CN107437047A - 感光像元、图像采集器、指纹采集设备及显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种感光像元、图像采集器、指纹采集设备及支持采集功能的显示设备。感光像元包括容置光电转换单元的腔体，腔体的上方覆盖开有透光小孔的阻光膜，在阻光膜的上方依次设有透明介质层和微透镜。微透镜、透明介质层及透光小孔使感光像元具有限定视场角的物方视场，物方视场内的物点，其像点或像斑落在阻光膜的透光小孔内；位于物方视场外的物点，其像点或像斑落在透光小孔之外。本申请中阻光膜上的小孔和微透镜对入射光路进行约束，使感光像元具有窄视场，基于窄视场感光像元的图像采集器可不再依附透镜系统或者小孔成像系统来约束入射光路，使图像采集设备能够获取清晰图像的同时，其厚度变薄成为可能，方便与其他设备的集成。

Description

感光像元、图像采集器、指纹采集设备及显示设备
技术领域
本发明涉及图像采集技术领域，具体涉及一种具有窄视场角的感光像元及使用该感光像元的图像采集器及光学指纹采集设备。
背景技术
图像采集器中用于接收光信号的最小单位为感光像元，图像采集器中通常设置若干感光像元。市面上图像采集器使用的感光像元都具有较宽的视场角。感光像元的视场角是指感光像元能响应的不同方向的入射光线所形成的最大角度。图1示出了现有图像采集器中感光像元视场角的示意图。如图1所示，现有图像采集器上感光像元01的视场角接近180度，即入射光线02之间的最大夹角接近180度。
使用现有图像采集器直接进行成像时，视场角较大，往往得到的图像不清晰。该种情况下，需要使用透镜系统或者小孔成像系统来约束入射光路，使每个感光像元只对物方视场内某个特定角度的光线产生响应，从而获得清晰的图像。
由于透镜系统等结构的使用，使得现有图像采集设备通常具有较厚的厚度。对于现有电子设备日趋超薄的形式与要求下，具有较厚厚度的图像采集设备便不能满足生产商的要求，因此有必要提供一种具有窄视场的、且能够满足生产商厚度超薄的生产要求，又能够获得清晰图像的图像采集设备。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种具有窄视场的、且能够满足生产商厚度超薄的生产要求，又能够获得清晰图像的图像采集设备，以及使用该图像采集器的图像采集器、指纹采集设备以及具有指纹采集功能的显示屏等。
根据本发明的一个方面，提供一种感光像元，包括容置光电转换单元的腔体，在所述腔体的上方覆盖开有透光小孔的阻光膜，在所述阻光膜的上方由下而上依次设有透明介质层和微透镜；
位于所述感光像元上方设定区域的物面，其像面落在所述阻光膜所在平面上；所述微透镜、透明介质层及透光小孔使所述感光像元在所述设定区域的物面上具有限定视场角的物方视场；所述物方视场内的物点，其像点或像斑落在所述阻光膜的透光小孔内；位于所述物方视场外的物点，其像点或像斑落在所述透光小孔之外。
优选地，所述微透镜为曲面凸透镜。
作为优选方案之一，所述透光小孔与所述微透镜的中心连线与所述阻光膜的上表面垂直。
作为另一优选方案，所述透光小孔与所述微透镜的中心连线与所述阻光膜的上表面不垂直。
优选地，所述物方视场对应的视场角小于10度。
其中，所述阻光膜为不透光材料制作的薄膜，所述阻光膜的厚度小于100um。
根据本发明的另一方面，还提供了一种图像采集器，包括若干如上所述的感光像元，若干所述感光像元阵列排布，在若干所述感光像元的上方由下而上依次设有低折射率层和透明盖板。
每个所述感光像元在透明盖板上表面对应的物方视场的物点，其像点落在所述阻光膜的透光小孔内；物方视场外的物点，其像点落在所述透光小孔之外；
其中，每个感光像元的物方视场的视场角为：α＝2 arctan(robject/h)，其中，robject为所述感光像元在所述透明盖板上表面对应的物方视场的半径，h为所述透明盖板上表面至所述透光小孔中心的高度。
根据本发明的再一方面，还提供了一种指纹采集设备，包括如上所述的图像采集器。
根据本发明的又一方面，还提供了一种支持指纹采集功能的显示设备，包括若干显像像元，在所述显示像元之间设置如上所述的感光像元。
由以上技术方案可知，本申请中的感光像元集成了透明介质层和微透镜，通过阻光膜上的小孔和微透镜，感光像元本身即可对入射光路进行约束，使感光像元具有视场角较小的窄视场，从而使采用该种感光像元的图像采集器可以不再依附于透镜系统或者小孔成像系统来约束入射光路，使得图像采集器的厚度变薄，同时还能够使图像采集器能够采集到清晰的图像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出了现有图像采集器中感光像元视场角的示意图；
图2为根据一优选实施例示出的感光像元的结构示意图；
图3为根据另一优选实施例示出的感光像元的结构示意图；
图4为根据一优选实施例示出的图像采集器的结构示意图；
图5示出了一具体实施例中图像采集器的结构参数图；
图6为根据另一优选实施例示出的图像采集器的结构示意图；
图7为根据一优选实施例示出的支持指纹采集功能的显示设备的结构示意图。
具体实施方式
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、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。
图2为根据一优选实施例示出的感光像元的结构示意图。如图2所示，一种感光像元，包括容置光电转换单元的腔体1，在腔体1的上方覆盖开有透光小孔2的阻光膜3，在阻光膜3的上方由下而上依次设有透明介质层4和微透镜5。优选地，本申请中的微透镜5为曲面凸透镜。透光小孔2与微透镜5的中心连线与阻光膜3的上表面垂直，从而物方视场中心在感光像元的中心法线上(即该种情况为正物方视场)。优选地，阻光膜3为不透光材料制作的薄膜，且阻光膜3的厚度小于100um。
位于感光像元上方设定区域的物面，其像面落在阻光膜所在平面上。通过透光小孔2、微透镜5和透明介质层4的结构，可对本申请中的感光像元的视场角进行限定。视场角对应的物方视场6。作为各实施例中的优选实施例，本实施例中感光像元的视场角小于10度。限定视场角的物方视场6内的物点，其像点或像斑落在阻光膜3的透光小孔2内；位于物方视场6外的物点，其像点或像斑落在透光小孔2之外。本申请中感光像元的物方视场可称为窄物方视场。
需要说明的是，感光像元的视场角小于10度只是示例性的，本技术领域人员可根据生产需求通过调整微透镜的焦距、透明介质层的厚度和透光小孔的孔径，以得到对应的视场角。
下面对本实施例中感光像元的工作原理进行详细阐述。
本实施通过透光小孔、微透镜和透明介质层的结构对本申请中的感光像元的视场角进行限定，在限定的物方视场内对应物点的像点或像斑的主要部分落在阻光膜3的透光小孔2内，从而使物方视场内物点发出的光线通过小孔进入腔体1内，相应地，光电转换单元能够接收较高强度的光线，从而使物方视场内的图像能够清晰成像。由于位于物方视场外的物点，其像点或像斑的主要部分落在透光小孔2之外，从而光电转换单元不能感受或只能以低强度感受到物方视场外的物点发出的光线，则物方视场外的图像便不能被获取或者获取的部分不会影响物方视场内的光线在光电转换单元上的成像。
与市面上图像采集器使用的感光像元相比，本实施例在感光像元上集成了较厚的透明介质层4和微透镜5，并通过阻光膜3上的小孔和微透镜5，感光像元本身即可对入射光路进行约束，使感光像元具有视场角较小的窄视场，从而使采用该种感光像元的图像采集器可以不再依附于透镜系统或者小孔成像系统来约束入射光路，同时还能够使图像采集器能够采集到清晰的图像。虽然市面上亦有图像传感器上设置微透镜等，但其目的是为了增加斜射时的进光量，与本申请中能够实现感光像元具有窄视场的目的和实现方法具有本质不同。
图3为根据另一优选实施例示出的感光像元的结构示意图。图3所示感光像元的结构与图2所示感光像元的结构相似，其不同之处在于透光小孔2与微透镜5的中心连线7与阻光膜3的上表面不垂直，即透光小孔2与微透镜5的中心连线相对于阻光膜3的上表面倾斜设置，从而物方视场中心不在感光像元的中心法线上(即该种情况为斜物方视场)。同样，由透光小孔2、微透镜5和透明介质层4限定的斜物方视场6内的物点，其像点或像斑落在阻光膜3的透光小孔2内；位于斜物方视场6外的物点，其像点或像斑落在透光小孔2之外。作为各实施例中的优选实施例，本申请中的斜物方视场6对应的视场角小于10度。本申请对于透光小孔2与微透镜5的中心连线与阻光膜3上表面之间的夹角角度不做具体限定，本领域工作人员可根据生产需求自行设定透光小孔2与微透镜5的中心连线与阻光膜3上表面之间的夹角。
图3所示感光像元的工作原理与图2所示感光像元的工作原理相同，此处不再赘述。
图4为根据一优选实施例示出的图像采集器的结构示意图。如图4所示，图像采集器包括若干如图2或图3所示的感光像元。若干感光像元阵列排布并一体成型。在若干感光像元的上方由下而上依次设有低折射率层8和透明盖板9。
图像采集中，每个感光像元在透明盖板上表面对应的物方视场10的物点，其像点落在阻光膜3的透光小孔2内。物方视场外的物点，其像点落在透光小孔2之外。每个感光像元的物方视场的视场角为：α＝2arctan(robject/h)，其中，robject为感光像元在透明盖板上表面对应的物方视场的半径，h为透明盖板上表面至透光小孔2中心的高度。
下面通过一个典型的实施例来进一步说明具有窄物方视场感光像元的图像采集器的结构设计。图5示出了一具体实施例中图像采集器的结构参数图。如图5所示，透明盖板的厚度为1.0mm，折射率为1.52。低折射率层的厚度(透明盖板下表面至微透镜层顶点)为5um，低折射率层为空气或真空，折射率为1.0。透明介质层的折射率为1.46，厚度为16um(含微透镜的厚度，16um为微透镜顶点至阻光膜上表面的厚度)。阻光膜的厚度为500nm，采用不透光金属材料制作。小孔采用直径为500nm的圆孔，光学刻蚀制作，小孔中心与感光像素的中心对齐。感光像素为方形，边长为5.86um。微透镜为半径为5um的球面凸透镜，透镜中心与感光像素中心对齐。
根据计算及模拟结果，此窄视场感光像素的物方视场的直径(透明盖板的上表面)为30um，则感光像元在透明盖板上表面对应的物方视场的半径为15um，由图中参数可知，h＝1000+5+16＝1021um，利用公式：α＝2 arctan(robject/h)，即可计算得出图像采集器的视场角为1.68度。
在满足上述视场角的物方视场内的光线，通过透明盖板、低折射率层、微透镜5、透明介质层4和透光小孔2的约束，可对入射光线进行约束，从而使图像采集装置中每个感光像元的光电转换单元接收到的光线的强度最大，从而形成清晰的图像，同时由于感光像元中集成了透明介质层4和微透镜5，从而使图像采集器的厚度能够向超薄型发展。
图6为根据另一优选实施例示出的图像采集器的结构示意图。图6中的图像采集器与图4所示的图像采集器结构相似，其不同之处在于采用具有斜物方视场的感光像元。在一些情况下，例如对指纹图像的采集，由于指纹表面的沟壑结构，具有斜物方视场感光像元的图像采集器能够得到更为清晰的图像，并较少收到杂散环境光的干扰。
图6所示图像采集器的工作原理与图4所示图像采集器的工作原理相同，此处不再赘述。
根据本发明的另一方面，还提供了一种指纹采集设备，其包括如上所述的不同实施例的图像采集器。
根据本发明的再一方面，还提供了一种支持指纹采集功能的显示设备。图7为根据一优选实施例示出的支持指纹采集功能的显示设备的结构示意图。如图7所示，显示设备包括若干显像像元601和显示面板602，在显示像元601之间还设置有如上所述具有设定视场角的感光像元603。该实施种的感光像元603的视场角具有较窄的物方视场。感光像元阵列排布，具有窄物方视场的感光像元602能够对捺印在显示面板上的指纹获得清晰的指纹图像。相反，如果感光像元的物方视场比较宽(又可称为宽物方视场)，则相邻感光像元的物方视场会有大幅度的重叠，其输出图像是模糊不清的，如图7所示。
由以上技术方案可知，本申请中感光像元上集成了透明介质层4和微透镜5，通过阻光膜3上的小孔和微透镜5，感光像元本身即可对入射光路进行约束，使感光像元具有视场角较小的窄视场，从而使采用该种感光像元的图像采集器可以不再依附于透镜系统或者小孔成像系统来约束入射光路，使得图像采集器的厚度变薄，同时还能够使图像采集器能够采集到清晰的图像。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确方法，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种感光像元，包括容置光电转换单元的腔体，其特征在于，在所述腔体的上方覆盖开有透光小孔的阻光膜，在所述阻光膜的上方由下而上依次设有透明介质层和微透镜；
位于所述感光像元上方设定区域的物面，其像面落在所述阻光膜所在平面上；所述微透镜、透明介质层及透光小孔使所述感光像元在所述设定区域的物面上具有限定视场角的物方视场；所述物方视场内的物点，其像点或像斑落在所述阻光膜的透光小孔内；位于所述物方视场外的物点，其像点或像斑落在所述透光小孔之外。
2.根据权利要求1所述的感光像元，其特征在于，所述微透镜为曲面凸透镜。
3.根据权利要求2所述的感光像元，其特征在于，所述透光小孔与所述微透镜的中心连线与所述阻光膜的上表面垂直。
4.根据权利要求2所述的感光像元，其特征在于，所述透光小孔与所述微透镜的中心连线与所述阻光膜的上表面不垂直。
5.根据权利要求1至4中任一所述的感光像元，其特征在于，所述物方视场对应的视场角小于10度。
6.根据权利要求5所述的感光像元，其特征在于，所述阻光膜为不透光材料制作的薄膜，所述阻光膜的厚度小于100um。
7.一种图像采集器，其特征在于，包括若干如权利要求1至6中任一所述的感光像元，若干所述感光像元阵列排布，在若干所述感光像元的上方由下而上依次设有低折射率层和透明盖板；
每个所述感光像元在透明盖板上表面对应的物方视场的物点，其像点落在所述阻光膜的透光小孔内；物方视场外的物点，其像点落在所述透光小孔之外。
8.根据权利要求7所述的图像采集器，其特征在于，每个感光像元的物方视场的视场角为：α＝2arctan(robject/h)，其中，
robject为所述感光像元在所述透明盖板上表面对应的物方视场的半径，h为所述透明盖板上表面至所述透光小孔中心的高度。
9.一种指纹采集设备，其特征在于，包括如权利要求7或8中所述的图像采集器。
10.一种支持指纹采集功能的显示设备，包括若干显像像元，其特征在于，在所述显示像元之间设置如权利要求1～6中任一所述的感光像元。
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