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16. Ecran à tube cathodique et plat (TFT, LCD et Plasma)

16.1. Introduction - 16.2. Ecran cathodique - 16.3. Ecrans plats (TFT, LCD et plasma)

On trouve actuellement 2 types d'écrans (moniteurs): à tube cathodique (CRT, disparus), à cristaux liquides (TFT et dérivés ou LCD) mais aussi Plasma (basé sur une technologie différente). Débutons par les caractéristiques globales.

La première est la taille (dimension). Passons les anciens 11", 12", 14" et 15" pour arriver au standard actuel: le 17", malgré la faible différence de prix avec les écrans 19". Ces dimensions correspondent à la distance entre 2 coins opposés en diagonale. En écran LCD, c'est la taille réelle, dans les anciens cathodiques, le tube est en partie caché, réduisant la taille effective de l'affichage. La majorité des écrans utilisent un rapport 4:3, les modèles au format Wide (également utilisés pour les écran d'ordinateurs portables) reprennent un rapport 16:10, comme en télévision.

La première est la résolution maximum, le nombre de points affichés. Tous les écrans actuels sont minimum SVGA. La résolution maximale de l'écran représente le nombre maximum de points qu'il peut afficher. Elle indique le nombre de pixels (points) affichable à l’écran suivant la largeur et la hauteur.  En écran TFT et LCD, la résolution à utiliser est celle maximum. En inférieur, la qualité de l'image est réduite. En cathodique, la résolution maximum est rarement utilisé, l'image devenant souvent floue ou même scintille.

Par contre, le nombre de couleurs affichées dépend principalement de la carte graphique (notamment de la mémoire RAM et de sa configuration. Les anciennes cartes graphiques n'acceptaient pas toutes les palettes de couleurs en fonction de la résolution, les modèles actuels oui mais avec des pertes de performances pour les hautes résolutions. L'oeil humain ne décerne que 16 millions de couleurs (14 bits).

La fréquence verticale (de ligne) en Hz donne la fréquence de rafraîchissement de chaque ligne de l'écran. Située entre 30 et 100 Hz avec des fréquences supérieures pour les grandes tailles. La carte graphique a aussi une fréquence d'échantillonnage maximum liée au RAMDAC, si la fréquence verticale de l'écran est inférieure à celle de la carte graphique, l'écran décroche en fréquence, nécessitant un paramétrage manuel au niveau de la configuration de la carte graphique.

Une caractéristique est la fréquence image qui varie avec la résolution. Exprimée en Hz, elle représente le nombre de fois que l'image est affichée par seconde. Les caractéristiques minimums sont de 72 hertz pour éviter des scintillements de l'image, fatigants à la longue. Plus cette fréquence est élevée, meilleur est l'affichage. Ceci explique aussi les problèmes avec les très anciens écrans entrelacés, disparus fin des années 90.

L'affichage est constitué d'une multitude de points, le nombre dépend de la résolution. La finesse du contour de ces points est appelée dot pitch ou pas de masque. Plus il est faible, meilleur est la qualité de l'image. Si un écran standard est caractérisé par un dot pitch de 0,28 mm, les meilleurs descendent à 0,22 mm. Le dot pitch dépend du type de tube cathodique (et du type de grille), de technologie utilisée pour les LCD et de la taille de l'écran. Le dot pitch représente la distance séparant deux points de couleur différente dans un même pixel.

Les moniteurs utilisent des normes d'économie d'énergie (extinction de l'écran par l'ordinateur après un certain temps paramétrable d'inactivité) comme le DPMS et autres. D'autres normes gèrent le rayonnement (émission) électromagnétique induit par le tube cathodique, ce sont d'abord les normes LR (Low Radiation) comme le DPR 2, suivies, principalement sous l'impulsion de NOKIA et des syndicats suédois, par le TCO92 et TCO95 qui intègre en plus le DPMS et des normes de recyclage. Le TCO99 intègre de nouvelles normes d'économie d'énergie. La dernière en date, l'Energy Star reprend différentes gestion de l'énergie, mais aussi de rendement. Il est adapté aux appareils électriques mais aussi aux bâtiments.  La majorité des normes de radiation n'ont plus de raison d'être avec les écrans plats.

Les contrôles (luminosité, contraste, décalage de l'image, …) se font actuellement de manière digitale, à l'aide d'un menu sur l'écran.

16.2. Les écrans cathodiques

En écran cathodique, deux types sont utilisés: les fréquences fixes (obsolètes) et les analogiques. Les écrans à fréquences fixes permettent des valeurs discrètes (généralement trois fréquences fixes différentes par résolution). Les modèles analogiques détectent toutes les fréquences inférieures à la fréquence maximale pour se paramétrer sur celle de la carte graphique. Lors d'un changement de fréquences en analogique, l'écran s'éteint quelques secondes, le temps de retrouver la fréquence adéquate.

Le principe de fonctionnement d'un tube cathodique est identique à celui des Télévisions. L'écran renferme un canon à électron qui produit un faisceau d'électrons (1) projetés sur la dalle (la partie affichée de l'image) à travers un mécanisme électromagnétique de positionnement de l'électron sur la dalle. Il est constitué de deux déflecteurs haute tension, un vertical et un horizontal (2 et 3 sur le schéma). Le bout du tube est recouvert selon le type de tube d'une grille percée de trous (Shadow Mask) ou de fils tendus (Trinitron) (4) qui permet d'afficher uniquement à un point donné pour un pixel de l'écran. Une fois passée, l'électron atteint la face visible du tube recouverte d'une couche luminophore suivant les trois couleurs de base: rouge, vert et bleu. Au contact, le luminophore s'excite et produit un flux lumineux. Pour un affichage correct sans pertes, un luminophore doit être régénéré toutes les 13.33 ms, soit 75 fois par seconde (75 Hertz), ce qui correspond à la fréquence image de l'écran vue plus haut

Comme l'image est séparée en trois couleurs, le canon à électron doit envoyer les électrons suivant 3 filtres. Les trinitron utilisent directement trois canons. Chaque faisceau associé à une couleur est envoyé sur une zone propre de l'écran dans un même pixel, suffisamment proches pour une juxtaposition et suffisamment éloignée pour ne pas interférer entre eux.

Trois technologies sont (étaient) utilisées:

• le Trinitron (Sony) offre un meilleur rendu des couleurs, une image plus lumineuse et plus précise en utilisant des fils tendus comme grille, ce qui donne des points carrés et pas ronds (en plus de trois canons distincts). Ces écrans Trinitron se remarquent par 1 ou 2 lignes horizontales visibles sur l'écran.

• le masque d'ombre INVAR (Invar Mask) utilise une grille percée de trous ronds, on le retrouve dans les modèles de bas de gamme mais aussi dans des modèles supérieurs

• le masque d'ombre traditionnel en acier, obsolète.

Pour les grands écrans, de nouveau types d'Invar Mask sont utilisés permettant des qualités d'affichage identiques, sinon supérieures aux Trinitron.

Les écrans plats CRT utilisent un tube cathodique plat. La surface visible est donc plate. Outre le confort de travail, leur précision d'affichage, couplé à un tube cathodique approprié, les rendent parfait pour de nombreuses tâches: dessin, conception assistée par ordinateur ou retouches d'images, principalement pour de longues heures de travail. Les écrans coins carrés affichent l'image sur l'entièreté du tube, augmentant ainsi la taille maximum de l'affichage.

Certains modèles sont traités anti-reflet et antistatique. Ceci se fait en recouvrant le tube cathodique d'une pellicule spéciale.

16.3. Les écrans plats

Souvent appelés écran plat, ils n'utilisent plus un tube, mais des matrices de cristaux liquides, un peu comme si on insérait une LED dans chaque point à afficher. Ceci réduit l’épaisseur de l’écran (design) mais aussi la consommation liée à la haute tension utilisée dans l'ancienne technologie.

Les principales distinctions entre les technologies sont le temps de réponse (en ms), le taux de contraste entre le noir et le blanc entre deux points contigus (les meilleures permettent jusque 1000:1), les angles de visions horizontaux et verticaux (jusque 170°), la luminosité (exprimée en candela par mètre carré (300 cd/m² par exemple), la fréquence maximum de rafraîchissement (typiquement 75 hz) et le dop pitch.

La deuxième différence est le type de signal utilisé. En cathodique, le signal est analogique, donc soumis à des interférences extérieures électromagnétiques. Dans un écran plat, le signal utilisé est numérique (même si les écrans actuels utilisent encore souvent le connecteur VGA nécessitant de retransformer l'analogique en numérique). En gros, le signal est convertis par la carte graphique en signal analogique via le ramdac pour être retransformé en numérique dans l'écran. Le câble DVI est entièrement numérique, d'où l'intérêt de connecter votre LCD via ce câble.

Dans les écrans plats, on trouve 4 technologies (seules les deux dernières sont utilisées en TV):

• DSTN, aussi appelé à matrice passive pour les anciens ordinateurs portables

• TFT appelé également à matrice active qui permet une meilleure luminosité et un meilleur contraste. Elle augmente également l'angle de vision par rapport à l'affichage. C'est la technologie utilisée actuellement pour les écrans portables et pas les écrans bureautiques les moins chères (les meilleurs utilisent la suivante).
• LCD: permettant de nouveau un meilleur contraste mais également des dimensions supérieures, cette technologie est utilisée dans les écrans standards, avec une consommation un peu supérieure
• Plasma, utilisant l'illumination d'un gaz soumis à une charge électrique, pour les grandes dimensions

16.2.1. DSTN, matrice passive.

La DSTN (Dual Scan Twisted Neumatic) allume uniquement des points situés au croisement d'une ligne et d'une colonne (d'où la mention de matrice) les uns après les autres. Chaque point est constitué d'un cristaux liquides par point qui suivant l'angle de rotation fait passer la lumière d'une dalle lumineuse à travers trois filtres vers l'écran. Les cristaux liquides sont directement gérés par un signal électrique venant de l'inverter. Cette technologie n'utilise pas de transistors pour le contrôle, réduisant les temps de réponses et le contraste de l'affichage mais avec un prix de revient plus faible. Ils ne permettent pas non plus des angles de vision importants. Différentes firmes ont essayer de l'améliorer comme Toshiba et Sharp avec le FastScan HPD (Hybrid Passive Display) qui offre de meilleurs temps de réponse (150 ms au lieu de 300 et un contraste plus élevé de 40:1, pour 30:1 pour la technologie standard et le HPA (High Performance Adressing), similaire au HPD mais développé par Hitachi.

Ces technologies ne sont plus utilisées.

16.2.2. TFT, matrice active.

Un écran à matrice active TFT (Twin Film Transistor) utilise également une matrice de points de cristaux liquides avec un rétro-éclairage (généralement appelé la dalle). Chaque points utilise trois cristaux (un par couleur) et chaque cristal est géré par un transistor. La lumière est envoyée à partir d'une dalle lumineuse à travers un filtre polarisateur avant d'atteindre la matrice de cristaux. En passant à travers un second filtre polarisateur, elle est inversée à 90° et passe dans un troisième filtre avant d'atteindre l'écran.

Cette technologie permet un excellent contraste de l'image (de 150 à 200 : 1) et des temps de réponses supérieurs (25 à 50 ms).

16.2.4 Ecran LCD.

Dans le cas du TFT, les cristaux liquides sont clairement dissociés. Le LCD est similaire mais intègre les électrodes dans deux plaques de verre dans les quelles elles sont complètement noyées. Entre les deux, on dispose un liquide cristallin similaire aux cristaux liquides ci-dessus mais nettement plus compacts. C'est également la différence de tension qui va modifier l'alignement de l'ensemble du liquide mais chaque électrode est gérée par un transistor, ce qui améliore le temps de réponse. Le gros avantage par rapport à la technologie précédente est un contraste encore plus élevé (typiquement 1000:1), l'augmentation de l'angle de vue et ... de la luminosité. C'est la technologie utilisée actuellement pour les écrans standards et les télévision de petites tailles.

16.2.5. Le Plasma.

Dernière technologie utilisée pour les écrans, le plasma, principalement pour les très grandes dimensions, notamment télévisions. Le principe utilise un gaz constitué de 10 % de xénon et 90 % d'Argon qui émet une lumière lorsqu'il est soumis à une tension électrique. Chaque pixel regroupe trois cellules (une par couleur de base), elles-mêmes renfermant un plasma de ce gaz ionisé. Chaque point est illuminé à tour de rôle. Chaque cellule permet 256 niveaux d'éclairage suivant la tension appliquée mais ne produit que de la lumière invisible dans la gamme des ultra-violet. Ce sont les luminophores associés à chaque cellules qui produisent les trois gammes de lumières visibles. Le nombre de couleurs possibles par point est de 256³, soit 16 millions de variantes, la distinction maximum de l'oeil.

Cette technologie n'est principalement utilisée pour les télévisions et écrans à partir de 35". Par rapport aux LCD, elle est plus chères, consomme plus (même si la consommation dépend de l'image: pas en noir et importante en blanc), a une durée de vie plus faible (de 30 à 50.000 heures pour 50 à 60.000 en LCD) et est sensible aux brûlures de pixels lorsque l'image reste statique. Pourtant, le contraste est encore plus élevé et la vitesse de réponse est également supérieure. De toute façon, le LCD est limité à des tailles d'écran inférieurs à 50". La différence de choix entre un LCD et un plasma dépend finalement de la taille de l'affichage.

16.2.4 Fonctionnement général d'un LCD - TFT.

Le boîtier intègre une succession de couches superposées. La première intègre une dalle lumineuse qui éclaire uniformément la surface de l'écran. Il est alimenté par une carte électronique appelée Inverter (carte alim-neon en Français). Cette carte convertit le 12 volts continu en une tension d'environ 1000 Volts en alternatif. Outre le convertisseur en lui même, un piezo (quartz) assure la fréquence de l'horloge. C'est souvent cette carte qui tombe en panne sur les écrans LCD.

Ensuite, on place sur toute la surface de l'affichage un premier filtre polarisateur suivi des cristaux liquides (TFT) ou d'un liquide cristallin (LCD), composée de bâtonnets. En l'absence de charge électrique, les cristaux sont repliés sur eux-même et empêchent la lumière de passer. Entre ces 2 couches se trouvent un réseau de transistor (TFT) ou grille d'électrode (LCD) qui contrôlent électriquement la position des cristaux. Une simple impulsion électrique et le bâtonnet se redresse, permettant le passage de la lumière. Chaque pixel est associé à 3 bâtonnets (1 par couleur), chacun contrôlé par son propre transistor ou électrodes. La résolution maximale de l'écran est fonction de pixels, soit du nombre de transistors associés. Pour un LCD 15" avec une résolution de 1024*768, 2.539.296 transistors et cristaux sont utilisés. Ces écrans sont noirs au repos.

16.4. Comparaison des écrans CRT avec les TFT et LCD

Les 2 types se distinguent par la taille de l'affichage. Les écrans cathodiques sont désignés par la dimension du tube. La taille de l'affichage est donc inférieure que celle annoncée. Le tableau ci-dessus reprend en gros la correspondance des différences de tailles.

Même si la technologie TFT permet un meilleur contraste que les DSTN, les écrans cathodiques sont généralement supérieurs (mais ça évolue). Ils permettent également de modifier la résolution sans perte de qualité, les écrans plats ont une résolution imposée.

Sauf pour les écrans LCD et plasma de haut de gamme, le rendu des couleurs est également supérieur pour les CRT standards. Ceci explique que les infographistes utilisent encore souvent ces derniers.

Par contre, un écran LCD a de nombreux avantages comme l'encombrement ou le design. Une dernière raison d'utiliser ces écrans est liée à leur consommation plus faible. En 2008, la majorité des constructeurs ont complètement abandonné les écrans à tubes cathodiques.

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