用于平板顯示器的光筆和觸摸屏數據輸入系統和方法

專利名稱：用于平板顯示器的光筆和觸摸屏數據輸入系統和方法
技術領域：
本發明一般涉及用于接收或檢測接觸式和非接觸式輸入到發射顯示器裝置表面的系統，裝置和方法，具體涉及用于接收或檢測觸摸輸入或光輸入到平板有機發光二極管(OLED)顯示板的系統，裝置和方法，其中利用與檢測和保持像素亮度相同或不同的傳感器。
背景技術：
許多顯示器應用，例如，個人數據輔助器(PDA)，全球定位系統(GPS)，和包含GPS的導航系統，機場進入檢查終端，公共計算機信息站，以及各種其他的系統和裝置包含添加到信息顯示板上的觸摸屏，因此，用戶可以有效地看到數據項或動作的圖標或圖形，并通過按壓手指或指示筆到那個圖標上以選取數據項或動作。
普通裝置通常提供放置在顯示器表面上單獨的觸摸控制板，因此，即使用戶可以相信他或她正在觸摸顯示屏，事實上，他或她正在提供輸入到單獨的裝置，該裝置連接到顯示板或插入在用戶與顯示器裝置之間。
所以，這些裝置必須不僅包含觸摸輸入和信息顯示的兩個面板，還必須提供分開的電子線路和接口到該裝置，而且在某些情況下給觸摸輸入板和顯示板提供單獨的驅動器，操作系統，和/或應用程序軟件。通常這還可能增加組裝和維修成本。所有這些附加的元件增加該裝置的成本，而且在競爭激烈和利潤率低的情況下，這些附加的成本是不受歡迎的。在一些裝置中，添加觸摸屏到顯示板上的成本可以比單獨顯示板的成本增加一倍，如果它是原始制造之后添加上去的。
所以，我們需要一種集成式單個低成本顯示器裝置，它不但能夠顯示或輸出該裝置產生的二維符號和圖形信息，而且還包含傳感器陣列，該傳感器陣列可以從用戶接收位置有關信息，并傳輸這種位置信息到該裝置。
我們還需要這樣一種傳感器陣列，它可以在顯示器制造期間與顯示器集成，因此，制造和分配輸入傳感器陣列作為觸摸屏的附加成本是合理的成本。
在一些環境下，我們還需要提供這樣一種非接觸式輸入，例如，光筆輸入的形式，因此，可以減小由于頻繁觸摸壓力到輸入裝置上導致的磨損或其他損耗和損壞，從而延長該裝置在惡劣服務環境下的壽命。我們還需要提供這樣一種接觸式輸入，它不依靠外來的光源，例如，環境光或光筆。

發明內容
本發明提供一種用于接收或檢測接觸式和非接觸式輸入(例如，光筆輸入)到發射顯示器裝置表面上的系統，顯示器裝置，像素和傳感器結構，和方法；更具體地說，本發明提供一種用于接收或檢測觸摸輸入或光輸入到平板顯示器上的系統，裝置，和方法，例如，平板有機發光二極管(OLED)顯示器或其他發射顯示板，其中利用與檢測和保持像素亮度相同或不同的傳感器。
在一方面，本發明提供一種用于平板顯示器的光筆輸入和觸摸屏數據輸入的系統和方法，在另一方面，本發明提供一種側光照射平板顯示器和觸摸板輸入裝置，在另一方面，本發明提供一種用于讀出顯示器像素發射和環境亮度級的方法和裝置，在另一方面，本發明提供一種有檢測亮度穩定性和用戶光輸入或觸摸屏輸入的發射顯示器裝置，在另一方面，發明提供一種用于平板發射顯示器的方法和裝置，其中利用屏蔽或部分屏蔽傳感器以檢測用戶屏的輸入。
在另一方面，本發明提供一種有多個像素的類型的發射像素顯示器裝置，其中每個像素有發光裝置和產生驅動信號以驅動顯示器像素的驅動電路，該發射像素顯示器裝置的特征是，至少一個光子傳感器設置在顯示器裝置像素內，其工作是檢測該像素內部發射器發射的光子，和顯示器裝置之外光源發射的環境光子，檢測的內部發射光子用于顯示器亮度反饋控制，而檢測的環境光子用于檢測外部光源或陰影輸入到顯示器。
在另一方面，本發明提供一種有積分亮度和輸入傳感器的方法，顯示器，像素結構，和發射像素裝置，其中該像素裝置包括發光裝置；像素發射器驅動電路，用于產生驅動電流以驅動發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少一個光傳感器，用于展示電特性的變化以響應發光裝置鄰近的入射光子通量變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取可測量的光子通量，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的可測量光子通量；和電壓，電流，和電荷讀出電路中的至少一個讀出電路，用于測量(i)光傳感器裝置在非發光狀態期間內第一部分非發射時間段末產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷，和其中測得的第一電壓，第一電流，或第一電荷是在第一部分時間段內該像素之外光源發射的測量亮度指示；和(ii)光傳感器裝置在發光狀態期間內第二部分發射時間段末產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷，和其中測得的第二電壓，第二電流，或第二電荷是在第二部分時間段內從該像素發射的測量亮度指示。
在另一方面，本發明提供一種用于操作有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置的方法，該方法包括產生驅動電流以驅動發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少耦合一個電荷存儲裝置與傳感器，用于積累或釋放電荷并展示電容電荷以及與該電荷成正比的電壓；曝光傳感器到發光裝置在第一時間段和第二時間段內發射的光子，該傳感器展示電特性的變化以響應入射光子通量的變化；積累(充電)或泄漏(放電)到或來自與傳感器耦合的該至少一個電荷存儲裝置，該傳感器包含一個在第一時間段和第二時間段內控制電荷積累或釋放速率的元件；在部分的第一和第二時間段末測量電荷存儲裝置上存在電荷產生的電壓或電流，在部分的第一周期內測量的電壓或電流是在部分的第一時間段內從該像素發射實際亮度的指示，和在部分的第二周期內測量的電壓或電流是在部分的第二時間段內從外部光源入射到像素傳感器上實際亮度的指示；比較從像素有關測量電壓或電流發射的實際亮度與像素發射器圖像電壓和像素發射器驅動電流的參考目標像素亮度以產生一個差值；應用該差值作為反饋輸入到校正電路，該校正電路在隨后的幀時間內改變相同像素的圖像電壓和驅動電流；和比較在部分的第二時間段內入射到像素傳感器上的實際亮度與顯示器中至少一個其他像素的實際亮度以識別顯示器上觸摸輸入或光筆輸入的位置。
在另一方面，本發明提供一種用于檢測輸入到有第一多個分開可尋址圖片單元(picture element)(像素)位置的裝置和方法，這些像素位置排列成二維陣列，該方法包括在二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
在另一方面，本發明提供一種用于操作有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置的方法，該方法包括產生驅動電流以驅動每個像素的中發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少提供一個光傳感器，該傳感器展示電特性的變化以響應每個像素中發光裝置鄰近的入射光子通量變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取可測量的光子通量，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的可測量光子通量；至少讀出電壓，電流，和電荷測量結果中的一個測量結果，該結果代表(i)光傳感器裝置在非發光狀態期間內第一部分非發射時間段末產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷，和其中測得的第一電壓，第一電流，或第一電荷是在第一部分時間段內該像素之外光源發射的測量亮度指示；和(ii)光傳感器裝置在發光狀態期間內第二部分發射時間段末產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷，和其中測得的第二電壓，第二電流，或第二電荷是在第二部分時間段內從該像素發射的測量亮度指示。
在另一方面，本發明提供一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)的顯示器裝置的輸入的裝置，這些像素位置排列成二維陣列，該裝置包括與二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置相鄰的光子檢測元件；至少一個檢測電路，該檢測電路在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；至少一個測量電路，該測量電路產生每個光子檢測元件的檢測信號，該檢測信號對應被檢測光子的數目或能量；和比較電路，用于比較和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
在另一方面，本發明提供一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)的顯示器裝置的輸入的裝置和方法，這些像素位置排列成二維陣列，該裝置包括與二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置相鄰的光子檢測元件；至少一個檢測電路，該檢測電路在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；至少一個測量電路，該測量電路產生每個光子檢測元件的檢測信號，該檢測信號對應被檢測光子的數目或能量；和比較電路，用于比較和分析檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
在另一方面，本發明提供一種發射像素顯示器裝置，包括排列成二維陣列作為顯示屏的多個發光裝置；像素發射器驅動電路，用于驅動多個發光裝置到預定亮度；與每個發光裝置相關的至少一個光傳感器，該傳感器展示電特性的變化以響應入射光子的變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取光子，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的光子；電壓，電流和電荷讀出電路中至少一個讀出電路，用于測量(i)與非發射時間光傳感器相關的第一電參數，它作為該像素和顯示器之外光源發射的亮度指示；和(ii)與發射時間光傳感器相關的第二電參數，它作為像素和顯示器內從該像素發射的亮度指示。
在另一方面，本發明提供一種顯示器裝置或控制板，它包含各個實施例的像素結構和裝置，傳感器結構和裝置，以及與以上有關描述的電路，操作方法和過程。例如，本發明提供一種平板顯示器裝置，用于計算，娛樂，電視，個人數據輔助器，汽車顯示器裝置，圖形顯示器裝置，家用電器，和/或任何其他的信息或顯示器裝置。
在本說明書中描述本發明的其他方面，特征和優點，并在附圖或權利要求書中給以詳細說明。


圖1是玻璃基片上OLED像素陣列與玻璃基片上光傳感器陣列對準的實施例。
圖2是虛線表示的無源驅動OLED與實線表示的無源傳感器陣列在OLED陣列頂層對準的實施例。
圖3是有激光光筆指示器的傳感器陣列實施例，用于激活該陣列中的一個傳感器。
圖4是曝光在環境光下但被光密物體形成陰影的傳感器陣列實施例，光密物體可以是手指或指示筆。
圖5是有紅光LED或激光光筆的傳感器陣列實施例，其中光筆通過紅濾波器曝光該陣列中的傳感器。
圖6是利用玻璃板的傳感器陣列實施例，在玻璃板的一個邊緣上有引入紅光的紅光LED，其中指示筆散射紅光通過紅濾波器以激活該陣列中的一個傳感器。
圖7是采用沿整個列長度向下延伸的傳感器和一組與該列傳感器成正交的附加傳感器的傳感器陣列實施例，這些列傳感器是沿整個行寬度延伸，且其中紅光筆激活一列和一行，從而可以確定該光筆的位置。
圖8是頂層發射OLED像素結構的實施例。
圖9是底層發射OLED像素結構的實施例。
圖10是底層發射OLED像素結構的實施例，其中擋光暗屏蔽中的小孔用于阻止背景環境光。
圖11是二傳感器像素電路的實施例，該電路展示傳感器，光子通量積分器，和用于讀該傳感器的電荷放大器電路。
圖12是頂層發射OLED像素結構的實施例，其中利用OLED材料作為反向偏置二極管光檢測器或傳感器，用于觸摸傳感器的發射光和環境光。
圖13是像素電路的實施例，具體說明反向偏置OLED光二極管的示意圖。
圖14是包含偏置特征的OLED裝置示意圖。
圖15是有偏置暗屏蔽柵極和暗屏蔽偏置線的傳感器像素電路實施例，并展示傳感器，光子通量積分器，和用于讀出傳感器的電荷放大器電路。
具體實施例方式
2004年6月17日申請的US Patent Application Serial No.10/872,268，其標題為“Controlled Passive Display，Apparatus andMethod for Controlling and Making a Passive Display”；2004年5月6日申請的US Patent Application Serial No.10/841,198，其標題為“Method and Apparatus for Controlling A Light Source”；2004年11月19日申請的US Patent Application Serial No.10/515,575，其標題為“Passive Matrix Emission Stabilized Flat Panel Display”；和2004年6月17日申請的US Patent Application Serial No.10/872,344，其標題為“Method and Apparatus for Controlling an Active Matrix Display”，這些專利描述平面顯示板技術的各種特征，和具體描述有機發光二極管(OLED)顯示器技術。這些專利申請中的每個申請合并在此供參考。
在這些描述的結構，方法和特征中包含用于構造光傳感器陣列的結構，這個傳感器陣列是與OLED顯示器的像素陣列一一匹配。在每個OLED像素中有一個光檢測裝置。由于反饋穩定顯示器有內置的傳感器陣列，就有可能利用光傳感器陣列輸入數據到計算機或其他裝置或控制和驅動OLED顯示器的其他電路。因此，光傳感器陣列不僅可以穩定該顯示器，而且還可用作光輸入或觸摸屏。
可以有幾種利用光傳感器陣列作為輸入裝置的不同方案。在一個實施例中，為了利用光傳感器陣列作為觸摸屏，指示筆，或光筆輸入裝置，該傳感器陣列已用于穩定OLED顯示器的亮度和/或其他的像素發射或傳輸特性，部分的行尋址時間段用于掃描光傳感器和檢測該陣列中的哪些傳感器暴露在輸入裝置的光中，例如，LED基光筆裝置或光散射觸摸板。或者，因為環境光通常在大多數的工作環境下可以入射到光傳感器上，實際上總是有出現在像素反饋電路上的背景電壓，這是由傳感器或檢測電路檢測的環境光。若陰影入射到一個或一組傳感器陣列上，則在專用于檢測輸入數據和/或環境數據的部分行尋址時間內掃描該陣列傳感器，可以檢測到這個陰影。
許多典型的顯示器利用30幀/秒至60幀/秒(fps)的刷新速率。60fps的刷新速率意味著幀尋址時間是16.67ms(1/60秒)。若顯示器有100行，則行尋址時間是16.67÷100或167微秒。在每行掃描的開始，該行中的像素被斷開；所以，在光傳感器陣列中該行上的光是來自顯示器工作環境(例如，室內照明)下的環境光，或來自光輸入裝置(例如，發射光筆的光或從散射板散射的光)。例如，若20％或1/5的行寫入時間(167÷5＝33.4)用于掃描傳感器中反饋電路的電壓，則約33微秒時隙或周期(或這個時間的一部分)可以專門用于檢測外部光輸入。這就留下約134微秒的時間用于行寫入。用于檢測反饋電路上電壓的電路集成到驅動集成電路(IC)電子裝置和邏輯電路上，它們可以驅動顯示器并管理用于顯示器亮度控制和穩定的反饋電路。這種類型電路的細節在電子工程領域和在電子領域受過教育和訓練的個人是眾所周知的，此處不再詳細地描述。
輸入光信息到有多個傳感器顯示屏上的結構和方法是很多的。以下給出的一系列例子僅僅作為舉例而不是限制性的，我們應當理解，借助于此處給出的描述，可以實現許多其他的結構和方法。
在第一個典型實施例中，我們利用普通墨水筆或指示筆形狀的輸入裝置，而代替墨水或一些其他的標記材料，這種筆包含可以發射光或光子流的發光二極管(LED)。這種LED的例子是發射可見光或紅外波長的LED，例如，紅光LED或紅外光LED。還可以利用其他的白色，單色，多色，或彩色LED，和/或LED可以發射各種波長的光，即，多色LED。然而，單色LED可能是優選的，因為它允許最佳組合以抑制不是那個波長的其他環境光的光輸入。其他的實施例可以利用白熾光光源。光纖和/或透鏡系統可用于傳輸來自光筆內或光筆之外光源的光到光筆尖頭。在光筆內和/或光筆尖頭內的光透鏡系統可以聚焦光到光傳感器陣列上的確定點。或者，光學系統可以產生基本準直的光束，該光束是從光筆的尖頭射出。有利的是，光筆可以設計成搭載在顯示器的前玻璃板表面上，該顯示器在玻璃板的內表面或其他透明面上包含傳感器陣列。由于光筆搭載在外表面上并有利地聚焦到內表面上，可以形成盡可能小的光斑，在一個實施例中，光筆基透鏡系統的焦距基本上可以是從透鏡系統到傳感器陣列的距離，或者是約為玻璃板的厚度。
在傳送圖像和在空間中指定位置產生光斑的各種光學技術是眾所周知的，因此，光學系統不必是位于光筆尖頭的簡單透鏡。所以，應當理解，已知的任何光學系統或技術可用于產生理想的光斑，聚焦光束，準直光束，或其他的光子濃度，它可以與一個或少量傳感器連接并被該傳感器檢測。由于從光筆尖頭到傳感器陣列的距離保持固定，透鏡系統也可以保持固定，它不需要包含昂貴的可調整設計。
最好是，在傳感器陣列的每個元件上形成暗屏蔽以阻擋或衰減光，和用于阻擋或遮擋所有或大部分的環境光，因此，用于檢測顯示器中每個像素發射的亮度或光子流的檢測操作不會受到環境光條件的干擾。暗屏蔽是插入在傳感器與環境光或外光源與傳感器之間的不透明結構，但是不阻擋像素發射器發射的光。暗屏蔽通常是由沉積的金屬制成，或最好是由不透明的顏料制成；例如，專業人員熟知的聚酰亞胺材料。暗屏蔽也可以由濾波器材料制成，它可以阻擋大部分環境光，而只能傳輸光譜中的窄波帶光，例如，710nm波長的紅光。
所以，與光輸入系統結合使用的暗屏蔽不是絕對不透明的，實際上，它最好是一種濾波器材料，可以阻擋或衰減大部分的環境光，但傳輸通過可以匹配或允許基本透射光筆中LED特定波長的光。例如，若LED是發射710nm附近的紅光LED，則暗屏蔽最好是可以加工制造的710nm陷波濾波器或類似于這種陷波濾波器。LED可以有任何的顏色，而匹配濾波器可以是任何波長的濾波器，只要它匹配或基本匹配光筆中的LED波長。當然，濾波器傳輸的波長范圍和LED發射的波長范圍至少必須有一些重疊光譜的波長范圍。光筆輸入系統的分辨率可以有與顯示器同樣高的像素分辨率。這意味著輸入系統可用于準確地記錄印刷體或手寫體，或輸入其他的圖形或符號數據或信息，例如，指紋。
在第二個實施例中，人的手指可用于遮擋環境光入射到傳感器陣列上。這是相對粗糙的輸入系統，但足夠精確地激活顯示器上的圖標。此外，顯示器上環境光需要有足夠的強度，從而可以檢測相對于未遮擋傳感器的陰影。
在第三個實施例中，利用平板中的全內反射現象。眾所周知，當光進入到由各種光密度(折射率)的任何透明材料制成的平板邊緣時，只要合適地選取平板的光密度以及與該平板接觸的材料，光可以從平板的一側傳輸到另一側，而沒有從該平板頂面和低面射出的光。被較高光密度透明材料圍繞的普通玻璃可以出現全內反射現象。因此，玻璃板或甲基丙烯酸甲酯塑料可以粘貼到OLED顯示器和傳感器陣列表面。紅光LED可以引導光進入平板的一側，而沒有入射到傳感器陣列上的任何LED光，因為在沒有擾動下光完全是在平板內傳播。然而，若一個物體與平板接觸，則兩種材料之間光界面的變化足以使光在與平板接觸的點從該平板中射出，并照射到與該平板接觸的物體。若該物體是由反射材料制成或涂敷反射材料(例如，白色材料，或對平板中的光波長是高反射的顏色)，則光就被散射到與散射板接觸的鄰近陣列中的傳感器。這種類型的光輸入沒有相對于光筆的高分辨率，但是，若使用窄的尖頭指示筆，則其分辨率高于利用相對粗的手指尖分辨率。手指也可用于散射側面輸入的光。這種輸入系統的優點是，可以利用鈍物體作為指示筆，或可以利用手指，而環境光的條件不是重要的，因為它是利用陰影技術。
在第四個實施例中，圖像可以輸入而不是僅僅在顯示屏上的一個位置。例如，指紋的圖像可以輸入到光傳感器陣列并被捕獲，這是通過放置該圖像到顯示器玻璃表面上(例如，利用墨水或拾取手指上的潮氣或油污)，并遮擋任何外光源的光通過該圖像。應當理解，若使用準直光作為外光源，則可以提高分辨率。在不同于這種直接輸入的情況下，可以實施這樣一種系統，其中諸如賽璐玢的薄材料可以粘貼到顯示器表面，在一側是分配輥，而在另一側是收帶盤。在賽璐玢與顯示器玻璃板之間是匹配散射板光密度的光學媒體，例如，甘油。賽璐玢放置在甘油層之上或內部，它接觸散射板和賽璐玢。這使得賽璐玢有包含頂壁的光。當手指緊壓到賽璐玢上時，光就從限定指紋的凸起物上散射，并被記錄在傳感器陣列中。可以采用其他的裝置和方法，它在顯示器表面上產生可以是圖像形式的一個光區，或產生多個光區。
在這個說明書以及附圖和權利要求書中還給出附加的實施例，因此，本發明不局限于以上給出的具體實施例。此外，應當明白，鑒于以上的描述，可以分開地利用或組合本發明結構和方法的各種特征，且我們描述的某些實施例具有提高性能或適用性的任選特征，但這些特征不是必需的。
現在討論幾個傳感器陣列的實施例。圖1表示與傳感器板1對準的顯示板基片實施例，例如，OLED顯示器基片100。在傳感器板1上有傳感器元件2。在OLED顯示器基片100上沉積OLED像素7陣列。在傳感器板1上有形成或沉積的光(光子)傳感器2的傳感器陣列20。(傳感器板1也可以與顯示器基片形成整體，因此不需要實際分開的傳感器板。)應當明白，光傳感器可以是光電阻器，光二極管，光晶體管，或經受可檢測變化的任何其他裝置，可以檢測或測量這種變化以響應光強度，亮度的變化，或光子通量的變化。光激活材料可以選自各種材料，它包括但不限于，硅，非晶硅，硒化鎘，和多晶硅中的任何一種或其組合。為了避免使這個陣列中的傳感器和本發明其他特征變得模糊不清，我們沒有畫出與檢測直接有關的任何電路元件，例如，任何孤立的薄膜晶體管(TFT)或其他的裝置和電路，它們可以防止傳感器的串音和傳感器之間的串音。在共同申請的專利中畫出這種結構，這對于本領域普通專業人員是眾所周知的。
傳感器陣列20有電觸點5和6，當傳感器陣列和OLED顯示器基片結合在一起時，電觸點5和6分別與接觸墊片10和11匹配或連接。傳感器陣列20的工作是產生反饋到OLED顯示器的驅動電路部分，為的是保持顯示器的穩定亮度和均勻性。在以下的一個或多個專利申請中描述這種驅動電路的例子2004年6月17日申請的US PatentApplication Serial No.10/872,268，其標題為“Controlled PassiveDisplay，Apparatus and Method for Controlling and Making a PassiveDisplay”；2004年5月6日申請的US Patent Application Serial No.10/841,198，其標題為“Method and Apparatus for Controlling A LightSource”；2004年11月19日申請的US Patent Application Serial No.10/515,575，其標題為“Passive Matrix Emission Stabilized Flat PanelDisplay”；和2004年6月17日申請的US Patent Application Serial No.10/872,344，其標題為“Method andApparatus for Controlling an ActiveMatrix Display”，或可以利用本領域專業人員知道的常規驅動電路。
本發明描述這樣一種傳感器陣列，它不但能夠控制OLED或其他顯示器的亮度均勻性，而且還可以用作輸入裝置，其工作有些類似于計算機觸摸屏或光筆輸入裝置。例如，不需要改變玻璃基片上的傳感器系統，該傳感器陣列可以用作觸摸屏。換句話說，對于有發射反饋裝置的有源矩陣，觸摸屏檢測系統可以同時是發射反饋傳感器系統，反之亦然。
所以，在一方面，本發明提供一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的方法，這些像素位置排列成二維陣列。在一個實施例中，該方法包括在二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析該檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
在另一個實施例中，該方法可以提供多個檢測元件有與它對準的對應OLED像素。光子檢測元件可以在第一多個分開可尋址像素位置的每個像素位置鄰近。與每個像素位置鄰近的檢測元件可以包括在像素位置的每個像素結構內的檢測元件。在第一多個分開可尋址像素位置中的每個第N行和每個第M列有一個光子檢測元件，且其中N和M可以是獨立選取的任何正整數，該正整數是在1與N行和M列中最大的像素數目之間。檢測元件可以單獨或其他元件組合構成光子通量積分器。
在一個實施例中，雖然在每個像素位置上有檢測元件，但是檢測元件也不必在每個像素上，而是可以有不同的位置。該裝置中的各行和各列可以有不同的像素間隔或有相同的像素間隔。例如，可以提供這樣的實施例，檢測元件是在每隔第2，第3，第4，第5，第6，第7，第8，第9，第10，第20，第50個位置上，或是在顯示器的各行和各列中該數值與較大數值之間任何其他的間隔數值。或者，檢測元件可以有按照預定或動態確定的傳感器間隔，像素顏色，或其他規則或不規則的圖形。
顯示器可以是黑白，單色，或有多個不同顏色像素的彩色顯示器。多個不同顏色像素包括紅，綠，和藍像素，或任何其他彩色的集合，特別是給顯示器觀察者提供產生任何顏色組合的能力。檢測元件可以提供給僅有預定具體發射器顏色(例如，紅，綠，和藍發射器)的像素，或可以提供給所有發射器顏色的像素。
像素檢測元件可以是未改型的，或改型成有擋光屏蔽(暗屏蔽)。例如，改型可以是形成小孔，孔徑，或較少不透明(更透明)區，因此，一些光可以進入像素并入射到傳感器上。這種小孔或其他的改型特別適用于使外來光信號到達傳感器并被傳感器檢測，例如，光筆的光比環境光更明亮，或由于不透明或僅僅部分透明或半透明物體產生的陰影使光筆的光比環境光更黑暗。
本發明的實施例還可以使一些像素的擋光暗屏蔽沒有小孔和其他的一些像素有小孔，孔徑，或其他的改動，為了使該像素之外和顯示器裝置之外的光進入。例如，分開可尋址的像素可以包含光屏蔽，它至少衰減從外部光源入射到顯示器上至少一些或所有像素中來自環境光的部分光子。光屏蔽可以包括基本不透明的金屬層或非金屬層。光屏蔽可以包括頻譜中性或頻譜選擇性的濾波器材料，因此，寬譜室內或環境光(例如，白光)是完全地或基本上被阻擋或衰減，而來自光輸入裝置的窄頻譜光(例如，710nm激光)透射通過暗屏蔽到達傳感器或檢測元件。在一個實施例中，不同的不透明屏蔽和/或濾波器可以用于不同的像素。
光屏蔽在每個光子檢測元件內，光子檢測元件上或其附近可以包含改型，因此，環境光的衰減小于光屏蔽周圍部分的衰減。改型可以是每個像素位置上光屏蔽中的一個孔徑，它允許來自外部光源的光子入射到光子檢測元件。改型可以是這樣一個孔徑，它的面積小于光子檢測元件的面積。改型可以是這樣一個孔徑，它在光屏蔽中包含小孔。小孔或孔徑可以有不同的尺寸，從而在檢測或積分時間內有合適的光量(光子數)到達傳感器，因此，可以檢測到光輸入或陰影輸入。
圖2表示利用傳感器2的傳感器陣列20作為光筆60輸入傳感器裝置和系統的功能示意圖實施例。我們僅描述和展示參與光檢測裝置和系統工作的裝置和電路元件，而不描述常規性質的普通裝置和電路元件以避免使本發明變得模糊不清。而且，典型的陣列矩陣顯示器光產生和像素驅動電路和方法是在上述共同申請的美國專利中描述，合并在此供參考，或常規的電路和方法是已知的。
數據閱讀器電路71通過隔離TFT 40連接到分壓電阻器25與傳感器元件2之間的分壓器。該分壓器包含兩個串聯在電壓源與地之間的電阻器。從電壓源到地的電壓降是總電壓。然而，這兩個電阻器之間節點的電壓是與總電壓成正比，它是由每個電阻器與這兩個電阻器的總電阻之比率確定；例如，若兩個串聯在10伏電源與地之間電阻器的總電阻是20歐姆，這20歐姆是由每個10歐姆的兩個電阻器構成，則兩個電阻器之間節點的電壓是10伏減去10歐姆除以20歐姆乘10伏，它等于5伏。若減小10伏電源與第二電阻器之間電阻器的電阻，例如，減小到5歐姆，則兩個電阻器之間節點的電壓移向10伏電源，即，10伏-5/15×10伏＝6.7伏。若光電阻器是插入在10伏電源與第二電阻器之間的電阻，則光電阻器的電阻取決于入射到光電阻器上的光子流強度，因此，兩個電阻器之間節點的電壓移向或遠離10伏電源，它與亮度級有關。
所以，顯而易見，傳感器陣列20的實施例可用于檢測從光筆或其他發光裝置投射環境光之外的附加光，或檢測相對于物體的陰影減小的環境光，例如，尖頭指示筆或其他指示設備。所以，像素傳感器可用作光亮或黑暗激勵的輸入裝置。在一個實施例中，光子檢測元件適合于檢測指示筆攜帶外光子發射器發射的光子波長(能量)或亮度幅度，諸如光筆。在另一個實施例中，光子檢測元件適合于檢測從指示筆攜帶外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度大于外光子發射器沒有照射光子檢測元件所接收的環境背景光亮度幅度。在另一個實施例中，光子檢測元件適合于檢測從指示筆攜帶外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度小于外光子發射器沒有照射光子檢測元件所接收的環境背景光亮度幅度。指示筆攜帶外光子發射器可以包括例如，光筆。外光子發射器可以包括發光二極管(LED)，白熾光光子發射器，例如，燈泡，或任何其他的發光裝置。
在正常的顯示器工作模式下，例如，在圖像數據或像素數據發送到顯示器的工作模式下，每行中的TFT 40是行掃描。所以，在接通第一顯示器陣列行(例如，第一行)時，第一行中的隔離TFT 40是由接通電壓接通，例如，加到TFT 40的柵極41的+10伏(或其他電壓)，與此同時，加到光傳感器2的第一端子44，它在所示的實施例中是與TFT 40串聯的兩端子44，45的光電阻器。在所示的實施例中，隔離TFT 40的柵極41連接到傳感器2，因此，光傳感器是串聯在隔離TFT40的漏極43與隔離TFT40的柵極41之間。
當第一行(和在合適時間的任何其他行)中的OLED像素亮度增加時，傳感器2的電阻就減小(或電導增大)，從而使每個分壓器上的檢測電壓30增大到由選擇驅動電路16提供的+10伏電壓(或其他接通電壓)。在這個實施例中，這個檢測電壓30用于確定這些像素是否已達到正確的亮度。以上描述的動作稱之為尋址第一顯示行或第一行。一旦尋址到第一行，掃描操作就移動到第二行，依此類推，直到第一幀中圖像的所有行(或任何被識別的行集合)被激勵。
給每一行的尋址分配一個時間段。尋址時間通常是由每秒幀數除以顯示器中行數的倒數確定。所以，在有240行和每秒60幀速率的QVGA顯示器中，行尋址時間約為70微秒。本發明的系統，裝置和方法可以與各種顯示器類型和尺寸結合使用，因此，70微秒的尋址時間僅僅是典型的尋址時間。
有利的是，為了利用傳感器陣列20作為光筆60輸入裝置，可以保留部分的尋址時間作為光筆輸入的時間段。例如，在有典型70微秒尋址時間的裝置，系統，和方法中，行尋址時間的前10微秒可以用于光筆輸入。在這個時間(或部分的這個時間)內，關斷被尋址行中的所有像素，因此，從OLED顯示器或其他顯示器類型像素發射的光沒有入射到被尋址行中的傳感器2。(應當明白，OLED顯示器僅僅是顯示器類型的一個例子，這種顯示器類型可用于本發明。)關斷部分的時間或尋址該行中所有像素的絕對時間段，因此，確定從OLED沒有發射光是基于這樣的因子，例如，RC時間常數，它是柵極線啟動行電阻(例如，見圖13)乘以一行中所有像素的T1和T3所有柵極總電容。另一個因子是RC時間常數，它是數據線電阻乘以C1的電容。柵極啟動行的典型RC常數是在1微秒至10微秒之間。類似的RC常數可用于數據行。這兩個RC常數不必相加在一起，因為各行可以是同時激活的，從而允許數據在幾微秒內被轉移。RC常數的運算和如何把它們應用于驅動顯示器是平板顯示器設計者都熟知的。
例如，該時間段應當足夠長，在考慮光量(亮度或光子通量)時，被檢測的信號需要足夠大，但它不能使傳感器2飽和。有利的是，保留足夠的尋址時間用于顯示圖像，可以使顯示器的亮度維持在可接受的水平上，但是一般地說，行尋址時間僅選取為一幀長度中像素接通時間的小部分(例如，行數的倒數)，而給圖像行尋址保留的時間量往往與像素或顯示器亮度級無關。(例如，100行顯示器大致有1％的行尋址時間。)所以，分配給觸摸檢測和圖像尋址的時間往往取決于檢測操作所需的時間和轉移圖像數據到像素的時間。例如，10微秒用于轉移圖像數據和10微秒用于測量傳感器數據。通過從像素上擦除以前成像的數據，我們首先使像素變成黑暗。在一個實施例中，轉移圖像數據的這個量(零值)到像素上而使它關斷需要消耗10微秒，然后，我們讀出傳感器需要的另一個10微秒，則傳感器讀出部分需要的時間總量為20微秒。剩余的尋址時間用于轉移圖像數據，在這種情況下，我們假設僅僅是10微秒。這10微秒時間僅僅是典型的時間。
此時，該行中傳感器2上的任何光是從光筆或其他發光裝置或光子發射裝置60發射的光線或光子。數據閱讀器71讀出分壓電阻器25上生成的電壓，和被檢測的讀出電壓數據存儲在數據緩沖器70中，數據緩沖器70可以是現有技術中任何常規的數據緩沖器。然后，利用位于處理裝置或計算裝置(或分開的處理器，計算機，或其他邏輯電路)72中的軟件或其他裝置，查詢，讀出，和/或分析數據緩沖器70中的數據。本發明的系統，裝置，和方法可以包含處理或計算裝置，或可以耦合或與外部計算或處理環境通信。此處沒有展示或詳細描述處理或計算裝置的細節，因為這種處理，計算，或其他硬件和/或軟件和邏輯電路在本領域是眾所周知的。
一旦數據被數據閱讀器71讀出，利用任何形式的開關或交換邏輯，數據閱讀器71可以斷開該電路，而系統恢復到正常的顯示模式，在尋址時間中剩余的60微秒用于平衡。在一個實施例中，顯示器的刷新速率是每秒60次。這個刷新速率遠遠高于光筆輸入所需的速率，其中來自光筆或其他光源的光束輸入或運動是由人的運動速率完成的，它通常是在約0.01秒至幾秒鐘之間的數量級，但更典型的是從約0.1秒至約1.0秒，或相當于約6幀至約60幀的重復測量。請注意，雖然用戶運動光筆的速率甚至可以快于0.1秒，但普通的用戶在試圖識別顯示屏上的輸入位置時就停止光筆60的運動。可以有較長或較短的時間段，因此，本發明不局限于具體的范圍，例如，如果需要，輸入系統能夠跟蹤連續的運動，可以根據要求增加光輸入檢測頻率以實現所需的連續運動捕獲。
這意味著，在利用光筆時可以多次更新數據閱讀器71讀出的數據；所以，檢測的數據可以任選地但有利地在隨時間(或在多個讀出循環上)上積分，從而給出較清晰或相對無噪聲的讀出。若需要較高的讀出速率，例如，在捕獲連續運動或路徑時，可以任選地應用平滑算法以減小曲線中因噪聲產生的任何跳動。還應當注意，在光筆輸入(或陰影輸入)時間內收集的信息是數字形式或有1值或0值的二進制輸入，它不要求有灰色調。本發明的其他實施例可以提供輸入的范圍或灰色調，因此，可以輸入壓力，或位置和一些其他的數據。
可以理解，在本發明的范圍內可以采用讀出傳感器的各種不同方案中的任何一個方案。這些方案可以包括在顯示器行尋址時間內讀出傳感器，在專用于傳感器輸入的幀時間內讀出傳感器，在觸摸屏時選取的專用幀時間內讀出傳感器，在垂直回掃時間內讀出傳感器，和/或在水平回掃時間內讀出傳感器。
在一個實施例中，在顯示器幀行尋址時間內讀出傳感器。例如，二維顯示器陣列可以排列成有多行和多列的幀，每行有寫入一行像素的行寫入尋址時間，和寫入包含多行和多列的顯示器中所有像素的寫幀時間，和在部分的每行寫入尋址時間內讀出每行中的檢測元件。讀出操作可以在全部或部分的行寫入尋址時間內完成。作為舉例而不是限制性的例子，部分的每行寫入尋址時間可以是行尋址時間的0.001與0.5之間的任何一個分數，行尋址時間的0.01與0.2之間的任何一個分數，行尋址時間的0.01與0.1之間的任何一個分數，或行尋址時間的0.1與0.5之間的任何一個分數。
在另一個實施例中，在專用于傳感器輸入的幀時間內讀出傳感器。例如，二維陣列可以排列成有多行和多列的幀；每行有寫入一行像素的行寫入尋址時間和寫入包含多行和多列的顯示器中所有像素的寫幀時間；每行有讀出一行檢測元件的行讀出尋址時間，而行讀出尋址時間發生在與像素發射器寫入時間分開的傳感器讀幀時間內；和所有行檢測元件是在多個行讀出尋址時間內被讀出，在與寫幀時間不重疊的讀幀時間內，讀幀時間專用于讀出多個檢測元件。
在另一個實施例中，在觸摸顯示屏或光筆照射顯示屏的情況下，在選取的專用幀時間內讀出傳感器。例如，在專用傳感器讀幀時間內可以讀出多個檢測元件。可以使這個專用傳感器讀幀周期性發生，或僅在顯示屏接收到預定輸入之后發生。例如，預定輸入可以是或包括與顯示屏表面的實際接觸。實際接觸可以包括手指或工具或指示筆形狀物體的實際觸摸。實際接觸包括利用工具，手指，或指示筆的實際觸摸。
或者，預定輸入可以是或包括部分顯示屏表面上光子通量或亮度的預定幅度變化，預定輸入包括在顯示屏表面鄰近的參數非接觸式變化。非接觸式變化選自下列一組的變化，它包括局部溫度變化，電容或電荷濃度變化，磁通量變化，局部較高或較低的光子通量或亮度變化，和這些變化中兩種或多種變化的任何組合。
在另一個實施例中，在兩個相繼顯示器幀之間的垂直回掃時間內讀出傳感器。請注意，垂直回掃時間是兩個相繼幀之間的時間，而水平回掃時間是兩個順序行寫入之間的時間。雖然沒有直接地應用于平板顯示器，例如，OLED顯示器，普通CRT顯示器中的垂直回掃時間是電子束從CRT管底部運動到CRT管頂部所需的時間。
在垂直回掃時間內讀出傳感器的實施例中，最好是提供分開或附加的傳感器線路。適合于在顯示器垂直回掃時間內讀出的電路是與以上描述相同的光子通量積分器電路，但是有一些變化。取代連接到與連接T1柵極線相同線路(L2)的TFT T3(傳感器TFT)，有另一條專用于TFT T3的分開柵極線。利用這種結構，在行尋址時間內完成用于發射亮度控制的正常反饋檢測，然后，在寫入所有的行之后，再次讀出所有的傳感器以檢測下一個幀開始之前的任何觸摸輸入或光/陰影輸入。典型的是，垂直回掃時間可以是總幀時間的10％至50％，但也可以長一些或短一些。所以，在一個實施例中，利用與讀出像素發射亮度分開的傳感器線路讀出檢測元件，而通過與晶體管柵極控制分開的觸摸傳感器線路，可以控制傳感器的讀出。
在另一個實施例中，在水平回掃時間內讀出傳感器。在水平回掃時間檢測中可以有利地采用分開的傳感器和控制線路。在一個實施例中(例如，見圖11)，T4的柵極線連接到水平線路L5，其中線路L5是在傳感器讀出時專用于操作T4柵極的附加線路。
圖2所示的系統和裝置實施例表示利用任何的光筆或光源60，其中沒有過濾來自光筆的光。在這種工作模式下，傳感器陣列20曝光在環境光63以及通常較高亮度的光筆62下，或曝光在較低亮度的顯示器陰影部分，這是由于物體放置在顯示屏表面或其附近。
作為比較，圖3所示的實施例表示相同的傳感器陣列結構，但是利用光密物體64投射陰影或衰減信號61到傳感器陣列20中的一個傳感器2上，它不需要單獨的光源，例如，在輸出光束62中發射光子束的光筆60。這種產生陰影的過程基本上是與上述光筆類型的輸入相同，但是這種產生陰影實施例的成功取決于傳感器陣列20的傳感器2上陰影61與環境光63之間的相對亮度差。最好是，光密物體應當有尖的細點，或允許陰影定域在顯示器上的小區域內。在一個實施例中，光密物體或不透明部分僅僅是在尖頭，和攜帶尖頭的指示筆或手柄的其余部分減至最小，或由光透明材料形成，或由不投射強陰影的結構形成。可以任選地利用算法以檢測已知指示筆的端點或尖頭，因此，即使陰影是從指示筆或手柄投射的，可以容易地識別在尖頭處的預期輸入。
所以，我們應當理解，除了檢測光筆或其他發光裝置或光子發射裝置亮度增加的裝置和方法以外，傳感器2和傳感器陣列20還可用于檢測陰影輸入。在至少一個實施例中，該裝置和方法可以同時檢測相對于背景光有較高和/或較低的亮度輸入。在其他的實施例中，用戶可以修改顯示器的參數，從光筆輸入改變成陰影輸入。
所以，按照本發明的至少一個實施例，光子檢測元件可以適合于檢測指示筆攜帶的外光子發射器發射的光子波長，能量和亮度幅度。在另一個實施例中，光子檢測元件可以適合于檢測從指示筆攜帶的外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度大于外光子發射器沒有照射光子檢測元件接收的環境背景光亮度幅度。指示筆攜帶外光子發射器可以包括光筆，而外光子發射器可以包括發光二極管(LED)或白熾光光子發射器。在任何的這些實施例的中，可以利用有折射光學元件的光學系統整形或控制顯示器表面或檢測元件的光程和光場分布。例如，可以利用光學透鏡系統接收從LED發射的光并聚焦光斑到顯示屏前表面上或以下的傳感器平面。
圖4表示有與圖2和圖3所示實施例相同或基本相同傳感器陣列和電路的本發明實施例，但是其中光筆60發射窄頻譜波段的光，例如，紅光65(或由于光子源的發射特征和/或光筆內的頻譜濾波)，該光傳輸通過頻譜波長濾波器72，并隨后入射到傳感器陣列20中的傳感器2上。圖中沒有畫出光筆的結構，它可以在它的結構內采用光學透鏡系統，把來自LED或其他光源的光聚焦成細光點或窄腰光束，一次照射一個像素傳感器并產生非常高的分辨率。
事實上，高分辨率光學系統可用于檢測和提供識別手寫體的基礎。在利用光筆手捕獲和識別寫體的一個實施例中，光筆或其他發光指示筆裝置緊靠顯示器的玻璃或其他表面，因此，在跟蹤印刷體或手寫體的樣本時，例如，簽名或任何其他的書寫消息，可以保持與傳感器陣列均勻或基本均勻的距離。利用濾波器作為暗屏蔽保護傳感器陣列免受全部或部分環境光的影響。可以采用發射器和濾波器的各種組合，它可以在環境光與光筆或指示筆之間給出所要求的差別。
應當理解，在本發明的至少一個實施例中，選取這樣的OLED像素發射器，它可以產生圖像的理想彩色顯示特性。因為用于檢測光筆輸入的相同傳感器2可以檢測和保持顯示器像素的所需亮度級，光筆的光譜必須是在傳感器的頻譜響應內；然而，光筆發射器不需要有與OLED或其他顯示器像素發射器相同的頻譜特性。例如，光筆頻譜可以是單色或多色頻譜，而其中傳感器2可以檢測不可見的頻譜分量，例如，紅外頻譜分量，可以采用這種紅外光筆發射器。
顯而易見，在以上的描述中，濾波器可以與傳感器對準以阻擋環境光，而讓來自特定彩色定向激光器或LED的光或來自特定彩色或頻譜側光射入。在這個說明書中描述定向和散射側光實施例。所以，本發明的實施例可以提供頻譜選擇性濾波器，它設置在環境光源與檢測元件之間的光程上，為的是阻擋不是在濾波器通帶內的環境光，但可以透射或傳輸來自輸入光源的光。在一個實施例中，頻譜選擇性濾波器可以是基本透射紅光的濾波器。在另一個實施例中，基本透射特定的光可以是透射至少50％，至少70％，至少90％，或至少95％的光。在另一個實施例中，基本透射是至少有約10％與約100％之間的透射率。
具體的透射頻譜光可以是任何的顏色，例如，紅，綠，藍，或任何其他的顏色。在一個實施例中，頻譜選擇性濾波器是透射波長范圍在700nm與710nm之間紅波長光子的濾波器。在一個實施例中，頻譜選擇性濾波器是透射波長范圍在400nm與800nm之間波長光子的濾波器。
在一個實施例中，提供定向輸入信號的環境光包括由于全內反射包含在平板中紅側光的光(光子)，并通過表面界面的變化被引入到檢測元件。在另一個實施例中，提供定向輸入信號的環境光包括來自紅激光器光或紅發光二極管的光(光子)，并被引入到檢測元件。
在一個實施例中，彩色或頻譜濾波器的使用可以組合任何的傳感器讀出方案。例如，在本發明裝置和方法的一個實施例中，頻譜選擇性濾波器設置在環境光源或光輸入裝置與檢測元件之間的光程上；光輸入裝置傳輸頻譜選擇性濾波器通帶內波長的光；和光子檢測元件包括在顯示器垂直回掃時間內讀出的傳感器。
參照圖5，圖5表示本發明的另一個實施例，其中無源指示筆68用于輸入信息到傳感器陣列20。這個系統采用玻璃板67(或任何其他的透明材料)，它的光69來自玻璃板67的邊緣66。在一個實施例中，邊緣照射是由來自紅光LED 69陣列的紅光被引入到玻璃板67的一個邊緣66。只要玻璃板67或其他透明材料有相對清潔的表面，紅光LED的光直接透射通過玻璃板67而沒有任何光留在玻璃板67內，并入射到傳感器陣列20。當按壓指示筆68筆尖到玻璃板67時，從空氣(指示筆沒有接觸)到指示筆68(指示筆接觸)的光密度和折射率變化使得光從玻璃板67的前表面射出，并散射離開包含指示筆68筆尖的出射點附近的表面，從而使光射出該表面，而部分的這個散射光入射到傳感器陣列20上，其中的光被傳感器和已經描述過的相關檢測電路檢測。這個系統可以在明亮的室內或完全黑暗的周圍環境下工作，例如，在夜間的汽車內。雖然我們描述了細筆尖的指示筆，其中僅要求粗略對準的精確度，例如，在從多個顯示圖標中選取時，可以利用相對大的對準裝置以代替指示筆68，例如，人的手指尖。
所以，本發明裝置和方法的實施例可以利用像素傳感器與玻璃板或聚合物板中傳輸側光或邊緣光的組合，并觸摸前玻璃板或聚合物板，從而可以重新定向或散射光到檢測元件。例如，該顯示器和方法可以提供第一多個光子檢測元件，它適合于檢測與外來用戶輸入不相關的背景光亮度幅度以及與該用戶輸入相關的不同亮度幅度，和其中不同的亮度幅度可以是較大的亮度幅度(例如，來自光源)或較小的亮度幅度(例如，來自陰影)。可以從位于顯示器裝置內的光子發射器中產生較大的亮度幅度，它的亮度大于入射到顯示器表面上漫射背景光的亮度。從顯示器裝置內的光子發射器發射的光子可以基本上完全包含在第一傳輸媒體內(例如，玻璃板或聚合物板)，因此，這些光子沒有入射到傳感器元件，而是使光子從用戶輸入位置上的第一傳輸媒體射出。光子可以完全或基本上完全包含在第一傳輸媒體內，這是由于設置在顯示發射器與用戶之間平板內的全內反射，并通過改變平板的表面性質或特性，或通過改變從第二媒體到第三媒體的平板表面界面，使這些光子從第一傳輸媒體中射出。
在一個實施例中，第二媒體包括氣體媒體，和其中第三媒體包括非氣體媒體。例如，這個第二媒體可以是空氣，或一些其他的氣體或液體。例如，第三媒體可以包括非透明，部分透明，或基本不透明的無源衰減物體，例如，實心的基本或部分不透明尖頭指示筆，筆形物體，指向裝置，外部的人手指等。在一個實施例中，從第一媒體中射出的光子是被顯示器之外的物體散射，因此，至少部分的散射光子被散射或反射回到顯示器，并入射到檢測元件。這些光子返回到顯示器并進入傳感器元件的方向可以借助于物體的表面。
我們已經描述了各種檢測結構和方法，顯而易見，本發明的系統，裝置和方法可以按照不同方式使用像素傳感器，用于測量和控制像素亮度和用于檢測觸摸輸入或光輸入。顯示器陣列中的第一多個光子檢測元件可以適合于檢測與外來用戶輸入不相關的亮度幅度以及與該用戶輸入相關的不同亮度幅度。這個不同的亮度幅度可以是較大或較小的亮度幅度。較大的亮度幅度可以是從位于顯示器裝置之外的外光子發射器中產生，它的亮度大于入射到顯示器表面上的漫射背景光亮度，和/或較小的亮度幅度可以是從透射率小于100％并設置在顯示器表面鄰近的無源衰減物體中產生，該物體產生陰影和阻擋或衰減入射到顯示器表面上部分的漫射背景光亮度。
本發明可應用于有源和無源顯示器類型。無源陣列的結構通常是沒有構造和提供TFT的復雜性，因為無源顯示器不需要TFT，因此，無源顯示器的制造成本較低，和在商品化系統和裝置中是十分經濟的。為了使無源傳感器和無源傳感器陣列作為光筆輸入或其他光或光子檢測裝置工作，應當提供一種用于定位光筆的光到顯示板上的裝置。
在一個實施例中，無源OLED顯示器是按照一次僅掃描一行的方式進行行掃描。這種工作特征提供用于確定顯示器上輸入的第一尺度位置(例如，垂直尺度或行位置)的裝置功能基礎，因為行掃描的順序是從頂部(第一行)到底部(最后一行)。當然，可以利用相反的順序或任何其他的順序，而本發明適合于這種順序，但是這個說明書討論典型的工作。回想起這些傳感器的工作可以作為部分的顯示器像素亮度反饋系統和方法。
參照圖6所示的實施例，由于無源顯示器77中每列75的顯示像素76有沿每列75長度方向的帶狀或梯子形傳感器2V，任何入射到梯子形傳感器2V上的光僅能確定或識別該位置的顯示器列分量，而不能確該位置的顯示器行分量。在圖像顯示模式下操作無源顯示器時，通過行掃描位置與列位置的配對，可以固定完全的行和列位置，而不是在有源顯示器類型中可能的定位。
在圖6所示的帶狀傳感器配置中，兩個帶狀傳感器2V，2H設置成互相成90度角。所以，每個顯示器像素有唯一的一對傳感器帶。(請注意，在需要較小的定位精確度時，本發明的實施例在每行和每列中可以不提供檢測器元件或傳感器梯子，例如，每10行和10列中有一個檢測器元件的實施例。)在光入射到顯示器上時，至少照射兩個傳感器行(一個水平和一個垂直)，這些傳感器行的相交點可以識別或定位顯示器上的精確(x，y)坐標或(行，列)坐標的位置。
圖7表示有梯子形傳感器的無源顯示器實施例。此處僅畫出和描述垂直輸入以避免復雜性以及與垂直輸入和水平輸入相關的可能混淆。所以，這種配置本身不能定位用戶輸入，而僅能作為發射反饋系統梯子形傳感器，在圖6所示實施例中還需要的水平傳感器的集合。應當明白，帶狀傳感器與梯子形傳感器可以互相交換。帶狀傳感器可以看成是梯子形傳感器，其中加厚梯子的橫檔，直至這些橫檔接觸并形成連續或基本連續的帶。
這種行位置和列位置的配對不總是適合于光筆輸入的工作模式，因為雖然光筆的光入射到傳感器陣列上時，可以容易地確定列的數目，而不能確定行的數目，因為顯示器中所有的行在數據輸入時間內是在暗模式(見以上)。為了克服這個問題，第二組水平帶狀傳感器2H設置在傳感器玻璃或基片上，它的取向是與垂直傳感器2V正交。在一個實施例中，介質層(未畫出)分開第一組傳感器2V和第二組傳感器2H。第一組垂直取向傳感器確定輸入的列位置，而第二組正交和水平取向傳感器確定輸入的垂直位置。
圖7表示包含傳感器陣列元件2的無源陣列15實施例。虛線12，13指出在無源傳感器陣列元件2下的一層或多層OLED陣列，或作為與傳感器陣列元件對準的單獨結構。在所示的實施例中，任何特定列中的每個傳感器2排列成傳感器梯子的形式，它的傳感器元件2連接在第一導體3與第二導體4之間連接。導體3連接到驅動線電壓下(例如，10伏或其他確定的電壓)的驅動線，而導體4連接到分壓電阻器23的第一端22，而分壓電阻器23的第二端24連接地27。每列有上述梯子形的一組傳感器2。每列OLED發射器(交叉虛線所示)有一個梯子。應當明白，傳感器2可以是離散互連的傳感器元件，或可以增大傳感器2的寬度(和/或其他尺度)，直至橫檔狀傳感器2接觸或基本接觸并形成連續帶的傳感器材料，該材料是沿列的長度方向延伸(例如，見圖6所示的實施例)。
在讀出光筆輸入數據的行尋址時間內，分壓電阻器23上的電壓是從數據讀出電路71輸入到數據緩沖器70。如上所述，圖7中所示的結構沒有足夠的信息可以實際定位行和列的輸入數據位置。為了實現這個目的，必須添加補充的正交組傳感器和電路。圖2中所示的配置僅可作為OLED的反饋系統，但不能作為完全的光筆輸入系統。圖6中所示的傳感器和電路說明這樣一種配置，其中兩個正交分量提供完全的光筆輸入系統和裝置結構。
圖6表示作為完全光筆輸入系統工作配置的實施例。在這個配置中，傳感器梯子已被多個交叉的正交垂直帶狀傳感器2V和水平帶狀傳感器代替，每行有一個水平傳感器2H，和每列有一個垂直傳感器2V。帶狀傳感器的一個端子連接到電壓源，例如，3伏。帶狀傳感器的另一個端子連接到分壓電阻器或其他的分壓電路23。請注意，垂直傳感器2V和水平傳感器2H可以連接到相同配置的分壓器23，每個水平線和垂直線有一個分壓電阻器23。
在圖6所示的實施例中，第2列和第2行是被來自光筆或其他光源的光束65激活。在一個實施例中，帶狀傳感器2V和2H的寬度與長度縱橫比最好是約1000比1(1000∶1)，而在另一個實施例中，縱橫比最好是40∶1或更高。如在此處所使用的，寬度尺寸是較大的尺寸，它是沿垂直傳感器2V的列方向延伸，而水平傳感器2H是沿行的方向延伸，因此，它們有很高的靈敏度。只要縱橫比在兩個尺度上有確定光斑位置的足夠靈敏度，可以不受限制利用其他的縱橫比。
應當注意，一種計算縱橫比的方法是使顯示器高度或寬度中的一個尺度取決于計算水平傳感器或垂直傳感器。確定另一個尺度取決于我們希望傳感器產生多大的陰影面積。例如，為了使計算簡單化，我們任意地假設，100列×100行的顯示器有1mm×1mm的像素，而我們僅希望陰影占20％的像素面積。于是，每個傳感器行可以僅占0.1mm的寬度，因此，水平傳感器行占10％，和垂直傳感器占10％，即總共占20％(近似地，因為它們相交的區域是計算兩次)。由于總的顯示器高度和寬度是100mm和傳感器的寬度僅為0.1mm，在這個例子中的縱橫比是1000∶1。
這種配置的一個重要特征是，有足夠數目和取向的帶狀傳感器用于定位光斑在顯示器上的位置。方便的是，有用于這種定位的正交的水平和垂直傳感器陣列。在上述實施例中，帶狀傳感器的集合是沿互相正交的方向。所以，來自光筆60的光65入射到至少一個垂直傳感器2V和至少一個水平傳感器2H，用于定位x-y矩陣中的光65。上述的各種類型輸入可以利用這種配置。這個無源顯示器裝置的讀出過程是與以上描述的有源顯示器裝置相同或基本相同。數據讀出電路71把分壓電阻器23上的電壓讀出到數據緩沖器70，然后，數據緩沖器中的數據可以被計算機，處理器，或與數據緩沖器70耦合其他邏輯讀出和分析。在光可能入射或溢出到兩個其他傳感器的情況下，基于傳感器信號強度的一些邏輯可以被計算機，處理器，或其他邏輯利用以選取光斑中心的最可能位置。
可以按照各種方法實現數據緩沖器70和數據讀出器71，而本領域一般專業人員可以實現許多種電路形式，所以，此處不再詳細地描述這些電路或其他緩沖器或數據讀出裝置。
參照圖8，圖8表示頂層發射OLED像素202結構的典型實施例。OLED發射器204包含兩個透明電極205，206，它們可以是陰極或陽極。這兩個透明電極之間OLED或場致發光材料207產生的光208按照朗伯色散方式基本上沿所有的方向射出。大部分的光是從像素的頂層209射出，而一些光是向下傳輸(向下箭頭)210并入射到傳感器211。由于OLED材料207是透明或至少部分透明的，環境光212也可以傳輸通過透明電極205，206和OLED材料207并入射到傳感器211。所以，原始傳感器數據是OLED發射亮度與環境光亮度的組合。為了分開或區分這兩種(發射和環境)亮度數據流分布，在讀出環境光亮度212時間內關斷OLED發射209。請注意，OLED驅動TFT 215是頂層柵極結構；所以，柵極216屏蔽TFT溝道217免受從OLED發射光的影響。這種結構的優點是，幾乎所有的像素面積有OLED發射面，而TFT電路被隱藏在OLED或其他場致發光結構的下面。
顯而易見，本發明的系統，裝置和方法可以利用上發射器或頂層發射器結構的像素傳感器。在這種結構中，每個分開可尋址像素位置包括基片表面支持的光子發射器并包含一層夾在第一透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該材料發射的光向上通過第一透明電極和向下通過第二透明電極并到達基片；和設置在光子發射器與基片之間的光子發射元件，用于截取從光子發射器向下發射的部分光子。發射器可以包括OLED發射器或其他類型的發射器。
圖9表示下發射或底層發射OLED顯示器像素302的典型實施例。在這個實施例中，頂層電極305是不透明的，而朗伯色散產生的光入射到不透明的陰極305并向下反射或返回到OLED材料307，并通過透明下電極306與其余向下發射或底層發射的光309一起從該結構的底部射出。請注意，在這個實施例中的OLED結構302沒有在電流驅動TFT溝道320上延伸，而傳感器311是在OLED發射光的直接路徑上。然而，該傳感器有保護傳感器311免受環境光的暗屏蔽322，該環境光傳輸通過基片324；所以，雖然暗屏蔽保護傳感器免受環境光的影響，但它可以干擾合適亮度反饋信號的檢測和產生，因此，這種結構通常不適用于此處描述的觸摸屏系統。
向下或底層發射像素結構的一個可能缺點是，與頂層發射像素結構比較，該像素的發射面積通常是較小的，所以，必須驅動OLED到較高的瞬時發射強度以獲得相同的外部亮度，這通常可以縮短它的壽命。向下或底層發射器是當前顯示器中最普遍的結構，因為電子工業首先開發不透明陰極，但是由于存在處理操作的困難而不能制成合適的結構。電子工業處在制作透明陰極的發展階段，它不能制成有合適結構的陰極。圖10展示和描述適用于觸摸屏系統的向下發射器實施例。
顯而易見，本發明的系統，裝置，和方法可以在向下發射器或底層發射器結構中利用像素傳感器。在這種結構中，每個分開可尋址像素位置包括基本透明基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一不透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該材料向下發光通過透明電極和通過基本透明的基片；和在光子發射器與基片之間設置的光子檢測元件，用于截取從光子發射器發射的部分光子。該發射器可以包括OLED發射器或其他類型的發射器。
圖10說明底層或向下發射OLED顯示器像素362的實施例，在傳感器的暗屏蔽中有小孔，孔徑，或其他透明或部分透明區的結構。該結構可以與圖9所示的結構基本相同，和類似的結構是用相同的數字表示，不同的是，小孔，孔徑，或其他透明或部分透明區364的結構是在暗屏蔽中，可以使至少一些環境光入射到傳感器。在一個實施例中，小孔364是在暗屏蔽311中，它可以使最大量的環境光入射到傳感器311。(沒有按比例畫出小孔364相對于傳感器的尺寸。)在一個實施例中，形成的小孔可以曝光約10％至50％的傳感器，但這個范圍不是固定的，可以利用較小或較大的百分比。
提供形成小孔，孔徑，或完全透明或部分透明區的另一個方案是去掉暗屏蔽322(如同上述頂層發射器結構的情況)。沒有暗屏蔽，觸摸傳感器或光筆傳感器指出陰影或光斑的位置是借助于傳感器讀數不同于相鄰的像素。然而，有一些與暗屏蔽相關的缺點，暗屏蔽最好是由金屬材料(在需要偏置時)，非金屬材料，或濾波器材料制成，該濾波器可以濾出大部分的環境光，但不能濾出光筆或其他光輸入的波長。最好是，暗屏蔽322應當是加偏置的，使它具有光晶體管的特性。可以對金屬制成的暗屏蔽322加偏置以減小傳感器311的暗電流。眾所周知，TFT在0伏附近但不是0伏的某個電壓下有最小的泄漏。例如，n溝道TFT在約-3伏至-10伏電壓的范圍內有最小的泄漏，而p溝道TFT大約在+幾伏電壓下有最小的泄漏。
參照圖11，圖11表示在每個像素中利用兩個傳感器S1和S2以及與像素和傳感器相關的兩個分開電荷放大器/互阻抗放大器的像素示意圖。傳感器S1用于測量和產生像素OLED發射數據的反饋信號，為的是穩定顯示器的發射性質。傳感器S2用在觸摸屏系統中。這意味著可以同時完成測量OLED發射和用于檢測觸摸數據的環境陰影。
與圖11所示電路和結構類似的電路是在2004年12月17日共同申請的US Utility Patent Application Serial No.11/015,638和在該專利申請的圖8中描述，其標題為“Feedback Control System and Method forOperating a High-Performance Stabilized Active Matrix EmissiveDisplay”，全文合并在此供參考。
在此處描述這種電路的結構和運行特征，因此，我們可以更清楚地明白OLED發射傳感器S1和觸摸/光筆傳感器S2的工作方式。應當理解，本發明不局限于任何具體像素發射器的結構和發射器的檢測結構，結合本發明可以實現其他的像素發射器和發射器傳感器結構。
本發明像素結構的一個特征是提供從高阻抗到低阻抗的轉換。由于發射傳感器電容器C2的結構，配置，和/或運行，從高阻抗到低阻抗的轉換至少是部分發生的。充電或放電傳感器電容器C2的傳感器S1是在高阻抗下運行，因為該傳感器有吉歐姆(109歐姆)的電阻。在這個充電或放電時間內，傳感器線與是通過傳感器S1的晶體管T3與高阻抗隔離。在讀時間內，傳感器的晶體管T3斷開傳感器電容器C2(它已與傳感器線L4隔離)與傳感器線L4的連接。
傳感器電容器C2與傳感器線L4之間的阻抗只是傳感器線的電阻，該電阻在典型的實施方案中通常是約3k歐姆。所以，阻抗差是1百萬比1(106∶1)的數量級。來自噪聲的干擾導致納安培的電流，它在吉歐姆阻抗系統中相當于幾伏數量級的噪聲，但在千歐姆阻抗系統中相當于幾微伏數量級的噪聲。因為傳感器線L4在典型的顯示器方案中有很長的長度，它可以拾取噪聲的干擾，因此，最好是，測量不應當在傳感器線連接到高阻抗系統時進行。當傳感器S1被傳感器TFTT3隔離時，任何影響傳感器S1的噪聲必須被極短線路的像素電路拾取；所以，任何噪聲對傳感器電容器充電或放電的影響是很小的。這些交換和阻抗特征對于像素和傳感器電路的成功運行是有貢獻的。
在這個像素實施例中，雖然我們描述具體的像素發射器，傳感器，和電路布局，但是應當理解，本發明不局限于這個具體的電路或裝置結構，可以修改設計和具體的電路裝置，例如，通過改變控制裝置的類型以采用其他的晶體管，TFT，二極管等，以及置換二端或三端控制或交換裝置。雖然我們指定的晶體管是TFT型晶體管，本發明不局限于TFT型晶體管。此外，像素電路布局的其他變化，例如，在不偏離本發明精神和范圍的條件下，可以添加其他的電路。發射裝置的類型還可以改變成不同OLED發射器的發射器，例如，可以利用任何有源發射器，它包括但不限于，無機光子發射裝置或結構；并可以改變傳感器的特性，因此，除了光敏裝置或光導裝置以外，可以置換任何的傳感器裝置，它可以產生響應于入射光子通量的變化。
該電路的一個優點是提供一種從高阻抗到低阻抗的轉換系統，用于發射反饋穩定的平板顯示器，例如，OLED顯示器。在幀時間發生的發射光子通量積分操作時間內，通過隔離顯示器玻璃或基片電路(例如，電壓比較器放大器VC1和開關晶體管TFT T4)與該像素中的高阻抗傳感器S1，該電路提供這種高阻抗到低阻抗的轉換。該電路的設計是在傳感器線L4連接到高阻抗源時防止傳感器線L4上產生噪聲。
關于這一點，眾所周知，連接到高阻抗的導線可以從環境中拾取電磁干擾。這可以通過觀察有正負引線的電壓表在空氣中開路時的性能容易地說明。由于無線電和電視干擾，該電壓連續地從+幾伏變化到-幾伏。由于傳感器的電阻是在吉歐姆或更高的范圍內，若L4直接連接到傳感器S1而沒有利用傳感器電容器C2，則它對傳感器線L4的作用相當于開路。在傳感器S1光子通量積分時間內，傳感器TFT T3是關斷的。在這個具體像素電路配置中，雖然電源線L1沒有與傳感器S1隔離，但是電源線L1上的噪聲不影響像素或顯示器的運行，因為功率TFT T2工作在飽和模式下，所以，由于噪聲使功率TFT T2上產生的電壓變化(即使是幾伏的數量級)不會改變通過TFT T2的電流，所以，對于顯示器中所有的像素，從像素二極管發射器D1發射的光子可以保持穩定。
此外，在傳感器電容器C2通過傳感器S1充電的幀時間內，電源線L1拾取的任何噪聲是在0伏附近起伏(即，平均地說，它是在0伏附近有基本相同的正起伏和負起伏)；所以，在幀時間完成之后，噪聲互相抵消和傳感器電容器C2上的電壓僅僅是由于傳感器S1在截取光子時的放電速率。在行尋址時間內，當行選擇電壓線L2上的電壓升高并接通驅動TFT T1和傳感器TFT T3時，發射傳感器電容器C2上的電壓是被電壓比較放大器VC1在它的傳感器輸入P2上讀出。這個在P1上的傳感器輸入與在另一個輸入P2上的參考電壓進行比較以產生在輸出P3上的差值或誤差電壓。在讀出傳感器電容器C2上出現的電壓時，噪聲不產生干擾，因為噪聲誘發的電流是在納安培的范圍內，它最多使電容器C2上的電荷發射略微的變化，但由于實際上沒有電流流過高阻抗，低強度的噪聲干擾不會產生電壓。
該電路連接在地與電壓VCAP355之間，該電壓是在尋址時間內通過傳感器TFT T3 330和TFT T4 340晶體管饋送或傳輸到傳感器電容器C2 327。耦合到地的發射裝置(例如，OLED二極管)是由可控電流源(例如，TFT晶體管T2)驅動。電壓形式的像素數據值加到控制終端(TFT柵極)，因此，像素發射(光子數)是與它的預期積分光子通量有關。傳感器S1 324和電容器C2 327與像素發射元件(OLED二極管)耦合成光子通量積分器裝置339(以及支持電路)，因此，代表和可測發射器發射的光子數入射到傳感器上，并與電容器的組合產生光子計數。傳感器S1與電容器C2的組合可以積分或計數在預定周期內(在一個實施例中，它是16.7毫秒的顯示幀時間)收集的光子總數。這種積分光子通量是一個有用的量度，因為它比任何瞬時的測量有更高的可重復性和抗噪聲能力，提供較大的信號幅度，而積分的光子通量性質更能代表觀察者感受的積分光子通量，因為人的視覺系統有相對慢的響應和視覺暫留。
我們已建立參考積分光子通量，然后，傳感器信號傳輸到控制系統，并與參考值一起用于調整數據信號，該信號在下一個定標周期(例如，下一個幀)內加到控制裝置上，因此，實際的像素積分光子通量(OLED二極管或其他發射器有效發射的光子)匹配所需的積分光子通量(在定標時間內識別的光子數)。
我們已描述了典型像素電路的一些功能特征，現在更詳細地描述圖11所示電路的實施例。參照圖11描述有發射器，發射傳感器，光子通量積分，和控制元件的顯示器像素實施例。像素二極管驅動晶體管T1 310在它的漏極(DT1)端311耦合到圖像電壓線L3 301，存儲電容器C1 314的第一端315，和在它的柵極(GT1)或控制端313耦合到功率控制晶體管TFT T2 320的行選擇電壓線L2 302。功率TFT晶體管TFT T2 320在它漏極端321耦合到電源電壓線L1 301。存儲電容器C1 314的第二端316耦合到功率TFT T2 320的源極端322和發射器(OLED二極管)336的輸入端337。OLED發射器336的輸出端338耦合到地305。OLED發射器336的輸出端338還耦合到傳感器S1 324的第二端326，第二端326還耦合到傳感器電容器C2 327的第二端329。在傳感器S1輸入端325與傳感器電容器的一端328連接確定的節點上測量或讀出定標讀出電壓(Vcal)。這個讀出節點還耦合到傳感器TFT T33 30的源極端331。傳感器TFT T3 330在它的源極端332還耦合到傳感器線L4 304，傳感器線L4 304在電壓比較器VC1 350的輸入端P1 351提供輸入信號。電壓比較器350在第二輸入端352接收參考電壓，并產生根據P1 351輸入與P2 352輸入之差計算的誤差信號P3 353。在這個實施例中，作為輸入加到電壓比較器VC1 350上的傳感器輸出還加到公共節點351，它是VCAPTFT T4 340的漏極端341輸入。VcapTFT T4 340的源極端342還耦合到電容器充電電壓源(VCAP)355，例如，+10伏(或任何其他的電壓值)，并在它的柵極端343接收控制信號344。這些晶體管提供交換操作，有時連接到像素單元，而在相同的時間或不同的時間隔離其他的像素單元，因此，可以精確和準確地完成密切管理，控制，和/或測量小電壓，電流，電荷，和/或光子計數。請注意，檢測TFT的源極端和漏極端可以反向進行，它取決于TFT晶體管使用n型材料或p型材料。
雖然上述電路的某些元件協同工作并促使像素發射器，像素光子通量積分器以及測量和定標操作的運行，但是可以開發一些近似的類型以幫助讀者明白本發明的特征；然而，這些類型不應當限制本發明的范圍，因為上述電路元件的貢獻在有些場合超過一個類型，而在其他場合不是這個說明書詳細描述的內容。記住這一點，驅動TFT T1，存儲電容器C1，功率控制TFT T2和二極管D1主要用于OLED二極管發射器的運行；傳感器S1，傳感器電容器C2，和傳感器TFT T3主要用于確定或產生積分光子通量測量結果；和電壓比較器VC1和VCAPTFT T4 340在這個實施例中主要用于讀出積分光子通量測量結果并確定測量結果與參考值之差，因此，利用校正值可以調整測得餓積分光子通量所指出的像素發射器亮度。
我們已經描述圖11中電路元件的一般布局和連接性，現在集中討論它的運行，因此我們可以更好地理解本發明的其他特征和優點。通常是10伏至15伏范圍內的電源電壓(Vps)加到線路L1 301上，該電源電壓作為OLED D1 336的電源和傳感器電容器C2 327的充電電源。本發明不局限于任何特定的范圍，可以利用與裝置特性一致的較高和較低電壓。與此同時，線選擇電壓(VLS)加到線路L2 302上，從而使數據驅動TFT T1 301接通。此外，與此同時，代表被顯示圖像和稱之為圖像電壓的圖像電壓(VIM)加到線路L3 303，且由于數據驅動TFT T1 301被接通(導通)，這個圖像電壓(VIM)被TFT T1傳遞到功率控制TFT T2 320的柵極GT2323和存儲電容器C1 314。這使得裝置電流(ID1)被TFT T2 320傳遞到OLED D1 336，并從OLEDD1 336發射特定的發光強度，這是根據該圖像要求所計算出的正確發光強度(ECALC)。當顯示器是新的和被制造商新近調整的顯示器時，圖像電壓產生正確的像素/OLED發射值。在一個實施例中，傳感器S1 324的實際位置是與OLED D1 336的半導體陽極接觸以得到最佳的光耦合，因此，傳感器S1在它的發射期間至少收集或截取部分OLED發射的光，但最好是盡可能多的發射光子，為的是提高積分光子數和信號強度。在這個實施例中，如用亮度表示，傳感器S1接收與OLED像素發射相同或基本相同的亮度，因為入射到該像素(像素的傳感器部分)上的通量密度是與該像素(像素的發射器部分)發射的整體通量密度相同，因為這些部分最好是(但不必是)接觸的。(其他的實施例提供的傳感器S1位置是在OLED附近，因此，它收集或截取足夠的光以提供有用的傳感器信號，但它不與OLED D1的陽極接觸。)在一個實施例中，傳感器S1是光敏(或光導)傳感器，其中電阻是隨OLED發射器發射的光子通量密度增大而減小(或電導增大)。
在幀持續時間(TFR)內，它在每秒60幀(fps)的情況下是16.7ms，從OLED D1 336發射的光入射到傳感器S1 324，并使傳感器S1324的電阻(RS1)347分量按照發光(光子)強度的比例減小。在顯示幀時間內，傳感器電容器C2 327是被TFT T4 340通過傳感器線充電到預定的電壓，而電容器充電電壓源(VCAP)355是通過傳感器S1324放電。幀持續時間和在該幀時間內傳感器S1的平均電阻(RAVE)348確定傳感器電容器C2放電的電荷量。傳感器電容器C2 336上的電壓移動到G2 306的地電壓。傳感器電容器C2放電的電荷量是一個重要的參數，因為它控制或確定連接在傳感器電容器C2 328與傳感器TFT T3端子331之間讀出定標電壓節點上的電壓(VCAL)。所以，從OLED D1發射的光子通量越大，傳感器S1的電阻越小，在幀時間內放電的電流就越大，而在讀出時間內測量傳感器電容器C2時，殘留在傳感器電容器C2上的電壓越低。這個讀出定標電壓是發送到用于確定校正值的電路或其他邏輯的讀出值，該電壓在正常運行時用于定標和保持顯示器的均勻性和彩色平衡。(本發明的不同實施例提供不同的讀出電路，且在這個說明書中描述這種電路。)重要的是注意到，在傳感器電容器C2與傳感器TFT T3之間讀出定標電壓節點上測得的電壓越低，被傳感器S1檢測或截取的光子通量(像素亮度)就越大。
在一個實施例中，第二傳感器S2 374是與傳感器電容器C4 377并聯以形成第二個分開的光子通量積分器。傳感器S2與傳感器電容器C4的并行組合，它在一個節點376耦合到地G1 305，和在另一個節點375耦合到TFT T5 310的漏極。晶體管T5的柵極373從線路L5 390接收輸入，而T5的源極372連接到線路L6，用于傳輸被檢測的信號到觸摸電路386的互阻抗放大器電路。觸摸電路(或光輸入檢測電路)的輸出傳輸到抽樣保持電路。這個觸摸電路或光檢測輸入386電路的工作是與反饋電路356的工作基本相同，所以，此處不再分別詳細地描述。
圖11中的電路不同于US Utility Patent Application Serial No.11/015,638中有光子積分器電路的反饋系統，主要的區別是有兩個光子積分器電路，第二個光子積分器電路包含第二觸摸/光筆傳感器S2和用于觸摸/光筆傳感器的觸摸/光筆傳感器電容器C4，而不是包含OLED發射傳感器S1的單光子積分器電路和OLED發射傳感器。第一個光子積分器電路用于檢測OLED發射操作，而第二個光子積分器電路用于檢測觸摸輸入或光輸入。
另一個區別是，添加水平線L5和晶體管T4的控制是獨立于晶體管T1和T3，為的是控制能夠讀出觸摸傳感器S2的TFT T4。此外，還添加垂直導電線路L6作為觸摸傳感器的專用讀出線路。圖11的實施例還提供用于從傳感器S1和S2中讀出數據的電荷放大器。
在工作時，10伏電壓(或任何其他所需的充電電壓)加到電荷放大器CA1和CA2的正引線端。這個眾所周知的動作是使10伏電壓出現在L4和L5上。出現在節點P3和P4上的電壓是接近0伏，它稱之為偏移電壓。當T3和T4的柵極電壓升高時，即，當線路L2和線路L5被激勵時，晶體管T3和T4被再充電(或復位)到10伏。完成充電所需的電荷量是從電荷放大器電容器C3和C5中取出的，從而使電荷放大器CA1和CA2的負引線端電壓下降。在這些條件下，由于電荷放大器CA1和CA2的正負引線之間有電壓差，該電壓等于差值加上出現在節點P3和P4的偏移電壓。發送這個電壓到抽樣保持電路(抽樣保持電路是眾所周知的，此處不再詳細描述)作進一步處理。
從以上的描述中可以理解，本發明包含這樣的結構和方法，它提供用于反饋控制像素發射器 亮度和檢測觸摸輸入或光輸入的相同傳感器(S1)，傳感器電容器(C2)，和光子通量積分器電路元件。本發明還包含這樣的實施例，其中分開的傳感器(S1和S2)，傳感器電容器(C2和C4)，和分開的光子通量積分器電路元件用于反饋控制像素發射器亮度和檢測觸摸輸入或光輸入。在兩個傳感器的實施方案中，該裝置和方法提供用于檢測顯示器像素光子發射和產生表示像素亮度的積分光子通量的多個第一檢測元件，和用于檢測至少一個外觸摸輸入和外光輸入以及產生表示輸入信號的多個第二檢測元件。利用兩個分開的光子通量積分器可以在讀出與積累光子通量相關的電壓，電流，或電荷時提供附加的靈活性。在單個傳感器和傳感器電容器的實施例中，分開的測量通常是在非重疊時間段內完成的。
雖然我們已描述本發明的許多實施例，顯而易見，在以上的描述中，一個實施例提供有多個像素類型的發射像素顯示器裝置，其中每個像素有發光裝置和產生驅動信號以驅動顯示器像素的驅動電路，發射像素顯示器裝置的特征是，至少一個光子傳感器設置在顯示器裝置像素內，其工作是檢測該像素內發射器發射的光子和顯示器裝置之外光源發射的環境光子，檢測的內部發射光子用于顯示器亮度反饋控制，而檢測的環境光子用于檢測外光源或陰影輸入到顯示器。
顯而易見，在以上的描述中，本發明還提供方法，顯示器，像素結構，和有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置，其中該像素裝置包括發光裝置；像素發射器驅動電路，用于產生驅動電流以驅動發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少一個光傳感器，用于展示電特性的變化以響應發光裝置附近入射光子通量的變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取可測量的光子通量，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的可測量光子通量；和電壓，電流，和電荷讀出電路中至少一個讀出電路，用于測量(i)光傳感器裝置在非發光狀態期間內第一部分非發射時間段末產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷，和其中測得的第一電壓，第一電流，或第一電荷是在第一部分時間段內該像素之外光源發射的測量亮度指示；和(ii)光傳感器裝置在發光狀態期間內第二部分發射時間段末產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷，和其中測得的第二電壓，第二電流，或第二電荷是在第二部分時間段內從該像素發射的測量亮度指示。
參照圖12，圖12表示典型OLED像素501的剖面示意圖，其中部分的OLED材料用作反向偏置的傳感器或光電二極管。OLED像素的結構可以用作反向偏置的二極管，其目的是測量像素亮度穩定的OLED像素發射光和環境光。(圖12所示的實施例是頂層發射器結構，但是按照此處描述的結構和原理，也可以制造底層發射器結構。)請注意，黑陰極層510是在圓圈指出的OLED二極管結構的兩側被中斷。因此，OLED二極管520陰極510的偏置可以獨立于發光OLED部分530。
為了使OLED發光，OLED像素是正向偏置的，而這個正向偏置使空穴電流在空穴運輸層(HTL)514中流動(見圖14)和電子電流在電子運輸層(ETL)512中流動，并在復合層513中復合。當電子電流540與空穴電流541復合時，產生光子542形式的光，光的波長(顏色)取決于空穴與電子之間的能量差。
在這個實施例中，頂層是陰極510，和在這個例子中，陰極510的偏置電壓是0伏，它對于像素結構510的發射部分530和檢測部分520是共同的。下一個ETL層512對于發射部分530和檢測部分520也是共同的。在電子運輸層之后是復合層513，其中光542的發射是由電子運輸層(ETL)512中的電子與空穴運輸層(HTL)514中的空穴復合產生的。再向下的一層是空穴運輸層(HTL)514。在這個典型的實施例中，有兩個分開的氧化銦錫ITO層515和516。OLED 530發射部分上的ITO電極516有正向偏置電壓(在這個實施例中是+6伏正向偏置電壓)，它正向偏置OLED進入發射模式，而OLED發射部分上的ITO電極515有反向偏置電壓(在這個實施例中是-10伏反向偏置電壓)，它反向偏置檢測部分。利用反向偏置時的任何二極管，可以形成很寬的空間電荷區。當光子進入空間電荷區時，就產生空穴和電子，并立刻沿相反的方向飛速前進，這使由于在空間電荷區形成的強電場。這導致光電流的產生，其幅度取決于進入空間電荷區的光子通量。這個光產生電流用于充電光子通量積分電容器，例如，其方式是在2004年12月17日共同申請的US Utility PatentApplication Serial No.11/016,372中描述，其標題為“Active-MatrixDisplay and Pixel Structure for Feedback Stabilized Flat PanelDisplay”，全文合并在此供參考。
圖13表示典型OLED二極管傳感器的像素電路示意圖，例如，對應圖12所示像素區520的傳感器。所以，OLED裝置可用作光子發射器和光子檢測器。在這種情況下，傳感器線550通過TFT T3傳遞負傳感器電壓。在這個具體例子中，負電壓是-10伏，但可以使用不同的電壓。由于反向二極管D2連接在電容器C2的兩端，二極管D2使電容器C2放電到地。D2使電容器C2放電的速率取決于檢測二極管D2從OLED發射二極管D1接收的光子(亮度水平)。所以，在幀積分時間之后電容器C2上剩余的電壓對應二極管D2在該幀時間內的平均亮度水平。
為了使OLED發射光，OLED被正向偏置，它使空穴電流和電子電流流入到OLED結構的發光層，如圖14所示。這發生在圖14的OLED發射器部分。在復合區，當空穴電流和電子電流復合時產生光。光子發射基本上是沿所有的方向隨機地分散，因此，部分光子沿橫向射出復合區到達圖14所示OLED傳感器部分的空間電荷區。當光子進入空間電荷區時，就產生電子/空穴對，并被分成所指出的空穴光電流和電子光電流。電容器C2是光子積分器電容器，它被預先充電到-10伏。這是反向偏置OLED傳感器的電荷。在產生光電流時，它減小電容器C2上的電荷，因為正光子空穴電流傳輸到電容器C2的負端和負光子電子電流傳輸到電容器C2的正端。最終，C2上的所有電荷被光產生電流抵消。電容器C2的電容量通常是這樣設定的，二極管D1產生的最大亮度僅導致90％的電容器放電；所以，二極管D1發射的各個灰度級亮度使電容器C2上留下的電荷是在灰度級0與灰度級255的滿電荷之間。在實際上，雖然這個90％放電水平運行得很好，但是，以采用其他的放電水平并產生對應的灰度級范圍。
參照圖15，圖15表示有偏置暗屏蔽柵極和暗屏蔽偏置線的傳感器像素電路，并且還展示傳感器，光子通量積分器，和用于讀出傳感器的電荷放大器電路。此處畫出單傳感器的實施方案，然而，應當理解，可以提供類似于圖11所示實施例的雙傳感器或多個傳感器的實施方案。
以上描述中所用的特定術語是為了更充分地理解本發明。然而，專業人員顯然知道，為了實踐本發明不要求知道具體的細節。在其他的情況下，熟知的電路和裝置是用方框圖或示意圖表示，為的是避免分散對本發明的注意力。因此，以上對本發明實施例的具體描述是以說明為目的。它們不是詳盡無遺地或限制本發明到公開的精確形式，顯而易見，考慮到以上的內容進行各種改動和變化是可能的。選取和描述的實施例是為了更好地解釋本發明的原理和它的實際應用，從而能使其他的專業人員最佳地利用本發明，有各種改動的不同實施例適合于所想到的具體應用。因此，本發明的范圍是由以下的權利要求書及其相當的內容所限定。
權利要求
1.一種有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置，該像素裝置包括發光裝置；像素發射器驅動電路，用于產生驅動電流以驅動發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少一個光傳感器，用于展示電特性的變化以響應發光裝置鄰近的入射光子通量變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取可測量的光子通量，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的可測量光子通量；電壓，電流，和電荷讀出電路中的至少一個，用于測量(i)光傳感器裝置在非發光狀態期間內非發射時間段的第一部分的末端產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷，和其中測得的第一電壓，第一電流，或第一電荷是在時間段的第一部分內該像素之外光源發射的測量亮度指示；和(ii)光傳感器裝置在發光狀態期間內發射時間段的第二部分末端產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷，和其中測得的第二電壓，第二電流，或第二電荷是在時間段的第二部分內從該像素發射的測量亮度指示。
2.按照權利要求1的發射像素裝置，還包括與傳感器耦合的至少一個電荷存儲裝置，用于積累或釋放電荷并同時展示電容電荷以及與該電荷成正比的電壓；和控制電路，用于控制該至少一個電荷存儲裝置的充電和/或放電以響應該至少一個光傳感器裝置在發射狀態和非發射狀態時間段中至少一個時間段內的電特性變化。
3.按照權利要求2的發射像素裝置，其中控制電路控制該至少一個電荷存儲裝置的充電和/或放電以響應該至少一個光傳感器裝置在發射狀態和非發射狀態時間段內的電特性變化。
4.按照權利要求3的發射像素裝置，其中光傳感器裝置包括光響應傳感器。
5.按照權利要求4的發射像素裝置，其中光傳感器裝置還包括該至少一個電荷存儲裝置。
6.按照權利要求5的發射像素裝置，其中基于該至少一個電荷存儲裝置的電荷狀態，測量光傳感器裝置產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷。
7.按照權利要求6的發射像素裝置，其中基于該至少一個電荷存儲裝置的電荷狀態，測量光傳感器裝置產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷。
8.按照權利要求7的發射像素裝置，其中第一發射時間段是部分的顯示幀時間，而第二非發射時間段是選自第二時間段的集合，它包括部分的至少一個行尋址時間，部分的第二幀時間，專用于測量入射到該像素上的亮度，第二幀時間是與第一時間段不同的幀時間，用于顯示器垂直回掃時間的部分時間段，和用于顯示器水平回掃時間的部分時間段。
9.按照權利要求8的發射像素裝置，其中該至少一個電荷存儲裝置包括分開的第一和第二電荷存儲裝置，且其中第一電荷存儲裝置在部分的第一時間段內提供從像素發射的測量亮度指示，和第二電荷存儲裝置在第二時間段內提供入射到該像素上的測量亮度指示。
10.按照權利要求8的發射像素裝置，其中該至少一個電荷存儲裝置上的電壓，電流和電荷代表在部分幀時間內的積分光子通量，控制電路在該時間內可以充電或放電該電荷存儲裝置。
11.按照權利要求9的發射像素裝置，其中該至少一個電荷存儲裝置上的電壓，電流和電荷代表在部分幀時間內的積分光子通量，控制電路在該時間內可以充電或放電該電荷存儲裝置。
12.按照權利要求11的發射像素裝置，其中電壓，電流和電荷讀出電路還包括比較器電路，該電路接收電壓，電流或電荷讀出值和對應目標像素亮度的參考值，并產生代表目標像素亮度與測量亮度之差的差值信號。
13.按照權利要求12的發射像素裝置，其中讀出電路配置成有電荷放大器電路的電荷放大器/互阻抗放大器。
14.按照權利要求8的發射像素裝置，其中發光裝置包括選自有機發光二極管(OLED)裝置，場致發光裝置，等離子體發射裝置，和可控光子發射裝置集合中的發光裝置。
15.按照權利要求8的發射像素裝置，還包括比較裝置，用于比較顯示器中多個像素在第二時間段內入射到該像素上的測量亮度指示以識別這樣一個位置，其中在區域中的測量亮度是大于或小于相鄰或周圍像素預定幅度的測量亮度。
16.按照權利要求8的發射像素裝置，其中像素包含光屏蔽，光屏蔽至少衰減從外部光源入射到顯示器上環境光的部分光子。
17.按照權利要求16的發射像素裝置，其中光屏蔽包含孔徑或小孔，允許從外部光源入射到顯示器上環境光的部分光子進入該像素。
18.一種用于操作有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置的方法，該方法包括產生電流以驅動發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少耦合一個電荷存儲裝置與傳感器，用于積累或釋放電荷并同時展示電容電荷以及與該電荷成正比的電壓；在第一時間段和第二時間段內曝光傳感器到發光裝置發射的光子，該傳感器展示電特性的變化以響應入射光子通量的變化；積累(充電)或泄漏(放電)電荷到或來自與傳感器耦合的該至少一個電荷存儲裝置，該傳感器包含一個用于在第一時間段和第二時間段內控制電荷積累或電荷釋放速率的元件；在部分的第一和第二時間段末測量電荷存儲裝置上電荷導致的電壓或電流，在部分的第一時間段內測量的電壓或電流是在部分的第一時間段內從像素中發射實際亮度的指示，和在部分的第二時間段內測量的電壓或電流是在部分的第二時間段內從外部光源入射到該像素傳感器上實際亮度的指示；比較從測量電壓或電流有關像素發射的實際亮度與像素發射器圖像電壓和像素發射器驅動電流的參考目標像素亮度以產生一個差值；應用該差值作為反饋輸入到校正電路，該校正電路在隨后的幀時間內改變相同像素的圖像電壓和驅動電流；和在部分的第二時間段內比較入射到像素傳感器上的實際亮度與顯示器中至少一個其他像素的實際亮度以識別顯示器上觸摸輸入或光筆輸入的位置。
19.一種用于檢測輸入到有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的方法，這些像素位置排列成二維陣列，該方法包括在二維陣列的第一多個分開可尋址像素位置中至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析該檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
20.按照權利要求19的方法，其中多個檢測元件中的每個檢測元件有與它對準的對應OLED像素。
21.按照權利要求19的方法，其中光子檢測元件是與第一多個分開可尋址像素位置中的每個像素位置相鄰。
22.按照權利要求19的方法，其中與每個像素位置相鄰的檢測元件包括配置在該像素位置上每個像素結構內的檢測元件。
23.按照權利要求19的方法，其中光子檢測元件是與第一多個分開可尋址像素位置中每個第N行和第M列的位置相鄰，和其中N和M可以獨立地選取為1與N行和M列中最大像素數目之間的任何正整數。
24.按照權利要求19的方法，其中檢測元件配置在顯示器的各行和各列中每第10個像素位置上。
25.按照權利要求19的方法，其中顯示器是有多個不同顏色像素的彩色顯示器。
26.按照權利要求19的方法，其中檢測元件的作用是光子通量積分器。
27.按照權利要求19的方法，其中檢測元件僅配置給有預定具體發射器顏色的像素。
28.按照權利要求19的方法，其中檢測元件的配置是按照預定或動態確定的傳感器間隔，像素顏色，或其他規則或不規則的圖形。
29.一種用于操作有積分亮度和輸入傳感器的發射像素裝置的方法，該方法包括產生驅動電流以驅動每個像素中的發光裝置到對應圖像電壓的預定亮度，并在幀時間內施加驅動電流到發光裝置；至少提供一個光傳感器，該傳感器展示電特性的變化以響應每個像素中發光裝置鄰近的入射光子通量變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取可測量的光子通量，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的可測量光子通量；至少讀出電壓，電流，和電荷測量結果中的一個結果，該測量結果代表(i)光傳感器裝置在非發射狀態期間內非發射時間段的第一部分的末端產生的第一電壓，第一電流，或第一電荷，和其中測得的第一電壓，第一電流，或第一電荷是在該時間段的第一部分內該像素之外光源發射的測量亮度指示；和(ii)光傳感器裝置在發射狀態期間內發射時間段的第二部分的末端產生的第二電壓，第二電流，或第二電荷，和其中測得的第二電壓，第二電流，或第二電荷是在該時間段的第二部分內從該像素發射的測量亮度指示。
30.一種用于檢測輸入到有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的方法，這些像素位置排列成二維陣列，該方法包括在二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析該檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
31.按照權利要求30的方法，其中第一多個光子檢測元件適合于檢測與外部用戶輸入不相關的背景亮度幅度以及與該用戶輸入相關的較大不同亮度幅度。
32.按照權利要求31的方法，其中從顯示器裝置內光子發射器產生較大的亮度幅度，該亮度幅度大于入射到顯示器表面上的漫射背景亮度。
33.按照權利要求32的方法，其中從顯示器裝置內光子發射器發射的光子是基本上完全包含在第一傳輸媒體內，因此，這些光子不入射到傳感器元件上，而是使這些光子從用戶輸入位置上的第一傳輸媒體中射出。
34.按照權利要求33的方法，其中在顯示發射器與用戶之間平板內的全內反射使該光子基本上完全包含在第一傳輸媒體內，并通過改變平板的表面性質或特性，或平板表面的界面從第二媒體改變成第三媒體，使這些光子從第一傳輸媒體中射出。
35.按照權利要求34的方法，其中第二媒體包括氣體媒體，和其中第三媒體包括非氣體媒體。
36.按照權利要求35的方法，其中第二媒體是空氣。
37.按照權利要求35的方法，其中第三媒體包括基本不透明的實心指示筆。
38.按照權利要求34的方法，其中射出第一媒體的光子是被顯示器之外的物體散射，因此，至少部分的散射光子被散射或反射回到顯示器并入射到傳感器元件。
39.按照權利要求30的方法，其中光子檢測元件適合于檢測指示筆攜帶的外光子發射器發射的光子波長(能量)和亮度幅度。
40.按照權利要求30的方法，其中光子檢測元件適合于檢測從指示筆攜帶的外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度大于外光子發射器沒有照射的光子檢測元件接收的環境背景亮度幅度。
41.按照權利要求30的方法，其中指示筆攜帶的外光子發射器包括光筆。
42.按照權利要求30的方法，其中外光子發射器包括發光二極管(LED)。
43.按照權利要求30的方法，其中外光子發射器包括白熾光光子發射器。
44.按照權利要求30的方法，其中頻譜選擇性濾波器設置在環境光光源與檢測元件之間的光程上。
45.按照權利要求44的方法，其中頻譜選擇性濾波器是基本發射紅光的濾波器。
46.按照權利要求44的方法，其中環境光是來自全內反射的平板中所含的紅側光的光(光子)并因表面界面的變化被引導到檢測元件。
47.按照權利要求44的方法，其中環境光是從紅激光器或發紅光二極管中被引導到檢測元件的光(光子)。
48.按照權利要求44的方法，其中頻譜選擇性濾波器設置在環境光光源與檢測元件之間的光程上；光輸入裝置發射頻譜選擇性濾波器通帶內波長的光；和光子檢測元件包括在顯示器垂直回掃時間內被讀出的傳感器。
49.按照權利要求30的方法，其中光子檢測元件適合于檢測指示筆攜帶的外光子發射器發射的光子波長，能量和亮度幅度。
50.按照權利要求30的方法，其中光子檢測元件適合于檢測從指示筆攜帶的外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度大于外光子發射器沒有照射的光子檢測元件接收的環境背景亮度幅度。
51.按照權利要求50的方法，其中指示筆攜帶的外光子發射器包括光筆。
52.按照權利要求50的方法，其中外光子發射器包括發光二極管(LED)。
53.按照權利要求50的方法，其中外光子發射器包括白熾光光子發射器。
54.一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的裝置，這些像素位置排列成二維陣列，該裝置包括與二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置相鄰的光子檢測元件；至少一個檢測電路，該檢測電路在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；至少一個測量電路，該測量電路產生每個光子檢測元件的檢測信號，該檢測信號對應被檢測光子的數目或能量；和比較電路，用于比較和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
55.按照權利要求54的裝置，其中第一多個光子檢測元件適合于檢測與外部用戶輸入不相關的背景亮度幅度以及與該用戶輸入相關的較大不同亮度幅度。
56.按照權利要求55的裝置，其中較大的亮度幅度是從位于顯示器裝置內的光子發射器產生的，該亮度大于入射到顯示器表面上的漫射背景亮度。
57.按照權利要求56的裝置，其中從顯示器裝置內光子發射器發射的光子是基本上完全包含在第一傳輸媒體內，因此，這些光子不入射到傳感器元件上，而是使這些光子從用戶輸入位置上的第一傳輸媒體中射出。
58.按照權利要求57的裝置，其中在顯示發射器與用戶之間平板內的全內反射使該光子基本上完全包含在第一傳輸媒體內，并通過改變平板的表面性質或特性，或平板表面的界面從第二媒體改變成第三媒體，使這些光子從第一傳輸媒體中射出。
59.按照權利要求54的裝置，其中光子檢測元件適合于檢測指示筆攜帶的外光子發射器發射的光子波長(能量)和亮度幅度。
60.按照權利要求54的裝置，其中頻譜選擇性濾波器設置在環境光光源與檢測元件之間的光程上。
61.按照權利要求54的裝置，其中頻譜選擇性濾波器設置在環境光光源與檢測元件之間的光程上；光輸入裝置發射頻譜選擇性濾波器通帶內波長的光；和光子檢測元件包括在顯示器垂直回掃時間內被讀出的傳感器。
62.按照權利要求54的裝置，其中光子檢測元件適合于檢測指示筆攜帶的外光子發射器發射的光子波長，能量和亮度幅度。
63.按照權利要求54的裝置，其中光子檢測元件適合于檢測從指示筆攜帶的外光子發射器接收的亮度幅度，該亮度幅度大于外光子發射器沒有照射的光子檢測元件接收的環境背景亮度幅度。
64.一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的方法，這些像素位置排列成二維陣列，該方法包括在二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析該檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
65.按照權利要求64的方法，其中二維陣列排列成有多行和多列的幀；每行有行寫入地址時間和幀時間，在行寫入地址時間內寫入一行像素，而在幀時間內寫入包含多行和多列的顯示器的所有像素；和在部分的每行寫入地址時間內讀出每行中的檢測元件。
66.按照權利要求65的方法，其中所述部分的每行寫入地址時間是在0.001與0.9的行尋址時間之間的任一分數。
67.按照權利要求64的方法，其中二維陣列排列成有多行和多列的幀；每行有行寫入地址時間和寫幀時間，在行寫入地址時間內寫入一行像素，和在寫幀時間內寫入包含多行和多列的顯示器的所有像素；每行有行讀出地址時間，在此時間內讀出一行檢測元件，和行讀出地址時間發生在與像素發射器寫入時間分開的傳感器讀幀時間內；和在多個行讀出地址時間內讀出各行檢測元件，而在與寫幀時間不重疊的讀幀時間內，讀幀時間專用于讀出多個檢測元件。
68.按照權利要求64的方法，其中在專用的傳感器讀幀時間內讀多個檢測元件，傳感器讀幀時間僅發生在顯示屏接收預定的輸入之后。
69.按照權利要求68的方法，其中預定的輸入包括與顯示屏表面的實際接觸。
70.按照權利要求69的方法，其中實際接觸包括手指的實際觸摸。
71.按照權利要求69的方法，其中實際接觸包括工具的實際觸摸。
72.按照權利要求64的方法，其中預定的輸入包括光子通量或亮度在部分顯示屏表面上的預定幅度變化。
73.按照權利要求64的方法，其中預定的輸入包括顯示屏表面鄰近參數的非接觸式變化。
74.按照權利要求73的方法，其中非接觸式變化選自下列一組的變化，它包括局部溫度變化，電容或電荷濃度變化，磁通量變化，局部較高或較低的光子通量或亮度，和這些變化中兩個或多個變化的任何組合。
75.按照權利要求64的方法，其中在兩個相繼顯示幀之間的垂直回掃時間段內讀檢測元件。
76.按照權利要求75的方法，其中檢測元件是由用于讀出像素發射亮度的分開傳感器線讀出，而通過晶體管柵極控制的分開觸摸傳感器線控制傳感器的讀出。
77.按照權利要求64的方法，其中在兩個行寫入之間顯示器水平回掃時間段內讀檢測元件。
78.按照權利要求64的方法，其中該方法提供用于檢測顯示器像素光子發射并產生表示像素亮度的積分光子通量的多個第一檢測元件；和用于檢測至少一個外部觸摸輸入和外部光輸入并產生表示該輸入的信號的多個第二檢測元件。
79.一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的裝置，這些像素位置排列成二維陣列，該裝置包括與二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置相鄰的光子檢測元件；至少一個檢測電路，該檢測電路在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；至少一個測量電路，該測量電路產生每個光子檢測元件的檢測信號，該檢測信號對應被檢測光子的數目或能量；和比較電路，用于比較和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
80.按照權利要求79的裝置，其中二維陣列排列成有多行和多列的幀；每行有行寫入地址時間和幀時間，在行寫入地址時間內寫入一行像素，和在幀時間內寫入包含多行和多列的顯示器的所有像素；和在部分的每行寫入地址時間內讀每行中的檢測元件。
81.按照權利要求79的裝置，其中二維陣列排列成有多行和多列的幀；每行有行寫入地址時間和寫幀時間，在行寫入地址時間內寫入一行像素，和在寫幀時間內寫入包含多行和多列的顯示器的所有像素；每行有行讀出地址時間，在此時間內讀一行檢測元件，而行讀出地址時間發生在與像素發射器寫入時間分開的傳感器讀幀時間內；和所有行的檢測元件是在多個行讀地址時間內被讀，在與寫幀時間不重疊的讀幀時間內，讀幀時間專用于讀多個檢測元件。
82.按照權利要求79的裝置，其中在專用的傳感器讀幀時間內讀多個檢測元件，傳感器讀幀時間僅發生在顯示屏接收到預定的輸入之后。
83.按照權利要求82的裝置，其中預定的輸入包括與顯示屏表面的實際接觸。
84.按照權利要求79的裝置，其中預定的輸入包括光子通量或亮度在部分顯示屏表面上的預定幅度變化。
85.按照權利要求79的裝置，其中預定的輸入包括顯示屏表面鄰近參數的非接觸式變化；而非接觸式變化是選自下列一組的變化，它包括局部溫度變化，電容或電荷濃度變化，磁通量變化，局部較高或較低的光子通量或亮度，和這些變化中兩個或多個變化的任何組合。
86.按照權利要求79的裝置，其中在兩個相繼顯示幀之間的垂直回掃時間段內讀檢測元件，而檢測元件是由用于讀出像素發射亮度分開的傳感器線讀，而通過晶體管柵極控制的分開觸摸傳感器線控制傳感器的讀出。
87.按照權利要求79的裝置，其中在兩行寫入之間的顯示器水平回掃時間段內讀檢測元件。
88.按照權利要求79的裝置，其中該裝置還包括多個第一檢測元件，用于檢測顯示器像素光子發射并產生表示像素亮度的積分光子通量；和多個第二檢測元件，用于檢測至少一個外部觸摸輸入和外部光輸入并產生表示該輸入的信號。
89.一種有多個像素的類型的發射像素顯示器裝置，每個像素有發光裝置和產生驅動信號以驅動顯示器像素的驅動電路，發射像素顯示器裝置的特征是至少一個光子傳感器設置在顯示器裝置像素內，其工作是檢測該像素內部發射器發射的光子和該顯示器裝置之外光源發射的環境光子，檢測的內部發射光子用于顯示器亮度反饋控制，而檢測的環境光子用于檢測外部光源或陰影輸入到顯示器。
90.按照權利要求89類型的發射像素顯示器裝置，其特征是，每個像素中該至少一個光子傳感器是單個傳感器，該傳感器檢測內部發射器發射的光子和外部光源的環境光子兩者。
91.按照權利要求90類型的發射像素顯示器裝置，其特征是，每個像素中該至少一個光子傳感器至少包括第一傳感器和第二傳感器，第一傳感器檢測內部發射器發射的光子，而第二傳感器檢測外部光源的環境光子。
92.按照權利要求91類型的發射像素顯示器裝置，其特征是，該發射器包括有機發光二極管(OLED)，而該至少一個傳感器包括OLED。
93.按照權利要求90類型的發射像素顯示器裝置，其特征是，該至少一個光子傳感器包括展示電阻率或電導率變化以響應入射到該傳感器上光子通量變化的光子傳感器。
94.按照權利要求93類型的發射像素顯示器裝置，其特征是，該至少一個光子傳感器耦合到電荷存儲裝置，和該電荷存儲裝置以不同的速率充電或放電，它取決于傳感器的電阻率或電導率，因此，從電荷存儲裝置上電荷導出的測量結果可以提供一段時間內積分光子通量和亮度的指示。
95.在有多個像素的類型的發射像素顯示器裝置中，每個像素有發光裝置和接收來自驅動電路以驅動顯示器像素的驅動信號，一種操作顯示器裝置的方法，其特征是，至少一個光子傳感器設置在每個顯示器裝置像素內；每個顯示器像素的工作是，該至少一個光子傳感器檢測該像素內光發射器發射的光子和顯示器裝置之外光源發射的環境光子；利用檢測的內部發射光子至少作為反饋控制的分量，控制每個像素的亮度；和利用檢測外部光源的測量結果，檢測外部用戶輸入到像素顯示器裝置。
96.按照權利要求95類型的發射像素顯示器裝置，其中該方法的特征是，每個像素中的該至少一個光子傳感器是單個傳感器，該傳感器檢測內部發射器發射的光子和外部光源的環境光子。
97.按照權利要求96類型的發射像素顯示器裝置，其中該方法的特征是，每個像素中的該至少一個光子傳感器至少包括第一傳感器和第二傳感器，第一傳感器檢測內部發射器發射的光子，而第二傳感器檢測外部光源的環境光子。
98.按照權利要求97類型的發射像素顯示器裝置，其中該方法的特征是，發射器包括有機發光二極管(OLED)，而該至少一個傳感器包括OLED。
99.按照權利要求95類型的發射像素顯示器裝置，該方法的特征是，該至少一個光子傳感器包括展示電阻率或電導率的變化以響應入射到該傳感器上光子通量變化的光子傳感器。
100.按照權利要求98類型的發射像素顯示器裝置，該方法的特征是，該至少一個光子傳感器耦合到電荷存儲裝置，和電荷存儲裝置以不同的速率充電或放電，它取決于傳感器的電阻率或電導率，因此，從電荷存儲裝置上電荷導出的測量結果給出一段時間內積分光子通量和亮度的指示。
101.一種發射像素顯示器裝置，包括排列成二維陣列作為顯示屏的多個發光裝置；像素發射器驅動電路，用于驅動多個發光裝置到預定亮度；與每個發光裝置相關的至少一個光傳感器，該傳感器展示電特性的變化以響應入射光子的變化(i)當發光裝置是在發射狀態時，用于截取光子，和(ii)當發光裝置不是在發射狀態時，用于檢測該像素之外光源的光子；電壓，電流，和電荷讀出電路中的至少一個，用于測量(i)與非發射時間的光傳感器相關的第一電參數，該參數作為像素和顯示器之外光源發射的亮度的指示；和(ii)與發射時間的光傳感器相關的第二電參數，該參數作為像素和顯示器內從該像素發射的亮度的指示。
102.一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的方法，這些像素位置排列成二維陣列，該方法包括在二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置鄰近提供光子檢測元件；在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；產生對應被檢測光子數或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
103.按照權利要求102的方法，其中分開可尋址的像素包含光屏蔽，它至少衰減從外部光源的環境光入射到顯示器上的部分光子。
104.按照權利要求102的方法，其中光屏蔽包括基本不透明的金屬層。
105.按照權利要求102的方法，其中光屏蔽包含與每個光子檢測元件鄰近的改型，因此，環境光的衰減小于光屏蔽周圍部分的衰減。
106.按照權利要求105的方法，其中改型是在每個像素位置上光屏蔽中的孔徑，該孔徑允許外部光源的光子入射到光子檢測元件上。
107.按照權利要求106的方法，其中該孔徑的面積小于光子檢測元件的面積。
108.按照權利要求106的方法，其中該孔徑包括光屏蔽中的小孔。
109.按照權利要求102的方法，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基本透明基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一不透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該發光材料向下發光通過透明電極和通過基本透明基片；和設置在光子發射器與基片之間的光子檢測元件，用于截取從光子發射器發射的部分光子。
110.按照權利要求109的方法，其中該發射器包括OLED發射器。
111.按照權利要求102的方法，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該發光材料向上發光通過第一透明電極和向下通過第二透明電極并到達基片；和設置在光子發射器與基片之間的光子檢測元件，用于截取從光子發射器向下發射的部分光子。
112.按照權利要求111的方法，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一透明電極與第二不透明電極之間的發光材料，該發光材料向上發光通過第一透明電極和向下發射到第二不透明電極并反射向上返回通過第一透明電極；和設置在光子發射器鄰近的光子檢測元件，用于截取從光子發射器橫向發射的部分光子。
113.按照權利要求112的方法，其中該發射器包括OLED發射器。
114.按照權利要求102的方法，其中第一多個光子檢測元件適合于檢測與外部用戶輸入不相關的背景亮度幅度以及與該用戶輸入相關的不同亮度幅度。
115.按照權利要求114的方法，其中該不同的亮度幅度是較大的亮度幅度。
116.按照權利要求115的方法，其中該較大的亮度幅度是由位于顯示器裝置之外的外光子發射器產生的，它的亮度幅度大于入射到顯示器表面上的漫射背景亮度。
117.按照權利要求115的方法，其中該不同亮度幅度是較小的亮度幅度。
118.按照權利要求117的方法，其中該較小的亮度幅度是由透射率小于100％并設置在顯示器表面鄰近的無源衰減物體產生的，該物體產生陰影并阻擋或衰減入射到顯示器表面上的部分漫射背景亮度。
119.按照權利要求118的方法，其中無源衰減物體包括基本不透明的物體。
120.按照權利要求118的方法，其中無源衰減物體包括基本不透明的尖頭指示筆。
121.按照權利要求118的方法，其中無源衰減物體包括筆形物體。
122.按照權利要求118的方法，其中無源衰減物體包括外部的人手指。
123.一種用于檢測對有第一多個分開可尋址圖片單元(像素)位置的顯示器裝置的輸入的裝置，這些像素位置排列成二維陣列，該裝置包括與二維陣列中第一多個分開可尋址像素位置的至少一些像素位置相鄰的光子檢測元件；至少一個檢測電路，該檢測電路在預定的檢測時間段內檢測入射到每個檢測元件上的光子；至少一個測量電路，該測量電路產生對應被檢測光子數目或能量的每個光子檢測元件的檢測信號；和比較電路，用于比較和分析被檢測信號以識別至少一個已接收到輸入的像素位置。
124.按照權利要求123的裝置，其中分開可尋址的像素包含光屏蔽，它至少衰減外部光源入射到顯示器上環境光的部分光子；光屏蔽包括基本不透明的金屬層，并包含與每個光子檢測元件相鄰的改型，因此，環境光的衰減小于光屏蔽周圍部分的衰減；和改型是在每個像素位置上光屏蔽中的孔徑，該孔徑允許外部光源的光子入射到光子檢測元件上。
125.按照權利要求123的裝置，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基本透明基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一不透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該發光材料向下發光通過透明電極和通過基本透明的基片；和設置在光子發射器與基片之間的光子檢測元件，用于截取從光子發射器發射的部分光子。
126.按照權利要求123的裝置，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一透明電極與第二透明電極之間的發光材料，該發光材料向上發光通過第一透明電極和向下通過第二透明電極并到達基片；和設置在光子發射器與基片之間的光子檢測元件，用于截取從光子發射器向下發射的部分光子。
127.按照權利要求123的裝置，其中每個分開可尋址的像素位置還包括基片表面支持的光子發射器，并包含一層夾在第一透明電極與第二不透明電極之間的發光材料，該發光材料向上發光通過第一透明電極和向下到達第二不透明電極并反射返回通過第一透明電極；和設置在光子發射器鄰近的光子檢測元件，用于截取從光子發射器橫向發射的部分光子。
128.按照權利要求123的裝置，其中第一多個光子檢測元件適合于檢測與外部用戶輸入不相關的背景亮度幅度以及與該用戶輸入相關的不同亮度幅度；和該不同的亮度幅度可以是較大或較小的亮度幅度。
全文摘要
利用與檢測和保持像素亮度相同或不同的傳感器，一種用于接收或檢測觸摸輸入或光輸入到發射顯示器的系統，裝置和方法，例如，OLED顯示器。一種用于顯示器的光筆和觸摸屏數據輸入系統和方法。一種側光照射的顯示器和觸摸板輸入裝置。一種用于讀出顯示器像素發射和環境亮度級的方法和裝置。一種用于檢測亮度穩定性和用戶光輸入或觸摸屏輸入的發射顯示器。一種利用屏蔽或部分屏蔽傳感器的發射顯示器的方法和裝置。發射像素顯示器裝置的特征是，光子傳感器設置在像素內，其工作是檢測像素內部發射器發射的光子，和像素之外光源發射的環境光子，檢測的內部發射光子可用于亮度反饋控制，而檢測的環境光子可用于檢測外部光源。
文檔編號G01G5/00GK1922470SQ200580005817
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月8日 優先權日2004年2月24日
發明者小W·愛德華·納戈勒, 納蒙德·瑞笛 申請人:彩光公司