CN115769100A - 用于显示器的装置 - Google Patents

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内马尼娅·尼克蒂科
伊戈尔·古列维奇
巴萨姆·哈拉
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Abstract

一种装置包括显示屏和设置在显示屏后面的光学传感器模块。所述光学传感器模块还包括光发射器，所述光发射器可操作以产生具有朝向目标物体透射通过显示屏的波长的光。光传感器可操作以感测由目标物体反射并具有该波长的光。缩减器被设置为通过增大由光发射器产生的光束在显示屏上的直径来减小光功率密度，其中缩减器被设置在光发射器和显示屏之间，以便与由光发射器产生的光束相交。

Description

用于显示器的装置
技术领域
本公开涉及设置在显示屏后面的光学传感系统。
本专利申请要求欧洲专利申请20181209.6的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
背景技术
光学传感器，例如接近传感器、生物传感器、3D传感器，当在诸如OLED、μLED、TFT或等离子的显示器后面使用时，能够导致显示器失真。光学接近感测通常依赖于发射红外(IR)或近红外(NIR)光，并测量从待检测物体反射回来的光能。通常，诸如IR或NIR的光，其能量超过显示器中使用的许多半导体(例如Si-TFT)的带隙。由于显示器的低透射率，在实现所需传感距离需要的光功率与由光学辐照度控制的显示器失真之间存在权衡。
本公开的目的是提供一种克服上述缺点的装置。
这一目标是通过独立权利要求的主题实现的。从属权利要求中描述了另外的发展和实施例。
应当理解，除非被描述为备选方案，否则关于任何一个实施例描述的任何特征都可以单独使用，或者与本文描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征结合使用，或者与任何其他的实施例的任何组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中限定的装置的范围的情况下，也可以使用以下未描述的等效物和修改。
发明内容
本公开描述了用于帮助减少或消除由光学传感器(例如接近传感器模块、生物传感器、3D传感器等)中的光发射器的能量引起的显示屏失真的技术。
以下涉及光学传感系统领域中的改进构思。建议减少显示器上的功率密度，但增加总发射光功率。可选地，能够调谐光束发散度。以下一个或更多个方面可能有助于改进的构思：
·增加封装高度以增加光束直径，例如通过使用串扰阻挡孔径，
·增加光束直径，例如，通过使用光束整形光学器件(增加或不增加封装高度)，例如，具有2个或更多个透镜、微透镜阵列和准直透镜，和/或例如具有大的照明场(FOI)和准直透镜的光发射器，例如VCSEL，
·调整光束发散度，例如以减少进入光传感器中的串扰。
在这种情况下，已经发现，为了加宽输出侧的光束直径，例如模块或光学封装的面向目标的孔径，可以在靠近光发射器处增加光束发散度。虽然光束发散度能够通过发射器设计来控制，但这可能需要极大的结构变化(例如在epi中，其通常是相当漫长和复杂的过程)。替代地，缩减器被集成到模块中，以增加光束发散度，从而增加显示屏上的光束直径。通常，缩减器被设置为通过增加由光发射器产生的光束例如在显示屏上的直径来减小光功率密度。
例如，在一个方面，本公开描述了一种装置，该装置包括显示屏和设置在显示屏后面的光学接近传感器模块。光学传感器模块还包括光发射器，其可操作以产生光，所述光具有用于朝向目标物体透射通过显示屏的波长。光传感器可操作以传感由目标物体反射并具有该波长的光。
光学传感器模块还包括缩减器，用于通过增加由光发射器产生的光束在显示屏幕上的直径来降低光功率密度。缩减器设置在光发射器与显示屏之间，以便与光发射器产生的光束相交。
改进的构思允许在显示屏后面实现光学传感器(例如检测距离大于30mm的光学接近传感器)，其失真大大减少或几乎没有失真。改进的构思可以应用于包括光发射器发所有类型的光学传感器，例如接近传感器模块、生物传感器、3D传感器等。
在下文中，光表示电磁频谱的人眼能够感知的部分内的电磁辐射。这包括波长为400至700纳米范围内的可见光。然而，术语“光”也包括红外线，例如近红外线(波长较长)和紫外线(波长较短)。
物镜可以是单个透镜或反射镜，也可以是几个光学元件的组合。形成光束直径和/或发散度的元件被认为是光束整形光学器件。这包括透镜，例如准直透镜、一组这样的透镜和/或具有透镜性质的一个或更多个光学表面。
术语“设置在显示屏后面”表示例如在俯视图中，沿着显示器发射的主方向(例如显示屏的表面法线)观看，显示屏覆盖光学传感器模块。在任何情况下，光学传感器模块都“设置在显示屏后面”，使得光发射器产生的光束需要穿过显示屏，从而成为屏幕失真的潜在来源。
缩减器在下文中表示能够设置在光发射器与显示屏之间以便与由光发射器产生的光束相交的任何装置。这可以是例如光学封装或光学元件的模块的一部分，例如光束整形光学器件。例如，缩减器被设置为从由光发射器产生的光束分散光能，从而减少显示屏的失真。
一些实施方式包括以下一个或更多个特征。例如，在一些情况下，光学传感器模块(例如光学接近传感器模块)设置在显示器后面，在光发射器和光传感器之间具有光学屏障。光发射器的有源表面与模块(例如光学封装)的顶表面之间的距离大于2mm。
根据另一方面，本公开描述了一种缩减器，其包括在光发射器的有源表面和模块的顶表面之间的光束整形光学器件。光束整形光学器件可操作以通过将光束直径增加到所需程度，即在显示屏处或显示屏上增加到所需光束直径来降低光功率密度。
光束整形光学器件可以包括各种折射和/或反射部件，例如透镜或透镜组的物镜和/或诸如反射镜的反射表面。例如，光束整形光学器件包括伽利略望远镜、漫射器和准直透镜、微透镜阵列和准直透镜，具有至少两个反射表面，并且可选地其中一个部分反射的反射光束整形器。
光学传感器模块包括光发射器，该光发射器包括多个发光元件中的一个，每个发光元件可操作以产生朝向外部目标物体透射通过显示屏的光。光发射器和发光元件可共同操作以提供用于接近感测的足够的光能。
一些实施方式包括在显示屏上具有大的照明场(即FOI>30°)的VCSEL激光二极管，以及准直透镜和/或边缘发射激光器，该激光器具有可产生宽的FOI垂直发射的光束弯曲面和准直透镜。
示例实施例的附图的以下描述可以另外说明和解释改进构思的方面。具有相同结构和相同效果的部件和零件分别以等效的附图标记显示。只要部件和部分在不同图中的功能方面彼此对应，则不必对以下各图重复其描述。
附图说明
图1A、1B示出了装置的示例实施例，
图2A、2B示出了装置的另一示例实施例，
图3示出了装置的另一示例实施例，
图4示出了由于横向偏移引起的示例功率损失计算，
图5示出了光束整形光学器件的另一示例实施例，
图6示出了示例模拟，以及
图7示出了具有反射式准直光束扩展器的光束整形光学器件的示例实施例。
具体实施方式
图1A和图1B示出了装置的示例实施例。在该实施例中，该装置包括光学封装。光学封装包括两个腔室1、2，这两个腔室由光屏障3光学分离，并设置在基板4上。一个腔室容纳带有光传感器的接收器5，另一个腔室容纳光发射器6。两个腔室都能够与光学器件7、8互补，以改变发射和/或检测中的光束。光学封装相对于显示器9设置。
图1A所示为标准光学封装，其高度小于等于1mm，如箭头所示。考虑到感兴趣的场FOI为20°的VCSEL，显示屏上的光束直径约为200μm。这可能导致光束撞击显示屏时的显示器的失真。图1B示出了高度增加(例如2.5mm高度)的所提出的光学封装的示例。考虑将VCSEL作为FOI为20°的光发射器，显示屏上的光束直径约为750μm。因此，光束撞击显示屏时的显示器的失真显著减少。例如，显示器上的光功率密度降低了14倍。封装高度的增加能够被视为一种缩减器。反过来，缩减器具有增加光学封装高度的效果。
图2A和图2B示出了装置的另一示例实施例。该实施例包括与图1A和图1B中讨论的光学封装相似的光学封装。可选的，或者除了设置封装的高度之外，建议使用光束整形光学器件8来改变光束直径。理由如下。为了加宽输出端处的光束直径，靠近光发射器6(例如VCSEL)的光束发散度可能需要增加。光束发散能够通过发射器设计来控制，但通常需要改变例如epi，这是相当漫长和复杂的过程。因此，优选使用凹透镜来增加发散度，凹透镜例如设置在光发射器与显示屏之间，从而与由光发射器产生的光束相交。
简化模型可以假设伽利略望远镜。此外，考虑焦距f1的一个凸透镜和焦距f2的一个凹透镜，两个焦点可以重合。然后，光束半径放大倍数为m＝f1/f2。示例：f1＝1mm，f2＝0.2mm，m＝5，总长度＝0.8mm。
在一个实施方式选项中(图2A)，凸透镜被设置在光学封装的盖中，凹透镜被复制到光发射器(例如VCSEL)上。由于第二透镜能够被视为光发射器(例如VCSEL)的一部分，因此这可能对整体封装概念影响很小。在另一实施方式选项(图2B)中，具有一个凸表面和一个凹表面的单个光学元件被附接到光学封装的盖或孔。这可以改善两个透镜的居中并可以减少指向误差。
图3示出了装置的另一示例实施例。该图以实际数字示出了示例，并说明了缩减器通过光束整形光学器件增加光束直径的效果。该示例假设VCSEL发射波长为940nm，发散度为±12.5°。作为缩减器的光束整形光学器件8具有内透镜半径R1和外透镜半径R2。发射器6与半径R1的内透镜之间的距离表示为T1，透镜高度表示为T2。假设显示屏处的光束直径为D＝800μm。图中示出了另外的设计约束和公差。
在本示例中，光束直径扩大3倍，同时保持恒定的光束发散度。原则上，设计扩展VCSEL光束的系统是可行的(在表中用向上的双箭头表示)。一个问题可能是，该设计对于给定的容差范围是稳定的(在表中用向下的双箭头表示)。
图4示出了由于横向偏移导致的功率损失计算示例。图3的实施例可能由于透镜直径及其相对偏移而容易发生功率损失。图中示出了光束整形光学器件8(例如物镜)和光发射器6的不同横向偏移。表中示出了发射功率(单位：％)随偏移(单位：μm)变化。在所研究的100μm偏移范围内，发射功率可能几乎降低50％。
图5示出了光束整形光学器件的另一示例实施例。此处，漫射器代替第一表面。左图描述了透镜设计如何倾向于偏移，如图4所述。透镜10的第一表面，即面向发射器6的表面，接收发射器发射的光。由于光发射器可能具有偏移(如图中所示)，发射功率可能受到影响或降低。在此示例中，透镜的第一表面没有漫射器。右图描绘了设置有漫射器11(例如，物镜入口处的漫射器)的第一表面10，其余的几何形状保持不变。尽管存在偏移，但发射功率可能会显著增加。
图6示出了示例模拟。图5中引入的漫射器减少了由于横向偏移而造成的功率损失。这能够如图所示进行模拟。左侧的图表假设非相干辐照度和显示屏处的光斑尺寸HWHM＝800μm。在右侧，显示屏处的光束发散度已被确定。在100μm的横向偏移范围内并且HWHM＝12°时，沿横向方向的功率损失仅为0.5％。
图7示出了具有反射式准直光束扩展器的光束整形光学器件的示例实施例。光从光发射器LE(例如VCSEL)发射。附图示出了具有设置在基板(例如，电子基板4)上的光发射器的腔室。光发射器6放置在反射器13(例如，反射镜、透镜或具有涂层的透镜)的中心。另一反射器12设置在光学封装的盖中。
发射的光最终撞击第一弯曲(凸)部分反射器12：光的较大部分以较高的发散度被反射。较小部分被透射并部分准直。然后，反射的光撞击第二弯曲(凹)反射器13：光束被准直并朝向封装的出口(例如光学封装中的孔)发送。来自第二反射器的光通过承载中央反射器的透明基板。穿过第一反射器的光通过能够可选地被弯曲的表面(例如，透镜或透镜表面)离开透明材料。该透镜能够用于微调光束中心部分的发散度。这种设计的优点包括在给定的z高度上焦距较长，因此光束较大，并且可选地具有较好的准直性。
另外的方面、特征和优点从下面的详细描述、附图和权利要求中显而易见。
尽管改进的构思的描述包含许多细节，但这些细节不应被解释为对该构思的范围或已要求或能够要求保护的内容的限制，而是对本发明的某些实施例的特定的特征的描述。本公开中结合单独实施例描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。另一方面，结合单个实施例描述的各种特征也能够单独地或以任何合适的子组合在若干实施例中实现。此外，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用，甚至最初要求如此，但在一些情况下，可以从要求保护的组合中删除一个或更多个特征，并且要求保护的结合可以指向子组合或子组合的变体。
因此，即使附图中的操作以特定顺序呈现，这也不应理解为这些操作必须按所示的顺序或按顺序执行，或者必须执行所示的所有操作以实现所需的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。
描述了许多实施方式。然而，能够在不偏离本发明的精神和范围的情况下进行各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
-显示屏(9)，以及
-设置在所述显示屏(9)后面的光学传感器模块；所述光学传感器模块还包括：
-光发射器(6)，其可操作以产生具有用于朝向目标物体透射通过所述显示屏(9)的波长的光，
-光传感器(5)，其可操作以感测由所述目标物体反射并具有所述波长的光，以及
-缩减器(8)，其用于通过增大由所述光发射器产生的光束在所述显示屏(9)上的直径来减小所述光功率密度，其中所述缩减器设置在所述光发射器与所述显示屏之间，以便与由所述光发射器产生的光束相交。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述缩减器包括光学封装，所述光发射器和所述光传感器设置在所述光学封装内部，并且所述光学封装具有设置为将所述直径减小到所需程度的高度。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述光学封装的高度大于1mm，特别是大于2mm。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其中，所述光学封装的高度被限定在顶表面与底表面之间，其中所述光发射器和所述光传感器设置在所述底表面上，并且所述顶表面面向所述显示屏。
5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其中，所述缩减器包括光束整形光学器件，所述光束整形光学器件被设置为将所述光束直径增大到所需程度。
6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述光束整形光学器件包括物镜，所述物镜至少部分地设置在所述光发射器的有源表面上。
7.根据权利要求5或6所述的装置，其中，所述光束整形光学器件设置在所述光学封装的面向所述显示屏的孔中。
8.根据权利要求5至7之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件包括光学望远镜，特别是例如伽利略望远镜的折射光学望远镜和/或包括一个或更多个反射光学表面的反射光学望远镜。
9.根据权利要求5至8之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件包括至少一个准直透镜和/或准直光学表面。
10.根据权利要求5至9之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件包括漫射器和所述至少一个准直透镜和/或准直光学表面。
11.根据权利要求5至10之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件的中心光学轴线相对于所述光学封装的光学轴线偏移，特别是相对于由所述光发射器的主发射方向限定的光学轴线偏移。
12.根据权利要求5至11之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件包括微透镜阵列和所述至少一个准直透镜和/或准直光学表面。
13.根据权利要求5至12之一所述的装置，其中，所述光束整形光学器件至少包括第一反射光学表面和第二反射光学表面，所述第一反射光学表面和第二反射光学表面至少部分地可操作以反射具有用于透射通过所述显示屏的波长的光。
14.根据权利要求1至13之一所述的装置，其中，所述光发射器包括一个或更多个发光元件，其中所述发光元件是谐振腔类型，例如下列至少之一：
-垂直腔表面发射激光器VCSEL，
-具有光束弯曲面的边缘发射激光器，
-微盘激光器，
-谐振腔发光二极管，和/或
-分布式反馈激光器DFB。
15.根据权利要求1至13之一所述的装置，其中，所述显示屏是OLED、micro-LED、TFT或等离子显示屏。
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