JP2009042676A

JP2009042676A - 表示装置

Info

Publication number: JP2009042676A
Application number: JP2007210154A
Authority: JP
Inventors: Keitaro Yamashita; 下佳大朗山
Original assignee: TPO Displays Corp
Current assignee: TPO Displays Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: US20090040174A1; JP5064136B2; TWI375062B; CN101364262A; TW200907474A

Abstract

【課題】表示部に併設されたイメージセンサのイメージ検出を、中間値も処理可能にした表示装置を提供する。
【解決手段】表示装置は、それぞれ液晶素子を含み、入射光を検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された入射光の輝度に応じたアナログの第１のデータを保持する保持手段と、前記保持手段で保持された前記第１のデータに基づいた第２のデータを作成するデータ決定手段とを含み、行に対応するゲート線と列に対応するソース線との各交点部にマトリクス状に配置された複数の表示画素部と、前記ゲート線を選択的に活性化するゲート線駆動回路と、前記ソース線に表示データを供給するソース線駆動回路と、前記データ決定手段により出力された前記第２のデータを前記ソース線を介して検出出力データを取り出す出力手段と、前記入射光の強さに対する前記検出出力データの判定基準を変更可能な検出感度制御手段とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は表示装置に係り、特に指紋認証を行うのに好適なイメージセンサを有する表示装置に関する。

特にセキュリティ上の要請から、指紋認証等のイメージ取得を画面上で行う表示装置が携帯型電話機、ＰＤＡ、コンピュータ等で多用されるようになっている。

このような表示装置では、トランジスタスイッチを介して設けられた液晶容量がマトリクス状に配置された通常の液晶表示装置に加えて、液晶表示装置の全部または一部の画素ごとに指紋等からの反射光を検出する光センサ、この光センサで検出された光量に応じた電圧を保持するキャパシタ、このキャパシタに蓄積された電圧を１ビットデータに変換するＡ／Ｄ変換器よりなるイメージセンサを表示装置の表面層に積層したハイブリッド形式のものが知られている（特許文献１参照）。

図１は特許文献１に開示された従来の指紋認証可能な表示装置の基本構成を示す回路図であり、１画素分が表示されている。

ソース線Ｓｋとゲート線Ｇとの交点に、ゲート線にゲートが、ソース線にソースが接続されたトランジスタ１０が設けられ、このトランジスタ１０のドレインと接地間に容量ＣLCとして示された液晶素子が接続されており、通常の液晶表示装置と同様の構成を有している。

一方、指紋データ取得部２０も設けられており、カソードが電源Vddに接続され、アノードがサンプルスイッチ１２に接続され、このサンプルスイッチ１２の他端には、フォトダイオードで受光量に応じて発生した電荷を蓄積するホールドコンデンサ１３の一端が接続され、他端は接地されている。

サンプルスイッチ１２とホールドコンデンサ１３との接続ノードＮ１とソース線Ｓｋとの間にはリフレッシュ手段１８と読み出しスイッチ１９が接続されている。

リフレッシュ手段１８は第１のリフレッシュスイッチ１４，リフレッシュバッファ１５，第２および第３のリフレッシュスイッチ１６および１７を有しており、これらはループ状に接続されている。リフレッシュバッファ１５はそれぞれゲートが共通接続され、相補型トランジスタが電源ＶｄｄとＶｓｓ間に直列接続された第１のインバータ１５１および第２のインバータ１５２の２段から成っている。

このような従来の表示装置では、読み出しスイッチ１９をオフとすれば、通常の液晶表示装置となる。この際、サンプルスイッチ１２を所定の期間でオンしてフォトダイオード１１で発生した電荷のサンプリングを行い、この電荷をホールドコンデンサ１３に蓄積する。ここで蓄積されたものは電荷量に比例したアナログ値である。このアナログ値はスイッチ１４を通じてリフレッシュバッファ１５に導かれるが、このリフレッシュバッファは一種のスタティックメモリになっており、トランジスタのしきい値とホールドコンデンサ１３に蓄積されたアナログ値との比較で白黒に相当する０あるいは１の２値ディジタルデータが得られる。トランジスタ１９がオフであるため、トランジスタ１４をオフとしておけば、トランジスタ１６，１７を介してこのディジタルデータはホールドコンデンサに再度蓄積される。

ホールドコンデンサ１３に蓄積されたデータは読み出しタイミングにおいて、トランジスタ１２，１４，１６をオフし、トランジスタ１７と１９をオンすることによりソース線Ｓｋに読み出される。なお、ソース線Ｓｋは液晶表示のためのデータ供給とフォトダイオードからのデータ出力を行うことになるが、これらは通常時分割で行われる。

このように、従来のイメージセンサ付きの液晶表示装置では、通常の表示を行いつつ、指紋などからの反射光を検出した結果は画素内部で変換されてディジタルの１ビットデータ、すなわち白黒の２値データとして出力されるようになっている。
特開２００６−１２１４５２号公報（国際特許公開 WO２００６／０４３２１６号公報に対応）

しかしながら、このようなイメージセンサ付き液晶表示装置にあっては、主要な用途である
指紋認証において必ずしも十分に機能しない場合がある。すなわち、汚れや濃淡差が大きい場合、保存されている基準データとの比較において、１ビットデータでは十分な情報が得られず、認証精度の低下を招くおそれがある。

また、光センサの特性によっては、白黒の判定基準によっては白または黒で飽和してしまい、いわゆる黒つぶれあるいは白つぶれという現象が生じ、正常な認識ができない場合もある。
これらの事態に対処するためには、指紋センサを複数ビットでサンプリングできるようにし、多ビット化により中間値の処理を可能にすることが考えられるが、指紋センサに対して表示装置上に形成が許される面積は限られており、各画素に複数ビット処理の構成を設けることは不可能であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、併設されたイメージセンサにより、中間値の処理を可能にした表示装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、それぞれ液晶素子を含み、入射光を検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された入射光の輝度に応じたアナログの第１のデータを保持する保持手段と、前記保持手段で保持された前記第１のデータに基づいた第２のデータを作成するデータ決定手段とを含み、行に対応するゲート線と列に対応するソース線との各交点部にマトリクス状に配置された複数の表示画素部と、前記ゲート線を選択的に活性化するゲート線駆動回路と、前記ソース線に表示データを供給するソース線駆動回路と、前記データ決定手段により出力された前記第２のデータを前記ソース線を介して検出出力データを取り出す出力手段と、前記入射光の強さに対する前記検出出力データの判定基準を変更可能な検出感度制御手段とを備えた表示装置が提供される。

本発明によれば、従来と同様の１ビット構成のままで、中間データの処理が可能となり、認証データとの比較を高い精度で行うことができる。

以下、図面を参照して本発明にかかるその実施例のいくつかを説明する。

図２は本願発明が適用される液晶表示装置１００の一実施例の概略構成を示すブロック図である。

液晶アレイ１２０は１画素に相当する表示画素１１０がマトリクス状に配設されたもので、各ピクセル１１０は、ゲートがゲート線ＧＬに、ソースがソース線ＳＬに接続されたトランジスタ１１１を介して容量として表される液晶素子１１２が接地との間に接続されている。この液晶素子１１２に並列に電荷蓄積量を制御可能な補助的な蓄積容量１１３も設けられている。

ソース線ＳＬはタイミング制御器１３０の制御のもとで入力データＩＤからソース線へ印加する電圧に相当する信号を出力するディジタル構成のソースドライバ１４０と、このソースドライバ１４０の出力信号により印加電圧を発生するアナログ構成のソースドライバ１５０により駆動される。

また、ゲート線ＧＬはタイミング制御器１３０で制御されるゲートドライバ１６０により１ラインごとに順次活性化される。

ソースドライバ１５０により駆動されたソース線ＳＬと、ゲートドライバ１６０により駆動されたゲート線ＧＬとの交点にあるトランジスタ１１１により液晶素子１１２への電荷蓄積状態は制御され、液晶の透過率が変化して表示が変化される。

この実施例では、指紋認証を行うイメージセンサとして、次のような構成を有している。

各ピクセル１１０内に入力光ＬＩを検出する光センサ１１４およびこの光センサ１１４の出力を記憶する保持手段１１５が設けられている。

また、本願発明で特徴的な感度制御手段１１６が各ピクセル１１０に対して作用するように設けられている。この感度制御手段１１６はタイミング制御器１３０で制御されるが、その作用の仕方は後述するように様々である。

指紋からの反射光は光センサ１１４で検出され、光量に応じて発生する電流の値が変わるため、一定時間にコンデンサに貯まる電荷量が変わり、これを容量値Cで除算すれば電圧が求められる。この電圧値は保持手段１１５に記憶され、ソース線に表示データに応じた信号が供給されない期間にソース線ＳＬを介して取り出され、ＡＤ変換器１７０でディジタルデータに変換され、このデータはエンコーダ１８０によりエンコードされ、指紋のイメージに応じた明暗データである出力データＯＤを得るようになっている。この際、感度制御手段１１６が検出感度を変更制御し、指紋データを取り出すのに最適なレベルを探索する。

次にこのような構成を用いてイメージセンサの感度を制御するための手段について説明する。

以下の実施例では感度制御手段１１６の例を具体的に示しつつ説明する。

図３はサンプリング間隔を変更するようにした本発明の第１の実施例の概略構成を示す模式的回路図、図４（ａ）（ｂ）はその動作を示すタイミングチャートである。

光センサ１１４はあるサンプリング時間で光を検出する。このため、図３においては、サンプリングパルス幅変更回路１２１を設け、サンプリングパルスのパルス幅をＷ１とＷ２の間で変更可能としている。ここでサンプリングパルス幅変更回路は１２１は通常のパルス幅制御を行う回路であって、当業者には周知のものである。

この実施例における動作を図４を参照して説明する。図４はサンプル（Ｓ）時間の変更を示しており、図４（ａ）はサンプル時間を長くとった例、図４（ｂ）はサンプル時間を短くした例を示している。なお、サンプルホールド期間は常に一定であるので、これらの図から、サンプリングパルス幅が長くなれば、それに応じてホールド（Ｈ）時間が短くなり、サンプリングパルス幅が短くなれば、それに応じてホールド時間は短くなることがわかる。

図４（ａ）から明らかなように、サンプル時間が長いと電荷の発生量が多くなり、保持手段１１５としてのキャパシタに蓄積されるキャパシタ電圧Vcが上昇し、これをコンパレータ１２２により一定のしきい値と比較すると、破線で示されるしきい値電圧を超えているため、レベル１と判断される。一方、図４（ｂ）の場合には同じ入射光量に対してもサンプル時間が短いため電圧が上昇せず、しきい値に達しないため、レベル０と判断される。

したがって、サンプリング時間を変えて何回か同じ検出を繰り返すことにより、ある光量において、最適なレベル０と１の変化が得られるサンプリング時間を決定することができる。

この実施例においては、しきい値を超えた場合にレベル１と判断したが、レベル０と判断するようにしても良い。

また、サンプリングパルスのバルス幅は２のべき乗の少なくとも４段階、好ましくは１６段階以上に変化させるようにすることにより、適切なパターン判定が可能となる。

図５は本発明の第２の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。この実施例においてもサンプリング時間を変えるようにしているが、第１の実施例とは手法が異なり、光センサ１４を動作させるための電源電圧を固定とし、電源供給時間を画素ごとに設けられたサンプルスイッチ１３１とこのサンプルスイッチの開閉を制御するスイッチ制御器１３２により変更可能としたものである。

この実施例では、光センサの電源への接続を制御するだけの簡単な構成であるので、表示領域を犠牲にすることが少なく、開口率が向上するという利点を有する。また、タイミング制御はきわめて正確に行うことができるため、時定数を気にせずにサンプリング時間を正確に制御することが可能となる。

図６は図５の構成における動作を示すタイミングチャートであり、図４の場合とはサンプリングパルス幅の変更の代わりにサンプルスイッチのオン期間が変更されていることがわかる。

サンプルスイッチのオン期間を変更することにより、同じ光の強さに対してもレベル１と０が得られることは図４の場合と全く同じであることがわかる。

図７は本発明の第３の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。この実施例においてはサンプリング時間は一定のままで、レベル判定のためのしきい値を変更するようにしたものである。すなわち、アナログディジタル変換器であるコンパレータ／リフレッシュ回路１２２に対してレベルの判定基準となる参照電圧Ｖrefを設定して供給する参照電圧設定器１４１が設けられており、この参照電圧Ｖrefを例えば２のべき乗の少なくとも４段階、好ましくは１６段階以上に変更して出力できるようになっている。このような多値の電圧を得るには、良く知られているように、抵抗分割で取り出すようにすれば良く、きわめて正確な参照レベル設定が可能である。

このような構成による動作は図８（ａ）（ｂ）に示されており、同じサンプルパルスで同じサンプル期間を適用した場合でも、図８（ａ）のように参照レベルＶref１として低く設定するとレベル１として検出され、図８（ｂ）のように参照レベルＶref２として高く設定するとレベル０として検出されることになる。

図９は本発明の第４の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。この実施例においては、サンプリングバルスやサンプリング時間は一定であるが、保持手段である容量を可変としたものである。図９の場合、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４で接続される容量１５１、１５２、１５３、１５４の容量値はそれぞれ８Ｃ、４Ｃ、２Ｃ、Ｃの関係になっており、それぞれの容量で発生するキャパシタ電圧はそれぞれＶc1、Ｖc2、Ｖc3、Ｖc4となる。

光センサ１１４で発生する電荷量が一定であれば、容量が大きいほど発生電圧が低くなる。図１０はこのような動作を示しており、図１０（ａ）の場合には、スイッチＳ１をオンとすることにより容量１５１のみに電荷を蓄積するようにしているので、電位は急激に上がってしきい値Ｖthを超えてレベル１が検出される。これに対し、図１０（ｂ）の場合には、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４が全部オンとなっているため、容量１５１、１５２、１５３、１５４に電荷が分散して蓄積されるため、電位上昇は緩慢となり、ホールド期間になってもしきい値Vthを超えず、レベル０として検出される。

図１１は本発明の第５および第６の実施例の概略構成を示す模式的概念図である。ここでは光センサ１１４，保持手段１１５，コンパレータ／リフレッシュ回路１２２等の構成はそのままで、検出されるべき光について着目している。

まず第５の実施例としては、液晶層１６１の下側に設けられるバックライト１６２の光量をバックライト制御器１６３から出力される電圧を変更することにより変えている。

これにより、バックライトの光量が増加すれば、指紋１６４により反射して光センサ１１４に入射する光量も増加するので、キャパシタ電圧の上昇の傾きが異なることになる。

第６の実施例としてはバックライト光量を一定にしておき、光検出の際の液晶層１５１の透過率を変更するものである。液晶の透過率はソース線ＳＬを通じて供給される液晶への印加電圧を変化させることにより変えられる。

図１２はこの第６の実施例の場合の動作を示しており、図１２（ａ）では液晶層は透過率が最大のホワイトレベルであるため、指紋１６４で反射する光も多く、キャパシタ電圧の上昇率が高いため、しきい値Ｖthを超えてレベル１が検出される。これに対し、図１２（ｂ）の場合には、液晶が透過率の低いグレイレベルになっているため、指紋１６４で反射する光は少なく、キャパシタ電圧は緩慢に上昇し、サンプル期間にしきい値Vthを超えることができず、レベル０が検出される。

これらのバックライト自身の光量と液晶層の透過率の双方を変えるようにすることもできる。

図１３はこのような種々の方法を用いてイメージセンサの感度を制御する方法を示すタイミングチャートである。ここでは２進４ビットで指定される１５段階の感度レベルを選択できるものとし、液晶表示素子は３２０行を有しているものとする。

図１３ではセンスレベル３（２進数００１１）、センスレベル８（２進数１０００）、センスレベル１５（２進数１１１１）の３つのレベルについてイメージ検出を行った様子を示している。

各レベルについての検出手順は同じであり、まず入射光の検出を行い、A/D変換を行ってしきい値レベルを設定し、それに基づき各行の検出データを３２０行まで順次読み出す。

図１４では図１３のレベル３、８、１５についての検出データが得られた状態を示している。この検出データを観察し、白の飛びや黒のつぶれがなく指紋が良好に観察できるレベルはこの３つのレベルのうちどれが適当かを決定し、例えばレベル８が良好であった場合、その上下のレベルについて再度同様の検出を行うことにより最良レベルを決定することができる。

レベル決定においては、レベル１から順にすべてのデータをとって最良レベルを決定することもできる。

以上の実施例では、センスレベルを変更可能な数を２のべき乗としていたが表示装置における追加回路の配置スペースの量に応じて自由に設定することができる。

このように、本発明にかかる表示装置では、従来と同様の１ビット構成のままで、中間データの処理が可能となり、認証データとの比較を高い精度で行うことができる。

また、このような液晶表示装置は図１５に示すような携帯型電話装置１に搭載されるディスプレイ装置１００として好適であるが、携帯型電話装置に限られることなく、ディジタルカメラ、個人用情報端末装置（PDA）、ノート型コンピュータ、デスクトップコンビュータ、テレビ受像器、車載ディスプレイ、ポータブルDVDプレーヤのいずかのような各種電子装置に適用されるものである。

従来の指紋認証可能な表示装置の基本構成を示す回路図である。本願発明が適用される液晶表示装置１００の一実施例の概略構成を示すブロック図である。サンプリング間隔を変更するようにした本発明の第１の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。図３の構成における動作を示すタイミングチャートである。本発明の第２の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。図５の構成における動作を示すタイミングチャートである。本発明の第３の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。図７の構成における動作を示すタイミングチャートである。本発明の第４の実施例の概略構成を示す模式的回路図である。図９の構成における動作を示すタイミングチャートである。本発明の第５および第６の実施例の概略構成を示す模式的概念図である。第６の実施例の場合の動作を示しイメージセンサのセンスレベルを変えて画像データを得る方法を示すタイミングチャートである。図１３において、各レベルの検出データが得られた様子を示す説明図である。本発明にかかる表示装置が搭載される携帯型電話装置の一例を示す斜視図である。

符号の説明

１００液晶表示装置
１１０表示画素
１１１トランジスタ
１１２液晶素子
１１３蓄積容量
１１４光センサ
１１５保持手段
１１６感度制御手段
１２０液晶アレイ
１２１サンプリングパルス幅変更回路
１２２コンパレータ／リフレッシュ回路
１３０タイミング制御器
１３１スイッチ
１３２スイッチ制御器
１４０ソースドライバ
１４１参照電圧設定器
１５０ソースドライバ
１５１、１５２、１５３、１５４容量
１６０ゲートドライバ
１６１液晶層
１６２バックライト
１６３バックライト制御器
１６４指紋
１７０Ａ／Ｄ変換器
１８０エンコーダ

Claims

それぞれ液晶素子を含み、入射光を検出する光検出手段と、前記光検出手段で検出された入射光の輝度に応じたアナログの第１のデータを保持する保持手段と、前記保持手段で保持された前記第１のデータに基づいた第２のデータを作成するデータ決定手段とを含み、行に対応するゲート線と列に対応するソース線との各交点部にマトリクス状に配置された複数の表示画素部と、
前記ゲート線を選択的に活性化するゲート線駆動回路と、
前記ソース線に表示データを供給するソース線駆動回路と、
前記データ決定手段により出力された前記第２のデータを前記ソース線を介して検出出力データを取り出す出力手段と、
前記入射光の強さに対する前記検出出力データの判定基準を変更可能な検出感度制御手段とを備えた表示装置。
前記光検出手段がフォトダイオードであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記保持手段が前記光検出手段にスイッチを介して接続された容量素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の表示装置。
前記データ決定手段が前記容量素子に蓄積された電荷による電圧を比較して状態を変える電圧比較器を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の表示装置。
前記検出感度制御手段が、前記光検出手段の動作と非動作を時分割で制御し、前記第１のデータを制御することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記検出感度制御手段が、前記光検出手段から出力される第１のデータが電流であり、前記電流値を制御することにより前記第１のデータを制御することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記保持手段は複数の容量素子が並列接続された容量部により構成され、この容量部の容量を前記検出感度制御手段が制御することにより、前記第１のデータを制御することを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記複数の容量素子は２進重み付けされた容量を有することを特徴とする請求項７に記載の表示装置
前記検出感度制御手段が、前記第１のデータに対する前記電圧比較器の大小の判定を前記電圧比較器に与えられる基準電圧を変化させることで制御するようにした、請求項４に記載の表示装置。
前記検出感度制御手段が、バックライトの光量を変える光量制御器である、請求項１に記載の表示装置。
前記検出感度制御手段が、液晶の透過率を変えるべく前記液晶素子への印加電圧を変化させる電圧制御器である、請求項１に記載の表示装置。
前記検出感度制御手段は、前記検出出力データの判定基準を２のべき乗の数について変更可能なことを特徴とする、請求項１，５，６，７，９〜１１のいずれかに記載の表示装置。
請求項１ないし１２のいずれかに記載の液晶表示装置を備え、携帯型電話装置、ディジタルカメラ、個人用情報端末装置（PDA）、ノート型コンピュータ、デスクトップコンビュータ、テレビ受像器、車載ディスプレイ、ポータブルDVDプレーヤのいずかである電子装置。