JP2008027292A - 表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光入力機能を備えた表示装置において接触判定の精度をあげる。
【解決手段】表示装置の画素に光センサ36を備えるとともに、照射された光量に応じた電位を保持するセンサ容量37を表示部2に近接する利用者の指とカップリングしやすいように配置し、センサ容量37のプリチャージ電圧Vprcと基準電圧PVSSとを同位相で振動させる。これにより、指が表示部2に接触しているときには、測定するタイミングによってプリチャージ電圧Vprcと基準電圧PVSSとの電位差が異なるので、この電位差の変動を検出し、指が表示部2に接触しているか否かを判断することができる。また、指が表示部2に接触しているときには、撮像された画像の差分画像において、指が接触している部分が検出されるので、その重心を計算することにより接触部分の座標を求めることができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、光により表示画面から情報を入力する光入力機能を備えた表示装置に関する。
近年、携帯電話、ノート型コンピュータなどの各種機器に表示装置として広く利用されている液晶表示装置は、複数の走査線と複数の信号線とが交差するように配線され、この各交差部に薄膜トランジスタ、液晶容量、補助容量を有する画素を備えた表示部と、走査線・信号線を駆動する駆動回路とを備える。
ところで、表示装置としては、画素内に光センサを配置し、光により表示画面から情報の入力を可能にしたものが開発されている(例えば、特許文献1参照)。
この種の光入力機能を備えた表示装置では、画素内に光センサとして例えばフォトダイオードを備えるとともに、このフォトダイオードにキャパシタを接続し、表示画面から入射された光についてのフォトダイオードでの受光量の変化に応じてキャパシタの電荷量を変化させ、キャパシタの両端の電圧を検出することにより撮像画像のデータを生成することで、画像の取り込みを行っている。
このような表示装置の応用として、表示画像上に投影された指などの物体がつくる影を検出することにより情報入力を行うタッチパネル機能や、ライトペンなどの発光する物体から照射された光を検出することにより情報入力を行うデジタイザ機能を備えたものが提案されている。
特開2006−91897号公報
しかしながら、従来の光入力機能を備えた表示装置では、照明等の外光環境によっては、指などが表示画面に真に接触しているときと、単に空中に浮いているときとの区別が困難であり、誤入力の原因となっていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、光入力機能を備えた表示装置において、物体が表示画面に接触したか否かの判定の精度を向上させることにある。
本発明に係る表示装置は、画像を表示画面に表示する表示手段と、表示画面に近接した物体の画像を撮影する光入力手段と、表示画面に近接した物体との容量結合を検出する容量結合検出手段とを備えた表示部を有し、容量結合検出手段の検出した容量結合と光入力手段により撮影された画像に基づいて物体が表示画面に接触したと判定する接触判定と物体の接触した座標を計算する座標計算とを行うことを特徴とする。
本発明にあっては例えば、容量結合検出手段において表示画面に近接した物体との容量結合を検出することにより、検出した容量結合が大きいときには、物体が表示画面に接触したと判断するとともに、光入力手段により撮影された画像に基づいて物体の接触した座標を求めることで、物体が表示画面に接触したタイミングと接触した座標を求める精度を向上させることができる。
上記表示装置において、容量結合検出手段は、センサ容量素子と、当該センサ容量素子の2つの電極に電圧値が同位相で振動するプリチャージ電圧と基準電圧を印加する給電手段と、を有し、プリチャージされたセンサ容量素子の電位差の変動により容量結合を検出することを特徴とする。
本発明にあっては、容量結合検出手段がセンサ容量素子を有し、センサ容量素子の2つの電極のそれぞれに同位相で振動するプリチャージ電圧と基準電圧とを印加することで、表示部に近接した物体とセンサ容量素子との容量結合が大きいときにはプリチャージするタイミングによりセンサ容量素子の電位差が変化するので、その電位差の変化に基づいて容量結合の大小を検出することを可能とする。
上記表示装置において、光入力手段はセンサ容量素子と並列に接続された光センサを有し、接触判定は、光入力手段により撮影された画像について現在のフレームの画像と過去のフレームの画像との差分を取った差分画像を用いて容量結合の大小を判断し、座標計算は、差分画像を用いて物体の接触した座標を計算することを特徴とする。
本発明にあっては、容量結合検出手段の有するセンサ容量素子と光センサを並列に接続することで、物体が表示画面に接触しているときには、測定するタイミングによりセンサ容量素子の電極間の電位差が変動することにより、光入力手段の出力値が変動するので、光入力手段により撮影された画像についてフレーム間の差分をとることで、センサ容量素子の電極間の電位差の変動によって形成された物体が接触している領域を検出することができる。また、検出された物体が接触している領域に基づいて、物体が表示画面に接触したタイミングと接触した座標を求める精度を向上させることができる。
上記表示装置において、表示部は、ガラス基板上に形成したものであって、センサ容量素子の2つの電極のうちガラス基板に近い方に形成された電極にプリチャージ電圧を印加することを特徴とする。
本発明にあっては、センサ容量素子の2つの電極のうち物体が接触する表示画面に近い方の電極にプリチャージ電圧を印加することにより、プリチャージ電圧を印加する電極と物体とがよりカップリングしやすくなる。
ここで、プリチャージ電圧を印加する電極の面積は、他方の電極の面積よりも大きいことが、センサ容量素子の電極と物体とがカップリングするうえで望ましい。
さらに、プリチャージ電圧を印加する電極は、ポリシリコンで形成されていることが、表示装置の画素の透過率を確保するうえで望ましい。
本発明によれば、光入力機能を備えた表示装置において、物体が表示画面に接触したか否かの判定の精度を向上させることができる。
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
図1は、本実施の形態における表示装置の構成を示す平面図である。同図に示す表示装置は、ガラス製のアレイ基板1に形成された表示部2、アレイ基板1上にチップオングラス(COG:Chip On Glass)実装された表示用IC(Integrated Circuit)5、駆動基板4、駆動基板4上に配置されたセンサ用IC6および電源回路7、アレイ基板1と駆動基板4とを接続するフレキシブル基板3、表示用I/F(インタフェース)9、センサ用I/F8を備える。なお、センサ用IC6はアレイ基板1にCOG実装してもよい。
表示部2は、複数の走査線と複数の信号線とが交差するように配線され、各交差部に画素を備える。この表示部2は、ホスト側から表示用I/F9および表示用IC5を介して伝送されてくる映像信号に基づいて画像を表示する表示機能と、表示画面に近接してきた外部の物体の画像を撮影する光入力機能および容量結合を検知する検知機能を備える。なお、表示部2には横方向に240画素、縦方向に320画素がマトリクス状に配置されている。
センサ用IC6は、表示部2の光入力機能および容量結合の検知機能を駆動するための制御信号を出力するとともに、表示部2で撮影された画像を入力して処理し、利用者が表示部2に接触しているか否かの情報と、利用者が近接している表示部2の座標を計算し、センサ用I/F8を介してホスト側に伝送する。また、センサ用IC6は、撮像画像についてフレーム間の差分を計算する差分処理回路などの各種画像処理ブロックを含んでいる。
図2は、図1に示す表示装置の画素の構成を表す回路図である。表示部2では、赤(R)、緑(G)、青(B)の副画素が規則的に配置されており、赤、緑、青の副画素1組で1つの画素を構成する。各副画素は、表示系31として、スイッチ素子33、液晶容量LC、補助容量CSを備える。同図において、Gate(m)は走査線、Sig(n)は信号線、CS(m)は補助容量線である。スイッチ素子33はMOS型であり、そのゲートが走査線に接続され、ソースは信号線に接続され、ドレインは補助容量CSおよび液晶容量LCに接続される。補助容量CSの他方の端子は補助容量線に接続される。
ホスト側から信号線を通じて伝送されてきた映像信号は、走査線に伝送されてきた走査信号によりスイッチ素子33がオンしたときに、スイッチ素子33を介して補助容量CSおよび液晶容量LCに与えられて表示に用いられる。
表示部2は、センサ系32として、R、G、Bの副画素1組について光センサ36、センサ容量37、出力制御スイッチ34、ソースフォロアアンプ35、プリチャージ制御スイッチ38を備える。ここでは、光センサ36の一例として、PIN型の光ダイオードを用いる。
光センサ36とセンサ容量37は並列に接続される。これら光センサ36およびセンサ容量37は、ソースフォロアアンプ35、出力制御スイッチ34を介して赤の信号線Sig(n)に接続され、プリチャージ制御スイッチ38を介して青の信号線Sig(n+2)に接続される。
出力制御スイッチ34のオン・オフは制御線OPT(m)上の信号により制御され、プリチャージ制御スイッチ38のオン・オフは制御線CRT(m)上の信号により制御される。
図3は、アレイ基板1上に形成される回路の構成を示すブロック図である。同図に示すように、アレイ基板1上には、表示用IC5と、各画素に配置された信号線を制御するためのXドライバ51、Yドライバ52、プリチャージ回路53、露光時間可変回路54、制御回路55、センサ系32からの出力信号を処理するためのA/D変換回路56、出力回路57が備えられている。
Xドライバ51は、アレイ基板1上に配線された信号線Sigに映像信号を出力する。Yドライバ52は走査線Gateにより、各画素に配置されたスイッチ素子33のオン・オフを制御し、信号線Sigに出力された映像信号を画素に書き込む。
プリチャージ回路53は、Xドライバ51、Yドライバ52が映像の書き込みを行っていない水平ブランキング期間を利用し、信号線Sigに信号を出力することにより、表示部2のセンサ系32を制御する。具体的には、図2の回路図に示す緑の信号線Sig(n+1)には、センサ系32のGNDに相当する基準電圧PVSSを印加し、青の信号線Sig(n+2)には、センサ容量37にプリチャージするためのプリチャージ電圧Vprcを印加する。赤の信号線Sig(n)には、所定の電圧(5V)を印加する。また、プリチャージ電圧Vprcおよび基準電圧PVSSは、周期が50Hz、振幅が±0.5V程度で同位相で振動している。
露光時間可変回路54は、制御線CRTを制御して各画素に配置されたプリチャージ制御スイッチをオン・オフすることにより、プリチャージ回路53によって信号線Sigに出力された信号をセンサ容量37に書き込む。
制御回路55は、制御線OPTを制御して各画素に配置された出力制御スイッチ34をオン・オフすることにより、センサ系32の出力を信号線Sigに取り出す。
A/D変換回路56は、センサ系32が信号線Sigを介して出力する信号をデジタル信号に変換し、出力回路57は、変換されたデジタル信号をセンサ用IC6に出力する。具体的には、A/D変換回路56は、図4の回路図に示すように、コンパレータ41により、赤の信号線Sig(n)の電位と基準電源40の基準電位とを比較し、信号線Sig(n)の電位が基準電位より大きい場合にはハイレベルの信号を出力し、信号線Sig(n)の電位が基準電位より小さい場合にはローレベルの信号を出力する。
図5は、表示部2の構成を示す断面図である。アレイ基板1では画素内に光センサ36等が形成され、これを覆うように絶縁層10が形成される。アレイ基板1と、これに対向して配置されたガラス製の対向基板12との間隙に液晶層11が形成される。対向基板12の外側にはバックライト13が配置される。同図に示すように、光センサ36には、指等の物体20によって遮られていない外光と、バックライト13から放出され、物体20で反射した光とが入射する。物体20とセンサ容量37が容量結合しやすいようにアレイ基板1を表示装置の前面に配置する。さらに、偏光板等の光学フィルムには低誘電率のものを用いるとよい。また、表示部2の表面に保護板を設けるときには、低誘電率の透明絶縁材料を用いる。以下、センサ系32の動作について説明する。
図6は、本実施の形態における表示装置のセンサ系の構成を示す回路図である。センサ系32の回路は、表示系31が映像書き込み動作をしていない水平ブランキング期間を利用して動作する。信号線62に一定の周期で振動する基準電圧PVSSを印加し、信号線63に基準電圧PVSSと同位相で振動しているプリチャージ電圧Vprcを印加する。続いて、プリチャージ制御スイッチ38がオンになり、信号線63からプリチャージ制御スイッチ38を通じてセンサ容量37にプリチャージ電圧Vprcが印加される。所定の露光時間の間、光センサ36に入射する光量に応じて光センサ36にリーク電流が発生すると、センサ容量37の電位が変化する。
そして、信号線61を5Vにプリチャージした後、出力制御スイッチ34をオンにしてソースフォロアアンプ35を信号線61に導通させる。センサ容量37は、ソースフォロアアンプ35のゲートに接続されているので、センサ容量37の残存電圧に応じて信号線61の電圧が変化する。センサ容量37の残存電圧が高ければ信号線61の電圧低下が大きくなり、センサ容量37の残存電圧が低ければ信号線61の電圧低下は小さくなる。
その後、A/D変換回路56において、信号線61の電圧値と基準電源40の基準電位とを比較することにより、光センサ36に入射した光量の大小を計測することができる。A/D変換回路56においてデジタル信号に変換された各画素に入射された光量は、出力回路57を介してセンサ用IC6に入力される。得られた各画素に入射された光量により撮像データを得ることができる。
センサ用IC6において、メモリに格納されている過去の撮像データとの差分を計算して差分画像を得て、差分画像を解析することにより、指が近接している座標、および、指が接触しているか否かを検出することができる。
なお、図6において点線で示した容量60は、利用者の指が表示部2に近接することに起因するカップリングである。この容量結合の大きさによりセンサ容量37のプリチャージ端n1における電圧は、図7に示すグラフのように変化する。図7(a)は利用者の指が接触しておらず容量60が小さい場合の電圧の変化を示すグラフである。プリチャージ電圧Vprcと基準電圧PVSSとは、同位相で、同じ振幅で変化するので、どのタイミングで測定してもセンサ容量37のGND端n0とプリチャージ端n1間の電位差は一定である。一方、図7(b)は利用者の指が接触していることにより容量60が大きい場合の電圧の変化を示すグラフである。この場合には、プリチャージ電圧Vprcの交流成分が減少するので、同図に示すように、センサ容量37のGND端n0とプリチャージ端n1間の電位差は出力制御スイッチ34をオンするタイミングにより変化する。この容量結合によって生じたセンサ容量37のGND端n0とプリチャージ端n1間の電位差の変動を検知することにより、利用者の指が接触しているか否かを判断することができる。
なお、プリチャージ電圧Vprcおよび基準電圧PVSSに印加する電圧は、上述した交流に限らず、測定するタイミングによって電位差が変化しなければ、図8に示すような同位相の三角波、あるいは、方形波であっても良い。以下、接触判定の処理について説明する。
図9は、接触判定の処理の流れを示す説明図である。同図は、利用者が表示装置の表示部2にタップ動作を行ったときに、センサ用IC6において得られる撮像画像とその差分画像を示している。差分画像は、異なる2つの時間における撮像画像2枚の差分を取った画像であり、動きのない部分では中間調、動きのあるところでは白または黒となる。同図に示す差分画像のように、利用者の指が表示部2に近づくとき、あるいは、遠ざかるときなど動きのあるときだけでなく、利用者の指が表示部2に接触しており、実際には指の動きに変化がないときにも差分画像において物体が接触している領域が得られる。
これは、利用者の指が表示部2に接触しているときには、指とセンサ容量37との容量結合により、センサ容量37のGND端n0とプリチャージ端n1の間の電位差が測定するタイミングにより変化するためであり、指が接触している部分のセンサ系32の出力値は、測定タイミングによりA/D変換回路56の基準電源40より大きくなったり、小さくなったりするので、撮像画像に濃淡の振動として現れる。この撮像画像の濃淡の振動は、撮像画像の差分を取ることにより抽出され、図9の差分画像に示すように、指が接触している領域として検出される。
このように、利用者の指とセンサ容量37との容量結合を、同位相で振動するプリチャージ電圧Vprcおよび基準電圧PVSSを用いて、撮像画像の差分画像を通じて検出することにより、指が接触しているか否かを高精度で判断することができる。また、指が表示部2に接触しているときには、一瞬ではあるが指は表示部2に固定されるので、差分画像で得られた指が接触している領域の重心を計算することにより、接触部分の座標を求めることができる。
図10は、指が表示部2に接触しているときと接触していないときの差分画像の階調値の変化を示すグラフである。図10の実線は、指が接触しているときの階調値の変化を示し、点線は、指が接触していないときの階調値の変化を示している。指が表示部2に接触しているときは、センサ容量37に印加されたプリチャージ電圧Vprcの交流成分が除去されるので、同図の実線で示すように、基準電圧PVSSの変動周期に合わせて差分画像の階調値も変動するようになる。
図11は、利用者が表示部2にタップ動作を行ったときの差分画像に現れた図形の重心座標の変化を示すグラフであり、実線は重心座標のX座標の変化量を示し、点線は重心座標のY座標の変化量を示している。指が表示部2に接触しているときは、指は表示部2に固定されるので、同図に示すように重心座標の変化量が少なくなる。したがって、差分画像に現れた図形の重心座標の変化量が少なくなった場合に、指が表示部2に接触していると判断することができる。
図12は、図2に示す画素のレイアウトを表す平面図である。図12に示す画素は、左から赤、緑、青の副画素1組で1画素を構成しており、1画素の縦横の大きさは、153μmである。各制御スイッチや補助容量などはガラス基板上にポリシリコンにより形成されている。センサ系32を構成する光センサ36、センサ容量37などの素子を特定の色の副画素に集めないで、それぞれの副画素に横断的に配置するとともに、副画素間の開口率を均等化するために、各副画素の幅を調節している。センサ容量37は、ポリシリコンとMoW(モリブデンタングステン)で形成され、ガラス基板に近い電極をプリチャージ端n1とし、他方をGND端n0とする。これにより、指とセンサ容量37とのカップリングがしやすくなる。また、図13の平面図に示すように、センサ容量37のプリチャージ端n1の電極を符号131で示す部分のように延長することで、より指とのカップリングがしやすくなる。ポリシリコンはある程度の透過率を有するので、延長するプリチャージ端n1の電極にポリシリコンを用いるとよい。
図14は、容量結合を検出するための画素の構成を表す回路図である。図2に示した画素に対して、光センサ36に換えて抵抗素子39を配置したものである。図14に示す画素は、例えば、図15に示すように、9画素のうち真ん中の画素155をこの容量結合検出用画素として形成し、この9画素を繰り返し配置する。なお、抵抗素子は、ポリシリコンに不純物を注入することにより形成できる。接触判定を容量結合検出用画素により行い、接触座標の計算は、光センサ36を有する画素により撮像した画像を解析することにより行ってもよい。
図16に示すように、利用者が表示部2の複数の点に接触した場合には、それぞれの接触部について撮像濃淡および容量結合による特徴的な差分画像が得られるので、適切に画像処理を行うことにより、それぞれの接触タイミング、接触座標を求めることができる。
したがって、本実施の形態によれば、表示装置の画素に光センサ36を備えるとともに、照射された光量に応じた電位を保持するセンサ容量37を表示部2に近接する利用者の指とカップリングしやすいように配置し、センサ容量37のプリチャージ電圧Vprcと基準電圧PVSSとを同位相で振動させることにより、指が表示部2に接触しているときには、測定するタイミングによってプリチャージ電圧Vprcと基準電圧PVSSとの電位差が異なるので、この電位差の変動を検出し、指が表示部2に接触しているか否かを判断することができる。また、指が表示部2に接触しているときには、撮像された画像の差分画像において、指が接触している部分が検出されるので、その重心を計算することにより接触部分の座標を求めることができる。
なお、今までは、容量結合検出手段の検出した容量結合で物体が表示画面に接触したと判定する接触判定を行い、光入力手段により撮影された画像に基づいて物体の接触した座標を計算する座標計算を行ってきたが、容量結合検出手段と光入力手段の双方の出力に基づいて接触判定または座標計算を行ってよいことは言うまでもない。
一実施の形態における表示装置の構成を示す平面図である。 上記表示装置が備える画素の構成を示す回路図である。 上記表示装置がアレイ基板上に備える回路の構成を示すブロック図である。 上記画素における光センサ系とA/D変換回路の構成を示す回路図である。 上記表示装置における表示部の構成を示す断面図である。 上記画素における光センサ系の構成を示す回路図である。 プリチャージ電圧と基準電圧の波形を示すグラフであり、(a)は容量結合が小さいときのグラフであり、(b)は容量結合が大きいときのグラフである。 プリチャージ電圧と基準電圧の別の波形を示すグラフである。 接触判定の処理の流れを示す説明図である。 差分画像の階調値の変化を示すグラフである。 差分重心の座標の変化量を示すグラフである。 上記表示装置の画素の構成を示す平面図である。 上記表示装置の別の画素の構成を示す平面図である。 上記表示装置が備える別の画素の構成を示す回路図である。 上記表示装置が備える画素の配列を示す概略図である。 上記表示装置の表示部の複数の点を押したときの説明図である。
符号の説明
1…アレイ基板
2…表示部
3…フレキシブル基板
4…駆動基板
5…表示用IC
6…センサ用IC
7…電源回路
8…センサ用I/F
9…表示用I/F
10…絶縁層
11…液晶層
12…対向基板
13…バックライト
20…物体
31…表示系
32…センサ系
33…スイッチ素子
34…出力制御スイッチ
35…ソースフォロアアンプ
36…光センサ
37…センサ容量
38…プリチャージ制御スイッチ
39…抵抗素子
40…基準電源
41…コンパレータ
51…Xドライバ
52…Yドライバ
53…プリチャージ回路
54…露光時間可変回路
55…制御回路
56…A/D変換回路
57…出力回路
60…容量
61,62,63…信号線

Claims (6)

  1. 画像を表示画面に表示する表示手段と、表示画面に近接した物体の画像を撮影する光入力手段と、表示画面に近接した物体との容量結合を検出する容量結合検出手段とを備えた表示部を有し、
    前記容量結合検出手段の検出した容量結合と前記光入力手段により撮影された画像に基づいて物体が表示画面に接触したと判定する接触判定と物体の接触した座標を計算する座標計算と
    を行うことを特徴とする表示装置。
  2. 前記容量結合検出手段は、
    センサ容量素子と、
    当該センサ容量素子の2つの電極に電圧値が同位相で振動するプリチャージ電圧と基準電圧を印加する給電手段と、を有し、
    プリチャージされた前記センサ容量素子の電位差の変動により容量結合を検出することを特徴とする請求項1に記載の表示装置。
  3. 前記光入力手段は前記センサ容量素子と並列に接続された光センサを有し、
    前記接触判定は、前記光入力手段により撮影された画像について現在のフレームの画像と過去のフレームの画像との差分を取った差分画像を用いて容量結合の大小を判断し、
    前記座標計算は、前記差分画像を用いて物体の接触した座標を計算することを特徴とする請求項2に記載の表示装置。
  4. 前記表示部は、ガラス基板上に形成したものであって、
    前記センサ容量素子の2つの電極のうち前記ガラス基板に近い方に形成された電極にプリチャージ電圧を印加することを特徴とする請求項2又は3に記載の表示装置。
  5. 前記プリチャージ電圧を印加する電極の面積は、他方の電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項4に記載の表示装置。
  6. 前記プリチャージ電圧を印加する電極は、ポリシリコンで形成されていることを特徴とする請求項4又は5に記載の表示装置。
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