CN111241865A - 一种光侦测装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光侦测装置及其应用。所述装置自上而下依次包括盖板玻璃、触摸屏、发光二极管显示器、光学带通滤波器、光电传感器；其中，上下每相邻的两个元件之间彼此紧密贴合，形成一体。本发明通过在光侦测装置中巧妙设计一光学带通滤波器，筛选出各个像素对应的有效区域范围内的反射光，再通过处理芯片对各个像素有效区域范围内的光信号进行分析，从而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。此外，光学带通滤波器的设计，大大降低了环境光线和屏内杂散光线的影响，避免了传感器饱和，有效提高了生理特征成像的数据质量。

Description

一种光侦测装置及其应用
技术领域
本发明涉及光学器件领域，特别涉及一种光侦测装置及其应用，尤其是涉及一种使用该光侦测装置的侦测生理特征的识别方法。
背景技术
目前的显示面板技术，不论是液晶显示器(LCD)、有源阵列式有机发光二极管显示器(AMOLED)、或微发光二极管显示器(micro-LED)，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。由于光电二极管(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光电二极管开始以TFT阵列制备方式作生产，并广泛应用在X光感测平板器件。
相较于传统结晶材料制备的影像传感器件，上述TFT光电传感器材料的带隙(Bandgap)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光电传感器上，避免了周围环境之可见光形成噪声干扰。
若将此类熟知的TFT可见光电传感器配置在显示器结构内，可作为一种将光侦测功能集成在显示器的实现方案。然而受限于显示器的厚度以及像素开口孔径等因素，光电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器多层结构，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器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器侧边内，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。
图1为现有的光侦测装置的结构示意图，自上而下依次包括盖板玻璃/触摸屏1和发光二极管显示器2(light-emitting diode display)，其中在发光二极管显示器的下方设有光电传感器3，以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、触摸屏和发光二极管显示器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、触摸屏和发光二极管显示器，到达光电传感器后，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器的TFT薄膜也可能发生光学失真现象，影响指纹信息的采集。
发明内容
为此，需要提供一种新型的光侦测装置，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电传感器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，一方面，发明人提供一种新型的光侦测装置，所述装置自上而下依次包括盖板玻璃、触摸屏、发光二极管显示器、光学带通滤波器、光电传感器；其中，上下每相邻的两个元件之间彼此紧密贴合，形成一体；并且
所述装置还包括处理芯片；所述处理芯片位于光电传感器的下方，用于当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发光二极管显示器；
所述发光二极管显示器包括多个可显示的像素；所述像素用于当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；
所述反射光信号经过光学带通滤波器，被光电传感器接收；
所述光学带通滤波器按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤；
所述处理芯片用于根据光电传感器接收的反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述发光二极管显示器包括M×N个像素，所述处理芯片根据预设时序信号依次驱动发光二极管显示器上的单个像素或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像素或若干组像素阵列发出的光信号对应的反射信号，进行信号分析，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述光电传感器包括P×Q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由一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素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。
所述光学带通滤波器是由若干层不同光学折射率的材料组合形成的光学薄膜，或者是折射率呈周期性变化(例如1.5、1.3)的光子晶体结构器件。
另一方面，发明人还提供一种使用本文所述的光侦测装置进行生理特征侦测的识别方法，即所述方法使用本文所述的光侦测装置进行生理特征的侦测识别。
具体地，所述方法包括以下步骤：
当处理芯片侦测到触摸屏上有生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至发光二极管显示器；
发光二极管显示器上的像素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；
所述反射光信号经过光学带通滤波器，被光电传感器接收；
所述光学带通滤波器按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤；
处理芯片根据光电传感器接收的反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
进一步地，所述方法还包括：
处理芯片根据预设时序信号依次驱动发光二极管显示器上的单个像素或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，所述方法还包括：
处理芯片对若干组单个像素或若干组像素阵列发出的光信号对应的反射信号，进行信号分析，重建出完整的生理特征识别影像信息并输出。
在本文中，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。
区别于现有技术，本发明提供了一种新型的光侦测装置及其应用。所述光侦测装置通过在结构器件中巧妙设计一光学带通滤波器，进而筛选出各个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像素有效区域范围内的光信号进行分析，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。此外，光学带通滤波器的设计，大大降低了环境光线和屏内杂散光线的影响，避免了传感器饱和，有效提高了生理特征成像的数据质量。
附图说明
图1为现有的光侦测装置的结构示意图；
图2为本发明的一实施例涉及的光侦测装置的结构示意图；
图3为本发明的一实施例涉及的发光二极管显示器中的像素的示意图；
图4为本发明的一实施例涉及的单一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为本发明的一实施例涉及的某一单一像素进入光学带通滤波器中的光路变化示意图；
图6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。
附图标记：
1、盖板玻璃/触摸屏；
2、发光二极管显示器(简称显示器)；21、像素；
3、光学带通滤波器；
4、光电传感器；
5、处理芯片。
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。
实施例一
如图2所示，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。
所述装置自上而下依次包括盖板玻璃、触摸屏(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，在下文描述光路变化时，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)、发光二极管显示器2、光学带通滤波器3、光电传感器4；其中，上下每相邻的两个元件之间彼此紧密贴合，形成一体。
所述装置还包括处理芯片5；所述处理芯片位于光电传感器4的下方(图中未示出)，用于当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发光二极管显示器。
所述发光二极管显示器2包括多个可显示的像素21；所述像素用于当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。
所述反射光信号经过光学带通滤波器3，被光电传感器接收。
所述光学带通滤波器3按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤。
所述处理芯片5用于根据光电传感器4接收的反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。
所述光电传感器4借由单个像素或多个像素(可以是一行或一列像素，也可以是周期性变化或非周期变化排列的像素)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；当反射角大于某个临界角时，凹纹与盖板玻璃之间的空气间隙能让照射到凹纹的光线全部反射，因此光电传感器的光敏像素能够接收到指纹凹、凸纹的不同亮、暗特征，光电传感器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。
如图3所示，为本发明的一实施例涉及的发光二极管显示器中的像素的示意图。发光二极管显示器，顾名思义，其是由自发光二极管像素阵列所组成的显示器，如有机发光二极管(OLED)显示器、微发光二极管(micro-LED)显示器等。所述显示器包括M×N个像素，为了便于对每个像素发出光信号的光路变化进行详细说明，本发明将显示器上第N行第M列的像素记为Pmn，其他像素的光路变化同理可得。为了更好地描述像素的光路变化，假设本发明涉及的发光二极管显示器的厚度小于盖板玻璃厚度的1/10，且显示器与盖板玻璃的折射率较为接近，因而在计算光路变化时，反射光信号在显示器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。
如图4所示，为本发明的一实施例涉及的单一像素发光反射的光路变化示意图。其中的虚线圆表示单一像素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4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电传感器形成亮纹。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，而无法抵达光电传感器而形成暗纹。
简言之，相较于在图4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器下指纹识别技术，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)。
在盖板玻璃的上表面发生全反射，对于单个像素而言，其出射光束中能够发生全反射的光束，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，以发光二极管显示器的第(m，n)个像素作为光源照射指纹后，光电传感器可以采集到相对灵敏与有效指纹区域，乃是以所述第(m，n)个像素位置Pmn为原点、Rc为半径的虚线同心圆环状带以外的光束区域，若投影到圆坐标r方向，则是Rc<r的区域范围，即为光电传感器能够从发光二极管显示器的单一像素发出的光源中取得的最适合的指纹光学信息。
对于r<Rc区域的反射光线，本发明是通过在光电传感器4的上方设置一光学带通滤波器3的方式进行过滤。在本实施方式中，所述光学带通滤波器可以是由若干层不同光学折射率的材料组合形成的光学薄膜，或者是折射率呈周期性变化的光子晶体结构器件。
所述光学带通滤波器可以有选择性地允许合适波长的光线通过，其他波长的光线则被反射。本发明利用光学带通滤波器的通光波长和入射角度存在确定的依赖特性，通过对通光波长和通光角度的精确设计，将r<Rc区域的反射光线，以及大部分环境光线、屏内杂散光线反射(过滤)，同时允许携带指纹信息的光线以较高的比例通过，从而实现指纹成像信噪比的提高。
如图6所示，为本发明的一实施例涉及的某一单一像素进入光学带通滤波器中的光路变化示意图。其中，该像素光路在光学带通滤波器内部发生多次反射；每次反射的光线都和初次入射的光线具有一定固定位相，产生光学干涉。在光学带通滤波器的另一侧，根据干涉原理，可以计算出射光线的光强达到峰值(相涨干涉)满足的条件
λ＝ndcosθ
其中，λ和θ分别为入射光线的波长和光学带通滤波器入射界面的出射角(光线入射角θ'的函数)，n是光学带通滤波器的折射率，d是光学带通滤波器的厚度。
从上面的公式可以看出，既然光学带通滤波器的折射率n和光学带通滤波器的厚度d在实际应用中都不会有明显变化，所以入射(通光)波长λ和入射(通光)射角θ'之间就具有一一对应的定量关系。假设入射角θ'＝0时的通光波长λ＝630nm，而屏内杂散光线因为波长也是λ＝630nm，却因为入射角不等于0，就无法通过光学带通滤波器而被反射。对于环境光线，也是只有其波长和入射角满足上面公式的才能通过，大部分被反射。
实施例二
本发明还提供一种生理特征的侦测识别方法，所述方法应用于本文所述的光侦测装置。所述方法的流程如图6所示。
首先进入步骤S601，当处理芯片侦测到触摸屏上有生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至发光二极管显示器。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S602，当显示器上的像素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。由于显示器和盖板玻璃具有一定的透光度，因而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电传感器，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603，所述反射光信号经过光学带通滤波器，被光电传感器接收；所述光学带通滤波器按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤。
之后进入步骤604，所述处理芯片根据光电传感器接收的反射光信号生成生理特征识别影像信息并输出。其中，处理芯片根据预设时序信号依次驱动发光二极管显示器上的单个像素或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。然后，处理芯片对若干组单个像素或若干组像素阵列发出的光信号对应的反射信号，进行信号分析，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，所述显示器包括M×N个像素，所述方法包括：处理芯片根据预设时序信号依次驱动显示器上单个像素或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。例如显示器上的像素第一行为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、逐列驱动显示器上像素，也可以是驱动周期性变化离散像素(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像素。简言之，驱动显示器上各个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，所述光电传感器包括P×Q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。所述光侦测单元参看中国专利申请CN2017104386245的相关描述说明。
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，所述装置自上而下依次包括盖板玻璃、触摸屏、发光二极管显示器、光学带通滤波器、光电传感器；其中，上下每相邻的两个元件之间彼此紧密贴合，形成一体；并且
所述装置还包括处理芯片；所述处理芯片位于光电传感器的下方，用于当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发光二极管显示器；
所述发光二极管显示器包括若干个可显示的像素；所述像素用于当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；
所述反射光信号经过光学带通滤波器，被下方的光电传感器接收；
所述光学带通滤波器按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤；
所述处理芯片用于根据光电传感器接收的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，所述发光二极管显示器包括M×N个像素，所述处理芯片根据预设时序信号依次驱动显示器上的单个像素或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1或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像素或若干组像素阵列发出的光信号对应的反射信号，进行信号分析，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，所述光电传感器包括P×Q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由一个以上薄膜电晶管所组成的一组用于像素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，所述光学带通滤波器是由若干层不同光学折射率的材料组合形成的光学薄膜，或者是折射率呈周期性变化的光子晶体结构器件。
6.一种生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述方法使用如权利要求1～5任一项所述的光侦测装置进行侦测识别，具体包括以下步骤：
当处理芯片侦测到触摸屏上有生理特征部位的触控信号时，发送显示驱动信号至发光二极管显示器；
发光二极管显示器上的像素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；
所述反射光信号经过光学带通滤波器，被光电传感器接收；
所述光学带通滤波器按照特定入射角选择特定波长的光线通过，其他不符合带通条件的光线被过滤；
所述处理芯片用于根据光电传感器接收的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，所述方法还包括：
处理芯片根据预设时序信号依次驱动发光二极管显示器上的单个像素或多个像素发出光信号，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，所述方法还包括：
处理芯片对若干组单个像素或若干组像素阵列发出的光信号对应的反射信号，进行信号分析，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6～8任一项所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述生理特征信息是指具有凹凸变化纹路的生理特征信息。
10.如权利要求6～8任一项所述的生理特征侦测识别方法，其特征在于，所述生理特征信息为指纹或掌纹。
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