CN1273660A - 场致发射显示器中的灰度实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种在场致发射显示器(50)中实现灰度级的方法,包括这样的步骤:提供一个第一驱动脉冲,其脉冲宽度等于非理想场致发射显示器和相应的理想场致发射显示器各自的总负荷响应—驱动脉冲宽度曲线(100、200)之间的脉冲宽度间隔(115)。该脉冲宽度间隔(115)是所述两条曲线(100、200)之间在相互总体上平行的部分的水平距离。与第n灰度级相应的第n驱动脉冲的脉冲宽度tn由tn=t1+[n－1]×[(tN－t1)/(N－1)]给出,其中,t1是所述第一驱动脉冲(214)的脉冲宽度,N是灰度级总数,tN是第N驱动脉冲的脉冲宽度。

Description

场致发射显示器中的灰度实现方法
发明领域
本发明涉及场致发射显示器领域，尤其是场致发射显示器中的灰度实现方法。
发明背景
在现有技术中，已知在显示设备中是这样实现灰度的：提供幅值与亮度成比例的驱动电压信号。尽管这种模拟调制方案已成功地应用于其他的显示设备，但对于场致发射显示设备却并不适用。由于场致发射阵列的器件性能因素，在低发射电流也就是低驱动电压的情况下，电子发射的均一性显著降低。
为了缓和这种均一性问题，就用电压值高得足以改善所述均一性问题的驱动电压驱动场致发射显示器。灰度级就是通过调制所述恒定电压驱动信号的脉冲宽度，使之与灰度级n成比例而实现的。比例常数等于灰度脉冲增量(gray scale pulse increment)。该灰度脉冲增量的计算首先要确定一个最大脉冲宽度，该宽度对应于显示器的最大亮度。用所需的灰度级数除该最大脉冲宽度，即计算出所述灰度脉冲增量。
对于典型的场致发射显示器，所述最大脉冲宽度约为35(s。为了实现VGA显示器的256灰度级性能，灰度脉冲增量就等于35(s除以256，或者说为0.14(s。这是一个非常短的脉冲。按照上述现有技术方案，第n个灰度级是用一个脉冲来驱动显示器而实现的，该脉冲的宽度等于所述灰度脉冲增量乘以n。对于低级数n，所述驱动脉冲的脉冲宽度可能在显示器的象素RC时间常数的范围内。这导致所述驱动信号在到达象素位置时明显地失真。由于在低脉冲宽度时显著的信号失真，在低脉冲宽度时，亮度对驱动信号脉冲宽度的响应曲线就是非线性的。这导致亮度响应曲线明显地偏离RC时间常数等于零的理想显示器的亮度响应曲线。现有技术试图通过减少灰度的总级数解决这个问题，但这种方案损害了显示器的图像质量。
场致发射显示器中的每一个电子发射体都可以设计为一个电容器，它们之间的连接，比如镇流电阻，可以设计为电阻器件。因为显示器可以设计为分布式电阻电容网络，每一个编址的行和列都具有一个固有的电阻-电容时间常数。用一个信号驱动某个行或者列的一端，一般会导致信号在扫过显示器时被不断地滤波。这样，沿着该给定的行或者列，象素上的信号就不同于输入的驱动信号。在灰度级的低端，驱动脉冲是最短的，这种有害的效应最为显著。
场致发射器件的象素RC时间常数可以在几百纳秒到几个微秒，是场致发射器件参数，比如每象素的电阻和电容的函数。例如，对于分别为1M(和3pF的每象素电阻和每象素电容，所述象素RC时间常数为3(s。对于给定的灰度脉冲增量0.14(s，50％以上的灰度级受到所述脉冲畸变的影响。尽管可以通过优化显示器的结构来降低所述象素RC时间常数，从而改善所述脉冲畸变问题，但即使对于非常低的象素RC时间常数，仍然会在最初的若干灰度级存在灰度失真。
因此，有必要提出一种改进的场致发射显示设备灰度实现方法，使得所述显示设备能够实现更多的灰度级。
图面简要说明
图1是可使用本发明的方法的一种现有技术场致发射器件的剖面图；
图2是一个场致发射显示器的总负荷对施加于该显示器的驱动脉冲信号的脉冲宽度的响应曲线图；
图3是按照本发明可用于计算第一灰度级的脉冲宽度的电路模型的简图；
图4包括一个可用于实施本发明的方法的时间曲线图，以及一个现有技术的时间曲线图；
图5是亮度-灰度级曲线图；
图6分别是本发明的方法的以及现有技术中的方法的亮度误差-灰度级曲线图。
为了简单明了起见，各附图中的元素未必按比例绘制。例如，某些元件的尺寸相对夸大了。另外，在合适的时候，各附图中的标号有重复，用以指示相应的元件。
详细说明
本发明是场致发射显示器中的灰度实现方法。本发明的方法提供的灰度级在大多数灰度级上显著减小了亮度误差。本发明的方法还能实现比现有方法更多的灰度级总数N。本发明的方法包括这样的步骤：提供一个与第一灰度级(n＝1)相应的第一驱动脉冲，其脉冲宽度大于该场致发射显示器的象素RC时间常数。在最佳实施例中，该第一驱动脉冲的脉冲宽度等于非理想(非零RC时间常数)场致发射显示器和相应的理想(零RC时间常数)场致发射显示器各自的总负荷响应-驱动脉冲宽度曲线之间的脉冲宽度间隔。该脉冲宽度间隔是所述两条曲线之间在相互总体上平行的部分的水平距离。
图1是可使用本发明的方法的一种现有技术场致发射显示器50的剖面图。场致发射显示器50包括一个基底52，在该基底上有一个阴极54。阴极54包括一个用高电阻材料制成的部分。该部分称为镇流层。该镇流层用来防止在阴极54和阳极62之间发生严重的电弧放电。该镇流层的薄膜电阻通常在几个到几百个兆欧每方(square)。该电阻联同所述器件的电容，形成一个象素RC时间常数，该常数从几百纳秒到几个微秒。
场致发射显示器50还包括一个介电层56，该介电层在阴极54之上，形成一个发射井57。在该发射井57中有一个电子发射体58。在介电层56上邻近电子发射体58设置有一个波门录取电极(gateextraction electrode)60。一个荧光体64正对电子发射体58，用以收集从该发射体发射出来的电子66。荧光体64设置在透明的阳极62上。荧光体64接收到电子66之后，就产生光辐射68。光辐射68穿过阳极62并从该阳极射出去。
光辐射68的亮度部分地取决于驱动脉冲作用于阴极54时发射出的电子66的总数目。电子66的总数目又取决于所述驱动脉冲的脉冲宽度。
驱动脉冲的脉冲宽度有一个最大值，该最大值取决于显示器的分辨率(扫描线数)和帧速率。若干扫描线确定一个帧。帧速率等于每单位时间扫描的帧数。一般，波门录取电极60就是所述扫描线。一个驱动脉冲的所述最大脉冲宽度等于帧速率与显示器分辨率乘积的倒数。
场致发射显示器50包括多个阴极和波门录取电极，这些阴极和波门录取电极确定了一个象素阵列。场致发射显示器50的一种设计例具有640个阴极54和480个波门录取电极60。如果帧速率为60Hz，驱动脉冲的最大脉冲宽度则等于1/(60Hz×480)，即34.7(s。可以用这个值或者一个更低的值作为第N个(最高)灰度级的脉冲宽度。
图2包括一个假想的理想场致发射显示器的总负荷对驱动脉冲信号的脉冲宽度的响应曲线100，所述理想场致发射显示器的象素RC时间常数为零纳秒。图2还包括一个非理想场致发射显示器的总负荷对驱动脉冲信号的脉冲宽度的响应曲线200，该非理想场致发射显示器与曲线100所表示的显示器的区别仅在于，前者的镇流电阻的薄膜电阻为166M(/sq。曲线200所表示的显示器的象素RC时间常数约为520纳秒。
脉冲宽度间隔115定义为曲线100和曲线200之间在这两条曲线总体上相互平行的区段的水平距离。最好，脉冲宽度间隔115等于这样的量：曲线200移动这样的量之后形成的新的负荷响应曲线的亮度误差当n＞7时小于或等于3％。所谓亮度误差在下文结合附图5和6作详细说明。按照本发明的方法的最佳实施例，所述第一驱动脉冲的脉冲宽度t1等于脉冲宽度间隔115。
通常，随着非理想显示器中所述镇流电阻的上升，所述总负荷对驱动脉冲信号的脉冲宽度的响应曲线越来越偏离曲线100。也就是说，脉冲宽度间隔115增大，同时，按照本发明的方法，t1也增大。
按照本发明的方法，所述第一驱动脉冲的脉冲宽度大于所述场致发射显示器的象素RC时间常数。最好，所述第一驱动脉冲的脉冲宽度大于所述场致发射显示器的象素RC时间常数的两倍。
图3是按照本发明可用于计算第一灰度级的第一驱动脉冲之脉冲宽度的电路模型205的简图。特别地，该电路模型205可用来生成所述场致发射显示器的总负荷对驱动脉冲之脉冲宽度的响应曲线。
所述场致发射显示器的象素206由所述电路模型205的虚线框所围的部分模拟。象素206包括一个实现所述电子发射体的独立的电流源207，一个电阻元件208和一个电容元件209。一个电压源210用来模拟施加于象素206的脉冲宽度为t0的驱动脉冲211。
可以为电路模型205编制一个电路模拟计算机程序。该电路模拟程序可以用来生成具有特定器件参数组合比如电阻R和电容C的场致发射显示器的总负荷响应曲线。对于不同的脉冲宽度值t0，用该电路模拟程序计算独立电流源207的电流响应曲线。然后通过积分确定电流响应曲线212的总负荷。按需要对多个t0值重复上述步骤，产生一条负荷响应曲线，比如图2所示的曲线200。然后用这样得到的负荷响应曲线以参照图2所描述的方式确定第一驱动脉冲的脉冲宽度。
图4包括一个可用于实施本发明的在场致发射显示器中实现灰度级的方法的时间曲线图，以及一个用于比较的现有技术的时间曲线图。在确定对应于第一灰度级(n＝1)的第一驱动脉冲214的脉冲宽度t1的步骤之后，按照本发明，其余的灰度级的脉冲宽度按照下述方式确定：
如参照图1所描述的，显示器的一个驱动脉冲的最大的可能脉冲宽度等于所述帧速率和所述显示器分辨率之积的倒数。对应于第N(最高)灰度级的驱动脉冲的脉冲宽度tN是所有灰度级驱动脉冲中最长的。对应于第N灰度级的驱动脉冲的脉冲宽度最大可能值tN等于显示器的驱动脉冲的最大脉冲宽度。
在为第N灰度级选定了脉冲宽度tN后，计算出第n灰度级的脉冲宽度增量tin。在本发明的一个例子中，所述脉冲宽度增量tin对于所有的n都是一样的。在另一个例子中，对于某些选定的n，对所述脉冲宽度增量tin作进一步调整，以校正由于人眼的特性而导致的亮度响应的感觉非线性(perceived non-linearities)。这种校正叫做γ校正(非线性校正)。为了实现本发明的所述前一个例子，所述脉冲宽度增量tin按照下式(1)计算：
(1)              tin＝(tN-t1)/(N-1)。
该脉冲宽度增量tin用来计算对应于第n灰度级的第n驱动脉冲的脉冲宽度tn。第n驱动脉冲的脉冲宽度由通式(2)给出：
(2)              tn＝t1+(tin
其中，从n＝2到n累加(ti1为零)。如果脉冲宽度增量tin对于所有的n＞1都是一样的，则脉冲宽度公式(2)变成：
(3)              tn＝t1+(n-1)×tin。
这样，如图4的时间曲线图所示，灰度级n＝2的第二驱动脉冲的脉冲宽度t2等于(t1+ti2)，其中ti2是第二灰度级的脉冲宽度增量。灰度级n＝3的第三驱动脉冲的脉冲宽度t3等于(t1+2×ti3)，其中ti3是第三灰度级的脉冲宽度增量。在本例中，脉冲宽度增量都是一样的，由ti2＝ti3＝(tN-t1)/(N-1)给出。在本发明的方法中，所述脉冲宽度增量tin小于第一驱动脉冲214的脉冲宽度115 t1，因为所需的灰度级数N通常大于比值tN/t1。
在图4中还示出了实现灰度级的一种典型的现有技术。在这种现有技术的方法中，第n灰度级的驱动脉冲的脉冲宽度等于n×tPA，其中，脉冲宽度增量tPA由tPA＝tN/N给出。这样，例如，在现有技术中，第一驱动脉冲215的脉冲宽度为tPA，第二驱动脉冲225的脉冲宽度为2×tPA，第三驱动脉冲235的脉冲宽度为3×tPA。
在下表I中列出了本发明的实现灰度级的方法中的一个举例的脉冲宽度序列。该表I中还有一个现有技术的脉冲宽度序列。表I本发明的方法与现有技术的对比
  现有技术 本发明的方法   本发明的方法
  灰度级 脉冲宽度(ns)   脉冲宽度(ns) 脉冲宽度增量(ns)
    1     234     1158     0
    2     468     1389     231
    3     702     1620     231
   ...     ...      ...     ...
   ...     ...      ...     ...
   ...     ...      ...     ...
    255     59670     59832
    256     59901     60163     331
列于表I中的特定脉冲宽度值可用于图2中的曲线200所代表的显示器。如参照图2所述的，该显示器的象素RC时间常数约为520ns。所述第一驱动脉冲的脉冲宽度希望大于该象素RC时间常数。在本例中，第一驱动脉冲214的脉冲宽度t1为1158ns，该值约等于脉冲宽度间隔115，如参照图2所述的。
表I的例子所使用的这种显示器是°VGA显示器，其线扫描时间约为69.4(s。对应于最高灰度级(N＝256)的最大脉冲宽度在该线扫描时间之内选择，在本例中为60.163(s。这样，脉冲宽度增量就等于或者说约为231ns。该脉冲宽度增量小于第一驱动脉冲214的脉冲宽度t1的三分之一。对于表I所示的例子，对于较低灰度级，脉冲宽度增量是一样的，因为在较低亮度级，眼睛的感应是线性的。但是，在最高的灰度级，眼睛对亮度的感应就不是线性的了。因此，如表I所示，在n＝256时对脉冲宽度增量作了γ校正，其值变为331ns。
列于表I中的现有技术脉冲宽度序列也是°VGA显示器的。与N＝256相应的最大脉冲宽度预先确定为59901ns。这样，该现有技术的脉冲宽度增量就等于59901/256ns，或者说约为234ns。因为现有技术的第一驱动脉冲215的脉冲宽度与脉冲宽度增量均小于显示器的象素RC时间常数(520ns)，最开始的若干灰度级发生了畸变。这种畸变示于图5中。
图5中是图2中的曲线200所表示的场致发射显示器用本发明的方法驱动时的亮度L-灰度级n曲线400。图5还包括同一场致发射显示器用参照图4所描述的现有技术的方法驱动时的亮度-灰度级曲线410。图5还包括图2中的曲线200所表示的理想场致发射显示器用参照图4所描述的现有技术的方法驱动时的亮度-灰度级曲线420。
图6以亮度误差EL-灰度级n曲线的形式表示图5所示的信息。图6中包括所述非理想显示器用本发明的方法驱动时的亮度误差曲线300。图6还包括所述非理想显示器用现有技术的方法驱动时的亮度误差曲线320。
对于确定的n，亮度误差EL由下式(4)给出：
(4)        EL＝[(L0n-Ln)/L0n]×100％，
其中，L0n是零电阻的理想显示器在n灰度级的亮度(从图5的曲线420得到)，Ln是非理想显示器在n灰度级的亮度(从图5的曲线400得到图6的曲线300；从图5的曲线410得到图6的曲线320)。
图5和图6表明，本发明的方法提供的灰度级显著地减小了大多数灰度级上的亮度误差。对于n＝20以下的灰度级，现有技术中的方法的不良效应会使亮度降低至少20％。相形之下，本发明方法的亮度误差当n＞7时小于3％。而当n＜7时，亮度误差是无关紧要的，因为在正常的工作条件下，例如在办公室环境下，n＜7时的亮度值对于人眼来说是不可识别的。
总之，本发明提供的场致发射显示器灰度实现方法在大多数灰度级显著地减小了亮度误差。本发明的方法还允许实现比现有技术的方法更多的灰度级总数N。
本说明书展示并描述了本发明的几个具体实施例，但对于本领域技术人员来说，可以作进一步的修改和改进。所以，应当理解，本发明并不局限于本说明书所述的特定形式，在所附的权利要求中，申请人尽量列举了不超出本发明的实质和范围的所有变通方案。

Claims (10)

1.一种在具有某个象素RC时间常数的场致发射显示器中实现灰度级的方法，包括下列步骤：
提供与第一灰度级相应的第一驱动脉冲，该第一驱动脉冲的脉冲宽度大于所述场致发射显示器的所述象素RC时间常数；
提供与第二灰度级相应的第二驱动脉冲，该第二驱动脉冲的脉冲宽度等于所述第一驱动脉冲的脉冲宽度与一个脉冲宽度增量的和，该脉冲宽度增量小于所述第一驱动脉冲的脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中，所述第一驱动脉冲的脉冲宽度大于所述场致发射显示器的所述象素RC时间常数的两倍。
3.如权利要求1所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中，所述脉冲宽度增量小于所述第一驱动脉冲的脉冲宽度的一半。
4.如权利要求3所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中，所述脉冲宽度增量小于所述第一驱动脉冲的脉冲宽度的三分之一。
5.一种在场致发射显示器中实现灰度级总数为N的灰度级的方法，包括下列步骤：
提供与第N灰度级相应的具有某个脉冲宽度的第N驱动脉冲；
提供与第一灰度级相应的具有某个脉冲宽度的第一驱动脉冲；
提供与第n灰度级相应的具有某个脉冲宽度的第n驱动脉冲，其中n为从1到N的整数，所述第n驱动脉冲的脉冲宽度tn由tn＝t1+[n-1]×tin给出，
其中t1是第一驱动脉冲的脉冲宽度，tin是一个小于所述第一驱动脉冲的脉冲宽度的脉冲宽度增量。
6.如权利要求5所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中N大于100。
7.如权利要求6所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中N大于200。
8.如权利要求7所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中N等于256。
9.如权利要求5所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中，所述与第一灰度级相应的第一驱动脉冲的脉冲宽度大于500纳秒。
10.如权利要求9所述的在场致发射显示器中实现灰度级的方法，其中，所述与第一灰度级相应的第一驱动脉冲的脉冲宽度大于1000纳秒。
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