技术领域
[0001] 本
发明涉及屏下指纹识别技术，尤其涉及一种可调整焦距的透镜结构及屏下指纹传感器结构。
背景技术
[0002] 屏下(under display)指纹传感器是整合在显示屏下的指纹传感器，由于屏幕
像素间设计具有一定的间隔，能够保证光线透过。当用户
手指按压屏幕时，屏幕可发出光线将手指区域照亮，照亮指纹的反射光线透过屏幕像素的间隙返回到紧贴于屏下的传感器阵列上。由于脊纹区域的指纹组织会吸收光，因此从脊纹反射的光会变暗；从谷纹反射的光相对而言较亮。因此，脊纹和谷纹产生的
亮度差异，可在
光学传感器阵列上形成指纹图案。
[0003] 为了得到清晰的指纹图案，在屏幕和光学传感器阵列之间会设置微透镜阵列，用来聚焦反射光，让指纹图案可成像在光学传感器阵列。然而，针对不同的机型设计(例如不同手机的外观和结构设计)，手指到微透镜阵列的物距和微透镜阵列到光学传感器阵列的像距也会跟着改变，因此必须对应调整微透镜阵列的焦距。
[0004] 因此，如何提供一种可调式焦距的屏下指纹传感器结构，已成为本领域的课题之一。
发明内容
[0005] 本发明要解决的技术问题在于针对
现有技术中的
缺陷，提供一种可调整焦距的透镜结构及屏下指纹传感器结构。
[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调整焦距的透镜结构，所述透镜结构用于指纹传感器，设置于图像传感器和
显示面板之间，包括：
[0007] 第一
基层、第一
电极层、透镜层、第二基层和第二电极层；
[0008] 所述第一基层形成于图像传感器上，所述第一电极层形成于第一基层上，所述透镜层形成于第一电极层上，所述第二电极层形成于透镜层，所述第二基层形成于第二电极层；
[0009] 所述第一电极层与接地线连接，用来接收接地
电压；
[0010] 所述第二电极层与交流电源连接，用来接收施加的交流电压。
[0011] 按上述方案，所述透镜层是包括多个透镜的透镜阵列。
[0012] 按上述方案，所述第二电极层上有多个与透镜层中透镜对应设置的开口。
[0013] 按上述方案，所述第二电极层上的开口与透镜层中透镜对应，所述开口的面积等于透镜层中对应透镜的面积。开口为圆形或多边形。
[0014] 按上述方案，所述透镜结构中还设有一
电阻电容网络，所述电阻电容网络包括形成于各开口内的高电阻层、介电层以及第三电极层；所述介电层设置于第二电极层和第二基层之间；所述第三电极层设置于介电层和显示面板之间，所述第三电极层与接地线连接，接收接地电压。
[0015] 按上述方案，所述电阻电容网络中介电层以及第三电极层与第二电极层共同构成一平行板电容。
[0016] 按上述方案，所述电阻电容网络中多个开口中的高电阻层等效为
串联在第二电极层之间的电阻，且该电阻与平行板电容并联。
[0017] 按上述方案，所述电阻电容网络为分布式电阻-电容网络，所述分布式电阻-电容网络使网络上的电压分布逼近抛物线形态，所述抛物线为以透镜中心折射率为
顶点，两端折射率为端点的，开口向下的抛物线。
[0018] 按上述方案，所述电阻电容网络，对于该多个开口的一个开口而言，该电阻电容网络等效为(2N-1)个串联的电阻电容单元，当该交流电压通过该(2N-1)个串联的电阻电容单元时，分别产生多个径向电压，所述多个径向电压的大小从该开口的边缘往开口的中心逐渐减小，其中，N为正整数。
[0019] 按上述方案，所述透镜阵列是由多个微液体透镜所组成的液体阵列。
[0020] 按上述方案，所述第一基层、第一电极层、透镜层、第二电极层和第二基层平行于显示面板表面所在的平面。
[0021] 按上述方案，所述第二电极层上施加的交流电压的
频率根据透镜层的物理特性的改变灵敏度确定；所述物理特性为透镜层中透镜的
曲率半径或折射率；
[0022] 频率确定方式如下公式：
[0023]
[0025] Δn为透镜中心折射率与两端折射率的差值，d为透镜的
液晶层厚度。
[0026] 按上述方案，所述第二电极层上施加的交流电压的频率为液晶旋转的灵敏度最高的交流频率。
[0027] 按上述方案，所述透镜结构的物距为透镜层中透镜中心至显示面板的表面的距离，像距为透镜中心至图像传感器上表面的距离，通过调整交流电压的大小改变接地电压和该交流电压之间的
电场大小，从而改变该透镜层的焦距对应的物理特性，[0028] 使该显示屏的表面到该透镜结构的物距的倒数加上该透镜结构到该图像传感器的像距的倒数等于该透镜层的焦距的倒数，即：
[0029] 1/PT+1/DI＝1/f，
[0030] 其中，PT是物距，DI是像距，f是焦距。
[0031] 按上述方案，所述第一电极层是
氧化铟
锡电极层，第二电极层为不透光电极层，所述第一基层和第二基层是玻璃基层。
[0032] 一种屏下指纹传感器结构，包括：图像传感器、显示屏以及上述方案中的透镜结构。
[0033] 按上述方案，所述屏下指纹传感器结构还包括红外线滤波层，所述红外线滤波层形成于所述透镜结构的第一基层和图像传感器之间。
[0034] 按上述方案，所述屏下指纹传感器结构还包括偏光层，所述偏光层，形成于该显示屏和所述透镜结构的第二基层之间。
[0035] 按上述方案，所述屏下指纹传感器结构还包括弹性基膜板，所述弹性基膜板设置与图像传感器之下。
[0036] 按上述方案，所述显示屏是
有机发光二极管显示屏，所述图像传感器是互补式金属氧化物
半导体图像传感器或电荷
耦合器件。
[0037] 本发明产生的有益效果是：
[0038] 1、通过设置第一电极层和第二电极层配置电场大小改变透镜层的物理特性，从而改变微透镜阵列的焦距，使指纹传感器的厚度设计更具自由，而不需为了固定的焦距而增加其厚度。此外，由于微透镜阵列的焦距可通过施加不同大小的电压来调整或校正，以适应不同的显示屏厚度或外加的屏幕保护膜。
[0039] 2、通过增加电阻电容网络(RC网络)来提供多个径向电压，可配置电场大小分布，使得透镜层的液晶微透镜的
相位延迟近似于抛物线，也可使用低于系统供应电压的交流电压，进而达到节省
电路面积和省电的效果。
附图说明
[0040] 下面将结合附图及
实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0041] 图1为本发明实施例的屏下指纹传感器结构的剖面图；
[0042] 图2为本发明实施例的屏下指纹传感器结构的剖面图；
[0043] 图3为本发明实施例的第二电极层和透镜层的上视图；
[0044] 图4为本发明实施例的RC网络的剖面图；
[0045] 图5为本发明实施例的RC网络的等效电路图；
[0046] 图6为本发明实施例的多个RC单元的频率响应图；
[0047] 图7为本发明实施例的高电阻层在第一方向上的径向电压梯度图；
[0048] 图8为本发明实施例的透镜结构的剖面图；
[0049] 图9为本发明实施例的屏下指纹传感器结构的成像示意图；
[0050] 图10为本发明实施例的RC网络制作流程的
流程图；
[0051] 图11为本发明实施例的电压分布理想形态示意图；
[0052] 图12为本发明实施例的电压分布逼近理想形态示意图；
[0053] 图中：1、2-屏下指纹传感器结构、10、20、80-透镜结构、100-第一基层、101-第一电极层、102-第二电极层、1020-开口、103-透镜层、1030-透镜、104-第二基层、11-显示屏、12-图像传感器、13-红外线滤波层、14-弹性基膜板、205-偏光层、41-高电阻层、42-介电层、43-第三电极层、A-照光区直径、AA’-截面、AC-交流电压、B-截段、C-电容、D-光圈直径、Di-像距、Do-物距、f-焦距、GND-接地电压、L-透镜间距、P-显影像素直径、R-电阻、W-电极宽度F1…F(N-1)、FN-RC单元、V1…V(N-1)、VN-径向电压、A1…A(N-1)、AN-增益、1000-流程、1001、1002-流程步骤、X-第一方向、Y-第二方向、Z-第三方向。
具体实施方式
[0054] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0055] 图1为本发明实施例一屏下指纹传感器结构1的剖面图。图2为本发明实施例另一屏下指纹传感器结构2的剖面图。屏下指纹传感器结构1、2可用于一
电子装置(例如
平板电脑、智能手机等)的光学指纹成像器(Optical fingerprint imager)，用来侦测指纹的纹路(例如脊纹和谷纹)。在图1中，屏下指纹传感器结构1包括一透镜结构10、一显示屏11、一图像传感器12、一红外线滤波层13和一弹性基膜板14(用于数据传输)。
[0056] 显示屏11是有机
发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏，但不限于此。图像传感器12是互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，简称CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)。光学指纹成像器可与图像传感器12整合在一起，显示屏11的显示画素发光到使用者的指纹，通过侦测从脊纹和谷纹反射的反射光,再通过显示画素的开窗区域和透镜结构10将反射光聚焦在图像传感器12，即可让指纹成像在图像传感器12。
[0057] 红外线滤波层13形成于透镜结构10和图像传感器12之间。红外线滤波层13可以是独立的膜，或是图像传感器12的涂层，用来降低或消除阳光中会被图像传感器12所使用的光频带(例如，红外线)。在其他实施例中，可配置一个或多个光学滤波层来作为
带通滤波层，让显示屏11发出的光可通过带通滤波层，同时阻挡阳光中的红外线。当使用者在户外使用电子装置时，红外线滤波层13也可用来减少阳光带来的背景噪声。
[0058] 透镜结构10形成于图像传感器12和显示屏11之间，包括一第一基层100、一第一电极层101、一第二电极层102、一透镜层103和一第二基层104；第一基层100形成于红外线滤波层13或图像传感器12上。第一电极层101形成于第一基层100上，用来接收一接地电压GND。透镜层103形成于第一电极层101上。第二电极层102形成于透镜层103上，用来接收一交流电压AC。第二基层104形成于第二电极层102和显示屏11之间。第一电极层101和第二电极层102是由氧化铟锡所组成，且第一基层100和第二基层104是由玻璃所组成。
[0059] 第一基层100、第一电极层101、透镜层103、第二电极层102和第二基层104平行于一第一平面(XY平面)，第一平面是由一第一方向(例如，X方向)和一第二方向(例如，Y方向)所形成，第一平面为显示屏幕表面所在平面。在一第三方向(Z方向)上，接地电压GND和交流电压AC之间的电场大小用来改变透镜层103的一焦距f对应的一物理特性，其中第三方向垂直第一方向和第二方向。在第三方向(Z方向)上，显示屏11的表面到透镜结构10的一物距Do的倒数加上透镜结构10到图像传感器12的一像距Di的倒数等于透镜层103的焦距f的倒数，即1/Do+1/Di＝1/f。
[0060] 图2中，屏下指纹传感器结构1和2的结构相似，相同元件以相同符号表示。屏下指纹传感器结构2还包括一偏光层205，形成于显示屏11和第二基层104之间，用来减少光滑面的反射光所导致的噪声。由于增加了偏光层205，使得手指到透镜层103的物距改变，但透镜结构20到图像传感器12的像距不变，因此需调整焦距来适应新的物距。因此，在第三方向(Z方向)上，显示屏11的表面到透镜结构20的一物距Do’的倒数加上透镜结构20到图像传感器12的像距Di的倒数等于透镜层103的焦距f’的倒数，即1/Do’+1/Di＝1/f’。
[0061] 图3为本发明实施例第二电极层102和透镜层103的上视图。第二电极层102以点图案表示，透镜层103以空白表示。第二电极层102形成有多个开口1020，通过施加交流电压AC给第二电极层102，可改变透镜层103的物理特性，以在开口1020下的透镜层103形成多个透镜。开口1020在第一平面上的直径是透镜的光圈直径D。开口1020的形状可以是圆形；在其他实施例中，开口1020的形状可以是多边形(例如，四边形或六边形)。两个开口1020的中心之间的距离是透镜的透镜间距(pitch)L，两个开口1020之间的电极宽度是W。
[0062] 在操作上，当施加交流电压AC给第二电极层102时，接地电压GND(第一电极层101)和交流电压AC(第二电极层102)之间的电场可改变透镜的焦距所对应的物理特性。在本实施例中，透镜层103形成有包括多个透镜的一透镜阵列，透镜阵列是由多个液晶微透镜(liquid crystal micro lens)所组成的液晶阵列。焦距对应的物理特性是折射率，不同的电场大小可改变液晶微透镜的排列方向和
相位延迟分布，使液晶微透镜产生不同的折射率，以调整焦距。
[0063]
申请人注意到，交流电压AC引起的边缘场(Fringing field)大小从第二电极层102的边缘往开口1020的中心指数式递减到最小，为了让开口1020中心受到的边缘场达到足够的大小，来实现所需的液晶微透镜的排列方向和相位延迟，就需提高交流电压AC的大小。在实际应用中，当交流电压AC(例如，8伏)大于电子装置的系统供应电压(例如，5伏)时，现有提高交流电压AC的大小的方法是通过
升压电路来将系统供应电压转换为所需的交流电压AC。因此，现有方法需要的电路面积大，电源消耗也大。
[0064] 因此，为了使用低于系统供应电压的交流电压AC来避免使用升压电路，申请人在第二电极层102上设置了一分布式电阻-电容网络(Distributed Resistor-Capacitor Network，以下简称RC网络)，用来让交流电压AC引起的电场大小从第二电极层102的边缘往开口1020的中心缓慢地递减。通过RC网络来配置电场大小分布，可使得液晶微透镜的相位延迟更均匀分布，也可使用低于系统供应电压的交流电压AC，进而达到节省电路面积和省电的效果。
[0065] 为达到最佳焦距调整效果，分布式电阻-电容网络使网络上的电压分布逼近抛物线形态，所述抛物线为以透镜中心折射率为顶点，两端折射率为端点的，开口向下的抛物线，如图11和12所示。
[0066] 图4为本发明实施例一RC网络40在截面AA’的剖面图。RC网络40包括一高电阻(high resistance，HiR)层41、一介电层42以及一第三电极层43。高电阻层41形成于开口1020内，介电层42设置于高电阻层41和第二电极层102之上，且第三电极层43设置于介电层
42之上。在此结构下，第二电极层102、介电层42以及第三电极层43可构成一平行板电容(Parallel Plate Capacitor)。在截段B，高电阻层41等效为串联在第二电极层102之间的电阻，且该电阻与该平行板中电容并联。
[0067] 图5为本发明实施例RC网络40在图4的截段B的等效电路图。对于一个开口1020而言，RC网络40可等效为(2N-1)个串联的RC单元F1…F(N-1)、FN、F(N-1)…F1，其中N为正整数。每个RC单元包括一电阻R及一电容C，其中高电阻层41可等效为(2N-1)个电阻R，且第二电极层102、介电层42以及第三电极层43可等效为(2N-1)个电容C。当交流电压AC从第一方向X通过RC单元F1时，可产生径向电压V1；当径向电压V1通过RC单元F2时，可产生径向电压V2；以此类推，当径向电压V(N-1)通过RC单元FN时，可产生径向电压VN。因为开口1020是圆形的对称结构，所以在第一方向X的反方向输入交流电压AC时，多个RC单元F(N-1)…F1会产生相对应的多个径向电压V(N-1)…V1。径向电压(Radial Voltage)指的是对应圆形开口1020的半径的电压值。
[0068] 图6为本发明实施例多个RC单元F1…F(N-1)、FN的频率响应图。RC单元F1…F(N-1)、FN用来作为低通
滤波器(Low Pass Filter)，其中
低通滤波器的增益值会随着输入
信号的频率改变。举例来说，当交流电压AC的频率为fo时，RC单元F1…F(N-1)、FN对应的增益为A1…A(N-1)、AN。因此，RC单元F1产生的径向电压V1可表示为V1＝A1*AC；RC单元F2产生的径向电压V2可表示为V2＝A2*V1＝A2*A1*AC；以此类推，RC单元F(N-1)产生的径向电压VN可表示为VN＝A(N-1)*V(N-1)＝A(N-1)*…A2*A1*AC。因为RC单元F1…F(N-1)、FN对应的增益A1…A(N-1)、AN小于1，因此多个RC单元F1…F(N-1)、FN产生的多个径向电压大小排序为V1>…>V(N-1)>VN，也就是多个径向电压V1、…、V(N-1)、VN的大小从开口1020的边缘往中心逐渐减小。
[0069] 为了有效地控制透镜层103的液晶的物理特性来提升对焦结构的表现，交流电压AC的频率是根据透镜层103的物理特性的改变灵敏度所决定，例如申请人选择可让液晶旋转的灵敏度最高的交流频率来作为交流电压AC的频率fo。
[0070] 第二电极层上施加的交流电压的频率根据透镜层的物理特性的改变灵敏度确定；物理特性为透镜层中透镜的
曲率半径或折射率；
[0071] 频率确定方式如下公式：
[0072]
[0073] 其中，f为焦距，为光圈开口直径，
[0074] Δn为透镜中心折射率与两端折射率的差值，d为透镜的液晶层厚度。
[0075] 图7为本发明实施例高电阻层41在第一方向X上的径向电压梯度(Radial Voltage Gradient)图。从图7可看出，通过RC网络40提供的径向电压V1、…、V(N-1)、VN、V(N-1)、…、V1的分布曲线和对应电场大小分布曲线近似于向上开口的抛物线，如此可让透镜层103的液晶微透镜的相位延迟近似于抛物线，以实现光学对焦功能。可见，在使用RC网络40的情况下，透镜层103的液晶微透镜的相位延迟更均匀分布也更接近理想的
光学透镜，还可使用低于系统供应电压的交流电压AC，进而达到节省电路面积和省电的效果。
[0076] 图8为本发明实施例一透镜结构80的剖面图。当施加交流电压AC给第二电极层102时，接地电压GND(第一电极层101)和交流电压AC(第二电极层102)之间的电场大小可改变透镜阵列的每个透镜的焦距f对应的物理特性。在本实施例中，透镜结构80的透镜层103形成有包括多个透镜1030的一透镜阵列，透镜阵列是由多个液晶微透镜(liquid crystal micro lens)所组成的液晶阵列。焦距对应的物理特性是折射率，不同的电场大小可改变液晶微透镜1030的排列方向和相位延迟分布，使液晶微米透镜1030产生不同的折射率，以调整焦距。本领域的技术人员可根据本发明实施例来修饰和变化，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。举例来说，在不同实施例中，透镜层的可使用不同的材质，同样通过施加电压来调整焦距，以实现可调式焦距的屏下指纹传感器结构。例如在一实施例中，透镜阵列是由多个微液体透镜所组成的液体阵列，焦距对应的物理特性透镜层是曲率半径。在另一实施例中，透镜阵列是由多个弹性
聚合物膜所组成的弹性透镜阵列，焦距对应的物理特性透镜层是曲率半径。
[0077] 图9为本发明实施屏下指纹传感器结构的
视野(field of view，FOV)成像示意图。假设显示屏11的照光区直径为A，第二电极层102的两个开口之间的电极宽度是W，透镜1030的光圈直径是D，图像传感器12的显影像素(例如，光学二极体(photo diode，PD))直径是P。
针对单一透镜1030而言，显示屏11发出的光照射到照光区时，可产生反射光；再通过透镜
1030聚焦反射光，可在显影像素产生指纹纹路。
[0078] 给定透镜1030的光圈直径D、显示屏11的照光区直径为A和手指到透镜1030的物距Do的条件下,像距Di越小，则显影像素直径P越小，焦比F值(f/D)越小，单位面积的反射光强度越大,且景深较大。当焦距f固定，则透镜1030的光圈直径D越大,景深较小。
[0079] 关于RC网络40的设计方式可归纳为一RC网络制作流程1000，如图10所示，RC网络制作流程1000包括以下步骤。
[0080] 步骤1001：选择可让液晶旋转的灵敏度最高的一交流频率。
[0081] 步骤1002：根据该交流频率，设计一RC网络，使得施加在液晶上的电压梯度可让液晶透镜的相位延迟近似于抛物线。
[0082] 关于RC网络制作流程1000的详细说明，可参考图3到图8的内容，于此不赘述。
[0083] 综上所述，本发明的优势在于，通过RC网络来提供多个径向电压，可配置电场大小分布，使得透镜层的液晶微透镜的相位延迟近似于抛物线，也可使用低于系统供应电压的交流电压，进而达到节省电路面积和省电的效果。本发明的另一个优势在于，在可调式焦距的屏下指纹传感器结构下，可使指纹传感器的厚度设计更具自由，而不需为了固定的焦距而增加其厚度。此外，由于微透镜阵列的焦距可通过施加不同大小的电压来调整或校正，以适应不同的显示屏厚度或外加的屏幕保护膜。
[0084] 应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附
权利要求的保护范围。
