LES AFFICHEURS LCD - Pedagogie 2nd degré

LES AFFICHEURS LCD
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Tous les photoscopes modernes (ceux de moins de deux ans !) possèdent
comme interface avec l’utilisateur, un, voire deux écrans de contrôle.
Les modèles les plus simples se contentent de l’affichage minimum des
informations vitales : état des piles, nombre de vues restantes, mode de fonctionnement
du flash, qualité et format des images etc...
Les indications apparaissent dans un petit écran à cristaux liquides comme
celui utilisé pour les calculatrices ou les montres. Pour la suite, nous appellerons cet
écran, “écran d’état” ou “écran de mode”.
Dans les modèles plus évolués (et aussi plus chers) un deuxième écran de
dimensions plus importantes est utilisé pour visualiser les photographies prises.
Cet affichage en couleur s’effectue aussi sur un écran à cristaux liquides, que
nous qualifierons d’”écran de contrôle”.
Les deux types d’écran sont basés sur le même principe : l’utilisation de
cristaux liquides, mais la technologie mise en oeuvre diffère considérablement pour
les deux modèles. Les tableaux de caractéristiques font appel à des sigles appro-
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Ainsi, les écrans à cristaux liquides sont appelés ACL, ou en anglais, LCD liquid
cristal display.
Un deuxième sigle est rajouté, qui qualifie le type d’écran : les petits érans
d’état sont dits TN Twist Nematic ou STN Super Twist Nematic, les écrans de
contrôle sont eux dénommés TFT Thin Film Transistor .
Les premiers entrent dans la catégorie d’afficheurs “passifs” et les seconds
sont, par opposition, dans la catégorie “actifs”, plus précisément à “matrice active”.
Avant d’étudier plus en détail les deux types d’afficheurs, nous allons voir ce
que sont les cristaux liquides, et comment ils sont utilisés pour réaliser un afficheur.
LES CRISTAUX LIQUIDES
Ce sont des matériaux organiques, plus exactement des cristaux nématiques
(en forme de fil) Ils possèdent une structure organisée dans une seule dimension
de l’espace, à l’opposé des cristaux possédant un arrangement spatial dans les
trois dimensions.
La liberté offerte dans deux des trois axes dimensionnels leur confère une
structure qui les place entre les liquides (totalement désorganisés) et les solides
(parfaitement organisés) comme le montre la figure 54 ci-dessous :
Y
Z
Cristal liquide
X
Fig. 54 - cristaux liquides -
Une des propriétés intéressantes de ces cristaux liquides, est d’offrir une
torsion , donc une réorientation de l’axe des mollecules, d’un certain angle (compris
entre 90° et 220°) sous l’effet d’un champ électrique.
En termes plus imagés, imaginons que le ruban de la figure ci-dessus puisse
être orienté à la manière des lames d’un store. Cette torsion donne son nom au
matériau : Twist Nematic (pensez à la danse !).
Le ruban étant d’épaisseur molleculaire, on va utiliser ce phénomène pour
laisser passer la lumière, comme sur un store vénitien, à la grande différence que
l’orientation spatiale des rayons lumineux ( leur polarisation) sera aussi affectée.
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Y
Z
Cristal
X

L’AFFICHEUR DE BASE
Outre le principe du “twist” commandé électriquement, il est necessaire
d’adjoindre au futur afficheur un système fixe de polarisation de la lumière et enfin
un dispositif d’adressage pour décider de l’endroit ou se trouvera le point élémentaire
(le pixel).
Apparait ici le concept fondamental suivant : un afficheur à cristaux liquides
dans sa plus simple expression, laisse passer les rayons lumineux en modifiant leur
orientation spatiale ou au contraire les arrête, produisant ainsi une ombre visible.
La structure d’un afficheur de ce type est montré figure 55 ci-dessous :
Polariseur
Cristal liquide
Les polariseurs
Verre
Réflecteur
Fig.55 - Composition d’un afficheur ACL -
Les rayons lumineux incidents étant par nature spatialement incohérents
(orientés dans toutes les directions ), il est necessaire pour un fonctionnement
correct, d’obtenir un peu plus d’ordre.
Cette opération est rendue possible par l’ajout d’un film polarisant qui ne
laisse passer que les rayons présentant une certaine orientation.
Les rayons ainsi triés en passant à travers la couche de cristaux liquides
vont se voir soit inafectés, soit “tournés” de 90° si un champ électrique est
appliqué aux mollecules. Le champ minimum est obtenu pour une tension de
seuil appelée Vt. (t=threshold, seuil ).
Selon l’orientation des rayons aprés leur traversée, ils vont être arrêtés
par l’écran (diffusion) ou passer au travers du deuxième polariseur, où ils
arrivent enfin sur le réflecteur pour reprendre le chemin inverse (réflexion).
La diffusion produit une tâche sombre et le retour du rayon laisse donc
l’afficheur transparent au point d’incidence comme l’explique la figure 56
ci-dessous :
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Polariseur
Présence d’un
Champ électrique
L’adressage
+V 0 V
Polariseur
REFLEXION
Fig. 56 - Fonctionnement de base -
Polariseur
0 V 0 V
Absence de
Champ électrique
Polariseur
DIFFUSION
L’application d’un champ électrique à un endroit précis de l’afficheur
permet l’apparition d’une zone transparente ou sombre selon le type de
cristaux employés et leur orientation de repos.
La dimension de la tâche est directement proportionnelle à l’intensité et à
la localisation du champ appliqué. En pratique, cette précision est obtenue par
l’impression sur le verre d’électrodes en matériau conducteur transparent.
La forme de la tâche sombre (le noir), sera exactement la même que celle
de l’électrode. Ces dernières sont parfaitement visibles sur un afficheur si on le
regarde en lumière rasante.
C’est ainsi qu’apparaissent les nombres sur une calculatrice ou sur une
montre.
Dans le cas d’un afficheur graphique, les pixels (points noirs) sont
obtenus par une grille métallique croisée, de chaque côté de l’écran.
En général, les colonnes sont imprimées en face avant et les lignes sur le
verso. L’adressage est réalisé en reliant une ligne à la masse et en portant
une colonne à un potentiel positif.
L’intersection de ces deux électrodes crée un (minuscule) champ électrique
qui va agir sur l’inclinaison des mollécules du cristal, et faire ainsi
apparaître par diffusion des rayons lumineux le pixel voulu.
Les circuits électroniques de balayage sont placés au dos de l’afficheur
et reliés électriquement à celui-ci par une nappe conductrice souple.
Ce mode d’adressage est dit passif, car le champ est appliqué directement
sur la surface vitrée, sans aucun intermédiaire. L’inconvénient est un
manque de précision spatiale et un débordement de la tâche sur ses voisines.
LES AFFICHEURS D’ETAT
Ce sont en général de petits écrans (quelques cm²) monochromes comme
celui du KODAK DC210 ci-dessous (Cf. Figure 57) que l’on retrouve d’ailleurs sur la
plupart des appareils argentiques actuels.
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Fig. 57 - afficheur d’état -
Ils sont de type passifs et contitués de cristaux liquides simples, appelés
TN , Twist Nematic dont la courbe de réponse est donnée figure 58a cidessous
:
Transparence
(%)
100
Blanc
0
TN
Gris
Noir
Transparence
(%)
100
Blanc
0
Vt Tension de
commande
Vt
a)
Fig.58 - Courbe de réponse -
Ces cristaux donnent des afficheurs de couleur jaunâtre, avec des points
tirant plus sur le bleu foncé que du noir. Le contraste obtenu est assez faible,
de l’ordre de 1:30 (imaginez une vieille photo noir & blanc pour avoir une idée
d’une telle valeur de contraste).
Une amélioration notable a été l’introduction d’afficheur STN, Super Twist
Nematic, de composition chimique légèrement différente, dont la courbe
beaucoup plus franche est donnée figure 98 b, de façon à répondre à une très
faible variation de la tension de commande.
L’utilisation des cristaux STN en deux couches supperposées (en fait
deux afficheurs l’un sur l’autre avec une seule commande) a permis d’augmenter
le contraste (le noir est vraiment noir) et de fournir un affichage plus net
avec des valeurs de contraste de 1:50.
Ces derniers dénommés DSTN , Dual Super Twist Nematic, (double STN)
sont universellement utilisés aujourd’hui.
Le procédé mis en oeuvre ne faisant intervenir aucune émission d’énergie,
il est très sobre et de demande que quelques micro-ampères. Naturellement,
en cas d’insuffisance de l’éclairage ambiant, il est inéfficace et exige un
éclairage d’appoint généralement fourni par une diode électro-luminescente.
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Gris
STN
b)
Noir
Tension de
commande

Etant limités à l’exploitation de quelques informations, les symboles
affichés prennent la forme des électrodes, et ne sont donc pas limités au point
de vue pictographique.
Ce type d’afficheurs est conçu de telle façon que les cristaux soient
orientés au repos pour laisser passer la lumière, Ils sont donc transparents
quand l’appareil est éteint.
LES ECRANS DE CONTROLE
De dimensions plus respectables, ce sont de véritables petits moniteurs
couleur qui affichent les images déjà prises, où celle en cours de cadrage dans le
cas d’un appareil dépourvu de viseur optique.
L’avantage dans ce dernier cas est l’assurance d’un résultat “WYSIWYG”,
What You See Is What You Get (ce que vous voyez est ce que vous obtiendrez)
mais la nature même de l’afficheur rend l’opération difficile en pleine lumière.
La plupart offre une diagonale de 1,8” voire 2”, et utilise une technologie
spéciale appelée TFT, Thin Film Transistor ou en français, écran à matrice active.
Le KONIKA Q-Mini possède un tel afficheur de 1,8” d’une définition de 312 X
230 pixels.
La matrice active
Ces afficheurs sont appelés TFT parceque leur surface est organisée en
matrice de points, représentés chacun par un transistor MOS.
Le but premier étant l’affichage graphique en couleurs, il a bien fallu
trouver un procédé plus efficace que le système passif, fournissant des points
trop flous .
La solution retenue pour une exellente résolution spatiale a été l’utilisation
d’un réseau de transistors MOS gravés sur le verre d’une des faces.
L’adressage s’effectue par les grilles, reliées entre elles pour former les lignes,
et les sources reliées en colonnes. Les valeurs à afficher (le degré de torsion
des mollecules) ressortent par les drains, reliés aux pixels.
Ces processus étant bien maitrisés pour les circuits intégrés, la grande
intégration atteinte permet désormais la réalisation d’écrans LCD de bureau
d’une diagonale de 20” en 1280 X 1024 en 16,7 millions de couleurs, à un prix
proche de 60.000 F il est vrai.
Le principe de base est d’isoler les pixels en concentrant la charge à un
endroit bien précis, via un interrupteur électronique (un transistor MOS).
Physiquement parlant, il se produit dans le transistor un effet d’accumulation
des charges dans la grille jusqu’à un certain seuil. Passé ce seuil, le
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transistor laisse passer un courant entre ses électrodes drain et source,
jusqu’à ce que le potentiel de la grille retombe à zéro.
On commande de la sorte chaque pixel de l’écran avec une très faible
variation de la tension de commande des grilles.
La qualité de l’affichage dépend essentiellement de la capacité des
circuits de commande à générer ces niveaux (256 pour une cellule).
La grande sélectivité du système se paye par une augmentation de
l’opacité générale due à la présence des électrodes métalliques et donc
opaques.
Pour cette raison, les afficheurs à matrice active doivent-ils impérativement
être éclairés par transparence (on dit rétro-éclairés ou Back Light) pour
fournir une luminosité correcte. Des valeurs courantes se situent autour de 75
à 100 Cd/m². On arrive ainsi dans les modèles actuels à des contrastes de
1:100 (une feuille blanche glacée avec des caractères gras d’imprimerie) .
Certains modèles pour ordinateurs de bureau atteignent même des
valeurs de contraste de 1 : 200 pour une luminosité de 150 Cd/m².
Le procédé mis en oeuvre ici est à l’opposé de celui des écrans passifs,
à savoir que les cristaux sont orientés au repos pour bloquer les rayons
lumineux.
Un écran TFT éteint apparaît donc noir.
La couleur
Les afficheurs présents sur les photoscopes acuels offrent une gamme
minimum de 256 couleurs, et certains modèles d’écrans de bureau affichent en
16,7 millions de teintes.
La reproduction des couleurs est basée sur l’utilisation des trois primaires
rouge, vert et bleu. Chaque cellule de la matrice est recouverte d’un filtre
coloré, et la variation de transparence du cristal liquide procure la modulation
de luminosité pour chaque composante.
Les petits écrans n’étant prévus que pour une visualisation sommaire,
chaque primaire se traduit par 8 ou 16 niveaux de transparence, soit quelques
512 couleurs affichables.
La mosaïque utilisée sur l’afficheur du KODAK DC200/210 est représentée
ci dessous en figure 59.
Fig.59 - Mosaïque de filtres pour LCD -
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Si chaque pavé de la mosaïque est entouré d’une ligne noire destinée à
augmenter le contraste, l’afficheur est dit “Black Matrix”.
Il faut évidemment trois cellules pour restituer un pixel de l’image. Un tel
écran présente un pitch de 0,33 mm pour une résolution de quelques 210 Dpi.
Cette dynamique de couleurs réduite va nous permettre l’introduction
d’un concept très souvent rencontré en infographie, celui de la table de
conversion ou LUT Look Up Table .
L’image stockée en mémoire l’est sous forme compressée mais en 16,7
milions de couleurs. Il fauf donc avant affichage sur l’écran LCD, décompresser
le fichier et diminuer sa dynamique de couleurs (16,7 Millions) pour
l’adapter à celle plus faible de l’afficheur (512 couleurs).
La technique mise en oeuvre fait appel à une table de valeurs constantes
avec un nombre d’entrées égal au nombre de couleurs existantes du premier
système et un nombre de sorties égale aux possibilités d’affichage du
deuxième système.
Mathématiquement parlant, c’est une fonction discontinue, en marches
d’escaliers (Cf. Fig. 60 ci dessous)
16,7 M
Valeurs
d’entrées
16,7 M
Valeurs
de sorties
16,7 M
Valeurs
d’entrées
Fig.60 -Dynamique d’un système -
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Système à grande dynamique Système à faible dynamique
Valeurs
de sorties
En d’autres termes, un certains nombre de valeurs très proches (les
couleurs), sera interprété comme une seule teinte. Le système de consultation
de table agit comme un compresseur de dynamique.
Pratiquement, la LUT est un tableau à une dimension (une liste) dont
l’indice des éléments (leur position) donne la valeur de sortie désirée.
L’indice est obtenu par calcul, en appliquant une fonction en escalier. La
figure 61 ci-dessous montre une table de conversion (ou de consultation)
destinée à transposer une dynamique de 4096 couleurs en 256 valeurs de
couleurs.
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L’éclairage
Fig. 61 - Table de consultation -
La présence conjuguée des polariseurs, des filtres colorés et des liaisons
métalliques de la grille va produire naturellement une opacité de l’ensemble et
réduire la transparence. Aussi les écrans à matrice active doivent-ils être
rétro-éclairés par une source lumineuse assez intense pour offrir un contraste
élevé et un bon rendu des couleurs.
L’éclairage doit être le plus uniforme possible sur toute la surface. Ceci
est obtenu par un ou deux tubes fluorescents de 4 mm de diamètre placés de
chaque côté du module dont le flux est canalisé par un transmetteur optique
constitué d’une multitude de micro-cuvettes (cf. Figure 62) placé au dessous
d’un diffuseur (un matériau translucide).
Tube
fluorescent
Réflecteur
Entrée
Valeur 1
Valeur 2
Valeur 3
Valeur 4
Valeur 5
Valeur 15
Valeur 16
LUT
Couleur N°1
Couleur N°2
Couleur N°3
Couleur N°4
Couleur N°254
Couleur N°255
4096 couleurs 256 couleurs
Transmetteur
Fig. 62 - Rétro-éclairage-
Module LCD
Diffuseur
Cet éclairage consomme énormément d’énergie et influence grandement
l’autonomie du photoscope, surtout si celui-ci est dépouvu de viseur optique.
Un afficheur LCD TFT en fonctionnement exige quand même ses 2 à 4
watts.
Pour l’anecdote, l’afficheur du KODAK DC200/210 est équipé d’un
économiseur d’écran (qui n’économise pas d’énergie) se déclenchant au bout
d’ une minute d’inactivité, et se traduit par une animation originale : la photo
affichée est réduite de 1/10ème et se déplace en rebondissant sur les bords de
l’écran.
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Sortie
Une Valeur

LIMITATIONS
Le gros avantage des écrans LCD est naturellement leur faible encombrement
et pour les modèles passifs, une consommation électrique négligeable (quelques
micro-ampères).
Les modèles actuels, s’ils sont encore chers (les procédés de fabrication de
sont pas vraiment standardisés) atteignent un niveau de qualité au moins égal à
celui des écrans cathodiques.
La perfection n’étant pas terrestre, ils présentent des inconvénients limitatifs :
1) Les filtres polarisants limitent le champ de vision (l’angle d’incidence
est restreint) et si l’observateur se déplace par rapport à la surface,
l’image disparaît et/ou les couleurs changent (phénomène de diffraction
des rayons).
Malgré les efforts appliqués dans ce domaine, les angles moyens de
vision horizontale et verticale par rapport à la normale, se situent aux
alentours de +/- 60°.
2) Utilisés en plein soleil, la lumière en provenance du rétro-éclairage ne
suffit plus à assurer un contraste correct et l’image s’efface.
3) La faible épaisseur des cellules contenant les cristaux liquides
(l’épaisseur constante est obtenue par l’adjonction de micro-billes en
plastique de 4 à 6 µm de diamètre entre les plaques de verre) les rend
très sensibles à la pression mécanique. Aussi est-il dangereux de vouloir
nettoyer l’afficheur si une tâche persiste en appuyant trop fort avec le
chiffon.
4) La nature organique des cristaux fait qu’ils se détériorent avec le temp
et se déstructurent sous l’effet du champ électrique. Pour éviter ce
phénomène, il est necessaire de les exposer à un champ alternatif.
L’alternance d’état se traduit par une nouvelle diminution du contraste et
une baisse de leur dynamique de réponse.
5) Les cristaux utilisés sont dits thermotropiques, c’est-à-dire possédant
des caractéristiques précises pour une plage de température donnée.
Si l’afficheur est exposé à des variations de température d’amplitude trop
élevées, ou si les maxima sont atteints, le fonctionnement est fortement
perturbé et dans les cas extrèmes le système ne fonctionne plus du tout.
La plupart des afficheurs LCD acceptent, pour fonctionner correctement,
une plage de température comprise entre 5° et 40° maximum.
Pour les photos à la neige, il faut garder l’appareil dans la poche et le
sortir au dernier moment.
6)Le temp mis par les mollecules pour s’orienter sous l’effet du champ
électrique est loin d’être négligeable et exige quand même un délai de
100 à 200 ms pour les systèmes passifs.
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Les systèmes à matrice active réduisent ce temp à 70 ms mais ces
valeurs sont à comparer aux 40 ms d’un écran cathodique (le faisceau
d’électrons est moins lourd à déplacer).
Ceci limite considérablement leur utilisation pour des applications ludiques
ou multilmédia.
Pour un photoscope, non seulement la vitesse élevée n’est pas très utile
mais n’est pas indispensable du fait du temp de calcul necessaire pour le
traitement de chaque image.
Pour un appareil dépourvu de viseur optique, l’écran est le seul moyen de
cadrage et dans ce cas, il est necessaire d’afficher la scène captée par
l’objectif en temp réel.
Ceci étant ergonomiquement inutile, la plupart des afficheurs de contrôle
offrent une cadence de rafraîchissement de une vue par seconde.
Combinée au temp de latence aprés appui sur le déclencheur, le terme
de photo sportive prend ici toute sa saveur !
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