本公开涉及嵌入诸如指纹图像传感器这样的光学成像传感器的平板显示器。尤其是，本公开涉及一种包括提供定向光的超薄基板的光学成像传感器以及嵌入该光学成像传感器的平板显示器。
背景技术：
已经开发出包括笔记本电脑、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/或搜索信息系统在内的各种基于计算机的系统。由于这些装置使用和存储各种个人信息以及商业信息和商业秘密，因此需要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进行登记和认证时增强安全性。指纹传感器用于感测用户的指纹。指纹传感器可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)这样的光源来照射光并且使用CMOS(或互补金属氧化物半导体)图像传感器来检测由指纹的脊部反射的光。由于光学指纹传感器可使用LED灯来扫描指纹，因此要求传感器配备有用于执行扫描处理的附加装置。在增加用于扫描图像的对象尺寸方面是有限制的。因此，在将光学指纹传感器应用于各种应用(诸如与显示装置组合)方面存在限制。
对于常规光学指纹传感器，已知有于2006年6月26日登记的其标题为“A display apparatus having fingerprint identification sensor(具有指纹识别传感器的显示设备)”的韩国专利10-060817以及于2006年4月21日公布的其标题为“Display device including fingerprinting device(包括指纹装置的显示装置)”的韩国专利申请10-2016-0043216。
上述光学指纹传感器被配置为使用显示区域作为用于输入用户的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散射(或发散)光。因此，在识别准确的指纹图案方面存在限制。当使用诸如具有高方向性的红外激光这样的准直光时，很难产生覆盖更宽区域的感测光。因此，指纹传感区域被限制在小区域中。为了在更宽的扫描区域上照射准直光，需要特定扫描结构，使得该系统不适于便携式或个人显示装置。
因此，对于嵌入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有许多问题。
电容式指纹传感器被配置为检测与指纹传感器接触的指纹的脊部与谷部之间的电流差异。对于常规电容式指纹传感器，已知有于2013年11月21日公布的其标题为“Capacitive Sensor Packaging(电容式传感器封装)”的美国专利申请2013/0307818。
上述电容式指纹传感器被配置为嵌入有特定按钮的组装类型。它包括电容板和具有用于检测指纹的脊部与谷部之间的电容存储的电路的硅晶圆。通常，因此指纹的脊部和谷部的尺寸非常小，约为300μm～500μm(微米)，所以电容式指纹传感器需要高分辨率的传感器阵列和用于处理指纹检测的集成芯片(或IC)。为此，硅晶圆被配置为包括在一个基板上的传感器阵列和IC。
然而，当高分辨率传感器阵列和IC形成在相同的硅晶圆上时，需要用于将按钮与指纹传感器结合的组装结构。因此，结构将非常复杂，并且可能进一步增大非显示区域(或者边框区域)。在一些情况下，按钮(即，智能电话的主键)将与指纹传感器重叠，使得整个装置的厚度将变厚。此外，用于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，已经提出了触摸传感器区域被用来感测指纹的一些技术。例如，已知有于2013年10月22日登记的其标题为“Capacitive touch sensor for identifying a fingerprint(用于识别指纹的电容式触摸传感器)”的美国专利8,564,314以及于2014年8月18日登记的其标题为“Acapative touch screen for integrated of fingerprint recognition(用于集成指纹识别的电容式触摸屏)”的韩国专利10-1432988。
在诸如智能电话的个人便携式设备的一般情况下，附接有附加透明膜以保护显示玻璃面板。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，所以正确地感测或识别指纹的性能将显著降低。一般而言，即使附接有保护膜，也可正确地操作触摸功能。然而，即使保护膜的厚度非常薄，对于用于感测指纹的电容存储量的差异的检测能力也可能由于保护膜而劣化。
对于嵌入电容式指纹传感器的显示器，通常可在显示器的盖玻璃上进一步附接保护膜或硬化玻璃。在这种情况下，识别能力可能会劣化。也就是说，盖玻璃的总厚度可能会影响电容式指纹传感器的灵敏度。在此期间，在感测光源中使用的散射光可能会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。
技术实现要素：
为了克服上述缺陷，本公开的目的是提供一种嵌入超薄光学图像传感器(或光学图像识别设备)的平板显示器。本公开的另一目的是提供一种具有其中显示面板的大部分或全部表面将被用于感测区域的光学图像传感器的平板显示器。本公开的又一目的是提供一种嵌入其中的定向光被用作覆盖大表面的感测光的光学图像传感器的平板显示器。本公开的又一目的是提供一种嵌入光学图像传感器的平板显示器，其中减少通过用于形成定向光的全息元件处的光损失来提高光效率。
为了实现以上目的，本公开提供一种应用于嵌入图像传感器的显示器的定向光学单元，
其中，所述定向光学单元具有厚度以及与所述显示器的显示面板对应的长度和宽度，并且被附接在所述显示面板的顶表面上，所述定向光学单元包括：盖板，该盖板具有与所述长度和所述宽度对应的尺寸；光辐射膜，该光辐射膜被设置在所述盖板的表面上，并且与所述显示面板的显示区域对应；光入射膜，该光入射膜被设置在所述光辐射膜的一个横向侧面处的所述显示区域的外侧，并且所述光入射膜被设置在所述盖板的表面上；低折射层，该低折射层被设置在所述光辐射膜和所述光入射膜的表面上，并附接在所述显示面板的顶表面上；反射层，该反射层覆盖所述盖板的与所述光入射膜面对的一个上边缘侧和与所述一个上边缘侧连接的一个垂直侧；以及光源，该光源与所述光入射膜面对地设置在所述显示面板的横向侧面处。
在一个实施方式中，所述光源向限定在所述光入射膜的表面上的入射点提供入射光；所述光入射膜包括第一全息图案以将所述入射光转换成具有满足所述盖板的全内反射条件的入射角的传播光，并且将所述传播光发送到所述盖板中；所述光辐射膜包括第二全息图案以将所述传播光中的一部分转换为具有满足所述盖板的顶表面处的全内反射条件和穿过所述低折射层的透射条件的反射角的感测光。
在一个实施方式中，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全内反射临界角，并且大于所述盖板的上表面处的第二全内反射临界角。
在一个实施方式中，所述反射角大于所述盖板与空气之间的第一全内反射临界角，并且小于所述光辐射膜与所述低折射层之间的第二全内反射临界角。
在一个实施方式中，所述传播光具有在包括沿长轴方向的长度轴和沿宽度方向的宽度轴的水平面上的扩散角，并且在包括所述长度轴和沿厚度方向的厚度轴的垂直平面上保持准直状态。
在一个实施方式中，所述扩散角至少等于第一线与第二线之间的内角，所述第一线连接所述入射点和所述盖板的相对于所述光入射膜的相反侧的一端，所述第二线连接所述入射点和所述盖板的相对于所述光入射膜的所述相反侧的另一端。
在一个实施方式中，所述反射层将穿过所述光入射膜的透射光反射回所述光入射膜中；所述光入射膜将所反射的透射光转换成具有满足所述盖板的内部的全内反射条件的入射角的折射光，并且发送到所述反射层；所述反射层将所述折射光反射到所述盖板中作为再生传播光。
在一个实施方式中，所述光辐射膜和所述光入射膜被设置在所述盖板的底表面的下面。
在一个实施方式中，所述光辐射膜和所述光入射膜被设置在所述盖板的顶表面上。
在一个实施方式中，该平板显示器还包括：上部低折射层，该上部低折射层被设置在所述盖板的顶表面处；以及上基板，该上基板被设置在所述上部低折射层和所述反射层上。
在一个实施方式中，所述传播光满足所述低折射层与所述上部低折射层之间的全内反射条件；通过所述光辐射膜从所述传播光所转换的辐射光在满足所述全内反射条件的情况下在所述盖板的顶表面处被反射，并且穿过所述上部低折射层、所述盖板、所述光辐射膜和所述低折射层以成为感测光。
本公开还提供一种嵌入图像传感器的显示器，该显示器包括：显示面板，该显示面板包括显示区域和非显示区域；以及上述定向光学单元。
本公开提出一种嵌入光学图像传感器的平板显示器，其通过将指向(或“定向”)光提供为感测光而具有高分辨率识别能力或灵敏度。本公开提出了一种嵌入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使用全息技术在与用于感测光的显示面板对应的大面积上扩散。此外，根据本公开，设置在最顶表面上的保护基板被用作定向光学基板的盖板。回收穿过全息元件的光线，增强了效率。使用全息膜，提供覆盖与显示表面对应的大面积的准直光，从而本公开提出超薄定向光学基板。当将光学图像传感器接合到显示装置时，显示装置的整体厚度不会变厚。本公开提供了一种用于产生定向感测光的超薄膜型光学单元以及其上附接有相同光学单元的平板显示器。
附图说明
附图被包括以提供对本发明的进一步理解，并且被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，附图示出了本发明的实施方式，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
在附图中：
图1是例示根据本公开的第一实施方式的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学单元的结构的图。
图2是例示根据图1的定向光学基板内部的光路径的截面图。
图3是例示根据本公开的第一实施方式的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的平板显示器的结构的图。
图4是例示根据本公开的第二实施方式的定向光学单元的结构的图。
图5是例示根据本公开的第三实施方式的定向光学单元的结构的图。
图6是例示根据第一应用示例的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的液晶显示器的结构的截面图。
图7是例示根据第二应用示例的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的有机发光二极管显示器的结构的截面图。
具体实施方式
参照附图，我们将说明本公开的优选实施方式。在整个详细描述中，相同的附图标记表示类似的元件。然而，本公开不受这些实施方式的限制，而是可在不改变技术精神的情况下应用于各种改变或修改。在以下实施方式中，通过考虑说明的容易性来选择元件的名称，使得元件名称可能与实际名称不同。
<第一实施方式>
在下文中，参照图1和图2，我们将说明关于本公开的第一实施方式。图1是例示根据本公开的第一实施方式的应用于嵌入光学图像传感器的平板显示器的定向光学单元的结构的图。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，根据第一实施方式的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学单元是用于提供覆盖与显示器的表面对应的大面积的扩散准直光的光学装置。因此，光源LS优选地提供准直光。
定向光学基板SLS包括盖板CP、光辐射膜VHOE、光入射膜CHOE、低折射层LR和反射层REF。盖板CP可具有包括长度、宽度和厚度的矩形板形状。在图1中，长度沿X轴，宽度沿Y轴，并且厚度沿Z轴。盖板CP的长度沿着X轴设置，盖板CP的宽度沿着Y轴设置，并且其厚度沿着Z轴设置。
在盖板CP的底表面上附接有光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。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被设置为与用于检测和/或感测图像的区域对应。
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的区域上扩散的光的光学元件。优选地，光入射膜CHOE被设置在光辐射膜VHOE的外侧。具体地，光入射膜CHOE被设置为与光源LS面对。
优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可被设置在同一平面水平上。考虑到制造工艺，进一步优选地，光发射膜VHOE和光入射膜CHOE在同一膜上被形成为彼此分离。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的主膜设置为彼此靠近之后，可将这两个全息图案同时复制在一个全息记录膜上。
在光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的底表面的下面设置有低折射层LR。优选地，低折射层LR具有比盖板CP和光辐射膜VHOE的折射率低的折射率。例如，盖板CP可由折射率为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具有与盖板CP相同或比盖板CP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的折射率与扫描物体的折射率相同。例如，当应用于指纹传感器时，低折射层LR可具有与人类皮肤的折射率1.39类似的折射率1.4。
然后，具有1.5的折射率的盖板CP和光辐射膜VHOE被插入到具有1.4的折射率的低折射层LR与空气之间。结果，在高折射层的上表面和下表面处附接两个低折射层。这满足了光可在高折射层内部传播的全内反射条件。也就是说，盖板CP和光辐射膜VHOE将成为其中用于图像感测的光在显示面板的整个表面上扩散的导光空间。为方便起见，我们来说明盖板CP作为代表性的导光空间。
在光入射膜CHOE下方的空间处，光源LS被设置为与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供诸如激光束这样的高度准直光。具体地，当应用于指纹传感器被嵌入到便携式显示器中的系统时，优选地，光源LS提供人眼不能识别的红外激光束。
来自光源LS的具有预定截面面积的准直光作为入射光100被提供到在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100相对于入射点IP的表面沿法线方向进入。然而，本发明不限于此，在其它情况下，入射光100可相对于法线方向以倾斜角进入到入射点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的全内反射临界角。结果，当重复全反射时，传播光200在盖板CP的内部沿着X轴(盖板CP的长度方向)传播。
光辐射膜VHOE将传播光200中的一部分量转换成辐射光300，并使辐射光300折射到盖板CP的上表面。传播光200的其它部分将在盖板CP内部不断传播。
不是进入光入射膜CHOE的所有入射光100都被转换成传播光200。根据光入射膜CHOE的光效率来决定入射光100当中的被转换为传播光200的光量。例如，光入射膜CHOE的光效率可以是80％。在这种情况下，入射光100的20％穿过光入射膜CHOE，然后从盖板CP的上表面射出。入射光100的20％被浪费。
为了回收损失(或浪费)的光量，根据第一实施方式的定向光学基板SLS包括反射层REF。具体地，反射层REF被设置在盖板CP的与光入射膜CHOE相反的上表面上。同时，反射层REF覆盖盖板CP的与和光入射膜CHOE相反的上表面连接的一个垂直侧表面。例如，优选地，反射层REF具有如图1所示的覆盖一个上表面的边缘部和与该边缘部连接的一个垂直侧表面的“倒L”(或支架)形状。
未被光入射膜CHOE转换成传播光200的透射光110被反射层REF反射并返回到光入射膜CHOE。反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称的方向的折射光120。折射光120到达盖板CP的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达盖板CP的上表面。折射光120被反射层REF的水平部再次反射，然后将成为再生传播光(recycled propagating light)210。
再生传播光210具有与传播光200相同的条件。因此，当重复全反射时，再生传播光210在盖板CP的内部沿着作为盖板CP的长度方向的X轴传播。此外，与传播光200一样，再生传播光210中的一部分将被光辐射膜VHOE转换成辐射光300。
因为盖板CP的上表面与折射率为1.0的空气接触，所以辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射。然而，辐射光300将穿过盖板CP的底表面处的低折射层LR，使得辐射光300从定向光学基板SLS射出。换句话说，在盖板CP的上表面处被全反射的辐射光300在穿过盖板CP的底表面时将成为感测光400。
当传播光200和再生传播光210从设置有光入射膜CHOE的一侧到达相反侧时，传播光200和再生传播光210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“亮度”或“照度”)由光辐射膜VHOE的光提取效率决定。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首先入射到光辐射膜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继续行进。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，从光入射膜CHOE的第一侧到相反侧将提取多个辐射光300。当光辐射膜VHOE在所有区域上具有相同的光提取效率时，在从第一侧传播到相反侧时，传播光200的量逐渐降低。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到相反侧指数增加。这里，光辐射膜VHOE的光提取效率是传播光200和再生传播光210入射的点处的效率，因此不是每单位面积的效率。每单位面积的光提取效率可大于3％，例如，可以是20％。
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和再生传播光210时，入射光100保持准直状态。相比之下，在具有长度轴和宽度轴的XY平面(或“水平面”)上，优选地，传播光200和再生传播光210是具有扩散角φ的发散(或扩散)光。将传播光200和再生传播光210扩散的原因在于：将图像感测区域设置为覆盖盖板CP的大部分区域。例如，优选地，光辐射膜VHOE具有与光射出部分(light going-out part)LOT的整个区域相对应的区域。此外，优选地，扩散角φ是两条线之间的内角，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和盖板CP的相反侧的另一端点P2。
设置有光入射膜CHOE的区域被定义为光射入部分(light entering part)LIN。设置有光辐射膜VHOE的区域被定义为光射出部分LOT。光射出部分LOT将成为光在行进的光传播部分。在图1中，方便起见，光入射膜CHOE覆盖光射入部分LIN的整个区域。此外，光入射膜CHOE的尺寸略大于光入射点IP的尺寸就足够了。
例如，由光源LS产生的准直光的截面尺寸可具有半径为0.5mm的正圆形状。光入射膜CHOE具有与盖板CP的宽度对应的宽度并且宽度为3mm至5mm。光入射膜CHOE可被设置为贯穿(cross)盖板CP的宽度。
在下文中，参照图2，我们将说明从光源提供的准直红外光在定向光学基板SLS内部如何被转换为用于图像感测的定向红外光。图2是例示根据图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的表面沿法线方向进入。光入射膜CHOE将入射光100转换为被折射为相对于入射点IP的表面的法线方向具有入射角θ的传播光200。然后，光入射膜CHOE将传播光200提供到盖板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之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_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，光辐射膜VHOE与低折射层LR之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR优选地大于69°(度)。因此，入射角θ优选地大于69°。例如，入射角θ可以为70°至75°中的任何一个值。
进入光入射膜CHOE的入射光100根据光入射膜CHOE的光效率被转换为传播光200。其它光作为透射光110穿过光入射膜CHOE。当光入射膜CHOE的光效率为80％时，入射光100的80％将成为传播光200，而入射光的20％将成为透射光110。
没有被光入射膜CHOE转换为传播光200的透射光110被反射层REF反射并且返回到光入射膜CHOE。这里，透射光110从与入射光100相反的一侧进入光入射膜CHOE。因此，被反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称方向的折射光120。折射光120行进到盖板CP的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达盖板CP的上表面。折射光120被反射层REF的水平部再次反射并到达盖板CP的下表面。到达盖板CP的下表面的折射光120相对于盖板CP的上表面具有入射角θ。
在被反射层REF的水平部反射之后，折射光120作为具有与传播光200相同的入射角θ的再生传播光210被提供到盖板CP中。也就是说，再生传播光210具有与传播光200相同的性质和相同的光路。再生传播光210与传播光200之间的区别在于它们彼此入射的点。结果，入射光100被转换成沿着X轴行进在盖板CP中的传播光200和再生传播光210。
与入射光100的20％对应的透射光110的80％被光入射膜CHOE转换成折射光120。也就是说，折射光120与入射光100的16％对应。总体上，入射光100的4％将穿过光入射膜CHOE，然后从盖板CP射出。根据本发明的第一实施方式，入射光的20％当中的在不包括反射层REF时可能被浪费的80％将被回收。根据本公开，入射光100的至少96％将被用于传播光200和/或再生传播光210。
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。这是因为盖板CP与空气之间的界面处的全内反射临界角TCP_AIR约为41.4°。也就是说，当入射角θ大于光辐射膜VHOE与低折射层LR之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR时，入射角θ总是大于盖板CP与空气AIR之间的界面处的全内反射临界角TCP_AIR。
光辐射膜VHOE将传播光200的预定量转换成具有反射角α的辐射光300，并将辐射光300送回到盖板CP的内部空间。辐射光300用于在物体与盖板CP的上表面接触时检测物体的图像。当盖板CP的外表面上没有物体时，辐射光300在盖板CP的上表面处被全反射，然后被提供给在定向光学基板SLS的底表面的外侧处设置的光传感器(或光学传感器)。也就是说，在盖板CP的上表面处被全反射后，辐射光300通过盖板CP的底表面从定向光学基板SLS射出。所有感测光400都具有相同的反射角，所以可称为感测光400沿预定方向定向(或“指向”)。
感测光400是被盖板CP的上表面以入射角(或反射角)α反射的光。感测光400的反射角α小于传播光200和再生传播光210的入射角θ。例如，反射角α可以为45°至55°中的任何一个值。在一个实施方式中，TCP_AIR<α<TVHOE_LR<θ。因此，感测光400依次穿过盖板CP、光辐射膜VHOE和低折射层LR，然后从定向光学基板SLS射出。
检测从定向光学基板SLS的底表面下面设置的低折射层LR辐射出的感测光400，可识别出与盖板CP的上表面接触的物体的图像。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，我们专注于嵌入指纹识别传感器的平板显示器。
图3是例示根据本公开的第一实施方式的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的平板显示器的结构的图。参照图3，根据本发明的第一实施方式的嵌入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和光源LS。显示面板DP包括显示区域AA和非显示区域NA。显示区域AA可设置在显示面板DP的中间部。非显示区域NA可围绕显示区域AA。显示区域AA可具有用于呈现显示面板DP上显示的视频图像的多个显示元件。非显示区域可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。
具体地，用于表示视频图像的多个像素区域可按矩阵方式布置在显示区域AA中。像素区域中的至少一个可包括一个光传感器以用于检测物体的图像。在一些情况下，可在一组像素区域处设置一个光传感器。例如，可在包括2×2、3×3或4×4个像素的每个像素组处设置一个光传感器。
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的长度和宽度具有足够的尺寸以与显示面板DP的尺寸对应。具体地，定向光学基板SLS具有比显示面板DP的尺寸略大的尺寸。至少优选地，定向光学基板SLS具有在显示面板DP的一侧上的延伸(或扩展)的区域。在显示面板DP上的延伸侧区域处，可设置光源LS。
定向光学基板SLS可在它被附接在显示面板DP的上表面上时与显示面板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和低反射层LR。
优选地，通过插入在盖板CP与显示面板DP之间，低折射层LR与显示面板DP彼此面对地附接在显示面板DP的上表面上。这里，显示面板DP的上表面是提供来自显示面板DP的视频图像的前表面。也就是说，用户在看显示面板DP的上表面时观看视频图像。
如上所述，定向光学基板SLS可将图像感测光400提供给与显示面板DP的上表面面对的底表面。因此，设置在位于定向光学基板SLS下面的显示面板DP中的光传感器可检测图像感测光400。结果，可识别出在定向光学基板SLS的上表面上接触的物体的图像。
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。当物体IM被设置在盖板CP上时，入射到物体IM未接触的区域的辐射光300被全反射并作为感测光400被提供到显示面板DP。相反，入射到物体IM所接触的区域的辐射光300被折射并从盖板CP射出。在其折射率大于空气的折射率的物体IM所接触的点处，辐射光300没有被全反射，而是被折射到物体IM中。也就是说，在物体IM所接触的区域处，辐射光300将成为吸收光500，使得它不被提供到显示面板DP的光传感器。
结果，显示面板DP的光传感器仅检测辐射光300当中的除吸收光500之外的感测光400。通过检测在盖板CP的顶表面处反射的感测光400的反射图案，显示面板DP的光传感器再现物体IM的图案或图像。
当将定向光学单元应用于指纹传感器时，物体IM将是人的手指。指纹的脊部R与盖板CP的顶表面接触，但是指纹的谷部V不与盖板CP的顶表面接触。入射到谷部V的辐射光300被全反射而成为感测光400。在此期间，入射到脊部R的辐射光300被折射，使得它们将成为从盖板CP射出的吸收光500。
即使入射光100的80％被转换成传播光200，被转换成感测光400的光的最终量也非常低。光的最终量还取决于光辐射膜VHOE的光效率。当光辐射膜VHOE具有覆盖盖板CP的表面的相对大的面积时，每单位面积的光提取效率最多为20％。结果，辐射光300将是入射光100的16％。此外，应用于显示面板，感测光400可在到达光(light)传感器(或光(photo)传感器)之前穿过偏振膜。在这种情况下，感测光400的最终量将减少50％。最后，用于由光传感器检测的感测光400的量约为入射光100的8％。
相比之下，根据本公开的第一实施方式，入射光100的至少96％被转换为传播光200和再生传播光210。因此，用于由光传感器检测的感测光400的量将是入射光100的至少9.6％。
进一步参照图3的下图，我们将解释关于XY平面上的图像感测的过程。入射光100可包括具有预定截面面积的准直红外光。光源LS可以是红外激光二极管(或“IR LD”)。
入射光100将被光入射膜CHOE转换成传播光200。此外，通过反射层REF，产生再生传播光210。这里，传播光200和再生传播光210在包括X轴上的长度轴和Y轴上的宽度轴的XY平面上被扩散为具有扩散角φ。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。
这里，优选地，扩散角φ等于或略大于从光入射点IP分别连接到位于盖板CP的与光入射膜CHOE面对的两个端点的两条线的内角。在这种情况下，传播光200和再生传播光210可被扩散为具有三角形形状。结果，辐射光300可覆盖在传播光200和再生传播光210被扩散时所覆盖的区域相同的区域。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可被限定为图3中的阴影圆圈区域。
当将感测区域SA设置在与光入射膜CHOE面对的中心部或上侧偏移部上时，优选地，辐射光300的量(或照度或亮度)具有最大值。为此，光辐射膜VHOE可根据与位置的函数关系被设计为具有不同的光提取效率，以在与感测区域SA对应的区域处具有最大值，并且在其它区域具有最小值或零。
在第一实施方式中，我们解释了光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE设置在盖板CP下面的情况。然而，所述配置不限于如第一实施方式所述的。作为另一示例，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可设置在盖板CP上。
<第二实施方式>
在下文中，参照图4，我们将解释关于本公开的第二实施方式。图4是例示根据本公开的第二实施方式的定向光学单元的结构的图。
参照图4，根据第二实施方式的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学单元是用于提供覆盖与显示器的表面对应的大面积的扩散准直光的光学装置。因此，光源LS优选地提供准直光。
定向光学基板SLS包括第一盖板CP1、第二盖板CP2、装饰膜(decoration film)LO、光辐射膜VHOE、光入射膜CHOE、第一低折射层LR1和第二低折射层LR2。第一盖板CP1和第二盖板CP2可具有包括长度、宽度和厚度的矩形板形状。第一盖板CP1和第二盖板CP2的长度沿着X轴设置，第一盖板CP1和第二盖板CP2的宽度沿着Y轴设置，并且它们的厚度沿着Z轴设置。
第一盖板CP1和第二盖板CP2面对面地接合。在第一盖板CP1的底表面的一侧和/或相反侧处，可设置装饰膜LO。装饰膜LO是用于表示产品或制造商的标志、商标或广告副本的装饰装置或元件。装饰膜LO可设置在包括显示区域的上侧、下侧、左侧或右侧在内的非显示区域处。在具有装饰膜LO的第一盖板CP1下面，设置有第一低折射层LR1。在上侧和下侧分别设置两个装饰膜LO，并且第一低折射层LR1设置在这两个装饰膜LO之间。图4所示出的仅是一个装饰膜LO，而没有示出另一装饰膜LO。另一装饰膜LO可以被设置在所述一个装饰膜LO的相反侧。然而，本发明不限于图4。第一低折射层LR1可被设置为覆盖所有装饰膜LO。
第二盖板CP2附接在第一盖板CP1上，第一低折射层LR1位于它们之间。在第一盖板CP1与第二盖板CP2之间插置有装饰膜LO和第一低折射层LR1。当装饰膜LO设置在第一盖板CP1或第二盖板CP2的外表面上时，由于装饰膜LO具有厚度，所以容易被损坏或可能被任何其它元件干扰。然而，在本公开的实施方式中，装饰膜LO被插入在第一盖板CP1与第二盖板CP2之间，使得装饰膜LO在布置有其它元件的位置处不被干扰。
在第二盖板CP2的底表面上附接有光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。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被设置为与用于检测和/或感测图像的区域对应。
光入射膜CHOE是用于将从光源提供的准直光转换成在第一盖板CP1和第二盖板CP2的区域上扩散的光的光学元件。优选地，光入射膜CHOE设置在光辐射膜VHOE的外侧。具体地，光入射膜CHOE被设置为与光源LS面对。
优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可设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在相同的膜上被形成为彼此分离。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的主膜设置为彼此靠近之后，可将这两个全息图案同时复制在一个全息记录膜上。
在光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的底表面的下面，设置有第二低折射层LR2。优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2具有相同的折射率。此外，优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2具有比第一盖板CP1、第二盖板CP2和光辐射膜VHOE的折射率低的折射率。
例如，第一盖板CP1和第二盖板CP2可由其折射率为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，并且可具有与第一盖板CP1和第二盖板CP2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的折射率与第一盖板CP1和第二盖板CP2的折射率相同的情况。优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2的折射率与扫描物体的折射率相同或略大。例如，当应用于指纹传感器时，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2可具有与人类皮肤的折射率1.39类似的折射率1.4。
然后，将具有1.5的折射率的第二盖板CP2和光辐射膜VHOE插入在具有1.4的折射率的第一低折射层LR1与第二低折射层LR2之间。结果，在高折射层的上表面和下表面处附接有两个低折射层。这满足了光可在高折射层内部传播的全内反射条件。也就是说，第二盖板CP2和光辐射膜VHOE将成为其中用于图像感测的光在显示面板的整个表面上扩散的导光空间。
在光入射膜CHOE下方的空间处，光源LS被设置为与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供诸如激光束这样的高度准直光。具体地，当应用于指纹传感器被嵌入到便携式显示器中的系统时，光源LS提供人眼不能识别的红外激光束。
来自光源LS的具有预定截面面积的准直光作为入射光100被提供到在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100相对于入射点IP的表面沿法线方向进入。然而，本发明不限于此，在其它情况下，入射光100可相对于法线方向以倾斜角进入到入射点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并将其发送到第二盖板CP2中。这里，优选地，入射角大于第二盖板CP2的全内反射临界角。结果，当重复全反射时，传播光200在第二盖板CP2的内部沿着X轴(第二盖板CP2的长度方向)传播。
不是进入光入射膜CHOE的所有入射光100都被转换成传播光200。根据光入射膜CHOE的光效率，将决定入射光100当中的被转换为传播光200的光量。
为了回收损失(或浪费)的光量，根据第二实施方式的定向光学基板SLS包括反射层REF。具体地，反射层REF设置在第二盖板CP2的与光入射膜CHOE相反的上表面上。同时，反射层REF覆盖第二盖板CP2的连接到第二盖板CP2的与光入射膜CHOE相反的上表面的一个垂直侧表面。例如，优选地，反射层REF具有如图4所示的覆盖第二盖板CP2的一个上表面的边缘部和与该边缘部连接的一个垂直侧表面的“倒L”(或支架)形状。
未被光入射膜CHOE转换成传播光200的透射光110被反射层REF反射并返回到光入射膜CHOE。反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称的方向的折射光120。折射光120到达第二盖板CP2的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达第二盖板CP2的上表面。折射光120被反射层REF的水平部再次反射，然后将成为再生传播光210。
再生传播光210具有与传播光200相同的条件。因此，当重复全反射时，再生传播光210在第二盖板CP2的内部沿着作为第二盖板CP2的长度方向的X轴传播。此外，与传播光200一样，再生传播光210中的一部分将被光辐射膜VHOE转换成辐射光300。
光辐射膜VHOE将传播光200和再生传播光210的一部分量转换成辐射光300，并使辐射光300折射到第一盖板CP1的上表面。传播光200和再生传播光210的其它部分将在第二盖板CP2的内部继续传播。在第一盖板CP1的上表面处，辐射光300被反射到所述第一盖板CP1中，穿过第一低折射层LR1，然后进入第二盖板CP2中。
辐射光300在第一盖板CP1的上表面处被全反射，这是因为第一盖板CP1的上表面与折射率为1.0的空气接触。然而，在第一盖板CP1的下表面处，辐射光300将穿过第一低折射层LR1，然后进入第二盖板CP2中。此外，辐射光300将通过设置在光辐射膜VHOE的底表面处的第二低折射层LR2透射，使得辐射光300从定向光学基板SLS射出。换句话说，在第一盖板CP1的上表面处全反射的辐射光300将成为穿过第二盖板CP2的底表面的感测光400。
我们将详细说明光路。从光源LS提供的入射光100相对于光入射膜CHOE的入射点IP的表面沿法线方向进入。光入射膜CHOE将入射光100转换成被折射为相对于入射点IP的表面的法线方向具有入射角θ的传播光200。然后，光入射膜CHOE将传播光200提供到第二盖板CP2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与第二低折射层LR2之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR2。此外，优选地，传播光200的入射角θ大于第二盖板CP2与第一低折射层LR1之间的界面处的全内反射临界角TCP2_LR1。
例如，当第二盖板CP2和光辐射膜VHOE的折射率为1.5，并且第一低折射层LR1和第二低折射层LR2的折射率为1.4时，优选地，光辐射膜VHOE与第二低折射层LR2之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR2和第二盖板CP2与第一低折射层LR1之间的界面处的全内反射临界角TCP2_LR1大于69°(度)。因此，入射角θ优选地大于69°。例如，入射角θ可以为70°至75°中的任何一个值。
进入光入射膜CHOE的入射光100根据光入射膜CHOE的光效率被转换为传播光200。其它光作为透射光110穿过光入射膜CHOE。当光入射膜CHOE的光效率为80％时，入射光100的80％为传播光200，而入射光的20％为透射光110。
未被光入射膜CHOE转换为传播光200的透射光110被反射层REF反射并返回到光入射膜CHOE。这里，透射光110从与入射光100相反的一侧进入光入射膜CHOE。因此，被反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称的方向的折射光120。折射光120到达第二盖板CP2的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达第二盖板CP2的上表面。折射光120被反射层REF的水平部再次反射并进入到第二盖板CP2中。到达第二盖板CP2的上表面的折射光120相对于第二盖板CP2的上表面具有入射角θ。
在被反射层REF的水平部反射之后，折射光120被提供到第二盖板CP2中作为具有与传播光200相同入射角θ的再生传播光210。也就是说，再生传播光210具有与传播光200相同的性质和相同的光路。再生传播光210与传播光200彼此之间的区别在于它们入射的点。结果，入射光100被转换成沿着X轴行进在第二盖板CP2中的传播光200和再生传播光210。
与入射光100的20％对应的透射光110的80％被光入射膜CHOE转换成折射光120。也就是说，折射光120与入射光100的16％对应。总体上，入射光100的4％将穿过光入射膜CHOE，然后从第二盖板CP2射出。根据本公开的第二实施方式，入射光的20％当中的在不包括反射层REF时可能被浪费的80％将被回收。根据本公开，入射光100的至少96％将被用于传播光200和/或再生传播光210。
光辐射膜VHOE将传播光200的预定量转换成具有反射角α的辐射光300，并将辐射光300送回到第一盖板CP1的内部空间。辐射光300用于在物体与第一盖板CP1的上表面接触时检测物体的图像。当第一盖板CP1的外表面上没有物体时，辐射光300在第一盖板CP1的上表面处被全反射，然后被提供给在定向光学基板SLS的底表面的外侧处设置的光传感器(或光学传感器)。也就是说，在第一盖板CP1的上表面处被全反射之后，辐射光300作为感测光400从定向光学基板SLS射出。
感测光400是被第一盖板CP1的上表面以入射角(或反射角)α反射的光。感测光400的反射角α小于传播光200和再生传播光210的入射角θ。例如，反射角α可以为45°至55°中的任何一个值。在一个实施方式中，TCP1_AIR<α<TCP2_LR1≈TVHOE_LR2<θ。因此，感测光400依次穿过第一盖板CP1、第一低折射层LR1、第二盖板CP2、光辐射膜VHOE和第二低折射层LR2，然后从定向光学基板SLS射出。
检测从定向光学基板SLS的底表面下面设置的第二低折射层LR2辐射出的感测光400，将识别出在第一盖板CP1的上表面上接触的物体的图像。
<第三实施方式>
在下文中，参照图5，我们将说明本公开的第三实施方式。图5是例示根据本公开的第三实施方式的定向光学单元的结构的图。
参照图5，根据第三实施方式的定向光学单元包括定向光学基板SLS和光源LS。定向光学单元是用于提供覆盖与显示器的表面对应的大面积的扩散准直光的光学装置。因此，光源LS优选地提供准直光。
定向光学基板SLS包括第一盖板CP1、第二盖板CP2、光辐射膜VHOE、光入射膜CHOE、第一低折射层LR1和第二低折射层LR2。第一盖板CP1和第二盖板CP2可具有包括长度、宽度和厚度的矩形板形状。第一盖板CP1和第二盖板CP2的长度沿着X轴设置，第一盖板CP1和第二盖板CP2的宽度沿着Y轴设置，并且它们的厚度沿着Z轴设置。
第一盖板CP1和第二盖板CP2以面对面的方式接合。在第一盖板CP1的底表面下面附接有第一低折射层LR1。在第一低折射层LR1的底表面下面附接有光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE。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被设置为与用于检测和/或感测图像的区域对应。
光入射膜CHOE是用于将从光源提供的准直光转换成在第一盖板CP1和第二盖板CP2的区域上扩散的光的光学元件。优选地，光入射膜CHOE被设置在光辐射膜VHOE的外侧。具体地，光入射膜CHOE被设置为与光源LS面对。
优选地，光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE可设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在相同的膜上被形成为彼此分离。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的主膜设置为彼此靠近之后，可将这两个全息图案同时复制在一个全息记录膜上。
在光辐射膜VHOE和光入射膜CHOE的底表面的下面，第二盖板CP2被设置为以面对面方式附接。也就是说，第二盖板CP2以面对面方式附接在第一盖板CP1上，第一低折射层LR1和光辐射膜VHOE位于第一盖板CP1与第二盖板CP2之间。
在第二盖板CP2的整个底表面的下面设置有第二低折射层LR2。优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2具有相同的折射率。此外，优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2具有比第一盖板CP1、第二盖板CP2和光辐射膜VHOE的折射率低的折射率。
例如，第一盖板CP1和第二盖板CP2可由折射率为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，并且可具有与第一盖板CP1和第二盖板CP2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的折射率与第一盖板CP1和第二盖板CP2的折射率相同的情况。优选地，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2的折射率与扫描物体的折射率相同或略大。例如，当应用于指纹传感器时，第一低折射层LR1和第二低折射层LR2可具有与人类皮肤的折射率1.39类似的折射率1.4。
然后，将具有1.5的折射率的第二盖板CP2和光辐射膜VHOE插入在具有1.4的折射率的第一低折射层LR1与第二低折射层LR2之间。结果，在高折射层的上表面和下表面处附接有两个低折射层。这满足了光可在高折射层内部传播的全内反射条件。也就是说，第二盖板CP2和光辐射膜VHOE将成为其中用于图像感测的光在显示面板的整个表面上扩散的导光空间。
在第二低折射层LR2下面的空间处，光源LS被设置为与光入射膜CHOE面对。优选地，光源LS提供诸如激光束这样的高度准直光。具体地，当应用于指纹传感器被嵌入到便携式显示器中的系统时，光源LS优选地提供人眼不能识别的红外激光束。
来自光源LS的具有预定截面面积的准直光作为入射光100被提供到在光入射膜CHOE上限定的光入射点IP。优选地，入射光100相对于入射点IP的表面沿法线方向进入。然而，本发明不限于此，在其它情况下，入射光100可相对于法线方向以倾斜角进入到入射点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并将其发送到第二盖板CP2中。这里，优选地，入射角大于第二盖板CP2的全内反射临界角。结果，当重复全反射时，传播光200在第二盖板CP2的内部沿着X轴(第二盖板CP2的长度方向)传播。
不是进入光入射膜CHOE的所有入射光100都被转换成传播光200。根据光入射膜CHOE的光效率，将决定入射光100当中的被转换为传播光200的光量。
为了回收损失(或浪费)的光量，根据第三实施方式的定向光学基板SLS包括反射层REF。具体地，反射层REF设置在第一低折射层LR1的与光入射膜CHOE相反的上表面上。同时，反射层REF覆盖第二盖板CP2的连接到第一低折射层LR1的与光入射膜CHOE相反的上表面的一个垂直侧表面。例如，优选地，反射层REF具有如图5所示的覆盖第一低折射层LR1的一个上表面的边缘部和与该边缘部连接的一个垂直侧表面的“倒L”(或支架)形状。
未被光入射膜CHOE转换成传播光200的透射光110被反射层REF反射并返回到光入射膜CHOE。反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称的方向的折射光120。折射光120到达第二盖板CP2的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达第二盖板CP2的下表面。因为折射光120满足在第二盖板CP2与第二低折射层LR2之间的界面处的全内反射条件，所以折射光120被第二低折射层LR2反射，然后将成为再生传播光210。
再生传播光210具有与传播光200相同的条件。因此，当重复全反射时，再生传播光210在第二盖板CP2的内部沿着作为第二盖板CP2的长度方向的X轴传播。此外，与传播光200一样，再生传播光210中的一部分将被光辐射膜VHOE转换成辐射光300。
光辐射膜VHOE将传播光200和再生传播光210的一部分量转换成辐射光300，并使辐射光300折射到第一盖板CP1中。传播光200和再生传播光210的其它部分将在第二盖板CP2的内部继续传播。
辐射光300在第一盖板CP1的上表面处被全反射，这是因为第一盖板CP1的上表面与折射率为1.0的空气接触。然而，在第一盖板CP1的下表面处，辐射光300将穿过第一低折射层LR1，然后进入第二盖板CP2中。此外，辐射光300将穿透设置在第二盖板CP2的底表面处的第二低折射层LR2，使得辐射光300从定向光学基板SLS射出。换句话说，在第一盖板CP1的上表面处全反射的辐射光300将成为穿过第二盖板CP2的底表面的感测光400。
我们将详细说明光路。从光源LS提供的入射光100相对于光入射膜CHOE的入射点IP的表面沿法线方向进入。光入射膜CHOE将入射光100转换成被折射为相对于入射点IP的表面的法线方向具有入射角θ的传播光200。然后，光入射膜CHOE将传播光200提供到第二盖板CP2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与第一低折射层LR1之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR1。此外，优选地，传播光200的入射角θ大于第二盖板CP2与第二低折射层LR2之间的界面处的全内反射临界角TCP2_LR2。
例如，当第二盖板CP2和光辐射膜VHOE的折射率为1.5，并且第一低折射层LR1和第二低折射层LR2的折射率为1.4时，优选地，光辐射膜VHOE与第一低折射层LR1之间的界面处的全内反射临界角TVHOE_LR1和第二盖板CP2与第二低折射层LR2之间的界面处的全内反射临界角TCP2_LR2大于69°(度)。因此，入射角θ优选地大于69°。例如，入射角θ可以为70°至75°中的任何一个值。
进入光入射膜CHOE的入射光100根据光入射膜CHOE的光效率被转换为传播光200。其它光作为透射光110穿过光入射膜CHOE。当光入射膜CHOE的光效率为80％时，入射光100的80％为传播光200，而入射光的20％为透射光110。
未被光入射膜CHOE转换为传播光200的透射光110被反射层REF反射并返回到光入射膜CHOE。这里，透射光110从与入射光100相反的一侧进入光入射膜CHOE。因此，被反射到光入射膜CHOE的透射光110被转换成被光入射膜CHOE折射到与传播光200镜像对称的方向的折射光120。折射光120到达第二盖板CP2的垂直侧。在被反射层REF的垂直部反射后，折射光120到达第二盖板CP2的上表面。折射光120被反射层REF的水平部再次反射并到达第二盖板CP2的下表面。到达第二盖板CP2的下表面的折射光120具有相对于第二盖板CP2的上表面的入射角θ。
在被反射层REF的垂直部反射之后，由于满足在第二盖板CP2的内部的全内反射条件，因此折射光120作为具有与传播光200相同入射角θ的再生传播光210被提供到第二盖板CP2中。也就是说，再生传播光210具有与传播光200相同的性质和相同的光路。再生传播光210与传播光200之间的区别在于它们彼此入射的点。结果，入射光100被转换成沿着X轴行进在第二盖板CP2中的传播光200和再生传播光210。
与入射光100的20％对应的透射光110的80％被光入射膜CHOE转换成折射光120。也就是说，折射光120与入射光100的16％对应。总体上，入射光100的4％将穿过光入射膜CHOE，然后从第一盖板CP1射出。根据本公开的第三实施方式，入射光的20％当中的在不包括反射层REF时可能被浪费的80％将被回收。根据本公开，入射光100的至少96％将被用于传播光200和/或再生传播光210。
光辐射膜VHOE将传播光200和再生传播光210的预定量转换成具有反射角α的辐射光300，并将辐射光300送回到第一盖板CP1的内部空间。辐射光300用于在物体与第一盖板CP1的上表面接触时检测物体的图像。当第一盖板CP1的外表面上没有物体时，辐射光300在第一盖板CP1的上表面处被全反射，然后被提供给在定向光学基板SLS的底表面的外侧处设置的光传感器(或光学传感器)。也就是说，在第一盖板CP1的上表面处被全反射之后，辐射光300作为感测光400从定向光学基板SLS射出。
感测光400是被第一盖板CP1的上表面以入射角(或反射角)α反射的光。感测光400的反射角α小于传播光200和再生传播光210的入射角θ。在一个实施方式中，TCP1_AIR<α<TCP2_LR2≈TVHOE_LR1<θ。因此，感测光400依次穿过第一盖板CP1、第一低折射层LR1、光辐射膜VHOE、第二盖板CP2和第二低折射层LR2，然后从定向光学基板SLS射出。
检测从定向光学基板SLS的底表面下面设置的第二低折射层LR2辐射出的感测光400，将识别出在第一盖板CP1的上表面上接触的物体的图像。
<第一应用示例>
到目前为止，我们基于用于在嵌入光学图像传感器的平板显示器中提供定向光的定向光学单元解释了本公开的特征。在下文中，我们将解释通过将平板显示器与根据本公开的定向光学单元接合而形成的、嵌入有光学图像传感器的平板显示器的整体结构的应用实施方式。
参照图6，我们将说明根据第一应用示例的嵌入光学图像传感器的平板显示器。图6是例示根据第一应用示例的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的液晶显示器的结构的截面图。
根据第一应用示例的嵌入光学图像传感器的液晶显示器包括液晶显示面板LCP、定向光学基板SLS和光源LS。液晶显示面板(LCP)包括彼此接合的下基板SL和上基板SU，液晶层LC设置在两个基板SL和SU之间。在下基板SL上，多个像素区域以矩阵方式设置。在上基板SU处，多个滤色器被设置为每个滤色器与每个像素区域对应。此外，上基板SU可具有任何重要的元件。这里，图中所示的液晶显示面板LCP是水平电场类型中的一种。然而，本发明并不限于这种液晶显示面板，而是可使用各种液晶显示面板。
在每个像素区域内，设置像素电极PXL和公共电极COM以表示视频图像。此外，设置薄膜晶体管T以用于将视频信号选择性地提供给像素电极PXL。光传感器TS可设置在薄膜晶体管T附近。可在每个像素区域处设置至少一个光传感器。此外，可在一组像素区域处设置一个光传感器TS。
在液晶显示面板LCP的上基板SU的顶表面上，以面对面方式附接根据本公开的实施方式的定向光学基板SLS。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。定向光学基板SLS的低折射层LR与上基板SU的顶表面接合。这里，我们来说明根据第一实施方式的定向光学基板SLS被附接在液晶显示面板LDP上。此外，定向光学基板SLS将被应用于液晶显示面板LDP。
液晶显示面板LCP是不能发射光的非自发光显示面板之一。因此，在下基板SL的底表面下面可需要背光单元BLU。在一个横向侧面，可将光源LS设置为面向光入射膜CHOE。光源LS可被配置为与背光单元BLU作为一体系统。此外，光源LS可与背光单元BLU间隔开地设置在背光单元BLU附近。
液晶显示面板LCP包括显示区域AA和非显示区域NA。定向光学基板SLS的光辐射膜VHOE可被设置为与显示区域AA对应。光源LS可与光入射膜CHOE面对地设置在非显示区域NA中。
<第二应用示例>
参照图7，我们将说明根据第二应用示例的嵌入光学图像传感器的平板显示器。图7是例示根据第二应用示例的嵌入包括定向光学单元和光学传感器在内的光学图像传感器的液晶显示器的结构的截面图。
根据第二应用示例的嵌入光学图像传感器的有机发光二极管显示器包括有机发光二极管显示面板OLP、定向光学基板SLS和光源LS。有机发光二极管显示面板OLP包括以面对面方式彼此附接的具有显示元件的基板SUB和封装层ENC。在基板SUB上，多个像素区域以矩阵方式设置。在封装层ENC上，多个滤色器可被设置为每个滤色器与每个像素区域对应。此外，封装层ENC可以是没有任何特定元件的透明基板。这里，图中所示的有机发光二极管显示面板OLP是顶部发光型中的一种。然而，本发明不限于顶部发光型，而是可使用包括底部发光型或两面发光型在内的各种类型。
在每个像素区域内，设置有用于表示视频图像的有机发光二极管OLE和用于将视频数据选择性地提供给有机发光二极管OLE的薄膜晶体管T。有机发光二极管OLE包括阳极ANO、有机发光层OL和阴极CAT。光传感器TS可设置在薄膜晶体管T附近。可在每个像素区域处设置至少一个光传感器TS。此外，可在一组像素区域处设置一个光传感器TS。
在有机发光二极管显示面板OLP的封装层ENC的顶表面上，以面对面方式附接根据本公开的实施方式的定向光学基板SLS。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。定向光学基板SLS的低折射层LR与封装层ENC的顶表面接合。这里，我们来说明根据第一实施方式的定向光学基板SLS被附接在有机发光二极管显示面板OLP上。此外，定向光学基板SLS将被应用于有机发光二极管显示面板OLP。
有机发光二极管显示面板OLP是可发射光的自发光显示面板之一。因此，不需要背光单元BLU。因此，优选地，光源LS与光入射膜CHOE面对地设置在有机发光二极管显示面板OLP的一个横向侧面处。
详细地，有机发光二极管显示面板OLP包括显示区域AA和非显示区域NA。优选地，定向光学基板SLS具有比有机发光二极管显示面板OLP稍大的尺寸。定向光学基板SLS的光辐射膜VHOE可被设置为与显示区域AA对应。光入射膜CHOE可被设置为覆盖从有机发光二极管显示面板OLP的一个横向侧面延伸的外部空间。光源LS可与光入射膜CHOE面对地设置在外部空间的下面。
如上所述，嵌入光学图像传感器的显示器包括设置在最外层表面处的盖板以及具有最多几百微米的厚度并附接在盖板的一侧的超薄膜型全息膜。因此，根据本公开的光学图像传感器可与其中总厚度不太厚的显示面板一起配置。此外，高度准直的感测光均匀分布在显示面板的大部分表面上，将获得用于图像感测的超高分辨率。因此，在大面积上精确地检测诸如指纹或掌纹这样的微小图像图案是非常有效的。
嵌入根据本公开的光学图像传感器的平面显示器具有这样的特征：显示面板的盖玻璃被用作提供感测物体的图像的光的装置。此外，盖玻璃的厚度减薄一半并且附接两个盖玻璃，用于感测物体的图像的元件和装饰膜位于两个盖玻璃之间，这些元件和装饰膜可在不受干扰的情况下被设置。使用具有一半厚度的两个盖玻璃，可在显示装置的总厚度不增加的情况下获得嵌入图像感测功能的显示装置。
尽管已经参照附图详细描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员将理解的是，在不改变本发明的技术精神或必要特征的情况下，本发明可按其它特定形式来实现。因此，应当注意的是，前述实施方式在所有方面仅是例示性的，并且不应当被理解为限制本发明。本发明的范围由所附的权利要求而不是本发明的详细描述来限定。在权利要求的含义和范围内作出的所有改变或变型或者它们的等同物应当被解释为落入本发明的范围内。