CN1133894C - 包含象素阵列的电子装置 - Google Patents

Abstract

包含象素阵列的电子装置具有一组面板(10，20，30)，其每一个又分别具有一象素(11)的子阵列。每个面板(10，20，30)与透镜元件(42)的阵列(40)相关联，该透镜元件(42)与子阵列中的一或多个象素组成的组相关联。透镜元件(42)按一个大于相关象素组间距的间距排列，由此产生一发散的图象，使图象传感器或显示器的面板贴合。

Description

包含象素阵列的电子装置

本发明涉及具有象素阵列的电子装置，如液晶显示器或光学图象传感器。本发明尤其涉及具有分成子阵列的象素阵列的装置。

为了能够生产大面积的阵列，已知可用一组为提供大的组合阵列而彼此相邻排列的象素子阵列形成一装置。对图象传感器和显示器而言，已知的难题是需要隐去子阵列之间的接缝。通常，这可以按两种途径之一实现。一种可能性是采用可彼此连接在一起的的子阵列，并在接缝处保持均匀一致的象素间距。显然，这需要子阵列匹配得很精确，尤其是当象素尺寸降低到最小的尺寸，装置的分辨率增加时更是如此。而且，外围电路的电连接不能制作在连接边缘处，可用的子阵列数量有一个限制。另一种可能性是采用一个能使子阵列稍稍分离的光学系统。为了能制作出较大的阵列，本发明谋求一组子阵列贴合问题的一种光学解决办法。

使用能使子阵列贴合的光学系统所遵循的基本原理是，光学系统应放大每个子阵列，使得光学系统产生的子阵列图象构成一个均匀一致的图象，且消除了子阵列之间的接缝。换句话说，在显示器的情况下，子阵列的放大象可观看，而在图象传感器的情况下，所传感的图象被分割成几个由子阵列传感的尺寸减小部分。

光学放大的基本概念，例如建议采用图1示意性表示的伽利略望远镜所用的结构说明。三个子阵列用10，20，30代表，其每一个都有一个相关联的发散透镜11，21，31和一个相关联的会聚透镜12，22，32。这样的结构可以保持在会聚透镜输出端是平行光束，而且是放大的。但是，从观看区VA看到的图象是各个子阵列10，20，30放大的虚象。就显示器而言，由于这些图象是虚象并可能被透镜孔阑部分地遮挡，则从不同角度观看将导致一定的边缘处图象损失，所以这其中还存在着观看视角范围受到限制的问题。在图象传感器的情况下，图象一定要成象在光学系统的实焦点处，所以图1的结构将仅仅在光学系统用于使文献成象在虚象平面上的场合中发挥作用。

US 4,321,628公开了一种图象扫描系统，其中光敏元件的一个直线阵列被分成隔离开的子阵列。每个子阵列与一对有效地将子阵列非倒转象聚焦在平板10上的会聚透镜相关联，该平板上可以放置待扫描的文献。US 4,321,628的传感器结构需要具有足以在平板上产生每个完整子阵列聚焦图象的能力(power)的会聚透镜，并且要求阵列与待传感资料之间有足够的距离。当然，在显示器的情况下，尺寸的限制在保持显示平板整个厚度尽可能地小方面也是同等重要的。

根据本发明其中提供了一种电子装置，它包含象素阵列，并具有一组电子平板，每个平板提供相应的象素子阵列，一透镜元件阵列与每个平板相关联，而每个透镜元件与子阵列中的一或多个象素组成的组相关联，透镜元件按一个大于相关象素组间距的间距排列。

根据本发明，透镜阵列设置在每个象素子阵列的上方，而且该透镜阵列的覆盖范围大于子阵列的范围(借助于更大的间距)。透镜阵列的整体轮廓与平板形状相似，例如方形透镜阵列在方形平板上方，或矩形透镜阵列在矩形平板上方。

透镜元件适宜包括微透镜元件。比如，一个微透镜可与一个象素相关联，其中微透镜的间距大于象素间距。此外，一个微透镜可与一组象素相关联，如n×n象素的方形。在此情况下，微透镜的间距比n倍象素间距要大。上述及下文说明书和权利要求书所述的“象素相关组的间距”用于表示n倍的单个象素间距，其中象素组具有n个象素的大小。尽管是用方形进行说明，象素组也可以是矩形的，六边形的或其它一些形状的。当n是n个象素的尺寸时，其值不一定是整数。

透镜元件按较大间距排出了微透镜阵列，由此接收到来自象素子阵列的发散图象(或为象素子阵列产生一会聚图象)。这将产生一个子阵列的聚焦实象，象的尺寸大于该子阵列，从而能够进行拼合，形成大面积的成象或显示装置。

每个平板可以包括一个与子阵列的全部象素相关联的会聚场镜，相邻平板的场镜基本上相互接合，并具有与相应平板相同的整体形状，如与方形平板相关联的方形场镜。这能使光束照射在，或发自子阵列的每一个象素，在装置的工作区中垂直于子阵列平面地传输。就本说明书的目的而言，工作区被定义为显示器的观看区，或图象传感器放置其中以待成象的文献的区域。

通过在场镜的表面上提供透镜元件阵列，微透镜阵列或相应的场镜可以组合成一个单一的元件。

发散透镜可以设置在靠近相应平板与透镜阵列之间的每个平板处，并与该子阵列的所有象素相关联。这可确保光基本垂直地或以相同的角度入射到，或发自每个象素。这在显示器的情况下可给出更好的对比度，而在图象传感器的情况下则由更好的光接收性能。

不倒象的透镜结构可以与每个象素相关联，该不倒象透镜结构包括透镜阵列和至少一个按不同间距排列的进一步的透镜阵列，其每一个间距都大于相关象素组的间距。用该不倒象透镜结构简化了平板与透镜的对准。

如上所述，本发明的电子装置可以包括显示器或图象传感器。在其中任一情况，每个透镜元件适宜与一组象素相关。每个平板可以包括一个如此安排的进一步的透镜元件阵列，以使得照射在或发自平板每个象素的光在装置的工作区中基本是远心的。这使与每个象素相关联的光束垂直于子阵列平面地投射在装置工作区内。

透镜阵列的透镜元件可以具有一个与其间距相当的直径，以使得透镜元件基本彼此邻接。这适合于需要大的观看视场的显示器。为了增大视场，还可以包括一个散射表面。

但是，对于图象传感器，透镜元件的直径可以小于透镜的间距，透镜元件之间至少有一个分隔开的填充着不透明材料的部分。于是，每个透镜的开孔可以减小，而且这样有提高图象传感器焦距深度的优点，如在文献扫描的应用中。

此外，可以设置机构来遮挡每个象素和工作区中的与相应象素不相关联的区域之间的光通路。这避免了所获取的图象中重影的出现，或改进了显示图象的质量。该机构可以包括不透明材料的遮挡结构，和/或孔隙阵列。

现在将通过参考附图和其中表示的实例描述本发明，其中：

图1表示出用于光学放大的传统望远镜结构，该结构用于子阵列中；

图2表示了本发明电子装置的一个平板和相关的光学结构；

图3表示了包括三个图2所示平板的本发明装置；

图4至14表示了与每个平板相关联的光学结构的各种变化形式。

图2表示了与一具有象素子阵列的平板10相关的光学结构；且它对工作区域13子阵列进行光放大。当然这种放大可以被等效地认为是反向传播光的缩小。因此，本发明能够等效地应用于贴合图象传感器与贴合显示器。在以下说明书中，特殊特征的优点只要参考本发明的这两个应用之一就可以得到说明。除了特殊的用途之外，这些优点对于图象和显示应用而言通常是相同的。

为了拼合的目的，上文所述的放大可以用于产生显示平板的放大图象，使得可以产生分隔平板的连续实象。此外，工作区13中全部连续象的各个部分可以由光学系统成比例地缩小，以使这些部分能够被不同的分隔开的图象传感平板检测到。

总的来说，本发明提供了一个与每个平板10的象素子阵列相关联的透镜阵列40，且它包括各个透镜元件42的阵列。透镜元件可以包括成型的微透镜。但是，其它形式的小型会聚透镜元件也可以用，如梯度折射率透镜(依赖于透镜元件中的非均匀折射率，而不依赖于不同折射率介质之间的边界形状)。等效地，这可以制作全息透镜或衍射元件的阵列。这些可能性对本领域普通技术人员而言，都应是显然的。

在图2所示的实例中，每个微透镜42可以被视为与子阵列的单个象素11相关联。微透镜42的间距比象素11的间距稍稍大一些，使得微透镜阵列40占据了比子阵列更大的面积。微透镜阵列40与子阵列之间的间隔，及与工作区之间的间隔，是按照由光学系统在显示器表面上或待成象文献所在表面上产生每个象素的图象的要求，根据每个微透镜元件42的焦距长度选择的。最好是，微透镜对每个象素的定点放大，通过微透镜的间距而与整个子阵列总的放大相对应。单个微透镜阵列足以为子阵列图象提供所需的聚焦和放大，以能够拼合显示器或图象传感器的子阵列。

影响微透镜42产生的所需的定点放大率的其它因素是象素的“开口面积”。如果象素11的光响应部分占据的面积，比与该象素相关联的平板10的面积小，则微透镜42可以有增大的放大率，使得显示器的输出端是连续的，或图象传感器接收到代表着所传感的整个图象的信号。

微透镜阵列是已知的，而且本发明所用的微透镜阵列可以用已知的技术来成型。所采用的精确的技术应根据所用的微透镜元件的尺寸而定。

如果微透镜与每个象素相关联，则需要很小的微透镜。在此情况下，可知可以用再成型的热塑性树脂形成直径小到50μm的成型透镜元件。为此目的，阵列40的基板(通常是玻璃)涂覆上热塑性树脂层，可通过旋涂法涂覆。随后，可以用光刻的方法形成热塑性树脂的图案。这便给出了一个具有离散部分的热塑性树脂层，在所需位置处每个离散部分对应于一个单独的微透镜42。在预定温度处的树脂层的热流动使热塑性树脂再成型为凸透镜的形状。

生产微透镜，无论是成型的，梯度折射率的，还是衍射的阵列的各种方法，在1991年7月的“Physics World”第27-32页的题为“微透镜阵列”的文章中作了描述。本领域的普通技术人员应熟知这些形成微透镜阵列的方法。

如果一个象素组与每个微透镜相关联，则应该可以增大每个微透镜尺寸以能够采用不昂贵的生产技术。在此情况下，微透镜阵列的形状可以用已知的模制技术成型。例如，可以通过在一金属板上制出相同的形状而形成一个模具，且用这个模具在玻璃基板或塑料片上制作塑料透镜。

如图2所示，微透镜阵列40比平板10的象素11子阵列的覆盖面积大的效果是，使子阵列发出的信号发散。可能需要使发散光束偏转到一基本正交的方向，而且这可以通过使用场镜44实现，该场镜是一个具有适合于将来自微透镜42(或至少是微透镜42光轴上的光束)的光束偏转为基本正交平行光束的光角度的会聚透镜。

这种场镜(以及下述具有与平板尺寸相比拟尺寸的其它透镜)，如果采用塑料透镜时，可以用已知的模制技术成型；如果采用玻璃透镜的化，可以用已知的研磨和抛光技术成型。该场镜彼此接合形成连续的显示表面和成象表面。

在显示器情况下，有时从某个方向看到的图象对比度较大，如液晶显示器。所以需要观看从象素发出的光，该光是已经被正交地发射到象素11子阵列上或以预定角度通过了子阵列的。为此，需要引入一邻接于子阵列的发散透镜46，使得向着微透镜42行进的光是按正交或预定角度从子阵列发出光经偏转后的光。透镜46的光轴偏离于平板中心线的位移量将改变该预定角度。而且，正交进入图象传感象素的光在到达象素的光响应表面之前不可能通过吸收或反射而被衰减。

尽管影响单个微透镜设计的另一个重要设计参数是工作区13内所需的光束宽度。对于给定直径的微透镜而言，微透镜的焦距越短，显示器或图象传感模块越薄，这当然是所希望的。但是，较短的焦距长度将导致较大角度光束范围，如图2中α所示。

在显示器的情况下，α值越高将使观看角范围越大。还可以通过使透镜44的一个表面成为漫射表面而进一步增大α的值。但是在图象传感器的情况下，需要减小α的值，以使焦距深度增大。

增大图象传感器焦距深度的一条途径是减小每个微透镜42的开口面积，如通过用不透明材料包围较小的微透镜元件42。这将表示在下文所述的实施例中。

图3表示了三个并置的图2的子阵列，子阵列之间彼此分隔开，且光学系统产生一个连续的图象。这样能用小的图象传感元件子阵列形成大面积的图象，或者能从小显示平板拼合图象，以形成连续的大图象。

当图3所示的拼合系统用作显示器时，在场镜44的表面上形成一个拼合的实象。这能够提高显示器的观看角度范围，而没有边缘损耗。为了提高子阵列接缝处的图象质量，边缘象素显示的信息可以如图3所示重叠起来。为了使亮度均匀，必须使每个子阵列边缘的显示信号有一个改善的光强度。

与图2所示子阵列相关联的光学系统的一个问题是，显示器或图象传感器的每个象素需要一个微透镜。例如，在要求高分辨率的图象传感的场合，应需要可能很难制作的很小的微透镜，如上所述。克服这个难题的一种可能的途径是，使每个微透镜42与子阵列中多个象素相关联。例如，每个微透镜与一个方形象素组相关联，如3×3个象素11₁，11₂，11₃，...，如图4所示。这减少了微透镜阵列40中所需微透镜的数量，但是当然平添了需要某种信号处理的行列数。这在图4中也用箭头符号表示出来。为了简单起见，每组象素已经表示为3×3个象素。当然，一个象素组可以包括更多的象素，并能增大每个透镜元件的尺寸。

图4还表示了一个邻接着子阵列10的附加微透镜阵列48。当每个微透镜42与多于一个的象素相关联时，到达或发自每个象素的光以不同的角度进入或离开。这使与每个微透镜相关的不同显示象素所产生信号有不同的对比度，或者使与每个微透镜相关的不同图象传感器象素有不同的光采集效率。第二个微透镜阵列48具有比子阵列象素组更大间距的透镜元件49，并确保光以基本相同的方向范围进入或离开每个象素。这由图5示意性地表示出来。

在图5的A部分中，象素11₃，几乎正交地接收或发射光，而同时象素11₁仅仅与正交方向成一明显角度地接收或发射光。图5的B部分所示的附加微透镜48使象素组中每个象素有基本相同的的进入/离开角度。在一个优选的实施例中，微透镜阵列48可以与图2的发散场镜46结合在一起。这能使平行光进入或发自每个象素，并且正交地定心在象素11的子阵列上，如图5的C部分所示。

图6表示了不同于图2的另一种结构，其中场镜44和微透镜阵列40相对于平板10反次序放置。所要求的结构应取决于制造的难易。在图6中，微透镜按照与图2至4中的相反取向放置，使得微透镜阵列的平板可以提供一个文献成象的平板，与之相同，图4中场镜44的平表面也可以用作文献成象表面。

场镜44和微透镜阵列40可以结合成图7和8所示的单个单元，并且场镜44的平表面起着微透镜阵列40基板的作用，或微透镜阵列模块要粘附的表面的作用。

如果需要用平的外表面提供文献成象的平台，则微透镜可以组合到如图9所示的场镜44的一个弯曲表面上。场镜可以支承在一个较厚的窗45上，该窗可以用作待成象文献的放置表面。这将确保待成象文献定位在焦距64的深度之内，如图9所示。

该焦距深度是对文献扫描应用而言的一个重要的因素，因为即使文献在某一区域变形了(有皱褶)，文献表面的所有部分都需要包括在有效焦距作用范围内，即包括在焦距深度范围内。如图2所示，增大的焦距深度可以通过降低光束的发散角α而实现。

图10表示了与图2所示相对应的光学结构，但是其中微透镜阵列40被具有彼此分隔开的微透镜62的微透镜阵列60所代替，间隙由不透明材料填充。这样减小了每个微透镜62的开口面积，并有增大图象传感器应用中所需的焦距深度的作用。对于图象传感器，如果一象素接收的光从待传感图象的所需部分被唯一地接收到，则图象被聚焦。焦距深度是这种关系保持正确的范围，并近似由图9和10所示范围64代表。在图10中，再次表示出每个微透镜62按照与图4相应说明部分相同的方式与子阵列10的象素组相关联。

在所述的实例中，场镜44用于偏移光束，以在焦距64的深度范围内形成基本平行的光束。但是，当一象素组与一个微透镜元件相关联时，则在工作区对全部象素而言，光束将不是平行的。例如，与一透镜元件相关联的中心象素可以对应于焦距深度内的正交光束，而与其它象素相关的光束将是从中心正交光束向外发散的。

图11表示了确保与焦距深度64内所有象素相关的光束保持远心的另一种变化。这对图象传感器应用尤为重要。焦距深度64内远心光束的设置可以在错误信号降低图象质量之前使焦距深度加大。为此目的，采用了一个附加微透镜阵列66，并可以如图11所示与场镜44组合在一起。在此情况下，透镜阵列66的透镜元件68间距与待成象文献的相应图象部分的间距相对应。当然，透镜阵列66和场镜44可以以相反次序放置。

该附加微透镜阵列66的作用可以与第一微透镜阵列60的作用结合在一起。因此，如图12所示，如果第一微透镜阵列60被孔隙阵列68所取代，则适当选择微透镜阵列66的焦距长度将能使系统保持工作区内的远心。尽管微透镜66可以接合，但α的值被阵列68的孔隙减小了。

当然，通过采用与图4中微透镜阵列48作用相似的微透镜阵列可以改变图10的结构，以确保正交的平行光进入每个象素。由此产生了图13所示的结构。该结构也可以与图2所示的发散场镜46结合在一起。

如上所述，对于有与每个微透镜相关的象素组的图象传感器而言，微透镜使图象发生倒转，由此需要进行信号处理。所以，有必要准确地弄清各个象素与每个透镜元件相关联。这需要透镜阵列临界地定位在一个象素尺寸的精度范围内。与之相似，在显示器的情况下，每个象素发出的信号必须进行处理，以确保一个连续的组合图象，并且还需要知道每个微透镜相对于子阵列象素的精确位置。这种限制可能优于制造较大的微透镜元件。为解决这一问题使用了一个多微透镜阵列的结构，它们将产生象素组的不倒转图象。

图14表示了一种结构，其中前述实施例的微透镜阵列40已经被不倒转象的光学结构50所代替。

在图14中，三个透镜阵列51，52，53一起形成待记录原件的非倒转图象。每个阵列的透镜元件与其它阵列的透镜元件相关联，并且与这些相关的透镜元件关于散开的各光轴对准。这样，每个阵列中的微透镜按照大于相关象素间距的间距排列，并且三个阵列51，52，53各自都有不同的透镜间距。阵列53中透镜元件的间距大于阵列52的间距，而阵列52的间距依次大于透镜阵列51的间距。

透镜元件的透镜阵列51在靠近透镜阵列52处形成一个相应象素组的倒转象。阵列53的透镜元件再次倒转透镜阵列52处的图象，由此在工作区形成非倒象的图象。第二透镜阵列52透镜元件的作用是防止光束的扩展。如果省略掉透镜阵列52，来自阵列51透镜元件的光会到达阵列53的几个透镜元件处。为了避免图象的重叠，靠近透镜52的倒转图象的尺寸必须小于阵列52中透镜的间距。

透镜阵列51，52，53被显示为处于分离的基板上。应当清楚，阵列51和52可以成型在一块适当厚度的基板的相对两侧。另一方面，将阵列52调换位置，阵列51和53可以成型在一块基板上。

另一种方式是将透镜阵列52的能力(power)分配到两个阵列上，然后其每一个成型到阵列51或阵列53的另一侧。其它各种透镜结构对于本领域的普通技术人员而言是显然的。

图14还表示出了如图2实施例所表示的可选的光学发散透镜46，和场镜44。场镜44也可以与图11所示微透镜66相关联，以保持所有象素发出的远心光束。此外，为了确保正交的光进入或发自每个象素，可以采用一个具有图4透镜阵列48功能的透镜阵列。

当本发明用于图象传感器或漫射光显示器时，可能需要采取措施以避免出现重影图象。当来自图象特殊部分的光束能够到达图象传感阵列或有效观看区中多于一个的象素上时，将出现这些重影。可以用各种遮挡件或孔隙阵列结构来防止来自非所需区域的信号到达象素。例如，EP0,576,144公开了一种固态图象传感器，它包括光屏蔽区以防止倾斜进入的光到达成象的象素。这种结构可以用于本发明，当然本领域普通技术人员可以理解，其它各种结构也可使用。如果每一个透镜覆盖大量象素，可以使用安排成蜂窝状的壁式系统。

光学结构50本身可以包括用于防止重影图象的措施。例如，中心透镜阵列52可以包括位于透镜元件之间的不透明遮挡材料，尤其是当透镜阵列51的聚焦使倒转图象形成在阵列52的透镜元件附近以占据比阵列52中透镜元件间距更小的空间更应如此。一般要求大约为该间距一半的图象尺寸。

通过阅读本发明的说明书，其它的变化对本领域的普通技术人员而言是显而易见的。这些变化包括其它已知的电气或电子电路及其组合部件的设计与应用中的其它特征，而且它们可以用于代替或附加在本文已经说明过的特征上。尽管本申请中已提出权利要求来具体说明特定特征的组合，但是应当理解，本申请公开的范围还包括本文中明示或暗示地公开的任何新特征或新的特征组合，或者对本领域普通技术人员而言应当是显而易见的多个这些特征的任何概括，而无论是否与任何一个权利要求所要求的属于同一个发明，也无论它是否减轻本发明所解决的任何或全部技术问题。因此，本申请人声明，在对本申请或任何由此导出的后续申请的处理过程中，新的权利要求可以提出这些特征和/或这些特征组合。

Claims (13)

1.一种电子装置，包含象素阵列，并具有每一个均提供一相应的象素子阵列的一组电子面板，一透镜元件阵列与每个面板相关联，且每个透镜元件与子阵列中的一或多个象素组成的组相关联，透镜元件按一个大于相关象素组间距的间距排列。

2.如权利要求1的电子装置，其中每个面板还包括与子阵列的全部象素相关联的一个会聚场镜，相邻面板的场镜彼此相接。

3.如权利要求2的电子装置，其中透镜元件阵列设置在场镜表面上。

4.如前述任一权利要求的电子装置，其中一个发散透镜设置在相应面板与透镜阵列之间靠近每个面板处，并与子阵列的所有象素相关联。

5.如权利要求1-3任意之一所述的电子装置，其中透镜阵列的透镜元件是分隔开的，透镜元件之间是不透明的区域。

6.如权利要求1-3任意之一所述的电子装置，其中每个面板有一个相关联的非倒象透镜结构，该非倒象透镜结构包括透镜阵列和至少另一个的透镜阵列，该透镜阵列和至少另一个的透镜阵列中的透镜元件按不同间距排列，但每一个都大于相关象素组的间距。

7.如权利要求6的电子装置，其中的非倒象透镜结构包括三个微透镜阵列。

8.如权利要求1-3任意之一所述的电子装置包括一显示器，象素包括相应显示器面板的象素。

9.如权利要求1-3任意之一所述的电子装置包括一图象传感器，象素包括图象传感器面板的光敏象素。

10.如权利要求1-3任意之一所述的电子装置，其中每个透镜与一组象素相关联。

11.如权利要求10的电子装置，其中每个面板还包括另一个透镜元件阵列，该透镜元件阵列的排列使得入射到或发自面板每个象素的光是远心的。

12.如权利要求8所述的电子装置，进一步包括一屏蔽处于每个象素与要传感的图象区域或显示区域之间，而非与相应象素相关的区域之间的光通路的装置。

13.如权利要求9所述的电子装置，进一步包括一屏蔽处于每个象素与要传感的图象区域或显示区域之间，而非与相应象素相关的区域之间的光通路的装置。

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