場致發射顯示器中的灰度實現方法
2023-05-27 22:34:06 2
專利名稱：場致發射顯示器中的灰度實現方法
技術領域：
本發明涉及場致發射顯示器領域，尤其是場致發射顯示器中的灰度實現方法。
背景技術：
在現有技術中，已知在顯示設備中是這樣實現灰度的提供幅值與亮度成比例的驅動電壓信號。儘管這種模擬調製方案已成功地應用於其他的顯示設備，但對於場致發射顯示設備卻並不適用。由於場致發射陣列的器件性能因素，在低發射電流也就是低驅動電壓的情況下，電子發射的均一性顯著降低。
為了緩和這種均一性問題，就用電壓值高得足以改善所述均一性問題的驅動電壓驅動場致發射顯示器。灰度級就是通過調製所述恆定電壓驅動信號的脈衝寬度，使之與灰度級n成比例而實現的。比例常數等於灰度脈衝增量(gray scale pulse increment)。該灰度脈衝增量的計算首先要確定一個最大脈衝寬度，該寬度對應於顯示器的最大亮度。用所需的灰度級數除該最大脈衝寬度，即計算出所述灰度脈衝增量。
對於典型的場致發射顯示器，所述最大脈衝寬度約為35(s。為了實現VGA顯示器的256灰度級性能，灰度脈衝增量就等於35(s除以256，或者說為0.14(s。這是一個非常短的脈衝。按照上述現有技術方案，第n個灰度級是用一個脈衝來驅動顯示器而實現的，該脈衝的寬度等於所述灰度脈衝增量乘以n。對於低級數n，所述驅動脈衝的脈衝寬度可能在顯示器的象素RC時間常數的範圍內。這導致所述驅動信號在到達象素位置時明顯地失真。由於在低脈衝寬度時顯著的信號失真，在低脈衝寬度時，亮度對驅動信號脈衝寬度的響應曲線就是非線性的。這導致亮度響應曲線明顯地偏離RC時間常數等於零的理想顯示器的亮度響應曲線。現有技術試圖通過減少灰度的總級數解決這個問題，但這種方案損害了顯示器的圖像質量。
場致發射顯示器中的每一個電子發射體都可以設計為一個電容器，它們之間的連接，比如鎮流電阻，可以設計為電阻器件。因為顯示器可以設計為分布式電阻電容網絡，每一個編址的行和列都具有一個固有的電阻-電容時間常數。用一個信號驅動某個行或者列的一端，一般會導致信號在掃過顯示器時被不斷地濾波。這樣，沿著該給定的行或者列，象素上的信號就不同於輸入的驅動信號。在灰度級的低端，驅動脈衝是最短的，這種有害的效應最為顯著。
場致發射器件的象素RC時間常數可以在幾百納秒到幾個微秒，是場致發射器件參數，比如每象素的電阻和電容的函數。例如，對於分別為1M(和3pF的每象素電阻和每象素電容，所述象素RC時間常數為3(s。對於給定的灰度脈衝增量0.14(s，50％以上的灰度級受到所述脈衝畸變的影響。儘管可以通過優化顯示器的結構來降低所述象素RC時間常數，從而改善所述脈衝畸變問題，但即使對於非常低的象素RC時間常數，仍然會在最初的若干灰度級存在灰度失真。
因此，有必要提出一種改進的場致發射顯示設備灰度實現方法，使得所述顯示設備能夠實現更多的灰度級。
圖面簡要說明
圖1是可使用本發明的方法的一種現有技術場致發射器件的剖面圖；圖2是一個場致發射顯示器的總負荷對施加於該顯示器的驅動脈衝信號的脈衝寬度的響應曲線圖；圖3是按照本發明可用於計算第一灰度級的脈衝寬度的電路模型的簡圖；圖4包括一個可用於實施本發明的方法的時間曲線圖，以及一個現有技術的時間曲線圖；圖5是亮度-灰度級曲線圖；圖6分別是本發明的方法的以及現有技術中的方法的亮度誤差-灰度級曲線圖。
為了簡單明了起見，各附圖中的元素未必按比例繪製。例如，某些元件的尺寸相對誇大了。另外，在合適的時候，各附圖中的標號有重複，用以指示相應的元件。
詳細說明本發明是場致發射顯示器中的灰度實現方法。本發明的方法提供的灰度級在大多數灰度級上顯著減小了亮度誤差。本發明的方法還能實現比現有方法更多的灰度級總數N。本發明的方法包括這樣的步驟提供一個與第一灰度級(n＝1)相應的第一驅動脈衝，其脈衝寬度大於該場致發射顯示器的象素RC時間常數。在最佳實施例中，該第一驅動脈衝的脈衝寬度等於非理想(非零RC時間常數)場致發射顯示器和相應的理想(零RC時間常數)場致發射顯示器各自的總負荷響應-驅動脈衝寬度曲線之間的脈衝寬度間隔。該脈衝寬度間隔是所述兩條曲線之間在相互總體上平行的部分的水平距離。
圖1是可使用本發明的方法的一種現有技術場致發射顯示器50的剖面圖。場致發射顯示器50包括一個基底52，在該基底上有一個陰極54。陰極54包括一個用高電阻材料製成的部分。該部分稱為鎮流層。該鎮流層用來防止在陰極54和陽極62之間發生嚴重的電弧放電。該鎮流層的薄膜電阻通常在幾個到幾百個兆歐每方(square)。該電阻聯同所述器件的電容，形成一個象素RC時間常數，該常數從幾百納秒到幾個微秒。
場致發射顯示器50還包括一個介電層56，該介電層在陰極54之上，形成一個發射井57。在該發射井57中有一個電子發射體58。在介電層56上鄰近電子發射體58設置有一個波門錄取電極(gateextraction electrode)60。一個螢光體64正對電子發射體58，用以收集從該發射體發射出來的電子66。螢光體64設置在透明的陽極62上。螢光體64接收到電子66之後，就產生光輻射68。光輻射68穿過陽極62並從該陽極射出去。
光輻射68的亮度部分地取決於驅動脈衝作用於陰極54時發射出的電子66的總數目。電子66的總數目又取決於所述驅動脈衝的脈衝寬度。
驅動脈衝的脈衝寬度有一個最大值，該最大值取決於顯示器的解析度(掃描線數)和幀速率。若干掃描線確定一個幀。幀速率等於每單位時間掃描的幀數。一般，波門錄取電極60就是所述掃描線。一個驅動脈衝的所述最大脈衝寬度等於幀速率與顯示器解析度乘積的倒數。
場致發射顯示器50包括多個陰極和波門錄取電極，這些陰極和波門錄取電極確定了一個象素陣列。場致發射顯示器50的一種設計例具有640個陰極54和480個波門錄取電極60。如果幀速率為60Hz，驅動脈衝的最大脈衝寬度則等於1/(60Hz×480)，即34.7(s。可以用這個值或者一個更低的值作為第N個(最高)灰度級的脈衝寬度。
圖2包括一個假想的理想場致發射顯示器的總負荷對驅動脈衝信號的脈衝寬度的響應曲線100，所述理想場致發射顯示器的象素RC時間常數為零納秒。圖2還包括一個非理想場致發射顯示器的總負荷對驅動脈衝信號的脈衝寬度的響應曲線200，該非理想場致發射顯示器與曲線100所表示的顯示器的區別僅在於，前者的鎮流電阻的薄膜電阻為166M(/sq。曲線200所表示的顯示器的象素RC時間常數約為520納秒。
脈衝寬度間隔115定義為曲線100和曲線200之間在這兩條曲線總體上相互平行的區段的水平距離。最好，脈衝寬度間隔115等於這樣的量曲線200移動這樣的量之後形成的新的負荷響應曲線的亮度誤差當n＞7時小於或等於3％。所謂亮度誤差在下文結合附圖5和6作詳細說明。按照本發明的方法的最佳實施例，所述第一驅動脈衝的脈衝寬度t1等於脈衝寬度間隔115。
通常，隨著非理想顯示器中所述鎮流電阻的上升，所述總負荷對驅動脈衝信號的脈衝寬度的響應曲線越來越偏離曲線100。也就是說，脈衝寬度間隔115增大，同時，按照本發明的方法，t1也增大。
按照本發明的方法，所述第一驅動脈衝的脈衝寬度大於所述場致發射顯示器的象素RC時間常數。最好，所述第一驅動脈衝的脈衝寬度大於所述場致發射顯示器的象素RC時間常數的兩倍。
圖3是按照本發明可用於計算第一灰度級的第一驅動脈衝之脈衝寬度的電路模型205的簡圖。特別地，該電路模型205可用來生成所述場致發射顯示器的總負荷對驅動脈衝之脈衝寬度的響應曲線。
所述場致發射顯示器的象素206由所述電路模型205的虛線框所圍的部分模擬。象素206包括一個實現所述電子發射體的獨立的電流源207，一個電阻元件208和一個電容元件209。一個電壓源210用來模擬施加於象素206的脈衝寬度為t0的驅動脈衝211。
可以為電路模型205編制一個電路模擬電腦程式。該電路模擬程序可以用來生成具有特定器件參數組合比如電阻R和電容C的場致發射顯示器的總負荷響應曲線。對於不同的脈衝寬度值t0，用該電路模擬程序計算獨立電流源207的電流響應曲線。然後通過積分確定電流響應曲線212的總負荷。按需要對多個t0值重複上述步驟，產生一條負荷響應曲線，比如圖2所示的曲線200。然後用這樣得到的負荷響應曲線以參照圖2所描述的方式確定第一驅動脈衝的脈衝寬度。
圖4包括一個可用於實施本發明的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法的時間曲線圖，以及一個用於比較的現有技術的時間曲線圖。在確定對應於第一灰度級(n＝1)的第一驅動脈衝214的脈衝寬度t1的步驟之後，按照本發明，其餘的灰度級的脈衝寬度按照下述方式確定如參照圖1所描述的，顯示器的一個驅動脈衝的最大的可能脈衝寬度等於所述幀速率和所述顯示器解析度之積的倒數。對應於第N(最高)灰度級的驅動脈衝的脈衝寬度tN是所有灰度級驅動脈衝中最長的。對應於第N灰度級的驅動脈衝的脈衝寬度最大可能值tN等於顯示器的驅動脈衝的最大脈衝寬度。
在為第N灰度級選定了脈衝寬度tN後，計算出第n灰度級的脈衝寬度增量tin。在本發明的一個例子中，所述脈衝寬度增量tin對於所有的n都是一樣的。在另一個例子中，對於某些選定的n，對所述脈衝寬度增量tin作進一步調整，以校正由於人眼的特性而導致的亮度響應的感覺非線性(perceived non-linearities)。這種校正叫做γ校正(非線性校正)。為了實現本發明的所述前一個例子，所述脈衝寬度增量tin按照下式(1)計算(1) tin＝(tN-t1)/(N-1)。
該脈衝寬度增量tin用來計算對應於第n灰度級的第n驅動脈衝的脈衝寬度tn。第n驅動脈衝的脈衝寬度由通式(2)給出(2) tn＝t1+(tin其中，從n＝2到n累加(ti1為零)。如果脈衝寬度增量tin對於所有的n＞1都是一樣的，則脈衝寬度公式(2)變成(3) tn＝t1+(n-1)×tin。
這樣，如圖4的時間曲線圖所示，灰度級n＝2的第二驅動脈衝的脈衝寬度t2等於(t1+ti2)，其中ti2是第二灰度級的脈衝寬度增量。灰度級n＝3的第三驅動脈衝的脈衝寬度t3等於(t1+2×ti3)，其中ti3是第三灰度級的脈衝寬度增量。在本例中，脈衝寬度增量都是一樣的，由ti2＝ti3＝(tN-t1)/(N-1)給出。在本發明的方法中，所述脈衝寬度增量tin小於第一驅動脈衝214的脈衝寬度115 t1，因為所需的灰度級數N通常大於比值tN/t1。
在圖4中還示出了實現灰度級的一種典型的現有技術。在這種現有技術的方法中，第n灰度級的驅動脈衝的脈衝寬度等於n×tPA，其中，脈衝寬度增量tPA由tPA＝tN/N給出。這樣，例如，在現有技術中，第一驅動脈衝215的脈衝寬度為tPA，第二驅動脈衝225的脈衝寬度為2×tPA，第三驅動脈衝235的脈衝寬度為3×tPA。
在下表I中列出了本發明的實現灰度級的方法中的一個舉例的脈衝寬度序列。該表I中還有一個現有技術的脈衝寬度序列。表I本發明的方法與現有技術的對比
列於表I中的特定脈衝寬度值可用於圖2中的曲線200所代表的顯示器。如參照圖2所述的，該顯示器的象素RC時間常數約為520ns。所述第一驅動脈衝的脈衝寬度希望大於該象素RC時間常數。在本例中，第一驅動脈衝214的脈衝寬度t1為1158ns，該值約等於脈衝寬度間隔115，如參照圖2所述的。
表I的例子所使用的這種顯示器是°VGA顯示器，其線掃描時間約為69.4(s。對應於最高灰度級(N＝256)的最大脈衝寬度在該線掃描時間之內選擇，在本例中為60.163(s。這樣，脈衝寬度增量就等於
或者說約為231ns。該脈衝寬度增量小於第一驅動脈衝214的脈衝寬度t1的三分之一。對於表I所示的例子，對於較低灰度級，脈衝寬度增量是一樣的，因為在較低亮度級，眼睛的感應是線性的。但是，在最高的灰度級，眼睛對亮度的感應就不是線性的了。因此，如表I所示，在n＝256時對脈衝寬度增量作了γ校正，其值變為331ns。
列於表I中的現有技術脈衝寬度序列也是°VGA顯示器的。與N＝256相應的最大脈衝寬度預先確定為59901ns。這樣，該現有技術的脈衝寬度增量就等於59901/256ns，或者說約為234ns。因為現有技術的第一驅動脈衝215的脈衝寬度與脈衝寬度增量均小於顯示器的象素RC時間常數(520ns)，最開始的若干灰度級發生了畸變。這種畸變示於圖5中。
圖5中是圖2中的曲線200所表示的場致發射顯示器用本發明的方法驅動時的亮度L-灰度級n曲線400。圖5還包括同一場致發射顯示器用參照圖4所描述的現有技術的方法驅動時的亮度-灰度級曲線410。圖5還包括圖2中的曲線200所表示的理想場致發射顯示器用參照圖4所描述的現有技術的方法驅動時的亮度-灰度級曲線420。
圖6以亮度誤差EL-灰度級n曲線的形式表示圖5所示的信息。圖6中包括所述非理想顯示器用本發明的方法驅動時的亮度誤差曲線300。圖6還包括所述非理想顯示器用現有技術的方法驅動時的亮度誤差曲線320。
對於確定的n，亮度誤差EL由下式(4)給出(4)EL＝[(L0n-Ln)/L0n]×100％，其中，L0n是零電阻的理想顯示器在n灰度級的亮度(從圖5的曲線420得到)，Ln是非理想顯示器在n灰度級的亮度(從圖5的曲線400得到圖6的曲線300；從圖5的曲線410得到圖6的曲線320)。
圖5和圖6表明，本發明的方法提供的灰度級顯著地減小了大多數灰度級上的亮度誤差。對於n＝20以下的灰度級，現有技術中的方法的不良效應會使亮度降低至少20％。相形之下，本發明方法的亮度誤差當n＞7時小於3％。而當n＜7時，亮度誤差是無關緊要的，因為在正常的工作條件下，例如在辦公室環境下，n＜7時的亮度值對於人眼來說是不可識別的。
總之，本發明提供的場致發射顯示器灰度實現方法在大多數灰度級顯著地減小了亮度誤差。本發明的方法還允許實現比現有技術的方法更多的灰度級總數N。
本說明書展示並描述了本發明的幾個具體實施例，但對於本領域技術人員來說，可以作進一步的修改和改進。所以，應當理解，本發明並不局限於本說明書所述的特定形式，在所附的權利要求中，申請人儘量列舉了不超出本發明的實質和範圍的所有變通方案。
權利要求
1.一種在具有某個象素RC時間常數的場致發射顯示器中實現灰度級的方法，包括下列步驟提供與第一灰度級相應的第一驅動脈衝，該第一驅動脈衝的脈衝寬度大於所述場致發射顯示器的所述象素RC時間常數；提供與第二灰度級相應的第二驅動脈衝，該第二驅動脈衝的脈衝寬度等於所述第一驅動脈衝的脈衝寬度與一個脈衝寬度增量的和，該脈衝寬度增量小於所述第一驅動脈衝的脈衝寬度。
2.如權利要求1所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中，所述第一驅動脈衝的脈衝寬度大於所述場致發射顯示器的所述象素RC時間常數的兩倍。
3.如權利要求1所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中，所述脈衝寬度增量小於所述第一驅動脈衝的脈衝寬度的一半。
4.如權利要求3所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中，所述脈衝寬度增量小於所述第一驅動脈衝的脈衝寬度的三分之一。
5.一種在場致發射顯示器中實現灰度級總數為N的灰度級的方法，包括下列步驟提供與第N灰度級相應的具有某個脈衝寬度的第N驅動脈衝；提供與第一灰度級相應的具有某個脈衝寬度的第一驅動脈衝；提供與第n灰度級相應的具有某個脈衝寬度的第n驅動脈衝，其中n為從1到N的整數，所述第n驅動脈衝的脈衝寬度tn由tn＝t1+[n-1]×tin給出，其中t1是第一驅動脈衝的脈衝寬度，tin是一個小於所述第一驅動脈衝的脈衝寬度的脈衝寬度增量。
6.如權利要求5所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中N大於100。
7.如權利要求6所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中N大於200。
8.如權利要求7所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中N等於256。
9.如權利要求5所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中，所述與第一灰度級相應的第一驅動脈衝的脈衝寬度大於500納秒。
10.如權利要求9所述的在場致發射顯示器中實現灰度級的方法，其中，所述與第一灰度級相應的第一驅動脈衝的脈衝寬度大於1000納秒。
全文摘要
一種在場致發射顯示器(50)中實現灰度級的方法,包括這樣的步驟:提供一個第一驅動脈衝,其脈衝寬度等於非理想場致發射顯示器和相應的理想場致發射顯示器各自的總負荷響應—驅動脈衝寬度曲線(100、200)之間的脈衝寬度間隔(115)。該脈衝寬度間隔(115)是所述兩條曲線(100、200)之間在相互總體上平行的部分的水平距離。與第n灰度級相應的第n驅動脈衝的脈衝寬度tn由tn=t1+[n－1]×[(tN－t1)/(N－1)]給出,其中,t1是所述第一驅動脈衝(214)的脈衝寬度,N是灰度級總數,tN是第N驅動脈衝的脈衝寬度。
文檔編號G09G3/20GK1273660SQ98809825
公開日2000年11月15日 申請日期1998年7月7日 優先權日1997年10月3日
發明者謝承剛, 羅伯特·T·史密斯, 羅德富·盧塞羅 申請人:摩託羅拉公司