CN108877492A - 嵌入光学成像传感器的平板显示器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种嵌入光学成像传感器的平板显示器，所述光学成像传感器为例如指纹图像传感器。本公开提出了一种嵌入图像传感器的平板显示器，该平板显示器包括：显示面板，包括显示区域和非显示区域；以及定向光学单元，其具有对应于显示面板的长度和宽度以及厚度，并且附接在显示面板的顶表面上，其中定向光学单元向显示区域提供感测光，并且其中感测光被准直并定向至预定方向。

Description

嵌入光学成像传感器的平板显示器
技术领域
本公开涉及嵌入光学成像传感器(例如，指纹图像传感器)的平板显示器。特别地，本公开涉及一种具有包括提供定向光的超薄基板的嵌入光学成像传感器的平板显示器、以及光学成像传感器。
背景技术
已经开发了各种基于计算机的系统，包括笔记本电脑、平板个人计算机(或PC)、智能电话、个人数字助理、自动取款机和/或搜索信息系统。由于这些设备使用和存储各种个人信息以及商业信息和商业秘密，因此希望加强安全性以防止这些重要数据泄露。
为此，已经提出了一种使用识别授权用户的生物信息的图像传感器来加强安全性的方法。例如，指纹传感器通常用于在执行注册和认证时提高安全性。指纹传感器用于感测用户的指纹。指纹传感器可以分为光学指纹传感器和电容式指纹传感器。
光学指纹传感器使用诸如发光二极管(或LED)的光源来辐射光并且使用CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器来检测由指纹的脊反射的光。由于光学指纹传感器可以使用LED灯来扫描指纹，因此要求传感器配备用于执行扫描过程的附加装置。对于增加用于扫描图像的对象的尺寸存在限制。因此，将光学指纹传感器应用于诸如与显示装置组合的各种应用中存在限制。
对于传统的光学指纹传感器，已知有2006年6月26日登记的标题为“A displayapparatus having fingerprint identification sensor”的韩国专利10-060817以及2016年4月21日公布的标题为“Display device including fingerprinting device”的韩国专利申请10-2016-0043216。
上述光学指纹传感器被配置成使用显示区域作为用于输入用户选择的触摸区域和用于感测指纹的感测区域。然而，这种光学指纹传感器使用具有非常低的方向性的扩散(或发散)光。因此，识别准确的指纹图案存在限制。当使用诸如具有高方向性的红外激光的准直光时，很难产生覆盖较大区域的感测光。因此，指纹感测区域被限制在小区域内。为了在更宽的扫描区域上辐射准直光，需要特定的扫描结构，使得该系统不适用于便携式或个人显示设备。
因此，对于嵌入指纹传感器的便携式设备，主要使用电容式指纹传感器。然而，电容式指纹传感器也存在很多问题。
电容式指纹传感器被配置成检测在指纹传感器上接触的指纹的脊与谷之间的电的差异。对于传统的电容式指纹传感器，已知2013年11月21日公布的标题为“CapacitiveSensor Packaging”的美国专利申请2013/0307818。
上述电容式指纹传感器被配置成嵌入有特定按钮的组件类型。其包括电容板和具有用于检测指纹的脊和谷之间的电容存储的电路的硅晶片。一般而言，由于指纹的脊和谷的尺寸很小(约为300μm至500μm(微米))，电容式指纹传感器需要高分辨率传感器阵列和用于处理指纹检测的集成芯片(或IC)。为此，硅晶片被配置成在一个基板上包括传感器阵列和IC。
然而，当高分辨率传感器阵列和IC形成在同一硅晶片上时，需要用于将按钮与指纹传感器连接的组件结构。因此，该结构将非常复杂，并且此外可能增加非显示区域(或边框区域)。在一些情况下，按钮(即，智能手机的主键)将与指纹传感器交叠，使得整个设备的厚度会很厚。此外，指纹的感测区域将取决于按钮的尺寸。
为了解决上述问题和限制，已经提出了一些技术，其中使用触摸传感器区域以感测指纹。例如，已知于2013年10月22日发布的题为“Capacitive touch sensor foridentifying a fingerprint”的美国专利第8,564,314号以及于2014年8月18日登记的标题为“A capacitive touch screen for integrated of fingerprint recognition”的韩国专利10-1432988。
在个人便携式设备(例如，智能电话)的一般情况下，附接附加的透明膜以用于保护显示器玻璃面板。当将上述技术应用于个人便携式设备时，由于在其上附接保护膜，所以用于正确感测或识别指纹的性能将显著降低。一般而言，即使附接保护膜，触摸功能也可以正常操作。然而，对于用于感测指纹的电容存储量的差异的检测能力可能由于保护膜而劣化，即使其厚度非常薄亦如此。
对于嵌入电容式指纹传感器的显示器，通常还可能在显示器的盖玻璃上附接保护膜或硬化玻璃。在这种情况下，识别能力可能劣化。即，盖玻璃的总厚度可能影响电容式指纹传感器的灵敏度。在此期间，感测光源中使用的扩散光可能影响光学指纹传感器的灵敏度。当使用准直光来增强光学指纹传感器的灵敏度时，需要笨重的和/或复杂的光学装置，使得其很难应用于个人移动设备的显示器。
因此，需要能够大面积感测、优异的分辨率和准确度、并且具有超薄的厚度结构的新型光学图像传感器。特别地，对于易于与平板显示器结合开发各种信息处理设备的光学图像传感器的需求日益增加。
发明内容
为了克服上述缺点，本公开的一个目的是提供一种嵌入超薄光学图像传感器(或光学图像识别装置)的平板显示器。本公开的另一目的是提供一种具有光学图像传感器的平板显示器，其中显示面板的表面的大部分或全部可用于感测区域。本公开的另一目的是提供一种嵌入光学图像传感器的平板显示器，其中定向光被用作覆盖大表面积的感测光。本公开的又一目的是提供一种平板显示器，其嵌入分辨率和灵敏度非常高和/或优异的超薄大面积光学图像传感器。
为了实现上述目的中的一个或多个，本公开提供一种嵌入图像传感器的平板显示器，该平板显示器包括：包括显示区域和非显示区域的显示面板，该显示面板具有顶表面；以及附接至显示面板的顶表面的定向光学单元，该定向光学单元具有沿着显示面板的长度轴的长度、沿着显示面板的宽度轴的宽度、以及沿着显示面板的厚度轴的厚度，其中定向光学单元向显示区域提供感测光，并且其中感测光沿着预定方向被准直和定向。
在一个实施方案中，定向光学单元包括：盖板，其具有对应于定向光学单元的长度和宽度的尺寸；对应于显示区域的光辐射膜，该光辐射膜位于盖板下方；位于盖板下方且布置在显示区域的与光辐射膜的侧面相邻的外侧的光入射膜；布置在光辐射膜和光入射膜下方的低折射层，该低折射层附接在显示面板的顶表面上，并且具有比盖板的折射率低以及比光辐射膜的折射率低的折射率；以及位于光入射膜下方的光源。
在一个实施方案中，光源向在光源的表面上限定的入射点提供入射光，并且向光入射膜的表面上的入射点提供入射光；光入射膜包括第一全息图案，第一全息图案将入射光转换为具有满足盖板的内部全反射条件的入射角的传播光，并且将传播光传输至盖板中；并且光辐射膜包括第二全息图案，第二全息图案将传播光的第一部分转换成感测光，感测光具有满足盖板的顶表面处的全反射条件并且满足通过低折射层的透射条件的反射角。
在一个实施方案中，传播光在包括长度轴和宽度轴的水平面上具有扩散角，并且传播光在包括长度轴和厚度轴的垂直平面上保持准直状态；入射角大于光辐射膜与低折射层之间的第一界面处的内部全反射临界角；并且反射角大于盖板与空气层之间的第二界面处的全反射临界角且小于光辐射膜与低折射层之间的第一界面处的全反射临界角。
在一个实施方案中，光入射膜具有沿预定方向的第一偏振轴；并且光源提供在平行于第一偏振轴的第二偏振轴中偏振的红外光。
在一个实施方案中，光辐射膜具有平行于第一偏振轴的第三偏振轴。
在一个实施方案中，显示面板还包括布置在顶表面上并具有平行于第一偏振轴的第四偏振轴的偏光板。
本公开提供了一种嵌入通过提供的定向光(或“取向”)作为感测光而具有高分辨率识别能力或灵敏度的光学图像传感器的平板显示器。与现有技术中用于指纹传感器的扩散光相比，由于根据本公开的定向光用于在没有任何光损失的情况下感测图像，因此本公开具有较高分辨率和优异灵敏度的优点。本公开提供了一种嵌入大面积光学图像传感器的平板显示器，其中准直红外激光束在对应于用于使用全息摄影技术来感测光的显示面板的大面积上扩散。本公开提供了一种具有超薄光学图像传感器的平板显示器，其中定向光布置在显示器表面上薄的厚度内。此外，本公开提供了一种嵌入光学图像识别传感器的平板显示器，该光学图像识别传感器通过使用提供平行于全息元件的偏振轴的偏振光的光源来使光效率最大化并且具有高性能识别能力。
附图说明
本发明包括附图以提供对本公开的进一步理解并且附图被并入且构成本说明书的一部分，附图示出了本公开的实施方案，并且与说明书一起用于说明本公开的原理。
在附图中：
图1是示出根据本公开的第一实施方案的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图；
图2是示出图1所示的定向光学基板内部的光路的截面图；
图3是示出根据本公开的第一实施方案的嵌入包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图；
图4是示出根据本公开的第一实施方案的嵌入其中光效率被最大化的光学图像传感器的平板显示器的结构的透视图；
图5是示出根据本公开的第二实施方案的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图；
图6是示出根据本公开的第二实施方案的嵌入包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图；
图7是示出根据本公开的第二实施方案的嵌入其中光效率最大化的光学图像传感器的平板显示器的结构的透视图。
具体实施方式
参照附图，将说明本公开的一个或更多个优选实施方案。在整个具体实施方式中，相同的附图标记表示相同的元件。然而，本公开不受这些实施方案的限制，而是可以在不改变本公开的技术精神的情况下被施加各种改变或修改。在下面的实施方案中，通过考虑说明的容易度来选择元件的名称，使得它们可能与实际名称不同。
<第一实施方案>
在下文中，将参照图1和图2，描述本公开的第一实施方案。图1是示出根据本公开的第一实施方案的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图。在图1中，上图是XZ平面上的侧视图，下图是XY平面上的平面图。
参照图1，根据第一实施方案的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学基板SLS包括盖板CP、光辐射膜VHOE、光入射膜CHOE和低折射层LR。盖板CP可以是具有长度、宽度和厚度的矩形板形状。在图1中，长度沿着X轴，宽度沿着Y轴，厚度沿着Z轴。
定向光学基板SLS是用于提供扩散成覆盖对应于显示器的表面的大面积的准直光的光学装置。因此，优选的是光源LS提供准直光。例如，光源LS可以是提供红外激光束的激光二极管。由于红外激光束非常高准直，所以其非常适合作为根据本公开的定向光单元的光源LS。替选地，光源LS可以是提供具有小于10度的非常窄的扩散角的红外线的红外二极管。当从红外二极管发射的红外线的扩散角小于10度时，即使不使用激光，准直特性也足够高。因此，提供其射线的扩散角小于10度的红外线的红外二极管可以用作本公开的定向光单元的光源LS。
光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE附接在盖板CP的底表面上。光辐射膜VHOE是用于提供辐射光300的光学元件。优选地，光辐射膜VHOE被布置为对应于用于检测和/或感测图像的区域。替选地，当定向光学单元与平板显示器接合时，可以将光辐射膜VHOE布置为对应于显示面板的区域。
光入射膜CHOE是用于将从光源提供的准直光转换成在盖板CP的区域上方扩散的光的光学元件。优选地，光入射膜CHOE布置在光辐射膜VHOE的外侧并与光辐射膜VHOE相邻。具体地，光入射膜CHOE布置为与光源LS相对。
优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以布置在同一平面水平上。考虑到制造工艺，进一步优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE形成为在同一膜上彼此分开。优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以是具有全息图案的光学元件。在这种情况下，在将用于光辐射膜VHOE的主膜和用于光入射膜CHOE的主膜布置成彼此靠近之后，可以将这两个全息图案同时复制在一个全息记录膜上。因此，可以在一个膜片上形成光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。
在光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的底表面下方布置有低折射层LR。优选地，低折射层LR的折射率比盖板CP和光辐射膜VHOE的折射率低。例如，盖板CP可以由折射率为1.5的透明增强玻璃形成。光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以是透明全息记录膜并且可以具有与盖板CP的折射率相同或略大的折射率。这里，我们使用光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的折射率与盖板CP的折射率相同的情况。优选地，低折射层LR的折射率与扫描对象的折射率类似。例如，当应用于指纹传感器时，低折射层LR可以具有1.4的折射率，其与人类皮肤的折射率1.39类似。
在光入射膜CHOE下方的空间处，光源LS被布置为与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供高准直光(例如，激光束)。具体地，当应用于指纹传感器嵌入到便携式显示器中的系统中时，优选地，光源LS提供人眼不能识别的红外激光束。例如，光源LS可以选自包括提供具有小于10度的扩散角的红外线的红外二极管和提供红外激光束的红外激光二极管中任意一种。
来自光源LS的作为入射光100的具有预定截面面积的准直光被提供至在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100进入到相对于入射点IP的表面的法线方向上。然而，本公开提供的实施方案不限于此。例如，在一个或更多个实施方案中，入射光100可以以相对于法线方向的倾斜角度进入到入射点IP上。
光入射膜CHOE将入射光100转换成具有入射角的传播光200并将其发送到盖板CP中。这里，优选地，入射角大于盖板CP的内部全反射临界角。因此，当重复全反射时，传播光200沿X轴(盖板CP的长度方向)在盖板CP内部传播。
光辐射膜VHOE将一些量的传播光200转换成辐射光300，并将辐射光300折射至盖板CP的上表面。传播光200的其他部分将连续地在盖板CP内部传播。辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，但是其在盖板CP的底表面处透射穿过低折射层LR，使得辐射光300从定向光学基板SLS出射。换句话说，在盖板CP的上表面处全反射的辐射光300将会是穿过盖板CP的底表面的感测光400。
当传播光200从光入射膜CHOE向相对侧传播时，传播光200的预定部分被光辐射膜VHOE提取为辐射光300。辐射光300的量(或“亮度”或“明亮度”)由光辐射膜VHOE的光提取效率确定。例如，当光辐射膜VHOE的光提取效率为3％时，传播光200的初始光量的3％将在传播光200首先辐射到光辐射膜VHOE的第一辐射点处被提取。然后，传播光200的97％将在第一辐射点处被全反射并且继续传播。之后，在第二辐射点处，传播光200的初始量的97％的3％即2.91％将被提取为辐射光300。
重复该操作，将多个辐射光300从盖板CP的布置有光入射膜CHOE的第一侧提取至盖板CP的相反侧。当光辐射膜VHOE具有在所有区域上相同的光提取效率时，传播光200的量随着从第一侧传播至相反侧而逐渐降低。为了在光辐射区域的整个区域上获得均匀分布的光量，优选地，光辐射膜VHOE的光提取效率从第一侧至相反侧以指数方式增加。
当在具有长度轴和厚度轴的XZ平面(或“垂直平面”)上观察传播光200时，入射光100的准直状态被保持。相反，在具有长度轴和宽度轴的XY平面(或“水平平面”)上，优选地，传播光200是具有扩散角的发散(或扩散)的光。扩散传播光200的原因是图像感测区域被设置为覆盖盖板CP区域的大部分。例如，优选地，光辐射膜VHOE具有对应于盖板CP的整个区域的面积。另外，优选地，扩散角为两条线之间的内角，一条线连接入射点IP和盖板CP的相反侧的一个端点P1，另一条线连接入射点IP以及盖板CP的相反侧的另一端点P2。
光入射膜CHOE被布置的区域将被定义为光进入部分LIN。光辐射膜VHOE被布置的区域将被定义为光出射部分LOT。光出射部分LOT将成为光穿过的光传播部分。在图1中，方便地，光入射膜CHOE覆盖光进入部分LIN的整个区域。然而，光入射膜CHOE的尺寸稍大于光入射点IP的尺寸就足够。
例如，从光源LS产生的准直光的截面尺寸可以具有半径为0.5mm的正圆形形状。光入射膜CHOE具有对应于盖板CP的宽度的长度和3mm至5mm的宽度。在这种情况下，光入射膜CHOE可以布置为与盖板CP的宽度相交。特别地，光入射膜CHOE可以布置在包括盖板CP的中间位置、左侧位置或右侧位置中的任何一个位置处。
在下文中，参照图2，我们将解释从光源提供的准直红外光如何被转换成用于定向光学基板SLS的内部图像感测的定向红外光。图2是示出根据图1的定向光学基板内部的光路的截面图。
从光源LS提供的入射光100相对于光入射膜CHOE的入射点IP的表面进入法线方向。光入射膜CHOE将入射光100转换为相对于入射点IP的表面与法线方向具有入射角θ的折射的传播光200。并且然后，光入射膜CHOE将传播光200提供至盖板CP的内部空间(或“介质”)。
优选地，传播光200的入射角θ大于光辐射膜VHOE与低折射层LR之间的界面处的全反射临界角TVHOE_LR。例如，当盖板CP和光辐射膜VHOE的折射率为1.5，并且低折射层LR的折射率为1.4时，优选地，在光辐射膜VHOE和低折射层LR之间的界面处的全反射临界角TVHOE_LR大于69°(度)。因此，优选地，入射角θ大于69°。例如，入射角θ可以在70°至75°的范围内，包括70°和75°。
当盖板CP的上表面与空气AIR接触时，传播光200在盖板CP的上表面处被全反射。这是因为在盖板CP和空气AIR之间的界面处的全反射临界角TCP_AIR为约41.4°。也就是说，当入射角θ大于光辐射膜VHOE和低折射层LR之间的界面处的全反射临界角TVHOE_LR时，入射角θ总是大于在盖板CP和空气AIR之间的界面处的全反射临界角TCP_AIR。
光辐射膜VHOE将预定量的传播光200转换成具有反射角α的辐射光300，并将辐射光300送回到盖板CP的内部空间中。辐射光300用于当对象与盖板CP的上表面接触时检测对象的图像。当在盖板CP的外表面上没有对象时，辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，然后被提供至布置在定向光学基板SLS的底表面外部的光传感器(或光学传感器)。也就是说，在盖板CP的上表面处被全反射之后，辐射光300通过盖板CP的底表面从定向光学基板SLS出射。所有的感测光400具有相同的反射角，使得感测光400被取向(或“定向”)到预定方向。
具体地，辐射光300被从盖板CP的表面的每个点提供。然而，辐射光300的方向是相同的，即所有辐射光300具有相同的辐射角。我们称具有相同的辐射角的光为“定向光”。提供具有相同辐射角的辐射光300作为感测光400。也就是说，根据本公开的定向光学基板SLS意指提供具有相同辐射角的辐射光300和感测光400的光学元件。
通过检测从布置在定向光学基板SLS的底表面下方的低折射层LR辐射出的感测光400，可以识别在盖板CP的上表面上接触的对象的图像。在下文中，我们将解释应用如图1所示的定向光学单元的图像感测装置。具体地，我们专注于嵌入指纹识别传感器的平板显示器。图3是示出根据本公开的第一实施方案的嵌入包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图。
参照图3，根据本公开的第一实施方案的嵌入光学图像传感器的平板显示器包括显示面板DP、定向光学基板SLS和光源LS。显示面板DP包括显示区域AA和非显示区域NA。显示区域AA可以布置在显示面板DP的中间部分。非显示区域NA可以围绕显示区域AA。显示区域AA可以具有用于表示在显示面板DP上所示的视频图像的多个显示元件。非显示区域可以具有用于操作排列在显示区域AA中的显示元件的多个驱动元件。
具体地，用于表示视频图像的多个像素区域可以以矩阵方式排列在显示区域AA中。像素区域中至少之一可以包括一个光传感器用于检测对象的图像。在一些情况下，在一组像素区域处可以布置一个光传感器。例如，可以在包括2×2、3×3或4×4个像素的每个像素组处布置一个光传感器。
定向光学基板SLS可以是具有预定长度、宽度和厚度的薄板。优选地，定向光学基板SLS的长度和宽度具有与显示面板DP的尺寸相对应的尺寸。具体地，优选地，定向光学基板SLS具有比显示面板DP的尺寸稍大的尺寸。至少，优选地，定向光学基板SLS具有在显示面板DP的一侧上方的延伸的(或扩散的)区域。在显示面板DP上方的延伸侧区域处，可以布置有光源LS。
当定向光学基板SLS附接在显示面板DP的上表面上时，定向光学基板SLS可以与显示面板DP结合。如上所述，定向光学基板SLS包括盖板CP、光入射膜CHOE、光辐射膜VHOE和低折射层LR。优选地，低折射层LR相互面对地附接在显示面板DP的上表面上。此处，显示面板DP的上表面是提供来自显示面板DP的视频图像的前表面。也就是说，用户在观看显示面板DP的上表面时观看视频图像。
如上所述，定向光学基板SLS可以将图像感测光400提供至盖板CP的与显示面板DP的上表面面对的底表面。因此，布置在位于定向光学基板SLS下方的显示面板DP中的光传感器可以检测图像感测光400。结果，可以识别在定向光学基板SLS的上表面上接触的对象的图像。
具体地说，由定向光学基板SLS的光辐射膜VHOE产生的辐射光300将到达盖板CP的上表面。当对象IM被布置在盖板CP上时，射到其中对象IM不与盖板CP的上表面接触的区域的辐射光300被全反射并且被提供至显示面板DP作为感测光400。相反，射到其中对象IM直接接触盖板CP的上表面(例如，在脊R处)的区域的辐射光300被折射并通过盖板CP出射。
在折射率大于空气的折射率的对象IM接触的点处，辐射光300没有被全反射，而是被折射到对象IM中。也就是说，在对象IM接触的区域处，辐射光300将是被吸收光500，使得它不被提供至显示面板DP的光传感器。
结果，显示面板DP的光传感器仅检测辐射光300中除了被吸收光500之外的感测光400。检测在盖板CP的顶表面处反射的感测光400的反射图案，显示面板DP的光传感器再现对象IM的图案或图像。
当将定向光学单元应用于指纹传感器时，对象IM将是人的手指。指纹的脊R接触盖板CP的顶表面，但指纹的谷V不与盖板CP的顶表面接触。在谷V处射到盖板CP的上表面的辐射光300被全反射为感测光400。在此期间，在脊R处射到盖板CP的上表面的辐射光300被折射，使得它们将是从盖板CP出射的被吸收光500。
另外参照图3的下图，我们将解释XY平面上图像感测的过程。入射光100可以包括具有预定截面面积的准直红外光。光源LS可以是红外LASER二极管(或“IR LD”)。
入射光100将通过光入射膜CHOE转换成传播光200。此处，传播光200将被扩散为在包括X轴上的长度轴和Y轴上的宽度轴的XY平面上具有扩散角在此期间，在包括X轴上的长度轴和Z轴上的厚度轴的XZ平面上，将保持初始准直状态。
此处，优选地，扩散角等于或稍大于从光入射点IP分别连接至盖板CP的面对光入射膜CHOE的两个端点(即，在相反侧的两个角)的两条线的内角。在这种情况下，传播光200可以扩散为具有扩散角的三角形。结果，辐射光300可以覆盖当传播光200扩散时所覆盖的相同区域。也就是说，图像感测区域将被限定在三角形的内部。当应用指纹传感器时，指纹感测区域SA可以被定义为图3中阴影的圆圈区域。
当将感测区域SA设置在面对光入射膜CHOE的中央部分或上侧偏移部分上时，优选地，辐射光300的量(或亮度或明亮度)具有最大值。为此，根据与位置的函数关系，光辐射膜VHOE可以被设计为具有变化的光提取效率(即，光辐射膜VHOE可以具有作为沿着光辐射膜VHOE的位置的函数而变化的光提取效率)，以在对应于感测区域SA的区域处具有最大值并且在其他区域(即，在感测区域SA外部的区域)处具有最小值或零值。
参照图4，我们将解释根据本公开的第一实施方案的用于使嵌入光学图像传感器的平板显示器中光效率最大化的结构。图4是方便地嵌入图3中所示的光学图像传感器的平板显示器的示意图。图4是示出根据本公开的第一实施方案的嵌入其中光效率最大化的光学图像传感器的平板显示器的结构的透视图。
优选地，根据本公开的光学图像传感器包括用于建立超薄厚度结构的全息元件。全息元件具有当根据记录条件进行记录以具有特定偏振状态时效率增强的特征。优选地，提供偏振光的光源LS用于根据本公开的嵌入光学图像传感器的平板显示器。
具体地，在第一实施方案中，优选地，定向光学基板SLS的光入射膜CHOE具有用于使光效率最大化的特定偏振轴。例如，光入射膜CHOE可以具有被布置在与由入射光100和传播光200形成的入射平面垂直的方向上的光入射膜偏振轴CX。
在那种情况下，优选地，光源LS包括提供在与光入射偏振轴CS平行的方向上偏振的红外激光束的激光二极管。例如，光源LS优选地包括提供具有与光入射膜偏振轴CX平行的入射光偏振轴LX的红外激光的激光二极管。
此外，当光辐射膜VHOE由全息元件制成时，优选地，光辐射膜VHOE具有用于使辐射效率最大化的特定的偏振轴。例如，优选地，光辐射膜VHOE为具有与光入射膜偏振轴CX和入射光偏振轴LX具有相同的偏振轴的辐射光偏振轴VX的全息元件。
在一些实施方案中，如图4所示，显示面板DP可以包括有机发光二极管显示面板OLD。在有机发光二极管显示面板OLD的内部，排列有显示元件和光学传感器。在这种情况下，偏光板PL可以附接或层压在有机发光二极管显示面板OLD的上表面上。该偏光板PL用于防止外部光从有机发光二极管显示面板OLD的表面反射以阻碍用户对由显示装置提供的信息的感知。因此，为了使图像识别中的感测光400的光效率最大化，优选地，偏光板PL的偏振轴PX也被布置成与入射光偏振轴LX、光入射膜偏振轴CX和辐射光偏振轴VX平行。
在其他示例中，即使在附图中未示出，显示面板DP可以包括液晶显示面板。在液晶显示面板的内部，排列有多个显示元件和多个光学传感器。在液晶显示面板的上表面上，附接有上偏光板。在液晶显示面板的下表面下方，附接有下偏光板。上偏光板和下偏光板的偏振轴相互垂直。对于根据第一实施方案的嵌入光学图像传感器的显示装置的情况，优选地，入射光偏振轴LX与液晶显示面板的上偏光板的偏振轴重合。
对于根据第一实施方案的定向光学基板SLS和光源LS，为了使光效率最大化，优选地，入射光偏振轴LX、光入射膜偏振轴CX和辐射光偏振轴VX具有相同的偏振方向。具体地，对于根据第一实施方案的嵌入图像传感器的显示面板，布置在显示面板DP的上表面处的偏光板PL具有偏振方向与入射光偏振轴LX、光入射膜偏振轴CX和辐射光偏振轴VX的方向相同的偏振方向PX。
<第二实施方案>
在下文中，我们将参照图5至图7，解释关于本公开的第二实施方案。在第二实施方案中，基本结构与第一实施方案非常相似。区别如下：在第一实施方案中，定向光学单元具有适合于在覆盖盖板的整个表面的大区域上感测图像的结构，因为传播光在盖板的整个表面上扩散。在第二实施方案中，定向光学单元具有其中传播光在一些受限制的图像感测区域内辐射并且然后可以通过检测感测区域内的反射光来再现图像的结构。
首先参照图5，我们将解释根据第二实施方案的定向光学单元。图5是示出根据本公开的第二实施方案的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图。在图5中，上图是XZ平面上的侧视图，并且下图是XY平面上的平面图。
参照图5，根据第二实施方案的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学基板SLS包括盖板CP、光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。盖板CP可以是具有长度、宽度和厚度的矩形板形状。在图5中，长度沿着X轴，宽度沿着Y轴并且厚度沿着Z轴。
定向光学基板SLS是光学装置，其通过在感测区域(或“检测区域”)内扩散限制来提供用于检测图像的感测光并提供用于再现图像的被感测光。光源LS可以与第一实施方案相同。
在盖板CP的上表面上，定义了感测区域SA(或“检测区域”)。当应用指纹传感器时，优选地，感测区域SA被布置成适合于用户将用户的指纹放置在盖板CP的表面上的位置。例如，可以在从矩形盖板CP的一侧到中心的1/3位置处限定多边形区域。在这种情况下，感测区域SA的尺寸可以在(4mm×4mm)至(10mm×10mm)的范围内。此处，(4mm×4mm)的尺寸是通过考虑检测指纹的最小尺寸来布置的。(10mm×10mm)的尺寸是通过考虑人的拇指纹的平均尺寸来设定的。
在盖板CP的底表面上附接有光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。光入射膜CHOE是用于扩展和/或扩散从光源LS提供的具有小圆形截面面积的光以覆盖感测区域SA的光学元件。优选地，光入射膜CHOE被布置在光辐射膜VHOE的外侧并与光辐射膜VHOE相邻。具体地，光入射膜CHOE被布置成与光源LS面对。
光辐射膜VHOE是用于将用于检测图像的光发送到图像传感器的光学元件。光辐射膜VHOE被布置在由布置在感测区域SA的表面上的对象所反射的光所到达的位置。具体地，优选地，为了提高图像感测能力的精度，光辐射膜VHOE包括向与盖板CP的下表面垂直的方向提供感测光的全息元件。此外，优选地，光辐射膜VHOE是用于将感测光提供至布置在定向光学基板SLS外部尤其是布置在盖板CP的下表面下方的图像传感器(或“图像检测器”)的全息元件。
光源LS被布置成在光入射膜CHOE下方与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供诸如激光束的高度准直光。具体地，当应用于将指纹传感器嵌入到便携式显示器中的系统中时，优选地光源LS提供人眼不能识别的红外激光束。例如，光源LS可以是提供红外激光束的红外激光二极管。
将来自光源LS的作为入射光100的具有点形状或微小圆形截面区域的准直光提供至在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100相对于入射点IP的表面沿法线方向入射。然而，本公开提供的实施方案不限于此。例如，在一个或更多个实施方案中，入射光100可以相对于法线方向以倾斜角度入射到入射点IP上。
光入射膜CHOE将从光源LS提供的入射光100转换成用于检测图像的扫描光20和21。扫描光20和21是盖板CP内部的折射光，并且满足盖板CP的上表面处的全反射条件。优选地，光入射膜CHOE具有比入射光100入射的入射点IP更大的区域。例如，当来自光源LS的光的截面面积为0.5mm×0.5mm时，光入射膜CHOE可以布置在盖板CP的一侧的中心并且具有宽度和长度各自在3mm至5mm范围内的正方形或矩形形状。
入射光100准直点光由光入射膜CHOE转换成扫描光20和21。扫描光20和21扩散到与在盖板CP的上表面上限定的感测区域SA相对应的区域。为了将具有微小圆形截面区域的光源LS扩散到具有足够大的区域以检测图像的感测区域SA中，光入射膜CHOE可以是用于将入射光100转换成具有XZ平面上的垂直扩散角θ和XY平面上的水平扩散角
用于图像检测的扫描光20和21在盖板CP的表面上全反射并且作为辐射光300和310前进到下表面。优选地，光辐射膜VHOE是全息光学元件，其将辐射光300和310的行进方向改变成与盖板CP的表面垂直的方向，从而提供作为感测光400和410。因此，优选地，将光辐射膜VHOE布置在由辐射光300、310在盖板CP的下表面上辐射的区域中，并且具有比由辐射光300、310辐射的区域大的区域。
优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以被布置在相同的平面水平上。考虑到制造工艺，还优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE在相同的膜上形成为彼此分离。优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以是具有全息图案的光学元件。例如，在分别将用于光辐射膜VHOE的主膜和用于光入射膜CHOE的主膜布置在适当的位置处之后，这两个全息图案可以同时被复制在一个全息记录膜上。因此，可以在一个膜片上形成光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。
在下文中，我们将解释关于根据本公开的定向光学基板SLS中的图像检测的具体操作过程。入射光100被光入射膜CHOE转换成扫描光20和21。满足在盖板CP的上表面处的全反射条件的扫描光20和21进入盖板CP。例如，光入射膜CHOE将入射光100转换成在具有第一入射角度θ1的第一扫描光20到具有第二入射角θ2的第二扫描光21的范围内的折射的扩散光。此处，优选地，第一入射角θ1和第二入射角θ2大于盖板CP和空气AIR之间的界面处的全反射临界角TCP_AIR。
第一扫描光20射到感测区域SA的距离光源LS最近的第一边缘线。第二扫描光21射到感测区域SA的距离光源LS最远的第二边缘线。第一扫描光20的第一入射角θ1和第二扫描光21的第二入射角θ2满足盖板CP的上表面处的全反射条件。例如，第一入射角θ1可以具有在75度至80度范围内的任何一个角度值，包括75度和80度。第二扫描光21的第二入射角θ2可以具有82度至87度范围内的任何一个角度值，包括82度和87度。具体地，作为第一入射角θ1与第二入射角θ2之间的角度的垂直扩散角θ可以具有在2度至12度范围内的任何一个角度值，包括2度和12度。更优选地，垂直扩散角θ可以是7度。
此外，在具有长度轴和宽度轴的XY平面(或“水平面”)上，第一扫描光20和第二扫描光21具有在第一扫描光20和第二扫描光21之间的水平扩散角垂直扩散角θ和水平扩散角的范围限定感测区域SA。例如，水平扩散角可以具有30度至60度的范围内的任何一个值，包括30度和60度。详细的感测区域SA可以由盖板CP的垂直扩散角θ、水平扩散角和厚度来限定。
第一扫描光20和第二扫描光21分别通过在盖板CP的上表面处全反射而转换成第一辐射光300和第二辐射光310并且进入盖板CP的下表面。此处，第一辐射光300的第一反射角等于第一入射角θ1。类似地，第二辐射光310的第二反射角等于第二入射角θ2。在盖板CP的下表面处由第一辐射光300和第二辐射光310覆盖的总区域被定义为传感器区域SEA(或“检测元件区域”)。传感器区域SEA对应于布置有检测元件的区域。
优选地，光辐射膜VHOE被布置成与传感器区域SEA相对应。即使没有光辐射膜VHOE，当在盖板CP下方布置任意基板或膜时，第一辐射光300和第二辐射光310可以从盖板CP出射。然而，由于第一辐射光300和第二辐射光310具有满足全反射条件的反射角和入射角，所以它们(第一辐射光300和第二辐射光310)中的大量可以被反射回到盖板CP中。结果，检测强度可能显著降低，并且然后检测能力降低。因此，优选地，光辐射膜VHOE被布置成层压在盖板CP的底表面下方，用于将大部分第一辐射光300和第二辐射光310发送到光学传感器。具体地，更优选地，光辐射膜VHOE是用于将具有反射角θ1的第一辐射光300和具有反射角θ2的第二辐射光310折射到与盖板CP的底表面的垂直方向的全息光学元件。
传感器区域SEA的尺寸由第一辐射光300和第二辐射光310限定。传感器区域SEA可以具有从光入射膜CHOE连续扩散的形状。另外，传感器区域SEA可以具有比感测区域SA更多的扩散形状。此外，优选地，光辐射膜VHOE具有比传感器区域SEA大的区域。
光辐射膜VHOE将第一辐射光300和第二辐射光310分别转换成第一感测光400和第二感测光410，其通过盖板CP的底表面出射。第一感测光400和第二感测光410被提供至位于定向光学基板SLS的底表面下方并且被布置成与光辐射膜VHOE相对应的感测元件(“光学图像传感器”或“光图像传感器”)。通过检测从定向光学基板SLS出射的第一感测光400和第二感测光410，可以识别在盖板CP的上表面上接触的对象的图像。
在下文中，我们将解释应用如图5所示的定向光学单元的图像感测装置。具体地，我们专注于嵌入指纹识别传感器的平板显示器。图6是示出根据本公开的第二实施方案的嵌入包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图。
参照图6，根据本公开的第二实施方案的嵌入光学图像传感器的平板显示器包括显示面板DP、定向光学基板SLS和光源LS。显示面板DP包括显示区域AA和非显示区域NA。显示区域AA可以布置在显示面板DP的中间部分。非显示区域NA可以围绕显示区域AA。显示区域AA可以具有用于表示在显示面板DP上所示的视频图像的多个显示元件。非显示区域可以具有用于操作排列在显示区域AA中的显示元件的多个驱动元件。
具体地说，用于表示视频图像的多个像素区域可以以矩阵方式排列在显示区域AA中。像素区域中至少之一可以包括一个光传感器用于检测对象的图像。在一些情况下，在一组像素区域处可以布置一个光传感器。例如，可以在包括2×2、3×3或4×4个像素的每个像素组处布置一个光传感器。
定向光学基板SLS可以是具有预定长度、宽度和厚度的薄板。优选地，定向光学基板SLS的长度和宽度具有与显示面板DP的尺寸相对应的尺寸。具体地，优选地，定向光学基板SLS具有比显示面板DP的尺寸稍大的尺寸。至少，优选地，定向光学基板SLS具有在显示面板DP的一侧上方的延伸的(或扩散的)区域。在显示面板DP上方的延伸侧区域处，可以布置有光源LS。
当通过光学粘合剂层SDH将定向光学基板SLS附接在显示面板DP的上表面上时，定向光学基板SLS可以与显示面板DP结合。如上所述，定向光学基板SLS包括盖板CP、光入射膜CHOE和光辐射膜VHOE。优选地，光辐射膜VHOE以彼此面对的方式附接在显示面板DP的上表面上。此处，显示面板DP的上表面是提供来自显示面板DP的视频图像的前表面。也就是说，用户在观看显示面板DP的上表面时观看视频图像。
如上所述，定向光学基板SLS可以将图像感测光400和410提供至盖板CP的与显示面板DP的上表面面对的底表面。因此，布置在位于定向光学基板SLS下方的显示面板DP中的光传感器可以检测图像感测光400和410。结果，可以识别在定向光学基板SLS的上表面上接触的对象的图像。
具体地，由定向光学基板SLS的光入射膜CHOE产生的扫描光20和21将到达盖板CP的上表面。当对象IM被布置在盖板CP上时，射到其中对象IM不与盖板CP的上表面接触的区域的扫描光20和21被完全反射为辐射光300和310，并且然后辐射光300和310被折射并提供至显示面板DP作为感测光400和410。相反，那些射到其中对象IM直接接触盖板CP的上表面(例如，在脊R处)的区域的扫描光20’和21’被折射并通过盖板CP出射。在折射率大于空气的折射率的对象IM接触的点处，扫描光20’和21’没有被全反射，而是被折射到对象IM中。也就是说，在对象IM接触的区域处，扫描光20’和21’将是被吸收光500和510，使得它们不被提供至显示面板DP的光传感器。
结果，显示面板DP的光传感器仅检测除了来自扫描光20、20’、21和21’中除了被吸收光500和510之外的感测光400和410。检测在盖板CP的顶表面处反射并且由光辐射膜VHOE垂直控制(或折射)的感测光400和410的反射图案，显示面板DP的光传感器再现对象IM的图案或图像。
当将定向光学单元应用于指纹传感器时，对象IM将是人的手指。指纹的脊R接触盖板CP的顶表面，但指纹的谷V不与盖板CP的顶表面接触。在谷V处射到盖板CP的上表面的扫描光20和21被全反射为辐射光300和310。在此期间，那些在脊R处射到盖板CP的上表面的扫描光20’和21’被折射，使得它们将是从盖板CP出射的被吸收光500和510。
另外参照图6的下图，我们将解释XY平面上图像感测的过程。入射光100可以包括具有预定截面面积的准直红外光。光源LS可以是红外LASER二极管(或“IR LD”)。
入射光100将通过光入射膜CHOE转换成扫描光20和21。此处，扫描光20和21将被扩散为在包括X轴上的长度轴和Y轴上的宽度轴的XY平面上具有水平扩散角在此期间，在包括X轴上的长度轴和Z轴上的厚度轴的XZ平面上，扫描光20和21将被扩散为具有垂直扩散角θ。
通过水平扩散角和垂直扩散角θ在盖板CP的上表面上限定感测区域SA。例如，如图6中的阴影区域所示，图像感测区域SA可以被定义为梯形形状。
优选地，根据本公开的光学图像传感器包括用于建立超薄厚度结构的全息元件。全息元件具有当根据记录条件进行记录以具有特定偏振状态时效率增强的特征。优选地，提供偏振光的光源LS用于根据本公开的嵌入光学图像传感器的平板显示器。
参照图7，我们将进行详细解释。图7是示出根据本公开的第二实施方案的嵌入其中光效率最大化的光学图像传感器的平板显示器的结构的透视图。
在第二实施方案中，优选地，定向光学基板SLS的光入射膜CHOE具有用于使光效率最大化的特定偏振轴。例如，光入射膜CHOE可以具有被设置在与由入射光100和扫描光20形成的入射平面垂直的方向上的光入射膜偏振轴CX。
在那种情况下，优选地，光源LS包括提供在与光入射偏振轴CS平行的方向上偏振的红外激光束的激光二极管。例如，光源LS优选地包括提供具有与光入射膜偏振轴CX平行的入射光偏振轴LX的红外激光的激光二极管。
此外，当光辐射膜VHOE由全息元件制成时，优选地，光辐射膜VHOE具有用于使辐射效率最大化的特定的偏振轴。例如，优选地，光辐射膜VHOE为具有与光入射膜偏振轴CX和入射光偏振轴LX具有相同的偏振轴的辐射光偏振轴VX的全息元件。
在一些实施方案中，如图7所示，显示面板DP可以包括有机发光二极管显示面板OLD。光学传感器可以被布置在显示面板DP下方。在这种情况下，偏光板PL可以附接或层压在有机发光二极管显示面板OLD的上表面上。该偏光板PL用于防止外部光从有机发光二极管显示面板OLD的表面反射以阻碍用户对由显示装置提供的信息的感知。因此，为了使图像识别中的感测光400的光效率最大化，优选地，偏光板PL的偏振轴PX也被布置成与入射光偏振轴LX、光入射膜偏振轴CX和辐射光偏振轴VX平行。
在其他示例中，即使在附图中未示出，显示面板DP可以包括液晶显示面板。光学传感器SE可以被布置在显示面板DP下方。在液晶显示面板的上表面上，附接有上偏光板。在液晶显示面板的下表面下方，附接有下偏光板。因此，优选地，从光源LS产生的光具有不受上偏光板和下偏光板的光学影响的波长条件。例如，光源LS可以提供偏振红外光，并且使上偏光板和下偏光板对可见光波长起作用。
对于根据第一实施方案的定向光学基板SLS和光源LS，为了使光效率最大化，优选地，入射光偏振轴LX、光入射膜偏振轴CX和辐射光偏振轴VX具有相同的偏振方向。具体地，对于光学传感器SE没有布置在显示面板DP的内部而是布置在显示面板DP的外部的情况，优选地，光源LS提供具有其偏振状态不受用于偏振可见光的偏光板的影响的波长范围(40nm至700nm的波长范围)的光(即，红外光)。
尽管已经参照附图详细描述了本发明的实施方案，但是本领域技术人员将会理解，本发明可以以其他具体形式来实现，而不改变本发明的技术精神或基本特征。因此，应当注意的是，前述实施方案在所有方面仅仅是说明性的，而不应被解释为限制本发明。本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由本发明的详细描述限定。在权利要求的含义和范围内做出的所有改变或修改或其等同物应该被解释为落入本发明的范围内。

Claims (7)

1.一种嵌入图像传感器的平板显示器，包括：
包括显示区域和非显示区域的显示面板，所述显示面板具有顶表面；以及
附接至所述显示面板的所述顶表面的定向光学单元，所述定向光学单元具有沿着所述显示面板的长度轴的长度、沿着所述显示面板的宽度轴的宽度、以及沿着所述显示面板的厚度轴的厚度，
其中所述定向光学单元向所述显示区域提供感测光，并且
其中所述感测光沿着预定方向被准直和定向。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述定向光学单元包括：
盖板，所述盖板具有与所述定向光学单元的长度和宽度对应的尺寸；
与所述显示区域对应的光辐射膜，所述光辐射膜位于所述盖板下方；
光入射膜，所述光入射膜位于所述盖板下方并且相邻于所述光辐射膜的侧面设置在所述显示区域的外侧；
设置在所述光辐射膜和所述光入射膜下方的低折射层，所述低折射层附接在所述显示面板的所述顶表面上，并且具有比所述盖板的折射率低且比所述光辐射膜的折射率低的折射率；以及
位于所述光入射膜下方的光源。
3.根据权利要求2所述的装置，其中所述光源将入射光提供至所述光入射膜的表面上的入射点；
其中所述光入射膜包括第一全息图案，所述第一全息图案将所述入射光转换为具有满足所述盖板的内部全反射条件的入射角的传播光，并且将所述传播光传输至所述盖板中；以及
其中所述光辐射膜包括第二全息图案，所述第二全息图案将所述传播光的第一部分转换为所述感测光，所述感测光具有满足所述盖板的顶表面处的全反射条件并且满足通过所述低折射层的透射条件的反射角。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述传播光在包括所述长度轴和所述宽度轴的水平面上具有扩散角，并且所述传播光在包括所述长度轴和所述厚度轴的垂直平面上保持所述准直状态；
其中所述入射角大于所述光辐射膜与所述低折射层之间的第一界面处的内部全反射临界角；以及
其中所述反射角大于所述盖板与空气层之间的第二界面处的全反射临界角，并且小于所述光辐射膜与所述低折射层之间的所述第一界面处的全反射临界角。
5.根据权利要求2所述的装置，其中所述光入射膜具有沿着预定方向的第一偏振轴；以及
其中所述光源提供在平行于所述第一偏振轴的第二偏振轴上偏振的红外光。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述光辐射膜具有平行于所述第一偏振轴的第三偏振轴。
7.根据权利要求5所述的装置，其中所述显示面板还包括设置在所述顶表面上并具有平行于所述第一偏振轴的第四偏振轴的偏光板。
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