TWM498898U - 彩色環境光源感測器 - Google Patents
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Description
本件創作係提供一項全新結構的主動式環境光彩色感測器，使用非晶矽p型+i本質層+n型之p-i-n半導體結構薄膜為主，P層及本質層能隙(Eg)可藉由調整製程參數及P層、本質層厚度之變化調整至主要吸收可見光光譜範圍440nm~640nm將，環境光源中三原色主動響應成電流輸出。該非晶矽元件以陣列方式排列，共有相同面積的四只感測元件，以薄膜製程同時製作於玻璃基板上，各只元件上分別加上紅色、綠色、藍色等三原色(RGB)彩色濾光片，可以分別響應出環境光源中紅綠藍三原色波長電流並利用晶片運算處理該XYZ刺激值，自動調整顯示器及電視螢幕色溫，亮度感測元件則專責感測環境光源的亮度自動調變螢幕背光亮度，此創作係為提供因觀看者所處之環境光源不同而作色彩補償及亮度調整功能之感測器，具主動及時感測調整光源具線性頻譜響應曲線之優點配合軟体的計算對應到觀賞者透過顯示器看到的LCH(亮度Lightness，飽和度Chroma，色相Hue)，使得顯示器的色彩調整範圍變大，色彩表現更豐富更接近真實，綜合以上說明本件創作係己包涵光電半導體技術以及色彩學色彩管理等技術領域。
目前智慧型顯示器正夯，除了眾所週知的智慧功能外，其中環境光源之亮度感測器己經大量運用在相關產品上，對於影響顯示器色彩品質的彩色環境光源偵測器則尚未積極投入新的技術研發，以開發適合目前主流市場消費性產品的感測器。
傳統使用光電二極體(Photodiode)作為光源感測元件，係使用矽材料為主之p-n型半導體，缺少在p型與n型區間加入一層很寬的本質層(i-層)，無空乏區厚度(本質層)可以調變，以及最佳量子效率及頻譜響應。因為材料特性這類p-n結構感測器由於無法調整能隙(Eg)適合人眼光的反應光譜，對於紅光及紅外光亦極為敏感，即使加上紅外線濾鏡也令使用者無法完全消除此類光的影響，對於其響應仍較人眼感應之光譜為強，無法正確的反映人眼對環境光線的反應，導致量測誤差大，另由於對光亮度的描述刻度過大造成背光節能調整差異太大，令使用者出現反感影響原始設計預期效益，傳統設計並未將自然界中色彩原本就存在有「光度」的因素納入，僅能以二維方式演算，本件創作能快速地讓環境光源之RGB三個頻譜嚮應(spectral response)值輸入，對應到觀賞者透過顯示器看到的LCH(亮度Lightness，飽和度Chroma，色相Hue)，許多該技術應用的廠商只是在「色相」與「飽和度」二維空間內進行調整，但這不僅忽略了「亮度」對於整體色彩的影響，同時能夠調校的空間也相對減少，自然界中的色彩，原本就存有亮度的因素，環境光源的色溫品質亦嚴重影嚮面板觀看者的視覺，過去簡略亮度進行量測與調校，雖仍可找出範圍內色相與飽和度相對較好的數值，但卻犧牲了更多的色彩表現可能性。本件創作不僅納入亮度的參數量測，成為三維空間變化的立體色域也使得顯示器的調校範圍變大，色彩表現更豐富、接近真實。
本創作係提出一種以非晶矽p-i-n薄膜結構為主的光電轉換半導體感測元件，以紅綠藍三原色的彩色濾光片濾光做為色彩感測使用，以及一只亮度感測元件，該感測器包括以下結構：
(a)以超薄及超白玻璃為基板。
(b)玻璃基板上以薄膜製程製作非晶矽p-i-n光感測元件，並經雷射切除形成四只獨立感測元件，該獨立感測元件基本結構如下：玻璃/二氧化錫(正極)/非晶矽p-i-n薄膜/鋁鋅氧化物+鋁(負極)
(c)於玻璃基板蓋上或印刷方式加以紅色、綠色、藍色等三原色之彩色濾光片，另一只元件單純設計為偵測光源亮度使用。
(d)經由適當的封裝技術在四只感測元件上加以透明玻璃保護並可以長型陣列方式或方形矩陣方式封裝。
本感測元件使用玻璃為基板沉積非晶矽p-i-n材料，當光照射p-i-n材料時量子效應比p-n型光電二極體高，反應速度也更快，經過能隙(Eg)的調整其光譜響於440nm~640nm，與人眼近似又不會對紅外光過敏無須外加紅外光過濾，亮/暗電流比高達10的6次方故，其主動輸出光感應電流對光響應感度將非常精細，可控制調整比例及平穩之線性更為流順，也無須外加電源更為省電節能，本件創新結構產品適合運用於各類電子產品例，如TFT-LCD液晶螢幕、AMOLED有機發光二極體面板、智慧型手機、數位相機、手提式攝影機、GPS等任何顯示器裝置，經過類比/數位轉換器亦可提供數位訊號，並可獨立設置感測器裝置或裝置於電視遙控器上，同樣可以偵測環境光源並經紅外線自動輸出訊號作色彩調整，由於薄膜製程成本低廉更適合應用於消費性電子產品上。
8R‧‧‧紅色光濾光片
8G‧‧‧綠色光濾光片
8B‧‧‧藍色光濾光片
8W‧‧‧白光透明片
1‧‧‧玻璃基板
2‧‧‧二氧化錫透明導電層正電極
3‧‧‧非晶矽p-i-n型光電薄膜
4‧‧‧鋁鋅氧化物及鋁背電極
5‧‧‧波長1064nm紅外線雷射切割線
6‧‧‧波長532nm綠光雷射切割線
7‧‧‧波長532nm綠光雷射切割線
8‧‧‧彩色濾光片
9‧‧‧元件電流輸出---負極端
10‧‧‧元件電流輸出---正極端
圖(一)非晶矽薄膜元件結構圖
圖(二)RGBW四只感測元件排列圖
圖(三)CIE 1931 XY色度座標圖
圖(四)CIE-xy色度相關色溫線圖
目前智慧型3C產品功能日新越異，為了競爭劇烈的市場各廠商無不增加更先進更符合人性的功能應用於各種產品，本件創新技術即利用現有技術創新結構，開發新的應用產品。
長久以來半導體光電技術己為成熟的技術，本件創新即利用成熟技術加以創新結構創造一個全新的應用產品，可以快速因應環境光源的品質提供調校的訊息，以改善因環境光源的變化而影響的色彩品質，使顯示器能完美的展現自然細節與色彩，並廣泛應用於各類顯示裝置，本件創新結構產品係以厚度0.7mm透光性佳的超白玻璃為基板結構，如圖(一)所示環境光源經過彩色濾光片過濾後經由該非晶矽薄膜感測元件產生由紅色光、綠色光、藍色光等不同波長光的光電流輸出，該三原色的不同電流值可以代表的是當時環境光源裡三原色的強度比例，經以下實驗數據顯示可判別出各種環境光源中紅綠藍三原色波長各有不同的組成比例，使用紅色(R)、綠色(G)、藍色(B)感測器量測到的三組電流值轉換後用來當作座標系統中的三刺激值XYZ，經過計算可以得到環境光源(x,y)值，可於圖(三)CIE xy之色度座標位置作為圖(四)色溫調校的基本參數。
實驗數據如下：(實驗數據僅供參考)
四種光源測得電流換算得到XYZ刺激值計算CIExy座標，以日本KONICA MINOLTA公司之CL-200儀錶測量值(x-1,y-1)作比較
以上量測實驗非晶矽pin元件所偵測CIE xy色度坐標(x,y)與精密的CL-200儀器量測座標(x-1,y-1)比對己非常接近，考慮本創作的應用對象，實用性及適當精確度與成本同為必要考量。
另以第4項黃光LED燈泡作測試，調整光源亮度至50%,RGB三原色感測元件輸出電流換算CIE xy色度座標如下：x=0.41 y=0.39與前述偵測之第4項光源(xy)之完全相同，可代表本創作使用之非晶矽pin結構感測元件，光源強度並不影響RGB三原色之光電流輸出值，無論何種光源其光電流之比例均以RGB三原色為主，設計晶片時增加了可靠性與便利性。以上測試的四種環境光源均屬不同色溫之白光，故RGB響應電流會有明顯差異，代表光源的色溫及CIE xy不盡相同，可以用XYZ刺激值計算得到CIE xy座標(x,y)，以白色為主色系，白平衡用來計算當時環境光源色溫以做為調校色彩的參考數據。
如圖(一)所示，為此感測元件基本結構圖，其中(B)圖為此感測單元之薄膜結構圖，(A)圖則為紅綠藍白(RGBW)四只獨立感測元件同時製作於玻璃基板之結構圖，玻璃上方放置紅光濾光片8R，綠光濾光片8G，藍光濾光片8B，無濾光功能透明片8W，，圖(一)之(B)圖為非晶矽結構圖，1為玻璃基板，2為二氧化錫材料之透明導電層，3為非晶矽薄膜p-i-n結構之光電反應層，4為鋁鋅氧化物及鋁之背電極，5為波長1064nm紅外光雷射切除
線，6為波長532nm綠光雷射切除線，7為波長532nm綠光雷射切除線，8為彩色濾光片，以雷射切割技術形成四只感測元件正負極接點，製作此非晶矽光電薄膜感測器。
本創作重點為非晶矽光電薄膜沉積於同一玻璃基板，並經雷射切除程序製成四只獨立感測元件。由圖(一)之(A)圖可知環境光源經過各自的RGB三原色濾光片濾除不必要的波長光，可分別量測RGB三色光波長的反應與微電流產生，無濾光片的感測元件負責亮度偵測，這些光亮度與三原色電流值可以提供環境光源中RGB色彩比例及亮度的基本數據，利用晶片控制，智慧型螢幕於不同的環境光源下自動調校色彩及對比亮度，可以隨時保持面板最佳舒適觀看品質。
8R‧‧‧紅色光濾光片
8G‧‧‧綠色光濾光片
8B‧‧‧藍色光濾光片
8W‧‧‧白光透明片
1‧‧‧玻璃基板
2‧‧‧二氧化錫透明導電層正電極
3‧‧‧非晶矽p-i-n型光電薄膜
4‧‧‧鋁鋅氧化物及鋁背電極
5‧‧‧波長1064nm紅外線雷射切割線
6‧‧‧波長532nm綠光雷射切割線
7‧‧‧波長532nm綠光雷射切割線
8‧‧‧彩色濾光片
9‧‧‧元件電流輸出---負極端
10‧‧‧元件電流輸出---正極端
Claims (7)
- 一種創新結構智慧型主動式光源色彩感測器，主要係以非晶矽半導體薄膜材料製作非晶矽p-i-n結構之光電薄膜，包括其中一只為亮度感測元件，另外三只為加上紅綠藍三原色濾光片之感測元件，用以感測光源中紅綠藍三原色強度比例，利用感測環境光源中紅綠藍三原色個別的感應電流，經晶片加以運算可以得到當時環境光源CIE xy值，經過與國際照明委員會CIE(Commission Internationale delEclairage)訂定的色度座標圖CIE xy作比對後自動調整螢幕紅綠藍彩色度及亮度，可以得到最佳視覺效果。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中利用如圖(一)(B)非晶矽薄膜p-i-n結構半導體之特性，並經調整製程參數，製作對可見光波長440nm~640nm感測範圍的元件，用以感測出環境光源中紅綠藍三原色各波長強度的頻譜響應，產生出該環境光源中紅綠藍三原色之光電流，以作為環境光源色彩檢測和色彩管理的感測元件。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中以雷射切割技術(laser scribe)及薄膜積層技術製作圖(一)(A)四只獨立感測元件，可以製作成長方形陣列，如圖(二)(C)，或正方形陣列，如圖(二)(D)，外形可彈性設計製造配合未來應用產品。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中以紅綠藍三原色之彩色濾光片裝置於個別感測元件受光面如圖(一)(A)所示，可分別測得當時環境光源中紅綠藍三原色波長強度值，以電流方式輸出紅綠藍顏色的強度來計算XYZ刺激值，經計算得到當時環境光源中紅綠藍三原色座標，如圖(三)，CIE(x,y)圖之xy座標正確位置，並以白色為主色調，以白平衡自動調節管理色彩，得到該環境光源下最佳的色彩。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中紅綠藍三色可以刷方式製作紅綠藍三原色濾光薄膜，或製作三原色的凸透鏡使用，亦可達到有效濾光及擴大感應電流效果，紅綠藍三原色穿透波長精確，其感測紅綠藍三原色光電流更精確。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中將環境光源亮度感測元件與紅綠藍三只色彩感測元件共四只元件，正極及負極以四合一矩陣方式製作於同一玻璃基板上，製成同時擁有色彩及亮度感測功能的環境光源感測器。
- 如申請專利範圍第一項之環境光源色彩感測器，其中本件創新結構產品適合運用於各類電子產品，例如TFT-LCD液晶螢幕、AMOLED有機發光二極體面板、智慧型手機、數位相機、手提式攝影機、GPS等任何顯示器裝置，經過類比/數位轉換器亦可提供數位訊號，並可獨立設置感測器裝置或裝置於電視遙控器上，同樣可以偵測環境光源並經紅外線自動輸出訊號作色彩調整，故舉凡使用上述結構所製造之感測器均屬本項專利範圍。
Priority Applications (1)
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| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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| TW102203208U TWM498898U (zh) | 2013-02-20 | 2013-02-20 | 彩色環境光源感測器 |
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| TW (1) | TWM498898U (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI597717B (zh) * | 2017-01-20 | 2017-09-01 | 明基電通股份有限公司 | 自動調整亮度之顯示系統 |
| TWI703314B (zh) * | 2019-06-12 | 2020-09-01 | 友達光電股份有限公司 | 光學感測電路及光學感測電路陣列，與應用其之判斷光線顏色的方法 |
| WO2023122914A1 (zh) * | 2021-12-27 | 2023-07-06 | 深圳市汇顶科技股份有限公司 | 环境光传感器和电子设备 |
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2013
- 2013-02-20 TW TW102203208U patent/TWM498898U/zh not_active IP Right Cessation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US11808625B2 (en) | 2021-12-27 | 2023-11-07 | Shenzhen GOODIX Technology Co., Ltd. | Ambient light sensor and electronic device wherein a detected signal amount of infrared light in the ambient light is configured to correct a pixel value of a pixel unit corresponding to a color light filtering unit |
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