LES AFFICHEURS LCD -113-

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1 11 LES AFFICHEURS LCD 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

2 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 Y Z Cristal liquide X Z Cristal X Fig 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

3 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 Réflecteur Cristal liquide Verre Fig.55 - Composition d un afficheur ACL - Les polariseurs 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 : -115-

4 Polariseur Polariseur Polariseur Polariseur +V 0 V 0 V 0 V Présence d un Champ électrique REFLEXION Absence de Champ électrique DIFFUSION Fig Fonctionnement de base - L adressage 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

5 Fig 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 Transparence (%) 100 Blanc TN Gris Noir Gris STN Noir 0 Vt a) Tension de commande 0 Vt b) Tension de commande 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

6 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 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 -118-

7 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

8 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 d entrées 16,7 M Valeurs de sorties Système à grande dynamique Système à faible dynamique Valeurs de sorties Fig.60 -Dynamique d un système - 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

9 Entrée Valeur 1 Valeur 2 Valeur 3 Valeur 4 Valeur 5 LUT Couleur N 1 Couleur N 2 Couleur N 3 Couleur N 4 Sortie Une Valeur Valeur 15 Valeur 16 Couleur N 254 Couleur N couleurs 256 couleurs Fig Table de consultation - L éclairage 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). Module LCD Tube fluorescent Diffuseur Réflecteur Transmetteur 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. Fig Rétro-éclairage

10 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 +/ ) 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

11 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! -123-