JP5085566B2 - イメージセンサおよびディスプレイ - Google Patents

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Description

本発明は、イメージセンサ、およびそのイメージセンサを含むディスプレイに関する。
アクティブマトリクス液晶ディスプレイ(AMLCDs)用薄膜トランジスタ基板の製造において採用されているプロセスに適合する薄膜ポリシリコンプロセスにおいてイメージセンサを製造したいという要望がある。このような、製造プロセスを採用することで、イメージセンサは、例えば、タッチ入力やペン入力を検出するための入力機能を提供するために、AMLCDに一体に統合される。このような構成において、各画素は、イメージセンシング素子と表示素子との両方を含み、イメージセンシング素子が持つイメージセンシングの空間分解能(空間解像度)と、表示素子が持つ表示の空間解像度とは、同等である。しかしながら、このようなディスプレイは、イメージセンシング機能が画素内にあることで、イメージセンシング機能を持たないディスプレイに比べて開口比が低下する。
半導体イメージセンサには、いくつかの種類があり、例えば、電荷結合デバイス(CCD)の技術に基づくものや、相補型金属酸化膜シリコン(CMOS)の技術に基づくものが挙げられる。CCDは、歴史的に、光発生電荷の転送効率を最大化するための特殊なプロセス技術のため、CMOSイメージセンサより高い品質性能を提供してきた。しかしながら、CMOSイメージセンサには、撮像アレイと、信号処理するための電子回路との両方を、同じチップ上に集積できるという利点がある一方、CCDプロセスは、その特殊な性質のため、このような集積が不可能である。CMOSイメージセンサは、このため、種々の適用について、例えば家庭用電化製品において、コストが低いという利点を有している。
主に、2種類のCMOSイメージセンサが知られている。すなわち、受動画素センサ(PPS;Passive Pixel Sensor)と、能動画素センサ(APS;Active Pixel Sensor)とである。受動画素センサは、フォトダイオードまたはこれに類する感光性デバイスと、イメージセンサの各画素内にある“選択”トランジスタとを含む。イメージセンサのアレイは、行単位でアドレスされ、各フォトダイオードが生成した電流は、1行の期間の間、積分器によって積分される。積分器は、典型的には各列の下端に位置する。各画素が2つの能動デバイスしか含まないため、受動画素構成は、高分解能アレイを実現できる。しかしながら、このようなアレイのサイズは、各行を順番に積分していくのに必要な時間と、積分する間の列電流の変動に付随する比較的大きな度合のノイズを含む出力信号とによって制限される。
APSデバイスは、各画素に増幅器を含むので、PPS構成の制限を受けない。添付図面の図1は、フォトゲートベースの画素回路をもつAPSの例を示すものであり、例えば、米国特許第5,471,515号に開示されている。動作中、積分期間の間、電子は、フォトゲート電極の真下にある基板上に入射する光子束に比例して、フォトゲート30の真下にある電位ウェルに蓄積する。各積分期間の終わりには、フローティング拡散領域40の電位は、リセット信号パルスRSTを印加することで初期レベルにリセットされる。フォトゲート上に蓄積された電荷は、その後、パルスTXによって制御される転送ステップの間に、フローティング拡散領域40に転送される。したがって、フローティング拡散領域40の電位は、積分期間の間に蓄積される電荷を示す。
1行の画素がサンプリングされたときに、行選択トランジスタ60は、行走査パルス(ROW)によってオン状態にされる。トランジスタ55は、画素アレイの列の端に配置されたバイアストランジスタ65と協働するソースフォロワとして接続されている。トランジスタ55のゲートは、フローティング拡散ノードに接続されている。このため、ソースフォロワの出力は、トランジスタ55のゲートにおける電圧を示し、それゆえ、積分期間の間、画素内に蓄積された電荷を示す。
イメージセンサチップは、また、図1の符号70に示すように、サンプリングされた画素信号を読み出す回路構成も含む。センサ素子を含む行が選択されたとき、入射光強度を示すソースフォロワ出力電圧が、トランジスタ200を介してキャパシタ205に蓄えられる。トランジスタ210、215、および220は、センサ素子を含む列のための別のソースフォロワを形成する。列選択信号COLがパルス化されると、列ソース・フォロワの出力は、出力OUTを介してチップ増幅器に供給される。イメージセンサ出力電圧が、アレイの各画素に入射する光の強度を時系列的に示せるように、列ソース・フォロワは、順番に作動する。
図1に示す構成は、また、オフセット誤差を低減させるために設けられるチップ増幅器のための基準電圧を生成するのに用いられるデバイス116、225、230、235、240、および245も含む。このような構成の動作は公知なので、これ以上説明しない。
添付図面の図2は、例えば、“128x128 CMOS photodiode-type active pixel sensor with on-chip timing, control, and signal chain electronics”(E Fossumら、Charge-Coupled Devices and Solid-State Optical Sensors V、Proc.SPIE、Vol 2415、117〜223ページ、1995年)に開示されているような、“バルク”型または縦型のフォトダイオード1を含むAPS型のセンサ素子を示している。センサ素子は、供給線VDDとフォトダイオード1のカソード3との間に接続されたリセットトランジスタ2を含む。トランジスタ2のゲートは、リセット信号を受信し、フォトダイオード1に対して、その静電容量を予め定められた電圧まで充電するよう、逆バイアスをかける。リセット段階の次に、フォトダイオード電流が、フォトダイオード1に入射する光子束に比例した割合で、その静電容量を放電し、積分を行う検知段階が続く。トランジスタ4は、ソースフォロワとして接続されており、そのソース−ドレイン経路または“主導電(main conduction)”路が、供給線VDDとセンサ素子アレイの列バスCOL BUS6との間に、選択トランジスタ5のソース−ドレイン経路または“主導電”路と直列に接続されている。1列の画素が選択されると、列選択トランジスタ5は、パルスRSによってオン状態にされる。列バスは、列の画素からの出力電圧をセンサで読み出すことを可能にする列読み取り構成に接続されている。上記列読み取り構成は、例えば、図1におけるトランジスタ65および回路70によって示されるタイプのものである。
米国特許出願公開第2006/0033729A1号には、添付図面の図3に示すように、AMLCD内に統合されたイメージセンサを含むデバイスが開示されている。各画素は、表示部と、添付図面の図2に示すものと類似のタイプのイメージセンシング部とを含む。このデバイスにおいては、各フォトダイオードは、AMLCD薄膜トランジスタ(TFT)の製造に用いられるものと同様のプロセス技術を用いて製造された薄膜フォトダイオードを含む。この場合、薄膜フォトダイオードの自己静電容量に対する光電流の比が、バルクCMOSデバイスと比較して大きいことから、別個の積分キャパシタが必要になる。このため、積分キャパシタが無ければ、画素放電率が高くなり過ぎて実用化できない。
このようなデバイスは、シャドウモードまたは反射モードで動作する。シャドウモードでは、AMLCDの上にある物体は、周辺光の光路をさえぎって、ディスプレイ表面に影を投じる。そして、当該影が、イメージセンサアレイによって検出される。このモードは、例えば、タッチ入力、ペン入力、またはジェスチャー入力に用いられる。反射モードでは、添付図面の図4に示すように、ディスプレイのバックライト23からの光が、対向基板24、液晶層25、およびTFT基板21を通過して、デバイスの前にある物体22上に入射する。物体22からの反射光は、イメージセンサアレイに戻り、対応する信号に変換される。反射モードの適用例としては、接触式イメージスキャンや、指紋認証、指紋による身元確認などが挙げられる。
本発明の第1の面によれば、少なくとも1つのセンサ素子を含むイメージセンサであって、上記センサ素子(センサ素子が1つの場合)または各センサ素子(センサ素子が複数の場合)が、半導体増幅素子と、積分キャパシタと、フォトダイオードとを含み、該フォトダイオードが、上記半導体増幅素子の第1の制御電極および上記積分キャパシタの第1の端子に接続された第1の電極と、第1の制御入力に接続された第2の電極とを有し、上記第1の制御入力が、検知段階の間、上記フォトダイオードに逆バイアスをかけるための第1の電圧を受けるように、かつ、リセット段階の間、上記積分キャパシタを予め定められた電圧まで充電するように上記フォトダイオードに順バイアスをかけるための第2の電圧を受けるように構成されているイメージセンサが提供される。
上記リセット段階および上記検知段階は、周期的に繰り返されてもよい。
上記フォトダイオードは、横型フォトダイオードであってもよい。
上記フォトダイオードは、薄膜ダイオードであってもよい。
上記半導体増幅素子は、電圧フォロワ構成を含んでいてもよい。
上記半導体増幅素子は、第1のトランジスタを含んでいてもよい。上記第1のトランジスタは、薄膜トランジスタであってもよい。上記第1のトランジスタは、電界効果トランジスタであってもよい。上記第1のトランジスタがソースフォロワとして接続され、上記第1の制御電極がトランジスタゲートを含んでいてもよい。
上記イメージセンサは、上記半導体増幅素子の主導電路と直列に接続された主導電路と、読み出し段階の間、上記センサ素子の選択を制御するための第2の制御入力に接続された第2の制御電極と有する半導体選択素子を含んでいてもよい。上記半導体選択素子は、第2のトランジスタを含んでいてもよい。上記第2のトランジスタは、薄膜トランジスタであってもよい。
上記積分キャパシタは、検知段階の間、上記半導体増幅素子を非作動にすると共に上記積分キャパシタによる上記フォトダイオードからの光電流の積分を可能とするための第3の電圧を受けるように、かつ、読み取り段階の間、上記半導体増幅素子を作動させるための第4の電圧を受けるように構成された第2の制御入力に接続された第2の端子を有していてもよい。
上記少なくとも1つのセンサ素子は、複数の行および複数の列を含む第1のアレイとして構成された複数のセンサ素子を含んでいてもよい。上記イメージセンサは、複数の第1の行制御入力を含み、それら第1の行制御入力の各々は、それぞれの行の上記センサ素子の上記第1の制御入力に接続されていてもよい。上記イメージセンサは、複数の第2の行制御入力を含み、それら第2の行制御入力の各々は、それぞれの行の上記センサ素子の上記第2の制御入力に接続されていてもよい。上記イメージセンサは、複数の列出力を含み、それら列出力の各々は、それぞれの列の上記センサ素子の出力に接続されていてもよい。各列出力は、それぞれのバイアス用素子に接続されていてもよい。各バイアス用素子は、第3のトランジスタを含んでいてもよい。上記第3のトランジスタの各々は、薄膜トランジスタであってもよい。
上記イメージセンサは、上記センサ素子をアドレスするためのアクティブマトリクスアドレッシング構成を含んでいてもよい。
本発明の第4の面によれば、本発明の第1の面に係るイメージセンサと、少なくとも1つの表示画素とを含むディスプレイが提供される。
上記少なくとも1つの表示画素は、複数の行および複数の列を含む第2のアレイとして構成された複数の表示画素を含んでいてもよい。上記センサ素子の各々は、上記少なくとも1つの表示画素の一部を形成していてもよい。上記ディスプレイは、複数の画素列データ線を含み、該画素列データ線の少なくとも2つが上記列出力をそれぞれの列のセンサ素子の上記センサ素子出力に接続してもよい。
上記表示画素は、液晶画素であってもよい。
上記アクティブマトリクスアドレッシング構成は、対応する行の上記表示画素の線ブランキング期間の間、各行の上記センサ素子をアドレスするように構成されていてもよい。
したがって、公知の構成と比較して各センサ素子の占有面積が縮小されたイメージセンサを提供することができる。このイメージセンサは、例えば、「記録密度(packing density)」の向上したセンサ素子を提供し、空間分解能の向上したイメージセンサを提供するのに用いることができる。イメージセンサおよびディスプレイを複合化した構成の場合、上記センサ素子の面積が縮小され、その結果として、所定の空間分解能を得るために、画素領域のより多くの部分を表示目的に利用でき、例えば、見た目が改善したより明るいディスプレイを提供できる。例えば、このような構成は、薄膜半導体プロセスやシリコン・オン・インシュレータ(SOI)半導体プロセス技術を用いて製造されるデバイスに用いることができる。ディスプレイと複合化されたセンサの場合、例えば統合されたイメージセンシング機能を持つAMLCDの、開口比を、実質的に向上させることができる。
全図を通して、同じ参照番号は、同じ部材を参照する。
イメージセンサは、複数行および複数列のセンサ素子からなるアレイを含んでおり、これらセンサ素子の各々は、図5中に10で示す構成となっている。センサ素子10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、アドレッシング回路および出力回路と共に共通基板上に集積されている。上記イメージセンサは、アクティブマトリクスデバイスを含んでおり、該アクティブマトリクスデバイスは、後述するような液晶タイプのアクティブマトリクスディスプレイと複合化することができる。
センサ素子10は、横型の薄膜フォトダイオードD1の形をとっている光検出器を含んでいる。フォトダイオードD1のアノードは、同じ行内の全てのセンサ素子10に共用されるリセット線RSTに接続されている。フォトダイオードD1のカソードは、積分ノード11に接続されており、積分ノード11は、積分キャパシタC1の第1の電極または極板に接続されており、積分キャパシタC1の他の電極または極板は、供給線VDDに接続されている。
センサ素子10は、薄膜絶縁ゲート電界効果トランジスタM1の形をとっている半導体増幅素子を含んでおり、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のカソードおよび積分キャパシタ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、供給線VDDに接続され、トランジスタM1のソースは、出力信号を供給する。トランジスタM1のソース−ドレイン経路は、供給線VDDと列出力線6との間に、他の絶縁ゲート電界効果トランジスタM2のソース−ドレイン経路と直列に接続されている。トランジスタM2のゲートは、行選択線RSに接続されており、行選択線RSは、同じ行内のセンサ素子10に共用されている。トランジスタM2のソースは、センサ素子10の出力を形成し、同じ列内のセンサ素子10の出力は、同じ列出力線6に接続されている。
列出力線6の端は、絶縁ゲート電界効果トランジスタM3のドレインに接続されており、トランジスタM3のソースは、他の供給線VSSに接続されており、トランジスタM3のゲートは、基準電圧線VBを介して基準電圧発生器に接続されている。トランジスタM3は、読み出し用に現在選択されている列の各センサ素子10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M3のドレインは、列出力を含み、任意の適切なタイプの出力読み取り回路、例えば図1を参照して前述したようなタイプの出力読み取り回路に接続されている。
センサ素子10の各々は、種々の段階を有する、繰り返し動作サイクルを実行する。積分期間を含む検知段階の最初に、フォトダイオードD1に順バイアスがかけられるように、パルスがリセット線RSTに供給される。したがって、フォトダイオードD1が導通し、その結果として、積分キャパシタC1の両端間の電圧が予め定められた初期値に設定される。例えば、リセット線RSTの電圧は、通常はVSSであり、VSSは、供給線VSSの電圧であり、典型的には0ボルトである。積分キャパシタC1の両端間の初期電圧が、供給線電圧VDDから、フォトダイオードD1における順方向電圧降下を引いたものに等しくなるように、上記パルスは、VDDと等しい振幅を有している。リセットに続いて、フォトダイオードD1に逆バイアスがかけられるように、リセット線RSTの電圧が値VSSに戻される。
上記積分期間の間、フォトダイオード電流は、上記フォトダイオードD1上に入射する光子束に比例した割合で積分キャパシタC1を放電させる。上記積分期間の終わりに、積分キャパシタC1の両端間の電圧は、フォトダイオード電流と上記積分期間の時間長との積を(フォトダイオードD1の静電容量およびトランジスタM1のゲート容量と並列である)積分キャパシタC1の静電容量で割ったものに等しい量だけ低下する。
上記積分期間の終わりに、行選択パルスが、行選択線RSに供給される。したがって、トランジスタM2をオン状態とするために、トランジスタM2のゲートに供給された電圧は、トランジスタ閾電圧未満の電圧からトランジスタ閾電圧を超える電圧まで上昇する。したがって、トランジスタM1のソースは、制御線6を介してバイアストランジスタM3のドレインに接続されてソースフォロワを形成し、このソースフォロワは、電圧フォロワ構成として機能する。上記ソースフォロワの出力電圧は、上記積分期間中に積分されたフォトダイオード電流の大きさを与え、したがって、フォトダイオードD1上に入射した光の強度の大きさを与える。
センサ素子10は、公知の構成よりも占有面積が小さい一方、素子全体が薄膜技術やシリコン・オン・インシュレータ技術を用いて形成可能である。例えば、図3に示す公知の構成が3つのトランジスタを必要とするのに対して、図5のセンサ素子10は2つのトランジスタしか必要としない。これは、単位面積のセンサ素子数がより多く低コストであるイメージセンサを製造可能にし、イメージセンシングの空間分解能の向上を実現できる。あるいは、イメージセンサがディスプレイの一部を形成する場合、例えば図3に示す構成と比較して、センサ素子の占有面積が縮小され、その結果としてディスプレイの開口比が向上する。したがって、公知の構成と比較して、改善された輝度および品質を有するディスプレイを達成できる。
図6に示すセンサ素子10は、カソードがリセット線RSTに接続される一方、アノードが積分ノード11に接続されるように、フォトダイオードD1の極性が反転されている点で、図5に示すセンサ素子10と異なる。また、リセット線RSTは、通常は供給線VDDの電圧VDDを保持し、リセットパルスは、この電圧を供給線VSSの電圧VSSまで低下させる。センサ素子10の動作は、図5に示すセンサ素子10の動作と類似している。しかしながら、リセット段階の間、積分キャパシタC1の第1の極板によって形成される積分ノードの電位は、電圧VSSとフォトダイオードD1における順方向電圧降下とを足した電位に設定され、積分期間の間、積分ノード11に存在する静電容量とフォトダイオードD1を流れる光電流とによって決まる割合で上昇する。
図7は、図5のセンサ素子10の変形を示す。この変形は、図6のセンサ素子10にも適用できる。具体的には、光シールド(遮光体)11aは、フォトダイオードD1の上に設けられ、センサ素子10の積分ノード11に接続されている。
そのような光シールド11aの使用は、例えばセンサ素子10がAMLCDなどのようなディスプレイの一部である場合に必要である。そのような場合、ディスプレイ基板は、透明であり、検知されるべき周辺光に加えて、バックライトにもさらされる。光シールド11aは、例えばTFTプロセスの任意の適切な層内に作製することができ、実質的に入射した周辺光だけがフォトダイオード電流に寄与するようにフォトダイオードD1の感光性領域に入るバックライトからの光を遮断する構成となっている。
図8は、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さらに小さく、さらに高いイメージセンシング空間分解能および/またはディスプレイ開口比を実現可能とする、イメージセンサのセンサ素子を示す。ソースフォロワ・トランジスタM1およびバイアス用のトランジスタM3は、前述した通りである。フォトダイオードD1のカソードおよび積分キャパシタC1の第1の電極(端子)は、積分ノード11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。フォトダイオードD1のアノードは、リセット線RSTに接続されている。積分キャパシタC1の第2の電極(端子)は、行選択線RSに接続され、トランジスタM2は、省略されている。図9に示す上側の波形および下側の波形はそれぞれ、リセット線RST上の波形および行選択線RS上の波形をそれぞれ示す。
前述したように、センサ素子は、リセット段階、積分段階、および読み取り段階からなる繰り返しサイクルを実行する。上記サイクルは、同じ行内のセンサ素子10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る(オフセットされる)。
リセット段階の最初に、リセット線RST上の信号は、そのより高いレベルVDDRまで上昇する。したがって、フォトダイオードD1に順バイアスがかけられるようになって、フォトダイオードD1が導通し、その結果として積分ノード11が(VDDR−V)の電位まで充電される(VはフォトダイオードD1の順電圧)。電圧VDDRは、トランジスタM1の閾電圧未満であり、それゆえ、リセット段階およびそれに続く積分段階の間、トランジスタM1はオフ状態のまま維持される。
リセット信号がその低い方の値に戻ると、積分段階が始まる。積分段階の間、フォトダイオード電流は、フォトダイオードD1上に入射する光子束に比例した割合で積分キャパシタC1を放電させる。積分段階の終わり(行が読み取り用に選択されているとき)において、積分ノード11の電圧VINTは、次式で与えられる。
VINT=VDDR−VD−IPHOTO.tINT/CT
(上記式中において、IPHOTOはフォトダイオードD1を流れる電流であり、tINTは積分期間の時間長であり、CTは積分ノード11の全静電容量である。)
全静電容量CTは、積分キャパシタC1の静電容量と、フォトダイオードD1の自己容量と、トランジスタM1のゲート容量との合計である。
読み取り段階の最初に、線RSの上の行選択信号がその高い方の値まで上昇する。電荷注入が積分キャパシタC1に起こり、その結果として積分ノード11の電位が次式で表される電位まで上昇する。
VINT=VDDR−VD−IPHOTO.tINT/CT
+(VRS.H−VRS.L).CINT/CT
(上記式中において、VRS.HおよびVRS.Lは、それぞれ行選択信号の高い方の電位および行選択信号の低い方の電位であり、それぞれVDDおよびVSSと等しい電位とすることができる。)
したがって、積分ノード11の電位は、ソースフォロワ・トランジスタM1の閾電圧を超える電圧まで上昇し、その結果として、トランジスタM1は、列の端にあるバイアストランジスタM3と共にソースフォロワ増幅器として動作する。列出力に供給された出力電圧は、積分段階中に積分されたフォトダイオード電流を表し、したがって、フォトダイオードD1上に入射する光の強度を表す。
読み取り段階の終わりに、線RS上の行選択信号はその低い方の値に戻る。積分キャパシタC1への電荷注入によって、積分ノード11から電荷が取り除かれる。したがって、積分ノード11の電位は、トランジスタM1の閾電圧未満まで低下し、トランジスタM1がオフ状態とされる。
前述したように、積分キャパシタC1の第2の端子は、行選択線RSの形をとっている供給線(第2の制御入力)VDDに接続されている。検知段階または積分段階の間、行選択線RSは、電圧(第3の電圧)VDDR/VSSを受ける。この電圧VDDR/VSSは、増幅素子mlを非作動にし、光電流の積分を可能とする。積分期間の終わりの読み取り段階の間、図9の下側のグラフに示すように、行選択線RSは、電圧(第4の電圧)VDDを受け、電圧VDDは、電荷注入によって、トランジスタM1のゲートの電圧を、トランジスタ閾電圧を超える電圧まで上昇させて、積分期間中にフォトダイオードD1上に入射した光によって少なくとも部分的に決定される電圧とし、それによってトランジスタM1を作動させる。
前述したように、図8のセンサ素子10によって占有される基板面積は、行選択トランジスタM2の省略によって、前述した実施形態よりもさらに小さくなる。
前述したように、センサ素子10のアレイ、および列の下端にある出力回路は、ディスプレイ内に組み込むことができ、そうすることによって入力機能を備えたディスプレイを、例えば「タッチスクリーン」の形で、提供できる。図10は、例えば薄膜技術やシリコン・オン・インシュレータ技術によってそのようなデバイスの全ての構成要素を共通基板上に集積したときの、共通基板上のデバイスのレイアウトを示す。例えばガラス製である透明基板12は、センサ素子を含む表示画素のアレイまたはマトリクスを行方向および列方向に伸びる適切な電極と共に含む画素マトリクス13を保持している。上記ディスプレイは、任意の適切な画像源からタイミング信号および電力と共に画像データを受け取る。上記ディスプレイは、ディスプレイソースドライバ14およびディスプレイゲートドライバ15を含んでいる。そのようなドライバは、アクティブマトリクスデバイスの分野において公知であり、それゆえこれ以上説明しない。上記デバイスは、センサ行ドライバ16およびセンサ読み出しドライバ17も含んでいる。センサ行ドライバ16およびセンサ読み出しドライバ17は、センサデータを処理するための装置からタイミング信号および電力信号を受け取る。センサ読み出しドライバ17は、前述したような従来型のものとすることができ、センサ行ドライバ16は、ディスプレイゲートドライバ15と同様のものとすることができる。
図11は、図10のディスプレイおよびイメージセンサが複合化された構成の例であって、イメージセンシング機能を含むアクティブマトリクス液晶ディスプレイ(AMLCD)の形をとっている構成を示している。アレイを形成する複数の画素回路18のうちの1つの回路図を詳細に示している。上記表示画素は、公知のタイプのものであり、薄膜絶縁ゲート電界効果トランジスタM4を含んでおり、トランジスタM4のゲートは、行ゲート線GLを介してディスプレイゲートドライバ15に接続されており、トランジスタM4のソースは、列ソース線SLを介してディスプレイソースドライバ14に接続されている。トランジスタM4のドレインは、キャパシタC2の一つの電極に接続されていると共に液晶画素CLCの一つの電極に接続されている。キャパシタC2の他の電極は、共通線TFTCOMを介してディスプレイゲートドライバ15に接続されている。上記他の画素電極は、共通の対向電極電圧VCOMを受けるように接続された、対向デバイス基板上の対向電極によって構成されている。
センサ素子10は、図8に示すタイプのものであり、単一のトランジスタM1、薄膜横型フォトダイオードD1、および積分キャパシタC1を含んでいる。供給線VDDおよび列出力線6は、センサ読み出しドライバ17に接続されている。行選択線RSおよびリセット線RSTは、センサ行ドライバ16に接続されている。
そのようなAMLCD中における画像表示画素の動作は、周知であるので、これ以上説明しない。センサ素子10、センサ行ドライバ16、およびセンサ読み出しドライバ17を含むイメージセンサの動作は、前述した通りである。表示画素およびセンサ素子のアドレスは独立して行うことができるが、そのようなアドレスは、一般に、一行ごとを基準として同期される。そのようなアドレスのタイミングの例については後述する。
図11のディスプレイでは、イメージセンシングの空間分解能(空間解像度)が画像表示の空間解像度と同じになるように、各画素回路18内に各センサ素子10が配置される。しかしながら、センシングの分解能(解像度)および表示の解像度は、同じである必要はなく、各々を任意の特定用途の要求に応じて選択できる。例えば、図12は、複合フルカラー画素を形成する3つの色成分画素のセットの各々について1つのセンサ素子10が設けられたディスプレイを示す。複合画素の各列のRGB成分画素について個別のソース線SLr、SLg、およびSLbが設けられている。フォトダイオードD1および積分キャパシタC1は、色成分画素のうちの1つの画素内に、この場合には赤色画素内に配置されている一方、トランジスタM1は緑色色成分画素内に配置されている。これは、各色成分画素内におけるセンサ素子回路によって占有される面積を縮小し、その結果として最低画素開口比を増大させることができる。1つの色の色成分画素の下にフォトダイオードD1を配置することは、イメージセンサをその色の単色光に対して感応性にするであろう。これは、上記デバイスの全体にわたって異なるカラーフィルタ色の下に上記フォトダイオードを配置するか、あるいは、例えば図4に示すように上記デバイスを最上部のアクティブマトリクス基板と共に動作させることによって、回避できる。図4の構成において、周辺光は、上記フォトダイオード上に入射する前にディスプレイのカラーフィルタを通過しない。
図13は、最低画素開口比をさらに増加させるために上記ソース線が上記イメージセンサの列出力線6としても使用される点で、図12のディスプレイと異なるディスプレイを示す。線がソース線および列出力線として共用されるため、上記画像表示画素および上記センサ素子のアドレスまたは走査を適切なタイミングで行うことが必要である。そのようなタイミングの例を図14の波形図に示す。各行の行アドレッシング時間全体の比較的小さな部分の間、各センサ素子行の読み取り段階を行うことだけが必要である。これは、表示機能の水平ブランキング期間と一致するように構成することができる。表示機能の水平ブランキング期間は、通常、その間は上記ソース線がディスプレイソースドライバ14から切断される期間である。
図14に示すように、各表示行期間は、水平同期パルスHSYNCで始まり、その後、公知のアドレス方式で一行ずつ画像をリフレッシュするように、選択行の色成分画素の光学状態を制御するために、ソース線SLr、SLg、およびSLbが適切な電圧で駆動される。
行の画像表示画素への信号転送に続いて、上記ソース線が上記ブランキング期間の最初にディスプレイソースドライバ14から切断される。これは、液晶材料の劣化を防止するように対向電極の極性を反転させるために、公知のAMLCDにおいて一般に使用される。ブランキング期間の間、センサ素子行選択信号は線RS上で上昇し、バイアス電圧VBがトランジスタM3に印加され、現在選択された行のイメージ素子中のソースフォロワ構成を作動させるように、列出力線6がトランジスタM3に接続される。したがって、上記センサデータは、列線SLgを介してセンサ読み出しドライバ17へ出力される。センサ読み出しドライバ17は、センサ素子10と上記デバイスのセンサ出力との間のインターフェイスとして機能する。
センサ素子の選択された行の読み取り段階の終わりに、行選択信号およびバイアス信号がそれらの低い方の電位に戻る。上記積分ノードを予め定められた電圧へリセットするように、選択された行の上記センサ素子のためのリセット線RSTにリセット信号が印加される。その後、上記リセット信号は、行アドレッシング期間tROWの終わりに除去され、その後、上記プロセスは、次の画素行について繰り返される。
図13に示す構成は、一例を提供する。この例は、センサ素子の構成要素を複数の画素に跨るように広げて最低画素開口比を増加させ、かつ、共通ラインを共有してセンサ素子の占有面積を縮小し、その結果としてディスプレイの開口比を増加させる。しかしながら、センサ素子の構成要素は、任意の適切な形式で複数の表示画素に跨るように構成することができる。さらに、他の共通ラインを共有する構成も可能である。
公知のタイプのイメージセンサの一部を示す概略図である。 公知のタイプのイメージセンシング素子を示す回路図である。 イメージセンサを組み込んだ公知のディスプレイの一部を示す回路図である。 反射モードで動作しているときの、イメージセンサを組み込んだ公知のディスプレイの略断面図である。 本発明の一実施形態に係るイメージセンサの一部を示す回路図である。 図5に示す実施形態の考えられる変形例を示す回路図である。 図5に示すイメージセンサにおいて発生する波形を示すタイミング図である。 本発明の他の実施形態に係るイメージセンサの一部を示す回路図である。 図8に示すイメージセンサにおいて発生する波形を示すタイミング図である。 本発明の一実施形態に係る、イメージセンサを含む表示デバイスを示す概略図である。 図10に示す実施形態の一例の詳細を示す図である。 図10に示す実施形態の他の例の詳細を示す図である。 図10に示す実施形態のさらに他の例の詳細を示す図である。 図10に示す実施形態の動作を示すタイミング図である。

Claims (13)

  1. 少なくとも1つのセンサ素子を含むイメージセンサであって、
    上記センサ素子(センサ素子が1つの場合)または各センサ素子(センサ素子が複数の場合)が、半導体増幅素子と、積分キャパシタと、フォトダイオードとを含み、
    上記フォトダイオードが、上記半導体増幅素子の第1の制御電極および上記積分キャパシタの第1の端子に接続された第1の電極と、第1の制御入力に接続された第2の電極とを有し、上記第1の制御入力が、検知段階の間、上記フォトダイオードに逆バイアスをかけるための第1の電圧を受けるように、かつ、リセット段階の間、上記積分キャパシタを予め定められた電圧まで充電するように上記フォトダイオードに順バイアスをかけるための第2の電圧を受けるように構成されており、
    上記第1の制御入力に入力される第1の制御信号は、上記第1の電圧、および上記第2の電圧からなる2値信号であり、
    上記リセット段階および上記検知段階が、周期的に繰り返され、
    上記フォトダイオードは、横型フォトダイオードであり、
    上記第2の電圧は、上記第1の制御入力が上記リセット段階の前に受けていた電圧を、より高いレベルに上昇させたものであり、
    上記フォトダイオードが、薄膜ダイオードであり、
    上記積分キャパシタが、検知段階の間、上記半導体増幅素子を非作動にすると共に上記積分キャパシタによる上記フォトダイオードからの光電流の積分を可能とするための第3の電圧を受けるように、かつ、読み取り段階の間、上記半導体増幅素子を作動させるための第4の電圧を受けるように構成された第2の制御入力に接続された第2の端子を有しており、
    上記第2の制御入力に入力される第2の制御信号は、上記第3の電圧、および上記第4の電圧からなる2値信号であることを特徴とするイメージセンサ。
  2. 上記半導体増幅素子が、電圧フォロワ構成を含む請求項1に記載のイメージセンサ。
  3. 上記半導体増幅素子が、第1のトランジスタを含む請求項1または2に記載のイメージセンサ。
  4. 上記第1のトランジスタが、薄膜トランジスタである請求項3に記載のイメージセンサ。
  5. 上記第1のトランジスタが、電界効果トランジスタである請求項3または4に記載のイメージセンサ。
  6. 上記少なくとも1つのセンサ素子が、複数の行および複数の列を含む第1のアレイとして構成された複数のセンサ素子を含む請求項1〜5のいずれか1項に記載のイメージセンサ。
  7. 複数の第1の行制御入力を含み、それら第1の行制御入力の各々が、それぞれの行の上記センサ素子の上記第1の制御入力に接続されている請求項6に記載のイメージセンサ。
  8. 複数の列出力を含み、それら列出力の各々は、それぞれの列の上記センサ素子の出力に接続されている請求項6または7に記載のイメージセンサ。
  9. 各列は、それぞれのバイアス用素子に接続されている請求項8に記載のイメージセンサ。
  10. 各バイアス用素子が、第3のトランジスタを含む請求項9に記載のイメージセンサ。
  11. 上記第3のトランジスタの各々が、薄膜トランジスタである請求項10に記載のイメージセンサ。
  12. 上記センサ素子をアドレスするためのアクティブマトリクスアドレッシング構成を含む請求項7〜11のいずれか1項に記載のイメージセンサ。
  13. 請求項1〜12のいずれか1項に記載のイメージセンサと、少なくとも1つの表示画素とを含むディスプレイ。
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