电-光器件及其驱动方法

专利名称：电-光器件及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种电光显示器件，它是由多个排列成矩阵形式的象素构成，并具有驱动开关元件和一个显示系统，该显示系统用于对液晶显示、等离子体显示、真空微电子显示以及类似显示的图象显示操作实现高分级显示。
最近许多办公自动设备的小型化，使得常规的阴极射线管(CRT)被诸如等离子体显示器、液晶显示器以及类似的显示器的薄型显示器(平板显示器)所代替。此外，已研究了一种真空微电子显示器，其中每个包含有场发射阴极和栅极的微真空管被排列在矩阵阵列中，并通过矩阵阵列上所发射的电子束照射到萤光物质上从而显示图象。在所有以上描述的显示器件中，通过控制加到矩阵阵列交叉点的电压来完成图象显示的操作。
也就是说，通过液晶材料显示器中的电场，改变了透射光量或散射光量;通过等离子体显示器中的电场使电极之间产生了电子放电;以及通过真空微电子显示器中的场发射效应由阴极发射电子。
这些矩阵型显示器中最简单的一种包括一对相互面对的基底和分别在两块基底上纵向和横向排列的金属裸丝，通过向任何交叉的纵向和横向金属丝之间施加电压，在纵向和横向金属丝之间的缝隙中产生了电压。这种型式被称为简单矩阵结构。由于它的简单结构，很容易生产这种类型的显示器且价格低廉。然而，在这种类型的显示器中，经常发生一种被称为色度亮度干扰的现象，即在显示器的驱动操作中，由于无意识的信号流入非所需要的部分中，使得图象变模糊了。为了避免这种色度亮度干扰现象，需要其光学特征随着大于予定阈电压的电压急剧变化的材料。例如，对于这种简单一矩阵系统，等离子体电子放电显示器就是一种理想的显示器，因为它具有以上所描述的明显的阈值。
然而，在使用上述这种光学材料时，必须驱动显示器使得对每一个象素(也就是在矩阵丝之间的交叉处)所旋加的电压极靠近阈电压值。因此，在采用简单矩阵系统时，能实现光学开/关-开关操作，但难于得到中间亮度或色调，因为依据所施加的电压在中间变化范围内材料亮度改变的材料，不能作为显示器的光学材料。
这个问题是由于把开关功能付予光学材料(液晶或电子放电气体)而引起的。因此，一种把开关元件独立地安装到光学材料的矩阵上的打算被尝试。这种器件的类型称作主动式矩阵显示，且每个象素具有一个或多个形状元件。一个PIN二极管，一个MIM二极管或一种薄膜晶体管或类似的晶体管被用作开关元件。
然而，即使采用了主动式矩阵系统，也难于达到在CRT中实现的高分级显示操作。


图1(A)表示了一种常规的分级显示系统。在图1(A)中，纵座标代表加到特定象素上的电压幅度，横座标代表时间，且该图表示加到液晶显示器的象素上的电压变化。所加电压是以周期为2秒的交流脉冲来施加的，因为如果加以长时间的直流，由于电解的作用，将损坏液晶。
在该图中，所加电压，在前两个周期使显示亮度“8”，接着一个周期使显示亮度“4”且最后一个周期显示亮度“6”。实际上，在一个特定阈值上，液晶材料的光学特性变化是急剧的，但这里假设光学特性随所加电压线性变化。对于液晶材料，例如弥散型液晶材料，上述近似是非常接近的近似。因此，为了达到例如16步分级的显示操作，就需要以16步控制电压，然后把它加到象素上。
在通常的液晶材料中，当施加一个超过5伏的电压时，其光学特性达到饱和，且即使施加电压在5伏以上，其光学特性也几乎不变。例如，为了实现16-步分级显示操作，必须加以5伏被16除所得到的300毫伏精确电压。为了实现更高分级显示操作，要求向象素施加更小的电压是合理的。然而，产生具有300毫伏或更小分辩率的电压是不容易的，而且，这样微小的电压在到达象素之前会受到各种因素的衰减。这些因素包括金属丝的电阻，薄膜晶体管的电阻，由于薄膜晶体管和类似晶体管的寄生电容而产生的象素电位的降低。由于引起电压变化或波动的这些参数，按照每一个象素的动作元是不同的，因此，象素的电压波动，在整个面板上，实际上可压缩在最大±0.2伏的范围。
此外，还有通过控制加到每个象素上的电压脉冲的时间长度(滞留时间)，实现分级显示的另一种方法。作为上述方法的例子，引用了日本专利申请中公开的显示方法，例如专利申请号3-169305，3-169306，3-169307，3-169308，3-209869等等，它们是由和本申请相同的发明人所发明的。图1(B)表示了这种实例，对于亮度“8”，使用了前两个周期，对于亮度“4”，使用了接着的一个周期且对于亮度“6”，使用了最后一个周期，同图1(A)的方法一样。
众所周知，液晶材料显示色调和亮度的视觉作用所依据的不是瞬时电压而是平均有效电压。换句话说，假设前两个周期的有效电压为1，紧接着的一个周期考虑为0.5，虽然它具有与前两个周期相同的峰值电压，且最后一个周期认为是0.75。
此外，等离子体电子放电的响应速度为1微秒的高速，但人的肉眼不能跟随如此的高速，而只能感知一个平均亮度，结果视觉最终决定于平均有效电压。
也就是说，以上描述的分级显示系统，为了实现高分级显示操作，特别需要显著增加开关速度。
图2表示了图1(B)的特殊情况，且图2的一个实例能达到64一步(64一级)分级显示操作。左边的数值代表象素的亮度。在此实例中，光学特性依次从“1”到“54”变化。在图2中，(A)和(B)没有实质的不同，只是在它们之间改变了多个脉冲的次序。此实例的细节在日本专利申请号3-209869中已描述，其是由本申请同一发明人所发明，因此这里不再描述。
例如，在标记为“17”的部分中，脉冲宽度是1的脉冲和脉冲宽度是16的脉冲分别在S周期中出现一次，而且其代表平均亮度是“17”。再有，在标记为“37”的部分中，脉冲宽度是1的脉冲，脉冲宽度是4的脉冲和脉冲宽度是32的脉冲在S周期中分别出现一次，而且其代表平均亮度37。由此，可得到从“0”到“64”的64-步分级显示。
由图2可知，最小的脉冲宽度要求为电压重复周期S的1/64。在实际上使用薄膜晶体管或类似的晶体管进行开关操作的情况下，依据矩阵线的数目宽度变短了的脉冲被加到薄膜晶体管上。例如，当矩阵具有480条线，宽度是最小脉冲宽度的480分之一的脉冲被加到薄膜晶体管上。由于周期S通常为30毫秒，所以最小脉冲宽度变为500微秒。因此，对于薄膜晶体管或类似的晶体管，驱动信号需要1微秒。此值可认为是一个大值，然而对薄膜晶体管来说，它是非常快的信号。所以，为了得到更高的分级显示操作，必须施加更快速的脉冲，由此，显示器辐射出电磁波。
本发明的实施解决了在常规分级显示系统中的上述问题，而且本发明是一种新型的分级显示系统，其采用了完全取决于图1(A)所示电压的分级显示系统和完全取决于图1(B)所示脉冲宽度的分级显示系统两者所具有的优点。此外，在此系统中，以上所指出的非常小的电压控制和非常快速的脉冲都不需要。
为了把本发明与常规系统清楚地区分开，本发明的一个实施例表示在图1(C)中。对于亮度“8”使用前两个周期，对于亮度“4”使用了紧接着的一个周期，且对于亮度“6”使用了最后一个周期，象图1(A)和图1(B)所示的系统那样。
在本发明中，与图2所示系统相同，通过使用平均有效电压，也得到了分级显示操作，然而，在本发明中，通过不仅改变脉冲宽度而且也改变脉冲高度从而增加一个自由度来解决上述问题。在本发明中，一个输入模拟信号，直接地或在变换成数字信号之后，被转换成N-基数记数法的数值或其相应的数字信号。例如，在图1(C)中，一个图像被转换成4-基数记数法中的两个数字。表1表示十进位计数法(10-基数计数法)的0至15的数字被用4-基数计数法所代替的情况。
表1
10-基数计数法 0 1 2 3 4 5 6 7 891011121314154－基数计数法0 1 2 3 10 11 12 13 20 21 22 2330313233在图1(C)的实例中，“8”用十进位制数12来代表，“4”用十进位制数6来代表，“6”用十进位制数9来代表。按照表1，十进位制数12，6和9分别相应于4-基数计数法中的30，12和21。一个不是二进位的数可通过改变相应于每个数字的脉冲宽度来代表。也就是说，在4-基数计数法中，脉冲宽度增加了4倍，如同图抬起来一样。例如，假设脉冲宽度第一个数字为1(单位周期)，脉冲宽度第二个数字取作4(单位周期的4倍长)，脉冲宽度第三个数字取作16(单位周期的16倍长)，上述情况相应于常规实例，如图2(在数字计数法，也就是在二进制数字计数法中)所示其脉冲宽度两倍两倍地增加。
在图1(C)的实例中，由于4-基数两数计数法，所以使用了脉冲宽度是1和脉冲宽度是4的脉冲。对于前两个周期，只施加了脉冲宽度是4和脉冲宽度是3的脉冲。对于紧接着的一个周期，施加了脉冲宽度是4且脉冲高度是1的脉冲和脉冲宽度是1且脉冲高度是2的脉冲。对于最后一个周期，施加了脉冲宽度是4且脉冲高度是2的脉冲和脉冲宽度是1且脉冲高度是1的脉冲。因而，假设加到前两个周期脉冲的电压值为1，尽管随后的脉冲是复杂的，第3周期平均有效电压值为0.5，而最后一个周期平均有效电压值是0.75。如上所述，通过不仅改变脉冲宽度，而且也改变脉冲高度，强加于脉冲宽度上的负荷(也就是，高速脉冲)可通过脉冲高度来减轻。本发明的特征尤其在于当改变脉冲高度时，采用4-基数计数法或其它的数字表达。
N-步电压(基于N-基数计数法例如4-基数计数法的数值、具有脉冲高度“或脉冲宽度”的多个电压脉冲或其相应的数字信号)被施加到电-光器件主动式矩阵结构的象素上。
在图2中，通过结合脉冲宽度是1、2、4、8、16和32的全部6个脉冲，得到64一步(64一级)分级显示操作。在另一方面，在本发明中，把脉冲高度分成四步(级)0、1、2和3，且通过计算4-基数计数法的3个数字，使用只有脉冲宽度为1，4和16的三种脉冲以实施64一步分级显示操作。当然，脉冲种类数目小意味着最小脉冲宽度大。
图3表示了一个实例，图3(A)和(B)除了脉冲次序改变之外实质上相互是相同的。在图3的实例中，“1”可由脉冲宽度是1且高度是1的脉冲(最小脉冲)来代表。“4”可由脉冲高度是1且宽度是4的脉冲来代表。“16”可由脉冲高度是1且宽度是16的脉冲来代表。“32”可由脉冲高度是2且宽度是16的脉冲来代表。如图3所示，从“0”“1”到“60”的所有数字可由这些脉冲结合起来代表。由该图可知，最小脉冲比常规系统的最小脉冲变得更大。例如，图2的最小脉冲宽度为S/(1+2+4+8+16+32)＝S/63而图3实例中的最小脉冲宽度为S/(1+4+16)＝S/21以使其最小脉冲宽度三倍于图2的最小脉冲宽度。因此，由于高速操作所带来的电消耗的增加或强加于器件上的负荷可显著地减少。
在本发明中，可采用基数是3(三进位制计数法)、基数是5(五进位制计数法)或更高数目的其它基数计数法来代替4-基数计数法。图4(A)和(B)分别表示具有4-数字与3-基数计数法和3-数字和5-基数计数法的分级显示操作。在4-数字和3-基数计数法中，34＝81分级可被显示，而在3-数字和5-基数计数法中，53＝125分级可被显示，且各自情况的最小脉冲宽度分别是S/40和S/31。
在图4(A)中，宽度为1(单位周期)的脉冲相应于3-基数计数法中的第一个数字，且宽度为3(单位周期的三倍长)的脉冲相应于3-基数计数法中的第二个数字。在图4(B)中，脉冲宽度为1(单位周期)的脉冲相应于5-基数计数法中的第一个数字，且脉冲宽度为25(单位周期的25倍长)的脉冲相应于5-基数计数法中的第三个数字。
通常，在基数较小的基数计数法中，尽管通过相同数目的数字(使用同样的脉冲数)进行显示操作，分级步数仍较小。另一方面，在基数较大的基数计数法中，通过小的数目数字(脉冲数)可进行高的分级显示操作。然而，在采用基数较大的基数计数法时，设置脉冲电压电平变得很精细，因此，由于受到电路的限制，不可能无限制地采用基数较大的基数计数法。3-基数到5-基数的基数计数法更为适用。此外，当采用基数较大的基数计数法时，即使在完成同样的分级显示操作时，最小脉冲宽度也变宽了。
如上所述，通过表示成模拟信号，可以得到多步分级显示操作，使用N-基数计数法，并通过基于N-基数计数法结合这些脉冲以形成脉冲高度和宽度彼此相互不同的脉冲，来表示模拟信号，一般来说是十分困难的。在本发明中，如果采用4-数字和4-基数记数法的显示系统，那么对于脉冲电压需要设置4级(步)的值。然而，假设液晶阈值是5伏，这些级值只设置为0伏、1.67伏、3.33伏和5伏来完成256分级的分级显示操作。另一方面，在常规显示系统中，其中电压必须被分成如图1(A)所示的精细的值，以完成256一步分级显示操作，输入电压必须被分成精细的电压电平值，其以20毫伏步进地增加，这是不可能实现的。以上所述是本发明的实质部分，而实际上对每个显示器件的信号输入更为复杂。参照实施例，本发明的详情将在后面予以描述。
图1表示本发明和已有技术的分级显示系统;
图2表示通常的分级显示系统的实例;
图3表示本发明的灰级显示装置;
图4表示本发明分级显示系统的一个实施例;
图5表示应用本发明的一种图象显示器件的一个实施例;和图6表示应用本发明，在图象显示器中所施加的信号以及类似的信号。
图5是实施本发明的一种图象显示器件的示意图。在图5所示的器件中，只描述了用来解释本发明的必不可少的部分，而实际上其它各种部件可能也是需要的。该器件被假设实行256-步分级显示操作。
首先，从该器件的输入端输入一个视频信号。这里，假设输入的视频信号是用于一个图象的第n列和第m行上象素的信号，当亮度最大值假定为256时，以“212”表示该象素的亮度。当然，其它信号连续地输入该器件中。
在信号输入该器件之后，通过模拟/数字转换器，该信号被转换成二进制数字信号。输出数字信号不是必不可少的，因为以后将使用4-基数记数法把信号转换成数字表示的信号，但是，以后需要暂时存储视频信号以进行数字处理。例如，对于每一个象素一个接一个地输入一个信号，但在本发明所采用的信号处理中，信号不是一个接一个地输出，而是需要存储一幅画面的信号并同时把它们输出，因此必须暂时存储视频信号，它很容易被存储。存储一个模拟信号是不可能的。在二进制表示中，212相应于“11010100”。但是，在本发明中，只是上述数字信号不能直接被使用。所以，在下一阶段通过信号处理器把上述数字信号转换成适用于本发明的信号。
在上述器件中，使用了四种脉冲，其脉冲宽度是T0、4T0、16T0、64T0。且其脉冲高度置于4个电平(0，1，2，3)。
在上述器件中，数字信号“11010100”在4-基数记数法中被转换成“3110”。该信号转换操作可一个接一个地完成，但相应于输入信号的输出信号最好予先储存在信号处理器件中的存储器中，而相应于输入信号的输出要考虑信号处理速度的限制。
现在，实际上，由于上述信号的处理是在数字电路中完成的，上述数字“3110”采用另一种表达来表示。换句话说，它被表示为4-基数记数法中一个数字化(二进制)的数值信号。例如，如果“3110”用“11010100”来代表，如同3用11来代表，2用10来代表，1用01来代表和0用00来代表的表示方法一样，那么电路中的设计就变得很容易了。也就是说，在信号处理电路中，虽然一个信号被转换到4-基数记数法中，但该信号是一个数字信号。4-基数记数法中数值的前数字信号和后数字信号，两种信号都适用于象素数据的暂时存储。也就是，对于一个象素，第一数字信号需要8位的存储容量，且4-基数记数法的相应该数字信号也需要8位的存储容量。但是，例如，在125分级进行显示的情况下，因为视频信号的数字化信号是7位(7数字)，所以对于3-数字和5-基数计数法需要7位存储容量。同时，把上述信号转换成5-基数计数法的一个数值所得到的信号，需要9位存储容量。这是因为5-基数计数法的每一个数字的数字化需要3个数字。因此，在这种情况下，第一(前者)数字信号的存储，需要较少的存储容量。通常，当对随后通过N-基数计数法处理得到的第一(前者)数字信号和随后的(后者)数字信号之间的数字的数目进行比较时，它们之间的数字数目相等，或后者较大。
随后，信号从信号器处理器中输出。输出信号不是象“3110”(或者在数字信号表示中的“11010100”)那样连续地输出。换句话说，由于其它象素数据必需同时输出，所以上述信号以其它象素信号之间的间隔间断地输出，象“..3..1..1..0..”(或者在数字信号表示中“..11..01..01..00..”)。同时也输出时钟脉冲。
将以上述方式由电信号处理器输出的信号送到在屏周边上的移位电阻器上。每一个信号产生一个电压，其被送到相应的信号线(Y线)上。在这种情况下，通过将电压发生电路连到移位电阻器或其前一级，输入数字信号可转换成多级电压脉冲。通过移位电阻器，将由此产生的脉冲(或电荷)配布到各自的Y线上，储存在连接各个Y线的电容器中，并且在那儿保存到它们由那儿输出为止。当驱动器起动时，将信号电压施加到每条Y线上。
另一方面，将时钟脉冲传送到门线(X线)的移位电阻器上，并且该信号连续地传送到每条门线上。上述器件采用一种机构，在此机构中，基于数字信号从信号处理器中输出，通过电压发生电路产生3或1的电压值，并被储存在电容器中。然而，也可采用下述机制。这就是，由信号处理器输出的信号，不通过电压发生电路，而是通过移位电阻器，分布到每条Y线上，且连接到电压发生电路的每一条Y线，基于到达每条Y线上的数字信号，相应于象素上的信号，单独地独立供给电压。在使用电容器的情况下，脉冲电压波形不是矩形波，而是随时间推移很快的变化，且保持在图素中的电压随开关时间的稍微改变就会有很大的变化。开关时间取决于每个薄膜晶体管的特性，且使用已有技术，难于生产使每一个晶体管具有上述精密控制的模拟特性。因此，它是减少该器件产量的一种因素。
虽然本发明和通常的纯模拟驱动的动作矩阵系统相比不需要精密地控制电压，但10%的电压波动就足以损害一个数量级的分级。
因此，使用上述电容器的模拟方法对本发明来说是不利的。以此观点来说，在使用由电压发生电路直接供给电压脉冲的系统的情况下，加到Y线上的脉冲具有良好的矩形波形。因此保持在任何象素中的电压基本上是常数，结果是有利于高分级显示操作(例如64一步分级或256一步分级)，这正是本发明的目的。
图6表示在第n列和第m行的象素Zn，m的电压，和加到象素上的在门线XN和信号线YM(也称作漏线)之间的电压。在表示象素ZN，M电压的图中，折线代表实际信号而实线代表理想信号。由于各种因素，加到象素上的电压不是理想的矩形波。即，主要的因素是由于门电极和源区的重迭引进的所谓潜电压产生的电压下降;由象素电极自然放电引起的电压下降;以及薄膜晶体管的开关操作的开/关延迟。尽管没有采用模拟型电压供给装置，由于主动式矩阵中的模拟素所造成的上述信号波形的不规则，对于以上描述的本发明来说是不利的。因此对于实际的电路设计必须充分改虑这些因素。
如图6所示，在一个象素中，一个零电压状态首先持续T0，随后一个最高电压状态持续64T0，随后对应相继的4T0电压降到1，再后一个1-电压状态持续最后的16T0。通过上述操作，可得到每个时间T0的平均电压212/85。
此时象素ZN，M的电压是一个如图5中底下部分所示的矩形脉冲的集合。假设一幅画面的周期是17毫秒，T0＝200微秒，且当X线总数是480时，加到门电极的脉冲宽度是210毫微秒。加到Y线的脉冲信号的最小宽度也是420毫微秒。这些数值相应于几个兆赫的频率。
在另一方面，在常规系统中(图2)，需要约是上述数值的1/3的75毫微秒的门脉冲。且其相应于13兆赫的频率，为了达到这样高速的操作，例如，需要生产一种互补型金属氧化物一半导体形式的主动式元件。此外，由于以上描述的高频驱动所导致的由显示所辐射的电磁波也产生了问题。但是，在本发明中这样的问题很少发生。当然，以互补型金属氧化物一半导体形式所生产的主动式元件也适用于本发明。
按照本发明，能得到显著地高分级的图象。本发明特别适合于液晶显示，然而，它也适用于其它显示系统，例如等离子体显示，真空微电子显示等等。不仅具有开/关开关功能，而且按照所加电压具有中间光学特性的光学材料特别适于本发明。通过本发明的多个电压脉冲，能把中间亮度显示在显示器上。
因此，使用光学特性按照所加电压而变化，且随着所加电压产生中间状态的任何光学材料，都能实现本发明。
权利要求
1.一种驱动主动式矩阵结构的电-光器件的方法包括的步骤有将输入模拟信号转换成N-基数计数法的数值，或其相应的信号，和把基于所说数值或相应于它的所说信号的、具有一定脉冲宽度和脉冲高度的多个电压脉冲，施加到所说的电-光器件的一个象素上，其中所说电压脉冲的平均有效电压接近于一个任意的电压。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所说的电-光器件是一个显示器，且通过所说的电压脉冲，在所说的显示器上，能显示中间亮度。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所说的脉冲高度有四种高度。
4.按照权利要求3所述的方法，其中所说的脉冲宽度有两种宽度。
5.按照权利要求4所述的方法，其中所说的脉冲宽度是一个单位周期的宽度和一个四倍所说单位周期的宽度。
6.按照权利要求3所述的方法，其中所说的脉冲宽度有三种宽度。
7.按照权利要求6所述的方法，其中所说的脉冲宽度是一个单位周期的宽度和一个四倍所说单位周期的宽度，以及一个十六倍所说单位周期的宽度。
8.按照权利要求1所述的方法，其中所说的N-基数计数法是一种三位制计数法。
9.按照权利要求1所述的方法，其中所说的N-基数计数法是一种四进位制计数法。
10.按照权利要求1所述的方法，其中所说的脉冲宽度是一个单位周期的宽度和一个三倍所说单位周期的宽度。
11.按照权利要求1所述的方法，其中所说的脉冲宽度是一个单位周期的宽度和一个二十五倍所说单位周期的宽度。
12.按照权利要求1所述的方法，其中所说的电-光器件是一种液晶显示器，一种等离子显示器或一种真空微电子显示器。
13.一种电-光器件包括一种把输入模拟信号转换成数字信号的器件;一种把所说的数字信号转换成N-基数计数法的数值或其相应的数字信号的器件;和一种基于相应所说数值的所说数字信号，产生N-步电压的器件。
14.按照权利要求13所述的器件，其中所说的把输入模拟信号转换成数字信号的器件是模拟/数字转换器。
15.按照权利要求13所述的器件，其中所说的电-光器件是液晶显示器、等离子体显示器或真空微电子显示器。
全文摘要
对于一种电-光器件的分级显示操作，给出了一种分级显示的方法和一种电-光器件，该方法和器件能用数字信号予以控制。在动作矩阵型电-光器件和方法中，输入的模拟信号被转换成N-基数计数法中的数值和相应于该数值的具有一定脉冲宽度和高度的脉冲。通过把多个这种脉冲加到每一个象素的电极上，一幅图画的平均电压值对于最后显示中间色调或分级可以是任意数值。
文档编号G02F1/133GK1073030SQ9211282
公开日1993年6月9日 申请日期1992年10月8日 优先权日1991年10月8日
发明者山崎舜平, 广木正明, 竹村保彦 申请人:株式会社半导体能源研究所