CN109791937B - 图像捕获和显示装置以及可穿戴设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像捕获和显示装置，包括用于将来自所述图像捕获和显示装置的外部的入射光转换成电荷信号的多个光电转换元件，以及用于发出与由所述多个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光的多个发光元件。像素区域被定义为以阵列布置所述多个光电转换元件的区域。用于将信号从所述多个光电转换元件传输到所述多个发光元件的信号路径位于所述像素区域内。

Description

图像捕获和显示装置以及可穿戴设备
技术领域
本发明涉及图像捕获和显示装置以及可穿戴设备。
背景技术
存在已知的称为头戴显示器(下文中称为HMD)或智能眼镜的可穿戴设备，该可穿戴设备配备有显示装置。根据由这样的可穿戴设备采用的一种方法，使用图像捕获装置捕获用户前面的场景(外部场景)作为图像，并且在显示装置上显示该图像。利用这种方法，用户可以感觉到好像用户直接看到外部场景，尽管用户通过显示装置看到场景。专利文献1提出了用于在同一基板上以矩阵布置光电二极管和EL(电致发光)元件以便使这样的显示装置小型化的技术。具体地，其中每个像素具有光电二极管和EL元件的区域传感器使用光电二极管捕获被摄体的图像作为图像信号。此后，区域传感器使用EL元件显示由此捕获的图像。
引用列表
专利文献
PTL1：日本专利特开No.2002-176162
发明内容
技术问题
在根据专利文献1的装置中，同一表面充当光接收表面和光发出表面，并且这个装置到另一个装置的可应用性受到限制。例如，难以将这个装置应用于HMD或智能眼镜。而且，即使在可应用于HMD或智能眼镜的装置的情况下，如果从装置捕获场景到装置显示场景花费长的时间，那么用户也感觉到有些不对劲。作为结果，例如，用户难以抓住移动的物体。本发明的一个方面是要提供用于使图像捕获和显示装置应用于另一个装置更容易的技术。
问题的解决方案
鉴于以上问题，提供了一种图像捕获和显示装置，包括：多个光电转换元件，用于将来自所述图像捕获和显示装置的外部的入射光转换成电荷信号；和多个发光元件，用于发出与由所述多个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光，其中像素区域被定义为以阵列布置所述多个光电转换元件的区域，并且用于将信号从所述多个光电转换元件传输到所述多个发光元件的信号路径位于所述像素区域内。
发明的有益效果
上述手段使得图像捕获和显示装置应用于另一个装置更容易。
从以下结合附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得清楚。注意，在整个附图中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
附图说明
附图包括在说明书中，构成说明书的一部分，示出了本发明的实施例，并且与实施例的描述一起使用以说明本发明的原理。
图1A图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图1B图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图2A是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图2B是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图2C是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图3A是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图3B是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图4A是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图4B是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图5A是根据一些实施例的图像捕获和显示装置的时序图。
图5B是根据一些实施例的图像捕获和显示装置的时序图。
图6图示了根据一些实施例的像素的截面结构。
图7A图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图7B图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图8A图示了根据一些实施例的像素阵列的平面布局。
图8B图示了根据一些实施例的像素阵列的平面布局。
图8C图示了根据一些实施例的像素阵列的平面布局。
图9是根据一些实施例的像素的等效电路图。
图10图示了根据一些实施例的像素的截面结构。
图11图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图12A图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图12B图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图12C图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置。
图13A图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置的应用示例。
图13B图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置的应用示例。
图13C图示了根据一些实施例的图像捕获和显示装置的应用示例。
具体实施方式
以下参考附图描述本发明的实施例。在各种实施例中，相同的部件被分配相同的参考标号，并且省略重复的描述。实施例可以被适当地修改或彼此组合。
将参考图1A和1B描述根据一些实施例的图像捕获和显示装置100的配置的示例。图1A是图像捕获和显示装置100的平面图，并且图1B是图像捕获和显示装置100的截面图。图像捕获和显示装置100具有点线110内侧的像素区域111和点线110外侧的周边电路区域112。多个像素101在像素区域111中以阵列部署。垂直扫描电路102部署在周边电路区域112中。此外，电源电路(未示出)等也部署在周边电路区域112中。导电线103各自被部署用于在行方向上排列的多个像素。像素101经由导电线103从垂直扫描电路102被供给控制信号。在图1A中，对于每行像素示出一条导电线103。然而，如果要对每个像素供给多种控制信号，那么多条导电线103分别被部署用于控制信号。
图像捕获和显示装置100具有上表面100b和与上表面100b相对的下表面100a。上表面100b也可以被称为顶表面，并且下表面100a也可以被称为背表面或底表面。每个像素101从图像捕获和显示装置100的上表面100b发出与通过图像捕获和显示装置100的下表面100a进入的入射光的强度对应的强度的光。因此，下表面100a也可以被称为入射表面，并且上表面100b也可以被称为光发出表面。
将参考图2A至4B中所示的等效电路图描述像素101的配置的具体示例。图2A示出了像素101a的等效电路图，该像素101a是像素101的一个具体示例。像素101a包括光电转换元件201、放大器晶体管202、发光元件203、复位晶体管204和复位晶体管205。
光电转换元件201的一端连接到放大器晶体管202的栅极，并且另一端连接到地。光电转换元件201和放大器晶体管202的栅极之间的节点用作浮置扩散部(floatingdiffusion)FD。放大器晶体管202的一个主电极连接到电源线，通过该电源线供给电压VDD，并且另一个主电极连接到发光元件203。发光元件203的一端连接到放大器晶体管202，并且另一个端连接到地。发光元件203可以连接到另一个恒定电压源而不是连接到地。浮置扩散部FD经由复位晶体管204连接到电源线，通过该电源线供给电压V1。复位晶体管204的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号RES1。发光元件203和放大器晶体管202之间的节点经由复位晶体管205连接到电源线，通过该电源线供给电压V2。复位晶体管205的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号RES2。
光电转换元件201将来自图像捕获和显示装置100的外部(从图1B中所示的示例中的下表面100a)的入射光转换成电荷信号。光电转换元件201是例如光电二极管、有机光电转换元件、无机光电转换元件等。光电二极管的材料的示例包括硅、锗、铟、镓、砷等。光电转换层的示例包括其中P型半导体层和N型半导体层彼此接合的PN结型、其中具有高电阻的半导体层夹在P型半导体层和N型半导体层之间的PIN型、利用雪崩击穿的雪崩型、等等。图1A中的每个像素101包括光电转换元件201。因此，可以说像素区域111被定义为其中多个光电转换元件201以阵列部署的区域。
有机光电转换元件具有例如其中至少一个执行光电转换的有机薄膜层(有机光电转换层)部署在一对电极之间的结构。有机光电转换元件可以具有其中在一对电极之间存在多个有机薄膜层的结构。有机光电转换层可以由单一材料或多种材料的混合制成。可以通过真空沉积工艺、涂覆工艺等形成有机薄膜层。
无机光电转换元件是例如使用包含微细半导体晶体的量子点薄膜层代替有机光电转换层的量子点光电转换元件、包括由具有钙钛矿结构的过渡金属氧化物等制成的光电转换层代替有机光电转换层的钙钛矿光电转换元件、等等。
发光元件203发出与由光电转换元件201获取的电荷信号对应的强度的光。发光元件203是例如无机LED(发光二极管)、有机LED(OLED、有机发光二极管、有机EL、有机电致发光元件)等。无机LED的材料的示例包括铝、镓、砷、磷、铟、氮、硒、锌、金刚石、氧化锌、钙钛矿半导体、等等。使用这些材料形成的pn结结构发出具有与材料的带隙对应的能量(波长)的光。
有机LED包括例如在一对电极之间包含至少一种类型的有机发光材料的发光层。有机LED可以包括多个发光层，并且可以具有其中存在多个有机薄膜层的结构。发光层可以由单一材料或多种材料的混合制成。来自发光层的光可以是荧光或磷光，并且可以是单色发光(蓝色、绿色、红色等)或白色发光。可以通过真空沉积工艺、涂覆工艺等形成有机薄膜层。
放大器晶体管202构成放大由光电转换元件201获取的电荷信号的放大器电路。复位晶体管204在被接通时使跨光电转换元件201的电压复位到初始状态。复位晶体管205在被接通时使跨发光元件203的电压复位到初始状态。
图2B示出了像素101b的等效电路图，该像素101b是像素101的一个具体示例。像素101b与像素101a的不同之处在于像素101b还包括光电转换元件201和放大器晶体管202之间的转移(transfer)晶体管206，并且在其它方面可以与像素101a相同。由于提供了转移晶体管206，因此能够主要减小被称为kTC噪声的噪声，该噪声可能由于复位电平的变化而在复位晶体管204中产生。转移晶体管206的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号TX。即，垂直扫描电路102用作产生控制信号TX的驱动电路，该控制信号TX使转移晶体管206切换到接通(ON)和关断(OFF)。转移晶体管206和放大器晶体管202的栅极之间的节点用作浮置扩散部FD。用于将信号从光电转换元件201传输到发光元件203的信号路径还可以在浮置扩散部FD和放大器晶体管202之间被提供缓冲电路(未示出)。利用缓冲电路，能够抑制可能由于硅和金属之间的接触连接而产生的噪声电荷的影响。
图2C示出了像素101c的等效电路图，该像素101c是像素101的一个具体示例。像素101c与像素101b的不同之处在于像素101c还包括缓冲电路207和复位晶体管208。并且在其它方面可以与像素101b相同。缓冲电路207的一端连接到放大器晶体管202，并且另一端连接到发光元件203。发光元件203和缓冲电路207之间的节点经由复位晶体管208连接到电源线，通过该电源线供给电压V3。复位晶体管208的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号RES3。
缓冲电路207校正从放大器晶体管202流到发光元件203的电流(电荷信号)。缓冲电路207是例如γ校正电路、二维阴影校正电路、变化校正电路、反馈复位电路等。
图3A示出了像素101d的等效电路图，该像素101d是像素101的一个具体示例。像素101d与像素101b的不同之处在于像素101d还包括电容器元件301和复位晶体管302，并且在其它方面可以与像素101b相同。电容器元件301连接在转移晶体管206和放大器晶体管202之间。转移晶体管206和电容器元件301之间的节点用作浮置扩散部FD。电容器元件301和放大器晶体管202之间的节点经由复位晶体管302连接到电源线，该电源线供给电压V4。复位晶体管302的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号RES4。由于提供了电容器元件301，因此能够对放大器晶体管202供给由转移到浮置扩散部FD的电荷造成的跨电容器元件301的电压的改变作为信号。作为结果，能够将光电转换元件201的电源电压和发光元件203的电源电压设置为彼此独立。
图3B示出了像素101e的等效电路图，该像素101e是像素101的一个具体示例。像素101e与像素101b的不同之处在于像素101e还包括电容器元件303和电容添加(add)晶体管304，并且在其它方面可以与像素101b相同。电容器元件303的一端连接到电容添加晶体管304，并且另一端连接到地。电容添加晶体管304连接在电容器元件303和浮置扩散部FD之间。电容添加晶体管304的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号ADD。在电容添加晶体管304被接通时，电容器元件301的电容被添加到浮置扩散部FD的电容。因此，要被供给到发光元件203的电荷信号被改变。
图4A示出了像素101f的等效电路图，该像素101f是像素101的一个具体示例。像素101f与像素101b的不同之处在于像素101f还包括限幅(clip)晶体管401，并且在其它方面可以与像素101b相同。发光元件203和放大器晶体管202之间的节点经由限幅晶体管401连接到电源线，通过该电源线供给电压V6。限幅晶体管401的栅极连接到电源线，通过该电源线供给电压V7。
如果显著高于光电转换元件201的饱和水平的强度的光入射到图像捕获和显示装置100，那么存在浮置扩散部FD或发光元件203的电压电平下降至低于允许正常操作的电压电平的可能性。为了抑制这样的电压电平下降，像素101f包括限幅电路。对于浮置扩散部FD，复位晶体管204用作限幅电路。而且，对于发光元件203和放大器晶体管202之间的节点，限幅晶体管401用作限幅电路。由于限幅晶体管401包括在像素101f中，因此能够防止非期望的电压被施加到发光元件203。在像素101f中，在每个行或区域中共享施加到限幅晶体管401的电压。
图4B示出了像素101g的等效电路图，该像素101g是像素101的一个具体示例。像素101g与像素101b的不同之处在于像素101g还包括限幅晶体管402，并且在其它方面可以与像素101b相同。发光元件203和放大器晶体管202之间的节点经由限幅晶体管402连接到电源线，通过该电源线供给电压V8。限幅晶体管402连接到发光元件203和放大器晶体管202之间的节点。对于发光元件203和放大器晶体管202之间的节点，限幅晶体管402用作限幅电路。在每个像素101g中，根据发光元件203的输入单元处的电压执行限幅操作。
图2A至4B中所示的像素的具体示例中的每一个包括复位晶体管204和205以及放大器晶体管202。替代地，以下中的至少一个可以被省略：复位晶体管204和205；和/或放大器晶体管202。像素的配置不限于图2A至4B中所示的那些，并且可以适当地添加电路元件，或者可以组合配置。例如，能够进行修改，诸如在多个光接收元件或多个发光元件之间共享电路元件，或者提供选择开关并将电路元件连接到多个元件中的任何一个。
接下来，将参考图5A和5B中所示的时序图描述图像捕获和显示装置100的操作的示例的示例。在图5A和5B中，RES1、RES2和TX表示由垂直扫描电路102产生的控制信号的电平，V_FD表示浮置扩散部FD处的电压的值，并且I_AN表示流过发光元件203的电流的值。
图5A是在图像捕获和显示装置100的像素101是像素101a的情况下的时序图。复位晶体管204在控制信号RES1处于高电平时接通，并且在控制信号RES1处于低电平时关断。复位晶体管205和控制信号RES2之间的关系与以上相同。在时间点t11之前，复位晶体管204和205二者接通，因此浮置扩散部FD处的电压已被复位到电压V1并且放大器晶体管202和发光元件203之间的节点处的电压已被复位到电压V2。电压V1和电压V2可以是相同的值。
在时间点t11，垂直扫描电路102将控制信号RES1和RES2从接通切换到关断。作为结果，光电转换元件201产生与入射光的强度对应的电荷信号。由此产生的电荷可以是电子或空穴。浮置扩散部FD处的电压根据由此产生的电荷信号的值而改变。与浮置扩散部FD处的电压的改变量对应的电流在放大器晶体管202的源极和漏极之间流动。这个电流被供给到发光元件203，因此发光元件203发出与电流量对应的强度的光。
此后，在时间点t12，垂直扫描电路102将控制信号RES1和RES2从关断切换到接通。作为结果，浮置扩散部FD处的电压被复位到电压V1，并且放大器晶体管202和发光元件203之间的节点处的电压被复位到电压V2。
图5B是在图像捕获和显示装置100的像素101是像素101b的情况下的时序图。转移晶体管206在控制信号TX处于高电平时接通，并且在控制信号TX处于低电平时关断。在时间点t21之前，复位晶体管204和205二者接通，因此浮置扩散部FD处的电压已被复位到电压V1并且放大器晶体管202和发光元件203之间的节点处的电压已被复位到电压V2。电压V1和电压V2可以是相同的值。
在时间点t21，垂直扫描电路102将控制信号RES1和RES2从接通切换到关断。作为结果，光电转换元件201产生与入射光的强度对应的电荷信号，并且将电荷信号存储在光电转换元件201中。而且，浮置扩散部FD处的电压根据噪声而改变。
在时间点t22，垂直扫描电路102将控制信号TX从关断切换到接通。作为结果，存储在光电转换元件201中的电荷被转移到浮置扩散部FD，并且与浮置扩散部FD处的电压的改变量对应的电流在放大器晶体管202的源极和漏极之间流动。这个电流被供给到发光元件203，因此发光元件203发出与电流量对应的强度的光。
在时间点t23，垂直扫描电路102将控制信号TX从接通切换到关断，并且此后，在时间点t24，垂直扫描电路102将控制信号RES1和RES2从关断切换到接通。作为结果，执行参考图5A描述的复位操作。
即使图像捕获和显示装置100的像素101是像素101c至101g中的任何一个，也可以根据图5B中所示的时序图执行处理。在这样的情况下，垂直扫描电路102切换控制信号RES3和RES4的定时也可以与垂直扫描电路102切换控制信号RES1和RES2的定时相同。因此，可以共享同一导电线以将控制信号RES1至RES4供给到一个像素。换句话说，垂直扫描电路102可以通过共用的导电线将控制信号供给到复位晶体管204、205、208和302的相应栅极。利用这种配置，可以减小导电线的数量，并且可以增大布局像素的灵活性。
垂直扫描电路102可以同时切换供给到多行像素中的每一行的复位晶体管204的控制信号RES1的电平。即，垂直扫描电路102可以将包括在像素区域中的像素101的相应复位晶体管204一次全部切换到接通或关断，从而一次全部(同时)复位相应浮置扩散部FD处的电压。这同样适用于控制信号RES2至RES4。
类似地，垂直扫描电路102可以同时切换供给到多行像素中的每一行的转移晶体管206的控制信号TX的电平。即，垂直扫描电路102可以将包括在像素区域中的像素101的相应转移晶体管206一次全部切换到接通或关断，从而一次全部(同时)转移存储在相应光电转换元件201中的电荷信号。因此，作为垂直扫描电路102以相同的定时驱动像素区域中的所有像素的结果，可以提高图像捕获和显示装置100的刷新率。
在上述像素101a至101g中的任何一个中，用于将信号从多个光电转换元件201传输到多个发光元件203的信号路径位于像素区域111内。因此，与由光电转换元件201获取的信号被读取到像素区域外并且在对从像素阵列获取的图像执行数据处理之后显示图像的情况相比，能够缩短从光进入光电转换元件201到发光元件203发出光的时间段。
接下来，将参考图6中所示的截面图描述像素101b的配置的示例。图像捕获和显示装置100包括彼此堆叠的两个基板600和650。基板600包括光电转换元件，并且基板650包括发光元件。
基板600包括半导体层601、绝缘层604、滤色器层611和微透镜612。半导体层601包括多个杂质区域，包括杂质区域602和603。杂质区域602构成光电转换元件201。杂质区域603用作浮置扩散部FD。此外，多个杂质区域还包括构成复位晶体管204的区域。滤色器层611是例如Bayer布置，并且将入射光分解成红色、绿色和蓝色。代替滤色器层611，可以在像素区域111中部署对红色光执行光电转换的元件、对绿色光执行光电转换的元件和对蓝色光执行光电转换的元件。
电极605和606、导电图案607、插塞608和609以及连接部分610在绝缘层604中形成。电极605用作转移晶体管206的栅极。电极606用作复位晶体管204的栅极。浮置扩散部FD经由插塞608、导电图案607的一部分和插塞609连接到连接部分610。如上所述，光电转换元件201对通过图像捕获和显示装置100的下表面100a进入的入射光执行光电转换。即，基板600是背侧照明型基板。替代地，基板600可以被形成为顶侧照明型基板。
基板650包括半导体层651和绝缘层653。半导体层651包括多个杂质区域，包括杂质区域652。杂质区域652用作放大器晶体管202和发光元件203之间的节点。多个杂质区域还包括构成复位晶体管205的区域。
电极654和655、导电图案656、插塞658、发光层657和连接部分659在绝缘层653中形成。发光层657构成发光元件203。发出红色光的发光层657、发出绿色光的发光层657和发出蓝色光的发光层657可以部署在像素区域111中。替代地，基板650可以在发光层657上包括滤色器，并且滤色器可以将从发光层657发出的白色光转换成单独的颜色。电极654用作放大器晶体管202的栅极。电极655用作复位晶体管205的栅极。导电图案656的一部分经由插塞658连接到连接部分659。
连接部分610和连接部分659可以彼此直接连接，或者经由微凸块连接。如果基板600和650具有数百微米或更小的厚度，那么可以将支撑基板附连到基板600和650中的每一个，以便确保图像捕获和显示装置100的强度。例如，使用玻璃、塑料、石英等形成的透明支撑基板可以附连到基板600的下侧和/或基板650的上侧中的至少一个。支撑基板可以通过使用设备层转移方法被附连。根据这个方法，例如，以其间具有多孔结构区域在基台上产生基板600，并且此后基板600被分离以便被部署在透明支撑基板上。
在图6中所示的结构中，图像捕获和显示装置100由彼此堆叠的两个基板600和650构成。替代地，可以通过一系列工艺使用单个半导体基板形成图6中所示的构成元件。在这种情况下，形成将导电图案656的一部分和导电图案607的一部分彼此连接的贯通电极。
在图6中，光电转换元件201、浮置扩散部FD、复位晶体管204和转移晶体管206在基板600中形成，并且放大器晶体管202、复位晶体管205和发光元件203在基板650中形成。替代地，浮置扩散部FD、复位晶体管204和转移晶体管206可以在基板650中形成。利用这种布置，能够增大基板600中形成的光电转换元件201中的杂质区域602的面积。
在图6中所示的结构中，光电转换元件201接收来自图像捕获和显示装置100的下侧的入射光，并且发光元件203朝向图像捕获和显示装置100的上侧发出光。因此，光电转换元件201和发光元件203具有它们彼此不干涉的位置关系。以这种方式，光电转换元件201和发光元件203部署在不同的表面上，因此来自发光元件203的光和来自外部的光在光电转换元件201处可以彼此分离，并且可以在像素区域111中部署大量的像素。
接下来，将参考图7A和7B描述根据一些实施例的图像捕获和显示装置700的配置的示例。图7A是图像捕获和显示装置700的截面图。图像捕获和显示装置700的平面图可以类似于图1A中所示的图像捕获和显示装置100的平面图，因此它被省略。图像捕获和显示装置700具有点线710内侧的像素区域711和点线710外侧的周边电路区域712。多个像素701在像素区域711中以阵列部署。垂直扫描电路102部署在周边电路区域712中。此外，电源电路(未示出)等也部署在周边电路区域712中。导电线103各自被部署用于在行方向上排列的多个像素。像素701经由导电线103从垂直扫描电路102被供给控制信号。图像捕获和显示装置700具有上表面700b和与上表面700b相对的下表面700a。每个像素701从图像捕获和显示装置700的上表面700b发出与通过图像捕获和显示装置700的上表面700b进入的入射光的强度对应的强度的光。因此，上表面700b也可以被称为入射表面和光发出表面。
图7B示出了聚焦于一个像素701的截面图。像素701的等效电路图可以类似于像素101的等效电路图。图7B图示了其中像素701是图2B中所示的像素101b的情况。可以使用单个基板形成图像捕获和显示装置700。图像捕获和显示装置700包括半导体层750、绝缘层757、滤色器层762和微透镜763。半导体层750包括多个杂质区域，包括杂质区域751和753。杂质区域751构成光电转换元件201。杂质区域753用作浮置扩散部FD。此外，多个杂质区域还包括构成复位晶体管204和205以及放大器晶体管202的区域。通过在同一滤色器层762中包括用于光电转换元件的滤色器和用于发光元件的滤色器，能够减小滤色器的厚度的变化的影响，并且提高图像质量。
电极752、754、755和756、导电图案759、遮光部分761、光波导758和发光层760在绝缘层757中形成。电极752用作转移晶体管206的栅极。电极754用作复位晶体管204的栅极。电极755用作放大器晶体管202的栅极。电极756用作复位晶体管205的栅极。发光层760构成发光元件203。遮光部分761位于发光层760和杂质区域751之间，并且防止从发光层760发出的光到达杂质区域751。遮光部分761例如使用金属或偏振构件形成。光波导758将经由微透镜763进入绝缘层757的入射光收集到杂质区域751。可以省略滤色器层762、微透镜763、光波导758、等等。
如上所述，光电转换元件201对通过图像捕获和显示装置700的上表面700b进入的入射光执行光电转换。即，图像捕获和显示装置700的基板是顶侧照明型基板。替代地，图像捕获和显示装置700的基板可以被形成为背侧照明型基板。
图8A至8C图示了杂质区域751和发光层760的平面布局的具体示例。图8A至8C各自在平面图中示出了图像捕获和显示装置700的上表面700b中的杂质区域751和发光层760的位置，并且聚焦于以三行三列布置的九个像素701。
在图8A中所示的布局中，布置矩形杂质区域751和矩形发光层760。在图8B中所示的布局中，布置矩形(例如，正方形)杂质区域751和L形发光层760。在图8C中所示的布局中，框形发光层760分别位于矩形(例如，正方形)杂质区域751周围。以这种方式，在布局的任何一个中，杂质区域751和发光层760在图像捕获和显示装置700的上表面700b的平面图中彼此不重叠。
在上述图像捕获和显示装置100中，构成光电转换元件201的杂质区域602和构成发光元件203的发光层657可以部署为在图像捕获和显示装置100的上表面100b的平面图中彼此不重叠。到杂质区域602的入射光的长波长成分容易穿过硅层。这样的布置使得能够防止穿过杂质区域602的光对发光层760具有影响。
接下来，将参考图9描述根据一些实施例的图像捕获和显示装置900的配置的示例。图像捕获和显示装置900的平面图和截面图可以类似于图1A中所示的图像捕获和显示装置100的平面图和截面图，因此它们被省略。图9是以两行两列布置的四个像素的等效电路图。多个像素901在图像捕获和显示装置900的像素区域中以阵列部署。像素901与图像捕获和显示装置100的像素101的不同之处在于像素901各自包括开关晶体管902和开关晶体管903。此外，在像素区域中，对以两行两列布置的每四个像素901部署发光元件904和缓冲电路905。以这种方式，图像捕获和显示装置900在像素区域中包括以与光电转换元件201相同的间距部署的发光元件203、以及以与前面提到的间距不同的间距部署的发光元件904。在图9中，对每四个像素901部署发光元件904和缓冲电路905。然而，它们可以对包括另一数量的像素901的每组像素901进行部署。图9图示了与图2B中所示的像素101b不同的点。然而，这样的差异可以应用于图2A至4B中所示的其它像素。
开关晶体管902连接在放大器晶体管202和发光元件203之间。开关晶体管902的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号CH1。开关晶体管903连接在放大器晶体管202和缓冲电路905之间。开关晶体管903的栅极从垂直扫描电路102被供给控制信号CH2。发光元件904连接在缓冲电路905和地之间。缓冲电路905的配置和功能可以类似于缓冲电路207的配置和功能。发光元件904的配置和功能可以类似于发光元件203的配置和功能。发光元件904可以使用与发光元件203相同的方法或不同的方法产生颜色。例如，发光元件203可以使用滤色器发出每种颜色的光，并且发光元件904可以通过自身发出每种颜色的光。
图像捕获和显示装置900可以以两种模式(即，高分辨率模式和低分辨率模式)操作。在高分辨率模式下，垂直扫描电路102将控制信号CH1设置为高电平以接通每个像素901的开关晶体管902，并且将控制信号CH2设置为低电平以关断每个像素901的开关晶体管903。在这种情况下，由像素901的光电转换元件201获取的信号被供给到发光元件203，并且发光元件203发出光。另一方面，没有信号被供给到发光元件904，因此发光元件904不发出光。以这种方式，在高分辨率模式下，对于每个像素901，一个发光元件203发出光。
在低分辨率模式下，垂直扫描电路102将控制信号CH1设置为低电平以关断每个像素901的开关晶体管902，并且将控制信号CH2设置为高电平以接通每个像素901的开关晶体管903。在这种情况下，由四个像素901的相应光电转换元件201获取的信号被整合成一个信号，并且因此被供给到发光元件904，并且发光元件904发出光。另一方面，没有信号被供给到发光元件203，因此发光元件203不发出光。以这种方式，在低分辨率模式下，对于每四个像素901，一个发光元件904发出光。以这种方式，开关晶体管902和903用作将由一个光电转换元件201获取的信号的传输目的地切换到发光元件203或发光元件904的开关元件。
图像捕获和显示装置900还可以被配置为使包括在像素区域的一部分中的像素901以低分辨率模式操作，并且使包括在另一个区域中的像素901以高分辨率模式操作。具体地，图像捕获和显示装置900可以被配置为将包括在期望以低分辨率模式操作的区域中的像素901的控制信号CH2设置为高电平，并且将包括在期望以高分辨率模式操作的区域中的像素901的控制信号CH1设置为高电平。
图10是聚焦于图像捕获和显示装置900的像素区域的一部分的截面图。杂质区域1001构成光电转换元件201。发光层1002构成发光元件203。发光层1003构成发光元件904。杂质区域1001对通过图像捕获和显示装置900的下表面进入的入射光执行光电转换，并且发光层1002和发光层1003各自朝着图像捕获和显示装置900的上表面发出光。发光层1003部署在以两行两列布置的四个像素之上。
将参考图11描述根据一些实施例的图像捕获和显示装置1100的配置的示例。图11是图像捕获和显示装置1100的平面图。图像捕获和显示装置1100的截面图类似于图1B中所示的图像捕获和显示装置100的截面图，因此它被省略。图像捕获和显示装置1100具有点线1110内侧的像素区域和点线1110外侧的周边电路区域。多个像素1101在像素区域中以阵列部署。垂直扫描电路1102、水平扫描电路1105和控制电路1106部署在周边电路区域中。此外，电源电路(未示出)等也部署在周边电路区域中。导电线1103各自被部署用于在行方向上排列的多个像素。像素1101经由导电线1103从垂直扫描电路1102被供给控制信号。在图11中，对于每行像素示出一条导电线1103。然而，如果要对每个像素供给多种控制信号，那么多条导电线103分别被部署用于控制信号。导电线1104各自被部署用于在列方向上排列的多个像素。信号经由导电线1104从像素1101读出到水平扫描电路1105。控制电路1106基于读出到水平扫描电路1105的信号来控制垂直扫描电路1102的操作。
将参考图12A中所示的等效电路图来描述像素1101的配置的具体示例。像素1101包括两组，每组包括图2B中所示的像素101b的光电转换元件201、放大器晶体管202、复位晶体管204和转移晶体管206。如像素101b中一样，一组中的放大器晶体管202的一个主电极连接到复位晶体管205和发光元件203。另一组中的放大器晶体管202的一个主电极连接到导电线1104。尽管图12A图示了基于图2B中所示的示例的配置，但是每组可以具有图2A至4B中所示的其它像素的任何一个的具体示例的配置。
在图像捕获和显示装置1100中，发光元件203发出与由一个光电转换元件201获取的电荷信号对应的光，同时水平扫描电路1105读出由另一个光电转换元件201获取的信号。控制电路1106可以从由水平扫描电路1105读出的信号产生图像数据，并且存储图像数据。一个光电转换元件201可以检测可见光，并且另一个光电转换元件201可以检测红外光。
图12B和12C是各自聚焦于图像捕获和显示装置1100的一个像素1101的截面图。图像捕获和显示装置1100包括彼此堆叠的两个基板1201和1202。每个基板可以是顶侧照明型基板或背侧照明型基板。基板1201包括构成光电转换元件的杂质区域1205。基板1202包括构成光电转换元件的杂质区域1204和构成发光元件的发光层1203。杂质区域1204和杂质区域1205可以分别构成图12A中所示的上部的光电转换元件201和下部的光电转换元件201，或者相反。
在图12B中所示的实施例中，杂质区域1204和1205二者对来自图像捕获和显示装置1100的上侧的入射光执行光电转换，并且发光层1203朝着图像捕获和显示装置1100的上侧发出光。在图12C中所示的实施例中，杂质区域1204对来自图像捕获和显示装置1100的上侧的入射光执行光电转换，杂质区域1205对来自图像捕获和显示装置1100的下侧的入射光执行光电转换，并且发光层1203朝着图像捕获和显示装置1100的上侧发出光。
在图12C中所示的示例中，杂质区域1204构成下部的光电转换元件201。当图像捕获和显示装置1100安装在可穿戴设备(诸如一副眼镜)上时，图像捕获和显示装置1100的上表面被定位为面向用户的眼睛。因此，控制电路1106可以使用由下部的光电转换元件201获取的图像数据来执行注视(gaze)检测。使用图像捕获和显示装置900的部件，控制电路1106可以以高分辨率显示在图像捕获和显示装置1100的像素区域中检测到用户的注视的区域，并且以低分辨率显示其它区域。而且，杂质区域1205可以在基板1201的大部分(例如，平面图中基板的表面的80％或更多)中形成。而且，发光层1203可以在基板1201中形成，并且在适当的时候可以去除基板1202。
在上述各种实施例中，光电转换元件201和发光元件203彼此一一对应。替代地，两个或更多个光电转换元件201和一个发光元件203可以彼此对应。具体地，基于由两个或更多个光电转换元件201获取的电荷信号之和的强度的光可以由一个发光元件203发出。此外，一个光电转换元件201和两个或更多个发光元件203可以彼此对应。具体地，基于由一个光电转换元件201获取的电荷信号的强度的光可以由两个或更多个发光元件203分开发出。此外，光电转换元件201与发光元件203之间的对应关系可以是以上的混合。例如，由检测蓝色光的一个光电转换元件201获取的电荷信号可以被分开供给到发出蓝色光的两个或更多个发光元件203。此外，在同一图像捕获和显示装置中，由检测绿色光的两个或更多个光电转换元件201获取的电荷信号可以被整合成一个信号并且供给到发出绿色光的一个发光元件203。这样的配置通过针对每种颜色的最佳阵列实现光接收和光发出。
将参考图13A至13C描述根据上述实施例的图像捕获和显示装置的应用示例。图像捕获和显示装置可以应用于可穿戴设备，诸如智能眼镜、HMD或智能隐形眼镜。可以在这样的应用示例中使用的图像捕获和显示装置包括可以对可见光执行光电转换的光电转换元件、以及可以发出可见光的发光元件。
图13A图示了根据一个应用示例的一副眼镜1300(智能眼镜)。图像捕获和显示装置1302安装在这副眼镜1300的镜片1301上。图像捕获和显示装置1302可以是例如上述图像捕获和显示装置100。这副眼镜1300还包括控制装置1303。控制装置1303用作向图像捕获和显示装置1302供电的电源，并且还控制图像捕获和显示装置1302的操作。在镜片1301中形成用于将光收集到图像捕获和显示装置1302上的光学系统。
图13B图示了根据一个应用示例的一副眼镜1310(智能眼镜)。这副眼镜1310包括控制装置1312，并且图像捕获和显示装置安装在控制装置1312中。这个图像捕获和显示装置可以是例如上述图像捕获和显示装置100。在镜片1311中形成用于投射从控制装置1312中的图像捕获和显示装置发出的光的光学系统。光学系统在接收到这个光时将图像投射到镜片1311上。控制装置1312用作向图像捕获和显示装置供电的电源，并且还控制图像捕获和显示装置的操作。
图13C图示了根据一个应用示例的隐形眼镜1320(智能隐形眼镜)。图像捕获和显示装置1321安装在隐形眼镜1320上。图像捕获和显示装置1321可以是例如上述图像捕获和显示装置100。隐形眼镜1320还包括控制装置1322。控制装置1322用作向图像捕获和显示装置1321供电的电源，并且还控制图像捕获和显示装置1321的操作。在隐形眼镜1320中形成用于将光收集到图像捕获和显示装置1321上的光学系统。
图像捕获和显示装置还可应用于夜视装置、监视装置、双筒望远镜(binocular)、望远镜(telescope)、医学检测器等。可以在这样的应用示例中使用的图像捕获和显示装置包括可以对可见光和除可见光之外的光(紫外光、红外光、等等)执行光电转换的光电转换元件、以及可以发出可见光的发光元件。在这样的应用示例中，人眼不能容易地感知的光被显示为可见光。
图像捕获和显示装置还可应用于监视和安全装置。可以在这样的应用示例中使用的图像捕获和显示装置包括可以对可见光执行光电转换的光电转换元件、以及可以发出除可见光之外的光(紫外光、红外光、等等)的发光元件。对于这样的应用示例，可以使关于被摄体的信息不可见。
在根据应用示例的任何一个的设备中，在根据实施例的图像捕获和显示装置中从光接收到光发出的时间段短。因此，用户可以使用该设备而不会感觉到有些不对劲。
本发明不限于以上实施例，并且可以在本发明的精神和范围内进行各种改变和修改。因此，为了向公众告知本发明的范围，附上以下权利要求。
本申请要求来自2016年10月7日提交的日本专利申请No.2016-199410的优先权，该日本专利申请的全部内容特此通过引用并入本文。

Claims (26)

1.一种图像捕获和显示装置，包括：
第一基板，所述第一基板包括：
第一半导体层，所述第一半导体层包括用于将入射光转换成电荷信号的光电转换元件；
第一绝缘层，所述第一绝缘层包括第一连接部分、以及电连接到所述第一连接部分的第一导电图案，和
第二基板，所述第二基板包括：
第二半导体层；
第二绝缘层，所述第二绝缘层包括能够发出与所述光电转换元件的电荷信号对应的光的发光元件、第二连接部分、以及电连接到所述第二连接部分的第二导电图案，
其中所述第一基板和第二基板彼此堆叠，并且所述第一连接部分和第二连接部分彼此直接连接或经由微凸块连接，并且
其中所述第一连接部分和第二连接部分位于所述第一半导体层和第二半导体层之间。
2.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，还包括位于所述发光元件和光电转换元件之间的遮光部分。
3.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，包括用于放大所述光电转换元件的电荷信号的放大器电路。
4.根据权利要求3所述的图像捕获和显示装置，还包括连接在所述放大器电路和发光元件之间的缓冲电路。
5.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，还包括：
浮置扩散部；
转移晶体管，被配置为控制所述光电转换元件和浮置扩散部之间的电连接；以及
用于产生控制信号的驱动电路，所述控制信号使所述转移晶体管切换到接通和关断。
6.根据权利要求5所述的图像捕获和显示装置，还包括连接在所述浮置扩散部和发光元件之间的电容器元件。
7.根据权利要求5所述的图像捕获和显示装置，其中
所述图像捕获和显示装置包括多个光电转换元件和多个转移晶体管，并且
所述驱动电路将连接到所述多个光电转换元件的所述多个转移晶体管同时切换到接通或关断。
8.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，还包括：
用于使跨所述光电转换元件的电压复位的第一复位晶体管和用于使跨所述发光元件的电压复位的第二复位晶体管。
9.根据权利要求8所述的图像捕获和显示装置，其中经由相同的导电线对所述第一复位晶体管的栅极和所述第二复位晶体管的栅极供给控制信号。
10.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，还包括第一晶体管和第二晶体管，其中
所述第一晶体管包括在所述第一半导体层中，并且
所述第二晶体管包括在所述第二半导体层中。
11.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，其中所述发光元件是有机LED或无机LED。
12.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，其中所述光电转换元件为背侧照明类型。
13.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，其中
所述图像捕获和显示装置具有第一表面，
所述光电转换元件将通过所述第一表面进入的入射光转换成电荷信号，并且
所述发光元件从所述第一表面发出光。
14.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，其中
所述图像捕获和显示装置具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，
所述光电转换元件将通过所述第一表面进入的入射光转换成电荷信号，并且
所述发光元件从所述第二表面发出光。
15.根据权利要求1所述的图像捕获和显示装置，其中所述第一连接部分和第二连接部分彼此直接连接。
16.一种可穿戴设备，包括：
根据权利要求1至15中的任一项所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
17.一种智能眼镜，包括：
根据权利要求1至15中的任一项所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
18.一种头戴显示器，包括：
根据权利要求1至15中的任一项所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
19.一种图像捕获和显示装置，包括：
多个光电转换元件，用于将入射光转换成电荷信号；和
多个发光元件，用于发出与由所述多个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光，
其中像素区域被定义为以阵列布置所述多个光电转换元件的区域，
其中用于将信号从所述多个光电转换元件传输到所述多个发光元件的信号路径位于所述像素区域内，
其中所述多个发光元件包括：
多个第一发光元件，以第一间距布置在所述像素区域中；和
多个第二发光元件，以不同于所述第一间距的第二间距布置在所述像素区域中，并且
其中所述图像捕获和显示装置还包括用于将由一个光电转换元件获取的信号的传输目的地切换到第一发光元件和第二发光元件的开关元件。
20.一种可穿戴设备，包括：
根据权利要求19所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
21.一种智能眼镜，包括：
根据权利要求19所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
22.一种头戴显示器，包括：
根据权利要求19所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
23.一种图像捕获和显示装置，包括：
多个光电转换元件，用于将入射光转换成电荷信号；和
多个发光元件，用于发出与由所述多个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光，
其中像素区域被定义为以阵列布置所述多个光电转换元件的区域，
其中用于将信号从所述多个光电转换元件传输到所述多个发光元件的信号路径位于所述像素区域内，并且其中
两个或更多个发光元件发出与由所述多个光电转换元件中的一个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光，和/或
一个发光元件发出与由所述多个光电转换元件中的两个或更多个光电转换元件获取的电荷信号对应的强度的光。
24.一种可穿戴设备，包括：
根据权利要求23所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
25.一种智能眼镜，包括：
根据权利要求23所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
26.一种头戴显示器，包括：
根据权利要求23所述的图像捕获和显示装置；和
电源，用于向所述图像捕获和显示装置供电。
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