JP2007206192A - 表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出光の照度低下による認識性能の低下を抑えることができる表示装置を提供する。
【解決手段】表示装置において、互いに交差させて設けられた複数本の走査線Ｇ及び複数本の信号線Ｓの交差点毎にそれぞれ設けられた複数の表示部２１と、複数の表示部２１にそれぞれ対応させ、大きさに応じて設置数が単調増加するようにそれぞれ設けられた複数の受光部ＰＤとを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、画像を表示する表示装置に関し、特に、光を受光する受光部を有する表示装置に関する。

液晶ディスプレイ等の表示装置は、薄型かつ軽量であり低消費電力であるという大きな利点を持ち、パーソナルコンピュータや携帯電話等のディスプレイとして広く用いられている。さらに、これらの表示装置にタッチパネルやペン入力などの入力機能を付加することにより、表示装置の用途の拡大が進んでいる（例えば、特許文献１参照）。

このような表示装置では、画素毎に表示部及び撮像部を備えており、画像を表示する表示機能に加え、画素内の撮像部が備える受光部、例えば光電変換素子により、環境光やバックライト光等の光を検出することによって、指等の認識対象物の画像を読み取る認識機能を実現している。

ここで、撮像部の光検出感度は、受光部の大きさに比例する。受光部は表示部と一体的に設けられるため、受光部の最大サイズは表示部の大きさにより制限される。また、受光部の最小サイズは、製造プロセスの微細加工技術により制限される。
特開２００４−３１８８１９号公報

しかしながら、撮像部は、通常、その光検出感度を考慮せずに開口率を考慮し、表示部の大きさに対応させて設けられている。このため、光検出感度が低い撮像部を多数設置してしまう場合があり、環境光やバックライト光等の検出光の照度低下に応じて認識性能（読み取り性能）が低下してしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、検出光の照度低下による認識性能の低下を抑えることができる表示装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、表示装置において、互いに交差させて設けられた複数本の走査線及び複数本の信号線の交差点毎にそれぞれ設けられた複数の表示部と、複数の表示部にそれぞれ対応させ、大きさに応じて設置数が単調増加するようにそれぞれ設けられた複数の受光部とを備えることである。

本発明の実施の形態に係る特徴では、受光部の設置数をその大きさに応じて単調増加するように各受光部をそれぞれ設けることによって、開口率の低下を抑えながら全体の光検出感度を向上させることが可能になるので、検出光の照度低下による認識性能の低下が抑えられる。

本発明によれば、検出光の照度低下による認識性能の低下を抑えることができる。

本発明の実施の一形態について図面を参照して説明する。本発明の実施の一形態に係る表示装置１は、映像データに基づく画像表示及び指等の認識対象物の認識（タッチセンス）を行う装置である。

この表示装置１は、図１に示すように、ガラス基板等の透光性基板により形成されたアレイ基板２及びそのアレイ基板２にフレキシブルケーブル（図示せず）等により接続された外部基板３等を備えている。

アレイ基板２には、互いに交差させてそれぞれ設けられた複数本の走査線Ｇ及び複数本の信号線Ｓの交差点毎に複数の画素１１ａを有する画素部１１、各走査線Ｇに走査信号を供給する走査線駆動回路１２、各信号線Ｓに映像信号を供給する信号線駆動回路１３、走査線Ｇに平行にそれぞれ設けられた複数本のリセット線ＲＳＴにリセット制御信号を供給し、さらに、走査線Ｇに平行にそれぞれ設けられた複数本の制御線ＣＮＴに出力制御信号を供給する制御回路１４、及び、認識対象物の画像を取り込んで外部基板３に対してその画像に対応する撮像信号を出力する検出回路１５等が設けられている。

外部基板３には、表示制御及び画像取り込み制御等を行うロジック回路１６が設けられている。このロジック回路１６は、アレイ基板２に対して制御信号等の各種の信号を供給し、表示制御及び画像取り込み制御を行う。

図２及び図３に示すように、画素部１１には、複数本の走査線Ｇ及び複数本の信号線Ｓとが互いに交差させてそれぞれ設けられており、複数本の補助容量線ＣＳが走査線Ｇに平行にそれぞれ設けられている。また、画素部１１には、複数本のリセット線ＲＳＴ及び複数本の制御線ＣＮＴが走査線Ｇに平行にそれぞれ設けられており、さらに、複数本の検出線ＤＣＴが信号線Ｓに平行にそれぞれ設けられている。

各走査線Ｇは走査線駆動回路１２にそれぞれ接続されており、各信号線Ｓは信号線駆動回路１３にそれぞれ接続されている。また、各リセット線ＲＳＴ及び各制御線ＣＮＴは制御回路１４にそれぞれ接続されており、各検出線ＤＣＴは検出回路１５にそれぞれ接続されている。

各画素１１ａは、走査線Ｇ及び信号線Ｓの交差点毎にそれぞれ設けられている。これらの画素１１ａは、表示部２１及び撮像部（光センサ部）２２をそれぞれ備えている。なお、表示装置１が画像をカラー表示する場合には、画素１１ａは、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）のいずれかの色のカラーフィルタを有する。

表示部２１は、走査線Ｇ及び信号線Ｓに接続された画素トランジスタＴ１と、その画素トランジスタＴ１に接続された画素容量Ｌ及び補助容量Ｃ１とから構成されている。画素トランジスタＴ１のゲートは走査線Ｇに接続されており、そのソースは信号線Ｓに接続されており、そのドレインは画素容量Ｌ及び補助容量Ｃ１に接続されている。この補助容量Ｃ１の他端は補助容量線ＣＳに接続されている。

なお、画素容量Ｌは、画素電極と、その画素電極に対向する対向電極と、画素電極と対向電極との間に設けられた液晶層等の表示層（いずれも図示せず）とから構成されている。また、対向電極は、表示層を介してアレイ基板２に対向する対向基板（図示せず）に設けられている。

撮像部２２は、信号線Ｓ及びリセット線ＲＳＴに接続された制御トランジスタＴ２と、光を受光して電気信号に変換する受光部ＰＤと、制御トランジスタＴ２が導通した場合に充電されるセンサ容量Ｃ２と、制御線ＣＮＴに接続された制御トランジスタＴ３と、制御トランジスタＴ２及びセンサ容量Ｃ２に制御トランジスタＴ３を介して接続されたバッファＢＦとから構成されている。

制御トランジスタＴ２のゲートはリセット線ＲＳＴに接続されており、そのソースは信号線Ｓに接続されており、そのドレインは受光部ＰＤ、センサ容量Ｃ２及び制御トランジスタＴ３に接続されている。なお、受光部ＰＤ及びセンサ容量Ｃ２の他端は、走査線Ｇに平行に設けられたグランド線ＧＮＤに接続されている。また、受光部ＰＤとセンサ容量Ｃ２とは並列に接続されている。制御トランジスタＴ３のゲートは制御線ＣＮＴに接続されており、そのソースは制御トランジスタＴ２、受光部ＰＤ及びセンサ容量Ｃ２に接続されており、そのドレインはバッファＢＦに接続されている。

制御トランジスタＴ２は、リセット線ＲＳＴの論理、すなわちリセット制御信号に応じて、センサ容量Ｃ２に電荷を供給するか否かを切替制御するリセット制御部である。また、受光部ＰＤは、環境光やバックライト光等の光を受光して電気信号に変換する。この受光部ＰＤがセンサ容量Ｃ２を放電させるための素子である。受光部ＰＤとしては、例えば、フォトダイオード等の光電変換素子を用いる。

センサ容量Ｃ２は、受光部ＰＤにより変換された電気信号に応じた電荷を蓄積する蓄積部である。また、バッファＢＦは、センサ容量Ｃ２に蓄積された電荷に応じた信号を一時的に格納する格納部である。制御トランジスタＴ３は、制御線ＣＮＴの論理、すなわち出力制御信号に応じて、バッファＢＦに格納された信号を出力するか否かを切替制御する切替部である。

ここで、画素トランジスタＴ１及び各制御トランジスタＴ２、Ｔ３としては、例えばポリシリコン型の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を用いる。また、受光部ＰＤとしては、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタ等を用いる。補助容量Ｃ１及びセンサ容量Ｃ２としては、例えばコンデンサ等を用いる。

このような画素１１ａを複数有する画素部１１が、外部から供給される表示画面（映像データ）を表示する表示機能と、表示画面に接近してきた指やペン等の認識対象物の画像を撮影して読み取る認識機能とを有している。

走査線駆動回路１２は、各走査線Ｇに対し１水平期間毎、すなわち１水平期間中の映像書き込み期間毎に走査信号を順次出力し、各走査線Ｇをそれぞれ駆動する回路である。ここで、走査信号は画素トランジスタＴ１を駆動（オン）するための信号である。

信号線駆動回路１３は、各信号線Ｓに対し走査信号に同期させて映像信号をそれぞれ出力し、各信号線Ｓをそれぞれ駆動する回路である。ここで、映像信号は映像データに基づいて画素容量Ｌに電圧を与える信号である。

制御回路１４は、各リセット線ＲＳＴにリセット制御信号を順次出力し、各リセット線ＲＳＴを順に駆動する。ここで、リセット制御信号は制御トランジスタＴ２を駆動するための信号である。また、制御回路１４は、出力制御信号を各制御線ＣＮＴに出力し、各制御線ＣＮＴを順に駆動する。ここで、出力制御信号は制御トランジスタＴ３を駆動するための信号である。このような制御回路１４は、センサ容量Ｃ２の電圧が所定のプリチャージ電圧になるまでセンサ容量Ｃ２を充電する。

検出回路１５は、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換回路、出力回路及びＰ／Ｓ（パラレル／シリアル）変換回路等により構成されている。この検出回路１５は、Ａ／Ｄ変換回路により、撮像部２２からのセンサ出力信号をデジタル信号に変換し、その出力回路により変換したデジタル信号の振幅等を調整し、Ｐ／Ｓ変換回路により、その調整後のデジタル信号を撮像信号として１ビットずつロジック回路１６に送信する。なお、出力回路は、デジタル信号の振幅をロジック回路１６のインタフェースに合わせて調節したり、ロジック回路１６に到達するまでの駆動負荷に合わせて増幅したりする。

ロジック回路１６は、アレイ基板２の検出回路１５から送信された撮像信号を受信し、その撮像信号に対して所定の画像処理を実行し、その画像処理後のデータをホスト装置に送信する。また、ロジック回路１６は、ホスト装置から送信された制御コマンドに応じて各種の制御信号を生成し、生成した各種の制御信号をアレイ基板２に送信する。

次いで、撮像部２２の光検出感度について説明する。

撮像部２２の光検出感度は、光を受光する受光部ＰＤ（図３参照）の大きさに比例する。例えば、図４に示すように、階調差は受光部ＰＤのサイズ（大きさ）の増加に応じて増加している。なお、図４では、受光部ＰＤのサイズは、レベル１から１６の１６段階（水準数が１６である）に分けられている。例えば、レベル１の受光部ＰＤのサイズは４μｍ程度であり、レベル毎に４μｍずつ大きくなり、レベル１６の受光部ＰＤのサイズは６４μｍ程度である。

階調差は、指等の認識対象物を検知できるか否かの指標、すなわち光検出感度の指標の１つである。例えば、階調差は、図５に示すように、認識対象物である指の影を示す部分の平均階調Ｋ１と、指以外の背景を示す部分の平均階調Ｋ２との差である。この階調差が大きい程、光検出感度が高く、指の影と背景とを区別することが容易になる。

受光部ＰＤの最小サイズは、受光部ＰＤの製造プロセス（製造工程）の加工精度により制限され、受光部ＰＤの最大サイズは表示部２１の大きさにより制限される（図３参照）。なお、撮像部２２の光検出感度を上げるため、受光部ＰＤのサイズを大きくし過ぎると、開口率が著しく低下してしまう。したがって、受光部ＰＤのサイズは、開口率とのトレードオフを考慮して決定される。

各受光部ＰＤは、図６に示すように、受光部ＰＤの設置数（個数）がその大きさに応じて単調増加するようにそれぞれ配置されている（波形Ｈ１、波形Ｈ２又は波形Ｈ３）。これにより、受光部Ｄのサイズが増加することによる開口率の低下が抑えられ、さらに、表示装置１の全体の光検出感度が向上する。

なお、図６中の波形Ｈ１は、受光部ＰＤの設置数が１次関数に基づき受光部ＰＤの大きさに応じて単調増加する場合の波形である。また、図６中の波形Ｈ２は、受光部ＰＤの設置数が指数関数に基づき受光部ＰＤの大きさに応じて単調増加する場合の波形である。さらに、図６中の波形Ｈ３は、受光部ＰＤの設置数が対数関数に基づき受光部ＰＤの大きさに応じて単調増加する場合の波形である。なお、図６中の波形Ｊは、受光部ＰＤの設置数が受光部ＰＤの大きさに関わらず一定である場合の波形である。

ここで、例えば、レベル１、３、１０、１２、１４及び１６の受光部ＰＤを設置する場合には、それらの各レベルの受光部ＰＤの設置数が、例えば図６中の波形Ｈ１のような単調増加を行うように設定される。すなわち、レベル１の受光部ＰＤの設置数はＹ１個に設定され、レベル３の受光部ＰＤの設置数はＹ２個に設定される。同様に、レベル１０の受光部ＰＤの設置数はＹ３個に設定され、レベル１２の受光部ＰＤの設置数はＹ４個に設定され、レベル１４の受光部ＰＤの設置数はＹ５個に設定され、レベル１６の受光部ＰＤの設置数はＹ６個に設定される。ここで、０＜Ｙ１＜Ｙ２＜Ｙ３＜Ｙ４＜Ｙ５＜Ｙ６という関係式が成り立っている。

このように設定された各レベルの受光部ＰＤの設置数に基づいてレベル１、３、１０、１２、１４及び１６の受光部ＰＤを配置し、表示装置１の照度と階調差との関係を求めた場合には、図７中の波形Ａ１が得られる。

一方、例えば、レベル１〜１６の受光部ＰＤを設置する場合には、その全レベルの受光部ＰＤの設置数が、例えば図６中の波形Ｊのように一定に設定される（比較例）。このように設定された一定の各受光部ＰＤの設置数に基づいてレベル１〜１６の受光部ＰＤを配置し、表示装置１の照度と階調差との関係を求めた場合には、図７中の波形Ａ２が得られる。

ここで、階調差がどの程度であれば指等の認識対象物を検出できるかの度合いは、ロジック回路１６のＩＣ部に格納された検知判定プログラムのアルゴリズム、すなわち予め設定されている階調差の基準値に依存する。例えば、階調差の基準値が０．３である場合には、図７中の波形Ａ１と波形Ａ２とを比較すると、約１５ルクス（ｌｘ）だけマージン（余裕度）が広がっている。

したがって、レベルの増加に応じて単調増加する各受光部ＰＤの設置数に基づいてレベル１、３、１０、１２、１４及び１６の受光部ＰＤを配置した場合には、レベルの増加に依存せずに一定の各受光部ＰＤの設置数に基づいてレベル１〜１６の受光部ＰＤを配置した場合に比べ、検出光の照度低下による認識性能の低下が抑えられることがわかる。

次に、表示装置１の表示処理及び認識処理について説明する。まず、ホスト装置等の外部から供給される表示画像を表示する表示処理について説明する。

ロジック回路１６は、外部から供給された表示画像を信号線駆動回路１３に与える。これにより、フレーム期間における最初の水平走査期間では、信号線駆動回路１３は、各信号線Ｓに供給する映像信号の電圧を、表示画像の例えば最上列における水平方向の対応位置の階調値に応じた電圧にする。

また、前述の水平走査期間では、走査線駆動回路１２は、最上列の画素１１ａに対応する走査線Ｇを駆動する。これにより、この走査線Ｇに接続された画素トランジスタＴ１が導通し、その画素トランジスタＴ１に接続された画素容量Ｌに映像信号（対応する階調値に応じた電圧）が書き込まれる。すなわち、画素容量Ｌが階調値に応じて充電される。これにより、画素容量Ｌにおける光の透過量が階調値に応じた透過量となり、画素部１１の最上列が表示画像の最上列を表示する。

続く水平走査期間では、最上列の表示を維持しつつ、同様な処理により、画素部１１の第２列が表示画像の第２列を表示する。以下、同様な処理を順次行い、フレーム期間における最後の水平走査期間では、画素部１１の最下列が表示画像の最下列を表示する。このようにして、１フレーム期間で表示画像の全てが表示される。なお、その１フレーム期間での表示をその後の各フレーム期間でも行うことで表示画像が継続的に表示される。

次に、指等の認識対象物の接触の認識を行う認識処理について説明する。

ロジック回路１６が、ホスト装置等の外部から供給された認識用の表示画像を信号線駆動回路１３に与えることで、表示装置１は、前述の表示処理を行い、認識用の表示画像を表示する。さらに、表示装置１は、フレーム期間とフレーム期間の間のブランク期間に次の処理を行う。

まず、ブランク期間における最初の１期間では、制御回路１４は、各信号線Ｓの電圧を所定のプリチャージ電圧に制御し、さらに、最上列の画素１１ａに対応するリセット線ＲＳＴ及び制御線ＣＮＴを例えば高電圧に制御する。最上列の画素１１ａでは、各センサ容量Ｃ２が所定のプリチャージ電圧になるまで充電される。プリチャージ後、制御回路１４は、リセット線ＲＳＴ及び制御線ＣＮＴを例えば低電圧に制御する。その後、環境光やバックライト光等の光を受光した各受光部ＰＤが対応するセンサ容量Ｃ２の放電を開始する。

次いで、制御回路１４は、ロジック回路１６により設定された露光時間データに応じた露光時間が経過すると、制御線ＣＮＴを例えば高電圧に制御し、制御トランジスタＴ３をオン状態にしてバッファＢＦを動作させる。これにより、バッファＢＦは、そのときのセンサ容量Ｃ２の電圧を一時的に保持し、その後、その電圧をセンサ出力信号として検出線ＤＣＴに出力する。これに応じて、検出回路１５は、各検出線ＤＣＴから入力されたセンサ出力信号をシリアル信号に変換してロジック回路１６に撮像信号として出力する。

続く１期間では、同様な処理により、検出回路１５は、第２列のシリアル信号をロジック回路１６に出力する。以下同様な処理を順次行い、最後の１期間では、検出回路１５は、最下列のシリアル信号をロジック回路１６に出力する。これにより、ブランク時間に、ロジック回路１６は、各シリアル信号つまり２階調画像を取得する。また、このような処理をその後においても行うことで、ロジック回路１６は２階調画像を継続的に取得する。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る表示装置１によれば、受光部ＰＤの設置数をその大きさに応じて単調増加させるように各受光部ＰＤをそれぞれ設けることによって、開口率の低下を抑えながら全体の光検出感度を向上させることが可能になるので、検出光の照度低下による認識性能の低下を抑えることができる。

さらに、１次関数、指数関数又は対数関数に基づいて受光部ＰＤの設置数をその大きさに応じて単調増加させることによって、複雑な波形の関数を用いることなく、簡単な計算処理により受光部ＰＤの設置数をその大きさに応じて単調増加させることができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明は、前述の実施の形態に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

例えば、前述の実施の形態においては、環境光により生じる指等の認識対象物の影を読み取ることにより認識対象物を認識するようにしているが、これに限るものではなく、例えば、指等の認識対象物により反射されたバックライト光を読み取ることにより認識対象物を認識するようにしてもよい。

また、前述の実施の形態においては、受光部ＰＤのサイズをレベル１から１６の１６段階（水準数が１６である）にわけているが、これに限るものではなく、その数は限定されない。

また、前述の実施の形態においては、表示層を液晶材料により液晶層として形成しているが、これに限るものではなく、例えば発光体により形成し、表示装置１を有機ＥＬディスプレイとして形成するようにしてもよい。

本発明の実施の一形態に係る表示装置の概略構成を示す平面図である。 図１に示す表示装置が備える画素部の概略構成を示す回路図である。 図２に示す画素部の概略構成を示す平面図である。 受光部のサイズと階調差との関係を説明するための説明図である。 階調差を説明するための説明図である。 受光部のサイズと設置数との関係を説明するための説明図である。 照度と階調差との関係を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 表示装置
２１ 表示部
ＰＤ 受光部
Ｇ 走査線
Ｓ 信号線

Claims (3)

1. 互いに交差させて設けられた複数本の走査線及び複数本の信号線の交差点毎にそれぞれ設けられた複数の表示部と、
   前記複数の表示部にそれぞれ対応させ、大きさに応じて設置数が単調増加するようにそれぞれ設けられた複数の受光部と、
   を備えることを特徴とする表示装置。
2. 前記設置数は１次関数に基づいて単調増加することを特徴とする請求項１記載の表示装置。
3. 前記設置数は指数関数に基づいて単調増加することを特徴とする請求項１記載の表示装置。

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