JP2012230132A - 光センサおよび表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】光センサ付き液晶表示装置において、光検出素子へのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させる。
【解決手段】液晶表示装置は、画素回路が設けられる第１の基板１００と、第１の基板１００と液晶層３０を挟んで対向する第２の基板１０１と、第１の基板１００に設けられる光検出素子１７と、光検出素子１７と液晶層３０との間に設けられ、光検出素子１７が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタ１８とを備える。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は、フォトダイオードまたはフォトトランジスタ等の光検出素子を有する光センサおよび光センサ付きの表示装置に関する。
従来、例えばフォトダイオード等の光検出素子を画素内に備えたことにより、外光の明るさを検出したり、ディスプレイに近接した物体の画像を取り込んだりすることが可能な、光センサ付き表示装置が提案されている。このような光センサ付き表示装置は、例えば、バックライトからディスプレイへ向けて光を出射し、この出射光のうちディスプレイに接触または近接している指などの検出対象体で反射した光を、光センサで検出する構成のものがある。例えば、従来技術として、バックライトが非可視光領域の光を発する光源と、可視光領域の光を発する光源とを含む構成のセンサ付き表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このセンサ付き表示装置では、可視光領域の光が表示面から表示光として出射され、表示面から出射され検出対象物体で反射した非可視光領域の光が受光素子により受光される。これにより、表示状態の影響や周囲の状況などに影響を軽減することができる。
特開２００８−２６２２０４号公報
しかしながら、上記従来のセンサ付き表示装置では、非可視光領域の光を選択的に透過させる選択透過フィルタはＣＦ基板に、受光セル（センサ）はＴＦＴ基板に設けられる。そのため、例えば、ＣＦ基板とＴＦＴ基板との貼りあわせ工程の際に、位置合わせ誤差によりセンサと選択透過フィルタとがずれやすくなる。このずれによる隙間から外光などノイズ光がセンサへ入射する。また、センサと選択透過フィルタの間には液晶層などが存在するため、内部反射光などがノイズ光となってセンサへ入射する。このようなノイズ光により、Ｓ／Ｎ比が低くなる。
ゆえに、本発明は、光検出素子へのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる、光センサ付き液晶表示装置を提供することを目的とする。
。
本願開示の液晶表示装置は、画素回路が設けられる第１の基板と、前記第１の基板と液晶層を挟んで対向する第２の基板と、前記第１の基板に設けられる光検出素子と、前記光検出素子と前記液晶層との間に設けられ、前記光検出素子が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタとを備える。
上記構成のように、光検出素子と液晶層との間に、信号光帯域外の帯域の光をカットする検出光フィルタを設けることで、光検出素子と検出光フィルタとの間の距離を小さくすることができる。そのため、光検出素子へのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
前記液晶表示装置において、前記信号光帯域の光を出射する発光体を有するバックライトが、前記第１の基板の前記液晶層とは反対側に設けられ、前記光検出措置と前記バックライトとの間には、バックライトの光が直接前記光検出素子へ到達するのを遮る遮蔽部が設けられる対応とすることができる。これにより、バックライトから出射された光の反射光を、光検出素子で検出することが可能になる。
前記液晶表示装置において、前記信号光帯域の光を出射する発光体と、当該信号光帯域とは異なる帯域の表示のための光を出射する発光体とを有するバックライトが、前記第１の基板の前記液晶層とは反対側に設けられ、前記光検出措置と前記バックライトとの間には、バックライトの光が直接前記光検出素子へ到達するのを遮る遮蔽部が設けられる態様とすることができる。これにより、バックライトから出射された表示のための光の影響を受けずに、バックライトから出射された信号光帯域の反射光を光検出素子で検出することができる。
前記第１の基板にカラーフィルタがさらに設けられてもよい。
前記信号光帯域は、赤外線の帯域に含まれている態様とすることできる。
本願に開示の液晶表示装置の製造方法は、第１の基板に画素回路および光検出素子を形成する工程と、前記第１の基板に、前記光検出素子を覆うように、前記光検出素子が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタを形成する工程と、前記検出光フィルタが形成された前記第１の基板と、第２の基板とを対向して貼りあわせ、前記第１の基板と前記第２の基板との間に液晶を封入する工程とを含む。
上記製造方法によれば、画素回路および光検出素子が形成された第１の基板に検出光フィルタを形成するので、工程を複雑にすることなく、光検出フィルタを形成することができる。また、第１の基板と第２の基板の貼りあわせ工程において、光検出フィルタと光検出素子との位置合わせをする必要がないので、製造効率が向上する。
前記第１の基板に前記検出光フィルタを形成する工程において、カラーフィルタも形成してもよい。このように、検出光フィルタを形成する工程において、カラーフィルタも形成することで、効率よく液晶表示装置を製造することができる。
本発明によれば、光検出素子へのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。
図１は、第１の実施形態にかかる液晶表示装置が備えるＴＦＴ基板の概略構成を示すブロック図である。 図２は、ＴＦＴ基板の画素領域における画素と光センサとの配置を示す等価回路図である。 図３は、液晶表示装置のタイミングチャートの一例を示す図である。 図４Ａは、第１の実施形態にかかる液晶表示装置の画素領域１における１画素分の領域の上面図である。 図４Ｂは、図４ＡのＸ２−Ｘ’２線断面図である。 図４Ｃは、図４ＡのＹ２−Ｙ’２線断面図である。 図５Ａは、フォトダイオード１７を含む光センサの部分を拡大した上面透視図である。 図５Ｂは、図５ＡのＡ−Ａ’線断面図である。 図６は、赤外光透過フィルタを対向基板側に設けた液晶表示装置の構成例を示す断面図である。 図７は、第１の実施形態にかかる液晶表示装置における光線の例を説明するための図である。 図８Ａは、光センサの感度の波長特性の一例を示すグラフである。 図８Ｂは、赤外ＬＥＤから出射される光の波長特性の一例を示すグラフである。 図８Ｃは、赤外光透過フィルタのフィルタ特性の一例を示すグラフである。 図８Ｄは、太陽光の波長特性の一例を示すグラフである。 図９は、バックライトの第１の構成例を示す図である。 図１０は、バックライトの第２の構成例を示す図である。 図１１は、バックライトの第３の構成例を示す図である。 図１２は、バックライトの第４の構成例を示す図である。 図１３は、バックライトの第５の構成例を示す図である。 図１４は、図１３に示すバックライトの断面図である。 図１５は、第２の実施形態にかかる液晶表示装置の断面図である。 赤外光透過フィルタと不要赤外光域用カットフィルタの通過特性の一例を示すグラフである。 図１７Ａは、第３の実施形態にかかる液晶表示装置の画素領域１における１画素分の領域の上面図である。 図１７Ｂは、図１７ＡのＸ３−Ｘ’３線断面図 図１７Ｃは、図１７ＡのＹ３−Ｙ’３線断面図である。
以下、本発明のより具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明にかかる表示装置を液晶表示装置として実施する場合の構成例を示したものである。なお、本発明にかかる表示装置は、光センサを有することにより、画面に近接する物体を検知して入力操作を行うタッチパネル付き表示装置や、表示機能と撮像機能とを具備した双方向通信用表示装置等としての利用が想定される。
また、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる表示装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
［第１の実施形態］
最初に、図１および図２を参照しながら、本発明の第１の実施形態にかかる液晶表示装置が備えるＴＦＴ基板の構成について説明する。
［ＴＦＴ基板の構成］
図１は、第１の実施形態にかかる液晶表示装置が備えるＴＦＴ基板１００の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、ＴＦＴ基板１００は、ガラス基板上に、画素領域１、ディスプレイゲートドライバ２、ディスプレイソースドライバ３、センサカラム（ｃｏｌｕｍｎ）ドライバ４、センサロウ（ｒｏｗ）ドライバ５、バッファアンプ６、ＦＰＣコネクタ７を少なくとも備えている。また、画素領域１内の光センサ（後述）で取り込まれた画像信号を処理するための信号処理回路８が、前記ＦＰＣコネクタ７とＦＰＣ９とを介して、ＴＦＴ基板１００に接続されている。
画素領域１は、画像を表示するための複数の画素を含む画素回路が形成された領域である。本実施形態では、画素回路における各画素内には、画像を取り込むための光センサが設けられている。画素回路は、ｍ本のゲート線Ｇ１〜Ｇｍによりディスプレイゲートドライバ２と接続され、３ｎ本のソース線Ｓｒ１〜Ｓｒｎ、Ｓｇ１〜Ｓｇｎ、Ｓｂ１〜Ｓｂｎによりディスプレイソースドライバ３と接続される。また、画素回路は、ｍ本のリセット信号線ＲＳ１〜ＲＳｍおよびｍ本の読み出し信号線ＲＷ１〜ＲＷｍによりセンサロウドライバ５と接続され、ｎ本のセンサ出力線ＳＳ１〜ＳＳｎによりセンサカラムドライバ４と接続されている。
なお、ＴＦＴ基板１００上の上記の構成部材は、半導体プロセスによってガラス基板上にモノリシックに形成することも可能である。あるいは、上記の構成部材のうちのアンプやドライバ類を、例えばＣＯＧ（Ｃｈｉｐ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）技術等によってガラス基板上に実装した構成としても良い。あるいは、図１においてＴＦＴ基板１００上に示した上記の構成部材の少なくとも一部が、ＦＰＣ９上に実装されてもよい。ＴＦＴ基板１００は、全面に対向電極が形成された対向基板（図示せず）と貼り合わされ、その間隙に液晶材料が封入される。
ＴＦＴ基板１００の背面にはバックライト１０が設けられる。バックライト１０は、白色光（可視光）を出射する白色ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）１１および赤外光（赤外線）を出射する赤外ＬＥＤ１２を備える。本実施形態では、一例として、赤外ＬＥＤは、光センサの信号光帯域の光を出射する発光体として用いられる。白色ＬＥＤは、表示のための光を出射する発光体として用いられる。なお、バックライトの発光体は、上記例に限られない。例えば、可視光の発光体として、赤色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤおよび青色ＬＥＤの組み合わせを用いることができる。また、ＬＥＤに代えて冷陰極管（ＣＣＦＬ：Ｃｏｌｄ Ｃａｔｈｏｄ Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｔ Ｌａｍｐ）を用いることもできる。
［表示回路の構成］
図２は、ＴＦＴ基板１００の画素領域１における画素と光センサとの配置を示す等価回路図である。図２の例では、１つの画素が、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色の絵素によって形成され、この３絵素で構成される１つの画素内に、１つの光センサが設けられている。画素領域１は、ｍ行×ｎ列のマトリクス状に配置された画素と、同じくｍ行×ｎ列のマトリクス状に配置された光センサとを有する。なお、上述のとおり、絵素数は、ｍ×３ｎである。
このため、図２に示すように、画素領域１は、画素用の配線として、マトリクス状に配置されたゲート線Ｇおよびソース線Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂを有している。ゲート線Ｇは、ディスプレイゲートドライバ２に接続されている。ソース線ＳＬは、ディスプレイソースドライバ３に接続されている。なお、ゲート線Ｇは、画素領域１内にｍ行設けられている。以下、個々のゲート線Ｇを区別して説明する必要がある場合は、Ｇｉ（ｉ＝１〜Ｍ）のように表記する。一方、ソース線Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂは、上述のとおり、１つの画素内の３絵素にそれぞれ画像データを供給するために、１画素につき３本ずつ設けられている。ソース線Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂを個々に区別して説明する必要がある場合は、Ｓｒｊ，Ｓｇｊ，Ｓｂｊ（ｊ＝１〜Ｎ）のように表記する。
ゲート線Ｇとソース線Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂとの交点には、画素用のスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）Ｍ１が設けられている。なお、図２では、赤色、緑色、青色のそれぞれの絵素に設けられている薄膜トランジスタＭ１を、Ｍ１ｒ，Ｍ１ｇ，Ｍ１ｂと表記している。薄膜トランジスタＭ１のゲート電極はゲート線Ｇへ、ソース電極はソース線Ｓへ、ドレイン電極は図示しない画素電極へ、それぞれ接続されている。これにより、図２に示すように、薄膜トランジスタＭ１のドレイン電極と対向電極（ＶＣＯＭ）との間に液晶容量ＣLCが形成される。また、ドレイン電極とＴＦＴＣＯＭとの間に補助容量ＣLSが形成されている。
図２において、１本のゲート線Ｇｉと１本のソース線Ｓｒｊとの交点に接続された薄膜トランジスタＭ１ｒによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように赤色のカラーフィルタが設けられ、ソース線Ｓｒｊを介してディスプレイソースドライバ３から赤色の画像データが供給されることにより、赤色の絵素として機能する。また、ゲート線Ｇｉとソース線Ｓｇｊとの交点に接続された薄膜トランジスタＭ１ｇによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように緑色のカラーフィルタが設けられ、ソース線Ｓｇｊを介してディスプレイソースドライバ３から緑色の画像データが供給されることにより、緑色の絵素として機能する。さらに、ゲート線Ｇｉとソース線Ｓｂｊとの交点に接続された薄膜トランジスタＭ１ｂによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように青色のカラーフィルタが設けられ、ソース線Ｓｂｊを介してディスプレイソースドライバ３から青色の画像データが供給されることにより、青色の絵素として機能する。
なお、図２の例では、光センサは、画素領域１において、１画素（３絵素）に１つの割合で設けられている。ただし、画素と光センサの配置割合は、この例のみに限定されず、任意である。例えば、１絵素につき１つの光センサが配置されていても良いし、複数画素に対して１つの光センサが配置された構成であっても良い。
［光センサ回路の構成］
光センサは、図２に示すように、光検出素子の一例であるフォトダイオードＤ１、およびスイッチング素子の一例であるトランジスタＭ２を備える。フォトダイオードＤ１のアノードには、リセット信号を供給するリセット信号線ＲＳが接続され、フォトダイオードＤ１のカソードには、トランジスタＭ２のゲートが接続される。ここでは、フォトダイオードＤ１とトランジスタＭ２のゲートとを結ぶ配線上のノードを蓄積ノードＩＮＴと表記している。蓄積ノードＩＮＴにはさらにキャパシタＣ１の一方の電極が接続される。キャパシタＣ１の他方の電極は、読み出し信号を供給する読み出し信号線ＲＷに接続される。トランジスタＭ２のドレインは配線ＶＤＤに接続され、ソースは配線ＯＵＴに接続されている。配線ＶＤＤは、定電圧ＶDDを光センサへ供給する配線であり、配線ＯＵＴは、光センサの出力信号を出力する出力配線の一例である。
図２に示す回路構成においては、リセット信号線ＲＳからリセット信号が供給され、蓄積ノードＩＮＴの電位ＶINTが初期化される。リセット信号供給後にフォトダイオードＤ１は逆バイアスとなる。読み出し信号線ＲＷからキャパシタＣ１を介して蓄積ノードＩＮＴへ読み出し信号が供給されると、蓄積ノードＩＮＴの電位ＶINTが、突き上げられ、トランジスタＭ２が導通状態となって、蓄積ノードＩＮＴの電位ＶINTに応じた出力信号が配線ＯＵＴへ出力される。ここでは、リセット信号供給の終わりから、読み出し信号供給の始まりまでの期間（積分期間）に、フォトダイオードＤ１に、受光量に応じた電流が流れ、この電流に応じた電荷がキャパシタＣ１に蓄積される。そのため、読み出し信号供給時には、蓄積ノードＩＮＴの電位ＶINTは、フォトダイオードＤ１に流れた電流に応じて変化する。蓄積ノードＩＮＴの電位ＶINTに応じた出力信号が配線ＯＵＴへ出力されるので、出力信号は、フォトダイオードＤ１の受光量を反映したものになる。なお、センサ回路は、上記例に限られない。
図２に示す例では、ソース線Ｓｒが、センサカラムドライバ４から定電圧ＶDDを光センサへ供給するための配線ＶＤＤを兼ねている。また、ソース線Ｓｇが、センサ出力用の配線ＯＵＴを兼ねている。リセット信号線ＲＳおよび読み出し信号線ＲＷは、センサロウドライバ５に接続されている。これらのリセット信号線ＲＳおよび読み出し信号線ＲＷは１行毎に設けられているので、以降、各配線を区別する必要がある場合は、ＲＳｉまたはＲＷｉ（ｉ＝１〜Ｍ）のように表記する。
センサロウドライバ５は、所定の時間間隔ｔrowで、図２に示したリセット信号線ＲＳｉおよび読み出し信号線ＲＷｉを順次選択していく。これにより、画素領域１において信号電荷を読み出すべき光センサの行（ｒｏｗ）が順次選択される。
なお、図２に示すように、配線ＯＵＴの端部には、トランジスタＭ３のドレインが接続されている。トランジスタＭ３は、例えば、絶縁ゲート型電界効果トランジスタとすることができる。このトランジスタＭ３のドレインには、出力配線ＳＯＵＴが接続され、トランジスタＭ３のドレインの電位ＶSOUTが、光センサからの出力信号としてセンサカラムドライバ４へ出力される。トランジスタＭ３のソースは、配線ＶＳＳに接続されている。トランジスタＭ３のゲートは、参照電圧配線ＶＢを介して、参照電圧電源（図示せず）に接続されている。
［動作例］
図３は、液晶表示装置のタイミングチャートの一例を示す図である。図３に示す例では、垂直同期信号ＶＳＹＮＣは、１フレーム時間ごとにハイレベルになる。１フレーム時間は表示期間とセンシング期間に分割される。センス信号ＳＣは、表示期間かセンシング期間か示す信号であり、表示期間ではローレベルになり、センシング期間ではハイレベルになる。
表示期間では、ディスプレイソースドライバ３からソース線Ｓｒ、Ｓｇ、Ｓｂに表示データの信号が供給される。表示期間において、ディスプレイゲートドライバ２は、ゲート線Ｇ１〜Ｇｍの電圧を順次ハイレベルにする。ゲート線Ｇｉの電圧がハイレベルである間、ソース線Ｓｒ１〜Ｓｒｎ、Ｓｇ１〜Ｓｇｎ、Ｓｂ１〜Ｓｂｎには、ゲート線Ｇｉに接続された３ｎ個の絵素それぞれの階調（画素値）に対応する電圧が印加される。
センシング期間では、ソース線Ｓｇ１〜Ｓｇｎには定電圧ＶDDが印加される。センシング期間において、センサロウドライバ５は、所定の時間間隔ｔrowで、リセット信号線ＲＳｉおよび読み出し信号線ＲＷｉの行を順次選択していく。選択された行のリセット信号線ＲＳｉと読み出し信号線ＲＷｉには、それぞれ、リセット信号と読み出し信号が印加される。ソース線Ｓｂ１〜Ｓｂｎには、選択された行の読み出し信号線ＲＷｉに接続されたｎ個の光センサで検出された光量に応じた電圧が出力される。
［液晶表示装置の構造例］
図４Ａは、本実施形態にかかる液晶表示装置の画素領域１における１画素分の領域の上面図である。図４Ｂは、図４ＡのＸ２−Ｘ’２線断面図、図４Ｃは、図４ＡのＹ２−Ｙ’２線断面図である。図４Ｂおよび図４Ｃに示すように、本実施形態の液晶表示装置は、液晶パネル１０３と、バックライト１０を備える。液晶パネル１０３は、画素回路が設けられる第１の基板（ＴＦＴ基板１００）と、カラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒが設けられる第２の基板（対向基板１０１）とが、液晶層３０を挟んで対向して配置される構造を有する。本実施形態では、液晶パネル１０３の２面のうち対向基板１０１側の面が表面になり、ＴＦＴ基板１００側の面が背面になる。バックライト１０は、液晶パネル１０３の背面側に設けられる。また、液晶パネル１０３の背面および表面には偏光板１３ａ、１３ｂがそれぞれ設けられる。
対向基板１０１では、ガラス基板１４ａの液晶層３０側の面に、カラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒおよびブラックマトリクス２２を含む層が形成される。この層を覆うように、対向電極２１および配向膜２０ｂが形成される。
ＴＦＴ基板１００では、ガラス基板１４ａの各絵素２３ｇ、２３ｂ、２３ｒに対応する位置に、光センサを含む画素回路が形成される。具体的には、ガラス基板１４ａ上に設けられた遮光層１６と、遮光層１６上に設けられたフォトダイオード１７により光センサが形成される。遮光層１６は、バックライト１０からの出射光が直接にフォトダイオード１７の動作に影響を与えることを防止するために設けられる遮蔽部の一例である。ガラス基板１４ａ上には、さらに、画素回路を構成するＴＦＴ Ｍ１、ゲート線Ｇ、ソース線Ｓが形成される。
フォトダイオード１７と、液晶層３０との間には、赤外域以外の光を吸収する赤外光透過フィルタ１８が設けられる。赤外光透過フィルタ１８は、ガラス基板１４ａ上に形成された光センサを覆うように形成される。赤外光透過フィルタ１８は、カラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒと同様の樹脂フィルタを用いることができる。例えば、アクリル樹脂やポリミイド樹脂等のベース樹脂に、顔料やカーボンを分散させたネガ型の感光性レジストで、赤外光透過フィルタ１８やカラーフィルタを形成することができる。
赤外光透過フィルタ１８の上には、ＴＦＴ Ｍ１とコンタクトホールを介して接続された画素電極１９が設けられる。画素電極１９の上には配向膜２０ａが設けられる。
赤外光透過フィルタ１８は、光検出素子（ここではフォトダイオード１７）が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタの一例である。すなわち、光センサを覆うように設けられた赤外光透過フィルタ１８により、フォトダイオード１７へのノイズ光の入射が抑制される。赤外光透過フィルタ１８は、フォトダイオード１７と、液晶層３０との間に設けられるので、対向基板１０１側に赤外光透過フィルタ１８を設ける場合に比べて、ノイズ光の入射の抑制効果が高くなる。また、図４Ａ〜図４Ｃに示す例では、赤外光透過フィルタ１８は、例えば、赤色の絵素、青色の絵素および緑色の絵素それぞれに対応しても設けられる３つのフォトダイオード１７を、１つの膜で一体的に覆うように形成される。これにより、さらに効率よくノイズ光の入射を抑制することができる。
［光センサ部の構造例］
図５Ａは、フォトダイオード１７を含む光センサの部分を拡大した上面透視図である。図５Ｂは、図５ＢのＡ−Ａ’線断面図である。フォトダイオード１７は、遮光膜１６を被覆する絶縁膜である下地膜３１の上に形成され、遮光膜１６に対して電気的に絶縁されているシリコン膜により形成される。シリコン膜には、面方向に沿って順に、ｎ型の半導体領域（ｎ層）１７ｎ、真性半導体領域（ｉ層）１７ｉ及びｐ型の半導体領域（ｐ層）１７ｐが設けられている。
フォトダイオード１７を覆うようにゲート絶縁膜３２が設けられ、ゲート絶縁膜３２上にはＴＦＴのゲート電極と同じ層の配線３６が形成される。さらに、配線３６を覆うようにゲート絶縁膜３２の上に層間絶縁膜３３が設けられる。層間絶縁膜３３の上にはＴＦＴのソース電極と同じ層の配線３５が設けられる。フォトダイオード１７のｐ層１７ｐは、コンタクトホール３７を介して層間絶縁膜３３上の配線３５に接続され、配線３５は、さらなるコンタクトホール３７を介して、ゲート絶縁膜３２上の配線３６に接続されている。ｎ層１７ｎは、同じ層の配線３４に接続される。
［製造方法］
次に、本実施形態にかかる液晶表示装置の製造方法について、説明する。ＴＦＴ基板１００の製造工程においては、まず、基板材の一例であるマザーガラス上において複数の液晶表示パネルとなる領域それぞれに、画素回路を形成する電極、ＴＦＴ、フォトダイオードが形成される。
ここで、図５Ａおよび図５Ｂに示す光センサの部分の製造工程を説明する。初めに、ガラス基板１４ａに金属膜をスパッタにより成膜することで遮光層１６を形成する。次に、ＳｉＯ2の下地膜３１をＣＶＤで形成する。次に、フォトダイオード１７を形成するための半導体層をＣＶＤにて成膜し、ｐ層１７ｐ、ｎ層１７ｎおよびｉ層１７ｉおよび配線３４を形成する。次に、ゲート絶縁膜３２をＣＶＤにて形成した後、金属膜をスパッタにより成膜し、ＴＦＴのゲート電極と同じ層に配線３６を形成する。次に、層間絶縁膜３３をＣＶＤにて形成した後、コンタクトホール３７を形成する。コンタクトホール３７を覆うように金属膜をスパッタにて成膜することにより、ＴＦＴのソース電極と同じ層の配線３５を形成する。そして、赤外光透過フィルタ１８を、レジスト塗布、露光、現像およびベークにより形成する。
対向基板１０１の製造工程においては、例えば、透明なマザーガラス上に、カラーフィルタ、ブラックマトリクス、対向電極、配向膜等が形成される。カラーフィルタとしては、例えば、複数の液晶表示パネルの表示領域ごと、赤、緑、青の３色のフィルタ層が形成される。
このようにして形成されたＴＦＴ基板１００と、対向基板１０１とをシールを介して貼り合わせ、液晶を封入することにより、液晶表示パネル１０３が作製される。液晶パネル１０３の背面にバックライト１０が取り付けられる。
［効果の説明、その他］
図６は、赤外光透過フィルタを対向基板側に設けた液晶表示装置の構成例を示す断面図である。図６に示す構成においては、対向基板２０１側のカラーフィルタ８３ｒと同じ層に、赤外光透過フィルタ８８が形成されている。図６に示す構成では、赤外光透過フィルタ８８がフォトダイオード１７に対応する位置に配置されるように、対向基板２０１とＴＦＴ基板２００の位置合わせがなされる。
図６に示す例では、実線矢印Ｘ１で示されるように、バックライト１０から出射した赤外光は、液晶パネル表面から出て検出対象物Ｋで反射し、赤外光透過フィルタ８８を通ってフォトダイオード１７へ入射する。この入射光は、フォトダイオードにとって信号光となる。一方、図６において点線矢印Ｙ１に示すように、カラーフィルタ８３ｒが設けられた画素開口部より入射した外光がフォトダイオード１７に入射する場合がある。この外光は、フォトダイオード１７にとってノイズ成分となる。ＴＦＴ基板２００と対向基板２０１との貼り合わせ工程における位置合わせの誤差により、フォトダイオード１７と赤外光透過フィルタ８８との位置がずれるとノイズ光がさらに増える。また、ＴＦＴ基板２００と対向基板２０１間には液晶層３０など隙間が存在するため、例えば、図６の点線矢印Ｙ２に示すように、画素開口部から入射した外光またはバックライト１０から入射した光は、内部で反射しフォトダイオード１７に達する場合がある。このような光もフォトダイオード１７にとってノイズ光となる。
図７は、本実施形態にかかる液晶表示装置における光線の例を説明するための図である。一例として実線矢印Ｘ２に示すように、バックライト１０の赤外ＬＥＤ１２から出射した赤外光は、液晶パネル１０３の表面から外部へ出る。このとき、指などの検出対象物Ｋが液晶パネル１０３表面または表面付近にあると、赤外光は検出対象物Ｋで反射し、ガラス基板１４ｂ、液晶層３０および赤外光透過フィルタ１８等を通ってフォトダイオード１７へ入射する。この入射光は、フォトダイオード１７（光センサ）にとって信号光となる。光センサには、バックライト光に含まれる赤外光のみが入射する。そのため、光センサは、赤外光による検出対象物Ｋの反射像を検知することができる。
図７に示すように、赤外光透過フィルタ１８を、フォトダイオード１７と液晶層３０との間に、フォトダイオード１７を覆うように設けることにより、ノイズ光となる外光（例えば点線矢印Ｙ１で示す光）や内部反射光（例えば点線矢印Ｙ２で示す光）が赤外光透過フィルタ１８によりカットされる。また、位置合わせにずれが生じても、赤外光透過フィルタ１８により漏れ光がカットされるのでノイズ光は増えにくい。例えば、赤外光透過フィルタが光センサの直上からずれて隙間ができ、この隙間から入射した外光などがノイズ光となってフォトダイオード１７に達するという現象を抑えることができる。その結果、フォトダイオード１７の、Ｓ／Ｎ比が向上する。すなわち、ＴＦＴ基板１００と対向基板１０１との貼り合わせの際の位置合わせ誤差によるフォトダイオード１７のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる。
また、図７に示す例では、カラーフィルタ上に赤外光透過フィルタを設けるための開口部（光センサ用開口部）を設けなくてもよいため、画素開口率（液晶パネルの透過率）が向上する。さらに、この光センサ開口部がないので、光センサ用開口部からのモレ光が低減され、液晶パネルのコントラストが向上する。
また、赤外光透過フィルタ１８と光センサとの間の無駄な隙間を無くすことが可能となる。これにより、内部反射光などの光センサへのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比が向上する。
なお、上記図７に示した例では、バックライト１０から出射して検出対象物Ｋで反射した光を検出する場合を説明したが、検出対象物の検出方法はこれに限られない。例えば、外光が赤外光（光センサの信号光）を含む環境下（例えば、屋外やハロゲンランプの光を受ける状況）で、外光に含まれる赤外光により、検出対象物Ｋを検出することも可能である。この場合、検出対象物が液晶表示パネル１０３の表面付近にあると、液晶パネルの表面に入射する外光が遮られる。すなわち、光センサを用いて、外光に含まれる赤外光による検出対象物の影像を検知することができる。例えば、フォトダイオード１７の受光量を基に、検出対象物の有無を判定することができる。
上記のバックライトの反射光を光センサで検知する方法と、外光を検知する方法の両方を併用することも可能である。例えば、外光が赤外光を含むときに、バックライト１０を消灯した状態では、外光により検出対象物の影像を検知し、外光が赤外光を含まないときに、バックライト１０を点灯した状態で、バックライトの赤外光による反射像を検知することができる。
［赤外光透過フィルタとセンサの関係］
図８Ａは、本実施形態に用いる光センサの感度の波長特性の一例を示すグラフである。このように、光センサは、全波長域に感度を持つため、センサ用に設けた光源の波長以外の波長域の光（例えば、外光、太陽光など）がノイズとなる。そのため、本実施形態では、赤外光透過フィルタ１８（検出光フィルタの一例）を用いて、光センサが検出するべき信号光帯域の外の帯域の光、すなわち、ノイズとなる波長域の光をカットしている。また、本実施形態は、一例として、光センサが検出するべき信号光帯域が赤外光の領域である場合について説明しているが、信号光帯域は赤外光に限られない。
バックライトの反射光を光センサが検出する方法を用いる場合は、信号光領域は、光センサ用の光源の出射光の波長によって決まる。そのため、例えば、図８Ａに示すように、赤外光の領域の感度がその周辺の波長領域より高くなる光センサを用いる場合には、光センサ用の光源に赤外光領域の光を出射するものを用いることが好ましい。これにより、信号光領域を、光センサの感度のよい領域に設定することができる。図８Ｂは、本実施形態に用いる赤外ＬＥＤから出射される光の波長特性の一例を示すグラフである。
また、検出光フィルタは、光センサ用光源の光を透過し、それ以外の波長の光をカットすることが好ましい。図８Ｃは、本実施形態に用いる赤外光透過フィルタのフィルタ特性の一例を示すグラフである。図８Ｃに示すフィルタ特性のフィルタは、例えば、光センサ用光源が赤外光を出射する場合に、好ましく用いられる。
［赤外ＬＥＤ］
次に、以下、赤外ＬＥＤ１２を含むバックライト１０の詳細を説明する。上述したように、光センサへの光入射経路上には赤外光透過フィルタ１８が設けられている。そこで、赤外ＬＥＤ１２には、赤外光透過フィルタ１８を透過する波長域の赤外光を出射するものを使用する。例えば、赤外ＬＥＤ１２には、シリコンの基礎吸収端波長（約１１００ｎｍ）よりも短い波長の赤外光を出射するものを使用する。このような赤外ＬＥＤを使用することにより、画素回路１と光センサを多結晶シリコンで形成した場合に、赤外ＬＥＤ１２から出射された赤外光を光センサで検知することができる。
また、赤外ＬＥＤとして、大気の吸収スペクトルにピーク波長を持つ赤外光を出射するものを使用してもよく、より好ましくは、８６０ｎｍ以上勝つ９６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を持つ赤外光を出射するものを使用してもよい。図８Ｄは、一般的な太陽光のスペクトルを示す図である。大気の吸収スペクトルとは、太陽光が大気によって減衰するスペクトルのことをいい、具体的には、８００ｎｍを減衰ピークとした７８０ｎｍから８２０ｎｍまでの波長域や、９２０ｎｍを減衰ピークとした８６０ｎｍから９６０ｎｍまでの波長域などをいう。この波長域では、太陽光は、窒素分子や酸素分子を主成分とした空気およびエアロゾルによる散乱減衰や、水蒸気、その他オゾン、酸素分子、二酸化炭素による吸収によって減衰する。
太陽光は、上記大気の吸収により大気中を通過する間に減衰し、地表面では大気圏外よりも弱くなる。特に、８６０ｎｍから９６０ｎｍまでの波長域の赤外光は、大気中の水蒸気に吸収されて大幅に減衰する。このように太陽光が弱い波長域の赤外光を出射する赤外ＬＥＤ１２を使用した場合、当該赤外光の波長域を通過帯域とする帯域通過フィルタを光センサへの光入射経路上に設ければ、スキャン画像が太陽光から受ける影響を小さくして、高い精度でタッチ位置を検出することができる。
図９〜図１３は、それぞれ、バックライト１０の第１から第５の構成例を示す図である。図９〜図１３に示すバックライト１０ａ〜１０ｅでは、導光板６４または７４の一方の面に２枚のレンズシート６１、６２および拡散シート６３が設けられ、他方の面には反射シート６５または７２が設けられている。
図９および図１０に示すバックライト１０ａ、１０ｂでは、白色ＬＥＤ１１を１次元状に配置したフレキシブルプリント基板６６が導光板６４の側面に設けられ、赤外光源が導光板６４の反射シート６５を設けた面側に設けられている。バックライト１０ａでは、赤外光源として、赤外ＬＥＤ５を２次元状上に配置した回路基板６７が設けられている。バックライト１０ｂでは、赤外光源は、導光板６８、赤外ＬＥＤ１２を１次元状に配置したフレキシブルプリント基板６９（導光板６８の側面に設けられる）、および、反射シート７０を含む。反射シート６５には赤外光を透過し可視光を反射するもの（例えば、ポリエステル系樹脂で形成された反射シート）を使用することができる。反射シート７０には赤外光を反射するものを使用することができる。このように可視光を出射するバックライトに赤外光源を追加することにより、例えば、既存の可視光バックライトをそのまま用いて、可視光と赤外光の両方を出射するバックライト１０を構成することができる。
図１１に示すバックライト１０ｃでは、白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２が１つの線上に交互に並んで配置されたフレキシブルプリント基板７１が、導光板６４の側面に設けられている。反射シート７２には、可視光と赤外光の両方を反射するものを使用することができる。このように導光板６４の側面に沿って白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２とを混在して配置することにより、白色ＬＥＤ１１のみのバックライトと同様の構造を維持しながらも、可視光と赤外光の両方を出射するバックライト１０を構成することができる。
図１２に示すバックライト１０ｄでは、白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２を同一の樹脂パッケージ７５内に一緒に封入したものを１つの線上に並べて配置したフレキシブルプリント基板７３が、導光板６４の側面に設けられている。このように白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２を1つの樹脂パッケージ７５内に封入することにより、狭いスペースに多灯数ＬＥＤ発光体を効率よく配置することができる。なお、１つの樹脂パッケージ７５内に白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２を１個ずつ封入してもよく、複数個ずつ封入してもよい。
図１３に示すバックライト１０ｅでは、白色ＬＥＤ１１を１次元状に配置したフレキシブルプリント基板６６が導光板７４の一方の側面に設けられ、赤外ＬＥＤ１２を１次元状に配
置したフレキシブルプリント基板６９が、導光板７４の対向する他方の側面に設けられている。図１４は、バックライト１０ｅの断面図である。導光板７４は、一方の側面から入射した白色光と反対側の側面から入射した赤外光とが伝搬するように加工される。このように導光板７４の対向する２つの側面に沿って白色ＬＥＤ１１と赤外ＬＥＤ１２をそれぞれ配置することにより、２種類のＬＥＤで同じ導光板を使用し、他のバックライト部材も共有することができる。
［第２の実施形態］
図１５は、第２の実施形態にかかる液晶表示装置の断面図である。図１５に示す液晶表示装置は、図１に示す構成に対して、不要赤外光域用カットフィルタ１８ａが、赤外光透過フィルタ１８に重ねられて、さらに設けられた構成である。不要赤外光域用カットフィルタ１８ａは、赤外光透過フィルタ１８の透過領域のうち、光センサにとって不要な領域の光をカットするフィルタである。赤外光透過フィルタ１８に、不要赤外光域用カットフィルタ１８ａを重ねて追加することで、光センサー用に設定した波長以外のノイズとなる波長域をさらに除去しＳ／Ｎ比を向上させることができる。
図１５においては、不要赤外光域用カットフィルタ１８ａが赤外光透過フィルタ１８の下に設けられる構成であるが、積層の順は入れ替わってもよい。赤外光透過フィルタ１８と不要赤外光域用カットフィルタ１８ａの積層工程は順番が入れ替わってもよい。また、不要赤外光域用カットフィルタはさらに複数重ねられてもよい。
図１６は、赤外光透過フィルタ１８と不要赤外光域用カットフィルタ１８ａの通過特性の一例を示すグラフである。図１６に示すグラフにおいて、点線ｆ２は、赤外光透過フィルタ１８の特性と示し、実線ｆ１は、例では、不要赤外光域用カットフィルタ１８ａの特性を示す。例えば、光センサのための光源が、８６０ｎｍ以上９６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を持つ赤外光を出射する光源（例えば、赤外ＬＥＤ）であった場合、図１６に示すグラフのような特性を持つ赤外光透過フィルタ１８と不要赤外光域用カットフィルタ１８ａの組み合わせを用いることが好適である。
このように、ハイパスフィルタとして機能するフィルタと、ローパスフィルタとして機能するフィルタとを組み合わせて検出光フィルタを形成することにより、光センサ用の光源の波長が含まれる範囲を透過させ、それ以外の範囲の波長をカットするフィルタを構成することができる。
［第３の実施形態］
図１７Ａは、第３の実施形態にかかる液晶表示装置の画素領域１における１画素分の領域の上面図である。図１７Ｂは、図１７ＡのＸ３−Ｘ’３線断面図、図１７Ｃは、図１７ＡのＹ３−Ｙ’３線断面図である。上記第１の実施形態においては、カラーフィルタが対向基板１０１側に設けられたのに対して、本実施形態では、カラーフィルタがＴＦＴ基板１０１ａ側に設けられる。図１７Ａ〜図１７Ｃに示すように、ＴＦＴ基板１００ａでは、ガラス基板１４ａ上に設けられた遮光層１６と、遮光層１６上に設けられたフォトダイオード１７により光センサが形成される。ガラス基板１４ａ上には、さらに、画素回路を構成するＴＦＴ Ｍ１、ゲート線Ｇ、ソース線Ｓが形成される。フォトダイオード１７を覆うように、赤外光透過フィルタ１８が設けられる。赤外光透過フィルタ１８に被さるように、緑色のカラーフィルタ２３ｇ、青色のカラーフィルタ２３ｂ、赤色のカラーフィルタ２３ｒが設けられる。各カラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒは、それぞれ各絵素２３ｇ、２３ｂ、２３ｒに対応する位置に形成される。カラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒの上には、それぞれ画素電極１９が設けられる。
本実施形態によれば、ＴＦＴ基板１００ａ側にカラーフィルタを設けるので、ブラックマトリクスが不要となるか、あるいは、ブラックマトリクスを縮小できるため、開口率が向上する。
また、本実施形態においても、上記第１および第２の実施形態と同様に、赤外光透過フィルタ１８が光センサ直上に形成されるので、画素開口部より外光が入射し内部反射を起こして、光センサのノイズ成分となることを抑えることができる。また、赤外光透過フィルタ１８と光センサ間の無駄な隙間を無くすことが可能となる。これにより、内部反射光などの光センサーへのノイズ光が低減し、Ｓ／Ｎ比が向上する。
さらに、カラーフィルタ２３ｇ、２３ｇ、２３ｒおよび赤外光透過フィルタ１８を対向基板側に設ける構成だと、赤外光透過フィルタ１８が画素開口部の一部を占める構成となるが、本実施形態では、赤外光透過フィルタ１８を設けるための開口部が不要となるため、画素開口率（液晶パネルの透過率）が向上する。さらに、光センサー用開口部も不要なので、そのような開口部からのモレ光が低減され、液晶パネルのコントラストが向上することができる。
また、対向基板１０１ａとＴＦＴ基板１００ａの貼り合わせ工程の際に発生していたカラーフィルタの位置合わせ誤差をなくすことができる。その結果、赤外光透過フィルタ１８の位置が、光センサ直上からずれることにより外光などのノイズ光が入射するという問題がなくなり、Ｓ／Ｎ比が向上する。
赤外光透過フィルタ１８とカラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒは共に、顔料やカーボンをベース樹脂に分散させたネガ型の感光性レジストにより形成される。製造工程においては、赤外光透過フィルタ１８およびカラーフィルタ２３ｇ、２３ｂ、２３ｒの両方ともＴＦＴ基板１００ａの製造工程において形成される。そのため、製造効率が高くなる。
上記の実施形態では、光検出素子は、フォトダイオードに限られず、例えば、フォトトランジスタ等を光検出素子として用いることができる。
本発明は、ＴＦＴ基板の画素領域内にセンサ回路を有する表示装置として、産業上利用可能である。
１ 画素領域
２ ディスプレイゲートドライバ
３ ディスプレイソースドライバ
４ センサカラムドライバ
５ センサロウドライバ
６ バッファアンプ
７ コネクタ
８ 信号処理回路
１００ ＴＦＴ基板
１０１ 対向基板
ＬＳ 遮光膜
Ｍ１ 薄膜トランジスタ
Ｍ２ トランジスタ
Ｍ３ トランジスタ
Ｍ４ ｐチャネルトランジスタ

Claims (7)

  1. 画素回路が設けられる第１の基板と、
    前記第１の基板と液晶層を挟んで対向する第２の基板と、
    前記第１の基板に設けられる光検出素子と、
    前記光検出素子と前記液晶層との間に設けられ、前記光検出素子が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタと、を備える液晶表示装置。
  2. 前記信号光帯域の光を出射する発光体を有するバックライトが、前記第１の基板の前記液晶層とは反対側に設けられ、
    前記光検出措置と前記バックライトとの間には、バックライトの光が直接前記光検出素子へ到達するのを遮る遮蔽部が設けられる、請求項１に記載の液晶表示装置。
  3. 前記信号光帯域の光を出射する発光体と、当該信号光帯域とは異なる帯域の表示のための光を出射する発光体とを有するバックライトが、前記第１の基板の前記液晶層とは反対側に設けられ、
    前記光検出措置と前記バックライトとの間には、バックライトの光が直接前記光検出素子へ到達するのを遮る遮蔽部が設けられる、請求項１に記載の液晶表示装置。
  4. 前記第１の基板にカラーフィルタがさらに設けられる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
  5. 前記信号光帯域は、赤外線の帯域に含まれていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液晶表示装置。
  6. 第１の基板に画素回路および光検出素子を形成する工程と、
    前記第１の基板に、前記光検出素子を覆うように、前記光検出素子が検出するべき信号光帯域の外の帯域の光をカットする検出光フィルタを形成する工程と、
    前記検出光フィルタが形成された前記第１の基板と、第２の基板とを対向して貼りあわせ、前記第１の基板と前記第２の基板との間に液晶を封入する工程とを含む、液晶表示装置の製造方法。
  7. 前記第１の基板に前記検出光フィルタを形成する工程において、カラーフィルタも前記第１の基板に形成する、請求項６に記載の液晶表示装置の製造方法。
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