用于控制像素的装置和电子显示装置的制作方法

专利名称：用于控制像素的装置和电子显示装置的制作方法
用于控制像素的装置和电子显示装置本发明涉及一种用于控制像素矩阵的像素的装置以及一种包含该像素矩阵的电 子显示装置。电子显示装置具体设计为用于显示信息的高分辨率显示器的形式。本发明的应用领域包括高分辨率显示器，尤其是用于需要非常快速地控制像素并 且在像素矩阵中包含空间光调制器的TFT (薄膜晶体管)显示器。另一个应用领域是具有 像素矩阵的光学元件，所述元件影响束的方向或形状或者相干波前的形状。在公知技术领域的TFT显示器中，通常利用行、列线的网格控制像素，像素TFT位 于这些线的相交点。该设计被称为有源矩阵(AM)。在这些显示器中，一个像素行总是由行 线(或者栅线)激活，并且模拟值通过列线(或者数据线)同步地写入已激活的行的所有像素 中。然而，这种用于传统显示装置的使用整体行、列线的寻址经证明在与增加的分辨 率和刷新率合用的情况下是不够的，因为它们需要例如呈现全息显示器中的全息图。列线 上的频率增加意味着列线和像素TFT的电容必须在短暂得多的间隔内经受电荷反转。因此，频率提高时功率损耗增加。存在由导体的阻抗和电容限定的一种限制，超过 该限制就不再可能在一个时钟周期内实现导体中的完全电荷反转。结合以下例子对此进行说明。如今分辨率高达3840 χ 2400像素的常见的TFT显 示器可以按照前面提到一般原则用列、行驱动器进行控制，如

图1所示。图1表示四个像素 电极10-1、10-2、10-3、10-4，它们具有对应的像素电容11-1、11-2、11-3、11-4，并且通过列 线12-1、12-2和行线13-1、13-2对它们进行控制。列线通过布置在像素矩阵外部的驱动电路14寻址，驱动电路14具有至少一个对 应的复用模拟输入15。行线通过数字移位寄存器16转换，数字移位寄存器16由用于行控 制的标记位(token bit)通过输入17控制。两条电路都沿TFT面板的边缘设置。这样的控制布置会在全息显示器中引起实质性问题，全息显示器需要超过IOOm 像素的非常高的分辨率以及超过100 Hz的刷新率。如果TFT显示器的行数或者刷新率增 加，行、列线上的控制频率将根据如下提高
控制频率=刷新率*行数。尽管如今的面板(假设1，200行和60 Hz的刷新率)的这一频率约为72 kHz，但其 会很容易提高到720 kHz (面板具有4000行和180 Hz的刷新率)。随着显示器尺寸增加，这方面的缺点变得更加严重，因为必须放置并使用相应地 更长的导体。例如，为了使导体的长度最短，如果将40英寸显示器面板分为四等分，则行线 的长度约为400 mm。导体长度的进一步减少是不可能的，原因在于使用控制线，而控制线由 位于像素矩阵外部的驱动器寻址。如果这四分之一具有4000行并且如果面板以180 Hz的刷新率运行，由于导体的 长度，以如图1所示的行、列线的传统布置有效地实现这些值几乎是不可能的。公知技术领域装置的问题因此是这样的事实典型地用于TFT显示器中的像素的 控制不能在由所需要的行数目和刷新率产生的控制频率的期间内实现。
由于所需要的快速电荷反转，功率损耗提高到相同的程度，这导致功率消耗增加 和过热的产生。后者必须被额外驱散。在用于产生全息重建并具有非常大数目的像素(例如，16000 χ 8000像素，150 Hz 的刷新率)的高分辨率显示器中，这些问题变得更加严重。由于非常高的转换频率，具有传 统像素控制的显示器面板不能用作全息显示器。由申请人递交的目前尚未公布的DE 10 2007 040712号专利文件公开了一种通 过将显示器面板分为多个群并用波导控制这些群从而简化像素控制的方法。应当将群理解 为具有给定数目的通过控制的组织联系在一起的像素的部分显示器。多个群形成显示器面 板。每个波导连接数据驱动电路的输出以及群的接收电路所分配的输入。在没有任何 信号反射的情况下通过终止的波导传送信息，以便可以实现高的数据率。然而，该控制布置具有这样的劣势每个群必须有相对复杂的接收电路。在实践 中，由于在大数目的像素之间几乎没有可用的空间，在不损害面板的功能的情况下实现这 一点是很困难的。因此本发明的目的是通过将像素矩阵分为群来改善像素控制并且实现电子显示 装置中的高分辨率和高刷新率。根据本发明，通过权利要求1所述的装置和权利要求15所述的电子显示装置以及 权利要求16所述的光学元件实现该目的。根据本发明的用于控制像素矩阵的像素的装置包含 “被分为多个群的像素矩阵，
“至少一个数据驱动电路，其具有至少一个用于为每个群输出控制信息的输出，以及 “分配到一个或多个群的整体的移位寄存器，所述移位寄存器具有用于从数据驱动 电路中接收控制信息并将所接收到的控制信息传给一个或多个群的输入，其中整体的移位 寄存器横跨像素矩阵的整个区域在像素之间设置。根据本发明的电子显示装置包含权利要求1到13中至少一个权利要求所述的用 作像素矩阵(例如，液晶(LC)矩阵、OLED矩阵、磁光(MO)矩阵或电润湿单元的矩阵)的光调 制器的矩阵。根据权利要求1到13中至少一个权利要求，根据本发明的光学元件包含形成束偏 转和/或束成形像素的阵列的像素矩阵。根据本发明的一个方面，每个群都具有局部数字和局部模拟移位寄存器，并且借 助于有源矩阵结构进一步在群中分布控制信息。根据本发明的另一个方面，移位寄存器具有分层多级结构。在从属权利要求中限定本发明的优选实施例。应当将像素矩阵理解为布置成行和列的光影响单元的阵列。这些单元可以在可见 或非可见的光谱范围影响光的一个或多个性质。在本发明的情况下，像素矩阵可以是显示装置、波前形成装置、光学成像装置或光 学偏转单元的一部分。如果用作光调制器，其影响强度、相位、偏振、波长或者同时影响不止一个这些性 质。
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如果用作相位阵列，其可以用于波前形成。如果用作可变化的棱镜阵列，其在一维 或二维中影响光束的方向。如果用作可变化的透镜阵列，其影响光束的形状。透镜阵列和 棱镜阵列功能还可以结合在一个像素矩阵中。像素矩阵可以是反射或透射类型，或者自主 地发射光(例如，OLED矩阵)。为了影响不相互依赖的光的多个性质，可以依次设置多个棱 镜矩阵。由于在本实施方式中用在移位寄存器中的时钟脉冲具有最大的频率并且需要额 外的线，所以这些时钟脉冲根据一个选项(例如，每个群一次)在显示器面板中的不同位置 产生，或者借助于光敏接收器在需要时钟脉冲的任意位置由光信号产生。光敏TFT例如可 以用作接收器。可以将信号调制为用于背面照明像素矩阵的光源。作为选择地，可以使用 发出可见范围以外的波长的光的第二光源。以下将结合附图详细说明本发明。其中
图1表示用于控制根据公知技术的像素矩阵的像素的控制电路的详细电路图， 图2是表示根据本发明的群控制的简化示意图，
图3是表示具有根据本发明的一个实施例的群控制的像素矩阵的简化示意图， 图4是表示在群中受控制的模拟和数字移位寄存器的两种可能的布置的简化示意图， 图5是说明局部有源矩阵的像素之间的移位寄存器的嵌入的示意图，以及 图6是表示用于具有电润湿单元(electrowetting cell)的示例性像素的移位寄存器 的分层结构的示意图。图1已经在背景技术部分进行了说明。示意性表示在该图中并且包含像素电极 10-1到10-4、电容器11-1到11-4以及像素TFT9-1到9_4的像素横排成行、纵排成列地布 置，中间有用于控制线的必要的间隔，并且形成凭借局部模拟和数字移位寄存器控制的群。根据本发明，这样构成的群分配有另一个移位寄存器，称之为整体的移位寄存器 18。图2示意性表示具有这三个移位寄存器的群。为了简化起见，将群的局部模拟移位寄 存器14和局部数字移位寄存器16称为模拟和数字移位寄存器14和16。通过列线12将像 素P的电压值写入模拟移位寄存器14，同时数字移位寄存器16用于通过行线13激活像素 行的像素晶体管。整体的移位寄存器18还可以用于向多个群提供控制信息。由行、列线连接并表示为正方形元件的像素P每个包含至少一个控制晶体管。将 通过行、列线的信息的提供确定为有源矩阵结构。像素矩阵和移位寄存器周围的虚线框标 出群的轮廓。大量这些群一个接一个并且一个在另一个下方这样设置，因此形成根据本发明的 第一实施例的像素矩阵，这例如可以在显示装置中实现。群的整体的移位寄存器18与数据驱动电路(图中未示出)连接以接收控制信息。 整体的移位寄存器18的功能将在以下描述的实施例中进行详细说明。参照图3，群还可以布置成邻近的行之间有一定的偏离。其具有这样的优点不是 所有在显示装置中从数据驱动电路2行进到群的整体的移位寄存器18都在一个列中按路 线行进(如会在例如只有根据图4的群4或群6的显示装置中出现的情况那样)，而是分布 在更大的区域。组织群的此另一种方式以及群中信息的分布还可以包括根据第二实施例的移位
5寄存器的分层结构。图4表示提供在像素矩阵中(例如显示装置中)的模拟和数字移位寄存器的可能的 布置。像素矩阵例如包含九个群。两个移位寄存器布置以群4和6详细表示。群4具有用于提供控制信息的模拟和数字移位寄存器14和16，模拟和数字移位寄 存器14和16如公知技术那样设置在群的边缘。在群4中连接各个像素P的局部行、列线 也表示在图中。显示装置的一个实施例例如将包含九个那些群4。在两个局部移位寄存器交叉的 每个点上由整体的移位寄存器18提供进入各个群的两个移位寄存器14、16的信息。移位寄存器14、16具有由移位寄存器18连续地提供的控制信息。根据本发明，群 1到9每个都具有至少一个整体的移位寄存器18 (在图中仅表示出群4和6)。在群4中， 模拟移位寄存器的接收单元接收控制信息并将其通过局部行、列线传递至群4的各个像素 P。在两个像素矩阵的可能的实施列中，均由设置在显示器面板的外部的至少一个数 据驱动电路2将输入信息供应给整体的移位寄存器18，其中移位寄存器18被分配给至少一 个群并且移位控制信息。图5表示局部有源矩阵(AM)的像素之间的移位寄存器的嵌入。所选择的例子表 示具有两个不同时钟周期的数字移位寄存器的群的细节，其每一级包含三个晶体管和一个 电容器。与图1到4不同，在本例子中，数字移位寄存器未设置在垂直方向，而是设置在水 平方向；这两种选择都是可能的，因为它们具有相同的功能，只是转动90°。尽管每段需要约3到5个晶体管(TFT)以实现数字移位寄存器，以及约7到12个 晶体管以实现模拟移位寄存器，但在已有64 χ 64像素的群尺寸的情况下除了像素TFT之 外仅需要约30%的TFT以实施移位寄存器。如果用更敏感的256 χ 256像素的尺寸实现群，那么额外的TFT的数量仅为10 %。因此可能实现平均每个像素具有1. 1个TFT的显示器，这仅仅略微地超过具有每 个像素一个TFT的传统显示器。然而，必须将这些额外的TFT分布在扩大的区域，如图6所示，以便这些元件不会 集中在一个区域，因此形成不透明区域。图5中，附图标记表示以下元件 101用于供电的导体，
102群中AM的局部行线，由模拟移位寄存器(图中未示出)供应，
103由上一级的输出供应的数字移位寄存器的级的输入，
104像素的透明区，
105用于第一时钟周期的导体，
106用于第二时钟周期的导体，
107数字移位寄存器的级的三个TFT
108数字移位寄存器的输出，
109数字移位寄存器的电容器，
110由数字移位寄存器的输出控制的AM的列线，
111有源矩阵TFT，112用于其它群的数据线，
113局部群的区域，TFT以及数字移位寄存器的导体连接嵌入其中，以及 114局部群的区域，无数字移位寄存器的TFT嵌入其中，并且其对于整体的连接和移 位寄存器的实施是可用的。图6表示用于每个像素具有8个电极的电润湿单元的像素矩阵的例子的分层移位 寄存器的实现。该图表示群的细节。其表示排成2列和4行的8个像素。具有16个要受 控制的移位单元的第二级的移位寄存器将其值输出到每个具有8个电极的两个像素。移位 单元的数目以及因此受控制的像素的数目在具体应用中可能高于本例子。在图6中，附图标记表示以下元件 120第一级的时钟周期，
121第二级的时钟周期， 122第一级的模拟移位寄存器， 123第二级的模拟移位寄存器， 124电润湿单元的电极，
125包含具有8个电极的电润湿单元的像素，以及 126第二级的移位寄存器的输出与电极的连接。模拟移位寄存器例如可以包含放大率为1的放大器和转移晶体管或CCD结构。CCD (电荷耦合装置)是特殊类型的模拟移位寄存器。它们具有具备两个连续半导 体层和安装在它们上面的电极的简单结构。类似于CCD相机传感器的结构可以用于在此建 议的实现中实施移位寄存器。与相机传感器相比，电荷传送到基板而不是基板之外。在这 里，列可以用于CCD链并且行可以用于时钟线。CCD，还有模拟移位寄存器的其它实施方式的主要问题是TFT基板，例如多晶硅的 不均一性。在每个转移过程中，小部分电荷丢失或者增加到下一个值。该影响由电荷转移 效率(CTE)说明。通常，CTE必须非常高(99. 9999 %)以能够实现移位寄存器的多个连续地 连接的移位单元，并因此实现连接到输出的多个像素。约0. 5%的误差对实现8位的准确性是可以接受的。如果将32，000个像素连接到 移位寄存器的移位单元的输出，对于32，000次转移，CTE必须是99. 999984 %(100 % - (0.5 % / 32000))。CTE主要依赖于所使用的TFT基板的品质。与单晶硅相比，P-Si基板的品质非常 低。由于P-Si基板的不均一性的问题，对有约32，000次转移的简单的、单级拟移位寄 存器进行控制是不可能的，或者至少是非常难以实现的。如果移位寄存器以分层结构布置，使得例如第一级的移位寄存器具有128个移位 单元，从这128个移位单元中的每一个中分出另外的第二级移位寄存器，每个都有256个移 位单元，这使在最大384次转移后控制32，768个像素成为可能。借助于表示第一级移位寄 存器的2个移位单元和第二级移位寄存器的16个移位单元的细节在图6中对此进行说明。用128个时钟周期将128个不同的值写入第一级模拟移位寄存器的移位单元。第 一级的构件的每个输出与第二级的模拟移位寄存器的输入连接。现在，第二级的慢128倍 的时钟脉冲触发值向第二级的移位寄存器的输入转移。
将具有256个移位单元的第二级的移位寄存器的所有移位单元的输出分配给像 素电极，以便用于所有32，768个像素的值在(128 * 256) = 32，768个时钟周期之后可用。现在，第三时钟周期可以触发从输出到像素电极的转移。这需要每个电极都有额 外的时钟线和额外的晶体管。参照图5，其它可能性是移位寄存器的输出直接与电极连接。 在这种情况下，通过移位寄存器将信息写入时背景光必须是黑暗的。这降低了刷新率，但允 许使用更简单的结构。如果使用每级有32个移位单元的三级移位寄存器，那么第三级的输出还可以在 最大3 * 32 = 96次移位操作(转移)之后控制32，768个像素。转移的最大可能数目因此可以通过利用较大数目的级得以彻底降低，以便具有非 常低的CTE的移位寄存器也可以得到使用。可以通过这样的分层结构控制的像素的最大数目受将信息传输到群的最低级的 移位寄存器的转换频率(一次转移所需的时间)限制。由于可以对该整体的移位寄存器使用 任何数目的级，所以转换频率不依赖于导体的长度，并且因此也不依赖于显示器尺寸，而仅 依赖于TFT基板的性质。例如在转换频率为25 MHz的情况下，移位寄存器可以用高达763 Hz的刷新率控制32，768个像素。与传统的AM结构相比，这是该实施方式的主要优点，因为利用了不久的将来便有 的更好的半导体材料以及较小的晶体管，像素数目和刷新率都可以几乎无限制地增加而不 考虑显示装置的尺寸。在具有AM的传统控制的传统显示器中，这是不可能的，原因在于长 行、列线的电容。除了如前所述的移位寄存器的实施方式以及利用p-Si技术的TFT显示器的其它 部分之外，这些部分还可以可选择地利用其它的半导体技术实施，根据其它实施例，例如是 有机TFT、多晶锗硅(poly-SiGe)、单晶硅或者砷化镓(GaAs)。这里的多晶硅(p_Si )代表各 种可能的子类型(sub-types)，例如ULTPS、LPSOI, LTPS, HPS、CGS和其它。满足本发明需 要的各半导体技术的特征和对它们的利用对本领域的技术人员来说是显而易见的，因此在 这里不需作任何进一步的说明。此外，本领域技术人员认为是本发明一部分的本说明书和附图中所公开的特征和 实施例的任何组合应当包括在本发明的范围内，即使没有对这样的特定结合进行明确地说 明。
权利要求
一种用于控制像素矩阵的像素的装置，包含– 被分为多个群的像素矩阵，– 至少一个数据驱动电路，其具有至少一个用于为每个群输出控制信息的输出，以及– 分配到一个或多个群的整体的移位寄存器，所述移位寄存器具有用于从数据驱动电路接收控制信息并将所接收到的控制信息传给一个或多个群的输入，其中整体的移位寄存器横跨像素之间的像素矩阵的整个区域设置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个群具有局部数字和局部模拟移位寄 存器，局部数字和局部模拟移位寄存器都布置在像素矩阵的像素之间，并且借助于有源矩 阵结构进一步在群中分布控制信息。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，群中的每个像素可由局部行、列线控制， 并且所分配的局部模拟和局部数字移位寄存器设置为根据所接收到的控制信息控制各个 群中的所有像素的各个局部行、列线。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个群具有任意数量的分层结构的局部 模拟移位寄存器，局部模拟移位寄存器从整体的移位寄存器中分出并且用于移位时钟周期 中的控制信息。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在N个时钟周期后，控制信息由整体的移 位寄存器转移到局部模拟移位寄存器，其中信息以慢N倍的时钟周期通过有源矩阵结构传 输到寻址的像素，其中N是移位寄存器中的级数。
6.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，通过光脉冲提供同步时钟脉冲， 其中光脉冲由横跨像素矩阵局部分布的多个光敏接收器转换为电信号。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，将光脉冲调制为用作背面照明像素矩阵 的光源。
8.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，群被分为任意数量的子群。
9.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，像素矩阵被分成正方形、长方形 或者蜂窝形的群。
10.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，像素矩阵利用TFT控制像素。
11.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，像素矩阵利用CCD结构控制像
12.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，用于控制像素的像素矩阵是电 润湿单元的矩阵。
13.根据前述任一权利要求所述的装置，其特征在于，像素矩阵形成显示装置，用于调 制光的强度和/或相位。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，像素矩阵是OLED显示器、MO显示器或 LCD显不器。
15.一种电子显示装置，包含根据权利要求1到13中至少一个权利要求所述的用作像 素矩阵的电润湿单元的矩阵，所述矩阵包含显示装置。
16.根据权利要求1到13中任意一项权利要求所述的光学元件，其特征在于，像素矩 阵形成束偏转和/或束成形像素的阵列。
全文摘要
本发明涉及一种用于控制像素矩阵的像素的装置。在被再分为群的像素矩阵中，群通过点对点的连接(18)与像素矩阵(2)外部的控制电路连接。每个群是由行、列线以及像素TFT制成的有源矩阵结构。为局部行、列线提供模拟(14)和数字(16)移位寄存器的链接。此外，可以使用具有分层结构的群，其中N个局部移位寄存器从整体的移位寄存器(18)中分出。数据值以低于整体的移位寄存器的周期时间在局部移位寄存器中转达，直到数据值到达用于控制像素的移位寄存器的输出。该控制机构可以整合到显示器的像素矩阵中并且避免了不透明区。
文档编号G09G3/20GK101978409SQ200980109422
公开日2011年2月16日 申请日期2009年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者罗伯特·米斯巴赫 申请人:视瑞尔技术公司