Brevet FR2920908A1 — publié le 20090313

Dispositif de visualisation comportant un écran à cristaux liquides à affichage sécurisé. Le domaine de l'invention est celui des écrans plats à cristaux liquides nécessitant un haut degré de sécurisation. Dans le domaine aéronautique, la sécurité constitue l'un des paramètres fondamentaux. Compte-tenu de l'augmentation du trafic aérien, les avionneurs et les compagnies aériennes imposent aux équipementiers des objectifs qui deviennent au fil du temps de plus en plus ambitieux. Dans le domaine des visualisations de cockpit, il est désormais interdit tout affichage d'images erronées. Depuis de nombreuses années, les écrans plats à cristaux liquides se sont imposés dans le domaine de la visualisation. Ils sont, entre autres, utilisés pour réaliser les visualisations de planches de bord d'aéronefs. Classiquement, un afficheur à cristaux liquides dit LCD, acronyme de � Liquid Crystal Display � comprend essentiellement une source d'éclairage et un modulateur optique matriciel. La matrice proprement dite est une dalle composée d'un empilage de différentes couches. La figure 1 représente une vue éclatée partielle d'une matrice LCD. Sur cette vue, la flèche blanche indique le sens 'de propagation de la lumière à travers la matrice. Celle-ci comprend successivement : • Un premier polariseur 1 arrière disposé du côté de la source d'éclairage ; • Une première lame de verre 2 qui comporte l'électronique de commande matricielle 3 composée principalement d'un bus de commande vertical et d'un bus de commande vertical, les électroniques de commande étant communément appelées � drivers � selon la terminologie anglo-saxonne ; • Une première plaque 4 support du cristal liquide ; • Le cristal liquide 5 ; • Une seconde plaque 6 support du cristal liquide portant une contre- électrode encore appelée � backplane � 7 ; • Un réseau matriciel 8 -de triplets de filtres colorés. Chaque triplet correspond à un pixel également connu sous le terme anglo-saxon de � dot � coloré de l'image ; • Une seconde lame de verre 9 ; • Un second polariseur 10 arrière disposé du côté de l'observateur. Le fonctionnement de l'afficheur est le suivant. La source de lumière est polarisée à l'arrière de la dalle par le premier polariseur 1. La lumière traverse le cristal liquide, les filtres colorés 8 et ressort à travers le second polariseur 10. Lorsque la lumière traverse le cristal liquide au repos, la polarisation de celle-ci se déphase de 90 degrés. Il existe deux grands modes de fonctionnement possibles. Dans le premier mode, l'axe de polarisation du second polariseur est perpendiculaire à celui du premier polariseur. Dans ce cas, la lumière issue de la dalle, après traversée du cristal liquide, a le même état de polarisation que le second polariseur et peut ressortir. On appelle ce mode le � mode blanc � ou encore en terminologie anglo-saxonne � normally white �. Dans le second mode, l'axe de polarisation du second polariseur est parallèle à celui du premier polariseur. Dans ce cas, la lumière issue de la dalle est polarisée à 90 degrés de l'axe de polarisation du second polariseur et ne peut ressortir. On appelle ce mode le � mode noir � ou encore en terminologie anglo-saxonne � normally black �. Dans les deux cas, suivant la commande appliquée au cristal liquide, celui-ci va déphaser plus ou moins la lumière le traversant, et seule une fraction de la lumière traverse le polariseur avant en fonction du déphasage généré. On crée ainsi des nuances de gris sur chaque filtre coloré. On peut ainsi générer un pixel ou un � dot � ayant une couleur donnée aussi bien en mode � normally white � qu'en mode � normally black �. Les premiers écrans LCD utilisaient uniquement une structure dite � nématique en hélice � encore appelé TN, acronyme anglo-saxon de Twisted Neumatic. Cette structure permettait de réaliser des cellules LCD dites � normally white �. Non commandés, les � dots � étaient lumineux. Dans le domaine aéronautique, les dots de couleurs étaient organisés en quadruplés appelés � quad � et on utilisait des circuits de commande, plus connus sous leur terminologie anglaise de � drivers � colonnes montés entrelacés, mode appelé � Stripe �, afin de couvrir la perte d'une liaison vidéo. Ces cellules utilisaient un mode de commande de la matrice appelé � commutation de backplane �. Par ailleurs, les premiers afficheurs présentaient des faiblesses technologiques. Le cristal liquide avait une faible constante de temps et les transistors � MOS � en silicium amorphe avaient des fuites de courant importantes. Or, les images graphiques de l'avionique utilisent généralement un fond sombre pour améliorer le contraste des tracés. Sur les premiers écrans LCD, une panne créait alors une zone lumineuse anormale que le pilote détectait immédiatement. Par conséquent, les caractéristiques techniques des premiers afficheurs LCD permettaient facilement la détection visuelle des pannes de l'afficheur et de l'électronique associée. En conclusion, la sécurité était naturellement assurée. L'évolution des cristaux liquides, des drivers colonnes et de la fabrication des matrices actives a permis l'utilisation de mode de commande appelé � backplane fixe �. L'angle de vue des matrices à été augmentée en introduisant de nouvelles structures et de nouvelles configurations de matrices. On citera, à titre d'exemple, les matrices dites MVA, acronyme de � Multi-domain Vertical Alignment � où IPS, acronyme de � In Plane Switching �. Ces nouvelles matrices sont en mode � normally black �. La cellule non commandée est donc noire. Ainsi, on minimise l'effet des pixels en panne qui sont alors majoritairement noirs, contrairement aux matrices de type TN � normally white � dont les pixels défectueux majoritairement lumineux se voient énormément. Bien entendu, ces matrices qui possèdent de meilleures performances optiques sont utilisées dans le domaine aéronautique. Malheureusement, ces avantages cosmétiques ou esthétiques introduisent une complication pour la sécurité. Avec ces nouvelles matrices, une panne crée une zone sombre qui peut sembler normale alors que l'information utile a disparu. Ainsi, la panne d'une liaison vidéo peut provoquer la perte des pixels rouges. Cette panne fait disparaître les alertes rouges et transforme les alertes jaunes et orange en informations de couleur verte. De plus, les pannes des � drivers lignes � des matrices LCD créent des images figées qui peuvent avoir une rémanence de l'ordre de la minute et sont donc jugées inacceptables. Ces événements sont évidemment rigoureusement interdits pour les applications aéronautiques. Le dispositif selon l'invention permet de résoudre ou d'atténuer fortement les inconvénients précédents, tout en conservant les avantages de l'utilisation d'un afficheur LCD � normally black �. Pour résoudre le problème de sécurité, un pourcentage de commutation de la tension de � backplane � est introduit dans le circuit de commande d-FM-hg du LCD. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de visualisation comprenant au moins un écran matriciel à cristaux liquides composé de pixels élémentaires, ledit écran comprenant au moins une première électrode utilisée comme référence de tension et appelée � backplane �, une seconde électrode en forme de réseau électronique matriciel délivrant les tensions de commande des pixels et une électronique de commande desdites électrodes, ledit écran étant utilisé dans le mode dit � normally black �, c'est-à-dire qu'en l'absence de tensions appliquées, la transmission optique des pixels est sensiblement nulle, caractérisé en ce que la tension de commande de la � backplane � est une tension périodique variable, l'amplitude de variation 'de cette tension étant suffisante pour qu'en l'absence de tension sur la seconde électrode, la transmission optique des pixels soit suffisante pour être détectée par un observateur. Avantageusement, la tension de commande des pixels est périodique, l'amplitude de variation de ladite tension étant centrée sur la tension de commande de la � backplane � de façon qu'en moyenne, le pixel soit soumis à une tension nulle. Avantageusement, la tension de commande de la � backplane � sur une période a une première valeur constante pendant une première demi-période et une seconde valeur constante, différente de la première valeur pendant une seconde demi-période. Plus précisément, la tension de commande des pixels a une amplitude maximale correspondant à une transmission optique maximale, ladite amplitude maximale étant environ trois fois supérieure à l'amplitude de variation de la tension de � backplane � et la fréquence de variation de la tension de commande de la � backplane � est du même ordre de grandeur que la fréquence de rafraîchissement de l'image, notée fréquence trame. Enfin, l'écran matriciel :à cristaux liquides est préférentiellement du type MVA, acronyme de � Multi-domain Vertical Alignment � ou IPS, acronyme de � In Plane Switching �. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 représente une vue en coupe d'une matrice LCD ; Les figures 2, 3 et 4 représentent la variation dans le temps des tensions de commande des pixels dans le cas d'une matrice LCD � normally white � selon l'art antérieur ; Les figures 5, 6 et 7 représentent la variation dans le temps des 15 tensions de commande des pixels dans le cas d'une matrice LCD � normally black � selon l'invention. Les figures numérotées de 2 à 7 représentent les variations en fonction du temps de l'amplitude des tensions de commande de la 20 � backplane � B et de l'électrode C de commande des pixels. La tension de commande de la � backplane � est représentée en traits pointillés et la tension de commande de l'électrode en traits continus. Dans la partie supérieure gauche de chaque figure, la transmission obtenue est représentée par un carré blanc, gris ou noir. 25 Les figures 2, 3 et 4 représentent la variation dans le temps des tensions de commande des pixels dans le cas d'une matrice LCD � normally white �. Comme on le voit sur ces figures, la tension de �backplane � est constante. La tension de commande des pixels est en forme de créneau périodique. Les amplitudes maximales des tensions sont de l'ordre de 12 30 volts. Chaque créneau est centré sur la tension de � backplane �. Ainsi, le cristal liquide situé entre l'électrode de commande et la � backplane � voit une tension moyenne nulle. On évite ainsi de marquer l'écran. L'amplitude des créneaux impose la transmission du pixel. Ainsi, comme illustré en figure 2, une grande amplitude génère un pixel noir, une amplitude moyenne un pixel gris (figure 3) et une faible amplitude un pixel blanc (figure 4). Les figures 5, 6 et 7 représentent la variation dans le temps des tensions de commande des pixels dans le cas d'une matrice LCD � normally black � selon l'invention. Commè on le voit sur ces figures, la tension de � backplane � est variable. La variation la plus simple à réaliser et qui est représentée sur ces figures est de faire varier la tension périodiquement entre deux niveaux de tension constants. La tension de commande des pixels est également en forme de créneau périodique. Les amplitudes maximales des tensions sont de l'ordre de 12 volts. Chaque créneau est centré sur la tension de � backplane � de façon que le cristal liquide situé entre l'électrode de commande et la � backplane � voit une tension moyenne nulle, comme on le voit sur les figures 5, 6 et 7. L'amplitude des créneaux impose la transmission du pixel. Ainsi, comme illustré en figure 5, une faible amplitude génère un pixel noir, une amplitude moyenne un pixel gris (figure 6) et une grande amplitude un pixel blanc (figure 7). La � back-plane � commute à une fréquence basse qui peut être, par exemple, la fréquence trame pour ne pas avoir de problème lors des essais de compatibilité électro-magnétiques. Ainsi, la tension de � backplane � n'est pas perturbée et en retour, ne perturbe pas. Les tensions de commande des pixels dites GMA, acronyme de � Gamma Modulation Amplitude � sont la somme de la variation de la back-plane et de la tension que l'on veut réellement appliquer sur le � dot �. Si l'électronique de commande des pixels est en panne, l'origine de la panne pouvant venir soit de la vidéo numérique, soit du générateur de tension GMA, la commutation de la tension de � backplane � suffit à commander le dot en gris. Le fond de l'image n'est plus noir et le pilote détecte la panne comme par le passé. De même, si le circuit de commande de la � backplane � est cassé, les dots seront tous commandés par les colonnes et aucun ne sera noir. Bien entendu, le dispositif ne permet pas de compenser les pannes simultanées de l'électronique de commande et de la � backplane �, mais ces pannes simultanées sont hautement improbables, compte-tenu du très haut niveau de fiabilité des composants électroniques de commande des visualisations électroniques pour leur utilisation dans le domaine aéronautique. Le dispositif proposé permet d'assurer la sécurité des écrans LCD � normally black � en reproduisant les effets que l'on avait dans le passé lors d'une panne d'une matrice � normally white �. Ces effets sont acceptables par les avionneurs et les autorités de certification aéronautique. Les modifications à apporter aux logiciels de commande qui consistent essentiellement à avoir une tension de � backplane � variable à la place d'une tension fixe sont négligeables et n'ont pas d'impacts significatifs ni sur les coûts ni sur la fiabilité du dispositif de visualisation. REVENDICATIONS 1. Dispositif de visualisation comprenant au moins un écran matriciel à cristaux liquides composé de pixels élémentaires, ledit écran comprenant au moins une première électrode (7) utilisée comme référence de tension et appelée � backplane �, une seconde électrode (3) en forme de réseau électronique matriciel délivrant les tensions de commande des pixels et une électronique de commande desdites électrodes, ledit écran étant utilisé dans le mode dit � normally black �, c'est-à-dire qu 'en l'absence de tensions appliquées, la transmission optique des pixels est sensiblement nulle, caractérisé en ce que la tension de commande de la � backplane � est une tension périodique variable, l'amplitude de variation de cette tension étant suffisante pour qu'en l'absence de tension sur la seconde électrode, la transmission optique des pixels soit suffisante pour être détectée par un observateur. 2. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de commande des pixels est périodique, l'amplitude de variation de ladite tension étant centrée sur la tension de commande de la � backplane � de façon qu'en moyenne, le pixel soit soumis à une tension nulle. 3. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de commande de la � backplane � sur une période a une première valeur constante pendant une première demi-période et une seconde valeur constante, différente de la première valeur pendant une seconde demi-période. 4. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la tension de commande des pixels a une amplitude maximale correspondant à une transmission optique maximale, ladite amplitude maximale étant environ trois fois supérieure à l'amplitude de variation de la tension de � backplane �. 5. Dispositif de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de variation de la tension de commande de la � backplane � est du même ordre de grandeur que la fréquence de rafraîchissement de l'image, notée fréquence trame. 6. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'écran matriciel à cristaux liquides est du type MVA, acronyme de � Multi-domain Vertical Alignment � ou IPS, acronyme de � In Plane Switching �.