CN100394463C - 配备图像获取功能的显示装置 - Google Patents

Abstract

为了允许在强外部光和弱外部光的情况下利用光进行信息输入，在象素区中排列了具有不同光灵敏度的两种或多种光检测元件。例如，交替排列了其中排列有含低灵敏度光检测元件的象素21的行以及其中排列有含高灵敏度光检测元件的象素22的行。该结构可以在弱外部光的情况下用高灵敏度光检测元件进行光信息输入，并在强外部光的情况下用低灵敏度光检测元件进行光信息输入。

Description

配备图像获取功能的显示装置

相关申请的对照

本申请基于2004年5月31日提交的日本专利申请No.2004-162165和2005年2月8日提交的No.2005-32026并要求其优先权；其整体内容结合在此作为参考。

发明背景

发明领域

本发明涉及配备图像获取功能的显示装置，它包括每个象素的光检测元件且其中借助光可从屏幕输入信息。

相关技术的描述

已知一种显示装置，它包括用于每个象素的光检测元件并具备通过利用每个光检测元件检测从屏幕输入的光来获取图像的功能，例如日本未审查的专利出版物No.2004-93894所描述的技术。

在这种显示装置中，当手指靠近屏幕时，手指所反射的光由光检测元件接收，并使基于接收光量的电流流过。通过检测这些电流，就可获得获取图像，其中可以识别手指所处于的屏幕上的区域。

但是，在已知的显示装置中，所有光检测元件都具有单一的灵敏度。因此，存在一问题，即在弱外部光和强外部光的任一种情况中都不能读取图像。

例如，在使用高灵敏度传感器的情况中，在弱外部光中，屏幕上的显示图案由手指反射，输入到光检测器。因此，可以获得显示图案作为获取图像。另一方面，在强外部光中，外部光(玻璃基板、偏振板等等的界面处光的多次反射)进入手指和屏幕之间的空间。因此，因为传感器具有高灵敏度，所以整个获取图像呈现为白色。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备图像获取功能的显示装置，其中在强外部光和弱外部光的情况下都可以借助光实现信息输入。

根据本发明的一种具备图像获取功能的显示装置包括：象素区，它包括多个象素；以及光检测元件，它提供用于每个象素。这里，具有不同光灵敏度的两种或多种光检测元件排列于象素区中。

本发明中，光灵敏度不同的两种或多种光检测元件规则地排列于象素区中。从而，在弱外部光的情况下利用高灵敏度光检测元件输入光信息，而在强外部光的情况中利用低灵敏度的光检测元件输入光信息。

当光检测元件规则排列于象素区中时，光检测元件优选排列成使得相邻行或列之间的其灵敏度不同。此外，光检测元件可排列成使得灵敏度在棋盘图案中变化。

这里，较佳地，具有不同灵敏度的多个光检测元件排列于象素区中，以构成纵横图。在这种情况中，较佳地，从多个光检测元件读取的值的平均被认为是纵横图中包含的感兴趣象素的读取强度值。

此外，较佳地，将灵敏度不同的多个光检测元件排列于象素区中，用交替线构成纵横图。交替线优选是交替水平线、交替垂直线以及交替水平线和交替垂直线中的任一种。

附图说明

图1是说明第一实施例的具备图像获取功能的显示装置的平面图，它处于其中排列多种光检测元件的状态。

图2是具备图像获取功能的显示装置的示意性剖视图，其示出了接收光的光检测元件。

图3是示出屏幕上的显示图案实例的示图。

图4A是弱外部光中高灵敏度的光检测元件所获取的图像，且图4B是弱外部光中低灵敏度光检测元件所获取的图像。

图5A是强外部光中高灵敏度的光检测元件所获取的图像，且图5B是强外部光中低灵敏度光检测元件所获取的图像。

图6是示出第二实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图7是示出第三实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图8是示出第四实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图9是示出第五实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图10是示出第六实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图11是示出相邻行之间不同象素的驱动极性状态的极性分布图。

图12是示出第七实施例的显示装置中排列了多种光检测元件的状态的平面图。

图13是示出四乘四象素的组的示图。

图14是示出八乘八象素范围的平面图，其中重复排列图13的象素组图案。

图15是示出八乘八象素的另一个范围的平面图，其中重复排列图13的象素组图案。

图16是示出16乘16象素的范围的平面图，其中重复排列图13的象素组图案。

具体实施方式

图1是示出第一实施例的具备图像获取功能的显示装置的平面图，其处于排列了多种类型的光检测元件的状态。该图的显示装置具有象素区23，它具备多个象素21和22，以及为各象素提供的光检测元件(未示出)；且其结构为在象素区23中规则地排列两种或更多类型的具有不同光灵敏度的光检测元件。

例如，每个光检测元件都是栅控二极管，含p区、i区和n区。例如，每个低灵敏度的光检测元件的结构是p+、p-、n-和n+区按该顺序排列；每个高灵敏度的光检测元件的结构例如是p+、p-和n+区按该顺序排列。在这种情况中，在低灵敏度的光检测元件中，p-和n-区对应于i区；同时，在高灵敏度的光检测元件中，p-区对应于i区。这里，p+区是含高浓度p-型杂质的区域，且p-区是含低浓度p-型杂质的区域。类似地，n+区是含高浓度n-型杂质的区域，且n-区是含低浓度n-型杂质的区域。

图1示出了一种状态，其中光检测元件排列于象素区域23中，以使相邻行之间的灵敏度不同。这里，作为实例，交替地排列其中排列了具备低灵敏度的光检测元件的象素21的行，以及其中排列了具备高灵敏度的光检测元件的象素22的行。

如图2的剖视图所示，该具备图像获取功能的显示装置包括玻璃制成的阵列基板1、面对阵列基板1的反向基板2以及其间的液晶层3。在阵列基板1上，布设多个扫描线和多个信号线，以彼此相交。在每个相交处，设置象素。每个象素都包括用于向液晶层施加电压的象素电极，根据提供给扫描线的扫描信号所指示的指令开关以便以合适的定时将提供给扫描线的图象信号应用于象素电极的开关元件，以及接收来自外部的光并将其转换成电流的光检测元件4。起偏振板5位于阵列基板1的外表面上，且起偏振板6位于反向基板2的外表面上。背光7位于起偏振板6的外表面上。

背光7输出的光11通过起偏振板6、反向基板2、液晶层3、阵列基板1和起偏振板5输出到显示装置外。当手指10靠近起偏振板5的外表面时，光11由手指10反射。光检测元件4接收由手指10反射的光11。每个光检测元件4允许基于所接收到的光量的电流流过。具备图像获取功能的显示装置检测该电流，以获得所获取的图像，其中可以识别手指处于的屏幕区域。

接着，将描述具备图像获取功能的显示装置的操作。如图3所示，作为实例，假定在屏幕上显示棋盘显示图案。

图4A和4B示出了当手指10在较弱的外部光中靠近屏幕时所获取的图像。在这种情况中，因为外部光的影响较小，手指10就能反射棋盘显示图案。当仅提取由较高灵敏度的光检测器所获取的图像时，就会获得手指靠近区域中的棋盘显示图案，作为图4A所示的获取图像，因为较高灵敏度的光检测元件能检测反射光。同时，当仅提取由低灵敏度的光检测器所获取的图像时，整个获取图像就会呈现出图4B所示的黑色，因为较低灵敏度的光检测元件不能检测光。在实际情况中，由于获得通过重叠图4A和4B的获取图像所创建的图像，所以即使在较弱的外部光中也可输入光学信息。

另一方面，图5A和5B示出了当在较强的外部光中手指10靠近屏幕时所获取的图像。在这种情况中，外部光的影响较大。因此，采用较高灵敏度的光检测元件时，整个获取图像呈现图5A所示的白色，因为较高灵敏度的光检测元件基于检测出的接收光量允许太大的电流通过。同时，采用较低灵敏度的光检测元件，当外部光直接入射在该元件上时，获得白色获取图像，因为尽管有关光检测元件不是很灵敏，但有关光检测元件基于接收光量仍允许太大的电流经过；采用较低灵敏度的光检测元件，其上外部光由于手指10的阻断不直接入射时，由于其较低的灵敏度，不会获得含棋盘图案的获取图像，但至少在手指所在的区域中获得黑色的获取图像。在实际情况中，获得通过重叠图5A和5B的获取图像形成的图像。在强外部光的情况中，通过进行合适的图像处理，就可以获得能识别手指10的所在区域的获取图像。在通过重叠图5A和5B的获取图像形成的图像中可检测含近似棋盘图案的部分。或者，在将通过重叠图5A和5B的获取图像所形成的图像分成图5A和5B的获取图像之后，可检测含近似棋盘图案的部分。

于是，在该实施例中，在象素区中规则地排列了具有不同光灵敏度的两种或多种光检测元件。因此，在外部光较弱的情况中，可利用较高灵敏度的光检测元件获得通过输入光信息所形成的获取图像。同时，在外部光较强的情况中，可利用较低灵敏度的光检测元件获得通过输入光信息所形成的获取图像。结果，在较强和较弱外部光的两种情况中，都可实现光信息输入。

在该实施例中，光检测元件排列于象素区中，以使相邻行之间的灵敏度不同。但是，本发明不限于此。以下将描述各种修改。

如图6的平面图所示，第二实施例的具备图像获取功能的显示装置具有一结构，其中光检测元件排列于象素区中，以使相邻列之间的灵敏度不同。作为实例，该图示出一状态，其中交替地排列其中排列了具备低灵敏度的光检测元件的象素21的列，以及其中排列了具备高灵敏度的光检测元件的象素22的列。同样，在光检测元件这样排列的情况中，可以获得与第一实施例相类似的效果。

如图7的平面图所示，第三实施例的具备图像获取功能的显示装置具有一结构，其中光检测元件排列于象素区中，以使灵敏度在棋盘图案中变化。作为实例，该图示出一状态，其中具备较低灵敏度的光检测元件的象素21和具备较高灵敏度的光检测元件的象素22排列于棋盘图案中。此外，在光检测元件这样排列的情况下，可以获得与第一实施例相类似的效果。

如图8的平面图所示，第四实施例的具备图像获取功能的显示装置具有一结构，其中规则地排列灵敏度不同的三种光检测元件。作为实例，该图示出了一状态，其中交替地排列其中排列了具备低灵敏度的光检测元件的象素31的列，其中排列了具备中等灵敏度的光检测元件的象素32的列，以及其中排列了具备高灵敏度的光检测元件的象素33的列。同样，在光检测元件这样排列的情况中，可以获得与第一实施例相类似的效果。

附带地，可排列具有三种或更多种不同灵敏度的光检测元件，以使灵敏度在相邻行或列之间不同，或者可按棋盘图案排列。

此外，如果光检测元件是栅控二极管，则可以通过改变栅电极上的电压调节光检测元件的灵敏度。此外，还可以通过改变光检测元件的宽度和长度中的至少一个，来调节光检测元件的灵敏度。

如图9的平面图所示，第五实施例的具备图像获取功能的显示装置具有一结构，其中灵敏度不同的多个光检测元件排列于象素区中，构成纵横图。这里的短语“构成纵横图”表示重复排列特定数量乘特定数量的象素区，其中不规则地排列具有不同外观(尺寸等)或灵敏度的光检测元件。作为实例，该图示出了一种状态，其中规则排列了九种光检测元件的三乘三的象素区被重复排列。图中的每个数字都表示光检测元件的灵敏度。在恒定光照下，流经传感器的光电流值与该数字成比例地增加。

在上述排列的情况下，传感器读取的信号如下地在外部信号处理单元(未示出)中处理。首先，从九个象素(包括感兴趣的象素和周围的一些)读取的值(0或1)的平均值被认为是该三乘三象素区中心处的感兴趣的象素的强度值。这是在所有象素上进行的。因此，获得新的多级图像。在因此获得的多级图像中，手指等所指示的部分不可能饱和且在各种环境光中整个变成白色或黑色。这提升了能可靠地进行读取的概率。通过在该图像上进行预定的图像处理，可以进行精确操作。例如，基于该多级图像，可以进行坐标检测操作等。

如图10的平面图所示，第六实施例的具备图像获取功能的显示装置具有一结构，其中排列了灵敏度不同的九种光检测元件，以使具有交替水平线的每组三乘三象素构成一纵横图。该图中的每个数字都表示光检测元件的灵敏度。在恒定光照下，流经光检测元件的光电流值与该数字成比例地增加。任意的三乘三象素构成纵横图。在这种排列的情况下，当驱动交替水平线时，可以获得与第五实施例相类似的效果。同时，在采用其中具有交替垂直线的每组三乘三象素构成纵横图的排列的情况中，当驱动交替垂直线时，可以获得类似效果。

接着，将描述光检测元件的排列，其中考虑了象素的驱动极性。这里，假定交替排列具有正驱动极性的象素的水平线和具有负驱动极性的象素的水平线。

图11的极性分布图示出了正极性和负极性的水平线交替排列的状态。图中，正极性由“+”表示，负极性由“-”表示。采用这种驱动极性，在灵敏度不同的九种光检测元件排列于三乘三象素区中的情况下，如第五实施例，在该象素区中具有正极性的象素数量和具有负极性的象素数量不同。因此，对于作为三乘三象素区中心处的感兴趣象素的多级值的其强度值平均，就不能获得合适值。

从而，在第七实施例的具备图像获取功能的显示装置中，排列灵敏度不同的多个光检测元件，以便用交替的水平线和交替的垂直线构成纵横图。这里，作为实例，如图12的平面图所示，排列了九种光检测元件，以使具有交替水平线和交替垂直线的每组三乘三象素构成纵横图。图中，对角线表示正极性，没有对角线表示负极性。

对于图中的象素区41，图中由圆圈包围数字的象素对应于具有交替水平线和交替垂直线的三乘三象素。这些象素的极性都是正的。附带地，图中的每个数字都表示光检测元件的灵敏度。与上述实施例相同，恒定光照下中流经光检测元件的光电流值与该数字成比例地增加。

在找出象素区41中心处的感兴趣象素的多级值时，圆圈包围数字的九个象素的强度值采用平均值。由于这些象素的所有强度值都是正极性的，所以可以获得校正的多级值。

对于图中的象素区42，具有交替水平线和交替垂直线的所有三乘三象素的极性都是负的，这些象素具有圆圈包围的数字。因此，在找出中心处的感兴趣象素的多级值时，通过将这些象素的强度值采用平均值，就可获得校正的多级值。虽然在该实施例中已描述了三乘三象素的情况，但也可采用四乘四象素或八乘八象素。考虑到传感器IC的内部构造(用于用预定范围内的象素值计算一个强度值的部分)，在由四乘四象素构成纵横图且预定范围对应于16乘16象素的情况中，可有效地配置IC的存储器。在许多情况中，这是因为IC的存储器被排列和配置成用8个比特构成一个字符。图13是四乘四纵横图的实例。图14是四乘四纵横图按隔开交替行和交替列的方式使用的实例。基于处理精度确定传感器的宽度长度的最小值(例如，4um)，且基于孔径比的限制确定传感器的宽度长度的最大值(例如，36um)。最小值和最大值之差被划分成相等长度。图15示出了修改实例。传感器的宽度长度的最小值及其最大值之差被划分成九个相等长度。与大于最大值的宽度长度相对应的部分被假定为具有最大宽度长度，且改变针传感器的i层的长度。这就可能增加具有较长的宽度长度并可响应低强度光的传感器的数量。此外，由于改变i层的长度，所以任何传感器都可具有接近最佳i层长度的值，并且即使由于稍许的处理波动引起最佳i层长度变化，也可适当地操作。因此，可以使处理余地变宽。图16示出了填充了图15的空白表格(blank)的实例。颠倒纵横图等等，以便较佳地避免周期性的显示不均衡和获取不均衡。

因此，本实施例使得能够排除驱动极性的影响并在具有正极性和负极性的象素中获得校正的多级值。

根据上述实施例，由于排列了灵敏度不同的多个光检测元件，所以高灵敏度传感器在暗环境中响应，而低灵敏度传感器在亮环境中响应。结果，就可以获得宽动态范围的多级值。此外，由于具有适于环境光的灵敏度的光检测元件进行响应，所以可以缩短图像获取时间。结果，可以增加每单位时间的获取图像帧数。

移动电话的液晶显示装置(LCD)常结合作为保护板的透明丙烯酸板使用。在这种情况中，手指不会直接触摸液晶盒而是触摸保护板的表面。因此，即使光传感器位于手指下，由于保护板和液晶盒之间、液晶盒的玻璃液晶界面及其玻璃偏振板界面之间，背光表面和玻璃偏振板界面之间等等的光(杂散光)的多次反射，液晶盒中结合的光传感器还会检测和响应光。结果，在简单的二进制读取的情况中，其中“读取结果中白色部分表示外部光”且其中“黑色部分表示手指”，会出现白饱和且在较强的外部光中由于白饱和而不能识别手指。很难获得高S/N比，因为手指本身不具有光源。出现一问题，即在二进制读取中不能将手指阴影与背景(出现白饱和)区分，其中特定照明被设定为阈值且其中通过将阈值以上的值认为是白色并将阈值以下的值认为是黑色执行读取处理(由于玻璃基板的厚度，即使不存在保护板，该问题在所有上述实施例中都多少程度地相同)。

因此，需要一种构造，用于读取手指强度和环境强度之间的差。可以想象对行数据(二进制)读取进行区域覆盖调制。此外，通过增加传感器的级数，可采用防白饱和手段。这里，区域覆盖调制表示计算感兴趣象素附近的多个传感器的二进制输出的平均值，并将该平均值视为新的强度值。可以基于指示物(诸如手指)的大小、传感器间距等来优化所述附近的大小。术语“增加传感器的级数”表示以下内容：除了暗处有效的相对灵敏的传感器，故意混合含多级的不灵敏传感器，并使所述传感器在更宽的照明范围内起作用，从而避免了白饱和。出于这种观点，前述实施例的有效的。此外，具有多级传感器的象素具有稍许不同的形状。如果规则地排列这些象素，则在进行正常显示时倾向于观察到周期性的显示不均衡。此外，存在获取图像中出现周期性的不均衡的情况。因此，优选不规则地排列具有多个传感器的多个象素。前述纵横图排列是其实例。在前述实例中，通过将传感器的级设定为1∶2∶...∶9以进行了描述。但是，不需要正好等差。此外，可采用等比。这里，级数是九，但不限于此。响应于外部光照明的传感器数量增加是必不可少的。如果某些部分中响应于外部光照明的传感器数量不增加，则这是个问题。因为，在有关区域中不能读取外部光强度和手指强度之差。

也可以通过首先使用多级A/D转换器来读取玻璃基板上的传感器的输出作为多级信号而进行相同的事。但是，本发明的结构(二进制传感器信号从玻璃基板输出并在外面经过区域覆盖调制被转换成多级数据)在成本和设计方便性方面更有优势(非严格噪声设计)。

除了改变传感器的大小以外，还可不同地设计改变传感器灵敏度的方法。例如，可以改变每条线的曝光时间并照相。优选将改变传感器的大小与改变曝光时间相组合。

Claims (9)

1.一种具备图像获取功能的显示装置，其特征在于，包括：

象素区，它包括多个象素；以及

光检测元件，它提供用于每个象素；

其中具有不同光灵敏度的两种或多种光检测元件排列于象素区中。

2.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，光检测元件排列于象素区中，以使其灵敏度在相邻行之间不同。

3.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，光检测元件排列于象素区中，以使其灵敏度在相邻列之间不同。

4.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，光检测元件排列于象素区中，以使其灵敏度在棋盘图案中变化。

5.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，灵敏度不同的多个光检测元件排列于象素区中，以构成纵横图。

6.如权利要求5所述的显示装置，其特征在于，从多个光检测元件读取的值被用于纵横图中包含的感兴趣象素的读取强度值。

7.如权利要求1所述的显示装置，其特征在于，通过排除具有不同显示极性的一个象素，灵敏度不同的多个光检测元件排列于象素区中，以构成具有交替线的纵横图。

8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于，交替线是交替水平线、交替垂直线以及交替水平线和交替垂直线中的任一种。

9.一种具备图像获取功能的显示装置，其特征在于，具有多种类型传感器的多个象素被不规则地排列以构成象素组，这多种类型的传感器响应不同的照明，且所述象素组被重复地排列于显示区中。

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