用于胆甾型液晶显示器的单极性灰度驱动方案

摘要

本发明涉及一种用于无源矩阵显示器的、更具体地讲用于胆甾型液晶显示器的单极性灰度驱动方案，其能够产生任何数量的所需灰度等级。所述驱动方案为单级并且可使用振幅调制型或脉冲宽度调制型列电压信号并结合选定的行电压信号来将接收两个交叉信号的像素驱动至所需的灰度等级。

说明书

技术领域

本发明涉及用于无源矩阵显示系统的驱动方案。更具体地讲，本发明涉及用于胆甾型液晶显示系统的灰度驱动方案。

背景技术

胆甾型液晶显示器(ChLCD)已经存在了几十年。ChLCD由于其“非易失性存储”特性而为独特的；一旦将图像写入显示器，该图像将会无限期地保留，直至写入新的图像。也可在无背面照明的情况下在环境光中观看ChLCD。当与其他显示器相比时，上述两个特性显著降低了总功耗。

另一方面，ChLCD本身具有低刷新速率。为了解决与ChLCD相关的低刷新速率，用于ChLCD的驱动方案已显著发展并且已变得非常复杂。已知的驱动方案包括双极性和多相位驱动方案。双极性驱动方案在很多情况下具有不足以有效驱动ChLCD的电压，并且双极性和多级驱动方案的复杂性均导致高成本。

存在对利用单极性驱动信号实现灰度反射的简单、低成本的方法的需求。

发明内容

本发明的一个方面包括用于驱动具有形成像素的行和列的无源矩阵显示系统的至少一部分的方法。该方法包括初始将无源矩阵显示系统的部分驱动至均一状态。该方法还包括输出在两个非负电压之间振荡的列电压信号，其中至少三个不同的非负电压组引起像素的灰度反射率的三个不同状态。最后，该方法包括输出在非平面电压和平面电压之间振荡的第一行电压信号，所述第一行电压信号被施加至矩阵中正被写入的行；以及输出第二行电压信号，其中第二行电压信号和列电压信号之间的差值在任何时间均足够低从而使得接收电压信号的像素的状态将保持基本上不变，并且所述第二行电压信号被施加至矩阵中当前所有未被写入的行。

本发明的另一方面包括下述系统，所述系统用于使用上述方法驱动显示器并且包括用于输出列电压信号的列驱动器和用于输出行电压信号的行驱动器。

本发明的另一方面包括下述系统，所述系统用于使用上述方法驱动显示器并且还包括无源矩阵显示器、用于输出列电压信号的列驱动器、用于输出行电压信号的行驱动器和控制器，所述控制器电连接至显示器以及列和行驱动器并且控制列和行电压信号。

本发明的另一方面包括用于驱动具有形成像素的行和列的无源矩阵显示系统的至少一部分的方法。该方法包括初始将无源矩阵显示系统的部分驱动至均一状态。该方法还包括输出循环经过四个非负电压电平的列电压信号，其中第一电压电平足够高以便将像素状态改变为平面反射状态，第二电压将像素置于弱散射的焦锥状态，第三电压足够低以使其基本不改变像素状态，并且第四电压为第一电压和第二电压的差值。第一和第三电压的时间周期与t1成比例并且第二和第四电压的时间周期与t2成比例，其中：

参数N为所需灰度等级的总数，并且参数n为表示在0至N-1范围内的特定所需灰度等级的序数。驱动周期为与行电压的振荡频率成反比的时间长度。该方法还包括输出在非平面电压和平面电压之间振荡的第一行电压信号，所述第一行电压信号被施加至矩阵中正被写入的行。最后，该方法包括输出在第一电压和第二电压之间振荡的第二行电压信号，其中第二行电压信号和列电压信号之间的差值在任何时间均足够低从而使得接收第二行电压信号和列电压信号的像素的状态将保持基本上不变，并且所述第二行电压信号被施加至矩阵中当前所有未被写入的行。

本发明的另一方面包括下述系统，所述系统用于使用上述方法驱动显示器并且还包括无源矩阵显示器、用于输出列电压信号的列驱动器、用于输出行电压信号的行驱动器和控制器，所述控制器电连接至显示器以及列和行驱动器并且控制列和行电压信号。

附图说明

图1示出了示例性胆甾型液晶显示模块的一部分的剖视图。

图2示出了含有行、列和像素的有源层的示意图。

图3示出了用于驱动符合本发明的ChLCD模块的示例性系统的框图。

图4示出了阐明随着施加至该像素的电压量而变化的胆甾型液晶像素的反射性的示意图。

图5A示出了两周期的示例性第一行电压信号。

图5B示出了两周期的示例性第二行电压信号。

图6A示出了导致用于振幅调制的平面状态的两周期的示例性列电压信号。

图6B示出了导致用于振幅调制的焦锥状态的两周期的示例性列电压信号。

图6C示出了导致用于振幅调制的大约25％反射的两周期的示例性列电压信号。

图6D示出了导致用于振幅调制的大约75％反射的两周期的示例性列电压信号。

图7A示出了导致用于脉冲宽度调制的平面状态的两周期的示例性列电压信号。

图7B示出了导致用于脉冲宽度调制的焦锥状态的两周期的示例性列电压信号。

图7C示出了导致用于脉冲宽度调制的所需灰度等级的两周期的示例性列电压信号。

具体实施方式

胆甾型液晶显示器和电气系统

本发明包括无源矩阵显示器，其可为(例如)如图1所示的胆甾型液晶显示器。示例性的ChLCD描述于美国专利号5,453,863中，上述专利全文以引用方式并入本文。作为另外一种选择，可使用其他类型的无源矩阵显示器。图1中所示的示例性的ChLCD模块包括三个有源层17、18、19。该有源层可对应于红色17、绿色18和蓝色19，并且每个层可通过其自身的铟锡氧化物(ITO)电极对16进行编址。作为另外一种选择，显示器可包括较少的有源层或较多的有源层。例如，显示器可包括用于某些颜色的多个有源层或者额外的对比层。

如图1和2所示，每个有源层17、18、19可包括形成可单独进行控制的像素25的行22和列24的矩阵。ChLCD的有源层17、18、19通常由手性向列型液晶材料和单元壁结构构成。单元壁结构和液晶相配合以形成焦锥和扭曲的平面纹理。这种单元可具有特征在于不同程度的反射强度的多个稳定的光学状态。可利用电场将单元从一个状态驱动至另一个状态。可将材料的光学状态改变为新的稳定状态以便沿这些状态的闭联集反射任何所需的反射等级，从而产生“灰度”。在移除电场之后，当前状态将会无限期地保留。

对于在显示器叠堆内的总计六个基底层12，可将基底层12设置在有源层的每一侧。作为另外一种选择，例如，可将单个基底层12设置在有源层之间以及用于总计四个基底层12的叠堆的每个端部上。可以任何合适的方式设置任何数量的基底层12。随后可将分别由导体16和基底12包绕的有源层17、18、19与总计两个粘合剂层14接合，从而产生完整的彩色ChLCD。示例性的显示器1还可具有背景层11。背景层11吸收未被有源层反射或散射的光。背景层可为黑色的，或者作为另外一种选择，其可为适于光吸收的任何其他的颜色。可将显示器1封闭于任何合适的材料中，包括但不限于玻璃或柔性塑料。

图3示出了用于驱动符合本发明的显示器1的示例性系统的框图。显示器1的每个有源层均可由列驱动器2和行驱动器4驱动。由列驱动器2和行驱动器4传送的信号交叉来控制每个单独像素的状态。列驱动器2和行驱动器4可包括单个电子器件或者两个或更多个电子器件。例如，可使用由Supertex公司制造的HV633PG(32通道、128级的显示驱动器)。每个驱动器2、4可由偏压电源10供电。偏压电源10可通过控制器6进行监控并且由电源9(其还为控制器6供电)供电。例如，控制器6可为由Microchip Technology公司制造的PIC微控制器。符合本发明的替代电源、电压、控制器和驱动器构造对本领域的技术人员将显而易见。

当将所需图像写入显示器1时，控制器6接收来自外部源(例如，用户接口)的输入数据7，该输入数据与应显示的图像相关。控制器6随后访问存储在RAM8中的相关图像数据。利用此信息，控制器将数据传送至列驱动器2和行驱动器4，以指示出应施加至显示器的每行和每列的信号、以及该信号应传送的适当周期数。显示器可在恒定的正电压电平下浮动以允许AC电压信号位于零或某个较低正电压到较高电压的范围内。

像素响应

图4示出了有源层中的像素对不同电压电平的响应。电压电平的适当范围的实例示于下表1中。

  电压电平  实例范围  V1  3-10V  V2  5-10V

  V3  10-25V  V4  20-31V  V5  10-31V  V6  20-40V

表1：电压电平和相应的实例范围。

像素对给定的电压电平的响应取决于初始像素状态。当像素初始处于平面反射状态41时，把足够低的电压(低于V1)施加给单元将基本不改变像素的状态。如图4所示，对于给定像素，平面反射状态41导致基本上最高的反射等级。当将V1和V2之间的电压施加给初始处于平面反射状态的像素时，所得的反射状态43为灰度并且取决于但非线性相关于所施加电压的精确度。

如果像素初始处于焦锥状态42时，把低于V2的任何电压施加给像素将基本不改变像素状态。如图4所示，处于焦锥状态42的像素具有非常低的反射等级。相反，像素散射光，从而导致黑色外观。

把V2和V3之间的电压施加给具有任何初始状态的像素均将会把该像素驱动至焦锥状态44。把V3和V4之间的电压施加给具有初始平面反射状态的像素将会导致灰度反射状态46，这取决于但非线性相关于所施加电压电平。把V5和V6之间的电压施加给具有初始焦锥反射状态的像素将会导致灰度反射状态47，这取决于但非线性相关于所施加电压电平。最后，把高于V6的电压施加给具有任何初始反射状态的像素均将会把该像素驱动至平面反射状态48。

显示器中的每个像素25均同时接收行电压信号和列电压信号。行电压信号和列电压信号对应于在像素25的位置处交叉的行22和列24。在任何给定时间点施加给像素的总电压为在该像素处交叉的行电压信号和列电压信号之间的差值。每当显示图像时，可将包含在显示器中的所有像素初始驱动至均一状态，例如，平面反射状态。将像素驱动至初始均一状态可导致随后所显示图像的较均匀和较高对比度的外观。然后通过把每个有源层中的每个像素改变成所需的反射等级来将所需图像写入显示器。在显示器写入过程中，列电压信号可主要控制反射等级，同时行电压信号可控制在任何给定时间哪一行被写入。作为另外一种选择，行电压信号可主要控制反射等级，同时列电压信号可控制在任何给定时间哪一列被写入。

电压电平V1、V2、V3、V4、V5和V6可随显示器中的每个单独有源层而改变。决定各个状态的关键电压电平为V3(其将会把像素驱动至焦锥状态)和V4(其将会把像素驱动至平面状态)。用于图1中所示的有源层17、18、19的示例性电压示于下表2中。

  有源层  V3  V4  红17  18V  23V

  绿18  20V  26V  蓝19  24V  30V

表2：用于各个有源显示层的实例电压电平

图5A-5B示出了用于使用振幅调制或脉冲宽度调制的构造的示例性行电压信号。可将图5A中所示的电压信号V选定传送至当前被写入的行。最小电压电平51大约等于零并且最大电压电平52大约等于图4中所示的V4。作为另外一种选择，可升高或降低行电压电平51、52。如果行电压电平51、52升高或降低，则显示器浮动的电压也应进行调整以便其保持在最小电平51和最大电平52之间的中心电压处。图5B示出了电压信号，该电压信号可传送至在任何给定时间所有未被写入的行。图5B中所示的电压信号V非选定与图5A中所示的电压信号的相位差为180度。最大电压电平53大约等于V4和V3的和除以2((V4+V3)/2)。最小电压电平54大约等于V4和V3的差除以2((V4-V3)/2)。

图5A-5B中的示例性行电压信号以两个周期示出。周期的长度可以是变化的。示例性的周期可为0.01秒、或者长至约0.02秒或更长、或者短至约0.002秒或更短。行电压信号(例如图5A-5B所示的那些)的振荡频率与周期成反比。示例性的频率可为约100Hz、或者低至约50Hz或更低、或者高至约500Hz或更高。

振幅调制驱动器

图6A-6D示出了用于振幅调制驱动方法的示例性列电压信号。这些列电压信号可与行信号(例如图5A-5B中所示的示例性信号)结合使用。行电压信号和列电压信号应具有相同的频率和周期。

图6A中所示的列电压信号可将像素状态改变为平面反射的。最大电压电平61大约等于V4，并且最小电压电平62大约为零。图6A中所示的列电压信号与图5B中所示的行电压信号大约同相。当将图6A中所示的电压信号施加至给定列时，该列中接收如图5A中所示的行电压信号的像素将接收在负和正V4之间交替的累积电压信号，并且将被改变为平面反射状态。接收如图5B中所示的行电压信号的像素将接收在V3和V4的差值除以2((V3-V4)/2)的负值和正值之间交替的累积电压信号。由于零伏至V1的区域应不会改变像素的状态，因此优选使用具有下述特性的ChLCD显示器：V1大于或等于V4和V3的差值除以2((V4-V3)/2)。

图6B中的列电压信号可将像素状态改变为焦锥。最大电压电平63大约等于V3并且最小电压电平64大约等于V4和V3的差值。当将图6B中所示的电压信号施加至给定列时，该列中接收如图5A中所示的行电压信号的像素将接收在正和负V3(足以将像素状态驱动至焦锥的电压电平)之间交替的累积电压信号。该列中接收如图5B中所示的行电压信号的像素将接收在V4和V3的差值除以2((V4-V3)/2)的正值和负值之间交替的累积电压信号。由于该信号小于或等于V1，因此接收该信号的像素的状态将不会改变。

图6C所示的列电压信号Va可将像素状态改变为平面反射等级的25％的反射。最大电压电平65的确定方式为实验表征像素对不同电压电平的响应并且利用此信息来找到基于行电压电平的必要列电压以获得所需程度的反射性。随后将最大电压电平65硬连接到控制器中。可以同样的方式确定和硬连接最小电压电平66。

这些公式确保所有的灰度电压电平将位于产生焦锥状态所需的电压和产生平面状态所需的电压之间。因此，当前未被写入并且接收电压信号(例如示于图5B中的信号)的所有像素将接收小于V1的累积电压并且其当前状态在视觉上将不会改变。

图6D中所示的列电压信号Vb可将像素状态改变为平面电压的75％的反射。可通过用于找到最大和最小电压电平65、66的相同方法来找到最大和最小电压电平67、68。

尽管图6A-6D中所示的四个列电压信号示出了可用于获得四个灰度色调的电压信号，但可使用实验方法获得任何数量的色调以确定最小电压电平66、68和最大电压电平65、67。另外，色调可具有任何种类的等级和增量。例如，四色调灰度系统可具有用于焦锥状态、平面电压的33％的反射、平面电压的66％的反射、和平面反射状态的色调。

脉冲宽度调制驱动器

符合本发明的驱动系统也可使用脉冲宽度调制来产生如图7A-7C中所示的列电压信号。图7A-7C中所示的示例性列电压信号可与行电压信号(例如图5A-5B中所示的示例性信号)结合使用。行电压信号和列电压信号必须具有相同的频率和周期。

图7A中所示的列电压信号可将像素状态改变为平面反射的。最大电压电平71大约等于或大于V4，并且最小电压电平72大约为零。图7A中所示的列电压信号与图5B中所示的行电压信号大约同相。当将图7A中所示的电压信号施加至给定列时，该列中接收如图5A中所示的行电压信号的像素将接收在负和正V4之间交替的累积电压信号，并且无论该像素的初始状态该像素将被改变为平面反射状态。接收如图5B中所示的行电压信号的像素接收在V3和V4的差值除以2((V3-V4)/2)的负值和正值之间交替的累积电压信号。

图7B中示出的列电压信号可将像素状态改变为焦锥的。最大电压电平73大约等于V3并且最小电压电平74大约等于V4和V3的差值。当将图7B中所示的电压信号施加至给定列时，该列中接收如图5A中所示的行电压信号的像素接收在正和负V3(足以将像素状态驱动至焦锥的电压电平)之间交替的累积电压信号。该列中接收如图5B中所示的行电压信号的像素将接收在V4和V3的差值除以2((V4-V3)/2)的正值和负值之间交替的累积电压信号。由于该信号小于或等于V1，因此接收该信号的像素的状态将不会改变。

图7C所示的列电压信号可将像素驱动至位于0到N-1等级范围内的所需灰度等级n，其中N为所需灰度等级的总数。图7C所示的信号延伸两个周期，并且每个周期划分成四个时间段，每个周期中具有两个时间周期t169a和t2 69b。图7C中的示例性信号在每个周期内循环经过四个电压电平。第一电压电平75可具有tn1的时间周期并且大约等于或大于V4。电压电平75足够高以便将像素改变为平面反射状态。第二电压电平76可具有t2的时间周期并且大约等于V3。电压电平76可将像素状态改变为弱散射的焦锥状态。第三电压电平77可为0伏并且足够低以致于其基本不可能改变像素状态。第四电压电平78为第一电压电平75和第二电压电平76的差值。

时间周期t1和t2可由下述公式确定：

其中驱动周期为与行电压的振荡频率成反比的时间长度。

作为另外一种选择，可重设电压电平的顺序以调谐显示器。然而，第一电压电平75和第三电压电平77应该仍具有长度为t1的对应时间周期并且第二电压电平76和第四电压电平78应该仍具有长度为t2的对应时间周期。

可通过选择N的相应值来获得任何所需数量的灰度色调。位于0至N-1范围内的灰度色调n均等地间隔开。

尽管图5A-7C中示出的信号延伸两个驱动周期，但信号可重复任何所需数量的周期以便写入像素。在一个优选的实施例中，信号可重复大约四个周期以便获得高水平的对比度和均匀度。