屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置的制作方法

1.本实用新型涉及屏下摄像技术领域，特别是涉及一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置。


背景技术：

2.随着智能电子设备的不断发展，用户对显示终端的要求越来越高。为了同时兼顾成像和显示，市场上出现了刘海屏、水滴屏、挖孔屏、弹出屏等一系列解决方案，虽然这些方案在一定程度上增加了屏占比，但并未达到100％的真全面屏。近年来，众多厂商对屏下摄像技术(英文：camera under panel,简称cup)展开了深入的研究，并认为cup是真全面屏的最佳解决方案。
3.然而，由于现有的显示屏中屏下摄像头区域通常存在周期排布的透光孔和不透光的像素结构，使得其在成像镜头中可等效为二维光栅，因此屏下成像技术会受到显示屏的低透过率和周期性排列阵孔产生衍射现象的影响，造成图像质量退化，如图像变模糊或眩光污染等。
4.为了解决上述问题，技术人员主要着手于软件方面，已经开发出了一系列的图像处理算法，如awb或hdr等ai算法集来提升屏下摄像头的成像效果，但所达到的效果不够显著，且无法从根源上解决因显示屏的存在而引入的衍射问题。
5.此外，有些厂家采用降低屏下摄像头区域内的像素结构密度，或优化该区域内像素结构的排布和电路设计，以改善屏幕光栅带来的衍射现象，但是随之而来的则是该区域的显示效果与其他区域的显示效果过大，造成因像素过低而无法达到用户可接受的水平，且对成像质量的改善程度非常有限。


技术实现要素：

6.本实用新型的一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其能够在保持显示效果的前提下，从硬件上减少衍射效应，以便改善屏下摄像头的成像质量。
7.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述屏下摄像用显示屏能够利用4f滤波系统来消除由现有屏幕透光孔的周期性造成的高阶衍射级次，有助于提升屏下摄像头的像质。
8.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述屏下摄像用显示屏能够利用4f滤波系统进一步消除因浸反射或折射等而引入的杂散光，有助于进一步提升屏下摄像头的像质。
9.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述屏下摄像用显示屏能够先将多个4f滤波系统单独制作加工成具有层结构的光学滤波组件，再与屏幕主体进行对准组装，有利于降低制造难度，便于降低成本、提高量产性能。
10.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中，
在本实用新型的一实施例中，所述屏下摄像用显示屏能够将多个4f滤波系统集成在屏幕主体内，以便增强整体结构的紧凑性，有助于满足当下电子设备对轻薄化的需求。
11.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中，在本实用新型的一实施例中，所述屏下摄像用显示屏中所述4f滤波系统能够选用非球面透镜以设置成像方远心光路系统，有助于避免因不同视场的光到达第二微透镜时发生中心偏离而造成光能量损失或串扰的问题。
12.本实用新型的另一优势在于提供一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其中为了达到上述目的，在本实用新型中不需要采用昂贵的材料或复杂的结构。因此，本实用新型成功和有效地提供一解决方案，不只提供一种简单的屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，同时还增加了所述屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置的实用性和可靠性。
13.为了实现本实用新型的上述至少一优势或其他优点和目的，本实用新型提供了一种屏下摄像用显示屏，用于与屏下摄像头配合以实现屏下摄像，其中所述屏下摄像用显示屏包括：
14.屏幕主体，其中所述屏幕主体的显示区域包括主显示区域和用于与该屏下摄像头对应的屏下摄像区域，并且所述屏下摄像区域由用于显示画面的像素结构和周期性排列的多个透光结构组成；和
15.光学滤波组件，其中所述光学滤波组件包括多个4f滤波系统，并且所述多个4f滤波系统被一一对应地设置于所述屏下摄像区域的所述多个透光结构，用于使屏上光线在穿过所述多个透光结构和所述多个4f滤波系统后被该屏下摄像头接收。
16.根据本技术的一个实施例，每个所述4f滤波系统包括被同轴布置的第一微透镜、滤波小孔以及第二微透镜，其中所述滤波小孔位于所述第一微透镜和所述二微透镜之间，且处于所述第一微透镜和所述第二微透镜的共同焦点处。
17.根据本技术的一个实施例，所述第一微透镜的焦距等于所述第二微透镜的焦距。
18.根据本技术的一个实施例，所述第一微透镜和所述第二微透镜为单球面透镜或非球面透镜。
19.根据本技术的一个实施例，所述屏下摄像区域的每个所述透光结构为光窗，其中所述光学滤波组件被对应地设置在所述屏下摄像区域的下方，并且所述4f滤波系统一一对准于所述屏下摄像区域的所述光窗。
20.根据本技术的一个实施例，所述光窗由透光介质制成。
21.根据本技术的一个实施例，所述第一微透镜的口径大于等于所述光窗的口径。
22.根据本技术的一个实施例，所述光学滤波组件包括由阵列排布的所述多个第一微透镜形成的第一微透镜阵列层，由阵列排布的所述多个滤波小孔形成的滤波小孔阵列层以及由阵列排布的所述多个第二微透镜阵列形成的第二微透镜阵列层，其中所述第一微透镜阵列层、所述滤波小孔阵列层以及所述第二微透镜阵列层自上至下被依次叠置于所述屏幕主体的所述屏下摄像区域的下方。
23.根据本技术的一个实施例，所述屏下摄像区域的每个所述透光结构为被设置于所述像素结构的透光孔，并且所述4f滤波系统被一一对应地组装在所述透光孔内。
24.根据本技术的另一方面，本技术进一步提供了一种屏下摄像装置，包括：
25.上述任一项所述的屏下摄像用显示屏；和
26.屏下摄像头，其中所述屏下摄像头被对应地设置于所述屏下摄像用显示屏的下方，用于采集透过所述屏下摄像用显示屏的屏上光线以成像。
附图说明
27.图1为根据本实用新型的一个实施例的屏下摄像用显示屏的结构示意图；
28.图2示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏中屏下摄像区域的结构示意图；
29.图3示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏的剖视示意图；
30.图4示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏中单个4f滤波系统在正入射光下的光路示意图；
31.图5示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏中单个4f滤波系统在轴外入射光下的光路示意图；
32.图6a和图6b分别示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏中单个透光结构在不加设4f滤波系统时的光路示意图和对应的衍射图案；
33.图7a和图7b分别示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏中单个透光结构在加设4f滤波系统时的光路示意图和对应的衍射图案；
34.图8示出了根据本实用新型的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏的一个变形实施方式；
35.图9为根据本实用新型的一个实施例的屏下摄像装置的结构示意图。
36.主要元件符号说明：1、屏下摄像用显示屏；10、屏幕主体；100、显示区域；110、主显示区域；120、屏下摄像区域；121、像素结构；122、透光结构；1221、光窗；1222、透光孔；20、光学滤波组件；200、4f滤波系统；21、第一微透镜；22、滤波小孔；23、第二微透镜；210、第一微透镜阵列层；220、滤波小孔阵列层；230、第二微透镜阵列层；2、屏下摄像头。
37.以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
具体实施方式
38.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
40.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“或/及”包括
一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
41.常规显示屏的屏下摄像头区域一般由两部分组成：一部分是周期性排列的透光孔，使得外界环境光能够先通过该透光孔再经过成像透镜组以传播到ccd传感器上，这样外界物体的信息就能够在ccd上成像；另一部分是像素定义区域，其能够正常显示所需显示的信息。但这种常规显示屏的屏下摄像头区域因透光孔的周期性排列而产生衍射效应，进而这种衍射效应会导致图像质量下降，并伴有眩光污染等问题。尤其是，当场景信息中有高对比度信息存在，如存在高亮度光源时，成像会有拖影。
42.为了解决上述问题，本技术提供了一种屏下摄像用显示屏和屏下摄像装置，其能够从硬件上直接减少衍射效率，以便从根源上解决因显示屏的存在而引入的衍射问题，有助于提升屏下摄像头的成像质量。
43.具体地，参考附图1至图5所示，本实用新型的一个实施例提供了一种屏下摄像用显示屏1，其适于与屏下摄像头2配合以实现屏下摄像，并且所述屏下摄像用显示屏1可以包括屏幕主体10和光学滤波组件20。所述屏幕主体10的显示区域100可以包括主显示区域110和用于与该屏下摄像头2对应的屏下摄像区域120，并且所述屏下摄像区域120由用于显示画面的像素结构121和周期性排列的多个透光结构122组成。所述光学滤波组件20可以包括多个4f滤波系统200，并且所述多个4f滤波系统200被一一对应地设置于所述屏下摄像区域120的所述多个透光结构122，用于使屏上光线在穿过所述透光结构122和所述4f滤波系统200被该屏下摄像头2接收以实现屏下摄像。
44.值得注意的是，本技术所提及的所述主显示区域110可以但不限于被实施为正常的像素显示区域，其构造可以与一般显示屏相同；所述屏下摄像区域120通常被所述主显示区域110包围，并且是具备透光性能的像素显示区域，也就是说，所述屏下摄像区域120的所述像素结构121是用来显示屏幕信息(如画面等)的像素定义区域，其是不透光的，而所述屏下摄像区域120的所述透光结构122则是用于透过屏上光线(如外部环境入射的光线)的透光区域。可以理解的是，本技术的所述屏下摄像区域120中的所述像素结构121的驱动电路设计无需限制，均能够实现较高的屏下摄像效果；但如果选用透明引线作为所述驱动电路的导线，则能够去掉纱窗感觉。
45.此外，本技术的所述屏下摄像用显示屏1的类型可以不做限制，也就是说，所述屏幕主体10可以是利用led照明的lcd显示屏，也可以是利用oled或amoled照明的显示屏，本技术对此不再赘述。
46.更具体地，如图3所示，所述4f滤波系统200可以包括第一微透镜21、滤波小孔22以及第二微透镜23，其中所述第一微透镜21、所述滤波小孔22以及所述第二微透镜23被同轴地布置，并所述滤波小孔22位于所述第一微透镜21和所述第二微透镜23之间，且处于所述第一微透镜21和所述第二微透镜23的共同焦点处。这样，每个所述透光结构122与对应的所述4f滤波系统200能够共同构成“透光单元-微透镜-小孔-微透镜”的结构，使得透过透光单元的屏上光线先被所述第一微透镜21会聚，再在穿过所述滤波小孔22以消除高阶衍射级次的光线后，被所述第二微透镜23会聚，进而穿过该屏下摄像头2的成像透镜组以被该屏下摄像头2的传感器接收以感光成像。可以理解的是，所述4f滤波系统200中的所述滤波小孔22需要进行合理设计，使得所述滤波小孔22的内部区域能够透光，而所述滤波小孔22的外部区域不能透光，如通过涂黑或其他工艺来实现。
47.优选地，所述第一微透镜21和所述第二微透镜23被实施为等焦距透镜，此时所述第一微透镜21和所述第二微透镜23之间的距离等于微透镜焦距的两倍。换言之，所述第一微透镜21的焦距等于所述第二微透镜23的焦距，并且所述滤波小孔22与所述第一微透镜21和所述第二微透镜23之间的距离均等于微透镜焦距，使所述滤波小孔22处于所述第一微透镜21和所述第二微透镜23的共同焦点位置。可以理解的是，本技术的所述第一微透镜21和所述第二微透镜23的焦距不可过大，一般在um量级。
48.可选地，所述4f滤波系统200中的所述第一微透镜21和/或所述第二微透镜23可以但不限于被实施为单球面透镜。或者，在本技术的其他示例中，所述第一微透镜21或所述第二微透镜23也可以被实施为非球面透镜，以形成像方远心光路系统，用来避免因不同视场的光线在到达所述第二微透镜23时与微透镜中心发生偏离，而造成的光能损失或串扰问题。
49.示例性地，在本技术的上述实施例中，如图3所示，如图所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120的所述透光结构122可以被实施为光窗1221，其中所述光学滤波组件20被对应地设置在所述屏下摄像区域120的下方，并且所述4f滤波系统200一一对准于所述屏下摄像区域120的所述光窗1221，以便构成“光窗-微透镜-小孔-微透镜”的结构。
50.可选地，所述光学滤波组件20可以先被单独制作成滤波结构层，再与所述屏幕主体10进行对准组装，以制成所述屏下摄像用显示屏1。这样，本技术的所述所述屏下摄像用显示屏1能够直接选用常规显示屏，无需改变常规显示屏的内部构造就能够与所述光学滤波组件20相配合来实现较好的屏下摄像效果。
51.优选地，所述光窗1221由透光介质制成，以避免所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120出现孔洞。例如，所述光窗1221可以由透明玻璃制成，或者也可以由滤光片制成。值得注意的是，在本技术的其他示例中，所述光窗1221也可以被实施为贯穿所述屏下摄像区域120的通孔，只要允许屏上光线透过以传播至屏下即可，本技术对此不再赘述。
52.更优选地，如图3所示，所述光学滤波组件20包括第一微透镜阵列层210、滤波小孔阵列层220以及第二微透镜阵列层230，并且所述第一微透镜阵列层210、所述滤波小孔阵列层220以及所述第二微透镜阵列层230自上至下被依次叠置于所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120的下方，便于被对准地组装于所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120的下方。换言之，在所述光学滤波组件20中：多个所述第一微透镜21被阵列排布地设置成微透镜结构层，以形成所述第一微透镜阵列层210；多个所述滤波小孔22被阵列排布地设置成小孔结构层，以形成所述滤波小孔阵列层220；多个所述第二微透镜23被阵列排布地设置成微透镜结构层，以形成所述第二微透镜阵列层230。这样，通过对应地叠置所述第一微透镜阵列层210、所述滤波小孔阵列层220以及所述第二微透镜阵列层230，就能够形成所述光学滤波组件20的多个4f滤波系统200。可以理解的是，本技术的所述光学滤波组件20中的所述第一微透镜阵列层210、所述滤波小孔阵列层220以及所述第二微透镜阵列层230均可以但不限于通过光刻或刻蚀的工艺制备而成，有助于降低所述屏下摄像用显示屏1的制造难度，提高其量产性能，具有较高的实用性。
53.值得注意的是，在本技术的上述实施例中，所述4f滤波系统200中的所述第一微透镜21同轴对准地靠近所述屏幕主体10中的所述光窗1221，并且所述第一微透镜21的口径优选地大于等于所述光窗1221的口径。可以理解的是，在本技术的上述示例中，所述光窗1221
可以具有圆形窗口；当然，在本技术的其他示例中，所述光窗1221也可以具有诸如方形等其他形状的窗口。
54.此外，所述4f滤波系统200中的所述滤波小孔22的孔径通常与所述屏下摄像头2的成像镜头的视场角和所述屏幕主体10中所述透光结构122的周期有关，本技术的所述屏下摄像用显示屏1则应保证最大视场角内的主光线均能够通过所述滤波小孔22，并能够阻挡因周期性排列的所述透光结构122而引入的
±
1级、
±
2级或更高阶衍射级次的衍射光。
55.示例性地，如图4所示，以正入射光，即入射角为零的屏上光线为例，由于所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120因存在周期性排列的所述透光结构122而被等效为衍射光栅，因此正入射光在经过所述屏下摄像区域120的所述透光结构122时会发生衍射，并且衍射光满足光栅方程：2d*sinθ＝k*λ，其中d为所述透光结构122的周期，θ为衍射光的角度，k为衍射级次，λ为入射光的波长。
56.根据上述光栅方程能够计算出所述屏下摄像区域120的所述透光结构122引起的高级衍射光在经过所述第一微透镜21会聚的焦点偏离中央零级衍射光的距离约为f*tanθ＝f*k*λ/(2d)。因此，当所述滤波小孔22的孔径小于f*λ/d时，正入射光的
±
1级、
±
2级或更高阶衍射级次的衍射光将无法透过所述滤波小孔22，而正入射光的零级衍射光能透过所述滤波小孔22以被所述第二微透镜23会聚而被所述屏下摄像头2接收。
57.此外，所述滤波小孔22的孔径设置还需要避免大视场角度的入射光在经过所述透光结构122后产生的串扰问题。如图5所示，以半视场角为β的轴外入射光为例，轴外入射光在经过所述透光结构122时会发生衍射，不同级次的衍射光在经过所述第一微透镜21的会聚后会聚焦在不同的焦点上，其中央零级衍射光的会聚点位置偏离光轴的距离约为f*tanβ，其中f为所述第一微透镜21的焦距，β为入射光的半视场角；而高阶衍射级次的衍射光会以中央零级衍射光为中心，对称地会聚在偏离该中央零级衍射光的会聚点位置的周围，并且衍射级次越高，其会聚点位置与该中央零级衍射光的会聚点位置之间的距离就越大。因此，所述滤波小孔22的孔径要大于2f*tanβ，以确保轴外入射光的中央零级衍射光能够透过。与此同时，所述滤波小孔22的孔径还需要被限制，以阻挡轴外入射光的其他高阶衍射级次的衍射光。
58.为了验证本技术的所述屏下摄像用显示屏1中的所述4f滤波系统200对高级衍射光的消除效果，本技术采用virtuallab软件来建模仿真在单个所述透光结构122后加设所述4f滤波系统200前后的衍射情况。附图6a示出了单个透光结构122在不加4f滤波系统200时的光路示意图，其光路系统为：平面波先经过光阑发生远场衍射，再在所述光阑后用理想透镜将远场衍射图案成像在探测器上，其中所述光阑的形状设置为矩形，其直径设置为50um。通过仿真测试获得如图6b所示的衍射图案，并且从图6b可知：中央零级衍射光的范围约为180un，强度最强；而从中心向外衍射级次依次增加，强度也随之降低。
59.类似地，附图7a示出了单个透光结构122在加设4f滤波系统200时的光路示意图，其中第一微透镜21和第二微透镜23的焦距均设置为1mm，滤波小孔22的孔径设置为5um，以通过仿真测试获得如图7b所示的衍射图案。将图7b所示的衍射图案与图6b所示的衍射图案对比可知：在单个透光结构122后加4f滤波系统200后，其中央零级衍射光基本不变，但其他高阶衍射级次的衍射光被消除了。同理，本技术的所述屏下摄像用显示屏1在所述屏幕主体10中的每个所述透光结构122后加设所述4f滤波系统200，也能够对所述屏幕主体10中的所
述透光结构122的衍射效应起到一定的抑制作用。
60.值得注意的是，虽然在根据本技术的上述实施例中的所述光学滤波组件20具有层结构以被对准地贴装于所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120的下方，但其仅为举例，而在本技术的其他示例中，所述光学滤波组件20中的所述4f滤波系统200还可以被集成在所述屏幕主体10上，以便进一步提升所述屏下摄像用显示屏1的结构紧凑性，减小其厚度。
61.具体地，附图8示出了根据本技术的上述实施例的所述屏下摄像用显示屏1的一个变形实施方式，其中所述屏幕主体10的所述屏下摄像区域120的所述透光结构122被实施为设置于所述像素结构121的透光孔1222，并且所述4f滤波系统200被一一对应地组装在所述透光孔1222内，以使每个所述透光结构122均形成“透光孔-微透镜-小孔-微透镜”的结构，实现阻挡高级衍射光的效果。
62.根据本技术的另一方面，如图9所示，本技术的一个实施例可以进一步提供一种屏下摄像装置，其可以包括所述屏下摄像用显示屏1和被对应地设置于所述屏下摄像用显示屏1的下方的所述屏下摄像头2，用于采集透过所述屏下摄像用显示屏1的屏上光线以成像。具体地，所述屏下摄像头2对准所述屏下摄像用显示屏1的光学滤波组件20和屏幕主体10的屏下摄像区域120，并且所述光学滤波组件20位于所述屏下摄像区域120和所述屏下摄像头2之间，使得屏上光线先透过所述光学滤波组件20，再被所述屏下摄像头2接收以实现屏下摄像。可以理解的是，所述屏下摄像头2可以但不限于被实施为由成像透镜组和ccd芯片组成摄像模组，当然，在本技术的其他示例中，所述屏下摄像头2还可以采用cmos等其他类型的感光芯片。
63.值得注意的是，本技术对所述屏下摄像装置的应用场景不做限制，其可以但不限于被应用在手机、电脑、电视或平板等主流显示屏的应用场景中，本技术对此不再赘述。换言之，本技术的所述屏下摄像装置还可以但不限于被实施为配置有所述屏下摄像用显示屏1和所述屏下摄像头2的电子设备，如手机、电脑、电视、平板或各种机器人等。
64.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
65.以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。