JP2008180811A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量が少なく、静音化及び小型化が可能であって、且つ高解像度の画像の取り込みを可能とし得る液晶表示装置を提供する。
【解決手段】液晶表示パネル２と、結像光学系及び固体撮像素子を有する撮像部４と、バックライト装置５とを備えた液晶表示装置を用いる。バックライト装置５は、光源８と光学層６とを備える。光学層６には開口部９が設けられている。撮像部４は、観察者側から液晶表示パネル２に入射し、それを透過した光が、開口部９を介して結像光学系に入射するように、バックライト装置５の内部に配置される。撮像部４は、結像光学系に入射した光を固体撮像素子で受光することによって、液晶表示パネル２の観察者側の状態を撮像する。開口部９は、開口形状が固体撮像素子の受光エリアの形状と相似するように形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像入力機能を備えた液晶表示装置に関する。

近年、表示装置の分野においては、表示機能に加え、入力機能をも兼ね備えた表示装置が普及してきている。このような表示装置の一例としては、タッチパネル付の表示装置が挙げられる（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に開示の表示装置は、プロジェクタから照射した光を表示領域へと導き、導かれた光のうち表示領域上に置かれたユーザの指で反射された光をＣＣＤカメラで受光することによってタッチ位置の検出を行なっている。

また、タッチパネル付の表示装置の他に、画像そのものを取り込むことができるように構成された液晶表示装置も開示されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された表示装置は、アクティブマトリクス基板上にマトリクス状に配置された複数個のフォトダイオードを備えており、これにより、表示画面上の物体の画像を取り込んでいる。
特開２００１−３５０５８６号公報（第１図） 特開２００４−１５９２７３号公報（第２図−第３図）

しかしながら、特許文献１に開示の表示装置においては、プロジェクタを使用する必要があるため、電源ファンによる騒音が大きいという問題、発熱量が大きいという問題、装置全体を小型化できないという問題がある。

また、特許文献２に開示の表示装置は、画像の取り込みを可能とする構成を備えているが、結像光学系を備えていないため、特許文献２に開示の表示装置において、鮮明な取り込み画像を得ることは不可能である。特許文献２の表示装置には、高解像度の取り込みを行なうことが不可能であるという問題がある。

本発明の目的は、上記問題を解消し、発熱量が少なく、静音化及び小型化が可能であって、且つ高解像度の画像の取り込みを可能とし得る液晶表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明における液晶表示装置は、液晶表示パネルと、結像光学系及び前記結像光学系によって結像された像を受光する固体撮像素子を有する撮像部と、前記液晶表示パネルを裏面側から照明するバックライト装置とを備え、前記バックライト装置は、光源と、前記光源の前記液晶表示パネル側に配置された光学層とを備え、前記光学層には開口部が設けられ、前記撮像部は、観察者側から前記液晶表示パネルに入射し、それを透過した光が、前記開口部を介して前記結像光学系に入射するように、前記バックライト装置の内部に配置されており、前記結像光学系に入射した光を前記固体撮像素子で受光することによって、前記液晶表示パネルの観察者側における状態を撮像し、前記開口部は、開口形状が前記固体撮像素子の受光エリアの形状と相似するように形成されていることを特徴とする。

以上のように、本発明における液晶表示装置によれば、液晶表示パネルによって画像を表示できるため、従来の画像入力機能付きの表示装置に比べて、発熱量の減少化、静音化及び小型化を達成できる。更に、本発明における液晶表示装置は、結像光学系を有する撮像部を備えるため、従来の画像入力機能を備えた表示装置に比べ、高解像度で画像を取り込むことができる。

本発明における液晶表示装置は、液晶表示パネルと、結像光学系及び前記結像光学系によって結像された像を受光する固体撮像素子を有する撮像部と、前記液晶表示パネルを裏面側から照明するバックライト装置とを備え、前記バックライト装置は、光源と、前記光源の前記液晶表示パネル側に配置された光学層とを備え、前記光学層には開口部が設けられ、前記撮像部は、観察者側から前記液晶表示パネルに入射し、それを透過した光が、前記開口部を介して前記結像光学系に入射するように、前記バックライト装置の内部に配置されており、前記結像光学系に入射した光を前記固体撮像素子で受光することによって、前記液晶表示パネルの観察者側における状態を撮像し、前記開口部は、開口形状が前記固体撮像素子の受光エリアの形状と相似するように形成されていることを特徴とする。

以上の特徴により、バックライト装置の光学層に設ける必要のある開口部の大きさは、必要最小限に抑えられる。よって、この開口部が、液晶表示パネルを介して外部から視認されるのを抑制でき、開口部の視認による表示品位の低下が抑制される。

また、上記本発明における液晶表示装置においては、前記開口部の形状が、長辺の長さをｄ１とし、且つ短辺の長さをｄ２とする長方形状を呈しており、前記光学層の前記液晶表示パネル側に円形黒色の印を付し、その状態で、前記バックライト装置を点灯し、そして前記液晶表示パネルの表示領域全体が白表示されるように前記液晶表示パネルを駆動したときの、前記表示領域上の前記印に厚み方向において重なる領域の輝度をＬＵ１とし、前記円形黒色の印が付されていない状態で、前記バックライト装置を点灯し、そして前記液晶表示パネルの表示領域全体が白表示されるように前記液晶表示パネルを駆動したときの、前記表示領域上の前記ＬＵ１を測定した領域と同一の領域の輝度をＬＵ２とし、輝度ＬＵ２に対する輝度ＬＵ１の比（ＬＵ１／ＬＵ２）を９０%以上とする前記印の直径をΦとすると、下記式（１）が成立するのが好ましい。この場合は、バックライト装置の光学層に形成された開口部が、観察者側から視認されるのを確実に抑制することができ、表示画像の画質の向上を図ることができる。

（数２）
πｒ²＝ｄ１・ｄ２ ・・・・・（１）

また、上記本発明における液晶表示装置は、前記液晶表示パネルの観察者側へ検出光を出射する検出光源部を更に備え、前記撮像部が、観察者側から前記液晶表示パネルに入射し、それを透過した後に、前記開口部を介して前記結像光学系に入射した前記検出光を受光するのが好ましい。この場合は、撮像画像の解像度の向上を図ることができる。

更に、この場合においては、前記検出光の波長が７００ｎｍ以上であり、前記撮像部が、７００ｎｍ以上の波長の光のみを透過させる光学フィルタを備え、前記光学フィルタを透過した光のみを受光するのが良い。これにより、可視光によるノイズが除去され、更なる撮像画像の高解像度化が図られる。

（実施の形態）
以下、本発明の実施の形態における液晶表示装置について、図１〜図６を参照しながら説明する。最初に、本実施の形態における液晶表示装置の構成について図１〜図４を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。図２は、図１に示す液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図である。図３は、図１及び図２に示されたバックライト装置の上面図である。図４は、本実施の形態における液晶表示装置に備えられた撮像部の構成を示す図であり、図４（ａ）は撮像部の全体構成を示す断面図、図４（ｂ）は撮像素子の外観を示す斜視図である。

図１及び図２に示すように、液晶表示装置は、液晶表示パネル２と、撮像部４と、液晶表示パネル２を裏面側から照明するバックライト装置５とを備えている。本実施の形態において、液晶表示パネル２は、透過型又は半透過型の液晶表示パネルである。液晶表示パネル２は、アクティブマトリクス基板２ｃと、フィルタ基板（対向基板）２ａとによって液晶層２ｂ挟み込んで形成されている。

アクティブマトリクス基板２ｃは、ベース基板となるガラス基板上に、マトリクス状に配置された複数の画素を備えている。各画素は、主にアクティブ素子（図示せず）と画素電極とを備えている。また、液晶表示パネル２の表示面において、この複数の画素が設けられた領域と厚み方向（図１中の太線の矢印で示す）において重なる領域が、表示領域３となる。

また、図１〜図３に示すように、バックライト装置５は、光源となる複数の蛍光ランプ８と、光学層６とを備えている。光学層６には、撮像部４による撮像が光学層６によって妨げられないようにするため、撮像部４毎に開口部９が設けられている。複数の蛍光ランプ８は、バスタブ型の筐体７の内部に互いに平行な状態で配置されている。図２においては、光学層６及び筐体７は破線で示している。また、図示していないが、筐体７の内面には反射シートが貼付されている。光学層６は、拡散板、拡散シート、プリズムシート、反射／偏光シート等を順に積層して形成されている。

撮像部４は、観察者側から液晶表示パネル２に入射し、それを透過した光が、開口部９を介して結像光学系（図４（ａ）参照）に入射するように、バックライト装置５の内部に配置されている。具体的には、撮像部４は、筐体７内の隣接する蛍光ランプ８の間に、撮像方向がバックライト装置５の出射方向に一致した状態で配置されている。開口部９は、撮像部４が受光する光の光学的経路と重なる位置に、即ち、開口部９と受光エリア２３とが厚み方向において重なるように配置されている。

図４（ａ）に示すように、撮像部４は、結像光学系を構成するレンズ素子２１と、固体撮像素子２２とを備えている。また、本実施の形態では、レンズ素子２１の光軸２１ａと、固体撮像素子２２の受光エリア２３（図４（ｂ）において斜線を付した領域）の中心を通る法線２２ａとは一致している。固体撮像素子２２としては、ＣＣＤ固体撮像素子や、ＭＯＳ型固体撮像素子等を用いることができる。また、図４（ａ）において、２４はレンズ素子２１及び固体撮像素子２２を保持するフレームである。２５は、設定波長以上の波長の光のみを透過させる光学フィルタ（ハイパスフィルタ）である。

このような構成により、撮像部４は、結像光学系（レンズ素子２１）に入射した光を固体撮像素子２２によって受光することができる（図１参照）。例えば、液晶表示パネル２の表示領域３上に、被写体１（ヒトの指先）が存在する場合、被写体１の反射光が、液晶表示パネル２及び開口部９を介して、撮像部４の結像光学系に入射する。この結果、液晶表示パネル２の観察者側における状態（被写体１）が、撮像部４によって撮像される。

また、撮像部４の光学的撮像距離（結像光学系の焦点距離）を稼ぐため、液晶表示パネル２とバックライト装置５とは、従来の液晶表示装置に比べ、距離を置いて配置される。液晶表示パネル２とバックライト装置５とは、フレーム１２によって、一定の距離Ｌ１を置いて保持されている。例えば、液晶表示パネル２の大きさが、３０インチ程度であるならば、液晶表示パネル２とバックライト装置５との距離Ｌ１は１５ｃｍ程度に設定される。

本実施の形態において、撮像部４の個数は特に限定されるものではないが、図１〜図３に示すように、複数個の撮像部４が配置されているのが好ましい。更に、複数個の撮像部４は、それぞれが異なる領域を撮像できるように配置されるのが好ましい。この場合、単一の撮像部しか設けられない場合に比べて、撮像部４それぞれの撮像領域を狭くすることができ、撮像部４が求める光学的撮像距離を短くすることができる。よって、液晶表示パネル２とバックライト装置５との間の距離Ｌ１の短縮化により、液晶表示装置の薄型化を図ることができる。

更に、複数個の撮像部４それぞれの撮像領域は、被写体１の位置の認識が正確に行われるようにするため、隣接する撮像領域同士が部分的に重なり合うように設定するのが好ましい。また、表示領域３の上方に存在するものまでも、被写体１として撮像できるようにするため、撮像部４の結像光学系の合焦範囲は、液晶表示パネル２の表面近傍、例えば、表示領域３から観察者側に１ｃｍの範囲内に設定するのが好ましい。

また、本実施の形態では、液晶表示装置は、液晶表示パネル２の観察者側の空間に向けて、即ち、被写体１に向けて検出光を出射する検出光源部１０を更に備えている。検出光源部１０は、並列に配列された複数の発光素子１１（図１参照）を備えている。発光素子１１としては、例えば、設定波長の光を照射する発光ダイオードを用いることができる。撮像部４は、被写体１で反射された検出光を受光することによって、撮像を行うことができる。検出光は、観察者側から液晶表示パネルに入射し、それを透過した後に、開口部９を介してレンズ素子２１に入射する。レンズ素子２１に入射した検出光は、固体撮像素子２２によって受光される。

本実施の形態では、検出光源部１０は光量ロスを少なくするため、表示領域３の周辺の領域に配置されている。具体的には、図２に示すように、４つの検出光源部１０が、表示領域３のいずれかの辺に沿って、表示領域３を囲むように配置されている。各検出光源部１０は、対向位置にある検出光源部１０に向けて検出光を出射している。本実施の形態において、検出光源部１０の数は特に限定されるものではない。例えば、検出光源部１０の数が二つであって、対向する２辺にのみ検出光源部１０が配置された態様であっても良い。

本実施の形態において検出光の波長は、７００ｎｍ以上に設定するのが良い。この場合、液晶表示パネル２に備えられたカラーフィルタや偏光板に対する検出光の透過性の向上を図ることができる。また、透過性の更なる向上の点からは、検出光の波長は、８００ｎｍ以上、特には８５０ｎｍ以上に設定するのが好ましい。また、これに対応するため、撮像部４の光学フィルタ２５は、波長が７００ｎｍ以上の光のみを透過させるハイパスフィルタであるのが好ましい。

ところで、このように、撮像部４がバックライト装置５の内部に配置されるため、バックライト装置５の発光面（図３参照）では、撮像窓となる開口部９が設けられた領域の輝度が低下する。よって、観察者によって開口部９が視認される可能性があり、視認された場合は、表示画像の画質の低下が引き起こされる。

このような外部からの開口部９の視認を抑制するためには、撮像部４による撮像を妨げない範囲で、開口部９の大きさを可能な限り小さくする必要がある。具体的には、図２〜図４に示すように、開口部９の有効利用によるサイズの拡大の抑制を図るため、開口部９の開口形状は固体撮像素子２２（図４（ａ）参照）の受光エリア２３の形状と相似するように形成される。つまり、開口部９は、長辺ｄ１と短辺ｄ２との比が、受光エリア２３の長辺Ｄ１と短辺Ｄ２との比に一致するように形成されている（ｄ１：ｄ２＝Ｄ１：Ｄ２）。

また、開口部９の大きさ（開口面積）がある程度まで小さくなると、開口部９の外部からの視認は困難になる。視認が困難になる大きさは、液晶表示パネル２とバックライト装置５との距離（図１参照）にも関係する。よって、本実施の形態においては、開口部９の大きさの設定は、液晶表示パネル２とバックライト装置５との距離と、開口部９の外部からの視認の程度とを考慮しながら行われる。

ここで、開口部の大きさの設定方法について図５及び図６を用いて説明する。図５は、バックライト装置の光学層に付された印の視認検査を示す説明図である。図６は、図５に示した視認検査によって得られた結果を示すグラフである。図５において、バックライト装置１４は、光学層１３に開口部９が設けられていない以外は、図１〜図３に示されたバックライト装置５と同様に構成されている。また、図６において縦軸は、液晶表示パネル２とバックライト装置１４との距離を示し、横軸はバックライト装置１４の光学層１３に付された黒色円形の印の直径を示している。

先ず、図５に示すように、光学層１３の液晶表示パネル２側に円形黒色の印３１〜３５を付する。各印の直径はそれぞれ異なり、Φ１、Φ２、Φ３、Φ４、Φ５に設定されている（Φ１＜Φ２＜Φ３＜Φ４＜Φ５）。そして、印３１〜３５が付された状態で、バックライト装置１４を点灯すると共に、表示領域３全体が白表示されるように液晶表示パネル２を駆動する。また、このときの液晶表示パネル２からバックライト装置１４までの距離（パネル裏面から発光面までの距離）は、図１に示した例と同様にＬ１に設定されている。

次いで、印３１〜３５毎に、それぞれに厚み方向において重なる表示領域３上の輝度ＬＵ１（１）〜ＬＵ１（５）を測定する。続いて、円形黒色の印３１〜３５を取り除き、表示領域３上のＬＵ１（１）〜ＬＵ１（５）を測定した領域と同一の領域の輝度ＬＵ２（１）〜ＬＵ２（５）を測定する。輝度の測定は、市販の輝度計（たとえばトプコン社製ＢＭ−５ａ）を用いて、次の要領で行われる。

先ず、バックライト装置１４及び液晶表示パネル２を暗室に配置する。次に、輝度の測定方向が液晶表示パネル２の表示面に対して垂直となるように輝度計を設置し、そして輝度を測定する。このとき、輝度計と表示面との距離や、測定視野角は、輝度計の被測定領域の直径が最も小さい印３１の直径Φ１の約半分となるように設定するのが良い。なお、上記の測定作業は、印３１〜印３５毎に、各印の位置に応じて輝度計を移動させながら、上記の距離及び測定視野角の条件を同一にして行われる。印を取り除いた場合も同様である。

本実施の形態において、ＬＵ１及びＬＵ２の測定順序は、上記に限定されものではない。測定順序は上記とは逆になっていても良い。また、本実施の形態では、印が取り除かれたときの輝度として、各印に対応する領域の輝度を測定しているが、これに限定されるものではない。例えば、印が取り除かれたときの表示領域内の任意の数箇所の輝度を測定し、その平均値を求め、これを共通のＬＵ２として扱う態様とすることもできる。

そして、印が存在しない場合の輝度ＬＵ２（１）〜ＬＵ２（５）それぞれに対する、印が存在する場合のＬＵ１（１）〜ＬＵ１（５）の比（ＬＵ１（ｎ）／ＬＵ２（ｎ）：ｎ＝１、２、３、４、５）を求める。このとき、算出された比が９０％以上である場合は、印の外部からの視認は極めて困難となる。図６において直線は、比が９０％になる場合を示している。図５及び図６の例では、直径がΦ２の印３２についての比が９０％となり、直径がΦ１の印３１についての比は９０％以上となる。印３１及び３２についての視認は困難である。一方、残りの印３３〜３５では、それぞれの比は９０％より小さな値となり、容易に視認可能である。

このことから、本実施の形態では、開口部９は、その面積（ｄ１・ｄ２）が、印３２の面積以下となるように、即ち、下記式（１）が成立するように形成するのが好ましい。なお、下記式（１）において、Φ≦Φ２である。

（数３）
πΦ²／４＝ｄ１・ｄ２ ・・・・（１）

以上のように本実施の形態における液晶表示装置によれば、バックライト装置５の内部に配置した撮像部４によって、液晶表示パネル２の観察者側の状態を高解像度で撮像できる。また、バックライト装置５の光学層６に設けられる開口部９の大きさは最小限に抑えられ、殆ど外部から視認できなくなる。本実施の形態では、開口部９による表示品位の低下も抑制されている。

以上のように、本発明の液晶表示装置は、入力機能を備えており、パーソナルコンピュータ、テレビ、ゲーム機器等の表示装置として有用であり、産業上の利用可能性を有している。

図１は、本発明の実施の形態における液晶表示装置の概略構成を示す断面図である。 図２は、図１に示す液晶表示装置の概略構成を示す分解斜視図である。 図３は、図１及び図２に示されたバックライト装置の上面図である。 図４は、本実施の形態における液晶表示装置に備えられた撮像部の構成を示す図であり、図４（ａ）は撮像部の全体構成を示す断面図、図４（ｂ）は撮像素子の外観を示す斜視図である。 図５は、バックライト装置の光学層に付された印の視認検査を示す説明図である。 図６は、図５に示した視認検査によって得られた結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 被写体
２ 液晶表示パネル
２ａ フィルタ基板（対向基板）
２ｂ 液晶層
２ｃ アクティブマトリクス基板
３ 表示領域
４ 撮像部
５、１４ バックライト装置
６、１３ 光学層
７ 筐体
８ 蛍光ランプ
９ 開口部
１０ 検出光源部
１１ 発光素子
１２ フレーム
２１ レンズ素子
２１ａ レンズ素子の光軸
２２ 固体撮像素子
２３ 受光エリア
２４ 撮像部のフレーム
３１〜３５ 印

Claims (4)

1. 液晶表示パネルと、結像光学系及び前記結像光学系によって結像された像を受光する固体撮像素子を有する撮像部と、前記液晶表示パネルを裏面側から照明するバックライト装置とを備え、
   前記バックライト装置は、光源と、前記光源の前記液晶表示パネル側に配置された光学層とを備え、前記光学層には開口部が設けられ、
   前記撮像部は、観察者側から前記液晶表示パネルに入射し、それを透過した光が、前記開口部を介して前記結像光学系に入射するように、前記バックライト装置の内部に配置されており、前記結像光学系に入射した光を前記固体撮像素子で受光することによって、前記液晶表示パネルの観察者側における状態を撮像し、
   前記開口部は、開口形状が前記固体撮像素子の受光エリアの形状と相似するように形成されていることを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記開口部の形状が、長辺の長さをｄ１とし、且つ短辺の長さをｄ２とする長方形状を呈しており、
   前記光学層の前記液晶表示パネル側に円形黒色の印を付し、その状態で、前記バックライト装置を点灯し、そして前記液晶表示パネルの表示領域全体が白表示されるように前記液晶表示パネルを駆動したときの、前記表示領域上の前記印に厚み方向において重なる領域の輝度をＬＵ１とし、
   前記円形黒色の印が付されていない状態で、前記バックライト装置を点灯し、そして前記液晶表示パネルの表示領域全体が白表示されるように前記液晶表示パネルを駆動したときの、前記表示領域上の前記ＬＵ１を測定した領域と同一の領域の輝度をＬＵ２とし、
   輝度ＬＵ２に対する輝度ＬＵ１の比（ＬＵ１／ＬＵ２）を９０%以上とする前記印の直径をΦとすると、
   下記式（１）が成立する請求項１に記載の液晶表示装置。
   （数１）
   πΦ²／４＝ｄ１・ｄ２ ・・・・・（１）
3. 前記液晶表示パネルの観察者側へ検出光を出射する検出光源部を更に備え、
   前記撮像部が、観察者側から前記液晶表示パネルに入射し、それを透過した後に、前記開口部を介して前記結像光学系に入射した前記検出光を受光する請求項１に記載の液晶表示装置。
4. 前記検出光の波長が７００ｎｍ以上であり、
   前記撮像部が、７００ｎｍ以上の波長の光のみを透過させる光学フィルタを備え、前記光学フィルタを透過した光のみを受光する請求項３に記載の液晶表示装置。

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