CN113065469A - 指纹识别装置和电子设备 - Google Patents

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CN113065469A CN202110362385.6A CN202110362385A CN113065469A CN 113065469 A CN113065469 A CN 113065469A CN 202110362385 A CN202110362385 A CN 202110362385A CN 113065469 A CN113065469 A CN 113065469A
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张思超
林峻贤
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Abstract

本申请实施例公开了一种指纹识别装置和电子设备，该指纹识别装置包括呈阵列分布的多个指纹识别单元，多个指纹识别单元中的每个指纹识别单元包括：多个像素单元；微透镜，设置在该多个像素单元的上方；多层阻光层，设置在该微透镜和该多个像素单元之间，该多层阻光层中每一层阻光层中均设置有与该多个像素单元对应的通光小孔，以形成与该多个像素单元一一对应的多个导光通道；该多层阻光层包括底层阻光层和中间阻光层，该中间阻光层包括除该底层阻光层之外的阻光层，由该中间阻光层中与该多个像素单元对应的通光小孔形成的通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，D2为该中间阻光层所在的平面上，该通光区域中最远的两点之间的距离。

Description

指纹识别装置和电子设备
技术领域
本申请实施例涉及指纹识别领域，并且更具体地，涉及一种指纹识别装置和电子设备。
背景技术
由于未来手持电子产品日益小型化，目前镜头式的屏下光学指纹产品的尺寸难以适应这种趋势，急需向着厚度更薄、体积更小、集成化程度更高的方向发展。而当前存在的小型化方案中，利用准直孔成像的图像对比度与准直孔的深度有关，需要比较大的深度才能实现较高的成像质量，同时这种方案的光线利用率较低。利用微透镜聚焦的方案，受限于工艺和透镜面形，虽然光线利用率较高，但信号容易混叠，造成信号对比度偏低，指纹的成像质量不高。
因此，如何在实现光学指纹识别装置轻薄化的同时，兼顾提高指纹成像质量，是一项亟待解决的技术问题。
发明内容
本申请实施例提供一种指纹识别装置和电子设备，在实现指纹识别装置轻薄化的同时，兼顾提高指纹成像质量。
第一方面，提供了一种指纹识别装置，适用于显示屏的下方以实现屏下光学指纹识别，该指纹识别装置包括呈阵列分布的多个指纹识别单元，该多个指纹识别单元中的每个指纹识别单元包括：多个像素单元；微透镜，设置在该多个像素单元的上方；多层阻光层，设置在该微透镜和该多个像素单元之间，该多层阻光层中每一层阻光层中均设置有与该多个像素单元对应的通光小孔，以形成与该多个像素单元一一对应的多个导光通道；其中，该多个像素单元分别用于接收从该显示屏上方的手指反射或散射返回的，通过该微透镜会聚后，再经由该多个导光通道传输的多个指纹光信号，该多个指纹光信号用于检测该手指的指纹信息以进行指纹识别；其中，该多层阻光层包括底层阻光层和中间阻光层，该中间阻光层包括除该底层阻光层之外的阻光层，由该中间阻光层中与该多个像素单元对应的通光小孔形成的通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，D2为该中间阻光层所在的平面上，该通光区域中最远的两点之间的距离。
本申请实施例的技术方案中，指纹识别装置中一个微透镜对应多个像素单元，可以提高指纹识别装置的进光量，减小曝光时间，增大视场。与此同时，通过单个微透镜与多像素单元搭配的成像光路可以对指纹的物方光束进行非正对光成像(即倾斜光成像)，能够提高干手指的识别效果，且能够扩大光学系统的物方数值孔径并缩短像素阵列的光路设计的厚度，最终能够有效降低指纹识别装置的厚度。
进一步地，在考虑制造工艺以及成本的基础上，通过约束指纹识别装置中的参数满足一定的条件，从而满足图像亮度和对比度的要求，具体地，可以约束中间阻光层中通光区域的通光口径D2与微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，以实施对指纹识别装置的光学系统的结构以及参数进行约束限制，在实现超薄指纹识别装置的同时，能够有效减少图像的混叠，成像具有较高的对比度以及较大的亮度，最终能够实现对各种目标较好的成像效果，进而提高识别准确度。
在一种可能的实现方式中，该中间阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z2与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.1≤Z2/Z1≤0.9。
在约束0.3≤D2/CA≤1.3的基础上，进一步约束0.1≤Z2/Z1≤0.9，即从中间阻光层的通光区域的尺寸以及中间阻光层在底层阻光层与微透镜之间的位置来约束中间阻光层，可以有效减少杂散光串扰，增加入射光线准直度，提高图像对比度，进而提高识别准确度。
在一种可能的实现方式中，若该中间阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z2与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.1≤Z2/Z1≤0.5，该通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤1，该通光区域的形状为一个圆形。
在一种可能的实现方式中，若该中间阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z2与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.3≤Z2/Z1≤0.75，该通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤0.8，该通光区域的形状为一个圆角矩形或一个花瓣形。
在一种可能的实现方式中，若该中间阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z2与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.65≤Z2/Z1≤0.9，该通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.8≤D2/CA≤1.2，该中间阻光层中与该多个像素单元对应的通光小孔为一一对应的多个独立小孔。
通过约束0.3≤D2/CA≤1.3以及0.1≤Z2/Z1≤0.9，并结合中间阻光层的开孔形状，可以在经济性和图像质量之间得到较好的平衡。
在一种可能的实现方式中，该通光区域的通光口径D2与该微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤1.2。
在一种可能的实现方式中，该中间阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z2与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.5≤Z2/Z1≤0.9。
在一种可能的实现方式中，该底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与该微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4。
综合考虑成本、工艺、指纹成像性能等因素，在约束中间阻光层的参数范围的基础上，进一步约束底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4，以实施对指纹识别装置的光学系统的结构以及参数进行约束限制，在实现超薄指纹识别装置的同时，能够进一步的降低杂散光对图像的影响，减少图像混叠，均衡图像的亮度以及对比度，实现包括指纹在内的各种目标较好的成像效果，从而进一步提高指纹识别装置的性能，提高指纹识别准确度。即能够进一步精准的满足提高图像亮度和对比度的要求，较大程度的优化图像质量。
在一种可能的实现方式中，该底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与该微透镜的最大口径CA满足0.08≤D1/CA≤0.18。
在一种可能的实现方式中，该微透镜的曲率半径ROC与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75。
进一步约束微透镜的曲率半径ROC与该底层阻光层的下表面至微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75的条件，综合考虑了微透镜的焦点与底层阻光层的位置之间的比例关系，使得多个方向的目标指纹光信号中每个方向的目标指纹光信号被微透镜会聚后，均聚焦或者接近聚焦于底层阻光层中各通光小孔，以提高图像质量和识别成功率。
在一种可能的实现方式中，该微透镜的曲率半径ROC与该底层阻光层的下表面至该微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.4≤ROC/Z1≤0.6。
在一种可能的实现方式中，该多层阻光层中从下到上的第i层阻光层中每个通光小孔的位置满足0≤Si/Z1≤1，其中，Si为该第i层阻光层中每个通光小孔的中心至该微透镜在该第i层阻光层上投影的中心的距离。
通过进一步约束多层阻光层中各通光小孔的位置，使得多个方向的目标指纹光信号更为准确的通过多层阻光层中每层阻光层的通光小孔传输至对应的像素单元，并且可以阻挡非目标方向的光信号，降低杂散光对于成像的影响，从而进一步的提高图像质量。
在一种可能的实现方式中，该第i层阻光层中每个通光小孔的位置满足0.2≤Si/Z1≤0.5。
在一种可能的实现方式中，该底层阻光层中每个通光小孔为大小相同的圆形孔。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb与该指纹识别装置中像素单元的排列周期Pa满足1＜Pb/Pa≤4。
在一种可能的实现方式中，Pb/Pa＝2，一个该指纹识别单元包括4个像素单元。
在一种可能的实现方式中，Pb/Pa＝3，一个该指纹识别单元包括9个像素单元。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb满足5μm≤Pb≤40μm。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb满足10μm≤Pb≤30μm。
在一种可能的实现方式中，该底层阻光层为该多个像素单元表面的金属布线层。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：保护层；该保护层设置于该底层阻光层上方，且与该底层阻光层、该多个像素单元一起集成在一起。
在一种可能的实现方式中，该多个导光通道在该中间阻光层中的通光小孔重合。
在一种可能的实现方式中，该通光区域的形状为圆形、圆角矩形或花瓣形。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：红外滤光层，该红外滤光层为镀膜生长于该传感器芯片表面的滤光层，用于截止红外光。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：粘附层，该粘附层为涂覆于该红外滤光层表面的平坦透明层，该中间阻光层设置于该粘附层上方。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：第一透明介质层，设置于该中间阻光层上方并填充该中间阻光层中的通光小孔。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：颜色滤光层，设置于该微透镜与该第一透明介质层之间，该颜色滤光层包括红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层。
在一种可能的实现方式中，该多个导光通道在该中间阻光层中的通光小孔相互独立。
在一种可能的实现方式中，该中间阻光层设置于该保护层的上表面。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：第二透明介质层，设置于该中间阻光层上方并填充该中间阻光层中的通光小孔。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：红外滤光层，该红外滤光层为镀膜生长于该第二透明介质层表面的滤光层，用于截止红外光。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：颜色滤光层，设置于该红外滤光层上方，该颜色滤光层包括红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层。
在一种可能的实现方式中，该指纹识别单元还包括：第三透明介质层，设置于该微透镜与该颜色滤光层之间。
第二方面，提供一种电子设备，包括：显示屏；以及第一方面或者第一方面中任一种可能的实施方式中的指纹识别装置，该指纹识别装置设置于该显示屏下方，以实现屏下光学指纹识别。
在电子设备中设置上述指纹识别装置，通过设置指纹识别装置中的一个微透镜对应多个像素单元，可以提高指纹识别装置的进光量，减小曝光时间，增大视场。与此同时，通过单个微透镜与多像素单元搭配的成像光路可以对指纹的物方光束进行非正对光成像(即倾斜光成像)，能够提高干手指的识别效果，且能够扩大光学系统的物方数值孔径并缩短像素阵列的光路设计的厚度，最终能够有效降低指纹识别装置的厚度。进一步地，在考虑制造工艺以及成本的基础上，通过约束指纹识别装置中的参数满足一定的条件，从而满足图像亮度和对比度的要求，具体地，可以约束中间阻光层中通光区域的通光口径D2与微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，以实施对指纹识别装置的光学系统的结构以及参数进行约束限制，在实现超薄指纹识别装置的同时，能够有效减少图像的混叠，成像具有较高的对比度以及较大的亮度，最终能够实现对各种目标较好的成像效果，进而提高识别准确度。通过提升指纹识别装置的指纹识别性能，从而提升该电子设备的指纹识别性能。
附图说明
图1和图2是一种指纹识别装置的示意性截面图和示意性俯视图。
图3至图5是根据本申请实施例的另一指纹识别装置的示意性截面图、示意性俯视图和示意性立体图。
图6至图8是根据本申请实施例的另一指纹识别装置的示意性截面图、示意性俯视图和示意性立体图。
图9是根据本申请实施例的一种指纹识别装置中像素阵列的排列示意图。
图10是理想情况下，中间阻光层中对应于一个指纹识别单元的多个像素单元的通光小孔的示意图。
图11是本申请实施例的一种指纹识别单元的示意性截面图。
图12是本申请实施例的另一种指纹识别单元的示意性截面图。
图13至图17是本申请实施例的中间阻光层的通光区域的示意图。
图18是本申请实施例的指纹识别装置采集的图像的衬度和亮度随D2/CA变化的曲线。
图19是本申请实施例的三种D2/CA约束条件下采集图像的示意图。
图20是本申请实施例的不同D2/CA约束条件下的指纹识别装置的示意性截面图。
图21是本申请实施例的不同D2/D1约束条件下的指纹识别装置的示意性截面图。
图22示出了本申请实施例的一种指纹识别装置的示意性截面图。
图23示出了本申请实施例的另一种指纹识别装置的示意性截面图。
图24示出了指纹识别装置采集的图像的衬度和亮度随中间阻光层的通光区域的形状变化的曲线。
图25示出了四种中间阻光层的通光区域的形状下采集图像的示意图。
图26示出了本申请实施例的一种电子设备的示意性框图。
具体实施方式
伴随时代的发展和科技的进步，电子产品屏幕的屏占比越来越高，全面屏已经成为众多电子产品的发展趋势。为适应这种全面屏的发展趋势，电子产品中的感光器件例如指纹识别、前置摄像头等也将被放置在屏幕之下。屏下指纹识别技术应用最多的是屏下光学指纹识别技术，由于屏下光学指纹器件的特殊性，要求带有指纹信号的光能够透过屏幕传递到下方的指纹传感器，进而得到指纹信号。
应理解，本申请实施例可以应用于光学指纹系统，包括但不限于光学指纹识别系统和基于光学指纹成像的产品，本申请实施例仅以光学指纹系统为例进行说明，但不应对本申请实施例构成任何限定，本申请实施例同样适用于其他采用光学成像技术的系统等。
作为一种常见的应用场景，本申请实施例提供的光学指纹系统可以应用在智能手机、平板电脑、游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机(automated teller machine，ATM)等其他电子设备，但本申请实施例对此并不限定，本申请实施例可以应用在其他具有显示屏的移动终端或者其他电子设备；更具体地，在上述电子设备中，指纹识别装置可以具体为光学指纹装置，其可以设置在显示屏下方的局部区域或者全部区域，从而形成屏下(Under-display)光学指纹系统。
通常，屏下指纹识别装置包括光学组件，该光学组件可以设置在光学指纹传感器的上方，其可以包括滤光层(Filter)、光路引导结构以及其他光学元件。
当前业界量产的屏下指纹识别装置中的光路引导结构主要有两种方案。一种是利用通孔小孔成像原理，小孔可以将手指反射的光信号引导至显示屏下方的传感器芯片，以进行指纹识别。理论上来说，小孔的孔径越小分辨率越高。但在实际的工业制造中，小孔的尺寸无法进一步缩小，从而限制其分辨率的提升。同时由于小孔只容许垂直方向的光信号进入，导致成像信号有限，无法提供足够的光信号到传感器芯片的采集区域。另一种方法利用光学透镜进行成像，此种方式利用球面或非球面镜头聚光，以提升成像分辨率。另外，由于透镜具有汇聚光线的作用，因此，相比于小孔成像的方式，透镜成像能够引导较多的光信号到达传感器芯片。
随着电子设备朝着超薄化的方向发展，目前的指纹识别装置大多采用微透镜-小孔的结构，也就是说，指纹识别装置可以包括微透镜阵列和阻光层，微透镜阵列可以设置在阻光层的上方，阻光层设置有小孔阵列。微透镜阵列用于将手指反射的光信号汇聚至小孔阵列，小孔阵列可以将接收到的光信号引导至阻光层下方的指纹传感器芯片。指纹传感器芯片可以根据接收到的光信号进行指纹识别。
微透镜具有汇聚光线的作用，从而能够提高指纹传感器芯片生成的图像的分辨率。小孔阵列具有筛选光信号的作用，例如小孔阵列不允许大角度的干扰光信号通过，仅允许期望的特定角度范围内的光信号通过，以提高指纹识别效果。
应理解，在本申请实施例中，指纹识别装置中的感应阵列也可以称为像素阵列，感应阵列中的光学感应单元或感应单元也可称为像素单元。另外，指纹识别装置中的光学指纹传感器也可以称为指纹传感器或者指纹传感器芯片。
还应理解，本申请实施例中的指纹识别装置也可以称为光学指纹装置、光学指纹识别模组、指纹识别模组、指纹模组、指纹采集装置等，上述术语可相互替换。
图1和图2示出了一种典型的指纹识别装置的示意性截面图和示意性俯视图。
如图1和图2所示，指纹识别装置100包括微透镜阵列110、至少一层阻光层120和像素阵列130。微透镜阵列110位于像素阵列130和至少一层阻光层120的正上方，且一个微透镜111对应一个像素单元131，即微透镜阵列110中的每一个微透镜111将接收到的光线通过至少一层阻光层120的小孔1201聚焦至同一微透镜111对应的像素单元131中。其中，每一个微透镜111接收的光信号主要为经过显示屏上方手指反射或散射后垂直于微透镜阵列110入射的指纹光信号。
如图2所示，像素阵列130中的像素单元131按照周期性排列，且像素阵列130中的每一个像素单元131的感光区域1311均设置在同一个像素单元的中心位置，以提高感光区域的占空比。
换言之，微透镜阵列110中的多个微透镜111和像素阵列130中的多个像素单元131一一对应，且像素阵列130中多个像素单元131的感光区域1311呈周期性排列且均匀分布。
但是，像素阵列130的感光区域会受到微透镜阵列110的尺寸的影响，且指纹识别装置100的厚度较大，进而增加了指纹识别装置100的光路的加工难度、周期以及成本。
在该指纹识别装置100中，由于多个微透镜相邻较近，光线可能从其他微透镜中入射到芯片表面，因此影响成像效果。且由于微透镜和像素单元是一一对应的，一个像素单元能够接收到的理论最大信号量，是当微透镜占满一个像素单元的面积后，接收的准直光的能量。这种接收方式，限制了图像信号量的进一步提升，在微弱光照下，信噪比较低，影响了图像质量。
此外，在正常生活场景下，例如洗完手、早晨起床、手指抹灰、低温等场景下手指通常较干，其角质层不均匀，其按压在显示屏上时，手指局部区域会出现接触不良。当干手指与显示屏接触不好时，上述指纹识别装置100形成的垂直方向的指纹图像的指纹脊和指纹谷的对比度差，图像模糊到分辨不了指纹纹路，因而，上述指纹识别装置100对于干手指的指纹识别性能较差。
基于上述问题，本申请提出一种指纹识别装置200，采用一层或更多层设置有小孔阵列的阻光层与微透镜阵列相结合，且每一个微透镜对应多个像素单元。多个像素单元中每个像素单元都能收到整个微透镜会聚的倾斜准直光，但是对应一个微透镜的多个像素单元，接收的入射光倾斜方向不同。最终可以从图像芯片阵列中取出多张图像，每张都是由相同倾斜方向接收的像素单元构成的。这种接收方式，能够大幅提升图像的衬度和亮度，还可以实现扩大物方视场尺寸等其他应用方向。
图3至图5示出了该指纹识别装置200的示意性截面图、示意性俯视图和示意性立体图。
如图3至图5所示，该指纹识别装置200适用于显示屏的下方以实现屏下光学指纹识别，该指纹识别装置200包括呈方形阵列分布的多个指纹识别单元201。如图3至5所示，在该指纹识别装置200中，每个指纹识别单元201包括：
多个像素单元；
微透镜211，设置在该多个像素单元的上方；
至少一层阻光层，设置在多个像素单元和微透镜211之间，至少一层阻光层中每一层阻光层均设置有与多个像素单元对应的通光小孔，以形成与该多个像素单元一一对应的多个导光通道；
其中，多个像素单元分别用于接收从显示屏上方的手指反射或散射返回的，通过微透镜211汇聚后，再经由多个传输通道传输的多个指纹光信号，该多个指纹光信号用于检测手指的指纹信息以进行指纹识别。
在具体实现中，至少一层阻光层中的每层挡光层对特定波段(比如可见光或者610nm以上波段)的光的透过率小于预设阈值(例如20％)，以避免相应的光通过。
应理解，指纹识别装置中的多个指纹识别单元中每个指纹识别单元201包括的微透镜形成微透镜阵列210。指纹识别装置中的多个指纹识别单元中每个指纹识别单元201所包括的多个像素单元形成像素阵列230。每个指纹识别单元201中的阻光层实际为局部阻光层。
为了方便描述，下文以指纹识别单元201为单位介绍本申请实施例中的指纹识别装置，指纹识别单元201中的局部阻光层简称为阻光层。
在一些实施例中，指纹识别单元201包括多层阻光层，底层阻光层221和中间阻光层222，其中，底层阻光层221为最靠近像素单元的阻光层，而中间阻光层222则为除底层阻光层之外的阻光层。
在一些实施例中，在指纹识别单元201中，一个微透镜对应4个像素单元。
例如，如图3至图5所示，其中，图3中的指纹识别单元201实际上为图5中的指纹识别单元201沿着第一像素单元231和第三像素单元233的中心的连线方向的截面图，图4为图5的俯视图。在指纹识别单元201中，第一微透镜211下方对应设置有第一像素单元231、第二像素单元232、第三像素单元233和第四像素单元234，该4个像素单元分别位于4个不同方向的导光通道的底部。
具体地，每个像素单元中均设置有感光区域(Active Area，AA)，用于分别接收经过四个导光通道的四个指纹光信号并转换为对应的电信号。该感光区域可以为像素单元中光电二极管所在的区域，即像素单元中接收光信号的区域，像素单元中的其它区域可以用于设置像素单元中的其它电路以及用于像素间走线的排布。具体地，上述第一像素单元231中的第一感光区域2311，第二像素单元232中的第二感光区域2321，第三像素单元233中的第三感光区域2331以及第四像素单元234中的第四感光区域2341均设置在上述4个不同方向的导光通道的底部。
可选地，在一些实施方式中，例如，如图3至图5所示，第一微透镜211对应的4个导光通道在底层阻光层221以及中间阻光层222上均设置有4个通光小孔，每层阻光层上的4个通光小孔对应于4个像素单元。也就是说，4个导光通道分别在底层阻光层221和中间阻光层222中的通光小孔相互独立。例如，在图4中，底层阻光层221上设置有对应于第一像素单元231的通光小孔2211，中间阻光层222上设置有对应于第一像素单元231的通光小孔2221，该通光小孔2211和通光小孔2221均为对应于第一像素单元231的第一导光通道上的通光小孔，换言之，该通光小孔2211和通光小孔2221形成对应于第一像素单元231的第一导光通道。可选地，该通光小孔2211和通光小孔2221的中心可以在一条直线上，该直线的方向即为第一导光通道的方向。第一方向的倾斜光信号21通过第一微透镜211会聚后，通过第一导光通道至第一像素单元231中的第一感光区域2311，而其他方向的光信号(例如，图中虚线所示的光信号)则被阻挡在阻光层中，无法传输至像素单元。
其中，上述第一方向的倾斜光信号21可以为经过显示屏上方的手指反射或散射后，穿过显示屏，到达第一微透镜211的第一方向的指纹倾斜光信号，该第一方向的倾斜光信号21可以用于检测指纹信息。
类似地，第一微透镜211下方其它像素单元对应的通光小孔的设置可以参见上文第一像素单元对应的通光小孔的设置，其它像素单元同样可以接收其它方向的倾斜指纹光信号，该其它方向的倾斜指纹光信号经过第一微透镜211会聚后，经过通光小孔形成的导光通道后，传输至对应的像素单元。例如，图3中，第三方向的倾斜光信号23通过第一微透镜211会聚后，通过第三导光通道至第三像素单元233中的第一感光区域2311。
在另一些实施例中，每个微透镜对应的4个导光通道在底层阻光层221中设置有4个通光小孔，该4个通光小孔对应于4个像素单元，4个导光通道在中间阻光层222上的通光小孔重合，即在中间阻光层222中仅设置1个通光小孔。
图6至图8示出了另一种指纹识别装置的示意性截面图、示意性俯视图和示意性立体图。图6中的指纹识别单元201实际上为图8中的指纹识别单元201沿着第一像素单元231和第三像素单元233的中心的连线方向的截面面图，图7为图8的俯视图。
在图6至图8中，底层阻光层221上设置有对应于第一像素单元231的通光小孔2211，中间阻光层222上设置有1个大的通光小孔2221，该通光小孔2221对应于4个像素单元。该通光小孔2211和通光小孔2221形成对应于第一像素单元231的第一导光通道。可选地，该通光小孔2211和通光小孔2221的中心可以在一条直线上，该直线的方向即为第一导光通道的方向。第一方向的倾斜光信号21通过第一微透镜211会聚后，通过第一导光通道至第一像素单元231中的第一感光区域2311，而其他方向的光信号(例如，图中虚线所示的光信号)则被阻挡在阻光层中，无法传输至像素单元。
类似地，其它像素单元对应的通光小孔的设置可以参见上文第一像素单元对应的通光小孔的设置，此处不再赘述。
在上述申请实施例中，指纹识别装置200中每个微透镜对应的4个像素单元均通过4个不同方向的导光通道接收4个不同方向的倾斜光信号。由此，指纹识别装置200中的像素阵列230，可以基于接收到的4个不同方向的光信号生成4幅指纹图像，进而得到一幅高分辨率的指纹图像，以提升指纹识别效果。
图9示出了一种像素阵列230的排列示意图，如图9所示，其中，“1”表示用于接收第一方向的倾斜光信号的像素单元，“2”表示用于接收第二方向的倾斜光信号的像素单元，“3”表示用于接收第三方向的倾斜光信号的像素单元，“4”表示用于接收第四方向的倾斜光信号的像素单元。也就是说，在像素阵列230中，所有的“1”表示的像素单元分别可以用于生成第一幅指纹图像，所有的“2”表示的像素单元分别可以用于生成第二幅指纹图像，所有的“3”表示的像素单元分别可以用于生成第三幅指纹图像，所有的“4”表示的像素单元分别可以用于生成第四幅指纹图像，即总共可以生成4幅指纹图像，这4幅指纹图像可以用于单独进行指纹识别，或者也可以合并成一幅高分辨率的指纹图像，进而提升指纹识别装置的识别效果。
进一步地，由于4幅指纹图像通过不同方向的倾斜光信号生成得到，因此该4幅指纹图像对应着不同的物方成像区域，还可以实现扩大物方视场尺寸等其他应用方向。
通过该实施例的方案，通过光路的设计，单个微透镜对应的4个像素单元能同时接收4个方向的光信号，从而提高指纹识别装置的进光量，减小曝光时间，增大视场。与此同时，通过单个微透镜与多像素单元搭配的成像光路可以对指纹的物方光束进行非正对光成像(即倾斜光成像)，能够提高干手指的识别效果，且能够扩大光学系统的物方数值孔径并缩短像素阵列的光路设计的厚度，最终能够有效降低指纹识别装置的厚度。
理想情况下，如图10所示，4个像素单元在中间阻光层中对应的4个通光小孔(光阑小孔)相互重合(图中虚线所示)。对于中间阻光层来说，通光小孔面积增加会导致杂散光进入，准直度降低。但受限于工艺技术，成本较低的技术无法得到较高的图形精度。因此，本申请实施例提供了几种技术方案，可以在较为经济的条件下得到较高的中间阻光层的开孔形状精度以及较好的图像质量。
图11和图12分别示出了两种指纹识别单元201的示意性截面图，图13至图15为图11的示意性俯视图，图16为图12的示意性俯视图。
在图13中，4个导光通道在中间阻光层222中的通光小孔重合，且为一个圆形大通孔。
一个圆形大通孔的优势在于制造精度需求较低。可选地，中间阻光层的开孔可以采用光刻或镀膜等方法制作，由于圆形是简单图形，其无论采用正胶还是负胶曝光都可以以较低的光刻分辨率得到完整图形。
在图14中，4个导光通道在中间阻光层222中的通光小孔重合，且为一个圆角矩形通孔。
相较于圆形大通孔，圆角矩形通孔可以在工艺上基本没有提高难度的情况下，进一步地减小了杂散光漏光区域，无论是采用正胶、负胶还是镀膜均可以实现。
在图15中，4个导光通道在中间阻光层222中的通光小孔重合，且为一个花瓣形通孔，该花瓣形的瓣数为4，是由4个相互重叠的开孔构成的，或者说是由4个存在交集的开孔构成的，花瓣的形状就是4个开孔交叠在一起形成的，其形状酷似于花瓣。开孔的形状可以为圆形、椭圆形或者其他形状，可选地，若一个指纹识别单元包括9个像素单元，即9个导光通道，该花瓣形的瓣数为9，是由9个相互重叠的通光小孔构成的，换句话说，该花瓣形的瓣数可以与一个指纹识别单元所包括的像素单元有关。图15中示出了4个圆形的开孔相互部分重叠/相交后形成的花瓣形通光小孔。
相较于圆角矩形通孔和圆形大通孔，花瓣形通孔的优势是进一步减小了不必要的漏光区域，能最大限度的提升入射光线准直度，增加了图像对比度，但其需要更高的光刻分辨率，若采用镀膜的方式进行制造则会增加成本。
在图16中，4个导光通道在中间阻光层222中的通光小孔相互独立。
该结构下中间阻光层的各小孔之间无交错，对提高入射光线准直度、改善强光串扰等都有明显作用，但其对工艺加工分辨率要求高，且对材料要求高，可能出现各小孔之间的薄壁断裂的情况。
为了便于描述，在本申请实施例中，可以将D2定义为中间阻光层222中与4个像素单元对应的通光小孔形成的通光区域的通光口径，其中，通光口径D2可以为中间阻光层所在的平面上，通光区域中最远的两点之间的距离，例如，D2可以为如图13所示的中间阻光层222上的圆形直径，或者是如图14所示的中间阻光层222上的圆角矩形的对角线，或者是如图15所示的中间阻光层222上花瓣形中经过其中心的最大尺寸，或者还可以如图16所示的中间阻光层222上两个对角小孔之间的最远距离。
另外，还可以将CA定义为微透镜211的最大口径，例如，CA可以是微透镜211在水平面方向最大的剖面中的最大宽度。
可选地，微透镜211可以为球面透镜或者为非球面透镜，其上表面为球面或者为非球面，下表面为水平面，该微透镜211的最大口径CA可以为其下表面的最大宽度。
例如，在图11和图12中，微透镜211可以为球面透镜，其下表面为圆形水平面，该微透镜211的最大口径CA为圆形水平面的直径。
应理解，虽然本申请实施例仅示出了中间阻光层222的四种开孔形状，但本申请实施例应不限于此，中间阻光层222的通光区域的形状还可以为如图17所示的异形，即不规则形状，D2则定义为如图所示。
在本申请实施例中，该通光区域的通光口径D2与微透镜211的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3。可以理解的是指纹识别装置包括多层中间阻光层时，可以是任一层中间阻光层满足D2/CA的取值范围，以及其他与中间阻光层相关的参数范围。也可以是多层中间阻光层均满足相关参数范围。
图18示出了图像的衬度和亮度随着D2/CA的曲线图。图19示出了三种D2/CA约束条件下采集图像的示意图。可以理解的是，图像衬度表征的是图像中明暗程度的差异，也可以理解为图像的对比度。
如图18所示，随着D2/CA的增大，图像衬度降低，但图像亮度则增大，进一步通过图19可以看出，在D2/CA≈0.7处，图像衬度和图像亮度重合且均较高，图像成像效果最优，D2/CA较大或者较小，图像过亮或者过暗，图像的对比度较差，图像成像效果较差。
基于本申请实施例的技术方案，在考虑制造工艺以及成本的基础上，通过约束指纹识别装置中的参数满足一定的条件，从而满足图像亮度和对比度的要求，具体地，可以约束中间阻光层中通光区域的通光口径D2与微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，若D2/CA过小时，则该中间阻光层中通光区域的进光量较少，可能会导致图像变暗，噪声提升；若D2/CA过大，则可能会导致杂散光进入，从而影响图像清晰度。若D2/CA在本申请所约束的范围内时，在成像时能够有效减少图像的混叠，成像具有较高的对比度以及较大的亮度，最终能够实现对各种目标较好的成像效果，进而提高识别准确度。
在本申请实施例中，Zi可以定义为从下到上的第i层阻光层的下表面至微透镜211的下表面之间的深度。例如，在图11和图12中，Z1定义为底层阻光层221的下表面至微透镜211的下表面之间的深度，Z2定义为中间阻光层222的下表面至微透镜211的下表面之间的深度。
可选地，还可以约束中间阻光层222的下表面至微透镜211的下表面之间的深度Z2与底层阻光层221的下表面至微透镜211的下表面之间的深度Z1满足0.1≤Z2/Z1≤0.9。
无论Z2/Z1过大或过小，都会导致较多杂散光进入，通过约束0.1≤Z2/Z1≤0.9，可以有效减少杂散光串扰。
在约束0.3≤D2/CA≤1.3的基础上，进一步约束0.1≤Z2/Z1≤0.9，即从中间阻光层的通光区域的尺寸以及中间阻光层在底层阻光层与微透镜之间的位置来约束中间阻光层，可以有效减少杂散光串扰，增加入射光线准直度，提高图像对比度，进而提高识别准确度。
进一步地，通过约束中间阻光层的参数范围，并结合中间阻光层的开孔形状，可以在经济性和图像质量之间得到较好的平衡。
例如，当0.1≤Z2/Z1≤0.5时，由于中间阻光层222距离微透镜211较近，在理想情况下，各像素单元在中间阻光层222中所需的通光小孔相对于微透镜211的偏移量较少，此时可以进一步约束0.5≤D2/CA≤1，就可以采用工艺难度较低的圆形大通孔来实现，较好地限制了杂散光入射，从而在较为经济的条件下保证图像亮度与对比度。
再例如，当0.3≤Z2/Z1≤0.75时，由于中间阻光层222与微透镜211的距离变远，在理想情况下，各像素单元在中间阻光层222中所需的通光小孔相对于微透镜211的偏移量逐渐增大，此时可以进一步约束0.5≤D2/CA≤0.8，就可以采用工艺难度适中的圆角矩形通孔或者花瓣形通孔来实现，可以在不减小通光小孔的前提下尽可能减少杂散光入射，获取较好的图像亮度与对比度。
再例如，当0.65≤Z2/Z1≤0.9时，由于中间阻光层222与微透镜211的距离较远，在理想情况下，各像素单元在中间阻光层222中所需的通光小孔相较于微透镜211的偏移量较大，此时，可以进一步约束0.8≤D2/CA≤1.2，就可以采用4个独立小孔来更好地减少杂散光入射，从而获得较好的图像亮度和对比度。但受限于工艺难度，此时也可以采用单一的圆角矩形通孔和花瓣形通孔。
可以理解的是，在上文中以指纹识别单元201中，一个微透镜对应4个像素单元为例，说明了指纹识别装置的结构以及指纹成像原理，可选地，在指纹识别单元201中，一个微透镜还可以对应2个、3个、或者4个以上的像素单元，例如9个，16个等的像素单元，本申请实施例对指纹识别单元中像素单元的数量不做限定。
可选地，考虑工艺以及成本问题，在本申请实施例中，每个指纹识别单元201中像素单元的数量可以为A×A，其中，1＜A≤4，且A为正整数，优选地，A＝2或者3。
在一些实施例中，A＝3，即每个指纹识别单元中包括9个像素单元，也就是说，一个微透镜对应9个像素单元，底层阻光层也可以包括9个通光小孔，其中，底层阻光层中的一个通光小孔对应一个像素单元。可选地，中间阻光层只包括一个通光小孔，即一个微透镜对应中间阻光层的一个通光小孔，该中间阻光层的一个通光小孔对应底层阻光层的9个通光小孔，底层阻光层的9个通光小孔与9个像素单元一一对应。可选地，中间阻光层包括9个通光小孔，即一个微透镜对应中间阻光层的9个通光小孔，该中间阻光层的9个通光小孔与底层阻光层的9个通光小孔一一对应，该底层阻光层的9个通光小孔与9个像素单元一一对应。
在一些实施例中，A＝4，即每个指纹识别单元中包括16个像素单元，也就是说，一个微透镜对应16个像素单元，底层阻光层也可以包括16个通光小孔，其中，底层阻光层中的一个通光小孔对应一个像素单元。可选地，中间阻光层只包括一个通光小孔，即一个微透镜对应中间阻光层的一个通光小孔，该中间阻光层的一个通光小孔对应底层阻光层的16个通光小孔，底层阻光层的16个通光小孔与16个像素单元一一对应。可选地，中间阻光层包括16个通光小孔，即一个微透镜对应中间阻光层的16个通光小孔，该中间阻光层的16个通光小孔与底层阻光层的16个通光小孔一一对应，该底层阻光层的16个通光小孔与16个像素单元一一对应。
当中间阻光层中只包括一个通光小孔时，通光小孔的形状可以为圆形、圆角矩形或花瓣形，具体可以参照前述相关内容，这里不再赘述。
可选地，在本申请实施例中，A＝Pb/Pa，其中，Pb定义为指纹识别装置中多个微透镜的排列周期，Pa定义为指纹识别装置中多个像素单元的排列周期。
例如，多个指纹识别单元201呈阵列排列后，其中的多个微透镜形成微透镜阵列，其中多个像素单元形成像素阵列，在水平面上，多个微透镜在X方向和Y方向上的排列周期均为Pb，多个像素单元在X方向和Y方向上的排列周期均为Pa，在本申请中，水平面平行于显示屏所在平面，垂直面垂直于显示屏所在平面。
综合考虑图像空间采样率以及工艺成本，在一些实施方式中5μm≤Pb≤40μm，优选地，10μm≤Pb≤30μm。
在本申请实施例中，D1定义为底层阻光层中每个通光小孔的最大口径。
例如，底层阻光层中的多个通光小孔为圆形小孔，则D1表示通光小孔的直径。
再例如，底层阻光层中的多个通光小孔为圆角矩形小孔或者矩形小孔，则D1表示通光小孔对角之间的距离。
可选地，底层阻光层中的多个通光小孔的形状可以相同或不相同。例如，底层阻光层中的多个通光小孔的形状一致，即该多个通光小孔可以都是圆形小孔、圆角矩形小孔或矩形小孔。再例如，底层阻光层中的多个通光小孔的形状不一致，即该多个通光小孔可以包括圆形小孔、圆角矩形小孔和矩形小孔中的至少两种。可选的，当指纹识别单元201中的微透镜211对应4个像素单元时，微透镜211对应底层挡光层221的4个通光小孔，4个通光小孔中可以包括3个圆形通光小孔和1个矩形小孔，或者4个通光小孔中可以包括3个圆形通光小孔和1个圆角矩形小孔，4个通光小孔中可以包括2个圆形通光小孔和1个矩形小孔和一个圆角矩形小孔等等，4个通光小孔的形状可以任意组合，但考虑到工艺复杂性，工序步骤，优选的通光小孔的形状保持一致。
可选地，底层阻光层中的多个通光小孔的大小可以相同或不相同。例如，该多个通光小孔中至少两个通光小孔的口径不同。再例如，该多个通光小孔中每个通光小孔的口径相同。
优选地，底层阻光层的多个通光小孔为口径一致的圆形小孔。
在本申请实施例中，底层阻光层中的通光小孔采用圆形通光小孔、圆角矩形小孔或者矩形小孔，具有良好的对称性，对各个方向上的光信号具有对称的通光性能，从而能够提高图像在各个方向上的均衡性，从而提高图像质量。
可选地，在本申请实施例中，可以约束底层阻光层221中每个通光小孔的最大口径D1与微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4。
通过约束底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4，综合考虑了微透镜的受光面积与通光小孔大小之间的比例关系，在该比例关系小于等于0.4时，当前微透镜下方的底层阻光层中每个通光小孔能够良好的遮挡相邻微透镜传导的杂散光，减少图像的混叠，从而提高成像的对比度，或者说提高图像的衬度，在该比例关系大于等于0.02时，保证底层阻光层中每个通光小孔能够通过足够的光信号，以保证成像的亮度，因此，采用本申请实施例的方案，能够兼顾图像亮度以及图像对比度，从而提高图像质量和识别成功率。
一般来讲，若需要提高图像的亮度以及图像对比度，则可以增加一个指纹识别单元中微透镜对应的像素单元数量，则能够更为充分的利用微透镜会聚的光信号，且提高图像的空间采样率，从而提高图像的亮度和对比度，但采用该方式会造成制造工艺难度上升且成本增高。因此，采用本申请实施例的技术方案，在考虑制造工艺以及成本的基础上，通过约束指纹识别装置中的参数满足一定的条件，满足图像亮度和对比度的要求。
在一些实施方式中，0.08≤D1/CA≤0.18。优选地，0.12≤D1/CA≤0.14，例如：D1/CA＝0.12，0.13或者0.14，或者D1/CA还可以为0.12至0.14之间任意的数值，本申请实施例对此不做具体限定。
具体地，在满足0.08≤D1/CA≤0.18的基础上，若满足0.5≤D2/CA≤1.2，则图像亮度和清晰度则会达到一定的平衡。如图20所示，D2/CA过小，则进光量降低，图像会变暗且噪声会提升；D2/CA过大，则会导致杂散光(虚线表示)进入，从而影响图像清晰度。
在一些实施例中，微透镜211的曲率半径ROC与该底层阻光层221的下表面至微透镜211的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75。
当多个方向的目标指纹光信号中每个方向的目标指纹光信号被微透镜会聚后，均聚焦于底层阻光层中各通光小孔时，此时成像效果最优，在兼顾图像亮度的同时能够提高图像对比度。因此，通过本申请实施例的技术方案，约束微透镜的曲率半径ROC与该底层阻光层的下表面至微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75，综合考虑了微透镜的焦点与底层阻光层的位置之间的比例关系，使得底层阻光层中各通光小孔满足或者接近上述条件，以提高图像质量和识别成功率。
可选地，若微透镜为球面透镜，如图10和图11所示，则该微透镜的曲率半径ROC可以通过如下公式计算得到：
Figure BDA0003006125140000191
其中，MLH为微透镜的高度，即微透镜的顶点到其下表面的高度，CA为微透镜的最大口径。
当然，非球面透镜的曲率半径也有其计算方式，具体的计算方式可以参见相关技术中的计算方法，此处不做具体论述。
在一些实施方式中，0.4≤ROC/Z1≤0.6。优选地，0.47≤ROC/Z1≤0.49，例如：ROC/Z1＝0.47，0.48或者0.49，或者ROC/Z1还可以为0.47至0.49之间任意的数值，本申请实施例对此不做具体限定。
具体地，在满足0.4≤ROC/Z1≤0.6的基础上，若满足0.5≤Z2/Z1≤0.9，则可减少杂散光串扰。如图21所示，Z2/Z1过大或过小，都会增加杂散光的串扰。
可选地，在本申请实施例中，每层阻光层中各通光小孔的位置可以约束为：0≤Si/Z1≤1，优选地，在一些实施方式中，0.2≤Si/Z1≤0.5，其中，Si表示指纹识别单元中的第i层阻光层中的各通光小孔距离微透镜在该第i层阻光层上投影的中心的偏移量。类似地，第i层阻光层的下表面至微透镜的下表面之间的深度距离可以表示为Zi。
应理解，该第i层阻光层中各通光小孔的中心距离微透镜在该第i层阻光层上投影的中心的偏移量Si可以相同，也可以不同，本申请实施例对此不做具体限定。
通过约束多层阻光层中各通光小孔的位置，使得多个方向的目标指纹光信号更为准确的通过多层阻光层中每层阻光层的通光小孔传输至对应的像素单元，并且可以阻挡非目标方向的光信号，降低杂散光对于成像的影响，从而进一步的提高图像质量。
此处需要说明的是，在其它一些实施方式中，也可以调整该S1/Z1的约束范围，然后根据该S1/Z1的约束范围，调整上述ROC/Z1的约束范围，从而通过调整底层阻光层中通光小孔的位置，调整需求的目标指纹光信号的角度，然后再调整微透镜的曲率半径以及底层阻光层的下表面至微透镜的下表面之间的深度距离，以使得本申请实施例中的指纹识别装置在满足良好的成像条件的同时，可以接收各种角度的倾斜光信号，适用于更广泛的应用场景。
可选地，在本申请实施例中，可以约束微透镜的曲率半径ROC与该底层阻光层的下表面至微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75，且底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4，综合两种约束条件，可以进一步精准的满足提高图像亮度和对比度的要求，较大程度的优化图像质量。
可选地，在本申请实施例中，还可以同时约束底层阻光层的参数满足一定条件以及中间阻光层的参数满足一定条件，从而可以进一步精准的满足提高图像亮度和对比度的要求，较大程度的优化图像质量。
在图3至图5所示的指纹识别装置的基础上，图22示出了另一种指纹识别装置200的截面示意图。
如图22所示，在指纹识别单元201中，除了微透镜211及其对应的4个像素单元，底层阻光层221和中间阻光层222之外，还包括：保护层241，该保护层241位于底层阻光层221上方。
可选地，在本申请实施例中，底层阻光层221可以与像素单元集成在一起，也就是说底层阻光层和像素单元可以集成在指纹识别装置的中的指纹传感器芯片的内部，为指纹传感器芯片内部部件，可选地，该底层阻光层221可以是传感器芯片中位于像素单元上方的金属线路层，即底层阻光层可以是像素单元的金属线路层，用于传递电信号，或者该底层阻光层221也可以为其它可见光透过率低的材料层。
上述保护层241可以同样为传感器芯片中的叠层结构，其形成于传感器芯片的表面，用于保护传感器芯片防止受到外界水汽与例子的污染，导致传感器性能失效。可选地，该保护层241包括但不限于是硅的氧化物和/或硅的氮化物。
可以理解的是，该保护层241同样为透明材料层，对于光信号具有高透过率，通过设置该保护层211的高度，可以为传感器芯片中的像素单元提供一定的聚焦距离。
如图23所示，中间阻光层222设置于上述传感器芯片的上表面，即设置于上述保护层241的上表面。这样设置可以减小底层阻光层221和中间阻光层222之间的距离，提高两层阻光层中形成的导光通道的导光性能。
在具体实现上，该中间阻光层222可以是黑色高分子吸光材料，以吸收环境中的大部分光信号。
进一步地，指纹识别单元201还包括：第二透明介质层242，该第二透明介质层242设置于上述中间阻光层222上方并填充该中间阻光层222中的通光小孔。该第二透明介质层242同样为光学高透过率材料形成的介质层。
可选地，该第二透明介质层242可以通过半导体旋涂工艺与固化工艺形成于中间阻光层222上方并填充该中间阻光层222中的通光小孔，通过设置该第二透明介质层242的高度，也可以为传感器芯片中的像素单元提供一定的聚焦距离。
继续参见图23，指纹识别单元201还包括：红外滤光层250，用于截止红外光以及部分红光，防止该红外光以及部分红光进入到像素单元中，影响成像效果。
例如，在强光情况下，环境中红外光较强，该较强的红外光若进入像素单元中，容易造成像素单元的信号饱和，且红外光易穿透手指，形成手指的透射光，该部分透射光会影响正常指纹识别过程中，手指反射光的成像，综合两方面原因，红外光对指纹成像影响较大，需要通过红外滤光层进行截止滤除。
在一些实施方式中，该红外滤光层250包括多层无机材料层，该多层无机材料层可以采用镀膜工艺在第二透明介质层242上镀膜形成，该镀膜工艺包括但不限于是物理气相沉积(physical vapor deposition，PVD)镀膜方法。该多层无机材料层可以为二氧化钛/二氧化硅(TiO2/SiO2)交替生长的多层无机材料层，或者为五氧化二铌/二氧化硅(Nb2O5/SiO2)交替生长的多层无机材料层，或者还可以为其它用于截止红外光信号的有机或者无机材料，本申请实施例对此不做限定。
如图23所示，该指纹识别单元201还包括：颜色滤光层260，该颜色滤光层260设置于上述红外滤光层250上方，用于通过目标波段的光信号，并截止除该目标波段的彩色光信号以外的其它非目标波段的光信号，该颜色滤光层可以通过半导体光刻工艺实现。
可选地，该颜色滤光层包括但不限于是红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层，用于透过红光信号、蓝光信号、绿光信号或者白光信号。
一方面，若颜色滤光层为彩色滤光层，透过彩色光信号，该指纹识别单元201中的像素单元接收的为彩色光信号，可以用于进行指纹防伪来判断真假手指。若颜色滤光层为白色滤光层，透过白光信号，则该指纹识别单元201中的像素单元接收的为白光信号，可以用于进行指纹图像生成以进行指纹识别。则本申请实施例提供的指纹识别装置可以在指纹识别的基础上进一步进行指纹防伪判断，提高指纹识别的成功率。
另一方面，该颜色滤光层可以用于对其下方红外滤光层反射的光信号进行吸收，防止反射的光信号透过显示屏被人眼接收，从而解决屏下指纹识别装置的外观问题。
可以理解的是，若颜色滤光层为白色滤光层，则此处的颜色滤光层可以为透明介质层或者其它透过可见光的滤光材料，本申请实施例对颜色滤光层的结构不做具体限定。
继续参见图23，在颜色滤光层260上方，该指纹识别单元201还包括：第三透明介质层243，该第三透明介质层243设置于微透镜211与上述颜色滤光层260之间。
可选地，该第三透明介质层243同样为光学高透过率材料形成的介质层，其可以通过半导体旋涂工艺与固化工艺形成于颜色滤光层260上方，并通过设置该第三透明介质层243的高度，为传感器芯片中的像素单元提供一定的聚焦距离。
指纹识别单元201的最上层为微透镜211，其材料一般为光学透明有机材料，例如树脂等，其可以通过半导体光刻工艺设计微透镜211的大小和形状，并通过热回流工艺方式成形。该微透镜211可以为球面微透镜或者也可以为非球面微透镜。
在图6至图8所示的指纹识别装置的基础上，图23示出了另一种指纹识别装置200的截面示意图。
如图23所示，在该指纹识别单元201中，除了微透镜211及其对应的4个像素单元，底层阻光层221和中间阻光层222以外，还包括：保护层241，该保护层241位于底层阻光层221上方。
可选地，如图23所示，该指纹识别单元201还包括：红外滤光层250，该红外滤光层250形成于保护层241的表面，用于截止红外光信号。
进一步地，在该红外滤光层250上方，该指纹识别单元201还包括：粘附层270，用于连接中间阻光层222和红外滤光层20。
可选地，该粘附层270可以为涂覆于红外滤光层250上方的光学高透过率有机材料层，其可以通过半导体旋涂工艺和固化工艺实现。该粘附层270可以为表面平坦的平坦透明层，防止多层有机材料层形成的红外滤光层250产生的翘曲影响中间阻光层222的平坦度，从而防止影响成像效果。
继续参见图23，中间阻光层222上方还形成有第一透明介质层244，该第一透明介质层244可以通过半导体旋涂工艺与固化工艺形成于中间阻光层222上方并填充该中间阻光层222中的通光小孔，通过设置该第一透明介质层244的高度，可以为传感器芯片中的像素单元提供一定的聚焦距离。
可选地，该指纹识别单元201还包括：颜色滤光层260，该颜色滤光层260设置于上述第一透明介质层244上方，连接第一透明介质层244和微透镜211。该颜色滤光层260用于通过目标波段的光信号，并截止除该目标波段的彩色光信号以外的其它非目标波段的光信号。同样的，该颜色滤光层包括但不限于是红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层，用于透过红光信号、蓝光信号、绿光信号或者白光信号。
具体地，本申请实施例中的保护层241、底层阻光层221、中间阻光层222、红外滤光层250、颜色滤光层260的相关技术方案可以参见上文图22中的相关描述，此处不再赘述。
以上描述了本申请提出的各种指纹识别装置的结构以及其中参数的约束条件，下述表1和表2示出了几种具体实施例的指纹识别装置中参数的数值以及约束条件数值，其中，表1中各参数的单位均为微米(μm)，且表2中Pb参数的单位为μm。
表1
参数 例一 例二 例三 例四 例五 例六 例七
P<sub>a</sub> 10.50 14.00 11.50 10.00 10.00 12.50 7.50
P<sub>b</sub> 21.00 28.00 23.00 20.00 20.00 25.00 15.00
CA 16.15 21.85 18.50 19.00 19.50 23.50 14.50
MLH 4.20 5.80 4.80 5.00 6.10 8.90 3.00
ROC 9.86 13.19 11.31 11.53 10.84 12.21 10.26
Z1 23.30 27.57 20.93 22.64 21.91 24.06 18.23
S1 8.20 9.62 7.51 7.60 6.05 10.08 5.09
D1 2.38 2.70 2.18 2.40 2.00 2.70 1.84
Z2 15.25 16.82 17.54 18.89 18.37 19.85 15.11
D2 13.30 15.88 18.10 18.43 16.02 25.05 12.48
其中，表1中的实施例对应于图3和图21所示的指纹识别单元201以及指纹识别装置200。
基于表1的参数的取值，下述表2示例性给出了各种实施例中不同约束条件的计算值。
表2
约束条件 例一 例二 例三 例四 例五 例六 例七
ROC/Z1 0.42 0.48 0.54 0.51 0.49 0.51 0.56
D1/CA 0.15 0.12 0.12 0.13 0.10 0.11 0.13
S1/Z1 0.35 0.35 0.36 0.34 0.28 0.42 0.28
P<sub>b</sub> 21.00 28.00 23.00 20.00 20.00 25.00 15.00
P<sub>b</sub>/P<sub>a</sub> 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00 2.00
D2/CA 0.82 0.73 0.98 0.97 0.82 1.07 0.86
Z2/Z1 0.65 0.61 0.84 0.83 0.84 0.82 0.83
如表2所示，也可以利用表2中涉及的约束值来设计指纹识别装置中的参数，而不局限于表1中各实施例列举的具体参数。
需要说明的是，本申请实施例并不局限于上述具体数值，本领域技术人员可以根据实际的光路设计需求确定各个参数的具体数值。例如，上述参数可以精确到小数点后的三位数或四位数。
基于表1和表2中的实施例二，图24示出了指纹识别装置200采集的图像的衬度和亮度随中间阻光层222的开孔形状变化的曲线图。具体地，中间阻光层222的开孔形状对应的图像衬度和图像亮度如表3所示。
表3
图像衬度 图像亮度
圆形大通孔 84.70％ 121.11％
圆角矩形通孔 88.16％ 116.31％
花瓣形通孔 100％ 100％
独立小孔 104.85％ 90.24％
图25示出了中间阻光层的开孔为上述四种形状下采集图像的示意图。从图24和图25中明显看出，在同一衬度的情况下，从圆形大通孔变化到独立小孔，图像亮度依次降低。而在同一亮度的情况下，从圆形大通孔变化到独立小孔，图像衬度依次增加。但四种开孔形状均可以获得较为清晰的图像。
以上结合附图详细描述了本申请的优选实施方式，但是，本申请并不限于上述实施方式中的具体细节，在本申请的技术构思范围内，可以对本申请的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本申请的保护范围。
例如，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。
又例如，本申请的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本申请的思想，其同样应当视为本申请所公开的内容。
应理解，在本申请的各种方法实施例中，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
如图26所示，本申请实施例还提供了一种电子设备500，该电子设备可以包括显示屏510以及上述本申请实施例的指纹识别装置520，其中，该指纹识别装置设置于显示屏下方，以实现屏下光学指纹识别。
该电子设备500可以为任何具有显示屏的电子设备。
作为一种可选的实施例，显示屏510可以采用具有自发光显示单元的显示屏，比如有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示屏或者微型发光二极管(Micro-LED)显示屏。以采用OLED显示屏为例，指纹识别装置520可以利用OLED显示屏510位于指纹检测区域的显示单元(即OLED光源)来作为光学指纹检测的激励光源。
在其他实施例中，指纹识别装置500也可以采用内置光源或者外置光源来提供用于进行指纹检测的光信号。在这种情况下，该指纹识别装置500可以适用于非自发光显示屏，比如液晶显示屏或者其他的被动发光显示屏。
关于指纹识别装置在电子设备中的应用，参见屏下指纹识别系统的相关描述，为了简洁，此处不作过多描述。
应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围。
应理解，在本申请实施例和所附权利要求书中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请实施例。例如，在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“上述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本申请实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (34)

1.一种指纹识别装置，其特征在于，适用于显示屏的下方以实现屏下光学指纹识别，所述指纹识别装置包括呈阵列分布的多个指纹识别单元，所述多个指纹识别单元中的每个指纹识别单元包括：
多个像素单元；
微透镜，设置在所述多个像素单元的上方；
多层阻光层，设置在所述微透镜和所述多个像素单元之间，所述多层阻光层中每一层阻光层中均设置有与所述多个像素单元对应的通光小孔，以形成与所述多个像素单元一一对应的多个导光通道；
其中，所述多个像素单元分别用于接收从所述显示屏上方的手指反射或散射返回的，通过所述微透镜会聚后，再经由所述多个导光通道传输的多个指纹光信号，所述多个指纹光信号用于检测所述手指的指纹信息以进行指纹识别；
其中，所述多层阻光层包括底层阻光层和中间阻光层，所述中间阻光层包括除所述底层阻光层之外的阻光层，由所述中间阻光层中与所述多个像素单元对应的通光小孔形成的通光区域的通光口径D2与所述微透镜的最大口径CA满足0.3≤D2/CA≤1.3，D2为所述中间阻光层所在的平面上，所述通光区域中最远的两点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述中间阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z2与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.1≤Z2/Z1≤0.9。
3.根据权利要求2所述的指纹识别装置，其特征在于，若所述中间阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z2与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.1≤Z2/Z1≤0.5，所述通光区域的通光口径D2与所述微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤1，所述通光区域的形状为一个圆形。
4.根据权利要求2所述的指纹识别装置，其特征在于，若所述中间阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z2与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.3≤Z2/Z1≤0.75，所述通光区域的通光口径D2与所述微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤0.8，所述通光区域的形状为一个圆角矩形或一个花瓣形。
5.根据权利要求2所述的指纹识别装置，其特征在于，若所述中间阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z2与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.65≤Z2/Z1≤0.9，所述通光区域的通光口径D2与所述微透镜的最大口径CA满足0.8≤D2/CA≤1.2，所述中间阻光层中与所述多个像素单元对应的通光小孔为一一对应的多个独立小孔。
6.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述通光区域的通光口径D2与所述微透镜的最大口径CA满足0.5≤D2/CA≤1.2。
7.根据权利要求2所述的指纹识别装置，其特征在于，所述中间阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z2与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度Z1满足0.5≤Z2/Z1≤0.9。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与所述微透镜的最大口径CA满足0.02≤D1/CA≤0.4。
9.根据权利要求8所述的指纹识别装置，其特征在于，所述底层阻光层中每个通光小孔的最大口径D1与所述微透镜的最大口径CA满足0.08≤D1/CA≤0.18。
10.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述微透镜的曲率半径ROC与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.25≤ROC/Z1≤0.75。
11.根据权利要求10所述的指纹识别装置，其特征在于，所述微透镜的曲率半径ROC与所述底层阻光层的下表面至所述微透镜的下表面之间的深度距离Z1满足0.4≤ROC/Z1≤0.6。
12.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述多层阻光层中从下到上的第i层阻光层中每个通光小孔的位置满足0≤Si/Z1≤1，其中，Si为所述第i层阻光层中每个通光小孔的中心至所述微透镜在所述第i层阻光层上投影的中心的距离。
13.根据权利要求12所述的指纹识别装置，其特征在于，所述第i层阻光层中每个通光小孔的位置满足0.2≤Si/Z1≤0.5。
14.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述底层阻光层中每个通光小孔为大小相同的圆形孔。
15.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb与所述指纹识别装置中像素单元的排列周期Pa满足1＜Pb/Pa≤4。
16.根据权利要求15所述的指纹识别装置，其特征在于，Pb/Pa＝2，一个所述指纹识别单元包括4个像素单元。
17.根据权利要求15所述的指纹识别装置，其特征在于，Pb/Pa＝3，一个所述指纹识别单元包括9个像素单元。
18.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb满足5μm≤Pb≤40μm。
19.根据权利要求18所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置中微透镜的排列周期Pb满足10μm≤Pb≤30μm。
20.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述底层阻光层为所述多个像素单元表面的金属布线层。
21.根据权利要求1至7中任一项所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：保护层；
所述保护层设置于所述底层阻光层上方，且与所述底层阻光层、所述多个像素单元集成在一起。
22.根据权利要求21所述的指纹识别装置，其特征在于，所述多个导光通道在所述中间阻光层中的通光小孔重合。
23.根据权利要求22所述的指纹识别装置，其特征在于，所述通光区域的形状为圆形、圆角矩形或花瓣形。
24.根据权利要求23所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：红外滤光层，
所述红外滤光层为镀膜生长于所述传感器芯片表面的滤光层，用于截止红外光。
25.根据权利要求24所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：粘附层，
所述粘附层为涂覆于所述红外滤光层表面的平坦透明层，所述中间阻光层设置于所述粘附层上方。
26.根据权利要求25所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：
第一透明介质层，设置于所述中间阻光层上方并填充所述中间阻光层中的通光小孔。
27.根据权利要求26所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：
颜色滤光层，设置于所述微透镜与所述第一透明介质层之间，所述颜色滤光层包括红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层。
28.根据权利要求21所述的指纹识别装置，其特征在于，所述多个导光通道在所述中间阻光层中的通光小孔相互独立。
29.根据权利要求28所述的指纹识别装置，其特征在于，所述中间阻光层设置于所述保护层的上表面。
30.根据权利要求29所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：
第二透明介质层，设置于所述中间阻光层上方并填充所述中间阻光层中的通光小孔。
31.根据权利要求30所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：红外滤光层，
所述红外滤光层为镀膜生长于所述第二透明介质层表面的滤光层，用于截止红外光。
32.根据权利要求31所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：
颜色滤光层，设置于所述红外滤光层上方，所述颜色滤光层包括红色滤光层、蓝色滤光层、绿色滤光层或者白色滤光层。
33.根据权利要求32所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别单元还包括：
第三透明介质层，设置于所述微透镜与所述颜色滤光层之间。
34.一种电子设备，其特征在于，包括：
显示屏；以及
根据权利要求1至33中任一项所述的指纹识别装置，所述指纹识别装置设置于所述显示屏下方，以实现屏下光学指纹识别。
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