CN114323089A - 光检测元件 - Google Patents

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CN114323089A CN202011084117.4A CN202011084117A CN114323089A CN 114323089 A CN114323089 A CN 114323089A CN 202011084117 A CN202011084117 A CN 202011084117A CN 114323089 A CN114323089 A CN 114323089A
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丁景隆
曾名骏
陈厚典
郭拱辰
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Abstract

本发明提供一种光检测元件，包括第一光检测单元、第二光检测单元及驱动晶体管。第一光检测单元包括第一晶体管及第一光感应单元。第一晶体管及第一光感应单元电性连接。第二光检测单元和第一光检测单元电性连接。第二光检测单元包括第二光感应单元及第二晶体管。第二光感应单元及第二晶体管电性连接。驱动晶体管具有栅极端。栅极端电性连接至第一光感应单元及述第二光感应单元。在一时间区间，第一晶体管不导通，且第二晶体管导通。

Description

光检测元件
技术领域
本发明涉及一种检测元件，更具体地说，涉及一种光检测元件。
背景技术
光检测元件应用在显示器时，一般可利用像素光源作为检测光源。光检测元件检测物体的反射光，来判断此时物体是否触碰显示器，且可进一步判断物体的触碰位置。然而，若显示器的显示内容正好为暗时，则无反射光可供光检测元件检测。也就是说，光检测元件会受到显示器的显示内容的影响，而导致其检测结果不正确。举例而言，除了显示器的显示内容为暗，无反射光检测之外，显示内容的颜色及亮度的变化也会干扰光检测元件的检测结果。此外，光检测元件在检测时也容易受到环境光的影响。
发明内容
本发明提供一种光检测元件，可有效降低检测结果被噪声影响，以避免误判。
根据本发明的实施例，光检测元件包括第一光检测单元、第二光检测单元及驱动晶体管。第一光检测单元包括第一晶体管及第一光感应单元。第一晶体管及第一光感应单元电性连接。第二光检测单元和第一光检测单元电性连接。第二光检测单元包括第二光感应单元及第二晶体管。第二光感应单元及第二晶体管电性连接。驱动晶体管具有栅极端。栅极端电性连接至第一光感应单元及述第二光感应单元。在一时间区间，第一晶体管不导通，且第二晶体管导通。
在本发明的实施例中，光检测元件还包括光源。光源与第一晶体管同步操作。
在本发明的实施例中，第一晶体管的一端耦接至第一电压，且第二晶体管的一端耦接至第二电压，且第一电压电位跟第二电压的电位不同。
在本发明的实施例中，第一晶体管被第一信号控制，且第二晶体管被第二信号控制。
在本发明的实施例中，光检测元件还包括控制电路。控制电路用以判断是否让第二信号控制第二晶体管。
在本发明的实施例中，控制电路包括读出电路。
在本发明的实施例中，读出电路不包括模拟数字转换器。
在本发明的实施例中，光检测元件还包括反馈电路。当栅极端的电压为第三电压时，反馈电路用以判断光检测元件检测的是反射光。当栅极端的电压为第四电压时，反馈电路用以判断光检测元件检测的是直射光
在本发明的实施例中，当反馈电路判断光检测元件检测的是反射光时，控制电路启用第二信号，以让第二信号控制第二晶体管导通。
在本发明的实施例中，当反馈电路判断光检测元件检测的是直射光时，控制电路禁用第二信号，以让第二信号控制第二晶体管不导通。
附图说明
图1示出本发明一实施例的用以检测反射光的光检测元件的概要示意图；
图2示出图1实施例的光检测元件的结构示意图；
图3示出图2实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图；
图4示出图2实施例的光检测元件的操作流程图；
图5示出本发明一实施例的光检测元件的结构示意图；
图6示出图5实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图；
图7示出本发明一实施例的光检测元件用以检测反射光及直射光的概要示意图；
图8示出图7实施例的光检测元件的结构示意图；
图9示出图8实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图；
图10示出图8实施例的光检测元件的操作流程图；
图11示出本发明一实施例的光检测元件的结构示意图；
图12示出图11实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图。
具体实施方式
通过参考以下的详细描述并同时结合附图可以理解本公开，须注意的是，为了使读者能容易了解及为了附图的简洁，本公开中的多张附图只示出电子装置的一部分，且附图中的特定元件并非依照实际比例示出。此外，附图中各元件的数量及尺寸仅作为示意，并非用来限制本公开的范围。
在下文说明书与权利要求书中，”含有”与”包括”等词为开放式词语，因此其应被解释为”含有但不限定为…”之意。
应了解到，当元件或膜层被称为在另一个元件或膜层”上”或”连接到”另一个元件或膜层时，它可以直接在此另一元件或膜层上或直接连接到此另一元件或层，或者两者之间存在有插入的元件或膜层(非直接情况)。相反地，当元件被称为”直接”在另一个元件或膜层”上”或”直接连接到”另一个元件或膜层时，两者之间不存在有插入的元件或膜层。
虽然术语第一、第二、第三…可用以描述多种组成元件，但组成元件并不以此术语为限。此术语仅用于区别说明书内单一组成元件与其他组成元件。权利要求中可不使用相同术语，而依照权利要求中元件宣告的顺序以第一、第二、第三…取代。因此，在下文说明书中，第一组成元件在权利要求中可能为第二组成元件。
在文中，”约”、”大约”、”实质上”、”大致上”之用语通常表示在一给定值或范围的10％内，或5％内，、或3％之内、，或2％之内、，或1％之内、，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明”约”、”大约”、”实质上”、”大致上”的情况下，仍可隐含”约”、”大约”、”实质上”、”大致上”的含义。此外，用语”范围为第一数值至第二数值”、”范围介于第一数值至第二数值之间”表示所述范围包含第一数值、第二数值以及它们之间的其它数值。
在本公开一些实施例中，关于接合、连接之用语例如”连接”、”互连”等，除非特别定义，否则可指两个结构系直接接触，或者亦可指两个结构并非直接接触，其中有其它结构设于此两个结构之间。且此关于接合、连接的用语亦可包括两个结构都可移动，或者两个结构都固定的情况。此外，用语”耦接”包含任何直接及间接的电性连接手段。
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1示出本发明一实施例的用以检测反射光的光检测元件的概要示意图。请参考图1，本实施例的光检测元件100用以检测来自物体200的反射光L2。光源300用以输出光线L1。光线L1为可见光或不可见光。输出可见光的光源300例如是激光光源。输出不可见光的光源300例如是红外光光源。光源300依照产品设计，可以是显示用光或是非显示用光源，在本实施例中，光源300将以非显示用光源为说明，但不以此为限。也就是说，光源300输出的光线L1为非显示用光源时，将不含显示内容的信息。物体200可以是笔或是使用者的手指。物体200用以反射光线L1，并且将反射光L2反射到光检测元件100。在本实施例中，光感应单元D1/D2例如包括光电晶体管或PIN接面型光电二极管(PIN photo diode)。
本实施例的光检测元件100应用在电子装置中。本公开的电子装置可包括显示设备、天线装置、感测装置、触控电子装置(touch display)、曲面电子装置(curved display)或非矩形电子装置(free shape display)，但不以此为限。电子装置可为可弯折或可挠式电子装置。电子装置可例如包括发光二极管(light emitting diode，LED)、液晶(liquidcrystal)、荧光(fluorescence)、磷光(phosphor)、量子点(quantum dot，QD)、其它合适的显示介质、或前述之组合，但不以此为限。显示器可为自发光显示器，例如有机发光二极管显示器、次毫米发光二极管(mini LED)显示器、微发光二极管(micro LED)显示器、或量子点发光二极管(quantum dot,QD，可例如为QLED、QDLED)显示器。本发明对显示器的种类不加以限制。
图2示出图1实施例的光检测元件的结构示意图。请参考图2，本实施例的光检测元件100包括感测像素110及控制电路120。感测像素110通过感测线SL连接至控制电路120，以将感测到的信号传递给控制电路120。感应像素110包括第一光检测单元112及第二光检测单元114，且第一光检测单元112电性连接至第二光检测单元114。更具体地说明，感应像素110包括第一晶体管T1、第一光感应单元D1、第二光感应单元D2、第二晶体管T2及驱动晶体管T_dri。第一晶体管T1、第一光感应单元D1、第二光感应单元D2及第二晶体管T2电性连接。请参考图2，本实施例的第一晶体管T1、第一光感应单元D1、第二光感应单元D2及第二晶体管T2串联连接，产品电路可依照需求设置为并联或产品电路可同时包含串联跟并联，但不以此为限。驱动晶体管T_dri具有栅极端G。栅极端G电连接至第一光感应单元D1的阳极端及第二光感应单元D2的阴极端。第一晶体管T1的一端耦接至第一电压，例如是高电平电压V1，另一端耦接至第一光感应单元D1的阴极端。第二晶体管T2的一端耦接至第一电压，例如是低电平电压V2，另一端耦接至第二光感应单元D2的阳极端，但不以此为限。第一晶体管T1被第一信号S1控制，且第二晶体管T2被第二信号S2控制。驱动晶体管T_dri的一端耦接至第一系统电压VDD，另一端耦接至第一输出端OUT。驱动晶体管T_dri被栅极端G的电压控制。
在本实施例中，光检测元件100还包括与第一晶体管T1同步操作的光源300。也就是说，第一晶体管T1被导通时，光源300会被点亮。在本实施例中，感测像素110还包括重置晶体管T_rst、取样晶体管Ts及存储电容C1。
图3示出图2实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图。图4示出图2实施例的光检测元件的操作流程图。请参考图2到图4，在步骤S100中，重置信号S3在时间区间t1使重置晶体管T_rst导通，以将存储电容C1的一端重置为参考电压Vref。也就是说，驱动晶体管T_dri的栅极端G的电压被重置为参考电压Vref。因此，第一输出端OUT的电压为参考电压Vref减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即Vref-Vth而此时第二输出端OUTb的电压为第三电压，例如是低电平的电压L。在时间区间t1，第一晶体管T1及第二晶体管T2不导通。
在步骤S110中，光检测元件100用以检测环境光。在步骤S110中，第二信号S2在时间区间t2使第二晶体管T2导通，第二光感应单元D2检测环境光。在时间区间t2，第一晶体管T1、重置晶体管T_rst及驱动晶体管T_dri不导通。因此，存储电容C1对第二晶体管T2进行放电，使栅极端G的电压从参考电压Vref被拉低至低电平的电压L。此时，由于驱动晶体管T_dri不导通，因此，第一输出端OUT的电压维持在参考电压Vref减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即Vref-Vth，且第二输出端OUTb的电压仍为低电平的电压L。
在步骤S120中，光检测元件100用以检测环境光或感测光。举例而言，当手指200不存在时，光检测元件100在步骤S120中检测的是环境光。反之，当手指200靠近光源300时会将光线L1反射以形成反射光L2，且将反射光L2反射到光检测元件100，因此，此时光检测元件100在步骤S120中检测的是感测光(即反射光L2)。
在步骤S120中，第一信号S1在时间区间t3使第一晶体管T1导通，且光源300也被点亮以输出光线L1，表示光源300与第一晶体管T1同步操作，详细而言，本实施例所指光源300可以例如是受另一组控制电路(未示出)控制开启或关闭，在第一信号S1在时间区间t3使第一晶体管T1导通时，另一组控制电路(未示出)将同时开启光源300，但不以此为限。在时间区间t3，第二晶体管T2及重置晶体管T_rst不导通。当手指200靠近光源300时，第一光感应单元D1检测反射光L2，且高电平电压V1对存储电容C1进行充电，使栅极端G的电压被拉高至高电平的电压H，以使驱动晶体管T_dri导通。因此，第一输出端OUT的电压为第四电压，例如是高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth。
接着，在步骤S130中，光检测元件100对感测信号进行取样。在时间区间t4，取样信号S4使取样晶体管Ts导通。在时间区间t4，第一晶体管T1、第二晶体管T2及重置晶体管T_rst不导通。第二输出端OUTb的电压为高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth。因此，在时间区间t4，感测像素110可将感测信号通过感测线SL输出给控制电路120，且感测信号是感测像素110感测反射光L2所得的信号。
因此，在步骤S120中，当手指200靠近光源300时，第二输出端OUTb在步骤S130中的取样结果会是高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth，表示光检测元件100检测到手指200靠近光源300。反之，在步骤S120中，当手指200不存在时，第二输出端OUTb在步骤S130中的取样结果会是低电平的电压L，表示手指200不存在，光检测元件100没有检测到有手指200靠近光源300。
请再参考图2，在本实施例中，控制电路120包括读出电路410、运算电路420及系统电路430。读出电路410包括信号接收电路412。读出电路410通过感测线SL读出感测像素110输出的感测信号。如上所述，若读出的感测信号是低电平的电压L，表示手指200不存在；若读出的感测信号是高电平的电压H-Vth，表示光检测元件100检测到手指200靠近光源300。因此，读出电路410中的信号接收电路412接收到的感测信号，其形式如同数字信号，可用高低两种不同电平的状态来表示检测的结果。因此，读出电路410中不需要另外设置模拟数字转换器来将感测信号转换为数字信号。接着，运算电路420接收信号接收电路412输出的感测信号，以计算出手指200触碰的位置，之后再将触碰位置传递给系统电路430以进行后续的处理。
在图2的实施例中，感应像素110中的各晶体管是以N型晶体管来实施，但本发明并不限于此。在另一实施例中，感应像素110中的各晶体管也可用P型晶体管来实施。
图5示出本发明一实施例的光检测元件的结构示意图。图6示出图5实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图。请参考图2、图5、图6，本实施例的光检测元件100类似于图2实施例的光检测元件，惟两者之间主要的差异例如在于图5的感应像素110中的各晶体管是P型晶体管来实施。对应于此，在图6中用来控制各晶体管导通状态的控制信号，其电平由高电平调整为低电平。
在图1至图6的实施例中，光检测元件100检测的光源路径为反射式时，使用非显示用的光源300作为检测光源，且光源300被点亮的时序同步于第一晶体管T1导通的时序，以使第一光感应单元D1检测反射光，如此可避免检测结果受到显示用的光源影响，提高光检测元件100检测的正确性。此外，光检测元件100分时控制第一晶体管T1及第二晶体管T2导通，以对存储电容C1进行充放电，如此可有效降低检测结果被噪声影响，从而避免光检测元件100误判。
在图1至图6的实施例中，光检测元件100是检测来自物体200的反射光L2，但本发明不限于此。在其他实施例中，光检测元件100也可用来检测另一物体直接输出的光源。
图7示出本发明一实施例的光检测元件用以检测反射光及直射光的概要示意图。请参考图7，本实施例的光检测元件700除了可用以检测反射光L2之外，更可用以检测另一物体500主动发出光线L3。举例而言，物体500例如是会主动发出光线L3的激光笔或其他类似的装置。因此，在本实施例中，光检测元件700也可检测激光笔500输出的光源。
图8示出图7实施例的光检测元件的结构示意图。请参考图8，本实施例的光检测元件700包括感测像素710及控制电路120。感测像素710通过感测线SL连接至控制电路120，以将感测信号传递给控制电路120。感应像素710还包括反馈电路712，用以判断光检测元件700检测的是反射光L2还是直射光L3。
具体而言，图9示出图8实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图。图10示出图8实施例的光检测元件的操作流程图。请参考图8至图10，在步骤S200中，重置信号S30在时间区间t01使晶体管T0_b、T0_c导通，以将栅极端G及节点B分别重置为高电平的电压H及低电平的电压L。于此同时，重置信号S5在时间区间t01使晶体管T0_a导通，以将节点A重置为高电平的电压H。在时间区间t01，由于栅极端G为高电平的电压H，因此，驱动晶体管T_dri被导通。
在步骤S210中，重置信号S5在时间区间t02持续使晶体管T0导通，以检测是否有直射光L3照射在第二光感应单元D2。若有直射光L3照射在第二光感应单元D2，栅极端G的电压会被拉低至低电平的电压L。反之，若没有直射光L3照射在第二光感应单元D2，栅极端G的电压维持在高电平的电压H。
在没有直射光L3照射在第二光感应单元D2的情况下，光检测元件700的操作流程会执行步骤S100、S110、S120、S130，检测反射光L2。在步骤S110中，控制电路120在时间区间t2会启用(enable)第二信号S2，以使第二晶体管T2导通，从而让第二光感应单元D2检测环境光。在图10的实施例中，检测反射光L2的操作方法可以由图4实施例中获得足够的教示、建议与实施说明，在此不再赘述。
在有直射光L3照射在第二光感应单元D2的情况下，光检测元件700的操作流程会执行步骤S220。在步骤S220中，重置信号S3在时间区间t1使重置晶体管T_rst导通，以将存储电容C1的一端重置为参考电压Vref。也就是说，驱动晶体管T_dri的栅极端G的电压被重置为参考电压Vref。因此，第一输出端OUT的电压为参考电压Vref减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即Vref-Vth而此时第二输出端OUTb的电压为低电平的电压L。在时间区间t1，第一晶体管T1及第二晶体管T2不导通。
在步骤S230中，控制电路120在时间区间t2会禁用(disable)第二信号S2，因此第二晶体管T2不导通，且第二光感应单元D2不检测环境光。也就是说，控制电路120可用以判断是否让第二信号S2控制第二晶体管T2，详细而言，控制电路120例如可包含电性连接至第二晶体管T2的电路(未示出)。
在步骤S240中，光检测元件700用以检测可例如是激光笔500输出的直射光L3。第一信号S1在时间区间t3使第一晶体管T1导通，从而让第一光感应单元D1检测环境光。在时间区间t3，第二晶体管T2及重置晶体管T_rst不导通。当直射光L3照射到第一光感应单元D1时，第一光感应单元D1检测直射光L3，且高电平电压V1对存储电容C1进行充电，使栅极端G的电压被拉高至高电平的电压H，以使驱动晶体管T_dri导通。因此，第一输出端OUT的电压为高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth。
接着，在步骤S250中，光检测元件700对感测信号进行取样。在时间区间t4，取样信号S4使取样晶体管Ts导通。在时间区间t4，第一晶体管T1、第二晶体管T2及重置晶体管T_rst不导通。第二输出端OUTb的电压为高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth。因此，在时间区间t4，感测像素110可将感测信号通过感测线SL输出给控制电路120，且感测信号是感测像素110感测直射光L3所得的信号。
因此，在步骤S240中，当直射光L3照射到第一光感应单元D1时，第二输出端OUTb在步骤S250中的取样结果会是高电平的电压H减去驱动晶体管T_dri的阈值电压Vth，即H-Vth，表示直射光L3照射到第一光感应单元D1。
请再参考图8，在本实施例中，控制电路120包括读出电路410、运算电路420及系统电路430。读出电路410包括信号接收电路412。读出电路410通过感测线SL读出感测像素110输出的感测信号。如上所述，在步骤S210中，若栅极端G的电压是低电平的电压L，表示有直射光L3照射在第二光感应单元D2；若栅极端G的电压是高电平的电压H，表示没有直射光L3照射在第二光感应单元D2。因此，控制电路120可据此判断是否有直射光L3照射在第二光感应单元D2。若有直射光L3照射在第二光感应单元D2，控制电路120在步骤S110中会启用第二信号S2，以使第二晶体管T2导通，从而让第二光感应单元D2检测环境光。若没有直射光L3照射在第二光感应单元D2，控制电路120在步骤S230中会禁用第二信号S2，因此第二晶体管T2不导通，且第二光感应单元D2不检测环境光。接着，运算电路420接收信号接收电路412输出的感测信号，以计算出手指200触碰的位置，之后再将触碰位置传递给系统电路430，由系统电路430来输出被禁/启用的第二信号S2给感测像素710。
在图8的实施例中，感应像素710中的各晶体管是以N型晶体管来实施，但本发明并不限于此。在另一实施例中，感应像素710中的各晶体管也可用P型晶体管来实施。
图11示出本发明一实施例的光检测元件的结构示意图。图12示出图11实施例中用以控制各晶体管的控制信号的信号时序图。请参考图8、图11、图12，本实施例的光检测元件700类似于图8实施例的光检测元件，惟两者之间主要的差异例如在于图11的感应像素710中的各晶体管是P型晶体管来实施。对应于此，在图12中用来控制各晶体管导通状态的控制信号，其电平由高电平调整为低电平。
在图7至图12的实施例中，光检测元件700除了可用以检测反射光L2之外，更可用以检测直射光L3。光检测元件700包括反馈电路712来判断光检测元件700检测的是反射光L2还是直射光L3。
综上所述，光检测元件检测的光源路径为反射式时，使用非显示用的光源作为检测光源，且光源被点亮的时序同步于第一晶体管导通的时序，以使第一光感应单元检测反射光，如此可避免检测结果受到显示用的光源影响，提高光检测元件检测的正确性。此外，光检测元件分时控制第一晶体管及第二晶体管导通，以对存储电容进行充放电，如此可有效降低检测结果被噪声影响，从而避免光检测元件误判。光检测元件除了可用以检测反射光之外，更可用以检测直射光。光检测元件包括反馈电路来判断光检测元件检测的是反射光还是直射光。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光检测元件，包括：
第一光检测单元，所述第一光检测单元包括第一晶体管及第一光感应单元，其中所述第一晶体管及所述第一光感应单元电性连接；
第二光检测单元，和所述第一光检测单元电性连接，所述第二光检测单元包括第二光感应单元及第二晶体管，其中所述第二光感应单元及所述第二晶体管电性连接；以及
驱动晶体管，具有栅极端，其中所述栅极端电连接至所述第一光感应单元及所述第二光感应单元，
其中，在一时间区间，所述第一晶体管不导通，且所述第二晶体管导通。
2.根据权利要求1所述的光检测元件，还包括光源，其中所述光源与所述第一晶体管同步操作。
3.根据权利要求1所述的光检测元件，其中所述第一晶体管的一端耦接至第一电压，且所述第二晶体管的一端耦接至第二电压，其中所述第一电压的电位不同于所述第二电压的电位。
4.根据权利要求1所述的光检测元件，其中所述第一晶体管被第一信号控制，且所述第二晶体管被第二信号控制。
5.根据权利要求4所述的光检测元件，还包括控制电路，用以判断是否让所述第二信号控制所述第二晶体管。
6.根据权利要求5所述的光检测元件，其中所述控制电路包括读出电路。
7.根据权利要求5所述的光检测元件，还包括反馈电路，当所述栅极端的电压为第三电压时，所述反馈电路用以判断所述光检测元件检测的是直射光。
8.根据权利要求5所述的光检测元件，还包括反馈电路，当所述栅极端的电压为第四电压时，所述反馈电路用以判断所述光检测元件检测的是反射光。
9.根据权利要求7所述的光检测元件，其中当所述反馈电路判断所述光检测元件检测的是所述直射光时，所述控制电路启用所述第二信号，以让所述第二信号控制所述第二晶体管导通。
10.根据权利要求8所述的光检测元件，其中当所述反馈电路判断所述光检测元件检测的是所述反射光时，所述控制电路禁用所述第二信号，以让所述第二信号控制所述第二晶体管不导通。
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