一种屏下指纹图像信息采集装置及电子设备论文和设计-杨成龙

全文摘要

本实用新型公开了一种屏下指纹图像信息采集装置及电子设备，包括光传感器，微透镜阵列，光闸层，光闸层位于微透镜阵列与光传感器之间，微透镜阵列与光闸层之间，光闸层与光传感器之间均填充有光学填充材料，微透镜阵列、光闸层、光学填充材料均集合成在光传感器的有效感应区域上。本技术方案通过在光传感器的有效感应区上集成消杂光的光闸层、光学填充层和微透镜阵列，构成其图像采集的光路系统，其中光闸层的设置，可消除杂光，阻拦干扰光线，极大减少非对应区域的反射光对采集图像信息的干扰，增大指纹图像指纹信息采集过程出现的识别区域的面积，提升客户的体验感。

主设计要求

1.一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：包括光传感器（700），微透镜阵列（400），光闸层（500），光闸层（500）位于微透镜阵列（400）与光传感器（700）之间，微透镜阵列（400）与光闸层（500）之间，光闸层（500）与光传感器（700）之间、微透镜阵列（400）与光传感器（700）之间，均填充有光学填充材料（600），微透镜阵列（400）、光闸层（500）、光学填充材料（600）构成的一体化结构集成安装在光传感器（700）的有效感应区域。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述微透镜阵列（400）呈矩形阵列排布，一个微透镜阵列（400）对应光传感器（700）上大于等于一个像素点，且微透镜阵列（400）的轴心与其对应光传感器（700）上的大于等于一个像素点的几何中心共轴。

3.根据权利要求2所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：相邻两个微透镜阵列（400）的中心距为L，8μm≤L≤64μm。

4.根据权利要求1所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述光闸层（500）位于微透镜阵列（400）与光传感器（700）之间，所述光闸层（500）由n层构成， 1≤n≤6。

5.根据权利要求4所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述光闸层（500）为黑色的吸光材料。

6.根据权利要求5所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：每个微透镜阵列（400）在每层光闸层（500）上对应一个共轴的通光孔，通光孔的通光孔径小于微透镜阵列（400）的直径。

7.根据权利要求1所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述光学填充材料（600）呈透明状，且填充在微透镜阵列（400）与光传感器（700）之间。

8.根据权利要求1所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述微透镜阵列（400）的顶点到光传感器（700）上表面的距离为h，20μm≤h≤200μm。

9.根据权利要求1所述的一种屏下指纹图像信息采集装置，其特征在于：所述光传感器（700）位于微透镜阵列（400）的焦点或焦点周围。

10.一种电子设备，其特征在于：包括由权利要求1至9任意一项所述的屏下指纹图像信息采集装置，微透镜阵列（400）的表面设有IR-Cut膜层。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及指纹图像采集技术领域，具体涉及一种屏下指纹图像信息采集装置及电子设备。

背景技术

随着OLED屏大规模在手机的应用，使得光学式屏下指纹解锁成为高端手机产品的主流指纹解锁方案。目前的OLED屏下指纹解锁方法常使用贴屏式和微距镜头方法，其中贴屏式方法是将指纹识别模组直接与OLED屏贴合为总成器件，其在生产及后续使用过程中，若OLED和指纹识别模组任一器件的损坏，均会造成总成器件的不良，不利于生产率的控制和后续的维护。使用微距镜头的屏下指纹识别度图案，为在OLED屏下设一只微距镜头，其对屏幕上表面的图像指纹信息进行采集和判断，受限于手机本身的高度和微距镜头的有效识别角度的影响，微距镜头的指纹识别图案在手机屏的识别区域很小，使得用户在使用时只是能够在很小的区域内进行，严重影响体验，且微距镜头本身存在较高大容量的结构高度，其所在的问题将影响大容量电池的手机堆叠需求。

基于上述提出的缺陷，现提供一种屏下指纹图像信息采集装置及电子设备。

实用新型内容

本实用新型提供一种屏下指纹图像信息采集装置及电子设备，针对现有OLED屏在指纹识别时出现的图像指纹信息采集的识别区域很小，严重影响体验等问题，采用在光传感器的有效感应区上设有消杂光的光闸层、光学填充材料和微透镜阵列，构成其图像采集的光路系统，且将该指纹图像采集系统应用于电子设备中，解决了现有屏幕上指纹信息采集过程出现的识别区域面积很小等技术问题。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种屏下指纹图像信息采集装置，包括光传感器，微透镜阵列，光闸层，光闸层位于微透镜阵列与光传感器之间，微透镜阵列与光闸层之间，光闸层与光传感器之间、微透镜阵列与光传感器之间，均填充有光学填充材料，微透镜阵列、光闸层、光学填充材料构成的一体化结构集成安装在光传感器的有效感应区域。

本技术方案的工作原理：指纹按在OLED屏上，OLED屏发出的光线在指纹的谷脊处产生的反射率不同；反射的光线在经屏幕上表面的垂直投影区域的有效反射后，有效反射光线经过OLED屏后，照射到与该区域对应的微透镜阵列上，微透镜阵列为由透光材料构成的曲面微透镜阵列，微透镜阵列的焦点在光传感器上表面或光传感器上表面附近，光线在经过微透镜阵列的曲面时产生折射，其折射的光线在穿过光学填充材料时，从每个光闸层的通光孔中穿过，汇聚到上光传感器上的感光区域，从而得到与该微透镜阵列对应区域的反射光线强度的灰度信息。

微透镜阵列中每个微透镜所对应屏幕上表面的反射光线均在对应光传感器上的区域得到一个灰度信息，整个光传感器所感应到的即为整个微透镜阵列区域的灰阶图像，从而完成屏上指纹图像信息的采集。

本技术方案中所述的光传感器亦称为Sensor，所述的指纹图像信息采集系统采用微纳加工技术，直接在Sensor晶元上集成加工。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述微透镜阵列呈矩形阵列排布，一个微透镜阵列对应光传感器上大于等于一个的像素点，且微透镜阵列的轴心与其对应光传感器上的大于等于一个像素点的几何中心共轴。其中，本技术方案所述的微透镜阵列的曲面形状可根据需要选择为球面或非球面，其中非球面的选择将提升光传感器的感光效果。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，相邻两个微透镜阵列的中心距为L，8μm≤L≤64μm。微透镜阵列是由多个微透镜阵列组成，每个微透镜阵列垂直对应屏幕的感应区域内反射光即为微透镜阵列对应光传感器感应到的有效光线，故在本技术方案所述的光路结构中，每个微透镜阵列垂直对应屏幕的感应区域面积是一定的，增加微透镜阵列可增加识别区域的面积。且微透镜阵列的中心距与识别面积有关，随着微透镜阵列的中心距增大，相同阵列数量的微透镜阵列对应的识别区域面积越大，相应地，微透镜阵列的中心距的减小，实现同样大小的识别区域，会增加光传感器上的像素点和其对应的微透镜阵列的数量。综合考虑，相邻两个微透镜阵列的中心距L，8μm≤L≤64μm。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述光闸层的个数为n为：1≤n≤6。即微透镜阵列与光传感器之间，设有多个光闸层，光闸层可为黑色的吸光材料，层数n的范围为1≤n≤6 ，相邻光闸层之间光闸的间距不同，光闸的间距可需要进行调整。

在微透镜阵列与光传感器之间设置的多层光闸层构成图像采集系统的消杂光机构，其作用是阻拦干扰光线，极大地减少非对应区域的反射光对图像的干扰。微透镜阵列在图像采集的同时，微透镜阵列也会接收到屏幕上其他区域反射光线，干扰光线经过微透镜阵列，在穿过光学填充材料上时被光闸层阻拦，使之不能照射到光传感器上，从而排除该干扰光线图像采集的干扰。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述光闸层为黑色的吸光材料。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，每个微透镜阵列在每层光闸层上对应一个共轴的通光孔，通光孔的孔径小于微透镜阵列的直径，通光孔的形状可为圆形或方形。通光孔的的形状为圆形时，其孔径不同，其孔径的变化优选为依次减小。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述光学填充材料呈透明状，即光闸层之间均充满了透明的光学填充材料。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述微透镜阵列的顶点到光传感器上表面的距离为h，20μm≤h≤200μm。

进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述光传感器位于微透镜阵列的焦点或焦点周围。

本实用新型还提供了一种电子设备，包括上述所述的屏下指纹图像信息采集系统，微透镜阵列的表面设有IR-Cut膜层。设置IR-Cut膜层可滤除外界传来的红外光线，避免其对光传感器采集图像的干扰。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本技术方案通过在光传感器的有效感应区域上集成消杂光的光闸层、光学填充层和微透镜阵列，构成图像采集的光路系统，其中光闸层的设置，可消除杂光，阻拦干扰光线，极大减少非对应区域的反射光对采集图像信息的干扰，增大指纹图像指纹信息采集过程出现的识别区域的面积，极大的提升了客户的体验感。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为OLED屏反射光线示意图；

图3为图1光线采集的工作示意图；

图4-1为一种微透镜阵列结构示意图；

图4-2为一种微透镜阵列结构示意图；

图4-3为一种微透镜阵列结构示意图；

图5为光闸层示意图；

图6为微透镜阵列光学示意图；

图7-1为本实用新型在屏幕指纹解锁的安放结构示意图；

图7-2为实施例2的结构示意图；

其中：100-指纹，200-OLED屏，400-微透镜阵列，500-光闸层，600-光学填充材料，700-光传感器，2010-发光阵列，299-指纹识别感应区域，801-手机按键，802-手机相关传感器，900-光闸、填充光学材料的总成，710-FPC线缆，720-补强钢板。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

其中：图2中2010表示微透镜阵列的发光阵列，201a表示OLED发出的光线经屏幕上表面的反射光线a，201b表示OLED发出的光线经屏幕上表面的反射光线b；

图3中，101表示谷脊，2011表示反射光线一，2012表示反射光线二，2013表示反射光线三，2014表示反射光线四，反射光线一，反射光线二，反射光线三，反射光线四均为相同的反射光线；2018表示干扰光线一，2019表示干扰光线二；401表示第一微透镜阵列，402表示第二微透镜阵列，第一微透镜阵列和第二微透镜阵列处于相邻位置，且第一微透镜阵列和第二微透镜阵列为相同结构；210表示微透镜阵列上的第一识别区，220表示微透镜阵列上的第二识别区，第一识别区和第二识别区的结构相同；701表示光传感上的第一感应区，702为光传感器的第二感应区，第一感应区和第二感应区的结构相同。

图4-1、图4-2，图4-3中，410，420，430分别对应表示微透镜阵列的一种阵列排布方式。

图5中，510为圆形通光孔光闸，520为矩形通光径光闸。

实施例1：

如图1至图6所示，一种屏下指纹图像信息采集装置，包括光传感器700，微透镜阵列400，光闸层500，光闸层500位于微透镜阵列400与光传感器700之间，微透镜阵列400与光闸层500之间，光闸层500与光传感器700之间、微透镜阵列400与光传感器700之间，均填充有光学填充材料600，微透镜阵列400、光闸层500、光学填充材料600构成的一体化结构集成安装在光传感器700的有效感应区域。

本实施例中采用微纳加工技术将微透镜阵列400、光学填充材料600、光闸层500集成在光传感器 700的感应区域上，使用微透镜阵列将其正前方对应区域图像的明暗信息传递到光传感器上进行采集，其步骤为先在光学仿真软件Zemax上进行微透镜阵列仿真，如图6所示，微透镜阵列对应屏幕上表面的反射光线Light照射到微透镜阵列 400上，通过设计微透镜阵列曲面的形状，使之在穿过微透镜阵列 400、光学填充材料600和光闸层500后，照射到光传感器700感应区域上，即光传感器700设置在微透镜阵列400的焦点或焦点周围。

其中，所述微透镜阵列400呈矩形阵列排布，一个微透镜阵列400对应光传感器700上大于等于一个的像素点，且微透镜阵列400的轴心与其对应光传感器700上的大于等于一个像素点的几何中心共轴。

其中，呈矩形阵列排布的微透镜阵列400，相邻两个微透镜阵列400的中心距为L，8μm≤L≤64μm。

其中，所述光闸层500由 n层构成，1≤n≤6，光闸层500为黑色的吸光材料，比如，具体的图像采集系统中，光闸层500的层数为5层，厚度为1μm，光闸层中光闸之间间距为20μm。

其中，每个微透镜阵列400在每层光闸层500上对应一个共轴的通光孔，通光孔径小于微透镜阵列400的直径。通光孔的形状可根据需要为圆形、矩形、多边形等形状，通光孔的口径变化趋势与光线经过微透镜阵列400后汇聚的趋势一致，从上往下依次减小，本实施例中每个微透镜阵列400对应的通光孔均为矩形形状。微透镜阵列400阵列排布如图4-1，图4-2，图4-3所示。

其中，所述光学填充材料600 呈透明状。所述微透镜阵列400的顶点到光传感器700上表面的距离h为：20μm≤h≤200μm。

本实施例所述指纹图像信息采集系统主要应用于OLED屏200下，其采集图片是所使用的光线示意如图2所示，OLED屏200中的发光阵列2010发出的光线201a、201b，在屏幕上表面反射后被收集和利用。

具体工作原理为：系统对图像采集的光路示意图如图3所示，指纹100按在OLED屏200上时，OLED发出的光线在指纹的谷脊101处反射率不同从而造成反射光线强度存在差异。任意一个第一微透镜阵列 401在屏幕上表面的垂直投影区域第一识别区210的有效的反射光线一2011、反射光线二2012经过OLED屏后，照射到与该区域对应的第一微透镜阵列401上，第一微透镜阵列 401的焦点在光传感器上表面或光传感器上表面附近，反射光线一2011、反射光线二2012在经过微透镜阵列的曲面时产生折射，其折射的光线在穿过光学填充材料600时，从每个光闸层500的通光孔穿过，汇聚到光传感器上的感光区域第一感应区701，从而得到与该微透镜阵列对应区域的反射光线强度的灰度信息。

第二微透镜阵列 402工作方式与第一微透镜阵列 401的工作方式相同，从而构成了整个微透镜阵列 400对所有识别区域的图像光强信息的采集。在微透镜阵列 400与光传感器 700之间的多个光闸层500构成图像采集系统的消杂光机构，其作用是阻拦干扰光线，极大地减少非对应区域的反射光对图像的干扰。

第二微透镜阵列 402的工作方式为：在第二微透镜阵列 402在图像采集的同时，微透镜阵列会接收屏幕上其他区域反射光线如干扰光线一2018，干扰光线一2018经过第二微透镜阵列 402后，在穿过光学填充材料600上时被光闸层500阻拦，使之不能照射到光传感器的第二感应区 702上，从而排除该干扰光线对光传感器第二感应区702图像采集的干扰，干扰光线二2019的排除方法相同。

实施例2：

一种电子设备，如图7-1，图7-2所示，包括实施例1所述的屏下指纹图像信息采集系统，微透镜阵列400的表面设有IR-Cut膜层。IR-Cut膜层可滤除外界传来的红外光线，防止外界红外信息对光传感器采集图像的干扰。指纹采集系统应用于指纹识别设备中，整个指纹图像采集系统安装在手机OLED屏200下，当手指按在屏幕上方的指纹识别感应区时，在光传感器上采集到的图像即为该指纹的灰阶图像，并将该灰阶图像提供给指纹识别设备进行分析处理和判断。

下面对图7中电子设备的具体结构说明如下：具体结构包括指纹识别感应区域299，手机按键801，手机相关传感器802，光闸、填充光学材料的总成900， FPC线缆710，补强钢板720，OLED屏200，微透镜阵列400，光传感器700，其中，指纹识别感应区域299，手机按键801，手机相关传感器802，光闸、填充光学材料的总成900， FPC线缆710，补强钢板720，OLED屏200结构之间的位置关系及其工作原理为本领域技术人员所公知，不再详述。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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