JP5305740B2 - 液晶表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示装置に関し、特に、入力機能が搭載された液晶表示装置に関する。

液晶表示画面に、指またはタッチペン等で触れると、その触れた位置に対応する所定の信号を入力することができるタッチパネル（入力装置）を組み合わせたタッチパネル搭載液晶表示装置が知られている。このようなタッチパネル搭載液晶表示装置を備えた機器では、その機器に備わる機能の操作や機能の選択などを画面（タッチパネル）に触れることによって行うことができるため、機器の操作が容易となる。このため、カーナビゲーションシステムや携帯情報端末などの情報機器等に上記タッチパネル搭載液晶表示装置が広く採用されている。

タッチパネルの座標検出方式としては、従来、抵抗膜方式などが一般的に知られている。この抵抗膜方式のタッチパネルは、比較的低コストであり、液晶表示画面の表面に装着するだけで外部入力が可能となるため、携帯情報機器を中心に広く普及している。なお、このような抵抗膜方式のタッチパネル液晶表示装置は、たとえば、特許文献１に記載されている。

しかしながら、上記抵抗膜方式などのタッチパネル搭載液晶表示装置では、タッチパネルを貼り合わせることによって、外光反射が生じたり、表示光の透過率が低下したりするため、表示品質が低下するという不都合があった。また、タッチパネルを液晶表示画面上に別途取り付ける必要があるため、液晶表示装置の薄型化を図ることが困難であるという不都合もあった。

そこで、従来、液晶表示パネルの各画素に光センサ素子を内蔵することによって、液晶表示パネルにタッチパネル機能（入力機能）を内蔵した液晶表示装置が知られている。この液晶表示装置では、太陽光などの外光や液晶表示パネルから出る映像信号の光によって指やタッチペンなどの被検知体から反射された光を画素に内蔵された光センサ素子で検出する。そして、光センサ素子からの検出信号によって、座標検出（位置検出）が行われる。上記のように、光センサ素子が内蔵された従来の液晶表示装置では、別体で形成されたタッチパネルを液晶表示画面上に取り付ける必要がないため、タッチパネルを取り付けることに起因する上記不都合を解消することができる。
特開２００３−１６２３７５号公報

しかしながら、上記した従来の光センサ素子が内蔵された液晶表示装置では、太陽光などの外光によって被検知体から反射された光を光センサ素子で検出する場合には、暗い環境ではタッチパネル機能を利用することが困難になるという問題点がある。一方、液晶表示パネルから発する映像信号の光によって被検知体から反射された光を光センサ素子で検出する場合には、暗い環境でもタッチパネル機能を利用することが可能であるものの、液晶表示パネルから発せられる光をかなり強いものにする必要があるという不都合がある。そして、そのことによって、表示画像のデザインに暗めのデザインを用いることが困難になる等、デザイン上の制約が生じるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、表示品質の低下を抑制しながら、薄型化を図ることが可能であるとともに、暗い環境でも入力機能を利用することが可能であり、かつ、表示画像のデザイン上の制約を受けない液晶表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による液晶表示装置は、複数の画素が二次元的に配列された画素領域を含む液晶表示パネルと、液晶表示パネルの一方の主面と対向し、液晶表示パネルの画素領域を照射する照明部とを備えている。そして、液晶表示パネルの画素領域には、照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された不可視光を一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子と、波長変換素子によって波長変換された不可視光を検出する複数の光センサ素子とが形成されている。

この一の局面による液晶表示装置では、上記のように、液晶表示パネルの画素領域に、照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された不可視光を一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子を形成することによって、液晶表示パネルの画素領域における複数の波長変換素子から不可視光を出射させることができる。また、液晶表示パネルの画素領域に、不可視光を検出する複数の光センサ素子を形成することによって、画素領域から出射される不可視光によって指などの被検知体から反射された光（不可視光）を光センサ素子で検出することができる。したがって、光センサ素子によって検出された検出信号により、座標検出（位置検出）を行うことができるので、太陽などの外光等を利用することなく、座標検出（位置検出）を行うことができる。その結果、暗い環境であっても、入力機能を利用することができる。

また、一の局面による液晶表示装置では、座標検出（位置検出）に利用する光は、波長変換素子から出射される不可視光であるため、ユーザがその発光の有無を知覚することはない。このため、不可視光をどのように発光（出射）させた場合でも、表示画面に表示される表示画像（表示映像）に影響がおよぶことがない。これにより、液晶表示パネルから出る映像信号の光を利用して座標検出（位置検出）を行う場合と異なり、座標検出（位置検出）を行うために、表示画像（表示映像）の絵作りを工夫する必要がないので、表示画像（表示映像）のデザイン上の制約を受けることなく、座標検出（位置検出）を行うことができる。

なお、上記した構成では、画素領域に波長変換素子と光センサ素子とを形成することによって、液晶表示パネルに入力機能（タッチパネル機能）を持たせることができる。このため、表示画面上にタッチパネルなどの入力装置を取り付ける必要がないので、その分、液晶表示装置の薄型化を図ることができる。また、入力装置を取り付けることに起因する表示品質の低下を抑制することができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、好ましくは、波長変換素子によって変換された不可視光は、赤外光であり、光センサ素子は、赤外光を検出する赤外受光素子である。このように構成すれば、赤外光は多くの物質の表面で反射するため、表示画面に接近した指などの被検知体で効率よく反射させることができる。このため、被検知体からの反射光を赤外受光素子で受光することによって、精度良く座標検出（位置検出）を行うことができる。また、赤外光は、物質にダメージを与えることがないことから、不可視光として好適に用いることができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、好ましくは、波長変化素子は、照明部側から赤色フィルタ層と近赤外蛍光体層とが形成された多層構造を有しており、赤色フィルタ層は、照明部からの可視光における赤色光の波長成分を透過させる機能を有しており、近赤外蛍光体層は、赤色フィルタ層を透過した赤色光を近赤外光に変換する機能を有している。このように構成すれば、容易に、照明部から照射された可視光を不可視光である近赤外光に変換することができるとともに、容易に、変換された近赤外光を液晶表示パネルの画素領域から他方の主面側に出射させることができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、好ましくは、複数の波長変換素子は、画素領域内において、互いに所定の間隔を隔てて二次元配列されており、複数の光センサ素子は、二次元配列された波長変換素子と対応するように、画素領域内において、互いに所定の間隔を隔てて二次元配列されている。このように構成すれば、暗い環境でも入力機能を利用することが可能であり、かつ、表示画像のデザイン上の制約を受けないことに加えて、座標検出（位置検出）の検出精度を向上させることができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、好ましくは、複数の波長変換素子は、それぞれ、対応する光センサ素子の近傍に配置されている。このように構成すれば、座標検出（位置検出）の検出精度をより向上させることができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、複数の画素の少なくとも一部に、波長変換素子および光センサ素子を含むように構成してもよい。

この場合において、好ましくは、複数の画素は、それぞれ、波長変換素子および光センサ素子を含む。このように構成すれば、各画素の各々から不可視光を出射させることができるとともに、各画素の各々で被検知体からの反射光を検出することができるので、座標検出（位置検出）の検出精度をさらに向上させることができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、液晶表示パネルは、第１基板と、第１基板よりも照明部側に配置され、第１基板に対して所定の間隔を隔てて対向する第２基板と、第１基板と第２基板との間に挟持された液晶層とを含み、第２基板の第１基板側の主面上には、複数の画素電極が形成されている一方、第１基板の第２基板側の主面上には、画素電極と対向する対向電極が形成されているのが好ましい。

上記画素電極および対向電極とを備えた構成において、好ましくは、波長変換素子は、第１基板の第２基板側の主面上であって、第１基板と対向電極との間に形成されており、画素電極と対向電極との間に電圧が印加されることによって、所定の周期で、波長変換素子から液晶表示パネルの他方の主面側に不可視光が出射されるように構成されており、光センサ素子によって検出された検出信号が所定の周期と一致する場合に被検知体の位置情報が取得される。このように構成すれば、外部から液晶表示パネルの画素領域に不可視光が入射した場合でも、被検知体の位置情報を正しく検出することができる。

この場合において、好ましくは、液晶表示パネルは、複数の波長変換素子から互いに異なる周期で不可視光を出射可能に構成されている。このように構成すれば、光センサ素子によって検出された検出信号が、その光センサ素子に対応する波長変換素子から出射された不可視光の周期と一致する場合に、被検知体の位置情報が取得されるように構成することができる。そして、このように構成することによって、たとえば、指輪やブレスレット等の金属製アクセサリなどに不可視光が当たり、金属アクセサリなどによって反射された反射光が予期せぬ位置の光センサ素子で検出された場合でも、その光センサ素子で検出された検出信号が、対応する波長変換素子から出射された不可視光によるものではないと判断することができる。したがって、金属製アクセサリなどからの反射光によって、誤入力されるという不都合が生じるのを抑制することができる。その結果、被検知体の位置情報をより精度よく検出することができる。

上記一の局面による液晶表示装置において、液晶表示パネルは、異なる波長領域の光を透過する複数種類のフィルタ層を含むカラーフィルタをさらに備え、カラーフィルタによって、液晶表示パネルの画素がカラー画素に構成されていてもよい。

この場合において、カラーフィルタは、少なくとも、赤、青、緑の三種類のフィルタ層を含むように構成することができる。

上記画素内に波長変換素子および光センサ素子が設けられた構成において、波長変換素子と光センサ素子とが近接配置されているのが好ましい。

以上のように、本発明によれば、表示品質の低下を抑制しながら、薄型化を図ることが可能であるとともに、暗い環境でも入力機能を利用することが可能であり、かつ、表示画像のデザイン上の制約を受けない液晶表示装置を容易に得ることができる。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による液晶表示装置の構成を示した断面図である。図２は、本発明の一実施形態による液晶表示装置の画素構成を示した平面図である。図３は、本発明の一実施形態による液晶表示装置のブロック図である。図４〜図１０は、本発明の一実施形態による液晶表示装置の構造を説明するための図である。まず、図１〜図１０を参照して、本発明の一実施形態による液晶表示装置の構造について説明する。

一実施形態による液晶表示装置は、図１に示すように、透過型の液晶表示装置に構成されており、バックライトユニット１０と液晶表示パネル２０とを備えている。なお、バックライトユニット１０は、本発明の「照明部」の一例である。

また、一実施形態による液晶表示装置は、図３に示すように、制御部６０と、画素駆動回路部７０と、光センサ素子駆動回路部８０と、バックライト駆動回路部９０と、電源回路部１００と、画像信号入力インタフェース１１０と、外部システムインタフェース１２０とを備えている。

バックライトユニット１０は、ＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）などの光源（図示せず）と、その光源からの光を面状の光に変換する導光板（図示せず）とを有しており、図１に示すように、光放出面１０ａから白色光（可視光）を出射する。また、バックライトユニット１０は、液晶表示パネル２０の裏面（一方の主面）側に配置されている。すなわち、バックライトユニット１０の光放出面１０ａの上方に、液晶表示パネル２０の裏面（一方の主面）とバックライトユニット１０の光放出面１０ａとが対向するように液晶表示パネル２０が配置されている。

液晶表示パネル２０は、図４に示すように、画像を表示する表示領域（画素領域）２０ａを含んでおり、裏面側に配置されたバックライトユニット１０（図１参照）によって、液晶表示パネル２０の裏面側から表示領域２０ａの全面に白色光（可視光）が照射される。この表示領域２０ａには、図２に示すように、複数の画素２１が二次元マトリクス状に配列されている。また、複数の画素２１の各々は、後述するカラーフィルタ４３によって、カラー画素に構成されている。具体的には、複数の画素２１の各々は、光の三原色である、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つのサブ画素２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂを含んでいる。

ここで、本実施形態では、複数の画素２１の各々は、上記３つのサブ画素２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂに加えて、近赤外光を出射する近赤外素子２２と、近赤外光を受光する近赤外受光素子からなる光センサ素子２３とをさらに備えている。近赤外素子２２は、図１に示すように、バックライトユニット１０から出射された可視光（白色光）を不可視光である近赤外光に変換し、変換した近赤外光を液晶表示パネル２０の表示領域２０ａ（図４参照）から正面（一方の主面）側に送出（出射）する機能を有している。また、光センサ素子２３は、近赤外素子２２から出射された不可視光（近赤外光）によって被検知体（指など）で反射された光を検出する。近赤外素子２２と光センサ素子２３とは、同一画素内において、近接配置されている。なお、近赤外素子２２は、本発明の「波長変換素子」の一例である。

また、液晶表示パネル２０は、アクティブマトリクス構造に構成されている。具体的には、液晶表示パネル２０は、図１および図４に示すように、アレイ基板３０と対向基板４０とを備えている。アレイ基板３０と対向基板４０とは、複数のスペーサ（図示せず）により所定の間隔を隔てて対向配置されている。そして、アレイ基板３０と対向基板４０とは、両基板の周縁部に配置されたシール材（図示せず）によって互いに接合されている。また、図１に示すように、アレイ基板３０と対向基板４０との間には、アレイ基板３０、対向基板４０およびシール材（図示せず）によって、液晶層５０が挟持されている。この液晶層５０は、たとえば、ＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅｍａｔｉｃ）液晶から構成されている。

アレイ基板３０は、光を透過する絶縁体の基板であるガラス基板３１を含んでいる。このガラス基板３１の上面上（対向基板４０側の主面上）には、スイッチング素子として機能する複数の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ：Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）３２（図６参照）がアレイ状に形成されている。また、ガラス基板３１の上面上には、図１および図５に示すように、複数の画素電極３３が形成されている。これらの画素電極３３は、それぞれ、平面的に見て、Ｙ方向に延びる略長方形形状に形成されている。なお、複数の画素電極３３の各々は、ＴＦＴ３２のドレイン電極に接続されている。

また、本実施形態では、各画素２１は、それぞれ、４つの画素電極３３を含んでいる。４つの画素電極３３のうちの３つの画素電極３３ａは、それぞれ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つのサブ画素２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂを駆動するために設けられている。残りの画素電極３３ｂは、近赤外素子２２を駆動するために設けられている。

また、ガラス基板３１の上面上には、水平方向（Ｘ方向）に延在する複数の走査線３４（図６参照）が、垂直方向（Ｙ方向）に並ぶように形成されているとともに、垂直方向（Ｙ方向）に延在する複数の信号線３５（図６参照）が、水平方向（Ｘ方向）に並ぶように形成されている。走査線３４と信号線３５とが交差する各位置には、上記したＴＦＴ３２が配置されている。そして、図６に示すように、上記走査線３４にＴＦＴ３２のゲート電極が接続されているとともに、上記信号線３５にＴＦＴ３２のソース電極が接続されている。

対向基板４０は、図１に示すように、上記アレイ基板３０と同様、光を透過する絶縁体の基板であるガラス基板４１を含んでいる。このガラス基板４１の上面上（アレイ基板３０側の主面上）には、画素電極３３と対向する対向電極４２が形成されている。対向電極４２は、ガラス基板４１上で全画素に共通の１つの電極となっている。上記した画素電極３３および対向電極４２は、それぞれ、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）やＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）などの透明な導電材料によって形成されている。なお、ガラス基板４１および３１は、それぞれ、本発明の「第１基板」および「第２基板」の一例である。

また、液晶層５０と画素電極３３との間、および、液晶層５０と対向電極４２との間には、液晶層５０を構成する液晶分子の配向を制御するための配向膜２４（２４ａおよび２４ｂ）がそれぞれ成膜されている。この配向膜２４は、たとえば、ポリイミド樹脂などから構成されており、配向処理（たとえば、ラビング処理）が施されている。

また、ガラス基板４１（対向基板４０）のアレイ基板３０（ガラス基板３１）側の主面上であって、ガラス基板４１と対向電極４２との間には、上記したカラーフィルタ４３が設けられている。このカラーフィルタ４３は、異なる波長領域の光を透過する複数種類のフィルタ層を含んでいる。具体的には、カラーフィルタ４３は、赤フィルタ層４３Ｒ、緑フィルタ層４３Ｇおよび青フィルタ層４３Ｂの３種類のフィルタ層を含んでいる。これらのフィルタ層は、図２に示すように、平面的に見て、それぞれ、Ｙ方向に延びる略長方形形状を有しており、図１に示すように、対応する画素電極３３（３３ａ）と対向するように形成されている。なお、カラーフィルタ４３は、たとえば、顔料や染料などの着色剤を含有するポリイミド樹脂を用いて形成される。また、フィルタ層の間隙には、光を透過しないように黒色に色づけられている。すなわち、フィルタ層の間隙には、黒色の多数の帯をマトリクス状に配置した遮光層４４が形成されている。

また、液晶表示パネル２０の１画素は、赤フィルタ層４３Ｒ、緑フィルタ層４３Ｇおよび青フィルタ層４３Ｂの３つのフィルタ層を含んでいる。

ここで、本実施形態では、図１および図２に示すように、ガラス基板４１（対向基板４０）のアレイ基板３０（ガラス基板３１）側の主面上であって、ガラス基板４１と対向電極４２との間には、上記カラーフィルタ４３と並置するように、近赤外素子２２が設けられている。この近赤外素子２２は、図２に示すように、上記フィルタ層と同様、平面的に見て、Ｙ方向に延びる略長方形形状を有しており、画素電極３３（３３ｂ）と対向するように、ガラス基板４１上に形成されている。また、近赤外素子２２は、青フィルタ層４３Ｂと、隣接する画素２１の赤フィルタ層４３Ｒとの間に配置されている。さらに、近赤外素子２２は、バックライトユニット１０側から、赤色フィルタ層２２ａと近赤外蛍光体層２２ｂとが順次形成された多層構造（二層構造）を有している。赤色フィルタ層２２ａは、バックライトユニット１０から出射された白色光（可視光）のうち、赤色光の波長成分のみを透過させる機能を有している。また、近赤外蛍光体層２２ｂは、赤色フィルタ層２２ａを透過した赤色光を近赤外光に変換する機能を有している。

また、本実施形態では、図５および図７に示すように、アレイ基板３０（ガラス基板３１）の上面上に、上記した複数の光センサ素子２３がマトリクス状に形成されている。この光センサ素子２３は、平面的に見て、Ｘ方向に延びる略長方形形状に形成されている。さらに、上記ガラス基板３１の上面上には、図７に示すように、上記光センサ素子２３を駆動するための電圧を印加する複数の駆動電極２５−１〜２５−ｍおよび複数の駆動電極２６−１〜２６−ｎと、光センサ素子２３からの検出信号（センサ信号）を出力するための出力電極２７とが形成されている。また、駆動電極２５−１〜２５−ｍは、垂直方向（Ｙ方向）に延在するとともに、水平方向（Ｘ方向）に並んでおり、駆動電極２６−１〜２６−ｎは、水平方向（Ｘ方向）に延在するとともに、垂直方向（Ｙ方向）に並んでいる。なお、対向基板４０における光センサ素子２３と対向する領域は、上記したカラーフィルタ４３および近赤外素子２２が形成されていない状態となっている。

また、ＴＦＴ３２が形成されているガラス基板３１（アレイ基板３０）の上面上には、複数の蓄積キャパシタ２８（図６参照）が形成されている。この蓄積キャパシタ２８の一方の電極は、図６に示すように、ＴＦＴ３２のドレイン電極に接続されている。したがって、蓄積キャパシタ２８は、液晶層５０を挟んで互いに対向する画素電極３３および対向電極４２によって形成される液晶キャパシタ２９と並列にＴＦＴ３２の負荷となっている。

また、図１に示すように、アレイ基板３０の外面側には、直線偏光板５１が配置され、対向基板４０の外面側には直線偏光板５２が配置されている。直線偏光板５１と直線偏光板５２とは、互いの偏光軸が９０°となるように配置されている。

画素駆動回路部７０は、走査回路部７１と信号回路部７２とから構成されており、図４に示すように、液晶表示パネル２０の周辺部の領域に配置されている。この画素駆動回路部７０は、制御部６０から指示された座標の画素２１を駆動させる機能を有している。また、図６に示すように、上記走査線３４の一端は、走査回路部７１に接続されており、上記信号線３５の一端は、信号回路部７２に接続されている。

光センサ素子駆動回路部８０は、図４に示すように、水平駆動回路部８１と垂直駆動回路部８２とから構成されており、上記画素駆動回路部７０が配置されている領域とは異なる液晶表示パネル２０の周辺部の領域に配置されている。上記水平駆動回路部８１には、駆動電極２５−１〜２５−ｍの一端が接続されており、上記垂直駆動回路部８２には、駆動電極２６−１〜２６−ｎの一端が接続されている。

また、上記光センサ素子２３は、図８に示すように、フォトトランジスタから構成されている。このフォトトランジスタのコレクタは、駆動電極２６を介して、垂直駆動回路部８２（図９参照）に接続されている一方、フォトトランジスタのエミッタは、抵抗Ｒおよび駆動電極２５を介して、水平駆動回路部８１（図９参照）に接続されている。また、エミッタと抵抗Ｒとの間には、センサ信号を出力するための出力電極２７が接続されている。なお、センサ信号の出力レベルが微弱な場合には、出力電極２７の後段にアンプ回路などを追加して、センサ信号の出力レベルを増幅するように構成してもよい。この光センサ素子駆動回路部８０は、図９に示すように、制御部６０によって指定された座標の光センサ素子２３を駆動させて、その光センサ素子２３のセンサ信号を制御部６０に送出する機能を有している。

制御部６０は、画像信号入力インタフェース１１０（図３参照）を介して、外部から入力された画像信号を、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に変換し、画像信号の内容に基づいて、駆動対象となる画素の座標と各サブ画素の信号レベルを決定した後、変換した画像信号を画素駆動回路部７０に出力する。また、制御部６０は、近赤外素子２２の駆動信号も画素駆動回路部７０に出力する。すなわち、近赤外素子２２は、制御部６０によって、画素２１（サブ画素２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂ）の駆動とは独立して、所定のパターン（所定の周期）で駆動される。

また、制御部６０は、図９に示すように、光センサ素子２３の座標指定信号を、光センサ素子駆動回路部８０に出力し、指定した座標の光センサ素子２３からのセンサ信号（光センサ素子２３の状態）を読み込む。さらに、制御部６０は、図３および図９に示すように、光センサ素子２３からのセンサ信号を記憶するメモリ部６１を備えており、このメモリ部６１には、図１０に示すように、光センサ素子２３から出力された所定数分（たとえば、６回分）のセンサ信号が所定時間毎に格納される。

バックライト駆動回路部９０は、図３に示すように、制御部６０からの指示によって、バックライトユニット１０の点灯および消灯を制御するととともに、輝度調整などを行う機能を有している。また、電源回路部１００は、入力電力から必要とされる出力電力を生成し、各部に電力を供給する。

図１１は、本発明の一実施形態による液晶表示装置の動作を説明するための概略図である。図１２および図１３は、本発明の一実施形態による液晶表示装置の光センサ素子を駆動させるための駆動信号を示したタイミングチャートである。次に、図１、図３、図４および図６〜図１３を参照して、本発明の一実施形態による液晶表示装置の動作について説明する。なお、以下の説明では、液晶表示装置の画素配列を、ｍ×ｎ画素配列として説明する。

まず、図３に示すように、制御部６０からの指示によって、バックライト駆動回路部９０を介して、バックライトユニット１０が点灯される。これにより、図１１に示すように、バックライトユニット１０の光放出面１０ａから白色光（可視光）が出射される。出射された白色光は、直線偏光板５１を通過する際、偏光角と平行な角度の光のみが透過される。すなわち、直線偏光板５１を通過することによって、バックライトユニット１０から出射された白色光の直線偏光成分のみが透過され、透過された直線偏光Ａが液晶層５０に入射される。

一方、図３に示すように、画像信号入力インタフェース１１０を介して、外部から制御部６０に画像信号が入力されると、入力された画像信号は、制御部６０でＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に変換され、画像信号の内容に基づいて、駆動対象となる画素の座標と各サブ画素の信号レベルが決定された後、変換された画像信号が画素駆動回路部７０に出力される。

画素駆動回路部７０に画像信号が出力されると、図６に示すように、画素駆動回路部７０の走査回路部７１から走査線３４に順次パルス電圧が供給され、パルス電圧が供給された走査線３４に接続されたＴＦＴ３２の全てがオン状態となる。このとき、画素駆動回路部７０の信号回路部７２を介して、制御部６０（図３参照）から信号線３５に、画像信号に基づく信号電圧が印加されている場合には、ＴＦＴ３２のドレイン電極から、それに接続されている液晶キャパシタ２９の画素電極３３（図１参照）に電荷が注入される。そして、電極電位が信号線３５の電位（信号電圧）と同レベルになり、画素電極３３（図１参照）と対向電極４２（図１参照）との間に電位差が生じる。この電位差によって液晶の配向が変化する。なお、蓄積キャパシタ２８の他方の電極は、一つ前に走査される走査線３４に接続されており、この蓄積キャパシタ２８によって、次のパルス電圧でＴＦＴ３２がオン状態になって信号電圧が印加されるまでの間、画素電極３３の電位が維持される。

配向が変化された液晶は、直線偏光の偏光軸を９０°曲げる特性を示すため、図１１に示すように、液晶層５０における配向が変化した部分を透過する直線偏光Ａは、偏光軸が９０°曲げられてカラーフィルタ４３および近赤外素子２２に入射される。一方、画素電極３３と対向電極４２との間に電位差が生じていない場合には、液晶の配向が変化しない。このため、液晶層５０における配向が変化しない部分を透過する直線偏光Ａは、直線偏光板５１で制御された偏光角のまま液晶層５０を透過する。そして、透過した直線偏光Ａは、カラーフィルタ４３および近赤外素子２２に入射される。なお、図１１では、ハッチング付の矢印で、偏光軸が曲げられた直線偏光Ｂを示している。

カラーフィルタ４３に入射された直線偏光は、各フィルタ層を透過する際に、特定の波長成分の光のみが透過されて、赤色光、緑色光、または、青色光として直線偏光板５２側に出射される。一方、近赤外素子２２に入射された直線偏光は、まず、赤色フィルタ層２２ａによって、白色光（可視光）のうち赤色光の波長成分のみが透過される。次に、赤色フィルタ層２２ａを透過した赤色光は、近赤外蛍光体層２２ｂで不可視光である近赤外光に変換されて、直線偏光板５２側に出射される。

ここで、直線偏光板５２は、直線偏光板５１に対して偏光軸が９０°ずれているので、液晶層５０によって偏光軸が９０°曲げられた直線偏光Ｂのみが、直線偏光板５２を透過し可視化される。これにより、各画素電極３３（図１参照）と対向電極４２（図１参照）との間の電位差を制御することによって、カラー画素を発光させることができるので、外部から入力された画像信号に基づいた画像を液晶表示パネル２０の表示領域２０ａ（図４参照）に表示させることができる。

また、画素電極３３と対向電極４２との間の電位差を制御することによって、画像信号とは独立した所定のパターン（周期）で、液晶表示パネル２０の表示領域２０ａ（図４参照）の正面（他方の主面）側に近赤外光（不可視光）を出射させることができる。なお、近赤外素子２２の駆動は、画像表示用の各サブ画素２１Ｒ、２１Ｇおよび２１Ｂとは独立して制御することが可能であるので、液晶表示パネル２０に表示させる表示画像には何ら影響を与えない。

そして、上記のように、液晶表示パネル２０の表示領域２０ａ（図４参照）から近赤外光が出射されている状態で、液晶表示パネル２０の表示画面を指２００などの被検知体で触れると、近赤外光が被検知体で反射して、その反射光Ｂ１が光センサ素子２３で検出（受光）される。検出された信号は、ロジックレベル（Ｌｏｗ（以下、Ｌ）又はＨｉｇｈ（以下、Ｈ）：Ｈで受光あり）のセンサ信号に変換されて、図９に示すように、制御部６０に送られる。

光センサ素子２３からのセンサ信号の読み取りは、駆動電極２６に、Ｈレベルの駆動信号Ｙを供給（正電圧を印加）し、駆動電極２５に、Ｌレベルの駆動信号Ｘを供給する（ＧＮＤレベルの状態にする）ことによって行うことができる。たとえば、座標（ｐ，ｑ）の光センサ素子２３のセンサ信号を読み取る場合には、図１２に示すように、駆動電極２６−ｑに、Ｈレベルの駆動信号Ｙ（ｑ）を供給し、駆動電極２５−ｐに、Ｌレベルの駆動信号Ｘ（ｐ）を供給する。このようにすれば、座標（ｐ，ｑ）の光センサ素子２３がアクティブ状態となるので、図８に示したように、出力電極２７を介して、センサ信号を制御部６０に送ることができる。

制御部６０に送られた光センサ素子２３からのセンサ信号は、メモリ部６１の光センサ素子入力テーブル（図１０参照）に格納される。その後、図１０に示すように、所定の間隔（たとえば、０．１秒）毎に同一座標について、所定回数（たとえば、６回）読み込み処理が行われる。そして、特定座標の読み込みデータが、近赤外素子２２の駆動パターンと一致することが確認されれば、特定座標での被検知体の近接ありと判断される。たとえば、近赤外素子２２の出力レベル（駆動パターン）が、「Ｌ，Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｈ，Ｌ」であった場合、センサ信号入力テーブルに格納されたデータの中の座標（ｐ，ｑ）の読み込みデータが、「Ｌ，Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｈ，Ｌ」であり、近赤外素子２２の出力レベル（駆動パターン）と一致するため、座標（ｐ，ｑ）において、被検知体の近接有りと判断される。

なお、たとえば、座標（ｍ，１）、座標（１，２）、座標（２，２）および座標（ｍ，ｎ）では、読み込みデータは、「Ｌ，Ｌ，Ｌ，Ｌ，Ｌ，Ｌ」であるため、これらの座標の光センサ素子２３では、近赤外光が検出されておらず、被検知体の近接は無しと判断される。また、たとえば、座標（ｍ，２）および座標（１，３）では、読み込みデータは、「Ｈ，Ｈ，Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｈ」であるため、光センサ素子２３での近赤外光の検出は認められるものの、近赤外素子２２の出力レベル（駆動パターン）と一致しないため、外光などのノイズであると判断される。このため、この座標においては、被検知体の近接は無しと判断される。さらに、たとえば、座標（１，１）および座標（２，１）では、読み込みデータは、「Ｈ，Ｈ，Ｈ，Ｈ，Ｈ，Ｈ」であり、この場合も、近赤外素子２２の出力レベル（駆動パターン）と一致しない。この場合は、常に近赤外光の検出が認められるため、太陽光などの外光による近赤外光の影響を受けているものと判断される。このため、この座標においても、被検知体の近接は無しと判断される。したがって、上記構成により、太陽光などの外光による近赤外光が混入した場合でも、精度よく被検知体で触れた位置（座標）を検出することが可能となる。すなわち、誤動作の発生を抑制することが可能となる。

所定の座標において、被検知体の近接有りと判断された場合には、制御部６０によってタッチパネル（表示画面の所定位置）が押されたと判断される。そして、タッチパネルの押下を判断すると、制御部６０によって押下検出信号（検出検知信号）とその座標（検出座標）とが外部システムインタフェース１２０（図３参照）に送られる。これにより、指２００などの被検知体が接触した位置（座標）が、液晶表示パネル２０の光センサ素子２３によって検出された光に基づいて検知される。

なお、図１０に示すセンサ信号入力テーブルに格納されたデータは、次回の読み込みを行う際、テーブルの全内容が１つずつ右側へシフトされ、「現在」の列に読み込みデータが格納される。

また、近赤外素子２２の出力レベル（駆動パターン）は、複数の近赤外素子２２の全てで同じパターン（周期）にしてもよいし、それぞれ、異なるパターン（周期）にしてもよい。このように、異なるパターン（周期）とする構成にすれば、たとえば、指輪やブレスレット等の金属製アクセサリなどに出射された近赤外光（不可視光）が当たり、金属アクセサリなどによって反射された反射光が予期せぬ位置（座標）の光センサ素子２３で検出された場合でも、その光センサ素子２３で検出されたセンサ信号が、対応する近赤外素子２２から出射された近赤外光（不可視光）によるものではないと判断することができる。したがって、金属製アクセサリなどからの反射光によって、誤入力されるという不都合が生じるのを抑制することができる。その結果、被検知体の位置情報をより精度よく検出することができる。

また、タッチパネル機能（入力機能）を用いる場合には、タッチする位置（座標）が予め決まっている場合が多いため、その位置（座標）がタッチ（検出）されたか否かを判別できれば足りる場合が多い。このような場合には、座標指定信号を制御部６０から光センサ素子駆動回路部８０に出力することによって、指定された座標の光センサ素子２３のみを駆動させ、その光センサ素子２３からのセンサ信号を読み取るようにしてもよい。

一方、全ての光センサ素子２３からのセンサ信号を読み取る場合には、以下のようにして行うことができる。すなわち、図１３に示すように、駆動電極２６−１（図７参照）にＨレベルの駆動信号Ｙ（１）を供給（正電圧を印加）し、駆動電極２５−１〜２５−ｍ（図７参照）に、Ｌレベルの駆動信号Ｘ（１）〜Ｘ（ｍ）を順次供給する。これにより、座標（１，１）〜座標（ｍ，１）の光センサ素子２３が順次アクティブ状態となり、座標（１，１）〜座標（ｍ，１）までのセンサ信号が順次読み取られる。次に、図１３に示すように、駆動電極２６−２にＨレベルの駆動信号Ｙ（２）を供給（正電圧を印加）し、駆動電極２５−１〜２５−ｍに、Ｌレベルの駆動信号Ｘ（１）〜Ｘ（ｍ）を順次供給する。これにより、座標（１，２）〜座標（ｍ，２）までのセンサ信号が順次読み取られる。このような動作を駆動電極２６−ｎまで繰り返すことによって、全ての座標（座標（１，１）〜座標（ｍ，ｎ））における光センサ素子２３からのセンサ信号が読み取られる。

本実施形態による液晶表示装置では、上記のように、液晶表示パネル２０の表示領域（画素領域）２０ａに、バックライトユニット１０からの白色光（可視光）を近赤外光（不可視光）に変換し、変換された近赤外光を液晶表示パネル２０の正面側に出射する複数の近赤外素子２２を形成することによって、液晶表示パネル２０の表示領域２０ａにおける複数の近赤外素子２２から近赤外光を出射させることができる。また、液晶表示パネル２０の表示領域２０ａに、近赤外光を検出する複数の光センサ素子２３を形成することによって、表示領域２０ａから出射される近赤外光によって指などの被検知体から反射された光（近赤外光）を光センサ素子２３で検出することができる。そして、光センサ素子２３からのセンサ信号によって、座標検出（位置検出）を行うことができるので、太陽などの外光等を利用することなく、座標検出（位置検出）を行うことができる。その結果、暗い環境であっても、入力機能（タッチパネル機能）を利用することができる。

また、本実施形態では、座標検出（位置検出）に利用する光は、近赤外素子２２から出射される不可視光（近赤外光）であるため、ユーザがその発光の有無を知覚することはない。このため、近赤外光をどのように発光（出射）させた場合でも、表示画面（表示領域２０ａ）に表示される表示画像（表示映像）に影響がおよぶことがない。これにより、液晶表示パネル２０から出る映像信号の光を利用して座標検出（位置検出）を行う場合と異なり、座標検出（位置検出）を行うために、表示画像（表示映像）の絵作りを工夫する必要がないので、表示画像（表示映像）のデザイン上の制約を受けることなく、座標検出（位置検出）を行うことができる。

なお、上記した構成では、表示領域２０ａに近赤外素子２２と光センサ素子２３とを形成することによって、液晶表示パネル２０（液晶表示装置）に入力機能（タッチパネル機能）を持たせることができる。このため、表示画面上にタッチパネルなどの入力装置を取り付ける必要がないので、その分、液晶表示装置の薄型化を図ることができる。また、入力装置を取り付けることに起因する表示品質の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、近赤外素子２２を、バックライトユニット１０側から赤色フィルタ層２２ａと近赤外蛍光体層２２ｂとが形成された多層構造に構成することによって、容易に、バックライトユニット１０から照射された白色光（可視光）を不可視光である近赤外光に変換することができるとともに、容易に、変換された近赤外光を液晶表示パネル２０の表示領域２０ａから正面側に出射させることができる。

また、本実施形態では、複数の画素２１の各々に、近赤外素子２２および光センサ素子２３を形成することによって、各画素２１の各々から近赤外光を出射させることができるとともに、各画素２１の各々で被検知体からの反射光を検出することができるので、座標検出（位置検出）の検出精度をより向上させることができる。

また、本実施形態では、近赤外素子２２を、ガラス基板４１（対向基板４０）のアレイ基板３０（ガラス基板３１）側の主面上であって、ガラス基板４１と対向電極４２との間に、上記カラーフィルタ４３と並置するように設けることによって、画素電極３３と対向電極４２との間の電位差を制御することにより、所定の周期（駆動パターン）で近赤外素子２２を駆動させることができる。そして、光センサ素子２３によって検出された検出パターン（光センサ素子２３からのセンサ信号）が近赤外素子２２の駆動パターン（所定の周期）と一致する場合に被検知体の位置情報が取得されるように構成することによって、太陽光などの外光により外部から液晶表示パネル２０の表示領域２０ａに、近赤外素子２２から出射した近赤外光とは異なる近赤外光が入射（混入）した場合でも、被検知体の位置情報（座標）を正しく検出することができる。すなわち、誤作動が生じるのを抑制することができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、液晶表示パネルの表示領域から近赤外光を出射可能に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、近赤外光以外の不可視光を出射可能に構成してもよい。

また、上記実施形態では、複数の画素の各々に、近赤外素子と光センサ素子とを形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、複数の画素の一部の画素に、近赤外素子と光センサ素子とを形成してもよい。また、近赤外素子と光センサ素子とを別個の画素に形成してもよい。

また、上記実施形態では、画素内に近赤外素子および光センサ素子を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、画素外に近赤外素子および光センサ素子を形成してもよい。

また、上記実施形態では、液晶表示パネルをアクティブマトリクス構造に構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、画素とは独立して近赤外素子を駆動することができれば、アクティブマトリクス構造以外の構造に構成してもよい。たとえば、パッシブマトリクス構造に構成することによって、近赤外素子を駆動するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、液晶層をＴＮ液晶から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＴＮ液晶以外の液晶を用いて液晶層を構成してもよい。

なお、液晶表示パネルのサブ画素の配列は、たとえば、図１４に示すように、デルタ配列にしてもよい。具体的には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３つのサブ画素３０１Ｒ、３０１Ｇおよび３０１Ｂと、近赤外素子３２２とを平面的に見て、略正方形形状に形成し、図１４に示すように配列する。これにより、３つのサブ画素３０１Ｒ、３０１Ｇおよび３０１Ｂと、近赤外素子３２２と、光センサ素子３２３とを含み、デルタ状に配列された画素３００を構成することができる。

本発明の一実施形態による液晶表示装置の構成を示した断面図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の画素構成を示した平面図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置のブロック図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置における液晶表示パネルの斜視図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置のアレイ基板の構造を説明するための平面図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置における表示領域において形成される回路の一部を示す回路図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の光センサ素子と駆動電極との接続状態を説明するための概略図である。 光センサ素子の等価回路図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の一部を示したブロック図である。 メモリ部の光センサ素子入力テーブル内容の一例を示した図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の動作を説明するための概略図である。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の光センサ素子を駆動させるための駆動信号を示したタイミングチャートである。 本発明の一実施形態による液晶表示装置の光センサ素子を駆動させるための駆動信号を示したタイミングチャートである。 一実施形態の変形例による液晶表示装置の画素構成を示した平面図である。

符号の説明

１０ バックライトユニット（照明部）
２０ 液晶表示パネル
２０ａ 表示領域（画素領域）
２２ 近赤外素子（波長変換素子）
２２ａ 赤色フィルタ層
２２ｂ 近赤外蛍光体層
２３ 光センサ素子
２５、２６ 駆動電極
２７ 出力電極
３０ アレイ基板
３１ ガラス基板（第２基板）
３３ 画素電極
４０ 対向基板
４１ ガラス基板（第１基板）
４２ 対向電極
４３ カラーフィルタ
５０ 液晶層
５１、５２ 直線偏光板
６０ 制御部
６１ メモリ部
７０ 画素駆動回路部
８０ 光センサ素子駆動回路部
９０ バックライト駆動回路部

Claims (4)

1. 複数の画素が二次元的に配列された画素領域を含む液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの一方の主面と対向し、前記液晶表示パネルの画素領域を照射する照明部とを備え、
   前記液晶表示パネルの画素領域には、前記照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された前記不可視光を前記一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子と、前記波長変換素子によって波長変換された不可視光を検出する複数の光センサ素子とが形成されて、
   前記波長変化素子は、前記照明部側から赤色フィルタ層と近赤外蛍光体層とが形成された多層構造を有しており、
   前記赤色フィルタ層は、前記照明部からの可視光における赤色光の波長成分を透過させる機能を有しており、
   前記近赤外蛍光体層は、前記赤色フィルタ層を透過した赤色光を近赤外光に変換する機能を有していることを特徴とする、液晶表示装置。
2. 複数の画素が二次元的に配列された画素領域を含む液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの一方の主面と対向し、前記液晶表示パネルの画素領域を照射する照明部とを備え、
   前記液晶表示パネルの画素領域には、前記照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された前記不可視光を前記一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子と、前記波長変換素子によって波長変換された不可視光を検出する複数の光センサ素子とが形成されて、
   前記波長変換素子によって変換された不可視光は、赤外光であり、
   前記光センサ素子は、赤外光を検出する赤外受光素子であり、
   前記波長変化素子は、前記照明部側から赤色フィルタ層と近赤外蛍光体層とが形成された多層構造を有しており、
   前記赤色フィルタ層は、前記照明部からの可視光における赤色光の波長成分を透過させる機能を有しており、
   前記近赤外蛍光体層は、前記赤色フィルタ層を透過した赤色光を近赤外光に変換する機
   能を有していることを特徴とする、液晶表示装置。
3. 複数の画素が二次元的に配列された画素領域を含む液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの一方の主面と対向し、前記液晶表示パネルの画素領域を照射する照明部とを備え、
   前記液晶表示パネルの画素領域には、前記照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された前記不可視光を前記一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子と、前記波長変換素子によって波長変換された不可視光を検出する複数の光センサ素子とが形成されて、
   前記液晶表示パネルは、
   第１基板と、
   前記第１基板よりも前記照明部側に配置され、前記第１基板に対して所定の間隔を隔てて対向する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に挟持された液晶層とを含み、
   前記第２基板の前記第１基板側の主面上には、複数の画素電極が形成されている一方、前記第１基板の前記第２基板側の主面上には、前記画素電極と対向する対向電極が形成されて、
   前記波長変換素子は、前記第１基板の前記第２基板側の主面上であって、前記第１基板と前記対向電極との間に形成されており、
   前記画素電極と前記対向電極との間に電圧が印加されることによって、所定の周期で、前記波長変換素子から前記液晶表示パネルの他方の主面側に不可視光が出射されるように構成されており、
   前記光センサ素子によって検出された検出信号が前記所定の周期と一致する場合に被検知体の位置情報が取得されることを特徴とする、液晶表示装置。
4. 複数の画素が二次元的に配列された画素領域を含む液晶表示パネルと、
   前記液晶表示パネルの一方の主面と対向し、前記液晶表示パネルの画素領域を照射する照明部とを備え、
   前記液晶表示パネルの画素領域には、前記照明部からの可視光を不可視光に変換し、変換された前記不可視光を前記一方の主面と反対側の他方の主面側に出射する複数の波長変換素子と、前記波長変換素子によって波長変換された不可視光を検出する複数の光センサ素子とが形成されて、
   前記液晶表示パネルは、
   第１基板と、
   前記第１基板よりも前記照明部側に配置され、前記第１基板に対して所定の間隔を隔てて対向する第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板との間に挟持された液晶層とを含み、
   前記第２基板の前記第１基板側の主面上には、複数の画素電極が形成されている一方、前記第１基板の前記第２基板側の主面上には、前記画素電極と対向する対向電極が形成されて、
   前記波長変換素子は、前記第１基板の前記第２基板側の主面上であって、前記第１基板と前記対向電極との間に形成されており、
   前記画素電極と前記対向電極との間に電圧が印加されることによって、所定の周期で、前記波長変換素子から前記液晶表示パネルの他方の主面側に不可視光が出射されるように構成されており、
   前記光センサ素子によって検出された検出信号が前記所定の周期と一致する場合に被検知体の位置情報が取得され、
   前記液晶表示パネルは、前記複数の波長変換素子から互いに異なる周期で不可視光を出射可能に構成されていることを特徴とする、液晶表示装置。

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