JP6553155B2 - 光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置 - Google Patents

Description

本発明は指紋認識センサーのようなイメージセンサーを内蔵した平板表示装置に関し、特に、指向性光を提供する超薄膜型基板と光イメージセンサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置に関する。

コンピュータ技術が発達するにつれて、ノートブックコンピュータ、タブレットＰＣ（Tablet PC）、スマートフォン（Smart Phone）、個人携帯用情報端末機（Personal Digital Assistant）、現金自動入出金機（Automated Teller Machine）、検索案内システムなどの多様な用途のコンピュータ基盤システム（Computer Based System）が開発されてきた。これらシステムには通常的に個人私生活と関連した個人情報は勿論、営業情報や営業機密などの秘密を要する多くのデータが格納されているため、これらのデータを保護するためには保安を強化するべき必要性がある。

このために、従来から生体情報を認識することができるイメージセンサーを用いて、保安性を強化する方法が提案されたことがある。例えば、指の指紋を用いてシステムの登録や認証を遂行することによって、保安性を強化することができる指紋センサーが知られている。指紋センサーは、人間の指紋を感知するセンサーである。指紋センサーは、光学式指紋センサー（Optical Fingerprint Sensor）と静電容量式指紋センサー（Capacitive Fingerprint Sensor）とに大別される。

光学式指紋センサー（Optical Fingerprint Sensor）は、内部でＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの光源を用いて光を照射し、指紋の隆線（ridge）により反射された光をＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーを通じて感知する原理を用いたものである。光学式指紋センサーは、ＬＥＤを用いてスキャンをしなければならないので、スキャンのための付加装備が必要である。光学的付加装備を構成しなければならないので、スキャン可能なサイズを大きくすることに限界がある。したがって、表示装置と結合するなど、多様な応用には限界がある。

従来の光学式指紋センサーには、２００６年７月２６日付で登録された“指紋認識センサーを備えた映像表示装置”という名称の大韓民国登録特許１０−０６０８１７１と、２０１６年４月２１日付で公開された“指紋認識素子を含んだ表示装置”という名称の大韓民国公開特許公報１０−２０１６−００４３２１６が知られている。

前記大韓民国公開公報に記載された光学式指紋センサーを備える表示装置は、表示装置の表示領域をタッチ領域及び指紋認識領域に同時に使用することができるように構成している。しかしながら、指紋認識のためのセンシング用光が指向性（あるいは、Directivity）が顕著に低い拡散光を使用する。したがって、正確な指紋のパターンを認識することには限界がある。指向性の高いレーザー赤外線のようなコリメート光（Collimated Light）を使用する場合、広い面積に亘ってセンシング用光を照射し難いので、指紋認識領域のサイズが極めて限定される。また、指向性の高いコリメート光を広いスキャン面積に適用するためには、スキャン機能を付加しなければならないので、携帯用平板表示装置に適用し難い。

したがって、指紋認識センサーを内蔵する表示装置では主に静電容量式指紋センサーを適用する例が多い。しかしながら、静電容量式指紋センサーも多い問題点がある。

静電容量式指紋センサー（Capacitive Fingerprint Sensor）は、指紋センサーと接触する隆線（Ridge）と谷（Valley）との間に帯電される電気量の差を用いたものである。従来の静電容量式指紋センサーには、２０１３年１１月２１日付で公開された“静電容量式センサーパッケージング（Capacitive Sensor Packaging）”という名称の米国公開特許公報ＵＳ２０１３／０３０７８１８が知られている。

前記米国公報に記載された静電容量式指紋センサーは、特定プッシュボタン（Push Button）と結合したアセンブリ形態に構成されており、容量性プレートとユーザの指紋（隆線と谷）との間の静電容量を測定するための回路が印刷されたシリコンウエハを含む。一般的に、人間の指紋の隆線と谷は略３００μｍ〜５００μｍのサイズで、非常に微細であるので、前記米国公報の静電容量式指紋センサーは、高解像度センサーアレイと指紋認識処理のためのＩＣ（Integrated Chip）の製作が必要であり、このためにセンサーアレイとＩＣを一体形成することができるシリコンウエハを用いている。

しかしながら、シリコンウエハを用いて高解像度のセンサーアレイとＩＣを共に形成する場合、プッシュボタンと共に指紋センサーを結合するためのアセンブリ構造が必要になるので、構成が複雑になるだけでなく、非表示領域（ベゼル領域）が増加する問題点があった。また、プッシュボタン（例えば、スマートフォンのホームキー）と指紋センサーが重畳するように形成されるので、その厚さが増加するだけでなく、指紋センシング領域がプッシュボタンのサイズに左右される問題点があった。

このような問題点を解決するために、タッチセンサースクリーンの領域を指紋識別領域に用いる技術などが開発されたことがある。このような技術としては、“指紋識別用容量性タッチセンサー（capacitive touch sensor for identifying a fingerprint）”という名称の２０１３年１０月２２日付で登録された米国登録特許第ＵＳ８，５６４，３１４号と、“指紋認識一体型静電容量タッチスクリーン”という名称の２０１４年８月１８日付で登録された大韓民国登録特許第１０−１４３２９８８号が知られている。

スマートフォンのような個人携帯用表示装置には、表示パネル保護のための保護フィルムが追加で付着される場合が多い。前記のような技術を個人携帯用表示装置の表示領域を指紋認識別領域に適用する場合、保護フィルムを付着すれば、指紋認識機能が顕著に低下することがある。一般的に、保護フィルムを付着してもタッチ機能はそのまま使用することができる。しかしながら、指紋認識は非常に微細な指紋を認識しなければならないので、静電容量の微細な変化を感知しなければならない。保護フィルムの厚さが如何に薄くても、微細な指紋を認識することに必要な静電容量の変化を正確に感知するようにすることには深刻な障害を誘発することがある。

静電容量式指紋センサーを内蔵した表示装置では、表示装置の表面に保護フィルムあるいは強化ガラスを付着する場合が多いが、この場合、認識能力が格段に低下することがある。したがって、静電容量式指紋センサーの場合、表示基板の厚さに対する問題が発生することがある。反面に、光学式指紋センサーを内蔵した表示装置では、散乱光を使用するため、正確な認識能力が難しい。正確な認識能力を確保するためにコリメート光を使用する場合には、複雑で、体積の大きい光学機構が必要であるので、携帯性の高い平板用表示装置と結合し難い。

大韓民国登録特許１０−０６０８１７１号 大韓民国公開特許公報１０−２０１６−００４３２１６号 米国公開特許公報ＵＳ２０１３／０３０７８１８ 米国登録特許第ＵＳ８，５６４，３１４号 大韓民国登録特許第１０−１４３２９８８号

本発明の目的は、前記の問題点を克服するために考案されたものであって、超薄膜型光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することにある。本発明の他の目的は、表示パネルの表示領域の全体あるいは大部分の領域でイメージを認識することができる光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、指向性光を検出光として大面積に均等に提供する光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することにある。本発明の更に他の目的は、指向性光を使用することによって、検出解像度と敏感度に優れる超薄膜型、大画面型光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明によるイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置は、表示パネルと指向性光ユニットを含む。表示パネルは、表示領域と非表示領域が定義されている。指向性光ユニットは、表示パネルを収容する長さと幅、そして一定の厚さを有する。指向性光ユニットは、表示パネルの上部表面に面付着されて、表示領域に一定の方向性を有するコリメートされた（Collimated）検出光を提供する。指向性光ユニットは、カバー基板、出光素子、入光素子、低屈折層、検出光調節素子、及び光源を含む。カバー基板は、指向性光ユニットの長さと幅に対応する面積を有する。出光素子は、カバー基板の下部表面で、表示領域に対応して配置される。入光素子は、カバー基板の下部表面で、出光素子の一側辺で表示領域の外側に配置される。低屈折層は、出光素子及び入光素子の下部表面に配置され、表示パネルの上部表面に面付着され、カバー基板及び出光素子より低い屈折率を有する。検出光調節素子は、低屈折層の下部表面に配置される。光源は、表示パネルの一側辺で入光素子と対向するように配置される。

一実施形態として、光源は、入光素子の表面に定義された入射点に入射光を提供する。入光素子は、入射光をカバー基板の内部で全反射する入射角を有する進行光に転換してカバー基板の内部に入射させるホログラフィパターンを備える。出光素子は、進行光の一部をカバー基板の上部表面では全反射され、低屈折層を透過する条件を満たす、反射角を有する検出光に転換するホログラフィパターンを備える。検出光調節素子は、検出光の進行方向を表示パネルの垂直方向に転換するホログラフィパターンを備える。

一実施形態として、進行光は、幅方向軸と長手方向軸とからなる水平平面では拡散角を有し、長手方向軸と厚さ方向軸とからなる垂直平面ではコリメートされた状態を維持する。入射角は、出光素子と低屈折層との界面での全反射臨界角より大きい値を有する。反射角は、カバー基板と空気層との界面での全反射臨界角よりは大きく、出光素子と低屈折層との界面での全反射臨界角よりは小さい値を有する。

一実施形態として、拡散角は、入射点で入光素子と対向するカバー基板の他側辺の２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度以上である。

一実施形態として、指向性光ユニットは、水平コリメート素子をさらに含む。水平コリメート素子は、入光素子で進行光が進行する方向に一定距離離隔して、カバー基板の幅を横切って配置される。拡散角は、入光素子の入射点で水平コリメート素子の２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度に相応する。水平コリメート素子は、拡散角を有する進行光をカバー基板の幅に対応するように水平平面で水平コリメートするホログラフィパターンを備える。

一実施形態として、光源は、断面形状が正円形であるコリメート光（collimated light）を提供する。

本発明によれば、指向性（Directional）光を検出光に提供することによって、高分解能のイメージ認識能力を有する光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することができる。また、ホログラフィ技術を用いてコリメートされた赤外線レーザーを表示パネルの表示領域に対応する大面積に拡張させて検出光を提供することによって、大面積の認識が可能な、光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することができる。さらに、既存の平板表示装置の画面の上に薄いフィルム形状を有する指向性光を検出光として提供することによって、超薄型の光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置を提供することができる。特に、検出光は、イメージ認識センサーが備えられた表示基板に対して垂直に入射することによって、検出光の光量が低下しないので、正確なイメージ認識結果を得ることができる。また、本発明では表示装置の最表面に付着される保護基板自体を本発明による指向性光基板のカバー基板に使用することができる。しかも、ホログラフィフィルムを用いてコリメート光を大面積に拡散供給することによって、超薄型指向性光基板を提供する。したがって、本発明による光学式イメージ認識装置を表示装置と結合しても表示装置の厚さが厚くならない。本発明による光学式イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置は、イメージ認識領域を表示パネルの表示領域内で自由に設定することができるので、多様な製品に応用可能である。

本発明の第１実施形態による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置に適用する指向性光基板の構造を示す図である。 図１による指向性光基板の内部での光経路を示す断面図である。 本発明の第１実施形態による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置の構造を示す図である。 本発明の第２実施形態による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置の構造を示す図である。 本発明の第１応用例による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型液晶表示装置の構造を示す断面図である。 本発明の第２応用例による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型有機発光ダイオード表示装置の構造を示す断面図である。

以下、添付した図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。明細書の全体に亘って同一な参照番号は実質的に同一な構成要素を意味する。以下の説明で、本発明と関連した公知技術あるいは構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にすることがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。また、以下の説明で使われる構成要素の名称は、明細書作成の容易性を考慮して選択されたものであって、実際の製品の部品名称とは相異することがある。

＜第１実施形態＞
以下、図１及び図２を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置に適用する指向性光ユニットの構造を示す図である。図１で、上部図面はＸＺ平面から眺めた側面図であり、下部図面は上からＸＹ平面から眺めた平面図である。

図１を参照すると、本発明の第１実施形態による指向性光ユニットは、指向性光基板ＳＬＳと光源ＬＳを含む。指向性光基板ＳＬＳは、カバー基板ＣＰ、出光素子ＶＨＯＥ、入光素子ＣＨＯＥ、低屈折層ＬＲ、及び検出光調節素子ＧＨＯＥを含む。カバー基板ＣＰは、略長方形の四角板状形態で、長さと幅、そして厚さを有する。図１では、長さはＸ軸、幅はＹ軸、そして厚さはＺ軸に対応して表示する。

指向性光ユニットは、コリメートされた（collimated）光を大面積に広めて提供する光学装置である。したがって、光源ＬＳはコリメートされた光を提供することが好ましい。

カバー基板ＣＰの下部表面には出光素子ＶＨＯＥと入光素子ＣＨＯＥが面付着されている。出光素子ＶＨＯＥは、出射光３００を提供する光学素子である。したがって、出光素子ＶＨＯＥはイメージを検出及び認識する領域に対応するように配置される。

入光素子ＣＨＯＥは光源ＬＳで提供するコリメートされた光をカバー基板ＣＰに対応する面積に広がりながらコリメート性を有するように転換する光学素子である。入光素子ＣＨＯＥ、イメージ認識とは直接関連がないので、出光素子ＶＨＯＥの外側領域に配置することが好ましい。特に、入光素子ＣＨＯＥは光源ＬＳと対向して配置される。

出光素子ＶＨＯＥ及び入光素子ＣＨＯＥは、同一平面上に配置される。製造工程を考慮すれば、１つのフィルムの上に出光素子ＶＨＯＥと入光素子ＣＨＯＥの領域を分けて形成することが好ましい。出光素子ＶＨＯＥと入光素子ＣＨＯＥは、ホログラフィパターンを含む光学素子でありうる。この場合、出光素子ＶＨＯＥのパターンを有するマスターフィルムと入光素子ＣＨＯＥのパターンを有するマスターフィルムを隣接して配置した後、１つのホログラフィ記録フィルムに２つのホログラフィパターンを同時に複写することができる。

出光素子ＶＨＯＥ及び入光素子ＣＨＯＥの下部表面には低屈折層ＬＲが積層されている。低屈折層ＬＲは、カバー基板ＣＰ及び出光素子ＶＨＯＥより低い屈折率を有することが好ましい。例えば、カバー基板ＣＰは屈折率が１．５である透明な強化ガラスで作ることができる。出光素子ＶＨＯＥと入光素子ＣＨＯＥは透明なホログラフィ記録フィルムであって、屈折率がカバー基板ＣＰと同一であるか、またはもう少し大きい値を有することができる。ここでは、便宜上、出光素子ＶＨＯＥと入光素子ＣＨＯＥの屈折率は、カバー基板ＣＰの屈折率と同一であるものとして説明する。低屈折層ＬＲの屈折率は、認知しようとするイメージオブジェクトの屈折率と類似するものが良い。例えば、指紋認識に適用しようとする場合、人の皮膚が有する屈折率である１．３９と類似な１．４程度の屈折率を有することができる。

低屈折層ＬＲの下面には検出光調節素子ＧＨＯＥが配置されている。検出光調節素子ＧＨＯＥは、イメージ検出に使われた光がカバー基板ＣＰの表面に対して垂直方向に出光するように検出光の進行方向を切り替える光学素子である。

入光素子ＣＨＯＥの下部空間には、入光素子ＣＨＯＥと対向するように光源ＬＳが配置されている。特に、光源ＬＳは検出光調節素子ＧＨＯＥの下で入光素子ＣＨＯＥと対向することが好ましい。光源ＬＳはレーザーのようにコリメート性の高い光を提供することが好ましい。携帯用表示装置に指紋認識機能を内蔵するシステムに適用する場合、人が認知できない光である赤外線レーザーを提供することが好ましい。

光源ＬＳから提供されたコリメート光（Collimated Light）は、入射光１００として一定の断面積を有して入光素子ＣＨＯＥに定義された入射点ＩＰに提供される。入射光１００は、入射点ＩＰの表面に対して法線方向に入射することが好ましい。しかしながら、これに限定されるものではなく、必要によっては入射点ＩＰの表面の法線に対して傾いた角度に入射することもできる。

光源ＬＳから提供されたコリメート光は、入光素子ＣＨＯＥに入射する前に検出光調節素子ＧＨＯＥに先に入射する。検出光調節素子ＧＨＯＥは、垂直に入射する光に対しては作用しないホログラフィ光学素子であるので、コリメート光は検出光調節素子ＧＨＯＥをそのまま通過する。光源ＬＳが検出光調節素子ＧＨＯＥを通過しながら、光量が低下する可能性があると判断される場合、光源ＬＳが通過する領域に該当する検出光調節素子ＧＨＯＥの一部を選択的に除去することもできる。

入光素子ＣＨＯＥは、入射光１００を入射角を有する進行光２００に転換してカバー基板ＣＰの内部に送る。ここで、入射角はカバー基板ＣＰの内部全反射臨界角（Internal Total Reflection Critical Angle）より大きい値を有することが好ましい。その結果、進行光２００はカバー基板ＣＰの内部で全反射しながら、カバー基板ＣＰの長手方向であるＸ軸に進行する。

出光素子ＶＨＯＥは、進行光２００の一部の光量を出射光３００に転換してカバー基板ＣＰの上部表面に屈折させる。進行光２００の残りの光量はカバー基板ＣＰの内部で全反射されて進行する。出射光３００は、カバー基板ＣＰの上部表面では全反射されるが、下部表面では低屈折層ＬＲを透過して指向性光基板ＳＬＳの外部に出光される。即ち、出射光３００はカバー基板ＣＰの上部表面で全反射されて、下部表面を透過する検出光（あるいは、‘センシング光’）４００となる。

検出光４００は、カバー基板ＣＰの上部表面で反射されて下部表面方向に進行する。この際、検出光４００は出射光３００と同一な入射角度を有する。即ち、検出光４００はカバー基板ＣＰの下部表面に対して傾斜角度を有して放出される。指向性光基板ＳＬＳの下面には検出光４００を認知することができる光センサーが配置されている。したがって、光センサーに入射される検出光４００が傾斜角度を有して入射される。したがって、光センサーに入射される光量が弱くなることがある。検出光４００の光量を損失無しで光センサーに入射できるように、検出光４００を垂直検出光４０１に転換することが必要である。検出光調節素子ＧＨＯＥは、検出光４００を垂直検出光４０１に変換させるボログラフィック光学素子であることが好ましい。

入光素子ＣＨＯＥで進行しながら、出光素子ＶＨＯＥにより徐々に出射光３００が放出される。この際、出射光３００の光量は出光素子ＶＨＯＥの光抽出効率により決定される。例えば、出光素子ＶＨＯＥの光抽出効率が３％とすると、最初に進行光２００が出光素子ＶＨＯＥに触れた地点である最初の発光領域では初期入射光１００の３％に該当する光量が出射光３００として抽出される。９７％の進行光２００は続けて全反射されて進行する。その後、２番目の発光領域では、９７％の３％である初期入射光１００の光量の２．９１％に該当する光量が出射光３００として抽出される。

このような方式によりカバー基板ＣＰの最後辺に至るまで出射光３００が抽出される。このように、均一な出光効率を有する場合、進行光２００が進行するほど抽出される光量が徐々に減る。進行光２００が進行しながら、一定の光量を有する出射光３００を提供するためには、出光素子ＶＨＯＥの光抽出効率が指数関数的に徐々に増加する値を有するように設計することが好ましい。

進行光２００を長手方向軸と厚さ方向軸からなるＸＺ平面（あるいは、‘垂直平面’）上で見ると、入射光１００のコリメートされた状態をそのまま維持する。反面に、幅方向軸と長手方向軸からなるＸＹ平面（あるいは、‘水平平面’）では拡散角（φ）を有することが好ましい。これは、イメージ検出面積をカバー基板ＣＰの面積に対応するように設定するためである。例えば、出光素子ＶＨＯＥはできるだけ、光出射部ＬＯＴの面積の全体に対応するように配置することが好ましい。また、拡散角（φ）は入射点ＩＰで入光素子ＣＨＯＥと対向するカバー基板ＣＰの他側辺の２つの終端点Ｐ１、Ｐ２を各々連結する２つの線分がなす内側角度と等しいか大きいことが好ましい。

入光素子ＣＨＯＥが配置された領域を光入射部ＬＩＮとして定義することができる。また、出光素子ＶＨＯＥが配置された領域を光出射部ＬＯＴとして定義することができる。一方、光出射部ＬＯＴは光が進行する光進行部でもある。図１で、入光素子ＣＨＯＥが光入射部ＬＩＮの全体領域を覆うように配置されたものとして図示したが、入射点ＩＰのサイズよりもう少し大きいサイズを有する程度でも充分である。

例えば、光源ＬＳで提供するコリメートされた光の断面積が０．５ｍｍ×０．５ｍｍの正円である場合、入光素子ＣＨＯＥはカバー基板ＣＰの幅に対応する長さと３ｍｍ〜５ｍｍ程度の幅を有することができる。入光素子ＣＨＯＥは、カバー基板ＣＰの幅方向に横切って配置できる。

以下、図２を参照して、光源で提供されたコリメートされた（Collimated）赤外線が指向性光基板ＳＬＳの内部で如何なる経路を経て、イメージ検出に使用する指向性（Directional）赤外線に転換されるかを説明する。図２は、図１による指向性光基板の内部での光経路を示す断面図である。

光源ＬＳで提供された入射光１００は、入光素子ＣＨＯＥの入射点ＩＰの表面に対して法線方向に入射する。入光素子ＣＨＯＥは、入射光１００を入射角（θ）を有するように屈折させた進行光２００に転換してカバー基板ＣＰの内部に送る。

進行光２００の入射角（θ）は出光素子ＶＨＯＥと低屈折層ＬＲの界面での全反射臨界角（Ｔ_{ＶＨＯＥ＿ＬＲ}）より大きい値を有することが好ましい。例えば、カバー基板ＣＰ及び出光素子ＶＨＯＥの屈折率が１．５であり、低屈折層ＬＲの屈折率が１．４である場合、出光素子ＶＨＯＥと低屈折層ＬＲとの界面での全反射臨界角（Ｔ_{ＶＨＯＥ＿ＬＲ}）は約６９度に計算される。したがって、入射角（θ）は６９度より大きい値を有することが好ましい。例えば、入射角（θ）は７０度乃至７５度のうち、いずれか１つの値を有するように設定することができる。

カバー基板ＣＰの上部表面は空気層ＡＩＲと接触しているので、進行光２００はカバー基板ＣＰの上部表面でやはり全反射される。これは、カバー基板ＣＰと空気層ＡＩＲとの界面での全反射臨界角（Ｔ_{ＣＰ＿ＡＩＲ}）は約４１．４度であるためである。即ち、入射角（θ）が出光素子ＶＨＯＥと低屈折層ＬＲとの界面での全反射臨界角（Ｔ_{ＶＨＯＥ＿ＬＲ}）より大きい値を有すれば、これは常にカバー基板ＣＰと空気層ＡＩＲの界面での全反射臨界角（Ｔ_{ＣＰ＿ＡＩＲ}）より大きい値である。

出光素子ＶＨＯＥは、進行光２００の一定光量を反射角（α）を有する出射光３００に転換させてカバー基板ＣＰの内部に送り返す。出射光３００は、カバー基板ＣＰの上部表面にイメージを有するオブジェクトが接触する場合、そのイメージの像を認知するための光である。出射光３００は、カバー基板ＣＰの表面に何の物体もない場合には、全反射されて、指向性光基板ＳＬＳの下面の外部に位置した光センサーに送られなければならない。即ち、出射光３００はカバー基板ＣＰの上部表面で全反射された後には検出光４００として指向性光基板ＳＬＳの外部に出光される。

指向性光基板ＳＬＳの下部表面に配置された低屈折層ＬＲの外部に出光された検出光４００を認識することによって、カバー基板ＣＰの上部表面に配置された物体のイメージを判別することができる。特に、検出光４００はカバー基板ＣＰの下部表面に対して一定角度傾いた傾斜角を有して放出される。指向性光基板ＳＬＳの下には光センサーが配置できる。光センサーに入射される検出光４００が傾斜角度を有する場合、検出光４００の光量が低下することがある。検出しようとする光量が低下することを防止するために、検出光調節素子ＧＨＯＥにより検出光４００は垂直検出光４０１に変換される。垂直検出光４０１を光センサーが認識することによって、カバー基板ＣＰの上部表面に配置された物体のイメージを判別することができる。

以下、図１で説明した指向性光ユニットを応用したイメージ認識装置について説明する。特に、指紋認識センサーを内蔵した平板表示装置について説明する。図３は、本発明の第１実施形態による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置の構造を示す図である。

図３を参照すると、本発明の第１実施形態による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置は、表示パネルＤＰ、指向性光基板ＳＬＳ、及び光源ＬＳを含む。表示パネルＤＰには表示領域ＡＡと非表示領域ＮＡが定義されている。表示領域ＡＡは、表示パネルＤＰの中央部の大部分を占め、非表示領域ＮＡは表示領域の周辺に配置される。表示領域ＡＡには、表示パネルＤＰが表そうとする映像が表示される素子が配置されている。非表示領域ＮＡには表示領域に配置された素子を駆動するための素子が配置されている。

特に、表示領域ＡＡには、映像を表示するための多数個の画素領域がマトリックス方式により配列されている。これら画素領域には、イメージ認識のための光センサーが１つずつ配置されている。場合によっては、多数個の画素領域を基本単位にして、１つずつ配置されていることができる。例えば、２×２、３×３、あるいは４×４画素毎に１つずつ光センサーが配置できる。

指向性光基板ＳＬＳは、一定長さ、一定幅、及び一定厚さを有する薄くて広い板状型である。指向性光基板ＳＬＳの長さと幅は表示パネルＤＰを収容するに充分なサイズを有することが好ましい。特に、表示パネルＤＰの全体サイズよりもう少し大きいサイズを有することが好ましい。少なくとも表示パネルＤＰの一側辺にさらに延びた部分を有することが好ましい。例えば、表示パネルＤＰの一側辺にさらに延びた部分には光源ＬＳを配置する。

指向性光基板ＳＬＳは、表示パネルＤＰの上部表面に面合着して結合できる。指向性光基板ＳＬＳは、前述したように、カバー基板ＣＰ、入光素子ＣＨＯＥ、出光素子ＶＨＯＥ、及び低屈折層ＬＲを含む。低屈折層ＬＲが表示パネルＤＰの上部表面と面合着されることが好ましい。ここで、表示パネルＤＰの上部表面は、表示パネルＤＰで提供される映像情報が出光される面をいう。即ち、ユーザが映像を観覧する時に眺める表示パネルＤＰの表面をいう。

前述したように、指向性光基板ＳＬＳでは下部表面に、即ち、表示パネルＤＰの上部表面にイメージ垂直検出光４０１を提供する。すると、指向性光基板ＳＬＳの下部に配置された表示パネルＤＰの光センサーが垂直検出光４０１を認知する。その結果、指向性光基板ＳＬＳの上部表面に接触する物体のイメージを認識することができる。

より詳しく説明すると、指向性光基板ＳＬＳの出光素子ＶＨＯＥにより作られる出射光３００がカバー基板ＣＰの上部表面に至る。特に、カバー基板ＣＰの上にイメージオブジェクトＩＭが接触している時、オブジェクトＩＭと触れない個所に至った出射光３００は全反射されて検出光４００に、また垂直検出光４０１として表示パネルＤＰに提供される。一方、カバー基板ＣＰの表面でオブジェクトＩＭが触れる部分に至った出射光３００は外部に屈折して出る。屈折率が空気より大きい値を有するオブジェクトＩＭがカバー基板ＣＰに接触した部位では、検出光４００が全反射されず、オブジェクトＩＭ側に屈折する。即ち、イメージオブジェクトＩＭがある部分では出射光３００が吸収光５００となって、表示パネルＤＰの光センサーに提供される光量がほとんどない。

その結果、表示パネルＤＰには出射光３００のうち、垂直検出光４０１のみ認知し、吸収光５００は認知できなくなる。このように、表示パネルＤＰの光センサーは、カバー基板ＣＰの表面で反射され、垂直方向に調節された垂直検出光４０１の反射パターンを認知することによって、イメージのパターンを再現（reproduce）することができる。

指向性光ユニットを指紋認識装置に適用する場合、イメージオブジェクトＩＭは人の指（finger）となる。そして、指紋の***Ｒ部分はカバー基板ＣＰの表面と接触し、谷Ｖ部分はカバー基板ＣＰの表面と接触しない。谷Ｖ部分に行った出射光３００は全反射されて検出光４００となる。反面に、***Ｒ部分に行った出射光３００は屈折してカバー基板ＣＰの外部に抜け出る吸収光５００となる。

図３の下に図示された斜視図をさらに参照してＸＹ平面上でのイメージセンシングについて説明する。入射光１００は、一定の断面積を有するコリメートされた赤外線を含むことができる。このために、光源ＬＳは赤外線レーザーを提供するものでありうる。

入射光１００は、入光素子ＣＨＯＥにより進行光２００に変換される。この際、進行光２００は、長手方向軸であるＸ軸と幅方向軸であるＹ軸からなる水平平面であるＸＹ平面では拡散角（φ）を有するように変換される。また、長手方向軸であるＸと厚さ方向軸であるＺ軸からなる垂直平面であるＸＺ平面では元のコリメートされた状態を維持する。

ここで、拡散角（φ）は、入射点ＩＰで入光素子ＣＨＯＥと対向するカバー基板ＣＰの他側辺の２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度と等しいか大きいことが好ましい。この場合、進行光２００は拡散角を有する三角形状に広がりながら進行する。これによって、出射光３００やはり進行光２００と同一な範囲に亘って提供される。その結果、イメージ認識領域は三角形内部領域となる。したがって、指紋認識装置に適用する場合、図３で斜線を施した円形で表示した部分に認識領域ＳＡを設定することができる。

図３のように、表示パネルの中央部、あるいは入光素子ＣＨＯＥと対向する上端辺の一部に認識領域ＳＡを設定する場合、認識領域ＳＡで出射光３００の光量が最大値を有するように設計することが好ましい。このためには、出光素子ＶＨＯＥの光抽出効率が認識領域ＳＡに対応する部分で最大値を有し、他の部分では最小値、あるいは‘０’に近い値を有するように位置に従う関数関係で設計することができる。

＜第２実施形態＞
以下、図４を参照して本発明の第２実施形態を説明する。図４は、本発明の第２実施形態による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置の構造を示す図である。

本発明の第２実施形態では、イメージ認識領域ＳＡをもう少し広く確保した場合を説明する。特に、表示領域ＡＡのうち、多い部分をイメージ認識領域ＳＡに設定することができる例を説明する。大部分の構成要素は、第１実施形態と類似している。したがって、同一な構成要素に対する説明は省略する。

本発明の第２実施形態による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置は、基本的に第１実施形態によるものと同一である。差があるならば、水平平面であるＸＹ平面上でも進行光２００をカバー基板ＣＰの幅に対応するように水平コリメートさせるための水平コリメート素子ＰＨＯＥをさらに含む。

水平コリメート素子ＰＨＯＥは、入光素子ＣＨＯＥで進行光２００が進行する方向であるＸ軸に沿って一定の距離離隔して、カバー基板ＣＰの幅を横切って配置される。ここで、水平コリメート素子ＰＨＯＥが入光素子ＣＨＯＥから離隔した距離は、製造者または設計者が任意に設定することができる。例えば、イメージ認識領域をカバー基板ＣＰの２／３程度の領域に設定しようとするならば、水平コリメート素子ＰＨＯＥは入光素子ＣＨＯＥでカバー基板ＣＰ長さの１／３の地点に配置することができる。

この場合、拡散角（φ）は、入光素子ＣＨＯＥの入射点ＩＰで水平コリメート素子ＰＨＯＥの２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度に相応する。拡散角（φ）を有する進行光２００は、水平コリメート素子ＰＨＯＥにより水平コリメート進行光２０１に変換される。水平コリメート進行光２０１は、出光素子ＶＨＯＥにより出射光３００に変換される。この際、出射光３００はＸＹ平面上で水平コリメートされた状態となる。出射光３００は、カバー基板ＣＰの幅に対応する面積に亘る広い面積に亘って均等に分布する。水平コリメート素子ＰＨＯＥは、拡散角（φ）を有する進行光２０１をカバー基板ＣＰの幅に対応するように水平平面で水平コリメートするホログラフィパターンを備えた光学素子でありうる。

図４の下に図示された斜視図をさらに参照すると、水平コリメート素子ＰＨＯＥは入射部ＬＩＮで一定の距離離隔した位置に設定された光変換部ＬＣＯに配置できる。第２実施形態では、光出射部ＬＯＴとイメージ認識領域ＳＡが実質的にほとんど同一でありうる。

＜第１応用例＞
今までは、光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置で指向性光を提供するための指向性光ユニットを中心として本発明に対して説明した。以下、本発明による指向性光ユニットを光認識センサーを含む平板表示パネルと結合して形成する光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置の具体的な応用例を説明する。

以下、図５を参考して、本発明の第１応用例による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置について説明する。図５は、本発明の第１応用例による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型液晶表示装置の構造を示す断面図である。

本発明の第１応用例による光学式イメージセンサー内蔵型液晶表示装置は、液晶表示パネルＬＣＰ、指向性光基板ＳＬＳ、及び光源ＬＳを含む。液晶表示パネルＬＣＰは、互いに面合着された下部基板ＳＬ、上部基板ＳＵ、そして、その間に介された液晶層ＬＣを含む。下部基板ＳＬには多数個の画素領域がマトリックス方式により配列されている。上部基板ＳＵには、画素領域に対応してカラーフィルタが配列されていることができる。あるいは、上部基板ＳＵには特別な素子が形成されない基板でありうる。ここで、液晶表示パネルＬＣＰは水平電界型の場合を図示した。しかしながら、これに限定せず、多様な液晶表示パネルに適用することができる。

画素領域には、画像を表現するための画素電極ＰＸＬと共通電極ＣＯＭが配置できる。また、画素電極ＰＸＬに画像信号を選択的に印加する薄膜トランジスタＴが配置されている。薄膜トランジスタＴと隣り合って光センサーＴＳが配置されていることができる。光センサーＴＳは、各画素領域毎に１つずつ、あるいはその以上配置され得る。または、多数個の画素領域毎に１つずつ光センサーＴＳが配置され得る。

液晶表示パネルＬＣＰの上部基板ＳＵの上面には本発明の実施形態で説明した指向性光基板ＳＬＳが面付着されている。指向性光基板ＳＬＳは、カバー基板ＣＰ、入光素子ＣＨＯＥ、出光素子ＶＨＯＥ、及び低屈折層ＬＲを含む。指向性光基板ＳＬＳの低屈折層ＬＲが上部基板ＳＵの上部表面に面付着される。

液晶表示パネルＬＣＰは自ら光を出せない非自発光表示装置である。この場合、下部基板ＳＬの下面にバックライトユニットＢＬＵが配置できる。バックライトユニットＢＬＵの一側辺には入光素子ＣＨＯＥと対向するように光源ＬＳが配置できる。この場合、光源ＬＳはバックライトユニットＢＬＵと一体型に形成することができる。あるいは、光源ＬＳは別途の構成で製作してバックライトユニットＢＬＵの近くに配置することができる。

液晶表示パネルＬＣＰは、表示領域ＡＡと非表示領域ＮＡを含む。指向性光基板ＳＬＳの出光素子ＶＨＯＥは、表示領域ＡＡに対応して配置される。入光素子ＣＨＯＥは、非表示領域ＮＡに対応して配置される。また、光源ＬＳやはり非表示領域ＮＡで入光素子ＣＨＯＥに対向して配置される。

＜第２応用例＞
以下、図６を参考して、本発明の第２応用例による光学式イメージセンサー内蔵型平板表示装置について説明する。図６は、本発明の第２応用例による指向性光ユニットと光認識センサーを含む光学式イメージセンサー内蔵型有機発光ダイオード表示装置の構造を示す断面図である。

本発明の第２応用例による光学式イメージセンサー内蔵型有機発光ダイオード表示装置は、有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰ、指向性光基板ＳＬＳ、及び光源ＬＳを含む。有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰは、表示素子が配置された基板ＳＵＢと表示素子を保護するためのエンキャップＥＮＣが互いに面合着されている。基板ＳＵＢには、多数個の画素領域がマトリックス方式により配列されている。エンキャップＥＮＣには、画素領域に対応してカラーフィルタが配列されていることができる。あるいは、エンキャップＥＮＣには特別な素子が形成されない透明基板でありうる。ここでは、上部発光型有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰの場合を図示した。しかしながら、これに限定せず、上部発光型など、多様な構造のものを適用することができる。

画素領域には画像を表現するための有機発光ダイオードＯＬＥと有機発光ダイオードＯＬＥに画像信号を選択的に印加する薄膜トランジスタＴが配置されている。有機発光ダイオードは、アノード電極ＡＮＯ、有機発光層ＯＬ、及びカソード電極ＣＡＴを含む。薄膜トランジスタＴと隣り合って光センサーＴＳが配置されていることができる。光センサーＴＳは、各画素領域毎に１つずつ、あるいはその以上配置されていることができる。または、多数個の画素領域毎に１つずつ光センサーＴＳが配置されることもできる。

有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰのエンキャップＥＮＣの上面には本発明の実施形態で説明した指向性光基板ＳＬＳが面付着されている。指向性光基板ＳＬＳは、カバー基板ＣＰ、入光素子ＣＨＯＥ、出光素子ＶＨＯＥ、及び低屈折層ＬＲを含む。指向性光基板ＳＬＳの低屈折層ＬＲがエンキャップＥＮＣの上部表面に面付着される。

有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰは、自ら光を出す自発光表示装置である。この場合、別途のバックライトユニットＢＬＵを必要としない。したがって、有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰの一側辺に入光素子ＣＨＯＥと対向するように光源ＬＳを配置することが好ましい。

具体的に説明すると、有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰは、表示領域ＡＡと非表示領域ＮＡを含む。指向性光基板ＳＬＳは、有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰより大きいサイズを有するように構成することが好ましい。指向性光基板ＳＬＳの出光素子ＶＨＯＥは、表示領域ＡＡに対応して配置される。入光素子ＣＨＯＥは、有機発光ダイオード表示パネルＯＬＰの側辺で拡張された空間の上部を覆うように配置する。そして、光源ＬＳはその拡張された空間の下部に配置することができる。

このように、本発明による光学式イメージ認識センサーを内蔵した表示装置では、表示装置の表面に付着するカバー基板とカバー基板の一側表面に付着された数百μｍ程度に過ぎない超薄型ホログラフィフィルムを備える。したがって、表示装置の厚さには影響を与えず、光学式イメージ認識センサーを内蔵することができる。また、コリメート性の高い光を表示装置の表示パネルの全体面積に均等に分布するようにして（または、スキャンして）イメージを認識することができるので、イメージ認識分解能が非常に優れて、指紋認識のように微細イメージを正確に認識することができる。

以上、説明した内容を通じて当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能であることが分かる。したがって、本発明の技術的範囲は明細書の詳細な説明に記載された内容に限定されるものでなく、特許請求範囲により定まるべきである。

Claims (6)

1. 表示領域と非表示領域が定義された表示パネルと、
   前記表示パネルを収容する長さと幅、そして一定の厚さを有し、前記表示パネルの上部表面に面付着された指向性光ユニットとを含み、
   前記指向性光ユニットは、
   前記長さと前記幅に対応する面積を有するカバー基板と、
   前記カバー基板の下部表面で、前記表示領域に対応して配置された出光素子と、
   前記カバー基板の下部表面で、前記出光素子の一側辺で前記表示領域の外側に配置された入光素子と、
   前記出光素子及び前記入光素子の下部表面に配置され、前記表示パネルの前記上部表面に面付着され、前記カバー基板及び前記出光素子より低い屈折率を有する低屈折層と、
   前記低屈折層の下部表面に配置された検出光調節素子と、
   前記表示パネルの前記一側辺で前記入光素子と対向するように配置された光源と、
   備え、
   前記光源は、前記入光素子の表面に定義された入射点に入射光を提供し、
   前記入光素子は、前記入射光を前記カバー基板の内部で全反射する入射角を有する進行光に転換し、
   前記出光素子は、前記進行光の一部の光量を該出光素子の光抽出効率に基づいて抽出して該抽出した一部を出射光に転換し、
   前記光抽出効率は、前記出光素子の前記一側辺から他側辺に向かって指数関数的に徐々に増加する、
   イメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。
2. 前記入光素子は、前記進行光を前記カバー基板の内部に入射させるホログラフィパターンを備え、
   前記出光素子は、前記進行光の一部を、前記カバー基板の上部表面では全反射し、前記低屈折層は透過する条件を満たす、反射角を有する検出光に転換するホログラフィパターンを備え、
   前記検出光調節素子は、前記検出光の進行方向を前記表示パネルの垂直方向に転換するホログラフィパターンを備える、請求項１に記載のイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。
3. 前記進行光は、幅方向軸と長手方向軸からなる水平平面では拡散角を有し、前記長手方向軸と前記厚さ方向軸からなる垂直平面ではコリメートされた状態を維持し、
   前記入射角は、前記出光素子と前記低屈折層との界面での全反射臨界角より大きい値を有し、そして、
   前記反射角は、前記カバー基板と空気層との界面での全反射臨界角よりは大きく、前記出光素子と前記低屈折層との界面での全反射臨界角よりは小さな値を有する、請求項２に記載のイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。
4. 前記拡散角は、
   前記入射点で前記入光素子と対向する前記カバー基板の他側辺の２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度以上である、請求項３に記載のイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。
5. 前記入光素子で前記進行光が進行する方向に一定距離離隔して、前記幅を横切って配置された水平コリメート素子をさらに含み、かつ、
   前記拡散角は、
   前記入光素子の入射点で前記水平コリメート素子の２つの終端点を各々連結する２つの線分がなす内側角度に相応し、
   前記水平コリメート素子は、前記拡散角を有する前記進行光を前記幅に対応するように前記水平平面で水平コリメートするホログラフィパターンを備えた、請求項３に記載のイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。
6. 前記光源は、
   断面形状が正円形であるコリメート光（collimated light）を提供する、請求項１に記載のイメージ認識センサー内蔵型平板表示装置。

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