CN107301392A - 晶圆级图像采集装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种晶圆级图像采集装置,通过设置光源发射器输出结构光照射人脸，可形成三维全脸成像光束；通过设置偏振片或设置具有偏振作用的透明盖板，可以起到消除反光的作用；通过设置滤光片或具有滤光作用的透明盖板，可让三维全脸成像光束中的可见光彻底的过滤掉，只保留特定波长的光线；通过设置成像镜头阵列，可收集三维全脸成像光束，并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，再采用超分辨率重建算法，可得到高清的虹膜和3D人脸。由于成像镜头阵列的多个镜头通过晶圆级的封装工艺加工而成一个整体，光轴较为一致，像素接近统一，离散性小，从而满足虹膜和三维人脸清晰、高保真纹理的要求，即实现大景深拍摄高分辨率成像。

Description

晶圆级图像采集装置
技术领域
本发明涉及生物识别领域，具体涉及一种提高虹膜采集分辨率和采集区范围和3D人脸采集分辨率的晶圆级图像采集装置。
背景技术
生物识别主要分三个阶段：图像采集、图像预处理和特征提取与匹配。每个阶段对最终的识别效果的影响都至关重要。
目前市场上大部分公司的相关技术主要集中在虹膜算法方面，虹膜采集技术瓶颈一直没有突破。图像采集技术中如何消除眼角膜、眼镜片和皮肤的镜面反光对虹膜识别的影响，就是其中一个重要问题。在采取主动照明方案中或在其它较强光源环境中，眼镜片的反射光较强使得在虹膜纹理图像中形成饱和光斑，导致掩盖了虹膜纹理信息，现有技术普遍采用照明光源与成像镜头分离较远距离的布局，以缓解这种干扰，但不能消除。
3D人脸识别技术是未来人脸识别的重要方向，包含了三维全脸曲面几何信息，然而，目前市场上针对3D人脸的具有高保真纹理、大景深的三维全脸数据采集方案任然具有巨大的发展潜力。
目前，采集虹膜和人脸图像都使用单镜头，已有产品基本上分两类：一类是采集图像满足算法分辨率要求，但是景深较小，一般为50mm左右；另一类是景深可以做到100mm多，但是虹膜图像的分辨率比虹膜算法要求的低，无法既满足虹膜算法分辨率又使得景深大。
因此，为了适应市场需求和改善性能，寻求一款在任何条件下不受眼角膜、眼镜片、皮肤、环境光耀斑影响的图像采集器，且既满足三维人脸高分辨率要求，又能增大景深的图像采集器，是非常必要的。
发明内容
为了解决上述技术问题，既能消除反光，又能增大景深提高像素，本发明提供了一种晶圆级图像采集装置，能有效去除由于镜面反射光对成像造成的影响，并能实现大景深高分辨率成像的特点。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种晶圆级图像采集装置，包括光源发射器和图像传感器，所述图像传感器包括成像镜头阵列和感光芯片或者感光芯片阵列，所述成像镜头阵列布置于所述感光芯片的感光面上或所述感光芯片阵列的感光面上，所述感光芯片的感光面或所述感光芯片阵列的感光面的电性通过金属重布线引出至其非感光面；所述图像传感器还包括具有偏振作用的偏振片和具有滤光作用的滤光片，所述偏振片、所述滤光片及所述成像镜头阵列叠置于所述感光芯片或所述感光芯片阵列上，它们的叠置顺序可相互调换，所述光源发射器输出结构光或均匀光，所述光源发射器的出射光照射被测物体后形成的成像光束经所述偏振片、所述滤光件及所述成像镜头阵列后进入所述感光芯片的感光面。
进一步的，所述成像镜头阵列由M行镜头组成，每行包含N个镜头，每行镜头之间平行排布或非平行排布，其中，M和N至少有一个为≥1的正整数，所述感光芯片阵列的各感光区与所述成像镜头阵列的各镜头一一对应。
进一步的，设有两层或两层以上所述成像镜头阵列，每层成像镜头阵列为一个整体，两层或两层以上所述成像镜头阵列之间上下直接或通过间隔片键合在一起。
进一步的，通过一透明盖板替换掉所述偏振片和所述滤光片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜。
进一步的，通过一透明盖板替换掉所述偏振片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述滤光片安装在所述成像镜头阵列外侧。
进一步的，通过一透明盖板替换掉所述滤光片，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述偏振片安装在所述成像镜头阵列外侧。
进一步的，还包括一不具有偏振作用和滤光作用的透明盖板，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述偏振片和所述滤光片均安装在所述成像镜头阵列外侧，所述偏振片和滤光片的叠放次序可互换。
进一步的，所述偏振片或具有偏振作用的透明盖板为圆偏振片或线偏振片。
进一步的，还包括一基底，所述基底正面中部具有凹槽，所述图像传感器包括感光芯片阵列和成像镜头阵列，所述光源发射器安装于所述凹槽内，所述感光芯片阵列的非感光面布置于所述基底及光源发射器的正面，所述感光芯片阵列对应所述光源发射器的光源发射区的位置形成有通光孔，且所述通光孔位于所述感光芯片阵列的感光区及焊垫之外的区域；所述感光芯片阵列的各芯片感光面的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面，所述光源发射器的光源电极区的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面。
进一步的，所述光源发射器输出结构光和均匀光，所述均匀光照射人脸的眼睛及周边部分，所述结构光照射眼睛及周边部分以外的人脸部分。
本发明的有益效果是：本发明提供了一种晶圆级图像采集装置，通过设置光源发射器输出结构光照射人脸，可形成三维人脸成像光束；通过设置偏振片或设置具有偏振作用的透明盖板，可以起到消除镜面反光的作用，即三维人脸成像光束中来自眼角膜、眼镜片、皮肤的镜面反射光无法通过偏振片或具有偏振作用的透明盖板，而形成的成像光束则被成像镜头阵列收集并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，从而消除反光；通过设置滤光片或具有滤光作用的透明盖板，可让三维人脸成像光束中的可见光彻底的过滤掉，只保留特定波长的光线；通过设置成像镜头阵列，可收集三维人脸成像光束，并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，再采用超分辨率重建算法，可得到高清的虹膜和3D人脸,实现大景深拍摄，在景深至少大于100mm的范围内达到500ppi(pixels per inch)。另外，成像镜头阵列每层镜头为一个整体，即处于同一片面上，镜头光轴较为一致，使得像素接近统一，离散性小，满足虹膜和三维人脸分辨率高的要求。
附图说明
图1为本发明晶圆级加工形成的成像镜头阵列截面图；
图2为本发明晶圆级加工形成的成像镜头阵列俯视图；
图3为本发明晶圆级图像采集装置一实施例(包括透明盖板，透明盖板具有偏振作用及滤光作用)剖面图；
图4为本发明晶圆级图像采集装置另一实施例(包括具有偏振作用的透明盖板和滤光片)剖面图；
图5为本发明晶圆级图像采集装置又一实施例(包括透明盖板、偏振片和滤光片)剖面图；
图6为图5晶圆级图像采集装置的偏振片和滤光片互换后的剖面图；
图7为均匀光和结构光在人的面部的分布图；
图8为本发明晶圆级图像采集装置再一实施例(包括感光芯片阵列)俯视图；
图9为图8中S-S’向剖面图。
结合附图，对附图符号做以下说明：
100-图像传感器，101-感光芯片或感光芯片阵列，1011-通光孔，1012-焊垫，102-透明盖板，103-成像镜头阵列，104-围堰，105-金属重布线，106-间隔片，107-导电凸块，108-保护层，109-偏振片，110-滤光片，120-IR膜，200-光源发射器，201-光源发射区，300-基底，301-凹槽，302-通孔，303-穿孔，400-均匀光图案，500-结构光图案。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，为本发明晶圆级图像采集装置一实施例的剖面图，包括光源发射器200和图像传感器100，所述图像传感器包括感光芯片101、透明盖板102和两层成像镜头阵列103，所述感光芯片的感光面与所述透明盖板下表面通过围堰104键合，所述感光芯片感光面的电性通过金属重布线105引出至所述感光芯片的非感光面，所述透明盖板自身具有偏振作用和滤光作用，两层所述成像镜头阵列叠置在所述透明盖板上，所述光源发射器输出的结构光照射人脸后形成的成像光束经所述成像镜头阵列及所述透明盖板后进入所述感光芯片的感光面。
如图4所示，为本发明晶圆级图像采集装置另一实施例的剖面图，包括光源发射器200和图像传感器100，所述图像传感器包括感光芯片101、透明盖板102、滤光片110和两层成像镜头阵列103，所述感光芯片的感光面与所述透明盖板下表面通过围堰104键合，所述感光芯片感光面的电性通过金属重布线105引出至所述感光芯片的非感光面，所述透明盖板具有偏振作用，两层所述成像镜头阵列叠置在所述透明盖板上，所述滤光片安装在所述成像镜头阵列外侧；所述光源发射器输出的结构光照射人脸后形成的成像光束经所述成像镜头阵列及所述透明盖板后进入所述感光芯片的感光面。
本实施例中，透明盖板上表面不镀有IR膜，采用滤光片代替，滤光片放置在成像镜头阵列外侧(上表面)，相同的，让可见光彻底的过滤掉只保留特定波长的光线，且滤光片放置在成像镜头阵列外侧，可保护镜头，减少外界环境对其造成的污染，如图4所示。
如图5所示，为本发明晶圆级图像采集装置另一实施例的剖面图，包括光源发射器200和图像传感器100，所述图像传感器包括感光芯片101、透明盖板102、滤光片110、偏振片109和两层成像镜头阵列103，所述感光芯片的感光面与所述透明盖板下表面通过围堰104键合，所述感光芯片感光面的电性通过金属重布线105引出至所述感光芯片的非感光面，所述透明盖板不具有偏振作用和滤光作用，两层所述成像镜头阵列叠置在所述透明盖板上，所述偏振片置于所述成像镜头阵列上表面，所述滤光片置于所述偏振片背对成像镜头阵列的一面，所述光源发射器输出的结构光照射人脸后形成的成像光束经所述成像镜头阵列及所述透明盖板后进入所述感光芯片的感光面。
本实施例中，透明盖板102采用不具有偏振效果的普通玻璃，价格相对具有偏振作用的玻璃便宜，由于封装制程(例如压合、研磨、刻蚀、切割等)的流程中出现异常(例如玻璃破裂)的原因造成的成本浪费也相对较少；且偏振片和滤光片双置于成像镜头阵列上表面，更有效保证镜头的洁净度；偏振片和滤光片叠置顺序可以互换，参见图6。
在其他实施例中，也可采用成像镜头阵列直接安装在图像传感器的感光芯片上方，以使其感光区不受污染，从而省去透明盖板。
如图8和图9所示，为本发明晶圆级图像采集装置又一实施例的剖面图，包括光源发射器200、图像传感器100和基底300，所述图像传感器包括感光芯片阵列101、两层成像镜头阵列103、偏振片109和滤光片110，所述基底正面中部具有凹槽301，所述光源发射器安装于所述凹槽内，所述感光芯片阵列的非感光面布置于所述基底及光源发射器的正面，所述感光芯片阵列对应所述光源发射器的光源发射区201的位置形成有通光孔1011，且所述通光孔位于所述感光芯片阵列的感光区及焊垫1012之外的区域，这样，光源发射区201恰好通过通光孔1011发射光束照射人脸或/和虹膜，成像镜头阵列收集人脸或/和虹膜的成像光束将其投影在感光芯片阵列各芯片的感光区；所述感光芯片阵列的各芯片感光面的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面，所述光源发射器的光源电极区的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面。两层所述成像镜头阵列直接叠置在所述感光芯片阵列上，所述偏振片置于所述成像镜头阵列上表面，所述滤光片置于所述偏振片背对成像镜头阵列的一面，所述光源发射器输出的结构光照射人脸后形成的成像光束经所述成像镜头阵列及所述透明盖板后进入所述感光芯片的感光面。
本实施例中，光源发射器与感光芯片阵列通过基底组合在一起，具有高集成的优点，使得图像采集装置结构更加紧凑；由于成像镜头阵列的成像范围无法利用单个感光芯片的全部感光区域，即成像镜头阵列中子成像面与子成像面之间存在一定数量的无法参与成像的像素点，进一步地，该无用像素点的采集传输处理会占用一部分CPU时间，因此，采用单个感光芯片的图像传感器的像素使用效率低。本实施例中，采用感光芯片阵列与成像镜头阵列一一对应，相对于单个感光芯片，可排除无用像素，提高像素的使用效率与传输速度。
在其他实施例中，所述偏振片109或滤光片110也可以设置在成像镜头阵列下方或两层成像镜头阵列之间，所述成像镜头阵列由M行镜头组成，每行包含N个镜头，每行镜头之间可以平行排布也可以非平行排布，其中，M和N至少有一个为≥1的正整数，所述成像镜头阵列为2X2的阵列，所述偏振片与滤光片的位置可以调换，图像采集效果不变。
在其他实施中，图像传感器还可以包括透明盖板，通过透明盖板替换掉所述偏振片和所述滤光片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜。或者通过透明盖板替换掉所述偏振片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片阵列之间，所述滤光片安装在所述成像镜头阵列外侧。或者，通过透明盖板替换掉所述滤光片，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述偏振片安装在所述成像镜头阵列外侧。或者透明盖板不具有偏振作用和滤光作用，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片阵列之间，所述偏振片和所述滤光片均安装在所述成像镜头阵列外侧，所述偏振片和滤光片的叠放次序可互换。
上述各实施例中，光源发射器用于输出结构光照射人脸，以形成三维全脸成像光束，结构光是3D扫描的一个光学方法，可包括LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、LD(Laser Diode，激光二极管)、VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)。优选的，如图7所示，是以人脸为例的扫描分布图，所述光源发射器输出结构光和均匀光，所述均匀光照射人脸的眼睛及周边部分，形成均匀光图案400，所述结构光照射眼睛及周边部分以外的人脸部分，形成结构光图案500。即均匀光照射眼睛，虹膜的成像光束将被成像镜头阵列收集聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，结构光照射脸部，三维全脸成像光束将被成像镜头阵列收集聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，然后采用超分辨率重建算法可得到高清的虹膜和3D人脸图像。
成像镜头阵列用于收集三维全脸成像光束，并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，再采用超分辨率重建算法，可得到高清的虹膜和3D人脸,实现大景深拍摄，在景深至少大于100mm的范围内达到500ppi(pixels per inch)。这里，成像镜头阵列由晶圆级的封装工艺加工而成整体结构，各镜头处于同一面上，各镜头的光轴较为一致，使得像素接近统一，离散性小，从而满足虹膜和三维人脸满足清晰、高保真纹理的要求。本实施例中，成像镜头阵列显示为2X2的阵列，参见图1和图2，但不限于此。所述成像镜头阵列由M行镜头组成，每行包含N个镜头，每行镜头之间可以平行排布也可以非平行排布，其中，M和N至少有一个为≥1的正整数，所述感光芯片阵列的各感光区与所述成像镜头阵列的各镜头一一对应；成像镜头阵列的层数也不限，优选的，本实施例设有两层所述成像镜头阵列，每层成像镜头阵列为一个整体，两层所述成像镜头阵列上下直接或通过间隔片106键合在一起，以实现大景深高分辨率成像的特点。但不限于此，单层或两层以上的成像镜头阵列也可根据实际需要进行设置，两层成像镜头阵列之间也不限于通过间隔片键合，也可以无间隔片进行直接键合(附图未示出)。
感光芯片或感光芯片阵列的感光面的电性通过金属重布线105引出至感光芯片或感光芯片阵列的非感光面。如图3中所示，感光芯片的非感光面具有导电凸块107，金属重布线通过开口引出至感光芯片的非感光面的导电凸块107，即导电凸块通过金属重布线将感光芯片的电性引出至外界。如图9所示，在基底300下表面设置有连通基底和感光芯片阵列露出芯片焊垫1012的通孔302以及穿透凹槽底部露出光源电极区(未示出)的穿孔303，在通孔302和穿孔303内布置有金属重布线105将图像传感器的感光芯片和光源发射器的电性引出至基底下表面，在金属重布线上面覆盖有保护层108，导电凸块107设置在保护层预设的位置并与金属重布线105电连接。
透明盖板自身具有偏振作用和滤光作用，比如，透明盖板为本身具有偏振作用的玻璃盖板，透明盖板上表面采用光学镀膜工艺镀有一层IR膜120，以起到滤光作用。优选的，具有偏振作用的透明盖板为圆偏振片或线偏振片。线偏振或圆偏振片与光源的偏振态正交，可以阻止眼角膜、眼镜片等镜面反射光通过，可以衰减虹膜、皮肤等散射光，以便消除来自眼角膜、皮肤或眼镜的反射光。
可选的，图像传感器为CMO、CCD或量子点图像传感器；
本发明通过设置光源发射器输出结构光照射人脸，可形成三维全脸成像光束；通过设置偏振片或设置具有偏振作用的透明盖板，可以起到消除反光的作用，即三维全脸成像光束中来自眼角膜、眼镜片、皮肤的反射光无法通过偏振片或具有偏振作用的透明盖板，而形成的成像光束则被成像镜头阵列收集并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，从而消除反光；通过设置滤光片或具有滤光作用的透明盖板，可让三维全脸成像光束中的可见光彻底的过滤掉，只保留特定波长的光线；通过设置成像镜头阵列，可收集三维全脸成像光束，并聚焦在图像传感器的感光芯片的感光面，再采用超分辨率重建算法，可得到高清的虹膜和3D人脸,实现大景深拍摄，在景深至少大于100mm的范围内达到500ppi(pixels perinch)。由于成像镜头阵列的多个镜头通过晶圆级的封装工艺加工而成一个整体，光轴较为一致，像素接近统一，离散性小，从而满足虹膜和三维人脸分辨率高的要求。
以上实施例是参照附图，对本发明的优选实施例进行详细说明。本领域的技术人员通过对上述实施例进行各种形式上的修改或变更，但不背离本发明的实质的情况下，都落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆级图像采集装置，其特征在于，包括光源发射器和图像传感器，所述图像传感器包括成像镜头阵列和感光芯片或者感光芯片阵列，所述成像镜头阵列布置于所述感光芯片的感光面上或所述感光芯片阵列的感光面上，所述感光芯片的感光面或所述感光芯片阵列的感光面的电性通过金属重布线引出至其非感光面；所述图像传感器还包括具有偏振作用的偏振片和具有滤光作用的滤光片，所述偏振片、所述滤光片及所述成像镜头阵列叠置于所述感光芯片或所述感光芯片阵列上，它们的叠置顺序可相互调换，所述光源发射器输出结构光或均匀光，所述光源发射器的出射光照射被测物体后形成的成像光束经所述偏振片、所述滤光件及所述成像镜头阵列后进入所述感光芯片的感光面。
2.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，所述成像镜头阵列由M行镜头组成，每行包含N个镜头，每行镜头之间平行排布或非平行排布，其中，M和N至少有一个为≥1的正整数，所述感光芯片阵列的各感光区与所述成像镜头阵列的各镜头一一对应。
3.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，设有两层或两层以上所述成像镜头阵列，每层成像镜头阵列为一个整体，两层或两层以上所述成像镜头阵列之间上下直接或通过间隔片键合在一起。
4.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，通过一透明盖板替换掉所述偏振片和所述滤光片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜。
5.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，通过一透明盖板替换掉所述偏振片，所述透明盖板自身具有偏振作用，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述滤光片安装在所述成像镜头阵列外侧。
6.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，通过一透明盖板替换掉所述滤光片，所述透明盖板的上表面镀有一层具有滤光作用的IR膜，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述偏振片安装在所述成像镜头阵列外侧。
7.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，还包括一不具有偏振作用和滤光作用的透明盖板，所述透明盖板布置于所述成像镜头阵列与所述感光芯片或所述感光芯片阵列之间，所述偏振片和所述滤光片均安装在所述成像镜头阵列外侧，所述偏振片和滤光片的叠放次序可互换。
8.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，所述偏振片或具有偏振作用的透明盖板为圆偏振片或线偏振片。
9.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，还包括一基底，所述基底正面中部具有凹槽，所述图像传感器包括感光芯片阵列和成像镜头阵列，所述光源发射器安装于所述凹槽内，所述感光芯片阵列的非感光面布置于所述基底及光源发射器的正面，所述感光芯片阵列对应所述光源发射器的光源发射区的位置形成有通光孔，且所述通光孔位于所述感光芯片阵列的感光区及焊垫之外的区域；所述感光芯片阵列的各芯片感光面的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面，所述光源发射器的光源电极区的电性通过导电通孔结构引出至所述基底的背面。
10.根据权利要求1所述的晶圆级图像采集装置，其特征在于，所述光源发射器输出结构光和均匀光，所述均匀光照射人脸的眼睛及周边部分，所述结构光照射眼睛及周边部分以外的人脸部分。
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