光センサおよび表示装置
【課題】ダイナミックレンジが広く、かつ温度依存性が低減された光センサおよび、この光センサを用いた表示装置を提供する。
【解決手段】光センサは、蓄積ノードと、リセット信号配線と、読み出し信号配線と、光検出用素子と、遮光層を有する参照用素子と、リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、光検出素子を流れる光量に応じた電流および参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、蓄積ノードと参照用素子との間に設けられ、読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が参照用素子の蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、蓄積ノードと参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子とを備える。
【解決手段】光センサは、蓄積ノードと、リセット信号配線と、読み出し信号配線と、光検出用素子と、遮光層を有する参照用素子と、リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、光検出素子を流れる光量に応じた電流および参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、蓄積ノードと参照用素子との間に設けられ、読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が参照用素子の蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、蓄積ノードと参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フォトダイオード等の光検出素子を有する光センサおよび、この光センサを画素領域内に備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えばフォトダイオード等の光検出素子を画素内に備えたことにより、外光の明るさを検出したり、ディスプレイに近接した物体の画像を取り込んだりすることが可能な、光センサ付き表示装置が提案されている。このような光センサ付き表示装置は、双方向通信用表示装置や、タッチパネル機能付き表示装置としての利用が想定されている。
【0003】
従来の光センサ付き表示装置では、アクティブマトリクス基板において、信号線および走査線、TFT(Thin Film Transistor)、画素電極等の周知の構成要素を半導体プロセスによって形成する際に、同時に、アクティブマトリクス基板上にフォトダイオード等を作り込む(特許文献1、非特許文献1参照)。
【0004】
なお、光センサ付きの表示装置において、センサ出力が環境温度に大きく依存することが知られている。すなわち、環境温度が変化すると、それに伴って光検出素子の特性が変動してしまい、光強度の変化を正しく検出できなくなるという問題がある。
【0005】
このような光センサの温度依存性は、暗電流(リーク電流とも呼ばれる)に起因している。この暗電流を補償するために、アクティブマトリクス基板上に、入射光の強度を検出する光検出素子(光検出用素子)を有する光センサ以外に、いわゆるダミーセンサとして暗電流のみを検出するための遮光された光検出素子(参照用素子)を設けた構成が知られている(特許文献2,3および非特許文献2参照)。この従来の構成においては、参照用素子からの出力は暗電流成分を反映しているので、光センサの後段の回路において、参照用素子からの出力を光検出素子の出力から相殺することにより、温度依存性を低減させたセンサ出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2006−3857号公報
【特許文献2】特開2007−18458号公報
【特許文献3】特開2007−81870号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】“A Touch Panel Function Integrated LCD Including LTPS A/D Converter”, T.Nakamura等, SID 05 DIGEST, pp1054−1055, 2005
【非特許文献2】“LTPS Ambient Light Sensor with Temperature Compensation”,S.Koide等,IDW‘06 pp689−690,2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、光検出素子と参照用素子とを画素領域内に配置する場合、光検出用素子の蓄積容量には、入射光に起因して発生する電流と暗電流との両方が充放電される。したがって、高温時に暗電流が増加することを考慮すると、光センサのダイナミックレンジを大きくとることができないという課題がある。
【0009】
本発明は、上記の課題を鑑み、光検出素子と参照用素子とを画素領域内に配置する場合においても、ダイナミックレンジが広く、かつ温度依存性が低減された光センサおよび、このような光センサを有する表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明にかかる光センサは、上記の課題を解決するために、蓄積ノードと、リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、を備える。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、ダイナミックレンジが広く、かつ温度依存性が低減された光センサおよび、このような光センサを有する表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図2】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図3】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図4】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図5】本発明の一実施形態にかかる表示装置の概略構成を示すブロック図である。
【図6】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図7】本発明の一実施形態にかかる表示装置において、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図8】本発明の一実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【図9】本発明の一実施形態にかかる表示装置におけるセンサ駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図10】本発明の一実施形態にかかるセンサ画素読み出し回路の内部構成を示す回路図である。
【図11】本発明の一実施形態にかかる読み出し信号と、センサ出力と、センサ画素読み出し回路の出力との関係を示す波形図である。
【図12】本発明の一実施形態にかかるセンサカラムアンプの構成例を示す回路図である。
【図13】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図14】本発明の一実施形態にかかる表示装置において、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図15】本発明の一実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【図16】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図17】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図18】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図19】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図20】本発明の一実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【図21】本発明の一実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【図22】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図23】本発明の一実施形態にかかる光センサが備えるコンデンサのCV特性図である。
【図24】本発明の一実施形態にかかる光センサにおける駆動信号の波形と、蓄積ノードの電位変化とを示すタイミングチャートである。
【図25】本発明の一実施形態にかかる積分期間の最後から読み出し期間にかけての蓄積ノードの電位VINTの変化を示す波形図である。
【図26A】本発明の一実施形態にかかるコンデンサC1においてゲート電極の電位が閾値電圧よりも低いときの電荷の移動を示す断面模式図である。
【図26B】本発明の一実施形態にかかるコンデンサC1においてゲート電極の電位が閾値電圧よりも高いときの電荷の移動を示す断面模式図である。
【図27】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図28】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(1)本発明の一実施形態にかかる光センサは、蓄積ノードと、リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、を備える構成である。
【0014】
この構成においては、蓄積ノードの電位は、光検出用素子および参照用素子からの出力電流に応じて変化する。また、前記の接続ノードには、リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間(いわゆる積分期間)に、前記出力電流に応じて変化した前記蓄積ノードの電位を読み出すための第1のスイッチング素子が接続されている。これにより、前記蓄積ノードの電位は、読み出し期間において、光検出用素子から出力される光電流と暗電流との和(IPHOTO+IDARK)と、参照用素子から出力される暗電流(IDARK、ただし光検出用素子からの暗電流IDARKの逆符号)との和に応じて変化することとなる。この結果、前記蓄積ノードの電位には、光電流IPHOTO成分のみが反映されることとなるので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、入射光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKが蓄積ノードの電位変化に反映されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを備えた表示装置を実現することができる。さらに、読み出し期間中においては、蓄積ノードの電位が、参照用素子の蓄積ノードとは反対側の電位を超えた場合は、第2のスイッチング素子により参照用素子が前記蓄積ノードから分離される。そのため、蓄積ノードの電位が高くなっても、参照用素子側の電位に関わらず、センシング期間において変化した蓄積ノードの電位を正確に読み出し出力することができる。その結果、参照用素子側の電極を蓄積ノードより高く保持させておく必要がなくなり、回路設計の自由度を向上させることができる。
【0015】
(2)前記の光センサは、前記第2のスイッチング素子が、pチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記読み出し信号配線に接続された構成とすることができる。
【0016】
(3)あるいは、前記第2のスイッチング素子が、nチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側に接続された構成とすることもできる。
【0017】
(4)前記の光センサは、前記蓄積ノードに一方の電極が接続された蓄積容量であって、前記光検出用素子および前記参照用素子からの出力電流を充放電する蓄積容量を備えた構成とすることもできる。
【0018】
(5)前記の光センサは、前記読み出し信号に応じて、前記蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子とを備える、構成とすることもできる。この構成によれば、読み出し信号に応じて蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子を備えたことにより、積分期間終了時点における受光面の照度の差による蓄積ノードの電位差よりも、突き上げ後の電位差の方が大きくなる。例えば、暗状態の場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位との電位差よりも、前記暗状態の場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位との電位差の方が大きくなる。なお、この電位差の増幅機能は、暗状態の場合と飽和レベルの光が入射した場合とに限らず、任意の照度間で成立する。これにより、感度が高い光センサを有する表示装置を提供することができる。
【0019】
(6)前記の光センサにおいて、前記増幅素子は、前記蓄積ノードと,前記第1のスイッチング素子との間に接続されたpチャネルトランジスタであり、前記読み出し配線に接続される制御電極を備える構成とすることもできる。この場合、pチャネル薄膜トランジスタにおいて、前記光検出素子と前記蓄積ノードとを接続するシリコン膜の幅広部にチャネル領域が形成され、前記幅広部にオーバーラップするように当該pチャネル薄膜トランジスタのゲート電極が設けられた構成とすることが好ましい。この構成によれば、境界長を短くすることができ、寄生容量やリーク電流によるダイナミックレンジの減少を防止できるからである。
【0020】
(7)前記の光センサにおいて、前記増幅素子は、前記蓄積ノードに一方の電極が接続され、前記読み出し配線に他方の電極が接続された可変コンデンサである構成とすることもできる。この場合、前記可変コンデンサとしては、例えば、前記読み出し信号配線と、絶縁膜と、シリコン膜に形成されたp型半導体領域とを含むMOSコンデンサを用いることができる。あるいは、前記可変コンデンサとしては、前記センサスイッチング素子のゲート電極と、絶縁膜と、シリコン膜に形成されたn型半導体領域とを含むMOSコンデンサを用いることができる。前者の構成によれば、前記読み出し信号配線を、当該可変コンデンサのゲート電極として用いることができるので、読み出し信号配線とゲート電極とを接続するための配線やコンタクトを設ける必要がないといった利点がある。
【0021】
(8)あるいは、前記の光センサは、前記増幅素子がnチャネル薄膜トランジスタである構成とすることもできる。(9)あるいは、前記の光センサは、前記増幅素子が、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである構成とすることもできる。この構成によれば、境界長を短くすることができる。
【0022】
(10)なお、前記の光センサにおいて、光センサへの入射光がない場合に、前記光検出用素子からの出力電流と、前記参照用素子からの出力電流とが等しいことが好ましい。すなわち、光検出用素子の暗電流と参照用素子の暗電流とが等しければ、環境温度に変化があったときに、温度依存性をほぼ確実に除去することができるからである。
【0023】
(11)また、前記の光センサにおいて、前記光検出用素子および前記参照用素子がフォトダイオードであり、前記光検出用素子および前記参照用素子において、p層とn層との間隔の長さおよび幅が互いに略等しいことが好ましい。なお、「略等しい」とは、設計上の長さおよび幅が同じであっても、エッチングや露光などのプロセスばらつきによって長さおよび幅が厳密に設計値どおりになっていない場合も含む趣旨である。この構成によれば、自己寄生蓄積容量等によって若干の差が生じる可能性はあるものの、光検出用素子と参照用素子の特性がほぼ等しくなる。この結果、光検出用素子の暗電流と参照用素子の暗電流とが等しくなるので、環境温度に変化があったときに、温度依存性をほぼ確実に除去することができる。
【0024】
(12)前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が1つのトランジスタで構成され、前記読み出し信号配線が前記蓄積容量の他方の電極に接続された構成とすることができる。(13)あるいは、前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタで構成され、前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続された構成とすることもできる。
【0025】
(14)あるいは、前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタで構成され、前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続され、前記第3のトランジスタの制御電極に、前記リセット信号配線が接続され、前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の一方が、前記蓄積ノードに接続され、前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の他方が、電源電圧を供給する配線に接続された構成としても良い。
【0026】
(15)前記の光センサは、アクティブマトリクス基板の画素領域に光センサを備えた表示装置に用いることができる。
【0027】
以下、本発明のより具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明にかかる表示装置を液晶表示装置として実施する場合の構成例を示したものであるが、本発明にかかる表示装置は液晶表示装置に限定されず、アクティブマトリクス基板を用いる任意の表示装置に適用可能である。なお、本発明にかかる表示装置は、光センサを有することにより、画面に近接する物体を検知して入力操作を行うタッチパネル付き表示装置や、表示機能と撮像機能とを具備した双方向通信用表示装置等としての利用が想定される。
【0028】
また、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる表示装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【0029】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る光センサの回路構成を示す図である。図1に示す光センサは、フォトダイオードD1,D2と、コンデンサCINTと、薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8を備えている。フォトダイオードD1は、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子の一例であり、フォトダイオードD2は、入射光に対する遮光層を有する参照用素子の一例である。
【0030】
フォトダイオードD1,D2は、光が照射されないときの出力電流が等しくなるように、回路特性または素子特性が最適化されている。フォトダイオードのI−V特性(逆バイアス領域)は印加電圧に依存しないので、理想的には、フォトダイオードD1,D2のサイズ(光検出領域として機能する半導体層の長さLと幅W)が同じであれば、暗電流は等しくなる。なお、フォトダイオードD1,D2としては、例えば、ラテラル構造または積層構造のPN接合またはPIN接合ダイオードを用いることが可能である。この場合、上述したように、p層とn層との境界領域(すなわち光検出領域として機能する半導体層)の長さと幅がそれぞれ等しい2つのフォトダイオードを、フォトダイオードD1,D2として用いることが好ましい。この好ましい構成によれば、自己寄生容量による微差があるかも知れないが、光が照射されないときのフォトダイオードD1,D2の出力電流をほぼ等しくすることができる。なお、フォトダイオードD1は入射光を受光するが、フォトダイオードD2は暗電流を検出する参照用素子として用いられるため、外光が入射しないように遮光されている。
【0031】
フォトダイオードD1のアノードには、リセット信号を供給するための配線RSTが接続されている。フォトダイオードD1のカソードは蓄積ノードINTに接続されている。蓄積ノードINTには、コンデンサCINTの電極の一方が接続されており、コンデンサCINTの電極の他方は、配線RWSに接続されている。配線RWSは、蓄積ノードINTへ読み出し信号を供給する読み出し信号配線の一例である。
【0032】
フォトダイオードD2のカソードは、一定の電圧VCの信号を供給する参照用電圧配線VC(DC電源)に接続されている。フォトダイオードD2のアノードは、蓄積ノードINTにpチャネル薄膜トランジスタM8を介して接続されている。すなわち、pチャネル薄膜トランジスタM8のソースはフォトダイオードD2のアノードに、ドレインは蓄積ノードINTに、ゲート(制御電極の一例)は、配線RWSに接続されている。
【0033】
蓄積ノードINTには、トランジスタM2のゲート(制御電極)が接続されている。トランジスタM2のドレインは定電圧VDDを光センサへ供給するための配線VDDに接続され、ソースは、出力のための配線OUTに接続されている。
【0034】
図1に示す回路構成においては、フォトダイオードD1およびD2に流れる電流により、コンデンサCINTに充電または放電される。そのため、蓄積ノードINTの電位は、フォトダイオードD1およびD2に流れる電流により変化する。例えば、配線RSTからリセット信号が供給されてから、配線RWSから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、フォトダイオードD1の受光量に応じて流れる電流およびフォトダイオードD2に流れる電流に応じて蓄積ノードINTの電位は変化する。読み出し信号供給時には、トランジスタM2が導通状態になることで、蓄積ノードINTの電位は変化に応じた信号が配線VOUTへ出力される。
【0035】
また、pチャネル薄膜トランジスタM8は、読み出し信号供給時に、読み出し信号VRWSが、蓄積ノードINTの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM8の閾値Vthとを加算した値より高くなるときには、非導通状態になる。すなわち、読み出し信号VRWSが、蓄積ノードINTの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM8の閾値Vthとを加算した値より高くなるときには、蓄積ノードINTとフォトダイオードD2とが電気的に分離される。その結果、蓄積ノードINTの電位を、読み出し信号により電圧VC以上に突き上げることができる。
【0036】
図2は、本実施形態における光センサの回路構成の変形例を示す図である。図2に示す例では、フォトダイオードD2と蓄積ノードINTの間には、nチャネル薄膜トランジスタM9が接続されている。すなわち、nチャネル薄膜トランジスタM9のドレインは、フォトダイオードD2のアノードに、ソースは蓄積ノードINTに、ゲート(制御電極)は、Vcへ接続されている。
【0037】
図2に示す回路構成においても、nチャネル薄膜トランジスタM9は、蓄積ノードINTの電位VINTが、電圧VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値より高いときには、非導通状態になる。すなわち、蓄積ノードINTの電位VINTが、電圧VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値より高いときには、蓄積ノードINTとフォトダイオードD2とが電気的に分離される。その結果、蓄積ノードINTの電位を、読み出し信号により電圧VC以上に突き上げることができる。
【0038】
ここで、図7および図8を参照し、本実施形態にかかる光センサの動作について説明する。図7は、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。図8は、第1の実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【0039】
図7および図8に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは0V、ローレベルVRST.Lは−4Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは4V、ローレベルVRWS.Lは−4Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSRに等しい。
【0040】
まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(−4V)から立ち上がってハイレベル(0V)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなる。このとき、トランジスタM2のゲート電極の電位VINTはトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。また、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲート電極の電位は読み出し信号のローレベル(−4V)と等しいので、pチャネル薄膜トランジスタM8は導通状態となっている。このため、フォトダイオードD2もリセット信号によってリセットされる。
【0041】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図8に示す期間TINT)が始まる。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが、pチャネル薄膜トランジスタM8を介して、蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間においても、VINTがトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。
【0042】
積分期間が終わると、図7に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。なお、読み出し期間は、読み出し信号RWSがハイレベルの間、継続する。読み出し期間においては、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートの電位は、読み出し信号VRWSと等しい。よって、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートの電位が閾値電圧よりも高くなることにより、pチャネル薄膜トランジスタM8は非導通状態となる。このため、読み出し信号RWSが供給されることによって、フォトダイオードD2が順バイアスになることはない。
【0043】
また、コンデンサCINTに対して電荷注入が起こる。この結果、トランジスタM2のゲート電極の電位VINTが、トランジスタM2の閾値電圧よりも高くなる。これにより、トランジスタM2は導通状態となる。例えば、配線OUTの端部にバイアストランジスタM3(図示せず)を設けることにより、トランジスタM2およびM3はソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、トランジスタM3のドレインからの出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0044】
なお、図8において、破線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に外光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。図8のΔVが、フォトダイオードD1からの光電流IPHOTOの積分値に比例した電位差である。
【0045】
本実施形態にかかる光センサは、上述のとおり、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0046】
また、参照電圧配線VCの電圧VCは、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高ければよいことから、参照電圧配線VCにはDC電源を使用することができる。
【0047】
さらに、配線RWSにより読み出し信号が供給されると、pチャネル薄膜トランジスタM8が非導通状態となることによりフォトダイオードD2が無効化されるため、読み出し期間においてフォトダイオードD2を逆バイアスに保持しておく必要がない。このため、フォトダイオードD2のカソードの接続先である参照電圧配線VCの電圧を高く設定する必要がない。
【0048】
このように、読み出し信号の電圧設計の自由度が高まるため、例えば、読み出し信号を供給する配線RWSに増幅素子を接続した構成も可能になる。図3は、図1に示す光センサにおいて、コンデンサCINTの代わりに増幅素子を用いた場合の回路構成の例を示す図である。
【0049】
図3に示す光センサは、増幅素子の一例であるpチャネル薄膜トランジスタM10を備える。pチャネル薄膜トランジスタM10のドレインは蓄積ノードINTに、ソースはトランジスタM2のゲートに、ゲートは読み出し信号を供給する配線RWSに接続されている。
【0050】
図4に示す光センサは、図2に示す光センサにおいて、コンデンサCINTの代わりにpチャネル薄膜トランジスタM10を用いた場合の回路構成の例を示す図である。pチャネル薄膜トランジスタM11のドレインは蓄積ノードINTに、ソースはトランジスタM2のゲートに、ゲートは読み出し信号を供給する配線RWSに接続されている。
【0051】
図3、4に例示する増幅素子(pチャネル薄膜トランジスタM10、M11)は、蓄積ノードINTの電位を増幅する増幅素子の一例である。増幅素子としては、pチャネル薄膜トランジスタの他に、例えば、可変コンデンサ(詳細は後述)、nチャネル薄膜トランジスタまたはチャネル上にゲート電極を備えたダイオード等を用いることができる。
【0052】
pチャネル薄膜トランジスタM10、M11により、蓄積ノードINTの電位を増幅して、読み出すことができる。これらのpチャネル薄膜トランジスタM10、M11のような増幅素子の動作条件は、読み出し信号のローレベルVRWS.Lが、蓄積ノードの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM10またはM11の閾値Vthとを加算した値を超えないことである。センシング期間(リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでの期間)ではpチャネル薄膜トランジスタM10、M11は導通状態であり、読み出し期間に導通状態から非道通状態に変化する(動作の詳細は後述する)。読み出し信号は、参照用電圧VCに関わらず自由に設定できるので、図3、4に例示するように、増幅素子を用いた構成が可能になる。
【0053】
[第2の実施形態]
最初に、図5および図6を参照しながら、本発明の第1の実施形態にかかる光センサを備える液晶表示装置の構成について説明する。
【0054】
図5は、本発明の一実施形態にかかる液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板100の概略構成を示すブロック図である。図5に示すように、アクティブマトリクス基板100は、ガラス基板上に、画素領域1、ディスプレイゲートドライバ2、ディスプレイソースドライバ3、センサカラム(column)ドライバ4、センサロウ(row)ドライバ5、バッファアンプ6、FPCコネクタ7を少なくとも備えている。また、画素領域1内の光検出素子(後述)で取り込まれた画像信号を処理するための信号処理回路8が、前記FPCコネクタ7とFPC9とを介して、アクティブマトリクス基板100に接続されている。
【0055】
なお、アクティブマトリクス基板100上の上記の構成部材は、半導体プロセスによってガラス基板上にモノリシックに形成することも可能である。あるいは、上記の構成部材のうちのアンプやドライバ類を、例えばCOG(Chip On Glass)技術等によってガラス基板上に実装した構成としても良い。あるいは、図5においてアクティブマトリクス基板100上に示した上記の構成部材の少なくとも一部が、FPC9上に実装されることも考えられる。アクティブマトリクス基板100は、全面に対向電極が形成された対向基板(図示せず)と貼り合わされ、その間隙に液晶材料が封入される。
【0056】
画素領域1は、画像を表示するために、複数の画素が形成された領域である。本実施形態では、画素領域1における各画素内には、画像を取り込むための光センサが設けられている。図6は、アクティブマトリクス基板100の画素領域1における画素と光センサとの配置を示す等価回路図である。図6の例では、1つの画素が、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色の絵素によって形成され、この3絵素で構成される1つの画素内に、2つのフォトダイオードD1,D2とコンデンサCINTと薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8によって構成される1つの光センサが設けられている。画素領域1は、M行×N列のマトリクス状に配置された画素と、同じくM行×N列のマトリクス状に配置された光センサとを有する。なお、上述のとおり、絵素数は、M×3Nである。
【0057】
このため、図6に示すように、画素領域1は、画素用の配線として、マトリクス状に配置されたゲート線GLおよびソース線COLを有している。ゲート線GLは、ディスプレイゲートドライバ2に接続されている。ソース線COLは、ディスプレイソースドライバ3に接続されている。なお、ゲート線GLは、画素領域1内にM行設けられている。以下、個々のゲート線GLを区別して説明する必要がある場合は、GLi(i=1〜M)のように表記する。一方、ソース線COLは、上述のとおり、1つの画素内の3絵素にそれぞれ画像データを供給するために、1画素につき3本ずつ設けられている。ソース線COLを個々に区別して説明する必要がある場合は、COLrj,COLgj,COLbj(j=1〜N)のように表記する。
【0058】
ゲート線GLとソース線COLとの交点には、画素用のスイッチング素子として、薄膜トランジスタ(TFT)M1が設けられている。なお、図6では、赤色、緑色、青色のそれぞれの絵素に設けられている薄膜トランジスタM1を、M1r,M1g,M1bと表記している。薄膜トランジスタM1のゲート電極はゲート線GLへ、ソース電極はソース線COLへ、ドレイン電極は図示しない画素電極へ、それぞれ接続されている。これにより、図6に示すように、薄膜トランジスタM1のドレイン電極と対向電極(VCOM)との間に液晶容量LCが形成される。また、ドレイン電極とTFTCOMとの間に補助容量LSが形成されている。
【0059】
図6において、1本のゲート線GLiと1本のソース線COLrjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1rによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように赤色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLrjを介してディスプレイソースドライバ3から赤色の画像データが供給されることにより、赤色の絵素として機能する。また、ゲート線GLiとソース線COLgjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1gによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように緑色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLgjを介してディスプレイソースドライバ3から緑色の画像データが供給されることにより、緑色の絵素として機能する。さらに、ゲート線GLiとソース線COLbjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1bによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように青色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLbjを介してディスプレイソースドライバ3から青色の画像データが供給されることにより、青色の絵素として機能する。
【0060】
なお、図6の例では、光センサは、画素領域1において、1画素(3絵素)に1つの割合で設けられている。ただし、画素と光センサの配置割合は、この例のみに限定されず、任意である。例えば、1絵素につき1つの光センサが配置されていても良いし、複数画素に対して1つの光センサが配置された構成であっても良い。
【0061】
光センサは、図6に示すように、フォトダイオードD1,D2と、コンデンサCINTと、薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8を備えている。図6に示す光センサは、図1に示した回路構成と同様である。 図6の例では、ソース線COLrが、センサカラムドライバ4から定電圧VDDを光センサへ供給するための配線VDDを兼ねている。また、ソース線COLgが、センサ出力用の配線OUTを兼ねている。
【0062】
フォトダイオードD1のアノードには、リセット信号を供給するための配線RSTが接続されている。フォトダイオードD1とpチャネル薄膜トランジスタM8とは直列に接続されており、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に、トランジスタM2のゲートと、コンデンサCINTの電極の一方が接続されている。pチャネル薄膜トランジスタM8のソースは、フォトダイオードD2のアノードに接続されている。pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートは、配線RWSに接続されている。フォトダイオードD2のカソードは、参照電圧配線VCに接続されている。
【0063】
トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは配線OUTに接続されている。配線RST,RWSは、センサロウドライバ5に接続されている。これらの配線RST,RWSは1行毎に設けられているので、以降、各配線を区別する必要がある場合は、RSTi,RWSi(i=1〜M)のように表記する。
【0064】
センサロウドライバ5は、所定の時間間隔(trow)で、図6に示した配線RSTiとRWSiとの組を順次選択していく。これにより、画素領域1において信号電荷を読み出すべき光センサの行(row)が順次選択される。
【0065】
なお、図6に示すように、配線OUTの端部には、絶縁ゲート型電界効果トランジスタM3のドレインが接続されている。また、このトランジスタM3のドレインには、出力配線SOUTが接続され、トランジスタM3のドレインの電位VSOUTが、光センサからの出力信号としてセンサカラムドライバ4へ出力される。トランジスタM3のソースは、配線VSSに接続されている。トランジスタM3のゲートは、参照電圧配線VBを介して、参照電圧電源(図示せず)に接続されている。
【0066】
本実施形態にかかる光センサの動作は、図7および図8に示した動作と同様である。
【0067】
図7および図8に示した動作のように、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0068】
本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサは、上述のとおり、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0069】
また、参照電圧配線VCの電圧は、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高ければよいことから、参照電圧配線VCにはDC電源を使用することができる。
【0070】
さらに、読み出し信号RWSが供給されると、pチャネル薄膜トランジスタM8が非導通状態となることによりフォトダイオードD2が無効化されるため、読み出し期間においてフォトダイオードD2を逆バイアスに保持しておく必要がない。このため、フォトダイオードD2のカソードの接続先である参照電圧配線VCの電圧を高く設定する必要がない。
【0071】
また、参照電圧配線VCに代えて、既存の配線を用いて回路を構成することもできる。例えば、特性安定化のためにフォトダイオード上に形成された透明電極ITOで形成されたシールド電極を用いて回路を構成することもできる。図20は、本実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【0072】
図20に示すように、本実施形態にかかる光センサは、ソース線COLgとCOLbとの間の領域にトランジスタM2を備えている。フォトダイオードD1は、ベースとなるシリコン膜に、p型半導体領域102pと、i型半導体領域102iと、n型半導体領域102nとが直列に形成された、ラテラル構造のPINダイオードである。p型半導体領域102pは、フォトダイオードD1のアノードとなり、配線108およびコンタクト109,110を介して配線RSTに接続される。n型半導体領域102nは、フォトダイオードD1のカソードとなり、シリコン膜の延設部107,コンタクト105,106、および配線104を介して、トランジスタM2のゲート電極101に接続される。
【0073】
フォトダイオードD2は、フォトダイオードD1と同様に、ベースとなるシリコン膜に、p型半導体領域102pと、i型半導体領域102iと、n型半導体領域102nとが直列に形成された、ラテラル構造のPINダイオードである。ただし、n型半導体領域102n(カソード)が、配線115およびコンタクト116,117を介してシールド電極114に接続される。また、p型半導体領域102p(アノード)が、シリコン膜の延設部107,コンタクト105,106、および配線104を介して、トランジスタM2のゲート電極101に接続される。
【0074】
この構成において、配線RST,RWSは、トランジスタM2のゲート電極101と同じ金属により同じ工程で形成されている。また、配線104,108は、ソース線COLと同じ金属により同じ工程で形成されている。フォトダイオードD1,2の背面には、バックライト光がセンサへ入射することを防止するための遮光膜113が設けられている。
【0075】
なお、本実施形態においては、pチャネル薄膜トランジスタM8を備えた光センサを開示したが、図17に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。図17においては、nチャネル薄膜トランジスタM9のゲートは、配線RWSではなく、フォトダイオードD2のカソードと同様に、参照電圧配線VCに接続されている。なお、参照電圧配線VCの電圧は、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hよりも低ければ良い。
【0076】
読み出し信号RWSが立ち上がると、VINTの電位が突き上げられる。この直後においては、突き上げられたVINTの電位が、VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値よりも高くなった時点で、nチャネル薄膜トランジスタM9にオフ電圧がかかる。つまり、オフ電圧がかかった時点で、nチャネル薄膜トランジスタM9は非導通状態となる。これにより、読み出し信号RWSによって、VINTをVCよりも高い電位に突き上げることができる。
【0077】
この構成によっても、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0078】
なお、図17に示した構成は、図6に示した構成に対して、以下の利点を有する。図17の構成の場合は、読み出し信号RWSの電圧(VRWS.HまたはVRWS.L)を設定する場合の自由度が高い。これに対して、図6に示した構成は、読み出し信号RWSのローレベルVRWS.Lを、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも小さく設定する必要がある。
【0079】
図21は、図17にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。なお、以下の図21の説明においては、上述の図20で説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。図21に示すように、nチャネル薄膜トランジスタM9のゲート電極は、コンタクト119,120および配線118を介して、シールド電極114に接続される。
【0080】
なお、本実施形態では、前述したように、ソース線COLr,COLg,COLbを光センサ用の配線VDD,OUT,VSSとして共用しているので、図9に示すように、ソース線COLr,COLg,COLbを介して表示用の画像データ信号を入力するタイミングと、センサ出力を読み出すタイミングとを区別する必要がある。図9の例では、水平走査期間において表示用画像データ信号の入力が終わった後に、水平ブランキング期間等を利用してセンサ出力の読み出しが行われる。すなわち、表示用画像データ信号の入力が終わった後に、ソース線COLrには定電圧VDDが印加される。
【0081】
センサカラムドライバ4は、図5に示すように、センサ画素読み出し回路41と、センサカラムアンプ42と、センサカラム走査回路43とを含む。センサ画素読み出し回路41には、画素領域1からセンサ出力VSOUTを出力する配線SOUT(図10参照)が接続されている。図5において、配線SOUTj(j=1〜N)により出力されるセンサ出力を、VSOUTjと表記している。センサ画素読み出し回路41は、センサ出力VSOUTjのピークホールド電圧VSjを、センサカラムアンプ42へ出力する。センサカラムアンプ42は、画素領域1のN列の光センサにそれぞれ対応するN個のカラムアンプを内蔵しており、個々のカラムアンプでピークホールド電圧VSj(j=1〜N)を増幅し、VCOUTとしてバッファアンプ6へ出力する。センサカラム走査回路43は、センサカラムアンプ42のカラムアンプをバッファアンプ6への出力へ順次接続するために、カラムセレクト信号CSj(j=1〜N)を、センサカラムアンプ42へ出力する。
【0082】
ここで、図10および図11を参照し、画素領域1からセンサ出力VSOUTが読み出された後のセンサカラムドライバ4およびバッファアンプ6の動作について説明する。図10は、センサ画素読み出し回路41の内部構成を示す回路図である。図11は、読み出し信号VRWSと、センサ出力VSOUTと、センサ画素読み出し回路の出力VSとの関係を示す波形図である。前述のように、読み出し信号がハイレベルVRWS.Hになったとき、トランジスタM2が導通することにより、トランジスタM2,M3によりソースフォロアアンプが形成され、センサ出力VSOUTがセンサ画素読み出し回路41のサンプルキャパシタCSAMに蓄積される。これにより、読み出し信号がローレベルVRWS.Lになった後も、その行の選択期間(trow)中、センサ画素読み出し回路41からセンサカラムアンプ42への出力電圧VSは、図11に示すように、センサ出力VSOUTのピーク値と等しいレベルに保持される。
【0083】
次に、センサカラムアンプ42の動作について、図12を参照しながら説明する。図12に示すように、センサ画素読み出し回路41から、各列の出力電圧VSj(j=1〜N)が、センサカラムアンプ42のN個のカラムアンプへ入力される。図12に示すように、各カラムアンプは、トランジスタM6,M7から構成されている。センサカラム走査回路43によって生成されるカラムセレクト信号CSjが、1つの行の選択期間(trow)中に、N列のカラムのそれぞれに対して順次ONとなることにより、センサカラムアンプ42中のN個のカラムアンプのうちいずれか1つのみのトランジスタM6がONとなり、そのトランジスタM6を介して、各列の出力電圧VSj(j=1〜N)のいずれかのみが、センサカラムアンプ42からの出力VCOUTとして出力される。バッファアンプ6は、センサカラムアンプ42から出力されたVCOUTをさらに増幅し、パネル出力(光センサ信号)Voutとして信号処理回路8へ出力する。
【0084】
なお、センサカラム走査回路43は、上述のように光センサの列を1列ずつ走査するようにしても良いが、これに限定されず、光センサの列をインタレース走査する構成としても良い。また、センサカラム走査回路43が、例えば4相等の多相駆動走査回路として形成されていても良い。
【0085】
以上の構成により、本実施形態にかかる表示装置は、画素領域1において画素毎に形成されたフォトダイオードD1の受光量に応じたパネル出力VOUTを得る。パネル出力VOUTは、信号処理回路8に送られてA/D変換され、パネル出力データとしてメモリ(図示せず)に蓄積される。つまり、このメモリには、画素領域1の画素数(光センサ数)と同数のパネル出力データが蓄積されることとなる。信号処理回路8では、メモリに蓄積されたパネル出力データを用いて、画像取り込みやタッチ領域の検出等の各種信号処理を行う。なお、本実施形態では、信号処理回路8のメモリに、画素領域1の画素数(光センサ数)と同数のパネル出力データを蓄積するものとしたが、メモリ容量等の制約により、必ずしも画素数と同数のパネル出力データを蓄積することを要しない。
【0086】
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の第2の実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0087】
図13は、第3の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図13に示すように、第3の実施形態にかかる表示装置の光センサは、フォトダイオードD1,D2、コンデンサCINT、薄膜トランジスタM2およびpチャネル薄膜トランジスタM8に加えて、薄膜トランジスタM4をさらに備えている。
【0088】
本実施形態の光センサにおいては、コンデンサCINTの一方の電極が、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間と、薄膜トランジスタM2のゲート電極とに接続され、コンデンサCINTの他方の電極は、配線VDDに接続されている。また、薄膜トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは薄膜トランジスタM4のドレインに接続されている。薄膜トランジスタM4のゲートは、読み出し信号配線RWSに接続されている。薄膜トランジスタM4のソースは、配線OUTに接続されている。なお、この例では、コンデンサCINTの電極の一つと、薄膜トランジスタM4のドレインとが、共に、共通の定電圧配線(配線VDD)に接続されている構成を示したが、これらが互いに異なる定電圧配線に接続された構成であっても構わない。
【0089】
ここで、本実施形態にかかる光センサの動作について、図14および図15を参照しながら説明する。
【0090】
図14は、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。図15は、第3の実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【0091】
リセット信号のハイレベルVRST.Hは、薄膜トランジスタM2がオン状態になる電位に設定される。図14に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは8Vである。また、リセット信号のローレベルVRST.Lは0Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVDDに等しく、ローレベルVRST.LはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは8V、ローレベルVRWS.Lは0Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSに等しい。
【0092】
まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(0V)から立ち上がってハイレベル(8V)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなる。このとき、トランジスタM2はオン状態となるが、読み出し信号RWSがローレベルであり、トランジスタM4がオフ状態なので、配線OUTへの出力はない。
【0093】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図15に示す期間TINT)が始まる。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間においても、VINTは、リセット電位(この例ではVRST.H=8V)から入射光の強さに応じて降下していく。しかし、トランジスタM4がオフ状態のため、配線OUTへのセンサ出力はない。なお、検出したい照度の上限値の光がフォトダイオードD1に照射された場合にセンサ出力が最も小さくなるように、すなわち、この場合にトランジスタM2のゲート電極の電位(VINT)が閾値をわずかに超える値となるように、センサ回路を設計することが望ましい。このように設計すれば、検出したい照度の上限値を超える光がフォトダイオードD1へ照射された場合には、VINTの値がトランジスタM2の閾値よりも低くなってトランジスタM2がオフ状態となるので、配線OUTへのセンサ出力はない。
【0094】
積分期間が終わると、図15に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。読み出し信号RWSがハイレベルになることにより、トランジスタM4がオン状態になる。それにより、トランジスタM2からの出力がトランジスタM4を通じて配線OUTへ出力される。このとき、トランジスタM2は、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0095】
なお、図15において、波線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に外光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。図15のΔVが、フォトダイオードD1からの光電流IPHOTOの積分値に比例した電位差である。
【0096】
以上のとおり、本実施形態の光センサによっても、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0097】
すなわち、本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサも、第2の実施形態と同様に、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTから放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0098】
本実施形態においても、図19に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。なお、図18に示す構成においては、蓄積期間中にフォトダイオードD2に順方向バイアスが印加されないようにするために、トランジスタM2,M3としてpチャネルTFTを用い、トランジスタM2のドレインをVSS、トランジスタM3のソースをVDDに接続した構成とすることにより、リセット信号RSTの電圧を変更する必要がある。なお、リセット信号RSTおよび読み出し信号RWSの駆動波形は、第2の実施形態において図7に示した波形と同じである。
【0099】
ただし、第2の実施形態で説明したとおり、図13に示した構成に比べて、図18に示した構成の方が、VRWS.Lの値に関わりなく、蓄積ノードINTを正しくリセットできるので、VRWS.Lの値を自由に設定することができるという利点がある。
【0100】
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0101】
図16は、第4の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図16に示すように、第4の実施形態にかかる表示装置の光センサは、フォトダイオードD1,D2、コンデンサCINT、薄膜トランジスタM2、M4およびpチャネル薄膜トランジスタM8に加えて、薄膜トランジスタM5をさらに備えている。
【0102】
本実施形態の光センサにおいては、コンデンサCINTの一方の電極が、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続され、コンデンサCINTの他方の電極は、GNDに接続されている。なお、本実施形態においては、コンデンサCINTの他方の電極が、GND以外の定電圧配線(VDDまたはVSS)に接続されている構成であってもよい。
【0103】
また、薄膜トランジスタM2のゲートは、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続されている。薄膜トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは薄膜トランジスタM4のドレインに接続されている。薄膜トランジスタM4のゲートは、読み出し信号配線RWSに接続されている。薄膜トランジスタM4のソースは、配線OUTに接続されている。薄膜トランジスタM5のゲートは、リセット信号配線RSTに接続され、ドレインは配線VDDに接続され、ソースはフォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続されている。なお、この例では、薄膜トランジスタM4,M5のドレインが、共に、共通の定電圧配線(配線VDD)に接続されている構成を示したが、これらが互いに異なる定電圧配線に接続された構成であっても構わない。
【0104】
ここで、本実施形態にかかる光センサの動作について説明する。なお、本実施形態の光センサにおいて、配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形は、第3の実施形態において参照した図14と同じである。また、本実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図は、第3の実施形態において参照した図15と同じである。したがって、本実施形態においても、図14および図15を参照しながら説明する。
【0105】
リセット信号のハイレベルVRST.Hは、トランジスタM5がオン状態になる電位に設定される。図14に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは8Vである。また、リセット信号のローレベルVRST.Lは0Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVDDに等しく、ローレベルVRST.LはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは8V、ローレベルVRWS.Lは0Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSに等しい。
【0106】
最初に、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(VRST.L=0V)から立ち上がってハイレベル(VRST.H=8V)になると、トランジスタM5がオン状態となる。これにより、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの接続点の電位VINTがVDDにリセットされる。
【0107】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図15に示す期間TINT)が始まる。このとき、リセット信号がローレベルになることによりトランジスタM5がオフ状態となる。ここで、フォトダイオードD1のアノードはGND、カソード(VINT=VDD=8V)であるので、フォトダイオードD1に逆バイアスが印加される。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間において、VINTは、リセット電位(この例ではVRST.H=8V)から入射光の強さに応じて降下していく。しかし、トランジスタM4がオフ状態のため、配線OUTへのセンサ出力はない。なお、検出したい照度の上限値の光がフォトダイオードD1に照射された場合にセンサ出力が最も小さくなるように、すなわち、この場合にトランジスタM2のゲート電極の電位(VINT)が閾値をわずかに超える値となるように、センサ回路を設計することが望ましい。このように設計すれば、検出したい照度の上限値を超える光がフォトダイオードD1へ照射された場合には、VINTの値がトランジスタM2の閾値よりも低くなってトランジスタM2がオフ状態となるので、配線OUTへのセンサ出力はない。
【0108】
積分期間が終わると、図15に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。読み出し信号RWSがハイレベルになることにより、トランジスタM4がオン状態になる。それにより、トランジスタM2からの出力がトランジスタM4を通じて配線OUTへ出力される。このとき、トランジスタM2は、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0109】
以上のとおり、本実施形態の光センサによっても、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0110】
すなわち、本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサも、第1および第3の実施形態と同様に、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTから放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0111】
本実施形態においても、図19に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。なお、リセット信号RSTおよび読み出し信号RWSの駆動波形は、第1の実施形態において図7に示した波形と同じである。
【0112】
ただし、第3の実施形態で説明したとおり、図16に示した構成に比べて、図19に示した構成の方が、VRWS.Lの値に関わりなく、蓄積ノードINTを正しくリセットできるので、VRWS.Lの値を自由に設定することができるという利点がある。
【0113】
以上、本発明についての第2〜第4の実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態にのみ限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【0114】
例えば、第2〜第4の実施形態では、光センサに接続された配線VDDおよびOUTが、ソース配線COLと共用されている構成を例示した。この構成によれば、画素開口率が高いという利点がある。しかしながら、光センサ用の配線VDDおよびOUTをソース配線COLとは別個に設けた構成によっても、上記の第2および第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第3の実施形態においては、光センサ用の配線VDDをソース配線COLとは別個に設けて、この配線VDDへトランジスタM2とコンデンサCINTとを接続した構成とすれば、ソース配線COLに入力されるビデオ信号の影響でコンデンサCINTの電位が不安定になることがない、という利点がある。
【0115】
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0116】
図22は、第5の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図22に示すように、第5の実施形態にかかる表示装置の光センサは、第2の実施形態の図10において示したフォトダイオードD1,D2、薄膜トランジスタM2およびpチャネル薄膜トランジスタM8を備え、コンデンサCINTに代えてコンデンサC1(増幅素子)を備えている。なお、本実施形態において増幅素子として機能するコンデンサC1は、可変コンデンサである。
【0117】
図23は、コンデンサC1のCV特性図である。図23において、横軸はコンデンサC1の電極間電圧VCAP、縦軸は静電容量を表す。図23に示すように、コンデンサC1は、電極間電圧VCAPが小さい間は一定の静電容量を有するが、電極間電圧VCAPの閾値の前後で静電容量が急峻に変化する特性を有する。したがって、配線RWSからの読み出し信号の電位によって、コンデンサC1の特性を動的に変化させることができる。このような特性を有するコンデンサC1を用いることにより、本実施形態にかかる光センサは、積分期間TINTにおける蓄積ノードの電位変化を増幅して読み出すことができる。図24の例は、あくまでも一実施形態であるが、リセット信号のローレベルVRST.Lが−1.4Vであり、リセット信号のハイレベルVRST.Hが0Vである。また、読み出し信号のローレベルVRWS.Lが−3V、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hが12Vである。図24においても、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、破線で示した波形は、フォトダイオードD1に飽和レベルの光が入射した場合の電位VINTの変化を表し、ΔVSIGがフォトダイオードD1へ入射した光の量に比例した電位差である。図24から明らかなように、本実施形態にかかる光センサでは、飽和レベルの光が入射した場合の積分期間TINTにおける蓄積ノードの電位変化が、従来の光センサよりも小さいが、読み出し期間において(読み出し信号の電位がハイレベルVRWS.Hである間)、この蓄積ノードの電位が増幅して読み出されている。
【0118】
ここで、図24を参照し、画素領域1からのセンサ出力の読み出しについて説明する。まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(VRST.L)から立ち上がってハイレベル(VRST.H)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなり、接続点INTの電位VINTは、下記の式(4)で表される。
【0119】
VINT = VRST.H−VF ・・・(4)
式(4)において、VFはフォトダイオードD1の順方向電圧である。このときのVINTはトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2はリセット期間において非導通状態となっている。
【0120】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ると、光電流の積分期間(TINT)が始まる。積分期間TINTにおいては、フォトダイオードD1への入射光量に比例した光電流がコンデンサC1から流れ出し、コンデンサC1を放電させる。これにより、積分期間TINTの終了時における接続点INTの電位VINTは、下記の式(5)で表される。
【0121】
VINT=VRST.H−VF−ΔVRST・CPD/CT
−IPHOTO・tINT/CT …(5)
式(5)において、ΔVRSTは、リセット信号のパルスの高さ(VRST.H−VRST.L)であり、IPHOTOは、フォトダイオードD1の光電流、tINTは、積分期間の長さである。CPDはフォトダイオードD1の容量である。CTOTALは、光センサ回路全体の容量、すなわち、接続点INTの総容量であり、コンデンサC1の容量CINTと、フォトダイオードD1の容量CPDと、トランジスタM2の容量CTFTとの総和である。積分期間においても、VINTがトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。
【0122】
積分期間が終わると、配線RWSへ供給される読み出し信号が立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。ここで、コンデンサC1に対して電荷注入が起こる。そして、接続点INTの電位VINTがトランジスタM2の閾値電圧よりも高くなったとき、トランジスタM2は導通状態となり、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。本実施形態にかかる光センサにおいては、トランジスタM3のドレインからの出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間におけるフォトダイオードD1の光電流の積分値を増幅したものに相当する。
【0123】
以上のとおり、本実施形態においては、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを1サイクルとして周期的に行う。
【0124】
ここで、本実施形態にかかる光センサの読み出し動作について説明する。図25は、積分期間の最後から読み出し期間にかけての蓄積ノードの電位VINTの変化を示す波形図である。図25において、実線で示した波形w1は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、破線で示した波形w2は、フォトダイオードD1に光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。また、時刻t0は、配線RWSから供給される読み出し信号がローレベルVRWS.Lからの立ち上がりを開始する時刻であり、時刻t2は、読み出し信号がハイレベルVRWS.Hへ到達する時刻である。時刻tSは、トランジスタM2がオンになってセンサ出力のサンプリングが行われる時刻である。時刻t1は、読み出し信号がコンデンサC1の閾値電圧Voffに到達する時刻である。すなわち、コンデンサC1は、読み出し配線RWSから幅広部111へ供給される電位と閾値電圧Voffとの大小関係によって、その動作特性が変わる。
【0125】
図26Aおよび図26Bは、コンデンサC1におけるゲート電極(幅広部111)の電位による電荷の移動の違いを示す断面模式図である。図25、図26A、および図26Bに示すように、時刻t1よりも前の時刻においては、コンデンサC1は常にオン状態であり、時刻t1以降はオフ状態となる。すなわち、配線RWSの電位が閾値電圧Voff以下の間は、図26Aに示すようにゲート電極(幅広部111)下の電荷Qinjの移動が生じるが、配線RWSの電位が閾値電圧Voffを超えると、図26Bに示すようにゲート電極(幅広部111)下の電荷Qinjの移動がなくなる。以上より、読み出し配線RWSから供給される読み出し信号の電位がハイレベルVRWS.Hへ到達した後のサンプル時刻tsにおける蓄積ノードの電位VINT(ts)は、下記の式(6)に示すとおりである。なお、図8に示したΔVINTは、VINT(t0)とVINT(ts)との差分に相当し、Qinj/CINTに等しい。
【0126】
【数1】
【0127】
図24に示したように、本実施形態にかかる光センサによれば、積分期間の終期におけるΔVSIG(t0)が、ΔVSIG(t1)まで増幅される。これにより、積分期間終了時点における受光面の照度の差による蓄積ノードの電位差よりも、突き上げ後の電位差の方が大きくなる。例えば、暗状態の場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位との電位差よりも、前記暗状態の場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位との電位差の方が大きくなる。したがって、感度が高く、かつS/N比も高い光センサを実現することができる。
【0128】
なお、第5の実施形態にかかる構成は、配線RWSの幅広部111がコンデンサC1のゲート電極を兼ねているので、例えば後述する第7の実施形態よりもコンタクトが少なくて済み、光センサ回路を小型化できるという利点がある。また、第5の実施形態にかかる構成では、配線RWSの幅広部111が、蓄積ノードINTをソース線COLからシールドする配置となっている。したがって、蓄積ノードINTの上層にソース線COLが配置される構成と比較して、蓄積ノードINTに対するソース線COLからのノイズ干渉を抑制できるという利点もある。
【0129】
また、前述の第1〜4の各実施形態に示した光センサにおいては、読み出し信号のローレベルVRWS.Lをリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも小さく設定し、参照電圧配線VCの電圧をリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く設定しておき、リセット信号RST供給後の積分期間中はpチャネル薄膜トランジスタM8をオン状態とし、読み出し信号RWS供給後の読み出し期間中はpチャネル薄膜トランジスタM8をオフ状態とすることによってセンサを駆動させていた。一方、前述の第1〜4の各実施形態における変形例として示した光センサにおいては、参照電圧配線VCの電圧をリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く設定しておき、読み出し信号の電圧を任意に設定して、リセット信号RST供給後の積分期間中はnチャネル薄膜トランジスタM9をオン状態とし、読み出し信号RWS供給後の読み出し期間中はnチャネル薄膜トランジスタM9をオフ状態とすることによってセンサを駆動させていた。
【0130】
これらの駆動条件は、本実施形態において、センサの感度を高めるために示した条件(例えば、図24等)と合致する。このため、本実施形態に示した可変コンデンサを、前述の各実施形態のいずれについても適用することが可能である。
【0131】
[第6の実施形態]
以下、本発明の第6の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の各実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0132】
本実施形態にかかる表示装置は、第5の実施形態において説明した光センサの可変コンデンサC1の代わりに、図3に示した増幅素子としてのpチャネルTFT(トランジスタM10)を備えた光センサを用いる構成である。なお、トランジスタM10を増幅素子として用いた本実施形態の光センサの駆動信号および動作は、第5の実施形態において参照して説明したものと同じである。したがって、本実施形態にかかる光センサによっても、蓄積ノードの電位VINTを増幅して読み出すことができる。
【0133】
[第7の実施形態]
以下、本発明の第7の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0134】
図27は、本実施形態にかかる光センサの等価回路図である。本実施形態の光センサは、増幅素子としてnチャネルTFT(トランジスタM11)を用いたものである。なお、nチャネルTFTを増幅素子として用いた本実施形態の光センサの駆動信号は、pチャネルTFTを増幅素子として用いた第6の実施形態の駆動信号とは、ハイレベルとローレベルの電位が逆である。その駆動信号によれば、本実施形態の光センサは、第5の実施形態において図25を参照して説明したとおり、蓄積ノードの電位VINTを増幅して読み出すことができる。
【0135】
図27に示すとおり、本実施形態にかかる光センサにおいては、ダイオードD1が第6の実施形態とは逆向きに接続されている。すなわち、ダイオードD1のカソードが配線RSTに接続され、nチャネルTFTに接続されている。さらに、読み出し用のトランジスタM2が、pチャネルTFTである。
【0136】
[第8の実施形態]
以下、本発明の第8の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0137】
図28は、本実施形態にかかる光センサの等価回路図である。本実施形態にかかる光センサは、増幅素子としてダイオードD3を用いた点において、前述の各実施形態と異なる。なお、ここで用いるダイオードD3は、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである。ダイオードD3は、チャネル領域上にゲート電極を設けたことにより、ゲート−ダイオード間の容量によって読み出し期間の突き上げを行う。図28に示すように、本実施形態にかかる光センサは、増幅素子として機能するダイオードD3を有する。図28に示すように、ダイオードD3のカソード(n型半導体領域)は、ダイオードD1のカソード(n型半導体領域)に接続され、ダイオードD3のアノード(p型半導体領域)は、蓄積ノードINTに接続されている。
【0138】
この構成においても、第6の実施形態において図24に示したリセット信号および読み出し信号によって、第6の実施形態で図25に示したとおり、蓄積ノードINTの電位VINTを増幅して読み出すことができる。なお、蓄積ノードINTは、トランジスタM2'のゲートにリセット信号が供給されることによって、リセットされる。
【産業上の利用可能性】
【0139】
本発明は、アクティブマトリクス基板の画素領域内に光センサを有する表示装置として、産業上利用可能である。
【符号の説明】
【0140】
1 画素領域
2 ディスプレイゲートドライバ
3 ディスプレイソースドライバ
4 センサカラム(column)ドライバ
41 センサ画素読み出し回路
42 センサカラムアンプ
43 センサカラム走査回路
5 センサロウ(row)ドライバ
6 バッファアンプ
7 FPCコネクタ
8 信号処理回路
9 FPC
100 アクティブマトリクス基板
【技術分野】
【0001】
本発明は、フォトダイオード等の光検出素子を有する光センサおよび、この光センサを画素領域内に備えた表示装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えばフォトダイオード等の光検出素子を画素内に備えたことにより、外光の明るさを検出したり、ディスプレイに近接した物体の画像を取り込んだりすることが可能な、光センサ付き表示装置が提案されている。このような光センサ付き表示装置は、双方向通信用表示装置や、タッチパネル機能付き表示装置としての利用が想定されている。
【0003】
従来の光センサ付き表示装置では、アクティブマトリクス基板において、信号線および走査線、TFT(Thin Film Transistor)、画素電極等の周知の構成要素を半導体プロセスによって形成する際に、同時に、アクティブマトリクス基板上にフォトダイオード等を作り込む(特許文献1、非特許文献1参照)。
【0004】
なお、光センサ付きの表示装置において、センサ出力が環境温度に大きく依存することが知られている。すなわち、環境温度が変化すると、それに伴って光検出素子の特性が変動してしまい、光強度の変化を正しく検出できなくなるという問題がある。
【0005】
このような光センサの温度依存性は、暗電流(リーク電流とも呼ばれる)に起因している。この暗電流を補償するために、アクティブマトリクス基板上に、入射光の強度を検出する光検出素子(光検出用素子)を有する光センサ以外に、いわゆるダミーセンサとして暗電流のみを検出するための遮光された光検出素子(参照用素子)を設けた構成が知られている(特許文献2,3および非特許文献2参照)。この従来の構成においては、参照用素子からの出力は暗電流成分を反映しているので、光センサの後段の回路において、参照用素子からの出力を光検出素子の出力から相殺することにより、温度依存性を低減させたセンサ出力を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2006−3857号公報
【特許文献2】特開2007−18458号公報
【特許文献3】特開2007−81870号公報
【非特許文献】
【0007】
【非特許文献1】“A Touch Panel Function Integrated LCD Including LTPS A/D Converter”, T.Nakamura等, SID 05 DIGEST, pp1054−1055, 2005
【非特許文献2】“LTPS Ambient Light Sensor with Temperature Compensation”,S.Koide等,IDW‘06 pp689−690,2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、光検出素子と参照用素子とを画素領域内に配置する場合、光検出用素子の蓄積容量には、入射光に起因して発生する電流と暗電流との両方が充放電される。したがって、高温時に暗電流が増加することを考慮すると、光センサのダイナミックレンジを大きくとることができないという課題がある。
【0009】
本発明は、上記の課題を鑑み、光検出素子と参照用素子とを画素領域内に配置する場合においても、ダイナミックレンジが広く、かつ温度依存性が低減された光センサおよび、このような光センサを有する表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明にかかる光センサは、上記の課題を解決するために、蓄積ノードと、リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、を備える。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、ダイナミックレンジが広く、かつ温度依存性が低減された光センサおよび、このような光センサを有する表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図2】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図3】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図4】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図5】本発明の一実施形態にかかる表示装置の概略構成を示すブロック図である。
【図6】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図7】本発明の一実施形態にかかる表示装置において、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図8】本発明の一実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【図9】本発明の一実施形態にかかる表示装置におけるセンサ駆動タイミングを示すタイミングチャートである。
【図10】本発明の一実施形態にかかるセンサ画素読み出し回路の内部構成を示す回路図である。
【図11】本発明の一実施形態にかかる読み出し信号と、センサ出力と、センサ画素読み出し回路の出力との関係を示す波形図である。
【図12】本発明の一実施形態にかかるセンサカラムアンプの構成例を示す回路図である。
【図13】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図14】本発明の一実施形態にかかる表示装置において、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。
【図15】本発明の一実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【図16】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図17】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図18】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図19】本発明の一実施形態にかかる表示装置の一変形例を示す等価回路図である。
【図20】本発明の一実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【図21】本発明の一実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【図22】本発明の一実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。
【図23】本発明の一実施形態にかかる光センサが備えるコンデンサのCV特性図である。
【図24】本発明の一実施形態にかかる光センサにおける駆動信号の波形と、蓄積ノードの電位変化とを示すタイミングチャートである。
【図25】本発明の一実施形態にかかる積分期間の最後から読み出し期間にかけての蓄積ノードの電位VINTの変化を示す波形図である。
【図26A】本発明の一実施形態にかかるコンデンサC1においてゲート電極の電位が閾値電圧よりも低いときの電荷の移動を示す断面模式図である。
【図26B】本発明の一実施形態にかかるコンデンサC1においてゲート電極の電位が閾値電圧よりも高いときの電荷の移動を示す断面模式図である。
【図27】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【図28】本発明の一実施形態にかかる光センサの等価回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
(1)本発明の一実施形態にかかる光センサは、蓄積ノードと、リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、を備える構成である。
【0014】
この構成においては、蓄積ノードの電位は、光検出用素子および参照用素子からの出力電流に応じて変化する。また、前記の接続ノードには、リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間(いわゆる積分期間)に、前記出力電流に応じて変化した前記蓄積ノードの電位を読み出すための第1のスイッチング素子が接続されている。これにより、前記蓄積ノードの電位は、読み出し期間において、光検出用素子から出力される光電流と暗電流との和(IPHOTO+IDARK)と、参照用素子から出力される暗電流(IDARK、ただし光検出用素子からの暗電流IDARKの逆符号)との和に応じて変化することとなる。この結果、前記蓄積ノードの電位には、光電流IPHOTO成分のみが反映されることとなるので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、入射光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKが蓄積ノードの電位変化に反映されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを備えた表示装置を実現することができる。さらに、読み出し期間中においては、蓄積ノードの電位が、参照用素子の蓄積ノードとは反対側の電位を超えた場合は、第2のスイッチング素子により参照用素子が前記蓄積ノードから分離される。そのため、蓄積ノードの電位が高くなっても、参照用素子側の電位に関わらず、センシング期間において変化した蓄積ノードの電位を正確に読み出し出力することができる。その結果、参照用素子側の電極を蓄積ノードより高く保持させておく必要がなくなり、回路設計の自由度を向上させることができる。
【0015】
(2)前記の光センサは、前記第2のスイッチング素子が、pチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記読み出し信号配線に接続された構成とすることができる。
【0016】
(3)あるいは、前記第2のスイッチング素子が、nチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側に接続された構成とすることもできる。
【0017】
(4)前記の光センサは、前記蓄積ノードに一方の電極が接続された蓄積容量であって、前記光検出用素子および前記参照用素子からの出力電流を充放電する蓄積容量を備えた構成とすることもできる。
【0018】
(5)前記の光センサは、前記読み出し信号に応じて、前記蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子とを備える、構成とすることもできる。この構成によれば、読み出し信号に応じて蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子を備えたことにより、積分期間終了時点における受光面の照度の差による蓄積ノードの電位差よりも、突き上げ後の電位差の方が大きくなる。例えば、暗状態の場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位との電位差よりも、前記暗状態の場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位との電位差の方が大きくなる。なお、この電位差の増幅機能は、暗状態の場合と飽和レベルの光が入射した場合とに限らず、任意の照度間で成立する。これにより、感度が高い光センサを有する表示装置を提供することができる。
【0019】
(6)前記の光センサにおいて、前記増幅素子は、前記蓄積ノードと,前記第1のスイッチング素子との間に接続されたpチャネルトランジスタであり、前記読み出し配線に接続される制御電極を備える構成とすることもできる。この場合、pチャネル薄膜トランジスタにおいて、前記光検出素子と前記蓄積ノードとを接続するシリコン膜の幅広部にチャネル領域が形成され、前記幅広部にオーバーラップするように当該pチャネル薄膜トランジスタのゲート電極が設けられた構成とすることが好ましい。この構成によれば、境界長を短くすることができ、寄生容量やリーク電流によるダイナミックレンジの減少を防止できるからである。
【0020】
(7)前記の光センサにおいて、前記増幅素子は、前記蓄積ノードに一方の電極が接続され、前記読み出し配線に他方の電極が接続された可変コンデンサである構成とすることもできる。この場合、前記可変コンデンサとしては、例えば、前記読み出し信号配線と、絶縁膜と、シリコン膜に形成されたp型半導体領域とを含むMOSコンデンサを用いることができる。あるいは、前記可変コンデンサとしては、前記センサスイッチング素子のゲート電極と、絶縁膜と、シリコン膜に形成されたn型半導体領域とを含むMOSコンデンサを用いることができる。前者の構成によれば、前記読み出し信号配線を、当該可変コンデンサのゲート電極として用いることができるので、読み出し信号配線とゲート電極とを接続するための配線やコンタクトを設ける必要がないといった利点がある。
【0021】
(8)あるいは、前記の光センサは、前記増幅素子がnチャネル薄膜トランジスタである構成とすることもできる。(9)あるいは、前記の光センサは、前記増幅素子が、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである構成とすることもできる。この構成によれば、境界長を短くすることができる。
【0022】
(10)なお、前記の光センサにおいて、光センサへの入射光がない場合に、前記光検出用素子からの出力電流と、前記参照用素子からの出力電流とが等しいことが好ましい。すなわち、光検出用素子の暗電流と参照用素子の暗電流とが等しければ、環境温度に変化があったときに、温度依存性をほぼ確実に除去することができるからである。
【0023】
(11)また、前記の光センサにおいて、前記光検出用素子および前記参照用素子がフォトダイオードであり、前記光検出用素子および前記参照用素子において、p層とn層との間隔の長さおよび幅が互いに略等しいことが好ましい。なお、「略等しい」とは、設計上の長さおよび幅が同じであっても、エッチングや露光などのプロセスばらつきによって長さおよび幅が厳密に設計値どおりになっていない場合も含む趣旨である。この構成によれば、自己寄生蓄積容量等によって若干の差が生じる可能性はあるものの、光検出用素子と参照用素子の特性がほぼ等しくなる。この結果、光検出用素子の暗電流と参照用素子の暗電流とが等しくなるので、環境温度に変化があったときに、温度依存性をほぼ確実に除去することができる。
【0024】
(12)前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が1つのトランジスタで構成され、前記読み出し信号配線が前記蓄積容量の他方の電極に接続された構成とすることができる。(13)あるいは、前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタで構成され、前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続された構成とすることもできる。
【0025】
(14)あるいは、前記の光センサは、前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタで構成され、前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続され、前記第3のトランジスタの制御電極に、前記リセット信号配線が接続され、前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の一方が、前記蓄積ノードに接続され、前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の他方が、電源電圧を供給する配線に接続された構成としても良い。
【0026】
(15)前記の光センサは、アクティブマトリクス基板の画素領域に光センサを備えた表示装置に用いることができる。
【0027】
以下、本発明のより具体的な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明にかかる表示装置を液晶表示装置として実施する場合の構成例を示したものであるが、本発明にかかる表示装置は液晶表示装置に限定されず、アクティブマトリクス基板を用いる任意の表示装置に適用可能である。なお、本発明にかかる表示装置は、光センサを有することにより、画面に近接する物体を検知して入力操作を行うタッチパネル付き表示装置や、表示機能と撮像機能とを具備した双方向通信用表示装置等としての利用が想定される。
【0028】
また、以下で参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態の構成部材のうち、本発明を説明するために必要な主要部材のみを簡略化して示したものである。従って、本発明にかかる表示装置は、本明細書が参照する各図に示されていない任意の構成部材を備え得る。また、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法および各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
【0029】
[第1の実施形態]
図1は、第1の実施形態に係る光センサの回路構成を示す図である。図1に示す光センサは、フォトダイオードD1,D2と、コンデンサCINTと、薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8を備えている。フォトダイオードD1は、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子の一例であり、フォトダイオードD2は、入射光に対する遮光層を有する参照用素子の一例である。
【0030】
フォトダイオードD1,D2は、光が照射されないときの出力電流が等しくなるように、回路特性または素子特性が最適化されている。フォトダイオードのI−V特性(逆バイアス領域)は印加電圧に依存しないので、理想的には、フォトダイオードD1,D2のサイズ(光検出領域として機能する半導体層の長さLと幅W)が同じであれば、暗電流は等しくなる。なお、フォトダイオードD1,D2としては、例えば、ラテラル構造または積層構造のPN接合またはPIN接合ダイオードを用いることが可能である。この場合、上述したように、p層とn層との境界領域(すなわち光検出領域として機能する半導体層)の長さと幅がそれぞれ等しい2つのフォトダイオードを、フォトダイオードD1,D2として用いることが好ましい。この好ましい構成によれば、自己寄生容量による微差があるかも知れないが、光が照射されないときのフォトダイオードD1,D2の出力電流をほぼ等しくすることができる。なお、フォトダイオードD1は入射光を受光するが、フォトダイオードD2は暗電流を検出する参照用素子として用いられるため、外光が入射しないように遮光されている。
【0031】
フォトダイオードD1のアノードには、リセット信号を供給するための配線RSTが接続されている。フォトダイオードD1のカソードは蓄積ノードINTに接続されている。蓄積ノードINTには、コンデンサCINTの電極の一方が接続されており、コンデンサCINTの電極の他方は、配線RWSに接続されている。配線RWSは、蓄積ノードINTへ読み出し信号を供給する読み出し信号配線の一例である。
【0032】
フォトダイオードD2のカソードは、一定の電圧VCの信号を供給する参照用電圧配線VC(DC電源)に接続されている。フォトダイオードD2のアノードは、蓄積ノードINTにpチャネル薄膜トランジスタM8を介して接続されている。すなわち、pチャネル薄膜トランジスタM8のソースはフォトダイオードD2のアノードに、ドレインは蓄積ノードINTに、ゲート(制御電極の一例)は、配線RWSに接続されている。
【0033】
蓄積ノードINTには、トランジスタM2のゲート(制御電極)が接続されている。トランジスタM2のドレインは定電圧VDDを光センサへ供給するための配線VDDに接続され、ソースは、出力のための配線OUTに接続されている。
【0034】
図1に示す回路構成においては、フォトダイオードD1およびD2に流れる電流により、コンデンサCINTに充電または放電される。そのため、蓄積ノードINTの電位は、フォトダイオードD1およびD2に流れる電流により変化する。例えば、配線RSTからリセット信号が供給されてから、配線RWSから読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、フォトダイオードD1の受光量に応じて流れる電流およびフォトダイオードD2に流れる電流に応じて蓄積ノードINTの電位は変化する。読み出し信号供給時には、トランジスタM2が導通状態になることで、蓄積ノードINTの電位は変化に応じた信号が配線VOUTへ出力される。
【0035】
また、pチャネル薄膜トランジスタM8は、読み出し信号供給時に、読み出し信号VRWSが、蓄積ノードINTの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM8の閾値Vthとを加算した値より高くなるときには、非導通状態になる。すなわち、読み出し信号VRWSが、蓄積ノードINTの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM8の閾値Vthとを加算した値より高くなるときには、蓄積ノードINTとフォトダイオードD2とが電気的に分離される。その結果、蓄積ノードINTの電位を、読み出し信号により電圧VC以上に突き上げることができる。
【0036】
図2は、本実施形態における光センサの回路構成の変形例を示す図である。図2に示す例では、フォトダイオードD2と蓄積ノードINTの間には、nチャネル薄膜トランジスタM9が接続されている。すなわち、nチャネル薄膜トランジスタM9のドレインは、フォトダイオードD2のアノードに、ソースは蓄積ノードINTに、ゲート(制御電極)は、Vcへ接続されている。
【0037】
図2に示す回路構成においても、nチャネル薄膜トランジスタM9は、蓄積ノードINTの電位VINTが、電圧VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値より高いときには、非導通状態になる。すなわち、蓄積ノードINTの電位VINTが、電圧VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値より高いときには、蓄積ノードINTとフォトダイオードD2とが電気的に分離される。その結果、蓄積ノードINTの電位を、読み出し信号により電圧VC以上に突き上げることができる。
【0038】
ここで、図7および図8を参照し、本実施形態にかかる光センサの動作について説明する。図7は、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。図8は、第1の実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【0039】
図7および図8に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは0V、ローレベルVRST.Lは−4Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは4V、ローレベルVRWS.Lは−4Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSRに等しい。
【0040】
まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(−4V)から立ち上がってハイレベル(0V)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなる。このとき、トランジスタM2のゲート電極の電位VINTはトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。また、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲート電極の電位は読み出し信号のローレベル(−4V)と等しいので、pチャネル薄膜トランジスタM8は導通状態となっている。このため、フォトダイオードD2もリセット信号によってリセットされる。
【0041】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図8に示す期間TINT)が始まる。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが、pチャネル薄膜トランジスタM8を介して、蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間においても、VINTがトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。
【0042】
積分期間が終わると、図7に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。なお、読み出し期間は、読み出し信号RWSがハイレベルの間、継続する。読み出し期間においては、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートの電位は、読み出し信号VRWSと等しい。よって、pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートの電位が閾値電圧よりも高くなることにより、pチャネル薄膜トランジスタM8は非導通状態となる。このため、読み出し信号RWSが供給されることによって、フォトダイオードD2が順バイアスになることはない。
【0043】
また、コンデンサCINTに対して電荷注入が起こる。この結果、トランジスタM2のゲート電極の電位VINTが、トランジスタM2の閾値電圧よりも高くなる。これにより、トランジスタM2は導通状態となる。例えば、配線OUTの端部にバイアストランジスタM3(図示せず)を設けることにより、トランジスタM2およびM3はソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、トランジスタM3のドレインからの出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0044】
なお、図8において、破線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に外光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。図8のΔVが、フォトダイオードD1からの光電流IPHOTOの積分値に比例した電位差である。
【0045】
本実施形態にかかる光センサは、上述のとおり、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0046】
また、参照電圧配線VCの電圧VCは、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高ければよいことから、参照電圧配線VCにはDC電源を使用することができる。
【0047】
さらに、配線RWSにより読み出し信号が供給されると、pチャネル薄膜トランジスタM8が非導通状態となることによりフォトダイオードD2が無効化されるため、読み出し期間においてフォトダイオードD2を逆バイアスに保持しておく必要がない。このため、フォトダイオードD2のカソードの接続先である参照電圧配線VCの電圧を高く設定する必要がない。
【0048】
このように、読み出し信号の電圧設計の自由度が高まるため、例えば、読み出し信号を供給する配線RWSに増幅素子を接続した構成も可能になる。図3は、図1に示す光センサにおいて、コンデンサCINTの代わりに増幅素子を用いた場合の回路構成の例を示す図である。
【0049】
図3に示す光センサは、増幅素子の一例であるpチャネル薄膜トランジスタM10を備える。pチャネル薄膜トランジスタM10のドレインは蓄積ノードINTに、ソースはトランジスタM2のゲートに、ゲートは読み出し信号を供給する配線RWSに接続されている。
【0050】
図4に示す光センサは、図2に示す光センサにおいて、コンデンサCINTの代わりにpチャネル薄膜トランジスタM10を用いた場合の回路構成の例を示す図である。pチャネル薄膜トランジスタM11のドレインは蓄積ノードINTに、ソースはトランジスタM2のゲートに、ゲートは読み出し信号を供給する配線RWSに接続されている。
【0051】
図3、4に例示する増幅素子(pチャネル薄膜トランジスタM10、M11)は、蓄積ノードINTの電位を増幅する増幅素子の一例である。増幅素子としては、pチャネル薄膜トランジスタの他に、例えば、可変コンデンサ(詳細は後述)、nチャネル薄膜トランジスタまたはチャネル上にゲート電極を備えたダイオード等を用いることができる。
【0052】
pチャネル薄膜トランジスタM10、M11により、蓄積ノードINTの電位を増幅して、読み出すことができる。これらのpチャネル薄膜トランジスタM10、M11のような増幅素子の動作条件は、読み出し信号のローレベルVRWS.Lが、蓄積ノードの電位VINTとpチャネル薄膜トランジスタM10またはM11の閾値Vthとを加算した値を超えないことである。センシング期間(リセット信号が供給されてから読み出し信号が供給されるまでの期間)ではpチャネル薄膜トランジスタM10、M11は導通状態であり、読み出し期間に導通状態から非道通状態に変化する(動作の詳細は後述する)。読み出し信号は、参照用電圧VCに関わらず自由に設定できるので、図3、4に例示するように、増幅素子を用いた構成が可能になる。
【0053】
[第2の実施形態]
最初に、図5および図6を参照しながら、本発明の第1の実施形態にかかる光センサを備える液晶表示装置の構成について説明する。
【0054】
図5は、本発明の一実施形態にかかる液晶表示装置が備えるアクティブマトリクス基板100の概略構成を示すブロック図である。図5に示すように、アクティブマトリクス基板100は、ガラス基板上に、画素領域1、ディスプレイゲートドライバ2、ディスプレイソースドライバ3、センサカラム(column)ドライバ4、センサロウ(row)ドライバ5、バッファアンプ6、FPCコネクタ7を少なくとも備えている。また、画素領域1内の光検出素子(後述)で取り込まれた画像信号を処理するための信号処理回路8が、前記FPCコネクタ7とFPC9とを介して、アクティブマトリクス基板100に接続されている。
【0055】
なお、アクティブマトリクス基板100上の上記の構成部材は、半導体プロセスによってガラス基板上にモノリシックに形成することも可能である。あるいは、上記の構成部材のうちのアンプやドライバ類を、例えばCOG(Chip On Glass)技術等によってガラス基板上に実装した構成としても良い。あるいは、図5においてアクティブマトリクス基板100上に示した上記の構成部材の少なくとも一部が、FPC9上に実装されることも考えられる。アクティブマトリクス基板100は、全面に対向電極が形成された対向基板(図示せず)と貼り合わされ、その間隙に液晶材料が封入される。
【0056】
画素領域1は、画像を表示するために、複数の画素が形成された領域である。本実施形態では、画素領域1における各画素内には、画像を取り込むための光センサが設けられている。図6は、アクティブマトリクス基板100の画素領域1における画素と光センサとの配置を示す等価回路図である。図6の例では、1つの画素が、R(赤)、G(緑)、B(青)の3色の絵素によって形成され、この3絵素で構成される1つの画素内に、2つのフォトダイオードD1,D2とコンデンサCINTと薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8によって構成される1つの光センサが設けられている。画素領域1は、M行×N列のマトリクス状に配置された画素と、同じくM行×N列のマトリクス状に配置された光センサとを有する。なお、上述のとおり、絵素数は、M×3Nである。
【0057】
このため、図6に示すように、画素領域1は、画素用の配線として、マトリクス状に配置されたゲート線GLおよびソース線COLを有している。ゲート線GLは、ディスプレイゲートドライバ2に接続されている。ソース線COLは、ディスプレイソースドライバ3に接続されている。なお、ゲート線GLは、画素領域1内にM行設けられている。以下、個々のゲート線GLを区別して説明する必要がある場合は、GLi(i=1〜M)のように表記する。一方、ソース線COLは、上述のとおり、1つの画素内の3絵素にそれぞれ画像データを供給するために、1画素につき3本ずつ設けられている。ソース線COLを個々に区別して説明する必要がある場合は、COLrj,COLgj,COLbj(j=1〜N)のように表記する。
【0058】
ゲート線GLとソース線COLとの交点には、画素用のスイッチング素子として、薄膜トランジスタ(TFT)M1が設けられている。なお、図6では、赤色、緑色、青色のそれぞれの絵素に設けられている薄膜トランジスタM1を、M1r,M1g,M1bと表記している。薄膜トランジスタM1のゲート電極はゲート線GLへ、ソース電極はソース線COLへ、ドレイン電極は図示しない画素電極へ、それぞれ接続されている。これにより、図6に示すように、薄膜トランジスタM1のドレイン電極と対向電極(VCOM)との間に液晶容量LCが形成される。また、ドレイン電極とTFTCOMとの間に補助容量LSが形成されている。
【0059】
図6において、1本のゲート線GLiと1本のソース線COLrjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1rによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように赤色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLrjを介してディスプレイソースドライバ3から赤色の画像データが供給されることにより、赤色の絵素として機能する。また、ゲート線GLiとソース線COLgjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1gによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように緑色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLgjを介してディスプレイソースドライバ3から緑色の画像データが供給されることにより、緑色の絵素として機能する。さらに、ゲート線GLiとソース線COLbjとの交点に接続された薄膜トランジスタM1bによって駆動される絵素は、この絵素に対応するように青色のカラーフィルタが設けられ、ソース線COLbjを介してディスプレイソースドライバ3から青色の画像データが供給されることにより、青色の絵素として機能する。
【0060】
なお、図6の例では、光センサは、画素領域1において、1画素(3絵素)に1つの割合で設けられている。ただし、画素と光センサの配置割合は、この例のみに限定されず、任意である。例えば、1絵素につき1つの光センサが配置されていても良いし、複数画素に対して1つの光センサが配置された構成であっても良い。
【0061】
光センサは、図6に示すように、フォトダイオードD1,D2と、コンデンサCINTと、薄膜トランジスタM2とpチャネル薄膜トランジスタM8を備えている。図6に示す光センサは、図1に示した回路構成と同様である。 図6の例では、ソース線COLrが、センサカラムドライバ4から定電圧VDDを光センサへ供給するための配線VDDを兼ねている。また、ソース線COLgが、センサ出力用の配線OUTを兼ねている。
【0062】
フォトダイオードD1のアノードには、リセット信号を供給するための配線RSTが接続されている。フォトダイオードD1とpチャネル薄膜トランジスタM8とは直列に接続されており、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に、トランジスタM2のゲートと、コンデンサCINTの電極の一方が接続されている。pチャネル薄膜トランジスタM8のソースは、フォトダイオードD2のアノードに接続されている。pチャネル薄膜トランジスタM8のゲートは、配線RWSに接続されている。フォトダイオードD2のカソードは、参照電圧配線VCに接続されている。
【0063】
トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは配線OUTに接続されている。配線RST,RWSは、センサロウドライバ5に接続されている。これらの配線RST,RWSは1行毎に設けられているので、以降、各配線を区別する必要がある場合は、RSTi,RWSi(i=1〜M)のように表記する。
【0064】
センサロウドライバ5は、所定の時間間隔(trow)で、図6に示した配線RSTiとRWSiとの組を順次選択していく。これにより、画素領域1において信号電荷を読み出すべき光センサの行(row)が順次選択される。
【0065】
なお、図6に示すように、配線OUTの端部には、絶縁ゲート型電界効果トランジスタM3のドレインが接続されている。また、このトランジスタM3のドレインには、出力配線SOUTが接続され、トランジスタM3のドレインの電位VSOUTが、光センサからの出力信号としてセンサカラムドライバ4へ出力される。トランジスタM3のソースは、配線VSSに接続されている。トランジスタM3のゲートは、参照電圧配線VBを介して、参照電圧電源(図示せず)に接続されている。
【0066】
本実施形態にかかる光センサの動作は、図7および図8に示した動作と同様である。
【0067】
図7および図8に示した動作のように、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0068】
本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサは、上述のとおり、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0069】
また、参照電圧配線VCの電圧は、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高ければよいことから、参照電圧配線VCにはDC電源を使用することができる。
【0070】
さらに、読み出し信号RWSが供給されると、pチャネル薄膜トランジスタM8が非導通状態となることによりフォトダイオードD2が無効化されるため、読み出し期間においてフォトダイオードD2を逆バイアスに保持しておく必要がない。このため、フォトダイオードD2のカソードの接続先である参照電圧配線VCの電圧を高く設定する必要がない。
【0071】
また、参照電圧配線VCに代えて、既存の配線を用いて回路を構成することもできる。例えば、特性安定化のためにフォトダイオード上に形成された透明電極ITOで形成されたシールド電極を用いて回路を構成することもできる。図20は、本実施形態にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。
【0072】
図20に示すように、本実施形態にかかる光センサは、ソース線COLgとCOLbとの間の領域にトランジスタM2を備えている。フォトダイオードD1は、ベースとなるシリコン膜に、p型半導体領域102pと、i型半導体領域102iと、n型半導体領域102nとが直列に形成された、ラテラル構造のPINダイオードである。p型半導体領域102pは、フォトダイオードD1のアノードとなり、配線108およびコンタクト109,110を介して配線RSTに接続される。n型半導体領域102nは、フォトダイオードD1のカソードとなり、シリコン膜の延設部107,コンタクト105,106、および配線104を介して、トランジスタM2のゲート電極101に接続される。
【0073】
フォトダイオードD2は、フォトダイオードD1と同様に、ベースとなるシリコン膜に、p型半導体領域102pと、i型半導体領域102iと、n型半導体領域102nとが直列に形成された、ラテラル構造のPINダイオードである。ただし、n型半導体領域102n(カソード)が、配線115およびコンタクト116,117を介してシールド電極114に接続される。また、p型半導体領域102p(アノード)が、シリコン膜の延設部107,コンタクト105,106、および配線104を介して、トランジスタM2のゲート電極101に接続される。
【0074】
この構成において、配線RST,RWSは、トランジスタM2のゲート電極101と同じ金属により同じ工程で形成されている。また、配線104,108は、ソース線COLと同じ金属により同じ工程で形成されている。フォトダイオードD1,2の背面には、バックライト光がセンサへ入射することを防止するための遮光膜113が設けられている。
【0075】
なお、本実施形態においては、pチャネル薄膜トランジスタM8を備えた光センサを開示したが、図17に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。図17においては、nチャネル薄膜トランジスタM9のゲートは、配線RWSではなく、フォトダイオードD2のカソードと同様に、参照電圧配線VCに接続されている。なお、参照電圧配線VCの電圧は、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hよりも低ければ良い。
【0076】
読み出し信号RWSが立ち上がると、VINTの電位が突き上げられる。この直後においては、突き上げられたVINTの電位が、VCからnチャネル薄膜トランジスタM9の閾値Vthを減算した値よりも高くなった時点で、nチャネル薄膜トランジスタM9にオフ電圧がかかる。つまり、オフ電圧がかかった時点で、nチャネル薄膜トランジスタM9は非導通状態となる。これにより、読み出し信号RWSによって、VINTをVCよりも高い電位に突き上げることができる。
【0077】
この構成によっても、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTへ充放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0078】
なお、図17に示した構成は、図6に示した構成に対して、以下の利点を有する。図17の構成の場合は、読み出し信号RWSの電圧(VRWS.HまたはVRWS.L)を設定する場合の自由度が高い。これに対して、図6に示した構成は、読み出し信号RWSのローレベルVRWS.Lを、リセット信号のハイレベルVRST.Hよりも小さく設定する必要がある。
【0079】
図21は、図17にかかる光センサの平面構造の一例を示す平面図である。なお、以下の図21の説明においては、上述の図20で説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。図21に示すように、nチャネル薄膜トランジスタM9のゲート電極は、コンタクト119,120および配線118を介して、シールド電極114に接続される。
【0080】
なお、本実施形態では、前述したように、ソース線COLr,COLg,COLbを光センサ用の配線VDD,OUT,VSSとして共用しているので、図9に示すように、ソース線COLr,COLg,COLbを介して表示用の画像データ信号を入力するタイミングと、センサ出力を読み出すタイミングとを区別する必要がある。図9の例では、水平走査期間において表示用画像データ信号の入力が終わった後に、水平ブランキング期間等を利用してセンサ出力の読み出しが行われる。すなわち、表示用画像データ信号の入力が終わった後に、ソース線COLrには定電圧VDDが印加される。
【0081】
センサカラムドライバ4は、図5に示すように、センサ画素読み出し回路41と、センサカラムアンプ42と、センサカラム走査回路43とを含む。センサ画素読み出し回路41には、画素領域1からセンサ出力VSOUTを出力する配線SOUT(図10参照)が接続されている。図5において、配線SOUTj(j=1〜N)により出力されるセンサ出力を、VSOUTjと表記している。センサ画素読み出し回路41は、センサ出力VSOUTjのピークホールド電圧VSjを、センサカラムアンプ42へ出力する。センサカラムアンプ42は、画素領域1のN列の光センサにそれぞれ対応するN個のカラムアンプを内蔵しており、個々のカラムアンプでピークホールド電圧VSj(j=1〜N)を増幅し、VCOUTとしてバッファアンプ6へ出力する。センサカラム走査回路43は、センサカラムアンプ42のカラムアンプをバッファアンプ6への出力へ順次接続するために、カラムセレクト信号CSj(j=1〜N)を、センサカラムアンプ42へ出力する。
【0082】
ここで、図10および図11を参照し、画素領域1からセンサ出力VSOUTが読み出された後のセンサカラムドライバ4およびバッファアンプ6の動作について説明する。図10は、センサ画素読み出し回路41の内部構成を示す回路図である。図11は、読み出し信号VRWSと、センサ出力VSOUTと、センサ画素読み出し回路の出力VSとの関係を示す波形図である。前述のように、読み出し信号がハイレベルVRWS.Hになったとき、トランジスタM2が導通することにより、トランジスタM2,M3によりソースフォロアアンプが形成され、センサ出力VSOUTがセンサ画素読み出し回路41のサンプルキャパシタCSAMに蓄積される。これにより、読み出し信号がローレベルVRWS.Lになった後も、その行の選択期間(trow)中、センサ画素読み出し回路41からセンサカラムアンプ42への出力電圧VSは、図11に示すように、センサ出力VSOUTのピーク値と等しいレベルに保持される。
【0083】
次に、センサカラムアンプ42の動作について、図12を参照しながら説明する。図12に示すように、センサ画素読み出し回路41から、各列の出力電圧VSj(j=1〜N)が、センサカラムアンプ42のN個のカラムアンプへ入力される。図12に示すように、各カラムアンプは、トランジスタM6,M7から構成されている。センサカラム走査回路43によって生成されるカラムセレクト信号CSjが、1つの行の選択期間(trow)中に、N列のカラムのそれぞれに対して順次ONとなることにより、センサカラムアンプ42中のN個のカラムアンプのうちいずれか1つのみのトランジスタM6がONとなり、そのトランジスタM6を介して、各列の出力電圧VSj(j=1〜N)のいずれかのみが、センサカラムアンプ42からの出力VCOUTとして出力される。バッファアンプ6は、センサカラムアンプ42から出力されたVCOUTをさらに増幅し、パネル出力(光センサ信号)Voutとして信号処理回路8へ出力する。
【0084】
なお、センサカラム走査回路43は、上述のように光センサの列を1列ずつ走査するようにしても良いが、これに限定されず、光センサの列をインタレース走査する構成としても良い。また、センサカラム走査回路43が、例えば4相等の多相駆動走査回路として形成されていても良い。
【0085】
以上の構成により、本実施形態にかかる表示装置は、画素領域1において画素毎に形成されたフォトダイオードD1の受光量に応じたパネル出力VOUTを得る。パネル出力VOUTは、信号処理回路8に送られてA/D変換され、パネル出力データとしてメモリ(図示せず)に蓄積される。つまり、このメモリには、画素領域1の画素数(光センサ数)と同数のパネル出力データが蓄積されることとなる。信号処理回路8では、メモリに蓄積されたパネル出力データを用いて、画像取り込みやタッチ領域の検出等の各種信号処理を行う。なお、本実施形態では、信号処理回路8のメモリに、画素領域1の画素数(光センサ数)と同数のパネル出力データを蓄積するものとしたが、メモリ容量等の制約により、必ずしも画素数と同数のパネル出力データを蓄積することを要しない。
【0086】
[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の第2の実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0087】
図13は、第3の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図13に示すように、第3の実施形態にかかる表示装置の光センサは、フォトダイオードD1,D2、コンデンサCINT、薄膜トランジスタM2およびpチャネル薄膜トランジスタM8に加えて、薄膜トランジスタM4をさらに備えている。
【0088】
本実施形態の光センサにおいては、コンデンサCINTの一方の電極が、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間と、薄膜トランジスタM2のゲート電極とに接続され、コンデンサCINTの他方の電極は、配線VDDに接続されている。また、薄膜トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは薄膜トランジスタM4のドレインに接続されている。薄膜トランジスタM4のゲートは、読み出し信号配線RWSに接続されている。薄膜トランジスタM4のソースは、配線OUTに接続されている。なお、この例では、コンデンサCINTの電極の一つと、薄膜トランジスタM4のドレインとが、共に、共通の定電圧配線(配線VDD)に接続されている構成を示したが、これらが互いに異なる定電圧配線に接続された構成であっても構わない。
【0089】
ここで、本実施形態にかかる光センサの動作について、図14および図15を参照しながら説明する。
【0090】
図14は、光センサへ配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形をそれぞれ示すタイミングチャートである。図15は、第3の実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図である。
【0091】
リセット信号のハイレベルVRST.Hは、薄膜トランジスタM2がオン状態になる電位に設定される。図14に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは8Vである。また、リセット信号のローレベルVRST.Lは0Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVDDに等しく、ローレベルVRST.LはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは8V、ローレベルVRWS.Lは0Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSに等しい。
【0092】
まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(0V)から立ち上がってハイレベル(8V)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなる。このとき、トランジスタM2はオン状態となるが、読み出し信号RWSがローレベルであり、トランジスタM4がオフ状態なので、配線OUTへの出力はない。
【0093】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図15に示す期間TINT)が始まる。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間においても、VINTは、リセット電位(この例ではVRST.H=8V)から入射光の強さに応じて降下していく。しかし、トランジスタM4がオフ状態のため、配線OUTへのセンサ出力はない。なお、検出したい照度の上限値の光がフォトダイオードD1に照射された場合にセンサ出力が最も小さくなるように、すなわち、この場合にトランジスタM2のゲート電極の電位(VINT)が閾値をわずかに超える値となるように、センサ回路を設計することが望ましい。このように設計すれば、検出したい照度の上限値を超える光がフォトダイオードD1へ照射された場合には、VINTの値がトランジスタM2の閾値よりも低くなってトランジスタM2がオフ状態となるので、配線OUTへのセンサ出力はない。
【0094】
積分期間が終わると、図15に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。読み出し信号RWSがハイレベルになることにより、トランジスタM4がオン状態になる。それにより、トランジスタM2からの出力がトランジスタM4を通じて配線OUTへ出力される。このとき、トランジスタM2は、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0095】
なお、図15において、波線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に外光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。図15のΔVが、フォトダイオードD1からの光電流IPHOTOの積分値に比例した電位差である。
【0096】
以上のとおり、本実施形態の光センサによっても、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0097】
すなわち、本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサも、第2の実施形態と同様に、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTから放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0098】
本実施形態においても、図19に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。なお、図18に示す構成においては、蓄積期間中にフォトダイオードD2に順方向バイアスが印加されないようにするために、トランジスタM2,M3としてpチャネルTFTを用い、トランジスタM2のドレインをVSS、トランジスタM3のソースをVDDに接続した構成とすることにより、リセット信号RSTの電圧を変更する必要がある。なお、リセット信号RSTおよび読み出し信号RWSの駆動波形は、第2の実施形態において図7に示した波形と同じである。
【0099】
ただし、第2の実施形態で説明したとおり、図13に示した構成に比べて、図18に示した構成の方が、VRWS.Lの値に関わりなく、蓄積ノードINTを正しくリセットできるので、VRWS.Lの値を自由に設定することができるという利点がある。
【0100】
[第4の実施形態]
本発明の第4の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0101】
図16は、第4の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図16に示すように、第4の実施形態にかかる表示装置の光センサは、フォトダイオードD1,D2、コンデンサCINT、薄膜トランジスタM2、M4およびpチャネル薄膜トランジスタM8に加えて、薄膜トランジスタM5をさらに備えている。
【0102】
本実施形態の光センサにおいては、コンデンサCINTの一方の電極が、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続され、コンデンサCINTの他方の電極は、GNDに接続されている。なお、本実施形態においては、コンデンサCINTの他方の電極が、GND以外の定電圧配線(VDDまたはVSS)に接続されている構成であってもよい。
【0103】
また、薄膜トランジスタM2のゲートは、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続されている。薄膜トランジスタM2のドレインは配線VDDに接続され、ソースは薄膜トランジスタM4のドレインに接続されている。薄膜トランジスタM4のゲートは、読み出し信号配線RWSに接続されている。薄膜トランジスタM4のソースは、配線OUTに接続されている。薄膜トランジスタM5のゲートは、リセット信号配線RSTに接続され、ドレインは配線VDDに接続され、ソースはフォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの間に接続されている。なお、この例では、薄膜トランジスタM4,M5のドレインが、共に、共通の定電圧配線(配線VDD)に接続されている構成を示したが、これらが互いに異なる定電圧配線に接続された構成であっても構わない。
【0104】
ここで、本実施形態にかかる光センサの動作について説明する。なお、本実施形態の光センサにおいて、配線RSTから供給されるリセット信号と配線RWSから供給される読み出し信号の波形は、第3の実施形態において参照した図14と同じである。また、本実施形態の光センサにおける入力信号(RST,RWS)とVINTとの関係を示す波形図は、第3の実施形態において参照した図15と同じである。したがって、本実施形態においても、図14および図15を参照しながら説明する。
【0105】
リセット信号のハイレベルVRST.Hは、トランジスタM5がオン状態になる電位に設定される。図14に示す例では、リセット信号のハイレベルVRST.Hは8Vである。また、リセット信号のローレベルVRST.Lは0Vである。この例では、リセット信号のハイレベルVRST.HはVDDに等しく、ローレベルVRST.LはVSSに等しい。また、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hは8V、ローレベルVRWS.Lは0Vである。この例では、読み出し信号のハイレベルVRWS.HがVDDに等しく、ローレベルVRWS.LがVSSに等しい。
【0106】
最初に、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(VRST.L=0V)から立ち上がってハイレベル(VRST.H=8V)になると、トランジスタM5がオン状態となる。これにより、フォトダイオードD1のカソードとpチャネル薄膜トランジスタM8のドレインとの接続点の電位VINTがVDDにリセットされる。
【0107】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ることにより、光電流の積分期間(図15に示す期間TINT)が始まる。このとき、リセット信号がローレベルになることによりトランジスタM5がオフ状態となる。ここで、フォトダイオードD1のアノードはGND、カソード(VINT=VDD=8V)であるので、フォトダイオードD1に逆バイアスが印加される。積分期間においては、フォトダイオードD1,D2は逆バイアスとなり、電流がコンデンサCINTから流れ出し、コンデンサCINTを放電させる。このとき、フォトダイオードD1により、入射光によって生じる光電流IPHOTOと暗電流IDARKとの和が蓄積ノードINTから流れ出す。一方、フォトダイオードD2により、暗電流−IDARKが蓄積ノードINTから流れ出す。この結果、実質的に、コンデンサCINTから蓄積ノードINTへ流れ出す電流は、光電流IPHOTOの分だけとなる。積分期間において、VINTは、リセット電位(この例ではVRST.H=8V)から入射光の強さに応じて降下していく。しかし、トランジスタM4がオフ状態のため、配線OUTへのセンサ出力はない。なお、検出したい照度の上限値の光がフォトダイオードD1に照射された場合にセンサ出力が最も小さくなるように、すなわち、この場合にトランジスタM2のゲート電極の電位(VINT)が閾値をわずかに超える値となるように、センサ回路を設計することが望ましい。このように設計すれば、検出したい照度の上限値を超える光がフォトダイオードD1へ照射された場合には、VINTの値がトランジスタM2の閾値よりも低くなってトランジスタM2がオフ状態となるので、配線OUTへのセンサ出力はない。
【0108】
積分期間が終わると、図15に示すように、読み出し信号RWSが立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。読み出し信号RWSがハイレベルになることにより、トランジスタM4がオン状態になる。それにより、トランジスタM2からの出力がトランジスタM4を通じて配線OUTへ出力される。このとき、トランジスタM2は、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。すなわち、出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間にフォトダイオードD1へ入射した光による光電流IPHOTOの積分値に相当する。
【0109】
以上のとおり、本実施形態の光センサによっても、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを周期的に行うことにより、各画素の光センサ出力を得ることができる。
【0110】
すなわち、本実施形態にかかる表示装置の各画素に設けられた光センサも、第1および第3の実施形態と同様に、フォトダイオードD1の光電流IPHOTO分のみをコンデンサCINTから放電するので、暗電流IDARKの大きさに関わりなく、外光の強度を正確に検出することができる。また、暗電流IDARKがコンデンサCINTから放電されないので、ダイナミックレンジを広くとることが可能となる。これにより、環境温度に影響されることなく外光の強度を高精度に検出できる光センサを実現することが可能となる。
【0111】
本実施形態においても、図19に示すように、pチャネル薄膜トランジスタM8に代えてnチャネル薄膜トランジスタM9を備える構成としても良い。なお、リセット信号RSTおよび読み出し信号RWSの駆動波形は、第1の実施形態において図7に示した波形と同じである。
【0112】
ただし、第3の実施形態で説明したとおり、図16に示した構成に比べて、図19に示した構成の方が、VRWS.Lの値に関わりなく、蓄積ノードINTを正しくリセットできるので、VRWS.Lの値を自由に設定することができるという利点がある。
【0113】
以上、本発明についての第2〜第4の実施形態を説明したが、本発明は上述の各実施形態にのみ限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。
【0114】
例えば、第2〜第4の実施形態では、光センサに接続された配線VDDおよびOUTが、ソース配線COLと共用されている構成を例示した。この構成によれば、画素開口率が高いという利点がある。しかしながら、光センサ用の配線VDDおよびOUTをソース配線COLとは別個に設けた構成によっても、上記の第2および第3の実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、第3の実施形態においては、光センサ用の配線VDDをソース配線COLとは別個に設けて、この配線VDDへトランジスタM2とコンデンサCINTとを接続した構成とすれば、ソース配線COLに入力されるビデオ信号の影響でコンデンサCINTの電位が不安定になることがない、という利点がある。
【0115】
[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態にかかる表示装置について、以下に説明する。なお、前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0116】
図22は、第5の実施形態にかかる表示装置における一画素の構成を示す等価回路図である。図22に示すように、第5の実施形態にかかる表示装置の光センサは、第2の実施形態の図10において示したフォトダイオードD1,D2、薄膜トランジスタM2およびpチャネル薄膜トランジスタM8を備え、コンデンサCINTに代えてコンデンサC1(増幅素子)を備えている。なお、本実施形態において増幅素子として機能するコンデンサC1は、可変コンデンサである。
【0117】
図23は、コンデンサC1のCV特性図である。図23において、横軸はコンデンサC1の電極間電圧VCAP、縦軸は静電容量を表す。図23に示すように、コンデンサC1は、電極間電圧VCAPが小さい間は一定の静電容量を有するが、電極間電圧VCAPの閾値の前後で静電容量が急峻に変化する特性を有する。したがって、配線RWSからの読み出し信号の電位によって、コンデンサC1の特性を動的に変化させることができる。このような特性を有するコンデンサC1を用いることにより、本実施形態にかかる光センサは、積分期間TINTにおける蓄積ノードの電位変化を増幅して読み出すことができる。図24の例は、あくまでも一実施形態であるが、リセット信号のローレベルVRST.Lが−1.4Vであり、リセット信号のハイレベルVRST.Hが0Vである。また、読み出し信号のローレベルVRWS.Lが−3V、読み出し信号のハイレベルVRWS.Hが12Vである。図24においても、実線で示した波形は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、破線で示した波形は、フォトダイオードD1に飽和レベルの光が入射した場合の電位VINTの変化を表し、ΔVSIGがフォトダイオードD1へ入射した光の量に比例した電位差である。図24から明らかなように、本実施形態にかかる光センサでは、飽和レベルの光が入射した場合の積分期間TINTにおける蓄積ノードの電位変化が、従来の光センサよりも小さいが、読み出し期間において(読み出し信号の電位がハイレベルVRWS.Hである間)、この蓄積ノードの電位が増幅して読み出されている。
【0118】
ここで、図24を参照し、画素領域1からのセンサ出力の読み出しについて説明する。まず、センサロウドライバ5から配線RSTへ供給されるリセット信号がローレベル(VRST.L)から立ち上がってハイレベル(VRST.H)になると、フォトダイオードD1は順方向バイアスとなり、接続点INTの電位VINTは、下記の式(4)で表される。
【0119】
VINT = VRST.H−VF ・・・(4)
式(4)において、VFはフォトダイオードD1の順方向電圧である。このときのVINTはトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2はリセット期間において非導通状態となっている。
【0120】
次に、リセット信号がローレベルVRST.Lに戻ると、光電流の積分期間(TINT)が始まる。積分期間TINTにおいては、フォトダイオードD1への入射光量に比例した光電流がコンデンサC1から流れ出し、コンデンサC1を放電させる。これにより、積分期間TINTの終了時における接続点INTの電位VINTは、下記の式(5)で表される。
【0121】
VINT=VRST.H−VF−ΔVRST・CPD/CT
−IPHOTO・tINT/CT …(5)
式(5)において、ΔVRSTは、リセット信号のパルスの高さ(VRST.H−VRST.L)であり、IPHOTOは、フォトダイオードD1の光電流、tINTは、積分期間の長さである。CPDはフォトダイオードD1の容量である。CTOTALは、光センサ回路全体の容量、すなわち、接続点INTの総容量であり、コンデンサC1の容量CINTと、フォトダイオードD1の容量CPDと、トランジスタM2の容量CTFTとの総和である。積分期間においても、VINTがトランジスタM2の閾値電圧より低いので、トランジスタM2は非導通状態となっている。
【0122】
積分期間が終わると、配線RWSへ供給される読み出し信号が立ち上がることにより、読み出し期間が始まる。ここで、コンデンサC1に対して電荷注入が起こる。そして、接続点INTの電位VINTがトランジスタM2の閾値電圧よりも高くなったとき、トランジスタM2は導通状態となり、各列において配線OUTの端部に設けられているバイアストランジスタM3と共に、ソースフォロアアンプとして機能する。本実施形態にかかる光センサにおいては、トランジスタM3のドレインからの出力配線SOUTからの出力信号電圧は、積分期間におけるフォトダイオードD1の光電流の積分値を増幅したものに相当する。
【0123】
以上のとおり、本実施形態においては、リセットパルスによる初期化と、積分期間における光電流の積分と、読み出し期間におけるセンサ出力の読み出しとを1サイクルとして周期的に行う。
【0124】
ここで、本実施形態にかかる光センサの読み出し動作について説明する。図25は、積分期間の最後から読み出し期間にかけての蓄積ノードの電位VINTの変化を示す波形図である。図25において、実線で示した波形w1は、フォトダイオードD1に光の入射が少ない場合の電位VINTの変化を表し、破線で示した波形w2は、フォトダイオードD1に光が入射した場合の電位VINTの変化を表している。また、時刻t0は、配線RWSから供給される読み出し信号がローレベルVRWS.Lからの立ち上がりを開始する時刻であり、時刻t2は、読み出し信号がハイレベルVRWS.Hへ到達する時刻である。時刻tSは、トランジスタM2がオンになってセンサ出力のサンプリングが行われる時刻である。時刻t1は、読み出し信号がコンデンサC1の閾値電圧Voffに到達する時刻である。すなわち、コンデンサC1は、読み出し配線RWSから幅広部111へ供給される電位と閾値電圧Voffとの大小関係によって、その動作特性が変わる。
【0125】
図26Aおよび図26Bは、コンデンサC1におけるゲート電極(幅広部111)の電位による電荷の移動の違いを示す断面模式図である。図25、図26A、および図26Bに示すように、時刻t1よりも前の時刻においては、コンデンサC1は常にオン状態であり、時刻t1以降はオフ状態となる。すなわち、配線RWSの電位が閾値電圧Voff以下の間は、図26Aに示すようにゲート電極(幅広部111)下の電荷Qinjの移動が生じるが、配線RWSの電位が閾値電圧Voffを超えると、図26Bに示すようにゲート電極(幅広部111)下の電荷Qinjの移動がなくなる。以上より、読み出し配線RWSから供給される読み出し信号の電位がハイレベルVRWS.Hへ到達した後のサンプル時刻tsにおける蓄積ノードの電位VINT(ts)は、下記の式(6)に示すとおりである。なお、図8に示したΔVINTは、VINT(t0)とVINT(ts)との差分に相当し、Qinj/CINTに等しい。
【0126】
【数1】
【0127】
図24に示したように、本実施形態にかかる光センサによれば、積分期間の終期におけるΔVSIG(t0)が、ΔVSIG(t1)まで増幅される。これにより、積分期間終了時点における受光面の照度の差による蓄積ノードの電位差よりも、突き上げ後の電位差の方が大きくなる。例えば、暗状態の場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の蓄積期間終了時点の蓄積ノードの電位との電位差よりも、前記暗状態の場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位と、飽和レベルの光が入射した場合の読み出し期間における突き上げ後の蓄積ノードの電位との電位差の方が大きくなる。したがって、感度が高く、かつS/N比も高い光センサを実現することができる。
【0128】
なお、第5の実施形態にかかる構成は、配線RWSの幅広部111がコンデンサC1のゲート電極を兼ねているので、例えば後述する第7の実施形態よりもコンタクトが少なくて済み、光センサ回路を小型化できるという利点がある。また、第5の実施形態にかかる構成では、配線RWSの幅広部111が、蓄積ノードINTをソース線COLからシールドする配置となっている。したがって、蓄積ノードINTの上層にソース線COLが配置される構成と比較して、蓄積ノードINTに対するソース線COLからのノイズ干渉を抑制できるという利点もある。
【0129】
また、前述の第1〜4の各実施形態に示した光センサにおいては、読み出し信号のローレベルVRWS.Lをリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも小さく設定し、参照電圧配線VCの電圧をリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く設定しておき、リセット信号RST供給後の積分期間中はpチャネル薄膜トランジスタM8をオン状態とし、読み出し信号RWS供給後の読み出し期間中はpチャネル薄膜トランジスタM8をオフ状態とすることによってセンサを駆動させていた。一方、前述の第1〜4の各実施形態における変形例として示した光センサにおいては、参照電圧配線VCの電圧をリセット信号のハイレベルVRST.Hよりも高く設定しておき、読み出し信号の電圧を任意に設定して、リセット信号RST供給後の積分期間中はnチャネル薄膜トランジスタM9をオン状態とし、読み出し信号RWS供給後の読み出し期間中はnチャネル薄膜トランジスタM9をオフ状態とすることによってセンサを駆動させていた。
【0130】
これらの駆動条件は、本実施形態において、センサの感度を高めるために示した条件(例えば、図24等)と合致する。このため、本実施形態に示した可変コンデンサを、前述の各実施形態のいずれについても適用することが可能である。
【0131】
[第6の実施形態]
以下、本発明の第6の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の各実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0132】
本実施形態にかかる表示装置は、第5の実施形態において説明した光センサの可変コンデンサC1の代わりに、図3に示した増幅素子としてのpチャネルTFT(トランジスタM10)を備えた光センサを用いる構成である。なお、トランジスタM10を増幅素子として用いた本実施形態の光センサの駆動信号および動作は、第5の実施形態において参照して説明したものと同じである。したがって、本実施形態にかかる光センサによっても、蓄積ノードの電位VINTを増幅して読み出すことができる。
【0133】
[第7の実施形態]
以下、本発明の第7の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0134】
図27は、本実施形態にかかる光センサの等価回路図である。本実施形態の光センサは、増幅素子としてnチャネルTFT(トランジスタM11)を用いたものである。なお、nチャネルTFTを増幅素子として用いた本実施形態の光センサの駆動信号は、pチャネルTFTを増幅素子として用いた第6の実施形態の駆動信号とは、ハイレベルとローレベルの電位が逆である。その駆動信号によれば、本実施形態の光センサは、第5の実施形態において図25を参照して説明したとおり、蓄積ノードの電位VINTを増幅して読み出すことができる。
【0135】
図27に示すとおり、本実施形態にかかる光センサにおいては、ダイオードD1が第6の実施形態とは逆向きに接続されている。すなわち、ダイオードD1のカソードが配線RSTに接続され、nチャネルTFTに接続されている。さらに、読み出し用のトランジスタM2が、pチャネルTFTである。
【0136】
[第8の実施形態]
以下、本発明の第8の実施形態について説明する。前述の各実施形態において説明した構成と同様の機能を有する構成については、前述の実施形態と同じ参照符号を付記し、その詳細な説明を省略する。
【0137】
図28は、本実施形態にかかる光センサの等価回路図である。本実施形態にかかる光センサは、増幅素子としてダイオードD3を用いた点において、前述の各実施形態と異なる。なお、ここで用いるダイオードD3は、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである。ダイオードD3は、チャネル領域上にゲート電極を設けたことにより、ゲート−ダイオード間の容量によって読み出し期間の突き上げを行う。図28に示すように、本実施形態にかかる光センサは、増幅素子として機能するダイオードD3を有する。図28に示すように、ダイオードD3のカソード(n型半導体領域)は、ダイオードD1のカソード(n型半導体領域)に接続され、ダイオードD3のアノード(p型半導体領域)は、蓄積ノードINTに接続されている。
【0138】
この構成においても、第6の実施形態において図24に示したリセット信号および読み出し信号によって、第6の実施形態で図25に示したとおり、蓄積ノードINTの電位VINTを増幅して読み出すことができる。なお、蓄積ノードINTは、トランジスタM2'のゲートにリセット信号が供給されることによって、リセットされる。
【産業上の利用可能性】
【0139】
本発明は、アクティブマトリクス基板の画素領域内に光センサを有する表示装置として、産業上利用可能である。
【符号の説明】
【0140】
1 画素領域
2 ディスプレイゲートドライバ
3 ディスプレイソースドライバ
4 センサカラム(column)ドライバ
41 センサ画素読み出し回路
42 センサカラムアンプ
43 センサカラム走査回路
5 センサロウ(row)ドライバ
6 バッファアンプ
7 FPCコネクタ
8 信号処理回路
9 FPC
100 アクティブマトリクス基板
【特許請求の範囲】
【請求項1】
蓄積ノードと、
リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、
読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、
前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、
前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、
前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、
前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、
を備える、光センサ。
【請求項2】
前記第2のスイッチング素子が、pチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記読み出し信号配線に接続されている、請求項1に記載の光センサ。
【請求項3】
前記第2のスイッチング素子が、nチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側に接続されている、請求項1に記載の光センサ。
【請求項4】
前記蓄積ノードに一方の電極が接続された蓄積容量であって、前記光検出用素子および前記参照用素子からの出力電流を充放電する蓄積容量を備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項5】
前記読み出し信号に応じて、前記蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子とを備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項6】
前記増幅素子は、前記蓄積ノードと,前記第1のスイッチング素子との間に接続されたpチャネルトランジスタであり、前記読み出し配線に接続される制御電極を備える、請求項5に記載の光センサ。
【請求項7】
前記増幅素子は、前記蓄積ノードに一方の電極が接続され、前記読み出し配線に他方の電極が接続された可変コンデンサである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項8】
前記増幅素子がnチャネル薄膜トランジスタである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項9】
前記増幅素子が、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項10】
当該光センサへ入射光がない場合に、前記光検出用素子からの出力電流と、前記参照用素子からの出力電流とが等しい、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項11】
前記光検出用素子および前記参照用素子がフォトダイオードであり、
前記光検出用素子および前記参照用素子において、p層とn層との間隔の長さおよび幅が互いに略等しい、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項12】
前記第1のスイッチング素子が、1つのトランジスタで構成され、
前記読み出し信号配線が、前記蓄積容量の他方の電極に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項13】
前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタで構成され、
前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、
前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、
前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項14】
前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタで構成され、
前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、
前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、
前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続され、
前記第3のトランジスタの制御電極に、前記リセット信号配線が接続され、
前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の一方が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の他方が、電源電圧を供給する配線に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項15】
アクティブマトリクス基板の画素領域に、請求項1〜14のいずれか一項に記載の光センサを備えた表示装置。
【請求項1】
蓄積ノードと、
リセット信号を前記蓄積ノードへ供給するリセット信号配線と、
読み出し信号を前記蓄積ノードへ供給する読み出し信号配線と、
前記蓄積ノードに接続され、受光した入射光の光量に応じて電流が流れる光検出用素子と、
前記光検出用素子と、蓄積ノードを介して接続され、入射光に対する遮光層を有する参照用素子と、
前記リセット信号が供給されてから前記読み出し信号が供給されるまでのセンシング期間に、前記光検出素子を流れる前記光量に応じた電流および前記参照用素子に流れる電流に応じて変化した蓄積ノードの電位を、前記読み出し信号にしたがって読み出し出力する、第1のスイッチング素子と、
前記蓄積ノードと前記参照用素子との間に設けられ、前記読み出し信号供給時に蓄積ノードの電位が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側の電位より高くなった場合に、前記蓄積ノードと前記参照用素子との間を非導通状態にする第2のスイッチング素子と、
を備える、光センサ。
【請求項2】
前記第2のスイッチング素子が、pチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記読み出し信号配線に接続されている、請求項1に記載の光センサ。
【請求項3】
前記第2のスイッチング素子が、nチャネル薄膜トランジスタであって、前記前記第2のスイッチング素子の制御電極が前記参照用素子の前記蓄積ノードとは反対側に接続されている、請求項1に記載の光センサ。
【請求項4】
前記蓄積ノードに一方の電極が接続された蓄積容量であって、前記光検出用素子および前記参照用素子からの出力電流を充放電する蓄積容量を備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項5】
前記読み出し信号に応じて、前記蓄積ノードの電位を増幅する増幅素子とを備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項6】
前記増幅素子は、前記蓄積ノードと,前記第1のスイッチング素子との間に接続されたpチャネルトランジスタであり、前記読み出し配線に接続される制御電極を備える、請求項5に記載の光センサ。
【請求項7】
前記増幅素子は、前記蓄積ノードに一方の電極が接続され、前記読み出し配線に他方の電極が接続された可変コンデンサである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項8】
前記増幅素子がnチャネル薄膜トランジスタである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項9】
前記増幅素子が、チャネル上にゲート電極を備えたダイオードである、請求項5に記載の光センサ。
【請求項10】
当該光センサへ入射光がない場合に、前記光検出用素子からの出力電流と、前記参照用素子からの出力電流とが等しい、請求項1〜9のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項11】
前記光検出用素子および前記参照用素子がフォトダイオードであり、
前記光検出用素子および前記参照用素子において、p層とn層との間隔の長さおよび幅が互いに略等しい、請求項1〜10のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項12】
前記第1のスイッチング素子が、1つのトランジスタで構成され、
前記読み出し信号配線が、前記蓄積容量の他方の電極に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項13】
前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタおよび第2のトランジスタで構成され、
前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、
前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、
前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項14】
前記第1のスイッチング素子が、第1のトランジスタ、第2のトランジスタ、および第3のトランジスタで構成され、
前記第1のトランジスタの制御電極が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の一方が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第1のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、第2のトランジスタにおける制御電極以外の2つの電極の一方に接続され、
前記蓄積容量の一方の電極が、電源電圧を供給する配線に接続され、
前記第2のトランジスタの制御電極に、前記読み出し信号配線が接続され、
前記第2のトランジスタにおける前記制御電極以外の2つの電極の他方が、前記出力電流の読み出し配線に接続され、
前記第3のトランジスタの制御電極に、前記リセット信号配線が接続され、
前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の一方が、前記蓄積ノードに接続され、
前記第3のトランジスタの前記制御電極以外の2つの電極の他方が、電源電圧を供給する配線に接続されている、請求項4〜11のいずれか一項に記載の光センサ。
【請求項15】
アクティブマトリクス基板の画素領域に、請求項1〜14のいずれか一項に記載の光センサを備えた表示装置。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27】
【図28】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26A】
【図26B】
【図27】
【図28】
【公開番号】特開2012−164686(P2012−164686A)
【公開日】平成24年8月30日(2012.8.30)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−143298(P2009−143298)
【出願日】平成21年6月16日(2009.6.16)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成24年8月30日(2012.8.30)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年6月16日(2009.6.16)
【出願人】(000005049)シャープ株式会社 (33,933)
【Fターム(参考)】
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