DE102011017384A1

DE102011017384A1 - TFT-Display, sowie Verfahren zur Detektion der räumlichen Position von Gliedmaßen in einem dem TFT-Display vorgelagerten räumlichen Bereich

Info

Publication number: DE102011017384A1
Application number: DE102011017384A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Ivanov Artem
Original assignee: Ident Technology AG
Current assignee: Microchip Technology Germany GmbH
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-12-08

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein TFT-Flüssigkristalldisplay das als solches der Wiedergabe von Bildinhalten dient. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, bei Geräten die als solche mit einem Display ausgestattet sind, in besonders vorteilhafter Weise eine Eingabeschnittstelle für Eingabeoperationen zu realisieren. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein LC-Display mit einer Polarisationsschicht, einer ersten Substratschicht, einer ersten Elektrodenstruktur die eine Vielzahl von Pixelelektroden umfasst und auf die erste Substratschicht aufgebracht ist, einer Flüssigkristallschicht, und einer zweiten Elektrodenstruktur die als vollflächige transparente Elektrodenlage (VCOM) ausgeführt ist und als Gegenelektrode zu der Vielzahl der Pixelelektroden fungiert, wobei das LC-Display mit einer Sensoreinrichtung ausgestattet ist, zur Detektion des Fingers oder der Hand eines Anwenders in einem dem LC-Display vorgelagerten Bereich, wobei die vorgenannte zweite Elektrodenstrukturung fungiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein TFT-Flüssigkristalldisplay das als solches der Wiedergabe von Bildinhalten dient, die durch ein digitales Rechnersystem generiert werden, wobei im Bereich dieses Displays eine Eingabeeinrichtung vorgesehen ist die es ermöglicht, unter Nutzung feldelektrischer Wechselwirkungseffekte Eingabeoperationen auf berührungslosem Wege durch gestenartige Interaktion vorzunehmen.
Aus der auf die Anmelderin zurückgehenden WO 2008/116642 A2 ist ein Mobiltelefon bekannt, das ein Display zur Visualisierung einer Benutzeroberfläche aufweist, wobei dieses Mobiltelefon mit einer Elektrodenanordnung ausgestattet ist durch welche die Position eines Fingers eines Anwenders in einem dem Display räumlich vorgelagerten Bereich erfasst werden kann. Die Elektrodenanordnung umfasst mehrere Messelektroden, wobei über diese Messelektroden Spannungen detektierbar sind, deren Pegel eng mit der räumlichen Position des Fingers gegenüber dem Mobiltelefon korrelieren. Über diese Spannungspegel kann auf Grundlage eines Triangulationsansatzes die Position des Fingers berechnet werden. Anhand der fortlaufend ermittelten Positionen des Fingers kann eine Cursor- oder Menuesteuerung und damit insgesamt eine Funktionssteuerung des Mobiltelefons abgewickelt werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Lösungen zu schaffen durch welche es möglich wird, bei Geräten die als solche mit einem Display ausgestattet sind, in besonders vorteilhafter Weise eine Eingabeschnittstelle für Eingabeoperationen zu realisieren, wobei jene Eingabeoperationen in Form von Finger- oder Handbewegungen in einem dem Display vorgelagerten Bereich berührungslos abgewickelt werden.
Erfindungsgemäße Lösung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein LC-Display mit einer Polarisationsschicht, einer ersten Substratschicht, einer ersten Elektrodenstruktur die eine Vielzahl von Pixelelektroden umfasst und auf die erste Substratschicht aufgebracht ist, einer Flüssigkristallschicht, und einer zweiten Elektrodenstruktur die als vollflächige transparente Elektrodenlage (VCOM) ausgeführt ist und als Gegenelektrode zu der Vielzahl der Pixelelektroden fungiert, wobei das LC-Display mit einer Sensoreinrichtung ausgestattet ist, zur Detektion des Fingers oder der Hand eines Anwenders in einem dem LC-Display vorgelagerten Bereich, wobei die vorgenannte zweite Elektrodenstruktur als Feldbereitungselektrode dieser Sensoreinrichtung fungiert.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird unter Einschluss des TFT-LC-Displays eine Sensorschaltung geschaffen die eine Erfassung von Objektpositionen vor einem TFT-LC-Display auf kapazitivem Wege ermöglicht. Das erfindungsgemäße Konzept eignet sich insbesondere für eine gestenbasierte Steuerung von Geräten die ein TFT-LC-Display umfassen, wie z. B. Computern, Verkaufsautomaten, Mobiltelefonen und dgl. und ermöglicht es, die Position der Hand oder des Fingers des Nutzers vor jenem Display zu erfassen, indem eine transparente Elektrode des TFT-LC-Displays direkt als Feldbereitungselektrode genutzt wird. Durch das erfindungsgemäße Konzept wird das bislang bestehende Problem gelöst, dass durch die Komponenten des LC-Displays die Ausbreitung des Messfeldes beeinträchtigt und damit die Positionserfassung der Finger auf feldelektrischem Wege behindert wird. In weiterhin vorteilhafter Weise wird durch das erfindungsgemäße Konzept vermieden, dass durch den eigentlichen Betrieb des Displays das bislang durch separate Feldbereitungselektroden generierte Feld gestört wird. Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich die ohnehin im TFT-LC-Display vorhandene Elektrode für das Positionserfassungssystem zu nutzen.
Durch das erfindungsgemäße Konzept wird es möglich, ein unmittelbar in ein TFT-LC-Display integriertes Gestensensorsystem zu schaffen, das eine gute Reichweite aufweist. Die zur Realisierung des erfindungsgemäßen Sensorsystems vorgesehene Elektronik kann in vorteilhafter Weise in einen Grafikcontrollerchip implementiert werden. Dieser Grafikcontrollerchip umfasst dann vorzugsweise mehrere, beispielsweise vier Eingänge zum Anschluss von Messelektroden. Die Verbindung der Messelektroden mit den Eingängen des Grafikkontrollerchips erfolgt vorzugsweise durch abgeschirmte Messleitungen. Der Grafikkontrollerchip kann so gestaltet sein, dass dessen Signalverarbeitungsverhalten signaltechnisch abgestimmt werden kann. Die abgeschirmten Leitungen müssen nicht als diskret abgeschirmte Kabel ausgeführt sein. Sie können z. B. auch in eine ggf. lediglich einlagige Leiterplatte oder Folienleiterplatte eingearbeitet sein.
Vorzugsweise ist die Sensoreinrichtung zumindest teilweise schaltungstechnisch in eine Displaybetriebsschaltung eingebunden. Die Sensoreinrichtung kann so ausgeführt sein, dass diese wenigstens eine Randelektrode umfasst, die in einem der zweiten Elektrodenstruktur benachbarten Randbereich angeordnet ist. Die Sensoreinrichtung kann auch mehrere Randelektroden umfassen. Durch diese Maßnahme wird es möglich, anhand der von den einzelnen Messelektroden abgegriffenen Signalen eine Positionsbestimmung des Fingers, oder der Hand eines Anwenders durch einen Triangulationsansatz vorzunehmen.
Vorzugsweise ist die Displayeinrichtung als Rechteckdisplay ausgebildet. Das Sensorsystem umfasst vorzugsweise mehrere Randelektroden die sich im Rand- und/oder Eckbereich des Rechteckdisplays befinden. Die zweite Elektrodenstruktur (VCOM) wird vorzugsweise mit einer Rechteckspannung beaufschlagt. Die Frequenz der Rechteckspannung liegt vorzugsweise im Bereich von 50 Hz bis 80 kHz. Die zweite Elektrodenstruktur kann ggf. in verschiede Segmente unterteilt sein. Die zweite Elektrodenstruktur kann weiterhin auch eine funktionelle Elektrode eines Berührungssensorsystems bilden.
Das erfindungsgemäße Konzept kann so umgesetzt werden dass die durch die Display-Controllerschaltung an die Common-Elektrode angelegte Spannung direkt der Feldgenerierung dient.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigt:
1 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung des mehrschichtigen Aufbaus eines Displays sowie der Lage einer als Feldbereitungselektrode eines Sensorsystems herangezogenen durchgängigen Elektrodenstruktur;
2 eine Schemadarstellung einer Eingangschaltung des Messsystems (GestIC-Elektronik);
3 einen typischen zeitlichen Verlauf des Spannungspegels an einer ausgewählten Messelektrode;
4 einen Graphen zur Veranschaulichung des zeitlichen Verlaufs Spannungspegels an einer ausgewählten Messelektrode bei einer Arbeitsfrequenz von 10 kHz;
5 einen Graphen ähnlich 4 zur Veranschaulichung eines Auswertungskonzeptes nach welchem die Amplitude jeder Flanke des Generatorsignals (VCOM) einzeln mit zwei Abtastpunkten gemessen wird;
6 einen Graphen ebenfalls ähnlich 4 zur Veranschaulichung eines weiteren Auswertungskonzeptes nach welchem jeweils nur ein Abtastpunkt gleich nach der Flanke gesetzt wird.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 ist in Form einer perspektivischen Darstellung der Aufbau eines LC-Displays (Liquid Crystal Display) veranschaulicht. Derartige LC-Displays haben einen mehrschichtigen Aufbau. Das von der Beleuchtungsquelle 1 emittierte Licht passiert eine Polarisatorschicht 2. Auf einem darüber liegenden Glassubstrat 3 ist eine Struktur aus leitenden durchsichtigen Elektroden 4 angebracht. Bei einem TFT (Thin-Film Transistor) LC-Display sind auch die Transistoren in diese Schicht integriert. Die einzelnen Elektroden stellen die Pixel des Bildschirmes dar. Bei den Farbdisplays gehören drei Elektroden zu einem Pixel. Die Gegenelektrode 6 für die Flüssigkristall-Füllung 5 liegt in den TFT Displays darüber auf dem zweiten Substrat 7 und ist durchgehend ausgeführt. Diese Elektrode 6 wird als „Common-Elektrode” bezeichnet. Ihr elektrisches Potential wird als VCOM bezeichnet. Auf dem Substrat 7 befinden sich bei den Farbdisplays weiterhin Farbfilter. Oben ist eine Analysatorschicht platziert (zweiter Polarisator, dar mit seiner Polarisationsachse senkrecht zum erstem Polarisator 2 ausgerichtet ist).
Wenn zwischen den Pixelelektroden 4 und der VCOM-Elektrode 6 eine Spannung anliegt, verändert sich die Polarisation des Lichtes beim Durchgang durch die Flüssigkristallschicht. Damit ist die Leuchtkraft eines Pixels von der Elektrodenspannung abhängt.
Es gibt zwei Varianten der Ansteuerung des TFT Panels: mit VCOM als DC-Spannung und mit VCOM als AC-Spannung. Im zweiten Fall hat VCOM typischerweise eine Rechteckform mit einer Amplitude von ca. 5 V und einer Frequenz von ca. 60 Hz (bei der Ansteuerung mit „Frame Inversion”) bis ca. 50 kHz (bei der Ansteuerung mit „Line Inversion”). Gewöhnlich liegt diese Frequenz im Bereich von 5 kHz bis 40 kHz.
Die Common-Elektrode 6 ist die äußerste elektrisch leitende Schicht des Displays, sie ist kontinuierlich ausgeführt und deckt die ganze Bildschirmoberfläche ab. Erfindungsgemäß wird diese VCOM-Schicht 6 in einem AC-Betriebsmodus betrieben und zumindest teilweise als Generator- oder Feldbereitungselektrode verwendet.
Bei diesem Lösungskonzept wird das Display, insbesondere dessen VCOM-Elektrode 6 zum Bestandteil des Gestensensors und fungiert nicht mehr als Störquelle, sondert generiert das Generatorsignal.
Soweit das VCOM-Signal eine relativ niedrige Frequenz aufweist, kann durch eine besondere Abtastlogik dennoch eine relativ hohe Reichweite und Stabilität des Sensorsystems erreicht werden. Hierzu kann wie im folgenden noch näher beschrieben werden wird, vorgegangen werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die zur Erfassung und Vorauswertung der an den Messelektroden anliegenden Spannungen vorgesehene Sensorschaltung, d. h. die „GestIC-Elektronik” unmittelbar in den Displaycontroller integriert wird.
In 2 ist die Eingangsstufe der erfindungsgemäßen Sensorschaltung in ihrem Grundaufbau veranschaulicht. Die hier dargestellte Elektrode E1 wird durch die VCOM-Elektrode (1 Bezugszeichen 6) des Displays gebildet. An dieser Elektrode E1 liegt das VCOM-Signal an. Durch die Hand M eines Anwenders die sich in einem dem TFT-LC-Display vorgelagerten Beriech befindet erfolgt eine Beeinflussung der an der Messelektrode E2 anliegenden Spannung. Diese Spannung kann durch die hier vereinfacht dargestellte Messschaltung B, R erfasst werden. Diese erfasste Spannung korreliert eng mit der Räumlichen Lage der Hand M gegenüber den beiden Elektroden E1, E2. Durch den Einsatz mehrerer Messelektroden E2 in der Umgebung der VCOM-Elektrode E1 wird es möglich, die gemessenen Spannungspegel einem Triangulationsansatz zugrunde zu legen und auf diesem Wege die Position der Hand gegenüber den Messelektroden E2 zu errechnen. Die entsprechenden Signale können einer Menue- oder Cursorsteuerung zugrundegelegt werden die vorzugsweise, durch die mittels des Displays wiedergegebenen Bildinhalte grafisch unterstützt wird.
Wie aus 2 weiter ersichtlich, wird die Generatorelektrode E1 mit einer Rechteckspannung vom Generator G betrieben. Die Messelektrode E2 (hier ist nur eine Messelektrode gezeigt) steht in kapazitiver Kopplung zu E1 und zu dem zu erfassenden Objekt M. Die entsprechenden Kapazitäten sind als C1 und C2 bezeichnet. Die Spannung an E2 wird von einem Buffer B mit dem Hochimpedanzeingang (dargestellt als äquivalenter Widerstand R) erfasst und an die weiteren Schaltungsteile geleitet. Die Eingangsschaltung hat hier eine Tiefpasscharakteristik. Die Werte von C1 und C2 bzw. R dürften für Anwendungen in der Praxis etwa 1–10 pF bzw. 10 MOhm betragen.
In 3 ist der Spannungsverlauf an einer ausgewählten Messelektrode (Elektrode E2 in 2) für eine Arbeitsfrequenz von 100 kHz dargestellt, die kleinen Kreissymbole auf der Kurve bezeichnen die Abtastpunkte bei der Signalmessung, wie sie in der GestIC-Elektronik realisiert ist. Wie man der 3 entnehmen kann, liegt die Amplitude der Signalspannung am Abtastpunkt niedriger, als gleich nach der Flanke. Das ist durch die erwähnte Tiefpasscharakteristik der Eingansstufe verursacht. Dieser Effekt wird bei niedrigen Arbeitsfrequenzen zunehmend größer.
In 4 ist der Signalverlauf für die Arbeitsfrequenz von 10 kHz dargestellt. Um einer Signalabschwächung bei dem Herabsetzen der Arbeitsfrequenz entgegen zu wirken, kann eine alternative Abtastungslogik verwendet werden, die das Vorhandensein höherer Frequenzanteile im Rechtecksignal ausnutzt.
In 5 ist ein Messkonzept veranschaulicht, nach welchem die Signalamplitude an der Messelektrode bei jeder Flanke des Generatorsignals (VCOM) einzeln mit zwei Abtastpunkten gemessen wird.
Bei geringeren Anforderungen an die Positionsauflösung des erfindungsgemäßen LC-Displays kann man weiterhin mit nur einem Abtastpunkt pro Flanke arbeiten. Dann wird der Abtastpunkt vorzugsweise gleich nach der Flanke gesetzt wie dies in 6 veranschaulicht ist. Es wird vorausgesetzt, dass die Abtastung nur kurze Zeit in Anspruch nimmt (Größenordnung von 1 μs) und die Signalspannung während der Abtastung als quasikonstant angenommen werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Konzept ergibt sich neben der Kosteneinsparung durch Entfall einer zusätzlichen Elektrode eine besonders hohe Reichweite ohne Äderungen am Display und seiner Ansteuerung. Weiterhin kann das erfindungsgemäße Konzept ohne zusätzlichen Abschirmmaßnahmen für das Display realisiert werden und dadurch auch die Helligkeit des Displays nicht beeinträchtigen. Die zur Erfassung und Auswertung der an den Messelektroden anliegenden Spannungen kann in vorteilhafter Weise unmittelbar in einen Displaycontroller integriert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/116642 A2 [0002]

Claims

LC-Display mit: – einer ersten Substratschicht (3), – einer ersten Elektrodenstruktur (4) die eine Vielzahl von Pixelelektroden umfasst und auf die erste Substratschicht (3) aufgebracht ist, – einer Flüssigkristallfüllung (5), und – einer zweiten Elektrodenstruktur (6) die als großflächige Elektrodenlage (VCOM) ausgeführt ist und als Gegenelektrode zu der Vielzahl der Pixelelektroden fungiert, – wobei das LC-Display mit einer Sensoreinrichtung ausgestattet ist, zur Detektion des Fingers oder der Hand eines Anwenders in einem dem LC-Display vorgelagerten Bereich, – wobei die zweite Elektrodenstruktur (6) als Feldbereitungselektrode dieser Sensoreinrichtung fungiert.
LC-Display nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung zumindest teilweise schaltungstechnisch in eine Displaybetriebsschaltung eingebunden ist.
LC-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung wenigstens eine als Messelektrode fungierende Randelektrode (E2) umfasst, die in einem der zweiten Elektrodenstruktur (6) benachbarten Randbereich angeordnet ist.
LC-Display nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung mehrere als Messelektroden fungierende Randelektroden (E2) umfasst.
LC-Display nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Displayeinrichtung als Rechteckdisplay ausgebildet ist, und dass diese mehrere Randelektroden (E2) umfasst die sich im Rand- und/oder Eckbereich des Rechteckdisplays befinden.
LC-Display nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrodenstruktur (6) mit einer rechteck-, trapez- oder ähnlichen alternierenden Spannung beaufschlagt wird.
LC-Display nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz der Rechteckspannung im Bereich von 50 Hz bis 80 kHz liegt.
Sensorschaltung zur Erfassung der Präsenz und/oder Position von Gliedmaßen in einem, einem LC-Display räumlich vorgelagerten Bereich, mit: – mehreren Messelektroden (E2) – einer Feldbereitungselektrode zur Generierung eines Feldes das in Abhängigkeit von der Präsenz oder Position der vorgenannten Gliedmaßen auf die Messelektroden wirkt, und – einer Auswertungsschaltung zur Erfassung feldelektrischer Wirkungen auf jene Messelektroden, – dadurch gekennzeichnet, dass die Feldbereitungselektrode unter Rückgriffnahme auf eine VCOM-Elektrode des LC-Displays realisiert ist.
Verfahren zur Detektion der räumlichen Position von Gliedmaßen in einem Detektionsbereich der sich vor einem TFT-LC-Display erstreckt, bei welchem mittels einer Feldbereitungselektrode ein elektrisches Feld generiert wird und vermittels Messelektroden Spannungspegel erfasst werden die durch die räumliche Position der zu detektierenden Gliedmaßen beeinflusst werden, wobei als Feldbereitungselektrode eine flächige Elektrode (Common-Elektrode) herangezogen wird die Bestandteil des LC-Systems des TFT-LC-Displays bildet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das TFT-LC-Display mit einer an der flächigen Elektrode (VCOM) anliegenden Rechteck-Wechselspannung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die an der flächigen Elektrode anliegende Spannung im Bereich von 5 V liegt.
LC-Display nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, die Messelektroden durchsichtig ausgeführt sind und über der VCOM Elektrode platziert sind.