(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と第２の基板の間に、画素が形成された画素領域と、非可視光に感度をもつ受光素子が形成されたセンサ領域とを有し、前記画素領域に画素開口部が設けられ、前記センサ領域にセンサ開口部が設けられた表示部と、
可視光および非可視光を含む照明光で前記第２の基板の側から前記表示部を照明する照明部と、
第２の基板側に配置され、前記照明部から入射した照明光を集光し、前記センサ開口部を通して前記第１の基板から拡散して出射させる第１の集光レンズと、
前記センサ開口部に配置され、前記第１の集光レンズからの光の非可視光成分が選択的に透過する非可視光フィルタと、
を備え、
前記非可視光フィルタを透過した光の非可視光の拡散の程度が前記画素領域から第１の基板側に出射される照明光の拡散の程度より大きい
表示装置。
【請求項２】
複数色の光を色ごとに選択的に透過させるカラーフィルタを有し、
前記画素領域には、前記カラーフィルタの前記複数色に対応する数の複数の画素が形成されている
請求項１に記載の表示装置。
【請求項３】
前記センサ領域は、
前記受光素子と、
前記受光素子の読み出し回路と、
前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、
を備え、
前記センサ開口部内をレンズ中心軸が通るように前記第１の集光レンズが配置されている
請求項１または２に記載の表示装置。
【請求項４】
前記センサ領域は、
前記受光素子と、
前記受光素子の読み出し回路と、
前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、
を備え、
前記センサ開口部には前記受光素子および前記複数の配線層が形成されておらず、
前記配線層が埋め込まれている階層内で集光するように前記第１の集光レンズが形成されている
請求項１〜３の何れかに記載の表示装置。
【請求項５】
前記第２の基板の側で前記画素開口部に対応した位置に設けられ、前記第１の集光レンズより長い焦点距離を有する複数の第２の集光レンズをさらに有する
請求項１〜４の何れかに記載の表示装置。
【請求項６】
第１の基板と第２の基板の間に、画素が形成された画素領域と受光素子が形成されたセンサ領域とを有し、前記画素領域に画素開口部が設けられ、前記センサ領域にセンサ開口部が設けられた表示部と、
前記第２の基板の側から前記表示部を照明する照明部と、
第２の基板側に配置され、前記照明部から入射した照明光を集光し、前記センサ開口部を通して前記第１の基板から出射させる第１の集光レンズと、
前記画素開口部に対応して第２の基板側に設けられ、前記第１の集光レンズより長い焦点距離を有する第２の集光レンズと、
を有する表示装置。
【請求項７】
前記センサ領域は、
前記受光素子と、
前記受光素子の読み出し回路と、
前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、
を備え、
センサ開口部内には前記受光素子および前記複数の配線層が形成されておらず、
前記配線層が埋め込まれた階層内で集光するように前記第１の集光レンズが形成されている
請求項６に記載の表示装置。
【請求項８】
前記受光素子は、非可視光に感度をもつ光センサである
請求項６または７に記載の表示装置。
【請求項９】
複数色の光を色ごとに選択的に透過させるカラーフィルタを有し、
前記カラーフィルタの前記複数色に対応する数の複数の画素が形成される前記画素領域と、前記受光素子を含む前記センサ領域とが、前記表示部の一方向の画素配列内で所定の割合で繰り返し配置されている
請求項６〜８の何れかに記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画素が形成される画素領域と受光素子が形成されるセンサ領域とを有する表示部を備える表示装置に関する。特定的に本発明は、表示部に接触または近接する被検出物で反射した光を複数の受光素子で受光する光の利用効率の向上技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディスプレイ装置として、液晶表示装置、有機ＥＬ表示装置、電子泳動法を用いた表示装置が知られている。
ディスプレイ装置の薄型化に伴って、映像や文字情報等の表示という本来の機能に加えて、ユーザの指示等を入力する入力装置等の機能を併せ持つ多機能化が要求されている。この要求に応えるものとして、ユーザの指やスタイラスペン（いわゆるタッチペン等）が表示画面に接触または接近したことを検出するディスプレイ装置が知られている。
【０００３】
接触検出は、抵抗膜方式や静電容量方式のタッチパネルで行うことができる。タッチパネルを液晶パネル等の表示パネルの表示面側に付加した表示装置が知られている。
しかしながら、タッチパネルの付加が表示パネルの薄型化に不利であり、コスト増の要因になる。特に抵抗膜方式のタッチパネルは、ある程度の強さで画面を押さないと抵抗値変化が検出できず、そのために表示面を歪ませることになる。また抵抗膜方式のタッチパネルは１点検出が原則であり、用途が限られる。
【０００４】
タッチパネルを必要としない指示位置検出方式として、指示位置検出のための受光素子を表示パネルに内蔵した、光学式の位置検出機能を備える表示装置が知られている（例えば、特許文献１および２参照）。
【０００５】
光学式の位置検出では、外光の影を受光素子で検出する方式が広く用いられている。
これに対し、特許文献２に記載された表示装置は、液晶（または有機ＥＬ）表示パネル内に非可視光に感度をもつ受光素子（以下、光センサという）を有している。液晶表示パネルの場合、液晶表示パネルの一方の主面（背面）側にバックライトが配置されている。バックライトからの光は、可視光成分と非可視光成分を含んでおり、液晶表示パネルを透過する際に液晶層で、入力される映像信号に応じた変調を受けて、他の主面（前面）から出射される。この出射される光（出射光）の可視光成分に対する変調によって、所定の画像表示が行われる。
【０００６】
液晶表示パネルの前面側に接触または近接した物体（人の指やスタイラスペン等、以下、被検出物という）が存在すると、一部の出射光が被検出物で反射し、反射光となって光センサ側に導かれる。光センサは上記被検出物からの反射光の、特に非可視光成分を検出する。光センサを設けた領域に対応して可視光遮断（非可視光選択）フィルタが設けられ、かつ、この領域では透過光が映像信号に応じた変調を受けないようになっている。このため、表示状態に影響を与えることなく、また周囲の明るさの程度に影響されることなく被検出物の検出が可能である。光センサを多数、規則的（離散的かつ２次元状）に配置することにより被検出物の位置や大きさの検出ができる。
【０００７】
有機ＥＬ表示装置はバックライトが不要で、画素自体が発光する。この場合は非可視光の発光素子と受光素子をパネルの表示領域内に所定の間隔で配置する。被検出物を検出する仕方自体は、上記液晶表示装置と同様である。発光素子からの非可視光が被検出物で反射され、このときの反射光量の違いを、離散的で２次元状に配置された複数の受光素子で検出することにより、上記被検出物の位置や大きさを検出できる。
【０００８】
特許文献１に記載された表示装置は、液晶層を画素ごとに分離するスペーサのバックライト側に、光センサが配置されている。光センサの配置領域と異なる画素内の領域に、可視光に感度をもつ受光素子（以下、可視光センサという）の配置領域と、映像信号に応じて液晶層への印加電圧を変えることができ透過光の変調が可能な領域（以下、光変調領域という）とが設けられている。
特許文献１に記載された表示装置は、人の指やスタイラスペン等の被検出物で反射された光を、可視光と非可視光の両方で検出できる構成となっている。
【０００９】
特許文献１および２に記載された技術によれば、人の目には見えないため表示映像に影響しない非可視光を用いた物体の検出が行われる。よって、黒画面表示のように可視光の背面から前面へ抜ける透過光の量がほぼゼロに近い場合に、非可視光を前面側に透過させても表示に影響がないことから、黒表示時にも被検出物を検出できる。周囲が暗い、明るいに関係なく物体の検出が可能である。
【特許文献１】特開２００５−２７５６４４号公報
【特許文献２】特開２００６−３０１８６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、光学的に表示パネルの表示面側に接触または近接する物体（被検出物）を検出する場合、バックライト光やパネル内で発生した光が幾つかの光学部材や積層膜の界面に対し入射と出射を繰り返す間に一部が反射され、この反射光がさらに金属層等で反射する等して迷光が発生する。ここで「迷光」とは、受光素子の背面側に照明部（バックライト）から直接入射する直接光以外の光であって、表示パネル内で反射を繰り返すことにより発生し、被検出物に反射することなく受光素子に入射する光をいう。直接光や迷光は、検出光（被検出物からの反射光）に対してはノイズ成分となるため検出精度（具体的にはＳ／Ｎ比）の低下を生じさせる。
【００１１】
バックライトを設ける場合、特許文献１の第１図に模式的に示しているように、受光素子のバックライト側面を覆う遮光層を設けている。あるいは、例えばゲート電極層が遮光層を兼ねることもある。このためバックライトからの直接光が受光素子の背面から入射することはある程度、防止または抑制される。
ただし、迷光は、表示パネル内を光が透過する途中で、被検出物に到達する前に表示パネル内で回り込んで受光素子に達する光であるため、遮光層やゲート電極による遮光では、ノイズとなる迷光の受光素子への入射を十分に阻止できない。
【００１２】
特許文献１および特許文献２に記載された表示装置は、表示パネルの前面側に接触または近接する物体（被検出物）の検出に関し、照明部（例えばバックライト）からの光が有効に被検出物に届かず、一部が迷光となるため光の利用効率が低い。また、受光素子に入射する光のうちで迷光の割合が大きいためＳ／Ｎ比が低い。
これらの欠点は、特許文献１および特許文献２に示されている液晶表示装置に限らず、有機ＥＬ表示装置、電子遊動を用いた表示装置など、他の表示装置にも共通する。
【００１３】
本発明は、物体検出に関する照明部からの光の利用効率を高め、また検出時のＳ／Ｎ比を上げた表示装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に関わる表示装置は、表示部と、照明部と、第１の集光レンズと、非可視光フィルタとを有する。
前記表示部は、第１の基板と第２の基板の間に、画素が形成された画素領域と、非可視光に感度をもつ受光素子が形成されたセンサ領域とを有し、前記画素領域に画素開口部が設けられ、前記センサ領域にセンサ開口部が設けられている。
前記照明部は、可視光および非可視光を含む照明光で前記第２の基板の側から前記表示部を照明する。
前記第１の集光レンズは、第２の基板側に配置され、前記照明部から入射した照明光を集光し、前記センサ開口部を通して前記第１の基板から拡散して出射させる。
前記非可視光フィルタは、前記センサ開口部に配置され、前記第１の集光レンズからの光の非可視光成分が選択的に透過する。
前記非可視光フィルタを透過した光の非可視光の拡散の程度が前記画素領域から第１の基板側に出射される照明光の拡散の程度より大きい。
【００１５】
本発明では好適に、前記センサ領域は、前記受光素子と、前記受光素子の読み出し回路と、前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、を備え、前記センサ開口部内をレンズ中心軸が通るように前記第１の集光レンズが配置されている。
【００１６】
本発明では好適に、前記センサ領域は、前記受光素子と、前記受光素子の読み出し回路と、前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、を備え、前記センサ開口部には前記受光素子および前記複数の配線層が形成されておらず、前記配線層が埋め込まれている階層内で集光するように前記第１の集光レンズが形成されている。
【００１７】
本発明では好適に、前記第２の基板の側で前記画素開口部に対応した位置に設けられ、前記第１の集光レンズより長い焦点距離を有する複数の第２の集光レンズをさらに有する。
【００１８】
本発明の他の形態に関わる表示装置は、前記表示装置と同様な前記表示部と前記照明部、ならびに、第１の集光レンズを有する。
但し、本形態における第１の集光レンズは、第２の基板側に配置され、前記照明部から入射した照明光を集光し、前記センサ開口部を通して前記第１の基板から出射させるレンズである。
これに加えて、本形態では第２の集光レンズを有する。第２の集光レンズは、前記画素開口部に対応して第２の基板側に設けられ、前記第１の集光レンズより長い焦点距離を有する。
【００１９】
本発明では好適に、前記センサ領域は、前記受光素子と、前記受光素子の読み出し回路と、前記受光素子および前記読み出し回路に対する電圧供給線および信号線となる複数の配線層と、を備える。センサ開口部内には前記受光素子および前記複数の配線層が形成されていない。また、前記配線層が埋め込まれた階層内で集光するように前記第１の集光レンズが形成されている。
【００２０】
本発明では好適に、前記受光素子は、非可視光に感度をもつ光センサである。
【００２１】
本発明では好適に、複数色の光を色ごとに選択的に透過させるカラーフィルタを有する。前記カラーフィルタの前記複数色に対応する数の複数の画素が形成される前記画素領域と、前記受光素子を含む前記センサ領域とが、前記表示部の一方向の画素配列内で所定の割合で繰り返し配置されている。
【００２３】
以上の構成によれば、照明部から光が出射され、第２の基板側から照明光によって表示部が照らされる。表示部内における第１の基板と第２の基板の間において、画素が形成された画素領域と、非可視光に感度をもつ受光素子が形成されたセンサ領域とが規則的に決められている。上記照明光は画素領域とセンサ領域を照らすが、このとき表示部の第２の基板側に第１の集光レンズが形成されているため、第１の集光レンズの作用によって一部の光が表示部内で焦点を結ぶように集光される。第１の集光レンズは、センサ領域に対応した箇所に設けられているため、センサ領域に入ろうとする光がその前に第１の集光レンズに入り、光束の径が絞られる。
【００２４】
本発明では上記センサ領域にセンサ開口部が設けられ、画素領域に画素開口部が設けられている。
光束の径を最小に絞る焦点位置は、好適には、センサ領開口部内を光軸が通ることから、例えばセンサ開口部内に位置する。センサ開口部は、好適には、配線層が形成されていない箇所を有するため、光の集光効率が高い。また、開口部内で焦点が絞られると、配線層等に反射して迷光となる光成分がなく、あるいは、この光成分を最小にできる。
この好適な場合、迷光となる光成分の発生が配線層の反射によることを想定して、配線層が埋め込まれている階層内で集光するように上記第１の集光レンズが形成され（形状や材質が決められ）、かつ、配置されている。
【００２５】
このように本発明では、「第１の集光レンズが、第２の基板側に配置され、照明部から入射した照明光を集光する」ことから、配線層等がない開いたスペースで光束の径を絞ることができ、その場合、迷光となる光成分の発生を抑制または阻止することができる。
【００２６】
表示部内で光束の径が一旦絞られることで、有効に表示部内部を通過した光は、光量が（ほとんど）減少することなくセンサ開口部を通して第１の基板に到達し、そこから拡散して出射する。
【００２７】
表示部の他方面側に光を反射する物体（人の指やスタイラスペン等、以下、被検出物）が接触または近接していると、当該被検出物で光が反射し、反射光となって表示部内に戻される。
反射光は、被検出物の形状に応じて、あるいは、配線層等で反射される成分があるため、通常、被検出物の大きさより広がって表示部内を伝わる。反射光の一部が、被検出物に近い少なくとも１つの受光素子に到達する。少なくとも１つの受光素子からは、受光した光の光量に応じた出力が得られる。
【００２８】
反射光を受光した受光素子が１つの場合、その受光素子の配置位置から被検出物の位置が特定できる。
反射光を受光した受光素子が複数の場合、最大光量を受光した受光素子の配置位置から被検出物の位置が特定できるとともに、複数の受光素子の出力から、被検出物の大きさも検出できる。
【００２９】
このようにして行う物体検出において、前述したように集光レンズの作用によって迷光となる光成分の発生が防止または抑制される。このため、被検出物に近いセンサ領域における光の透過効率が高められ、その結果として、反射光を受光した受光素子の出力は、そのＳ／Ｎ比が良好である。
【００３０】
本発明では、受光素子が非可視光に感度をもつ光センサである。また、センサ開口部に非可視光フィルタが配置されている。そのため、画素領域で照明部からの光を遮蔽する場合に、センサ領域からは非可視光フィルタで選択的に透過した非可視光が出射され、この非可視光が第１の基板から出力される。非可視光は人の目に視認できないため、画面表示への影響がない。受光素子に入射した光が、可視光と非可視光が混在した光であっても、受光素子が非可視光に感度をもつことと、被検出物に近い受光素子を含むセンサ領域を通過する光の透過効率が集光レンズにより高められていることとが相まって、受光素子（光センサ）のＳ／Ｎ比は、集光レンズを設け、かつ、受光素子を可視光に感度ピークをもたせた場合よりさらに高くなる。
【００３１】
本発明では好適に、前記第２の基板の側で前記画素開口部に対応した位置に設けられ、前記第１の集光レンズより長い焦点距離を有する複数の第２の集光レンズをさらに有する。
ここで、第１の集光レンズが、センサ領域に対応した位置に、焦点が表示部内に合うような焦点距離の設定になっている。一方、第２の集光レンズは、物体検出ではなく画像表示の観点から、より平行な光を出射する必要があるため、その焦点距離は第１の集光レンズがもつ焦点距離より長く設定されている。
【００３２】
本発明では好適に、複数色の光を色ごとに選択的に透過させるカラーフィルタを有し、前記画素領域には、前記カラーフィルタの前記複数色に対応する数の複数の画素が形成されている。
【発明の効果】
【００３３】
本発明の表示装置によれば、物体検出に関する照明部からの光の利用効率を高め、検出時のＳ／Ｎ比が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態を、液晶表示装置を主な例として、図面を参照して説明する。本発明は光が表示部の背面側（画像表示を行う前面と反対側の面）から照射される、いわゆる「透過型」の液晶表示装置に好適に実施できる。このため、以下の説明では、液晶表示装置が透過型であることを前提とする。
【００３５】
＜全体構成＞
図１に、透過型液晶表示装置の概略的な全体構成図を示す。
図１に図解する液晶表示装置１００は、「表示部」としての液晶パネル２００と、「照明部」としてのバックライト３００と、データ処理部４００とを有する。
【００３６】
液晶パネル２００は、図１に示すように、ＴＦＴアレイ基板２０１と、いわゆる「対向基板」としてのカラーフィルタ基板２０２と、液晶層２０３とを有する。以下、液晶層２０３を中心として、液晶パネル２００の厚さ方向におけるバックライト３００の側を「一方面側」または「背面側」と称し、一方面側と反対の側を、「他方面側」または「前面側」と称する。
【００３７】
ＴＦＴアレイ基板２０１とカラーフィルタ基板２０２とが間隔を隔てるように対面している。ＴＦＴアレイ基板２０１とカラーフィルタ基板２０２との間に挟まれるように、液晶層２０３が形成されている。特に図示していないが、液晶層２０３を挟むようにして、液晶層２０３の液晶分子の配列方向を揃えるための配向膜が対で形成される。
カラーフィルタ基板２０２の液晶層２０３側の面に、カラーフィルタ２０４が形成されている。
【００３８】
第１の偏光板２０６と第２の偏光板２０７とのそれぞれが、液晶パネル２００の両面の側において対面するように設置されている。第１の偏光板２０６がＴＦＴアレイ基板２０１の背面側に配置され、第２の偏光板２０７がカラーフィルタ基板２０２の前面側に配置されている。
【００３９】
液晶層２０３に対面するＴＦＴアレイ基板２０１の他方面側に、図１に示すように、光センサ部１が設けられている。光センサ部１は、詳細は後述するが、受光素子と、その読み出し回路を含む。
【００４０】
光センサ部１は、いわゆるタッチパネルの機能を液晶パネル２００内にもたせるために形成されたものである。液晶パネル２００を表示面（前面）側から見ると、有効表示領域ＰＡ内に規則的に配置される。
図１に、有効表示領域ＰＡに光センサ部１がマトリクス状に配置されている液晶パネル２００の一断面を示している。図１において、複数（ここでは５個のみ表示）の光センサ部１が等間隔に配置１が等間隔に配置されている。光センサ部１は、位置検出のためには一方向で５個より十分多い数が必要であり、図１は図示の便宜上、光センサ部１の表示数を５個と少なくしている。位置検出の機能を有効表示領域ＰＡの一部に限定する場合は、その限定された表示領域に光センサ部１が規則的に配置される。
【００４１】
表示平面（前面）の有効表示領域ＰＡから見て、図１に示すように、光センサ部１が形成されている液晶パネル２００の領域を「センサ領域(ＰＡ２)」、その他の液晶パネル２００の領域を「画素領域(ＰＡ１)」と定義する。画素領域(ＰＡ１)は、例えば赤(Ｒ),緑(Ｇ),青(Ｂ)などの複数色が画素ごとに割り当てられた画素の配置領域である。色の割り当ては、画素が対向するカラーフィルタの透過波長特性によって決められる。
【００４２】
画素の配置領域（画素領域(ＰＡ１)）に、図１では図示を省略しているが、画素電極と共通電極（対向電極ともいう）が形成されている。画素電極と共通電極は透明電極材料で形成される。ＴＦＴアレイ基板２０１の他方面側（液晶層側）で画素電極の反液晶層側に、画素電極と対向して全画素共通の共通電極が形成される場合がある。または、画素電極がＴＦＴアレイ基板２０１の他方面側に形成され、共通電極が液晶層２０３を挟んでカラーフィルタ基板２０２側の位置に、全画素共通で形成される場合がある。
画素の配置領域には、図１で図示していないが、画素構成に応じて、画素電極と対向電極間の液晶容量を補助する補助容量、画素電極への印加電位を、入力される映像信号の電位に応じて制御するスイッチング素子等も形成される。
【００４３】
複数色が１色ずつ対応した複数画素からなる単位を「画素ユニット」とすると、画素ユニットに対する光センサ部１の割合は１：１の場合に、光センサ部１の配置密度が最大となる。本実施形態において光センサ部１の配置密度は、上記最大の場合でもよいし、これより小さくてよい。
【００４４】
ＴＦＴアレイ基板２０１の背面側に、バックライト３００が配置されている。バックライト３００は、液晶パネル２００の背面に対面しており、液晶パネル２００の有効表示領域ＰＡに照明光を出射する。
図１に例示するバックライト３００は、光源３０１と、光源３０１から照射された光を拡散することよって面状の光に変換する導光板３０２とを有している。バックライト３００は、導光板３０２に対する光源３０１の配置位置に応じて、サイドライト型、直下型などがあるが、ここではサイドライト型を例示する。
【００４５】
光源３０１は、液晶パネル２００の背後、且つ、液晶パネル２００の背面に沿う方向の一方側または両方側に配置される。言い換えると、光源３０１は、表示面２００Ａ（前面）から見た液晶パネル２００の１辺、または、対向する２辺に沿って配置される。ただし、光源３０１を液晶パネル２００の３以上の辺に沿って配置しても構わない。
光源３０１は、例えば、冷陰極管ランプにより構成されている。具体的には、光源３０１は、ガラス管内の低圧水銀蒸気中のアーク放電により発生する紫外線を蛍光体で可視光線に変換して放射する。なお、光源３０１は、冷陰極管ランプに限定されず、例えば、ＬＥＤやＥＬ素子によって構成されてもよい。
【００４６】
ここではＬＥＤにより光源３０１が構成されている。図１は、白色ＬＥＤなどの可視光源３０１ａと、ＩＲ光源３０１ｂとが対向する２辺に配置されている場合を例示する。
【００４７】
導光板３０２は、例えば、透光性のアクリル板により構成され、光源３０１からの光を全反射させながら面に沿って（液晶パネル２００の背面に沿う方向の一方側から他方側へ）導光する。導光板３０２の背面には、例えば、導光板３０２と一体的に形成された、若しくは、導光板３０２とは別部材により形成された不図示のドットパターン（複数の突部）が設けられており、導光された光はドットパターンにより散乱されて液晶パネル２００に照射される。なお、導光板３０２の背面側には、光を反射する反射シートが設けられてもよいし、導光板３０２の前面側には、拡散シートやプリズムシートが設けられてもよい。
【００４８】
バックライト３００は、以上の構成を有するため、液晶パネル２００の有効表示領域ＰＡの全面にほぼ均一な平面光を照射する。
【００４９】
本実施形態の大きな特徴の１つは、光センサ部１の位置に対応した光を集光するレンズアレイ６０を有することである。レンズアレイ６０は、有機材料または無機材料からなり、光センサ部１（またはセンサ領域(ＰＡ２)）に対応する位置に、集光レンズ６０Ａを有する。集光レンズ６０Ａはレンズアレイ６０内でマトリックス状に配置されている。画素領域(ＰＡ１)に対応する位置のレンズアレイ６０の部分は、レンズの機能を持たない光透過率が高い平行平板等で形成できる。
【００５０】
レンズアレイ６０は有機材料等の膜を加工または変形させて形成される。あるいは、レンズアレイ６０は、無機材料等の複数の膜を積層させたものでもよく、その場合、複数の膜の屈折率が異なることと、積層の途中で少なくとも一方の膜をレンズ状に加工することによって集光レンズ６０Ａが形成される。有機材料としては、アクリル、ポリイミドなどを用いる。無機材料としては、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）などを用いる。
【００５１】
なお、後述するように、センサ領域(ＰＡ２)に対応する位置のみならず、画素領域（有効表示領域ＰＡ１）に対応する位置にも集光レンズを形成してよい。あるいは、画素領域(ＰＡ１)に対応する位置にのみ集光レンズを有する他のレンズアレイを、レンズアレイ６０と重ねて形成してもよい。
【００５２】
図１において集光レンズ６０Ａをセンサ領域(ＰＡ２)に対応する位置に形成しているのは、液晶パネル２００内における光の透過効率を高めるためである。この点についての詳細は後述する。
【００５３】
データ処理部４００は、図１に示すように、制御部４０１と、位置検出部４０２とを有する。データ処理部４００は、コンピュータを含み、プログラムによってコンピュータが各部を制御することで動作する。このため、制御部４０１と位置検出部４０２の機能は、不図示のメモリに予め格納され、あるいは、外部から入力されるプログラムのタスクやデータを用いて実現される。
データ処理部４００は、その機能を液晶パネル２００内外で分けて実装されてもよい。図１ではデータ処理部４００が液晶パネル２００の外部に、例えば単数または複数のＩＣとして配置される場合を例示する。
【００５４】
制御部４０１は、画像表示の制御、位置検出のためのＩＲセンサの制御（受光によるデータ収集）、および、バックライト制御を行う。
画像表示に関し、制御部４０１が、例えば液晶パネル２００内のディスプレイ駆動回路を統括して指示を与えることにより、液晶パネル２００の画像表示を制御する。ＩＲセンサの制御に関し、制御部４０１が、例えば液晶パネル２００内のセンサ駆動回路を統括して指示を与えることにより、被検出物の位置（および大きさ）の検出を制御する。ディスプレイ駆動回路やセンサ駆動回路の例は後述する。
バックライト制御に関し、制御部４０１が、バックライト３００の電源部（不図示）に制御信号を供給することによって、バックライト３００から出力される照明光の明るさ等を制御する。
【００５５】
位置検出部４０２は、制御部４０１の指示を受けて、液晶パネル２００内のセンサ駆動回路を介して送られてくる受光データを入力し、受光データに基づいて、液晶パネル２００の有効表示領域ＰＡに対し、ユーザの指やスタイラスペンなどの被検知体が接触または近接した位置を検出する。
【００５６】
＜液晶パネルの概略構成＞
図２は、液晶パネル内の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【００５７】
図２に示すように、液晶パネル２００は、画素(ＰＩＸ)がマトリクス状に配置された表示部１０を有する。
図１にも示すが、有効表示領域ＰＡの周囲に周辺領域ＣＡが存在する。周辺領域ＣＡは、ＴＦＴアレイ基板２０１の有効表示領域ＰＡ以外の領域をいう。周辺領域ＣＡには、図２に示すように、有効表示領域ＰＡ内のＴＦＴと一括して形成されるＴＦＴを含んで構成された幾つかの機能ブロックにより示される駆動回路が形成されている。
【００５８】
液晶パネル２００は、駆動回路として、垂直ドライバ(Ｖ.ＤＲＶ.)１１と、ディスプレイドライバ(Ｄ−ＤＲＶ.)１２と、センサドライバ(Ｓ−ＤＲＶ.)１３と、選択スイッチアレイ(ＳＥＬ.ＳＷ.)１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ(ＤＣ／ＤＣ.ＣＮＶ.)１５とを有する。
【００５９】
垂直ドライバ１１は、画素ラインを選択のために、水平方向に配線された各種制御線を垂直方向に走査するシフトレジスタ等の機能を有する回路である。
ディスプレイドライバ１２は、映像信号のデータ電位をサンプリングしてデータ信号振幅を発生し、列方向の画素で共通な信号線にデータ信号振幅を排出する等の機能を有する回路である。
センサドライバ１３は、所定の密度で画素の配置領域内に分散配置された光センサ部１に対し、垂直ドライバ１１と同様な制御線の走査と、制御線の走査に同期してセンサ出力(検出データ)の収集を行う回路である。
スイッチアレイ１４は、複数のＴＦＴスイッチから構成され、ディスプレイドライバ１２によるデータ信号振幅の排出制御と、表示部１０からのセンサ出力の制御を行う回路である。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、入力される電源電圧から、液晶パネル２００の駆動に必要な電位の各種直流電圧を発生する回路である。
【００６０】
ディスプレイドライバ１２やセンサドライバ１３の入出力信号、その他の信号の液晶パネル２００内と外のやり取りは、液晶パネル２００に設けられたフレキシブル基板１６を介して行われる。
【００６１】
図２に示すほかに、クロック信号の発生または外部入力のための構成なども駆動回路に含まれる。
【００６２】
＜画素と光センサ部との組み合わせ例＞
既に述べたように、画素と光センサ部とは有効表示領域ＰＡ内で規則的に配置される。その配置の規則は任意であるが、複数の画素と１つの光センサ部を組として、この組を有効表示領域ＰＡ内にマトリックス状に配置するとよい。
ここでは、Ｒ,Ｇ,Ｂの３画素と１つの光センサ部１を１組とする配置例を説明する。
【００６３】
図１に示すカラーフィルタ２０４は、画素(ＰＩＸ)の平面視の大きさにほぼ対応し、Ｒ,Ｇ,Ｂの各波長領域をそれぞれ選択的に透過するフィルタと、フィルタの周囲（すべての境界部）を、混色防止のために一定幅で遮蔽するブラックマトリックスとを有する。
【００６４】
図３に、ブラックマトリックスのパターン例を示す。
図３に図解するブラックマトリックス２１Ｋは、そのパターンによって４つの開口部を形成している。このうち、３つの画素開口部ＸＡに、３色のフィルタが配置されている。
より詳細に、赤フィルタ２１Ｒと、緑フィルタ２１Ｇと、青フィルタ２１Ｂとが一方向にこの順で配置されている。赤フィルタ２１Ｒと緑フィルタ２１Ｇとの間、緑フィルタ２１Ｇと青フィルタ２１Ｂとの間は、それぞれ、一定幅のブラックマトリックス２１Ｋを介して互いに離れている。３色のフィルタは、同じ画素ラインに配置されるため、その高さ（縦方向のサイズ）を一定としている。
【００６５】
画素(ＰＩＸ)と同じ高さの光センサ部１が、赤フィルタ２１Ｒ側または青フィルタ２１Ｂ側（ここでは赤フィルタ２１Ｒ側）に配置される。光センサ部１におけるブラックマトリックスのセンサ開口部ＳＡは、図３においてはフィルタが形成されていない。これは、人の指などの被検出物からの反射光を通す必要があるためである。検出光がＩＲ光の場合、ＩＲ光を選択的に透過させるＩＲフィルタを、光センサ部１の開口部に配置してもよい。
【００６６】
＜画素部および光センサ部のパターンおよび断面構造＞
図４（Ａ）に光センサ部１の平面図の一例を、図４（Ｂ）に、図４（Ａ）のパターンに対応する光センサ部１の等価回路の一例を示す。
図４（Ｂ）に図解する光センサ部１は、３つのトランジスタ（ここではＮチャネル型ＴＦＴ）とフォトダイオードＰＤとを有する。
３つのトランジスタは、リセットトランジスタＴＳ、アンプトランジスタＴＡ、読み出しトランジスタＴＲである。
【００６７】
フォトダイオードＰＤは、「非可視光に感度をもつ光センサ」の一例である。フォトダイオードＰＤは、アノードがストレージノードＳＮに接続され、カソードが電源電圧ＶＤＤの供給線（以下、ＶＤＤ線）３１に接続されている。フォトダイオードＰＤは、後述するようにＰＩＮ構造またはＰＤＮ構造を有し、Ｉ(intrinsic)領域（ＰＩＮ構造の真性半導体領域）またはＤ(doped)領域（ＰＤＮ構造のＮ−領域）に対し絶縁膜を介して電界を及ぼすコントロールゲートＣＧを備える。フォトダイオードＰＤは、逆バイアスされて使用され、そのときの空乏化の程度をコントロールゲートＣＧで制御することにより、感度を最適化（通常、最大化）できる構造を有する。
【００６８】
リセットトランジスタＴＳは、ドレインがストレージノードＳＮに接続され、ソースが基準電圧ＶＳＳの供給線（以下、ＶＳＳ線）３２に接続され、ゲートがリセット信号(ＲＥＳＥＴ)の供給線（以下、リセット線）３３に接続されている。リセットトランジスタＴＳは、ストレージノードＳＮをフローティング状態からＶＳＳ線３２への接続状態に切り替え、ストレージノードＳＮを放電して、その蓄積電荷量をリセットする。
【００６９】
アンプトランジスタＴＡは、ドレインがＶＤＤ線３１に接続され、ソースが読み出しトランジスタＴＲを介して検出電位Ｖdet(または検出電流Ｉdet)の出力線（以下、検出線）３５に接続され、ゲートがストレージノードＳＮに接続されている。
読み出しトランジスタＴＲは、ドレインがアンプトランジスタＴＡのソースに接続され、ソースが検出線３５に接続され、ゲートがリード制御信号(ＲＥＡＤ)の供給線（以下、リード制御線）３４に接続されている。
【００７０】
アンプトランジスタＴＡは、リセット後に再びフローティング状態となったストレージノードＳＮにフォトダイオードＰＤで発生した正電荷が蓄積されると、その蓄積された電荷量（受光電位）を増幅する作用がある。読み出しトランジスタＴＲは、アンプトランジスタＴＡで増幅された受光電位を、検出線３５に排出するタイミングを制御するトランジスタである。一定時間の蓄積時間が経過すると、リード制御信号(ＲＥＡＤ)が活性化して読み出しトランジスタＴＲがオンするため、アンプトランジスタＴＡは、ソースとドレインに電圧が印加されて、そのときのゲート電位に応じた電流を流す。これにより受光電位に応じ、振幅が増大した電位変化が検出線３５に出現し、この電位変化が、検出電位Ｖdetとして検出線３５から光センサ部１の外部に出力される。あるいは、受光電位に応じて値が変化する検出電流Ｉdetが、検出線３５から光センサ部１の外部に出力される。
【００７１】
図４（Ａ）は、図１のようにカラーフィルタ基板２０２と貼り合わされて液晶が封入される前のＴＦＴアレイ基板２０１の上面視を示す。
図４（Ａ）に示すパターン図において図４（Ｂ）に示す素子やノードには同一符号を付しているため、素子間の電気的接続は明らかである。
ＶＤＤ線３１、ＶＳＳ線３２および検出線３５は、アルミニウム（ＡＬ）の配線層から形成され、リセット線３３とリード制御線３４はゲートメタル（ＧＭ）、例えばモリブデンＭｏから形成されている。ゲートメタル（ＧＭ）はアルミニウム（ＡＬ）の配線層より下層に形成される。ゲートメタル（ＧＭ）より上層で、アルミニウム（ＡＬ）より下層の階層に、ポリシリコン（ＰＳ）層が４つ孤立して配置されている。リセットトランジスタＴＳ、読み出しトランジスタＴＲ、アンプトランジスタＴＡおよびフォトダイオードＰＤは、それぞれＰＳ層を有している。
【００７２】
トランジスタにおいては、ゲートメタル（ＧＭ）と交差するＰＳ層箇所の一方と他方に、Ｎ型不純物が導入されてソースとドレインが形成されるトランジスタ構造となっている。
これに対し、フォトダイオードＰＤでは、ＰＳ層からなる薄膜半導体層３６の一方と他方にＰ型とＮ型の逆導電型の不純物が導入されているためダイオード構造となっている。Ｐ型の不純物領域が、フォトダイオードＰＤのアノード（Ａ）領域あるいはストレージノードＳＮを構成する。Ｎ型の不純物領域が、フォトダイオードＰＤのカソード(Ｋ)領域を構成し、コンタクトを介して上層のＶＤＤ線３１と接続されている。
【００７３】
図５に、ＦＦＳ(Field Fringe Switching)方式の液晶の画素(ＰＩＸ)におけるＴＦＴアレイ基板２０１の上面視を示す。ＦＦＳ方式の液晶は、別名を「In Plane Switching（ＩＰＳ）−Ｐｒｏ」方式の液晶」とも言う。
図５には、ＴＦＴアレイ基板２０１を基体として形成された画素電極４０と、各種配線と、スイッチング素子ＳＷと、それらの接続が示されている。
【００７４】
画素電極４０は透明電極層（ＴＥ）で形成され、複数のスリットを有している。特に図示していないが、画素電極４０の下方に共通電極が画素電極４０と対面して形成される。共通電極は、全画素共通な透明電極層（ＴＥ）で形成される。
画素電極４０は、コンタクト４１を介して下層のアルミニウム（ＡＬ）等からなる内部配線４２と接続されている。内部配線４２が、ポリシリコン（ＰＳ）からなるスイッチング素子ＳＷの薄膜半導体層４３に形成されたソースとドレインの一方に接続されている。薄膜半導体層４３のソースとドレインの他方に、アルミニウム（ＡＬ）からなる信号線４５が接続されている。薄膜半導体層４３の下層に交差する垂直走査線４４が、モリブデン（Ｍｏ）等のゲートメタル（ＧＭ）から形成され、信号線４５と直交する向きに配置されている。
【００７５】
なお、図５に示す各種パターンを有するＴＦＴアレイ基板２０１の上方（不図示の部分）には、ＣＦ基板２０２が重ねられ、これら２つの基板間に液晶層２０３が形成される（図１参照）。また、第１の偏光板２０６と第２の偏光板２０７が、２つの基板に配置されている。
ここで液晶層２０３は、ネマチック液晶で構成される。ＴＦＴアレイ基板２０１およびＣＦ基板２０２の外側面に接着剤を介して密着状態で設けられている第１の偏光板２０６と第２の偏光板２０７は、クロスニコル状態で設けられる。
信号線４５および垂直走査線４４（ゲートメタル（ＧＭ））の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）、鉛（Ｐｂ）、これらの複合層(例えば、Ｔｉ／Ａｌ)、または、これらの合金層を用いることが可能である。
【００７６】
図６は、光センサ部１と、ＦＦＳ方式の液晶の画素(ＰＩＸ)の一部とを概略的に示す断面図である。図６は、図４（Ａ）のＳ１−Ｓ１線に沿った光センサ部１の一部を示す断面と、図５に示す画素(ＰＩＸ)の一部の断面とを表す。ただし、画素(ＰＩＸ)の断面については、図５の平面図と対応したものではなく、大体の構造を示すための便宜的なものである。
図６を用いて、主に光センサ部１の断面構造について説明する。
【００７７】
図６に示すように、フォトダイオードＰＤおよび画素のスイッチング素子ＳＷが、ＴＦＴアレイ基板２０１上の多層の絶縁膜中に埋め込んで形成されている。図６に示す絶縁膜は、下層から順に、２層のゲート絶縁膜５０、２層の第１層間絶縁膜５１、第２層間絶縁膜（平坦化膜）５２、第３層間絶縁膜５３を含む。
【００７８】
ゲート絶縁膜５０の直下にコントロールゲートＣＧが形成され、ゲート絶縁膜５０上に薄膜半導体層３６が形成されている。
薄膜半導体層３６は、コントロールゲートＣＧの上方にＩ領域（ＰＩＮ構造の真性半導体領域）が位置し、その両側に、Ｐ＋領域からなるアノード（Ａ）領域と、Ｎ＋領域からなるカソード（Ｋ）領域とが位置する。なお、ＰＤＮ構造の場合、Ｉ領域に代えてＤ領域（Ｎ−領域）が形成される。
Ｋ領域は第１層間絶縁膜５１内に形成されるコンタクトプラグ５４によって、第１層間絶縁膜５１上に形成されるＶＤＤ線３１と接続されている。Ａ領域は図示の箇所でアンプトランジスタＴＡのゲート電極と接続される（図４（Ａ）参照）。
第１層間絶縁膜５１上には、ＶＤＤ線３１から離れた位置に、検出線３５とＶＳＳ線３２が並んで配置されている。
【００７９】
ＶＤＤ線３１、ＶＳＳ線３２、検出線３５は全てアルミニウム（ＡＬ）から形成され段差が大きいため、段差を平坦化する平坦化膜５２が形成されている。
平坦化膜５２の上に、共通電位で電位固定される共通電極５５が形成されている。共通電極５５は、画素(ＰＩＸ)の形成領域における平坦化膜５２の上に形成され、画素電極４０との間に印加される電圧によって、液晶に印加する電界を変化させるための電極である。光センサ部１には画素電極がないため液晶への印加電界は制御できないが、共通電極５５により液晶を固定する役割がある。共通電極５５は透明電極層（ＴＥ）により形成されるため光を透過できる。
【００８０】
ＴＦＴアレイ基板２０１の上方にカラーフィルタ基板２０２が重ねられ、両基板間に液晶層２０３、配向膜５６、カラーフィルタ２０４が下層から順に位置する。
図６において、カラーフィルタ２０４は、光センサ部１と画素(ＰＩＸ)との境界部にブラックマトリックス２１Ｋが形成され、２つのブラックマトリックス２１Ｋの間にセンサ開口部ＳＡが設けられている。一方、図６に示す範囲の画素(ＰＩＸ)には、画素開口部ＸＡに形成されたフィルタ２１（２１Ｒ,２１Ｇ,２１Ｇ）の何れかが示されている（図３参照）。
【００８１】
＜フォトダイオードＰＤの構造と受光特性＞
図７（Ａ）にＰＩＮ構造のフォトダイオードＰＤを、図７（Ｂ）にＰＤＮ構造のフォトダイオードＰＤを、それぞれ示す。
受光感度を有する領域が、ＰＩＮ構造（図７（Ａ））では不純物が導入されていないＩ領域であり、ＰＤＮ構造（図７（Ｂ））ではＮ型不純物が低濃度に導入されたＤ領域（Ｎ−領域）である。
【００８２】
例えば図示のように逆バイアスを印加すると、Ｉ領域またはＤ領域の内部に空乏層が拡がる。この空乏化を促進するためにバックゲート制御（コントロールゲートＣＧによる電界制御）を行う。ただし、ＰＩＮ構造ではＰ＋領域からせいぜい１０[μm]程度の空乏化であるが、ＰＤＮ構造ではＤ領域のほぼ全域が空乏化され、それだけ受光感度を有する面積が広いという利点がある。
本実施形態では、ＰＩＮ構造、ＰＤＮ構造のいずれも採用可能である。
【００８３】
かかる構造の位置センサとしてのフォトダイオードＰＤは、非可視光に感度、望ましくは感度ピークを持つように設計されている。
非可視光は、例えば、赤外光または紫外光を含む。なお、国際照明委員会（CIE：Commission International de 1' Eclairage）では、紫外光（これも非可視光の一例である。）と可視光との波長の境界は360［nm］〜400[nm]、可視光と赤外光との波長の境界は760[nm]〜830[nm]としている。ただし、実用的には、350[nm]以下の波長を紫外光、700[nm]以上の波長を赤外光としてもよい。ここでは非可視光の波長範囲を350[nm]以下、700[nm]以上とする。ただし、本実施形態において、非可視光の波長の境界は、上記360［nm］〜400[nm]、760[nm]〜830[nm]の範囲内で任意に規定してよい。
【００８４】
非可視光として赤外光（ＩＲ光）を用いる場合、ＩＲ光に感度ピークをもつフォトダイオードＰＤの薄膜半導体層３６は、価電子帯と伝導帯間のエネルギーバンドギャップが1.1[eV]と、可視光の受光素子のエネルギーバンドギャップ（例えば1.6[eV]）より小さい値をもつ多結晶シリコン、もしくは、結晶シリコンから形成することが好ましい。エネルギーバンドギャップEｇは、Ｅｇ＝ｈν（ｈはプランク定数、ν＝１／λ（λは光の波長））より最適な値が算出される。
【００８５】
一方、アモルファスシリコン、または、微結晶シリコンから薄膜半導体層３６を形成すると、それらの半導体材料はエネルギーバンドギャップ準位に分布を持つため、赤外線、紫外線に対しても、その受光能力（感度）をもつ。したがって、これらの半導体材料から形成したフォトダイオードＰＤは、可視光のみならず、赤外線、紫外線の非可視光においても受光能力を有し、これにより、可視光と非可視光の受光素子として利用可能となる。
【００８６】
以上から、本実施形態に好適に利用できるフォトダイオードＰＤは、その薄膜半導体層３６が、多結晶シリコン、結晶シリコン、アモルファスシリコン、または、微結晶シリコンから形成される。いずれにしても、本実施形態におけるフォトダイオードＰＤは、可視光の受光のために設計されたフォトダイオードより赤外線の吸収係数が大きくなるように半導体材料が選択され、設計されている。
【００８７】
ここで、位置精度を確保するための非可視光に受光能力（感度）をもつフォトダイオードＰＤは、被検出物には到達することなく液晶パネル２００内で繰り返す反射によってフォトダイオードＰＤ側に回り込む“迷光”によりＳ／Ｎ比が低下しやすい。
【００８８】
本実施形態では、迷光の影響を低減する目的で、図６に示すように、液晶パネル２００のバックライト側（背面側）にレンズアレイ６０が配置されている。レンズアレイ６０の集光レンズ６０Ａが光センサ部１に対応して位置している。
【００８９】
液晶パネル２００内には、特に光を反射させる配線や電極が形成されている。例えば図６の場合、ＶＤＤ線３１、ＶＳＳ線３２、検出線３５等が「配線」、コントロールゲートＣＧが「電極」の例である。
非可視光が、これらの配線（但し、透明電極を除く）や電極に当たって反射すると、非可視光のパネル前面側に到達する光量が減少するだけでなく、パネル前面側に到達する前に受光素子側に戻される迷光の割合が増える。
【００９０】
そこで、集光レンズ６０Ａは、背面側に突出したレンズ曲面を有し、その焦点が液晶パネル２００内に位置するように形成されている。好ましくは、焦点が液晶パネル２００内に位置し、かつ、光反射により迷光発生の要因となる配線等が設けられていない「開口部」の内部を集光レンズ６０Ａの光軸が通るように、集光レンズ６０Ａのレンズ形状や位置が決められている。
ここで「開口部」は、図４（Ａ）の例では破線で示す部分であり、光の透過通路の最大の箇所である。つまり、光センサ部１を上面視から透視したときに、素子や配線などの光を反射する部材が形成されていない箇所で、さらに、ブラックマトリックス２１Ｋその他の遮光層が存在しない光の通過可能範囲の最大のものを「開口部」という。
【００９１】
なお、図４（Ａ）に示す平面図において、３つのトランジスタ（ＴＲ,ＴＳ,ＴＡ）が有する受光領域（Ｉ領域またはＤ領域）のバックライト側は、夫々のトランジスタがもつ電極によって遮光されているが、前面側も外光から遮光する必要がある。このため、例えば、図３に示すブラックマトリックス２１Ｋの平面パターンにおいて、特に図示しないが、実際は、センサ開口部ＳＡの一部がブラックマトリックス２１Ｋと同じ遮光材料等によって遮光されている。ただし、フォトダイオードＰＤは、主成分が可視光成分である外光に対して感度が低いため、その前面側は遮光しなくてもよい。
同様な理由から、画素(ＰＩＸ)のスイッチング素子ＳＷの前面側も遮光されている。
不図示の遮光層も考慮して、遮光層が上面視で存在しない光センサ部内の範囲に「開口部」が規定される。
【００９２】
集光レンズ６０Ａは、さらに望ましくは、配線（ＶＤＤ線３１、ＶＳＳ線３２、検出線３５）を埋める層（図６の例では平坦化膜５２）からゲートメタル（ＧＭ）までの層内に焦点が位置するような集光を行う。より望ましくは平坦化膜５２内に、さらに望ましくは配線の底面と上面との間の平坦化膜５２部分に、焦点が位置するように集光レンズ６０Ａが集光を行うとよい。
これにより、配線間を通る光の径が、配線に光が反射されないように小さくなり、その分、迷光の発生が防止または抑制される。
【００９３】
＜動作＞
次に、液晶表示装置１００の概略的な動作の一例を説明する。
液晶パネル２００の背面側に設置されたバックライト３００からの照明光は、レンズアレイ６０から液晶パネル２００内に入射され、第１の偏光板２０６、ＴＦＴアレイ基板２０１、液晶層２０３、カラーフィルタ２０４、カラーフィルタ基板２０２、および、第２の偏光板２０７を、この順で透過して、前面から外部に出射される。
この透過の最中に照明光は偏光や変調を受けて偏波面や光強度等が変化する。
【００９４】
より詳細に、バックライト３００からの照明光は、レンズアレイ６０に入射される。既に説明したようにレンズアレイ６０には光センサ部１が設けられたセンサ領域(ＰＡ２)、より望ましくは、光センサ部１の「開口部」に対応する箇所に集光レンズ６０Ａが形成されている。
集光レンズ６０Ａに入射した光は、液晶パネル２００内で焦点が合うように集光されてから、集光レンズ６０Ａから出射される。一方、集光レンズ６０Ａ以外のレンズアレイ部分は、例えば平行平板のレンズ部材からなるため、その部分に入った光は集光や拡散されることなくレンズアレイ６０から出射される。
【００９５】
集光レンズ６０Ａから出射された光は、光センサ部１内に設けられた開口部を効率よく通過するようになっている。このため、光センサ部１を通過する光は、周囲の反射部材で反射されることがない。
一般に、ＴＦＴアレイ基板２０１には配線や素子、その接続部位（コンタクト部等）が多数形成されているため、光が集光されていないと、多少なりとも反射が生じ光の減衰は免れ得ない。
本実施形態では、このような光の減衰（透過効率の低下）を防止するために、少なくとも、光センサ部１が設けられている箇所に集光レンズ６０Ａを形成している。
【００９６】
レンズアレイ６０から出た光は、第１の偏光板２０６、ＴＦＴアレイ基板２０１、液晶層２０３、カラーフィルタ２０４、カラーフィルタ基板２０２、および、第２の偏光板２０７を透過して、画面表示のために前面から出射する。
【００９７】
この透過の過程で、第１の偏光板２０６の透過時に透過光が第１の方向に偏光される。液晶層２０３内を光が透過する間に、液晶分子の光学異方性の効果により透過光の偏光方向が液晶の分子配列方向にそって所定角度変化する。第２の偏光板２０７の透過時に、透過光が上記第１の方向と所定の角度ずれた第２の方向に偏光される。
【００９８】
この３度の偏光作用のうち、液晶層２０３を透過中の偏光角度は、入力される映像信号の電位に応じて液晶層２０３に印加する電界強度を制御することによって、画素ごとに独立に変化する。このため各画素を通過する光は、映像信号の電位に応じた明るさに変化する変調を受けて液晶パネル２００から出射され、所定の画像表示に供せられる。
【００９９】
既に説明したように、液晶パネル２００は、画像を表示する有効表示領域ＰＡを有し、その画素領域(ＰＡ１)に複数の画素が配置されている。有効表示領域ＰＡのセンサ領域(ＰＡ２)に、いわゆるタッチパネルの機能を実現するために人の指やスタイラスペン等の被検出物を検出する受光素子を含む光センサ部１が配置されている。
光センサ部１を通過する光は、画素を透過する光のような、電気信号による変調を受けることなく、そのまま液晶パネル２００から出射される。
【０１００】
画像表示の途中で、例えばアプリケーションに応じて表示コンテンツに、ユーザ指示を促す場合があり、このような場合、ユーザが指またはスタイラスペン等で表示画面を軽くタッチする。
指またはスタイラスペン等の被検出物が表示画面に接触または近接すると、液晶パネル２００から出射される光が、被検出物で反射され液晶パネル２００内に戻される。この戻された光（反射光）は、液晶パネル２００内の層界面や配線等の反射物で屈折や反射を繰り返すため、一般に、反射光は液晶パネル２００で広がって進む。よって、被検出物の大きさにもよるが、反射光は、複数の光センサ部１の少なくとも１つに到達する。
【０１０１】
光センサ部１に到達した反射光のうち、所定の逆バイアスが印加されたフォトダイオードＰＤに反射光の一部が入射すると、フォトダイオードＰＤが光電変換を行って電荷を、例えばアノード（Ａ）電極から出力する。このときの電荷量は受光量に比例した受光データを表す。受光データ（電荷量）は、既に説明した図４（Ｂ）に示す読み出し回路の検出線３５から検出電位Ｖdetまたは検出電流Ｉdetとなって出力される。
【０１０２】
検出電位Ｖdetまたは検出電流Ｉdetは、図２に示すスイッチアレイ(ＳＥＬ.ＳＷ.)１４によってセンサドライバ１３側に送られ、ここで受光データとして収集され、さらに図１に示すデータ処理部４００内の位置検出部４０２に入力される。位置検出部４０２または制御部４０１は、検出電位Ｖdetまたは検出電流Ｉdetごとの行と列のアドレスの組を液晶パネル２００側から順次、リアルタイムに入力している。このためデータ処理部４００内で、不図示のメモリに、被検出物のパネル内位置情報（検出電位Ｖdetまたは検出電流Ｉdet）が行と列方向のアドレス情報と関連付けられて当該メモリに蓄えられる。
【０１０３】
液晶表示装置１００は、メモリ内の情報に基づいて、被検出物の位置情報と表示情報と重ね合わせることにより、「ユーザが表示情報に基づいた指示を指またはスタイラスペン等を用いて行った」、あるいは、「ユーザがスタイラスペン等を表示画面上で移動させることにより所定の情報を入力した」ことが判別できる。つまり、液晶表示装置１００は、タッチパネルを液晶パネル２００に付加した場合と同様な機能を、タッチパネルを付加していない薄型の表示パネルにより実現することができている。このような表示パネルを、「インセルタッチパネル」と称する。
【０１０４】
本実施形態に関わる表示装置は、以上の説明に限定されず、以下の種々の変形が可能である。
【０１０５】
＜変形例１＞
図８に、図６に対する変形例を示す。変形例１では、図１が当該変形例１に対応してレンズアレイが構成されている点を除き、他の図２〜図５および図７はほぼそのまま適用される。
【０１０６】
図８に示す液晶パネル２００では、画素(ＰＩＸ)に対応する背面側に、集光レンズ６１を配置している。光センサ部１側に配置されている集光レンズ６０Ａの焦点が液晶パネル２００内に位置しているのに対し、集光レンズ６１の焦点距離が集光レンズ６０Ａの焦点距離より長い。図８の例では、集光レンズ６１の焦点ＦＰが液晶パネル２００の外に位置している。
画素(ＰＩＸ)では、混色防止のためにはバックライト３００（図１参照）からの照射光は平行光か、拡散光でも、混色防止のために余り拡散の程度は大きくできない。そこで、集光レンズ６１の焦点距離は比較的長くする必要がある。
【０１０７】
集光レンズ６１から出射された光は、光束の径を小さくしながらスイッチング素子ＳＷの形成領域を通過する。このとき、信号線４５などのアルミニウム（ＡＬ）の配線（幹線）に光が当たらない程度まで光束の径が小さくすることが望ましい。これにより光の利用効率が向上している。ただし、信号線４５の、面積が小さい分岐部分４５Ａや内部配線４２に光が当たってもよい。しかし、これらの配線は面積が小さいので光の利用効率に対する影響はほとんどない。
【０１０８】
図４（Ａ）と図５に示すように、光センサ部１および画素(ＰＩＸ)の双方に、列方向（図の縦方向）の配線が存在するが、図３のように行方向（図の横方向）の幅が、画素(ＰＩＸ)側でより大きいことが、焦点距離ＦＰをより長くできる余裕を与えている。したがって、光センサ部１の配線方向と直行する幅（ここでは行方向の幅）を、画素(ＰＩＸ)の当該幅より小さくすることが望ましい。
変形例１では、集光レンズ６１と集光レンズ６０Ａが１つのレンズアレイ６０に形成されている。
【０１０９】
＜変形例２＞
図８に示す集光レンズ６１を、集光レンズ６０Ａが形成されているレンズアレイ６０と別のレンズアレイ（不図示）に形成してもよい。
特に集光レンズ６１および集光レンズ６０Ａを同一のレンズアレイに形成することが難しい場合、このような２つのレンズアレイに分けて集光レンズ６１と集光レンズ６０Ａを形成するとよい。
２つのレンズアレイを用いる場合、集光レンズ６１と集光レンズ６０Ａの、液晶パネル２００の厚さ方向の位置を変えることができるので、より光利用効率が高い焦点ＦＰの位置制御においてレンズ配置の自由度が増すという利点がある。
【０１１０】
＜変形例３＞
変形例３では、非可視光を受光する受光素子としてのフォトダイオードＰＤの他に、可視光を主成分とする外光を検出し、その検出結果に応じてバックライト３００から出力される光の強度を制御する例を示す。変形例３において、変形例１または変形例２との重複適用が可能である。変形例３では、図１〜図７（または図８）が適用される。
【０１１１】
外光を検出する外光センサは、特に図示しないが、図１に示す液晶パネル２００において、有効表示領域ＰＡまたは周辺領域ＣＡに配置される。外光センサの配置の位置および個数は任意である。
外光センサを有効表示領域ＰＡ内に配置する場合、外光センサを、非可視光を受光する光センサ（フォトダイオードＰＤ）と同様にマトリクス状に配置することができる。この場合、各外光センサを、周囲に存在する複数の光センサから等距離の位置に配置する。例えばフォトダイオードＰＤと外光センサとが、有効表示領域ＰＡの平面視で市松模様を形成するようにするとよい。
市松模様でなくとも、外光センサを等間隔で配置してよい。このほか、外光センサを、有効表示領域ＰＡの四隅付近に配置する、有効表示領域ＰＡの外側辺のうち、少なくとも１辺に近い位置に並べて配置するなど、配置と数に制限はない。
【０１１２】
外光センサの基本構成は、図４と同様な等価回路や平面パターンが適用できる。ただし、外光センサのフォトダイオードは、光センサとしてのフォトダイオードＰＤとは、薄膜半導体層の材料などが異なる。例えば、外光センサは、350[nm]から700[nm]の波長範囲にて規定される可視光に感度ピークを持つように、外光センサの薄膜半導体層を、エネルギーバンドギャップがブロードに分布しているアモルファスシリコンまたは微結晶シリコンで形成するとよい。例えば、外光センサの薄膜半導体層としては、そのエネルギーバンドギャップが1.6[eV]のものを用いることができる。
なお、フォトダイオードＰＤにおいてもアモルファスシリコンまたは微結晶シリコンを薄膜半導体層の材料に用い得ることは既に述べたが、この場合の薄膜半導体層と、外光センサの薄膜半導体層とは、エネルギーバンドギャップが違うため赤外の吸収特性が異なるように形成されたものを使用する。ただし、可視光センサおよび光センサとして、エネルギーバンドギャップが異なり感度が多少低いが、ポリシリコンまたは結晶シリコンを薄膜半導体層の材料に用いることは可能である。
【０１１３】
図１に示すデータ処理部４００は、外光センサによって得られた受光データに基づいて、バックライト３００が照明光を出射する動作を制御する。制御部４０１の制御を受けた位置検出部４０２が、外光の輝度に比例した信号（蓄積電荷量）の振幅を受光データ、即ち、電圧値（検出電位Ｖdet）、もしくは、電流値（検出電流Ｉdet）によって検出する。制御部４０１が、検出結果に基づいて、液晶表示装置のバックライト３００の発光強度を調整する。
これにより、外光センサによって得られた受光データにおいて、受光した光の強度が大きい場合には、バックライト３００が、より大きな強度の照明光を照射するように制御される。受光した光の強度が小さい場合には、バックライト３００が、より小さな強度の照明光を照射するように制御される。
【０１１４】
薄膜トランジスタの画素スイッチを有する表示装置において、一般に、外光（特に太陽光)が差し込む環境においては、表示装置は表示パネルの表面層の反射によりコントラストが低下し、画像を良好に認識できないことがある。そのため、表示パネル自身から表面の外に出射される光の輝度を、表示パネルの表面の反射輝度以上にする必要がある。そのためには、表示パネルを背面から照射するバックライトの発光強度を、より強く制御する。
また、暗闇等の外光の強度が極めて低い状態においては、表示パネルの表面での反射光による画質低下（コントラスト低下）は発生せず、バックライトの発光強度を落として、表示装置の表面輝度を下げることが可能となり、これにより、バックライトの消費電力を削減することができる。
本変形例３では、このような画質低下（コントラスト低下）と消費電力の削減を、外光量の変化に応じて適応的に制御できる利点がある。
【０１１５】
図９は、変形例３において、外光センサを有効表示領域ＰＡに形成した場合（表示領域内配置の適用）と、周辺領域ＣＡに形成した場合（表示領域内配置の非適用）とにおいて得られる、受光データの入力光強度に対する変化を示す図である。図９において、横軸は、外光の照度（単位：ルクス[lx]）を示しており、縦軸は、その外光センサから得られる受光データの値を照度換算したもの（単位：[lx]）を示している。図９において、実線は、外光センサの表示領域内配置が適用された場合の曲線であり、破線は、表示領域内配置が非適用の場合の曲線である。
【０１１６】
図９に示すように、たとえば、1000[lx]の外光が入射した際には、外光センサを周辺領域ＣＡに形成した場合には、約100[lx]の照度に対応した受光データが得られるのに対して、有効表示領域ＰＡに形成した場合には、約1000[lx]の照度に対応した受光データが得られる。このように、外光センサを有効表示領域ＰＡに設けることによって、高い強度の光を受光できる。
よって図９からは、外光センサを有効表示領域ＰＡ内に配置するほうが望ましいことが分かる。
【０１１７】
図１０に、変形例３を適用しないで指先を検出したときの画面（（Ａ））と、変形例３を適用して指先を検出したときの画面（（Ｂ））とを示す。
図１０に示す画面は、マトリックス状に細かく配置された複数の光センサ部の各出力を、検出（白）と非検出（黒）のドット表示として、それを画面上でマッピングしたものである。
図１０からも、外光センサを有効表示領域ＰＡ内に配置したほうが、検出精度が高いことが分かる。
【０１１８】
変形例３によれば、画質低下（コントラスト低下）と消費電力の削減を、外光量の変化に応じて適応的に制御できる利点に加え、特に周囲の外光量が少ない場合に、必要以上のバックライト光量が液晶パネルに入射されないことから、その分、可視光の迷光が発生する防止または抑制できる。このことは、図８等に示す光センサとしてのフォトダイオードＰＤが、非可視光（例えばＩＲ光）以外に、可視光にも感度を持つ場合に位置検出の精度を向上させることができる利益をもたらす。
【０１１９】
＜変形例４：その他の変形可能点＞
本実施形態およびその変形例１〜３において、非可視光として赤外線（ＩＲ光）を主として説明に用いたが、紫外線であってもよい。
【０１２０】
読み出し回路（図４）における、フォトダイオードＰＤ、リセットトランジスタＴＳ、アンプトランジスタＴＡおよび読み出しトランジスタＴＲ、ならびに、画素回路におけるスイッチング素子ＳＷを含む全てのＴＦＴ構造、コントロールゲートＣＧをもつＴＦＤ(Thin Film Diode)構造を、トップゲート型として形成してもよい。この場合、ＴＦＤの受光領域（Ｉ領域またはＤ領域）、ＴＦＴのチャネル形成領域の少なくとも背面側を遮光層で覆ってバックライト３００からの直接光が、これらの受光領域やチャネル形成領域に入らないようにするとよい。
【０１２１】
図３でフィルタ（２１Ｒ,２１Ｇ,２１Ｂ)によって示す画素ユニットの構成（配置と色の種類）、および、光センサ部に対応するセンサ開口部ＳＡの画素ユニットに対する隣接位置関係は、図３に示すものに限定されない。
【０１２２】
＜変形例５＞
本実施形態およびその変形例１〜４は、液晶表示装置に限らず、有機ＥＬ表示装置などの自発光型表示装置、電子ペーパーに応用可能な電子遊動を用いた表示装置などに広く適用できる。
電子遊動を用いた表示装置は、画素電極と対向基板（透明基板）に備えられる共通電極との間に、電子インクを備える。電子インクは、図１における液晶層２０３に代わるもので、液体中に懸濁する、正に帯電した白の粒子と負に帯電した黒の粒子とを有する複数のマイクロカプセルを備える。電子遊動は、画素電極と共通電極間に印加される電界が正の場合と負の場合で、画素電極側と共通電極側に移動する粒子が白と黒で反転し、透明基板側に移動する白の粒子の割合が多いときに画素が明るく観測者から見えることを利用して、入力データに応じた画素の階調表示を可能とする。このため、液晶層２０３の光変調の仕方以外は、上記の実施形態の説明がほぼ同様に適用できる。
一方、有機ＥＬ表示装置は、バックライトが不要で、表示パネル内で画素ごとに積層された有機材料膜自体が、印加する電界の大きさに応じた輝度で発光する現象を利用している。したがって、集光レンズは、例えば層内レンズ層により形成することが望ましい。それ以外は、上記の実施形態の説明がほぼ同様に適用できる。
【０１２３】
＜表示装置の適用製品例＞
実施形態およびその変形例１〜５は、以下の各種製品の文字や画像の表示部品と適用できる。
具体的には、テレビジョン受像装置、パーソナルコンピュータ等のモニタ装置、携帯電話、ゲーム機、ＰＤＡなどの映像再生機能を持つモバイル機器、スチルカメラやビデオカメラ等の撮影装置、カーナビゲーション装置などの車載機器などに、上記実施形態およびその変形例１〜５が適用可能である。
また、非可視光として赤外線を使用する場合、人間の体温の分布を赤外線として検知することが可能となる。このため、人の指の静脈認証における赤外線の有効利用に本発明が適用できる。
この場合、液晶パネル２００に変えてバックライトからの光を透過する静脈認証パネルを備え、静脈認証パネルの表面に人の指が接触した状態で赤外線をバックライトから照射し、反射した赤外線に基づいて静脈認証を行う手段を備える。
【０１２４】
本実施形態およびその変形例によれば、以下の利益が得られる。
表示パネルの前面側に配置する、２層導電性フィルムもしくは薄型ガラスを有する抵抗式や静電容量式のタッチパネルが必要でなくなる。つまり、タッチパネルの機能を表示パネル内に具備する「インセルタッチパネル」が実現できる。このため、表示装置のコンパクト化、特に薄型化が達成できる。
【０１２５】
検出位置の受光データとアドレスが組みでメモリに格納されるため、複数の離れた箇所の同時検出が可能である。また、被検出物の位置のみならず、その大きさを検出することもできる。
【０１２６】
位置や大きさの検出において、光検知の一種である非可視光検知において、集光レンズによる集光で非可視光の利用効率（被検出物に達する非可視光の強度）を高め、また、迷光を防止または抑制できるため、位置検出としてのＳ／Ｎ比が改善し、正確な位置検出を表示装置により実施することができる。
【０１２７】
変形例１では、可視光の利用効率も向上する。
変形例２では、光利用効率が高い焦点の位置制御においてレンズ配置の自由度が増す。
変形例３では、可視光による外光検知を表示装置の表示領域で実施することが可能となる。とくに外光センサを有効表示領域内に配置した場合、外光センサを表示領域外に配置する方式に比べて、表示装置上の表面輝度をより正確に測定することが可能となり、そのためバックライトの発光強度の制御精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の実施形態に関わる透過型液晶表示装置の概略的な全体構成図である。
【図２】本発明の実施形態に関わる液晶パネル内の駆動回路の構成例を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態に関わるブラックマトリックスのパターン例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施形態に関わり、（Ａ）に光センサ部の平面図を、（Ｂ）に（Ａ）のパターンに対応する光センサ部の等価回路図を示す。
【図５】本発明の実施形態に関わる画素に対応するＴＦＴアレイ基板部分の平面図である。
【図６】本発明の実施形態に関わる光センサ部と画素の一部を概略的に示す断面図である。
【図７】本発明の実施形態に関わるＰＩＮ構造（（Ａ））と、ＰＤＮ構造（（Ｂ））のフォトダイオードを概略的に示す図である。
【図８】本発明の実施形態の変形例１に関わる、図６に対応する断面図である。
【図９】本発明の実施形態の変形例３に関わり、受光データの入力光強度に対する変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態の変形例３に関わり、変形例３を適用しないで指先を検出したときの画面（（Ａ））と、変形例３を適用して指先を検出したときの画面（（Ｂ））とを示す図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１…光センサ部、１０…表示部、１１…垂直ドライバ、１２…ディスプレイドライバ、１３…センサドライバ、１４…選択スイッチアレイ、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１２…選択スイッチ、１３…垂直ドライバ、１４…ディスプレイドライバ、１５…センサドライバ、２１Ｋ…ブラックマトリックス、２１Ｒ等…フィルタ、３１…ＶＤＤ線、３２…ＶＳＳ線、３３…リセット線、３４…リード制御線、３５…検出線、３６…薄膜半導体層、６０…レンズアレイ、６０Ａ,６１…集光レンズ、１００…液晶表示装置、２００…液晶パネル、２０１…ＴＦＴアレイ基板、２０２…カラーフィルタ基板、２０３…液晶層、３００…バックライト、４００…データ処理部、４０１…制御部、４０２…位置検出部、ＰＡ…有効表示領域、ＰＡ１…画素領域、ＰＡ２…センサ領域、ＣＡ…周辺領域、ＰＩＸ…画素、ＰＤ…フォトダイオード、ＦＰ…焦点
【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】
0004553002.tif 000008
【図８】
0004553002.tif 000009
【図９】
0004553002.tif 000010
【図１０】
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