CN1072271A

CN1072271A - 电光器件的驱动法

Info

Publication number: CN1072271A
Application number: CN92111624A
Authority: CN
Inventors: 山崎舜平; 广木正明; 竹村保彦
Original assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Current assignee: Semiconductor Energy Laboratory Co Ltd
Priority date: 1991-10-08
Filing date: 1992-10-08
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2007-10-08
Also published as: CN1052544C; JPH05100630A; KR930008706A; JP2639764B2; TW222691B; US6215466B1; KR960003961B1

Abstract

为使用电光器件进行分级显示，配备了一个分级显示系统，该系统可由数字信号加以控制，不易受到各元件之间特性变化的影响，且能进行高等级的显示。在有源矩阵式电光器件中，通过控制加到各象元电极上的电压脉冲的时间和幅度，在图象的一个帧形成具有多个电压值和脉冲宽度的复合脉冲，从而使一个图象帧的平均有效电压可取任意值，进而最终在液晶上显示出中间色调。

Description

本发明涉及电光显示器件中供高级显示用的一种显示方法，该显示器件由多个排列成矩阵且具有诸如液晶显示器、等离子体显示器、真空微电子显示器等之类的驱动开关元件的象元构成。

最近，各种办公室自动化设备趋向于微型化，这使传统的阴极射线管（CRT）都要由诸如等离子体显示器、液晶显示器等之类的薄型显示器（平板显示器）所取代。此外，还有人研究一种真空微电子显示器，该显示器中的各微型真空管由一个场发射阴极和一个栅极构成，各真空管排列成矩阵，图象则通过电子束从矩阵阵列投射到荧光材料上显示出来。在所有上述的显示器件中，图象的显示操作是通过控制待加到矩阵阵列各交叉点上的电压进行的。

就是说，液晶显示器中的电场改变所发射的光量或散射光量，等离子体显示器中的电场使各电极之间产生放电，真空微电子显示器中的场发射效应使阴极发射出电子。

这些矩阵式显示器最简单的一种为有一对彼此对置着的基片，各基片上纵横配置着一条条的布线，在布线之间加上电压，于是任何交叉的纵横布线之间的间隙就有电压产生。这一种叫做简单矩阵结构。这种显示器结构简单，因而不难以低成本制造。但这种显示器往往产生一种叫做串扰的现象，即由于显示器驱动过程中有无意窜入的信号流窜到不希望窜入的部位而使图象模糊。为避免这种串扰，需要有一种材料，其光学特性能随高于预定阈值的电压急剧变化。例如，等离子体放电显示器是这种简单矩阵系统合适的显示器，因为它具有上述那种明确的阈值。

然而采用上述光学材料时，必须驱动显示器使各象元（即矩阵各布线之间的交叉点）的电压极其接近该阈值电压。因此采用简单矩阵系统时，可以进行光学通/断转换，但难以获得中间亮度或色调，因为亮度能按所加的电压在其中间可调范围内变化的材料不能用作这种显示器的光学材料。

这个问题是由于将开关功能加在光学材料（液晶或放电气体）引起的。因此过去有人尝试过在矩阵中装上与光学材料无关的开关元件。这种装置叫做有源矩阵显示器，这种显示器的各象元上有一个或多个开关元件。开关元件采用PIN二极管、MIN二极管或薄膜晶体管等。

可是，尽管采用有源矩阵系统，要象CRT那样高等级地进行显示还是有困难。

图1（A）示出了一般等级显示系统。图1（A）中，纵坐标表示某特定象元上所加电压的大小，横坐标表示时间，该图表示液晶显示器象元上所加电压的变化情况。电压是以交替的电流脉冲形式加上去的，因为如果长时间加上直流电，液晶就会因电解而变坏。

图1（A）中，所加电压使得在头两个周期显示出“8”的亮度，在下一个周期显示出“4”的亮度，在最后一个周期显示出“6”的亮度。实际上，液晶材料的光学特性在个别阈值下急剧变化，但这里假设光学特性随所加的电压成线性变化。这种近似的假设非常接近象例如散射型液晶材料之类的液晶材料。因此，为了显示过程按例如16等级进行，需要按16等级控制某一电压，然后加到象元上。

一般液晶材料加上大于5伏的电压时，其光学特性就饱和，即使加上大于5伏的电压也几乎改变不了它。为使显示过程按16等级进行，举例说，必须精确加上300毫伏的电压，即5伏除以16。当然，要使显示过程的更多的等级进行，可以往象元上加上更小的电压。但要产生分辨力达300毫伏或以下的电压并不容易，如此小的电压在其到达象元之前就会因受各种因素的影响而衰减。这些因素包括布线的电阻、薄膜晶体管的电阻、象元电位因薄膜晶体管的寄生电容而下降等等。鉴于这些引起电压变化或波动的参量随各象元的有源元件的不同而异，象元电压的波动实际上在整个面板上最多只能抑制到±0.2伏的范围。

另一方面，还有另一种分级显示的方法，即控制拟加到各象元的电压脉冲的持续时间（保持时间）。这种方法的例子有本发明人在日本专利申请3-169305、3-169306、3-169307、3-209869等公开的显示方法。图1（B）示出了这个例子。和图1（A）的方法一样，头两个周期用以显示“8”的亮度，下一个周期用以显示“4”的亮度，最后一个周期用以显示“6”的亮度。

我们知道，液晶材料的显示作用是根据平均有效电压而不是根据瞬时电压显示色调和亮度的。就是说，假设头两个周期的有效电压为1，下一个周期的有效电压虽然其峰值与头两个周期的相同但只能视为0.5，最后一个周期则视为0.75。

此外，等离子体放电的响应速度为1微秒的高速，但人的肉眼跟不上这么快的速度，只能检测平均亮度，因而显示亮度最后还是取决于平均有效电压。

就是说，上述分级显示系统，特别是为了达到分级更多的显示，需要大大提高开关速度。

图2示出了图1（B）的特殊情况，图2的实例可以使显示过程分64级（64亮度级）进行。左侧的数字表示象元的亮度。在该实例中，光学特性从“1”至“54”按该次序变化。图2中，（A）和（B）基本上没有什么不同，只是多个脉冲之间的次序变了。本发明人所发明的另一个日本专利申请3-209869中说明了该实例的细节，因此这里不再详述。

举例说，在标有“17”的部分，长度为1的脉冲和长度为16的脉冲分别在周期S内出现一次，它表示平均亮度为“17”。再有，在表有“37”的部分中，长度为1的脉冲、长度为4的脉冲和长度为32的脉冲在周期S内出现一次，它表示平均亮度为“37”。这样就可以达到从“0”至“64”的64级显示过程。

显然从图2中可以看出，最小脉冲长度需为电压重复周期S的64分之一。在用薄膜晶体管等实际进行转换的情况下，往薄膜晶体管上加上宽度按矩阵行数缩短了的脉冲。举例说，矩阵有480行时，往薄膜晶体管上加上宽度为最小脉冲长度的480分之一的脉冲。鉴于S通常为30毫秒，因而最小脉冲宽度为500微秒。这样，薄膜晶体管等之类的驱动信号需要1微秒的时间。这个值可以说是一个大值，但这对薄膜晶体管来说却是非常快的信号。因此，为实现分级数更多的显示，需要加上更快速的脉冲，为此，从显示器上发射出电磁波。

本发明是为解决一般分级显示系统中的上述问题而提出的，它是一种新型的分级显示系统，该系统既利用了完全依赖图1（A）所示的电压的分级显示系统的优点，又利用了完全依赖图1（B）所示的脉冲宽度的分级显示系统的优点。此外，在本系统中，不需用上述对极小电压的控制，也不需要如上述所指出的极其短而快的脉冲。

本发明驱动有源矩阵结构式电光器件的方法是往电光器件的象元上加上由多个脉冲高度和多个脉冲宽度的脉冲组成的电压。

为将本发明明确地区别于一般系统，在图1（C）中示出了本发明的一个实施例。和图1（A）和图1（B）中所示的系统一样，头两个周期用以显示“8”的亮度，下一个周期用以显示“4”的亮度，最后一个周期用以显示“6”的亮度。

在本发明中，分级显示不仅采用了图2所示的系统，而且采用了平均有效电压，但本发明由于不仅可以改变脉冲宽度，而且还可以改变脉冲高度来解决上述问题，因而自由度增加了。

首先，在图1（C）中，头两个周期与其它周期一样，且假设在这些周期中电压为1伏，当然，头两个周期的平均有效电压变为1。在下一个周期中，脉冲高度为头两个周期的一半，因此下一个周期的平均有效电压为0.5。在最后的一个周期中，几个复杂的脉冲混合在一起。然而，先出现的是脉冲高度为1的脉冲，接着出现脉冲高度为0.5的脉冲。由于这两个脉冲保持时间相同，因而平均有效电压变为0.75。如上所述，通过不仅控制脉冲的宽度而且也控制脉冲的高度，加到脉冲长度（高速脉动）的负荷影响可以由脉冲高度加以降低。

图2中，64级（64个亮度级）分级显示过程用总共6个宽度分别为1、2、4、8、16和32的脉冲的组合来进行。另一方面，在本发明中，脉冲高度被分成0，1，2，3，和4五段（等级），而只用宽度为1，2，4和8的四个脉冲实现61级分级显示。当然，脉冲的种类小意味着最小脉冲宽度大。

图3示出了一个实例。图3（A）和3（B）基本相同，只是脉冲次序变了。在图3的实例中，“1”可以用高为1宽为1的脉冲（最小脉冲）表示，“2”可用高为1宽为2的脉冲表示，“4”可用高为1宽为4的脉冲表示，“8”可用高为1宽为8的脉冲表示，“16”可用高为2宽为8的脉冲表示，“32”可用高为4宽为8的脉冲表示。这些脉冲可用具有另一脉冲高度和脉冲宽度的一些脉冲的组合表示。从图3可以看到，所有从“0”、“1”至“60”的数目可以用这些脉冲的组合表示。显然从该图可以看到，最小的脉冲宽度变得比一般系统的长。在图3的实例中，最小脉冲宽度为图2的4倍。就是说，可以大大减小功率消耗因高速显示和因有负荷加到显示器件上而引起的增加。

举例说，将脉冲高度分为0，1，2，3，4五级（亮度级）并采用脉冲宽度为1，2，4的三种脉冲，可用上述脉冲表示的最大数目为“28”，这是通过把宽为1高为4的脉冲、宽为2高为4的脉冲和宽为4高为4的脉冲加起来得出的，这三个脉冲组合起来就可以表示“0”至“28”的所有数字。

假设要表示的数目为“N”，这是求出数字（KLM）的组合问题，其中

N＝1×K+2×L+4×M

（其中K，L，M表示0，1，2，3，4中的任一个数），该问题的解答如表示所示。

这个问题归纳起来时，就成了对下列定理的证明;

[定理]在下列等式中：

N＝n₀+2n₁+2²n₂+…+2^kn_k（1）

（n₀，n₁，n₂，…，n_k0，1，2，…，I），

N可以（可表示）是小于下列最大值的任何整数：

N_max＝（1+2+2²+…+2^k）I （2）.

表1中所示的实例对应于该定理在k＝2，且I＝4的情况，图3中所示的实例对应于k＝3且I＝4的部分情况。但在k＝4，I＝4（125分级）和k＝5，I＝4（253分级）的情况下，则该定理的真实性未知。该定理的真实性当显示的分级数更多时是未知的。因此需要对此加以证明。

证明如下。首先，看看I＝1时上述定理的情况，这时定理是正确的。即

用下列等式可以表示所有从0至（1+2+2²+…+2^k）的数字（次定理1）。

由于这个定理的证明非常简单，这里不予证明。

N＝n₀+2n₁+2²n₂+…+2^kn_k

（n₀，n₁，n₂，…，n_k0，1）

其中k为任意正整数。

其次，假设I＝i（i表示任意正整数）时该定理是成立（假设1）。根据上述假设，检验I＝i+1时该定理是否成立。

I＝i时，N的最大值以Nmax表示（用等式（2）表示），I＝i+1时，N的最大值以N′max表示，

N'max＝（1+2+2²+…+2^k）（i+1）（3）.

这时，所有从0至Nmax的整数确实可以用下列级数表示：

N＝n₀+2n₁+2²n₂+…+2^kn_k

（n₀，n₁，n₂，…，n_k0，1，2，…，i，i+1）（4）.

因为根据假设1，假设所有从0至Nmax的整数可以用只使用no，n₁，n₂，…，nk 0，1，2，…，i（不用i+1）的级数（4）表示，这一点是成立的。

接着，检验一下是否任何从Nmax+1至N′max的整数都可以表示出来。包含在这个范围内的任意整数N′可用下式表示：

N′＝Nmax+m＝（1+2+2²+…+2^k）i+m （5）.

其中m表示从1至（1+2+2²+…+2^k）的一个数字，而根据上述定理1，m可以用下式表示：

m＝1₀+21₁+2²1₂+…+2^k1_k

（1₀，1₁，1₂，…，1_k0，1），

这样，（5）式为：

N′＝（1+2+2²+…+2^k）i

+1₀+21₁+2²1₂+…+2^k1_k

（1₀，1₁，1₂，…，1_k0，1）^-（5）′.

将多项式（5′）变换成二次幕的级数：

N′＝n₀+2n₁+2²n₂+…+2^kn_k

（n₀，n₁，n₂，…，n_ki，i+1）（6）.

这样也证明了I＝i+1时该定理是成立的。因此，通过数学归纳法证明了对任何正整数k和I来说，上述定理是成立的。

上面说过，各平均电压倍数很大的各级可以用宽度和高度彼此都不同的脉冲的组合表示。在本发明中，脉冲电压必须取大于2级（电平级）的多个值，例如，5级（电平级）。然而，取液晶电压阈值为5伏，取这些电平级为0伏、1.25伏、2.5伏、3.75伏和5伏，并采用这些电平电压，可以按图3中所示的情况实现61级分级显示。另一方面，在图1（A）所示的电压必须分成许多小部分（分段）的一般系统中，为了达到61级分级显示的目的，必须将输入电压按级除以80毫伏，而这是不可能进行的。以上为本发明的主要部分，而实际上，输入到各显示器件的信号是要复杂得多的。

图1示出了本发明和现有技术的分级显示法。

图2示出了一般分级显示法的一个例子。

图3示出了本发明分级显示法的一个例子。

图4示出了应用本发明的图象显示器件的一个实施例。

图5示出了应用本发明的图象显示装置的实施例中所加的信号显示器件的原理图。这里所示的器件中，只说明那此为说明本发明所必不可少的部分，实际操作该器件还是需要其它各种器件的。假设本器件是进行61级分级显示的。

首先，从该器件的输入端输入视频信号。这里，假设所输入的视频信号为图象上第n列第m行上的一个象元的信号，其亮度以“212”表示，其最大亮度值假设为256。当然，其它信号是连续不断地输入该器件中的。

该信号输入该器件之后由模/数转换器转换成二进制数字信号。“212”在进二进制表示相当于“11010100”。然而，在本发明中，只有这个数值不能直接应用。因而该数字信号由下级的一个信号处理器转换成适用于本发明的信号。

本器件中采用脉变宽度分别为To，2To，4To，8To，16To，32To的六种脉冲，脉冲的脉冲高度分成5个等级（0，1，2，3，4）。

在本器件中，数字信号“11010100”转换成“434110”。这个信号的转换可以逐一进行，但考虑到信号处理速度是有限的，因而对应于输入信号的输出信号最好事先存储在处理装置内的存储器中，再根据输入信号而输出。这些数据示于例如表2中，N用十进制表示，但在实际处理程序中是转换成二进制数的。这个转换过程没有问题，因为该过程以逐一对应的方式进行的。“信号”表示输出信号。

从处理器件输出的信号并不象“434100”那样连续输出的。即，鉴于其它象元数据必须同时输出，这些信号系间断输出，例如“…4 …3 …4 …1 …0 …0”。同时也输出时钟脉冲。

上面说过，从信号处理器件输出的信号传送到屏幕周边上的移位电阻器上。这里，各信号传送到相应的信号线（Y线）上，并存入电容器等之类中，存储在那里直到输出为止。某一驱动器接通时，信号电压就加到各Y线上。另一方面，时钟脉冲传送到选通线（X线）的移位电阻器上，信号则依次传送到各选通线上。

本器件采用这样一个机里，即由信号处理器件产生4或3的电压值，然后存入电容器中。但从信号处理器件输出的信号可以转换成对应于电压值“4”或“3”的数字信号（例如“100”或011”），然后可以将产生这些信号的电路与各Y线连接起来。采用电容器时，脉冲电压不是矩形波，而是随时间的推移变化很大，存储在象元的电压则只随转换时间的小量推移而产生很大的变化。转换时间与各薄膜晶体管的性能有关，而采用现行技术在精确控制各晶体管的这种模拟特性下制造晶体管是有困难，因而这是器件产量降低的一个因素。

虽然本发明与一般纯粹模拟驱动的有源矩阵系统相比无需对电压进行细调，但电压10%的波动就足以使分级情况降低一级。

因此，上述采用电容器的模拟法不适用于本发明。在这方面，在采用电压脉冲直接从电压发生电路供应的系统的情况下，有待加到Y线上的脉冲具有优异的矩形波，因而存储在任一象元中的电压基本上恒定，适用于本发明所期望的高分级显示（例如64级分级或256级分级）。

图5示出了在第n列和第m行象元Zn，m上的电压以及在选通线Xn与信号线Ym（也叫做漏泄线）之间加到象元上的电压。在显示象元象素Zn，m的电压的图中，虚线表示实际信号，实践表示理想信号。由于种种因素，加到象元上的电压不是一个理想的矩形波。就是说，主要的一些因素有：因所谓由栅电极和源区的重叠引起的俯冲电压而引起的电压降，因象元电极自然放电而引起的电压降和薄膜晶体管通/断开关操作的延迟。虽然不采用模似式电压供应装置，但上述由于有源矩阵中的各模拟因素引起的信号波形的紊乱，如上所述，是对本发明不利的。因此，实际设计线路时要全面考虑这些因素。

如图5所示，在某一象元中，并先是最高电压状态（4单位电压状态）持续32To，接着零电压状态持续To，然后3单位电压状态持续16To，其后电压保持零值，历时2To，接着4单位电压状态持续8To，然后1单位电压状态持续最后的4To。通过这个操作可以求出每个时间To的平均电压212/63。

象元Zn，m这时候的电压为矩形脉冲的总和，如图4的下部分所示。假设1帧的时间为17毫秒，To＝270微秒，加到选通电极上的脉冲宽度为300毫微秒，这时X线的总数为480。加到Y线上的脉冲信号的最小宽度为600毫微秒。这些数对应对几个兆赫的频率。

另一方面，在一般系统中（图2），需要有75毫微秒（相当于上述值的大约四分之一）的选通脉冲。这对应于13兆赫的频率，而为达到如此高速的操作，举例说，需要制造CMOS形式的有源元件。此外，因上述高频驱动而从显示器辐射出来的电磁波带来了一个问题。但这样的问题很少在本发明中出现。当然，本发明中也可以采用制成CMOS形式的有源元件。

按照本发明，可以得出等级特高的图象。本发明特别适用于液晶显示器，但也适用于其它显示系统，例如等离子体显示器、真空微电子显示器等。不仅具有通/断开关功能而且具有与所加电压相适应的中间光学特性的光学材料，对本发明特别适用。

因此，本发明特别可以采用那些光学特性随所加电压而变化且能随所加电压产生中间状态的任何材料加以实现。

Claims

1、一种驱动有源矩阵结构电光器件的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

往所述电光器件的象元上加上多个脉冲高度和多个脉冲宽度的脉冲。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电光器件为液晶显示器、等离子体显示器或真空微电子显示器。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲高度为两单位高度。

4、如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲宽度为两单位宽度。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲高度为五单位高度。

6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲宽度为四单位宽度。

7、如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲宽度为三单位宽度。

8、一种驱动有源矩阵结构电光器件的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

往所述电光器件的输入端上输入视频信号;

将所述视频信号转换成二进制数字信号;

将所述二进制数字信号转换成输出信号;

将所述输出信号以具有多个脉冲高度和多个脉冲宽度的电压脉冲的形式通过移位寄存器发送到所述电光器件的象素上。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出信号是数字信号。

10、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述输出信号是二进制数字信号。

11、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲宽度为六单位宽度。

12、如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个脉冲高度为五单位高度。

13、如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述电光装置是个液晶显示器、等离子体显示器或真空微电子显示器。