JP5208198B2 - 光センサ付き表示装置 - Google Patents

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、指やペンなどで画面に触れることにより操作可能な電子機器が普及している。また、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を用いて検知する方法が知られている。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を用いて検知する方法も知られている。

表示パネルに複数の光センサを設けた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。また、特許文献２には、図２１に示すように、画素部ＰＰと赤外線検知部ＩＳＰを備えた液晶パネルが記載されている。画素部ＰＰには第１ＴＦＴ（Ｔ１）、透明電極ＴＥ、反射電極ＲＥなどが設けられ、赤外線検知部ＩＳＰにはコンデンサＣ、第２ＴＦＴ（Ｔ２）などが設けられる。反射電極ＲＥには、透明電極ＴＥを露出させるための透過窓Ｗ１と、コンデンサＣ内の焦電気薄膜ＰＥ１を露出させるための開口窓Ｗ２とが設けられる。開口窓Ｗ２は、液晶パネルの外部でユーザにより故意的に提供される赤外線が焦電気薄膜ＰＥ１に印加されることを容易にするために設けられる。また、特許文献３には、光センサ付き液晶表示装置に、光センサに受光されうる非可視光を出射する非可視光源を含むバックライトを設けることが記載されている。
日本国特開２００７−１０２１５４号公報 日本国特開２００４−２６４８４６号公報 日本国特開２００８−３２９６号公報

しかしながら、従来の光センサ付き表示装置には、光センサの出力データに表示データがノイズとして混入し、タッチ位置の検出精度が低下するという問題がある。例えば光センサ付き液晶表示装置では、液晶パネルに設けた光センサには液晶パネルを透過した光が入射する（後述する図５を参照）。このため、光センサで検知される光量は液晶パネルの光透過率によって変化し、光センサの出力データは表示データの影響を受ける。

また、画素回路への書き込みと光センサからの読み出しとで同じデータ信号線を使用する液晶パネルでは、書き込み時にデータ信号線に与えた電荷が読み出しデータに影響を与えるため、光センサの出力データは表示データの影響を受ける。このような理由により、光センサの出力データには表示データがノイズとして混入する。特に、表示階調が暗いとき（例えば、黒表示のとき）には、光センサで検知される光量が少なくなるので、表示データの混入によってタッチ位置の検出精度は著しく低下する。

また、特許文献３に記載された光センサ付き液晶表示装置には、光センサで得られた画像に可視光と非可視光の両方が影響を与える場合があり、タッチ位置の検出精度がそれほど高くないという問題がある。

それ故に、本発明は、外光やバックライトに含まれる可視光の影響を受けることなく、表示画像にかかわらず高い精度でタッチ位置を検出できる表示装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の局面は、複数の光センサを備えた表示装置であって、
２次元状に配置された複数の画素回路および複数の光センサを含む表示パネルと、
前記光センサへの光入射経路上に設けられ、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタ部と、
前記表示パネルの背面側に設けられ、少なくとも前記フィルタ部を透過する光を出射するバックライトとを備え、
前記画素回路と前記光センサは多結晶シリコンで形成されており、
前記バックライトは、シリコンの基礎吸収端波長よりも短い波長の赤外光を出射し、
前記バックライトは、可視光を出射する第１の発光体と、赤外光を出射する第２の発光体と、導光板と、前記導光板の一方の面に設けられ、赤外光を透過し可視光を反射する反射シートとを含み、
前記第１の発光体は、前記導光板の側面に沿って配置され、
前記第２の発光体は、前記導光板の前記反射シートを設けた面側に配置されており、
前記表示パネルは、可視光を透過し、前記バックライトから出射される赤外光よりも長い波長の光を遮断するフィルタをさらに含むことを特徴とする。

本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
前記バックライトは、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ことを特徴とする。

本発明の第３の局面は、本発明の第２の局面において、
前記バックライトは、８５０ｎｍ以上かつ９６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を持つ赤外光を出射することを特徴とする。

本発明の第４の局面は、本発明の第１の局面において、
前記フィルタ部は、前記バックライトから出射される赤外光に合った通過帯域を有し、
前記画素回路に垂直な方向から見たときに、前記光センサは前記フィルタ部と重なる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明の第５の局面は、本発明の第４の局面において、
前記フィルタ部は、前記バックライトから出射される赤外光に合った上限値と下限値を持つ通過帯域を有することを特徴とする。

本発明の第１の局面によれば、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタ部が光センサへの光入射経路上に設けられているので、光センサで得られた画像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、バックライトから出射された赤外光の反射光を光センサで検知することができる。したがって、表示パネルの表面付近にある物体の赤外反射光を検知し、外光や他の光源（バックライト）に多く含まれる可視光の影響を受けていない画像に基づき高い精度でタッチ位置を検出することができる。また、可視光よりも赤外光を透過しやすい表示パネルでは、表示パネル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、表示データが変化しても赤外光の透過率は変化しないので、表示データにかかわらずタッチ位置を検出することができる。さらに、受光感度が高くなった分だけバックライトの輝度を低くして、バックライトの消費電力を削減することができる。

特に、画素回路と光センサを赤外光の受光感度を有する多結晶シリコンで形成した場合に、バックライトから出射された赤外光を光センサで検知し、その結果に基づきタッチ位置を検出することができる。また、可視光を出射するバックライトに第２の発光体を追加することにより、従来の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を構成することができる。また、可視光を透過し、バックライトから出射される赤外光よりも長い波長の光を遮断するフィルタを設けることにより、表示に必要な可視光と所望する赤外光以外の光を除去して、高い精度でタッチ位置を検出することができる。特に、画素回路に垂直な方向から見たときに、バックライトから出射される赤外光に合った通過帯域を有するフィルタ部と重なる位置に光センサを配置した場合には、光センサへの光入射経路上に、バックライトから出射される赤外光に合った上限値と下限値を持つ帯域通過フィルタを容易に構成することができる。

本発明の第２または第３の局面によれば、大気の吸収スペクトル（より好ましくは、８５０ｎｍ以上かつ９６０ｎｍ以下の範囲）にピーク波長を持つ赤外光を出射するバックライトを用いて、表示データにかかわらず高い精度でタッチ位置を検出できる表示装置を構成することができる。また、バックライトから出射される光の波長域を通過帯域とするフィルタを光センサへの光入射経路上に設ければ、光センサで得られた画像が太陽光から受ける影響を小さくして、より高い精度でタッチ位置を検出することができる。

本発明の第４の局面によれば、画素回路に垂直な方向から見たときに、バックライトから出射される赤外光に合った通過帯域を有するフィルタ部と重なる位置に光センサを配置することにより、光センサで得られた画像が可視光の影響を受けることを防止し、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

本発明の第５の局面によれば、画素回路に垂直な方向から見たときに、バックライトから出射される赤外光に合った上限値と下限値を持つ帯域通過フィルタと重なる位置に光センサを配置することにより、光センサで得られた画像が可視光の影響を受けることを防止し、所望する赤外光以外の光を低減して、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す装置の液晶パネルの詳細な構成を示すブロック図である。 図１に示す装置のタイミングチャートである。 図１に示す装置の液晶パネルの断面とバックライトの配置位置を示す図である。 図１に示す装置における反射像を検知する方法の原理を示す図である。 図１に示す装置で得られたスキャン画像の例を示す図である。 図１に示す装置で得られたスキャン画像の他の例を示す図である。 一般的な太陽光のスペクトルを示す図である。 図１に示す装置のバックライトの第１の構成例を示す図である。 図１に示す装置のバックライトの第２の構成例を示す図である。 図１に示す装置のバックライトの第３の構成例を示す図である。 図１に示す装置のバックライトの第４の構成例を示す図である。 図１に示す装置のバックライトの第５の構成例を示す図である。 図１２に示すバックライトの断面図である。 図１に示す装置の液晶パネルの透過分光特性を示す図である。 図１に示す装置のセンサ感度特性とパネル受光感度特性を示す図である。 参考例に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す装置の液晶パネル（第１の例）の断面を示す図である。 図１７に示す赤外光透過フィルタの透過特性の例を示す図である。 図１７に示す赤外光透過フィルタの透過特性の他の例を示す図である。 図１に示す装置の液晶パネル（第２の例）の断面を示す図である。 図１９に示す表面フィルタの透過特性の例を示す図である。 図１９に示す表面フィルタの透過特性の他の例を示す図である。 赤外線検知部を有する従来の液晶パネルの断面図である。

符号の説明

１…画素回路
２…光センサ
３…赤外光透過フィルタ
４…白色ＬＥＤ
５…赤外ＬＥＤ
６…樹脂パッケージ
７…表面フィルタ
１０、１８…液晶表示装置
１１、８１、８２…センサ内蔵液晶パネル
１２…表示データ処理部
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…センサデータ処理部
１５、１９…バックライト
１６…パネル駆動回路
１７…画素アレイ
２４…フォトダイオード
４１…ガラス基板
４２…液晶層
４３…遮光膜
４４…カラーフィルタ
５１…バックライト光
５２…外光
５３…対象物
６４、６８、７４…導光板
６５、７０、７２…反射シート

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示す液晶表示装置１０は、センサ内蔵液晶パネル１１、表示データ処理部１２、Ａ／Ｄ変換器１３、センサデータ処理部１４、および、バックライト１５を備えている。センサ内蔵液晶パネル１１（以下、液晶パネル１１という）はパネル駆動回路１６と画素アレイ１７を含み、画素アレイ１７は２次元状に配置された複数の画素回路１と複数の光センサ２を含んでいる。光センサ２への光入射経路上には、赤外光を透過し可視光を遮断する赤外光透過フィルタ３が設けられる。

液晶表示装置１０には、外部から表示データＤ１が入力される。表示データ処理部１２は、表示データＤ１に対して必要に応じて色補正処理やフレームレート変換処理などを行い、表示データＤ２を出力する。パネル駆動回路１６は、液晶パネル１１の画素回路１に表示データＤ２に応じた電圧を書き込む。これにより、液晶パネル１１には表示データＤ２に基づく画像が表示される。

バックライト１５は、バックライト電源回路（図示せず）から供給された電源電圧に基づき、液晶パネル１１の背面に光（バックライト光）を照射する。バックライト１５は、白色光（可視光）を出射する白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）４と、赤外光を出射する赤外ＬＥＤ５を含んでいる。なお、白色ＬＥＤ４に代えて可視光を出射する任意の発光体を使用してもよく、赤外ＬＥＤ５に代えて赤外光を出射する任意の発光体を使用してもよい。例えば白色ＬＥＤ４に代えて、赤色、緑色および青色ＬＥＤを組合せて使用してもよく、冷陰極管（ＣＣＦＬ：Cold Cathode Fluorescent Lamp ）を使用してもよい。

パネル駆動回路１６は、画素回路１に電圧を書き込む動作に加えて、光センサ２から受光量に応じた電圧を読み出す動作を行う。光センサ２の出力信号は、センサ出力信号ＳＳとして液晶パネル１１の外部に出力される。Ａ／Ｄ変換器１３は、アナログのセンサ出力信号ＳＳをデジタル信号に変換する。センサデータ処理部１４は、Ａ／Ｄ変換器１３から出力されたデジタル信号に基づき、デジタル画像（以下、スキャン画像という）を生成する。このスキャン画像には、液晶パネル１１の表面付近にある検知すべき物体（例えば、指やペンなど。以下、対象物という）の像が含まれていることがある。センサデータ処理部１４は、スキャン画像に対して対象物を検知するための画像認識処理を行い、スキャン画像内での対象物の位置を求め、タッチ位置を示す座標データＣｏを出力する。

図２は、液晶パネル１１の詳細な構成を示すブロック図である。図２に示すように、画素アレイ１７は、ｍ本の走査信号線Ｇ１〜Ｇｍ、３ｎ本のデータ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎ、および、（ｍ×３ｎ）個の画素回路１を備えている。これに加えて画素アレイ１７は、（ｍ×ｎ）個の光センサ２、ｍ本のセンサ読み出し線ＲＷ１〜ＲＷｍ、および、ｍ本のセンサリセット線ＲＳ１〜ＲＳｍを備えている。液晶パネル１１は、多結晶シリコンを用いて形成される。

走査信号線Ｇ１〜Ｇｍは、互いに平行に配置される。データ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎは、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと直交するように互いに平行に配置される。センサ読み出し線ＲＷ１〜ＲＷｍとセンサリセット線ＲＳ１〜ＲＳｍは、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍと平行に配置される。

画素回路１は、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍとデータ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎの交点近傍に１個ずつ設けられる。画素回路１は、列方向（図２では縦方向）にｍ個ずつ、行方向（図２では横方向）に３ｎ個ずつ、全体として２次元状に配置される。画素回路１は、何色のカラーフィルタを設けるかによって、Ｒ画素回路１ｒ、Ｇ画素回路１ｇおよびＢ画素回路１ｂに分類される。これら３種類の画素回路は、Ｒ、Ｇ、Ｂの順に行方向に並べて配置され、３個で１個の画素を形成する。

画素回路１は、ＴＦＴ（Thin Film Transistor）２１と液晶容量２２を含んでいる。ＴＦＴ２１のゲート端子は走査信号線Ｇｉ（ｉは１以上ｍ以下の整数）に接続され、ソース端子はデータ信号線ＳＲｊ、ＳＧｊ、ＳＢｊ（ｊは１以上ｎ以下の整数）のいずれかに接続され、ドレイン端子は液晶容量２２の一方の電極に接続される。液晶容量２２の他方の電極には、共通電極電圧が印加される。以下、Ｇ画素回路１ｇに接続されたデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎをＧデータ信号線、Ｂ画素回路１ｂに接続されたデータ信号線ＳＢ１〜ＳＢｎをＢデータ信号線という。なお、画素回路１は補助容量を含んでいてもよい。

画素回路１の光透過率（サブ画素の輝度）は、画素回路１に書き込まれた電圧によって定まる。走査信号線Ｇｉとデータ信号線ＳＸｊ（ＸはＲ、Ｇ、Ｂのいずれか）に接続された画素回路１にある電圧を書き込むためには、走査信号線Ｇｉにハイレベル電圧（ＴＦＴ２１をオン状態にする電圧）を印加し、データ信号線ＳＸｊに書き込むべき電圧を印加すればよい。表示データＤ２に応じた電圧を画素回路１に書き込むことにより、サブ画素の輝度を所望のレベルに設定することができる。

光センサ２は、コンデンサ２３、フォトダイオード２４およびセンサプリアンプ２５を含み、画素ごとに設けられる。コンデンサ２３の一方の電極は、フォトダイオード２４のカソード端子に接続される（以下、この接続点を節点Ｐという）。コンデンサ２３の他方の電極はセンサ読み出し線ＲＷｉに接続され、フォトダイオード２４のアノード端子はセンサリセット線ＲＳｉに接続される。センサプリアンプ２５は、ゲート端子が節点Ｐに接続され、ドレイン端子がＢデータ信号線ＳＢｊに接続され、ソース端子がＧデータ信号線ＳＧｊに接続されたＴＦＴで構成される。

センサ読み出し線ＲＷｉやＢデータ信号線ＳＢｊなどに接続された光センサ２で光量を検知するためには、センサ読み出し線ＲＷｉとセンサリセット線ＲＳｉに所定の電圧を印加し、Ｂデータ信号線ＳＢｊに電源電圧ＶＤＤを印加すればよい。センサ読み出し線ＲＷｉとセンサリセット線ＲＳｉに所定の電圧を印加した後、フォトダイオード２４に光が入射すると、入射光量に応じた電流がフォトダイオード２４に流れ、節点Ｐの電圧は流れた電流の分だけ低下する。そのタイミングでセンサ読み出し線ＲＷｉに高い電圧を印加することで節点Ｐの電圧を持ち上げ、センサプリアンプ２５のゲート電圧を閾値以上にした上でＢデータ信号線ＳＢｊに電源電圧ＶＤＤを印加すると、節点Ｐの電圧はセンサプリアンプ２５で増幅され、Ｇデータ信号線ＳＧｊには増幅後の電圧が出力される。したがって、Ｇデータ信号線ＳＧｊの電圧に基づき、光センサ２で検知された光量を求めることができる。

画素アレイ１７の周辺には、走査信号線駆動回路３１、データ信号線駆動回路３２、センサ行駆動回路３３、ｐ個（ｐは１以上ｎ以下の整数）のセンサ出力アンプ３４、および、複数のスイッチ３５〜３８が設けられる。走査信号線駆動回路３１、データ信号線駆動回路３２およびセンサ行駆動回路３３は、図１ではパネル駆動回路１６に相当する。

データ信号線駆動回路３２は、３ｎ本のデータ信号線に対応して３ｎ個の出力端子を有する。Ｇデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎとこれに対応したｎ個の出力端子との間にはスイッチ３５が１個ずつ設けられ、Ｂデータ信号線ＳＢ１〜ＳＢｎとこれに対応したｎ個の出力端子との間にはスイッチ３６が１個ずつ設けられる。Ｇデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎはｐ本ずつのグループに分けられ、グループ内でｋ番目（ｋは１以上ｐ以下の整数）のＧデータ信号線とｋ番目のセンサ出力アンプ３４の入力端子との間にはスイッチ３７が１個ずつ設けられる。Ｂデータ信号線ＳＢ１〜ＳＢｎと電源電圧ＶＤＤとの間にはスイッチ３８が１個ずつ設けられる。図２に含まれるスイッチ３５〜３８の個数はいずれもｎ個である。

液晶表示装置１０では、１フレーム時間は、画素回路に信号（表示データに応じた電圧信号）を書き込む表示期間と、光センサから信号（受光量に応じた電圧信号）を読み出すセンシング期間とに分割され、図２に示す回路は表示期間とセンシング期間で異なる動作を行う。表示期間では、スイッチ３５、３６はオン状態、スイッチ３７、３８はオフ状態となる。これに対してセンシング期間では、スイッチ３５、３６はオフ状態、スイッチ３８はオン状態となり、スイッチ３７はＧデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎがグループごとに順にセンサ出力アンプ３４の入力端子に接続されるように時分割でオン状態となる。

表示期間では、走査信号線駆動回路３１とデータ信号線駆動回路３２が動作する。走査信号線駆動回路３１は、タイミング制御信号Ｃ１に従い、走査信号線Ｇ１〜Ｇｍの中から１ライン時間ごとに１本の走査信号線を選択し、選択した走査信号線にはハイレベル電圧を印加し、残りの走査信号線にはローレベル電圧を印加する。データ信号線駆動回路３２は、表示データ処理部１２から出力された表示データＤＲ、ＤＧ、ＤＢに基づき、データ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎを線順次方式で駆動する。より詳細には、データ信号線駆動回路３２は、表示データＤＲ、ＤＧ、ＤＢを少なくとも１行分ずつ記憶し、１ライン時間ごとに１行分の表示データに応じた電圧をデータ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎに印加する。なお、データ信号線駆動回路３２は、データ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎを点順次方式で駆動してもよい。

センシング期間では、センサ行駆動回路３３とセンサ出力アンプ３４が動作する。センサ行駆動回路３３は、タイミング制御信号Ｃ２に従い、センサ読み出し線ＲＷ１〜ＲＷｍとセンサリセット線ＲＳ１〜ＲＳｍの中から１ライン時間ごとに信号線を１本ずつ選択し、選択したセンサ読み出し線とセンサリセット線には所定の読み出し用電圧とリセット用電圧を印加し、それ以外の信号線には選択時と異なる電圧を印加する。なお、典型的には、１ライン時間の長さは表示期間とセンシング期間で異なる。センサ出力アンプ３４は、スイッチ３７によって選択された電圧を増幅し、センサ出力信号ＳＳ１〜ＳＳｐとして出力する。

図３は、液晶表示装置１０のタイミングチャートである。図３に示すように、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り、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を示す信号であり、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、スイッチ３５、３６がオン状態になり、データ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎはいずれもデータ信号線駆動回路３２に接続される。表示期間では、まず走査信号線Ｇ１の電圧がハイレベルになり、次に走査信号線Ｇ２の電圧がハイレベルになり、それ以降は走査信号線Ｇ３〜Ｇｍの電圧が順にハイレベルになる。走査信号線Ｇｉの電圧がハイレベルである間、データ信号線ＳＲ１〜ＳＲｎ、ＳＧ１〜ＳＧｎ、ＳＢ１〜ＳＢｎには、走査信号線Ｇｉに接続された３ｎ個の画素回路１に書き込むべき電圧が印加される。

センシング期間では、スイッチ３８がオン状態になり、スイッチ３７は時分割でオン状態になる。このため、Ｂデータ信号線ＳＢ１〜ＳＢｎには電源電圧ＶＤＤが固定的に印加され、Ｇデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎは時分割でセンサ出力アンプ３４の入力端子に接続される。センシング期間では、まずセンサ読み出し線ＲＷ１とセンサリセット線ＲＳ１が選択され、次にセンサ読み出し線ＲＷ２とセンサリセット線ＲＳ２が選択され、それ以降はセンサ読み出し線ＲＷ３〜ＲＷｍとセンサリセット線ＲＳ３〜ＲＳｍが１組ずつ順に選択される。選択されたセンサ読み出し線とセンサリセット線には、それぞれ、読み出し用電圧とリセット用電圧が印加される。センサ読み出し線ＲＷｉとセンサリセット線ＲＳｉが選択されている間、Ｇデータ信号線ＳＧ１〜ＳＧｎには、センサ読み出し線ＲＷｉに接続されたｎ個の光センサ２で検知された光量に応じた電圧が出力される。

図４は、液晶パネル１１の断面とバックライト１５の配置位置を示す図である。液晶パネル１１は、２枚のガラス基板４１ａ、４１ｂの間に液晶層４２を挟み込んだ構造を有する。一方のガラス基板４１ａには遮光膜４３、３色のカラーフィルタ４４ｒ、４４ｇ、４４ｂ、対向電極４５などが設けられ、他方のガラス基板４１ｂには画素電極４６、データ信号線４７、光センサ２などが設けられる。ガラス基板４１ａ、４１ｂの対向する面には配向膜４８が設けられ、他方の面には偏光板４９が設けられる。液晶パネル１１の２枚の面のうちガラス基板４１ａ側の面が表面になり、ガラス基板４１ｂ側の面が背面になる。バックライト１５は、液晶パネル１１の背面側に設けられる。図４に示す例では、光センサ２に含まれるフォトダイオード２４は、青色カラーフィルタ４４ｂを設けた画素電極４６の近傍に設けられている。また、赤外光透過フィルタ３は、青色カラーフィルタ４４ｂの内側に設けられている。

また、赤外光透過フィルタ３は、赤外光を透過し可視光を遮断することを目的として設けられるものであれば、必ずしも可視光を完全に遮断する必要はなく、可視光を例えば数十％程度透過してもよい。また、赤外光透過フィルタ３は、赤外光だけでなく、可視光外の長波長側の波長を有する光を透過してもよい。あるいは、赤外光透過フィルタ３を遮光膜で構成してもよい。また、赤外光透過フィルタ３は、カラーフィルタ４４ｒ、４４ｇ、４４ｂで使用した材料を重ね合わせた構成を有していてもよい。重ね合わせの組み合わせとしては、赤色カラーフィルタ４４ｒと緑色カラーフィルタ４４ｇの組み合わせ、赤色カラーフィルタ４４ｒと青色カラーフィルタ４４ｂの組み合わせ、緑色カラーフィルタ４４ｇと青色カラーフィルタ４４ｂの組み合わせ、および、赤色カラーフィルタ４４ｒと緑色カラーフィルタ４４ｇと青色カラーフィルタ４４ｂの組み合わせがある。また、重ね合わせる場合には、カラーフィルタの厚みを他の画素と変えてもよい。

液晶表示装置１０は、表示画面内のタッチ位置を検知するときに、反射像を検知する方法を使用する。図５は、反射像を検知する方法の原理を示す図である。この方法では、フォトダイオード２４を含む光センサ２は、バックライト光５１の反射光を検知する。より詳細には、バックライト１５から出射されたバックライト光５１は、液晶パネル１１を透過して液晶パネル１１の表面から外部に出る。このときに指などの対象物５３が液晶パネル１１の表面付近にあると、バックライト光５１は対象物５３で反射する。例えば、人間の指の腹は、赤外光を含めて光をよく反射する。バックライト光５１の反射光は、ガラス基板４１ａや液晶層４２などを透過して光センサ２に入射する。したがって、光センサ２を用いて、バックライト光５１による対象物５３の反射像を検知することができる。

フォトダイオード２４を含む光センサ２は、バックライト光５１の反射光に加えて外光５２を検知する。より詳細には、液晶パネル１１に入射した外光５２は、ガラス基板４１ａや液晶層４２などを透過してフォトダイオード２４に入射する。このときに対象物５３が液晶パネル１１の表面付近にあると、フォトダイオード２４に入射すべき外光５２が対象物５３によって遮られる。したがって、外光５２が明るいときには、バックライト光５１による対象物５３の反射像と、外光５２による対象物５３の影像とが同時に得られる。

図６Ａおよび図６Ｂは、指の像を含むスキャン画像の例を示す図である。図６Ａに示すスキャン画像は、外光５２が暗いときに得られる画像であり、指の腹の反射像を含んでいる。図６Ｂに示すスキャン画像は、外光５２が明るいときに得られる画像であり、指の影像と指の腹の反射像を含んでいる。センサデータ処理部１４は、このようなスキャン画像に対して画像認識処理を行い、タッチ位置を示す座標データＣｏを出力する。

以下、赤外ＬＥＤ５を含むバックライト１５の詳細を説明する。上述したように、光センサ２への光入射経路上には赤外光透過フィルタ３が設けられている。そこで、赤外ＬＥＤ５には、赤外光透過フィルタ３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ＬＥＤ５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２を多結晶シリコンで形成した場合に、赤外ＬＥＤ５から出射された赤外光を光センサ２で検知することができる。

また、赤外ＬＥＤ５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、８５０ｎｍ以上かつ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７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８５０ｎｍ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、８５０ｎｍ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ＬＥＤ５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２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８〜図１２は、それぞれ、バックライト１５の第１〜第５の構成例を示す図である。このうち、第１および第２の構成例は本発明の実施形態であり、第３〜第５の構成例は本発明の理解を助けるための参考例である。図８〜図１２に示すバックライト１５ａ〜１５ｅ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８および図９に示すバックライト１５ａ、１５ｂでは、白色ＬＥＤ４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１５ａには、赤外光源として、赤外ＬＥＤ５を２次元状に配置した回路基板６７が設けられている。バックライト１５ｂには、導光板６８、赤外ＬＥＤ５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を含む赤外光源が設けられている。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）を使用し、反射シート７０には赤外光を反射するものを使用する。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、従来の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１５を構成することができる。

図１０に示すバックライト１５ｃでは、白色ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５を１次元状に混在して配置し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。２種類のＬＥＤは、フレキシブルプリント基板７１上に、例えば交互に配置される。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。このように導光板６４の側面に沿って白色ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５混在して配置することにより、従来のバックライトと同じ構造を有し、可視光と赤外光の両方を出射するバックライト１５を構成することができる。

図１１に示すバックライト１５ｄでは、白色ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５を同一の樹脂パッケージ６内に一緒に封入したものを１次元状に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ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５を１つの樹脂パッケージ６内に封入することにより、狭いスペースに多灯数ＬＥＤ発光体を配置することができる。なお、１つの樹脂パッケージ６内に白色ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５を１個ずつ封入してもよく、複数個ずつ封入してもよい。あるいは、同一の基板上に、白色ＬＥＤ４を内蔵したチップと赤外ＬＥＤ５を内蔵したチップを複数個ずつ配置してもよい。

図１２に示すバックライト１５ｅでは、白色ＬＥＤ４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ＬＥＤ５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の対向する側面に設けられている。図１３は、バックライト１５ｅ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２つの側面に沿って白色ＬＥＤ４と赤外ＬＥＤ５を別々に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を共有して、可視光と赤外光の両方を出射するバックライト１５を構成することができる。

以下、本実施形態に係る液晶表示装置１０の効果を説明する。図１４は、液晶パネル１１の透過分光特性を示す図である。図１４には、白表示のときと黒表示のときについて、２枚の偏光板４９の間のパネル開口率を含む光透過率（一方の偏光板に入射した光が他方の偏光板から出射するときの透過率）が記載されている。図１４に示すように、赤外光のパネル透過率は最大で約４０％であり、白表示のときの可視光のパネル透過率は平均で約５％である。また、赤外光のパネル透過率が最大になるのは、波長が９１２ｎｍのときである。

光センサ２がバックライト光の反射光（指などで反射した光）を検知するときには、バックライト光は、液晶パネル１１を透過し指で反射した後に光センサ２に入射する。したがって、波長９１２ｎｍの赤外光をバックライト光としたときの反射光の強度は、可視光をバックライト光としたときの約３２倍（＝｛バックライトから指までの透過率｝×｛指から光センサまでの透過率｝＝｛０．４÷０．０５｝×｛０．４÷０．０５×０．５｝）になる。このように好適な波長の赤外光をバックライト光としたときの反射光の強度は、可視光をバックライト光としたときよりもかなり大きくなる。

図１５は、光センサ２の感度特性と液晶パネル１１の受光感度特性を示す図である。図１５には、波長が３００ｎｍのときの感度を１００％としたセンサ感度が記載されている。光のエネルギーは周波数に比例（波長に反比例）するので、図１５に示すように、センサ感度は波長に反比例する。ただし、波長が１０５０ｎｍ以上になると、多結晶シリコンの吸収率が高くなり、センサ感度は急激に低下する。

図１４に示す透過分光特性と図１５に示すセンサ感度に基づき液晶パネル１１の受光感度特性を求めると、図１５に破線で示すようになる。なお、この結果は、図１４に示す透過率と図１５に実線で示す相対感度を各波長について乗算し、波長が９１２ｎｍのとき（このときにパネル受光感度は最大になる）の感度を１００％として表したものである。図１５によれば、可視光に対するパネル受光感度の平均は、波長９１２ｎｍの光に対するパネル受光感度の約３．７２％である。したがって、波長９１２ｎｍの赤外光をバックライト光としたときのパネル受光感度は、可視光をバックライト光としたときの約２０倍になる。このように液晶パネル１１は、赤外光の透過率が可視光の透過率よりもはるかに高く、赤外光をバックライト光としたときのパネル受光感度は可視光をバックライト光としたときの受光感度よりも高いという性質を有する。

本実施形態に係る液晶表示装置１０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３が光センサ２への光入射経路上に設けられているので、スキャン画像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１５から出射された赤外光の反射光を光センサ２で検知することができる。したがって、対象物の赤外反射光を検知し、外光や他の光源（バックライト）に多く含まれる可視光の影響を受けていない画像に基づき高い精度でタッチ位置を検出することができる。

また、赤外ＬＥＤ５を含むバックライト１５を設けて、赤外光を含むバックライト光を生成することにより、液晶パネル１１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、表示データＤ２が変化しても、赤外光の透過率は変化しない。したがって、表示データにかかわらずタッチ位置を検出することができる。さらに、受光感度が高くなった分だけバックライト１５の輝度を低くすれば、バックライト１５の消費電力を削減することができる。

（参考例）
図１６は、参考例に係る液晶表示装置の構成を示すブロック図である。図１６に示す液晶表示装置１８は、第１の実施形態に係る液晶表示装置１０において、バックライト１５をバックライト１９に置換したものである。バックライト１９は、赤外ＬＥＤ５を含むが、可視光を出射する発光体を含んでいない。すなわち、バックライト１９は、光源として、赤外光を出射する赤外ＬＥＤ５のみを含んでいる。以上の点を除き、参考例に係る液晶表示装置１８の構成は、第１の実施形態に係る液晶表示装置１０と同じである。

このように赤外光のみを出射するバックライト１９を設けることにより、表示データにかかわらず高い精度でタッチ位置を検出できる反射型の液晶表示装置を構成することができる。

（第１の実施形態のさらなる特徴）
本発明の第１の実施形態に係る液晶表示装置のさらなる特徴について説明する。以下では、赤外光透過フィルタ３の特性、および、赤外光透過フィルタ３以外のフィルタを備えた液晶表示装置について説明する。以下、図１に示す液晶表示装置に含まれるセンサ内蔵液晶パネル（以下、液晶パネルという）の例を説明する。なお、第２の例において図２０Ａに例示される透過特性を有するものは本発明の実施形態であり、第１の例および第２の例において図２０Ｂに例示される透過特性を有するものは本発明の理解を助けるための参考例である。

図１７は、液晶パネルの第１の例の断面を示す図である。図１７に示す液晶パネル８１では、光センサ２に含まれるフォトダイオード２４の上部に赤外光透過フィルタ３が設けられている。赤外光透過フィルタ３は、バックライト１５から出射される赤外光に合った通過帯域を有する。図１８Ａは、赤外光透過フィルタ３の透過特性の例を示す図である。図１８Ａに示す特性を有する赤外光透過フィルタ３は、８５０ｎｍ以上の波長域の赤外光を出射する赤外ＬＥＤ５と共に使用される。このように画素回路１に垂直な方向から見たときに、赤外光透過フィルタ３と重なる位置に光センサ２を配置することにより、光センサ２で得られた画像が可視光の影響を受けることを防止し、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

図１８Ｂは、赤外光透過フィルタ３の透過特性の他の例を示す図である。図１８Ｂに示す特性を有する赤外光透過フィルタ３は、バックライト１５から出射される赤外光に合った上限値と下限値を持つ通過帯域を有し、通過帯域以外の光を遮断する。図１８Ｂに示す特性を有する赤外光透過フィルタ３は、８５０ｎｍから９６０ｎｍまでの波長域の赤外光を出射する赤外ＬＥＤ５と共に使用される。このように画素回路１に垂直な方向から見たときに、赤外光透過フィルタ３と重なる位置に光センサ２を配置することにより、光センサ２で得られた画像が可視光の影響を受けることを防止し、所望する赤外光以外の光を低減して、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

図１９は、液晶パネルの第２の例の断面を示す図である。図１９に示す液晶パネル８２は、図１７に示す液晶パネル８１に表面フィルタ７を追加したものである。図２０Ａおよび図２０Ｂは、表面フィルタ７の透過特性の例を示す図である。図２０Ａに示す透過特性を有する表面フィルタ７は、可視光領域からバックライト１５から出射される赤外光の長波長域までを通過帯域とするフィルタである。図２０Ｂに示す透過特性を有する表面フィルタ７は、可視光領域と、可視光領域からバックライト１５から出射される赤外光の長波長域までとを通過帯域とするフィルタである。

図２０Ａおよび図２０Ｂに示す特性を有する表面フィルタ７は、８５０ｎｍから９６０ｎｍまでの波長域の赤外光を出射する赤外ＬＥＤ５と共に使用される。この場合、図２０Ａに示す透過特性を有する表面フィルタ７は、可視光を透過し、バックライト１５から出射される赤外光よりも長い波長の光を遮断する。図２０Ｂに示す透過特性を有する表面フィルタ７は、可視光領域の一部とバックライトから出射される赤外光の波長域とを通過帯域とする。このような表面フィルタ７を設けることにより、表示に必要な可視光と光センサ２の動作に必要な赤外光以外の光を除去して、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

なお、図２０Ａおよび図２０Ｂでは、表面フィルタ７は液晶パネル８２の表面に設けられているが、光センサ２への光入射経路の任意の位置に同様の特性を有するフィルタを設けてもよい。また、図２０Ｂに示す特性では、可視光領域の一部が通過帯域となっているが、可視光領域の全部が通過帯域となっていてもよい。このようなフィルタを設けることにより、表示に必要な可視光と所望する赤外光以外の光を除去して、高い精度でタッチ位置を検出することができる。

以上に示すように、本発明の実施形態に係る液晶表示装置によれば、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタ部と、少なくともフィルタ部を透過する光を出射するバックライトとを設けることにより、外光やバックライト光に含まれる可視光の影響を受けることなく、赤外光を含むバックライト光の反射光を光センサで検知し、表示データにかかわらず高い精度でタッチ位置を検出することができる。なお、上述した方法で液晶表示装置以外の表示装置を構成することもできる。

本発明の光センサ付き表示装置は、外光やバックライトに含まれる可視光の影響を受けることなく、表示画像にかかわらず高い精度でタッチ位置を検出できるという特徴を有するので、液晶表示装置など各種の表示装置に利用することができる。

Claims (5)

1. 複数の光センサを備えた表示装置であって、
   ２次元状に配置された複数の画素回路および複数の光センサを含む表示パネルと、
   前記光センサへの光入射経路上に設けられ、赤外光を透過し可視光を遮断するフィルタ部と、
   前記表示パネルの背面側に設けられ、少なくとも前記フィルタ部を透過する光を出射するバックライトとを備え、
   前記画素回路と前記光センサは多結晶シリコンで形成されており、
   前記バックライトは、シリコンの基礎吸収端波長よりも短い波長の赤外光を出射し、
   前記バックライトは、可視光を出射する第１の発光体と、赤外光を出射する第２の発光体と、導光板と、前記導光板の一方の面に設けられ、赤外光を透過し可視光を反射する反射シートとを含み、
   前記第１の発光体は、前記導光板の側面に沿って配置され、
   前記第２の発光体は、前記導光板の前記反射シートを設けた面側に配置されており、
   前記表示パネルは、可視光を透過し、前記バックライトから出射される赤外光よりも長い波長の光を遮断するフィルタをさらに含むことを特徴とする、表示装置。
2. 前記バックライトは、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ことを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
3. 前記バックライトは、８５０ｎｍ以上かつ９６０ｎｍ以下の範囲にピーク波長を持つ赤外光を出射することを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
4. 前記フィルタ部は、前記バックライトから出射される赤外光に合った通過帯域を有し、
   前記画素回路に垂直な方向から見たときに、前記光センサは前記フィルタ部と重なる位置に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
5. 前記フィルタ部は、前記バックライトから出射される赤外光に合った上限値と下限値を持つ通過帯域を有することを特徴とする、請求項４に記載の表示装置。
   

Images