感光像元、圖像采集器、指紋采集設(shè)備及顯示設(shè)備的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型實(shí)施例公開了一種感光像元、圖像采集器、指紋采集設(shè)備及支持采集功能的顯示設(shè)備。感光像元包括容置光電轉(zhuǎn)換單元的腔體，腔體上方覆蓋開有透光小孔的阻光膜，在阻光膜的上方依次設(shè)有透明介質(zhì)層和微透鏡。微透鏡、透明介質(zhì)層及透光小孔使感光像元具有限定視場(chǎng)角的物方視場(chǎng)，物方視場(chǎng)內(nèi)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在阻光膜的透光小孔內(nèi)；位于物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在透光小孔之外。本申請(qǐng)中阻光膜上的小孔和微透鏡對(duì)入射光路進(jìn)行約束，使感光像元具有窄視場(chǎng)，基于窄視場(chǎng)感光像元的圖像采集器可不再依附透鏡系統(tǒng)或者小孔成像系統(tǒng)來(lái)約束入射光路，使圖像采集設(shè)備能夠獲取清晰圖像的同時(shí)，其厚度變薄成為可能，方便與其他設(shè)備的集成。
【專利說(shuō)明】
感光像元、圖像采集器、指紋采集設(shè)備及顯示設(shè)備
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及圖像采集技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有窄視場(chǎng)角的感光像元及使用該感光像元的圖像采集器及光學(xué)指紋采集設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]圖像采集器中用于接收光信號(hào)的最小單位為感光像元，圖像采集器中通常設(shè)置若干感光像元。市面上圖像采集器使用的感光像元都具有較寬的視場(chǎng)角。感光像元的視場(chǎng)角是指感光像元能響應(yīng)的不同方向的入射光線所形成的最大角度。圖1示出了現(xiàn)有圖像采集器中感光像元視場(chǎng)角的示意圖。如圖1所示，現(xiàn)有圖像采集器上感光像元01的視場(chǎng)角接近180度，即入射光線02之間的最大夾角接近180度。
[0003]使用現(xiàn)有圖像采集器直接進(jìn)行成像時(shí)，視場(chǎng)角較大，往往得到的圖像不清晰。該種情況下，需要使用透鏡系統(tǒng)或者小孔成像系統(tǒng)來(lái)約束入射光路，使每個(gè)感光像元只對(duì)物方視場(chǎng)內(nèi)某個(gè)特定角度的光線產(chǎn)生響應(yīng)，從而獲得清晰的圖像。
[0004]由于透鏡系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)的使用，使得現(xiàn)有圖像采集設(shè)備通常具有較厚的厚度。對(duì)于現(xiàn)有電子設(shè)備日趨超薄的形式與要求下，具有較厚厚度的圖像采集設(shè)備便不能滿足生產(chǎn)商的要求，因此有必要提供一種具有窄視場(chǎng)的、且能夠滿足生產(chǎn)商厚度超薄的生產(chǎn)要求，又能夠獲得清晰圖像的圖像采集設(shè)備。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于提供一種具有窄視場(chǎng)的、且能夠滿足生產(chǎn)商厚度超薄的生產(chǎn)要求，又能夠獲得清晰圖像的圖像采集設(shè)備，以及使用該圖像采集器的圖像采集器、指紋采集設(shè)備以及具有指紋采集功能的顯示屏等。
[0006]根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供一種感光像元，包括容置光電轉(zhuǎn)換單元的腔體，在所述腔體的上方覆蓋開有透光小孔的阻光膜，在所述阻光膜的上方由下而上依次設(shè)有透明介質(zhì)層和微透鏡；
[0007]位于所述感光像元上方設(shè)定區(qū)域的物面，其像面落在所述阻光膜所在平面上;所述微透鏡、透明介質(zhì)層及透光小孔使所述感光像元在所述設(shè)定區(qū)域的物面上具有限定視場(chǎng)角的物方視場(chǎng);所述物方視場(chǎng)內(nèi)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在所述阻光膜的透光小孔內(nèi)；位于所述物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在所述透光小孔之外。
[0008]優(yōu)選地，所述微透鏡為曲面凸透鏡。
[0009]作為優(yōu)選方案之一，所述透光小孔與所述微透鏡的中心連線與所述阻光膜的上表面垂直。
[0010]作為另一優(yōu)選方案，所述透光小孔與所述微透鏡的中心連線與所述阻光膜的上表面不垂直。
[0011]優(yōu)選地，所述物方視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角小于10度。
[0012]其中，所述阻光膜為不透光材料制作的薄膜，所述阻光膜的厚度小于lOOum。
[0013]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，還提供了一種圖像采集器，包括若干如上所述的感光像元，若干所述感光像元陣列排布，在若干所述感光像元的上方由下而上依次設(shè)有低折射率層和透明蓋板。
[0014]每個(gè)所述感光像元在透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在所述阻光膜的透光小孔內(nèi)；物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在所述透光小孔之外；
[0015]其中，每個(gè)感光像元的物方視場(chǎng)的視場(chǎng)角為:a= 2arctan(robject/h)，其中，rQbject為所述感光像元在所述透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的半徑，h為所述透明蓋板上表面至所述透光小孔中心的高度。
[0016]根據(jù)本實(shí)用新型的再一方面，還提供了一種指紋采集設(shè)備，包括如上所述的圖像米集器。
[0017]根據(jù)本實(shí)用新型的又一方面，還提供了一種支持指紋采集功能的顯示設(shè)備，包括若干顯像像元，在所述顯示像元之間設(shè)置如上所述的感光像元。
[0018]由以上技術(shù)方案可知，本申請(qǐng)中的感光像元集成了透明介質(zhì)層和微透鏡，通過阻光膜上的小孔和微透鏡，感光像元本身即可對(duì)入射光路進(jìn)行約束，使感光像元具有視場(chǎng)角較小的窄視場(chǎng)，從而使采用該種感光像元的圖像采集器可以不再依附于透鏡系統(tǒng)或者小孔成像系統(tǒng)來(lái)約束入射光路，使得圖像采集器的厚度變薄，同時(shí)還能夠使圖像采集器能夠采集到清晰的圖像。
【附圖說(shuō)明】
[0019]為了更清楚地說(shuō)明本實(shí)用新型實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實(shí)用新型的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0020]圖1示出了現(xiàn)有圖像采集器中感光像元視場(chǎng)角的示意圖；
[0021 ]圖2為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的感光像元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例示出的感光像元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖4為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的圖像采集器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]圖5示出了一具體實(shí)施例中圖像采集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖；
[0025]圖6為根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例示出的圖像采集器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖7為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的支持指紋采集功能的顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0028]圖2為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的感光像元的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，一種感光像元，包括容置光電轉(zhuǎn)換單元的腔體1，在腔體I的上方覆蓋開有透光小孔2的阻光膜3，在阻光膜3的上方由下而上依次設(shè)有透明介質(zhì)層4和微透鏡5。優(yōu)選地，本申請(qǐng)中的微透鏡5為曲面凸透鏡。透光小孔2與微透鏡5的中心連線與阻光膜3的上表面垂直，從而物方視場(chǎng)中心在感光像元的中心法線上(即該種情況為正物方視場(chǎng))。優(yōu)選地，阻光膜3為不透光材料制作的薄膜，且阻光膜3的厚度小于10um0
[0029]位于感光像元上方設(shè)定區(qū)域的物面，其像面落在阻光膜所在平面上。通過透光小孔2、微透鏡5和透明介質(zhì)層4的結(jié)構(gòu)，可對(duì)本申請(qǐng)中的感光像元的視場(chǎng)角進(jìn)行限定。視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)6 ο作為各實(shí)施例中的優(yōu)選實(shí)施例，本實(shí)施例中感光像元的視場(chǎng)角小于1度。限定視場(chǎng)角的物方視場(chǎng)6內(nèi)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在阻光膜3的透光小孔2內(nèi)；位于物方視場(chǎng)6外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在透光小孔2之外。本申請(qǐng)中感光像元的物方視場(chǎng)可稱為窄物方視場(chǎng)。
[0030]需要說(shuō)明的是，感光像元的視場(chǎng)角小于10度只是示例性的，本技術(shù)領(lǐng)域人員可根據(jù)生產(chǎn)需求通過調(diào)整微透鏡的焦距、透明介質(zhì)層的厚度和透光小孔的孔徑，以得到對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角。
[0031 ]下面對(duì)本實(shí)施例中感光像元的工作原理進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0032]本實(shí)施通過透光小孔、微透鏡和透明介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)對(duì)本申請(qǐng)中的感光像元的視場(chǎng)角進(jìn)行限定，在限定的物方視場(chǎng)內(nèi)對(duì)應(yīng)物點(diǎn)的像點(diǎn)或像斑的主要部分落在阻光膜3的透光小孔2內(nèi)，從而使物方視場(chǎng)內(nèi)物點(diǎn)發(fā)出的光線通過小孔進(jìn)入腔體I內(nèi)，相應(yīng)地，光電轉(zhuǎn)換單元能夠接收較高強(qiáng)度的光線，從而使物方視場(chǎng)內(nèi)的圖像能夠清晰成像。由于位于物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑的主要部分落在透光小孔2之外，從而光電轉(zhuǎn)換單元不能感受或只能以低強(qiáng)度感受到物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)發(fā)出的光線，則物方視場(chǎng)外的圖像便不能被獲取或者獲取的部分不會(huì)影響物方視場(chǎng)內(nèi)的光線在光電轉(zhuǎn)換單元上的成像。
[0033]與市面上圖像采集器使用的感光像元相比，本實(shí)施例在感光像元上集成了較厚的透明介質(zhì)層4和微透鏡5，并通過阻光膜3上的小孔和微透鏡5，感光像元本身即可對(duì)入射光路進(jìn)行約束，使感光像元具有視場(chǎng)角較小的窄視場(chǎng)，從而使采用該種感光像元的圖像采集器可以不再依附于透鏡系統(tǒng)或者小孔成像系統(tǒng)來(lái)約束入射光路，同時(shí)還能夠使圖像采集器能夠采集到清晰的圖像。雖然市面上亦有圖像傳感器上設(shè)置微透鏡等，但其目的是為了增加斜射時(shí)的進(jìn)光量，與本申請(qǐng)中能夠?qū)崿F(xiàn)感光像元具有窄視場(chǎng)的目的和實(shí)現(xiàn)方法具有本質(zhì)不同。
[0034]圖3為根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例示出的感光像元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3所示感光像元的結(jié)構(gòu)與圖2所示感光像元的結(jié)構(gòu)相似，其不同之處在于透光小孔2與微透鏡5的中心連線7與阻光膜3的上表面不垂直，即透光小孔2與微透鏡5的中心連線相對(duì)于阻光膜3的上表面傾斜設(shè)置，從而物方視場(chǎng)中心不在感光像元的中心法線上(即該種情況為斜物方視場(chǎng))。同樣，由透光小孔2、微透鏡5和透明介質(zhì)層4限定的斜物方視場(chǎng)6內(nèi)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在阻光膜3的透光小孔2內(nèi)；位于斜物方視場(chǎng)6外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在透光小孔2之外。作為各實(shí)施例中的優(yōu)選實(shí)施例，本申請(qǐng)中的斜物方視場(chǎng)6對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角小于10度。本申請(qǐng)對(duì)于透光小孔2與微透鏡5的中心連線與阻光膜3上表面之間的夾角角度不做具體限定，本領(lǐng)域工作人員可根據(jù)生產(chǎn)需求自行設(shè)定透光小孔2與微透鏡5的中心連線與阻光膜3上表面之間的夾角。
[0035]圖3所示感光像元的工作原理與圖2所示感光像元的工作原理相同，此處不再贅述。
[0036]圖4為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的圖像采集器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，圖像采集器包括若干如圖2或圖3所示的感光像元。若干感光像元陣列排布并一體成型。在若干感光像元的上方由下而上依次設(shè)有低折射率層8和透明蓋板9。
[0037]圖像采集中，每個(gè)感光像元在透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)10的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在阻光膜3的透光小孔2內(nèi)。物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在透光小孔2之外。每個(gè)感光像元的物方視場(chǎng)的視場(chǎng)角為:a = 2arctan(rQbject/h)，其中，rQbject為感光像元在透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的半徑，h為透明蓋板上表面至透光小孔2中心的高度。
[0038]下面通過一個(gè)典型的實(shí)施例來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明具有窄物方視場(chǎng)感光像元的圖像采集器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖5示出了一具體實(shí)施例中圖像采集器的結(jié)構(gòu)參數(shù)圖。如圖5所示，透明蓋板的厚度為1.0mm，折射率為1.52。低折射率層的厚度(透明蓋板下表面至微透鏡層頂點(diǎn))為5um，低折射率層為空氣或真空，折射率為1.0。透明介質(zhì)層的折射率為1.46，厚度為16um(含微透鏡的厚度，16um為微透鏡頂點(diǎn)至阻光膜上表面的厚度)。阻光膜的厚度為500nm，采用不透光金屬材料制作。小孔采用直徑為500nm的圓孔，光學(xué)刻蝕制作，小孔中心與感光像素的中心對(duì)齊。感光像素為方形，邊長(zhǎng)為5.86um。微透鏡為半徑為5um的球面凸透鏡，透鏡中心與感光像素中心對(duì)齊。
[0039]根據(jù)計(jì)算及模擬結(jié)果，此窄視場(chǎng)感光像素的物方視場(chǎng)的直徑(透明蓋板的上表面)為30um，則感光像元在透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的半徑為15um，由圖中參數(shù)可知，h=1000+5+16 = 1021um，利用公式:a = 2arctan(robject/h)，即可計(jì)算得出圖像采集器的視場(chǎng)角為1.68度。
[0040]在滿足上述視場(chǎng)角的物方視場(chǎng)內(nèi)的光線，通過透明蓋板、低折射率層、微透鏡5、透明介質(zhì)層4和透光小孔2的約束，可對(duì)入射光線進(jìn)行約束，從而使圖像采集裝置中每個(gè)感光像元的光電轉(zhuǎn)換單元接收到的光線的強(qiáng)度最大，從而形成清晰的圖像，同時(shí)由于感光像元中集成了透明介質(zhì)層4和微透鏡5，從而使圖像采集器的厚度能夠向超薄型發(fā)展。
[0041]圖6為根據(jù)另一優(yōu)選實(shí)施例示出的圖像采集器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6中的圖像采集器與圖4所示的圖像采集器結(jié)構(gòu)相似，其不同之處在于采用具有斜物方視場(chǎng)的感光像元。在一些情況下，例如對(duì)指紋圖像的采集，由于指紋表面的溝壑結(jié)構(gòu)，具有斜物方視場(chǎng)感光像元的圖像采集器能夠得到更為清晰的圖像，并較少收到雜散環(huán)境光的干擾。
[0042]圖6所示圖像采集器的工作原理與圖4所示圖像采集器的工作原理相同，此處不再贅述。
[0043]根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，還提供了一種指紋采集設(shè)備，其包括如上所述的不同實(shí)施例的圖像采集器。
[0044]根據(jù)本實(shí)用新型的再一方面，還提供了一種支持指紋采集功能的顯示設(shè)備。圖7為根據(jù)一優(yōu)選實(shí)施例示出的支持指紋采集功能的顯示設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖7所示，顯示設(shè)備包括若干顯像像元601和顯示面板602，在顯示像元601之間還設(shè)置有如上所述具有設(shè)定視場(chǎng)角的感光像元603。該實(shí)施種的感光像元603的視場(chǎng)角具有較窄的物方視場(chǎng)。感光像元陣列排布，具有窄物方視場(chǎng)的感光像元602能夠?qū)嘤≡陲@示面板上的指紋獲得清晰的指紋圖像。相反，如果感光像元的物方視場(chǎng)比較寬(又可稱為寬物方視場(chǎng))，則相鄰感光像元的物方視場(chǎng)會(huì)有大幅度的重疊，其輸出圖像是模糊不清的，如圖7所示。
[0045]由以上技術(shù)方案可知，本申請(qǐng)中感光像元上集成了透明介質(zhì)層4和微透鏡5，通過阻光膜3上的小孔和微透鏡5，感光像元本身即可對(duì)入射光路進(jìn)行約束，使感光像元具有視場(chǎng)角較小的窄視場(chǎng)，從而使采用該種感光像元的圖像采集器可以不再依附于透鏡系統(tǒng)或者小孔成像系統(tǒng)來(lái)約束入射光路，使得圖像采集器的厚度變薄，同時(shí)還能夠使圖像采集器能夠采集到清晰的圖像。
[0046]本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮說(shuō)明書及實(shí)踐這里公開的實(shí)用新型后，將容易想到本實(shí)用新型的其它實(shí)施方案。本申請(qǐng)旨在涵蓋本實(shí)用新型的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本實(shí)用新型的一般性原理并包括本公開未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識(shí)或慣用技術(shù)手段。說(shuō)明書和實(shí)施例僅被視為示例性的，本實(shí)用新型的真正范圍和精神由下面的權(quán)利要求指出。
[0047]應(yīng)當(dāng)理解的是，本實(shí)用新型并不局限于上面已經(jīng)描述并在附圖中示出的精確方法，并且可以在不脫離其范圍進(jìn)行各種修改和改變。本實(shí)用新型的范圍僅由所附的權(quán)利要求來(lái)限制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種感光像元，包括容置光電轉(zhuǎn)換單元的腔體，其特征在于，在所述腔體的上方覆蓋開有透光小孔的阻光膜，在所述阻光膜的上方由下而上依次設(shè)有透明介質(zhì)層和微透鏡； 位于所述感光像元上方設(shè)定區(qū)域的物面，其像面落在所述阻光膜所在平面上;所述微透鏡、透明介質(zhì)層及透光小孔使所述感光像元在所述設(shè)定區(qū)域的物面上具有限定視場(chǎng)角的物方視場(chǎng);所述物方視場(chǎng)內(nèi)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在所述阻光膜的透光小孔內(nèi)；位于所述物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)或像斑落在所述透光小孔之外。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感光像元，其特征在于，所述微透鏡為曲面凸透鏡。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感光像元，其特征在于，所述透光小孔與所述微透鏡的中心連線與所述阻光膜的上表面垂直。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的感光像元，其特征在于，所述透光小孔與所述微透鏡的中心連線與所述阻光膜的上表面不垂直。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一所述的感光像元，其特征在于，所述物方視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角小于10度。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的感光像元，其特征在于，所述阻光膜為不透光材料制作的薄膜，所述阻光膜的厚度小于10um07.—種圖像采集器，其特征在于，包括若干如權(quán)利要求1至6中任一所述的感光像元，若干所述感光像元陣列排布，在若干所述感光像元的上方由下而上依次設(shè)有低折射率層和透明蓋板； 每個(gè)所述感光像元在透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在所述阻光膜的透光小孔內(nèi)；物方視場(chǎng)外的物點(diǎn)，其像點(diǎn)落在所述透光小孔之外。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的圖像采集器，其特征在于，每個(gè)感光像元的物方視場(chǎng)的視場(chǎng)角^:a = 2arctan(r0bject/h)，其中，為所述感光像元在所述透明蓋板上表面對(duì)應(yīng)的物方視場(chǎng)的半徑，h為所述透明蓋板上表面至所述透光小孔中心的高度。9.一種指紋采集設(shè)備，其特征在于，包括如權(quán)利要求7或8中所述的圖像采集器。10.一種支持指紋采集功能的顯示設(shè)備，包括若干顯像像元，其特征在于，在所述顯示像元之間設(shè)置如權(quán)利要求1?6中任一所述的感光像元。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK205665716SQ201620485742
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】張明方, 鈕興昱
【申請(qǐng)人】深圳印象認(rèn)知技術(shù)有限公司