Brevet FR2635398A1 — publié le 19900216

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ECLAIRAGE ARRIERE D'UN ECRAN MATRICIEL A CRISTAL LIQUIDE La présente invention concerne un procédé d'éclairage arrière d'un écran matriciel de visualisation à cristal liquide, ainsi que le dispositif d'éclairage à tubes fluorescents mis en oeuvre selon le procédé. Les écrans à cristal liquide, (en anglais LCD, abréviation de Liquid Crystal Display), sont des modulateurs de lumière dont la transmission de chacun des symboles à représenter est commandé électriquement. Les écrans matriciels sont constitués de points (ou pixels) répartis régulièrement en X et en Y sur toute la surface et qui sont commandés électriquement par un réseau matriciel de fils conducteurs en lignes et colonnes. L'image est rafraîchie périodiquement à une cadence de trame, le balayage s'effectuant ligne par ligne à une cadence de ligne. Pour un panneau matriciel à N lignes au total, l'information électrique d'excitation est apportée aux pixels successifs d'une même ligne pendant un temps T/N, T étant la durée totale de balayage du panneau ou durée trame. Durant l'intervalle de temps restant, c'est-à-dire T(1-1/N) de chaque trame, les pixels ne sont pas excités. A cette variation périodique de tension d'excitation correspond consécutivement une ondulation de la transmission optique qui provoque un effet visuel de papillotement (flicker en anglais) d'autant plus visible que la fréquence de rafraîchissement est basse. Ce phénomène croit également avec la température. Lorsque la transmission maximale réalisable, en particulier pour les écrans polychromes, est faible, on préfère utiliser un dispositif d'éclairage à l'arrière du panneau, plutôt qu'un diffuseur-réflecteur qui réfléchit l'éclairage ambiant. Ce dispositif d'éclairage arrière est usuellement réalisé à l'aide de tubes fluorescents. Pour obtenir une bonne uniformité de luminance sur toute la face arrière de l'écran et une haute luminance il est nécessaire d'utiliser un montage de plusieurs tubes généralement disposés parallèlement. L'uniformité ou homogénéité, peut être améliorée en utilisant un diffuseur placé entre les tubes et l'afficheur ainsi qu'un réflecteur disposé à l'arrière des tubes. Pour modifier l'éclairage, il est possible de commander la luminance des tubes fluorescents. Une technique connue décrite dans le document de brevet FR-A-2 516 335, consiste à utiliser un convertisseur continu-alternatif, ou onduleur, qui, à partir d'une basse tension continue, délivre au tube une tension alternative haute fréquence de quelques centaines de volts prévue pour amorcer le tube fluorescent à chaque alternance. Suivant cette technique, la variation de luminance moyenne du tube est obtenue en modulant par tout ou rien, de manière périodique a une cadence basse fréquence, la tension alternative haute fréquence appliquée au tube. On produit à cet effet une impulsion de modulation de durée réglable qui permet de faire varier l'intensité moyenne du courant électrique dans le tube et consécutivement la luminance du tube. Cette impulsion est répétée à la cadence basse fréquence. Si la basse fréquence de modulation est choisie suffisamment haute (une ou plusieurs centaines de Hertz), l'ondulation temporelle de luminance qui en résulte est suffisamment rapide pour ne pas être visible. Cette technique connue ne supprime pas toutefois l'effet de papillotement dû à la fréquence de rafraîchissement qui est assez basse et qui peut avoir une période par exemple de 10 à 20 millisecondes. Le but de l'invention est de remédier au phénomène de papillotement pour le diminuer notablement en utilisant une modulation temporelle particulière de la luminance des tubes fluorescents dispo.sés parallèlement à la direction des lignes. Selon l'invention, il est mis en oeuvre un procédé d'éclairage arrière d'un écran matriciel à cristal liquide utilisant une commande impulsionnelle périodique basse fréquence avec un taux de découpe réglable pour moduler l'alimentation haute fréquence du tube et faire varier sa luminance, l'écran étant éclairé par plusieurs tubes, le procédé étant caractérisé en ce que les tubes sont disposés parallèlement à la direction ligne de la matrice et que la variation du taux de découpe est déterminée pour obtenir un éclairage arrière temporellement variable en synchronisme avec le bayalage ligne par ligne des pixels de la matrice, en alimentant les tubes avec un décalage T/M de l'un au suivant, T étant la période de rafraîchissement d'image, M le nombre de tubes, et en appliquant à chaque tube une modulation du taux de découpe à ladite période basse fréquence, déterminée sensiblement en opposition de phase avec la transmission optique moyenne de la plage de pixels éclairée par le tube considéré, de manière à obtenir en sortie de ladite plage et en considérant tous les pixels excités une luminance sensiblement uniforme au cours de la durée de balayage correspondante. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit donnée à titre d'exemple à l'aide des figures annexées qui représentent: - Fig.1, un schéma simplifié d'un dispositif d'éclairage arrière conforme à l'invention, - Fig.2, des courbes relatives au fonctionnement du dispositif dans le cas d'un éclairage arrière de luminance fixe, - Fig.3, les mêmes courbes de fonctionnement illustrant le cas d'un éclairage arrière de luminance variable, - Fig. 4, des courbes montrant la variation périodique de transmission et de luminance d'un pixel, - Figs.5 et 6, des schémas illustrant le rôle joué par plusieurs tubes voisins dans la luminance transmise par un pixel, - Figs.7 et 8, des schémas illustrant la plage de pixels à prendre en compte par suite de la résolution visuelle, Fig.9, des courbes de variation périodique de luminance dans le concept des figures 7 et 8, - Fig. 10, des courbes illustrant la luminance à créer opposée à la transmission optique des pixels pour obtenir une luminance résultante sensiblement constante, - Fig.11, un schéma montrant les plages de lignes de la matrice éclairées par les tubes successifs, - Fig.12, des courbes illustrant la répartition temporelle des signaux de commande d'alimentation des tubes et leur déphasage relatif pour obtenir le résultat désiré, - Fig.13, un bloc diagramme d'un dispositif d'éclairage arrière d'un écran matriciel à cristal liquide conforme à l'invention, Fig.14, un exemple de réalisation des circuits du dispositif selon la figure 13, - Fig.15, des courbes de fonctionnement relatives aux circuits de la figure 14. En se reportant au schéma simplifié de la figure 1, il a été représenté la commande de luminance d'un tube T1 fluorescent. Cette commande est répétée pour les autres tubes de la batterie T1 à TM utilisés pour éclairer la matrice. La luminance est produite par un circuit d'alimentation haute fréquence 1 qui comporte un onduleur ou convertisseur alimenté en continu par une tension V0 pour délivrer au tube T1 une tension haute fréquence de période THF (Fig.2c) de forme sinusoïdale ou carrée par exemple. Le convertisseur reçoit un signal de commande à basse fréquence VBF pour faire varier la luminance du tube fluorescent. Le signal VBF est une commande impulsionnelle périodique basse fréquence (Fig.2b) ayant un taux de découpe TBF/Tm réglable pour moduler l'alimentation haute fréquence du tube. Le circuit 1 comporte à cet effet un oscillateur 10 commandé par tout ou rien par le signal VBF. La tension de modulation VBF du convertisseur HF est produite par un générateur d'impulsions basse fréquence 2 à partir d'un signal de commande ST provenant d'un générateur 3. Dans l'état de la technique précité le signal ST est une tension continue (Fig.2a) dont on peut faire varier le niveau et qui est appliquée à travers un intégrateur 21 à une première entrée d'un comparateur 23 qui reçoit par une deuxième entrée une tension de rampe à la sortie d'un générateur 22. Le générateur de rampe produit une rampe 22 VS à la cadence basse fréquence (Fig.2a). La tension Vm à la sortie de l'intégrateur 21 est comparée au signal de rampe et permet de produire le signal VBF (Fig.2b). La variation de la tension ST entraîne consécutivement celle de Vm, et permet de faire varier la largeur Tm de l'impulsion des signaux rectangulaires basse fréquence VBF. Ce signal de fréquence fixe I TBF et de tension crête VBF module par tout ou rien la tension VHF délivrée au tube. La luminance LT du tube est modulée dans le temps de façon correspondante (Flg.2d). La valeur LTm représente la luminance moyenne présentée par le tube. Les signaux sont représentés sur la figure 2 pour une valeur constante du signal de commande ST. La figure 3 représente les mêmes signaux pour une variation du signal de commande ST ce qui permet de faire varier la valeur de la durée de modulation Tm et consécutivement, la durée d'application du signal haute fréquence d'alimentation et donc la luminance moyenne LTm du tube. La figure 4a représente la tension de commande Vc appliquée à un pixel d'un panneau matriciel de N lignes, balayé séquentiellement pendant une durée d'image T. La figure 4b représente la transmission optique TO du pixel, dans le cas o celle-ci est une fonction croissante de la valeur efficace de la tension de commande. Son ondulation temporelle est pondérée par des constantes élastiques et visqueuses présentées par le cristal liquide. La figure 4c représente la luminance Lp du pixel qui est égale à la luminance arrière Lop due aux tubes fluorescents éclairant ce pixel et multipliée par la transmission optique TO du pixel. La moyenne temporelle de la transmission optique des pixels constituant l'image peut varier suivant le pixel ou la plage considéré d'une valeur minimale TOmin (pour réaliser une luminance minimale) à une valeur TOmax (pour réaliser une luminance maximale); cette variation est obtenue en modifiant l'amplitude de la tension de commande Vc propre à chaque pixel. Dans ce qui suit (notamment dans les représentations des figures 4, 9 et 10) on considère les formes d'ondes relatives à une valeur unique intermédiaire (moyenne par exemple) entre ces valeurs extrêmes. En se reportant aux figures 5 et 6 on voit que la luminance arrière Lop éclairant un pixel Pj est égale à la somme pondérée des luminances des tubes fluorescents TK, TK-1, TK+1 voisins à la surface Sop du diffuseur DF éclairant le pixel considéré Pj du panneau à cristal liquide PCL. Cette pondération est fonction de la distance D de chaque tube à la surface Sop du diffuseur DF et de l'angle 0 présenté entre la normale au diffuseur et la droite joignant le centre du tube au centre de la surface éclairante Sop. D'autre part, il faut considérer que la distance habituelle d'observation d'un écran de visualisation est en général telle que l'oeil ne peut isoler un pixel de ses voisins. Ceci est représenté à l'aide des figures 7 et 8, l'oeil est sensible globalement à la luminance d'une plage entourant le pixel visé. Cette luminance est donc la somme des luminances de chacun des pixels constituant la plage. La valeur de l'angle "a" couvrant la plage est inférieure ou au plus égale à la résolution angulaire visuelle. Sur les figures 7 et 8 on a considéré que la plage correspondant à cette résolution visuelle est répartie sur trois lignes Lj, Lj-i et Lj+l et englobe trois pixels en ligne et trois pixels en colonne soit au total 9 pixels du panneau PCL. Pour une luminance fixe de l'éclairage arrière du panneau, la luminance instantanée de la plage répartie sur plusieurs lignes est la somme des luminances de chacun des pixels la constituant. La figure 9 représente la luminance de chaque pixel des trois lignes successives Lj-1, Lj, et Lj+1. La luminance de chaque pixel de la ligne LJ-1 est en avance de phase de la valeur T/N sur la luminance de chaque pixel de la ligne LJ (Figs. 9a, 9b). Il en est de même pour la ligne Lj par rapport à la ligne Lj-1 (Figs. 9b,9c). La courbe 9d représente la luminance pondérée globale L' de la plage considérée; cette luminance est en phase avec la luminance de la ligne centrale Lj sa variation relative est de ce fait moins brutale que pour chaque ligne corisidérée. La variation cyclique à la période T d'image présentée par cette luminance L' produit pour l'oeil un phénomène de papillotement gênant auquel on veut remédier. Pour cela on produit, conformément à l'invention, une luminance arrière temporellement variable pour compenser la variation de luminance de la plage L' et à produire une luminance résultante sensiblement constante. Ceci est résumé sur les courbes de la figure 10 o la figure 10a reproduit la variation de transmission optique TO d'une plage de pixels englobant plusieurs lignes successives du panneau à cristal liquide, la figure 10b représente la variation de luminance arrière Lop à émettre par la batterie de tubes en opposition de phase avec la variation TO précédente de manière à obtenir une luminance constante Lo selon la figure O10c. Ce résultat est obtenu en élaborant une tension de modulation VBF cycliquement variable. Les générateurs 2 et 3 sont donc déterminés pour délivrer une tension de modulation synchrone du balayage du panneau et déphasée d'un tube au suivant. La modulation Vm et les déphasages sont déterminés de manière que l'ondulation relative de la luminance Lop de la surface Sop du diffuseur éclairant la plage P' soit approximativement l'opposé de la variation relative de la transmission optique TO de la plage P' (Figs. 10a et 10c). Les figures 11 et 12 illustrent ce procédé utilisé. Le dispositif comporte une batterie de tubes fluorescents T1, T2, T3,... TM. en nombre M, disposés parallèlement à la direction des lignes L1 à LN des pixels de la matrice. Chaque tube éclaire une plage de "r" lignes, par exemple r = 50. Pour simplifier, le diffuseur n'est pas représenté, et on ne considère pas le lissage temporel et le retard apporté par les circuits de filtrage et d'intégration recevant les signaux ST. Les éclairements produits par les tubes successifs se chevauchent généralement dans les parties terminales des plages. Le déphasage à produire pour l'alimentation. d'un tube au suivant est égal à T/M. La durée pendant laquelle chaque tube est activé à proximité de sa valeur maximale doit être suffisante pour englober l'intervalle de temps durant lequel les "r" lignes éclairées par ce tube sont elles-mêmes balayées au cours de la période de trame considérée. Sur la figure 12 on a représenté de manière plus explicite ces durées en montrant le décalage T/M entre l'alimentation d'un tube et celle du tube suivant. La durée TA d'alimentation maximale de chaque tube, répétée à la période de trame T, est choisie suffisamment grande pour englober le balayage de la plage de "r" lignes correspondante du panneau à cristal liquide. Ainsi, dans le cas du premier tube le signal ST1 de commande d'alimentation va au-delà de la durée Tr de balayage des lignes L1 à L50 éclairées par le tube Tl. La plage TA est sensiblement centrée autour de la durée Tr. Il en est de même pour les tubes suivants T2 à TM. Le raisonnement qui a été fait à l'aide de la figure 9 pour une petite plage P' de pixels est valable pour tous les pixels s'étendant sur les 3 lignes considérées et est également valable pour une plage de "r" lignes éclairées (r supérieur à 3) par un tube, étant entendu que la transmission globale de la zone de "r" lignes est la valeur pondérée de chaque ligne et est en phase avec la transmission moyenne des pixels de la ligne médiane (la ligne 25 dans le cas de la première plage éclairée par le tube T1). Le dispositif est par suite prévu pour commander la luminance de chaque tube au cours de la phase de temps to à to+Tr correspondante de manière opposée à la variation de transparence TO présentée par la plage '"r" (Figs. 10a et 10b). Ainsi l'observateur a l'impression de recevoir une luminance continue (Fig. 10ce) pour chacune des plages de "r" lignes de même transmission moyenne et donc pour l'ensemble de l'image de luminance uniforme au cours du balayage de durée T. Les fréquences nuisibles créatrices du phénomène de papillotement se trouvent ainsi diminuées. Les figures 13 et suivantes sont relatives de manière plus précise à l'agencement général du dispositif et à un exemple de réalisation. Suivant la figure 13 on considère un panneau à cristal liquide PCL avec ses circuits d'adressage colonnes AC et lignes AL, et l'éclairage arrière comprenant une batterie de tubes Tl à TM parallèles à la direction des lignes. Un générateur de balayage 20 fournit les signaux de synchronisation lignes SL et trame ST et le signal vidéo SV. Ce dernier peut être constitué simplement par une information binaire pour exciter ou éteindre le pixel correspondant. Le générateur 3 de signaux de commande des tubes reçoit les signaux de synchronisation SL et ST et élabore à partir de ceux-ci les signaux déphasés ST1 à STM de commande d'alimentation des tubes T1 à TM. Par une sortie supplémentaire D il commande le générateur de rampe 22 à la fréquence BF désirée. Les autres circuits du générateur d'impulslons basse fréquence sont répartis sur M voles comportant chacune un intégrateur 21j et un circuit comparateur 23j. Ce dernier reçoit, par ailleurs, le signal commun de rampe VS. De même, l'alimentation HF est distincte pour chaque tube et est commandée par la sortie du comparateur 23j correspondant. Suivant la réalisation figure 14, le générateur de signaux de commande 3 est constitué par un compteur 31 suivi d'un décodeur 32. Le compteur 31 reçoit le signal de trame ST (Fig. 15) qui remet le compteur à zéro à chaque balayage d'image. La synchronisation lignes SL représente un signal d'horloge qui incrémente le compteur. Le compteur 31 adresse en sortie un circuit décodeur 32 qui, en fonction du mot binaire d'adresse reçu, fournit les signaux d'alimentation ST1 à STM présentant de manière successive les intervalles de temps TA utiles respectivement en synchronisme avec le balayage, et avec un déphasage T/M d'un tube au suivant (STj-1, STj fig.15). La voie "j" relative au tube Tj a été représentée, alimentée par le signal de synchronisation STj. Toutes les voies sont identiques recevant par ailleurs, du générateur de rampe 22, la sortie VS. Chaque voie comporte un circuit de filtrage passe-bas RF, CF, à la suite d'un intégrateur 21j et fournit la tension Vmj permettant de compenser la transmission de la zone éclairée par tube (fig.10). Le compteur lignes 31 fournit par ailleurs un bit de comptage D (fig.15) à la fréquence basse de modulation choisie. Ce signal logique est filtré par un montage intégrateur 22 délivrant la tension en dent de scie VS de même fréquence. La valeur moyenne et l'amplitude de modulation de VS sont ajustables par les réglages figurés. La tension VS est comparée à chacune des m tensions Vm par les m comparateurs 23.1 à 23M fournissant les tensions VBF. 1 à VBFM attaquant les M convertisseurs 1.1 à 1M des M tubes T1 à TM. D'autres réglages relatifs à l'intégrateur 21j et à la valeur des éléments RF, CF sont mis en oeuvre lors d'une phase préléminaire pour ajuster la courbe Lop (Fig. 10b) souhaitée compensant l'ondulation de la courbe TO (Fig. 10a) et obtenir le résultat le résultat uniforme de luminance Lo (Fig. 10e). Pour une image réelle réalisée sur l'écran la transmission d'un pixel quelconque varie en fonction du pixel considéré de la valeur TOmin à la valeur TOmax, ayant chacune une amplitude d'ondulation relative propre et encadrant la valeur TO précitée. REVENDICATIONS R V E N D I C A T I O N S 1. Procédé d'éclairage arrière d'un écran matriciel à cristal liquide utilisant une commande impulsionnelle périodique basse fréquence avec un taux de découpe réglable pour moduler l'alimentation haute fréquence du tube et faire varier sa luminance, l'écran étant éclairé par plusieurs tubes, le procédé étant caractérisé en ce que les tubes (T1 à TM) sont disposés parallèlement à la direction ligne de la matrice et que la variation du taux de découpe est déterminée pour obtenir un éclairage arrière temporellement variable en synchronisme avec le bayalage ligne par ligne des pixels de la matrice (PCL), en alimentant les tubes avec un décalage T/M de l'un au suivant, T étant la période de rafraichissement d'image, M le nombre de tubes, et en appliquant à chaque tube une modulation du taux de découpe à ladite période basse fréquence, déterminée sensiblement en opposition de phase avec la transmission optique moyenne de la plage de pixels éclairée par le tube considéré, de manière à obtenir en sortie de ladite plage et en considérant tous les pixels excités une luminance sensiblement uniforme au cours de la durée de balayage correspondante. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la durée d'alimentation (TA) de chaque tube effectuée périodiquement à ladite période de rafraîchissement d'image et déterminée supérieure à la durée de balayage (Tr) de la plage de pixels éclairée par ce tube, ladite plage comportant un nombre "r" de lignes successives. 3. Dispositif d'éclairage arrière d'un écran matriciel à cristal liquide utilisant pour commander l'intensité lumineuse d'un tube un générateur haute fréquence élaborant à partir d'une tension continue locale une tension d'alimentation alternative haute fréquence, et des moyens de modulation par tout ou rien de ladite tension d'alimentation haute fréquence pour obtenir une commande impulsionnelle périodique basse fréquence avec un taux de. découpe réglable, l'écran étant éclairé par plusieurs tubes, le dispositif étant caractérisé en ce que les tubes (Ti à TM) sont disposés parallèlement à la direction lignes de la matrice (PCL) chacun des tubes étant associés à un générateur haute fréquence (lj) et à des moyens de modulation (2j), et en ce qu'il comporte en outre un générateur de signaux de commande des tubes (3) pour produire à la cadence de rafraichissement de l'affichage (T) des signaux de commande (ST1 à STM) respectivement appliqués auxdits moyens de modulation (2.1 à 2M) avec un déphasage T/M, et en sorte de produire un éclairement arrière synchrone avec le balayage de la matrice et en opposition avec la transmission optique procurée par les pixels de la matrice. 4. Dispositif selon la revendication 3 et dans lequel les moyens de modulation (2) comportent un générateur de rampe (22) pour délivrer un signal de rampe (VS) à une cadence basse fréquence déterminée, un circuit intégrateur (21) pour produire, à partir d'un signal de commande, un signal de comparaison appliqué à une première entrée d'un comparateur (23) recevant le signal de rampe par sa deuxième entrée et délivrant le signal de modulation basse fréquence par tout ou rien (VBF) au circuit générateur HF (1) caractérisé en ce que le circuit générateur de signaux de commande des tubes (3) reçoit d'un générateur de balayage annexe (20) des signaux de synchronisation trame et lignes (ST et SL) et élabore lesdits signaux de commande des tubes (ST1 à STM) ainsi qu'un signal (D) appliqué au générateur de rampe pour produire celle-ci à la cadence basse fréquence déterminée. - 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le générateur de signaux de commande (3) est constitué d'un circuit compteur (31) qui incrémente le signal de synchronisation ligne et qui est réinitialisé par le signal de synchronisation trame, ledit compteur adressant par sa sortie un circuit décodeur (32) qui fournit par M sorties les signaux de commande ST1 à STM successifs destinés à la commande d'intensité lumineuse des tubes respectifs (T1 à TM). 6. Dispositif selon la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que chaque circuit intégrateur comporte un circuit intégrateur opérationnel (21j) suivi d'un circuit filtre basse fréquence (RFCF), l'ensemble étant préréglé de manière à ce que le signal basse fréquence (Vmj) produise une ondulation de luitfnance du tube Tj sensiblement en opposition de phase avec la transmission optique d'un pixel situé en regard du tube Tj.