JP2008076344A - 光検出装置、電気光学装置、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】周囲温度にかかわらず対象光の強度を精度よく検出することのできる光検出装置、この光検出装置を備えた電気光学装置、およびこの電気光学装置を備えた電子機器を提供すること。
【解決手段】光検出装置３００は、入射光の光量に応じた第１電流を出力する主センサ３１０Ａと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサ３１０Ｂとが直列に電気的接続されたセンサ回路３１０と、センサ回路３１０の両端に電圧を印加したときにノードＱから取り出される差分電流を検出する差分電流検出回路３４０とを有している。センサ回路３１０の両端に印加される電圧を第１電圧とし、ノードＱの電圧を第２電圧としたとき、第２電圧が所定の基準電圧値になったときの差分電流に基づいて対象光の強度を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対象光と外乱光とが入射光として入射する光検出装置、この光検出装置を備えた電気光学装置、およびこの電気光学装置を備えた電子機器に関するものである。

電気光学装置を表示装置として搭載したパーソナルコンピュータや携帯電話機などの電子機器は、環境光の強度が異なる様々な環境下で使用される。従って、環境光に変化に応じて、電気光学装置での駆動条件を変化させれば、画像品位の向上や低消費電力化を図ることができる。例えば、透過型又は反透過型の液晶装置では、液晶パネルの背面にバックライト装置が設けられており、バックライト装置からの出射光は、液晶パネルによって変調される。このような液晶装置において、バックライト装置の消費電力は大きいが、液晶装置に光検出装置を設け、環境光の大きさに応じてバックライト装置の強度を調整すれば、低消費電力化を図ることができる。また、光センサを液晶装置の素子基板上に形成すれば、部品コストの削減を図ることもできる。但し、素子基板上に光センサを設けると、光センサには検出対象の対象光とバックライト装置から光が入射してしまう。

そこで、入射光の光量に応じた第１電流を出力する主センサと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサとを直列に電気的接続し、主センサと副センサとのノードから取り出される第１電流と第２電流との差分電流を、キャパシタを介して検出する構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１１８９６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成では、主センサと副センサとして、光電変換特性が等しいものを用いた場合でも、周囲温度によっては、環境光の強度を精度よく検出できない結果、電気光学装置を最適な条件で駆動できないという問題点がある。

本願発明者は、主センサと副センサとして、光電変換特性が等しいものを用いた場合でも、周囲温度によっては、環境光（対象光）の強度を精度よく検出できない理由を種々、検討した結果、以下の知見を得た。

まず、主センサおよび副センサとして用いられるフォトダイオードに電圧を印加したときの周囲温度とＰＩＮダイオードが出力する電流との関係を検討し、図１２（ａ）、（ｂ）に示す結果を得た。ここで用いたフォトダイオードは、ポリシリコン膜にＮ型領域、真性領域およびＰ型領域が形成されたＰＩＮフォトダイオードである。

フォトダイオードの電流−電圧特性は、図１２（ａ）に実線で表わされるが、周囲温度が高くなると、図１２（ａ）に実線で示す特性から、一点鎖線、二点鎖線、点線で示す特性にシフトする傾向がある。かかる理由は、図１２（ｂ）を参照して説明する暗電流に起因する。ここで、暗電流とは、フォトダイオードに入射する光を遮光した場合でもダイオードに流れる電流であり、フォトダイオードの真性領域の温度に起因するものと考えられる。特に、バルクのシリコンを用いたＰＩＮフォトダイオードのようにＮ型領域、真性領域およびＰ型領域を積層した構造と違って、ポリシリコン膜を用いたＰＩＮフォトダイオードでは、Ｎ型領域、真性領域およびＰ型領域を横方向に形成する必要があり、接合面積が狭いため、暗電流が発生しやすい傾向にある。

図１２（ｂ）には、主センサおよび副センサとして用いられるフォトダイオードに−４Ｖの逆バイアスを印加したときの周囲温度とＰＩＮダイオードが出力する電流との関係を示してあり、図１２（ｂ）において、実線Ｌ１は、各周囲温度においてフォトダイオードに５００ｌｘの光を入射させた際に流れるみかけの光電流（真の光電流と暗電流の和）を示し、点線Ｌ２は、フォトダイオードに入射する光を遮光した状況下で流れる暗電流のみ電流値を示している。図１２（ｂ）から分かるように、みかけの光電流のレベルは２５℃以下（室温以下）では温度によってほとんど変化しないが、５０℃を超えると増大する。一方、暗電流は２５℃以下（室温以下）では極めて低レベルであり、無視できるが、温度上昇とともに増大し、５０℃を超えると、みかけの光電流のレベルと略等しくなる。すなわち、フォトダイオードは、周囲温度が上昇すると、みかけの光電流において暗電流が支配的になり、かかる暗電流は、印加電圧が高くなるに伴って増大する。

それ故、特許文献１に開示の光検出装置において、高温条件下で、例えば、主センサが光照射によってインピーダンスが低下すると、主センサおよび副センサに印加される逆バイアスの電圧バランスが崩れ、その結果、暗電流が差分電流に大きな影響を及ぼすので、対象光の強度を精度よく検出できなくなるのである。

以上の問題点に鑑みて、本発明は、周囲温度にかかわらず対象光の強度を精度よく検出することのできる光検出装置、この光検出装置を備えた電気光学装置、およびこの電気光学装置を備えた電子機器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明した知見に基づいて達成されたものであり、以下の構成を有している。すなわち、本発明では、対象光と外乱光とが入射光として入射する光検出装置において、前記入射光の光量に応じた第１電流を出力する主センサと、前記外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサとが直列に電気的接続されたセンサ回路と、該センサ回路の両端に電圧を印加したときに前記ノードから取り出される前記第１電流と前記第２電流との差分電流を検出する差分電流検出回路と、を有し、前記センサ回路の両端に印加される電圧を第１電圧とし、前記ノードの電圧を第２電圧としたとき、前記第２電圧が所定の基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする。本発明において、「対象光」とは、検出の対象となる光の意味であり、例えば、実施形態の環境光（外光）が該当する。これに対して、本発明において、「外乱光」とは、検出の対象とならない光の意味であり、例えば、実施形態の背景光が該当する。

本発明では、主センサおよび副センサが出力する第１電流および第２電流の差分（差分電流）は、対象光の光量に応じたものとなるため、差分電流を検出すれば、対象光の強度を検出することができる。また、周囲温度が高い場合主センサと副センサとの間でインピーダンスに差が生じ、主センサおよび副センサの各々に印加される電圧が変動しても、主センサと副センサのノードの電圧が前記基準電圧値になったときの差分電流に基づいて対象光の強度を検出する。このため、暗電流も相殺できるので、周囲温度にかかわらず、対象光の強度を精度よく検出することができる。

本発明において、前記副センサは、前記対象光が入射する面に対して、前記対象光および前記外乱光のうち、前記対象光を遮光する遮光体が配置されている構成を採用することができる。このように構成すると、簡素な構成で、副センサが外乱光の光量に応じた第２電流を出力する構成を実現することができる。

本発明において、前記主センサと前記副センサとは、光電変換特性が等しく、前記第２電圧が、前記基準電圧値として、前記第１電圧の１／２倍の電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することが好ましい。

本発明において、前記センサ回路の両端に前記第１電圧を印加したときの前記第２電圧を前記基準電圧値に補正するノード電圧補正回路を備え、該ノード電圧補正回路によって前記第２電圧が前記基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出する構成を採用することができる。

この場合、前記ノード電圧補正回路は、前記センサ回路の両端に前記第１電圧を印加したときの前記第２電圧を前記基準電圧値と比較し、その比較結果に基づいて、前記ノードから前記差分電流を取り出す出力ラインに印加する電圧値を調整して前記第２電圧を前記基準電圧値に維持する構成を採用することができる。

また、前記ノード電圧補正回路は、前記ノードから前記差分電流を取り出すべき出力ラインに印加する電圧値を変化させていき、前記第２電圧が前記基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出する構成を採用してもよい。

本発明において、前記差分電流検出回路は、前記差分電流を増幅する増幅回路を備え、当該増幅された電流値に基づいて前記対象光の強度を検出することが好ましい。差分電流は極めて低レベルの電流であるが、増幅回路によって差分電流を増幅すれば、対象光の強度を精度よく検出することができる。また、抵抗体に通電させてその電圧値を読み取るには、抵抗値が大きな抵抗体を用いることになるため、抵抗体がアンテナと同様、様々な電波ノイズをひろってしまい、対象光の強度を精度よく検出することができなくなるおそれがあるが、増幅回路によって差分電流を増幅すれば、かかる問題を回避することができる。

例えば、前記差分電流検出回路は、前記ノードと前記ノード電圧補正回路の電圧出力部との間に介挿された第１抵抗体と、該第１抵抗体より抵抗値が低く、前記ノード電圧補正回路の電圧出力部と基準電圧との間に介挿された第２抵抗体とを備えた増幅回路を有し、前記差分電流は、前記第２抵抗体により増幅されて検出される構成を採用することができる。

また、前記差分電流検出回路は、前記ノードと前記ノード電圧補正回路の電圧出力部との間に介挿された第１トランジスタと、該第１トランジスタとカレントミラー回路を構成する第２トランジスタとを備えた増幅回路を有し、前記差分電流は、前記第２トランジスタにより増幅されて検出される構成を採用してもよい。

本発明において、前記主センサおよび前記副センサは、例えば、前記第１電圧によって逆バイアスが印加されたフォトダイオードである。フォトダイオードであれば、例えば、電気光学装置の素子基板に薄膜トランジスタを形成する際、その製造工程を利用して、素子基板に主センサおよび副センサを形成することができる。

本発明において、前記フォトダイオードは、ポリシリコン膜に不純物が導入されたＮ型領域およびＰ型領域を備えていることが好ましい。このようなフォトダイオードであれば、低温プロセスを用いてＴＦＴ（Thin Film Transistor／薄膜トランジスタ）を形成する際、その製造工程を利用して、素子基板に主センサおよび副センサを形成することができる。ここで、前記フォトダイオードは、前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との間に真性のポリシリコン膜を備えている構成を採用してもよい。

本発明を適用した光検出装置を備えた電気光学装置では、前記光検出装置による前記対象光の検出結果に基づいて駆動条件が調整されることが好ましい。例えば、電気光学装置が光源装置と、該光源装置から出射された光を変調可能な電気光学パネルとを備えている場合、前記光検出装置による前記対象光の検出結果に基づいて前記光源装置から出射される光量が調整されることが好ましい。

本発明を適用した電気光学装置は、例えばパーソナルコンピュータ、携帯電話機、情報携帯端末等の電子機器に用いることができる。

以下に、図面を参照して本発明について説明する。

（光検出装置の基本構成およびその原理）
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した光検出装置の概略構成図、およびその試験装置の概略構成図である。図２は、図１に示す光検出装置に用いた光センサ（フォトダイオード）の構成例を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、本形態の光検出装置３００には、対象光と外乱光とが入射光として入射するが、対象光に応じた出力に基づいて、対象光の強度を検出する。すなわち、本形態の光検出装置３００は、入射光（対象光および外乱光）の光量に応じた第１電流を出力する主センサ３１０Ａと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサ３１０ＢとがノードＱを介して直列に電気的接続されたセンサ回路３１０を備えている。ここで、副センサ３１０Ｂには、遮光体３２０が配置されているため、外乱光は入射するが、対象光は入射しない。なお、主センサ３１０Ａには、遮光体３２０が配置されていないため、対象光および外乱光が入射する。

本形態において、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂはいずれもフォトダイオードであり、主センサ３１０Ａのカソード側には、第１電圧（例えば、４Ｖ）が印加され、副センサ３１０Ｂのアノードは接地されている。従って、センサ回路３１０の両端には、第１電圧が印加され、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂには逆バイアスが印加されている。また、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢとのノードＱには、ノードＱから取り出される第１電流と第２電流との差分電流を検出する差分電流検出回路３４０が構成されている。

主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは、例えば、図２に示すように、ガラス製の素子基板３１１上で互いに近接した位置に同一素子サイズをもって形成される。このような主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂを構成するにあたって、素子基板３１１上に、下地絶縁膜３１６、ポリシリコン膜３１０Ｘ、絶縁膜３１７、層間絶縁膜３１８、電極層３１９Ａ、３１９Ｂ、３１９Ｃが形成されている。ポリシリコン膜３１０Ｘには、Ｎ型の不純物が導入されたＮ型領域３１３、不純物が導入されていない真性領域３１２、およびＰ型の不純物が導入されたＰ型領域３１４が形成されており、Ｎ−Ｉ−Ｐ構造を有している。ここで、ポリシリコン膜３１０Ｘは、素子基板３１１に対してアモルファスシリコン膜を形成した後、レーザアニールやランプアニールなどにより多結晶化された半導体層である。なお、絶縁膜３１７の上層には、真性領域３１２と平面的に重なる領域に金属膜３１５が形成されており、かかる金属膜３１５は、ポリシリコン膜３１０Ｘに対してＮ型の不純物あるいはＰ型の不純物を導入する際、ポリシリコン膜３１０Ｘへの不純物の導入を阻止するカバー層として利用されたものである。従って、ポリシリコン膜３１０Ｘに不純物を導入した後、除去してもよいが、金属膜３１５を除去する場合には、その分、製造工程が増えることになる。なお、電極層３１９Ａ、３１９Ｂ、３１９Ｃは、層間絶縁膜３１８および絶縁膜３１７を貫通するコンタクトホールを介してＮ型領域３１３およびＰ型領域３１４に各々接続されている。

このような構成の主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは、ＬＴＰＳ（Low‐Temperature Poly‐Silicon）により構成されたＰＩＮフォトダイオードあるため、光感度が非常に優れ、対象光を検出する光センサ素子として適切である。また、このような構成の主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは、ＴＦＴと略共通した構造を有しているので、後述する液晶装置において、画素回路、走査線駆動回路、およびデータ線駆動回路を構成するＴＦＴと同一のプロセスで素子基板上に形成することができる。この場合、ポリシリコン膜３１０ＸはＴＦＴの能動層と同時形成され、絶縁膜３１７はゲート絶縁膜と同時形成され、金属膜３１５は、ゲート電極と同時形成される。

このような構成は、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂのいずれにおいても同一であるが、素子基板３１１に対向配置されたガラス製の対向基板３２１には、副センサ３１０Ｂと平面的に重なる位置に遮光膜３２２が形成されており、図１（ａ）に示す遮光体３２０として機能する。このため、主センサ３１０Ａには、対象光および外乱光が入射光として入射するが、副センサ３１０Ｂには、対象光が入射せず、外乱光のみが入射する。ここで、「対象光」とは、検出の対象となる光の意味であり、例えば、後述する対象光が該当する。これに対して、「外乱光」とは、検出の対象とならない光の意味であり、例えば、後述する背景光が該当する。なお、対向基板３２１に形成した遮光膜３２２は、後述する液晶装置に用いた対向基板にブラックマトリクスを形成する際、同時に形成することができる。

さらに、本形態では、素子基板３１１の外表面のうち、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂが形成されている領域と平面的に重なる領域には反射板３２５が重ねて配置されている。このため、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂには、素子基板３１１側からの外乱光の入射光が妨げられるので、対象光に起因する光電流量を相対的に増大させることができる。

再び図１（ａ）において、本形態の光検出装置３００では、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは、ノードＱを介して接続されているため、ノードＱからは、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２の差分電流Δｉ（＝Ｉ１−Ｉ２）が出力される。ここで、第１電流Ｉ１は、対象光および外乱光によって生じる光電流と、周囲温度（熱）によって発生する暗電流とを含み、第２電流Ｉ２は、外乱光によって生じる光電流と、周囲温度（熱）によって発生する暗電流とを含む。従って、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２の差分電流Δｉ（＝Ｉ１−Ｉ２）は、対象光によって生じる光電流のみに相当するはずである。なお、かかる原理が成り立つためには、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの周囲の温度が等しく、かつ、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの対温度特性および光電変換特性が等しいことが必要である。ここで、対温度特性とは、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂにおいて、周囲の温度とこれに応じて出力される電流の大きさとの関係を規定するものである。主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは、同一の製造プロセスで製造されるので、それらの対温度特性の差は許容される程度のものである。また、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂは近接して配置されるので、周囲の温度の差も無視することができる。

かかる測定原理において、暗電流が検出結果に及ぼす影響を説明するために、外乱光が一切、入射しないとする。このように仮定すると、第１電流Ｉ１は、真の光電流Ｉｐと暗電流Ｉｄとを含み、第２電流Ｉ２は暗電流Ｉｄのみを含むことになる。この場合、差分電流Δｉは、以下の式
Δｉ＝Ｉ１−Ｉ２＝（Ｉｐ＋Ｉｄ）−Ｉｄ＝Ｉｐ・・・（１）
で表れる。

しかしながら、ＰＩＮフォトダイオードにおいては、周囲の温度が上昇すると、熱の発生により生じる電流が大きくなり、これにより、第１電流Ｉ１および第２電流Ｉ２において、暗電流Ｉｂが占める割合が多くなってしまい、暗電流は電圧依存性が大きい。このため、周囲温度が上昇した状態で、例えば、主センサ３１０Ａが光照射によりインピーダンスが低下すると、主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとの間にインピーダンスの差が生じ、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの各々に印加される逆バイアスの電圧が変動し、対象光を正確に検出することができなくなってしまうという問題点がある。

そこで、本形態では、センサ回路３１０の両端に電圧を印加した際、ノードＱの電圧（第２電圧）が所定の基準電圧値になったときの差分電流Δｉに基づいて対象光の強度を検出する。ここで、主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとは、光電変換特性などが等しいので、第２電圧が、基準電圧値として、第１電圧の１／２倍の電圧値になったときの差分電流に基づいて対象光の強度を検出する。

例えば、センサ回路３１０の両端に第１電圧として４Ｖを印加した場合には、図１に示すように、第２電圧を２Ｖに保持したときの差分電流Δｉに基づいて対象光の強度を検出する。従って、周囲温度が高い条件下で主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとの間でインピーダンスに差が生じ、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの各々に印加される電圧が変動しても、主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂのノードの電圧が所定の電圧になったときの差分電流Δｉに基づいて対象光の強度を検出するため、暗電流も相殺できる。それ故、周囲温度が高くても対象光の強度を精度よく検出することができる。

（本発明の光検出装置３００における有効性の検証）
次に、上述した実施形態に係る電気光学装置に搭載された光検出装置３００の有効性について検証する。図１（ｂ）は、本発明の光検出装置３００の有効性を検証するための実験装置の回路図である。図３は、本発明を適用した光検出装置の作用、効果を示す説明図であり、図３（ａ）は、図１（ｂ）に示す実験装置によって、照度と出力する電流との関係を示すグラフ、図３（ｂ）は、フォトダイオードの真の光電流の安定領域を説明するためのグラフである。

本発明の光検出装置３００の有効性を検証するために、図１（ｂ）に示す試験装置３００Ｘでは、図１（ａ）、および図２を参照して説明した光検出装置３００と同様、入射光（対象光および外乱光）の光量に応じた第１電流を出力する主センサ３１０Ａと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサ３１０Ｂとが直列に電気的接続されたセンサ回路３１０を設け、センサ回路３１０の両端には、４Ｖの第１電圧を印加し、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂに逆バイアスを印加する。また、副センサ３１０Ｂは遮光体３２０によって遮光する。さらに、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢとのノードＱには、ノードＱから第１電流と第２電流との差分電流Δｉを出力するラインに対してノード電圧補正回路３３０を設けるともに、ラインに電流計３９１Ａ（差分電流検出回路３４０）を介挿する。

さらに、主センサ３１０Ａのカソードと駆動ラインとの間には電流計３９１Ｂを介挿し、副センサ３１０Ｂのアノードとグランドとの間には電流計３９１Ｃを介挿する。ここで、電流計３９１Ａ、３９１Ｂ、３９１Ｃで測定される電流を各々、ＩＡ、ＩＢ、ＩＣとする。

このように構成された試験装置３００Ｘを用いて、周囲温度およびノードＱに印加する電圧を１．９Ｖ、２．０Ｖに変化させた場合における電流の測定結果との関係を検討した。その検討結果が、図３（ａ）に示すグラフである。図３（ａ）中のＬ１１〜Ｌ１４は各々、以下に示す条件で得られた測定結果である。なお、実線Ｌ１０は、ｙ＝ａｘ^α、α＝１をグラフに示したものである。

図３（ａ）において、マークＬ１１、Ｌ１２で示す結果が重なることから、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂを流れる電流ＩＡ、ＩＢの差分は、ノードＱから出力されることが明らかである。また、マークＬ１１、Ｌ１２で示す結果は、実線Ｌ１０と略一致することから、ノードＱから出力される電流ＩＡ（差分電流）は、照度に対して比例関係を有する。それ故、温度が２３℃であれば、ノードＱの電圧が１．９Ｖでも、ノードＱから出力される電流ＩＡにより照度を検出することができる。

しかしながら、点線Ｌ１３で示すように、ノードＱの電圧が１．９Ｖの場合において、周囲温度が５０℃になると、１〜１００ｌｘの範囲において、測定結果が実線Ｌ１０から大きく外れ、ノードＱから出力される電流ＩＡ（差分電流）により照度を検出できなくなる。これは、周囲温度が高温（５０℃）である場合において、ノードＱの電圧値が最適値に保たれていないと、対象光の照度と電流ＩＡ（差分電流）との比例関係が成り立たず、対象光の照度を正確に検出することができないことを意味する。

これに対して、一点鎖線Ｌ１４で示すように、ノードＱの電圧が２．０Ｖ（基準電圧）の場合には、周囲温度が５０℃になっても、１〜１００ｌｘの範囲において、測定結果が実線Ｌ１０に沿う結果が得られ、ノードＱから出力される電流ＩＡ（差分電流）により照度を検出できる。すなわち、周囲温度が高温（５０℃）である場合であっても、ノードＱの電圧値を最適値（基準電圧値）に保持すれば、対象光の照度と電流ＩＡ（差分電流）との比例関係が成り立ち、対象光の照度を正確に検出することができることを意味する。

さらに、図３（ｂ）を参照して、ノードＱの電圧値を最適値（基準電圧値）に保持すれば、対象光の照度と電流ＩＡ（差分電流）との比例関係が成り立つ根拠を説明する。図３（ｂ）には、図１２（ｂ）に示すみかけの光電流（実線Ｌ１で示すレベル）から暗電流（点線Ｌ２で示すレベル）を差し引いて、真の光電流を算出した結果であり、図３（ｂ）には、周囲温度が２３℃、５０℃における光電流−印加電圧特性を各々、実線（Solid Lines）および点線（Dot Lines）で示してある。図３（ｂ）から分かるように、真の光電流は、温度および照度によってレベルが変化するが、印加電圧によって電流レベルが変化しない安定領域を有する。従って、この安定領域に基準電圧を設定して差分電流を検出すれば、暗電流を確実に相殺でき、真の光電流を検出することができる。

［電気光学装置への第１の適用例］
（電気光学装置の全体構成）
図４は、本発明を適用した電気光学装置の全体構成を示すブロック図である。図５は、図４に示す電気光学装置の画像表示領域の構成例を示す回路図である。図６は、図４に示す電気光学装置の走査線駆動回路およびデータ線駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。

図４において、本発明を適用した電気光学装置１は、電気光学材料として液晶を用いた液晶装置であり、主要部として液晶パネル１０（電気光学パネルの一例）を備えている。液晶パネル１０は、スイッチング素子としてＴＦＴを形成した素子基板と対向基板とを互いに電極形成面を対向させて、かつ、一定の間隙を保って貼付し、この間隙に液晶が挟持されている。このような構成は、周知の液晶装置と同様であるため、説明を省略する。

本形態の電気光学装置１は、液晶パネル１０、調光回路５００、バックライト装置６００（光源装置）、制御回路８００、および画像処理回路９００を備えている。液晶パネル１０は透過型であるが、半透過型であってもよい。液晶パネル１０は、素子基板上に画像表示領域１０Ａ、走査線駆動回路１００、およびデータ線駆動回路２００を備えている。制御回路８００は、Ｘ転送開始パルスＤＸおよびＸクロック信号ＸＣＫを生成してデータ線駆動回路２００に供給すると共に、Ｙ転送開始パルスＤＹおよびＹクロック信号ＹＣＫを生成して走査線駆動回路１００に供給する。画像表示領域１０Ａには、複数の画素回路１０Ｂがマトリクス状に形成されており、画素回路１０Ｂごとに透過率を制御することができる。バックライト装置６００からの光は、画素回路１０Ｂを介して射出される。これによって、光変調による階調表示が可能となる。

図５に示すように、画像表示領域１０Ａには、ｍ（ｍは２以上の自然数）本の走査線２が、Ｘ方向に沿って平行に配列して形成される一方、ｎ（ｎは２以上の自然数）本のデータ線３が、Ｙ方向に沿って平行に配列して形成されている。そして、走査線２とデータ線３との交差付近においては、ＴＦＴ５０のゲートが走査線２に接続される一方、ＴＦＴ５０のソースがデータ線３に接続されるとともに、ＴＦＴ５０のドレインが画素電極６に接続される。そして、各画素は、画素電極６と、対向基板に形成される対向電極と、これら両電極間に挟持された液晶とによって構成される。この結果、走査線２とデータ線３との各交差に対応して、画素はマトリクス状に配列されることとなる。

また、ＴＦＴ５０のゲートが接続される各走査線２には、走査信号Ｙ１、Ｙ２、…、Ｙｍが、パルス的に線順次で印加される。このため、ある走査線２に走査信号が供給されると、当該走査線に接続されるＴＦＴ５０がオンするので、データ線３から所定のタイミングで供給されるデータ信号Ｘ１、Ｘ２、…、Ｘｎは、対応する画素に順番に書き込まれた後、所定の期間保持されることとなる。

各画素に印加される電圧レベルに応じて液晶分子の配向や秩序が変化するので、光変調による階調表示が可能となる。例えば、液晶を通過する光量は、ノーマリーホワイトモードであれば、印加電圧が高くなるにつれて制限される一方、ノーマリーブラックモードであれば、印加電圧が高くなるにつれて緩和されるので、電気光学装置１全体では、画像信号に応じたコントラストを持つ光が各画素に出射される。このため、所定の表示が可能となる。

また、保持された画像信号がリークするのを防ぐために、蓄積容量５１が、画素電極６と対向電極との間に形成される液晶容量と並列に付加される。例えば、画素電極６の電圧は、ソース電圧が印加された時間よりも３桁も長い時間だけ蓄積容量５１により保持されるので、保持特性が改善される結果、高コントラスト比が実現される。

図６に示すように、走査線駆動回路１００は、１フレーム（１Ｆ）周期のＹ転送開始パルスＤＹを、Ｙクロック信号ＹＣＫに従って順次シフトして走査信号Ｙ１、Ｙ２、…Ｙｍを生成する。走査信号Ｙ１〜Ｙｍは各水平走査期間（１Ｈ）において順次アクティブとなる。データ線駆動回路２００は、水平走査周期のＸ転送開始パルスＤＸをＸクロック信号ＸＣＫに従って転送して、サンプリング信号Ｓ１、Ｓ２、…Ｓｎを内部的に生成する。そして、データ線駆動回路２００は、画像信号ＶＩＤをサンプリング信号Ｓ１、Ｓ２、…Ｓｎを用いてサンプリングしてデータ信号Ｘ１、Ｘ２、…Ｘｎを生成する。

（光検出装置３００の構成）
図７は、本発明を適用した電気光学装置に構成した光検出装置の概略構成図である。図４に示す電気光学装置１において、表示画像の見え易さは環境の明るさによって左右される。例えば、日中の自然光の下では、バックライト装置６００の発光輝度を高く設定し、明るい画面を表示する必要がある。一方、夜間の暗い環境の下では、バックライト装置６００の発光起動が日中ほど高くなくても鮮明な画像を表示することができる。従って、バックライト装置６００の発光輝度は、環境光の照度に応じて調整することが望ましい。

そこで、本形態の電気光学装置１には、光検出装置３００が構成されており、かかる光検出装置３００は、環境光の照度を計測する。また、調光回路５００は、光検出装置３００により得られた照度データ３００ａに応じた輝度でバックライト装置６００が発光するように制御する。なお、照度データ３００ａは、環境の照度を示すデータである。本形態では、光検出装置３００を構成するにあたって、図１（ａ）および図２を参照して説明した光検出装置３００が構成されている。

すなわち、図７に示すように、光検出装置３００は、入射光（環境光（外光／対象光）、および背景光（バックライト装置６００からの漏れ光（外乱光））の光量に応じた第１電流を出力する主センサ３１０Ａと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサ３１０Ｂとが直列に電気的接続されたセンサ回路３１０を備えている。ここで、副センサ３１０Ｂには、遮光体３２０（図２に示す遮光膜３２２）が配置されているため、外乱光は入射するが、対象光は入射しない。なお、主センサ３１０Ａには、遮光体３２０が配置されていないため、対象光および外乱光が入射する。

主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂはいずれもフォトダイオードであり、主センサ３１０Ａのカソード側には、４Ｖの第１電圧が印加され、副センサ３１０Ｂのアノードは接地されている。従って、センサ回路３１０の両端には、４Ｖの第１電圧が印加され、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂには、各々２Ｖの逆バイアスが印加されている。また、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢとのノードＱ（ノード）には、ノードＱから取り出される第１電流と第２電流との差分電流を検出する差分電流検出回路３４０が構成されている。

また、本形態の光検出装置３００では、ノードＱからの差分電流Δｉの出力ライン３６０に対して、ノードＱの電圧を所定の基準電圧値に補正するノード電圧補正回路３３０が構成されている。このノード電圧補正回路３３０は、ノードＱの電圧を調整するための電圧源３３３と、電圧源３３３を制御するコンパレータ３３１および電圧コントローラ３３２とによって構成されている。コンパレータ３３１は、ノードＱの電圧と基準電圧Ｖｒｅｆとを比較して、ノードＱの電圧が基準電圧Ｖｒｅｆよりも高ければハイレベルを、低ければローレベルを電圧コントローラ３３２へと出力する。電圧コントローラ３３２は、コンパレータ３３１の出力結果に応じて、電圧源３３３がノードＱへと印加する電圧を調節する。したがって、本形態では、ノード電圧補正回路３３０は、ノードＱの電圧を常に基準電圧Ｖｒｅｆに維持する。本形態では、基準電圧Ｖｒｅｆは、センサ回路３１０の両端に印加した４Ｖの第１電圧の１／２倍の電圧値＝２Ｖである。従って、ノード電圧補正回路３３０は、ノードＱの電圧を常に２Ｖに維持する。

さらに、本形態の光検出装置３００は、差分電流Δｉを増幅する増幅回路３５０を備えている。すなわち、差分電流検出回路３４０は、ノードＱとノード電圧補正回路３３０の電圧出力部（電圧源３３３）との間（ノードＱからの差分電流Δｉの出力ライン３６０）に介挿された第１抵抗体３５０Ａと、第１抵抗体３５０Ａより抵抗値が低い第２抵抗体３５０Ｂとを備えており、第２抵抗体３５０Ｂは、ノード電圧補正回路３３０の電圧出力部と基準電圧（２Ｖの定電圧）との間に介挿されている。また、第２抵抗体３５０Ｂと基準電圧（２Ｖの定電圧）との間には、第２抵抗体３５０Ｂを流れる電流を測定する電流計３９０が介挿されている。ここで、第１抵抗体３５０Ａの抵抗値をＲとすると、第２抵抗体３５０Ｂの抵抗値はＲの１／１０００倍である。このため、第２抵抗体３５０Ｂには、第１抵抗体３５０Ａの１０００倍の電流が流れる。なお、第１抵抗体３５０Ａおよび第２抵抗体３５０Ｂの抵抗値は、差分電流Δｉを十分に増幅できる値であるならば任意である。また、第１抵抗体３５０Ａおよび第２抵抗体３５０Ｂは、金属膜、ポリシリコン膜、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜などにより構成することができ、これらの薄膜はいずれも、電気光学装置１の素子基板を製造する際、ＴＦＴ、配線、画素電極に使用される薄膜である。また、コンパレータ３３１、電圧コントローラ３３２、および電圧源３３３については、ＴＦＴなどの製造工程を利用して、素子基板上に形成してもよいし、液晶パネルとは別体で構成してもよい。

（本形態の主な効果）
以上説明したように、本形態の電気光学装置１では、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂが出力する第１電流および第２電流の差分（差分電流Δｉ）は、バックライト装置６００から漏れた光（外乱光）を相殺した電流値であり、環境光の光量に応じたものとなる。このため、差分電流Δｉを検出すれば、対象光の強度を検出することができる。また、光検出装置３００での検出結果に基づいて、バックライト装置６００の発光輝度を調整したので、環境照度に応じて画面の明るさを制御することが可能となり、電気光学装置１の消費電力を削減することができる。また、ＴＦＴ等の素子を製造する工程を利用して、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂを形成したので、電気光学装置１の生産性を向上することができる。

また、本形態の電気光学装置１において、光検出装置３００では、主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとの間でインピーダンスに差が生じ、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの各々に印加される電圧が変動しても、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢのノードＱの電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに保持して差分電流Δｉを検出する。このため、周囲温度にかかわらず、環境光（対象光）の強度を精度よく検出することができる。

［電気光学装置への第２の適用例］
図８は、電気光学装置への第２の適用例で用いた本発明の光検出装置の概略構成図である。なお、本形態の電気光学装置は、基本的な構成が、上記の実施形態と同様であるため、共通する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

本形態の電気光学装置でも、図１（ａ）および図２を参照して説明した光検出装置３００が構成されている。すなわち、図８に示すように、光検出装置３００は、入射光の光量に応じた第１電流を出力する主センサ３１０Ａと、外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサ３１０Ｂとが直列に電気的接続されたセンサ回路３１０を備えている。副センサ３１０Ｂには、遮光体３２０（図２に示す遮光膜３２２）が配置されている。主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂはいずれもフォトダイオードであり、センサ回路３１０の両端には、４Ｖの第１電圧が印加され、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂには、各々２Ｖの逆バイアスが印加されている。また、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢとのノードＱには、ノードＱから取り出される第１電流と第２電流との差分電流を検出する差分電流検出回路３４０が構成されている。また、光検出装置３００では、ノードＱからの差分電流Δｉの出力ライン３６０に対して、ノードＱの電圧を所定の基準電圧値に補正するノード電圧補正回路３３０が構成されており、ノードＱの電圧を常に基準電圧Ｖｒｅｆに維持する。本形態では、基準電圧Ｖｒｅｆは、センサ回路３１０の両端に印加した４Ｖの第１電圧の１／２倍の電圧値＝２Ｖである。従って、ノード電圧補正回路３３０は、ノードＱの電圧を常に２Ｖに維持する。

本形態の光検出装置３００において、差分電流検出回路３４０は、ノードＱとノード電圧補正回路３３０の電圧出力部との間（ノードＱからの差分電流Δｉの出力ライン３６０）に介挿された抵抗体３７０と、この抵抗体３７０の両端電圧を計測して、抵抗体３７０に流れる電流値を測定する電圧計３９２とを備えている。

その他の構成は、上記実施形態と同様であるため、説明を省略するが、本形態の電気光学装置１および光検出装置３００でも、上記実施の形態１と同様、主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとの間でインピーダンスに差が生じ、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの各々に印加される電圧が変動しても、主センサ３１０Ａと副センサ３１０ＢのノードＱの電圧を基準電圧Ｖｒｅｆに保持して差分電流Δｉを検出する。このため、周囲温度にかかわらず、環境光（対象光）の強度を精度よく検出することができる。

［本発明の別の実施形態］
図９は、電気光学装置への第１の適用例で用いた光検出装置の変形例を示す構成図である。図７を参照して説明した光検出装置３００では、抵抗値が相違する２つの抵抗体３５０Ａ、３５０Ｂによって増幅回路３５０を構成したが、図７に示す第１抵抗体３５０Ａに代えて第１トランジスタ３８１Ａを用い、第２抵抗体３５０Ｂに代えて、第１トランジスタ３８１Ａとカレントミラー回路３８０を構成する第２トランジスタ３８１Ｂを用いて、増幅回路３５０を構成してもよい。この場合、第２トランジスタ３８１Ｂのチャネル幅を第１トランジスタ３８１Ａのチャネル幅より大きくすれば、差分電流は、第２トランジスタにより増幅されて検出される。また、第１トランジスタ３８１Ａおよび第２トランジスタ３８２Ｂはいずれも、ＴＦＴにより形成できるので、素子基板に形成することができる。

［本発明のさらに別の実施形態］
図７および図８に示す形態でおいて、ノード電圧補正回路３３０によって、ノードＱの電圧を常に２Ｖに維持するように構成したが、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、ノード電圧補正回路３３０によって、ノードの電圧を直線的あるいは階段状に変化させていき、ノードＱの電圧が２Ｖになったときに検出された差分電流に基づいて対象光の強度を検出してもよい。

上記形態においては、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂとして、低温プロセスで形成したポリシリコン膜を用いたフォトダイオードを説明したが、アモルファスシリコン膜を用いたフォトダイオードを主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂとして用いてもよい。また、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂとしては、ＰＩＮフォトダイオードに代えて、ＰＮフォトダイオードを用いてもよく、さらには、Ｎ型あるいはＰ型のＴＦＴを主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂとして用い、ＴＦＴのオフリーク電流によって、光電流を検出してもよい。

また、上記形態では、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂが１つずつの場合を説明したが、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂを複数組構成し、各々のノードＱを相互に接続して差分電流を取り出してもよい。このように構成すれば、複数の主センサ３１０Ａと複数の副センサ３１０Ｂを用いるので、より正確に対象光を検出することができる。また、差分電流の大きさを大きくすることができので、ノイズマージンを向上させることができる。この場合、主センサ３１０Ａおよび副センサ３１０Ｂの配列としては、各々が並列した構成、および主センサ３１０Ａと副センサ３１０Ｂとを交互に配置した構成などを採用することができる。

［その他の電気光学装置への適用例］
上記実施形態では、液晶装置において光検出装置３００での検出結果に基づいて、バックライト装置からの出射光量を制御したが、光検出装置３００での検出結果に基づいて、各画素に供給される信号を制御してもよい。また、上記実施形態では、電気光学装置として液晶装置を例に説明したが、有機エレクトロルミネッセンス装置において、光検出装置３００での検出結果に基づいて、各画素に供給される信号を制御してもよい。

［電子機器への搭載例］
次に、上述した実施形態に係る電気光学装置１を適用した電子機器について説明する。図１１（ａ）に、電気光学装置１を備えたモバイル型のパーソナルコンピュータの構成を示す。パーソナルコンピュータ２０００は、表示ユニットとしての電気光学装置１と本体部２０１０を備える。本体部２０１０には、電源スイッチ２００１及びキーボード２００２が設けられている。図１１（ｂ）に、電気光学装置１を備えた携帯電話機の構成を示す。携帯電話機３０００は、複数の操作ボタン３００１及びスクロールボタン３００２、並びに表示ユニットとしての電気光学装置１を備える。スクロールボタン３００２を操作することによって、電気光学装置１に表示される画面がスクロールされる。図１１（ｃ）に、電気光学装置１を適用した情報携帯端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）の構成を示す。情報携帯端末４０００は、複数の操作ボタン４００１及び電源スイッチ４００２、並びに表示ユニットとしての電気光学装置１を備える。電源スイッチ４００２を操作すると、住所録やスケジュール帳といった各種の情報が電気光学装置１に表示される。

なお、電気光学装置１が適用される電子機器としては、図１１に示すものの他、デジタルスチルカメラ、液晶テレビ、ビューファインダ型、モニタ直視型のビデオテープレコーダ、カーナビゲーション装置、ページャ、電子手帳、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、ＰＯＳ端末、タッチパネルを備えた機器等などが挙げられる。そして、これらの各種電子機器の表示部として、前述した電気光学装置１が適用可能である。

（ａ）、（ｂ）は、本発明を適用した光検出装置の概略構成図、およびその試験装置の概略構成図である。 図１に示す光検出装置に用いた光センサ（フォトダイオード）の構成例を示す断面図である。 本発明を適用した光検出装置の作用、効果を示す説明図である。 本発明を適用した電気光学装置の全体構成を示すブロック図である。 図４に示す電気光学装置の画像表示領域の構成例を示す回路図である。 図４に示す電気光学装置の走査線駆動回路およびデータ線駆動回路の動作を示すタイミングチャートである。 図４に示す電気光学装置に構成した光検出装置の概略構成図である。 本発明を適用した電気光学装置に用いた別の光検出装置の概略構成図である。 本発明を適用した光検出装置の変形例を示す構成図である。 本発明を適用した光検出装置の別の変形例を示す説明図である。 本発明を適用した電気光学装置を備えた電子機器の説明図である。 従来の光検出装置の問題点を示す説明図である。

符号の説明

３００ 光検出装置、３１０ センサ回路、３１０Ａ 主センサ、３１０Ｂ 副センサ、３２０ 遮光体、３３０ ノード電圧補正回路、３４０ 差分電流検出回路、３５０ 増幅回路

Claims (15)

1. 対象光と外乱光とが入射光として入射する光検出装置において、
   前記入射光の光量に応じた第１電流を出力する主センサと、前記外乱光の光量に応じた第２電流を出力する副センサとがノードを介して直列に電気的接続されたセンサ回路と、
   該センサ回路の両端に電圧を印加したときに前記ノードから取り出される前記第１電流と前記第２電流との差分電流を検出する差分電流検出回路と、を有し、
   前記センサ回路の両端に印加される電圧を第１電圧とし、前記ノードの電圧を第２電圧としたとき、前記第２電圧が所定の基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする光検出装置。
2. 前記副センサは、前記対象光が入射する面に対して、前記対象光および前記外乱光のうち、前記対象光を遮光する遮光体が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
3. 前記主センサと前記副センサとは、光電変換特性が等しく、
   前記第２電圧が、前記基準電圧値として、前記第１電圧の１／２倍の電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
4. 前記センサ回路の両端に前記第１電圧を印加したときの前記第２電圧を前記基準電圧値に補正するノード電圧補正回路を備え、
   該ノード電圧補正回路によって前記第２電圧が前記基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の光検出装置。
5. 前記ノード電圧補正回路は、前記センサ回路の両端に前記第１電圧を印加したときの前記第２電圧を前記基準電圧値と比較し、その比較結果に基づいて、前記ノードから前記差分電流を取り出す出力ラインに印加する電圧値を調整して前記第２電圧を前記基準電圧値に維持することを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
6. 前記ノード電圧補正回路は、前記ノードから前記差分電流を取り出すべき出力ラインに印加する電圧値を変化させていき、
   前記第２電圧が前記基準電圧値になったときの前記差分電流に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする請求項４に記載の光検出装置。
7. 前記差分電流検出回路は、前記差分電流を増幅する増幅回路を備え、
   当該増幅された電流値に基づいて前記対象光の強度を検出することを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の光検出装置。
8. 前記差分電流検出回路は、前記ノードと前記ノード電圧補正回路の電圧出力部との間に介挿された第１抵抗体と、該第１抵抗体より抵抗値が低く、前記ノード電圧補正回路の電圧出力部と基準電圧との間に介挿された第２抵抗体とを備え、
   前記差分電流は、前記第２抵抗体により増幅されて検出されることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載の光検出装置。
9. 前記差分電流検出回路は、前記ノードと前記ノード電圧補正回路の電圧出力部との間に介挿された第１トランジスタと、該第１トランジスタとカレントミラー回路を構成する第２トランジスタとを備え、
   前記差分電流は、前記第２トランジスタにより増幅されて検出されることを特徴とする請求項４乃至６の何れか一項に記載の光検出装置。
10. 前記主センサおよび前記副センサは、前記第１電圧によって逆バイアスが印加されたフォトダイオードであることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の光検出装置。
11. 前記フォトダイオードは、ポリシリコン膜に不純物が導入されたＮ型領域およびＰ型領域を備えていることを特徴とする請求項１０に記載の光検出装置。
12. 前記フォトダイオードは、前記Ｎ型領域と前記Ｐ型領域との間に真性のポリシリコン膜を備えていることを特徴とする請求項１１に記載の光検出装置。
13. 請求項１乃至１２の何れか一項に記載の光検出装置を備えた電気光学装置であって、
    前記光検出装置による前記対象光の検出結果に基づいて駆動条件が調整されることを特徴とする電気光学装置。
14. 光源装置と、該光源装置から出射された光を変調可能な電気光学パネルとを備え、前記光検出装置による前記対象光の検出結果に基づいて前記光源装置から出射される光量が調整されることを特徴とする請求項１３に記載の電気光学装置。
15. 請求項１３または１４に記載の電気光学装置を備えた電子機器。

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