JP4543560B2 - 表示機能を内蔵した画像入力装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯情報端末、携帯電話、パーソナルコンピュータ、等の機器に使用される画像入力装置に関し、特に、画像表示機能を内蔵した画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、文書や写真等のような平面状の媒体の上に記録された画像情報を入力する画像入力装置として画像表示機能を持つものが提案されている。このような従来の画像入力装置の例として、特開平７−２３６０２９に開示されている装置の構成を図２０に示す。
図２０に示すように、この装置は、２次元イメージセンサ１１０と、面状光源１２０と、液晶ライトバルブ１３０と、駆動回路１４０とから構成される。２次元イメージセンサ１１０は透明基板の上に光電変換素子を多数配列して構成される。この光電変換素子の配列の隙間には、面状光源１２０が発する光を透過するための開口部が設けられている。
【０００３】
画像入力は、原稿１００を２次元イメージセンサ１１０に密着させて行う。即ち、面状光源１２０から発せられた光は２次元イメージセンサ１１０の光電変換素子配列の隙間を透過して、原稿１００を照明する。原稿１００からの反射光が２次元イメージセンサ１１０の光電変換素子によって電気信号に変換される。
個々の光電変換素子にはその電気信号を外部へ読み出すための(通常は薄膜トランジスタで形成される)スイッチが配置されており、これらのスイッチを制御して全ての光電変換素子から電気信号を読み出して画像情報を得る。駆動回路１４０は、制御信号１５０により、この一連の画像入力動作を制御する。
【０００４】
一方、液晶ライトバルブ１３０は、２枚の透明基板で液晶層を挟んで構成される。表示面は規則正しく配列された多数の画素からなり、それぞれの画素において、面状光源１２０が発する光を透過するか吸収するかを制御信号１６０により切り替えることにより画像を表示する。
このように、図２０の構成では、平面型の装置の一方の面が入力面、他方の面が表示面になっているので、例えば、細かい画像の原稿の上にこの装置を置いてその拡大像を表示したり、英語の原稿の上にこの装置を置いてその内容を日本語に機械翻訳した後に表示する、といった使用法が可能になる。
【０００５】
また、液晶ライトバルブと２次元イメージセンサの両者の機能を持つデバイスを使用することにより、入力と表示を同一面で行うことが可能である。そのような装置についても、同じ公報に開示されている。図２１は装置の構成を示す説明図である。液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０と面状光源１２０bを重ねて構成される。
【０００６】
図２２は、液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０の画素部の断面とその動作原理を示す説明図である。液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０は、液晶１７８を透明基板１７４と透明基板１８０とで挟んで構成される。
透明基板１７４の一方の面には透明電極１７５が形成され、センサ画素１８２となる領域には光電変換材料１７６、不透明電極１７７が図のように形成される。
透明基板１７４の他方の面には偏光板１７３を配置した後にレンズ１７２を図のように形成する。透明基板１７９の一方の面には透明電極１７９が形成され、他方の面には偏光板１８１が配置される。
【０００７】
この装置の動作は以下の通りである。光源１２０bから発せられた光は、液晶ライトバルブ画素１８３の領域では、偏光板１８１によって一方の偏光成分のみが透過されて、液晶層１７８に至る。ここで、透明電極１７９、１７５に印加する電圧を制御して、この光が偏光板１７３を透過するようにしておくと、光は原稿１００を照明することができる。
原稿からの反射光は、レンズ１７２により光電変換材料１７６に至り、電気信号に変換される。ここで、規則正しく配列された多数のレンズ１７２と光電変換材料１７６により、原稿１００の明暗情報に対応した電気信号、即ち画像が得られる。不透明電極１７７は、面状光源１２０bから光電変換材料１７６に直接に光が入射するのを防ぐ。
【０００８】
また、画像を表示する動作は、透明電極１７９、１７５に印加する電圧を制御して、面状光源１２０bからの光の透過を制御することにより実現される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述した従来の表示機能を内蔵した画像入力装置には以下の課題がある。
【００１０】
第一に、図２０に示す従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成では、装置の厚さは各構成要素の和になり、それ以上の薄型化は困難である。例えば、２次元イメージセンサ０.７mm、面状光源１mm、液晶ライトバルブ１.４mmの場合、装置の厚さは３.１mmとなり、これ以上の薄型化は無理である。また、面状光源の両側に液晶ライトバルブと２次元イメージセンサが配置されているため、面状光源は両方向へ光を発するように構成される。これは、例えば、画像を表示しているときにも入力用の光が反対側へ出ていることになり、光の利用効率が悪い。
更に、部品点数が多く、製造コストの低減が困難である。
【００１１】
第二に、高画質の画像表示が可能な薄膜トランジスタ(TFT)方式の液晶ライトバルブを採用する場合、２次元イメージセンサのためにもTFTを多数配列した透明基板が必要なため、TFTの製造工程を経た基板が合計２枚必要となる。図２１、図２２に示した構成ではTFTの製造工程を経た基板は１枚でよいため、TFTに起因した製造コストの上昇を回避することができる。しかし、レンズの形成のための製造コストが加わる。
また、面状光源から発せられた光の中で不透明電極１７７に至る成分は原稿の照明に利用されない。そのため、光の利用効率を高くすることができない。装置の厚さは、面状光源と透明基板２枚分とレンズの結像に必要な距離の和となる。
仮に結像距離を無視できるとしても、例えば面状光源１mm、透明基板２枚で１.４mm、即ち２.４mmより薄くすることは困難である。
【００１２】
本発明は上記の事情のもとに考案されたものであり、光の利用効率が高く、低消費電力で駆動できる薄型の表示機能を内蔵した画像入力装置を低コストで実現することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明基板の一方の表面に規則正しく配列されて形成された複数の発光手段と複数の光電変換手段と、該発光手段と該光電変換手段の前記透明基板と反対側の面に接して形成された保護手段と、該透明基板の他方の面側に配置されて、前記発光手段からの光線を前記一方の面側へ反射させあるいは前記他方の面側へ透過させる光拡散・透過切替手段を有し、前記発光手段が前記透明基板の方向へ光を放射することによる表示機能を有し、前記光電変換手段が前記保護手段の方向から入射する光を検出する機能を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記発光手段が、通電により光を外部へ放射する発光素子と、特定の該発光素子を選択するための発光素子選択スイッチを有し、前記光電変換手段は、吸収した光の量に対応した電気信号を生成する受光素子と、特定の該受光素子を選択するための受光素子選択スイッチを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段が、液晶層と、該液晶層を挟む二つの透明電極を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、表示機能を有する画像入力装置を内蔵した第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は、前記光拡散・透過切替手段が前記第二の筐体に対向し、前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置されたことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置され、前記第一の筐体に対向する位置に前記第一の筐体側から入射した光線を反射する光拡散機能を持つ物体が挿入されることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対へ向くよう配置され、前記第一の筐体と第二の筐体の間に、マイクを内蔵する第三の筐体が挿入され、前記第三の筐体の前記第一の筐体に対向する表面が光の拡散機能を持つことを特徴とし、前記第一、第二、第三の筐体は、全体として、前記マイクを受話器とする携帯電話器を構成することを特徴とする。
【００１９】
本発明は、請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置を筐体に内蔵した機器であって、前記保護層に密着して配置した指の指紋画像を入力することを特徴とする機器。
また、前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチの導通状態を切り替えるための制御信号が、同一の制御用配線により供給されることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、前記発光素子の発光強度を与える信号と、前記受光素子が生成した信号とが、同一の信号用配線により前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチとに供給されることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記発光素子に流れる電流と前記受光素子を充電する電流とが、同一の電源用配線により前記発光素子と前記受光素子に供給されることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、前記発光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で有機薄膜材料を挟んで形成され、前記受光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で光電変換材料を挟んで形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、前記発光素子は、第一の電極、第一の絶縁層、無機エレクトロルミネッセンス材料、第二の絶縁層、第二の電極を順に積層して形成されることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、前記受光素子は、第一の電極、不純物を高濃度に導入した第一の半導体領域と、不純物を低濃度に導入したか、あるいは意図的には不純物を導入していない第二の半導体領域と、該第一の半導体材料と同一の材料からなる第三の半導体領域とを順に接合して形成されることを特徴とする。
また本発明は、前記発光素子の透明電極と前記受光素子の透明電極とが同一の工程で形成されることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２６】
(第一の実施の形態)
第一の実施の形態における主要な構成要素を図１に示す。この表示機能を内蔵した画像入力装置は、後述の一連の製造工程により透明基板１０の上に規則正しく配列して形成された複数の発光素子２０及び受光素子３０と、これらを駆動するための垂直駆動回路４０、水平駆動回路４１と、これらの素子を保護するための保護層６０と、光拡散・透過切替手段７０とから構成される。
【００２７】
図２は、主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図である。詳細は後述するが、発光素子２０は、透明基板１０の方向へのみ光を放射し、受光素子３０は透明基板１０の反対側からの光のみを検出するようにそれぞれ構成されるものとする。受光素子３０には、図３に模式的に示すように、透明基板１０側から入射する光を透過するための開口部を設ける。光拡散・透過切替手段７０は、透明基板１０の一面に形成された透明電極７１と、透明基板７４の一面に形成された透明電極７３とで、液晶層７２を挟んで構成される。ここで、透明電極７１、７３に印加する電圧により、液晶層７２が光を透過する状態と拡散する状態とを切替ることができる。
【００２８】
液晶層７２の材料としては、例えばカイラルネマチック液晶が利用できる。この種の液晶層は、電圧が印加されない状態では螺旋構造を保っており、これによって入射する光は散乱される。電圧が印加されると螺旋構造が引き伸ばされて光を透過するようになる。
【００２９】
次に、図１、図２を参照しながら、この表示機能を内蔵した画像入力装置の全体の動作を説明する。個々の構成要素の動作は、各々の詳細な構成と共に後述する。
【００３０】
第一に、画像を入力するときには、原稿などの入力対象を保護層６０に密着させて配置する。次に、垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により全ての発光素子２０を点灯する。このとき、光拡散・透過切替手段７０は光を拡散反射するように設定されているものとする。発光素子２０から透明基板１０の方向へ発せられた光は、光拡散・透過切替手段７０によって拡散反射される。
【００３１】
受光素子３０へ到達した光は、受光素子３０と発光素子２０との隙間や受光素子３０に設けた開口部などを通過して、保護層６０に密着している入力対象を照明する。入力対象によって反射された光は受光素子３０によって電気信号に変換される。垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により全ての受光素子３０から反射光の強度を反映した信号を読み出すことにより、入力対象の明暗情報即ち画像を入力する。
【００３２】
第二に、画像を表示するときには、光拡散・透過切替手段７０は光を透過するように設定され、垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により発光素子２０を表示させたい画像に応じて点灯する。光は、透明基板１０と光拡散・透過切替手段７０とを透過して(図示していない)観察者に至る。
【００３３】
以下では、本実施の形態の主要な構成要素の構成、動作、製造方法について詳細に説明する。
【００３４】
図３は、本実施の形態の画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図である。
ここでは、表示解像度２００ppi (pixel/inch、即ち、赤色、緑色、青色の３色の発光素子を一画素と見るときの１インチ当りの画素数)、画像入力の解像度４００dpi (dot/inch、即ち、１インチ当りの受光素子数)の例を示している。
図３において、赤色１素子、緑色１素子、青色２素子の発光素子を正方配列し、それぞれの発光素子に１対１に対応して受光素子を配置して、１画素が構成されている。更に、これらの素子を駆動するための回路と配線が形成されている。
画素の配列ピッチは１２７μmである。これらを駆動するための回路は、発光素子と受光素子の駆動回路から構成され、一部の配線(データ線、ゲート線、電源線)を発光素子と受光素子で共有している。
【００３５】
これは、図４に示すように、配線の占める面積を低減することにより、受光素子と発光素子の面積を大きく設定するためである。図３の回路図において、受光素子にはPDの記号を、また、この一端に接続されて、受光素子に蓄積された電荷を外部回路へ転送するための薄膜トランジスタ(TFT)にはTr１の記号を付している。発光素子にはLEDの記号を、また、この一端に接続されてLEDに電流を供給するためのTFTにはTr３の記号を付している。
更に、Tr３のゲートを一定の電位に保持するための静電容量C、映像信号に対応した所望の電圧までCを充電するためのTr２が、図３の通りに接続されている。Tr３のドレイン電極は電源線に接続される。
【００３６】
図１に示したように、画素の周辺部には、これらの発光素子と受光素子を駆動するためのTFT回路が設けられる。尚、これらのTFT回路は、多結晶シリコン(poly-Si) TFTを用いて構成され、特に、n型TFTとp型TFTの両者を用いてCMOS回路を構成することが望ましい。
【００３７】
まず、図３を参照しながら、この実施の形態の表示動作について説明する。図３のゲート線に制御信号を供給して、ゲート線を共有する全ての画素のTr２を導通させる。これに同期して表示すべき映像信号をそれぞれのデータ線に与えると、それぞれの静電容量Cに映像信号が記憶される。こうしてゲート線で選択された全ての画素の静電容量Cに映像信号が記憶されると、これらの画素の表示装置LEDにそれぞれの映像信号に対応した所望の電流が供給され、図２に示したように、発光素子２０から透明基板１０の方向へ光が発せられる。全てのゲート線について上述の操作を繰り返すことにより、所望の画像を表示できる。
【００３８】
次に画像入力の動作について説明する。まず、図３のゲート線に制御信号を供給して、ゲート線を共有する全ての画素のTr１及びTr２を導通させる。全てのデータ線を低電位にすることにより、PDを完全に充電すると共に、Tr３を導通状態にしてLEDを点灯する。
これらの動作が完了した直後にゲート線の電位をローレベルとし、全てのTr１及びTr２を非導通状態にする。このとき、静電容量CによりTr３のゲートの電位が固定されているので、全てのLEDは同じ一定の強度で発光し続けている。
【００３９】
従って、前述の過程により一様な照明光が原稿などの入力対象に到達し、その明暗情報に対応した反射光が発生する。一方、PDはTr１によりデータ線から分離されており、PDへの反射光の入射と共にその電位が変化する。蓄積時間と呼ばれるある一定の時間の後に、データ線を水平駆動回路の中の検出回路に接続し、ゲート線に制御信号を供給してTr１を導通状態にする。
このとき、蓄積時間中に放電した電荷量に対応した電荷がPDに流れ込む。全てのPDについてこの電荷量を検出回路で検出することにより、入力対象の明暗情報、即ち画像情報を得ることができる。
このとき、全てのLEDを一様に点灯するとしたが、ある一色のみの発光素子を点灯してその色の反射画像を記録するという操作を３色について繰り返すことにより、カラー画像を入力することもできる。
【００４０】
次に、以上の動作を実現するための素子構造について説明する。
図３において発光素子の色を無視すると、画素のレイアウトの繰り返し単位は図４に示す回路であることが分かる。この基本単位に含まれる回路の構成要素をレイアウトした様子を図４に示す。
【００４１】
また、図５は、TFT、発光素子、受光素子などの画素部の主な構成要素の断面を示す説明図である。図４のレイアウトの配線に付した番号は、図５に示す材料に対応している。図４において、配線、PD、LED、等の構成要素は、できるだけ回路図と対応するように配置している。
ここでは発光素子２０として、有機エレクトロルミネセンス(EL)材料を用いた構成を例にあげて説明する。図５に示すように、発光素子２０は、有機EL材料で形成される発光材料層５４を透明電極５３と電極５５とで挟んで構成される。透明電極５３と電極５５の間に電位差を設けると、両方の電極で挟まれた領域の発光材料層に電流が流れ、この領域からから透明電極５３、第２の層間絶縁膜５０、第１の層間絶縁膜４８、等を通して光が放射される。
【００４２】
一方、受光素子３０については、ここではp-i-ショットキ構成のフォトダイオードの例を挙げて説明する。受光素子３０は、水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)で形成される光電変換材料５１を、TFTのソース・ドレイン電極の材料である電極４９と透明電極５３とで挟んで構成される。透明電極５３と光電変換材料５１間には、ブロッキングコンタクト材料として極薄いp型シリコンカーバイド(p-SiC)が挿入される。
光電変換材料であるa-Si:Hは通常のプラズマCVD法で形成された状態では弱いn型であるが、意図的には不純物を導入していないので真性半導体、即ちi型と呼ばれる。このi型a-Si:Hと金属材料で形成される電極との界面はショットキ接合となるので、このフォトダイオードはp-i-ショットキ型と呼ばれる。
【００４３】
仮に、この金属電極とi型a-Si:Hの間に高濃度のPを導入したn型a-Si:H層を挿入して、p-i-n構成のフォトダイオードとしてもよい。これは、ショットキ型に比べてリーク電流が小さいという利点がある。受光素子３０の中央部には図４に示すように開口部５６が設けられている。発光素子２０と受光素子３０は共にダイオード構造であり、それらの下部電極は、それぞれに対応する薄膜トランジスタ(TFT)のソース・ドレイン領域４５へ接続される。
TFTとしては、ここでは一般的なトップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si) TFTの構造を採用している。図４に示したように、この実施の形態ではゲート電極用の配線材料４７とソース・ドレイン電極及び電源線用の配線材料４９とで第１の層間絶縁膜４８を挟むことにより、静電容量Cを形成している。
【００４４】
次に、図６から図１２を参照しながら、本実施の形態の主要な構成要素の製造方法について詳細に説明する。製造工程は、TFTと受光素子を形成する前工程と、有機EL材料を用いて発光素子を形成する後工程とに大別される。
前工程のTFT及び受光素子の製造工程では、実に様々な種類のTFTを採用することができる。この実施の形態では、トップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si) TFTの例を取り上げて説明する。
【００４５】
第一に、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点材料を、ガラス等の透明基板１０上にスパッタ法等により形成する。これをフォトリソグラフィ法によりパターンを形成して、遮光層４２を形成する。 WSiの場合は遮光層の厚さとして１００〜２００nmもあれば十分である。
【００４６】
第二に、酸素とシラン(SiH４)等のSiを含むガスとをプラズマ中で分解して基板上に堆積するCVD法等により、SiO２からなるバリア層４３を一面に形成する。
これは、後続のプロセス中に透明基板１０の中に含まれる不純物元素がこれより上の層に拡散するのを防ぐための層で、厚さは３００〜５００nmとする。
【００４７】
第三に、 poly-Si層の前駆膜であるアモルファスSi (a-Si)層を、プラズマCVD法、減圧CVD法、スパッタ法、等のいずれかの成膜方法により、厚さ１００nm程度に形成する。これにエキシマレーザーからの数十ナノ秒の非常に短いパルス光を照射して瞬間的に溶融し、poly-Si層に改質する。このときの照射エネルギー密度が４００mJ/cm２前後であると、特性の良いpoly-Si TFTが得られることが知られている。
このpoly-Si層をフォトリソグラフィ法によりパターニングして薄膜半導体４４を形成する。次に、厚さ５０nm程度のSiO２膜と厚さ２００nm程度のWSi層を同様にして形成し、フォトリソグラフィ法によりWSi層をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜４６とゲート電極４７とを形成する。
【００４８】
次に、イオンドーピング法等により、薄膜半導体４４の領域に選択的に高濃度のリン(P)またはボロン(B)を導入する。その後に５００℃程度の温度に基板を加熱して、導入した不純物元素を活性化する。このときの不純物元素の濃度、加熱時間、温度、等のプロセス条件は重要で、後の配線材料との間にオーミックコンタクトが得られるように、これらのプロセス条件を決定する。こうして、 TFTのソース／ドレイン領域４５が形成される。
不純物元素を導入していない領域は、TFTのチャネル領域４４となる。その後、SiO２等の層間絶縁膜４８をプラズマCVD法等により全面に形成する。
【００４９】
図６に断面図と平面図を示した構成は、以上の工程を経て形成される。ここで、平面図ではTFTの最下層にあるWSi層と絶縁膜は図示していない。３つのTFTの半導体領域とゲート電極と、後に静電容量Cの下部電極となる領域にゲート電極４７の材料が配置されていることが確認できる。
【００５０】
次に、第１の層間絶縁膜４８にコンタクトホールを開けて、Cr等の低抵抗の金属材料でソース・ドレイン電極４９および配線を形成する。これにより図７に示した構成が形成される。データ線、電源線、及び、受光素子の下部電極がソース・ドレイン電極４９の材料で形成されていることが確認できる。受光素子の下部電極には開口部５６が形成されている。
【００５１】
次に、全面に第２の層間絶縁膜５０を形成した後に、リソグラフィとエッチングによりコンタクトホールを空けることにより、図８に示した構成が得られる。
更に、全面にプラズマCVD法により水素化アモルファスSi層５１とSiC層５２とを連続して形成し、図９の構成を得る。
【００５２】
次に、これらの２層をリソグラフィとエッチングによりパターン化し、更に酸化インジウム錫合金(ITO)を全面にスパッタした後に、リソグラフィとエッチングによりパターン化することにより図１０の構成を得る。ここで、受光素子３０の形成が完成すると同時に、発光素子の下部電極(陽極)となる領域に透明電極５３が形成されていることが確認できる。
即ち、この一連の工程を１回行うことで、受光素子と発光素子の透明電極を同時に形成する。ここで透明電極５３として使用するITOは、シート抵抗２０Ω/□程度、厚さは１００nm程度とする。
【００５３】
以上の工程により、前工程のTFT及び受光素子の製造工程が完了する。後工程の製造工程では、第一に、図１１に示す領域に有機EL材料からなる発光材料層５４を形成する。発光材料層５４としては、発光材料層と正孔注入輸送層からなる２層構成、これに電子注入輸送層を加えた３層構成、更に金属電極との界面に薄い絶縁膜を配置した構成、等が知られており、これらの構成のどれでも図１１の構成に適用できる。
【００５４】
即ち、図１１では単に発光材料層５４として示しているが、細かく見ればこのような様々な構成が可能である。発光材料層５４の製造方法は、スピン塗布法、真空蒸着法、インクジェット印刷法、等が知られており、それぞれの製造方法に対応して、高分子系か低分子系か等の有機EL材料の選択、下地の構造、上部電極の製造方法、等の製造条件が決められる。
【００５５】
この実施の形態においては、発光材料層５４は、正孔注入輸送層の材料としては、例えばトリアリールアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ポルフィリン誘導体、等、発光材料層の材料として、例えば８-ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、テトラフェニルブタジエン誘導体、ジスチリルアリール誘導体、等、をそれぞれ真空蒸着法により各々５０nm程度の厚さに積層して形成するものとする。
【００５６】
尚、図１１においては、発光材料層５４が透明電極５３をほぼ覆うようにパターン化されて描かれているが、これらの発光材料層５４は絶縁材料なので、必ずしもパターン化は必要ではなく、全面を覆っていても構わないこともある。但し、カラーディスプレイへ応用するには少なくとも３種類の発光材料層とその分離が必要なので、発光材料層５４のパターン化が必要である。
【００５７】
第二に、発光素子２０の陰極として、アルミニウム−リチウム合金、等の仕事関数が低い材料を、金属のシャドウマスクを通して厚さ２００nm程度に真空蒸着する等して、電極５５を形成する。更に、素子の全面を保護層６０で覆うことにより、図１２に示す構成が完成する。ここで、電極５５の材料により、図４の回路図のGND線も形成される。
【００５８】
本実施の形態の表示機能を内蔵した画像入力装置は薄型で光の利用効率が高いので、携帯電話のような携帯機器への搭載に有利である。図１３aは、本実施の形態の構成を搭載した携帯電話を示す説明図である。
これは、折畳式の携帯電話のカバー側の筐体に、電話を折り畳んだ状態で画像入力面が外側に、表示面が内側になるように、本実施の形態の装置を実装した例である。これにより以下の使い方が可能になる。
例えば、電話を折り畳んだ状態で画像入力面に指を密着させて指紋画像を入力し、電話の持ち主と照合された場合に限り、電話を使用可能とする。あるいは、携帯電話を通じて各種のサービスの提供を受けるときに、サービスを提供する側が課金する際の個人の認証に指紋を用いることができる。
【００５９】
更に、指紋を様々な決済の手段として用いることも可能である。表示面と入力面が別になっているので、表示面に指を密着させる必要が無い。従って、残留指紋により表示の画質が劣化するという問題を回避できる。
【００６０】
図１３bは、本実施の形態の構成を搭載した見開き型の携帯情報端末を示す説明図である。即ち、携帯情報端末のカバーに本実施の形態の主要な構成要素を搭載し、カバーを閉じた状態で画像入力面が表側に、表示面が裏側になるよう実装する。ここで、図１の光拡散・透過切替手段７０の代わりに、図１３bに示すように、光拡散シート７０bを反対側から折り畳んで挿入するように構成している。
光拡散シート７０bとしては、例えば、表面に凹凸形状を持つ、厚さ１mm以下のプラスチック製のシートが用いられる。
【００６１】
動作は以下の通りである。画像入力は、カバーを閉じた状態で画像入力面に原稿を密着させて行う。このとき、光拡散シート７０bは、透明基板１０の下方に密着して配置されている。カバーを開けば、透明基板１０を通して情報を表示することができる。
光拡散シート７０bを反対側へ広げれば、キーボード、表示面、等７５が表に出てきて、見開き型の携帯情報端末として機能する。このような実装形態では特に、ほぼ透明基板１０の厚さまで薄型化できる本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の利点が良く生かされている。
【００６２】
図１３cは、本実施の形態の構成を搭載した三つ折り式の携帯電話を示す説明図である。即ち、携帯電話のカバー側の筐体に本実施の形態の主要な構成要素を実装するとき、図１３bと同様にして、カバーを閉じた状態で画像入力面が表側に、表示面が裏側になるように、発光素子２０、受光素子３０が多数配列された透明基板１０を搭載する。ここで、もう一方の折り込み可能な筐体の表面を光拡散面として用いるため、光拡散・透過切替手段７０は不要である。この部分の筐体にはマイクを内蔵する。
【００６３】
動作は以下の通りである。画像入力は、２つのカバーを閉じた状態で画像入力面に原稿を密着させて行う。このとき、光拡散面が、透明基板の下方に密着して配置されている。カバーを開けば、透明基板を通して情報を表示することができる。光拡散面のある側の筐体を広げれば、口の近くにマイクが位置されて音声電話として機能することになる。このような実装形態でもまた、ほぼ透明基板１０の厚さまで薄型化できる本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の利点が良く生かされている。
【００６４】
(変形実施例)
以上に説明した本発明の第一の実施の形態においては、２００ppiのカラー表示と４００dpiの画像入力を図３の画素レイアウトで実現する例を挙げたが、表示と入力の解像度及び画素レイアウトはこの例に限られるものではなく、画素レイアウトを工夫することにより様々な解像度の組合せが実現できる。例えば、図１４に示す画素レイアウトと回路により、２００ppiのカラー表示と６００dpiの入力を実現できる。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００６５】
また、本発明の趣旨を損なうことなく、本実施の形態における構成要素の置換、材料の種類、回路実装の形態、等の選択が可能である。
例えば、以上では発光素子として主として有機EL材料で構成する発光ダイオードの例を挙げて説明したが、無機材料で構成するEL発光素子を用いてもよい。
これは、第一の電極、第一の絶縁層、無機EL材料、第二の絶縁層、第二の電極を順に積層した構成である。電極の一方を透明材料とすることで、無機EL材料から発せられた光を外部へ取り出すことができる。
材料の例を挙げると、第一の電極は厚さ０.２μmのITO、第一、第二の絶縁膜は厚さ０.３〜０.５μmのTa２O５、無機EL材料は厚さ０.５μmのZnS:Tb等をスパッタして形成する。
【００６６】
また、以上では受光素子として主としてp-i-ショットキ構成のフォトダイオードの例を挙げて説明したが、上述のようにp-i-n構成のフォトダイオードを用いてもよい。あるいは、n型のa-Si:Hを光導電型の受光素子を用いてもよい。これは、i型a-Si:Hの領域を、高濃度にPを導入したn 型a-Si:Hの領域で挟んだ構成である。
このような光導電型の受光素子を用いた画素のレイアウトを図１５に示す。ここで、受光素子は、i型a-Si:H、n 型a-Si:Hの領域を続けて重ねて形成した上に、ソース・ドレイン電極の材料４９bを用いて櫛歯状に形成した電極を対向させて構成される。このとき、電極で覆われていない領域のn 型a-Si:Hは除去されている。
【００６７】
図１５では、このようなパターン化された後のi型a-Si:H、n 型a-Si:Hの領域を光電変換層５１bとして示している。更に、図１５では複雑になるので示していないが、この光電変換層５１bの下方には遮光層４２が配置され、透明基板１０の通して光が直接に光電変換層５１bに入らないようにしている。採用するTFTが、ゲート電極がチャネル材料のa-Si:Hの下方に配置される逆スタガ型a-Si TFTの場合には、遮光層４２の代わりにゲート電極の材料を用いることもできる。
【００６８】
動作は以下の通りである。上方、即ち透明基板１０のある側と反対側からの光が、櫛歯状の電極で挟まれた領域のi型a-Si:Hに入射すると、この光が生成する電子-正孔対の数に対応した電流が、これら２つの電極の間に流れるので、光量に応じた電気信号が得られる。ここで、逆スタガ型a-Si TFTを採用する場合には、TFTの製造工程において同時にこのような受光素子を形成することができる。
【００６９】
即ち、TFTのチャネル材料のa-Si:Hと受光素子の光電変換材料のa-Si:Hを同時に形成し、続けてTFTのソース・ドレイン領域を電極へオーミック接続するためのn型a-Si:Hと受光素子のn型a-Si:Hを同時に形成し、最後にTFTのソース・ドレイン電極と受光素子の櫛歯状電極とを同時に形成する。このとき、TFTのソース電極とドレイン電極の間に存在したn型a-Si:Hと、受光素子の２つの対向する櫛歯状電極の間に存在したn型a-Si:Hとは、電極のパターン化の工程で同時に除去される。
【００７０】
また、以上ではトップゲート型のpoly-Si TFTの例を挙げて説明したが、ボトムゲート型poly-Si TFT、を用いて図３の回路を構成してもよい。あるいは、一般に液晶ディスプレイに適用されている、逆スタガ型a-Si TFT、順スタガa-Si TFTを用いても図３の回路を構成できる。但し、a-Si TFTの移動度がpoly-Si TFTの１/１００程度なので、特に発光素子に電流を供給するTFTとして用いる場合には、その抵抗を十分に低くするためにTFTの幅を大きく設定する、ゲート絶縁膜の厚さを低減する、等の設計上の工夫が必要になる。
【００７１】
また、以上では、垂直駆動回路４０、水平駆動回路４１を、poly-Si TFTを用いて透明基板１０上に形成する構成を説明したが、駆動回路の実装形態はこれに限るものではない。例えば、TAB (Tape Automated Bonding)接続、COG (Chip On Glass) 接続として、液晶ディスプレイの製造工程等で一般的に実施されているように、同様の機能を結晶半導体で形成した集積回路により実現し、この集積回路を透明基板１０上に固定して電気的に接続してもよい。
【００７２】
また、以上では３色の発光材料を並列配置する構成を採用したが、カラーフィルタと白色発光材料とを組合せる構成、あるいは、青色発光材料と色変換材料とを組合せる構成を採用しても、カラー表示を実現できる。
このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の置換、材料や実装形態の選択が可能である。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００７３】
(第二の実施の形態)
第一の実施の形態では、有機EL層から透明基板側へ光を発する構成を説明したが、発光素子の透明電極ともう一方の電極の配置を入れ替えて、光を基板の上方へ出力する構成にしてもよい。この場合には基板は透明である必要は無い。図１６、図１７はそのような実施の形態を示す説明図である。
図１８、図１９は、それぞれ、画素部のレイアウトと回路構成、及び主要な構成要素の断面を示す説明図である。ここで、第一の実施の形態と同一の構成要素には同一の番号を付している。同一の材料で構成されるが形状が異なる構成要素については、同じ番号にbを付して記した。特に図１８、図１９に詳細に示したように、ここでは発光素子２０bを受光素子３０bの上方に重ねて形成している。
【００７４】
発光素子を受光素子の上方へ配置する第一の理由は、両者を並置した場合に比べて発光素子の面積を大きくするためである。このため、表示に所望の輝度を実現するのに必要な発光素子に印加する電圧を、並置の場合に比べて低くすることができる。
【００７５】
第二の理由は、受光素子の面積、従って、その静電容量も大きくなり、受光素子のダイナミック・レンジを広く設定することができるためである。このように、受光素子の上方へ重ねて発光素子を配置する構成には、これらの素子設計の自由度が増すという利点がある。
一方、図１９に示すように、受光素子の下部電極５５bが覆うべき段差が大きくなるので、配線の段差切れが起こらないように製造工程の条件に注意が必要である。もちろん、発光素子と受光素子を並列に配置しても良く、特に解像度の要求が低い応用においては、受光素子、発光素子の設計自由度よりも製造工程の容易さを優先させて、両素子を並置する構成が望ましい。
【００７６】
第二の実施の形態の構成の製造工程は、第一の実施の形態の場合と殆ど同じだが、発光素子の透明電極ともう一方の電極とが入れ替わっている点と、そのために受光素子と発光素子とで透明電極を同じ材料で同時に形成できない点が異なっている。即ち、図１９の断面図に示すように、TFT、受光素子、発光素子、の順に形成される。発光素子と受光素子が並置される構成においても、これらを形成する順序は同じである。これは、受光素子の光電変換材料であるa-Siを形成する前に有機薄膜を形成すれば、a-Siの形成過程で温度が２５０℃前後になって有機薄膜が昇華する等の問題が生じるためである。
【００７７】
動作は以下の通りである。第一に、表示動作は、光が保護層６０bの方向へ放射されることを除き、第一の実施の形態と全く同様である。第二に、画像入力については、図１７に示すように、発光素子２０bから放射された光が入力対象を直接に照明し、その反射光を、発光素子３０bによって覆われていない受光素子２０bの領域で検出して実現される。第二の実施の形態では表示と入力を同じ面で行うことになる。
【００７８】
例えば、指紋を入力する場合、指を置くべき領域を表示することにより指の位置を正確に決められる。従って、指紋画像入力の安定性が増し、個人認証の精度が向上する可能性がある。
【００７９】
(変形実施例)
第一の実施の形態の場合と同様に、第二の実施の形態においても、本発明の趣旨を損なうことなく、構成要素の置換、材料の種類、寸法、等の選択が可能である。例えば、トップゲート型のpoly-Si TFTの代わりにボトムゲート型poly-Si TFTを用いてもよい。
また、この実施の形態の基板は透明である必要は無く、例えば、結晶Si基板を用いてもよい。この場合の駆動回路及び画素部のトランジスタや静電容量は、結晶Si基板に通常の集積回路として形成すればよい。
【００８０】
更に、受光素子については、通常のMOSイメージセンサの場合と同様に、基板にpn接合を形成したフォトダイオードとすればよい。このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の置換が可能である。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態と変形実施例の動作を図面を参照して詳述してきたが、本発明はこの実施の形態と変形実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明の効果を実施の形態に基づいて説明する。
【００８３】
第一に、本発明の第一の実施の形態における装置の厚さは、図２に示すように、各構成要素の厚さの和の約１.４mmとすることができる。これは従来技術による図２０の装置の１/２以下の厚さである。図２１の従来構成に比べても１mm以上薄い。更に、本発明の第二の実施の形態においては、図１７に示すように、装置の厚さは約０.７mmとなり、従来構成よりもはるかに薄型である。即ち、本発明の構成には薄型であるという効果があり、これは本構成を携帯機器などに内蔵する場合に大きな利点になる。
【００８４】
第二に、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成は、図２０の従来の構成と比較して、高価なTFTを製造する基板の数が半分になるので、製造コストが低いという効果がある。あるいは、図２１に示した従来構成と比較すれば、レンズが不要なのでそれに伴う製造コストが低減できるという効果がある。
【００８５】
第三に、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成は、図２０の従来の構成と比較して、発光素子から光は一方向にのみ放射されるので、光の利用効率が高いという効果がある。また、図２１の従来の構成と比較して、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成では、画像表示の際には発光素子から放射された光の殆ど１００%を表示に用いることができるので、光利用効率が高く、その結果として消費電力が小さいという効果がある。
【００８６】
このように、本実施の形態の表示機能を内蔵した画像入力装置は、薄型で、消費電力を低減でき、製造コストを低く抑えられるという効果がある。従って、本発明の装置は、特に携帯電話のような携帯機器への搭載に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における主な構成要素を示す説明図。
【図２】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【図３】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の構成を示す説明図。
【図４】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図。
【図５】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の断面を示す説明図。
【図６】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その１）。
【図７】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その２）。
【図８】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その３）。
【図９】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その４）。
【図１０】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その５）。
【図１１】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その６）。
【図１２】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その７）。
【図１３】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置を搭載した携帯電話と携帯情報端末を示す説明図。
【図１４】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態の変形実施例を示す説明図（その１）。
【図１５】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態の変形実施例を示す説明図（その２）。
【図１６】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における主な構成要素を示す説明図。
【図１７】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【図１８】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図。
【図１９】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における画素部の主な構成要素の断面を示す説明図。
【図２０】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成を示す説明図（その１）。
【図２１】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成を示す説明図（その２）。
【図２２】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【符号の説明】
１０…透明基板、２０…発光素子、３０…受光素子、４０…垂直駆動回路、４１…水平駆動回路、４２…遮光層、４３…バリア層、４４…薄膜半導体（TFT部-チャネル領域）、４５…薄膜半導体（TFT部-ソース・ドレイン領域）、４６…ゲート絶縁膜、４７…ゲート電極、４８…第１の層間絶縁膜、４９…ソース・ドレイン電極、５０…第２の層間絶縁膜、５１…光電変換層、５２…ブロッキングコンタクト層、５３…透明電極、５４…発光材料層、５５…電極、５６…開口部、５７…透明電極、６０…保護層、７０…光拡散・透過切替手段、７０b…光拡散シート、７１…透明電極、７２…液晶層、７３…透明電極、７４…透明基板、７５…キーボード／表示面等、１００…原稿、１１０…２次元イメージセンサ、１２０…面状光源、１３０…液晶ライトバルブ、１４０…駆動回路、１５０…制御信号、１６０…制御信号、１７０…液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ、１７１…透明保護層、１７２…レンズ、１７３…偏光板、１７４…透明基板、１７５…透明電極、１７６…光電変換材料、１７７…不透明電極、１７８…液晶、１７９…透明電極、１８０…透明基板、１８１…偏光板、１８２…センサ画素、１８３…液晶ライトバルブ画素
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯情報端末、携帯電話、パーソナルコンピュータ、等の機器に使用される画像入力装置に関し、特に、画像表示機能を内蔵した画像入力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、文書や写真等のような平面状の媒体の上に記録された画像情報を入力する画像入力装置として画像表示機能を持つものが提案されている。このような従来の画像入力装置の例として、特開平７−２３６０２９に開示されている装置の構成を図２０に示す。
図２０に示すように、この装置は、２次元イメージセンサ１１０と、面状光源１２０と、液晶ライトバルブ１３０と、駆動回路１４０とから構成される。２次元イメージセンサ１１０は透明基板の上に光電変換素子を多数配列して構成される。この光電変換素子の配列の隙間には、面状光源１２０が発する光を透過するための開口部が設けられている。
【０００３】
画像入力は、原稿１００を２次元イメージセンサ１１０に密着させて行う。即ち、面状光源１２０から発せられた光は２次元イメージセンサ１１０の光電変換素子配列の隙間を透過して、原稿１００を照明する。原稿１００からの反射光が２次元イメージセンサ１１０の光電変換素子によって電気信号に変換される。
個々の光電変換素子にはその電気信号を外部へ読み出すための(通常は薄膜トランジスタで形成される)スイッチが配置されており、これらのスイッチを制御して全ての光電変換素子から電気信号を読み出して画像情報を得る。駆動回路１４０は、制御信号１５０により、この一連の画像入力動作を制御する。
【０００４】
一方、液晶ライトバルブ１３０は、２枚の透明基板で液晶層を挟んで構成される。表示面は規則正しく配列された多数の画素からなり、それぞれの画素において、面状光源１２０が発する光を透過するか吸収するかを制御信号１６０により切り替えることにより画像を表示する。
このように、図２０の構成では、平面型の装置の一方の面が入力面、他方の面が表示面になっているので、例えば、細かい画像の原稿の上にこの装置を置いてその拡大像を表示したり、英語の原稿の上にこの装置を置いてその内容を日本語に機械翻訳した後に表示する、といった使用法が可能になる。
【０００５】
また、液晶ライトバルブと２次元イメージセンサの両者の機能を持つデバイスを使用することにより、入力と表示を同一面で行うことが可能である。そのような装置についても、同じ公報に開示されている。図２１は装置の構成を示す説明図である。液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０と面状光源１２０bを重ねて構成される。
【０００６】
図２２は、液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０の画素部の断面とその動作原理を示す説明図である。液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ１７０は、液晶１７８を透明基板１７４と透明基板１８０とで挟んで構成される。
透明基板１７４の一方の面には透明電極１７５が形成され、センサ画素１８２となる領域には光電変換材料１７６、不透明電極１７７が図のように形成される。
透明基板１７４の他方の面には偏光板１７３を配置した後にレンズ１７２を図のように形成する。透明基板１７９の一方の面には透明電極１７９が形成され、他方の面には偏光板１８１が配置される。
【０００７】
この装置の動作は以下の通りである。光源１２０bから発せられた光は、液晶ライトバルブ画素１８３の領域では、偏光板１８１によって一方の偏光成分のみが透過されて、液晶層１７８に至る。ここで、透明電極１７９、１７５に印加する電圧を制御して、この光が偏光板１７３を透過するようにしておくと、光は原稿１００を照明することができる。
原稿からの反射光は、レンズ１７２により光電変換材料１７６に至り、電気信号に変換される。ここで、規則正しく配列された多数のレンズ１７２と光電変換材料１７６により、原稿１００の明暗情報に対応した電気信号、即ち画像が得られる。不透明電極１７７は、面状光源１２０bから光電変換材料１７６に直接に光が入射するのを防ぐ。
【０００８】
また、画像を表示する動作は、透明電極１７９、１７５に印加する電圧を制御して、面状光源１２０bからの光の透過を制御することにより実現される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述した従来の表示機能を内蔵した画像入力装置には以下の課題がある。
【００１０】
第一に、図２０に示す従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成では、装置の厚さは各構成要素の和になり、それ以上の薄型化は困難である。例えば、２次元イメージセンサ０.７mm、面状光源１mm、液晶ライトバルブ１.４mmの場合、装置の厚さは３.１mmとなり、これ以上の薄型化は無理である。また、面状光源の両側に液晶ライトバルブと２次元イメージセンサが配置されているため、面状光源は両方向へ光を発するように構成される。これは、例えば、画像を表示しているときにも入力用の光が反対側へ出ていることになり、光の利用効率が悪い。
更に、部品点数が多く、製造コストの低減が困難である。
【００１１】
第二に、高画質の画像表示が可能な薄膜トランジスタ(TFT)方式の液晶ライトバルブを採用する場合、２次元イメージセンサのためにもTFTを多数配列した透明基板が必要なため、TFTの製造工程を経た基板が合計２枚必要となる。図２１、図２２に示した構成ではTFTの製造工程を経た基板は１枚でよいため、TFTに起因した製造コストの上昇を回避することができる。しかし、レンズの形成のための製造コストが加わる。
また、面状光源から発せられた光の中で不透明電極１７７に至る成分は原稿の照明に利用されない。そのため、光の利用効率を高くすることができない。装置の厚さは、面状光源と透明基板２枚分とレンズの結像に必要な距離の和となる。
仮に結像距離を無視できるとしても、例えば面状光源１mm、透明基板２枚で１.４mm、即ち２.４mmより薄くすることは困難である。
【００１２】
本発明は上記の事情のもとに考案されたものであり、光の利用効率が高く、低消費電力で駆動できる薄型の表示機能を内蔵した画像入力装置を低コストで実現することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、透明基板の一方の表面に規則正しく配列されて形成された複数の発光手段と複数の光電変換手段と、該発光手段と該光電変換手段の前記透明基板と反対側の面に接して形成された保護手段と、該透明基板の他方の面側に配置されて、前記発光手段からの光線を前記一方の面側へ反射させあるいは前記他方の面側へ透過させる光拡散・透過切替手段を有し、前記発光手段が前記透明基板の方向へ光を放射することによる表示機能を有し、前記光電変換手段が前記保護手段の方向から入射する光を検出する機能を有することを特徴とする。
【００１４】
本発明は、前記発光手段が、通電により光を外部へ放射する発光素子と、特定の該発光素子を選択するための発光素子選択スイッチを有し、前記光電変換手段は、吸収した光の量に対応した電気信号を生成する受光素子と、特定の該受光素子を選択するための受光素子選択スイッチを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段が、液晶層と、該液晶層を挟む二つの透明電極を有することを特徴とする。
【００１６】
本発明は、表示機能を有する画像入力装置を内蔵した第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は、前記光拡散・透過切替手段が前記第二の筐体に対向し、前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置されたことを特徴とする。
【００１７】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置され、前記第一の筐体に対向する位置に前記第一の筐体側から入射した光線を反射する光拡散機能を持つ物体が挿入されることを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対へ向くよう配置され、前記第一の筐体と第二の筐体の間に、マイクを内蔵する第三の筐体が挿入され、前記第三の筐体の前記第一の筐体に対向する表面が光の拡散機能を持つことを特徴とし、前記第一、第二、第三の筐体は、全体として、前記マイクを受話器とする携帯電話器を構成することを特徴とする。
【００１９】
本発明は、請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置を筐体に内蔵した機器であって、前記保護層に密着して配置した指の指紋画像を入力することを特徴とする機器。
また、前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチの導通状態を切り替えるための制御信号が、同一の制御用配線により供給されることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、前記発光素子の発光強度を与える信号と、前記受光素子が生成した信号とが、同一の信号用配線により前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチとに供給されることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記発光素子に流れる電流と前記受光素子を充電する電流とが、同一の電源用配線により前記発光素子と前記受光素子に供給されることを特徴とする。
【００２２】
本発明は、前記発光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で有機薄膜材料を挟んで形成され、前記受光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で光電変換材料を挟んで形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、前記発光素子は、第一の電極、第一の絶縁層、無機エレクトロルミネッセンス材料、第二の絶縁層、第二の電極を順に積層して形成されることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、前記受光素子は、第一の電極、不純物を高濃度に導入した第一の半導体領域と、不純物を低濃度に導入したか、あるいは意図的には不純物を導入していない第二の半導体領域と、該第一の半導体材料と同一の材料からなる第三の半導体領域とを順に接合して形成されることを特徴とする。
また本発明は、前記発光素子の透明電極と前記受光素子の透明電極とが同一の工程で形成されることを特徴とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２６】
(第一の実施の形態)
第一の実施の形態における主要な構成要素を図１に示す。この表示機能を内蔵した画像入力装置は、後述の一連の製造工程により透明基板１０の上に規則正しく配列して形成された複数の発光素子２０及び受光素子３０と、これらを駆動するための垂直駆動回路４０、水平駆動回路４１と、これらの素子を保護するための保護層６０と、光拡散・透過切替手段７０とから構成される。
【００２７】
図２は、主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図である。詳細は後述するが、発光素子２０は、透明基板１０の方向へのみ光を放射し、受光素子３０は透明基板１０の反対側からの光のみを検出するようにそれぞれ構成されるものとする。受光素子３０には、図３に模式的に示すように、透明基板１０側から入射する光を透過するための開口部を設ける。光拡散・透過切替手段７０は、透明基板１０の一面に形成された透明電極７１と、透明基板７４の一面に形成された透明電極７３とで、液晶層７２を挟んで構成される。ここで、透明電極７１、７３に印加する電圧により、液晶層７２が光を透過する状態と拡散する状態とを切替ることができる。
【００２８】
液晶層７２の材料としては、例えばカイラルネマチック液晶が利用できる。この種の液晶層は、電圧が印加されない状態では螺旋構造を保っており、これによって入射する光は散乱される。電圧が印加されると螺旋構造が引き伸ばされて光を透過するようになる。
【００２９】
次に、図１、図２を参照しながら、この表示機能を内蔵した画像入力装置の全体の動作を説明する。個々の構成要素の動作は、各々の詳細な構成と共に後述する。
【００３０】
第一に、画像を入力するときには、原稿などの入力対象を保護層６０に密着させて配置する。次に、垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により全ての発光素子２０を点灯する。このとき、光拡散・透過切替手段７０は光を拡散反射するように設定されているものとする。発光素子２０から透明基板１０の方向へ発せられた光は、光拡散・透過切替手段７０によって拡散反射される。
【００３１】
受光素子３０へ到達した光は、受光素子３０と発光素子２０との隙間や受光素子３０に設けた開口部などを通過して、保護層６０に密着している入力対象を照明する。入力対象によって反射された光は受光素子３０によって電気信号に変換される。垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により全ての受光素子３０から反射光の強度を反映した信号を読み出すことにより、入力対象の明暗情報即ち画像を入力する。
【００３２】
第二に、画像を表示するときには、光拡散・透過切替手段７０は光を透過するように設定され、垂直駆動回路４０と水平駆動回路４１により発光素子２０を表示させたい画像に応じて点灯する。光は、透明基板１０と光拡散・透過切替手段７０とを透過して(図示していない)観察者に至る。
【００３３】
以下では、本実施の形態の主要な構成要素の構成、動作、製造方法について詳細に説明する。
【００３４】
図３は、本実施の形態の画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図である。
ここでは、表示解像度２００ppi (pixel/inch、即ち、赤色、緑色、青色の３色の発光素子を一画素と見るときの１インチ当りの画素数)、画像入力の解像度４００dpi (dot/inch、即ち、１インチ当りの受光素子数)の例を示している。
図３において、赤色１素子、緑色１素子、青色２素子の発光素子を正方配列し、それぞれの発光素子に１対１に対応して受光素子を配置して、１画素が構成されている。更に、これらの素子を駆動するための回路と配線が形成されている。
画素の配列ピッチは１２７μmである。これらを駆動するための回路は、発光素子と受光素子の駆動回路から構成され、一部の配線(データ線、ゲート線、電源線)を発光素子と受光素子で共有している。
【００３５】
これは、図４に示すように、配線の占める面積を低減することにより、受光素子と発光素子の面積を大きく設定するためである。図３の回路図において、受光素子にはPDの記号を、また、この一端に接続されて、受光素子に蓄積された電荷を外部回路へ転送するための薄膜トランジスタ(TFT)にはTr１の記号を付している。発光素子にはLEDの記号を、また、この一端に接続されてLEDに電流を供給するためのTFTにはTr３の記号を付している。
更に、Tr３のゲートを一定の電位に保持するための静電容量C、映像信号に対応した所望の電圧までCを充電するためのTr２が、図３の通りに接続されている。Tr３のドレイン電極は電源線に接続される。
【００３６】
図１に示したように、画素の周辺部には、これらの発光素子と受光素子を駆動するためのTFT回路が設けられる。尚、これらのTFT回路は、多結晶シリコン(poly-Si) TFTを用いて構成され、特に、n型TFTとp型TFTの両者を用いてCMOS回路を構成することが望ましい。
【００３７】
まず、図３を参照しながら、この実施の形態の表示動作について説明する。図３のゲート線に制御信号を供給して、ゲート線を共有する全ての画素のTr２を導通させる。これに同期して表示すべき映像信号をそれぞれのデータ線に与えると、それぞれの静電容量Cに映像信号が記憶される。こうしてゲート線で選択された全ての画素の静電容量Cに映像信号が記憶されると、これらの画素の表示装置LEDにそれぞれの映像信号に対応した所望の電流が供給され、図２に示したように、発光素子２０から透明基板１０の方向へ光が発せられる。全てのゲート線について上述の操作を繰り返すことにより、所望の画像を表示できる。
【００３８】
次に画像入力の動作について説明する。まず、図３のゲート線に制御信号を供給して、ゲート線を共有する全ての画素のTr１及びTr２を導通させる。全てのデータ線を低電位にすることにより、PDを完全に充電すると共に、Tr３を導通状態にしてLEDを点灯する。
これらの動作が完了した直後にゲート線の電位をローレベルとし、全てのTr１及びTr２を非導通状態にする。このとき、静電容量CによりTr３のゲートの電位が固定されているので、全てのLEDは同じ一定の強度で発光し続けている。
【００３９】
従って、前述の過程により一様な照明光が原稿などの入力対象に到達し、その明暗情報に対応した反射光が発生する。一方、PDはTr１によりデータ線から分離されており、PDへの反射光の入射と共にその電位が変化する。蓄積時間と呼ばれるある一定の時間の後に、データ線を水平駆動回路の中の検出回路に接続し、ゲート線に制御信号を供給してTr１を導通状態にする。
このとき、蓄積時間中に放電した電荷量に対応した電荷がPDに流れ込む。全てのPDについてこの電荷量を検出回路で検出することにより、入力対象の明暗情報、即ち画像情報を得ることができる。
このとき、全てのLEDを一様に点灯するとしたが、ある一色のみの発光素子を点灯してその色の反射画像を記録するという操作を３色について繰り返すことにより、カラー画像を入力することもできる。
【００４０】
次に、以上の動作を実現するための素子構造について説明する。
図３において発光素子の色を無視すると、画素のレイアウトの繰り返し単位は図４に示す回路であることが分かる。この基本単位に含まれる回路の構成要素をレイアウトした様子を図４に示す。
【００４１】
また、図５は、TFT、発光素子、受光素子などの画素部の主な構成要素の断面を示す説明図である。図４のレイアウトの配線に付した番号は、図５に示す材料に対応している。図４において、配線、PD、LED、等の構成要素は、できるだけ回路図と対応するように配置している。
ここでは発光素子２０として、有機エレクトロルミネセンス(EL)材料を用いた構成を例にあげて説明する。図５に示すように、発光素子２０は、有機EL材料で形成される発光材料層５４を透明電極５３と電極５５とで挟んで構成される。透明電極５３と電極５５の間に電位差を設けると、両方の電極で挟まれた領域の発光材料層に電流が流れ、この領域からから透明電極５３、第２の層間絶縁膜５０、第１の層間絶縁膜４８、等を通して光が放射される。
【００４２】
一方、受光素子３０については、ここではp-i-ショットキ構成のフォトダイオードの例を挙げて説明する。受光素子３０は、水素化アモルファスシリコン(a-Si:H)で形成される光電変換材料５１を、TFTのソース・ドレイン電極の材料である電極４９と透明電極５３とで挟んで構成される。透明電極５３と光電変換材料５１間には、ブロッキングコンタクト材料として極薄いp型シリコンカーバイド(p-SiC)が挿入される。
光電変換材料であるa-Si:Hは通常のプラズマCVD法で形成された状態では弱いn型であるが、意図的には不純物を導入していないので真性半導体、即ちi型と呼ばれる。このi型a-Si:Hと金属材料で形成される電極との界面はショットキ接合となるので、このフォトダイオードはp-i-ショットキ型と呼ばれる。
【００４３】
仮に、この金属電極とi型a-Si:Hの間に高濃度のPを導入したn型a-Si:H層を挿入して、p-i-n構成のフォトダイオードとしてもよい。これは、ショットキ型に比べてリーク電流が小さいという利点がある。受光素子３０の中央部には図４に示すように開口部５６が設けられている。発光素子２０と受光素子３０は共にダイオード構造であり、それらの下部電極は、それぞれに対応する薄膜トランジスタ(TFT)のソース・ドレイン領域４５へ接続される。
TFTとしては、ここでは一般的なトップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si) TFTの構造を採用している。図４に示したように、この実施の形態ではゲート電極用の配線材料４７とソース・ドレイン電極及び電源線用の配線材料４９とで第１の層間絶縁膜４８を挟むことにより、静電容量Cを形成している。
【００４４】
次に、図６から図１２を参照しながら、本実施の形態の主要な構成要素の製造方法について詳細に説明する。製造工程は、TFTと受光素子を形成する前工程と、有機EL材料を用いて発光素子を形成する後工程とに大別される。
前工程のTFT及び受光素子の製造工程では、実に様々な種類のTFTを採用することができる。この実施の形態では、トップゲート型の多結晶シリコン(poly-Si) TFTの例を取り上げて説明する。
【００４５】
第一に、タングステンシリサイド(WSi)等の高融点材料を、ガラス等の透明基板１０上にスパッタ法等により形成する。これをフォトリソグラフィ法によりパターンを形成して、遮光層４２を形成する。 WSiの場合は遮光層の厚さとして１００〜２００nmもあれば十分である。
【００４６】
第二に、酸素とシラン(SiH４)等のSiを含むガスとをプラズマ中で分解して基板上に堆積するCVD法等により、SiO２からなるバリア層４３を一面に形成する。
これは、後続のプロセス中に透明基板１０の中に含まれる不純物元素がこれより上の層に拡散するのを防ぐための層で、厚さは３００〜５００nmとする。
【００４７】
第三に、 poly-Si層の前駆膜であるアモルファスSi (a-Si)層を、プラズマCVD法、減圧CVD法、スパッタ法、等のいずれかの成膜方法により、厚さ１００nm程度に形成する。これにエキシマレーザーからの数十ナノ秒の非常に短いパルス光を照射して瞬間的に溶融し、poly-Si層に改質する。このときの照射エネルギー密度が４００mJ/cm２前後であると、特性の良いpoly-Si TFTが得られることが知られている。
このpoly-Si層をフォトリソグラフィ法によりパターニングして薄膜半導体４４を形成する。次に、厚さ５０nm程度のSiO２膜と厚さ２００nm程度のWSi層を同様にして形成し、フォトリソグラフィ法によりWSi層をパターニングすることにより、ゲート絶縁膜４６とゲート電極４７とを形成する。
【００４８】
次に、イオンドーピング法等により、薄膜半導体４４の領域に選択的に高濃度のリン(P)またはボロン(B)を導入する。その後に５００℃程度の温度に基板を加熱して、導入した不純物元素を活性化する。このときの不純物元素の濃度、加熱時間、温度、等のプロセス条件は重要で、後の配線材料との間にオーミックコンタクトが得られるように、これらのプロセス条件を決定する。こうして、 TFTのソース／ドレイン領域４５が形成される。
不純物元素を導入していない領域は、TFTのチャネル領域４４となる。その後、SiO２等の層間絶縁膜４８をプラズマCVD法等により全面に形成する。
【００４９】
図６に断面図と平面図を示した構成は、以上の工程を経て形成される。ここで、平面図ではTFTの最下層にあるWSi層と絶縁膜は図示していない。３つのTFTの半導体領域とゲート電極と、後に静電容量Cの下部電極となる領域にゲート電極４７の材料が配置されていることが確認できる。
【００５０】
次に、第１の層間絶縁膜４８にコンタクトホールを開けて、Cr等の低抵抗の金属材料でソース・ドレイン電極４９および配線を形成する。これにより図７に示した構成が形成される。データ線、電源線、及び、受光素子の下部電極がソース・ドレイン電極４９の材料で形成されていることが確認できる。受光素子の下部電極には開口部５６が形成されている。
【００５１】
次に、全面に第２の層間絶縁膜５０を形成した後に、リソグラフィとエッチングによりコンタクトホールを空けることにより、図８に示した構成が得られる。
更に、全面にプラズマCVD法により水素化アモルファスSi層５１とSiC層５２とを連続して形成し、図９の構成を得る。
【００５２】
次に、これらの２層をリソグラフィとエッチングによりパターン化し、更に酸化インジウム錫合金(ITO)を全面にスパッタした後に、リソグラフィとエッチングによりパターン化することにより図１０の構成を得る。ここで、受光素子３０の形成が完成すると同時に、発光素子の下部電極(陽極)となる領域に透明電極５３が形成されていることが確認できる。
即ち、この一連の工程を１回行うことで、受光素子と発光素子の透明電極を同時に形成する。ここで透明電極５３として使用するITOは、シート抵抗２０Ω/□程度、厚さは１００nm程度とする。
【００５３】
以上の工程により、前工程のTFT及び受光素子の製造工程が完了する。後工程の製造工程では、第一に、図１１に示す領域に有機EL材料からなる発光材料層５４を形成する。発光材料層５４としては、発光材料層と正孔注入輸送層からなる２層構成、これに電子注入輸送層を加えた３層構成、更に金属電極との界面に薄い絶縁膜を配置した構成、等が知られており、これらの構成のどれでも図１１の構成に適用できる。
【００５４】
即ち、図１１では単に発光材料層５４として示しているが、細かく見ればこのような様々な構成が可能である。発光材料層５４の製造方法は、スピン塗布法、真空蒸着法、インクジェット印刷法、等が知られており、それぞれの製造方法に対応して、高分子系か低分子系か等の有機EL材料の選択、下地の構造、上部電極の製造方法、等の製造条件が決められる。
【００５５】
この実施の形態においては、発光材料層５４は、正孔注入輸送層の材料としては、例えばトリアリールアミン誘導体、オキサジアゾール誘導体、ポルフィリン誘導体、等、発光材料層の材料として、例えば８-ヒドロキシキノリン及びその誘導体の金属錯体、テトラフェニルブタジエン誘導体、ジスチリルアリール誘導体、等、をそれぞれ真空蒸着法により各々５０nm程度の厚さに積層して形成するものとする。
【００５６】
尚、図１１においては、発光材料層５４が透明電極５３をほぼ覆うようにパターン化されて描かれているが、これらの発光材料層５４は絶縁材料なので、必ずしもパターン化は必要ではなく、全面を覆っていても構わないこともある。但し、カラーディスプレイへ応用するには少なくとも３種類の発光材料層とその分離が必要なので、発光材料層５４のパターン化が必要である。
【００５７】
第二に、発光素子２０の陰極として、アルミニウム−リチウム合金、等の仕事関数が低い材料を、金属のシャドウマスクを通して厚さ２００nm程度に真空蒸着する等して、電極５５を形成する。更に、素子の全面を保護層６０で覆うことにより、図１２に示す構成が完成する。ここで、電極５５の材料により、図４の回路図のGND線も形成される。
【００５８】
本実施の形態の表示機能を内蔵した画像入力装置は薄型で光の利用効率が高いので、携帯電話のような携帯機器への搭載に有利である。図１３aは、本実施の形態の構成を搭載した携帯電話を示す説明図である。
これは、折畳式の携帯電話のカバー側の筐体に、電話を折り畳んだ状態で画像入力面が外側に、表示面が内側になるように、本実施の形態の装置を実装した例である。これにより以下の使い方が可能になる。
例えば、電話を折り畳んだ状態で画像入力面に指を密着させて指紋画像を入力し、電話の持ち主と照合された場合に限り、電話を使用可能とする。あるいは、携帯電話を通じて各種のサービスの提供を受けるときに、サービスを提供する側が課金する際の個人の認証に指紋を用いることができる。
【００５９】
更に、指紋を様々な決済の手段として用いることも可能である。表示面と入力面が別になっているので、表示面に指を密着させる必要が無い。従って、残留指紋により表示の画質が劣化するという問題を回避できる。
【００６０】
図１３bは、本実施の形態の構成を搭載した見開き型の携帯情報端末を示す説明図である。即ち、携帯情報端末のカバーに本実施の形態の主要な構成要素を搭載し、カバーを閉じた状態で画像入力面が表側に、表示面が裏側になるよう実装する。ここで、図１の光拡散・透過切替手段７０の代わりに、図１３bに示すように、光拡散シート７０bを反対側から折り畳んで挿入するように構成している。
光拡散シート７０bとしては、例えば、表面に凹凸形状を持つ、厚さ１mm以下のプラスチック製のシートが用いられる。
【００６１】
動作は以下の通りである。画像入力は、カバーを閉じた状態で画像入力面に原稿を密着させて行う。このとき、光拡散シート７０bは、透明基板１０の下方に密着して配置されている。カバーを開けば、透明基板１０を通して情報を表示することができる。
光拡散シート７０bを反対側へ広げれば、キーボード、表示面、等７５が表に出てきて、見開き型の携帯情報端末として機能する。このような実装形態では特に、ほぼ透明基板１０の厚さまで薄型化できる本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の利点が良く生かされている。
【００６２】
図１３cは、本実施の形態の構成を搭載した三つ折り式の携帯電話を示す説明図である。即ち、携帯電話のカバー側の筐体に本実施の形態の主要な構成要素を実装するとき、図１３bと同様にして、カバーを閉じた状態で画像入力面が表側に、表示面が裏側になるように、発光素子２０、受光素子３０が多数配列された透明基板１０を搭載する。ここで、もう一方の折り込み可能な筐体の表面を光拡散面として用いるため、光拡散・透過切替手段７０は不要である。この部分の筐体にはマイクを内蔵する。
【００６３】
動作は以下の通りである。画像入力は、２つのカバーを閉じた状態で画像入力面に原稿を密着させて行う。このとき、光拡散面が、透明基板の下方に密着して配置されている。カバーを開けば、透明基板を通して情報を表示することができる。光拡散面のある側の筐体を広げれば、口の近くにマイクが位置されて音声電話として機能することになる。このような実装形態でもまた、ほぼ透明基板１０の厚さまで薄型化できる本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の利点が良く生かされている。
【００６４】
(変形実施例)
以上に説明した本発明の第一の実施の形態においては、２００ppiのカラー表示と４００dpiの画像入力を図３の画素レイアウトで実現する例を挙げたが、表示と入力の解像度及び画素レイアウトはこの例に限られるものではなく、画素レイアウトを工夫することにより様々な解像度の組合せが実現できる。例えば、図１４に示す画素レイアウトと回路により、２００ppiのカラー表示と６００dpiの入力を実現できる。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００６５】
また、本発明の趣旨を損なうことなく、本実施の形態における構成要素の置換、材料の種類、回路実装の形態、等の選択が可能である。
例えば、以上では発光素子として主として有機EL材料で構成する発光ダイオードの例を挙げて説明したが、無機材料で構成するEL発光素子を用いてもよい。
これは、第一の電極、第一の絶縁層、無機EL材料、第二の絶縁層、第二の電極を順に積層した構成である。電極の一方を透明材料とすることで、無機EL材料から発せられた光を外部へ取り出すことができる。
材料の例を挙げると、第一の電極は厚さ０.２μmのITO、第一、第二の絶縁膜は厚さ０.３〜０.５μmのTa２O５、無機EL材料は厚さ０.５μmのZnS:Tb等をスパッタして形成する。
【００６６】
また、以上では受光素子として主としてp-i-ショットキ構成のフォトダイオードの例を挙げて説明したが、上述のようにp-i-n構成のフォトダイオードを用いてもよい。あるいは、n型のa-Si:Hを光導電型の受光素子を用いてもよい。これは、i型a-Si:Hの領域を、高濃度にPを導入したn 型a-Si:Hの領域で挟んだ構成である。
このような光導電型の受光素子を用いた画素のレイアウトを図１５に示す。ここで、受光素子は、i型a-Si:H、n 型a-Si:Hの領域を続けて重ねて形成した上に、ソース・ドレイン電極の材料４９bを用いて櫛歯状に形成した電極を対向させて構成される。このとき、電極で覆われていない領域のn 型a-Si:Hは除去されている。
【００６７】
図１５では、このようなパターン化された後のi型a-Si:H、n 型a-Si:Hの領域を光電変換層５１bとして示している。更に、図１５では複雑になるので示していないが、この光電変換層５１bの下方には遮光層４２が配置され、透明基板１０の通して光が直接に光電変換層５１bに入らないようにしている。採用するTFTが、ゲート電極がチャネル材料のa-Si:Hの下方に配置される逆スタガ型a-Si TFTの場合には、遮光層４２の代わりにゲート電極の材料を用いることもできる。
【００６８】
動作は以下の通りである。上方、即ち透明基板１０のある側と反対側からの光が、櫛歯状の電極で挟まれた領域のi型a-Si:Hに入射すると、この光が生成する電子-正孔対の数に対応した電流が、これら２つの電極の間に流れるので、光量に応じた電気信号が得られる。ここで、逆スタガ型a-Si TFTを採用する場合には、TFTの製造工程において同時にこのような受光素子を形成することができる。
【００６９】
即ち、TFTのチャネル材料のa-Si:Hと受光素子の光電変換材料のa-Si:Hを同時に形成し、続けてTFTのソース・ドレイン領域を電極へオーミック接続するためのn型a-Si:Hと受光素子のn型a-Si:Hを同時に形成し、最後にTFTのソース・ドレイン電極と受光素子の櫛歯状電極とを同時に形成する。このとき、TFTのソース電極とドレイン電極の間に存在したn型a-Si:Hと、受光素子の２つの対向する櫛歯状電極の間に存在したn型a-Si:Hとは、電極のパターン化の工程で同時に除去される。
【００７０】
また、以上ではトップゲート型のpoly-Si TFTの例を挙げて説明したが、ボトムゲート型poly-Si TFT、を用いて図３の回路を構成してもよい。あるいは、一般に液晶ディスプレイに適用されている、逆スタガ型a-Si TFT、順スタガa-Si TFTを用いても図３の回路を構成できる。但し、a-Si TFTの移動度がpoly-Si TFTの１/１００程度なので、特に発光素子に電流を供給するTFTとして用いる場合には、その抵抗を十分に低くするためにTFTの幅を大きく設定する、ゲート絶縁膜の厚さを低減する、等の設計上の工夫が必要になる。
【００７１】
また、以上では、垂直駆動回路４０、水平駆動回路４１を、poly-Si TFTを用いて透明基板１０上に形成する構成を説明したが、駆動回路の実装形態はこれに限るものではない。例えば、TAB (Tape Automated Bonding)接続、COG (Chip On Glass) 接続として、液晶ディスプレイの製造工程等で一般的に実施されているように、同様の機能を結晶半導体で形成した集積回路により実現し、この集積回路を透明基板１０上に固定して電気的に接続してもよい。
【００７２】
また、以上では３色の発光材料を並列配置する構成を採用したが、カラーフィルタと白色発光材料とを組合せる構成、あるいは、青色発光材料と色変換材料とを組合せる構成を採用しても、カラー表示を実現できる。
このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の置換、材料や実装形態の選択が可能である。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００７３】
(第二の実施の形態)
第一の実施の形態では、有機EL層から透明基板側へ光を発する構成を説明したが、発光素子の透明電極ともう一方の電極の配置を入れ替えて、光を基板の上方へ出力する構成にしてもよい。この場合には基板は透明である必要は無い。図１６、図１７はそのような実施の形態を示す説明図である。
図１８、図１９は、それぞれ、画素部のレイアウトと回路構成、及び主要な構成要素の断面を示す説明図である。ここで、第一の実施の形態と同一の構成要素には同一の番号を付している。同一の材料で構成されるが形状が異なる構成要素については、同じ番号にbを付して記した。特に図１８、図１９に詳細に示したように、ここでは発光素子２０bを受光素子３０bの上方に重ねて形成している。
【００７４】
発光素子を受光素子の上方へ配置する第一の理由は、両者を並置した場合に比べて発光素子の面積を大きくするためである。このため、表示に所望の輝度を実現するのに必要な発光素子に印加する電圧を、並置の場合に比べて低くすることができる。
【００７５】
第二の理由は、受光素子の面積、従って、その静電容量も大きくなり、受光素子のダイナミック・レンジを広く設定することができるためである。このように、受光素子の上方へ重ねて発光素子を配置する構成には、これらの素子設計の自由度が増すという利点がある。
一方、図１９に示すように、受光素子の下部電極５５bが覆うべき段差が大きくなるので、配線の段差切れが起こらないように製造工程の条件に注意が必要である。もちろん、発光素子と受光素子を並列に配置しても良く、特に解像度の要求が低い応用においては、受光素子、発光素子の設計自由度よりも製造工程の容易さを優先させて、両素子を並置する構成が望ましい。
【００７６】
第二の実施の形態の構成の製造工程は、第一の実施の形態の場合と殆ど同じだが、発光素子の透明電極ともう一方の電極とが入れ替わっている点と、そのために受光素子と発光素子とで透明電極を同じ材料で同時に形成できない点が異なっている。即ち、図１９の断面図に示すように、TFT、受光素子、発光素子、の順に形成される。発光素子と受光素子が並置される構成においても、これらを形成する順序は同じである。これは、受光素子の光電変換材料であるa-Siを形成する前に有機薄膜を形成すれば、a-Siの形成過程で温度が２５０℃前後になって有機薄膜が昇華する等の問題が生じるためである。
【００７７】
動作は以下の通りである。第一に、表示動作は、光が保護層６０bの方向へ放射されることを除き、第一の実施の形態と全く同様である。第二に、画像入力については、図１７に示すように、発光素子２０bから放射された光が入力対象を直接に照明し、その反射光を、発光素子３０bによって覆われていない受光素子２０bの領域で検出して実現される。第二の実施の形態では表示と入力を同じ面で行うことになる。
【００７８】
例えば、指紋を入力する場合、指を置くべき領域を表示することにより指の位置を正確に決められる。従って、指紋画像入力の安定性が増し、個人認証の精度が向上する可能性がある。
【００７９】
(変形実施例)
第一の実施の形態の場合と同様に、第二の実施の形態においても、本発明の趣旨を損なうことなく、構成要素の置換、材料の種類、寸法、等の選択が可能である。例えば、トップゲート型のpoly-Si TFTの代わりにボトムゲート型poly-Si TFTを用いてもよい。
また、この実施の形態の基板は透明である必要は無く、例えば、結晶Si基板を用いてもよい。この場合の駆動回路及び画素部のトランジスタや静電容量は、結晶Si基板に通常の集積回路として形成すればよい。
【００８０】
更に、受光素子については、通常のMOSイメージセンサの場合と同様に、基板にpn接合を形成したフォトダイオードとすればよい。このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々な構成要素の置換が可能である。従って、このような構成も本発明の変形実施例と見なす。
【００８１】
以上、本発明の実施の形態と変形実施例の動作を図面を参照して詳述してきたが、本発明はこの実施の形態と変形実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明の効果を実施の形態に基づいて説明する。
【００８３】
第一に、本発明の第一の実施の形態における装置の厚さは、図２に示すように、各構成要素の厚さの和の約１.４mmとすることができる。これは従来技術による図２０の装置の１/２以下の厚さである。図２１の従来構成に比べても１mm以上薄い。更に、本発明の第二の実施の形態においては、図１７に示すように、装置の厚さは約０.７mmとなり、従来構成よりもはるかに薄型である。即ち、本発明の構成には薄型であるという効果があり、これは本構成を携帯機器などに内蔵する場合に大きな利点になる。
【００８４】
第二に、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成は、図２０の従来の構成と比較して、高価なTFTを製造する基板の数が半分になるので、製造コストが低いという効果がある。あるいは、図２１に示した従来構成と比較すれば、レンズが不要なのでそれに伴う製造コストが低減できるという効果がある。
【００８５】
第三に、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成は、図２０の従来の構成と比較して、発光素子から光は一方向にのみ放射されるので、光の利用効率が高いという効果がある。また、図２１の従来の構成と比較して、本発明の第一及び第二の実施の形態の構成では、画像表示の際には発光素子から放射された光の殆ど１００%を表示に用いることができるので、光利用効率が高く、その結果として消費電力が小さいという効果がある。
【００８６】
このように、本実施の形態の表示機能を内蔵した画像入力装置は、薄型で、消費電力を低減でき、製造コストを低く抑えられるという効果がある。従って、本発明の装置は、特に携帯電話のような携帯機器への搭載に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における主な構成要素を示す説明図。
【図２】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【図３】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の構成を示す説明図。
【図４】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図。
【図５】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の断面を示す説明図。
【図６】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その１）。
【図７】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その２）。
【図８】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その３）。
【図９】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その４）。
【図１０】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その５）。
【図１１】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その６）。
【図１２】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態における画素部の主な構成要素の製造工程を示す説明図（その７）。
【図１３】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置を搭載した携帯電話と携帯情報端末を示す説明図。
【図１４】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態の変形実施例を示す説明図（その１）。
【図１５】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第一の実施の形態の変形実施例を示す説明図（その２）。
【図１６】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における主な構成要素を示す説明図。
【図１７】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【図１８】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における画素部のレイアウトと回路構成を示す説明図。
【図１９】 本発明の表示機能を内蔵した画像入力装置の第二の実施の形態における画素部の主な構成要素の断面を示す説明図。
【図２０】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成を示す説明図（その１）。
【図２１】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の構成を示す説明図（その２）。
【図２２】 従来の表示機能を内蔵した画像入力装置の主な構成要素の断面とその動作原理を示す説明図。
【符号の説明】
１０…透明基板、２０…発光素子、３０…受光素子、４０…垂直駆動回路、４１…水平駆動回路、４２…遮光層、４３…バリア層、４４…薄膜半導体（TFT部-チャネル領域）、４５…薄膜半導体（TFT部-ソース・ドレイン領域）、４６…ゲート絶縁膜、４７…ゲート電極、４８…第１の層間絶縁膜、４９…ソース・ドレイン電極、５０…第２の層間絶縁膜、５１…光電変換層、５２…ブロッキングコンタクト層、５３…透明電極、５４…発光材料層、５５…電極、５６…開口部、５７…透明電極、６０…保護層、７０…光拡散・透過切替手段、７０b…光拡散シート、７１…透明電極、７２…液晶層、７３…透明電極、７４…透明基板、７５…キーボード／表示面等、１００…原稿、１１０…２次元イメージセンサ、１２０…面状光源、１３０…液晶ライトバルブ、１４０…駆動回路、１５０…制御信号、１６０…制御信号、１７０…液晶ライトバルブ兼用２次元イメージセンサ、１７１…透明保護層、１７２…レンズ、１７３…偏光板、１７４…透明基板、１７５…透明電極、１７６…光電変換材料、１７７…不透明電極、１７８…液晶、１７９…透明電極、１８０…透明基板、１８１…偏光板、１８２…センサ画素、１８３…液晶ライトバルブ画素
Claims (14)
- 透明基板の一方の表面に規則正しく配列されて形成された複数の発光手段と複数の光電変換手段と、該発光手段と該光電変換手段の前記透明基板と反対側の面に接して形成された保護手段と、該透明基板の他方の面側に配置されて、前記発光手段からの光線を前記一方の面側へ反射させあるいは前記他方の面側へ透過させる光拡散・透過切替手段を有し、前記発光手段が前記透明基板の方向へ光を放射することによる表示機能を有し、前記光電変換手段が前記保護手段の方向から入射する光を検出する機能を有することを特徴とする表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光手段は、通電により光を外部へ放射する発光素子と、特定の該発光素子を選択するための発光素子選択スイッチを有し、前記光電変換手段は、吸収した光の量に対応した電気信号を生成する受光素子と、特定の該受光素子を選択するための受光素子選択スイッチを有することを特徴とする請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記光拡散・透過切替手段は、液晶層と、該液晶層を挟む二つの透明電極を有することを特徴とする請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 請求項１記載の表示機能を有する画像入力装置を内蔵した第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は、前記光拡散・透過切替手段が前記第二の筐体に対向し、前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置されたことを特徴とする機器。
- 前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対の方向へ向くよう配置され、前記第一の筐体に対向する位置に前記第一の筐体側から入射した光線を反射する光拡散機能を持つ物体が挿入されることを特徴とする機器。
- 前記光拡散・透過切替手段を除く請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置が内蔵された第一の筐体と、前記第一の筐体と同一平面に含まれる軸を中心として相対的に回転可能に連結された第二の筐体とから構成され、前記軸を中心とする回動によって前記第一、第二の筐体が互いに重なるように折り畳まれる機器であって、前記第一の筐体と第二の筐体とを折り畳んだ状態において、前記画像入力装置は前記透明基板が前記第二の筐体と反対へ向くよう配置され、前記第一の筐体と第二の筐体の間に、マイクを内蔵する第三の筐体が挿入され、前記第三の筐体の前記第一の筐体に対向する表面が光の拡散機能を持つことを特徴とし、
前記第一、第二、第三の筐体は、全体として、前記マイクを受話器とする携帯電話器を構成することを特徴とする機器。 - 請求項１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置を筐体に内蔵した機器であって、前記保護層に密着して配置した指の指紋画像を入力することを特徴とする機器。
- 前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチの導通状態を切り替えるための制御信号が、同一の制御用配線により供給されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光素子の発光強度を与える信号と、前記受光素子が生成した信号とが、同一の信号用配線により前記発光素子選択スイッチと前記受光素子選択スイッチとに供給されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光素子に流れる電流と前記受光素子を充電する電流とが、同一の電源用配線により前記発光素子と前記受光素子に供給されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で有機薄膜材料を挟んで形成され、前記受光素子は、少なくとも一方が透明な二つの電極材料で光電変換材料を挟んで形成されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光素子は、第一の電極、第一の絶縁層、無機エレクトロルミネッセンス材料、第二の絶縁層、第二の電極を順に積層して形成されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記受光素子は、第一の電極、不純物を高濃度に導入した第一の半導体領域と、不純物を低濃度に導入したか、あるいは意図的には不純物を導入していない第二の半導体領域と、該第一の半導体材料と同一の材料からなる第三の半導体領域とを順に接合して形成されることを特徴とする請求項２記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
- 前記発光素子の透明電極と前記受光素子の透明電極とが同一の工程で形成されることを特徴とする請求項１１記載の表示機能を内蔵した画像入力装置。
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