CN116783624A - 包括偏振器的生物特征成像装置 - Google Patents

Abstract

用于对生物特征对象进行成像的光学生物特征成像装置(102)包括：图像传感器(202)，其包括多个光电检测器像素；透镜组件(206)，其包括至少一个透镜(208)，所述至少一个透镜(208)被配置成将由生物特征对象反射的光聚焦至图像传感器上；至少一个光源(212)，其被布置邻近透镜组件并且被配置成向生物特征成像装置的感测表面发射光，其中，至少一个光源包括被配置成提供光的竖直解耦的波导(502)；第一线性偏振器(214)，其布置在光源与图像传感器之间；以及环形第二线性偏振器(216)，其布置在至少一个光源上方，以使由光源在远离图像传感器的方向上发射的光偏振，并且该环形第二线性偏振器(216)具有开口，该开口被配置成允许由生物特征对象反射的光到达透镜而不被第二线性偏振器过滤，其中，第一偏振器和第二偏振器中的至少一个是可旋转的。

Description

包括偏振器的生物特征成像装置

技术领域

本发明涉及适于集成在显示面板中的光学生物特征成像装置。特别地，本发明涉及适于指纹感测的光学生物特征成像装置。

背景技术

生物特征成像系统被广泛用作用于增加诸如移动电话、平板计算机、膝上型计算机等的个人电子装置的便利性和安全性的手段。特别地，指纹感测系统现在包括在所有新发布的消费电子装置的大部分中。

光学指纹传感器已经为人们所知有一段时间，并且在某些应用(例如用作智能电话、平板计算机、呈现屏幕、访问系统等中的显示器下传感器)中可以是例如电容式指纹传感器的可行替选。光学指纹传感器可以例如基于针孔成像原理，以及/或者可以采用微结构(例如准直器或微透镜)来收集入射光并将其引导向图像传感器。

随着例如OLED触摸面板显示器的技术发展进步，具有增加的分辨率(即LED像素密度)的新显示器不断被引入市场。

对于布置在显示器下方的光学指纹传感器，通常需要照亮手指，使得足够量的光被手指反射以随后到达指纹传感器。在显示器下传感器设备中，显示像素通常用于在指纹图像获取期间照亮手指。手指的照亮可以通过控制作为整体的显示器的亮度以照亮手指来实现，或者更具体地，在手指的位置处闪烁或以其他方式增加手指的照亮来实现。然而，装置内例如由显示面板发射的光也可能被装置中的各种层反射并且到达图像传感器，从而干扰指纹图像的捕获。

因此，期望提供解决由显示面板中的内反射引起的问题并且还可以改进图像捕获的解决方案。

发明内容

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的目的是提供适于在电子用户装置中的显示盖玻璃下方使用的改进的生物特征成像装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于对生物特征对象进行成像的光学生物特征成像装置。该成像装置包括：图像传感器，其包括多个光电检测器像素；透镜组件，其包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成将由生物特征对象反射的光聚焦至图像传感器上；至少一个光源，其被布置成邻近透镜组件并且被配置成向生物特征成像装置的感测表面发射光，其中，至少一个光源包括被配置成提供光的竖直解耦的波导；第一线性偏振器，其布置在光源与图像传感器之间；以及环形第二线性偏振器，其布置在至少一个光源上方，以使由光源在远离图像传感器的方向上发射的光偏振，并且该环形第二线性偏振器具有开口，该开口被配置成允许由生物特征对象反射的光到达透镜而不被第二线性偏振器过滤，其中，第一偏振器和第二偏振器中的至少一个是可旋转的。

在本上下文中，透镜组件可以包括单个透镜或多个竖直对准的同轴透镜，以通过相机类型光学成像装置提供生物特征成像。所述至少一个光源被布置成邻近透镜组件并且在透镜组件附近。实际上，期望将光源布置得尽可能靠近透镜组件，以改进对要成像的对象的照亮并且减少所发射的光的内反射。

对于诸如布置在例如显示面板下方的指纹传感器的生物特征成像装置，提供附加光源而不必依赖于来自显示面板的照亮可能是有利的。在所要求保护的发明中，提供了下述生物特征成像装置，其中至少一个光源被布置成邻近透镜组件，使得手指可以被光源照亮。因此，可以实现改进的指纹成像，因为光源可以由指纹传感器直接控制并且不必依赖于显示面板，这还带来了成像装置不需要能够控制显示器的功能而是可以独立操作的优点。

此外，当光源放置在显示面板下方时，期望确保由光源发射的光不会被显示面板反射回图像传感器。鉴于此，本发明基于以下认识：通过环形第二偏振器可以避免反射，该环形第二偏振器使由光源发射的光偏振，但是使所反射的光穿过环的开口。此外，通过将第一偏振器和第二偏振器中的至少一个布置为可旋转的，可以调节两个偏振器的偏振方向之间的关系，使得反射最小化，并且使得可以针对给定应用优化成像装置的光学性能。

波导可以包括用于将光从波导解耦以在朝向生物特征成像装置的感测表面的方向上发射的光栅或竖直漫射器。当使用具有竖直解耦的波导时，光源可以是一个或更多个LED或合适的半导体激光器。如果期望改进对所发射的光的波长的控制，例如为了更好地匹配光栅的特性，可以使用激光器。

波导可以有利地是布置在透镜组件周围的圆形波导，从而提供透镜周围的均匀照亮。此外，波导可以通过全内反射来引导红外光。波导的光学解耦区域可以被配置成在与波导结构的主平面正交的方向上将红外光从全内反射引导中解耦，并且从波导结构中正交地解耦出来，该波导结构在主平面中具有其主延伸。

根据本发明的一个实施方式，环形第二线性偏振器具有开口，该开口具有与至少一个透镜的尺寸对应的尺寸。因此，到达透镜的所有反射光在偏振没有任何变化的情况下穿过第二偏振器的开口，并且只有由光源发射的光被第二偏振器偏振，这改进了对不想要的反射的抑制。

根据本发明的一个实施方式，第一线性偏振器被布置成具有与第二线性偏振器的偏振方向基本上垂直的偏振方向。这具有以下效果：由光源发射的并且已经穿过第二线性偏振器的光将被第一线性偏振器阻挡，除非沿着从第二偏振器到第一偏振器的路径的所发射的光的偏振发生了变化。这意味着可以防止所发射的光的不想要的反射到达图像传感器，或者至少减少到达图像传感器的不想要的反射的量。

根据本发明的一个实施方式，第一线性偏振器布置在透镜与图像传感器之间。因此，到达第一线性偏振器的光将在到达偏振器之前穿过透镜。

根据本发明的一个实施方式，第一线性偏振器可以布置在透镜与第二线性偏振器之间，其中，至少一个光源被布置成使得在远离图像传感器的方向上发射的光不穿过第一线性偏振器。

根据本发明的一个实施方式，光源被配置成发射红外波长范围内的光。通过使用红外光源例如IR-LED，可以在用户没有注意到来自光源的光的情况下执行生物特征成像。如果利用使用可见光的光源，或者如果使用显示面板以使用可见光照亮手指，则用户在图像捕获期间可以看到闪烁光。在日光条件下，光可能不会被用户注意到或者干扰用户，但是在弱光或黑暗的环境下，这样的闪烁光可能会刺激和干扰用户。因此，使用发射红外光的光源，可以改进用户体验。

根据本发明的一个实施方式，光学生物特征成像装置可以包括被配置成阻挡可见光的滤光器，该滤光器布置在成像装置的感测表面与图像传感器之间。如果红外光用于照亮手指，则期望减少到达图像传感器的光量，并且这可以通过提供被配置成阻挡可见光的光学滤光器来实现。这样的滤光器可以例如通过将光学滤光器层压至偏振滤光器而与第一线性偏振器集成。

根据本发明的一个实施方式，至少一个光源包括多个发光二极管LED，并且LED可以例如在透镜组件周围布置成环。通过在透镜周围均匀地布置LED，可以实现对要成像的对象的均匀照亮。然而，也可以通过将LED成组或成行地布置成邻近透镜来实现足够的照亮。此外，可以使用各种光学元件来改进感测表面处的生物特征对象的照亮。

根据本发明的一个实施方式，至少一个光源包括环形光源。环形光源可以例如被设置为与环形波导组合，以提供手指的均匀照亮。

根据本发明的一个实施方式，透镜组件可以包括布置在透镜镜筒中的圆形透镜。透镜镜筒充当一个或多个透镜元件的保持件，并且还可以将光源和第一偏振器和/或环形第二偏振器布置在透镜镜筒上。因此，透镜、透镜镜筒、偏振器和光源可以作为单个模块被提供，以放置在包括图像传感器的基板上。

根据本发明的一个实施方式，生物特征成像装置被集成在显示设备中，该显示设备按从生物特征成像装置开始的顺序还步包括：显示面板；四分之一波片；线性偏振片和盖玻片。四分之一波片用于使穿过的光圆偏振，并且借助于线性偏振器和四分之一波片，可以减少显示设备中的内反射。显示面板例如可以是OLED显示面板。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于对生物特征对象进行成像的光学生物特征成像装置。该光学生物特征成像装置包括：图像传感器，其包括多个光电检测器像素；透镜组件，其包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成将由生物特征对象反射的光聚焦至图像传感器上；环形光源，其包括波导，该波导被配置成提供布置透镜组件周围的光的竖直解耦，并且环形光源被配置成向生物特征成像装置的感测表面发射光；第一线性偏振器，其布置在光源与图像传感器之间；以及环形第二线性偏振器，其布置在至少一个光源上方，以使由光源在远离图像传感器的方向上发射的光偏振，并且环形第二线性偏振器具有开口，该开口被配置成允许由生物特征对象反射的光到达透镜而不被第二线性偏振器过滤，其中，第一线性偏振器被布置成具有与第二线性偏振器的偏振方向基本上垂直的偏振方向。

借助于圆形透镜周围布置的环形光源，可以实现对诸如手指的生物特征对象的改进的照亮。此外，借助于将第一线性偏振器布置成具有基本上垂直于环形第二偏振器的偏振方向，可以防止源自环形光源的光的直接反射到达图像传感器，从而提高成像质量。

本发明的第二方面的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面所描述的那些效果和特征。

本发明的其他特征和优点将在研究所附权利要求和下面的描述时变得明显。技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将本发明的不同特征进行组合以创建除了以下描述的那些实施方式之外的实施方式。

附图说明

现在将参照示出了本发明的示例实施方式的附图更详细地描述本发明的这些方面和其他方面，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的包括光学生物特征成像装置的智能电话；

图2A至图2C示意性地示出了根据本发明的实施方式的光学生物特征成像装置和这样的成像装置的细节；

图3示意性地示出了光学生物特征成像装置的示例实现方式；

图4示意性地示出了光学生物特征成像装置的示例实现方式；

图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的光学生物特征成像装置；

图6示意性地示出了光学生物特征成像装置的示例实现方式；

图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的光学生物特征成像装置；以及

图8示意性地示出了光学生物特征成像装置的示例实现方式。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照适于在诸如智能电话、平板计算机等的消费装置的显示面板下方使用的指纹成像传感器来描述根据本发明的生物特征成像系统的各种实施方式。然而，该成像装置的其他实现方式也是可能的。应当注意，所示出的部件不是按比例绘制的，并且图示用于示意性地示出所要求保护的发明的特征。

图1示意性地示出了智能电话100，智能电话100包括位于智能电话100的显示面板104下方的光学生物特征成像装置102。特别地，生物特征成像装置102位于显示面板104的有效显示区域下方。生物特征成像装置102被布置成捕获放置在显示面板上的手指106的图像。在下面的描述中，将描述包括一个生物特征成像装置102的装置。然而，同样可以在显示面板104下方布置多个成像装置，以使得能够在显示面板104的更大区域部分上进行指纹成像。此外，生物特征成像装置102还可以捕获掌纹。

图2A示意性地示出了根据本发明的实施方式的光学生物特征成像装置102的截面图，以及图2B至图2C示出了光学生物特征成像装置102的特定元件的俯视图。光学生物特征成像装置102包括：图像传感器202，其布置在基板204上；以及透镜组件206，其在此被示出为包括单个透镜208，该单个透镜208被配置成将由手指106反射的光聚焦至图像传感器202上，该透镜布置在透镜镜筒210中。光学生物特征成像装置102布置在显示面板104下方，使得可以获得来自放置在显示面板104的外表面上的手指106的指纹图像。成像装置102还包括至少一个光源212，所述至少一个光源212被布置成邻近透镜组件，并且被配置成向生物特征成像装置的感测表面发射光并且照亮放置在感测表面上的手指106。

光学生物特征成像装置102还包括：第一线性偏振器214，其布置在光源212与图像传感器202之间；以及环形第二线性偏振器216，其布置在至少一个光源212上方。第一线性偏振器214和第二线性偏振器216是被配置成仅允许具有滤光器的偏振的光通过的偏振滤光器。环形第二线性偏振器216被布置成使由光源212在远离图像传感器的方向上发射的光偏振，即，使朝向生物特征成像装置102的感测表面220发射的光偏振。环形第二线性偏振器216还可以被描述为具有开口218的环，该开口218被配置成允许由诸如手指106的生物特征对象反射的光到达透镜208而不被环形第二线性偏振器216过滤。

第一线性偏振器214布置在光源212与图像传感器202之间意味着由光源212发射的光在到达图像传感器之前穿过第一线性偏振器214。换句话说，第一线性偏振器214布置在从光源212到图像传感器202的光路中，使得来自光源212的到达图像传感器202的光已经被第二线性偏振器偏振一次，并且被第一线性偏振器214偏振一次。

此外，第一线性偏振器214和第二环形线性偏振器216中的至少一个是可旋转的，使得可以调节两个线性偏振器214、216的相对偏振取向。通过使两个偏振器中的一个或两个旋转，可以针对给定的实现方式优化由图像传感器202捕获的图像的所得图像特性。偏振器的这种可旋转性是有利的，因为光传播和偏振特性依赖于显示器的层，所发射的光将在其路线上穿过该层朝向生物特征对象并且返回朝向图像传感器202。所描述的成像装置102因此适用于不同的实现方式，例如在不同的显示器下面。

图2B是示出可以作为被配置成保持圆形透镜的透镜镜筒的透镜保持件210、以环形式布置在透镜保持件210上的发光二极管形式的多个光源212、以及第一线性偏振器214的俯视图。图2C是示出具有中心开口218的环形第二线性偏振器216的俯视图。第一线性偏振器214和第二线性偏振器218被示出为具有基本上垂直的偏振方向。

图3是生物特征成像装置的示例实施方式的分解图，其中第一线性偏振器214布置在透镜208上方，并且其中光源以在透镜208周围以环形式布置的多个发光二极管212的形式提供。透镜可以以适于给定实现方式的任何方式配置，并且透镜可以例如是自由形式的透镜，或者可以存在提供期望的光学功能的多个同轴布置的透镜。因此，可以针对许多不同类型的透镜布置来实现所描述的偏振器的一般原理和功能。

在图4中，第一线性偏振器214布置在透镜208与图像传感器之间。偏振效果与如图2所示将第一线性偏振器214布置在透镜上方的情况相同，并且可以基于方便来确定放置第一线性偏振器214的位置。

图5示意性地示出了光源包括被配置成提供光的竖直解耦的波导502的示例实施方式。所示出的波导是在透镜组件周围例如在透镜镜筒上布置的圆形波导502，并且其还包括被配置成提供光的竖直解耦的竖直漫射器504。发光二极管或激光器形式的光源212光学耦合至波导502，以将光注入至波导502中。因此，所注入的光在波导中传播，并且由竖直漫射器504在竖直方向上朝向要成像的生物特征对象解耦。

图6示意性地示出了位于例如智能电话中的显示设备下方的光学生物特征成像装置。显示设备面板包括显示面板602、四分之一波片604、线性偏振片606和盖玻璃。四分之一波片604和线性偏振片606通常用于OLED面板中以减少内反射。

箭头被包括以指示光的传播方向和偏振。光源212向第二线性偏振器216发射非偏振光610，即具有随机偏振的光，其中光在穿过偏振器216时变成线性偏振612。因此，线性偏振光612到达显示面板602，在显示面板602处，线性偏振光612被部分透射614和部分反射616。反射光616穿过第二线性偏振器216的开口218到达第一线性偏振器214，在第一线性偏振器214处，反射光616随后被阻挡，因为第一线性偏振器214的偏振方向与第二线性偏振器216的偏振方向基本上垂直。应当注意，通常，偏振滤光器可以允许一定量的其他偏振光通过，并且本说明书概述了偏振器的一般特性和功能。

透射通过显示面板602的光的一部分随后到达四分之一波片，在四分之一波片处，所述光在透射时变成圆偏振618。接下来，光通过线性偏振片606，并且线性偏振光620被放置在盖玻片上的手指106反射。

除了经反射的线性偏振光622之外，还存在穿过盖玻璃608的环境光624。经反射的线性偏振光622穿过线性偏振器606，而环境光624至少部分被阻挡。因此，已经穿过线性偏振片606的光626包括由光源212发射的光和环境光两者。以同样的方式返回，光在穿过四分之一波片时变成圆偏振628，在偏振方面在很大程度上不受影响地穿过显示面板，并且进一步穿过第二线性偏振器216的开口218到达第一线性偏振器214。圆偏振光628的一部分将穿过第一线性偏振器214以作为线性偏振光630到达图像传感器202，在图像传感器202中可以形成手指106的图像。

简而言之，所描述的生物特征成像装置在允许由手指反射的光到达图像传感器的同时防止由显示面板直接反射的光到达图像传感器，从而提高所捕获的图像的信噪比。

图7示出了包括图5所示的圆形波导502的光学生物特征成像装置。光传播特性与参照图6描述的相同。

图8示出了还包括被配置成阻挡可见光的滤光器802的光学生物特征成像装置的示例实施方式。被配置成阻挡可见光的滤光器802有利地用于这样的实现方式中，其中光源212被配置成发射红外光，使得滤光器将允许红外光通过，同时阻挡可见光，从而防止环境光到达图像传感器202。滤光器802例如可以是具有约940nm的中心波长或适于红外光源的另一波长的带通滤光器。

滤光器802在此被示出为位于第一线性偏振器214与图像传感器202之间。滤光器802可以例如与第一线性偏振器214层压在一起。通常，滤光器802可以布置在成像装置的感测表面与图像传感器202之间的任何地方。然而，当生物特征成像装置与显示面板集成时，滤光器802不能位于阻挡来自显示面板的可见光发射的位置。

在所描述的实施方式中的所有中，第一线性偏振器和第二线性偏振器中的一个或两个可以是可旋转的，使得可以优化所得图像特性。旋转可以通过将偏振器布置在螺纹连接中或者布置在偏振器可以旋转的狭缝中来实现。此外，如果偏振器在成像装置的组装期间或者在成像装置与显示面板的集成期间可旋转可能就足够了，使得可以对任何给定的显示器执行图像优化。即使显示器类型相同，不同制造商与不同显示器型号之间的偏振特性也可能不同。然而，应当注意，即使使用固定偏振器不能执行优化成像特性所需的微调，使用具有几乎垂直偏振方向的固定偏振器也可以获得有利的效果。特别地，在所描述的实施方式中，固定和垂直偏振器仍然会减少在显示面板处反射的到达图像传感器的光量。

尽管已经参照本发明的特定的示例性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言，许多不同的变更、修改等将变得明显。此外，应当注意，装置的各部分可以以各种方式被省去、互换或布置，但是该装置仍然能够执行本发明的功能。

另外，根据对附图、公开内容和所附权利要求书的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变型。在权利要求书中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (17)

1.一种用于对生物特征对象进行成像的光学生物特征成像装置(102)，包括：

图像传感器(202)，其包括多个光电检测器像素；

透镜组件(206)，其包括至少一个透镜(208)，所述至少一个透镜(208)被配置成将由生物特征对象反射的光聚焦至所述图像传感器上；

至少一个光源(212)，其被布置成邻近所述透镜组件并且被配置成向所述生物特征成像装置的感测表面发射光，其中，所述至少一个光源包括被配置成提供光的竖直解耦的波导(502)；

第一线性偏振器(214)，其被布置在所述光源与所述图像传感器之间；以及

环形第二线性偏振器(216)，其被布置在所述至少一个光源上方，以使由所述光源在远离所述图像传感器的方向上发射的光偏振，并且所述环形第二线性偏振器(216)具有开口，所述开口被配置成允许由生物特征对象反射的光到达所述透镜而不被所述第二线性偏振器过滤，其中，所述第一偏振器和所述第二偏振器中的至少一个是能够旋转的。

2.根据权利要求1所述的光学生物特征成像装置，其中，所述环形第二线性偏振器具有开口(218)，所述开口(218)具有与所述至少一个透镜的尺寸对应的尺寸。

3.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述第一线性偏振器被布置成具有与所述第二线性偏振器的偏振方向基本上垂直的偏振方向。

4.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述第一线性偏振器被布置在所述透镜与所述图像传感器之间。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述第一线性偏振器被布置在所述透镜与所述第二线性偏振器之间，其中，所述至少一个光源被布置成使得在远离所述图像传感器的方向上发射的光不穿过所述第一线性偏振器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述光源被配置成发射红外波长范围内的光。

7.根据权利要求6所述的光学生物特征成像装置，还包括被配置成阻挡可见光的滤光器(802)，所述滤光器被布置在所述成像装置的感测表面与所述图像传感器之间。

8.根据权利要求7所述的光学生物特征成像装置，其中，被配置成阻挡可见光的所述滤光器与所述第一线性偏振器集成。

9.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述至少一个光源包括多个发光二极管LED。

10.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述至少一个光源是环形光源。

11.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述波导(502)包括被配置成提供光的竖直解耦的竖直漫射器(504)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述波导是布置在所述透镜组件周围的圆形波导。

13.根据前述权利要求中任一项所述的光学生物特征成像装置，其中，所述透镜组件包括布置在透镜镜筒(210)中的圆形透镜(208)。

14.根据权利要求13所述的光学生物特征成像装置，其中，所述环形第二线性偏振器被布置在所述透镜镜筒上。

15.根据权利要求14所述的光学生物特征成像装置，其中，所述至少一个光源被布置在所述透镜镜筒上。

16.一种显示设备，包括根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述显示设备按从所述生物特征成像装置开始的顺序还包括：

显示面板(602)；

四分之一波片(604)；

线性偏振片(606)；以及

盖玻片(608)。

17.一种用于对生物特征对象进行成像的光学生物特征成像装置，包括：

图像传感器，其包括多个光电检测器像素；

透镜组件，其包括至少一个透镜，所述至少一个透镜被配置成将由生物特征对象反射的光聚焦至所述图像传感器上；

环形光源，其包括波导，所述波导被配置成提供在所述透镜组件周围布置的光的竖直解耦，并且所述环形光源被配置成向所述生物特征成像装置的感测表面发射光；

第一线性偏振器，其被布置在所述光源与所述图像传感器之间；以及

环形第二线性偏振器，其被布置在所述至少一个光源上方，以使由所述光源在远离所述图像传感器的方向上发射的光偏振，并且所述环形第二线性偏振器具有开口，所述开口被配置成允许由生物特征对象反射的光到达所述透镜而不被所述第二线性偏振器过滤，其中，所述第一线性偏振器被布置成具有与所述第二线性偏振器的偏振方向基本上垂直的偏振方向。