CN110989185A - 一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置 - Google Patents

一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置。所述基于微透镜的准直器包括：基板，其上设置有多个微孔；所述基板上表面不透光；微透镜，与所述微孔的位置相对应，用于汇聚光线。所述基于微透镜的准直器能够在保证准直角的前提下减小准直器的厚度。

Description

一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置
技术领域
本发明属于准直器领域，涉及一种基于微透镜的准直器，特别是涉及一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置。
背景技术
随着技术的发展，屏下指纹技术越来越多的应用到手机中。屏下指纹识别的原理如下：利用发光层发出光线照射到指纹，所述光线在指纹处经过反射到达图像传感器，所述图像传感器对所述反射光线进行识别以获得指纹信息。光线在指纹处经反射后形成的反射光是漫反射光，需要经过准直并过滤杂光才能够在图像传感器上成像，常见的准直结构有微孔阵列、光纤阵列加上感光芯片COMS的结构。然而，这两种准直器的厚度都比较大，不利于生产成本的降低。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置，用于解决现有技术中准直器厚度大的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于微透镜的准直器，所述基于微透镜的准直器包括：基板，其上设置有多个微孔；所述基板上表面不透光；微透镜，与所述微孔的位置相对应，用于汇聚光线。
于本发明的一实施例中，所述基板由不透光材料制成。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器还包括：遮光膜，设置于所述基板上表面。
于本发明的一实施例中，所述微透镜为菲涅尔透镜或二元衍射元件。
于本发明的一实施例中，所述微透镜设置于所述微孔内部或上方。
于本发明的一实施例中，所述微透镜由柔性材料或透明可塑材料制成。
于本发明的一实施例中，所述微孔内表面设置有不透光薄膜。
于本发明的一实施例中，所述光电传感系统包括：本发明所述基于微透镜的准直器，用于对光线进行准直；非CMOS的薄膜晶体管图像传感器，设置于所述基于微透镜的准直器下方，用于对所述准直后的光线进行光电转换。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器与所述薄膜晶体管图像传感器为一体化结构。
于本发明的一实施例中，所述指纹识别装置包括：显示屏；本发明所述光电传感系统，设置于所述显示屏下方，用于指纹识别。
如上所述，本发明的基于微透镜的准直器、光电传感系统及指纹识别装置，具有以下有益效果：
本发明所述基于微透镜的准直器包含有微透镜，所述微透镜对光线具有汇聚作用；因此，在准直角度相同的情况下本发明所述基于微透镜的准直器相对于现有准直器厚度更薄；
所述微透镜可以采用菲涅尔透镜实现，有利于进一步减小所述准直器的厚度；
所述微透镜可以设置于所述微孔内部，有利于进一步减小所述准直器的厚度；
所述光电传感系统中所述基于微透镜的准直器能够与所述薄膜晶体管图像传感器进行一体化设计，有利于进一步减小所述准直器的厚度并防止所述准直器与图像传感器之间产生移位；
本发明所述指纹识别装置中采用所述基于微透镜的准直器，所述微透镜对光线的汇聚作用使得所述图像传感器能够接收到更多光线，从而扩大了指纹识别区域。
附图说明
图1显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的俯视图。
图2显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的A-A’剖视图。
图3A显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的光路图。
图3B显示为微孔阵列准直器于一实施例中的光路图。
图4A显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的俯视图。
图4B显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的B-B’剖视图。
图5显示为本发明所述基于微透镜的准直器于一实施例中的主视图。
图6显示为本发明所述光电传感系统于一实施例中的结构图。
图7显示为本发明所述光电传感系统于一实施例中的光路图。
图8显示为本发明所述指纹识别装置于一实施例中的结构图。
元件标号说明
1 基于微透镜的准直器
11 基板
12 微透镜
13 微孔
14 遮光膜
6 光电传感系统
61 基于微透镜的准直器
62 TFT图像传感器
611 基板
612 微透镜
613 微孔
614 遮光膜
621 像素点
8 指纹识别装置
81 显示屏
82 光电传感系统
9 手指
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
屏下指纹识别的原理如下：利用发光层发出光线照射到指纹表面，所述光线在指纹处经过反射到达图像传感器，所述图像传感器对所述反射光线进行识别以获得指纹信息。由于指纹具有指纹峰和指纹谷，导致光线在指纹处经反射后形成的反射光是漫反射光，该漫反射光需要经过准直并过滤杂光后才能够在图像传感器上成像。现有技术中常见的准直结构有微孔阵列、光纤阵列加上感光芯片COMS的结构。然而，这两种准直结构的厚度都比较大，导致准直器的生产成本过高并导致加工工艺更加复杂。针对这一问题，本发明提供一种基于微透镜的准直器；所述基于微透镜的准直器包括：基板，其上设置有多个微孔；所述基板上表面不透光；微透镜，与所述微孔的位置相对应，用于汇聚光线。本发明所述基于微透镜的准直器能够在保证准直角度的前提下减小准直器的厚度，有利于降低生产成本，简化加工工艺。
于本发明的一实施例中，图1显示为本实施例所述基于微透镜的准直器的俯视图，图2显示为A-A’剖视图。于本实施例中，所述基于微透镜的准直器1包括：基板11，其上设置有多个微孔13；所述基板11上表面不透光；微透镜12，与所述微孔13的位置相对应，用于汇聚光线。
于本发明的一实施例中，请参阅图3A，显示为本实施例所述基于微透镜的准直器的局部光路图；请参阅图3B，显示为不包含微透镜的微孔准直器的局部光路图。特别地，本实施例所述准直器对应的微孔均为圆柱形孔。对比可知，本实施例中所述基于微透镜的准直器由于包含了具有光线汇聚作用的微透镜12，使得相同厚度下本实施例所述准直器的准直角更小，因而本实施例所述准直器能够过滤更多的杂散光线以提升指纹识别的准确性。所述准直角是指所述准直器能够允许的入射光线的最大角度。
对于不包含微透镜的准直器来说，其准直角θ'的取值为：
Figure BDA0002336917950000041
其中，φ为所述准直孔的孔径(直径)，d为所述基板的厚度。在保持准直孔孔径不变的前提下，为了使所述准直器的准直角更小只能通过增加基板的厚度来实现。因此，本实施例所述基于微透镜的准直器相对于不包含微透镜的准直器来说，在准直角相同时本实施例所述基于微透镜的准直器中用到的基板厚度更薄，加工工艺简单且成本更低。
本实施例所述光路图仅示例性的说明所述基于微透镜的准直器的光学性能。实际应用中所述基于微透镜的准直器的光路图由所述微透镜的厚度、折射率等参数所决定。此外，本实施例仅以圆柱形孔为例进行说明，微孔的形状不会对发明所述基于微透镜的准直器的性能产生影响，即：无论微孔的形状如何，本发明所述基于微透镜的准直器与现有准直器相比，均具有相同厚度时准直角更小，相同准直角时厚度更薄的优点。所述微孔的形状例如还可以为：圆台形孔、单叶双曲面形孔、异形孔等。
于本发明的一实施例中，所述基板由不透光材料制成。所述不透光材料例如为氮化钛、黑镍等。优选地，所述基板具有吸光性能。本实施例所述由不透光材料制成的基板，一方面能够消除到达基板上表面的杂光，另一方面能够消除到达微孔内壁的部分杂光。所述到达微孔内壁的部分杂光包括从微孔外直接照射到微孔内壁的特定角度光线，以及光线进入微孔之后由于衍射、反射、散射等产生的杂散光线。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器还包括：遮光膜，设置于所述基板上表面。请参阅图2，所述遮光膜14位于所述基板上表面且分布于微孔13之间。所述遮光膜为不透明薄膜，其可以通过镀膜工艺镀在所述基板11上表面。优选地，所述遮光膜具有吸光性能。本实施例所述遮光膜能够滤除到达基板上表面的大角度杂光，从而减少杂光对指纹识别结果的影响，提升识别准确度。
于本发明的一实施例中，所述微孔内壁设置有遮光膜，用于消除到达微孔内壁的部分杂光。所述遮光膜为不透明薄膜，所述到达微孔内壁的部分杂光包括从微孔外直接照射到微孔内壁的特定角度光线，以及光线进入微孔之后由于衍射、反射、散射等产生的杂散光线。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器还包括：遮光膜，设置于所述基板上表面以及所述微孔内壁，用于滤除到达基板上表面以及微孔内壁的杂散光线。
于本发明的一实施例中，所述微透镜为菲涅尔透镜。请参阅图4A，显示为采用菲涅尔透镜作为微透镜时所述基于微透镜的准直器结构图。请参阅图4B，显示为所述基于微透镜的准直器的B-B’剖视图。
菲涅尔透镜又名螺纹透镜，其镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是根据光的干涉及绕射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。从剖面看，所述菲涅尔透镜表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行光或聚光。于本实施例中，通过采用菲涅尔透镜作为所述微透镜12，能够进一步减小所述基于微透镜的准直器1的厚度并降低成本。
于本发明的一实施例中，所述微透镜为二元衍射元件。二元衍射元件具有重量轻、易复制、造价低等特点，并能实现传统光学难以完成的微小、阵列、集成及任意波面变换等新功能。于本实施例中，通过采用二元衍射元件作为所述微透镜能够进一步减小所述基于微透镜的准直器的厚度，减轻准直器重量并降低准直器成本。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器包含的多个微孔构成微孔阵列。与所述微孔阵列相匹配的透镜阵列可以包含微透镜、菲涅尔透镜和/或二元衍射元件。
于本发明的一实施例中，请参阅图1，所述微透镜设置于所述微孔的上方。
于本发明的一实施例中，请参阅图5，所述微透镜设置于所述微孔的内部。于本实施例中，所述微孔可以为异形孔，也可以为圆柱孔、单叶双曲面形孔、圆台孔等。通过将所述微透镜设置于所述微孔内部能够更好的减小所述基于微透镜的准直器的厚度，且工艺更加简单。
于本发明的一实施例中，所述微透镜由柔性材料或透明可塑材料制成。例如，所述微透镜可以由柔性流体状胶水通过压印工艺形成。此外，所述菲涅尔透镜、二元衍射元件都可以通过压印工艺制成，成本低廉且稳定性好。
于本发明的一实施例中，所述基板为玻璃基板或者亚克力基板。所述微孔可以通过在基板上进行光刻或者激光雕刻方式得到。
请参阅图6，本发明还提供一种光电传感系统6，所述光电传感系统6包括：本发明所述基于微透镜的准直器61，用于对光线进行准直；非CMOS的TFT(Thin Film Transistor，薄膜晶体管)图像传感器62，设置于所述基于微透镜的准直器下方，用于对所述准直后的光线进行光电转换。
请参阅图7，与本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器包括基板611、微透镜612和遮光膜614；所述基板611上开设有微孔613；所述非CMOS的TFT图像传感器包括多个像素点621用于接收光线并形成光像。于本实施例中，携带有信息的光线经过所述基于微透镜的准直器准直后到达所述非CMOS的TFT图像传感器形成光像。所述非CMOS的TFT图像传感器利用光电器件的光电转换功能，将感光面上的光像转换为与光像成相应比例关系的电信号。例如，在指纹识别系统中，携带有指纹信息的光线经准直后到达所述非CMOS的TFT图像传感器，所述非CMOS的TFT图像传感器通过对所述光线进行光电转换形成电信号，并利用其内部电路将所述电信号恢复成指纹图像并显示。
于本实施例中，所述基于微透镜的准直器采用非CMOS的TFT图像传感器，相对于现有利用CMOS实现的准直器成本更低，且准直层的厚度更薄。
于本发明的一实施例中，所述TFT图像传感器包括感光薄膜、光敏结构、非光敏结构(例如电路等结构)和FPC(Flexible Printed Circuit，柔性电路板)。
于本发明的一实施例中，所述基于微透镜的准直器与所述薄膜晶体管图像传感器为一体化结构。例如，所述基于微透镜的准直器可以由柔性流体状胶水附着在所述TFT图像传感器表面后再经压印并固化形成。该一体化的准直器和图像传感器结构有利于压缩所述光电传感系统的厚度，同时能够避免因准直器与所述TFT图像传感器发生错位带来的干扰。
请参阅图8，本发明还提供一种指纹识别装置8，所述指纹识别装置8包括：显示屏81；本发明所述的光电传感系统82，设置于所述显示屏81下方，用于指纹识别。
于本实施例中，所述显示屏81可以为OLED屏。需要进行指纹识别时，用户将手指9按在所述显示屏81上方，此时OLED发出光线到达手指9处发生反射，形成反射光线；所述反射光线穿过所述OLED屏并经过准直器准直后到达TFT图像传感器。所述TFT图像传感器接收到光线并对其进行处理即可获得指纹信息。
所述显示屏81也可以为LCD屏，由于LCD屏自身不能发光故所述显示屏81还包括背光源，所述背光源可以为点光源或者面光源。需要进行指纹识别时，用户将手指9按在所述显示屏81上方，所述背光源发出光线达手指9处发生反射，形成反射光线；所述反射光线穿过所述显示屏并经过准直器准直后到达TFT图像传感器。所述TFT图像传感器接收到光线并对其进行处理即可获得指纹信息。
本发明所述基于微透镜的准直器包含有微透镜，所述微透镜对光线具有汇聚作用，因此，在准直角度相同的情况下本发明所述基于微透镜的准直器相对于现有准直器厚度更薄；
所述微透镜可以采用菲涅尔透镜实现，有利于减小所述准直器的厚度；
所述基于微透镜的准直器可以通过在透明柔性或者其他可塑材料上，采用压印工艺制成，成本低廉，厚度小于常见的微孔阵列或者光纤阵列准直层，有益于降低指纹传感模块的厚度；
所述光电传感系统中所述基于微透镜的准直器能够与所述薄膜晶体管图像传感器可以采用一体化设计，有利于减小所述准直器的厚度，同时避免所述基于微透镜的准直器与所述图像传感器之间发生位移；
本发明所述指纹识别装置中采用所述基于微透镜的准直器，所述微透镜对光线的汇聚作用使得所述图像传感器能够接收到更多的反射光线，从而扩大了指纹识别区域。在指纹解锁过程中可用于解锁的有效区域不局限于一小块区域。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种基于微透镜的准直器，其特征在于，所述基于微透镜的准直器包括：
基板，其上设置有多个微孔；所述基板上表面不透光；
微透镜，与所述微孔的位置相对应，用于汇聚光线。
2.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于：所述基板由不透光材料制成。
3.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于，所述基于微透镜的准直器还包括：遮光膜，设置于所述基板上表面。
4.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于：所述微透镜为菲涅尔透镜或二元衍射元件。
5.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于：所述微透镜设置于所述微孔内部或上方。
6.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于：所述微透镜由柔性材料或透明可塑材料制成。
7.根据权利要求1所述基于微透镜的准直器，其特征在于：所述微孔内表面设置有不透光薄膜。
8.一种光电传感系统，其特征在于，所述光电传感系统包括：
权利要求1至7任一项所述基于微透镜的准直器，用于对光线进行准直；
非CMOS的薄膜晶体管图像传感器，设置于所述基于微透镜的准直器下方，用于对所述准直后的光线进行光电转换。
9.根据权利要求8所述光电传感系统，其特征在于：所述基于微透镜的准直器与所述薄膜晶体管图像传感器为一体化结构。
10.一种指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置包括：
显示屏；
权利要求8或9所述光电传感系统，设置于所述显示屏下方，用于指纹识别。
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