JP6118293B2 - ディスプレイ - Google Patents

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Description

(関連出願の相互参照)
本出願は、2013年7月15日に出願された台湾特許出願第102125227号の優先権を主張する。
本発明は、ディスプレイに関し、特には多機能化されたディスプレイに関する。
従来のディスプレイの多くは、映像を表示する表示機能を有するが、表示機能の他に他の機能例えば感知機能を付けたいときは、例えばカメラなどの位置検出センサーを外付けで設置しなければならない。例えば、外付けのカメラを備えたジェスチャーセンサーを差し込んで使用すると、ジェスチャーセンサーに搭載された赤外線感知器によって操作者の動きを捉えることによって非接触で操作者のジェスチャーを検出して制御する機能を実現することができる。しかし、このように従来のディスプレイを表示機能のみならず、他の機能も備えるように多機能化するためには外付けのセンサーを取り付けなければならないので、使い勝手が悪い。このような問題を解決する技術が特許文献1に記載されている。
米国特許出願公開第2010/0045811号明細書
特許文献1に記載の技術は、従来のディスプレイにおけるピクセルエリアに赤外線センサーが直接形成されていることによって、ディスプレイに表示機能と感知機能とを同時に備えることができる。しかしながら、この従来のディスプレイには外付けのセンサーを取付けなくてもよいが、ディスプレイのピクセルエリアを使ってセンサーを形成しなければならないため、開口率が下がり、ディスプレイ全体の輝度が低下し、表示品質に影響を及ぼす問題点がある。
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたもので、表示機能と感知機能とを同時に備えても、ディスプレイの開口率が下がることなく、表示品質を良好に保つことができるディスプレイを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は、複数のピクセルゾーンを有し、第1の方向に複数のスキャンラインが配列され、前記第1の方向と異なる第2の方向に複数のデータラインが前記スキャンラインと交差するように配列され、前記ピクセルゾーンのそれぞれは、前記データラインの隣り合った2本と前記スキャンラインの隣り合った2本とにより画成されている第1の基板と、前記第1の基板から所定の間隔をあけて設けられ、可視光線を透過可能に前記ピクセルゾーンに対応して所定の隙間を開けて並んだ光透過ゾーンと、赤外光を透過させると共に可視光線を遮るように構成された複数のブラックマトリクスとを有する第2の基板と、前記ブラックマトリクスに対応して前記第1の基板に設けられ、複数の赤外線センサーと、前記赤外線センサーに電気的に接続された第1のフォトスイッチとを有するフォトセンシングユニットと、映像の表示のための光源として用いられるバックライトユニットとを、備えていることを特徴とするディスプレイを提供する。
本発明に係るディスプレイは、フォトセンシングユニットを備えていることによって、表示機能と感知機能とを同時に備えても、ディスプレイの開口率が下がることなく、表示品質を良好に保つことができる。
本発明に係るディスプレイの第1の実施の形態の構成を示す図である。 第1の基板の配置構成の一例を示す図である。 第1の実施の形態に係るディスプレイの断面図である。 第1の実施の形態に係るディスプレイの回路図である。 第2の基板の配置構成の一例を示す図である。 第2の基板の配置構成の他例を示す図である。 第2の基板の配置構成の他例を示す図である。 第2の基板が増幅器を有する場合を説明する回路図である。 画素の配置構成の一例を示す図である。 画素の配置構成の他例を示す図である。 本発明に係るディスプレイの第2の実施の形態の構成を示す図である。
以下、本発明のにおけるいくつかの実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一構成及び機能を有する構成要素については、同一番号を付してその説明を省略する。
(第1の実施の形態)
図1〜図10には、本発明に係るディスプレイの第1の実施の形態を示している。図示の如く、第1の実施の形態に係るディスプレイは、第1の基板21と、第2の基板22と、フォトセンシングユニット23と、ライト発生ユニット24と、バックライトユニット25とを備えている。
第1の基板21は、図1に示されているように、第1の方向Xに沿って配列された複数のスキャンラインSと、複数のスキャンラインSと交差するように第2の方向Yに沿って配列された複数のデータラインDとを有し、複数のスキャンラインSにおける隣接した2本のスキャンラインSと複数のデータラインDにおける隣接した2本のデータラインDとによりピクセルゾーンが画成され、ピクセルゾーンのそれぞれは、第1の基板21に形成された1つの画素電極211と、1つの第2のフォトスイッチ212とを有する。第2のフォトスイッチ212のそれぞれは、画素電極211のそれぞれを介して、それぞれのピクセルゾーンに関連してそれぞれのピクセルゾーンへの印加電圧を制御するようになっている。
第2の基板22は、図1に示されているように、第1の基板21から所定の間隔をあけて配置され、表示ゾーン101と表示ゾーン101を取り囲むフレームゾーン102とを画成した表示面100を有する。第2の基板22は、可視光線を透過可能にピクセルゾーンに対応して所定の隙間を開けて並んだ光透過ゾーン221と、赤外光を透過させると共に可視光線を透過不能とするよう遮るように構成された複数のブラックマトリクス222とコモン電極223とを有する。光透過ゾーン221は、可視光線を透過可能に第1の基板21のピクセルゾーンに対応して設けられている。光透過ゾーン221に複数のカラーフィルターが設けられ、この実施の形態では、複数のカラーフィルターとは赤色光を透過させるように構成された赤フィルタR221と、緑色光を透過させるように構成された緑フィルタG221と、青色光を透過させるように構成された青フィルタB221とが用いられる。
コモン電極223は、ブラックマトリクス222とカラーフィルターとを被覆するように設けられている。
この実施の形態では、第1の基板21のピクセルゾーンは、赤フィルターR221に応じて画成されたレッドピクセルRと、緑フィルターG221に応じて画成されたグリーンピクセルGと、青フィルターB221に応じて画成されたブルーピクセルBとを含む。
なお、本実施の形態に係るディスプレイは、第1の基板21がTFT側基板で、第2の基板22がカラーフィルター側基板であり、第1の基板21と第2の基板22との間に液晶分子からなる液晶層が配置されてなる液晶ディスプレイ(LCD)として例示されるが、これに制限されず、有機LEDディスプレイ、エレクトロウェッティングディスプレイなどでもよい。
フォトセンシングユニット23は、ブラックマトリクス222に対応してデータラインD又はスキャンラインSに配置されている。
ここでは、図2に示されているように、第1の基板21において破線で描かれた中央領域は第2の基板22の複数の光透過ゾーン221における1つに対応する。中央領域を除いたマージン領域は、データラインDとスキャンラインSとが配置されるように第2の基板22のブラックマトリクス222に対応して位置される。
この形態では、フォトセンシングユニット23は、複数の赤外線センサー231と、赤外線センサー231に連結された複数の第1のフォトスイッチ232とを有する。赤外線センサー231は、ブラックマトリクス222を通過した赤外線を受信して光電流を発生するように作動可能になっている。第1のフォトスイッチ232は、赤外線センサー231によって発生した光電流を電気信号に変換させる。
赤外線センサー231は、例えばフォトダイオード或いはフォトトランジスターである。また、第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212とは、薄膜トランジスター(TFT)であり、更にIGZOトランジスター(indium−gallium−zinc−oxide transistors)、ポリシリコントランジスター(polycrystalline silicon/Poly−Si)、又は、アモルファスシリコン(amorphous silicon/a−Si)トランジスターであることが好ましい。また、赤外線センサー231は、アモルファスシリコン半導体材料、微結晶合金シリコン半導体材料(microcrystalline silicon semiconductor material)、多結晶シリコン半導体材料、バンドギャップが1.12eV以下の有機材料、1.12eV以下の無機材料からなる群から選ばれた少なくとも1つの材料から作られるフォトダイオードであることが好ましい。なお、1.12eV以下の無機材料は例えばHgCdTeなどであると好ましい。1.12eV以下の無機材料又は有機材料で作らなければならない故は、シリコンベースフォトダイオードは波長が950nm以上の光に対して感度が低いためである。
ここでは、画素電極211は、図2に示されているように、フォトセンシングユニット23とコモンソースライン(Vcom)を共有可能に設けられることに留意されたい。なお、他例として、画素電極211が、コモンソースライン(Vcom)における1つのセットと連結され、フォトセンシングユニット23が、画素電極211と別に、コモンソースライン(Vcom)の他の1つのセットに連結されるように構成することもできる。
ここで、第1のフォトスイッチ232のそれぞれが、ピクセルゾーンの共通の1つに関連して一本のスキャンラインSと一本のデータラインDを第2のフォトスイッチ212と共有可能に設けられることに留意されたい。この場合、第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212とは、読み込み処理と書き出し処理との干渉を防止するために、例えばn型TFTとp型TFTであるような異なるタイプのTFTであることが好ましい。例えば、図4に示されているように、スキャンラインSにおける1本のスキャンラインS2とデータラインDにおける1本のデータラインD9とが選ばれた場合、ピクセルゾーンのそれぞれに関連してn型TFTとp型TFTとをそれぞれ第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212として用い、入れ替わりに導通する。正の半サイクル期間の交流スキャン電圧がスキャンラインS2に印加されると、p型TFT(例えば第2のフォトスイッチ212)が導通せず、n型TFT(例えば第1のフォトスイッチ232)が導通し、データラインD9によって対応する赤外線センサー231から生成されたセンサー信号(例えばフォト電流)を読み込む。その一方、負の半サイクル期間の交流スキャン電圧によって、n型TFTが導通せず、p型TFTが導通すると、データラインD9によって画素電圧を対応する画素電極211に書き入れる。n型TFTとp型TFTとをそれぞれ第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212として用いる構成は高い開口率が必要とする表示装置例えば携帯電話に適用される。また、n型TFTとp型TFTとを共に使用するために、高いキャリア移動度を有し且つ線幅が小さい回路パターンを形成可能なポリシリコンTFTを用いることが好ましい。
また、第1のフォトスイッチ232及び第2のフォトスイッチ212のそれぞれがピクセルゾーンの共通の1つに関連して別々にスキャンラインS又はデータラインDの個々に連結されてもよい。
図5には、第1の実施の形態に係るディスプレイの変形例の構成を示している。この例では、第1のフォトスイッチ232が、第2のフォトスイッチ212とは異なるデータラインDに連結され、ピクセルゾーンの共通の1つに関連して一本のコモンスキャンラインSを第2のフォトスイッチ212と共有するようになっている。更に、図5に示されているように、画素電極211が第1のコモンソースラインVcom1に連結され、フォトセンシングユニット23が画素電極211と異なって第2のコモンソースラインVcom2に連結されている。
図6には、第1の実施の形態に係るディスプレイの他の変形例の構成を示している。第1のフォトスイッチ232が、第2のフォトスイッチ212とは異なるスキャンラインSに連結され、ピクセルゾーンの共通の1つに関連して一本のコモンデータラインDを第2のフォトスイッチ212と共有するようになっている。更に、画素電極211が第1のコモンソースラインVcom1に連結され、また、フォトセンシングユニット23が画素電極211と異なって、第2のコモンソースラインVcom2に連結されている。
図7には、第1の実施の形態に係るディスプレイの他の変形例の構成を示している。第1のフォトスイッチ232が、ピクセルゾーンの共通の1つに関連して一本のコモンデータラインDと一本のコモンスキャンラインSとを第2のフォトスイッチ212と共有しないようになっている。更に、画素電極211が第1のコモンソースラインVcom1と連結され、また、フォトセンシングユニット23が画素電極211と異なって、第2のコモンソースラインVcom2に連結されている。この場合、第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212との一方がn型TFTであり、他方がp型TFTであるが、これに制限されず、両方が共にn型TFTであっても、p型TFTであってもよい。スキャンラインSとデータラインDを互いに関与せずに用いることによって、赤外線センサー231に関連する読み込み処理と、画素電極211に関連する書き込み処理とをそれぞれ行うことができる。従って、上記のように構成された本発明に係るディスプレイは、大きな寸法に適用され、また、アモルファスシリコン(a−Si)TFTが好ましく用いられる。
なお、赤外線センサー231の位置及び数は、ディスプレイの寸法或いは感度要求に応じて決められることに留意されたい。例えば、赤外線センサー231は、それぞれのピクセルの一側に位置される、或いは、3種類のカラーピクセルにおける1種以上の周りを取り囲むようにスキャンラインS又はデータラインDに形成される。データラインDとスキャンラインSとはブラックマトリクス222に応じて所定の位置に設けられているので、ディスプレイの開口率に悪影響を与えることなく赤外線センサー231の配置面積(layout area)を大きくすることができる。
ディスプレイが大きな寸法を有する場合、又は駆動信号の周波数が高い(例えば60Hz)場合、信号対ノイズ比(SN比)に対する要求が高くなり、ノイズを低く抑えるために、フォトセンシングユニット23は、赤外線センサー231の対応する1つの出力電流を調節可能に操作する複数の増幅器233を更に有することに留意されたい(図8参照)。増幅器233は 第1のフォトスイッチ232と第2のフォトスイッチ212と同じくTFTであってもよい。
ライト発生ユニット24は、第1の基板21と第2の基板22の一方に連結されるように、フレームゾーン102に応じて所定の位置に設けられている。ライト発生ユニット24は、フォトセンシングユニット23による感知のための光源として、1例として、赤外光源とレンズ部材とからなる。レンズ部材を介した赤外光源からの赤外線が物体によって反射され、ブラックマトリクス222を通過して赤外線センサー231によって受光されると、センサー信号が生成される。なお、赤外光源としては、赤外線LEDであってもよく、赤外線レーザーであってもよい。
バックライトユニット25は、映像を表示する光源として、第2の基板22と対面して第1の基板21の一側に設けられている。この形態では、図1に示されているように、バックライト25は、導光板251と、導光板251の片側又は表面に設けられ、導光板251と関連して動作可能に構成されたバックライト光源252とを有する。なお、バックライト光源252は、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオード、及び遠赤外発光ダイオードとからなる群から選ばれたものである。なお、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、又は青色発光ダイオードは、励起されると赤外線を発する発光体を含んでもよい。
赤外線センサー231がブラックマトリクス222に応じて定位置に配置されることによって、赤外光線の感知機能をディスプレイ内に内蔵することができるので、赤外線センサー231の配置面積を小さくすることができる。従って、ディスプレイの開口率を低下させずに済む。また、周辺光又はバックライトがブラックマトリクス222を通過する影響がなく、赤外線センサー231の感度を良好に保持することができる。また、赤外線センサー231が例えばPINダイオードなどのフォトダイオードであって、ブラックマトリクス222の下側に配置される場合、赤外線センサー231がコンデンサとして電気エネルギーを蓄積して、ディスプレイの他の構成部材に電力を供給するようになってもよい。
なお、赤外線センサー231が、ソフトウェアを用いた様々な組み合わせの赤外線カメラに構成されると、相互干渉が発生せずに多数の物体を同時に感知することができることに留意されたい。
なお、いくつの光透過ゾーン221には、可視光線の全スペクトルが通過するように、カラーフィルタが配置されなくてよいことに留意されたい。カラーフィルタが配置されない光透過ゾーン221はホワイトピクセルWとして画成され、ディスプレイの輝度レベルを調節することが操作可能になっている。図9と図10には、ホワイトピクセルW、レッドピクセルR、グリーンピクセルG、ブルーピクセルBのいくつかの配置例が例示されている。
なお、本発明に係るディスプレイは、例示された従来のディスプレイ或いはジェスチャー感知/制御ディスプレイに制限されないことに留意されたい。赤外線センサー231が、ピクセルゾーンに従って配置可能であり、また、ディスプレイが、ライト発生ユニット24と、バックライトユニット25とを備えているので、本発明に係るディスプレイは、多岐な分野の要請に応じて、スキャナー、赤外線ディスプレイ或いは暗視ディスプレイとして用いられることも可能である。
なお、ディスプレイはカラーフィルターを用いなくても、グレースケールで表示可能であることに留意されたい。本発明では、他例として、複数の光の色を検出するように操作可能なフォトセンサーが、色映像感知機能を備えるために、応じたピクセルゾーンに組み込まれてもよい。
なお、この実施の形態では、本発明に係るディスプレイは、第1の基板21に連結されたX線センシングユニットを更に有し、X線センシングユニットは、X線を可視光線に変換させる複数のシンチレーターと、シンチレーターからの可視光線を電気信号に変換させる複数のTFTとを有する。この構成によって、本発明に係るディスプレイは、X線感知/表示機能を兼ねることが可能になる。より詳しくは、シンチレーターは、例えばCsIなどの蛍光材料でロッド状に構成されることが可能である。なお、CsIとは、X線を波長範囲がほぼ520nm〜570nm(例えば緑色光の波長範囲)の光に変換させるものであるため、X線センシングユニットは、かかる波長範囲の光を透過することができるようにグリーンピクセルG又はホワイトピクセルWに応じて定位置に配置されることができる。
(第2の実施の形態)
図11には、本発明に係るディスプレイの第2の実施の形態を示している。この実施の形態は、第1の実施の形態と類似しているが、マイクロプロジェクター26を更に有する点で異なる。
マイクロプロジェクター26は、映像を投影するように操作可能に第1の基板21又は第2の基板22に連結されるように設けられている。この形態では、第2の基板22のフレームゾーン102に応じて定位置に配置され、フォトセンシングユニット23とライト発生ユニット24と共にジェスチャー感知機能を果たすようになっている。
例えば、図11に示されているように、ライト発生ユニット24とマイクロプロジェクター26とはフレームゾーン102の上部に配置され、マイクロプロジェクター26によって、2次元の映像或いは3次元の映像を例えばマウス又はキーボードなどの光学的入力/制御インターフェースとしてスクリーンに映させる。タイピングなどのようなバーチャルな入力操作をすると、ライト発生ユニット24からの赤外線が物体のジェスチャーによって反射されて、フォトセンシングユニット23によって感知される。なお、マイクロプロジェクター26は、映像の位置を調節可能に第1の基板21又は第2の基板22に回転可能に連結されてもよい。
上記のように構成された本発明に係るディスプレイは、赤外線センサー231がブラックマトリクス222に応じて定位置に配置され、また、ブラックマトリクス222による赤外線を透過させる固有性質によって、赤外線感知機能も取り入れることができる。従って、高い開口率を確保すると共に、赤外線センサー231が大きな配置面積を確保することもできる。また、赤外線センサー231の感度は、可視光の透過を妨げるブラックマトリクス222により周囲光又はバックライトによる影響を受けずに済む。また、赤外線センサー231の数や配置面積は、ディスプレイの寸法及び赤外線感知機能の感度要請によって調節可能である。また、X線センシングユニットとマイクロプロジェクター26のような機能性部材を備えることによって本発明に係るディスプレイは、例えば、ジェスチャー感知・制御・X線感知・赤外線熱画像・暗視などを兼ねた多機能ディスプレイとして構成可能である。
本発明に係るディスプレイは、物体の姿勢変化、熱画像を感知・制御する機能を兼ねた多機能型ディスプレイとして有利である。
100 表示面
101 表示ゾーン
102 フレームゾーン
21 第1の基板
211 画素電極
212 第2のフォトスイッチ
22 第2の基板
221 光透過ゾーン
222 ブラックマトリクス
223 コモン電極
23 フォトセンシングユニット
231 赤外線センサー
232 第1のフォトスイッチ
233 増幅器
24 ライト発生ユニット
25 バックライトユニット
251 導光板
252 バックライト光源
26 マイクロプロジェクター
D データライン
S スキャンライン
B ブルーピクセル
B221 青フィルタ
G グリーンピクセル
G221 緑フィルタ
R レッドピクセル
R221 赤フィルタ
Vcom1 第1のコモンソースライン
Vcom2 第2のコモンソースライン

Claims (14)

  1. 複数のピクセルゾーンを有し、第1の方向に複数のスキャンラインが配列され、前記第1の方向と異なる第2の方向に複数のデータラインが前記スキャンラインと交差するように配列され、前記ピクセルゾーンのそれぞれは、前記データラインの隣り合った2本と前記スキャンラインの隣り合った2本とにより画成されている第1の基板と、
    前記第1の基板から所定の間隔をあけて設けられ、可視光線を透過可能に前記ピクセルゾーンに対応して所定の隙間を開けて並んだ複数の光透過ゾーンと、赤外光を透過させると共に可視光線を遮るように構成された複数のブラックマトリクスとを有する第2の基板と、
    複数の赤外線センサーと、前記赤外線センサーに電気的に接続された複数の第1のフォトスイッチとを有し、前記赤外線センサーが前記ブラックマトリクスによって完全に覆われるように前記ブラックマトリクスに対応して前記第1の基板の前記データライン又は前記スキャンラインに設けられているフォトセンシングユニットと、
    映像の表示のための光源として用いられるバックライトユニットとを、備え
    前記赤外線センサーが、前記ピクセルゾーンに含まれず、前記ピクセルゾーンから除外されるように設けられていることを特徴とするディスプレイ。
  2. 前記第2の基板には、その光透過ゾーンに複数のカラーフィルターが設けられ、
    前記カラーフィルターのそれぞれは、赤色光、緑色光及び青色光における1種の光を透過可能に構成されていることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  3. 前記第1の基板に連結されると共に、緑色光を透過することができる前記カラーフィルタの位置に相当するように設けられたX線センシングユニットを更に有し、
    前記X線センシングユニットは、X線を可視光線に変換させるシンチレーターと、前記シンチレーターからの前記可視光線を電気信号に変換させる薄膜トランジスターとを有することを特徴とする請求項2に記載のディスプレイ。
  4. 前記フォトセンシングユニットによって感知される光源とするライト発生ユニットを更に有することを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  5. 前記ライト発生ユニットは、赤外光を発生するように作動することを特徴とする請求項4に記載のディスプレイ。
  6. 前記ライト発生ユニットは、赤外光源とレンズ部材とを有することを特徴とする請求項4に記載のディスプレイ。
  7. 映像を投影するように操作可能に前記第1の基板及び前記第2の基板における一方に連結されているマイクロプロジェクターを更に有することを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  8. 前記マイクロプロジェクターは、前記第1の基板及び前記第2の基板における一方に回転可能に連結されていることを特徴とする請求項7に記載のディスプレイ。
  9. 前記バックライトユニットは、導光板と、前記導光板と関連して動作可能に構成されたバックライト光源とを有し、
    前記バックライト光源は、白色発光ダイオード、赤色発光ダイオード、緑色発光ダイオード、青色発光ダイオード、及び遠赤外発光ダイオードとからなる群から選ばれたものであることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  10. 前記第1の基板には、複数の第2のフォトスイッチが設けられ、各前記第2のフォトスイッチは、それぞれの前記ピクセルゾーンに関連してそれぞれの前記ピクセルゾーンへの印加電圧を制御するように構成されることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  11. 前記第1のフォトスイッチと前記第2のフォトスイッチとは、IGZOトランジスター、ポリシリコントランジスター、又は、アモルファスシリコントランジスターであることを特徴とする請求項10に記載のディスプレイ。
  12. 前記赤外線センサーのそれぞれは、アモルファスシリコン半導体材料、微結晶合金シリコン半導体材料、多結晶シリコン半導体材料、バンドギャップが1.12eV以下の有機材料、1.12eV以下の無機材料からなる群から選ばれた少なくとも1つの材料から作られるフォトダイオードであることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  13. 前記フォトセンシングユニットは、複数の前記赤外線センサーにおける一つの出力電流を調節可能に操作する増幅器を更に有することを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
  14. 前記ディスプレイは、液晶ディスプレイ、有機発光ダイオードディスプレイ、又はエレクトロウェッティングディスプレイであることを特徴とする請求項1に記載のディスプレイ。
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