CN109670367A - 一种光学图像传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于图像传感技术领域，提供一种光学图像传感系统，包括信号发射模块、信号接收模块和信号处理模块；信号发射模块包括发光源和脉冲频率控制单元，所述脉冲频率控制单元发出脉冲频率控制信号，发光源根据脉冲频率控制信号发射预设频率的周期性脉冲光信号，每个周期的脉冲光信号包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号；信号接收模块接收物体反射回来的第一相位光信号和第二相位光信号，将物体反射回来的第一相位光信号处理为第一相位电信号，将物体反射回来的第二相位光信号处理为第二相位电信号；信号处理模块对第一相位电信号和第二相位电信号进行信号处理和减运算。本发明能够有效消除外界光线对信号采集结果的干扰。

Description

一种光学图像传感系统

技术领域

本发明属于图像传感技术领域，尤其涉及一种光学图像传感系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，指纹识别、面部识别、静脉识别、虹膜识别等生物图像传感技术被广泛应用于手机、打卡签到机、门锁等智能终端，提高了智能终端的安全性能。

然而，现有的光学图像传感系统在采集物体反射的光信号时，极易受到自然光线或终端本身发出的光线的干扰，导致采集结果不准确，从而降低了终端的生物特征识别性能。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种光学图像传感系统，以解决现有的光学图像传感系统在采集物体反射的光信号时，极易受到自然光线或终端本身发出的光线的干扰，导致采集结果不准确，从而降低了终端的生物特征识别性能的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种光学图像传感系统，其包括信号发射模块、信号接收模块和信号处理模块；

所述信号发射模块和所述信号接收模块与所述信号处理模块电连接；

所述信号发射模块包括发光源和脉冲频率控制单元，所述脉冲频率控制单元发出脉冲频率控制信号，所述发光源根据所述脉冲频率控制信号发射预设频率的周期性脉冲光信号，每个周期的脉冲光信号包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号；所述信号接收模块接收物体反射回来的所述第一相位光信号和所述第二相位光信号，将物体反射回来的所述第一相位光信号处理为第一相位电信号，将物体反射回来的所述第二相位光信号处理为第二相位电信号；所述信号处理模块对所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行信号处理和减运算，得到有效电信号。

在一个实施例中，所述光学图像传感系统还包括设置在所述信号发射模块和所述信号接收模块之间的滤光片；

所述滤光片对物体反射的光信号进行过滤，将物体反射回来的所述第一相位光信号和所述第二相位光信号透射至所述信号接收模块。

在一个实施例中，所述滤光片的透射波段与所述第一相位光信号和所述第二相位光信号的波长范围相同。

在一个实施例中，所述脉冲光信号包括红外光、紫外光或任意可见的有色光中的一种或多种。

在一个实施例中，所述发光源包括LED灯、冷阴极荧光灯或LED灯阵列。

在一个实施例中，所述信号接收模块包括至少一个感光元件。

在一个实施例中，所述信号处理模块包括信号放大单元和逻辑运算单元；

所述信号放大单元与所述信号接收模块和所述逻辑运算单元电连接；

所述信号放大单元对所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行信号放大，所述逻辑运算单元对放大后的所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行减运算，得到所述有效电信号。

在一个实施例中，所述信号处理模块还包括与所述信号放大单元和所述逻辑运算单电连接的滤波单元，所述滤波单元对放大后的所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行滤波。

在一个实施例中，所述逻辑运算单元包括采样保持电路，所述采样保持电路包括两个第一相位开关、两个第二相位开关、第一隔离器件和第二隔离器件；

所述第一隔离器件连接在所述两个第一相位开关之间，所述第二隔离器连接在所述两个第二相位开关之间，其中一个所述第一相位开关和其中一个所述第二相位开关与所述信号放大单元连接，另一个所述第二相位开关和另一个所述相位开关连接。

在一个实施例中，所述光学图像传感系统应用于显示装置，所述显示装置包括背光模组、显示模块、显示控制模块、滤光片、所述信号接收模块和所述信号处理模块；

所述背光模组包括所述信号发射模块，所述发光源包括红外LED；所述信号接收模块包括由多个感光元件组成的感光元件阵列，所述信号接收模块的面积大于或等于所述显示模块的面积，所述信号接收模块设置在所述显示模块的上方或者下方；所述滤光片为可透过红外光的红外滤光片；所述显示控制模块和所述显示模块电连接，所述显示控制模块控制所述红外光透过所述显示模块。

本发明通过发射包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号的周期性脉冲光信号，接收物体反射回来的第一相位光信号和第二相位光信号并处理为对应的第一相位电信号和第二相位电信号，然后对第一相位电信号和第二相位电信号进行减运算，能够抵消反射回来的信号中的环境光线或终端本身发出的光线，有效消除外界光线对信号采集结果的干扰，避免产生误判和误识别现象。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的光学图像传感系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的周期性脉冲光信号的波形示意图；

图3是本发明实施例二提供的光学图像传感系统的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的光学图像传感系统的结构示意图；

图5是本发明实施例四提供的显示装置的结构示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

如图1所示，本发明的一个实施例提供一种光学图像传感系统100，其包括信号发射模块10、信号接收模块20和信号处理模块30，信号发射模块10包括发光源11和脉冲频率控制单元12；其中，信号发射模块10和信号接收模块20与信号处理模块30电连接。在本实施例中，脉冲频率控制单元用于发出脉冲频率控制信号，脉冲频率控制信号用于控制发光源发射预设频率的周期性脉冲光信号，每个周期的脉冲光信号包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号。

在具体应用中，脉冲光信号的频率可以根据实际需要设定，脉冲光信号的频率越大，则光学图像传感系统对物体的光学扫描速度越快，第一相位光信号和第二相位光信号的持续时间也就越短。

在本实施例中，第一相位和第二相位不同，第一相位滞后于第二相位或者第二相位滞后于第一相位，在多个周期中两个相位交替出现；在一个周期中，有且仅有一个第一相位光信号和一个第二相位光信号。

在本实施例中，第一强度和第二强度不同，第一强度大于第二强度或者第二强度大于第一强度，且低强度可以为0，即信号发射模块在发射强度较低的第一相位光信号或第二相位光信号时实际上可以不发射信号。当然，低强度也可以不为0。

在具体应用中，脉冲频率控制单元具体可以选用脉冲频率调制器或芯片，也可以是具有相应功能的逻辑电路。如图2所示，示例性的示出第一相位滞后于第二相位且第一强度大于第二强度时，多个周期的脉冲光信号的波形示意图。图2中，PH1表示第一相位、PH2表示第二相位，脉冲的高度则表示脉冲的振幅大小，振幅大小与信号强度成正比。

在具体应用中，脉冲光信号可以根据实际需要选择任何颜色或波段的光信号，例如，在采集指纹、静脉图像或虹膜图像时，则可以选择红外光。

在一个实施例中，脉冲光信号包括红外光、紫外光或任意可见的有色光中的一种或多种。

在具体应用中，发光源包括用于发射一种或多种光信号的灯具，可以根据实际需要选择任意类型的灯具，例如，红外LED灯、紫外LED灯等。

在一个实施例中，发光源包括LED灯、冷阴极荧光灯或LED灯阵列。当发光源包括LED灯阵列时，可以仅能发射一种光信号也可以具备发射多种不同类型的光信号的功能。

在本实施例中，信号接收模块20接收物体反射回来的第一相位光信号和第二相位光信号，将物体反射回来的第一相位光信号处理为第一相位电信号，将物体反射回来的第二相位光信号处理为第二相位电信号。

在具体应用中，物体具体可以是手指、静脉或虹膜等生物特征载体。

在具体应用中，信号接收模块可以包括任意能够实现光信号采集并转化为信号处理模块可处理的电信号的器件，例如，感光元件。

在一个实施例中，信号接收模块包括至少一个感光元件。当包括多个感光元件时，多个感光元件可以阵列式排布构成图像传感器。

在一个实施例中，感光元件为光电二极管、光敏电阻、电荷耦合元件或互补金属氧化物半导体中的任一种。

在本实施例中，信号处理模块用于对第一相位电信号和第二相位电信号进行信号处理和减运算，得到有效电信号。

在具体应用中，信号处理具体可以包括信号放大、滤波等常规信号处理步骤，对信号进行减运算是为了抵消第一相位电信号和第二相位电信号中的环境噪声或者是器件本身带来的噪声部分。在实际应用中，物体反射的第一相位光信号和第二光信号由于是连续采集的，因此环境或者器件本身对这两个信号造成干扰的干扰因素基本上是相同的，通过对这两个光信号转化而来的电信号进行减运算，则可以基本上抵消掉干扰因素所带来的干扰，从而得到较为准确的信号采集结果，通过对最终得到的信号进行处理，可以得到较为准确的生物特征图像，从而可以提供对生物特征的识别准确度。

本实施例通过发射包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号的周期性脉冲光信号，接收物体反射回来的第一相位光信号和第二相位光信号并处理为对应的第一相位电信号和第二相位电信号，然后对第一相位电信号和第二相位电信号进行减运算，能够抵消反射回来的信号中的环境光线或终端本身发出的光线，有效消除外界光线对信号采集结果的干扰，避免产生误判和误识别现象。

实施例二：

如图3所示，在本发明的一个实施例中，实施例一中的光学图像传感系统100还包括设置在信号发射模块10和信号接收模块20之间的滤光片40。

如图3所示，本实施例中，示例性的示出发光源11为一个发光二极管，信号接收模块20为一个感光二极管。应当理解的是，图3中的发光二极管和感光二极管仅仅只是一种功能性的示意，并不代表信号发射模块和信号接收模块必须或者仅包括这两个器件，在实际应用中，还可以包括其他器件或者采用功能类似的器件等效替换。

在本实施例中，滤光片用于对物体反射的光信号进行过滤，将物体反射回来的第一相位光信号和第二相位光信号透射至信号接收模块。

在具体应用中，滤光片的作用是反射或者吸收信号接收模块所不需要的光信号，透过信号接收模块需要的光信号。具体的，可以选用透光波段与第一相位光信号和第二相位光信号的波长范围相当或较为接近的滤光片。

在一个实施例中，滤光片的透射波段与第一相位光信号和第二相位光信号的波长范围相同。应当理解的是，选用与第一相位光信号和第二相位光信号的波长范围相同的滤光片是一种理想情况，在实际应用中很难做到完全相同，只能尽量的选用波段相近的。

如图3所示，在本实施例中，信号处理模块30包括信号放大单元31和逻辑运算单元32；信号放大单元31与信号接收模块20和逻辑运算单元32电连接。

在本实施例中，信号放大单元用于对第一相位电信号和第二相位电信号进行信号放大。

在具体应用中，信号放大单元具体可以是信号放大器或者相应的逻辑电路。

在本实施例中，逻辑运算单元用于对放大后的第一相位电信号和第二相位电信号进行减运算，得到有效电信号。

在具体应用中，逻辑运算单元具体可以包括采样保持电路和对应的逻辑运算电路。

如图3所示，在本实施例中，信号处理模块30还包括与信号放大单元31和逻辑运算单32电连接的滤波单元33，滤波单元33对放大后的第一相位电信号和第二相位电信号进行滤波。

在具体应用中，滤波单元具体可以包括并联的滤波电容和电阻构成的滤波电路，也可以是其他类型的滤波电路。

基于本实施例所提供的光学图像传感系统的结构，本实施例中，对放大后的第一相位电信号和第二相位电信号进行减运算的计算方法如下：

设信号放大单元的放大系数为A，在第一相位期间ph1期间的反射的第一相位光信号的强度为S1，外部光干扰幅度为N_i1，器件噪声为N_c1，在第二相位ph2期间反射的第二相位光信号的强度为S2，外部光干扰幅度为N_i2，器件噪声为N_c2，物体反射的第一相位光信号对应的第一相位电信号为V_o1，物体反射的第二相位光信号对应的第二相位电信号为V_o2；

则可得如下关系式：

V_o1＝A(S1+N_i1)+N_c1；

V_o2＝A(S2+N_i2)+N_c2；

对上式进行减运算，得到有效电信号V_o2-V_o1＝A(S2-S1+N_i2-N_i1)+N_c2-N_c1；

在实际应用中，若采用适当的脉冲频率，则N_i2≈N_i1，N_c2≈N_c1，从而得到有效电信号V_o2-V_o1＝A(S2-S1)。

由上述计算结果可以看到，最终得到的有效信号基本上消除了噪声。

由于脉冲的振幅与信号强度是成正比的，因此，在计算时将信号强度等效为振幅。

实施例三：

如图4所示，在本发的一个实施例中，实施例二中的逻辑运算单元32包括采样保持电路，采样保持电路包括两个第一相位开关PH1、两个第二相位开关PH2、第一隔离器件C1和第二隔离器件C2；第一隔离器件C1连接在两个第一相位开关PH1之间，第二隔离器PH2连接在两个第二相位开关PH2之间，其中一个第一相位开关和其中一个第二相位开关与信号放大单元31连接，另一个第二相位开关和另一个相位开关连接。

在具体应用中，四个开关可以为任意类型的电子开关管，例如，三极管、场效应晶体管等具有电子开关作用的元器件，两个隔离器件也可为任意类型的信号隔离器件，本实施例中不作特别限定。

图4中示例性的示出四个开关均为单刀单掷开关，两个隔离器件均为电容器。

图4中示例性的示出信号放大单元31为信号放大器，滤波单元33包括电阻R和电容C3，该信号放大器的负输入端接电容C3的一端和电阻R的一端，信号放大器的正输入端接入参考信号VR，信号放大器的输出端接其中一个第一相位开关和其中一个第二相位开关。

基于本实施例所提供的结构，在实际应用中，脉冲频率控制单元13发出脉冲电流驱动信号，在驱动发光源11发出第一相位光信号时，脉冲电流驱动信号为大电流，发光源11发出强光(具体可以是红外光)；

在驱动发光源11发出第二相位光信号时，脉冲电流驱动信号为小电流或者没有电流，发光源11发出弱光或者不发光；

滤光片40透射波长与发光源11发射的光信号波长类似的光信号；

信号接收模块20接收透射的光信号并转换成电流信号；

运算放大单元32对信号进行放大，滤波单元34对信号进行滤波并将电流信号转换成电压信号；电容C1和C2分别在第一相位时段和第二相位时段对放大后的信号进行采样；

其中，第一相位阶段采集的电压信号对应发强光时的信号量为V1-VR，第二相位阶段采集的电压信号对应发弱光或不发光时的信号量为V2-VR；

对以上两次采样的信号值进行减运算就可以得到有效信号V1-V2，即得到最终能够被处理为生物特征图像的输出电压信号。

通过上述信号处理方法，假如有干扰存在，则第一相位阶段采集的信号对应发强光加干扰时的电压信号为V1+Vn-VR，第二相位阶段采集的信号对应不发光或发弱光加干扰时的电压信号为V2+Vn-VR，进行减运算之后得到的结果依然是V1-V2，因此，干扰带来的影响会被消除。

实施例四：

如图5所示，在本发明的一个实施例中，光学图像传感系统100应用于显示装置1000，显示装置1000包括背光模组200、显示模块300、显示控制模块400、滤光片40、信号接收模块20和信号处理模块30。

如图5所示，在本实施例中，信号发送模块10属于背光模组200的一部分。

在具体应用中，显示装置的背光模组通常包括背光灯和匀光板，背光灯通常是白光LED，其设置在匀光板的下方或侧面。信号发送模块具体可以包括红外LED灯，也可以包括其他颜色或类型的灯。

如图5所示，在本实施例中背光模组200还包括匀光板201。

在具体应用中，信号接收模块具体是指显示装置的图像传感器上的感光元器件，信号接收模块设置在显示模块的上方或者下方。在本实施例中，信号接收模块即是图像传感器本身，其包括多个阵列式排列的感光元件。

如图5所示，在本实施例中，信号接收模块20包括由多个感光元件组成的感光元件阵列，信号接收模块20的面积大于或等于显示模块300的面积，且设置在显示模块300上方。

如图5所示，在本实施例中，滤光片40为可透过红外光的红外滤光片。在具体应用中，其也可以通过白光。

在一个实施例中，滤光片为可透过红外光、红光、绿光和蓝光的红外三基色滤光片。其通过特殊镀膜工艺制备，可以同时透过红外光、红光、绿光和蓝光，使得显示模块既可以显示三基色图像也可以采集指纹、静脉、虹膜等光学生物图像。

如图5所示，在本实施例中，显示控制模块400和显示模块300电连接，显示控制模块400用于控制红外光透过显示模块300。

在具体应用中，显示模块具体可以为任意类型的显示器件，例如，薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD，Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display)，OLED(OrganicElectroluminescence Display，有机电激光显示)显示器、QLED(Quantum Dot LightEmitting Diodes，量子点发光二极管)显示器等。本实施例中，显示模块具体为薄膜晶体管液晶显示器。对应的，显示控制模块具体为TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)液晶驱动芯片。显示控制模块通过调节施加给显示模块的电压的大小，调节显示模块中的液晶微粒的光轴取向，来控制显示模块显示。

如图5所示，本实施例所提供的显示装置1000还包括透明盖板500，透明盖板500、滤光片40、信号接收模块20、显示模块300、显示控制模块400和背光模组200由上而下依次层叠设置。

在具体应用中，透明盖板具体可以为玻璃盖板或触控显示面板。

本实施例通过提供一种大面积图像传感器和显示模块相结合的显示装置，无需电容式触摸信号采集装置，能够实现显示装置的全屏生物图像采集功能，可以应用于全面屏显示装置，可以提高光生物特征的识别准确率，避免产生误判和误识别现象。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光学图像传感系统，其特征在于，包括信号发射模块、信号接收模块和信号处理模块；

所述信号发射模块和所述信号接收模块与所述信号处理模块电连接；

所述信号发射模块包括发光源和脉冲频率控制单元，所述脉冲频率控制单元发出脉冲频率控制信号，所述发光源根据所述脉冲频率控制信号发射预设频率的周期性脉冲光信号，每个周期的脉冲光信号包括第一强度的第一相位光信号和第二强度的第二相位光信号；所述信号接收模块接收物体反射回来的所述第一相位光信号和所述第二相位光信号，将物体反射回来的所述第一相位光信号处理为第一相位电信号，将物体反射回来的所述第二相位光信号处理为第二相位电信号；所述信号处理模块对所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行信号处理和减运算，得到有效电信号。

2.如权利要求1所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述光学图像传感系统还包括设置在所述信号发射模块和所述信号接收模块之间的滤光片；

所述滤光片对物体反射的光信号进行过滤，将物体反射回来的所述第一相位光信号和所述第二相位光信号透射至所述信号接收模块。

3.如权利要求2所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述滤光片的透射波段与所述第一相位光信号和所述第二相位光信号的波长范围相同。

4.如权利要求1所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述脉冲光信号包括红外光、紫外光或任意可见的有色光中的一种或多种。

5.如权利要求1或4任一项所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述发光源包括LED灯、冷阴极荧光灯或LED灯阵列。

6.如权利要求1所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述信号接收模块包括至少一个感光元件。

7.如权利要求1所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述信号处理模块包括信号放大单元和逻辑运算单元；

所述信号放大单元与所述信号接收模块和所述逻辑运算单元电连接；

所述信号放大单元对所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行信号放大，所述逻辑运算单元对放大后的所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行减运算，得到所述有效电信号。

8.如权利要求7所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述信号处理模块还包括与所述信号放大单元和所述逻辑运算单电连接的滤波单元，所述滤波单元对放大后的所述第一相位电信号和所述第二相位电信号进行滤波。

9.如权利要求8所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述逻辑运算单元包括采样保持电路，所述采样保持电路包括两个第一相位开关、两个第二相位开关、第一隔离器件和第二隔离器件；

所述第一隔离器件连接在所述两个第一相位开关之间，所述第二隔离器连接在所述两个第二相位开关之间，其中一个所述第一相位开关和其中一个所述第二相位开关与所述信号放大单元连接，另一个所述第二相位开关和另一个所述相位开关连接。

10.如权利要求1～9任一项所述的光学图像传感系统，其特征在于，所述光学图像传感系统应用于显示装置，所述显示装置包括背光模组、显示模块、显示控制模块、滤光片、所述信号接收模块和所述信号处理模块；

所述背光模组包括所述信号发射模块，所述发光源包括红外LED；所述信号接收模块包括由多个感光元件组成的感光元件阵列，所述信号接收模块的面积大于或等于所述显示模块的面积，所述信号接收模块设置在所述显示模块的上方或者下方；所述滤光片为可透过红外光的红外滤光片；所述显示控制模块和所述显示模块电连接，所述显示控制模块控制所述红外光透过所述显示模块。