CN1410940A - 成像器件及包含成像器件的电子设备 - Google Patents

Abstract

一种成像器件及包含该成像器件的电子设备。提供了第一外壳从而能够相对于第二外壳旋转，并且在第一外壳上提供第一和第二开口。在第一外壳中提供有放置在透明基片的一个表面上的具有多个光敏元件的图像拾取器件、固定在第一开口上并放置在图像拾取器件的透明基片一侧的环境成像透镜***、固定在第二开口上并通过粘接层与图像拾取器件的光敏元件一侧粘接的光纤收集部件、以及发光元件。此外，在与第一外壳接触的第二外壳的表面形成光吸收表面。

Description

成像器件及包含成像器件的电子设备

发明背景

发明领域

本发明涉及适合包含在电子设备中的成像器件，例如移动电话、个人数字助理和笔记本个人计算机，以及包含成像器件中的电子设备。更具体地，涉及即能够对例如风景和人物等周围远距离的影像进行成像，又能对例如指纹和合法签字等近距离的影像进行成像的成像器件，以及包含成像器件的电子设备。

现有技术说明

某些电子设备，例如移动电话、个人数字助理和笔记本个人计算机，包含成像器件，用于捕获例如风景和人物等周围的图像。此外，为了防止储存在电子设备中的信息的泄漏以及在电子商务交易中对于寻求鉴别的个人进行身份识别的目的，要求电子设备包含成像器件以图象形式拍摄用户的指纹以验证寻求鉴别的个人。

按照惯例，能够对例如风景和人物等周围远距离的影像(下文中称为环境)和例如指纹等(下文中称为指纹)近距离的影像采用同一个图像拾取器件进行捕获的电子设备是已知的。这种电子设备中包括两个独立聚焦的光学***，并且对其进行配置使其能够用机械方式选择应当接受光线并将来自环境或指纹的光线输送给图像拾取器件。特别地，对于器件的体积和制造成本要求较为苛刻的便携电子设备，采用同一个图像拾取器件对例如风景和人物等环境成像以及通过指纹验证寻求鉴别的个人是很有意义的。

日本专利申请特许公开2001-142606公开了这种电子设备的一个例子。图1A和1B分别是这种常规电子设备的前视图和剖面图，表示出了用于环境成像的操作。图2A和2B分别是这种常规电子设备的前视图和剖面图，示出了用于指纹成像的操作。如图1A和1B所示，电子设备为具有环境成像透镜***(下文中表示用于环境成像的透镜***)102、转换部分105和由透明材料制成的手指放置棱镜(下文中代表手指放置下的棱镜)106的移动电话，所有这些放置在外壳104中。反射镜103安装在转换部分105中，可以左右方向滑动以转换成像方式。

手指放置棱镜106具有面向外壳104外侧的手指放置表面106a和形成在手指放置表面106a的对面的棱镜底面106b，以及形成在手指放置表面106a和棱镜底面106b之间的反射面106c和透镜***固定面106d。在外壳104内放置了图像拾取器件101，例如CCD、指纹成像透镜***107和显示器108，例如液晶显示器，并且显示器108面对棱镜底面106b放置，此外，指纹成像透镜***107固定在透镜***固定面106d上。当转换部分105位于两个侧中的一侧时，环境光通过环境成像透镜***102聚焦到图像拾取器件101上。在这种情况下，定位开关部分105，从而使反射镜103位于光路外。此外，当转换部分105位于另一侧时，手指放置棱镜106上的入射光通过指纹成像透镜***107并由反射镜103反射，从而聚焦到图像拾取器件101上。

下面描述电子设备对环境成像的操作。如图1A所示，当转换部分105滑动到图中的右侧时，环境成像透镜***102收集环境光并聚焦到图像拾取器件101上，如图1B所示。因此，环境的图像由图像拾取器件101捕获。其后，所捕获的环境图像在显示器108上显示，因为手指放置棱镜106由透明材料制成，所以可以从外侧看到所捕获的图像。

然后，在下面说明电子设备对指纹成像的操作。首先，如图2A所示，转换部分105滑动到图中的左侧。然后，如图2A和2B所示，手指紧贴在手指放置棱镜106的手指放置表面106a上。手指保持该状态，使显示器108均匀的发光并照亮紧贴在手指放置表面106a上的手指。由手指散射的光被手指放置棱镜106的反射表面106c反射并通过透镜***固定表面106d和指纹成像透镜***107，随后被反射镜103反射，并最终聚焦到图像拾取器件101。在图像拾取器件101如上所述捕获下指纹图像之后，捕获的图像显示在显示器108上，然后，因为手指放置棱镜106由透明材料制成，所以可以从外侧看到所捕获的图像。此外，因为显示器108在对指纹成像时能够显示表示指纹形状的图形的符号和例如“将手指放在这里”的消息，使用者能把其手指放在预先确定的位置，因此，成像器件完全能够对指纹的特定部分成像。

如上所述，在日本专利申请特许公开2001-142606中公开的常规电子设备中具有两个聚焦光学***分别用于对环境和指纹成像，并对其进行配置使其可以用机械方式转换分别通过两个***的光线，从而允许光线之一通过两个聚焦光学***中相应的一个，从而将相应的光线输送到图像拾取器件，由此使设备能够用同一个图像拾取器件捕获环境和指纹图像。

应当注意，本申请的发明人在过去研制了名为“SOFI(单光纤成像)”的光学***，并在出版物“NEC TECHNICAL JOURNAL Vol.51，No.10 pp.90-95(1998)‘Development of a pen-shaped scanner and itsapplications’”中公开。研制SOFI光学***以实现用于跟踪文献的人工扫描器，并将相应的数据输入到计算机中。

SOFI光学***具有光源、玻璃基片、图像传感器以及光纤阵列。玻璃基片放置在能够将光源的光入射到的位置。图像传感器位于玻璃基片上与面对光源的表面相对的表面。光纤阵列面对图像传感器。图像传感器有可以通过光的一个窗口和多个像素。在光纤阵列中有多个光纤。从而，光源发出的光穿过玻璃基片和窗口进入到多个光纤中。

SOFI光学***的操作过程如下。首先，要读取的文献与光纤阵列接触并且文献保持该状态，使光源发光。光源发出的光穿过玻璃基片、形成在像素上的窗口以及光纤照亮文献。由文献反射的光进入照明光透过的光纤，然后进入图像传感器。由此，SOFI光学***获得文献的图像。虽然SOFI光学***是为读取文献而研制的，但是它也可以用作指纹成像的成像器件。

然而，上述常规技术包括如下问题。首先，在日本专利申请特许公开2001-142606中公开的电子设备中包括具有较大体积的用于物体成像的元件，因此，该设备被迫增加其体积。也就是，上述常规电子设备中有两个独立的聚焦光学***，分别用于环境和指纹成像，因此，必须确保将各图像分别聚焦到图像拾取器件上所需的相应透镜和图像拾取器件之间的距离。此外，为了转换两个聚焦光学***，电子设备中需要物理空间使转换部分能够沿左或右方向滑动，从而转换成像方式。如上所述，在日本专利申请特许公开2001-142606中公开的电子设备被迫增加其体积。

其次，在日本专利申请特许公开2001-142606中公开的电子设备使使用者能够通过手指放置棱镜观看显示器。由此，因为图像位于棱镜后的较深处，所以使用者感到观看显示的图像有困难。此外，当捕获指纹图像时，手指表面的油脂粘附在手指放置棱镜上，使显示图像变差。如上所述，常规电子设备包括缺点。即，使用者明显地感到显示在显示器上的图像位于设备中的较深的位置，并且留在手指放置棱镜上的指纹图像会使显示的图像变差。

第三，当捕获例如环境或人物等的环境图像时，希望能够捕获许多方向上的环境图像，其中要移动该电子设备而不考虑电子设备的方向。但是，因为上述常规电子设备用于环境成像的聚焦光学***固定在设备的外壳上，设备只能在与其对准的特定方向上对目标成像。如上所述，常规电子设备包括缺点。即，在选定的方向上设备移动以捕获环境图像的自由度是很小的。

此外，上述采用SOFI光学***的成像器件包括问题。即，虽然成像器件能够捕获指纹图像，但不能捕获环境图像。

发明概述

本发明的目的是提供一种能够捕获环境图像和指纹图像等的成像器件，其中成像器件的体积缩小并且成像器件显示图像的能力不会变差，设备在选定的方向上移动以捕获环境图像的自由度变大，并且，还提供一种包含该成像器件的电子设备。

根据本发明构成的成像器件具有：在其上提供第一和第二开口的第一外壳、用于选择第一和第二开口中的一个以打开第一和第二开口中的一个的开/关单元、当第一开口打开时用于将通过的光线聚焦到成像平面的聚焦光学单元、多个以有序的方式排列的用于检测由聚焦光学单元聚焦到成像平面的光线的光敏元件、以及当第二开口打开时允许光线通过第二开口进入多个光敏元件的接触式成像单元(该单元作为对紧贴的物体成像的单元)。

在本发明中，当捕获环境图像时，开/关单元打开第一开口，环境光进入到聚焦光学单元，并且聚焦光学单元将光线聚焦到光敏元件的位置上。因此，光敏元件能检测环境光。当成像指纹等时，开/关单元打开第二开口，并且指纹等的位置在与接触式成像单元接触，来自指纹等的光线到达光敏元件。由此，光敏元件能检测来自指纹等的光线。如上所述，只采用一个图像拾取器，成像器件能捕获两类物体的图像，即，环境和指纹等，因而减小了体积。

此外，开/关单元可以是具有第三开口的第二外壳，以容纳和可转动地支撑第一外壳。并且，第一和第二开口中的一个可以通过使第一外壳旋转从而使第一和第二开口中的一个的位置与第三开口的位置对准而被打开。成像器件的结构使其能够通过采用简化的机构实现开/关单元。此外，在将成像器件加入到电子设备中的情况下，因为电子设备能够相对于第二外壳在所希望的方向上移动聚焦光学单元。所以成像器件在许多方向上捕获环境图像，与电子设备的方向无关。

此外，本发明的成像器件的位于关闭第一和第二开口中的一个的开/关单元的部分由能吸收光的材料构成。成像器件的这种结构能够防止光反射到关闭的开口内的位置，从而消除了对通过打开的开口入射的光的影响。结果，本发明的成像器件能捕获更高精度的图像。

另外，接触型成像单元可以有多个光纤。并且，接触型成像单元还可以有将从聚焦光学单元发出的光反射到多个光敏元件的反射部分。反射部分可以是部分形成在接触型成像单元的端部、并位于聚焦光学单元一侧的金属膜。

而且，本发明的成像器件还包括反射/透射转换单元。所述反射/透射转换单元对用于反射聚焦光学单元发出的光，使其到达多个光敏元件和用于透过反射/透射转换单元发射从聚焦光学单元发出的光，使其到达接触型成像单元的操作进行转换。反射/透射转换单元可以有两个彼此平行放置的透明电极和放置在两个透明电极之间的手征向列液晶材料。成像器件的这种结构能够在对环境成像时增加反射/透射转换单元的反射系数，在对指纹等成像时增加反射/透射转换单元的透射率，从而不管对环境还是指纹进行成像，都可改进光的可用性并提高捕获图像的质量。

此外，本发明的成像器件最好具有位于接触型成像单元和多个光敏元件之间的彩色滤色片。成像器件的这种结构使每个光敏元件只能够检测通过它的单色光。因此，在成像器件中形成代表多种颜色的多个彩色滤色片以根据多种颜色检测光，就能够捕获彩色图象。

此外，本发明的成像器件中最好多个光敏元件分成多个组，每个组对应于多个光敏元件的位置的一组，并且用于使属于所有的多个组的光敏元件检测光和用于使属于多个组中的一个组的光敏元件检测光的操作是可选择的。即使在聚焦光学单元和光敏元件之间的距离很小以进一步减小成像器件的体积的情况下，成像器件的这种结构也能使得只有捕获环境图像的光敏元件检测光。

此外，本发明的成像器件可以有设在第一外壳中的发光元件，其中发光元件发出的光穿过接触型成像单元照亮要成像的目标，并且由目标反射的光穿过接触型成像单元，由多个光敏元件检测。成像器件的这种结构使其能够以高精度对例如指纹进行成像。

此外，本发明的成像器件可能有在第一外壳的外表面和第二外壳的外表面中的一个上的发光元件，其中发光元件发出的光入射在要成像的目标，并且由目标反射或散射的光穿过接触型成像单元，由多个光敏元件检测。成像器件的这种结构能够消除在第一外壳中提供发光元件的必要性，进而减小第一外壳的体积。

本发明的电子设备的特征在于电子设备包含了上述的成像器件。

本发明的电子设备可以是移动电话、个人数字助理或笔记本个人计算机。

本发明的电子设备还可以有用来显示图像并发光的显示单元，其中由所述显示单元发出的光入射到要成像的目标，并且由所述目标反射或散射的光穿过接触型成像单元，由所述多个光敏元件检测。如上所述构成的电子设备不需要在其中提供专用的发光元件，从而降低电子设备的体积和制造成本。

如上所述，本发明实现了一种表现出如下优点的成像器件和一种在其中包含成像器件的电子设备。也就是，成像器件能够捕获环境图像和指纹等的图像，其中成像器件的体积减小，并且成像器件显示图像的能力不会变差，而且成像器件在选定的方向上移动以捕获环境图像的自由度变大。

附图简要说明

图1A是常规电子设备的前视图，图1B是其剖视图，示出了如何对环境成像；

图2A是常规电子设备的前视图，图2B是其剖视图，示出了如何对指纹成像；

图3A是本发明的第一实施例的电子设备的透视图，图3B是其剖视图；

图4是图3B中所示的成像器件的放大的剖视图；

图5A是第一实施例的成像器件的光敏元件50及其附近部分的平面图，图5B是光纤收集部件的端面的平面图，图5C是通过将图5A和图5B相互重叠得到的图；

图6示出了第一实施例的成像器件的区域图像传感器和光纤收集部件的剖面图；

图7A示出了第一实施例的电子设备中如何进行捕获指纹图像的操作的前视图，图7B是其剖面图；

图8示出了第一实施例的变型的区域图像传感器和光纤收集部件的剖面图；

图9是本发明的第二实施例的区域图像传感器的透视图；

图10示出了图9中所示的区域图像传感器的电路结构的电路图；

图11示出了本发明的第三实施例的区域图像传感器的剖面图；

图12A是本发明的第四实施例的电子设备的前视图，图12B是电子设备的剖视图；

图13A示出了在第四实施例中如何进行捕获指纹图像的操作的前视图，图13B是如何进行捕获指纹图像的操作的剖视图；

图14示出了第四实施例的变型的电子设备的剖面图。

优选实施例的详细说明

下面将参考附图对本发明的实施例进行详细说明。首先，说明本发明的第一实施例。图3A是本实施例的电子设备的透视图，图3B是其剖视图，图4是图3B中所示的成像器件的放大的剖视图，图5A是第一实施例的成像器件的光敏元件及其附近部分的平面图，图5B是光纤收集部件的端面的平面图，图5C是通过将图5A和图5B相互重叠得到的图。此外，图6示出了本实施例的成像器件的区域图像传感器和光纤收集部件的剖面图，图7A和7B分别示出了在本实施例的电子设备中如何进行捕获指纹图像的操作的前视图和剖面图。

如图3A和3B所示，本实施例的电子设备具体来说是一个在一端装有成像器件5的手机1。成像器件5具有外壳10和外壳80。在该实施例中，成像器件5的外壳80也作为手机1的外壳。手机1中具有例如液晶显示器等的薄显示器90并固定在外壳80上。此外，在外壳80上形成有开口83。

外壳10为柱状，具有形成在其侧面的开口11和12，由外壳80可旋转的支撑，外壳10绕外壳10的轴线旋转。虽然本实施例可以采用电动机等作为驱动源来驱动外壳10旋转，但是本实施例采用了在外壳10的端部提供的刻痕部分10a，通过用手指移动刻痕部分10a来手动旋转外壳10，如图3A所示。这是因为用手动旋转外壳10的操作排除了电动机等的必要性，有利于降低组装电子设备所需的空间以及电子设备的制造成本和功耗。旋转外壳10使开口11或12的位置对准开口83的位置，从而允许打开开口11或12。注意，成像器件的构造是当打开开口11时，外壳80覆盖开口12从而关闭开口12，当打开开口12时，外壳80覆盖开口11从而关闭开口11。外壳10包括后面说明的其中的电子部件。用于向这些部件体供电源和控制信号的电线(未示出)将在外壳10中的电子部件和在外壳80中的电子部件(未示出)连接在一起。

如图4所示，外壳10在其两个部分提供有开口11或12，开口11具有安装在外壳10中的环境成像透镜***20，开口12具有安装在外壳10中的光纤收集部件70。在外壳10中固定有发光元件82，并且在光纤收集部件70的端部通过粘接层59粘接到区域图像传感器30(参考图6)。形成了区域图像传感器30，从而使多个光敏元件50以有序的方式和矩阵的形式排列在透明基片31的一个表面上。构造光纤收集部件70，从而将许多光纤捆扎并熔接在一起，并沿垂直于光纤延伸方向的方向切割，然后，磨光光纤的切割面，从而构成用于从光纤的一端面将图像传送到光纤的另一个端面的光学单元。发光元件82采用小尺寸的发白光的光源例如芯片型发光二极管(LED)来实现。发光元件82固定在外壳10中的环境成像透镜***20的附近，并由外部控制信号打开以照亮透明基片31的整个表面。此外，对着外壳10的外壳80的表面部分作为光吸收表面81。而且，在图4中，虽然环境成像透镜***20只画了一个透镜，但是环境成像透镜***20可由多个组合的透镜构成。

下面将详细说明包括区域图像传感器30和光纤收集部件70的光学***。如图6所示，光纤收集部件70通过粘接层59粘接到区域图像传感器30。区域图像传感器30具有提供在其中的透明基片31、形成在透明基片31的一部分上的遮光层32以及形成在透明基片31和遮光层32上的层间绝缘膜33。薄膜晶体管40形成在层间绝缘膜33的一部分上，该部分位于遮光层32的正上方，光敏元件50形成在层间绝缘膜33的错位部分，该错位部分与遮光层32的正上方错开，而且，栅极线63、数据线64和偏置线65形成在错位部分上。此外，形成平面化膜56以覆盖薄膜晶体管40、光敏元件50、栅极线63、数据线64和偏置线65。彩色滤色片57形成在平面化膜56上，保护膜58形成在彩色滤色片57上，从而形成区域图像传感器30。

在区域图像传感器30的保护层58上提供粘接层59，区域图像传感器30通过粘接层59与光纤收集部件70粘接在一起。

下面重点说明区域图像传感器30的一个光敏元件50及其周围部分。图5C示出了当从透明基片31侧观察光敏元件时光敏元件50及其周围部分的平面图。图5A和5B分别示出了只组成区域图像传感器30的元件和只组成光纤收集部件70的元件。

如图5A所示，光敏元件50上具有多个开口54。薄膜晶体管40连接到光敏元件50上，并且这些有源元件，即，光敏元件50和薄膜晶体管40，通过三种线(栅极线63、数据线64和偏置线65)连接到外部驱动电路(未示出)。从透明基片31一侧入射到区域图像传感器30上的光穿过开口54。此外，在透明基片31上未形成光敏元件50、薄膜晶体管40和那些线的区域允许光通过。

另外，如图5B所示，光纤收集部件70的端面部分包括光纤的纤心部分71以及形成的用来覆盖光纤的包层和包层的周围的反射部分72。纤心部分71的面积与光纤收集部件70的端面的面积的比大约为50％。反射部分72的面积与光纤收集部件70的端面的面积的比也大约为50％。构成反射部分72以使光吸收材料熔化并粘到包层及其周围区域，例如铝或银的材料形成在其上以覆盖光吸收部件，从而达到不低于大约95％的高反射系数。

在其端面具有这种高反射系数的光纤收集部件可通过对光纤收集部件例如施加采用自对准的剥离步骤来实现。更具体地，光致抗蚀剂涂覆到光纤收集部件的一个端面，通过溅射方法在其上形成铝薄膜。然后，通过在光纤收集部件的另一个端面输入光来曝光光致抗蚀剂，并且只有位于纤心部分71的光致抗蚀剂发生变性。其后，变性的光致抗蚀剂与形成在其上的铝膜一起通过湿腐蚀工艺被去掉，从而形成上述的具有高反射系数的光纤收集部件。

如图5C所示，形成多个纤心部分71与光敏元件50重叠。在这种情况下，即使当光敏元件50和纤心部分71之间的位置关系发生一定程度的变化，也不会引起很大的问题。即，当把区域图像传感器30粘到光纤收集部件70上时，它们之间不需要精确的位置对准。

此外，如图6所示，在本实施例中，光敏元件50采用光电二极管实现，该光电二极管具有由非晶硅氢化物(a-Si：H)等组成的光转换层52、由铬等组成的不透明电极51和由氧化铟锡(ITO)等形成的透明电极53，其中光转换层52介于不透明电极51和透明电极53之间。如上所示，光敏元件50上形成有开口54。此外，本实施例采用顶栅(top-gate)晶体管作为薄膜晶体管40，其中沟道层42由多晶硅(poly-Si)形成。更具体地，薄膜晶体管40具有沟道层42、形成在沟道层42上的栅极绝缘膜43以及排列在其上的栅极线63，其中构成沟道层42的多晶硅层用高浓度的掺杂元素掺杂。源/漏层41与沟道层42形成在同一层中，并位于沟道层42的两侧。这种顶栅多晶硅薄膜晶体管广泛的用作驱动液晶显示器的像素、图像传感器等的元件。

此外，如前所述，为了防止光入射到沟道层42上所引起的故障，借助于层间绝缘膜33在薄膜晶体管40的下面形成遮光层32。薄膜晶体管40和光敏元件50通过栅极线63、数据线64和偏置线65连接到外部器件。平面化膜56形成在这些元件上，以使位于这些元件上的表面平面化，彩色滤色片57和保护膜58形成在其上。这样形成的区域图像传感器30通过粘接层59与光纤收集部件70粘接在一起。透明基片31由无碱玻璃构成。因为无碱玻璃与多晶硅薄膜晶体管和氢化非晶硅光电二极管的制造工艺是相容的。

上述说明更具体地以数值形式示出。例如，透明基片31的厚度为0.7mm，对应于元件的从遮光层32到平面化膜56的垂直范围的总的厚度为1到2μm，彩色滤色片57的厚度为1到3.5μm，粘接层59的厚度为大约10μm，光纤收集部件70的厚度为0.5到1.0mm。此外，这些元件的横向尺寸，即，平行于透明基片31的表面的尺寸如下。光敏元件50放置的间距为30μm，开口54的宽度为4μm，光纤收集部件70的纤心部分71的直径为10μm。区域图像传感器30的像素的数量表示为500乘500，区域图像传感器30的像素区的一侧的长度和光纤收集部件70的一侧的长度均为约15mm。柱状外壳10的直径为20mm，其直径稍小于移动电话和笔记本个人计算机的厚度。

接下来，说明包含上述成像器件的电子设备对环境成像的操作过程。如图4所示，来自风景、人物等的光被环境成像透镜***20聚焦到形成区域图像传感器30的光敏元件50的平面上。

下面详细说明上述的聚焦操作。如图5A到5C和图6所示，环境光从位于透明基片31下面的位置，即，环境成像透镜***20一侧，传送到其上面，即，光纤收集部件70侧，同时部分光穿过开口54到达彩色滤色片57。进而，另一部分光穿过未被薄膜晶体管40、光敏元件50、或者接线63至65占据的区域图像传感器30的一个区域并到达彩色滤色片57。彩色滤色片57允许具有预定波长范围的特定光通过，而吸收除特定光以外的光。透过彩色滤色片57的光穿过粘接层59到达光纤收集部件70，并有部分光被反射部分72反射(参考图5B)，剩余的光入射到纤心部分71。由反射部分72反射的光重新穿过粘接层59、彩色滤色片57等，然后由光敏元件50检测。因此，部分入射在环境成像透镜***20上的光聚焦到形成区域图像传感器30的光敏元件50的平面上。另一方面，入射到纤心部分71的一端的光线从其另一端出来，并被外壳80上的光吸收表面81吸收。被光吸收表面81吸收的光和没有穿过区域图像传感器30的光不能用于目标成像，因此，没有产生损耗。

应当注意，在图3和4中，虽然如前所述放置外壳10，以使环境成像透镜***20的光学轴线垂直于外壳80的前表面，但是使外壳10相对于外壳80旋转允许成像器件在各个方向上捕获环境图像。此外，在区域图像传感器30中形成具有多种颜色，例如，红、绿和蓝，的彩色滤色片57，使成像器件能够捕获彩色图像。

接下来，说明用于对指纹成像的电子设备。如图7A和7B所示，使外壳10相对于图3中所示的方向旋转180度，使外壳10的开口12与外壳80的开二 83对齐，从而将光纤收集部件70暴露出来。在手指紧贴在光纤收集部件70的端面上的情况下进行指纹成像操作，并打开发光元件82。发光元件82发出的光大致均匀地照亮区域图像传感器30。

重新参考图5A到5C和图6，说明光走过的光路。光从发光元件82发出(参考图4)并从透明基片31的下面通过开口54、彩色滤色片57入射到光纤收集部件70。一部分光被反射部分72反射，剩余部分入射到纤心部分71。在这种情况下，入射到纤心部分71的光照亮了紧贴在光纤收集部件70的另一端面上的手指。由手指反射或散射的光以与照明光线穿过彩色滤色片57的方向的相反方向通过相同的纤心部分71等。然后所说的光由光敏元件50检测。这样检测到的光的强度分布代表了指纹的图像。另一方面，由反射部分72反射的一部分光到达光敏元件50，并产生区域图像传感器30的输出，这一输出代表光的恒定强度分布。因此，区域图像传感器30的输出由代表指纹图像的光的成分和具有恒定强度分布的光的成分构成。因此，在随后的图像处理中去掉后者的成分之后，可以得到高对比度的清晰的指纹图像。

应当注意，这样获得的指纹图像是彩色图像。单色的指纹图像对于检验寻求鉴别的个人的识别算法已经足够了。但是，当要求成像器件具有检验压在光纤收集部件上的物体是否为真正的手指时，成像器件最好采用彩色指纹图像，这是因为当手指放在光纤收集部件上时，它能检测手指颜色的变化。

此外，在上述的指纹成像的过程中，使显示器90显示提示用户输入他/她的指纹的消息和指示手指的位置的图形符号，使用户能够准确地确定他/她的手指放置的位置。

如上所述，构成本实施例的成像器件5，从而使环境成像透镜***20和区域图像传感器30形成在透明基片31上，而且光纤收集部件70可旋转地放置在外壳10中，因此，电子设备不需要有分别用于捕获环境和指纹的两个独立的聚焦光学***。此外，因为用于转换要成像目标即环境和指纹的操作是通过使成像器件的外壳相对于电子设备的外壳旋转来实现的，所以电子设备不需要在设备中保留在常规电子设备中所必需的用于以机械方式转换对目标成像必须的元件的位置的空间。因此，本实施例的成像器件与常规的成像器件相比具有更小的体积，并有利于安装到便携的电子设备中。

此外，根据常规技术构成的电子设备可能具有以下缺点。即，使用者明显地感到显示在显示器上的图像位于设备中的较深的位置，并且留在手指放置棱镜上的指纹图像使显示的质量变差。但是，根据本实施例的电子设备通过采用独立于显示器的成像机构解决了上述问题。

又，当关注对例如风景和人物的环境成像操作时，常规电子设备只在由电子设备的方向决定的一个方向捕获环境图像。但是，本发明的成像单元可以相对于电子设备的外壳转动，所以本发明的电子设备在很多方向上都能捕获环境的图像，和电子设备的方向无关。这意味着根据本发明的电子设备在选定的成像器件捕获环境图像方向上的自由度提高到了更大的范围。电子设备的这种结构使如下操作很容易实现。即，例如，电子设备的用户与另一端的人通信时同时通过手机能够看到他/她的脸或同时发送指示风景、人物等的运动图像的信息。

应当理解，在本实施例中，在说明的例子中虽然能够将环境和指纹成像的成像器件引入到手机外壳的端部，但是，根据本实施例构成的电子设备并不局限于手机，而可能是，例如，笔记本个人计算机或个人数字助理。此外，成像器件安装的位置并不局限于电子设备的端部。例如，在折叠手机和笔记本个人计算机中可以引入到用于连接容纳显示器的第一外壳和容纳键盘和按钮的第二外壳的一部分铰接部分中。

此外，与光纤收集部接触的物体的图像种类并不限于指纹。在本实施例中，光纤收集部件的端部的面积限为15mm²。当光纤收集部件的端部变大时，本发明的电子设备能够像捕获大的图像。除了指纹图像还存在其它适于输入到计算机等的图像。例如，用户可以使用手机输入***的图像以检验***是否合法。

另外，不脱离本发明的目的的实质和范围，可对上述实施例中构成该电子设备的各种元件进行选择和替代。例如，如图6所示，虽然本实施例采用了非晶硅光电二极管作为区域图像传感器的光敏元件，但是光敏元件并不限于非晶硅光电二极管。例如，即使电子设备采用光电导型元件作为光敏元件也可以实现类似于在上述实施例中实现的功能。

下面说明本实施例的一种变型。图8示出了根据该变型构成的区域图像传感器和光纤收集部件的剖面图。如图8所示，在该变型中，在其中形成光电导光敏元件50b来代替第一实施例中所述的光电转换光敏元件50。构成光电导光敏元件50b从而使具有高杂质浓度的源极/漏极层41和53b放置在光转换层52b的两侧。此外，遮光层32b形成在光敏元件50b下面的透明基片31和层间绝缘膜33之间。除了上述结构以外该变型电子设备的结构与上述第一实施例的电子设备的相同。光转换层52b和源极/漏极层53b可以分别与薄膜晶体管40的沟道层42和源极/漏极层41一起形成。用于给光敏元件50b施加一定电压的偏置线65也可以与在用于形成薄膜晶体管40的工艺步骤中形成的元件一起形成。

下面说明该变型的电子设备的操作。当对环境或指纹中的任一个成像时，光最终在穿过彩色滤色片57后入射到光转换层52b。由于光产生的电子和/或空穴使光转换层52b的电导率增加，使电流流过源极/漏极层53b和源极/漏极层41之间。通过对该电流的积分得到的电荷的数量远远大于直接由光电子转换产生的电荷数量。在光电二极管中，从那里输出的电荷数量绝不会超过由入射光产生的电荷数量。因此，在使用光电导光敏元件50b的这个变型中，可以简化外部电路，使其比使用光电二极管的第一实施例中的外部电路简单。但是，光电导光敏元件的输入范围比光电二极管窄，在所述的光敏元件的输入范围内可维持输入光量和输出电荷量之间的比例关系。

如上所述，具有光导光敏元件作为光敏元件的成像器件可以实现与具有光电二极管作为光敏元件的成像器件实现的功能相似的功能。光导光敏元件作为光敏元件的输入/输出特性在线性度上低于光电二极管。光电导光敏元件有利于简化与之相关的制造步骤，并且能够简化外部电路。

应当注意，在上述第一实施例及其变型中，虽然采用顶栅多晶硅薄膜晶体管作为驱动光敏元件的电路元件，但是也可以采用包括交错多晶硅薄膜晶体管或非晶硅薄膜晶体管的各种薄膜晶体管或者各种二极管元件。因此，电子设备的这些结构包括在本发明中。

此外，在上述第一实施例中，如图5所示，说明了由光敏元件和薄膜晶体管组成的区域图像传感器的像素的最简化的结构。但是，在数字静物照相机等中使用的“CMOS传感器”通常采用“有源型”电路结构，其中在每个像素上提供放大电路。因为这样一种有源像素CMOS传感器一般形成在晶体硅基片上，所以不能用在需要这种透明基片的本发明中。但是，通过采用薄膜半导体工艺形成上述的非晶硅或多晶硅薄膜晶体管，可以在透明基片上形成等效于有效像素CMOS传感器的电路。因此，采用这种有源像素图像传感器的电子设备也包括在本发明中。

另外，虽然本实施例采用发白光的LED作为发光元件，但是，单色的指纹图像对于检验寻求鉴别的个人的识别算法已经足够了。如果单色图像已经足够了，则不要求发光元件发白光，并且例如，可以采用发射峰值波长大约为550nm的绿色LED来实现。

再者，在本实施例中，虽然所说明的例子中提供了光纤收集部件作为光学单元，用于使手指紧贴在其上，但是在本发明中也可以采用下面的结构作为光学单元，用于使物体紧贴在其上，产生的效果类似于在成像器件中采用光纤收集部件的情况下所产生的效果。即，设置在表面具有以相同的有序方式排列的一个被反射材料覆盖的区(反射区)和另一个未被覆盖的区(透明区)的透明基片，代替图6中所示的光纤收集部件70。例如，透明基片可以是玻璃基片。在这种情况下，透明基片粘贴到区域图像传感器30的保护层58上，从而形成有反射区的透明基片的表面通过粘接层59与区域图像传感器30面对。注意，例如，反射区的形状可以与图5B中所示的反射部分72的相同。此外，反射区的形状可以与图5B中所示的纤心部分71的相同，或者将方形反射区和方形透明区交替放置，以形成棋盘图形。如上所述，可以放置反射区和透明区以形成各种图形。此外，为了防止来自手指的光线沿横向传播而导致图像分辨率的下降，透明基片的厚度要求足够薄。当透明基片的厚度等于或小于光敏元件排列的间隔时，这种下降通常不会产生大问题。例如，在传感器的分辨率为500dpi的情况下，光敏元件排列的间隔为50μm，因此，透明基片的厚度最好不大于50μm。

接下来，说明本发明的第二实施例。图9是本发明的第二实施例中使用的区域图像传感器的透视图，图10示出了区域图像传感器的电路结构的电路图。本发明通过安装环境成像透镜***、形成在透明基片上的区域图像传感器和在旋转外壳中的光纤收集部件与常规成像器件相比实现了显著的小型化。当采用具有15mm²的像素面积和500×500的像素数的区域图像传感器30时，上述第一实施例可实现直径大约2cm的可旋转外壳10。

但是，一个妨碍成像器件进一步减小其体积的主要原因是环境成像透镜***的焦距。即，假设图4中所示的成像器件采用了较短的焦距的环境成像透镜***，可以缩短环境成像透镜***和区域图像传感器30之间的距离，从而使外壳10进一步缩小。但是，因为环境图像被聚焦到区域图像传感器30中心区域，成像器件的这种结构使所捕获的图像的分辨率降低。此外，因为图像没有聚焦在周围区的像素上，所以这些像素的输出不包括任何信息。即使在这种情况下，这些像素以与位于像素区的中心部分附近的像素相同的方式输出信号到***电路。这使得区域图像传感器需要花费比输出图像信号必要的时间多的时间，因此，当以较高的速率输出移动图像时会出现不利的情况。于是，本实施例采用下面的成像器件的结构来解决上述问题，并实现进一步小型化。

本实施例不同于上述第一实施例之处在于电子设备(手机1)的结构。即，本实施例采用了更短的焦距区域图像传感器30b，和比外壳10的直径更短的外壳。其余部分的结构与第一实施例的电子设备的相同。

如图9所示，本实施例的区域图像传感器30b具有透明基片31、通过以矩阵的形式排列多个像素形成在透明基片31上的像素组35(每个像素由光敏元件50(参考图6)和薄膜晶体管40(参考图6)组成)、形成在透明基片31上的像素组35的旁边的用来提供驱动这些像素所必须的信号的垂直驱动电路61a、61b、61c、形成在像素组35的旁边用来放大像素的输出信号并将输出信号送到外电路(未示出)的水平驱动电路62a、62b、62c以及布线，即，用来将像素和驱动电路连接在一起的栅极线63、数据线64、偏置线65。在图9中，对于在第二实施例中所用的并与在第一实施例中所用到的具有相同功能的部件和元件以与第一实施例中所标的相同的数字表示，并且为了简化省略了它们的详细说明。

在本实施例中，如上所述，分别提供了三个垂直驱动电路和三个水平驱动电路。根据这些驱动电路的布局，即，垂直驱动电路61a、61b、61c，水平驱动电路62a、62b、62c以及区域图像传感器30b的像素组35分成九个矩形区35a到35i。因此，多个光敏元件50中的每一个分别属于九个矩形区35a到35i中的一个。注意，九个矩形区35a到35i形成三行三列的矩阵结构，矩形区35a位于中心，并且，矩形区35b到35i放置在矩形区35a的周围。在这种情况下，设计矩形区35a到35i使环境图像由环境成像透镜***20聚焦到位于中心的矩形区35a上。

应当注意，在图10中，光敏元件和薄膜晶体管分别标为“PD”和“TP”。“Vb”代表加到光敏元件“PD”上的电压，“IMG-OUT”表示图像传感器的输出。如图10所示的电路图，这些驱动电路每个包括三个独立的移位寄存器电路(在图中用“S/R”表示)。每个移位寄存器电路在接收例如“STRT-V1”的控制信号之后立即从其输出终端的一端到其另一端依次输出矩形脉冲。“CLK-V”和“CLK-H”为分别加到垂直驱动电路61a、61b、61c和水平驱动电路62a、62b、62c的控制信号。此外，每个水平驱动电路62a、62b、62c包括用于积分光敏元件“PD”输出的电流并放大积分电流的电路(用“AMP”表示)。

下面，参考图9和10说明本实施例的电子设备的操作过程。如前所述，当捕获环境图像时，从环境成像透镜***来的光由位于中心的矩形区35a收集。在矩形区35a以外的矩形区中的光敏元件不包含关于图像的信息。在这种情况下，当只向对应的位于中心的移位寄存器电路输入控制信号“STRT-V2”和“STRT-H2”时，垂直驱动电路61b和水平驱动电路62b工作，然后，只有包括在矩形区35a中的像素依次输出信号。因为控制信号没有输入到位于中心的移位寄存器电路以外的其它移位寄存器电路，这意味着在位于中心的矩形区以外的其它矩形区中的光敏元件实质上是不存在的。因此，本实施例的电子设备能够没有任何浪费的高速输出环境图像。

当对指纹成像时，手指反射或散射的光到达区域图像传感器30b的整个像素区(矩形区35a到35i)。在这种情况下，关于垂直驱动电路的操作，要调节控制信号“STRT-V1”、“STRT-V2”、“STRT-V3”的时序，从而使三个独立的移位寄存器电路的输出在时间域上不重叠。更详细地，例如，在垂直驱动电路61a的最后一级完成输出操作之后，控制信号“STRT-V2”输入到垂直驱动电路61b。因此，本实施例的电子设备能够使三个独立的移位寄存器电路基本上象一个移位寄存器电路一样工作。此外，关于水平驱动电路的操作，调节控制信号的时序允许本实施例的电子设备使三个独立的移位寄存器电路基本上象一个驱动电路一样工作。因此，本实施例的电子设备在区域图像传感器30b的所有像素的信号输出之后可以得到指纹的图像。

如上所述，因为本实施例的电子设备通过将区域图像传感器分块而只能够使对应于区域图像传感器的期望区域的像素输出信号，所以电子设备即使在环境成像透镜***和区域图像传感器之间的距离缩短时仍能够没有任何浪费地输出环境图像，实现成像器件和包含成像器件的电子设备的进一步缩小。

应当注意，通过分割区域图像传感器的像素区得到的分区的数量并不局限为九个。例如，形成能够在两个不同的透镜***间转换的机构作为环境成像透镜***使电子设备增加“用于拍摄详细的特写镜头的操作”成为可能，例如，除了用于捕获环境图像的正常操作外，用于对靠近镜头的物体成像。在这种情况下，要求电子设备能够捕获三种尺寸的图像，即，环境图像、在用于拍摄详细的特写镜头时的环境图像以及指纹图像。通过将两个驱动电路分别分成5个子驱动电路来实现该功能，并且将像素区分成25个子像素区。因此，具有这种结构的成像器件包括在本发明中。

然后，说明本发明的第三实施例。在本发明的成像器件中，光的可用性(usability)是决定所显示图像质量的关键因素，因此，最好尽量提高光的可用性。接下来，回到第一实施例，参考图5A到5C和图6说明光的利用效率。从透明基片3 1侧入射的光穿过光敏元件50的开口54和没有形成光敏元件50、薄膜晶体管40以及布线63到65的区域。这些区域允许光通过，并假设其透射率为“T1”。随后，光穿过彩色滤色片57。彩色滤色片57允许光通过，并假设其透射率为“T2”。通过这些相关区域或元件的光的透射率为“T1×T2”，并且到达光纤收集部件70的端面的光或者被反射部分72反射，或者入射到纤心部分71。假设光被反射部分72反射的情况发生的几率用“T3”表示。假设光被反射部分72反射重新穿过彩色滤色片57到达光敏元件50的情况发生的几率用“T4”表示。因此，光的利用效率由几率T1到T4相乘来计算，即，“T1×T2×T3×T4”。乘积“T1×T4”绝不会超过0.25。此外，如果几率“T3”大于0.5，在对指纹进行成像操作时光的可用性降低。因此，在这种情况下，第一实施例在提高光的可用性上遇到了困难。

下面，说明用于解决上述问题并提高光的可用性的作为第三实施例的电子设备的结构。图11示出了本实施例的区域图像传感器的剖面图。注意，在图11中，在第三实施例中所用的并与在图6中所示的第一实施例中所用到的具有相同功能的部件和元件以与第一实施例中所标的相同的数字表示，并且为了简化省略了它们的详细说明。

如图11所示，本实施例的电子设备与在图6中所示的第一实施例的电子设备的不同之处在于前者用光纤收集部件70b代替第一实施例的光纤收集部件70。光纤收集部件70b在其区域图像传感器30上提供有反射/透射转换单元75，并且没有反射部分72(参考图5B)。反射/透射转换单元75由依次层叠透明电极76、液晶层77和透明电极78形成。这意味着制造光纤收集部件70b的步骤中不需要包括形成反射部分72的步骤，但是需要包括依次层叠透明电极76、液晶层77和透明电极78的步骤，以形成反射/透射转换单元75。液晶层77可以采用例如手征向列液晶来实现。当未施加电压时，手征向列液晶保持其螺旋扭曲结构，散射入射的光。当施加电压时，螺旋扭曲结构被拉伸，允许入射光通过。透明电极76和78通过溅射例如ITO等材料在光纤收集部件70b的整个端面上形成。

在本实施例的电子设备中，当对环境成像时，电压没有加在透明电极76和78之间，使反射/透射转换单元75处于反射方式。这允许上述几率“T3”大于0.5。另一方面，当对指纹成像时，在透明电极76和78之间施加电压，使反射/透射转换单元75处于透射方式。因此，本实施例的电子设备通过在区域图像传感器和光纤收集部件之间放置反射/透射转换单元，从而不管在对环境还是对指纹成像的情况下都能提高光的可用性。

应当注意，反射/透射转换单元75并不局限于本实施例中所采用的结构和材料。例如，即使在构成电子设备以使通过将液晶滴分散到聚合物网格中形成的液晶(聚合物分散的液晶)放置在两个透明电极之间，这样构成的电子设备产生的效果与采用本实施例的电子设备所产生的效果相同。此外，构成本实施例的电子设备，以使厚度不大于50μm并包括在其表面上形成的透明电极的透明基片、与具有在其表面上形成的透明电极的区域图像传感器之间***手征向列液晶或聚合物分散的液晶。因此，具有这种结构的成像器件也包括在本发明中。

接下来，说明本发明的第四实施例。图12A是本实施例的电子设备的前视图，图12B是电子设备的剖视图，图13A示出了在本实施例中如何对指纹成像的前视图，图13B是如何对指纹成像的剖视图。

在上述的第一实施例中，对指纹成像所需要的光由放置在外壳10中的例如芯片型LED之类的发光元件82(参考图4)提供。但是，放置发光元件的位置并不限于第一实施例中所采用的位置。

如图12A和12B所示，电子设备具有提供在外壳80b中的发光元件82b。在外壳80b中提供容纳发光元件82b的孔80c，孔80c位于显示器90和环境成像透镜***20之间，其位置与外壳80b的外表面位置对准。发光元件82b放置在孔80c中。放置发光元件82b，从而当手指紧贴在光纤收集部件70上时使其发出的光非常有效地入射在一部分照亮手指上。除上述结构以外，本实施例的电子设备的结构与上述第一实施例的电子设备的结构相同。

接下来，说明在本实施例中电子设备对指纹成像的操作过程。如图13A和13B所示，首先，手指紧贴在光纤收集部件70上。然后，在手指紧贴在光纤收集部件70上期间，使发光元件82b发光。发光元件82b发出的光通过接近发光元件82b的手指部分入射到手指中，并反复地被反射和散射，然后，一部分光入射到与手指紧密接触的光纤收集部件70上。电子设备通过使区域图像传感器30检测该光的强度分布而获得指纹的图像。除了上述操作，在本实施例中对环境和指纹成像所进行的操作与上述第一实施例中进行的相似。因为本实施例不需要在外壳10中包含发光元件，所以外壳10可以进一步缩小。

下面说明本实施例的一个变型。图14示出了根据该变型构成的电子设备的剖面图。如图14所示，该变型中没有提供独立的发光元件，而是采用显示器90c作为指纹成像的发光光源。这种结构的操作如下。即，从显示器90c发出的光入射到手指中，并反复地被反射和散射，然后，一部分光入射到光纤收集部件70上。因此，电子设备获得指纹的图像。除了上述结构和操作处，该变型的电子设备的结构和操作与上述第四实施例的电子设备的相同。因为该变型不需要在其中提供专用的发光元件，所以外壳10可以进一步缩小同时可以进一步降低电子设备的制造成本。

Claims (17)

1.一种成像器件，包括：

其中提供第一和第二开口的第一外壳；

用于选择所述第一和第二开口中的一个以打开所述第一和第二开口中的一个的开/关单元；

当所述第一开口打开时，用于将通过所述第一开口的光线聚焦的聚焦光学单元；

多个以有序的方式排列的用于检测由所述聚焦光学单元聚焦的光线的光敏元件；以及

当所述第二开口打开时，允许光线通过所述第二开口进入所述多个光敏元件的接触型成像单元。

2.根据权利要求1的成像器件，其中所述开/关单元为具有第三开口的第二外壳，用于在所述第二外壳中容纳所述第一外壳，并且可旋转地支撑所述第一外壳，而且所述第一和第二开口中的一个通过使所述第一外壳旋转，从而使所述第一和第二开口中的一个的位置与所述第三开口的位置对准而打开。

3.根据权利要求1的成像器件，还包括设置在所述多个光敏元件和所述聚焦光学单元之间的透明基片，其中所述多个光敏元件形成在所述透明基片的表面上。

4.根据权利要求1的成像器件，其中位于关闭所述第一和所述第二开口中的一个的所述开/关单元的部分由能吸收光的材料构成。

5.根据权利要求1的成像器件，其中所述聚焦光学单元中有至少一个透镜。

6.根据权利要求1的成像器件，其中所述接触型成像单元中有多个光纤。

7.根据权利要求1的成像器件，还包括用于将从所述聚焦光学单元发出的光反射到所述多个光敏元件的反射部分。

8.根据权利要求7的成像器件，其中所述反射部分是形成在所述接触型成像单元的端部的局部、并位于所述聚焦光学单元一侧的金属膜。

9.根据权利要求1的成像器件，还包括反射/透射转换单元，用于在反射所述聚焦光学单元发出的光使其到达多个所述光敏元件、并允许所述聚焦光学单元发出的光透过反射/透射转换单元到达所述接触型成像单元之间进行转换操作。

10.根据权利要求9的成像器件，其中所述反射/透射转换单元包括：

两个彼此平行设置的透明电极；以及

设置在两个透明电极之间的手征向列液晶层。

11.根据权利要求1的成像器件，还包括设置在所述接触型成像单元和所述多个光敏元件之间的彩色滤色片。

12.根据权利要求1的成像器件，其中所述多个光敏元件分成多个组，每个组对应于所述多个光敏元件的位置的一组，并且可选择用于使属于所有的所述多个组的光敏元件检测光、和用于使属于所述多个组中的一个组的光敏元件检测光的操作中的一个。

13.根据权利要求1的成像器件，还包括在所述第一外壳中提供的发光元件，其中所述发光元件发出的光穿过所述接触型成像单元，照亮要成像的目标，并且由所述目标反射的光穿过所述接触型成像单元，由所述多个光敏元件检测。

14.根据权利要求1的成像器件，还包括在所述第一外壳的外表面和所述第二外壳的外表面中的一个上提供的发光元件，其中从所述发光元件发出的光入射到成像的目标，并且由所述目标反射或散射的光穿过所述接触型成像单元，由所述多个光敏元件检测。

15.一种包含在权利要求1到14的任何一个中说明的所述成像器件的电子设备。

16.根据权利要求15的电子设备，它是移动电话、个人数字助理和笔记本个人计算机中的一个。

17.根据权利要求15的电子设备，还包括用来显示图像并发光的显示单元，其中由所述显示单元发出的光入射到要成像的目标，并且由所述目标反射或散射的光穿过所述接触型成像单元，由所述多个光敏元件检测。

Images