TWI736332B - 用於觸控感測與光感測的畫素電路 - Google Patents

用於觸控感測與光感測的畫素電路 Download PDF

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Abstract

一種畫素電路，其包含儲存電容、觸控感測電路、讀取電路與光感測電路。儲存電容包含第一端和第二端。觸控感測電路用於依據儲存電容的第一端之電壓提供感測電流。當觸控感測電路感測到觸控輸入時，觸控感測電路降低感測電流。讀取電路耦接於觸控感測電路，用於依據第一控制訊號選擇性地將感測電流輸出至讀取線。光感測電路耦接於儲存電容的第一端與觸控感測電路。當光感測電路感測到第一色光時，光感測電路將儲存電容充電或放電。

Description

用於觸控感測與光感測的畫素電路
本揭示文件有關一種畫素電路，尤指一種用於觸控感測與光感測的畫素電路。
在近年來推出的顯示器中，能辨識光筆發出之光線顏色的光感測顯示器十分受到矚目，因使用者能直接以光筆在其螢幕上畫出顏色與光筆互相對應的線條，使得使用者能獲得如同使用白板筆一般直覺的使用者體驗。前述光感測顯示器的螢幕範圍分布有由有色濾光片所覆蓋的多個光感測畫素。這些光感測畫素除了用於辨識光筆發出之光線顏色，也可在某種程度上依據被使用者手指反射的環境光或是依據使用者手指造成的陰影而感測使用者的觸控位置。然而，在較昏暗的環境中，使用者的觸控位置與未觸控位置之間的亮度差異較小，使得前述光感測顯示器無法正確判斷使用者的觸控位置。
本揭示文件提供一種畫素電路，其包含儲存電容、觸控感測電路、讀取電路與光感測電路。儲存電容包含第一端和第二端。觸控感測電路用於依據儲存電容的第一端之電壓提供感測電流。當觸控感測電路感測到觸控輸入時，觸控感測電路降低感測電流。讀取電路耦接於觸控感測電路，用於依據第一控制訊號選擇性地將感測電流輸出至讀取線。光感測電路耦接於儲存電容的第一端與觸控感測電路。當光感測電路感測到第一色光時，光感測電路將儲存電容充電或放電。
上述實施例的優點之一，是在較昏暗的環境中也能正確判斷使用者的觸控位置。
以下將配合相關圖式來說明本揭示文件的實施例。在圖式中，相同的標號表示相同或類似的元件或方法流程。
圖示的某些元件的尺寸及相對大小會被加以放大，或者某些元件的形狀會被簡化，以便能更清楚地表達實施例的內容。因此，除非申請人有特別指明，圖示中各元件的形狀、尺寸、相對大小及相對位置等僅是便於說明，而不應被用來限縮本揭示文件的專利範圍。
第1圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路100的功能方塊圖。畫素電路100包含讀取電路110、觸控感測電路120、光感測電路130與儲存電容Cs。讀取電路110耦接於觸控感測電路120與讀取線101之間。具體而言，讀取電路110包含第一電晶體M1，且第一電晶體M1包含第一端、第二端與控制端。第一電晶體M1的第一端耦接於觸控感測電路120。第一電晶體M1的第二端耦接於讀取線101。第一電晶體M1的控制端用於接收第一控制訊號Ga。
儲存電容Cs的第一端耦接於觸控感測電路120，儲存電容Cs的第二端則耦接於第一電晶體M1的控制端且用於接收第一控制訊號Ga。觸控感測電路120用於依據儲存電容Cs的第一端之電壓(在下列段落中將簡稱為第一電壓V1)提供感測電流Is，其中讀取電路110會依據第一控制訊號Ga選擇性地將感測電流Is輸出至讀取線101。當觸控感測電路120感測到觸控輸入103(例如，使用者觸摸於畫素電路100的位置的手指)時，觸控感測電路120會降低感測電流Is的大小。具體而言，觸控感測電路120包含觸控感測電極122與第二電晶體M2，其中第二電晶體M2包含第一端、第二端與控制端。觸控感測電極122耦接於儲存電容Cs的第一端，且用於感測觸控輸入103。第二電晶體M2的第一端用於接收第一工作電壓VDD1。第二電晶體M2的第二端耦接於第一電晶體M1的第一端。第二電晶體M2的控制端耦接於觸控感測電極122與儲存電容Cs的第一端。
在一些實施例中，畫素電路100可應用於液晶顯示器，而讀取線101可用於耦接液晶顯示器中的積分器、類比數位轉換器及/或可編程的邏輯電路，使得液晶顯示器能判斷儲存電容Cs中儲存的電荷量以實現光感測與觸控感測功能。
第2圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路100的局部剖面圖。在第2圖的實施例中，畫素電路100是設置於液晶顯示器中，但本揭示文件不以此為限。如第2圖所示，液晶顯示器可包含液晶層LC、有色濾光片CF、黑色矩陣BM、上基板SBa、下基板SBb、共同電極CM與驅動電極DE，其中共同電極CM與驅動電極DE用於控制液晶層LC之跨壓以控制液晶分子之旋轉幅度。共同電極CM可以作為畫素電路100之觸控感測電極122，亦即觸控感測電極122除了用於感測觸控輸入103，也可用於提供電壓至液晶層LC。畫素電路100的儲存電容Cs可以設置於下基板SBb，且儲存電容Cs的第一端透過通孔VA耦接於共同電極CM。
換言之，畫素電路100可以用於實現內嵌式(in-cell)觸控感測與光感測結構，以降低液晶顯示器的厚度。
請再參考第1圖，光感測電路130耦接於儲存電容Cs的第一端與觸控感測電路120，且用於感測具有特定顏色(亦即，特定頻譜範圍)的第一色光La。當光感測電路130感測到第一色光La時，光感測電路130會將儲存電容Cs放電而降低第一電壓V1。具體而言，光感測電路130包含第三電晶體M3、第四電晶體M4與第一色濾光片Fa，其中第三電晶體M3與第四電晶體M4各自包含第一端、第二端與控制端。第三電晶體M3的第一端用於接收第二工作電壓VDD2。第三電晶體M3的第二端耦接於觸控感測電極122。第三電晶體M3的控制端用於接收第二控制訊號Gb。第四電晶體M4的第一端耦接於觸控感測電極122。第四電晶體M4的第二端與控制端用於接收第三控制訊號Gc。
第一色濾光片Fa覆蓋於第四電晶體M4，且第一色濾光片Fa與第一色光La的顏色互相對應，以濾除第一色光La以外的其他顏色光線。例如，第一色濾光片Fa為紅色濾光片，且第一色光La為紅色光。又例如，第一色濾光片Fa為綠色濾光片，且第一色光La為綠色光，以此類推。
在一些實施例中，第1圖中的多個電晶體可以由各種合適種類的N型電晶體來實現，例如薄膜電晶體(TFT)或金氧半場效電晶體(MOSFET)。
第3圖為畫素電路100用於感測觸控輸入103時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。如第3圖所示，畫素電路100的運作流程可以包含週期性重複的重置階段、感測階段與讀取階段。第4A~4C圖分別為畫素電路100用於感測觸控輸入103時於重置階段、感測階段與讀取階段中的等效電路操作示意圖。
在本揭示文件中，若描述一訊號具有邏輯高準位(logic high level)，即代表該訊號具有能將電晶體導通的電壓，例如能將N型電晶體導通的高電壓，或將P型電晶體導通的低電壓。若描述該訊號具有邏輯低準位(logic low level)，即代表該訊號具有能將電晶體關斷的電壓，例如能將N型電晶體關斷的低電壓，或將P型電晶體關斷的高電壓。值得注意的是，多個訊號的邏輯高準位可以是彼此不同的電壓值，且多個訊號的邏輯低準位也可以彼此不同的電壓值。
請同時參考第3圖與第4A圖。於重置階段中，第一控制訊號Ga與第三控制訊號Gc具有邏輯低準位，而第二控制訊號Gb具有邏輯高準位。因此，第一電晶體M1與第四電晶體M4被關斷，而第三電晶體M3被導通以將第一電壓V1(亦即，第二電晶體M2的控制端電壓)重置為具有邏輯高準位的第二工作電壓VDD2。
請同時參考第3圖與第4B圖。於感測階段中，第一控制訊號Ga、第二控制訊號Gb與第三控制訊號Gc具有邏輯低準位。因此，第一電晶體M1、第三電晶體M3與第四電晶體M4被關斷。此時，若觸控輸入103與觸控感測電極122形成串連於儲存電容Cs的等效電容Ct，則第一電壓V1會因電容分壓之效果而降低。
請同時參考第3圖與第4C圖。於讀取階段中，第一控制訊號Ga具有邏輯高準位，而第二控制訊號Gb與第三控制訊號Gc具有邏輯低準位。因此，第一電晶體M1與第二電晶體M2被導通，而第三電晶體M3與第四電晶體M4被關斷。第二電晶體M2會提供感測電流Is，且感測電流Is會經由第一電晶體M1傳遞至讀取線101。此時，若等效電容Ct不存在，則感測電流Is較大。反之，若等效電容Ct存在，則感測電流Is的大小會明顯降低。藉由判斷則感測電流Is於讀取階段中的大小，便可判斷使用者是否對畫素電路100的位置進行觸控操作。
第5圖為畫素電路100用於感測第一色光La時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。由第5圖可知，當畫素電路100用於感測第一色光La時，其於重置階段與感測階段的等效電路操作分別相似於前述的第4A圖與第4C圖。因此，為簡潔起見，在此僅說明當畫素電路100用於感測第一色光La時，其於感測階段中的等效電路操作。
第6圖為畫素電路100用於感測第一色光La時於感測階段中的等效電路操作示意圖。請同時參考第5圖與第6圖。於感測階段中，第一控制訊號Ga、第二控制訊號Gb與第三控制訊號Gc具有邏輯低準位。因此，第一電晶體M1、第三電晶體M3與第四電晶體M4被關斷。此時，若光感測電路130感測到第一色光La，光感測電路130會藉由第四電晶體M4引起之光漏電流將儲存電容Cs放電而顯著降低第一電壓V1，使得第二電晶體M2於接下來的讀取階段中提供較小的感測電流Is。反之，若光感測電路130未感測到第一色光La，則第一電壓V1會維持於較高準位，使得第二電晶體M2於接下來的讀取階段中提供較大的感測電流Is。因此，藉由判斷則感測電流Is於讀取階段中的大小，便可判斷使用者是否利用光筆對畫素電路100的位置進行操作。
值得一提的是，在本揭示文件的多個實施例中，藉由適當地設定儲存電容Cs的電容值以及每個電晶體的寬長比(width-to-length ratio)，感測電流Is在畫素電路100感測到觸控輸入103與感測到第一色光La的兩種情況下，會變化為明顯可區分的不同大小。因此，藉由將感測電流Is與一預設值互相比較，可以判斷使用者是以手指或以光筆對畫素電路100的位置進行操作。
總而言之，畫素電路100的觸控感測電極122感測觸控輸入103的能力與環境光的強弱無關，即使在較昏暗的環境中，畫素電路100也能正確地感測觸控輸入103而不會誤判。
第7圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路700的功能方塊圖。畫素電路700相似於畫素電路100，差異在於，畫素電路700以光感測電路730取代光感測電路130。光感測電路730與光感測電路130的差異在於光感測電路730的第四電晶體M4的控制端改為耦接於觸控感測電極122。
第8圖為畫素電路700用於感測觸控輸入103時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。由比較第3圖與第8圖可知，畫素電路700與畫素電路100用於感測觸控輸入103時接收相似的訊號，差異在於，畫素電路700接收的第三控制訊號Gc於重置階段、感測階段與讀取階段中具有邏輯高準位，且畫素電路700接收的第二工作電壓VDD2維持於邏輯低準位。因此，畫素電路700的第一電壓V1會於重置階段被重置為邏輯低準位。畫素電路700用於感測觸控輸入103時的其餘運作流程，相似於前述畫素電路100的對應運作，為簡潔起見，在此不再贅述。
第9圖為畫素電路700用於感測第一色光La時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。由比較第3圖與第9圖可知，畫素電路700與畫素電路100用於感測第一色光La時接收相似的訊號。由於畫素電路700的第一電壓V1會被重置為邏輯低準位，且畫素電路700接收的第三控制訊號Gc於感測階段具有邏輯高準位，其光感測電路130於感測階段感測到第一色光La時會藉由第四電晶體M4引起的光漏電流對儲存電容Cs充電，進而顯著抬升第一電壓V1，使得第二電晶體M2於接下來的讀取階段中提供較大的感測電流Is。反之，若光感測電路130未感測到第一色光La，則第一電壓V1會維持於較低準位，使得第二電晶體M2於接下來的讀取階段中提供較小的感測電流Is。畫素電路700用於感測第一色光La時的其餘運作流程，相似於前述畫素電路100的對應運作，為簡潔起見，在此不再贅述。
第10圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路1000的功能方塊圖。畫素電路1000相似於畫素電路100，差異在於，畫素電路1000以光感測電路1030取代光感測電路130。光感測電路1030與光感測電路130的差別在於，光感測電路1030還包含第五電晶體M5、第六電晶體M6、第二色濾光片Fb與第三色濾光片Fc。第五電晶體M5的第一端與控制端耦接於觸控感測電極122。第五電晶體M5的第二端用於接收參考電壓Vref。第六電晶體M6的第一端與控制端耦接於觸控感測電極122。第六電晶體M6的第二端用於接收參考電壓Vref。
第二色濾光片Fb與第三色濾光片Fc分別覆蓋第五電晶體M5與第六電晶體M6。在本實施例中，第一色濾光片Fa、第二色濾光片Fb與第三色濾光片Fc分別對應於光的三原色。例如，第一色濾光片Fa為紅色濾光片，第二色濾光片Fb為綠色濾光片，且第三色濾光片Fc為藍色濾光片。
畫素電路1000用於感測觸控輸入103與第一色光La時，分別適用前述第3圖與第5圖的訊號波形。畫素電路1000與畫素電路100的運作差異在於，如第11圖所示，當畫素電路1000於感測階段被環境光Lev(例如，白光)照射時，第四電晶體M4所引起的光漏電流，會與第五電晶體M5與第六電晶體M6引起的光漏電流達成動態平衡，進而將第一電壓V1大致維持於定值。如此一來，光感測電路1030大致上不會經由第四電晶體M4而將儲存電容Cs放電，因而畫素電路1000被環境光Lev照射時不會將環境光Lev誤判為第一色光La。
第12圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路1200的功能方塊圖。畫素電路1200相似於畫素電路700，差異在於，畫素電路1200以光感測電路1230取代光感測電路730。光感測電路1230與光感測電路730的差別在於，光感測電路1230還包含第五電晶體M5、第六電晶體M6、第二色濾光片Fb與第三色濾光片Fc。第五電晶體M5的第一端耦接於觸控感測電極122。第五電晶體M5的第二端與控制端用於接收參考電壓Vref。第六電晶體M6的第一端耦接於觸控感測電極122。第六電晶體M6的第二端與控制端用於接收參考電壓Vref。
畫素電路1200用於感測觸控輸入103與第一色光La時，分別適用前述第8圖與第9圖的訊號波形。畫素電路1200與畫素電路700的運作差異在於，如第13圖所示，當畫素電路1200於感測階段被環境光Lev(例如，白光)照射時，第四電晶體M4所引起的光漏電流，會與第五電晶體M5與第六電晶體M6引起的光漏電流達成動態平衡，進而將第一電壓V1大致維持於定值。如此一來，光感測電路1230大致上不會經由第四電晶體M4而將儲存電容Cs充電，因而畫素電路1200被環境光Lev照射時不會將環境光Lev誤判為第一色光La。
在說明書及申請專利範圍中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。然而，所屬技術領域中具有通常知識者應可理解，同樣的元件可能會用不同的名詞來稱呼。說明書及申請專利範圍並不以名稱的差異做為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來做為區分的基準。在說明書及申請專利範圍所提及的「包含」為開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。另外，「耦接」在此包含任何直接及間接的連接手段。因此，若文中描述第一元件耦接於第二元件，則代表第一元件可通過電性連接或無線傳輸、光學傳輸等信號連接方式而直接地連接於第二元件，或者通過其他元件或連接手段間接地電性或信號連接至該第二元件。
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列舉的其中之一或多個項目的任意組合。另外，除非說明書中特別指明，否則任何單數格的用語都同時包含複數格的涵義。
以上僅為本揭示文件的較佳實施例，凡依本揭示文件請求項所做的均等變化與修飾，皆應屬本揭示文件的涵蓋範圍。
100,700,1200:畫素電路 101:讀取線 103:觸控輸入 110:讀取電路 120:觸控感測電路 122:觸控感測電極 130,730,1230:光感測電路 M1:第一電晶體 M2:第二電晶體 M3:第三電晶體 M4:第四電晶體 M5:第五電晶體 M6:第六電晶體 Cs:儲存電容 Ct:等效電容 Ga:第一控制訊號 Gb:第二控制訊號 Gc:第三控制訊號 VDD1:第一工作電壓 VDD2:第二工作電壓 V1:第一電壓 Fa:第一色濾光片 Fb:第二色濾光片 Fc:第三色濾光片 Is:感測電流 LC:液晶層 CF:有色濾光片 BM:黑色矩陣 CM:共同電極 SBa:上基板 SBb:下基板 VA:通孔 Lev:環境光 Vref:參考電壓 La:第一色光
第1圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路的功能方塊圖。 第2圖為依據本揭示文件一實施例的第1圖的畫素電路的局部剖面圖。 第3圖為第1圖的畫素電路用於感測觸控輸入時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。 第4A圖為第1圖的畫素電路用於感測觸控輸入時於重置階段中的等效電路操作示意圖。 第4B圖為第1圖的畫素電路用於感測觸控輸入時於感測階段中的等效電路操作示意圖。 第4C圖為第1圖的畫素電路用於感測觸控輸入時於讀取階段中的等效電路操作示意圖。 第5圖為第1圖的畫素電路用於感測第一色光時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。 第6圖為第1圖的畫素電路用於感測第一色光時於感測階段中的等效電路操作示意圖。 第7圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路的功能方塊圖。 第8圖為第7圖的畫素電路用於感測觸控輸入時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。 第9圖為第7圖的畫素電路用於感測第一色光時接收到的多個訊號簡化後的波形示意圖。 第10圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路的功能方塊圖。 第11圖第10圖的畫素電路於感測階段被白光照射時的等效電路操作示意圖。 第12圖為依據本揭示文件一實施例的畫素電路的功能方塊圖。 第13圖第12圖的畫素電路於感測階段被白光照射時的等效電路操作示意圖。
100:畫素電路
101:讀取線
103:觸控輸入
110:讀取電路
120:觸控感測電路
122:觸控感測電極
130:光感測電路
M1:第一電晶體
M2:第二電晶體
M3:第三電晶體
M4:第四電晶體
Cs:儲存電容
Ct:等效電容
Ga:第一控制訊號
Gb:第二控制訊號
Gc:第三控制訊號
VDD1:第一工作電壓
VDD2:第二工作電壓
V1:第一電壓
Fa:第一色濾光片
Is:感測電流
La:第一色光

Claims (10)

  1. 一種畫素電路，包含：一儲存電容，包含一第一端和一第二端；一觸控感測電路，用於依據該儲存電容的該第一端之電壓提供一感測電流，其中當該觸控感測電路感測到一觸控輸入時，該觸控感測電路降低該感測電流；一讀取電路，耦接於該觸控感測電路，用於依據一第一控制訊號選擇性地將該感測電流輸出至一讀取線；以及一光感測電路，耦接於該儲存電容的該第一端與該觸控感測電路，其中當該光感測電路感測到一第一色光時，該光感測電路將該儲存電容充電或放電，其中該第一色光為一可見光譜中之一單色光頻譜。
  2. 如請求項1所述之畫素電路，其中，該讀取電路包含：一第一電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第一電晶體的該第一端耦接於該觸控感測電路，該第一電晶體的該第二端耦接於該讀取線，該第一電晶體的該控制端耦接於該儲存電容的該第二端且用於接收該第一控制訊號。
  3. 如請求項1所述之畫素電路，其中，該觸控感測電路包含：一觸控感測電極，耦接於該儲存電容的該第一端，用 於感測該觸控輸入，且用於提供電壓至一液晶層。
  4. 如請求項3所述之畫素電路，其中，該觸控感測電路另包含：一第二電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第二電晶體的該第一端用於接收一第一工作電壓，該第二電晶體的該第二端耦接於該讀取電路，該第二電晶體的該控制端耦接於該觸控感測電極與該儲存電容的該第一端。
  5. 如請求項4所述之畫素電路，其中，該光感測電路包含：一第三電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第三電晶體的該第一端用於接收一第二工作電壓，該第三電晶體的該第二端耦接於該觸控感測電極，該第三電晶體的該控制端用於接收一第二控制訊號；一第四電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第四電晶體的該第一端耦接於該觸控感測電極，該第四電晶體的該第二端與該控制端用於接收一第三控制訊號；以及一第一色濾光片，覆蓋於該第四電晶體。
  6. 如請求項5所述之畫素電路，其中，該第一控制訊號、該第二控制訊號與該第三控制訊號被設置為：於一重置階段中，該第一控制訊號與該第三控制訊號 具有一邏輯低準位，該第二控制訊號具有一邏輯高準位；於一感測階段中，該第一控制訊號、該第二控制訊號與該第三控制訊號具有該邏輯低準位；以及於一讀取階段中，該第一控制訊號具有該邏輯高準位，該第二控制訊號與該第三控制訊號具有該邏輯低準位。
  7. 如請求項5所述之畫素電路，其中，該光感測電路還包含：一第五電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第五電晶體的該第一端與該控制端耦接於該觸控感測電極，該第五電晶體的該第二端用於接收一參考電壓；一第六電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第六電晶體的該第一端與該控制端耦接於該觸控感測電極，該第六電晶體的該第二端用於接收該參考電壓；一第二色濾光片，用於覆蓋該第五電晶體；以及一第三色濾光片，用於覆蓋該第六電晶體。
  8. 如請求項4所述之畫素電路，其中，該光感測電路包含：一第三電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第三電晶體的該第一端用於接收一第二工作電壓，該第三電晶體的該第二端耦接於該觸控感測電極，該第三電晶體的該控制端用於接收一第二控制訊號；一第四電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端， 其中該第四電晶體的該第一端與該控制端耦接於該觸控感測電極，該第四電晶體的該第二端用於接收一第三控制訊號；以及一第一色濾光片，覆蓋於該第四電晶體。
  9. 如請求項8所述之畫素電路，其中，該第一控制訊號、該第二控制訊號與該第三控制訊號被設置為：於一重置階段中，該第一控制訊號具有一邏輯低準位，該第二控制訊號與該第三控制訊號具有一邏輯高準位；於一感測階段中，該第一控制訊號與該第二控制訊號具有該邏輯低準位，該第三控制訊號具有該邏輯高準位；以及於一讀取階段中，該第一控制訊號與該第三控制訊號具有該邏輯高準位，該第二控制訊號具有該邏輯低準位。
  10. 如請求項8所述之畫素電路，其中，該光感測電路還包含：一第五電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第五電晶體的該第一端耦接於該觸控感測電極，該第五電晶體的該第二端與該控制端用於接收一參考電壓；一第六電晶體，包含一第一端、一第二端與一控制端，其中該第六電晶體的該第一端耦接於該觸控感測電極，該第六電晶體的該第二端與該控制端用於接收該參考電壓；一第二色濾光片，用於覆蓋該第五電晶體；以及 一第三色濾光片，用於覆蓋該第六電晶體。
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