CN104299520B - 多功能显示器 - Google Patents

Abstract

一种多功能显示器包含一个第一基板、一个第二基板，及一个于吸收红外光线后可产生光电流，并可将该光电流进行转换后对外传输电讯号的光感测单元，特别的是，该光感测单元设置于该第一基板并位于黑色矩阵下方，利用将该光感测单元设置在对应于该黑色矩阵下方的位置，因此，该多功能显示器可在不影响原显示器的开口率的状态下，同时具有显示及光感测的功能。

Description

多功能显示器

技术领域

本发明涉及一种显示器，特别是涉及一种可同时具有感测及体感显示控制的多功能显示器。

背景技术

目前一般的显示器大都只有显示功能，欲令显示器具有感测功能，目前常用的有触控技术，利用直接触碰显示器的荧幕，通过感测触碰点位置的电容或电阻的变化，而达成触控的功能；或是利用外设的传感器，感应物体的影像位置，再于显示荧幕上同步显示感测位置，而达成非触碰式的虚拟触控目的。例如，以最近热门的体感游戏为例，其主要就是利用外接一个具有一个可见光(或RGB)影像镜头、一红外线光源，及一个红外线感测镜头的传感器，利用该传感器感应外界的影像动作，并接收该影像将其同步显示于荧幕，而达成虚拟触控的目的。

然而，以前述虚拟触控技术而言，由于须要额外接一个传感器，不仅使用上较为麻烦，且当物体太靠近该传感器时就会有无法感测的问题，所以会有使用距离的限制。为了改善前述须要外接红外线传感器的缺点，美国专利US20100045811公开号揭示直接在显示器的画素区域形成红外线传感器，因此可让显示器同时具有显示与感测显示影像的功能，而不须再外接其它的传感器。但是，于画素区域形成红外线传感器虽然可让显示器同时具有显示与感测取像的功能，但是也因位于画素区域须被红外线传感器占据，因此，显示器的开口率会降低，而会影响显示器整体的亮度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可同时具有感测及显示功能且不影响显示器开口率的感应式显示器。

本发明的多功能显示器，包含一个第一基板、一个第二基板、一个光感测单元，及一个背光单元。

该第一基板具有多条分别沿彼此成角度的一第一方向及一第二方向间隔排列的数据电极线及扫描电极线，且任两相邻的数据电极线及扫描电极线共同界定出一个画素区域。

该第二基板与该第一基板间隔设置，具有多个对应所述画素区域的透光区及一个令所述透光区彼此间隔不相接触的黑色矩阵，且该黑色矩阵为由可见光不可穿透，红外光可穿透的材料构成。

该光感测单元设置于该第一基板并位于该黑色矩阵的下方，具有多个可接收红外光线的光传感器及一与所述光传感器电连接的第一光电开关。

该背光单元用于提供显示及感测用光源。

本发明的多功能显示器，所述透光区具有多个分别可让红光、绿光，及蓝光通过的红色滤光片、绿色滤光片，及蓝色滤光片。

本发明的多功能显示器，所述该多功能显示器还包含一感测光源，用于提供感测用光源。

本发明的多功能显示器，该多功能显示器还包含一与该多功能显示器电讯号连接并用于对外投射影像的微投影器。

本发明的多功能显示器，该微投影器是可旋转的与该多功能显示器电讯号连接。

本发明的多功能显示器，该背光单元具有一导光板及多个光源，所述光源是白光LED、红光LED、绿光LED、蓝光LED、红外光LED，或含有红外光荧光粉的白光LED、红光LED、绿光LED及蓝光LED。

本发明的多功能显示器，该感测光源具有一红外光源及一透镜。

本发明的多功能显示器，所述透光区还具有可让红外线光通过的红外线滤光片。

本发明的多功能显示器，该每一个画素区域具有一用于控制该画素电压的第二光电开关，该第一光电开关及该第二光电开关为氧化铟镓锌、多晶硅，或非晶硅薄膜晶体管，该光传感器为选自非晶硅、微晶硅、多晶硅半导体材料，或是能隙小于1.12eV的有机或无机材料构成的光二极管。

本发明的多功能显示器，该光感测单元还具有一个用于调控该光传感器的输出电流的放大器。

本发明的多功能显示器，该多功能显示器还包括一个设置在该第一基板对应所述绿色滤光片的画素位置的X光感测单元，该X光感测单元具有多个可接收X光并将其转换成可见光的闪烁体，及多个可将该闪烁体输入的可见光转换为电讯号后输出的薄膜晶体管。

本发明的多功能显示器，所述画素区域的显示是利用液晶、有机发光二极管，或是电湿润组件控制所述画素区域的开关。

本发明的有益效果在于:利用将光感测单元，设置于该第一基板对应所述数据电极线或扫描电极线位置，并位于该黑色矩阵下方，因此，可在不影响原显示器的开口率的条件下让显示器同时具有显示及光感测的功能。

附图说明

图1是一示意图，说明本发明第一较佳实施例；

图2是一俯视示意图，辅助说明该第一较佳实施例其中一个画素区域结构；

图3是一剖视示意图，辅助说明该第一较佳实施例；

图4是一电路示意图，辅助说明图3；

图5是一电路示意图，辅助说明该第一较佳实施例；

图6是一电路示意图，辅助说明该第一较佳实施例；

图7是一电路示意图，辅助说明该第一较佳实施例；

图8是一电路示意图，辅助说明图3中还具有一放大器的电路状态；

图9是一示意图，说明所述次画素排列的其中一态样；

图10是一示意图，说明所述次画素排列的另一态样；

图11是一示意图，说明本发明第二较佳实施例。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的组件是以相同的编号来表示。

本发明的多功能显示器是以“液晶”做为画素开或关的液晶显示器架构，做为本发明该多功能显示器的较佳实施例为例来说明。

参阅图1至3，本发明该多功能显示器的一第一较佳实施例具有一个第一基板21、一个第二基板22、一光感测单元23、一个感测光源24，及一个背光单元25。其中，图1为本发明该第一较佳实施例的立体示意图，图2为该第一较佳实施例其中一个画素区域的俯视示意图，图3为图2从右下到左上的剖视示意图。

该第一基板21具有多条形成于该第一基板21内，分别沿彼此成角度的一第一方向x及一第二方向y间隔排列的扫描电极线S、数据电极线D、多个形成于该第一基板21表面的画素电极211，以及多个分别与所述画素电极211配合的第二光电开关212，任两相邻的数据电极线D及扫描电极线S共同界定出一个画素区域，且该每一个画素区域具有一个画素电极211及一个第二光电开关212。

该第二基板22与该第一基板21间隔设置，其外表面即为用于显示的显示面100，且该显示面100具有一显示区101及一环围该显示区101的边框区102。该第二基板22具有多个对应所述画素区域的透光区221、一个令所述透光区221彼此间隔不相接触的黑色矩阵222，及一个共电极223；该黑色矩阵222为由可见光不可穿透，红外光可穿透的材料构成，所述透光区221具有分别可让红光、绿光，及蓝光通过的红色滤光片R221、绿色滤光片G221，及蓝色滤光片B221，该共电极223为覆盖于所述红色滤光片R221、绿色滤光片G221，及蓝色滤光片B221及黑色矩阵222。该具有红色滤光片R221的画素区域定义为R画素，具有绿色滤光片G221的画素区域定义为G画素，而具有蓝色滤光片B221的画素区域定义为B画素。其中，该R、G、B画素可用于分别显示红光、绿光及蓝光，所述第二光电开关212是用于控制所述画素区域的电压。

前述该第一基板21即为业界通称的TFT侧基板，该第二基板22即为彩色滤光片侧基板，而于该第一基板21及该第二基板22间则夹设一层液晶层(图未示)，由于该第一基板21及该第二基板22其它的细部结构为本技术领域的人所知，因此在此不再多加赘述。

该光感测单元23设置于该第一基板21对应所述数据电极线D或扫描电极线S的位置，并位于该黑色矩阵222下方。图2中假想线标示范围内即为对应该第二基板22的透光区221，而假想线外及所述数据电极线D或扫描电极线S的区域则为对应该第二基板22的黑色矩阵222位置。该光感测单元23具有多个可接收红外光线的光传感器231及多个分别配合与所述光传感器231电连接的第一光电开关232，所述光传感器231于吸收穿过该黑色矩阵222的红外光线后可产生光电流，该光电流则可通过该第一光电开关232进行转换后对外传输电讯号。

详细的说，该光感测单元23的第一光电开关232与控制该画素区域的第二光电开关212可以共享同一条扫描电极线S及数据电极线D，或是各自使用独立的扫描电极线S及数据电极线D，且该画素电极211与该光感测单元23也可共享一条共同电位线Vcom，或是使用各自独立的共同电位线Vcom。当该画素电极211与光感测单元23为使用各自独立的共同电位线时，其中一条与该画素电极211电连接的共同电位线定义为显示共同电位线Vcom1，而与该光感测单元23电连接的共同电位线则定义为感测共同电位线Vcom2，此外，所述第二光电开关212可做在扫描电极线S上，或是凸出于该扫描电极线S而位于该画素区域内；图2所示为该第一光电开关232、该第二光电开关212及共同电位线Vcom，且该第二光电开关212是形成于该扫描电极线S的态样。

要说明的是，当该第一光电开关232与该第二光电开关212为共享数据电极线D时，为了避免写入及读出的讯号互相干扰混淆，因此，该第一光电开关232与该第二光电开关212应为不同电性种类的薄膜晶体管，例如，当该第一光电开关232为n-typeTFT(NMOS)，则该第二光电开关212为p-typeTFT(PMOS)。

配合参阅图4，图4为说明所述第一光电开关232与所述第二光电开关212共享扫描电极线S与数据电极线D的电路简图。由图4可知，当同一扫描电极线(S2)及数据电极线(D9)的两个TFT(图4圈示处)被选择后，该扫描电极线S2扫描讯号电压波形的正半周，其中一个TFT(NMOS)是打开而另一个TFT(PMOS)则是关闭；而该扫描电极线S2扫描讯号电压的下半波形则是相反，借此使数据电极线D9的一半时间是读出photodiode讯号(例如电流)，另一半时间则是写入画素电极电压或讯号。此设计最适合须要高开口率的显示器，例如手机。而因为需要同时用到NMOS及PMOS做为该第一光电开关232与该第二光电开关212，因此，又以多晶硅薄膜晶体管(Poly-SiTFT)最适合。

配合参阅图5至7，图5至7是分别说明该第一光电开关232与第二光电开关212为共享扫描电极线S、独立数据电极线D、独立共同电位线Vcom；独立扫描电极线S、共享数据电极线D、独立共同电位线Vcom；或是各自使用独立的扫描电极线S、数据电极线D及独立共同电位线Vcom的态样。当该第一光电开关232与该第二光电开关212为各自使用独立的扫描电极线S，及数据电极线D时，该第一光电开关232与该第二光电开关212，可为不同种类或是同种类的薄膜晶体管。

具体的说，如图5所示，因为该第一光电开关232与该第二光电开关212为共享扫描电极线S，并具有独立的数据电极线D，因此，该两个TFT被选择后会同时打开，而因为具有不同的数据电极线D，所以可同时写入或读出；而以图6所示，该第一光电开关232与该第二光电开关212为具有独立扫描电极线S，共享数据电极线D而言，该两个TFT在被选择后可同时或不同时打开，但因为具有相同的数据电极线D，因此写入或读出必须错开。而再以图7所示，该第一光电开关232与该第二光电开关212为各自使用独立的扫描电极线S及数据电极线D而言，因为所述扫描电极线S及数据电极线D独立分开，因此，该两个TFT的开或关与数据的写入与读出不会相互干扰，此种结构设计可适合较大尺寸，并以a-SiTFT为主。

要说明的是，所述光传感器231的设置方式可视需求，或是显示器的尺寸而有不同型态的设计，例如，当该显示器为大尺寸时，所述光传感器231可以是仅对应形成于所述R、G、B画素其中一侧边的数据电极线D或扫描电极线S的位置；而当该显示器的尺寸较小，或是有较高的感测度需求时，则可以适当的增加所述光传感器231的数量或是面积，例如，所述光传感器231可以是对应形成于该每一个R、G、B画素的其中一侧边的数据电极线D或扫描电极线S的位置，或是所述光传感器231也可以是同时形成于对应该数据电极线D及扫描电极线S的位置，而形成环围一个画素(例如R画素)，或两个画素(例如R、G画素)，或是三个画素(R、G、B画素)的结构型态来增加感测面积。而由于所述光传感器231是设置于对应所述数据电极线D及扫描电极线S，对应该黑色矩阵222的位置，因此，可以提供较大的感测面积，也不会有一般影响画素区域开口率的问题。

具体的说，该光传感器231可为光二极管或光敏晶体管，而该第一光电开关232与该第二光电开关212可为薄膜晶体管(Thin film transistor)。较佳地，该第一光电开关232与该第二光电开关212为氧化铟镓锌(IGZO)、多晶硅，或非晶硅薄膜晶体管，且为了可有效的吸收入射的红外光线波长，该光传感器231选自非晶硅、微晶硅、多晶硅等半导体材料，或是能隙小于1.12eV的窄禁带的有机或无机材料(例如HgCdTe)所构成的光二极管。

此外，要说明的是，当该多功能显示器的尺寸愈大，或是驱动讯号频率较高时，由于所述光传感器感231所产生的讯号讯杂比要求变高，因此，参阅图8，为了减少噪声的干扰，本发明该光感测单元23还可再具有多个对应所述光传感器231的放大器233，放大自该光传感器231所传输的电讯号，以让感测讯号更灵敏，该放大器233可选自与该第一光电开关232与该第二光电开关212相同的薄膜晶体管。

该感测光源24设置于对应该边框区102的位置，具有一个可发出红外光线的红外光源及一个透镜，该红外光源发出的红外光线可经由该透镜的作用而对外发出面型光。自该感测光源24发出的红外光线被物体表面反射后再度进入该多功能显示器的红外光线，可被所述光传感器231接收而产生感应讯号。具体的说，该红外光源可选自红外光LED(IRLED)或红外光雷射(IR Laser)。

该背光单元25设置于该第一基板21远离该第二基板22的一侧，用于提供该多功能显示器于显示时所需的光线。该背光单元25具有一个导光板251，及多个设置于该导光板251的侧面或表面的光源252。由于该背光单元25的相关结构为本技术领域所周知，因此不再赘述。适用于本发明该较佳实施例的光源252为白光LED、红光LED、绿光LED、蓝光LED、红外光LED、或是含有红外线荧光粉的白光LED、红光LED、绿光LED，及蓝光LED。

本发明利用将所述光传感器231设置在该第一基板21并位于该黑色矩阵222下方的位置，由于该区域原本就为非显示区域，因此，可在不影响原显示器的开口率的状态下，同时提供该显示器红外光感测的功能，此外，所述光传感器231也不会受到环境光或背光源的影响而影响感测的灵敏度。

要说明的是，本发明该第二基板22的透光区221还可再具有多个不具有滤光片，可让全部光线透过的区域，而该不具有滤光片，可让全部光线透过的区域定义为W画素，利用该W画素的设置可增加该多功能显示器的亮度。参阅图9与图10，图9与图10为该W画素与该R、G、B画素间的组合及相关的排列方式。

值得一提的是，本发明该多功能显示器，除了可做为一般显示器及体感触控显示用外，因为所述红外光传感器231可对应所述画素区域设置，且该多功能显示器同时还具有可提供红外光线的感测光源24及背光单元25，因此，该多功能显示器还可做为扫描仪、红外线温度影像显示器，及夜视影像显示器等不同用途，而可更广泛的应用于不同的领域。

又，要说明的是，所述透光区221也可不具有所述红色、绿色或蓝色滤光片。当该多功能显示器没有前述的彩色滤光片时仍可保有感测及显示的功能，只是显示时的影像因为没有彩色滤光片的辅助，因此是以灰阶方式呈现影像；此外，要再说明的是，该多功能显示器也可在所述画素区域位置分别形成对应所述画素区域的光传感器，通过在所述画素区域设置光传感器，可以让该多功能传感器具有彩色影像感测及显示的功能。

参阅图11，本发明该多功能显示器的一第二较佳实施例具有一个第一基板21、一个第二基板22、一光感测单元23、一个感测光源24、一个背光单元25，及一微投影器26，由于该第一基板21、第二基板22、光感测单元23、感测光源24，及背光单元25的相关结构与该第一较佳实施例相同，因此不再多加赘述，该第二较佳实施例与该第一较佳实施例的差异在于该第二较佳实施例的多功能显示器还具有一微投影器26。

该微投影器26与该感测光源24相同，均设置在该第二基板22的边框区102，可用于投影出一自该多功能显示器输出的显示影像；此外，该微投影器26也可与该感测光源24及该光感测单元23相配合，例如，可利用该微投影器26投影出一键盘或是类似鼠标的2D或3D虚拟图像，而可进一步通过该感测光源24及该光感测单元23的配合，利用该键盘或是鼠标的影像做为该多功能显示器输入及控制的虚拟感测影像。

具体的说，以一般使用者使用本发明该多功能显示器的方向而言，该感测光源24可设置于该边框区102的上方位置，该微投影器26可设置于靠近该边框区102邻近该感测光源24的位置，利用该微投影器26于该多功能显示器的前方投影出一虚拟的影像，例如虚拟键盘影像，因此当利用物品(例如手指)于该虚拟键盘影像上进行输入操作时，自该背光单元25或该感测光源24发出的光线会被反射，而所述光传感器231则可通过接收该反射光线感测到手指的位置，据此，可利用该虚拟键盘影像做为该多功能显示器输入及控制的虚拟元件。

要说明的是，该微投影器26也可以是可旋转的设置于该边框区102，如此即可经由旋转该微投影器26的方向而改变自该微投影器26投影出的影像的投影位置，可更方便不同的使用者观看。

值得一提的是，该多功能显示器还可包括一个X光感测单元，该X光感测单元设置在该第一基板21，并具有多个可接收X光并将其转换成可见光的闪烁体（seintillator），及多个可以将该闪烁体输入的可见光转换为电讯号后输出的薄膜晶体管，如此，该多功能显示器还可直接做为X光的感测及影像显示，而可令本发明该感应式显示器有更广泛的应用。

具体的说，该X光感测单元的闪烁体可以是CsI构成的柱状结构，该薄膜晶体管可以选自非晶硅薄膜电晶，而该X光感测单元则可以设置在具有绿色滤光片G221的G画素，或是设置在不具有滤光片的W画素。当该X光感测单元设置在G画素时，由于该绿色滤光片G221可通过520～570nm波长的绿光，该波长的光线恰为CsI的转换波长范围，因此，入射的X光线经过CsI转换成520～570nm的波长后可被该闪烁体吸收，而不会影响该X光感测单元的感测效果；而当该X光感测单元是设置在不具有滤光片的W画素区域时，则该闪烁体可直接吸收入射的X光线并将其转换成可见光后，再利用该薄膜晶体管将该闪烁体输入的可见光转换为电讯号后对外输出。

要说明的是，当入射光波长大于950nm时，因为薄膜硅光二极管无法有效的感测波长大于950nm的光线，因此，当要利用该光感测单元23有效感测波长高于950nm的入射光源时，该光传感器231须选自能隙小于1.12eV的有机或无机材料，例如HgCdTe。

此外，要再说明的是，位于所述画素的光传感器及位于黑色矩阵222下方的光传感器231也可利用软件而将其区隔成多组可各自独立作用的IR及RGB的虚拟镜头，如此，即可利用所述虚拟镜头对多个位于该多功能显示器外的物体同时进行感测及显示，而不会互相干扰。

值得一提的是，本发明所述光传感器231为光二极管，且可以大面积的设置在该黑色矩阵222下方的位置，因此当不做为感测功能时，所述光传感器231于吸收红外光源所产生的电能可以储存，而做为供应该多功能显示器的电源，又要说明的是，本发明该较佳实施例是以液晶做为所述画素显示开或关的液晶显示器做说明，然而所述画素的开或关除了可利用液晶外，也可利用例如有机发光二极管(OLED)、电湿润元件等做为画素开或关的控制，而达成显示的目的。

综上所述，本发明利用将光感测单元23设置于该第一基板21，并位于该黑色矩阵222下方，因此可在不影响显示器的开口率的状态下让显示器可具有体感的感测功能，此外，还可通过所述光传感器231的面积及数量调整而有效的提升该多功能显示器的感测灵敏度。此外，本发明该多功能显示器除了可做为一般显示器及体感触控显示用外，因为还可视应用需求在画素区域设置X光传感器或光传感器，因此，该多功能显示器还可做为X光感测显示器、彩色影像感测、红外线温度影像显示器，及夜视影像显示器等不同用途，而可更广泛的应用于不同的领域，所以确实能达成本发明的目的。

Claims (11)

1.一种多功能显示器，该多功能显示器包含一个第一基板，具有多条分别沿彼此成角度的一个第一方向及一个第二方向间隔排列的数据电极线及扫描电极线，且任两相邻的数据电极线及扫描电极线共同界定出一个画素区域、一个第二基板，与该第一基板间隔设置，具有多个对应所述画素区域的透光区,和一个令所述透光区彼此间隔不相接触的黑色矩阵，且该黑色矩阵为由可见光不可穿透，红外光可穿透的材料构成，及一个背光单元，用于提供显示用光源，其特征在于：该多功能显示器还包含一个光感测单元，具有多个可接收红外光线的光传感器及一与所述光传感器电连接的第一光电开关，且所述光传感器设置于该第一基板对应该数据电极线或扫描电极线,并位于该黑色矩阵下方。

2.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：所述透光区具有多个分别可让红光、绿光，及蓝光通过的红色滤光片、绿色滤光片，及蓝色滤光片。

3.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：该多功能显示器还包含一个感测光源，用于提供感测用光源。

4.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：该多功能显示器还包含一个与该多功能显示器电讯号连接并用于对外投射影像的微投影器。

5.根据权利要求4所述的多功能显示器，其特征在于：该微投影器是可旋转的与该多功能显示器电讯号连接。

6.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：该背光单元具有一导光板及多个光源，所述光源为白光LED、红光LED、绿光LED、蓝光LED、远红外光LED、或是含有红外线荧光粉的白光LED、红光LED、绿光LED及蓝光LED。

7.根据权利要求3所述的多功能显示器，其特征在于：该感测光源具有一红外线光源与一透镜。

8.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：该每一个画素区域具有一用于控制该画素区域的电压的第二光电开关，该第一光电开关及该第二光电开关为氧化铟镓锌、多晶硅，或非晶硅薄膜晶体管，该光传感器为选自非晶硅、微晶硅、多晶硅半导体，或是能隙小于1.12eV的有机或无机材料的光二极管。

9.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：该光感测单元还具有一个用于调控该光传感器的输出电流的放大器。

10.根据权利要求2所述的多功能显示器，其特征在于：该多功能显示器还包括一个设置在该第一基板，对应所述绿色滤光片的画素区域位置的X光感测单元，该X光感测单元具有多个可接收X光并将其转换成可见光的闪烁体，及多个可将该闪烁体输入的可见光转换为电讯号后输出的薄膜晶体管。

11.根据权利要求1所述的多功能显示器，其特征在于：所述画素区域的显示是利用液晶、有机发光二极管，或是电湿润元件控制所述画素区域的开关。