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16. Ecrans à tube cathodique et plat (TFT, LCD - LED et Plasma)

1. Technologies des écrans plats - 2. DSTN - 3. TFT - 4. LCD - 5. LED - 6. Plasma - 7. Ecrans transflectifs - 8. Ecran cathodique - 9. Comparaison des technologies.

On trouve actuellement deux types d'écrans (moniteurs): à tube cathodique (CRT, disparus), à cristaux liquides (TFT et dérivés, LCD et LED) mais aussi plasma et OLED (basés 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.

Norme Résolution horizontale X résolution verticale
VGA 640 X 480
SVGA 800 X 600
XVGA 1024 X 768
SXGA 1280 X 1024
HDTV 1920 X 1080
HDTV plus 1920 X 1200
QXGA 2048 X 1536

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 LCD et LED, 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).

L'affichage est constitué d'un nombre de points qui 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.

Pour les écrans cathodiques uniquement:

1. Les écrans plats

Les écrans dits plats 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 numérique, d'où l'intérêt de connecter votre écran LCD ou LED via ce câble.

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

2. 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.

3. 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).

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.

Pour le reste, le fonctionnement est identique aux deux précédentes:

Fonctionnement d'un écran LCDLe 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: l'affichage devient sombre. Pour vérifier si c'est bien l'inverter, utilisez une lampe de poche pour éclairer l'écran.

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.

5. LED

Trois techniques sont utilisées actuellement:

  1. Quasiment identique à celle des LCD, seule la dalle est constituée de LED, donc pas de convertisseur de tension (Inverter)
  2. L'éclairage se fait en insérant des LED sur les coté et non plus à l'arrière: seul avantage, la diminution de l'épaisseur de l'écran. Par contre, comme la lumière n'est pas directe, une perte de rendement.
  3. OLED, totalement différente, qui n'utilise ni de dalle, ni de cristaux liquides. Chaque point reçoit une LED à triple entrée (une par couleur de base). En jouant sur la tension appliquée sur chaque borne, on allume plus ou moins chaque couleur.

Ces trois technologies ont l'avantage de consommer moins que les technologies LCD standards tout en permettant (pour la troisième) des affichage de grande taille. L'OLED va probablement à court terme remplacer le Plasma, trop coûteux à produire.

6. 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.  La majorité des fabricants ont stoppé la fabrication des écrans plasmas.

7. Ecrans transflectifs

Le principal problème de ces afficheurs est l'affichage dans des milieux fortement éclairés, utilisés par exemple pour des affichages en vitrine et extérieurs. Pour toutes ces applications extérieures, la solution est d'augmenter la luminosité en plein jour et de la diminuer lorsqu'il fait sombre, mais cette technique a des limites.

La solution utilisée actuellement est la suivante. Dans un écran plat standard, la lumière extérieur (ici en jaune) va éclairée la partie cristaux liquides réduisant la luminosité de l'image. Dans un écran transflectif, on modifie la partie "pilotage LCD" en laissant passer la lumière de l'extérieur (donc pas de réverbération), ensuite, un filtre spécial est inséré entre la dalle lumineuse et la partie cristaux liquides qui va renvoyer la lumière vers l'extérieur, augmentant la luminosité de l'afficheur.

Cette technique est utilisée pour les affichages de PDA mais aussi pour des installations de très grandes tailles. La luminosité passe de 200 à 300 cd/m² à 1200 - 1500 cd/m². Cette technologie peut-être couplée avec les technologies tactiles.

8. Les écrans cathodiques

Schéma de fonctionnement d'un tube cathodique 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 anciennes 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:

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.

9. Comparaison des technologies

9.1. Ecrans CRT avec les TFT, LCD et LED

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.

Diagonale d'écran plat Diagonale d'écran cathodique
13,3" 15"
14,1" 16"
15,1" 17"
18,1" 20"
20" 23"

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 de temps en temps ces derniers. Par contre, un écran LCD a de nombreux avantages comme l'encombrement ou le design et une consommation nettement plus faible. En 2008, les constructeurs ont complètement abandonné les écrans à tubes cathodiques.

9.2. Comparaison des technologies "plats".

On va oublier les TFT et DSTN, plus vraiment d'actualité, pour se concentrer sur le LCD, les différentes technologies LED et Plasma.

La technologie la plus répandue est le LCD (les deux premières technologies LED ne sont que des adaptations). Comme avantage, un prix de revient (donc de vente) plus faible. La première technologie LED qui remplace finalement la dalle par des LED a l'avantage de consommer moins mais pour une prix de fabrication identique. Cette solution est principalement utilisée pour les ordinateurs portables de haut de gamme et quelques Netbook. Le principal défaut de ces deux technologies est lié à la taille maximale de l'affichage (même si on peut toujours les mettre un à coté de l'autre, technologie utilisée par Matrox avec des cartes graphiques spéciales).

Pour les grandes surfaces d'affichage (à part les vidéo projecteurs), l'OLED et le plasma sont actuellement identiques mais la consommation du deuxième couplé avec les avancées technologiques des composants LED les rendrent quasiment obsolètes malgré des contrastes plus élevés actuellement. C'est surtout au niveau des très grandes tailles que le LED prend son envol pour les affichages publicitaires.

Les écrans tactiles
Fonctionnement et types d'écrans tactiles

Message d'erreur "pas de signal"
Messages d'erreurs sur l'écran: No Signal

La suite du cours hardware 1 > 17. L'imprimante

15. Résumé évolution PC

Le cours hardware première année (PC et périphériques).

Les compétences au service de la qualité.

Mise à jour 23/09/2010.