CN101477785A - 影象显示系统与入射光线分布感测方法、显示器控制方法 - Google Patents

Abstract

一种影象显示系统，其中包括一入射光线分布感测装置。入射光线分布感测装置包括：一光感测元件阵列、一阴影投射元件、以及一控制器。阴影投射元件设置于光感测元件阵列上方，位于欲感测的入射光和光感测元件阵列之间。光感测元件阵列感测入射光线经阴影投射元件所形成的一投射阴影。控制器负责分析该投射阴影，借以推导出入射光的方向分布信息。

Description

影象显示系统与入射光线分布感测方法、显示器控制方法

技术领域

本发明关于入射光线分布的特征的感测。本发明技术特别可应用到具有触控输入的显示器装置，但不限定于此装置。

背景技术

触控式屏幕已广泛使用于市面上。常见的触控式屏幕使用电阻式(resistive)、或电容式(capacitive)触控感测技术，不仅复杂、昂贵、且损害屏幕前(front-of-screen)表现。

因此，市面上推出光感触控式屏幕—在象素阵列间安插光感测元件(如感光二极管photodiode...等)。手指、或触控笔触碰面板产生遮蔽时，光感测元件将接收遮蔽所造成的光线散射以及/或环境光线(ambient light)所形成的手指、触控笔阴影(或称触控阴影)，以辨别触控发生处。光感测元件可低价且高度集成在面板中，以完成触控式屏幕的基本功能。

然而，传统光感触控式屏幕对于触控的感测通常不准确。特别是使用者触碰的部分位于面板表面，而光感测元件通常集成在面板的有源板(activeplate)中。两者之间的距离使得触控点难以清楚地自触控的阴影投射中区分出来。此问题在多方向光源下更严重。

发明内容

本发明公开一种影象显示系统，其包括一入射光线分布感测装置。该入射光线感测装置包括：一光感测元件阵列、一阴影投射元件以及一控制器。阴影投射元件位于该光感测元件阵列上方，且位于欲感测的入射光和光感测元件阵列之间。根据该光感测元件阵列感测到的一投射阴影，控制器推导出入射光的方向分布信息。

本发明的上述设置使用已知形状和位置的元件所产生的一阴影投射，以推导出入射光的信息。

该控制器还推导入射光的颜色分布信息。在一实施方式中，该控制器还推导不同位置的一个或多个光源而产生的入射光的表现。

在一种实施方式中，入射光线分布感测装置所推导出的入射光方向分布信息可应用在一发光装置中，其中一光输出器被入射光的方向分布信息所控制。此技术可应用来根据环境光线的特征以产生不同的发光效果。

阴影分析技术可用来辨别未知形状或位置的元件所产生的阴影。因此，入射光的方向分布信息可应用于阴影感测装置。此阴影感测装置包括一第二光感测元件阵列，用以感测使用者所造成的一阴影投射。控制器根据上述入射光线的方向分布信息辨别上述阴影投射。

上述阴影感测装置可应用于一具有触控输入的显示装置。此显示装置还包括一显示象素阵列。

本发明所公开的技术大幅提升光感触控输入系统的精准度。此影象显示系统制造成本相当低廉，且可用来实现普通解析度的光感触控输入系统。

上述显示象素阵列可包括一象素电路阵列。上述第二光感测元件阵列可与该象素电路阵列集成在一起，故上述第二光感测元件阵列可以低价技术集成在有源板上，该有源板包括上述象素电路阵列。本发明的显示器可为液晶显示器、或有机发光二极管显示器。

上述阴影投射元件可制作在显示输出区域之外但在其附近，如此，光模拟不会干扰显示输出，使得在显示器触控输入处的光可借由模拟而表现。上述阴影投射元件可设置在显示输出区域的边缘以及/或角落。

本发明更提供入射光线分布感测方法，包括：使用一阴影投射元件在一光感测元件阵列上，以在光感测元件阵列上产生一投射阴影；以及辨别该光感测元件阵列所感测到的该投射阴影，以推导出入射光的方向分布信息。

上述入射光线分布感测方法可应用显示器控制上，例如，用于产生光输出—根据入射光的方向分布信息控制一光输出器。

此外，上述入射光线分布感测方法可应用于触控输入装置的触控输入辨别上，基于入射光线的方向分布信息辨别使用者所造成的一阴影投射。

为让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出优选实施例，并配合附图，作详细说明。

附图说明

图1为一主动式液晶显示器的剖面图，其中集成有光感测元件，其结构可用来实现本发明的显示装置；

图2为依据本发明的一主动式液晶显示器的剖面图，其中使用本发明的多类型集成式光感测元件；

图3图解本发明概念；

图4图解实施本发明的一种实施方式；

图5为本发明公开的一种影象显示系统的实施方式，其中可使用本发明所公开的光线感测系统与方法；以及

图6为本发明影象显示系统的另外一种实施方式，其中可使用本发明所公开的光线感测系统与方法。

主要元件符号说明

24、26～玻璃基板；

28～液晶物质层；     30～光感测元件；

31～经象素调制的环境光线的路径；

32～经面板结构折射的面板背光；

34～直接由光感测元件接收的面板背光；

36～遮蔽层；           38、40～液晶上、下偏振板；

42～背光光源；         50～环境光线的光源；

52～阴影投射元件；     54～光感测元件阵列；

60～光感触控式面板；   61～象素阵列区域(显像区域)；

62～光线感测系统；

64～行/列驱动电路；    66～行/列读取电路；

68～控制器；           70～光线感测系统；

72～发光控制器；       74～光输出器；

A～第一类光感测元件；以及

B1、B2～第二类光感测元件。

具体实施方式

本发明公开一种光线分布的感测、分析技术，以辨别阴影投射或光线散射。本发明采用形状、位置已知的元件所产生的阴影投射以推导出入射光的信息。上述信息可用来提供理想的光线效果，或辨别触控式装置上不明形状或位置的元件的阴影。

本发明技术可应用于具有触控输出的一显示装置。此种具有触控输出的显示装置可采用光感测技术，借由感测阴影投射或局部散射判断触控位置。虽然这是近来才发展出来的技术，但使用集成式光感测元件是已知的。例如，用于感测环境光线，再将此应用于背光控制上。

在叙述本发明内容前，首先说明用于液晶显示器中已知的光感测元件构造。液晶显示器通常包括一有源板(active plate)以及一被动板(passive plate)，其间夹有液晶物质。有源板包括一晶体管开关阵列，显示器上各象素通常对应一个晶体管。各象素对应有源板上一象素电极。象素电极所接收的信号将决定个别象素的亮度。

光感测元件可由薄膜技术(thin film technology)直接集成于有源板，无须额外制程或元件。光感测元件可为：薄膜晶体管(TFT)、薄膜二极管(thin filmdiode)、侧向二极管(lateral diodes)、光感测电阻、或其他光感测元件。

图1为一显示器的剖面图，其中集成有光感测元件。如图所示，显示器包括两玻璃基板24与26，其间具有液晶物质层28。靠近背光光源42(或背光导向装置，backlight light guide)的下层基板26上设置有光感测元件30。环境光线可由显示器前方入射，经由上层基板24与液晶物质层28传导至光感测元件30。

光感测元件30亦可能接收到箭头31所示，经象素调制过的环境光线。此外，箭头32与34所示，穿透下层基板26而来的显示器背光亦可能被光感测元件30接收。

在测量环境光线时，必须降低甚至完全消除调制的环境光线(箭头31)与显示器背光(32与34)对测量结果的影响。

关于直射的背光光线，有多种方式可以阻挡其进入光感测元件；例如，在定义光感测元件的薄膜层下方提供不透光层。然而，背光仍有可能如箭头32所示，由基板导向、或在基板中反射，以非直射形式传送至光感测元件30。箭头34标示直线路径的背光。

另一种实施方式采用脉冲型背光(pulse backlight)(例如60Hz)，并在背光处在关闭(“off”)的期间测量环境光线。当然，脉冲型背光无法达到连续输出最大亮度。

图1尚包括一遮蔽层36，常用来遮蔽未调制光线可通过的有源板区域，以及遮蔽晶体管，因为晶体管的操作特性是受光影响的。图1尚以标号38与40标示上、下偏振片(polariser)。遮蔽层36具有开口，用以允许环境光线传送至光感测元件30。

光感测元件30可与显示器象素集成在一起，如此一来，光感测技术可应用在显示器区域。

如前述，测量环境光线时必须消除由调制后的环境光线、背光而来的光线(亦可合称干扰光线)所造成的影响。

本发明公开一种技术以达成上述目的，是在显示器上安装不同于上述光感测元件(可称为第一类光感测元件)的第二类光感测元件。比较第一、第二类光感测元件，其对环境光线具有不同的敏感度，但对干扰光线具有类似的敏感度。

图2为本发明显示器的一种实施方式的剖面图，其中第一类光感测元件(标示为A)曝露在环境光线中、第二类光感测元件(标示为B1、B2)位于遮蔽层36之下(不同于图1的遮蔽层36设置在液晶物质层28之上，图2的遮蔽层36设置在液晶物质层28之下)，因此，第二类光感测元件B1、B2对环境光线的感测量远少于第一类光感测元件A。在一种实施方式中，假设第一类光感测元件A的面积等于第二类光感测元件B1、B2的总面积，以第一类光感测元件A的感测值减去第二类光感测元件B1、B2的感测值即环境光线的感测值。第一类光感测元件A所照射到的光线包括环境光线、与背光，而第二类光感测元件B所照射到的光线则只有背光。借由采用上述两类光感测元件且对接收信号进行运算，本发明的光感测元件设计可精准地测量入射光线(例如，环境光线)。

一种实施方式令上述两类光感测元件具有匹配的物理特性。参阅图2所示的实施方式，第一、第二类光感测元件可以一共质心布局(common centroidlayout)实现。第二类光感测元件B1与B2以第一类光感测元件A为中心对称排列。第二类光感测元件B1与B2面积相等，且其总合等于第一类光感测元件A。

由于两种类光感测元件对于待测信号有不同的感测结果，但对非待测信号有类似的感测结果，故两者感测结果相减可增强待测信号对非待测信号的相对量。

本发明的一优选实施例为，使用上述光感测技术以实现触控感测输入。此外，本发明更借由建立一光模型，提高阴影辨别的精准度。

图3图解本发明概念，有关于测定在一装置上的入射光线的特征，特别是方向分布信息。

环境光线(或入射光线)在图中以光源50表示，阴影投射元件52位于光源50与有源板之间。有源板上设有光感测元件阵列54。光感测元件阵列54是用来感测环境光线的特征，其位于阴影投射元件52的后方，并间隔一已知的距离。

图3显示在光照环境下，用以产生并测量一参考阴影(或投射阴影)的一简易系统。参考阴影有助于辨别未知遮蔽物在屏幕上所形成的阴影(如使用者手指或触控笔所造成的阴影)，以加强阴影辨别的可靠度/稳健度，实现触控输入介面。特别是，阴影的对应光源的方向(direction)或方向分布(directional distribution)信息可提升阴影辨别的精准度。举例说明，若已知的阴影投射元件所产生的参考阴影显示光线主要以一特定角度入射，则此信息可用于辨别一物体所产生的投射阴影，特别是精准估计该物体的位置。于是，阴影以及光线信息将经处理以准确估算阴影所对应物体的位置。

图4图解本发明显示器另一种实施方式的剖面图，包括光感测元件阵列54与阴影投射元件52，并沿用图2的元件标号。

此实施方式以遮蔽层36内的遮蔽物实现阴影投射元件52。光感测元件阵列54形成在有源板26上，使用与象素电路、对应象素的光感测元件相同的技术和膜层，以高度集成在面板内。

遮蔽层36与象素电路和光感测元件的距离可能不够大，不足以提供理想的感测解析度。因此，阴影投射元件52可设置在离光感测元件更远处，例如，置于玻璃基板24上方，甚至置于玻璃基板24上方且加厚玻璃基板24。在此类实施方式中，阴影投射元件与光感测元件阵列间可包括一玻璃基板，显示器制作于其上。

光感测元件阵列54可采用与象素内光感测元件同类型的元件与制程，例如，感光二极管(photodiode)、或感光晶体管(phototransistor)。

市面上已公开多种集成光感测元件至显示器象素内的方法。本发明不限定光感测元件的形式。任何光感元件均可用来实现本发明的光感测元件。

本发明亦不限定显示器的制程。任何适当的制程均可用来实现本发明的显示器。

建立光分布模型的最简易方法可仅判断阴影区域的中心、或光感测元件阵列54最暗感测结果、或暗部区域的中心；其中，可以临界亮度定义阴影区域的边界以得到上述暗部区域。将阴影区域中心与阴影投射元件(52)中心作比较，接着估算平均有效光线的方向。上述光线方向可用来反向处理使用者所产生的阴影投射，以估算出触控输入表面的位置。

光感测元件阵列54可用于推导更精确的信息，例如，模拟多光源的光线分布信息。光模型的准确度取决于光感测元件阵列54的数量。举例说明，光感测元件阵列54的大小可为10 x 10至100 x 100。愈大的光感测元件阵列54适用于愈复杂的运算。

图3的实施方式使用矩形阴影投射元件52。然而，阴影投射元件52可为其他形状，例如：方形、圆形...等任何形状。

若欲减少使用的感测器象素的数量，则对于相当简单的光分布，可以某些特定形状的阴影投射元件52的反失真(anti-aliasing)特性以提升角度解析度。例如，此类型阴影投射元件52可具有平整的边缘，其边缘长度可为一感测器-象素宽度。圆形阴影投射元件亦可提供上述反失真特性。

阴影投射元件52不限定为透光物质环绕的不透光物，可反过来为具透光孔的不透光物。例如，具有圆形开口的不透光物。

阴影投射元件的开口与光感测元件阵列的距离愈大，阴影投射元件所产生影象的角度/空间解析度愈大。若光线分布感测的解析度所要求的标准不高，则光感测元件阵列与阴影投射元件的距离可以阴影投射元件孔径为单位。

无开口阴影投射元件的尺寸可为阴影投射元件52至光感测元件阵列54距离的3～5倍。有开口阴影投射元件的尺寸可等于或小于阴影投射元件52与光感测元件阵列54的间距。

阴影投射元件的阴影分析并不限定于单纯分析整体光线方向。事实上，除了光线的一般方向，阴影分析更可提供环境光线多种不同特性。举例说明，具有开口的阴影投射元件其阴影投射可能有下列特征：

光线在光感测元件阵列上产生一个圆形光影、或多个重叠圆形光影；

远距离点光源，如阳光，所造成的光影与阴影投射元件开口基本上同尺寸；

在近距离点光源的状况下，光线散射将令光影尺寸略大于阴影投射元件的开口(效果可能不明显，可能不足以用来分析)；以及

漫射光源(如阴天、日光灯)所造成的光影边缘模糊；长条状光源的状况下，光影会有拉长的现象。

借由比对上述重叠光圈与光感测元件阵列的测量资料，光感测元件阵列与分析技术可被用来分析(数学运算或演算法推导)光影。可观察到不同光圈之中心点偏移、直径改变、与边缘锐化效应。

当分析使用者手指或触控笔所造成的阴影时，通常会有一块小区域有最深的阴影、具有明显的边界，此块区域位于手指/触控笔端点的正下方。

也可能会产生延伸阴影，例如是由触控笔杆所投射。在方向性强的环境光线(如阳光)下，触控笔杆所造成的阴影投射可能几乎和触控笔端点(触控笔/手指触控玻璃之处)所造成的阴影投射一样深。

被感测到发光效应的形式，可借由许多不同方式来辅助触控输入的定位。

例如，在扩散光下对于使用者想要接触的点的定位(如追踪鼠标箭头)，可使用软件算法借由至少具有部分明显的边缘，而寻找到高浓度阴影的小区域。这是因为在扩散光下，只会在接触点的正下方有一暗阴影。

在环境光线极亮且方向性强的状况下，在触控点位置上的阴影浓度可能并不会显著地大于由触控笔杆所产生延伸尾部的阴影浓度。在这样的状况下，阴影感测器所判断出来的光线方向可用来辨别使用者输入。例如，假设阴影感测器指出光线主要来自使用者左方，即表示显示器上一延伸阴影投射的最左端点对应使用者所欲接触的点。

若环境光线来自两个不同方向、强度类似的光源，则会形成两个阴影(主要为半暗阴影)；但是输入表面上端点所对应的点(两个阴影重叠之处)，可能为一全暗阴影。触控端的特别暗特征有助于触控点分析，但是，阴影分析也会指出触控输入分析演算预期会有自点而延伸的两个阴影尾部。

关于多光源的环境光线，上述阴影投射分析可分析4、或5个不同光源。

阴影影象分析可包括以高解析光感测象素的阴影角度全影象撷取；例如，以二元临界值应用于象素信号。然而，由象素感测器中亦可使用类比光准位，借测量阴影的模糊度判断光源的角度尺寸。

上述实施方式采用阴影感测器模拟单一、或多光源的光线分布与方向。然而，光感测元件阵列可包括不同颜色感测度的感测元件，借此可分析入射光线的颜色与颜色分布。

上述颜色感测元件可为一贝尔型滤色器阵列(Bayer color filter mosaic，常见于CCD摄影机)、或相邻独立色感测阵列，具有本身的阴影形成元件，使用一单独整体滤色器而有个别颜色感测器。

本发明还公开环境光线分布/定向性特征在发光的其他应用。例如，环境光线感测/模拟/重建，可应用于可携式消费型电子装置中，统称为情境智能(ambient intelligence，用以估算使用者目前所处位置与环境)。上述颜色感测可用于此应用，以从黄白阳光的近点光源感测分辨出蓝天的散射半球。

因此，本发明有许多应用，有关于任何目的光分布的感测/模拟，不限定在触控输入显示装置使用。例如，环境光线分布分析可用来控制显示器输出，如根据环境光线而产生光线效果。例如，情境光线的设定，或根据户外环境光线分析以调整室内光线。

图5为本发明公开的一种影象显示系统的实施方式，其中应用本发明公开的光线感测系统与方法。显示器60具一触控感测输入，是以阴影为依据。显示器60具有一象素阵列区域(显像区域)61。光线感测系统62设置在象素阵列区域61外，并且包括一第一光感测元件阵列。象素阵列区域61内包括一第二光感测元件阵列，例如，一光感测元件可集成在各显示象素电路内。

显示器象素由行/列驱动电路64控制。行/列读取电路66负责读取光感测元件。行/列驱动电路64与行/列读取电路66均由控制器68控制。控制器68实现上述光线感测与模拟方法，并且根据第二光感测元件阵列的阴影感测判断触控输入所在。

图6为本发明影象显示系统的另外一种实施方式，其中根据本发明公开的光线感测系统与方法实现一光输出器。光线感测系统70提供信号至发光控制器72。发光控制器72实现上述光线感测与模拟方法，还根据环境光线特征控制光输出器74。

多种技术都可用来提升入射环境光准位估算的准确度。例如，说明书所公开的技术，借由处理多个信号补偿非环境光线的入射光线的影响；该些入射光线包括背光、与在结构内反射而得来的光线...等。此类技术不仅可用于模拟环境光线特征，更可用于处理使用者触控输入。

除了上述说明书所公开的演算法，亦可采用其他不同演算法来分析已知阴影投射元件所产生的阴影、未知使用者输入的阴影。

上述各实施例并非用来限定本发明的范围。任何所属技术领域中具有通常知识者对本发明内容所作的更动或润饰，均属本说明书所欲保护的范围。本发明的范围当以权利要求书所界定者为准。

Claims (15)

1.一种影象显示系统，其包括一入射光线分布感测装置，该入射光线感测装置包括：

一光感测元件阵列；

一阴影投射元件，位于该光感测元件阵列上方，且该阴影投射元件位于欲感测的入射光和光感测元件阵列之间；以及

一控制器，根据该光感测元件阵列感测到的一投射阴影以推导出入射光的方向分布信息。

2.根据权利要求1所述的影象显示系统，其中该阴影投射元件为具有特定形状透光孔的一不透光物、或由透光物质包围且具特定形状的一不透光物。

3.根据权利要求1所述的影象显示系统，其中该控制器还推导入射光的颜色分布信息。

4.根据权利要求1所述的影象显示系统，其中该控制器还推导不同位置的一个或多个光源而产生的入射光的表现。

5.根据权利要求1所述的影象显示系统，其包括一发光装置，该发光装置包括：

上述入射光线分布感测装置；以及

一光输出器，其被入射光的方向分布信息所控制。

6.根据权利要求1所述的影象显示系统，其包括一阴影感测装置，该阴影感测装置包括：

上述入射光线分布感测装置，其中该光感测元件阵列包括一第一光感测元件阵列；以及

一第二光感测元件阵列，用以感测使用者所造成的一阴影投射；

其中，上述阴影投射是根据上述入射光线的方向分布信息而被辨别。

7.根据权利要求6所述的影象显示系统，其包括一具有触控输入的显示器装置，该具有触控输入的显示器装置包括：

上述阴影感测装置，以及

一显示象素阵列。

8.根据权利要求7所述的影象显示系统，其中该显示象素阵列包括一象素电路阵列，上述第二光感测元件阵列与该象素电路阵列集成在一起。

9.根据权利要求8所述的影象显示系统，其中上述具有触控输入的显示器装置为液晶显示器、或有机发光二极管显示器。

10.根据权利要求8或9所述的影象显示系统，其中该第一光感测元件阵列与该阴影投射元件设置于一显示输出区域之外。

11.根据权利要求8或9所述的影象显示系统，其中该第一光感测元件阵列与该阴影投射元件设置于一显示输出区域的边缘、以及/或角落。

12.一种入射光线分布感测方法，包括：

使用一阴影投射元件在一光感测元件阵列上，以在该光感测元件阵列上产生一投射阴影；

辨别该光感测元件阵列所感测到的该投射阴影，以推导出入射光的方向分布信息。

13.一种显示器控制方法，包括：

根据权利要求12所述的方法感测一入射光线分布；

根据入射光的方向分布信息控制一光输出器。

14.一种显示器控制方法，其包括对于一触控输入装置的一触控输入进行辨别的一辨别方法，

该辨别方法包括：

根据权利要求12所述的方法感测入射光线分布；

感测使用者所造成的一阴影投射；以及

基于入射光线的方向分布信息辨别该阴影投射。

15.根据权利要求14所述的方法，其中该触控输入发生在一具有触控输入的显示器的表面。

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