CN220603808U - 用于显示系统的光学构造体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式光学构造体，该一体式光学构造体包括透镜层，该透镜层包括结构化第一主表面，该结构化第一主表面具有多个微透镜。光学不透明掩模层设置在该透镜层上并限定多个开口。该开口中的每个开口从该掩模层的面向该透镜层的第一主表面延伸到该掩模层的相背的第二主表面。开口与微透镜呈一对一的对应。针对在可见波长范围内的至少第一可见波长，该掩模层在该开口之间的区域具有大于约2的光学密度。光学粘合剂层设置在该掩模层的该第二主表面上并与其进行物理接触。该光学粘合剂层在该开口中的每个开口处限定凹陷部。该凹陷部包括封闭底部和通向该开口的相背的敞开顶部。

Description

用于显示系统的光学构造体

技术领域

本发明总体涉及光学构造体，具体地涉及用于显示系统(诸如指纹感测显示系统)的光学构造体。

背景技术

光学系统，诸如显示系统、指纹感测系统和生物识别系统，利用一个或多个光学层来管理入射光。通常，光学层要求具有所需光学透射比、光学雾度、光学清晰度和折射率。多种领先智能电话品牌正在探索全屏指纹感测以简化装置访问并增强安全性。实现技术包括嵌入在显示器中的光学传感器与必要光控制结合，以获得足够分辨率的指纹图像。在某些显示系统的制造期间，刚性基板，诸如液晶显示器(LCD)和覆盖透镜，通过光学透明粘合剂(OCA)彼此光学地耦合。在许多情况下，还在LCD与覆盖透镜之间引入触摸传感器。OCA的存在通过减少在基板与气隙之间的折射率失配而同时还向组件提供结构支撑来改善显示器的性能。

发明内容

本公开的一些方面涉及一种一体式光学构造体，该一体式光学构造体包括透镜层，该透镜层包括结构化第一主表面，该结构化第一主表面具有多个微透镜，该多个微透镜跨该透镜层二维地布置。光学不透明掩模层设置在该透镜层上并在其中限定多个物理贯通第一开口。该第一开口中的每个第一开口从该掩模层的面向该透镜层的第一主表面延伸到该掩模层的相背的第二主表面。该第一开口与该微透镜一一对应。针对在从约420nm扩展到约680nm的可见波长范围中的至少第一可见波长，该掩模层在该第一开口之间的区域具有大于约2的光学密度。第一光学粘合剂层设置在该掩模层的该第二主表面上并与其进行物理接触。该第一光学粘合剂层在该第一开口中的每个第一开口处在其中限定凹陷部。该凹陷部包括封闭底部和通向该第一开口的相背的敞开顶部。

本公开的其他方面涉及一种显示系统，该显示系统用于感测施加到该显示系统的用户的手指。该显示系统包括显示面板，该显示面板设置在本文公开的一个或多个实施方案的一体式光学构造体上，并且该显示面板在长度和宽度上与该一体式光学构造体基本上共延伸。该显示面板被配置为显示图像以供该用户观看。

本申请的这些方面和其它方面根据下面的具体实施方式将是显而易见的。然而，在任何情况下都不应将上面的总结理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅仅由所附权利要求限定。

附图说明

将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，

图1示意性地示出根据一个或多个实施方案的具有堆叠式光学构造体的显示系统的横截面图；

图2示出了根据一些方面的基板上的微透镜结构的俯视图SEM图像；

图3示意性地示出了根据一些实施方案的显示系统的区段的横截面图；

图4至图5是光学构造体在不同平面内的横截面的示例性扫描电子显微图；

图6示意性地示出了根据一些方面的光学构造体的光学滤光器的构造；并且

图7示出了可被包括在光学构造体中的三种类型的光学滤光器的光学透射曲线。

图未必按照比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一个图中用相同数字标记的部件。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考了形成该详细描述的一部分的附图，并且在附图中以例示的方式示出了若干具体实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，能够设想并作出其他实施方案。

例如在有机发光二极管(OLED)指纹感测(FPS)应用中已经开发了准直膜和IR/可见光阻挡层。光学构造体通常包括在光学堆叠与OLED面板之间的气隙并使用光学透明粘合剂(OCA)进行附连。本文所述的实施方案适用于具有可全结合的感测解决方案的全有源区域感测检测系统。

一些实施方案描述了使用OCA来影响包括微透镜和孔阵列来进行指纹感测的光学堆叠的性能的光学堆叠。可通过用OCA填充孔或维持在孔内部的空气来获得显示系统的期望光学性能。在一些情况下，可通过向这些OCA中添加IR吸收染料来进一步影响性能。

图1示出了显示系统(300)，例如用于感测施加到显示系统(300)的用户(70)的手指(71,72)的指纹感测显示系统。显示系统(300)包括设置在光学堆叠(200)上的显示面板(60)。显示面板(60)可设置为在长度(x轴)和宽度(y轴)上与光学堆叠(200)基本上共延伸。在一些实施方案中，光学堆叠(200)可具有一体式构造体。显示面板(60)被配置为显示图像(61)以供用户(70)观看。

显示系统(300)还可包括用于感测用户(70)的手指(71,72)的电容或光学传感器(80)[例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)或薄膜晶体管(TFT)或有机光电二极管(OPD)]。光学传感器(80)可与显示面板(60)相背地设置在光学堆叠(200)上。例如，传感器(80)可经由粘合剂层(100)结合到光学堆叠(200)。

显示系统还可包括光源(90,91)，该光源被配置为朝向用户(70)的手指(71,72)发射光(90a,91a)。光学传感器(80)被配置为接收由手指(71,72)反射的光(90b,91b)的至少一部分。光源(90,91)可以是能够发射在期望波长范围内的辐射的任何类型的装置，例如二极管激光器、LED(发光二极管)、OLED(有机发光二极管)等。在一些实施方案中，光源(90,91)是红外光源，其被配置为发射红外光。

将参考图1至图3进一步描述光学堆叠(200)。光学堆叠(200)包括透镜层(10)。透镜层(10)可包括最外结构化第一主表面(11)。结构化第一主表面(11)可包括多个微透镜(12)。多个微透镜(12)可跨透镜层(10)沿正交的第一方向(x轴)和第二方向(y轴)布置为微透镜二维阵列，如图2所示。

微透镜是具有小于1mm的至少一个侧向尺寸(例如，直径)的透镜。在一些实施方案中，微透镜(12)的平均直径可在5微米至1000微米的范围内。在一些情况下，微透镜阵列可具有不同大小、形状、折射率和焦距中的一者或多者。例如，阵列可以是规则的(例如，正方形或六边形网格)或不规则的(例如，随机的或伪随机的)。在一些情况下，微透镜(12)可具有基本上相等的焦距。

在本文所述的任何实施方案中使用的微透镜可以是任何合适类型的微透镜。在一些实施方案中，微透镜阵列可包括折射透镜、衍射透镜、金属透镜(例如，使用纳米结构来聚焦光的表面)、菲涅耳透镜、对称透镜(例如，关于光轴旋转对称)、非对称透镜(例如，不关于光轴旋转对称)或它们的组合中的至少一者。在一些情况下，微透镜中的至少一些微透镜可以是球面微透镜。在其他情况下，微透镜中的至少一些微透镜可以是非球面微透镜。

光吸收层(20)可设置在透镜层(10)上。光吸收层(20)可以是限定多个贯通第一开口(21)的光学不透明掩模层。第一开口(21)可具有任何合适的形状。在一些实施方案中，第一开口(21)可包括椭圆形针孔、圆形针孔、矩形针孔、正方形针孔、三角形针孔和不规则针孔中的至少一者。在一些情况下，第一开口(21)可包括这些针孔形状的任何组合。由手指(71,72)反射的光(90b,91b)的一部分可被配置为穿过第一开口(21)中的至少一些第一开口。

第一开口(21)例如可以是物理针孔或光学针孔。光学不透明材料或波长选择层中的物理针孔例如是穿过该材料或层的开口，该开口允许来自对应微透镜(12)的光穿过。例如，可通过例如穿过微透镜(12)的激光烧蚀来形成第一开口(21)。使用激光穿过微透镜阵列在层中形成开口在例如US2007/0258149(Gardner等人)中进行了大致描述。

可任选地将吸收外覆层施加到光学堆叠(200)上以增加来自激光器的能量的吸收。在一些实施方案中，光吸收层(20)可包含UV固化聚合物材料，并且可在其中形成多个激光烧蚀第一开口(21)。可能期望UV固化聚合物材料对激光有足够高的吸收以被烧蚀来形成开口。在烧蚀之后，可能期望包含UV固化聚合物材料的光吸收层(20)以足够高的程度阻挡可见光来满足光阻挡度量(FWHM、串扰等)。

光吸收层(20)针对至少一个波长并且针对至少一个偏振态基本上阻挡入射在第一开口(21)之间的区域(24)中的光(例如，通过吸收、反射或它们的组合阻挡至少60％的光)。在一些实施方案中，例如，光吸收层(20)包括在基本上光学不透明材料中的第一开口(21)或包括在波长可选择滤光器中的第一开口(21)。在一些情况下，针对在从约420nm扩展到约680nm的可见波长范围内的至少第一可见波长，光吸收层(20)在第一开口(21)之间的区域(24)可具有大于约2的光学密度。在一些情况下，针对在从约420nm扩展到约680nm的可见波长范围内的至少第一可见波长，光吸收层(20)在第一开口(21)之间的区域(24)的光学密度可大于约2.5、或3、或3.5、或4、或4.5、或5、或5.5、或6。

在一些方面，第一开口(21)中的每个第一开口可以是从光吸收层(20)的面向透镜层(10)的第一主表面(22)延伸到光吸收层(20)的相背的第二主表面(23)的贯通开口。第一开口(21)与微透镜(12)一一对应。例如，如果第一开口阵列中的每个第一开口(21)被设置成接收来自微透镜阵列中的对应微透镜(12)的光(例如，从固定方向入射在微透镜上)，则第一开口阵列中的每个第一开口(21)可被认为与微透镜阵列中的每个微透镜(12)以一一对应方式对准。在一些实施方案中，来自固定方向的光主要由微透镜阵列中的每个微透镜(12)引导到第一开口阵列中的对应第一开口(21)。在一些实施方案中，每个微透镜(12)可以是对称的(例如，关于穿过微透镜中心的光轴对称)，并且每个第一开口(21)可设置在微透镜(12)的中心的正下方。

在一些实施方案中，第一光学粘合剂层(30)设置在光吸收层(20)的第二主表面(23)上。第一光学粘合剂层(30)可设置成与光吸收层(20)进行物理接触。第一光学粘合剂层(30)可以是光学透明粘合剂(OCA)。OCA组合物在US 2018/0265748(Behling等人)中进行了大致描述。

在一些实施方案中，OCA组合物经选择以防止材料在加速温度和湿度暴露下流入开口中。粘合剂类似于美国专利号10,941,321中所述的那些。发现这些粘合剂不能防止粘合剂流入针孔中。因此，开发了本公开的粘合剂组合物，其在70℃下具有比美国专利号10,941,321中所述的那些更高的模量和更低(<0.2)的tanδ。此类粘合剂描述于与本公开同日提交的共同未决申请(代理人案卷号84586US002)中。

在一些实施方案中，可固化粘合剂组合物包含：重均分子量在100,000Da至400,000Da范围内的可固化(甲基)丙烯酸酯共聚物；任选的光引发剂；和可共固化添加剂混合物，其中该添加剂混合物包含：至少一种环氧(甲基)丙烯酸酯低聚物；至少一种胺基官能(甲基)丙烯酸酯；和至少一种氨基甲酸酯(甲基)丙烯酸酯低聚物。

还公开了含有设置在基板上的可固化粘合剂组合物的制品。在一些实施方案中，基板包括开口阵列，其中可固化粘合剂组合物不流入开口中，而是在一些实施方案中在开口上方形成升高区域。

如本文所用，术语“粘合剂组合物”在本文中可指含有可固化(甲基)丙烯酸酯共聚物和/或固化的(甲基)丙烯酸酯共聚物的粘合剂。在许多实施方案中，粘合剂组合物为压敏粘合剂组合物。

在许多实施方案中，粘合剂组合物为压敏粘合剂组合物。根据压敏胶带委员会(Pressure-Sensitive Tape Council)，压敏粘合剂(PSA)被定义为具有以下特性：(1)强力和永久的初粘力，(2)用手指轻压便可粘合，(3)有足够的能力保持到粘合体上面，以及(4)有足够的内聚强度以从粘合体上干净地去除。已发现的作为PSA充分发挥作用的材料包括经设计和配制以表现出所需粘弹特性的聚合物，这些粘弹特性实现所需的初粘力、剥离粘附力与剪切保持力的平衡。PSA的特征在于通常在室温下为发粘的。仅是粘的或粘附到表面上的材料不构成PSA；术语PSA涵盖具有附加粘弹性的材料。PSA为满足粘性的Dahlquist标准的粘合剂，这意味着当在25℃和1赫兹(6.28弧度/秒)下测量时剪切储能模量通常为3×10⁵Pa(300kPa)或更小。PSA通常在室温下表现出粘附性、内聚性、一致性和弹性。

如本文所用，术语“室温”是指约20℃至约25℃，或约22℃至约25℃的温度。

如图1和图3中最佳示出，第一光学粘合剂层(30)可在第一开口(21)中的每个第一开口处限定凹陷部(31)。凹陷部可具有任何期望形状和构型，其具有封闭底部(31a)和通向第一开口(21)的相背的敞开顶部(31b)。可通过OCA的设计和选择以及用OCA填充第一开口(21)或维持在第一开口(21)内部的空气来获得期望光学性能。在一些方面，已经发现低模量OCA填充第一开口(21)，同时已经发现高模量OCA维持在第一开口(21)内部的空气。

在一些情况下，凹陷部(31)和对应于凹陷部(31)的第一开口(21)中的每一者的总体积的至少80％可填充有空气。在一些情况下，凹陷部(31)和对应于凹陷部(31)的第一开口(21)中的每一者的总体积的至少85％、或90％、或95％、或96％、或97％、或98％、或99％可填充有空气。

图4和图5中所示的光学堆叠在平面(P1,P2)内的横截面的扫描电子显微图示出了光吸收层(20)、从光吸收层(20)的第一主表面(22)延伸到光吸收层(20)的相背的第二主表面(23)的第一开口(21a,21b)、以及形成在第一光学粘合剂层(30)中的对应于第一开口(21a,21b)的凹陷部(31a,31b)。

在一些实施方案中，在光学构造体在将第一开口(21a,21b)中的一个第一开口和对应于该第一开口的凹陷部(31a、31b)二等分的平面(P1,P2)内的横截面中，凹陷部跨第一开口(21a,21b)的至少70％、或75％、或80％、或85％、或90％、或95％延伸。

在一些实施方案中，光学堆叠(200)可包括光学滤光器(40)。光学滤光器(40)可由第一光学粘合剂层(30)结合到光吸收层(20)。使用多层光学膜干涉滤光器的光学滤光器在PCT公布号WO 2018/013363(Wheatley等人)中进行了大致描述。

在一些方面，光学滤光器(40)包括多个聚合物层(41,42)，如图6所示。聚合物层(41,42)可总计为至少10、或20、或30、或50、或100、或150、或200、或250、或300层。聚合物层(41,42)中的每个聚合物层可具有小于约500nm的平均厚度。在一些情况下，聚合物层(41,42)中的每个聚合物层的平均厚度可小于约450nm、或小于约400nm、或小于约350nm、或小于约300nm、或小于约250nm、或小于约200nm。

针对基本上垂直的入射光(43)，根据一个或多个实施方案的光学滤光器(40)可具有如图7以图形方式示出的光学透射率。图7中示出了基于不同类型的光学滤波器配置(OF1,OF2,OF3)的不同光学透射率曲线。由光学滤光器(40)透射的光的波长光谱至少包括从约420nm扩展到约680nm的可见波长范围、第一红外波长范围(50)和第二红外波长范围(51)。

针对基本上垂直的入射光(43)，并且针对第一正交偏振态(x轴)和第二正交偏振态(y轴)中的每一者，如果在从约420nm扩展到约680nm的可见波长内透射超过40％的光，则可说光学滤光器(40)在可见波长内是基本上可透射的。在一些情况下，光学滤光器(40)在可见波长内的平均可见光学透射率可大于约45％、或50％、或55％、或60％、或65％、或70％、或75％或80％。

针对基本上垂直的入射光(43)，并且针对第一正交偏振态(x轴)和第二正交偏振态(y轴)中的每一者，光学滤光器(40)的平均第一红外光学透射率在第一红外波长范围(50)内可小于约30％。在一些方面中，第一红外波长范围(50)在680nm至1800nm的波长范围内并可以是至少50nm宽。在一些方面中，第一红外波长范围(50)可以是至少75nm、或100nm、或125nm、或150nm、或175nm、或200nm宽。在一些情况下，光学滤光器(40)在第一红外波长范围(50)内的平均第一红外光学透射率可小于约25％、或小于约20％、或小于约15％、或小于约10％、或小于约5％、或小于约2％、或小于约1％。

在其他实施方案中，针对基本上垂直的入射光(43)，并且针对第一偏振态(x轴)和第二偏振态(y轴)中的每一者，光学滤光器(40)在第二红外波长范围(51)内可具有大于约40％的平均第二红外光学透射率。第二红外波长范围(51)在680nm至1800nm的波长范围内并可以是至少50nm宽。在一些方面，第二红外波长范围(51)可以是至少100nm、或200nm、或300nm、或400nm、或500nm、或600nm、或700nm宽。在一些情况下，光学滤光器(40)在第二红外波长范围(51)内的平均第二红外光学透射率可大于约45％、或50％、或55％、或60％、或70％、或75％、或80％、或85％。

在一些方面，平均第二红外光学透射率与平均可见光学透射率的比率可大于约0.8。在一些其他情况下，平均第二红外光学透射率与平均可见光学透射率的比率可大于约0.9、或大于约1、或大于约1.1、或大于约1.2、或大于约1.3、或大于约1.4、或大于约1.5。

表1提供了由第一光学粘合剂层(30)结合到光吸收层(20)的不同类型的光学滤光器(OF1,OF2,OF3)的实验光学透射率值。

表1

除非另外指出，否则针对附图中元件的描述应被理解为同样适用于其它附图中的对应元件。虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本申请旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型或组合。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。

Claims (9)

1.一种一体式光学构造体，其特征在于，所述一体式光学构造体包括：

透镜层，所述透镜层包括结构化第一主表面，所述结构化第一主表面包括多个微透镜，所述多个微透镜跨所述透镜层二维地布置；

光学不透明掩模层，所述光学不透明掩模层设置在所述透镜层上并在其中限定多个物理贯通第一开口，所述第一开口中的每个第一开口从所述掩模层的面向所述透镜层的第一主表面延伸到所述掩模层的相背的第二主表面，所述第一开口与所述微透镜一一对应，针对在从约420nm扩展到约680nm的可见波长范围中的至少第一可见波长，所述掩模层在所述第一开口之间的区域具有大于约2的光学密度；和

第一光学粘合剂层，所述第一光学粘合剂层设置在所述掩模层的所述第二主表面上并与其进行物理接触，所述第一光学粘合剂层在所述第一开口中的每个第一开口处在其中限定凹陷部，所述凹陷部包括封闭底部和通向所述第一开口的相背的敞开顶部。

2.根据权利要求1所述的一体式光学构造体，其中所述凹陷部和对应于所述凹陷部的所述第一开口中的每一者的总体积的至少80％填充有空气。

3.根据权利要求1所述的一体式光学构造体，其中在所述光学构造体在将所述第一开口中的一者和对应于所述第一开口的所述凹陷部二等分的平面内的横截面中，所述凹陷部跨所述第一开口的至少70％延伸。

4.根据权利要求1所述的一体式光学构造体，其中所述一体式光学构造体还包括光学滤光器，所述光学滤光器由所述第一光学粘合剂层结合到所述掩模层，并且所述光学滤光器包括总计至少10层的多个聚合物层，所述聚合物层中的每个聚合物层具有小于约500nm的平均厚度，使得针对基本上垂直的入射光，第一红外波长范围是至少50nm宽并在680nm至1800nm内，并且针对第一正交偏振态和第二正交偏振态中的每一者，所述光学滤光器在可见波长内具有大于约40％的平均可见光学透射率，并且在所述第一红外波长范围内具有小于约30％的平均第一红外光学透射率。

5.根据权利要求4所述的一体式光学构造体，其中针对所述基本上垂直的入射光，第二红外波长范围是至少50宽并在680nm至1800nm内，并且针对所述第一正交偏振态和所述第二正交偏振态中的每一者，所述光学滤光器在所述第二红外波长范围内具有大于约40％的平均第二红外光学透射率。

6.根据权利要求5所述的一体式光学构造体，其中所述平均第二红外光学透射率与所述平均可见光学透射率的比率大于约0.8。

7.一种显示系统，其特征在于，所述显示系统用于感测施加到所述显示系统的用户的手指，所述显示系统包括显示面板，所述显示面板设置在根据权利要求1所述的一体式光学构造体上，并且所述显示面板在长度和宽度上与所述一体式光学构造体基本上共延伸，所述显示面板被配置为显示图像以供所述用户观看。

8.根据权利要求7所述的显示系统，其中所述显示系统还包括：

传感器，所述传感器用于感测所述用户的所述手指，所述传感器与所述显示面板相背地设置在所述一体式光学构造体上；和

红外光源，所述红外光源被配置为朝向所述用户的所述手指发射红外光，所述传感器被配置为接收由所述手指反射的所述红外光的至少一部分。

9.根据权利要求8所述的显示系统，其中所述传感器经由粘合剂层结合到所述一体式光学构造体。