CN108803781B - 具有光学成像传感器的平板显示器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种具有光学成像传感器的平板显示器，所述光学成像传感器为例如指纹图像传感器。本公开提供一种具有图像传感器的平板显示器，该平板显示器包括：包括显示区域和非显示区域的显示面板，该显示面板具有顶表面；附接至显示面板的顶表面的定向光学单元，该定向光学单元具有沿着显示面板的长度轴的长度、沿着显示面板的宽度轴的宽度、以及沿着显示面板的厚度轴的厚度；布置在显示面板下方的感测光控制膜；以及布置在感测光控膜下方的图像传感器。

Description

具有光学成像传感器的平板显示器

技术领域

本公开涉及具有光学成像传感器(例如，指纹图像传感器)的平板显示器。特别地，本公开涉及一种具有包括提供定向光的超薄基板的光学成像传感器的平板显示器、以及光学成像传感器。

背景技术

已经开发了各种基于计算机的系统，包括笔记本电脑、平板个人计算机(或PC)、智能电话、个人数字助理、自动取款机和/或搜索信息系统。由于这些设备使用和存储各种个人信息以及商业信息和商业秘密，因此希望加强安全性以防止这些重要数据泄露。

为此，已经提出了一种使用识别授权用户的生物信息的图像传感器来加强安全性的方法。例如，指纹传感器通常用于在执行注册和认证时提高安全性。指纹传感器用于感测用户的指纹。指纹传感器可以分为光学指纹传感器和电容式指纹传感器。

光学指纹传感器使用诸如发光二极管(或LED)的光源来辐射光并且使用CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器来检测由指纹的脊反射的光。由于光学指纹传感器可以使用LED灯来扫描指纹，因此要求传感器配备用于执行扫描过程的附加装置。对于增加用于扫描图像的对象的尺寸存在限制。因此，将光学指纹传感器应用于诸如与显示装置组合的各种应用中存在限制。

对于传统的光学指纹传感器，已知有2006年6月26日登记的标题为“A displayapparatus having fingerprint identification sensor”的韩国专利10-060817以及2016年4月21日公布的标题为“Display device including fingerprinting device”的韩国专利申请10-2016-0043216。

上述光学指纹传感器被配置成使用显示区域作为用于输入用户选择的触摸区域和用于感测指纹的感测区域。然而，这种光学指纹传感器使用具有非常低的方向性的扩散(或发散)光。因此，识别准确的指纹图案存在限制。当使用诸如具有高方向性的红外激光的准直光时，很难产生覆盖较大区域的感测光。因此，指纹感测区域被限制在小区域内。为了在更宽的扫描区域上辐射准直光，需要特定的扫描结构，使得该系统不适用于便携式或个人显示设备。

因此，对于具有指纹传感器的便携式设备，主要使用电容式指纹传感器。然而，电容式指纹传感器也存在很多问题。

电容式指纹传感器被配置成检测在指纹传感器上接触的指纹的脊与谷之间的电的差异。对于传统的电容式指纹传感器，已知2013年11月21日公布的标题为“CapacitiveSensor Packaging”的美国专利申请2013/0307818。

上述电容式指纹传感器被配置成嵌入有特定按钮的组件类型。其包括电容板和具有用于检测指纹的脊和谷之间的电容存储的电路的硅晶片。一般而言，由于指纹的脊和谷的尺寸很小(约为300μm至500μm(微米))，电容式指纹传感器需要高分辨率传感器阵列和用于处理指纹检测的集成芯片(或IC)。为此，硅晶片被配置成在一个基板上包括传感器阵列和IC。

然而，当高分辨率传感器阵列和IC形成在同一硅晶片上时，需要用于将按钮与指纹传感器连接的组件结构。因此，该结构将非常复杂，并且此外可能增加非显示区域(或边框区域)。在一些情况下，按钮(即，智能手机的主键)将与指纹传感器交叠，使得整个设备的厚度会很厚。此外，指纹的感测区域将取决于按钮的尺寸。

为了解决上述问题和限制，已经提出了一些技术，其中触摸传感器区域被用于感测指纹。例如，已知于2013年10月22日发布的题为“Capacitive touch sensor foridentifying a fingerprint”的美国专利第8,564,314号以及于2014年8月18日登记的标题为“A capacitive touch screen for integrated of fingerprint recognition”的韩国专利10-1432988。

在个人便携式设备(例如，智能电话)的一般情况下，附加的透明膜被附接以用于保护显示器玻璃面板。当将上述技术应用于个人便携式设备时，由于在其上附接保护膜，所以用于正确感测或识别指纹的性能将显著降低。一般而言，即使附接保护膜，触摸功能也可以正常操作。然而，对于用于感测指纹的电容存储量的差异的检测能力可能由于保护膜而劣化，即使其厚度非常薄亦如此。

对于具有电容式指纹传感器的显示器，通常还可以在显示器的盖玻璃上附接保护膜或硬化玻璃。在这种情况下，识别能力可能劣化。即，盖玻璃的总厚度可能影响电容式指纹传感器的灵敏度。在此期间，感测光源中使用的扩散光可能影响光学指纹传感器的灵敏度。当使用准直光来增强光学指纹传感器的灵敏度时，需要笨重的和/或复杂的光学装置，使得其很难应用于个人移动设备的显示器。

因此，需要能够大面积感测、优异的分辨率和准确度、并且具有超薄的厚度结构的新型光学图像传感器。特别地，对于易于与平板显示器结合开发各种信息处理设备的光学图像传感器的需求日益增加。

发明内容

为了克服上述缺点，本公开的一个目的是提供一种具有超薄光学图像传感器(或光学图像识别装置)的平板显示器。本公开的另一目的是提供一种具有光学图像传感器的平板显示器，其中显示面板的表面的大部分或全部可用于感测区域。本公开的另一目的是提供一种具有光学图像传感器的平板显示器，其中定向光被用作覆盖大表面积的感测光。本公开的又一目的是提供一种平板显示器，其具有通过使用定向光并且通过使光效率最大化而使分辨率和灵敏度非常高和/或优异的超薄大面积光学图像传感器。本公开的另一目的是提供一种具有光学图像传感器的平板显示器，其中通过消除由显示面板内部的感测光的散射而造成的光噪声而增强感测准确度。

为了实现上述目的中的一个或多个，本公开提供一种具有图像传感器的平板显示器，该平板显示器包括：包括显示区域和非显示区域的显示面板，该显示面板具有顶表面；附接至显示面板的顶表面的定向光学单元，该定向光学单元具有沿着显示面板的长度轴的长度、沿着显示面板的宽度轴的宽度、以及沿着显示面板的厚度轴的厚度；布置在显示面板下方的感测光控制膜；以及布置在感测光控制膜下方的图像传感器。

在一个实施方案中，定向光学单元包括：盖板，其具有对应于定向光学单元的长度和宽度的尺寸；对应于显示区域的光辐射膜，该光辐射膜位于盖板下方；位于盖板下方且相邻于光辐射膜的侧面布置在显示区域的外侧的光入射膜；布置在光辐射膜和光入射膜下方的低折射层，该低折射层附接在显示面板的顶表面上，并且具有比盖板的折射率低以及比光辐射膜的折射率低的折射率；以及位于光入射膜下方的光源。

在一个实施方案中，光源向在光源的表面上限定的入射点提供入射光，并且向光入射膜的表面上的入射点提供入射光；光入射膜包括第一全息图案，第一全息图案将入射光转换成具有满足盖板的内部全反射条件的入射角的传播光，并且将传播光传输至盖板中；并且光辐射膜包括第二全息图案，第二全息图案将传播光的第一部分转换成感测光，感测光具有满足盖板的顶表面处的全反射条件并且满足通过低折射层的透射条件的反射角。

在一个实施方案中，传播光在包括长度轴和宽度轴的水平面上具有扩散角，并且传播光在包括长度轴和厚度轴的垂直平面上保持准直状态；入射角大于光辐射膜与低折射层之间的第一界面处的内部全反射临界角；并且反射角大于盖板与空气层之间的第二界面处的全反射临界角且小于光辐射膜与低折射层之间的第一界面处的全反射临界角。

在一个实施方案中，感测光控制膜包括：全息元件，其将具有预定方向的感测光折射到与显示面板的底表面的法线平行的方向。

在一个实施方案中，平板显示器还包括：超低折射层，其布置在感测光控制膜与图像传感器之间，具有对应于感测光控制膜的表面积，并且具有高于1.0且低于1.1的折射率，其中图像传感器具有对应于感测光控制膜的面积的薄膜形状。

在一个实施方案中，平板显示面板还包括：壳体，其布置在感测光控制膜下方，并且具有对应于感测光控制膜的一些部分的尺寸，其中图像传感器布置在壳体内部与感测光控制膜隔开预定距离，并且其中在感测光控制膜与图像传感器之间布置有空气层。

本公开提供了一种具有通过提供的定向光(或“取向”)作为感测光而具有高分辨率识别能力或灵敏度的光学图像传感器的平板显示器。与现有技术中用于指纹传感器的扩散光相比，由于根据本公开的定向光用于在没有任何光损失的情况下感测图像，因此本公开具有较高分辨率和优异灵敏度的优点。本公开提供了一种具有大面积光学图像传感器的平板显示器，其中准直红外激光束在对应于用于使用全息摄影技术来感测光的显示面板的大面积上扩散。本公开提供了一种具有超薄光学图像传感器的平板显示器，其中定向光布置在显示器表面上薄的厚度内。具体地，通过使感测光垂直地进入图像传感器的表面中，感测光的光量或强度没有减小，使得可以获得更准确的识别结果。此外，可以通过以下方式使图像感测结果的准确性最大化：当光穿过显示面板时消除由散射造成的噪声光，并且通过选择性地仅将满足预定入射角条件的感测光垂直地输入至图像传感器。

附图说明

本发明包括附图以提供对本公开的进一步理解并且附图被并入且构成本说明书的一部分，附图示出了本公开的实施方案，并且与说明书一起用于说明本公开的原理。

在附图中：

图1是示出根据本公开的第一实施方案的应用于具有光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图；

图2是示出图1所示的定向光学基板内部的光路的截面图；

图3是示出根据本公开的第一实施方案的具有包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图；

图4是示出根据本公开的第二实施方案的其中光准确度被最大化的具有光学图像传感器的平板显示器的结构的截面图；

图5是示出根据本公开的第二实施方案的其中光准确度被最大化的具有光学图像传感器的平板显示器的结构的放大截面图；

图6是示出根据本公开的第三实施方案的其中光准确度被最大化的具有光学图像传感器的平板显示器的结构的放大截面图。

具体实施方式

参照附图，将说明本公开的一个或更多个优选实施方案。在整个具体实施方式中，相同的附图标记表示相同的元件。然而，本公开不受这些实施方案的限制，而是可以在不改变本公开的技术精神的情况下被施加各种改变或修改。在下面的实施方案中，通过考虑说明的容易度来选择元件的名称，使得它们可能与实际名称不同。

<第一实施方案>

在下文中，将参照图1和图2，描述本公开的第一实施方案。图1是示出根据本公开的第一实施方案的应用于具有光学图像传感器的平板显示器的定向光学基板的结构的图。在图1中，上图是XZ平面上的侧视图，下图是XY平面上的平面图。

参照图1，根据第一实施方案的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学基板SLS包括盖板CP、光辐射膜VHOE、光入射膜CHOE和低折射层LR。盖板CP可以是具有长度、宽度和厚度的矩形板形状。在图1中，长度沿着X轴，宽度沿着Y轴，厚度沿着Z轴。

定向光学基板SLS是用于提供扩散成覆盖对应于显示器的表面的大的区域的准直光的光学装置。因此，优选的是光源LS提供准直光。例如，光源LS可以是提供红外激光束的激光二极管。由于红外激光束非常高准直，所以其非常适合作为根据本公开的定向光单元的光源LS。替选地，光源LS可以是提供具有小于10度的非常窄的扩散角的红外线的红外二极管。当从红外二极管发射的红外线的扩散角小于10度时，即使不使用激光，准直特性也足够高。因此，提供其射线的扩散角小于10度的红外线的红外二极管可以用作本公开的定向光单元的光源LS。

光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE附接在盖板CP的底表面上。光辐射膜VHOE是用于提供辐射光300的光学元件。优选地，光辐射膜VHOE被布置为对应于用于检测和/或感测图像的区域。替选地，当定向光学单元与平板显示器接合时，可以将光辐射膜VHOE布置为对应于显示面板的区域。

光入射膜CHOE是用于将从光源提供的准直光转换成在盖板CP的区域上方扩散的光的光学元件。优选地，光入射膜CHOE布置在光辐射膜VHOE的外侧并与光辐射膜VHOE相邻。具体地，光入射膜CHOE布置为与光源LS相对。

优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以布置在同一平面水平上。考虑到制造工艺，进一步优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE形成为在同一膜上彼此分开。优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以是具有全息图案的光学元件。在这种情况下，在将用于光辐射膜VHOE的主膜和用于光入射膜CHOE的主膜布置成彼此靠近之后，可以将这两个全息图案同时复制在一个全息记录膜上。因此，可以在一个膜片上形成光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。

在光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的底表面下方设置有低折射层LR。优选地，低折射层LR的折射率比盖板CP和光辐射膜VHOE的折射率低。例如，盖板CP可以由折射率为1.5的透明增强玻璃形成。光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可以是透明全息记录膜并且可以具有与盖板CP的折射率相同或略大的折射率。这里，我们使用光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的折射率与盖板CP的折射率相同的情况。优选地，低折射层LR的折射率与扫描对象的折射率近似。例如，当应用于指纹传感器时，低折射层LR可以具有1.4的折射率，其与人类皮肤的折射率1.39近似。

在光入射膜CHOE下方的空间处，光源LS被布置为与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供高准直光(例如，激光束)。具体地，当应用于指纹传感器与便携式显示器一起装配的系统时，优选地，光源LS提供人眼不能识别的红外激光束。例如，光源LS可以选自包括提供具有小于10度的扩散角的红外线的红外二极管和提供红外激光束的红外激光二极管中任意一种。

来自光源LS的作为入射光100的具有预定截面面积的准直光被提供至在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100入射在相对于入射点IP的表面的法线方向上。然而，本公开提供的实施方案不限于此。例如，在一个或更多个实施方案中，入射光100可以以相对于法线方向的倾斜角度入射到入射点IP上。

光入射膜CHOE将入射光100转换成具有入射角的传播光200并将其发送到盖板CP中。这里，优选地，入射角大于盖板CP的内部全反射临界角。因此，当重复全反射时，传播光200沿X轴(盖板CP的长度方向)在盖板CP内部传播。

光辐射膜VHOE将一些量的传播光200转换成辐射光300，并将辐射光300折射至盖板CP的上表面。传播光200的其他部分将连续地在盖板CP内部传播。辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，但是其在盖板CP的底表面处透射穿过低折射层LR，使得辐射光300从定向光学基板SLS出射。换句话说，在盖板CP的上表面处全反射的辐射光300将会是穿过盖板CP的底表面的感测光400。

当传播光200从光入射膜CHOE向相反侧传播时，传播光200的预定部分被光辐射膜VHOE提取为辐射光300。辐射光300的量(或“明亮度”或“亮度”)由光辐射膜VHOE的光提取效率确定。例如，当光辐射膜VHOE的光提取效率为3％时，传播光200的初始光量的3％将在传播光200首先辐射到光辐射膜VHOE的第一辐射点处被提取。然后，传播光200的97％将在第一辐射点处被全反射并且继续传播。之后，在第二辐射点处，传播光200的初始量的97％的3％即2.91％将被提取为辐射光300。

重复该操作，将多个辐射光300从盖板CP的设置有光入射膜CHOE的第一侧提取至盖板CP的相反侧。当光辐射膜VHOE具有在所有区域上相同的光提取效率时，传播光200的量随着从第一侧传播至相反侧而逐渐降低。为了在光辐射区域的整个区域上获得均匀分布的光量，优选地，光辐射膜VHOE的光提取效率从第一侧至相反侧以指数方式增加。

当在具有长度轴和厚度轴的XZ平面(或“垂直平面”)上观察传播光200时，入射光100的准直状态被保持。相反，在具有长度轴和宽度轴的XY平面(或“水平平面”)上，优选地，传播光200是具有扩散角

的发散(或扩散)的光。扩散传播光200的原因是图像感测区域被设置为覆盖盖板CP区域的大部分。例如，优选地，光辐射膜VHOE具有对应于盖板CP的整个区域的面积。另外，优选地，扩散角度

为两条线之间的内角，一条线连接入射点IP和盖板CP的相反侧的一个端点P1，另一条线连接入射点IP以及盖板CP的相反侧的另一端点P2。

光入射膜CHOE被布置的区域将被定义为光进入部分LIN。光辐射膜VHOE被布置的区域将被定义为光出射部分LOT。光出射部分LOT将成为光穿过的光传播部分。在图1中，方便地，光入射膜CHOE覆盖光进入部分LIN的整个区域。然而，光入射膜CHOE的尺寸稍大于光入射点IP的尺寸就足够。

例如，从光源LS产生的准直光的截面尺寸可以具有半径为0.5mm的正圆形形状。光入射膜CHOE具有对应于盖板CP的宽度的长度和3mm至5mm的宽度。在这种情况下，光入射膜CHOE可以布置为与盖板CP的宽度相交。特别地，光入射膜CHOE可以布置在包括盖板CP的中间位置、左侧位置或右侧位置中的任何一个位置处。

在下文中，参照图2，我们将解释从光源提供的准直红外光如何被转换成用于定向光学基板SLS的内部图像感测的定向红外光。图2是示出根据图1的定向光学基板内部的光路的截面图。

从光源LS提供的入射光100相对于光入射膜CHOE的入射点IP的表面进入法线方向。光入射膜CHOE将入射光100转换为相对于入射点IP的表面与法线方向具有入射角θ的折射的传播光200。并且然后，光入射膜CHOE将传播光200提供至盖板CP的内部空间(或“介质”)。

优选地，传播光200的入射角θ大于光辐射膜VHOE与低折射层LR之间的界面处的全反射临界角T_{VHOE_LR}。例如，当盖板CP和光辐射膜VHOE的折射率为1.5，并且低折射层LR的折射率为1.4时，优选地，在光辐射膜VHOE和低折射层LR之间的界面处的全反射临界角T_{VHOE_LR}大于69°(度)。因此，优选地，入射角θ大于69°。例如，入射角θ可以在70°至75°的范围内，包括70°和75°。

当盖板CP的上表面与空气AIR接触时，传播光200在盖板CP的上表面处被全反射。这是因为在盖板CP和空气AIR之间的界面处的全反射临界角T_{CP_AIR}为约41.4°。也就是说，当入射角θ大于光辐射膜VHOE和低折射层LR之间的界面处的全反射临界角T_{VHOE_LR}时，入射角θ总是大于在盖板CP和空气AIR之间的界面处的全反射临界角T_{CP_AIR}。

光辐射膜VHOE将预定量的传播光200转换成具有反射角α的辐射光300，并将辐射光300发送回到盖板CP的内部空间中。辐射光300用于当对象与盖板CP的上表面接触时检测对象的图像。当在盖板CP的外表面上没有对象时，辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，然后被提供至布置在定向光学基板SLS的底表面外部的光传感器(或光学传感器)。也就是说，在盖板CP的上表面处被全反射之后，辐射光300通过盖板CP的底表面从定向光学基板SLS出射。所有的感测光400具有相同的反射角，使得感测光400被取向(或“定向”)到预定方向。

具体地，辐射光300被从盖板CP的表面的每个点提供。然而，辐射光300的方向是相同的，即所有辐射光300具有相同的辐射角。我们称具有相同的辐射角的光为“定向光”。提供具有相同辐射角的辐射光300作为感测光400。也就是说，根据本公开的定向光学基板SLS意指提供具有相同辐射角的辐射光300和感测光400的光学元件。

通过检测从布置在定向光学基板SLS的底表面下方的低折射层LR辐射出的感测光400，可以识别在盖板CP的上表面上接触的对象的图像。在下文中，我们将解释应用如图1所示的定向光学单元的图像感测装置。具体地，我们专注于具有指纹识别传感器的平板显示器。图3是示出根据本公开的第一实施方案的具有包括定向光学单元和光学传感器的光学图像传感器的平板显示器的结构的图。

参照图3，根据本公开的第一实施方案的具有光学图像传感器的平板显示器包括显示面板DP、定向光学基板SLS、光源LS以及图像光传感器(或“图像传感器”)SE。显示面板DP包括显示区域AA和非显示区域NA。显示区域AA可以布置在显示面板DP的中间部分。非显示区域NA可以围绕显示区域AA。显示区域AA可以具有用于表示在显示面板DP上所示的视频图像的多个显示元件。非显示区域可以具有用于操作排列在显示区域AA中的显示元件的多个驱动元件。

具体地，用于表示视频图像的多个像素区域可以以矩阵方式排列在显示区域AA中。在显示面板DP的底表面下方布置图像传感器SE。图像传感器SE可以具有矩形薄膜形状。图像传感器SE可以附接在显示面板DP的底表面下方，对应于显示区域AA。例如，薄膜型图像传感器SE可以具有多个光传感器，其中每个光传感器可以布置为对应于每个像素。此外，薄膜型图像传感器SE可以具有多个光传感器，其中每个光传感器可以布置为对应于包括2×2、3×3或4×4个像素的每个像素组。

定向光学基板SLS可以是具有预定长度、宽度和厚度的薄板。优选地，定向光学基板SLS的长度和宽度具有与显示面板DP的尺寸相对应的尺寸。具体地，优选地，定向光学基板SLS具有比显示面板DP的尺寸稍大的尺寸。至少，优选地，定向光学基板SLS具有在显示面板DP的一侧上方的延伸的(或扩散的)区域。光源LS可以布置在显示面板DP上方的延伸侧区域处。

当定向光学基板SLS附接在显示面板DP的上表面上时，定向光学基板SLS可以与显示面板DP结合。如上所述，定向光学基板SLS包括盖板CP、光入射膜CHOE、光辐射膜VHOE和低折射层LR。优选地，低折射层LR彼此面对地附接在显示面板DP的上表面上。此处，显示面板DP的上表面是提供来自显示面板DP的视频图像的前面。也就是说，用户在观看显示面板DP的上表面时观看视频图像。

如上所述，定向光学基板SLS可以将图像感测光400提供至盖板CP的与显示面板DP的上表面面对的底表面。感测光400穿过显示面板DP，然后到达附接在显示面板DP的底表面下方的图像传感器SE。由于感测光400由图像传感器SE的光传感器检测，因此，可以识别在定向光学基板SLS的上表面上接触的对象的图像。

具体地，由定向光学基板SLS的光辐射膜VHOE产生的辐射光300将到达盖板CP的上表面。当对象IM被布置在盖板CP上时，射到其中对象IM不与盖板CP的上表面接触的区域的辐射光300被全反射并且被提供至显示面板DP作为感测光400。相反，射到其中对象IM直接接触盖板CP的上表面(例如，在脊R处)的区域的辐射光300被折射并通过盖板CP出射。

在折射率大于空气的折射率的对象IM接触的点处，辐射光300没有被全反射，而是被折射到对象IM中。也就是说，在对象IM接触的区域处，辐射光300将是被吸收光500，使得它不被提供至图像传感器SE。

因此，图像传感器SE仅检测辐射光300中除了被吸收光500之外的感测光400。检测在盖板CP的顶表面处反射的感测光400的反射图案，图像传感器SE再现对象IM的图案或图像。

当将定向光学单元应用于指纹传感器时，对象IM将是人的手指。指纹的脊R接触盖板CP的顶表面，但指纹的谷V不与盖板CP的顶表面接触。在谷V处射到盖板CP的上表面的辐射光300被全反射为感测光400。在此期间，在脊R处射到盖板CP的上表面的辐射光300被折射，使得它们将是从盖板CP出射的被吸收光500。

另外参照图3的下图，我们将解释XY平面上图像感测的过程。入射光100可以包括具有预定截面面积的准直红外光。光源LS可以是红外LASER二极管(或“IR LD”)。

入射光100将通过光入射膜CHOE转换成传播光200。此处，传播光200将被扩散为在包括X轴上的长度轴和Y轴上的宽度轴的XY平面上具有扩散角

在此期间，在包括X轴上的长度轴和Z轴上的厚度轴的XZ平面上，将保持初始准直状态。

此处，优选地，扩散角

等于或稍大于从光入射点IP分别连接至盖板CP的面对光入射膜CHOE的两个端点(即，在相反侧的两个角)的两条线的内角。在这种情况下，传播光200可以扩散为具有扩散角

的三角形。结果，辐射光300可以覆盖当传播光200扩散时所覆盖的相同区域。也就是说，图像感测区域将被限定在三角形的内部。当应用指纹传感器时，指纹感测区域SA可以被定义为图3中阴影的圆圈区域。

当将感测区域SA设置在面对光入射膜CHOE的中央部分或上侧偏移部分上时，优选地，辐射光300的量(或亮度或明亮度)具有最大值。为此，根据与位置的函数关系，光辐射膜VHOE可以被设计为具有变化的光提取效率(即，光辐射膜VHOE可以具有作为沿着光辐射膜VHOE的位置的函数而变化的光提取效率)，以在对应于感测区域SA的区域处具有最大值并且在其他区域(即，在感测区域SA外部的区域)处具有最小值或零值。

对于根据本公开的第一实施方案的具有光学图像传感器的平板显示器，感测光400具有相对于图像传感器SE的上表面的预定入射角。即，感测光400的入射角是相对于图像传感器SE的上表面的法线的角度。这里，感测光400的入射角可以与图2所示的反射角α相同。

由于感测光400具有相对于图像传感器SE的上表面的入射角，因此提供至光传感器的光量减少。这可能会导致检测准确度的下降。为了提高检测准确度，优选地，感测光400沿着法线方向进入图像传感器SE的上表面。在本公开的第二实施方案中，我们提供其中感测光400沿着上表面的法线方向进入图像传感器SE的上表面的结构。

<第二实施方案>

参照图4，我们将解释根据本公开的第二实施方案的用于使具有光学图像传感器的平板显示器中光效率最大化的结构。图4是示出根据本公开的第二实施方案的具有其中光准确度最大化的光学图像传感器的平板显示器的结构的截面图。

参照图4，根据本公开的第二实施方案的具有光学图像传感器的平板显示器包括：显示面板DP、定向光学基板SLS、光源LS和图像光传感器(或“图像传感器”)SE。特别地，感测光控制膜GHOE和超低折射层LRA布置在显示面板DP与图像传感器SE之间。

显示面板DP包括显示区域AA和非显示区域NA。显示区域AA可以布置在显示面板DP的中间部分。非显示区域NA可以围绕显示区域AA。显示区域AA可以具有用于呈现显示面板DP上所示的视频图像的多个显示元件。非显示区域可以具有用于操作布置在显示区域AA中的显示元件的多个驱动元件。

感测光控制膜GHOE附接在显示面板DP的底表面下方。超低折射层LRA附接在感测光控制膜GHOE的底表面下方。此外，图像传感器SE附接在超低折射层LRA的底表面下方。

图像传感器SE可以具有矩形薄膜形状。图像传感器SE可以附接在显示面板DP的底表面下方，对应于显示区域AA。在这种情况下，感测光控制膜GHOE和超低折射层LRA可以是具有与图像传感器SE相同的表面积的薄膜形状。

例如，薄膜型图像传感器SE可以具有多个光传感器，其中每个光传感器可以被布置为对应于每个像素。此外，薄膜型图像传感器SE可以具有多个光传感器，其中每个光传感器可以布置为对应于包括2×2、3×3或4×4像素的每个像素组。

定向光学基板SLS可以与第一实施方案的相同。当定向光学基板SLS附接在显示面板DP的上表面上时，定向光学基板SLS可以与显示面板DP接合。如上所述，定向光学基板SLS包括盖板CP、光入射膜CHOE、光辐射膜VHOE和低折射层LR。优选地，低折射层LR彼此面对地附接在显示面板DP的上表面上。

如上所述，定向光学基板SLS可以将图像感测光400提供至盖板CP的与显示面板DP的上表面面对的底表面。具体地，由定向光学基板SLS的光辐射膜VHOE产生的辐射光300到达盖板CP的上表面。当对象IM被布置在盖板CP上时，射在对象IM不直接接触盖板CP的位置处的辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，然后被提供至显示面板DP。在此期间，在对象IM接触的区域处，辐射光300将是吸收光500，使得其不被提供至图像传感器SE。

也就是说，来自辐射光300的感测光400被提供至显示面板DP，但吸收光500不被提供至显示面板DP。穿过显示面板DP，感测光400进入感测光控制膜GHOE。

感测光控制膜GHOE可以是将感测光400的行进方向折射到显示面板DP的表面的法线方向的全息元件。也就是说，感测光400被感测光控制膜GHOE转换成垂直感测光410。穿过附接在感测光控制膜GHOE的底表面下方的超低折射层LRA之后，垂直感测光410进入图像传感器SE。

从定向光学基板SLS提供的感测光400穿过显示面板DP，被感测光控制膜GHOE转换成垂直感测光410，然后进入图像传感器SE。检测从在盖板CP的顶表面处反射的感测光400转换的垂直感测光410，图像传感器SE再现对象IM的图案或图像。

当接收垂直进入图像传感器SE的垂直传感光410时，进入图像传感器SE的光的量可以被最大化。因此，检测准确度可以被最大化。此外，超低折射层LRA被布置在感测光控制膜GHOE与图像传感器SE之间。优选地，超低折射层LRA的折射率小于1.1。更优选地，超低折射层LRA的折射率小于或等于1.06。这里，术语“超低折射层”意指超低折射层的折射率与空气的折射率1.0非常相似。

超低折射层LRA被装配用于消除当感测光400穿过显示面板DP时可能由散射光引起的噪声光并且用于使感测光400的检测准确度最大化。参照图5，我们将解释根据本公开的第二实施方案的用于使具有光学图像传感器的平板显示器中的感测光的检测准确度最大化的结构。图5是示出根据本公开的第二实施方案的具有光学图像传感器的其中光准确度最大化的平板显示器的结构的放大截面图。

感测光400通过显示面板DP的上表面进入显示面板DP。具体地，感测光400进入具有与反射角α相同的入射角的显示面板DP。即，感测光400以相对于显示面板DP的上表面的法线的入射角α进入显示面板DP中。在进入显示面板DP之后，感测光400可以被布置在显示面板DP内部的元件散射。例如，感测光400中的大部分可以在进入时保持穿过显示面板DP，但是感测光400中的其他部分可以散射或改变光路作为第一扩散光401和/或第二扩散光402。

具体地，第一扩散光401可以被散射为进入显示面板DP的具有大于感测光400的入射角α的第一入射角α1的第一光。此外，第二扩散光402可以被散射为进入显示面板DP的具有小于感测光400的入射角α的第二入射角α2的第二光。

具有入射角α的感测光400被感测光控制膜GHOE折射到显示面板DP的法线方向。感测光控制膜GHOE可以是通过使用具有入射角α的参考光和平行于法线方向的对象光记录全息图案而制成的全息元件。因此，感测光400被感测光控制膜GHOE转换成垂直感测光410，然后被发送至图像传感器SE。相反，具有与感测光400的入射角不同的入射角的第一扩散光401和第二扩散光402不被转换，而是穿过感测光控制膜GHOE。

穿过感测光控制膜GHOE的第一扩散光401和第二扩散光402在与超低折射层LRA的界面处被反射，然后返回到显示面板DP。具体地，第一扩散光401在感测光控制膜GHOE与超低折射层LRA之间的界面处被反射为具有第一入射角α1的第一反射光411，使得第一扩散光401不进入图像传感器SE。第二扩散光402在感测光控制膜GHOE和超低折射层LRA之间的界面处也被反射为具有第二入射角α2的第二反射光412，使得第二扩散光402也不进入图像传感器SE。

超低折射层LRA消除具有与感测光400的入射角α不同的角度的扩散光。特别地，为了使具有小于感测光的入射角α的入射角的散射光400全反射，优选地，超低折射层LRA的折射率与空气的折射率非常相似。因此这个折射率可以称为“如空气折射率”。在第二实施方案中，我们使用术语“超低折射层”。

在本公开的第二实施方案中，来自感测光400的散射噪声光通过附接在显示面板DP的底表面下方的感测光控制膜GHOE和超低折射层LRA而被消除。仅未散射的感测光400被选择性地发送至图像传感器SE。因此，检测准确度可以最大化。

<第三实施方案>

参照图6，我们将解释关于本公开的第三实施方案。在第三实施方案中，平板显示器可以具有与第二实施方案不同结构的图像传感器SE。在第三实施方案中，非薄膜型的体积光图像传感器SE与平板显示器装配。由于具有根据本公开的第三实施方案的光图像传感器的平板显示器可以具有与第一实施方案和第二实施方案相同的定向光学单元，所以为了便利可不重复定向光学单元的结构。图6是示出根据本公开的第三实施方案的具有光学图像传感器的其中光准确度最大化的平板显示器的结构的放大截面图。

参照图6，感测光控制膜GHOE附接在显示面板DP的底表面下方。图像传感器SE布置在感测光控制膜GHOE的一些部分下方。这里，图像传感器SE安装在壳体HS的底表面内，并且壳体HS安装在感测光控制膜GHOE的底表面下方。因此，图像传感器SE被布置为与感测光控制膜GHOE隔开预定距离。在感测光控制膜GHOE与图像传感器SE之间设置有空气层AIR。

在下文中，我们将解释关于本公开的第三实施方案中的感测光400的光路。感测光400通过显示面板DP的上表面进入显示面板DP。特别地，感测光400以与反射角α相同的入射角进入。也就是说，感测光400以相对于显示面板DP的上表面的法线的入射角α进入显示面板DP中。在进入显示面板DP之后，感测光400可以被布置在显示面板DP内部的元件散射。例如，感测光400中的大部分可以在进入时保持通过显示面板DP，但是感测光400的其他部分可以散射或改变光路作为第一扩散光401和/或第二扩散光402。

具体地，第一扩散光401可以散射为进入显示面板DP的具有大于感测光400的入射角α的第一入射角α1的第一光。此外，第二扩散光402可以被散射为进入显示面板DP的具有小于感测光400的入射角α的第二入射角α2的第二光。

具有入射角α的感测光400被感测光控制膜GHOE折射到显示面板DP的法线方向。感测光控制膜GHOE可以是通过使用具有入射角α的参考光和平行于法线方向的对象光记录全息图案而制成的全息元件。因此，感测光400被感测光控制膜GHOE转换成垂直感测光410，然后被发送至图像传感器SE。相反，具有与感测光400的入射角不同的入射角的第一扩散光401和第二扩散光402不被转换，而是穿过感测光控制膜GHOE。

穿过感测光控制膜GHOE的第一扩散光401和第二扩散光402在与空气层AIR的界面处被反射，然后返回到显示面板DP。具体地，第一扩散光401被反射为在感测光控制膜GHOE与空气层AIR之间的界面处具有第一入射角α1的第一反射光411，使得第一扩散光401不进入图像传感器SE。第二扩散光402也被反射为在感测光控制膜GHOE与空气层AIR之间的界面处具有第二入射角α2的第二反射光412，使得第二扩散光402也不进入图像传感器SE。

在本公开的第三实施方案中，来自感测光400的散射噪声光通过附接在显示面板DP的底表面下方的感测光控制膜GHOE和空气层AIR被消除。仅未散射的感测光400被选择性地发送至图像传感器SE。因此，检测准确度可以最大化。最优选地，使用空气层AIR从传感光400中消除扩散光。此外，如同第二实施方案，超低折射层LRA可以被空气层AIR代替。

尽管已经参照附图详细描述了本发明的实施方案，但是本领域技术人员将会理解，本公开可以以其他具体形式来实现，而不改变本公开的技术精神或基本特征。因此，应当注意的是，前述实施方案在所有方面仅仅是说明性的，而不应被解释为限制本公开。本公开的范围由所附权利要求限定，而不是由本公开的详细描述限定。在权利要求的含义和范围内做出的所有改变或修改或其等同物应该被解释为落入本公开的范围内。

Claims (6)

1.一种具有图像传感器的平板显示器，包括：

包括显示区域和非显示区域的显示面板，所述显示面板具有顶表面；

附接至所述显示面板的所述顶表面的定向光学单元，所述定向光学单元具有沿着所述显示面板的长度轴的长度、沿着所述显示面板的宽度轴的宽度、以及沿着所述显示面板的厚度轴的厚度；

设置在所述显示面板下方的感测光控制膜；以及

设置在所述感测光控制膜下方的图像传感器，

其中所述定向光学单元包括：

盖板，所述盖板具有与所述定向光学单元的长度和宽度对应的尺寸；

与所述显示区域对应的光辐射膜，所述光辐射膜位于所述盖板下方；

光入射膜，所述光入射膜位于所述盖板下方且相邻于所述光辐射膜的侧面设置在所述显示区域的外侧；

设置在所述光辐射膜和所述光入射膜下方的低折射层，所述低折射层附接在所述显示面板的所述顶表面上，并且具有比所述盖板的折射率低且比所述光辐射膜的折射率低的折射率；以及

位于所述光入射膜下方的光源。

2.根据权利要求1所述的具有图像传感器的平板显示器，其中所述光源将入射光提供至所述光入射膜的表面上的入射点；

其中所述光入射膜包括第一全息图案，所述第一全息图案将所述入射光转换为具有满足所述盖板的内部全反射条件的入射角的传播光，并且将所述传播光传输至所述盖板中；以及

其中所述光辐射膜包括第二全息图案，所述第二全息图案将所述传播光的第一部分转换为感测光，所述感测光具有满足所述盖板的顶表面处的全反射条件并且满足通过所述低折射层的透射条件的反射角。

3.根据权利要求2所述的具有图像传感器的平板显示器，其中所述传播光在包括所述长度轴和所述宽度轴的水平面上具有扩散角，并且所述传播光在包括所述长度轴和所述厚度轴的垂直平面上保持准直状态；

其中所述入射角大于所述光辐射膜与所述低折射层之间的第一界面处的内部全反射临界角；以及

其中所述反射角大于所述盖板与空气层之间的第二界面处的全反射临界角，并且小于所述光辐射膜与所述低折射层之间的所述第一界面处的全反射临界角。

4.根据权利要求1所述的具有图像传感器的平板显示器，其中所述感测光控制膜包括：

全息元件，所述全息元件将具有预定方向的感测光折射至与所述显示面板的底表面的法线平行的方向。

5.根据权利要求4所述的具有图像传感器的平板显示器，还包括：

超低折射层，所述超低折射层设置在所述感测光控制膜与所述图像传感器之间，具有对应于所述感测光控制膜的表面积，并且具有高于1.0且小于1.1的折射率，

其中所述图像传感器具有薄膜形状，所述薄膜形状具有对应于所述感测光控制膜的面积。

6.根据权利要求4所述的具有图像传感器的平板显示器，还包括：

壳体，所述壳体设置在所述感测光控制膜下方，并且具有对应于所述感测光控制膜的一些部分的尺寸，

其中所述图像传感器设置在所述壳体的内部，与所述感测光控制膜隔开预定距离，以及

其中在所述感测光控制膜与所述图像传感器之间设置有空气层。

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