JP2008083465A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶パネルと光源と外光を検出可能に設けられた光センサと制御回路とを備え光センサによる外光の検出精度を向上可能な液晶表示装置を提供することである。
【解決手段】液晶表示装置１０は、液晶パネル２０と、液晶パネル２０に光照射可能に設けられた光源３０と、外光Ｌ４を検出可能に設けられた光センサ４０と、制御回路５０と、を含んで構成されている。制御回路５０は、光源３０の間欠駆動を行うとともに光源３０のオフ期間中に光センサ４０による光検出を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、液晶表示装置に係り、特に液晶パネルと光源と外光を検出可能に設けられた光センサと制御回路とを備える液晶表示装置に関する。

液晶表示装置には光を検出するための光センサを有するものがある。この光センサは、液晶表示装置の周囲の明るさを検知するアンビエントセンサとして用いられたり、タッチパネルを構成する。図１０に示すように、従来の液晶表示装置では、バックライト光源を定常的にオン（点灯）させた状態で液晶パネルを交流駆動し、光センサによる光検出を行う。

特開２００４−１７０７２１号公報 特開２００４−１５７３７３号公報

液晶表示装置に取り付けられた光センサにはバックライト光も入射するので、外光の光検出を正確に行うことが難しい場合がある。

本発明の目的は、液晶パネルと光源と外光を検出可能に設けられた光センサと制御回路とを備え、光センサによる外光の検出精度を向上可能な液晶表示装置を提供することである。

本発明に係る液晶表示装置は、液晶パネルと、前記液晶パネルに光照射可能に設けられた光源と、外光を検出可能に設けられた光センサと、制御回路と、を備え、前記制御回路は前記光源の間欠駆動を行うとともに前記光源のオフ期間中に前記光センサによる光検出を行うことを特徴とする。

また、前記間欠駆動を５０Ｈｚ以上の周波数で行うことが好ましい。また、前記間欠駆動を前記液晶パネルの表示周波数よりも高い周波数で行うことが好ましい。また、前記間欠駆動を前記液晶パネルの表示周波数と同じ周波数で行うことが好ましい。また、前記液晶パネルにＯＣＢ方式のパネルを用い、前記間欠駆動について液晶応答期間の終了後に前記光源をオンにすることが好ましい。また、前記液晶表示装置はカラー・フィールド・シーケンシャル方式であることが好ましい。

上記構成によれば、光源からの出射光の影響を排除して外光を検出することができるので、光センサによる外光の検出精度を向上可能な液晶表示装置を提供することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

図１に液晶表示装置１０を説明するための模式図を示す。液晶表示装置１０は、液晶パネル２０と、光源３０と、光センサ４０と、制御回路５０とを含んで構成されている。

液晶パネル２０は、素子基板１００と、当該基板１００に対向する対向基板２００と、両基板１００，２００間に封入された液晶３００と、を含んで構成されている。液晶パネル２０は、光源３０からの出射光Ｌ３をバックライトとして利用した表示が可能であり、透過型または半透過型の液晶パネルである。液晶パネル２０の一例を図２の断面図を参照しつつ説明する。

素子基板１００は、例えば透明なガラスで構成された透光性基板１０２と、半導体層１０６と、ゲート絶縁膜１１０と、ゲート電極１１２と、保持容量電極１１４と、層間絶縁膜１１６と、ソース電極１１８と、ドレイン電極１２０と、平坦化膜１２２と、画素電極１２４と、を含んで構成されている。

素子基板１００では、半導体層１０６とゲート絶縁膜１１０とゲート電極１１２との積層構造を含んで画素ＴＦＴ（Thin Film Transistor）１５２が構成されている。ここでは画素ＴＦＴ１５２がトップゲート型の場合すなわちゲート電極１１２が半導体層１０６に対して透光性基板１０２とは反対側に位置する場合を例示するが、ゲート電極１１２を半導体層１０６に対して透光性基板１０２と同じ側に設けることによって画素ＴＦＴ１５２をボトムゲート型に構成することも可能である。トップゲート型によれば、対向基板２００側から入射する外光Ｌ４はゲート電極１１２によって遮光されるので、リーク電流の増加を防止することができ、外光Ｌ４が強い場合により有効である。また、素子基板１００では、半導体層１０６とゲート絶縁膜１１０と保持容量電極１１４との積層構造を含んで保持容量１５４が構成されている。

半導体層１０６は、例えばアモルファスシリコン、ポリシリコン等で構成され、透光性基板１０２上に配置されている。半導体層１０６は、ソース領域とドレイン領域と当該両領域に挟まれたチャネル領域とを含んでいる。ゲート絶縁膜１１０は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等で構成され、半導体層１０６を覆って透光性基板１０２上に配置されている。ゲート電極１１２は、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）等の金属で構成され、半導体層１０６に対向してゲート絶縁膜１１０上に配置されている。

保持容量電極１１４は、例えばゲート電極１１２と同じ材料で構成され、半導体層１０６に対向してゲート絶縁膜１１０上に配置されている。保持容量電極１１４は、半導体層１０６のドレイン側において半導体層１０６に対向し、これにより保持容量１５４が画素ＴＦＴ１５２のドレインと接続される。

層間絶縁膜１１６は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン等で構成され、ゲート電極１１２および保持容量電極１１４を覆ってゲート絶縁膜１１０上に配置されている。層間絶縁膜１１６およびゲート絶縁膜１１０を貫いてコンタクトホールが設けられており、これらのコンタクトホールは半導体層１０６のうちでソース領域およびドレイン領域に至っている。

ソース電極１１８は、例えばモリブデン（Ｍｏ）、アルミニウム(Ａｌ)等の金属で構成され、層間絶縁膜１１６上に配置されているとともに上記コンタクトホールを介して半導体層１０６のソース領域に接触している。ドレイン電極１２０は、例えばソース電極１１８と同じ材料で構成され、層間絶縁膜１１６上に配置されているとともに上記コンタクトホールを介して半導体層１０６のドレイン領域に接触している。なお、ソースとドレインとを上記とは逆に呼ぶことも可能である。

平坦化膜１２２は、例えば透光性樹脂膜で構成され、ソース電極１１８およびドレイン電極１２０を覆って層間絶縁膜１１６上に配置されている。平坦化膜１２２を貫いてドレイン電極１２０上にコンタクトホールが設けられている。

画素電極１２４は、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の透光性導電材料で構成され、平坦化膜１２２上に配置されているとともに上記コンタクトホールを介してドレイン電極１２０に接触している。画素電極１２４は液晶パネル２０の画素に対応する位置に設けられている。

対向基板２００は、例えば透明なガラスで構成された透光性基板２０２と、遮光性膜２０８と、カラーフィルタ２１０と、平坦化膜２１２と、共通電極２１４と、を含んで構成されている。

遮光性膜２０８は、例えばクロムと酸化クロムとの積層膜で構成され、透光性基板２０２上に配置されている。遮光性膜２０８は、画素電極１２４に対向する位置に開口部を有しており、この開口部によって画素の輪郭、形状等が規定される。遮光性膜２０８は、画素間の光漏れを防いで表示品質を向上させる等の役割がある。カラーフィルタ２１０は、例えば染色された樹脂で構成され、遮光性膜２０８の開口部に重ねて透光性基板２０２上に配置されている。これにより、カラーフィルタ２１０を介して透光性基板２０２の側へ出射される光が着色される。カラーフィルタ２１０の色は、配置される開口部、すなわち画素に応じて設定されている。平坦化膜２１２は、例えば透光性樹脂膜で構成され、遮光性膜２０８上およびカラーフィルタ２１０上の全面に配置されている。なお、平坦化膜２１２を省略することも可能である。共通電極２１４は、例えばＩＴＯ等の透光性導電材料で構成され、平坦化膜２１２上の全面に配置されている。

ここでは画素電極１２４と共通電極２１４とが別々の基板１００，２００に設けられた場合、例えばＴＮ（Twisted Nematic）モード、ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）モード、ＶＡ（Vertical Alignment）モード等に適用される場合を例示したが、画素電極１２４と共通電極２１４との両方を素子基板１００に設けて液晶パネル２０をＦＦＳ（Fringe Field Switching）モード、ＩＰＳ（In-Plane Switching）モード等に構成してもよい。

光源３０は、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）、蛍光ランプ、ＥＬ（エレクトロルミネッセンス）等で構成可能である。図１では光源３０が素子基板１００の直下に配置されて出射光Ｌ３を液晶パネル２０に照射する構成を例示しているが、出射光Ｌ３を液晶パネル２０に光照射可能である限り光源３０の配置はこれに限られるものではない。例えば、不図示の導光板を液晶パネル２０に対向させ当該導光板の端面に光源３０を対向させることにより当該端面へ出射光Ｌ３を導入するように構成してもよい。なお、図１は、光源３０を模式的に図示しているに過ぎず、光源３０の形状、個数、配置位置等を限定するものではない。また、光源３０と液晶パネル２０との間に拡散板等を設けてもよい。

光センサ４０は観察側から（ここでは対向基板２００側から）液晶パネル２０へ入射する外光Ｌ４を検出可能な状態にして、換言すれば光センサ４０の受光部または窓部を観察側へ向けて設けられている。光センサ４０は、例えば図３に示す電流−電圧特性のようにオフ電流が入射光の光強度に依存する場合、当該オフ電流の変動によって光センサ４０への入射光の強度を検出可能である。なお、図３の縦軸は例えば対数目盛軸である。光センサ４０は、例えばダイオード構造やトランジスタ構造の各種の光センサを利用可能であり、図１にはＰＩＮフォトダイオードで構成した場合を例示している。光センサ４０は、フォトダイオード構造の場合は画素ＴＦＴ１５２の半導体層１０６を利用でき、トランジスタ構造の場合は画素ＴＦＴ１５２とほぼ同様な工程で形成可能であり、液晶パネル２０に内蔵することが可能である。これに対して、個別部品として供給される光センサ４０を液晶パネル２０に外付けして、または、液晶パネル２０とは分離して設けることも可能である。なお、光センサ４０をトランジスタ構造として液晶パネル２０に内蔵する場合、ゲート電極は半導体層に対して外光側でない構造、図１では、ボトムゲート型となる。その場合、画素ＴＦＴ１５２はトップゲート型が好ましい。

ここで、図４および図５に光センサ４０の配置例を説明するための平面図を示す。図４には光センサ４０を液晶パネル２０の周辺領域（額縁領域とも呼ばれる）２２内に１個設けた場合を例示している。図５には光センサ４０を液晶パネル２０において画素が配置された領域である表示領域２１内に複数個設けた場合を例示している。図５では複数の光センサ４０が表示領域２１の全体にわたってマトリクス状に散在した場合を例示しているが、表示領域２１内の所定の区画に集合させてもよい。表示領域２１内に光センサ４０を配置する場合、必ずしも１つの画素に対して１つの光センサ４０を設ける必要はなく、例えば後述のように光センサ４０を利用してタッチパネルを構成する場合には液晶パネル２０にタッチする物体（指、ペン等）の接触面積内に少なくとも１つの光センサ４０が在ればよい。なお、周辺領域２２内に複数の光センサ４０を設けてもよいし、表示領域２１内に光センサ４０を１個設けてもよい。

図１のように、制御回路５０は、液晶パネル２０と光源３０と光センサ４０とに接続され、これらの要素２０，３０，４０の駆動等を制御するための構成を少なくとも有している。ここでは、制御回路５０が、例えば、表示用の制御部５２と、光源３０用の制御部５３と、光センサ４０用の制御部５４とを含んで構成される場合を例示する。

表示用制御部５２は例えば、表示する画像の信号またはデータの処理、画素電極１２４や画素ＴＦＴ１５２等へ印加する電位の生成、電位印加タイミング、等を制御することによって画素を駆動して表示を行うように構成される。光源用制御部５３は例えば、光源３０を駆動する電位等の生成、電位印加タイミング、等を制御することによって光源３０を駆動するように構成される。光センサ用制御部５４は例えば、光センサ４０のバイアス電位の生成、光センサ４０による光検出タイミング（光センサ４０からの信号の取り込みタイミング）、光検出信号の処理、等を制御することによって光センサ４０を駆動するように構成される。

例えば、光センサ４０をアンビエントセンサ（液晶表示装置１０の周囲の明るさを検知するセンサ）として利用する場合、光センサ用制御部５４が光センサ４０の検出による周囲の明るさに対してより見やすい表示輝度を求め、その表示輝度になるように光源用制御部５３が光源３０の出力を制御する。また、例えば、光センサ４０を利用して液晶表示装置にタッチパネル機能を付与する場合、光センサ用制御部５４は操作者の指等によって外光Ｌ４が遮られて受光量が減少した光センサ４０の位置を特定し、その特定結果に基づいて表示用制御部５２が次の動作や次の表示画面等を制御する。

制御部５２，５３，５４は、それぞれ独立の構成としてもよいし、例えば上記の各種電位を生成するための電源回路や各種の演算処理回路を共用するように構成してもよい。３つの制御部５２，５３，５４が単一の回路基板上に構成されている必要はない。同様に制御部５２，５３，５４のそれぞれが単一の回路基板上に構成されている必要もなく、例えば表示用制御部５２についてドライバＩＣ（Integrated Circuit）を液晶パネル２０に実装してもよい。

図６に液晶表示装置１０の動作を説明するためのタイミングチャートを示す。表示装置１０では、制御回路５０による制御の下、光源３０を定常的に間欠駆動するとともに光源３０のオフ期間中すなわち消灯期間中に光センサ４０による光検出を行う。制御回路５０の上記例示の構成の場合、光源３０の間欠駆動は光源用制御部５３が行い、光源用制御部５３との協働によって光センサ用制御部５４が光検出のタイミングを制御する。この動作によれば、光源３０の出射光Ｌ３の影響を排除して外光Ｌ４を検出することができ、外光
Ｌ４の検出精度を向上することができる。また、光源３０からの光Ｌ３を遮光するための遮光膜を光センサ４０に設ける必要がないので、構成が簡単であるし、製造工程も少なくてすむ。

光源３０の間欠駆動は５０Ｈｚ以上の周波数で行うことが好ましく、その場合には画像表示のフリッカを抑制することができる。図６には間欠駆動の周波数が液晶パネル２０での表示周波数（６０Ｈｚ）と同じ場合を例示している。なお、図６では画素が交流駆動される場合を例示しており（駆動電圧は一例である）、１フレームは１／（表示周波数）であり約１６．７ミリ秒である。間欠駆動は表示周波数よりも高い周波数で行ってもよく、図７のタイミングチャートには表示周波数の２倍の周波数で間欠駆動する場合を例示している。例えば間欠駆動の周波数が高い等のために光源３０のオン（点灯）とオフ（消灯）との切り替えに高速性が要求される場合、光源３０を例えばＬＥＤを利用して構成するのが好ましい。

図７では全ての光源オフ期間において光検出を行う場合を例示しているが、例えば複数回の光源オフ期間に対して光検出を１回行うようにしてもよい。図６および図７では光センサ４０による検出期間の長さが光源オフ期間の長さと同じ場合を例示しているが、検出期間を光源オフ期間よりも短くしてもよい。また、図６および図７では検出期間の始点と光源オフ期間の始点とを同期させているが、光源３０をオフにした後に光検出を開始しても構わない。また、図６および図７では光源３０のオン期間とオフ期間との長さが同じ場合すなわちデューティ比が５０％の場合を例示しているが、これに限られるものではない。

ここで、画像の表示方法として画素を１フレーム期間中、表示させ続ける（発光させ続ける）ホールド型表示が知られており、液晶表示装置において光源を定常的にオン状態する場合（図１０参照）がこれに相当する。これに対して、１フレーム期間においてインパルス状に画素を表示させる（発光させる）インパルス型表示がある。インパルス型表示の例としては陰極線管（ＣＲＴ）が挙げられ、１フレーム期間の一部の期間でのみ光源３０をオンにして画像を表示させる液晶表示装置１０もインパルス型表示に分類されると言える。インパルス型表示によれば、ホールド型表示に比べて、画像中の動きのある部分の輪郭がぼけにくい（例えば特許文献２参照）。このため、液晶表示装置１０によれば動画について良好な表示品質が得られる。

例えば図６において光源３０のオン期間とオフ期間とを入れ替えてもインパルス型表示を構成することが可能であるが、ここでは、光源オン期間は図６に図示されるように１フレーム期間中の終期側に設けるのがより好ましい。この点について図８を参照しつつ説明する。

一般に液晶表示装置では、表示に際して、ＴＦＴ書き込み期間と、液晶応答期間とを要し、両期間を経て配向保持期間に至る。ここで、ＴＦＴ書き込み期間とは画素ＴＦＴがオンし当該画素ＴＦＴを介して画素電極および保持容量が所定電位になるための期間とし、液晶応答期間とは画素電極の電位変化に対応して液晶の配向状態が変化する期間とし、配向保持期間とは液晶の配向が完了し保持される期間とする。なお、図８ではそれぞれを「ＴＦＴ書き込み」、「液晶応答」、「配向保持」と表記している。

つまり、１フレーム期間の始期側において光源３０をオンにした場合、液晶３００の配向が完了していないために画像データに応じた所定の輝度が得られない可能性がある。このため、上記のように１フレーム期間の終期側において（より好ましくは液晶応答期間の終了後において）光源３０をオンにするが好ましい。なお、図８では光源オン期間を「光源オン」と表記している。図８では光源オン期間の長さが配向保持期間の長さと同じ場合を例示しているが、配向保持期間中の一部の期間に光源オン期間を設けてもよい。

光源オン期間が長いほど画素の輝度を高くすることが可能である。かかる高輝度化のためには、応答性の高いモードで液晶を駆動して液晶応答期間を短縮化することが考えられ、高速駆動が可能なＯＣＢモードを用いるのが好ましい。例えば、立ち上がり時間についてＴＮモードは１６．３ミリ秒であるのに対してＯＣＢモードによれば０．９ミリ秒であり、立ち下がり時間についてＴＮモードでは２２．７ミリ秒であるのに対してＯＣＢモードによれば３．７ミリ秒である。なお、立ち上がり時間とは、初期配向状態から所定の配向状態へ変化するまでの時間であり、例えばノーマリ・ホワイト方式（Normaly White Type）の場合では白表示から黒表示へ変化する時間である。立ち下がり時間とは、上記所定の配向状態から初期配向状態へ変化するまでの時間であり、例えば上記とは逆に黒表示から白表示への変化時間である。ＯＣＢモードによれば、例えば、ＴＦＴ書き込み期間を３ミリ秒、液晶応答期間を７．９ミリ秒、配向保持期間（≧光源オン期間）を５．７ミリ秒とする駆動が可能である。

液晶表示装置１０を利用してフィールド・シーケンシャル方式によるカラー表示を行うことが可能である。図９にカラー・フィールド・シーケンシャル方式を説明する模式図を示す。フィールド・シーケンシャル方式では、例えば赤色と緑色と青色との各画像を時分割で順次に切り替えて表示することによって混色するカラー表示方式である。例えば赤色画像を表示するためのサブフレーム期間は、ＴＦＴ書き込み期間と、液晶応答期間と、光源３０のオン期間とを含んでいる。ここでは説明の簡単のために、光源オン期間と配向保持期間とが一致する場合を例示する。緑色画像および青色画像を表示するための期間についても同様である。フィールド・シーケンシャル方式では、１フレーム期間（＝１／６０秒）内に各色の画像を切り替えて表示するので、上記各色のサブフレーム期間は１／１８０秒以下、すなわち約５．６ミリ秒以下である。

なお、フィールド・シーケンシャル方式では、上記各色の画像が混色されずに分離して視認される現象、カラーブレイク（またはカラーブレイクアップ）が生じる場合がある。このカラーブレイクは、上記約５．６ミリ秒よりもさらに高速に各色の画像を切り替えることによって、例えばフレーム周波数に対して２倍速以上である２．８ミリ秒以下の時間で各色の画像を切り替えることによって抑制可能である。

各色のサブフレームの表示順序、各画像の色、色数等は上記例示に限られない。

また、例えば赤色と緑色と青色の光源の場合、各色の光源は輝度が異なる可能性や、光センサ４０は各色の波長によって検出感度が異なる可能性があるので、カラー・フィールド・シーケンシャル方式では光源のオフ期間中に光検出を行うことはさらに重要となり、検出精度の向上につながる。

なお、フィールド・シーケンシャル方式では、カラーフィルタが不要なので、上記構成からカラーフィルタ２１０を取り除いた構成の液晶パネル２０が用いられる。

上記では光源３０をバックライト光源として説明したが、光源３０をフロントライト光源として利用することも可能であり、この場合にも光源３０の影響を排除して外光Ｌ４を検出することができる。この場合、液晶パネル２０は反射型または半透過型のパネルが適用される。

本発明に係る実施の形態について液晶表示装置を説明するための模式図である。 本発明に係る実施の形態について液晶パネルを説明するための断面図である。 本発明に係る実施の形態について光センサを説明するための模式図である。 本発明に係る実施の形態について光センサの配置例を説明するための平面図である。 本発明に係る実施の形態について光センサの配置例を説明するための平面図である。 本発明に係る実施の形態について液晶表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に係る実施の形態について液晶表示装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明に係る実施の形態について液晶表示装置の動作を説明するための模式図である。 本発明に係る実施の形態についてカラー・フィールド・シーケンシャル方式を説明するための模式図である。 従来の液晶表示装置を説明するためのタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 液晶表示装置、２０ 液晶パネル、３０ 光源、４０ 光センサ、５０ 制御回路、Ｌ４ 外光、１５２ 画素ＴＦＴ。

Claims (6)

1. 液晶パネルと、前記液晶パネルに光照射可能に設けられた光源と、外光を検出可能に設けられた光センサと、制御回路と、を備え、前記制御回路は前記光源の間欠駆動を行うとともに前記光源のオフ期間中に前記光センサによる光検出を行うことを特徴とする液晶表示装置。
2. 請求項１に記載の液晶表示装置であって、
   前記間欠駆動を５０Ｈｚ以上の周波数で行うことを特徴とする液晶表示装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の液晶表示装置であって、
   前記間欠駆動を前記液晶パネルの表示周波数よりも高い周波数で行うことを特徴とする液晶表示装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の液晶表示装置であって、
   前記間欠駆動を前記液晶パネルの表示周波数と同じ周波数で行うことを特徴とする液晶表示装置。
5. 請求項４に記載の液晶表示装置であって、
   前記液晶パネルにＯＣＢ方式のパネルを用い、前記間欠駆動について液晶応答期間の終了後に前記光源をオンにすることを特徴とする液晶表示装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一つに記載の液晶表示装置であって、
   前記液晶表示装置はカラー・フィールド・シーケンシャル方式であることを特徴とする液晶表示装置。

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