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WO2010055710A1 - 光センサ付き表示装置 - Google Patents

光センサ付き表示装置 Download PDF

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WO2010055710A1
WO2010055710A1 PCT/JP2009/061597 JP2009061597W WO2010055710A1 WO 2010055710 A1 WO2010055710 A1 WO 2010055710A1 JP 2009061597 W JP2009061597 W JP 2009061597W WO 2010055710 A1 WO2010055710 A1 WO 2010055710A1
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display device
liquid crystal
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圭 及部
足立　昌浩
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シャープ株式会社
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    • G09G2360/147—Detecting light within display terminals, e.g. using a single or a plurality of photosensors the light originating from the display screen the originated light output being determined for each pixel

Definitions

  • the detection object is interposed on the optical path between the first and second reflecting portions, and the intensity of light detected by the optical sensor changes. Therefore, the influence of external light can be eliminated and the touch position in the display screen can be detected with high accuracy.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a display device according to first to sixth embodiments of the present invention.
  • the display device shown in FIG. 1 includes a display panel 1, a display control circuit 2, a scanning signal line drive circuit 3, a data signal line drive circuit 4, a sensor control circuit 5, and a sensor output processing circuit 6.
  • This display device has a function of detecting a touch position in the display screen in addition to the screen display function.
  • m and n are integers of 2 or more.
  • FIG. 2 and 3 are perspective views showing the structure of the liquid crystal panel according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a normal state
  • FIG. 3 shows a pressed state.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an operation state of the liquid crystal panel according to the present embodiment.
  • FIG. 4 schematically shows a cross section of the liquid crystal panel. In the drawing showing the operation state of the display panel, the finger F is drawn smaller than the actual size.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an operation state of the liquid crystal panel according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the liquid crystal panel according to the present embodiment is obtained by adding a light emitting element 61 to the liquid crystal panel shown in FIG.
  • the light emitting element 61 is disposed below the light reflecting portion 21 on the TFT side substrate 11.
  • the liquid crystal display device according to the present embodiment is optional whether or not it includes a backlight.

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Abstract

　ＴＦＴ側基板１１に複数の画素回路を設け、画素回路間に遮光層１５と遮光層開口部１６を設けて、遮光層１５を設けた位置に光センサ１７を配置する。対向基板１２の対向する部分にも遮光層１８を設け、光センサ１７に対応して光反射部１９を設ける。通常時には、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、光反射部１９で反射して光センサ１７に入射する。液晶パネルの表面が押されたときには、２枚の基板が互いに接近し、光反射部１９における光の反射方向が変化して、光センサ１７で検知される光の強度が変化する。得られたセンサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出する。

Description

光センサ付き表示装置
　本発明は、表示装置に関し、特に、表示パネルに複数の光センサを設けた表示装置に関する。
　近年、指やペンなどで画面に触れることにより操作可能な電子機器が普及している。また、表示画面内のタッチ位置を検出する方法として、表示パネルに複数の光センサを設け、指などが画面に接近したときにできる影像や反射像を光センサを用いて検知する方法が知られている。
　図２０を参照して、光センサを用いて表示画面内のタッチ位置を検出する方法を説明する。図２０に示すように、液晶パネル９１には、複数の薄膜トランジスタ（Thin Film Transistor：以下、ＴＦＴという）９２と複数の光センサ９３が設けられる。ＴＦＴ９２と光センサ９３は液晶パネル９１上に２次元状に配置され、ＴＦＴ９２の上部には遮光層９４が設けられる。液晶パネル９１の背面側にはバックライト（図示せず）が設けられ、バックライトは液晶パネル９１の背面に光（バックライト光）を照射する。
　液晶パネル９１の表面に指Ｆが接近したときに、光センサ９３に入射する外光は指Ｆによって遮られ、バックライト光は指Ｆの表面で反射して光センサ９３に入射する。したがって、光センサ９３で検知された光の強度に基づきセンサ画像を生成し、センサ画像に対して指Ｆの位置を検知する画像認識処理を行うことにより、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　本願発明に関連する技術は、以下の特許文献に記載されている。特許文献１には、ライトペンを有する表示システムに関し、バックライト光をライトペンの先端で反射させて、反射光を表示パネルに設けた光感知素子で検知することが記載されている。特許文献２には、透明パネルと光路を平行に配置したレンズ部材と、光路を直角に曲げるためのプリズム部材と、表示パネルの表面を照射する光源と、レンズ部材の焦点位置に配置した光センサとを備えたイメージセンサ内蔵携帯端末装置が記載されている。特許文献３には、導光板と、導光板の側面に受光面が対向した光センサアレイと、導光板の対向する側面に出射面が対向したレンズシートと、レンズシートの入射面を照射する照明手段とを備えたタッチパネルが記載されている。特許文献４には、異方性透明結晶からなる押し変形自在なタッチパネル本体の対向する側端面部に投光素子列と受光素子列を配設したタッチパネルが記載されている。
日本国特開２００５－８５２６５号公報 日本国特開平９－６５０２８号公報 日本国特開２０００－１７２４４４号公報 日本国特開平７－２５３８５３号公報
　光センサを用いて表示画面内のタッチ位置を検出するときには、表示装置の各種のパラメータを好適に調整する必要がある。例えば、光センサを制御するパラメータ、センサ画像から指などの領域を抽出するための閾値、画像認識処理で使用するパラメータなどを調整する必要がある。
　ところが、従来の光センサ付き表示装置では、光センサに外光が入射する。このため、光センサで検知される光の強度は周囲の明るさによって異なり、周囲が明るいときと暗いときとではセンサ画像の性質も大きく異なる。したがって、パラメータを固定的に決定する方法を用いると、周囲が明るくなったり暗くなったりしたときにタッチ位置の検出精度が低下する。また、外光の強度に応じてパラメータを動的に切り替える方法を用いても、パラメータを切り替える範囲に限界があるので、タッチ位置の検出精度はあまり高くならない。
　それ故に、本発明は、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出できる光センサ付き表示装置を提供することを目的とする。
　本発明の第１の局面は、複数の光センサを備えた表示装置であって、
　２次元状に配置された複数の画素回路を含む表示パネルと、
　前記表示パネルに設けられた複数の光センサと、
　光を出射する光源と、
　前記表示パネルに設けられ、前記光源から出射された光を前記表示パネル内で伝搬させて前記光センサに入射させるための光学部品とを備え、
　前記表示パネルの表面が押されたときに前記表示パネルが変形し、前記光源から出射された光の光路が変化して、前記光センサで検知される光の強度が変化することを特徴とする。
　本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記光センサに向けて反射させる光反射部を備え、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部における光の反射方向が変化することを特徴とする。
　本発明の第３の局面は、本発明の第２の局面において、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部の反射面の傾きが変化することを特徴とする。
　本発明の第４の局面は、本発明の第２の局面において、
　前記光反射部は曲面状の反射面を有し、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部と前記光センサの間の距離が変化することを特徴とする。
　本発明の第５の局面は、本発明の第２の局面において、
　前記光反射部は曲面状の反射面を有し、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記反射面の曲率が変化することを特徴とする。
　本発明の第６の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記表示パネルに設けられ、前記表示パネルの表面が押されたときに前記光源から前記光センサに至る光路上に移動して、前記光源から出射された光が前記光センサに入射することを妨げる光遮断部をさらに備える。
　本発明の第７の局面は、本発明の第６の局面において、
　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記表示パネルと平行な方向に反射させる第１の光反射部と、前記第１の光反射部で反射した光を前記光センサに向けて反射させる第２の光反射部とを備え、
　前記光遮断部は、前記表示パネルの表面が押されたときに、前記第１の光反射部と前記第２の光反射部の間に移動することを特徴とする。
　本発明の第８の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では前記表示パネルの光透過特性が変化することを特徴とする。
　本発明の第９の局面は、本発明の第８の局面において、
　前記表示パネルは２枚の基板の間に液晶物質を充填した液晶パネルであり、
　前記表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では前記液晶物質に含まれる液晶分子の配向が変化することを特徴とする。
　本発明の第１０の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記表示パネルに設けられ、前記光センサに外光が入射することを防止する遮光部をさらに備える。
　本発明の第１１の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記光源が、前記表示パネルの背面側に設けられたバックライトであることを特徴とする。
　本発明の第１２の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記光源が、前記表示パネルに設けられた発光素子であることを特徴とする。
　本発明の第１３の局面は、本発明の第１の局面において、
　前記表示パネルは自発光型の表示パネルであり、
　前記表示パネルの一部が前記光源として機能することを特徴とする。
　本発明の第１４の局面は、複数の光センサを備えた表示装置であって、
　２次元状に配置された複数の画素回路を含む表示パネルと、
　前記表示パネルに設けられた複数の光センサと、
　光を出射する光源と、
　前記表示パネルの外部に設けられ、前記光源から出射された光を前記光センサに入射させるための光学部品とを備え、
　前記表示パネルの表面に検知対象物が接近したときに、前記検知対象物によって前記光源から前記光センサに至る光路が遮断され、前記光センサで検知される光の強度が変化することを特徴とする。
　本発明の第１５の局面は、本発明の第１４の局面において、
　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記表示パネルと平行な方向に反射させる第１の光反射部と、前記第１の光反射部で反射した光を前記光センサに向けて反射させる第２の光反射部とを備え、
　前記第１の光反射部と前記第２の光反射部の間に前記検知対象物が介在できるように構成されていることを特徴とする。
　本発明の第１の局面によれば、光源から出射された光を表示パネル内で伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する表示装置において、表示パネルの表面が押されたときに、表示パネルの変形に伴い、光源から出射される光の光路、および、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第２の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、光反射部における光の反射方向が変化して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第３～第５の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、光反射部の反射面の傾きや曲率、あるいは、光反射部と光センサの間の距離が変化して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第６の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、光遮断部が光源から光センサに至る光路上に移動して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第７の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、光遮断部が第１および第２の光反射部の間の光路上に移動して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第８の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では表示パネルの光透過特性が変化して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第９の局面によれば、表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では液晶分子の配向が変化して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第１０の局面によれば、光センサに外光が入射することを防止する遮光部を設けることにより、外光の影響をより効果的に排除して、表示画面内のタッチ位置をより高い精度で検出することができる。
　本発明の第１１の局面によれば、バックライトから出射された光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　本発明の第１２の局面によれば、表示パネルに設けられた発光素子から出射された光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　本発明の第１３の局面によれば、自発光型の表示パネルから出射された光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　本発明の第１４の局面によれば、光源から出射された光を表示パネルの外部を経由して伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する表示装置において、表示パネルの表面に検知対象物が接近したときに、検知対象物によって光源から光センサに至る光路が遮断され、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本発明の第１５の局面によれば、検知対象物が第１および第２の反射部の間の光路上に介在して、光センサで検知される光の強度が変化する。これにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
本発明の第１～第６の実施形態に係る表示装置の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルの通常時の状態を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルの押圧時の状態を示す斜視図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第１の実施形態の第１変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第１の実施形態の第２変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第１の実施形態の第３変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第１の実施形態の第４変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第１例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第２例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第３例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第４例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第５例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第６例を示す図である。 第１の実施形態に係る液晶パネルに設けられる光反射部の断面形状の第７例を示す図である。 第２の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第２の実施形態の変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第３の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第３の実施形態の変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第４の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第４の実施形態に係る液晶パネルに設けられる保護シートの断面形状の第１例を示す図である。 第４の実施形態に係る液晶パネルに設けられる保護シートの断面形状の第２例を示す図である。 第５の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第５の実施形態に係る液晶パネルに設けられる発光素子の構造を示す図である。 第５の実施形態の変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。 第６の実施形態に係る有機ＥＬパネルの構造を示す断面図である。 光センサを用いて表示画面内のタッチ位置を検出する方法を示す図である。
　図１は、本発明の第１～第６の実施形態に係る表示装置の構成を示すブロック図である。図１に示す表示装置は、表示パネル１、表示制御回路２、走査信号線駆動回路３、データ信号線駆動回路４、センサ制御回路５、および、センサ出力処理回路６を備えている。この表示装置は、画面表示機能に加えて、表示画面内のタッチ位置を検出する機能を有する。以下、ｍとｎは２以上の整数であるとする。
　表示パネル１には、互いに平行なｍ本の走査信号線Ｇ１～Ｇｍと、走査信号線と垂直に互いに平行なｎ本のデータ信号線Ｓ１～Ｓｎとが設けられる。走査信号線Ｇ１～Ｇｍとデータ信号線Ｓ１～Ｓｎの交点のそれぞれに対応して、表示素子として機能する画素回路７が設けられる。さらに表示パネル１には、走査信号線Ｇ１～Ｇｍと平行にｍ本のセンサ制御線Ｐ１～Ｐｍが設けられ、データ信号線Ｓ１～Ｓｎと平行にｎ本のセンサ出力線Ｑ１～Ｑｎが設けられ、センサ制御線Ｐ１～Ｐｍとセンサ出力線Ｑ１～Ｑｎの交点のそれぞれに対応して、光センサを含むセンサ回路８が設けられる。このように表示パネル１は２次元状に配置された複数の画素回路７を含み、センサ回路８は画素回路７と共に表示パネル１に設けられる。第１～第４の実施形態に係る表示装置では、表示パネル１の背面側にバックライト（図示せず）が設けられ、バックライトは表示パネル１の背面にバックライト光を照射する。
　表示制御回路２は、走査信号線駆動回路３に対して制御信号Ｃ１を出力し、データ信号線駆動回路４に対して制御信号Ｃ２と映像信号ＤＴを出力し、センサ制御回路５に対して制御信号Ｃ３を出力する。走査信号線駆動回路３は、制御信号Ｃ１に従い、走査信号線Ｇ１～Ｇｍの中から１本の走査信号線を選択し、選択した走査信号線にゲートオン電圧（画素回路７内の書き込み用ＴＦＴがオン状態になる電圧）を印加する。データ信号線駆動回路４は、制御信号Ｃ２に従い、映像信号ＤＴに応じた電圧をデータ信号線Ｓ１～Ｓｎに印加する。これにより１行分の画素回路７を選択し、選択した画素回路７に対して映像信号ＤＴに応じた電圧を書き込み、所望の画像を表示することができる。
　センサ制御回路５は、制御信号Ｃ３に従い、センサ制御線Ｐ１～Ｐｍの中から１本のセンサ制御線を選択し、選択したセンサ制御線にゲートオン電圧（センサ回路８内の読み出し用ＴＦＴがオン状態になる電圧）を印加する。これにより１行分のセンサ回路８を選択し、選択したセンサ回路８で検知された光の強度に応じた信号をセンサ出力線Ｑ１～Ｑｎ経由で表示パネル１の外部に出力することができる。センサ出力処理回路６は、表示パネル１から出力された信号に基づきセンサ画像を生成し、センサ画像に対して検知対象物（指など）の位置を検知する画像認識処理を行う。センサ出力処理回路６は、画像認識処理によって表示画面内のタッチ位置を求め、タッチ位置を示す位置データＤＰを出力する。
　本発明の各実施形態に係る表示装置は、表示パネルの構成に特徴がある。そこで以下では、各実施形態に係る表示装置に含まれる表示パネルの詳細を説明する。以下、表示パネルの表面が押されていないときを「通常時」、表示パネルの表面が押されているときを「押圧時」といい、通常時の状態と押圧時の状態を合わせて「動作状態」という。
　（第１の実施形態）
　図２および図３は、本発明の第１の実施形態に係る液晶パネルの構造を示す斜視図である。図２には通常時の状態が記載され、図３には押圧時の状態が記載されている。図４は、本実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図４には、液晶パネルの断面が模式的に記載されている。なお、表示パネルの動作状態を示す図面では、指Ｆは実際よりも縮小して描かれている。
　図２に示すように、本実施形態に係る液晶パネルは、ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２を備えている。ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２は正対して配置され、両基板の間には液晶物質（図示せず）が充填される。なお、ＴＦＴ側基板１１は、アクティブマトリクス基板とも呼ばれる。
　ＴＦＴ側基板１１には、画素電極１３、ＴＦＴ１４、遮光層１５、遮光層開口部１６、および、光センサ１７が設けられる。画素電極１３とＴＦＴ１４は図１では画素回路７に含まれ、光センサ１７は図１ではセンサ回路８に含まれる。画素電極１３とＴＦＴ１４は、ＴＦＴ側基板１１に２次元状に配置される。遮光層１５は、長手方向に隣接する２個の画素電極１３の間に（図面内で２本の破線で挟まれた部分に）設けられる。遮光層１５には、光を通過させるために遮光層開口部１６が設けられる。光センサ１７は、遮光層１５を形成した領域内で、遮光層開口部１６の近傍に配置される。
　対向基板１２には、対向電極（図示せず）、遮光層１８、および、光反射部１９が設けられる。遮光層１８は、遮光層１５に対向する位置に（図面内で２本の破線で挟まれた部分に）、遮光層１５よりも広い幅で設けられる。光反射部１９は、遮光層１８を形成した領域内に、遮光層開口部１６および光センサ１７との間で所定の位置関係（後述）を保って設けられる。遮光層１８以外にも、ＴＦＴ１４の上部には遮光層（図示せず）が設けられる。液晶パネルの背面側に設けられたバックライト（図示せず）は、液晶パネルの背面にバックライト光ＢＬを照射する。光反射部１９は、バックライト光ＢＬを液晶パネル内で伝搬させて光センサ１７に入射させるための光学部品として機能する。
　図４において、斜線部は光センサ１７の受光部を表す。図４の左側に示すように、光反射部１９は、通常時にＴＦＴ側基板１１（より詳細には、ＴＦＴ側基板１１に設けた遮光層開口部１６）を通過したバックライト光ＢＬが光反射部１９で反射して、光センサ１７に入射するように配置される。このため、通常時には、光センサ１７にはバックライト光ＢＬの反射光が入射し、光センサ１７で検知される光の強度は所定レベルになる。なお、光センサ１７は対向基板１２に設けた遮光層１８によって覆われるので、外光が光センサ１７に入射することはない。また、光センサ１７はＴＦＴ側基板１１上で遮光層１５を形成した領域内に配置されるので、バックライト光ＢＬが光センサ１７に直接入射することもない。
　利用者は、例えば指Ｆで対向基板１２の表面（図面では上側の面）に触れる。指Ｆが対向基板１２に触れると、対向基板１２に力が加わり、液晶パネルが変形する。このため、ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２の間の距離が短くなったり（図３を参照）、光反射部１９の傾きが変化したりする（図４の右側を参照）。これに伴い、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、バックライト光ＢＬの反射光は光センサ１７に入射しにくくなる。この結果、光センサ１７で検知される光の強度が減少する。
　このため、押圧時のセンサ画像は、タッチ位置の近傍で暗くなる。そこで、センサ画像に対して検知対象物（指など）の位置を検知する画像認識処理を行うことにより、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。また、タッチ位置の検出は外光を用いずに行われるので、外光の影響によってタッチ位置の検出精度が低下することがない。したがって、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、外光の影響を排除して表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本実施形態については、以下の変形例を構成することができる。図５～図８は、それぞれ、第１の実施形態の第１～第４変形例に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図５に示す液晶パネルでは、バックライト光ＢＬを液晶パネル内で伝搬させて光センサ１７に入射させるために、対向基板１２には２個の光反射部２１、２２が設けられる。光反射部２１は遮光層開口部の上部に設けられ、光反射部２２は光センサ１７の上部に設けられる。ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、通常時には、まず光反射部２１で反射して対向基板１２と平行に進み、次に光反射部２２で反射して光センサ１７に入射する（図５の左側を参照）。押圧時には、光反射部２１、２２の傾きが変化するために、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する（図５の右側を参照）。
　図６に示す液晶パネルでは、バックライト光ＢＬを液晶パネル内で伝搬させて光センサ１７に入射させるために、対向基板１２には凹状の反射面を有する光反射部２３が設けられる。光反射部２３は光センサ１７の上部に設けられる。ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、通常時には、光反射部２３で反射して光センサ１７に入射する（図６の左側を参照）。押圧時には、ＴＦＴ側基板１１と光反射部２３の間の距離が短くなり、これに伴い光反射部２３における光の反射方向が変化する。このため、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する（図６の右側を参照）。
　図７に示す液晶パネルでは、図６に示す液晶パネルと同様に、対向基板１２には凹状の反射面を有する光反射部２４が設けられる。ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、通常時には、光反射部２４で反射して光センサ１７に入射する（図７の左側を参照）。押圧時には、対向基板１２は力が加わったために湾曲し、これに伴い光反射部２４の反射面の曲率が変化し、光反射部２４における光の反射方向が変化する。このため、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する（図７の右側を参照）。
　図８に示す液晶パネルでは、図４に示す液晶パネルと同様に、対向基板１２には光反射部２５が設けられる。光反射部２５は、通常時には光反射部２５で反射したバックライト光ＢＬが光センサ１７に入射せず（図８の左側を参照）、押圧時には当該反射光が光センサ１７に入射する（図８の右側を参照）ように配置される。図８に示す液晶パネルでは、押圧時にＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が増加する。これら変形例に係る液晶パネルを用いても、外光の影響を排除して表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　以上に述べた光反射部は、例えば樹脂を用いて形成することができる。また、光の反射効率を高めるために、樹脂などで形成した光反射部にアルミなどの金属を蒸着させてもよい。また、光反射部の形状は任意でよい。図９Ａ～図９Ｇは、光反射部の断面形状の例を示す図である。光反射部には、平面状の反射面を１個有するもの（図９Ａ）、平面状の反射面を２個有するもの（図９Ｂ）、曲面状の反射面を有するもの（図９Ｃ）、これらを２個ずつ連結したもの（図９Ｄ～図９Ｆ）などを使用することができる。また、図９Ｇに示すように、対向基板１２に形成した配線パターンにテーパーを付けたものを光反射部として使用することができる。これら光反射部の形状は、押圧時に変化することとしてもよい。このような光反射部を用いても、図７に示す場合と同様に、外光の影響を排除して表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　また、以上に述べた液晶パネルでは、光センサ１７に外光が入射することを防止するために、光センサ１７の上部に遮光層１８を設けることとしたが、本発明の原理から言えば、必ずしも遮光層１８を設ける必要はない。遮光層１８を設けなくても、バックライト光ＢＬの反射光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。遮光層１８を設けることにより、外光の影響をより効果的に排除して、表示画面内のタッチ位置をより高い精度で検出することができる。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光を液晶パネル内で伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する構成において、液晶パネルの表面が押されたときに、液晶パネルの変形に伴い、光反射部における光の反射方向、バックライト光の光路、および、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　（第２の実施形態）
　図１０は、本発明の第２の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図１０に示すように、本実施形態に係る液晶パネルは、図５に示す液晶パネルに遮断突起３１を追加したものである。遮断突起３１は、対向基板１２上で光反射部２１、２２の間に設けられ、液晶パネルの表面が押されたときに光反射部２１、２２間の光路上に移動する光遮断部として機能する。
　遮断突起３１は、通常時にＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬが光反射部２１、２２で反射して光センサ１７に入射することを妨げない位置に設けられる（図１０の左側を参照）。押圧時には、対向基板１２は力が加わったために湾曲し、遮断突起３１はＴＦＴ側基板１１に接近する。遮断突起３１は、押圧時に光反射部２１、２２間の光路上に移動し、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬが光反射部２１、２２で反射して光センサ１７に入射することを妨げる（図１０の右側を参照）。このため、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する。したがって、第１の実施形態と同様に、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本実施形態については、図１１に示す変形例を構成することができる。図１１に示す液晶パネルには、２個の反射面を有する光反射部３２が設けられ、光反射部３２を挟んで光反射部２１と反対側に別の光反射部（図示せず）が設けられる。光反射部３２の一方の反射面では、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬの光反射部２１による反射光が反射し、光反射部３２の他方の反射面では、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光の別の光反射部による反射光が反射する。光センサ３３は、光反射部３２の２個の反射面で反射した光の強度を検知する。この変形例に係る液晶パネルを用いても、図１０に示す液晶パネルと同じ効果が得られる。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光を液晶パネル内で伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する構成において、液晶パネルの表面が押されたときに、液晶パネルの変形に伴い、光遮断部がバックライト光の光路上に移動して、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　（第３の実施形態）
　図１２は、本発明の第３の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図１２に示すように、本実施形態に係る液晶パネルは、第１の実施形態に係る液晶パネルと同じ構造を有する。遮光層開口部１６、光センサ１７および光反射部１９の位置関係は、第１の実施形態と同じである。図１２には、液晶パネルの断面が他の図面よりも詳細に記載されている。
　図１２に示すように、ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２の間には、液晶分子４１を含む液晶物質が充填される。通常時には、液晶分子４１は例えば垂直方向に配向する。このため通常時には、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、液晶分子４１が並んだ空間内を散乱することなく通過し、光反射部１９で反射して光センサ１７に入射する（図１２の左側を参照）。
　光センサ１７の近傍では、ＴＦＴ側基板１１の表面に微小な凹凸がある。このため、光センサ１７の近傍では、液晶分子４１の配向に小さな乱れがある。押圧時には、ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２の間の距離が短くなり、画素電極１３からの電界が強くなる。電界が強くなると、光センサ１７の近傍における液晶分子４１の配向の乱れが大きくなり、液晶の透過率は低下する。この結果、押圧時には、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは液晶分子４１が並んだ空間内で散乱し、光センサ１７で検知される光量が減少する（図１２の右側を参照）。したがって、第１および第２の実施形態と同様に、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　本実施形態については、図１３に示す変形例を構成することができる。図１３に示す液晶パネルでは、ＴＦＴ側基板１１に設ける遮光層はＴＦＴ側基板１１と一体に形成されており、遮光層を形成していない部分が遮光層開口部４２となる。この変形例に係る液晶パネルを用いても、図１２に示す液晶パネルと同じ効果が得られる。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光を液晶パネル内で伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する構成において、液晶パネルの表面が押されたときに、液晶パネルの変形に伴い、液晶パネルの光透過特性が変化して、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　（第４の実施形態）
　図１４は、本発明の第４の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図１４に示すように、本実施形態に係る液晶パネルでは、２個の光反射部５１、５２は対向基板１２の外部に（より詳細には、対向基板１２のＴＦＴ側基板１１に対向しない面に）設けられる。光反射部５１は遮光層開口部の上部に設けられ、光反射部５２は光センサ１７の上部に設けられる。光反射部５１、５２は、バックライト光ＢＬを光センサ１７に入射させるための光学部品として機能する。
　本実施形態では、ＴＦＴ側基板１１を通過したバックライト光ＢＬは、対向基板１２を通過する。対向基板１２を通過したバックライト光ＢＬは、通常時には、まず光反射部５１で反射して対向基板１２と平行に進み、次に光反射部５２で反射し、さらに対向基板１２を通過して光センサ１７に入射する（図１４の左側を参照）。
　押圧時には、指Ｆは対向基板１２と光反射部５１、５２の外形に沿って変形し、指Ｆの一部が光反射部５１、５２間の光路上に介在する。このように指Ｆは、対向基板１２を通過したバックライト光ＢＬが光反射部５１、５２で反射して光センサ１７に入射することを妨げる（図１４の右側を参照）。このため、ＴＦＴ側基板１１と対向基板１２を通過したバックライト光ＢＬの光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する。
　したがって、第１～第３の実施形態と同様に、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。また、本実施形態では、液晶パネルの表面が押されていなくても、液晶パネルの表面に検知対象物（指など）が接近したときに、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　図１４に示す液晶パネルには、対向基板１２の外側の面を覆う保護シートを設けてもよい。図１５Ａおよび図１５Ｂは、保護シートの断面形状の例を示す図である。保護シートには、シートのみのもの（図１５Ａ）や、シートに遮断突起を設けたもの（図１５Ｂ）などを使用することができる。また、偏光板や保護シートなどを対向基板に一体に形成してもよい。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光を液晶パネルの外部を経由して伝搬させて当該光の強度を光センサで検知する構成において、表示パネルの表面に検知対象物が接近したときに、検知対象物によって光源から光センサに至る光路が遮断され、光センサで検知される光の強度が変化する。したがって、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　（第５の実施形態）
　図１６は、本発明の第５の実施形態に係る液晶パネルの動作状態を示す図である。図１６に示すように、本実施形態に係る液晶パネルは、図５に示す液晶パネルに発光素子６１を追加したものである。発光素子６１は、ＴＦＴ側基板１１上で光反射部２１の下部に配置される。なお、本実施形態に係る液晶表示装置は、バックライトを備えるか否かは任意である。
　図１７は、発光素子６１の構造を示す図である。図１７に示すように、発光素子６１は、正極６２と負極６３の間に発光層６４を挟み込み、これらを保護層６５で覆った構造を有する。負極６３は透明電極である。多くの発光素子６１では、光の出射効率を高めるために、正極６２の発光層６４側の面は光反射性を有する。発光層６４からは負極６３に向かう光と、正極６２に向かう光とが出射される。前者は負極６３を通過して発光素子６１の外部に出力され、後者は正極６２の表面で反射した後に負極６３を通過して発光素子６１の外部に出力される。
　発光素子６１から出射された光は、通常時には、まず光反射部２１で反射して対向基板１２と平行に進み、次に光反射部２２で反射して光センサ１７に入射する（図１６の左側を参照）。押圧時には、対向基板１２は湾曲し、遮断突起３１は光反射部２１、２２間の光路上に移動する。このため、発光素子６１から出射された光の光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する（図１６の右側を参照）。したがって、第１～第４の実施形態と同様に、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光に代えて、液晶パネルに設けられた発光素子から出射された光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。なお、図５に示す液晶パネル以外の液晶パネルに発光素子を追加してもよい。例えば、図１１に示す液晶パネルに発光素子６１を追加した場合、液晶パネルの動作状態は図１８に示すようになる。
　（第６の実施形態）
　図１９は、本発明の第６の実施形態に係る有機ＥＬ（Electro Luminescence）パネルの構造を示す図である。図１９に示すように、本実施形態に係る有機ＥＬパネルは、発光層７１とアレイ素子７２の上に、遮光層７３、第１保護層７４および第２保護層７５を設けた構造を有する。遮光層７３には遮光層開口部７６が設けられ、遮光層開口部７６の近傍には光センサ１７、遮光層１８および光反射部１９が設けられる。なお、本実施形態に係るＥＬ表示装置は、バックライトを備えていない。
　図１９に示す有機ＥＬパネルは、発光層７１を有する自発光型の表示パネルである。アレイ素子７２は、例えば、有機ＥＬパネルに設けられた画素回路を制御するＴＦＴである。遮光層７３は、保護性能を高める機能と、光センサ１７に指向性を持たせる機能を有する。第１保護層７４は、ある程度の厚みと柔軟性を有する。厚みを有する第１保護層７４を用いることにより、発光層７１から出射された光を光センサ１７に入射させることができる。柔軟性を有する第１保護層７４を用いることにより、有機ＥＬパネルの表面が押されたときに、光センサ１７と光反射部１９の間の距離が変化する。第２保護層７５は、例えば、有機ＥＬパネルを傷や湿気から保護するためのハードコードカバーなどである。なお、遮光層７３、第１保護層７４および第２保護層７５を設ける順序は任意でよい。
　遮光層開口部７６は、発光層７１から出射された光の一部を通過させる。光センサ１７と光反射部１９は、通常時には遮光層開口部７６を通過した光が光反射部１９で反射して光センサ１７に入射し、押圧時には当該光が光センサ１７に入射しないように配置される。このため、押圧時には、発光層７１から出射された光の光路が変化し、光センサ１７で検知される光量が減少する。したがって、第１～第５の実施形態と同様に、センサ画像に対して画像認識処理を行うことにより、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出することができる。
　以上に示すように、本実施形態に係る液晶表示装置によれば、バックライト光に代えて、自発光型の表示パネルから出射された光を用いて、表示画面内のタッチ位置を検出することができる。
　なお、以上の説明では、表示パネルには画素回路ごとに光センサを設けることとしたが、表示パネルに設ける光センサの個数は任意でよい。例えば、２個以上の画素回路に対応づけて光センサを設けてもよい。また、光センサに必要な信号を供給でき、光センサから出力される信号を表示パネルの外部に出力できる限り、光センサ用に任意の種類の配線を任意の形態で設けてもよい。また、各実施形態の特徴をその性質に反しない限り任意に組み合わせて、これらの特徴を併せ持つ光センサ付き表示装置を構成してもよい。
　本発明の表示装置は、外光の影響を排除して、表示画面内のタッチ位置を高い精度で検出できるという特徴を有するので、各種の電子機器においてタッチ位置を検出できる表示装置として利用することができる。
　１…表示パネル
　７…画素回路
　８…センサ回路
　１１…ＴＦＴ側基板
　１２…対向基板
　１３…画素電極
　１４…ＴＦＴ
　１５、１８、７３…遮光層
　１６、４２、７６…遮光層開口部
　１７、３３…光センサ
　１９、２１～２５、３２、５１、５２…光反射部
　３１…遮断突起
　４１…液晶分子
　６１…発光素子
　７１…発光層
　ＢＬ…バックライト光
　Ｆ…指

Claims (15)

  1. 　複数の光センサを備えた表示装置であって、
    　２次元状に配置された複数の画素回路を含む表示パネルと、
    　前記表示パネルに設けられた複数の光センサと、
    　光を出射する光源と、
    　前記表示パネルに設けられ、前記光源から出射された光を前記表示パネル内で伝搬させて前記光センサに入射させるための光学部品とを備え、
    　前記表示パネルの表面が押されたときに前記表示パネルが変形し、前記光源から出射された光の光路が変化して、前記光センサで検知される光の強度が変化することを特徴とする、表示装置。
  2. 　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記光センサに向けて反射させる光反射部を備え、
    　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部における光の反射方向が変化することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
  3. 　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部の反射面の傾きが変化することを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
  4. 　前記光反射部は曲面状の反射面を有し、
    　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記光反射部と前記光センサの間の距離が変化することを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
  5. 　前記光反射部は曲面状の反射面を有し、
    　前記表示パネルの表面が押されたときに、前記反射面の曲率が変化することを特徴とする、請求項２に記載の表示装置。
  6. 　前記表示パネルに設けられ、前記表示パネルの表面が押されたときに前記光源から前記光センサに至る光路上に移動して、前記光源から出射された光が前記光センサに入射することを妨げる光遮断部をさらに備えた、請求項１に記載の表示装置。
  7. 　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記表示パネルと平行な方向に反射させる第１の光反射部と、前記第１の光反射部で反射した光を前記光センサに向けて反射させる第２の光反射部とを備え、
    　前記光遮断部は、前記表示パネルの表面が押されたときに、前記第１の光反射部と前記第２の光反射部の間の光路上に移動することを特徴とする、請求項６に記載の表示装置。
  8. 　前記表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では前記表示パネルの光透過特性が変化することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
  9. 　前記表示パネルは２枚の基板の間に液晶物質を充填した液晶パネルであり、
    　前記表示パネルの表面が押されたときに、押された部分では前記液晶物質に含まれる液晶分子の配向が変化することを特徴とする、請求項８に記載の表示装置。
  10. 　前記表示パネルに設けられ、前記光センサに外光が入射することを防止する遮光部をさらに備えた、請求項１に記載の表示装置。
  11. 　前記光源が、前記表示パネルの背面側に設けられたバックライトであることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
  12. 　前記光源が、前記表示パネルに設けられた発光素子であることを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
  13. 　前記表示パネルは自発光型の表示パネルであり、
    　前記表示パネルの一部が前記光源として機能することを特徴とする、請求項１に記載の表示装置。
  14. 　複数の光センサを備えた表示装置であって、
    　２次元状に配置された複数の画素回路を含む表示パネルと、
    　前記表示パネルに設けられた複数の光センサと、
    　光を出射する光源と、
    　前記表示パネルの外部に設けられ、前記光源から出射された光を前記光センサに入射させるための光学部品とを備え、
    　前記表示パネルの表面に検知対象物が接近したときに、前記検知対象物によって前記光源から前記光センサに至る光路が遮断され、前記光センサで検知される光の強度が変化することを特徴とする、表示装置。
  15. 　前記光学部品として、前記光源から出射された光を前記表示パネルと平行な方向に反射させる第１の光反射部と、前記第１の光反射部で反射した光を前記光センサに向けて反射させる第２の光反射部とを備え、
    　前記第１の光反射部と前記第２の光反射部の間の光路上に前記検知対象物が介在できるように構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の表示装置。
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