CN110603579B - 图像采集系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像采集系统(10)，包括：辐射(44)的源(22)；图像传感器(14)，所述图像传感器包括适于检测所述辐射的光电检测器的阵列并具有一个面(15)；和角度滤光器(16)，其覆盖所述传感器，并且适于阻挡相对于与所述面正交的方向的入射角大于阈值的所述辐射的射线，并且适于接收相对于与所述面正交的方向的入射角小于所述阈值的所述辐射的至少某些射线。

Description

图像采集系统
本专利申请要求法国专利申请FR17/51789和FR17/57669的优先权权益，其内容在法律允许的最大范围内通过引用整体结合于此。
技术领域
本公开涉及图像采集系统。
背景技术
图像采集系统通常包括图像传感器和光学系统，该光学系统介于图像传感器的敏感部分与待成像对象之间，并且能够在图像传感器的敏感部分上形成待成像对象的清晰(sharp)图像。
然而，在某些情况下，不可能在图像传感器的敏感部分和待成像对象之间具有这样的光学系统。当图像传感器占据显著的表面积(大于一平方厘米)并且待成像对象与图像传感器的敏感部分之间的距离小于一厘米时，尤其如此。
必须将待成像对象放置在最靠近图像传感器的位置，以使在图像传感器的敏感部分上形成的图像足够清晰。但是，在对象和图像传感器之间可能存在距离，使得在图像传感器的敏感部分上形成的图像的清晰度可能不足以用于某些应用，例如，例如用于捕获指纹。
发明内容
实施方式的目的是在没有在图像传感器的敏感部分上形成待成像对象的清晰图像的光学系统的情况下，提高由图像采集系统的图像传感器获取的图像的清晰度。
实施方式的另一个目的是使图像传感器的敏感部分的表面积大于一平方厘米。
实施方式的另一目的是使待成像对象与图像传感器的敏感部分之间的距离短于一厘米。
实施方式的另一个目的是使待成像对象与图像传感器的敏感部分之间的距离大于五十微米。
因此，实施方式提供了一种图像采集系统，包括：
-辐射源；
-图像传感器，包括能够检测所述辐射的光电检测器阵列并包括表面；和
-角度滤光器，其覆盖所述图像传感器，并且能够阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射角大于阈值的所述辐射的射线，并且让相对于与所述表面正交的方向的入射角小于所述阈值的所述辐射的射线通过。
根据一个实施方式，该系统还包括对于所述辐射至少部分透明并且覆盖图像传感器的涂层，角度滤光器介于涂层和图像传感器之间。
根据一个实施方式，源能够将所述辐射从涂层的外围发射到涂层中，涂层起到用于所述辐射的波导的作用。
根据一个实施方式，辐射在可见光范围内和/或在红外光范围内。
根据一个实施方式，角度滤光器包括孔阵列，所述孔阵列由对所述辐射不透明的壁界定或由偏振材料制成，所述孔填充有空气或对所述辐射至少部分透明的材料。
根据一个实施方式，对于每个孔，垂直于表面测量的孔的高度与平行于表面测量的孔的宽度的比在1到10之间变化。
根据一个实施方式，孔以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距(pitch)在10μm至30μm之间变化。
根据一个实施方式，沿着与表面正交的方向测量的每个孔的高度在1μm至1mm之间变化。
根据一个实施方式，平行于表面测量的每个孔的宽度在5μm至30μm之间变化。
根据一个实施方式，壁完全由对所述辐射不透明的材料制成。
根据一个实施方式，每个壁包括由对所述辐射透明的材料制成的芯，该芯覆盖有对所述辐射不透明的层。
根据一个实施方式，该系统还包括覆盖孔的透镜。
根据一个实施方式，该系统针对每个孔包括覆盖该孔并与壁接触的透镜。
根据一个实施方式，光电检测器包括有机光电二极管。
一个实施方式提供了一种显示系统，包括如上定义的图像采集系统，并且还包括显示屏、介于显示屏和图像传感器之间的角度滤光器。
根据一个实施方式，显示屏包括发光组件阵列，并且光电检测器沿着垂直于表面的方向相对于发光组件偏移。
根据一个实施方式，发光组件通过中间区域彼此分开，并且光电检测器沿着垂直于所述表面的方向与所述中间区域成一直线设置。
根据一个实施方式，显示屏包括发光组件阵列，所述发光组件至少部分地对辐射透明，并且所述发光组件沿着垂直于所述表面的方向至少部分地与所述光电检测器相对。
根据一个实施方式，发光组件包括有机发光二极管。
实施方式还提供使用如上定义的显示系统来检测用户的至少一个指纹。
一个实施方式还提供一种制造图像采集系统的方法，包括以下步骤：
-提供辐射源；
-形成图像传感器，所述图像传感器包括能够检测所述辐射的光电检测器阵列并包括表面；和
-形成角度滤光器，所述角度滤光器覆盖所述图像传感器，并且能够阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射角大于阈值的所述辐射的射线，并且让相对于与所述表面正交的方向的入射角小于所述阈值的所述辐射的射线通过。
根据一个实施方式，所述角度滤光器包括由对所述辐射不透明的壁界定的孔阵列，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
形成光敏树脂层；和
通过光刻法蚀刻该层而形成所述壁。
根据一个实施方式，光敏树脂是黑色或彩色树脂。
根据一个实施方式，所述角度滤光器包括由对所述辐射不透明的壁界定的孔阵列，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
通过光刻步骤形成透明树脂模具，所述透明树脂模具的形状与所述壁的所需形状互补；
用形成所述壁的材料填充所述模具；和
从所述模具中取出获得的结构。
根据一个实施方式，所述角度滤光器包括由对所述辐射不透明的壁界定的孔阵列，每个壁包括由对所述辐射透明的材料制成的芯，所述芯覆盖有对所述辐射不透明的层，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
形成对所述辐射透明的光敏树脂层；
根据壁的所需形状通过光刻法蚀刻所述层；和
用对所述辐射不透明的层覆盖获得的结构。
根据一个实施方式，角度滤光器的形成包括在黑色或彩色薄膜中刺穿微米范围尺寸的孔。
根据一个实施方式，所述孔借助于微米范围尺寸的针刺穿。
附图说明
在结合附图对特定实施方式的以下非限制性描述中，将详细讨论前述和其他特征和优点，其中：
图1和图2是图像采集系统的实施方式的局部简化横截面图；
图3是图2的图像采集系统的图像传感器的实施方式的横截面图；
图4是图像采集系统的另一实施方式的局部简化横截面图；
图5和图6是类似于图4的横截面图，示出了用作指纹传感器的图4的图像采集系统的操作；
图7是包括显示屏和图像传感器的显示系统的实施方式的局部简化俯视图；
图8A和8B分别是包括显示屏和图像传感器的显示系统的实施方式的局部和简化的俯视图和横截面图；
图9是包括显示屏和图像传感器的显示系统的另一实施方式的局部简化俯视图；
图10和11分别是角度滤光器的一个实施方式的局部和简化的横截面图和俯视图；
图12至图17是角度滤光器的其他实施方式的局部简化横截面图；
图18是包括显示屏和图像传感器的显示系统的另一实施方式的局部简化俯视图；
图19是图18的显示系统的图像传感器的更详细的实施方式的局部简化俯视图；和
图20至图22是包括显示屏和图像传感器的显示系统的实施方式的局部简化横截面图。
具体实施方式
为了清楚起见，在各个附图中，相同的元件已经用相同的附图标记表示，并且，此外，与通常的电子电路的表示一样，各个附图不是按比例绘制的。在下面的描述中，当提及限定绝对位置的术语时，诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等，或限定相对位置的术语时，诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等，是指附图的方向，或者是指在正常使用位置上的图像采集系统或显示系统。
此外，仅示出并且将描述那些对理解本说明书有用的元件。
特别地，未详细描述下文所述的传感器的用途，并且未详细描述下文所述的包括显示屏和图像传感器的显示系统的用途。在能够经由触摸界面控制的任何类型的系统中使用显示系统将在本领域技术人员的能力范围内。此外，图像采集系统或显示屏的结构是本领域技术人员众所周知的，并且在下文中将不再详细描述。此外，用于处理由下文描述的图像采集系统提供的信号的装置在本领域技术人员的能力范围内，并且将不进行描述。术语“基本上”、“近似地”和“大约”在本文中用于表示所讨论的值的正负10％的公差。在角度的情况下，术语“基本上”和“近似地”在本文中用于表示所讨论的值的正负10°的公差。
在下面的描述中，“可见光”表示波长在400nm至700nm范围内的电磁辐射，而“红外辐射”表示波长在700nm至1mm范围内的电磁辐射。在红外辐射中，可以特别区分波长范围为700nm至1.4μm的近红外辐射。
图像的像素对应于显示屏显示的图像的单位元素。当显示屏是彩色图像显示屏时，为了显示每个图像像素，它总体上包括至少三个发射和/或光强度调节组件，也称为显示子像素，每个组件发射的光辐射基本上是单色的(例如红色、绿色和蓝色)。由三个显示子像素发射的辐射的叠加为观察者提供了与所显示图像的像素相对应的色彩感觉。在这种情况下，由用于显示图像像素的三个子显示像素形成的组件称为显示屏的显示像素。
图1是用于采集对象12的图像的系统10的实施方式的局部简化横截面图，在图1中部分示出。在图1中，图像采集系统10从下到上包括：
具有上表面15的图像传感器14；
角度滤光器16；和
光源22。
图像采集系统10还包括未示出的用于处理由图像传感器14输出的信号的装置，例如包括微处理器。
图2是用于采集对象12的图像的系统25的另一实施方式的局部简化横截面图。图像采集系统25包括图像采集系统10的所有元件，并且还包括涂层18，涂层18具有相对的上、下表面20、21，覆盖在与图像传感器14相对的一侧上的角度滤光器16。
图3是图像传感器14的实施方式的横截面图。图像传感器14包括支撑件24和布置在支撑件24和角度滤光器16之间的光子传感器28(也称为光电检测器)的阵列26。光电检测器28可以覆盖有透明保护涂层(未显示)。图像传感器14还包括导电迹线(conductivetrack)和开关元件，特别是未示出的晶体管，从而能够选择光电检测器28。光电检测器28可以由有机材料制成。光电检测器28可以对应于有机光电二极管(OPD)或有机光敏电阻。与角度滤光器16相对并包含光电检测器28的图像传感器14的表面积大于1cm2，优选大于5cm2，更优选大于10cm2，特别是大于20cm2。表面15可以是基本平面的。
涂层18对于光源22发射出的辐射至少部分透明。涂层18的厚度可以在1μm至10mm的范围内。上表面20和下表面21可以是基本平面的。
角度滤光器16能够根据辐射相对于角度滤光器16的上表面20的入射角来过滤入射的辐射，特别是使得每个光电检测器28仅接收相对于垂直于角度滤光器16的上表面20的轴线的入射角小于最大入射角的射线，所述最大入射角小于45°，优选小于30°，更优选小于20°，更优选小于10°。角度滤光器16能够阻挡相对于垂直于角度滤光器16的上表面20的轴线的入射角大于最大入射角的入射辐射的射线。
在图1或图2所示的实施方式中，图像由图像传感器14获取的对象12介于光源22和角度滤光器16或涂层18之间。通过使光源22发射出的辐射穿过对象12而获得图像。由源12发射出的辐射可以是可见辐射和/或红外辐射。对于用于确定指纹的应用，对象12对应于用户的手指。优选地，手指12与图像采集系统10的上表面20接触，从而使穿过对象12和表面20之间的接触区域30的光线强烈地透射，而穿过没有接触的区域(也称为凹谷(valley))的光线会更弱地透射。位于接触区域30对面的光电检测器28收集以低入射率散射的光，而位于没有接触的区域32对面的光电检测器28收集很少的光，这是因为后者大部分被角度滤光器16阻挡。
图4是图像采集系统40的另一实施方式的局部简化横截面图。图像采集系统40包括图2中所示的图像采集系统25的所有元件，不同之处在于光源22由能够将光辐射44发射到涂层18中的光源42代替，然后该涂层起到波导的作用。由源42发射出的辐射44可以是可见辐射和/或红外辐射。辐射44从涂层18的外围注入到涂层18中。在图4所示的实施方式中，辐射44从涂层18的侧向边缘46注入到涂层18中。根据另一个实施方式，辐射44从上表面20或下表面21，优选从下表面21在涂层18的外围注入涂层18中。在本实施方式中，涂层18的厚度优选在0.1mm至1mm的范围内。涂层18可以由玻璃或塑料材料制成。
根据一个实施方式，由源42发射并传播到涂层18中的光束44可能不被准直。根据一个实施方式，由源42发射并传播到涂层18中的光束44基本上是准直的，光束44的射线基本上平行于涂层18的表面20、21。这可以改善由图像传感器14获取的接触区域30的图像的均匀性。
图5和图6示出了图像采集系统40作为指纹传感器的操作。如图5所示，传播到涂层18中的辐射在对象12和上表面20之间的接触区域30的水平处扩散，使得与接触区域相对的图像传感器14的光电检测器28接收由角度滤光器16过滤的散射辐射。如图6所示，传播到涂层18中的辐射保持被限制在凹谷32的水平处的涂层18中，使得与凹谷32相对的图像传感器14的光电检测器28几乎不接收或不接收辐射。
图像采集系统10或40的应用的另一个示例涉及通过其中放置有生物材料(例如，放置在培养皿中的生物培养物)的透明支撑件获取生物材料的图像。
图7是显示系统50的实施方式的局部简化横截面图。
显示系统50包括图4所示的图像采集系统40的所有元件，并且还包括介于涂层18和角度滤光器16之间的显示屏52。发光组件56的阵列被布置在平行于光电检测器28的阵列的平面中。光电检测器28的阵列和发光组件56的阵列堆叠，其中角度滤光器16介于它们之间。
图8A和8B分别是显示系统50的更详细实施方式的局部和简化的俯视图和横截面图。
图9是包括显示屏和图像传感器的显示系统的另一实施方式的局部简化俯视图。图像传感器14被搁置在支撑件53上。
显示屏52包括第一支撑件53和在支撑件53上的显示子像素54的阵列。
显示屏52包括显示子像素54的阵列，仅在图8A和9中示出。每个显示子像素54包括能够发射电磁辐射的光电组件56，在本公开的其余部分中称为发光组件。每个发光组件56例如对应于发光二极管，特别是对应于有机发光二极管(OLED)。显示子像素54还可以包括导电迹线和开关元件，特别是未示出的晶体管，从而能够选择显示子像素。
图像传感器14包括第二支撑件57和布置在支撑件57和支撑件53之间的光子传感器或光电检测器28的阵列。在图8B中未示出的角度滤光器16介于图像传感器14和显示屏52之间。光电检测器26可以覆盖有透明保护涂层(未显示)。图像传感器14还包括导电迹线和开关元件，特别是未示出的晶体管，从而能够选择光电检测器28。
在图8A和9中，每个显示子像素54被示为正方形，并且每个发光组件56对应于具有基本正方形形状的层的堆叠。然而，应当清楚的是，显示子像素54的形状和发光组件56的形状可以不同，例如多边形。在本实施方式中，在俯视图中，发光组件56所占据的表面积小于显示子像素54的表面积，并且每个显示子像素54包括中间区域58，该中间区域58至少部分地围绕发光组件56。在图8A，8B和9中，未示出角度滤光器16。
显示系统50还包括用于处理由图像传感器14递送的信号的未示出的装置，例如包括微处理器；以及用于控制显示屏52的未示出的装置。
发光组件56的阵列被布置在平行于光电检测器28的阵列的平面中。光电检测器28的阵列和发光组件56的阵列堆叠，其中角度滤光器16介于它们之间。
根据一个实施方式，可以在发光组件56和光电检测器28的位置之间提供轻微的偏移，使得在俯视图中，发光组件56不完全或部分地与光电检测器28相对，以避免掩蔽光电检测器28。该实施方式适用于以下情况：发光组件56对于由图像传感器14检测到的辐射不透明，并且围绕发光组件56的中间区域58至少部分地让透射率大于5％的可见光和/或红外光通过。根据一个实施方式，在俯视图中，光电检测器28位于相邻像素的发光组件56之间。
在图8A所示的布局中，在俯视图中，每个光电检测器28沿着两个相邻的显示子像素54之间的公共边缘延伸。在图9所示的布局中，在俯视图中，每个光电检测器28位于四个相邻的显示子像素54所共有的角落。
根据一个实施方式，整个显示屏52在可见光范围内可以具有低透射率。当显示屏52是在背光单元的背面上包括反射器的液晶显示器时，这可以适用。这也可能适用于某些类型的OLED屏幕。然后，由源42发射的辐射44可以处于可见范围之外的频率范围内，对于该可见范围，显示屏52至少是部分透明的，例如在红外线下。
根据另一实施方式，在发光组件56对于由光电检测器28捕获的辐射至少部分透明的情况下，在俯视图中，发光组件56可以位于与光电检测器28部分或完全相对的位置。
在图7所示的实施方式中，由图像传感器14检测到的辐射是由源42递送的，并且可以处于与显示屏52所发射的辐射不同的波长范围内。根据图8B所示的实施方式，不存在源42。在这种情况下，由图像传感器检测到的辐射可以对应于显示屏52的发光组件56或其中一些发光组件所发射的辐射。特别地，对于指纹捕获应用，显示屏52可以发射在对象12上反射的辐射，该反射的辐射被角度滤光器16进行角度滤光并由图像传感器14检测。根据实施方式，对于指纹捕获应用，仅显示屏52的发射相同颜色例如蓝光的发光组件56被激活。
同一列的同一行的光电检测器28之间的间距基本上对应于显示子像素54的间距，并且大于200dpi，优选地在250dpi至2000dpi的范围内，更优选地在300dpi至2000dpi的范围内。
根据一个实施方式，每个光电检测器28能够检测在从400nm到1100nm的波长范围内的电磁辐射。光电检测器28可以能够检测相同波长范围内的电磁辐射。作为变型，光电检测器28可以能够检测不同波长范围内的电磁辐射。
图像传感器14用于检测位于保护层18上的未示出的致动构件，例如手指或触笔。根据一个实施方式，使用由光电检测器28看到的致动构件的图像。根据一个实施方式，致动构件的图像特别地通过在致动构件上反射由显示子像素54(特别是被致动构件覆盖的显示子像素54)发射的光线而形成。根据另一实施方式，致动构件的图像是通过检测另一电磁辐射而不是显示子像素54所发射的辐射而获得的，特别是基于对红外辐射的检测而获得的。
根据一个实施方式，图像传感器14可以用于检测用户的至少一个手指的指纹。优选地，图像传感器14可以用于同时检测用户的多个手指的指纹。根据一个实施方式，图像传感器14可以起到触摸表面的作用，并且显示系统50然后可以用作可通过手指或手在触摸表面上的简单滑动来控制的交互式用户界面。这样的交互式用户界面可以特别地用于控制手机、计算机、电视机、机动车辆、自动售票机、工业设备、医疗设备等。
以已知的方式，每个发光组件56可以包括层的堆叠，所述层尤其包括在两个电极之间的空穴传输层(HTL)、发射层(EML)和电子传输层(ETL)。通过施加适当的电压，电子和空穴从电极注入到EML中。电子和空穴在EML中重组，导致光子释放。
图10和11分别是角度滤光器16的一个实施方式的局部和简化的横截面图和俯视图。
在本实施方式中，角度滤光器16包括支撑件60和壁62，壁62被搁置在支撑件60上并界定孔64。将壁64从支撑件60测量的高度称为“h”。支撑件60由对光电检测器28捕获的辐射至少部分透明的材料制成。壁62对于由光电检测器28检测到的辐射是不透明的，例如，关于由光电检测器28检测到的辐射是吸收性和/或反射性的。根据一个实施方式，壁62在可见光范围内和/或在近红外范围内和/或在红外范围内是吸收性的。
在图10中，示出了具有正方形横截面的孔64。通常，在俯视图中孔64的横截面可以是圆形、椭圆形或多边形，例如三角形、正方形或矩形。
根据一个实施方式，孔64以行和列布置。孔64可具有基本相同的尺寸。将沿行或列方向测量的孔64的宽度称为“w”。根据一个实施方式，孔64沿着行和列规则地布置。将孔64的重复间距称为“p”，即在俯视图中一行或一列的两个连续孔64的中心的距离。
图10和图11所示的角度滤光器16仅让相对于支撑件60的入射角小于最大入射角α的入射辐射线通过，最大入射角α以下关系式(1)定义：
tanα＝w/h (1)
比率w/h越小，最大入射角α越小。角度滤光器16的零入射的透射率与俯视图中的透明表面积和角度滤光器16的吸收表面积之比成正比。对于在低光照水平下的应用，希望透射率最大以增加图像传感器14收集的光量。对于高光照水平下的应用，可以降低透射率以避免使图像传感器14炫目。
根据一个实施方式，光电检测器28可以以行和列分布。根据一个实施方式，孔64的间距p小于图像传感器14的光电检测器28的间距。在这种情况下，多个孔64可以位于与光电检测器28相对的位置。根据一个实施方式，孔64的间距p等于图像传感器14的光电检测器28的间距。然后，优选将角度滤光器16与图像传感器14对准，使得每个孔64与光电检测器28相对。根据一个实施方式，孔64的间距p大于图像传感器14的光电检测器28的间距。在这种情况下，多个光电检测器28可以位于与孔64相对的位置。
比率h/w可以在1至10之间变化。间距p可以在10μm至30μm之间变化，例如可以为15μm。高度h可以在1μm至1mm之间变化，优选地在20μm至100μm之间变化。宽度w可以在5μm至30μm之间变化，例如大约为10μm。
基底60可以由透明聚合物制成，特别是由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、环烯烃聚合物(COP)制成。基底60的厚度可以在1到100之间变化。基底60可以对应于彩色滤光器、起偏镜、半波片或四分之一波片。支撑件60还可以对应于图像传感器14或覆盖图像传感器14的保护层。
孔64可以填充有空气或填充有对光电检测器28检测到的辐射至少部分透明的材料，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)。作为变型，孔64可以填充有部分吸收材料，以便对由角度滤光器16成角度地过滤的射线进行色滤。然后，角度滤光器16可以进一步起到彩色滤光器的作用。相对于将存在不同于角度滤光器16的彩色滤光器的情况，这能够减小系统的厚度。部分吸收的填充材料可以是彩色树脂或彩色塑料，诸如PDMS。
孔64的填充材料可适于具有与和角度滤光器16接触的上层匹配的折射率，或者适于使结构刚性化并改善角度滤光器16的机械阻力。
在图10和11所示的实施方式中，壁62完全由至少吸收要被角度过滤的波长的材料制成。壁62可以由有色树脂制成，例如，彩色或黑色SU-8树脂。例如，壁62可以由在可见范围和近红外中吸收的黑色树脂制成。根据另一个示例，在源42发射给定颜色的光的情况下，在源42是多色的并且图像传感器14仅对给定颜色的光敏感的情况下，或者在源42是多色的，其中图像传感器14对可见光敏感，并且给定颜色的滤光器介于角度滤光器16和待检测对象之间的情况下，壁62可以由有色树脂制成，该有色树脂吸收给定颜色的可见光，例如，蓝光。
图10和11所示的角度滤光器16的制造方法的一个实施方式包括以下步骤：
在支撑件60上沉积厚度基本上等于高度h的有色树脂层；
通过光刻法印刷树脂层中的壁62的图案；和
对树脂层显影以仅保留壁62。
图10和11所示的角度滤光器16的制造方法的另一个实施方式包括以下步骤：
通过光刻步骤形成透明树脂模具，所述透明树脂模具的形状与壁62的所需形状互补；
用形成壁62的材料填充所述模具；和
从所述模具中取出获得的结构。
图10和11中所示的角度滤光器16的制造方法的另一实施方式包括对高度为h的彩色滤光器(例如，由PDMS、PMMA、PEC、COP制成的薄膜)穿孔。可以通过使用微穿孔工具(例如包括微针)来执行穿孔，以获得孔64和孔64的间距的所需尺寸。
根据一个实施方式，角度滤光器16直接形成在图像传感器14上，并且支撑件60然后可以对应于图像传感器14或覆盖图像传感器的保护层。根据另一实施方式，与图像传感器14分开地形成角度滤光器16。然后，例如通过层压将角度滤光器16随后固定到图像传感器14。然后，基底60的厚度优选地小于50μm，并且基底60对于要由图像传感器14测量的感兴趣的波长至少部分透明。
图12是图10和图11所示的角度滤光器16的壁62的替代实施方式的局部简化横截面图，其中每个壁62包括由第一材料制成的芯66，该芯对于由图像传感器14检测到的辐射至少部分透明并且覆盖有对由光电检测器28检测到的辐射不透明的层68，例如关于由光电检测器28检测到的辐射是吸收性和/或反射性的。第一材料可以是树脂。第二材料可以是金属，例如铝(Al)或铬(Cr)、金属合金或有机材料。
图10和11所示的角度滤光器16的制造方法的一个实施方式包括以下步骤：
在支撑件60上例如通过旋涂或通过狭缝式挤压涂布来沉积透明树脂层；
通过光刻法印刷树脂层中的壁62的图案；
对树脂层显影以仅保留壁62的芯66；和
在芯66上形成层68，特别是通过仅在芯66上选择性地沉积第二材料，例如通过蒸发，或者通过在芯66上和在芯66之间的支撑件60上沉积第二材料层，并且通过去除存在于支撑件60上的第二材料。
图13是角度滤光器16的另一实施方式的局部简化横截面图。角度滤光器16包括图10和11所示的结构，并且对于每个孔64还包括被搁置在壁62顶部并覆盖孔64的微透镜70。
每个微透镜70有利地使得能够增加入射角小于期望的最大入射角的入射辐射的射线收集，但是在没有微透镜70的情况下其会被壁62的表面阻挡。这样的实施方式特别适合于光照水平低的应用，诸如通过显示屏52捕获数字指纹。微透镜70可以由二氧化硅或PMMA制成。孔64的填充材料可以与形成微透镜70的材料相同。
微透镜70的间距可以与光电检测器28的间距相同或比其更小。在存在微透镜70的情况下，角度滤光器16的孔64本质上充当微透镜70和图像传感器14之间的光学微膜片，因此，相对于不存在微透镜70的情况，对孔64的纵横比w/h的约束较少。最大入射角由孔64的宽度w和微透镜70的曲率确定。
图14是图13所示实施方式的变型的局部简化横截面图，其中孔64的横截面不是恒定的，横截面随着与微透镜70的距离的增加而减小。图14的左侧部分示出了法向入射的光线，该光线没有被角度滤光器16阻挡，而图14的右侧部分示出了倾斜入射的光线，该光线被角度滤光器16阻挡。
图15是图13中所示实施方式的变型的局部简化横截面图，其中壁62以薄层形成，其基本位于微透镜的焦平面的水平处，使得每个孔64基本上以相关联的微透镜70的焦点为中心。图15的左侧部分示出了法向入射的光线，该光线没有被角度滤光器16阻挡，而图15的右侧部分示出了倾斜入射的光线，该光线被角度滤光器16阻挡。布置在焦平面中(或接近焦平面)的这种开口能够保持滤光器的角度选择性，而不会通过减小其有效表面积而降低像素的有效灵敏度。
图14和15所示的角度滤光器16的制造方法的一个实施方式包括以下步骤：
在透明支撑件的上表面上特别是通过印刷技术形成微透镜；
在支撑件的下表面上形成正性光敏树脂层；和
通过使光敏树脂暴露于通过由微透镜阵列70形成的掩模被准直的光并去除树脂的暴露部分而在层中形成孔64。
该实施方式使得能够将微透镜70与孔64自动对准。
图16是图13中所示实施方式的变型的局部简化横截面图，其中壁62包括边缘72，边缘72上放置微透镜70，并包括端部74，端部74从边缘72在微透镜70之间延伸。这使得能够减少相邻微透镜70之间的串扰。
图17是角度滤光器16的另一实施方式的局部简化横截面图，其中角度滤光器16包括光纤板。光纤板包括具有基本平行的光轴的光纤76，该光轴平行于由图像传感器14检测到的零入射射线的轴而定向。每个光纤76的芯78由对由传感器检测到的辐射透明的第一材料制成。每个光纤76的护套80围绕芯78，并且由折射率小于芯78的折射率的材料制成。光纤76的护套78可以形成整体结构。
图18是图像传感器14的更详细的实施方式的俯视图，其中每个光电检测器28对应于光电二极管，并且其中图像传感器14包括与每个光电二极管28相关联的选择元件90。
选择元件90可以对应于晶体管，例如，由非晶硅制成的晶体管、低温多晶硅晶体管(LTPS)、铟镓锌氧化物晶体管(IGZO)或有机场效应晶体管(OFET)，特别是有机薄膜晶体管(OTFT)。
晶体管90的源极和漏极之间的端子之一通过连接元件94连接到光电二极管的下部电极92，并且源极和漏极之间的另一端子连接到导电迹线96。每个导电迹线96可以连接到同一列的所有晶体管90。每个晶体管90的栅极可以由导电迹线98传输的信号控制。每个导电迹线98可以连接到同一行的所有晶体管90。
图19是包括图18所示图像传感器14的显示系统50的更详细的实施方式的横截面图。在图19中仅示出了一个光电检测器28和相关联的选择元件90。在图19中未详细示出显示屏52。
在图19中，图像传感器14从下到上依次包括：
包括两个相对表面100、102的支撑件53；
被搁置在支撑件53的表面100上的轨道98；
绝缘层堆叠104，特别是覆盖迹线98的绝缘层堆叠104；
半导体部分106，其中形成有晶体管90的漏极和源极区，所述漏极和源极区通过绝缘层堆叠104与相关联的迹线98分开；
在绝缘层堆叠104上延伸的连接元件94和导电迹线96；
电绝缘层108，其覆盖半导体部分106和导电迹线96，并包括暴露出连接元件94的一部分的开口110；
有源层112，其覆盖绝缘层108并通过开口110与连接元件94接触，连接元件94与有源层112接触的部分形成光电检测器28的下部电极92；
导电层114，其覆盖有源层112并形成光电检测器28的上部电极；和
覆盖导电层114的粘合层116。
角度滤光器未在图19中显示。
在本实施方式中，有源层112和上部电极114是所有光电检测器28所共有的。对应于大部分入射辐射被光电检测器28吸收并转换成电信号的区域的每个光电检测器28的有源区域基本上对应于有源层112位于下部电极92和上部电极114之间的部分。
支撑件57可以由介电材料制成。支撑件57例如是刚性支撑件，特别是由玻璃制成，或者是柔性支撑件，例如由聚合物或金属材料制成。聚合物的示例是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和聚醚醚酮(PEEK)。支撑件57的厚度例如在20μm至1cm的范围内，例如大约为125μm。
导电迹线96、98和连接元件94可以由金属材料制成。导电迹线96、98和连接元件94可以具有单层或多层结构。
导电迹线114对于源自显示屏52的光辐射至少部分透明。导电层114可以由导电和透明的材料制成，例如，由透明导电氧化物或TCO、碳纳米管、石墨烯、导电聚合物、金属、或这些化合物中至少两种的混合物或合金制成。导电层114可以具有单层或多层结构。
能够形成导电层114的TCO的示例是铟锡氧化物(ITO)、铝锌氧化物(AZO)和镓锌氧化物(GZO)。能够形成导电层114的导电聚合物的示例是称为PEDOT：PSS的聚合物，其是聚(3,4)-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸钠与聚苯胺(也称为PAni)的混合物。能够形成导电层114的金属的示例是银(Ag)、铝(Al)、金(Au)、铜(Cu)、镍(Ni)、钛(Ti)和铬(Cr)。能够形成导电层114的多层结构的示例是多层AZO和AZO/Ag/AZO类型的银结构。
导电层114的厚度可以在10nm至5μm的范围内，例如，大约30nm。在导电层114是金属的情况下，导电层114的厚度小于或等于20nm，优选小于或等于10nm。
介电层108和/或堆叠104的每一层可以由氟化聚合物(特别是Bellex以商品名Cytop出售的氟化聚合物)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚对二甲苯、聚酰亚胺(PI)或这些化合物中至少两种的混合物制成。作为变型，介电层108和/或堆叠104的每一层可以由无机电介质制成，特别是由氮化硅(SiN)或氧化硅(SiOx)制成。每个介电层104、108的最大厚度可以在从50nm到2μm的范围内，例如，大约为200nm。
有源层112可以包括小分子、低聚物或聚合物。这些可以是有机或无机材料。有源层112可以包括双极性半导体材料，或N型半导体材料和P型半导体材料的混合物，例如以纳米级的堆叠层或紧密混合物的形式，以形成体异质结。有源层112的厚度可以在50nm至2μm的范围内，例如，大约为500nm。
能够形成有源层40的P型半导体聚合物的示例是聚(3-己基噻吩)(P3HT)、聚[N-9'-十七烷基-2,7-咔唑-alt-5,5-(4,7-二-2-噻吩基-2'，1'，3'-苯并噻二唑)](PCDTBT)、聚[(4,8-双-(2-乙基己氧基)-苯并[1,2-b；4,5-b']二噻吩)-2,6-二基-alt-(4-(2-乙基己酰基)-噻吩并[3,4-b]噻吩))-2,6-二基](PBDTTT-C)、聚[2-甲氧基-5-(2-乙基-己氧基)-1,4-亚苯基-亚乙烯基](MEH-PPV)或聚[2,6-(4,4-双-(2-乙基己基)-4H-环戊[2,1-b；3,4-b']二噻吩)-alt-4,7(2,1,3-苯并噻二唑)](PCPHOTODETECTORBT)。
能够形成有源层112的N型半导体材料的示例是富勒烯，特别是C60、[6,6]-苯基-C61-甲基丁酸酯([60]PCBM)、[6,6]-苯基-C71-甲基丁酸酯([70]PCBM)、苝二酰亚胺、氧化锌(ZnO)或能够形成量子点的纳米晶体。
有源层112可以介于未示出的第一和第二界面层之间。第一界面层能够使电极92或114的逸出功与有源层112中使用的受体材料的电子亲和能对准。第一界面层可以由碳酸铯(CSCO3)、金属氧化物(尤其是氧化锌(ZnO))或这些化合物中的至少两种的混合物制成。第一界面层可包括自组装的单分子层或聚合物，例如，(聚乙烯亚胺，乙氧基化聚乙烯亚胺、聚[(9,9-双(3'-(N，N-二甲氨基)丙基)-2,7-芴)-alt-2,7-(9,9-二辛基芴)]。第二界面层使另一个电极92或114的逸出功与有源层112中使用的施主材料的电离势对准。第二界面层可以由氧化铜(CuO)、氧化镍(NiO)、氧化钒(V2O5)、氧化镁(MgO)、氧化钨(WO3)或这些化合物中至少两种的混合物制成。根据光电二极管的偏振模式，界面层使电荷从电极到有源层112的收集、注入或阻挡变得容易。每个界面层的厚度优选在0.1nm至1μm的范围内。
粘合层116能够将图像传感器14固定到显示屏52。粘合层116可以由介电材料制成。层116的厚度可以在1μm至100μm的范围内，例如为15μm。作为示例，导电层116对应于环氧胶。根据另一个示例，粘合层116对应于压敏粘合剂或PSA。
图20是类似于图19的显示系统50的另一更详细实施方式的横截面图，该显示系统包括图18所示的图像传感器14。图像传感器14包括与图19所示实施方式相同的元件，不同之处在于在连接元件94不与有源层112直接接触的情况下，图像传感器14针对每个光电检测器28包括起下部电极作用的导电层117，该导电层117被搁置在与有源层112接触的绝缘层108上，并且通过开口110与连接元件94接触。有利的是，在图19所示的实施方式中，下部电极115和有源层112之间的接触表面可以大于连接元件94和有源层112之间的接触表面。
根据一个实施方式，图像传感器14可以包括例如由介电材料制成的保护层，该保护层介于上部电极114和粘合层116之间。
根据一个实施方式，图像传感器14可以包括用于根据辐射相对于显示屏52的保护层18的入射角来过滤入射辐射的装置，特别是使得每个光电检测器28仅接收相对于垂直于显示屏52的保护层18的轴线入射角小于45°(优选小于30°)的辐射。这有利地使得能够减少由每个光电检测器28递送的信号的噪声。根据一个实施方式，过滤装置可以包括覆盖光电检测器28阵列的针孔阵列。根据另一个实施方式，过滤装置可以包括透镜(例如，菲涅耳透镜)的阵列。根据另一个实施方式，过滤装置可以包括具有平行轴的光纤阵列，该平行轴基本垂直于显示屏52的表面19而定向，该光纤阵列覆盖光电检测器28的阵列。
图21是类似于图19的显示系统50的另一更详细实施方式的横截面图，该显示系统包括图18所示的图像传感器14。图像传感器14包括与图19所示的实施方式相同的元件，并且进一步包括对由光电检测器28检测到的辐射不透明的材料层118，并且对于每个光电检测器28都包括开口120，该开口120填充有对光电检测器28检测到的辐射至少部分透明的材料122。
根据一个实施方式，图像传感器14可以包括用于根据介于显示屏52和有源层112之间的波长来过滤入射辐射的装置。它可以是能够让源于待检测致动构件的在光电检测器28检测到的波长范围内的辐射通过的滤光器。
图22是类似于图19的显示系统50的另一更详细实施方式的横截面图，该显示系统包括图18所示的图像传感器14。图像传感器14包括与图19所示实施方式相同的元件，不同之处在于对于每个检测像素，将有源层112替换为有源部分124。这使得能够抑制在图19中描述的实施方式中可以观察到的光学串扰的风险。所有有源部分120可以具有与有源层相同的组成。作为变型，有源部分120可以具有不同组成并且能够检测不同波长的光辐射。
在先前结合图19至图22描述的实施方式中，晶体管90是底栅晶体管，这是因为形成晶体管90的栅极的迹线98介于支撑件53与半导体部分106之间。根据另一个实施方式，晶体管90可以是顶栅晶体管，对于该顶栅晶体管，晶体管90的半导体部分106介于支撑件53和形成栅极的迹线98之间。
根据一个实施方式，显示系统50的制造方法包括：制造显示屏52；制造图像传感器14；以及利用粘合层116将图像传感器14固定在显示屏52上。
有利地，显示系统50的制造方法能够直接重复使用常规的显示屏和/或图像传感器结构。此外，显示屏52和图像传感器14是分别形成的，图像传感器元件的制造步骤不干扰显示屏元件的制造步骤和/或反之亦然。此外，显示屏和图像传感器可以包括相同性质的电子部件，特别是晶体管，其可以被设计为响应于显示屏和图像传感器的不同操作约束。
根据所考虑的材料，形成图像传感器14各层的方法可以对应于所谓的加成法，例如，通过在期望的位置处直接印刷形成有机层的材料，特别是以溶胶-凝胶形式，例如，通过喷墨印刷、照相凹版印刷、丝印、苯胺印刷、喷涂或滴铸。根据所考虑的材料，形成图像传感器14各层的方法可以对应于所谓的减成法，其中形成有机层的材料沉积在整个结构上，并且其中然后去除未使用的部分，例如，通过光刻法或激光烧蚀。此外，根据所考虑的层和材料，形成有机层的材料沉积在整个结构上，并可以留在原处，然后通过电极92的位置获得光电检测器28的间距。根据所考虑的材料，整个结构上的沉积可以例如通过液相沉积、通过阴极溅射或通过蒸发来执行。特别地，可以使用诸如旋涂、喷涂、照相制版法、狭缝挤压涂布、刮涂、柔性版印刷或丝印的方法。当层是金属时，例如通过蒸发或通过阴极溅射将金属沉积在整个支撑件上，并且通过蚀刻来界定金属层。
有利地，图像传感器14的至少一些层可以通过印刷技术形成。先前描述的层的材料可以通过喷墨打印机以液体形式沉积，例如以导电和半导体墨水的形式沉积。这里的“液体形式的材料”还表示能够通过印刷技术沉积的凝胶材料。可以在不同层的沉积之间设置退火步骤，但是退火温度可以不超过150℃，并且沉积和可能的退火可以在大气压下进行。
已经描述了特定实施方式。本领域技术人员将想到各种改变和修改。特别地，先前描述的角度滤光器16可以进一步用于准直穿过它的辐射。此外，角度滤光器可以用作偏振滤光器，该滤光器通过偏振膜的穿孔形成或形成在偏振层上。当到达角度滤光器的辐射例如被线性地偏振时，将偏振膜的偏振方向选择为与辐射的偏振方向不同，从而使辐射基本上被偏振滤光器阻挡。此外，尽管在前述实施方式中，场效应晶体管与每个发光组件相关联，但是应当清楚的是，两个或多于两个的场效应晶体管可以与每个发光组件相关联。类似地，尽管在前述实施方式中，场效应晶体管与图像传感器的每个光电检测器相关联，但是应该清楚的是，两个或多于两个的场效应晶体管可以与每个光电检测器相关联。上面已经描述了具有不同变化的各种实施方式。应当注意的是，本领域技术人员可以在不示出任何创造性步骤的情况下组合这些各种实施方式和变型。特别地，结合图10至图17描述的角度滤光器可以用图1所示的图像采集系统10、图2所示的图像采集系统25、图4所示的图像采集系统40或图7所示的显示系统来实现。此外，结合图21描述的过滤层118也可以与结合图20和22描述的实施方式一起使用。

Claims (29)

1.一种图像采集系统，包括：
辐射的源；
显示屏，所述源与所述显示屏是一体的或与所述显示屏分开；
图像传感器，所述图像传感器包括能够检测所述辐射的光电检测器的阵列并包括第一表面；
角度滤光器，所述角度滤光器覆盖所述图像传感器并介于所述显示屏和所述图像传感器之间，并且能够阻挡相对于与所述第一表面正交的方向的入射角大于阈值的所述辐射的射线，并且能够让相对于与所述第一表面正交的方向的入射角小于所述阈值的所述辐射的射线通过；以及
对于所述辐射至少部分透明并且覆盖所述图像传感器的涂层，所述角度滤光器介于所述涂层和所述图像传感器之间，
其中所述辐射在可见光范围内和/或在红外光范围内，并且
其中所述角度滤光器包括孔的阵列，所述孔由对所述辐射不透明的壁界定或由偏振材料制成，所述孔填充有空气或对所述辐射至少部分透明的材料。
2.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中所述源能够将所述辐射从所述涂层的外围发射到所述涂层中，所述涂层起到用于所述辐射的波导的作用。
3.根据权利要求1所述的图像采集系统，其中对于每个孔，垂直于所述第一表面测量出的所述孔的高度与平行于所述第一表面测量出的所述孔的宽度的比在1到10之间变化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述孔以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距在10μm至30μm之间变化。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中沿着与所述第一表面正交的方向测量出的每个孔的高度在1μm至1mm之间变化。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中平行于所述第一表面测量出的每个孔的宽度在5μm至30μm之间变化。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述壁完全由对所述辐射不透明的材料制成。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中每个壁包括由对所述辐射透明的材料制成的芯，所述芯覆盖有对所述辐射不透明的层。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，还包括覆盖所述孔的透镜。
10.根据权利要求9所述的图像采集系统，针对每个孔，所述图像采集系统包括覆盖所述孔并与所述壁接触的透镜。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的图像采集系统，其中所述光电检测器包括有机光电二极管。
12.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述显示屏包括发光组件的阵列，并且其中所述光电检测器沿着垂直于所述第一表面的方向相对于所述发光组件偏移。
13.根据权利要求12所述的图像采集系统，其中所述发光组件通过中间区域彼此分开，并且其中所述光电检测器沿着垂直于所述第一表面的方向位于所述中间区域中。
14.根据权利要求13所述的图像采集系统，其中沿着垂直于所述第一表面并且穿过所述中间区域的路径，所述显示屏对由所述发光组件发射的辐射的透射率大于5％。
15.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述显示屏包括发光组件的阵列，其中所述发光组件对所述辐射至少部分地透明，并且其中所述发光组件沿着垂直于所述第一表面的方向至少部分地与所述光电检测器相对。
16.根据权利要求12所述的图像采集系统，其中所述发光组件包括有机发光二极管。
17.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述显示屏包括用于图像显示的第二表面，并且所述图像传感器通过在显示屏的与所述第二表面相对的一侧上的粘合层固定到所述显示屏上。
18.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述图像传感器包括根据所述光电检测器的阵列和所述显示屏之间的波长由发光组件发射出的辐射的滤光器。
19.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其中所述图像传感器包括用于每个光电检测器的选择元件，所述光电检测器位于所述选择元件和所述显示屏之间。
20.根据权利要求1至3中的任一项所述的图像采集系统，其中所述显示屏包括发光组件的阵列，并且其中在平行于所述第一表面的平面中看到的所述光电检测器的阵列的尺寸在相差10％的范围内等于在所述平面中看到的发光组件的阵列的尺寸。
21.根据权利要求1至3中任一项所述的图像采集系统，其用于检测用户的至少一个指纹。
22.根据权利要求21所述的图像采集系统，其中所述图像传感器还用作触摸表面。
23.一种制造图像采集系统的方法，包括以下步骤：
提供辐射的源和显示屏，所述源与所述显示屏重合或与所述显示屏分离；
形成图像传感器，所述图像传感器包括能够检测所述辐射的光电检测器的阵列并包括表面；
形成角度滤光器，其覆盖所述图像传感器并介于所述显示屏和所述图像传感器之间，并且能够阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射角大于阈值的所述辐射的射线，并且能够让相对于与所述表面正交的方向的入射角小于所述阈值的所述辐射的射线通过；以及
形成对于所述辐射至少部分透明并且覆盖所述图像传感器的涂层，所述角度滤光器介于所述涂层和所述图像传感器之间，
其中所述辐射在可见光范围内和/或在红外光范围内，并且
其中所述角度滤光器包括孔的阵列，所述孔由对所述辐射不透明的壁界定或由偏振材料制成，所述孔填充有空气或对所述辐射至少部分透明的材料。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述壁对所述辐射不透明，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
形成光敏树脂层；和
通过光刻法来蚀刻该层而形成所述壁。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述光敏树脂是黑色或彩色树脂。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述壁对所述辐射不透明，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
通过光刻步骤形成透明树脂模具，所述透明树脂模具的形状与所述壁的所需形状互补；
用形成所述壁的材料填充所述模具；以及
从所述模具中取出获得的结构。
27.根据权利要求23所述的方法，其中，所述壁对所述辐射不透明，每个壁包括由对所述辐射透明的材料制成的芯，所述芯覆盖有对所述辐射不透明的层，所述角度滤光器的形成包括以下步骤：
形成对所述辐射透明的光敏树脂层；
根据壁的所需形状通过光刻法来蚀刻所述层；以及
用对所述辐射不透明的层覆盖获得的结构。
28.根据权利要求23所述的方法，其中所述角度滤光器的形成包括在黑色或彩色薄膜中刺穿微米范围尺寸的孔。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述孔借助于微米范围尺寸的针被刺穿。
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