CN110929585A - 屏下光学指纹识别的装置 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种屏下光学指纹识别的装置，其包括一显示面板以及一指纹识别单元阵列，其中所述指纹识别单元阵列设置于所述显示面板内部，并且包括多个指纹识别单元以及多个衍射光栅层。所述多个指纹识别单元及所述多个衍射光栅层形成于所述显示面板的同一结构层中，所述多个衍射光栅层用以过滤在指纹识别中不需要的干扰光线，并且每个衍射光栅层形成于所述多个指纹识别单元中的一个指纹识别单元上，具有一对一对应关系。由于衍射光栅仅几微米厚度并具有光线角度过滤的功能，因此得以实现更高的开口率、分辨率并降低整体设备厚度的需求。

Description

屏下光学指纹识别的装置
技术领域
本申请涉及一种指纹识别技术，特别涉及一种屏下光学指纹识别的装置。
背景技术
目前的指纹识别技术主要分为超声波指纹识别、电容式指纹识别和光学指纹识别三种。这三种指纹识别技术都是利用手指脊和谷对相同探测信号产生不同的反馈效果进行识别。电容式指纹识别很难在屏幕下被放置来识别用户的指纹，因此通常采用外挂的方式来采集用户指纹信息，将识别模块额外設计于屏幕外，例如手机的Home键或机身背部，屏占比会因此而降低。超声波指纹识别，通常也会采用外挂的方式，若将超声波传感器设置在屏幕下采集指纹，其存在着识别率和识别速度较低的问题。传统的光学识别技术通常是利用光学系统将指纹成像于信号采集面上进行识别。但光学系统的体积较大，在传统的指纹门锁或者指纹打卡机上能够容纳如此大的体积，但是针对厚度较小的设备如智能手机、平板电脑等，无法采用如此大的光路系统，因此，此前的超薄显示设备多采用超声波和电容式指纹识别技术。
屏下光学指纹识别可以利用设备自身发射的光线到达指纹后采集指纹反射光进行指纹识别。但是指纹反射光会在一定角度范围内分散，不同指纹的光可能会被同一传感器接收感应，造成识别上的混淆，因此现有技术中会增加光路系统，使其尽可能的将其他的干扰光滤除，采集到传感器所对应到的指纹信息。
如图1A与1B所示，图1A为现有技术中采用黑矩阵101的光学指纹识别装置的示意图，图1B为现有技术中像素子单元102与光学指纹识别单元10的排列。现有技术中，光学指纹识别单元10设置在整个显示面板(未图示)下方，排列在调整黑矩阵(Black Matrix,BM)101以及像素子单元102下侧，通过调整黑矩阵101的几何尺寸使有效指纹信号光通过，而后光学指纹识别单元10接收此有效指纹信号光，以此提高指纹识别单元的信噪比。然而，上述方法可能会因为黑矩阵101布局造成显示开口率以及显示分辨率极大的损失。
中华人民共和国授权公告号CN109740556A公开了一种为了实现防止大角度的光的串扰，需要形成多层黑矩阵，即矩阵式图案化的遮光膜层，来阻挡大角度光的干扰，但是此种方式会增加设备的整体厚度。因此，其提出一种降低设备厚度的指纹识别模块，通过在指纹识别传感器阵列上形成具有上、下层纳米光栅层以及聚合物分散液晶层的光学结构，以实现进入指纹识别传感器的光的准直，也就是说指纹识别仍然需要通过多层薄膜光学结构来达到目的，因此上述方式只能将指纹识别传感器阵列放置于背板上，无法弹性地设置指纹识别传感器的位置。
因此，为了解决显示开口率、显示分辨率降低以及设备整体厚度增加的问题，有必要提供一种屏下光学指纹识别装置，以解决现有技术存在的问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种屏下光学指纹识别的装置，以解决现有屏下光学指纹识别技术中损失显示开口率、显示分辨率以及增加设备厚度的问题。
为实现上述目的，本申请一方面提供一种屏下光学指纹识别的装置，包括：
一显示面板；以及
一指纹识别单元阵列，设置于所述显示面板内部，所述指纹识别单元阵列包括多个指纹识别单元以及多个衍射光栅层，所述多个指纹识别单元与所述多个衍射光栅层形成于所述显示面板的同一结构层中，所述多个指纹识别单元具有感光功能，用以生成指纹感测信号，所述多个衍射光栅层用以过滤在指纹识别中不需要的干扰光线，
其中每个衍射光栅层形成于所述多个指纹识别单元中的一个指纹识别单元上，所述多个指纹识别单元与所述多个衍射光栅层具有一对一对应关系。
进一步地，所述衍射光栅层包括多个透光区以及多个不透光区，所述多个透光区包括多个相互平行的狭缝，所述多个不透光区位于这些狭缝之间，所述多个透光区与所述多个不透光区交错设置。
进一步地，所述衍射光栅层具有对小角度入射光的高透过性，以及对大角度入射光的低透过性，使得指纹识别中大角度的干扰光的衍射效率降低。
进一步地，当所述衍射光栅层与入射光的入射角度介于0度至10度时，大于10度的大角度干扰光的衍射效率小于等于10％。
进一步地，所述显示面板为一液晶显示面板显示面板，其包括：
一薄膜晶体管阵列基板；
一彩膜基板，与所述薄膜晶体管阵列基板相对设置；
一液晶层，设置于所述薄膜晶体管阵列基板和所述彩膜基板之间；以及一上层偏光层，位于所述彩膜基板上。
可选地，所述指纹识别单元阵列设置于所述薄膜晶体管阵列基板上，位于所述薄膜晶体管阵列基板以及所述液晶层之间。
可选地，所述指纹识别单元阵列设置于所述彩膜基板上，位于所述彩膜基板以及所述液晶层之间。
可选地，所述指纹识别单元阵列设置于所述彩膜基板以及所述上层偏光层之间。
进一步地，所述显示面板为一有机发光二极体显示面板，其包括：
一薄膜晶体管阵列基板；
多个像素子单元，位于所述薄膜晶体管阵列基板上；
一封装層，位于所述多个像素子单元上；以及
一偏光层，位于所述封装層上。
可选地，所述指纹识别单元阵列设置于所述封装層以及所述偏光层之间。
由于衍射光栅仅几微米厚度，因此本申请的屏下光学指纹识别装置没有光学系统带来的尺寸限制，也就不会对显示设备的模组厚度有较大需求。再者，通过本申请能够实现角度过滤的功能，过滤在指纹识别中不需要的大角度的干扰光线，屏下光学指纹识别装置原则上无须光学结构或者黑矩阵的辅助，因而实现更高的显示开口率以及显示分辨率。另外，由于衍射光栅层是集成于每个指纹识别单元中或是连接于每个指纹识别单元的本体上，具有极大的方便性，因此具有衍射光栅层的指纹识别单元得以根据需要任意排布。可见，本申请具有实用性及便利性，可以适用于任何类型的显示设备，相比传统指纹识别技术，其优势十分明显。
附图说明
图1A为现有技术中采用黑矩阵的光学指纹识别装置的示意图。
图1B为现有技术中像素子单元与指纹识别单元的排列。
图2A为根据本申请的衍射光栅层示意图。
图2B为根据本申请第一实施例的具有衍射光栅层的指纹识别单元示意图。
图2C为根据本申请第二实施例的具有衍射光栅层的指纹识别单元示意图。
图2D为根据本申请第三实施例的具有衍射光栅层的指纹识别单元示意图。
图3为衍射光栅原理的示意图。
图4为根据本申请采用具有衍射光栅层的指纹识别单元的光学指纹识别装置的示意图。
图5为不同入射角度下光栅衍射效率的分布图。
图6A为根据本申请第四实施例的有机发光二极管显示面板的示意图。
图6B为根据本申请第五实施例的有机发光二极管显示面板的示意图。
图7A为根据本申请第六实施例的液晶显示面板的示意图。
图7B为根据本申请第七实施例的液晶显示面板的示意图。
图7C为根据本申请第八实施例的液晶显示面板的示意图。
图7D为根据本申请第九实施例的液晶显示面板的示意图。
图8A为根据本申请第十实施例的像素子单元与指纹识别单元阵列的排列。
图8B为根据本申请第十一实施例的像素子单元与指纹识别单元阵列的排列。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本申请进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，本申请说明书所使用的词语“实施例”意指用作实例、示例或例证，并不用于限定本申请。
本申请提供一种屏下光学指纹识别装置，其具备屏下光学指纹识别功能。所述屏下光学指纹识别装置包括有一显示面板以及一指纹识别单元阵列，其中所述指纹识别单元阵列设置于所述显示面板内部，并且包括有多个指纹识别单元以及多个衍射光栅层，所述多个指纹识别单元与所述多个衍射光栅层形成于所述显示面板的同一结构层中。所述多个指纹识别单元具有感光功能，用以生成指纹感测信号，所述多个衍射光栅层用以过滤在指纹识别中不需要的干扰光线。通过将多个衍射光栅层与多个指纹识别单元进行一对一对应地结合，即每个衍射光栅层形成于所述多个指纹识别单元中的一个指纹识别单元上，在没有借助黑矩阵(Black Matrix,BM)或是光学结构的情况下，实现降低大角度的干扰光，进而增加显示开口率、显示分辨率以及降低设备整体厚度。可以理解的是，下文中的“指纹识别单元阵列”可以代表“多个具有衍射光栅层的指纹识别单元”。
请参照图2A，图2A为根据本申请的衍射光栅层201示意图。每个衍射光栅层201包括多个透光区2012以及多个不透光区2014，所述多个透光区2012包括多个相互平行的狭缝，所述多个不透光2014区位于这些狭缝之间，也就是说多个透光区2012与所述多个不透光区2014交错设置。
在本实施例中，所述多个相互平行的狭缝可以是周期性排列的狭缝，也可以是规则性排列的狭缝，本申请并未对多个相互平行的狭缝的排列方式做限制。
在本实施例中，衍射光栅层201可以是一黑白光栅或是一正弦光栅等。
请参照图2B，图2B为根据本申请第一实施例的具有衍射光栅层的指纹识别单元2示意图。衍射光栅层201可以通过在制作指纹识别单元20的显影蚀刻制程中，将衍射光栅层201集成到指纹识别单元20内部，该一体化结构可以完全地没有占据到指纹识别单元20之外的显示区域。可见，本申请具有可以大幅度地减少为了解决大角度干扰光而增加的光学结构，进而降低设备厚度要求。本申请并不对制程方式做限定，本申请也不限于将衍射光栅层201嵌入或制作于指纹识别单元20中的方式。
请参照图2C，图2C为根据本申请第二实施例的具有衍射光栅层的指纹识别单元3示意图。衍射光栅层201可以通过纳米压印、电子束或者离子束刻蚀等方式成型于指纹识别单元20上，形成具有衍射光栅层201的指纹识别单元3。本申请并不对制程方式做限定，本申请也不限于将衍射光栅层201成型于指纹识别单元20的外部表面的方式。
请参照图2D，图2D为根据本申请第三实施的具有衍射光栅层的指纹识别单元4示意图。衍射光栅层201可以通过透明连接层202(例如光学胶)与指纹识别单元20连接，形成具有衍射光栅层201的指纹识别单元4。本申请并不对透明连接层202做限定，本申请也不限于衍射光栅层201通过透明连接层202与指纹识别单元20连接的方式。
为了方便说明，以下以本申请第一实施例为图示说明以及列举说明。
结合如图3所示，图3为衍射光栅原理的示意图。本申请利用了衍射光栅层201对不同角度的入射光具有不同的衍射效果，当一与光栅垂直的入射光入射经光栅时，并且衍射光程差为光波长的整数倍，即符合2dsinθ＝mλ时(d为狭缝之间的间距，θ为绕射角，m为整数以及λ为光波长)，光线之间会加强干涉形成亮纹，其中最强亮纹处为中心处，随着离中心处越远，亮纹的强度会呈现非线性的减弱，也就是说光栅本身具有明显的强中心亮纹以及弱周围亮纹的的特性。具体来说，小角度入射光301在本实施例中为具有较大的垂直入射分量的有效指纹信号光，当小角度入射光301入射时，衍射光栅层201对其具有高穿透特性以及高衍射效率，因此能够收到较高能量的信号。另外，大角度入射光302在本实施例中为具有较小的垂直入射分量的无效指纹信号光或是背底噪声信号光，当大角度入射光302入射时，衍射光栅层201对其具有低穿透特性以及低衍射效率，因此收到较低能量的信号。具体地，由于大角度入射光302本身具有较小的垂直入射分量，因此大角度入射光302所产生亮纹的强度相较于小角度入射光301所产生亮纹的强度弱，即大角度的无效指纹信号光的强度比小角度的有效指纹信号光的强度弱，藉此指纹信息能被有效的识别。
请参照图4，图4为根据本申请采用具有衍射光栅层的指纹识别单元2、3或4的光学指纹识别装置的示意图。经指纹反射后的光线(包括小角度入射光301以及大角度入射光302)会先经过衍射光栅层201，而后位于衍射光栅层201下方的指纹识别单元20会同时接收到具有较高能量信号的小角度衍射光以及具有较低能量信号的大角度衍射光，由于能量的差异，具有衍射光栅层的指纹识别单元2、3或4接收到较高信噪比(Signal-to-noiseratio,SNR)的信号，因此可以很容易的判别出有效指纹信号。
在本实施例中，可以通过设定光栅的参数，例如光栅材料的折射率、光栅周期以及占空比等，调整出在不同的光栅衍射效率的分布。优选地，结合如图5所示，图5为不同入射角度下光栅衍射效率的分布图。该光栅具有折射率约为1.55、光栅周期0.5μm、占空比为0.3的结构，横轴为入射光入射角度，纵轴为衍射效率，可以看出在0度～10度范围内的信号光衍射效率约为65％，其余大角度的干扰光衍射效率约为10％。此时，具有衍射光栅层的指纹识别单元2接收到的光信号绝大多数来自小角度的有效指纹区域，无效干扰区的光占比很少，因此指纹信息能够被有效地识别。
请参照图6A以及6B，图6A以及6B分别为根据本申请第四实施例以及第五实施例的有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示面板的示意图。所述OLED显示面板包含有一薄膜晶体管阵列(Thin-Film Transistor array，TFT array)基板501，在其上依序为多个像素子单元502、一封装層503以及一偏光层504，所述多个像素子单元502为有机发光单元，薄膜晶体管阵列基板501用以驱动所述多个像素子单元502发光，封装层503用以防止水氧入侵，偏光层504用以产生偏振光，其中所述OLED显示面板更包含有一指纹识别单元阵列5，其可以被设置于TFT array基板501与封装層503之间(如图6A所示)或是封装層503与偏光层504之间(如图6B所示)。
OLED功能层包括多个具有阳极、阴极(未图示)以及设置于阳极与阴极之间的有机发光层的像素子单元502。于一实施例中，指纹识别单元阵列5具体地可以位于与阳极同一个膜层位置上及阳极的间隙之间或位于与阴极同一个膜层位置上及阴极的间隙之间，以显影蚀刻制程制得。另外，指纹识别单元阵列5也可以以显影蚀刻制程方式先形成于偏光层504上，偏光层504上形成有指纹识别单元阵列5的一面再与薄膜晶体管阵列基板501上的封装層503贴合，使得指纹识别单元阵列5位于偏光层504与封装层503之间。
请参照图7A至7D，图7A至7D分别为根据本申请第六实施例至第九实施例的液晶(Liquid Crystal Display，LCD)显示面板的示意图。所述LCD显示面板包含有一下层偏光层601以及设置于其上方的一TFT array基板602，在TFT array基板602上依序为一液晶层603、一对向基板605以及一上层偏光层606，所述TFT array基板602中具有多个红色子像素、多个蓝色子像素和多个绿色子像素，所述对向基板605例如为玻璃基板，液晶层603设于TFT array基板602和对向基板605之间，下层偏光层601和上层偏光层606用以产生偏振光。
进一步地，LCD显示面板更包括有多个彩膜(Color filter,CF)单元604，所述多个彩膜单元604用以滤光，其包括多个红色色阻、多个蓝色色阻和多个绿色色阻，可以形成于TFT array基板602上，或是形成于对向基板605上。当多个彩膜单元604形成于TFT array基板602上，对向基板605为用以提供公共电压的玻璃或塑胶基板；当多个彩膜单元604形成于对向基板605上，对向基板605称为彩膜基板，具体地，所述多个彩膜单元604设置于所述彩膜基板上面向TFT array基板602的一侧。为了方便说明，图7A至图7D为对向基板605是彩膜基板的情况的示意图。
在本实施例中，LCD显示面板更包括有一指纹识别单元阵列5，其可以被设置于下层偏光层601与TFT array基板602之间(如图7A所示)、TFT array基板602与液晶层603之间(如图7B所示)、液晶层603与对向基板605之间(如图7C所示)或是对向基板605与上层偏光层606之间(如图7D所示)。
进一步地，当对向基板为彩膜基板时，所述指纹识别单元阵列5设置于液晶层603与彩膜基板之间(见图7C)，所述多个彩膜单元604与所述指纹识别单元阵列5可以位于同一膜层。于另一实施例中，所述所述指纹识别单元阵列5被设置于彩膜基板与上层偏光层606之间(见图7D)。
具体地，所述指纹识别单元阵列5可以通过显影蚀刻制程集成于TFT array基板602中的缓冲层(未图示)或是钝化层(未图示)，也可以通过在TFT array基板602面向下层偏光层601一侧、对向基板605面向液晶层603一侧或是对向基板605面向上层偏光层606一侧以显影蚀刻制程的方式形成指纹识别单元阵列5。
相较于现有技术占据大体积的结构，本申请通过将仅有几微米厚度的衍射光栅层与每个指纹识别单元(如CMOS)结合，即每个指纹识别单元对应一个衍射光栅层，指纹识别单元与衍射光栅层具有一对一对应关系，也就是说每一个独立的具有衍射光栅层的指纹识别单元都能够实现角度过滤的功能并且达到轻薄元件的效果，没有传统光学系统带来的尺寸限制，因此设备的整体厚度需求得以降低。再者，相较于现有技术，无论光学系统能够被缩小到多少尺寸，光学系统仍然是由多层薄膜或是光学结构所组成，因此识别传感器只能被放置于整个显示面板下方，排列在光学结构以及像素子单元下侧，无法大幅度地变更识别传感器的位置。由于本申请的衍射光栅层是集成或是连接于每个指纹识别单元中，具有极大的方便性，因此具有衍射光栅层的指纹识别单元得以根据需要任意排布并且更有弹性地被设置于显示面板中多个位置中。可以理解的是当具有衍射光栅层的指纹识别单元2被设置于显示面板中不同位置时，所采集到的指纹反射光强度和指纹信噪比皆有所不同，因此当具有衍射光栅层的指纹识别单元2设置越靠近指纹505的位置，来自指纹505的反射光受到的干扰越小，因此本申请能够提升屏下指纹识别的识别率。本申请适用于各种形式的显示设备，例如LCD、OLED、QLED以及micro LED等类型的显示器。
结合如图8A以及8B所示，图8A以及8B分别为根据本申请第十实施例以及第十一实施例的像素子单元604(502)与指纹识别单元阵列5的排列。在此以上视图表示像素子单元604(502)与指纹识别单元阵列5的水平相对位置，可以理解的是像素子单元604(502)与指纹识别单元阵列5可以位于同一层也可以位于不同层。如图8A所示，一个具有衍射光栅层的指纹识别单元对应红色像素子单元R、绿色像素子单元G及蓝色像素子单元B三个像素子单元排列，且沿着像素子单元604(502)的短边的方向排列；如图8B所示，一个具有衍射光栅层的指纹识别单元对应红色像素子单元R、绿色像素子单元G及蓝色像素子单元B三个像素子单元排列，且沿着像素子单元604(502)的长边的方向排列。可以理解的是，根据不同的像素子单元604(502)组合以及指纹识别单元阵列5位置的变动，有多种排列方式，此处不一一列举。
综合上述，本申请的目的并非将无效指纹信号光源完全阻隔，而是通过衍射光栅层的设置，提高SNR，使得指纹信息能被有效的识别。再者，本申请可以无须增加额外的光学结构来避免大角度的干扰光信号的接收，因此可以大幅度的降低设备整体厚度的需求。
虽然本申请已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本申请，本领域的普通技术人员，在不脱离本申请的范围内，均可作各种更动与润饰，因此本申请的保护范围以权利要求界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种屏下光学指纹识别的装置，其特征在于，包括：
一显示面板；以及
一指纹识别单元阵列，设置于所述显示面板内部，所述指纹识别单元阵列包括多个指纹识别单元以及多个衍射光栅层，所述多个指纹识别单元与所述多个衍射光栅层形成于所述显示面板的同一结构层中，所述多个指纹识别单元具有感光功能，用以生成指纹感测信号，所述多个衍射光栅层用以过滤在指纹识别中不需要的干扰光线，
其中每个衍射光栅层形成于所述多个指纹识别单元中的一个指纹识别单元上，所述多个指纹识别单元与所述多个衍射光栅层具有一对一对应关系。
2.根据权利要求1所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：每个衍射光栅层包括多个透光区以及多个不透光区，所述多个透光区包括多个相互平行的狭缝，所述多个不透光区位于这些狭缝之间，所述多个透光区与所述多个不透光区交错设置。
3.根据权利要求1所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述衍射光栅层具有对小角度入射光的高透过性，以及对大角度入射光的低透过性，使得指纹识别中大角度的干扰光的衍射效率降低。
4.根据权利要求1所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：当所述衍射光栅层与入射光的入射角度介于0度至10度时，大于10度的大角度干扰光的衍射效率小于等于10％。
5.根据权利要求1所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于，所述显示面板为一液晶显示面板显示面板，其包括：
一薄膜晶体管阵列基板；
一彩膜基板，与所述薄膜晶体管阵列基板相对设置；
一液晶层，设置于所述薄膜晶体管阵列基板和所述彩膜基板之间；以及
一上层偏光层，位于所述彩膜基板上。
6.根据权利要求5所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述指纹识别单元阵列设置于所述薄膜晶体管阵列基板上，位于所述薄膜晶体管阵列基板以及所述液晶层之间。
7.根据权利要求5所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述指纹识别单元阵列设置于所述彩膜基板上，位于所述彩膜基板以及所述液晶层之间。
8.根据权利要求5所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述指纹识别单元阵列设置于所述彩膜基板以及所述上层偏光层之间。
9.根据权利要求1所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述显示面板为一有机发光二极体显示面板，其包括：
一薄膜晶体管阵列基板；
多个像素子单元，位于所述薄膜晶体管阵列基板上；
一封装層，位于所述多个像素子单元上；以及
一偏光层，位于所述封装層上。
10.根据权利要求9所述的屏下光学指纹识别的装置，其特征在于：所述指纹识别单元阵列设置于所述封装層以及所述偏光层之间。
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