CN112055133B - 图像采集装置及电子设备 - Google Patents

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Abstract

一种图像采集装置及电子设备，图像采集装置包括：透光盖板，具有相对的第一面和第二面；光源部件，位于透光盖板的第二面下方；至少一个传感组件，包括掩膜层和传感器部件，传感器部件具有相对的第一面和第二面，传感器部件的第一面与所述掩膜层相对设置，传感器部件的第二面为感光面，掩膜层为不透光材料；基板，具有相对的第一面和第二面，用于放置所述至少一个传感组件，基板的第二面与传感器部件的第二面相对设置；其中，光源部件产生的斜入射光线经透光盖板的第一面反射至所述基板的第二面，经基板的第二面反射，被传感器部件的第二面接收。本发明技术方案可以提高图像采集装置的成像效果。

Description

图像采集装置及电子设备
本申请要求2019年6月5日提交中国专利局、申请号为201910488791.X、发明名称为“图像采集装置及电子设备”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及光学器件技术领域，具体地涉及一种图像采集装置及电子设备。
背景技术
在现有的电子设备中，例如手机屏幕、虚拟现实眼镜等，需要对屏幕前的物体，例如指纹、眼睛或手指等进行成像以及定位，以更好的完成屏幕画面的展示。
现有技术中，光学成像成为当下的主流技术方案。如图1所示，现有的图像采集装置包括透光盖板101，光源部件102，透镜103和传感器部件104。光源部件102发出的光线L2可以经透光盖板101反射后透过透镜103达到传感器部件104。
但是，在现有的图像采集装置中，环境光L1等杂散光通常会透过透光盖板101、光源部件102以及透镜103达到传感器部件104，影响成像效果。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何抑制环境光，提高图像采集装置的成像效果。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种图像采集装置，图像采集装置包括：透光盖板，所述透光盖板具有相对的第一面和第二面；光源部件，所述光源部件位于所述透光盖板的第二面下方；至少一个传感组件，包括掩膜层和传感器部件，所述传感器部件具有相对的第一面和第二面，所述传感器部件的第一面与所述掩膜层相对设置，所述传感器部件的第二面为感光面，所述掩膜层为不透光材料；基板，所述基板具有相对的第一面和第二面，所述基板用于放置所述至少一个传感组件，所述基板的第二面与所述传感器部件的第二面相对设置；其中，所述光源部件产生的斜入射光线经所述透光盖板的第一面反射至所述基板的第二面，经所述基板的第二面反射，被所述传感器部件的第二面接收。
可选的，所述斜入射光线在所述透光盖板的第一面的入射角大于或等于全反射临界角。
可选的，所述光源部件产生的近垂直入射光线经所述透光盖板的第一面反射后的部分，透过所述基板的第二面透射出去或者被所述掩膜层遮挡，所述近垂直入射光线在所述透光盖板的第一面的入射角小于全反射临界角。
可选的，环境光透过所述透光盖板后由相邻传感组件之间的透光区域透射出去或者被所述掩膜层遮挡。
可选的，所述图像采集装置还包括：保护层，所述保护层位于所述光源部件下方。
可选的，每相邻两个传感组件之间的区域开孔，或者每相邻两个传感组件之间的区域透光。
可选的，每个传感组件中掩膜层的面积大于或等于传感器部件的面积。
可选的，所述图像采集装置还包括：光学元件，所述光学元件位于所述传感器部件的第二面下方，其中，待采集物体散射的光线经相邻两个传感组件之间的透光区域到达所述光学元件，并经所述光学元件反射后被所述传感器部件的第二面接收。
所述的图像采集装置所述光学元件将所述待采集物体通过几何光学原理成像于所述传感器部件。
可选的，所述掩膜层为电极，所述光源部件直接贴合于所述掩膜层的上表面。
可选的，所述图像采集装置还包括：互补金属氧化物半导体器件，所述互补金属氧化物半导体器件位于所述基板的下方；透镜，所述透镜位于所述基板与所述互补金属氧化物半导体器件之间，其中，待采集物体散射的光线透过所述透镜后达到所述互补金属氧化物半导体器件。
可选的，所述光源部件和所述至少一个传感组件均贴合于所述透光盖板的第二面。
可选的，所述透光盖板包括显示面板，所述显示面板包括显示像素。
可选的，所述光源部件为显示面板，所述显示面板选自：液晶显示屏、有源阵列式有机发光二极管显示屏以及微发光二极管显示屏。
为解决上述技术问题，本发明实施例还公开了一种电子设备，电子设备包括：上述所述的图像采集装置；处理器，所述处理器与所述图像采集装置耦合，并适于接收所述图像采集装置采集到的待采集物体的图像。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例提供一种图像采集装置，包括：透光盖板，所述透光盖板具有相对的第一面和第二面；光源部件，所述光源部件位于所述透光盖板的第二面下方；至少一个传感组件，包括掩膜层和传感器部件，所述传感器部件具有相对的第一面和第二面，所述传感器部件的第一面与所述掩膜层相对设置，所述传感器部件的第二面为感光面，所述掩膜层为不透光材料；基板，所述基板具有相对的第一面和第二面，所述基板用于放置所述至少一个传感组件，所述基板的第一面靠近所述传感器部件的第二面设置；其中，所述光源部件产生的斜入射光线经所述透光盖板的第一面反射至所述基板的第二面，经所述基板的第二面反射，被所述传感器部件的第二面接收。本发明技术方案中，通过设置传感器部件的感光面朝下，也即传感器部件的第一面与所述掩膜层相对设置，所述传感器部件的第二面为感光面适于接收光线，可以使得光源部件产生的斜入射光线(也即有效光信号)经所述透光盖板的第一面反射后，再经所述基板的第二面反射，并达到所述传感器部件的第二面；结合设置掩膜层，可以使得光源部件产生的近垂直入射光线以及环境光可以透过相邻传感组件之间的透光区域透射出去或者被所述掩膜层遮挡，从而实现有效光信号能够被传感器部件接收，而杂散光能够得到有效抑制，进而提升最终成像的信噪比，提升成像效率。此外，通过设置传感器部件的感光面朝下，有利于光源部件和传感器部件之间的电缆连接，方便贴合，还可以避免现有技术中光源部件的阻挡导致对传感器部件测试的不便，可以直接从基板的下表面进行光电测试，为传感器部件的测试提供便捷。
进一步地，图像采集装置还包括光学元件，所述光学元件位于所述传感器部件的第二面下方，其中，待采集物体散射的光线经所述光学元件反射后达到所述传感器部件的第二面。本发明技术方案中，通过设置光学元件，可以实现远场成像，例如人像识别；还可以实现近场或中场成像，例如悬空指纹的识别。此外，近场成像和远场成像可以共用传感器部件，无需额外设置互补金属氧化物半导体，减小了元件数量以及成本，还可以减小装置的整体厚度。
进一步地，所述掩膜层为电极，所述光源部件直接贴合于所述掩膜层的上表面。本发明技术方案中，通过设置掩膜层为电极，并且光源部件直接贴合于所述掩膜层的上表面，实现了将光源部件以及传感器部件集成在一起的结构，从而可以在工艺上一次形成，避免了现有技术中光源部件以及传感器部件分别形成再进行贴合的过程，减小了工艺复杂度。
附图说明
图1是现有技术一种图像采集装置的结构示意图；
图2是本发明实施例一种图像采集装置的结构示意图；
图3是本发明实施例另一种图像采集装置的结构示意图；
图4是本发明实施例又一种图像采集装置的结构示意图；
图5是本发明实施例再一种图像采集装置的结构示意图；
图6是本发明实施例另一种图像采集装置的结构示意图；
图7是本发明图2至图5所示实施例的图像采集装置采集到的信号光和环境光的角度分布。
具体实施方式
如背景技术中所述，在现有的图像采集装置中，环境光L1等杂散光通常会透过透光盖板101、光源部件102以及透镜103达到传感器部件104，影响成像效果。
本发明技术方案中，通过设置传感器部件的感光面朝下，也即传感器部件的第一面与所述掩膜层相贴合，所述传感器部件的第二面为感光面，可以使得光源部件产生的斜入射光线(也即有效光信号)经所述透光盖板的第一面反射后，再经所述基板的第二面反射，并达到所述传感器部件的第二面；结合设置掩膜层，可以使得光源部件产生的近垂直入射光线以及环境光可以透过所述基板透射出去或者被所述掩膜层遮挡，从而实现有效光信号能够被传感器部件接收，而杂散光能够得到有效抑制，进而提升最终成像的信噪比，提升成像效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2是本发明实施例一种图像采集装置的结构示意图。
本实施例的方案可以应用于指纹采集场景，也可以用于悬空指纹成像、人脸成像等场景。
具体地，在本实施例中，图像采集装置从上而下可以包括透光盖板201、光源部件202、保护层203、传感组件204和基板205。
其中，所述透光盖板201具有相对的第一面和第二面。所述透光盖板201的第一面可以与待采集物体(图未示)相接触。例如，所述待采集物体可以是手指。
在一个实施例中，所述透光盖板201可以是单层结构或者多层结构，单层结构可以是玻璃盖板或者有机透光材质盖板，单层结构的透光盖板201也可以是具有其他功能的盖板，如可以是触摸屏。多层结构可以是多层玻璃盖板或者多层有机透光材质盖板或者是玻璃盖板与有机透光材质盖板的结合。
具体实施中，所述光源部件202位于所述透光盖板201的第二面下方；
具体实施中，所述保护层203位于所述光源部件202下方，光源部件202可以与所述透光盖板201的第二面相贴合，例如可以通过光学胶相贴合。具体地，所述保护层203可以是玻璃，也可以是光学胶，或者其他任意可实施的保护材料，本发明实施例对此不作限制。
在一个实施例中，所述光源部件202可以是在一块板(例如可以是有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)基板)上设置有多个的光源。
所述光源部件202可以具有多个光源，所述光源可以是点光源、线光源、或具有其他拓扑结构的光源。
具体实施中，至少一个传感组件204可以包括掩膜层2041和传感器部件2042，所述传感器部件2042具有相对的第一面2042a和第二面2042b，所述传感器部件2042的第一面2042a与所述掩膜层2041相贴合，所述传感器部件的第二面2042b为感光面，适于接收光线。
在一个实施例中，所述传感器部件2042可以用于获取光线，可以包括有多个感光单元(图未示)，如感光像素。在一些实施例中，所述传感器部件2042的第一面2042a透光，因此通过设置所述掩膜层2041，可以阻挡光线由所述传感器部件2042的第一面2042a进入所述传感器部件2042。所述掩膜层2041由不透光材料制成，可以是形成于所述传感器部件2042的第一面2042a的遮光材料层，也可以利用感光像素的电极作为所述掩膜层2041，例如金属电极。
本实施例中，传感器部件2042的感光面，也即第二面2042b是背对光源部件202的，所述传感器部件2042的第二面2042b透光，因此光源部件202产生的光线需要在经过透光盖板201的上表面反射后，经过基板205的下表面的二次反射后进入传感器部件2042的感光面。
此外，掩膜层2041由遮光材料制成，可以对环境光等杂散光进行遮挡和抑制。具体地，所述光源部件202产生的近垂直入射光线经所述透光盖板201的第一面反射后，透过相邻的传感组件204之间的透光区域和所述基板205透射出去或者被所述掩膜层2041遮挡，所述近垂直入射光线与所述透光盖板201的第二面的入射角小于全反射临界角，环境光透过所述透光盖板201后透过相邻的传感组件204之间的透光区域和所述基板205透射出去或者被所述掩膜层2041遮挡，无法在基板205的下表面发生全反射而进入传感器部件2042的感光面。
具体实施中，所述基板205具有相对的第一面和第二面，所述基板205位于所述至少一个传感组件204下方，用于放置或保护所述至少一个传感组件204。所述基板205为透光材料。
本发明实施例中，通过设置传感器部件2042的感光面朝下，也即传感器部件2042的第一面与所述掩膜层2041相贴合，所述传感器部件2042的第二面为感光面，可以使得光源部202件产生的斜入射光线(也即有效光信号)经所述透光盖板201的第一面反射后，再经所述基板205的第二面反射，并达到所述传感器部件2042的第二面；结合设置掩膜层2041，可以使得光源部件202产生的近垂直入射光线以及环境光可以透过所述基板205透射出去或者被所述掩膜层2041遮挡，从而实现有效光信号能够被传感器部件2042接收，而杂散光能够得到有效抑制，进而提升最终成像的信噪比，提升成像效率。
在一个实施例中，所述光源部件202可以为显示面板，如液晶显示屏、有源阵列式有机发光二极管显示屏或微发光二极管显示屏。
在一个非限制性的实施例中，每相邻两个传感组件204之间的区域(也可以说两个传感组件204之间的间隙)透光。也就是说，入射至传感组件2041上方的光线可以被掩膜层2041遮挡，而入射至传感组件2041之间的区域的光线则可以穿过该区域，以经基板205的第二面全反射至传感器部件2042的感光面，或者直接穿过基板205的第二面透射出去。
在一个非限制性的实施例中，每相邻两个传感组件204之间的区域开孔，或者每相邻两个传感组件204之间的材料为透光材料。具体地，每相邻两个传感组件204之间填充的透光材料的折射率接近于所述光源部件202的透光区域和所述透光盖板201的折射率，以降低对所述光源部件202产生的斜入射光线经所述透光盖板的第一面反射后形成的全反射光线的光路影响。
本发明实施例通过对区域开孔的方式或者采用透光材料的方式实现传感组件204之间的区域透光的效果。
在一个非限制性的实施例中，每个传感组件204中掩膜层2041的面积大于或等于传感器部件2042的面积。
本发明实施例通过设置掩膜层2041的面积大于或等于传感器部件2042的面积，可以避免对杂散光的无效遮挡，避免光线经由所述传感器部件的第一面进入所述传感器部件2042。
在一个非限制性的实施例中，请参照图3，图3所示图像采集装置与图2所示图像采集装置不同的是，图像采集装置还包括光学元件206。所述光学元件206位于所述传感器部件2042的第二面下方，其中，待采集物体300散射的光线经相邻两个传感组件204之间的透光区域到达所述光学元件206，并经所述光学元件206反射后被所述传感器部件2042的第二面接收。
在一些实施例中，所述光学元件206可以是凹面镜206。所述凹面镜206为非透镜。
更具体地，光学元件206位于基板205的下方，并且与所述基板205的下表面之间的距离大于0。
更进一步地，所述光学元件206将所述待采集物体300通过几何光学原理成像于所述传感器部件2042。换言之，光学元件206与所述基板205的下表面之间的距离可以根据几何成像原理来确定。
关于几何成像原理的相关技术原理请参照已有技术，本发明实施例对此不作限制。
本发明实施例中，通过设置光学元件206，可以实现远场成像，例如人像识别；还可以实现近场或中场成像，例如悬空指纹的识别。此外，近场成像和远场成像可以共用传感器部件2042，无需额外设置互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)，减小了元件数量以及成本，还可以减小装置的整体厚度。
在一个非限制性的实施例中，请参照图4，图4所示图像采集装置中，所述掩膜层2041为电极，所述光源部件202可以直接贴合于所述掩膜层2041的上表面。
本实施例中，所述光源部件202和传感器部件2042可以集成于同一基板205上。所述光源部件202和传感器部件2042可以共用电极(也即掩膜层2041)。
具体地，对于透光盖板201、基板205、光源部件202以及传感组件204所围成的区域A，可以是开孔区域，也可以是透光区域。
本实施例中的待采集物体可以是手指400。
本发明实施例中，通过设置掩膜层2041为电极，并且光源部件202直接贴合于所述掩膜层2041的上表面，实现了将光源部件202以及传感器部件2042集成在一起的结构(in-cell)(例如垂直地集成)，从而可以在工艺上一次形成，避免了现有技术中光源部件202以及传感器部件2042分别形成再进行贴合的过程，减小了工艺复杂度。
请参照图5，与图3所示图像采集装置不同的是，图5所示图像采集装置包括互补金属氧化物半导体器件208和透镜207。
其中所述互补金属氧化物半导体器件208位于所述基板205的下方；
所述透镜207位于所述基板205与所述互补金属氧化物半导体器件208之间，其中，待采集物体300散射的光线透过相邻传感组件之间的透光区域和所述透镜207后达到所述互补金属氧化物半导体器件208。
本发明实施例中，通过设置互补金属氧化物半导体器件208和透镜207，可以实现远场成像，例如人像识别；还可以实现近场或中场成像，例如悬空指纹的识别。此外，近场成像和远场成像可以共用传感器部件2042。减小了元件数量以及成本，还可以减小装置的整体厚度。
此外，互补金属氧化物半导体器件208还可以实现高像素的成像效果，以满足高分辨率成像需求。
本发明实施例还提供一种电子设备，所述电子设备可以包括上述图2至图5所述的图像采集装置，以及处理器，所述处理器与所述图像采集装置耦合，并适于接收所述图像采集装置采集到的待采集物体的图像。
图6是本发明实施例另一种图像采集装置的结构示意图。所述图像采集装置包括透光盖板301，光源部件302和基板303，所述基板303包括至少一个传感器部件304，所述传感器部件304可以是感光单元304，所述透光盖板301包括显示层，例如可以是OLED层。所述光源部件302位于所述基板303的一侧。本实施中所述传感器部件304的第二面即感光面朝下，从图6的右图的放大图可以看出，所述光源部件302发射的光线经待采集物体散射后入射至所述基板303的下表面，经所述基板303的下表面反射，光线反折被所述传感器部件304第二面接收。在一些实施例中，所述光源部件302和所述透光盖板301之间、以及所述基板303和所述透光盖板301之间均由光学胶粘合。所述光学胶为透明的。
图7是本发明图2至图6所示实施例的图像采集装置采集到的信号光和环境光的角度分布。由图7上图可以看出，信号光在特定角度范围θ1<θ<90°内有光强分布，且在θ＝θ1处光强最大，随着θ增大，信号光强逐渐衰减。由图7下图可以看出，环境光在特定角度范围
Figure GDA0002999095450000101
内有光强分布，在0°处环境光强最大，随着角度增大，环境光减弱，并且信号光与环境光各自具有光强分布的角度正交。在一些实施例中，临界角
Figure GDA0002999095450000102
临界角大小与发生全反射界面两侧的介质折射率有关。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (15)

1.一种图像采集装置，其特征在于，包括：
透光盖板，所述透光盖板具有相对的第一面和第二面；
光源部件，所述光源部件位于所述透光盖板的第二面下方；
至少一个传感组件，包括掩膜层和传感器部件，所述传感器部件具有相对的第一面和第二面，所述传感器部件的第一面靠近所述透光盖板设置，所述传感器部件的第一面上设置有所述掩膜层，所述掩膜层用于阻挡光线由所述传感器部件的第一面进入所述传感器部件，所述传感器部件的第二面适于接收光线；
其中，所述光源部件产生的斜入射光线经所述透光盖板的第一面反射后被所述传感器部件的第二面接收；
所述斜入射光线在所述透光盖板的第一面的入射角大于或等于全反射临界角；每个传感组件中掩膜层的面积大于或等于传感器部件的面积。
2.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述图像采集装置包括多个分立的传感组件，每相邻两个传感组件之间的区域透光。
3.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源部件产生的近垂直入射光线经所述透光盖板的第一面反射后的部分，由相邻传感组件之间的透光区域透射出去或者被所述掩膜层遮挡，所述近垂直入射光线在所述透光盖板的第一面的入射角小于全反射临界角。
4.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，环境光透过所述透光盖板后由相邻传感组件之间的透光区域透射出去或者被所述掩膜层遮挡。
5.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，还包括：
保护层，所述保护层位于所述光源部件下方。
6.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，还包括：
光学元件，所述光学元件位于所述传感器部件的第二面下方，其中，待采集物体散射的光线经相邻两个传感组件之间的透光区域到达所述光学元件，并经所述光学元件反射后被所述传感器部件的第二面接收。
7.根据权利要求6所述的图像采集装置，其特征在于，所述光学元件将所述待采集物体通过几何光学原理成像于所述传感器部件。
8.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述掩膜层为电极，所述光源部件直接贴合于所述掩膜层的上表面，所述光源部件与所述传感器部件共用所述电极。
9.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，还包括：
互补金属氧化物半导体器件，所述互补金属氧化物半导体器件位于所述传感组件的下方；
透镜，所述透镜位于所述传感组件与所述互补金属氧化物半导体器件之间，其中，待采集物体散射的光线透过相邻传感组件之间的透光区域和所述透镜后达到所述互补金属氧化物半导体器件。
10.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源部件为显示面板，所述显示面板选自：液晶显示屏、有源阵列式有机发光二极管显示屏以及微发光二极管显示屏。
11.根据权利要求1所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源部件和所述至少一个传感组件集成于同一个基板上。
12.根据权利要求11所述的图像采集装置，其特征在于，还包括显示面板，所述显示面板包括显示像素，所述光源部件包括所述显示像素。
13.根据权利要求2所述的图像采集装置，其特征在于，还包括基板，所述基板具有相对的第一面和第二面，所述基板的第一面靠近所述传感器部件的第二面设置，所述光源部件产生的斜入射光线经所述透光盖板的第一面反射、透过相邻传感组件之间的透光区域至所述基板的第二面，经所述基板的第二面反射被所述传感器部件的第二面接收。
14.根据权利要求13所述的图像采集装置，其特征在于，所述光源部件位于所述透光盖板和所述基板之间、或者所述光源部件位于所述基板的一侧。
15.一种电子设备，其特征在于，包括：
上述权利要求1至14中任一项所述的图像采集装置；
处理器，所述处理器与所述图像采集装置耦合，并适于处理所述图像采集装置采集到的待采集物体的图像。
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