Beschreibung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines bidirektionalen Displays, auf dem sowohl ein Array von lichterzeugenden Bildelementen als auch ein Array lichterfassender Elemente angeordnet sind. Die lichterfassenden Elemente eines bidirektionalen Bauelements werden auch als Active Pixel Sensors (verkürzt als APS) oder auch als Pixelzelle bezeichnet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ansteuern von APS.

Bildsensoriken auf Basis von C MOS-Technologie stellen neben CC D (charged-coupled devices) eine weitverbreitete Variante von Bildsensoren dar. Sensoren auf Basis von CMOS- Technologie haben gegenüber CC D den Vorteil, dass elektronische Schaltungen sehr einfach mit auf einem C hip integriert werden können, wodurch komplexe System-on-C hip- Lösungen ermöglicht werden.

DE 10 2006 030 541 A1 beschreibt eine Anordnung, bei der sich elektromagnetische Strahlung emittierende Elemente und elektromagnetische Strahlung detektierende Elemente gemeinsam auf einem C hip befinden. Dabei können beide Elementarten in einer Matrix auf dem Chip angeordnet sein. Nachteilig wirkt sich hierbei aus, dass die unmittelbar angrenzende Anordnung von elektromagnetische Strahlung emittierenden Elementen und elektromagnetische Strahlung detektierenden Elementen zum Überkoppeln führt.

Aus WO 201 2/1 63312 A1 sind bidirektionale Displays bekannt, auf denen mehrere licht- erzeugende Bildelemente und mehrere lichterfassende Elemente in Form eines Arrays angeordnet sind. Dabei können die lichterzeugenden Bildelemente in ihrer Gesamtheit beispielsweise als Anzeigefläche eines Displays und die lichterfassenden Elemente in ihrer Gesamtheit beispielsweise als Sensor einer Kamera fungieren. WO 2012/1 63312 A1 beschreibt ferner verschiedene Ansteuervarianten der Elemente, die das Problem des direkten Übersprechens von lichterzeugenden Bildelementen auf angrenzende lichterfassende Elemente lösen sollen, indem die lichterzeugenden Bildelemente und angrenzende lichterfassende Elemente nacheinander angesteuert werden. Dadurch sind lichterzeugende Bildelemente und angrenzende lichterfassende Elemente nur abwechselnd nacheinander aktiv wirksam. Wird ein lichterfassendes Element aktiviert, folgt einer einzelnen, vollständigen Belichtungsphase immer eine Auslesephase dieses lichterfassenden Elements. Alle lichterfassenden Elemente werden auf die gleiche Art angesteuert. Bezogen auf die Gesamtheit der lichterfassenden Elemente und somit auf die Funktion als Kamera, wird lediglich die

Funktionalität des Verschlusses der Kamera variiert. Es werden sowohl eine Ansteuerung zum globalen Blendenverschluss (global shutter) als auch für eine rollende Blende (rolling shutter) beschrieben.

Fungieren die lichterzeugenden Bildelemente einer bidirektionalen Vorrichtung als Display, stoßen die in WO 201 2/1 63312 A1 offenbarten Ansteuervarianten an ihre Grenzen. Insbesondere die Inaktivität der lichterzeugenden Bildelemente während einer Belichtungszeit von lichterfassenden Elementen, die für eine gute Signalqualität eine bestimmte Länge erfordert, kann zu wahrnehmbaren Bildstörungen, mindestens aber zu einem sichtbaren Helligkeitsverlust führen. Die Sensitivität der Detektorelemente wiederum kann nicht be- liebig gesteigert werden, da bei Displayanwendungen immer höhere Auflösungen gefordert werden, wobei die verwendete C hipfläche aus Kostengründen möglichst gering bleiben soll, so dass damit der Platz für Detektorelemente bzw. schaltungstechnische Maßnahmen zum Steigern derer Sensitivität stark eingeschränkt sind. Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Verfahren zum Ansteuern eines bidirektionalen Displays zu schaffen, mittels dessen die Nachteile aus dem Stand der Technik überwunden werden können. Insbesondere sollen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lichterzeugende Bildelemente und lichterfassende Elemente derart angesteuert werden, dass ein gegenseitiges Beeinflussen zumindest verringert wird, wobei die mit dem menschlichen Auge wahrnehmbare Performance möglichst nicht verringert werden soll.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein bidirektionales Display, umfassend ein

Substrat, auf welchem ein zweidimensionales Anzeigearray, bestehend aus einer Vielzahl lichterzeugender Bildelemente und ein zweidimensionales Sensorarray, bestehend aus einer Vielzahl lichterfassender Elemente ausgebildet sind und wobei jedem lichterfassendem Element mindestens ein lichterzeugendes Bildelement zugeordnet wird, derart betrieben, dass die Belichtungsphase eines jeden lichterfassenden Elements zwischen zwei aufeinanderfolgenden Auslesephasen des lichterfassenden Elements in mindestens zwei zeitlich voneinander beabstandete Belichtungsteilphasen unterteilt und das dem

lichterfassenden Element zugeordnete mindestens eine lichterzeugende Bildelement zumindest zeitweise zwischen den beiden Belichtungsteilphasen des lichterfassenden Elements aktiviert wird. Vorzugsweise wird die Belichtungsphase des lichterfassenden Elements in mehr als nur zwei Belichtungsteilphasen unterteilt und das lichterzeugende Bildelement jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgende Belichtungsteilphasen zumindest zeitweise aktiviert. Das erfindungsgemäße Verfahren birgt somit den Vorteil in sich, dass sich die inaktive Zeit eines lichterzeugenden Bildelements nicht mehr zusammenhängend über die gesamte Dauer einer vollständigen Belichtungsphase eines lichterfassenden Elements erstreckt, sondern nur noch über Bruchteile einer Belichtungsphase. Das Aktivieren eines lichterzeugenden Bildelements in kürzeren Zeitabständen gegenüber dem Stand der Technik führt zu einer verbesserten Bildqualität. Zusätzlich werden auch beim

erfindungsgemäßen Verfahren die Belichtungsteilphasen eines lichterfassenden Elements und Emitphasen eines lichterzeugenden Bildelements nacheinander durchgeführt, wodurch ein Überkoppeln von lichterzeugenden und lichterfassenden Elementen verhindert wird. Unter dem Begriff Emitphasen sind dabei die aktiven Phasen eines lichterzeugenden Bildelements zu verstehen, also jene Phasen, während denen das lichterzeugende

Bildelement Licht emittiert.

Beim erfindungsgemäßen Unterteilen der Belichtungsphase in Belichtungsteilphasen werden die Belichtungsteilphasen bevorzugt gleich lang gewählt, können aber alternativ auch mit unterschiedlicher Länge eingestellt werden. Ebenfalls können die Zeitabstände zwischen aufeinanderfolgenden Belichtungsteilphasen gleich lang oder alternativ mit unterschiedlicher Länge eingestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines lichtemittierenden Elements; Fig. 2 ein Übersichtsschaltbild eines lichtemittierenden Elements;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Phasenfolge zum Ansteuern eines lichtemittierenden Elements nach dem Stand der Technik; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Phasenfolge zum erfindungsgemäßen Betreiben eines lichterfassenden Elements und zugehöriger lichterzeugender Bildelemente in zwei Varianten;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Phasenfolge einer Vielzahl in Zeilen ange- ordneter lichtererfassender Elemente in Varianten.

Bidirektionale Displays, bei welchen das erfindungsgemäße Verfahren angewendet werden kann, sind beispielsweise in WO 201 2/1 63312 A1 beschrieben. Ein solches bidirektionales Display umfasst sowohl eine Vielzahl lichterzeugender Bildelemente als auch eine Vielzahl lichterfassender Elemente, die üblicherweise ineinander verschachtelt in Form eines Arrays mit einer Anzahl von Zeilen und Spalten angeordnet sind.

In Fig. 1 ist der Aufbau eines lichterfassenden Elements schematisch und in Fig. 2 als Übersichtsschaltbild dargestellt. Ein solches lichterfassendes Element umfasst mindestens folgende Bauelemente: einen Photodetektor PD, einen Resetschalter T1 , einen Transferschalter T2, einen Speicher T3 und einen Auswahlschalter T4, die über die Knotenpunkte nO, n 1 , n2 und n3 miteinander elektrisch verschaltet sind. Optional kann auch noch ein Kondensatorelement C 1 mit dem Knotenpunkt n 1 verschaltet sein.

In Fig. 3 ist eine Phasenfolge schematisch dargestellt, mit der ein lichterfassendes Element eines bidirektionalen Displays nach dem Stand der Technik angesteuert wird. Dabei wird mit dem Signal„res" der Resetschalter T1 , mit dem Signal„tr" der Transferschalter T2 und mit dem Signal„sei " der Auswahlschalter T4 angesteuert. Für sämtliche nachfolgend be- schriebene Steuersignale der Schalter wird aus Verständnisgründen von high-aktiven Signalen ausgegangen, d. h. die Schalter sind geschlossen - also verbindend, wenn ein Signal den Zustand high bzw.„ 1 " erreicht - und geöffnet - also nicht verbindend, wenn das Steuersignal den Pegel low bzw. „0" erreicht. Wie aus der Schaltungstechnik bekannt ist, kann ein Schalter aber alternativ auch mit einem low-Signal geschlossen und mit einem high-Signal geöffnet werden.

Zu einem Initialzeitpunkt wird nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 3 eine Rücksetzphase gestartet, indem bei geöffnetem Auswahlschalter T4 der Resetschalter T1 und der Transferschalter T2 durch ein jeweiliges high-Signal an den Signaleingängen„res" bzw.„tr" geschlossen werden. Infolgedessen wird an den Knotenpunkten nO und n 1 die Reset- referenzspannung„V _{ref res} " durchgeschaltet. Mit dem Öffnen des Resetschalters T1 infolge eines low-Signals am Signaleingang„res" endet die Rücksetzphase und gleichzeitig beginnt eine Belichtungsphase. Aufgrund des durch den Photodetektor PD fließenden elektrischen Stromes verringert sich die elektrische Spannung an den Knotenpunkten nO und n 1 bis der Transferschalter T2 mittels eines low-Signals am Signaleingang„tr" geöffnet und eine vollständige Belichtungsphase damit beendet wird. Ein entsprechender Spannungswert ist jetzt im Speicher T3 gespeichert und wird während einer Auslesephase, indem der Auswahlschalter T4 mittels eines high-Signals am Signaleingang„sei " geschlossen wird, über eine Datenleitung„data " ausgelesen. Nach dem Öffnen des Auswahlschalters mittels eines low- Signals am Signaleingang„sei " beginnt der Gesamtzyklus erneut mit einer weiteren

Rücksetzphase an einem erneuten Initialzeitpunkt. Gemäß Stand der Technik bleiben dem lichterfassenden Element zugeordnete lichterzeugende Bildelemente während einer gesamten Belichtungsphase des lichterfassenden Elements inaktiv. Erfindungsgemäß wird eine vollständige Belichtungsphase eines lichterfassenden Elements in mehrere zeitlich beabstandete Belichtungsteilphasen unterteilt und außerdem werden dem lichterfassenden Element zugeordnete lichterzeugende Bildelemente zwischen den Belichtungsteilphasen zumindest zeitweise aktiviert. Bei den einem lichterfassenden Element zugeordneten Bildelementen handelt es sich zweckmäßigerweise um lichterzeugende Bild- elemente, die an das lichterfassende Element angrenzen, gilt es doch das Überkoppeln von vornehmlich benachbarten Elementen beider Elementarten zu verhindern. Im Minimalfall ist einem lichterfassenden Element auch nur ein lichterzeugendes Bildelement zugeordnet. Bei einer weiteren Ausführungsform können es auch mehrere lichterfassende Elemente sein, denen ein und dasselbe lichterzeugenden Bildelement zugeordnet ist.

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Phasenfolge für das erfindungsgemäße Betreiben eines lichterfassenden Elements, wie es in den Fig. 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist, und dem lichterfassenden Element zugeordneter lichterzeugender Bildelemente auf einem bidirektionalen Display. Für eine solche Phasenfolge sind in Fig. 4 zwei Varianten dargestellt, eine Variante V1 a und eine Variante V1 b. Auch hierbei wird mit dem Signal

„res" der Resetschalter T1 , mit dem Signal„tr" der Transferschalter T2 und mit dem Signal „sei " der Auswahlschalter T4 angesteuert.

Bei Variante V1 a wird zu einem Initialzeitpunkt eine mit sich wiederholendem Zyklus be- ginnende initiale Rücksetzphase gestartet, indem bei geöffnetem Auswahlschalter T4 der Resetschalter T1 und der Transferschalter T2 durch ein jeweiliges high-Signal an den Signaleingängen„res" bzw.„tr" geschlossen werden. Infolgedessen wird an den Knotenpunkten nO und n 1 die Resetreferenzspannung„V _{ref res} " durchgeschaltet. Mit dem Öffnen des Resetschalters T1 endet diese Rücksetzphase und gleichzeitig beginnt eine Belichtungsteilphase 1 , die nur einen Bruchteil einer vollständigen Belichtungsphase dauert. Beendet wird die Belichtungsteilphase 1 durch das Öffnen des Transferschalters T2. Unmittelbar daran schließt sich eine Emitphase an, in welcher die dem lichterfassenden Element zugeordnete Bildelemente Licht emittieren. Mit dem Schließen des Resetschalters T1 beginnt eine weitere Rücksetzphase. Da hierbei der Transferschalter T2 geöffnet bleibt, wird lediglich der Knoten nO auf die Resetreferenzspannung„V _{ref res} " zurückgesetzt. Die Rücksetzphase wird mit dem Öffnen des Resetschalters T1 beendet und gleichzeitig mit dem Schließen des Transferschalters T2 eine Belichtungsteilphase 2 gestartet. Weil nun der Resetschalter T1 geöffnet und der Transferschalter T2 geschlossen ist, erfolgt ein Ladungsausgleich zwischen dem Knoten nO (dem Knoten des Photodetektors PD) und dem Knoten n 1 (Speicherknoten der letzten Belichtungsteilphase). Gleichzeitig bewirkt der Photodetektor PD eine Ladungsänderung auf den nun kurzgeschlossenen Knoten nO und n 1 . Mit dem Öffnen des Transferschalters endet die Belichtungsteilphase 2, an die sich erneut eine Emitphase anschließt, während der die dem lichterfassenden Element zugeordneten lichterzeugenden Bildelemente Licht emittieren. Die Reihenfolge von Rücksetzphase, Belichtungsteilphase und Emitphase wird anschließend bis zu einer Belichtungsteilphase N fortgesetzt, mit welcher schließlich ein gewünschter Signalhub für die Belichtung erreicht und somit eine vollständige Belichtungsphase beendet wird. An die Belichtungsphase N kann sich optional noch einmal eine Emitphase anschließen oder aber es beginnt unmittelbar nach der Belichtungsteilphase N gleich eine Auslesephase mit dem Schließen des Auswahlschalters T4. Die Auslesephase, in welcher der im Speicher T3 gespeicherte Wert über die Datenleitung„del " ausgelesen wird, endet mit dem Öffnen des Auswahlschalters T4. Im An- schluss daran beginnt ein neuer Belichtungszyklus mit einer initialen Rücksetzphase.

Die Variante V1 b unterscheidet sich von der Variante V1 a lediglich dadurch, dass bei Variante V1 b ab der Belichtungsteilphase 2 eine Zeitlücke zwischen einer Belichtungsteilphase und einer vorausgehenden Rücksetzphase eingeschoben wird. Dadurch kann ein Überkoppeln der Reset-Phase auf die Belichtungsphase verhindert werden, was zu einer Beeinflussung des gespeicherten Werts der vorherigen Belichtungsabschnitte führen könnte. In den schematisch dargestellten Phasenfolgen gemäß Fig. 4 befindet sich eine Emitphase, in welcher lichterzeugende Bildelemente aktiviert werden, vornehmlich zwischen einer Belichtungsteilphase und einer Rücksetzphase. Ausdrücklich sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Schutzumfang der Erfindung nicht darauf begrenzt ist, dass die lichterzeugenden Bildelemente sofort mit dem Ende einer Belichtungsteilphase und somit ab dem Beginn einer Emitphase für das Emittieren von Licht aktiviert werden müssen. Das Aktivieren der lichterzeugenden Bildelemente kann während einer Emitphase auch mit einer Zeitlücke zur vorhergehenden Belichtungsteilphase erfolgen. Ebenfalls schließt der Schutzumgang der Erfindung Ausführungsformen ein, bei denen sich das Aktivieren von lichterzeugenden Bildelementen über eine schematisch dargestellte Emitphase hinaus in eine sich anschließende Rücksetzphase hinein erstreckt. Wesentlich für das Vermeiden von Rückkopplungen ist le- diglich, dass das Aktivieren von lichterzeugenden Bildelementen nicht mit einer Belichtungsteilphase eines zugehörigen lichterfassenden Elements zusammenfällt.

Das erfindungsgemäße Betreiben eines bidirektionalen Displays wurde vorhergehend lediglich anhand eines lichterfassenden Elements und zugeordneter lichterzeugender Bild- elemente beschrieben. Ein bidirektionales Display besteht jedoch oftmals aus einer Vielzahl von lichterfassenden Elementen und einer Vielzahl von lichterzeugenden Bildelementen, die auf dem bidirektionalen Display vorzugsweise ineinander verschachtelt in einer Anzahl von Zeilen und Spalten eines Arrays angeordnet sind. Alternativ können das Anzeigearray und das Sensorarrays auch nebeneinander angeordnet sein. Erfindungsgemäß wird jedes der lichterfassenden Elemente und der diesen Elementen jeweils zugeordneten Bildelemente nach der zuvor beschriebenen Phasenfolge angesteuert. Das Auslesen der einzelnen Pixelzellen erfolgt dabei, indem diese beispielsweise nach bekannten Verfahrensschritten über eine Zeilenleitung adressiert werden und über eine Spaltenleitung der Wert der gewünschten Pixelzelle zu einer externen Signalverarbeitung weitergegeben wird.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung dreier Varianten von Phasenfolgen für das erfindungsgemäße Ansteuern eines bidirektionalen Displays, bei dem eine Vielzahl von lichterfassenden Elementen und lichterzeugenden Bildelementen in Form einer Pixelmatrix angeordnet sind. Bei Variante V2a werden die einzelnen Phasen lichterfassender Elemente aller Zeilen zeitgleich ausgeführt. Lediglich die Auslesephasen der Zeilen erfolgt zeitlich versetzt nacheinander. Betrachtet man alle lichterfassenden Elemente eines bidirektionalen Displays in ihrer Gesamtheit als Sensor einer Kamera, entspricht die in Variante V2a dargestellte Phasenfolge der Pixelzeilen einer sogenannten globalen Blende, was auch als global- shutter-Prinzip bezeichnet wird. Die in den Varianten V2b und V2c dargestellten

Phasenfolgen mit einem zeitlichen Versatz von Zeile zu Zeile entspricht hingegen dem Prinzip einer sogenannten rollenden Blende, auch rolling-shutter-Prinzip genannt. Die Varianten V2b und V2c unterscheiden sich lediglich dadurch, dass bei Variante V2b nach einer finalen Belichtungsteilphase erst noch eine Emitphase durchgeführt wird, bevor die Auslesephase in einer Zeile beginnt. Bei Variante V2c erfolgt das Auslesen hingegen unmittelbar nach der finalen Belichtungsteilphase.