CN101680803B - 光传感器和包括该光传感器的显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供光传感器和包括该光传感器的显示装置。本发明的光传感器是至少一部分整体地形成在显示装置的有源矩阵基板中的光传感器。为了将杂散光和光检测元件的特性偏差的影响排除而精度良好地检测周围光，该光传感器包括检测用光电二极管(11)和由遮光膜(15)覆盖的参考用光电二极管(12)。该光传感器还包括：差动放大器(16)，该差动放大器(16)的一个输入端子与检测用光电二极管(11)的阴极连接，另一个输入端子与参考用光电二极管(12)的阴极连接；积分电容器(19)；和复位开关(22)。该光传感器还包括比较器(21)和低通滤波器(20)，以使参考用光电二极管(12)和检测用光电二极管(11)的阳极的电位等于比参考用光电二极管(12)的阴极电位高开路电压(VOC)的电位。

Description

光传感器和包括该光传感器的显示装置
技术领域
本发明涉及使用光电二极管等光检测元件的光传感器，特别涉及至少一部分整体地形成在显示装置的有源矩阵基板中的光传感器。 
背景技术
以往，提出了在像素的周边区域设置有例如光电二极管等光检测元件，由此能够检测出周围的亮度的带有光检测功能的显示装置。这样的带有光检测功能的显示装置，例如设想作为能够根据周围的亮度调节背光源的光量的显示装置利用。 
在这样的以往的带有光检测功能的显示装置中，在有源矩阵基板中，在通过半导体工艺形成信号线和扫描线、TFT(Thin Film Transistor：薄膜晶体管)、像素电极等公知的构成要素时，有时通过该半导体工艺同时制作光电二极管(参照下述的文献1、文献3)。 
然而，在如上所述至少一部分整体地形成在显示装置的有源矩阵基板中的光传感器中，将作为本来的检测对象的光以外的光(杂散光)的影响排除是一个大课题。特别是在具有背光源的显示装置的情况下，来自背光源的射出光在显示装置内的各种构成要素中反射，该反射光作为杂散光向光电二极管入射时，光传感器输出包含大的误差。 
因此，为了抵消杂散光的影响，已知有除了检测用光电二极管以外，还设置有使得来自背光源的光和杂散光不进入的光电二极管(参考用光电二极管)的结构(参照下述的文献2、文献4)。 
在包括这样的参考用光电二极管的以往的光传感器中，通常将检测用光电二极管的输出和参考用光电二极管的输出向差动放大器输入，取得它们的输出的差，由此对检测用光电二极管的输出的偏移进行校正(参照文献4)。 
[文献1]特开2006-3857号公报 
[文献2]欧洲专利申请公开第1394859号A2说明书 
[文献3]“A Touch Panel Function Integrated LCD Including LTPSA/D Converter”，T.Nakamura等，SID 05 DIGEST，pp1054-1055，2005 
[文献4]“LTPS Ambient Light Sensor with Temperature Compensation”，S.Koide等，IDW‘06，pp689-690，2006年 
发明内容
但是，在如上所述，求出检测用光电二极管的输出与参考用光电二极管的输出的差来对偏移进行校正的以往的光传感器中，当检测用光电二极管与参考用光电二极管的特性有偏差时，该偏差会表现在差中，因此，需要这些光电二极管的电特性和光学特性高精度地一致。特别是在检测低照度的光时，由检测用光电二极管检测的输出变小，因此，根据情况不同，存在参考用光电二极管的输出比检测用光电二极管的输出大，在差动放大器的特性上，难以正确地检测出差的问题。因而，在至少一部分整体地形成在显示装置的有源矩阵基板中的光传感器中，为了将杂散光的影响和光检测元件的偏差的影响排除而精度良好地检测周围光，需要进一步的改善。 
鉴于上述课题，本发明的目的是提供至少一部分整体地(monolithically，单片化地)形成在显示装置的有源矩阵基板中、且能够将杂散光的影响和光检测元件的偏差的影响排除而精度良好地检测周围光的光传感器和使用该光传感器的显示装置。 
为了解决上述课题，本发明的光传感器包括用于检测周围光的检测用光检测元件、和由遮光膜覆盖使得不接受上述周围光的参考用光检测元件，其特征在于，包括：差动放大器，该差动放大器的一个输入端子与上述检测用光检测元件的阴极连接，该差动放大器的另一个输入端子与上述参考用光检测元件的阴极连接；积分电容器，该积分电容器设置在上述检测用光检测元件的阴极与上述差动放大器的输出端子之间；复位开关，该复位开关对上述积分电容器进行复位；和电位控制电路，该电位控制电路设置在上述参考用光检测元件的阴极与上述参考用光检测元件的阳极之间以及上述参考用光检测元件的阴极与上述检测用光检测元件的阳极之间，使上述参考用光检测元件的阳极和上述检测用光检测元件的阳极的电位成为比上述参考用光检测元 件的阴极的电位高上述参考用光检测元件的开路电压的电位。 
此外，本发明的显示装置的特征在于，包括：设置有上述结构的本发明的光传感器的有源矩阵基板；和由上述有源矩阵基板驱动的显示介质。 
发明效果 
根据本发明，能够提供至少一部分整体地形成在显示装置的有源矩阵基板中、且能够将杂散光的影响和光检测元件的偏差的影响排除而精度良好地检测周围光的光传感器和使用该光传感器的显示装置。 
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的光传感器的结构的电路图。 
图2是表示图1所示的光传感器的积分期间的差动放大器的输出的图。 
图3是表示本发明的一个实施方式的另一个例子的光传感器的结构的电路图。 
图4是表示图3所示的光传感器的积分期间的差动放大器的输出的图。 
图5是表示本发明的一个实施方式的又一个例子的光传感器的结构的电路图。 
图6是表示本发明的一个实施方式的显示装置的结构的框图。 
具体实施方式
本发明的光传感器包括用于检测周围光的检测用光检测元件、和由遮光膜覆盖使得不接受上述周围光的参考用光检测元件，其特征在于，包括：差动放大器，该差动放大器的一个输入端子与上述检测用光检测元件的阴极连接，该差动放大器的另一个输入端子与上述参考用光检测元件的阴极连接；积分电容器，该积分电容器设置在上述检测用光检测元件的阴极与上述差动放大器的输出端子之间；复位开关，该复位开关对上述积分电容器进行复位；和电位控制电路，该电位控制电路设置在上述参考用光检测元件的阴极与上述参考用光检测元件 的阳极之间以及上述参考用光检测元件的阴极与上述检测用光检测元件的阳极之间，使上述参考用光检测元件的阳极和上述检测用光检测元件的阳极的电位成为比上述参考用光检测元件的阴极的电位高上述参考用光检测元件的开路电压的电位。 
根据该结构，包括电位控制电路，该电位控制电路使上述参考用光检测元件的阳极和上述检测用光检测元件的阳极的电位成为比上述参考用光检测元件的阴极的电位高上述参考用光检测元件的开路电压的电位，由此，在将复位开关暂且闭合之后打开而开始的积分期间的开始时刻，差动放大器的输出的电位与参考用光检测元件的开路电压的值无关而成为一定的值。由此，积分期间的结束时刻的差动放大器的输出电压也成为不依赖于开路电压的值。结果，不会产生差动放大器的偏移误差，能够精度良好地检测出向检测用光检测元件入射的周围光的强度。另外，积分期间的结束时刻的差动放大器的输出电压总是为正电压，因此，作为差动放大器不需要使用双极性的运算放大器，还有能够降低消耗电力的优点。 
在上述光传感器中，优选上述电位控制电路包括：一个输入端子与上述参考用光检测元件的阴极连接的比较器；和与上述比较器的输出连接的低通滤波器或者数字/模拟转换器。此外，在该结构中，上述比较器的另一个输入端子可以被接地，上述比较器的另一个输入端子也可以与规定的参考电压连接。 
此外，在上述光传感器中，优选上述检测用光检测元件和参考用光检测元件是光电二极管。 
此外，本发明的显示装置的特征在于，包括：设置有上述任一结构的光传感器的有源矩阵基板；和由上述有源矩阵基板驱动的显示介质。此外，该显示装置还包括与上述有源矩阵基板相对的对置基板、且上述显示介质是被夹持在上述有源矩阵基板与对置基板之间的液晶的方式，即作为液晶显示装置能够实施。 
以下，参照附图对本发明的更具体的实施方式进行说明。另外，以下参照的各图中，为了便于说明，仅将本发明的实施方式的构成部件中为了说明本发明所需要的主要部件简化表示。因而，本发明的实施方式的光传感器和显示装置，可包括在本说明书参照的各图中没有 表示的任意的构成部件。 
首先，参照图1对本发明的一个实施方式的光传感器的结构进行说明。图1是表示本发明的一个实施方式的光传感器10的结构的电路图。如图1所示，本实施方式的光传感器10包括：检测用光电二极管11、参考用光电二极管12、遮光膜13～15、差动放大器16、A/D转换器17、接口18、积分电容器19、低通滤波器20、比较器21、和复位开关22。 
检测用光电二极管11和参考用光电二极管12，整体地(monolithically，单片化地)形成在液晶显示装置的有源矩阵基板中。即，在有源矩阵基板上形成TFT(Thin Film Transistor：薄膜晶体管)的半导体工艺中，同时形成检测用光电二极管11和参考用光电二极管12。此外，检测用光电二极管11形成在有源矩阵基板的像素区域内，参考用光电二极管12形成在有源矩阵基板中对显示没有贡献的区域(像素区域外)。 
在检测用光电二极管11和参考用光电二极管12的背面(背光源一侧)设置有遮光膜13、14，该遮光膜13、14用于使得来自背光源的射出光不进入检测用光电二极管11和参考用光电二极管12。此外，在参考用光电二极管12的前面(观察者一侧)设置有遮光膜15，该遮光膜15用于使得作为检测用光电二极管11的检测对象的周围光不进入参考用光电二极管12。遮光膜13～15能够利用构成有源矩阵基板的金属膜或不透明的树脂膜，与这些膜同时形成。 
因而，检测用光电二极管11接受周围光和杂散光，参考用光电二极管12仅接受杂散光。此外，杂散光是指，从背光源射出的光中，在有源矩阵基板内反复反射，结果向光电二极管入射的成分。即，检测用光电二极管11的输出电流由以下3种成分构成：(1)由检测光(周围光)生成的光电流、(2)由杂散光生成的光电流、(3)漏电流。另一方面，参考用光电二极管12由于遮光膜15而不接受周围光，因此，其输出电流由上述的(2)和(3)的2种成分构成。 
检测用光电二极管11的阴极连接于差动放大器16的反转输入端子和积分电容器19。参考用光电二极管12的阴极与差动放大器16的非反转输入端子连接。复位开关22与积分电容器19并联连接在差动 放大器16的反转输入端子与差动放大器16的输出之间。 
此外，检测用光电二极管11的阳极和参考用光电二极管12的阳极，与比较器21和低通滤波器20连接，以使阳极电压Vanode等于VOC。比较器21的反转输入端子与参考用光电二极管12的阴极连接。比较器21的非反转输入端子被接地。比较器21的输出向低通滤波器20连接。 
接着，参照图2对上述结构的本实施方式的光传感器10的动作进行说明。 
首先，将复位开关22闭合。由此，积分电容器19的电压被复位为0V，如图2所示，差动放大器16的输出电压Vout成为0V。积分期间从复位开关22被打开时(时刻t0)开始。在理想的状态(没有漏电流的状态)下，向差动放大器16的输入端子的输入电流为0。参考用光电二极管12的阳极的电位Vanode与参考用光电二极管12的开路电压VOC相等，因此，差动放大器的非反转输入端子的电位与开路电压VOC的大小无关而成为一定值(理想情况下为0V)。开路电压VOC的大小根据由参考用光电二极管12接受的杂散光的量而变动，但如图2所示，例如，不论VOC的值是0V还是1V，Vout(t0)的值都相同。差动放大器16进行动作，使得在理想状态下反转输入端子与非反转输入端子之间的电位差为0。由此，时刻t0的差动放大器16的反转输入端子的电位与开路电压VOC的大小无关而成为0V。 
在积分期间，检测用光电二极管11输出与入射的光(周围光+杂散光)的强度相应的电流Ip。该电流蓄积在积分电容器19中。因而，在时刻t0为0V的差动放大器16的输出，在积分期间逐渐地增加。 
在积分期间的最后(时刻t1)，将复位开关22闭合。积分期间的开始时刻和结束时刻的差动放大器16的输出值各自由A/D转换器17转换并向接口18输出。对积分期间的开始时刻和结束时刻的差动放大器16的输出电压的差进行采样。该输出电压差与积分期间的Ip/CINT的积分值相等，表示向检测用光电二极管11入射的周围光的强度。如图2所示，例如，不论VOC的值是0V还是1V，Vout(t)呈现相同的推移，Vout(t1)的值相同。 
如以上所述，在本实施方式的光传感器10中，设置有比较器21 和低通滤波器22，使得检测用光电二极管11和参考用光电二极管12的阳极的电压Vanode与参考用光电二极管12的开路电压VOC相等。由此，积分期间的开始时刻(时刻t0)的差动放大器16的输出电压与开路电压VOC的大小无关而成为一定值(理想情况下为0V)。由此，积分期间的结束时刻(时刻t1)的差动放大器16的输出电压成为不依赖于开路电压VOC的值。结果，不会产生差动放大器16的偏移误差，能够精度良好地检测出向检测用光电二极管11入射的周围光的强度。另外，积分期间的结束时刻(时刻t1)的差动放大器16的输出电压总是为正电压，因此，作为差动放大器16不需要使用双极性的运算放大器，还有能够降低消耗电力的优点。 
另外，当比较器21和差动放大器16中的至少一个在0V无法动作的情况下，只要如图3所示，将比较器21的非反转输入端子与A/D转换器17的参考电压Vref连接即可。由此，检测用光电二极管11和参考用光电二极管12的阳极电位Vanode，等于开路电压VOC与参考电压Vref的和。如图4所示，积分期间的开始时刻(时刻t0)的差动放大器16的非反转输入端子的电位，与参考光电二极管12的开路电压VOC的大小无关而成为与参考电压Vref相等的值。因而，与图1所示的结构同样，根据图3所示的结构，积分期间的结束时刻(时刻t1)的差动放大器16的输出电压也成为不依赖于开路电压VOC的值。结果，不会产生差动放大器16的偏移误差，能够精度良好地检测出向检测用光电二极管11入射的周围光的强度。另外，积分期间的结束时刻(时刻t1)的差动放大器16的输出电压总是为正电压，因此，与上述同样，还有能够降低差动放大器16的消耗电力的优点。 
如以上所述，根据本实施方式的光传感器10，能够将杂散光的影响和光检测元件的偏差的影响排除而精度良好地检测周围光。 
此外，在图1中，对电位控制电路由一个输入端子与参考用光电二极管12的阴极连接的比较器21、和与比较器21的输出连接的低通滤波器20构成的例子进行了说明。但是，如图5所示，使用D/A转换器23代替低通滤波器20，也能够得到同样的效果。另外，在图5的结构中，也可以与图3所示的结构同样，将比较器21的非反转输入端子与A/D转换器17的参考电压Vref连接。 
在此，对包括本发明的光传感器的显示装置的一个实施方式进行说明。图6是表示在作为本发明的一个实施方式的液晶显示装置中，设置有光传感器10的有源矩阵基板的概略结构的框图。此外，图6中的各框的大小并不是忠实地表示各框所表示的构成要素的尺寸和构成要素彼此的尺寸比率等。 
如图6所示，本实施方式的液晶显示装置所具备的有源矩阵基板100，在玻璃基板上至少包括像素区域1、栅极驱动器2、源极驱动器3、FPC连接器7。 
像素区域1是为了显示图像而形成有多个像素的区域。光传感器10设置在有源矩阵基板100的玻璃基板的像素区域1的外部(即非显示区域)。此外，用于对光传感器10的输出进行处理的信号处理电路8，通过上述FPC连接器7和FPC9，与有源矩阵基板100连接。信号处理电路8，根据光传感器10的输出，进行例如调整背光源的光量的控制信号的生成处理等。 
栅极驱动器2通过栅极总线与像素区域1的TFT的栅极连接，供给栅极驱动信号。源极驱动器3通过源极总线与像素区域1的TFT的源极连接，供给图像信号。 
光传感器10的构成要素，能够利用制作像素区域1的TFT的半导体工艺，同时在有源矩阵基板100的玻璃基板上制作。但是，不需要将光传感器10的所有构成要素都设置在玻璃基板上。例如，也可以是图1所示的光传感器10的构成要素中，仅检测用光电二极管11和参考用光电二极管12整体地形成在有源矩阵基板100的玻璃基板上，其它的构成要素设置在FPC9上或信号处理电路8内的结构。 
此外，有源矩阵基板100上的栅极驱动器2和源极驱动器3也能够利用像素区域1的TFT的半导体工艺整体地形成在玻璃基板上。或者是，也可以将栅极驱动器2和源极驱动器3以及光传感器10的光电二极管以外的构成部件的至少一部分利用例如COG(Chip On Glass)技术等安装在玻璃基板上。有源矩阵基板100，与整个面形成有对置电极的对置基板(未图示)贴合，在其间隙中封入液晶材料。 
另外，在此，对能够应用本发明的光传感器的显示装置的一个例子进行了说明，但显示装置中设置的光传感器的个数及其驱动方法是 任意的。在上述的实施方式中，作为设置本发明的光传感器的显示装置的一个例子，举出了液晶显示装置，但本发明的显示装置并不限定于液晶显示装置。本发明能够应用于使用有源矩阵基板的任意的显示装置。 
产业上的可利用性 
本发明，作为至少一部分整体地形成在有源矩阵基板中的光传感器、和包括该光传感器的显示装置，能够在产业上利用。 

Claims (8)

1.一种光传感器，其包括用于检测周围光的检测用光检测元件、和由遮光膜覆盖使得不接受所述周围光的参考用光检测元件，其特征在于，包括：
差动放大器，该差动放大器的一个输入端子与所述检测用光检测元件的阴极连接，该差动放大器的另一个输入端子与所述参考用光检测元件的阴极连接；
积分电容器，该积分电容器设置在所述检测用光检测元件的阴极与所述差动放大器的输出端子之间；
复位开关，该复位开关对所述积分电容器进行复位；和
电位控制电路，该电位控制电路设置在所述参考用光检测元件的阴极与所述参考用光检测元件的阳极之间以及所述参考用光检测元件的阴极与所述检测用光检测元件的阳极之间，使所述参考用光检测元件的阳极和所述检测用光检测元件的阳极的电位等于：比所述参考用光检测元件的阴极的电位高所述参考用光检测元件的开路电压的电位。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于：
所述电位控制电路包括：
一个输入端子与所述参考用光检测元件的阴极连接的比较器；和
与所述比较器的输出连接的低通滤波器。
3.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于：
所述电位控制电路包括：
一个输入端子与所述参考用光检测元件的阴极连接的比较器；和
与所述比较器的输出连接的数字/模拟转换器。
4.如权利要求2或3所述的光传感器，其特征在于：
所述比较器的另一个输入端子被接地。
5.如权利要求2或3所述的光传感器，其特征在于：
所述比较器的另一个输入端子与规定的参考电压连接。
6.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于：
所述检测用光检测元件和参考用光检测元件是光电二极管。
7.一种显示装置，其特征在于，包括：
设置有权利要求1所述的光传感器的有源矩阵基板；和
由所述有源矩阵基板驱动的显示介质。
8.如权利要求7所述的显示装置，其特征在于：
还包括与所述有源矩阵基板相对的对置基板，
所述显示介质是被夹持在所述有源矩阵基板与对置基板之间的液晶。
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