2021 - Link a ColourSpace