Worldlex Wiki Le rétroéclairage est un système d'éclairage utilisé dans les écrans à cristaux liquides (LCD) qui fournit de la lumière par l'arrière ou le côté de la dalle. Les écrans LCD ne produisent pas de lumière par eux-mêmes ; ils nécessitent donc un éclairage, qu'il provienne de la lumière ambiante ou d'une source lumineuse dédiée, pour afficher une image. Le rétroéclairage est couramment utilisé dans les smartphones , les écrans d'ordinateur et les téléviseurs LCD . Il est également utilisé dans les petits écrans, comme ceux des montres-bracelets , pour améliorer la lisibilité en conditions de faible luminosité.
Les sources lumineuses typiques pour les rétroéclairages comprennent les diodes électroluminescentes (DEL) et les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL).
Les écrans LCD simples, comme ceux des calculatrices de poche , sont dépourvus de source de lumière interne et dépendent d'une source lumineuse externe pour afficher l'image. Cependant, la plupart des écrans LCD sont conçus avec une source de lumière interne. Ces écrans sont composés de plusieurs couches, le rétroéclairage étant généralement la première couche située à l'arrière.
Les valves optiques régulent la quantité de lumière atteignant l'œil en bloquant son passage de manière spécifique. La plupart des écrans LCD utilisent une combinaison d'un filtre polarisant fixe et d'un filtre commutable pour bloquer la lumière indésirable.
De nombreux types d'écrans autres que les écrans LCD génèrent leur propre lumière et ne nécessitent pas de rétroéclairage, par exemple les écrans OLED , les écrans à tube cathodique (CRT) et les écrans plasma (PDP).
Une technologie similaire est appelée éclairage frontal , qui illumine un écran LCD par l'avant.
Un aperçu de certains des premiers systèmes de rétroéclairage pour écrans LCD est présenté dans un rapport intitulé Engineering and Technology History par Peter J. Wild .
diodes électroluminescentes (DEL)Un projecteur ELP émet une lumière uniforme sur toute sa surface, mais d'autres rétroéclairages utilisent fréquemment un diffuseur pour fournir un éclairage uniforme à partir d'une source irrégulière.
Les écrans à rétroéclairage existent en de nombreuses couleurs. Les écrans LCD monochromes sont généralement dotés d' un rétroéclairage jaune , vert , bleu ou blanc , tandis que les écrans couleur utilisent un rétroéclairage blanc qui couvre la majeure partie du spectre des couleurs .
Usage
Le rétroéclairage LED couleur est principalement utilisé dans les petits écrans LCD économiques. Le rétroéclairage LED blanc tend à devenir dominant. Le rétroéclairage ELP est souvent employé pour les grands écrans ou lorsque l'uniformité du rétroéclairage est primordiale ; il peut également être couleur ou blanc. Une LED ELP nécessite une alimentation en alternatif relativement élevée , fournie par un onduleur . Les rétroéclairages CCFL sont utilisés sur les grands écrans, tels que les moniteurs d'ordinateur, et sont généralement blancs ; ils requièrent également un onduleur et un diffuseur. Le rétroéclairage incandescent était utilisé par les premiers écrans LCD pour atteindre une luminosité élevée , mais la durée de vie limitée et la chaleur excessive dégagée par les ampoules incandescentes constituaient des limitations importantes. La chaleur générée par ces ampoules exigeait généralement de les éloigner de l'écran pour éviter tout dommage. Depuis 2021, des écrans à cristaux liquides utilisant des milliers, voire plus de 10 000 mini-LED comme rétroéclairage, ont fait leur apparition pour atteindre une luminosité supérieure à 1 000 nits.
Rétroéclairage CCFL
Pendant plusieurs années (jusqu'en 2010 environ), le rétroéclairage privilégié des grands écrans LCD à adressage matriciel, comme ceux des moniteurs et des téléviseurs, était assuré par une lampe fluorescente à cathode froide (CCFL). Cette lampe pouvait être placée soit par deux CCFL sur les bords opposés de l'écran, soit par une matrice de CCFL située derrière celui-ci (voir l'illustration d'une matrice de 18 CCFL pour un téléviseur LCD de 40 pouces). En raison de ses inconvénients par rapport à l'éclairage LED (tension et puissance requises plus élevées, épaisseur de l'écran accrue, absence de commutation à haute vitesse, vieillissement plus rapide), le rétroéclairage LED gagne en popularité.NTSC .
rétroéclairage LED
Le rétroéclairage LED des écrans couleur se décline en deux types : les LED blanches et les LED RGB. Les LED blanches sont les plus fréquemment utilisées dans les ordinateurs portables et les écrans de bureau, et constituent la quasi-totalité des écrans LCD mobiles. Une LED blanche est généralement une LED bleue associée à un phosphore jaune à large spectre , ce qui permet d'émettre de la lumière blanche. Cependant, comme sa courbe spectrale présente un pic dans le jaune, elle correspond mal aux pics de transmission des filtres de couleur rouge et vert de l'écran LCD. Cela provoque un décalage des primaires rouge et verte vers le jaune, réduisant ainsi la gamme de couleurs de l'écran. Les LED RGB sont composées d' une LED rouge, d'une LED bleue et d'une LED verte , et peuvent être contrôlées pour produire différentes températures de couleur du blanc. On trouve des LED RGB pour le rétroéclairage dans des écrans de contrôle couleur haut de gamme tels que le moniteur HP DreamColor LP2480zx ou certains ordinateurs portables HP EliteBook , ainsi que dans des écrans grand public plus récents, comme les ordinateurs portables de la gamme Dell Studio, qui proposent un écran LED RGB en option.
Les LED RVB peuvent offrir une gamme de couleurs extrêmement étendue aux écrans. Lorsqu'on utilise trois LED distinctes ( synthèse additive des couleurs ), le rétroéclairage peut produire un spectre de couleurs très proche de celui des filtres colorés des pixels LCD . Ainsi, la bande passante des filtres peut être réduite, de sorte que chaque composante de couleur ne laisse passer qu'une bande spectrale très étroite à travers l'écran LCD. Cela améliore l'efficacité de l'affichage, car moins de lumière est bloquée lors de l'affichage du blanc. Les points de coupure du rouge, du vert et du bleu peuvent être décalés, ce qui permet à l'écran de reproduire des couleurs plus vives.
Une méthode permettant d'améliorer encore la gamme de couleurs des écrans LCD rétroéclairés par LED repose sur l'utilisation de LED bleues (telles que les LED au nitrure de gallium (GaN)) qui illuminent une couche de phosphores nanocristallins, appelés points quantiques (PQ). Ces points quantiques convertissent les longueurs d'onde bleues en longueurs d'onde plus longues, sous forme de couleurs vertes et rouges à bande passante étroite, pour un éclairage optimal de l'écran LCD par l'arrière. Le fabricant, Nanosys , affirme que la couleur émise par les points peut être ajustée avec précision en contrôlant la taille des nanocristaux. D'autres entreprises développent cette méthode, notamment Nanoco Group PLC (Royaume-Uni), 3M (titulaire d'une licence de Nanosys) et Avantama ( Suisse) . Sony a adapté la technologie des points quantiques de la société américaine QD Vision pour lancer en 2013 des téléviseurs LCD dotés d'un rétroéclairage LED latéral amélioré, commercialisé sous le nom de Triluminos. Grâce à une LED bleue et à des nanocristaux optimisés pour les couleurs verte et rouge placés en amont, la lumière blanche résultante offre une gamme de couleurs équivalente, voire supérieure, à celle émise par un ensemble plus coûteux de trois LED RVB. Lors du CES 2015, plusieurs entreprises, dont Samsung Electronics , LG Electronics et le chinois TCL Corporation , ont présenté des téléviseurs LCD à rétroéclairage LED amélioré par points quantiques.
L'utilisation de rétroéclairages LED présente plusieurs défis. L'uniformité est difficile à obtenir, notamment en raison du vieillissement des LED, chaque LED vieillissant à un rythme différent. L'utilisation de trois sources lumineuses distinctes pour le rouge, le vert et le bleu implique que le point blanc de l'écran peut varier en fonction du vieillissement des LED ; les LED blanches sont particulièrement sensibles à ce phénomène, avec des variations de température de couleur de plusieurs centaines de kelvins . Elles subissent un décalage vers le bleu à haute température, variant de 3 141 K à 3 222 K entre 10 °C et 80 °C. L'efficacité énergétique peut également poser problème ; les écrans de première génération pouvaient consommer davantage d'énergie que leurs homologues CCFL, même s'il est possible de concevoir des écrans LED plus économes en énergie. En 2010, les écrans LED de dernière génération offraient des avantages significatifs en matière de consommation d'énergie. Par exemple, la version non LED de l' écran grand public Benq G2420HDB de 24 pouces a une consommation de 49 W contre 24 W pour la version LED du même écran ( G2420HDBL ).
Pour surmonter les difficultés mentionnées précédemment avec les rétroéclairages LED RGB et blancs, NDF Special Light Products a développé une technologie LED à « phosphore distant avancé » , spécifiquement conçue pour les applications LCD haut de gamme et longue durée de vie, telles que les écrans de cockpit , les écrans de contrôle aérien et les écrans médicaux. Cette technologie utilise des LED bleues de pompage associées à une feuille sur laquelle sont imprimés des matériaux luminescents phosphorescents pour la conversion des couleurs. Le principe est similaire à celui des points quantiques, mais les phosphores utilisés sont beaucoup plus robustes que les nanoparticules de points quantiques, ce qui est essentiel pour les applications exigeant une longue durée de vie dans des conditions d'utilisation plus difficiles. La feuille de phosphore étant placée à distance de la LED, elle subit des contraintes thermiques bien moindres que les phosphores des LED blanches. Par conséquent, le point blanc est moins dépendant des LED individuelles et de leur dégradation au fil du temps, ce qui permet d'obtenir un rétroéclairage plus homogène, une meilleure constance des couleurs et une dépréciation lumineuse réduite.
L'utilisation du rétroéclairage LED dans les ordinateurs portables est en constante augmentation. Sony utilise cette technologie dans certains de ses ordinateurs portables VAIO haut de gamme et ultra-fins depuis 2005, et Fujitsu a lancé des ordinateurs portables équipés de cette technologie en 2006. En 2007, Asus , Dell et Apple ont intégré le rétroéclairage LED à certains de leurs modèles. écran Apple Cinema Display de 24 pouces. Un an plus tard , la firme lançait un nouvel iMac à LED , ce qui signifiait que tous les nouveaux écrans d'ordinateurs Apple étaient désormais rétroéclairés par LED. Presque tous les ordinateurs portables au format 16:9 sortis depuis septembre 2009 utilisent des dalles à rétroéclairage LED. C'est également le cas de la plupart des téléviseurs LCD, commercialisés dans certains pays sous l'appellation trompeuse de « téléviseur LED » , bien que l'image soit toujours générée par une dalle LCD.
La plupart des rétroéclairages LED pour écrans LCD sont de type « edge-light » , c'est-à-dire que plusieurs LED sont placées sur les bords d'un guide d'ondes (plaque de guidage de lumière, LGP), qui distribue la lumière derrière la dalle LCD. Cette technique présente l'avantage d'offrir des écrans plats très fins et un faible coût. Une version plus onéreuse, appelée rétroéclairage direct ou « full-array », est constituée de nombreuses LED placées derrière la dalle LCD (une matrice de LED), permettant ainsi d'éclairer uniformément de grands écrans. La gradation locale « full-array » est souvent abrégée en « FALD ». Ce système permet une gradation locale pour obtenir des pixels noirs plus ou moins foncés selon l'image affichée.
atténuation du rétroéclairage
Le rétroéclairage LED est souvent contrôlé dynamiquement à l'aide des informations vidéo (contrôle dynamique du rétroéclairage ou rétroéclairage LED à « gradation locale » dynamique, également commercialisé sous le nom de HDR, télévision à plage dynamique élevée, inventé par les chercheurs de Philips Douglas Stanton, Martinus Stroomer et Adrianus de Vaan ).
Grâce à la modulation de largeur d'impulsion (PWM, une technologie où l'intensité des LED est maintenue constante, mais où la luminosité est ajustée en faisant varier l'intervalle de temps entre les clignotements de ces sources lumineuses à intensité constante ), le rétroéclairage est atténué jusqu'à la couleur la plus lumineuse affichée à l'écran, tout en augmentant simultanément le contraste de l'écran LCD au maximum.
Si la fréquence de la modulation de largeur d'impulsion est trop basse ou si l'utilisateur est très sensible au scintillement, cela peut provoquer une gêne et une fatigue oculaire, similaires au scintillement des écrans cathodiques . L'utilisateur peut le vérifier en agitant simplement la main ou un objet devant l'écran. Si l'objet présente des contours nets lorsqu'il se déplace, le rétroéclairage clignote à une fréquence relativement basse. Si l'objet apparaît flou, soit le rétroéclairage est allumé en permanence, soit il fonctionne à une fréquence supérieure à celle perceptible par le cerveau. Le scintillement peut être réduit ou éliminé en réglant la luminosité de l'écran au maximum, mais cela peut nuire à la qualité d'image et à l'autonomie de la batterie en raison d'une consommation d'énergie accrue.
Diffuseurs
Pour qu'un rétroéclairage non ELP produise un éclairage uniforme, essentiel pour les écrans, la lumière traverse d'abord un guide de lumière (plaque de guidage de lumière, LGP) : une couche de plastique spécialement conçue qui diffuse la lumière à travers une série de micro-protubérances irrégulièrement espacées. La densité de ces micro-protubérances augmente à mesure qu'on s'éloigne de la source lumineuse, selon une équation de diffusion . La lumière diffusée se propage ensuite de part et d'autre du diffuseur ; la face avant est orientée vers la dalle LCD, tandis que la face arrière comporte un réflecteur qui renvoie la lumière autrement perdue vers la dalle LCD. Ce réflecteur est parfois constitué d' une feuille d'aluminium ou d'une simple surface pigmentée en blanc.
polariseurs réfléchissants
Les systèmes de rétroéclairage LCD sont rendus très efficaces grâce à l'application de films optiques, tels que des structures prismatiques, pour orienter la lumière vers l'utilisateur, et de films polarisants réfléchissants qui recyclent la lumière polarisée précédemment absorbée par le premier polariseur de l'écran LCD (inventé par les chercheurs de Philips Adrianus de Vaan et Paulus Schaareman) . Ce procédé est généralement réalisé à l'aide de films DBEF, fabriqués et fournis par 3M . Ces polariseurs sont constitués d'un empilement de films biréfringents à orientation uniaxiale qui réfléchissent le mode de polarisation de la lumière précédemment absorbé . De tels polariseurs réfléchissants, utilisant des cristaux liquides polymérisés à orientation uniaxiale (polymères biréfringents ou colle biréfringente), ont été inventés en 1989 par les chercheurs de Philips Dirk Broer, Adrianus de Vaan et Joerg Brambring. La combinaison de tels polariseurs réfléchissants et du contrôle dynamique du rétroéclairage LED rend les téléviseurs LCD actuels bien plus efficaces que les téléviseurs à tube cathodique, ce qui permet une économie d'énergie mondiale de 600 TWh (2017), soit 10 % de la consommation d'électricité de tous les ménages du monde ou deux fois la production d'énergie de toutes les cellules solaires du monde.
Consommation d'énergie
L'évolution des normes énergétiques et les attentes croissantes du public en matière de consommation d'énergie ont rendu nécessaire la gestion de la consommation des systèmes de rétroéclairage. À l'instar d'autres produits électroniques grand public (par exemple, les réfrigérateurs ou les ampoules), des catégories de consommation d'énergie sont imposées aux téléviseurs. Des normes relatives à la puissance des téléviseurs ont été introduites, notamment aux États-Unis, dans l'Union européenne et en Australie , ainsi qu'en Chine. De plus, une étude de 2008 a montré qu'en Europe, la consommation d'énergie est l'un des critères les plus importants pour les consommateurs lors du choix d'un téléviseur, au même titre que la taille de l'écran.