专利名称：用于使液晶显示器通断反差比实时最佳化的方法和装置的制作方法
一般来说，本发明涉及液晶显示器领域，更具体地说，本发明涉及具有作为液晶显示器面板一部分的通断反差比最佳化控制功能的一种新颖的液晶显示器结构。
通常，液晶盒间隙厚度是确定和已构成的，施加在液晶上的电压决定光的传输量。因为通断反差比是最大与最小透光量比值，在液晶光传输相对于电压的特性曲线中一个小的电压漂移就会极大地改变最小透光量，使通断反差比降低。此外，未来显示器向更高比特(更多灰度级)发展的趋势使得对于透光量相对于电压特性的迟滞具有更加严格的要求。透光量相对于电压特性的这种变化首先可能由于工作温度的变化而产生。其次，如果所使用的光阀是为某一种光波长(或色彩)的液晶盒间隙而设计的，而却采用了另一种光波长，则也可能产生透光量相对于电压特性的这种变化。
有一些液晶显示器是利用温度检测来控制屏幕显示的光传输特性的。美国专利US-5717421中介绍了根据检测到的与一个象素相关的电流信号校正显示板驱动信号的一种系统。在所述系统中，测量这些参数以确定一个象素的电流阈值特性，进而根据检测到的阈值数据和检测到的显示板温度数据校正显示。
美国专利US-5694147中介绍了利用温度传感器和与液晶显示器外接的一个伺服机构控制液晶材料的温度的一种系统。在所述系统中，温度传感电路以电阻惠斯登电桥形式连接在液晶显示板附近。还设置了一个控制电路用于液晶显示温度，该电路由一个双极晶体管和一个电阻加热元件组成。因为这个系统采用外接和非集成的方式进行温度控制，所以这个方法相对来说效率不高，并且实施成本较高。
因此，非常需要提供应用有效、成本适中、并且作为高反差液晶显示板一部分与之集成的一种液晶显示器温补偿和控制系统的一种通断反差比最佳化技术。
本发明涉及使用一种通状态显示板或断状态显示板温度传感和补偿电路获得液晶显示器的最佳通断反差比的一种方法和装置。所说温度传感是由一个液晶电容器、一个二极管、或任何温度特性已知的其它器件来实现的。使用液晶电容器的优点是它是液晶显示单元固有的，即构成一个象素单元的一部分，因此无需采用额外的制造技术。使用液晶电容器的另一个优点是它在所检测温度与液晶象素之间具有一对一转换功能。还提供了一个补偿电路以监测温度和向一个发热元件(例如一个电阻器等)提供反馈信号以使温度稳定在某一确定值。因为通断反差比在断状态下对于光传输(或反射)是最为敏感的，所以采用了监测液晶电容器的断状态特性的技术方案。
根据本发明的原理，提供了用于使液晶显示板具有最佳通断反差比的一种装置，所说液晶显示板由多个具有依赖于所施加电压和温度的光传输特性的液晶单元组成，该装置包括用于检测液晶显示象素的温度和具有施加电压的一个输入端的一个温度传感装置，所说温度传感装置根据所施加的输入电压和所检测的一个温度值输出一个电压；用于监测所说温度传感装置的输出电压和获得对应于所说温度传感装置的电压输出的最大变化的一个峰值电压的一个装置；用于测量所说峰值电压与一个预定参考电压之间差值和输出表示所说差值的一个信号的一个装置；以及用于根据所测量的温度差值向所说平板显示器加热的装置，从而所说温度传感装置是液晶显示单元的一部分。
可取的是，用于使液晶透光量相对于电压特性实时最佳化的所述方法和装置可以有效地应用于高灰度分辨率投影显示器或高对比度投影显示器中。此外，利用本发明的方法，原来设计具有用于使通断反差比作为光颜色函数最佳化的三个光阀的投影系统可以将光阀数量进一步减少到一个。
通过以下结合附图所作的详细描述可以更加清楚地了解本发明的其它特征和优点，所说附图具体说明和表示了本发明的一些优选实施例，其中在各个附图中相同的元件用相同的参照标号指示；在这些附图中
图1表示用于控制和使液晶显示器通断反差比最佳的本发明装置。
图2(a)-2(i)为在图1所示装置中的信号工作时序示意图。
图3表示用于控制和使液晶显示器通断反差比最佳的本发明装置的另一个实施例。
图4为一曲线图，表示在各个温度下降低的液晶电容与所施加的电压之间的相互关系。
图1表示根据一个第一实施例用于获得液晶显示器最佳通断反差比的装置100的示意图。图3表示根据另一个实施例用于获得液晶显示器最佳通断反差比的电路300。
在图1所示的实施例中，电路100采用包括一个液晶电容器105的温度补偿电路部分102作为温度传感器，标记为C1c，该电容器构成液晶显示板的一部分。如图2(c)中时序图所示，电容C1c在高达阈值电压的范围内具有基本恒定值Vt，在这个值之上，稳定地增加到2倍或3倍于在阈值时的起始值的一个值。电容的这种变化伴随着光传输特性的变化，如图2(b)所示，所得到的温度灵敏度大约为1％/℃。所说温度补偿电路102设计为根据下列电容比值具有大大低于C1c电容器的温度灵敏度(C0C1c(t)+C0)]]>特别是，为了提供最小的温度灵敏度，可以在图1所示温度补偿电路102中使用可转换电容器，例如由电容器和晶体管构成。电容器的温度系数一般为10至50ppm，使用MOS电容器可以将温度系数控制在例如5-10％的精度范围内。但是，两个电容的比值可以控制在1％的精度范围内(通常为0.1％)。此外，可以利用NMOS和CMOS技术设计非常稳定的用于驱动运算放大器元件的电压基准以使得在100℃以上范围内分别小于2ppm/℃和45ppm/℃。因此，在图1所示的实施例中，温度补偿电路102包括一个固定电容器108，标记为C0，与温度传感电容器C1c105一起构成一个分压器以检测C1c的变化。如图2(c)中时序图所示，电容值C0保持不变，即与温度或电压是无关的。因此该串联电容分压器的输出电压“VinOA1”由下列公式1给出VinOA1＝(C0C1c(t)+C0)]]>Vin(t) (1)其中Vin(t)是作为时间“t”的函数驱动液晶显示电路的实时输入电压。
如图1进一步表示的，其中微分电路部分100包括用于对公式1中的电压Vin(t)执行微分功能的运算放大器“OA1”和电阻器R0和C1。如图2(a)所示，Vin(t)表示为当液晶电容器上的电压从最小电压变化到最大电压时具有线性斜率的一个固定的斜面。应当理解，这个Vin(t)电压可以是从外部施加的，根据LCD板的刷新速率是周期的，并且可以具有与图2(a)所示相反极性的斜率。此外，如图2(c)所示，C1c的电容值不是均匀地变化的，即是非线性的，并且在C1c大于C0之后会随着施加的电压增大而继续增大。图2(c)中所示C1c电容值曲线的最大斜率点为拐点，标记为“IP”，其值等于电压V1c。在这个拐点处的电压V1c定义为等于VREF＝Vin(T0)，并输入到运算放大器OA3的反相端，如图1所示。回头参见图2(c)，液晶电容C1c的最大斜率点是利用微分电路110的运算放大器OA1检测的。因此，如图2(d)所示，运算放大器OA1的输出“VoutOA1”表示C1c电容的变化速率，并且在C1c拐点IP达到峰值。运算放大器OA3对这个拐点求微分以输出一个最大峰值电压。
如在图1中进一步表示的，其中连续峰值检测电路部分120包括单位增益缓冲放大器“OA2”，其在输入VoutOA1之后产生输出。此外，连续峰值检测电路120包括MOS晶体管元件M1-M4、电阻元件RS/H和RP、和电容元件CS/H和CP以构成对于VoutOA1信号的峰值电压检测功能。应当理解，该电路可以结合作为液晶显示板的一部分，因而，晶体管、电阻器、电容器和相关的元件可以由显示器中的薄膜晶体管，例如n-沟道TFT、无定形硅(a-Si)电阻器、和氧化物或氮化物电容器构成。该方法可取之处在于这些元件在液晶显示器制造过程中只需要很少或不需要额外的制造步骤就可以很容易地制造出来。根据图1和图2(f)进一步表示的，复位电压Vreset保持在零电压，在这段时间，晶体管M2和M4保持断开状态，即非导通状态。可取的是，在连续峰值检测电路部分120的M2和M4的控制极端子以显示板刷新速率施加一个Vreset脉冲，其作用是通过各个电阻元件RS/H和RP为电容器CS/H和CP放电。
参见图1，更具体地说，OA2的VoutOA1输出输入到两个MOS晶体管M1和M3的各自的控制极端子。输入到晶体管M3的源极端子的是起始线性斜坡电压Vin(t)，而M3的控制极端子接收的是非线性的VoutOA2。因此，M3的控制极电压和晶体管M3的源极电压增大，使得M3导通。晶体管M3的导通使得采样和保持电容器CS/H充电，直到如图2(g)所示达到IP点，在这个点电容器CS/H上的电压VS/H变得稳定，因为M3的控制极电压停止增大。
此外，输入到晶体管M1的源极端子的是一个固定电压输入VDD，而M1的控制极端子接收非线性放大的VoutOA1。因此，晶体管M1借助于在运算放大器OA2负输入端的负反馈、和在M1的控制极和源极端子施加的电压导通。所以，M1的控制极电压的变化比能够使M3导通的固定源极电压快。因为M2是非导通的，通过晶体管M1的电流稳定地为电容器CP充电，直到如图2(e)所示达到IP点，在这个点，电容器CP上的电压变得稳定。应当指出，电压曲线VP(图2(e))与电压曲线VS/H几乎相同，但是，由于在M3源极端子的起始输入Vin(t)，电压曲线VS/H是线性的。
回头参见图1和图2(d)，在电容CLC的变化速率在IP点之后并没有VoutOA1下降的那么快。因此，在运算放大器OA2使用负反馈即刻切断运算放大器OA2的输出，并以下列方式有效地关断晶体管M1和M3图2(e)在电容器CP两端的电压VP，所说电容器随着通过晶体管M1的电流增大而充电。当CLC的变化速度在IP点达到峰值时，由于零VRESET电压防止了CP放电，所以电容器CP的电压VP保持恒定。但是，当OA2的非反相输入端的VoutOA1下降到低于反相端保持恒定的电压VP时，运算放大器OA2的输出端的电压负向摆动。在这时刻，晶体管M1和M3的控制极端子都关断。因此，运算放大器OA2的作用象一个比较器，并且电压输出VOA2等于最大电压，即VoutOA2＝Vmax＝VpeakOA1。于是，作为晶体管M3被关断的结果，在采样和保持电容器CS/H两端的电压VS/H保持为M3导通时的值，等于Vmax，即峰值电压。
如图1所示，这个VS/H电压输入到一个差分电路部分125，该电路部分包括用于将VS/H电压与一个VREF电压进行比较的一个差分放大器OA3，所说电压VREF是相应于一个预定基准温度“T0”的一个任意设定电压，即VREF＝VIN(T0)。如上所述，在优选实施例中，VIN(T0)是在温度为T0时对应于C1c的电压，即数据灰度级起初作为基准的电压。如果这些电压是相等的，即Vmax＝VS/H＝VREF，则运算放大器OA3的输出VOA3为零。如果基准温度VREF是更大，即大于CS/H的采样峰值电压VS/H，则电压输出VOA3为负极性的，其幅值为电压差乘以增益因子Rf/R1的函数。这种情况表示在图2(g)和2(h)的示例时序图中所示的第二周期，如下文进一步详述的。在VS/H温度大于基准电压VIN(T0)的情况下，输出VOA3为正极性，其幅值为电压差乘以增益因子Rf/R1的函数。
最后，如图1所示，其中的输出缓冲电路部分130包括单位增益运算放大器“OA4”和一个加热元件部分140，所说加热元件部分包括一个加热电阻RHEAT。所说差分放大器的输出缓冲部分提供了用于驱动加热元件RHEAT的电流IHEAT。在图2(g)和2(h)所示情况下，当VREF大于采样峰值电压VS/H时，希望通过向显示板加热来控制温度。因此，电压输出VOA3为负极性(图2(h))，按照如图1所示方式构成的一个二极管元件145向加热元件RHEAT通以电流，将如图2(i)中IHEAT时序图的第二周期所示，从而使LCD板的温度达到对应于VREF的基准温度。在其它情况下，如果电压VOA3的极性是正的，二极管145防止电流通向加热元件RHEAT。
应当理解，液晶电容CLC的电压的采样和比较可以在由使用者预定的时间进行。例如，在正常的家用或商用工作和环境状态下，可以以较低的速率，例如每10分钟一次进行采样。在军用飞机上使用的LCD板中，可以以明显较高的速率，例如每秒钟一次的速率进行采样。
图3表示用于获得液晶显示器最佳通断反差比的另一种电路300的示意图。这个实施例与以上参照图1所述的实施例相似，但是省略了连续峰值检测一级。
如图3所示，第一实施例的通断温度补偿电路300包括一个微分积分器电路305，该电路包括具有负输入端和正输入端的一个运算放大器电路310。电压VIN(T1)为在温度T1时的显示驱动电压，温度T1表示在任意给定时间显示器的温度。如图2(a)所示，这个电压表示为一个斜坡，但是，应当理解，在各个显示刷新周期，极性可以是相反的，以避免液晶的极化和导致品质下降，例如，出现显示保留现象。电压VREF(T0)是相应于一个预定基准温度的电压，例如，这个电压可以设定为对应于比显示器温度更高的一个温度的较高电压，因为加热显示器比冷却它容易。应当理解，电压VREF可以是一个带隙电压基准，其相对于温度是稳定的。
在输入端设置有一个温度传感电容器CLC，其具有如图2(c)所示的电容相对于时间的特性。以使用者限定的时间间隔启动开关S1-S3能够使CLC两端的电压通过电容器C0和电阻器R1耦合到运算放大器310的正输入端。同时，启动开关S4以向运算放大器310的负输入端提供基准电压VREF(T0)。所说微分积分器(差分放大器)305将电压VIN(T1)与VREF(T0)进行比较并产生一个输出。如果这些电压是相等的，则运算放大器OA1的输出VOA1为零。如果基准温度下VREF(T0)大于VIN(T0)，则电压输出VOA1为负极性的，其幅值为电压差值乘以一个增益因子C0/CF。类似地，如果温度VIN(T1)大于基准电压VREF(T0)，则输出VOA1为正极性，其幅值为电压差值乘以一个增益因子C0/CF。
下一级310为一个单位缓冲级306，它包括用于提供驱动一个加热级307的电流的一个单位增益缓冲运算放大器312。运算放大器312的电压输出VOA2跟踪电压VOA1所说电压VOA1为正极性、负极性或者为零。这个输出电压VOA2产生电流IHEAT通过加热元件RHEAT，所说加热元件用于根据所说微分积分器级的微分电压测量输出加热显示器。在优选实施例中，在运算放大器312的输出端设置有一个整流二极管313以防止产生正电压驱动所说加热元件。因此，如果LCD板的工作温度高于电压基准温度，即VIN(T1)＞VREF(T0)，则运算放大器310和312的输出为正极性，但是，由于有整流二极管313，可以防止该电压驱动所说加热元件RHEAT。如果LCD板的工作电压低于电压基准温度，即VIN(T1)＜VREF(T0)，则运算放大器310和312的输出为负极性，并且能够驱动加热元件RHEAT以提高显示器的温度。应当理解，VREF(T0)可以任意上升到对应于最高预期温度偏差，例如40℃的一个电压。按照这种方式，电流总是将加热元件加热到某种程度。
应当指出，RHEAT可以设置在各种位置，例如，设置在包围LCD象素阵列的基板中，或者设置在覆盖液晶的透明导电薄膜例如氧化铟锡(ITO)覆层中。根据基板的不同，所说RHEAT电阻器可以用c-Si、poly-Si或a-Si制成，并且根据应用技术的不同，所说电阻器可以具有从大约100欧姆至大约1M欧姆范围内的任意电阻值。如果电阻器RHEAT设置在ITO层中，则可能需要某些附加的处理步骤，因为需要更大的电流(大约10倍)、光匹配指数层、和均匀的区域加热。根据间隙薄厚、模式和材料的不同，液晶需要近似20mJ/cm2/℃。对于需要快速温度补偿的设计来说，例如在具有3um液晶盒间隙和10cm2阵列面积的显示器启动(1秒钟)过程中，液晶需要0.2W/℃。
此外，应当理解，图1和图3中所示的本发明的实施例不依赖于C1c相对于电压作为温度函数的并行移位，并且如果(1)C1c在正常电压范围内是单调增大或减小的函数，和(2)在不同温度下C1c-电压曲线不彼此交叉，则C1c工作正常。图4为表示减小的电容与温度相关性，及其与透光量阈值的相互关系的一个曲线图。从图4容易看出，满足上述标准。
虽然已经相对于本发明的说明性和预先完成的实施例具体地表示和介绍了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的构思和范围的前提下，本领域技术人员可以在形式和具体内容上作出上述改进和其它改进，而这些只应当由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1.用于提供液晶显示板最佳通断反差比的一种装置，所说液晶显示板包括具有依赖于所施加电压和温度的光学特性的液晶元件，所说装置包括用于检测液晶显示象素温度和具有施加于其上的一个输入电压的温度传感装置，所说温度检测装置根据所施加的一个电压和检测到的温度输出一个电压；用于监测所说温度传感装置的输出电压和获得相应于所说温度传感装置的所说电压输出的最大变化的一个峰值电压的装置；用于测量所说峰值电压与一个预定基准电压之间差值，和输出表示所说差值的一个信号的装置；和用于根据所说测量的温度差值向所说平板加热的装置；从而所说温度传感装置是一个液晶显示元件的一部分。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所说温度传感装置包括与一个液晶显示板单元集成，并具有随施加电压和温度变化的电容值的一个MOS电容器。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于所说用于监测所说温度传感装置的输出电压的装置包括用于获得对应于所说输出电压的最大变化的一个峰值电压的微分装置。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于所说温度传感装置还包括一个电容器串联分压器电路，该电路包括所说MOS电容器元件，以提供所说输出电压。
5.如权利要求2所述的装置，其特征在于所说用于监测所说温度传感装置的输出电压和获得峰值电压的装置能够以使用者限定的速率周期地启动。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于所说液晶单元具有透光特性。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于所说液晶单元具有反光特性。
8.用于提供液晶显示板的最佳通断反差比的一种方法，所说液晶显示板具有多个液晶单元，所说液晶单元具有依赖于所施加电压和温度的透光特性，所说方法包括a)施加驱动电压作为所说液晶显示板电压；b)根据一个分压器将所说电压分压，所说分压器的一个元件由响应所施加电压和温度的一个温度传感元件构成，并输出表示当前检测温度的一个采样电压；c)将所说采样输出电压连续微分，并检测对应于所说温度传感装置的电压输出的最大变化的一个峰值电压；d)测量所说峰值电压与一个预定基准电压之间的一个差值，并输出表示所说差值的一个信号；和e)根据所说测量的温度差值向所说液晶显示器加热，从而所说温度传感装置是液晶显示单元的一部分。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于所说微分步骤c)还包括在所说测量步骤之前在一个采样和保持电路中保持所说检测到的峰值电压的步骤。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于所说温度传感装置包括与一个液晶显示板单元集成的一个MOS电容器。
全文摘要
一种装置提供液晶显示板中的最佳通断反差比。该装置包括一个电容性温度传感装置其用于检测液晶显示象素温度和具有根据施加的输入电压和检测的温度产生的一个输出电压的;一个检测装置,其包括用于获得对应于温度传感装置的电压输出的最大变化的一个峰值电压的微分及采样和保持电路;和用于测量峰值电压与一个预定基准电压之间差值并输出表示该差值的一个信号的一个装置。从而根据测得的温度差值向液晶显示板加热。
文档编号G09G3/36GK1246633SQ9911796
公开日2000年3月8日 申请日期1999年8月19日 优先权日1998年9月3日
发明者F·R·利布斯奇, 杨界雄 申请人:国际商业机器公司