CN111325193B - 一种显示和输入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种显示和输入装置，该装置包括：一显示面板，显示面板包含显示基板、显示阵列和盖板，显示像素包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素，相邻两个子像素的像素电极之间具有狭缝；显示阵列中沿着狭缝具有像素限定层以及沿着像素限定层设置有平凹透镜阵列，该平凹透镜的光轴垂直且穿过狭缝的中心；图像传感模组；在图像传感阶段，显示像素发光并照明在盖板上的被摄物体，图像传感模组采集通过平凹透镜阵列的被摄物体表面的反射光图像。本发明中，平凹透镜阵列可以限制反射光线角度，使只有小于特征角度的反射光线可以通过平凹透镜阵列进入图像传感模组，通过抑制大角度反射光线提高被摄物体表面的反射光图像的清晰度。

Description

一种显示和输入装置
技术领域
本发明实施例涉及显示技术，尤其涉及一种显示和输入装置。
背景技术
随着移动终端应用市场的扩大，其显示器内拓展了更多的功能，与触摸面板集成，实现触摸和显示功能，进一步的与指纹探测器集成，实现指纹识别功能。指纹探测器基本为扁平或平板结构，显示面板外部形状也是平板结构，在结构上，两者可以相互覆盖或贴合，或者，两者的平面映射可以相互覆盖或叠加。
现有指纹探测器接收的反射光线，包括来自其正上方的指纹脊谷的反射，还会有来自其周边其他指纹的大角度反射光线，导致指纹图像模糊。
发明内容
本发明实施例提供一种显示和输入装置，以提高指纹图像的清晰度。
本发明实施例提供了一种显示和输入装置，包括：
一显示面板，所述显示面板包含一个显示基板和覆盖在所述显示基板一侧的由复数个显示像素所组成的显示阵列，所述显示像素包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素，所述子像素包括像素电极，相邻两个所述子像素的像素电极之间具有狭缝；所述显示阵列中沿着所述狭缝具有完全覆盖所述狭缝的像素限定层以及沿着所述像素限定层设置有平凹透镜阵列，该平凹透镜的光轴垂直于所述显示面板且穿过所述狭缝的中心；
一覆盖在所述显示基板的与所述显示阵列相反一侧的图像传感模组，所述图像传感模组包含一个由复数个光敏像素所组成的传感阵列；
所述显示面板还包含一个可透过可见光的盖板，其内侧表面覆盖在所述显示阵列上；
在图像传感阶段，所述显示像素发光并照明在所述盖板上的被摄物体，所述图像传感模组采集通过所述平凹透镜阵列的被摄物体表面的反射光图像。
本发明中，显示和输入装置的显示阵列中，相邻两个子像素的像素电极之间具有狭缝且沿着狭缝具有完全覆盖狭缝的像素限定层，像素限定层上设置有平凹透镜阵列，其中平凹透镜的光轴垂直于显示面板且穿过狭缝的中心；在图像传感阶段，显示像素发光并照明在盖板上的被摄物体上，图像传感模组采集通过平凹透镜阵列的被摄物体表面的反射光图像。设置在像素限定层中的平凹透镜阵列可以限制进入图像传感模组的反射光线角度，使只有小于一个特征角度的反射光线可以通过平凹透镜阵列进入图像传感模组，通过抑制大角度反射光线提高被摄物体表面的反射光图像的清晰度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图虽然是本发明的一些具体的实施例，对于本领域的技术人员来说，可以根据本发明的各种实施例所揭示和提示的器件结构，驱动方法和制造方法的基本概念，拓展和延伸到其它的结构和附图，毋庸置疑这些都应该是在本发明的权利要求范围之内。
图1是本发明实施例提供的一种显示和输入装置的示意图；
图2是图1所示显示阵列的局部示意图；
图3是图2沿A-A'的剖视图；
图4是本发明实施例提供的屏下指纹探测的原理图；
图5是反射光线的光强度分布图；
图6是指纹图片；
图7是本发明实施例提供的显示阵列的局部示意图；
图8是本发明实施例提供的显示阵列的局部示意图；
图9是本发明实施例提供的显示阵列的局部示意图，图3是图9沿B-B'的剖视图；
图10是本发明实施例提供的显示面板的示意图；
图11是本发明实施例提供的显示面板的示意图；
图12是本发明实施例提供的像素限定层的示意图；
图13是本发明实施例提供的显示阵列的局部示意图；
图14是本发明实施例提供的显示和输入装置的示意图；
图15是显示阵列的像素电极矩阵的示意图；
图16是不同方向上具有不同狭缝间距的显示阵列结构的傅里叶变换图；
图17是准直结构的示意图；
图18是凸透镜阵列的示意图；
图19是被摄物体表面的反射光经光阑1和光阑2的光路示意图；
图20是光通量和最大光路角度的关系图；
图21是使用光阑1和2前后的MTF曲线；
图22是狭缝处不设置平凹透镜阵列的显示装置的示意图；
图23～图28是显示和输入装置的制作流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将参照本发明实施例中的附图，通过实施方式清楚、完整地描述本发明的技术方案，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例所揭示和提示的基本概念，本领域的技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1所示，为本发明实施例提供的一种显示和输入装置的示意图。图2是图1所示显示阵列的局部示意图，图3是图2沿A-A'的剖视图。本实施例提供的显示和输入装置包括：一显示面板1，显示面板1包含一个显示基板11和覆盖在显示基板11一侧的由复数个显示像素12a所组成的显示阵列12，显示像素12a包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素12b，子像素12b包括像素电极121，相邻两个子像素12b的像素电极121之间具有狭缝122；显示阵列12中沿着狭缝122具有完全覆盖狭缝122的像素限定层13以及沿着像素限定层13设置有平凹透镜阵列14，该平凹透镜141的光轴垂直于显示面板1且穿过狭缝122的中心；一覆盖在显示基板11的与显示阵列12相反一侧的图像传感模组2，图像传感模组2包含一个由复数个光敏像素21所组成的传感阵列；显示面板1还包含一个可透过可见光的盖板15，其内侧表面覆盖在显示阵列12上；在图像传感阶段，显示像素12a发光并照明在盖板15上的被摄物体3，图像传感模组2采集通过平凹透镜阵列14的被摄物体表面的反射光图像。
可选显示和输入装置为有机发光显示和输入装置，可选该显示和输入装置为柔性或刚性装置。还可选显示和输入装置为制作在柔性基板上或制作在刚性基板上的量子点发光显示装置。
本实施例中，显示面板1具备显示功能，显示面板1包含一个显示基板11和一个由复数个显示像素12a所组成的显示阵列12，其中显示基板11中设置有用于控制显示阵列12显示的像素电路阵列和外部驱动电路等结构，在此不再赘述，可选显示阵列12包含有机发光二极管或无机发光二极管。在此所述的复数是指数量超过2的整数，即显示面板1包含一个由两个以上显示像素12a所组成的显示阵列12，显示阵列12中显示像素12a的数量与显示面板1的分辨率相关，不同产品所需的分辨率不同，那么显示阵列12中显示像素12a的数量也发生相应变化。显示时，显示基板11控制显示阵列12内的各个显示像素12a显示图像内容，以实现显示功能，在此不对显示阶段的显示过程和原理进行具体描述。显示面板1还包含一个可透过可见光的盖板15，其内侧表面覆盖在显示阵列12上，被摄物体3可以按压在盖板15的外侧表面，显示阵列12发出的光透过盖板15投射在被摄物体3上。
显示像素12a包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素12b，可选显示像素12a包括发出红色R光谱的子像素、发出绿色G光谱的子像素和发出蓝色B光谱的子像素。在其他实施例中，还可选显示像素包括两种或三种以上不同颜色光谱的子像素，例如显示像素包括发出红色光谱的子像素和发出绿色光谱的子像素，在本发明中不限定显示像素中子像素的颜色种类和每种颜色子像素的数量。在其他实施例中还可选，显示像素包括RGB三色子像素，还包括发出红外光谱的子像素。
本实施例中，子像素12b包括像素电极121，显示阵列12中各个子像素12b的像素电极121相互独立，因此相邻两个子像素12b的像素电极121之间具有狭缝122，实现相邻两个像素电极121之间的电绝缘。显示阵列12中沿着狭缝122具有完全覆盖狭缝122的像素限定层13，像素限定层13具有多个开口，一个开口与一个子像素12b对应设置，一个开口所限定出的子像素区域即为显示面板1的最小显示单元。显示阵列12中还包括沿着像素限定层13设置的平凹透镜阵列14，平凹透镜阵列14包括多个平凹透镜141，该平凹透镜141的光轴垂直于显示面板1且穿过狭缝122的中心。平凹透镜141可以限制进入图像传感模组2的光线角度，使其小于一个特征角度，通过抑制大角度光线提高被摄物体图像的清晰度。
本实施例中，图像传感模组2和显示阵列12分别覆盖在显示基板11的两侧。图像传感模组2包含一个由复数个光敏像素21所组成的传感阵列，在此所述的复数是指数量超过2的整数，即图像传感模组2包含一个由两个以上光敏像素21所组成的传感阵列。可选传感阵列的光敏像素包含非晶硅光电二极管或结晶硅的光电二极管。每个光敏像素21的开关被打开后，会被写入显示面板1发出的光线投射到被摄物体3表面后再通过平凹透镜阵列14反射回来的光电信号，图像传感模组2根据各个光敏像素21的光电信号采集得到一幅图像。
可选被摄物体3为手指指纹或文件，手指指纹或文件紧密接触在盖板15的外侧表面上。在图像传感阶段，显示像素12a发光并照明在盖板15上的被摄物体3上，图像传感模组2采集通过平凹透镜阵列14的被摄物体表面的反射光图像。
以被摄物体3为手指指纹为例。显示阵列12发出的光线遇到按压在盖板15的外侧表面上的手指指纹时，根据光线入射的手指指纹不同位置会有不同强度的反射，手指指纹包括谷和脊。光线打在手指指纹的脊位置时，较多的光线进入手指皮肤内部，则反射光线较暗，光敏像素21感测得到的光电信号较弱；光线打在手指指纹的谷位置时，需要经过盖板15进入空气再入射手指指纹谷位置，空气和盖板15的折射率差异较大，使得光线在盖板15上有较高的反射率，因此反射光线较强，光敏像素21感测得到的光电信号较强。这样图像传感模组2采集得到一幅强弱交替的图像，该图像就是手指指纹在图像传感模组2中的映射。如果传感阵列完全覆盖整个显示阵列，该显示和输入装置就能够实现全显示区域的指纹识别，简称为全屏指纹识别。
以被摄物体3为文件为例。文件包括纸件上的文字/图形以及文字/图形之外的纸件空白区域，显示阵列12发出的光线遇到按压在盖板15的外侧表面上的文件时，根据光线入射的文件不同位置会有不同强度的反射。光线打在文字/图形的线条上时，文字/图形的线条颜色暗于空白区域，则反射光线较暗，光敏像素21感测得到的光电信号较弱；光线打在纸件空白区域时，反射光线较强，光敏像素21感测得到的光电信号较强。这样图像传感模组2采集得到一幅具有强弱区别的图像，该图像就是文件在图像传感模组2中的映射。
本实施例中，像素限定层13中设置的平凹透镜阵列14可以抑制大角度光线以提高被摄物体图像的清晰度。原理如下文所述。
图4是显示和输入装置的屏下指纹探测的原理图。结合图1和图4，显示阵列12由复数个显示像素12a在显示基板11的平面上排布的矩阵所构成，显示像素12a包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素12b。可选显示和输入装置为顶发射结构，那么以图4所示显示阵列12发出的光线朝上发射，可选子像素12b为有机发光二极管，有机发光二极管的薄膜作为朗伯发光体，其发光亮度在任意方向相同。显示和输入装置在单位立体角内的光通量
Figure BDA0002462269550000051
依赖于光线出射方向与发光面102(即显示阵列12的表面)的垂线的夹角θ，满足方程
Figure BDA0002462269550000052
其中，
Figure BDA0002462269550000053
代表子像素发出的光线为角度θ时的单位立体角内的光通量，
Figure BDA0002462269550000054
代表了子像素发出的光线为角度0时的单位立体角内的光通量。
通常盖板15是光滑的玻璃盖板，盖板15的外侧表面是盖板15和空气的界面。以被摄物体是手指指纹为例，在手指指纹的山谷位置，谷与盖板15之间保有一定的空气间隙，在手指指纹的山脊位置，脊通常直接接触盖板15的外侧表面。当显示阵列12发出的光线入射到指纹谷位置时，由于空气折射率小于盖板15的折射率，更多的光线在厚度为D1的盖板15的外侧表面发生反射，光线以同样的角度做镜面反射并折返回到发光面102。当显示阵列12发出的光线入射到指纹脊位置时，由于皮肤的折射率较空气更接近于玻璃盖板的折射率，更多的光线通过盖板15的外侧表面透射进皮肤，脊反射光线变弱。在盖板和手指接触的表面的反射光线会随着指纹的山谷或者山脊的周期性变化地势而呈现周期性变化的明暗条纹，捕捉到这种明暗条纹就是采集指纹图像的过程。
基于显示和输入装置的盖板15和空气的光反射特性，从盖板15和空气之间的界面101反射回来的反射光线在发光面102的光通量密度按照入射角度分布为：
Figure BDA0002462269550000061
假设n1是玻璃盖板的折射率，n2是空气的折射率，n1近似等于1.4，n2近似等于1，根据折射定律，n1·sin(θ1)＝n2·sin(θ2)；
那么一条从发光点(即子像素12b)发出的光线经过盖板15的反射，其反射光线会回到距离发光起点为R的位置，R＝2·D1·tan(θ1)。
根据以上三个表达式，设定θ1为变量参数，可以计算出发光面102上的反射光线的强度分布，计算结果绘图后如图5所示，表征了反射光线的扩散程度，其中，横坐标为反射光线的反射角度angle，纵坐标为反射光线在发光面上的光强度intensity。
检测发现，在接近盖板15和空气的界面101的全反射角度43度附近，反射光线强度会陡然增大。大角度的反射光线并非来自发光面101正上方的指纹山谷的反射，而是周边其它指纹的反射，从图4的光路图可以理解，盖板15越厚，大角度的反射光线就来自越远的指纹反射。如此容易导致指纹图像模糊。
在子像素12b的间隙处即像素限定层13中设置平凹透镜阵列14，可以限制进入图像传感模组2的光线角度，使只有小于一个特征角度的反射光线可以通过平凹透镜阵列14进入图像传感模组2。可选特征角度为10度即张角20°，那么超过特征角度10度的反射光线不会通过平凹透镜阵列14，进而也无法进入图像传感模组2，因此通过抑制大角度反射光线提高被摄物体的图像清晰度。
根据图5的反射光线的角度分布曲线，可以看到，区域A所对应的反射光线的角度为10°内，该区域A内的反射光线的光强度约为5.5％左右，而且基本不会随着角度的变化而发生变化。假设从发光面102到盖板15的玻璃表面的垂直距离D1为500微米，那么从显示像素的狭缝向着盖板外侧表面的20度的张角则对应于盖板玻璃表面上180微米宽度的区域，即R＝2*500*tan10≈180。
图6是一个实际测量的指纹图片，由该图可知，指纹山脊的周期大致为525微米，大致等于上述张角对应的宽度R的2.9倍，其指纹山脊的周期的1/2为263微米。当显示阵列中子像素的间距即像素电极之间的狭缝的重复周期小于指纹山脊的周期的1/2时，根据奈奎斯特采样定理，通过设置平凹透镜阵列，在张角20°以内可以使得采集的指纹数据足以恢复原始指纹的基本图像，其中，指纹山脊的周期的1/2可以看做是指纹图像的最小采样距离。可以理解，指纹图像的最小采样距离LM因年龄、体型、人种而有一定差异，可以设定LM＝200微米，该LM适用绝大多数人群且该尺寸小于绝大多数智能终端的子像素尺寸。
本发明实施例中，显示和输入装置的显示阵列中，相邻两个子像素的像素电极之间具有狭缝且沿着狭缝具有完全覆盖狭缝的像素限定层，像素限定层上设置有平凹透镜阵列，其中平凹透镜的光轴垂直于显示面板且穿过狭缝的中心；在图像传感阶段，显示像素发光并照明在盖板上的被摄物体上，图像传感模组采集通过平凹透镜阵列的被摄物体表面的反射光图像。设置在像素限定层中的平凹透镜阵列可以限制进入图像传感模组的反射光线角度，使只有小于一个特征角度的反射光线可以通过平凹透镜阵列进入图像传感模组，通过抑制大角度反射光线提高被摄物体表面的反射光图像的清晰度。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选平凹透镜为圆形平凹透镜、椭圆形平凹透镜或柱状平凹透镜。
如图2所示平凹透镜141为圆形平凹透镜，即平凹透镜141的凹面为半球形，则平凹透镜阵列14包括多个相互独立的圆形平凹透镜，相邻两个像素电极之间的像素限定层13中均匀设置有至少一个平凹透镜141。本领域技术人员可以根据产品所需合理设定平凹透镜阵列中平凹透镜的分布密度。本实施例中沿着电极狭缝设置多个圆形凹透镜，可以对沿着电极狭缝的大角度光线起折射和聚焦的效果，从而提高纵向和横向的图像空间分辨率。可以理解，纵向和横向的电极狭缝的宽度可能不一样，那么不同电极狭缝宽度下制作的凹透镜的曲率半径也可以不同。
如图7所示平凹透镜141为椭圆形平凹透镜，即平凹透镜141的凹面为半椭球形，则平凹透镜阵列14包括多个相互独立的椭圆形平凹透镜，相邻两个像素电极之间的像素限定层13中均匀设置有至少一个平凹透镜141。本领域技术人员可以根据产品所需合理设定平凹透镜阵列中平凹透镜的分布密度。
如图8所示平凹透镜141为柱状平凹透镜，即平凹透镜141的凹面为半圆柱状，可选平凹透镜阵列14包括多个相互独立的柱状平凹透镜，相邻两个像素电极之间的像素限定层13中均匀设置有至少一个平凹透镜141。本领域技术人员可以根据产品所需合理设定平凹透镜阵列中平凹透镜的分布密度。
如图9所示平凹透镜阵列14包括多个柱状平凹透镜，该多个柱状平凹透镜沿像素限定层13连通为一个整体，图2是图9沿B-B'的剖视图。其中，显示像素的电极狭缝呈长条形，柱状凹透镜和狭缝的形状相呼应。盖板玻璃上小于半个指纹条纹宽度的图像汇聚到图像传感模组的一个光敏像素的宽度之内，可以提高图像清晰度，在此前提下基于显示阵列中横向和纵向的狭缝宽度可能不一样，横向和纵向的柱状凹透镜的尺寸也可以发生相应不同。
在其他实施例中，还可选平凹透镜阵列包括柱状平凹透镜阵列、圆形平凹透镜阵列和椭圆形平凹透镜阵列中的至少两种。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图10所示平凹透镜141制作在像素限定层13内，其凹面朝向盖板15的方向，其边缘连接盖板15的内侧表面，平凹透镜141的凹面定义盖板15到显示阵列12的间隙。
本实施例中，可选形成像素限定层13后，直接在像素限定层13上刻蚀形成阵列排布的多个凹面，即可获得多个平凹透镜141，其中，平凹透镜141的光轴垂直于显示面板并穿过相邻两个子像素12b之间电极狭缝122的中心，平凹透镜141的曲面向着图像传感模组一侧弯曲。设置在狭缝122上的平凹透镜141能够将从盖板15的外侧表面反射回来的光束做一定程度的收敛，使只有小于一个特征角度的反射光线可以通过平凹透镜141进入图像传感模组，提高被摄物体的图像清晰度。
可以理解，在像素限定层13内制作平凹透镜141，具体是在显示和输入装置的既有像素限定层PDL(pixel define layer)和支撑PS(photo spacer)层上做微细加工形成凹面以得到，仅增加一道光刻工艺即可达成制作，无需增加膜层，与现有技术相比，不会增加显示和输入装置的成本和厚度。基于此，平凹透镜相当于复用为隔离相邻两个发光子像素的隔离墙/PDL；至少一个平凹透镜的边缘连接盖板的内侧表面，则平凹透镜的两侧或者周围一圈凸起墙相当于复用为支撑盖板的PS。可选平凹透镜的材料可以是用感光树脂等有机材料制成，也可以是覆盖有增透膜的有机材料制成，便于加工且能够让反射光线高效率地透过。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图11所示平凹透镜141制作在盖板15的内侧表面上，其凹面朝向像素限定层13的方向，其边缘连接显示阵列12，平凹透镜141的凹面定义盖板15到显示阵列12的间隙。
本实施例中，制作盖板15时，在盖板15的内侧表面一体成型多个凹面，凹面朝向像素限定层13的方向弯曲，即可在像素限定层13上形成阵列排布的平凹透镜阵列，每个平凹透镜141的光轴垂直于显示面板并穿过相邻两个子像素12b之间电极狭缝122的中心。设置在狭缝122上的平凹透镜141能够将从盖板15的外侧表面反射回来的光束做一定程度的收敛，使只有小于一个特征角度的反射光线可以通过平凹透镜141进入图像传感模组，提高被摄物体的图像清晰度。可以理解，在盖板15上制作平凹透镜141，仅增加一道光刻工艺即可达成制作，无需增加膜层，与现有技术相比，不会增加显示和输入装置的成本和厚度。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图12和图13所示像素限定层13包含不透光的黑色膜层131和黑色膜层131上的通光孔132，通光孔132的中心和平凹透镜141的光轴重合。
如图12所示在沿着电极狭缝122的方向上设置有黑色膜层131，黑色膜层131具有多个通光孔132且可选通光孔132为半球形。如图13所示在黑色膜层131上形成有平凹透镜阵列14，黑色膜层131环绕每个平凹透镜141，平凹透镜141位于通光孔132上，以及平凹透镜141的光轴分别与狭缝122的中心和通光孔132的中心重合。在其他实施例中，还可选在沿着电极狭缝的方向上设置有黑色膜层，黑色膜层具有多个通光孔且可选通光孔为长方形，在通光孔中形成平凹透镜，则黑色膜层位于相邻两个平凹透镜之间，平凹透镜的光轴分别与狭缝的中心和通光孔的中心重合。
可选黑色膜层131为不透过光线的黑色材料，如黑色矩阵等，黑色矩阵可以隔离相邻两个发光子像素，同时黑色矩阵中的通光孔及其上的平凹透镜可以滤除大角度的反射光线，仅使小于特征角度的反射光线通过，以此减少大角度反射光线进入图像传感模组，提高被摄物体的图像清晰度。
可选如图14所示平凹透镜141和通光孔132的组合作用使得从被摄物体反射的角度小于θ的光线通过通光孔131并进入图像传感模组2，其中角度θ满足如下公式：0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)，其中，Pd为显示阵列上子像素的尺寸，D1为盖板的外侧表面与平凹透镜阵列之间的垂直距离。
图14图示了被摄物体3的反射光线通过像素电极之间的狭缝122后，落在图像传感模组2上的光线路径。可以看到，被摄物体3的反射光线只有在像素电极间的狭缝122处才能通过，将这个过程称为电极狭缝122对于反射光线代表的被摄物体图像的第一次空间采样。在被摄物体图像上的采样区域对应了狭缝122的位置和有效通光立体角2θ，这里所说的有效通光立体角2θ是电极狭缝122可以通过的反射光线的最大张角，其中，最大张角由子像素12b的电极狭缝122以及图像传感模组2的光学结构所共同决定。
若相邻或不同位置的电极狭缝122采集到盖板15的外侧表面的同一位置的反射光线，该反射光线会进入多个光敏像素，造成图像传感模组2采集得到的反射光图像的串扰或模糊化。若盖板15的外侧表面的某一位置的反射光线未被任意一个电极狭缝122采集得到，则会造成被摄物体图像的细节遗漏。基于此，设定角度θ满足如下公式：0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)，按照该有效通光立体角2θ的表达公式设计和制造显示和输入装置及其中的图像传感模组，可使一个电极狭缝122采集到盖板15外侧表面的一块区域的反射光线，相邻电极狭缝122的采集区域的边缘相邻，能够改善反射光图像的串扰或模糊化，还能够避免被摄物体图像的采集遗漏问题。其中，Pd可以理解为显示阵列上子像素的排布周期，也可以理解为相邻两个子像素的中心点的间距。
通过狭缝122的光线强度的空间分布可以通过对被限定在一定角度内的光强分布和狭缝通光孔径的卷积积分而得到，根据卷积的傅里叶变换定理，通过狭缝122的光线强度的傅里叶变换，其空间频谱是在一定角度内均匀分布的反射光强度的MTF和狭缝的MTF的乘积所决定。通过电极间狭缝122的光线必须穿过一定厚度的透明玻璃基板(显示基板11)才能到达位于显示基板11底部的图像传感模组2，此为第二次空间采样。在第二次空间采样过程中，光线依然保持在盖板15玻璃中的传播角度，以镜像反转的方式继续扩散，类似于针孔成像原理，盖板15玻璃上的局限于部分角度的被摄物体图像通过狭缝122后被镜像反转，镜像反转的被摄物体图像投射在图像传感模组2的传感阵列上，以此采集得到反射光图像，完成第二次图像空间采样。
对于第一次空间采样，存在以下情况，显示阵列中显示像素通常由红R、绿G、蓝B三色子像素构成。一个显示像素通常是对称的正方形或者六角形，那么单色的子像素尺寸可能不是长宽基本相等的对称形状，而很可能是长方形，相应的相邻像素电极的狭缝之间的相互距离在不同的方向也就存在不同。如图15所示为一个显示阵列的像素电极矩阵，其中，X方向上相邻两个狭缝122的间距Px大于Y方向上相邻两个狭缝122的间距Py，可选Px大于3Py，如此显示像素中可以包括同等大小和形状的RGB三色子像素的结构。狭缝间距可以看做为采样间隔。
对于在不同方向上具有不同狭缝间距的显示阵列结构，其傅里叶变换如图16所示，包括被摄物体图像在盖板中第一次扩散后的三条MTF曲线，MTF曲线可以是通过对图5中的空间区域A做傅里叶变换而得到频谱，该三条MTF曲线分别为X方向采样函数MTF曲线X-direction sampling function、Y方向采样函数MTF曲线Y-direction sampling function以及盖板外侧表面的反射光线在盖板内扩散后的强度分布频谱Light diffusion incover glass，其中，0.5/P处表示出来的是X方向采样的奈奎斯特频率，1.5/P处表示出来的是Y方向采样的奈奎斯特频率。根据奈奎斯特采样定理，只有在奈奎斯特频率以下的空间频率的图像信息才能够被恢复，也就是图16中0.5P～1.5P构成的频率区间为被摄物体图像能够再现的最大空间频率，P表征为一个子像素的宽度。
对于X和Y方向上狭缝间距大小不同时，X和Y方向上有效通光立体角2θ也应该不同，根据实际应用和制造工艺等因素，X和Y方向上有效通光立体角不同且处于上述立体角公式限定的范围内，即0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)。但在其他实施例中，还可选对于X方向和Y方向上狭缝间距相等的情况，2θ＝tan-1(Pd/D1)；不限于此，本领域技术人员可以根据产品所需确定有效通光立体角。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图17所示显示和输入装置还包括：设置在显示面板和图像传感模组2之间的准直结构4，准直结构4包括至少一个具有复数个光通道41的光学准直层4a，光通道41为贯穿该光学准直层4a的光纤或通孔且光通道41垂直于图像传感模组2所在平面。显示面板包括显示基板11和显示阵列，图像传感模组2和显示阵列分别设置在显示基板11的两侧表面，在显示面板和图像传感模组2之间设置准直结构4实质是指在显示面板的显示基板11和图像传感模组2之间设置准直结构4。复数个光通道41是指至少两个光通道，可选光学准直层4a具有均匀排布的多个光通道41。
光学准直层4a包括遮光区域和多个透光区域，透光区域为光通道41以使光线通过，遮光区域阻挡和吸收光线，其中，相邻两个光通道41之间的黑色填料即为遮光区域。可选光通道41为贯穿该光学准直层4a的光纤，则光线在高透光率的光纤中传播并出射，可选光通道41为贯穿该光学准直层4a的通孔，则光线在该贯穿的通孔中传播并出射。光通道41垂直于图像传感模组2所在平面，则光通道41可以使通过狭缝的且小于特定角度的反射光线穿过并入射至图像传感模组2。在其他实施例中，还可选准直结构包括至少两个具有复数个光通道的光学准直板。
本实施例中，通过使用光学准直层4a，大角度的反射光线或者来自显示像素周边的光被光学准直层4a的遮光区域表面或光通道内壁吸收，只有角度较小的反射光线可以穿过并入射至图像传感模组2，因此通过限制大角度的反射光线进入图像传感模组2，较大的提高了被摄物体表面的反射光图像的分辨能力，提高图像清晰度。
以上是第二次空间采样的过程，第二次空间采样或第二次图像采样实质是指光线从狭缝出射经过准直结构入射图像传感模组。具体的，反射光线入射至传感阵列的受光面上，传感阵列中每个光敏像素都会接受来自各个角度的反射光线，在图像传感模组上面覆盖一层准直结构，能够避免大角度反射光线对反射光图像的串扰和模糊作用。其中，准直结构可以是由光纤面板所构成，每根光纤或者光通道的宽度在几个微米到十几个微米之间，光纤或光通道之间为黑色填充物或者反射层。准直结构使得只有小于一定入射角度的反射光线才能顺利通过光纤或光通道到达光敏像素。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选如图18所示显示和输入装置还包括：设置在显示面板和图像传感模组2之间的一个由复数个凸透镜51所组成的凸透镜阵列5，该凸透镜51的光轴平行于平凹透镜141的光轴。
在图像传感模组上面覆盖一层准直结构，能够避免大角度反射光线对反射光图像的串扰和模糊作用。准直结构包括光学准直层，光学准直层可选为光纤面板，反射光线在光纤内壁多重反射的光线能量会发生一定的损失。完全没有这种多重反射损失的光线的角度δ大致为：δ＝tan(Df/Lf)，其中，Df是光纤或者光通道的通光直径，Lf是光纤的长度，也就是光学准直层的厚度。示例性的，Df为5微米，Lf为100微米，那么δ约为2.9度。可以得出，光学准直层能够有效地隔绝大角度的反射光线，确保被摄物体表面的反射光图像的清晰度，但相对于前述的张角20度的范围，能够获取的光信号小于其光能的15％，导致光信号微弱。
基于此，本实施例中采用凸透镜阵列5设置在显示面板和图像传感模组2之间，以在提高反射光图像清晰度的同时降低光能损失。
显示面板包括显示基板11，在显示面板和图像传感模组2之间设置凸透镜阵列5实质是指在显示面板的显示基板11和图像传感模组2之间设置凸透镜阵列5。复数个凸透镜51是指至少两个凸透镜，可选凸透镜51为椭圆微透镜或圆形微透镜或柱状微透镜。凸透镜51具有聚焦功能，那么在显示基板11和图像传感模组2之间设置凸透镜51，凸面朝向盖板一侧，更多的从电极狭缝透射出的反射光线可以被聚焦并到达图像传感模组2的表面，增加光通量并提高光线采集效率。可选图像传感模组2中一个光敏像素对应至少一个聚焦用的凸透镜51。可选在不增加或者少增加新的零部件、材料或工艺的基础上，利用装置已有结构、材料或工艺，设置凸透镜的曲面曲度、尺寸、分布密度等结构参数，使凸透镜能够将入射到其凸面的发散光束转换成近似平行光束，以此让凸透镜聚焦大部分的反射光线，提高光线采集效率、光通量和聚光作用。
可选如图18所示凸透镜阵列5还包括一遮光板52；遮光板52包括多个光阑孔53，凸透镜51的光轴穿过光阑孔53的中心。可选凸透镜阵列5和遮光板52上的光阑孔53均匀分布和覆盖在传感阵列上。
为了更进一步改善光线采集效率，图18中凸透镜阵列5采用微透镜即凸透镜51和至少一个遮光板52的结构，遮光板52包括多个光阑孔53。对于图像传感模组2中传感阵列的每个光敏像素，可选n个聚焦用的凸透镜51均匀分布和覆盖在一个光敏像素上，并且，m个光阑孔53均匀分布和覆盖在一个光敏像素上，m和n均为正整数。凸透镜阵列5中微透镜可以对通过平凹透镜141和电极狭缝透射出的反射光线进行聚焦，增加光通量并提高光线采集效率；然后，光阑孔53可以对聚焦后的反射光线进行大角度滤除，阻挡吸收较大角度的反射光线，使聚焦后较大角度的反射光线不会进入光敏像素，提高被摄物体表面的反射光图像的清晰度。
遮光板52包括遮光区域和多个透光区域，透光区域为光阑孔53以使光线通过，遮光区域阻挡和吸收光线，其中，相邻两个光阑孔53之间的黑色填料即为遮光区域。可选遮光板52具有层叠设置的两个光阑孔阵列，面向显示基板11的上光阑孔阵列的光阑孔孔径较大，面向图像传感模组2的下光阑孔阵列的光阑孔孔径较小，便于抑制大角度的反射光线。
可选凸透镜51和光阑孔53的组合作用使得从被摄物体反射的角度小于θ的光线通过光阑孔53并进入图像传感模组2，其中角度θ满足如下公式：
0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)，其中，Pd为显示阵列上子像素的尺寸，D1为盖板的外侧表面与平凹透镜阵列之间的垂直距离。
参考图14可知，被摄物体3的反射光线只有在像素电极间的狭缝122处才能通过，在被摄物体图像上的采样区域对应了狭缝122的位置和有效通光立体角2θ，这里所说的有效通光立体角2θ是电极狭缝122可以通过的反射光线的最大张角，其中，最大张角由子像素12b的电极狭缝122以及图像传感模组2的光学结构所共同决定。可以理解，图像传感模组的光学结构可以包括光敏像素上的凸透镜阵列和遮光板的光阑孔。
示例性的，若光敏像素的尺寸Ps为50微米，显示基板11的厚度D2为200微米，那么这种凸透镜和光阑孔结合的准直结构可以采集角度约14.5度以内的所有反射光线，与图17相比光通量可以增加5倍以上，降低了光能损失，保证了反射光图像的清晰度。
如上所述，可选像素限定层的黑色膜层131为光阑1，遮光板52为光阑2，如图19所示为被摄物体表面的反射光被光阑1和光阑2所限制后的状况，如图20为光通量和最大光路角度的关系，如图21为使用光阑1和2前后的MTF曲线，可见通过限制反射光线的角度可以明显提高图像的MTF，从而提高图像的空间分辨率。
需要说明的是，子像素的像素电极不一定是正方形，很可能是对应于RGB三色子像素的矩形，那么在电极较窄的方向上有效通光立体角较小，在电极较宽的方向上有效通光立体角较大，使得穿过电极狭缝的空间立体角在盖板玻璃的指纹图像上的投影能覆盖尽可能大的面积且无过多重叠。电极狭缝处的通光孔和图像传感模组上的孔径光阑的合成效应决定了有效通光孔径或者有效通光立体角。也就是说，在图像传感模组上使用微型凸透镜和孔径光阑时，凸透镜和孔径光阑可能被优化呈椭圆形，以便对应于像素的长宽方向的不同尺寸，同时能够覆盖更多的盖板玻璃上的指纹图像，还能够避免各个光学单元采集到的图像发生重叠或发生较多重叠。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选平凹透镜的角度放大率GW满足如下公式：GW·D2/D1<1；其中，D1为盖板的外侧表面与平凹透镜阵列之间的垂直距离，D2为平凹透镜阵列与传感阵列之间的垂直距离。
参考图22所示，为狭缝处不设置平凹透镜阵列的显示装置。对于该显示装置，根据针孔成像原理，玻璃盖板上一个长度为L1的指纹图像会在图像传感模组上结像为一个长度为L2的镜像图像，即L2＝L1·D2/D1。为了不让每个狭缝采集的原始图像在图像传感模组上发生重叠即L2<L1，必须满足D2<D1，也就是狭缝到玻璃盖板外侧表面的垂直距离应大于该狭缝到图像传感模组的垂直距离。
参考图14所示，为狭缝处设置平凹透镜阵列的显示和输入装置。当使用凹透镜之后，光线的有效通光立体角变小，不会发生每个狭缝采集的原始图像在图像传感模组上重叠的问题，因此无需限定D2<D1。但是假设平凹透镜的角度放大率为GW(GW<1)，为了不让每个狭缝采集的原始图像在图像传感模组上发生重叠，那么需要满足GW·D2/D1<1。如此工作人员对于显示和输入装置的显示基板、盖板玻璃以及图像传感模组的位置和尺寸可以有更大的设计自由度。
示例性的，在上述技术方案的基础上，可选光敏像素的尺寸Ps满足如下公式：Ps≤GW·LM·D2/D1；其中，LM为手指指纹的一根条纹的平均宽度或者为文件上待辨识的文字或图形的最小尺寸，D1为盖板的外侧表面与平凹透镜阵列之间的垂直距离，D2为平凹透镜阵列与传感阵列之间的垂直距离，GW为平凹透镜的角度放大率。
如上所述，一个几何尺寸为LM的指纹图像，经过像素电极狭缝的采样和平凹透镜的缩小立体角，在图像传感模组上的投影大小为LMI＝GW·LM·D2/D1。为了保证反射光图像的清晰度，使图像传感模组上的一个光敏像素不会同时收到来自两个电极狭缝的指纹图像投影，那么光敏像素的尺寸Ps满足：Ps≤GW·LM·D2/D1。其中，Ps可以理解为传感阵列上光敏像素的排布周期，也可以理解为相邻两个光敏像素的中心点的间距。
此外，平凹透镜的曲面根据以下目标设计和制造：在像素电极上设置一凹透镜，在每个光敏像素的靠近入射光的一侧设置单个或多个凸透镜，并且给每个凸透镜设置相对应的光阑孔或者通光孔径，令凸透镜的光轴垂直于图像传感模组并穿过光阑孔的中心，凸透镜排列在一个平行于图像传感模组的平面上。
按照上述要求设置的显示和输入装置，能够使半个指纹条纹周期宽度的图像在图像传感模组上的结像宽度小于或等于一个光敏像素的宽度。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种显示和输入装置的制作方法，可选显示和输入装置为OLED显示器，如图23所示该制作方法包括：
S1、提供一显示基板101，该显示基板101为玻璃基板或其他透明基板；
S2、在显示基板101上形成半导体薄膜102，该半导体薄膜102作为薄膜晶体管的活性层，可选半导体薄膜102为低温多晶硅薄膜或氧化物半导体薄膜等；
S3、在半导体薄膜102上形成薄膜晶体管的栅极绝缘层103，栅极绝缘层103为氧化硅、氮化硅、或者氧化硅/氮化硅的多层膜；
S4、在栅极绝缘层103上形成薄膜晶体管的栅电极104，该栅电极104为低温多晶硅材料或者金属钼/铜/铝合金等；
S5、在栅电极104上形成用以保护薄膜晶体管的钝化绝缘膜105，钝化绝缘膜105可以是氮化硅或者氮化硅和氧化硅的多层膜；
S6、对钝化绝缘膜105进行开孔106，以便让后续形成的薄膜晶体管的源或漏电极和半导体薄膜102相接触；
S7、形成薄膜晶体管的源电极或漏电极107，源电极或漏电极107的材料可以是金属钼、铜、铝合金等；
S8、形成平坦化层108，平坦化层108用以将驱动面板100的表面平坦化，通常用涂布方法覆盖一层有机膜，再高温烘烤或者用UV硬化等方法成型；
S9、形成阳极导电层109，阳极导电层109的材料可以是纯金属、或者透明导电膜、或者透明导电膜和高反射率金属的复合多层膜，比如阳极导电层109包括透明导电膜ITO和高反射率银金属层；
S10、将阳极导电层109刻蚀呈独立的像素电极，相邻像素电极之间具有可以透光的间隙即狭缝110；
S11、如图24所示在OLED驱动面板100上面涂布一层液态的有机膜201，该有机膜201可以采用光感树脂材料，然后使用UV硬化或者高温烘烤的办法进行预烘烤，蒸发原有有机膜液体中的溶剂；
S12、如图25所示对预烘烤后的有机膜201进行曝光和刻蚀，通过调节刻蚀的工艺参数，比如等离子体的功率和氧气的含量百分比等，使得在电极狭缝110处刻蚀出一个漏斗形的孔202，该刻蚀孔202的中心可以完全刻蚀穿有机膜201，不留有机膜材料，或者留下很薄的但是大于光波长的一层；
S13、如图26所示做第二层有机膜203的涂布，选用合适粘度的有机膜材料和工艺参数，使得有机膜203在平坦处和开孔处的厚度基本相同，或者有机膜203在平坦处略微薄一些；然后对有机膜203进行UV硬化处理或者高温烘烤定型；
可以理解，选择合适的有机膜201和有机膜203，使得硬化和定型后的光学折射率满足关系式：n201≥n203，这样反射光线在有机膜201和有机膜203的界面处发生折射也能起到一定的凹透镜的效果，从而凹透镜的曲率半径的设计可以有额外的一个自由度，满足不同的工艺条件，其中，有机膜201和203均对可见光有较高的透过率；
S14、如图27所示使用同一张光罩对两层有机膜201和203进行刻蚀，再做一定的高温烘烤，使得凹透镜200的表面更加光滑；
为了进一步提高光的透过率，也可以在刻蚀凹透镜200之前进行AR(anti-reflection，增透减反膜)层的镀膜，再用同一张光罩对三层膜进行刻蚀；
在其他实施例中，还可选采用如上方法制作凹透镜，其区别在于，如图28所示凹透镜200的第一层有机膜204是不透光材料，可以起到遮挡大角度光线的目的，将该黑色有机膜204设置在相邻的凹透镜200之间，就可以形成多个凹透镜200。在其他实施例中还可选在电极狭缝和相邻凹透镜的间隙处不对第一层有机膜做孔的刻蚀，保留全部的厚度，从而满足遮挡可见光的目的。
本领域技术人员可以理解，以上仅是一种OLED显示装置的制作流程图，还可以采用其他方法和工艺制作平凹透镜阵列，并非仅限于上述步骤。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整、相互结合和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (16)

1.一种显示和输入装置，其特征在于，包括：
一显示面板，所述显示面板包含一个显示基板和覆盖在所述显示基板一侧的由复数个显示像素所组成的显示阵列，所述显示像素包含至少两种发出不同颜色光谱的子像素，所述子像素包括像素电极，相邻两个所述子像素的像素电极之间具有狭缝；所述显示阵列中沿着所述狭缝具有完全覆盖所述狭缝的像素限定层以及沿着所述像素限定层设置有平凹透镜阵列，该平凹透镜的光轴垂直于所述显示面板且穿过所述狭缝的中心；
一覆盖在所述显示基板的与所述显示阵列相反一侧的图像传感模组，所述图像传感模组包含一个由复数个光敏像素所组成的传感阵列；
所述显示面板还包含一个可透过可见光的盖板，其内侧表面覆盖在所述显示阵列上；
在图像传感阶段，所述显示像素发光并照明在所述盖板上的被摄物体，所述图像传感模组采集通过所述平凹透镜阵列的被摄物体表面的反射光图像。
2.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述平凹透镜为圆形平凹透镜、椭圆形平凹透镜或柱状平凹透镜。
3.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述被摄物体为手指指纹或文件，所述手指指纹或文件紧密接触在所述盖板的外侧表面上。
4.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述平凹透镜制作在所述像素限定层内，其凹面朝向所述盖板的方向，其边缘连接所述盖板的内侧表面，所述平凹透镜的凹面定义所述盖板到所述显示阵列的间隙。
5.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述平凹透镜制作在所述盖板的内侧表面上，其凹面朝向所述像素限定层的方向，其边缘连接所述显示阵列，所述平凹透镜的凹面定义所述盖板到所述显示阵列的间隙。
6.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述像素限定层包含不透光的黑色膜层和所述黑色膜层上的通光孔，所述通光孔的中心和所述平凹透镜的光轴重合。
7.根据权利要求6所述的显示和输入装置，其特征在于，所述平凹透镜和所述通光孔的组合作用使得从所述被摄物体反射的角度小于θ的光线通过所述通光孔并进入所述图像传感模组，其中角度θ满足如下公式：
0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)，
其中，Pd为所述显示阵列上子像素的尺寸，D1为所述盖板的外侧表面与所述平凹透镜阵列之间的垂直距离。
8.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，还包括：设置在所述显示面板和所述图像传感模组之间的准直结构，所述准直结构包括至少一个具有复数个光通道的光学准直层，所述光通道为贯穿该光学准直层的光纤或通孔且所述光通道垂直于所述图像传感模组所在平面。
9.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，还包括：设置在所述显示面板和所述图像传感模组之间的一个由复数个凸透镜所组成的凸透镜阵列，该凸透镜的光轴平行于所述平凹透镜的光轴。
10.根据权利要求9所述的显示和输入装置，其特征在于，所述凸透镜阵列还包括一遮光板；所述遮光板包括多个光阑孔，所述凸透镜的光轴穿过所述光阑孔的中心。
11.根据权利要求10所述的显示和输入装置，其特征在于，
所述凸透镜和所述光阑孔的组合作用使得从所述被摄物体反射的角度小于θ的光线通过所述光阑孔并进入所述图像传感模组，其中角度θ满足如下公式：
0.5tan-1(Pd/D1)≤2θ≤2tan-1(Pd/D1)，
其中，Pd为所述显示阵列上子像素的尺寸，D1为所述盖板的外侧表面与所述平凹透镜阵列之间的垂直距离。
12.根据权利要求10所述的显示和输入装置，其特征在于，所述凸透镜阵列和所述遮光板上的光阑孔均匀分布和覆盖在所述传感阵列上。
13.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述平凹透镜的角度放大率GW满足如下公式：
GW·D2/D1<1；
其中，D1为所述盖板的外侧表面与所述平凹透镜阵列之间的垂直距离，D2为所述平凹透镜阵列与所述传感阵列之间的垂直距离。
14.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述光敏像素的尺寸Ps满足如下公式：
Ps≤GW·LM·D2/D1；
其中，LM为手指指纹的一根条纹的平均宽度或者为文件上待辨识的文字或图形的最小尺寸，D1为所述盖板的外侧表面与所述平凹透镜阵列之间的垂直距离，D2为所述平凹透镜阵列与所述传感阵列之间的垂直距离，GW为所述平凹透镜的角度放大率。
15.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述显示阵列包含有机发光二极管或无机发光二极管。
16.根据权利要求1所述的显示和输入装置，其特征在于，所述传感阵列的光敏像素包含非晶硅光电二极管或结晶硅的光电二极管。
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