一种具有光感测功能的双模显示装置

技术领域

本发明提供一种具有光感测功能的双模显示装置，特别是一种利用双模式光电转换单元来兼顾显示及光感测功能的双模显示装置。

背景技术

现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等)最主要的信息与人机介面就是显示装置，因此许多感测器的发展都必须要迎合显示装置的发展而开发新技术，例如手机的全屏幕发展就限缩或改变了很多感测器的空间，包括屏下指纹或屏下相机等等，将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，透过屏幕部分透光(特别是有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以撷取屏幕上方的物体的图像，像是指纹图像或是照片。

然而，屏幕下影像感测技术有一定的困难度，因为代表图像的光线需要穿透显示面板，造成信号处理上的困难(因为影像讯号会与面板透光图案结合在一起)，都需要复杂的影像处理方法解决，同时，不同的显示面板透光比率与透光图案也不同，常常都需要针对其提出解决方法，更重要的是，随着显示面板发展趋势的增长，最终有可能发展出不透光的技术，这时，屏下影像感测将英雄无用武之地。为此，本发明为了解决上述问题，将提出如何设计出一种屏内光学感测装置，实为本揭露内容所欲解决的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种利用双模式光电转换单元来兼顾显示、光感测及防伪功能的双模显示装置，可以应用于OLED显示器、微型发光二极管显示器、无机发光二极管显示器或其他具有独立发光单元的显示器。

为达上述目的，本发明提供一种双模显示装置，至少包括：一基板；一控制单元；及多个光电转换单元；所述多个光电转换单元设置于基板上，并电耦合至控制单元。在一显示模式下，控制单元控制所述多个光电转换单元进入一发光模式；以及在一感测模式下，控制单元控制所述多个光电转换单元的至少一个进入一光感测模式。

本发明还提供一种双模显示装置，至少包含：一基板；一控制单元；以及多个光电转换单元；所述多个光电转换单元设置于基板上，并电耦合至控制单元；其中控制单元控制并调整这些光电转换单元的三原色光电二极管的三原色的发光比例，另外在感测时控制具有不同的三原色能级的这些三原色光电二极管接收不同光谱的光，以执行光谱分离的功能。

本发明还提供一种双模显示装置，至少包含：一基板；一控制单元；以及多个光电转换单元；所述多个光电转换单元设置于基板上，并电耦合至控制单元；其中多个光电转换单元至少具有一第一能级与一第二能级，第二能级高于第一能级，控制单元控制具有第一能级的这些光电转换单元接收对应的第一光谱而产生一第一电信号，控制单元控制具有第二能级的这些光电转换单元接收对应的第二光谱而产生一第二电信号，借此执行第一电信号及第二电信号的运算以达到光谱分离的功能。

通过上述的实施例，可以利用发光模式及光感测模式的光电转换单元来进行显示及光感测，其中发光模式的光电转换单元除了可提供显示用光线以外，也可以提供感测用光线。由于不需要重新设计制造显示器，仅需更改电路驱动方式，所以不需要耗费大量的成本，即可达成屏内光学感测器应有的功能。再者，利用RGB二极管的特性，可以执行光谱分离，提供防伪用的感测数据，而不需另外设置彩色滤光元件，可以有效节省成本。

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为依据本发明较佳实施例的双模显示装置在执行显示功能的局部剖面示意图。

图2为双模显示装置在执行光感测功能的局部剖面示意图。

图3为双模显示装置的功能方块图。

图4A至图4B为像素的两种状态。

图5A至图5C为像素的三种例子。

图6为双模显示装置在执行光谱分离功能的局部剖面示意图。

图7A至图7B为图1的双模显示装置的变化例在执行显示功能及光感测功能的局部剖面示意图。

图8为装设有双模显示装置的电子装置的不同感测区的示意图。

附图标号：

B:蓝光；EM:发光单元；F:物体；G:绿光；L1:显示用光线；L2:感测用光线；L3:光线；R:红光；RC:收光单元；S1:感测信号；S2:触控信号；SA1,SA2,SA3:感测区；10:基板；12:晶体管层；20:光电转换单元；21:红光光电二极管；22:绿光光电二极管；23:蓝光光电二极管；24:像素；25:晶体管层；25A,25B,25C:晶体管；30:控制单元；40:显示面板保护层；50:触控感测层；100:双模显示装置；200:电子装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的精神在于利用发光二极管(包含有机及无机材料，例如OLED、微型发光二极管(Micro LED)等等来提供光感测及显示功能。为了简化之后的说明，将以公知的OLED为主，使其在两种模式下运作，当OLED在顺偏压发光模式(简称发光模式或称电光转换模式)运作时，OLED可以当作显示器使用，当OLED在逆偏压光感测模式(简称光感测模式、收光模式或光电转换模式)运作时，部分或全部OLED可以当作光电二极管使用，用来作为光感测器，设计上可以是单点、多点、一维及二维，二维(2D)光感测器便可以感测物体，由于是利用两种模式运作，故称为双模显示装置。在一个实施例中，例如作指纹感测时，可以在一感测区内让部分的OLED像素(也可称发光单元)当作照明用，让部分的OLED像素当作收光感测器用，当然这只是一种实施例，可以利用控制单元随着应用的场景设定在该感测区内的发光与感测比例(例如昏暗场景的发光与感测比例为5：3；室内光源场景的发光与感测比例为5：4；或者太阳光源场景的发光与感测比例为1：4，当然这比例并不受限)，应用的场景可以利用控制单元依据环境光感测器获得的相关信息来判断。再者，可以利用控制单元依据应用的场景控制此些光电转换单元的三原色光电二极管，调整该三原色(RGB)的发光比例，另外，在感测时，可以借由三原色能级(Energy Gap)的不同，接收不同光谱的光，执行光谱分离的功能，便于做光谱信息的处理，例如假手指判断。需注意的是，本发明所提的"至少一个"是包含一个或多个的情况，或者部分或全部的情况。

本发明的实施例将以指纹感测为例作为说明，但不是要将其限定于此，任何借由本发明衍生的光感测功能，不管是单点或一维(1D)或二维(2D)影像，都是本发明的范围。图1与图2为依据本发明较佳实施例的双模显示装置在执行显示功能及光感测功能的局部剖面示意图。图3为双模显示装置的功能方块图。如图1至图3所示，双模显示装置100至少包含一基板10(例如玻璃或高分子柔性基板)、多个光电转换单元20以及一控制单元30。值得注意的是，虽然双模显示装置100是以设置有感测器的OLED显示器作为例子来说明，但是并未将本发明限制于此。于另一例子中，双模显示装置100也可以感测手指的血管图像、血氧浓度图像等生物特征或当作点状、线状、面状感测装置使用。于另一例子中，双模显示装置100是设置有光学感测器的微型发光二极管显示器或其他利用类似发光二极管当作显示光源的显示器中。

于一例子中，基板10可以是一介电基板。于基板10上可以形成一晶体管层25(晶体管层25当作光电转换单元20的一部分，也就是光电转换单元20至少包含晶体管层25)，例如是薄膜晶体管层。晶体管层25具有至少一个或多个当作开关用的晶体管25A、25B与25C，当然也包括导体连接导线(未显示)。于一例子中，可以是有机发光二极管或微型发光二极管等等的多个光电转换单元20设置于基板10上。光电转换单元20包含多个像素24，各像素24包含至少一个三原色光电二极管(红光光电二极管21、绿光光电二极管22及蓝光光电二极管23)及控制上述光电二极管的至少一晶体管25A、25B与25C，控制单元30通过当作开关用的该至少一晶体管25A、25B、25C，而电耦合至红光光电二极管21、绿光光电二极管22及蓝光光电二极管23。值得注意的是，可以是单一光电二极管连接至单一晶体管，也可以单一晶体管连接至多个光电二极管，或者是多个晶体管连接至单一光电二极管，于此不特别设限。因此，控制单元30电耦合至这些光电转换单元20。例如，控制单元30输出控制信号给晶体管25A、25B与25C，可以控制三原色光电二极管的运作。控制单元30的设置位置不作特别限制。当然各像素与各晶体管间的配置及数量，在此仅以基本操作说明，并不是要加以设限，熟悉此技艺者当了解且可以根据应用加以变化，例如增加逆偏压的设计，就可能使各像素控制晶体管的数量增加。

于显示模式下，控制单元30控制这些光电转换单元20进入发光模式，以执行电信号至光信号转换而提供例如显示用光线L1。于此情况下，可以提供显示的功能。

于感测模式下，控制单元30控制这些光电转换单元20的至少一个(包含一个或多个)进入光感测模式，进入光感测模式可以接收来自一物体F的光线L3，并执行光信号至电信号转换以获得一感测信号S1。因此，一个或多个光电转换单元20可受控于控制单元30而选择性地在发光模式与光感测模式之间操作，或选择性地操作于发光模式或光感测模式。于另一例子中，当一个或多个光电转换单元20受控于控制单元30操作于光感测模式时，其余的光电转换单元20可受控于控制单元30选择性的操作于发光模式或不发光模式。当OLED显示器为小面积的显示器时，可以控制全部的光电转换单元20进入光感测模式。当OLED显示器为大面积的显示器(例如具有手机屏幕的尺寸)时，可以控制一部分的光电转换单元20进入光感测模式，但是也可以控制全部的光电转换单元20进入光感测模式，以执行多部位的光感测功能，例如是同时感测两个、三个、四个或五个物体(手指)的指纹等等。因此，控制单元30可以控制光电转换单元20操作于发光模式及/或光感测模式，这样的控制动作可以可包含：(a)单纯显示场合；(b)全屏感测场合；(c)没有显示加上部分感测(例如一般黑屏情况欲解锁)；以及(d)部分显示加上部分感测(例如操作应用程式而需要指纹认证时)。此外，控制单元30可以控制这些光电转换单元20的三原色光电二极管执行光谱分离的功能，以利防伪程序的进行，细节将在后续说明。

借由上述的发光模式与光感测模式的控制，可以利用这些光电转换单元20在不同时间点进行电光(发光)及光电(感测)转换，而获得显示、照明及光感测的功能，或者不同位置的光电转换单元20(借由几何规划，光电转换单元20可以执行部分发光及部分光感测)进行电光(发光)及光电(感测)转换，而获得显示、照明及光感测的功能。因此，不需牺牲显示器的解析度，也不需重新配置显示器的发光单元，更不用在显示器的发光单元之间插入光感测单元，而能让显示器同时具有显示及光感测的功能，并且可以控制这些光电转换单元的三原色光电二极管执行光谱分离的功能，这些都是本发明最重要的精神。

此外，双模显示装置100还可以包括一显示面板保护层40，设置于这些光电转换单元20的上方，并依据显示用光线L1显示信息。于一例子中，显示面板保护层40包含玻璃基板或者是其他透光材料，例如保护贴。

再者，双模显示装置100还可以包括一触控感测层50，电耦合至控制单元30，设置于显示面板保护层40上(当然随着技术的发展，此处所显示的触控感测层50与显示面板保护层40不限定其制造时序或前后关系，例如有些屏内触控(in-cell touch)技术是整合了触控技术，而将显示面板保护层设置于最外部，于此情况下，触控感测层50设置于这些光电转换单元20的上方)，触控感测层50感测物体F的触控信息而产生一触控信号S2。因此，控制单元30可以依据触控信号S2对应触控的位置选择一个感兴趣的区域(Region OfInterest,ROI)，控制位于ROI内的这些光电转换单元20的至少一个进入光感测模式，以获得感测信号S1。

图4A与图4B为像素的两种状态。如图4A与图3所示，控制单元30还控制这些光电转换单元20的一第一群组(例如图4A中当作发光单元EM用的像素24所组成的群组)进入发光模式而提供感测用光线L2，并且控制这些光电转换单元20的一第二群组(例如图4A中当作收光单元RC用的像素24所组成的群组)进入光感测模式，以利用感测用光线L2来获得感测信号S1。因此，光电转换单元20的一部分提供感测用光线L2，另一部分供光感测用，于此情况下，可以控制两个群组的像素24同时进行发光及收光功能，这些光电转换单元20的第一群组及第二群组可以交错排列，当然此处的交错排列仅为说明应用的一种实施例，任何的发光像素与感测像素的几何排列，都可以借由控制单元控制，都属于本发明涵盖的范围。值得注意的是，感测用光线也可以由其他的光源提供，例如是另外设置感测用光源，或者使用环境光等，而不限制于一定要由光电转换单元20提供。

或者，如图3与图4A所示，控制单元30可以控制这些光电转换单元20的第一群组及第二群组分别进入发光模式及光感测模式，以利用第一群组进行打光及利用第二群组进行光感测的功能。此外，如图3与图4B所示，控制单元30可以控制这些光电转换单元20的第一群组及第二群组分别进入光感测模式及发光模式，以利用第二群组进行打光及利用第一群组进行光感测的功能。借此，可以将第一群组及第二群组所感测到的数据结合起来，而获得完整的数据。

当然，如图1至图3所示，光电转换单元20的至少一个可以在提供感测用光线L2后，再进行收光功能(例如近接式感测器(proximity sensor))。于此情况下，控制单元30还控制这些光电转换单元20进入发光模式而提供感测用光线L2，且控制单元30依据触控信号S2依序控制这些光电转换单元20的至少一个进入发光模式及光感测模式，以利用感测用光线L2来获得感测信号S1。

图5A至图5C为像素的三种例子。如图5A所示，这些光电转换单元20至少包含多个像素24，各像素24包含至少一红光光电二极管21、至少一绿光光电二极管22及至少一蓝光光电二极管23，三者可以称为RGB光电二极管，对应至一显示像素(或称为是显示像素的一部分)。如图5B所示，单一像素24可以包含至少一红光光电二极管21、至少一绿光光电二极管22及两个蓝光光电二极管23。如图5C所示，单一像素24可以包含两个红光光电二极管21、两个绿光光电二极管22及一蓝光光电二极管23。因为光电二极管的配置方式有很多种，于此仅是举例说明，并未将本发明限制于此，又如图4A与图4B中作为发光或光感测用的像素24，还可以选择由图5A至图5C中至少一光电二极管(R或G或B)执行，也就是在一局部启动模式下，控制单元30仅启动R、G及B光电二极管的其中一个或两个(而没有启动全部的R、G、B光电二极管)进入光感测模式或发光模式(例如只有发绿光及感测)，这些都可以配合应用独立控制子像素(R/G/B光电二极管21至23可以称为子像素)。

图6为双模显示装置在执行光谱分离功能的局部剖面示意图。如图6所示，因为有RGB二极管，所以可以执行光谱分离的功能。因此，于各像素24中，红光光电二极管21、绿光光电二极管22及蓝光光电二极管23进入光感测模式以提供不同的能级来执行光谱分离感测。例如，光感测模式下的红光光电二极管21的能级比较窄，绿光光电二极管22的能级次之，蓝光光电二极管23的能级比较宽。因为红光R的能量低，绿光G的能量次之，而蓝光B的能量较高，所以蓝光B能激发红光光电二极管21、绿光光电二极管22及蓝光光电二极管23进行光电转换；绿光G仅能激发红光光电二极管21及绿光光电二极管22进行光电转换，而无法激发蓝光光电二极管23进行光电转换；而红光R仅能激发红光光电二极管21进行光电转换，而无法激发绿光光电二极管22及蓝光光电二极管23进行光电转换。因此，红光光电二极管21感测红光、绿光、蓝光及其混合光而进入光感测模式，绿光光电二极管22仅能感测绿光、蓝光及其混合光而进入光感测模式，而蓝光光电二极管23仅能感测蓝光而进入光感测模式，当然上述不同能级的光电二极管是由材料特性决定，甚至发光与光感测的能级也不尽相同，以上所述仅用以说明本发明实施例的一种对光谱分离的优点，并不是要限定每一子像素(光电二极管21至23)所能感测的特定光谱范围。

因此，于上述例子中，多个光电转换单元20至少具有一第一能级(例如是对应红光的能级，但不限于此)与一第二能级(例如是对应绿光的能级，但不限于此)，第二能级高于第一能级，控制单元30控制具有第一能级的这些光电转换单元20接收对应的第一光谱而产生第一电信号，且控制单元30控制具有第二能级的这些光电转换单元20接收对应的第二光谱而产生第二电信号，借由执行第一及第二电信号的运算可以达到光谱分离的功能。第一光谱与第二光谱的分布范围可以是局部重叠或完全不重叠。此外，这些光电转换单元20可以更具有一第三能级(例如是对应蓝光的能级，但不限于此)，第三能级高于第二能级。控制单元30控制具有第三能级的这些光电转换单元20接收对应的第三光谱而产生第三电信号，借由执行第一、第二电信号及/或第三电信号的运算可以达到光谱分离的功能。值得注意的是，上述的运算可以由控制单元30、外部的计算机、或云端伺服器来执行，且第一、第二与第三光谱的分布范围可以是局部重叠或完全不重叠。

因为可以利用光电二极管的特性来执行光谱分离，所以依据分离的光谱，使得双模显示装置100可以提供感测的光谱信息，例如可以应用如指纹防伪所需要的数据，例如是不同光谱的感测数据的时间域或空间域的变化，或者是不同光谱的感测数据的数学运算关系等等，而不需要设置任何的彩色滤光器，具有降低成本，简化结构的优点。

图7A与图7B为图1的双模显示装置的变化例在执行显示功能及光感测功能的局部剖面示意图。如图7A与7B，提供的是一种类似于图1的局部感测的例子。如图7A所示，在显示模式下，光电转换单元20提供显示用光线L1。如图7B所示，于感测模式下，控制单元30可以同时控制部分的光电转换单元20(例如仅以示意的方式表示的左右侧的光电二极管)进入发光模式而提供感测用光线L2以及部分的光电转换单元20(例如仅以示意的方式表示的中间三个光电二极管21、22与23)进入光感测模式，以利用感测用光线L2来获得感测信号S1；或者，控制单元30可以依据触控信号S2依序(不同时)控制这些光电转换单元20进入发光模式及控制这些光电转换单元20进入光感测模式，以利用感测用光线L2来获得感测信号S1。借此，在感测模式下，可以达到局部发光与局部光感测的效果。

如图8所示，值得注意的是，当可以进入发光模式及光感测模式的多个光电转换单元20布满整个双模显示装置100时，可以提供一种全屏显示及全屏感测的应用，此时的感测区SA3可以选择性地提供感测的功能及显示的功能。当可以进入发光模式及光感测模式的多个光电转换单元20只有填满双模显示装置100的一部分(例如感测区SA1或SA2以内)时，可以提供一种局部屏感测的应用，而双模显示装置100的另一部分(例如感测区SA1或SA2以外)，可提供仅具有发光模式的光电转换单元即可。因此，本案的所请求的范围包含上述两种应用。实际制造时，也可以将多个光电转换单元20布满整个双模显示装置100，将安装有双模显示装置100的电子装置200分成两个或多个级别的产品来贩售。借由控制单元30的不同固件，可以驱动例如20％、50％及100％的光电转换单元20可以进入光感测模式，可以造就三种不同大小的感测区SA1、SA2与SA3的三种价格的电子装置。当然，原先买20％的感测区SA1的使用者，可以自行通过付费的帐户升级来更新固件或控制字符，以提升至40％的感测区SA2或100％的感测区SA3，获得不同的体验。当然，原先购买100％的感测区SA3的使用者，也可以自行设定其所惯用的感测区，而缩小至任何占比及/或特定位置的特定感测区，以符合使用者的需求。于此情况下，上述感测模式包含多个子感测模式，而控制单元30可以依据这些子感测模式控制不同占比的这些光电转换单元20进入光感测模式。因此，本例子具有一种感兴趣的区域可配置化(ROI configurable)的架构，让使用者自行配置感兴趣的区域来进入光感测模式。

通过上述的实施例，可以利用发光模式及感测模式的光电转换单元来进行显示及光感测，其中发光模式的光电转换单元除了可提供显示用光线以外，也可以提供感测用光线。由于不需要重新设计制造显示器，仅需更改电路驱动方式，所以不需要耗费大量的成本，即可达成屏内光学感测器应有的功能。再者，利用RGB二极管的特性，可以执行光谱分离，提供例如指纹应用防伪用的感测数据，而不需另外设置彩色滤光元件，可以有效节省成本。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及权利要求的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。