TWI416390B - 光感測裝置以及具該光感測裝置之顯示器 - Google Patents

Description

光感測裝置以及具該光感測裝置之顯示器

本發明有關一種光感測裝置，特別是相關於一種可提高顯示器開口率之光感測裝置；本發明另有關一種具有上述光感測裝置之顯示器。

隨著科技、網路、以及通訊的蓬勃發展，電子產品除須具有科技的新穎性條件外，更尋求與使用者的直接互動，以滿足使用者在方便性以及互動性上的需求。因此，許多觸控式產品與介面因應推出，例如ATM提款機、個人數位助理(Personal Digital Assistant, PDA)，行動電話或筆記型電腦。觸控式產品藉著使用者接近或按壓觸控式面板(touch panel)，進行使用者與電子產品之間的直接互動，以完成資料的傳輸、存取以及更新，因此增加輸入上的效率。

於習知技藝中，觸控面板係整合於液晶顯示器(liquid crystal display, LCD)內，並於液晶顯示器的薄膜電晶體(thin-film transistor, TFT)陣列架構下內嵌光感測裝置。當使用者以手指、觸控筆或其他物體接近或者按壓顯示器面板時，會遮蔽面板內光感測裝置的部分或全部光源，因此光感測裝置可藉由感測光的變化，而擷取手指、觸控筆或其他物體於觸控面板的影像以及其座標位置。

習知技藝並揭露一種光學感測裝置，該光學感測裝置包括複數個感測畫素電路；每一該感測畫素電路包括一個光電薄膜電晶體以及複數個讀取薄膜電晶體；其中一讀取薄膜電晶體係作為重置(reset)之用，因此其閘極須與一重置信號電性相連，以讀取一第一重置電壓。此外，為反應感測畫素電路於不同遮光程度的電氣訊號結果，須另設置一第二重置電壓，並使該第二重置電壓與該第一重置電壓之間形成一電壓準位差。因該等習知技藝須在畫素(pixel)單元的既有電路外，另增額外的控制訊號，因此電路架構較為複雜。然而，過於複雜的電路架構將增加薄膜電晶體的佈線難度，並增添成本。

再者，由於光感測的訊號通常相當微弱，若於畫素單元的原電路架構下，額外增設複雜的控制電路以獲取較強的訊號，將降低顯示器的開口率(aperture ratio)。因此，習知內嵌於顯示器之光學感測器在設計時，難以兼顧光訊號強度與感測裝置的複雜度。

有鑑於此，本發明之一目的在於提供一種光感測裝置，其使用畫素單元之原電路架構，無須額外增加其他控制訊號，因此電路架構簡化、佈局簡單。

本發明之另一目的在於提供一種顯示器，其包括複數個上述光感測裝置，因該等光感測裝置之電路架構簡單，因此不致降低該顯示器之開口率。

於本發明之一實施例中，提供一種光感測裝置，其包括一光感測元件、一儲存電容、一第一薄膜電晶體以及一第二薄膜電晶體。該光感測元件可將一節點的電壓重置為一第一電壓準位，而該儲存電容與該節點電性相連，並依據該光感測元件之一光照度於一畫面時間內，將該節點放電至一第二電壓準位。該第二電壓準位控制該第一薄膜電晶體之一導通電壓，而該第二薄膜電晶體係依據該導通電壓，輸出一讀取電壓。

於本發明之另一實施例中，提供一種顯示器，其包括一第一基板、一第二基板、一設置於該第一基板與第二基板之間的液晶層、一包括複數個光感測區之有效顯示區；該有效顯示區設置於第二基板，於每一該光感測區可設置一光感測裝置，該光感測裝置包括複數個上述之光感測裝置。

以下的說明以及範例用以解釋本發明的細節。惟，熟習此項技藝之人士應可輕易瞭解，在本發明之實施例所涵蓋下，所述及之該些實施例應有相當的變化以及改良。因此，以下所述的實施例並不用以限制本發明的範圍。

請參閱第一圖，其為根據本發明一實施例之顯示器的系統方塊圖，該顯示器包括一有效顯示區1，一閘極線驅動器2、一輸出控制器3，以及一資料線驅動器4。於該有效顯示區1，複數個閘極線(gate lines)以及複數個輸出線(output lines)彼此絕緣相交，以定義出複數個光感測區10。於第一圖中，該些閘極線係以G(i)標示，而輸出線則以out(j)標示，其中i與j表示索引號(index)，且i與j的總數不必然相等。於每一該光感測區10內，一光感測裝置11與相鄰之兩閘極線與一輸出線電性相連，並輸出一讀取電壓。

其中，該閘極線驅動器2將複數個閘極脈衝(pulses)依序施加於該些閘極線G(i)，除了用於開啟每一畫素(pixel)中的電晶體，同時也用以觸發每一該光感測區內之光感測裝置11，對於畫素容後敘述；而輸出控制器3用以擷取每一該光感測裝置11之讀取電壓，並進行所需之訊號處理或轉換。該資料線驅動器4則控制複數個資料線data，用於寫入影像資料到複數個畫素單元(顯示於第二A圖以及第二B圖)。

請參閱第二A圖，其顯示本發明之光感測裝置的第一實施例示意圖。本發明之每一該光感測裝置11與相鄰之一第一閘極線G(n)、一第二閘極線G(n+1)以及一輸出線out電性相連；該光感測裝置11包括：一光感測元件P、一儲存電容Cst、一第一薄膜電晶體T1以及一第二薄膜電晶體T2。其中，該光感測元件P之一端與該第二閘極線G(n+1)電性相連，另一端則定義一節點X；該光感測元件P可為任一將光訊號轉換為電性訊號之元件，例如光感應二極體(photodiodes)或光電薄膜電晶體(photo thin film transistors)。如第二A圖所顯示之第一實施例，該光感測元件P可為一光電薄膜電晶體，其閘極與源/汲極之其一與該第二掃描線G(n+1)電性相連，而另一源/汲極用以定義該節點X。以下說明以及申請專利範圍有多處使用「源/汲極」，其與「源極或者汲極」係為同義。

該儲存電容Cst的一端與上述節點X電性相連，彼端則電性連接於一共同(common)電壓Vcom。該第一薄膜電晶體T1的閘極與該節點X電性相連，其源/汲極之一與該第一閘極線G(n)電性相連；該節點X之電壓準位用以控制該第一薄膜電晶體T1之開關(on or off)，於開啟第一薄膜電晶體T1的情況下，並決定一導通電壓之大小；該第二薄膜電晶體T2的閘極與該第一閘極線G(n)電性相連，其源/汲極之一則與該輸出線out電性相連，該第二薄膜電晶體T2之另一源/汲極則與第一薄膜電晶體T1的另一源/汲極電性相連。

第二A圖亦同時顯示一個子畫素(sub-pixel)單元12，該子畫素單元12包含於一個畫素單元內，每一該畫素單元包括紅、綠以及藍三個子畫素單元，第二A圖僅例示其中的一個子畫素單元12，且本發明並不為所顯示之子畫素單元12電路所限。繪製子畫素單元12於圖式中之目的，僅顯示本發明之光感測裝置11之電路訊號可與畫素單元共同使用，因此無須增設其它額外電路訊號，俾使本發明之電路架構較為簡單。

請參見第二B圖，其顯示本發明之光感測裝置的第二實施例，其中資料線data與輸出線out係為共用，致使光感測裝置與畫素單元加以整合，電路架構更為簡化。

第三圖顯示本發明之顯示器一實施例之層疊結構圖，為簡化說明，該結構圖僅作部分顯示並簡化其結構，且未依照比例繪製。如第三圖，本發明之顯示器包括一第一基板41、一第二基板42、以及設置於第一基板41以及第二基板42之間的一液晶層43。該第一基板41相對第二基板42之一側形成一遮光層44，該遮光層44覆蓋處可定義一非透光區。於一實施例中，該遮光層44可為黑矩陣(black matrix)。第三圖顯示本發明之有效顯示區1係設置於該第二基板42，且於該有效顯示區1定義該些光感測區10，每一該光感測區10可設置一該光感測裝置11。為方便顯示，第三圖僅顯示其中一光感測裝置11形成於第二基板42。

該遮光層44對應光感測元件P處，設置有一開口45；當外界物體46遮蔽該開口45，將改變該光感測元件P的一光照度(illuminance)，該光感測元件P根據該光照度，將光訊號轉換為一漏電流之電氣訊號，而該光照度係與該漏電流大小呈正相關。

第四圖為本發明之電壓訊號時序圖(voltage timing diagram)，其顯示複數個預設週期30。每一該預設週期30包括一重置期間(reset period)31、一積分期間(integration period)32、以及一讀取期間(read out period)33。該預設週期30可為一畫面(frame)時間，例如1/60 s。

請配合參閱第二A圖或第二B圖，於第四圖所顯示之該重置期間31，該閘極線驅動器2(請見第一圖)施加一脈衝(pulse)於該第二閘極線G(n+1)，使第二閘極線G(n+1)成為致能(enable )，藉以導通與該第二閘極線G(n+1)電性相連之光感測元件P，並將該光感測元件P彼端之節點X電壓重置為一第一電壓準位。

接著，於該積分期間，與該光感測元件P相鄰之第一閘極線G(n)以及第二閘極線G(n+1)皆為非致能(disable)，儲存於該儲存電容Cst之電荷經由光感測元件P持續釋出，自該儲存電容Cst釋出之電荷量與該光感測元件P之光照度相關，如該光感測元件P為外界物體46所遮蔽，將降低光照度，因此造成光感測元件P的漏電流減小，儲存電容Cst將節點X放電幅度亦隨之減少。請參見第五A圖，其顯示節點X於高光照度與低光照度之兩光照度下的放電幅度差異。

請再度回到第四圖，接著於該讀取期間33，該閘極線驅動器2施加另一脈衝(pulse)於該第一閘極線G(n)，使第一閘極線G(n)成為致能，而開啟第二薄膜電晶體T2。因第一薄膜電晶體T1的源/汲極之一與第一閘極線G(n)電性相連，而其閘極與節點X電性相連，故該第一薄膜電晶體T1亦被開啟。

於整個預設週期30內，根據光感測元件P之光照度，該節點X持續放電，至該預設週期30的最末(亦即讀取期間33的最末)，經由光感測元件P，將節點X放電至一第二電壓準位。該第二電壓準位控制第一薄膜電晶體T1的導通程度，使第一薄膜電晶體T1與第二薄膜電晶體電性相連端具有一導通電壓。進一步而言，第二電壓準位與導通電壓呈現一函數相關，如第二電壓準位較大，第一薄膜電晶體T1的導通程度亦將增加，因此存在一較大之導通電壓。經由開啟之第二薄膜電晶體T2，該導通電壓將決定第二薄膜電晶體T2之一讀取電壓，並輸出該讀取電壓至該輸出線。

在一個預設週期30內(或是一個畫面時間內)，所有的該些閘極線G(i)依序被掃描，得到光感測區10內光感測裝置11的所有讀取電壓。因讀取電壓和導通電壓相關，而導通電壓決定於節點X之第二電壓準位。更進一步，第二電壓準位相關於光感測元件P的光照度，光照度則由外界物體46遮蔽光感測元件P的程度所決定。第五B圖顯示讀取電壓於高光照度與低光照度之電壓幅度差異。於此，擷取所有光感測區10的讀取電壓，可分析出外界物體46之瞬時影像以及其座標位置，如再配合顯示器之畫素單元或是其他裝置與元件，可產生彩度或是其他功能，於此不贅述。

本發明之光感測裝置，使用畫素單元之原電路架構，無須額外增加其他控制訊號，因此電路架構簡化、佈局簡單。且藉由該預設週期30之調整，可使節點X的放電幅度增加，俾使輸出的讀取電壓差異增大，因此有利於光照度之分析比較。

本發明以一實施例揭露如上文，然其並非用以限定者。任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神以及範圍內，當可進行各種實質上相等的變動以及潤飾，因此本發明之保護範圍當以後附之申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧有效顯示區
2‧‧‧閘極線驅動器
3‧‧‧輸出控制器
4‧‧‧資料線驅動器
10‧‧‧光感測區
11‧‧‧光感測裝置
T1‧‧‧第一薄膜電晶體
T2‧‧‧第二薄膜電晶體
P‧‧‧光感測元件
Cst‧‧‧儲存電容
X‧‧‧節點
12‧‧‧子畫素單元
data‧‧‧資料線
G(n)‧‧‧第一閘極線
G(n+1)‧‧‧第二閘極線
out‧‧‧輸出線
Vcom‧‧‧共同電壓
30‧‧‧預設週期
31‧‧‧重置期間
32‧‧‧積分期間
33‧‧‧讀取期間
41‧‧‧第一基板
42‧‧‧第二基板
43‧‧‧液晶層
44‧‧‧遮光層
45‧‧‧開口
46‧‧‧外界物體

為使本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例可容易了解，所附圖式之詳細說明如下：

第一圖為根據本發明一實施例之顯示器的系統方塊圖；

第二A圖顯示本發明之光感測裝置的第一實施例示意圖；

第二B圖顯示本發明之光感測裝置的第二實施例示意圖；

第三圖為本發明之顯示器一實施例之剖面層疊結構簡化圖；

第四圖顯示本發明之電壓訊號時序圖；

第五A圖顯示節點X於高光照度與低光照度之兩光照度下的放電幅度差異；以及

第五B圖顯示讀取電壓於高光照度與低光照度之電壓幅度差異。

11‧‧‧光感測裝置

T1‧‧‧第一薄膜電晶體

T2‧‧‧第二薄膜電晶體

P‧‧‧光感測元件

Cst‧‧‧儲存電容

X‧‧‧節點

12‧‧‧子畫素單元

data‧‧‧資料線

G(n)‧‧‧第一閘極線

G(n+1)‧‧‧第二閘極線

out‧‧‧輸出線

Vcom‧‧‧共同電壓

Claims (7)

1. 一種光感測裝置，包含：
   　　一光感測元件，可將一節點電壓重置為一第一電壓準位；
   　　一儲存電容，與該節點電性相連；該儲存電容並根據該光感測元件之一光照度於一預設週期內，經由該光感測元件將該節點放電至一第二電壓準位；
   　　一第一薄膜電晶體，該第二電壓準位控制該第一薄膜電晶體的一導通電壓；
   　　一第二薄膜電晶體，與該第一薄膜電晶體電性相連；
   　　其中，該第二薄膜電晶體於一讀取期間內開啟，並根據第一薄膜電晶體之該導通電壓，輸出一讀取電壓。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光感測裝置，其中該預設週期係為一畫面(frame)時間。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光感測裝置，其中該光感測元件係一光電薄膜電晶體。
4. 一種光感測裝置，包含：
   　　一光電薄膜電晶體，該光電薄膜電晶體的一閘極與一源/汲極之其一與一第二閘極線電性相連，另一源/汲極則與一節點電性相連；
   　　一儲存電容，該儲存電容一端與該節點電性相連，另一端則電性連接一共同電壓；
   　　一第一薄膜電晶體，該第一薄膜電晶體的閘極與該節點電性相連，且其源/汲極之一則與一第一閘極線電性相連；
   　　一第二薄膜電晶體，該第二薄膜電晶體的閘極與該第一閘極線電性相連，其源/汲極之其一與一輸出線電性相連，且該第二薄膜電晶體的另一源/汲極則與該第一薄膜電晶體的另一源/汲極電性相連；
   　　其中，該光電薄膜電晶體於一重置期間，使該第二閘極線為致能，並將該節點的電壓重置為一第一電壓準位；該儲存電容係根據該光電薄膜電晶體之一光照度於一畫面(frame)時間內，經由該光電薄膜電晶體將該節點放電至一第二電壓準位；並於一讀取期間使該第一閘極線為致能，以開啟該第二薄膜電晶體，俾使該第二薄膜電晶體可根據該第一薄膜電晶體閘極之第二電壓準位，輸出一讀取電壓。
5. 一種顯示器，包含：
   　　一第一基板以及一第二基板，該第一基板與該第二基板對應而設置；
   　　一液晶層，設置於第一基板與第二基板之間；
   　　一有效顯示區，設置於該第二基板；於該有效顯示區定義複數個光感測區，每一該光感測區可設置一光感測裝置；該光感測裝置包括：
   　　一光感測元件，可將一節點電壓重置為一第一電壓準位；
   　　一儲存電容，與該節點電性相連；該儲存電容並根據該光感測元件之一光照度於一預設週期內，經由該光感測元件將該節點放電至一第二電壓準位；
   　　一第一薄膜電晶體，該第二電壓準位控制該第一薄膜電晶體的一導通電壓；
   　　一第二薄膜電晶體，與該第一薄膜電晶體電性相連；
   　　其中，該第二薄膜電晶體於一讀取期間內開啟，並根據第一薄膜電晶體之該導通電壓，輸出一讀取電壓。
6. 如申請專利範圍第5項所述的顯示器，其中該預設週期係為一畫面時間。
7. 如申請專利範圍第5項所述的顯示器，其中於該第一基板對應第二基板之一側形成一遮光層，該遮光層對應該光感測元件處設置一開口。