(57)【要約】【課題】光センサにおいて、Ｓ／Nの良好な光センサを構成することを目的とする。【解決手段】光センサＡは、第１の基板１と第２の基板２との間に、光透過散乱型液晶３が封入されている。第１の基板１には、光透過散乱型液晶３を駆動するための駆動電極４を基板面内において対向に配置している。光透過散乱型液晶３は、駆動電極４間の印加電圧がゼロの時は散乱状態となり光を透過しない。第２の基板２には、例えばポリシリコンにより形成されるソース電極５とドレイン電極６と例えばシリコン半導体層７と酸化膜などにより形成されるゲート誘電体層８とゲート電極９とにより構成されるＴＦＴ１００を配置する。ＴＦＴ１００は、一般的なアクティブマトリクス液晶と同様の工程で製造することができる。例えば、暗電流は１０−１２Ａ）程度である。ＴＦＴ１００のゲート電極９は、入射光束を効率的に取り込むため、光透過散乱型液晶３の駆動電極４と基板面の法線方向に対向している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な第１の基板と、
前記第１の基板と対向して配置される第２の基板と、
前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持された光透過散乱型液晶材と、前記第１の基板の前記第２の基板側の面に配置された前記光透過散乱型液晶材駆動用の駆動電極対と、
前記第２の基板の前記第１の基板側の面であって前記駆動電極対と、基板の法線方向に対向する位置に設けられた薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」と称する。）と
を有することを特徴とする光センサ。
【請求項２】
ＴＦＴのしきい値電圧以下のゲート電圧においてもドレイン電流が流れる程度の電圧を、前記ＴＦＴのソース−ゲート間に印加して用いることを特徴とする請求項１に記載の光センサ。
【請求項３】
前記駆動電極対と前記ＴＦＴのゲート部とが対向配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ。
【請求項４】
前記駆動電極に所定の電圧を印加する電圧印加部を有し、前記電圧印加部により、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記光透過散乱型液晶材により可変焦点機能を有するアクティブレンズを形成することを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の光センサ。
【請求項５】
前記駆動電極対の間隔を、前記ＴＦＴのゲート部の領域を光学的に遮光しない間隔にすることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の光センサ。
【請求項６】
前記ＴＦＴのゲート部に直接光束を入射させる導光部を有することを特徴とする請求項１から５までのいずれか1項に記載の光センサ。
【請求項７】
前記第１の基板側に、入射光のうち前記ＴＦＴのゲート誘電体層から外れる斜め方向の成分を前記ゲート誘電体層に集光させる集光部を有することを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の光センサ。
【請求項８】
前記集光部は、前記第１の基板面に形成されたフィールドレンズを含むことを特徴とする請求項７に記載の光センサ。
【請求項９】
前記集光部は、前記フィールドレンズと前記光透過散乱型液晶材により形成された可変焦点のアクティブレンズとの組み合わせにより構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光センサ。
【請求項１０】
前記第１の基板の前記第２の基板とは反対側から光が入射可能な構成において、前記ＴＦＴのゲート電極を負極性の電源に接続し、ソース電極を正極性の電源に接続し、ドレイン電極とアースとの間にコンデンサと抵抗との並列回路がそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の光センサ。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の光センサを基板面内に複数配置したことを特徴とする光センサ集積回路。
【請求項１２】
前記光センサをマトリックス状に配置し、前記基板面に形成され前記光センサをその交点の位置とする第１の配線及びそれと交差する第２の配線により、前記ＴＦＴが駆動されるとともに、前記ＴＦＴの出力電圧を入力として、所定の光束以上の入射光束が得られるように前記駆動電極対に印加する電圧を出力する電圧制御部を有することを特徴とする請求項１１に記載の光センサ集積回路。
【請求項１３】
前記複数の駆動電極対と前記複数のＴＦＴからなるアレーを線順次で走査する駆動部を有することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の光センサ集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサーカメラ付き表示装置における光センサに関し、特に、光散乱型液晶を利用した光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光センサにおいては、ＣＣＤ（電荷結合素子）やＣＭＯＳ（相補型ＭＯＳ）センサが主流である。図６は、一般的なＣＭＯＳ光センサの一回路構成例を示す図である。図６に示すように、一般的なＣＭＯＳ光センサでは、光子を電子に変換するフォトダイオード３０１と電圧増幅用トランジスタ３０４との組み合わせで構成されている。すなわち、１つの光センサセルＸは、マトリックス状に配置されているロー線Ｌ３０１及びカラム線Ｌ３０２との交点に配置されている。符号３０２は、シャッタ用のトランジスタであり、符号３０３はフォトダイオード３０１からの出力電子を蓄積するキャパシタであり、符号３０５はローセレクタであり、符号３０６は電子を外部に伝えるカラムバスであり、符号３０７はキャパシタ３０３をＶＤＤ＝０にリセットするリセット部である。ＣＭＯＳ光センサに関する一般的な最新特許文献としては、例えば、以下の文献が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−１６６３５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の構成では、フォトダイオード３０１の暗時のランダムノイズがＣＭＯＳ光センサＸのＳ／Ｎを低下させている。近年、ＣＭＯＳ光センサの配線による光ロスを軽減した方式も実用化されているが、依然として、ＣＭＯＳ光センサの構成自体は、フォトダイオード３０１と電圧増幅用トランジスタ３０４との組み合わせの構成と変わらないため、原理的にはこのような不具合は改善できていない。
【０００５】
従来、光センサＸは、固定されたマイクロレンズアレーと、図６に回路図で示す構成（フォトダイオード３０１と電圧増幅用トランジスタ３０４の組み合わせ）で構成されていた。光学的には、ＣＣＤ入射光束のロスを伴うことと、回路構造的にはバイポーラプロセス及びＣＭＯＳプロセスで形成され、ＣＭＯＳ用の基板上にフォトダイオード３０１を組み込むため、構成が複雑となり小型化することが難しいという問題もあった。
【０００６】
本発明は、光センサにおいて、Ｓ／Ｎ（信号雑音比）の良好な光センサを構成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、光透過散乱型液晶のアクティブレンズ機能を活用するとともに、基板内に配置したＴＦＴ（薄膜トランジスタ）の暗電流特性を積極的に活用することにより、光センサにおけるＳ／Ｎを良好にするものである。
【０００８】
本発明の一観点によれば、透明な第１の基板と、前記第１の基板と対向して配置される第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に挟持された光透過散乱型液晶材と、前記第１の基板の前記第２の基板側の面に配置された前記光透過散乱型液晶材駆動用の駆動電極対と、前記第２の基板の前記第１の基板側の面であって前記駆動電極対と、基板の法線方向に対向する位置に設けられた薄膜トランジスタ（「ＴＦＴ」と称する。）とを有することを特徴とする光センサが提供される。前記駆動電極対と前記ＴＦＴのゲート部とが対向配置されていることが好ましい。また、前記駆動電極に所定の電圧を印加する電圧印加部を有し、前記電圧印加部により、前記第１の基板と前記第２の基板との間の前記光透過散乱型液晶材により可変焦点機能を有するアクティブレンズを形成する。
【０００９】
これにより、光透過散乱型液晶のアクティブレンズ機能を活用して、入射光をＴＦＴ領域に集めることができ、光センサのＳ／Ｎを向上させることができる。前記光透過散乱型液晶材は、中間調表示が可能なライトバルブとして機能する。前記駆動電極の近傍の光透過散乱型液晶分子は、第１の基板にほぼ平行に配向し、前記駆動電極から少し離れた位置の光透過散乱型液晶分子は、第１の基板に対し下方に若干湾曲に配向する。このように、駆動電極から徐々に離れるにつれ、より下方に湾曲した配向となり、下に凸の凸型シリンドリカルレンズを形成する。
【００１０】
前記駆動電極対の間隔を、前記ＴＦＴのゲート部の領域を光学的に遮光しない間隔にすることが好ましい。また、前記ＴＦＴのゲート部に直接光束を入射させる導光部を設けても良い。前記第１の基板側に、入射光のうち前記ＴＦＴのゲート誘電体層から外れる斜め方向の成分を前記ゲート誘電体層に集光させる集光部を有することが好ましい。この集光部は、前記第１の基板面に形成されたフィールドレンズを含むことが好ましい。さらに、前記集光部は、前記フィールドレンズと前記光透過散乱型液晶材により形成された可変焦点のアクティブレンズとの組み合わせにより構成されているようにしても良い。これらの手段により、より一層の集光効果が得られる。光透過散乱型液晶材により形成されたアクティブレンズは、駆動電極への印加電圧により焦点を可変とすることができる。
【００１１】
また、前記第１の基板の前記第２の基板とは反対側から光が入射可能な構成において、前記ＴＦＴのゲート電極を負極性の電源に接続し、ソース電極を正極性の電源に接続し、ドレイン電極とアースとの間にコンデンサと抵抗との並列回路がそれぞれ接続されていることが好ましい。
【００１２】
本発明は、上記のいずれかに記載の光センサを基板面内に複数配置した光センサ集積回路であっても良い。その際、前記光センサをマトリックス状に配置し、前記基板面に形成され前記光センサをその交点の位置とする第１の配線及びそれと交差する第２の配線により、前記ＴＦＴが駆動されるとともに、前記ＴＦＴの出力電圧を入力として、所定の光束以上の入射光束が得られるように前記駆動電極対に印加する電圧を出力する電圧制御部を有するようにすると良い。これにより、電圧制御部から出力される出力電圧により、光透過散乱型液晶の駆動電極に対して所定の電圧が印加される。前記複数の駆動電極対と前記複数のＴＦＴからなるアレーを線順次で走査する駆動部を有するようにすると良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による光センサにおいては、Ｓ／Ｎの良好な光センサを構成することができる。また、超薄化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施の形態による光センサの一構成例を示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による光センサの一構成例を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による光センサにおける液晶駆動電極及びＴＦＴ各電極のバイアスについて示す図である。
【図４】本実施の形態によるＴＦＴの光電流特性例を示す図である。
【図５】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の原理を説明するための図である。
【図６】一般的なＣＭＯＳ光センサ回路の一例を示す図である。
【図７】本実施の形態によるアクティブレンズ機能を持たせた際の光透過散乱型液晶分子の配向の様子を示す図である。
【図８】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧依存性を示す図である。
【図９】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧依存性を示す図である。
【図１０】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧依存性を示す図である。
【図１１】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧依存性を示す図である。
【図１２】本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施の形態による光センサについて図面を参照しながら説明を行う。本実施の形態による光レンズの原理は、光の散乱を利用した光透過散乱型液晶の配向によるアクティブレンズ機能を活用し、入射光束をできるだけ多く（好ましくは最大入射光束を）取り込むように構成することで、光電変換レベル（Ｓ）が向上し、また、フォトダイオードを使用しないことから、暗ノイズ（Ｎ）を激減でき、Ｓ／Ｎの良好な光センサが構成することができる。
【００１６】
まず初めに、光透過散乱型液晶のアクティブレンズ機能と、基板内に配置したＴＦＴとの組み合わせとからなる、本発明の第１の実施の形態による光センサについて詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態による光センサＡは、例えばガラスなどによる透明な第１の基板１と、例えば、ガラス又はシリコンなどの第２の基板２との間に、ポリマ分散型液晶等の光透過散乱型液晶３が封入されている。第１の基板１には、光透過散乱型液晶３を駆動するための駆動電極４を基板面内において対向に配置している。光透過散乱型液晶３は、駆動電極４間の印加電圧がゼロの時は散乱状態となり光を透過しない。第２の基板は裏面からの光漏れを防ぐために、遮光材または遮光処理が望ましい。光透過散乱型液晶パネル厚は、例えば、約２〜３ｍｍ程度であり、殆ど２枚の基板の厚さになる。
【００１８】
第２の基板２には、例えばポリシリコンにより形成されるソース電極５とドレイン電極６と例えばシリコン半導体層７と酸化膜などにより形成されるゲート誘電体層８とゲート電極９とにより構成されるＴＦＴ１００を配置する。ＴＦＴ１００は、一般的なアクティブマトリクス液晶と同様の工程で製造することができ、第２の基板２上に形成された活性層（チャンネル層）７と、ゲート絶縁膜層８と、その上に形成されたゲート電極９と、チャンネル層７に形成されたソース、ドレイン電極５・６と、を有している。例えば、暗電流は１０−１２Ａ程度である。ＴＦＴ１００のゲート電極９は、入射光束を効率的に取り込むため、光透過散乱型液晶３の駆動電極４と基板面の法線方向に対向している。駆動電極４の対の間隔は、ＴＦＴ１００のゲート絶縁膜層（ゲート部）８の領域を光学的に遮光しない間隔にするのが好ましい。これにより、ＴＦＴ１００のゲート部８に直接光束を入射させる導光部を形成することができる。
【００１９】
次に、本実施の形態による光センサの動作について説明する。図３は、本発明の第１の実施の形態による光センサにおける液晶駆動電極及びＴＦＴ各電極のバイアスについて示す図である。第１の基板１側から入射する入射光１０に対して敏感に反応させるため、図３に示すように、ＴＦＴ１００のゲート電極９には、抵抗１５を介して負方向の深いバイアス電圧（−ＶＣＣ）１４を印加しておくと、白抜きの矢印で示す電流２１の静特性曲線は図４に示す符号５００のようになる。Ｖｃｃは例えば４Ｖ程度である。
【００２０】
ソース電極５とドレイン電極６との間に電流２１が流れ、コンデンサ１６と抵抗１７との並列回路の両端に出力電圧１８として誘起される。この出力電圧１８を入力として、所定の光束以上の入射光束が得られるような制御システム１９から出力される出力電圧２０により、光透過散乱型液晶３の駆動電極４に対して所定の電圧１１が印加される。その際の後述するアクティブレンズ機能により、入射光１０は第２の基板２に配置されているＴＦＴ１００のゲート誘電体層８に集光するようになっている。
【００２１】
図４は、図１に示すような本実施の形態による光センサに用いられるＴＦＴ１００における光電流特性例を示す図である。図４に示すように、ＴＦＴ１００に印加するゲート電圧Ｖｇが閾値電圧以下の場合には、ソース-ドレイン電流ＩＤＳは基本的には流れないが、実際にはわずかながら、例えば３×１０−１１（Ａ）程度の光電流（暗電流）４００（破線で示す）が漏れ電流として流れるため、センサとしてのＳ／Ｎを悪くしているという問題がある。本実施の形態では、本来であれば問題となるこの現象を逆に活用することを考えたものである。すなわち、図４に示すように、負方向の深いバイアス電圧（−ＶＣＣ）１４（図３）を印加し、かつ、ゲート誘電体層（絶縁膜層９）に光を積極的に入力すると、図４中の電流特性曲線５００に示すように、ゲート電圧Ｖｇがしきい値電圧Ｖｔｈ以下でも、ドレイン電流が流れるようになる。一般的には、ゲート電圧Ｖｇがしきい値電圧Ｖｔｈ以上でないとドレイン電流は流れないが、負方向の深いバイアス電圧（−ＶＣＣ）１４（図３）を印加することで、ゲート電圧Ｖｇがしきい値電圧Ｖｔｈ以下でもドレイン電流が流れるため、光センサとして利用できるようになる。以下に、光透過散乱型液晶３の配向特性を活用したアクティブレンズ機能について説明する。図５は、本実施の形態によるアクティブレンズ機能の原理を説明するための図である。図５に示すように、駆動電極４の近傍の光透過散乱型液晶３の分子１２は、基板１にほぼ平行に配向する。駆動電極４から少し離れた位置の光透過散乱型液晶３の分子は、基板１に対し下方に若干湾曲に配向する。このように、電極４から徐々に離れるにつれ、より下方に湾曲した配向となり、下に凸の凸型シリンドリカルレンズを形成する。この様に、駆動電圧１１を調整することにより、凸型シリンドリカルレンズの曲率を可変にすることができるため、適応的に焦点距離を調整することができる。このアクティブレンズ機能により、入射光１０をＴＦＴ１００のゲート電極９に集光させることができる。この光により、ドレイン５−ソース６間に電流が流れ、コンデンサ１６を充電する。コンデンサ１６に充電された電荷は、順次取り出されて、電気信号に変換される。図７は、本実施の形態によるアクティブレンズ機能における焦点距離と印加電圧との関係を示す概念図である。図７において、電極対４に矩形波または正弦波等の交流電圧が印加されると、電極４を中心に等電位面１２１が形成され、この等電位面１２１に垂直に交差するように電気力線１２２が形成される。従って、電極４近傍の光透過散乱型液晶分子は、電気力線１２２に沿って図５に示したように配向することになる。すなわち、光透過散乱型液晶３の分子は基板１にほぼ平行に配向するが、電極４から少し離れた位置の光透過散乱型液晶３の分子は、基板１に対し下方に若干湾曲に配向する。液晶分子列で形成される湾曲面は、印加電圧の大きさに比例して滑らかになる。このように、電極対４の印加電圧により、凸型シリンドリカルレンズの曲率を任意に調整することができる。
【００２２】
図８から図１１では、本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧依存性を示す図である。図１２は、本実施の形態によるアクティブレンズ機能の印加電圧例を示す図である。
【００２３】
図１２に示すように、電極４に印加する電圧パルスは、（ａ）に示す低い電圧Ｖ１、（ｂ）に示すそれよりはやや高い電圧Ｖ２、（ｃ）に示す電圧Ｖ３、（ｄ）に示す高い伝タスＶ４とすると、印加電圧が低いＶ１の時は、図８に示すように、液晶により形成されるアクティブレンズ機能による凸レンズ１２３の曲率が小さいため、焦点距離ｆ１の長いレンズが形成される。更に、印加電圧をＶ２→Ｖ３と高くしていくと、図９、１０に示す様に、凸レンズ１２４・１２５の曲率が大きくなり、焦点距離ｆ2、ｆ3のように短くなっていく。図１０に示すように、ゲート電極９の下面に位置する焦点距離が、ＴＦＴ１００が光を最も効率良く受ける状態を示す図であり、さらに焦点距離が短くなると図１１に示すように（凸レンズ１２６）、ＴＦＴ１００よりも第１の基板１側に焦点が結ばれ、ＴＦＴ１００に照射される光が弱まる。
【００２４】
このように、電極４に印加する電圧により焦点距離を調整することができ、基板面に垂直に入射する入射光を最も効率良く集光させることができる。
【００２５】
次に、本発明の第２の実施の形態による光センサについて説明する。本実施の形態は、図１を参照して説明した第１の実施の形態による光センサにおいて、入射光１０の中のゲート誘電体層８から外れる斜め方向の成分を集光させる機能を備えたものであり、図２に示されている。図２に示すように、第１の基板１面にフィールドレンズ２２を配置している。これにより、斜め方向の入射光２３（図１）を図２の２４に示すように補正し、ゲート誘電体層８に集光することができる。このような構成（集光部）により、第１の実施の形態に比べて更にＳ／Ｎを向上させることができる。尚、フィールドレンズ２２は、視野レンズとも言い、１）前方の対物レンズの口径を映し、もしくは次に来るレンズの口径上に、先の対物レンズや正立系の口径を映すため、内部の像面、あるいはその近くに置くレンズのことである。
【００２６】
図２においては、フィールドレンズ２２を薄肉の凸レンズで構成させた例を示したが、アクティブレンズ２００との組み合わせにより、集光特性を任意に設定することがきるように光学素子（レンズ等）を選択・設計することができる。
【００２７】
尚、本発明の第１及び第２の実施の形態による光センサとしては、１素子のみについて説明したが、実際には、複数（多数）の光センサをマトリックス状に配置してアレー化し、公知の技術により線順次で駆動させる駆動部を設けることで、イメージセンサ等の光集積回路として構成することも可能である。また、本発明の光センサを表示素子と兼用する等の応用も可能である。また、本発明の光センサへのＴＦＴ１００のゲート誘電体層への入射光束を最大にする制御システムを構成することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明は、光センサに利用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ…光センサ、１…第１の基板、２…第２の基板、３…光透過散乱型液晶、４…駆動電極、５…ソース電極、６…ドレイン電極、７…シリコン半導体層、８…ゲート誘電体層、９…ゲート電極、１０…入射光、１４…バイアス電圧（−ＶＣＣ）、１５…抵抗、１８…出力電圧、２１…電流、１００…ＴＦＴ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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