FR2765024A1 - Procede et dispositif de polarisation d'un ecran lcd en fonction de son angle de vue - Google Patents

Abstract

L'image affichée par un écran à cristaux liquides présente de fortes inhomogénéités ou défauts d'uniformité, dès que l'on s'écarte d'un angle de vue optimal, ce qui est pratiquement toujours le cas lorsque l'on observe un écran à cristaux liquides de grandes dimensions. On se propose d'améliorer l'uniformité apparente d'un écran à cristaux liquides en limitant les variations locales de contraste. Pour ce faire, on partage la surface de l'écran à cristaux liquides en différentes zones et l'on applique à ces différentes zones des tensions de polarisation du noir de différentes valeurs fonction des angles sous lesquels elles sont vues par un observateur.

Description

La présente invention concerne la polarisation d'un écran à cristaux liquides dans le but d'avoir une image dont la lisibilité dépende le moins possible de l'angle de vue d'un observateur.

Une cellule à cristal liquide est constituée d'une mince couche de cristal liquide à structure nématique en hélice, enfermée entre deux plaques transparentes équipées de polariseurs, et soumise à un champ électrique variable. En l'absence de champ électrique et avec un traitement convenable des parois internes des plaques, les molécules d'un cristal liquide s'organisent selon des structures en hélice d'axe perpendiculaire aux deux plaques transparentes, qui ont la propriété de faire tourner la polarisation de la lumière alors qu'en présence d'un champ électrique, elles ont tendance à s'aligner dans le champ électrique et à perdre leur pouvoir rotatoire de la polarisation. Ainsi, lorsque l'épaisseur de la couche de cristal liquide entre les deux plaques transparentes est telle que la polarisation de la lumière tourne de 900, il suffit de croiser les polariseurs pour avoir un écran transparent en l'absence de champ électrique et un écran opaque en présence de champ électrique. En jouant localement sur la valeur du champ électrique au niveau de chaque point de la surface d'un écran à cristaux liquides, il est alors possible de moduler la lumière par transmission et d'engendrer des images. Cela s'obtient en appliquant, entre des électrodes transparentes réparties en matrice, en vis à vis, sur les deux plaques transparentes d'un écran à cristaux liquides, par l'intermédiaire d'amplificateurs, une tension de polarisation évoluant entre deux niveaux un niveau faible pour l'état transparent et un niveau plus élevé pour l'état opaque.

Dans la pratique, L'image affichée par un écran à cristaux liquides présente de fortes inhomogénéités dès que l'on s'écarte d'un angle de vue optimal. Ces inhomogénéités qui se manifestent par des défauts d'uniformité et des inversions de contraste sont dues à la biréfringence résiduelle des molécules de cristal liquide qui augmente avec le champ électrique. Avec les architectures actuelles de cellules à cristaux liquides, le cône d'observation sans perturbation de l'image présente souvent une section en ailes de papillon, la lisibilité étant bonne depuis des points de vue situés selon les diagonales de l'écran et mauvaise depuis des points de vue décalés latéralement aussi bien horizontalement que verticalement. Un tel cône d'observation est peu commode car il ne permet pas une observation de l'écran par côté. II est connu de l'optimiser en direction horizontale par ajout de films biréfringents entre les polariseurs et les plaques transparentes de la cellule à cristaux liquides. On réussit alors à obtenir pour le cône d'observation sans perturbation une section aplatie sur l'horizontal, ce qui correspond à une grande plage d'angle de vue horizontal et à une faible plage d'angle de vue vertical. Le défaut d'uniformité se manifeste alors avec acuité dans le plan vertical et reste gênant surtout avec les écrans à cristaux liquides de grandes dimensions dont le haut et le bas ne sont pas vus sous le même angle par un observateur, de même d'ailleurs que la droite et la gauche. Ainsi, un observateur situé à un angle de 150 vertical et 0 horizontal et à une distance de 80 cm du centre d'un écran à cristaux liquides de 15,24 cm par 20,32 cm, voit le bord haut de cet écran sous un angle approximatif de 80 et le bord bas de cet écran sous un angle approximatif de 230. Son angle de vue évolue dans le plan vertical sur une plage de 150 amplement suffisante pour que les défauts d'uniformité et les inversions de contraste se manifestent.

II est connu qu'il est possible de faire varier l'angle optimal de vue dans le plan vertical en jouant sur la tension de polarisation correspondant au niveau maximum de noir appliquée globalement à tout un écran à cristaux liquides. Cela donne une certaine latitude pour adapter l'écran à cristaux liquides à la position en hauteur d'un observateur mais les défauts d'uniformité restent perceptibles avec un écran de grande dimension. En outre une augmentation de la tension de polarisation pour le niveau du noir provoque des défauts de dégradé entre les gris qui peuvent nuire à la lisibilité d'une image.

La présente invention a pour but de lutter contre le défaut de non uniformité d'un écran à cristaux liquides dans l'angle de vue utile, tout en limitant les défauts de dégradé de gris.

Elle a pour objet un procédé de polarisation d'un écran à cristaux liquides consistant à partager la surface de l'écran à cristaux liquides en différentes zones et à appliquer à ces zones des tensions de polarisation du noir de différentes valeurs fonction des angles sous lesquels elles sont vues par un observateur cible.

Avantageusement, avec un écran à cristaux liquides vu par l'observateur cible sous un angle vertical positif, le partage de la surface de l'écran à cristaux liquides se fait en bandes horizontales auxquelles sont appliquées des tensions de polarisation du noir diminuant en valeur absolue, lorsque l'on progresse vers le haut de l'écran.

Avantageusement, lorsque l'écran à cristaux liquides est équipé d'au moins un amplificateur fournissant une tension électrique de polarisation évoluant entre un seuil inférieur de niveau du blanc et un seuil supérieur de niveau du noir dans une plage de variation à dynamique constante, la variation des valeurs de tension de polarisation du noir en fonction de la zone de l'écran se fait en déplaçant la plage de variation à dynamique constante vers une gamme de tension d'autant plus faible en valeur absolue que l'angle sous lequel est vue la zone considéré est faible.

En partageant l'écran en petites zones et en ajustant la tension de polarisation du noir localement sur chacune de ces petites zones qui sont vues sous des cônes d'observation plus réduits que l'écran dans son ensemble, il est possible de tirer profit des particularités de localisation de ces zones dans l'écran pour améiiorer globalement la lisibilité de l'écran.

L'invention a également pour objet un dispositif de polarisation d'un écran à cristaux liquides comportant une contre-électrode sur une face et des électrodes à répartition matricielle sur l'autre face. Ce dispositif est pourvu d'un amplificateur engendrant une tension électrique de polarisation de référence pour la contre-électrode, d'amplificateurs engendrant des tensions électrique de polarisation de niveaux de gris allant du blanc au noir pour les électrodes à répartition matricielle et de moyens de commutation permettant d'appliquer les tensions électriques de polarisation de niveaux de gris aux différentes électrodes à répartition matricielle. II comporte en outre, un séquenceur assurant par l'intermédiaire des moyens de commutation un balayage par zones de l'écran à cristaux liquides et une mémoire partagée en domaines adressés par le séquenceur en synchronisme avec son balayage de zones, stockant dans chacun de ses domaines une valeur distincte pour la tension électrique de polarisation de référence de la contre-électrode et connectée en entrée de l'amplificateur engendrant la tension électrique de polarisation de référence de la contre-électrode.

Selon un mode de réalisation préféré, la mémoire stocke également dans ses domaines, des jeux distincts de valeurs de tensions électriques de polarisation correspondants à des échelles différentes de niveaux de gris de référence et est connectée en outre, en lecture de ses domaines, en entrées des amplificateurs engendrant les tensions électriques de polarisation des niveaux de gris pour les électrodes à répartition matricielle.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après d'un mode de réalisation donné à titre d'exemple. Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel
- une figure 1 est un diagramme explicitant l'évolution du coefficient de transmission d'un écran à cristaux liquides à polariseurs croisés en fonction de la tension de polarisation qui lui est appliquée,
- des figures 2 et 3 sont des réseaux de courbes ou conoscopes montrant la variation du rapport de contraste blanc/noir d'un écran à cristaux liquides en fonction de l'angle sous lequel il est vu, cela pour deux valeurs d'écart de tension entre la polarisation du niveau du blanc et celle du niveau du noir,
- des figures 4 et 5 sont des diagrammes explicitant les variations des niveaux de gris en fonction de l'angle sous lequel est vu l'écran à cristaux liquides, en restant dans un plan vertical et pour deux valeurs d'écart de tension entre la polarisation du niveau du blanc et celle du niveau du noir identiques à celles prises pour les figures 2 et 3, et
- une figure 6 est un schéma synoptique d'un dispositif de polarisation d'un écran à cristaux liquides mettant en oeuvre l'invention.

La figure l montre l'évolution du coefficient de transmission d'un écran à cristaux liquides nématiques en hélice d'angle égal à 900 et à polariseurs croisés.

En l'absence de champ électrique entre les deux plaques transparentes emprisonnant la mince couche de cristal liquide, les molécules de cristal liquide qui sont allongées, se placent parallèlement aux plaques transparentes et s'organisent, grâce à un traitement convenable des parois internes des plaques transparentes, selon des structures en hélice d'axe perpendiculaire aux deux plaques transparentes qui ont la propriété de faire tourner de 900 la polarisation de la lumière.

Comme les deux polariseurs sont croisés, cela permet à la lumière qui a traversé l'un des polariseurs de se retrouver avec la bonne direction de polarisation pour traverser l'autre polariseur. L'écran à cristaux liquides est alors dans son état transparent.

Dès que l'on commence à appliquer un champ électrique entre les deux plaques transparentes de l'écran à cristaux liquides,
I'organisation en hélice des molécules de cristal liquides se déforme, les molécules ayant une tendance de plus en plus prononcée, lorsque l'intensité du champ électrique augmente, à s'orienter dans le sens du champ électrique. Le cristal liquide perd progressivement son pouvoir rotatoire sur la polarisation de la lumière de sorte qu'il y a de moins en moins de lumière capable de traverser les deux polariseurs croisés. Cela se traduit sur la figure 1 par une chute progressive de la valeur du coefficient de transmission de l'écran à cristaux liquides avec l'augmentation de la tension de polarisation.

En résumé, de 0 volt à une tension Vb de basculement, la transmission reste maximale. Au delà, il y a une décroissance rapide de la transmission jusqu'à atteindre les niveaux de noir. Puis la transmission continue à décroître plus lentement en fonction de l'augmentation de la tension de polarisation.

Cette décroissance de la transmission en fonction du champ électrique de polarisation dépend beaucoup de l'angle sous lequel est vu l'écran de cristaux liquides. Elle faiblit lorsque l'angle sous lequel est vu l'écran de cristaux liquides augmente, en raison de la biréfringence des molécules de cristal liquide, ce phénomène s'accentuant lorsque les molécules de cristal liquide s'orientent perpendiculairement aux plaques transparentes, c'est à dire avec les tensions de polarisation élevées correspondant à des niveaux de noir. De ce fait, un écran à cristaux liquides présente de fortes inhomogénéités se manifestant par des défauts d'uniformité du noir et par des inversions de contraste dès que l'on s'écarte d'un angle de vue optimal.

Comme indiqué précédemment, les cellules à cristaux liquides actuelles ont souvent un cône d'observation sans perturbation de l'image à section en ailes de papillon, la lisibilité étant bonne depuis des points de vue situés le long des diagonales de l'écran et mauvaise depuis des points de vue décalés latéralement aussi bien horizontalement que verticalement. Comme cette forme de cône d'observation sans perturbation est peu pratique puisqu'elle n'autorise pas une observation de l'écran par côté, on a cherché à la modifier. Une façon de faire consiste à ajouter des films biréfringents entre les polariseurs et les plaques transparentes de la cellule à cristaux liquides. On réussit alors à obtenir un cône d'observation sans perturbation à section aplatie sur l'horizontal, ce qui correspond à une grande plage d'angle de vue horizontal et à une faible plage d'angle de vue vertical.

Les figures 2 et 3 représentent des réseaux de courbes ou conoscopes montrant la variation, en fonction de l'angle sous lequel il est vu, du rapport de contraste blanc/noir d'un écran à cristaux liquides à films correcteurs biréfringents du genre que l'on vient de mentionner. La figure 2 est tracée pour une valeur d'écart de tension de 5 volts entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir, et la figure 3, pour un écart de 6 volts entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir.

On remarque que les formes des deux conoscopes se ressemblent, le conoscope de la figures 3 étant cependant plus dilaté que celui de la figure 2, avec un angle optimal d'observation dans le plan vertical déplacé vers le haut d'approximativement 80. On en déduit donc qu'une augmentation de l'écart de tension entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir augmente le contraste, ce qui est, a priori, favorable pour la lisibilité de l'écran à cristaux liquides.

Pour apprécier l'amélioration apportée par une augmentation de l'écart de tension entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir avec ce type d'écran à cristaux liquides, il faut étudier la modification de son comportement lorsqu'il est observé selon un angle de vue variable dans le plan vertical. C'est l'objet des diagrammes des figures 4 et 5 qui représentent les variations des niveaux d'une échelle de gris en fonction de l'angle de vue dans le plan vertical, la figure 4 pour un écart de tension de 5 volts entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir, et la figure 5 pour un écart de tension de 6 volts entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir. Sur chaque figure, la plage de luminance blanc/noir a été partagée en une échelle de huit niveaux de gris : un niveau 0 correspondant au noir, cinq niveaux 1 à 6 correspondant à des gris de plus en plus clairs et un niveau 7 correspondant au blanc, équitablement répartis sur la figure 4.

On remarque, sur les figures 4 et 5 qu'il y a, dans une plage de plus ou moins 200 autour de l'angle de vue nul dans le plan vertical, une inversion des niveaux de gris sombre 0 à 3 pouvant nuire à la lisibilité des parties sombres de l'image. On voit de plus, en comparant les figures 4 et 5 que l'augmentation de l'écart de tension entre les polarisations des niveaux blanc et noir modifie la répartition des niveaux de l'échelle de gris et la rend moins régulière surtout pour les teintes sombres.

L'augmentation de contraste obtenue n'est pas régulière. Elle est donc à éviter chaque fois que cela est possible.

On déduit de l'étude des figures 2 à 5, qu'une augmentation de contraste est possible au moyen d'une augmentation de l'écart de tension entre les polarisation correspondant aux niveaux du blanc et du noir mais que cette augmentation de contraste apporte des distorsions surtout dans les parties sombres de l'image. Pour améliorer la lisibilité d'une image, il faut donc jouer sur le contraste avec circonspection.

On propose ici d'améliorer la lisibilité d'une image provenant d'un écran à cristaux liquides en réduisant la variation de contraste apparaissant entre les différentes zones de l'écran en raison des différences d'angle de vue sous lesquels elles se présentent. Pour ce faire, on joue sur l'écart de tension entre les polarisations correspondant aux niveaux du blanc et du noir, ou, ce qui revient au même sur la valeur de la tension de polarisation du niveau du noir en la modulant en fonction des zones considérées de l'écran.

Avec un écran à cristaux liquides du type précédent, équipé de films biréfringents, à cône d'observation sans perturbation à section aplatie sur l'horizontal et vu sous un angle vertical positif par un observateur, cette réduction de variation de contraste s'obtient en partageant l'écran en bandes horizontales et en affectant à chaque bande une valeur de tension de polarisation correspondant au niveau du noir, diminuant du bas en haut de l'écran. On arrive ainsi à réduire facilement la variation de contraste le long de l'écran, d'un facteur deux sans pour autant faire augmenter de façon significative les défauts d'inversion de contraste. En effet, ces défauts d'inversion de contraste apparaissent aux faibles angles de vue dans le plan vertical or on s'arrange pour agir d'autant moins sur le contraste que l'angle de vue est faible.

La figure 6 représente un dispositif de commande de la polarisation d'un écran à cristaux liquides 1 permettant de limiter la variation de contraste apparaissant entre le haut et le bas de l'écran à cristaux liquides, lorsque ce dernier a des dimensions telles que haut et bas ne sont pas vus sous le même angle par un observateur.

L'écran à cristaux liquides 1 se présente sous la forme habituelle d'un panneau avec, en face arrière, une contre-électrode transparente CE et, en face avant, un ensemble d'électrodes transparentes à répartition matricielle définissant chaque pixel de l'écran.

Les électrodes transparentes à répartition matricielle sont raccordées par des transistors commutateur à des conducteurs colonne cheminant entre les pixels et aboutissant aux sorties d'un banc d'amplificateurs colonne ou driver colonnes 2 fournissant les tensions de polarisation de niveaux de gris pour chaque colonne. Des conducteurs ligne cheminent également entre les pixels et distribuent les signaux de commandes à chaque ligne de transistors de commutation. Ils aboutissent aux sorties d'un banc d'amplificateurs ligne ou driver lignes 3. Un séquenceur de panneau 4 commande le banc d'amplificateurs ligne 3 de manière à balayer le panneau 1 de l'écran à cristaux liquides ligne par ligne et à fournir à chaque pixel de l'écran à cristaux liquides une tension alternative de polarisation comme cela est bien connu dans la technique des écrans à cristaux liquides.

La contre-électrode CE reçoit une tension électrique de référence de polarisation de l'écran à cristaux liquides 1 provenant d'un convertisseur numérique-analogique 5.

Le banc d'amplificateurs colonne 2 recoit d'une part, des niveaux de référence de gris allant du blanc au noir délivrés par un banc de huit convertisseurs numérique-analogique 6 et d'autre part, des informations N gris sur les niveaux de gris souhaités pour les différents pixels de la ligne en cours de balayage. Le banc de huit convertisseurs numérique-analogique 6 délivre un ensemble de huit tensions électriques étagées qui définissent, par rapport à la tension de référence de polarisation de la contre-électrode CE de l'écran à cristaux liquides 1 une échelle de huit niveaux de référence de gris allant du blanc au noir. Ces tensions électriques étagées permettent de disposer, en sorties du banc 2 des amplificateurs colonne, de soixante quatre nuances différentes de gris car les amplificateurs colonne du banc 2 sont pourvus en entrée d'un ensemble de commutateurs et de sommateurs commandés par une logique en fonction des informations N9,;, sur les niveaux de gris souhaités dans la ligne adressée. Les informations N,, sur les niveaux de gris souhaités pour les pixels d'une ligne de l'image sont extraites d'une mémoire d'image dont la lecture est synchronisée sur le séquenceur de panneau 4.

Les valeurs numériques des données fournies aux différents convertisseurs numérique-analogique 5, 6 sont lues en parallèle dans une mémoire EEPROM 7, leurs polarités étant modifiées, à volonté, dans un circuit 8 commandé par le séquenceur de panneau 4 pour inverser périodiquement les champs de polarisation et faire en sorte que la tension électrique moyenne appliquée localement en chaque endroit de l'écran à cristaux liquides soit nulle afin d'éviter des phénomènes néfastes d'électrolyse réduisant la durée de vie de l'écran à cristaux liquides.

La mémoire EEPROM 7 renferme une pluralité de zones de stockage contenant chacune Un jeu différent de valeurs pour la tension de référence de polarisation de la contre-électrode et les tensions de l'échelle des niveaux de référence de gris. Ces zones de stockage sont adressées par le séquenceur de panneau 4 en fonction de la ligne en cours de balayage de l'écran à cristaux liquides 1 de manière à faire dépendre le jeu de valeurs de tensions de polarisation pris en compte, de la position de la ligne en cours de balayage dans la hauteur de l'écran à cristaux liquides. Dans la pratique, I'adressage de la mémoire 7 se fait avec l'adressage ligne fournit par le séquenceur de panneau 4, amputé de ses digits de plus faibles poids de manière à partager l'écran de cristaux liquides en bandes horizontales ayant chacune leur propre jeu de valeurs de tensions de polarisation. Avec un écran à cristaux liquides de grandes dimensions observés selon un angle de vue positif dans le plan vertical conduisant à une vision de son bord haut sous un angle plus petit que son bord bas, on choisit, lorsque l'on balaye l'écran de bas en haut des jeux successifs de tensions de polarisation ayant une valeur de tension de référence de polarisation de la contre-électrode allant en diminuant en module.

En toute rigueur, il suffirait de limiter les jeux de valeurs de tension de polarisation à la seule valeur de la tension de polarisation de référence de la contre-électrode et de conserver les mêmes tensions de polarisation pour l'échelle des niveaux de référence de gris. On conserverait ainsi une dynamique constante à la plage de variation de la tension électrique de polarisation de l'écran à cristaux liquides définissant la gamme des gris allant du blanc au noir, tout en assurant son déplacement vers des tensions électriques plus ou moins élevées en fonction de la zone de l'écran à cristaux liquides balayée. Cependant, il est préférable de disposer de jeux de valeurs différents pour les tensions de polarisation de l'échelle des niveaux de référence de gris car on peut alors corriger les déformations de cette échelle entraînées par les changements de la valeur de la tension de polarisation de référence de la contre-électrode.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1.Procédé de polarisation d'un écran à cristaux liquides en fonction de son angle de vue caractérisé en ce qu'il consiste à partager la surface de l'écran à cristaux liquides en différentes zones et à appliquer à ces zones des tensions de polarisation du niveau du noir de différentes valeurs fonction des angles sous lesquels elles sont vues par un observateur cible.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le partage de la surface de l'écran à cristaux liquides se fait en bandes horizontales.

3. Procédé selon la revendication 2, appliqué à un écran à cristaux liquides vu par l'observateur cible sous un angle vertical positif, caractérisé en ce que les tensions de polarisation du niveau du noir appliquées aux dites bandes horizontales diminuent en valeur absolue lorsque l'on progresse vers le haut de l'écran.

4. Procédé selon la revendication 1, appliqué à un écran à cristaux liquides équipé d'au moins un amplificateur fournissant une tension électrique de polarisation évoluant entre un seuil inférieur de niveau du blanc et un seuil supérieur de niveau du noir dans une plage de variation à dynamique constante, caractérisé en ce que la variation des valeurs de tension de polarisation du noir en fonction de la zone de l'écran se fait en déplaçant la plage de variation à dynamique constante vers une gamme de tension d'autant plus faible en valeur absolue que l'angle sous lequel est vue la zone considéré est faible.

5. Procédé selon la revendication 4, appliqué à un écran à cristaux liquides comportant, sur une face, une contre-électrode destinée à recevoir un potentiel électrique de polarisation de référence et, sur l'autre face, des électrodes à répartition matricielle destinées à recevoir de la part desdits amplificateurs une tension électrique variable évoluant entre un seuil inférieur de niveau du blanc et un seuil supérieur de niveau du noir dans une plage de variation à dynamique constante, caractérisé en ce que le déplacement de ladite plage de variation à dynamique constante se fait, en jouant sur la valeur en module du potentiel électrique de polarisation de référence de la contre-électrode.

6. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, avec un écran à cristaux liquides comportant une contreélectrode CE sur une face, des électrodes à répartition matricielle sur l'autre face, un amplificateur (5) engendrant une tension électrique de polarisation de référence pour la contre-électrode, des amplificateurs (6, 2) engendrant des tensions électrique de polarisation de niveaux de gris allant du blanc au noir pour les électrodes à répartition matricielle, des moyens de commutation permettant d'appliquer les tensions électriques de polarisation de niveaux de gris aux différentes électrodes à répartition matricielle, caractérisé en ce qu'il comporte un séquenceur (4) assurant par l'intermédiaire des moyens de commutation un balayage par zones de l'écran à cristaux liquides et une mémoire (7) partagée en domaines adressés par le séquenceur (4) en synchronisme avec son balayage de zones, stockant dans chacun de ses domaines une valeur distincte pour la tension électrique de polarisation de référence de la contre-électrode et connectée en entrée de l'amplificateur (5) engendrant la tension électrique de polarisation de référence de la contre-électrode.

7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite mémoire (7) stocke également, dans ses domaines, des jeux distincts de valeurs de tensions électriques de polarisation correspondants à des échelles différentes de niveaux de gris de référence et est connectée en outre, eo lecture de ses domaines, en entrées des amplificateurs (6) engendrant les tensions électriques de polarisation des niveaux de gris pour les électrodes à répartition matricielle.