CN110737132A - 一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，涉及指纹识别技术。包括上基板，黑色矩阵层，液晶层，传感器，下基板，准直背光源；准直背光源在最下方，提供高度准直出射的光源供显示和指纹识别；准直背光源之上，从下至上依次为下基板、传感器、液晶层、黑色矩阵层和上基板；指纹识别时，准直背光源出射的光照射到上基板上的指纹，传感器接收到手指表面反射的光信号进行指纹识别。本发明实现了全屏指纹识别，提高了指纹识别准确率和传感器信号强度；可在指纹识别和显示两种工作模式之间快速切换，提升指纹识别信号强度和信噪比，并保证显示时可视角度足够大；且当背光源为非可见光波段时能有效消除指纹识别与显示之间的相互干扰。

Description

一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置
技术领域
本发明涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置。
背景技术
指纹识别技术以其良好的安全可靠性被广泛应用于智能手机、电脑等各类智能终端中。随着人们对全面屏的追求，智能终端普遍采用了屏下指纹识别技术，而占有较大市场份额的液晶显示屏的屏下指纹识别技术尤为重要。
液晶显示屏幕是一种多层膜的显示装置，各层膜对光线都有一定的吸收，因此若要在液晶显示面板中添加上指纹识别模块，就需要解决指纹识别传感器的位置问题，以及传感器接收光效低、难以准确识别指纹并成像的问题。液晶显示屏经常需要在两种工作模式之间切换，即指纹识别模式与显示模式。在指纹识别模式下，为了提高屏下指纹识别效果，要求背光源的视角越窄越好；但是在显示模式下，为了提高液晶显示屏的分辨率，则要求背光源的可视角度越大越好，这个矛盾就导致液晶显示屏无法兼顾指纹识别效果和显示屏的分辨率。此外，在暗环境下，液晶显示屏的指纹识别效果较差，指纹识别与显示之间会产生相互干扰，也是一个亟待解决的问题。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，可以实现液晶显示屏的全屏指纹识别，有效提升屏下指纹识别的准确率；实现在指纹识别模式和显示模式两种工作模式之间的快速切换；并且当背光源为非可见光波段时可以有效地消除指纹识别与显示之间的相互干扰。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是：在每一个像素结构中添加了一个传感器接收区，用于放置光电传感器；实现液晶显示屏的全屏指纹识别，有效地提升屏下指纹识别的准确率；实现在指纹识别模式和显示模式两种工作模式之间的快速切换；当指纹识别的背光源为非可见光波段时，能够有效消除指纹识别与显示之间的相互干扰，提升指纹识别准确率与指纹识别时的显示效果。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述液晶显示装置是一种多层膜结构，包括上基板2，黑色矩阵层3，液晶层4，传感器5，下基板6，准直背光源7；所述准直背光源7在最下方，提供高度准直出射的光源，以供显示和指纹识别使用；在所述准直背光源7之上，从下至上各层依次为所述下基板6、所述传感器5、所述液晶层4、所述黑色矩阵层3和所述上基板2，或者依次是所述下基板6、所述传感器5、所述黑色矩阵层3、所述液晶层4和所述上基板2，又或者依次是所述下基板6、所述液晶层4、所述传感器5、所述黑色矩阵层3和所述上基板2；所述液晶显示装置进行指纹识别时，所述准直背光源7出射的光照射到所述上基板2表面之上的手指指纹1上，所述传感器5会接收到来自手指表面反射的光信号以进行指纹识别。
进一步地，所述上基板2、下基板6的材料优选玻璃，也可以选择塑料或其他柔性材料，如PET。
进一步地，所述黑色矩阵层3由两个相同的像素结构31并排组成，每个所述像素结构31上包含3个彩色滤光片开口区301和1个传感器开口区302。
进一步地，所述传感器开口区302可以位于所述彩色滤光片开口区301的下方、上方或者左右两侧。
进一步地，所述传感器5位于所述传感器开口区302的正下方。
进一步地，所述传感器5采用光电二极管，感光波段可以是可见光波段或非可见光波段，所述传感器5可以将来自所述手指指纹1的反射光转化为电信号，并进而生成指纹图像。
进一步地，所述准直背光源7包括两个准直光源和导光板，所述两个准直光源分别为光源一701和光源二703；所述准直背光源7有两种工作模式，即指纹识别模式与显示模式，并可在两种所述模式下快速切换；在所述指纹识别模式下工作时，所述准直光源发出的光可以是可见光波段，也可以是非可见光波段；当所述准直光源发出的光为非可见光波段时，指纹识别与显示可同时进行。
进一步地，所述光源一701和所述光源二703位于所述导光板的两个对角。
进一步地，所述导光板的底面以及四个侧面上均有微棱镜阵列，导光板侧面微棱镜704以及导光板底面微棱镜705通过全反射，将所述光源一701和/或所述光源二703先转变为线光源，再调整为垂直于所述导光板底面的面光源。
进一步地，所述导光板的顶部表面具有间隔分布的散射条纹702，当所述准直背光源7在所述指纹识别模式下工作时，所述光源一701工作，经全反射后形成的所述面光源正好从所述散射条纹702之间穿过，形成具有高度准直性的面光源用以指纹识别，提升信号接收器上的信号强度以及信噪比；当所述准直背光源7在显示模式下工作时，所述光源二703工作，经全反射后形成的所述面光源正好穿过所述散射条纹702，经散射形成大角度的光源用以显示，保证显示的可视角度足够大。
技术效果：
本发明实现了全屏指纹识别，提高了指纹识别的准确率以及传感器上的信号强度；将视角可切换的准直背光源用于液晶显示装置之上，实现了在指纹识别模式和显示模式两种工作模式之间的快速切换，在提升屏下指纹识别时传感器上的信号强度以及信噪比的同时，保证了显示时的可视角度足够大；当指纹识别的背光源为非可见光波段时，指纹识别与显示之间的相互干扰问题能够得到有效的解决。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明一个较佳实施例的装置结构图；
图2是本发明一个较佳实施例的黑色矩阵层上的一种像素结构图；
图3是本发明一个较佳实施例的黑色矩阵层上的另一种像素结构图；
图4是本发明一个较佳实施例在指纹识别模式下工作时的侧视光路图；
图5是本发明一个较佳实施例在显示模式下工作时的侧视光路图；
图6是本发明一个较佳实施例的指纹识别仿真效果图。
其中，1-手指指纹，2-上基板，3-黑色矩阵层，31-像素结构，301-彩色滤光片开口区，302-传感器开口区，4-液晶层，5-传感器，6-下基板，7-准直背光源，701-光源一，702-散射条纹，703-光源二，704-导光板侧面微棱镜，705-导光板底面微棱镜。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示本发明一个较佳实施例的装置结构图。本发明的液晶显示装置是一种多层膜结构，包括上基板2，黑色矩阵层3，液晶层4，传感器5，下基板6，准直背光源7；准直背光源7在最下方，提供高度准直出射的光源，以供显示和指纹识别使用；在准直背光源7之上，从下至上各层依次为下基板6、传感器5、液晶层4、黑色矩阵层3和上基板2。
在本发明其它实施例中，在准直背光源7之上，从下至上各层排列次序是：下基板6、传感器5、黑色矩阵层3、液晶层4、上基板2；或者依次是下基板6、液晶层4、传感器5、黑色矩阵层3、上基板2；在所有实施例中，传感器5均位于传感器开口区302的正下方。
上基板2、下基板6的材料优选玻璃，也可以选择塑料或其他柔性材料，如PET。传感器5采用光电二极管，感光波段可以是可见光波段或非可见光波段；液晶显示装置进行指纹识别时，准直背光源7出射的光照射到上基板2表面之上的手指指纹1上，传感器5会接收到来自手指表面反射的光信号，并将光信号转化为电信号，处理器可以将这些电信号转变为手指指纹1的图像。
如图2所示，黑色矩阵层3由两个相同的像素结构31并排组成，每个像素结构31上包含3个并列的RGB子像素彩色滤光片开口区301和1个传感器开口区302，传感器开口区302位于3个并排彩色滤光片开口区301的下方。在本发明其它实施例中，传感器开口区302也可以位于3个并排彩色滤光片开口区301的上方。
如图3所示，黑色矩阵层3由两个相同的像素结构31并排组成，每个像素结构31上包含3个RGB子像素彩色滤光片开口区301和1个传感器开口区302，3个彩色滤光片开口区301的排列方式为“品”字形逆时针旋转90度，传感器开口区302位于3个彩色滤光片开口区301的右侧。在本发明其它实施例中，3个彩色滤光片开口区301的排列方式为“品”字形顺时针旋转90度，传感器开口区302位于3个彩色滤光片开口区301的左侧。
如图4和图5所示，准直背光源7包括两个准直光源和导光板，两个准直光源分别为光源一701和光源二703；光源一701和光源二703位于导光板的两个对角。导光板的底面以及四个侧面上均有微棱镜阵列，导光板侧面微棱镜704以及导光板底面微棱镜705通过全反射，将光源一701和/或光源二703先转变为线光源，再调整为垂直于导光板底面的面光源。导光板的顶部表面具有间隔分布的散射条纹702。
如图4所示，当准直背光源7在指纹识别模式(即窄视角模式)下工作时，光源一701工作，其发出的准直光源会经过与光源一701相邻的两个导光板侧面微棱镜704以及底面微棱镜705的全反射，将光源一先转变为线光源，再调整为垂直于导光板底面的面光源，该面光源正好从导光板上表面的散射条纹702之间穿过，形成具有高度准直性的面光源，用以指纹识别，提升信号接收器上的信号强度以及信噪比。
如图5所示，当准直背光源7在显示模式下工作时，光源二703工作，其发出的准直光源会经过与光源二703相邻的两个导光板侧面微棱镜704以及底面微棱镜705的全反射，将光源二先转变为线光源，再调整为垂直于导光板底面的面光源，该面光源正好穿过导光板上表面的散射条纹702，经散射条纹702的散射，形成大角度的光源，用以显示，保证显示的可视角度足够大。
如图6所示，当指纹识别光源为非可见光时，依据本发明一个较佳实施例的装置进行指纹识别后建立仿真模型，在LightTools软件中得到的指纹识别仿真效果图。图中，X轴与Y轴上数值的单位均为毫米。
以下结合本实施例的附图和技术方案简述本发明的工作原理及工作过程：
液晶显示装置进行指纹识别时，准直背光源7出射的光照射到上基板2表面之上的手指指纹1上，传感器5会接收到来自手指表面反射的光信号以进行指纹识别。
在进行指纹识别时，来自准直背光源7的光穿过彩色滤光片开口区301，当传感器5的顶面的面积小于传感器开口区302时，光线也可以穿过传感器开口区302，光线从这些开口区会照射到指纹1上，指纹1会反射光，由指纹1反射的光会包含有手指指纹1纹理的信号，位于传感器开口区302下方的传感器5将这些光信号转换为电信号，处理器可以将这些电信号转变为手指指纹1的图像。
准直背光源7有两种工作模式，即指纹识别模式与显示模式，并可在两种模式下快速切换。在指纹识别模式下工作时，准直光源发出的光可以是可见光波段，也可以是非可见光波段；当准直光源发出的光为非可见光波段时，能够实现指纹识别与显示同时进行，并能够有效地消除指纹识别与显示之间的相互干扰。
若准直背光源7发出的为可见光波段，则当准直背光源7在指纹识别模式下工作时，光源一701工作，为了减小指纹识别的干扰，光源二703一般关闭；识别完毕后光源一701关闭，光源二703工作。当准直背光源7在显示模式下工作时，光源二703工作，光源一701关闭。
若准直背光源7发出的为非可见光波段，则当准直背光源7在显示模式下工作时，光源二703工作，光源一701关闭。若检测到需要进行指纹识别，光源一701直接开启，识别完毕后光源一701关闭，光源二703继续工作。
本发明在每一个像素结构中添加了一个传感器接收区，用于放置光电传感器，实现了全屏指纹识别，提高了指纹识别的准确率以及传感器上的信号强度；将视角可切换的准直背光源用于液晶显示装置之上，实现在指纹识别模式和显示模式两种工作模式之间的快速切换，可以提升屏下指纹识别时传感器上的信号强度以及信噪比，同时保证了液晶屏显示时的可视角度足够大；当指纹识别的背光源为非可见光波段时，能够有效地消除指纹识别与显示之间的相互干扰。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述液晶显示装置是一种多层膜结构，包括上基板(2)，黑色矩阵层(3)，液晶层(4)，传感器(5)，下基板(6)，准直背光源(7)；所述准直背光源(7)在最下方，提供高度准直出射的光源，以供显示和指纹识别使用；在所述准直背光源(7)之上，从下至上各层依次为所述下基板(6)、所述传感器(5)、所述液晶层(4)、所述黑色矩阵层(3)和所述上基板(2)，或者依次是所述下基板(6)、所述传感器(5)、所述黑色矩阵层(3)、所述液晶层(4)和所述上基板(2)，又或者依次是所述下基板(6)、所述液晶层(4)、所述传感器(5)、所述黑色矩阵层(3)和所述上基板(2)；所述液晶显示装置进行指纹识别时，所述准直背光源(7)出射的光照射到所述上基板(2)表面之上的手指指纹(1)上，所述传感器(5)会接收到来自手指表面反射的光信号以进行指纹识别。
2.如权利要求1所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述上基板(2)、下基板(6)的材料优选玻璃，也可以选择塑料或其他柔性材料，如PET。
3.如权利要求1所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述黑色矩阵层(3)由两个相同的像素结构(31)并排组成，每个所述像素结构(31)上包含3个彩色滤光片开口区(301)和1个传感器开口区(302)。
4.如权利要求3所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述传感器开口区(302)可以位于所述彩色滤光片开口区(301)的下方、上方或者左右两侧。
5.如权利要求4所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述传感器(5)位于所述传感器开口区(302)的正下方。
6.如权利要求5所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述传感器(5)采用光电二极管，感光波段可以是可见光波段或非可见光波段，所述传感器(5)可以将来自所述手指指纹(1)的反射光转化为电信号，并进而生成指纹图像。
7.如权利要求1所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述准直背光源(7)包括两个准直光源和导光板，所述两个准直光源分别为光源一(701)和光源二(703)；所述准直背光源(7)有两种工作模式，即指纹识别模式与显示模式，并可在两种所述模式下快速切换；在所述指纹识别模式下工作时，所述准直光源发出的光可以是可见光波段，也可以是非可见光波段；当所述准直光源发出的光为非可见光波段时，指纹识别与显示可同时进行。
8.如权利要求7所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述光源一(701)和所述光源二(703)位于所述导光板的两个对角。
9.如权利要求8所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述导光板的底面以及四个侧面上均有微棱镜阵列，导光板侧面微棱镜(704)以及导光板底面微棱镜(705)通过全反射，将所述光源一(701)和/或所述光源二(703)先转变为线光源，再调整为垂直于所述导光板底面的面光源。
10.如权利要求9所述的一种基于准直背光源的屏下指纹识别液晶显示装置，其特征在于，所述导光板的顶部表面具有间隔分布的散射条纹(702)，当所述准直背光源(7)在所述指纹识别模式下工作时，所述光源一(701)工作，经全反射后形成的所述面光源正好从所述散射条纹(702)之间穿过，形成具有高度准直性的面光源用以指纹识别，提升信号接收器上的信号强度以及信噪比；当所述准直背光源(7)在所述显示模式下工作时，所述光源二(703)工作，经全反射后形成的所述面光源正好穿过所述散射条纹(702)，经散射形成大角度的光源用以显示，保证显示的可视角度足够大。
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