Écrans

Dans ce chapitre, nous allons exposer les deux technologies actuellement mises en œuvre pour réaliser des écrans pour ordinateurs, les tubes cathodiques et les cristaux liquides. Nous allons également en présenter les caractéristiques techniques les plus importantes.

Types d'écrans
Écrans à tubes cathodiques
Écrans à cristaux liquides
Exercices

Types d'écrans

Actuellement, le marché propose deux types d'écrans pour ordinateurs :

les écrans à tube cathodique (en anglais : Cathode Ray Tube Monitors - CRT Monitors) ;
les écrans à cristaux liquides (en anglais : Liquid Crystal Display Monitors - LCD Monitors).

Écrans à tubes cathodiques

Technologie

Dans les moniteurs à tube cathodique, se trouvent :

Un tube en verre dont la partie frontale est recouverte à l'intérieur d'une couche luminescente. La couche luminescente est un composé chimique fluorescent qui émet de la lumière lorsqu'il est soumis à un flux d'électrons. Chaque pixel de l'écran se compose d'un ensemble de trois points appelé triade (en anglais : dot trio). Une triade contient un point, appelé luminophore, pour chacune des trois couleurs de base : rouge, vert et bleu (en anglais : red, green, blue - RGB). Chaque luminophore requiert un composé chimique spécifique à sa couleur.
Trois cathodes. Il s'agit d'électrodes négatives, une pour chaque couleur de base. Les cathodes émettent des faisceaux délectrons qui vont heurter la partie frontale du tube en verre et exciter les luminophores.
Une anode, c'est-à-dire une électrode positive.
Un dispositif de balayage dont le but est de dévier les faisceaux d'électrons et leur faire balayer l'écran horizontalement et verticalement.
Un masque qui sert à mieux isoler les luminophores les uns par rapport aux autres et à préciser le lieu de l'impact des faisceaux sur la couche luminescente.

Sur la figure ci-dessous, on reconnaît la canon à électrons (1) formé par les électrodes, les faisceaux d'électrons avec, autour, le dispositif de balayage (2), le masque (3), la couche luminescente (4) et un gros plan sur cette couche (5).

Figure 1 : Tube cathodique (source Wikipedia)

Les cathodes et l'anode sont soumises à une haute tension (jusqu'à 25.000 Volt). De ce fait, des électrons sont émis à haute vitesse des cathodes en direction de l'anode. Les électrons sont regroupés en faisceaux et déviés vers l'endroit souhaité de l'écran par un dispositif de balayage. Pour que les faisceaux touchent les pixels avec précision, la couche luminescente se trouve derrière un masque métallique qui contient un trou pour chaque luminophore, trou par lequel les faisceaux doivent passer pour arriver à la couche fluorescente. On évite ainsi que des luminophores voisins du luminophore visé n'émettent eux-aussi de la lumière.

On distingue différents types de masques :

Des masques avec des trous ronds appelés grilles (en anglais : shadow mask) .
Des masques avec des fentes verticales appelés grilles à fentes verticales (en anglais : aperture grille) .
Des masques hybrides avec des fentes en forme d'alvéoles (en anglais : slot mask) .

Figure 2 : Trois types de masques, grille (à gauche), grille à fente verticale (au milieu) et masque hybride

Le faisceau d'électrons se déplace du coin supérieur gauche de l'écran à son coin inférieur droit et excite les luminophores souhaités. Il se déplace ligne par ligne et revient, à la fin de chaque ligne au début de la suivante. À la fin de la dernière ligne, il revient au début de la première.

La fréquence à laquelle les lignes sont affichées, c'est-à-dire le nombre de passages par seconde du faisceau d'un côté de l'écran à l'autre, est la fréquence horizontale de l'écran.

La fréquence à laquelle les écrans entiers sont affichés, c'est-à-dire le nombre de passages par seconde du faisceau du coin supérieur gauche de l'écran au coin inférieur droit, est la fréquence verticale ou fréquence de rafraîchissement de l'écran. Les postes de télévision ont des fréquences de rafraîchissement de l'écran de 50 Hz (dans le cas des normes PAL et SECAM) ou de 60 Hz (dans le cas de la norme NTSC).

La fréquence de rafraîchissement des écrans d'ordinateur dépend de leur qualité et varie généralement entre 70 Hz et 120 Hz. Plus la fréquence est élevée, meilleur est le confort visuel. À partir de 70 Hz, la plupart des humains ne perçoivent plus de scintillement de l'image. Un bon écran devrait donc avoir une fréquence de rafraîchissement d'au moins 75 Hz.

Enfin, on distingue deux techniques de balayage :

Avec la technique du balayage entrelacé (en anglais : interlaced scanning), on n'affiche d'abord que chaque deuxième ligne de l'écran, donc les lignes impaires. Puis, lors d'un deuxième balayage vertical, on affiche les lignes paires.
Avec la technique du balayage progressif (en anglais : progressive scanning), on affiche immédiatement tout le contenu de l'écran, ligne par ligne. Cette technique produit des images de meilleure qualité mais requiert des solutions plus chères.

Caractéristiques techniques

Les critères suivants sont importants pour le choix d'un écran à tube cathodique :

La taille (longueur de la diagonale exprimée en pouces). On dispose aujourd'hui couramment de tailles variant de 15 pouces à 19 pouces. Toutefois, la taille de la partie visible de l'écran est généralement diminuée d'un pouce. En effet, pour des raison techniques, on n'utilise pas les extrémités du tube pour l'affichage. Un écran de 17 pouces n'a donc qu'une partie visible de 16 pouces. Les écrans de 15 pouces ne sont de fait utilisables que pour des applications bureautiques. Lorsqu'on utilise des ordinateurs pour des applications graphiques poussées (par exemple en CAO), il est fortement recommandé de s'orienter vers des écrans de 19 pouces ou plus.
La luminosité. Elle a une influence sur l'ergomomie du poste de travail et est exprimée en candela par mètre carré (cd/m²). De nos jours, les écrans à tube cathodique ont une luminosité de 75 à 150 cd/m².
Le format (rapport largeur:hauteur). Beaucoup d'écrans ont encore un format 4:3, mais la tendance vers le format 16:9 est irréversible.
Le pas de masque (en anglais : dot pitch). La valeur indique la distance diagonale entre deux luminophores de même couleur. Les écrans de qualité ont un pas de masque de 0,26 mm, ceux plus économiques en ont un de 0,28 mm. Quelques modèles de pointe arrivent à 0,22 mm.
La définition (nombre de pixels pouvant être représentés). Plus la définition est élevée, plus on pourra reconnaître de détails.
La fréquence horizontale (cf. ci-dessus). 70 kHz devrait être un minimum. 85 kHz sont à recommander. 95 kHz et plus consituent le summum.
La fréquence verticale (cf. ci-dessus). Les fréquences verticale et horizontale ainsi que la définition sont liées. Un écran avec une fréquence horizontale de 70 kHz peut afficher à peu près 85 images de 768 lignes par seconde. Avec une fréquence horizontale de 85 kHz, cette fréquence verticale monte à 100 Hz. La relation entre les fréquences verticale (FV) et horizontale (FH) ainsi que la définition (N_lignes) s'écrit comme suit :
FH = N_lignes × FV

ou encore :
FV = FH ÷ N_lignes

Écrans à cristaux liquides

Technologie

Les cristaux liquides sont des composés chimiques organiques qui possèdent aussi bien les propriétés de liquides que celles de corps solides.

Un affichage à cristaux liquides est composé de cellules de Schadt-Helfrich (cf. Figure 3). Le côtés intérieurs de deux plaques en verre (2 et 4) sont couvertes d'une couche transparente en ITO (un oxyde métallique à base de zinc). Ces deux couches sont des électrodes. Entre les deux plaques se trouve un cristal liquide (3). Une couche de polymère (un polyimide) rainurée assure l'ancrage des molécules du cristal liquide au repos. En l'absence de tension, ce dispositif produit une rotation du plan de polarisation de la lumière. C'est la raison pour laquelle on parle encore d'un affichage à effet de champ par cristaux nématiques en hélice (en anglais: twisted nematics display ou TN-display). À l'extérieur des deux plaques en verre se trouvent deux polariseurs croisés dont les directions de polarisation forment un angle de 90° (1 et 5). À l'arrière se trouve un réflecteur (6). Selon le type d'application, le réflecteur peut être remplacé par une illumination de fond.

Figure 3 : Cellule de Schadt-Helfrich (source Wikipedia)

Lorsqu'une cellule de Schadt-Helfrich est éteinte (absence de tension), la lumière entrante est filtrée par le premier polariseur. Le cristal liquide fait ensuite subir une rotation de 90° au plan de polarisation de la lumière entrante qui peut ainsi passer le deuxième filtre et être réfléchie par le réflecteur. Au repos, le dispositif est donc transparent (en aglais: normally white mode). Par contre, en présence d'une tension entre les deux électrodes, le cristal liquide ne modifie plus le plan de polarisation de la lumière. De ce fait, la lumière filtrée par le premier polariseur, ne passe plus le deuxième et n'est plus réfléchie. Sous tension, la cellule apparaît donc opaque.

Les polariseurs peuvent aussi être alignés. Dans ce cas, la cellule est opaque au repose et transparente lorsqu'elle est soumise à une tension (en anglais: normally black mode). Toutefois, cette solution est rarement retenue, car la première offre un bien meilleur contraste.

Un écran peut, théoriquement, être constitué d'un nombre quelconque de telles cellules. Dans le cas des calculateurs de poche, sept cellules représentent un chiffre. Dans le cas des écrans d'ordinateur en couleur, trois cellules représentent tout juste un pixel (cf. Figure 4).

Figure 4 : Écran à cristaux liquides en couleur (source Wikipedia)

Les écrans à matrice active sont composés d'une matrice de pixels réalisés au moyen de la technologie décrite ci-dessus. Chaque pixel a un amplificateur actif, par exemple un transistor à couche mince (en anglais: thin film transistor ou TFT), et des connecteurs électriques. Les transistors à couche mince sont des transistors à effet de champ particulièrement bien adaptés à la production de circuits de surface importante, tels que les écrans d'ordinateur (d'où le nom de moniteur TFT).

Les avantages des écrans à cristaux liquides sont la faible consommation d'électricté, l'absence de toute radiation, la qualité de l'image (claire, absolument stable et sans distorsions), le poids limité et la profondeur réduite.

Les désavantages des écrans à cristaux liquides ont longtemps été le faible contraste, le temps de commutation excessif, l'angle de vision limité et le prix de production élevé. Cependant, grâce à l'évolution constante de la technologie, ces inconvénients sont aujourd'hui largement relativés. Un inconvénient demeure, toutefois: la définition de l'écran est figée à la production et le recours à une autre définition peut produire des pertes de qualité importantes, dans la mesure où de nombreux pixels doivent être interpolés. Aujourd'hui, la technologie des écrans à matrice active est la seule à pouvoir répondre aux besoins croissants en termes de nombre des pixels et décroissants en termes de taille des pixels.

Caractéristiques techniques

Les critères suivants sont importants pour le choix d'un écran à cristaux liquides :

La taille (longueur de la diagonale exprimée en pouces). Contrairement aux écrans cathodiques, la diagonale indiquée correspond à la diagonale effectivement utilisée. Des tailles jusqu'à 23 pouces sont aujourd'hui courantes. Au delà, le prix tend à devenir prohibitif.
La luminosité. Actuellement, les écrans à cristaux liquides ont des luminosités pouvant aller jusqu'à ±300 cd/m².
Le contraste. Il s'agit du rapport entre la luminosité du pixel le plus blanc et celle du pixel le plus noir. Un rapport élevé résulte, en principe, en une meilleure qualité d'image. Le taux varie ajourd'hui de 300:1 à 3000:1.
Le format. Ici encore, la tendance vers le format 16:9 est indéniable.
L'angle de vision. Cet angle décrit la région devant l'écran à partir de laquelle on peut encore reconnaître son contenu. Des moniteurs de qualité ont actuellement un angle de vision vertical ou horizontal de ±170°.
La taille des pixels. Cette grandeur est comparable au pas de masque des écrans à tube cathodique. Il indique la taille d'un triplet rouge-vert-bleu d'un moniteur TFT qui tourne habituellement autour de 0,3 mm
La définition. Rappelons que seule la définition native permet une représentation sans perte de qualité. Toute autre définition nécessite le recours à l'interpolation. Certains écrans y arrivent fort bien, d'autres échouent lamentablement.
La fréquence de rafraîchissement. Étant donnée la technologie utilisée, la fréquence peut, sans problèmes, descendre jusqu'à 50 Hz, on ne percevra aucun scintillement. Nénmoins, puisque la plupart des cartes graphiques travaillent avec des fréquences plus élevées, il est important que le moniteur TFT puisse suivre.

Exercices

Un écran à tube cathodique a une fréquence horizontale de 30-92 kHz et une fréquence verticale de 50-160 Hz. Calcule la fréquence verticale maximale autorisée pour les définitions suivantes :
- VGA (640x480)
- SVGA (800x600)
- XGA (1024x768)
- SXGA (1280x1024)