(57)【要約】【課題】光センサ機能をフラットパネルディスプレイ面内に配置する。【解決手段】隣接する液晶セル部６００としては、第１の基板１と第２の基板２との間に光散乱型液晶分子３０が挟持され、第１の基板１の内面と第２の基板２の内面に、対向電極２６、２７が形成された一般的な液晶セル構造が形成されている。第２の基板側の対向電極２７は、ＴＦＴ１００のソース電極６とオーミック接触されている。また、第２の基板２の外側から第１の基板１側に向けてバックライト３００が照射されるようになっている。このように、ＴＦＴ１００は、光センサ部５００のセンサ機能と、液晶セル部６００のスイッチング機能とを兼用させることができる。また、スイッチ機構を設けることで、１セル内に形成された光センサ部５００と液晶セル部６００とを切り替えて利用することも可能である。【選択図】図２
2011013653.tif 000002
【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２の基板の前記第１の基板側の面に形成され基板の面内方向に離れて配置された駆動電極対と、該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（以下「ＴＦＴ」と称する。）と、
前記第１の基板の内面に形成される透明な共通電極及び前記第２の基板の内面に形成され前記薄膜トランジスタの電流端子と接続される信号電極と、
信号線と前記信号電極に接続させるとともに前記薄膜トランジスタの電流端子間に駆動電圧を印加する第１の状態と、信号線と前記薄膜トランジスタの電流端子とを接続するとともに前記信号線と前記信号電極との接続を切断する第２の状態と、の２つの状態を切り替える切り替え制御部と、を有する光センサ機能付き表示素子。
【請求項２】
前記第１の状態では光センサ素子として機能し、前記第２の状態では表示素子として機能することを特徴とする請求項１に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項３】
前記ＴＦＴと前記共通電極及び前記信号電極とを、前記基板面内における近接領域に設けることを特徴とする請求項１又は２に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項４】
前記第２の状態において、前記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から３までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項５】
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から４までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項６】
前記駆動電極対間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５までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項７】
前記第２の基板の外側に前記基板内を照射する光源を備えた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機能付き表示素子。
【請求項８】
前記第１の基板に配置された前記光透過散乱型液晶用駆動用の対向電極対と前記第２の基板に配置したＴＦＴのゲート部とを対向した配置にしたことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項９】
前記第１の基板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、前記ＴＦＴのドレイン電極とアースとの間にはコンデンサと抵抗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８までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１０】
前記駆動電極対間に所定の電圧を印加することにより、前記第１の基板と前記第２の基板との間に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９までのいずれか1項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１１】
前記第１の基板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、前記ＴＦＴのソース電極を正極性の電源に接続し、前記ＴＦＴのドレイン電極とアース間には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１０までのいずれか1項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１２】
一方の面に所定の間隔で配置した複数電極対と集光レンズまたはレンズアレーを配置したことを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１３】
さらに、前記第１の状態において前記薄膜トランジスタからの出力を増幅し、前記第２の状態において、入力する映像信号を増幅し増幅した出力を前記信号電極に印加する増幅器を備えた出力回路を有することを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１４】
前記出力回路は、第１から第３までのスイッチを有しており、
前記第３のスイッチは、前記第１の状態において前記第１のスイッチの一方の端子と接続され、前記第２の状態において映像信号入力端子と前記増幅器の入力端子とを接続し、
前記第２のスイッチは、前記第１の状態において撮像信号の出力側と接続され、前記第２の状態において前記第１のスイッチの他方の端子と接続されるように前記切替制御部の切り替え制御と同期してスイッチが制御されることを特徴とする請求項１３に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１５】
前記第１の状態用の第１の増幅器と、前記第２の状態用の第２の増幅器と、を有することを特徴とする請求項１３に記載の光センサ機能付き表示素子。
【請求項１６】
請求項１から１５までのいずれか１項に記載の多数のセンサ機能付き表示素子がマトリックス状に配置されていることを特徴とする光センサ機能付き表示素子。
【請求項１７】
前記第２の基板の外側に前記基板内を照射するバックライトを備えたことを特徴とする請求項１６に記載の光センサ機能付き表示装置。
【請求項１８】
前記複数電極対と前記複数のＴＦＴアレーを線順次で走査する駆動回路を有することを特徴とする請求項１６又は１７に記載の光センサ機能付き表示装置。
【請求項１９】
前記表示素子による表示おける画像信号の垂直ブランキング期間内に、前記光センサ部が動作をするように構成した制御回路を有することを特徴とする請求項１６から１８までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示装置。
【請求項２０】
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１６から１９までのいずれか１項に記載の光センサ機能付き表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センサ機能付き表示素子に関し、特に、光散乱型液晶を利用した光センサ機能付きフラットパネルディスプレイ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１に記載の光センサ技術は、絶縁表面を有する基板上にアモルファスシリコン膜を用いた光センサ素子と、薄膜トランジスタからなる出力増幅回路とを集積する。また、光センサ素子の光電変換層のパターニングの際に、露出されている配線を保護するための金属層を光電変換層と薄膜トランジスタと接続する配線との間に設けるものである。さらに、表示装置に関しても多くの文献が存在する。
【０００３】
また、一般的な光センサ機能付き表示装置としては、図１７に示すように、フラットパネルディスプレイ５０１の上部又は外縁に光学カメラ等５０３を画像センサとして配置し、フラットパネルディスプレイ５０１前面の視聴者５０５の位置検出に活用しているものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０８３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１７に示すように、従来の光センサ付き表示システムＹのカメラ（光センサ部）５０３には、光学式カメラが用いられていて、基本的には、フラットパネルディスプレイ５０１の上部または近傍に配置されている。この構成が簡便・安価であり、多用されている。装置の動作原理は、フラットパネルディスプレイ５０１の前面の視聴者の位置を光学的に検知し、カメラヘッド５０３が同期して追随する構成になっている。
【０００６】
しかしながら、この構成は、視聴者からは「如何にも監視されている様で“気持ち悪い・不気味”」と言う声が多く出されていた。さらに、カメラ部５０３が人物を追随するため、ずっと見られているようで“気持ち悪い”と言う意見もあった。
【０００７】
近年、最先端技術を用いることにより、カメラの超小型化が急速に進んでいる。これにより、構成が簡便であり、価格が安価になり、フラットパネルディスプレイの上部または外縁部に組み込みやくなってきたが、“形”として厳然として存在するため、視聴者にとって如何にも監視されているようであり“気持ち悪い・不気味である”と言う状況に変わりはない。
【０００８】
また、人によっては、カメラのレンズが小さくなるほど、ピストルの銃口の様にも見え、恐怖心すら覚える等と、極めて評判が良くないことがよく知られている。本発明は、光センサ機能をフラットパネルディスプレイ面内に目立たないように配置することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は上記の様な状況に鑑み、観視者が光センサ部を直視することなく、位置センスされる光センサ付き表示装置を提案するものである。
【００１０】
本発明は、第１の基板と、第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板との間に封止した光透過散乱型液晶と、バックライトと、を有するフラットパネルディスプレイである。前記第１の基板の液晶面には、液晶をアクティブレンズとして機能させる対向電極対が配置されている。前記第２の基板の液晶面には、光センサ機能を有する例えばトップゲート型ＴＦＴを配置し、反対面にはバックライトを配置することにより光センサ付きフラットパネルディスプレイを構成する。
【００１１】
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２の基板の前記第１の基板側の面に形成され基板の面内方向に離れて配置された駆動電極対と、該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（以下「ＴＦＴ」と称する。）と、前記第１の基板の内面に形成される透明な共通電極及び前記第２の基板の内面に形成され前記薄膜トランジスタの電流端子と接続される信号電極と、信号線と前記信号電極に接続させるとともに前記薄膜トランジスタの電流端子間に駆動電圧を印加する第１の状態と、信号線と前記薄膜トランジスタの電流端子とを接続するとともに前記信号線と前記信号電極との接続を切断する第２の状態と、の２つの状態を切り替える切り替え制御部と、を有する光センサ機能付き表示素子が提供される。前記第１の状態は表示素子、前記第２の状態は光センサ素子として機能するものである。前記ＴＦＴと前記共通電極及び前記信号電極とを、前記基板面内における近接領域に設けることが好ましい。これにより、表示素子と光センサ素子とのセットを小さい専有面積で実現できる。尚、表示素子と光センサ素子とのセットでは、いずれかの素子を複数設けても良いし、両方とも複数設けても良い。
【００１２】
前記第２の状態において、前記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が好ましい。基板内に配置したＴＦＴ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を良好にすることができる。また、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、前記駆動電極対間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が好ましい。前記第２の基板の外側に前記基板内を照射する光源を備えているのが好ましい。前記第１の基板に配置された前記光透過散乱型液晶用駆動用の対向電極対と前記第２の基板に配置したＴＦＴのゲート部とを対向した配置にしたことが好ましい。前記第１の基板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、前記ＴＦＴのドレイン電極とアースとの間にはコンデンサと抵抗の並列回路がそれぞれ接続されていても良い。前記駆動電極対間に所定の電圧を印加することにより、前記第１の基板と前記第２の基板との間に可変焦点機能を有するアクティブレンズを形成するようにすると良い。また、前記第１の基板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、前記ＴＦＴのソース電極を正極性の電源に接続し、前記ＴＦＴのドレイン電極とアース間には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。また、一方の面に所定の間隔で配置した複数電極対と集光レンズまたはレンズアレーを配置しても良い。
【００１３】
さらに、前記第１の状態において、前記薄膜トランジスタからの出力を増幅する増幅器であって、前記第２の状態において、入力する映像信号を増幅し、増幅した出力を前記信号電極に印加する増幅器を備えた出力回路を有するようにしても良く、前記出力回路は、第１から第３までのスイッチを有しており、前記第３のスイッチは、前記第１の状態において前記第１のスイッチの一方の端子と接続され、前記第２の状態において映像信号入力端子と前記増幅器の入力端子とを接続し、前記第２のスイッチは、前記第１の状態において撮像信号の出力側と接続され、前記第２の状態において前記第１のスイッチの他方の端子と接続されるように前記切替制御部の切り替え制御と同期してスイッチが制御されることが好ましい。
【００１４】
本発明は、上記のいずれかに記載の多数のセンサ機能付き表示素子がマトリックス状に配置されていることを特徴とする光センサ機能付き表示装置である。前記第２の基板の外側に前記基板内を照射するバックライトを備えたことが好ましい。前記複数電極対と前記複数のＴＦＴアレーを線順次で走査する駆動回路を有することが好ましい。前記表示素子による表示おける画像信号の垂直ブランキング期間内に、前記光センサ部が動作をするように構成した制御回路を有することが好ましい。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。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、光センサ機能をフラットパネルディスプレイ面内に目立たない配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態による光センサ機能付き表示システムの一構成例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態による光センサ機能付き表示システムにおける光センサと表示素子との構成例を示す図である。
【図３】図２に対応する表示動作時の構成を示す図である。
【図４】光センサ／表示素子切り替え回路を含む構成例を示す図である。
【図５】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６】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７】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８】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９】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１０】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依存性を示す図である。
【図１３】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１４】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１５】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。
【図１６Ａ】図４に示す光センサ／表示素子切り替え回路と出力回路とを含む光センサ機能付き表示回路の一構成例を示す回路図であり、光センサ機能を選択した場合の回路図である。
【図１６Ｂ】図４に示す光センサ／表示素子切り替え回路と出力回路とを含む光センサ機能付き表示回路の一構成例を示す回路図であり、表示機能を選択した場合の回路図である。
【図１７】従来の光センサ付き表示システムの一構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の一実施の形態による光センサ機能付き表示装置について図面を参照しながら説明を行う。図１は、本実施の形態による光センサ付き表示システムの概略的な構成例を示す図である。図１に示すように、観視者Ｕが光センサ付き表示装置Ｘの前面に立ち、図中の（白抜きの矢印）点線のように面方向に沿って移動した場合に、表示装置Ｘの所定の位置から放射される液晶バックライトの光が観視者に反射して戻ってくることにより、パネルＰ内に組み込まれた光センサ部Ｏにより反射光が検知され、観視者Ｕは、表示画像を観ながら、その移動位置が検知されている。
【００１８】
本発明の実施の形態による特徴的なポイントは、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トップゲート型ＴＦＴとからなる光センサ機能を、トップゲート型ＴＦＴをアクティブ素子とした光透過散乱型液晶表示素子と同じパネル内に組み込んだことにある（光センサ組み込み型表示パネルと言うことができる）。かかる構成により、例えば、液晶表示装置用のバックライトからの光は、本実施の形態による表示装置の前面にいるユーザに反射し、再び本表示装置に入射する。この入射光が第２の基板面に配置したＴＦＴのゲート周辺を照射することで、ＴＦＴは表示用のバッファトランジスタ機能と切り替わって、光センサ機能を発揮することができる。尚、表示素子数は、一般的には多数であり、ハイビジョン表示も可能な程度の素子数（集積度）にすることも可能である。
【００１９】
以下、本発明の一実施の形態による光センサ機能付き表示装置の光センサ部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センサ部のレンズの原理は、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。
【００２０】
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。
【００２１】
図５は、図４に示す素子を光センサとして機能させた場合の構成例を示す図である。図５に示すように、本実施の形態（第１の実施の形態）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（駆動電極対）。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は裏面からＴＦＴ１００のゲート９への光漏れを防ぐために、遮光材または遮光処理（図５では、遮光膜１３が形成されている例を示している。）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。
【００２２】
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、ゲート誘電体層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。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のゲート誘電体層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のゲート誘電体層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。
【００２３】
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７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７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（−Ｖｇ）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８に示す符号５００のようになる。＋Ｖｃｃは例えば４Ｖ程度である。
【００２４】
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。
【００２５】
図８は、図５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８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、光センサとしての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８に示すように、負方向の深いバイアス電圧（−Ｖｇ）１４（図７）を印加し、かつ、ゲート誘電体層８に光を積極的に入力すると、図８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（−Ｖｇ）１４（図７）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。
【００２６】
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９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９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（可変焦点機能）。このアクティブレンズ機能により、入射光１０をＴＦＴ１００のゲート誘電体層８に集光させることができる。この光により、ドレイン６−ソース５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。
【００２７】
図１０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１０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２１が形成され、この等電位面２１に垂直に交差するように電気力線２２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２２に沿って図９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。
【００２８】
図１１から図１４までは、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１５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。
【００２９】
図１５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）に示す高い電圧Ｖ４とすると、印加電圧が低いＶ１の時は、図１１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２３の曲率が大きいため、入射光２３に対して、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１２、１３に示す様に、凸レンズ２３の曲率が小さくなり、焦点距離ｆ２、ｆ３のように短くなっていく。図１３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、さらに焦点距離が長くなると図１４に示すように、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。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。
【００３０】
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５を参照して説明した第１の実施の形態と同様に光センサＢ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５と同様に遮光膜を設けても良い。図６に示すように、第１の基板１面にフィールドレンズ５１を配置している。フィールドレンズ５１は、フォトレジストなどにより、一般的な半導体製造プロセスで形成することが可能である。これにより、斜め方向の入射光２３（図５）を図６の符号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５１は、視野レンズとも言い、、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。
【００３１】
第１の基板１面に所定の間隔で配置した複数電極４の対とフィールドレンズ（集光レンズ）５１またはレンズアレーを配置し、薄膜トランジスタ１００を配置した第２の基板２とが対向しており、かつ、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を封入し、複数電極４対と複数のＴＦＴ１００のアレーを線順次で走査する公知の駆動回路を設ければ、光センサ機能付き表示装置を形成することができる。
【００３２】
図６においては、フィールドレンズ５１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。
【００３３】
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、多数の光センサをアレー化し、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。
【００３４】
次に、図２から図４までを参照しながら、表示部と光センサ部との兼用技術について説明を行う。図２及び図３は、本実施の形態による光センサ部５００と液晶表示部６００とが１つのセル内に形成されている様子を示す図である。尚、ここでは、１セル内に光センサ部５００と液晶表示部６００とが形成されている例について説明するが、実際には、フラットパネル内の多数のセルのうちの任意のセルを図２及び図３のように形成し、他の多くのセルは液晶表示部６００のみを設けるのが一般的である。図２は、光センサ部５００として図５に示す構成を適用し、隣接する液晶セル部６００としては、第１の基板１と第２の基板２との間に光散乱型液晶分子３０が挟持され、第１の基板１の内面と第２の基板２の内面に、対向電極２６、２７が形成された一般的な液晶セル構造が形成されている。尚、第２の基板側の対向電極２６は、ＴＦＴ１００のドレイン電極６とオーミック接触されている。また、第２の基板２の外側に配置され、このバックライト３００から第１の基板１側に向けて光が照射されるようになっている。このように、ＴＦＴ１００は、光センサ部５００のセンサ機能と、液晶セル部６００のスイッチング機能とを兼用させることができる。尚、バックライトに代えて、サイドライトなどの公知の照射手段を適切な位置に設けても良い。
【００３５】
また、図２に示すように、スイッチ機構を設けることで、１セル内に形成された光センサ部５００と液晶セル部６００とを切り替えて利用することも可能である。ＴＦＴ１００のソース電極５は、ＤＣ電源と信号バスとの接続を切り替える第１のスイッチ２８により接続を切り替えられるように構成されており、ＴＦＴ１００のドレイン電極６は、液晶セル部６００の第２の基板側の対向電極２６と接続されている。第２のスイッチ２９は、ドレイン電極６及び対向電極２６を、信号バスと、信号電極２６とで切り替えるように構成されており、第１のスイッチ２８におけるＤＣ電源と信号バスとの接続の切り替えと、第２のスイッチ２９におけるドレイン電極６及び対向電極２６を、信号バスと、信号電極２６とで接続を切り替える動作とが同期するように動作する。ＴＦＴ１００と、信号電極２６、が近接して配置されているのが好ましい。
【００３６】
図２は、光センサ部５００が動作し、液晶セル部６００が表示動作をしない場合の構造を示す図であり、光センサ部５００は前記アクティブレンズ機能によりＴＦＴ１００のゲート誘電体層８に集光して光の有無を検出する。一方、液晶セル部には対向電極２６・２７間に電圧が印加されていないため、液晶はランダムに配向し、バックライトの光３００はこの領域（６００）を透過しない。
【００３７】
一方、図３は、光センサ部５００を動作させず、液晶セル部６００が表示動作する場合の構造を示す図であり、光センサ部５００はＴＦＴ１００のソース−ドレイン電極に電圧が印加されないため、アクティブレンズ機能が生じない。液晶セル部６００において、ＴＦＴ１００の信号電極２６と対向電極２７間には対応する電圧が印加されるため、符号３１に示すように液晶が配向して“０”、“１”の表示（透過）を行うことができる。すなわち、表示時は、信号バスライン、ＴＦＴ１００を経由して対向電極２６、２７に電圧が印加され、光透過散乱型液晶３１は図３に示すように、対向電極２６、２７間を基板面に垂直に配向するため、バックライトの光は第１の基板１の面から放射される。この光をユーザは表示光として認知することができる。
【００３８】
図４は、本実施の形態による光センサ部／表示部の切り替え回路の一構成例を示す図である。図４に示す光センサ部／表示部の切り替え回路は、ＴＦＴ１００をスイッチング素子として用い、光散乱型液晶を表示に用いる表示セル６００と、ＴＦＴ１００によるアクティブレンズ機能を利用した光センサ部５００とを構成する。符号１３は電源であり、符号３０はバイアス電圧発生器（図１５に示すようなパルス電圧を印加する）であり、符号２８、２９はスイッチであり、符号２６は信号電極、符号２７は液晶共通（コモン）電極であり、符号１６は液晶の付加容量兼用のキャパシタであり、信号バスからの信号が信号電極２６に印加されるようになっている。スイッチ２８及びスイッチ２９は、図２に示すスイッチ２８、２９と同じものである。第１スイッチ２８が端子a、第２スイッチ２９が端子aに接続した状態では光センサとして機能し、第１スイッチ２８が端子ｂ、第２スイッチ２９が端子ｂに接続した状態では液晶表示セルとして機能する。
【００３９】
図１６は、図４に示す光センサ部／表示部の切り替え回路に加えて出力回路を設けた光センサ機能付き表示回路の一構成例を示す回路図である。図１６Ａは、図４に示す光センサ／表示素子切り替え回路と出力回路とを含む光センサ機能付き表示回路の一構成例を示す回路図であり、光センサ機能を選択した場合の回路図である。図１６Ｂは、図４に示す光センサ／表示素子切り替え回路と出力回路とを含む光センサ機能付き表示回路の一構成例を示す回路図であり、表示機能を選択した場合の回路図である。
【００４０】
この回路では、図４に示す信号バスに、符号Ｚで示される破線内の出力回路が接続されている。図１６Ａ・Ｂに示す出力回路Ｚは、オペアンプ１２１を有している。オペアンプ１２１に関して、出力回路Ｚには、３つのスイッチ１３１、１４１、１５１が設けられ、これらは、例えばユーザの指示（入力）により、ａとｂとに、同期して切り替えられるように構成されている。スイッチ１３１は、端子ａがスイッチ１５１の端子ａと結線されている。スイッチ１３１の端子ｂは、スイッチ１４１の端子ｂに結線されている。スイッチ１４１の端子ａは撮像信号の出力側となっており、端子ｂは、オペアンプ１２１の出力端子に結線されている。スイッチ１５１の端子ｂは、オペアンプの正の入力端子と映像信号の入力端子とを結線することができる。オペアンプの負の入力端子１２１ｂは、抵抗１６３を介して接地（ＧＮＤ）されている。また、オペアンプの負の入力端子１２１ｂは、オペアンプの出力端子１２１ｃと抵抗１６１を介して結線されている。
【００４１】
スイッチスイッチ２８，２９及び１３１、１４１、１５１は、同期して切り替わり、全てがｂの場合（図１６Ａ）又は全てがａの場合（図１６Ｂ）のいずれかになるように制御される。
【００４２】
図１６Ａに示すスイッチの切り替え状態（スイッチが全てｂ端子に接続されている）は、入力映像信号が、オペアンプに１２１の端子１２１ａに入力して増幅され、端子１２１ｃから出力されることで、信号バスを介してＴＦＴ１００を通り、表示装置（信号電極２６）に入り、表示を行う（表示モード）。
【００４３】
一方、図１６Ｂに示すスイッチの切り替え状態とは逆の状態（スイッチが全てａ端子に接続されている）は、ＴＦＴ１００の光センサによりセンシングされた光により、ＴＦＴ１００に電流が流れ、液晶の付加容量兼用の容量１６に電荷は蓄積される。
【００４４】
充電された電荷に基づく電流は、スイッチ２９、信号バスを通ってオペアンプ１２１の第１の入力端子１２１ａに入り、ここで増幅された信号は、オペアンプ１２１の出力端子１２１ｃから撮像信号として出力される。これにより、Ｓ／Ｎが良好になる。
【００４５】
以上にように、光センサ機能と表示機能と両方にオペアンプを兼用することができるため、占有面積を少なくすることができ、より高機能な装置を実現することができる。
【００４６】
尚、上記の構成は一例であり、オペアンプ（増幅器）を２つ有して、センサ用、表示用にそれぞれアンプを使い分けるようにしても良い。スイッチの構成も一例であり、本発明は、同様な動作を行う周知の回路構成を含んでいる。
【００４７】
すなわち、信号線（信号バス）と信号電極２６に接続させるとともにＴＦＴ１００の電流端子５・６間に駆動電圧を印加する第１の状態と、信号線とＴＦＴ１００の電流端子を接続させるとともに信号線と信号電極との接続を切断される第２の状態と、の２つの状態を切り替える後述する表示切り替え回路（切り替え制御部）が設けられ、第１の状態では光センサ素子として機能し、前記第２の状態では表示素子として機能するようになっている。
【００４８】
尚、限定的な動作ではないが、表示部による表示おける画像信号の垂直ブランキング期間内に、光センサ部が動作するように動作のタイミングを制御する制御回路を設けることで、効率良く光センサ機能と表示機能とを発揮させることも可能である。垂直ブランキング期間は、ｍｓオーダーであるため、光センシングの処理を行う期間として十分に利用可能である。
【００４９】
本発明の光センサへのＴＦＴ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。ある領域内の素子を、一律に光センサ又は表示素子にするように制御して、専用の機能を有する領域を設けるようにしても良い。また、当初の設計に基づいて、光センサ部と表示素子とを固定させるように装置を製造しても良い。この場合でも、装置をカスタマイズすることができる。
【００５０】
この様にして、光センサ機能を、フラットパネルディスプレイと兼用させて切り替えて使用することもできるため、素子領域の有効利用が可能である。この際、表示素子群内に光センサ素子を隠蔽することができるため、外部から見えにくい構成とすることができる。従って、視聴者に不快感を与えることなく、フラットパネルディスプレイ前面の視聴者の位置のセンシングを行うことができる。視聴者にとって如何にも監視されている様で“気持ち悪い・不気味”と言う状況が解消できる。
【００５１】
また、センサカメラ部がピストルの銃口の様にも見えるなどの恐怖心も解消される。また、本センサ技術を顔認識技術や年齢認識技術との組み合わせによる応用商品への可能性がある。光センサ機能をフラットパネルディスプレイ面内に配置するため、視聴者に不快感を与えることなく、フラットパネルディスプレイ前面の視聴者の位置センスを行うことができる。例えば、ユーザが表示システムの前に立った時に、本実施の形態によるセンサ技術を、顔認識技術や年齢認識技術との組み合わせによる応用等が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、光センサを備えたディスプレイ装置に利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
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、５００…光センサ部、６００…表示素子。
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７】
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