En coulisse

Semaine spéciale rétro-ingénierie : « Hein ? C'est juste des bandes de LED »

Je ne suis pas du genre à ménager mes efforts pour vous expliquer le fonctionnement du rétroéclairage sur un téléviseur LCD. Je suis même capable de démonter la TV si nécessaire. Et c'est ce qui s'est passé lors de la préparation de cet article de rétro-ingénierie.

Cette semaine, le démonteur qui est en moi reprend du service et s'attaque à une TV LCD. Objectif de l'exercice, mieux comprendre et mieux expliquer ce qu'il est parfois difficile d'exprimer seulement avec des mots. C'est aussi beaucoup plus amusant... Avez-vous déjà eu l'occasion de voir l'intérieur d'appareils électroniques coûteux et d'apprendre quelque chose à leur sujet ?

Dans notre cas aujourd'hui, l'appareil en question est un téléviseur.

Nous dévissons une TV.
Nous dévissons une TV.

Comment fonctionne un téléviseur ? Pour faire court, c'est un boîtier noir avec une façade en verre, la dalle. À l'intérieur se trouvent des millions de petites cellules, les pixels, qui reçoivent des informations du processeur concernant ce qu'elles doivent représenter. Les pixels sont éclairés par des LED, c'est le rétroéclairage. L'ensemble forme une image.

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Dans cet article, je vais tenter de vous expliquer pourquoi le rétroéclairage est beaucoup plus important qu'on ne le pense lors de l'interaction entre le pixel, le processeur et le rétroéclairage dans les téléviseurs LCD.

Et c'est parti !

Alimentation, carte mère et... carte graphique ?

Je trépigne d'impatience, les téléviseurs sont extrêmement fascinants, mais aussi complexes. Je n'ai encore jamais eu l'occasion d'en ouvrir un et ne sais donc pas exactement où se trouvent les LED du rétroéclairage. Le mystère sera bientôt résolu. Voilà comment je compte m'y prendre : je commence par enlever le couvercle au dos de la télé. Et j'improvise la suite. D'une manière ou d'une autre, je trouverai le moyen de me frayer un chemin jusqu'au rétroéclairage.

Comme les grands, je dévisse.
Comme les grands, je dévisse.

Avant toute chose, les présentations, je dévisse un Sony XG9005,, un téléviseur doté du full array local dimming, c'est-à-dire la technologie de rétroéclairage qui donne la meilleure image. Mais j'y reviendrai... D'abord, je démonte le couvercle vis par vis.

Premier aperçu, quatre circuits imprimés : En orange, l'alimentation électrique. Deux processeurs TV se trouvent sur le circuit vert.
Premier aperçu, quatre circuits imprimés : En orange, l'alimentation électrique. Deux processeurs TV se trouvent sur le circuit vert.

Sous le couvercle, se cachent deux grands et deux petits circuits imprimés. Le circuit orange accueille le bloc d'alimentation de la TV.

En exclusivité, zoom sur l'alimentation.
En exclusivité, zoom sur l'alimentation.

La gros circuit vert est la carte mère. Le cerveau, pour ainsi dire. On y trouve deux processeurs TV, qui permettent notamment d'atténuer les bruits d'image, de lisser les bords et d'intensifier les couleurs. Les processeurs peuvent également mettre les contenus HD à l'échelle en ajoutant les pixels manquants pour la résolution UHD.

Tout aussi importants sont les processeurs du système d'exploitation Smart TV, qui doivent fonctionner de façon fluide et répondre rapidement aux commandes.

Deux dissipateurs thermiques évitent que les processeurs ne surchauffent.
Deux dissipateurs thermiques évitent que les processeurs ne surchauffent.

Des câbles plats partent de la carte mère et vont jusqu'aux deux petits circuits imprimés. Mon collègue Kevin, expert en informatique s'il en est, m'aide à découvrir leur utilité.

Les petits circuits imprimés se trouvent au milieu, entre l'alimentation et la carte mère.
Les petits circuits imprimés se trouvent au milieu, entre l'alimentation et la carte mère.

Le circuit imprimé du bas fonctionne comme une carte graphique : il reçoit les informations d'image traitées par la carte mère, les traite à son tour et transmet ensuite les nouvelles informations aux pixels de l'écran LCD. Les câbles ruban noirs permettent de transférer rapidement les gros paquets de données de la carte mère à l'écran LCD via la « carte graphique ».

La « carte graphique » : c'est là que les informations de la carte mère sont traitées puis envoyées à la dalle LCD via le panneau arrière.
La « carte graphique » : c'est là que les informations de la carte mère sont traitées puis envoyées à la dalle LCD via le panneau arrière.

Le circuit imprimé du haut est également connecté à la carte mère à l'aide de câbles ruban, ces derniers sont cependant moins larges et offrent donc moins de bande passante pour les données. Rien d’étonnant à cela : les informations à transmettre sont moins complexes et ne font qu'indiquer des commandes au système de rétroéclairage pour produire l'image. Autrement dit, c'est ici qu'est déterminé le comportement du rétroéclairage afin d'allumer et éteindre les fameuses LED.

LED que je cherche toujours, après tout, on démonte une TV simplement pour les voir...

Les informations provenant de la carte mère arrive par la droite. Les câbles ruban en haut servent à transmettre l'information aux LED.
Les informations provenant de la carte mère arrive par la droite. Les câbles ruban en haut servent à transmettre l'information aux LED.

Mon problème : j'ai retiré le couvercle et dévissé les circuits imprimés, mais je ne trouve pas d'autres vis, ni aucun moyen de retirer le panneau arrière.

Mince...

À la recherche des vis... Comment vais-je pouvoir continuer ?
À la recherche des vis... Comment vais-je pouvoir continuer ?

Une chose est sûre, je ne compte pas abandonner. Je dois essayer par l'autre côté.

Adieu panneau de verre

J'essaie d'abord de retirer le cadre en aluminium, afin de pouvoir ensuite retirer le panneau de verre. Ça ne devrait pas être si compliqué, non ?

Eh bien si.

Ce truc doit être collé ou fixé sur la dalle LCD d'une autre manière.

Ça aurait été trop facile : retirer le cadre et le verre pour libérer la dalle. C'est mission impossible.
Ça aurait été trop facile : retirer le cadre et le verre pour libérer la dalle. C'est mission impossible.

Je ne lâche pas l'affaire. J'arrive finalement à enlever la partie supérieure du cadre en aluminium. Cela suffit pour retirer le panneau de verre. Je dois employer la force, mais le temps presse. Le tournage doit avoir lieu aujourd'hui. Et c'est déjà la fin de l'après-midi.

Il n'y a pas de retour en arrière, je dois finir.

Bien, bien : la minutie est de mise.
Bien, bien : la minutie est de mise.

Avancée : le verre est parti. Je peux désormais retirer les différents filtres de diffusion. Ce sont des films qui intensifient le rétroéclairage et le répartissent uniformément sur toute la surface du téléviseur.

Les LED devraient être proches...

Plusieurs filtres assurent un éclairage homogène. Vous avez peut-être déjà vu ce procédé en photographie.
Plusieurs filtres assurent un éclairage homogène. Vous avez peut-être déjà vu ce procédé en photographie.

Enfin ! Voilà le rétroéclairage LED.

Premier aperçu du rétroéclairage.
Premier aperçu du rétroéclairage.

Un film de protection blanc se trouve sur les LED. Je le retire aussitôt.

Sous le film protecteur blanc se trouvent les bandes de LED.
Sous le film protecteur blanc se trouvent les bandes de LED.

Et voilà : les fameuses bandes LED. À première vue, on les croirait juste sortie du magasin. Un peu comme des Hue Lightstrips de Philips.

En haut et en bas, les bandes LED Sony. Au milieu, une bande LED Philips.
En haut et en bas, les bandes LED Sony. Au milieu, une bande LED Philips.

Puis je découvre les câbles ruban. Ils viennent de l'autre côté de la dalle, du petit circuit imprimé vert en haut. Petit rappel : ce circuit traite les informations provenant de la carte mère et détermine quand la LED doit s'allumer.

Chaque bande LED est connectée via un câble ruban et le circuit imprimé à la carte mère au dos du téléviseur.
Chaque bande LED est connectée via un câble ruban et le circuit imprimé à la carte mère au dos du téléviseur.

Je compte 90 « dômes LED » en tout. Chaque dôme abrite trois LED. Le téléviseur Sony dispose donc de 270 LED au total.

Et leur mission n'est pas des moindres.

les téléviseurs LCD et le « vrai » noir

Un téléviseur LCD se compose de pixels répartis sur un quadrillage, la grille de pixels. Le nombre de pixels contenus dans la grille dépend de la définition. Pour les téléviseurs UHD, on compte plus de huit millions de pixels, généralement répartis sur un format 16:9. Autrement dit, 3840×2160 pixels au total.

L'image ci-dessus contient 165 pixels. Sur un téléviseur UHD, on en compte 8,294 millions. Je ne pouvais pas faire une illustration plus précise, désolé.
L'image ci-dessus contient 165 pixels. Sur un téléviseur UHD, on en compte 8,294 millions. Je ne pouvais pas faire une illustration plus précise, désolé.

Le contraste représente la différence maximale entre le pixel le plus clair et le plus sombre de l'écran. Pour simplifier, on peut dire que plus un pixel est clair, mieux c'est. Cela permet d'obtenir une gamme de nuances beaucoup plus étendue entre le clair et le foncé.

La luminosité d'un pixel dépend du rétroéclairage. Paradoxalement, cela influence aussi la profondeur du noir le plus sombre qu'on puisse obtenir. Il est technologiquement impossible aux téléviseurs LCD d'afficher du noir.

En tout cas, pas de « véritable » noir.

Imaginez : l'image est composée de points lumineux sur fond sombre. Idéalement, il faudrait que seuls les pixels représentant ces points lumineux s'allument, les autres pixels restant éteints. Comme des petites lampes. Tout ce que l'on verrait autour des points lumineux serait noir.

Scène de Jurassic World 2 : En haut à gauche, les spots très lumineux. Tout autour, l'obscurité totale, du moins en théorie.
Scène de Jurassic World 2 : En haut à gauche, les spots très lumineux. Tout autour, l'obscurité totale, du moins en théorie.

Si chacun des huit millions de pixels disposait de sa propre LED, il ne serait pas difficile de les allumer et de les éteindre avec une précision extrême. Mais pour les huit millions de pixels de la TV, il y a tout juste quelques centaines de LED. Dans le cas de la XG9005 de Sony, 270 lampes. Cela conduit à des regroupements : Une LED éclaire plusieurs pixels en même temps.

Dans notre scénario avec les spots, on se retrouve donc avec des pixels qui devraient être noirs, mais qui sont néanmoins éclairés par la LED qui se trouve derrière. Pour s'assurer que ces pixels s'affichent toujours en noir, des cristaux de lumière et des filtres de polarisation isolent le pixel de la lumière émise par la LED.

Et voilà : du noir.

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En théorie, tout roule. Seul hic, dans la pratique, ça ne fonctionne pas si bien. Un rayon de lumière, aussi infime soit-il, arrive toujours à traverser le pixel. En résulte un pixel d'un gris certes très foncé, mais pas noir.

C'est ce que je veux dire quand je parle du noir de l'écran LCD, qui n'est pas du « vrai » noir.

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Pour le contraste, ça n'est pas idéal. Les fabricants de téléviseurs LCD essaient donc d'améliorer la luminosité maximale et la profondeur du noir de deux façons :

  1. par l'architecture du rétroéclairage ;
  2. avec des technologies de dimming.

Intéressons-nous à ces solutions.

1. L'architecture du rétroéclairage, ou la disposition des LED

La disposition du rétroéclairage influence la luminosité maximale et détermine la précision avec laquelle cette luminosité peut être contrôlée pour chaque pixel. Il existe généralement trois architectures différentes pour les téléviseurs LCD.

  1. Direct LED : quelques LEDs, disposées grossièrement derrière le LCD ;
  2. Edge LED : les LED sont disposées le long des bordures d'écran ;
  3. Full Array LED : de nombreuses LED sont réparties sur toute la surface de l'écran.

Les téléviseurs LCD bon marché sont équipés d'un éclairage direct LED, appelé « LED de base » sur la boutique en ligne digitec. La production de tels téléviseurs est moins onéreuse, car seules quelques bandes avec peu de LED sont disposées derrière le panneau. Cela suffit pour éclairer tous les pixels, mais ces TV ne sont pas très lumineuses.

Direct LED
Direct LED
Illustration : Sven Mathis

La production de téléviseurs Edge LED est un peu plus coûteuse. Les LEDs sont installées dans le cadre, d'où la désignation « Edge » (bordure en anglais). Le nombre de LED est plus important sur ces écrans, ce qui permet d'obtenir des images plus lumineuses.

Les LED de bord sont généralement situées au-dessus et en dessous ou à gauche et à droite de l'écran
Les LED de bord sont généralement situées au-dessus et en dessous ou à gauche et à droite de l'écran
Illustration : Sven Mathis

Le meilleur rétroéclairage est fourni par les LED Full Array. Tout comme les Direct LED, les diodes électroluminescentes sont situées directement derrière l'écran LCD. La différence réside dans le nombre de LED, qui oscille entre 100 et 500 selon les fabricants et modèles.

En fait, lors de l'IFA de cette année à Berlin, on m'a montré des panneaux à matrice complète avec jusqu'à mille LED.j'ai pu voir des dalles full array avec jusqu'à mille diodes.

Sur notre télévision, nous avons compté un total d'environ 90 dômes de trois LED chacun. Ce qui fait 270 diodes électroluminescentes au total.
Sur notre télévision, nous avons compté un total d'environ 90 dômes de trois LED chacun. Ce qui fait 270 diodes électroluminescentes au total.

En bref : Plus la couverture des LED est complète, meilleure est la luminosité maximale et la possibilité de déterminer la luminosité par pixel et les valeurs de contraste associées. Le full array offre la plus grande couverture LED. Les Edge LED, bien qu'uniquement réparties sur les bords, offrent la deuxième plus grande couverture. Le Direct LED finissent bonnes dernières.

2. Les technologies de dimming, ou comment créer du « presque noir »

La technologie de dimming affecte l'obscurité maximale. Petit rappel : les pixels LCD qui sont censés afficher du noir bloquent le rétroéclairage. Cependant, jamais à cent pour cent, c'est pourquoi les pixels ont tendance à être plutôt gris foncé. L'objectif est cependant d'obtenir du noir. Il existe pour cela trois technologies de dimming :

  1. le dimming ;
  2. le local dimming ;
  3. le full array local dimming.

Avec cette technologie, les LED atténuent le rétroéclairage lorsque l'image est sombre. Ainsi, les pixels LCD peuvent mieux bloquer la lumière. Le gris foncé est plus proche du noir, mais les zones de l'image qui sont censées briller en souffrent beaucoup. Comme dans notre exemple d'un spot lumineux sur fond obscur. C'est pourquoi le dimming n'est utilisé que sur les téléviseurs LCD bon marché.

Le local dimming s'en sort bien mieux. On retrouve cette technologie sur les téléviseurs avec Edge LED. Les LED émettent de la lumière près des zones claires de l'image, alors qu'elle s'atténuent ou s'éteignent complètement sur les zones sombres de l'image. Mais les Edge LED éclairent depuis les bords de l'écran, cela peut provoquer des lignes lumineuses qui ressortent sur un fond sombre.

Le local dimming avec Edge LED.
Le local dimming avec Edge LED.
Illustration : Sven Mathis

La meilleure combinaison est le full array pour le rétroéclairage avec le local dimming. On parle de full array local dimming (FALD). Les LED sont contrôlées avec précision, elles sont atténuées ou éteintes localement : Alors que les pixels représentant le spot brillent de mille feux, les zones l'entourant restent sombres.

Full Array Local Dimming : la crème de la crème.
Full Array Local Dimming : la crème de la crème.
Illustration : Sven Mathis

On retiendra alors que plus il y a de LED dans l'architecture full array, plus les zones de dimming sont possibles. Et plus il y a de zones, plus l'éclairage des différents pixels est précis. En fonction des modèles full array, il peut y avoir plusieurs dizaines de zones,

voire des centaines.

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Vivre des aventures et faire du sport dans la nature et me pousser jusqu’à ce que les battements du cœur deviennent mon rythme – voilà ma zone de confort. Je profite aussi des moments de calme avec un bon livre sur des intrigues dangereuses et des assassins de roi. Parfois, je m’exalte de musiques de film durant plusieurs minutes. Cela est certainement dû à ma passion pour le cinéma. Ce que j’ai toujours voulu dire: «Je s’appelle Groot.» 


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