JP2005173318A - 液晶表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 短い撮像時間で多階調の画像データを取得可能な画像取り込み機能を有する液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 液晶表示装置1は、表示素子に対応して設けられ、感度Rを有し入射光を受光して電気信号に変換するフォトダイオード11と、静電容量Cを有し初期電圧Vが印加された状態でフォトダイオード11によって変換された電気信号に応じた電荷を蓄積するキャパシタ12と、キャパシタ12に蓄積された電荷がしきい値電圧Vth以上か否かを示す2値データを出力するSRAM13とを有して縦横に列設される複数の画素からなる画素アレイ部6と、隣接する画素から出力される2値データを基に多階調の画素データを生成する画像取込制御部5と、多階調の画素データを基に多階調の画像データを生成する表示コントローラ2とを備え、各画素において設定されるR、C、V、Vthの各値が、各画素に隣接する他の画素に設定される各値とは異なる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、画像取り込み機能を備えた液晶表示装置に関する。
液晶表示装置は、信号線、走査線及び画素TFTが列設されたアレイ基板と、信号線及び走査線を駆動する駆動回路とを備えており、また、近年の集積回路技術の進歩発展により、駆動回路の一部をアレイ基板上に形成するプロセス技術が実用化されている。これにより、液晶表示装置全体を軽薄短小化することができ、携帯電話やノート型コンピュータなどの各種の携帯機器の表示装置として幅広く利用されている。
ところで、アレイ基板上に、画像取り込みを行う密着型エリアセンサを配置した画像取り込み機能を備えた液晶表示装置が提案されている(例えば、特許文献1)。この種の画像取り込み機能を備えた従来の液晶表示装置は、センサに接続されたキャパシタの電荷量を、センサでの受光量に応じて変化させるようにし、キャパシタの両端電圧を検出することで、画素データを生成し、画像取り込みを行っている。また、このような画像取り込み機能を備えた液晶表示装置において、複数の撮像条件で得られた画像データから、画像処理によってノイズを抑える手法が提案されている。
図7に従来の画像取り込み機能を備えた液晶表示装置の回路構成を示す。この従来の画像取り込み機能を備えた液晶表示装置において、新たに入射光の照射強度をL、反転露光時間(詳細は後述)をT、フォトダイオード111に流れる光電流をI、暗電流をIとすると、
Figure 2005173318
Figure 2005173318
という関係式が成り立つ。ここで、Vはキャパシタ112の初期電圧、VthはSRAM113のインバータしきい値、Cはキャパシタ112の静電容量係数、Rはフォトダイオード111の光感度(単位照射強度当たりの光電流)である。
また、TFTスイッチ114がオフ状態になってから、TFTスイッチ114および115がオン状態になるまでの時間は、フォトダイオード111に流れる電流(光電流と暗電流の和)によってキャパシタ112の電圧が初期電圧Vから徐々に降下して行く時間であり、この時間を「露光時間」と呼ぶ。さらに「反転露光時間」とは、キャパシタ112の電圧がSRAM113のインバータしきい値電圧Vthに等しくなる時の露光時間のことを指す。
ここで、上記2式をLについて解くと、
Figure 2005173318
となる。よってLの値を検出するにはTの値がわかれば良い(C,V,Vth,R, Iは既知)。Tは本来アナログ値だが、これを量子化して多ビットのデジタル値にする(Lに読み替えると多階調ということ)。しかし、SRAM113は“0”か“1”かの2つの状態しか区別できないので、多階調にするには複数条件での撮像が必要となる。
具体的には、露光時間Tを例えばT<T<T…<T63のように63回変えて、どの露光時間を境にデータ(2値)が反転したかを検出すれば64階調化(6ビット化)したことになる。
実際は、白標準被写体の反転露光時間Twと黒標準被写体の反転露光時間Tbを計測し、 例えばn回目の露光時間T(n)(n=1,2…63)を
Figure 2005173318
ただし、
Figure 2005173318
とする。すると、n回目の撮像に設定される照度強度の境界値L(n)は、
Figure 2005173318
となる。
図8に、撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示す。なお、図8は、簡略化のため、撮像回数を15回の場合を示している。
従来の手法では15回の撮像によって、図8に示すように、対応する照射強度の境界値を15点設定でき、それに従って量子化すれば16階調の多階調画像を得られる。例えば、7番目の撮像においては、境界値L(7)は照射強度が約50%となっている。
このように、従来の画像取り込み機能を有する液晶表示装置においては、1画素が生成する画素データはその回路構成から“1”または“0”の2値データであり、従って、多階調の画像データを得るためには、撮像条件を変更して複数回連続して撮像を行う必要がある。例えば、64階調の画像を取得するのに63条件の撮像条件で連続して撮像する必要がある。
しかしながら、複数の撮像条件で連続して撮像を行うと、撮像時間がその分長くなってしまい、安定して被写体の撮像を行うことが困難になるという問題があった。
特開平8−272529号公報
本発明は、短い撮像時間で多階調の画像データを取得可能な画像取り込み機能を有する液晶表示装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明の液晶表示装置は、表示素子と、前記表示素子に対応して少なくとも1つずつ設けられ、所定の感度Rを有し入射光を受光して電気信号に変換する撮像部と、前記撮像部に対応して設けられ、所定の静電容量Cを有し、所定の初期電圧Vが印加された状態で前記撮像部によって変換された電気信号に応じた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、前記電荷蓄積部に対応して設けられ、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が所定のしきい値電圧Vth以上か否かを示す2値データを出力する2値データ生成部と、を有して縦横に列設される複数の画素からなる画素アレイ部と、N回の撮像によって縦p画素×横q画素の隣接する複数の前記画素から出力される前記2値データを基に多階調の1つの画素データを生成し、多階調の画素データを基に前記撮像部によって撮像された被写体の多階調の画像データを生成する信号処理部とを備え、各画素において設定される前記感度R、前記静電容量C、前記初期電圧V、前記しきい値電圧Vthの各値が、各画素に隣接する他の画素に設定される各値とは異なることを特徴とする。
各パラメータの値が異なる隣接する複数の画素から得られる画素データを1つの画素のデータとして扱うことで、1回の撮像で得られる画像データの階調情報を増やすことが可能となり、p×q個の画素から得られる画素データを1つの画素のデータとすることで、同じ階調数の画像データを1/(p×q)の時間で得ることができ、撮影時間を短縮することができる。また、N回の撮像回数であったところをN/(p×q)回の撮像回数にすることができる。また、撮影時間が短縮されるため、手ぶれ等による画像劣化を軽減することが可能となる。
本発明の実施形態を、図1〜図8を用いて説明する。
本実施形態における液晶表示装置1は、表示コントローラ2、信号線(X)ドライバ3、走査線(Y)ドライバ4、画像取込制御部5、および画素アレイ部6を備える。
表示コントローラ2は、表示信号、Xドライバー制御信号、およびクロック信号を信号線ドライバ3に供給する機能、Yドライバー制御信号、およびクロック信号を走査線ドライバ4に供給する機能、画像取込制御部5に撮像を指示する制御信号を供給し、画像取込制御部5から出力される多階調の画素データから被写体の画像データを生成する機能を有する。
信号線ドライバ3は、各信号線に接続され、表示コントローラ2から供給されるクロック信号とXドライバー制御信号に基づいて、画素TFT14等に表示信号を供給する機能を有する。
走査線ドライバ4は、各走査線に接続され、表示コントローラ2から供給されるクロック信号とYドライバー制御信号に基づいて、画素TFT14等にアドレス信号を供給する機能を有する。
画像取込制御部5は、表示コントローラ2から供給される制御信号に基づいて、各画素に対して被写体の撮像を開始させる信号を出力する機能を有し、各画素から画素データが入力されると、互いに隣接する所定数(縦p個×横q個)の画素の画素データを基に、1つの画素から出力されたデータとして多階調の画素データを生成して出力する機能を有する。
図2に、画素アレイ部6内の撮像回路を含む1画素の回路図を示す。本実施形態における1画素は、フォトダイオード11、キャパシタ12、キャパシタ12の蓄積電荷量に応じた2値データを保持するSRAM13、画素TFT14、キャパシタ12に初期電荷の蓄積を制御する初期化用TFT15を有し、また、蓄積容量18に電荷を蓄積するか否かを制御する表示制御TFT17、蓄積容量18、液晶層19を有して構成される。
また、SRAM13は、直列接続された2つのインバータ回路と、後段のインバータ回路の出力端子と、画素TFT14のソース電極(初期化用TFT15のドレイン電極)との間に接続され、SRAM13への2値データの保持を制御するデータ保持用TFT16を有して構成される。2つのインバータ回路は電源線JVDDと電源線JVSSに接続され、前段のインバータ回路の入力端子は初期化用TFT15のソース電極からの制御線Lに接続される。
また、フォトダイオード11のカソード端子は制御線Lに接続され、フォトダイオード11のアノード端子は電源線JVSSに接続される。また、キャパシタ12は電源線JVSSと制御線Lの間に接続され、画素TFT14のドレイン電極は信号線Sig(n)に接続される。
また、データ保持用TFT16のゲート電極はSFB(SRAM Feed Back)に接続され、初期化用TFT15のゲート電極はCRT(Capacitor Reset Transistor)に接続される。
また、画素TFT14のゲート電極は走査線Gate(m)に接続され、画素TFT14のソース電極は初期化用TFT15のドレイン電極と表示制御TFT17のドレイン電極が接続される。また、表示制御TFT17のゲート電極は制御線PCC(Pixel Cs Connection)に接続され、表示制御TFT17のソース電極と蓄積容量18線CSとの間に、蓄積容量18と液晶層19が接続される。
なお、1画素の回路構成は従来のものと同じであるため、動作の詳細な説明は省略するが、その動作の概要は以下に示す通りである。
まず、キャパシタ12に予め所定量の電荷を蓄えておき、フォトダイオード11に光が照射された場合に光の照射強度に応じて光リーク電流が発生し、キャパシタ12の蓄積電荷量が減少する。その減少した蓄積電荷量が所定のしきい値以上か否かによって、2値の画素データが生成される。
この時生成される2値の画素データが“1”であるか“0”であるかは、光の照射強度、フォトダイオード11の感度R、キャパシタ12の初期電圧V、キャパシタ12の静電容量C、SRAM13を構成するインバータのしきい値電圧Vthに依存することになる。
従来の液晶表示装置1では、感度R、初期電圧V、静電容量C、しきい値電圧Vthの各パラメータがそれぞれの画素で等しく、また、2値の画素データが“1”か“0”かは、光の照射強度のみに依存することになるため、階調の情報としては1階調しか得られないが、本発明では、感度R、初期電圧V、静電容量係数C、しきい値電圧Vthの組み合わせ(R,V,C,Vth)を画素によって異なる値にする。隣接する複数の画素から得られる画素データを1つの画素の画素データとして扱うことで、1回の撮像で得られる画像データの階調情報を増やすことが可能となる。
例えば、図3に示すように、横方向に3つの画素を1組として各パラメータを(R,V,C,Vth)、(R,V,C,Vth)、(R,V,C,Vth)のように異なる値にする。これによって1回の撮像で3階調分の情報を得ることができる。
この時の各パラメータ(R,V,C,Vth)、(R,V,C,Vth)、(R,V,C,Vth)のうち、(R,V,C,Vth)の各パラメータの値を基準として、そのうちの1つのパラメータのみを画素毎に変更する場合は、以下に示す数式、数23〜40で各パラメータの値の関係を表すことができる。ただし、kは各パラメータを画素毎に変更するさいの変化量の大きさを決定するパラメータで、1≦k≦N−p×q+1の範囲内で照射強度の境界値が均等に分布するように選択される値であり、必ずしも整数でなくても良い。
Rの値を各画素において変更する場合:
Figure 2005173318
Figure 2005173318
Figure 2005173318
m+1個(m=1,2…)の画素を1組とする場合は、各画素の感度Rの値は、
Figure 2005173318
となる。
Vの値を各画素において変更する場合:
Figure 2005173318
Figure 2005173318
Figure 2005173318
m+1個(m=1,2…)の画素を1組とする場合は、各画素の初期電圧Vの値は、
Figure 2005173318
となる。
Cの値を各画素において変更する場合:
Figure 2005173318
Figure 2005173318
Figure 2005173318
m+1個(m=1,2…)の画素を1組とする場合は、各画素の静電容量係数Cの値は、
Figure 2005173318
となる。
Vthの値を各画素において変更する場合:
Figure 2005173318
Figure 2005173318
Figure 2005173318
m+1個(m=1,2…)の画素を1組とする場合は、各画素のしきい値電圧Vthの値は、
Figure 2005173318
となる。
なお、基準としたパラメータ(R,V,C,Vth)を持つ画素における白標準被写体の反転露光時間をTwとし、黒標準被写体の反転露光時間をTbとすると、 n回目の露光時間T(n)(n=1,2…N(N回撮像の場合))は
Figure 2005173318
となる。ただし、
Figure 2005173318
とする。
一例として、図4にキャパシタ12の静電容量係数Cのみを画素ごとにC,C,Cとなるように異なる値にした場合における、撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示す。なお、横軸の撮像番号nは、基準となる画素で撮像した場合における番号である。
,C,Cの値が異なると、図4に示すように、撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係が異なるため、1回の撮像に対して照射強度の境界値を3点設定することが可能である。これにより、従来15回撮像が必要であったのを1/3の5回に減らすことができる。
例えば、k=1とした場合、5回の撮像で照射強度の境界値は、図5のように15点設定され、k=13とした場合、5回の撮像で照射強度の境界値は、図6のように15点設定される。境界値が均等に設定されるように最適なkが選択されることが望ましいことは言うまでも無い。また、2つ以上のパラメータを画素毎に変更する場合も、同様に境界値が均等に設定されるようにパラメータ毎に最適なkが選択され、各パラメータの値が設定される。
実際に各パラメータを画素毎に異なる値にするには次のようにする。感度Rについては、画素毎にセンサ素子の面積や厚さを変えたり、不純物濃度を変えたりすることにより実現でき、初期電圧Vについては、各画素のキャパシタ12に充電する際に用いる信号線に異なる電圧を印加することにより実現できる。また、静電容量係数Cについては、平行平板コンデンサの面積を画素毎に変えることにより実現でき、しきい値電圧Vthについては、インバータを構成するNチャネル型TFTのゲート長とPチャネル型TFTのゲート長を画素ごとに変化させることにより実現できる。
画像取込制御部5は、上記の式で各パラメータの値が設定されている画素から2値の画素データD,D,D…がそれぞれ入力されると、互いに隣接する所定数の画素の画素データを基に、1つの画素から出力されたデータとして多階調の画素データG,G,G…を生成して出力する。3つの画素からの画素データを基に1つの画素データを生成する場合、3階調のデータが得られることになるので、画像取込制御部5は、画素データD,D,Dからデータ長2ビットの画素データGを生成して出力する。
表示コントローラ2は、画像取込制御部5から多階調の画素データG,G,G…が順次入力されると、1つの多階調の画像データを生成して出力する。3つの画素を1組として画像の取り込みを行う場合は、1回の撮像で生成される画像データは3階調のデータとなるが、RGBそれぞれの色で撮像を行うことでカラーの画像データを得ることが可能となる。
なお、本実施形態では、3つの画素を1組として扱っているため、横方向の解像度が3分の1に減少することが懸念されるが、一般的な液晶表示素子の場合、画素は縦長であり横3画素分の長さが縦1画素分の長さに概ね等しいこと、結像系(レンズ)を用いない場合は、被写体からの光が拡散してしまうためにもともとの解像度が横方向1画素の長さに比べてはるかに悪いこと、等から問題にはならない。
また、カラー表示の可能な液晶表示装置1においてカラーの撮像を行う場合にも有効である。このようなカラーの撮像は液晶表示装置1の表示色を切り替えて複数色について撮像することにより可能となるが、この際撮像部の光感度が色によって大きく異なるために各色に同一の撮像条件を適用できないという問題がある。本発明を適用すれば、例えば、赤色の光感度が低い場合には赤色に対応する画素のセンサ感度を、他の色に対応する画素のセンサ感度より大きくするような設計をすることによって同一条件での撮像が可能になる。
液晶表示装置の機能ブロック図である。 画素アレイ部内の1画素の回路図である。 画素ごとに各パラメータを変えた場合の回廊構成例を示す図である。 撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示すグラフである。 撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示すグラフである(k=1)。 撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示すグラフである(k=13)。 従来の画素アレイ部内の1画素の回路図である。 従来の液晶表示装置における撮像番号nと照度強度の境界値L(n)との関係を示すグラフである。
符号の説明
1 液晶表示装置
2 表示コントローラ
3 信号線(X)ドライバ
4 走査線(Y)ドライバ
5 画像取込制御部
6 画素アレイ部
11 フォトダイオード
12 キャパシタ
13 SRAM
14 画素TFT
15 初期化用TFT
16 データ保持用TFT
17 表示制御TFT
18 蓄積容量
19 液晶層
R フォトダイオードの感度
V キャパシタの初期電圧
C キャパシタの静電容量
Vth SRAMのインバータのしきい値電圧

Claims (5)

  1. 表示素子と、
    前記表示素子に対応して少なくとも1つずつ設けられ、所定の感度Rを有し入射光を受光して電気信号に変換する撮像部と、
    前記撮像部に対応して設けられ、所定の静電容量Cを有し、所定の初期電圧Vが印加された状態で前記撮像部によって変換された電気信号に応じた電荷を蓄積する電荷蓄積部と、
    前記電荷蓄積部に対応して設けられ、前記電荷蓄積部に蓄積された電荷が所定のしきい値電圧Vth以上か否かを示す2値データを出力する2値データ生成部と、
    を有して縦横に列設される複数の画素からなる画素アレイ部と、
    N回の撮像によって縦p画素×横q画素の隣接する複数の前記画素から出力される前記2値データを基に多階調の1つの画素データを生成し、多階調の画素データを基に前記撮像部によって撮像された被写体の多階調の画像データを生成する信号処理部と、
    を備え、
    各画素において設定される前記感度R、前記静電容量C、前記初期電圧V、前記しきい値電圧Vthの各値が、各画素に隣接する他の画素に設定される各値とは異なることを特徴とする液晶表示装置。
  2. 前記縦p画素×横q画素の隣接する複数の画素において、前記複数画素の平均的な暗電流をI、前記複数画素に含まれる特定の1画素における白標準被写体の反転露光時間をTw、前記特定1画素における黒標準被写体の反転露光時間をTb、前記特定1画素におけるN回の撮像のうち、n回目(n=1、2、…N)の撮像の露光時間をT(n)とすると、露光時間T(n)は数1および数2に示す演算数に従って算出される値であり、前記特定1画素において設定される前記感度Rを基準として、画素ごとの感度の変化量を決めるパラメータkが1≦k≦N−p×q+1の範囲内で設定され、他の画素において設定される前記感度R〜Rp×qの各値を画素毎に異なる値にする場合は、当該感度R〜Rp×qの各値は、数3および数4で示す演算数に従って算出される値であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    (m=1、2、…、p×q−1)
  3. 前記縦p画素×横q画素の隣接する複数の画素において、前記複数画素の平均的な暗電流をI、前記複数画素に含まれる特定の1画素における白標準被写体の反転露光時間をTw、前記特定1画素における黒標準被写体の反転露光時間をTb、前記特定1画素におけるN回の撮像のうち、n回目(n=1、2、…N)の撮像の露光時間をT(n)とすると、露光時間T(n)は数5および数6に示す演算数に従って算出される値であり、前記特定1画素において設定される前記静電容量Cを基準として、画素ごとの静電容量の変化量を決めるパラメータkが1≦k≦N−p×q+1の範囲内で設定され、他の画素において設定される前記静電容量C〜Cp×qの各値を画素毎に異なる値にする場合は、当該静電容量C〜Cp×qの各値は、数7および数8で示す演算数に従って算出される値であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    (m=1、2、…、p×q−1)
  4. 前記縦p画素×横q画素の隣接する複数の画素において、前記複数画素の平均的な暗電流をI、前記複数画素に含まれる特定の1画素における白標準被写体の反転露光時間をTw、前記特定1画素における黒標準被写体の反転露光時間をTb、前記特定1画素におけるN回の撮像のうち、n回目(n=1、2、…N)の撮像の露光時間をT(n)とすると、露光時間T(n)は数9および数10に示す演算数に従って算出される値であり、前記特定1画素において設定される前記初期電圧Vを基準として、画素ごとの初期電圧の変化量を決めるパラメータkが1≦k≦N−p×q+1の範囲内で設定され、他の画素において設定される前記初期電圧V〜Vp×qの各値を画素毎に異なる値にする場合は、当該初期電圧V〜Vp×qの各値は、数11および数12で示す演算数に従って算出される値であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    (m=1、2、…、p×q−1)
  5. 前記縦p画素×横q画素の隣接する複数の画素において、前記複数画素の平均的な暗電流をI、前記複数画素に含まれる特定の1画素における白標準被写体の反転露光時間をTw、前記特定1画素における黒標準被写体の反転露光時間をTb、前記特定1画素におけるN回の撮像のうち、n回目(n=1、2、…N)の撮像の露光時間をT(n)とすると、露光時間T(n)は数13および数14に示す演算数に従って算出される値であり、前記特定1画素において設定される前記しきい値電圧Vthを基準として、画素ごとのしきい値電圧の変化量を決めるパラメータkが1≦k≦N−p×q+1の範囲内で設定され、他の画素において設定される前記しきい値電圧Vth〜Vthp×qの各値を画素毎に異なる値にする場合は、当該しきい値電圧Vth〜Vthp×qの各値は、数15および数16で示す演算数に従って算出される値であることを特徴とする請求項1に記載の液晶表示装置。
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    Figure 2005173318
    (m=1、2、…、p×q−1)
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