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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung
eines Flüssigkristallrasterbildschirms mit einem
ferroelektrischen Flüssigkristall als Flüssigkristallschicht.
Beschreibung des Standes der Technik
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In jüngster Zeit ist über ferroelektrische Flüssigkristalle mit
hoher Ansprechgeschwindigkeit und Speichereigenschaft berichtet
worden.
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Zunächst soll ein ferroelektrischer Flüssigkristallbildschirm
nach dem Stand der Technik kurz beschrieben werden. Ein
ferroelektrisches Flüssigkristall umfaßt langgestreckte Moleküle, die
so angeordnet sind, daß sie eine Schicht bilden, wobei jedes in
einem bestimmten Winkel zur Senkrechten der Schicht ausgerichtet
ist und ein Dipolmoment in vertikaler Richtung zur Längsachse
des Moleküls und der Senkrechten der Schicht hat. Es wird bei
dünner Schichtdicke spontan polarisiert. Wenn ein elektrisches
Feld an eine ferroelektrische Flüssigkristallzelle mit äußerst
geringer Schichtdicke angelegt wird, nehmen die Moleküle zwei
Zustände ein, die, in Abhängigkeit von der Richtung, in der die
Spannung angelegt ist, im wesentlichen horizontal zum Träger und
± 0 Grad zur Senkrechten der Schicht ausgerichtet sind. Durch
Ausnutzung dieser Erscheinung und eines zusätzlichen
elektrooptischen Effekts, wie Doppelbrechung oder Dichroismus können
Licht- und Schattenzustände dargestellt werden. In einer Zelle
mit ausreichend dünner Schicht, stellt die Wechselwirkung
zwischen Molekülen und der Schichtoberfläche sicher, daß die beiden
obenerwähnten Zustände nach der Entfernung des elektrischen
Feldes aufrechterhalten werden. Eine derartige Zelle nennt man
"oberflächenstabilisiertes ferroelektrisches Flüssigkristall"
(SSFLC). (N.A. Clark et al., in "Submicrosecond bistable
electro-optic switching in liquid crystals", Applied Physics Letters
Vol.36 (II), S. 899-901, 1.Juni 1980)
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Zur Ansteuerung des wie obenstehend gebauten ferroelektrischen
Flüssigkristallbildschirms sind, im Unterschied zur Ansteuerung
von nematischen Flüssigkristallen, Impulse mit großer Amplitude
und entgegengesetzter Polarität erforderlich, sowohl, wenn
Bildelemente abgeschaltet, als auch, wenn sie angeschaltet werden.
Andererseits muß, wie bei nematischen Flüssigkristallen, das
zeitliche Mittel der angelegten Spannung 0 betragen, um eine
Schädigung des Flüssigkristalls zu verhindern. Es ist ein
Zeitmultiplexansteuerungsverfahren vorgeschlagen worden, das diese
Anforderungen erfüllt, das eine geringfügige Abwandlung des
herkömmlichen Amplitudenwahlschemas für nematische Kristalle
darstellt. (T. Harada, M. Taguchi, K. Iwasa, M. Kai; SID 85 Digest
(1985), S. 131). Fig. 1 zeigt Kurvenformen von Spannungen, die
beim herkömmlichen Ansteuerungsverfahren an das Bildelement
angelegt werden. Ein Abtasten besteht aus zwei Bereichen mit
unterschiedlicher Polarität, wobei jeder der Bereiche auf ¼ des
Amplitudenwahlschemas basiert. Da ein Bildelement im
Einschaltzustand in den ersten Bereich geschrieben wird und ein
Bildelement im Ausschaltzustand in den zweiten Bereich geschrieben
wird, erscheint im ersten Bereich eine fehlerhafte überdeckte
Darstellung des Bildelements beim vorhergehenden Abtasten und
neue Werte, was eine Verschlechterung der Abbildung bei längeren
Abtastzeiten und Animation hervorruft. Außerdem ist für
Büroautomatisierungsanzeigen bei Animation eine Frequenz von
mindestens mehreren Hz erforderlich. Bei einem ferroelektrischen
Flüssigkristall ist die Länge eines Schreibimpulses durch die
Ansprechzeit des Flüssigkristalls begrenzt. Deshalb verringert
sich, wenn, entsprechend dem Stand der Technik, ein Abtasten
mehrere Bereiche erfordert, die Anzahl der bei der obenerwähnten
Abtastzeit darstellbaren Abtastzeilen.
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Ein ferroelektrisches Flüssigkristall kann nur in drei Zuständen
stabil sein: zwei, wenn die Moleküle sich waagerecht zum Träger
befinden und ein weiterer, wenn die Moleküle zwischen dem oberen
und unteren Träger gewundene Struktur haben und damit
Gegenmaßnahmen zur Darstellung von Zwischengraustufen in Betracht
gezogen werden: a) den komplizierten Zustand, in dem sich zwei oder
drei der obengenannten Zustände punktweise vermischen,
auszunutzen oder b) die relative Dauer des Auftretens der zwei
beziehungsweise drei Zustände im Verhältnis zueinander zu verändern.
(N.A. Clark et al., "Fast und bistable electro-optic display
using ferroelectric liquid crystals", Eurodisplay S. 73-76,
1984). Der Zustand der punktweisen Vermischung wird leicht von
der Trägeroberfläche beeinflußt, was es erschwert, mit einem
großen Bildschirm eine erhebliche Anzahl von Graustufen zu
erreichen. Das Verfahren der Veränderung der relativen Dauer des
Auftretens ist hinsichtlich der Steuerung überlegen, jedoch gibt
es bis jetzt keine Studien zu
Zeitmultiplexansteuerungsverfahren. Des weiteren wird für die Ausführung mittels
Zeitmultiplexansteuerungsverfahren Mehrfachabtastung als erforderlich
angesehen,
was noch weitergehende Einschränkungen auf Grund der
obenerwähnten Abtastzeit deutlich macht.
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Eine Flüssigkristallanzeigevorrichtung unter Einsatz von
Material aus ferroelektrischem Flüssigkristall, wie chiralem,
smektischem Flüssigkristallmaterial, wird in EP-A-149,899 beschrieben.
Die Anzeigevorrichtung wird von einem Zeitmultiplexsystem
angesteuert. Die Veränderung der Anzeige wird durch Anlegen einer
bestimmten Spannung an das ferroelektrische
Flüssigkristallmaterial hervorgerufen, und im Anschluß daran kann die Anzeige
aufrechterhalten werden, indem eine Impulswechselspannung angelegt
wird.
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Angesichts der oben dargelegten Probleme besteht eine
Hauptaufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Ansteuerung eines
Flüssigkristallrasterbildschirms zu schaffen, und, noch genauer,
ein einfaches Zeitmultiplexansteuerungsverfahren mit hohem
Mehrfachausnutzungsverhältnis und hoher Frequenz.
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Die Aufgabe kann von der vorliegenden Erfindung erfüllt werden,
die ein Verfahren zur Ansteuerung eines
Flüssigkristallrasterbildschirms der Bauart schafft, bei der sich ein
ferroelektrisches Flüssigkristall zwischen Abtastelektroden und
Signalelektroden befindet und eine Rasteranordnung von Bildelementen
bildet, dadurch gekennzeichnet, daß
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eine erste Gruppe von Impulsspannungen an eine n-te
Abtastelektrode angelegt wird, die mit Bildelementen in der n-ten Reihe
der Anordnung verbunden ist, wenn Bildelemente in einer weiteren
Reihe ausgewählt werden, wobei die erste Gruppe von
Impulsspannungen ausreichende Größe und Impulslänge hat, um alle
Bildelemente in der n-ten Reihe in entweder hellen oder dunklen Zustand
zu versetzen, wodurch die Bildelemente in der n-ten Reihe
zurückgestellt werden, und
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während einer bestimmten Zeitdauer, in der die Bildelemente in
der n-ten Reihe ausgewählt werden sollen, eine zweite Gruppe von
Impulsspannungen an die n-te Abtastelektrode angelegt wird, so
daß die Bildelemente in der n-ten Reihe ihren augenblicklichen
Zustand, entsprechend der an die Signalelektroden angelegten
Signalspannungen, entweder wechseln oder beibehalten.
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Vorzugsweise liegen bei der ersten Gruppe von Impulsspannungen
der absolute Wert des Spitzenwertes und die Impulslänge so, daß
zumindest einer von beiden Werten größer ist als der
entsprechende Wert der zweiten Gruppe der Impulsspannungen oder genauso
groß.
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Die Bauart ermöglicht das Schreiben der Bildelemente nach nur
einmaligem Abtasten in der Hälfte der Zeit, die nach dem Stand
der Technik erforderlich ist. Wenn die erste und die zweite
Gruppe der Impulsspannungen ordnungsgemäß eingestellt sind, wird
den Bildelementen keine Gleichspannungskomponente zugeführt, und
das Flüssigkristall wird nicht beschädigt.
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Darüber hinaus können in der obenerwähnten Bauart, auf Grund der
Zeitmodulation durch Mehrfachabtastung, bei der die zweite
Gruppe
der Impulsspannungen zu veränderlichen Zeiten angelegt wird,
auch bei großen Bildschirmen gleichmäßige Graustufen dargestellt
werden.
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Fig. 1 ist ein Diagramm mit Spannungskurvenformen zur
Veranschaulichung eines Beispiels für eine Ansteuerungsverfahren nach
dem Stand der Technik.
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Fig. 2 bis Fig. 4 sind Diagramme von Spannungskurvenformen zur
Veranschaulichung von Ausführungen der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 5 ist ein Blockschaltbild einer Anzeigevorrichtung zur
Ausführung des Ansteuerungsverfahrens nach der vorliegenden
Erfindung.
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Fig. 2 zeigt Ansteuerungskurvenformen einer bevorzugten
Ausführung der vorliegenden Erfindung, bei der die Abszissen jeweils
die Zeit darstellen; Kurvenform (a) zeigt eine Spannung, die an
Abtastelektroden in einer n-ten Reihe angelegt ist; Kurvenform
(b) zeigt eine Spannung, die an eine Signalelektrode in einer m-
ten Spalte angelegt ist; Kurvenform (c) zeigt eine Spannung, die
an das Bildelement angelegt ist, das an einem Punkt liegt, der
durch eine n-te Reihe und m-te Spalte bestimmt wird; Kurvenform
(d) zeigt eine Helligkeit. In der Rückstellphase, wenn die n-1te
und n-2te Reihe ausgewählt werden, wird ein
Wechselspannungsimpuls, der, bezogen auf die Abtastspannung einer ausgewählten
Phase N die zweifache Länge und entgegengesetzte Spannung hat,
Abtastelektroden der n-ten Reihe angelegt. In den anderen Phasen
wird das herkömmliche Amplitudenwahlschema angewendet. Dann
werden die Rückstellimpulse A und B an die Bildelemente der n-
ten Reihe angelegt. Die Bildelemente werden durch Anlegen von
Impuls B dunkel, und wenn der Wert der folgenden ausgewählten
Phase 1 ist, wird Impuls C&sub1;, der mindestens Schwellenspannung
erreicht, angelegt, und die Bildelemente werden hell. Wenn der
Wert 0 beträgt, bleiben die Bildelement beim Anlegen von Impuls
C&sub2;, der unter der Schwellenspannung liegt, dunkel. Die Kennlinie
der Schwellenspannung eines ferroelektrischen
Flüssigkristallbildschirms hängt von der Impulslänge ab. Die Schwellenspannung
muß, wenn man Vth und T als die Schwellenspannung
beziehungsweise die Impulslänge annimmt, die Bedingung V0 > Vth(T) > (1-2/a)V0
erfüllen. Vorausgesetzt der absolute Wert der negativen
Schwellenspannung ist der gleiche, dann hat Impuls B, wenn der Wert
des in der n-ten Reihe und m-ten Spalte liegenden Bildelements
1 beträgt, eine Länge T und eine Spannung V0, und somit wird das
Bildelement dunkel. In Fig. 2 ist der Wert in der n-1ten Reihe
und der m-ten Spalte 0, und der absolute Wert der Spannung liegt
niedriger als (1-2/a)V0, jedoch dauert der Impuls der gleichen
Polarität 2T, was zu einem Abfall der Schwellenspannung Vth (2T)
auf ungefähr die Hälfte von Vth (T) führt. Damit ist es in
diesem Fall auch möglich, das Bildelement zurückzustellen. Wenn,
wie in Fig. 2 dargestellt, die Werte in den Reihen N-1 und N-2
verschieden sind, sind die Kurvenformen der Impulse A und B
verschieden und die Produkte von Spannung und Zeit sind V0 x T
(Impuls A), und
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Der zeitliche Mittelwert der durchschnittlichen Spannung beträgt
0, und somit wird das Flüssigkristall nicht durch
elektrochemische Reaktionen beschädigt. Eine ferroelektrische
Flüssigkristallmischung auf Esterbasis wird zwischen zwei Träger im
Abstand von 2,0 µm eingebracht und zur Ausrichtung gerieben. Der
so entstehende Flüssigkristallrasterbildschirm ist nach dem in
Fig. 2 verdeutlichten Verfahren unter folgenden Bedinungen
angesteuert worden: V0 = 20V, Vorspannungsverhältnis 1/a = 1/5;
Impulslänge = 200-300 sec; und Tastverhältnis = 1/400; das
Ergebnis war ein Anzeigekontrastverhältnis von 7. Wie oben
beschrieben, hat sich erwiesen, daß die erforderliche Abtastzeit
(Ansprechzeit des Flüssigkristalls x Anzahl der Abtastzeilen x
2) nur die Hälfte der nach dem Stand der Technik benötigten
beträgt. Neben dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel kann das
Verfahren, wie in Fig. 3 dargestellt, so gestaltet werden, daß die
Rückstellimpulse mit entgegengesetzter Polarität A und B zu der
der ausgewählten Phase N an das Bildelement angelegt werden,
indem sie an die Abtastelektrode bei Phase N-1 angelegt werden,
Impulse mit der gleichen Impulslänge aber mit anderem
Spannungspegel als die der ausgewählten Phase N. In Fig. 3 sind die
Kurvenformen (a) und (b) Kurvenformen der Abtast- beziehungsweise
Signalspannung, Kurvenform (c) ist die an ein Bildelement
angelegte Spannung, und Kurvenform (d) ist die Veränderung des
Transmissionsgrades.
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In der Ausführung nach Fig. 2, sind die Impulslängen der
Abtastspannungen R&sub1; und R&sub2; bei Rückstellphasen doppelt so groß wie die
Impulslänge T bei der ausgewählten Phase, doch die Impulslängen
können auch länger sein. Zu bemerken ist, daß, solange die
Impulslängen ganze Vielfache von T sind, keine
Gleichspannungskomponente an das Flüssigkristall angelegt werden kann. Die
Rückstellphase kann nicht immer unmittelbar vor die ausgewählte
Phase gelegt werden. Fig. 2 und 3 weisen lediglich binäre
Schreibweise auf, aber es ist möglich, der Signalspannung ein
Graustufensignal anzufügen, dem entsprechend die Spannung oder
die Impulslänge verändert wird. Somit sind die in Fig. 2 und 3
dargestellten Beispiele nicht auf den Umfang der vorliegenden
Erfindung beschränkt.
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Fig. 4 zeigt Ansteuerungskurvenformen, die da, wo die
Bildelemente selbst nur Binärwerte und sonst nichts verkörpern können,
die Darstellung von Zwischengraustufen erlauben. Die
Kurvenformen werden entsprechend dem in Fig. 2 veranschaulichten
Ansteuerungsverfahren mittels mehrfachen Abtastens bei verschiedenen
Rückstellphasen erreicht. In Fig. 4 zeigen die Kurvenformen (a)
und (b) die Kurvenformen von Abtastspannungen und
Signalspannungen; Kurvenform (c) ist die Kurvenform der an das Bildelement
angelegten Spannung, und Kurvenform (d) zeigt die Veränderung im
Transmissiongrad. Die gleichen Rückstellimpulse A&sub1;, A&sub2;, A&sub3;; B&sub1;,
B&sub2;, B&sub3;, wie in Fig. 2 werden am Ende im ersten Feld, zur Hälfte
der Zeit im zweiten Feld und zum ersten Viertel der Zeit im
dritten Feld angelegt, wodurch der Einschaltzustand in jedem
Feld begrenzt ist, damit er nicht bis unmittelbar vor der
Rückstellphase
andauert. Deshalb werden die Werte der Felder mit
Wertigkeiten von 1/2&sup0;, 1/2¹ beziehungsweise 1/2² zugeführt, so
daß 8 Graustufen dargestellt werden. Fig. 4 zeigt die
Kurvenformen nach ausgeführter Darstellung der Graustufe 101 in binärer
Schreibweise. Werden die gleichen Kurvenformen wie in Fig. 4 bei
dem gleichen Bildschirm wie in Fig. 2 unter den gleichen
Bedingungen, d.h. gleiche Spannung und Impulslänge sowie
Vorspannungsverhältnis wie in Fig. 2 und ein Tastverhältnis von 1/50,
angewendet, war festzustellen, daß jedes Bildelement einheitlich
8 Graustufen darstellen konnte. Wie oben beschrieben, gestattet
das Ansteuerungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung ein
Zeitmuliplexverfahren, das Zwischengraustufen auf der Basis von
Zeitmodulation darstellen kann, bei Feldern endlicher Länge, die
mehrfach abgetastet werden und das damit kürzer ist als die
Verfahren nach dem Stand der Technik, was sich in erheblich
verkürzter Gesamtabtastzeit widerspiegelt. Unter der Voraussetzung,
daß die Anzahl der der Graustufen 2K beträgt, wird das Abtasten
beim k-ten Feld beendet. Nimmt man die Anzahl der Abtastzeilen
mit N an, ist folglich, wenn F eine Rahmenzeit ist,
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F = K x N x 2T.
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Bei der Wiedergabe von Animation ist 1 Feld vorzugsweise 16 msec
lang; deshalb ist, vorausgesetzt die Anzahl der Abtastzeilen
beträgt 1000 und die Anzahl der Graustufen 64, die Schreibzeit
(Impulslänge einer ausgewählten Phase)
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was im Bereich realisierbarer Werte liegt, obwohl es der Grenze
der Ansprechzeit von ferroelektrischem Flüssigkristall
nahekommt.
Wenn die Bildelemente in der Lage sind, bei guter
Reproduzierbarkeit Zwischengraustufen darzustellen, wobei jedes
Bildelement einen Umriß mit, zum Beispiel, einer Anordnung schwarzer
und weißer Punkte, bildet und aus Molekülen mit verdrehter
Struktur oder Gruppen von Unterbildelementen besteht, und
voraussgesetzt, daß jedes Bildelement für sich m(> 3) Graustufen
hat, und wenn sich die Rückstellphase im i-ten Feld bei 1/mk-1
befindet, dann können im k-ten Feld mk Graustufen dargestellt
werden. Bei dieser Darstellung vermindern sich die Anforderungen
an ein schnelle Ansprechzeit des Flüssigkristalls, weshalb sie
leicht realisierbar ist. Die Abtastspannung in der
Rückstellphase hat nicht unbedingt die Kurvenform wie in Fig. 2 gezeigt,
sondern kann auch andere Kurvenformen, wie zum Beispiel in Fig.
3 dargestellt, haben. Die Stellung der Rückstellphase kann in
Abhängigkeit vom Kontrast des Bildschirms und von der
Speichereigenschaft entsprechend geändert werden. Weitere Kurvenformen,
die sich von denen in der Rückstellphase unterscheiden, beruhen
nicht unbedingt auf dem Amplitudenwahlschema, und das
Ansteuerungsverfahren entsprechend der Erfindung ist nicht auf die in
Fig. 4 dargestellte Kurvenform beschränkt.
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Fig. 5 ist ein Blockschaltbild eines Rasteranzeigegerätes zur
Ausführung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, bei
dem Taktimpulse, die von einer Grundtaktgeberschaltung (BCGC) 1
erzeugt und von einem Frequenzteiler (FDIV) 2 geteilt werden, an
eine Grundimpulsspannungserzeugerschaltung (BPGC) 3 angelegt
werden. Analogschalter in der
Grundimpulsspannungserzeugerschaltung 3 werden geschaltet, um eine selektive Abtastspannung Vs,
eine nicht-selektive Abtastspannung Vns, eine
Rückstellabtastspannung Vrs und Signalspannungen Vc1 und Vc2 zu erzeugen. Die
Abtastschaltung (SC) 4 und die Selektivschaltung (SELC) 5 führen
Selektivimpulse, die aufeinanderfolgend, synchron zu
Ausgangstaktimpulsen vom Teiler 2 festgelegt werden, den
Abtastzeilenansteuerungsschaltungen (SCANDLDC) 8-13 zu, die, auf die
Selektivimpulse ansprechend, von der
Grundimpulsspannungserzeugerschaltung 3 erzeugte Abtastspannungen auswählen. Andererseits
wählen die Signalzeilenansteuerungsschaltungen (SIGLDC) 14-19
entsprechend den Selektivimpulsen der Selektivschaltung (SELC)
7, die Werte vom Anzeigespeicher (DMEM) 6 erhält,
Signalspannungen aus.
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Wie oben dargelegt, hat sich entsprechend der vorliegenden
Erfindung erwiesen, daß ein ferroelektrischer
Flüssigkristallrasterbildschirm mit hohen Abtastfrequenzen bei hohen
Zeitmultiplexverhältnissen angesteuert werden kann. Darüber hinaus ist
vorgesehen, die Abtastspannungen bei anderen Phasen als der
Rückstellphase mit hochfrequenten Wellen zu überlagern, um die
Speichereigenschaft auf Grundlage der dielektrischen Anisotropie
nutzbar zu machen. Diese und andere Kurvenformen sind für die
mit der Technik Vertrauten vorstellbar, und die Erfindung ist
nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt.