指纹识别模块、电子设备和芯片的制作方法

本公开涉及指纹信号处理技术，尤其涉及一种可提取指纹信号的指纹信号处理电路及其相关的电子设备及芯片和指纹信号处理方法。

背景技术：

通过屏下指纹(in-displayfingerprint)技术，指纹传感电路可以直接集成在手机屏幕的下方，无需额外设置在手机屏幕以外的区域，从而提高空间的利用率。为了提供给用户较大的指纹识别区域，通常会增加指纹传感电路中像素阵列(或称作指纹传感阵列)的尺寸。然而，一旦像素阵列的尺寸增加，整个光学识别系统的厚度(例如，镜头总长(totaltracklength，ttl))也会随之增加，导致指纹传感模块的厚度增加，不仅减少了可供电池设置的空间，还降低了指纹传感电路获得的信号中可用于指纹识别的信号(即，有效信号)的占比。

因此，需要一种创新的指纹识别方案，其可采用厚度较薄的指纹识别模块，并提供大面积的指纹识别区域。

技术实现要素：

本公开的目的之一在于提供一种具有多个指纹传感阵列的屏下光学指纹识别模块及其相关的电子设备及芯片，来解决上述问题。

本公开的一实施例提供了一种指纹识别模块。所述指纹识别模块设置在显示屏的下方。所述指纹识别模块包括n个透镜单元以及指纹传感电路，其中n是大于1的正整数。所述n个透镜单元分开设置在所述显示屏的下方。所述指纹传感电路具有n个指纹传感阵列，所述n个指纹传感阵列分别对应所述n个透镜单元的n个镜心区域设置在所述n个透镜单元的下方，其中各指纹传感阵列用以传感从所述指纹传感阵列相应的透镜单元的镜心区域入射到所述指纹传感阵列的反射信号，所述反射信号是由所述显示屏上方的物体反射光信号而产生。

本公开的一实施例提供了一种电子设备。所述电子设备包括显示屏以及指纹识别模块。所述指纹识别模块设置在所述显示屏的下方，用以识别所述显示屏上方的物体携带的指纹信息。所述指纹识别模块包括n个透镜单元以及指纹传感电路，其中n是大于1的正整数。所述n个透镜单元分开设置在所述显示屏的下方。所述指纹传感电路具有n个指纹传感阵列，所述n个指纹传感阵列分别对应所述n个透镜单元的n个镜心区域设置在所述n个透镜单元的下方，其中各指纹传感阵列用以传感从所述指纹传感阵列相应的透镜单元的镜心区域入射到所述指纹传感阵列的反射信号，所述反射信号是由所述显示屏上方的物体反射光信号而产生。

本公开的一实施例提供了一种芯片。所述芯片包括上述的指纹识别模块。

本申请所公开的具有多个指纹传感阵列的屏下光学指纹识别模块及其相关的电子设备及芯片能提供更大的视野范围及指纹识别区域，并提高有效指纹信号的比例及信号质量。

附图说明

图1是本公开电子设备的一实施例的功能方框示意图。

图2是图1所示的电子设备的一具体实施方式的截面示意图。

图3是图2所示的多个透镜单元相对应的成像圈的一实施例的示意图。

图4是图1所示的电子设备的一具体实施方式的电路方框俯视图。

图5是图4所示的指纹传感阵列和模拟前端电路各自包括的晶体管的设置方式的一实施例的俯视图。

其中，附图标记说明如下：

100、400电子设备

110显示屏

120、420指纹识别模块

122_1-122_n透镜单元

124指纹传感电路

126_1-126_n指纹传感阵列

127驱动电路

128处理电路

212盖板玻璃

214屏结构

216显示模块

218透光孔结构

416显示像素阵列

421控制器

422_1、422_2行扫描电路

424_1、424_2模拟前端电路

426_1、426_2数模转换器

428缓存电路

pf指纹传感像素

pd显示像素

oc_1、oc_2光学中心轴

sr_1-sr_n传感输出

da指纹识别区域

lc_1-lc_n镜心区域

f手指

fv1第一视野范围

fv2第二视野范围

fv视野范围

ol重叠视野范围

ct1、ct2中心位置

ds距离

ls光信号

lr1第一反射信号

lr2第二反射信号

c1、c2成像圈

i1、i2图像

co重叠区域

d1、d1’第一方向

d1、d2’第二方向

ag预定夹角

m1、m2晶体管

g1、g2栅极

s1、s2源极

d1、d2漏极

具体实施方式

在说明书及之前的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域的技术人员应可理解，制造商可能会用不同的名词来称呼同样的组件。本说明书及之前的权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的基准。在通篇说明书及之前的权利要求书当中所提及的“包含”为一开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此包含任何直接和间接的电连接手段。因此，若文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表所述第一装置可直接电连接于所述第二装置，或通过其它装置或连接手段间接地电连接到所述第二装置。

图1是本公开电子设备的一实施例的功能方框示意图。电子设备100可由具有指纹识别功能的电子设备来实施，例如手机、平版电脑、笔记本电脑、具有指纹识别功能的可穿戴设备、具有指纹识别功能的便携式计算，或其他具有指纹识别功能的电子设备。值得注意的是，本公开所称的“指纹”可表示指纹、掌纹或其他具有生物表征的部位的纹路。

在此实施例中，电子设备100包括(但不限于)一显示屏110以及一指纹识别模块120。指纹识别模块120设置在显示屏的下方。用以识别显示屏100上方的物体(例如手指；图未示)携带的指纹信息。例如，显示屏100可发送光信号，指纹识别模块120可根据所述物体反射所述光信号而产生的反射信号进行指纹识别。

指纹识别模块120可包括(但不限于)n个透镜单元122_1-122_n以及一指纹传感电路124，其中n是大于1的正整数。n个透镜单元122_1-122_n分开设置在显示屏100的下方，使指纹传感电路124可从n个透镜单元122_1-122_n各自的镜心区域(即，光学中心轴附近的区域)接收受到所述物体反射而产生的反射信号。举例来说，指纹传感电路124可具有n个指纹传感阵列126_1-126_n，其中n个指纹传感阵列126_1-126_n分别对应n个透镜单元122_1-122_n的n个镜心区域lc_1-lc_n设置在n个透镜单元122_1-122_n的下方。也就是说，各透镜单元的光学中心轴通过相应的指纹传感阵列的位置与所述指纹传感阵列的中心位置两者之间的距离可小于或等于一预定距离。以透镜单元122_1为例，透镜单元122_1的光学中心轴通过指纹传感阵列126_1的位置与指纹传感阵列126_1的中心位置两者之间的距离可小于或等于所述预定距离。这样，各指纹传感阵列可根据显示屏110上方的所述物体的触摸输入，传感从相应的透镜单元的镜心区域入射到所述指纹传感阵列的反射信号，以产生传感输出(即多个传感输出sr_1-sr_n其中的一个)。

在此实施例中，指纹传感电路124还可包括一驱动电路127以及一处理电路128。驱动电路127耦接于n个指纹传感阵列126_1-126_n，用以启用各指纹传感阵列中的指纹传感像素。例如，各指纹传感阵列可包括排列为多行与多列的多个指纹传感像素。驱动电路127可包括n个行扫描电路(图未示)，所述n个行扫描电路分别耦接到n个指纹传感阵列126_1-126_n，其中各个行扫描电路用以驱动相应的指纹传感阵列所具有的多行指纹传感像素。

处理电路128耦接于n个指纹传感阵列126_1-126_n，用以对n个指纹传感阵列126_1-126_n各自产生的传感输出进行相关的信号处理(例如，降噪处理、模拟数字转换操作和/或数字图像处理)，从而识别指纹信息。

值得注意的是，在某些实施例中，n个镜心区域lc_1-lc_n的n个视野范围可涵盖显示屏110上的指纹识别区域da。也就是说，位于指纹识别区域da内的指纹信息，均可通过透镜单元的镜心区域传递到指纹传感电路120。由于透镜单元的中心视场的照度大于边缘视场的照度，因此，本公开所提出的光学指纹识别方案通过增加多个指纹传感阵列及多个镜心区域来增加整体的视野范围(或视场角)，而不是增加单一指纹传感阵列及透镜的尺寸，不仅可在采用较薄的指纹识别模块的情形下实现大范围的指纹识别区域，并可具有良好的调制传递函数(modulationtransferfunction，mtf)值。进一步的说明如下。

图2是图1所示的电子设备100的一具体实施方式的截面示意图。为简洁起见，以下以两个相邻的指纹传感阵列126_1和126_2(即n等于2)来说明图1所示的指纹识别模块120的细节。然而，本领域的技术人员在阅读本公开的内容之后，应可理解图1所示的n个指纹传感阵列126_1-126_n中的任两个指纹传感阵列及相应的透镜单元所涉及的结构(即n大于2的情形)均可采用图2所示的结构来实施。

在此实施例中，透镜单元122_1的镜心区域lc_1(在光学中心轴oc_1附近的区域)具有第一视野范围fv1，透镜单元122_2的镜心区域lc_2(在光学中心轴oc_2附近的区域)具有第二视野范围fv2，其中第一视野范围fv1和第二视野范围fv2可拼合成更大的视野范围fv，相当于指纹识别模块120具有更大的视场角，故可实现大面积的指纹识别区域。在某些实施例中，透镜单元122_1与透镜单元122_2其中的至少一个透镜单元可以是各种类型的薄透镜，例如凸透镜、单透镜或复合透镜，减少光学识别系统的厚度。这样，指纹识别模块120不仅可具有较薄的厚度，并可提供大面积的指纹识别区域。

此外，由于第一视野范围fv1和第二视野范围fv2分别对应于透镜单元122_1的镜心区域lc_1和透镜单元122_2的镜心区域lc_2，因此，视野范围fv内的成像会具有良好的照度。即使背景光信号具有较大的强度，指纹传感电路124仍可从所接收的信号中侦测出携带指纹信息的反射信号。

举例来说，显示屏110可包括(但不限于)一盖板玻璃212及一屏结构214(例如显示屏结构或显示触摸屏结构)。屏结构214可包括一显示模块216以及一透光孔结构218。显示模块216包括一发光单元(例如有机发光二极管(organiclight-emittingdiode，oled)；图未示)以及一显示像素阵列(图未示)。所述发光单元用以产生一光信号ls。所述显示像素阵列具有排列成多行与多列的显示像素(图未示)。透光孔结构218具有多个透光孔，并允许第一反射信号lr1/第二反射信号lr2(手指f反射光信号ls而产生)通过显示屏110到达透镜单元122_1/122_2。由于镜心区域lc_1的第一视野范围fv1和镜心区域lc_2的第二视野范围fv2可涵盖显示屏110上的指纹识别区域da，因此，在指纹识别区域da内所采集的指纹图像均可具有良好的照度。即使背景光信号具有较大的强度，指纹传感电路124仍可从所接收的信号(携带背景光信号)中侦测出携带指纹信息的第一反射信号lr1/第二反射信号lr2。

此外，由于视野范围fv是由多个镜心区域各自的视野范围所形成，因此，反射信号lr1/lr2可基于较小的入射角度从视野范围fv内入射到透镜单元122_1/122_2。这样，可减少第一反射信号lr1/第二反射信号lr2以大角度入射到透镜单元122_1/122_2的情形。进一步来说，受到显示屏110中屏幕偏振片的影响，以大角度入射到透镜单元122_1/122_2的反射光会被大幅衰减。因此，采用多个镜心区域各自的视野范围来形成较大的视野范围可提高以小角度入射到透镜单元122_1/122_2的反射光成分，从而提高有效信号的比例。

在此实施例中(但本公开不限于此)，指纹传感阵列126_1与指纹传感阵列126_2之间的距离ds(以指纹传感阵列126_1与指纹传感阵列126_2各自的中心位置ct1与ct2之间的距离来表示)可小于或等于一预定距离，使第一视野范围fv1与第二视野范围fv2之间可具有一重叠视野范围ol。因此，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2均可采集位于重叠视野范围ol的指纹信息。

请连同图2参阅图3。图3是图2所示的透镜单元122_1和透镜单元122_2相对应的成像圈(imagecircle)c1和c2的一实施例的示意图。对应于透镜单元122_1的图像i1成像于成像圈c1内，其中成像圈c1对应于第一视野范围fv1。对应于透镜单元122_2的图像i2成像于成像圈c2内，其中成像圈c2对应于第二视野范围fv2。由于成像圈c1与成像圈c2之间具有一重叠区域co，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2均可采集位于重叠视野范围ol的指纹信息。例如，指纹传感阵列126_1可传感从重叠视野范围ol通过透镜单元122_1入射到指纹传感阵列126_1的第一反射信号lr1，其可用于产生图像i1中对应于重叠区域co的部份图像。指纹传感阵列126_2可传感从重叠视野范围ol通过透镜单元122_2入射到指纹传感阵列126_2的第二反射信号lr2，其可用于产生图像i2中对应于重叠区域co的部份图像。

接下来，指纹传感电路124可根据第一反射信号lr1与第二反射信号lr2进行后续的信号处理。在某些实施例中，指纹传感电路124可根据第一反射信号lr1与第二反射信号lr2判断手指在重叠视野范围ol内的指纹深度信息。举例来说，指纹传感电路124(或图1所示的处理电路128)可根据第一反射信号lr1与第二反射信号lr2的相位进行视差估计(disparityestimation)，判断手指在重叠视野范围ol内的指纹深度信息。所述指纹深度信息可用于指纹防伪的检测。例如，当所述指纹深度信息指示出所采集的指纹图像中脊和谷的深度大于或等于预定深度时，指纹传感电路124(或图1所示的处理电路128)可判断出所采集的指纹图像是真实的指纹。

在某些实施例中，指纹传感电路124(或图1所示的处理电路128)可根据第一反射信号lr1与第二反射信号lr2进行其他的信号处理，诸如拼合指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2各自获得的指纹图像。

图4是图1所示的电子设备100的一具体实施方式的电路方框俯视图。在此实施例中，电子设备400具有图1所示的两个相邻指纹传感阵列126_1和126_2(即n等于2)以方便说明，并可采用图2所示的指纹识别结构。然而，本领域的技术人员在阅读本公开的内容之后，应可理解电子设备400可具有两个以上指纹传感阵列(即n大于2)。此外，两个相邻指纹传感阵列126_1和126_2之间的距离可依设计需求来调整。也就是说，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2相对应的透镜单元(图未示)可具有重叠或分开的视野范围。

在此实施例中，电子设备400包括一控制器(例如数字控制器)421、多个行扫描电路422_1和422_2、多个模拟前端电路(analogfront-endcircuit，afe)424_1和424_2、多个模数转换器426_1和426_2以及一缓存电路428，其中多个模拟前端电路424_1和424_2、多个模数转换器(analog-to-digitalconverter，adc)426_1和426_2和缓存电路428的操作均可由控制器421来控制。图1所示的驱动电路127的至少一部分可由多个行扫描电路422_1和422_2来实施。图1所示的处理电路128的至少一部分可由控制器421、多个模拟前端电路424_1和424_2、多个模数转换器426_1和426_2和缓存电路428来实施。

指纹传感阵列126_1和126_2均可包括排列为多行与多列的多个指纹传感像素(标记为“pf”)。行扫描电路422_1用以扫描指纹传感阵列126_1的多行指纹传感像素，以启用相应的指纹传感像素。行扫描电路422_2用以扫描指纹传感阵列126_2的多行指纹传感像素，以启用相应的指纹传感像素。

多个模拟前端电路424_1和424_2分别耦接于多个指纹传感阵列126_1和126_2。各模拟前端电路用以处理相应的指纹传感阵列中多列指纹传感像素产生的传感输出，例如对所述传感输出进行积分处理。多个模数转换器426_1和426_2可分别接收来自多个模拟前端电路424_1和424_2的传感输出(即模拟传感输出)，进行模拟转换操作以产生相应的数字信号。缓存电路428可储存多个模数转换器426_1和426_2产生的数字信号，供后续的指纹识别使用。

值得注意的是，在此实施例中，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2可相对于显示屏110(或模拟前端电路424_1/424_2)旋转一预定角度，从而获得更高的像素分辨率，减少因为欠采样(undersampling)的缘故而产生的莫尔条纹(moirépattern)。

举例来说，显示屏110包括的显示像素阵列416(例如，位于图2所示的显示模块216中)排列为多行与多列的多个显示像素(标记为“pd”)，其中多行显示像素可沿x轴方向来设置，多列显示像素可沿y轴方向来设置。在显示像素阵列416的多行显示像素平行于第一方向d1(即x轴方向)来设置的情形下，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2各自的多行指纹传感像素可平行于第二方向d2来设置，其中第二方向d2不同于与第一方向d1。也就是说，相对于显示像素阵列416，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2均旋转一预定角度，使第一方向d1与第一方向d2之间具有一预定夹角(即，所述预定角度)。所述预定夹角可大于0度且小于或等于45度，或依设计需求来决定。

由于显示像素阵列416与指纹传感阵列126_1(或指纹传感阵列126_2)之间具有所述预定夹角，因此，对于指纹传感阵列126_1(或指纹传感阵列126_2)来说，在相邻两个指纹传感像素之间的距离不变的情形下，相当于增加了显示像素阵列416中相邻两个显示像素之间的距离，从而降低显示像素阵列416的空间采样率，以减少因为欠采样的缘故而产生的莫尔条纹。这也相当于提升了指纹识别模块420的像素分辨率。

值得注意的是，在此实施例中，将指纹传感阵列126_1(或指纹传感阵列126_2)旋转所述预定角度的方式可通过将指纹传感像素基于所述预定角度设置在芯片上来实现。请连同图4参阅图5。图5是图4所示的指纹传感阵列126_1和模拟前端电路424_1各自包括的晶体管的设置方式的一实施例的俯视图。在此实施例中，模拟前端电路424_1包括一晶体管m1，其可由(但不限于)具有栅极g1、源极s1和漏极d1的金氧半场效晶体管来实施。晶体管m1的电流方向(即源极s1和漏极d1之间电流沟道的延伸方向)平行于第一方向d1’。指纹传感阵列126_1包括一晶体管m2(例如耦接于光电二极管的晶体管)，其可由(但不限于)具有栅极g2、源极s2和漏极d2的金氧半场效晶体管来实施。晶体管m2的电流方向(即源极s2和漏极d2之间电流沟道的延伸方向)平行于第一方向d2’，其中第一方向d1’与第一方向d2’之间具有一预定夹角ag，所述预定夹角可大于0度且小于或等于45度，或依设计需求来决定。在某些实施例中，指纹传感阵列126_2与模拟前端电路424_2的设置也可基于图5所示的晶体管设置方式来实施。

请注意，以上仅供说明的目的，并非用来限制本公开。在某些实施例中，指纹传感阵列126_1和指纹传感阵列126_2可具有不同的旋转角度。在某些实施例中，模拟前端电路424_1/424_2也可和相应的指纹传感阵列126_1/126_2一起旋转。在某些实施例中，多个数模转换器426_1和426_2也可由复用器搭配单一数模转换器来实施(即，采用分时处理)。

本申请还提供了一种芯片，其包括图1所示的指纹识别模块120或图4所示的指纹识别模块420。举例来说，在图1所示的实施例中，指纹识别模块120所包括的指纹传感电路124可由半导体芯片来实施，而指纹识别模块120所包括的光学系统(即多个透镜单元122_1-122_n)可集成至所述半导体芯片，以实现硅光子芯片(siliconphotonicchip)。

综上所述，本公开所提出的指纹识别方案可将多个指纹传感阵列设置同一个传感芯片上，并对应地在各指纹传感阵列上设置透镜单元，在采用厚度较薄的指纹识别模块的情形下，提供更大的视野范围及指纹识别区域。此外，本公开所提出的指纹识别方案通过增加镜心区域的数量，提高有效指纹信号的比例及信号质量。再者，本公开所提出的指纹识别方案可通过重叠的视野范围进行指纹防伪检测，还可将指纹传感阵列旋转预定角度以获得更高的像素分辨率，减少莫尔条纹的产生。

以上所述仅为本公开的实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。