屏下指纹识别模组、屏下指纹识别方法及电子设备与流程

本发明大致涉及光学技术领域，尤其涉及一种包括偏振双焦微透镜阵列的屏下指纹识别模组、一种屏下指纹识别的方法，以及包括该屏下指纹识别模组的电子设备。

背景技术：

随着电子设备步入全面屏时代，电子设备正面生物特征采集区域受到全面屏的挤压，因此屏下(under-display或者in-display)生物特征识别技术越来越受到关注,而屏下指纹技术很好的解决了全面屏不够全面的问题。

当前屏下指纹识别技术是将指纹识别模组设置于显示屏下，在显示屏下方设置漏光区域，指纹识别模组通过检测从漏光区域经手指反射下来的携带手指信息的光，实现屏下指纹识别。不需要在电子设备正面除显示区域外的区域设置指纹采集区域，从而提高手机的屏占比。具体的识别过程：当手指触摸、按压或者接近在指纹采集区域时，显示屏向指纹采集区域上方的手指发出一束光，这一束光在手指的表面发生反射形成反射光或者经过手指的内部散射后而形成散射光。由于指纹的嵴(ridge)与峪(vally)对于光的反射能力不同，因此来自指纹嵴的反射光和来自指纹峪的发生过具有不同的光强，反射光经过显示屏后，被指纹识别模组中的传感器芯片所接收并转换为相应的电信号，即指纹检测信号；基于所述指纹检测信号便可以获得指纹图像数据，并且可以进一步进行指纹匹配验证，从而在所述电子设备实现光学指纹识别功能。

由于需在显示屏下方设置漏光区域，因此有一部分非信号光，即杂散光也能到达传感器芯片从而影响图像清晰程度与成像质量，进而影响识别的准确率。另外屏幕漏光区域漏下的光信号也易被反射至显示屏上从而引起外观问题。

本发明旨在解决以上两方面的问题，一个方面能够避免漏光区域漏下的光信号被反射至显示屏的上方，从而会引起外观问题；另一方面，可以在不影响指纹信号光的情况下，减小背向漏光的强度和噪声，提高了光学指纹传感器阵列接收的信噪比，进而提升了屏下指纹识别的性能。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种屏下指纹识别模组，沿入射光的光路方向依次包括：

四分之一波片；

偏振双焦微透镜阵列，配置成将沿第一方向偏振的入射光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的入射光聚焦，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；

阻光层，配置成允许入射光中的部分通过；

光电传感器，配置成接收通过阻光层的部分入射光并转换为电信号。

根据本发明的一个方面，其中所述偏振双焦微透镜阵列包括微透镜阵列和设置在所述微透镜阵列的光路上游的双折射材料层，所述双折射材料层对所述第一方向的偏振光具有第一折射率，对所述第二方向的偏振光具有第二折射率，所述微透镜阵列对入射光具有第三折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列包括多个凸面微透镜，其中：

所述双折射材料的第一折射率等于或约等于所述微透镜阵列的第三折射率；

所述双折射材料的第二折射率小于所述微透镜阵列的第三折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列包括多个凸面微透镜，其中：

所述双折射材料的第一折射率大于所述微透镜阵列的第三折射率；

所述双折射材料的第二折射率小于所述微透镜阵列的第三折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述第三折射率与所述第二折射率之差的绝对值小于0.5。

根据本发明的一个方面，其中所述的多个凸面镜为球面透镜，所述偏振双焦微透镜阵列具有平坦的端面，其中所述球面透镜的焦距f＝rc/(n1-ny)，其中rc为所述球面透镜的曲率半径，n1为所述第三折射率，ny为所述第二折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列包括多个凹面微透镜，其中：

所述双折射材料的第一折射率等于或约等于所述微透镜阵列的第三折射率；

所述双折射材料的第二折射率大于所述微透镜阵列的第三折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列包括多个凹面微透镜，其中：

所述双折射材料的第一折射率小于所述微透镜阵列的第三折射率；

所述双折射材料的第二折射率大于所述微透镜阵列的第三折射率。

根据本发明的一个方面，其中所述光电传感器位于所述偏振双焦微透镜阵列的焦平面附近。

根据本发明的一个方面，所述屏下指纹识别模组还包括：

近红外滤光膜，所述近红外滤光膜位于所述光电传感器的光路上游。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列包括单面微透镜阵列或双面微透镜阵列，所述微透镜面型可以为球面，非球面或自由曲面。

根据本发明的一个方面，其中所述微透镜阵列的排布方式包括：间隔排布或密集排布。

根据本发明的一个方面，其中所述双折射材料包括液晶。

本发明还提供一种屏下指纹识别方法，包括：

通过四分之一波片，接收经手指反射或散射后的光并改变其偏振方向；

通过偏振双焦微透镜阵列从所述四分之一波片接收光束，其中所述偏振双焦微透镜阵列配置成将沿第一方向偏振的入射光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的入射光聚焦，其中所述第一方向垂直于所述第二方向；

通过阻光层过滤掉来自所述偏振双焦微透镜阵列的部分光束；

通过光电传感器接收未被所述阻光层过滤掉的光束并转换为电信号。

根据本发明的一个方面，所述屏下指纹识别方法还包括：

通过近红外滤光膜对未被所述阻光层过滤掉的光束进行滤波。

根据本发明的一个方面，其中所述屏下指纹识别方法通过如上所述的屏下指纹识别模组执行。

本发明还提供一种电子设备，包括：

如上所述的屏下指纹识别模组；

显示屏模组，所述显示屏模组位于所述屏下指纹识别模组的上部。

根据本发明的一个方面，其中所述显示屏模组包括：

线偏振片；

四分之一波片；

触控面板；和

发光层。

本发明的优选实施例提供了一种屏下指纹识别模组，该屏下指纹识别模组通过偏振双焦微透镜阵列将沿第一方向偏振的线偏振光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的线偏振光聚焦，一方面能够避免漏光区域漏下的光信号被反射至显示屏的上方，从而引起外观问题；另一方面，可以在不影响指纹信号光的情况下，减小背向漏光的强度和噪声，提高了光学指纹传感器阵列接收的信噪比，进而提升了屏下指纹识别的性能。本发明的优选实施例还提供一种屏下指纹识别的方法，以及包含上述屏下指纹识别模组的电子设备。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的屏下指纹识别模组；

图2示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例信号光与杂散光在屏下指纹识别模组中的传播路径；

图3示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的偏振双焦微透镜阵列；

图4a示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例x方向的线偏振光在偏振双焦微透镜阵列中的传播路径；

图4b示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例y方向的线偏振光在偏振双焦微透镜阵列中的传播路径；

图5a示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例x方向的线偏振光在偏振双焦微透镜阵列中的传播路径；

图5b示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例y方向的线偏振光在偏振双焦微透镜阵列中的传播路径；

图6示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的偏振双焦微透镜阵列；

图7示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的屏下指纹识别模组；

图8示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的偏振双焦微透镜阵列；

图9a示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例微透镜阵列的排布方式；

图9b示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例微透镜阵列的排布方式；

图10示出了根据本发明的一个优选实施例的屏下指纹识别方法；

图11示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的电子设备；

图12示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的信号光在显示屏模组和屏下指纹识别模组中的传播路径；

图13示意性地示出了根据本发明的一个优选实施例的杂散光在显示屏模组和屏下指纹识别模组中的传播路径。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明的一个优选实施例，如图1所示，本发明提供一种屏下指纹识别模组10，沿入射光的光路方向依次包括：四分之一波片11、偏振双焦微透镜阵列12、阻光层13和光电传感器14。偏振双焦微透镜阵列12对不同偏振方向的光具有不同的焦点，偏振双焦微透镜阵列12配置成将沿第一方向偏振的入射光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的入射光聚焦，其中所述第一方向垂直于所述第二方向。阻光层13配置成允许入射光中的部分通过。光电传感器14配置成接收通过阻光层13的部分入射光并转换为电信号。

如图2所示，经手指反射的圆偏振光l1(显示屏的发光机制将在下文关于电子设备的优选实施例中介绍)经过四分之一波片11变成线偏振光l1＇,偏振双焦微透镜阵列12将线偏振光l1＇聚焦，线偏振光l1＇被聚焦后穿过阻光层13，投射到光电传感器14上，光电传感器14包括光电传感器阵列，例如包括多个cmos传感器或光电二极管，光电传感器14接收线偏振光l1＇并转换成电信号。从漏光区域漏下的杂散光l2，经过四分之一波片11部分成为线偏振光l2＇,线偏振光l2＇的偏振方向与线偏振光l1＇的偏振方向垂直。偏振双焦微透镜阵列12将线偏振光l2＇发散或沿原光路传播，阻光层13包括第一阻光层131和第二阻光层132，线偏振光l2＇被发散或沿原光路传播后，投射到阻光层131、132上被过滤，从而不能进入光电传感器14，避免了漏光区域漏下的光信号被反射至显示屏的上方，引起外观问题，另一方面也减小了背向漏光的强度和噪声。

如图2所示，阻光层包括透光部(其中白色部分)和阻光部(黑色部分)。其中透光部允许光线透过，阻光部不允许光线透过，并且优选将入射到其上的光线吸收而非反射，以减少向上朝着屏幕反射的光线造成的干扰。另外，所述透光部例如设置在偏振双焦微透镜阵列12中每个微透镜的光轴上。

另外，图2中示出了阻光层13包括第一阻光层131和第二阻光层132。本领域技术人员容易理解，阻光层的数目可以更多或者更少，都在本发明的保护范围内。另外，沿入射光的光路方向，第一阻光层131和第二阻光层132的透光部的尺寸逐渐减小，以增强吸收杂散光的的能力。

根据本发明的一个优选实施例，如图3所示，偏振双焦微透镜阵列12包括微透镜阵列122和设置在微透镜阵列122的光路上游的双折射材料层121，双折射材料例如包括液晶，双折射材料填平微透镜阵列122表面的起伏不平处，使得偏振双焦微透镜阵列12的上下表面均为平坦的端面，较传统微透镜阵列更便于组装及装配，且不易失效。双折射材料层121对第一方向的偏振光具有第一折射率，对第二方向的偏振光具有第二折射率，微透镜阵列122对入射光具有第三折射率。例如第一方向为x方向，第二方向为垂直于x方向的y方向，则双折射材料层121对于x方向的偏振光具有第一折射率nx，对于y方向的偏振光具有第二折射率ny，微透镜阵列122对入射光具有第三折射率n1。

根据折射定律，x方向的线偏振光入射到偏振双焦微透镜阵列12上，其光线传播方向由双折射材料层121对x方向偏振光的折射率nx和微透镜阵列122的折射率n1决定；y方向的线偏振光入射到偏振双焦微透镜阵列12上，其光线传播方向由双折射材料层121对y方向偏振光的折射率ny和微透镜阵列122的折射率n1决定。因此，可以通过调整双折射材料层121和微透镜阵列122的折射率，来控制各个方向的线偏振光的传播方向。双折射材料层121的折射率例如可以通过材料的选择进行调整，微透镜阵列122的折射率例如可以通过优化多个微透镜的曲面面型参数进行调整。

根据本发明的一个优选实施例，如图4a、图4b所示，微透镜阵列122包括多个凸面微透镜1221，其中：双折射材料的第一折射率等于或约等于微透镜阵列的第三折射率，双折射材料的第二折射率小于微透镜阵列的第三折射率。如图4a所示，双折射材料层121对于x方向的偏振光lx的折射率为nx，nx等于或约等于微透镜阵列122的折射率n1，偏振双焦微透镜阵列122对于x方向的偏振光起到不改变传播方向的作用。双折射材料层121对于y方向的偏振光ly的折射率为ny，ny小于微透镜阵列122的折射率n1，偏振双焦微透镜阵列122对于y方向的偏振光l2起到聚焦作用。由于nx等于或约等于n1，当漏光区域漏下的部分杂散光，即x方向的线偏振光lx入射到两种介质的分界面时，传播方向不发生改变，部分杂散光沿原光路传播。由于ny小于n1，当发光层发出的信号光被手指反射的回波(圆偏振光)，经四分之一波片11过滤后，成为y方向的线偏振光ly，y方向的线偏振光ly入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，信号光被汇聚。

根据本发明的一个优选实施例，如图5a、图5b所示，微透镜阵列122包括多个凸面微透镜1221，其中：双折射材料的第一折射率大于微透镜阵列的第三折射率，双折射材料的第二折射率小于微透镜阵列的第三折射率。如图5a所示，双折射材料层121对于x方向的偏振光lx的折射率为nx，nx大于微透镜阵列122的折射率n1，偏振双焦微透镜阵列12对x方向的偏振光起到发散作用。如图5b所示，双折射材料层121对于y方向的偏振光ly的折射率为ny，ny小于微透镜阵列122的折射率n1，偏振双焦微透镜阵列12对y方向的偏振光起到聚焦作用。由于nx大于n1，当漏光区域漏下的部分杂散光，即x方向的线偏振光lx入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，部分杂散光被发散。由于ny小于n1，当发光层发出的信号光被手指反射的回波(圆偏振光)，经四分之一波片11过滤后，成为y方向的线偏振光ly，y方向的线偏振光ly入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，信号光被汇聚。

根据本发明的一个优选实施例，第三折射率n1与第二折射率ny之差的绝对值小于0.5。

根据本发明的一个优选实施例，如上所述的微透镜阵列122中的多个凸面镜1221为球面透镜，球面透镜1221的焦距f＝rc/(n1-ny)，其中rc为球面透镜1221的曲率半径，n1为微透镜阵列122的折射率，ny为双折射材料层121对于第二方向偏振光(y方向偏振光)的折射率。根据计算可得球面透镜1221的焦距，进而得到偏振双焦微透镜阵列12的焦距。优选地，可将光电传感器14设置在偏振双焦微透镜阵列12的焦平面处或者焦平面附近。

根据本发明的一个优选实施例，如图6所示，微透镜阵列122包括多个凹面微透镜。当透镜面型变为凹面时，对于折射率差值的设置应与上述凸面微透镜的情况相反。其中：

根据本发明的一个优选实施例，双折射材料的第一折射率等于或约等于微透镜阵列的第三折射率；双折射材料的第二折射率大于微透镜阵列的第三折射率。则偏振双焦微透镜阵列122对于x方向的偏振光起到不改变传播方向的作用、对于y方向的偏振光起到聚焦作用。当漏光区域漏下的部分杂散光，即x方向的线偏振光lx入射到两种介质的分界面时，传播方向不发生改变，部分杂散光沿原光路传播；发光层发出的信号光被手指反射的回波(圆偏振光)，经四分之一波片过滤后，成为y方向的线偏振光ly，y方向的线偏振光ly入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，信号光被汇聚。

根据本发明的一个优选实施例，双折射材料的第一折射率小于微透镜阵列的第三折射率；双折射材料的第二折射率大于微透镜阵列的第三折射率。偏振双焦微透镜阵列12对x方向的偏振光起到发散作用、对y方向的偏振光起到聚焦作用。当漏光区域漏下的部分杂散光，即x方向的线偏振光lx入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，部分杂散光被发散；发光层发出的信号光被手指反射的回波(圆偏振光)，经四分之一波片过滤后，成为y方向的线偏振光ly，y方向的线偏振光ly入射到两种介质的分界面时，传播方向发生改变，信号光被汇聚。

根据本发明的一个优选实施例，如图7所示，屏下指纹识别模组10还包括近红外滤光膜15，近红外滤光膜15位于光电传感器14的光路上游，并且优选位于阻光层13的光路下游。近红外滤光膜的滤光波长可以集中在经手指反射光线的波长之外，从而尽量阻隔杂散光入射到光电传感器14上。

根据本发明的一个优选实施例，如图8所示，当材料的折射率差有限时，微透镜阵列122可以设计成双面，进一步缩短焦距，从而使模组更薄。因此，微透镜阵列122可以包括单面微透镜阵列或双面微透镜阵列，该多个微透镜面型可以为球面，非球面或自由曲面。

根据本发明的一个优选实施例，如图9a、图9b所示，微透镜阵列122的排布方式包括间隔排布(图9a)或密集排布(图9b)。

根据本发明的一个优选实施例，如图10所示，本发明还提供一种屏下指纹识别方法100，包括：

在步骤s101中，通过四分之一波片，接收经手指反射或散射后的光并改变其偏振方向。

在步骤s102中，通过偏振双焦微透镜阵列从四分之一波片接收光束，其中偏振双焦微透镜阵列配置成将沿第一方向偏振的入射光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的入射光聚焦，其中第一方向垂直于第二方向。

在步骤s103中，通过阻光层过滤掉来自偏振双焦微透镜阵列的部分光束。

在步骤s105中，通过光电传感器接收未被阻光层过滤掉的光束并转换为电信号。

根据本发明的一个优选实施例，屏下指纹识别方法100还包括：

在步骤s104中，通过近红外滤光膜对未被所述阻光层过滤掉的光束进行滤波。

根据本发明的一个优选实施例，屏下指纹识别方法100通过屏下指纹识别模组10执行。

根据本发明的一个优选实施例，如图11所示，本发明还提供一种电子设备20，包括：如上所述的屏下指纹识别模组10，和显示屏模组21，显示屏模组21位于屏下指纹识别模组10的上部。显示屏模组21包括：线偏振片22、四分之一波片23、触控面板24和发光层25。发光层25发出的非偏振光，经过四分之一波片23和线偏振片22，成为线偏振的信号光，信号光被手指指纹反射后，反射光再经过线偏振片22和四分之一波片23，成为圆偏振的信号光，该圆偏振光入射到屏下指纹识别模组10。

根据本发明的一个优选实施例，图12示出了发光层25发出的信号光l1被手指反射后，最终被聚焦到光电传感器14上的光路图，图13示出了反向漏光(杂散光)l2被偏振双焦微透镜阵列12发散或沿原光路传播，最终被阻光层13过滤的光路图。由于发光层25发出的信号光束在可见光波段(400-760nm)，优选地在阻光层13的光路下游设置近红外滤光膜15，近红外滤光膜15的滤光波长例如集中在经手指反射光线的波长之外(近红外光波长780-2500nm)，从而尽量阻隔从漏光区域漏下的杂散光入射到光电传感器14上。

本发明的优选实施例提供了一种屏下指纹识别模组，该屏下指纹识别模组通过偏振双焦微透镜阵列将沿第一方向偏振的线偏振光发散或沿原光路传播，将沿第二方向偏振的线偏振光聚焦，一方面能够避免漏光区域漏下的光信号被反射至显示屏的上方，从而引起外观问题；另一方面，可以在不影响指纹信号光的情况下，减小背向漏光的强度和噪声，提高了光学指纹传感器阵列接收的信噪比，进而提升了屏下指纹识别的性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。