JP2008203561A - 液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像情報の入力機能と出力機能とを両立させることのできる液晶表示装置を提供する。
【解決手段】 光入力素子および表示画素を含む液晶表示素子ＰＸが配列された走査線を複数本備えた表示パネルＤＰと、表示パネルに対向して配されて表示パネルを照明するバックライトＢＬと、表示画素への書き込み、および光入力素子の検出信号読出しを制御する制御手段ＣＴＬとを備え、制御手段は、１フレーム期間の第１期間にわたり表示画素にバックライトからの光を実質的に遮蔽する外光検出画像を表示させ、１フレーム期間の第２期間にわたり表示画素に表示画像を表示させる液晶表示装置である。
【選択図】図６

Description

本発明は、液晶表示装置に関する。

一般に液晶などを用いた表示装置は画像情報のアウトプットを行う機器であるが、光入力機能を付加することで、例えば画像等の情報のインプットも可能にすることができる。この技術によって、単一のデバイスで、情報の入出力、双方向の情報のやりとりを実現することができる。
光入力機能を付加した液晶表示素子を用いることで、液晶表示パネルに指を押し付けて指紋を読み取り、また、液晶表示パネルに書類を押し付けてそこに書かれた文字を読み取ることができる。また表示パネルを指やペン等でタッチした際の位置を光学的に読み取ることができるため、液晶表示装置にタッチパネルと同等の機能を付加させることができる（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−２９２２７６号公報

図１６は、従来の読取方法を示す図である。
タッチパネル機能を実現するために、読み取り開始時には、それまで表示していた表示映像を画像を読み取るための読み取り映像に切替えて表示していた。この読み取り映像は、読み取りに影響を及ぼさない映像であることが必要であるため、例えば、ブルーなどの単一色が均一に表示された画像である。そして、バックライトＢＬからの光源光は、表示されている読み取り映像を介して、一旦液晶表示パネル上の書類等に照射される。そして、この書類等から反射してきた光を液晶パネル内で検出して処理することで画像が読取られる。

このようにして、読み取り映像が表示された状態で情報が読み取られ、その後、必要に応じて表示映像の表示が再開される。
従って、従来の方式では、読み取りを行うために画像情報の表示を一旦停止させ、読み出し用画面に切り替える必要があった。このため、読み取りに数秒程度かかる場合には、その間、画像情報の表示が停止されるため、表示上の違和感が指摘されていた。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、画像情報の入力機能と出力機能とを両立させることのできる液晶表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る液晶表示装置は、光入力素子および表示画素を含む液晶表示素子が配列された走査線を複数本備えた表示パネルと、前記表示パネルに対向して配されて前記表示パネルを照明するバックライトと、前記表示画素への書き込み、および前記光入力素子の検出信号読出しを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、１フレーム期間の第１期間にわたり前記表示画素に前記バックライトからの光を実質的に遮蔽する外光検出画像を表示させ、前記１フレーム期間の第２期間にわたり前記表示画素に表示画像を表示させる。

また、本発明に係る液晶表示装置は、光入力素子および表示画素を含む液晶表示素子が配列された走査線を複数本備えた表示パネルと、前記表示パネルに対向して配されて前記表示パネルを照明するバックライトと、前記バックライトを点滅させるバックライト点滅手段を有し、前記表示画素への書き込み、および前記光入力素子の検出信号読出しを制御する制御手段とを備え、前記バックライトは点滅可能に構成され、且つ前記制御手段は前記バックライトの点滅と同期して基準電位を変化させる。

本発明によれば、画像情報の入力機能と出力機能とを両立させることのできる液晶表示装置が得られる。

以下、本発明の態様について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同様又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本発明の第１の実施の形態の液晶表示装置の概略の構成を示す図である。
液晶表示装置１００は、複数の光入力機能付き液晶表示素子を有する液晶表示パネルＤＰ、液晶表示パネルＤＰを制御する制御回路ＣＴＬ、及び液晶表示パネルＤＰを照明するバックライトＢＬを備える。
液晶表示パネルＤＰには、表示エリア１１０、ゲート線駆動回路１１２、データ線駆動回路１１４、及びデータ読出処理回路１１６が設けられている。

表示エリア１１０には、複数の光入力機能付き液晶表示素子１３０がマトリクス状に配置される。複数の光入力機能付き液晶表示素子１３０の行に沿って複数のゲート線（不図示）が配設される。複数の光入力機能付き液晶表示素子１３０の列に沿って複数のデータ線（不図示）が配設される。
ゲート線駆動回路１１２は、複数のゲート線を順次駆動する。データ線駆動回路１１４は、各ゲート線の駆動に合わせてデータ線にデータを出力する。データ読出処理回路１１６は、各光入力機能付き液晶表示素子１３０から読取ったデータを取り出して処理する。

制御回路ＣＴＬは、ゲート線駆動回路１１２、データ線駆動回路１１４、及びデータ読出処理回路１１６の動作を制御する。

図２は、本発明の第１の実施の形態の光入力機能付き液晶表示素子の構成を示す等価回路である。
なお、図に示す表示用ゲート線、プリチャージ用ゲート線及び信号読出用ゲート線は、複数の液晶表示素子の行に沿って配置されるゲート線であり、信号線、プリチャージ線及び信号読出し線は、複数の液晶表示素子の列に沿って配置されるデータ線である。

そして、光入力機能付き液晶表示素子の夫々は、図２に示すように、表示部と読出し部とを備えている。なお、この読出し部は、タッチパネル機能を実現するのであれば高い解像度は要求されないため、全ての液晶表示素子に設ける必要はなく、複数の液晶表示素子群のいずれか一つに設けてもかまわない。

表示部は液晶画素ＰＸを含み、各液晶画素ＰＸには画素ＴＦＴが接続されている。画素電極ＰＥ、共通電極ＣＥ及びそれらに挟持される液晶層が液晶画素ＰＸを構成する。画素ＴＦＴは、スイッチング素子としての薄膜トランジスタである。
画素電極ＰＥは画素ＴＦＴのドレインに接続され、共通電極ＣＥにはコモン電圧Ｖｃｏｍが印加される。画素ＴＦＴのゲートは表示用ゲート線に接続され、ソース−ドレインパスが信号線および画素電極ＰＥ間に接続されて形成されている。画素ＴＦＴは、表示用ゲート線を介して駆動されたときに導通し、信号線の電位を画素電極ＰＥに印加する。

読出し部には、フォトダイオード、センサ容量、増幅器、プリチャージＴＦＴ及び読出しＴＦＴが設けられている。プリチャージＴＦＴ及び読出しＴＦＴは、スイッチング素子としての薄膜トランジスタである。
そして、フォトダイオードとセンサ容量は並列に接続され、その一端がプリチャージＴＦＴのドレインと増幅器の入力端とに接続されている。プリチャージＴＦＴのゲートは、プリチャージ用ゲート線に接続され、ソース−ドレインパスがプリチャージ線および増幅器の入力端間に接続されて形成されている。読出しＴＦＴのゲートは、信号読出し用ゲート線に接続され、ソース−ドレインパスが信号読出し線および増幅器の出力端間に接続されて形成されている。

このような構成により、例えばセンサ容量に所定の電荷をプリチャージしておき、フォトダイオードに入射する光の量に応じて電荷がリークされる。そして、センサ容量に残存する電荷を読み出すことにより、各位置における光強度を測定することができる。

次に液晶表示装置の動作について説明する。なお、制御回路ＣＴＬが以下に説明する液晶表示装置の動作を制御する。
本実施の形態では、図３に示す外光による光検出方式と、図４に示す反射光による光検出方式とを併用する。
図３に示すように外光による光検出方式では、指の先端位置によって影となる領域以外の領域に照射される外光が検出され、像イメージとしては指の先端位置によって影となる領域、即ちタッチ部のみ黒、それ以外は白と認識される。逆に図４に示すように反射光による光検出方式では、指の先端位置で反射されるバックライトＢＬの反射光が検出され、像イメージとしては上記と逆にタッチ部のみ白と認識される。

本実施の形態では、1フレーム内に２回の表示走査を行い、それに合わせて反射光による光検出及び外光による光検出の２回の光検出走査を行うことにより、画像表示と同時に情報のインプットを実現する。
図５は、本発明の第１の実施の形態における画像読出し方法を説明する図である。
図５の（１）は、ある時点での液晶表示パネルＤＰに表示される表示画像を示している。表示映像の一部に帯状の黒色の映像が表示され、その帯状の黒色の映像が1フレーム内で画面の上から下に向かって移動する。

図５の（２）は、読出し動作のタイミングを示している。黒表示を開始するとほぼ同時にそのラインの読出し部をプリチャージし、黒表示が終了する直前に光入力された情報を読み出す。黒表示中の期間は、仮にバックライトＢＬが点灯していても、その光源光が液晶によって遮られているため、読出し部にはタッチ部の外光による影が入力されることとなる。黒表示終了後は、画像情報が表示されるが、この表示期間中にプリチャージを実施し、表示終了直前に光入力された情報を読み出す。映像表示期間では、バックライトＢＬの光が照射されているため、読出し部にはタッチ部からの反射光が入力される。

図６は、第１の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャートである。
図の横軸は時間を表し、左から右に時間が推移する。縦軸は画面の走査位置を表し、上端部が画面上端位置、下端部が画面下端位置を示している。

各フレーム期間は、第１期間と第２期間とに区分され、１／４フレーム期間に相当する第１期間が外光検出と後述するＯＣＢ液晶の逆転移防止のための黒表示に割り当てられ、３／４フレーム期間に相当する第２期間が反射光検出と画像表示に割り当てられる。そして、全走査線について外光検出期間が終了した時点でバックライトＢＬは点灯し、次の外光検出期間が開始される時点でバックライトＢＬは消灯するように構成されている。

まず、１フレーム期間の１／４フレーム期間にわたり、表示用ゲート線をアクティブ状態として信号線より画素ＰＸに外光検出用黒映像を書き込むと共に、プリチャージ用ゲート線をアクティブ状態としてプリチャージ線を介して外光検出用プリチャージを実行する。この動作は、画面上端から画面下端に向かって、順次表示用ゲート線およびプリチャージ用ゲート線が走査されることにより実現される。従って、表示画面上は、黒の映像が画面上端から画面下端に向かって順次表示される。

各走査線について、表示用ゲート線およびプリチャージ用ゲート線の走査から所定時間、例えば１／４フレーム期間経過後に外光検出期間が終了する。

各走査線に対する外光検出期間は等しく設定され、この外光検出期間における外光量に基づき読出し部のセンサ容量に保持される電荷が決定される。この外光検出期間においてバックライトＢＬの光は、黒映像が書き込まれた液晶によって遮られるものの、検出精度を向上させるためにはバックライトＢＬは消灯させておくことが望ましい。

そして、外光検出期間終了時に、信号読出し用ゲート線をアクティブ状態として信号読出し線を介して外光検出信号を１／４フレーム期間にわたり順次読み出す。

この読み出しと同期して、１／４フレーム期間にわたり表示用ゲート線をアクティブ状態として信号線より画素ＰＸに表示用の画像情報を書き込む。この動作は、画面上端から画面下端に向かって、順次表示用ゲート線が走査されることにより実現される。即ち、表示映像が画面上端から画面下端に向かって順次表示される。

そして、画面の各走査線について表示用の画像情報が表示された段階で、バックライトＢＬを点灯させ、画像表示を実現する。更に、バックライトＢＬの点灯と同期して、プリチャージ用ゲート線をアクティブ状態としてプリチャージ線を介して反射光検出用プリチャージを画面上端位置の走査線から１／４フレーム期間にわたり順次走査して実行する。

各走査線に対する反射光検出期間は実質的に等しく設定され、この反射光検出期間における反射光量に基づき読出し部のセンサ容量に保持される電圧が決定される。

そして、所定の反射光検出期間終了時に後、信号読出し用ゲート線をアクティブ状態として信号読出し線を介して反射光検出信号を読み出す。この動作は、画面上端から画面下端に向かって１／４フレーム期間にわたり順次走査され、フレーム期間の終了までに完了する。
バックライトＢＬの点灯は、次フレームの外光検出用黒映像の書込みが開始されるまで継続する。そして、バックライトＢＬの消灯と同期して、次のフレーム期間の外光検出動作が開始する。

なお、バックライトＢＬ点灯期間は、面内での輝度傾斜なく良好な画像情報の表示が実現できるように、画像情報の書込みが完了した時点から、次フレームの外光検出期間用黒映像書き込みが開始されるまでの間に設定される。

ところで、上記したように1フレーム内を第１期間と第２期間とに区分し、それぞれの期間で２つの映像を表示するためには高速応答の液晶が必要である。信号が書き換わっても表示映像が追従できなければ効果はないためである。従って、高速応答が実現できる例えばＯＣＢ型液晶を用いることができる。
ところで、ＯＣＢ液晶では、ベンド配向に転移しても、スプレー配向のエネルギーとベンド配向のエネルギーとが拮抗するレベル以下の電圧印加状態や電圧無印加状態が長期間続く場合に再びスプレー配向に逆転移してしまうという性質を有する。
従来、ベンド配向からスプレー配向への逆転移を防止するため、例えば1フレームの画像を表示するフィールド毎に大きな電圧を液晶に印加する駆動方式がとられている。ノーマリホワイトの液晶表示パネルでは、この電圧として黒表示となる画素電圧を用いることにより、動画視認性の向上と、逆転移防止とを同時に実現することができ、黒挿入駆動と呼ばれる。

そこで、この実施形態では、逆転移防止期間用のベンド配向を維持するために挿入される黒映像を第１期間における外光検出用黒映像として用いている。このような駆動によれば、ＯＣＢ型液晶で、別途逆転移防止電圧の印加を必要とすることなく、情報の読み取りと共に、優れた動画視認性を備えた画像表示が実現できる。

次に、読み出した検出信号の処理方法について説明する。
スキャナーのように読み取り原稿をパネル面に密着させて入力する場合には、外光の影響を考えなくても良い。しかし、本実施形態のようにタッチパネルとして用いる場合では、外光の影響を考慮する必要がある。
図７は、外光とバックライトＢＬとの影響を説明する図である。例えば、指を使って液晶パネルをタッチしたことを認識させるとする。

図７の（１）は、バックライトＢＬがオンの場合を示す。

外光が強い場合、指の影部分では外光は指によって遮られるため、読み出し部への外光入力は小さいため暗くなり、指以外の部分では強い外光が入るため明るくなる。この状態でバックライトＢＬをオンすると、バックライトＢＬからの光源光は指の部分で反射され、この反射光が読み出し部に入力されることとなるため、全体としてコントラストの低い明るい画像が得られる。
逆に外光が弱い場合、外光の影響はほとんどなく、バックライトＢＬからの光源光は指で反射され、この光が検出される。よって、指の部分が選択的に明るい信号となったコントラストの高い画像が得られる。

図７の（２）は、バックライトＢＬがオフの場合を示す。外光が強い場合、指の影部分では外光は指によって遮られるため、指の部分が暗い影の信号となったコントラストの高い画像が得られる。
逆に外光が弱い場合、指の影部分は黒くなるが、それ以外の部分でも外光が弱いため、全体としてコントラストの低い暗い画像が得られる。

このように外光の強度によって得られる画像が変化するため、外光検出期間の画像あるいは反射光検出期間の画像の一方のみを使用した場合は、正確な位置検出が困難となる場合がある。
これを防止するため、例えば照度センサを設けて外光強度によって使用する画像を選択することも可能であるが、外光の強弱が判明しない状態では、いずれの画像を採用すべきかを判断することは困難である。もちろん、照度センサの検出結果に基づいて、第１および第２期間のいずれか一方を選択して動作させてもかまわない。

本実施の形態では、この課題を第１期間（反射光検出）と第２期間（外光検出）のそれぞれの期間で得られた２種類の検出画像を演算することで正確な指入力パターンを獲得する。

ここでこれらの検出画像には、(i)外光パターンと反射光パターンとは互いにネガ像の関係にあり、(ii)外光の強弱によっても得られた画像の内の一方には明瞭な指入力パターンが得られている、という事実がある。従って、両画像の白黒（２値）画像をより明瞭化するように論理演算操作を行うことで所望のパターンを獲得することができる。

例えば、それぞれの画像を２値化した後、バックライトＢＬオン時の画像を反転する。そして、反転した画像とバックライトＢＬオフ時の画像とのＡＮＤ演算を実行する。この演算処理によって、指が黒くなった画像が得られる。
あるいは、それぞれの画像を２値化して、バックライトＢＬオフ時の画像を反転する。そして、反転した画像とバックライトＢＬオン時の画像とのＯＲ演算を実行する。この演算処理によって、指が白くなった画像が得られる。
また、それぞれの画像を２値化して、ＥＯＲ（排他的論理和）演算を実行する。この演算処理によって、指が黒くなった画像が得られる。

更に、上述の論理演算の他に、両画像の輝度差を演算してその結果に従って２値化しても良く、両画像の商を演算してその結果に従って２値化しても良い。いずれも光と影とを強調させる働きを持っているからである。
また、上述の各処理を複合して実施しても良い。

なお本第１の実施の形態では、３種のゲート線（表示用ゲート線、プリチャージ用ゲート線、信号読み出し用ゲート線）を設けている。そのためアモルファスシリコンを用いた液晶デバイスでは、ゲートドライバを３種用意する必要があり、外部に実装するパッド数が増え、外形寸法の増大を招く。そこで、本第１の実施の形態では低温ポリシリコンを用い、ガラス上にゲートドライバを内蔵させた。また同様に、映像を供給するソース側も検出回路等を構成する必要があるがこれも低温ポリシリコン回路で形成した。本第１の実施の形態を構成するには、低温ポリシリコン方式のアクティブマトリクス方式が適している。

上記実施形態では、１／４フレーム期間で走査するものとしたが、この走査速度を高めることで、時間開口率を向上させることができ、特にＯＣＢ型液晶を用いることにより、時間開口率の向上が望める。

〔第２の実施の形態〕
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なる反射光検出期間が設けられている。従って、第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図８は、第２の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャートである。
図の横軸は時間を表し、左から右に時間が推移する。縦軸は画面の走査位置を表し、上端部が画面上端位置、下端部が画面下端位置を示している。

第１の実施形態と同様に、各フレーム期間は、第１期間と第２期間とに区分され、１／４フレーム期間に相当する第１期間が外光検出と後述するＯＣＢ液晶の逆転移防止のための黒表示に割り当てられ、３／４フレーム期間に相当する第２期間が反射光検出と画像表示に割り当てられる。そして、この実施形態では、特に第２期間の全期間が反射光検出期間に割り当てられるため、高いＳ／Ｎ比が得られ、検出精度を向上させることが可能となる。

第１の実施形態と同様に、１／４フレーム期間にわたり、表示用ゲート線をアクティブ状態として信号線より画素ＰＸに外光検出用黒映像を書き込むと共に、プリチャージ用ゲート線をアクティブ状態としてプリチャージ線を介して外光検出用プリチャージを実行する。この動作は、画面上端から画面下端に向かって順次表示用ゲート線およびプリチャージゲート線が走査されることにより実現される。従って、表示画面上は、黒の映像が画面上端から画面下端に向かって順次表示される。

各走査線に対する外光検出期間は１／４フレーム期間に設定され、この外光検出期間における外光量に基づき読出し部のセンサ容量に保持される電圧が決定される。全ての走査線に対する外光検出期間が終了するまでバックライトＢＬは消灯されている。

そして、それぞれの外光検出期間の終了と同期して、信号読出し用ゲート線をアクティブ状態として信号読出し線に外光検出信号を読み出す。

また、上記の読み出しと同時に、１／４フレーム期間にわたり表示用ゲート線をアクティブ状態として信号線より画素ＰＸに表示用の画像情報を書き込むと共に、プリチャージ用ゲート線をアクティブ状態としてプリチャージ線を介して反射光検出用プリチャージを実行する。
この動作は、画面上端から画面下端に向かって走査される。この各走査線に対して表示用の画像情報の書込みが完了した段階で、バックライトＢＬを点灯させる。

そして、反射光検出用プリチャージが完了し、３／４フレーム期間経過後において、１／４フレーム期間にわたり信号読出し用ゲート線をアクティブ状態として信号読出し線に反射光検出信号を順次読み出す。この動作も、画面上端から画面下端に向かって順次走査されることにより実行される。バックライトＢＬの点灯は、面内での輝度傾斜なく良好な画像情報の表示が実現できるように、画像情報の書込みが完了した時点から、次フレームの外光検出期間用黒映像書き込みが開始されるまでの間に設定される。

次に、読み出した検出信号の処理方法について説明する。
第２の実施の形態では、それぞれの読み出し部において、反射光検出期間にバックライトＢＬがオフの期間とバックライトＢＬがオンの期間とが存在している。
従って、反射光検出期間で検知された信号は、図７の（１）と（２）で示したバックライトＢＬがオフ時の信号とオン時の信号とが複合した信号となっている。

ところで、液晶パネルが透過状態になるのは、反射光検出期間でかつバックライトＢＬが点灯している場合のみである。このため、バックライトＢＬが消灯している反射光検出期間は、外光検出期間と同様の光入力がされていると考えられる。そして、反射光検出期間のうちバックライトＢＬが消灯している期間の割合は、いずれの読出し部においても一定である。従って、バックライトＢＬが消灯している反射光検出期間にセンサ容量から放電される電荷量と、外光検出期間においてセンサ容量から放電される電荷量との間には所定の関係が成立する。そこで、反射光検出期間において検知された信号を、外光検出期間において検知された信号で補正することにより、バックライトＢＬが点灯している期間での検知信号を算出することができる。

この後の処理は、第１の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

〔第３の実施の形態〕
第３の実施の形態では、バックライトＢＬの点消灯期間が第２の実施の形態と異なっている。従って、第２の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図９は、第３の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャートである。
第３の実施の形態では、バックライトＢＬは画面上端で外光検出期間用の信号読出しが実行されるタイミングで点灯し、画面下端で反射光検出期間用の信号読出しが実行されるタイミングで消灯する。
従って、外光検出期間内においてもバックライトＢＬが点灯するが、この期間は黒表示がされているためバックライトＢＬによる指の照明は無視することができ、検知信号への影響は考えなくても良い。

本実施の形態では、反射光検出期間と外光検出期間の２種類の検出画像が得られるため、この２種類の画像を演算して指入力パターンを計算する。この計算の方法は、第１の実施の形態で説明したため、重複した説明は省略する。

〔第４の実施の形態〕
第４の実施の形態では、液晶表示素子の構成が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図１０は、第４の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図である。
第４の実施の形態では、プリチャージ線と信号読み出し線を共有化して共有線とし、さらにプリチャージ用ゲート線と信号読み出し用ゲート線を共有化して共有ゲート線とした。この構成により、配線を２本削減することができ、大幅な開口率向上を実現することができる。

この動作を実現するために、共用のゲート線からプリチャージ用ゲートパルスと信号読み出し用ゲートパルスを切り替えて出力し、これに合わせて、縦配線であるプリチャージ、信号読み出し共用線では、プリチャージ供給と信号の読み出しを水平走査期間毎に交互に切り替えた。このため、走査期間が上記実施形態の２倍となるが、この際の走査速度を倍速にすることで時間開口率の低下を防止することができる。

〔第５の実施の形態〕
第５の実施の形態では、液晶表示素子の構成が第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図１１は、第５の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図である。
第５の実施の形態では、プリチャージ用ゲート線と信号読み出し用ゲート線を共有化して共用ゲート線とし、さらにプリチャージ線として液晶表示に用いるＣｓｔ線を転用した。この構成により、配線を削減することができ、大幅な開口率向上を実現することができる。

プリチャージ線は、センサ容量に一定値の電荷を充電する働きをするため、固定のプリチャージ電源を用いてもよい。第５の実施の形態では、液晶表示に用いるＣｓｔ線とプリチャージ線とを切り替えて使用可能とした。
補助容量Ｃｓｔには画素電圧に対応した電荷が蓄積されている。補助容量Ｃｓｔに接続するＣｓｔ線に所定のタイミングで補償電圧Ｖeを印加することにより、画素ＴＦＴが非導通になったときの寄生容量の影響による画素電圧の変動を実質的にキャンセルすることができる。

第５の実施形態では、共用ゲート線からプリチャージゲートパルスと信号読み出しゲートパルスを切り替えて走査し、これに合わせて、固定電位線にはプリチャージ電位を供給し、読み出し部から信号読み出し線に信号を読み出す。
なお、プリチャージ電圧を固定電位線（Ｃｓｔ線）に供給する際は、切り替え器（不図示）が固定電位線（Ｃｓｔ線）をプリチャージ用の電源（不図示）に切り替えて接続し、プリチャージが終了した後は、切り替え器（不図示）が固定電位線（Ｃｓｔ線）の接続を元の状態である読み出し用ＩＣに切り替える。

〔第６の実施の形態〕
第６の実施の形態では、液晶表示素子の構成が第１の実施の形態と異なっている。第６の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図１２は、第６の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図である。
第６の実施の形態では、第５の実施の形態の信号線と信号読み出し線をさらに共有させている。この構成により、配線を削減することができ、大幅な開口率向上を実現することができる。

本第６の実施の形態では、この共用線には、表示用信号、読み出し用表示信号、読み出し信号の３種の信号が流れるため、３つの機能を時系列で切り替える。これによって、縦方向配線は１系統で十分となる。

さらに共有化を進め、表示用ゲート線とプリチャージ用ゲート線、信号読み出し用ゲート線の３つを共有化させることもできる。このときには表示用信号供給、読み出し用表示信号供給、プリチャージ、信号読み出しの４種の役割を共有化したゲート線が実現する必要があり、４種の高速切り替えと走査が必要になる。これによって横方向配線も１系統にまとめることができる。

〔第７の実施の形態〕
第７の実施の形態では、液晶表示素子の構成及びその駆動方法が第１の実施の形態と異なっている。第７の実施の形態と同一の部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図１３は、第７の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図である。
第７の実施の形態では、図２に示す液晶表示素子の回路構成において、センサ容量の末端にチャージがリークする電位方向をコントロールする電位付加回路を接続している。この電位付加回路による動作は後で説明する。

図１４は、第７の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャートである。
このタイムチャートでは、外光検出期間が終わった場合でも、信号の読出し及び反射光検出用のプリチャージは実行されない。そして、バックライトＢＬがオンとなったことで実質的に反射光検出期間が開始され、バックライトＢＬがオフになったタイミングで信号の読出しが実行される。即ち、信号の読出しは、外光検出期間と反射光検出期間とを含む例えば１フレーム期間において１度となっている点が上述の各実施の形態と異なっている。そして、後述するように、バックライトＢＬのオン、オフと実質的に同期して、センサ容量の一端子の基準電位を変化させることが特徴である。

図１５は、センサ容量の端子の電位変化を示す図である。
図の横軸は時間を表し、左から右に時間が推移する。縦軸はセンサ容量の端子の電位を示している。

外光検出用のプリチャージが実行されるとセンサ容量の端子はプリチャージ電位に設定される。そして、バックライトＢＬがオフになるとそれに合わせて電位付加回路はセンサ容量の端子に高電位を付加する。これによって図では「リーク先波形」がステップ状に上昇している。
高電位が付加されることによって、もし光が当たってセンサ容量の電荷がリークする場合には、前記高電位に向かって電位が上昇し、この結果、受光量に対応して時間と共にセンサ容量の端子電位が上昇する。このとき、外光を直接受光した部分の電位変化量は、影となった部分の電位変化量よりも大きくなる。

次に、バックライトＢＬがオンになるとそれに合わせて電位付加回路はセンサ容量の端子に低電位を付加する。これによって図では「リーク先波形」がステップ状に下降している。
低電位が付加されることによって、同様にセンサ容量の電荷がリークする場合には、前記低電位に向かって電位が低下し、この結果、受光量に対応して時間と共にセンサ容量の端子電位が下降する。このとき、反射光を受光した部分の電位変化量は、影となった部分の電位変化量よりも大きくなる。
この結果、バックライトＢＬをオフとしたタイミングで信号を読み出すと、バックライトオン時のパターンとオフ時のパターンが逆であるが、これに合わせて電位の設定を逆転させることで、この像の補正を行うことにより、指の像と周囲の像とを容易に分離することができる。

本実施の形態によれば、例えば１フレーム期間において信号の読み出しは１回で済み、読み出した信号を格納するメモリーも１セットですむ、もしくは無しにすることができるメリットがある。本実施の形態では、上述の各実施の形態で演算で行っていた処理を、パネル内部でリーク先の電位を切り替えることでアナログ的に実行している。

本発明は、バックライトを高周波で変調し、それに同期して特有の周波数成分を検出してもかまわない。この場合、検出感度を極めて高めることができる。このとき、バックライトの点滅はフレーム周波数で行う必要はなく、バックライトの光強度を調光する高周波のパルス幅調光（ＰＷＭ調光）と兼ねてもよい。このときその周波数は４００Ｈｚ以上の高周波であるのが通例である。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施の形態の液晶表示装置の概略の構成を示す図。 本発明の第１の実施の形態の光入力機能付き液晶表示素子の構成を示す等価回路。 外光による光入力方式を説明する図。 反射光による光入力方式を説明する図。 本発明の第１の実施の形態における画像読出し方法を説明する図。 第１の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャート。 外光とバックライトＢＬとの影響を説明する図。 第２の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャート。 第３の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャート。 第４の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図。 第５の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図。 第６の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図。 第７の実施の形態の液晶表示素子の等価回路構成を示す図。 第７の実施の形態の読出し動作を説明するタイムチャート。 センサ容量の端子の電位変化を示す図。 従来の読取方法を示す図。

符号の説明

ＤＰ…液晶表示パネル、ＣＴＬ…制御回路、ＰＸ…液晶画素、ＣＬＣ…コンデンサ成分、Ｃｓｔ…補助容量、Ｖe…補償電圧、１００…液晶表示装置、１１０…表示エリア、１１２…ゲート線駆動回路、１１４…データ線駆動回路、１１６…データ読出処理回路、１３０…光入力機能付き液晶表示素子。

Claims (11)

1. 光入力素子および表示画素を含む液晶表示素子が配列された走査線を複数本備えた表示パネルと、
   前記表示パネルに対向して配されて前記表示パネルを照明するバックライトと、
   前記表示画素への書き込み、および前記光入力素子の検出信号読出しを制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   １フレーム期間の第１期間にわたり前記表示画素に前記バックライトからの光を実質的に遮蔽する外光検出画像を表示させ、
   前記１フレーム期間の第２期間にわたり前記表示画素に表示画像を表示させる
   ことを特徴とする液晶表示装置。
2. 前記制御手段は、前記第１期間の開始時に前記光入力素子の第１検出信号読出しを行うと共に、前記第２期間の開始時に前記光入力素子の第２検出信号読出しを行うことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
3. 前記制御手段は、前記第１検出信号読出しの結果と、前記第２検出信号読出しの結果とに基づき、演算処理を行う演算処理部を含むことを特徴とする請求項２記載の液晶表示装置。
4. 前記制御手段は、前記走査線における前記第１期間の開始から、全ての前記走査線における前記第１期間の終了まで、前記バックライトを消灯させることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
5. 前記制御手段は、前記第１期間の開始時又は前記第２期間の開始時のいづれか一方に前記光入力素子の検出信号読出しを行う
   ことを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
6. 前記表示画素は、一対の電極間にＯＣＢ液晶が挟持されてなることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
7. 前記外光検出画像は、前記電極間にスプレー配向のエネルギーとベンド配向のエネルギーとが拮抗するレベル以上の電圧印加によりなされることを特徴とする請求項６記載の液晶表示装置。
8. 光入力素子および表示画素を含む液晶表示素子が配列された走査線を複数本備えた表示パネルと、
   前記表示パネルに対向して配されて前記表示パネルを照明するバックライトと、
   前記バックライトを点滅させるバックライト点滅手段を有し、
   前記表示画素への書き込み、および前記光入力素子の検出信号読出しを制御する制御手段とを備え、
   前記バックライトは点滅可能に構成され、且つ前記制御手段は前記バックライトの点滅と同期して基準電位を変化させる
   ことを特徴とする液晶表示装置。
9. 前記制御手段は、
   １フレーム期間の第１期間にわたり前記表示画素に前記バックライトからの光を実質的に遮蔽する外光検出画像を表示させると共に前記バックライトを消灯し、
   前記１フレーム期間の第２期間にわたり前記表示画素に表示画像を表示させると共に前記バックライトを点灯させる
   ことを特徴とする請求項８記載の液晶表示装置。
10. 前記制御手段は、前記第２期間の終了時に前記光入力素子から検出信号の読出しを行うことを特徴とする請求項９記載の液晶表示装置。
11. 前記表示画素は、一対の電極間にＯＣＢ液晶が挟持されてなることを特徴とする請求項８記載の液晶表示装置。

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