Brevet FR2756417A1 — publié le 19980529

ÉCRN PLAT DE VISUALISATION ÀA GRILLES FOCALISATRICES La présente invention concerne un écran plat de visua- lisation couleur, et plus particulièrement des écrans dits "à cathodoluminescence", dont l'anode porte des éléments lumines- cents susceptibles d'être excités par bombardement électronique. Ce bombardement électronique peut provenir de micropointes, de couches à faible potentiel d'extraction ou d'une source thermo- ionique. Pour simplifier la présente description, on ne considé- rera ci-après que les écrans couleurs à micropointes, mais on notera que l'invention concerne, de façon générale, les divers types d'écrans susmentionnés et analogues. La figure 1 représente, très schématiquement, la struc- ture classique d'un écran plat couleur à micropointes du type dit "à anode commutée". Un tel écran à micropointes est essentiellement consti- tué d'une cathode 1 à micropointes 2 et d'une grille 3 pourvue de trous 4 correspondants aux emplacements des micropointes 2. La cathode/grille est placée en regard d'une anode cathodo- luminescente 5 dont elle est séparée par un espace sous vide 12 et dont un substrat de verre6 constitue la surface d'écran. La cathode 1 est organisée en colonnes et est consti- tuée, sur un substrat de verre 10, de conducteurs de cathode organisés en mailles à partir d'une couche conductrice. Les micropointes 2 sont réalisées sur une couche résistive 11 déposée sur les conducteurs de cathode et sont disposées à l'intérieur des mailles définies par les conducteurs de cathode. La figure 1 représente partiellement l'intérieur d'une maille et les conduc- teurs de cathode n'apparaissent pas sur cette figure. La cathode 1 est associée à la grille 3 organisée en lignes. L'intersection d'une ligne de la grille 3 et d'une colonne de la cathode 1 définit un pixel. L'anode 5 est généralement pourvue de bandes alternées d'éléments luminophores 7r, 7g, 7b correspondant chacune à une couleur (Rouge, Vert, Bleu). Les bandes sont parallèles aux colonnes de la cathode et sont séparées les unes des autres par un isolant 8. Les éléments luminophores 7 sont déposés sur des électrodes 9 constituées de bandes correspondantes d'une couche conductrice transparente telle que de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO). Les ensembles de bandes rouges, vertes, bleues, sont alternativement polarisés par rapport à la cathode 1, pour que des électrons extraits des micropointes 2 d'un pixel par le champ électrique créé entre la cathode 1 et la grille 3 soient alter- nativement attirés par les éléments luminophores 7 de chacune des couleurs. Pour augmenter la brillance de l'écran, il est souhai- table d'augmenter la tension anode-cathode et donc la distance anodecathode définie par l'espace 12. Ceci pose notamment deux problèmes. Le premier est qu'il est difficile, avec des compo- sants existants, de commuter rapidement des tensions élevées, et que cela entraîne une forte consommation de puissance. Le deuxième est que, plus l'espace inter-électrodes est important, plus les électrons émis par les micropointes se dispersent et ont tendance à provoquer un éclairement parasite des pixels voisins de celui que l'on cherche à illuminer. Pour résoudre le premier problème, on peut utiliser des écrans dits "à anode non commtée" dont l'anode est constituée d'éléments luminophores de couleurs différentes, tous polarisés simultanément à un même potentiel. Dans ce type d'écran, la sélection de la couleur de l'élément luminophore devant être excité est obtenue, côté cathode, en subdivisant chaque colonne de la cathode en trois sous-colonnes respectivement associées à chacune des couleurs. Toutefois, le deuxième problème d'éclairement parasite subsiste. Ce phénomène est ici encore plus critique car les élec- trons bombardent également des éléments luminophores d'une autre couleur. La présente invention vise à pallier les inconvénients des écrans classiques en proposant un écran plat couleur de visualisation à anode non commutée pouvant supporter une haute tension inter-électrodes (de l'ordre de 2 à 10 keV) sans nuire à la définition de l'écran. La présente invention vise également à proposer un tel écran plat à haute tension inter-électrodes qui ne nécessite pas de commuter les conducteurs de cathode en fonction de la couleur à afficher. Pour atteindre ces objets, la présente invention pré- voit un écran plat de visualisation couleur comportant une cathode associée à une grille d'extraction d'électrons; une anode pourvue d'au moins deux types d'éléments luminophores, tous polarisés à un même potentiel; et au moins deux grilles addi- tionnelles superposées, rapportées sur la grille d'extraction, isolées les unes des autres et de la grille d'extraction, et pourvues d'orifices coaxiaux définissant des sous-pixels associés à chacune des couleurs, chaque grille additionnelle étant asso- ciée à une couleur et comportant des orifices, de plus petit diamètre que les orifices coaxiaux des autres grilles addition- nelles, pour activer les sous-pixels de la couleur corres- pondante. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque grille additionnelle comporte deux séries d'orifices de diamètres différents, le diamètre des orifices de plus petit diamètre de chaque grille additionnelle étant inférieur au diamètre des orifices de plus grand diamètre des autres grilles additionnelles. Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque grille additionnelle est constituée d'une feuille métal- lique perforée. Selon un mode de réalisation de la présente invention, cet écran comporte des moyens pour polariser individuellement les grilles additionnelles. La présente invention, prévoit aussi un procédé de commande d'un écran plat de visualisation couleur consistant à polariser séquentiellement chaque grille additionnelle à un potentiel respectif d'activation des sous-pixels de la couleur correspondante, les autres grilles additionnelles étant portées à des potentiels respectifs d'inhibition des sous-pixels des couleurs correspondantes. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les potentiels respectifs d'activation des grilles additionnelles sont positifs ou nuls, leurs potentiels respectifs d'inhibition étant inférieurs à un potentiel minimal de polarisation de la cathode. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le potentiel d'activation de chaque grille additionnelle est choisi en fonction du diamètre de ses orifices de plus petit diamètre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le potentiel d'activation de chaque grille additionnelle est choisi en fonction de la distance qui sépare cette grille additionnelle de la grille d'extraction. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les potentiels respectifs d'inhibition des grilles additionnelles sont identiques. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le potentiel de polarisation des éléments luminophores de l'anode est compris entre 2 et 10 keV. Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1, décrite précédemment, est destinée à expo- ser l'état de la technique et le problème posé; la figure 2 représente, partiellement et en coupe, un mode de réalisation d'un écran plat selon la présente invention; les figures 3A à 3C illustrent le fonctionnement d'un écran selon la présente invention; et la figure 4 est une vue partielle de dessus d'une cathode/grilles selon un mode de réalisation de la présente invention. Les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes réfé- rences aux différentes figures. Pour des raisons de clarté, les représentations des figures ne sont pas à l'échelle. La figure 2 est une vue en coupe d'un mode de réalisa- tion d'un écran à micropointes selon la présente invention. Comme précédemment (figure 1), cet écran comporte une cathode 1 à micropointes 2 et une grille d'extraction 3 pourvue de trous 4 correspondant aux emplacements des micropointes 2. Un maillage de conducteurs de cathode organisés en colonnes est réalisé sur un substrat de verre 10. Les micropointes 2 reposent sur une couche résistive formée sur et entre les conducteurs de cathode et sont disposées à l'intérieur des mailles définies par les conducteurs de cathode. A la figure 2, la couche résistive et les conducteurs de cathode d'une colonne ont été désignés globalement par la référence 13. La grille 3 est, comme précédemment, organisée en lignes. L'intersection d'une ligne de la grille 3 et d'une colonne 13 de la cathode 1 définit un pixel. Selon l'invention, la cathode/grille est associée à une anode 5' constituée de régions (par exemple, des bandes paral- lèles alternées comme à la figure 1) d'éléments luminophores 7r, 7g et 7b déposés sur une électrode commune 9 constituée d'un plan d'une couche conductrice transparente telle que de l'oxyde d'indium et d'étain (ITO). La couche 9 est déposée sur un substrat de verre 6 constituant la surface de l'écran. Ainsi, tous les éléments luminophores 7 sont simultanément polarisés par rapport à la cathode 1. Une caractéristique d'un écran selon la présente inven- tion est qu'il comporte, côté cathode, une structure de grilles additionnelles 14 de focalisation des électrons émis par les micropointes vers des régions d'éléments luminophores 7 de même couleur. La structure 14 est, dans ce mode de réalisation, constituée de trois grilles de focalisation 15, 16 et 17, respec- tivement associées à chacune des couleurs. On parlera ci-après de grilles "rouge", "verte" et "bleue". Les grilles 15, 16 et 17 sont rapportées sur la grille d'extraction 3 et sont séparées les unes des autres et de la grille 3 par un isolant 18. Chaque pixel de l'écran (défini par l'intersection d'une ligne de la grille 3 avec une colonne 13 de la cathode 1) est subdivisé en trois sous-pixels, respectivement Pr, Pg et Pb, définis par trois orifices coaxiaux réalisés dans les grilles 15, 16 et 17. Chaque sous-pixel de la cathode/grilles Pr, Pg, Pb est en regard d'une région d'éléments luminophores, respectivement 7r, 7g ou 7b correspondant au sous-pixel de la couleur consi- dérée, côté anode 5'. Pour des raisons de clarté, seules deux micropointes 2 ont été représentées par sous-pixel. On notera toutefois que les micropointes sont, en pratique, au nombre de plusieurs milliers par pixel d'écran. Selon l'invention, chaque grille "rouge" 15, "verte" 16 ou "bleue" 17 comporte des orifices, respectivement 19, 21 ou 23, d'activation ou d'inhibition des sous-pixels de la couleur correspondante. Les orifices 19, 21 ou 23 de chaque grille 15, 16 ou 17 sont d'un diamètre réduit par rapport aux orifices coaxiaux, respectivement 22 et 24, 20 et 24, ou 20 et 22, des deux autres grilles. Le rôle des orifices 19, 21 et 23 de diamè- tre réduit est de permettre, selon la polarisation des grilles 15, 16 et 17, soit de bloquer, soit de focaliser les électrons émis par les micropointes 2 en regard des orifices 19, 21 et 23 en fonction de la couleur à afficher. De préférence et conmme le représente la figure 2, les grilles 15, 16 et 17 comportent, chacune, deux séries d'orifices, respectivement 19 et 20, 21 et 22, ou 23 et 24, de diamètres différents. Les figures 3A à 3C illustrent le fonctionnement d'un écran selon l'invention. Les figures 3A, 3B et 3C représentent schématiquement un exemple de polarisation des grilles addition- nelles 15, 16 et 17 d'un écran selon l'invention, respectivement, pour chacune des trois couleurs. Pour des raisons de clarté, les détails constitutifs de la cathode 1 et de la grille d'extraction 3 n'ont pas été reproduits aux figures 3A à 3C. L'affichage s'effectue par sous-trames associées à cha- que couleur. Par exemple, les rangées de la grille 3 sont séquen- tiellement polarisées à un potentiel de l'ordre de 80 volts, tandis que les colonnes 13 de la cathode 1 sont portées à des potentiels respectifs compris entre un potentiel d'émission maxi- male et un potentiel d'absence d'émission (par exemple, respec- tivement 0 et 30 volts). De préférence, l'anode 5' est polarisée à un fort potentiel (par exemple, de l'ordre de 2 à 10 keV). Pendant une première sous-trame (figure 3A), par exem- ple rouge, la grille "rouge" 15 est polarisée à un potentiel d'activation positif (par exemple, +30 volts), tandis que les grilles "verte" 16 et "bleue" 17 sont polarisées à un potentiel d'inhibition plus négatif que le potentiel minimal de polarisa- tion des colonnes 13 de la cathode 1 (par exemple, -30 volts). Ainsi, les électrons émis en regard des orifices 19, le long de la ligne de grille 3 polarisée, sont focalisés par la grille "rouge" 15 pour bombarder des éléments luminophores 7r des sous- pixels correspondants. A l'inverse, les électrons émis en regard des orifices 21 et 23 sont bloqués par le potentiel négatif de polarisation des grilles "verte" 16 et "bleue" 17 et sont alors collectés par la grille d'extraction 3 au potentiel de 80 volts. Pendant les sous-trames suivantes (figure 3B et 3C), le fonctionnement décrit ci-dessus est reproduit pour la grille "verte" 16, puis "bleue" 17. La valeur du potentiel d'activation de la grille 15, 16 ou 17 devant focaliser les électrons dépend, en particulier, de la distance de cette grille par rapport à la grille d'extraction 3, ainsi que du diamètre de ses orifices de diamètre réduit, respectivement 19, 21 ou 23. Par exemple, le potentiel d'acti- vation de la grille la plus éloignée de la grille 3 (ici, la grille "rouge" 15) est le plus positif et le potentiel d'acti- vation de la grille la plus proche de la cathode 1 (ici, la grille "bleue" 17) est le moins positif, voire nul. On notera également que les potentiels négatifs d'inhi- bition des deux grilles additionnelles, servant à bloquer les électrons des sous-pixels ne correspondant pas à la couleur à afficher, peuvent être différents les uns des autres. Toutefois, comne il suffit que l'orifice de diamètre réduit d'un sous-pixel donné soit à un potentiel négatif pour bloquer les électrons, le choix d'un potentiel négatif unique d'inhibition permet de simplifier la commande de la structure 14 au moyen d'un circuit électronique de commande de l'écran. Le diamètre réduit des orifices 19, 21 ou 23 de chaque grille, respectivement 15, 16 ou 17, est choisi en fonction de la distance interélectrodes (donc, de la tension inter-électrodes) pour assurer une focalisation des électrons sur les régions d'éléments luminophores associées aux orifices correspondants. De plus, les orifices 19, 21 et 23 ont une forme choisie pour opti- miser la focalisation et le blocage des électrons selon leur polarisation. Par exemple, les bords peuvent être droits, arron- dis, en pointe, ou biseautés en direction de l'anode ou de la cathode. Les diamètres des orifices 19, 21 et 23 peuvent être différents les uns des autres, pourvu que ces diamètres soient, respectivement, inférieurs aux diamètres des orifices (22 et 24, et 24, 20 et 22) des autres grilles (16 et 17, 15 et 17, 15 et 16) avec lesquels ils sont coaxiaux. L'épaisseur des grilles additionnelles 15, 16 et 17 est très nettement supérieure à l'épaisseur des couches constitutives de la cathode 1 associée à la grille d'extraction 3. A titre d'exemple particulier, l'épaisseur globale de la cathode 1 asso- ciée à la grille 3 est de l'ordre de 1 à 5 um, par exemple 3,5 im, et l'épaisseur de chaque grille additionnelle 15, 16 ou 17 est de l'ordre de 50 jm. Un avantage de la présente invention est qu'elle permet de réaliser un écran plat de visualisation à haute tension inter- électrodes sans nécessiter le recours à des composants de conmmu- tation haute tension, la sélection de la couleur à afficher étant effectuée par la structure 14 de grilles additionnelles à basse tension. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle garantit une focalisation optimale des électrons vers les sous- pixels de la couleur correspondante. A titre de variante de réalisation, les colonnes 13 de la cathode 1 peuvent être subdivisées en sous-colonnes adressées indépendamment les unes des autres. Dans ce cas, la sélection de la couleur s'effectue au moyen des sous-colonnes de la cathode. La structure 14 de grilles additionnelles a alors pour rôle de garantir une focalisation optimale des électrons et de permettre une haute tension inter-électrodes. Un autre avantage de la présente invention est qu'en permettant la polarisation de l'anode sous une tension élevée, on peut désormais utiliser des éléments luminophores du type de ceux utilisés dans des tubes cathodiques de télévision couleur dont les techniques de fabrication sont parfaitement maitrisées. Un autre avantage de la présente invention est qu'en permettant la réalisation d'une anode dont les éléments lumino- phores sont tous polarisés simultanément, les bandes alternées d'éléments luminophores utilisées classiquement dans les écrans à micropointes peuvent être remplacées par des pastilles d'éléments luminophores de chaque couleur correspondant à chaque sous-pixel. La figure 4 est une vue de dessus d'une structure de grilles additionnelles selon la présente invention destinée à être associée à une anode portant trois pastilles d'éléments luminophores de couleurs différentes pour chaque pixel. Les orifices 19 à 23 de la structure 14 sont alors disposés, pour chaque pixel défini par l'intersection d'une ligne de la grille 3 et d'une colonne 13 de la cathode 1, en fonction de la disposition, côté anode, des pastilles d'éléments luminophores (non représentées). Dans le mode de réalisation illustré par la figure 4, les sous-pixels d'un pixel donné sont disposés de façon sensi- blement triangulaire, ce qui permet d'équilibrer l'encombrement de chaque pixel dans les deux directions. On notera toutefois que la répartition des sous-pixels doit rester cohérente avec l'orga- nisation en colonnes ou en sous-colonnes de la cathode. Bien que l'on ait fait référence dans la description qui précède à un écran couleur dont l'anode comporte trois types différents d'éléments luminophores, l'invention s'applique égale- ment au cas o l'anode est pourvue de deux types différents d'éléments luminophores, par exemple, à un écran bichrome dont les éléments luminophores sont repartis par pastilles de la taille d'un sous-pixel ou par bandes de la largeur d'un sous- pixel. Dans ce cas, seules deux grilles additionnelles selon l'invention sont prévues. Dans un mode de réalisation de la présente invention chaque grille additionnelle 15, 16, 17 est constituée d'une feuille métallique perforée isolée sur au moins une de ses faces. Ces feuilles sont assemblées de façon à aligner leurs ouvertures puis sont disposées sur la grille d'extraction de la plaque de cathode de l'écran. Ensuite une plaque d'anode est montée sur la grille supérieure avec interposition d'espaceurs. Néanmoins de nombreuses variantes de réalisation apparaîtront à l'homme de l'art. Bien entendu, la présente invention est susceptible de diverses variantes et modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, la forme et le diamètre des orifices des grilles additionnelles ainsi que les potentiels respectifs5 d'activation et d'inhibition des grilles additionnelles seront choisis pour optimiser la focalisation vers les sous-pixels correspondants. REVENDICATIONS 1. Écran plat de visualisation couleur comportant: une cathode (1) associée à une grille (3) d'extraction d'électrons; et une anode (5') pourvue d'au moins deux types (7r, 7g, 7b) d'éléments luminophores, tous polarisés à un même potentiel, caractérisé en ce qu'il comporte: au moins deux grilles additionnelles (15, 16, 17) superposées, rapportées sur la grille d'extraction (3), isolées les unes des autres et de la grille d'extraction, et pourvues d'orifices (19, 20; 21, 22; 23, 24) coaxiaux définissant des sous-pixels (Pr, Pg, Pb) associés à chacune des couleurs, chaque grille additionnelle (15; 16; 17) étant associée à une couleur et comportant des orifices (19; 21; 23), de plus petit diamètre que les orifices coaxiaux des autres grilles additionnelles, pour activer les sous-pixels de la couleur correspondante. 2. Écran selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque grille additionnelle (15; 16; 17) comporte deux séries d'orifices (19, 20; 21, 22; 23, 24) de diamètres diffé- rents, le diamètre des orifices (19, 21, 23) de plus petit diamè- tre de chaque grille additionnelle étant inférieur au diamètre des orifices de plus grand diamètre des autres grilles additionnelles. 3. Écran selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque grille additionnelle (15; 16; 17) est constituée d'une feuille métallique perforée. 4. Écran selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour polariser individuellement les grilles additionnelles (15, 16, 17). 5. Procédé de commande d'un écran plat de visualisation couleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, carac- térisé en ce qu'il consiste à polariser séquentiellement chaque grille additionnelle (15; 16; 17) à un potentiel respectif d'activation des sous-pixels (Pr; Pg; Pb) de la couleur corres- pondante, les autres grilles additionnelles étant portées à des potentiels respectifs d'inhibition des sous-pixels des couleurs correspondantes. 6. Procédé de commande selon la revendication 5, carac- térisé en ce que les potentiels respectifs d'activation des grilles additionnelles (15, 16, 17) sont positifs ou nuls, leurs potentiels respectifs d'inhibition étant inférieurs à un poten- tiel minimal de polarisation de la cathode (1). 7. Procédé de commande selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que le potentiel d'activation de chaque grille additionnelle (15, 16, 17) est choisi en fonction du diamètre de ses orifices (19, 21, 23) de plus petit diamètre. 8. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le potentiel d'acti- vation de chaque grille additionnelle (15, 16, 17) est choisi en fonction de la distance qui sépare cette grille additionnelle (15, 16, 17) de la grille d'extraction (3). 9. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendication 5 à 8, caractérisé en ce que les potentiels respec- tifs d'inhibition des grilles additionnelles (15, 16, 17) sont identiques. 10. Procédé de commande selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le potentiel de pola- risation des éléments luminophores (7r, 7g, 7b) de l'anode (5') est compris entre 2 et 10 keV.