TWI655568B - Multi-function sensing display - Google Patents

Abstract

一種多功能感測顯示器包含多個光感測器，特別的是，該等光感測器設置於第一基板並位於該黑色矩陣下方，且至少部分的光感測器會自該黑色矩陣下方延伸至對應的該畫素區域內，而讓該多功能感測顯示器可利用單一光感測器即具有紅外線感測及彩色感測功能。

Description

多功能感測顯示器

本發明是有關於一種顯示器，特別是指一種可同時具有紅外線感測及彩色感測的多功能感測顯示器。

目前一般的顯示器大都只有顯示功能，欲令顯示器具有感測功能，目前常用的有觸控技術，利用直接觸碰顯示器的螢幕，藉由感測觸碰點位置的電容或電阻的變化，而達成觸控感測的功能；或是利用外設的感測器，感應物體的影像位置，再於顯示螢幕上同步顯示感測位置，而達成非觸碰式的虛擬觸控目的。例如，以最近熱門的體感遊戲為例，其主要就是利用外接一個具有一個可見光(或RGB)影像鏡頭、一紅外線光源，及一個紅外線感測鏡頭的感應器，利用該感應器感應外界的影像動作，並接收該影像將其同步顯示於螢幕，而達成虛擬觸控的目的。

然而，以前述虛擬觸控技術而言，由於須要額外接一個感應器，不僅使用上較為麻煩，且當物體太靠近該感應器時就會有無法感測的問題，所以會有使用距離的限制。為了改善前述須要外接紅外線感測器的缺點，美國專利US8416227B2號揭示直接在顯示器的畫素區域形成光感測器，並於該畫素區域中對應設置光感測器的濾光區設 置僅可讓紅外光通過的濾光片(infrared red light transmitting filter 3)，讓顯示器同時具有影像顯示與紅外線感測的功能，而不須以外接方式連接紅外線感測器；此外，若是須要具有彩色感測功能，美國專利公開第2007/0229424A1則揭示直接橫跨設置在R、G、B次畫素中的光感測器，以達到彩色感測功能。

因此，本發明之目的，即在提供一種以單一光感測器即可同時具有紅外線及彩色感測功能的多功能感測顯示器。

於是本發明的多功能感測顯示器，包含：一第一基板、一第二基板、多個光感測單元，及一背光單元。

一第一基板，具有多條分別沿彼此相交的一第一方向及一第二方向間隔排列的資料電極線及掃描電極線，且任兩相鄰的資料電極線及掃描電極線共同界定出一個畫素區域。

一第二基板，與該第一基板間隔設置，具有多個對應該等畫素區域的透光區及一個令該等透光區彼此間隔不相接觸的黑色矩陣，且該黑色矩陣為由可見光不可穿透，紅外光可穿透的材料構成。

多個光感測單元，對應該等畫素區域而形成於該第一板，該每一個光感測單元具有一光感測器及一與該光感測器電連接的第一光電開關，該光感測器具有一位於該黑色矩陣下方且至少部分位於該等資料電極線或掃描電 極線其中任一上的IR感測區，且其中至少部分的光感測器還具有自該IR感測區延伸至對應的該透光區的一畫素感測區。

一背光單元，用以提供顯示及感測用光源。

本發明之功效在於：利用將光感測單元從黑色矩陣下方延伸至畫素區域的透光區內，令該光感測單元可同時具有紅外光感測及彩色感測功能。

x‧‧‧第一方向

y‧‧‧第二方向

100‧‧‧顯示面

101‧‧‧顯示區域

102‧‧‧邊框區

21‧‧‧第一基板

211‧‧‧畫素電極

212‧‧‧第二光電開關

22‧‧‧第二基板

221‧‧‧透光區

R221‧‧‧紅色濾光片

G221‧‧‧綠色濾光片

B221‧‧‧藍色濾光片

222‧‧‧黑色矩陣

223‧‧‧共電極

23‧‧‧光感測單元

231‧‧‧光感測器

232‧‧‧第一光電開關

233‧‧‧IR感測區

234‧‧‧畫素感測區

24‧‧‧感測光源

25‧‧‧背光單元

251‧‧‧導光板

252‧‧‧光源

26‧‧‧微投影器

R‧‧‧R畫素

G‧‧‧G畫素

B‧‧‧B畫素

W‧‧‧W畫素

S‧‧‧掃描電極線

D‧‧‧資料電極線

Vcom‧‧‧共同電位線

Vcom1‧‧‧顯示共同電位線

Vcom2‧‧‧感測共同電位線

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明本發明第一實施例；圖2是一俯視示意圖，輔助說明該第一實施例的其中一個畫素區域結構；圖3是一剖視示意圖，輔助說明該第一實施例的其中一個畫素區域結構；圖4是一電路示意圖，輔助說明圖3；圖5是一電路示意圖，輔助說明該第一實施例；圖6是一電路示意圖，輔助說明該第一實施例；圖7是一電路示意圖，輔助說明該第一實施例；圖8是一電路示意圖，輔助說明該第一實施例中還具有一放大器的電路狀態；圖9是一示意圖，說明該等畫素排列的其中一態樣；圖10是一示意圖，說明該等畫素排列的另一態樣；及圖11是一示意圖，說明本發明第二較佳實施例。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

本發明的多功能感測顯示器是以「液晶」做為畫素開/關的液晶顯示器架構，做為本發明該多功能感測顯示器的實施例為例做說明，但實際使用時不以此為限。

參閱圖1~3，本發明該多功能感測顯示器的一第一實施例具有一個第一基板21、一個第二基板22、多個光感測單元23、一個紅外線感測光源24，及一個背光單元25。其中，圖1為本發明該第一實施例的立體示意圖，圖2為該第一實施例中，其中一個畫素區域的俯視示意圖，圖3為該第一實施例中，其中一個畫素區域的剖視示意圖。

該第一基板21具有多條形成於該第一基板21內，分別沿彼此相交的一第一方向x及一第二方y向間隔排列的掃描電極線S、資料電極線D、多個形成於該第一基板21表面的畫素電極211，以及多個分別與該等畫素電極211配合的第二光電開關212，其中，任兩相鄰的資料電極線D及掃描電極線S共同界定出一個畫素區域，且該每一個畫素區域具有一個畫素電極211及一個第二光電開關212。

該第二基板22與該第一基板21間隔設置，其外表面即為用以顯示的顯示面100，且該顯示面100具有一顯示區101及一環圍該顯示區101的邊框區102。該第二 基板22具有多個對應該等畫素區域的透光區221、一個令該等透光區221彼此間隔不相接觸的黑色矩陣222，及一個共電極223。該黑色矩陣222為由可見光不可穿透，紅外光可穿透的材料構成，該等透光區221具有分別可讓紅光、綠光，及藍光通過的紅色濾光片R221、綠色濾光片G221，及藍色濾光片B221，該共電極223為覆蓋於該等紅色濾光片R221、綠色濾光片G221，及藍色濾光片B221及黑色矩陣222。該具有紅色濾光片R221的畫素區域定義為R畫素，具有綠色濾光片G221的畫素區域定義為G畫素，而具有藍色濾光片B221的畫素區域定義為B畫素。其中，該R、G、B畫素可用以分別顯示紅光、綠光及藍光，該等第二光電開關212是用以控制該等畫素區域的電壓。

前述該第一基板21即為業界習知之TFT側基板，該第二基板22即為彩色濾光片側基板，而於該第一、二基板21、22之間則夾設一層液晶層(圖未示)，由於該第一、二基板21、22其它的細部結構為本技術領域者所習知，因此在此不再多加贅述。

該等光感測單元23為對應該等畫素區域，並設置於該第一基板21。其中，該每一個光感測單元23具有一可接收光能的光感測器231及一與該光感測器231電連接的第一光電開關232。

具體的說，該每一個光感測器231具有一IR感測區233，該IR感測區233位於該黑色矩陣222下方，且 至少部分位於該等資料電極線D或掃描電極線S其中任一上，且至少其中部分的光感測器231還會具有自該IR感測區233朝向對應的該透光區221延伸的一畫素感測區234。於本實施例中，是以該每一個光感測器231均具有該IR感測區233及該畫素感測區234為例做說明，然而，於實際運用時，可視感測度需求及所應用的顯示面板尺寸，而加以調整該等光感測器231之畫素感測區234的數量及面積。

圖2中假想線標示範圍內即為對應該第二基板22的透光區221，而假想線外的區域，包含該等資料電極線D或掃描電極線S，該光感測器231具有一位於該黑色矩陣222下方，且部分位於該資料電極線D上的IR感測區233，及一自該IR感測區233延伸到該透光區222的該畫素感測區234。

由於該光感測器231是同時具有位於該黑色矩陣222下方及位於該透光區222內的該IR感測區233及畫素感測區234，因此，當用於紅外光感測時，由於紅外光僅可經由該黑色矩陣222進入該等光感測器231，因此，可利用該等光感測器231的該等IR感測區233感測紅外光源；當用於彩色感應時，例如用於感測綠光時，因為綠光僅可通過綠色濾光片G221進入該透光區222，因此，可藉由對應該綠色濾光片G221設置的該光感測器231的畫素感測區234而感測到綠光；同理，當藍光及紅光分別通過藍色濾光片B221、紅色濾光片R221而進入該等透光 區222時，則可藉由對應該等藍色濾光片B221及紅色濾光片R221設置的該等光感測器231的畫素感測區234感測到藍光及紅光，而可用於彩色感測。

此外，要再說明的是，該等光感測器231的設置方式可視需求，或是顯示器的尺寸而有不同型態的設計，例如，當該顯示器為大尺寸時，可以是僅於該等R、G、B畫素其中一側邊的資料電極線D或掃描電極線S上形成該等光感測器231；而當該顯示器的尺寸較小，或是有較高的感測度需求時，則可以適當的增加該等光感測器231的數量或是面積，例如，該等光感測器231的IR感測區233可以是對應形成於該每一個R、G、B畫素的其中一側邊的資料電極線D或掃描電極線S的位置，並具有延伸至每一個相對應的該透光區221的畫素感測區234，或是該等光感測器231的IR感測區233也可以是同時形成於對應該資料電極線D及掃描電極線S的位置，而形成環圍一個畫素(例如R畫素)，或二個畫素(例如R、G畫素)，或是三個畫素(R、G、B畫素)，並將該畫素感測區234延伸至該對應的該畫素區域的透光區221的結構型態，以增加感測面積。由於該等光感測器231的IR感測區233是位於該黑色矩陣222下方的位置，並位於該等資料電極線D及/或掃描電極線S上，因此，可以提供較大的IR感測面積；此外，為了增強該等光感測器231的彩色感測訊號，也可把用於感測相同光色之光感測器231的訊號相連接，而用以增強畫素感測度。

具體的說，該等光感測器231可為光二極體或光電晶體，而該第一、二光電開關232、212可為薄膜電晶體(Thin film transistor)。較佳地，該第一、二光電開關232、212為氧化銦鎵鋅(IGZO)、多晶矽，或非晶矽薄膜電晶體，該等光感測器231可選自非晶矽、微晶矽、多晶矽等可吸收全波長太陽光的半導體材料、或是選自能隙介於1.12~3.4eV的有機或無機材料所構成的光二極體。

該等光感測器231於吸收光線後可產生光電流，光電流則可藉由相對應的該等第一光電開關232進行轉換後對外傳輸電訊號。詳細的說，該每一個光感測單元23的第一光電開關232與對應控制該畫素區域的該第二光電開關212可以共用同一條掃描電極線S及資料電極線D，或者是各別使用獨立的掃描電極線S及/或資料電極線D，且該畫素電極211與該光感測單元23也可共用一條共同電位線Vcom，或是使用各自獨立的共同電位線Vcom。當該畫素電極211與光感測單元23為使用各自獨立的共同電位線Vcom時，其中一條與該畫素電極211電連接的共同電位線定義為顯示共同電位線Vcom1，而與該光感測單元23電連接的共同電位線則定義為感測共同電位線Vcom2，此外，該等第二光電開關212可做在掃瞄電極線S上，或是凸出於該掃瞄電極線S而位於該畫素區域內；圖2所示為該第一光電開關232、該第二光電開關212及共同電位線Vcom，且該第二光電開關212是形成於該掃瞄電極線S的態樣。

要說明的是，當該第一光電開關232與該第二光電開關212為共用資料電極線D時，為了避免寫入及讀出的訊號互相干擾混淆，因此，該第一光電開關232與該第二光電開關212應為不同電性種類的薄膜電晶體，例如，當該第一光電開關232為n-type TFT(NMOS)，則該第二光電開關212為p-type TFT(PMOS)。

配合參閱圖4，圖4為說明該等第一、二光電開關232、212共用掃描電極線S與資料電極線D的電路簡圖。由圖4可知，當同一掃描電極線(S2)及資料電極線(D9)的兩個TFT(圖4圈示處)被選擇後，該掃描電極線S2掃描訊號電壓波形的正半周，其中一個TFT(NMOS)是打開而另一個TFT(PMOS)則是關閉；而該掃描電極線S2掃描訊號電壓的下半波形則是相反，藉此使資料電極線D9的一半時間是讀出photodiode訊號(例如電流)，另一半時間則是寫入畫素電極電壓或訊號。此設計最適合須要高開口率的顯示器，例如手機。而因為需要同時用到NMOS及PMOS做為該第一、二光電開關232、212，因此，又以多晶矽薄膜電晶體(Poly-Si TFT)最適合。

配合參閱圖5~7，圖5~7是分別說明該第一光電開關232與第二光電開關212為共用掃描電極線S、獨立資料電極線D、獨立共同電位線Vcom；獨立掃描電極線S、共用資料電極線D、獨立共同電位線Vcom；或是各別使用獨立的掃描電極線S、資料電極線D及獨立共同電位線Vcom的態樣。當該第一、二光電開關232、212 為各別使用獨立的掃描電極線S，及/或資料電極線D時，該第一、二光電開關232、212，可為不同種類或是同種類的薄膜電晶體。

具體的說，如圖5所示，因為該第一、二光電開關232、212為共用掃描電極線S，並具有獨立的資料電極線D，因此，該兩個TFT被選擇後會同時打開，而因為具有不同的資料電極線D，所以可同時寫入或讀出；而以圖6所示，該第一、二光電開關232、212為具有獨立掃描電極線S，共用資料電極線D，因此，該兩個TFT在被選擇後可同時或不同時打開，但因為具有相同的資料電極線D，因此寫入或讀出必須錯開。而再以圖7所示，該第一、二光電開關232、212為各別使用獨立的掃描電極線S及資料電極線D而言，因為該等掃描電極線S及資料電極線D獨立分開，因此，該兩個TFT的開/關與資料的寫入與讀出不會相互干擾，此種結構設計可適合較大尺寸，並以a-Si TFT為主。

此外，要說明的是，當該多功能感測顯示器的尺寸愈大，或是驅動訊號頻率較高時，由於該等光感測器231所產生的訊號訊雜比要求變高，因此，參閱圖8，為了減少雜訊的干擾，本發明該光感測單元23還可再具有多個對應該等光感測器231的放大器233，放大自該光感測器231所傳輸之電訊號，以讓感測訊號更靈敏，該放大器233可選自與該第一、二光電開關232、212相同的薄膜電晶體。

該紅外線感測光源24設置於對應該邊框區102的位置，具有一個可發出紅外光線的紅外光源及一個透鏡，該紅外光源發出的紅外光線可經由該透鏡的作用而對外發出面型光。自該紅外線感測光源24發出的紅外光線被物體表面反射後再度進入該多功能感測顯示器的紅外光線，可被該等光感測器231的IR感測區233接收而產生IR感應訊號。具體的說，該紅外光源可選自紅外光LED(IR LED)或紅外光雷射(IR Laser)。

該背光單元25設置於該第一基板21遠離該第二基板22的一側，用以提供該多功能感測顯示器於顯示時所需的光線，並可用以提供畫素感測所需的光源。具體的說，該背光單元25具有一個導光板251，及多個設置於該導光板251的側面或表面的光源252。由於該背光單元25的相關結構為本技術領域所周知，因此不再贅述。適用於本發明該較佳實施例的光源252為白光LED、紅光LED、綠光LED、藍光LED、紅外光LED、或是含有紅外線螢光粉的白光LED、紅光LED、綠光LED，及藍光LED。當利用該背光單元25作為感測光源時，自該背光單元25發出的光線被物體表面反射後再度進入該多功能感測顯示器的各色光，則可被該等光感測器231的畫素感測區234接收而產生色光感測訊號。

要說明的是，本發明該第二基板22的透光區221還可再具有多個不具有濾光片，可讓全部光線透過的區域，而該不具有濾光片，可讓全部光線透過的區域定義 為W畫素，利用該W畫素的設置可增加該多功能感測顯示器的亮度。參閱圖9~圖10，圖9~圖10為該W畫素與該R、G、B畫素之間的組合及相關的排列方式。而當該透光區221不具有濾光片時，則對應的該光感測器231即不具有延伸至該不具濾光片的該透光區221的畫素感測區234，或是當該透光區221不具有濾光片時，則可選擇不設置該光感測器231。

值得一提的是，本發明該多功能感測顯示器，除了可做為一般顯示器及體感觸控顯示用之外，因為該等感測器231同時具有可提供紅外光線的感測光源24及彩色的背光源25，因此，該多功能感測顯示器還可做為彩色掃描器、紅外線溫度影像顯示器，及夜視影像顯示器等不同用途，而可更廣泛的應用於不同的領域。

參閱圖11，本發明該多功能感測顯示器的一第二較佳實施例具有一個第一基板21、一個第二基板22、一光感測單元23、一個感測光源24、一個背光單元25，及一微投影器26，由於該第一基板21、第二基板22、光感測單元23、紅外線感測光源24，及背光單元25的相關結構與該第一較佳實施例相同，因此不再多加贅述，該第二較佳實施例與該第一較佳實施例的差異在於該第二較佳實施例的多功能感測顯示器還具有該微投影器26。

該微投影器26與該紅外線感測光源24均設置在該第二基板22的邊框區102，並與該第一基板21電訊號連接，可用於投影出一自該多功能感測顯示器輸出的顯示影 像；此外，該微投影器26也可與該紅外線感測光源24及該光感測單元23相配合，例如，可利用該微投影器26投影出一鍵盤或是滑鼠之類的2D或3D虛擬影像，而可進一步藉由該紅外線感測光源24及該光感測單元23的配合，利用該鍵盤或是滑鼠的影像做為該多功能感測顯示器輸入及控制的虛擬感測影像。

具體的說，以一般使用者使用本發明該多功能感測顯示器的方向而言，該紅外線感測光源24可設置於該邊框區102的上方位置，該微投影器26可設置於靠近該邊框區102鄰近該紅外線感測光源24的位置，利用該微投影器26於該多功能感測顯示器的前方投影出一虛擬的影像，例如虛擬鍵盤影像，因此當利用物品(例如手指)於該虛擬鍵盤影像上進行輸入操作時，自該背光單元25或該紅外線感測光源24發出的光線會被反射，而該等光感測器231則可藉由接收該反射光線感測到手指的位置，據此，可利用該虛擬鍵盤影像做為該多功能感測顯示器輸入及控制的虛擬元件。

要說明的是，該微投影器26也可以是可旋轉的設置於該邊框區102，如此即可經由旋轉該微投影器26的方向而改變自該微投影器26投影出之影像的投影位置，可更方便不同的使用者觀看。

要再說明的是，當入射光波長大於950nm時，因為薄膜矽光二極體無法有效的感測波長大於950nm的光線，因此，當要利用該光感測單元23有效感測波長高於 950nm的入射光源時，該光感測器231須含有能隙小於1.12eV的有機或無機材料，例如HgCdTe。

此外，要再說明的是，該等光感測器231也可利用軟體將其區隔成多組可各自獨立作用的IR及RGB的感測或虛擬鏡頭，如此，即可利用該等虛擬鏡頭對多個位於該多功能感測顯示器外的物體同時進行感測及顯示，而不會互相干擾。

值得一提的是，本發明該等光感測器231為光二極體，且具有大面積的設置在該黑色矩陣222下方位置的IR感測區233，因此當不做為感測功能時，該等光感測器231於吸收紅外光源所產生之電能可以儲存，而做為供應該多功能感測顯示器的電源，又要說明的是，本發明該較佳實施例是以液晶做為該等畫素顯示開/關的液晶顯示器做說明，然而該等畫素的開/關除了可利用液晶之外，也可利用例如有機發光二極體(OLED)、電濕潤元件等做為畫素開/關的控制，而達成顯示的目的。

綜上所述，本發明利用將光感測器231設置於該第一基板21，並位於該黑色矩陣222下方，因此可讓顯示器可具有紅外線的感測功能；此外，藉由將該光感測器231自該黑色矩陣222下方位置延伸至對應的該畫素區域中，因此，還可用於該透光區221的光感測，而具有彩色感測功能，藉此，可令該多功能感測顯示器利用單一個光感測器即可同時具有紅外線與彩色感測功能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Claims (10)

1. 一種多功能感測顯示器，包含：一第一基板，具有多條分別沿彼此相交的一第一方向及一第二方向間隔排列的資料電極線及掃描電極線，且任兩相鄰的資料電極線及掃描電極線共同界定出一個畫素區域；及多個光感測單元，對應該等畫素區域而形成於該第一基板，每一個光感測單元具有一光感測器及一與該光感測器電連接的第一光電開關，該光感測器具有一位於一黑色矩陣下方且至少部分位於該等資料電極線或掃描電極線其中任一上的紅外光感測區，其中，該黑色矩陣為由可見光不可穿透，紅外光可穿透的材料構成，且其中至少部分的光感測器還具有自該紅外光感測區延伸至對應的該畫素區域的一畫素感測區。
2. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該多功能感測顯示器還包含一用以提供顯示用光源的背光單元，該等透光區具有多個分別可讓紅光、綠光，及藍光通過的紅色濾光片、綠色濾光片，及藍色濾光片。
3. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，還包含一紅外線感測光源，該感測光源具有一紅外線光源與一透鏡。
4. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，還包含一與該第一基板電訊號連接並用以對外投射影像的微投影器。
5. 如請求項4所述的多功能感測顯示器，其中，該微投影器是可旋轉的與該第一基板電訊號連接。
6. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該多功能感測顯示器還包含一用以提供顯示用光源的背光單元該背光單元具有多個光源，該等光源選自白光發光二極體、紅光發光二極體、綠光發光二極體、藍光發光二極體、遠紅外光發光二極體、或是含有紅外線螢光粉的白光發光二極體、紅光發光二極體、綠光發光二極體及藍光發光二極體。
7. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該每一個畫素區域具有一用以控制該畫素區域的電壓的第二光電開關，該第一、二光電開關為氧化銦鎵鋅、多晶矽，或非晶矽薄膜電晶體，該光感測器為選自非晶矽、微晶矽、多晶矽半導體材料，或是能隙介於1.12~3.4eV的有機或無機材料構成的光二極體。
8. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該光感測單元還具有一個用以調控該光感測器之輸出電流的放大器。
9. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該等畫素區域的顯示是利用液晶、有機發光二極體，或是電濕潤元件控制該等畫素區域的開關。
10. 如請求項1所述的多功能感測顯示器，其中，該多功能感測顯示器還包含一第二基板，與該第一基板間隔設置，具有多個對應該等畫素區域的透光區，該黑色矩陣位於該等透光區之間，並令該等透光區彼此間隔不相接觸且該其中至少部分的光感測器是自該紅外光感測區延 伸至對應的該等透光區。