CN106066742A - 传感器和显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器，其中，所述传感器包括沿所述传感器的厚度方向依次设置的光栅和传感器阵列，所述传感器阵列包括多个光敏传感器单元，光线能够穿过所述光栅的透光间隙到达所述光敏传感器单元。本发明还提供一种显示装置，所述传感器可以检测物体的三维坐标，以使得所述显示装置能够实现立体触控。

Description

传感器和显示装置
技术领域
本发明涉及显示设备领域，具体地，涉及一种传感器和一种包
括该传感器的显示装置。
背景技术
为了便于人机交互，已经出现了触控显示装置。当操作者的手指触摸所述触控显示装置的显示面时，可以确定触摸点的坐标。但是，目前而言，只能确定触摸点在二维平面内的坐标，不能确定触摸点在三维空间内的坐标，从而不能够实现立体触控等其他功能。
因此，如何确定触摸点在三维空间内的坐标成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种传感器和一种包括该传感器的显示装置。所述传感器能够确定触摸点在三维空间内的坐标。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供一种传感器，其中，所述传感器包括沿所述传感器的厚度方向依次设置的光栅和传感器阵列，所述传感器阵列包括多个光敏传感器单元，光线能够穿过所述光栅的透光间隙到达所述光敏传感器单元。
优选地，所述传感器包括透明基板，所述光栅设置在所述透明基板的一侧，所述传感器阵列设置在所述透明基板的另一侧。
优选地，所述传感器包括距离计算模块、图谱生成模块，所述图谱生成模块用于生成所述传感器阵列中各个光敏传感器单元的感光量曲线，所述距离计算模块用于根据所述光栅的透光间隙的宽度和所述感光量曲线的相邻两个波峰之间的距离计算待测物体与所述传感器之间的距离。
优选地，所述光栅包括对盒设置的第一基板、第二基板、填充在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶材料层、第一透明电极层、第二透明电极层和控制器，所述第一透明电极层设置在所述第一基板上，所述第二透明电极层设置在所述第二基板上，所述第一透明电极层包括多个第一透明电极，所述控制器用于分别向所述第一透明电极层中的部分第一透明电极以及所述第二透明电极层提供不同的控制信号，当所述第一透明电极和所述第二透明电极层分别接收不同的控制信号时，所述第一透明电极与所述第二透明电极层之间能够形成使得二者之间液晶分子偏转的电场，以在所述液晶材料层中形成多个间隔的不透光区。
优选地，多个所述第一透明电极在所述第一基板上排列为多行多列，
当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离小于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态增大，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止；
当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离大于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态减小，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止。
优选地，所述光敏传感器单元用于感应红外线。
优选地，所述传感器还包括红外光源，所述红外光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。
优选地，所述光敏传感器单元用于感应可见光，所述传感器还包括可见光源，所述可见光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。
优选地，所述传感器阵列包括多条触控驱动线和多条触控感应线，所述触控驱动线和所述触控感应线互相交叉，并划分出多个感应单元，每个所述感应单元内设置有一个所述光敏传感器单元，所述光敏传感器单元的输入端与所述触控驱动线相连，所述光敏传感器单元的输出端与所述触控感应线相连。
优选地，所述光敏传感器单元包括光敏晶体管、输出晶体管和电容，所述光敏晶体管的第一极和栅极与本行光敏传感器单元对应的驱动线相连，所述光敏晶体管的第二极与所述电容的第一端相连，所述电容的第二端与所述输出晶体管的第一极相连，所述输出晶体管的栅极与上一行光敏传感器单元对应的驱动线相连，所述输出晶体管的第二极与本列光敏传感器单元对应的感应线相连。
优选地，所述光敏晶体管的有源层由非晶硅材料制成，所述输出晶体管的有源层由氧化物制成。
作为本发明的另一个方面，提供一种显示装置，所述显示装置包括显示面板和传感器，其中，所述传感器为本发明所提供的上述传感器，所述光栅背离所述传感器阵列的一面与所述显示面板的出光面朝向一致。
优选地，当所述传感器阵列包括多条触控驱动线和多条触控感应线时，所述触控驱动线还用作所述显示面板的栅线。
当传感器的入光侧存在物体时，传感器入光侧的光环境发生改变，物体会朝向光栅反射光线。因此，传感器可以检测传感器的入光侧是否存在物体。
由于设置了具有透光间隙的光栅，因此，当来自物体的光线朝向所述传感器的设置有光栅的表面照射时，光栅的遮挡物会对光线进行引导，从而使得光线到达特定位置处的光敏传感器单元。根据物体与传感器的入光面的远近的不同，接收到来自物体的光线的光敏传感器单元的位置也不同。因此，可以根据接收到来自物体的光线的光敏传感器单元的位置来确定物体与传感器的入光面之间的距离，即，可以确定物体在z方向的距离。
除此之外，利用接收到来自物体的光线的光敏传感器单元的位置还可以确定物体在x方向以及y方向的距离。
由此可知，利用本发明所提供的传感器可以确定物体在三维空间内的坐标。当本发明所提供的传感器应用于触控显示装置中时，可以实现立体触控。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明所提供的传感器的结构示意图；
图2是当存在待测物体时，所述传感器阵列的光敏传感器单元的感光量曲线的示意图；
图3是光栅的结构示意图；
图4是第一透明电极层的示意图；
图5是本发明所提供的显示装置的一种实施方式的电路图。
附图标记说明
110：光栅 111：第一基板
112：第二基板 113：液晶材料层
114：第一透明电极层 115：第二透明电极层
114a：第一透明电极 120：传感器阵列
121：光敏传感器单元 122：触控驱动线
123：触控感应线 200：数据线
T1：光敏晶体管 T2：输出晶体管
C：电容
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，传感器应用于三维空间中，传感器的入光表面所在的平面为xy平面，z轴垂直于xy平面。
作为本发明的一个方面，提供一种传感器，如图1所示，所述传感器包括沿该传感器的厚度方向(即，图1中的上下方向)依次设置的光栅110和传感器阵列120。传感器阵列120包括多个光敏传感器单元121，光线能够穿过光栅110的透光间隙到达光敏传感器单元121。
当传感器的入光侧不存在物体时，各个光敏传感器单元121的感光状态是预定的。例如，当传感器的光敏传感器单元感应自然光时，对应于光栅110的透光间隙的光敏传感器单元121处于感光状态，对应于光栅110的不透光区的光敏传感器单元121处于不感光的状态。
当传感器的入光侧存在物体时，传感器入光侧的光环境发生改变，物体会朝向光栅110反射光线。因此，传感器可以检测传感器的入光侧是否存在物体。
由于设置了具有透光间隙的光栅110，因此，当来自物体的光线朝向所述传感器的设置有光栅的表面照射时，光栅110的遮挡物会对光线进行引导，从而使得光线到达特定位置处的光敏传感器单元121。根据物体与传感器的入光面的远近的不同，接收到来自物体的光线的光敏传感器单元121的位置也不同。因此，可以根据接收到来自物体的光线的光敏传感器单元121的位置来确定物体与传感器的入光面之间的距离，即，可以确定物体在z方向的距离。
除此之外，利用接收到来自物体的光线的光敏传感器单元121的位置还可以确定物体在x方向以及y方向的距离。
由此可知，利用本发明所提供的传感器可以确定物体在三维空间内的坐标。当本发明所提供的传感器应用于触控显示装置中时，可以实现立体触控。
为了便于理解，现在结合图1和图2对所述传感器的工作原理进行描述。
如图1中所示，传感器的入光侧设置有物体A和物体B，物体A距离传感器的入光面之间的距离大于物体B距离传感器的入光面之间的距离。
图2中所示的两条曲线为入光侧存在物体A和物体B时，所述传感器阵列的光敏传感器单元的感光量曲线的示意图。
为了便于描述，在本发明中，对光敏传感器单元121进行编号。不同的编号可以代表待测物体在x、y方向的坐标。
来自物体A的光线，经过光栅110的透光间隙的引导，到达编号为2和3的光敏传感器单元、以及编号为4和5的光敏传感器单元。来自物体B的光线经过光栅110的透光间隙的引导，到达编号为1和2的光敏传感器单元、以及编号为5和6的光敏传感器单元。
为了便于设置，如图1中所示，所述传感器包括透明基板130，光栅110设置在透明基板130的一侧，传感器阵列120设置在所述透明基板的另一侧。
为了便于计算待测物体与传感器之间的距离，优选地，所述传感器包括距离计算模块、图谱生成模块，所述图谱生成模块用于生成所述传感器阵列中各个光敏传感器单元的感光量曲线(如图2所示)，所述距离计算模块用于根据所述光栅的透光间隙的宽度和所述感光量曲线的相邻两个波峰之间的距离计算待测物体与所述传感器之间的距离。
在所述感光量曲线中，横轴代表光敏传感器单元的位置，纵轴代表感光量。如图2中所示，接收到待测物体反射的光线的光敏传感器单元的感光量大于其他未接收到光敏传感器单元的感光量，因此，在接收到待测物体反射的光线的光敏传感器单元的位置处形成为所述曲线的波峰，其他位置处形成为所述曲线的波谷。
相邻两个波峰之间的距离是指两个波峰的宽度的中间位置之间的距离。
在本发明中，对光栅110的具体结构并没有特殊的限制。例如，所述光栅110可以包括间隔设置的不透光的光栅条。
为了便于控制和便于用户选择模式，作为本发明的一种优选实施方式，光栅110可以为液晶光栅。如图3中所示，光栅110包括对盒设置的第一基板111、第二基板112、填充在第一基板111和第二基板112之间的液晶材料层113、第一透明电极层114、第二透明电极层115和控制器(未示出)。第一透明电极层114设置在第一基板111上，第二透明电极层115设置在所述第二基板112上。第一透明电极层114包括多个间隔设置的第一透明电极114a。所述控制器用于分别向第一透明电极层114中的部分第一透明电极114a以及第二透明电极层115提供不同的控制信号，当第一透明电极114a和所述第二透明电极层分别接收不同的控制信号时，第一透明电极114a与第二透明电极层115之间形成使得二者之间液晶分子偏转的电场，以在所述液晶材料层113中形成多个间隔的不透光区。
当第一透明电极114a对应的液晶分子偏转后，该区域由透明变为不透明，从而可以形成光栅。
本发明所提供的传感器可以应用于显示面板上。当用户想要实现3D触控时，可以选择开启光栅110，当用户不想要实现3D触控时，所述控制器不向第一透明电极层和第二透明电极层提供控制信号，液晶材料层113整体处于透光状态。
为了精确地测量不同位置处的物体到传感器表面的距离，优选地，光栅的透光间隙的宽度应当是可调的。为了实现这一目的，作为一种具体实施方式，例如，第一透明电极114a可以是条状电极。所述第一透明电极114a包括并排设置的多个沿所述第一透明电极的宽度方向并排间隔设置的透明电极条部，各个所述透明电极条部能够独立地接收到控制信号。
在本发明中，对第一透明电极114a的具体结构并没有特殊的限制，只要第一透明电极层114和第二透明电极层115分别接受到相应的信号后，能够形成交替排列的透光区以及不透光区即可。
通过上文中的描述以及图1可知，当光栅110的透光间隙的宽度固定不变时，待测物体距离光栅110的入光面越近，感光曲线上相邻两个波峰之间的距离越大。当待测物体距离光栅110足够远时，感光曲线上相邻两个波峰之间的距离具有足够小(例如，小于最佳观测值)。
为了精确地测量待测物体与传感器的入光面之间的距离，光栅之间的间隔优选是可调节的。当待测物体与传感器之间的距离较远时，可以控制光栅110具有较大宽度的透光间隙，当待测物体与传感器之间的距离较近时，可以控制光栅110具有较小宽度的透光间隙。
为了实现光栅110的透光间隙可调，优选地，第一透明电极114a在第一基板上排列为多行多列。换言之，第一透明电极114a可以排列为矩阵。可以将第一基板划分为多个光栅单元，每个光栅单元内设置一个第一透明电极114a，通过向不同的第一透明度电极114a提供电信号，可以使得最终获得的光栅110具有不同宽度的透光间隙。
具体地，当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离小于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态增大，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止；
当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离大于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态减小，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止。
所述预设值可以是最佳分辨值。此处，对所述预设值并没有特殊的要求，只要便于识别即可。例如，所述预设值可以是1mm。当然，可以根据所述显示装置的具体尺寸来设置所述预设值。例如，所述预设值可以是与所述传感器配合使用的显示面内中的像素单元宽度的3至5倍。
在本发明中，所谓的“上一状态”是指控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置之前的状态。
下面参照图4解释控制器如何改变接收控制信号的第一透明电极的位置。
所述第一透明电极层包括排列为多列的第一透明电极114a。在第一状态下，可以向L1列、L3列、L5列的第一透明电极提供控制信号。如果所述感光量单元上相邻两个波峰之间的距离小于预设值时，则可以向L1列、L4列的第一透明电极提供控制信号。依次类推，这样，形成的光栅的出光间隙的宽度将增大。
在本发明中，对光栅单元的大小并没有特殊的显示，作为一种具体的实施方式，一个光栅单元的面积可以与所述传感器配合使用的显示面板的像素单元大小相同。
本发明中，对光敏传感器单元的具体结构并不做限定。例如，所述光敏传感器单元可以用于感应可见光。在这种情况下，为了提高感应精度，优选地，所述传感器还包括可见光源，所述可见光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。在本发明中，对所述可见光源的具体结构并不做特殊的限定，例如，所述可见光源可以是OLED光源。
当所述传感器用于液晶显示装置中时，所述可见光源可以是所述液晶显示装置的背光源。
为了避免环境光对传感器造成的影响，并使得所述传感器更加适用于触摸显示装置，优选地，所述光敏传感器单元用于感应红外线，以更好地感应人体的手指。当然，本发明所提供的传感器并不限于感应人体的手指，所述传感器还可以根据人眼所反射的光线来跟踪人眼的位置，并据此提供更好的显示角度。
人体是可以发出红外线的，为了提高检测精度，优选地，所述传感器还可以包括红外光源，所述红外光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。在使用所述传感器时，所述红外光源发出的光会透过传感器阵列以及光栅，并照射在待测物体上，待测物体将接收到的红外线反射至所述光栅。
由于红外光属于不可见光，因此，当所述传感器用在显示装置中时，红外光不会影响显示装置的显示效果。
为了便于确定触摸点在xy平面内的坐标，优选地，如图5所示，所述传感器阵列包括多条触控驱动线122和多条触控感应线123，触控驱动线122和触控感应线123互相交叉，并划分出多个感应单元，每个所述感应单元内设置有一个光敏传感器单元121，该光敏传感器单元121的输入端与触控驱动线122相连，光敏传感器单元121的输出端与触控感应线123相连。
容易理解的是，此处的触控感应线123用于输出光敏传感器单元121输出的信号。为了便于确定触控点的位置，优选地，逐行向触控驱动线122提供信号。光敏传感器单元121输出的信号与触控驱动线122提供的信号以及该光敏传感器单元121接收到的光信号有关。
在本发明中，对光敏传感器单元121的具体结构并没有特殊的限制，例如，光敏传感器单元121可以包括光敏二极管。在图5中所提供的具体实施方式中，光敏传感器单元121包括光敏晶体管T1、输出晶体管T2和电容C。光敏晶体管T1的第一极和栅极与本行光敏传感器单元121对应的触控驱动线122相连，光敏晶体管T1的第二极与电容C的第一端相连。电容C的第二端与输出晶体管T2的第一极相连，输出晶体管T2的栅极与上一行光敏传感器单元对应的触控驱动线122相连，输出晶体管T2的第二极与本列光敏传感器单元121对应的触控感应线123相连。
下面介绍光敏传感器单元121的工作原理。
在检测外部光强度之前，首先将电容C充电至预设电压，使得初始检测时电容的电压一致。光敏晶体管T1受到外部光的照射而发生漏电流的大小可以通过预设电压与通过外部读取设备读取到的电容C的电压之差来计算。当输出晶体管T2导通时，可以将电容C内的电压信号以电流的形式输出。计算获得了光敏晶体管T1受到外部光的照射而发生漏电流的大小之后，可以根据发生漏电流的光敏晶体管T1的感光量的大小以及发生漏电流的光敏晶体管的位置来确定物体的坐标。
为了减小输出噪声，优选地，可以利用非晶硅材料制成光敏晶体管T1的有源层，利用氧化物材料制成输出晶体管T2的有源层。这是因为，非晶硅对可见光波长反应更快，而氧化物薄膜晶体管则可以具有较小的尺寸。因此，将光敏晶体管T1和输出晶体管T2集成在像素单元内时，可以获得较快的反应速度以及较大的开口率。
作为本发明的另一个方面，提供一种显示装置，所述显示装置包括显示面板和传感器，其中，所述传感器为本发明所提供的上述传感器，所述光栅背离所述传感器阵列的一面与所述显示面板的出光面朝向一致。
可以将所述传感器贴附在显示面板的出光面上，以形成外挂式的触控显示装置，也可以将传感器阵列集成在显示面板中。
如上文中所述，由于所述传感器可以同时检测触控点在三维空间内的位置坐标，因此，所述显示装置可以实现立体触控。
在本发明中，对显示面板的具体类型并没有特殊的限制，例如，显示面板可以是液晶面板。在图5中所示的具体实施方式中，所述显示面板为液晶显示面板。
为了减小显示装置的厚度，优选地，如图5中所示，当所述传感器阵列包括多条触控驱动线和多条触控感应线时，所述触控驱动线还用作所述显示面板的栅线。所述显示装置还包括数据线200，数据线200可以与触控感应线123平行设置。
结合了本发明所提供传感器之后，所述显示装置不仅可以实现立体触控的功能，还可以实现指纹识别等功能。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种传感器，其特征在于，所述传感器包括沿所述传感器的厚度方向依次设置的光栅和传感器阵列，所述传感器阵列包括多个光敏传感器单元，光线能够穿过所述光栅的透光间隙到达所述光敏传感器单元。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括透明基板，所述光栅设置在所述透明基板的一侧，所述传感器阵列设置在所述透明基板的另一侧。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器包括距离计算模块、图谱生成模块，所述图谱生成模块用于生成所述传感器阵列中各个光敏传感器单元的感光量曲线，所述距离计算模块用于根据所述光栅的透光间隙的宽度和所述感光量曲线的相邻两个波峰之间的距离计算待测物体与所述传感器之间的距离。
4.根据权利要求3所述的传感器，其特征在于，所述光栅包括对盒设置的第一基板、第二基板、填充在所述第一基板和所述第二基板之间的液晶材料层、第一透明电极层、第二透明电极层和控制器，所述第一透明电极层设置在所述第一基板上，所述第二透明电极层设置在所述第二基板上，所述第一透明电极层包括多个间隔设置的第一透明电极，所述控制器用于分别向所述第一透明电极层中的部分第一透明电极以及所述第二透明电极层提供不同的控制信号，当所述第一透明电极和所述第二透明电极层分别接收不同的控制信号时，所述第一透明电极与所述第二透明电极层之间能够形成使得二者之间液晶分子偏转的电场，以在所述液晶材料层中形成多个间隔的不透光区。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，多个所述第一透明电极在所述第一基板上排列为多行多列，
当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离小于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态增大，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止；
当所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离大于预设值时，所述控制器改变接收控制信号的第一透明电极的位置，以使得相邻两个不透光区之间的距离相对于上一状态减小，直至所述感光量曲线上相邻两个波峰之间的距离达到所述预设值为止。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的传感器，其特征在于，所述光敏传感器单元用于感应红外线。
7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括红外光源，所述红外光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。
8.根据权利要求1至5中任意一项所述的传感器，其特征在于，所述光敏传感器单元用于感应可见光，所述传感器还包括可见光源，所述可见光源设置在所述传感器阵列背离所述光栅的一侧。
9.根据权利要求1至5中任意一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器阵列包括多条触控驱动线和多条触控感应线，所述触控驱动线和所述触控感应线互相交叉，并划分出多个感应单元，每个所述感应单元内设置有一个所述光敏传感器单元，所述光敏传感器单元的输入端与所述触控驱动线相连，所述光敏传感器单元的输出端与所述触控感应线相连。
10.根据权利要求9所述的传感器，其特征在于，所述光敏传感器单元包括光敏晶体管、输出晶体管和电容，所述光敏晶体管的第一极和栅极与本行光敏传感器单元对应的驱动线相连，所述光敏晶体管的第二极与所述电容的第一端相连，所述电容的第二端与所述输出晶体管的第一极相连，所述输出晶体管的栅极与上一行光敏传感器单元对应的驱动线相连，所述输出晶体管的第二极与本列光敏传感器单元对应的感应线相连。
11.根据权利要求10所述的传感器，其特征在于，所述光敏晶体管的有源层由非晶硅材料制成，所述输出晶体管的有源层由氧化物制成。
12.一种显示装置，所述显示装置包括显示面板和传感器，其特征在于，所述传感器为权利要求1至11中任意一项所述的传感器，所述光栅背离所述传感器阵列的一面与所述显示面板的出光面朝向一致。
13.根据权利要求12所述的显示装置，其特征在于，当所述传感器阵列包括多条触控驱动线和多条触控感应线时，所述触控驱动线还用作所述显示面板的栅线。
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