EP1966786B1

EP1966786B1 - Verfahren zur ansteuerung von matrixanzeigen

Info

Publication number: EP1966786B1
Application number: EP06841084.4A
Authority: EP
Inventors: Chihao Xu; Jürgen Wahl; Friedrich Eisenbrand; Andreas Karrenbauer; Kian Min Soh; Christoph Hitzelberger
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Kyocera Display Europe GmbH; Universitaet des Saarlandes
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV; Universitaet des Saarlandes; Kyocera Automotive and Industrial Solutions GmbH
Priority date: 2005-12-30
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2026-12-21
Also published as: WO2007079947A1; CN101366069A; DE102005063159B4; JP5313687B2; US8456493B2; EP1966786A1; JP2009522590A; US20090195563A1; CN101366069B; DE102005063159A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ansteuerung von Matrixanzeigen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, welche aus mehreren als Zeilen und Spalten ausgebildeten Reihen mit einzelnen Pixeln aufgebaut sind, wobei einzelne Reihen selektiv angesteuert werden, indem Zeilen für eine bestimmte Zeilenadressierzeit aktiviert und die Spalten korreliert zu der aktivierten Zeile entsprechend der gewünschten Helligkeit in den Pixeln mit einem Betriebsstrom oder einer entsprechenden Spannung, d.h. einen elektrischen Signal zur Ansteuerung, beaufschlagt werden.
Im Folgenden werden die horizontalen Reihen als Zeilen und die orthogonal dazu verlaufenden, vertikalen Reihen als Spalten bezeichnet. Dies dient dem einfacheren Verständnis. Die Erfindung ist jedoch nicht auf genau diese Anordnung beschränkt. Insbesondere ist es möglich, die Zeilen und Spalten in ihrer Funktion zu vertauschen oder eine nicht orthogonale Beziehung zwischen den Zeilen und Spalten zu wählen.
Die Bilddaten bzw. die gewünschte Helligkeit D_ij einzelner Pixel ij werden mit der nachfolgend dargestellten Matrix D beschrieben. $D = (\begin{matrix} D_{11} & D_{12} & \dots & D_{1 m} \\ D_{21} & D_{22} & \dots & D_{2 m} \\ . & . & \dots & . \\ D_{n 1} & D_{n 2} & \dots & D_{n m} \end{matrix}) .$
Die Indizes entsprechen den Positionen der Pixel auf dem Display, welches durch die Matrix bzw. Matrixanzeige D gegeben ist. Jede Zeile i der Matrix D und jede Spalte j auf der Matrix D entsprechen jeweils der geometrischen Zeile und Spalte auf dem Display. Jedem ansteuerbaren Pixel ij der Matrixanzeige D ist eine Pixel-Diode oder dgl. Element zur Erzeugung eines Pixels einer Anzeige zugeordnet. Die zeitlich gemittelte Leuchtintensität (entsprechend der Helligkeit D_ij) in jedem Pixel korrespondiert mit dem entsprechenden Element in der Matrix D. Alle Einträge der Matrix D ergeben zusammen das darzustellende Bild.
Die Pixel ij auf der Matrixanzeige D, von denen jedes insbesondere als OLED (Organic Light Emitting Diode) ausgebildet sein kann, werden bisher zeilenweise aktiviert. Dazu werden die OLEDs auf einer selektierten Zeile i durch einen Schalter aktiviert, indem sie z.B. mit Masse verbunden werden. In den Spalten j wird jeweils ein Betriebsstrom I eingeprägt, der die Pixel ij im Schnittpunkt dieser Zeile i und den Spalten j zum Leuchten bringt. Die Leuchtintensität L ist in erster Nährung proportional zu Ladung, die während der aktiven Phase (Zeilenadressierzeit) eingeprägt und in dem OLED-Pixel strahlend rekombiniert wird. Bei höherer Wiederholungsfrequenz der Adressierung der Display-Matrix bzw. Matrixanzeige D nimmt das menschliche Auge folgenden Mittelwert der Intensität L des Lichts wahr: $L_{Licht} \sim \frac{\int_{0}^{T_{Frame}} I_{OLED} \cdot ⅆ t}{T_{Frame}} \approx \frac{I \cdot \frac{T_{Frame}}{n}}{T_{Frame}} = \frac{I}{n}$
T_Frame ist die Gesamtzeit, die für den Aufbau eines kompletten Bildes benötigt wird, wenn alle n Zeilen der Matrixanzeige D einmal aktiviert werden. Der Betriebsstrom I_OLED bzw. I oder I₀ wird in jedem Pixel eingeprägt. Bei einer Amplitudenmodulation zur Helligkeitssteuerung ist der Betriebsstrom über den Zeitraum T_Frame /n aktiv, welcher der Zeilenadressierzeit entspricht. Bei einer Pulsweitenmodulation ist die Dauer des Betriebsstroms kleiner, nämlich d* T_Frame /n. Dabei ist d das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis und liegt zwischen Null und Eins: $L_{Licht} \sim d \cdot \frac{I_{0}}{n}$
Der Strom I₀ ist nun unabhängig von der Leuchtintensität des Pixels konstant. Die Intensität L wird mittels des Tastverhältnisses d eingestellt. Eine derartige Helligkeitssteuerung ist im Vergleich zu einer Amplitudenmodulation einfacher und genauer, da die Zeiteinheiten in der Elektronik sehr genau eingestellt werden können und folglich auch d. Nur ein Referenzstrom I₀ reicht zur Ansteuerung aller Pixel ij aus. Bei der Amplitudenmodulation muss dagegen jeweils die Amplitude entsprechend der gewünschten Helligkeit D_ij angepasst werden.
Durch die Ansteuerung aller Spalten j jeweils nur einer Zeile i kann jede Diode bzw. jedes Pixel ij maximal nur zu einem n-tel der Gesamtzeit T_Frame aktiv sein. Um auf eine bestimmte Durchschnittshelligkeit D_ij zu kommen, muss der entsprechende Betriebsstrom also im Vergleich zu dem Fall, in dem ein Pixel über die Gesamtzeit T_Frame mit Betriebstrom versorgt würde, mit der Anzahl n der Zeilen multipliziert werden. Das heißt, je höher die Zeilenanzahl ist, umso höher muss der gepulste Betriebsstrom I bzw. I₀ sein. Außerdem ist der Betriebsstrom bei einer Pulsweitenmodulation zur Helligkeitseinstellung immer hoch, auch wenn das anzusteuernde Pixels ij sehr dunkel ist. In diesem Fall ist lediglich die Aufschaltzeit des Betriebsstroms sehr kurz.
Der hohe Betriebsstrom kann jedoch zu einer signifikanten Reduzierung der OLED-Lebensdauer führen. Um den hohen benötigten Betriebsstrom zu erreichen, muss auch die Spannung an den OLEDs erhöht werden, wodurch der Leistungsverbrauch ansteigt und der Wirkungsgrad sinkt. Diese erhöhte Verlustleistung entlädt nicht nur den Akku bzw. die Batterie schneller, sondern macht das Display auch wärmer, wodurch die Lebensdauer ebenfalls reduziert wird. Um dennoch ein großes, hoch auflösendes Display zu realisieren, könnte wie bei LCDs (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige) eine sog. "aktive Matrix" eingesetzt werden, wodurch der Betriebsstrom nicht mehr gepulst geliefert wird, sondern als Konstantstrom vorliegt. Allerdings erfordert eine Aktive-Matrix-Ansteuerung (TFT-Backplane) für ein OLED-Display signifikante Zusatzkosten.
Ein Treiber für ein eingangs diskutiertes OLED-Display ist in der WO 03/091983 A1 beschrieben, der dazu dient, Passiv-Matrix-Displays mit höherer Effizienz anzusteuern. Dazu ist in dem Treiber-Schaltkreis ein Identifizierer für leere, d.h. nicht oder nicht nennenswert beleuchtete Zeilen von Pixeln vorgesehen. Derartige Zeilen werden in der Ansteuerung vollständig ausgelassen. Dadurch erhöht sich die Helligkeit der verbleibenden, angesteuerten Zeilen. Dieser Effekt kann auch dazu verwendet werden, die Energiezufuhr an das Display proportional zu den ausgelassenen Zeilen zu verringern. Die Zeit, mit der eine Zeile angesteuert wird, ist dabei immer gleich. Aus dem Datenblatt MXED301 der Clare Micronix ist ein Controller für ein OLED Display bekannt, der in einem Partial-Scan-Betriebsmodus und in einen Screen-Saver-Betriebsmodus selektiv bestimmte Zeilen ansteuert und andere Zeilen des Display bei der Ansteuerung nicht berücksichtigt. Eine angesteuerte Zeile wird jedoch mit der vorgesehenen Zeilenadressierzeit gescannt.
Aus der WO 97/16811 A1 ist ein Verfahren zum Ansteuern einer elektroluminiszenten Matrixanzeige bekannt, bei der mit Ausnahme der ersten Zeile jeweils zwei Zeilen gleichzeitig angesteuert werden, so dass jede dieser Zeile insgesamt zweimal angesteuert wird. Hierdurch kann die Luminanz pro Ansteuerung eines Pixels reduziert werden, da das Pixel pro Ansteuerperiode insgesamt zweimal angesteuert wird. Bei gleichem Strom lässt sich die Luminanz verdoppeln. Ähnliches offenbart die JP 2001-337649A , wonach zwei oder mehr Zeilen mit gleichen Bildinhalten gemeinsam angesteuert werden können, um die durchschnittliche Leuchtdauer der Anzeige zu erhöhen.
Die EP 1 437 704 A2 offenbart eine Ansteuerung für ein Matrixdisplay, bei dem die Ansteuerzeit für eine oder mehrere angesteuerte Zeile(n) variabel auf Basis der jeweiligen Pixeldaten festgelegt wird, um die Peak-Luminanz des Displays zu erhöhen und Schwarzpegel-Luminanz zu vermindern und somit den Kontrast zu verbessern. Zur Erreichung der in einem Pixel gewünschten Luminanz wird eine Pulsweiten- und/oder Amplitudenmodulation vorgeschlagen.
Aus der nachveröffentlichten WO 2006/035248 A1 ist ein Verfahren zur Multiline-Adressierung bekannt, bei dem die Bilddaten eine Bildmatrix definieren, die in ein Produkt wenigstens einer ersten und einer zweiten Faktormatrix faktorisiert werden. Die erste Faktormatrix definiert Zeilenansteuerungssignale und die zweite Faktormatrix definiert Spaltenansteuerungssignale für das anzusteuernde Display. Die beschriebene non-negative matrix factorisation (NMF) führt zu einer Datenkompression. Die Fehler für die verschiedenen Farbkanäle können bei diesem Rechenverfahren unterschiedlich gewichtet und minimiert werden.
Die auch nachveröffentlichte WO 2006/035246 A1 beschreibt ein ähnliches Verfahren zur Mulitline-Adressierung, wonach Gruppen von ersten und zweiten Spaltenelektroden mit verschiedenen Spalten-Ansteuersignalen angetrieben werden, denen jeweils erste und zweite Gruppen von Zeilenelektroden zugewiesen werden, die jeweils gleichzeitig mit den ersten und zweiten Gruppen von Spaltenelektroden angesteuert werden. Die Ermittlung der Matrizen erfolgt mit der vorbeschriebenen Factorisierung.
In Weiterentwicklung der vorstehend beschriebenen Technologie offenbart die auch nachveröffentlichte WO 2007/023251 A1 , für welche die nationale Phase nicht eingeleitet wurde und die daher keinen Stand der Technik darstellt, die Anwendung variabler Zeilenadressierzeiten im Sinne der EP 1 437 704 A2 auch bei der Multiline-Adressierung, deren Matrizen wiederum durch Faktorisierung gewonnen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ansteuerung von Matrixanzeigen entsprechend der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem die Lebensdauer von OLED-Display erhöht oder die Performance einer beliebigen Matrixanzeige verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 15 gelöst. Die Zeilenadressierzeit wird t_i für jede Zeile i in Abhängigkeit von der maximalen Helligkeit Dⁱ _max aller Spalten j der Zeile i festgelegt. Dadurch kann die Zeilenadressierzeit t_i kleiner oder gleich einer konstanten Zeilenadressierzeit t_L gewählt werden, die sich ergibt, wenn jede Zeile der Matrixanzeige solange adressiert wird, dass mit dem aufgeprägten Betriebsstrom eine maximale Pixelhelligkeit D_max erreicht werden könnte. Die erfindungsgemäße Zeilenadressierzeit t_i entspricht also der konstanten Zeilenadressierzeit t_L multipliziert mit dem Verhältnis der maximalen Helligkeit Dⁱ _max der Pixel in allen Spalten j der Zeile i zu der maximal möglichen Pixelhelligkeit D_max in der gesamten Matrixanzeige.
Die maximale Pixelhelligkeit D_max ist definiert als die Leuchtintensität (Helligkeit) in einem Pixel ij, die erreicht wird, wenn das Pixel während der konstanten Zeilenadressierzeit t_L mit dem Betriebsstrom I₀ beaufschlagt wird. Daraus ergibt sich, dass die Zeitsumme T_Sum der Zeitenadressierzeiten t_i über die Anzahl n aller Zeilen kleiner oder gleich der Gesamtzeit T_Frame zur Aktivierung aller n Zeilen ist, welche durch das n-fache der konstanten Zeilenadressierzeit t_L gegeben ist. Bei konstantem Betriebsstrom I₀ kann daher die Gesamtzeit zur Ansteuerung der Matrixanzeige erfindungsgemäß auf die Zeitsumme T_Sum < T_Frame der Zeilenadressierzeiten reduziert werden. Dies ermöglicht bspw. eine höhere Bildwiederholfrequenz und steigert damit die erreichbare Performance einer Matrixanzeige.
Da die Leuchtintensität eines Pixels ij in erster Näherung proportional zu der Ladung ist, die in ein Pixel ij eingeprägt wird, d.h. proportional zu dem Produkt aus Zeilenadressierzeit t_i und Betriebsstrom ist, kann die Abhängigkeit der Zeilenadressierzeit t_i von der maximalen Helligkeit über die Spalten einer Zeile auch verwendet werden, um den Betriebsstrom zu reduzieren. Dazu kann die Gesamtzeit T_Frame zur Aktivierung aller Zeilen i konstant gehalten werden, so dass die Summe der Zeilenadressierzeiten t'_i über alle Zeilen n der Gesamtzeit T_Frame entspricht. Die Zeilenadressierzeiten t'_i werden gemäß dieser erfindungsgemäßen Verfahrensvariante also entsprechend verlängert, so dass ihre Summe gleich der Gesamtzeit T_Frame ist. Gleichzeitig kann erfindungsgemäß der Betriebstrom I₀ um das Verhältnis der Zeitsumme T_Sum der (unbedingt benötigten) Zeilenadressierzeiten t_i aller Zeilen n zu der Gesamtzeit (T_Frame) zur Aktivierung aller Zeilen mit konstanter Zeilenadressierzeit t_L auf den Betriebstrom I₁ gesenkt werden. Die Leuchtintensität der einzelnen Pixel verändert sich dabei nicht, weil das Produkt aus der Zeilenadressierzeit und dem Betriebsstrom t_i * I₀ = t'_i * I₁ konstant bleibt. Bei OLEDs ist die Quanteneffizienz η im Bereich eines geringeren Betriebsstroms in der Regel größer als bei höherem Betriebsstrom. Daher kann der Betriebstrom I₁ zusätzlich um das Verhältnis der Quanteneffizienzen η(I₁) / η(I₀) reduziert werden. Nachfolgend wird auch die (verlängerte bzw. auf T_Frame normierte) Zeilenadressierzeit t'_i der Einfachheit halber als t_i bezeichnet.
Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Zeilenadressierzeiten t_i zur Adressierung der Diodenpixel kann also die selektive Phase (Zeilenadressierzeit) der einzelnen Diodenpixel ij des Displays D, d.h. die Zeit, während der das Diodenpixel ij mit dem Betriebsstrom 1 beaufschlagt wird, deutlich verlängert werden. Der aktive Betriebsstrom I₁ kann dabei umgekehrt proportional zur Dauer des selektierten Phase reduziert werden. Damit kann der Wirkungsgrad der Matrixanzeige D insgesamt erhöht und insbesondere bei OLED-Displays die Lebensdauer verlängert werden. Eine grundlegende Idee dieser Erfindung liegt also darin, die Dauer des Betriebsstroms durch eine zeilenabhängige Verkürzung bzw. Anpassung der Zeilenadressierzeiten zu verlängern. Da für eine bestimmte Leuchtintensität primär die Ladung entscheidend ist, bedeutet mehr Zeit zur Einprägung des Betriebsstroms somit einen in der Amplitude niedrigeren Strom.
Eine verbesserte Handhabung und eine weitere Reduzierung des Betriebsstroms wird erfindungsgemäß erreicht, indem die Matrixanzeige D in mehrere Matrizen S, M zerlegt wird, die separat angesteuert werden. Die Überlagerung aller Matrizen erzeugt dann das Bild der Matrixanzeige D in der gewünschten Helligkeit D_ij der jeweiligen Pixel ij. Dabei sollte die aus der Summe der Einzelhelligkeiten S_ij, M_jj der mehreren Matrizen gebildete Gesamthelligkeit D_ij der insgesamt gewünschten Helligkeit D_ij der Matrixanzeige D in dem Pixel ij entsprechen. Die Matrizen können erfindungsgemäß nacheinander oder ineinander verschachtelt, vorzugsweise jeweils unter Anwendung des vorbeschriebenen Verfahrens, zeilen- und spaltenweise abgearbeitet werden. Im Falle einer Aufteilung in zwei Matrizen, wobei eine Matrix S die Ansteuerung einer Zeile i und eine Matrix M2 eine gleichzeitige Ansteuerung von zwei Zeilen i vorsieht, können die Zeilen der Matrizen S, M2 abwechselnd adressiert werden. Für Passiv-Matrix-Displaytypen, wie OLED-Displays oder LCD, kann also ein Quellenbild, das in der Matrixanzeige D beschrieben ist, in mehrere Bildmatrizen zerlegt werden. Jede dieser gewonnenen Matrizen ist für den Displaytyp bspw. durch die nachfolgend beschriebene Multi-Line-Adressierung gut umzusetzen, so dass die Summe der Bilder besser umgesetzt wird als bei einer direkten Ansteuerung des Displays auf Basis der ursprünglichen Matrix D.
Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere Zeilen i gleichzeitig angesteuert werden. Die Pixel ij in jeder Spalte j der angesteuerten Zeilen i haben jeweils dasselbe Signal und dieselbe Leuchtintensität. Damit die Leuchtintensität eines Pixels ij der Leuchtintensität bei Ansteuerung nur einer Zeile i entspricht, wird der Betriebstrom I₀, I₁ um das Mehrfache entsprechend der Anzahl der gleichzeitig angesteuerten Zeilen erhöht, bei gleichzeitiger Ansteuerung von zwei Zeilen also verdoppelt. Die gleichzeitige Ansteuerung mehrerer Zeilen wird auch "Multi-Line-Adressierung" (MLA) genannt, in Abgrenzung zu der Ansteuerung nur einer Zeile, die auch als "Single-Line-Adressierung" (SLA) bezeichnet wird.
Bei einer gleichzeitigen Ansteuerung mehrerer Zeilen können vorzugsweise benachbarte Zeilen angesteuert werden. Es ist erfindungsgemäß jedoch auch möglich, dass vorzugsweise um wenige Zeilen voneinander getrennte Zeilen i gleichzeitig angesteuert werden, bspw. jede übernächste Zeile. Eine enge Nachbarschaft gleichzeitig angesteuerter Zeilen ist deswegen besonders sinnvoll, weil in einem Bild benachbarte Zeilen der Matrixanzeige D häufig eine ähnliche Helligkeitsverteilung aufweisen.
Um bei mehreren, gleichzeitig angesteuerten Zeilen auch Intensitätsunterschiede zwischen den einzelnen Zeilen und/oder Spalten erzeugen zu können, werden erfindungsgemäß eine Matrix (S), in der eine Zeile (i) angesteuert wird, und eine oder mehrere Matrizen (M2, M3, M4), in denen mehrere Zeilen (i) angesteuert werden, miteinander kombiniert. Durch das Vorsehen einer Matrix S mit einer Single-Line-Adressierung kann die gewünschte Helligkeit D_ij für jedes Pixel ij individuell angepasst werden. Diese Matrix S wird auch Rest-Single-Line-Matrix genannt.
Erfindungsgemäß kann für die Helligkeitssteuerung eine Pulsweitenmodulation verwendet werden, d.h. dass bspw. die Aufschaltung des Betriebsstroms I während einer Zeilenadressierzeit t_i nur für einen Teil der Zeilenadressierzeit t_i erfolgt und der Betriebsstrom I in der verbleibenden Zeit der Zeilenadressierzeit t_i ausgeschaltet ist. folgt und der Betriebsstrom I in der verbleibenden Zeit der Zeilenadressierzeit t_i ausgeschaltet ist.
Alternativ kann für die Helligkeitssteuerung auch eine Amplitudenmodulation verwendet werden, d.h. dass die Amplitude des Betriebsstroms I entsprechend der gewünschten Helligkeit D_ij angepasst wird. Erfindungsgemäß können die Pulsweitenmodulation und die Amplitudenmodulation zur Helligkeitssteuerung auch miteinander kombiniert werden. Dann ist es besonders vorteilhaft, wenn die Helligkeit D_ij in quantisierten Schritten vorgegeben ist, weil die Amplitude des Betriebsstroms dann in quantisierten Schritten reduziert werden kann, während das Pulsweiten-Tastverhältnis dementsprechend erhöht wird. Diese Ansteuerung ist auch gerätetechnisch besonders einfach umsetzbar. Dieses kombinierte Verfahren kann flexibel insbesondere dann eingesetzt werden, wenn die Zeit für die Aufschaltung des Betriebsstroms I in einer Spalte j nach einer Erhöhung des Pulsweiten-Tastverhältnisses die Zeilenadressierzeit t_i nicht übersteigt. Damit kann die Entscheidung einer Kombination der Amplitudenmodulation mit der Pulsweitenmodulation abhängig von der hierfür benötigten Betriebsstrom-Aufschaltzeit und der vorgesehenen Zeilenadressierzeit für jede Zeile i und Spalte j der Matrixanzeige D individuell erfolgen. Bei der kombinierten Pulsweiten- und Amplitudenmodulation kann die Amplitude also mit quantisierten Schritten reduziert werden, während das Pulsweitenmodulations-Tastverhältnis dementsprechend erhöht wird. Die Umsetzung der Quantisierung kann mit mehreren Transistorzellen erfolgen, mit denen auch die Multi-Line-Adressierung umgesetzt werden kann.
Zur Erzeugung der für die Ansteuerung der Matrixpixel verwendeten Matrizen wird gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen, die Matrixanzeige in eine Fluss-Matrix zu überführen, welche als Einträge Knoten aufweist, die dem Bedarf an Helligkeit bzw. Helligkeitsunterschiede einzelner Pixel in den jeweiligen Spalten entsprechen. Dies kann mit einer geeigneten Steuerung erfolgen, in welcher das vorbeschriebene Verfahren implementiert ist und welche geeignete Rechenmittel aufweist, um die einzelnen Verfahrensschritte durchzuführen. Eine derartige Steuerung ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Durch diese Überführung kann die Matrix-Zerlegung mit einer kombinatorischen Methode durchgeführt werden, die auf dem bekannten MaxFlow / Min-Cut Prinzip beruht. Der Hardware-Implementierungsaufwand für derartige kombinatorische Algorithmen ist bekanntlich gering. Außerdem können kombinatorische Algorithmen schnell abgearbeitet werden, so dass sich diese Algorithmen besonders für die Steuerung einer Matrixanzeige eignen.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fluss-Matrix aus der Differenz zweier Matrizen abgebildet wird, wobei die erste Matrix aus der Matrixanzeige und einer am Ende der Matrixanzeige angehängten Zeile mit Nulleinträgen und die zweite Matrix aus der Matrixanzeige und einer der Matrixanzeige vorgeschalteten Zeile mit Nulleinträgen bestehen. Bei einer Matrixzerlegung in Multi-Line-Matrizen und (Rest-)Single-Line-Matrix ist es entscheidend, die Helligkeitsunterschiede einzelner Pixel auf der Spalte optimal abzudecken. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Fluss-Matrix beschreibt die Unterschiede zwischen den Pixeln in der Spalte und bietet die Grundlage bzw. einen optimalen Ausgangspunkt für die Optimierung mit einer kombinatorischen Methode.
In einer Fluss-Matrix gemäß der vorliegenden Erfindung sind die Knoten vorzugsweise durch als Kanten bezeichnete Pfeile verbunden, denen eine Belegung zugeordnet ist, welche vorzugsweise entsprechend ihrer Länge den Einträgen der mehreren, separat angesteuerten Matrizen (bspw. S, M2. M3, M4) entsprechen, in welche die Matrixanzeige wie oben beschrieben zerlegt werden kann. Damit wird die Matrixzerlegung vollständig in eine Flussoptimierung überführt. Das Ergebnis der Flussoptimierung, d.h. die Kantenbelegungen, sind dann unmittelbar die entsprechenden Matrix-Elemente der Single- und Multi-Line-Matrizen S, M2, M3, M4 etc..
Für die Flussoptimierung insbesondere bei der Ansteuerung eines Passiv-Matrix-Displays ist es vorteilhaft, jeder Zeile der beteiligten Matrizen (S, M2, M3, M4) eine Kapazität bzw. einen Kapazitätswert für zuzuordnen. Der Kapazitätswert entspricht dem Maximum der Pixelwerte der jeweiligen Zeile. Die Summe aller Kapazitäten soll dann minimiert werden.
Während bei bekannten Min-Cut-Verfahren bzw. Max-Flow-Verfahren die Kapazität konstant gehalten und der Fluss maximiert wird, ist der Fluss in diesem Verfahren aus der Quellenmatrix (Matrixanzeige D) abgeleitet und somit vorgegeben. Das Ziel der Optimierung ist die Minimierung der Summe aller Kapazitäten. Daher wird die Kapazität erfindungsgemäß variabel gestaltet. Die Kapazitäten werden nach einer später beschriebenen Strategie so lange erhöht, bis alle Flüsse ausgeglichen bzw. balanciert sind. Dann ist eine gültige Zuordnung der Kanten erreicht und die Matrix-Zerlegung abgeschlossen. Es kann angenommen werden, dass die Summe der Kapazitätswerte minimal bzw. sehr klein ist. Als Güte der Optimierung wird das Verhältnis zwischen dem theoretischen Minimum und der Summe der Kapazitätswerte bezeichnet. Um die Anzahl der notwendigen Iterationen bei der Erhöhung der Kapazitätswerte zu verringern, kann in einer Initialisierung eine Zuordnung der Kanten als Startwert erzeugt werden.
Erfindungsgemäß werden bei jeder Iteration diejenigen Kapazitäten ausgewählt und erhöht, welche einen Flaschenhals darstellen, der eine gültige Lösung verhindert. Diese Kantenmenge, auch minimaler Schnitt (Min-Cut) genannt, kann als Auswahlkriterium für die zu erhöhenden Kapazitäten verwendet werden.
Zusätzlich können erfindungsgemäß die Informationen vorangegangener Min-Cuts als Auswahlkriterium mitverwendet werden, wobei eine Gewichtung der Min-Cuts der letzten Iterationen erfolgen kann. Dies ermöglicht eine schnelle bzw. effiziente Lösung.
Um die Iteration zu beschleunigen, kann die Schrittweite, mit welcher der Kapazitätswert erhöht wird, dynamisch angepasst werden. Dadurch wird erreicht, dass weniger Iterationen durchgeführt werden müssen, ohne viel an Optimierungsgüte gegenüber der kleinsten Schrittweite von "Eins" zu verlieren.
Zur Erhöhung der Rechengeschwindigkeit und Reduktion des benötigten Spei-cherplatzbedarfs kann die Matrixanzeige in mehrere, kleinere Submatrizen aufgeteilt werden und die Submatrizen separat zerlegt in Sub-Fluss-Matrizen werden. Eine solche Optimierung wird als lokale Optimierung betrachtet, wäh-rend die Matrix-Zerlegung in einer einzigen Optimierung als globale Optimierung betrachtet wird. Da bei der Optimierung kleinerer Matrix viel weniger Iterationen benötigt werden, ist es auch möglich, dass die Ergebnis von S, M2, M3, M4 etc. zeilenweise an die Register für den Ausgangstreiber direkt weiterzugeben, ohne Zwischenspeicher für diese Matrizen zu benötigen. Damit ist der Speicheraufwand deutlich geringer.
Ferner kann erfindungsgemäß eine gemischte lokale und globale Optimierung durchgeführt werden, wobei aus einer Sub-Fluss-Matrix eine oder wenige Zeilen von Multi-Line-Matrizen (M2, M3, M4) und/oder Rest-Single-Line-Matrizen (S) gewonnen werden. Damit ist ein guter Kompromiss zwischen der lokalen und der globalen Optimierung, nämlich Geschwindigkeit und Speicherplatzbedarf auf einer Seite und Optimierungsgüte auf der anderen Seite, erreicht. Die Ergebnisse werden zeilenweise bzw. submatrixweise ausgegeben, so dass kein Speicherplatzbedarf für die Speicherung vollständiger Matrizen besteht.
Bevorzugte Anwendungen des Verfahrens ergeben sich für die Ansteuerung selbstleuchtender Displays, bspw. OLED-Displays, oder nicht-selbstleuchtender Displays, bspw. LCDs. Eine weitere, erfindungsgemäße Anwendung des Verfahrens, die nicht auf die Ansteuerung von Matrixanzeigen gerichtet ist, sondern bezieht sich allgemein auf das Auslesen von Matrizen, bspw. Sensormatrizen in CCD-Kameras.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh-rungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbezügen.
Es zeigen:

Fig. 1: schematisch verschiedene Ausführungsformen der Ansteuerung einer Matrixanzeige gemäß der vorliegenden Erfindung zur an-schaulichen Erläuterung der Single-Line- und der Multi-LineAdressierung;
Fig. 2: schematisch Zeitdiagramme des Betriebsstroms (oder der zugehörenden Spannung) zur Ansteuerung der Pixel einer Spalte der in Fig. 1 dargestellten Matrixanzeige;
Fig. 3: eine Matrixanzeige D aus drei Spalten und fünf Zeilen und den zur Ansteuerung einer Spalte benötigten Strom;
Fig. 4: Ersatzschaltung einer Matrixanzeige mit m Spalten (C_m) und n Zeilen (R_n);
Fig. 5: eine Definition von Singe- und Multi-Line-Matrizen;
Fig. 6: eine erfindungsgemäße Zerlegung einer Matrixanzeige D in eine Zwei-Line-Matrix und eine Single-Line-Matrix;
Fig. 7: eine erfindungsgemäße Zerlegung einer der in Fig. 6 gezeigten Matrixanzeige D in eine Drei-Line-, eine Zwei-Line- und eine Single-Line-Matrix;
Fig. 8: Spannungs- und Stromverläufe für ausgewählte Reihen von Matrizen gemäß Fig. 6;
Fig. 9: eine Zerlegung der Matrix D in eine Fluss-Matrix d';
Fig. 10: ein Flussdiagramm der Fluss-Matrix d' gemäß Fig. 9;
Fig. 11: ein konkretes Beispiel der in die Flussmatrix d' überführte Matrix D gemäß Fig. 6;
Fig. 12: ein Flussdiagramm der Fluss-Matrix d' gemäß Fig. 11 in einem ersten Optimierungsschritt;
Fig. 13: ein Flussdiagramm der Fluss-Matrix d' gemäß Fig. 11 nach dem Optimierungsschritt;
Fig. 14: einen mathematischen Ablaufplan zum Erstellen der Fluss-Matrix d' und eines optimierten Flussdiagramms;
Fig. 15: eine erfindungsgemäße Ausführungsform zur Erzeugung des Betriebsstroms;
Fig. 16: eine Helligkeitssteuerung durch eine Pulsweitenmodulation;
Fig. 17: eine Helligkeitssteuerung durch eine kombinierte Amplituden- und Pulsweitenmodulation und Fig. 18;
Fig. 18: einen Algorithmus zur Durchführung einer Helligkeitssteuerung gemäß Fig. 17.

Fig. 1 stellt schematisch eine Matrixanzeige D, die aus vier Zeilen i und vier Spalten j aufgebaut ist. Entsprechend weist die Matrixanzeige D insgesamt sechzehn Pixel ij auf, welche die Helligkeit D_ij haben sollen. Jedes Pixel ij ist durch ein Rechteck dargestellt, in dem der digitale Helligkeitswert D_ij als Zahlenangabe eingetragen ist. Der Helligkeitswert "0" steht für ein dunkles Pixel ij, der Helligkeitswert "1" steht für ein schwach leuchtendes Pixel ij und der Helligkeitswert "2" steht für ein hell leuchtendes Pixel.
Daher zeigt Fig. 1a eine Matrixanzeige D, auf der ein Kreuz mit einem halbdunklen Zentrum in dem Pixel ij=23 und vier hellen Pixeln an dessen Kanten zu sehen ist. In der herkömmlichen Single-Line-Adressierung (SLA) wird die Matrixanzeige D derart angesteuert, dass nacheinander die Zeilen eins bis vier jeweils für eine konstante Zeilenadressierzeit t_L aktiviert werden, welche in beliebigen Einheiten mit dem Wert "1" angegeben sind. Während der Aktivierung der ersten Zeile wird die dritte Spalte mit einem Betriebsstrom I beaufschlagt, der eine der gewünschten Helligkeit "2" entsprechende Ladung in dem Pixel ij=13 deponiert. Nach einer Zeilenadressierzeit von t_L=1 wird auf die zweite Zeile umgeschaltet. In dieser zweiten Zeile werden gleichzeitig die Spalten zwei und vier mit einem der Helligkeit "2" entsprechenden Betriebsstrom I und die Spalte drei mit einem der Helligkeit "1" entsprechenden Betriebsstrom I versorgt. Ein analoges Verhalten ergibt sich im Falle eines nicht-selbstleuchtenden Displays für die an den einzelnen Spalten zur Ansteuerung angelegte Spannung. Ein typischer Anwendungsfall sind LCDs (Liquid Crystal Display).
Nach einer weiteren Zeilenadressierzeit tL=1 wird die dritte Zeile analog zu der ersten Zeile angesteuert. Schließlich wird für eine weitere Zeilenadressierzeit t_L =1 die vierte Zeile aktiviert, die jedoch vollständig dunkel ist, d.h. dass während der selektierten Phase der vierten Zeile (Zeilenadressierzeit für die vierte Zeile) in keiner der Spalten eins bis vier ein Pixel ij mit einem Betriebsstrom beaufschlagt wird.
Nach einer Gesamtzeit T_Frame = 4 * t_L wurden alle Pixel ij der Bildmatrix D einmal angesteuert. Das menschliche Auge integriert die nacheinander erleuchteten Pixel ij zu einem Gesamtbild auf.
Dieses herkömmliche Verfahren zur Ansteuerung einer Matrixanzeige D mittels einer Single-Line-Adressierung wird erfindungsgemäß wie in Fig. 1b dargestellt dahingehend modifiziert, dass die Zeilenadressierzeit t_i für jede Zeile i in Abhängigkeit von der maximalen Helligkeit Dⁱ _max aller Pixel auf den Kreuzungspunkten aller Spalten j mit der Zeile i festgelegt wird. Dieses Verfahren wird nachfolgend auch als "Improved Single-Line-Adressierung" (ISLA) bezeichnet. Die Zeilenadressierzeit t_i wird dabei so bemessen, dass die Summe T_Sum der Zeilenadressierzeiten t_i über alle vier Zeilen der Gesamtzeit T_Frame = 4 * t_L entspricht.
Bei der Bemessung der Zeilenadressierzeiten t_i kann wie folgt vorgegangen werden. Die maximale Helligkeit Dⁱ _max aller Spalten beträgt für die ersten drei Zeilen jeweils "2", so dass die Zeilenadressierzeit t_i für diese ersten drei Zeilen jeweils gleich sein muss. In der vierten Zeile beträgt die maximale Helligkeit "0", so dass diese Zeile überhaupt nicht angesteuert werden muss und t_i=0 gewählt werden kann. Die Gesamtzeit T_Frame = 4 * t_L kann also auf drei Zeilenadressierzeiten t_i aufgeteilt werden, so dass t_i für die Zeilen eins bis drei um ein Drittel länger gewählt werden kann als die konstante Zeilenadressierzeit t_L, d.h. $t_{i} = \frac{4}{3} \cdot t_{L} .$
Die ersten drei Zeilen können also jeweils um ein Drittel länger aktiviert werden als bei der Ansteuerung gemäß Fig. 1a. Da die Leuchtintensität bei einem OLED-Display von der in den OLEDs eingeprägten Ladung abhängt, die sich aus dem Produkt des beaufschlagten Betriebsstrom mit der Zeilenadressierzeit ergibt, kann der Betriebsstrom entsprechend um ein Viertel reduziert werden, um in auf denselben integrierten Helligkeitswert D_ij zu kommen, d.h. $I_{1} = \frac{4}{3} \cdot I_{o}$
Damit ist das Produkt aus t_L und I₀ gleich dem Produkt aus t_i und I₁. Dies ist anschaulich auch dem Vergleich der beiden Fig. 2a und 2b zu entnehmen. Die Darstellungen in Fig. 2 zeigen den der dritten Spalte aus Fig. 1 über alle Zeilen eins bis vier beaufschlagten Betriebsstrom bzw. die dazu proportionale Betriebsspannung. Aufgetragen sind der beaufschlagte Strom (bzw. die entsprechend angelegte Spannung) während der Zeilenadressierzeit. Wie Fig. 2a zu entnehmen entspricht die Breite eines dargestellten Kastens gerade der konstanten Zeilenadressierzeit t_L, die in dem vorbeschriebenen Beispiel als Normierungsgröße verwendet worden ist. Ein Kasten entspricht damit der Aktivierungszeit einer Zeile. Die Gesamtbreite bestehend aus vier Kästen entspricht der Gesamtzeit T_Frame, innerhalb der ein Bild der Matrixanzeige vollständig aufgebaut werden kann.
In Fig. 2a wird der Stromverlauf bei der bekannten Single-Line-Adressierung beschrieben. In der ersten Zeile ist der Strom entsprechend dem gewünschten Helligkeitswert "2" maximal. Zur Verdeutlichung ist der zugehörige Ansteuerpuls (Strom x Zeit) für das Pixel im Kreuzungspunkt der dritten Spalte mit der ersten Zeile schraffiert dargestellt. Dies gilt jeweils auch für die weiteren Darstellungen der Fig. 2b) und 2c). In der zweiten Zeile mit dem Helligkeitswert "1" ist der Strom halbiert. In der dritten Zeile ist der Strom wieder maximal, um den Helligkeitswert "2" zu erreichen. Für die letzte Zeile mit abgeschaltetem Pixel ist der Strom abgeschaltet. Diese Art der Ansteuerung entspricht einer Amplitudenmodulation.
In Fig. 2b ist der Stromverlauf für die Improved Single-Line-Adressierung gemäß der Erfindung dargestellt. Wie beschrieben wurden die Zeilenadressierzeiten t_i entsprechend um ein Drittel verlängert. Dies ist durch die gestrichelten Linien dargestellt. Die vierte Zeile wird überhaupt nicht aktiviert. Die Helligkeit eines Pixels ij ist proportional zu der eingeprägten Ladungsmenge, die durch den über die Zeit integrierten Strom (Betriebstrom) bestimmt wird. Wie Fig. 2b zu entnehmen ist, ist die Fläche unter der Stromkurve in Fig., 2b gleich der Fläche unter der Stromkurve in Fig. 2a, obwohl der Strom (respektive die angelegte Spannung) jeweils um ein Viertel reduziert werden konnte. Dies ist für die Lebensdauer von OLEDs von Vorteil.
Mit Bezug auf Fig. 1c wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei diesem Verfahren zur Ansteuerung werden mehrere Zeilen gleichzeitig angesteuert (Multi-Line-Adressierung). In dem vorliegenden Beispiel sind dies die Zeilen eins und drei, in denen jeweils in der dritten Spalte ein Pixel mit der Helligkeit "2" erzeugt werden muss (vgl. Fig. 1 a). Da zwei Zeilen zusammengefasst wurden, kann die Zeilenadressierzeit verdoppelt werden. Entsprechend wird der Betriebsstrom (respektive die entsprechende Spannung) je Pixel halbiert (vgl. Fig. 2c für ein Pixel).
Wie in Fig. 1d dargestellt ist es besonders vorteilhaft, das in Bezug auf Fig. 1c beschriebene Verfahren der Multi-Line-Adressierung mit der Improved Single-Line-Adressierung entsprechend Fig. 1b zu kombinieren. Dadurch ist es möglich, bei einer Multi-Line-Adressierung beliebige Bilder zu erzeugen, da bei der Multi-Line-Adressierung alle aktivierten Zeilen identisch angesteuert werden. Verbleibende Unterschiede und/oder Restzeilen können dann durch die Improved Single-Line-Adressierung (MISLA) ausgeglichen werden.
So wird in Fig. 1d die zweite Zeile gemäß Fig. 1a durch eine gesonderte Ansteuerung einer zweiten Matrix erzeugt. Dies entspricht einer Zerlegung der Matrixanzeige D in mehrere Matrizen, die separat angesteuert werden und in der Summe das gewünschte Bild der Matrixanzeige D erzeugen. Die Ansteuerung erfolgt dabei in einem so schnellen Zeittakt, dass das menschliche Auge die sequentiell erfolgenden Ansteuerungen der jeweiligen Zeilen und/oder Matrizen nicht trennen kann und zu einem Gesamtbild zusammensetzt. Daher sollte auch bei einer Ansteuerung durch mehrere Matrizen die Gesamtzeit T_Frame, die für den vollständigen Aufbau eines Bildes benötigt wird, nicht verlängert werden. Es ist ein vorteilhaftes Vorgehen, die Gesamtzeit T_Frame zur Aktivierung aller anzusteuernder Zeilen in allen Matrizen konstant zu halten und die jeweiligen Zeilenadressierzeiten t_i entsprechend anzupassen. Dabei kann die Zeilenadressierzeit t_i für eine Zeile durchaus anders sein als die für eine andere Zeile, abhängig von der maximalen Helligkeit der Spalten in der jeweiligen Zeile. Dieser Fall tritt in dem derzeit beschriebenen Beispiel jedoch nicht auf.
Für die Kombination der Matrizen gemäß Fig. 1c und Fig. 1d ergibt sich folgendes Verfahren. Für die Ansteuerung wird pro Matrix jeweils genau eine Zeilenadressierzeit benötigt. Die dabei zu erzielenden maximalen Helligkeiten D_ij sind jeweils gleich. Daraus ergibt sich, dass zwei gleiche Zeilenadressierzeiten t_i = 2 * t_L benötigt werden, um auf eine Gesamtzeit T_Frame = 4 * t_L zu kommen. Entsprechend der Verdopplung der Zeilenadressierzeit gegenüber der Single-Line-Adressierung gemäß Fig. 1c kann der Betriebsstrom bzw. die Spannung für jedes einzelne Pixel ij damit halbiert werden, wobei bei der Zwei-Zeilen-Adressierung (Zwei-Line-Adressierung) berücksichtigt werden muss, dass die spaltenweise Ansteuerung mehrer Zeilen in der schaltungstechnischen Realisierung einer Parallelschaltung entspricht und der beaufschlagte Betriebsstrom daher gleichmäßig auf die Pixel aller aktivierten Zeilen verteilt wird. Bei einer Zwei-Zeilen-Adressierung in einer Matrix ist der aufgeschaltete Betriebsstrom daher zu verdoppeln, damit an jedem Pixel derselbe Betriebsstrom zur Verfügung steht.
Die Stromverteilung für die kombinierte Ansteuerung gemäß den Fig. 1c und 1d ist Fig. 2c zu entnehmen und zeigt eine weitere Absenkung des maximalen Betriebsstroms ohne Helligkeitseinbußen in der Matrixanzeige D.
Das anhand der Fig. 1 und 2 beschriebene Ansteuerungsverfahren stellt eine gegenüber der praktischen Anwendung stark vereinfachte Ausführung dar und dient der Erläuterung der zugrundeliegenden Idee. Erfindungsgemäß ist dieses Verfahren vorteilhaft auch mit Elementen herkömmlicher oder bekannter Verfahren kombinierbar, bspw. in Verbindung mit Precharge- und Discharge-Techniken oder dgl..
Nachfolgend wird ein komplexeres Beispiel zur Ansteuerung von Matrixanzeigen beschrieben, wobei sämtliche der beschrieben Merkmale Gegenstand und Teil der Erfindung sind.
Ausgangspunkt der Beschreibung sind die Eigenschaften einer Matrixanzeige D, die in Fig. 3 dargestellt ist. Die Helligkeit D_ij einer Matrixanzeige kann in digitalen Werten angegeben werden, wobei der Wert "0" ein ausgeschaltetes Pixel beschreibt. Die maximale Helligkeit in der Matrix sei D_max (z.B.: Wert "255" bei 8-Bit). Der entsprechende Betriebsstrom ist I₀. Die Höhe von I₀ wird von der Anwendung vorgegeben bzw. eingestellt. Sie repräsentiert die gewünschte Helligkeit des Displays.
Gemäß dem dem Stand der Technik entsprechenden bisherigen SLA-Verfahren (Single-Line-Adressierung) bekommt jede Zeile innerhalb einer Frame-Periode (Gesamtzeit T_Frame) eine gleiche, fixe bzw. konstante Zeilenadressierzeit t_L zugewiesen, in der die maximale Helligkeit D_max erzeugt werden kann. Für genau ein Bit an Helligkeit gibt es einen korrespondierenden Zeittakt t₀. $t_{0} = \frac{t_{L}}{D_{\max}} = \frac{T_{Frame}}{n \cdot D_{\max}}$
Eine bestimmte Helligkeit wird bei einer Helligkeitssteuerung mittels einer Pulsweitenmodulation (PWM) in eine Anzahl der Zeittakte t₀ umgesetzt. Für die maximale Helligkeit fließt für die Zeilenadressierzeit von t_i = D_max * t₀ der Betriebsstrom I₀.
In der vorliegenden Erfindung wird die notwendige Selektionsdauer einer Zeile, d.h. die für diese Zeile gewählte Zeilenadressierzeit t_i, von der maximalen Helligkeit D_ij sämtlicher Pixel ij in der selektierten Zeile i bestimmt. Wenn die maximale Helligkeit in dieser Zeile kleiner als D_max ist, kann die nächste Zeile früher aktiviert werden, d.h. die gewählte Zeilenadressierzeit t_i kann kürzer sein als t_L. Die erforderliche Gesamtzeit zum Aufbau eines Bildes ist somit: $T_{Sum} = D_{Sum} \cdot t_{0} \leq T_{Frame},$

wobei $D_{Sum} = \sum_{i = 1}^{n} \max (D_{i 1}, D_{i 2}, \dots D_{i m}) \leq n \cdot D_{\max}$

die Summe der maximalen Helligkeiten Dⁱ _max einer Zeile über alle Zeilen ist. Dⁱ _max ist also die größte Helligkeit aller Spalten in der Zeile i.
Diese Zeit T_Sum ist kleiner bzw. gleich der Gesamtzeit T_Frame und kann auf T_Frame ausgedehnt werden, indem der Betriebsstrom I₀ auf den Betriebsstrom I₁ reduziert wird. Der Betriebsstrom I₁, der der gewünschten Helligkeit angepasst ist; ergibt sich aus: $I_{1} = \frac{T_{Sum}}{T_{Frame}} \cdot I_{0} = \frac{D_{Sum}}{n \cdot D_{\max}} \cdot I_{0} .$
Der reduzierte Betriebsstrom I₁ wird also dadurch erreicht, dass die aktive bzw. selektierte Phase einer Zeile (Zeilenadressierzeit t_i) nicht fest an t_L gebunden ist. Statt dessen bleibt jede Zeile i nur solange aktiv, wie es das hellste Pixel ij mit der Helligkeit Dⁱ _max auf dieser Zeile erfordert. Wenn die erforderliche Zeit für das hellste Pixel erreicht ist, wird sofort auf die nächste Zeile umgeschaltet.
Mit diesem zeitoptimierten Steuerverfahren sind der Betriebsstrom I₁ und der Zeittakt für die Zeilenadressierung t_i erfindungsgemäß variabel. Der Betriebsstrom wird auf I₁ reduziert und der Zeittakt für genau ein Bit an Helligkeit (LSB, least significant bit) von t₀ auf t₁ erhöht: $t_{1} = \frac{T_{Frame}}{D_{Sum}}$
Ein einfaches Beispiel wird hierfür ist in Fig. 3 illustriert. Das Bild der Matrixanzeige in Fig. 3a wird entsprechend Fig. 1 mit der Matrix D beschrieben, welche die Helligkeitswerte D_ij an den einzelnen Pixelpositionen ij enthält.
Die Matrix D repräsentiert drei helle Streifen mit je einem dazwischenliegenden dunklen Streifen, wobei der Einfachheit halber Grausstufen bis 3-Bit, d.h. eine maximale Helligkeit von D_max = 7, angenommen werden. Insgesamt enthält die Matrixanzeige D also fünf Zeilen und drei Spalten.
In den Fig. 3b) und 3c) ist der Zeitverlauf des in die zweite Spalte eingeprägten (Betriebs-)Stroms dargestellt. Fig. 3b) stellt den Stromverlauf bei einer konventionellen Single-Line-Adressierung (SLA) dar, der in Fig. 3c) dem Zeitverlauf der erfindungsgemäßen Improved-Single-Line-Adressierung (ISLA) gegenübergestellt ist.
Während bei der Single-Line-Adressierung (Fig. 3b) die Stromamplitude beispielsweise konstant 70 µA beträgt und jede Zeile mit einer konstanten Zeilenadressierzeit t_L von 2,8 msec aktiviert wird, beträgt bei der Improved-Single-Line-Adressierung (Fig. 3c) die Stromamplitude 40 µA. Die erste, die dritte und die fünfte Zeile sind jeweils für eine Zeit (Zeilenadressierzeit t_i) von 4,2 msec und die zweite und die vierte Zeile für eine Zeit (Zeilenadressierzeit t_i) von 0,7 msec aktiv.
Der für die Ansteuerung der gesamten Matrix D in gleicher Weise verwendete Betriebsstrom I₁ und der Zeittakt t₁ für genau ein Bit an Helligkeit sind nun abhängig von dem jeweils darzustellenden Bild. Da bei Passiv-Matrix-OLEDs der Diodenstrom aufgrund des Multiplex-Verfahrens recht hoch ist, ist die Quanteneffizienz bzw. die Leuchtintensität pro Stromeinheit relativ gering. Bei reduziertem Betriebsstrom steigt die Quanteneffizienz, was zu einem weiter reduzierten Betriebsstrom führen kann: $I_{1} = \frac{D_{Sum}}{n \cdot D_{\max}} \cdot I_{0} \cdot \frac{η (I_{0})}{η (I_{1})}$

η(I) ist die Quanteneffizienz bei dem Strom I in der Einheit Cd/A. Der Verlauf der Quanteneffizienz wird in einer Gamma-Tabelle abgespeichert und kann durch eine erfindungsgemäße Ansteuerelektronik, welche das beschriebene Verfahren umsetzt, für die obige Berechnung herangezogen werden.
Da der Betriebsstrom I₁ gegenüber einer bekannten Ansteuerung reduziert ist, sinkt auch die Flussspannung der OLED-Dioden. Dadurch steigt auch der Wirkungsgrad mit der Einheit Lm/W, da die verbrauchte Energie gleich der Integration des Produktes von Strom und Spannung über die Frame-Periode ist. Der erreichte höhere Wirkungsgrad bedeutet auch eine geringere Eigenerwärmung des Displays, was zu einer Erhöhung der Display-Lebensdauer führt.
Der Umsetzungsaufwand ist hierfür gering, weil der Betriebsstrom I₁ für das Display nur einmal festgelegt werden muss und ein Zeittakt t_i leicht zu implementieren ist.
Bei der vorbeschriebenen Variante der Ansteuerung ist die Summe D_Sum der maximalen Helligkeiten Dⁱ _max einer Zeile eine vorgegebene, nicht veränderbare Größe. Wenn mehrere Zeilen zusammengefasst und in einer Matrix gleichzeitig angesteuert werden, gibt es die Möglichkeit, D_Sum zu minimieren bzw. weiter zu verkleinern. Während einer Zeilenadressierzeit t_i werden dann mehrere Zeilen gleichzeitig selektiert, so dass die erforderliche Zeit für die Ansteuerung der gesamten Bildmatrix insgesamt reduziert werden kann. Damit kann auch der Betriebsstrom weiter reduziert werden.
In Fig. 4 ist schaltungstechnisch dargestellt, wie zwei Zeilen Ri und Ri+1 gleichzeitig adressiert werden. Der eingeprägte Spaltenstrom ist nun 2*I₁ und wird auf die beiden Dioden der einzelnen Zeilen Ri und Ri+1 gleich verteilt. Die Dioden auf den restlichen Zeilen sind passiv und werden nur mit der parasitären Kapazität C_p dargestellt. Die Leuchtintensitäten sind bei den jeweiligen Dioden einer Spalte in den gleichzeitig angesteuerten Zeilen gleich, weil sie jeweils mit demselben Strom beaufschlagt werden. Für die zwei Zeilen wird daher im Vergleich zur Single-Line-Adressierung nur eine Zeilenadressierzeit t_i benötigt, um dieselbe Helligkeit in den angesteuerten Pixeln zu erzeugen.
Diese Betrachtungsweise gilt auch, wenn mehr als zwei Zeilen gleichzeitig adressiert werden. Die Zeiteinsparung ist umso größer, je mehr Zeilen zusammengefasst werden. Dies ist eine dann Multi-Line-Adressierung.
Die Zusammenfassung mehrerer Zeilen ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, da nun mehrere Pixel einer Spalte in mehreren Zeilen gleich angesteuert werden. Es gibt in der Helligkeit also keinen Unterschied zwischen diesen Pixeln mehr, so dass differentielle Informationen verloren gehen bzw. die Auflösung reduziert wird.
Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass die Multi-Line-Adressierung (MLA) mit der zuvor beschriebenen, optimierten Improved-Single-Line-Adressierung (ISLA) kombiniert wird, indem die gewünschte Matrixanzeige D in mehrere Matrizen zerlegt wird. Das heißt, dass eine Zeile in verschiedenen Matrizen S, M sowohl alleine als auch mit anderen Zeilen gemeinsam adressiert wird. Der Unterschied in der Leuchtintensität zwischen den Pixeln in den verschiedenen, in der Multi-Line-Adressierung aber gemeinsam angesteuerten Zeilen der jeweiligen Spalte wird durch die Improved-Single-Line-Adressierung mit der Matrix S realisiert. Die Multi-Line-Adressierung soll die erforderlichen Gesamtzeit T_Sum minimieren. Die Überführung einer Matrixanzeige D in eine Single-Line-Matrix S und Multi-Line-Matrix M wird mathematisch wie folgt dargestellt. $D = S + M 2,$

wobei M2 die Matrix für eine Zwei-Zeilen-Adressierung ist. Die Matrix S wird auch als Rest-Single-Line-Matrix bezeichnet. Der grundsätzliche Aufbau ist der Matrizen ist Fig. 5 zu entnehmen.
Die Quellendaten für die einzelnen Pixelhelligkeiten D_ij der Matrixanzeige D, welche zu dem gewünschten Bild zusammengesetzt werden, werden in zwei Matrizen S und M2 zerlegt. S ist die Single-Line-Matrix, die durch die Improved-Single-Line-Adressierung angesteuert wird. M2 ist die Multi-Line-Matrix, für deren Ansteuerung jeweils zwei Zeilen zusammengefasst und gemeinsam adressiert bzw. aktiviert werden. Die Darstellung von M2 in n-1 Matrizen, wobei n die Anzahl der Zeilen der Matrixanzeige D ist, zeigt, dass für jede dieser Matrizen M zwei Zeilen zusammengefasst werden, da die Einträge in den zwei Zeilen identisch sind. Die Zusammenfassung zweier Zeilen wird vorzugsweise für zwei aufeinander folgende Zeilen vorgenommen, weil angenommen wird, dass aufeinander folgeride Zeilen eines Bildes die größten Ähnlichkeiten besitzen und die Verteilung der zweifachen Betriebsströme in zwei Pixel bei aufeinander folgenden Zeilen eines reellen Displays am homogensten ist. Zudem ist die mathematische Zerlegung für diese Einschränkung einfacher als wenn zwei beliebige Zeilen zusammengefasst werden. Die Implementierung der Algorithmen ist dann von geringerem Aufwand und wird weiter unten in einer erfindungsgemäßen Realisierung noch genauer beschrieben.
Natürlich können je nach Anwendung auch nicht benachbarte Zeilen zusammengefasst werden. Bspw. können mit der Zusammenfassung von zwei durch eine Zwischenzeile voneinander getrennte Zeilen Schachbrettmuster sehr gut mit der Multi-Line-Adressierung abgebildet werden.
Die Zeilenadressierzeit t_i, die jede "Zweizeile" für die Aktivierung bekommt, hängt analog zu der vorbeschriebenen Realisierung von der maximalen Helligkeit Mij eines Pixels in dieser Zweizeile ab. Das zeitoptimierte Ansteuerverfahren, das bereits für die Single-Line-Adressierung beschrieben wurde, wird auch hier eingesetzt. Die Summe der Zeilenadressierzeiten ergibt sich also wie folgt: $T_{Sum} □ \sum_{i = 1}^{n} \max (S_{i 1}, S_{i 1}, \dots S_{im}) + \sum_{i = 1}^{n - 1} \max ({M 2}_{i 1}, {M 2}_{i 1}, \dots {M 2}_{im}) = D_{Sum},$
wobei max(S_il,...S_im) und max(M2_il, ..., M2_im) jeweils die maximale Helligkeit einer Zeile angeben, die proportional zu der jeweiligen Zeilenadressierzeit t_i ist.
Das Ziel der Zerlegung in mehrere Matrizen ist eine weitere Reduktion des Betriebsstroms I₁, d.h. eine Minimierung von D_Sum. Das wird erreicht, indem jede Helligkeit M2_ij der Multi-Line-Matrix M2 zwei Elemente in der Single-Line-Matrix, nämlich S_ij und S_i+lj um den Betrag M2_ij von der Originaldaten D_ij und D_i+lj reduziert. Dafür wird jedoch nur eine Zeilenadressierzeit t_i benötigt, nämlich die Zeit für die Adressierung von M2_ij. Bei mehreren Zeilen ist die Wirkung entsprechend höher.
Die Transformation der Quellendaten (Matrixanzeige D) in mehrere Multi-Line-Matrizen wird analog durch $D = S + M 2 + M 3 + \dots$

definiert, wobei M3 eine gleichzeitige Ansteuerung von drei Zeilen beschreibt (vgl. Fig. 5). Eine gleichzeitige Adressierung von noch mehr Zeilen geschieht entsprechend.
Es ist auch möglich, manche Multi-Line-Matrizen auszulassen, bspw. gemäß der Definition $D = S + M 2 + M 4,$

in welcher die Matrix M3 mit Null belegt wird. Die Single-Line-Adressierung kann auch so interpretiert werden, dass alle Elemente der Multi-Line-Matrizen Mx mit Null belegt sind.
Die Idee, ein Bild bzw. eine Bildmatrix D in mehrere Bilder respektive Bildmatrizen S, M aufzuteilen, die leichter anzusteuern sind, kann für alle Matrix-Display-Arten, einschließlich LCD- und Plasma-Displays, angewendet werden. Die Multi-Line-Matrix ist ein gutes Beispiel für eine einfache und effiziente Ansteuerung.
Nachfolgend wird eine vollständige Multi-Line-Adressierung einschließlich einer Single-Line-Adressierung an einem konkreten Beispiel beschrieben. Das Ziel der vorgenommenen Transformationen ist dabei die Minimierung von D_Sum. Das Ergebnis ist, dass der Betriebsstrom nicht mehr I₀ ist, sondern (bildabhängig) deutlich kleiner werden kann: $I_{1} = \frac{D_{Sum}}{n \cdot D_{\max}} \cdot I_{0}$
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Beispiel wird eine 4X9-Matrix D in zwei Matrizen M2 und S zerlegt. Die Anzahl der Zeilen dieser Matrix D ist n=9. D_max soll den Helligkeitswert "15" (4 bit) haben.
Die erste Matrix in Fig. 6 gibt die gewünschten Helligkeiten D_ij der Matrixanzeige D an. Die zweite Matrix ist Zweizeilen-Matrix M2 und die dritte ist die Rest-Single-Line-Matrix S. M2 ist noch einmal gesondert dargestellt, wobei der Summendarstellung zu entnehmen ist, wie die Helligkeiten jeweils auf zwei benachbarte Zeilen bei gleichzeitiger Adressierung verteilt werden. D_Sum, d.h. Summe der maximalen Helligkeiten gleichzeitig aktivierter Zeilen, beträgt bei Anwendung der Zweizeilen-Matrix D_Sum = 72. Wenn lediglich die Improved Single-Line-Adressierung angewendet wird, ist D_Sum = 107. Gegenüber n*D_max = 9 * 15 = 135 wird der benötigte Betriebsstrom durch Anwendung der Zweizeilen-Matrix also auf 53% des konventionellen Ansteuerverfahrens reduziert.
Wenn eine Dreizeilen-Matrix-Adressierung M3 entsprechend Fig. 7 eingesetzt wird, lässt sich D_Sum weiter reduzieren. Die erste Matrix gemäß Fig. 7 ist gleich der Quellenmatrix aus Fig. 6 und gibt die gewünschten Helligkeitän D_ij der Matrixanzeige D wieder. Die zweite Matrix ist die Dreizeilen-Matrix M3, die dritte Matrix ist die Zweizeilen-Matrix M2 und die vierte ist die Rest-Single-Line-Matrix S. D_Sum reduziert sich in diesem Fall weiter auf 58. Gegenüber n*D_max =135 wird eine also Reduktion der Betriebsstromamplitude um 57% erzielt.
In Fig. 8 werden der Spannungsverlauf der achten Zeile, der Strom- und Spannungsverlauf der zweiten Spalte sowie die Spannung an einer Diode (D₈₂) für die Zweizeilen-Adressierung gemäß Fig. 6 dargestellt.
In dem dargestellten Beispiel beträgt der Betriebsstrom I₀ für die konventionelle Single-Line-Adressierung 100 µA. Entsprechend der Reduktion auf 53% beträgt der Betriebsstrom bei einer Ansteuerung einer Zeile also I₁ = 53 µA ist. Die Flussspanriung der OLED bei 53 µA beträgt 6 V. Die Schwellenspannung der OLED beträgt 3 V. Eine Frame-Periode, d.h. die Gesamtzeit T_Frame, beträgt 13,5 msec. Bei der konventionellen Single-Line-Adressierung beträgt die konstante Zeilenadressierzeit t₀ = 0,1 msec. Mit der Multi-Line-Adressierung entsprechend Fig. 6 beträgt t₁ = 0,1875 msec. Ein Frame besteht nun aus 72 (D_Sum) t_l-Takten.
Die S-Matrix und M2-Matrix werden abwechselnd aktiviert. Es wird zuerst die erste Zeile der S-Matrix adressiert, dann die erste Zweizeile der M2-Matrix (d.h. deren Zeilen 1 und 2), dann die zweite Zeile der S-Matrix, dann die zweite Zweizeile der M2-Matrix (d.h. deren Zeilen 2 und 3), usw..
In Fig. 8a ist der Spannungsverlauf der achten Zeile dargestellt. Ein entsprechender Zeilenschalter (vgl. entsprechend Fig. 4) ist dann geschlossen, wenn diese Zeile adressiert ist, so dass ein Strom fließen kann. Die Spannung ist dann Null. Sonst ist der Zeilenschalter offen. Da ein Spaltenstrom immer fließt, herrscht mindestens eine Spaltenspannung von 6 V. Die Zeilenspannung von 3 V ergibt sich aus der 6V Spaltenspannung abzüglich einer Schwellenspannung von z.B. 3 V im Falle einer OLED. Die achte Zeile ist für 2,625 msec (von 9,375 msec bis 12 msec) adressiert.
In Fig. 8b wird der Betriebsstrom in der zweiten Spalte dargestellt. In dem Stromverlauf zeigen sich drei Stufen, nämlich Null, wenn keine Pixeldiode aktiv ist, 53 µA, wenn nur eine Pixeldiode aktiv ist und 106 µA, wenn zwei Pixeldioden (im Rahmen der Zweizeilen-Adressierung) aktiv sind. Im Falle der Zweizeilenadressierung beträgt die Stromamplitude an jeder Diode auch 53 µA, weil sich der Gesamtstrom gleichmäßig auf beide der gleichzeitig angesteuerten Pixeldioden verteilt.
Die Zeitspanne (Zeilenadressierzeit t_i), in der die achte Zeile aktiviert ist, besteht aus drei Phasen. Während der ersten vier Takte (von 9,375 msec bis 10,125 msec) sind Zeile 7 und Zeile 8 gemeinsam adressiert. Der Strom beträgt daher auch 2*53 µA. Das entspricht der Zeilenadressierung von M2₇₂.
In den nächsten fünf Takten wird die Zeile 8 von S₈₂ adressiert. Die insgesamt fünf Takte der Zeilenadressierzeit t_i kommen daher, dass das Maximum der Helligkeit Sij der achten Zeile der Matrix S den Wert 5 hat (siehe 1. Spalte, 8. Zeile). Es fließt ein Strom von 53 µA für eine Zeit von 0,1875 msec (ein Takt). Dann ist der Strom für vier weitere Takte Null, da das Maximum der achten Zeile der S-Matrix (S₈₁) 5 beträgt und die Helligkeitssteuerung durch eine Pulsweitenmodulation vorgenommen wird.
Die letzte Phase dauert 5 Takte, in der die achte und der neunte Zeile der Matrix M2 adressiert sind. Der Strom beträgt wieder 106 µA. Der Strom fließt jedoch nur 4 Takte lang, da M2₈₂ 4 beträgt. Der Strom sinkt für einen Takt wieder auf Null. In der dritten Spalte fließt auch in diesem letzten Takt noch Strom (nicht dargestellt), weil die maximale Helligkeit in der dritten Spalte M2₈₃=5 beträgt. Die gesamte Dauer, in der das Pixel ij = 82 mit Betriebsstrom beaufschlagt wird (aktiven Zeit) beträgt 9 Takte, was D₈₂ entspricht.
Die Spannung in der zweiten Spalte ist in Fig. 8c im Zeitverlauf dargestellt. Sie beträgt 6 Volt, wenn ein Betriebsstrom fließt und ist unabhängig davon, ob der Betriebsstrom 53 µA oder 106 µA beträgt, da bei 106 µA der Betriebsstrom durch zwei Dioden geteilt wird. Wenn kein Strom fließt, sinkt die Spannung auf 3 Volt. Dies entspricht der Schwellenspannung, unterhalb derer kein Diodenstrom fließen kann.
In Fig. 8d wird die Spannung an der Diode in dem Pixel ij=82 im zeitlichen Verlauf dargestellt. Die Spannung beträgt 6 Volt, wenn ein Betriebsstrom in Höhe von 53 µA durch diese Diode fließt. Während der adressierten Zeit der achten Zeile fließt für 4 Takte kein Strom. In dieser Zeit ist die Spannung am Pixel 3 V (Schwellenspannung). Wenn in der zweiten Spalte kein Strom fließt, ist die Spannung am Zeilenschalter und am Spaltenschalter 3 V, daher ist die Spannung an diesem Pixel dann auf Null. Wenn durch die zweite Spalte ein Strom fließt, ist die Spaltenspannung 6 V und zieht das Potential dieser nicht adressierten Zeile 8 auf 3 V (6V minus Schwellenspannung).
Die technische Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ansteuerung von Matrixanzeigen ist ähnlich einfach wie bei konventionellen Single-Line-Adressierungs-Verfahren. An jeder Zeile befindet sich ein Schalter und jede Spalte ist mit einer Stromquelle versehen, die bei einer Zwei-Zeilen-Adressierung drei Stromstufen (wie 0, 1 und 2) aufweist, während es bei einem konventionellem Single-Line-Adressierungs-Verfahren nur zwei Stufen (wie 0 und 1) gibt. Dies liegt daran, dass bei der gleichzeitigen Adressierung von mehreren Zeilen der entsprechend erhöhte Strom verfügbar sein muss. Allgemein gilt, dass bei einer gleichzeitigen Adressierung von n Zeilen eine Abstufung mit n+1 Stufen erforderlich ist. Dies ist jedoch mit einem geringen Aufwand zu realisieren. Eine konkrete Schaltung für eine gemischte Amplituden-PulsweitenModulation zur Helligkeitssteuerung wird später noch genauer beschrieben.
In dem vorbeschriebenen Beispiel wurde eine Pulsweitenmodulation des Betriebsstroms verwendet. Natürlich können die S- und die M2-Matrizen auch durch eine Amplitudenmodulation des Betriebesstroms abgebildet werden. Bei der Amplitudenmodulation wird jede Zeile bzw. jede Mehrzeile wird so lange adressiert, wie es dem Maximum auf dieser Zeile bzw. Mehrzeile entspricht. Das ist bei der Pulsweitenmodulation gleich. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Betriebsstrom während der Zeilenadressierungszeit t_i ständig fließt und die Höhe seiner Amplitude angepasst wird.
Damit der Betriebsstrom minimiert wird, ist die optimierte und effiziente Überführung der Quellenmatrix (Matrixanzeige D) in Multi-Line-Matrizen M und eine Single-Line-Matrix S entscheidend. Optimiert bedeutet eine Minimierung der Summe der maximalen Helligkeiten D_Sum und effizient bedeutet eine mit geringem Hardware-Aufwand und schnell durchführbare Überführung.
Die Gewinnung bzw. Bestimmung der Matrizen M und S ist grundsätzlich mit bekannten Methoden wie Linearer Programmierung und mit Standard-Software durchführbar. Allerdings müssen dann aufwendige arithmetische Operationen, wie Multiplikation und Division, angewendet werden, so dass diese Methode sehr rechenintensiv und langsam ist. Außerdem steigt die Komplexität mehr als quadratisch mit der Größe der Bildmatrix an.
Daher wird erfindungsgemäß eine kombinatorische Methode vorgeschlagen, die auf dem sogenannten "MaxFlow / MinCut"-Prinzip beruht. Da die Güte des Optimums im Wesentlichen davon abhängt, wie sich zwei aufeinander folgende Zeilen unterscheiden, wird die Nebenbedingung D = S + M2 + M3 + ... umgeformt, indem die Differenz zweier aufeinander folgender Gleichungen gebildet wird, ohne dabei den Lösungsraum zu verändern. Dabei entstehen die Matrizen d', S' und M2', M3', wie in Fig. 9 dargestellt. Die Matrix S' wird analog zu der Matrix d' gebildet. Die Summe jeder Spalte der Matrizen ist Null.
Die umgeformten Nebenbedingungen lassen sich durch den in Fig. 10 dargestellten Graph visualisieren.
Hierbei stellt jeder als Kreis dargestellter Knoten (aus einer Knotenmenge V) einen Eintrag in der umgeformten Matrix d' dar. d'_ij im Kreis repräsentiert das entsprechende Element der Matrix d', die in Fig. 9 dargestellt ist. Der Wert dieser Knoten ist also gleich dem Wert des Matrixelements d'_ij. Die Kanten zwischen den Matrixelementen d'_ij sind die Pfeile, die von einem Knoten bzw. Kreis zu einem anderen Knoten bzw. Kreis führen. Jede diese Kante hat eine Richtung, die durch den Pfeil dargestellt und mit einer Zahl belegt wird. Diese Belegung (Zahl) der Kanten (aus der Kantenmenge A) spiegelt den Wert wieder, den die entsprechende Variable in der Zerlegung der Quelldaten-Matrixanzeige hat. Kanten, die von einer Zeile zur nächsten reichen, gehören zur Matrix S. Kanten, die eine Zeile überspringen, also die Länge "2" haben, sind der Matrix M2 zuzuordnen. Kanten mit Länge drei werden entsprechend der Matrix M3 zugeordnet und für die Matrizen M4, M5 etc. ergibt sich eine analoge Zuordnung. Die Indices der Kanten werden mit ij bezeichnet, wobei "i" die Zeilennummer für den Startknoten (Kreis) und "j" die Nummer für die Spalte ist.
Dies wird nachfolgend anhand des bereits in den Fig. 6 und 7 behandelten Beispiels erläutert. Die 4X9-Matrix D aus Fig. 6 wird in eine 4X10-Fluss-Matrix d' transformiert, die in Fig. 11 angegeben ist. Diese Matrix d' ist in Fig. 12 als zu balancierender Fluss dargestellt.
Jedes Element der d'-Matrix entspricht einem Knoten in der entsprechenden Position. Die Kanten sind noch alle mit Null belegt, da es hier um den Start der Matrixzerlegung handelt. Eine gültige Zerlegung ist genau dann erreicht, wenn die Summe der Belegungen (Zahlen) der ausgehenden Kanten (von dem Kreis ausgehenden Pfeile) minus der Summe der Belegungen (Zahlen) der eingehenden Kanten (an dem Kreis ankommende Pfeile) jeden Knotens (Kreises) gleich seines jeweiligen Wertes (Bedarf) der Knotens ist. Dabei sind alle Kantenbelegungen nicht negativ.
In Fig. 13 wird das Ergebnis des balancierten Flusses dargestellt. Aus den Belegungen der Kanten erhält man alle Elemente der Matrizen M3, M2 und S.
Nachfolgend wird das mathematische Verfahren genauer beschrieben, mit dem der in Fig. 13 dargestellte balancierte Fluss erstellt wird.
Zwei Kanten (Pfeile) in Fig. 13 sollen vom gleichen Typ heißen, wenn Start- und Endknoten beider Kanten jeweils in derselben Zeile liegen. Das Ziel ist es, eine gültige Belegung der Kanten zu finden, sodass die Summe der maximalen Kanten eines jeden Kantentyps minimiert wird. Mathematisch lässt sich das folgendermaßen beschreiben. Gegeben ist ein gerichteter Graph G = (V, A) wobei die Kantenmenge A nach Typen partitioniert ist in A = A ₁ ∪̇ A ₂ ∪̇...∪̇A_p. p ist die Anzahl der Zeilen der Multi-Line-Matrizen M und der Rest-Single-Line-Matrix S. Ferner gibt es eine Funktion b : V → Z, die jedem Knoten seinen Bedarf zuordnet. Z ist eine ganze Zahl (Integer). Gesucht ist eine Funktion f : A → Z_≥0(, sodass für jeden Knoten v ∈ V die Gleichung $\sum_{\begin{matrix} a \in A \\ v ist Startknote von a \end{matrix}}^{} f (a) - \sum_{\begin{matrix} a \in A \\ v ist End knote von a \end{matrix}}^{} f (a) = b (v)$

gilt und $D_{Sum} = \sum_{k = 1}^{p} \max \{f (a) : a \in A_{k}\}$

minimal ist. Die obere Gleichung wird auch "Flusserhaltung" genannt und entspricht der Kirchhoffschen Knotengleichung. b(v) ist der Bedarf dieses Knotens und kann als den Stromfluss aus der Masse in diesen Knoten betrachtet werden (wobei bei negativem Bedarf der Strom vom Knoten in die Masse fließt). D_Sum ist zu minimieren.
Die vorgenannte Aufgabe ist äquivalent zu dem Problem, jedem Kantentyp A_k, k = 1,...,p eine nichtnegative Zahl (eine sogenannte Kapazität) zuzuordnen, so dass die Summe dieser Kapazitäten minimal ist und eine gültige Belegung der Kanten existiert, welche die Kapazitäten nicht überschreitet.
Das Besondere an diesem neuen Verfahren ist, dass die Kapazität für alle Kanten einer bestimmten Länge einer Zeile gültig ist. Der Fluss auf jeder dieser Kanten ist kleiner oder gleich dieser Kapazität. Die Kapazitäten selbst sind variabel und stellen in gewisser Weise die Kosten bzw. den Aufwand für die Optimierung dar. Die Summe aller Kapazitäten muss minimiert werden. Im Gegensatz zu einer bekannten Max-Flow / Min-Cut Methode, bei der bei gegebenen Kapazitäten der Fluss maximiert wird, wird hier bei gegebenem Fluss die Kapazität minimiert.
Die Kapazitäten sind eine Funktion u:{1,...,p}→Z_≥0c, so dass für alle k ∈ {1,...,p} und a ∈ A_k gilt: f(a) ≤ u(k).
Die vorbeschriebene Minimierung lässt sich grundsätzlich auch als lineares Programm modellieren und lösen, was jedoch wie bereits erwähnt sehr rechenintensiv ist. Wie nachfolgend gezeigt lässt sich das vorbeschriebene, erfindungsgemäße Verfahren mit nur geringem Aufwand mathematisch wie folgt umsetzen.
Dazu werden die Kapazitäten sukzessive, d.h. schrittweise, von Null an erhöht, bis eine gültige Zerlegung möglich ist. Damit wird auch sichergestellt, dass die Kapazität größer oder gleich Null ist. Dabei wird in jeder Iteration die Menge an Kanten bestimmt, deren Belegung gleich der Kapazität ist und somit einen Flaschenhals darstellt, der eine gültige Lösung verhindert. Diese Kantenmenge, auch minimaler Schnitt genannt, trennt die Knoten mit positivem Bedarf von denen mit negativen Bedarf. Danach werden die Kapazitäten der Kanten aus dem minimalen Schnitt erhöht. Vorzugsweise geschieht dies aber nur für die Kapazität, die es den meisten Kanten erlaubt, den Flaschenhals zu verlassen. Die Belegungen werden nun so weit erhöht, bis entweder eine gültige Lösung gefunden ist oder ein erneuter Flaschenhals auftritt, woraufhin die beschriebenen Schritte wiederholt werden.
Eine mathematische Formulierung des Verfahrensablaufs ist Fig. 14 zu entnehmen. Die Programmmodule "MaxFIow" und "MinCut" sind die aus der Literatur bekannten Standardverfahren. Das Programmmodule "Initialisiere" legt die Startwerte für u fest, bspw. kann u(k) = 0 für alle k ∈ {1,..., p} gelten. Vorzugsweise werden jedoch untere Schranken verwendet, die durch eine Vorverarbeitung der Daten erzeugt wurden. Die Menge H beschreibt die Historie der berechneten MinCuts. Dabei werden mit C ⊂ A die ausgehenden Kanten des aktuellen MinCuts bzw. mit C_i ⊂ A die ausgehenden Kanten des MinCuts der Iteration i bezeichnet. Der Parameter Δu bestimmt die Schrittweite, mit der die einzelnen Kapazitäten erhöht werden. Vorzugsweise werden nur wenige Kapazitäten pro Iteration erhöht (z.B. nur für die k, für die |A_k ∩C| bzw. die gewichtete $\sum_{C_{i} \in H} w_{i} \cdot |A_{k} \cap C_{i}|$
Summe maximal ist, wobei ältere Schnitte weniger stark gewichtet werden. Dabei beschreibt w die Gewichtung der Historie. Die Wahl der Größe des Schritts ermöglicht einen Kompromiss zwischen der Güte des Verfahrens (kleine Δu, z.B. Δu = 1) und Laufzeit (größere Δu) und kann auch dynamisch angepasst werden.
Das Verfahren dieser Erfindung kann natürlich auch für einen Teilbereich einer Bildmatrix eingesetzt werden. So kann ein Bild in mehrere Segmente aufgeteilt und jedes für sich optimiert werden, was einer lokalen Optimierung entspricht.
Ebenso kann eine gemischte globale und lokale Optimierung durchgeführt werden, indem ein Segment bestimmter Größe zeilenweise oder um mehrere Zeilen verschoben wird. Die Submatrix wird gebildet aus einer bestimmten Anzahl von Zeilen. Sie wird zuerst aus den oberen Zeilen der Quellenmatrix gebildet. Bei jeder Optimierung werden die Matrixeinträge (S, M2, M3 etc.) für die oberste Zeile oder wenige oberste Zeilen gewonnen. Die nächste Submatrix wird dementsprechend um eine oder mehrere Zeile nach unten verschoben. Der Einfluss der zuvor gewonnenen Multi-Line-Matrix-Zeile auf diese neue Submatrix muss abgezogen werden. Dann werden wieder eine oder mehrere Zeilen von S, M2, M3 etc. gewonnen. Die Submatrix läuft bis zum Ende der Quellenmatrix und wird dann komplett zerlegt. Damit erhält man alle Einträge von S, M2, M3 etc..
Die Zerlegung einer kleineren Matrix erfordert weniger Speicherplatz und weniger Iterationen. Bei einer globaler Optimierung, bei der die Matrix in der Regel groß ist, muss das Ergebnis der Matrix-Zerlegung in einen Zwischenspeicher, wie SRAM oder dgl., abgelegt werden. Erst unmittelbar vor der Aktivierung werden die Informationen dann zeilenweise in Register für den Ausgangstreiber eingelesen. Bei segmentierter / lokaler bzw. gemischter Optimierung können die Kapazitäten zuerst durch die Submatrix-Zerlegung gewonnen, folglich auch deren Summe, bzw. t_l und I₁. Dank der schnellen Zerlegung wird dann sukzessiv das Zeilenergebnis noch einmal berechnet und direkt dem Register für den Ausgangstreiber weitergereicht, so dass der große Zwischenspeicher entfallen kann. Der Hardware-Aufwand kann durch die segmentierte / lokale bzw. gemischte Optimierung reduziert werden, während die Güte der Optimierung in diesem Fall etwas abnehmen kann.
Wenn die Matrizen M, S mit den den einzelnen Pixeln ij entsprechenden Helligkeiten feststehen, müssen die Dioden entsprechend angesteuert werden. Die einzelnen Zeilenadressierzeiten t_i können von Zeile zu Zeilen variieren und richten sich jeweils nach dem maximalen Helligkeitswert dieser Zeilen. Die Helligkeitssteuerung kann dann durch eine Pulsweitenmodulation bzw. eine Amplitudenmodulation des Strom erreicht werden.
Bei der Pulsweitenmodulation werden nur die Pixel ij mit der maximalen Helligkeit während der gesamten Zeilenadressierzeit angeschaltet, d.h. von dem Betriebsstrom durchflossen. Die übrigen Pixel ij leuchten nur zeitweise, wobei die jeweilige Leuchtzeit mit dem jeweiligen Helligkeitswert Sij, Mij korreliert ist.
Alternativ kann auch eine Amplitudenmodulation zur Helligkeitssteuerung eingesetzt werden, so dass alle Pixel ij in der aktiven Phase, d.h. während der jeweiligen Zeilenadressierzeit t_i, zu 100% der Zeit eingeschaltet sind und der Betriebsstrom bei Pixeln ij mit geringerer Helligkeit entsprechend verkleinert ist. Allerdings ist die Amplitudenmodulation in Bezug auf die Hardware schwieriger zu implementieren. Dies gilt insbesondere für eine hohe Farbtiefe bzw. viele Graustufen, während eine Pulsweitenmodulation vergleichsweise einfach und genau implementierbar ist, ohne dass ein hoher Aufwand für die eingesetzte Hardware erforderlich ist.
Besonders vorteilhaft ist es, eine Pulsweitenmodulation mit einer Amplitudenmodulation zu kombinieren, um den Betriebsstrom bei Pixeln ij mit geringerer Helligkeit zu reduzieren. Diese erfindungsgemäße gemischte bzw. kombinierte Amplituden- und Pulsweitenmodulation wird nachfolgend mit Bezug auf die Fig. 15 bis Fig. 18 erläutert.
Für die vorbeschriebene Multi-Line-Adressierung gemäß der Erfindung muss der Betriebsstrom quantifiziert, d.h. in mehrere verschiedene Stufen eingeteilt, werden, um die Ströme für Ein-, Zwei- und Mehrzeilenadressierung in die Spalten einzuspeisen und die Höhe des Stroms dementsprechend einzustellen. Beispielsweise muss für vier gleichzeitig angesteuerte Zeilen bei einer Multi-Line-Adressierung M4 auch der vierfache Betriebsstrom (4*I₁) eingeprägt werden.
Dazu kann die Stromquelle mit drei Transistoren, wie in Fig. 15 dargestellt, bestehend aus zwei Eintransistor-Zellen und einer Zweitransistor-Zelle realisiert werden. Diese drei Transistoren bekommen dieselbe Steuerspannung an das Gate, wenn ein Betriebsstrom I = 4*I₁ für vier Zeilen gefordert wird. Wenn ein Betriebsstrom von I = 3*I₁ benötigt wird, liegt an einer Eintransistor-Zelle keine Steuerspannung an, während eine Steuerspannung für die Zweitransistor-Zelle und die andere Eintransistor-Zelle an deren jeweiliges Gate angelegt wird. Für einen Betriebsstrom von I = 2*I₁ sind entweder die Zweitransistor-Zelle aktiv und die beiden Eintransistor-Zelle passiv oder umgekehrt. Für einen Betriebsstrom I = I_l ist nur eine Eintransistor-Zelle aktiv.
Der quantifizierte Betriebsstrom kann auch genutzt werden, um den Betriebsstrom bei einem Matrix-Eintrag, dessen Helligkeitswert M_ij, S_ij nicht ein Maximum ist, abermals zu reduzieren. Dazu kann bspw. der in Fig. 18 für die Helligkeitswerte M_ij dargestellte Algorithmus genutzt werden. Das Ergebnis entspricht einer kombinierten Pulsweiten- und Amplitudenmodulation zur Helligkeitssteuerung.
Das Ergebnis dieser kombinierten Helligkeitssteuerung ist in Fig. 17 im Vergleich zu einer ausschließlichen Pulsweitenmodulation zur Helligkeitssteuerung (Fig. 16) dargestellt. Bei einer reinen Pulsweitenmodulation beträgt die Stromamplitude bspw. konstant 100 µA. Die Pulsweite des ersten Pulses beträgt 6 von 10 Einheiten (6/10), wobei die aktive Dauer dieser Zeile ist 10 Einheiten beträgt (Zeilenadressierzeit von 10 Einheiten). Da 6 Einheiten größer als die Hälfte von 10 Einheiten und kleiner als ¾ von 10 Einheiten ist, wird mit der gemischten Amplituden-Pulsweitenmodulation die Pulsweite des ersten Pulses auf 4/3 des ursprünglichen Wertes ausgedehnt. Gleichzeitig wird die Amplitude auf ¾ der ursprünglichen Amplitude (d.h. im Beispiel 75 µA) reduziert. Dies ist auch Fig. 17 im Vergleich zu Fig. 16 zu entnehmen. Die Pulsweite des zweiten Pulses wird verdoppelt, während die Amplitude analog dazu halbiert wird. Der dritte und der fünfte Puls können nicht ausgedehnt werden, da ihre Pulsweiten nah bei der aktiven Dauer (Zeilenadressierzeit) der jeweiligen Zeile sind. Die Weite des vierten Pulses kann hingegen vervierfacht werden.
Es ist in Fig. 17 deutlich zu erkennen, dass die mittlere Amplitude des Betriebsstroms bei einer gemischten bzw. kombinierten Amplituden- und Pulsweitenmodulation zur Helligkeitssteuerung reduziert wird.
Natürlich können auch nur Teile der obigen, in Fig. 18 dargestellten Algorithmen angewendet werden. Diese Algorithmen gelten auch für die Single-Line-Matrix. Bei einer Multi-Line-Adressierung mit anderer Zeilenanzahl werden die Algorithmen in entsprechender Weise formuliert. Die Algorithmen richten sich nach der Quantifizierung der Stromquelle.
Mit dem vorliegenden Verfahren zur Ansteuerung von Matrixanzeigen und einer zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens eingerichteten Displaysteuerung, auf welche sich die Erfindung auch bezieht, ist es also möglich, eine optimierte Ansteuerung von Matrixanzeigen zu erreichen. Diese kann zur Performancesteigerung, bspw. einer erhöhten Bildwiederholfrequenz, und/oder zur Reduzierung des für die Ansteuerung der einzelnen Pixel erforderlichen Betriebsstroms verwendet werden. Wesentliche Merkmale sind dabei, dass die Zeilenadressierzeit für jede Zeile in Abhängigkeit von der maximalen Helligkeit, die ein Pixel in dieser Zeile erreichen muss, abhängt und/oder die Matrixanzeige in mehrere separate Matrizen zerlegt wird, von denen einige eine Mehr- oder Multizeilenansteuerung repräsentieren.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf eine Steuerung zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens. Dazu kann das beanspruchte Verfahren in einem anwendungsspezifischen IC (ASIC), wenn bspw. der Display-Controller und der Displaytreiber in einem Chip integriert sind, implementiert sein. Die Erzeugung von t₁ und I₁ geschieht in dem Treiber. Die Matrix-Zerlegung wird mit einer kombinatorischen Logik realisiert, die einfach und schnell ist.
Da ein Bild und folglich auch die abgeleiteten Matrizen immer datenintensiv sind, wird ferner Speicher benötigt. Dieser Bedarf kann mit einem modernen Halbleiterprozess oder wie vorbeschrieben auch mit lokaler bzw. gemischter Optimierung reduziert werden. Natürlich kann das vorliegende Verfahren auch auf mehreren Chips aufgeteilt werden.

Claims

Verfahren zur Ansteuerung von selbstleuchtenden oder nicht-selbstleuchtenden Matrixanzeigen, welche aus mehreren als Zeilen (i) und Spalten (j) mit einzelnen Pixeln (ij) aufgebaut sind, wobei einzelne Zeilen und Spalten selektiv angesteuert werden, indem Zeilen (i) für eine bestimmte Zeilenadressierzeit (t_i) aktiviert und die Spalten (j) korreliert zu der aktivierten Zeile (i) entsprechend der gewünschten Helligkeit (D_ij) in den Pixeln (ij) mit einem Betriebsstrom (I) oder einer entsprechenden Spannung beaufschlagt werden, wobei ein Quellenbild (D) in mehrere Bildmatrizen (S, M2, M3, M4) zerlegt wird, die separat zur Ansteuerung der Matrixanzeige verwendet werden und wobei mehrere Zeilen (i) der Matrixanzeige gleichzeitig angesteuert werden können,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Bildmatrix (S) zur individuellen Anpassung der gewünschten Helligkeit für jedes Pixel (ij), mittels derer eine Zeile (i) der Matrixanzeige angesteuert wird, und eine oder mehrere Bildmatrizen (M2, M3, M4), mittels derer mehrere Zeilen (i) der Matrixanzeige angesteuert werden, so miteinander kombiniert werden, dass eine Zeile der Matrixanzeige mittels verschiedener Bildmatrizen (S,M) sowohl allein, als auch mit anderen Zeilen der Matrixanzeige gemeinsam adressiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtzeit (T_Frame) zur Aktivierung aller Zeilen (i) in allen Matrizen konstant gehalten wird, so dass die Summe (T_Sum) der Zeilenadressierzeiten (t_i) über alle Zeilen der Gesamtzeit (T_Frame) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeilenadressierzeit (t_j) für jede Zeile (i) in Abhängigkeit von der maximalen Helligkeit aller Spalten (Dⁱ _max) der Zeile (i) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Zeilen (i, i+1) gleichzeitig angesteuert werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenbild (D) in eine Fluss-Matrix (d') überführt wird, welche als Einträge Knoten aufweist, die dem Bedarf an Helligkeitsunterschieden einzelner Pixel in der Spalte entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluss-Matrix (d') aus der Differenz zweier Matrizen abgebildet wird, wobei die erste Matrix aus dem Quellenbild (D) und einer am Ende der Matrixanzeige (D) angehängten Zeile mit Nulleinträgen und die zweite Matrix aus dem Quellenbild (D) und einer dem Quellenbild (D) vorgeschalteten Zeile mit Nulleinträgen bestehen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Knoten durch als Kanten bezeichnete Pfeile verbunden sind, denen eine Belegung zugeordnet ist, welche vorzugsweise entsprechend ihrer Länge den Einträgen der mehreren, separat angesteuerten Matrizen (S, M2. M3, M4) entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zeile einer Matrix (S, M2. M3, M4) eine variable Kapazität zugeordnet ist, die erhöht wird, bis eine gültige Zuordnung der Kanten erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8, dadurch gekennzeichnet, dass diejenigen Kapazitäten erhöht werden, die nach lokalen Kriterien ausgewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokales Kriterium ein Min-Cut ist.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationen vorangegangener MinCuts als Auswahlkriterium mitverwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrittweite, mit welcher der Kapazitätswert erhöht wird, dynamisch angepasst wird.
Verfahren nach einem Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Quellenbild (D) in mehrere Submatrizen aufgeteilt wird und die Submatrizen (S, M2, M3, M4) separat in Sub-Fluss-Matrizen zerlegt werden.
Verfahren nach einem Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine gemischte lokale und globale Optimierung durchgeführt wird, wobei aus einer Sub-Fluss-Matrix eine oder wenige Zeilen von Multi-Line-Matrizen (M2, M3, M4) und/oder (Rest-) Single-Line-Matrizen (S) gewonnen werden.
Vorrichtung zur Ansteuerung von selbstleuchtenden oder nicht-selbstleuchtenden Matrixanzeigen, welche aus mehreren als Zeilen (i) und Spalten (j) mit einzelnen Pixeln (ij) aufgebaut sind, wobei die Vorrichtung zur Ausführung eines Verfahrens eingerichtet ist, in dem einzelne Zeilen und Spalten selektiv angesteuert werden, indem Zeilen (i) für eine bestimmte Zeilenadressierzeit (t_i) aktiviert und die Spalten (j) korreliert zu der aktivierten Zeile (i) entsprechend der gewünschten Helligkeit (D_ij) in den Pixeln (ij) mit einem Betriebsstrom (I) oder einer entsprechenden Spannung beaufschlagt werden, wobei ein Quellenbild (D) in mehrere Bildmatrizen (S, M2, M3, M4) zerlegt wird, die separat zur Ansteuerung der Matrixanzeige verwendet werden und wobei mehrere Zeilen (i) der Matrixanzeige gleichzeitig angesteuert werden können,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Bildmatrix (S) zur individuellen Anpassung der gewünschten Helligkeit für jedes Pixel (ij), mittels derer eine Zeile (i) der Matrixanzeige angesteuert wird, und eine oder mehrere Bildmatrizen (M2, M3, M4), mittels derer mehrere Zeilen (i) der Matrixanzeige angesteuert werden, so miteinander kombiniert werden, dass eine Zeile mittels verschiedener Bildmatrizen (S,M) sowohl allein, als auch mit anderen Zeilen gemeinsam adressiert wird.