CN107480661B - 一种光学指纹传感器的光路和具有其的光学指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学指纹传感器的光路和具有其的光学传感器阵列，在光学传感像素之上至少两层遮罩层，遮罩层包括至少一个透光区，不同层的所述透光区可供光线通过到达所述光线传感元件形成光学隧道；相对现有技术的技术进步是：1、遮罩层可直接在芯片像素之上制作金属层，因此遮罩层可以很薄；2、遮罩层能够引导垂直于遮罩层的光线进入光学传感器，以提高图像质量。

Description

一种光学指纹传感器的光路和具有其的光学指纹传感器

技术领域

本发明涉及一种光学指纹传感器的光路和光学指纹传感器，尤其涉及具有光学隧道作为光路的光学指纹传感器。

背景技术

指纹传感器目前主要分为两类，即光学指纹传感器和电容式指纹传感器。电容式指纹传感器是通过测量指纹谷线、脊线与平面传感电极阵列单元之间形成的耦合电容的大小差异来对指纹成像。当传感电极阵列与手指之间的介质层越厚的时候，电容会衰减，传感器的成像也会越模糊。由于技术的发展，商用指纹传感器在传感电极和目标电极之间的介质层厚度从10um量级增加到100um量级。更有甚者，考虑到手机屏幕的工业设计的完整性，希望指纹传感器能直接穿透屏幕玻璃，也就是厚度1mm-2mm的化学强化玻璃。所以，光学指纹传感器的穿透力较之电容式指纹传感器具有非常大的优势，但传统的光学指纹传感器应用在手机等智能设备上时，有个很大的缺点即光学指纹传感器的厚度通常较大，因为光学指纹传感器通常需要将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就不一样，形成光强空间分布图像，然后在CCD器件上，得到多灰度指纹图像，由于需要透镜等光学结构，导致光程长，总体厚度大，不利于手机的工业设计。

NEC的提出了一种在光学传感器外侧提供光源照射手指，并使用CCD接收手指内的漫反射光形成指纹图像。

上述方案适合于光学指纹传感器在玻璃盖板底部的情形均不适合集成在OLED屏幕底部。

发明内容

综上所述本发明的目的是为了提供适合于OLED屏下光学指纹传感器光路。

OLED屏幕自身可作为光源并具有透光性，其本身身可以作为光源照亮指纹，因为距离和光线折射的原因使得脊线的反射光强，谷线的反射光弱从而形成明暗相间的指纹。所述光线经指纹漫反射穿透玻璃和OLED屏幕进入传感器，可被光学传感器捕捉到。

如果直接将光学传感器设置在屏幕底部那么，由于折射和漫反射的原因每个像素受光范围很大光线最终影响成像质量；因此为了减少漫反射光的影响，在OLED屏幕和光学传感器像素之间设置多个光学隧道以减小单个像素光线的受光范围使得特定角度的光线进入光学传感元件。光学隧道是在像素上的多层遮罩层形成的，遮罩层具有透光区，不同遮罩层的透光区形成光学隧道使得特定角度的光线能进入光学传感元件。

更为具体地，为了达到上述发明目的提供一种光学指纹传感器的光路，包括：

界面，可供光线穿过并提供手指接触的表面；界面除用于直接接触之外还可以用于用户交互相，响应用户寻求提供指示信息等，界面可供光线穿过便于光学传感单元采集指纹表面携带的光学信号。

发光层，置于所述界面下方可供光线穿过，用于发出可穿过所述界面的光线；发光层可用于产生所述提示信息，或为采集指纹信息提供光源，同时发光层可供光线穿过便于光学传感单元采集指纹表面携带的信号。

光学隧道，可供特定角度的光线穿过；光学隧道引导光线进入光学传感单元，并只允许特定角度的光线进入光学传感单元，减少光学传感单元的受光角度防止光学传感单元因受光角度太广造成图像质量下降。

光学传感元件，置于所述光学隧道的下方，用于接收所述特定角度的的光线并将光信号转换成电信号。

优选地，还包括光学滤层，光学滤层使特定光谱的光线通过；所述滤层的位置包括但不限定于，界面上方/光学隧道上方界面下方/光学传感元件上方光学隧道下方。光学滤层能够过滤干扰光线使得特定的光线进入光学传感器内部，减少杂光干扰从而提高信号质量。

优选地，所述光学传感元件之上形成至少两层遮罩层，遮罩层包括至少一个透光区，和在透光区外围的遮光区。各层的所述透光区可供光线通过，使得特定角度的光线进入光学传感元件，形成所述光学隧道。光学传感元件直接形成在光学传感元件之上，以便光学传感元件和光学隧道两者被集成在一个像素之内，能够有效减小光学隧道的厚度同时提高集成度降低成本。

优选地，所述遮罩层的遮光区为形成在光学传感元件之上的非透光层。

优选地，所述遮光区为形成在光学传感元件之上的金属层，金属层能够在制作传感器芯片时与传感器其他器件一起成型，兼容现有的芯片制造工艺方法同时完成光学隧道与芯片集成。

优选地，包括至少两个所述光学隧道，不同光学隧道所朝向的方向相同。

优选地，所述光学隧道正对所述光学传感元件。

优选地，所述光学传感元件，接收穿过一个或多个所述光学隧道的光线；即所述光学传感元件与光学隧道为一对一或一对多的关系。

优选地，包括多个所述光学传感元件，多个所述光学传感元件并联。多个光学隧道对应多个光学传感元件，并且多个光学传感元件并联能够提高光学传感元件的信号输出能力。

优选地，不同层所述透光区部分地重合并且错位分布以形成所述光学隧道。透光区部分重合可供光线穿过，错位分布的透光区外围的遮光区对其他层透出的光线形成部分的遮挡，这种遮挡进一步减小了光学传感元件的受光角度提高光学隧道接收特定角度的光线的能力。

本发明还提出一种利用上述光路的光学传感器，具体地包括：

界面，可供光线穿过并提供手指接触的表面；

发光层，置于所述界面下方可供光线穿过，用于发出可穿过所述界面的光线；

光学隧道，可供特定角度的光线穿过；

光学传感元件阵列，置于所述光学隧道的下方，具有呈行列排布的多个光学传感元件组，用于将光信号转换成电信号。相对于现有技术本发明在传感单元之上设置多层遮罩层，遮罩层具有透光区在透光区的周围是遮光区，多层透光区重合，在高度方向上形成一定层叠高度，相对现有技术能更好的引导垂直于光线传感元件的光线进入光线传感元件；减少散射光对图像的影响。同时在外部光线进入光学传感元件前，光线首先经过光学滤层，光学滤层能够使得特定光谱的光线进入光学传感元件，滤层可供光源产生的光线频谱穿过，抑制外界光线干扰。

说明书附图

图1是光学指纹传感器模组整体结构剖面示意图。

图2a是光学指纹传感器芯片结构示意图。

图2b是传感单元分解结构示意图。

图3a是手指放置在传感器模组像素剖面结构示意图。

图3b是本发明另一实施方式传感器模组像素剖面结构示意图。

图3c是本发明又一实施方式传感器模组像素剖面结构示意图。

图4是光学传感元件电路示意图，其中包括光学传感元件和信号处理元件。

实施方式

如图1所示，光学指纹传感器模组包括电路板11、与电路板11电连接的光学指纹传感器芯片12，光学指纹传感器芯片12可以为指纹探测传感器，其可吸收光线并转化为电信号。光源可以为可见光或不可见光，不可见光可为红外光，当选择为不可见光时，指纹检测时，用户看不到光源发出的光线。电子设备可以为移动终端，平板电脑PC等。

光学指纹传感器芯片12与电路板11通过TSV电连接，以避免使用打线连接方式使得光线传感器表面平整与其上方的保护层贴合。

光学指纹传感器芯片12上设置有保护层14，保护层14为隔离用于手指和光学指纹传感器芯片的界面，用于保护光学指纹传感器芯片12，保护层14为透光材料制成。光源发出的光线穿保护层14，经过探测目标（例如：手指）反射后，再透过保护层14被光学指纹传感器芯片12探测到。由于指纹的峰201和谷202反射的光线的亮度不同，反射光线光学指纹传感器芯片12探测后生成指纹图案。

指纹图像可以采用光学指纹传感器芯片12直接采集光源照射时的图像；也可采用，将光源照射时获得的图像与光源关闭获得的图像相减得到的差值作为图像，这样可以去除环境光的影响。

电路板11下方还包括补强板113，补强板的作用是支撑光学指纹传感器芯片12，补强板113与电路板11的下表面紧密结合。

在保护层14还可以设置显示结构141，显示结构用来显示指纹位置提示信息或者操作提示，或者作为移动终端的屏幕显示内容等。同时显示结构141作为获取指纹图像时的照射光源，本领域技术人员共知的也可以使用独立的光源，透光显示结构141优选为OLED屏幕，OLED本身具有自发光和像素独立驱动的特性因此可根据需求控制发光强度。

请参照图2a和图4所述光学指纹传感器芯片12表面上分布光学传感像素21和逻辑电路，该光学传感像素21用于接收光线形成可被逻辑电路（请参照图4）读出的电信号。请参照图2b所述的光学传感像素21，包括设置在底部的光学传感元件223，用于将光能量号转换成电信号。光学传感元件223内部设置有光电器件，本领域技术人员公知的光学传感元件223可选的包括光敏电阻、光电二极管等可用于将光学能量转换为电信号的器件。

请参照图2b，图3a，在图3a中手指与保护层14接触的表面被简化为界面。在本实施例中界面为屏幕表面的保护玻璃，本领域技术人员共知的所述保护界面还可以是非屏幕结构，例如只包含的一层保护玻璃，或使用塑封结构代替保护玻璃。在光学传感像素21之上设置至少两层遮罩层22，遮罩层22为形成在光学传感像素21表面的金属层，遮罩层22包括至少一个透光区221，透光区221为非金属组分，其能够使得外界的光线穿过遮罩层22进入所述光学传感元件223，所述光学传感元件形成在基板23上。在透光区的周围形成非透光区222，其能够阻挡光线穿过。

不同层的透光区221对齐形成一个光学隧道224，该光学隧道224在垂直于光学传感元件223的方向上具有一定厚度，以引导大致垂直与光线传感元件所在的基板23垂直的光线225穿过光学隧道224以被所述光学传感元件223接收。光学隧道224接收光线的范围，由透光区的宽度和光学传感元件223的大小决定。在图3a中，光学传感元件223的宽对较窄其与光学隧道224形成的接收光线的左侧的极限范围为光学传感元件223右侧边缘与最上层透光区左侧边缘226的连线。相应的接收光线的右侧的极限范围为光学传感元件223左侧的边缘与最上层透光区右侧边缘227的连线。所述左侧极限和右侧极限形成一个范围较小的夹角，在该夹角范围内的光线能够进入光学传感元件223，在该夹角外的光线225被所述遮罩层的非透光区222遮挡。所述在夹角范围内的光线其传播的方向大致与光学传感元件223所在的芯片表面垂直，以此减少手指不同区域的光线被同光学传感元件223接收到从而形成模糊的图像。

优选的所述左右极限的夹角范围为0～30图中虚线表示左右极限的夹角范围，所述夹角越小其形成的接收光线的范围也越小，相应的单个光学传感元件223够接收的光线强度也会降低，因此为了增加单个光学传感像素21光线的强度在单个光学传感像素21上设置多个呈行列排布的透光区，每个透光区的底部都设置有光学传感元件223，光学传感元件223通过开关电路与信号读出电路连接，多个透光区221能够提高信噪比多个透光区形成较大的总透光面积以提高生成图像的质量。

参照图3a，在所述光学传感元件223的上方和光学隧道224的下方设置光学滤层228，光学滤层228的用于使得特定频谱的光线通过，并抑制其他频谱光线。在本发明中光学滤层228可供特定红外频谱的光线通过，光源发出的红外光可通过所述光学滤层228，该频谱的红外光经过手指表面反射再次经过光学隧道224进入光学传感元件223。光学滤层228能够抑制外界光线的干扰，使得光学传感元件223更多的接收光源发出的光线，提高图像质量。需要指出的是所述光学滤层228的设置位置，还可以是如图3b所示的位置即在界面的下方光学隧道224的上方，还可以是设置在界面的上方。总之其位置能够使得在光线进入光学传感元件前先经过光学滤层的过滤使得特定频谱的光线进入光学传感元件223。

如图3b所示，光学传感元件223接收的部分光线，包括从手指内部经过界面进入光学传感器内部的光线L1，这部分光线L1位于手指脊线的位置手指的脊线能够直接和用于形成手指的屏幕玻璃或传感器保护玻璃接触。光线L1在手指和界面的分界线上折射，并且发生一定的偏转由于玻璃材质的折射率大于手指皮肤的折射率因此相对的折射光线相对于入射光线更靠近法线R，即入射角度。

继续参照图3b，光学传感器接收的部分光线L2，这部分光线L2从手指的内部进入手指和界面之间的空气层发生产生第一次折射，折射光线从空气层进入界面产生第二次折射，界面的折射率大于空气的折射率因此界面内的光线相对空气内的光线更靠近法线R。

在图3b中共包括4层遮罩层22，应当说明的是遮罩层22的层数可以具体的需求增加或减少，不同遮罩层22的所述透光区错位分布，以更好的获得小范围的光线接收角度使得大致垂直于光学传感元件223所在的基层23表面，以减少不同手指区域的光线被同一光学传感像素接收而形成模糊的图像。使得不同层的透光区形成的光学隧道224具有更小的受光范围，使得与光电二极管所在屏幕垂直方向偏离较大的光线被遮罩层22的遮挡。

光学隧道224接收光线的范围由透光区221的宽度和光学传感元件223的大小决定，在图3b中光学传感元件的宽对较窄其与光学隧道224形成的接收光线的右侧的极限范围为最底层透光区左侧边缘与最上层右侧边缘的连线，相应的接收光线的右侧的极限范围为光学传感元件223右侧边缘与第二层透光区的左侧边缘边缘的连线。所述左侧极限和右侧极限形成一个范围较小的夹角，在该夹角范围内的光线L2能够进入光学传感元件223，在该夹角外的光线被所述遮罩层22的非透光区遮挡。

请参照图3c所述光学隧道224与光学传感元件还可以是多对1的形式。即在一个光学传感元件之上形成多个不同的光学隧道224，同一光学传感元件能够接收多个所述光学隧道224穿出的光线，光学隧道224的数量增加可以在保证准直性基础之上增加光学传感元件的受光量提高信号强度。

请参照图4展示的光学传感元件阵列300，每个光学传感元件223的位置对应在光学隧道224的底部以能够接收大致垂直于光学指纹传感器芯片表面的光线，光学传感元件阵列包括每行的行选开关31和行选线311和每列的列选开关32和列选线321，负载电路301为所述光学传感元件阵列300提供负载。光学传感元件223为光电二极管等可用于将光学信号转换为电学信号以供图像处理电路读出其中包含的指纹图像信息。

每行的光电二极管的第一电极连接每行的行选线311，每列的光电二极管的第二电极连接列选线321，所述行选开关31连接负载电路301为所述光电二极管提供负载电流，所述列选开关32连接逻辑电路。在实际使用过程中适当的打开和关闭行选开关31和列选开关32能够选通单颗的光电二极管或多颗光电二极管，例如闭合第一行选开关同时闭合第一列行选开关，则被选通光电二极管的坐标为（1，1）的光电二极管，又例如闭合第一、第二和第三行选开关同时闭合第一、第二、和第三列选开关，则行选光电二极管的的坐标为第一行至第三行的前三个光电二极管，即能够接收光线的二极管为一个区域。

使用上述行选开关31和列选开关32能够根据不同的外部环境或输出信号动态调整选通的光电二极管的数量，形成一种可动态调整的电子光圈。所述行选开关31和列选开关32可通过控制电路进行控制。其相对与普通的光学传感像素的优势在于，当光线强度过大可能产生过曝光时可关闭部分光电二极管以减小光圈，当光线强度不够时可增加光线以增大所述光圈。

所述列选开关32连接积分电路4和调整电路5，积分电路4的输出端连接比较电路6，所述积分电路4包括放大器Amp和积分电容Cr，积分电容Cr的第一端连接放大器Amp的第一输入端积分电容Cr的第二端连接放大器的输出端，放大器的第二输入端连接参考电压Verf1。积分电容Cr的两端连接复位开关41用于复位积分电容使其初始电荷为零。放大器Amp的第二输入端连接参考电平。

所述比较电路6的第一输入端与积分电路4的输出端连接，比较电路6的第二输入端与第二参考电平Verf3连接，比较电路的输出端out作为图像信号输出端。所述积分电路4的电压达到参考电压时所述比较电路6的输出电压发生反转。

在列选开关32和积分电路4之间还连接有调整电路5，调整电路5的包括与列选开关32和积分电路4输入端连接的调整开关51，调整开关51的另一端连接电流源52电流源用于调整积分电路4的积分速度防止积分电路4发生饱和。

所述光学传感元件阵列300采集图像的原理如下：选通全部或部分的光电二极管，其接收光线的强度代表光学传感像素之上手指表面纹路反射光线的强度，选通的二极管产生与图像光线强度相应的电流信号；被选通的光电二极管电流信号输入积分电路4，同时调整电路5对进入积分电容Cr的电荷进行正向或反向补偿，以调整积分速率，需要指出的是调整电路5补偿电荷的注入积分电容的电荷的速率和极性可控以适应对积分速率的需求。

当积分电路4输出电压达到比较电路6的参考电压Verf3则比较电路6的输出电压发生反转。若光电二极管产生的电流强则相应积分电路4达到参考电压的时间短，则电压反转时使用的时间短。若光电二极管产生的电流相对较弱相应的积分电路4达到参考电压的时间长，则电压反转使用的时间长。相应的手指的脊线反射光强谷线反射光若，因此电压反转时间长则此光学传感像素图像为谷线，相反电压反转时间端则此光学传感像素的图像为脊线。

Claims (7)

1.一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，包括：

界面，可供光线穿过并提供手指接触的表面；

发光层，置于所述界面下方可供光线穿过，用于发出可穿过所述界面的光线；

光学隧道，可供特定角度的光线穿过；

光学传感元件，置于所述光学隧道的下方，用于接收穿过所述光学隧道的光线并将光能量转换成电信号；

光学滤层，光学滤层使特定光谱的光线通过；所述滤层的位置包括但不限定于，界面上方/光学隧道上方界面下方/光学传感元件上方光学隧道下方；

其中，所述光学传感元件之上形成至少两层遮罩层，遮罩层包括至少一个透光区和在透光区外围的遮光区；各层的所述透光区形成可供特定角度的光线进入的光学隧道；

不同层所述透光区部分地重合并且错位分布以形成所述光学隧道。

2.根据权利要求1所述的一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，所述遮罩层的遮光区为形成在光学传感元件之上的非透光层。

3.根据权利要求2所述的一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，所述遮光区为形成在光学传感元件之上的金属层。

4.根据权利要求1所述的一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，包括至少两个所述光学隧道，不同光学隧道所朝向的方向相同。

5.根据权利要求4所述的一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，所述光学传感元件，接收穿过一个或多个所述光学隧道的光线。

6.根据权利要求5所述的一种光学指纹传感器的光路，其特征在于，包括多个所述光学传感元件，多个所述光学传感元件并联。

7.光学指纹传感器，其特征在于，包括：

界面，可供光线穿过并提供手指接触的表面；

发光层，置于所述界面下方可供光线穿过，用于发出可穿过所述界面的光线；

光学隧道，可供特定角度的光线穿过；

光学传感元件阵列，置于所述光学隧道的下方，具有呈行列排布的多个光学传感元件组，用于将光信号转换成电信号；

光学滤层，光学滤层使特定光谱的光线通过；所述滤层的位置包括但不限定于，界面上方/光学隧道上方界面下方/光学传感元件上方光学隧道下方；

其中，所述光学传感元件之上形成至少两层遮罩层，遮罩层包括至少一个透光区和在透光区外围的遮光区；各层的所述透光区形成可供特定角度的光线进入的光学隧道；

不同层所述透光区部分地重合并且错位分布以形成所述光学隧道。