CN210072656U - 用于oled屏幕的集成式生物识别器件的光路结构及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构及电子设备，该光路结构包括红外滤光片、低折射率光学填充材料、Microlens阵列、消杂光光阑、视场光阑、光学填充材料及光电感应器。本实用新型基于芯片上Microlens收集光强的工作方式，通过在Microlens阵列与红外滤光片之间填充低折射率的光学填充材料，减少由红外滤光片与空气、空气与Microlens层的菲涅尔反射损耗，增加光学系统的透光率，从而达到增加光电感应器的感光能力；并通过视场光阑和消杂光光阑结构来调整Microlens的可视视场和防止杂光干扰，实现了超薄间距下的OLED屏下指纹图像采集。
Description
技术领域
本实用新型属于图像采集技术领域，具体涉及一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构及电子设备。
背景技术
由于科技的发展，OLED屏幕在消费电子领域的手机端大规模应用，并伴随着人们对全面屏美学的需求，屏下指纹识解锁的方式正在成为追求的主流。目前屏下指纹识别系统的光学系统均位于OLED屏的下方，由于OLED屏透过率低，且在OLED屏与光电感应器之间存在多个光学元件，多个光学元件的上下表面均为空气间隙，导致光线在穿过光学元件上下表面时，在分界面由于菲涅尔反射损耗，导致光电感应器上接收到的光强信息大大减少。
发明内容
本实用新型的主要目的在于提供一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构及电子设备，以实现增加光学系统透光率，达到增加光电感应器的感光能力的目的。
为实现上述目的，本实用新型提供一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，包括：
红外滤光片，用于滤除外部入射光线中的红外光；
Microlens阵列，由多个Microlens单元呈一定间距排布组成，其设置于所述红外滤光片下方，且与所述红外滤光片之间填充有低折射率光学填充材料；所述Microlens阵列用于将经OLED屏幕识别区域反射的入射光线汇集至光电感应器上；
消杂光光阑，设置于所述Microlens单元的曲面下方，其用于穿过所述 Microlens阵列的入射光线穿过消杂光光阑孔且吸收入射到各个Microlens单元之间非接触区域的入射光线；
视场光阑，设置于所述Microlens阵列的像面位置，其用于穿过所述消杂光光阑的入射光线穿过视场光阑孔且吸收入射到所述视场光阑的非通光孔径区域的入射光线；以及
光电感应器，由多个像素点光电转换区组成，其用于对穿过所述视场光阑并照射到所述像素点光电转换区的入射光线进行感应。
作为上述光路结构的进一步说明，所述Microlens阵列与红外滤光片之间填充透明质地的低折射率光学填充材料，所述低折射率光学填充材料的折射率设置为1.2至1.33。
作为上述光路结构的进一步说明，所述Microlens阵列与所述光电感应器之间填充有光学填充材料。
作为上述光路结构的进一步说明，所述消杂光光阑置于所述光学填充材料区域，且消杂光光阑孔填充有光学填充材料。
作为上述光路结构的进一步说明，所述视场光阑置于所述光学填充材料区域，且视场光阑孔填充有光学填充材料。
作为上述光路结构的进一步说明，所述视场光阑通过调节孔径控制所述Microlens阵列对应的物面区域。
作为上述光路结构的进一步说明，所述Microlens单元与消杂光光阑孔、视场光阑孔及像素点光电转换区一一对应且同轴设置。
作为上述光路结构的进一步说明，所述视场光阑孔径和消杂光光阑孔径阵列参数与Microlens阵列参数相同。
作为上述光路结构的进一步说明，所述消杂光光阑孔径等于或微小于 Microlens单元口径。
本实用新型还提出了一种基于集成式生物识别器件的电子设备，包括：
OLED屏幕，用于利用所述OLED屏幕中的发光器件发出光线，并在所述 OLED屏幕上表面进行反射，形成入射光线；
光路结构，设置于所述OLED屏幕下方，其用于采用上述的光路结构对所述入射光线进行光学处理并获取图像信息。
本实用新型的有益效果是：本实用新型基于芯片上Microlens收集光强的工作方式，通过在Microlens阵列与红外滤光片之间填充低折射率的光学填充材料，减少由红外滤光片与空气、空气与Microlens层的菲涅尔反射损耗，增加光学系统的透光率，从而达到增加光电感应器的感光能力；并通过视场光阑和消杂光光阑结构来调整Microlens的可视视场和防止杂光干扰，实现了超薄间距下的OLED屏下指纹图像采集。
附图说明
图1为本实用新型的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构示意图；
图2为本实用新型中OLED屏幕上表面物面区域反光示意图；
图3为本实用新型中的光路的图像采集示意图；
图4为本实用新型中光线在介质分界面的菲涅尔反射损耗示意图；
图5为本实用新型中基于集成式生物识别器件的电子设备结构示意图。
其中附图标记为：手指100，谷脊101，OLED屏幕200，发光阵列2010，手机按键210，手机相关传感器220，指纹识别感应区299，红外滤光片300，低折射率光学填充材料340，Microlens阵列400，消杂光光阑500，光学填充材料600，视场光阑700，光电感应器800，光电转换区810，DAF胶、FPC 线缆1010，补强钢板1020。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
本实用新型实施例的主要解决方案为：
如图1所示，一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，包括：
红外滤光片，用于滤除外部入射光线中的红外光；
Microlens阵列，由多个Microlens单元呈一定间距排布组成，其设置于所述红外滤光片下方，且与所述红外滤光片之间填充有低折射率光学填充材料；所述Microlens阵列用于将经OLED屏幕识别区域反射的入射光线汇集至光电感应器上；
消杂光光阑，设置于所述Microlens单元的曲面下方，其用于穿过所述 Microlens阵列的入射光线穿过消杂光光阑孔且吸收入射到各个Microlens单元之间非接触区域的入射光线；
视场光阑，设置于所述Microlens阵列的像面位置，其用于穿过所述消杂光光阑的入射光线穿过视场光阑孔且吸收入射到所述视场光阑的非通光孔径区域的入射光线；以及
光电感应器，由多个像素点光电转换区组成，其用于对穿过所述视场光阑并照射到所述像素点光电转换区的入射光线进行感应。
本实用新型通过将光路中由上而下依次设置的红外滤光片300、低折射率填充材料340、Microlens阵列400、消杂光光阑500、视场光阑700、光学填充材料600集成加工在光电感应器800上，红外滤光片300设置在OLED屏幕 200下方，利用红外滤光片300对外界传播过来的红外干扰予以滤除，Microlens 阵列400与光电感应器800之间的光路结构器件对OLED屏幕200上表面的图像信息进行光学上的筛选和杂光滤除，从而实现OLED屏幕200上表面的图像信息在光电感应器800上进行图像采集。
本实用新型的Microlens光路结构工作在OLED屏幕200下，其采集图像光强信息的物面为OLED屏幕200的上表面的反射光线，如图2所示，OLED 屏幕200中的发光阵列2010发出光线201a、202a，其中201a表示经过屏幕上表面反射后，与屏幕法线成大角度的光线，202a表示经过屏幕上表面反射后与屏幕法线呈小角度的光线。
在本实用新型的一个可选实施例中，光电感应芯片上集成的光路结构中的Microlens阵列400由多个Microlens单元呈一定间距均匀排布组成，各个 Microlens单元之间存在有非接触区域。单个Microlens单元的口径φ为：5μm ≤φ≤12μm；单个Microlens单元的F数FNo.为：1.2≤FNo.≤2；Microlens 单元与光电感应器800之间的距离小于50μm，以之实现超薄型的光学指纹采集功能的指纹解锁芯片方案。
如图3所示，在Microlens阵列400投影到OLED屏幕200上表面的区域为可识别区域，其中手指100按在OLED屏幕200上时，由于指纹的谷脊101 存在高度差，在与OLED屏幕200上表面接触时存在紧密接触和有空气间隔，导致OLED屏幕200发出的光线在该区域的反射光强度存在差异，本实用新型即对该区域的光强进行过滤筛选，对OLED屏幕200上表面的指纹图像信息进行采集。
Microlens阵列400的物面区域为OLED屏幕200玻璃的上表面，该物面通过Microlens阵列400后，成像在Microlens阵列400与光电感应器800之间的光学填充材料600区域。
经OLED屏幕200识别区域反射的穿过红外滤光片300的入射光线照射到Microlens单元的曲面，按斯涅尔定律进行光线传播，在视场光阑700处成像。
在本实用新型的一个可选实施例中，在Microlens阵列400与光电感应器 800之间填充有光学填充材料600，并设置有两层光阑结构，包括消杂光光阑 500和视场光阑700；消杂光光阑500置于所述光学填充材料600区域，且消杂光光阑孔填充有光学填充材料600；视场光阑700置于所述光学填充材料600 区域，且视场光阑孔填充有光学填充材料600。本实施例中光学填充材料600 的折射率设置为1.5≤n3≤1.65。
消杂光光阑500位于Microlens阵列400下方，其由黑色吸光物质构成，其用于限制Microlens阵列400之间的非接触区域的光线透过，为第一道防杂光结构。
视场光阑700位于Microlens阵列400的共轭像面位置，其作用是通过调节视场光阑孔径来控制Microlens阵列400的视场角度Fov，即控制物面的区域范围，只有穿过消杂光光阑500后的光线，再穿过视场光阑700后，才能到达光电感应器800上，被像素点光电转换区810感应。视场光阑700为黑色的吸光物质构成，通过设置视场光阑孔径的大小，以之控制该Microlens阵列400 在OLED屏幕200上表面的物面区域，调节Microlens阵列400的视场角Fov， Microlens阵列400的最大半视场角为12°，即最大全视场角24°。本实施例中Microlens阵列400的Fov＝10°，F数设置为1.2≤FNo.≤2，具体设定为 FNo.＝1.8，Microlens单元的直径设置为5μm≤φ≤15μm，具体设定为φ＝6 μm。
本实用新型的Microlens光路结构中，每个Microlens单元与消杂光光阑孔、视场光阑孔及像素点光电转换区810一一对应且同轴设置。视场光阑孔径和消杂光光阑孔径阵列参数与Microlens阵列参数相同。消杂光光阑孔径等于或微小于Microlens单元口径。
在本实用新型的一个可选实施例中，在上述光线采集的过程中，光线每穿过两种不同折射率的介质时，在不同介质的分界面均会产生菲涅尔反射损耗。其菲涅尔反射损耗方式如图4所示：
一束光线1000在从折射率n1的透明介质传输到折射率为n2的透明介质时，在两种介质的分界面会产生反射光线1000R和透射光线1000T，不考介质的吸收损耗，则入射光线1000的光强等于反射光线1000R和折射光线1000T的光强之和。设R为该光线在分界面的反射率，设T为该光线在分界面的透过率，则有：
R+T＝1
当入射光线角θ1趋近于0的时候，由菲涅尔反射损耗公式为：
则透过率为：
其中n0为第一种介质折射率，n1为第二种介质折射率。
通过在红外滤光片300和Microlens阵列400之间填充低折射率光学材料 340，替代原有的空气间隙(折射率≈1)，减小光线由红外滤光片300传输到Microlens阵列400过程中分界面900的折射率差，从而减少光线从红外滤光片300 到Microlens阵列400的菲涅尔反射损耗，增加该生物识别器件中光路采集系统的透射率，从而实现增强光电感应器的感光能力。
本实施例中低折射率填充材料340的折射率设置为1.2≤n1≤1.33，具体设定为n1＝1.26，Microlens阵列400的折射率设置为1.55≤n2≤1.7，具体设定为 n2＝1.62，红外滤光片300的折射率设置为1.5≤n0≤1.6，具体设定为n0＝1.51。
本实用新型的Microlens光路结构的工作原理为：
OLED屏幕200发出的光线在屏幕可识别区域进行反射，其中201a、201b 为大角度光线示例，202a为该识别区域反射的小角度光线示例。OLED屏幕 200上表面反射的光线穿过OLED屏幕200后，再穿过红外滤光片300和低折射率光学填充材料340，在往下到达Microlens阵列400区域。
大角度光线201a照射到在Microlens阵列400之间的区域，被消杂光光阑 500吸收；小角度光线202a和部分大角度光线201b在穿过Microlens 400后在光学填充材料600中继续向下传输；
部分大角度光线201b在传输到视场光阑700时，该光线的共轭像点位于该视场光阑700的非通光孔径区域，在视场光阑700上被吸收。同时小角度光线202a在视场光阑700的共轭像点位于视场光阑700的同光孔径内，继续向下传播。
小角度光线202a穿过光学填充材料600后到达光电感应器800上，照射到感应芯片像素点上光电转换区810，实现光电信息的转换，进而得到该 Microlens阵列400对应的物面区域的光强图像信息。
Microlens阵列400中所有的Microlens单元将对应区域的光强信息汇集到光电感应器800上，从而得到整个Microlens阵列400面对应物面区域的图像光强信息。
基于上述实施例中的Microlens光路结构，本实用新型还提供了一种基于 OLED屏幕指纹识别的电子设备，如图5所示，包括：
OLED屏幕，用于利用所述OLED屏幕中的发光器件发出光线，并在所述 OLED屏幕上表面进行反射，形成入射光线；
光路结构，设置于所述OLED屏幕下方，其用于采用上述的光路结构对所述入射光线进行光学处理并获取图像信息。
本实用新型实现了超薄的OLED屏下采集光路，作为OLED屏下指纹识别的图像采集系统及电子装置的光路方式之一，可以应用于终端设备的其中一种堆叠方式。整个指纹图像采集系统安装在手机OLED屏幕200下，手机OLED 屏幕200外侧设置有手机按键210及手机相关传感器220，当手指按在OLED 屏幕上方的指纹识别感应区299时，在光电感应器800上采集到的图像即为 Microlens阵列区域正对于屏幕区域上的光强信息，并将该光强信息转换成灰阶图像提供给指纹识别设备进行后续的分析和处理；光电感应器800通过DAF 胶、FPC线缆1010等固定在补强钢板1020上。
本实用新型还会有各种变化和改进，如低折射率光学填充材料340的厚度、多层低折射率材料、红外滤光片厚度等，都落入要求保护的本实用新型范围内。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，包括：
红外滤光片，用于滤除外部入射光线中的红外光；
Microlens阵列，由多个Microlens单元呈一定间距排布组成，其设置于所述红外滤光片下方，且与所述红外滤光片之间填充有低折射率光学填充材料；所述Microlens阵列用于将经OLED屏幕识别区域反射的入射光线汇集至光电感应器上；
消杂光光阑，设置于所述Microlens单元的曲面下方，其用于穿过所述Microlens阵列的入射光线穿过消杂光光阑孔且吸收入射到各个Microlens单元之间非接触区域的入射光线；
视场光阑，设置于所述Microlens阵列的像面位置，其用于穿过所述消杂光光阑的入射光线穿过视场光阑孔且吸收入射到所述视场光阑的非通光孔径区域的入射光线；以及
光电感应器，由多个像素点光电转换区组成，其用于对穿过所述视场光阑并照射到所述像素点光电转换区的入射光线进行感应。
2.如权利要求1所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述Microlens阵列与红外滤光片之间填充透明质地的低折射率光学填充材料，所述低折射率光学填充材料的折射率设置为1.2至1.33。
3.如权利要求1所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述Microlens阵列与所述光电感应器之间填充有光学填充材料。
4.如权利要求1所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述消杂光光阑置于所述光学填充材料区域，且消杂光光阑孔填充有光学填充材料。
5.如权利要求4所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述视场光阑置于所述光学填充材料区域，且视场光阑孔填充有光学填充材料。
6.如权利要求4所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述视场光阑通过调节孔径控制所述Microlens阵列对应的物面区域。
7.如权利要求1-6任一所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述Microlens单元与消杂光光阑孔、视场光阑孔及像素点光电转换区一一对应且同轴设置。
8.如权利要求7所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述视场光阑孔径和消杂光光阑孔径阵列参数与Microlens阵列参数相同。
9.如权利要求8所述的用于OLED屏幕的集成式生物识别器件的光路结构，其特征在于，所述消杂光光阑孔径等于或微小于Microlens单元口径。
10.一种基于集成式生物识别器件的电子设备，其特征在于，包括：
OLED屏幕，用于利用所述OLED屏幕中的发光器件发出光线，并在所述OLED屏幕上表面进行反射，形成入射光线；
光路结构，设置于所述OLED屏幕下方，其用于采用如权利要求1-9所述的光路结构对所述入射光线进行光学处理并获取图像信息。
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| CN201921203863.3U CN210072656U (zh) | 2019-07-29 | 2019-07-29 | 用于oled屏幕的集成式生物识别器件的光路结构及电子设备 |
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