TWI764062B - 光偵測裝置及生理特徵偵測識別方法 - Google Patents

光偵測裝置及生理特徵偵測識別方法

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Abstract

一種光偵測裝置及其應用，自上而下依次包括蓋板玻璃、觸摸面板、發光二極體顯示器、光學帶通濾波器、光電傳感器；其中，上下每相鄰的兩個元件之間彼此緊密貼合，形成一體。通過在光偵測裝置中設計一光學帶通濾波器，篩選出各個像素對應的有效區域範圍內的反射光，再通過處理晶片對各個像素有效區域範圍內的光信號進行分析，從而重建出完整的生理特徵識別影像，使得獲取的生理特徵信息更加準確，有效提高了識別精度。光學帶通濾波器的設計，大大降低了環境光線和屏內雜散光線的影響，避免了傳感器飽和，有效提高了生理特徵成像的數據質量。

Description

光偵測裝置及生理特徵偵測識別方法
本發明是有關於一種光學器件領域，特別是指一種光偵測裝置及其應用，尤其是涉及一種使用該光偵測裝置的偵測生理特徵的識別方法。
目前的顯示面板技術，不論是液晶顯示器(LCD)、有源陣列式有機發光二極體顯示器(AMOLED)、或微發光二極體顯示器(micro-LED)，皆是以薄膜電晶體(TFT)結構掃描並驅動單一像素，以實現屏上像素陣列之顯示功能。形成TFT開關功能的主要結構為半導體場效電晶體(FET)，其中熟知的半導體層主要材料有非晶矽、多晶矽、氧化銦鎵鋅(IGZO)，或是混有碳納米材料的有機化合物等等。由於光電二極體(Photo Diode)的結構亦可採用此類半導體材料製備，且生產設備也兼容於TFT陣列的生產設備，所製備的光敏二極體又可直接與TFT集成並以TFT實現對光敏二極體進行掃描與驅動功能，因此近年來TFT光電二極體開始以TFT陣列製備方式作生產，並廣泛應用在X光感測平板器件。
相較於傳統結晶材料製備的影像傳感器件，上述TFT光電傳感器材料的帶隙(Band gap)皆以可見光為主要吸收範圍，因此較易受環境可見光之干擾形成噪聲，導致信號噪聲比(SNR)較低。受限於此，TFT光感測陣列初期的應用乃是以X光感測平板器件應用為主，主要原因即為X光屬短波長光且准直性高，X光影像先入射到感測平板上配置之光波長轉換材料，將X光影像轉換較長波長之可見光再直接於感測平板內部傳輸至TFT光電傳感器上，避免了周圍環境之可見光形成噪聲干擾。
若將此類熟知的TFT可見光電傳感器配置在顯示器結構內，可作為一種將光偵測功能集成在顯示器的實現方案。然而受限於顯示器的厚度以及像素開口孔徑等因素，光電二極體陣列感測的真實影像已是發生繞射等光學失真之影像，且因光學信號穿透顯示器多層結構，並且在光學顯示信號、觸摸感測信號並存的情況下，欲從低信噪比場景提取有用光學信號具備很高的困難度，技術困難等級達到近乎單光子成像之程度，必須借由相關算法依光波理論運算重建方能解析出原始影像。為了避開此一技術難點，熟知將可見光傳感器薄膜配置在原顯示器結構內會需要額外的光學增強器件，或是僅將光傳感器薄膜配置在顯示器側邊內，利用非垂直反射到達側邊之光線進行光影像重建，例如：中華人民共和國專利CN101359369B所述。然而雖然此類技術可避開了弱光成像的技 術難點，額外的光學器件增加了光偵測顯示器的厚度，在顯示器側邊的配置方式則無法滿足用戶的全屏體驗。
圖1為現有的光偵測裝置的結構示意圖，自上而下依次包括蓋板玻璃/觸控面板1和發光二極體顯示器2(light-emitting diode display)，其中在發光二極體顯示器的下方設有光電傳感器3，以實現對用戶的生理特徵進行偵測識別。以指紋識別為例，圖1所示的結構在實現指紋信息採集時至少存在著以下問題：(1)位於手指正下方的像素照射到手指後，在蓋板玻璃的上表面會發生光穿透、光反射以及光散射等不同光學現象，不論是指紋的凸紋或是凹紋，真正能形成亮、暗的有效反射光信號非常微弱，要區分出指紋的凸紋或是凹紋更是難上加難；(2)受限於蓋板玻璃、觸控面板和發光二極體顯示器等結構的材料與相關厚度，即使反射光信號夠強，當經過了蓋板玻璃、觸控面板和發光二極體顯示器，到達光電傳感器後，光強度強度已經嚴重減弱(通常削減了95%以上)，同時反射光信號在經過顯示器的TFT薄膜也可能發生光學失真現象，影響指紋信息的採集。
因此，本發明之目的，即在提供一種新型的光偵測裝置，用於解決現有的光偵測結構在偵測生理特徵信息時由於進入光 電傳感器的反射光信號強度削減嚴重，導致捕捉的生理特徵信息紋路區分不明顯、信息採集不準確等問題。
為實現上述目的，一方面，發明人提供一種新型的光偵測裝置，所述裝置自上而下依次包括蓋板玻璃、觸控面板、發光二極體顯示器、光學帶通濾波器、光電傳感器；其中，上下每相鄰的兩個元件之間彼此緊密貼合，形成一體；並且所述裝置還包括處理晶片；該處理晶片位於光電傳感器的下方，用於當觸控面板偵測到生理特徵部位的觸控信號時，發送顯示驅動信號至發光二極體顯示器；該發光二極體顯示器包括多個可顯示的像素；該像素用於當接收到處理晶片顯示驅動信號時，發出光信號，該光信號在蓋板玻璃的上表面發生反射，形成反射光信號；該反射光信號經過光學帶通濾波器，被光電傳感器接收；該光學帶通濾波器按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾；該處理晶片用於根據光電傳感器接收的反射光信號生成生理特徵識別影像信息並輸出。
進一步地，該發光二極體顯示器包括M×N個像素，該處理晶片根據預設時序信號依次驅動發光二極體顯示器上的單 個像素或像素陣列發出光信號，以在蓋板玻璃的上表面形成光點或光點組合掃描生理特徵部位，形成反射光信號。
進一步地，該處理晶片用於對多組單個像素或多組像素陣列發出的光信號對應的反射信號，進行信號分析，重建出完整的生理特徵識別影像信息並輸出。
進一步地，該光電傳感器包括P×Q個像素偵測區，每一像素偵測區對應設置一像素偵測結構，每一像素偵測結構包括由一個以上薄膜電晶體所組成的一組用於像素電路以及一光偵測單元；該光偵測單元包括光敏二極體或光敏電晶體。
該光學帶通濾波器是由若干層不同光學折射率的材料組合形成的光學薄膜，或者是折射率呈週期性變化(例如1.5、1.3)的光子晶體結構器件。
另一方面，發明人還提供一種使用本文所述的光偵測裝置進行生理特徵偵測的識別方法，即所述方法使用本文所述的光偵測裝置進行生理特徵的偵測識別。
具體地，該生理特徵偵測識別方法包括以下步驟：當處理晶片偵測到觸控面板上有生理特徵部位的觸控信號時，發送顯示驅動信號至發光二極體顯示器； 發光二極體顯示器上的像素接收到處理晶片顯示驅動信號時，發出光信號，該光信號在蓋板玻璃的上表面發生反射，形成反射光信號；該反射光信號經過光學帶通濾波器，被光電傳感器接收；該光學帶通濾波器按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾；處理晶片根據光電傳感器接收的反射光信號生成生理特徵識別影像信息並輸出。
進一步地，該生理特徵偵測識別方法還包括：處理晶片根據預設時序信號依次驅動發光二極體顯示器上的單個像素或像素陣列發出光信號，以在蓋板玻璃的上表面形成光點或光點組合掃描生理特徵部位，形成反射光信號。
進一步地，該生理特徵偵測識別方法還包括：處理晶片對多組單個像素或多組像素陣列發出的光信號對應的反射信號，進行信號分析，重建出完整的生理特徵識別影像信息並輸出。
在本文中，所述生理特徵信息包括具有凹凸變化紋路的生理特徵信息，如指紋、掌紋等。
區別於現有技術，本發明提供了一種新型的光偵測裝置及其應用。該光偵測裝置通過在結構器件中巧妙設計一光學帶通濾波器，進而篩選出各個像素對應的有效區域範圍內的反射光，而後再通過處理晶片對各個像素有效區域範圍內的光信號進行分析，從而重建出完整的生理特徵識別影像。由於有效區域範圍內的反射光信號最能反應生理特徵的紋路信息(如指紋凸紋和凹紋對應形成的暗紋、亮紋)，因而重建出生理特徵影像更加準確，有效提升了生理特徵識別精度。此外，光學帶通濾波器的設計，大大降低了環境光線和屏內雜散光線的影響，避免了傳感器飽和，有效提高了生理特徵成像的數據質量。
1:蓋板玻璃
2:發光二極體顯示器
3:光學帶通濾波器
4:光電傳感器
5:處理晶片
21:像素
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1為現有的光偵測裝置的結構示意圖；圖2為本發明的一實施例的光偵測裝置的結構示意圖；圖3為本發明的一實施例的發光二極體顯示器中的像素的示意圖；圖4為本發明的一實施例的單一像素發光反射的光路變化示意圖； 圖5為本發明的一實施例的為本發明的一實施例的某一單一像素進入光學帶通濾波器中的光路變化示意圖；及圖6為本發明的一實施例的生理特徵偵測識別方法的流程圖。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
為詳細說明技術方案的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合具體實施例並配合附圖詳予說明。
實施例一
如圖2所示，為本發明光偵測裝置的一實施例的結構示意圖。光偵測裝置可以應用於偵測、識別生理特徵信息，生理特徵信息包括具有凹凸變化紋路的生理特徵信息，如指紋、掌紋等。本發明的實施例以偵測、識別指紋信息為例，對本發明涉及的光偵測裝置的應用場景展開作進一步說明。
所述裝置自上而下依次包括蓋板玻璃、觸控面板(為了便於說明，本發明的所有附圖將蓋板玻璃和觸控面板簡化為一體，記為蓋板玻璃/觸控面板1，在下文描述光路變化時，將光路在蓋板玻璃/觸控面板1表面發生的變化簡化為光路在蓋板玻璃表面 所發生的變化)、發光二極體顯示器2、光學帶通濾波器3、光電傳感器4；其中，上下每相鄰的兩個元件之間彼此緊密貼合，形成一體。
所述裝置還包括處理晶片5；該處理晶片位於光電傳感器4的下方(圖中未示出)，用於當觸控面板偵測到生理特徵部位的觸控信號時，發送顯示驅動信號至發光二極體顯示器。
該發光二極體顯示器2包括多個可顯示的像素21；該像素用於當接收到處理晶片顯示驅動信號時，發出光信號，該光信號在蓋板玻璃的上表面發生反射，形成反射光信號。
該反射光信號經過光學帶通濾波器3，被光電傳感器接收。
該光學帶通濾波器3按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾。
該處理晶片5用於根據光電傳感器4接收的反射光信號生成生理特徵識別影像信息並輸出。
該光電傳感器4借由單個像素或多個像素(可以是一行或一列像素，也可以是週期性變化或非週期變化排列的像素)作為光源照射到蓋板玻璃上方的指紋後，光線將發生反射。由於照射到指紋凸紋的光線大部分被凸紋皮膚所吸收；當反射角大於某個臨界角時，凹紋與蓋板玻璃之間的空氣間隙能讓照射到凹紋的光線全部 反射，因此光電傳感器的光敏像素能夠接收到指紋凹、凸紋的不同亮、暗特徵，光電傳感器可以根據反射光信號表現出的亮暗特徵重構出指紋的凸紋與凹紋影像。
如圖3所示，為本發明發光二極體顯示器的一實施例的像素的示意圖。發光二極體顯示器，顧名思義，其是由自發光二極體像素陣列所組成的顯示器，如有機發光二極體(OLED)顯示器、微發光二極體(micro-LED)顯示器等。發光二極體顯示器包括M×N個像素，為了便於對每個像素發出光信號的光路變化進行詳細說明，本發明將發光二極體顯示器上第N行第M列的像素記為Pmn，其他像素的光路變化同理可得。為了更好地描述像素的光路變化，假設本發明涉及的發光二極體顯示器的厚度小於蓋板玻璃厚度的1/10，且顯示器與蓋板玻璃的折射率較為接近，因而在計算光路變化時，反射光信號在顯示器表面發生的變化相較於蓋板玻璃而言，可以忽略不計，以便簡化說明。
如圖4所示，為本發明的一實施例涉及的單一像素發光反射的光路變化示意圖。其中的虛線圓表示單一像素Pmn發出橫截面的半徑小於RC的光束的俯視圖，半徑為RC的光線對應到蓋板玻璃上表面的入射角為θc，如圖4虛線對應的位置。
由於蓋板玻璃折射率n2大約為1.5，空氣折射率n1大約為1.0，因此當第(m，n)個像素的光源以大角度向上照射時，照射 到蓋板玻璃表面入射角度θ大於θc(θc=sin-1(n1/n2))的光線會發生全反射。假設θc對應到圓坐標r軸的投影長度為Rc，在以所述第(m，n)個發光像素位置Pmn為原點、以Rc為半徑的虛線圓外的光線，為能夠在蓋板玻璃上表面發生全反射的光射線。當在蓋板玻璃上表面入射角度大於θc的光射線照射在接觸於蓋板玻璃上表面的指紋的凸紋時，由於凸紋肌膚的折射率已經破壞了原有全反射的條件，導致相對凸紋位置的反射信號無法在蓋板玻璃內發生全反射，使得大部分反射光信號不能通過蓋板玻璃下表面進入光電傳感器形成暗紋。相對地，由於指紋的凹紋與蓋板玻璃之間存在空氣間隙，因此對於凹紋位置的反射光信號會維持全反射，而能抵達光電傳感器而形成亮紋。
簡言之，相較於在圖4虛線圓以內的光射線，即蓋板玻璃的上表面的入射角度大於θc的光射線，更能作為偵測有空氣間隙的指紋凹紋區域。因此一個有效的光學式顯示器下指紋識別技術，需要以Rc作為特徵尺寸，以有效的照光組合去照射或是掃描蓋板玻璃上的手指部位，才可得到針對指紋影像的高敏感反射區。假設觸摸蓋板玻璃的厚度為h，則Rc=h‧tan-1(θc)。
在蓋板玻璃的上表面發生全反射，對於單個像素而言，其出射光束中能夠發生全反射的光束，是具備較高精度指紋信息對應的光信號。以此為依據，可以定義出在實現屏下指紋識別技 術時，以發光二極體顯示器的第(m，n)個像素作為光源照射指紋後，光電傳感器可以採集到相對靈敏與有效指紋區域，乃是以所述第(m，n)個像素位置Pmn為原點、Rc為半徑的虛線同心圓環狀帶以外的光束區域，若投影到圓坐標r方向，則是Rc<r的區域範圍，即為光電傳感器能夠從發光二極體顯示器的單一像素發出的光源中取得的最適合的指紋光學信息。
對於r<Rc區域的反射光線，本發明是通過在光電傳感器4的上方設置一光學帶通濾波器3的方式進行過濾。在本實施方式中，該光學帶通濾波器可以是由若干層不同光學折射率的材料組合形成的光學薄膜，或者是折射率呈週期性變化的光子晶體結構器件。
該光學帶通濾波器可以有選擇性地允許合適波長的光線通過，其他波長的光線則被反射。本發明利用光學帶通濾波器的通光波長和入射角度存在確定的依賴特性，通過對通光波長和通光角度的精確設計，將r<Rc區域的反射光線，以及大部分環境光線、屏內雜散光線反射(過濾)，同時允許攜帶指紋信息的光線以較高的比例通過，從而實現指紋成像信噪比的提高。
如圖6所示，為本發明的一實施例涉及的某一單一像素進入光學帶通濾波器中的光路變化示意圖。其中，該像素光路在光學帶通濾波器內部發生多次反射；每次反射的光線都和初次入射的 光線具有一定固定位相，產生光學干涉。在光學帶通濾波器的另一側，根據干涉原理，可以計算出射光線的光強達到峰值(相漲干涉)滿足的條件λ=nd cosθ
其中，λ和θ分別為入射光線的波長和光學帶通濾波器入射界面的出射角(光線入射角θ'的函數)，n是光學帶通濾波器的折射率，d是光學帶通濾波器的厚度。
從上面的公式可以看出，既然光學帶通濾波器的折射率n和光學帶通濾波器的厚度d在實際應用中都不會有明顯變化，所以入射(通光)波長λ和入射(通光)射角θ'之間就具有一一對應的定量關係。假設入射角θ'=0時的通光波長λ=630nm，而屏內雜散光線因為波長也是λ=630nm，卻因為入射角不等於0，就無法通過光學帶通濾波器而被反射。對於環境光線，也是只有其波長和入射角滿足上面公式的才能通過，大部分被反射。
實施例二
本發明還提供一種生理特徵的偵測識別方法，所述方法應用於本文所述的光偵測裝置。所述方法的流程如圖6所示。
首先進入步驟S601，當處理晶片偵測到觸控面板上有生理特徵部位的觸控信號時，發送顯示驅動信號至發光二極體顯示 器。以指紋信息識別為例，當觸控面板檢測到用戶手指置於蓋板玻璃的上表面時，則觸發所述觸控信號。
而後進入步驟S602，當顯示器上的像素接收到處理晶片顯示驅動信號時，發出光信號，該光信號在蓋板玻璃的上表面發生反射，形成反射光信號。由於顯示器和蓋板玻璃具有一定的透光度，因而像素發出的光信號在蓋板玻璃的上表面不僅會發生反射，也會發生透射，即直接透過蓋板玻璃的上表面進入到空氣中，而只有在蓋板玻璃的上表面發生反射的光信號才會最終進入到光電傳感器，進而形成對應的影像信號，因而本發明是針對反射光信號進行進一步篩選處理。
而後進入步驟603，該反射光信號經過光學帶通濾波器，被光電傳感器接收；該光學帶通濾波器按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾。
之後進入步驟604，該處理晶片根據光電傳感器接收的反射光信號生成生理特徵識別影像信息並輸出。其中，處理晶片根據預設時序信號依次驅動發光二極體顯示器上的單個像素或像素陣列發出光信號，以在蓋板玻璃的上表面形成光點或光點組合掃描生理特徵部位，形成反射光信號。然後，處理晶片對多組單個像素或多組像素陣列發出的光信號對應的反射信號，進行信號分析，重建出完整的生理特徵識別影像信息並輸出。
在某些實施例中，所述顯示器包括M×N個像素，所述方法包括：處理晶片根據預設時序信號依次驅動顯示器上單個像素或像素陣列發出光信號，以在蓋板玻璃的上表面形成光點或光點組合掃描生理特徵部位，形成反射光信號。例如顯示器上的像素第一行為P11，P12...P1N，第二行為P21，P22...P2N，以此類推，第N行為PM1，PM2...PMN。通過預設時序電信號，處理晶片可以是逐行、逐列驅動顯示器上像素，也可以是驅動週期性變化離散像素(如先驅動第一行P11、P13、P15，再驅動第二行P21、P23、P25，再驅動第三行P31、P33、P35，以此類推)，當然也可以依次驅動非週期變化排列的多個像素。簡言之，驅動顯示器上各個像素發光的順序可以根據實際需要進行選擇。
在某些實施例中，該光電傳感器包括P×Q個像素偵測區，每一像素偵測區對應設置一像素偵測結構，每一像素偵測結構包括一個以上薄膜電晶體所組成的一組用於像素薄膜電路以及一光偵測單元；該光偵測單元包括光敏二極體或光敏電晶體。該光偵測單元參看中國專利申請CN 2017104386245的相關描述說明。
需要說明的是，儘管在本文中已經對上述各實施例進行了描述，但並非因此限制本發明的專利保護範圍。因此，基於本發明的創新理念，對本文所述實施例進行的變更和修改，或利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，直接或間 接地將以上技術方案運用在其他相關的技術領域，均包括在本發明的專利保護範圍之內。
綜上所述，上述實施例，確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1:蓋板玻璃
2:發光二極體顯示器
3:光學帶通濾波器
4:光電傳感器
5:處理晶片
21:像素

Claims (8)

  1. 一種光偵測裝置，包含：自上而下依次的一蓋板玻璃、一觸控面板、一發光二極體顯示器、一光學帶通濾波器、一光電傳感器，其中，上下每相鄰的兩個元件之間彼此緊密貼合，形成一體；一處理晶片，該處理晶片位於該光電傳感器的下方，用於當該觸控面板偵測到一生理特徵部位的一觸控信號時，發送一顯示驅動信號至該發光二極體顯示器；該發光二極體顯示器包括多個可顯示的像素，該像素用於當接收到該處理晶片的該顯示驅動信號時，發出一光信號，該光信號在該蓋板玻璃的一上表面以一反射角θ發生反射，形成一反射光信號；該反射光信號經過該光學帶通濾波器，被下方的該光電傳感器接收；該光學帶通濾波器按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾，所述不符合帶通條件的光線係指所述反射角θ小於一全反射臨界角θc的反射光信號；該處理晶片用於根據該光電傳感器接收的該反射光信號生成一生理特徵識別影像信息並輸出。
  2. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中，該發光二極體顯示器的該多個像素是M×N個，該處理晶片根據一預設時序信號依次驅動顯示器上的單個像素或像素陣列發出光信 號，以在該蓋板玻璃的上表面形成光點或光點組合掃描生理特徵部位，形成該反射光信號。
  3. 如請求項1或2所述的光偵測裝置，其中，該處理晶片用於對多組單個像素或多組像素陣列發出的該光信號對應的該反射光信號，進行信號分析，重建出完整的該生理特徵識別影像信息並輸出。
  4. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中，該光電傳感器包括P×Q個像素偵測區，每一像素偵測區對應設置一像素偵測結構，每一像素偵測結構包括由一個以上薄膜電晶體所組成的一組用於一像素電路以及一光偵測單元；該光偵測單元包括一光敏二極體或一光敏電晶體。
  5. 如請求項1所述的光偵測裝置，其中，該光學帶通濾波器是由多層不同光學折射率的材料組合形成的一光學薄膜，或者是折射率呈週期性變化的一光子晶體結構器件。
  6. 一種生理特徵偵測識別方法，使用如請求項1至5任一項所述的光偵測裝置進行偵測識別，包括以下步驟：當該處理晶片偵測到該觸控面板上有該生理特徵部位的該觸控信號時，根據一預設的時序信號依次發送該顯示驅動信號至該發光二極體顯示器上的單個像素或像素陣列；該發光二極體顯示器上的所述像素接收到該處理晶片的該顯示驅動信號時發出光信號，該光信號在蓋板玻璃的上表面以一反射角θ發生反射，形成該反射光信號； 該反射光信號經過該光學帶通濾波器，被該光電傳感器接收；該光學帶通濾波器按照特定入射角選擇特定波長的光線通過，其他不符合帶通條件的光線被過濾，所述不符合帶通條件的光線係指所述反射角θ小於一全反射臨界角θc的反射光信號；該處理晶片用於對該光電傳感器針對被驅動發光之多組單個像素或多組像素陣列所接收的所有反射光信號進行信號分析，而重建出完整的該生理特徵識別影像信息並輸出。
  7. 如請求項6所述的生理特徵偵測識別方法，其中，該生理特徵部位是指具有凹凸變化紋路的一生理特徵信息。
  8. 如請求項6所述的生理特徵偵測識別方法，其中，該生理特徵部位為一指紋或一掌紋。
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