EP1299876B1

EP1299876B1 - Procede et dispositif de commande d'une source d'electrons a structure matricielle, avec regulation par la charge emise

Info

Publication number: EP1299876B1
Application number: EP01954091A
Authority: EP
Inventors: Pierre Nicolas; Denis Sarrasin
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2001-07-12
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2021-07-12
Also published as: WO2002007139A1; US7280088B2; JP4874500B2; JP2004504639A; FR2811799B1; DE60137425D1; EP1299876A1; FR2811799A1; US20040021623A1; ATE421134T1

Description

DOMAINE TECHNIQUE

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de commande d'une source d'électrons à structure matricielle.
On connaît diverses sources d'électrons ou dispositifs émetteurs d'électrons. Ces dispositifs connus reposent sur des principes physiques qui peuvent être très différents les uns des autres.
On connaît par exemple les cathodes chaudes, les cathodes photoémissives et les cathodes à micropointes à effet de champ (voir le document [1] qui, comme les autres documents cités par la suite, est mentionné à la fin de la présente description), les dispositifs à nanofissures à effet de champ (voir le document [2]) les sources planes d'électrons du type graphite ou carbone diamant (voir le document [3]) et les dispositifs appelés LED.
De telles sources d'électrons trouvent des applications principalement dans le domaine de la visualisation avec les écrans plats mais aussi dans d'autres domaines, par exemple l'instrumentation physique, les lasers et les sources d'émission de rayon X (voir le document [4]). Les exemples de l'invention qui seront donnés dans la suite sont limités au domaine de la visualisation, domaine qui est le plus vaste (il comprend les écrans plats).
Cependant, la présente invention n'est pas limitée à ce domaine et s'applique à tout dispositif utilisant une ou des sources d'électrons (et incluant le cas d'une matrice 1 ligne x 1 colonne) c'est le cas par exemple d'un écran monopixel en fonctionnement pulsé.
La figure 1 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un écran de visualisation qui utilise une source d'électrons à émission de champ 2.
L'écran de la figure 1 comprend aussi une anode 4 comprenant un conducteur d'anode 6.
La cathode, qui constitue la source d'électrons 2 est généralement commandée en tension. Sous l'influence de cette tension, elle émet un flux d'électrons 8.
Considérons le cas particulier d'un écran à micropointes qui est schématiquement et partiellement représenté en perspective sur la figure 2. Cet écran comprend une cathode comprenant un substrat 10, muni de conducteurs cathodiques 12 sur lesquels sont formées des micropointes 14, et des grilles 16 formées au-dessus des conducteurs cathodiques et pourvues de trous 18 en regard des micropointes. L'écran comprend aussi une anode comprenant un substrat 20 et un conducteur d'anode 22 qui se trouve en regard des grilles 16.
Revenons à la figure 1. On voit la source de tension 24 permettant d'appliquer la haute tension Va au conducteur d'anode 6. On voit aussi des moyens 26 de polarisation destinés à appliquer la tension V_g à la grille de la source d'électrons 2 et la tension V_c à la cathode de cette source. On note V_gc la tension de commande qui est égale à V_g-V_c. Des caractéristiques de cathode I_cath=f(V_gc) sont représentées sur la figure 3 (courbes I et II). On note V_th la tension de seuil. Pour une tension de commande Vo supérieure à Vth, la courbe I correspond à un courant de cathode Io tandis que la courbe II correspond à un courant Io-ΔI.
Les électrons émis par la source d'électrons sont accélérés et collectés par l'anode soumise à la haute tension V_a. Si l'on dépose une couche de matériau luminophore (en anglais "phosphor") 28 sur le conducteur d'anode 6 alors l'énergie cinétique des électrons est convertie en lumière.
Il est possible d'obtenir un écran d'affichage en organisant la structure de base de la figure 1 sous la forme d'une structure matricielle. Cette dernière doit permettre l'adressage de chaque pixel de l'écran et donc la commande de la luminance du pixel considéré (voir le document [5]).
Un écran à structure matricielle utilisant une source d'électrons à structure matricielle 30 est schématiquement représenté sur la figure 4. Chaque pixel de la source d'électrons 30 est défini par l'intersection d'une électrode de ligne et d'une électrode de colonne de cette source. On note L₁, L₂ ...L_i ... L_n les électrodes de ligne de cette source et les électrodes de colonne de la source sont notées C₁, C₂ ... C_j ... C_m. L'écran de la figure 4 comprend un générateur 34 de balayage des lignes. Ce générateur est muni d'une source 36 de tension V_lns et d'une source 38 de tension V_ls. On note V_li la tension de commande de la ligne L_i. L'écran comprend aussi des moyens 40 de génération des tensions de commande des colonnes. On note V_cj la tension de commande de la colonne C_j.
Plus précisément on affecte un circuit de commande à chaque ligne et à chaque colonne de l'écran et on effectue un adressage une ligne à la fois pendant un temps t_lig. Les lignes sont donc portées séquentiellement à un potentiel V_ls appelé potentiel de sélection de ligne tandis que les colonnes sont portées à un potentiel correspondant à l'information à afficher. Pendant ce temps t_lig les lignes non sélectionnées sont portées à un potentiel V_lns tel que les tensions présentes sur les colonnes n'affectent pas l'affichage sur ces lignes. Pour obtenir des niveaux de gris, on peut agir sur la valeur des tensions de commande V_li-V_cj ou sur leur durée t_com, cette durée devant rester inférieure ou égale à t_lig.
D'autres procédés de commande sont possibles. On connaît par exemple le procédé de commande utilisant des charges électriques, plus simplement appelé "procédé de commande en charge" (voir le document [6]). On connaît aussi un procédé de commande utilisant un courant, plus simplement appelé "procédé de commande en courant" (voir le document [7]).
On s'intéresse dans ce qui suit aux différents procédés de commande et, plus particulièrement, au procédé de commande en charge.

ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE

Les trois procédés de commande mentionnés ci-dessus n'apportent pas de solution totalement satisfaisante pour la commande de source d'électrons à structure matricielle. On a généralement besoin d'obtenir une émission électronique uniforme et quantifiée qui soit en même temps réalisable sans contrainte technique majeure.
La commande en tension dans ces différents procédés d'obtention de niveau de gris est largement utilisée car elle est facile à mettre en oeuvre. Cela suppose toutefois que la réponse électrique de la source d'électrons soit à la fois stable et uniforme. Mais ces conditions de stabilité et d'uniformité sont difficiles à atteindre dans les sources d'électrons à structure matricielle connues. En effet, une exigence élevée d'uniformité pour un écran conduit à des taux de rejet qui peuvent être importants. De même, on est confronté à des problèmes de vieillissement différentiel qui, en détruisant l'uniformité des sources en fonction de l'usage plus ou moins répété de telle ou telle zone de la source, nuisent à leur durée de vie réelle.
Une commande en courant peut sembler résoudre ce problème car on est alors amené à injecter un courant et donc une quantité déterminée d'électrons. Un tel principe est effectivement valable en régime statique. En revanche, dès que l'on veut faire varier rapidement le courant de la source d'électron, on est confronté à un problème de charge capacitive. En effet, une électrode de colonne s'apparente à un condensateur par rapport aux lignes que cette colonne croise et le courant nécessaire à la charge rapide de ce condensateur s'avère supérieur, de plusieurs ordres de grandeur, au courant d'émission.
A titre d'exemple, dans un écran à micropointes ayant une définition de 1/4 VGA et une surface valant environ 1 dm², la capacité d'une colonne par rapport aux lignes C_col vaut environ 400 pF. Si l'on veut "allumer" c'est-à-dire exciter un pixel, on fait passer le courant de ce pixel d'une valeur quasiment nulle jusqu'à une valeur d'environ 10 µA et, pour ce faire, on augmente la tension ligne-colonne d'environ 40 V. Si la commutation doit se faire en 1 µs (temps qui est à comparer à un temps de ligne de 60 µs), le courant capacitif s'élève à :
I=C_col.dV/dt c'est-à-dire environ à 16 mA.
Le courant capacitif est ainsi 1000 fois plus grand que le courant d'émission que l'on veut régler. On comprend qu'une telle méthode ne soit pas adaptée à la commande rapide d'une source à structure matricielle.
Pour résoudre le problème précédent, une commande en charge a déjà été proposée (voir le document [6]). La figure 5 illustre schématiquement un écran de visualisation comprenant une source d'électrons à structure matricielle utilisant une commande en charge. L'écran connu de la figure 5 ne diffère de celui de la figure 4 que par les moyens d'application des tensions de commande aux colonnes de la source de l'écran. Dans le cas de la figure 5, les moyens 42 d'application d'une tension de commande à une colonne, par exemple la colonne C_j, comprennent un bloc logique 44, qui reçoit en entrée un signal de synchro ligne E1, et un comparateur 46, qui reçoit en entrée une valeur de consigne A1 et qui est relié au bloc logique 44 comme on le voit sur la figure 5. Les moyens d'application de tension 42 comprennent aussi un étage de sortie à trois états 48 qui est également relié au bloc logique 44 et reçoit des tensions respectivement notées V_c-on et V_c-off de la part de sources de tension non représentées. L'étage de sortie à trois états et le comparateur sont reliés à la colonne correspondante de la source d'électrons (C_j dans l'exemple considéré)
Dans le cas de la commande en charge, on pré-charge le conducteur de colonne considéré pour assurer l'émission des sources (V_c-on). Puis on ouvre le circuit pour laisser le condensateur de la colonne se décharger sur son impédance interne, jusqu'à ce que le potentiel flottant V_cj atteigne la valeur A1 de consigne correspondant à la quantité d'électrons souhaitée. On ramène alors la colonne au potentiel d'extinction (V_c-off). Une telle façon de faire semble parfaite mais suppose l'utilisation de composants également parfaits et la mise en oeuvre d'une telle méthode s'avère difficile.
En effet on a vu plus haut qu'une électrode de colonne s'apparentait à un condensateur par rapport aux lignes de la source à structure matricielle mais il existe également des courants de fuite qui circulent entre la colonne considérée et les lignes et ces courants varient avec la différence de potentiel entre ces électrodes. De ce fait, lorsqu'on ouvre le circuit, la chute de tension ne dépend pas du seul courant d'émission mais également de courants de fuite qui varient eux-mêmes en fonction de cette chute.
Plus précisément, cette évolution du potentiel est requise pour mesurer la charge prélevée dans la capacité propre de la colonne mais cette variation pose un problème. En effet, pendant le temps t_lig chacune des colonnes va fuir par rapport à la ligne sélectionnée mais aussi par rapport à l'ensemble des lignes non sélectionnées. Pour simplifier, on suppose que ce défaut s'apparente à une résistance de fuite R_lc identique pour tous les pixels. Cette valeur représente l'impédance de fuite ligne/colonne pour une ligne et une colonne quelconques. Pour une colonne et pendant le temps d'émission, ce courant de fuite I_f s'exprime de la façon suivante : $I_{f} = I_{f (ls)} + I_{f (lns)} = (V_{ls} - V_{cj} (t)) / R_{1 c} + (n - 1) . (V_{lns} - V_{cj} (t)) / R_{lc}$

Avec :

I_f= Courant de fuite d'une colonne par rapport à toutes les lignes
I_f(_ls)= Courant de fuite d'une colonne par rapport à la ligne sélectionnée
I_f(_lns)= Courant de fuite d'une colonne par rapport aux lignes non sélectionnées
V_ls= Potentiel appliqué à la ligne sélectionnée
V_lns= Potentiel appliqué aux lignes non sélectionnées
V_cj(t)= Potentiel flottant de la colonne j pendant le temps d'émission
n= Nombre de lignes.

Pour simplifier, on peut prendre V_lns égal à OV et, sachant que V_cj(t) est très inférieur à V_ls, on a alors : $I_{f} = I_{f (ls)} + I_{f (lns)} peu différent de (V_{ls} - R_{lc}) - (n - 1) . (V_{cj} (t) / R_{lc})$
Cela impose de sévères contraintes sur les valeurs R_lc des différentes colonnes de l'écran. Soit les courants de fuite sont négligeables (ce qui correspond à des valeurs R_lc élevées) soit ils ne le sont pas complètement et il faut alors assurer au minimum une très bonne homogénéité de ces résistances R_lc.
On voit aussi qu'un seul pixel défectueux du point de vue de R_lc impose sa fuite à l'ensemble de la colonne considérée, par l'intermédiaire du terme (n-1) de la formule donnée ci-dessus.
Dans l'exemple considéré, la chute de tension de colonne due à l'émission vaut :

ΔV_cj = I.t_lig/C_col, de sorte que, avec I=10 µA, t_lig=50 µs et C_col=400pF, on obtient ΔV_cj=1,25V.

On rappelle que cette variation ΔV_cj doit être comparée à la valeur de consigne A1. Cette variation de la tension ΔV_cj dépend de la valeur de la capacité de la colonne, ce qui ramène des variables technologiques de l'écran (liées aux dimensions de cet écran) dans les paramètres de conception du circuit de commande. Pour sa mise en oeuvre, on voit aussi que le comparateur 46 se trouve au niveau de l'étage de sortie de l'ensemble formant les moyens de génération des tensions de commande des colonnes. Cela signifie que ce comparateur doit soit supporter la dynamique de tension nécessaire à la commande des colonnes (environ 40 V) soit pouvoir s'isoler de cette sortie par un étage supplémentaire.

EXPOSÉ DE L'INVENTION

La présente invention a pour but de remédier aux divers inconvénients précédents.
Elle a pour objet un procédé de commande d'une source d'électrons à structure matricielle, cette source comprenant au moins une ligne et au moins une colonne d'adressage, dont l'intersection définit une ou des zones émissives appelées pixels et où les électrons sont fournis par la colonne, ce procédé étant un procédé séquentiel caractérisé en ce que :

dans un premier temps, on déclenche l'émission des électrons par application de potentiels sur la ligne sélectionnée et la ou les colonnes à une vapeur apte à permettre cette émission puis on maintient le potentiel de la ou des colonnes à cette valeur pendant toute la durée de l'émission alors que, simultanément, la mesure de la quantité de charges émises par le ou les pixels respectivement de ladite ou desdites colonnes est assurée dans la ou les colonnes, et
dans un deuxième temps, lorsque la quantité de charges mesurée sur une colonne atteint une quantité de charges requise, on commute le potentiel de cette colonne à une valeur qui assure le blocage de l'émission des électrons.

Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé objet de l'invention, la valeur apte à permettre l'émission, est égale au potentiel de la ou des lignes non adressées.
L'invention a également pour objet un dispositif de commande d'une source d'électrons à structure matricielle, cette source comprenant au moins une ligne et au moins une colonne d'adressage dont chaque intersection définit une zone appelée pixel et où les électrons sont fournis par la colonne, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :

des moyens de commande de la ou des lignes d'adressage, prévus pour appliquer sur la ligne sélectionnée un potentiel de sélection, et pour laisser, en dehors du temps de sélection, la ou les lignes à un potentiel assurant le blocage de l'émission des pixels correspondants,
des moyens de commande de la ou des colonnes, ces moyens de commande comprenant, pour chaque colonne, des moyens d'application, lors d'une sélection ligne, soit d'une première tension assurant l'émission soit d'une deuxième tension assurant le blocage sur ladite colonne,
des moyens permettant à la fois la mesure, dans la ou les colonnes, de la quantité de charges émise durant l'émission et le maintien constant de la tension assurant l'émission sur ladite colonne pendant cette mesure, et
des moyens de comparaison de la quantité de charges mesurée à une quantité de charges de référence, avec rétroaction sur les moyens de commande des colonnes.

Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens de conversion de la quantité de charge déjà émise en un niveau de tension. Le dispositif objet de l'invention peut comprendre en outre des moyens de compensation de courants de fuites résiduels.
Ce dispositif peut aussi comprendre des moyens de compensation de couplages capacitifs inter-colonnes.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS

La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels :

■ la figure 1 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un écran d'affichage utilisant un dispositif à émission de champ et a déjà été décrite,
■ la figure 2 illustre schématiquement la structure d'un écran à micropointes et a déjà été décrite,
■ la figure 3 montre les caractéristiques I_cath = f(V_gc) dans le cas d'un écran à micropointes du genre triode et a déjà été décrite,
■ la figure 4 illustre schématiquement un écran d'affichage utilisant un dispositif à émission de champ à structure matricielle et a déjà été décrite,
■ la figure 5 est une vue schématique d'un dispositif connu de commande d'une source d'électrons à structure matricielle et a déjà été décrite,
■ la figure 6 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention,
■ la figure 7 illustre schématiquement un exemple de dispositif de commande d'une colonne dans un dispositif conforme à l'invention,
■ la figure 8 est un chronogramme des différentes tensions utilisées dans le dispositif de la figure 7,
■ la figure 9 illustre schématiquement une variante de la figure 7,
■ la figure 10 illustre schématiquement un exemple d'un dispositif de commande d'une colonne avec compensation du courant de fuite, dans un dispositif conforme à l'invention,
■ la figure 11 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne avec filtrage par diodes des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes, conformément à l'invention,
■ la figure 12 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne avec filtrage par transistors des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes, conformément à l'invention, et
■ la figure 13 illustre schématiquement un exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne avec compensation analogique des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes, conformément à l'invention.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS

La technique de commande en charge, qui a été décrite plus haut et qui est également mentionnée dans le document [6], pose donc le problème principal de l'évolution du potentiel des colonnes commandées.
Considérons en effet l'expression du courant de fuite I_fuite que l'on a vue précédemment : $I_{fuite} = I_{fuite ls} + I_{fuite lns} = (V_{ls} - V_{cj - on} (t)) / R_{1 c} + (n - 1) \times (V_{lns} - V_{cj - on} (t)) / R_{lc}$
Cette expression met clairement en évidence la composante de courant de fuite par rapport à la ligne sélectionnée et la composante de courant de fuite par rapport aux (n-1) lignes non sélectionnées. La première de ces composantes est inévitable puisqu'elle est liée au principe même de balayage de l'écran. La deuxième de ces composantes peut être annulée à condition que v_cj(t) et V_lns soit tous deux égaux à une même constante.
La présente invention propose un circuit de commande qui fonctionne dans ces conditions.
On a vu plus haut les différents blocs fonctionnels nécessaires à la commande en charge dans l'art antérieur (document [6]) en liaison avec la figure 5. Les différents blocs fonctionnels d'un dispositif conforme à l'invention sont schématiquement représentés sur la figure 6. Sur cette figure 6, la référence 50 représente les moyens de commande d'une colonne de l'écran (C_j). Ces moyens de commande 50 comprennent, comme on le voit, une logique de commande 52, un comparateur 54, un intégrateur de courant avec contrôle de V_col et un étage de sortie 58.
Dans cet exemple de l'invention, on réalise chronologiquement les fonctions suivantes. On initialise le pixel de cette colonne C_j en émission (V_cj = V_c-on) à l'aide de l'étage de sortie 58. On intègre le courant fournit par les émetteurs tout en maintenant le potentiel de colonne stable à la valeur V_c-on. Pour ce faire, on utilise un bloc fonctionnel qui sera décrit dans la suite. On obtient ainsi en A2 (voir figure 6) une tension qui est proportionnelle à la charge émise. On coupe l'émission du pixel (V_cj = V_c-off) par l'étage de sortie 58 lorsque la charge requise, choisie par une valeur de consigne externe A1, a été fournie. Dans ce mode de fonctionnement et pendant l'émission du pixel considéré l'équation (1) devient l'équation (2) : $I_{fuite} = I_{fuite ls} + I_{fuite lns} = (V_{ls} - V_{cj - on} (t) / R_{1 c} + (n - 1) \times (V_{lns} - V_{cj - on} (t) / R_{lc}$
La tension de colonne est devenue fixe et V_cj-on (t) et V_c-on sont tous deux égaux à une même valeur constante. On peut alors annuler le terme de fuite par rapport aux (n-1) lignes en choisissant V_c-on égal à V_lns. Par souci de simplification, on définit ces deux potentiels comme étant égaux à la référence de masse de l'ensemble du dispositif. On obtient alors : $I_{fuite} = I_{fuite ls} = V_{ls} / R_{1 c}$
On aperçoit immédiatement l'intérêt du procédé de commande utilisé dans cet exemple de l'invention puisque, même s'il reste un courant de fuite, ce dernier ne dépend plus que du pixel adressé et non plus des (n-1) autres pixels non adressés de la même colonne. En d'autres termes le procédé d'adressage utilisé dans cet exemple de l'invention permet, pour un même écran (en termes de résistance R_lc), une meilleure qualité d'image.
Dans ces conditions, une compensation de ce courant résiduel est possible car, la tension V_ls étant fixe, ce courant est constant. On peut donc injecter, sur chaque colonne et pendant chaque temps de ligne, le courant de signe opposé.
L'invention concerne donc un procédé séquentiel de commande d'une source d'électrons qui permet :

le maintien, pendant toute la durée de l'émission, du potentiel des colonnes égal à celui des lignes non adressées ainsi que la mesure simultanée de la quantité de charges émisses par les pixels de ces colonnes,
le retour de ce potentiel de colonne à un niveau assurant le blocage de l'émission lorsque la quantité de charge mesurée atteint une quantité de charge requise.

On considère maintenant un exemple de dispositif de commande d'une colonne, conformément à l'invention, qui est représenté sur la figure 7.
Ce dispositif de commande 60 comprend un étage de sortie 62 du genre push-pull, un montage intégrateur de courant 64 et un comparateur 66.
L'étage de sortie 62 permet de commuter, sur l'électrode de colonne (C_j), soit la tension d'alimentation V_c-off correspondant au niveau d'extinction du pixel soit l'entrée du montage intégrateur 64 qui impose par sa masse virtuelle le niveau V_c-on (le mettant au potentiel des lignes non sélectionnées). L'étage de sortie 62 comprend de façon connue des moyens 68 de translation de niveau logique et deux transistors MOSFET 70 et 72, le transistor 70 étant de type P et le transistor 72 de type N, ces moyens 68 et ces transistors étant agencés comme on le voit sur la figure 7.
Le montage intégrateur 64 comprend un amplificateur 74 qui est bouclé sur un condensateur 76 de capacité C_int qui est lui-même monté en parallèle avec un interrupteur commandé SW1, la sortie A2 de cet amplificateur étant reliée à l'entrée (-) du comparateur 66.
L'interrupteur commandé permet de ramener à zéro le potentiel A2 en début de chaque ligne.
L'entrée (+)du comparateur est reliée à une tension de consigne A1 correspondant à la quantité de charges à émettre. Dans la présente invention, cette tension de consigne peut être fournie par divers moyens qui dépendent de l'application souhaitée de l'invention. Dans l'exemple représenté sur la figure 7, on utilise un convertisseur numérique analogique CDA qui reçoit en entrée une donnée numérique DN de tension de consigne et dont la sortie fournit le potentiel de consigne A1.
La sortie S2 du montage comparateur constitue la commande de l'étage de sortie push-pull permettant ainsi le bouclage du dispositif.
Le signal S1 (correspondant au début du temps qui est alloué à une ligne), suivant une chronologie qui sera décrite dans la suite, commande l'interrupteur SW1. On voit que la logique de commande 52, qui fournit S1, commande aussi un circuit de commande de ligne PL non représenté.
La figure 8 représente le diagramme temporel des différentes tensions au sein du dispositif, lors d'un cycle d'adressage ligne. Le cycle (voir la figure 8 partie A) démarre au temps t₀, par le top de début du signal S1 (voir la figure 8 partie B) déclenchant la montée de S2 (voir la figure 8 partie C) qui, par l'étage de sortie, fait passer la colonne V_cj à V_c-on (masse virtuelle). Après un temps permettant à V_cj de s'établir à la tension V_c-on(temps t_on), le signal S1 passe au niveau bas pour ouvrir l'interrupteur SW1, ce qui débute l'intégration de courant dans C_int. Pour déclencher l'émission, V_Li passe de son potentiel V_lns (défini comme étant la masse du montage) au potentiel de sélection V_ls, l'ensemble U1 et C_int se charge alors en A2 (voir la figure 8 partie D), selon la loi : $A 2 = - I_{x} t / C_{int} .$
Lorsque le potentiel A2 atteint le potentiel de consigne A1, le comparateur U2 bascule sur sa sortie S2 (descente de S2), ce qui, par l'étage de sortie, impose le retour de V_cj à V_c-off (voir la figure 8 partie E), à l'instant t=t_off tel que : $Q = I . (t_{off} - t_{on}) = C_{int} \times A 1 .$
On voit donc que le dispositif décrit permet de délivrer au pixel considéré une charge contrôlée par la consigne fournie A1, et ce sans variation de la tension appliquée sur la colonne, pendant le temps d'émission.
On notera que l'on fait basculer le potentiel ligne V_Li vers le potentiel de sélection V_ls, après l'établissement du potentiel de la colonne (V_cj), de manière à réduire la capacité à charger uniquement à celle du pixel considéré. Le courant capacitif dans la colonne sera donc minimisé.
Si le potentiel V_Li augmente avant t_on, le courant d'émission s'établit avant le début de l'intégration (et les charges correspondantes ne sont donc pas mesurées). Si V_Li monte pendant ou après le début de l'intégration (t_on), les charges correspondant au courant capacitif de pixel sont mesurées et se traduisent par un décalage (offset) initial de tension sur A2. Une légère différence de phase, entre la montée de V_Li et le front descendant de S1, peut donc être ajustée pour adopter le meilleur compromis selon l'application.
Pour éviter de commuter inutilement à V_c-on une colonne devant afficher du noir, on notera que ce niveau peut être géré directement par la logique de commande en maintenant au niveau bas le signal S1 de la colonne correspondante.
Un autre exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne conformément à l'invention est schématiquement représenté sur la figure 9. Il s'agit d'une variante de la figure 7.
En résumé, le système précédent (figure 7) convertit la quantité de charge déjà émise en un niveau de tension, ce qui permet de faire basculer le pilotage de l'étage de commande de la colonne au moment t_off où la quantité de charge (Q_ref) de consigne est atteinte.
On peut obtenir un résultat similaire en utilisant un montage de type convertisseur courant-tension CCT. Le courant (I_j) étant stable pendant le temps ligne, la mesure instantanée de ce courant, associée à un circuit CCN de calcul numérique ou analogique, permet de calculer, dès le début du temps ligne, le temps t_off de basculement de la colonne, temps tel que t_off = Q_ref/I_j.
Cette solution est représentée en figure 9. Sur cette figure, l'interrupteur SW2 permet d'évacuer directement à la masse les courants hors instant de mesure. En effet, lors des commutations lignes/colonnes, de forts courants capacitifs pourraient perturber le convertisseur courant tension CCT.
On voit sur la figure 9 que le convertisseur CCT comprend l'amplificateur 74 déjà utilisé dans l'exemple de la figure 7 mais associé, dans le cas de la figure 9, à une résistance R montée entre l'entrée (-) et la sortie de l'amplificateur 74.
On voit en outre que le circuit CCN reçoit des données numériques ou analogiques de moyens appropriés DNA.
On considère maintenant la compensation des courants de fuites résiduels.
Pour injecter, sur chaque colonne et pendant chaque temps de ligne, un courant de compensation de signe opposé à I_{fuite ls}, il suffit de connecter une source de courant à l'entrée de mesure de l'intégrateur (voir les figures 6 et 7). Celle-ci peut par exemple être constituée d'un transistor monté en générateur de courant ou d'une résistance R_comp commandée par un générateur de tension ajustable GT, comme on le voit sur la figure 10.
On considère maintenant un autre aspect de l'invention, relatif à la compensation des couplages capacitifs inter-colonnes.
Lors de la commutation du potentiel d'une colonne quelconque j de V_c-on à V_c-off, on induit sur les colonnes voisines (j-1) et (j+1) une charge parasite Q_par=C_par. (C_par (V_c-on-V_c-off), C_par étant la capacité de couplage intercolonnes. Si les colonnes (j-1) ou j+1) se trouvent à cet instant, être toujours en émission, cette charge Q_par sera alors mesurée par les intégrateurs situés sur ces colonnes, faussant ainsi la mesure de la charge émise par les pixels desdites colonnes. Cette charge Q_par étant constante pour un format d'écran donné, plusieurs solutions sont possibles pour résoudre ce problème. Ces solutions sont combinables entre elles pour atteindre les spécifications de nombre de niveaux de gris que l'on désire. Mises à part les améliorations technologiques visant à diminuer la capacité C_par, deux grandes classes sont envisageables :

I) Eviter que la charge Q_par ne soit mesurée par l'intégrateur de charge, ce qui requiert des solutions de filtrage analogique, solutions à mettre en oeuvre en amont de ce même intégrateur :
- La figure 11 présente un exemple de filtrage par diodes des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes. Cette solution est une solution asynchrone, qui se fonde sur des diodes de commutation rapides, répondant beaucoup plus vite que l'intégrateur. En d'autres termes, on joue sur le fait que les variations des courants capacitifs sont rapides par rapport à celles du courant d'émission, variations pratiquement nulles en régime établi pendant le temps ligne. Dans le même état d'esprit, on pourra chercher à mettre en oeuvre des filtres analogiques ou logiques, filtres servant à discriminer les courants d'émission des courants capacitifs parasites.

Dans l'exemple de la figure 11, on utilise deux diodes de filtrage DF1 et DF2 pour filtrer les charges parasites dues aux capacités inter-colonnes.
La figure 12 fournit un autre exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne avec filtrage, cette fois par transistors, des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes. Cette solution est de type synchrone. La sortie du comparateur est cette fois revalidée par la logique pour fournir S2 à des instants précis. Les instants de commutation des colonnes de V_c-on à V_c-off, sont désormais fixés. On peut donc de manière synchrone, éviter que les courants capacitifs associés à cette consommation ne soient intégrés dans la mesure de charges. Dans l'exemple de la figure 12, il suffit de fermer SW2 et d'ouvrir SW3 en synchronisme avec S2, et ce pour l'ensemble des colonnes. Après un temps minimum nécessaire à "l'évacuation" des courants capacitifs (si la ou les colonnes voisines ont commuté), on retourne au mode de mesure standard en commutant à SW2 ouvert et SW3 fermé. La fréquence (F_sw) de fonctionnement des interrupteurs SW2, SW3, devra être suffisamment rapide pour être compatible avec le nombre de niveaux de gris désirés (N_gris). On devra respecter la condition suivant F_sw>N_gris. F_ligne, F_ligne étant la fréquence d'adressage des lignes de l'écran.
II) Compenser cette charge Q_par (puisque c'est une charge fixe), ce qui permet de mettre en oeuvre des solutions de type analogique ou numérique en aval de l'intégrateur :

La figure 13 présente un exemple de réalisation d'un dispositif de commande d'une colonne avec compensation analogique des charges parasites dues aux capacités inter-colonnes des colonnes voisines. On voit que, pour une colonne quelconque j, les signaux de commutation, à V_c-off, des colonnes j-1 et j+1 permettent de réajuster, à l'aide d'un additionneur, le niveau de consigne A1 d'une quantité V_par= (Q_par) /Cint. De manière évidente, on peut effectuer cette addition de façon numérique en amont du convertisseur numérique analogique CDA.

Dans l'exemple de la figure 13, l'additionneur a la référence ADD. Les signaux de commutation des colonnes j-1 et j+1 ont respectivement les références S2_j-1 et S2_j+1.
On voit que ces signaux commandent des commutateurs respectifs SW_j et SW_j+1 qui sont reliés à l'additionneur ADD comme on l'a représenté sur la figure 13.
On donne ci-après divers avantages apportés par l'invention.
La méthode de commande proposée dans cette invention consiste en résumé en une commande de colonne à tension constante, de type modulation de largeur d'impulsion (PWM pour Pulse Width Modulation), largeur contrôlée par la charge émise. Un tel circuit de commande de colonne, dont on vient de donner un exemple de réalisation apporte divers avantages :

une limitation des courants de fuites des colonnes, à ceux de la seule ligne adressée, ce qui, pour un même écran, permet d'obtenir une meilleure qualité d'image en terme d'uniformité,
une stabilisation sur le temps ligne de ce courant de fuite résiduelle, courant qui devient indépendant de la quantité de charges que l'on veut faire émettre par le pixel considéré,
toujours pour ce courant de fuite, son effet dans le circuit intégrateur de courant devient linéaire avec le temps, ce qui pourra simplifier d'éventuelles compensations de ce courant de fuite,
contrairement à la commande en charge de l'art antérieur, ce mode de commande maintient une tension de colonne constante pendant l'émission, ce qui permet de rester au maximum de l'émission du pixel considéré, et donc pour un temps ligne donné, au maximum de brillance,
le circuit de commande proposé est « indépendant » des caractéristiques technologiques et dimensionnelles de l'écran
le circuit de commande découple totalement, en ce qui concerne les tensions, les fonctions de mesure de la charge émise (intégrateur plus comparateur), de celles de l'étage de sortie. On peut par exemple imaginer des fonctions de mesure fonctionnant sous 5 volts, pendant que les potentiels des colonnes commutés par l'étage de sortie valent plusieurs dizaines de volts.

Les documents qui sont mentionnés dans la présente description sont les suivants :

[1] Ecrans fluorescents à micropointes, R. Baptist, L'onde électrique, Novembre-décembre 1991, vol.71, n°6, pp 36-42
[2] Flat panel displays based on surface-conduction electron emitters, K. Sakai et al., Proceedings of the 16th international display research conférence, ref.18.3L., pp 569-572
[3] Carbon nanotube FED elements, S. Uemura et al., SID 1998 Digest, pp 1052-1055
[4] Récent progress in field emitter array development for high performance applications, Dorota Temple, Materials science & engineering, vol.R24, n°5, Janvier 1999, pp 185-239
[5] Microtips displays adressing, T. Leroux et al., SID 91 Digest, pp 437-439
[6] FR 2632436 A , Procédé d'adressage d'un écran matriciel fluorescent à micropointes, Invention de J-F Clerc et A. Ghis, correspondant à EP 0345148 A et aussi à US 5138308 A
[7] US 5359256 A , Regulatable field emitter device and method of production thereof, H.F. Gray.

Revenons sur la présente invention. On connaît des circuits de commande en charge pour faire fonctionner des sources d'électrons, par les documents WO 96 05589 et US 6020864 . Ces circuits permettent d'appliquer des tensions sur les lignes et les colonnes d'une source matricielle afin de permettre l'émission des électrons et de mesurer la quantité de charge émise pour la comparer à une valeur de consigne.
La différence fondamentale entre ces techniques connues et la présente invention tient au fait que, dans ces techniques connues, la mesure de la charge a lieu "côté anode" où s'établit la haute tension (quelques kV) alors que dans l'invention elle est réalisée "côté cathode" c'est-à-dire du côté de la basse tension (quelques dizaines de volts) et, de plus, simultanément avec l'émission.
Or, la mesure de la charge se fait en général sur une résistance et provoque une variation de tension de l'ordre de 1V compte tenu des autres grandeurs impliquées. Cette tension de mesure vient perturber le circuit d'alimentation : dans l'art antérieur, la variation de 1 volt par rapport aux kV appliqués provoque une erreur négligeable. Dans l'invention, l'erreur deviendrait très grande (un volt par rapport à quelque dizaines de volts) et absolument inacceptable.
Les techniques de mesure divulguées dans les documents ci-dessus mentionnés sont donc inexploitables "côté cathode". Le problème ainsi posé est résolu par la présente invention.

Claims

Procédé de commande d'une source d'électrons à structure matricielle, cette source comprenant au moins une ligne et au moins une colonne d'adressage, dont l'intersection définit une ou des zones émissives appelées pixels et où les électrons sont fournis par la colonne, ce procédé étant un procédé séquentiel, caractérisé en ce que :
- dans un premier temps, on déclenche l'émission des électrons par application de potentiels sur la ligne sélectionnée et la ou les colonnes à une valeur apte à permettre cette émission puis on maintient le potentiel de la ou des colonnes à cette valeur pendant toute la durée de l'émission alors que, simultanément, la mesure de la quantité de charges émises par le ou les pixels respectivement de ladite ou desdites colonnes est assurée dans la ou les colonnes, et

- dans un deuxième temps, lorsque la quantité de charges mesurées sur une colonne atteint une quantité de charges requise, on commute le potentiel de cette colonne à une valeur qui assure le blocage de l'émission des électrons.
Procédé selon la revendication 1, dans lequel ladite valeur est égale au potentiel de la ou des lignes non-adressées.
Dispositif de commande d'une source d'électrons à structure matricielle, cette source comprenant au moins une ligne et au moins une colonne d'adressage dont chaque intersection définit une zone appelée pixel et où les électrons sont fournis par la colonne, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend :
- des moyens de commande de la ou des lignes d'adressage, prévus pour appliquer sur la ligne sélectionnée un potentiel de sélection, et pour laisser en dehors du temps de sélection, la ou les lignes à un potentiel assurant le blocage de l'émission des pixels correspondants,

- des moyens de commande de la ou des colonnes, ces moyens de commande comprenant, pour chaque colonne, des moyens d'application, lors d'une sélection ligne, soit d'une première tension assurant l'émission soit d'une deuxième tension assurant le blocage sur ladite colonne,

- des moyens permettant à la fois la mesure, dans la ou les colonnes, de la quantité de charges émise durant l'émission et le maintien constant de la tension assurant l'émission sur ladite colonne pendant cette mesure, et

- des moyens de comparaison de la quantité de charges mesurée à une quantité de charges de référence, avec rétroaction sur les moyens de commande des colonnes.
Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens de conversion de la quantité de charge déjà émise en un niveau de tension.
Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens de compensation de courants de fuites résiduels.
Dispositif selon la revendication 3, comprenant en outre des moyens de compensation de couplages capacitifs inter-colonnes.