CN109918973B - 一种生理特征侦测识别方法和光侦测装置 - Google Patents

一种生理特征侦测识别方法和光侦测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种生理特征侦测识别方法和光侦测装置，所述方法应用于光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素。上述装置通过光学胶和光学器件，筛选出各个显示像素对应的有效区域范围内的反射光，而后再通过处理芯片对各个显示像素有效区域范围内的光信号进行叠加，重建出完整的生理特征识别影像，使得获取的生理特征信息更加准确，有效提高了识别精度。

Description

一种生理特征侦测识别方法和光侦测装置
技术领域
本发明涉及光学器件领域，特别涉及一种生理特征侦测识别方法和光侦测装置。
背景技术
目前的显示面板技术，不论是液晶显示屏(LCD)、有源阵列式有机发光二极管(AMOLED)显示屏、或微发光二极管(micro-LED)显示屏，皆是以薄膜电晶管(TFT)结构扫描并驱动单一像素，以实现屏上像素阵列之显示功能。形成TFT开关功能的主要结构为半导体场效晶体管(FET)，其中熟知的半导体层主要材料有非晶硅、多晶硅、氧化铟镓锌(IGZO)、或是混有碳纳米材料的有机化合物等等。由于光侦测二极管(Photo Diode)的结构亦可采用此类半导体材料制备，且生产设备也兼容于TFT阵列的生产设备，所制备的光敏二极管又可直接与TFT集成并以TFT实现对光敏二极管进行扫描与驱动功能，因此近年来TFT光侦测二极管开始以TFT阵列制备方式作生产，并广泛应用在X光感测平板器件，如中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
相较于传统结晶材料制备的影像传感器件，上述TFT光侦测阵列薄膜材料之光禁带宽度(Band gap)皆以可见光为主要吸收范围，因此较易受环境可见光之干扰形成噪声，导致信号噪声比(SNR)较低。受限于此，TFT光感测阵列初期的应用乃是以X光感测平板器件应用为主，主要原因即为X光属短波长光且准直性高，X光影像先入射到感测平板上配置之光波长转换材料，将X光影像转换较长波长之可见光再直接于感测平板内部传输至TFT光侦测阵列薄膜上，避免了周围环境之可见光形成噪声干扰，如上述中华人民共和国专利CN103829959B、CN102903721B所描述。
若将此类熟知的TFT可见光侦测阵列薄膜配置在显示屏结构内，可作为将光侦测功能集成在显示屏之一种实现方案。然而受限于显示屏的厚度以及显示像素开口孔径等因素，光侦测二极管阵列感测的真实影像已是发生绕射等光学失真之影像，且因光学信号穿透显示屏多层结构，并且在光学显示信号、触摸感测信号并存的情况下，欲从低信噪比场景提取有用光学信号具备很高的困难度，技术困难等级达到近乎单光子成像之程度，必须借由相关算法依光波理论运算重建方能解析出原始影像。为了避开此一技术难点，熟知将可见光传感器薄膜配置在原显示屏结构内会需要额外的光学增强器件，或是仅将光传感器薄膜配置在显示屏侧边内，利用非垂直反射到达侧边之光线进行光影像重建，例如：中华人民共和国专利CN101359369B所述。然而虽然此类技术可避开了弱光成像的技术难点，额外的光学器件增加了光侦测显视屏的厚度，在显视屏侧边的配置方式则无法满足用户的全屏体验。
如图1所示，触摸显示屏自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示像素组合，在触摸显示屏的下方可以置入光侦测阵列薄膜，从而实现对用户的生理特征进行侦测识别。以指纹识别为例，图1所示的结构在实现指纹信息采集时至少存在着以下问题：(1)位于手指正下方的显示像素照射到手指后，在盖板玻璃的上表面会发生光穿透、光反射以及光散射等不同光学现象，不论是指纹的凸纹或是凹纹，真正能形成亮、暗的有效反射光信号非常微弱，要区分出指纹的凸纹或是凹纹更是难上加难；(2)受限于盖板玻璃、触摸屏、显示屏等结构的材料与相关厚度，即使反射光信号够强，当经过了盖板玻璃、触摸屏、显示屏，到达光侦测阵列薄膜后，光强度强度已经严重减弱(通常削减了95％以上)，同时反射光信号在经过显示屏的TFT开口也会发生光学失真现象，影响了指纹信息的采集；(3)自发光二极管显示屏的每个显示像素其发光准直性低，即发光角度很广，这些大角度发光容易与相邻或间隔的像素光源所要照射的指纹发生干扰，导致采集到的指纹信息不准确。
发明内容
为此，需要提供一种光侦测的技术方案，用于解决现有的光侦测结构在侦测生理特征信息时由于进入光侦测阵列薄膜的反射光信号强度削减严重，导致捕捉的生理特征信息纹路区分不明显、信息采集不准确等问题。
为实现上述目的，发明人提供了一种光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素；所述装置还包括处理芯片；
所述处理芯片用于在触摸屏侦测到生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至自发光二极管显示屏；
所述显示像素用于在接收到处理芯片显示驱动信号时，发出光信号，所述光信号在盖板玻璃的上表面发生反射，形成反射光信号；
所述光学胶用于改变反射光信号的光路，对反射光信号中在光学胶的入射角大于第一临界角的反射光信号进行过滤，得到第一反射光信号，使得第一反射光信号进入光学器件；所述第一临界角为反射光信号能够在光学胶表面发生全反射的临界角；
所述光学器件用于改变第一反射光信号的光路，对第一反射光信号中在光学器件表面的入射角小于第一临界角的第一反射光信号进行过滤，得到第二反射光信号，并使得第二反射光信号以小于预设角度的入射角进入光侦测阵列薄膜；所述第二临界角为反射光信号能够在盖板玻璃上表面发生全反射的临界角；
所述处理芯片用于根据光侦测阵列薄膜接收的第二反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述显示屏包括MxN个显示像素，所述处理芯片根据预设时序电信号依次驱动显示屏上单个显示像素或显示像素阵列发出光信号，以在盖板玻璃的上表面形成光点或光点组合扫描生理特征部位，形成反射光信号。
进一步地，所述处理芯片用于对若干组单个显示像素或若干组显示像素阵列发出的光信号对应的第二反射信号，进行信号叠加，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述光侦测阵列薄膜包括PxQ个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素薄膜电路以及一光侦测单元；所述光侦测单元包括光敏二极管或光敏电晶管。
进一步地，所述光学器件包括遮光式光学器件和相位变化式光学器件，所述遮光式光学器件包括周期性针孔阵列、或是非周期性针孔阵列，所述相位变化式光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。
发明人还提供了一种生理特征侦测识别方法，所述方法应用于光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素；所述装置还包括处理芯片；所述方法包括以下步骤：
处理芯片在触摸屏侦测到生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至自发光二极管显示屏；
显示像素在接收到处理芯片显示驱动信号时，发出光信号，所述光信号在盖板玻璃的上表面发生反射，形成反射光信号；
光学胶改变反射光信号的光路，对反射光信号中在光学胶的入射角大于第一临界角的反射光信号进行过滤，得到第一反射光信号，并使得第一反射光信号进入光学器件；所述第一临界角为反射光信号能够在光学胶表面发生全反射的临界角；
光学器件改变第一反射光信号的光路，对第一反射光信号中在光学器件表面的入射角小于第一临界角的第一反射光信号进行过滤，得到第二反射光信号，并使得第二反光信号以小于预设角度的入射角进入进入光侦测阵列薄膜；所述第二临界角为反射光信号能够在盖板玻璃上表面发生全反射的临界角；
处理芯片根据光侦测阵列薄膜接收的第二反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述显示屏包括MxN个显示像素，所述方法包括：
处理芯片根据预设时序电信号依次驱动显示屏上单个显示像素或显示像素阵列发出光信号，以在盖板玻璃的上表面形成光点或光点组合扫描生理特征部位，形成反射光信号。
进一步地，所述方法包括：
处理芯片对若干组单个显示像素或若干组显示像素阵列发出的光信号对应的第二反射信号，进行信号叠加，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述光侦测阵列薄膜包括PxQ个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素薄膜电路以及一光侦测单元；所述光侦测单元包括光敏二极管或光敏电晶管。
进一步地，所述光学器件包括遮光式光学器件和相位变化式光学器件，所述遮光式光学器件包括周期性针孔阵列、或是非周期性针孔阵列，所述相位变化式光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。
区别于现有技术，本发明提供了一种光侦测装置和生理特征侦测识别方法，所述方法应用于光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素。上述装置通过设计的光学胶和光学器件，筛选出各个显示像素对应的有效区域范围内的反射光，而后再通过处理芯片对各个显示像素有效区域范围内的光信号进行叠加，从而重建出完整的生理特征识别影像。由于有效区域范围内的反射光信号最能反应生理特征的纹路信息(如指纹凸纹和凹纹对应形成的亮纹、暗纹)，因而重建出生理特征影像更加准确，有效提升了生理特征识别精度。
附图说明
图1为本发明的背景技术涉及的光侦测阵列薄膜应用结构的示意图；
图2为本发明的一实施例涉及的自发光二极管显示屏的显示像素的示意图；
图3为本发明的一实施例涉及的单一显示像素发光反射的光路变化示意图；
图4为本发明的一实施例涉及的设置光学胶后单一显示像素发光反射的光路变化示意图；
图5为本发明的一实施例涉及的设置光学胶和光学器件后单一显示像素发光反射的光路变化示意图；
图6为本发明的一实施例涉及的单一显示像素对应的有效发光区域的示意图；
图7为本发明的一实施例涉及的光侦测装置的结构示意图；
图8为本发明的一实施例涉及的生理特征侦测识别方法的流程图；
图9为本发明的一实施例涉及的光侦测单元的结构示意图；
图10为本发明另一实施例涉及的光侦测单元的结构示意图；
图11为本发明另一实施例涉及的源极和漏极的结构示意图；
图12为本发明另一实施例涉及的光侦测单元的制备流程图。
附图标记：
1、盖板玻璃/触摸屏；
2、自发光二极管显示屏；21、显示像素；
3、光侦测阵列薄膜；31、光敏像素；
4、光学胶；
5、光学器件；
101、栅极；102、源极；103、漏极；104、绝缘层；105、光吸收半导体层。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图7，为本发明的一实施例涉及的光侦测装置的结构示意图。所述装置可以应用于侦测、识别生理特征信息，所述生理特征信息包括具有凹凸变化纹路的生理特征信息，如指纹、掌纹等。本发明的实施例以侦测、识别指纹信息为例，对本发明涉及的光侦测装置的应用场景展开作进一步说明。
所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏2、光学胶4、光学器件5、光侦测阵列薄膜3；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶4贴合于自发光二极管显示屏2的下表面；所述光学胶4的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素。为了便于说明，本发明的所有附图将盖板玻璃和触摸屏简化为一体，记为盖板玻璃/触摸屏1，在描述光路变化时，将光路在盖板玻璃/触摸屏1表面发生的变化简化为光路在盖板玻璃表面所发生的变化。
当将光侦测阵列薄膜配置在显示屏结构的下方时，借由单个显示像素或显示像素阵列(可以是一行或一列显示像素，也可以是周期性变化或非周期变化排列的多个显示像素)作为光源照射到盖板玻璃上方的指纹后，光线将发生反射。由于照射到指纹凸纹的光线大部分被凸纹皮肤所吸收，而凹纹与盖板玻璃之间的空气间隙能让照射到凹纹的光线部分反射，因此光侦测阵列薄膜的光敏像素能够接收到指纹凹、凸纹的不同亮、暗特征，光侦测阵列薄膜可以根据反射光信号表现出的亮暗特征重构出指纹的凸纹与凹纹影像。
请参阅图2，本发明的显示屏为自发光二极管显示屏，顾名思义，其是由自发光二极管像素阵列所组成的显示屏，如有机发光二极管(OLED)显示屏、微发光二极管(micro-LED)显示屏等。所述显示屏包括MxN个显示像素，为了便于对每个显示像素发出光信号的光路变化进行详细说明，本发明将显示屏上第N行第M列的显示像素记为Pmn，其他显示像素的光路变化同理可得。为了更好地描述显示像素的光路变化，本发明涉及的自发光二极管显示屏的厚度小于盖板玻璃厚度的1/10，且显示屏与盖板玻璃的折射率较为接近，因而在计算光路变化时，反射光信号在显示屏表面发生的变化相较于盖板玻璃而言，可以忽略不计，以便简化说明。
请参阅图3，为本发明的一实施例涉及的单一显示像素发光反射的光路变化示意图。图3中上方圆表示单一显示像素Pmn发出横截面的半径小于RC的光束的俯视图，半径为RC的光线对应到盖板玻璃上表面的入射角为θc，如图3中虚线对应的位置。
由于盖板玻璃折射率n2大约为1.5，空气折射率n1大约为1.0，因此当第(m,n)个显示像素的光源以大角度向上照射时，照射到盖板玻璃表面入射角度θ大于θc(θc＝sin-1(n1/n2))的光线会发生全反射。假设θc对应到圆坐标r轴的投影长度为Rc，在以所述第(m,n)个发光显示像素位置Pmn为原点、以Rc为半径的虚线圆外的光线，为能够在盖板玻璃上表面发生全反射的光射线。当在盖板玻璃上表面入射角度大于θc的光射线照射在接触于盖板玻璃上表面的指纹的凸纹时，由于凸纹肌肤的折射率已经破坏了原有全反射的条件，导致相对凸纹位置的反射信号无法在盖板玻璃内发生全反射，使得部分反射光信号通过盖板玻璃下表面进入光侦测阵列薄膜形成亮纹。相对地，由于指纹的凹纹与盖板玻璃之间存在空气间隙，因此对于凹纹位置的反射光信号会维持全反射，而无法抵达光侦测阵列薄膜而形成暗纹。
简言之，相较于在图3虚线圆以内的光射线，即盖板玻璃的上表面的入射角度大于θc的光射线，更能作为侦测有空气间隙的指纹凹纹区域。因此一个有效的光学式显示屏下指纹识别技术，需要以Rc作为特征尺寸，以有效的照光组合去照射或是扫描盖板玻璃上的手指部位，才可得到针对指纹影像的高敏感反射区。假设触摸盖板玻璃的厚度为h，则Rc＝h·tan-1(θc)。
当显示屏上的第(m,n)个显示像素的光源发出的光束以大角度向上照射时，虽然照射到盖板玻璃的上表面的入射角度θ大于θc的射线(θc＝sin-1(n1/n2))，对间隔着空气间隙的指纹凹纹会有较为精准的全反射，然而照射到盖板玻璃表面过大的入射角度，全反射回到光侦测阵列薄膜的光传递路径也越来越长，这将导致有用的光影像信息也衰减得更加严重，当这一部分反射光信号到达到光侦测阵列薄膜时，已成为不带有可参考价值的噪声干扰。因此也需要定义出第(m,n)个显示像素作为光源照射位于盖板玻璃上方的指纹时，最大可用信息的光侦测范围。
请参阅图4和图5，由于光学胶的折射率(n3)的折射率小于盖板玻璃的折射率(n2)，因此在盖板玻璃的上表面发生第一全反射(以下简称“全反射1”)进入光学胶表面的光射线中，入射角度
Figure BDA0001506176930000091
大于
Figure BDA0001506176930000092
的射线会在光学胶表面发生第二全反射(以下简称“全反射2”)，
Figure BDA0001506176930000093
假设
Figure BDA0001506176930000094
对应到圆坐标r轴的投影长度为
Figure BDA0001506176930000095
在以所述第(m,n)个显示像素位置Pmn为原点、2Rc’为半径的虚线圆外的光线，即为能够在光学胶表面发生全反射2的光射线。而对于能够在光学胶表面发生全反射2的光射线，相较于在以2Rc’为半径的虚线圆以内的光射线而言，由于反射光信号路径过长，已经不带有具备高精度指纹信息之光射线，因此将被折射率n3<n2的光学胶以全反射2的方式过滤掉。
综合图4和图5可知，对于单个显示像素而言，其出的光束中能够发生全反射1与全反射2的光束，是具备较高精度指纹信息对应的光信号。以此为依据，可以定义出在实现屏下指纹识别技术时，以自发光二极管显示屏的第(m,n)个显示像素作为光源照射指纹后，光侦测阵列薄膜可以采集到相对灵敏与有效指纹区域，乃是以所述第(m,n)个显示像素位置Pmn为原点、Rc至2Rc’范围为半径的虚线同心圆环状带光束区域，若投影到圆坐标r方向，则是Rc<r<2Rc’的区域范围，即为光侦测阵列薄膜能够从自发光二极管显示屏的单一显示像素发出的光源中取得的最适合的指纹光学信息，具体如图6所示。
对于大于2Rc’区域以外的光射线，如前所述，可以采用相应折射率的光学胶进行过滤，即使得大于2Rc’区域以外的光射线在光学胶表面发生全反射，而不会进入到光侦测阵列薄膜中，进而影响到指纹信息影像的采集。而对于小于Rc区域的光射线，本发明是通过在光侦测阵列薄膜上方设置光学器件的方式进行过滤。在本实施方式中，所述光学器件4包括遮光式光学器件和相位变化式光学器件，所述遮光式光学器件包括周期性针孔阵列、或是非周期性针孔阵列，所述相位变化式光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。
优选的，所述针孔的形状可以是圆孔或方孔，光学器件可以通过编码孔径(codedaperture)的压缩取样方法得到，以指纹识别为例，指纹信息识别仅需亮、暗两个灰阶的应用要求，通过对空间频率的滤波设计(在本实施例中，具体是需要过滤显示像素照射到盖板玻璃表面θ<θc以及
Figure BDA0001506176930000101
的光射线)，将光学器件的编码孔径设计为具有导光功能之器件，可以实现在Rc<r<2Rc’区域高分辨率的亮、暗光信号撷取，以及使得经过光学器件的反射光信号以尽可能垂直方向(入射角度小于预设角度)射入光侦测阵列薄膜。编码孔径(coded aperture)的压缩取样方法的参考文献如下：Stephen R.Gottesman所著“Codedapertures：past,present,and future application and design,”(Proceeding ofSPIE,Vol.6714,2007)，本篇文章以简单的一维模型说明编码孔径可广泛应用在需要高分辨率、广视角、的薄型光学器件的设计方法。简言之，通过编码孔径(coded aperture)的压缩取样方法，可以根据预定的参数要求(即要求通过光学器件后过滤掉r<Rc区域范围的光射线)设计出相应的光学器件，具体步骤为现有技术，此处不再赘述。
在另一些实施例中，光学器件也可以采用数字全息术设计得到，通过数字全息术(或称计算器产生全息术)，可以根据预定的参数要求(即要求通过光学器件后过滤掉r<Rc区域范围的光射线)设计出相应的光学器件，具体步骤可以参考如下文献：M.A.Seldowitz,J.P.Allebach,and D.W.Sweeney,“Synthesis ofdigital holograms by direct binarysearch,”Appl.Opt.26,2788–2798(1987)。本篇文献提出可以使用计算器以特定算法设计出相应的数字全息术光学器件，进而实现具有高分辨率的输出影像。
请参阅图8，本发明还提供了一种生理特征侦测识别方法，所述方法应用于光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素；所述装置还包括处理芯片；所述方法包括以下步骤：
首先进入步骤S801处理芯片在触摸屏侦测到生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至自发光二极管显示屏。以指纹信息识别为例，当触摸屏检测到用户手指置于盖板玻璃的上表面时，则触发所述触控信号。
而后进入步骤S802显示像素在接收到处理芯片显示驱动信号时，发出光信号，所述光信号在盖板玻璃的上表面发生反射，形成反射光信号。由于显示屏和盖板玻璃具有一定的透光度，因而显示像素发出的光信号在盖板玻璃的上表面不仅会发生反射，也会发生透射，即直接透过盖板玻璃的上表面进入到空气中，而只有在盖板玻璃的上表面发生反射的光信号才会最终进入到光侦测阵列薄膜时，进而形成对应的影像信号，因而本发明是针对反射光信号进行进一步筛选处理。
而后进入步骤803光学胶改变反射光信号的光路，对反射光信号中在光学胶的入射角大于第一临界角的反射光信号进行过滤，得到第一反射光信号，并使得第一反射光信号进入光学器件。所述第一临界角为反射光信号能够在光学胶表面发生全反射的临界角。简言之，就是通过折射率小于盖板玻璃的光学胶，过滤光线路径过长的光信号，即r>2Rc’区域的光射线。
而后进入步骤S804光学器件改变第一反射光信号的光路，对第一反射光信号中在光学器件表面的入射角小于第一临界角的第一反射光信号进行过滤，得到第二反射光信号，并使得第二反光信号以小于预设角度的入射角进入进入光侦测阵列薄膜。所述第二临界角为反射光信号能够在盖板玻璃上表面发生全反射的临界角。简言之，就是通过光学器件过滤r<Rc区域的光射线，并使得经过光学器件的光线(光线在坐标轴上对应的半径r满足Rc<r<2Rc’)尽可能垂直地射入光侦测阵列薄膜，提高光通量以便生理特征信息被更好地捕捉。
而后进入步骤S805处理芯片根据光侦测阵列薄膜接收的第二反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。即针对每一个显示像素发出的光束均撷取出满足Rc<r<2Rc’区域范围内的光束，而后再对各个显示像素在这一区域内的光信号进行信号叠加，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
在某些实施例中，所述显示屏包括MxN个显示像素，所述方法包括：处理芯片根据预设时序电信号依次驱动显示屏上单个显示像素或显示像素阵列发出光信号，以在盖板玻璃的上表面形成光点或光点组合扫描生理特征部位，形成反射光信号。例如显示屏上的显示像素第一行为P11，P12…P1N，第二行为P21，P22…P2N，以此类推，第N行为PM1，PM2…PMN。通过预设时序电信号，处理芯片可以是逐行、逐列驱动显示屏上显示像素，也可以是驱动周期性变化离散显示像素(如先驱动第一行P11、P13、P15，再驱动第二行P21、P23、P25，再驱动第三行P31、P33、P35,，以此类推)，当然也可以依次驱动非周期变化排列的多个显示像素。简言之，驱动显示屏上各个显示像素发光的顺序可以根据实际需要进行选择。
在某些实施例中，所述光侦测阵列薄膜包括PxQ个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素薄膜电路以及一光侦测单元；所述光侦测单元包括光敏二极管或光敏电晶管。对于每一个光侦测单元而言，有以下几种实现方式：
实施例一：
所述TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测阵列薄膜)为光敏二极管所形成的阵列，所述光敏二极管所形成的阵列包括光敏二极管感应区。现有的液晶显示(LCD)面板或有机发光二极管(OLED)显示面板，皆是以TFT结构驱动扫描单一像素，以实现面板上像素阵列的显示功能。形成TFT开关功能的主要结构为半导体场效晶体管(FET)，其中熟知的半导体层材料主要有非晶硅、多晶硅、氧化铟镓锌(IGZO)、或是混有碳纳米材料之有机化合物等等。由于光感测二极管的结构亦可采用此类半导体材料制备，且生产设备也兼容于TFT阵列的生产设备，因此近年来TFT光侦测二极管(即光敏二极管)开始以TFT阵列制备方式进行生产。现有的光敏二极管的具体结构可以参考美国专利US6943070B2、中华人民共和国专利CN204808361U中对光侦测阵列薄膜结构的描述。TFT影像感测阵列薄膜的生产工艺与显示面板TFT结构不同的是：原本在显示面板的像素开口区域，在生产工艺上改为光感测区域。其TFT制备方式可以采用薄型玻璃为基材，亦可采用耐高温塑性材料为基材，如美国专利US6943070B2所述。
现有的TFT影像感测阵列薄膜易受周围环境光或者显示屏像素所发出的可见光的反射、折射等因素影响，造成光学干扰，严重影响内嵌于显示面板下方的TFT影像感测阵列薄膜的信号噪声比(SNR)，为了提高信号噪声比，如图9所示，本发明的光侦测单元做了进一步改进，使得改进后的TFT影像感测阵列薄膜可以侦测识别用户身体部分反射回的红外信号。具体结构如下：
所述光敏二极管层包括p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层，p型半导体层、i型半导体层、n型半导体层自上而下堆叠设置，所述i型半导体层为微晶硅结构或非结晶硅化锗结构。所述微晶硅结构为硅烷与氢气通过化学气相沉积成膜的半导体层，微晶硅的结构的结晶度大于40％，且其禁带宽度小于1.7eV。所述非结晶硅化锗结构为硅烷、氢气与锗烷通过化学气相沉积成膜的非结晶半导体层，且其禁带宽度小于1.7eV。
禁带宽度(Band gap)是指一个带隙宽度(单位是电子伏特(eV))，固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在的能带称为导带(能导电)，被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从价带跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。禁带宽度是半导体的一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体的能带结构，即与晶体结构和原子的结合性质等有关。
在室温下(300K)，锗的禁带宽度约为0.66ev，硅烷中含有锗元素，当掺入锗元素后，会使得i型半导体层的禁带宽度下降，当满足小于1.7eV时，说明i型半导体层可以接收可见光至红外光(或近红外光)波长范围内的光信号。通过调整化学气象沉积的GeH4浓度，可以将含有非晶或微晶硅化锗结构的光敏二极管的操作波长范围扩展到光波长600nm到2000nm的范围。
实施例二：
在采用实施例一的基础上，为了提高光电转换之量子效率，非晶硅光电二极管也可采用双结以上p型/i型/n型结构堆叠形成。该光电二极管第一结层p型/i型/n型材料仍然为非晶硅结构，第二结层以上p型/i型/n型材料可以为微晶结构、多晶结构或是掺有可扩展光敏波长范围之化合物材料。简言之，可以采用多组p型/i型/n型结构上下堆叠来实现组成光敏二极管结构，对于每一个p型/i型/n型结构，则采用实施例一所描述的光敏二极管结构。
实施例三：
在采用实施例一或实施例二的基础上，对于每一个p型/i型/n型结构而言，其所包含的p型半导体层可以为大于两层的多层结构。例如p型半导体层为三层结构，自上而下包括第一p型半导体层(p1层)、第二p型半导体层(p2层)、第三p型半导体层(p3层)。其中，p1层可以采用非结晶结构且重掺杂硼(含硼浓度为标准工艺的两倍以上)；p2和p3采用微晶结构，且正常掺杂硼(按照标准工艺浓度掺杂)，依靠厚度减薄的p2层和p3层减少对光线的吸收，使得光线尽可能多地进入i层并被i层所吸收，提高光电转换率；另一方面p2层和p3层采用正常的硼掺杂可以有效避免由于p1层的重掺杂导致劣化内建电位。当p型半导体层包括为其他层数的多层结构与此类似，此处不再赘述。
同样的，n型半导体层也可以为大于两层的多层结构。例如n型半导体层为三层结构，自上而下包括第一n型半导体层(n1层)、第二n型半导体层(n2层)、第三n型半导体层(n3层)。其中，n3层可以采用非结晶结构且重掺杂磷(含磷量为标准工艺两倍以上)；n1和n2采用微晶结构，且正常掺杂磷(按照标准生产工艺)，依靠厚度减薄的n1层和n2层减少对光线的吸收，使得光线尽可能多地进入i层并被i层所吸收，提高光电转换率；另一方面n1层和n2层采用正常的磷掺杂可以有效避免由于n3层的重掺杂导致劣化内建电位。当n型半导体层包括为其他层数的多层结构与此类似，此处不再赘述。
实施例四：
TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测阵列薄膜)为光敏电晶管所形成的阵列，所述光敏电晶管所形成的阵列包括光敏电晶管感应区，所述光敏电晶管感应区设置有光敏薄膜晶体管。如图10所示，所述光敏薄膜晶体管包括栅极101、源极102、漏极103、绝缘层104、光吸收半导体层105；所述光敏薄膜晶体管为倒立共平面式结构，所述倒立共平面式结构包括：所述栅极101、绝缘层104、源极102纵向自下而上设置，所述漏极103与所述源极102横向共面设置；绝缘层104包裹所述栅极101，以使得栅极101与源极102、栅极101与漏极103之间均不接触；源极102和漏极103之间间隙配合，源极102和漏极103横向之间形成光敏漏电流通道，所述光吸收半导体层105设置于光敏漏电流通道内。
一般借由栅极电压控制TFT操作在关闭状态时，源极到漏极之间不会有电流通过；然而当TFT受光源照射时，由于光的能量在半导体激发出电子-空穴对，TFT结构的场效应作用会使电子-空穴对分离，进而使TFT产生光敏漏电流。这样的光敏漏电流特性让TFT阵列可应用在光侦测或光侦测之技术上。相较于一般采用TFT漏电流作光敏薄膜晶体管之器件，本发明以倒立共平面型场效晶体管结构将光吸收半导体层配置于最上方吸光层，大幅增加了光电子的激发，提高了光电转换效率。
如图12所示，为本发明一实施方式涉及的光侦测单元的制备方法的流程图。所述方法用于制备实施例六的光敏薄膜晶体管(即光侦测单元)，具体包括以下步骤：
首先进入步骤S1301在像素薄膜晶体管的基材上通过化磁控溅射镀膜出栅极。像素薄膜晶体管的基材可以采用硬板，也可以采用柔性材料(如聚酰亚胺)；
而后进入步骤S1302在所述栅极的上方通过化学气相沉积或是磁控溅射镀膜出绝缘层；
而后进入步骤S1303在所述绝缘层的上方通过化学气相沉积镀膜出源极和漏极的n型掺杂半导体层，并通过磁控溅射镀膜出源极和漏极的金属层，通过黄光蚀刻工艺定义出预设结构的源极和漏极，得到源极和漏极横向共面，且间隙配合，并使得源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道；
而后进入步骤S1304在所述光敏漏电流通道内化学气相沉积镀膜出光吸收半导体层。
实施例五：
以熟知的场效晶体管结构而言，作为扫描驱动与数据传输开关的TFT不需特别针对源极和漏极之间收集光电流的结构作设计；然而对场效晶体管应用在光敏漏电流的侦测上，如果被光线激发的电子-空穴对被场效分离后，受电场驱动的飘移(Drift)路径太长，极有可能在光电子未能顺利抵达电极之前，就已经与空穴作再结合(Recombination)，或是被光吸收半导体层本身的悬空键结(Dangling Bond)缺陷给捕获，无法有效地贡献作光侦测的光电流输出。为了改善光敏漏电流受源极与漏极之间通道长度的影响，以达到可增加吸收光半导体面积却不致于劣化光电转换效率的目的，本实施例中对实施例四的源极和漏极进行一步改进，提出了一源极与漏极的新型结构。
如图11所示，所述源极和漏极的数量均为多个，源极和源极之间相互并联，漏极和漏极之间相互并联；所述源极和漏极之间间隙配合，源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道包括：相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。每一源极与相邻的漏极之间的距离小于电子飘移距离，所述电子飘移距离为电子在场效作用下能够生存的距离。这样，在每一个侦测像素里，所属同一像素的多个源极都相互并联，且所属同一像素的多个漏极也都相互并联，可以有效降低光激发电子与空穴再复合的机率，提高了场效应作用下电极收集光电子的成功机率，最大化地改善了TFT漏电流光敏薄膜晶体管的光敏度。
在逐步制备实施例五的光敏薄膜晶体管(即光侦测单元)的过程，其大体步骤与制备实施例四的光敏薄膜晶体管类似。区别在于，在制备源极和漏极时，步骤S1303中“通过黄光蚀刻工艺定义出预设结构的源极和漏极，得到源极和漏极横向共面，且间隙配合，并使得源极和漏极横向之间形成光敏漏电流通道”包括：通过黄光蚀刻工艺定义出源极电极组和漏极电极组，每一个源极电极组包括多个源极，源极和源极之间相互并联；每一个漏极电极组包括多个漏极，漏极和漏极之间相互并联；相邻的源极之间形成第一间隙，一个漏极置于所述第一间隙内，相邻的漏极之间形成第二间隙，一个源极置于所述第二间隙内，源极和漏极之间交错设置且间隙配合。
在某些实施例中，所述光侦测阵列薄膜用于接收侦测触发信号，处于光侦测状态，并接收侦测部位(如指纹、眼球、虹膜等)反射的光信号以捕捉用户的侦测部位信息；以及用于接收光源触发信号，处于发出光源(如红外光源)状态。优选的，光源触发信号与侦测触发信号交替切换，并符合一预设频率。以光侦测阵列薄膜为光敏二极管所形成的阵列为例，在实际应用过程中，可借由TFT作扫描驱动外加一偏压(包括正向偏压，或零偏压或负偏压)在p型/i型/n型光电二极管之间，实现TFT影像感测阵列薄膜发出红外光功能。
具体地，可交替在p型/i型/n型红外光敏二极管之间施加正向偏压，或零偏压或负偏压，以触发所述第一触发信号或第二触发信号。以红外光敏二极管所形成的阵列有10列像素点阵为例，在第一周期内对p型/i型/n型红外光敏二极管施加正向偏压，使得10列像素点阵均处于发出红外光状态；在第二周期内对p型/i型/n型红外光敏二极管施加零偏压或负偏压，使得10列像素点阵均处于红外光侦测状态，用于捕捉用户眼球反射回的红外光信息，并生成相应的红外图像输出；在第三周期内又对p型/i型/n型红外光敏二极管施加正向偏压，使得10列像素点阵均处于发出红外光状态，反复交替，以此类推。进一步地，光源触发信号(即第一触发信号)与侦测触发信号(即第二触发信号)交替切换，切换的频率符合一预设频率。相邻的周期之间的时间间隔可以根据实际需要而设置，优选时间间隔可以设置为TFT阵列驱动扫描每一帧(Frame)红外光敏二极管阵列至少能接收到一帧完整的影像信号所需的时间，即预设频率为每经过上述时间间隔进行一次切换。
在某些实施例中，所述显示单元上设置有光侦测感应区，所述光侦测感应区包括多个光侦测感应子区域，每一光侦测感应子区域的下方对应设置一个光侦测阵列薄膜。所述装置还包括存储介质，所述存储介质存储有计算机程序。以指纹识别为例，所述计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：接收到对指纹识别子区域(即光侦测感应子区域)的启动指令，侦测控制电路开启所述指纹识别子区域(即光侦测感应子区域)的下方的光侦测阵列薄膜；或者，接收到对指纹识别子区域的关闭指令，侦测控制电路开启所述指纹识别子区域的下方的光侦测阵列薄膜。
以指纹识别子区域的数量为两个为例，两个指纹识别子区域可以一上一下或一左一右均匀分布于屏幕中，也可以以其他排列方式分布于屏幕中。下面对具有两个指纹识别子区域的终端的应用过程做具体说明：在使用过程中，接收用户触发的启动信号，将两个指纹识别子区域下方的光侦测阵列薄膜(即光侦测阵列薄膜)都设置成开启状态。优选的实施例中，两个指纹识别子区域构成的范围覆盖了整个显示屏，这样可以保证当两个指纹识别子区域下方的光侦测阵列薄膜都设置成开启状态时，进入显示屏的光信号可以被下方的TFT影像感测阵列薄膜(即光侦测阵列薄膜)所吸收，从而及时捕捉到用户的指纹信息或身体部分信息。当然，用户也可以根据自身喜好，设置某一个指纹识别子区域下方的光侦测阵列薄膜开启，另一个指纹识别子区域下方的光侦测阵列薄膜关闭。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光侦测装置，其特征在于，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素；所述装置还包括处理芯片；
所述处理芯片用于在触摸屏侦测到生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至自发光二极管显示屏；
所述显示像素用于在接收到处理芯片显示驱动信号时，发出光信号，所述光信号在盖板玻璃的上表面发生反射，形成反射光信号；
所述光学胶用于改变反射光信号的光路，对反射光信号中在光学胶的入射角大于第一临界角的反射光信号进行过滤，得到第一反射光信号，使得第一反射光信号进入光学器件；所述第一临界角为反射光信号能够在光学胶表面发生全反射的临界角；
所述光学器件用于改变第一反射光信号的光路，对第一反射光信号中在光学器件表面的入射角小于第二临界角的第一反射光信号进行过滤，得到第二反射光信号，并使得第二反射光信号以小于预设角度的入射角进入光侦测阵列薄膜；所述第二临界角为反射光信号能够在盖板玻璃上表面发生全反射的临界角；
所述处理芯片用于根据光侦测阵列薄膜接收的第二反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
2.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，所述显示屏包括MxN个显示像素，所述处理芯片根据预设时序电信号依次驱动显示屏上单个显示像素或显示像素阵列发出光信号，以在盖板玻璃的上表面形成光点或光点组合扫描生理特征部位，形成反射光信号。
3.如权利要求2所述的光侦测装置，其特征在于，所述处理芯片用于对若干组单个显示像素或若干组显示像素阵列发出的光信号对应的第二反射信号，进行信号叠加，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
4.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，所述光侦测阵列薄膜包括PxQ个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素薄膜电路以及一光侦测单元；所述光侦测单元包括光敏二极管或光敏电晶管。
5.如权利要求1所述的光侦测装置，其特征在于，所述光学器件包括遮光式光学器件和相位变化式光学器件，所述遮光式光学器件包括周期性针孔阵列、或是非周期性针孔阵列，所述相位变化式光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。
6.一种生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述方法应用于光侦测装置，所述装置自上而下包括盖板玻璃、触摸屏、自发光二极管显示屏、光学胶、光学器件、光侦测阵列薄膜；所述触摸屏贴合于盖板玻璃的下表面，所述光学胶贴合于自发光二极管显示屏的下表面；所述光学胶的折射率小于盖板玻璃的折射率，所述自发光二极管显示屏包括多个显示像素；所述装置还包括处理芯片；所述方法包括以下步骤：
处理芯片在触摸屏侦测到生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至自发光二极管显示屏；
显示像素在接收到处理芯片显示驱动信号时，发出光信号，所述光信号在盖板玻璃的上表面发生反射，形成反射光信号；
光学胶改变反射光信号的光路，对反射光信号中在光学胶的入射角大于第一临界角的反射光信号进行过滤，得到第一反射光信号，并使得第一反射光信号进入光学器件；所述第一临界角为反射光信号能够在光学胶表面发生全反射的临界角；
光学器件改变第一反射光信号的光路，对第一反射光信号中在光学器件表面的入射角小于第二临界角的第一反射光信号进行过滤，得到第二反射光信号，并使得第二反光信号以小于预设角度的入射角进入光侦测阵列薄膜；所述第二临界角为反射光信号能够在盖板玻璃上表面发生全反射的临界角；
处理芯片根据光侦测阵列薄膜接收的第二反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
7.如权利要求6所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述显示屏包括MxN个显示像素，所述方法包括：
处理芯片根据预设时序电信号依次驱动显示屏上单个显示像素或显示像素阵列发出光信号，以在盖板玻璃的上表面形成光点或光点组合扫描生理特征部位，形成反射光信号。
8.如权利要求7所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述方法包括：
处理芯片对若干组单个显示像素或若干组显示像素阵列发出的光信号对应的第二反射信号，进行信号叠加，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
9.如权利要求6所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述光侦测阵列薄膜包括PxQ个像素侦测区，每一像素侦测区对应设置一像素侦测结构，每一像素侦测结构包括一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素薄膜电路以及一光侦测单元；所述光侦测单元包括光敏二极管或光敏电晶管。
10.如权利要求6所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述光学器件包括遮光式光学器件和相位变化式光学器件，所述遮光式光学器件包括周期性针孔阵列、或是非周期性针孔阵列，所述相位变化式光学器件包括折射率呈周期性变化的光子晶体结构或微透镜阵列结构、或是折射率呈非周期性变化的漫散射结构。
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