CN111968558B - 硅基液晶显示装置与其像素电压计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种硅基液晶显示装置与其像素电压计算方法，其中一像素的多个灰阶值被转换至多个颜色值，这些灰阶值分别对应至多个第一子像素。对于每一个第一子像素，计算电路根据颜色值取得反射率拟合函数的至少一个参数，根据对应的灰阶值执行伽玛校正以取得反射率，并根据上述的参数与反射率计算出像素电压，此像素电压施加于对应的第一子像素的像素电极。

Description

硅基液晶显示装置与其像素电压计算方法

技术领域

本发明涉及一种液晶显示装置与其计算方法，且特别涉及硅基液晶显示装置与其像素电压的计算方法。

背景技术

现今有各种商业上可得的投影显示装置，例如液晶显示装置、数字光处理(digital light processing；DLP)显示装置和硅基液晶显示装置等。在这些投影显示装置中，液晶显示装置以透射方式操作，而数字光处理显示装置以反射方式操作。液晶显示装置最为古老和普遍，且具有例如高色彩准确度和低生产成本等优点。然而，液晶显示装置具有坏点(dead pixel)和网格效应(screen door effect)等缺点，这会降低显示的效能。数字光处理显示装置具有例如高对比值(contrast ratio)和免除颜色衰减(color decay)等优点。然而，数字光处理显示装置相对昂贵。硅基液晶显示装置包含典型的液晶显示面板和互补式金属氧化物半导体场效应晶体管(complementary metal oxide silicon；CMOS)硅晶圆工艺等技术。硅基液晶显示装置可达到高解析度、高色彩饱和度(color resolution)和准确度，且可通过半导体工艺来生产。因为中些优点，硅基液晶显示装置应用在例如微型投影机(micro-projector)、监视器或头戴式显示器(head mounted display)电子设备中。

然而，硅基液晶显示装置中子像素彼此之间的距离很近，因此会产生边缘场效应(fringing field effect)，如何解决此边缘场效应，为本领域技术人员所关心的议题

发明内容

本发明的实施例提出一种硅基液晶显示装置，其包括硅基板、彩色滤光层与计算电路。多个子像素形成在硅基板上，每一个子像素包括一像素电极与一共同电极。彩色滤光层设置于硅基板之上且具有多个彩色滤光单元，其中每一个彩色滤光单元对应至其中一个子像素且位于对应的子像素的像素电极与共同电极之间。计算电路用以取得一像素的多个灰阶值，并将这些灰阶值转换至不同色彩空间中的多个颜色值，这些灰阶值分别对应至多个第一子像素，这些第一子像素组成一个像素。对于每一个第一子像素，计算电路根据颜色值取得反射率拟合函数的至少一个参数，根据对应的灰阶值执行伽玛校正以取得反射率，并根据上述的参数与反射率计算出像素电压，此像素电压施加于对应的第一子像素的像素电极。

在一些实施例中，上述的灰阶值包括红色值、绿色值与蓝色值。上述的第一子像素包括红色子像素、绿色子像素与蓝色子像素，上述的颜色值在CIE-1931色彩空间中。

在一些实施例中，上述的反射率拟合函数表示为以下方程式(1)。其中c表示红色子像素、绿色子像素或蓝色子像素，Refl_c为对应的第一子像素的反射率，v_c为对应的第一子像素的像素电压，A1与A2为常数，上述的参数包括v_0,c与dv_c。

在一些实施例中，上述的伽玛校正表示为以下方程式(2)，其中γ为一实数，grey_c为对应的灰阶值，C_MAX为一灰阶最大值。

在一些实施例中，计算电路将颜色值输入至多个查找表以取得参数v_0,c与dv_c，并根据以下方程式(3)计算出像素电压v_c。

在一些实施例中，反射率拟合函数表示为以下方程式(4)，其中为对应的灰阶值的参数。

在一些实施例中，上述的伽玛校正表示为以下方程式(5)。

在一些实施例中，计算电路将颜色值输入至查找表以取得参数并根据以下方程式(6)计算出像素电压v_c，其中f^-1()为反射率拟合函数的反函数。

以另一个角度来说，本发明的实施例提出一种硅基液晶显示装置的像素电压计算方法，其中硅基液晶显示装置包括硅基板与彩色滤光层，多个子像素形成在硅基板上。每一个子像素包括一像素电极与一共同电极，彩色滤光层具有多个彩色滤光单元，每一个彩色滤光单元对应至其中一个子像素且位于对应的子像素的像素电极与共同电极之间。此计算方法包括：取得一像素的多个灰阶值，并将这些灰阶值转换至不同色彩空间中的多个颜色值，其中灰阶值分别对应至多个第一子像素，这些第一子像素组成一像素；对于每一个第一子像素，根据颜色值取得一反射率拟合函数的参数，根据对应的灰阶值执行一伽玛校正以取得反射率，并根据上述的参数与反射率计算出像素电压，此像素电压施加于对应的第一子像素的像素电极。

在上述的硅基液晶显示装置与方法中，可以对于每一种颜色都计算出合适的像素电极以解决边缘场效应带来的问题。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明。

附图说明

图1A是根据一实施例示出硅基液晶显示装置的局部剖面图。

图1B是根据一实施例示出硅基液晶显示装置的局部俯视图。

图2是根据一实施例示出反射率与像素电压的曲线图。

图3是根据一实施例示出X,Y颜色值与参数之间的关系示意图。

图4是根据一实施例示出计算像素电压的示意图。

图5是根据一实施例示出像素电压的计算方法的流程图。

附图标记说明：

100：硅基液晶显示装置

102：硅基板

104：反射层

106：介电层

108A、108B：像素电极

110：彩色滤光层

110A、110B：

112：第一配向层

114：第二配向层

116：液晶层

118：共同电极层

118A、118B：共同电极

120：透光性基板

130：计算电路

P1、P2、141～143、151～153：子像素

140、150：像素

301～306：图表

401～403、501、511～513、521～523、531～533：步骤

410、420：数据库

具体实施方式

关于本文中所使用的“第一”、“第二”、…等，并非特别指次序或顺位的意思，其仅为了区别以相同技术用语描述的元件或操作。

图1A是根据一实施例示出硅基液晶显示装置的局部剖面图。硅基液晶显示装置100包含硅基板102、反射层104、介电层106、像素电极108A、108B、彩色滤光层110、第一配向层112、第二配向层114、液晶层116、共同电极层118、透光性基板120与计算电路130。

硅基板102为互补式金属氧化物半导体场效应晶体管硅晶圆，其包含例如晶体管和电路等有源元件。硅基板102具有多个子像素，这些子像素包含红色子像素、蓝色子像素和绿色子像素。在一些实施例中，每三个子像素(即红色子像素、蓝色子像素和绿色子像素)形成一像素。例如，图1B是根据一实施例示出硅基液晶显示装置的局部俯视图，请参照图1B，像素140包括子像素141～143，其分别对应至红色、绿色与蓝色；像素150包括了子像素151～153，其分别对应至红色、绿色与蓝色。需注意的是，为了方便说明，图1A仅示出两个相邻的子像素P1和P2，例如为图1B的子像素141、142，但本发明并不在此限。此外，在其他实施例中，每个像素中的红色子像素、蓝色子像素和绿色子像素也可以排列为其他形状，在一些实施例中每个像素还可包括白色像素，本发明并不限于图1B的实施例。

请参照图1A，反射层104设置于硅基板102上。反射层104用以反射入射至硅基液晶显示装置100的光线。在一些实施例中，反射层104包含例如铜、铝、钛、钽、金、锌金属材料，或包含上述金属材料的合金，或例如氧化铝、氧化钛、氮化钛、氧化锌等金属化合物，或其他合适的材料。在一些实施例中，反射层104为形成于硅基板102上的反射薄膜或反射涂层。

介电层106设置于反射层104上，且像素电极108A、108B设置于介电层106上。介电层106用以使像素电极108A、108B与反射层104和硅基板102绝缘，且使未被像素电极108A、108B反射的部分入射光线穿透，且使被反射层104反射的部分入射光线穿透。介电层106包含例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等介电材料或其组合，或其他合适的材料。

像素电极108A、108B用以提供对应子像素的像素电压，使子像素P1、P2得以显示个别的灰阶值。像素电极108A、108B可为反射性或透光性的像素电极。在一些实施例中，像素电极108A、108B为反射性电极，其包含例如铝、钛、铜、金或类似的材料。在一些实施例中，像素电极108A、108B为透光性电极，其包含例如氧化铟锡(indium tin oxide；ITO)、氧化铟锌(indium zinc oxide；IZO)或其他合适的导电性材料。

彩色滤光层110设置于像素电极108A、108B上。彩色滤光层110具有多个彩色滤光单元(例如彩色滤光单元110A、110B)，且每一彩色滤光单元分别对应至一个子像素，用以使特定颜色的光通过。例如，彩色滤光单元110A对应至子像素P1，用以让红光通过；而彩色滤光单元110B对应至子像素P2，用以让绿光通过。在一些实施例中，彩色滤光层110包含例如高分子聚合物等着色材料或染色材料，或其他合适的材料。

第一配向层112设置于彩色滤光层110上，第二配向层114设置以相对于第一配向层112，且液晶层116设置于第一配向层112与第二配向层114之间。液晶层116具有液晶分子，其由第一配向层112与第二配向层114配向，且其依据在像素电极108A、108B与共同电极层118之间所产生的电场而扭转。第一配向层112和第二配向层114可被形成以具有各自的摩擦方向(rubbing direction)。液晶层116的液晶分子可用于垂直配向(verticalalignment；VA)显示装置或扭转向列(twisted nematic，TN)显示装置，本发明并不在此限。

共同电极层118包含透光性和导电性材料，例如氧化铟锡、氧化铟锌或其他合适的材料。在此实施例中，共同电极层118包括属于子像素P1的共同电极118A以及属于子像素P2的共同电极118B。

透光性基板120设置于共同电极层118上，用以接收入射光线和保护硅基液晶显示装置100的内部元件。在一些实施例中，透光性基板120包含玻璃、二氧化硅或类似的透光性材料。

计算电路130用以计算提供给像素电极108A、108B的像素电压。一般来说，伽玛校正可用来计算出合适的像素电压，但像素电极108A与共同电极118A之间的电场会影响到子像素P2，而且像素电极108B与共同电极118B之间的电场也会影响到子像素P1。在不同的颜色下，由于每个子像素中的电场强度不同，因此每个子像素受相邻电场影响的程度也不同。此外，每个子像素受影响的程度也会因为彩色滤光单元110A、110B的材质而有所变化。举例来说，即使施加相同的像素电压至像素电极108A，但是当子像素P2要显示不同的灰阶值时会产生强度不同的电场，子像素P2的电场会影响子像素P1，这使得相同的像素电压可能会导致不同的反射率。请参照图2，图2是根据一实施例示出反射率与像素电压的曲线图，横轴代表像素电压，纵轴代表反射率。从图2中可以看出，在一个特定的颜色下，红色、绿色、蓝色与白色子像素的曲线(分别标示为R、G、B、White，其中代表红色的曲线与Fit曲线重叠，因此图2中可能看不出来)并不会一致，这使得无法用同一条伽玛曲线(标示为Fit)来计算出这三个子像素的像素电压。此外，当显示不同的颜色时，图2的这些曲线也可能会改变。理论上，对于每一个颜色与每一个子像素都需要特定的伽玛曲线来计算出像素电压，但对于24位元的像素来说总共会有16.7百万个颜色，为每个颜色都设计一个伽玛曲线并不可行，在此提出一个有效的方法来计算像素电压。

首先，在此实施例中是采用CIE-1931色彩空间来表示一个颜色，因此会先将红色值、绿色值与蓝色值等三个灰阶值转换为x、y刺激值，此步骤可透过一个转换矩阵来完成，如以下方程式(1)所示。

CIExy＝tf×inputRGB (1)

其中inputRGB为红、绿、蓝等三个灰阶值所组成的向量，CIExy则表示在CIE-1931色彩空间中的x与y刺激值，tf则为转换矩阵，在一些实施例中为tf＝[0.5767 0.18560.1882；0.2974 0.6274 0.0753；0.027 0.0707 0.9911]。然而，在其他实施例中也可以采用其他色彩空间(例如孟赛尔色彩空间)来表示一个颜色，因此为了适用于各种色彩空间，在此称转换后的数值为颜色值，本发明也不限制转换矩阵tf中的数值。

接下来须测量在特定的x、y颜色值下某个子像素的反射率并记录相对应的像素电压，其中反射率表示为，c＝R、G或B，c代表红、绿、蓝等三个子像素的其中之一。举例来说，为图1B中红色子像素141的反射率；为绿色子像素142的反射率；为蓝色子像素143的反射率。此反射率与像素电压之间的关系可由一个反射率拟合函数来逼近，表示为以下方程式(2)。换言之，反射率拟合函数是要逼近图2的曲线。

其中v_c为对应子像素的像素电压，举例来说，v_R为红色子像素141的像素电压，v_G为绿色子像素142的像素电压，v_B为蓝色子像素143的像素电压。A1与A2为常数，v_0,c与dv_c为参数。值得注意的是，不同的x、y颜色值会对应至不同的参数v_0,c、dv_c，但由于x、y颜色值是连续的，实际上具有无限多组x、y颜色值，因此在测量反射率Refl_c时可先对x、y颜色值取样，在此实施例中共取样了16组的x、y颜色值，但在其他实施例中也可以取样更多或更少组x、y颜色值。在每一组x、y颜色值中都可计算出合适的参数v_0,c、dv_c，使得上述方程式(2)所计算出的反射率Refl_c会逼近实际测量到的反射率。接下来可以建立多个查找表，借此透过x、y颜色值便可以取得对应的参数v_0,c、dv_c，如图3所示，图表301所示出的是x、y颜色值与参数v_0,B之间的关系；图表302所示出的是x、y颜色值与参数v_0,G之间的关系；图表303所示出的是x、y颜色值与参数v_0,R之间的关系；图表304所示出的是x、y颜色值与参数dv_B之间的关系；图表305所示出的是x、y颜色值与参数dv_G之间的关系；图表306所示出的是x、y颜色值与参数dv_R之间的关系。图3中的图表301～306都会实作为查找表纪录在数据库中，以下会再详细说明。

此外，根据伽玛校正可以计算出每个子像素所应有的反射率，如以下方程式(3)所示。

其中γ为实数，可根据不同的产品或客户要求来设定。grey_c为对应的灰阶值，可在0～255的范围当中，例如当计算反射率Refl_R时grey_R就是红色的灰阶值，以此类推。C_MAX为灰阶最大值，例如为255。在方程式(3)中采用grey_c+1而非grey_c是为了避免将灰阶值除以0，但在其他实施例中也可以采用以下方程式(4)，本发明并不在此限。在其他实施例中，每个灰阶值也可以具有多于8个位元，因此本发明并不限制灰阶值的范围以及上述的最大灰阶值为多少。

将方程式(3)代入至方程式(2)后可以得到像素电压v_c与反射率Refl_c之间的关系，如以下方程式(5)所示。

值得注意的是，若用上述方程式(4)来取代方程式(3)，则可以得到以下方程式(6)。

图4是根据一实施例示出计算像素电压的示意图。请参照图4，首先取得一像素的多个灰阶值，在图4中表示为R、G、B，并在步骤401中将这些灰阶值转换为CIE-1931色彩空间中的x、y颜色值。接下来，将x、y颜色值输入至数据库410中的查找表以取得反射率拟合函数的参数v_0,c、dv_c，这些查找表已在图3说明。由于查找表中只记录了有限个x、y颜色组，因此可用内差的方式来输出参数v_0,c、dv_c。举例来说，以图3的图表301为例，所要计算的参数可以视为一个三维的曲面，而曲面上的取样点311表示根据测量的反射率所计算出的参数，这些取样点311可以做为三角形的顶点以将曲面分割为多个三角形。当输入一组x、y颜色值时便可以找到对应的三角形，根据这个三角形的顶点上的参数可以内插出三角形中任一点的参数。图3中的每一个图表都对应至一个查找表。此外，在步骤402中执行伽玛校正以取得反射率Refl_c，即执行上述的方程式(3)或(4)。

在步骤403中，根据参数v_0,c、dv_c与反射率Refl_c计算出对应的像素电压v_c，即执行上述的方程式(5)或(6)。在一些实施例中方程式(5)中ln函数内的计算是即时的，但ln函数则是透过查找表来实作，也就是说以下方程式(7)是即时计算的，其结果输入至数据库420中的查找表后可取得ln函数的输出。

换言之，步骤403可以简化为以下方程式(8)、(9)，只需要简单的计算便可以得到对应的像素电压。

v_c＝dv_c×α+v_0,c (8)

值得注意的是，三个子像素的像素电压会被分开计算。如图5所示，图5是根据一实施例示出像素电压的计算方法的流程图。在步骤501中，取得一像素的多个灰阶值，并将这些灰阶值转换至不同色彩空间中的多个颜色值，此色彩空间利如是CIE-1931色彩空间。接下来，步骤511～513是适用于红色子像素，步骤521～523是适用于绿色子像素，步骤531～533是适用于蓝色子像素。在步骤511中，根据颜色值x,y取得参数v_0,R、dv_R。在步骤512中，执行伽玛校正，计算红色子像素的反射率Refl_R。在步骤513中，根据参数v_0,R、dv_R与反射率Refl_R计算出红色子像素的像素电压v_R。步骤521～523分别类似于步骤511～513，但在步骤521中计算的是参数v_0,G、dv_G，在步骤522中计算的是反射率Refl_G，而在步骤523中计算的是像素电压v_G。类似地，在步骤531中计算的是参数v_0,B、dv_B，在步骤532中计算的是反射率Refl_B，而在步骤533中计算的是像素电压v_B。换言之，虽然是对于相同的颜色，但对于不同的子像素可以计算出合适的像素电压。

在其他实施例中也可以采用其他的反射率拟合函数，本发明并不在此限。反射率拟合函数可以表示为以下方程式(10)中通用的形式。

其中是对应至颜色c的参数向量，该参数向量中包括了一或多个参数，例如上述的参数v_0,c、dv_c。在步骤511、521、531中便是将颜色值输入至查找表以取得参数/>在步骤512、522、532中，可执行上述方程式(3)或(4)以取得反射率Refl_c。在步骤513、523、533中根据以下方程式(11)可以计算出像素电压。

f^-1()为反射率拟合函数的反函数。换言之，上述方程式(2)是方程式(10)的特例，而上述方程式(5)或(6)是方程式(11)的特例。在一些实施例中，反射率拟合函数可以包括线性函数、多项式函数、指数函数、三角函数、对数函数或其组合，本发明并不在此限。本领域普通技术人员在设定反射率拟合函数以后，当可推导出反函数。

虽然本发明已通过实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，应可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当应以随附的权利要求范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种硅基液晶显示装置，包括：

硅基板，其中多个子像素形成在该硅基板上，每一该子像素包括一像素电极、一共同电极、以及设置于该像素电极与该共同电极之间的一液晶层；

一彩色滤光层，设置于该硅基板之上且具有多个彩色滤光单元，其中每一该彩色滤光单元对应至该多个子像素的其中之一且位于对应的该子像素的该像素电极与该共同电极之间；以及

一计算电路，用以取得一像素的多个灰阶值，并将该多个灰阶值转换至不同色彩空间中的多个颜色值，其中该多个灰阶值分别对应至该多个子像素中的多个第一子像素，每个该第一子像素具有不同的一个该彩色滤光单元，并且该多个第一子像素组成该像素，

对于每一该第一子像素，该计算电路根据该些颜色值取得一反射率拟合函数的至少一参数，根据对应的该灰阶值执行一伽玛校正以取得对应的该第一子像素的一反射率，并根据该至少一参数与该反射率计算出一像素电压，其中该像素电压施加于对应的该第一子像素的该像素电极，

其中该反射率拟合函数表示为以下方程式(1)：

其中c表示红色子像素、绿色子像素或蓝色子像素，Refl_c为对应的该第一子像素的该反射率，v_c为对应的该第一子像素的该像素电压，为对应的该灰阶值的该至少一参数。

2.如权利要求1所述的硅基液晶显示装置，其中该多个灰阶值包括红色值、绿色值与蓝色值，该多个第一子像素包括该红色子像素、该绿色子像素与该蓝色子像素，该多个颜色值在CIE-1931色彩空间中。

3.如权利要求2所述的硅基液晶显示装置，其中该反射率拟合函数表示为以下方程式(1)：

其中c表示该红色子像素、该绿色子像素或该蓝色子像素，Refl_c为对应的该第一子像素的该反射率，v_c为对应的该第一子像素的该像素电压，A1与A2为常数，该至少一参数包括v_0,c与dv_c。

4.如权利要求3所述的硅基液晶显示装置，其中该伽玛校正表示为以下方程式(2)：

其中γ为一实数，grey_c为对应的该灰阶值，C_MAX为一灰阶最大值。

5.如权利要求4所述的硅基液晶显示装置，其中该计算电路将该多个颜色值输入至多个查找表以取得该参数v_0,c与dv_c，并根据以下方程式(3)计算出该像素电压v_c：

6.如权利要求1所述的硅基液晶显示装置，该伽玛校正表示为以下方程式(2)：

其中γ为一实数，grey_c为该多个灰阶值的其中之一，C_MAX为一灰阶最大值。

7.如权利要求6所述的硅基液晶显示装置，其中该计算电路将该多个颜色值输入至至少一查找表以取得该至少一参数并根据以下方程式(3)计算出该像素电压v_c：

其中f^-1()为该反射率拟合函数的反函数。

8.一种硅基液晶显示装置的像素电压计算方法，其中该硅基液晶显示装置包括一硅基板与一彩色滤光层，多个子像素形成在该硅基板上，每一该子像素包括一像素电极、一共同电极、以及设置于该像素电极与该共同电极之间的一液晶层，该彩色滤光层具有多个彩色滤光单元，每一该彩色滤光单元对应至该多个子像素的其中之一且位于对应的该子像素的该像素电极与该共同电极之间，该计算方法包括：

取得一像素的多个灰阶值，并将该多个灰阶值转换至不同色彩空间中的多个颜色值，其中该多个灰阶值分别对应至该多个子像素中的多个第一子像素，每个该第一子像素具有不同的一个该彩色滤光单元，并且该多个第一子像素组成该像素；

对于每一该第一子像素，根据该多个颜色值取得一反射率拟合函数的至少一参数，根据对应的该灰阶值执行一伽玛校正以取得对应的该第一子像素的一反射率，并根据该至少一参数与该反射率计算出一像素电压，其中该像素电压施加于对应的该第一子像素的该像素电极，

其中该反射率拟合函数表示为以下方程式(1)：

其中c表示红色子像素、绿色子像素或蓝色子像素，Refl_c为对应的该第一子像素的该反射率，v_c为对应的该第一子像素的该像素电压，为对应的该灰阶值的该至少一参数。