JP2014026352A - 光センサ付き表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストアップや画像品位の低下を招くことなく、光センサのＳ／Ｎ比を改善することが可能な表示装置を提供する。
【解決手段】
本発明の光センサ付き表示装置は、表示パネルと、表示パネルの背面側に設けられ、表示パネルの表示光を照射するバックライトと、表示パネルの前面側に設けられた透明カバーと、透明カバーの表面に近接した指示体の反射光を受光し、指示体の位置を検出する光センサとを備え、光センサが透明カバーの裏面に設けられていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、表示装置に関し、特に表示パネルに複数の光センサを設けた表示装置に関する。

近年、指やペンなどで表示画面にタッチすることにより操作可能な電子機器が普及している。その表示画面内のタッチ位置を検出する方法として、表示パネルに複数の光センサを設け、指などが画面に接近したときにできる影像を光センサで検知する方法が知られている。しかし、影像を検知する方法では、外光の照度が低い（周囲が暗い）ときに、光センサで得られた画像内で影像と背景の区別が困難になり、タッチ位置を正しく検出できないことがある。そこで、バックライトを備えた表示装置については、バックライト光が指に当たったときの反射像を光センサで検知する方法も知られている。

バックライト光の反射像を光センサで検知する表示装置については、例えば特許文献１に記載されている。特許文献１の表示装置は、図７の断面図に示す通り、液晶パネル１２１と、液晶パネル１２１の背面側から表示光を照射するバックライト１２２を備えている。

液晶パネル１２１は、光センサ１２４が形成された透明絶縁基板からなるＴＦＴ基板１２３と、ＴＦＴ基板１２３と対向して配置される透明絶縁基板からなる対向基板１２５と、ＴＦＴ基板１２３と対向基板１２５との間に封入された液晶層１２６を備えている。

また、ＴＦＴ基板１２３の下面には第１偏光板１２７が形成され、対向基板１２５の上面には第２偏光板１２８が形成されている。また、第２偏光板１２８の上面に位相差板１２９が形成され、位相差板１２９の上部には空気層１３０を介して透明保護カバー１３１が配置されている。

そして、特許文献１では、第２偏光板１２８を通過した光が、位相差板１２９を通過することで例えば右円偏光となり、さらに透明保護カバー１３１の下面で反射されると左円偏光となる。このため、透明保護カバー１３１の下面で反射された反射光が再度位相差板１２９を通過すると、光の偏光方向が９０°傾くことにより第２偏光板１２８に吸収されるので、透明保護カバー１３１からの反射光が光センサ１２４に入射することを防止できる。

一方、指等の指示体１４０で反射された光は、反射面の凹凸等によって偏光が解消され、光の振動方向がほぼランダムになるため、第２偏光板１２８を通過して光センサ１２４に入射することができる。したがって、透明保護カバー１３１からの反射光が取り除かれるため、ノイズによる影響を小さくなり、光センサ１２４のＳ／Ｎ比を改善することができる。

特開２００９−１６９４００号公報

しかしながら、特許文献１の表示装置では、液晶パネル１２１上の第２偏光板１２８と透明保護カバー１３１の間に、透明保護カバー１３１からの反射光を取り除くために位相差板１２９を追加するので、コストアップを招くとともに、表示装置の輝度が低下して画像品位が損なわれる問題があった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、コストアップや画像品位の低下を招くことなく、光センサのＳ／Ｎ比を改善することが可能な表示装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の光センサ付き表示装置は、表示パネルと、表示パネルの背面側に設けられ、表示パネルの表示光を照射するバックライトと、表示パネルの前面側に設けられた透明カバーと、透明カバーの表面に近接した指示体の反射光を受光し、指示体の位置を検出する光センサとを備えた表示装置であって、光センサが透明カバーの裏面に設けられていることを特徴とする。

また、バックライトの表示光が赤外光を含むことを特徴とする。

また、光センサの受光面に、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタを設けたことを特徴する。

本発明によれば、コストアップや画像品位の低下を招くことなく、光センサのＳ／Ｎ比を改善することが可能な表示装置を提供することができる。

本発明の実施例１の光センサ付き表示装置の構成を示す概略図である。 光センサ付き表示装置の主要部の分解斜視図である。 光センサ回路の概略図である 光センサ回路の駆動波形である 本発明の実施例２の光センサ付き表示装置の構成を示す概略図である。 本発明の実施例３の光センサ付き表示装置の構成を示す概略図である。 従来の光センサを備えた表示装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施例を詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図面において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施例１の光センサ付き表示装置１００の構成を示す概略図である。光センサ付き表示装置１００は、表示パネル１０と、表示パネル１０の背面側に設けられ、表示パネル１０の表示光を照射するバックライト２０と、表示パネル１０の前面側に設けられた透明カバー３０と、透明カバー３０の表面に近接した指示体１から反射された表示光を受光し、指示体１の位置を検出する光センサ４０とを備え、この光センサ４０が透明カバー３０の裏面に設けられていることを特徴とするものである。

実施例１に係る光センサ付き表示装置１００では、図１に示すように、光センサ４０が透明カバー３０の裏面に設けられることにより、指示体１から光センサ４０までの距離が短縮され、指示体１からの反射光をダイレクトに光センサ４０に入射させることができるため、透明カバー３０の下面で反射された光Ｌ２や、表示パネル１０の対向基板１２等で反射された光Ｌ３等が光センサ４０に入射されることがなくなる。結果として、指示体１で反射された反射光Ｌ１を効率よく光センサ４０に入射できるため、光センサ４０のＳ／Ｎ比を改善することができる。また、透明カバー３０からの反射光を取り除くために、位相差板等を追加する必要もないため、コストアップを招くことなく、かつ表示光の透過率を低下させ画像品位を損なわせる惧れもない。

図１に示すように、表示パネル１０は、透明絶縁基板に複数の画素回路が形成されたＴＦＴ基板１１と、透明絶縁基板に対向電極が形成された対向基板１２と、ＴＦＴ基板１１と対向基板１２の間に封入された液晶層１３により構成されている。また、表示パネル１０の背面側（ＴＦＴ基板１１の裏面）と前面側（対向基板１２の表面）には図示しない偏光板が形成されている。

表示パネル１０の背面側には、表示パネル１０に表示光を照射するため、ＬＥＤ等の発光素子２１を有するバックライト２０が備えられており、また、表示パネル１０の前面側には、表示パネル１０を保護するための透明カバー３０が備えられている。また、透明カバー３０の裏面には、透明カバー３０の表面に近接した指示体１の反射光を受光して、指示体１の位置を検出するための光センサ４０が設けられている。

図２は、光センサ付き表示装置１００の主要部を示す分解斜視図である。表示パネル１０を構成するＴＦＴ基板１１及び対向基板１２は、例えば、寸法が７５０×４４０ｍｍ、厚さが２ｍｍのガラス基板が用いられている。表示パネル１０の有効表示領域は、７１０×４００ｍｍであり、上記有効表示領域に対応するＴＦＴ基板１１の領域内に画素回路１３がマトリクス状に形成されている。

透明カバー３０もＴＦＴ基板１１や対向基板１２と同等の寸法を有するガラス基板が用いられている。透明カバー３０の裏面には、ＴＦＴ基板１１の画素回路１３に対応して、光センサ４０がｍ×ｎ個のマトリクス状に形成されている。画素回路１３と光センサ４０は、例えば、画素回路１３が１０個に対し、光センサ４０が１個の割合で設けられている。

バックライト２０から出射された表示光は、表示パネル１０と透明カバー３０を透過して透明カバー３０の表面から外部に出る。このとき、指等の指示体１が透明カバー３０の表面付近にあると、表示光は指示体１で反射され、反射された表示光Ｌ１は透明カバー３０を透過して光センサ４０に入射する。このようにして、バックライト２０の表示光を指示体１で反射させて、反射された表示光Ｌ１を光センサ４０で検出することにより、指示体１の位置を特定することができる。

図３は、光センサ４０の回路構成を示す概略図である。透明カバー３０には、図２に示したように、ｍ行×ｎ列の光センサ４０からなるアレイが形成されており、これら光センサ４０の各々は、図３中に破線で囲む回路構成となっている。光センサ４０は、例えば薄膜トランジスタ技術やシリコン・オン・インシュレータ技術を用いて、図示しない光センサ駆動回路と共に透明カバー３０上に集積されている。

光センサ４０は、光検出素子である薄膜フォトダイオードＤ１等を含んでいる。フォトダイオードＤ１のアノードは、同じ行内の全ての光センサ４０に共用されるリセット信号線ＲＳｉに接続されている。フォトダイオードＤ１のカソードは、ノード４１に接続されており、ノード４１は、コンデンサＣ１の第１の電極に接続されており、コンデンサＣ１の第２の電極は、読出信号線ＲＷｉに接続されている。

また、光センサ４０は、半導体増幅素子である薄膜絶縁ゲート電界効果トランジスタＭ１を含んでおり、トランジスタＭ１は、ソースフォロワとして構成され、トランジスタＭ１のゲートは、フォトダイオードＤ１のカソードおよびコンデンサＣ１の第１の電極に接続され、トランジスタＭ１のドレインは、センサ信号線ＳＤｊに接続され、トランジスタＭ１のソースはセンサ信号線ＳＳｊに接続されている。フォトダイオードＤ１のカソードおよびコンデンサＣ１の第１の電極は、ノード４１に接続されると共にトランジスタＭ１のゲートに接続されている。

センサ信号線ＳＳｊの端は、絶縁ゲート電界効果トランジスタＭ２のドレインに接続されており、トランジスタＭ２のソースは、基準電圧線ＶＳＳに接続されており、トランジスタＭ２のゲートは、基準電圧線ＶＢに接続されている。トランジスタＭ２は、読み出し用に現在選択されている列の光センサ４０のトランジスタＭ１のための能動ソース負荷を形成するバイアス用素子として機能する。トランジスタＭ２のドレインは、列出力ＶＰＩＸを含み、出力読み取り回路に接続されている。

光センサ４０の回路構成は、図３の破線で示すように、１つのトランジスタＭ１しか必要とせず、それゆえに占有する基板面積が小さくなり、高いイメージセンシング空間分解能とディスプレイ開口比を実現することができる。

図４は、光センサ４０の回路を動作させるためのタイミングチャートを示した図である。光センサ４０は、リセット期間、センシング期間、および読出期間からなる繰り返しサイクルを実行することにより、指示体１の位置を検出する。上記サイクルは、同じ行内の光センサ４０について互いに同期され、異なる行についてのサイクルは、例えば既知のアクティブマトリクスアドレッシング技術に従って、時間的に交互交代とされるか、あるいは時間的にずらされて実行される。

まず、リセット期間について説明する。リセット期間においては、リセット信号線ＲＳｉに印加する電圧を、ローレベル（電圧ＶＳＳＲ）からハイレベル（電圧ＶＤＤＲ）へと瞬間的に切り換える。一方、読出信号線ＲＷｉに印加する電圧は、ローレベル（電圧ＶＳＳＲ）のままとする。このように、リセット信号線ＲＳｉに上記ハイレベルの電圧を印加することにより、フォトダイオードＤ１の順方向（アノード側からカソード側）に電流が流れ始める。その結果、ノード４１の電位である電圧ＶＩＮＴは、以下の式（１）で示す値となる。なお、式（１）では、フォトダイオードＤ１における順方向の電圧降下量をＶｆとしている。

ＶＩＮＴ＝ＶＳＳＲ＋ＶＤＤＲ−Ｖｆ … （１）
式（１）より、ノード４１の電位である電圧ＶＩＮＴは、図４に示すとおり、電圧ＶＤＤＲよりもＶｆだけ小さな値となる。

ここで、電圧ＶＩＮＴは、トランジスタＭ１のゲートをターンオンさせる閾値以下であるため、センサ信号線ＳＳｊからの出力はない。このため、電圧ＶＰＩＸは変化しない。また、コンデンサＣ１の電極間には、上記電圧ＶＩＮＴ分の差が生じる。このため、コンデンサＣ１には、当該差に応じた電荷が蓄積される。

次に、センシング期間について説明する。リセット期間に続くセンシング期間においては、リセット信号線ＲＳｉに印加する電圧は、ハイレベル（電圧ＶＤＤＲ）からローレベル（電圧ＶＳＳＲ）へと瞬間的に切り換わる。一方、読出信号線ＲＷｉに印加する電圧は、ローレベル（電圧ＶＳＳＲ）のままとする。

このように、リセット信号線ＲＳｉに印加する電圧をローレベルに変化させることにより、ノード４１の電位は、リセット信号線ＲＳｉの電圧および読出信号線ＲＷｉの電圧よりも高くなる。このため、フォトダイオードＤ１においては、カソード側の電圧がアノード側の電圧よりも高くなる。つまり、フォトダイオードＤ１は、逆バイアスの状態となる。このような逆バイアスの状態において、光源からの光をフォトダイオードＤ１が受光すると、フォトダイオードＤ１のカソード側からアノード側へと電流が流れ始める。その結果、図４に示すとおり、ノード４１の電位（電圧ＶＩＮＴ）は時間の経過とともに低くなる。

なお、このように電圧ＶＩＮＴが低下し続けるため、トランジスタＭ１のゲートはターンオンした状態にはならない。それゆえ、センサ信号線ＳＳｊからの出力はない。このため、電圧ＶＰＩＸは変化しない。

次に、読出期間について説明する。センシング期間に続く読出期間においては、リセット信号線ＲＳｉに印加する電圧をローレベル（電圧ＶＳＳＲ）のままとする。一方、読出信号線ＲＷｉに印加する電圧は、ローレベル（電圧ＶＳＳＲ）からハイレベル（電圧ＶＤＤ）へと瞬間的に切り換わる。ここで、電圧ＶＤＤは、電圧ＶＤＤＲよりも高い値である。

このように、読出信号線ＲＷｉにハイレベルの電圧を瞬間的に印加することにより、図４に示すとおり、コンデンサＣ１を介してノード４１の電位が引き上げられる。なお、ノード４１の電位の上昇幅は、読出信号線ＲＷｉに印加する電圧に応じた値となる。ここで、ノード４１の電位（つまり、電圧ＶＩＮＴ）が、トランジスタＭ１のゲートをターンオンさせる閾値以上まで引き上げられるため、トランジスタＭ１のゲートがターンオンする。

この際、トランジスタＭ１のドレイン側に接続されたセンサ信号線ＳＤｊに予め一定電圧を印加しておけば、トランジスタＭ１のソース側に接続されたセンサ信号線ＳＳｊからは、図４のＶＰＩＸのグラフに示すとおり、ノード４１の電位に応じた電圧が出力される。

ここで、フォトダイオードＤ１が受光する光の量（以下、受光量と称する）が少ない（暗）と、図４のＶＩＮＴのグラフに示す直線の傾きが緩やかになる。その結果、電圧ＶＰＩＸは、受光量が多い場合（明）に比べて高くなる。このように、光センサ４０は、フォトダイオードＤ１の受光量に応じて、センサ信号線４２に出力する電圧の値を変化させる。

ところで、上記においては、ｍ×ｎ個存在する光センサ回路のうち、１つの光センサ回路４０に着目して、その動作を説明した。以下では、光センサ付き表示装置１００における各光センサ回路の動作について説明する。

まず、光センサ駆動回路は、ｎ個のセンサ信号線（ＳＤ１〜ＳＤｎ）の全てに対して、予め定められた電圧を印加する。次に、光センサ駆動回路は、リセット信号線ＲＳ１に対して、通常よりもハイレベルな電圧ＶＤＤＲを印加する。なお、他のリセット信号線（ＲＳ２〜ＲＳｍ）および読出信号線（ＲＷ１〜ＲＷｍ）については、ローレベルの電圧を印加したままの状態とする。これにより、図２における１行目のｎ個の光センサ回路が、上述したリセット期間に入る。その後、１行目のｎ個の光センサ回路は、センシング期間に入る。さらに、その後、１行目のｎ個の光センサ回路は、読出期間に入る。

なお、ｎ個のセンサ信号線（ＳＤ１〜ＳＤｎ）の全てに対して予め定められた電圧を印加するタイミングは、上記のタイミングに限定されず、少なくとも読出期間前に印加されるタイミングであればよい。

１行目のｎ個の光センサ回路の読出期間が終了すると、光センサ駆動回路は、リセット信号線ＲＳ２に対して、通常よりもハイレベルな電圧ＶＤＤＲを印加する。つまり、２行目のｎ個の光センサ回路のリセット期間に入る。リセット期間が終了すると、２行目のｎ個の光センサ回路は、センシング期間に入り、その後は、読出期間に入る。

以降は、上述した処理が、順に、３行目のｎ個の光センサ回路、４行目のｎ個の光センサ回路、…ｍ行目のｎ個の光センサ回路に対して行われる。その結果、センサ信号線（ＳＳ１〜ＳＳｎ）からは、１行目のセンシング結果、２行目のセンシング結果、…、ｍ行目のセンシング結果が、この順に出力される。

本発明の光センサ付き表示装置１００では、上記の光センサ４０を透明カバー３０の裏面に形成したので、この透明カバー３０を通常の表示装置の前面に取り付けることにより、光センサ付き表示装置として使用することができる。

また、本発明の光センサ付き表示装置１００のように、光センサ４０を透明カバー３０の裏面に形成することにより、光センサ４０とＴＦＴ基板１１を同一基板上で連続して製造する必要がなく、容易に製造することができ、製造工程もそれぞれ短縮できるので、ＴＦＴ基板１１上で光センサ４０を画素回路と一体に形成するよりも、製造歩留まりを向上させることができる。

図５は、実施例２の光センサ付き表示装置１１０の構成を示す概略図である。なお、図５において、実施例１と同一機能を有するものは同一符号を付け、その重複する説明は省略する。

図５に示すように、実施例２の光センサ付き表示装置１１０は、バックライト２０に赤外光を放出する赤外発光素子２２を混在させたことを特徴としている。赤外発光素子２２としては、８５０〜９６０ｎｍの範囲にピーク波長を持つものを用いる。

一般に薄膜フォトダイオードＤ１のセンサ感度は、受光する光の波長に反比例する。このため、バックライト２０から波長の長い赤外光を照射して、指示体１から反射させた赤外光を受光させる方が、光センサ４０の受光感度を高くして、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

また、表示画像が暗い場合は、表示パネル１０を透過した可視光が減少しているので、光センサ４０の検出感度が低下するが、赤外光は表示画像の明暗に関わらず一定量が放出されるため、光センサ４０が赤外光の反射を受光することにより、常時安定してタッチ位置を検出することができる。

図６は、実施例３の光センサ付き表示装置１２０の構成を示す概略図である。なお、図６において、実施例２と同一機能を有するものは同一符号を付け、その重複する説明は省略する。

実施例３の光センサ付き表示装置１２０は、図６に示すように、光センサ４０の受光面（透明カバー３０側）に、可視光を遮断し、赤外光を透過する赤外光透過フィルタ４５を設けたことを特徴としている。

赤外光透過フィルタ４５は、光センサ４０が形成される透明カバー３０の裏面に、遮光用塗料を塗布したものである。遮光用塗料としては、カーボンブラックや金属ナノ粒子等を拡散させた溶液を用いることができる。透明カバー３０に光センサ４０を形成する前に、上記遮光材料とアクリル系樹脂を混合し、充分に拡散した溶液をインクジェットプリンタで透明カバー３０に塗布して、赤外光透過フィルタ４５を形成した。

上記金属ナノ粒子及びカーボンブラックの溶液中濃度は、インクジェットプリンタで安定したインク吐出させるため、１０ｗｔ％から１５ｗｔ％に調整することが望ましい。カーボンブラック粒子は、上記溶液中濃度で２回塗布を行うことにより、十分な遮光性を得ることができる。溶液中濃度を２倍にすれば、１回の塗布でも遮光性を確保できるが、インクジェットプリンタのノズルへの目詰まりなどインクの吐出安定性が低下する。これに対して、金属ナノ粒子は上記溶液中濃度で１回塗布を行うことにより、十分な遮光性を得ることができるため、生産性を向上することができる。

上記のように形成された赤外光透過フィルタ４５は、可視光を遮光する一方で、８５０〜９６０ｎｍの波長を有する赤外光を透過させることができる。

実施例３に係る光センサ付き表示装置１２０では、赤外光を透過し可視光を遮断する赤外光透過フィルタ４５が、光センサ４０への光入射経路上に設けられているので、光センサ４０は外光やバックライト光に含まれる可視光の影響を受けず、バックライト２０から出射された赤外光のみを検知することができ、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

１ 指示体
１０ 表示パネル
１１ ＴＦＴ基板
１２ 対向基板
１３ 液晶層
２０ バックライト
２１ 発光素子
２２ 赤外発光素子
３０ 透明カバー
４０ 光センサ
４５ 赤外光透過フィルタ
１００、１１０、１２０ 光センサ付き表示装置

Claims (3)

1. 表示パネルと、
   前記表示パネルの背面側に設けられ、前記表示パネルの表示光を照射するバックライトと、
   前記表示パネルの前面側に設けられた透明カバーと、
   前記透明カバーの表面に近接した指示体の反射光を受光し、前記指示体の位置を検出する光センサとを備えた表示装置であって、
   前記光センサが前記透明カバーの裏面に設けられていることを特徴とする光センサ付き表示装置。
2. 前記バックライトの表示光が赤外光を含むことを特徴とする請求項１記載の光センサ付き表示装置。
3. 前記光センサの受光面に、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタを設けたことを特徴する請求項２記載の光センサ付き表示装置。