JP5481127B2 - センサ素子およびその駆動方法、センサ装置、ならびに入力機能付き表示装置および電子機器 - Google Patents

センサ素子およびその駆動方法、センサ装置、ならびに入力機能付き表示装置および電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、近接する物体の位置などの検出に用いられるセンサ素子、そのようなセンサ素子に適用されるセンサ素子の駆動方法、そのようなセンサ素子を備えたセンサ装置、ならびに、センサ機能(入力機能)と表示機能とを有する入力機能付き表示装置、および、そのような表示装置を備えた電子機器に関する。
従来より、表示装置の表示面に接触あるいは近接する物体の位置などを検出する技術が知られている。その中でも代表的で一般に広く普及している技術として、タッチパネルを備えた表示装置が挙げられる。
このタッチパネルも種々のタイプのものが存在するが、一般に普及しているものとして、静電容量を検知するタイプのものが挙げられる。このタイプのものは、指でタッチパネルに接触することでパネルの表面電荷の変化を捕らえ、物体の位置などを検出するようになっている。したがってこのようなタッチパネルを用いることで、ユーザは直感的に操作することが可能である。
また、本出願人は例えば特許文献1および特許文献2において、画像を表示する表示機能と、物体を撮像(検出)する撮像機能(検出、センサ機能)とを有する表示部(表示撮像パネル)を備えた表示装置を提案している。
特開2004−127272号公報 特開2006−276223号公報
上記特許文献1に記載されている表示装置を利用すれば、例えば表示撮像パネル上に指などの物体を近接等させた場合、物体で反射された表示撮像パネルからの照射光による反射光を利用することで、撮像した画像に基づいて物体の位置などを検出することも可能である。したがって、この表示装置を利用することで、表示撮像パネル上にタッチパネルなどの部品を別途設けることなく、簡易な構成で物体の位置などを検出することが可能となる。
しかしながら、上記のように物体で反射された反射光を利用する場合、外光(環境光)や、受光素子の特性ばらつきなどが問題となることがあった。具体的には、受光する光の輝度が外光の明るさに応じて変化することから、撮像した画像に基づいて物体の位置などを検出するのが困難となってしまうことがあった。また、受光素子の特性ばらつきなどが固定ノイズとなり、やはり撮像した画像に基づいて物体の位置などを検出するのが困難となってしまうことがあった。
そこで、上記特許文献2では、発光状態で得られた画像(照射光による反射光を利用して得られた画像)と、消灯状態で得られた画像との差分を取ることにより、上記した外光や固定ノイズによる影響が除去されるようにしている。
具体的には、例えば図32(A)に示したように、入射する外光(環境光)L0が強い場合には、バックライト105を点灯させた状態での受光出力電圧Von101は、図32(B)に示したようになる。すなわち、表示エリア101のうちの指fで触れた個所以外では、環境光L0の明るさに対応した電圧値Vaとなる。また、表示エリア101のうちの指fで触れた個所では、そのときに触れた物体(指f)の表面で、バックライト105からの照射光Lonを反射させる反射率に対応した電圧値Vbに低下する。これに対して、バックライト105を消灯させた状態での受光出力電圧Voff101は、指fで触れた個所以外では、環境光L0の明るさに対応した電圧値Vaとなる点は同じであるが、指fで触れた個所では、環境光L0が遮断された状態であり、非常にレベルの低い電圧値Vcとなる。
また、例えば図33(A)に示したように、入射する環境光L0が弱い(ほとんどない)状態では、バックライト105を点灯させた状態での受光出力電圧Von201は、図33(B)に示したようになる。すなわち、表示エリア101のうちの指fで触れた個所以外では、環境光L0がないために非常にレベルの低い電圧値Vcとなる。また、表示エリア101のうちの指fで触れた個所では、そのときに触れた物体(指f)の表面で、バックライト105からの照射光Lonを反射させる反射率に対応した電圧値Vbに上昇する。これに対して、バックライト105を消灯させた状態での受光出力電圧Voff2は、指fで触れた個所とそれ以外の個所のいずれでも、非常にレベルの低い電圧値Vcのままで変化がない。
このようにして、表示エリア101のうちの指fが接触していない個所では、環境光L0がある場合とない場合とで、受光出力電圧が大きく異なっている。一方、表示エリア101のうちの指fが接触している個所では、環境光L0の有無に関係なく、バックライト105の点灯時の電圧Vbと、バックライト105の消灯時の電圧Vcとが、ほぼ同じような状態となっている。よって、バックライト105の点灯時の電圧と消灯時の電圧との差分を検出することにより、電圧Vbと電圧Vcとの差のように、一定以上の差がある個所が、物体が近接等した個所であると判断することができる。例えば図34に示した差分画像Cのように、外光や固定ノイズの影響を受けずに、物体の位置などを検出することが可能となると考えられる。
ところが、このような差分画像Cを用いた物体の検出方法では、例えば図34に示したように、バックライトオフ時の画像(画像A)とオン時の画像(画像B)との2枚の画像用のフレームメモリ等が必要となるため、部品コストが増加してしまうことになる。
このように従来の技術では、製造コストを抑えつつ、そのときの使用状況によらずにパネルに接触または近接する物体を安定して検出するのは困難であり、改善の余地があった。
そこで、例えば充電用の第1のフォトダイオードと、放電用の第2のフォトダイオードと、容量素子とを備えたセンサ素子を設け、第1および第2のフォトダイオードを交互にオン・オフ制御し、そのオン・オフ制御に同期して近接物体に検出用の照射光を時分割照射する方法が考えられる。この方法では、近接物体に対して照射光が照射されているときに、この照射光による反射光と環境光との合算光量に応じて、第1のフォトダイオードを介して容量素子に充電電荷が蓄積される。また、照射光が照射されていないときに、環境光の光量に応じて、第2のフォトダイオードを介して容量素子から放電電荷が放出される。このような充電動作と放電動作とを繰り返すことにより、容量素子には、環境光による成分が差し引かれた、近接物体からの反射光のみの成分に基づく電荷が蓄積される。このような反射光のみの成分に基づく電荷に応じた信号をセンサ素子の検出信号として取り出す。これにより、環境光の影響を受けずに、近接物体の物体情報の取得が可能となる。この方法の場合、原理的には、既に環境光が取り除かれた検出信号が得られるので、上記したような2枚の画像用のフレームメモリは不要となり、フレームメモリは1つでも良くなる。
このような充電用の第1のフォトダイオードと放電用の第2のフォトダイオードとを備えたセンサ素子を用いる場合、充電動作時と放電動作時とでダイオードとしての応答特性に違いがあると、環境光による成分を十分に差し引くことができない。結果的に、良好な検出ができなくなるおそれがある。安定した検出動作を行うために、2つのダイオードの応答特性の違いを抑えるような制御を行うか、素子構造自体が応答特性の違いを抑えるような構造とされていることが望ましい。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、構造的に2つのダイオード素子の応答特性の違いを少なくし、安定した検出動作を行うことができるようにしたセンサ素子およびその駆動方法、センサ装置、ならびに入力機能付き表示装置および電子機器を提供することにある。
本発明によるセンサ素子は、互いに直列に接続された第1および第2のフォトダイオード素子と、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子とを備え、第1および第2のフォトダイオード素子がそれぞれ、基板と、基板上に積層された半導体層とを有し、半導体層が、積層面内において第1の方向に互いに対向するように配置されたp型半導体領域およびn型半導体領域と、p型半導体領域とn型半導体領域との間に形成された真性半導体領域とを含むものである。そして、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子は、基本的に同一の構造であり、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とで、時定数が同じになるように、真性半導体領域の第1の方向の長さ(いわゆるL長)が互いに異なる大きさで構成されているものである。
具体的には例えば、第1のフォトダイオード素子を入射光量に応じた充電電荷を発生するものとし、第2のフォトダイオード素子を入射光量に応じた放電電荷を発生するものとした場合、第1のフォトダイオード素子における真性半導体領域の第1の方向の長さをL1、第2のフォトダイオード素子における真性半導体領域の第1の方向の長さをL2とすると、以下の条件(1)を満たすように構成されていることが好ましい。
L2<L1 ……(1)
さらに、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とで、真性半導体領域の積層面内における、第1の方向に直交する第2の方向の長さ(いわゆるW長)が互いに異なる大きさで構成されていることが好ましい。そして、第1のフォトダイオード素子における真性半導体領域の第2の方向の長さをW1、第2のフォトダイオード素子における真性半導体領域の第2の方向の長さをW2とすると、以下の条件(2)を満たすように構成されていることが好ましい。
L2・W2=L1・W1 ……(2)
なお、条件(2)は、理論的に理想的な条件であり、L2・W2の値とL1・W1の値とが必ずしも完全に同一である必要はない。現実的には、センサ素子の検出特性に支障が生じない範囲内で略同一の値であれば良い。また、製造誤差程度の値の違いがあっても構わない。
本発明によるセンサ素子の駆動方法は、入射光量に応じた充電電荷を発生する第1のフォトダイオード素子と、第1のフォトダイオード素子に直列接続されると共に入射光量に応じた放電電荷を発生する第2のフォトダイオード素子と、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子とを有する1または複数のセンサ素子を駆動する際に、センサ素子として、上記本発明によるセンサ素子を使用するものである。そして、第1のフォトダイオード素子で発生した充電電荷が、第1のフォトダイオード素子がオン状態となると共に第2のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより容量素子へ蓄積される一方、第2のフォトダイオード素子で発生した放電電荷が、第2のフォトダイオード素子がオン状態となると共に第1のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより容量素子から放出されるように、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とを個別にオン・オフ制御するようにしたものである。
本発明によるセンサ装置は、1または複数のセンサ素子と、センサ素子を駆動するセンサ駆動手段とを備え、センサ素子を、上記本発明によるセンサ素子で構成したものである。
本発明によるセンサ装置は、第1のフォトダイオード素子および第2のフォトダイオード素子のオン・オフ状態に同期して点灯・消灯状態が制御され、センサ素子に近接する近接物体に対して検出用の照射光を発する照射光源と、センサ素子から得られる検出信号に基づいて、近接物体の位置、形状または大きさの少なくとも1つを含む物体情報を取得する信号処理手段とをさらに備えていても良い。
なお、「近接物体」とは、文字通り近接する物体だけではなく、例えば複数のセンサ素子を1つの面内にマトリクス状に配置してセンサパネルを形成した場合において、そのセンサパネルに対して接触状態にある物体をも含む意味である。
本発明による入力機能付き表示装置は、複数の表示画素と複数のセンサ素子とが配置された表示パネルと、表示画素を駆動する表示駆動手段と、センサ素子を駆動するセンサ駆動手段とを備えたものである。そして、複数のセンサ素子のそれぞれを、上記本発明によるセンサ素子で構成したものである。また、複数のセンサ素子のそれぞれに対して、上記本発明によるセンサ装置の駆動手段と同様の駆動制御を行うようにしたものである。
本発明による電子機器は、本発明による入力機能付き表示装置を備えたものである。
本発明によるセンサ装置、センサ素子の駆動方法、入力機能付き表示装置または電子機器では、第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とにおける真性半導体領域(i領域)の第1の方向の長さ(いわゆるL長)が、互いに異なっていることにより、2つのフォトダイオード素子の応答特性の違いを少なくするような素子構造が実現される。具体的には、L長が短いほどフォトダイオード素子の応答特性が速くなる(オフ状態からオン状態にしたときの電流応答特性を示す時定数が小さくなる)特性がある。その特性を利用してL長を最適化することで、応答特性の違いを少なくすることが可能となる。
本発明のセンサ素子、センサ素子の駆動方法、センサ装置、入力機能付き表示装置または電子機器によれば、2つのダイオード素子における真性半導体領域のL長を互いに異ならせるようにしたので、2つのダイオード素子の応答特性の違いが少なくなるようにL長を最適化することができる。L長を適切に設定することにより、オフ状態からオン状態にしたときの電流応答特性を示す時定数を、第1のダイオード素子と第2のダイオード素子とで互いに略同じにすることができる。これにより、2つのダイオード素子の応答特性の違いを抑え、安定した検出動作を行うことができる。
本発明の一実施の形態に係る入力機能付き表示装置の構成例を表すブロック図である。 図1に示したI/Oディスプレイパネルの構成例を表すブロック図である。 図2に示した表示エリア(センサエリア)内の画素配置例を表す平面図である。 図3に示した画素配置におけるセンサ素子(撮像画素)と信号線との接続関係の一例を表す平面模式図である。 図1に示した表示装置におけるセンサ素子の構成例を表す回路図である。 図5に示したセンサ素子の素子構造の一例を表すものであり、(A)はセンサ素子における半導体層部分の平面図、(B)は全体の断面図である。 図5に示したセンサ素子内の第1のダイオード素子におけるオン動作領域およびオフ動作領域について説明するための図である。 図5に示したセンサ素子内の第2のダイオード素子におけるオン動作領域およびオフ動作領域について説明するための図である。 図1に示した表示装置における近接物体の検出処理(撮像動作)の一例を表すタイミング波形図である。 図9に示した近接物体の検出処理における充電(チャージ)動作について説明するための回路図である。 図9に示した近接物体の検出処理における放電(ディスチャージ)動作について説明するための回路図である。 (A)は理想的な状態で2つのダイオード素子が動作したときに得られる蓄積ノードの電圧波形を示し、(B)は2つのダイオード素子の応答特性の違いを考慮した場合の実際の蓄積ノードの電圧波形を示す波形図である。 2つのダイオード素子の応答特性の違いによって蓄積ノードで生ずる電圧上昇についての説明図である。 第1のダイオード素子におけるL長の違いによる周波数特性(実測値)を示す特性図であり、(A)はL=12μmで周波数125Hzのときの信号電圧で規格化した特性を示し、(B)は各L長で周波数125Hzのときの信号電圧で規格化した特性を示す。 (A)はダイオード素子の一般的な電流応答特性を示す特性図であり、(B)はダイオード素子の一般的な電圧応答特性を示す特性図である。 図14(A)に示した実測値による周波数特性と、実測値による周波数特性を計算式によって再現した周波数特性とを比較して示した特性図である。 L長と電流の時定数との関係を実測値と計算値とについて示した特性図である。 図5に示したセンサ素子における充放電波形を示す特性図であり、(A)は第1および第2のダイオード素子のL長を共にL=12μmとした場合の特性、(B)は第1および第2のダイオード素子のL長を共にL=6μmとした場合の特性を示す。 (A)は図18(A)に示した充放電波形のうち充電側(第1のダイオード素子)の特性を詳しく示した特性図であり、(B)は図18(B)に示した充放電波形のうち充電側(第1のダイオード素子)の特性を詳しく示した特性図である。 (A)は図18(A)に示した充放電波形のうち放電側(第2のダイオード素子)の特性を詳しく示した特性図であり、(B)は図18(B)に示した充放電波形のうち放電側(第2のダイオード素子)の特性を詳しく示した特性図である。 第1および第2のダイオード素子のL長を充放電特性が一致するように構成した場合の照度依存性について示した特性図であり、(A)は外光照度が1700lxの場合の充放電特性、(B)は外光照度が2600lxの場合の充放電特性を示す。 第1および第2のダイオード素子のL長を充放電特性が一致するように構成した場合の照度依存性について示した特性図であり、(A)は外光照度が3600lxの場合の充放電特性、(B)は外光照度が5600lxの場合の充放電特性を示す。 (A)は図1に示した表示装置において近接物体の検出処理の結果を利用したアプリケーションプログラムの第1の実行例を示し、(B)は第2の実行例を示す説明図である。 近接物体の検出処理の結果を利用したアプリケーションプログラムの第3の実行例を示す説明図である。 近接物体の検出処理の結果を利用したアプリケーションプログラムの第4の実行例を示す説明図である。 近接物体の検出処理の結果を利用したアプリケーションプログラムの第5の実行例を示す説明図である。 図1に示した表示装置の第1の適用例の外観を表す斜視図である。 (A)は第2の適用例の表側から見た外観を表す斜視図であり、(B)は裏側から見た外観を表す斜視図である。 第3の適用例の外観を表す斜視図である。 第4の適用例の外観を表す斜視図である。 (A)は第5の適用例の開いた状態の正面図、(B)はその側面図、(C)は閉じた状態の正面図、(D)は左側面図、(E)は右側面図、(F)は上面図、(G)は下面図である。 従来の入力機能付き表示装置による近接物体の検出方法の一例を表す特性図である。 従来の入力機能付き表示装置による近接物体の検出方法の他の例を表す特性図である。 差分画像を用いた従来の近接物体の検出方法について説明するための写真図である。
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に実施の形態という)について、図面を参照して詳細に説明する。
[入力機能付き表示装置の全体構成]
図1は、本発明の一実施の形態に係る入力機能付き表示装置(表示撮像装置)の全体構成の一例を表すものである。この表示装置は、I/Oディスプレイパネル20と、バックライト15と、表示ドライブ回路12と、受光ドライブ回路13と、画像処理部14と、アプリケーションプログラム実行部11とを備えている。
I/Oディスプレイパネル20は、例えば液晶パネル(LCD(Liquid Crystal Display))からなる。I/Oディスプレイパネル20は、後述する図3に示すように複数の表示画素31RGBがマトリクス状に配置され、線順次動作をしながら表示データに基づく所定の図形や文字などの画像を表示する機能(表示機能)を有している。I/Oディスプレイパネル20にはまた、後述する図3に示すように複数のセンサ素子33が撮像画素としてマトリクス状に配置され、パネル表面に接触または近接する物体(近接物体)を検出、撮像する機能(検出機能、撮像機能)を有している。
バックライト15は、I/Oディスプレイパネル20の表示および検出用の光源であり、例えば複数の発光ダイオードが配置されたものである。バックライト15は、表示ドライブ回路12によって駆動制御され、後述するようにI/Oディスプレイパネル20の動作タイミングに同期した所定のタイミングで、高速にオン・オフ(点灯・消灯)動作が可能となっている。
表示ドライブ回路12は、I/Oディスプレイパネル20において表示データに基づく画像が表示されるように(表示動作を行うように)、このI/Oディスプレイパネル20の表示画素31RGBの駆動を行う(線順次表示動作の駆動を行う)回路である。表示ドライブ回路12はまた、バックライト15のオン・オフ(点灯・消灯)制御を行うようになっている。
受光ドライブ回路13は、I/Oディスプレイパネル20の各センサ素子(撮像画素)33から検出信号(撮像信号)が得られるように(物体を検出、撮像するように)、このI/Oディスプレイパネル20の駆動を行う(線順次撮像動作の駆動を行う)回路である。なお、各センサ素子33からの検出信号(撮像信号)は、例えばフレーム単位でフレームメモリ13Aに蓄積され、検出画像(撮像画像)として画像処理部14へ出力されるようになっている。
画像処理部14は、受光ドライブ回路13から出力される撮像画像に基づいて所定の画像処理(演算処理)を行うものである。画像処理部14は、画像処理を行った結果として、例えばI/Oディスプレイパネル20に近接等する物体に関する物体情報(位置座標データ、物体の形状や大きさに関するデータなど)を検出し、取得するようになっている。
アプリケーションプログラム実行部11は、画像処理部14による検知結果に基づいて所定のアプリケーションソフトに応じた処理を実行するものである。この処理としては例えば、検知した物体の位置座標を表示データに含むようにし、I/Oディスプレイパネル20上に表示させるものなどが挙げられる。なお、このアプリケーションプログラム実行部11で生成される表示データは、表示ドライブ回路12へ供給されるようになっている。
[I/Oディスプレイパネル20の構成例]
図2は、I/Oディスプレイパネル20の構成例を示している。I/Oディスプレイパネル20は、表示エリア(センサエリア)21と、表示用Hドライバ22と、表示用Vドライバ23と、センサ読み出し用Hドライバ25と、センサ用Vドライバ24とを有している。
図1および図2において、受光ドライブ回路13、センサ用Vドライバ24およびセンサ読み出し用Hドライバ25は、本発明における「センサ駆動手段」の一具体例に対応している。表示ドライブ回路12、表示用Hドライバ22および表示用Vドライバ23は、「表示駆動手段」の一具体例に対応している。I/Oディスプレイパネル20は、「表示パネル」の一具体例に対応している。バックライト15は、「照射光源」の一具体例に対応している。受光ドライブ回路13および画像処理部14は、「信号処理手段」の一具体例に対応している。
表示エリア(センサエリア)21は、バックライト15からの光を変調して照射光(表示光と、例えば赤外光源等(図示せず)による検出用の照射光とを含むもの。以下同様。)を出射すると共にこのエリアに接触または近接する物体を検出(撮像)する領域である。表示エリア(センサエリア)21には、表示素子31RGBとして例えば液晶素子と、後述するセンサ素子33とが、それぞれマトリクス状に配置されている。
表示用Hドライバ22は、表示ドライブ回路12から供給される表示駆動用の表示信号および制御クロックに基づいて、表示用Vドライバ23と共に表示エリア21内の表示素子31RGBを線順次駆動するものである。
センサ読み出し用Hドライバ25は、受光ドライブ回路13による駆動制御に従って、センサ用Vドライバ24と共にセンサエリア21内の撮像画素としてのセンサ素子33を線順次駆動し、検出信号(撮像信号)を取得するものである。受光ドライブ回路13は、近接物体に対してバックライト15からの照射光が照射されているときに、照射光による反射光と環境光(外光)との合算光量に応じてセンサ素子33に充電電荷が蓄積されるような駆動制御を行うようになっている。また、バックライト15からの照射光が照射されていないときに、環境光の光量に応じてセンサ素子33から放電電荷が放出されるような駆動制御を行うようになっている。センサ読み出し用Hドライバ25は、これらの駆動制御によりセンサ素子33から取得された検出信号(撮像信号)を受光ドライブ回路13に出力するようになっている。
図3は、表示エリア(センサエリア)21における各画素の詳細構成例を示している。例えば図3に示したように、表示エリア21の画素31は、表示画素31RGBと、撮像画素としてのセンサ素子33と、センサ素子33用の配線が形成された配線部32とから構成されている。表示画素31RGBは、赤(R)用の表示画素31Rと、緑(G)用の表示画素31Gと、青(B)用の表示画素31Bとから構成されている。これら表示画素31RGB、センサ素子33および配線部32はそれぞれ、表示エリア(センサエリア)21上でマトリクス状に並んで配置されている。また、センサ素子33と、このセンサ素子33を駆動するための配線部32とが、一定周期で互いに分離配置されている。このような配置により、センサ素子32および配線部33からなるセンサリアを表示画素31RGBに対して極めて認識しづらくなると共に、表示画素31RGBにおける開口率低減が最小限に抑えられるようになっている。また、配線部32を、表示画素31RGBの開口に寄与しない領域(例えば、ブラックマトリクスで遮光された領域や反射領域など)に配置するようにすれば、表示品位を落とすことなく受光回路を配置することが可能となる。なお、各センサ素子33には、例えば図4に示したように、リセット信号線Reset_1〜Reset_nおよびリード信号線Read_1〜Read_nが、水平ライン方向に沿って接続されるようになっている。
[センサ素子33の回路構成例]
センサ素子33は、例えば図5に示したように、第1のダイオード素子PD1と、第2のダイオード素子PD2と、容量素子としてのコンデンサC1と、第1のトランジスタTr1と、第2のトランジスタTr2と、第3のトランジスタTr3とで構成されている。
第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2はそれぞれ、入射光量に応じた電荷を発生させる光電変換素子である。特に第1のダイオード素子PD1は入射光量に応じた充電電荷を発生するものであり、第2のダイオード素子PD2は入射光量に応じた放電電荷を発生するものである。第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2はそれぞれ、後述するようにPIN型のフォトダイオードにより構成されている。PIN型のフォトダイオードは、p型半導体領域と、n型半導体領域と、p型半導体領域とn型半導体領域との間に形成された真性半導体領域(i領域)とを有するものである。第1のダイオード素子PD1は、アノード電極、カソード電極およびゲート電極を有している。第2のダイオード素子PD2も同様に、アノード電極、カソード電極およびゲート電極を有している。第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とをPIN型のフォトダイオードで構成する場合、p型半導体領域にアノード電極を接続し、n型半導体領域にカソード電極を接続する。具体的な素子構造の例は後述する。
第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子は、第1のダイオード素子PD1のアノード電極と第2のダイオード素子PD2のカソード電極とが互いに接続されることにより、互いに直列的に接続されている。コンデンサC1の一端は、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子との接続点P1に接続されている。コンデンサC1の他端は、電源VDDに接続されている。
第1ないし第3のトランジスタTr1〜Tr3はそれぞれ、例えば薄膜トランジスタ(TFT;ThinFilm Transistor)などにより構成されている。第1のトランジスタTr1のゲートはリセット信号線Reset(図4参照)に接続され、ソースはリセット電源Vrstに接続されている。第1のトランジスタTr1のドレインおよび第2のトランジスタTr2のゲートは、コンデンサC1の一端と共に、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子との接続点P1に接続されている。第2のトランジスタTr2のソースは、コンデンサC1の他端と共に、電源VDDに接続されている。第2のトランジスタTr2のドレインは、第3のトランジスタTr3のドレインに接続されている。第3のトランジスタTr3のゲートは、リード信号線Readに接続され、ソースは読み出し線41に接続されている。リセット電源Vrstは、センサ素子33においてコンデンサC1に蓄積された電荷を全て放出させることができるような電圧(リセット電圧)に設定されている。
このセンサ素子33は、第1のダイオード素子PD1で発生した充電電荷が、第1のダイオード素子PD1がオン状態となると共に第2のダイオード素子PD2がオフ状態になることによりコンデンサC1へ蓄積されるようになっている。また、第2のダイオード素子PD2で発生した放電電荷が、第2のダイオード素子PD2がオン状態となると共に第1のダイオード素子PD1がオフ状態になることによりコンデンサC1から放出されるようになっている。受光ドライブ回路13は、そのような蓄積動作および放電動作が交互に行われるように、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とを個別にオン・オフ制御するようになっている。
第1のダイオード素子PD1は、カソード電極とゲート電極との間の電位関係を変化させることにより、オン・オフ制御がなされるようになっている。第2のダイオード素子PD2は、アノード電極とゲート電極との間の電位関係とをそれぞれ変化させることにより、オン・オフ制御がなされるようになっている。例えば、後述するように、第1のダイオード素子PD1については、ゲート電圧Vg1を固定電圧にした状態でカソード電圧VnをVn1とVn2とに変化させることによりオン・オフ状態が制御されるようになっている。第2のダイオード素子PD2については、例えば、ゲート電圧Vg2を固定電圧にした状態でアノード電圧VpをVp1とVp2とに変化させることによりオン・オフ状態が制御されるようになっている。
[センサ素子33の素子構造]
図6(A),(B)は、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2の素子構造の一例を示している。第1および第2のダイオード素子PD1,PD2は、後述するL長およびW長の大きさが異なる以外は、基本的に同一の構造であり、PIN型のフォトダイオードで構成されている。図6(A),(B)では、ボトムゲート型の構成例を示しており、基板51と、この基板51上に形成された、ゲート電極52、ゲート絶縁膜53、半導体層54、アノード電極55、カソード電極56、および絶縁膜57とを備えている。半導体層54は、p型半導体領域54Aと、n型半導体領域54Bと、p型半導体領域54Aとn型半導体領域54Bとの間に形成された真性半導体領域(i領域)54Cとを有している。
基板51は、例えば、プラスチックフィルム基板やガラス基板などの絶縁性基板である。ゲート電極52は、例えば、Alによって構成されている。ゲート電極52は、少なくとも真性半導体領域54Cとの対向領域に形成されており、例えば矩形状となっている。なお、図6(A),(B)には、ゲート電極52が真性半導体領域54Cだけでなく、p型半導体領域54Aの一部やn型半導体領域54Bの一部を含む部分との対向領域に形成されている場合が例示されている。これにより、ゲート電極52は、低抵抗の電極となっており、かつ基板51側から入射した光が真性半導体領域54Cに入射するのを遮断する遮光膜として機能する。
ゲート絶縁膜53は、例えば、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)などを主成分として含んで構成されている。ゲート絶縁膜53は、積層方向(図のz方向)において半導体層54と対向配置されている。ゲート絶縁膜53は、例えば、少なくとも真性半導体領域54Cを含む部分との対向領域に形成されており、例えばゲート電極52を覆うように形成されている。なお、図6(A),(B)には、ゲート絶縁膜53が、ゲート電極52を含む基板51の表面全体に渡って形成されている場合が例示されている。
半導体層54は、ゲート電極52との対向領域を横切るように形成されており、アノード電極55およびカソード電極56の対向方向(図のx方向)に延在して形成されている。半導体層54の上面は、アノード電極55およびカソード電極56とのコンタクト部分を除いて、絶縁膜57によって覆われている。外部からの光は、絶縁膜57の上面側から半導体層54に入射するようになっている。絶縁膜57は、入射光に対して透明な材料からなり、例えば、酸化シリコン(SiO2)や窒化シリコン(SiN)などを主成分として含んで構成されている。
p型半導体領域14Aおよびn型半導体領域54Bは、積層面内(図のxy面内)において第1の方向(図のx方向)に互いに対向している。p型半導体領域54Aおよびn型半導体領域54Bは互いに直接に接触せず、真性半導体領域54Cを介して配置されることになる。したがって、半導体層54において、面内方向にPIN構造が形成されることになる。p型半導体領域54Aは、例えば、p型不純物(p+)を含有するシリコン薄膜からなり、n型半導体領域54Bは、例えば、n型不純物(n+)を含有するシリコン薄膜からなる。真性半導体領域54Cは、例えば、不純物がドープされていないシリコン薄膜からなる。
アノード電極55およびカソード電極56は、例えば、Alによって構成されている。アノード電極55はp型半導体領域54Aと電気的に接続されており、カソード電極56はn型半導体領域54Bと電気的に接続されている。
このセンサ素子33は、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とで、真性半導体領域54Cの第1の方向(図のx方向)の長さ(いわゆるL長)が互いに異なる大きさで構成されている。具体的には、第1のダイオード素子PD1におけるL長をL1、第2のダイオード素子PD2におけるL長をL2とすると、以下の条件(1)を満たすように構成されている。これにより、2つのダイオード素子PD1,PD2の応答特性(オフ状態からオン状態にしたときの電流応答特性を示す時定数τ)の違いが、構造的に少なくなるようにしている。
L2<L1 ……(1)
さらに、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とで、真性半導体領域54Cの積層面内における、第1の方向に直交する第2の方向(図のy方向)の長さ(いわゆるW長)が互いに異なる大きさで構成されていることが好ましい。具体的には、第1のダイオード素子PD1におけるW長をW1、第2のダイオード素子PD2におけるW長をW2とすると、以下の条件(2)を満たすように構成されていることが好ましい。 L2・W2=L1・W1 ……(2)
なお、条件(2)は、理論的に理想的な条件であり、L2・W2の値とL1・W1の値とが必ずしも完全に同一である必要はない。現実的には、センサ素子33の検出特性に支障が生じない範囲内で略同一の値であれば良い。また、製造誤差程度の値の違いがあっても構わない。条件(2)を満足することにより、2つのダイオード素子PD1,PD2で真性半導体領域54Cの面積を互いに等しくできるので、条件(1)を満足して2つのダイオード素子PD1,PD2の応答特性を揃えつつ、充放電で発生する双方の光電流の大きさを揃えることができる。
なお、真性半導体領域54Cの膜厚(z方向の長さ)は、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とで互いにほぼ同じであることが好ましい。製造プロセス上、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とでL長およびW長の長さを変えることは比較的容易であるが、個別に膜厚を変えるのは現実的ではない。
[表示装置の動作]
まず、この表示装置による画像の表示動作および物体の検出動作(撮像動作)の概要について説明する。
この表示装置では、アプリケーションプログラム実行部11から供給される表示データに基づいて、表示用ドライブ回路12において表示用の駆動信号が生成される。この駆動信号により、I/Oディスプレイパネル20に対して線順次表示駆動がなされ、画像が表示される。また、このときバックライト15も表示ドライブ回路12によって駆動され、I/Oディスプレイパネル20と同期した点灯・消灯動作がなされる。
I/Oディスプレイパネル20に接触または近接する物体(指先等の近接物体)がある場合、受光ドライブ回路13による線順次撮像駆動により、I/Oディスプレイパネル20における各センサ素子(撮像画素)33においてその物体が検出(撮像)される。各センサ素子33からの検出信号(撮像信号)は、I/Oディスプレイパネル20から受光ドライブ回路13へ供給される。受光ドライブ回路13では、センサ素子33の検出信号を1フレーム分、蓄積し、撮像画像として画像処理部14へ出力する。
画像処理部14では、この撮像画像に基づいて、所定の画像処理(演算処理)を行うことにより、I/Oディスプレイパネル20に接触または近接する物体に関する物体情報(位置座標データ、物体の形状や大きさに関するデータなど)を取得する。例えば受光ドライブ回路13において生成された1フレーム分の撮像画像の重心を判定する演算処理がなされ、接触(近接)中心の特定が行われる。そして、近接物体の検出結果が画像処理部14からアプリケーションプログラム実行部11へ出力される。アプリケーションプログラム実行部11では、後述するようなアプリケーションプログラムを実行する。
次に、図9〜図11を参照して、この表示装置による検出動作(撮像動作)の詳細について説明する。図9(A)〜(G)は、この表示装置による検出動作(1つのセンサ素子33における検出、撮像動作)の一例をタイミング波形図で表したものである。図9(B)はリセット信号電圧V(Reset)のタイミング波形、(A)はリード信号電圧V(Read)のタイミング波形の一例を示している。図9(C)は、バックライト15のオン・オフ(点灯・消灯)状態(検出用の照射光の照射・非照射)の状態のタイミング波形の一例を示している。図9(D)はセンサ素子33における第1のダイオード素子PD1のカソード電圧Vnのタイミング波形(実質的に第1のダイオード素子PD1のオン・オフ状態のタイミング波形)の一例を示している。図9(E)は第2のダイオード素子PD2のアノード電圧Vpのタイミング波形(実質的に第2のダイオード素子PD2のオン・オフ状態のタイミング波形)の一例を示している。図9(F)は、図9(C)のようなバックライト15のオン・オフ制御がなされているときに、センサ素子33における接続点(蓄積ノード)P1で生じる電位(蓄積電圧)のタイミング波形の一例を示している。図9(G)は、バックライト15が(図9(C)のようなオン・オフ制御ではなく)全期間でオフ状態とされ、近接物体からの反射光Lonが無い場合における蓄積ノードP1の蓄積電圧を示している。
図9(A),(B)に示したリセット信号電圧V(Reset)およびリード信号電圧V(Read)はそれぞれ、線順次動作によってH(ハイ)状態となる。I/Oディスプレイパネル20において、各水平ライン上のセンサ素子33では、リセット信号電圧V(Reset)がH状態となってからリード信号電圧V(Read)がH状態となるまでの期間が1水平ライン分の露光期間となる。この露光期間内で、図9(C)および図9(D),(E)に示したように、各センサ素子33における第1のダイオード素子PD1および第2のダイオード素子PD2のオン・オフ状態に同期して、バックライト15のON状態(点灯)およびOFF状態(非点灯)が交互に切り替えられる。具体的には、バックライト15がON状態のときには、第1のダイオード素子PD1がオン状態、第2のダイオード素子PD2がオフ状態となる。また、バックライト15がOFF状態のときには、第1のダイオード素子PD1がオフ状態、第2のダイオード素子PD2がオン状態となる。
例えば、リセット信号電圧V(Reset)がH状態となると、センサ素子33における第1のトランジスタTr1がオン状態となることにより、接続点P1の電位が、任意に設定されたリセット電圧Vrstにリセットされる。
リセット電圧Vrstでリセットされた後、バックライト15がON状態となる。このとき、第1のダイオード素子PD1がオン状態、第2のダイオード素子PD2がオフ状態となることにより、コンデンサC1への充電電荷の蓄積動作(チャージ動作)がなされる。これにより、バックライト15からの照射光による近接物体での反射光Lonと外光(環境光)L0との合算光量に応じて、図10に示した充電電流I11の経路によってコンデンサC1へ充電電荷が蓄積され、図9(F)に示したように蓄積電圧が上昇する。
次にバックライト15がOFF状態となる。このとき、第1のダイオード素子PD1がオフ状態、第2のダイオード素子PD2がオン状態となることにより、コンデンサC1からの放電電荷の放出動作(ディスチャージ動作)がなされる。これにより、外光(環境光)L0の光量に応じて、図11に示した放電電流I12の経路によってコンデンサC1から放電電荷が放出され、図9(F)に示したように蓄積電圧が下降する。
そして、このような充電電荷の蓄積動作と放電電荷の放出動作とが、所定の露光期間の間、複数回切り換えられ、その後、その間にコンデンサC1に蓄積された電荷が、検出信号(撮像信号)として読み出される。具体的には、リード信号電圧V(Read)がH状態となることにより、センサ素子33における第3のトランジスタTr3がオン状態となり、図9(F)に示した読み出し電圧V41が読み出し線41から読み出される。このようにして、充電電荷の蓄積動作と放電電荷の放出動作とが複数回切り換えられた後に検出信号が読み出されることにより、露光期間が長くなるため、図9(F)に示したように、検出信号の信号成分(蓄積電圧)が増大するようになっている。また、ここで得られた撮像信号はアナログ値であるため、受光ドライブ回路13においてA/D(アナログ/デジタル)変換がなされる。なお、その後はまたリセット信号電圧V(Reset)がH状態となることにより、以降は同様の動作が繰り返されることになる。
このようにして、本実施の形態における近接物体の検出処理では、近接物体に対してバックライト15からの照射光が照射されているときに、照射光による反射光Lonと環境光(外光)L0との合算光量に応じて、各センサ素子33に充電電荷が蓄積される。また、上記照射光が照射されていないときに、環境光L0の光量に応じて、各センサ素子33から放電電荷が放出される。これらにより、各センサ素子33から検出信号(撮像信号)が得られる。そして、各センサ素子33から得られる撮像信号に基づく撮像画像を用いて、画像処理部14において、近接物体の位置、形状または大きさの少なくとも1つを含む物体情報が得られる。これにより、各センサ素子33から得られる撮像信号では、環境光L0による成分が差し引かれるため、そのような環境光L0の影響を受けずに、近接物体の物体情報の取得が可能となる。
また、充電電荷の蓄積動作と放電電荷の放出動作とに基づいて、センサ素子33ごとに撮像信号が得られるため、受光ドライブ回路13において、撮像信号から撮像画像を生成する際に必要なフレームメモリ13Aが、従来よりも少なくて済むようになる。例えば図34に示した従来例では、バックライトOFF時の画像(画像A)と、バックライトON時の画像(画像B)との2枚の画像用のフレームメモリが必要となる。これに対して本実施の形態の表示装置では、1フレーム分の画像メモリで済むようになる。よって、製造コストを抑えつつ、使用状況によらずに物体を安定して検出することが可能となる。
また、充電電荷の蓄積動作と放電電荷の放出動作とが複数回切り換えられた後に得られた撮像信号に基づいて物体情報を取得するようにしたので、露光期間を長くすることができる。これにより、撮像信号の信号成分(蓄積電位VP1)を増大させて検出感度を向上させることが可能となると共に、露光時間を自由に設定できるため、S/N比を高くすることが可能となる。
なお、本実施の形態における近接物体の検出処理では、1つの近接物体だけでなく、I/Oディスプレイパネル20の表示エリア21上に同時に配置された複数の近接物体についても同様に、それぞれの物体情報を取得可能である。
[ダイオード素子PD1,PD2のオン・オフ状態の制御の詳細]
図7(A)〜(C)および図8(A)〜(C)を参照して、センサ素子33における第1および第2のダイオード素子PD1,PD2のオン・オフ状態の制御の詳細について説明する。図7(A)、図8(A)に示したように、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2のアノード電圧をVp、カソード電圧をVn、ゲート電圧をVg、カソードからアノードに流れる光電流をInpとする。
第1のダイオード素子PD1については、ゲート電圧VgをVg1の固定電圧にした状態で、カソード電圧Vnとして図7(B)に示したようにVn1とVn2とに交互に変化する矩形波を印加することによりオン・オフ状態を制御する。図7(C)には、カソード電圧VnをVn1とVn2とに変化させた場合(図7(C)中の矢印P51参照;Vn2<Vn1)の双方における第1のダイオード素子PD1でのI−V特性を示している。図7(C)において、α1,α2は第1のダイオード素子PD1がオン状態となるオン動作領域である。β2,β21,β11は第1のダイオード素子PD1がオフ状態となるオフ動作領域である。図7(C)に示したように、Vn=Vn1のときとVn=Vn2のときとでは、オン動作領域とオフ動作領域との電圧範囲が互いに異なる。図7(C)において、Vn=Vn1のときにはα1の電圧範囲がオン動作領域であり、Vn=Vn2のときにはα2の電圧範囲がオン動作領域となっている。また、図7(C)において、Vn=Vn1のときにはβ2,β11の電圧範囲がオフ動作領域であり、Vn=Vn2のときにはβ2,β21の電圧範囲がオフ動作領域となっている。このような特性があることにより、ゲート電圧Vg=Vg1で、かつカソード電圧Vn=Vn1のときには、第1のダイオード素子PD1がオン状態となる(図7(C)の動作点PD1on)。また、ゲート電圧Vg=Vg1で、かつカソード電圧Vn=Vn2のときには、第1のダイオード素子PD1がオフ状態となる(図7(C)の動作点PD1off)。
第2のダイオード素子PD2については、ゲート電圧VgをVg2の固定電圧にした状態で、アノード電圧Vpとして図8(B)に示したようにVp1とVp2とに交互に変化する矩形波を印加することによりオン・オフ状態を制御する。図8(C)には、アノード電圧VpをVp1とVp2とに変化させた場合(図8(C)中の矢印P52参照;Vp2<Vp1)の双方における第2のダイオード素子PD2でのI−V特性を示している。図8(C)において、α1,α2は第2のダイオード素子PD2がオン状態となるオン動作領域である。β1,β12,β22は第2のダイオード素子PD2がオフ状態となるオフ動作領域である。図8(C)に示したように、Vp=Vp1のときとVp=Vp2のときとでは、オン動作領域とオフ動作領域との電圧範囲が互いに異なる。図8(C)において、Vp=Vp1のときにはα1の電圧範囲がオン動作領域であり、Vp=Vp2のときにはα2の電圧範囲がオン動作領域となっている。また、図8(C)において、Vp=Vp1のときにはβ1,β12の電圧範囲がオフ動作領域であり、Vp=Vp2のときにはβ1,β22の電圧範囲がオフ動作領域となっている。このような特性があることにより、ゲート電圧Vg=Vg2で、かつカソード電圧Vp=Vp2のときには、第2のダイオード素子PD2がオン状態となる(図8(C)の動作点PD2on)。また、ゲート電圧Vg=Vg1で、かつカソード電圧Vp=Vp1のときには、第2のダイオード素子PD2がオフ状態となる(図7(C)の動作点PD2off)。
[ダイオード素子PD1,PD2の応答特性]
以上で説明したように、本実施の形態ではセンサ素子33において、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2を別々の制御電圧でオン・オフ制御し、充電動作と放電動作とを交互に繰り返すことで、近接物体の検出を行う。この場合において、以下で説明するように第1および第2のダイオード素子PD1,PD2の応答特性(過渡特性)に違いがあると、良好な検出動作を行うことができなくなる。本実施の形態では、これを改善するために、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2における真性半導体領域54CのL長およびW長(図6参照)を最適化している。
まず、図12(A),(B)および図13を参照して応答特性に違いがある場合に生ずる問題点について説明する。図12(A)は、センサ素子33において、応答特性に違いが無く、理想的な状態で第1および第2のダイオード素子PD1,PD2が動作したときに得られる蓄積ノード(図5の接続点P1)の電圧波形を示している。なお、図12(A)では、図9(G)と同様、バックライト15が全期間でオフ状態とされ、近接物体からの反射光Lonが無い場合(外光成分のみの場合)の電圧波形を示している。本実施の形態における近接物体の検出処理では、図10に示したように近接物体に対してバックライト15からの照射光が照射されているときに、照射光による反射光Lonと環境光(外光)L0との合算光量に応じて、センサ素子33に充電電荷が蓄積される。また、図11に示したように照射光が照射されていないときに、環境光L0の光量に応じて、センサ素子33から放電電荷が放出される。これにより、充電動作と放電動作とを経た状態では、環境光L0による成分が差し引かれるため、差分として、近接物体からの反射光Lonに応じた電圧のみが検出される。したがって、反射光Lonが存在しない場合には、1回の充電動作と放電動作とを経た状態で、原理的には、差分として得られる電圧はゼロである。この場合、原理的、理想的には蓄積ノードの電圧は図12(A)に示したように、充電動作による電荷の充電量と放電動作による電荷の放電量とが同じとなるような波形となる。
これに対し、図12(B)は第1および第2のダイオード素子PD1,PD2に応答特性の違いがある場合の蓄積ノードの電圧波形を示している。図12(B)では図12(A)と同様に、近接物体からの反射光Lonが無い場合の電圧波形を示している。反射光Lonが無い場合であるにも関わらず、充電動作と放電動作とを繰り返したときに蓄積ノードで充電がなされ、電圧が徐々に上がってしまっている。これは、第2のダイオード素子PD2による放電能力よりも、第1のダイオード素子PD1による充電能力の方が高く、全体として蓄積ノードで充電がなされていることを意味する。このような状態は、センサ素子33として誤動作の原因となり好ましくない。
図12(B)のような電圧波形は例えば、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2が構造的に全く同じ場合、特に、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2で真性半導体領域54CのL長およびW長が同じ場合に観測される。後述するように、L長が同じ場合、充電動作時の第1のダイオード素子PD1と放電動作時の第2のダイオード素子PD2とで、光電流が飽和する速度(電流時定数τ)が異なり、第1のダイオード素子PD1の方が電流時定数τが小さい特性がある。これにより、第1のダイオード素子PD1による充電量が、第2のダイオード素子PD2による放電量に勝ることとなる。この場合、図13に示したように、充電電圧dVcと放電電圧dVdとの差が残電圧dVrとして蓄積され、これが検出処理時に外光ノイズ成分となってしまう。
次に、L長と応答特性(電流時定数τ)との関係について説明する。
図14(A),(B)は、第1のダイオード素子PD1におけるL長の違い(L=6μm,8μm,10μm,12μm)による周波数特性(実測値)を示している。横軸は周波数(Hz)、縦軸は任意単位(a.u.)の信号電圧(充電時の電圧)となっている。なお、ここでいう周波数とは、第1のダイオード素子PD1の駆動周波数(オン・オフ周波数)のことをいう。図14(A)は周波数特性を、L長がL=12μmで周波数が125Hzのときの信号電圧を1として規格化した状態で示している。図14(B)は各L長で周波数125Hzのときの信号電圧を1として規格化した状態で示している。図14(A)から分かるように、駆動周波数が低いときにはL長が長いほど、信号電圧が大きい。また、駆動周波数が高いときにはL長が短いほど、信号電圧が大きい。L長が短いほど、高周波での信号低下が小さい。
ここで、図14(A)に示した実測値の周波数特性を計算式により再現することを考える。図15(A)のように、飽和電流I0になるまでに電流iが時間tの経過に従って時定数τで立ち上がるものと仮定する。この図15(A)は指数関数によって式(A)で表される。時間t経過後の電荷量(idt)は式(B)で表される。
Figure 0005481127
Figure 0005481127
従って、蓄積ノードP1(図5参照)の電圧波形は、上記式(B)から、以下の式(11)で表される。式(11)において、Cは蓄積ノードP1での寄生容量を示す。fは駆動周波数を示す。これをグラフで表すと図15(B)になる。
Figure 0005481127
図16は、図14(A)に示した実測値による周波数特性と、その実測値による周波数特性を上記式(11)を用いた計算式の関数によってフィッティングして再現した周波数特性とを示している。このように、上記式(11)によって周波数特性を再現できる。従って、実測値による周波数特性を上記式(11)によってフィッティングさせることで、電流時定数τを求めることができる。
図17は、第1のダイオード素子PD1のL長と電流時定数τとの関係を実測値に基づいて近似曲線で示したものである。図17から分かるように、電流時定数τは、L長が長いほど大きくなる。τとL長との関係は以下の式で表される。aは定数を示す。
τ=a・L2.3
図18(A),(B)は、図5に示したセンサ素子33における充放電波形(実測値)を示している。図18(A)は第1および第2のダイオード素子PD1,PD2のL長を共にL=12μmとした場合の特性を示している。図18(B)は第1および第2のダイオード素子PD1,PD2のL長を共にL=6μmとした場合の特性を示している。なお、図18(A),(B)では、図9(G)と同様、バックライト15が全期間でオフ状態とされ、近接物体からの反射光Lonが無い場合(外光成分のみの場合)の電圧波形を示している。
図19(A)は、図18(A)に示した充放電波形のうち充電側(第1のダイオード素子PD1)の特性を詳しく示したものである。図19(B)は図18(B)に示した充放電波形のうち充電側(第1のダイオード素子PD1)の特性を詳しく示したものである。図19(A),(B)には、実測値による充放電波形を上記式(11)を用いた計算式の関数によってフィッティングして再現した波形を同時に示している。
図20(A)は、図18(A)に示した充放電波形のうち放電側(第2のダイオード素子PD2)の特性を詳しく示したものである。図20(B)は図18(B)に示した充放電波形のうち放電側(第2のダイオード素子PD2)の特性を詳しく示したものである。図20(A),(B)には、実測値による充放電波形を上記式(11)を用いた計算式の関数によってフィッティングして再現した波形を同時に示している。
図18〜図20に示したように、L長が同じ場合、充電動作時の第1のダイオード素子PD1と放電動作時の第2のダイオード素子PD2とで、光電流が飽和する速度(電流時定数τ)が異なる。第1のダイオード素子PD1の電流時定数をτ1、第2のダイオード素子PD2の電流時定数をτ2とすると、L長が同じ場合、τ1<τ2の関係がある。一方、L長が短いほど電流時定数τは小さくなる特性がある。
これらのことから、第1のダイオード素子PD1におけるL長をL1、第2のダイオード素子PD2におけるL長をL2とすると、以下の条件(1)を満足し、第2のダイオード素子PD2のL長を短くすることで、電流時定数τを揃えることができる。
L2<L1 ……(1)
図21〜図22は、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2のL長を充放電特性が一致するように構成した場合の照度依存性について示したものである(実測値)。図21(A)は外光照度が1700lx(ルクス)の場合の充放電特性を示す。図21(B)は外光照度が2600lxの場合の充放電特性を示す。図22(A)は外光照度が3600lxの場合の充放電特性、図22(B)は外光照度が5600lxの場合の充放電特性を示す。
図21〜図22から分かるように、照度に関わらず、充電時の特性と放電時の特性とがほぼ一致している(応答特性が一致している)。なお、図21〜図22では、L1=10μm、L2=6μmとしている。また、第1のダイオード素子PD1におけるW長をW1、第2のダイオード素子PD2におけるW長をW2とすると、以下の条件(2)をほぼ満たすように構成されている。具体的にはW2=1.55×W1としている。
L2・W2=L1・W1 ……(2)
以上の考察から、第1および第2のダイオード素子PD1,PD2による充放電動作による蓄積ノードP1の電圧Vsigは、式(11)に基づいて以下の式(12)のように表せる。式(12)において、Ipin1onは第1のダイオード素子PD1のオン時の電流、Ipin1offは第1のダイオード素子PD1のオフ時の電流を示す。Ipin2onは第2のダイオード素子PD2のオン時の電流、Ipin2offは第2のダイオード素子PD2のオフ時の電流を示す。式(12)の充電項において、Ipin1onとIpin2offは、外光L0とバックライト15の照射光による近接物体からの反射光Lonとに応じた関数となっている。IRonは反射光Lonによる成分、ambは外光L0による成分を表している。式(12)の放電項において、Ipin2onとIpin1offは、外光L0成分のみに応じた関数となっている。
dtは、1回の充放電期間を示す。Cstは蓄積ノード容量、fは充放電の回数を示す。αは、第1のダイオード素子PD1の時定数をτ1、第2のダイオード素子PD2の時定数をτ2とすると、α=τ2/τ1を示す。τは電流時定数を示す。
Figure 0005481127
このように本実施の形態に係る入力機能付き表示装置によれば、2つのダイオード素子PD1,PD2における真性半導体領域54CのL長を互いに異ならせるようにしたので、2つのダイオード素子PD1,PD2の応答特性の違いが少なくなるようにL長を最適化することができる。L長を適切に設定することにより、オフ状態からオン状態にしたときの電流応答特性を示す時定数τを、第1のダイオード素子PD1と第2のダイオード素子PD2とで互いに略同じにすることができる。これにより、2つのダイオード素子PD1,PD2の応答特性の違いを抑え、安定した検出動作を行うことができる。
[アプリケーションプログラムの実行例]
次に、図23〜図26を参照して、上述した近接物体の検出処理によって検出された物体の位置情報等を利用した、アプリケーションプログラム実行部11によるアプリケーションプログラム実行例について、いくつか説明する。
図23(A)に示した第1の例は、I/Oディスプレイパネル20の表面を指先61で触れて、その触れた個所の軌跡を描画ライン611として画面に表示させるようにした例である。
図23(B)に示した第2の例は、手の形を用いたジェスチャ認識のものである。具体的には、I/Oディスプレイパネル20に触れた(または近接した)手62の形状を認識して、その認識した手の形を画像として表示させ、その表示オブジェクトの移動621で、何らかの処理を行うようにしたものである。
図24に示した第3の例は、閉じた状態の手63Aから、開いた状態の手63Bに変化させて、それぞれの状態の手の接触または近接をI/Oディスプレイパネル20で画像認識させて、その画像認識に基づいた処理を実行させるようにしたものである。これらの認識に基づいて処理を行うことで、例えばズームインなどの指示を行うことができる。また、このような指示ができることで、例えばI/Oディスプレイパネル20をパーソナルコンピュータ装置に接続して、そのコンピュータ装置上でコマンドを切り替えている操作などを、これらの画像認識で、より自然な形で入力することができる。
図25に示した第4の例は、I/Oディスプレイパネル20を2台用意して、2台のI/Oディスプレイパネル20を何らかの伝送手段で接続するようにしたものである。このような構成で、一方のI/Oディスプレイパネル20において接触または近接を検出した画像を、他方のI/Oディスプレイパネル20に伝送して表示させて、両ディスプレイパネルを操作するユーザ間でコミュニケーションをとるようにしてもよい。例えば図25に示したように、一方のI/Oディスプレイパネル20で画像認識した手65の手形の画像を送信して、他方のI/Oディスプレイパネル20に同一の手形642を表示させる処理が可能になる。また例えば、他方のI/Oディスプレイパネル20を手64で触れて表示された軌跡641を、一方のI/Oディスプレイパネル20に送って表示させる等の処理が可能になる。このようにして、描画している状態を動画で伝達し、手書きの文字や図形などを相手に送ることで、新しいコミュニケーションツールとなる可能性がある。このような例としては、例えば、I/Oディスプレイパネル20を携帯電話端末の表示パネルに適用すること等が想定される。なお、図25ではI/Oディスプレイパネル20を2台用意した例を示したが、3台以上のI/Oディスプレイパネル20を伝送手段で接続して同様の処理を行うことも可能である。
また、図26の第5の例に示したように、筆66を使用してI/Oディスプレイパネル20の表面で文字を書くように触れさせて、その筆66が触れた個所をI/Oディスプレイパネル20に画像661として表示させることで、毛筆による手書きの入力が可能になる。この場合には、毛筆の細かいタッチまで認識して実現することが可能である。従来の手書き認識の場合には、例えば一部のデジタイザにおいて、特殊なペンの傾きを電界検出で実現していたが、本例では、本物の毛筆の接触面そのものを検知することにより、より現実的な感覚で情報入力を行える。
<モジュールおよび適用例>
次に、図27〜図31を参照して、以上で説明した入力機能付き表示装置の適用例について説明する。この表示装置は、外部から入力された映像信号あるいは内部で生成した映像信号を、画像あるいは映像として表示するあらゆる分野の電子機器に適用することが可能である。例えば以下で説明するようなテレビジョン装置,デジタルカメラ,ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯端末装置あるいはビデオカメラなどの電子機器に適用することが可能である。
(適用例1)
図27は、電子機器の第1の例としてのテレビジョン装置の外観を表したものである。このテレビジョン装置は、例えば、フロントパネル511およびフィルターガラス512を含む映像表示画面部510を有している。このようなテレビジョン装置における映像表示画面部510に、上述の入力機能付き表示装置を適用することが可能である。
(適用例2)
図28(A),(B)は、電子機器の第2の例としてのデジタルカメラの外観を表したものである。このデジタルカメラは、例えば、フラッシュ用の発光部521、表示部522、メニュースイッチ523およびシャッターボタン524を有している。このようなデジタルカメラにおける表示部522に、上述の入力機能付き表示装置を適用することが可能である。
(適用例3)
図29は、電子機器の第3の例としてのノート型パーソナルコンピュータの外観を表したものである。このノート型パーソナルコンピュータは、例えば、本体531,文字等の入力操作のためのキーボード532および画像を表示する表示部533を有している。このようなノート型パーソナルコンピュータにおける表示部533に、上述の入力機能付き表示装置を適用することが可能である。
(適用例4)
図30は、電子機器の第4の例としてのビデオカメラの外観を表したものである。このビデオカメラは、例えば、本体部541,この本体部541の前方側面に設けられた被写体撮影用のレンズ542,撮影時のスタート/ストップスイッチ543および表示部544を有している。このようなビデオカメラにおける表示部544に、上述の入力機能付き表示装置を適用することが可能である。
(適用例5)
図31(A)〜(G)は、電子機器の第5の例としての携帯電話機の外観を表したものである。この携帯電話機は、例えば、上側筐体710と下側筐体720とを連結部(ヒンジ部)730で連結したものであり、ディスプレイ740,サブディスプレイ750,ピクチャーライト760およびカメラ770を有している。このような携帯電話機におけるディスプレイ740またはサブディスプレイ750に、上述の入力機能付き表示装置を適用することが可能である。
<他の実施の形態>
本発明は、上記実施の形態、およびその適用例に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、上記実施の形態等では、バックライト15を備えた液晶パネルからなるI/Oディスプレイパネル20の場合で説明したが、表示用のバックライトが検出用照明を兼ねてもよいし、検出専用の照明を設けてもよい。また、検出用照明に設ける場合には、可視光領域以外の波長領域の光(例えば、赤外光)を用いるのがより好ましい。
また、上記実施の形態等では、バックライト15における1回のON期間またはOFF期間において、1ライン分のセンサ素子33に対してリセット動作あるいは読み出し動作を行う場合(高周波のバックライトの明滅動作を行う場合)について説明したが、この場合には限られない。すなわち、例えば、バックライト15における1回のON期間またはOFF期間において、複数ライン分のセンサ素子33に対してリセット動作あるいは読み出し動作を行う(低周波のバックライトの明滅動作を行う)ようにしてもよい。
さらに、上記実施の形態等では、複数の表示画素31RGBと複数のセンサ素子33とを含む表示パネル(I/Oディスプレイパネル20)を有する入力機能付き表示装置について説明したが、本発明は表示装置以外にも適用可能である。例えば表示機能のない単なるセンサ装置としても適用可能である。この場合、例えばI/Oディスプレイパネル20に代えて、表示画素31RGBを設けずに複数のセンサ素子33のみを1つの面内にマトリクス状に配置することにより構成されたセンサパネルを備えるようにすれば良い。
α…オン動作領域、β1…第1のオフ動作領域、β2…第2のオフ動作領域、11…アプリケーションプログラム実行部、12…表示ドライブ回路、13…受光ドライブ回路、13A…フレームメモリ、14…画像処理部、15…バックライト、20…I/Oディスプレイパネル、21…表示エリア(センサエリア)、22…表示用Hドライバ、23…表示用Vドライバ、24…センサ用Vドライバ、25…センサ読み出し用Hドライバ、31…画素、31R,31G,31B,31RGB…表示画素、32…配線部、33…センサ素子(撮像画素)、41…読み出し線、51…基板、52…ゲート電極、53…ゲート絶縁膜、54…半導体層、54A…p型半導体領域、54B…n型半導体領域、54C…真性半導体領域(i領域)、55…アノード電極、56…カソード電極、57…絶縁膜、510…映像表示画面部、511…フロントパネル、512…フィルターガラス、521…発光部、522…表示部、523…メニュースイッチ、524…シャッターボタン、531…本体、532…キーボード、533…表示部、541…本体部、542…レンズ、543…スタート/ストップスイッチ、544…表示部、710…上部筐体、720…下部筐体、730…連結部、740…ディスプレイ、750…サブディスプレイ、760…ピクチャーライト、770…カメラ、61…指先、611…描画ライン、62…手、621…オブジェクトの移動(手のひらツール)、63A,63B,64,65…手、641…軌跡、642…手形、66…筆、661…画像、Reset…リセット信号線、Read…リード信号線、PD1…第1のダイオード素子、PD2…第2のダイオード素子、Tr1…第1のトランジスタ、Tr2…第2のトランジスタ、Tr3…第3のトランジスタ、C1…コンデンサ、P1…接続点(蓄積ノード)、VDD…電源(電源ライン、電源電圧)、Vrst…リセット電圧(リセット電圧ライン)、V(Reset)…リセット信号電圧、V(Read)…リード信号電圧、Vp1,Vp2…アノード電圧、Vn1,Vn2…カソード電圧、Vg1,Vg2…ゲート電圧、I11…電流(チャージ電流)、I12…電流(ディスチャージ電流)、L0…外光(環境光)、Lon…反射光(バックライトON時の反射光)、f…物体(指)、ob1…物体(ペン)。

Claims (11)

  1. 互いに直列に接続された第1および第2のフォトダイオード素子と、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子と
    を備え、
    前記第1および第2のフォトダイオード素子はそれぞれ、
    基板と、前記基板上に積層された半導体層とを有し、
    前記半導体層は、積層面内において第1の方向に互いに対向するように配置されたp型半導体領域およびn型半導体領域と、前記p型半導体領域と前記n型半導体領域との間に形成された真性半導体領域とを含み、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子は、基本的に同一の構造であり、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とで、時定数が同じになるように、前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さが互いに異なる大きさで構成されている
    センサ素子。
  2. 前記第1のフォトダイオード素子は、入射光量に応じた充電電荷を発生するものであり、
    前記第2のフォトダイオード素子は、入射光量に応じた放電電荷を発生するものであり、
    前記第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子は、前記第1のフォトダイオード素子で発生した充電電荷が、前記第1のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第2のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子へ蓄積される一方、前記第2のフォトダイオード素子で発生した放電電荷が、前記第2のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第1のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子から放出されるように、それぞれ個別にオン・オフ制御がなされるものである
    請求項1に記載のセンサ素子。
  3. 前記第1および第2のフォトダイオード素子はそれぞれ、ゲート電極と、前記p型半導体領域に接続されたアノード電極と、前記n型半導体領域に接続されたカソード電極とをさらに有し、
    前記第1のフォトダイオード素子のアノード電極に前記第2のフォトダイオード素子のカソード電極が接続されることにより、前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とが互いに直列接続され、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子は、前記第1のフォトダイオード素子におけるカソード電極とゲート電極との間の電位関係と、前記第2のフォトダイオード素子におけるアノード電極とゲート電極との間の電位関係とをそれぞれ変化させることにより、それぞれ個別にオン・オフ制御がなされるものである
    請求項2に記載のセンサ素子。
  4. 前記第1のフォトダイオード素子における前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さをL1、前記第2のフォトダイオード素子における前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さをL2とすると、以下の条件(1)を満たすように構成されている
    請求項1ないし3のいずれか1項に記載のセンサ素子。
    L2<L1 ……(1)
  5. さらに、前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とで、前記真性半導体領域の積層面内における、前記第1の方向に直交する第2の方向の長さが互いに異なる大きさで構成されており、
    前記第1のフォトダイオード素子における前記真性半導体領域の前記第2の方向の長さをW1、前記第2のフォトダイオード素子における前記真性半導体領域の前記第2の方向の長さをW2とすると、以下の条件(2)を満たすように構成されている
    請求項4に記載のセンサ素子。
    L2・W2=L1・W1 ……(2)
  6. 入射光量に応じた充電電荷を発生する第1のフォトダイオード素子と、前記第1のフォトダイオード素子に直列接続されると共に入射光量に応じた放電電荷を発生する第2のフォトダイオード素子と、前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子とを有する1または複数のセンサ素子を駆動する際に、
    前記センサ素子として、前記第1および第2のフォトダイオード素子がそれぞれ、基板と、前記基板上に積層された半導体層とを有し、前記半導体層が、積層面内において第1の方向に互いに対向するように配置されたp型半導体領域およびn型半導体領域と、前記p型半導体領域と前記n型半導体領域との間に形成された真性半導体領域とを含み、前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子は、基本的に同一の構造であり、前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とで、時定数が同じになるように、前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さが互いに異なる大きさで構成されているものを使用し、
    前記第1のフォトダイオード素子で発生した充電電荷が、前記第1のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第2のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子へ蓄積される一方、前記第2のフォトダイオード素子で発生した放電電荷が、前記第2のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第1のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子から放出されるように、前記第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とを個別にオン・オフ制御する
    ようにしたセンサ素子の駆動方法。
  7. 1または複数のセンサ素子と、
    前記センサ素子を駆動するセンサ駆動手段と
    を備え、
    前記センサ素子は、
    互いに直列に接続された第1および第2のフォトダイオード素子と、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子と
    を有し、
    前記第1および第2のフォトダイオード素子はそれぞれ、
    基板と、前記基板上に積層された半導体層とを有し、
    前記半導体層は、積層面内において第1の方向に互いに対向するように配置されたp型半導体領域およびn型半導体領域と、前記p型半導体領域と前記n型半導体領域との間に形成された真性半導体領域とを含み、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子は、基本的に同一の構造であり、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とで、時定数が同じになるように、前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さが互いに異なる大きさで構成されている
    センサ装置。
  8. 前記第1のフォトダイオード素子は、入射光量に応じた充電電荷を発生するものであり、
    前記第2のフォトダイオード素子は、入射光量に応じた放電電荷を発生するものであり、
    前記センサ駆動手段は、前記第1のフォトダイオード素子で発生した充電電荷が、前記第1のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第2のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子へ蓄積される一方、前記第2のフォトダイオード素子で発生した放電電荷が、前記第2のフォトダイオード素子がオン状態となると共に前記第1のフォトダイオード素子がオフ状態になることにより前記容量素子から放出されるように、前記第1のフォトダイオード素子と第2のフォトダイオード素子とを個別にオン・オフ制御する
    ようになされている請求項7に記載のセンサ装置。
  9. 前記第1のフォトダイオード素子および前記第2のフォトダイオード素子のオン・オフ状態に同期して点灯・消灯状態が制御され、前記センサ素子に近接する近接物体に対して検出用の照射光を発する照射光源と、
    前記センサ素子から得られる検出信号に基づいて、前記近接物体の位置、形状または大きさの少なくとも1つを含む物体情報を取得する信号処理手段と
    をさらに備え、
    前記センサ駆動手段は、前記照射光源から照射光が照射されているときに、この照射光による反射光と外光との合算光量に応じて前記容量素子に充電電荷が蓄積されると共に、前記照射光源から照射光が照射されていないときに、外光の光量に応じて前記容量素子から放電電荷が放出されるように前記第1のフォトダイオード素子および前記第2のフォトダイオード素子のオン・オフ状態を制御する
    ようになされている請求項8に記載のセンサ装置。
  10. 複数の表示画素と複数のセンサ素子とが配置された表示パネルと、
    前記表示画素を駆動する表示駆動手段と、
    前記センサ素子を駆動するセンサ駆動手段と
    を備え、
    前記複数のセンサ素子はそれぞれ、
    互いに直列に接続された第1および第2のフォトダイオード素子と、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子との接続部分に接続された容量素子と
    を有し、
    前記第1および第2のフォトダイオード素子はそれぞれ、
    基板と、前記基板上に積層された半導体層とを有し、
    前記半導体層は、積層面内において第1の方向に互いに対向するように配置されたp型半導体領域およびn型半導体領域と、前記p型半導体領域と前記n型半導体領域との間に形成された真性半導体領域とを含み、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子は、基本的に同一の構造であり、
    前記第1のフォトダイオード素子と前記第2のフォトダイオード素子とで、時定数が同じになるように、前記真性半導体領域の前記第1の方向の長さが互いに異なる大きさで構成されている
    入力機能付き表示装置。
  11. 請求項10に記載の入力機能付き表示装置を備えた電子機器。
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