(57)【要約】屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置およびそれを備える表示装置を提供する。画像取得装置１は、所定の周波数帯域の変調信号により変調された光を照射可能な光照射部と、光照射部から照射されて対象物で反射した反射光を含む光を受光可能であり、マトリクス状に配列されたフォトセンサ１２と、フォトセンサ１２で受光された光によりフォトセンサ１２から出力された電気信号から、所定の周波数帯域もしくは変調信号に基づき、直流成分を生成する生成部とを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の周波数帯域の変調信号により変調された光を照射可能な光照射部と、
前記光照射部から照射されて対象物で反射した反射光を含む光を受光可能であり、マトリクス状に配列されたフォトセンサと、
前記フォトセンサで受光された光により前記フォトセンサから出力された電気信号から、前記所定の周波数帯域もしくは前記変調信号に基づき、直流成分を生成する生成部と、
を備える画像取得装置。
【請求項２】
前記光照射部は、
光源と、
前記光源に対する明るさ指示値を生成する明るさ指示値生成部と、
前記明るさ指示値を前記所定の周波数帯域で変調させるための変調信号を生成する変調信号生成部と、
を有する請求項１に記載の画像取得装置。
【請求項３】
前記生成部は、
前記電気信号のうち外光起因の直流成分をカットするバンドパスフィルタと、
前記所定の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記バンドパスフィルタを通過した前記電気信号と、当該電気信号に同期する前記変調信号とを掛け合わせた信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタと、
を有する請求項１または請求項２に記載の画像取得装置。
【請求項４】
前記生成部は、
前記所定の周波数帯域を前記電気信号の通過域に含むバンドパスフィルタと、
前記所定の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記バンドパスフィルタを通過した前記電気信号に基づく信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタと、
を有する請求項１または請求項２に記載の画像取得装置。
【請求項５】
前記生成部は、
前記所定の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記フォトセンサから出力された前記電気信号と、当該電気信号と同期させた前記変調信号とを掛け合わせた信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタ、
を有する請求項１または請求項２に記載の画像取得装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の画像取得装置を備える表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、人の指紋等を取得可能な画像取得装置およびそれを備える表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜６等は、フォトセンサによる指紋センサを一体化した液晶ディスプレイおよび有機ＥＬディスプレイを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２８７７３１号公報
【特許文献２】特開２００４−３２６８０６号公報
【特許文献３】特表２００６−５０３３３３号公報
【特許文献４】特開２００６−０８６３３３号公報
【特許文献５】特開２００２−２４５４４３号公報
【特許文献６】特開２００９−０６４０７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１〜６等に開示されたディスプレイでは、太陽光の外光の影響を除外することが考慮されておらず、屋外においてバックライトの反射光に基づく指紋画像を撮像することが困難である。【０００５】
本発明の目的は、屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置およびそれを備える表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一形態に係る画像取得装置は、所定の周波数の変調信号により変調された光を照射可能な光照射部と、前記光照射部から照射されて対象物で反射した反射光を含む光を受光可能であり、マトリクス状に配列されたフォトセンサと、前記フォトセンサで受光された光により前記フォトセンサから出力された電気信号から、前記所定の周波数帯域もしくは前記変調信号に基づき、直流成分を生成する生成部とを備える。【０００７】
前記光照射部は、光源と、前記光源に対する明るさ指示値を生成する明るさ指示値生成部と、前記明るさ指示値を前記所定の周波数帯域で変調させるための変調信号を生成する変調信号生成部とを有してもよい。【０００８】
前記生成部は、前記電気信号のうち外光起因の直流成分をカットするバンドパスフィルタと、前記周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記バンドパスフィルタを通過した前記電気信号と、当該電気信号に同期する前記変調信号とを掛け合わせた信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタとを有してもよい。【０００９】
前記生成部は、前記所定の周波数帯域を前記電気信号の通過域に含むバンドパスフィルタと、前記所定の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記バンドパスフィルタを通過した前記電気信号に基づく信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタとを有してもよい。【００１０】
前記生成部は、前記所定の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、前記フォトセンサから出力された前記電気信号と、当該電気信号と同期させた前記変調信号とを掛け合わせた信号から、前記直流成分を通過させるローパスフィルタを有してもよい。【００１１】
また、本発明の一形態に係る表示装置は、上記の画像取得装置を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置およびそれを備える表示装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態に係る画像取得装置の概略図である。
【図２】第２の実施形態に係る画像取得装置の概略図である。
【図３】表示装置の一部を切り出した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像取得装置１の概略図である。
【００１６】
図１に示す画像取得装置１は、指紋等の対象物の画像（動画像）を取得する装置である。  画像取得装置１は、センサ部１０と、明るさ指示値生成部２と、変調信号生成部３と、ＤＡコンバータ４と、電流源５と、バンドパスフィルタ７と、アンプ８と、ＡＤコンバータ９と、信号比較部２０とを備える。
【００１７】
センサ部１０は、ガラス基板１１と、フォトセンサ１２と、保護絶縁膜１３と、カバーガラス１４と、バックライト１５とを備える。
【００１８】
ガラス基板１１は、透明基板であり、その表面側にはセンサ表面の一部または全部にマトリクス状に配置されたフォトセンサ１２のアレイが形成されている。以下の説明および図面では、一つのフォトセンサ１２で測定する方法を記述するが、測定回路を複数並列化させたり、図示しないスイッチ素子で測定するフォトセンサ１２を切り替えて測定することで、フォトセンサ１２のアレイの全体または一部エリアに渡って測定を行ってもよい。
【００１９】
各フォトセンサ１２は、半導体膜を受光部とする光電変換素子であり、入射する光の強度に応じた電圧信号（電気信号）を出力する。各フォトセンサ１２には、光照射部から照射され指ＦＧで反射し装置の表面側から反対の非表面側に向かう反射光および／または太陽光等の外光が入射する。フォトセンサ１２は、例えば周知のダブルゲート構造のＴＦＴ（薄膜トランジスタ）やＬＥＤである。
【００２０】
フォトセンサ１２は、保護絶縁膜１３により覆われている。保護絶縁膜１３は、フォトセンサ１２の半導体膜の界面を保護する機能を有し、絶縁性及び透光性を有し、例えば窒化シリコン又は酸化シリコンからなる。
【００２１】
カバーガラス１４は、保護絶縁膜１３上に設けられている。カバーガラス１４の表面に人体の指ＦＧを接触させることにより、後述するように、指紋画像（動画像）を撮像できる。
【００２２】
ガラス基板１１より下層には、光源であるバックライト１５が設けられている。バックライト１５は、周知のものが採用され、例えば、複数のＬＥＤ１６により構成されている。バックライト１５から光Ｌは、カバーガラス１４上に置かれた指ＦＧで反射し、この反射光が各フォトセンサ１２に入射する。
【００２３】
明るさ指示値生成部２は、バックライト１５から所望の明るさの光を照射するための明るさの指示値（電流値）を生成し出力する。
【００２４】
変調信号生成部３は、所定の周波数帯域の変調信号、例えば所定の周波数の正弦波の変調信号を生成し出力する。変調信号は、後述の信号比較部２０が相関測定をしているとみなすこともできるので、変調に都合のよい周波数帯を含んでいて平均値がゼロである別の任意の信号、例えば疑似ランダムノイズや疑似白色２値信号であってもよい。周波数帯域は、電流源５およびフォトセンサ１２およびバックライト１５の応答が追いつく程度に低く、ＬＥＤ１６のちらつきが目立たない程度に高い周波数帯域がよい。例えばフォトセンサ１２としてＴＦＴを用いる場合、その応答速度はＴＦＴの易動度μｅでほぼ決定し、最大で１０ＭＨｚ程度が可能である。また、一般にノイズ成分は周波数が高くなるほど小さくなるので、周波数は高めに選ぶ方がＳＮ比やフィルタの小型化が可能である。また、画像取得装置１で用いられる他の周波数、例えば掃引周波数、の整数倍は避けることが望ましい。変調信号の周波数帯は、例えば１〜５ｋＨｚである。明るさ指示値生成部２で生成された明るさ指示値は、変調信号により変調されて、変調指示値としてＤＡコンバータ４に入力される。また、変調信号生成部３で生成される変調信号は、後述の信号比較部２０の遅延部２１に対しても出力される。
【００２５】
ＤＡコンバータ４は、デジタル信号として入力される明るさ指示値をアナログ信号に変換し、電流源５の電流指示値入力に対して出力する。
【００２６】
電流源５は、電源６からの電流を変調指示値に応じた電流値に変えて、バックライト１５へ出力する。電流源５は、例えばスイッチング電源を用いたＬＥＤドライバＩＣや、アクティブマトリックス方式のＬＥＤ駆動回路が用いられる。
【００２７】
バンドパスフィルタ７は、フォトセンサ１２から出力された電圧信号のうち、特定の周波数成分のみを主に通すフィルタである。外光起因によりフォトセンサ１２から出力される電圧信号は直流かそれに近い低周波成分がほとんどであるので、当該測定で不要な直流成分および低周波成分をカットする。これにより、後述のＡＤコンバータ９における測定レンジを変調成分の測定に有効に活用することができ、ＳＮ比を改善することができる。
【００２８】
アンプ８は、バンドパスフィルタ７を通過した電圧信号を増幅する。
【００２９】
ＡＤコンバータ９は、アナログ信号として増幅された電圧信号をデジタル信号に変換する。
【００３０】
信号比較部２０は、遅延部２１と、ローパスフィルタ２２とを有する。遅延部２１は、変調信号生成部３からの変調信号を遅延させる。これは、変調信号生成部３からＤＡコンバータ４へ出力された変調信号が、指ＦＧに反射したのち信号比較部２０へ入るタイミングと、変調信号生成部３からの変調信号が、信号比較部２０へ直接入るタイミングとの間には、時間差があるためである。例えば、変調信号をａクロック分だけ遅延させて、当該時間差を補正する。すなわち、フォトセンサ１２からの電圧信号に、変調信号生成部３からの変調信号を同期させる。
【００３１】
ローパスフィルタ２２は、遅延された変調信号と、増幅された電圧信号とを掛け合わせた信号のうち、変調信号の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数として、変調信号の周波数帯域よりも小さな周波数の信号を通過させ、出力信号（画像信号）として出力する。これにより、指ＦＧからの反射光によりフォトセンサ１２から出力される電圧信号と変調信号とを掛け算した信号のうち、交流成分がローパスフィルタ２２により除去され、直流周辺の低周波成分が出力信号（画像信号）として出力される。カットオフ周波数は、画像取得装置１および指ＦＧ等を含む指紋センサシステム全体の周波数帯域に基づき決定される。このように、信号比較部２０では相関測定またはホモダイン検波（同期検波）が行われ、ローパスフィルタ２２は、例えば、ＦＩＲフィルタまたはＩＩＲフィルタまたはその組み合わせである。また、ローパスフィルタ２２は、変調信号の繰り返し周期の時間の整数倍の時間だけ信号を積分するフィルタとして実装されていてもよい。このフィルタも変調信号の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とするローパスフィルタとみなせるが、ローパスフィルタ２２の通過域を広く取りつつ、変調信号の周波数成分を確実に除去できるフィルタになる。
【００３２】
そして、ローパスフィルタ２２から出力された出力信号に基づき、図示せぬ制御部において、指の指紋の画像（動画像）が作成される。
【００３３】
本実施形態に係る画像取得装置１によれば、所定の周波数の変調信号により変調された光を照射可能な光照射部を備え、フォトセンサ１２で受光された光によりフォトセンサ１２から出力された電圧信号から、所定の周波数帯域もしくは変調信号に基づき、直流成分を生成する。そして、画像取得装置１は、電圧信号のうち外光起因の直流成分をカットするバンドパスフィルタ７と、周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、バンドパスフィルタ７を通過した電圧信号と、当該電圧信号に同期する変調信号とを掛け合わせた信号から、直流成分を通過させるローパスフィルタ２２とを有する。
【００３４】
このように、バックライト１５からの光を変調させることにより、フォトセンサ１２で検出された電圧信号から、外光起因の直流成分をカットすることができ、外光の影響を抑制した電圧信号を得ることができる。よって、屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置１を提供することができる。
【００３５】
また、光照射部は、バックライト１５と、バックライト１５に対する明るさ指示値を生成する明るさ指示値生成部２と、明るさ指示値を所定の周波数で変調させるための変調信号を生成する変調信号生成部３とを有する。これにより、通常のバックライト駆動回路に大きな変更を加えることなく、簡易な構成でバックライト１５からの光を変調させることができる。
【００３６】
＜第２の実施形態＞
図２は、本発明の第２の実施形態に係る画像取得装置１０１の概略図を示す。図２に示す画像取得装置１０１において、第１の実施形態と同様の構成部分については同じ符号を使用している。
【００３７】
図２に示すように、第１の実施形態の信号比較部２０に代えて、絶対値部２３と、ローパスフィルタ２４とを備える。
【００３８】
また、本実施形態における変調信号生成部３で生成する所定の周波数は、第１の実施形態と同様に、画像取得装置１０１および指ＦＧ等を含むセンサシステム全体に基づき決定される。例えば、電流源５およびバックライト１５の応答が追いつく程度に低く、ＬＥＤ１６のちらつきが目立たないように、所定の周波数を決定する。変調信号は、例えば正弦波であるが、矩形波や三角波であってもよい。
【００３９】
本実施形態におけるバンドパスフィルタ７は、変調信号生成部３で生成される変調信号の周波数を含む狭い範囲を通過域とするフィルタである。当該通過域の範囲は、画像取得装置１０１および指ＦＧ等を含むセンサシステム全体の周波数帯域に基づき決定される。
【００４０】
絶対値部２３は、ＡＤコンバータ９からの電圧信号のうちのマイナス成分をプラス成分に変換する。すなわち、電圧信号の振幅の絶対値をとる。次のローパスフィルタ２４で電圧信号を処理するための前処理である。本実施形態では、絶対値部２３での処理はデジタル処理であるが、アナログ処理で行う場合にはブリッジ整流回路が用いられる。
【００４１】
ローパスフィルタ２４では、絶対値部２３で絶対値処理された電圧信号のうち、変調信号の周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数として、変調信号の周波数よりも小さな周波数の信号を通過させ、出力信号として出力する。これにより、指ＦＧからの反射光によりフォトセンサ１２から出力される電圧信号のうち、交流成分がローパスフィルタ２４により除去され、直流周辺の成分が出力信号（カラー画像信号）として出力される。カットオフ周波数（通過域の範囲）は、画像取得装置１０１および指ＦＧ等を含むセンサシステム全体の周波数帯域に基づき決定される。
【００４２】
そして、ローパスフィルタ２４から出力された出力信号に基づき、図示せぬ制御部により、指の指紋の画像（動画像）が作成される。
【００４３】
本実施形態に係る画像取得装置１０１によれば、周波数帯域を前記電気信号の通過域とするバンドパスフィルタ７と、周波数帯域よりも小さな周波数をカットオフ周波数とし、バンドパスフィルタ７を通過した電圧信号に基づく信号から、直流成分を通過させるローパスフィルタ２４とを有する。当該構成でも、フォトセンサ１２で検出された電圧信号から、外光起因の直流成分をカットすることができ、外光の影響を抑制した電圧信号を得ることができる。よって、屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置１を提供することができる。
【００４４】
次に、上記の画像取得装置１、１０１を備えた表示装置２０１について説明する。
【００４５】
図３は、表示装置２０１の一部を切り出した断面図である。
【００４６】
表示装置２０１は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）方式アクティブマトリクス液晶ディスプレイである。アクティブマトリクス液晶ディスプレイの構成は周知であるので、以下の説明では、周知の構成について詳細説明は省略する。方向Ｂ１，Ｂ２のうち、Ｂ１は表示面側を示し、Ｂ２は表示面側とは反対の非表示面側を示す。図３では、センサ部１０以外の構成の図示を省略している。
【００４７】
図３に示すように、表示面側Ｂ１から非表示面側Ｂ２に向けて順に透明基板としてのガラス基板３０，１１，４０が設けられている。なお、ガラス基板の代わりにポリカーボネート等といったプラスチック基板を採用できる。
【００４８】
ガラス基板３０の表示面側Ｂ１には偏光素子ＰＬが設けられ、偏光素子ＰＬ上には透明なカバーガラス１４が設けられている。カバーガラス１４の表面に人体の指ＦＧを接触させることにより、後述するように、カラーの指紋画像を撮像できる。
【００４９】
ガラス基板３０の非表示面側Ｂ２には所定の色の光を選択的に透過するフィルタとしてのカラーフィルタ５０が設けられている。
【００５０】
カラーフィルタ５０は、ガラス基板３０の表面に画面の各画素に対応して格子状に形成された遮光性を有するブラックマトリクスＢＭと、それぞれ所定の色の光を透過させる３つの着色部（Ｒ，Ｇ，Ｂ）とを有する。ブラックマトリクスＢＭの材料としては、種々の材料が採用できるが、遮光性、製造の容易性および耐腐食性などの理由から金属クロム膜を採用できる。３つの着色部（Ｒ，Ｇ，Ｂ）は、周知のレジスト材料から形成されており、例えば、顔料を含有した有機樹脂材料である。
【００５１】
ガラス基板４０の表示面側Ｂ１には、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）からなるスイッチング素子ＴＲが各画素に対応してマトリクス状に形成され、このスイッチング素子ＴＲ上には、保護絶縁膜８０を介して画素電極ＥＬ２がマトリクス状に形成されている。ＴＦＴとしては、周知の低温ポリＳｉ（ＬＴＰＳ）形やアモルファスＳｉ形が採用される。
【００５２】
ガラス基板１１の非表示面側Ｂ２には、画素電極ＥＬ２に対向する共通電極ＥＬ１が形成されている。共通電極ＥＬ１および画素電極ＥＬ２は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）等の透明導電膜で形成されている。
【００５３】
共通電極ＥＬ１および画素電極ＥＬ２の間には、周知の液晶材料ＬＣが充填されている。
【００５４】
ガラス基板４０の非表示面Ｂ２側には偏光素子ＰＬが設けられ、偏光素子ＰＬ上には光源としてのバックライト１５が設けられている。バックライト１５は、周知のものが採用される。
【００５５】
ガラス基板１１の表示面側Ｂ１には、表示装置の画面の一部にマトリクス状に配置されたフォトセンサ１２のアレイが形成されている。本実施形態では、画素毎に単一のフォトセンサ１２が設けられているが、これに限定されるわけではなく、一画素に対して複数のフォトセンサ１２を設けることも可能である。保護絶縁膜１３は、フォトセンサ１２を覆っている。フォトセンサ１２のアレイにより、表示面側Ｂ１から非表示面Ｂ２側に向かいカラーフィルタ５０の３つの着色部（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を通過する光を受けてカラー画像を撮像可能となっている。フォトセンサ１２を実装するガラス基板１１を別に設けたことで、同じ基板に対するプロセス数が増加した際に問題となる歩留まりの低下を避けることができる。
【００５６】
図３に示すように、バックライト１５からの光Ｌは、カバーガラス１４上に置かれた指ＦＧで反射し、この反射光がカラーフィルタ５０の３つの着色部（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を通過して各フォトセンサ１２に入射する。これにより、指紋のカラー画像を撮像することができる。
【００５７】
上記したガラス基板３０，１１，４０への各層の形成は、周知のＰＶＤ法及びＣＶＤ法といった成膜工程、フォトリソグラフィー法といったマスク工程、エッチング法といった薄膜の形状加工工程を適宜行うことによって形成される。その後、カラーフィルタ５０とフォトセンサ１２とを向かい合わせにしてガラス基板３０とガラス基板１１とを紫外線硬化樹脂等の接着剤を用いて貼り合わせる。これにガラス基板４０を貼り合わせ、液晶材料ＬＣを注入する等の工程を経て表示装置２０１が製造される。
【００５８】
上記の表示装置２０１によれば、屋外でも対象物を撮像可能な画像取得装置１、１０１を備える表示装置２０１を提供することができる。
【００５９】
なお、本実施形態は、上述した実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の範囲内で、種々の追加や変更等を行うことができる。
【００６０】
第１の実施形態の画像取得装置１において、バンドパスフィルタ７を備えていなくてもよい。バンドパスフィルタ７がなくても、信号比較部２０において、フォトセンサ１２で検出された電圧信号から、外光起因の直流成分をカットすることができ、外光の影響を抑制した電圧信号を得ることができる。
【００６１】
上記の画像取得装置１、１０１の画像取得において、アナログおよびデジタルの両方により行ったが、全ての処理をアナログで行ってもよいし、全ての処理をデジタルで行ってもよいし、デジタルシグナルプロセッサ等のプロセッサ上のソフトウェアで信号処理を行ってもよい。回路の形態に応じて、各種フィルタはアナログフィルタやデジタルフィルタとして実装される。また、本明細書中での直流成分や変調信号は信号の特徴を表すものであり、回路の形態に応じてアナログ信号やデジタル信号の形をとりうる。また、画像取得装置１０１において、絶対値部２３により電圧信号の振幅の絶対値をとるようにしたが、電圧信号を２乗するようにしてもよい。
【００６２】
また、液晶ディスプレイの方式としてＴＮ方式に代えてＩＰＳ方式やＶＡ方式等を用いたり、駆動方式としてアクティブマトリクス方式に代えてパッシブマトリクス方式等を用いたりしてもよい。また、表示装置２０１としては、液晶ディスプレイに限らず、有機ＥＬディスプレイ、マイクロＬＥＤディスプレイであってもよい。表示装置２０１として有機ＥＬディスプレイを用いた場合、表示用のＬＥＤ自身がバックライト１５とフォトセンサ１２を兼ねることもでき、シンプルな構造とすることができる。
【符号の説明】
【００６３】
１、１０１  画像取得装置
２  明るさ指示値作成部
３  変調信号作成部
７  バンドパスフィルタ
１２  フォトセンサ
１５  バックライト
１６  ＬＥＤ
２２、２４  ローパスフィルタ
２０１  表示装置
【図１】
2019131001.tif 000003
【図２】
2019131001.tif 000004
【図３】
2019131001.tif 000005
【国際調査報告】
2019131001.tif 000006
2019131001.tif 000007
2019131001.tif 000008
2019131001.tif 000009