JP7176795B2 - 多機能ディスプレイ - Google Patents

Description

本発明は、静止画又は動画を表示し、外部の信号及び情報を感知及び処理するための多機能ディスプレイに関する。本発明は、特に、不可視の孔と、実質的に遮光性を有する材料とを有するディスプレイに関し、当該材料はディスプレイの外面を形成し、光は、表示される画像の画素を形成する不可視の孔を通って出射される。

光源が配置された基板と、光がディスプレイを出るディスプレイ出射面との間に、孔が形成されたディスプレイパネルを備える、金属、又は他の実質的に透明でない材料等の遮光性材料を備えるディスプレイが、US 9,951,935に記載されている。前述の文献によるディスプレイは、ディスプレイパネルを通って、ＬＥＤ、又はＯＬＥＤ等の光源を備え得る基板から、表示面に形成された孔まで延在する光路を備える。光源から出口開口まで延在する光路は、観察者が画像を見ることができる表示面に出る、概して先細になる又は直径が短くなる形状を有する。ディスプレイパネルは、金属、セラミック、プラスチック、半導体、又は複合材料等の実質的に不透明な固体の材料を使って、パネルの孔のレーザー成形のようなサブトラクティブ法によって、又は材料堆積法のようなアディティブ法によって形成されてもよい。出口開口は、表示された画像の観察者にとっての通常の視距離において、孔が小さすぎて人の肉眼で見えないように、好ましくは２５μｍ未満の直径を有する。孔は約４０μｍから２００μｍまでの距離を離して一定の間隔で配置されてもよいが、その距離は、ディスプレイの表面積当たりに望まれる画素数に依存し、換言すればディスプレイの所望の解像度に依存する。静止画又は動画の画素は、不透明でもよい材料層の表面に形成された観察者に見えない孔を通って出射された光によって形成されるので、様々な材料がディスプレイパネルに使用されてもよい。また、発光開口間の表面領域には、前述の文献US 9,951,935に記載されているような光起電素子等の機能素子が設けられてもよい。さらに、表示面の外観は、様々な特性を有する幅広い材料を表示面に設け得る能力のゆえに、様々な機能的又は審美的な理由に応じて適合され得る。

それでも、前述の特許US 9,951,935に記載されているようなディスプレイの様々な利点にもかかわらず、グラフィカル・ユーザ・インターフェースを有する多くのアプリケーションにおけるディスプレイ装置の遍在性を考慮すると、特に外部の情報又は命令を受信及び処理するためのディスプレイの機能を強化することに関して、ディスプレイの機能性を強化することは有利であろう。

前述のことを考慮して、本発明の目的は、不可視の孔を有する前述の型のディスプレイの利点を有し、静止画又は動画を高い解像度で表示できるだけでなく、ディスプレイの外部の情報を受信及び処理するための機能性を強化できるディスプレイを提供することにある。

低い消費電力を有する機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利であろう。

用途の広い機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利であろう。

堅牢性を有する機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利である。

連続生産性を高くして製造するのに経済的である機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利である。

形態及び機能において非常に融通が利き、多くの異なるアプリケーション及び装置に統合され得る機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利である。

特定の応用に対して、本発明の特定の目的の１つは、ディスプレイの環境からの光信号を受信及び処理し、特に表示面に接触又は近接したオブジェクトの走査を行い得るディスプレイを提供することにある。

非常に正確であり、特に高いコントラスト及び低い消費電力を有する、走査機能を有するディスプレイを提供することは有利であろう。

ユーザの指等のオブジェクトを感知し、それに基づいて命令を受信できる機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利であろう。

オブジェクトの特性を決定するために、又は命令を受信及び処理するために、ディスプレイ上のオブジェクトの接触を感知することを含めて機能性を強化され、オブジェクトの様々な特性を識別する能力があるディスプレイを提供することは有利であろう。

生体認証を含めて機能性を強化されたディスプレイを提供することは有利であろう。

本発明の目的は、独立請求項に記載のディスプレイを提供することによって達成された。

ここには、ディスプレイパネル及び感知出射底部を含む多機能ディスプレイが開示され、ディスプレイパネルは、観察者が見ることができる、又はオブジェクトが置かれ得る表示面と、感知出射底部に面する底面との間に実質的に延在する層を形成する本体を備え、遮光性材料によって境界をつけられた複数の光路が、本体内に形成され、底面の底開口と表示面の表示開口との間に延在し、底開口と表示開口の間の光の通過のために設けられ、感知出射底部は、底開口の下方又は底開口内に置かれた少なくとも１つの多色光源と、底開口の下方又は底開口内に置かれた少なくとも１つの光学センサとを備える。

本発明の第１の態様によれば、ディスプレイは、それぞれ光路間のディスプレイパネルの中実領域の下方に配置された非光学センサを備える。

本発明の第２の態様によれば、ディスプレイは、感知出射底部が、多色光源から光を出射し、同時に表示面に置かれたオブジェクトの表面からの反射光を光学センサで検出すること、及び複数の光路の検出された反射光に基づいて前記表面のイメージをマイクロプロセッサで計算することを実行できる走査機能を備える。

有利な実施形態において、前記イメージは、走査された表面の視覚的な再現のための出力として処理される。

有利な実施形態において、前記イメージは、例えばオブジェクトの識別のための、オブジェクトの特徴付けとして処理される。

有利な実施形態において、表示開口の直径（ＤＯ）は１μｍから２５μｍまでの範囲にあり、隣接した表示開口間の距離（Ｌ）は２５μｍから２００μｍまでの範囲にある。

有利な実施形態において、底開口の直径（ＤＢ）は、２０μｍから１５０μｍまでの範囲にある。

有利な実施形態において、ディスプレイパネルの本体の高さ（Ｈ）は、２０μｍから１０００μｍまでの範囲に、より好ましくは２０μｍから５００μｍまでの範囲にある。

有利な実施形態において、それぞれの光路及び関連した多色光源は、ディスプレイの表示機能において、静止画又は動画の画素を形成する。

有利な実施形態では、走査機能において、感知出射底部は、それぞれの光路について、多色光源から異なる色で光を連続して出射し、同時に光学センサで反射光を連続して検出することを実行でき、それにより、マイクロプロセッサは、それぞれの光路について、連続して検出された反射光の組み合わせから、走査された表面の少なくとも色及び光強度を計算する。

有利な実施形態において、ディスプレイは、それぞれ光路間のディスプレイパネルの中実領域の下方に配置された非光学センサをさらに備える。

有利な実施形態において、非光学センサの密度及び解像度は、光路の密度及び解像度の少なくとも１０％、好ましくは光路の密度及び解像度の少なくとも２５％、より好ましくは光路の密度及び解像度の少なくとも５０％から１００％までに相当する。

有利な実施形態において、非光学センサは、圧力センサ、熱センサ、静電容量センサ、及び磁界センサのうちの任意の１つ以上を含む。

有利な実施形態において、静電容量センサは、表示面に平行な同じ平面に、又は実質的に表示面に平行な同じ平面に配置された第１及び第２電極を備える。

有利な実施形態において、非光学センサは、圧力センサとして使用され得る圧電素子を備える。

有利な実施形態において、圧電素子は、触覚アクチュエータとして、又は音波発生装置として、又は振動発生装置として圧電素子を起動するように設けられた制御システムに接続されてもよい。

有利な実施形態において、非光学センサは感知出射底部の基板上に置かれてもよい。

有利な実施形態において、ディスプレイは表示面に機能層をさらに備え、機能層は、表示面で受け取られた光を電気エネルギーに変換するための感知素子及び／又は太陽電池を備え、特にディスプレイの電源を充電する。

有利な実施形態において、ディスプレイパネルの本体は、遮光性材料、例えば金属又はセラミックで作られてもよい。

あるいは、一実施形態において、ディスプレイパネルの本体は可視光及び／又は赤外光に対して透明な又は不完全に透明な材料で作られてもよく、それにより、光路は遮光性の境界層を備える。

有利な実施形態において、光学センサと非光学センサの組み合わせは、表示面と接触したオブジェクトの特性の測定に使用される。

また、ここには、オブジェクトの表面を走査する方法が開示され、当該方法は、
ａ．前述の請求項の何れかに記載のディスプレイを用意し、
ｂ．多色光源から光を出射し、同時に表示面に置かれた前記表面からの反射光を光学センサで検出し、
ｃ．複数の光路の検出された反射光に基づいて前記表面のイメージをマイクロプロセッサで計算することを備える。

有利な実施形態において、方法は、それぞれの光路について、多色光源から異なる色で光を連続して出射し、同時に光学センサで反射光を連続して検出することを備え、それにより、マイクロプロセッサは、それぞれの光路について、連続して検出された反射光の組み合わせから、走査された表面の少なくとも色及び光強度を計算する。

有利な実施形態において、方法は、それぞれの光路について多色光源から白色光を出射し、同時にそれぞれの光路について反射光の少なくとも色スペクトル及び強度を光学センサで検出することを備える。

有利な実施形態において、方法は、消費電力を低減するために、表示面と接触した表面の輪郭を決定し、前記輪郭内の光源だけを起動することをさらに備える。

有利な実施形態において、輪郭は、ディスプレイの光学センサ及び／又は非光学センサを用いて決定される。

有利な実施形態において、輪郭は、光源の短パルスに対して比較的一定の周囲光を識別することで検出される。光源の短パルスは、対応する光センサの起動及び持続時間と同期される。

本発明のさらに別の目的及び有利な特徴は、特許請求の範囲、詳細な説明、及び添付図面から明らかになるだろう。

本発明の実施形態による感知機能を有するディスプレイの一部の概略断面図であり、ディスプレイの表示面に置かれたオブジェクトを示している。前記オブジェクトは、例えば１枚の紙を構成する。 本発明の変形例によるディスプレイの一部の概略断面図である。 本発明の実施形態によるディスプレイの発光感知基板の概略上面図である。

概略図は、一定の拡大比で描かれることを意図されておらず、本発明の特徴及び原理をより良く説明するために簡略化されており、これらの図は実際の寸法を表していないと理解される。

図を参照して、本発明の実施形態によるディスプレイ２はディスプレイパネル４及び感知出射底部６を備える。検出される表面３を有するオブジェクト１はディスプレイ２の表示面１０に置かれてもよい。

図示された実施形態におけるオブジェクト１は、検出面３に画像又は字句を有する１枚の紙等の基材の断面を表している。

検出面３は、以下により詳細に説明されるように、ディスプレイ２によって感知又は走査されてもよい。

本発明の範囲内において、オブジェクト１は、ユーザの指を含めて、ディスプレイ２が感知することを意図された、表示面に置かれた他の任意の種類のオブジェクトでもよい。

ディスプレイパネル４は、観察者が見ることができる、又はオブジェクト１が置かれ得る表示面１０と、感知出射底部６に面する底面１４との間に実質的に延在する層を形成する本体９を備える。光路２０は、本体９内に形成され、底面１４と表示面１０の間に延在し、それぞれの光路２０は、光路２０の底開口１６と表示面１０の表示開口１２との間の光の通過のためのチャネルを形成する。

好ましい実施形態において、光路は、表示開口１２より大きな表面積を有する底開口１６を有する。開口は、円形又は大体円形の形状を有してもよいが、本発明の範囲内において、底開口及び表示開口は、多角形、正方形、長方形、及び楕円形等のいろいろな形状を有してもよい。その上、表示開口１２は底開口１６の形状と異なる形状を有してもよい。例えば、底開口は正方形であり、表示開口は円形であってもよい。

好ましい実施形態において、底開口から表示開口１２までの光路２０の形状は、低減する表面積又は直径を有しており、それにより、光路２０を形成する境界壁３８の輪郭は、底開口から表示開口に向けて出射された光を集中させるように構成された大体放物線状の形状を有してもよい。しかし、円錐形状又は他の輪郭が本発明の範囲内で提供されてもよい。

図２に示されているように、本発明の範囲内において、底面から表示面に及びその逆向きに光を導くために、底開口１６と表示開口１２の間の光路内に導光体２４を形成することも可能である。

また、底開口と表示開口の間の光路にレンズ２５を設けてもよい。

表示開口１２は、図１に示されているように、即ち充填材料なしに開いていてもよいが、一実施形態において、それぞれの表示開口は、出射された又は受け取られた光を拡散するように配置されたレンズ又はディフューザ２７を設けられてもよい。図２に示されているようなディフューザ２７の例において、ディフューザは、多光源、例えばＲＧＢ（赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ））光源２８の光信号を混合する役目を果たしてもよい。

ディスプレイパネル４の本体９の外面に機能層８を設けてもよい。機能層８は本発明の様々な実施形態に応じて様々な特性を与えられる。

第１の実施形態において、機能層８は、特にディスプレイの電源を充電するために、表示面１０で受け取られた光を電気エネルギーに変換するための光起電材料又は太陽電池を備える。光起電層は、代替的又は付加的に、表示面１０に当たる光の特性を感知するためのセンサとして使用されてもよく、それは、例えば表示開口１２の環境の特性を検出するために使用されてもよい。ディスプレイが例えば太陽光の下で使用されている場合、太陽光の感知は、ディスプレイ２の光源２８の発光強度を調整するために使用されてもよい。

変形例において、機能層は、導電部、圧電部、磁気部、又は表示開口上のオブジェクトの接触を検出するための様々な感知素子を備えてもよい。例えば、機能層構成要素は、指、又はペン、又はレーザービーム等の光のビーム、又はポインティングデバイス、又は他の任意のオブジェクトを検出するために、特に表示面１０上のオブジェクトの特定の位置を見つけるために使用されてもよい。その上、機能層８は、多数の機能を実行し、同時にディスプレイのための電源を供給するために、センサと太陽電池の組み合わせを備えてもよい。

好ましい実施形態において、表示開口１２の直径ＤＯは、好ましくは１μｍから２５μｍまで、より好ましくは２μｍから２０μｍまでの範囲内にあり、隣接した表示開口１２間の距離Ｌは、好ましくは２０μｍから２００μｍまで、より好ましくは２０μｍから１００μｍまでの範囲にある。

好ましい実施形態において、底開口１６の直径ＤＢは、好ましくは２０μｍから１５０μｍまで、より好ましくは５０μｍから１５０μｍまでの範囲にある。光源２８のための底開口１６の比較的大きな面積により、複数の光源及びセンサを底開口１６の出射表面領域内に置くことができる。

好ましい実施形態において、ディスプレイパネル本体９の高さＨは、好ましくは４０μｍから１０００μｍの辺りにあり、より好ましくは４０μｍから５００μｍの辺りにある。

小さな表示開口１２及び表示開口１２間の長い距離Ｌにより、表示面１０は、ディスプレイの全表面領域の９０％を超える例えば９５％辺りの表面領域を、機能層８に利用可能に提供する。このため、表示面のかなりの部分が、光起電層として、任意に他の機能のためのセンサと共に使用されてもよい。従って、パーソナルコンピュータ、スマートフォン、又はスマートウォッチ等の様々な携帯型コンピューティングデバイスで見られるような携帯型ディスプレイにおいて、コンピューティングデバイス又はディスプレイの高い自律性が達成され得る。

その上、パネル材料、又は少なくともその表示面１０のために、様々な遮光性材料、特に光吸収性材料を選択できることで、ガラス表面を有する従来のディスプレイと比較して、強い周囲照明の状況で光源の放射強度を増加させる必要性が著しく低減される。これも本発明の実施形態によるディスプレイの低い消費電力に関与する。

機能層は、例えば本体及び機能層の両方を貫通するレーザー成形技術を使った取り除きによって、又は、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタ蒸着、印刷及びリソグラフィ技術、電気化学めっき、並びにそれらの組み合わせのような、様々な層を堆積させる付加製造技術によって生産された開口を有する本体９の上に直接に統合されて形成されてもよい。

本体９は、金属材料、半導体材料、又は不透明な若しくは不完全に不透明でもよい様々な非晶質若しくは複合材料から作られてもよい。しかし、本体９は透明な材料から作られてもよい。その場合、光路２０は、底開口１６で出射された光が本体９の透明な材料を通ることを抑制又は防止するために、少なくとも不完全に遮光性を有し、任意に反射性を有する境界層３８を備えてもよい。

本体９の不透明な材料、又は透明な若しくは不完全に透明な本体材料を有する変形例における遮光性を有する（即ち、透明でない若しくは不完全に透明でない）境界層３８は、有利に、隣接した光路２０及び関連した表示開口１２の間、並びに隣接した光路の光学センサ３２間の光学的クロストークを防止する。従って、高いコントラスト、解像度、及び色精度を達成しながら、同時にエネルギー捕捉（ＰＶセル）及び感知等の他の機能のために大きな利用可能な表面領域を提供し得る。

従って、本体９を形成する透明な又は不完全に透明な材料を有する実施形態において、表示開口１２間の表示面１０に当たった光は底面１４に伝えられてもよい。透明な本体の変形例において、ディスプレイパネルを通って底面１４に伝えられた光は、環境光の感知目的のために、又はディスプレイのための入力命令として使用される赤外線信号若しくは可視光信号等の光信号を読み取るために使用されてもよい。従って、光学センサは底開口１６間の領域で感知出射底部６に配置されてもよい。

境界層３８は、例えば、反射性を有する金属被覆物、例えば、金、白金、銀、アルミニウム、及びそれらの合金の被覆物を備えてもよい。

感知出射底部は、基板２６、及び基板２６上の光源２８を備えてもよく、光源２８は、ディスプレイパネル４の底開口１６内又は下方に置かれる。

感知出射底部は、基板２６上又は内にセンサ３０をさらに備える。センサ３０は、光路２０を通じて信号を受信するために底開口１６内又は下方に置かれた光学センサ３２を含み、有利な実施形態において、センサは、底開口１６間に配置された本体９の中実領域１８の下方に非光学センサ３４をさらに含んでもよい。発光に使用されるＬＥＤが光センサとして構成されてもよいことに留意されたい。その上、ディスプレイパネル４の本体９が、可視光、又は赤外光、又は紫外光に対して透明な又は不完全に透明な材料から作られる変形例において、中実領域の下方の非光学センサ３４に加えて、光学センサも配置されてもよい。

従って、非光学センサは、非光学センサの種類に応じて、電気的、熱的、機械的、及び音響的信号のうちの任意の１つ以上を含む様々な性質の表示面１０と底面１４の間を伝送される信号を捕捉するために使用されてもよい。

好ましい実施形態において、光学センサ３２は、色光センサ、例えばＲＧＢ（赤、緑、青）光学センサ、及び任意に赤外線センサを含む。光学センサは広域スペクトル光強度センサを含んでもよい。光学センサ３２は、異なるスペクトルのための複数の検出器、又は光学センサの分野で本質的に知られているような１つ以上のマルチスペクトル検出器を含んでもよい。本発明の特定の実施形態において好ましい光学センサは、（少なくともＲＧＢ光出射源のＲＧＢスペクトルを扱う）広域スペクトル輝度センサ、又はＲＧＢ光出射源と類似のＲＧＢスペクトルに対するＲ、Ｇ及びＢセンサ、環境光のための赤外線センサ、及び例えば指からの熱を検出するための赤外線センサを含む。

好ましい実施形態において、少なくとも１つの光学センサ３２、特に輝度センサ又はＲＢＧセンサが、好ましくは底開口１６の中央に又はそのすぐ近くに置かれる。

光学センサ３２は、その周りに、表示開口１２からの光信号の受信を可能にするが、基板２６上に置かれた隣接した光源２８とのクロストークを制限する遮光性分離壁を備えてもよい。代替的又は付加的に、隣接した光源とのクロストークを減少させるために、及び／又はオブジェクト１の表面３から反射された光を導くために、凹レンズ又は空間が光路２０内で光学センサ３２の真上に形成されてもよい。光源２８は、複数の色発光体、特に赤色、緑色、及び青色発光体（ＲＧＢ）２８ｒ、２８ｇ、２８ｂを備えてもよく、それらは、有利な実施形態において、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＯＬＥＤ（有機発光ダイオード）、又はＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザー）の形をとってもよい。前述の発光源は、その技術分野で本質的に公知であり、ここでさらに説明することを必要としない。少なくとも１つの色発光素子が底開口１６下方又は内に設けられる。しかし、好ましい実施形態では、複数の色発光素子（例えば、複数のＬＥＤ、ＯＬＥＤ、又はＶＣＳＥＬ）が底開口１６内に設けられる。後者は、色較正及び測定目的のために、表示開口１２を通って出射される光の強度を最適化すること、及び／又は代替的に様々な発光体をオンオフすることで光強度を変えることをよりきめ細かく制御できること、及び／又は複数の異なるスペクトル（例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂ）の発光体のオンオフを制御することで達成され得る色の範囲を広げることを可能にする。

変形例によれば、図３に最も良く示されているように、複数の光学センサ３２、好ましくは、底開口１６の中央に置かれた少なくとも１つの光学センサ、及び底開口表面領域の一面にばらまかれるように散らされ、又は底開口１６の縁のすぐ近くに配置された他のセンサを有することも可能である。それぞれの光学センサは、他の光学センサと同一でもよいし、又は異なってもよく、例えば、異なる光学センサは異なる感知スペクトルを有してもよい。例えば、光学センサは、可視域の光、赤外光、紫外光、又は赤外部から紫外部までのスペクトルから任意に選択された部分に対して構成されてもよい。また、光強度（又は光輝度）のみを測定する光学センサも含まれてもよい。

中実領域１８の下方に置かれた非光学センサは、特に、圧力センサ３４ｐ、熱又は温度センサ３４ｔ、静電容量センサ３４ｃ、及び磁界センサ３４ｍを備えてもよい。これらのセンサ３４は、表示面１０と接触した、又は表示面１０に近接した生命のある又はないオブジェクト１の様々な特性を検出するために使用されてもよい。また、異なる種類の２つ以上のセンサが、生命のある又はないオブジェクトの特定の性質を決定するために一緒に使用されてもよい。

非光学センサ３４は中実領域１８のそれぞれに置かれてもよく、その間隔及び数は光路２０の間隔及び数に対応するので、非光学センサの解像度はディスプレイの画素の解像度と同じほど高くなり得る。ディスプレイの画素は表示開口１２によって形成され、それにより、それぞれの表示開口１２は、有利に、ディスプレイ２によって表示される静止画又は動画の画素を形成し得る。

底開口１６間に形成されたそれぞれの中実領域１８の下方に非光学センサ３４を置いてもよいが、変形例において、特定の応用のためにより低い感知解像度を提供する場合、例えば３番目又は４番目の中実領域１８ごとにのみセンサを設けることで、センサのない中実領域１８を有することも可能である。また、異なる中実領域１８には、異なるセンサが設けられてもよいし、又はセンサの組み合わせが設けられてもよい。例えば、図示された実施形態において、底開口１６間の中実領域１８には、圧力センサ３４ｐ、熱又は温度センサ３４ｔ、及び静電容量センサ３４ｃを含めて、少なくとも３つのセンサが設けられる。この複数の異なるセンサ３４は、それぞれの中実領域１８の下方に組み合わされて設けられてもよいし、又は個々のセンサとして設けられてもよく、センサは基板２６上に任意の所望のパターンで配置される。

静電容量センサは、表示面１０に接触した又はごく近接したオブジェクトの存在によって変化した電界を測定するために使用されてもよい。

一実施形態において、静電容量センサ３４ｃは、第１中実領域１８－１の下方で第１電位に接続された第１電極３４ｃ１と、隣接した第２中実領域１８－２の下方で第２電位に接続された第２電極とを備えてもよい。表示面１０に接触し又はごく近接し、第１電極と第２電極の間の電界を変えるオブジェクトは、電極間の電位の変化を測定するために電極に接続された電子回路によって検出されてもよい。

他の電極の配置が本発明の範囲内で可能である。例えば、それぞれの中実領域１８の下方において、第１電位の電極は、全ての静電容量センサに共通のグランドのような基準電位に接続された同じ又は本質的に同じ平面内の第２電極から離れて、誘電性ギャップ（例えば、基板２６上の環状の非導電性ギャップ）で囲まれて配置されてもよい。また、静電容量センサの電極は、基板２６内又はディスプレイパネルの本体９内で誘電材料によって分離された層に配置され得る。２つの電極の１つ又は両方は、変形例に応じて、基板２６と本体９の中実領域１８の間の境界領域で、本体の表面上又は基板の表面上に形成され得る。

さらに別の変形例において、それぞれの静電容量センサの電極の１つは、機能層８内に又は機能層８のすぐ近くに置かれてもよい。

機能層８と感知出射底部６基板の間の本体９を通る電気経路は、例えばディスプレイパネル４の付加製造工程中に形成された導電性トラックによって、又はそれぞれの光路の導電性表面３８によって提供されてもよい。電気経路は、光路２０間に形成され、表示面上の光起電素子及び感知素子を、基板２６、又はディスプレイ装置内で基板の下方に設けられた電子回路に相互に接続する役目を果たしてもよい。静電容量センサは、電界に対する外乱を検出するために、又は相補的な電極を分離する距離を機械的に変えることによって使用されてもよい。静電容量センサの解像度は、静電容量センサの分布に応じて、ディスプレイの画素解像度、又はより低い解像度と同等でもよい。

一実施形態において、圧力センサは、ディスプレイパネル本体９の中実領域１８の下方で基板２６上にピエゾ抵抗素子を備えてもよい。また、一実施形態において、圧電素子は、アクチュエータとして能動的に制御され、命令に応じて振動し、又は感知された信号に応答して振動し、例えば表示面１０に印加された圧力に応答して触覚フィードバックを提供してもよい。他の実施形態において、他の圧力感知素子、例えば、本体９又は中実領域１８を介して伝達された局所的な圧力による変形を測定するひずみゲージ、又は相補的な電極を分離する距離の変化の測定による静電容量感知技術を用いた素子を使用してもよい。

従って、ディスプレイパネル４の中実領域１８の下方に置かれた非光学センサ３４は、広域の感知又は非常に局所的な感知のために、ディスプレイの視覚上の画素解像度の解像度まで、非常に局所的な測定を可能にし、表示面に接触した又は表示面に近接した生命のある又はないオブジェクトの特性の正確な測定を可能にし、異なる特性を有するオブジェクト間の正確な識別を可能にする。複数のセンサ３４が光路２０内の光学センサ３２と組み合わされて中実領域１８に設けられてもよいので、複数のセンサからの信号は、オブジェクトの特性の高い識別力のために、例えば生体認証のために結び付けられてもよい。

本体９が不完全に透明な又は完全に透明な材料から作られる変形例において、中実領域に置かれたセンサは、表示面１０に対して近接又は接触したオブジェクトの様々な光学的特性を検出するために使用され得る光学センサをさらに含んでもよい。これは、可視光スペクトル、例えば色、又は単に光強度を検出することを含んでもよい。また、これにより、変形例において、本体の中実領域１８の下方に置かれた赤外線センサによる、本体９を通る赤外線の検出が可能になってもよい。当該赤外線センサは、例えば、ディスプレイによる近接センサ又は動作センサとしての使用のため、又はディスプレイの操作のための赤外線遠隔制御装置からの命令を受信するために設けられる。

非光学センサ３４は、オブジェクトに関する様々な特性を決定するために、光路２０内の光学センサ３２と共に使用されてもよい。

非光学センサは磁界センサを含んでもよい。磁界センサ３４ｍは、例えばホール効果センサ又は磁気抵抗センサ（両方ともその技術分野で本質的に知られている）でもよく、コンパスとしての使用のために又はナビゲーションアプリケーションのために地球の磁界のような一般磁界を検出するように、又は、局所磁界、例えばディスプレイ上の特定の位置で磁界を乱す強磁性又は磁性を有するポインティングペンのようなオブジェクトの存在を検出するように使用されてもよい。従って、磁気センサは、表示面に接触又は近接した導電性又は磁性を有するポインティングデバイス又はペンの位置を決定するために使用されてもよい。また、これにより、ポインティングデバイス又はペンによる様々な入力、例えば、ディスプレイを介して命令を入力すること、又はディスプレイ上にペンで自由に書かれた手書きの字句を取り込むことが可能になる。

圧力センサ及び静電容量センサも、同様に、ディスプレイを介して命令を入力するために、又はディスプレイ上にペンで自由に書かれた手書きの字句を取り込むために使用されてもよい。

熱又は温度センサ３４ｔは異なる構成を有してもよい。一実施形態において、温度センサ３４ｔは、温度変化に敏感な抵抗材料を有する回路トレース（図示せず）によって形成される。抵抗回路トレースの両端間の電圧は、温度を決定するために測定され得る。

ディスプレイの本体９は、有利に、表示面１０と接触したオブジェクト１の温度が、中実領域１８の下方に置かれた熱センサ３４ｔに本体９を通って伝導によって迅速に伝わることを可能にする金属等の優れた熱伝導材料から作られてもよい。ガラス又はポリマーからなる典型的なディスプレイ材料とは反対に、高い熱伝導率を有する様々な金属でディスプレイパネルを製造する能力は、迅速で正確な温度感知機能をディスプレイに与える。ディスプレイパネル本体９は非常に低い高さＨを有するので、薄層の熱容量は、特に本体材料が金属である場合に、非常に小さく、熱は伝導によって迅速に伝わるだろう。これに関して、それは、例えば、例えばディスプレイ上に置かれた指と接触した表面の全域で経時的に及び幾何学的に温度変化を測定することで、生体認証のために、単独で又は他のセンサと共に使用され得る。また、迅速な温度測定によって、例えばユーザの指の接触に基づく入力命令に対して機敏なインターフェースを提供できる。

上述の非光学センサ３４と同様に、温度センサの解像度は、応用の必要性に応じて、ディスプレイによって表示される画像の視覚上の画素解像度と同等でもよいし、又はセンサがとびとびに置かれることでより低い解像度を有してもよい。

また、温度センサの可能な高い解像度の故に、温度感知は、表示面と接触した指紋の隆起部と、表示面と接触しないその間の溝との間の温度差を測定することで、指紋認識を強化又は完全に実行するために使用され得る。代替的又は付加的に、静電容量感知が、ディスプレイと接触した隆起部を測定するために使用され得る。代替的又は付加的に、光路２０内の光学センサ３２も、表示面１０と接触したオブジェクト表面３の画素の色及び光強度を光学的に捕捉し、表面のグラフィック特性を決定するために使用されてもよい。後者は、オブジェクト表面の走査を行い、オブジェクト表面３の再現画像を出力するため、又はオブジェクト表面の様々な光学的特性を記憶及び計算するために使用されてもよい。

また、２つ、又はそれどころか３つ以上の異なる測定技術、即ち光学的及び非光学的測定を使用することで、生体認証を大幅に強化し、特にフォールスポジティブ及びフォールスネガティブを低減できる。また、重要な利点は、ユーザがディスプレイを使用して画像を見たり命令を入力したり又はテキストメッセージを見たり入力する間に、同時に生体認証を行う能力である。

本発明の一態様によれば、多機能ディスプレイ２は走査機能を有する。従って、当該ディスプレイは、静止画又は動画を表示するためのディスプレイとして、並びに、文書、写真、スクリーン上の電子静止画及び動画、織物、及び様々なオブジェクトのような、表示面１０に対して置かれた生命のある又はないオブジェクトの表面を走査するためのスキャナとして動作してもよい。オブジェクトは、人の指、又は他の身体部分、例えば皮膚の一部をさらに含んでもよい。応用は、生体認証を含んでもよいし、又は、例えば、例として病変又は皮膚癌を検出するために、医学的応用を含んでもよい。

従って、本発明の一態様において、ディスプレイ２はカラースキャナとして機能してもよい。この発明によるカラースキャナは、表示面上の直接接触、及び表示開口によって定められた画素精度の故に、幾何学的に非常に正確である。また、この発明によるカラースキャナは、光路２０におけるクロストーク及び周囲光外乱がないので、高いコントラストを有し、色彩的に非常に正確である。この態様によれば、光源２８は光を出射し、それは、光路２０に沿って表示開口１２まで進み、そこに置かれたオブジェクト１の表面３で反射し、反射光は、光路２０を下方に戻り、１つ以上の光学センサ３２によって捕捉される。

第１の実施形態において、異なる色スペクトルを有する光源素子、例えば赤色、緑色、及び青色（ＲＧＢ）光源２８ｒ、２８ｇ、２８ｂが連続してオンオフされてもよく、同時に、光学センサは、オブジェクトの表面３で反射された光信号の色（クロミナンス）及び／又は光強度（輝度）を読み取ってもよい。

オブジェクトが表示開口１２に重ならない位置では、出射された光信号は反射されず、この状況も、表示面１０に接触したオブジェクト表面の輪郭及び存在を確定するために検出され得る。多かれ少なかれ緩やかな周囲光と、光源の同期されたパルス状の光バーストとの差は、容易に検出され得る。

特に、遮光性光路が、隣接した光路間のクロストークだけでなく環境光を遮断し又は少なくとも著しく低減するので、異なる色スペクトルの光の連続した反射により、光学センサは、対応する表示開口１２上に重なった表面の部分の色を正確に測定できる。

別の実施形態において、異なる光源２８ｒ、２８ｇ、２８ｂからの異なる色スペクトルの光が同時に出射されてもよく（例えば、白色光が出射される）、それにより、光学センサ３２は、表示開口１２上に重なったオブジェクトの表面の色を決定するために、反射光の周波数スペクトル及び強度を測定するように構成される。光源のオンオフの周波数は例えば１から１００キロヘルツまでの範囲でもよく、これにより、必要ならば走査の測定精度を証明するための走査行為を行うために、オブジェクト１が表示面１０を横切って移動するようにできる。しかし、ディスプレイの解像度を定める画素数は５００ｄｐｉを超えてもよく、１０００ｄｐｉを超える実施形態において、高解像度の走査機能が提供されることに留意すべきである。

前述のディスプレイの走査機能の重要な利点は、非常に高いコントラスト並びに色及びコントラストの測定精度が成し遂げられ得るように、隣接した光路間のクロストークがないことから生じる。その上、スキャナによって生成された光は小さな全体の表面領域を通って出射されるので、非常に低い電力で走査動作を行い得る。また、同じ理由から、当該ディスプレイは、ガラス、サファイア、又はポリマーのスクリーン面を有する従来のディスプレイと比較して、より低い電力で静止画又は動画を表示できる。

一実施形態において、光学センサ３２又は非光学センサ３４は、表示面と接触した表面３の輪郭を決定するために、ディスプレイのマイクロプロセッサに感知情報を提供してもよい。そのため、走査動作中に光源２８を制御するマイクロプロセッサは、消費電力を低減するために前記輪郭内の光源だけを起動し得る。

表示面１０は、有利に、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）材料又はセラミック材料等の硬質の保護材料層で被覆されてもよいことに留意されたい。表示又は走査された画像の画素を形成する表示開口１２が、全体のディスプレイパネル表面領域の非常にごく一部（５％未満）のみを構成することを考えれば、表示面は、光沢仕上げ、又はマット仕上げ、又はそれどころかパターンのある表面仕上げをさらに施されてもよい。

オブジェクト１
検出面３
ディスプレイ２
ディスプレイパネル４
本体９
機能層８
表示面１０
表示開口１２
底面１４
底開口１６
中実領域１８
中央部３６
光路２０（光チャネル）
集光器２２
境界層３８
ガイド層
導光体２４
レンズ２５
出口ディフューザ２７
感知出射底部６
基板２６
光源２８（ＲＧＢ）
ＬＥＤ、ОＬＥＤ、ＶＣＳＥＬＬ
赤色発光体２８ｒ
緑色発光体２８ｇ
青色発光体２８ｂ
センサ３０
光学センサ３２
ＲＧＢ、赤外線、…
オブジェクト特性及び存在センサ３４
圧力センサ
熱センサ
温度センサ
電界センサ
磁界センサ
接触センサ
近接センサ
表示開口径ＤＯ
底開口径ＤＢ
開口間距離Ｌ
ディスプレイパネル高さＨ

Claims (14)

1. ディスプレイパネル（４）及び感知出射底部（６）を含む多機能ディスプレイ（２）であって、前記ディスプレイパネル（４）は、観察者が見ることができる、又はオブジェクト（１）が置かれ得る表示面（１０）と、前記感知出射底部（６）に面する底面（１４）との間に実質的に延在する層を形成する本体（９）を備え、遮光性材料によって境界をつけられた複数の光路（２０）が、前記本体（９）内に形成され、前記底面（１４）の底開口（１６）と前記表示面（１０）の表示開口（１２）との間に延在し、前記底開口と前記表示開口の間の光の通過のために設けられ、前記底開口（１６）は前記表示開口（１２）より大きな面積を有し、前記感知出射底部は、前記底開口の下方又は前記底開口内に置かれた少なくとも１つの多色光源（２８）と、前記底開口の下方又は前記底開口内に置かれた少なくとも１つの光学センサ（３２）とを備え、前記ディスプレイは、それぞれ光路（２０）間の前記ディスプレイパネル（４）の中実領域（１８）の下方に配置された非光学センサ（３４）を備え、前記光路（２０）のそれぞれと前記遮光性材料の境界は前記底面（１４）から前記表示面（１０）まで延在し、それぞれの光学センサ（３２）は、それぞれの光学センサ（３２）が下方又は内に置かれた前記底開口（１６）以外の前記底開口（１６）を通じて光を受け取らないように、前記底開口（１６）の下方又は前記底開口（１６）内に置かれ、前記光学センサ（３２）と前記非光学センサ（３４）の組み合わせは、前記表示面（１０）と接触した前記オブジェクト（１）の表面上の特性の分布の測定に使用されることを特徴とする、多機能ディスプレイ（２）。
2. 非光学センサの密度及び解像度は、光路の密度及び解像度の少なくとも１０％に相当する、請求項１に記載のディスプレイ。
3. 前記非光学センサは、圧力センサ、熱センサ、静電容量センサ、及び磁界センサのうちの任意の１つ以上を含む、請求項２に記載のディスプレイ。
4. 前記静電容量センサは、前記表示面に平行な同じ平面に、又は実質的に前記表示面に平行な同じ平面に配置された第１及び第２電極を備える、請求項３に記載のディスプレイ。
5. 前記非光学センサは、特に圧力感知のための、圧電素子を備える、請求項１から４の何れかに記載のディスプレイ。
6. 前記圧電素子は、触覚アクチュエータとして、又は音波発生装置として、又は振動発生装置として前記圧電素子を起動するように設けられた制御システムに接続される、請求項５に記載のディスプレイ。
7. 前記非光学センサは前記感知出射底部（６）の基板（２６）上に置かれる、請求項３から６の何れかに記載のディスプレイ。
8. 前記ディスプレイは、前記感知出射底部が、前記多色光源から光を出射し、同時に前記表示面に置かれたオブジェクト（１）の表面（３）からの反射光を前記光学センサで検出すること、及び複数の光路の前記検出された反射光に基づいて前記表面のイメージをマイクロプロセッサで計算することを実行できる走査機能を備える、請求項１から７の何れかに記載のディスプレイ。
9. 前記イメージは、前記走査された表面の視覚的な再現のための出力として、又は前記オブジェクトの特徴付けとして処理される、請求項８に記載のディスプレイ。
10. 前記表示開口の直径（ＤＯ）は１μｍから２５μｍまでの範囲にあり、隣接した表示開口間の距離（Ｌ）は２５μｍから２００μｍまでの範囲にあり、前記底開口の直径（ＤＢ）は２０μｍから１５０μｍまでの範囲にある、請求項１から９の何れかに記載のディスプレイ。
11. それぞれの光路及び関連した多色光源は、前記ディスプレイの表示機能において、静止画又は動画の画素を形成する、請求項１から１０の何れかに記載のディスプレイ。
12. 走査機能において、前記感知出射底部は、それぞれの光路について、前記多色光源から異なる色で光を連続して出射し、同時に前記光学センサで反射光を連続して検出することを実行でき、それにより、マイクロプロセッサは、それぞれの光路について、前記連続して検出された反射光の組み合わせから、走査された表面の少なくとも光強度及び任意に色を計算する、請求項１から１１の何れかに記載のディスプレイ。
13. 前記表示面（１０）において表示開口間に機能層（８）をさらに備え、前記機能層は、前記表示面（１０）で受け取られた光を電気エネルギーに変換するための感知素子及び／又は太陽電池を備え、特に前記ディスプレイの電源を充電する、請求項１から１２の何れかに記載のディスプレイ。
14. 前記ディスプレイパネルの前記本体（９）は、遮光性材料、例えば金属又はセラミックで作られ、あるいは、前記ディスプレイパネルの前記本体（９）は可視光及び／又は赤外光に対して透明な又は不完全に透明な材料で作られ、それにより、前記光路（２０）は遮光性の境界層（３８）を備える、請求項１から１３の何れかに記載のディスプレイ。

Images