CN109634024A - 可调整焦距的透镜结构和屏下指纹传感器结构 - Google Patents

可调整焦距的透镜结构和屏下指纹传感器结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可调整焦距的透镜结构，用于一指纹传感器，包括：一第一基层；一第一电极层，形成于该第一基层上，用来接收一接地电压；一透镜层，形成于该第一电极层上；一第二电极层，形成于该透镜层上，用来接收一交流电压；以及一第二基层，形成于该第二电极层上；其中，该第一基层、该第一电极层、该透镜层、该第二电极层和该第二基层平行于一第一平面，该第一平面是由一第一方向和一第二方向所形成；其中，在一第三方向上，该接地电压和该交流电压之间的电场大小用来改变该透镜层的一焦距对应的一物理特性。

Description

可调整焦距的透镜结构和屏下指纹传感器结构
技术领域
本发明涉及一种透镜结构和相关屏下指纹传感器结构，尤其涉及一种可调整焦距的透镜结构和屏下指纹传感器结构。
背景技术
屏下(under display)指纹传感器是整合在显示屏下的指纹传感器，由于屏幕像素间设计具有一定的间隔，能够保证光线透过。当用户手指按压屏幕时，屏幕可发出光线将手指区域照亮，照亮指纹的反射光线透过屏幕像素的间隙返回到紧贴于屏下的传感器阵列上。由于脊纹区域的指纹组织会吸收光，因此从脊纹反射的光会变暗；从谷纹反射的光相对而言较亮。因此，脊纹和谷纹产生的亮度差异，可在光学传感器阵列上形成指纹图案。
为了得到清晰的指纹图案，在屏幕和光学传感器阵列之间会设置微米透镜阵列，用来聚焦反射光，让指纹图案可成像在光学传感器阵列。然而，针对不同的机型设计(例如不同手机的外观和结构设计)，手指到微米透镜阵列的物距和微米透镜阵列到光学传感器阵列的像距也会跟着改变，因此必须对应调整微米透镜阵列的焦距。
因此，如何提供一种可调式焦距的屏下指纹传感器结构，已成为本领域的课题之一。
发明内容
因此，本发明的主要目的即在于提供一种可调整焦距的透镜结构和相关屏下指纹传感器结构。
本发明公开一种可调整焦距的透镜结构，用于一指纹传感器，包括：一第一基层；一第一电极层，形成于该第一基层上，用来接收一接地电压；一透镜层，形成于该第一电极层上；一第二电极层，形成于该透镜层上，用来接收一交流电压；以及一第二基层，形成于该第二电极层上；其中，该第一基层、该第一电极层、该透镜层、该第二电极层和该第二基层平行于一第一平面，该第一平面是由一第一方向和一第二方向所形成；其中，在一第三方向上，该接地电压和该交流电压之间的电场大小用来改变该透镜层的一焦距对应的一物理特性，该第三方向垂直该第一方向和该第二方向。
本发明还公开一种屏下指纹传感器结构，包括：一图像传感器；一显示屏；以及一透镜阵列，形成于该图像传感器和该显示屏之间，包括：一第一基层形成于该图像传感器上；一第一电极层，形成于该第一基层上，用来接收一接地电压；一透镜层，形成于该第一电极层上；一第二电极层，形成于该透镜层上，用来接收一交流电压；以及一第二基层，形成于该第二电极层和该显示屏之间；其中，该第一基层、该第一电极层、该透镜层、该第二电极层和该第二基层平行于一第一平面，该第一平面是由一第一方向和一第二方向所形成；其中，在一第三方向上，该接地电压和该交流电压之间的电场大小用来改变该透镜层的一焦距对应的一物理特性，该第三方向垂直该第一方向和该第二方向。
附图说明
图1为本发明实施例一屏下指纹传感器结构的剖面图。
图2为本发明实施例另一屏下指纹传感器结构的剖面图。
图3为本发明实施例第二电极层和透镜层的上视图。
图4为本发明实施屏下指纹传感器结构的成像示意图。
图5为本发明实施例一透镜结构的剖面图。
图6为本发明实施例一透镜结构的剖面图。
附图标记说明：
1、2 屏下指纹传感器结构
10、50、60 透镜结构
100 第一基层
101 第一电极层
102 第二电极层
103、503、603 透镜层
1030 透镜
104 第二基层
11 显示屏
12 图像传感器
13 红外线滤波层
14 弹性基膜板
605 高电阻层
A 照光区直径
AC 交流电压
D 光圈直径
Di 像距
Do 物距
f 焦距
GND 接地电压
L 透镜间距
P 显影像素直径
W 电极宽度
具体实施方式
图1为本发明实施例一屏下指纹传感器结构1的剖面图。图2为本发明实施例另一屏下指纹传感器结构2的剖面图。屏下指纹传感器结构1、2可用于一电子装置(例如平板电脑、智能型手机等)的光学指纹成像器(Optical fingerprint imager)，用来侦测指纹的纹路(例如脊纹和谷纹)。于图1中，屏下指纹传感器结构1包括一透镜结构10、一显示屏11、一图像传感器12、一红外线滤波层13和一弹性基膜板14。
显示屏11是有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏，但不限于此。图像传感器12是互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，简称CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)。光学指纹成像器可与图像传感器12整合在一起，显示屏11的显示画素发光到使用者的指纹，通过侦测从脊纹和谷纹反射的反射光,再通过显示画素的开窗区域和透镜结构10将反射光聚焦在图像传感器12，即可让指纹成像在图像传感器12。
红外线滤波层13形成于透镜结构10和图像传感器12之间。红外线滤波层13可以是独立的膜，或是图像传感器12的涂层，用来降低或消除阳光中会被图像传感器12所使用的光频带(例如，红外线)。在其他实施例中，可配置一个或多个光学滤波层来作为带通滤波层，让显示屏11发出的光可通过带通滤波层，同时阻挡阳光中的红外线。当使用者在户外使用电子装置时，红外线滤波层13也可用来减少阳光带来的背景噪声。
透镜结构10形成于图像传感器12和显示屏11之间，包括一第一基层100、一第一电极层101、一第二电极层102、一透镜层103和一第二基层104。第一基层100形成于红外线滤波层13或图像传感器12上。第一电极层101形成于第一基层100上，用来接收一接地电压GND。透镜层103形成于第一电极层101上。第二电极层102形成于透镜层103上，用来接收一交流电压AC。第二基层104形成于第二电极层102和显示屏11之间。第一电极层101和第二电极层102是由氧化铟锡所组成，且第一基层100和第二基层104是由玻璃所组成。
第一基层100、第一电极层101、透镜层103、第二电极层102和第二基层104平行于一第一平面(例如，XY平面)，第一平面是由一第一方向(例如，X方向)和一第二方向(例如，Y方向)所形成。在一第三方向(例如，Z方向)上，接地电压GND和交流电压AC之间的电场大小用来改变透镜层103的一焦距f对应的一物理特性，其中第三方向垂直第一方向和第二方向。在第三方向(Z方向)上，显示屏11的表面到透镜结构10的一物距Do的倒数加上透镜结构10到图像传感器12的一像距Di的倒数等于透镜层103的焦距f的倒数，即1/Do+1/Di＝1/f。
于图2中，屏下指纹传感器结构1和2的结构相似，相同组件以相同符号表示。屏下指纹传感器结构2还包括一偏光层205，形成于显示屏11和第二基层104之间，用来减少光滑面的反射光所导致的噪声。由于增加了偏光层205，使得手指到透镜层103的物距改变，但透镜结构20到图像传感器12的像距不变，因此需调整焦距来适应新的物距。因此，在第三方向(Z方向)上，显示屏11的表面到透镜结构20的一物距Do’的倒数加上透镜结构20到图像传感器12的像距Di的倒数等于透镜层103的焦距f’的倒数，即1/Do’+1/Di＝1/f’。
图3为本发明实施例第二电极层102和透镜层103的上视图。第二电极层102以点图案表示，透镜层103以空白表示。第二电极层102形成有多个开口，通过施加交流电压AC给第二电极层102，可在开口下的透镜层103形成多个透镜1030。开口在第一平面上的直径是透镜1030的光圈直径D。开口的形状可以是多边形(例如，四边形或六边形)或圆形。两个开口的中心之间的距离是透镜1030的透镜间距L(pitch)，两个开口之间的电极宽度是W。
图4为本发明实施屏下指纹传感器结构的视野(Field of View,FOV)成像示意图。假设显示屏11的照光区直径为A，第二电极层102的两个开口之间的电极宽度是W，透镜1030的光圈直径是D，图像传感器12的显影像素(例如，光学二极体(photo diode，PD))直径是P。针对单一透镜1030而言，显示屏11发出的光照射到照光区时，可产生反射光；再通过透镜1030聚焦反射光，可在显影像素产生指纹纹路。
给定透镜1030的光圈直径D、显示屏11的照光区直径为A和手指到透镜1030的物距Do的条件下,像距Di越小，则显影像素直径P越小，焦比F值(f/D)越小，单位面积的反射光强度越大,且景深较大。当焦距f固定，则透镜1030的光圈直径D越大,景深较小。
图5为本发明实施例一透镜结构50的剖面图。当施加交流电压AC给第二电极层102时，接地电压GND(第一电极层101)和交流电压AC(第二电极层102)之间的电场大小可改变透镜阵列的每个透镜的焦距f对应的物理特性。在本实施例中，透镜结构50包括一透镜层503，透镜层形成有包括多个透镜的一透镜阵列，透镜阵列是由多个液晶微米透镜(liquidcrystal micro lens)所组成的液晶阵列。焦距对应的物理特性是折射率，不同的电场大小可改变液晶微米透镜的排列方向和相位延迟分布，使液晶微米透镜产生不同的折射率，以调整焦距。
图6为本发明实施例一透镜结构60的剖面图。透镜结构60包括一高电阻(highresistance，HiR)层605，第二电极层102形成于高电阻层605内，用来调整透镜层603的多个微米液晶透镜的相位延迟分布，使得相位延迟更均匀分布，也可使用较低的驱动电压。
根据图5和图6的实施例可知，本发明通过调整透镜层的多个微米液晶透镜排列方向和相位延迟分布(例如，通过施加不同大小的交流电压AC，或增加高电阻层605来调整接地电压GND和交流电压AC之间的电场大小)，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。本领域的技术人员可根据本发明实施例来修饰和变化，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。
举例来说，在不同实施例中，透镜层的可使用不同的材质，同样通过施加电压来调整焦距，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。例如在一实施例中，透镜阵列是由多个微米液体透镜所组成的液体阵列，焦距对应的物理特性透镜层是曲率半径。在一实施例中，透镜阵列是由多个弹性聚合物膜所组成的弹性透镜阵列，焦距对应的物理特性透镜层是曲率半径。
本发明的优势在于，在可调式焦距的屏下指纹传感器结构下，可将指纹传感器的厚度设计更具自由，而不需为了固定的焦距而增加其厚度。此外，由于微米透镜阵列的焦距可通过施加不同大小的电压来调整或校正，以适应不同的显示屏厚度或外加的屏幕保护膜。
综上所述，本发明通过调整透镜层的多个微米液晶透镜排列方向和相位延迟分布(例如，通过施加不同大小的交流电压，或增加高电阻层来调整接地电压和交流电压之间的电场大小)，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种可调整焦距的透镜结构，用于一指纹传感器，包括：
一第一基层；
一第一电极层，形成于该第一基层上，用来接收一接地电压；
一透镜层，形成于该第一电极层上；
一第二电极层，形成于该透镜层上，用来接收一交流电压；以及
一第二基层，形成于该第二电极层上；
其中，该第一基层、该第一电极层、该透镜层、该第二电极层和该第二基层平行于一第一平面，该第一平面是由一第一方向和一第二方向所形成；
其中，在一第三方向上，该接地电压和该交流电压之间的电场大小用来改变该透镜层的一焦距对应的一物理特性，该第三方向垂直该第一方向和该第二方向。
2.如权利要求1所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该第二电极层形成有多个开口，该透镜层形成有包括多个透镜的一透镜阵列，该多个开口在该第一平面上的直径是该多个透镜的光圈直径。
3.如权利要求2所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是折射率，该透镜阵列是由多个微米液晶透镜所组成的液晶阵列。
4.如权利要求3所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，还包括：
一高电阻层，该第二电极层形成于该高电阻层内，用来调整该多个微米液晶透镜的相位延迟分布。
5.如权利要求2所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是曲率半径，该透镜阵列是由多个微米液体透镜所组成的液体阵列。
6.如权利要求2所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是曲率半径，该透镜阵列是由多个弹性聚合物膜所组成的弹性透镜阵列。
7.如权利要求2所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该多个开口的形状是多边形或圆形。
8.如权利要求1所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该指纹传感器包括：
一显示屏；以及
一图像传感器；
其中该透镜结构形成于该显示屏和该图像传感器之间；在该第三方向上，该显示屏的表面到该透镜结构的一物距的倒数加上该透镜结构到该图像传感器的一像距的倒数等于该透镜层的焦距的倒数。
9.如权利要求8所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该显示屏是有机发光二极管显示屏，且该图像传感器是互补式金属氧化物半导体图像传感器或电荷耦合器件。
10.如权利要求1所述可调整焦距的透镜结构，其特征在于，该第一电极层和该第二电极层是由氧化铟锡所组成，该第一基层和该第二基层是由玻璃所组成。
11.一种屏下指纹传感器结构，包括：
一图像传感器；
一显示屏；以及
一透镜阵列，形成于该图像传感器和该显示屏之间，包括：
一第一基层形成于该图像传感器上；
一第一电极层，形成于该第一基层上，用来接收一接地电压；
一透镜层，形成于该第一电极层上；
一第二电极层，形成于该透镜层上，用来接收一交流电压；
以及
一第二基层，形成于该第二电极层和该显示屏之间；
其中，该第一基层、该第一电极层、该透镜层、该第二电极层和该第二基层平行于一第一平面，该第一平面是由一第一方向和一第二方向所形成；
其中，在一第三方向上，该接地电压和该交流电压之间的电场大小用来改变该透镜层的一焦距对应的一物理特性，该第三方向垂直该第一方向和该第二方向。
12.如权利要求11所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该第二电极层形成有多个开口，该透镜层形成有包括多个透镜的一透镜阵列，该多个开口在该第一平面上的直径是该多个透镜的光圈直径。
13.如权利要求11所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是折射率，该透镜阵列是由多个微米液晶透镜所组成的液晶阵列。
14.如权利要求13所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，还包括：
一高电阻层，该第二电极层形成于该高电阻层内，用来调整该多个微米液晶透镜的相位延迟分布。
15.如权利要求12所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是曲率半径，该透镜阵列是由多个微米液体透镜所组成的液体阵列。
16.如权利要求12所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该焦距对应的该物理特性透镜层是曲率半径，该透镜阵列是由多个弹性聚合物膜所组成的弹性透镜阵列。
17.如权利要求12所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该多个开口的形状是多边形或圆形。
18.如权利要求11所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该透镜结构形成于该显示屏和该图像传感器之间；在该第三方向上，该显示屏的表面到该透镜结构的一物距的倒数加上该透镜结构到该图像传感器的一像距的倒数等于该透镜层的焦距的倒数。
19.如权利要求11所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，该显示屏是有机发光二极管显示屏，该图像传感器是互补式金属氧化物半导体图像传感器或电荷耦合器件，该第一电极层和该第二电极层是由氧化铟锡所组成，且该第一基层和该第二基层是由玻璃所组成。
20.如权利要求11所述的屏下指纹传感器结构，其特征在于，还包括：
一红外线滤波层，形成于该透镜阵列的该第一基层和该图像传感器之间；以及
一偏光层，形成于该显示屏和该透镜阵列的该第二基层之间。
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