专利名称：可携式紫外线检测元件的制作方法
技术领域：
本发明关于检测紫外线元件，特别是关于将检测紫外线元件整合在可携式显示元
件中。
背景技术：
如何检测太阳光中的紫外线剂量十分重要，特别是进行日光浴并希望避免超过安 全剂量的人。虽然每日的天气预报会提供粗略的紫外线指数如一般人在太阳下晒伤所需的 时间，但地区性的曝晒情况极易受不同因素如云或大楼阴影影响。综上所述，天气预报仅能 提供非常粗略的总剂量预测，而无法针对单一个体提供太阳光的紫外线检测值。
太阳光的紫外线的光谱内容可依波长进一步细分为UVA(400nm至320nm之间)、 UVB (320nm至290nm之间)、及UVC (290nm至100nm之间)，端视其对人体皮肤的作用。上述 三种紫外线均会造成局部灼热，UVA会造成皮肤老化，UVB会灼伤皮肤并造成非黑色瘤皮肤 癌，而大部分的UVC会被地表大气滤除。 一般可接受低剂量紫外线对皮肤的伤害持续一段 时间，因此需根据不同时段的紫外线强度变因(如云)测量累积剂量。
现有检测紫外线剂量的方案如下用完即丢的贴片在累积一定的紫外线剂量后即 变色；特定的UV检测单元可整合至手表中；而固定在墙上的气象站则适用于检测后花园的 紫外线剂量。然而现有方案均有缺点贴片虽可直接提供紫外线累积剂量，但无法再利用的 特性不但浪费，且使用者外出时必需携带足够的量。可整合至手表的检测器需要特定的光 检测器以及对应的滤光片以检测紫外线。上述检测器产品中的特定光检测器会提高成本及 制程复杂度，在部分产品中检测器材质甚至采用昂贵的碳化硅或氧化钛。至于较大的固定 在墙上的气象站则过于笨重而无法随身携带。 综上所述，目前亟需在不大幅更动现有制程的前提下完成紫外线检测元件，以简 化制程并降低成本。此外，新的紫外线检测元件需克服传统技术的限制，可整合至携带式单 元，且不需现存系统常见的昂贵滤光片
发明内容
本发明提供一种可携式紫外线检测元件，包括标准显示区、参考区、以及紫外线检 测区；其中可携式紫外线检测元件具有上基板位于阵列基板与荧光染料层之间；以及多个 光检测器位于阵列基板的上表面上或下表面上，或位于上基板的上表面上或下表面上；其 中光检测器分别对应参考区以及紫外线检测区；其中荧光染料层对应紫外线检测区。
图1A为本发明的紫外线检测元件的剖视图；
图1B为图1A的元件中参考区的光谱；
图1C为图1A的元件中紫外线检测区的光谱；
图2为背景光源的光谱分布3
图3为不同波长的光对0. 7mm厚的市售玻璃罩Eagle 2000的穿透率曲线图；
图4为光对不同颜色的彩色滤光片的穿透率曲线图； 图5为(a)水杨酸钠、(b)蔻(coronene)、及(c)琉莫根磷光体(Li翻gen)在不
同波长的荧光放射强度与背照式硅CCD的光谱响应比较图； 图6-图8为紫外线检测元件的剖视图；以及
图9A-图9D为紫外线检测元件的剖视图。
主要元件符号说明 (I) 标准显示区；(II) 参考区；(III) 紫外线检测区；101 背光单元； 103 偏光板；105 阵列基板；106 光检测器；107 液晶层；108 OLED堆叠结构； 109 彩色滤光层；111 上基板；113 亮度增强补偿膜；115 偏光板；117 荧光染料 层；119 特氟龙层；121 紫外线可穿透的塑料盒。
具体实施例方式
本发明的重点在于以较低廉的方式检测太阳光中的UVB。 UVB比UVA的单位剂量 高，也因此更容易导致晒伤。若要降低光检测器的成本，其材质必需采用硅，但一般标准硅 光检测器只能检测可见光而无法检测紫外线。虽然较昂贵的二氧化钛或碳化硅等材质形 成的检测器具有只检测紫外线而不检测可见光的优点，但其制程无法与主动阵列液晶显示 器(AMLCD)的制程整合。为解决上述问题，一般是采用荧光染料层将紫外线转换成可见光 后，再以硅光检测器测量可见光强度。但上述作法仍有部分问题。由于荧光染料层可透部 分可见光，硅光检测器会同时检测背景光源中的紫外线与可见光，这将高估背景光源中的 紫外线强度。为了避免上述问题，可在背景光源与荧光染料层之间加设昂贵的可见光滤光 器，以确保荧光染料层只将紫外线转换为可见光而不受背景光源中的可见光影响。本发明 不需上述昂贵的可见光滤光器。在紫外线被荧光染料层转换成可见光后，与穿透荧光染料 层的部分可见光一起穿过红、绿、蓝的滤光片，再到达对应的光检测器。另一方面，未对应荧 光染料层的光检测器只检测背景光源的可见光如红光、绿光、及蓝光，且未检测紫外线。将 上述对应荧光染料层的光检测器所测得的信号，减去未对应荧光染料层的光检测器所测得 的信号，即可知背景光源中UVA加上UVB的强度。虽然荧光染料层亦会将UVC转换成可见 光，但大气中的臭氧已吸收大部分的UVC，因此微量UVC对检测值的影响极小。为了只检测 皮肤癌主因的UVB，本发明又一实施例将低廉的吸收UVA的染料分散在显示元件的紫外线 可穿透的塑料盒中。本发明的光学分析中，标准显示元件的阵列基板上为低成本的红绿蓝 滤光片，该些滤光片位于相同的硅光检测器上。本发明的制程并不复杂，在标准AMLCD的阵 列基板的玻璃基材上形成光检测器的制程可整合至阵列基板制程而不需特殊步骤。上述含 有光检测器的AMLCD为可携式产品如手表、手机、媒体播放器、或卫星导航系统。目前已有 多种产品将光检测器整合至AMLCD的阵列基板上，以作为环境光检测器(ALS)。综上所述， 本发明提供一种可携式的个人化紫外线检测系统，在几乎不增加制程复杂度的情况下增加 现有可携式显示元件的功能。此外，整合上述的紫外线检测系统的AMLCD可为反射式LCD、 穿透式LCD、、或半穿反式LCD 。 另一方面，本发明的显示模式并不限于上述的液晶显示器，亦可为有机发光二极 管(OLED)。
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为了让本发明的上述和其他目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举数个实施 例配合附图，作详细说明如下
实施例1 图1A为紫外线检测元件的示意图。与传统标准可携式显示结构相较，本发明的检 测元件分为三个区域，最左边的区域为标准显示区(I)，其背光单元101发出的光依序穿过 偏光板103、含有多个薄膜晶体管(TFT)的阵列基板105、可调节光强弱的液晶层107、具有 彩色滤光层109的上基板111、亮度增强补偿膜113、及偏光板115后，到达使用者眼睛并形 成影像。上基板111上的彩色滤光层分为多个子像素如RGB，而不同颜色的子像素其光穿透 度将决定像素的颜色及光谱。 上述检测元件的参考区(II)为用以检测背景光源的可见光如红光、绿光、及蓝光 的强度。参考区(II)中的硅光检测器106只检测的到受测光中的可见光区。接着将紫外 线检测区(III)所测得的红光、蓝光、及绿光强度分别减去参考区(II)所测得的红光、蓝 光、及绿光强度，即可得紫外线强度。如图2所示，为背景光源在不同波长范围的光谱分布。 本发明关心的区域为图2中靠左的可见光及紫外线区域。图2亦显示一般大气对红外线区 域的吸收程度。背景光源的红外线区域并非本发明在意的重点，因为硅光检测器的波长检 测极限不会大于1100nm。紫外线区可进一步区分为UVA(波长介于400nm至320nm之间)、 UVB(波长介于320nm至290nm之间)、及UVC(波长介于290nm至100nm之间)，其区分标 准为对人体皮肤的伤害效果。如前所述，此实施例主要检测的紫外线种类为UVA加上UVB。 如图2所示，由于地球大气中的臭氧大量吸收UVC，因此UVC几乎检测不到而可忽略。为了 避免UVC的干扰，可在背景光源与荧光染料层117之间夹设玻璃罩(未图示)以完全滤除 UVC。上述玻璃罩可为Eagle 2000 (购自Corning)，其UVC的穿透度近似0如图3所示。
回到图1A，太阳光谱首先穿过用以保护可携式显示器的紫外线可穿透的塑料盒 121。不同产品的塑料盒可采用不同材质，目前的主流为能穿透可见光的材质。在本发明 中，上述塑料盒121对可见光的穿透度与对UVA及UVB的穿透度一样重要。某些纯高分子 如聚甲基丙稀酸甲酯(P匿A)或塑料玻璃具有足够的UV穿透度，但可采用染料分散在上述 紫外线可穿透的塑料盒121中，以增强紫外线吸收度。在本发明中，紫外线检测区(III)的 荧光染料层与背景光源之间需具有紫外线可穿透的视窗，且视窗材质可为塑料玻璃。在紫 外线可穿透的塑料盒121与荧光染料层117之间，可视情况插置特氟龙层119以散射入射 光，使检测器对入射光产生余弦响应(cosine response)。三种波长的紫外线可完全穿透 特氟龙层119，而可见光在穿透特氟龙层119后的强度会稍稍减弱。如此一来，入射光中的 可见光、UVA、及UVB将穿过上述的特氟龙层119。在参考区(II)中，入射光先穿过一般LCD 的层状结构如偏光板115、亮度增强补偿膜113、上基板111、及彩色滤光层109后，位于阵列 基板105上的光检测器106可分别检测入射光中的可见光谱如红光、绿光、及蓝光。上述彩 色滤光层109可为标准的彩色滤光片基板，亦可为一般全彩显示器的阵列基板上彩色滤光 层(COA)。彩色滤光层109的作用为将可见光谱分为三色光如红蓝绿光。如图4所示，由于 三种颜色的滤光片其穿透光谱有部分重叠，因此以彩色滤光层109的三种滤光片将可见光 分为三色光已符合本发明的需求。位于阵列基板105上的光检测器106如硅光检测器的材 质可为非晶硅或多晶硅，其制程即现有显示器所含的环境光检测器制程，可与阵列基板的 制程整合而不需大幅调整。如图1B所示，参考区(II)的跨阻放大器或开关电容电荷放大
5器(未图示，可形成在阵列基板105上)可放大并测量位于红、绿、及蓝像素的光检测器所 测量的电子信号，该些电子信号分别对应背景光源中可见光谱的三种颜色的强度。上述参 考区(II)所测量的信号被紫外线检测区(III)所测量的信号减去后，即可知紫外线强度。
上述检测系统中的紫外线检测区(III)的元件配置与参考区(II)大致相同，两 者之间的差别在于紫外线检测区(III)含有荧光染料层117。当背景光源穿过非必要的特 氟龙层119后，其可见光、UVA、及UVB将入射荧光染料层117，使UVA及UVB转换为可见光。 适用于荧光染料层117的染料可为琉莫根磷光体(Li咖ogen)或蔻(coronene)，其荧光特 征与量子效率如图5所示。染料优选为琉莫根磷光体(Liumogen)，其主要应用于绿色荧光 笔。基本上，琉莫根磷光体(Liumogen)对波长介于50nm至420nm的紫外线具有较平缓的 量子效率曲线。任一位于上述波长范围的光子激发电子_空穴对的机率与形成具有可见光 波长的光子的机率相同。蔻(coronene)的放射波峰为520nm，其量子效率曲线在390nm至 420nm之间下降，这会使检测结果更复杂而不适用于本发明。如图5所示，琉莫根磷光体的 放射波峰(530nm)属于绿光。此外，琉莫根磷光体可穿透部分可见光。由于UVA及UVB可激 发上述荧光染料以产生绿光，经荧光染料转换后的可见光谱其绿光强度提高。紫外线经荧 光染料转换后产生的可见光，加上背景光源中原有的可见光即上述的可见光谱。如图ic的 虚线所示，可见光谱先经红色、绿色、及蓝色滤光片后再射入对应不同颜色的光检测器。由 图1C的实线可清楚发现检测绿光的光检测器的信号较强，且信号波峰对准荧光材料的放 射波峰，证明本系统可有效检测紫外线。与蔻(coronene)相较，琉莫根磷光体的放射波峰 与绿色滤光片的透光波长较一致。 为了检测紫外线剂量，本发明以阵列基板105上的电子电路将紫外线检测区 (III)中对应红光、绿光、及蓝光的电子信号(如图1C所示)减去参考区(II)中对应红光、 绿光、及蓝光的电子信号(如图1B所示)。接着将相减后的信号结果传送到标准显示区(I) 的阵列基板105的阵列电路，可显示背景光源中UVA加UVB的强度以提醒使用者。为了提 供使用者关于紫外线的累积剂量，上述的电子电路可进一步随时间积分相减后的信号。值 得注意的是，参考区(II)的光检测器106与紫外线检测区间(III)的光检测器106为分开 的元件，两者并不互相接触。若参考区(II)的光检测器106接触紫外线检测区间(III)的 光检测器106，会使两者的电子互相干扰。 值得注意的是，偏光板103除了如图1A所示位于荧光染料层117与上基板111之 间以外，亦可位于彩色滤光层109与液晶层107之间，即所谓的液晶盒内偏光板(in-cell polarizer)。此外，光检测器106除了如图1A所示位于阵列基板105的上表面上以外，亦 可位于阵列基板105的下表面上，或位于上基板111的上表面上或下表面上。
实施例2 此实施例进一步在荧光染料层117的照光侧加设UVA滤光片(未图示)。UVA滤 光片只选择性地吸收UVA，使检测信号不含UVA。上述UVA滤光片的形成方式是将市售染料 分散在塑料玻璃及聚碳酸酯等多种高分子材料中，该些高分子一般是应用于太阳眼镜。
实施例3 在实施例1中，标准显示区(I)的显示模式为穿透式或半穿反式，且阵列基板105 的像素电极必需为全透明或部分透明以配合背光单元IOI。在实施例3中，标准显示区(I) 的显示模式为反射式，而阵列基板105的像素电极为反射材料如金属。如图6所示，实施例3可省略图1A的背光单元101及偏光板103。
实施例4 在实施例4中，进一步省略了参考区(II)及紫外线检测区(III)的彩色滤光层如 图7所示。如此一来，参考区(II)的光检测器106将直接检测未滤光的可见光如白光，而 非分别检测经彩色滤光片滤光的红光、绿光、及蓝光。此外，紫外线检测区(III)的光检测 器将检测到背景光源的可见光(白光)以及紫外线(被荧光染料层117转换成可见光)。 如前所述，阵列基板105的电路将计算参考区(II)及紫外线检测区(III)所测量的信号， 接着将计算结果传输到标准显示区(I)中阵列基板105的阵列电路，以提醒使用者背景光 源中UVA及UVB的强度。为提供使用者关于紫外线的累积剂量，上述电路可进一步随时间 积分相减后的信号。同样地，此实施例的紫外线检测元件可为反射式，并省略背光单元101 及偏光板103如图8所示。
实施例5 由于实施例l-4采用液晶显示模式，因此需要液晶层107。由于实施例5采用有机 发光二极管(OLED)的显示模式而非液晶显示模式，所以可省略液晶层107。此外，OLED显 示器也不需要背光单元101、偏光板103、及亮度增强补偿膜113。其他层/元件如阵列基板 105、光检测器106、上基板111、荧光染料层117、非必要的偏光板115、特氟龙层119、及紫外 线可穿透的塑料盒121则类似实施例1的液晶显示元件。如图9A所示，依序堆叠的阳极、 空穴传输层、发光层、电子传输层、阴极、以及类似的层状结构依序堆叠形成的OLED堆叠结 构108是位于阵列基板105上，且OLED堆叠结构108对应标准显示区(I)。如图9A所示， OLED堆叠结构108发出白光，因此需要彩色滤光层109以显示全彩影像。
实施例6 在实施例5中，发出白光的OLED堆叠结构108需要彩色滤光层109。在实施例6 中，采用分别发出红光、绿光、及蓝光的OLED堆叠结构108排列成像素。如图9B所示，实施 例6的标准显示区(I)不需彩色滤光片109。
实施例7 实施例7与实施例5的元件类似，差别在于实施例7省略了参考区(II)及紫外线 检测区(III)的彩色滤光层109。如图9C所示，参考区(II)的光检测器106将直接检测未 滤光的可见光如白光，而非分别检测经彩色滤光片滤光的红光、绿光、及蓝光。此外，紫外线 检测区(III)的光检测器将检测到背景光源的可见光(白光)以及紫外线(被荧光染料层 117转换成可见光)。如前所述，阵列基板105的电路将计算参考区(II)及紫外线检测区 (III)所测量的信号，接着将计算结果传输到标准显示区(I)中阵列基板105的阵列电路， 以提醒使用者背景光源中UVA及UVB的强度。
实施例8 实施例8与实施例6的元件类似，差别在于实施例8省略了参考区(II)及紫外线 检测区(III)的彩色滤光层109。如图9D所示，参考区(II)的光检测器106将直接检测未 滤光的可见光如白光，而非分别检测经彩色滤光片滤光的红光、绿光、及蓝光。此外，紫外线 检测区(III)的光检测器将检测到背景光源的可见光(白光)以及紫外线(被荧光染料层 117转换成可见光)。如前所述，阵列基板105的电路将计算参考区(II)及紫外线检测区 (III)所测量的信号，接着将计算结果传输到标准显示区(I)中阵列基板105的阵列电路，
7以提醒使用者背景光源中UVA及UVB的强度。 值得注意的是，光检测器106除了可形成于阵列基板105的上表面上如图9A-图 9D所示以外，亦可形成于上基板111的上表面或下表面上，或形成于阵列基板105的下表面 上。 虽然本发明已以数个优选实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领 域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，因此本发明的保 护范围当视权利要求书所界定者为准。
权利要求
一种可携式紫外线检测元件，包括一标准显示区、一参考区、以及一紫外线检测区；其中该可携式紫外线检测元件具有一上基板位于一阵列基板与一荧光染料层之间；以及多个光检测器位于该阵列基板的上表面上或下表面上，或位于该上基板的上表面上或下表面上；其中该些光检测器分别对应该参考区以及该紫外线检测区；其中该荧光染料层对应该紫外线检测区。
2. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件，其中该些光检测器包括硅光检测器。
3. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件，还包括一液晶层夹设在该阵列基板 与该上基板之间。
4. 根据权利要求3所述的可携式紫外线检测元件，还包括一彩色滤光层位于该液晶层 与该上基板之间，其中该彩色滤光层对应该标准显示区。
5. 根据权利要求4所述的可携式紫外线检测元件，其中该彩色滤光层还对应该参考区 与该紫外线检测区。
6. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件，还包括一特氟龙层位于该荧光染料 层上，其中该特氟龙层对应该参考区与该紫外线检测区。
7. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件，还包括一 UVA滤片位于该荧光染料 层上，其中该UVA滤片对应该UV检测区。
8. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件，还包括一紫外线可穿透的塑料盒位 于该荧光染料层上。
9. 根据权利要求8所述的可携式紫外线检测元件，还包括一吸收UVA的染料分散在该 紫外线可穿透的塑料盒中。
10. 根据权利要求8所述的可携式紫外线检测元件，还包括一有机发光二极管堆叠结 构位于该阵列基板与该上基板之间，其中该有机发光二极管堆叠结构对应该标准显示区。
11. 根据权利要求1所述的可携式紫外线检测元件为手表、手机、媒体播放器、或卫星 导航系统。
全文摘要
可携式紫外线检测元件。由于过度曝晒紫外线会造成皮肤老化甚至皮肤癌，近来开始重视如何检测紫外线。与粗略的天气预报如紫外线指数相较，个人化的紫外线检测元件可更精确。本发明除了提供个人化的紫外线检测元件外，还将此检测元件整合至现有的显示元件中。上述整合不需大幅改变现有显示元件的制程，因此新增的紫外线检测功能不会增加太多制程成本。
文档编号G01J1/42GK101788338SQ20101000099
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月22日 优先权日2009年1月23日
发明者奈格尔·D·杨格, 彼得·费尔利 申请人:统宝光电股份有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
