Technologies d'écrans pour la télévision haute haute définition

04/09/2017
Auteurs : Roger Pieri
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-11:19788
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Technologies d'écrans pour la télévision haute haute définition

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1 Q LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION m Technologies d'écrans pour la e haute haute définitionélév «is "ion efit Par RogerPIERI Thomson L'm Technologiesd'écrans, Plasma, LCD, DLP, LCoS On oublie trop souvent que l'écran est un élément déterminant de la chaîne de l'image, bien peu pris en compte dans les débats actuels sur la TVHD - codage, compression, bande passante et fatidique décompte des lignes et pixels sont sur e devant de a scène ! L'écran n'est pas un vrai sujet... mais que peut-i réellement restituer ? Quelle qualité d'image ? A que éteint, est-ce un bel objet ? coût ? Et finalement En l'état de la technologie, la physique mise en jeu dans ces dispositifs, combinée à la perception humaine, limite la qualité d'image atteignable par l'ensemble du système. Les facteurs physiques de la qualité d'image sont la luminance, l'étendue de la gamme de gris, la colo- rimétrie et son étendue, le contraste sous ses divers aspects et bien sûr la résolution. Reste que la perception humaine va pondérer ces éléments en fonction du contenu d'image mais aussi de facteurs individuels. Indépendamment de la qualité d'image restituée deux autres facteurs sont déterminants du succès commercial d'une technologie d'écran grand public : le coût et l'esthé- tique. Le coût est une barrière absolue, on sait très bien qu'on ne vend pratiquement rien à plus de 3 000 &Euro;.On atteint une part importante du marché vers 1 500 &Euro;.Dans ce domaine le premium possible pour une nouvelle technologie apportant un avantage important n'est jamais très élevé : quelques dizaines de pour-cent. Le dernier facteur, souvent bien plus important qu'on ne l'imagine, est l'esthétique du produit. Les spécialistes du Tube à Rayons Cathodiques (TRC, CPT) savent bien que l'histoire de ces 40 dernières années à été conditionnée t par l'évolution vers le plus plat et le moins profond : passage de 90 degrés à 110, coins carrés, rayon de courbure de l'écran évoluant vers les Planars, Super Flat, finalement True Flat et bientôt Slim 125 degrés... Les contraintes technologiques induites ont en fait quasi-tota- lement absorbé l'évolution profonde des performances de l'optique électronique de ces produits. Les tubes " Delta " du début des années 70 donnaient en fait une image très fine, cette technologie a encore été utilisée en haute défi- nition dans les années 90. Même les 80 à 100 millimètres de profondeur des PDP et LCD actuels font froncer le sourcil et certains rêvent de FED à 1 ou 2 centimètres et plus encore des impressionnants 2 ou 3 millimètres d'un écran Oled. Les plus futuristes travaillent déjà à des concepts d'écrans flexibles... s s nm SYNOPSIS L'écranest un élément déterminant de la chaînede l'imagecar la physiquemise en jeu dansces dispositifs, combinéeà la percep- tion humaine,limite la qualité d'image atteignablepar l'ensemble du système.A partird'une analysedes caractéristiquesphysiques des images, nous montrons quelles sont les performances requises des écrans de visualisation. Ensuite, nous passons en revueles principalescaractéristiquesdes technologiesde visuali- sation courantes dans le domaine vidéo (Tubes à Rayons Cathodiques,Ecran à plasma, Ecrans LCD, TechnologieDLP et LCoS)et donc leur capacitéà reproduire une image haute-défini- tion. Les évolutions envisageablessous quelquesannéesseront notées ainsi que les possibilités de quelques technologies nou- velles non encore présentes sur le marché. Displayis a fundamental elementof the video chain becausethe underlyingphysics together with characteristicsof humanvision, limit the overall qualityof the whole system. Relyingon an analy- sis of the physicalcharacteristicsof images,we will list the requi- red performancesof displays.Then,we will review the main cha- racteristics of current display technologies(Cathode-RayTubes, Plasma display, LCD display, Technologies DLPand LCoS)and thus their capacityto reproducea high-definitionpicture. Possible evolutions of these technologies will be underlined as well as propertiesof brandnew technologiesnot yet presenton the mar- ket. REE HORSSÉRIEWI Septembre2005 Technologies d'écrans pour a télévision haute définition Marché des écrans télévision M -m c m : 'tJ C 0 250 200 150 100 50 1 o NewTech CPT ; kl r SI 3 ili., ji :. af f W L"F"y'hy F' ". 2 a TsF,y 1. : L''Rk ? fi rv. I çy 1. F H & 8 i F b. mA ; 2 2002 ' ? 00 3 2004 2005 --006 2007 11008 Le iiicit-ché des écrans téléi) isioii est de l'o-di- ( Éle 150 i7iillioiis d'iiiiités par an dans le monde ; en 2002 ces écrcrns étnient esserr- tiellerneru des TRC en vue directe ou des rétro-projecteurs à TRC. Ce iizar (lié devriit croître de 45 à 65 iiiillions d'iiiiités d'ici 2008. Cette croissance se,fera e.sserttiellement sur les nouvelles techno- logies, certains pensent iiiêiîîe qi,te la part des TRC béiissei-a de 10 ou 20 iiiillioiis d'iiiiités siii- la période. Le i7iaî-ché japonais repré- sente la plus grande part de la croissance des nouvelles technolo- gies, siiit ? i Iai- leiirope et les USA. Lti prodiictioii et le iiiat-ché des TRC se dél ? l@iceiit vers lAsie. Les écrans de pltis de 32 " pouvartt constituer la base de l'application HD étaient principalement des rétro -p rojecteti r (1 TRC en 2002, le total du segiiieizt était alors d'environ 4 iiiillioiis d'tiiiité.ç. En 2008 ce segiiient de izarchë devrait ntleindre 25 à 30 liillioiis d'iiiiités. Le PDP , sei-t-i la tech- nologie doiiiiiiante en 2005, en 2008 betiiicottlypeiiseiit qiie les LCD les rejoiiiiiroiit. La i-étv-lrojectioiî devrait atteiii (li-É iiii qtiart de ces loliiiiies, les i ? îicro-displas en a.,aiit la pltis g ; -aizle part. La pro- jection frontale télévision resterait un marché de niche. Glob (ileii,ieiit, il est actiielleiiieiit très difticile de prévoir ce cltie sera la pari de ces prodttits réelleiiieizt (-algables oit iitilisés ei7 HD, c'est simplement le marché accessible à la HD. De quelles images parle-t-on ? Manifestement il n'est plus question des normes 50 Hz développées il y a une dizaine d'années (1 440 x 1 050...). La référence est bien l'ATSC américain ou tout au moins une partie des nombreux formats qu'il supporte. Deux niveaux sont à considérer en Europe le 1 280 x 720p (HDI) et le 1 920 x 1 080i (HD2), en principe en 50 Hz, mais probablement aussi 60 Hz. Ces deux niveaux de définition se comparent à la télévision standard soit 576 lignes entrelacées et environ 500 points par ligne (voir tableau 1). Moyennant l'entrelacement du signal standard dont la perception est problématique, nous pouvons considérer que le 1 280 x 720p représente en gros un doublement de la définition horizontale et verticale et il est tout à fait justifié de le considérer être de la HD. Les autres caractéristiques de ces images Haute Définition devraient rester classiques : colorimétrie EBU, dynamique (8 bits, gamma 0,45)... Le niveau du gris moyen des images est d'environ 18 % de la luminan-c ce crête et la dynamique totale par rapport au niveau du noir doit être de l'ordre de quelques milliers au moins. Nous allons donc examiner comment ces deux niveaux de standard Haute Définition peuvent être resti- tués par les technologies d'écran disponibles et comment ces dernières peuvent évoluer dans le futur proche. Formats restitués Lignes actives Pixels par ligne Fréquence trame Fréquence pixel Fréquence ligne SD 576 50 i 576i - 500 50 i - 5,00 MHz 15.625 Hz SD 576 100 i 576 i - 500 100 i - 10,00 MHz 31.250 Hz SD 576 50 p 576 p - 500 50 p - 10,00 MHz 31.250 Hz HD 720 50 p 720 p 1280 50 p 74,25 MHz 37.500 Hz HD 720 50p traité en i 720 i 1280 50 i 37,125 MHz 37.500 Hz HD 1080 50 i/25pSf 1080 i 1920 50 i 74,25 MHz 28.125 Hz Tcibleali 1. Dfiiiitioii des.lbi-iiiats d'iiiiciges HÉiiite Défiiiitioii. Que sont les conditions normales d'observation d'une image télévision ? Que sont les consé- quences pour l'écran de visualisation ? Le premier point à considérer est la résolution de la vision humaine, elle détermine la relation entre distance d'observation et la taille du pixel acceptable. En fait la latitude en distance permettant d'apprécier une image HDTV est assez faible car on doit éviter la visibilité de la structure d'écran (pixelisation assez variable suivant les technologies) tout en conservant la perception des détails de l'image (voir figure 1). La distance d'observation et la taille des écrans sont aussi dépendantes de facteurs sociaux en particulier le nombre de spectateurs et la taille de la salle. L'environnement domestique le plus courant n'y permet guère que l'exploitation d'écran de 40 ", éventuellement 50 ". Au-delà, en Europe, on ne s'adresse qu'à des marchés très limités. La distance d'observation typique dans l'envi- ronnement domestique est de 2 à 3 mètres. REE HORSSÉRIENT Septembre2005 J LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION CPT, L'CPT, LCD LCD 150 - Ansi: >200 - ColorimétrieEBU - Papillotement: idéalement>70Hz - Artefactstemporels: nonperçusenconditionnormalepar 95%dela population - Pasd'influencedel'angledevuesurla qualitéd'image dansunezonede90degrés. - Tempsderéponsevers6-8 mstoutescausesconfondues (dontholdingtime). projection) consomment en permanence la puissance cor- respondant au niveau de luminance crête. Au-delà de consi- dérations écologiques pouvant amener à des contraintes, 250 W et plus induit des problèmes significatifs pour les grands écrans HD (refroidissement, bruit... nécessité d'un management de la puissance impliquant des limitations de luminance en fonction du contenu d'image...). La combinaison de la physique des écrans et de la perception est particulièrement critique dans le domaine temporel. La fréquence image, l'entrelacé (TRC), la visualisation séquentielle des couleurs (DLP, Lcos), des niveaux de gris (PDP), peuvent causer du papillotement, des contours souvent colorés, une perte de détails, des artefacts divers. Les écrans matriciels demandent souvent des conversions, interpolations, éventuellement dans le domaine fréquentiel, compliquant encore ces phénomènes. Certaines technologies ont des problèmes de ;temps de réponse (LCD) amenant à des pertes de netteté des images en mouvement ou des saccades. Les écrans comportent donc des fonctions très élaborées destinées à traiter ces divers problèmes. Ce traitement numérique du signal image est aujourd'hui une composante essen- tielle des technologies d'écran. Nous avons évoqué les caractéristiques principales des écrans vidéo mais il est clair qu'en pratique bien d'autres aspects interviennent dans la qualité des images : uniformité des écrans en luminance et colorimétrie, textures diverses, nombre de pixels en défaut, limitation de l'angle de vue, marquage, réduction des performances avec le temps, donc durée de vie. Nous allons maintenant passer en revue les princi- pales caractéristiques des technologies de visualisation courantes dans le domaine vidéo et donc leur capacité à reproduire une image haute-définition. Les évolutions envisageables dans quelques années seront notées ainsi que les possibilités de quelques technologies nouvelles non encore présentes sur le marché. REE HORSSÉRIE Wl Septembre2005 LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION Tubes à Rayons Cathodiques Historiquement c'est la première technologie à avoirz reproduit des images HD. Les téléviseurs HD à TRC sont présents sur le marché au Japon et aux USA. Ils sont très bien adaptés à la reproduction du standard 1 920 x 1 080i donnant une très haute qualité d'image en ambiance sombre, c'est même clairement la référence dans ce cas. Evolution possible : Cette technologie très ancienne peut encore évoluer vers des architectures plus adaptées à la HD. Des tubes plus minces sont actuellement mis sur le marché, en SD. Ils seront capables de 720i, probablement 1 080i, ce point reste à préciser du fait des contraintes du balayage 125 degrés. Les limitations du TRC en HD sont liées à : . La fréquence de balayage ligne, 32 kHz est courant (téléviseurs SD 100 Hz en trame ou 1 080i 50 Hz), 40 kHz est possible (720p 50 Hz), 64 très difficile (soit 1 080p 50 Hz). Les pertes haute fréquence dans les bobinages sont alors trop élevées amenant à trop d'échauffement dans le cas de tubes télévision courts à angle de balayage 110 degrés ou plus (Les tubes informatiques, 83-90 degrés, n'ont pas ce problème). . Le niveau d'attaque vidéo de la modulation cathode des tubes, à haute luminance, est élevé, vers 150 volts, voire plus. Il est très difficile de faire des amplifi- cateurs vidéo à large bande à ces amplitudes et ceci dans un contexte grand public. Il y a une barrière vers 80-90 volts. En deçà la bande passante peut être très élevée. Au-delà il est très difficile de dépasser 15 MHz avec les transistors haute tension. . La focalisation du faisceau électronique est affectée par la charge d'espace à fort courant faisceau. La taille du spot résultante varie donc avec la luminance. On obtient une très bonne résolution vers 1 mA par faisceau se dégradant ensuite rapidement à 3 ou 4 mA crête. Ceci amène à une excellente résolution jusque vers 250 cd/m'se dégradant significativement pour les crêtes à 500-600 cd/m'. . La taille des tubes est limitée par leur poids pour des questions de conditions de fabrication mais aussi, à l'évidence, d'utilisation. Le plus grand tube commercial utilisé en HD est un 16:9 38 pouces (38W), les 36 pouces sont plus courants. . La profondeur du tube et du boîtier est critiquée du point de vue de l'esthétique, considéré vieillot. . Le papillotement de l'image 50 Hz entrelacée est un problème classique des TRC, résolu en SD par conversion à 100 Hz. Il sera difficile d'utiliser cette solution en HD du fait des fréquences impliquées. Les avantages du TRC : . Une des rares possibilités d'image de haute qualité en 1 080i/720p, 50 Hz, mais en ambiance lumi- neuse limitée. Donc avec des crêtes de luminance vers 300 cd/m'et une moyenne vers 70 cd/m' Possibilité de 30 - 32 pouces 720i à prix très abordable. . La solution au coût le plus bas. Ecrans à Plasma Les écrans à plasma sont sur le marché depuis 1996 et en représentent maintenant une part significative. C'est même la seule solution réellement disponible à 42 pouces et plus, en dehors des rétro-projecteurs. Cette technologie a énormément évolué en quelques années et recèle enco- re un fort potentiel de progression. La principale question part rapport à l'application HD est leur définition limitée en fonction de leur taille. Spécificités de la technologie plasma en HD : 'La première est la contrainte de taille du pixel ou plus précisément la taille de cellule (sous-pixel couleur). Dans les plasmas, la lumière est générée par des luminophores, comme dans un TRC, mais ce luminophore n'est pas excité par des électrons mais par un rayonnement UV issu d'une décharge électrique dans un mélange gazeux Ne-Xe. L'efficacité globale de la cellule est en fait dépen- dante de sa taille. Un tube d'éclairage fluorescent est en fait une cellule plasma dont l'efficacité est de l'ordre de 80 ImJw ! Malheureusement celle d'une cellule de l'ordre du millimètre (panneaux WVGA, 480 lignes) est actuellement de 2 ImJw dans les meilleures réalisations. Augmenter la résolution se traduit par une réduction de l'efficacité lumineuse difficilement acceptable. Nous avons donc une relation entre la définition réalisable et la taille du panneau. La structure de cellule dite " Waffle ", capable d'une efficacité de 2 Im/w, permet une défi- nition WVGA en 42 pouces (853 x 480p), WXGA en 50 pouces (1 365 x 768p) et il faut 70 pouces pour atteindre le format HD2 en progressif. ALIS : Il existe une technologie particulière per- mettant 1 024 lignes entrelacées. Elle utilise l'an- cienne structure de cellule à électrodes d'entretien resserrées vers le centre de la cellule. La décharge est donc plus courte et n'a pas l'efficacité de la décharge plus longue des cellules " Waffle " dont les électrodes sont plus écartées. Par contre, le mode d'adressage particulier utilisé permet une décharge conventionnelle entre paires d'électrodes en une demi-trame d'adressage, puis une seconde décharge durant une seconde demi-trame. Le mécanisme d'adressage est, dans ce dernier cas, décalé d'une électrode et la décharge se produit entre les lignes REE HORS SÉRIE WI Septembre2005 Technologies d'écrans pour la télévision haute définition précédentes. On obtient dans ce cas une image 1024 x 1024i en 42 pouces. Globalement l'efficacité lumineuse est encore un peu faible : 1.3 à 2 Im/w suivant la structure utili- sée et le taux de Xe dans le mélange gazeux. Nous avons vu que cette efficacité est liée à la taille de la cellule. Elle est aussi liée aux tensions d'adressage et d'entretien donc au coût des drivers. Un taux de Xe élevé améliore l'efficacité, mais augmente les tensions vues par les drivers. Ces tensions sont aussi déterminées par l'uniformité des marges de tensions d'ignition dans l'ensemble du panneau. La maîtrise de cette uniformité par les progrès des procédés de fabrication a permis de réduire les tensions, utiliser plus de Xe, introduire de nouvelles structures de cellules (Waffle). On est passé de cette manière de 1 Im/w à 2 lm/w. De nouvelles avancées permettent actuellement 4 Im/w en labo- ratoire dans des conditions de tension réalistes. Il y a donc encore un fort potentiel d'évolution de cette technologie dans les quelques années à venir. Le mode d'adressage, et surtout sa vitesse, est un facteur dont il faut aussi tenir compte. Toutes les décharges ont le même niveau. On doit donc obtenir la gamme de gris en comptant plus ou moins de décharges dans chaque cellule et chaque trame. On utilise l'effet mémoire des décharges dans chaque cellule AC (charges électrostatiques sur l'isolant de la cellule). Dans une phase d'adressage on dépose des charges dans l'ensemble des cellules du panneau, dans une phase suivante dite d'entretien, globale, on applique un train d'impulsions provoquant des décharges énergétiques déterminant un niveau de luminance donné. Le nombre de cycles d'entretien correspond au poids du plan de bits considéré. On obtient donc l'échelle des gris en un nombre de sous-trames correspondant au nombre de bits (ou codes) représentant la luminance de l'image. Ceci n'est possible que grâce à l'effet mémoire de la cellule AC à trois électrodes. L'enchaînement de ces signaux dans le temps imparti d'une trame télé- vision limite la vitesse d'adressage et donc le nombre de lignes adressables. On obtient la compatibilité WXGA en effectuant l'adressage des panneaux en deux parties, haute et basse, avec deux blocs de drivers colonne au lieu d'un. Le WVGA est possible en adressage d'un seul côté avec un seul bloc de drivers. C'est aussi un com- promis avec la profondeur de modulation, la dyna- mique a été longtemps limitée à 8 bits soit 256, on arrive actuellement à 2 000 ou plus en utilisant une technique de " dithering ". Artefacts : Le mode d'adressage par sous-trame décrit ci-dessus amène au fait que ces sous-trames ne sont plus synchrones des mouvements à l'intérieur d'une trame. La position temporelle est différente d'une couleur à l'autre en fonction des niveaux relatifs. La vision s'attend à un mouvement régulier et est trompée, le résultat est la perception de contours colorés dans les images en mouvement. Des codes et algorithmes ont été développés pour éliminer ces phénomènes mais il est vrai que certaines images présentent encore des problèmes en fonction des sensibilités individuelles des spectateurs. . Niveau du noir : Le mode d'adressage comporte des décharges faibles même si l'image est noire, cela détermine un niveau du noir décollé. La situa- tion a été largement améliorée ces dernières années, les meilleurs panneaux sont à 1/3 000 de la crête de luminance ce qui est tout à fait satisfaisant. . Le coût des écrans plasma est surtout celui de leur électronique. Il est actuellement largement inférieur, à taille égale, à celui des LCD. Le coût de l'électronique des plasmas est largement dépendant de la puissance consommée, de la tension sur les drivers et du nombre de drivers. L'évolution de l'efficacité lumineuse, la maîtrise des marges de tensions, l'adressage par une seule rangée de drivers laisse penser à une réduction encore impor- tante des coûts. . Durée de vie : Elle a considérablement progressé en quelques années. La réputation faite au plasma à ses débuts n'est certainement plus justifiée aujour- d'hui. Certains panneaux capables de 2 Im/w ont tenu des tests accélérés montrant une réduction très faible de performance à 30 000 heures. Le marqua- ge est aussi considérablement réduit et est de toutes façons peu critique en vidéo. Au total, la technologie plasma permet des images 1 280 x 720p, 50 pouces, avec une bonne efficacité lumi- neuse et une très bonne qualité d'image en termes de contraste, luminance, colorimétrie. Les prix doivent encore évoluer favorablement et rester compétitifs face aux LCD. La version à adressage entrelacé (ALIS) permet 1 024 lignes dès le 37 ". Les artefacts et autres problèmes secondaires sont maintenant bien maîtrisés. Les PDP sont clairement la technologie de référence, en écrans plats, dans le segment de marché 40-50 " qui sera l'essentiel du marché des récepteurs haute définition grand public en Europe. Ecrans LCD Les écrans LCD, contrairement au plasma, ont attaqué le marché par les petites tailles, d'abord dans des applications spéciales, puis les ordinateurs portables, les ordinateurs de bureau, et maintenant envahissent le marché télévision en augmentant rapidement de taille. Il se vend maintenant sur ce marché un volume significatif de 32 pouces 1 280 x 720p. Des écrans encore prototypes, ou très peu vendus, existent dans la classe des 50-60 pouces. REE HORS SÉRIE WI Septembre2005 LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION Spécificités de la technologie d'écrans LCD en HD Les LCD sont des valves par opposition aux écrans émissifs que sont les PDP et TRC. La cellule cristal liqui- de transmet plus ou moins la lumière générée par un éclairage arrière, en fonction du niveau vidéo. Efficacité lumineuse : le flux lumineux délivré par l'éclairage arrière est très élevé. Les tubes CCFL utilisés ont une efficacité de 80 lm/w. Mais l'essentiel de cette lumière est perdu dans les niveaux successifs du dispositif : polariseurs croisés, filtres colorés, ouverture des cellules... Quelques pour-cent seule- ment sont disponibles pour former l'image. L'image télévision, présente des crêtes de luminance éle- vées, 500-600 cd/M2, bien plus élevées que celles considérées en informatique. Les guides à lumière utilisés ne permettent pas d'atteindre cette lumi- nance, pour la télévision on est obligé d'empiler des tubes CCFL directement derrière le panneau. Il en résulte une perte d'efficacité de collection de lumière. Au total l'efficacité lumineuse des LCD TV est très inférieure à celle des moniteurs infor- matiques, seulement 2 à 3 Im/w à la luminance crête. En mode vidéo, l'image moyenne est à 18 % de luminance de la crête et l'efficacité de la valve n'est plus que d'environ 0,5 lm/w. Donc contrairement à ce qui est répété dans bien des journaux la consommation des LCD TV est élevée, compa- rable à celle des plasmas, significativement supé- rieure à celle des tubes. . La luminance crête atteint dans ces conditions 500 à 550 cd/m'pour l'essentiel des grands panneaux avec en plus la possibilité d'une luminance moyen- ne très élevée (égale) impossible avec les émissifs. . Le niveau de noir est assez décollé par rapport aux autres technologies. Il est déterminé par les performances des polariseurs croisés et la pureté du mode de la cellule cristal liquide. On est en général vers 1/500 de la crête, ceci limite la dyna- mique possible de luminance et le niveau de noir est gênant en ambiance sombre. . Le contraste en ambiance lumineuse élevée des LCD est bon, leur réflectivité étant de 2 %, voire 1 % dans certains cas. Les émissifs sont en général vers 5 à 7 %. . La gamme de gris est assez délicate à obtenir. Les niveaux bas de luminance ont une réponse quadra- tiques à la tension de commande, donc bien adaptée au gamma standard, par contre cette réponse présente en général une épaule marquée rendant la correction de gamma difficile aux hautes luminances. . L'angle de vue a toujours été une question épineuse en LCD. Les chiffres commerciaux ne représentent pas réellement le problème, ils sont plus ou moins définis comme le double de l'angle auquel on a une inversion de contraste. En fait ceci n'a pratique- ment plus de sens pour les panneaux actuels. Par contre les caractéristiques telles que le contraste, la colorimétrie, le gamma... varient avec l'angle de vue. La nature des variations dépend du mode cristal liquide utilisé. Certains panneaux voient leur contraste chuter de 500 à quelques dizaines d'uni- tés à un angle de 40 degrés par rapport à la norma- le. Les modes cristal liquide VA et IPS multiples (voir encadré « Principes des écrans de visualisa- tion à cristaux liquides ») améliorent considéra- blement ce problème même s'ils ne sont pas par- faits. 'Le temps de réponse des cellules est un problème bien spécifique des LCD. II est relativement long et amène à une perte de netteté des images en mouvement, une sorte de traînage, voire des saccades dans certains cas. Le problème est dû à la viscosité du cristal liquide mais aussi à la forte variation de capacité de la cellule en fonction du niveau de gris. Ces effets sont très dépendants des niveaux de gris. Un mode TN présente un temps de réponse plusieurs fois plus élevé au niveau de gris moyen qu'en transition noirlblanc. Le troisième aspect est l'adressage à matrice active et le fait qu'on adresse une valve. Chaque cellule reste à sa luminance pendant toute une trame et bascule au moment de l'adressage. Ceci contribue au traînage et génère des saccades si le cristal liquide est rapide. Les techniques d'overdrive couplées à l'IPS permettent d'améliorer notablement la situation, les matériaux cristaux liquides sont aussi en progrès. Le problème de l'effet de l'adressage peut être réduit par un éclairage pulsé. Les LCD sont adressés en progressif et par nature (valve) présentent normalement peu de papillotement. Par contre les LCD TV n'ont pas une définition aussi élevée qu'on pourrait le penser contrairement à certains petits LCD ayant des résolutions très élevées (200 ppi). En fait les besoins de luminance, les multi-modes LC, le rendement nécessaire à la maîtrise des coûts, amènent les fabricants à un certain conservatisme. Les panneaux 30 à 37 pouces courants sont 1280 x 720p, pratiquement jamais 1080p. Il faut arriver à des démonstrateurs 50 pouces et plus pour atteindre ce niveau HD2. Il est difficile de dire aujourd'hui si les LCD pourront déloger les plasmas du segment de marché 40 - 50 pouces, essentiel au développement de la haute définition. II est clair qu'ils auront une forte position sur le créneau 30 - 37 pouces où ils sont en compétition avec le TRC et ses prix très bas. Ils sont au niveau HDI sans problème dans ces dimensions avec une luminance élevée et un bon contras- te en ambiance élevée. La clé sera le prix. Les industriels s'engagent dans une course aux investissements de lignes Gen 6, 7 voire 8 avec des tailles de plaques de plus en plus élevées (plus de 2 x 2 mètres). Cette politique doit les amener à maîtriser la production de panneaux 40 et 50 REE HORS! EN° ! Septembre2005 Technologies d'écrans pour la télévision haute définition pouces dans de meilleures conditions. En fait elle n'a qu'un impact limité sur la part d'amortissement dans le coucoût,aujourd'hui les matières y sont largement dominantes. Le but réel est d'avoir une capacité en grands panneaux avec un rendement acceptable. Les techniques de rétro-projection Il n'y a guère que deux techniques à considérer, ce sont deux technologies de valves réflectives : Les DLP et LCoS. Il existe des rétro-projecteurs à tubes en HD ils sont même capables des standards les plus élevés. Il n'est pas certain que ces produits encombrants et chers en HD soient proposés en Europe. Technologie DLP Le DLP de Texas Instrument a la faveur actuelle des industriels de la télévision. Cette valve réflective DMD est composée de micro-miroirs formant chacun un pixel. Les miroirs basculent envoyant ou non la lumière dans l'objectif de projection. La source de lumière est une lampe à arc court semblable à celle utilisée en projection LCD. Le système d'illumination de la valve est similaire. Le DMD est un produit de technologie MEMS de haut vol. L'ensemble du chip set (le DLP) a un coût assez élevé. De ce fait, on n'utilise qu'une seule valve fonction- nant en séquentiel couleur. Un dispositif à trois canaux RVB serait bien trop coûteux. Le coût est la clé du succès du DLP en télévision SD, tout dépendra de la suite de son évolution. Ce système n'ayant pas de polariseurs a une efficacité correcte malgré son fonctionnement séquentiel (perte de 2/3 du flux). En vidéo un flux de 300 lumens est obtenu. La luminance sur l'écran est proche de l'objectif de 600 cd/m'. L'efficacité globale est comparable à celle des LCD en vue directe avec des lampes de 150 W. Ceci demande tout de même d'utiliser un écran à gain élevé de l'ordre de 5 résultant en une directivité assez marquée, donc un angle de vue réduit, mais aussi d'un speckle non négligeable (grain très fin, fluctuant). Le contraste obtenu aujourd'hui est bon (2 000 en séquentiel) mais plus limité dans une image (ANSI). Le niveau de noir en ambiance sombre est correct. La tenue en ambiance élevée est bonne, intermédiaire entre émis- sifs et LCD. La définition est actuellement de 1 280 x 720 en HD (il existe des versions 576 lignes). Il est très difficile de faire évoluer la taille des miroirs dans cette technologie, augmenter la définition signifie augmenter la surface du DMD cela est difficile à envisager du fait de l'accroissement rapide du coût résultant. Une solution avec des pixels en quinconce est envisagée mais reste à évaluer en termes de compromis coût/performance. Les questions viennent principalement du fonctionnement par tout ou rien et séquentiel du dispositif. Le color-break-up résultant (perception d'un décalage entre images R,V,B lors de mouvement des yeux ou des images) serait inaccep- table à 50 Hz, en fait le DMD peut être adressé à grande vitesse, on utilise cette propriété pour enchaîner les couleurs à cadence élevée, jusqu'à plus de 300 Hz. Certains conti- nuent à percevoir le problème, la plupart le ressent dans certaines images critiques. La modulation du niveau lumineux doit aussi se faire en temporel, ce qui amène à un gros travail sur les algorithmes d'adressage vu le débit impliqué à cette fréquence trame. Ceci implique aussi un traitement des mouvements. Le rétro-projecteur DLP est largement moins encom- brant qu'un modèle à TRC. Il permet une esthétique inté- ressante sans pied important. Une version dite " Slim " a été introduite récemment. La projection y est faite très en biais ce qui réduit la profondeur de l'ensemble à 17 cm pour un 61 pouces. Le produit semble peu différent d'aspect par rapport à un plasma ou un grand LCD à ceci près qu'il à un pied où est logé le moteur optique. Le succès de ces produits DLP dépendra essentiellement de l'évolution des prix relatifs des trois technologies PDP, LCD, DLP. Elle est en tous cas bien placée sur le créneau 50 - 60 pouces. Techno) ogie LCoS Le LCoS est à la fois une valve réflective sur silicium, comme le DLP, et un LCD. Le flux lumineux est contrôlé par une couche de cristaux liquides déposée sur un circuit intégré dont les électrodes aluminium servent à la fois de miroir et de moyen de polarisation électrique du cristal liquide. Le système d'illumination est plus ou moins simi- laire à celui du DLP. La différence est qu'ici on doit utiliser un polariseur ou un PBS faisant perdre du flux. La plupart des LCoS comportent trois canaux RVB comme les systèmes à valves LCD. Certains envisagent de les utiliser en séquentiel couleur mais il y a là un gros problème de flux lumineux et de temps de réponse. L'intérêt des LCoS est leur capacité à atteindre une définition très élevée dans une taille raisonnable. On peut réaliser des valves 1 920 x 1 080p sans trop de problème en 0,8 pouce. Certaines valves LCoS sont même les seules à atteindre les 4 000 x 2 000 envisagés pour le cinéma. La difficulté principale de cette technologie est d'at- teindre un flux lumineux raisonnable à un prix grand public. Ceci amène à l'utilisation d'écrans à gain élevé déterminant un " speckle" assez élevé. Il n'est pas clair que tous les pro- blèmes de durée de vie sous très haut flux aient été résolus. REE HORSSÉRIENT Septembre2005 D LA TECHNOLOGIE DE LA HAUTE DÉFINITION TRC W76 PDP42 " AMLCD32" DLP50" Profondeur 550mm 82-89 mm 1130mm 80-85 mm 420 mm (Slim: 175mm) Poids 53 Kg 30 Kg 18-24 Kg 37 - 50 Kg Définitiontypique 1 marchéactuel SD 100Hz 11280x 720i 845 x 480 p 1'1024x 1024i 1280x 720 p 1280x 720 p Efficacité, Im/wEfficacité, Im/w 2.512.5 212 310.6 511 anc cre e t eo Luminance(moyenne,filtre,cdlm?) 150 150 500 400-500 Luminance(Créte,filtre,cdlm?) 500 400 500 400-500 Puissanceécran(chargeimage -70 250 (/42 ") 140 150(/50-) standard,W) Rapportde Contraste 1 Niveaudu -, = ambianceélevée » ambianceélevée > ambianceélevée noir < ambiancesombre < < ambiance sombre < < ANS ! Dynamiquede Luminance Très étendue, Large -1000 500, caractéristique en S Large - 1000 Couleur(EBU) Artefacts Non Oui Peu Oui Papillotement (Flicker) Ouisi balayage<70 Hz Peu Non (sauf problème Non d'inversion) Tempsde réponse Rapide Peu de problèmes (Vert) RéponseLC& Adressage Rapide .. - Perte de contraste à - Limitations d'anglede vue Non Non Perte de luminance +/- 40 deg. Marquage Peu,Ref Oui, en amé) ioration Non (sauf prob) eme d'inversion) Uniformité Ref +/- = +/- = Problème centre-bord Durée de vie Ref.- 15ans 30 KH (+ ?) > 30 KH (lampe,peuclair) DMD Excellent Lampe {res fa ! ble Tableau 2. Cotiiparaison des caractéristiques essentielles des diverses technologies d 1écrans. Conclusion Les technologies PDP, LCD, DLP sont chacune en mesure de satisfaire les besoins de la télévision haute définition dans son format 1280 x 720p et dans les dimensions constituant l'essentiel du marché grand public en Europe. Dans un premier temps les LCD se placeront dans le bas du segment, soit 32 à 37 pouces. Les PDP resteront bien positionnés à 50 pouces et plus. La confrontation est attendue vers 42 ". Les DLP sont en concurrence avec les PDP sur le segment 50 " et plus, mais l'attrait de l'écran plat en moins. Les DLP " Slim " arrivent sur le marché et pourraient changer le rapport de force si leur prix dimi- nue rapidement. La situation évoluera surtout en fonction des prix relatifs des LCD et des PDP dans les années à venir : . Les PDP ont encore un fort potentiel d'évolution technologique avec 4 Im/w en point de mire et l'impact important sur le coût de l'électronique en résultant. . L'évolution du prix des LCD dépendra surtout de l'évolution des moyens industriels de production et en particulier de ceux de la production de leurs composants et matériaux. Mais n'y a t'il pas d'outsiders possibles ? Deux socié- tés japonaises commencent les démonstrations publiques d'un nouveau type de FED, dit SED, qui promet la qualité d'image du TRC, dans un écran très plat, consommant peu, dont le coût du panneau serait similaire à celui des PDP et le coût de l'électronique similaire à celle des LCD. De nombreux laboratoires de recherche travaillent à une autre variante, à base d'émetteurs à nano-tubes carbone (CNT), promettant la même qualité d'image qu'un TRC et une consommation de quelques dizaines de watts seulement en 40 ou 50 pouces. Bibliographie C.R. CARLSON, R.W. COHEN, "A simple psychophysical Model for Predicting the Visibility of Displayed Information ", Proceedings of the SID, Vol 21/3, 1980, C. R. CARLSON, J. R. BERGEN, "Perceptua/ Considerations for High- Definition Television Systems ", SMPTE Journal, December 1984. P.G.J. BARTEN, " The Effects of Picture Size and Definition on Perceived Image Quality ", Proceedings of the SID, Vol. 30/2, 1989. L. F. WEBER, SID, Seminar Lecture Notes F3, " Color Plasma Displays ", 2001 (- 2004). SID, Seminar Lecture Notes F4, " Color Plasma Display Manufacturing ", HARM TOLNER, 2001 (- 2004) FLATNET, Plasma Displays, " The Technoiogy for Large Size TV ", R. PIERI, 2001. G. P CRAWFORD, SI D, Seminar Lecture Notes M2, "Liquid- Crystal Technology ", 2001. F. OKUMURA, SID, Seminar Lecture Notes M3, " Active-Matrix Liquid-Crysta/Displays ", 2001. J. H. SOUK, SID. Seminar Lecture Notes M4, "AMLCD Manufacturing Technology ", 2001. REE HORS SÉRIE WI Septembre2005 Technologies d'écrans pour la télévision haute définition a u e u Roger Pieri est ingénieur ISEP. II a consacré l'essentiel de sa carrière aux technologies display. En 1969 il a initié les activités d'optique-électronique à OREGA, Groupe Thomson, avec le lancement d'une affaire de displays professionnels et paral- lèlement d'un laboratoire de R&D consacré aux TRC couleur télévision. Ces activités sont devenues les laboratoires d'optlque- électronique du Groupe Tubes Thomson (télévision grand public). En 1991 il a été nommé responsable de la recherche de ce Groupe Tubes avec une forte implication dans la R&D des plasmas couleur alors à leurs prémices. En 1998 il a rejoint une initiative consacrée aux nouvelles technologies d'écrans et y a été en charge de projets FED et LCoS. Depuis peu, Il se consacre aux questions environnementales liées aux technologies des produits électroniques. ANNEXE 1 Technologies d'Ecrans : Principes des écrans de visualisation à cristaux liquides Analcseur croisé erreI Verre :nant lilack-latri Filtre Coloré Ilqis de sélection _tM t H!ack-\tatr !\ S (l,ignes) Electri) (le c) iiiinune (1l'O BBESSt ! tL'' tîus d sck-ction M) "" . e- Xe+ CE : r n : a 1 : 1 _econdaire MultiplicationMultiplication i Email ,. --- -- o Volt xne +300 Volts ExcitaExcitation Electrode L VoltstiqueMetal Relaxation UV Xe+] L y Stockage e, LÏlee -tro " e M_ Xe+Métallique de M9° s de Figure 2. Mécanisnzesde la décharge. dans lesquelles se forme la décharge principale dite d'en- tretien (zone rose). Les électrodes sont en fait entre les substrats verre et une couche d'émail isolant, nous avons donc une sorte de condensateur entre ces électrodes et la décharge formant un plasma très conducteur. Cette dis- position est essentielle à l'adressage à cadence télévision par l'effet mémoire qu'elle détermine. Elle permet aussi de limiter la décharge à un flash de luminance représen- tant le bit de poids faible de la modulation vidéo tout en stoppant le phénomène d'avalanche destructeur qui autre- ment en résulterait. La décharge principale d'entretien se forme en surface du substrat avant entre deux électrodes bus horizontales, les niveaux vidéo sont obtenus suivant le nombre de cycles de tension d'entretien appliqués à ces électrodes sur l'ensemble du panneau entre deux phases d'adressage. Chaque cycle forme deux décharges. L'adressage est réalisé en balayant en tension l'ensemble du panneau ligne par ligne et en appliquant une tension sur la troisième électrode située sur le substrat arrière aux cellules devant être activées. Cette activation est obtenue par une faible décharge qui dépose des charges sur les diélectriques (émail et MgO). Ces charges constituent l'effet mémoire mentionné ci-dessus. Elles sont ensuite renouvelées par chaque décharge d'entretien, une fois dans un sens une fois dans l'autre, du fait de l'attaque en AC. Cet état se maintient jusqu'à une phase d'effacement précédant la phase d'adressage suivante. La figure 2 donne un schéma de l'enchaînement d'évènements déterminant une décharge et formant le REE HORSSÉRIEWl Septembre2005 Technologies d'écrans pour la télévision haute définition Duréetrame T= 20 ms Sous-trame0. Sous-trame1 -..- Sous-trame2 A' ,.4 Ncycles IWI ' ",,''''''' 2Ncycles au 1 - 4Ncycles ummum -.4 Signaux d'adressage,électrodes ligne Ecrit Ec Ec Ec Efface Ef Impulsions lumineusesdu Ec Ef lanc crête (7/7) Ef Ec Ef Ef Ef Ef Impulsions iumineuses du gris de poids faible (1/7) II.F---Ftgure3: Signaux et mécanismede modulation par sous-tramesjig ure 3 : Signaux et mécanisme de modulation par sous-trames1 Figure 3. Signaux et mécanisme de modulation par sous-trames. dépôt de charges nécessaire à l'effet mémoire. La formation d'une décharge très efficace, et finalement d'un écran à forte efficacité lumineuse, dépend du dosage des diverses réactions et en particulier de l'intensité du flux d'électrons obtenu en combinaison avec l'effet d'avalanche. La couche de MgO déposée à l'intérieur du substrat avant est un puissant émetteur d'électrons secondaires, son effet est essentiel à l'obtention d'une décharge efficace. La pro- portion de Xe dans le gaz est un autre facteur important, son augmentation récente permet d'atteindre une efficacité glo- bale de 2 lm/w. De nouvelles structures de cellules en cours de développement permettent d'atteindre 4 Im/w en laboratoire. La modulation vidéo est obtenue par le nombre de décharges total dans une cellule donnée (un sous-pixel R, V ou B). Dans une image télévision plasma (sauf dans le cas du système ALIS), l'adressage est progressif. En fait la fréquence d'entretien possible est de l'ordre de 200 KHz, il n'est donc pas envisageable de contrôler chaque pixel séparément. Le conditionnement de chaque cellule est donc fait lors d'une phase d'adressage, ligne à ligne, de l'ensemble du panneau à chaque sous-trame. Suit une période d'entretien comportant un certain nombre de cycles et un effacement. Ceci est réalisé pour chaque plan de bit de l'image. Si la luminance de l'image est codée sur 8 bits (en linéaire !) on aura donc 8 fois de suite cette séquence adressage - entretien - effacement, avec un nombre de cycles d'entretien proportionnel au poids du bit traité. Le codage utilisé en fait, aujourd'hui, est plus complexe, il est adapté à l'élimination des problèmes temporels résultant de la formation de l'image en plusieurs sous-trames non syn- chrones des mouvements à l'intérieur d'une trame. REE HORSSÉRIENT Septembre2005