JP4932526B2 - 画面入力機能付き画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示パネル内に光学センサを内蔵した画像表示装置に係り、特に画素の開口率を下げることなく直接画面入力を可能とした高速且つ高精度の画面入力機能付き画像表示装置に関する。

画面に使用者の指などをタッチ操作（以下、単にタッチとも称する）して情報を入力するが画面入力機能を備えた画像表示装置は、ＰＤＡなどの携帯端末、無人受付機等の据置型顧客案内端末に用いられている。このような画面タッチ入力機能を備えた画像表示装置では、タッチ操作で押圧された部分の抵抗値変化、あるいは容量変化を検出する方式、タッチにより遮蔽された部分の光量変化を検出する方式などが知られている。

特に、近年は、画面を構成する画素構造に外光の光量変化を検知してタッチ部分の座標を検出する方式が開発されている。例えば、液晶表示装置を構成する液晶表示パネルの画素単位に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）で光感知素子（光センサ）を形成したものが特許文献１に開示されている。

図１５は、画素内に光センサを形成した画面入力機能付き従来の画像表示装置の画素構成例を説明する概念図である。画像表示装置２は画素内に光センサ（第３の光センサ、図示せず）を有する液晶表示パネルで構成される。画像表示装置２の表示領域１６内の上端に基準光センサＰＳＡ（第１の光センサ）が配置される。また、画像表示装置２の表示領域１６の外に基準光センサＰＳＢ（第２の光センサ）が配置される。第１の光センサは観察面側から入射する光（外部光）およびバックライト光を検出する。第２の光センサは観察面側から入射する光からは遮光され、バックライト光を検出する。

すなわち、上記従来技術では、光検出を外部光とバックライト光に依存する第１の光センサと、外部光から遮断されてバックライト光にのみに依存する光検出を行う第２の光センサと、外光およびバックライトを受けて使用者の接触による光に依存する第３の光センサを有する。そして、第１、２、３の光センサから第１、２、３の感知信号を受けて、信号処理を行う信号読取部と、信号読み取り部から処理された第１、第２の感知信号に基づいて、第３の光センサの感知信号を調節する信号処理部を有する。このように、従来技術では、第１の光センサ及び第２の光センサの感知信号を利用して第３の光センサの感知信号を調整することによって、外部環境が変わっても画面に対する使用者の指等の接触による接触情報を判断する。

図１６は、画素単位に光センサを形成した画面入力機能付き画像表示装置の従来例の画素構成を説明する等価回路図である。この画像表示装置は液晶表示パネルを用いたものであり、下記の特許文献１に開示されたものである。液晶表示パネルで構成される画像表示装置は、複数のゲートライン（ＧL）、複数のデータライン（ＤL）、ゲートラインとデータラインに電気的に連結された第１スイッチング素子（Ｑ１）、第１スイッチング素子（Ｑ１）に連結された液晶ＣＬＣ）及び第１ストレージキャパシタ（保持容量、ＣＳＴ１）を含む。また、第１電圧ライン（ＶＬ１）、第２電圧ライン（ＶＬ２）、外部光Lの強さを検出して電流に変換させる第２スイッチング素子（ＴＳ１）、第２スイッチング素子（ＴＳ１）から提供された電流によって形成された電荷を保存する第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）、第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）に保存された電荷を出力する第３スイッチング素子（ＴＳ２）及び読み出しライン（Ｒ）を含む。前記第２スイッチング素子（ＴＳ１）、第２ストレージキャパシタ（ＣＳＴ２）及び第３スイッチング素子（ＴＳ２）は一種の光感知部を形成する。
特開２００５−１２９９４８号公報

特許文献１に開示された光センサ構造は、以下のような課題を有する。すなわち、
（１）第１、第２の光センサが、表示領域外または表示領域内の端部に配置されるため、第１、２の光センサの温度特性の差や素子特性ばらつきの影響を被り、表示中心部などの外光状態を感知するための精度が低い。
（２）第１、第２の光センサと第３の光センサの配置位置が離れて形成されているため、各光センサの光検出信号を伝送する信号線の抵抗値に差が生じ、検出信号の伝送精度が低くなる。
（３）表示装置内の光センサの感知信号を、周辺回路である信号読取部で判断信号に変換し、さらに信号制御部で制御信号に変換し、パネル画面内に配置する検出用光センサの感度を調整するため、処理時間の高速化が難しい。
（４）信号読取回路、信号制御回路などの搭載により、周辺回路の規模が増大する。

また、（５）上記従来技術では、画素毎に多くの薄膜トランジスタを含めた素子を必要とするため、表示のための画素の開口率が低くなり、また素子数増加で消費電力が増大する。開口率の低下は画面の明るさを劣化させ、消費電力の増大は特に携帯型端末では稼動時間の短縮をもたらす。また、画素選択線（ゲートライン）、表示データ線（信号線、データライン）および読み出しライン（センス線）によって定義される領域に横方向（水平方向、第１の方向）に複数配列された光検知素子の光漏洩電流を読み出しライン順にスイッチング素子により順次縦方向（垂直方向、第２の方向）読み出す。そのため、縦横２次元の光信号を得るために必要な時間は、光検知素子とスイッチング素子の数が増えるほど長くなる。したがって、高精細化するほど検出速度が遅くなる。

本発明の目的は、画素の開口率を下げる画素ごとの素子数や周辺回路規模を増大させることなく、高速、高精度の直接画面入力の位置情報の検出を可能とした画面入力機能付き画像表示装置を提供することにある。

本発明は、薄膜トランジスタ(ＴＦＴ)からなる光センサをガラス基板上に形成したものとして、Ｘ線検出用のフラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）が広く知られている。本発明は、画像表示装置のガラス基板上に作製される回路素子と同一のプロセスで上記のような光センサを製作することにより、入力機能を有する画像表示装置を実現する。

上記目的を達成するため、本発明の代表的構成と動作の概略について、以下（１）〜（５）に記述する。
（１）画像表示装置を構成する液晶表示パネルの表面（観察面）から入射する外部からの光を受ける光センサを複数個有する検出信号線と、パネル表面から入射する外部光から遮蔽される光センサを複数個有する基準信号線を設ける。光を受けない光センサは、当該光センサの上方（観察面側）を金属層などで遮光する。
（２）検出信号線と、基準信号線は、データ線で兼用し、表示信号のブランキング期間中に検出信号を周辺部に設けた検出回路（センサ信号処理回路）に伝送する。
（３）複数個の光を受ける光センサと検出信号線、および複数個の光を受けない光センサと基準信号線を互いに隣接させ、表示領域（画素領域）内に形成する。
（４）表示領域の周辺部に設けた差動増幅回路によって、検出信号線を伝送する光検出信号電圧と基準信号線を伝送する基準電圧の差を増幅し、センサ信号処理回路に伝送する。
（５）センサ信号処理回路にてＡＤ変換された出力信号によってタッチの有無を判定する。

本発明の構成により、
（１）バックライトが光センサを照射することで発生する信号電流成分を除去できる。
（２）表示領域の中央に位置する信号線と、表示領域の両端に位置する信号線（検出信号線、基準信号線）の温度特性の違いやバックライト光の照射強度のむらの影響を除去できる。
（３）隣接する検出信号線上の信号と基準線上の信号の差をとることで、画素選択線（ゲート線）などの信号線以外の配線とのクロストークの影響を除去でき、小信号の検出が容易となる。
（４）検出信号線と基準信号線を隣接させることによって、配線長を揃え易くなり、配線抵抗の差による誤差の影響を小さくできる。
（５）検出信号線と基準信号線を、表示データを伝送するデータ線で兼用することによって、画素構造が単純化され、画像表示装置への光センサ内蔵化に伴う画素開口率の低下を抑制することができる。
（６）検出速度の高速化が実現でき、温度補正、バックライト光の補正処理に必要な回路、部品の追加が必要ない。さらに、光センサの内蔵化によるバックライトの消費電力を軽減できる。

以下、本発明の最良の実施形態につき、添付図面を参照した実施例により詳細に説明する。

図１は、本発明による画像表示装置の実施例１を説明する画面入力機能付き液晶表示装置の展開斜視図である。図１において、第１の絶縁基板（ＴＦＴ基板）である下ガラス基板２７の主面（薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等を形成する内面）に複数の画素（画素電極４８で示す）をマトリクス配列してなる表示領域（画素領域）１６を有する。表示領域１６を形成する画素ＰＩＸには表示の機能と共に光検知機能ＳＥＮを有するものもある。また、このガラス基板２７の主面上で画素領域１６の外側には、画素表示用のスイッチＴＦＴ（第１の薄膜トランジスタ、後述）のソース電極又はドレイン電極（ここではソース電極）に接続するデータドライバ１１、画素を構成する画素スイッチ用ＴＦＴのゲート電極に選択信号を印加するゲートドライバ１２、タッチされた画素の検出信号の読み出しを行うセンサドライバ(センサ読み出し回路)１４、読み出された検出信号を処理してタッチされた画素を検出するセンサ信号処理回路１３を有する。センサ信号処理回路１３は表示領域１６を挟んで上記データドライバ１１とは反対側に設けることもできる。

データドライバ１１、ゲートドライバ１２、センサ信号処理回路１３、センサドライバ１４と外部に配置した制御回路１５（後述）およびデータ源や上位情報処理回路（ホストコンピュータ、図示せず）との間は下ガラス基板２７にパターニングされた配線１８とフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１７で接続される。なお、制御回路１５（後述）を下ガラス基板２７上に形成することもできる。

第２の絶縁基板である上ガラス基板２１の主面には、下ガラス基板２７の主面上に形成された各画素に対応して複数のカラーフィルタ（画素の開口５０で示す）が遮光膜（ブラックマトリクス）２４で区画して形成されている。また、この上に対向電極（コモン電極）２２がべた形成されている。この上ガラス基板２１の主面と下ガラス基板２７の主面の対向間隙に液晶２５が封入されている。画素電極４８および対向電極２２と液晶２５との界面には液晶配向制御能を付与した配向膜が形成されているが、図示は省略してある。これは、図２以下においても同様である。対向電極２２は下ガラス基板２７に設けた接続端子１９から対向電極電圧が印加される。

上ガラス基板２１の表面（観察面）には上偏光板２０Ａが貼付され、下ガラス基板２７の表面（背面）には下偏光板２０Ｂが貼付されて液晶表示パネルを構成している。通常、上偏光板２０Ａの光吸収軸と下偏光板２０Ｂの光吸収軸とはクロスニコル配置される。この液晶表示パネルを構成する下ガラス基板２７の裏面にバックライト２９が設置されている。

なお、図１は上ガラス基板２１の主面に対向電極（共通電極）２２を有する形式の液晶表示パネルを用いた液晶表示装置であるが、対向電極２２を下ガラス基板２７の主面に設けた形式の液晶表示パネルの場合でも、電極配置や電極形状を除いて、光検出ＴＦＴ（第２の薄膜トランジスタ）とスイッチＴＦＴ（第１の薄膜トランジスタ）からなる光検知機能ＳＥＮを有する画素回路ＰＩＸは同様の構成となる。

図２は、本発明による画像表示装置の実施例１を説明する図１に示した画面入力機能付き液晶表示装置の１画素の断面図である。この画素は観察面側からの外光からは遮断された光センサを有する画素である。画面入力機能付き液晶表示装置は、画面入力機能として光センサ（光検出手段）を備える。この光センサは、下ガラス基板２７の主面に形成され、光検出薄膜トランジスタ（光検出ＴＦＴ、センサＴＦＴ）６１とスイッチＴＦＴ６０との組み合わせによって構成される。

図２では、この画素に操作者（利用者）の指５１等（以下、指）がタッチされたときの状態を示している。下ガラス基板２７の主面に形成される光検出ＴＦＴ６１は、上ガラス基板２１の主面に形成されるカラーフィルタ２３の下方に配置されている。バックライト２９からの光ＬＢＬは指５１で反射して反射光ＬＲＥＦとして上ガラス基板２１側からカラーフィルタ２３を透過し、光検出ＴＦＴ６１に入射する。なお、バックライト２９からの光ＬＢＬの一部も光検出ＴＦＴの下側から入射する。

一方、同様に、下ガラス基板２７の主面に形成されるスイッチＴＦＴ６０は、上ガラス基板２１の主面に形成されるブラックマトリクス２４の下方に配置されている。スイッチＴＦＴ６０では、指５１で反射したバックライト２９からの光ＬＢＬの反射光ＬＲＥＦはブラックマトリクス２４により遮光されるため、スイッチＴＦＴ６０に入射するのは背面からのバックライトから到来する光ＬＢＬだけとなる。

なお、図２中の参照符号４０は絶縁膜（酸化シリコン、窒化シリコン膜からなる下地膜）、４１はポリシリコン層、４２はゲート絶縁膜、４３はゲート電極、４４は層間絶縁膜４５はソース電極・ドレイン電極用の金属層、４６はコンタクトホール、４７は平坦化絶縁膜を示す。

図３は、薄膜トランジスタに照射した光の照度Ｅｖとドレイン電流Ｉの依存性を示す図である。図３の（ａ）は、ＴＦＴに光Ｌが照射したときの、照度Ｅｖに対するドレイン電流Ｉの依存性を示している。横軸はＴＦＴを照射する光Ｌの照度Ｅｖ、縦軸はＴＦＴのドレイン電流Ｉである。図３（ｂ）に示すように、ＴＦＴのドレインに高電位ＶＨ、ソースに低電位ＶＬを印加して、ゲートとソースを短絡させることで、暗電流に起因したドレイン電流Ｉｏｆｆが生じ、また光Ｌを照射した時の光のエネルギにより、ＴＦＴのチャネル中の電子が価電子帯から伝導帯に直接励起されて、光量Ｌに依存したドレイン電流Ｉが流れる。ＴＦＴに光Ｌが照射されないときの照度を０とし、ＴＦＴに照射する光Ｌの照度がＥＶ１、ＥＶ２、ＥＶ３と高くなっていくにつれ、光Ｌの照度Ｅｖに比例してドレイン電流ＩがＩｏｆｆ、ＩＥＶ１、ＩＥＶ２、ＩＥＶ３と増加する。本実施例の画像表示装置は、ＴＦＴに光の照度に依存した電流が流れる特性を利用し、ＴＦＴをガラス基板上に作製することによって、タッチパネル機能を始めとする入力機能を可能とした。

図４は、本発明による画像表示装置の実施例１を説明する回路構成図である。ここでは、画素回路を２×２のマトリクス状に配列したものとして説明する。画素回路は、観察面側から入射する外光から遮蔽されない第１光センサ（外光を受ける光センサ）ＳＥＮＡとスイッチＴＦＴ１と保持容量Ｃ_STと液晶（図示せず）で構成される第１画素回路ＰＩＸＳ(第１画素)と、遮光された第２光センサ（外光を受けない光センサ）ＳＥＮＢとスイッチＴＦＴ１と保持容量Ｃ_STト液晶（図示せず）で構成される第２画素回路ＰＩＸＲ(第２画素)で構成される。第１画素回路ＰＩＸＳは、第１光センサＳＥＮＢとスイッチＴＦＴ１が直列接続され、スイッチＴＦＴ１の一端と検出信号線を兼用する第１のデータ線Ｄ１が接続され、液晶の画素電極（図示せず）がスイッチＴＦＴ２と接続され、スイッチＴＦＴ２の一端と第１のデータ線Ｄ１が接続される。なお、液晶部分は液晶容量と保持容量Ｃ_STの並列回路で表記されるが、ここでは液晶容量の一方の電極である画素電極への接続を矢印で示してある。このことは以下に説明する図９、図１０、図１２でも同様である。

第２の画素回路ＰＩＸＲは、第１の画素回路ＰＩＸＳにおける第１光センサＳＥＮＡに代えて観察面から入射する外光から遮蔽された第２光センサＳＥＮＢになっていて、スイッチＴＦＴ１の一端と検出信号線を兼用する第２のデータ線Ｄ２が接続され、スイッチＴＦＴ２の一端と同第２のデータ線Ｄ２が接続されていること以外は第１画素回路ＰＩＸＳと同構成である。また、実際には、第１画素回路ＰＩＸＳと第２画素回路ＰＩＸＲが水平方向（図４の横方向）に一列置きに（交互に）配列される。表示データを供給する信号線である第１と第２のデータ信号線Ｄ１、Ｄ２はデータドライバ１１とセンサ信号処理回路１３に接続され、データドライバ１１の入力端に、切り替えスイッチ８０Ａ、８０Ｂが接続される。データドライバ１１から第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２に階調電圧Ｖ_D(1)、Ｖ_D(2)が伝送され、後述する駆動タイミングにおいて、第１光センサＳＥＮＡ、第２光センサＳＥＮＢの信号がセンサ信号処理回路１３に伝送される。

センサ信号処理回路１３は、差動アンプＡＤ、マルチプレクサＭＰＸ、ＡＤコンバータＡＤＣで構成され、第１画素回路ＰＩＸＳに接続される第１のデータ線Ｄ１と、第１画素回路ＰＩＸＲに接続される第２のデータ線Ｄ２が接続され、信号電圧がセンサ信号処理回路１３に形成された差動アンプＡＤに入力される。また、差動アンプＡＤの出力にはマルチプレクサＭＰＸが接続され、複数の差動アンプが選択されてＡＤコンバータＡＤＣに伝送される。また、画素選択線であるゲート線Ｇ１、Ｇ２はゲートドライバ１２に接続され、ゲート電圧Ｖ_G(1)、Ｖ_G(2)が伝送される。さらに、光センサに接続されるスイッチＴＦＴ１のゲート電極に、読み出し線Ｒ１、Ｒ２が接続され、センサドライバ１４から読み出し信号Ｖ_R(1)、Ｖ_R(2)が伝送される。制御回路１５は、データドライバ１１、ゲートドライバ１２、センサドライバ１４に制御信号を伝送し、検出回路から処理信号が伝送される。

図５は、本発明による画像表示装置の実施例１の駆動タイミング図である。画像表示装置は、通常６０Ｈｚの１フレーム期間（１Ｆ）内に、１画面分の映像信号（画像信号）が出力される。１フレーム期間は、ゲート線Ｇ１、Ｇ２にＶ_G(1)、Ｖ_G(2)の制御信号（走査信号）が印加され、第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２に画像信号Ｖ_D(1)、Ｖ_D(2)が入力される表示期間Ｔ_Dと、画像表示せずに２画素から１画素に帰線するブランキング期間Ｔ_Bとからなる。

実施例１の光検出動作（光センス動作）は、ブランキング期間Ｔ_B内で行われる。まず、表示期間Ｔ_Dについて説明する。ゲート線Ｇ１、Ｇ２に印加される走査信号Ｖ_G(1)〜Ｖ_G(2)が、それぞれローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）になって、当該ゲート線Ｇ１に属する画素（第１ラインの画素）からゲート線Ｇ２に属する画素（第２ラインの画素）までを順に走査する。このとき、読み出し線Ｒ１、Ｒ２に印加される電位Ｖ_R(1)、Ｖ_R(2)は常にローレベル（Ｌ）であり、スイッチＴＦＴ２はオフ状態にある。第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２にはデータドライバ１１から画像信号Ｖ_D(1)、Ｖ_D(2)が供給されており、画面にはこの画像信号に基づく画像が表示される。

次に、光検出（センス）期間について説明する。切り替えスイッチ８０Ａ、８０Ｂの切り替え信号φＳＷがハイレベル（Ｈ）からローベル（Ｌ）になることで、第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２は、データドライバ１１から分離される。この期間で、読み出し線Ｒ１、Ｒ２に印加される電位Ｖ_R(1)、Ｖ_R(2)は、ローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）になり、この走査をする間に第１光センサＳＥＮＡがタッチ反射光ＬＲＥＦとバックライトＬＢＬを感光して生じた光電流と、遮光された第２光センサＳＥＮＢがバックライトＬＢＬを感光して生じた光電流とが、第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２上の信号Ｖ_D(1)、Ｖ_D(2)として読み出される。そして、電圧変換された電位差ΔＶＤ、またはΔＶＳとして検出回路１３に伝送される。

ここで、ΔＶＤはバックライト光ＬＢＬの信号成分からなる電位差であり、図２に示したように、ΔＶＳはバックライト光ＬＢＬおよびタッチ反射光ＬＲＥＦの信号成分からなる電位差である。光検出ＴＦＴ６１に入射する光ＬＲＥＦの強度が強いほど、電位差ΔＶＳは大きくなる。図４のセンサ信号処理回路１３では、第１のデータ線Ｄ１と第２のデータ線Ｄ２の信号電圧Ｖ_D(1)、Ｖ_D(2)の差、特に使用者が画面をタッチしたときの第１と第２のデータ線Ｄ１、Ｄ２の差ΔＶＳ−ΔＶＤを、差動アンプＡＤで増幅し、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＣでデジタル変換された信号値を、制御回路１５に伝送し、最終的に画面を指で触れたことの判断と触れた画素位置のアドレス（二次元座標）検出をする。

図６は、図４で説明した画素回路内の光センサの構成である。図６（ａ）は、光センサが光を受けるＴＦＴで構成され、ゲート電極とソース電極を短絡したダイオード接続されており、ドレイン（Ｄ）、ソース（Ｓ）端子を有する。図６（ｂ）は、光センサがＰＩＮダイオードで構成され、ドレイン（Ｄ）、ソース（Ｓ）端子を有する。図６（ｃ）は、光センサが光を受けるＴＦＴと蓄積容量ＣＳの並列接続で構成され、ドレイン（Ｄ）、ソース（Ｓ）端子を有する。これにより、光を受けるＴＦＴに光が照射されて生じる光電流が蓄積容量ＣＳに充電される。図６（ｄ）は、図６（ｃ）の光を受けるＴＦＴがＰＩＮダイオードで構成される。なお、図４の遮光された第２光センサＰＩＸＲは、第１光センサＰＩＸＳに対して光を受けるＴＦＴが光を受けないＴＦＴに変わること以外は、同構成であるため、説明は省略する。

図７は、本発明による画像表示装置の実施例１のブロック図である。ガラス基板上に、ゲートドライバ１２と、データドライバ１１と、センサドライバ１４、およびセンサ信号処理回路１３が形成されている。ここでは、表示領域１６にタッチ選択のための所定の画像が表示されている状態を示している。ここでの画像は、“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”と記載されたスイッチ状の表示である。これは、ユーザによって、“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、または“Ｄ”のスイッチが選択的にタッチ入力されることを待っている状態である。ユーザが画面上の“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”または、“Ｄ”と記載されたスイッチ状の表示がタッチされたことは、帰線期間におけるセンサドライバ１４からの読み出し線Ｒ１、Ｒ２上の読み出し信号に基づいて第１のデータ線Ｄ１（検出信号線）、第２のデータ線Ｄ２（基準信号線）を通して信号電圧がセンサ信号処理回路１３に伝送される。センサ信号処理回路１３でデジタル変換された判定信号は制御回路１５に伝送され、制御回路１５でタッチの有無の判定と、タッチされた画像表示の２次元アドレス（ＸＹ座標）の抽出が行われる。

図８は、光センサの動作と機能の説明図である。図８（ａ）は、図８（ｂ）に示す薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）に光Ｌが照射されて、Ｒｅｄフィルタ９１、Ｇｒｅｅｎフィルタ９２、Ｂｌｕｅフィルタ９３を透過した赤色光の波長λ（Ｒ）の光ＬＲ、緑色光の波長λ（Ｇ）の光ＬＧ、青色光の波長λ（Ｂ）の光ＬＢの照度と、ドレイン電流Ｉの依存性を示している。横軸はＴＦＴに照射される光Ｌの照度（ＥＶ）、縦軸はＴＦＴのドレイン電流（Ｉ）である。実施例１を説明する図３（ｂ）での説明と同様に、図８（ｂ）に示すように、ＴＦＴのドレインに高電位ＶＨ、ソースに低電位ＶＬを印加して、ゲートとソースをダイオード接続させることで、暗電流に起因したドレイン電流Ｉoffに加えて、光ＬＲと、光ＬＧと、および光ＬＢの照度に比例したドレイン電流Ｉが流れる。

図８では、ＴＦＴに波長λ（Ｒ）の光ＬＲrefが照射されたときのドレイン電流ＩＲと、ＴＦＴに波長λ(Ｇ)の光ＬＧrefが照射されたときのドレイン電流ＩＧと、ＴＦＴに波長λ(Ｂ)の光ＬＢrefが照射されたときのドレイン電流ＩＢを示している。ＴＦＴに光が照射されないときを０とし、ＴＦＴに照射される光Ｌrefの照度がＬＶ１、ＬＶ２、ＬＶ３と高くなって行くにつれ、ドレイン電流ＩＲがＩＲ１、ＩＲ２、ＩＲ３、ドレイン電流ＩＧがＩＧ１、ＩＧ２、ＩＧ３、ドレイン電流ＩＢがＩＢ１、ＩＢ２、ＩＢ３と増加する。

実施例１の画像表示装置の表示画素ＴＦＴ２及び光センサ回路ＳＥＮに用いられるＴＦＴは、主に低温ポリシリコンまたはアモルファスシリコンプロセスで作製される。ポリシリコン層は、膜厚５０ｎｍ程度であるため、照射される光の波長が短い程、ＴＦＴのポリシリコン層の吸収率が高い。したがって、波長λ（Ｂ）、λ（Ｇ）、λ（Ｒ）の順で光吸収率が低くなる。そのため、波長λ（Ｂ）の光ＬＢを照射したときのドレイン電流ＩＢに対して、波長λ（Ｇ）の光ＬＧを照射したときのドレイン電流ＩＧと、波長λ（Ｒ）の光ＬＲを照射したときのドレイン電流ＩＲは非常に電流値が小さい。ＴＦＴにおいて、光透過率がピークとなる波長λ（Ｒ）付近に分光する赤色（Ｒｅｄ）フィルタ９１と、光透過率がピークとなる波長λ（Ｇ）付近に分光する緑色（Ｇｒｅｅｎ）フィルタ９２は、ブラックマトリクス２４と同じく遮光層としての効果がある。

図９は、本発明による画像表示装置の実施例２を説明する回路構成図である。実施例２は、実施例１に対して、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅのサブ画素からなる画像表示装置に光センサを形成している点で異なる。その他は同構成であるため、同構成部分の説明は省略する。ここでは説明の関係上、画素回路をサブ３画素×２のマトリクス状に配列する。Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅ３色のカラーフィルタが垂直方向（図９の上下方向）にストライプ状に配列されて対向基板（カラーフィルタ基板）上に作製される。

図８で説明した特性を利用して、実施例２では、観察面から入射する外光を受ける第１光センサＳＥＮＡを有する第１画素ＰＩＸＳを光透過率がピークとなる波長λ（Ｂ）付近に分光するＢｌｕｅ画素に配置することで、ＴＦＴがタッチ反射光ＬＲＥＦを検出する。また、同様の第１画素ＰＩＸＳを光透過率がピークとなる波長λ（Ｒ）付近に分光するＲｅｄ画素に配置すると、ＴＦＴがタッチ反射光Ｌ_REFの検出レベルが低いことで、実質的な遮光状態を作ることができる。また、Ｇreenのサブ画素には光センサを有しない画素回路ＰＩＸを配置する。以上の配置とすることにより、実施例１のように光検出ＴＦＴの上に遮光用のブラックマトリクス等を配置することなく、実施例１と同様の効果を得ることができる。

図１０は、本発明による画像表示装置の実施例３を説明する回路構成図である。実施例３の特徴は、実施例２に対して水平方向（図１０の左右方向）に検出信号を出力する構成を追加した点にある。ここでは、この特徴点についてのみ説明し、実施例２と重複する構成については説明を省略する。図１０において、Ｒｅｄサブ画素の１列目のスイッチＴＦＴ１がデータ線ＤＲと接続され、Ｂｌｕｅサブ画素の２列目のスイッチＴＦＴ２がデータ線ＤＢに接続される。さらに、これらデータ線がＸアドレス検出回路（センサ信号処理回路）１３Ｘに接続されることによって、Ｒｅｄサブ画素の１列目、およびＢｌｕｅサブ画素の２列目から読み出される信号がＸアドレス検出回路１３Ｘに伝送される。

次に、Ｒｅｄサブ画素の２列目のスイッチＴＦＴ１が読み出し信号線Ｒ２、に接続され、ＴＦＴ２がデータ線ＤＲに接続され、Ｂｌｕｅサブ画素の１列目のスイッチＴＦＴ１が読み出し信号線Ｒ１に接続される。さらに、これら読み出し信号線Ｒ１、Ｒ２をＹアドレス検出回路（センサ信号処理回路）１３Ｙに接続することによって、Ｒｅｄサブ画素の２列目、およびＢｌｕｅサブ画素の１列目から読み出される信号がＹアドレス検出回路１３Ｙに伝送される。

これにより、読み出し線Ｒ１、Ｒ２は走査する必要がなく、１フレームあたり１回の読み出しで、光検出信号を水平と垂直（Ｘ、Ｙ）方向に読み出すことができる。読み出し線の走査が必要でなくなるということは、センサドライバ１４にシフトレジスタ等の走査回路を構成する必要がなく、回路の簡略化が可能で、かつ検出時間を高速化することができるなどの効果がある。なお、詳細の駆動タイミングについては図１１で説明する。

図１１は、本発明による画像表示装置の実施例３の駆動タイミング図である。図５の実施例１の駆動タイミングと同様に、１フレーム（１Ｆ）は表示期間Ｔ_Dとブランキング期間Ｔ_Bに分けられる。表示期間Ｔ_Dについては実施例１と同様であるため説明は省略する。また、光検出動作は、実施例１と同様にブランキング期間Ｔ_Dで行われるが、動作が異なるため、この点のみ説明する。

まず、切り替えスイッチ８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃの切り替え信号φＳＷがハイレベル（Ｈ）からローベル（Ｌ）になることで、データ線ＤＲ、ＤＧ、ＤＧは、データドライバ１１から分離される。それと同時に、読み出し線Ｒ１、Ｒ２の読み出しクロックＶ_R1、Ｖ_R2が、ローレベル（Ｌ）からハイレベル（Ｈ）になることで、全画素内から読み出された信号電流が、データ線ＤＲ、ＤＧ、ＤＧ上の信号電圧Ｖ_DR、Ｖ_DG、Ｖ_DB、および読み出し信号線Ｙ１、Ｙ２上の信号電圧Ｖ_SIG、Ｖ_REFに変換されてＸアドレス検出回路１３Ｘ、Ｙアドレス検出回路１３Ｙにそれぞれ伝送される。

ここで、ΔＶＤはバックライト光ＬＢＬの信号成分からなる電位差で、ΔＶＳはバックライト光ＬＢＬおよびタッチ反射光ＬＲＥＦ信号成分からなる電位差である。光検出ＴＦＴ６１に入射する光ＬＲＥＦの強度が強いほど、電位差ΔＶＳは大きくなる。図１０のセンサ信号処理回路１３Ｘはデータ線ＤＲとデータ線ＤＢの信号電圧Ｖ_DR、Ｖ_DBの差を、差動アンプＡＤで増幅し、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＣでデジタル変換された信号値を、制御回路１５に伝送する。同時に、センサ信号処理回路１３Ｙは信号線Ｙ１と信号線Ｙ２の信号電圧Ｖ_SIG、Ｖ_REFの差を、差動アンプＡＤで増幅し、アナログ‐デジタル変換器ＡＤＣでデジタル変換された信号値を、制御回路１５に伝送する。

以上より、Ｘアドレス検出回路１３Ｘ、Ｙアドレス検出回路１３Ｙで処理された信号値を基に画面を指で触れたかの判断情報と、アドレス情報（二次元座標）が同時に制御回路１５に伝送されるため、検出時間の高速化が可能となる。

図１２は、本発明による画像表示装置の実施例４を説明する回路構成図である。実施例４は、図４で説明した実施例１のセンサ信号処理回路１３をＸアドレス検出回路（センサ信号処理回路）１３Ｘとし、図１０の実施例３に示したＹアドレス検出回路（センサ信号処理回路）１３Ｙを追加したものである。なお、図１２には説明を簡素化するため、２×２の画素のみを示す。

実施例４では、画面の観察面から入射する外部光を受ける第１光センサＳＥＮＡを備えた第１画素と、該外部光から遮蔽された第２光センサＳＥＮＢを備えた第２画素とからなる画素回路を備える。そして、前記画素回路を接続して第１の方向に延在するゲート線Ｇ１、Ｇ２と、前記第１の方向に交差する第２の方向に延在し、前記第１画素のみを接続する第１のデータ線Ｄ１と、前記第２画素のみを接続する第２のデータ線Ｄ２と、前記第１画素と前記第２画素を交互に接続して前記第１の方向に延在するセンサ読み出し線Ｙ１，Ｙ２とを設けている。

前記ゲート線に画素選択信号を印加するゲートドライバ１２と、前記画素選択信号で選択された画素に前記データ線を通して表示データを供給するデータドライバ１１と、前記第１のデータ線Ｄ１と前記第２のデータ線Ｄ２とに接続するＸアドレス検出回路１３Ｘと前記センサ読み出し線Ｙ１，Ｙ２に接続されたＹアドレス検出回路１３Ｙ、およびセンサドライバ１４とを有する。さらに、光センサに接続されるスイッチＴＦＴ１のゲート電極に、読み出し線Ｒ１、Ｒ２が接続され、センサドライバ１４から読み出し信号Ｖ_R(1)、Ｖ_R(2)が伝送される。

実施例４では、実施例３と同様に、Ｘアドレス検出回路１３Ｘと前記センサ読み出し線Ｙ１，Ｙ２に接続されたＹアドレス検出回路１３Ｙで処理された信号値を基に画面を指で触れたか否かの判断情報と、アドレス情報（二次元座標）が同時に制御回路１５に伝送されるため、検出時間の高速化が可能となる。

図１３は、本発明による画像表示装置の実施例５を説明する回路構成図である。実施例５が実施例２と異なる点は、周辺回路の構成にある。ここでは、この点について説明し、実施例２と同じ構成についての説明は省略する。主にトランジスタの移動度が高い低温ポリシリコンＴＦＴプロセスでは、ガラス基板上に、Ｒｅｄ、Ｇｒｅｅｎ、Ｂｌｕｅの信号ラインの切り替えを行うＲＧＢ切り替えスイッチ８０が形成され、データドライバを構成するドライバＩＣ９０へ接続する出力端子数を従来の１／３にすることができる。ＲＧＢ切り替えスイッチ８０は、ＴＦＴ―Ｓ１、ＴＦＴ―Ｓ２、ＴＦＴ―Ｓ３で構成される。

ＲＧＢ切り替えスイッチ８０は、上記したように、ＴＦＴなどを用いた単純なアナログスイッチで構成が可能である。本実施例では、これを利用して、データ線の端子にデータドライバ１１とセンサ信号処理回路１３を接続し、映像信号の伝送と検出信号の伝送とを出力端子８１からデータドライバ１１とセンサ信号処理回路１３とに分けて切り換える。この切り換えには、切り換えスイッチ９１と９２も関与する。データドライバ、検出回路１３はドライバＩＣ内に作製され、それぞれに切り替えスイッチ８０を介して出力端子に接続する。

実施例１〜４においては、センサ信号処理回路を接続するために、ガラス基板に出力端子を別途設ける必要があったが、実施例５においては、ガラス基板上に作製する出力端子数を追加することなくセンサ信号処理回路を設けることが可能である。なお、駆動タイミングについては、図５で説明した実施例１の駆動タイミングと同様である。

図１４は、本発明に係る画像表示装置を適用したモバイル用電子機器を示す図である。モバイル用電子機器１には、本発明の画像表示装置２の他に、十字キー４を装備している。本発明に係る画像表示装置を適用することで、画像表示装置２の表示画面３上にアイコンなどの表示を指でタッチすることで、専用のタッチパネルモジュールを必要とすることなく、選択処理されるタッチパネル機能のユーザーインターフェースを提供することが可能となる。

本発明による画像表示装置の実施例１を説明する画面入力機能付き液晶表示装置の展開斜視図である。 本発明による画像表示装置の実施例１を説明する図１に示した画面入力機能付き液晶表示装置の１画素の断面図である。 薄膜トランジスタに照射した光の照度Ｅｖとドレイン電流Ｉの依存性を示す図である。 本発明による画像表示装置の実施例１を説明する回路構成図である。 本発明による画像表示装置の実施例１の駆動タイミング図である。 図４の画素回路内の第１光センサＰＩＸＳの構成である。 本発明による画像表示装置の実施例１のブロック図である。 光センサの動作と機能の説明図である。 本発明による画像表示装置の実施例２を説明する回路構成図である。 本発明による画像表示装置の実施例３を説明する回路構成図である。 本発明による画像表示装置の実施例３の駆動タイミング図である。 本発明による画像表示装置の実施例４を説明する回路構成図である。 本発明による画像表示装置の実施例５を説明する回路構成図である。 本発明に係る画像表示装置を適用したモバイル用電子機器を示す図である。 画素内に光センサを形成した画面入力機能付き従来の画像表示装置の画素構成例を説明する概念図である。 画素単位に光センサを形成した画面入力機能付き画像表示装置の従来例の画素構成を説明する等価回路図である。

符号の説明

１１・・・データドライバ、１３・・・センサ信号処理回路、１４・・・センサ読み出し回路（センサドライバ）、１５・・・制御回路１５、８０Ａ,８０Ｂ・・・切り替えスイッチ、ＡＤ・・・差動アンプ、ＭＰＸ・・・マルチプレクサ、ＡＤＣ・・・ＡＤコンバータ、また、Ｇ１、Ｇ２・・・ゲート線、Ｒ１、Ｒ２・・・読み出し線。

Claims (25)

1. 画面の観察面から入射する外部光を受ける第１光センサを備えた第１画素からなり、第１および第２の方向に二次元配列された第１画素回路と、該外部光から遮蔽された第２光センサを備えた第２画素とからなり、前記第１および第２の方向に二次元配列された第２画素回路と、
   前記第１および第２画素回路を接続して前記第１の方向に延在するゲート線と、
   前記第２の方向に延在し、前記第１画素回路のみを接続する第１のデータ線と、前記第２画素回路のみを接続する第２のデータ線と、
   前記第１および第２画素回路を接続して前記第１の方向に延在するセンサ読み出し線と、
   前記ゲート線に画素選択信号を印加するゲートドライバと、
   前記画素選択信号で選択された前記第１および第２画素回路に前記第１および第２のデータ線を通して表示データを供給するデータドライバと、
   前記センサ読み出し線に接続されたセンサドライバと、
   前記第１のデータ線と前記第２のデータ線とに接続するセンサ信号処理回路と、
   を有し、
   前記センサ信号処理回路が前記第１のデータ線と前記第２のデータ線を通して入力する前記第１光センサと前記第２光センサの信号に基づいて前記画面のタッチ操作された二次元座標を検知することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
2. 請求項１において、
   前記センサ信号処理回路に差動増幅回路を備え、前記第１のデータ線の信号と前記第２のデータ線の信号を基準信号として前記二次元座標を生成することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
3. 請求項１において、
   前記第１のデータ線および前記第２のデータ線と前記データドライバの間に、表示期間と帰線期間を切り換える切り替えスイッチを備えることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
4. 請求項３において、
   前記切り替えスイッチにより切り換えられた帰線期間に前記二次元座標の生成のための前記第１光センサと前記第２光センサの信号を前記センサ信号処理回路に取り込むことを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
5. 請求項１において、
   前記第１画素のみを接続し、垂直方向に延在する第１のデータ線と、
   前記第２画素のみを接続し、垂直方向に延在する第２のデータ線と、
   前記第１画素のみを接続し、水平方向に延在する第１の信号線と、
   前記第２画素のみを接続し、水平方向に延在する第２の信号線と、
   を有し、
   前記第１のデータ線と前記第２のデータ線とに接続するセンサ信号処理回路と、
   前記第１の信号線と前記第２の信号線とに接続するセンサ信号処理回路と、
   を有し、
   前記センサ信号処理回路が、前記第１のデータ線と前記第２のデータ線を通して入力する前記第１光センサと前記第２光センサの信号に基づいて、前記画面のタッチ操作された二次元座標を検知することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
6. 請求項１または請求項５において、
   前記画素は液晶表示画素であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
7. 請求項１または請求項５において、
   前記画素はＥＬ表示画素であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
8. 請求項７において、
   前記画素は有機ＥＬ発光ダイオードであることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
9. 請求項１または請求項５において、
   前記第１光センサおよび第２光センサはＰＩＮダイオードからなり、
   前記ＰＩＮダイオードはドレインおよびソース端子を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
10. 請求項９において、
    前記ＰＩＮダイオードの前記ドレインおよびソース端子に、並列に容量が接続されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
11. 請求項１または請求項５において、
    前記第１光センサおよび第２光センサは薄膜トランジスタからなり、
    前記薄膜トランジスタはドレインおよびゲートおよびソース端子を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
12. 請求項１１において、
    前記薄膜トランジスタの前記ゲートおよびソース端子が短絡されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
13. 請求項１１において、
    前記薄膜トランジスタの前記ドレインおよびソース端子に、並列に容量が接続されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
14. 画面の観察面から入射する外部光の赤色光を受ける光センサを備えた第１画素からなり前記第１および第２の方向に２次元配列された第１画素回路と、光センサを有しない第２画素からなり第１および第２の方向に２次元配列された第２画素回路と、前記外部光の青色光を受ける光センサを備えた第３画素からなり前記第１および第２の方向に２次元配列された第３画素回路と
    前記第１画素回路と前記第２画素回路および前記第３画素回路を接続して前記第１の方向に延在するゲート線と、
    前記第２の方向に延在し、前記第１画素回路のみを接続する第１のデータ線と、前記第２画素回路のみを接続する第２のデータ線と、前記第３画素回路のみを接続する第３のデータ線と、
    前記第１画素と前記第３画素を接続して前記第１の方向に延在するセンサ読み出し線と、
    前記ゲート線に画素選択信号を印加するゲートドライバと、
    前記画素選択信号で選択された前記第１、第２および第３画素回路に前記第１のデータ線と前記第２のデータ線および前記第３のデータ線を通して赤色表示データと緑色表示データおよび青色表示データを供給するデータドライバと、
    前記センサ読み出し線に接続されたセンサドライバと、
    前記第１のデータ線と前記第３のデータ線に接続するセンサ信号処理回路と、
    を有し、
    前記センサ信号処理回路が前記第１のデータ線と前記第３のデータ線を通して入力する前記第１画素回路の光センサと前記第３画素回路の光センサの信号に基づいて前記画面のタッチ操作された二次元座標を検知することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
15. 請求項１４において、
    前記センサ信号処理回路に差動増幅回路を備え、前記第１のデータ線の信号を基準信号として前記第３のデータ線の信号から前記二次元座標を生成することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
16. 請求項１５において、
    前記切り替えスイッチにより切り換えられた帰線期間に前記二次元座標の生成のための前記第１光センサと前記第３光センサの信号を前記センサ信号処理回路に取り込むことを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
17. 請求項１４において、
    前記第１のデータ線と前記第２のデータ線および前記第３のデータ線と前記データドライバの間に、表示期間と帰線期間を切り換える切り替えスイッチをそれぞれ備えることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
18. 請求項１４において、
    前記画素は液晶表示画素であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
19. 請求項１４において、
    前記画素はＥＬ表示画素であることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
20. 請求項１９において、
    前記画素は有機ＥＬ発光ダイオードであることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
21. 請求項１４において、
    前記第１光センサおよび第２光センサはＰＩＮダイオードからなり、
    前記ＰＩＮダイオードはドレインおよびソース端子を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
22. 請求項２１において、
    前記ＰＩＮダイオードの前記ドレインおよびソース端子に、並列に容量が接続されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
23. 請求項１４において、
    前記第１光センサおよび第２光センサは薄膜トランジスタからなり、
    前記薄膜トランジスタはドレインおよびゲートおよびソース端子を有することを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
24. 請求項２３において、
    前記薄膜トランジスタの前記ゲートおよびソース端子が短絡されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
25. 請求項２３において、
    前記薄膜トランジスタの前記ドレインおよびソース端子に、並列に容量が接続されていることを特徴とする画面入力機能付き画像表示装置。
    
    
    

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