KR100687553B1 - 광센서, 광센서의 판독 방법, 매트릭스형 광센서 회로, 및전자 기기 - Google Patents

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Abstract

스위칭 트랜지스터의 기생 용량의 영향을 적게 하여, 수광 소자의 출력을 반영한 값을 보다 정확하게 얻는다.
주사선(131)과 독출선(121)의 교차부에 설치되는 셀 회로(100)는 입사 광량 에 따라 흐르는 전류가 변화하는 포토다이오드(112)와, 게이트가 포토다이오드(112)의 캐소드에 접속되고, 소스가 주사선(131)에 접속되며, 드레인이 독출선(121)에 접속된 TFT(114)를 가진다. 주사선(131)이 선택되는 초기화 기간에서는, 포토다이오드(112)는 순 바이어스로 되고, TFT(114)의 게이트를 소정의 전압으로 초기화한다.
광센서, 매트릭스형 광센서 회로, 독출선, 판독 방법

Description

광센서, 광센서의 판독 방법, 매트릭스형 광센서 회로, 및 전자 기기{OPTICAL SENSOR, METHOD OF READING OPTICAL SENSOR, MATRIX TYPE OPTICAL SENSOR CIRCUIT, AND ELECTRONIC APPARATUS}
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광센서의 구성을 나타내는 도면.
도 2는 도 1의 광센서의 동작을 나타내는 도면.
도 3은 도 1의 광센서의 셀 회로의 배치예를 나타내는 평면도.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광센서의 구성을 나타내는 도면.
도 5는 도 4의 광센서의 동작을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광센서의 구성을 나타내는 도면.
도 7은 도 6의 광센서의 동작을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명의 제 4 실시예에 따른 매트릭스형 광센서 회로의 구성을 나타내는 도면.
도 9는 도 8의 매트릭스형 광센서 회로의 동작을 나타내는 타이밍 차트.
도 10은 셀 회로의 다른 예를 나타내는 도면.
도 11은 셀 회로의 다른 예를 나타내는 도면.
도 12은 광센서를 사용한 휴대전화를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 광센서
20: 매트릭스형 광센서 회로
40: 표시 패널
50: 표시 영역
100: 셀 회로
112: 포토다이오드
114: TFT(트랜지스터)
118: TFT(제2스위칭소자)
125: 스위치(제1스위칭소자)
121: 독출선
131: 주사선
141: 보조 주사선
150: 차전압검출 회로
152: 스위치(제 3 스위칭 소자)
1100: 디지털 스틸 카메라
본 발명은 독출선을 통하여 포토다이오드와 같은 수광소자의 출력을 판독하는 기술에 관한 것이다.
최근, 휴대전화나 개인용 휴대 단말(Personal Digital Assistance) 등의 전자기기에, 액정 소자나 유기 EL 소자 등을 매트릭스 모양으로 배열시킨 표시 패널이 널리 사용되고 있다. 이 표시 패널은 일광(日光)과 같이 매우 밝은 상태로부터 야간과 같이 외광이 거의 없는 상태까지 여러 환경하에서 사용된다. 이 때문에, 외광에 관계 없이 표시 소자의 밝기나 화질이 일정하면, 어느 임의의 조건에서는 보기 쉽지만, 다른 조건에서는 보기가 매우 어려워진다는 문제점이 발생한다. 그래서, 이러한 표시 패널에서는 외광을 검출하는 동시에 그 검출 결과에 맞춰 밝기나 화질을 제어하는 것이 바람직하다. 이러한 제어에 있어서, 외광의 검출에는 포토다이오드와 같은 수광소자를 사용할 수 있지만, 수광소자를 표시 패널과 별도로 설치하면, 전자 기기에 있어서 수광소자를 실장하는 스페이스가 여분으로 필요하게 되거나, 수광소자에 있어서 외광을 검출하기 위한 개구부를 설치할 필요가 있는 등의 문제가 발생한다.
이 문제를 해소하는 대책으로서는, 표시 패널에서의 화소를 스위칭하는 트랜지스터와 공통 프로세스에 의해 수광소자와, 해당 수광소자를 선택하기 위한 트랜지스터의 조(組)를 형성하여, 표시 패널 자체에서 외광을 검출하는 기술이 고려된다. 구체적으로는, 주사선과 독출선(讀出線)의 교차 부분에 수광소자와 트랜지스터의 조를 배치시키는 동시에, 임의의 1개의 주사선을 선택하고, 선택한 주사선에 위치하는 조의 트랜지스터를 온시켜, 해당 조의 수광소자의 출력을 독출선을 통하여 판독하는 기술이 고려된다. 이 기술에서는, 주사선의 선택에 수반하는 노이즈가 독출선에 혼입하여 광량검출의 정밀도를 저하시키므로, 해당 노이즈를 검출하는 동 시에, 검출한 노이즈를 반전하여 독출선에 공급함으로써, 해당 독출선에 나타나는 노이즈를 상쇄하는 기술도 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
(특허문헌1)
일본국 공개특허공보 평9-82931호(도 1 참조)
그러나, 표시 패널에 있어서 트랜지스터나 배선을 형성하면, 여러 부분, 특히 트랜지스터의 게이트나 독출선에 많은 용량이 기생한다. 이 때문에, 수광 소자의 출력 신호를 판독할 때, 게이트 용량이나 독출선에 있어서의 기생 용량에 대한 충방전 때문에, 판독선측에서 수광소자의 출력을 정확하게 추출할 수 없다는 문제가 발생했다. 본 발명은 상기한 사정에 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 기생 용량의 영향을 적게 하여, 수광 소자의 출력을 반영한 값을 정확하게 얻을 수 있는 광센서, 광센서의 판독 방법, 매트릭스형 광센서 회로, 및 전자 기기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광센서는 주사선과 독출선에 대응하여 설치된 광센서로서, 양 단자간에 흐르는 전류가 입사 광량에 따라 변화하는 수광소자와, 게이트가 상기 수광 소자의 일단(一端)에 접속되고, 소스 또는 드레인의 한 쪽이 상기 주사선에 접속되며, 소스 또는 드레인의 다른 쪽이 상기 독출선에 접속된 트랜지스터를 가지며, 상기 주사선이 선택되는 초기화 기간에서 상기 게이트에 소정의 초기화 전압이 인가되고, 해당 초기화 전압의 인가가 해제된 후, 상기 독출선의 전압에 의거하여 상기 수광 광량에 따른 결과를 출력하는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면, 판독 이전에 트랜지스터의 게이트에 초기화 전압을 인가하여 초기화하므로, 해당 트랜지스터의 게이트에 기생하는 용량의 영향을 적게 할 수 있다. 본 발명에 따른 광센서에 있어서, 상기 초기화 전압의 인가가 해제되고 나서, 상기 독출선의 전압이 미리 설정된 임계치 전압에 도달할때까지의 시간을 상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하는 구성으로 하여도 좋다. 본 발명에 따른 광센서에 있어서, 상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하기 전에, 상기 독출선에 소정의 전압을 인가하는 제 1 스위칭 소자를 갖는 구성으로 하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 해당 독출선에 기생하는 용량의 영향도 적게 할 수 있다. 본 발명에 따른 광센서에 있어서, 상기 수광 소자는 상기 초기화 기간에서는 순 바이어스로 되어, 상기 트랜지스터의 게이트에 상기 초기화 전압을 인가 하는 한편, 상기 초기화 기간 종료 후에는 역 바이어스로 되는 다이오드 소자인 구성이 바람직하다. 이 구성에서는, 순 바이어스된 수광 소자에 의해 트랜지스터의 게이트에 전압이 인가되어서 초기화되므로, 구성의 간이화를 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 광센서에 있어서, 상기 초기화 기간에서 온하여, 상기 트랜지스터를 다이오드 접속시키는 동시에, 상기 트랜지스터의 게이트에, 해당 트랜지스터의 임계치 전압에 따른 전압을 인가하는 제 2 스위칭 소자를 가지는 구성으로 하여도 좋다. 이 구성에 의하면, 트랜지스터의 임계치 전압 특성의 영향도 적게 할 수 있다. 이 제 2 스위칭 소자는 주사선에 공급되는 전압 레벨에 따라 온 또는 오프로 되는 구성이 바람직하다. 본 발명에 따른 광센서에 있어서, 상기 독출선에 일단이 접속된 용량 소자와, 상기 초기화 기간에서 용량 소자의 양단을 단락시키는 제 3 스위칭 소자를 가지고, 해당 초기화 전압의 인가가 해제된 후에 있어서, 상기 용량 소자의 타단에 나타나는 전압을 상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하는 구성으로 하여도 좋다. 또, 상기 광센서는 광센서의 판독 방법으로서도 개념적으로 파악할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 매트릭스형 광센서 회로는 복수의 주사선과 복수의 독출선에 대응하여 설치된 셀 회로와, 복수의 주사선 중, 초기화 기간에서는 하나의 주사선을 선택하고, 계속되는 검출 기간에서는 주사선의 전부를 비선택으로 하고, 다음 초기화 기간에서는 다른 주사선을 선택하는 주사 회로와, 선택된 주사선에 위치하는 광센서의 출력 신호를 검출 기간에서의 독출선의 전압 또는 상기 독출선에 흐르는 전류를 판독하는 판독 회로를 가지며, 상기 셀 회로의 각각은, 양 단자간에 흐르는 전류가 입사 광량에 따라 변화하는 수광소자와, 게이트가 상기 수광 소자의 일단에 접속되고, 소스 또는 드레인의 한 쪽이 상기 주사선에 접속되며, 소스 또는 드레인의 다른 쪽이 상기 독출선에 접속된 트랜지스터를 가지는 것을 특징으로 한다. 이 구성에 의하면, 상기 광센서와 같은 방법으로, 트랜지스터의 게이트에 기생하는 용량의 영향을 적게 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 전자 기기는, 상기 광센서 또는 상기 매트릭스형 광센서 회로를 가지므로, 표시 패널내에 만들어 넣는 것이 용이하게 된다.　
이하, 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조해서 설명한다.
<제 1 실시예>
먼저, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 광센서에 관하여 설명한다. 도 1은, 이 광센서의 주요부 구성을 나타내는 도면이다. 이 도면에 표시되는 광센서(10)에 포함되는 셀 회로(100)는, 예를 들면 도 3의 (a)에 나타나 있는 바와 같이, 액정 패널이나 유기 EL 패널의 기판 상에 있어서, 표시 영역(50)의 외측 가장자리에 위치하는 프레임(frame)(52)의 네 코너 중의 2개소에 설치된 것이다. 여기에서, 표시 영역(50)은 표시에 기여하는 화소의 배열 영역이다. 또한, 이 표시 패널은 TFT로 화소를 스위칭하는 액티브 매트릭스형이지만, 그 구성에 대해서는, 본 발명과 특별히 관계되지 않으므로 그 설명을 생략한다.
도 1에 있어서, 셀 회로(100)는 주사선(131)과 독출선(121)과의 교차부에 대응하여 설치되며, 포토다이오드(112) 및 TFT(114)를 가진다. 이 중, TFT(트랜지스터)(114)는 p채널형이며, 상기 표시 패널에 있어서 화소를 스위칭하는 TFT와 동일 프로세스에서 형성된 것이다. 이 TFT(114)의 드레인(D)은 주사 신호 Scan-i가 공급되는 주사선(131)에 접속되는 한편, TFT(114)의 소스(S)는, 독출선(121)에 접속되어 있다. 또한, 주사 신호 Scan의 접미어(-i)의 의미에 관해서는 후술한다. 한편, TFT(114)의 게이트는 포토다이오드(112)의 캐소드에 접속되어 있다. 이 포토다이오드(112)는 예를 들면 PIN형이며, TFT(114)나, 상기 표시 패널에 있어서 화소를 스위칭하는 TFT와 공통 프로세스로 형성된다. 또한, 포토다이오드(112)의 애노드는 주사선(131)에 접속되어 있다.
또한, 설명의 편의상, TFT(114)의 게이트(포토다이오드(112)의 캐소드)를 노드N으로 표기하는 동시에, 이 노드 N에 기생하는 용량을, 도 1에서 파선으로 나타 낸 바와 같이 Cb로 표기한다. 또한 포토다이오드(112)는 수광 소자의 일례이며, 수광 광량에 따라 흐르는 전류가 변화하는 소자이면 적용 가능하다.
한편, 독출선(121)의 일단은, 전압계(123) 및 스위치(125)의 일단에 접속되어 있다. 여기에서, 독출선(121)은 표시 패널에 형성되어 있으므로, 용량이 기생한다. 도 1에서는, 이 기생 용량이 파선 Ca로 나타낸다. 전압계(123)는 전압의 기준이 되는 전위 Gnd와 독출선(121)의 전위차(전압)을 계측하고, 그 계측 결과Read-j를 도면에 나타내지 않은 제어계에 출력하는 것이다. 또한, 계측 결과Read-j의 접미어(-j)의 의미에 관해서는 후술한다. 스위치(125)(제 1 스위칭 소자)는, 제어신호 Rst가 H 레벨인 경우에만 일단 및 타단간에서 온으로 되며, 해당 타단은 전압 V1을 공급하는 기준 전압원(126)의 양극 단자에 접속되어 있다. 또, 기준 전압원(125)의 음극 단자는 전위 Gnd에 접지되어 있다. 또한, 제어 신호 Rst는, 도면에 도시하지 않은 구성으로부터 공급되어, 주사 신호 Scan-i가 전압 V1(H 레벨)이 되었을 경우에 H 레벨로 된다.
다음에, 상기 구성에 의한 광센서(10)의 동작에 대하여 설명한다. 도 2는, 이 동작을 설명하기 위한 각부의 전압파형도이다. 이 도면에 나타나 있는 바와 같이, 광센서(10)에서는, 우선, 초기화 기간에서, 주사 신호 Scan-i가 H 레벨로 된다. 이 때문에, 포토다이오드(112)는 순 바이어스로 된다. 여기에서, 포토다이오드(112)의 순 바이어스 방향의 임계치 전압을 Vthph 로 나타내면, 노드 N(TFT(114)의 게이트, 포토다이오드(112)의 캐소드)에는, H 레벨에 해당하는 전압 V1 에서 임계치 전압 Vthph 을 뺀 전압(V1-Vthph)이 초기화 전압으로서 인가된다. 또, 이 초기화 전압(V1-Vthph)은, 기생 용량 Cb에 의해 유지된다. 한편, 초기화 기간에서 주사 신호 Scan-i가 H 레벨이 되면, 제어 신호 Rst도 H 레벨이 되므로, 스위치(125)가 온한다. 이 때문에, 독출선(121)도 전압 V1 로 된다.
다음에 초기화 기간이 종료하고, 주사 신호 Scan-i가 L 레벨이 되어서 전위 Gnd로 변화하면, 포토다이오드(112)는 역 바이어스로 된다. 이 때문에, 포토다이오드(112)에는, 수광 광량에 따른 전류가 흐르고, 용량 Cb에 축적된 전하가 누설하는 결과, 노드 N은 초기화 전압(V1-Vthph)으로부터 저하한다. 이 때, 포토다이오드(112)로의 입사 광량이 많아짐에 따라서, 노드 N의 전압 저하율이 커진다. 노드 N의 전압이 저하함에 따라서, p채널 TFT(114)의 소스·드레인간의 저항이 작아진다. 이 때문에, 독출선(121)에는 용량 Ca에 의해 유지된 전하가 독출선(121) → TFT(114) → 주사선(131) 인 경로로 누설하므로, 독출선(121)은 전압 V1으로부터, 포토다이오드(112)로의 수광광량이 많을수록, 시간적으로 빠르게 저하하게 된다. 따라서, 초기화 기간 후에 있어서의 독출선(121)의 전압 변화를 해석하는 것으로써 포토다이오드(112)로 입사 광량을 반영한 값을 취득할 수 있다. 예를 들면, 제어계에 있어서, 계측 결과 Read-j와 미리 설정한 임계치 전압 Vth와의 대소 관계를 비교하는 것과 함께, 초기화 기간 종료 후부터, 전압 Read-j가 임계치 전압 Vth에 달할때 까지의 시간을 계측 함으로써, 포토다이오드(112)로의 입사 광량을 반영한 값을 취득할 수 있다. 그리고, 제어계는 취득한 값에 따라, 화소의 밝기나 화질을 조정 함으로써, 사용 환경에 따라 표시 패널의 특성을 적절하게 제어하는 것이 가능하게 된다.
본 실시예에서는 초기화 기간에서 TFT(114)의 게이트에 초기화 전압(V1-Vthph)을 인가한 후에, 포토다이오드(112)의 수광 광량에 따른 출력을 해당 게이트에 입력하므로, TFT(114)의 기생 용량 Cb에 의한 영향을 받기 어렵다. 마찬가지로, 초기화 기간에서 독출선(121)을 전압 V1 에 프리챠지(precharge)한 후에, 포토다이오드(112)의 수광 광량에 따른 출력을 판독하도록 하고 있으므로, 독출선(121)의 기생 용량 Ca에 의한 영향도 받지 않고, 포토다이오드(112)에의 입사광량을 반영한 값을 정확하게 취득할 수 있다. 즉, 수광 광량이 시시각각 변화되는 환경하에 있어서 일정 주기로 되풀이해 계측하는 경우, 초기화 하지 않은 구성에서는 각 계측 타이밍에 있어서, 게이트는 용량 Cb에 의해, 독출선(121)은 용량 Ca에 의해, 각각 어느 임의의 전압에 유지되어 있으므로, 초기 상태가 확정되지 않고, 충방전에 따른 전압 변화를 정확하게 계측할 수 없다. 이에 대하여, 본실시예에서는 게이트 전압, 독출선(121)의 전압 상태를, 각각 초기화 기간에서 확정시키고 나서, 포토다이오드(112)의 수광 광량에 따른 출력을 판독하도록 하고 있으므로, 용량 Ca, Cb가 기생해도 그 영향을 받기 어렵다.
또한, 상기한 실시예에서는 초기화 기간에 독출선(121)을 전압 V1 로 하였지만, 미리 정해진 전압이면 되므로, 전압 V1에 한정될 필요는 없다. 또한, 표시 패 널에 대하여 광센서(10)는, 도 3의 (a)에 나타나 있는 것 이외에, 예를 들면 도 3의 (b)에 나타나 있는 바와 같이, 프레임(52)에 있어서 균등하게 복수 배치하거나, 도 3의 (c)에 나타나 있는 바와 같이, 표시 영역(50)에 있어서의 네 코너의 2개소 이상에 배치하거나 하여도 좋다.
<제 2 실시예>
다음에, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 광센서에 대해서, 도 4를 참조해서 설명한다. 이 도면에 표시되는 셀 회로(100)가 도 1에 표시한 제 1 실시예와 상이한 점은, 주로, 첫 번째로는 TFT(118)(제 2 스위칭소자)을 가지는 점과, 두 번째로는 급전선(142)을 가지는 점이다. 먼저, 첫 번째 차이점에 대해서 설명하면, TFT(118)의 드레인은 노드 N에 접속되는 한편, TFT(118)의 소스는 급전선(142)에 접속되고, TFT(118)의 게이트는 주사선(131)에 접속되어 있다. 다음으로 두 번째 차이점에 대해서 설명하면, 급전선(142)은 전원 전압의 저위(低位)측 전압 Vss를 급전하는 것이며, TFT(114)의 드레인이 접속되어 있다. 또한, 포토다이오드(112)의 애노드는 일정 전압으로 바이어스되는 한편, 노드 N과 급전선(142) 사이에 용량소자 Cc가 전기적으로 개재되어 있다. 그 외에 대해서는, 제 1 실시예와 같은 구성으로 되어 있다.
다음에, 상기 구성에 의한 광센서(10)의 동작에 대하여 설명한다. 도 5는 이 동작을 설명하기 위한 각부의 전압파형도이다. 우선, 초기화 기간에서, 주사 신호 Scan-i가 H 레벨이 되므로, TFT(118)가 온하는 결과, TFT(114)가 다이오드 접 속된다. 한편, 독출선(121)은 초기화 기간에서는 제 1 실시예와 같이, 전압 V1 으로 초기화된다. 이 때문에, 전류가 독출선(121) → TFT(114) → 급전선(142) 인 경로로 흐르므로, 노드 N은 포토다이오드(112)의 수광 광량과는 거의 관계없이, 전압 V1 에서 TFT(114)의 임계치 전압 Vthp 를 뺀 전압(V1-Vthp)으로 된다. 제 2 실시예에서는 이 전압(V1-Vthp)이 초기화 전압이 된다. 그리고, 노드 N의 전압(V1-Vthp)은 용량소자 Cc에 의해 유지된다.
다음에, 초기화 기간이 종료하고, 주사 신호 Scan-i가 L 레벨이 되면, TFT(118)가 오프되므로, 포토다이오드(112)에는 수광 광량에 따른 전류가 흐르고, 용량소자 Cc에 축적된 전하가 누설하는 결과, 노드 N은 초기화 전압 (V1-Vthp)으로부터 저하한다. 여기에서, 노드 N의 전압이 저하함에 따라서, p채널 TFT(114)의 소스·드레인간의 저항이 작아진다. 이 때문에, 독출선(121)에서는, 용량 Ca에 의해 유지된 전하가 독출선(121) → TFT(114) → 급전선(142) 인 경로로 누설하므로, 독출선(121)은, 전압 V1 으로부터, 포토다이오드(112)에의 수광 광량이 많을수록, 시간적으로 빠르게 저하하게 된다. 따라서, 제 2 실시예에 있어서도, 초기화 기간후에 있어서의 독출선(121)의 전압 변화를 해석하는 것으로써 포토다이오드(112)에의 입사 광량을 반영한 값을 취득할 수 있다.
또한, 제 2 실시예에서는 TFT(114)의 게이트를, 전압 (V1-Vthp)로부터, 즉 TFT(114)의 임계치 전압 Vthp을 반영시킨 전압으로부터 전압 변화시키고 있으므로, TFT(114)의 임계치 전압 Vthp이, 독출선(121)에서의 전압 변화에 영향을 주지 않는다. 이 점에 대해서 상세하게 설명하면, 초기화 기간 종료후의, 어느 임의의 시간에 있어서의 노드 N의 전압 저하분을 △V 라 할때, 해당 시간에서의 노드 N의 전압 Vg는 다음식과 같이 나타낼 수 있다.
Vg = V1- Vthp- △V ……（a)
한편, TFT(114)의 소스·드레인간에 흐르는 전류 I는, 노드 N의 전압 Vg 로 정해지고, 다음과 같이 나타낸다.
I = (β/2) (V1-Vg-Vthp)2…… (b)
또한, 이 식에 있어서 β는 TFT(114)의 이득 계수이다. 식 (b)에 식 (a)을 대입해서 정리하면,
I = (β/2) (△V)2…… (c) 이 된다. 이 식 (c)에 나타나 있는 바와 같이, 초기화 기간 후에 있어서 TFT(114)에 흐르는 전류 I는, TFT(114)의 임계치 Vthp에 의존 하지 않고, 전압 변화분 △V 만에 의해 정해지게 된다. 따라서, 독출선(121)에서의 전압은 TFT(114)의 임계치 Vthp에 의존하지 않고, 전압 변화 분 △V(즉, 포토다이오드(112)의 수광 광량)에 의해서만 변화되므로, 셀 회로(100)를 복수 설치할 경우에, TFT(114)의 임계치 전압 Vthp 특성의 변동에 의한 영향을 적게 하는 것이 가능하게 된다.
또한, 상기한 제 1 및 제 2 실시예에서는 TFT(114)를 p채널형이라고 했지만, n채널형으로 해도 된다. TFT(114)를 n채널형으로 할 경우에는, 소스, 드레인의 접속점이 바뀔 수 있다.
<제 3 실시예>
다음에 본 발명의 제 3 실시예에 따른 광센서에 대해서, 도 6을 참조해서 설명한다. 이 도면에 나타낸 셀 회로(100)가 도 4에 나타낸 제 2 실시예와 상이한 점은, 주로, 첫 번째로 급전선(142) 대신에, 보조 주사 신호 Vread-i가 공급되는 보조 주사선(141)이 설치되어 있는 점과, 두 번째로 독출선(121)의 일단에 차전압(差電壓) 출력 회로(150)가 설치되어 있는 점이다. 또, 본 실시예에서는 TFT(114)를 n채널형으로 하고 있다. 제 2 상이점에 대해서 설명하면, 차전압 출력 회로(150)는 용량소자(Cｄ), 스위치(125, 152)(제 3 스위칭 소자) 및 증폭기(154)를 포함하는 구성이다. 이 중, 용량소자(Cｄ)의 일단은, 독출선(121)의 일단 및 스위치(125)의 일단에 각각 접속되어 있다. 한편, 용량 소자(Cｄ)의 타단은, 스위치(152)의 일단 및 증폭기(154)의 입력단에 각각 접속되어 있다. 스위치(125, 152)는 제어 신호 Rst가 H 레벨이 되었을 때에，함께 온하는 것이며, 양자의 타단은 전위 Gnd에 공통 접지되어 있다. 즉, 스위치(125)의 온에 의해 독출선(121)이 접지 전위 Gnd로 초기화되는 동시에, 스위치(152)의 온에 의해 용량소자(Cd)에 축적된 전하가 클리어되는 구성으로 되어 있다. 증폭기(154)는 용량소자(Cｄ)의 타단에 나타나는 전압을 증폭해 차전압 Dif-j로서 출력하는 것이다. 그 외에 대해서는, 제 2 실시예와 같은 구성으로 되어 있다.
다음에, 상기 구성에 의한 광센서(10)의 동작에 대하여 설명한다. 도 7은 이 동작을 설명하기 위한 각부의 전압파형도이다. 먼저, 초기화 기간에서, 주사 신호 Scan-i가 H 레벨로 되면, TFT(118)가 온하는 결과, TFT(114)가 다이오드 접속된다. 또한, 초기화 기간에서는 보조 주사 신호 Vread-i가 H 레벨이 되므로, 스위치(125, 152)가 온한다. 이 때문에, 독출선(121)은 전위 Gnd로 초기화되는 동시에, 용량소자(Cd)에 축적된 전하도 클리어된다. 따라서 증폭기(154)의 출력인 차전압 Dif-j는 이 전하의 클리어에 따라서 전위 Gnd로 저하한다. 또한, 보조 주사 신호 Vread-i가 H 레벨로 되는 것에 의해, 전류가 보조 주사선 (141) → TFT(114) → 독출선(121)인 경로로 흐르므로, 노드 N은 포토다이오드(112)의 수광 광량과는 거의 관계없이 TFT(114)의 임계치 전압 Vthn 으로 된다.
다음에, 초기화 기간이 종료하면, 주사 신호 Scan-i, 제어 신호 Rst가 함께 L 레벨이 되지만, 보조 주사 신호 Vread-i는 H 레벨을 유지한다. 주사 신호 Scan-i가 L 레벨이 됨으로써 TFT(118)가 오프되는 동시에, 제어 신호 Rst가 L 레벨이 됨으로써 스위치(125, 152)가 오프된다. 한편, 보조 주사 신호 Vread-i가 H 레벨을 유지하므로, TFT(114)의 소스·드레인간의 도통 상태는, 노드 N의 전압에 따라 정해지게 된다. 여기에서, 노드 N의 전압은 포토다이오드(112)로의 수광 광량이 많을수록 작아지게 되어, TFT(114)의 소스·드레인간의 저항치를 크게 되게 한다. 독출선(121)은, 전위 Gnd로 초기화된 후에, TFT(114)의 소스·드레인간의 저항치 에 따라 H 레벨의 보조 주사 신호 Vread-i로 이끌려지므로, 포토다이오드(112)로의 수광 광량이 많을수록 전압 상승률이 작아지게 된다. 용량소자(Cｄ)의 타단에는 이 전압 변화에 따른 전압이 나타나고, 이 전압을 차전압 Dif-j로서 증폭기(154)가 출력하게 된다.
따라서 초기화 기간 종료후에 있어서 보조 주사 신호 Vread-j가 H 레벨의 기간에 출력되는 차전압 Dif-j는, TFT(114)의 게이트에 기생하는 용량(도 6에서는 도면에 나타내지 않음)이나, 독출선(121)에 기생하는 용량 Ca에 의해 유지된 전압의 영향을 거의 받지 않고 출력된다. 또한, 제 3 실시예에서도 초기화 기간 후에 있어서 TFT(114)의 소스·드레인간에 흐르는 전류는 제 2 실시예와 같이 TFT(114)의 임계치 전압 Vthn 에 의존하지 않으므로, 차전압 Dif-j도 TFT(114)의 임계치 전압 Vthn 특성의 변동에 의한 영향을 받기 어렵다. 이 때문에, 예를 들면 셀 회로(100)를 복수 설치할 경우에, TFT(114)의 임계치 전압 Vthn 의 변동을 제거하여, 차전압Dif-j의 출력 특성을 셀 회로마다 갖추는 것이 가능하게 된다. 또, 보조 주사 신호 Vread-i가 L 레벨인 기간에서는, 전류가 상기 경로에 따라서 흐르지 않으므로, 제 3 실시예에서는 독출 금지 기간이 된다. 또한 제 3 실시예에서는 TFT(114)를 n채널형으로 하였지만, p채널형으로 해도 된다.
<제 4 실시예>
상기한 제 1 내지 제 3 실시예에서는 설명의 편의상, 셀 회로(100)를 단수로 하였지만, 실제로는 복수개인 쪽이 실용적이다. 그래서, 제 4 실시예로서, 셀 회로(100)를 복수개 설치한 매트릭스형 광센서 회로에 관하여 설명하기로 한다. 도 8은 이 매트릭스형 광센서 회로의 구성을 나타내는 블럭도이다. 이 도면에 나타나 있는 바와 같이, 매트릭스형 광센서 회로(20)에서는, 복수 개의 주사선(131)이 횡방향(X방향)으로 연장하여 접속되는 한편, 복수 개의 독출선(121)이 도면에 있어서 종방향(Y방향)으로 연장하여 설치되어 있다. 그리고 이들 주사선(131)과 독출선(121)의 교차부 각각에 대응하도록 셀 회로(100)가 각각 설치되어 있다. 여기에서 설명의 편의상, 본 실시예에서는 주사선(131)의 개수(행수)를 「m」으로 하고, 독출선(121)의 개수(열수)를 「n」으로 하여, 셀 회로(100)가 세로 ｍ행 × 가로 n열의 매트릭스 모양으로 배열하는 구성을 상정한다. 다만, 본 발명을 이 배열에 한정하는 취지는 아니다.
또, 셀 회로(100)는 상기한 제 1 내지 제 3 실시예의 어느 것에도 적용가능지만, 여기에서는 제 3 실시예의 셀 회로(100)(도 6 참조)를 적용한 구성을 상정한다. 따라서 1행 ∼ ｍ행의 주사선(131)의 각각에 대응하도록, 보조 주사선 (141)이 각각 설치되어 있다.
주사 회로(24)는 1행마다 주사선(131)을 선택하는 동시에, 선택한 주사선(131)에 대하여 H 레벨의 주사 신호를 공급하는 동시에, 이 선택에 동기한 보조 주사 신호를 보조 주사선(141)에 공급하는 것 이외에, 이 선택에 동기한 제어 신호 Rst를 출력하는 것이다. 여기에서, 설명의 편의상, ｉ행째 (i는, 1≤i≤m을 만족하는 정수이며, 행을 일반화하여 설명하기 위한 것)의 주사선(131)에 공급되는 주사 신호를 Scan-i로 표기한다. 마찬가지로, ｉ행째의 보조 주사선(141)에 공급되는 보조 주사 신호를 Vread-i로 표기한다.
한편, 독출선(121)의 각 일단에는, 차전압 출력 회로(150)가 설치되는 동시에, 상기 제어 신호 Rst가 공급되어 있다. 여기에서, 설명의 편의상, j열째 (j는, 1≤j≤n을 만족하는 정수이며, 열을 일반화해서 설명하기 위한 것)의 독출선(121)의 차전압 출력 회로(150)로부터 출력되는 차전압이, 도 8에 있어서 Dif-j로 표기되어 있다. 판독 회로(26)는 각 독출선(121)에 대응하는 차전압 출력 회로(150)로부터 출력되는 차전압 Dif-1, Dif-2, Dif-3, …, Dif-n을 판독하고, 도면에 나타내지 않은 제어계에 출력하는 구성으로 되어 있다. 또한, 이 구성에 있어서 제어 신호Rst는 주사 신호 Scan-1, Scan-2, Scan-3, …, Scan-m의 논리합(logical sum) 신호에 상당한다.
다음으로, 이와 같이 구성된 매트릭스형 광센서 회로(20)의 동작에 대하여 설명한다. 도 9는 매트릭스형 광센서 회로(20)의 동작을 설명하기 위한 타이밍 차트이다. 이 도면에 나타나 있는 바와 같이, 주사 회로(24)는, 1행∼ｍ행의 주사선(131)을 일정한 간격을 두고 순서대로 1개씩 선택하고, 선택한 주사선(131)에 대하여 H 레벨의 주사 신호를 공급하는 동시에, 주사선(131)의 선택 후, 해당 주사선(131)에 대응하는 보조 주사선(141)에의 보조 주사 신호를, 다음 주사선(131)을 선택할때까지 H 레벨로 한다. 따라서 이 매트릭스형 광센서 회로(20)에서는 주사선(131)의 선택시에 있어서 TFT(114)의 게이트와 독출선(121)이 초기화되는 동시에, 초기화 후에 독출선(121)의 전압을 검출하는 동작이, 각 행의 셀 회로(100)에 대해서 순서대로 시분할적으로 실행되게 된다.
또, 이 제 4 실시예에서는 제 3 실시예에 따른 셀 회로(100)(도 6 참조)를 매트릭스 모양으로 배열했지만, 제 1 실시예에 따른 셀 회로(100)(도 1 참조)를 적용할 경우에는, 보조 주사선(141) 및 차전압 출력 회로(150)나, 이것들에 부대하는 구성이 불필요하게 된다. 또, 제 2 실시예에 따른 셀 회로(100)(도 4 참조)를 적용할 경우에는, 보조 주사선(141)을 전위가 일정한 급전선(142)으로 하면 되고, 차전압 출력 회로(150)나, 이것에 부대하는 구성이 불필요 하게 된다.
그런데, 상기한 각 실시예에 있어서의 셀 회로(100)에는 수광 광량을 감지하는 기능만을 가지고 있었지만, 표시 패널의 화소의 기능을 포함하도록 구성하여도 좋다. 예를 들면, 도 10에 나타나 있는 바와 같이, 셀 회로(100)에 액정소자(180)와, 해당 액정소자에 유지되는 전압을 기입하기 위한 TFT(170)를 포함시켜도 좋다. 여기에서, 액정소자(180)는, 잘 알려져 있는 바와 같이, 화소마다 개별화된 화소 전극과, 각 화소에 걸쳐 공통이며 일정한 전압 LCcom이 인가된 공통 전극에 의하여 액정을 협지(挾持)하고, 양전극간의 전압 실효값에 따라 반사 광량 또는 투과 광량이 변화하는 구성으로 되어 있다. 또한 n채널형의 TFT(170)의 게이트는, 주사선(131)에 접속되고, 소스는 데이터선(172)에 접속되며, 드레인은 액정 소자(180)의 화소 전극에 접속되어 있다. 또한, 급전선(142)에는 전압 Vcom이 인가되어 있다.
여기에서, 도 10에 나타낸 셀 회로(100)에서는 표시 모드와 수광량 검출 모드가 배타적으로 실행되며, 표시 모드에 있어서, 주사선(131)이 H 레벨이 되면, TFT(170)가 온하고, 데이터선(172)에 공급된 데이터 신호 Data의 전압이 액정소자(180)의 화소 전극에 기입되고, 해당 액정 소자의 반사 광량 또는 투과 광량이 해당 전압에 따라 변화한다. 또한, 수광량 검출 모드에 있어서, 주사선(131)이 H 레 벨이 되면, TFT(170)가 온하고, 데이터선(172)에 공급된 초기화 전압이 TFT(114)의 게이트에 인가되는 한편, 주사선(131)이 L 레벨이 되면, TFT(114)의 게이트는 포토다이오드(112)에의 수광 광량에 따른 전압으로 되어, 해당 전압에 따른 전압이 독출선(121)에 나타나는 구성으로 되어 있다.
또한, 예를 들면 도 11에 나타낸 바와 같은 셀 회로(100)로 해도 된다. 이 도면에 나타낸 구성에서는, TFT(114)의 게이트(노드 N)와, 제 1 주사선(135)과의 사이에, TFT(119)가 개재되어서, 해당 TFT(119)의 게이트가 제 2 주사선(136)에 접속되는 동시에, 독출선(121)이 도 10에 있어서의 데이터선(172)의 기능을 겸용한 구성으로 되어 있다. 그리고 이 구성에 있어서도, 표시 모드와 수광량 검출 모드가 배타적으로 실행된다. 이 중, 표시 모드에 있어서, 제 1 주사선(135)과 제 2 주사선(136)이 함께 H 레벨로 되면, TFT(114, 119)가 함께 온하고, 독출선(121)에 공급된 데이터 신호 Data의 전압이 액정소자(180)의 화소 전극에 기입되어서, 해당 액정 소자의 반사 광량 또는 투과 광량이 해당 전압에 따라 변화된다. 또한 수광량 검출 모드에 있어서는, 제 2 주사선(136)이 H 레벨이 되면, TFT(119)가 온하고, 독출선(121)에 공급된 초기화 전압이 TFT(114)의 게이트에 인가되어서 초기화되는 한편, 제 2 주사선(136)이 L 레벨이 되면, TFT(114)의 게이트는, 포토다이오드(112)에의 수광 광량에 따른 전압으로 되어, 해당 전압에 따른 전압이 독출선(121)에 나타나는 구성으로 되어 있다.
또한, 매트릭스 모양으로 배치하는 모든 셀 회로를, 도 10이나 도 11에 나타낸 바와 같은 셀 회로(100)(즉, 수광 광량을 감지하는 기능과 함께, 표시 패널의 화소의 기능을 포함시키는 셀 회로(100))로 할 필요는 없다. 예를 들면, 매트릭스 모양으로 배치하는 모든 셀 회로에 대해서는, 액정소자(180)와 같은 화소의 기능을 갖게 하는 한편, 수광 광량을 감지하기 위한 기능에 대해서는, 수∼수백개의 화소에 대하여 1개의 비율로 갖게 하는 구성으로 하여도 좋다. 이렇게 구성하면, 수광 광량을 감지하는 기능 때문에, 화소의 개구율이 저하하는 것을 방지할 수 있다.
또한 액정소자(180) 대신에, 유기 EL 소자나, 무기 EL 소자, 필드·에미션(FE) 소자, LED 등의 다른 발광 소자, 또한, 전기영동소자, 일렉트로·크로믹 소자 등을 표시 소자로서 사용해도 된다.
다음에, 상술한 광센서(10)를 갖는 표시 패널을 표시부로 하여 사용한 전자 기기에 대하여 설명한다. 도 12는 이 전자 기기의 일 예인 휴대 전화의 구성을 나타내는 사시도이다. 이 도면에 있어서, 휴대 전화(1100)는 복수의 조작 버튼(1102) 이외에, 수화구(1104), 송화구(1106)와 함께, 표시부로서 상기한 광센서(10)를 갖는 표시 패널(40)을 구비하는 것이다. 이러한 구성에 의하면, 표시 패널내에 광센서를 만들어 넣을 수 있으므로, 별도의 개구부나 수광 소자를 설치하기 위한 설치 스페이스가 불필요하게 된다. 또한 표시 패널(40)로서, 수광 광량을 감지하는 기능과 표시 패널의 화소의 기능을 갖는 셀 회로(100)을 매트릭스형으로 배열시킨 매트릭스형 광센서 회로(20)를 사용해도 된다. 이러한 매트릭스형 광센서 회로(20)를 사용하면, 표시 영역의 일부에만 광이 조사되었을 경우에 있어서도, 표시 영역의 밝기나 화질이 각 영역에 균등하게 되도록 제어하는 것이 가능하게 된다.
또한, 전자 기기로서는, 도 12의 휴대전화 이외에도, 디지털 스틸 카메라, 텔레비젼, 뷰파인더형 또는 모니터 직시형의 비디오 테이프 리코더, 카 네비게이션 장치, 페이저(pager), 전자 수첩, 탁상 계산기, 워드프로세서, 워크스테이션, 텔레비젼 폰, POS 단말, 터치 패널을 구비한 기기 등을 들 수 있다. 그리고 이들 각종 전자 기기의 표시부로서, 상기한 매트릭스형 광센서 회로(20)가 적용가능한 것은 말할 필요도 없다. 또한, 직접 화상이나 문자 등을 표시하는 전자 기기의 표시부에 한정되지 않고, 피감광체에 광을 조사함으로써 간접적으로 화상 혹은 문자를 형성하기 위해서 사용되는 인쇄 기기의 광원, 예를 들면 LED 프린터의 라인 헤드에 적용하여도 좋다.
상술한 본 발명에 따르면, 기생 용량의 영향을 적게 하고, 수광 소자의 출력을 반영한 값을 정확하게 얻을 수 있는 광센서, 광센서의 판독 방법, 매트릭스형 광센서 회로, 및 전자 기기를 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. 주사선과 독출선(讀出線)에 대응하여 설치된 광센서로서,
    양 단자간에 흐르는 전류가 입사 광량에 따라 변화하는 수광 소자와,
    게이트가 상기 수광 소자의 일단(一端)에 접속되고, 소스 또는 드레인의 한 쪽이 상기 주사선에 접속되며, 상기 소스 또는 상기 드레인의 다른 쪽이 상기 독출선에 접속된 트랜지스터를 가지며,
    상기 주사선이 선택되는 초기화 기간에서 상기 게이트에 상기 트랜지스터의 임계치 전압에 따른 전압이 인가되고,
    해당 초기화 전압의 인가가 해제된 후, 상기 독출선의 전압에 의거하여 상기 수광 광량에 따른 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기화 전압의 인가가 해제되고 나서, 상기 독출선의 전압이 미리 설정된 임계치 전압에 도달할때까지의 시간을 상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하기 전에, 상기 독출선에 소정의 전압을 인가하는 제 1 스위칭 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 광센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광 소자는,
    상기 초기화 기간에서는 순 바이어스(bias)로 되어 상기 트랜지스터의 게이트에 상기 초기화 전압을 인가하는 한편,
    상기 초기화 기간 종료 후에는 역 바이어스로 되는 다이오드 소자인 것을 특징으로 하는 광센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 초기화 기간에서 온(on)하여, 상기 트랜지스터를 다이오드 접속시키는 동시에, 상기 트랜지스터의 게이트에 해당 트랜지스터의 임계치 전압에 따른 전압을 인가하는 제 2 스위칭 소자를 가지는 것을 특징으로 하는 광센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 스위칭 소자는 주사선에 공급되는 전압 레벨에 따라 온 또는 오프(off)되는 것을 특징으로 하는 광센서.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 독출선에 일단이 접속된 용량 소자와,
    상기 초기화 기간에서 용량 소자의 양단을 단락시키는 제 3 스위칭 소자를 가지며,
    상기 초기화 전압의 인가가 해제된 후에 있어서, 상기 용량 소자의 타단에 나타나는 전압을 상기 수광 광량에 따른 결과로서 출력하는 것을 특징으로 하는 광센서.
  8. 독출선과 주사선에 대응하여 설치되고,
    양 단자간에 흐르는 전류가 입사 광량에 따라 변화하는 수광 소자와,
    게이트가 상기 수광 소자의 일단에 접속되고, 소스 또는 드레인의 한 쪽이 상기 주사선에 접속되며, 상기 소스 또는 상기 드레인의 다른 쪽이 상기 독출선에 접속된 트랜지스터를 갖는 광센서의 판독 방법으로서,
    상기 주사선이 선택되는 초기화 기간에서 상기 게이트에 상기 트랜지스터의 임계치 전압에 따른 전압을 인가하고,
    해당 초기화 전압의 인가를 해제한 후, 상기 독출선의 전압에 의거하여 상기 수광 광량에 따른 결과를 출력하는 것을 특징으로 하는 광센서의 판독 방법.
  9. 복수의 주사선과 복수의 독출선에 대응하여 설치된 셀 회로와,
    복수의 주사선 중, 초기화 기간에서는 하나의 주사선을 선택하고, 계속되는 검출 기간에서는 주사선의 전부를 비선택으로 하고, 다음의 초기화 기간에서는 다른 주사선을 선택하는 주사 회로와,
    선택된 주사선에 위치하는 광센서의 출력 신호를 검출 기간에서의 독출선의 전압 또는 상기 독출선에 흐르는 전류를 판독하는 판독 회로를 가지며,
    상기 셀 회로의 각각은,
    양 단자간에 흐르는 전류가 입사 광량에 따라 변화하는 수광 소자와,
    게이트가 상기 수광소자의 일단에 접속되고, 소스 또는 드레인의 한 쪽이 상기 주사선에 접속되며, 상기 소스 또는 상기 드레인의 다른 쪽이 상기 독출선에 접속된 트랜지스터를 가지며,
    상기 초기화 기간에서, 상기 트랜지스터의 게이트에 상기 트랜지스터의 임계치 전압에 따른 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 매트릭스형 광센서 회로.
  10. 제 1 항에 기재된 광센서, 또는 제 9 항에 기재된 매트릭스형 광센서 회로를 가지는 것을 특징으로 하는 전자 기기.
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