CN109416732A - 能够检测指纹的显示器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种指纹传感器。根据本发明的一个方面的实施例提供了一种具有指纹识别功能的显示器。具有指纹识别功能的显示器可以包括：显示面板，所述显示面板设置在玻璃盖下方并允许光线通过，该光线具有不同入射角并指示与玻璃盖接触的指纹的脊和谷；以及图像传感器层，所述图像传感器层设置在显示面板下方，并检测具有各种入射角的光线中待检测的光线以生成指纹图像。

Description

能够检测指纹的显示器
技术领域
本发明涉及显示器。
背景技术
指纹传感器捕获指纹图像并将捕获的图像转换为电信号。为了捕获指纹图像，传统的光学指纹传感器包括用光照射指纹以允许指纹反射光的光学系统。然而，由于包括棱镜、镜面反射镜和透镜的光学系统通常具有相当大的体积，因此难以减小包括光学指纹传感器的电子设备的尺寸。
另一方面，电子设备的类型的数量和具有指纹传感器附接其上的电子设备的数量已经增加，如便携式电子设备，例如移动电话和平板电脑。为了将指纹传感器附接到电子设备的前表面，需要将与指纹接触的指纹传感器的感测部分暴露到外部。因此，当电子设备的整个前表面覆盖有诸如玻璃盖或透明膜的保护介质以保护显示面板或由于其的自身设计，难以将采用感测电容变化的电容方法的指纹传感器附接到电子设备的前表面。也很难将指纹传感器定位在显示面板下方。
发明内容
本发明的一个方面的一个实施例提供了一种能够检测指纹的显示器。所述显示器包括显示面板和图像传感器层，该显示面板设置在玻璃盖下方并透射光线，该光线具有多个入射角并指示与玻璃盖接触的指纹的脊和谷，所述图像传感器层设置在显示面板的下方、从具有多个入射角的光线中检测检测目标光线、并生成指纹图像。
在一个实施例中，图像传感器层可以包括光选择结构和图像传感器，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角的光线中选择具有检测目标入射角的检测目标光线；所述图像传感器设置在光选择结构的下方，并使用检测目标光线生成指纹图像，其中，显示面板用作具有多个入射角的光线的光源。
在一个实施例中，图像传感器可以生成多个子指纹图像，并且显示面板可以通过在一个方向上顺序地打开像素来产生具有多个入射角的光线。
在一个实施例中，图像传感器可以生成指纹图像，并且显示面板可以通过同时打开像素来产生具有多个入射角的光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述微透镜设置在棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线。
在一个实施例中，图像传感器可以包括光接收部，所述光接收部生成与以第二角度折射的光线相对应的像素电流，并且光接收部可以设置在微透镜下方的一侧。
在一个实施例中，棱镜片可以包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和所述多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜脊和棱镜谷，其中，所述第一倾斜面以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，并且其中，第一倾斜面的倾斜角度可以小于第二倾斜面的倾斜角度。
在一个实施例中，显示器还可包括光吸收层，该光吸收层形成在所述第二倾斜面上并吸收入射光线。
在一个实施例中，显示器还可包括光吸收层，该光吸收层形成在两个微透镜之间并吸收入射光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜谷，并且以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线，其中，每个第一倾斜面的顶端可以连接到相邻的第二倾斜面的顶端，并且其中每个第一倾斜面的底端和相邻的第二倾斜面的底端可以连接到水平延伸的底面的两端。
在一个实施例中，显示器还可包括光路延伸层，所述光路延伸层设置在所述微透镜和所述图像传感器之间。
在一个实施例中，显示器还可包括光吸收层，所述光吸收层横向地形成在所述光路延伸层中，并且在所述光吸收层中形成具有检测目标入射角的光线穿过的开口。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和第一微透镜，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述第一微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线。图像传感器可以包括其设置在所述图像传感器的顶面上，并且以第三角度折射以所述第二角度折射的光线。
在一个实施例中，图像传感器层可以包括光选择结构和图像传感器，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角的光线中选择具有检测目标入射角的光线，该检测目标入射角能够仅由从所述脊反射的光线选取(taken)，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用具有检测目标入射角的光线生成指纹图像。
在一个实施例中，具有多个入射角的光线可以为近红外光线。
在一个实施例中，显示器还可包括发射近红外光线的光源。
在一个实施例中，显示面板可以发射近红外光线。
在一个实施例中，图像传感器可以由薄膜晶体管形成，并且图像传感器层形成在显示面板的底面的至少一部分或全部中。
本发明另一方面的一个实施例提供了一种指纹传感器封装，所述指纹传感器封装设置在显示面板下方并生成指纹图像。所述指纹传感器封装可以包括：光选择结构，所述光选择结构被配置为用于从多个入射角中选择检测目标入射角，该检测目标入射角能够仅由从脊反射的近红外光线选取，从形成在手指皮肤上的指纹的脊和谷反射近红外光线，该近红外光线具有多个入射角；以及图像传感器，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用具有由光选择结构选择的检测目标入射角的近红外光线生成指纹图像。
在一个实施例中，指纹传感器封装还可包括朝向手指皮肤发射近红外光线的光源。
在一个实施例中，显示面板可以朝向手指皮肤发射近红外光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片被配置为用于从具有多个入射角的近红外光线中选择具有检测目标入射角的检测目标近红外光线，所述微透镜设置在棱镜片下方，并以第二角度折射以第一角度折射的近红外光线。图像传感器可以设置在光选择结构下方，并且图像传感器包括光接收部，该光接收部生成与以第二角度折射的近红外光线对应的像素电流。光接收部可以设置在微透镜下方的一侧。
在一个实施例中，棱镜片可以包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，多个第一倾斜面和多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜脊和棱镜谷，第一倾斜面可以以第一角度折射具有多个入射角的近红外光线中的具有检测目标入射角的近红外光线。第一倾斜面的倾斜角度可以小于第二倾斜面的倾斜角度。指纹传感器封装还可包括光吸收层，该光吸收层形成在第二倾斜面上并且吸收入射光线。
在一个实施例中，指纹传感器封装还可包括光吸收层，该光吸收层形成在两个微透镜之间并吸收入射光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片被配置为用于从具有多个入射角的近红外光线中选择具有检测目标入射角的检测目标近红外光线，所述微透镜设置在棱镜片下方，并以第二角度折射以第一角度折射的近红外光线。每个第一倾斜面的顶端可以连接到相邻的第二倾斜面的顶端，并且每个第一倾斜面的底端和相邻的第二倾斜面的底端连接到水平延伸的底面的两端。指纹传感器封装还可包括光路延伸层，光路延伸层设置在微透镜和图像传感器之间。光路延伸层还可包括光吸收层，该光吸收层横向地形成在光路延伸层中，并且在所述光吸收层中形成有具有检测目标入射角的光线穿过的开口。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和第一微透镜，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的近红外光线中的具有检测目标入射角的近红外光线，所述第一微透镜设置在棱镜片下方，并以第二角度折射以第一角度折射的近红外光线，其中，图像传感器包括第二微透镜，第二微透镜设置在图像传感器的顶面上并以第三角度折射以第二角度折射的近红外光线。
本发明的又一方面的一个实施例提供了一种指纹传感器封装，指纹传感器封装设置在显示面板下方并生成指纹图像。指纹传感器封装可以包括光选择结构和图像传感器，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角并指示指纹的脊和谷的光线中选择具有检测目标入射角的光线，所述图像传感器设置在光选择结构下方，并使用由光选择结构选择的光线生成指纹图像，其中指纹传感器封装设置在显示面板下方，并且由显示面板产生具有多个入射角的光线。
在一个实施例中，图像传感器可以生成多个子指纹图像，并且显示面板可以通过在一个方向上顺序地打开像素来产生具有多个入射角的光线。
在一个实施例中，图像传感器可以生成指纹图像，并且显示面板可以通过同时打开像素来产生具有多个入射角的光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线。
在一个实施例中，图像传感器可以包括光接收部，所述光接收部生成与以所述第二角度折射的光线相对应的像素电流，并且光接收部可以设置在微透镜下方的一侧。
在一个实施例中，棱镜片可以包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和所述多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜脊和棱镜谷，并且所述第一倾斜面可以以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线。第一倾斜面的倾斜角度可以小于第二倾斜面的倾斜角度。
在一个实施例中，棱镜片还可包括光吸收层，该光吸收层形成在第二倾斜面上并吸收入射光线。
在一个实施例中，指纹传感器封装还可包括光吸收层，该光吸收层形成在两个微透镜之间并吸收入射光线。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和微透镜，所述棱镜片包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜谷，并且以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述微透镜设置在棱镜片下方，并以第二角度折射以第一角度折射的光线，其中每个第一倾斜面的顶端可以连接到相邻的第二倾斜面的顶端，并且其中每个第一倾斜面的底端和相邻的第二倾斜面的底端可以连接到水平延伸的底面的两端。
在一个实施例中，指纹传感器封装还可包括光路延伸层，光路延伸层设置在微透镜和图像传感器之间。
在一个实施例中，显示器还可包括光吸收层，该光吸收层横向形成在光路延伸层中，并且在所述光吸收层中形成具有检测目标入射角的光线穿过的开口。
在一个实施例中，光选择结构可以包括棱镜片和第一微透镜，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的光线中的具有检测目标入射角的光线，所述第一微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线。图像传感器可以包括其设置在图像传感器的顶面上，并且以第三角度折射以第二角度折射的光线。
附图说明
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。为了易于理解本发明，相同的元件将用相同的附图标记表示。附图中示出的配置是用于描述本发明的示例，并不限制本发明的范围。特别地，在附图中，为了易于理解本发明，一些元件被略微夸大。由于附图用于容易地理解本发明，应当注意，附图中示出的元件的宽度、厚度等可能在其实际实施时改变。另一方面，本发明以下详细描述的相同元件将用相同的附图标记表示，其中：
图1是示意性地示出与具有指纹识别功能的显示器耦接的电子设备的显示器的一部分的图；
图2A至2D是示意性地示出具有指纹识别功能的显示器的操作原理的图；
图3是示出沿图1中的线I-I'剖开的具有指纹识别功能的显示器的剖视图；
图4是示出图3所示的具有指纹识别功能的显示器的操作的剖视图；
图5是示出沿图1中的线I-I'剖开的具有指纹识别功能的另一显示器的剖视图；
图6A和6B是示出根据实施例的图像传感器层的剖视图；
图7A和7B是示出根据另一实施例的图像传感器层的截面的剖视图；
图8A和8B是示出根据另一实施例的图像传感器层的横截面的剖视图；
图9是示出根据另一实施例的图像传感器层的横截面的剖视图；
图10是示出根据另一实施例的具有指纹识别功能的显示器的横截面的剖视图；
图11A至11C是示出显示面板的像素阵列的图；
图12是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的示例的图；
图13A和13B是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图；
图14是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图；
图15是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图；
图16A至16D是示意性地示出颜色层的平面图；以及
图17是示意性地示出指纹传感器封装的另一示例的剖视图，该指纹传感器封装可以基于上面参照图2A描述的操作原理来实现。
具体实施方式
下面将参考附图描述的实施例可以单独实现或与其他实施例组合实现。因此，应该注意，本发明的范围不限于附图中所示的实施例。
另一方面，在本说明书中使用的术语中，诸如“基本上”、“几乎”和“约”的术语用于考虑实际实施例时的余量或误差。例如，“基本上90度”应该被解释为包括可以预期与90度相同的优点的角度。例如，“几乎为零”应该被解释为包括略微存在但可忽略的量。
另一方面，除非另有说明，否则“侧”或“水平”用于表示图中的左右方向，“垂直”用于表示附图中的上下方向。除非另外定义，否则角度、入射角等相对于垂直于附图中所示的水平面的虚拟直线来限定。
在附图中，相同或相似的元件将用相同的附图标记表示。
图1是示意性地示出与具有指纹识别功能的显示器耦接的电子设备的显示器的一部分的图。
图1示出了智能手机作为电子设备10的示例，其中玻璃盖200附接到智能手机前表面。限定用于暴露显示面板300的区域的上涂覆区域11a和下涂覆区域11b形成在玻璃盖200的底面上或玻璃盖200的底面下方。另一方面，根据电子设备10的类型，可以将左右涂覆区域(未示出)连接到上涂覆区域11a和下涂覆区域11b的两端。具有相对大的面积的显示面板300和扬声器、摄像头和/或具有相对小的面积的传感器可以设置在电子设备10的前表面上。玻璃盖200覆盖整个显示面板300，或者可以根据电子设备10的类型覆盖电子设备10的前表面的一部分或全部。显示面板300位于玻璃盖200下方，并且图像传感器层100位于显示面板300下方。
在一个实施例中，对于具有指纹识别功能的显示器以生成指纹图像所需的光通过显示面板300产生并施加到手指。这里，光可以是，例如可见光线，并且可以通过显示面板300的R、G和B像素产生可见光线。当手指50位于电子设备10的显示面板300上的指纹获取区域30中时，检测指纹所需的光在显示面板300中产生。显示面板300将光施加到指纹获取区域的示例将在下面参考图2至图4详细描述。
在另一个实施例中，对于具有指纹识别功能的显示器生成指纹图像所需的光可以是，例如，波长为720nm至980nm的近红外光线，并且所述近红外光线可以通过显示面板300的IR像素产生。另一方面，发射近红外光线的光源可以设置在电子设备10中。光源可以是例如具有高亮度的光源，例如LED、VCSEL或发射近红外光线的激光二极管。一个或多个光源可以设置在显示面板300的边缘区域的一部分中。使用近红外光线而不是可见光线的原因是：(1)由于玻璃盖200和/或包括在显示面板300中的偏振滤光器，近红外光线的可见光线的减少小于可见光线；(2)即使来自显示面板300的可见光线从手指50反射，也可以避免干涉，因为近红外光的波长不同于可见光线的波长；(3)大部分可见光线不容易在手指50的皮肤中扩散，但近红外线容易在手指50的皮肤中扩散，因此使用近红外线作为点光源是有利的；(4)由于用人眼不易识别近红外光线，即使在夜间或黑暗处使用近红外光线，近红外光线也不会影响使用者的眼睛。
在又一个实施例中，在电子设备10内部产生的光穿过玻璃盖200并被发射到外部。发射到外部的光入射在手指50上并再次从手指50的皮肤入射到玻璃盖200上。具体地，入射在手指50的皮肤上的光从与玻璃盖200接触的指纹的脊入射到玻璃盖200的内部。另一方面，从未与玻璃盖200接触的谷反射的光穿过介于皮肤和玻璃盖200之间的空气，然后入射在玻璃盖200的内部。
在又一个实施例中，光源可以不在生成指纹图像所需的近红外光线由环境光提供的环境中(例如，在诸如夏日的环境中)被驱动。驱动光源的光源驱动电路可以包含在图像传感器层100中，或者可以设置在电子设备10中。光源驱动电路从电子设备10的照度传感器接收指示周围亮度的测量值，并且检查环境光的照度水平是否等于或高于由图像传感器层100生成的指纹图像可以饱和的水平。当环境光的照度水平等于或高于指纹图像可以饱和的水平时，光源驱动电路可以在获取指纹图像时不驱动光源。
下面将参考图5详细描述使用近红外光线生成指纹图像的另一实施例。
图2A至2D是示意性地示出具有指纹识别功能的显示器的操作原理的图，其中，图1中所示的指纹获取区域30的一部分被放大。
参考图2A，图像传感器层100具有一结构，在该结构中，从指纹的脊入射在图像传感器层100上的光线中仅具有预定入射角的光线到达图像传感器层100的光接收部，并且具有不同于预定入射角的角度的光线不到达光接收部。也就是说，当光线入射到皮肤上时，光线在手指50的皮肤处用作无限点光源。当手指位于玻璃盖200上时，与玻璃盖接触的部分(例如指纹的脊)和不与玻璃盖200接触的部分(例如指纹的谷)反射具有不同入射角的光线至玻璃盖200。具体地，从指纹的谷反射的光线穿过介于皮肤和玻璃盖200之间的空气，然后入射到玻璃盖200上。因此，从指纹的谷反射的光线的入射角范围窄于从指纹的脊反射到玻璃盖200的光线的入射角范围。除了具有共同入射角范围的光线之外，可以使用仅从指纹的脊反射的具有入射角的光线生成指纹图像。下面将参考图2B至2D详细描述该原理。
参考图2B所示，指纹包括脊和谷，脊与玻璃盖200的顶面接触，并且谷不与玻璃盖200的顶面接触。保护介质是近红外-透明介质，该介质可以透射近红外光线并防止损坏电子设备10的外表面。保护介质的示例是玻璃盖200，玻璃盖200附接到移动电话的前表面并保护显示面板300。在以下描述中，假设玻璃盖200是保护介质的示例。
指纹的脊和谷用作多个光源，该光源将来自玻璃盖200的顶面的光线施加到图像传感器层100的光接收部。脊与玻璃盖200的顶面接触的点A用作光源，点A在所有方向上发射光线，并且将来自玻璃盖200的顶面的光线施加到玻璃盖200的内部。另一方面，从不与玻璃盖200的顶面接触的谷发出的光线通过谷和玻璃盖200之间的空气到达玻璃盖200的顶面上的点B，因此光线在B点被折射。因此，从点A入射到玻璃盖200上的光线的玻璃盖入射角θr属于约0度至约180度的范围，并且由于空气的折射率和玻璃盖的折射率之间的差异，与玻璃盖入射角θr相比，从点B入射到玻璃盖200上的光线的玻璃盖入射角θv属于相对窄的范围。这里，假设指向左侧以基本上平行于玻璃盖200的顶面的光线的玻璃盖入射角是0度，入射在玻璃盖200的顶面上以基本垂直于玻璃盖200的顶面的光线的玻璃盖入射角是90度，以及指向右侧以基本上平行于玻璃盖200的顶面的光线的玻璃盖入射角是180度。这里，入射在玻璃盖200上的光线的角度被定义为玻璃盖入射角。
图像传感器层100形成在显示面板300的底面上。不同于在显示面板300的底面上需要用于产生光线的附加结构(诸如背光或反射膜)的LCD，AMOLED或者量子点显示器不需要附加结构，因为单位像素直接产生光线。另一方面，占据显示面板300的单位像素区域的相当大部分的电极和/或布线由光学透明材料形成。因此，介于玻璃盖200和图像传感器层100之间的显示面板300可以提供延伸的光路，从玻璃盖200输入的光线可以通过该光路。换句话说，可以预期与在比普通玻璃盖厚的玻璃盖的底面上形成图像传感器层100的结果基本相同。如下面将详细描述的，图像传感器层100具有用于选择待检测的光线的入射角的结构。因此，即使当从显示面板300输入的光线被折射到一定程度的现象发生时，通过调整用于选择光线入射角的一个或多个条件，可以在显示面板300下方检测具有预定入射角的光线。
图像传感器层100从通过玻璃盖200和显示面板300入射在图像传感器层100的顶面上的光线中选择具有预定检测目标入射角θ1的光线。图2C示出具有入射角θr'的光线，该光线由图像传感器层100的光选择结构从入射在图像传感器层100的顶面上的光线中选择，并且图2D示出了具有入射角θr'的光线中的具有检测目标入射角θ1的光线，该光线最终到达图像传感器的光接收部。也就是说，图像传感器层100的光选择结构通过将具有预定入射角的光线引导到光接收部所在的图像传感器层100的底部来选择具有特定入射角的光线。在以下描述中，具有检测目标入射角θ1的光线被称为检测目标光线。
具体地，在图2C中，图像传感器层100的光选择结构从入射在图像传感器层100上的光线中阻挡入射在点A和点B的左侧的光线，并且另外从入射在点A右侧的光线中阻挡与入射在点B右侧的光线的入射角具有相同入射角的光线。因此，可以选择具有入射角θr'的光线。例如，当玻璃盖入射角θr属于约0度至约180度的范围并且玻璃盖入射角θv属于约42度至约132度的范围时，入射角θr'属于约132度至约140度的范围，这仅是示例并且可以根据光选择结构的特性而变化。
在图2D中，可以从由光选择结构选择的光线中选择要入射在光接收部上的具有检测目标入射角θ1的光线。例如，当入射角θr'属于132度至140度的范围时，检测目标入射角θ1属于125度至140度的范围，这仅是示例并且可以根据光选择结构的特性(例如微透镜的位置、直径和尺寸)而变化。这里，具有检测目标入射角θ1的光线在通过光选择结构和图像传感器的同时被折射，并且最终到达光接收部时的角度θr可以不同于检测目标入射角θ1。在图2C和2D中，示出了用于阻挡入射在点A左侧的光线并且生成指纹图像的结构，并且可以利用用于阻挡入射在点A右侧的光线的结构来生成基本相同的指纹图像。
由于检测目标入射角θ1是仅由指纹的脊产生的光线可以取得的角度，因此可以使用检测目标入射角θ1生成清晰的指纹图像。如图2B所示，当指纹位于玻璃盖200上时，除了来自脊的光线之外，来自谷的光线也入射到玻璃盖上。由于根据现有技术的光学指纹传感器具有用于检测垂直入射的光线的结构，因此除了从脊基本上垂直地入射在光接收部的顶面上的光线之外，还检测了基本上从谷垂直地入射在光接收部的顶面上的光线。因此，生成指纹的脊和谷之间的边界不清楚的指纹图像。另一方面，由于根据本发明的具有指纹识别功能的显示器具有一结构，该结构用于从基于指纹的接触表面产生的光线中仅检测基于脊的至少一部分光线，与根据现有技术的光学指纹传感器相比，可以生成更清晰的指纹图像。
图3是示出沿图1中的线I-I'剖开的具有指纹识别功能的显示器的剖视图。
参考图3，具有指纹识别功能的显示器具有堆叠显示面板300和图像传感器层100的结构。玻璃盖、触摸传感器、偏振膜等(下文统称为玻璃盖200)可以堆叠在具有指纹识别功能的显示器上。由于从显示面板300产生的光线必须发射到外部，因此玻璃盖200形成为光学透明的。
图像传感器层100包括光选择结构400和图像传感器500。图像传感器层100形成在显示面板300的底面的至少一部分或整个区域上，并且图像传感器层100可以具有与显示面板300类似的平板形状。光选择结构400允许检测目标光线到达图像传感器500并防止具有其他入射角的光线到达图像传感器500或被检测到。图像传感器500包括薄膜晶体管(TFT)，图像传感器500设置在光选择结构400下方，并用于将通过光选择结构400的光线转换为像素电流并输出像素电流。下面将描述检测目标入射角和检测目标光线。
打开显示面板300上的像素310以将光线311、312、313和314施加到玻璃盖200的顶面。施加到玻璃盖200上的光线311、312、313和314可以以角度θ(≥0度)倾斜，该角度θ等于或小于由显示面板300的像素结构确定的最大角度θP_角度。施加到玻璃盖200上的光线311、312、313和314中的一些被玻璃盖200的顶面透射或折射以传播到外部，而另外的光线311、312、313和314可被玻璃盖200的顶面反射并入射到显示面板300上。这里，来自玻璃盖200的顶面的反射角可以定义为θ，反射角θ与图像传感器层100上的入射角基本相同。因此，在以下描述中，图像传感器层100上的入射角也称为θ。玻璃盖200的顶面用作玻璃盖和空气之间的界面，并且由于它们之间折射率的不同，传播到外部的光线强度以及反射和返回的光线强度可以在全反射角度θfr之前和之后变化。
可以根据总厚度T总以及玻璃盖反射角θ确定第一像素310的位置和返回到显示面板300的光线之间的距离，该总厚度T总是玻璃盖200的厚度和显示面板300的厚度之和。也就是说，当总厚度T总增加或玻璃盖反射角θ增加时，第一像素310的位置与返回到显示面板300的光线之间的距离可以增加。例如，检测目标入射角可以与全反射角θfr基本相同。例如，检测目标入射角可以大于或小于全反射角θfr。
具有不同光路的光线321、322、323和324通过第二像素320入射在图像传感器层100上。光线321、322、323和324从不同的像素产生，以不同的玻璃盖反射角θ反射，并到达第二像素320。在这里，通过光选择结构400将具有检测目标入射角θ1的检测目标光线323调整为具有入射角θ2，并且然后检测目标光线323入射到图像传感器500的光接收部上。另一方面，具有不同入射角θ(≠θ1)的光线321、322和324通过光选择结构400被调整为具有入射角θ3或θ4，并且不到达图像传感器500的光接收部。
图4是示出图3所示的具有指纹识别功能的显示器的操作的剖视图。
显示面板300可以通过沿一个方向顺序地打开与指纹获取区域30对应的像素或者同时打开像素来提供生成指纹图像所需的光线。这里，位于玻璃盖200的顶面上的指纹获取区域30、对应于指纹获取区域30的像素区域、以及对应于指纹获取区域30的光入射区域具有基本相同的平面形状，并且彼此不完全重叠。具体地，从显示面板300产生的光线被玻璃盖200的顶面反射，然后通过图像传感器层100顶面上的光入射区域入射在图像传感器层100上。因此，在图4中，光生成点(像素区域)、反射点(指纹获取区域)和入射点(光入射区域)在水平方向上不同。点之间的距离可以通过所选择的检测目标入射角θ1和总厚度T总来确定。
为了增强指纹的谷和脊之间的对比度，图像传感器层100检测从玻璃盖200的顶面基本上全反射的光线。如上面参考图3所述，显示面板300的像素以各种角度发射光线。具有各种角度的光线中垂直入射在玻璃盖200上的光线大部分被指纹反射并垂直入射在图像传感器层100上。然而，当使用垂直入射到图像传感器层100的光线时，与指纹的谷对应的光强度和与脊对应的光强度之间的差异不大，因此难以获得清晰的指纹图像。另一方面，当使用以与全反射角基本相同的检测目标入射角反射的光线时，被指纹吸收的光强度与未被指纹吸收的光强度之间的差异是大的，并因此可以获得清晰的指纹图像。为了增强从指纹反射的光线的对比度并防止垂直入射在指纹上的光线影响指纹图像的获取，位于反射光线入射的光入射区域下方的子像素区域被关闭。
参考图4，图像传感器层100具有一结构，该结构仅允许指示指纹的脊和谷的光线中的检测目标光线到达图像传感器500的光接收部，并禁止具有除检测目标入射角之外的角度的光线到达图像传感器500的光接收部。当手指位于玻璃盖200的顶面上时，指纹的脊与玻璃盖200的顶面接触的一部分和脊与玻璃盖200的顶面不接触的一部分被生成。从玻璃盖200下方发射的检测目标光线被脊部分地吸收，并且在与脊接触的玻璃盖200的顶面的部分中被全反射。另一方面，从玻璃盖200下方发射的光线在玻璃盖200的顶面的不与脊接触的部分中被全反射。因此，位于图像传感器层100的下部的图像传感器500使用全反射的检测目标光线生成指纹图像。在指纹图像中，脊显示为暗部分，并且谷显示为比脊更亮的部分。
显示面板300可以通过在一个方向上顺序地打开与指纹获取区域30对应的像素来产生光线。在图4中，在玻璃盖200的顶面上限定的指纹获取区域30包括多个子指纹获取区域330a、330d和330e，并且与指纹获取区域30对应的像素区域包括多个子像素区域300b、300c和300d。位于每个子像素区域300b、300c和300d中的像素可以同时打开或从左到右顺序地打开。例如，可以通过电子设备的应用处理器(AP)或显示面板的时序控制器(TCON)直接或间接地控制子像素区域300b、300c和300d的打开或关闭。
例如，带状子指纹图像a、b和c在图4的下部示出。相对明亮并且没有显示指纹图像的区域是为了易于理解并且指示未使用的区域，因为指纹图像可能被施加光线到图像传感器层100的显示面板300扭曲。
首先，当属于子像素区域300b的像素同时打开或从左向右依次打开时，检测目标光线被对应于子像素区域300b的子指纹获取区域30b全反射。全反射的检测目标光线到达子像素区域300c并入射在图像传感器层100上。此时，位于打开的子像素区域300b的右侧的其他子像素区域300c、300d、300e和300f可以被关闭，并且例如，至少必须关闭与开启的子像素区域300b相邻的子像素区域300c。另一方面，位于打开的子像素区域300b的左侧的子像素区域300a可以打开或关闭。在当子像素区域300b被打开并且右子像素区域300c、300d、300e和300f被关闭时生成的子指纹图像a中，位于子指纹获取区域330c中的脊和谷被显示并且右子指纹获取区域300d和330e显示为暗。
然后，当属于子像素区域300c的像素同时打开或从左到右依次打开时，检测目标光线从对应于子像素区域300c的子指纹获取区域330c全反射。全反射的检测目标光线到达子像素区域300d并入射在图像传感器层100上。这里，子像素区域300d是对应于子指纹获取区域330d的子光入射区域。此时，可以关闭位于开启的子像素区域300c的右侧的其他子像素区域300d、300e和300f，并且例如，至少必须关闭与开启的子像素区域300c相邻的子像素区域300d。另一方面，可以打开或关闭位于打开的子像素区域300c的左侧的子像素区域300a和300b。在子像素区域300c开启并且右子像素区域300d、300e和300f关闭时生成的子指纹图像b中，子指纹获取区域330c显示明亮，右子指纹获取区域330e显示得相对较暗，并且显示位于子指纹获取区域330c中的指纹的脊和谷。
以相同的方式，当属于子像素区域300d的像素时，生成子指纹图像c。在子指纹图像c中，子指纹获取区域330b和330c显示得相对明亮，并且显示位于子指纹获取区域330d中的指纹的谷和脊。
以上述顺序生成的三个带状子指纹图像a、b和c可用于在图像传感器或电子设备中生成一个完整的指纹图像。
例如，当显示面板300将光线施加到图像传感器层100时，入射在图像传感器层100上的光线由于图像传感器层100下方的光阻挡结构而不存在，并且属于子像素区域300b、300c和300d的像素同时打开或从左到右顺序打开，检测目标光线在对应于子像素区域300b、300c和300d的子指纹获取区域330c、330d和330e中被全反射。全反射的检测目标光线到达子像素区域300c、300d和300e并入射在图像传感器层100上。此时，生成的指纹图像可以显示位于三个子像素区域300b、300c和300d中的指纹的脊和谷。
图像传感器层100的厚度T传感器可以根据光选择结构400而变化。下面参考图6至图10描述的光选择结构400可以根据检测目标光线入射到图像传感器500的光接收部的角度而变化。另一方面，图像传感器500的光接收部之间的距离P可以选择性地考虑图像传感器500的分辨率和/或入射角来确定。光接收部可以形成为具有小于图像传感器的光接收部的宽度的宽度。在这种情况下，光接收部之间的距离p可以增加。
另一方面，波长为约600nm或更大的光线可以由于脊而扩散到玻璃盖200中。在这种情况下，检测目标光线的光强度的一部分被脊吸收，但是扩散光线中具有检测目标入射角的光线可以到达图像传感器500。因此，脊和谷之间的对比度降低，并且由图像传感器500生成的指纹图像的质量可被降低。为了防止这个问题，例如，可以在玻璃盖的顶面上、显示面板300的顶面上或者图像传感器100的顶面上形成仅透射具有600nm或更短波长的光线的带通滤波器层(未示出)。例如，可以通过从显示面板200的多个像素中打开产生具有特定波长或更小的光线的像素，例如，仅绿色(G)和/或蓝色(B)像素，来形成指纹图像。
图5是示出沿图1中的线I-I'剖开的具有指纹识别功能的另一显示器的剖视图。
参照图5，电子设备具有堆叠保护介质、触摸传感器、偏振膜、显示面板300和图像传感器层100的结构。由于来自指纹谷的光线应该入射在玻璃盖200上，所以形成玻璃盖200以透射近红外光线。这里，偏振膜具有阻挡从外部入射的可见光线并且基本上没有损失地透射近红外光线的特性。与图3中所示相同的元件的描述将不再重复。
发射近红外光线的光源可以位于显示面板300的内部或显示面板300的外部。这里，光源位于电子设备10的内部，并且可以将近红外光线施加到手指。
从位于玻璃盖200的顶面上的脊入射在玻璃盖200上的光线321至328到达显示面板300上的第一点320。光线321至328的入射角θi1是相对于垂直于玻璃盖200的顶面的直线的角度。光线321至328入射在玻璃盖200的顶面上的不同点上并且通过不同的光路到达显示面板300上的第一点320。在经由第一点320入射在图像传感器层100上的光线321至328中，从第一点320的右侧入射在第一点320上的光线325至328被光选择结构400阻挡，另外，在从第一点320的左侧入射在第一点320上的光线321至324中，具有不同于检测目标入射角θ1的入射角θi1的光线321、322和324被光选择结构400阻挡或者通过与检测目标光线不同的光路传播。也就是说，检测目标光线被光选择结构400折射以到达图像传感器500的光接收部，并以入射角θ2入射到光接收部上，并且具有不同于检测目标入射角θ1的入射角θi1的光线321、322和324最终以入射角θ3或θ4折射并且不入射在光接收部上或者被光选择结构400阻挡。
检测目标光线323入射到的玻璃盖200上的点和检测检测目标光线的光接收部不位于同一垂直线上。光选择结构400从来自指纹的脊和谷的光线中阻挡具有共同入射角的光线，并且仅允许来自脊的一些光线到达图像传感器500。因此，检测目标光线经由倾斜光路穿过玻璃盖200和显示面板300。因此，检测目标光线323入射的玻璃盖200上的点和检测目标光线入射的图像传感器层100上的点位于同一垂直线上。检测目标光线323入射的玻璃盖200上的点与检测目标光线入射的图像传感器层100上的点之间的水平距离可以由总厚度T总以及光线323的检测目标入射角θ1确定，T总是玻璃盖200的厚度和显示面板300的厚度之和。即，当总厚度T总增加或检测目标入射角θ1增加时，水平距离可以增加。
当近红外光源位于电子设备内部时，显示面板300可以关闭位于指纹获取区域30中的像素以生成指纹图像。当近红外光源位于显示面板300内部时，显示面板300关闭位于指纹获取区域30中的R、G和B像素并打开指纹获取区域30中的近红外像素以生成指纹图像。例如，可以通过电子设备的应用处理器(AP)或显示面板的时序控制器(TCON)直接或间接地控制像素的关闭。
另一方面，图像传感器层100可以包括高通滤波器或带通滤波器(未示出)。高通滤波器透射波长为720nm或更大的光线，并且带通滤波器透射波长为720nm至980nm的光线。高通滤波器或带通滤波器可以位于光路上的水平面上，例如图像传感器层100的顶面或图像传感器500的顶面。高通滤波器或带通滤波器可以通过用具有滤波特性的材料涂覆水平面来形成。从外部入射的可见光线几乎被玻璃盖200的偏振膜阻挡，并且从显示面板300的像素发射的光线可以在被玻璃盖200反射之后直接或间接地入射在图像传感器层100上。因此，高通滤波器或带通滤波器防止可见光线入射到图像传感器500的光接收部上，以防止由于可见光线导致指纹图像质量的下降。
图6A和6B是示出根据实施例的图像传感器层的剖视图。
参见图6A和6B，图像传感器层100包括光选择结构400和图像传感器500。光选择结构400位于显示面板300下方。光选择结构400包括棱镜片410和微透镜430。棱镜片410和微透镜430通过玻璃盖200和显示面板300以各种入射角从入射在图像传感器层100上的光线中选择检测目标光线。
在图6A中，棱镜片410包括折射入射在其上的光线的第一倾斜面411和吸收入射在其上的光线的第二倾斜面412。交替布置的第一倾斜面411和第二倾斜面412交替地形成棱镜脊和棱镜谷。棱镜脊面向微透镜430并且棱镜谷面向显示器。
棱镜片410的第一倾斜面411折射从左上侧向右下侧入射的光线322、323和324，并且第二倾斜面412阻挡从右上侧向左下侧入射的光线。为此目的，第一倾斜面411倾斜地形成在棱镜脊413a和棱镜谷414b之间，并且第二倾斜面412倾斜地形成在棱镜脊413a和棱镜谷414a之间。在图6A中，第一倾斜面411相对于垂直于棱镜片400的顶面415的直线的倾斜角是θp1，第二倾斜面412相对于垂直于棱镜片400的顶面415的直线的倾斜角是θp2。在附图中，θp1和θp2彼此不同，但θp1和θp2也可以彼此基本相同。在附图中，假设θp1的范围从约15度到约20度，并且θp2的范围从约30度到约50度。随着θp2增加，入射在光接收部520上的检测目标光线的光强度可以增加。由第一倾斜面411和第二倾斜面412形成的棱镜脊和棱镜谷的内角是θp1+θp2，并且光线入射在光接收部520上的检测目标入射角可以根据内角θp1+θp2或棱镜间距(即，棱镜脊413a和棱镜脊413b之间的间隔或棱镜谷414a和棱镜谷414b之间的间隔)来确定。
另一方面，可以在第二倾斜面412的表面上形成包括光吸收材料的光吸收层。形成在第二倾斜面412的表面上的光吸收层吸收从右上侧向左下侧入射在其上的光线。因此，具有除检测目标入射角之外的入射角的光线不到达光接收部520。
在图6B中，微透镜430从穿过棱镜片410的光线中折射检测目标光线，并允许检测目标光线传播到光接收部520。为了通过微透镜430增强入射角选择性，光路延伸层420可以插设在微透镜430和图像传感器500之间。光路延伸层420的厚度，例如，可以是微透镜430的中心厚度的约五倍，这仅是示例，并且光路延伸层420的厚度可以根据诸如微透镜430的球面像差和检测目标入射角的各种因素而增大或减小。微透镜430和光路延伸层420的折射率可以基本相同。在一个实施例中，包括光吸收材料的光吸收层440可以形成在一些区域中，在该区域中微透镜430没有形成在光路延伸层420的顶面上。光吸收层440防止具有不同于检测目标入射角的入射角的光线通过光路延伸层420以及入射在图像传感器500上。
代替增加入射在光接收部520上的光线的光强度的传统目的，微透镜430用于仅使具有特定角度的光线入射到图像传感器层100中的光接收部520上的目的。为此目的，微透镜430形成在图像传感器500的光接收部520上，图像传感器500包括金属层530，以对应于由多条金属线限定的光路525。也就是说，微透镜430位于棱镜片410下方并且与棱镜片410分离。因此，空气插入在棱镜片410和微透镜430之间。从玻璃盖200顶面施加的检测目标光线可以使用棱镜片和空气之间的折射率差以及空气和微透镜之间的折射率差来选择。
图像传感器500包括形成在基板510上的光接收部520和形成在光接收部520上并限定光路535的金属层530。
光接收部520位于相应的微透镜430下方，用于检测入射光线并生成像素电流。形成光路并用作电气布线的金属层530介于微透镜430和光接收部520之间。
为了提高入射角选择性，每个光接收部520的中心和相应的微透镜430的中心可以彼此不重合。在图6A和6B中，光接收部520位于相应的微透镜430的右下角。这里，光接收部520的位置是由相应的微透镜430折射的检测目标光线可以到达的位置，并且可以通过诸如检测目标入射角、微透镜430的折射率、以及微透镜430与相应的光接收部520之间距离的各种因素来检测。通过这种布置，可以提高图像传感器层100的入射角选择性。
另一方面，为了提高入射角选择性，每个光接收部520的宽度设定为小于每个微透镜430的直径。当光接收部520的宽度较大时，还可以检测具有除检测目标入射角之外的角度的光线。因此，当光接收部520形成在由光选择结构400和微透镜430折射的检测目标光线可到达的点处时，具有除检测目标入射之外的角度的光线到达基板510的顶面，在该顶面上没有形成光接收部520。例如，光接收部520的宽度可以设定为等于或小于微透镜430的直径的约50％。
金属层530可以形成在微透镜430下方。构成金属层530的多条金属线形成电气布线以用于将控制信号传输到光接收部520或者将由光接收部520生成的像素电流吸引到外部。多条金属线可以通过金属间电介质(IMD)等彼此电隔离。由多条金属线限定的光路可以由IMD形成。例如，由于由微透镜430选择的光线倾斜地入射在光接收部520的表面上，所以光路也可以倾斜地形成。另一方面，每个光路可以形成为具有小于普通CMOS图像传感器(CIS)的光路的截面积的截面积。例如，由多条金属线限定的光路可以形成为垂直于光接收部520的顶面。这种具有相对小的截面积的光路在韩国专利申请公开号10-2016-0048646中公开，该韩国专利申请通过引用并入本文。
另一方面，虽然未示出，但是金属层530可以形成在光接收部520下方的基板510上。也就是说，具有指纹识别功能的显示器可以使用具有前表面照明(FSI)结构的CIS以及具有后表面照明(BSI)结构的CIS来实现。
下面将描述根据图像传感器层100上的入射角选择检测目标光线的原理。
图6B示出了光线322、323和324，光线322、323和324根据图像传感器层100上的入射角θ到达水平方向上的不同点。在以下描述中，入射角是指当光线从玻璃盖200的顶面入射在图像传感器层100上时光线的传播方向与垂直于棱镜片410的顶面415的直线之间的角度。首先，具有大于检测目标入射角θ1的入射角θ的光线322被棱镜片410的第一倾斜面411和微透镜430折射，并且可以传播到从光接收部520向左的点f4。具有小于检测目标入射角θ1的入射角θ的光线324被棱镜片410的第一倾斜面411和微透镜430折射，并且可以传播到从光接收部520向右的点f3。然而，光线322和324被金属层530阻挡，因此不到达光接收部520的左点f4或右点f3。另一方面，具有与检测目标入射角θ1基本相同的入射角θ的光线323被棱镜片410的第一倾斜面411和微透镜430折射，然后通过由金属层530限定的光路535到达光接收部520。这里，检测目标入射角θ1与从玻璃盖200施加光线时的玻璃盖入射角基本相同。
具有检测目标入射角θ1的光线323通过第一倾斜面411折射到微透镜430.垂直于第一倾斜面411的直线与光线323之间的角度是θ1PI并且直线和折射光线3231之间的角度是θ1PO。也就是说，第一倾斜面411上的光线323的入射角是θ1PI并且折射角是θ1PO。这里，由于棱镜片410的折射率大于空气的折射率，因此基于斯涅尔定律(Snell’s law)，θ1PI大于θ1PO。
由第一倾斜面411折射的光线3231被微透镜430折射到光接收部520。确定微透镜430的球面像差，使得具有检测目标入射角θ1的光线323在被第一倾斜面411折射并输入时传播到光接收部520。此时，微透镜430上的折射光线3231的入射角可以等于或小于20度。由于微透镜430的点a处的法线与折射光线3231的入射角基本相同，因此光线3231传播到光接收部520而不被折射。法线和光线3231之间的角度在法线的左侧方向增加，即，从点a到点b的逆时针方向，并且法线和光线3231之间的角度在法线的右侧方向增加，即顺时针方向。因此，光线3231在点b处沿顺时针方向折射并传播到光接收部520。光线3231在点c处沿逆时针方向折射并传播到光接收部520。这里，由于光线3231通过空气入射在微透镜430上并且空气的折射率小于微透镜的折射率，因此微透镜430的折射角小于微透镜430上的入射角。由微透镜430折射的光线3232以入射角θ2到达光接收部520。
具有大于检测目标入射角θ1的入射角θ的一部分光线322通过第一倾斜面411折射到微透镜430。垂直于第一倾斜面411的直线和光线322之间的角度是θPI，并且直线和折射光线3221之间的角度是θPO。由于入射角θ大于检测目标入射角θ1，因此第一倾斜面411的折射角θPO小于θ1PO。因此，即使当折射光线3221入射在微透镜430上的相同点上时，微透镜430上的折射光线3221的入射角大于折射光线3231的入射角。因此，由微透镜430折射的光线3222以入射角θ4传播到光接收部520的左侧。传播到左点f4的折射光线3222不通过由金属层530限定的光路535。另一方面，在第一倾斜面411上的点d处折射的光线3221被形成在两个微透镜430之间的光吸收层吸收，因此光线3221不会入射在图像传感器500上。
具有小于检测目标入射角θ1的入射角θ的光线324通过第一倾斜面411折射到微透镜430。垂直于第一倾斜面411的直线与光线324之间的角度是θPI，并且直线和折射光线3221之间的角度是θPO。由于入射角θ小于检测目标入射角θ1，因此第一倾斜面411的折射角θPO大于θ1PO。因此，即使当折射光线3221入射在微透镜430上的相同点上时，微透镜430上的折射光线3241的入射角小于折射光线3231的入射角。因此，由微透镜430折射的光线3242以入射角θ3传播到光接收部520的右侧。传播到右点f3的折射光线3242不通过由金属层530限定的光路535。
图7A和7B是示出根据另一实施例的图像传感器层的截面的剖视图。与图6中所示的元件基本相同或相似的元件将不再描述，并且将在下面主要描述与图6的不同之处。
参见图7A和7B，图像传感器层100包括光选择结构400和图像传感器500。光选择结构400设置在显示面板300下方。光选择结构400包括棱镜片410a和微透镜430。棱镜片410a和微透镜430从以各种入射角入射在其上的光线中选择检测目标光线。
在图7A中，棱镜片410a具有自对准和自支撑结构。与图6A和6B中所示的棱镜片410相比较，棱镜片410a具有棱镜脊的尖端被去除的结构。具体地，第一倾斜面411的顶端411a耦接到第二倾斜面412的顶端412a以形成棱镜谷，底面416的两端连接第一倾斜面411的底端411b和第二倾斜面412的底端412b，底面416基本上平行于棱镜片410a的顶面415横向延伸。底面416的宽度可以基本上等于或小于微透镜430之间的距离。因此，通过仅将棱镜片410a的底面416布置在微透镜430之间，可以对准棱镜片410a和微透镜430。由于棱镜片410a可以由基本水平的底面416支撑，因此用以支撑或固定棱镜片410a的特定结构不是必需的。
图8A和8B是示出根据另一实施例的图像传感器层的横截面的剖视图。与图6A和6B以及图7A和7B中所示的元件基本相同或相似的元件的描述将不再重复，将主要描述与图6A和6B以及图7A和7B的不同之处。
参见8A和8B，图像传感器层100包括光选择结构400和图像传感器500。光选择结构400设置在显示面板300下方。光选择结构400包括棱镜片410b和微透镜430。棱镜片410b和微透镜430从以各种入射角入射在其上的光线中选择检测目标光线。
在图8A中，棱镜片410b具有自对准和自支撑结构。与图7A和7B中所示的棱镜片410a相比较，光吸收层没有形成在棱镜片410b的第二倾斜面412中。如上所述，形成在图7A和7B中的第二倾斜面412上的光吸收层吸收从右上侧向左下侧入射的光线350，使得该方向上的光线不会入射到图像传感器500上。具体地，从右上侧向左下侧入射在图像传感器层100上的光线350的一部分被棱镜片410b的第二倾斜面417折射并入射在微透镜430上。然而，折射光线351被光吸收层450b吸收并且不入射在图像传感器500上。
为了阻挡从右上侧向左下侧入射的光线350，在光路延伸层420中形成一个或多个光吸收层450a和450b。例如，光吸收层450a和450b可以由光吸收材料形成并沿水平方向延伸。例如，光吸收层450a和450b可以由金属形成并沿水平方向延伸。另外，金属的顶面可涂覆有吸收可见光或红外光的光吸收材料。涂覆金属的光吸收材料可以吸收从金属反射的光。光吸收层450a和450b形成在已经例如以预定比例的目标厚度形成的光路延伸层420的表面上。此后，光路延伸层420在光吸收层450a和450b上形成直至目标厚度。图8B中示出的多个光吸收层450a和450b可以通过重复形成光路延伸层和光吸收层来获得。
形成在光路延伸层420中的光吸收层450a和450b可以限定用于检测目标光线的光路。用于限定光路的开口451形成在光吸收层450a和450b的一部分中。确定每个开口451的宽度或直径，使得由微透镜430折射的检测目标光线可以穿过开口。因此，在光路由光吸收层450a和450b限定的结构中，光路535可以不通过金属层530限定在图像传感器500中。换句话说，即使在使用垂直形成光路535的图像传感器时，符合要求的入射角选择性也可由光路延伸层420确保。
图9是示出根据另一实施例的图像传感器层的横截面的剖视图。与图6A至8B中所示的元件基本相同或相似的元件的描述将不再重复，并且将主要描述与图6A至8B的不同之处。
参考图9，图像传感器层100包括光选择结构400和图像传感器500。光选择结构400设置在电子设备的显示面板下方。光选择结构400包括棱镜片410a或410b和微透镜430。棱镜片410a或410b和微透镜430从以各种入射角入射在其上的光线中选择检测目标光线。
为了增强入射角选择性，微透镜540形成在图像传感器500的顶面上。微透镜540可以形成在图像传感器500的光路535上。类似于光选择结构400的微透镜430，微透镜540折射入射在图像传感器500上的检测目标光线以传播到光接收部520。光选择结构400形成在包括微透镜540的图像传感器500上，并且微透镜540的表面与光路延伸层420接触。因此，为了折射入射在微透镜540上的检测目标光线，光路延伸层420的折射率和微透镜540的折射率应该是彼此不同。例如，光路延伸层420的折射率与微透镜540的折射率之间的差可以等于或大于0.2。
图10是示出根据另一实施例的具有指纹识别功能的显示器的横截面的剖视图。与图6A至图9中所示的元件基本相同或相似的元件的描述将不再重复，并且将主要描述与图6A至图9的不同之处。
参考图10，具有指纹识别功能的显示器包括显示面板300'和图像传感器500。图像传感器500设置在显示面板300'下方。图6至9中示出的光选择结构400在显示面板300'中实现。显示面板300'从自玻璃盖200入射在其上的光线中透射检测目标光线323，并防止具有其他入射角的光线322和325到达光接收部520。
显示面板300'包括限定像素360的像素限定膜370和像素所在的区域。在像素限定膜370的一些区域中形成开口，并且在开口中形成像素360。在OLED的情况下，在开口中形成发光部。像素限定膜370可以由各种绝缘材料形成。这里，绝缘材料可以透射可见光和/或近红外光。另一方面，用于驱动像素360的薄膜晶体管(TFT)和电气布线可以设置在像素限定膜370中或像素360下方。光阻挡层361形成在像素360下方。另一方面，光阻挡层361防止由像素360产生的光线和穿过像素360的光线传播到其下侧。
在一个实施例中，可以在像素限定膜370中形成基本上沿与检测目标光线的传播方向相同的方向延伸的光路375。光路可以形成为相对于图像传感器500的顶面倾斜了检测目标入射角。光路375可以由一种或多种光学不透明材料形成。图10示出了沿垂直方向堆叠的两个光路限定层374。光路限定层374包括形成在一些区域中以限定光路375的开口。形成在光路限定层374中的开口的中心在垂直方向上彼此不匹配。光路限定层374可以是用于驱动像素的电极和/或布线。另一方面，光路限定层374可以由光吸收材料形成。
在另一个实施例中，像素限定膜370的顶面371和侧面372可以通过入射面373连接。入射面373可以形成为基本垂直于检测目标光线323的传播方向。入射面373可以减少由像素限定膜370的表面折射或反射的检测目标光线的量。另外，当在像素限定膜370的表面处发生折射率差异时，可以折射以不同于检测目标入射角的入射角传播的光线，使得光线不会到达光接收部520。
另一方面，图10示出了由图像传感器500的金属层530限定的光路535。当显示面板300'的入射角选择性令人满意地优异时，可以使用图8A至图9所示的光路垂直形成的图像传感器。
图11A至11C是示出显示面板的像素阵列的图。
可以从位于显示面板300中的光源发射用于产生指纹图像的近红外光线。图11A至11C示出了包括近红外像素的像素阵列的示例。
参考图11A，近红外像素610可以设置在R、G和B对600之间。近红外像素610可以占据与每一个R、G和B像素的区域基本相同的区域。
另一方面，参考图11B，近红外光源640可以设置在R、G和B像素620和630的一个中。例如，R像素620占据的区域减小，然后近红外光源640可以设置在通过减小面积来确保的区域中。
R、G和B像素中的一个可以用近红外像素650代替。在图11C中所示的拜耳模式(Bayer pattern)中，用近红外像素650代替一些R像素。
已在上面参考图1至11C进行了描述的具有指纹识别功能的显示器具有一结构，在该结构中生成指纹图像的图像传感器层100和输出图像的显示面板300耦接。因此，即使当手指位于玻璃盖200上的任意点时，也可以生成指纹图像。具有与图像传感器层100基本相同的功能和结构的指纹传感器封装可以生成位于玻璃盖200上的预定点处的手指的指纹图像。下面将描述指纹传感器封装。
图12是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的示例的图。
参考图12，显示面板300设置在玻璃盖200下方，指纹传感器封装100'设置在显示面板300下方。指纹传感器封装100'生成指纹图像所需的光线在电子设备10中产生并被施加于手指。这里，光线可以是例如波长为720nm至980nm的近红外光线，并且发射近红外光线的光源110耦接到指纹传感器封装100'或与指纹传感器封装100'分离，并且发射近红外光线的光源110设置在电子设备10内。一个或多个光源110可以设置在显示面板300的边缘区域的一部分中。驱动光源100的光源驱动电路可以包含在指纹传感器封装100'中，或者可以设置在电子设备内。
入射在手指50的皮肤上的光线从与玻璃盖200接触的指纹脊反射并入射到玻璃盖200上。另一方面，从不与玻璃盖200接触的谷反射的光线穿过介于皮肤和玻璃盖200之间的空气，然后入射到玻璃盖200上。为了减少在通过手指50的皮肤时引起的光损失，施加光线的区域22与指纹获取区域30之间的距离优选地尽可能小。根据指纹传感器封装100'的位置确定指纹获取区域30。因此，当具有矩形形状的指纹传感器封装100'的一侧基本上与下涂覆区域11a接触或靠近下涂覆区域11a时，优选的是，施加光线的区域22也更靠近下涂覆区域11a和显示面板300之间的界面。另一方面，施加光线的区域22可以根据从光源110产生的光的强度或入射在手指50上的光的角度与下涂覆区域11a和显示面板300之间的界面分开预定距离。图12示出了位于显示面板300的边缘的一个光源110。施加光线的区域22是显示面板300的边缘的部分区域。这里，显示面板300的边缘是暗带状区域，在该区域中没有像素，并且该区域在视觉上暴露于外部。因此，限定施加光线的区域22的开口不需要形成在下涂覆区域11a中，并且不限于下涂覆区域11a的颜色。在这种情况下，下涂覆区域11a可以形成为深色，或者开口可以形成在印刷电子设备10的制造商名称或商标的区域中。
例如，指纹传感器封装100'还可以包括触摸传感器23。用于电子设备的通用显示面板300包括触摸面板，并且当在非活动(deactivated)状态驱动具有大面积的触摸面板时功耗可以增加。因此，优选地，在电子设备处于非活动状态下使用与触摸面板相比功耗较小的触摸传感器23。触摸传感器23是否手指50位于指纹获取区域30并输出用于驱动指纹传感器封装100'的控制信号。驱动触摸传感器23的触摸传感器驱动电路可以纳入指纹传感器封装100'中或者可以位于电子设备内部。
图13A和13B是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图。
与图12中所示的显示面板300相比，图13A中所示的显示面板300可以发射近红外光线。例如，图13A中所示的显示面板300包括发射可见光的第一区域301和发射可见光和近红外光的第二区域302。这里，第一区域301和第二区域302可以形成在同一基板中，或者可以形成在分开的基板中。另一方面，第一区域301和第二区域302可以具有相同的分辨率或者可以具有不同的分辨率。例如，第二区域302可以以低分辨率实现，使得可以显示软件密钥。由于指纹传感器封装100'使用近红外光并且包括高通滤波器或带通滤波器，例如，可以在手指将被定位的指纹获取区域30中显示主页按钮，该指纹获取区域30中。在这种情况下，可以仅激活对应于第二区域302的触摸传感器的部分区域以检测手指50是否已被定位。例如，显示面板300的所有像素可以发射可见光和近红外光。
从显示面板300的第二区域302或指纹获取区域30发射的近红外线入射在位于指纹获取区域30上的手指50的皮肤上。入射的近红外光线用作手指50的皮肤表面上的点光源，并且脊和谷将具有不同入射角的近红外光线施加到玻璃盖200。
可以在第二区域302中配置以线性、多边形(例如，矩形)或圆形布置的多个近红外像素。图13B是示出布置在第二区域302中的像素31的平面图。当指纹获取区域30是多边形或圆形时，多个近红外像素可以在多边形的边或圆的圆周上以带状布置。因此，当从盖玻璃200上方看到指纹传感器封装100'时，指纹获取区域30可以与由近红外像素构成的矩形一致，或者可以位于矩形内部。也就是说，可以设置近红外像素，使得近红外光线在近红外光线可以充分地扩散在手指50的皮肤表面上的位置处发射，并且它们不被设置在一光学路径上，扩散在手指50的皮肤上的近红外光线沿该光学路径通过。另一方面，近红外像素和指纹获取区域30之间的距离可以根据所使用的光线的波长而变化。
图14是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图。
与图13A和13B中所示的显示面板300相比较，图14中所示的显示面板300发出可见光。显示面板300以各种角度发射可见光。图14中的箭头表示入射在指纹传感器封装100'上并用于生成指纹图像的光线。与图3和图4中所示的系统类似，从显示面板300发出的光线中以检测目标入射角入射在指纹传感器封装100'上的光线从玻璃盖200的顶面全反射。
图15是示意性地示出与指纹传感器封装耦接的电子设备的另一示例的图。
与图12和图14中所示的指纹传感器封装100'相比较，图15所示的指纹传感器封装100'可以与电子设备的玻璃盖200紧密接触。当手指与玻璃盖200的顶面接触时，玻璃盖200提供光路，沿着该光路从指纹的脊和谷施加光线。
另外，颜色层150可以设置在玻璃盖200和指纹传感器封装100'之间。在颜色层150中形成多个开口，并且从玻璃盖200施加的光线通过开口传播到指纹传感器封装100'中。多个开口可以填充光学透明材料。当指纹传感器封装100'位于电子设备的玻璃盖下方时，颜色层150防止与指纹传感器封装100'周围的色差的发生。下面将参考图16A至16D详细描述颜色层150。
另外，带通滤波器层(未示出)可以形成在玻璃盖200的顶面和底面中的一个上。带通滤波器层防止不属于用于生成指纹图像的波长带的光线入射到指纹传感器封装上。
图16A至16D是示意性地示出颜色层的平面图。
颜色层150可以设置在显示面板300和图像传感器层100之间，或者设置在显示面板300和指纹传感器封装100'之间。参见图16A至16C，颜色层150包括由显示任意颜色的材料形成的颜色显示层151，并且在颜色显示层151中形成通孔152、153和154。颜色显示层151可以通过沉积或层压在光入射角滤光层100的顶面上形成。当通过沉积形成颜色显示层151时，在沉积颜色显示层151之后形成通孔152、153和154。这里，通孔152、153和154可以填充光学透明材料。光学透明材料是透射用于生成指纹图像的光线(例如可见光或近红外光)的材料。另一方面，当通过层压形成颜色显示层151时，通过将染料喷射到膜的顶面，使用光学透明材料将颜色显示层151形成为膜形状。这里，为了形成通孔152、153和154，可以使用掩模或屏幕，或者可以去除喷射到对应于通孔152、153和154的部分的染料。
通孔152、153和154可以形成为各种形状。当从颜色层150上方看时，图16A示出了具有圆形形状的通孔152，图16B示出了具有狭缝形状的通孔153，以及图16C示出了具有矩形形状的通孔154。
例如，通孔152、153和154可以形成为具有倾斜截面。图16D示出了沿着色层150的线X-X'截取的截面。通孔152、153和154的截面可以形成为基本上以与检测目标入射角相同的角度倾斜。通过形成通孔152、153和154使得其截面倾斜，检测目标光线可以通过而不被阻挡，并且除了检测目标光线之外的光线被阻挡。当从玻璃盖上方看时，位于颜色显示层151顶面上的通孔152、153和154的入口以及位于颜色显示层151底面上的通孔152、153和154的出口不位于相同的垂直线中，因此可以进一步减小与指纹传感器封装周围的色差。
图17是示意性地示出指纹传感器封装的另一示例的剖视图，该指纹传感器封装可以基于上面参照图2A描述的操作原理来实现。
参照图17，指纹传感器封装100'包括光入射角滤光层1600和图像传感器1620。图17示出了光入射角滤光器层1600设置在玻璃盖和图像传感器1620之间的示例。光入射角滤光层1600可以设置在显示面板300的底面和图像传感器1620之间。
在光入射角滤光层1600中形成多个截面倾斜的通孔1610。光入射角滤光层1600可以由光吸收材料或显示出任意颜色的材料形成。通孔1610的截面可以倾斜与检测目标入射角基本相同的角度。通过形成通孔1610使得其截面倾斜，检测目标光线可以通过通孔1610而不被阻挡，并且除了检测目标光线之外的光线被阻挡。当从玻璃盖上方看时，位于光入射角滤光层1600顶面上的通孔1610的入口和位于光入射角滤光层1600底面上的通孔1610的出口不位于相同的垂直线中，因此，可以进一步减小与指纹传感器封装周围的色差。
图像传感器1620位于光入射角滤光层1600下方，并且用于检测穿过通孔1610的检测目标光线并生成指纹图像。例如，图像传感器1620可以具有倾斜的光路，检测目标光线可以沿着该光路通过。倾斜光路可以由多条金属线形成。例如，棱镜片(未示出)可以设置在光入射角滤光层1600和图像传感器1620之间。如上参照图6A至7B所述，棱镜片可以沿顺时针方向折射检测目标光线以入射在图像传感器1620的光接收部上。在这种情况下，图像传感器1620的光入射路径可以基本上垂直地形成。
本发明的上述描述是示例性的，并且本领域技术人员可以理解，可以在不改变本发明的技术概念或本质特征的情况下以其他形式修改本发明。因此，应该理解，上述实施例在所有方面都是示例性的，但不是决定性的。
本发明的范围由所附权利要求限定，而不是由以上详细描述限定，并且应该解释为，从权利要求的含义和范围及其等同概念得出的所有改变或修改都包括在本发明的范围内。

Claims (20)

1.一种具有指纹识别功能的显示器，包括：
显示面板，所述显示面板设置在玻璃盖下方并透射具有多个入射角并指示与所述玻璃盖接触的指纹的脊和谷的光线；以及
图像传感器层，所述图像传感器层设置在所述显示面板下方，从具有多个入射角的所述光线中检测检测目标光线，并生成指纹图像。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述图像传感器层包括：
光选择结构，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角的所述光线中选择具有检测目标入射角的所述检测目标光线；以及
图像传感器，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用所述检测目标光线生成所述指纹图像，并且
其中，所述显示面板用作具有多个入射角的所述光线的光源。
3.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述图像传感器生成多个子指纹图像，并且
其中，所述显示面板通过在一个方向上顺序地打开像素来产生具有多个入射角的所述光线。
4.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述图像传感器生成所述指纹图像，并且
其中，所述显示面板通过同时打开像素来产生具有多个入射角的所述光线。
5.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述光选择结构包括：
棱镜片，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的所述光线中的具有所述检测目标入射角的光线；以及
微透镜，所述微透镜设置在所述棱镜片下方并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线。
6.根据权利要求5所述的显示器，其中，所述图像传感器包括光接收部，所述光接收部产生与以所述第二角度折射的光线相对应的像素电流，并且
其中，所述光接收部设置在所述微透镜下方的一侧。
7.根据权利要求5所述的显示器，其中，所述棱镜片包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和所述多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜脊和棱镜谷，
其中，第一倾斜面以第一角度折射具有多个入射角的所述光线中的具有所述检测目标入射角的光线，并且
其中，所述第一倾斜面的倾斜角度小于第二倾斜面的倾斜角度。
8.根据权利要求7所述的显示器，还包括光吸收层，所述光吸收层形成在所述第二倾斜面上并吸收入射光线。
9.根据权利要求5所述的显示器，还包括光吸收层，所述光吸收层形成在两个微透镜之间并吸收入射光线。
10.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述光选择结构包括：
棱镜片，包括多个第一倾斜面和多个第二倾斜面，所述多个第一倾斜面和所述多个第二倾斜面交替地布置以形成棱镜谷，并且以第一角度折射具有多个入射角的所述光线中的具有所述检测目标入射角的光线；以及
微透镜，所述微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线，
其中，每个第一倾斜面的顶端连接到相邻的第二倾斜面的顶端，并且
其中，每个第一倾斜面的底端和相邻的第二倾斜面的底端连接到水平延伸的底面的两端。
11.根据权利要求10所述的显示器，还包括光路延伸层，所述光路延伸层设置在所述微透镜和所述图像传感器之间。
12.根据权利要求11所述的显示器，还包括光吸收层，所述光吸收层横向地形成在所述光路延伸层中，并且在所述光吸收层中形成开口，具有检测目标入射角的光线穿过所述开口。
13.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述光选择结构包括：
棱镜片，所述棱镜片以第一角度折射具有多个入射角的所述光线中的具有所述检测目标入射角的光线；以及
第一微透镜，所述第一微透镜设置在所述棱镜片下方，并以第二角度折射以所述第一角度折射的光线，
其中，所述图像传感器包括其设置在所述图像传感器的顶面上，并且以第三角度折射以所述第二角度折射的光线。
14.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述图像传感器层包括：
光选择结构，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角的所述光线中选择具有检测目标入射角的光线，仅由所述脊反射的光线能够被选取为具有检测目标入射角的光线；以及
图像传感器，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用具有检测目标入射角的光线生成指纹图像。
15.根据权利要求14所述的显示器，其中，具有多个入射角的所述光线为近红外光线。
16.根据权利要求16所述的显示器，还包括发射近红外光线的光源。
17.根据权利要求16所述的显示器，其中，所述显示面板发射近红外光线。
18.根据权利要求2或14所述的显示器，其中，所述图像传感器由薄膜晶体管形成，并且所述图像传感器层形成在所述显示面板的底面的至少一部分或所述显示面板的整个底面中。
19.一种指纹传感器封装，所述指纹传感器封装设置在显示面板下方并生成指纹图像，包括：
光选择结构，所述光选择结构被配置为用于从多个入射角中选择检测目标入射角，仅由脊反射的近红外光线能够被选取，从形成在手指皮肤上的指纹的脊和谷反射近红外光线，所述近红外光线具有多个入射角；以及
图像传感器，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用具有由所述光选择结构选择的所述检测目标入射角的近红外光线生成指纹图像。
20.一种指纹传感器封装，所述指纹传感器封装设置在显示面板下方并生成指纹图像，包括：
光选择结构，所述光选择结构被配置为用于从具有多个入射角并指示指纹的脊和谷的光线中选择具有检测目标入射角的光线；以及
图像传感器，所述图像传感器设置在所述光选择结构下方，并使用由所述光选择结构选择的光线生成指纹图像，
其中，所述指纹传感器封装设置在所述显示面板下方，并且由所述显示面板产生具有多个入射角的所述光线。
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