专利名称：用低电压驱动液晶材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及驱动液晶材料，尤其涉及用低电压技术驱动这种材料。
背景诸如扭转向列(TN)模式LC(TNLC)显示器的各种液晶(LC)显示器(LCD)使用变化的电压斜坡将LC材料驱动到选定的灰度级水平(即，偏振光的旋光的百分比)。该变化的电压斜坡通常超过5伏特。由于期望结果是灰度级视频速率图像，要求16.7毫秒(ms)的帧时间(即，60赫兹(Hz))。通常的TNLC材料花费几毫秒从一种状态切换到另一种，且仅仅以视频速率进行响应，因此不提供对很短的电压脉冲起反应所需的响应时间。
因此，TNLC显示器的可接受的驱动方案使用全帧时间可变电压模拟或类模拟系统。但是，这种模拟或调幅(AM)系统具有性能问题。这些性能问题包括需要高电压(大于5伏特，且通常是7.5伏特)用于驱动该显示器，以及非线性的灰度级性能(即，从黑到白的阴影步幅)。此外，该非线性性能曲线在较小的温度变化上有明显的电压位置和斜率变化(即，每个电压增量的变化)，因此有害地影响显示性能。
此外，可变电压(VV)驱动对于诸如由在电极表面上有电介质涂层的像素引起的电容效应极其敏感。当按一个电极性对反极性地驱动LC单元时，这通常引起性能偏移。因此，典型的VV驱动方案提供了非常不对称的光学响应。该不对称响应会导致单元中的电荷累积，引起图像残留并会进一步随时间导致对LC显示器的破坏。因此，需要提供一种克服这些缺点的显示器。
图1是根据本发明一个实施例的液晶单元的剖视图。
图2是根据本发明一个实施例的相对输出对显示器的脉宽调制百分比的图示。
图3是根据本发明一个实施例的相对强度对显示器的脉宽调制驱动电压的图示。
图4是根据本发明一个实施例的显示器系统的框图。
具体实施例方式
在本发明的各种实施例中，可以用可变宽度方波脉冲来驱动显示器。按此方式，脉冲可用于选择期望的显示LC材料运行的灰度级水平。在某些实施例中，例如可使用低电压脉宽调制(LV-PWM)信号来控制TNLC材料。虽然在不同的实施例中用于控制显示器的电压会变化，但期望小于5伏特的信号，且在某些实施例中，可以使用电压在约2.0伏特和4.3伏特之间的信号。如这里所使用的，术语“低电压”表示小于5伏特的电压。在特殊实施例中，可以期望小于或等于3.3伏特的信号，因为当前集成电路(IC)工业中使用的装置设计规则通常限于最大值为3.3伏特。
在不同的实施例中PWM信号可变化，但在某些实施例中可使用约40和90％之间的占空比，且在特定实施例中，可使用约70-85％的占空比。按此方式，LC材料可以快速的上升时间和快速的全部时间进行响应。
在某些实施例中，可根据当前的IC装置规则使用像素阵列电子装置。按此方式，可以实现增加集成度和完全数字驱动电子装置的途径。因此，在某些实施例中，显示器可以用像素级数字驱动器制造，并且可以用帧更新来刷新，而不是对像素的渐进扫描更新。这种帧更新会是几乎瞬时出现的，向显示器提供了更高的占空比并使得获得的图像更明亮。
在某些实施例中，根据本发明实施例的LV-PWM驱动方案可呈现出对电容效应更少的灵敏性，并提供来自LC单元的基本对称的光学输出。根据本发明实施例的PWM驱动会导致来自按双折射模式驱动的高速TNLC材料的接近线性的灰度级响应。该线性响应可不需要LC材料响应的查找表。
现在参考图1，所示的是根据本发明一个实施例的液晶单元或显示器的剖视图。更特别地，图1所示的单元100是硅上液晶(LCOS)显示器，尽管本发明的范围在这方面不受限制。
如图1所示，单元100包括封入于第一基片120和第二基片130之间的液晶材料110。在LCOS显示器的一个实施例中，第一基片120可以是硅底板且第二基片130可以是覆盖玻璃。液晶材料110可由密封部件115密封，在一个实施例中该密封部件115可以是环氧密封装置。
虽然图1中未示出，但可以理解单元100的像素元件可以通过设置诸如一层反射材料形成，诸如第一基片120上(并且在其上形成图案的控制电极上)形成图案的微反射镜。此外，这些像素元件还可以包括在反射层上形成图案的一层防反射材料。或者，在某些实施例中，第二基片130可包括防反射涂层。在一个实施例中，反射层例如可以由铝构成，且防反射层例如可以由二氧化硅(SiO2)和/或氮化硅(Si3N4)构成。
在LCOS显示器中，第一基片120可在其上形成图案的电极，以提供驱动显示器的控制信号。此外，第二基片130可包括一电极(例如，氧化铟锡(ITO)接地电极)，从而可以在第一基片120和玻璃130之间的电极之间形成电场。在某些实施例中，第一基片120和第二基片130可包括对准层，诸如聚酰亚胺层。
在各种实施例中，液晶材料110可以是扭转向列材料、超扭转向列材料、铁电液晶材料、表面稳定铁电液晶材料、聚合物分散液晶材料、电络液晶材料等。在某些实施例中，可以使用垂直对准向列(VAN)、混合对准向列、电控制双折射、pi-单元或其它对准模式。
图1中还示出了部分偏振旋转延迟材料140，它可以置于第二基片130上以提供偏振光的部分旋转。虽然示作被直接置于第二基片130上，在某些实施例中，气隙可通过用隔离物存在于第二基片130和材料140之间。在某些实施例中，可以向用户提供用户控制的调制机制以控制该间隙，因此控制旋转角。在某些实施例中，通过提供从入射偏振对准到对入射对准的90度输出的偏振光的完全旋转，可使用部分波延迟材料来增强LC材料的性能。在一个这种实施例中，可以使用小于四分之一波长延迟的延迟膜。或者，可以诸如通过旋涂工艺将材料沉积于第二基片130上。
在不同实施例中，用于部分波延迟的材料是不同的。在一个实施例中，该材料可以是乙酸酯材料，诸如拉伸的乙酸酯。例如，在VAN模式显示器中，三乙酰基纤维素(TAC)膜。这种膜的厚度可改变，但在某些实施例中该厚度可以在约60纳米(nm)到约240nm之间，且在一种期望的实施例中可使用180nm的膜。在另一实施例中，该材料可以是聚碳酸酯材料。在不同的实施例中，膜可以是约0.2mils到1.0mils厚度之间，且在某些期望的实施例中可以是约0.5mils到0.8mils之间。此外，在某些实施例中，波延迟量可以改变。虽然在某些实施例中延迟量可以是最小的，但在其它实施例中偏振可被延迟多达约四分之一波长。但在某些实施例中，实际的波延迟可远远小于四分之一波长，例如1/8或1/16。
此外，虽然图1中示为与第二基片130耦合，在其它实施例中，部分波延迟材料140可耦合到相邻的光学器件，诸如光学引擎的棱镜(图1中未示出)。在其它实施例中，不需要使用这种延迟材料，特别是在使用电压大于约4.0伏特且期望在约4.0到4.5伏特之间的驱动的情况下。此外，这种延迟材料不需要与VAN模式LC材料一起使用。
如图1所示，在操作中，垂直偏振的输入光Lv会被引到显示器100上，且如果没有电压施加于显示器的像素上，则可反射具有水平偏振的离开显示器100的形成光Lh。在一个实施例中，根据本发明实施例的显示器可以是具有有源矩阵底板的数字驱动的LCOS微显示器。
虽然图1中未示出，但可以理解，显示器100可包括LC显示器的附加标准元件。例如，在某些实施例中(例如，LCD实施例)，第一基片120和第二基片130之一或两者可包括具有分开90°的偏光性的偏振膜。
在某些实施例中，可以在LC材料中提供相对较薄的单元间隙。单元间隙可以是厚度或者第一基片120和第二基片130之间的距离，如图1所示。因此，单元间隙可表示各外壳之间夹住的液晶材料的厚度。虽然在不同实施例中单元间隙可改变，但在一个实施例中可以使用约1微米的单元间隙，且在其它实施例中液晶材料110的厚度可在约0.5微米和1.5微米之间变化。如图1所示，环氧树脂密封部件115(和单元间隙中的间隔物，图1中未示出)可用于形成单元间隙，以便在液晶材料110中存在基本均匀的厚度。
按此方式，由于单元间隙相对较薄，所以可将较低的电压用于驱动该材料。出于同样的理由，该材料可表现出更快速的响应时间。
现在参考图2，示出了根据本发明一个实施例的显示器的渐变曲线。如图2所示，当用LV-PWM信号驱动时，获得线性响应且出现随温度的较小变化。特别是，在45摄氏度(C)、50℃和55℃的温度时，相对输出(即，相对强度)作为LV-PWM信号的函数是基本线性的。此外，在100％占空比处相对输出约为0，并线性前进到0％占空比处的约8(或80％)。在这种实施例中，可使用单变量线性函数代替多变量曲线函数查找表来完全补偿性能偏移，因此使用于热稳定的控制系统中的任何必要的存储器最小化。
这种热稳定会有助于快速的色域控制。因为温度补偿不需要表，所以可以将数字控制信息提供给色域控制表以选择期望的颜色值。这种色域控制表的输出可以用于将控制信号提供给显示器的电极。
现在参考图3，示出了根据本发明一个实施例的相对强度对PWM驱动电压的图示。如图所示，在约3.0伏特到3.3伏特的驱动电压下出现小于约1微瓦(μW)的相对强度，且最小的相对强度出现于约3.15伏特的驱动电压处。图3还示出标记为“AM”的点，它示出根据本发明一个实施例的与LV_PWM驱动相比的同一光学条件下同一材料上的约7.5伏特电压下模拟电压驱动的最小强度。
在某些实施例中，薄单元间隙和LV-PWM驱动信号的组合可提供60Hz的视频帧速率下近似线性的灰度级响应。此外，具有部分光波片延迟器的薄单元间隙和LV-PWM驱动信号的组合可允许LC材料以类似于驱动信号的光学响应作出响应。这种光学PWM输出可获得接近产生它的电驱动脉冲图像的线性灰度级响应。按此方式，可以实现对电气数字式驱动的光学数字式信号响应。
由于本发明实施例提供的高速切换，根据各种实施例的显示器可以高于视频速率(即60Hz)的速度进行切换。例如，在某些实施例中，可以在约120Hz和360Hz之间实现切换，尽管在这点上本发明的范围不受限制。按此方式，可以实现色连续系统，且在每个视频周期内可以从显示器提供两种或三种颜色的图像。
在一个实施例中，LC单元100可以是光投影装置的一部分。在这种实施例中，LC单元100可以是LCOS光调制器，诸如LCOS单元，以反射单种颜色，诸如红、绿或蓝(或者其它颜色方案)。或者，LCOS单元可适合于调制两种或三种颜色的光。可以理解，在其它实施例中，在其它类型的光学装置方面也可使用LC单元100。这些光学装置包括但不限于背面和前端投影仪、虚拟近眼装置等。
在一个实施例中，LC单元可用作空间光调制器(SLM)，它是调制由其像素通过在每个像素处独立反射(或者在一些实施例中通过透射)可控制光量所成像的光强度的多像素光电子装置。在一个实施例中，这种SLM可以是LCOS微显示器。或者，这种SLM可以是LCD、数字反射镜装置(DMD)、光栅光阀(GLV)等。
现在参考图4，示出了根据本发明一个实施例的显示器系统的框图。该显示器系统可以是任何期望的显示器，诸如背或前投影屏、头戴式显示器、虚拟近眼装置等。
如图4所示，显示器系统200可包括一个或多个光源210。光源可以是任何期望的光形式，例如包括弧光灯或等离子体灯、激光器、发光二极管等。
如图4所示，将光源210提供给光学装置220。这种光学装置例如可以包括聚光透镜、成形透镜和其它光学装置。此外，在某些实施例中，光学装置220可包括滤色片或色切换机制，诸如色轮，以向LC单元100提供一种或多种期望的颜色。此外，在LC单元100是LCOS单元的实施例中，光学装置220还可包括偏振器以偏振LC单元100上的入射光。
驱动器板230可以耦合以提供驱动信号给LC单元100，从而将入射光调制成期望的图像。在一个实施例中，驱动器板230可包括处理器和一个或多个存储器。驱动器板230例如可经由柔性电缆等耦合到LC单元100。在各种实施例中，处理器可以是通用处理器或专用处理器，诸如微控制器、专用集成电路(ASIC)、可编程门阵列(PGA)等。此外，在一个实施例中，存储器可以是静态随机存取存储器(SRAM)。根据本发明的实施例，显示器系统200中的驱动器板230或其它位置可包括存储媒介上存储的一个或多个计算机程序，其具有用于操作系统的指令。存储媒介可包括但不限于任何类型的盘，包括软盘、光盘、紧致盘只读存储器(CD-ROM)、可重写紧致盘(CD-RW)以及磁-光盘，半导体装置，诸如只读存储器(ROM)、诸如动态和静态RAM的随机存取存储器(RAM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、闪存、磁或光卡或者适于存储电子指令的任何类型的媒体。
操作中，驱动器板230的处理器可以将信号提供给一个或多个存储器以形成图像的表示。驱动器板230的存储器可用作缓冲器，用于存储图像的交替帧。又，可以将每个存储器读出到LC单元100以使控制单元的电极能激活单元的期望的像素元件。按此方式，可以对LC单元100提供帧更新，从而允许LC单元100上的图像的高速切换。
其中具有形成的图像并离开LC单元100的光提供给投影透镜240，它将该图像投影于显示屏250上。在使用LCOS单元的实施例中，投影透镜240还可以包括偏振器以偏振该光。在一个实施例中，投影透镜240还可包括旋转镜，以便将投射光反射到显示屏250上。
虽然图4中示为包括单个LC单元100，但可以理解在其它实施例中可以有多个这种单元。例如，在一个实施例中，显示器系统中可以有三个LC单元，以使每个单元适于调制给定颜色的光。按此方式，在红、绿、蓝(R、G、B)色空间中，每个单元都可接收给定颜色的入射光并提供同一颜色的调制图像。在再一个实施例中，可存在两个LC单元。例如在这种实施例中，一个LC单元可专用于调制绿光，且另一个单元可调制红和蓝光。在这种实施例中，具有红和蓝成分的色轮可设置于红和蓝LC单元的入射光路中。在其它实施例中，单个LC单元可专用于红色且分开的LC单元可调制蓝和绿色两者。
在一个实施例中，光学装置220可包括偏振分束器(PBS)，离开LC单元100的光可通过光学装置220的PBS被反射回并从其提供给投影透镜240。
虽然已相对于有限数量的实施例描述了本发明，但本领域的熟练技术人员将从中理解大量的修改和变型。所附权利要求书旨在覆盖属于本发明的真实精神和范围内的所有这些修改和变型。
权利要求
1.一种方法，包括将低电压信号提供给液晶单元；以及用所述低电压信号驱动所述液晶单元。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供所述低电压信号包括提供脉宽调制信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述脉宽调制信号包括可变宽度的方波脉冲。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，还包括提供等于或小于约3.3伏特的脉宽调制信号。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括向所述液晶单元提供帧更新。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，驱动所述液晶单元包括造成液晶单元中对数字信号的光数字响应。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以超过120Hz的频率驱动所述液晶单元。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还用具有至少两种颜色的色顺序驱动所述液晶单元。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将所述液晶单元的输出延迟小于四分之一波长。
10.一种装置，包括具有液晶材料的液晶单元；以及与所述液晶单元耦合的驱动电路，所述驱动电路提供低电压信号以驱动所述液晶单元。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，还包括与所述液晶单元耦合的部分偏振旋转延迟器。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述部分偏振旋转延迟器包括部分波延迟膜。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括控制装置以控制部分偏振旋转延迟器和液晶单元之间的间隙。
14.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述液晶单元具有小于约1微米的单元间隙。
15.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述驱动电路包括像素级数字驱动器。
16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述液晶单元适合于表现对像素级数字驱动器的光数字响应。
17.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述驱动电路加以耦合以提供低电压脉宽调制信号。
18.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述液晶单元包括微显示器。
19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，所述微显示器包括硅上液晶装置。
20.一种系统，包括偏振分束器；液晶单元，它具有液晶材料并被设置以接收来自偏振分束器的入射光；以及驱动电路，它与所述液晶单元耦合，所述驱动电路用于提供低电压信号以驱动所述液晶单元。
21.如权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括与所述液晶单元耦合的部分偏振旋转延迟器。
22.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述液晶单元具有小于约1微米的单元间隙。
23.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述液晶单元包括硅上液晶显示器。
24.如权利要求20所述的系统，其特征在于，还包括色切换器，用于将入射光切换成至少两种颜色的光。
25.如权利要求24所述的系统，其特征在于，还包括至少两个液晶单元，用以接收至少两种颜色的光。
26.如权利要求20所述的系统，其特征在于，所述驱动电路包括处理器和至少两个缓冲器，用以向液晶单元提供帧更新。
27.一种包括包含指令的机器可读存储媒介的制品，所述指令在被执行时使得系统能形成低电压信号；向液晶单元提供所述低电压信号；以及用所述低电压信号驱动所述液晶单元。
28.如权利要求27所述的制品，其特征在于，还包括指令，在被执行时所述指令使得系统能用低电压脉宽调制信号驱动液晶单元。
29.如权利要求27所述的制品，其特征在于，还包括指令，在被执行时所述指令使得系统能向所述液晶单元提供第一帧更新。
30.如权利要求29所述的制品，其特征在于，还包括指令，在被执行时所述指令使得系统能在将第一帧更新提供给液晶单元时在缓冲器中存储第二帧更新。
全文摘要
在本发明的一个实施例中，液晶显示器包括具有液晶材料的液晶单元，以及与液晶单元耦合的驱动电路，以提供低电压信号来驱动液晶单元。在一个实施例中，所述低电压信号可以是脉宽调制信号。
文档编号G09G3/20GK1853217SQ200480027016
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月30日 优先权日2003年9月30日
发明者K·萨尔斯曼 申请人:英特尔公司