JP4891666B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶パネルの輝度を低下させときに得られる画像のＳＮ比を向上できる液晶表示装置に関する。

液晶表示装置は、信号線、走査線、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などが形成されたアレイ基板を備え、信号線及び走査線を駆動するために駆動回路が必要となる。

近年では、集積回路技術が向上し、薄膜トランジスタや駆動回路の一部を多結晶シリコン（ポリシリコン）プロセスによりアレイ基板上に形成できるようになっている。

これにより、液晶表示装置は小型化され、携帯電話やノート型コンピュータなどの携帯機器における表示装置として幅広く利用されている。

また、アレイ基板上に密着型エリアセンサとして光電変換素子を分散配置し、これにより、画像入力を行う液晶表示装置が開示されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

このような光電変換素子も上記のポリシリコンプロセスにより画素内に形成できるようになっている。

かかる液晶表示装置では、予めキャパシタに電荷を蓄積し、その電荷量を光電変換素子での受光量に応じて低下させ、所定時間経過後におけるキャパシタの両端電圧を検出することで画像が得られる。そして、例えば、得られた指の画像を基に指の位置や、指が液晶パネルに接触したときの形状変化が検出され、その結果を基に指の接触判定が行われる。
特開２００１−２９２２７６号公報 特開２００１−３３９６４０号公報

ところで、上記の接触判定を行う液晶表示装置では、環境光の照度が高いときは、液晶パネルに接触した指の部分が非常に暗くなり他は明るい画像が得られＳＮ比の高い画像が得られる。一方環境光の照度が低いときは、バックライトから出射する光の強度を強めると液晶パネルに接触した指の部分が非常に明るく、他は中間の明るさとなった画像が得られる。

しかしながら、液晶表示装置では、省電力化のため、照度が低いときは、バックライトから出射する光の強度を弱め、液晶パネルの輝度を低下させることで、まぶしさの低減が図られる。

バックライト光の強度を弱め、輝度を低下させると、液晶パネルに接触した指の部分が暗くなり、ＳＮ比の高い画像が得られない。そのため、誤判定の可能性が高まる。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、暗いところから明るいところまでの広い環境光範囲で動作する液晶表示装置、特に液晶パネルの輝度を低下させときに得られる画像のＳＮ比を向上できる液晶表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１の液晶表示装置は、液晶層ならびに分散配置された光センサを備えた液晶パネルと、前記液晶パネルの背面側に設けられ、可視光源を備えたバックライトと、前記可視光源から出射した可視光が前記液晶層を通過後、撮像対象に遮断もしくは反射して前記光センサに受光されたとき受光量に基づいて、当該撮像対象の画像入力を行う画像入力手段と、前記可視光の光強度を変化させうるバックライト制御手段と、環境光の照度を測定する照度測定手段と、前記照度測定手段により測定された照度により、環境光の照度低下を検出したときは、前記バックライト制御手段をして可視光の光強度を弱めることにより、前記液晶パネルの輝度を低下させる液晶パネル輝度制御手段とを備え、前記バックライトは、前記液晶パネルの輝度の低下によって可視光の受光量が低下することとなる前記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備え、前記バックライト制御手段は、環境光の照度低下時における前記液晶パネル輝度制御手段からの指示の到来により非可視光を出射させるまたは非可視光の光強度を強める一方、当該指示の到来前において非可視光の出射を停止させておくまたは非可視光の光強度を弱めておくことを特徴とする。

請求項１の液晶表示装置によれば、バックライトは、液晶パネルの輝度の低下によって可視光の受光量が低下することとなる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備えるので、環境光の照度低下時に液晶パネルの輝度を低下させた場合であっても、光センサの受光量を多くすることができ、よって、画像のＳＮ比を向上させることができる。
また、請求項１の液晶表示装置によれば、非可視光の出射を停止させておくまたは非可視光の光強度を弱めておくことで、省電力化に寄与する。

請求項２の液晶表示装置は、請求項１記載の液晶表示装置において、前記非可視光のピーク波長が７６０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項２の液晶表示装置では、非可視光のピーク波長を７６０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下とすることで、目へ悪影響を防止する。

本発明の液晶表示装置によれば、バックライトは、液晶パネルの輝度の低下によって可視光の受光量が低下することとなる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備えるので、環境光の照度低下時に液晶パネルの輝度を低下させた場合であっても、光センサの受光量を多くすることができ、よって、画像のＳＮ比を向上させることができる。
また、本発明の液晶表示装置によれば、非可視光の出射を停止させておくまたは非可視光の光強度を弱めておくことで、省電力化に寄与する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る液晶表示装置のブロック図である。

この液晶表示装置（以下、本装置）は、液晶パネル１と、バックライト２と、バックライト制御部３と、表示制御部４と、画像入力部５と、照度測定部６と、液晶パネル輝度制御部７とを備える。

液晶パネル１では、液晶層を透過する光で表示を行う表示素子１１が２次元配列され、さらに、光センサ１２が分散配置される。例えば、１つまたは３つの表示素子１１に対して１つの光センサ１２が配置される。

なお、図示しないが、詳述するならば、液晶パネル１は、液晶層と、これを挟むようにアレイ基板および対向基板を備える。アレイ基板には、複数の信号線と複数の走査線が交差するように配線される。表示素子１１は、信号線と走査線の各交差部に配置される。各表示素子１１には、走査線の駆動により導通する薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と画素電極が形成される。対向基板には、全ての画素電極に対向する対向電極が形成される。アレイ基板には、信号線と走査線を駆動する駆動回路が内蔵される。

バックライト２は、光源部２１と、導光板２２を備え、液晶パネル１の背面側に設けられる。

光源部２１では、複数のホワイト発光ダイオードで構成される可視光源２１１と、複数の近赤外発光ダイオードで構成される非可視光源２１２が基板（図示せず）に搭載される。光源部２１には、反射率の高い白色樹脂シート等で構成された反射板（図示せず）が配置される。

近赤外発光ダイオードから出射する光（以下、非可視光）のピーク波長は７６０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下である。

導光板２２は、透明で屈折率の大きな樹脂（ポリカーボネート樹脂やメタクリル樹脂等）により形成される。導光板２２には、入射面２２１と、出射面２２２と、この出射面２２２に対して傾いて対向する対向面２２３が形成される。

なお、多くの場合、出射面２２２と対向面２２３には、特定の密度分布や大きさを有する拡散反射層や反射用溝等が形成される。

導光板２２は、入射面２２１が光源部２１に対向し、出射面２２２が液晶パネル１の背面に対向するように配置される。

バックライト制御部３は、可視光源２１１から出射する光（以下、可視光）の光強度と、非可視光源２１２から出射する非可視光の光強度を変化させるものである。

表示制御部４は、液晶パネル１に画像を表示させるものである。詳しくは、液晶パネル１内の駆動回路を制御して、信号線と薄膜トランジスタを介して画素電極の電圧を変化させ、これにより、画素電極と対向電極の間の液晶層における電界強度を変化させて画像を表示させるものである。

画像入力部５は、光センサ１２により撮像対象（指など）の画像を得るものである。

照度測定部６は、環境光の照度を測定するものである。照度測定は、光センサ１２によって撮像した画像データから環境光の照度に対応する数値を求めるようにしてもよい。

液晶パネル輝度制御部７は、液晶パネル１の輝度を制御するものである。

バックライト制御部３、表示制御部４、画像入力部５、照度測定部６および液晶パネル輝度制御部７は、それぞれ、バックライト制御手段、表示制御手段、画像入力手段、照度測定手段および液晶パネル輝度制御手段を構成するものであり、例えば、液晶パネル１の外部で集積化（ＩＣ化）される。もちろん、ポリシリコンＴＦＴ技術を用いて、液晶パネルのアレイ基板上に回路集積できるものは集積してもよい。

（本装置の動作）
次に、本装置に動作を説明する。

まず、表示制御部４を説明する。表示制御部４は、液晶パネル１に画像を表示させる。このとき、表示すべき画像の内容に応じて、各表示素子１１に階調値が割り当てられる。表示制御部４は、各表示素子１１につき、可視光源２１１から出射する可視光が当該表示素子１１を透過するときの透過率を当該表示素子１１に割り当てられた階調値に応じたものにする。これにより、透過率の分布が画像の内容に応じたものとなる。なお、透過率の設定は、液晶パネル１内の駆動回路を制御して、信号線と薄膜トランジスタを介して画素電極に電圧を設定し、これにより、画素電極と対向電極の間の液晶層における電界強度を設定することによりなされる。

一方、バックライト２の可視光源２１１から出射した可視光は、導光板２２に入射面２２１から入射し、出射面２２２と対向面２２３の間で全反射を繰り返しながら導光板２２内を伝搬し、出射面２２２から出射する。なお、拡散反射層や反射用溝等により、光を効率良く伝播出射させることができる。また、それらの形状や密度分布等の設定により、出射面２２２から均一な光を出射させることができる。

さて、導光板２２を出射した可視光は、液晶パネル１に入射する。液晶パネル１では、透過率の分布が画像の内容に応じたものとなっているので、液晶パネル１の前面から出射する可視光の光強度の分布は、画像の内容に応じたものとなる。つまり、画像が表示される。

次に、画像入力部５を説明する。画像入力部５は、光センサ１２により撮像対象（指など）の画像を得るのだが、表示制御部４は、このときにも画像表示を行う。

この画像入力時にあっては、液晶パネル１を出射した可視光の一部が、撮像対象に反射して、光センサ１２に受光される。また、撮像対象に遮蔽されなかった環境光が光センサ１２に受光される。これにより、受光量の分布が撮像対象の形状に応じたものとなる。

画像入力部５は、各光センサ１２から受光量に応じた大きさの電気信号を受信し、その電気信号の大きさを階調値に変換する。これにより、階調値の分布が得られる。つまり、撮像対象の形状に応じた画像が得られる。また、この画像を基に、指（撮像対象）の位置や動き、指が液晶パネル１に接触したときの画像の濃淡・形状変化等が検出され、その結果を基に指の接触判定が行われる。

図２は、撮像対象が指であるときに得られた画像を示す図である。図２（ａ）は、環境光の照度が比較的高いときの画像を示し、図２（ｂ）は、環境光の照度が比較的低いときの画像を示す。

照度が高いときは、指が影のように非常に暗く、他は非常に明るい画像が得られ、一方、照度が低いときは、液晶パネル１に接触した指の部分が非常に明るく、他は中間の明るさとなった画像が得られる。このため、照度が高いときは、環境光が指に遮断されて生じる影の部分の重心座標を求めることによって指の接触座標を求める。一方、照度が低いときは、バックライト光による指からの反射光により明るくなった部分の重心座標を求めることによって指の接触座標を求める。このように、照度に応じて両方の検出モードを切り替えることによって広い環境照度での動作を実現することができる。

次に、図１に戻り、バックライト制御部３を説明する。

バックライト制御部３は、可視光源２１１をして、上記の画像表示に必要な可視光を出射させる。また、非可視光源２１２から出射する非可視光は、画像表示には必要ないので、省電力化のために、バックライト制御部３は、必要時以外は、非可視光の出射を停止させておく。なお、非可視光によっては、表示される画像は変化しないので、非可視光を出射しておいてもよいが、省電力化のために、その光強度を弱めておくのが好ましい。

次に、照度測定部６と液晶パネル輝度制御部７を説明する。照度測定部６は、環境光の照度を測定し、照度を液晶パネル輝度制御部７に通知する。液晶パネル輝度制御部７は、照度のしきい値を記憶しており、通知された照度がしきい値以下だった場合、例えば、バックライト制御部３をして可視光の光強度を弱める。これにより、液晶パネル１の輝度が低下するので、まぶしさが低減される。

なお、液晶パネル１の輝度低下は、表示される画像の内容（濃淡）を変化させて、可視光が液晶層を透過するときの透過率を下げることによっても実現されるが、これでは省電力化に寄与しないので、透過率を上げるとともに可視光の光強度を弱めることで、まぶしさの低減と省電力化を両立するのが好ましい。

特に、ここでは、指の接触判定を行うので、そのときに表示させる画像、例えば、指の位置の画像（ボタン）は、可視光バックライトの場合はいわゆる白いボタンのように透過する光が多い画像を用いることが望ましい。

また、指の影を認識するモードではバックライト輝度もしくは表示輝度を低下させると、指の下の影と背景とのＳＮ比が改善されるため、指下の影を判定する照度の下限を改善することもできる。

さて、液晶パネル輝度制御部７は、照度がしきい値以下だった場合、バックライト制御部３に指示し、この指示の到来により、バックライト制御部３は、非可視光を出射させる、または、非可視光の光強度を強める。

非可視光は、バックライト２の非可視光源２１２から出射し、導光板２２に入射面２２１から入射し、出射面２２２と対向面２２３の間で全反射を繰り返しながら導光板２２内を伝搬し、出射面２２２から出射する。出射面２２２を出射した非可視光は、液晶パネル１を通過し、撮像対象に反射して、光センサ１２に受光される。

これにより、液晶パネル１の輝度低下に起因する光センサ１２での受光量低下を補うようにして、低下量が少なくなる。あるいは、低下を無くして受光量が同じになる。あるいは、逆に受光量が増加する。よって、ＳＮ比の高い画像が得られる。

なお、液晶パネル１の輝度が非可視光（近赤外光）によって高まることはないので、まぶしさを低減したままにできる。

したがって、本装置によれば、環境光の照度低下時に液晶パネル１の輝度を低下させた場合であっても、光センサ１２の受光量を多くすることができ、よって、画像のＳＮ比を向上させることができる。

なお、ピーク波長が４００ｎｍ以下の近紫外光を出射する近紫外発光ダイオードを近赤外発光ダイオードに代えてもよいが、目へ悪影響がない近赤外発光ダイオードを用いるのが好ましい。また、短波長側では指皮膚内の色素吸収のために指表面の反射率が低くなるが、可視光領域の長波長側及び近赤外光領域では指表面の反射率が高くなるため高ＳＮ比が得られるため望ましい。

また、液晶パネル１の前面側には、保護板が配置されることがあるが、その表面が汚れていても、近赤外光の光強度は低下しにくく、よって、この点においても、近赤外発光ダイオードを用いるのが好ましい。

また、液晶パネル１には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）のカラーフィルターが構成されることがあるが、近赤外光はピーク波長によらず、ほぼ１００％が、赤のカラーフィルターを透過し、緑や青のカラーフィルターにおける透過率は、７６０ｎｍもしくは７８０ｎｍ以上で増大するため、この点においても、近赤外発光ダイオードを用いるのが好ましい。

また、近赤外領域では、偏光板の透過率が高くなるとともに、液晶の白黒表示の影響をほとんど受けずに透過するようになるために、可視光バックライトの場合の指の位置の画像（ボタン）に対する透過性の制約もなくなるという利点がある。

また、光センサ１２は、ポリシリコンからなるフォトダイオードで形成した場合、受光する近赤外光のピーク波長が高いと、感度が低下するため、その場合は、近赤外発光ダイオードが出射する近赤外光のピーク波長を低くすることが好ましい。

また、省電力化が不要な場合などにあっては、かかる近赤外光などの非可視光を一定の強度で常に出射させておいてもよい。

また、図３に示すように、可視光源２１１のみを有する光源部２１ａと、非可視光源２１２のみを有する光源部２１ｂと、これらの間に配置された導光板２２ａを用い、これらに対し、上記同様の動作原理を適用して実施してもよい。

また、図４に示すように、可視光源２１１のみを有する光源部２１ａと、この光源部２１ａのための導光板２２ｃと、非可視光源２１２のみを有する光源部２１ｂと、この光源部２１ｂのための導光板２２ｄを用い、これらに対し、上記同様の動作原理を適用して実施してもよい。

また、本発明は、上記した実施の形態だけに限定されるものではなく、要旨を逸脱しないならば、構成要素を変形、削除、組み合わせ、追加してもよい。

本実施の形態に係る液晶表示装置のブロック図である。 撮像対象が指であるときに得られた画像を示す図である。 本実施の形態の変形例に係る液晶表示装置のブロック図である。 本実施の形態の他の変形例に係る液晶表示装置のブロック図である。

符号の説明

１ 液晶パネル
２ バックライト
３ バックライト制御部
４ 表示制御部
５ 画像入力部
６ 照度測定部
７ 液晶パネル輝度制御部
１１ 表示素子
１２ 光センサ
２１１ 可視光源
２１２ 非可視光源

Claims (2)

1. 液晶層ならびに分散配置された光センサを備えた液晶パネルと、
   前記液晶パネルの背面側に設けられ、可視光源を備えたバックライトと、
   前記可視光源から出射した可視光が前記液晶層を通過後、撮像対象に遮断もしくは反射して前記光センサに受光されたとき受光量に基づいて、当該撮像対象の画像入力を行う画像入力手段と、
   前記可視光の光強度を変化させうるバックライト制御手段と、
   環境光の照度を測定する照度測定手段と、
   前記照度測定手段により測定された照度により、環境光の照度低下を検出したときは、前記バックライト制御手段をして可視光の光強度を弱めることにより、前記液晶パネルの輝度を低下させる液晶パネル輝度制御手段とを備え、
   前記バックライトは、前記液晶パネルの輝度の低下によって可視光の受光量が低下することとなる前記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備え、
   前記バックライト制御手段は、
   環境光の照度低下時における前記液晶パネル輝度制御手段からの指示の到来により非可視光を出射させるまたは非可視光の光強度を強める一方、当該指示の到来前において非可視光の出射を停止させておくまたは非可視光の光強度を弱めておく
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記非可視光のピーク波長が７６０ｎｍ以上かつ１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。

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