TWI634469B - 光感測電路 - Google Patents

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TWI634469B
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吳宛霖
吳佳恩
陳福星
尤建盛
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Abstract

一種光感測電路，包括第一至第四感光元件、電容、取樣電路、第一開關元件、以及第二開關元件。第一至第四感光元件分別被第一至第四濾光元件覆蓋。電容及取樣電路皆耦接於第一感光元件。第二感光元件耦接於第一感光元件與電壓源之間。第三感光元件用以接收第一控制信號。第四感光元件用以接收第二控制信號。第一開關元件耦接於第一感光元件與第三感光元件之間，並受控於第一控制信號與第二控制信號其中之一者。第二開關元件耦接於第一感光元件與第四感光元件之間，並受控於第一控制信號與第二控制信號其中之另一者。

Description

光感測電路
本發明是有關於一種光感測電路，且特別是有關於一種有效降低環境光干擾的光感測電路。
光感測電路可以用於光學式觸控裝置，可藉由設置濾光元件而達到對特定色光感測的效果。然而，由於環境光具有各種顏色的頻率成份，於感測特定色光時，可能會受到環境光的干擾而導致錯誤發生。因此，如何實現抗環境光干擾的特定色光感測電路，乃目前業界致力課題之一。
本發明係有關於一種光感測電路，可對於特定色光感測，排除環境光的干擾，並能夠提升畫素之開口率。
根據本發明之一方面，提出一種光感測電路。光感測電路包括第一感光元件、第二感光元件、第三感光元件、第四感光元件、電容、取樣電路、第一開關元件、以及第二開關元件。 第一感光元件具有第一端及第二端，第一感光元件被第一濾光元件覆蓋，第一濾光元件係用以通過第一色光。電容電性耦接於第一感光元件的第一端與電壓源之間。取樣電路電性耦接於第一感 光元件的第一端。第二感光元件具有第一端及第二端，第二感光元件的第二端電性耦接於第一感光元件的第二端，第二感光元件的第一端電性耦接電壓源，第二感光元件被第二濾光元件覆蓋，第二濾光元件係用以通過第二色光。第三感光元件具有第一端及第二端，第三感光元件的第二端用以接收第一控制信號，第三感光元件被第三濾光元件覆蓋。第四感光元件具有第一端及第二端，第四感光元件的第二端用以接收第二控制信號，第四感光元件被第四濾光元件覆蓋，第四濾光元件係用以通過第一色光。第一開關元件電性耦接於第一感光元件的第二端與第三感光元件的第一端之間，第一開關元件回應於第一控制信號與第二控制信號其中之一者選擇性地導通。第二開關元件電性耦接於第一感光元件的第二端與第四感光元件的第一端之間，第二開關元件回應於第一控制信號與第二控制信號其中之另一者選擇性地導通。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
100、101、102、103、104、105、106、107‧‧‧光感測電路
C1‧‧‧電容
CF1‧‧‧第一濾光元件
CF2‧‧‧第二濾光元件
CF3‧‧‧第三濾光元件
CF4‧‧‧第四濾光元件
CF5‧‧‧第五濾光元件
CF6‧‧‧第六濾光元件
Gn(t)‧‧‧取樣電路TSH的控制信號
OUT‧‧‧輸出節點
PX1‧‧‧第一子像素
PX2‧‧‧第二子像素
PX3‧‧‧第三子像素
SB‧‧‧藍光感測電路
SG‧‧‧綠光感測電路
SP‧‧‧紫光感測電路
SR‧‧‧紅光感測電路
Sn1(t)‧‧‧第一控制信號
Sn2(t)‧‧‧第二控制信號
T1‧‧‧第一感光元件
T2‧‧‧第二感光元件
T3‧‧‧第三感光元件
T4‧‧‧第四感光元件
T5‧‧‧第五感光元件
T6‧‧‧第六感光元件
TSH‧‧‧取樣電路
TSW1‧‧‧第一開關元件
TSW2‧‧‧第二開關元件
Va‧‧‧感測電壓
Vb‧‧‧節點電壓
VGH、VSH‧‧‧高電壓
VGL、VSL‧‧‧低電壓
第1圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第2圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第3圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第4圖繪示對應於第3圖電路的信號時序圖。
第5圖繪示第3圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。
第6圖繪示第3圖電路於第一感測時間區間的操作示意圖。
第7圖繪示第3圖電路於第一取樣時間區間的操作示意圖。
第8圖繪示第3圖電路於第二感測時間區間的操作示意圖。
第9圖繪示第3圖電路於第二取樣時間區間的操作示意圖。
第10圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第11圖繪示對應於第10圖電路的信號時序圖。
第12圖繪示第11圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。
第13圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第14圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第15圖繪示對應於第14圖電路的信號時序圖。
第16圖繪示第14圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。
第17圖繪示第14圖電路於第一感測時間區間的操作示意圖。
第18圖繪示第14圖電路於第一取樣時間區間的操作示意圖。
第19圖繪示第14圖電路於第二感測時間區間的操作示意圖。
第20圖繪示第14圖電路於第二取樣時間區間的操作示意圖。
第21圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第22圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路與像素配置示意圖。
第23圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路示意圖。
第24圖繪示對應於第23圖電路的信號時序圖。
第25圖繪示第23圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。
第1圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路100示意圖。在此實施例中，光感測電路100包括第一感光元件T1、第二感光元件T2、第三感光元件T3、第四感光元件T4、電容C1、取樣電路TSH、第一開關元件TSW1、以及第二開關元件TSW2。第一感光元件T1具有第一端及第二端，第一感光元件T1被第一濾光元件CF1覆蓋，第一濾光元件CF1係用以通過第一色光(通常指一特定波長範圍的光線相較於範圍外的光線，能夠明顯地容易通過濾光元件)。電容C1電性耦接於第一感光元件T1的第一端與電壓源(例如是高電壓VSH)之間。取樣電路TSH電性耦接於第一感光元件T1的第一端。第二感光元件T2具有第一端及第二端，第二感光元件T2的第二端電性耦接於第一感光元件T1的第二端，第二感光元件T2的第一端電性耦接電壓源(例如是高電壓VSH)，第二感光元件T2被第二濾光元件CF2覆蓋，第二濾光元件CF2係用以通過第二色光。第三感光元件T3具有第一端及第二端，第三感光元件T3的第二端用以接收第一控制信號Sn1(t)，第三感光元件T3被第三濾光元件CF3覆蓋。第四感光元件T4具有第 一端及第二端，第四感光元件T4的第二端用以接收第二控制信號Sn2(t)，第四感光元件T4被第四濾光元件CF4覆蓋，第四濾光元件CF4係用以通過第一色光。第一開關元件TSW1電性耦接於第一感光元件T1的第二端與第三感光元件T3的第一端之間，第一開關元件TSW1回應於第一控制信號Sn1(t)與第二控制信號Sn2(t)其中之一者選擇性地導通。第二開關元件TSW2電性耦接於第一感光元件T1的第二端與第四感光元件T4的第一端之間，第二開關元件TSW2回應於第一控制信號Sn1(t)與第二控制信號Sn2(t)其中之另一者選擇性地導通。在第1圖所示的實施例，第一開關元件TSW1受控於第二控制信號Sn2(t)，第二開關元件TSW2受控於第一控制信號Sn1(t)，在另一實施例中，可以是第一開關元件TSW1受控於第一控制信號Sn1(t)，第二開關元件TSW2受控於第二控制信號Sn2(t)。
在第1圖所示的範例中，第一感光元件~第四感光元件T1~T4係以電晶體作為範例說明，例如是使用金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)或氧化物半導體場效電晶體，如薄膜電晶體(Thin Film Transistor,TFT)，而在圖中以NMOS電晶體(例如N型TFT)作為例子說明。然而，第一感光元件~第四感光元件T1~T4的實作範例並不限於此，例如亦可以使用PMOS電晶體、其他不同類型的電晶體、或是光電二極體(Photodiode)等等。以光電二極體為例，通常被設計為工作在逆向偏壓狀態(Reverse Biased)，當一個具有充足能量的光子衝擊到二極體上，可以產生 光電流(Photocurrent)，因此能夠達到感光效果。如第1圖所示的第一感光元件~第四感光元件T1~T4，各個電晶體的第二端(例如是汲極，電晶體的汲極與源極需視電壓高低而決定，此處為舉例說明)與控制端(例如是閘極)相連接，而形成二極體連接形式(Diode Connected)，因此與前述的逆向偏壓光電二極體操作原理類似。當電晶體的控制端給予非導通控制信號時(以NMOS電晶體為例，當控制端給予低邏輯電壓位準VSL時)，電晶體操作於截止區(Cutoff)，或稱為次臨界區(Sub-threshold)，不同的照光強度將會對於電晶體的次臨界電流(Sub-threshold Current)產生電流差異。
第一感光元件~第四感光元件T1~T4分別被第一濾光元件~第四濾光元件CF4覆蓋，這些濾光元件可使得第一感光元件~第四感光元件T1~T4針對特定頻率範圍顏色的光進行感測，在第1圖中係使用圓形圖樣標示出這些濾光元件。舉例而言，第一濾光元件CF1可以是藍色濾光片，用以阻隔藍色光以外的光線通過藍色濾光片。當然第一濾光元件CF1並不限定通過藍色光的藍色濾光片，亦可使用其他顏色濾光片。各個濾光元件可通過的光顏色，將於以下多個實施例進一步說明。
在一實施例中，第一濾光元件CF1用以通過第一色光(以藍光為例)，第四濾光元件CF4亦用以通過第一色光，於實作中，第一濾光元件CF1與第四濾光元件CF4可以實體分離，或者第一濾光元件CF1與第四濾光元件CF4可以是一個較大藍色濾光 片的部分。在以下的多個實施例亦同，通過相同色光的多個濾光元件，可以是實體分離或者可以是一個濾光片的部分。藉由覆蓋第一濾光元件CF1於第一感光元件T1，第一感光元件T1的第一端與第二端之間的導通程度，係依據第一感光元件T1是否接收到第一色光而改變。
電容C1分別電性耦接第一感光元件T1與電壓源，在此例中電壓源係使用高電壓VSH，此為搭配整體電路設計的操作模式所配置，此處先以放電式(discharging mode)光感測電路舉例說明，因此電壓源配置為高電壓VSH。若是使用充電式(charging mode)光感測電路，電壓源可配置為低電壓VSL。在其他實施方式中，電壓源亦可以是接地電位GND或是像素共用電位VCOM，視電路設計方式而決定。藉由設置電容C1，第一感光元件T1第一端的感測電壓Va能以電荷的形式儲存於電容C1。在以下說明中，對於施加於各感光元件的電壓，將使用高電壓VSH代表邏輯高位準電壓，以低電壓VSL代表邏輯低位準電壓，舉例而言，對於供應電壓為1.8V的電路，高電壓VSH可以是1.8V，低電壓VSL可以是0V。 另外對於取樣電路TSH的控制信號Gn(t)，其電壓位準則分別使用高電壓VGH以及低電壓VGL表示。
取樣電路TSH電性耦接於第一感光元件T1的第一端，用以讀取感測電壓Va。在第1圖中以一個電晶體作為取樣電路TSH的範例，此僅為示例性說明，取樣電路TSH亦可以是記憶體中的感測放大器(sense amplifier)、類比數位轉換器中的預放大 電路(pre-amplifier)、或其他適於連續性或離散性對感測電壓Va進行取樣的電路。
在第1圖的實施例中，第一開關元件TSW1與第二開關元件TSW2皆使用NMOS電晶體實作，當然還有其他此發明領域中的通常手段可應用作為開關元件，並不限定於使用NMOS電晶體。由於第一開關元件TSW1的控制端接收第一控制信號Sn1(t)與第二控制信號Sn2(t)其中之一者，第二開關元件TSW2的控制端接收第一控制信號Sn1(t)與第二控制信號Sn2(t)其中之另一者，而第三感光元件T3的第二端接收第一控制信號Sn1(t)，第四感光元件T4的第二端接收第二控制信號Sn2(t)，以此方式連接可以減少電路中所需的控制信號線數量，並能夠達到所需實現的光感測操作，詳細操作過程將於以下說明。
以下詳細說明本發明的各個實施例。第2圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路101示意圖，需說明的是，在所附圖式的第2圖~第25圖，將使用不同框線的圓形來代表通過不同顏色的濾光元件。在第2圖中，第一濾光元件CF1(實線框線)用以通過第一色光(例如藍光)、第二濾光元件CF2(長短線段交錯的虛線框線)用以通過第二色光(例如綠光)、第三濾光元件CF3(實線)用以通過第一色光(藍光)、第四濾光元件CF4(實線)用以通過第一色光(藍光)。光感測電路101為放電式，第一開關元件TSW1係回應於第二控制信號Sn2(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2係回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通。
在另一實施例中，如第3圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路102示意圖。光感測電路102更包括第五感光元件T5，具有第一端及第二端，第五感光元件T5的第二端電性耦接第一感光元件T1的第二端，第五感光元件T5的第一端電性耦接電壓源(此例中為高電壓VSH)，第五感光元件T5被第五濾光元件CF5覆蓋，第五濾光元件CF5(短線段組成的虛線框線)係用以通過第三色光(例如紅光)。光感測電路102亦為放電式，第一開關元件TSW1係回應於第二控制信號Sn2(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2係回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通。
在第2圖以及第3圖所示的實施例中，藉由設置第二感光元件T2(及第五感光元件T5，其中第五感光元件T5為可選擇性設置)，並且使用不同顏色的濾光元件，可使得光感測電路101及光感測電路102能夠有效排除環境光的干擾。此外，藉由設置並聯的第三感光元件T3以及第四感光元件T4，並且使用相同顏色的濾光元件，可以使得第三感光元件T3與第四感光元件T4交替操作，而能夠降低電晶體的工作週期，以避免電晶體因長時間承受汲極-源極電壓而導致的臨界電壓飄移現象，如此能夠提高電路的穩定性與可靠度，延長電路之有效操作時間。以下搭配信號時序圖說明操作流程。
第2圖以及第3圖所示電路操作原理類似，皆是屬於放電式光感測電路，以第3圖作為範例說明。以下例子並以第一色光為藍光、第二色光為綠光、第三色光為紅光作為範例，然而本 發明並不限於此，第一色光、第二色光、第三色光亦可以是不同的排列方式。第4圖繪示對應於第3圖電路的信號時序圖。光感測電路102交替操作於第一操作模式與一第二操作模式之間，第一操作模式包括第一重置時間區間、第一感測時間區間、及第一取樣時間區間，第二操作模式包括第二重置時間區間、第二感測時間區間、及第二取樣時間區間。
第5圖繪示第3圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。於第一重置時間區間，第一控制信號Sn1(t)為高電壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，第一開關元件TSW1導通，且第二開關元件TSW2導通，因此電流方向如第5圖箭頭所示，對電容C1充電，使感測電壓Va充電至高重置電位。取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為低電壓VGL，取樣電路TSH此時為斷開狀態。在圖示中，於電晶體旁邊標示off以代表電晶體操作於截止區，或稱為次臨界區。
第6圖繪示第3圖電路於第一感測時間區間的操作示意圖。於第一感測時間區間，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，因此第一開關元件TSW1導通，第二開關元件TSW2不導通。若此時照射藍光於光感測電路102，則第一感光元件T1及第三感光元件T3會受光激發而產生電流，如第6圖的虛線箭頭所示，如此會使得感測電壓Va下降，例如下降到約等於第一控制信號Sn1(t)的低電壓VSL。而第二感光元件T2用以感測綠光，第五感光元件T5用以感測紅光，因此當照射 藍光於光感測電路102時，第二感光元件T2與第五感光元件T5皆不會產生光電流。另外，由於第二開關元件TSW2此時為斷開狀態，因此第四感光元件T4亦不會有電流通過。亦即，在第一感測時間區間，第四感光元件T4相當於休息狀態，此時第四感光元件T4的三個端點電壓皆為高電壓VSH，因此降低了第四感光元件T4所承受的汲極-源極電壓差，能夠減緩第四感光元件T4的臨界電壓飄移現象。
而若此時照射白光於光感測電路102，白光為廣頻域分布，即具有各種頻率的顏色成份，因此不僅第一感光元件T1與第三感光元件T3會產生光電流，第二感光元件T2與第五感光元件T5亦會產生光電流。留意第二感光元件T2與第五感光元件T5的第一端係耦接高電壓VSH，而第一感光元件T1與第三感光元件T3的第二端係耦接低電壓VSL，因此第二感光元件T2與第五感光元件T5產生的光電流會使得節點電壓Vb上升。經由適當的設計，例如調整電晶體的尺寸或寬度，使得第二感光元件T2與第五感光元件T5的通道寬度大於第一感光元件T1與第三感光元件T3的通道寬度，藉由克希荷夫電流定律分析第一感光元件T1第二端的節點(節點電壓Vb)，可以得到在照射白光時，感測電壓Va的電壓值會接近於高電壓VSH，與照射藍光時感測電壓Va接近低電壓VSL的情形不同。
換句話說，在上述實施例中，感測電壓Va對應於藍光的電壓值與對應於白光或多色光的電壓值不同。經由適當的設 計，只有當藍光光通量相對於綠光(若僅使用第二感光元件T2)與紅光(若使用第二感光元件T2以及第五感光元件T5)光通量的比值大於一個門檻值時，感測電壓Va才會在第一感測時間區間被拉低到低電壓VSL。此門檻值例如是2，門檻值可視應用與設計需求調整，可藉由改變電晶體的尺寸調整門檻值。由上述的設計，實現了對環境光不敏感的光感測電路。
第7圖繪示第3圖電路於第一取樣時間區間的操作示意圖。於第一取樣時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，與第一感測時間區間相同，第一開關元件TSW1導通，且該第二開關元件TSW2不導通。取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為高電壓VGH，可將感測電壓Va輸出至輸出節點OUT，取樣電路TSH用以取得第一感光元件T1第一端的電壓。輸出節點OUT可耦接一個讀取電路(Readout Circuit)，以讀取感測結果。
第二重置時間區間與第一重置時間區間的操作相同，對電容C1充電，使得感測電壓Va充電至高重置電位，於此不再重複贅述。第8圖繪示第3圖電路於第二感測時間區間的操作示意圖。於第二感測時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為高電壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通。若此時照射藍光於光感測電路102，則第一感光元件T1及第四感光元件T4會受光激發而產生電流，如第8圖的虛線箭頭所示，如此會使得感測電壓Va下降。若此時照 射白光於光感測電路102，第二感光元件T2與第五感光元件T5亦會產生光電流。經由適當設計，可使得感測電壓Va對應於藍光的電壓值與對應於白光或多色光的電壓值不同，此處不再重複贅述。
在第二感測時間區間中，第三感光元件T3為休息狀態，第三感光元件T3的三個端點電壓皆為高電壓VSH，降低了第三感光元件T3所承受的汲極-源極電壓差。亦即，在此實施例中，於第一操作模式與第二操作模式中，第三感光元件T3與第四感光元件T4係輪流交替工作，可避免電晶體長時間操作，而能夠改善臨界電壓飄移現象。
第9圖繪示第3圖電路於第二取樣時間區間的操作示意圖。於第二取樣時間區間中，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通，取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為高電壓VGH，可將感測電壓Va輸出至輸出節點OUT，操作類於似第一取樣時間。
第2圖及第3圖所繪示為放電式光感測電路，以下更說明充電式光感測電路實施例，第10圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路103示意圖。光感測電路103與第3圖所示的光感測電路102架構類似，第五感光元件T5亦為可選擇性設置。差異點說明如下：於充電式光感測電路103，電容C1耦接的電壓源是低電壓VSL，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)耦接的電壓源是低電壓VSL。第一開關元件TSW1回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2回應於第二控制信號Sn2(t)選擇 性地導通。第二感光元件T2(及第五感光元件T5)更具有一控制端，用以接收重置切換信號SW(t)。
第10圖所示為一種充電式光感測電路的實施例，其中第二感光元件T2的控制端直接由外部給予重置切換信號SW(t)，此為一種實作方式。在另一實施例中，第二感光元件T2亦可連接為二極體連接形式，將第二感光元件T2的控制端連接至低電壓VSL，如此亦可以實現充電式光感測電路。在充電式光感測電路103當中，第一感光元件T1、第三感光元件T3、第四感光元件T4為二極體連接形式，由於在感測階段是要對電容C1充電，因此二極體的陽極在圖中的上端、陰極在下端，以配置為逆向偏壓狀態。充電式光感測電路103當中的第一感光元件T1、第三感光元件T3、第四感光元件T4的連接形式與第3圖所示放電式光感測電路102不同。
第11圖繪示對應於第10圖電路的信號時序圖，光感測電路103交替操作於第一操作模式與一第二操作模式之間，第一操作模式包括第一重置時間區間、第一感測時間區間、及第一取樣時間區間，第二操作模式包括第二重置時間區間、第二感測時間區間、及第二取樣時間區間。
第12圖繪示第11圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。於第一重置時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2不導通。重置切換信號SW(t)為高電壓 VSH，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)受重置切換信號SW(t)控制而導通，因此如第12圖箭頭所示，對電容C1放電，使圖中感測電壓Va放電至低重置電位。第二重置時間區間的操作與第一重置時間區間相同，因此不再重複贅述。
於第一感測時間區間，電壓源的電壓位準被提供至重置切換信號SW(t)，因此重置切換信號SW(t)為低電壓VSL，使得第二感光元件T2(及第五感光元件T5)操作於次臨界區。此時第二感光元件T2的第一端與第二端之間的導通程度，係依據第二感光元件T2是否接收到綠光而改變。第一控制信號Sn1(t)為高電壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，因此第一開關元件TSW1導通，第二開關元件TSW2不導通。若此時照射藍光於光感測電路103，則第一感光元件T1及第三感光元件T3會受光激發而產生電流，電流方向從第一控制信號Sn1(t)的高電壓VSH流向電容C1，如此會使得感測電壓Va上升，例如上升到約等於第一控制信號Sn1(t)的高電壓VSH。在第一感測時間區間，第四感光元件T4相當於休息狀態。若照射白光於光感測電路103，不僅第一感光元件T1與第三感光元件T3會產生光電流，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)亦會產生光電流，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)產生的光電流會降低節點電壓Vb。經由適當的設計，可使得感測電壓Va對應於藍光的電壓值與對應於白光或多色光的電壓值不同。
於第二感測時間區間，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，因此第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通。在第二感測時間區間，第三感光元件T3相當於休息狀態。於第一取樣時間區間及第二取樣時間區間中，取樣電路TSH的控制信號Gn(t)為高電壓VGH，取樣電路TSH用以取得第一感光元件T1第一端的電壓。
根據上述第2圖~第12圖所繪示多個實施例的光感測電路，不論是放電式或充電式光感測電路，可藉由使用兩個搭配相同顏色濾光元件的感光元件，在第一操作模式以及第二操作模式交替輪流使用，而能夠增加電路在長時間操作之穩定性與可靠度，達到延長電路之有效操作時間。並且由於開關元件的控制信號電性耦接至感光元件的一端，能夠共用控制信號，如此可以節省電路中所需的繞線面積，降低設計複雜度並且提升產品良率，尤其當面臨大面板尺寸時，更能顯著地降低硬體成本與電路面積，並能夠提升畫素之開口率。
以下說明本發明的另一應用實施例，第13圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路104示意圖。在第13圖中，第一濾光元件CF1用以通過第一色光(例如藍光)、第二濾光元件CF2(長短線段交錯的虛線框線)用以通過第二色光(例如綠光)、第三濾光元件CF3(短線段組成的虛線框線)用以通過第三色光(例如紅光)、第四濾光元件CF4(實線)用以通過第一色光(藍光)。光感測電路104為放電式，第一開關元件TSW1係回應於第二控制信號 Sn2(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2係回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通。
在另一實施例中，第14圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路105示意圖。光感測電路105更包括第五感光元件T5，具有第一端及第二端，第五感光元件T5的第二端電性耦接第四感光元件T4的第一端，第五感光元件T5的第一端電性耦接電壓源(此例中為高電壓VSH)，第五感光元件T5被第五濾光元件CF5覆蓋，第五濾光元件CF5(短線段組成的虛線框線)係用以通過第三色光(紅光)。光感測電路105亦為放電式，第一開關元件TSW1係回應於第二控制信號Sn2(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2係回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通。
在第13圖以及第14圖所示的實施例中，藉由設置第二感光元件T2(及第五感光元件T5，其中第五感光元件T5為可選擇性設置)，並且使用不同顏色的濾光元件，可使得光感測電路104及光感測電路105能夠有效排除環境光的干擾。此外，藉由設置並聯的第三感光元件T3以及第四感光元件T4，並且使用不同顏色的濾光元件，例如第三濾光元件CF3通過紅光，第四濾光元件CF4通過藍光，可以將感測兩種不同色光整合於同一畫素之光感測電路，使得電路可以偵測出更多不同顏色之光源輸入。同時因為不同色光的感測可整合，使得感測電路的間距能夠縮小，能夠提升畫素之解析度。以下搭配信號時序圖說明操作流程。
第13圖以及第14圖所示電路操作原理類似，皆是屬於放電式光感測電路，以第14圖作為範例說明。以下例子並以第一色光為藍光、第二色光為綠光、第三色光為紅光作為範例，然而本發明並不限於此，第一色光、第二色光、第三色光亦可以是不同的排列方式。第15圖繪示對應於第14圖電路的信號時序圖。 光感測電路105交替操作於第一操作模式與一第二操作模式之間，第一操作模式包括第一重置時間區間、第一感測時間區間、及第一取樣時間區間，第二操作模式包括第二重置時間區間、第二感測時間區間、及第二取樣時間區間。
第16圖繪示第14圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。於第一重置時間區間，第一控制信號Sn1(t)為高電壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，第一開關元件TSW1導通，且第二開關元件TSW2導通，因此如第16圖箭頭所示，對電容C1充電，使感測電壓Va充電至高重置電位。取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為低電壓VGL，取樣電路TSH此時為斷開狀態。
第17圖繪示第14圖電路於第一感測時間區間的操作示意圖。於第一感測時間區間，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，因此第一開關元件TSW1導通，第二開關元件TSW2不導通。留意第17圖中繪示的虛線箭頭(從電容C1指向第三感光元件T3)，此電流路徑通過串聯的第一感光元件T1(感測藍光)以及第三感光元件T3(感測紅光)。因此，在第一感測時間區間，光感測電路105需同時接收到藍光以及紅光 (例如紫光)足夠的強度，才能夠建立如虛線箭頭所示的電流路徑，使得感測電壓Va下降，例如下降到約等於第一控制信號Sn1(t)的低電壓VSL。
在第一感測時間區間，由於第二開關元件TSW2不導通，因此節點電壓Vb不受到第五感光元件T5的影響。而第二感光元件T2用以感測綠光，當照射藍光及紅光於光感測電路105時，第二感光元件T2不會產生光電流。倘若是照射白光於光感測電路105，則不僅第一感光元件T1與第三感光元件T3會產生光電流，第二感光元件T2亦會產生光電流。由於第二感光元件T2的第一端耦接高電壓VSH，第二感光元件T2所產生的光電流將會提高節點電壓Vb。經由適當的設計，例如調整電晶體的尺寸或寬度，可以使得感測電壓Va對應於紫光(第一感光元件T1及第三感光元件T3皆產生光電流)的電壓值與對應於白光的電壓值不同，如此即可實現對環境光不敏感的光感測電路。
第18圖繪示第14圖電路於第一取樣時間區間的操作示意圖。於第一取樣時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，與第一感測時間區間相同，第一開關元件TSW1導通，且該第二開關元件TSW2不導通。 取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為高電壓VGH，可將感測電壓Va輸出至輸出節點OUT，取樣電路TSH用以取得第一感光元件T1第一端的電壓。輸出節點OUT可耦接一個讀取電路。
第二重置時間區間與第一重置時間區間的操作相同，對電容C1充電，使得感測電壓Va充電至高重置電位，於此不再重複贅述。第19圖繪示第14圖電路於第二感測時間區間的操作示意圖。於第二感測時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為高電壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通。若此時照射藍光於光感測電路105，則第一感光元件T1及第四感光元件T4會受光激發而產生電流，如第19圖的虛線箭頭(從電容C1指向第四感光元件T4)所示，如此會使得感測電壓Va下降。若此時照射白光於光感測電路105，則第二感光元件T2(感應綠光)及第五感光元件T5(感應紅光)亦會產生光電流。由於第二感光元件T2(及第五感光元件T5)的第一端耦接高電壓VSH，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)所產生的光電流將會提高節點電壓Vb。經由適當設計，可使得感測電壓Va對應於藍光的電壓值與對應於白光或多色光的電壓值不同，此處不再重複贅述。
第20圖繪示第14圖電路於第二取樣時間區間的操作示意圖。於第二取樣時間區間中，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通，取樣電路TSH的控制信號Gn(t)此時為高電壓VGH，可將感測電壓Va輸出至輸出節點OUT，操作類於似第一取樣時間。
如上所述實施例的光感測電路104以及光感測電路105，在第一操作模式感測紫光(紅光與藍光的混合光)，在第二操 作模式感測藍光，如此能夠將兩種不同色光的感測整合於同一電路，降低了光感測電路的面積，因此能夠縮小多個光感測電路之間的間距，提升畫素解析度。同時，由於開關元件與感光元件共用控制信號，降低所需信號線數量，能夠提升畫素之開口率。
第21圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路106示意圖。在此實施例中，光感測電路106更包括第六感光元件T6，具有第一端及第二端，第六感光元件T6的第一端電性耦接第一感光元件T1的第一端，第六感光元件T6的第二端電性耦接第一感光元件T1的第二端，即第六感光元件T6並聯於第一感光元件T1。第六感光元件T6被第六濾光元件CF6覆蓋，第六濾光元件CF6係用以通過第三色光(紅光)。第21圖所示實施例中，第一濾光元件CF1及第四濾光元件CF4用以過過第一色光(藍光)，第二濾光元件CF2用以通過第二色光(綠光)，第三濾光元件CF3及第六濾光元件CF6用以過過第三色光(紅光)。
光感測電路106的操作原理類似於光感測電路104及光感測電路105，各個時間區間的詳細操作不再重複贅述。藉由第一感光元件T1及第六感光元件T6並聯，不論照射藍光或紅光於光感測電路時，第一感光元件T1及第六感光元件T6其中至少一個會產生光電流。而藉由第一開關元件TSW1與第二開關元件TSW2交替開關切換，可以在第一操作模式感測紅光，在第二操作模式感測藍光。
如第13圖、第14圖、第21圖所示的光感測電路，能夠將兩種色光的感測整合於同一電路，且兩種色光可以是光的三原色，亦可以是三原色的混色。舉例而言，同一電路的兩種色光可以是選自紅色光、藍色光、綠色光、紫色光(紅色光與藍色光的混合光)、黃色光(紅色光及綠色光的混合光)、青色光(藍色光與綠色光的混合光)。光感測電路可應用於偵測光筆輸入，由於具備有六種顏色，因此光筆可以有六種色彩輸入，皆可以成功讀取，並且由於可將兩種顏色的感測器整合在一個畫素電路，縮小了光感測電路之間的距離，更能夠提高成功取樣光筆輸入資料的機會。
第22圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路與像素配置示意圖。在一實施例中，顯示面板包括多個像素單元，每個像素單元可包含三個子像素，例如是第一子像素PX1、第二子像素PX2、第三子像素PX3。第一子像素PX1配置有紅光感測電路SR與綠光感測電路SG，第二子像素PX2配置有藍光感測電路SB與紫光感測電路SP，且第一子像素PX1相鄰於第二子像素PX2。其中第二子像素PX2配置的光感測電路即是如第14圖所示，整合感測藍光與感測紫光於同一電路。而上述的於一個子像素單元配置一個感測電路為示例性說明，在另一實施例中，亦可以是多個像素單元配置一個感測電路。
第23圖繪示依照本發明第一實施例的光感測電路107示意圖。光感測電路107為充電式，光感測電路107與第14圖所示的光感測電路105架構類似，第五感光元件T5亦為可選擇性 設置。差異點說明如下：於充電式光感測電路107，電容C1耦接的電壓源是低電壓VSL，第二感光元件T2(及第五感光元件T5)耦接的電壓源是低電壓VSL。第一開關元件TSW1回應於第一控制信號Sn1(t)選擇性地導通，第二開關元件TSW2回應於第二控制信號Sn2(t)選擇性地導通。第二感光元件T2更具有一控制端，用以接收重置切換信號SW(t)。
第23圖所示為一種充電式光感測電路的實施例，其中第二感光元件T2的控制端直接由外部給予重置切換信號SW(t)，此為一種實作方式。在另一實施例中，第二感光元件T2亦可連接為二極體連接形式，將第二感光元件T2的控制端連接至低電壓VSL，如此亦可以實現充電式光感測電路。
第24圖繪示對應於第23圖電路的信號時序圖。第25圖繪示第23圖電路於第一重置時間區間的操作示意圖。於第一重置時間區間中，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2不導通。重置切換信號SW(t)為高電壓VSH，第二感光元件T2受重置切換信號SW(t)控制而導通，因此如第25圖箭頭所示，對電容C1放電，使圖中感測電壓Va放電至低重置電位。第二重置時間區間的操作與第一重置時間區間相同，因此不再重複贅述。
於第一感測時間區間，電壓源的電壓位準被提供至重置切換信號SW(t)，因此重置切換信號SW(t)為低電壓VSL，使得第二感光元件T2操作於次臨界區。第一控制信號Sn1(t)為高電 壓VSH、第二控制信號Sn2(t)為低電壓VSL，因此第一開關元件TSW1導通，第二開關元件TSW2不導通。在第一感測時間區間，若照射紫光(紅光與藍光的混合光)於光感測電路107，則會使得感測電壓Va上升；若是照射白光於光感測電路107，第二感光元件T2亦會產生光電流，第二感光元件T2所產生的光電流將會降低節點電壓Vb。經由適當的設計，例如調整電晶體的尺寸或寬度，可以使得感測電壓Va對應於紫光的電壓值與對應於白光的電壓值不同，如此即可實現對環境光不敏感的光感測電路。
於第二感測時間區間，第一控制信號Sn1(t)為低電壓VSL、第二控制信號Sn2(t)為高電壓VSH，因此第一開關元件TSW1不導通，第二開關元件TSW2導通，此時光感測電路可以感測藍光，相關敘述可參考先前實施例。而第一取樣時間區間及第二取樣時間區間的操作亦與先前多個實施例類似，於此不再贅述。
根據上述第13圖~第25圖所繪示多個實施例的光感測電路，不論是放電式或充電式光感測電路，可將兩種色光的感測整合於同一電路，在時間軸上錯開對於不同色光的感測，而能夠使用單一電路交錯偵測兩種不同色光。如此可以提升電路感測更多不同顏色之應用，並且使得光感測電路之間的間距能夠縮短，而提升解析度，當應用於偵測光筆輸入時，可以讀取較細的光筆筆跡。並且由於開關元件的控制信號電性耦接至感光元件的一端，能夠共用控制信號，如此可以節省電路中所需的繞線面積，尤其當面臨大面板尺寸時，更能顯著地降低硬體成本與電路面 積，並能夠提升畫素之開口率。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

Claims (15)

  1. 一種光感測電路，包括：一第一感光元件，具有一第一端及一第二端，該第一感光元件被一第一濾光元件覆蓋，該第一濾光元件係用以通過一第一色光；一電容，電性耦接於該第一感光元件的該第一端與一電壓源之間；一取樣電路，電性耦接於該第一感光元件的該第一端；一第二感光元件，具有一第一端及一第二端，該第二感光元件的該第二端電性耦接於該第一感光元件的該第二端，該第二感光元件的該第一端電性耦接該電壓源，該第二感光元件被一第二濾光元件覆蓋，該第二濾光元件係用以通過一第二色光；一第三感光元件，具有一第一端及一第二端，該第三感光元件的該第二端用以接收一第一控制信號，該第三感光元件被一第三濾光元件覆蓋；一第四感光元件，具有一第一端及一第二端，該第四感光元件的該第二端用以接收一第二控制信號，該第四感光元件被一第四濾光元件覆蓋，該第四濾光元件係用以通過該第一色光；一第一開關元件，電性耦接於該第一感光元件的該第二端與該第三感光元件的該第一端之間，該第一開關元件用以回應於該第一控制信號與該第二控制信號其中之一者選擇性地導通；以及一第二開關元件，電性耦接於該第一感光元件的該第二端與該第四感光元件的該第一端之間，該第二開關元件用以回應於該第一控制信號與該第二控制信號其中之另一者選擇性地導通。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路，其中該第三濾光元件係用以通過該第一色光。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之光感測電路，更包括一第五感光元件，具有一第一端及一第二端，該第五感光元件的該第二端電性耦接該第一感光元件的該第二端，該第五感光元件的該第一端電性耦接該電壓源，該第五感光元件被一第五濾光元件覆蓋，該第五濾光元件係用以通過一第三色光。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路，其中該第三濾光元件係用以通過一第三色光。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之光感測電路，更包括一第五感光元件，具有一第一端及一第二端，該第五感光元件的該第二端電性耦接該第四感光元件的該第一端，該第五感光元件的該第一端電性耦接該電壓源，該第五感光元件被一第五濾光元件覆蓋，該第五濾光元件係用以通過該第三色光。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之光感測電路，更包括一第六感光元件，具有一第一端及一第二端，該第六感光元件的該第一端電性耦接該第一感光元件的該第一端，該第六感光元件的該第二端電性耦接該第一感光元件的該第二端，該第六感光元件被一第六濾光元件覆蓋，該第六濾光元件係用以通過該第三色光。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之光感測電路，其中該光感測電路係用以交替操作於一第一操作模式與一第二操作模式之間，該第一操作模式包括一第一重置時間區間、一第一感測時間區間、及一第一取樣時間區間，該第二操作模式包括一第二重置時間區間、一第二感測時間區間、及一第二取樣時間區間。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路，其中該第一開關元件用以回應於該第二控制信號選擇性地導通，該第二開關元件用以回應於該第一控制信號選擇性地導通。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之光感測電路，其中於該第一重置時間區間及該第二重置時間區間中，該第一開關元件用以導通，且該第二開關元件用以導通，以對該電容充電。
  10. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路，其中該第一開關元件用以回應於該第一控制信號選擇性地導通，該第二開關元件用以回應於該第二控制信號選擇性地導通。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之光感測電路，其中該第二感光元件更具有一控制端，用以接收一重置切換信號，於該第一重置時間區間及該第二重置時間區間中，該第一開關元件用以不導通，且該第二開關元件用以不導通，該第二感光元件用以受該重置切換信號控制而導通以對該電容放電。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之光感測電路，其中於該第一感測時間區間及該第二感測時間區間中，該電壓源的電壓位準被提供至該重置切換信號。
  13. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路，其中於該第一感測時間區間及該第一取樣時間區間中，該第一開關元件用以導通，且該第二開關元件用以不導通。
  14. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路，其中於該第二感測時間區間及該第二取樣時間區間中，該第一開關元件用以不導通，且該第二開關元件用以導通。
  15. 如申請專利範圍第7項所述之光感測電路，其中於該第一取樣時間區間及該第二取樣時間區間中，該取樣電路用以取得該第一感光元件的該第一端的電壓。
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