JP2009151138A

JP2009151138A - 電気光学装置及び電子機器

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Publication number: JP2009151138A
Application number: JP2007329682A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Eguchi; 司江口; Eiji Kanda; 栄二神田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-07-09
Anticipated expiration: 2027-12-21
Also published as: JP5366037B2; KR20090068165A; US8416212B2; US20090160822A1; KR101539961B1

Abstract

【課題】画像を表示する表示性能を低下させることなく、センシング性能を高めることができる電気光学装置、及びそのような電気光学装置を具備してなる電子機器を提供する。
【解決手段】電気光学装置１０は、表示領域Ａと、表示領域Ａ内に設けられた静電容量を検出する複数のセンシング領域Ｂと、を有する電気光学装置であって、表示領域Ａ内に設けられた表示画素の周辺にあるブラックマトリクス１２と、表示画素を形成する画素電極２０、共通電極２２、及び画素電極２０と共通電極２２との間に挟持された液晶層２４と、画素電極２０を駆動する複数の画素回路Ｐと、センシング領域Ｂ内に設けられ、外部圧力による液晶層２４の厚さ変化を容量変化に変換する静電容量検出素子３８と、静電容量検出素子３８の容量変化に基づいてセンシング信号を出力するセンシング回路３０と、を更に含み、静電容量検出素子３８は、平面視でブラックマトリクス１２と重なる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学装置及び電子機器に関するものである。

一般的にタッチパネルは、表示装置の画面上に示した指示内容を人の手又は物体で選択できるように、表示装置の最上側に設けられている。タッチパネルは、タッチパネルに手又は物体が接触した位置を把握し、表示装置上の接触された位置により指示された内容を入力信号として受け入れ、この入力信号に基づいて駆動するように構成されている。タッチパネルを有する表示装置は、キーボード及びマウスのように表示装置に接続されて動作する別途の入力装置を必要としないので使用が増大しつつある。

又、液晶パネルにタッチパネル機能を内蔵する装置が開発されている。例えば、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）基板にタッチ機能を内蔵した光検出型のタッチパネルが提示されている（例えば、特許文献１参照）。又、液晶表示装置において、タッチセンシングのために、接触した際に生ずる液晶容量の変化を読み取る方式が提示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−２３８０５３号公報特開２００７−４８２７５号公報

しかしながら、タッチセンサ（タッチパネル）を液晶パネルの上に設けた場合、パネルの厚みが増していた。又、特許文献１に記載された技術では、非表示エリアとなるセンシングエリアをブラックマトリクス（ＢＭ）下にすると光検出の感度が下がるのに加え、ＢＭ外にするとコントラストの低下があり、表示とセンシング機能の両立が困難であった。

更に、特許文献２に記載された技術では、センシング領域は、表示用画素の近傍に配置されることとなる。センシング信号は容量変化を読み取るため、電極面積が大きい方が好ましい。しかしながら、電極面積が大きくなるにつれて、表示部の開口率を低下させる問題があった。更には、センシング領域を高解像度にすると、これも又開口率の低下に繋がっていた。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］表示領域と、前記表示領域内に設けられた静電容量を検出する複数のセンシング領域と、を有する電気光学装置であって、前記表示領域内に設けられた表示画素の周辺にあるブラックマトリクスと、前記表示画素を形成する画素電極、共通電極、及び前記画素電極と前記共通電極との間に挟持された液晶層と、前記画素電極を駆動する複数の画素回路と、前記センシング領域内に設けられ、外部圧力による前記液晶層の厚さ変化を容量変化に変換する静電容量検出素子と、前記静電容量検出素子の容量変化に基づいてセンシング信号を出力するセンシング回路と、を更に含み、前記静電容量検出素子は、平面視で前記ブラックマトリクスと重なることを特徴とする電気光学装置。

これによれば、非表示エリアとなるセンシング回路の静電容量検出素子を平面視でブラックマトリクスと重ねるため、表示部の開口率が増加するので表示性能が向上する。又、静電容量検出素子を広範囲に設けることでセンシング性能が向上する。これにより、画像を表示する表示性能を低下させることなく、センシング性能を高めることができる電気光学装置を提供する。

［適用例２］上記電気光学装置であって、前記センシング信号に基づいて前記外部圧力が提供された位置情報を生成する駆動回路を更に含むことを特徴とする電気光学装置。

これによれば、電気光学装置の中で、圧力が提供された位置情報を生成できるため、効率的に位置情報を特定できる電気光学装置が提供できる。

［適用例３］上記電気光学装置であって、前記センシング回路は、平面視で前記ブラックマトリクスと重なることを特徴とする電気光学装置。

これによれば、外光による各トランジスタの光リークの影響を除去することができると共に、表示の視認性も向上する。

［適用例４］上記電気光学装置であって、前記静電容量検出素子の一方の端子と他方の端子との間隔が、前記画素電極と前記共通電極との間隔より、小さいことを特徴とする電気光学装置。

これによれば、静電容量検出素子の容量成分が増加する。これにより、表示品質を落とさず、センシング性能が向上する。

［適用例５］上記電気光学装置であって、複数の前記静電容量検出素子は、少なくとも２つ以上が互いに電気的に並列接続されていることを特徴とする電気光学装置。

これによれば、静電容量検出素子の第１電極と第２電極とが対向する電極の面積を大きくすることができ、容量成分が増加する。これにより、表示品質を落とさず、センシング性能が向上する。

［適用例６］上記に記載の電気光学装置を備えたことを特徴とする電子機器。

これによれば、上記電気光学装置を搭載しているので、画像を表示する表示性能を低下させることなく、センシング性能を高めることを実現した電子機器が提供できる。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。更に本明細書では、画像表示の最小単位を「サブ画素」と呼び、各色カラーフィルタを備えた複数のサブ画素の集合を「画素」と呼ぶこととする。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電気光学装置としての液晶表示装置の構成を示すブロック図である。液晶表示装置１０は、表示領域Ａと、その領域内に設けられた複数のセンシング領域Ｂとを備えている。センシング領域Ｂは、画像が表示されない非表示領域であるブラックマトリクス（ＢＭ）１２と重なっている。表示領域Ａには、複数の走査線１４と複数のデータ線１６と、これらの交差に対応して平面状に配置されＢＭ１２を周辺に有する複数の画素回路Ｐが配置されている。画素回路Ｐは、トランジスタ１８と、画素電極２０と、共通電位Ｖcomが供給される共通電極２２と、画素電極２０と共通電極２２との間に挟持された液晶層２４を備える。トランジスタ１８は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）素子で構成され、そのゲートは走査線１４に、ドレインはデータ線１６に、ソースは画素電極２０に接続される。ＢＭ１２は、画素（表示画素）の周辺の表示領域Ａ内に設けられている。画素は画素電極２０、共通電極２２、及び液晶層２４等により形成されている。

Ｙドライバ２６は、複数の走査線１４を順次選択するための走査信号を生成して、各画素回路Ｐに各々供給する。走査信号は、１垂直走査期間（１Ｆ）の最初のタイミングから、１水平走査期間（１Ｈ）に相当する幅のパルスであって、１行目の走査線１４に供給される。以降、このパルスを順次シフトして、各走査線１４の各々に走査信号として供給する。一方、Ｘドライバ２８は、選択された走査線１４に位置する画素回路Ｐの各々に対し表示すべき階調に応じた大きさのデータ信号を供給する。

次に、センシング領域Ｂにはセンシング回路３０が配置される。センシング回路３０は、外部圧力による液晶層２４の厚さ変化によるセンシング信号を出力する。駆動回路３２は、センシング信号に基づいて外部圧力が提供された位置情報を生成する。

図２は本実施形態に係る液晶表示装置の構造の静電容量検出素子３８を含む概略断面を示す図である。（サブ画素の部分は、図１のII−II線で切った断面図に相当する）。液晶表示装置１０は、一対の透明基板としての素子基板３４と対向基板３６とを、所定間隔で対向させ、その間には電気光学物質としての液晶が封入され液晶層２４を形成している。素子基板３４と対向基板３６との間隔は、スペーサ（図示せず）により定められている。

素子基板３４は、例えばガラスや石英、プラスチック等の透光性材料で構成された基板本体３４Ａを基体として備える。基板本体３４Ａの内側（液晶層２４側）には、トランジスタ１８（図１参照）と、センシング回路３０（後述する第２電極３８Ｂを除く）（図１参照）と、画素電極２０と、配向膜（図示せず）が形成されている。画素電極２０は、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の光透過性導電材料からなる。

対向基板３６は、例えばガラスや石英、プラスチック等の透光性材料で構成された基板本体３６Ａを基体として備える。基板本体３６Ａの内側（液晶層２４側）には、各々のサブ画素領域に対応する色種の色材層からなるカラーフィルタ４０と、共通電極２２と、平坦化層６６と、配向膜（図示せず）とが積層形成されている。共通電極２２は、少なくとも一部がＢＭ１２と重なるように配置されている。共通電極２２は、ＩＴＯ等の光透過性導電材料からなり、複数のサブ画素領域を覆う平面ベタ状に形成されたものである。

液晶表示装置１０は、マトリクス状に配列した複数の画素を有している。１つの画素は３色のカラーフィルタ４０ｒ（赤）、４０ｇ（緑）、４０ｂ（青）に対応した３つのサブ画素から構成されている。

カラーフィルタ４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、例えば各色の着色材料を含む感光性樹脂材料を基板本体３６Ａに塗布して、これをフォトリソグラフィ法により露光・現像することにより形成することができる。塗布方法としてはスピンコート及びスリットコート等の方法を用いることができる。

静電容量検出素子３８は、液晶層２４と、共通電極２２と同時に形成される他方の端子としての第２電極３８Ｂと、画素電極２０と同時に形成され、液晶層２４を間に置き第２電極３８Ｂと向き合ってセンシング静電容量を形成する一方の端子としての第１電極３８Ａと、を備える。外部圧力によるセンシング静電容量の容量変化に対応してセンシング信号がセンシング回路３０（図１参照）より出力される。静電容量検出素子３８は、素子基板３４上の所定の画素電極２０間に設けられ、ＢＭ１２と重なっている。具体的には、第１電極３８Ａは、素子基板３４上の所定の画素電極２０間に設けられ、ＢＭ１２と重なっている。又、静電容量検出素子３８とセンシング回路３０とがＢＭ１２と重なっていてもよい。これにより、外光による各トランジスタ（後述説明）の光リークの影響を除去することができると共に、表示の視認性も向上する。

次に、センシング回路３０の回路を図３を参照して説明する。
図３は本実施形態に係るセンシング回路３０の回路を示す図である。図３に示すように、センシング回路３０は、増幅トランジスタ４２、リセットトランジスタ４４、及び選択トランジスタ４６を備える。これらのトランジスタは、上述した画素回路Ｐのトランジスタ１８と同様にＴＦＴ素子で構成され、同じプロセスで形成される。

リセットトランジスタ４４のゲートには、第１制御線４８を介してリセット信号ＲＥＳが供給される。リセットトランジスタ４４のドレインは電源線５０に接続され、そのソースは増幅トランジスタ４２のゲートと接続される。電源線５０には電圧Ｖ_RHが供給される。増幅トランジスタ４２のドレインは電源線５０に接続され、そのソースは選択トランジスタ４６のドレインに接続される。選択トランジスタ４６のソースは検出線５２に接続され、そのゲートには第２制御線５４を介して選択信号ＳＥＬが供給される。

又、増幅トランジスタ４２のゲートと第１制御線４８との間には、基準容量素子５６が設けられている。更に、静電容量検出素子３８の一方の端子は、増幅トランジスタ４２のゲートに接続され、その他方の端子には固定電位Ｖｘが供給される。尚、この例において固定電位Ｖｘは共通電位Ｖcomと異なる電位である。

従って、共通電位Ｖcomを交流駆動して変動させても、それによって増幅トランジスタ４２の電位が変動することはなく、画像表示と独立してセンシングを行うことができる。又、表示装置の画像表示の周期と同期してセンシングを実行する必要がないので、必要に応じてセンシングしたり、より長い周期でセンシングしたりして実行することができる。この結果、消費電力を削減することができる。

次に、センシング回路３０の動作を図４〜図７を参照して説明する。
図４は本実施形態に係るセンシング回路３０の動作を説明するためのタイミングチャートである。図５〜図７は本実施形態に係るセンシング回路３０の回路を示す図である。センシング回路３０は、図４に示すように、リセット期間Ｔres、センシング期間Ｔsen、及び読出期間Ｔoutを一単位として動作する。先ず、リセット期間Ｔresにおいて、リセット信号ＲＥＳのレベルはＶＤとなり、リセットトランジスタ４４がオン状態となる。このとき、選択信号ＳＥＬはローレベルであり選択トランジスタ４６はオフ状態となる。すると、図５に示すように増幅トランジスタ４２のゲートの電位が電源電位Ｖ_RHにリセットされる。

次に、リセット期間Ｔresに続くセンシング期間Ｔsenでは、リセット信号ＲＥＳのレベルがＶＤからＧＮＤ（＝０Ｖ）に変化する。すると、図６に示すようにリセットトランジスタ４４がオフ状態となる。第１制御線４８は基準容量素子５６の一方の電極と接続されているので、基準容量素子５６はカップリング容量として機能し、リセット信号ＲＥＳのレベルが変化すると増幅トランジスタ４２のゲート電位が変化する。

ここで、基準容量素子５６の容量値をＣｒ、静電容量検出素子３８の容量値をＣｓ、第１制御線４８の電位変化をΔＶgate（＝ＶＤ）とすれば、増幅トランジスタ４２のゲート電位の変化分ΔＶは、以下に示す式（１）で与えられる。但し、寄生容量は無視する。
ΔＶ＝ΔＶgate*Ｃｒ／（Ｃｒ＋Ｃｓ）……（１）
式（１）から、静電容量検出素子３８の容量値Ｃｓが大きければ容量カップリングによる変化分ΔＶは小さく、逆に容量値Ｃｓが小さければ変化分ΔＶは大きい。従って、静電容量検出素子３８の容量変化をゲート電位に反映させることができる。

次に、読出期間Ｔoutでは、選択信号ＳＥＬがローレベルからハイレベルに変化する。すると、図７に示すように選択トランジスタ４６がオン状態となる。これによって、増幅トランジスタ４２のゲート電位に応じた検出電流Ｉdetが検出線５２に流れる。

ところで、読出期間Ｔoutにおいて、選択トランジスタ４６を確実にオン状態とするためには、読出期間Ｔoutに先立って、検出線５２の電位をプリチャージ電位Ｖpreにプリチャージすることが好ましい。この例では、図４に示すように、リセット期間Ｔres及びセンシング期間Ｔsenをプリチャージ期間Ｔpreとし、当該期間において検出線５２にプリチャージ電位Ｖpreを供給している。

ここで、静電容量検出素子３８による静電容量の変化を図８を参照して説明する。
図８は本実施形態に係る静電容量検出素子３８による静電容量の変化を示す図である。静電容量検出素子３８は、図８に示すように、第１電極３８Ａと第２電極３８Ｂとの間に液晶２４を挟持して構成される。人の指が触れない状態では、同図（Ａ）に示すように第１電極３８Ａと第２電極３８Ｂとが平行であるが、指で液晶表示装置１０を押すと、同図（Ｂ）に示すように第２電極３８Ｂが撓み、第１電極３８Ａと第２電極３８Ｂの距離が短くなる。このため、人が指で液晶表示装置１０を押すと、静電容量検出素子３８の容量値Ｃｓが大きくなる。このようにして、静電容量の変化が検出される。

又、この例の基準容量素子５６は一方の電極として半導体層５８を用い、他方の電極としてゲート配線６０を用い、それらの間にゲート酸化膜６２を挟持して構成される。尚、半導体層５８、ゲート配線６０、及びゲート酸化膜６２は、他のトランジスタ４２，４４と同一のプロセスによって形成される。従って、基準容量素子５６を形成するために特別なプロセスは不要であり、製造コストを削減することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図面を参照して説明する。
図９は本実施形態に係る液晶表示装置の構造の静電容量検出素子３８を含む概略断面を示す図である。尚、本実施形態の液晶表示装置６４は、第１の実施形態に係る液晶表示装置１０と同様、ＴＦＴアクティブマトリクス方式の透過型液晶装置であり、その特徴とするところは、第１電極３８Ａと第２電極３８Ｂとの間隔にある。従って本実施形態の液晶装置の基本構成は第１の実施形態の液晶装置と同様であるから、共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略若しくは簡略する。

本実施形態の液晶表示装置６４は、図９に示すように、第２電極３８Ｂの第１電極３８Ａと対向する箇所（ＢＭ１２と重なる部分）に突起部６８を設けることにより、第１電極３８Ａと第２電極３８Ｂとの間隔が、画素電極２０と共通電極２２との間隔より小さくなるように形成されている。これによれば、静電容量検出素子３８の容量成分が増加する。これにより、表示品質を落とさず、センシング性能が向上する。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の液晶表示装置１０は、図１に示すように、複数の静電容量検出素子３８は、少なくとも２つ以上が互いに電気的に並列に接続されている。これによれば、静電容量検出素子３８の対向する電極の面積を大きくすることができ、容量成分が増加する。これにより、表示品質を落とさず、センシング性能が向上する。

（電子機器）
次に、本実施形態に係る液晶表示装置を利用した電子機器について図１０を参照して説明する。
図１０（Ａ）は、上記実施形態に係る液晶表示装置１０（６４）を表示部として採用したモバイル型のパーソナルコンピュータ１００の構成を示す斜視図である。パーソナルコンピュータ１００は、表示部としての液晶表示装置１０（６４）と本体部１０２とを備える。本体部１０２には、電源スイッチ１０４及びキーボード１０６が設けられている。液晶表示装置１０（６４）にはメニューボタン１０８，１１０，１１２が表示される。これらのメニューボタンには各種のプログラムを割り当てることができる。例えば、メニューボタン１０８には電子メールを割り当て、メニューボタン１１０にはブラウザを割り当て、メニューボタン１１２には描画ソフトを割り当てることができる。ユーザーはキーボード１０６を操作しなくても、メニューボタンに触れるだけで、所望のソフトを起動することが可能となる。

図１０（Ｂ）は、上記実施形態に係る液晶表示装置１０（６４）を適用した携帯電話機１２０の構成を示す斜視図である。携帯電話機１２０は、複数の操作ボタン１２２及びスクロールボタン１２４、並びに表示部としての液晶表示装置１０（６４）を備える。スクロールボタン１２４を操作することによって、液晶表示装置１０（６４）に表示される画面がスクロールされる。液晶表示装置１０（６４）にはメニューボタン１２６，１２８が表示される。例えば、メニューボタン１２６にユーザーが触れると電話帳が表示され、メニューボタン１２８にユーザーが触れると、この携帯電話機の電話番号が表示される。

図１０（Ｃ）は、上記実施形態に係る液晶表示装置１０（６４）を適用した携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital Assistants）１３０の構成を示す斜視図である。情報携帯端末１３０は、複数の操作ボタン１３２及び電源スイッチ１３４、並びに表示部としての液晶表示装置１０（６４）を備える。電源スイッチ１３４を操作すると、メニューボタン１３６，１３８が表示される。例えば、メニューボタン１３６を押すと住所録が表示され、メニューボタン１３８を押すとスケジュール帳が表示される。

尚、本実施形態に係る電気光学装置が適用される電子機器としては、図１０（Ａ）〜（Ｃ）に示したもののほか、デジタルスチルカメラ、テレビ、ビデオカメラ、カーナビゲーション装置、電子手帳、電子ペーパー、電卓、ワードプロセッサ、ワークステーション、テレビ電話、スキャナ、複写機、ビデオプレーヤ、タッチパネルを備えた機器等が挙げられる。

尚、上述したセンシング回路３０は、表示領域Ａの画素回路Ｐが形成される同一の平面上に形成されたが、表示領域Ａの上に別の基板として形成し、両者を張り合わせて用いてもよい。これらの場合でも、第１制御線４８によって基準容量素子５６の一方の電極に電位を供給する配線と、リセットトランジスタ４４のゲートにリセット信号ＲＥＳを供給する配線とを兼用することによる配線数の低減効果は損なわれることはない。

尚、上記各実施形態は、電気光学装置を液晶表示装置に適用した例であるが、これに変えて、有機ＥＬ表示装置に適用することもできる。

第１の実施形態に係る電気光学装置としての液晶表示装置の構成を示すブロック図。第１の実施形態に係る液晶表示装置の構造の静電容量検出素子を含む概略断面を示す図。第１の実施形態に係るセンシング回路の回路を示す図。第１の実施形態に係るセンシング回路の動作を説明するためのタイミングチャート。第１の実施形態に係るセンシング回路の回路を示す図。第１の実施形態に係るセンシング回路の回路を示す図。第１の実施形態に係るセンシング回路の回路を示す図。第１の実施形態に係る静電容量検出素子による静電容量の変化を示す図。第２の実施形態に係る液晶表示装置の構造の静電容量検出素子を含む概略断面を示す図。本実施形態に係る電子機器の一例を示す斜視図。

符号の説明

１０…液晶表示装置（電気光学装置）１２…ブラックマトリクス（ＢＭ）１４…走査線１６…データ線１８…トランジスタ２０…画素電極２２…共通電極２４…液晶層（液晶）２６…Ｙドライバ２８…Ｘドライバ３０…センシング回路３２…駆動回路３４…素子基板３４Ａ…基板本体３６…対向基板３６Ａ…基板本体３８…静電容量検出素子３８Ａ…第１電極３８Ｂ…第２電極４０…カラーフィルタ４２…増幅トランジスタ４４…リセットトランジスタ４６…選択トランジスタ４８…第１制御線５０…電源線５２…検出線５４…第２制御線５６…基準容量素子５８…半導体層６０…ゲート配線６２…ゲート酸化膜６４…液晶表示装置（電気光学装置）６６…平坦化層６８…突起部１００…パーソナルコンピュータ１０２…本体部１０４…電源スイッチ１０６…キーボード１０８，１１０，１１２…メニューボタン１２０…携帯電話機１２２…操作ボタン１２４…スクロールボタン１２６，１２８…メニューボタン１３０…情報携帯端末（ＰＤＡ）１３２…操作ボタン１３４…電源スイッチ１３６，１３８…メニューボタン。

Claims

表示領域と、前記表示領域内に設けられた静電容量を検出する複数のセンシング領域と、を有する電気光学装置であって、
前記表示領域内に設けられた表示画素の周辺にあるブラックマトリクスと、
前記表示画素を形成する画素電極、共通電極、及び前記画素電極と前記共通電極との間に挟持された液晶層と、
前記画素電極を駆動する複数の画素回路と、
前記センシング領域内に設けられ、外部圧力による前記液晶層の厚さ変化を容量変化に変換する静電容量検出素子と、
前記静電容量検出素子の容量変化に基づいてセンシング信号を出力するセンシング回路と、
を更に含み、
前記静電容量検出素子は、平面視で前記ブラックマトリクスと重なることを特徴とする電気光学装置。
請求項１に記載の電気光学装置において、
前記センシング信号に基づいて前記外部圧力が提供された位置情報を生成する駆動回路を更に含むことを特徴とする電気光学装置。
請求項１又は２に記載の電気光学装置において、
前記センシング回路は、平面視で前記ブラックマトリクスと重なることを特徴とする電気光学装置。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
前記静電容量検出素子の一方の端子と他方の端子との間隔が、前記画素電極と前記共通電極との間隔より、小さいことを特徴とする電気光学装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気光学装置において、
複数の前記静電容量検出素子は、少なくとも２つ以上が互いに電気的に並列接続されていることを特徴とする電気光学装置。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気光学装置を備えたことを特徴とする電子機器。