配置有透过型光谱仪的发射显示器的制作方法

配置有透过型光谱仪的发射显示器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年12月17日提交的美国申请第62/949,197号的权益，该申请的公开内容整体纳入本文。
技术领域
3.本公开涉及平板显示器，并且更具体地涉及在移动设备中使用的显示器，这些显示器使得能够透过显示器进行光谱感测。


背景技术：

4.至少从用户体验的角度来看，扩展显示器以覆盖移动设备(例如，移动电话、平板电脑等)的更多区域可能是期望的。然而，定位在移动设备的还包括显示器的一侧上的电光设备(例如，前置相机、光传感器、光谱仪等)可能会在该设备的包括显示器的一侧上争夺占位区域。因此，该显示器的发射区域的大小可能不得不折衷，以容纳该设备的显示器一侧上的其它传感器。


技术实现要素：

5.本公开描述了一种移动计算设备，该移动计算设备具有发射显示器面板和光谱仪，该光谱仪位于该显示器面板下方。由光谱仪检测和分析的光穿过显示器面板，并且由显示器面板的元件以波长相关的方式衍射。
6.在一般方面中，移动计算设备包括发射显示器面板和光谱仪，该光谱仪定位在发射显示器面板下方。该发射显示器面板包括第一周期性图案的像素和呈第二周期性图案的电路元件，其中所述像素包括一个或多个led，所述电路元件控制所述像素，其中该第一周期性图案和第二周期性图案被配置成衍射从设备外部接收到的、穿过发射显示器的光，并且其中衍射是波长相关的。该光谱仪被配置成检测衍射光的不同波长范围的强度。
7.各个实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
8.例如，该显示器面板可以包括有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器面板。
9.电路元件可以布置成形成供光穿过的开口。
10.该一个或多个led可以被配置成向物体提供光，该物体反射从设备外部接收到的、被周期性图案衍射的光。
11.该光谱仪可以包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列响应于成像到光学传感器阵列的不同部分上的衍射光的强度。
12.该移动计算设备可以包括存储器，该存储器被配置成用于存储该阵列的基线响应。
13.移动计算可以包括在发射显示器面板和光学传感器阵列之间的纤维板，其中，该纤维板被配置成将衍射光成像到光学传感器阵列上。
14.该移动计算设备还可以包括透镜，该透镜定位在发射显示器面板和光谱仪之间，
其中，被透镜被配置成将衍射光成像到光谱仪上。
15.该移动计算设备还可以包括不透明层，该不透明层在发射显示器面板和光谱仪之间，其中，该不透明层包括孔口，该孔口被配置成允许衍射光穿过显示器面板到达光谱仪。
16.该移动计算设备还可以包括处理器，该处理器被配置成处理来自光谱仪的信号，这些信号基于衍射光的不同波长范围的所检测到的强度，以将从中接收衍射光的产品识别为真实的或真的。
17.在另一方面中，发射显示器面板可以包括第一周期性图案的像素和呈第二周期性图案的电路元件，其中所述像素包括一个或多个led，所述电路元件控制这些像素，其中该第一周期性图案和第二周期性图案被配置成衍射从设备外部接收到的、穿过发射显示器的光，并且衍射是波长相关的，使得衍射光可以由定位在发射显示器面板下方的光谱仪检测到。
18.实施方式可以包括以下特征中的一个或多个。
19.例如，该显示器面板可以包括有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器面板。
20.该显示器面板可以包括有源矩阵有机发光二极管(amoled)显示器面板。
21.电路元件可以被布置成形成供光穿过的开口。
22.该一个或多个led可以被配置成向物体提供光，该物体反射从设备外部接收到的、被周期性图案衍射的光。
23.该发射显示器面板还可以包括不透明层，该不透明层在发射显示器面板和光谱仪之间，其中，该不透明层包括孔口，该孔口被配置成允许衍射光穿过显示器面板和不透明层。
附图说明
24.图1a示出了移动计算设备的顶(前)表面，该移动计算设备包括占据前表面不同部分的显示器和光学设备。
25.图1b示出了根据本公开的可能实施方式的移动计算设备的顶(前)表面，该移动计算设备包括显示器，其中光谱仪定位在该显示器的区域的后方。
26.图2a示出了根据本公开的可能实施方式的移动设备的侧截面图，该移动设备包括多个光学设备，每个光学设备均定位在发射显示器面板的后方。
27.图2b示出了根据本公开的可能实施方式的移动设备的侧截面图，该移动设备包括多个光学设备，该多个光学设备定位在发射显示器面板的后方。
28.图3a示出了根据本公开的可能实施方式的发射显示器的高分辨率部分的像素和信号线的顶视(前)视图。
29.图3b示出了根据本公开的可能实施方式的发射显示器的降低分辨率部分的像素和信号线的顶视(前)视图。
30.图4示出了图3b中所示的发射显示器的可能的侧截面图。
31.图5示出了对穿过图4的发射显示器的光的可能影响。
32.图6是由发射显示器的衍射元件对光的波长相关衍射的示意图。
33.图7示出了由发射显示器中的二维阵列的衍射元件衍射的光的测量点扩散功能。
34.图8是具有发射显示器的移动设备的示意图，该发射显示器包括周期性图案的衍
射元件，当光穿过显示器时，这些衍射元件可以衍射入射光。
35.图9是具有发射显示器的移动设备的示意图，该发射显示器包括周期性图案的衍射元件，当设备以环境光照明模式使用时，随着光穿过显示器，这些衍射元件可以衍射入射光。
36.附图中的部件不一定按比例绘制，并且可能并非相对于彼此按比例绘制。在整个若干视图中，相同的附图标记指代对应的部件。
具体实施方式
37.本公开描述了一种平板显示器(即，显示器面板)，该平板显示器可以与移动设备(例如，移动电话、平板电脑等)一起使用。移动设备的前表面包括通常用作图形用户界面(gui)的显示器以及在面向前表面的区域中用作传感器/发射器的一个或多个光学设备。该一个或多个光学设备可以配置成用于各种功能，包括(但不限于)感测照明条件(例如，光传感器)、感测接近度(例如，电磁传感器)、捕捉图像(例如，前置相机)和/或提供光(例如，闪光灯)。
38.传统上，显示器和光学设备占据了前表面的单独区域。例如，图1a示出了移动设备101，该移动设备具有显示器110和相机111，该显示器和相机占据该前表面的不同部分。除了相机111之外，移动设备101可以包括接收和感测光信号的其它光学元件，例如光谱仪。
39.光谱仪可以用于分析入射电磁辐射，以确定入射电磁辐射的组成波长以及不同组成波长中的辐照度或功率。由光谱仪提供的信息可以以各种不同的方式使用。例如，光谱信息可以用于基于来自产品的光谱特征、来确定该产品的成分或组分。在另一示例中，当产品具有不被假冒产品再现的已知特征光谱信号时，光谱信息可以用于确定产品(例如，药品、奢侈品等)的真实性。在另一示例中，光谱信息可以用于确定物品的状况。例如，水果的含糖量会随着水果的成熟而变化，并且当水果的含糖量影响从水果感测到的电磁频谱时，该光谱仪可以用来确定水果的相对成熟度。健康相关信息(例如，血氧饱和度、体脂百分比等)也可以通过光谱手段来检测。
40.发射显示器技术(例如，有源矩阵有机发光二极管(amoled))的最新进展有助于将显示器的发射(即，有源)区域朝向该移动设备的边缘延伸。通过将显示器的有源区域朝向移动设备的边缘延伸，用户可以在没有更大设备的缺点的情况下，体验到更大显示器的益处。然而，这可能会在移动设备正面上的发射显示器区域之外、为光谱仪或其它光学设备留下不充足的空间。此外，向移动设备添加光谱仪功能包括提供光栅以衍射入射光，并且该光栅可以是又另一部件来用于进行获取、测试并集成到设备中。
41.本文公开的发射显示器配置成与光谱仪共享移动设备的前表面，以使得该显示器的有源区域可以延伸到边缘，而无需为光谱仪在显示器中留下间隙或留下围绕显示器的空间。因此，所公开的显示器面板的覆盖光谱仪的一个或多个部分可以配置成使得定位在显示器下方的光谱仪能够通过显示器接收电磁辐射(例如，光)，并且显示器本身可以用作光栅以将接收到的辐射分离成组成波长，来用于光谱感测和分析。
42.图1b示出了移动设备102，该移动设备具有朝向设备边缘延伸的显示器112。与将显示器从为光学设备保留的区域中排除的移动设备不同，显示器112的发光(即，有源)区域基本上在整个前表面上延伸。因此，移动设备102的几乎整个前表面可以用于呈现彩色、黑
白或灰度图像、图形和/或字符。在一些实施方式中，显示器112可以包括一个或多个区域120，光谱仪可以设置在该一个或多个区域的后方(即，在其下方)。
43.区域120的大小、形状和/或位置可以不同地实施。例如，图1b中所示的区域120具有圆(例如，圆形)形状，并且定位成与显示器112的边缘隔开。情况无需如此。例如，区域120的形状可以是矩形，并且可以沿着显示器112的边缘定位。
44.图2a示出了具有显示器112的移动设备的侧截面图，该显示器具有区域120a、120b，电磁辐射可以通过这些区域发射到下方的光学设备，例如相机或光谱仪。该移动设备可以包括多个光学设备140a、140b，每个光学设备均定位在不同区域120a、120b的后方。图2b示出了具有显示器112的移动设备的侧截面图，该显示器具有供多个光学设备140a、140b使用的单个区域。
45.光学设备140a、140b可以通过区域120a、120b、120c发射和/或接收电磁辐射125。虽然本公开通常可以应用于被配置成发射或接收电磁辐射(例如，来自电磁光谱的毫米波、可见光或红外部分)的任何光学设备，但在整个公开内容中将考虑光谱仪的被配置成接收可见光和/或红外光的特定实施方式。
46.在一些实施方式中，显示器112的区域120a、120b、120c(光通过这些区域到达下方的传感器)可以具有与显示器的其余部分相同的像素密度和/或像素布置。在一些实施方式中，显示器112的区域120a、120b、120c(光通过这些区域到达下方的传感器)可以具有与显示器的其余部分不同的像素密度和/或像素布置。例如，在一些实施方式中，显示器的其余部分的显示区域所具有的像素分辨率可以高于该显示器的区域120a、120b、120c的像素分辨率，光通过上述区域发射到光谱仪。图3a示出了发射显示器的高分辨率部分的可能像素和信号线，而图3b示出了发射显示器的降低分辨率部分的像素和信号线。在图3a和图3b中，显示器中的像素可以包括发射不同颜色的多个发光元件(例如，发光二极管)，使得可以经由像素将来自不同元件的光量加以混合来产生所有可见颜色。例如，在一些实施方式中，像素可以包括红色led302、蓝色led304以及两个绿色led306。与显示器的高分辨率部分相比，分辨率降低的部分可以允许更多的光穿过显示器。然而，穿过显示器的光可能会遇到在竖直(y)方向和/或水平(x)方向延伸的信号线242。
47.图4示出了发射显示器面板200的侧截面图，该发射显示器面板适合与图1b的移动设备一起使用。在一个实施方式中，显示器面板200可以是amoled显示器。虽然本公开的原理可以应用于各种其它显示技术(例如lcd、led)，但在整个公开中都考虑了amoled显示器的实施方式。
48.如图4所示，amoled显示器面板200包括多个层。这些层定位在覆盖玻璃层210的后方(即，下方)，该覆盖玻璃层可以形成移动设备102的前表面。在可能的实施方式中，显示器面板200可以包括偏光膜层215。显示器面板200还可以包括触摸传感器层220，该触摸传感器层包括触摸传感器电极222。用于显示器的像素237由阴极层230、oled发射器堆叠235以及阳极层236的单独元件形成。阳极层236的元件可以是反射性的，以使得光从阳极层236在竖直(z)方向上被引导。阳极层236的元件可以联接到包括源极、栅极以及漏极的薄膜晶体管(tft)结构240，该薄膜晶体管结构可以由经由信号线242发射的电信号控制。显示器面板200还可以包括sinx或sionx的阻挡层245以及聚酰亚胺(pi)的基底层250。用于散热和电屏蔽的金属层/膜410可以位于显示器面板200的下方，以保护显示器免受由于移动设备中的
发热元件(例如cpu、gpu等)引起的局部热点的影响、以及免受来自下方电气部件的电信号噪声的影响。
49.显示器面板200的层可以包括透明和非透明的电路元件。例如，tft结构240、像素237、信号线242和/或触摸传感器电极222都可以阻挡光传播通过显示器面板200。光可以由不透明(例如，不透明)的电路元件反射或吸收。附加地，这些电路元件可以限定光可以与之相互作用的间隙(例如，周期性狭缝)。例如，光可能由形成在同一层中的相邻电路元件之间的间隙衍射。光也可能由不同层中的电路元件之间的间隙衍射，但效果可能比由于同一层中的元件引起的衍射弱。
50.图5示出了图4的显示器面板200的一部分的侧截面图，其中，光由显示器中的电路元件衍射。如图所示，当相邻电极222a、222b之间以及相邻像素237a、237b之间的距离与光的波长相比较大时，光300a可以在触摸传感器电极222a、222b之间和像素237a、237b之间穿过而不会被显著改变。然而，光300a可以由形成在彼此靠近放置的两条相邻信号线242a、242b之间的间隙衍射，其中，该两条信号线242a、242b之间具有较窄的间隙。间隙相对于光300a、300b的波长的尺寸可以确定该间隙对光的影响。例如，光的衍射程度可以取决于间隙(“d”)与光的波长(“λ”)相比的相对大小。当d》》λ时，几乎没有衍射，而当d《《λ时，几乎没有光穿过间隙，但当d～λ时，可能会发生明显的光衍射。因此，如果形成的间隙具有合适的尺寸，光就可以由通过电路元件的其它组合形成的间隙衍射。例如，当在信号线242c和tft结构240之间形成的第一间隙和在相邻信号线242a、242b之间的第二间隙与穿过这些间隙的光的波长相比、具有不同的相对尺寸时，由该第一间隙衍射的光300b可以与由该第二间隙衍射的光300a不同地衍射。
51.当光发生衍射时，衍射可以理解为有效地改变部分光的传播方向，使得衍射光320a、320b分布在一个衍射角上。通常，显示器中较窄的间隙会导致较大的衍射角。
52.尽管传感器电极222a、222b、像素237a、237b、信号线242a、242b、242c以及tft结构240对光的衍射在使穿过显示器面板200的光以光学方式成像到位于显示器下方的传感器上(例如，位于显示器下方的相机的传感器上)时可能是障碍，但可以有利地利用显示器中的衍射元件对光的衍射来获得关于穿过显示器面板200的光的光谱信息。
53.例如，图6是发射显示器面板200的衍射元件对光的波长相关衍射的示意图。入射的广谱光602可以与发射显示器的衍射元件(例如，触摸传感器电极222)相互作用，并且可以使得广谱光的不同波长被衍射不同的量。可以将衍射光604成像(例如，通过透镜606)到光学传感器阵列608上，在该光学传感器阵列上，在阵列608的不同像素上解析不同范围的波长。在一些实施方式中，可以用光纤板代替透镜606，该光纤板可以缩短该发射显示器的衍射元件与光学传感器阵列之间的距离或提供曲面图像平面。单独解析的波长范围的强度可以用于确定入射光的光谱图。散热层610可以位于显示器面板200的下方，以保护显示器免受由于移动设备中的发热元件(例如cpu、gpu等)所引起的局部热点的影响。散热层610可以包括金属并且可以是不透明的，其中，在层610中创建有小开口，以允许光穿过显示器到达位于显示器面板200下方的光学传感器阵列608。
54.图6的示意图示出了由于光束与衍射元件的一个边缘的相互作用而产生的简化衍射图案。在实践中，入射光由发射显示器200中的多个衍射元件的更复杂图案衍射。例如，再次参照图3b，当入射光穿过显示器的包括多个像素且每个像素包括多个led和多条信号线
的一部分时，入射光由多个元件衍射。然而，由于发射显示器中衍射元件的空间周期性，该显示器可以用作用于入射光的二维衍射光栅。图7示出了由发射显示器中的真实二维阵列的衍射元件所衍射的光的测量点扩散功能，其中，该发射显示器中衍射元件的二维图案的空间图案的特征回显在图7所示的点扩散功能中。
55.光学传感器阵列608可以在与点扩散功能的如下部分相对应的位置和定向、定位在发射显示器面板200的下方：该点扩散功能的部分由于发射显示器中的衍射元件而在光的衍射图案中具有良好的色分辨率。然后，传感器阵列上的信号可以用于确定穿过发射显示器面板200到达光学传感器阵列608的入射光的光谱。
56.图8是具有发射显示器802的移动设备800的示意图，该发射显示器包括周期性图案的衍射元件，当光穿过显示器802时，这些衍射元件可以衍射入射光804。衍射光806可以穿过发射显示器802下方的不透明层808中的孔口并且可以成像(例如，通过透镜810)到光学传感器阵列812上，该光学传感器阵列可以测量入射光804的光谱。在一些实施方式中，可以用光纤板代替透镜810，该光纤板可以缩短该发射显示器的衍射元件与光学传感器阵列之间的距离。入射光804可以从关注物体814接收，并且关注物体814可以由从发射显示器802中的一个或多个led 818提供的光816照亮。由发射显示器802提供的光816可以具有由设备800确定的光谱特性。例如，从amoled发射显示器802提供的光可以表现出这样的光谱，该光谱在与显示器中单独的oled发射器的带隙相对应的波长附近具有相对较高的强度。在一些实施方式中，显示器面板802下方的光学传感器阵列812可以校准，以用于由发射显示器面板提供的光。例如，在使用移动设备800测量从未知物体接收到的光谱之前，可以通过将来自发射显示器802的光提供给具有已知光谱响应的物体，并测量从该物体接收到的、响应于所提供的光的光的光谱，来为光学传感器阵列812建立基线响应，从而校准光学传感器阵列。该阵列的基线响应可以存储在设备800的存储器中。然后，当从显示器802向未知物体提供光时，由阵列812接收的响应的光的光谱可以与基线进行比较，从而确定来自未知物体的光谱。在一些实施方式中，移动设备800可以用于确定自发光物体或环境光的光谱，然后可以选择由所述一个或多个led提供的光816的光谱特性，使得光816具有在关注波长范围上的辐照度分布，由此当添加到落在关注物体814上的环境光中时，在物体处的关注波长范围上具有均匀的辐照度分布。
57.图9是移动设备800在环境光照明模式下使用时的示意图。环境光可以照亮关注物体814，然后从关注物体814接收到的光可以穿过发射显示器面板802下方的不透明层808中的孔口，并且可以成像到光学传感器阵列812上，该光学传感器阵列能够测量入射光804的光谱。光学传感器阵列812还可以测量由发射显示器802中的衍射元件的图案衍射的环境光的光谱，以分析环境光本身的光谱特性。关于环境光光谱的信息可以用于诸如发射显示器的自适应亮度的应用。
58.已在诸如平板电脑或智能电话之类的移动设备的上下文中呈现所公开的显示器。然而，所公开的原理和技术也可以更普遍地应用于期望将传感器定位在显示器后方的任何显示器。例如，虚拟代理家庭终端、电视或自动柜员机(atm)是一组非限制性的替代应用，它们可以利用定位在显示器的有源区域后方的相机。此外，将光谱仪放置在显示器后方的动机不限于将显示器扩展到设备的边缘。例如，出于美观或隐蔽的原因，可能期望将光谱仪放置在显示器的后方。
59.在说明书和/或附图中，已经公开了典型实施例。本公开不限于这样的示例性实施例。术语“和/或”的使用包括一个或多个相关联所列条目的任何所有组合。除非另有说明，否则特定术语是在一般和描述性意义上使用的，而不是出于限制目的。如在本说明书中所使用的，空间相对术语(例如，在前方、后方、上方、下方等)旨在涵盖除了图中描绘的方向之外的、设备在使用或操作中的不同方向。例如，移动计算设备的“前表面”可以是面向用户的表面，在这种情况下，短语“在前方”意味着更靠近用户。此外，显示器的“顶面”可以是面向用户的表面，在这种情况下，短语“下方”意味着更深入到移动计算设备的内部中。
60.尽管已如本文描述的那样说明了所描述实施方式的某些特征，然而许多修改、替代、变化和等效替换现在对于本领域内技术人员是显而易见的。因此，应当理解的是，所附权利要求书旨在覆盖落入实施方式范围内的所有这些修改和变化。应当理解的是，这些修改和变化仅作为示例而不是限制的方式呈现，并且可以对形式和细节进行各种改变。本文所述的设备和/或方法的任何部分可以以任何组合进行组合，相互排斥的组合除外。本文描述的实施方式可以包括所描述的不同实施方式的功能、部件和/或特征的各种组合和/或子组合。