WO2018066225A1 - 撮像表示装置及びウェアラブルデバイス - Google Patents

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display device
light emitting
photoelectric conversion
light
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洋祐 西出
雄 前橋
小林　昌弘
勝之 星野
彰 沖田
市川　武史
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キヤノン株式会社
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00
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    • H10K—ORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K59/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic light-emitting element covered by group H10K50/00
    • H10K59/60—OLEDs integrated with inorganic light-sensitive elements, e.g. with inorganic solar cells or inorganic photodiodes
    • H10K59/65—OLEDs integrated with inorganic image sensors

Definitions

  • the present invention relates to an imaging display device and a wearable device.
  • HMD head mounted display
  • a scene in front of the user's eyes is captured as an image using an imaging device, and the image is displayed on a display device.
  • an imaging device the image is captured as an image using an imaging device.
  • the image is displayed on a display device.
  • Patent Document 1 proposes a technique in which photodiodes and EL (electroluminescence) elements are provided in a matrix on the same substrate in order to reduce the size of such a display device.
  • an area sensor having a photodiode and an EL element in each pixel captures a subject as an image signal using the photodiode. Thereafter, the area sensor displays the captured image using an EL element.
  • the imaging display device includes a plurality of photoelectric conversion elements that convert light incident from the outside of the imaging display device into charge signals, and charge signals obtained by the plurality of photoelectric conversion elements.
  • a plurality of light emitting elements that emit light of a high intensity, and a pixel region is defined by an area in which the plurality of photoelectric conversion elements are arranged in an array, and from the plurality of photoelectric conversion elements to the plurality of light emitting elements
  • An imaging display device is provided in which a signal path for transmitting a signal is contained in the pixel region.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments.
  • the timing chart figure of the imaging display device of some embodiments. 6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a pixel according to some embodiments.
  • the figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments. The figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of a pixel according to some embodiments. 6A and 6B illustrate a cross-sectional structure of a pixel according to some embodiments.
  • the figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments The figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments.
  • the figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments The figure explaining the imaging display apparatus of some embodiments.
  • the figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment The figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment.
  • the figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment The figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment.
  • the figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment. The figure explaining the application example of the imaging display apparatus of some embodiment.
  • FIG. 1A shows a plan view of the imaging display device 100
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the imaging display device 100
  • the imaging display device 100 includes a pixel region 111 inside the broken line 110 and a peripheral circuit region 112 outside the broken line 110.
  • a plurality of pixels 101 are arranged in an array.
  • a vertical scanning circuit 102 is disposed in the peripheral circuit region 112.
  • the peripheral circuit region 112 is also provided with a power supply circuit (not shown).
  • Conductive lines 103 are arranged for a plurality of pixels arranged in the row direction.
  • a control signal is supplied from the vertical scanning circuit 102 to each pixel 101 through the conductive line 103.
  • one conductive line 103 is shown for each pixel row. However, when a plurality of types of control signals are supplied to each pixel, the conductive line 103 is arranged for each control signal.
  • the imaging display device 100 has an upper surface 100b and a lower surface 100a on the opposite side.
  • the upper surface 100b may be referred to as a front surface
  • the lower surface 100a may be referred to as a back surface or a bottom surface.
  • Each pixel 101 emits light having an intensity corresponding to light incident from the lower surface 100 a of the imaging display device 100 from the upper surface 100 b of the imaging display device 100. Therefore, the lower surface 100a may be referred to as an incident surface, and the upper surface 100b may be referred to as a light emitting surface.
  • FIG. 2A shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101 a which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101 a includes a photoelectric conversion element 201, an amplification transistor 202, a light emitting element 203, a reset transistor 204, and a reset transistor 205.
  • One end of the photoelectric conversion element 201 is connected to the gate of the amplification transistor 202, and the other end is connected to the ground.
  • a node between the photoelectric conversion element 201 and the gate of the amplification transistor 202 functions as a floating diffusion FD.
  • One main electrode of the amplification transistor 202 is connected to a power supply line that supplies the voltage VDD, and the other main electrode is connected to the light emitting element 203.
  • One end of the light emitting element 203 is connected to the amplification transistor 202 and the other end is connected to the ground.
  • the light emitting element 203 may be connected to another constant voltage source instead of being connected to the ground.
  • the floating diffusion FD is connected via a reset transistor 204 to a power supply line that supplies the voltage V1.
  • a control signal RES1 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the reset transistor 204.
  • a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202 is connected via a reset transistor 205 to a power supply line that supplies the voltage V2.
  • a control signal RES2 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the reset transistor 205.
  • the photoelectric conversion element 201 converts light incident from the outside of the imaging display device 100 (the lower surface 100a in the example of FIG. 1B) into a charge signal.
  • the photoelectric conversion element 201 is, for example, a photodiode, an organic photoelectric conversion element, an inorganic photoelectric conversion element, or the like.
  • Examples of the material used for the photodiode include silicon, germanium, indium, gallium, and arsenic.
  • Examples of the photoelectric conversion layer include a PN junction type in which a P-type semiconductor layer and an N-type semiconductor layer are joined, and a PIN type in which a semiconductor layer having a large electric resistance is sandwiched between the P-type semiconductor layer and the N-type semiconductor layer.
  • Each pixel 101 in FIG. 1A includes a photoelectric conversion element 201. Therefore, it can be said that the pixel region 111 is defined by a region where a plurality of photoelectric conversion elements 201 are arranged in an array.
  • the organic photoelectric conversion element has, for example, a structure including at least one organic thin film layer (organic photoelectric conversion layer) that performs photoelectric conversion between a pair of electrodes.
  • the organic photoelectric conversion element may have a structure in which a plurality of organic thin film layers are stacked between a pair of electrodes.
  • the organic photoelectric conversion layer may be a single material or a mixture of a plurality of materials.
  • the organic thin film layer can be formed using, for example, a vacuum deposition process or a coating process.
  • the inorganic photoelectric conversion element is, for example, a quantum dot photoelectric conversion element using a quantum dot thin film layer containing fine semiconductor crystals instead of an organic photoelectric conversion layer, a photoelectric conversion layer made of a transition metal oxide having a perovskite structure, or the like.
  • a perovskite photoelectric conversion element or the like is, for example, a quantum dot photoelectric conversion element using a quantum dot thin film layer containing fine semiconductor crystals instead of an organic photoelectric conversion layer, a photoelectric conversion layer made of a transition metal oxide having a perovskite structure, or the like.
  • the light emitting element 203 emits light having an intensity corresponding to the charge signal obtained by the photoelectric conversion element 201.
  • the light emitting element 203 is, for example, an inorganic LED (light emitting diode), an organic LED (OLED, organic light emitting diode, organic EL, organic electroluminescent element) or the like.
  • the material used for the inorganic LED include aluminum, gallium, arsenic, phosphorus, indium, nitrogen, selenium, zinc, diamond, zinc oxide, and perovskite semiconductor.
  • An organic LED has, for example, a light emitting layer containing at least one organic light emitting material between a pair of electrodes, may have a plurality of light emitting layers, and has a structure in which a plurality of organic thin film layers are laminated. Even if it has, the light emitting layer may be a single material or a mixture of a plurality of materials.
  • the light from the light emitting layer may be fluorescence or phosphorescence, and may be monochromatic light emission (blue, green, red, etc.) or white light emission.
  • the organic thin film layer can be formed using, for example, a vacuum deposition process or a coating process.
  • the amplification transistor 202 constitutes an amplification circuit that amplifies the charge signal obtained by the photoelectric conversion element 201.
  • the reset transistor 204 When the reset transistor 204 is turned on, the voltage of the photoelectric conversion element 201 is reset to an initial state.
  • the reset transistor 205 When the reset transistor 205 is turned on, the voltage of the light emitting element 203 is reset to an initial state.
  • FIG. 2B shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101b, which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101b is different from the pixel 101a in that it further includes a transfer transistor 206 between the photoelectric conversion element 201 and the amplification transistor 202, and the other points may be the same as the pixel 101a.
  • a control signal TX is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the transfer transistor 206. That is, the vertical scanning circuit 102 functions as a drive circuit that generates a control signal TX for switching on and off the transfer transistor 206.
  • a node between the transfer transistor 206 and the gate of the amplification transistor 202 functions as a floating diffusion FD.
  • a signal path for transmitting a signal from the photoelectric conversion element 201 to the light emitting element 203 may further include a buffer circuit (not shown) between the floating diffusion FD and the amplification transistor 202. By providing the buffer circuit, it is possible to suppress the influence of noise charges caused by the silicon-metal contact connection.
  • FIG. 2C shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101c which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101c is different from the pixel 101b in that it further includes a buffer circuit 207 and a reset transistor 208, and may be the same as the pixel 101b in other points.
  • One end of the buffer circuit 207 is connected to the amplification transistor 202, and the other end is connected to the light emitting element 203.
  • a node between the light emitting element 203 and the buffer circuit 207 is connected via a reset transistor 208 to a power supply line that supplies the voltage V3.
  • a control signal RES 3 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the reset transistor 208.
  • the buffer circuit 207 corrects the current (charge signal) flowing from the amplification transistor 202 to the light emitting element 203.
  • the buffer circuit 207 is, for example, a ⁇ correction circuit, a two-dimensional shading correction circuit, a variation correction circuit, a feedback reset circuit, or the like.
  • FIG. 3A shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101d which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101d is different from the pixel 101b in that it further includes a capacitor 301 and a reset transistor 302, and may be the same as the pixel 101b in other points.
  • the capacitive element 301 is connected between the transfer transistor 206 and the amplification transistor 202.
  • a node between the transfer transistor 206 and the capacitor 301 functions as a floating diffusion FD.
  • a node between the capacitive element 301 and the amplification transistor 202 is connected via a reset transistor 302 to a power supply line that supplies the voltage V4.
  • a control signal RES 4 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the reset transistor 302.
  • the capacitive element 301 By including the capacitive element 301, voltage fluctuation of the capacitive element 301 due to the charge transferred to the floating diffusion FD can be supplied to the amplification transistor 202 as a signal. As a result, the power supply voltage of the photoelectric conversion element 201 and the power supply voltage of the light emitting element 203 can be set independently.
  • FIG. 3B shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101 e which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101e is different from the pixel 101b in that it further includes a capacitor 303 and a capacitor addition transistor 304, and the other points may be the same as the pixel 101b.
  • One end of the capacitive element 303 is connected to the capacitive addition transistor 304, and the other end is connected to the ground.
  • the capacitive addition transistor 304 is connected between the capacitive element 303 and the floating diffusion FD.
  • a control signal ADD is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the capacitor addition transistor 304.
  • the capacitance addition transistor 304 is turned on, the capacitance of the capacitive element 301 is added to the capacitance of the floating diffusion FD. As a result, the charge signal supplied to the light emitting element 203 is changed.
  • FIG. 4A shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101 f which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101f is different from the pixel 101b in that it further includes a clip transistor 401, and may be the same as the pixel 101b in other points.
  • a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202 is connected via a clip transistor 401 to a power supply line that supplies a voltage V6.
  • the gate of the clip transistor 401 is connected to a power supply line that supplies a voltage V7.
  • the voltage level of the floating diffusion FD or the light emitting element 203 may be lower than the voltage level at which the photoelectric conversion element 201 can operate normally. is there.
  • the pixel 101f includes a clip circuit.
  • the reset transistor 204 functions as a clip circuit for the floating diffusion FD.
  • the clip transistor 401 functions as a clip circuit for a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202. By including the clip transistor 401, the pixel 101f can suppress an unexpected voltage from being applied to the light-emitting element 203. In the pixel 101f, the voltage applied to the clip transistor 401 is shared for each row or region.
  • FIG. 4B shows an equivalent circuit diagram of a pixel 101 g which is one specific example of the pixel 101.
  • the pixel 101g is different from the pixel 101b in that it further includes a clip transistor 402, and the other points may be the same as the pixel 101b.
  • a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202 is connected via a clip transistor 402 to a power supply line that supplies a voltage V8.
  • the clip transistor 402 is connected to a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202.
  • the clip transistor 402 functions as a clip circuit for a node between the light emitting element 203 and the amplification transistor 202.
  • a clipping operation is performed according to the voltage of the input portion of the light emitting element 203 of each pixel.
  • the form of the pixels is not limited to FIGS. 2A to 4B, and circuit elements may be appropriately added or combined. For example, a change may be made such that a circuit element is shared by a plurality of light receiving elements or a plurality of light emitting elements, or a selection switch is provided to connect to any of the plurality of elements.
  • RES1, RES2, and TX indicate the levels of the control signals generated by the vertical scanning circuit 102
  • V_FD indicates the voltage value of the floating diffusion FD
  • I_AN indicates the value of the current flowing through the light emitting element 203.
  • FIG. 5A shows a timing chart when the pixel 101 of the imaging display apparatus 100 is the pixel 101a.
  • the reset transistor 204 is turned on when the control signal RES1 is at a high level, and turned off when the control signal RES1 is at a low level.
  • the relationship between the reset transistor 205 and the control signal RES2 is the same. Since the reset transistors 204 and 205 are both on before time t11, the voltage of the floating diffusion FD is reset to the voltage V1, and the voltage of the node between the amplification transistor 202 and the light emitting element 203 is reset to the voltage V2. ing.
  • the voltage V1 and the voltage V2 may be equal to each other.
  • the vertical scanning circuit 102 switches the control signals RES1 and RES2 from on to off.
  • the photoelectric conversion element 201 generates a charge signal corresponding to the intensity of incident light.
  • the generated charge may be an electron or a hole.
  • the voltage of the floating diffusion FD changes according to the value of the generated charge signal.
  • a current corresponding to the amount of change in the voltage of the floating diffusion FD flows between the source and drain of the amplification transistor 202. By supplying this current to the light emitting element 203, the light emitting element 203 emits light having an intensity corresponding to the amount of current.
  • the vertical scanning circuit 102 switches the control signals RES1 and RES2 from off to on.
  • the voltage of the floating diffusion FD is reset to the voltage V1
  • the voltage of the node between the amplification transistor 202 and the light emitting element 203 is reset to the voltage V2.
  • FIG. 5B shows a timing chart when the pixel 101 of the imaging display apparatus 100 is the pixel 101b.
  • the transfer transistor 206 is turned on when the control signal TX is at a high level, and turned off when the control signal TX is at a low level. Since the reset transistors 204 and 205 are both on before time t21, the voltage of the floating diffusion FD is reset to the voltage V1, and the voltage of the node between the amplification transistor 202 and the light emitting element 203 is reset to the voltage V2. ing.
  • the voltage V1 and the voltage V2 may be equal to each other.
  • the vertical scanning circuit 102 switches the control signals RES1 and RES2 from on to off.
  • the photoelectric conversion element 201 generates a charge signal corresponding to the intensity of incident light and accumulates it in itself.
  • the voltage of the floating diffusion FD changes according to noise.
  • the vertical scanning circuit 102 switches the control signal TX from off to on.
  • charges accumulated in the photoelectric conversion element 201 are transferred to the floating diffusion FD, and a current corresponding to the amount of change in the voltage of the floating diffusion FD flows between the source and drain of the amplification transistor 202.
  • the light emitting element 203 emits light having an intensity corresponding to the amount of current.
  • the vertical scanning circuit 102 switches the control signal TX from on to off at time t23, and then switches the control signals RES1 and RES2 from off to on at time t24. Thereby, the reset operation described in FIG. 5A is performed.
  • the processing may be performed according to the timing chart shown in FIG. 5B.
  • the vertical scanning circuit 102 may switch the control signals RES3 and RES4 at the same timing as the control signals RES1 and RES2. Therefore, the conductive lines for supplying the control signals RES1 to RES4 to one pixel may be shared. In other words, the vertical scanning circuit 102 may supply a control signal to the gates of the reset transistors 204, 205, 208, and 302 through a common conductive line. In this configuration, the number of conductive lines can be reduced, and the degree of freedom in layout is improved.
  • the vertical scanning circuit 102 may switch the level of the control signal RES1 supplied to the reset transistors 204 in a plurality of pixel rows at the same timing. In other words, the vertical scanning circuit 102 may collectively (simultaneously) reset the voltage of the floating diffusion FD by collectively switching on and off the reset transistors 204 of all the pixels 101 included in the pixel region. The same applies to the control signals RES2 to RES4.
  • the vertical scanning circuit 102 may switch the level of the control signal TX supplied to the transfer transistors 206 in a plurality of pixel rows at the same timing. That is, the vertical scanning circuit 102 switches the on / off of the transfer transistors 206 of all the pixels 101 included in the pixel region at the same time, thereby collectively (at the same time) the charge signals accumulated in the photoelectric conversion element 201. ) May be forwarded.
  • the refresh rate of the imaging display apparatus 100 can be improved by the vertical scanning circuit 102 driving all the pixels in the pixel region at the same timing.
  • any of the above-described pixels 101a to 101g signal paths for transmitting signals from the plurality of photoelectric conversion elements 201 to the plurality of light emitting elements 203 are accommodated in the pixel region 111. Therefore, light is incident on the photoelectric conversion element 201 as compared with the case where the signal obtained by the photoelectric conversion element 201 is read out of the pixel region and displayed after data processing is performed on the image obtained from the pixel array. After that, the time until the light emitting element 203 emits light is shortened.
  • the imaging display device 100 includes two substrates 600 and 650 stacked on each other.
  • the substrate 600 includes a photoelectric conversion element, and the substrate 650 includes a light-emitting element.
  • the substrate 600 includes a semiconductor layer 601, an insulating layer 604, a color filter layer 611, and a microlens 612.
  • the semiconductor layer 601 includes a plurality of impurity regions including impurity regions 602 and 603.
  • the impurity region 602 constitutes the photoelectric conversion element 201.
  • the impurity region 603 functions as a floating diffusion FD.
  • the plurality of impurity regions include a region constituting the reset transistor 204.
  • the color filter layer 611 has, for example, a Bayer array, and decomposes incident light into red, green, and blue. Instead of including the color filter layer 611, an element that photoelectrically converts red light, an element that photoelectrically converts green light, and an element that photoelectrically converts blue light may be disposed in the pixel region 111.
  • the photoelectric conversion element 201 photoelectrically converts light incident from the lower surface 100a of the imaging display device 100. That is, the substrate 600 is a back-illuminated substrate. Alternatively, the substrate 600 may be formed as a surface irradiation type substrate.
  • the substrate 650 includes a semiconductor layer 651 and an insulating layer 653.
  • the semiconductor layer 651 has a plurality of impurity regions including the impurity region 652.
  • the impurity region 652 functions as a node between the amplification transistor 202 and the light emitting element 203.
  • the plurality of impurity regions include a region constituting the reset transistor 205.
  • the light emitting layer 657 constitutes the light emitting element 203.
  • a light emitting layer 657 that emits red light, a light emitting layer 657 that emits green light, and a light emitting layer 657 that emits blue light may be disposed in the pixel region 111.
  • the substrate 650 may include a color filter on the light emitting layer 657, and the color filter may convert white light emitted from the light emitting layer 657 into each color.
  • the electrode 654 functions as the gate of the amplification transistor 202.
  • the electrode 655 functions as the gate of the reset transistor 205.
  • a part of the conductive pattern 656 is connected to the connection portion 659 by a plug 658.
  • connection unit 610 and the connection unit 659 may be in direct contact with each other or may be connected through micro bumps.
  • a support substrate may be attached to each of the substrates 600 and 650 in order to secure the strength of the imaging display device 100.
  • a transparent support substrate using glass, plastic, quartz, or the like may be attached to at least one of the lower side of the substrate 600 and the upper side of the substrate 650.
  • a device layer transfer method may be used as a method of attaching. In this method, for example, a substrate 600 is generated on a base via a porous structure region, and then the substrate 600 is cut and placed on a transparent support substrate.
  • the imaging display device 100 is configured by stacking two substrates 600 and 650 on each other. Instead, each component shown in FIG. 6 may be formed from a single semiconductor substrate through a series of steps. In this case, a through electrode that connects a part of the conductive pattern 656 and a part of the conductive pattern 607 to each other is formed.
  • the photoelectric conversion element 201, the floating diffusion FD, the reset transistor 204, and the transfer transistor 206 are formed on the substrate 600, and the amplification transistor 202, the reset transistor 205, and the light emitting element 203 are formed on the substrate 650.
  • the floating diffusion FD, the reset transistor 204, and the transfer transistor 206 may be formed on the substrate 650. In this arrangement, the area of the impurity region 602 of the photoelectric conversion element 201 formed on the substrate 600 can be increased.
  • the photoelectric conversion element 201 receives light incident from the lower side of the imaging display device 100, and the light emitting element 203 emits light to the upper side of the imaging display device 100. Therefore, the photoelectric conversion element 201 and the light emitting element 203 have a positional relationship that does not interfere with each other. In this manner, by disposing the photoelectric conversion element 201 and the light emitting element 203 on different surfaces, the light from the light emitting element 203 and the light from the outside can be separated in the photoelectric conversion element 201, and more in the pixel region 111. Pixels can be arranged.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional view of the imaging display device 700.
  • a plan view of the imaging display device 700 may be the same as the plan view of the imaging display device 100 shown in FIG.
  • the imaging display device 700 includes a pixel region 711 inside the broken line 710 and a peripheral circuit region 712 outside the broken line 710.
  • a plurality of pixels 701 are arranged in an array.
  • the peripheral circuit region 712 the vertical scanning circuit 102 is arranged.
  • the peripheral circuit region 712 is also provided with a power supply circuit (not shown).
  • Conductive lines 103 are arranged for a plurality of pixels arranged in the row direction.
  • a control signal is supplied from the vertical scanning circuit 102 to each pixel 701 through the conductive line 103.
  • the imaging display device 700 has an upper surface 700b and a lower surface 700a on the opposite side.
  • Each pixel 701 emits light having an intensity corresponding to light incident from the upper surface 700 b of the imaging display device 700 from the upper surface 700 b of the imaging display device 700. Therefore, the upper surface 700b may be referred to as an incident surface and a light emitting surface.
  • FIG. 7B shows a cross-sectional view focusing on one pixel 701.
  • the transmission circuit diagram of the pixel 701 may be the same as the transmission circuit diagram of the pixel 101.
  • FIG. 7B illustrates a case where the pixel 701 is the pixel 101b in FIG. 2B.
  • the imaging display device 700 may be formed of a single substrate.
  • the imaging display device 700 includes a semiconductor layer 750, an insulating layer 757, a color filter layer 762, and a microlens 763.
  • the semiconductor layer 750 includes a plurality of impurity regions including impurity regions 751 and 753.
  • the impurity region 751 constitutes the photoelectric conversion element 201.
  • the impurity region 753 functions as a floating diffusion FD.
  • the plurality of impurity regions include regions constituting the reset transistors 204 and 205 and the amplification transistor 202.
  • electrodes 752, 754, 755, and 756, a conductive pattern 759, a light shielding portion 761, an optical waveguide 758, and a light emitting layer 760 are formed.
  • the electrode 752 functions as the gate of the transfer transistor 206.
  • the electrode 754 functions as the gate of the reset transistor 204.
  • the electrode 755 functions as the gate of the amplification transistor 202.
  • the electrode 756 functions as the gate of the reset transistor 205.
  • the light emitting layer 760 constitutes the light emitting element 203.
  • the light shielding portion 761 is located between the light emitting layer 760 and the impurity region 751, and suppresses light emitted from the light emitting layer 760 from reaching the impurity region 751.
  • the light shielding unit 761 is formed of, for example, a metal or a polarizer.
  • the optical waveguide 758 condenses light incident on the insulating layer 757 via the microlens 763 in the impurity region 751.
  • the color filter layer 762, the microlens 763, the optical waveguide 758, and the like may be omitted.
  • the photoelectric conversion element 201 photoelectrically converts light incident from the upper surface 700b of the imaging display device 700.
  • the substrate of the imaging display device 700 is a surface irradiation type substrate.
  • the substrate of the imaging display device 700 may be formed as a back-illuminated substrate.
  • FIG. 8A to 8C illustrate a specific example of a planar layout of the impurity region 751 and the light emitting layer 760.
  • FIG. 8A to 8C show the positions of the impurity region 751 and the light emitting layer 760 in a plan view with respect to the upper surface 700b of the imaging display device 700, and pay attention to nine pixels 701 in three rows and three columns.
  • rectangular impurity regions 751 and rectangular light emitting layers 760 are arranged.
  • a rectangular (for example, square) impurity region 751 and an L-shaped light emitting layer 760 are arranged.
  • a frame-shaped light emitting layer 760 is located around a rectangular (for example, square) impurity region 751.
  • the impurity region 751 and the light emitting layer 760 do not overlap with each other in a plan view with respect to the upper surface 700b of the imaging display device 700.
  • the impurity region 602 constituting the photoelectric conversion element 201 and the light emitting layer 760 constituting the light emitting element 203 do not overlap each other in a plan view with respect to the upper surface 100b of the imaging display device 100. May be arranged.
  • a component having a long wavelength easily passes through the silicon layer. With such an arrangement, the light transmitted through the impurity region 602 can be prevented from affecting the light emitting layer 760.
  • FIG. 9 shows a transmission circuit diagram of four pixels in two rows and two columns.
  • a plurality of pixels 901 are arranged in an array.
  • the pixel 901 is different from the pixel 101 of the imaging display device 100 in that the pixel 901 includes a switch transistor 902 and a switch transistor 903.
  • a light emitting element 904 and a buffer circuit 905 are arranged for every four pixels 901 in 2 rows and 2 columns.
  • the imaging display device 900 includes the light emitting elements 203 arranged at the same pitch as the photoelectric conversion elements 201 and the light emitting elements 904 arranged at a pitch different from this pitch in the pixel region.
  • the light emitting element 904 and the buffer circuit 905 are arranged for every four pixels 901, but may be arranged for every other plurality of pixels 901.
  • FIG. 9 illustrates a change from the pixel 101b in FIG. 2B, but this change may be applied to other pixels in FIGS. 2A to 4B.
  • the switch transistor 902 is connected between the amplification transistor 202 and the light emitting element 203.
  • a control signal CH 1 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the switch transistor 902.
  • the switch transistor 903 is connected between the amplification transistor 202 and the buffer circuit 905.
  • a control signal CH 2 is supplied from the vertical scanning circuit 102 to the gate of the switch transistor 903.
  • the light emitting element 904 is disposed between the buffer circuit 905 and the ground.
  • the configuration / function of the buffer circuit 905 may be the same as that of the buffer circuit 207.
  • the configuration / function of the light emitting element 904 may be the same as that of the light emitting element 203.
  • the light emitting element 904 may be colored by the same method as the light emitting element 203 or may be colored by a different method.
  • the light emitting element 203 may emit light of each color using a color filter, and the light emitting element 904 may emit light of each color by itself.
  • the imaging display device 900 can operate in two modes, a high resolution mode and a low resolution mode.
  • the high resolution mode the vertical scanning circuit 102 turns on the switch transistor 902 of each pixel 901 by setting the control signal CH1 to high level, and turns off the switch transistor 903 of each pixel 901 by setting the control signal CH2 to low level.
  • a signal obtained by the photoelectric conversion element 201 of each pixel 901 is supplied to the light emitting element 203, and the light emitting element 203 emits light.
  • the light emitting element 904 since no signal is supplied to the light emitting element 904, the light emitting element 904 does not emit light.
  • the high resolution mode one light emitting element 203 emits light for each pixel 901.
  • the vertical scanning circuit 102 turns off the switch transistor 902 of each pixel 901 by setting the control signal CH1 to low level, and turns on the switch transistor 903 of each pixel 901 by setting the control signal CH2 to high level.
  • signals obtained by the photoelectric conversion elements 201 of the four pixels 901 are integrated and supplied to the light emitting element 904, and the light emitting element 904 emits light.
  • the light emitting element 203 since no signal is supplied to the light emitting element 203, the light emitting element 203 does not emit light.
  • the switch transistors 902 and 903 function as a switch element that switches a transmission destination of a signal obtained by one photoelectric conversion element 201 between the light-emitting element 203 and the light-emitting element 904.
  • the imaging display apparatus 900 may be further configured to operate the pixels 901 included in some of the pixel areas in the low resolution mode and operate the pixels 901 included in other areas in the high resolution mode. . Specifically, the imaging display apparatus 900 sets the control signal CH1 of the pixel 901 included in the region to be operated in the low resolution mode to a high level and sets the control signal CH2 of the pixel 901 included in the region to be operated in the high resolution mode. It may be configured to have a high level.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view focusing on a part of the pixel region of the imaging display device 900.
  • the impurity region 1001 constitutes the photoelectric conversion element 201.
  • the light emitting layer 1002 constitutes the light emitting element 203.
  • the light emitting layer 1003 constitutes the light emitting element 904.
  • the impurity region 1001 photoelectrically converts light incident from the lower surface of the imaging display device 900, and the light emitting layer 1002 and the light emitting layer 1003 emit light on the upper surface of the imaging display device 900, respectively.
  • the light emitting layer 1003 is arranged across four pixels in two rows and two columns.
  • FIG. 11 is a plan view of the imaging display device 1100.
  • a cross-sectional view of the imaging display device 1100 is the same as the cross-sectional view of the imaging display device 100 shown in FIG.
  • the imaging display device 1100 has a pixel area inside the broken line 1110 and a peripheral circuit area outside the broken line 1110.
  • a plurality of pixels 1101 are arranged in an array in the pixel region.
  • a vertical scanning circuit 102, a horizontal scanning circuit 1105, and a control circuit 1106 are arranged in the peripheral circuit region.
  • a power supply circuit (not shown) and the like are also arranged in the peripheral circuit area.
  • Conductive lines 1103 are arranged for a plurality of pixels arranged in the row direction. A control signal is supplied from the vertical scanning circuit 1102 to each pixel 1101 through the conductive line 1103. In FIG. 11, one conductive line 1103 is shown for each pixel row. However, when a plurality of types of control signals are supplied to each pixel, the conductive lines 1103 are arranged for each control signal. Conductive lines 1104 are arranged for a plurality of pixels arranged in the column direction. A signal is read from the pixel 1101 to the horizontal scanning circuit 1105 through the conductive line 1104. The control circuit 1106 controls the operation of the vertical scanning circuit 1102 based on the signal read by the horizontal scanning circuit 1105.
  • the pixel 1101 includes two sets of the photoelectric conversion element 201, the amplification transistor 202, the reset transistor 204, and the transfer transistor 206 of the pixel 101b illustrated in FIG. 2B.
  • One main electrode of one set of amplification transistors 202 is connected to the reset transistor 205 and the light emitting element 203 in the same manner as the pixel 101b.
  • One main electrode of the other set of amplification transistors 202 is connected to the conductive line 1104.
  • FIG. 12A will be described based on the example of FIG. 2B, each set may have a configuration of a specific example of another pixel in FIGS. 2A to 4B.
  • the imaging display device 1100 emits light corresponding to the charge signal obtained by one photoelectric conversion element 201 by the light emitting element 203 and reads the signal obtained by the other photoelectric conversion element 201 by the horizontal scanning circuit 1105.
  • the control circuit 1106 may generate and store image data from the signal read by the horizontal scanning circuit 1105.
  • One photoelectric conversion element 201 may detect visible light, and the other photoelectric conversion element 201 may detect infrared light.
  • the imaging display device 1100 is configured by stacking two substrates 1201 and 1202. Each substrate may be a front side irradiation type substrate or a back side irradiation type substrate.
  • the substrate 1201 includes an impurity region 1205 that forms a photoelectric conversion element.
  • the substrate 1202 includes an impurity region 1204 that forms a photoelectric conversion element and a light-emitting layer 1203 that forms a light-emitting element.
  • the impurity region 1204 may constitute the upper photoelectric conversion element 201 in FIG. 12A, and the impurity region 1205 may constitute the lower photoelectric conversion element 201 in FIG. 12A, or vice versa.
  • both the impurity regions 1204 and 1205 photoelectrically convert light incident from the upper side of the imaging display device 1100, and the light emitting layer 1203 emits light to the upper side of the imaging display device 1100.
  • the impurity region 1204 photoelectrically converts light incident from the upper side of the imaging display device 1100
  • the impurity region 1205 photoelectrically converts light incident from the lower side of the imaging display device 1100
  • the light emitting layer 1203. Emits light to the upper side of the imaging display device 1100.
  • the impurity region 1204 constitutes the lower photoelectric conversion element 201.
  • the control circuit 1106 may detect the line of sight using image data obtained by the lower photoelectric conversion element 201.
  • the control circuit 1106 uses the configuration of the imaging display device 900 to display, in the pixel area of the imaging display device 1100, a region where the user's line of sight is detected with high resolution, and displays other regions with low resolution. May be.
  • the impurity region 1205 may be formed over most of the substrate 1201 (for example, 80% or more in plan view with respect to the surface of the substrate).
  • the light-emitting layer 1203 may be formed over the substrate 1201 and the substrate 1202 may be removed as appropriate.
  • the photoelectric conversion element 201 and the light emitting element 203 correspond one-to-one.
  • two or more photoelectric conversion elements 201 and one light emitting element 203 may correspond. Specifically, light having an intensity based on the sum of charge signals obtained by two or more photoelectric conversion elements 201 may be emitted by one light emitting element 203.
  • one photoelectric conversion element 201 may correspond to two or more light emitting elements 203. Specifically, light having an intensity based on a charge signal obtained by one photoelectric conversion element 201 may be dispersed and emitted by two or more light emitting elements 203. Further, the correspondence between the photoelectric conversion element 201 and the light emitting element 203 may be mixed.
  • a charge signal obtained by one photoelectric conversion element 201 that detects blue light may be distributed and supplied to two or more light-emitting elements 203 that emit blue light. Further, in the same imaging display device, charge signals obtained by two or more photoelectric conversion elements 201 that detect green light may be integrated and supplied to one light emitting element 203 that emits green light. . By having such a configuration, it is possible to receive and emit light with an optimum arrangement for each color.
  • the imaging display device can be applied to wearable devices such as smart glasses, HMDs, and smart contacts.
  • the imaging display device used in such an application example includes a photoelectric conversion element that can photoelectrically convert visible light and a light-emitting element that can emit visible light.
  • FIG. 13A illustrates eyeglasses 1300 (smart glasses) according to one application example.
  • An imaging display device 1302 is mounted on the lens 1301 of the glasses 1300.
  • the imaging display device 1302 may be, for example, the imaging display device 100 described above.
  • the glasses 1300 further includes a control device 1303.
  • the control device 1303 functions as a power source that supplies power to the imaging display device 1302 and controls the operation of the imaging display device 1302.
  • the lens 1301 is formed with an optical system for condensing light on the imaging display device 1302.
  • FIG. 13B illustrates eyeglasses 1310 (smart glasses) according to one application example.
  • the glasses 1310 have a control device 1312, and an imaging display device is mounted on the control device 1312.
  • This imaging display device may be, for example, the imaging display device 100 described above.
  • the lens 1311 is formed with an optical system for projecting light emitted from the imaging display device in the control device 1312.
  • the imaging display device receives this light and projects an image on the lens 1311.
  • the control device 1312 functions as a power source for supplying power to the imaging display device and controls the operation of the imaging display device.
  • FIG. 13C illustrates a contact lens 1320 (smart contact lens) according to one application example.
  • An imaging display device 1321 is mounted on the contact lens 1320.
  • the imaging display device 1321 may be the imaging display device 100 described above, for example.
  • Contact lens 1320 further includes a control device 1322.
  • the control device 1322 functions as a power source that supplies power to the imaging display device 1321 and controls the operation of the imaging display device 1321.
  • the contact lens 1320 is formed with an optical system for condensing light on the imaging display device 1321.
  • the imaging display device can be applied to night vision devices, monitoring devices, binoculars, telescopes, medical detectors, and the like.
  • An imaging display device used in such an application example includes a photoelectric conversion element capable of photoelectrically converting visible light and light other than visible light (such as ultraviolet light and infrared light), and a light emitting element capable of emitting visible light.
  • a photoelectric conversion element capable of photoelectrically converting visible light and light other than visible light (such as ultraviolet light and infrared light)
  • a light emitting element capable of emitting visible light.
  • the imaging display device can also be applied to monitoring and security devices.
  • the imaging display device used in such an application example includes a photoelectric conversion element that can photoelectrically convert visible light and a light-emitting element that can emit light other than visible light (such as ultraviolet light and infrared light).
  • the subject information can be made invisible.
  • the user can use the device without feeling uncomfortable.

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Abstract

撮像表示装置は、撮像表示装置の外部から入射した光を電荷信号に変換する複数の光電変換素子と、複数の光電変換素子で得られた電荷信号に応じた強度の光を発光する複数の発光素子と、を備える。複数の光電変換素子がアレイ状に配置された領域によって画素領域が規定される。複数の光電変換素子から複数の発光素子へ信号を伝達するための信号経路が画素領域内に収まる。

Description

撮像表示装置及びウェアラブルデバイス
　本発明は、撮像表示装置及びウェアラブルデバイスに関する。
　ヘッドマウントディスプレイ（以下、ＨＭＤ）やスマートグラスと呼ばれる、表示装置を備えたウェアラブルデバイスが知られている。このようなウェアラブルデバイスの１つの方式では、利用者の眼の前の景色（外界の景色）が撮像装置を用いて画像として撮り込まれ、その画像が表示装置に表示される。この方式によって、利用者は、表示装置を通しながらも、外界の景色をあたかも直接見ているような感覚を得られる。特許文献１は、このような表示装置を小型化するために、フォトダイオードとＥＬ（エレクトロルミネッセンス）素子とを同じ基板上にマトリクス状に設ける技術を提案する。具体的に、フォトダイオード及びＥＬ素子を各画素に有するエリアセンサは、フォトダイオードを用いて被写体を画像信号として撮り込む。その後、エリアセンサは、撮り込んだ画像を、ＥＬ素子を用いて表示する。
特開２００２－１７６１６２号公報
　特許文献１の装置では受光面と発光面とが同一であるので、この装置の他の装置への適用が制限される。例えば、この装置をＨＭＤやスマートグラスに適用することが困難である。また、ＨＭＤやスマートグラスに適用可能な装置であっても、景色を取り込んでから表示するまでの時間が長いと、利用者は違和感を覚える。その結果として、例えば、利用者が動いている物体を掴むといった動作が困難になる。本発明の１つ側面は、撮像表示装置の他の装置への適用を容易にするための技術を提供する。
　上記課題に鑑みて、撮像表示装置であって、前記撮像表示装置の外部から入射した光を電荷信号に変換する複数の光電変換素子と、前記複数の光電変換素子で得られた電荷信号に応じた強度の光を発光する複数の発光素子と、を備え、前記複数の光電変換素子がアレイ状に配置された領域によって画素領域が規定され、前記複数の光電変換素子から前記複数の発光素子へ信号を伝達するための信号経路が前記画素領域内に収まることを特徴とする撮像表示装置が提供される。
　上記手段により、撮像表示装置の他の装置への適用が容易になる。
　本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。
　添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の撮像表示装置のタイミングチャート図。 一部の実施形態の撮像表示装置のタイミングチャート図。 一部の実施形態の画素の断面構造を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の画素アレイの平面レイアウトを説明する図。 一部の実施形態の画素アレイの平面レイアウトを説明する図。 一部の実施形態の画素アレイの平面レイアウトを説明する図。 一部の実施形態の画素の等価回路図。 一部の実施形態の画素の断面構造を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置の適用例を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置の適用例を説明する図。 一部の実施形態の撮像表示装置の適用例を説明する図。
　添付の図面を参照しつつ本発明の実施形態について以下に説明する。様々な実施形態を通じて同様の要素には同一の参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、各実施形態は適宜変更、組み合わせが可能である。
　図１Ａ及び図１Ｂを参照して、一部の実施形態に係る撮像表示装置１００の構成例について説明する。図１Ａは撮像表示装置１００の平面図を示し、図１Ｂは撮像表示装置１００の断面図を示す。撮像表示装置１００は、破線１１０の内側にある画素領域１１１と、破線１１０の外側にある周辺回路領域１１２とを有する。画素領域１１１には、複数の画素１０１がアレイ状に配置されている。周辺回路領域１１２には、垂直走査回路１０２が配置されている。周辺回路領域１１２には、そのほかに、電源回路（不図示）なども配される。行方向に並んだ複数の画素に対して導電線１０３が配置されている。導電線１０３を通じて垂直走査回路１０２から各画素１０１に制御信号が供給される。図１Ａでは画素行ごとに１本の導電線１０３を示しているが、各画素に複数種類の制御信号を供給する場合に、制御信号ごとに導電線１０３が配置される。
　撮像表示装置１００は、上面１００ｂと、その反対側にある下面１００ａとを有する。上面１００ｂは表（おもて）面と呼ばれることもあり、下面１００ａは裏面又は底面と呼ばれることもある。各画素１０１は、撮像表示装置１００の下面１００ａから入射した光に応じた強度の光を撮像表示装置１００の上面１００ｂから発光する。そのため、下面１００ａは入射面と呼ばれてもよく、上面１００ｂは発光面と呼ばれてもよい。
　図２Ａ～図４Ｂの等価回路図を参照して、画素１０１の具体的な構成例について説明する。図２Ａは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ａの等価回路図を示す。画素１０１ａは、光電変換素子２０１と、増幅トランジスタ２０２と、発光素子２０３と、リセットトランジスタ２０４と、リセットトランジスタ２０５とを有する。
　光電変換素子２０１の一端は増幅トランジスタ２０２のゲートに接続されており、他端は接地に接続されている。光電変換素子２０１と増幅トランジスタ２０２のゲートとの間のノードはフローティングディフュージョンＦＤとして機能する。増幅トランジスタ２０２の一方の主電極は電圧ＶＤＤを供給する電源線に接続されており、他方の主電極は発光素子２０３に接続されている。発光素子２０３の一端は増幅トランジスタ２０２に接続されており、他端は接地に接続されている。発光素子２０３は、接地に接続される代わりに、他の定電圧源に接続されていてもよい。フローティングディフュージョンＦＤは、電圧Ｖ１を供給する電源線にリセットトランジスタ２０４を介して接続されている。リセットトランジスタ２０４のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＲＥＳ１が供給される。発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードは、電圧Ｖ２を供給する電源線にリセットトランジスタ２０５を介して接続されている。リセットトランジスタ２０５のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＲＥＳ２が供給される。
　光電変換素子２０１は、撮像表示装置１００の外部（図１Ｂの例では下面１００ａ）から入射した光を電荷信号に変換する。光電変換素子２０１は、例えば、フォトダイオード、有機光電変換素子、無機光電変換素子等である。フォトダイオードに使用される材料は、例えば、シリコン、ゲルマニウム、インジウム、ガリウム、ヒ素等が挙げられる。光電変換層としては、例えば、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層とが接合されたＰＮ接合型、Ｐ型半導体層とＮ型半導体層との間に電気抵抗の大きな半導体層を挟んだＰＩＮ型、アバランシェ増倍現象を利用したアバランシェ型等が挙げられる。図１Ａの各画素１０１が光電変換素子２０１を有する。そのため、画素領域１１１は、複数の光電変換素子２０１がアレイ状に配置された領域によって規定されるということができる。
　有機光電変換素子は、例えば、一対の電極間に光電変換する有機薄膜層（有機光電変換層）を少なくとも一層含んだ構造を有する。有機光電変換素子は、一対の電極間に複数の有機薄膜層が積層された構造を有してもよい。有機光電変換層は単一材料でも複数の材料が混合されていてもよい。また、有機薄膜層は、例えば、真空蒸着プロセスや塗布プロセス等を用いて形成することができる。
　無機光電変換素子は、例えば、有機光電変換層の代わりに、微細な半導体結晶を含有する量子ドット薄膜層を用いた量子ドット光電変換素子や、ペロブスカイト構造の遷移金属酸化物等からなる光電変換層を有するペロブスカイト光電変換素子等である。
　発光素子２０３は、光電変換素子２０１で得られた電荷信号に応じた強度の光を発光する。発光素子２０３は、例えば、無機ＬＥＤ（発光ダイオード）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ、有機発光ダイオード、有機ＥＬ、有機電界発光素子）等である。無機ＬＥＤに使用される材料は、例えば、アルミニウム、ガリウム、ヒ素、リン、インジウム、窒素、セレン、亜鉛、ダイヤモンド、酸化亜鉛、ペロブスカイト半導体等である。これらを用いてｐｎ接合構造にすることで、それぞれ材料のバンドギャップ差に相当するエネルギー（波長）を有する光が放出される。
　有機ＬＥＤは、例えば、一対の電極間に少なくとも１種の有機発光材料を含有した発光層を有し、複数の発光層を有していてもよく、複数の有機薄膜層が積層された構造を有しても、発光層は単一材料でも複数の材料が混合されていてもよい。発光層からの光は、蛍光でも燐光でもよく、単色発光（青色、緑色、赤色等）でも白色発光でもよい。また、有機薄膜層は、例えば、真空蒸着プロセスや塗布プロセス等を用いて形成することができる。
　増幅トランジスタ２０２は、光電変換素子２０１によって得られた電荷信号を増幅する増幅回路を構成する。リセットトランジスタ２０４は、オンになると、光電変換素子２０１の電圧を初期状態にリセットする。リセットトランジスタ２０５は、オンになると、発光素子２０３の電圧を初期状態にリセットする。
　図２Ｂは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｂの等価回路図を示す。画素１０１ｂは、光電変換素子２０１と増幅トランジスタ２０２との間に転送トランジスタ２０６をさらに有する点で画素１０１ａとは異なり、他の点は画素１０１ａと同じであってもよい。転送トランジスタ２０６を設けることによって、リセットトランジスタ２０４で生じうるｋＴＣノイズと呼ばれるリセットレベルのばらつきに起因するノイズを主に軽減できる。転送トランジスタ２０６のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＴＸが供給される。すなわち、垂直走査回路１０２は、転送トランジスタ２０６のオンオフを切り替える制御信号ＴＸを生成する駆動回路として機能する。転送トランジスタ２０６と増幅トランジスタ２０２のゲートとの間のノードがフローティングディフュージョンＦＤとして機能する。光電変換素子２０１から発光素子２０３へ信号を伝達するための信号経路は、フローティングディフュージョンＦＤと増幅トランジスタ２０２との間にバッファ回路（不図示）をさらに有してもよい。バッファ回路を設けることによって、シリコン－金属のコンタクト接続に起因するノイズ電荷の影響を抑制できる。
　図２Ｃは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｃの等価回路図を示す。画素１０１ｃは、バッファ回路２０７とリセットトランジスタ２０８とをさらに有する点で画素１０１ｂとは異なり、他の点は画素１０１ｂと同じであってもよい。バッファ回路２０７の一端は増幅トランジスタ２０２に接続され、他端は発光素子２０３に接続されている。発光素子２０３とバッファ回路２０７との間のノードは、電圧Ｖ３を供給する電源線にリセットトランジスタ２０８を介して接続されている。リセットトランジスタ２０８のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＲＥＳ３が供給される。
　バッファ回路２０７は、増幅トランジスタ２０２から発光素子２０３に流れる電流（電荷信号）を補正する。バッファ回路２０７は、例えば、γ補正回路、２次元シェーディング補正回路、ばらつき補正回路、フィードバックリセット回路等である。
　図３Ａは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｄの等価回路図を示す。画素１０１ｄは、容量素子３０１とリセットトランジスタ３０２とをさらに有する点で画素１０１ｂとは異なり、他の点は画素１０１ｂと同じであってもよい。容量素子３０１は、転送トランジスタ２０６と増幅トランジスタ２０２との間に接続される。転送トランジスタ２０６と容量素子３０１との間のノードがフローティングディフュージョンＦＤとして機能する。容量素子３０１と増幅トランジスタ２０２との間のノードは、電圧Ｖ４を供給する電源線にリセットトランジスタ３０２を介して接続されている。リセットトランジスタ３０２のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＲＥＳ４が供給される。容量素子３０１を有することによって、フローティングディフュージョンＦＤに転送された電荷による容量素子３０１の電圧変動を信号として増幅トランジスタ２０２に供給できる。その結果として、光電変換素子２０１の電源電圧と発光素子２０３の電源電圧とをそれぞれ独立に設定できる。
　図３Ｂは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｅの等価回路図を示す。画素１０１ｅは、容量素子３０３と容量付加トランジスタ３０４とをさらに有する点で画素１０１ｂとは異なり、他の点は画素１０１ｂと同じであってもよい。容量素子３０３の一端は容量付加トランジスタ３０４に接続され、他端は接地に接続されている。容量付加トランジスタ３０４は、容量素子３０３とフローティングディフュージョンＦＤとの間に接続されている。容量付加トランジスタ３０４のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＡＤＤが供給される。容量付加トランジスタ３０４がオンになると、フローティングディフュージョンＦＤの容量に容量素子３０１の容量が追加される。これによって、発光素子２０３に供給される電荷信号が変更される。
　図４Ａは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｆの等価回路図を示す。画素１０１ｆは、クリップトランジスタ４０１をさらに有する点で画素１０１ｂとは異なり、他の点は画素１０１ｂと同じであってもよい。発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードは、電圧Ｖ６を供給する電源線にクリップトランジスタ４０１を介して接続されている。クリップトランジスタ４０１のゲートは電圧Ｖ７を供給する電源線に接続されている。
　光電変換素子２０１の飽和レベルを大幅に超える強度の光が撮像表示装置１００に入射した場合、フローティングディフュージョンＦＤや発光素子２０３の電圧レベルが、正常に動作可能な電圧レベルよりも低下する可能性がある。このような電圧レベルの低下を抑制するために、画素１０１ｆはクリップ回路を有する。フローティングディフュージョンＦＤに対して、リセットトランジスタ２０４がクリップ回路として機能する。また、発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードに対して、クリップトランジスタ４０１がクリップ回路として機能する。画素１０１ｆはクリップトランジスタ４０１を有することによって、想定しない電圧が発光素子２０３に印加されることを抑制できる。画素１０１ｆでは、各行や領域ごとにクリップトランジスタ４０１へ印加される電圧が共有される。
　図４Ｂは、画素１０１の１つの具体例である画素１０１ｇの等価回路図を示す。画素１０１ｇは、クリップトランジスタ４０２をさらに有する点で画素１０１ｂとは異なり、他の点は画素１０１ｂと同じであってもよい。発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードは、電圧Ｖ８を供給する電源線にクリップトランジスタ４０２を介して接続されている。クリップトランジスタ４０２は、発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードに接続されている。発光素子２０３と増幅トランジスタ２０２との間のノードに対して、クリップトランジスタ４０２がクリップ回路として機能する。画素１０１ｇでは、各画素の発光素子２０３の入力部の電圧に応じてクリップ動作が行われる。
　図２Ａ～図４Ｂの画素の具体例は、いずれもリセットトランジスタ２０４、２０５及び増幅トランジスタ２０２を有する。これに代えて、リセットトランジスタ２０４、２０５と、増幅トランジスタ２０２との少なくとも一方が省略されてもよい。画素の形態は図２Ａ～図４Ｂに限らず、回路要素を適宜追加したり、組み合わせたりしてもよい。例えば、複数の受光素子や複数の発光素子で回路要素を共有化したり、選択スイッチを設けて複数の素子のいずれかと接続したりするなどの変更を加えてもよい。
　続いて、図５Ａ及び図５Ｂのタイミングチャートを参照して、撮像表示装置１００の動作例について説明する。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、ＲＥＳ１、ＲＥＳ２、ＴＸは、垂直走査回路１０２が生成する制御信号のレベルを示し、Ｖ＿ＦＤはフローティングディフュージョンＦＤの電圧値を示し、Ｉ＿ＡＮは発光素子２０３に流れる電流値を示す。
　図５Ａは、撮像表示装置１００の画素１０１が画素１０１ａである場合のタイミングチャートを示す。リセットトランジスタ２０４は、制御信号ＲＥＳ１がハイレベルの場合にオンとなり、ローレベルの場合にオフとなる。リセットトランジスタ２０５と制御信号ＲＥＳ２との関係も同様である。時刻ｔ１１よりも前に、リセットトランジスタ２０４、２０５はどちらもオンなので、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は電圧Ｖ１にリセットされ、増幅トランジスタ２０２と発光素子２０３との間のノードの電圧は電圧Ｖ２にリセットされている。電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とは互いに等しい値であってもよい。
　時刻ｔ１１に、垂直走査回路１０２は、制御信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２をオンからオフに切り替える。これによって、光電変換素子２０１が、入射光の強度に応じた電荷信号を生成する。生成される電荷は電子であってもよいし、ホールであってもよい。生成された電荷信号の値に応じて、フローティングディフュージョンＦＤの電圧が変化する。フローティングディフュージョンＦＤの電圧の変化量に応じた電流が増幅トランジスタ２０２のソース－ドレイン間に流れる。この電流が発光素子２０３に供給されることによって、発光素子２０３は電流量に応じた強度の光を発光する。
　その後、時刻ｔ１２で、垂直走査回路１０２は、制御信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２をオフからオンに切り替える。これによって、フローティングディフュージョンＦＤの電圧が電圧Ｖ１にリセットされ、増幅トランジスタ２０２と発光素子２０３との間のノードの電圧が電圧Ｖ２にリセットされる。
　図５Ｂは、撮像表示装置１００の画素１０１が画素１０１ｂである場合のタイミングチャートを示す。転送トランジスタ２０６は、制御信号ＴＸがハイレベルの場合にオンとなり、ローレベルの場合にオフとなる。時刻ｔ２１よりも前に、リセットトランジスタ２０４、２０５はどちらもオンなので、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は電圧Ｖ１にリセットされ、増幅トランジスタ２０２と発光素子２０３との間のノードの電圧は電圧Ｖ２にリセットされている。電圧Ｖ１と電圧Ｖ２とは互いに等しい値であってもよい。
　時刻ｔ２１に、垂直走査回路１０２は、制御信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２をオンからオフに切り替える。これによって、光電変換素子２０１が、入射光の強度に応じた電荷信号を生成し、自身に蓄積する。また、フローティングディフュージョンＦＤの電圧は、ノイズに応じて変化する。
　時刻ｔ２２に、垂直走査回路１０２は、制御信号ＴＸをオフからオンに切り替える。これによって、光電変換素子２０１に蓄積された電荷がフローティングディフュージョンＦＤに転送され、フローティングディフュージョンＦＤの電圧の変化量に応じた電流が増幅トランジスタ２０２のソース－ドレイン間に流れる。この電流が発光素子２０３に供給されることによって、発光素子２０３は電流量に応じた強度の光を発光する。
　垂直走査回路１０２は、時刻ｔ２３に制御信号ＴＸをオンからオフに切り替え、その後、時刻ｔ２４に制御信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２をオフからオンに切り替える。それによって、図５Ａで説明したリセット動作が行われる。
　撮像表示装置１００の画素１０１が画素１０１ｃ～１０１ｇの何れかである場合も、図５Ｂに示したタイミングチャートに沿って処理が行われてもよい。この場合に、垂直走査回路１０２は、制御信号ＲＥＳ３、ＲＥＳ４も、制御信号ＲＥＳ１、ＲＥＳ２と同じタイミングで切り替えてもよい。そのため、１つの画素に制御信号ＲＥＳ１～ＲＥＳ４を供給するための導電線を共通にしてもよい。言い換えると、垂直走査回路１０２は、各リセットトランジスタ２０４、２０５、２０８、３０２のゲートに共通の導電線を通じて制御信号を供給してもよい。この構成では、導電線の本数を減らすことができ、レイアウトの自由度が向上する。
　垂直走査回路１０２は、複数の画素行のリセットトランジスタ２０４に供給する制御信号ＲＥＳ１のレベルを同じタイミングで切り替えてもよい。すなわち、垂直走査回路１０２は、画素領域に含まれるすべての画素１０１のリセットトランジスタ２０４のオンオフを一括して切り替えることによって、フローティングディフュージョンＦＤの電圧を一括して（同時に）リセットしてもよい。制御信号ＲＥＳ２～ＲＥＳ４についても同様である。
　同様に、垂直走査回路１０２は、複数の画素行の転送トランジスタ２０６に供給する制御信号ＴＸのレベルを同じタイミングで切り替えてもよい。すなわち、垂直走査回路１０２は、画素領域に含まれるすべての画素１０１の転送トランジスタ２０６のオンオフを同じタイミングで一括して切り替えることによって、光電変換素子２０１の蓄積された電荷信号を一括して（同時に）転送してもよい。このように、垂直走査回路１０２が画素領域のすべての画素を同じタイミングで駆動することによって、撮像表示装置１００のリフレッシュレートを向上できる。
　上述の画素１０１ａ～画素１０１ｇの何れにおいても、複数の光電変換素子２０１から複数の発光素子２０３へ信号を伝達するための信号経路が画素領域１１１内に収まる。そのため、光電変換素子２０１で得られた信号を画素領域の外に読み出し、画素アレイから得られた画像に対するデータ処理を行った後に表示させる場合と比較して、光電変換素子２０１に光が入射してから発光素子２０３が光を発光するまでの時間が短縮される。
　続いて、図６の断面図を参照して、画素１０１ｂの構造例について説明する。撮像表示装置１００は、互いに積層された２つの基板６００、６５０によって構成される。基板６００は光電変換素子を有し、基板６５０は発光素子を有する。
　基板６００は、半導体層６０１と、絶縁層６０４と、カラーフィルタ層６１１と、マイクロレンズ６１２とを有する。半導体層６０１は、不純物領域６０２、６０３を含む複数の不純物領域を有する。不純物領域６０２は、光電変換素子２０１を構成する。不純物領域６０３は、フローティングディフュージョンＦＤとして機能する。そのほか、複数の不純物領域は、リセットトランジスタ２０４を構成する領域を含む。カラーフィルタ層６１１は、例えばベイヤ配列を有しており、入射光を赤色、緑色、青色に分解する。カラーフィルタ層６１１を備える代わりに、画素領域１１１に、赤色の光を光電変換する素子、緑色の光を光電変換する素子、青色の光を光電変換する素子が配置されてもよい。
　絶縁層６０４に、電極６０５、６０６と、導電パターン６０７と、プラグ６０８、６０９と、接続部６１０とが形成されている。電極６０５は、転送トランジスタ２０６のゲートとして機能する。電極６０６は、リセットトランジスタ２０４のゲートとして機能する。フローティングディフュージョンＦＤは、プラグ６０８と、導電パターン６０７の一部分と、プラグ６０９とによって接続部６１０に接続されている。前述のように、光電変換素子２０１は、撮像表示装置１００の下面１００ａから入射した光を光電変換する。すわなち、基板６００は、裏面照射型の基板である。これに代えて、基板６００を表面照射型の基板として形成してもよい。
　基板６５０は、半導体層６５１と、絶縁層６５３とを有する。半導体層６５１は、不純物領域６５２を含む複数の不純物領域を有する。不純物領域６５２は、増幅トランジスタ２０２と発光素子２０３との間のノードとして機能する。そのほか、複数の不純物領域は、リセットトランジスタ２０５を構成する領域を含む。
　絶縁層６５３に、電極６５４、６５５と、導電パターン６５６と、プラグ６５８と、発光層６５７と、接続部６５９とが形成されている。発光層６５７は、発光素子２０３を構成する。画素領域１１１には、赤色の光を発光する発光層６５７、緑色の光を発光する発光層６５７、青色の光を発光する発光層６５７が配置されてもよい。これに代えて、基板６５０が発光層６５７の上にカラーフィルタを有し、発光層６５７が発光した白色光をカラーフィルタがそれぞれの色に変換してもよい。電極６５４は、増幅トランジスタ２０２のゲートとして機能する。電極６５５は、リセットトランジスタ２０５のゲートとして機能する。導電パターン６５６の一部分は、プラグ６５８によって接続部６５９に接続されている。
　接続部６１０と接続部６５９とは、直接に接触してもよいし、マイクロバンプを介して接続されてもよい。基板６００、６５０の厚さが数１００μｍ以下である場合に、撮像表示装置１００の強度を確保するために、それぞれの基板６００、６５０に支持基板を取り付けてもよい。例えば、基板６００の下側と、基板６５０の上側との少なくとも一方に、ガラスやプラスチック、石英などを用いた透明な支持基板を取り付けてもよい。取り付ける方法として、デバイスレイヤトランスファー方式を用いてもよい。この方式では、例えば、基台の上にポーラス構造領域を介して基板６００を生成し、その後に基板６００を切り離して透明な支持基板の上に配置する。
　図６の構造では、撮像表示装置１００が２枚の基板６００、６５０を互いに積層することによって構成される。これに代えて、１枚の半導体基板から一連の工程で図６の各構成要素が形成されてもよい。この場合に、導電パターン６５６の一部分と導電パターン６０７の一部分とを互いに接続する貫通電極が形成される。
　図６では、基板６００に光電変換素子２０１、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ２０４及び転送トランジスタ２０６が形成され、基板６５０に増幅トランジスタ２０２、リセットトランジスタ２０５及び発光素子２０３が形成される。これに代えて、フローティングディフュージョンＦＤ、リセットトランジスタ２０４及び転送トランジスタ２０６が基板６５０に形成されてもよい。この配置では、基板６００に形成される光電変換素子２０１の不純物領域６０２の面積を大きくすることができる。
　図６の構造では、光電変換素子２０１が撮像表示装置１００の下側から入射する光を受け、発光素子２０３が撮像表示装置１００の上側に光を発光する。そのため、光電変換素子２０１と発光素子２０３とが互いに干渉しない位置関係となっている。このように、光電変換素子２０１と発光素子２０３とを互いに異なる面に配置することによって、光電変換素子２０１において発光素子２０３からの光と外部からの光とを分離できるとともに、画素領域１１１に多くの画素が配置可能になる。
　続いて、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、一部の実施形態に係る撮像表示装置７００の構成例について説明する。図７Ａは撮像表示装置７００の断面図を示す。撮像表示装置７００の平面図は図１Ａに示した撮像表示装置１００の平面図と同様であってもよいので省略する。撮像表示装置７００は、破線７１０の内側にある画素領域７１１と、破線７１０の外側にある周辺回路領域７１２とを有する。画素領域７１１には、複数の画素７０１がアレイ状に配置されている。周辺回路領域７１２には、垂直走査回路１０２が配置されている。周辺回路領域７１２には、そのほかに、電源回路（不図示）なども配される。行方向に並んだ複数の画素に対して導電線１０３が配置されている。導電線１０３を通じて垂直走査回路１０２から各画素７０１に制御信号が供給される。撮像表示装置７００は、上面７００ｂと、その反対側にある下面７００ａとを有する。各画素７０１は、撮像表示装置７００の上面７００ｂから入射した光に応じた強度の光を撮像表示装置７００の上面７００ｂから発光する。そのため、上面７００ｂは入射面かつ発光面と呼ばれてもよい。
　図７Ｂは１つの画素７０１に着目した断面図を示す。画素７０１の透過回路図は画素１０１の透過回路図と同様であってもよい。図７Ｂでは、画素７０１が図２Ｂの画素１０１ｂである場合について説明する。撮像表示装置７００は１枚の基板で形成されてもよい。撮像表示装置７００は、半導体層７５０と、絶縁層７５７と、カラーフィルタ層７６２と、マイクロレンズ７６３とを有する。半導体層７５０は、不純物領域７５１、７５３を含む複数の不純物領域を有する。不純物領域７５１は、光電変換素子２０１を構成する。不純物領域７５３は、フローティングディフュージョンＦＤとして機能する。そのほか、複数の不純物領域は、リセットトランジスタ２０４、２０５、増幅トランジスタ２０２を構成する領域を含む。光電変換素子のためのカラーフィルタと発光素子のためのカラーフィルタとを同一のカラーフィルタ層７６２に含めることによって、フィルタの膜厚ばらつきの影響を軽減し、画質を向上することができる。
　絶縁層７５７に、電極７５２、７５４、７５５、７５６と、導電パターン７５９と、遮光部７６１と、光導波路７５８と、発光層７６０とが形成されている。電極７５２は、転送トランジスタ２０６のゲートとして機能する。電極７５４は、リセットトランジスタ２０４のゲートとして機能する。電極７５５は、増幅トランジスタ２０２のゲートとして機能する。電極７５６は、リセットトランジスタ２０５のゲートとして機能する。発光層７６０は、発光素子２０３を構成する。遮光部７６１は、発光層７６０と不純物領域７５１との間に位置しており、発光層７６０からの発光が不純物領域７５１に到達することを抑制する。遮光部７６１は、例えば金属や偏光体によって形成される。光導波路７５８は、マイクロレンズ７６３を介して絶縁層７５７に入射した光を不純物領域７５１に集光する。カラーフィルタ層７６２、マイクロレンズ７６３、光導波路７５８などは省略されてもよい。
　前述のように、光電変換素子２０１は、撮像表示装置７００の上面７００ｂから入射した光を光電変換する。すわなち、撮像表示装置７００の基板は、表面照射型の基板である。これに代えて、撮像表示装置７００の基板を裏面照射型の基板として形成してもよい。
　図８Ａ～図８Ｃは、不純物領域７５１及び発光層７６０の平面レイアウトの具体例を説明する。図８Ａ～図８Ｃのそれぞれは、撮像表示装置７００の上面７００ｂに対する平面視における不純物領域７５１及び発光層７６０の位置を示し、３行３列の９個の画素７０１に着目する。
　図８Ａに示すレイアウトでは、矩形状の不純物領域７５１と矩形状の発光層７６０とが並んでいる。図８Ｂに示すレイアウトでは、矩形状（例えば、正方形）の不純物領域７５１とＬ字型の発光層７６０とが並んでいる。図８Ｃに示すレイアウトでは、矩形状（例えば、正方形）の不純物領域７５１の周囲に枠状の発光層７６０が位置している。このように、いずれのレイアウトでも、撮像表示装置７００の上面７００ｂに対する平面視において、不純物領域７５１と発光層７６０とは互いに重ならない。
　また、上述した撮像表示装置１００においても、撮像表示装置１００の上面１００ｂに対する平面視において、光電変換素子２０１を構成する不純物領域６０２と、発光素子２０３を構成する発光層７６０とが互いに重ならないように配置されてもよい。不純物領域６０２に入射した光のうち長波長の成分はシリコン層を透過しやすい。このような配置によって、不純物領域６０２を透過した光が発光層７６０に影響を与えることを抑制できる。
　続いて、図９を参照して、一部の実施形態に係る撮像表示装置９００の構成例について説明する。撮像表示装置９００の平面図及び断面図は、図１Ａに示した撮像表示装置１００の平面図及び断面図と同様であってもよいので省略する。図９は、２行２列の４つの画素の透過回路図を示す。撮像表示装置９００の画素領域には、複数の画素９０１がアレイ状に配置されている。画素９０１は、スイッチトランジスタ９０２及びスイッチトランジスタ９０３を備える点で、撮像表示装置１００の画素１０１とは異なる。さらに、画素領域には、２行２列の４つの画素９０１ごとに、発光素子９０４及びバッファ回路９０５が配置されている。このように、撮像表示装置９００は、画素領域内に、光電変換素子２０１と同じピッチで配置された発光素子２０３と、このピッチとは異なるピッチで配置された発光素子９０４とを有する。図９では、４つの画素９０１ごとに発光素子９０４及びバッファ回路９０５が配置されるが、他の複数の画素９０１ごとに配置されてもよい。図９では、図２Ｂの画素１０１ｂとの変更点について説明するが、この変更点が図２Ａ～図４Ｂの他の画素に対して適用されてもよい。
　スイッチトランジスタ９０２は、増幅トランジスタ２０２と発光素子２０３との間に接続されている。スイッチトランジスタ９０２のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＣＨ１が供給される。スイッチトランジスタ９０３は、増幅トランジスタ２０２とバッファ回路９０５との間に接続されている。スイッチトランジスタ９０３のゲートには垂直走査回路１０２から制御信号ＣＨ２が供給される。発光素子９０４は、バッファ回路９０５と接地との間に配置される。バッファ回路９０５の構成・機能は、バッファ回路２０７と同様であってもよい。発光素子９０４の構成・機能は、発光素子２０３と同様であってもよい。発光素子９０４は、発光素子２０３と同様の方式で発色してもよいし、異なる方式で発色してもよい。例えば、発光素子２０３がカラーフィルタを用いて各色の光を発光し、発光素子９０４が自身で各色の色を発光してもよい。
　撮像表示装置９００は、高解像度モードと低解像度モードとの２つのモードで動作可能である。垂直走査回路１０２は、高解像度モードにおいて、制御信号ＣＨ１をハイレベルとして各画素９０１のスイッチトランジスタ９０２をオンにするとともに、制御信号ＣＨ２をローレベルとして各画素９０１のスイッチトランジスタ９０３をオフにする。この場合に、各画素９０１の光電変換素子２０１で得られた信号は発光素子２０３に供給され、発光素子２０３が発光する。一方、発光素子９０４には信号が供給されないので、発光素子９０４は発光しない。このように、高解像度モードでは、１つの画素９０１ごとに１つの発光素子２０３が発光する。
　垂直走査回路１０２は、低解像度モードにおいて、制御信号ＣＨ１をローレベルとして各画素９０１のスイッチトランジスタ９０２をオフにするとともに、制御信号ＣＨ２をハイレベルとして各画素９０１のスイッチトランジスタ９０３をオンにする。この場合に、４つの画素９０１の光電変換素子２０１で得られた信号は統合されて発光素子９０４に供給され、発光素子９０４が発光する。一方、発光素子２０３には信号が供給されないので、発光素子２０３は発光しない。このように、低解像度モードでは、４つの画素９０１ごとに１つの発光素子９０４が発光する。このように、スイッチトランジスタ９０２、９０３は、１つの光電変換素子２０１で得られた信号の伝達先を発光素子２０３と発光素子９０４との間で切り替えるスイッチ素子として機能する。
　撮像表示装置９００はさらに、画素領域のうち一部の領域に含まれる画素９０１を低解像度モードで動作し、他の領域に含まれる画素９０１を高解像度モードで動作するように構成されてもよい。具体的に、撮像表示装置９００は、低解像度モードで動作させたい領域に含まれる画素９０１の制御信号ＣＨ１をハイレベルとし、高解像度モードで動作させたい領域に含まれる画素９０１の制御信号ＣＨ２をハイレベルとするように構成されてもよい。
　図１０は、撮像表示装置９００の画素領域の一部に着目した断面図である。不純物領域１００１は、光電変換素子２０１を構成する。発光層１００２は、発光素子２０３を構成する。発光層１００３は、発光素子９０４を構成する。不純物領域１００１は、撮像表示装置９００の下面から入射した光を光電変換し、発光層１００２及び発光層１００３はそれぞれ撮像表示装置９００の上面に光を発光する。発光層１００３は、２行２列の４つの画素にまたがって配置される。
　図１１を参照して、一部の実施形態に係る撮像表示装置１１００の構成例について説明する。図１１は撮像表示装置１１００の平面図を示す。撮像表示装置１１００の断面図は図１Ｂに示した撮像表示装置１００の断面図と同様であるので省略する。撮像表示装置１１００は、破線１１１０の内側にある画素領域と、破線１１１０の外側にある周辺回路領域とを有する。画素領域には、複数の画素１１０１がアレイ状に配置されている。周辺回路領域には、垂直走査回路１０２、水平走査回路１１０５及び制御回路１１０６が配置されている。周辺回路領域には、そのほかに、電源回路（不図示）なども配される。行方向に並んだ複数の画素に対して導電線１１０３が配置されている。導電線１１０３を通じて垂直走査回路１１０２から各画素１１０１に制御信号が供給される。図１１では画素行ごとに１本の導電線１１０３を示しているが、各画素に複数種類の制御信号を供給する場合に、制御信号ごとに導電線１１０３が配置される。列方向に並んだ複数の画素に対して導電線１１０４が配置されている。導電線１１０４を通じて画素１１０１から水平走査回路１１０５に信号が読み出される。制御回路１１０６は、水平走査回路１１０５に読み出された信号に基づいて、垂直走査回路１１０２の動作を制御する。
　図１２Ａの等価回路図を参照して、画素１１０１の具体的な構成例について説明する。画素１１０１は、図２Ｂに示す画素１０１ｂの光電変換素子２０１と、増幅トランジスタ２０２と、リセットトランジスタ２０４と、転送トランジスタ２０６との組を２組有している。一方の組の増幅トランジスタ２０２の一方の主電極は、画素１０１ｂと同様に、リセットトランジスタ２０５及び発光素子２０３に接続されている。他方の組の増幅トランジスタ２０２の一方の主電極は、導電線１１０４に接続されている。図１２Ａでは図２Ｂの例をもとに説明するが、各組は、図２Ａ～図４Ｂの他の画素の具体例の構成を有してもよい。
　撮像表示装置１１００は、一方の光電変換素子２０１によって得られた電荷信号に応じた光を発光素子２０３で発光するとともに、他方の光電変換素子２０１によって得られた信号を水平走査回路１１０５で読み出す。制御回路１１０６は、水平走査回路１１０５に読み出された信号から画像データを生成し、保存してもよい。一方の光電変換素子２０１で可視光を検出し、他方の光電変換素子２０１で赤外光を検出してもよい。
　図１２Ｂ及び図１２Ｃは、撮像表示装置１１００の１つの画素１１０１に着目した断面図である。撮像表示装置１１００は、２枚の基板１２０１、１２０２が積層されて構成される。それぞれの基板は、表面照射型の基板であってもよいし、裏面照射型の基板であってもよい。基板１２０１は、光電変換素子を構成する不純物領域１２０５を有する。基板１２０２は、光電変換素子を構成する不純物領域１２０４と、発光素子を構成する発光層１２０３とを有する。不純物領域１２０４が図１２Ａの上側の光電変換素子２０１を構成し、不純物領域１２０５が図１２Ａの下側の光電変換素子２０１を構成してもよいし、その逆でもよい。
　図１２Ｂに示す実施形態では、不純物領域１２０４、１２０５の両方が撮像表示装置１１００の上側から入射した光を光電変換し、発光層１２０３が撮像表示装置１１００の上側へ光を発光する。図１２Ｃに示す実施形態では、不純物領域１２０４が撮像表示装置１１００の上側から入射した光を光電変換し、不純物領域１２０５が撮像表示装置１１００の下側から入射した光を光電変換し、発光層１２０３が撮像表示装置１１００の上側へ光を発光する。
　図１２Ｃの例で、不純物領域１２０４が下側の光電変換素子２０１を構成するとする。撮像表示装置１１００が眼鏡などのウェアラブルデバイスに搭載される場合に、撮像表示装置１１００の上面は、利用者の眼に対向する位置にくる。そのため、下側の光電変換素子２０１によって得られた画像データを用いて、制御回路１１０６が視線検知を行ってもよい。制御回路１１０６は、撮像表示装置９００の構成を利用して、撮像表示装置１１００の画素領域のうち利用者の視線が検知された領域を高解像度で表示し、他の領域を低解像度で表示してもよい。また、不純物領域１２０５が基板１２０１の大部分（例えば、基板の表面に対する平面視において８０％以上）に形成されていてもよい。また、発光層１２０３が基板１２０１に形成され、基板１２０２が適宜取り除かれた形態となっていてもよい。
　上述の様々な実施形態では、光電変換素子２０１と発光素子２０３とが１対１に対応している。これに代えて、２つ以上の光電変換素子２０１と１つの発光素子２０３とが対応してもよい。具体的に、２つ以上の光電変換素子２０１で得られた電荷信号の合計に基づく強度の光が１つの発光素子２０３で発光されてもよい。さらに、１つの光電変換素子２０１と２以上の発光素子２０３とが対応してもよい。具体的に、１つの光電変換素子２０１で得られた電荷信号に基づく強度の光が２つ以上の発光素子２０３で分散して発光されてもよい。さらに、光電変換素子２０１と発光素子２０３との対応が混在してもよい。例えば、青色の光を検出する１つの光電変換素子２０１で得られた電荷信号が、青色の光を発光する２つ以上の発光素子２０３へ分散して供給されてもよい。さらに、同じ撮像表示装置において、緑色の光を検出する２つ以上の光電変換素子２０１で得られた電荷信号が、緑色の光を発光する１つの発光素子２０３へ統合して供給されてもよい。このような構成を有することによって、各色に最適な配列で受光・発光を行うことができる。
　図１３Ａ～図１３Ｃを参照して、上述の各実施形態の撮像表示装置の適用例について説明する。撮像表示装置は、例えばスマートグラス、ＨＭＤ、スマートコンタクトのようなウェアラブルデバイスに適用できる。このような適用例に使用される撮像表示装置は、可視光を光電変換可能な光電変換素子と、可視光を発光可能な発光素子とを有する。
　図１３Ａは、１つの適用例に係る眼鏡１３００（スマートグラス）を説明する。眼鏡１３００のレンズ１３０１に撮像表示装置１３０２が搭載されている。撮像表示装置１３０２は例えば上述の撮像表示装置１００であってもよい。眼鏡１３００は、制御装置１３０３をさらに備える。制御装置１３０３は、撮像表示装置１３０２に電力を供給する電源として機能するとともに、撮像表示装置１３０２の動作を制御する。レンズ１３０１には、撮像表示装置１３０２に光を集光するための光学系が形成されている。
　図１３Ｂは、１つの適用例に係る眼鏡１３１０（スマートグラス）を説明する。眼鏡１３１０は、制御装置１３１２を有しており、制御装置１３１２に撮像表示装置が搭載される。この撮像表示装置は例えば上述の撮像表示装置１００であってもよい。レンズ１３１１には、制御装置１３１２内の撮像表示装置からの発光を投影するための光学系が形成されている。撮像表示装置は、この光を受けて、レンズ１３１１に画像を投影する。制御装置１３１２は、撮像表示装置に電力を供給する電源として機能するとともに、撮像表示装置の動作を制御する。
　図１３Ｃは、１つの適用例に係るコンタクトレンズ１３２０（スマートコンタクトレンズ）を説明する。コンタクトレンズ１３２０に撮像表示装置１３２１が搭載されている。撮像表示装置１３２１は例えば上述の撮像表示装置１００であってもよい。コンタクトレンズ１３２０は、制御装置１３２２をさらに備える。制御装置１３２２は、撮像表示装置１３２１に電力を供給する電源として機能するとともに、撮像表示装置１３２１の動作を制御する。コンタクトレンズ１３２０には、撮像表示装置１３２１に光を集光するための光学系が形成されている。
　撮像表示装置は、暗視装置、監視装置、双眼鏡、望遠鏡、医療用検出器等にも適用可能である。このような適用例に使用される撮像表示装置は、可視光及び可視光以外の光（紫外光、赤外光等）を光電変換可能な光電変換素子と、可視光を発光可能な発光素子とを有する。このような適用例では、人間の眼には見えにくい光が可視光として表示される。
　撮像表示装置は、監視やセキュリティ機器にも適用可能である。このような適用例に使用される撮像表示装置は、可視光を光電変換可能な光電変換素子と、可視光以外の光（紫外光、赤外光等）を発光可能な発光素子とを有する。このような適用例では、被写体情報を非可視化することができる。
　いずれの適用例に係るデバイスであっても、本実施形態の撮像表示装置では受光から発光までの時間が短いので、利用者は違和感を覚えることなくデバイスを使用できる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１６年１０月７日提出の日本国特許出願特願２０１６－１９９４１０を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

Claims (17)

  1. 　撮像表示装置であって、
    　　前記撮像表示装置の外部から入射した光を電荷信号に変換する複数の光電変換素子と、
    　　前記複数の光電変換素子で得られた電荷信号に応じた強度の光を発光する複数の発光素子と、
    を備え、
    　前記複数の光電変換素子がアレイ状に配置された領域によって画素領域が規定され、
    　前記複数の光電変換素子から前記複数の発光素子へ信号を伝達するための信号経路が前記画素領域内に収まることを特徴とする撮像表示装置。
  2. 　前記発光素子と前記光電変換素子との間に位置する遮光部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の撮像表示装置。
  3. 　前記撮像表示装置は、前記光電変換素子によって得られた電荷信号を増幅する増幅回路を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像表示装置。
  4. 　前記撮像表示装置は、前記増幅回路と前記発光素子との間に接続されたバッファ回路をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の撮像表示装置。
  5. 　前記撮像表示装置は、
    　　フローティングディフュージョンと、
    　　前記光電変換素子と前記フローティングディフュージョンとの間にある転送トランジスタと、
    をさらに備え、
    　前記撮像表示装置は、前記転送トランジスタのオンオフを切り替える制御信号を生成する駆動回路をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  6. 　前記撮像表示装置は、前記フローティングディフュージョンと前記発光素子との間に接続された容量素子をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の撮像表示装置。
  7. 　前記駆動回路は、前記複数の光電変換素子に接続された各転送トランジスタのオンオフを同じタイミングで切り替えることを特徴とする請求項５又は６に記載の撮像表示装置。
  8. 　前記複数の光電変換素子がアレイ状に配置された領域によって画素領域が規定され、
    　前記複数の発光素子は、
    　　前記画素領域内に、第１ピッチで配置された複数の第１発光素子と、
    　　前記画素領域内に、前記第１ピッチとは異なる第２ピッチで配置された複数の第２発光素子と、
    を含み、
    　前記撮像表示装置は、１つの光電変換素子で得られた信号の伝達先を第１発光素子と第２発光素子との間で切り替えるスイッチ素子をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  9. 　前記光電変換素子の電圧をリセットするための第１リセットトランジスタと、前記発光素子の電圧をリセットするための第２リセットトランジスタとをさらに備えることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  10. 　前記第１リセットトランジスタのゲートと前記第２リセットトランジスタのゲートとに共通の導電線を通じて制御信号が供給されることを特徴とする請求項９に記載の撮像表示装置。
  11. 　前記複数の光電変換素子のうち１つの光電変換素子で得られた電荷信号に応じた強度の光を２以上の発光素子が発光し、
    　前記複数の光電変換素子のうち２以上の光電変換素子で得られた電荷信号に応じた強度の光を１つの発光素子が発光することを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  12. 　前記撮像表示装置は、互いに積層された第１基板及び第２基板を備え、
    　前記光電変換素子は前記第１基板に含まれ、
    　前記発光素子は前記第２基板に含まれることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  13. 　前記発光素子は、有機ＬＥＤ又は無機ＬＥＤであることを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  14. 　前記光電変換素子は、裏面照射型の基板に含まれることを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  15. 　前記撮像表示装置は、第１面を有し、
    　前記光電変換素子は、前記第１面から入射した光を電荷信号に変換し、
    　前記発光素子は、前記第１面から光を発光する
    ことを特徴とする請求項１乃至１４の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  16. 　前記撮像表示装置は、第１面と、前記第１面の反対側にある第２面とを有し、
    　前記光電変換素子は、前記第１面から入射した光を電荷信号に変換し、
    　前記発光素子は、前記第２面から光を発光する
    ことを特徴とする請求項１乃至１５の何れか１項に記載の撮像表示装置。
  17. 　請求項１乃至１６の何れか１項に記載の撮像表示装置と、
    　前記撮像表示装置に電力を供給する電源と、
    を備えることを特徴とするウェアラブルデバイス。
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