采用準(zhǔn)直器的光學(xué)傳感器的制造方法
【專利摘要】公開了用于光學(xué)成像的系統(tǒng)和方法。光學(xué)指紋傳感器包括：圖像傳感器陣列；準(zhǔn)直器濾光層，其設(shè)置在圖像傳感器陣列上方，準(zhǔn)直器濾光層具有開孔陣列；以及光照層，其設(shè)置在準(zhǔn)直器濾光層上方。準(zhǔn)直器濾光層過濾反射光使得僅有特定的反射光束到達(dá)圖像傳感器陣列中的光學(xué)傳感元件。采用準(zhǔn)直器濾光層在允許使用較低屬性圖像傳感器的同時(shí)防止模糊。
【專利說明】采用準(zhǔn)直器的光學(xué)傳感器
交叉引用
[0001 ]本申請(qǐng)要求于2015年2月2日提交的序列號(hào)為62/111，012的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容在此以明確引用的方式并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本公開大致涉及光學(xué)傳感器，更具體地涉及一種采用準(zhǔn)直器的光學(xué)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0003]目標(biāo)成像在各種應(yīng)用中是有用的。舉例來說，生物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)生物目標(biāo)進(jìn)行成像以認(rèn)證和/或驗(yàn)證包含識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)備的用戶。生物成像提供了一種可靠的非侵入性的方式來驗(yàn)證個(gè)體身份以用于識(shí)別。各種類型的傳感器可用于生物成像。
[0004]指紋，像其他各種生物特征一樣，是基于獨(dú)特的個(gè)人特征，從而提供可靠的機(jī)制來識(shí)別個(gè)體。因此，指紋傳感器具有許多潛在的應(yīng)用。例如，指紋傳感器可以用來在固定應(yīng)用，如安全檢查點(diǎn)提供訪問控制。指紋傳感器也可用于在下述移動(dòng)設(shè)備中提供訪問控制，如手機(jī)、可穿戴智能設(shè)備(例如智能手表和運(yùn)動(dòng)跟蹤器)、平板電腦、個(gè)人數(shù)字助理(PDA)、導(dǎo)航設(shè)備以及便攜式游戲設(shè)備。相應(yīng)地，一些應(yīng)用，特別是與移動(dòng)設(shè)備相關(guān)的應(yīng)用可能需要既小型又高度可靠的識(shí)別系統(tǒng)。
[0005]大多數(shù)市售的指紋傳感器是基于光學(xué)或電容傳感技術(shù)。不幸的是，傳統(tǒng)的光學(xué)指紋傳感器太過笨重以致于無法被封裝在移動(dòng)設(shè)備以及其他常見的消費(fèi)類電子設(shè)備中，限制其用于其中傳感器尺寸不受限制門訪問控制終端和類似應(yīng)用。
[0006]結(jié)果，大多數(shù)移動(dòng)設(shè)備中的指紋傳感器是具有傳感陣列的電容傳感器，傳感陣列配置為感測(cè)指紋的凸脊和凹谷特征。典型地，這些指紋傳感器檢測(cè)絕對(duì)電容(有時(shí)稱為“自電容”)或跨電容(有時(shí)稱為“互電容”)。在任一情況下，陣列中的每個(gè)傳感元件的電容隨著是否存在凸脊或凹谷而變化，并且這些變化被電檢測(cè)以形成指紋的圖像。
[0007]雖然電容式指紋傳感器提供了一定的優(yōu)勢(shì)，但大多數(shù)市售的電容式指紋傳感器在經(jīng)過長(zhǎng)距離感測(cè)精細(xì)的凸脊和凹谷特征時(shí)具有困難，需要指紋接觸接近傳感陣列的傳感表面。對(duì)于電容傳感器來講穿過厚層，如保護(hù)許多智能手機(jī)和其他移動(dòng)設(shè)備的顯示器的厚蓋板玻璃(在文中有時(shí)也稱為“蓋板透鏡”)來檢測(cè)指紋仍然是一個(gè)重大的挑戰(zhàn)。為了解決這個(gè)問題，往往在蓋板玻璃上顯示器旁邊的區(qū)域形成一個(gè)切口，并且將獨(dú)立的電容式指紋傳感器(通常與機(jī)械按鈕集成)放置在切口區(qū)域中，從而可以檢測(cè)指紋而不必穿過蓋板玻璃來感測(cè)。需要切口使得難以在設(shè)備的表面形成齊平的表面，影響用戶體驗(yàn)，并且使制造復(fù)雜化。機(jī)械按鈕的存在也占用了寶貴的設(shè)備不動(dòng)產(chǎn)。
[0008]對(duì)于基于光學(xué)的傳感器而言一個(gè)可能的解決方案是使用針孔型照相機(jī)。針孔照相機(jī)包括薄的光阻擋層，其具有小開孔。在阻擋層的一側(cè)來自目標(biāo)的光線穿過該開孔，并以倒立的方式被投射到設(shè)置于阻擋層的相反側(cè)的檢測(cè)表面上。然而，針孔照相機(jī)具有一定的缺點(diǎn)。例如，從針孔照相機(jī)配置聚集的圖像被倒立，從而可能需要使用額外的處理。此外，來自目標(biāo)的大量的光被阻擋層阻擋，只有少量的光通過開孔。因此，圖像質(zhì)量可能是一個(gè)問題。此外，隨著阻擋層與待成像的目標(biāo)之間的距離的變化，成像目標(biāo)的區(qū)域會(huì)發(fā)生顯著變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本公開的一個(gè)實(shí)施例提供了一種光學(xué)指紋傳感器。所述光學(xué)指紋傳感器包括:圖像傳感器陣列;準(zhǔn)直器濾光層，其設(shè)置在所述圖像傳感器陣列上方，所述準(zhǔn)直器濾光層具有開孔陣列；以及光照層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直器層上方。
[0010]本公開的另一實(shí)施例提供了一種光學(xué)指紋傳感器。所述光學(xué)指紋傳感器包括:光照層，其配置為將光直射到傳感區(qū)；準(zhǔn)直層，其設(shè)置在所述光照層下方，并且包括多個(gè)開孔，其中所述開孔配置為阻擋來自所述光照層的一部分光；以及圖像傳感器層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直層下方，并且包括光學(xué)傳感器元件陣列，所述光學(xué)傳感器元件陣列布置成使得多個(gè)所述傳感器元件接收穿過所述多個(gè)開孔中的一個(gè)開孔的透射光。
[0011]本公開的另外一個(gè)實(shí)施例提供了一種使用設(shè)備對(duì)指紋成像的方法。所述方法包括:在光照區(qū)透射光使得至少一部分光從傳感區(qū)反射;在準(zhǔn)直層的表面阻擋從所述傳感區(qū)反射的光的至少第一部分;在所述準(zhǔn)直層的多個(gè)開孔內(nèi)阻擋從所述傳感區(qū)反射的光的至少第二部分；以及在傳感器陣列的多個(gè)光學(xué)傳感器元件處感測(cè)從所述傳感區(qū)反射的光的第三部分，所述第三部分的光穿過所述準(zhǔn)直層中的多個(gè)開孔的至少之一。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的包括光學(xué)傳感器和處理系統(tǒng)的系統(tǒng)實(shí)例的框圖；
[0013]圖2示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的包括光學(xué)傳感器的移動(dòng)設(shè)備的實(shí)例；
[0014]圖3示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的具有準(zhǔn)直器濾光層的光學(xué)傳感器的實(shí)例；
[0015]圖4示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的與具有準(zhǔn)直器濾光層的光學(xué)傳感器交互的光的實(shí)例；
[0016]圖5示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的準(zhǔn)直器濾光層的選擇性實(shí)施例；以及
[0017]圖6示出了根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的使輸入目標(biāo)成像的方法。
【具體實(shí)施方式】
[0018]接下來的詳細(xì)描述在本質(zhì)上僅僅是示例性的，而非限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和用途。此外，無意于通過前述技術(shù)領(lǐng)域、【背景技術(shù)】、
【發(fā)明內(nèi)容】
、【附圖說明】或接下來的詳細(xì)描述中所呈現(xiàn)的任何明示或暗示的理論限定本發(fā)明。
[0019]轉(zhuǎn)向附圖，并且如文中更詳細(xì)地描述，本發(fā)明公開的實(shí)施例提供了對(duì)諸如指紋等輸入目標(biāo)光學(xué)成像的方法和系統(tǒng)。特別地，描述了這樣一種方法和系統(tǒng)，其中光學(xué)傳感器包括準(zhǔn)直器濾光層，其作為光調(diào)節(jié)層操作且夾設(shè)于光照層與圖像傳感器陣列之間。從光照層透過的光從蓋板層上方的傳感區(qū)中的輸入目標(biāo)反射。反射光經(jīng)準(zhǔn)直器濾光層過濾，使得僅有一些所反射的光束達(dá)到圖像傳感器陣列中的光學(xué)傳感元件。
[0020]采用本公開的準(zhǔn)直器濾光層可防止模糊不清，同時(shí)允許采用與完全基于透鏡的或基于針孔照相機(jī)的成像傳感器相比，較低屬性的圖像傳感器，如指紋傳感器。因此，圖像傳感器可以被制成較薄以用在移動(dòng)設(shè)備(如手機(jī))中。在每個(gè)光學(xué)傳感元件或一組元件上設(shè)置各個(gè)準(zhǔn)直器開孔，通過使更多的光透射到光學(xué)傳感元件，提供了比完全基于針孔的成像器更好的靈敏度。本公開描述了使用準(zhǔn)直器濾光層使得能夠穿過大范圍厚度的蓋板層來進(jìn)行光學(xué)傳感。
[0021 ]圖1是根據(jù)本公開的一個(gè)實(shí)施例的電子系統(tǒng)100的實(shí)例的框圖，電子系統(tǒng)100包括光學(xué)傳感器器件102和處理系統(tǒng)104。舉例來說，示出了在捕獲、存儲(chǔ)和驗(yàn)證生物匹配嘗試期間使用的電子設(shè)備100的基本功能組件。處理系統(tǒng)104包括(一個(gè)或數(shù)個(gè))處理器106、存儲(chǔ)器108、模板存儲(chǔ)器110、操作系統(tǒng)(OS) 112、(一個(gè)或數(shù)個(gè))電源114。(一個(gè)或數(shù)個(gè))處理器106、存儲(chǔ)器108、模板存儲(chǔ)器110以及操作系統(tǒng)112的每一個(gè)在物理上、通信上和/或操作上互連以用于組件間的通信。電源114互連到各種系統(tǒng)組件以提供必要的電力。
[0022]如圖所示，(一個(gè)或數(shù)個(gè))處理器106配置為實(shí)現(xiàn)功能和/或處理在電子設(shè)備100和處理系統(tǒng)104中執(zhí)行的指令。例如，處理器106執(zhí)行存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器108中的指令或存儲(chǔ)在模板存儲(chǔ)器110上的指令，以識(shí)別生物目標(biāo)或判斷生物認(rèn)證嘗試是成功還是不成功。存儲(chǔ)器108可以是非暫時(shí)的、計(jì)算機(jī)可讀的存儲(chǔ)介質(zhì)，配置為在操作期間將信息存儲(chǔ)在電子設(shè)備100內(nèi)。在某些實(shí)施例中，存儲(chǔ)器108包括臨時(shí)存儲(chǔ)器，其為當(dāng)電子設(shè)備100被關(guān)閉時(shí)將不保存的信息的區(qū)域。這樣的臨時(shí)存儲(chǔ)器的實(shí)例包括易失性存儲(chǔ)器，如隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(DRAM)、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(SRAM)。存儲(chǔ)器108還保存由處理器106執(zhí)行的程序指令。
[0023]模板存儲(chǔ)器110包括一個(gè)或多個(gè)非暫時(shí)的計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。在指紋傳感器的上下文中，該模板存儲(chǔ)器110通常配置為存儲(chǔ)用戶指紋的指紋圖像的注冊(cè)視圖或其他注冊(cè)信息。更一般地，模板存儲(chǔ)器110可用于存儲(chǔ)關(guān)于目標(biāo)的信息。模板存儲(chǔ)器110可以進(jìn)一步配置為長(zhǎng)期存儲(chǔ)信息。在一些實(shí)例中，模板存儲(chǔ)器110包括非易失性存儲(chǔ)元件。非易失性存儲(chǔ)元件的非限制性實(shí)例包括磁硬盤、固態(tài)硬盤(SSD)、光盤、軟盤、閃存或電可編程存儲(chǔ)器(EPROM)或電可擦除可編程(EEPROM)存儲(chǔ)器的形式等諸如此類。
[0024]處理系統(tǒng)104還主持操作系統(tǒng)(OS) 112。操作系統(tǒng)112控制處理系統(tǒng)104的組件的操作。例如，操作系統(tǒng)112輔助(一個(gè)或多個(gè))處理器106、存儲(chǔ)器108以及模板存儲(chǔ)器110的相互作用。
[0025]根據(jù)各種實(shí)施例，(一個(gè)或多個(gè))處理器106實(shí)現(xiàn)硬件和/或軟件來獲得描述輸入目標(biāo)的圖像的數(shù)據(jù)。(一個(gè)或多個(gè))處理器106也可以對(duì)齊兩個(gè)圖像，并將對(duì)齊的圖像相互比較，以判斷是否匹配。(一個(gè)或多個(gè))處理器106還可以操作為將一系列較小的部分圖像或子圖像重組為一個(gè)較大的圖像，例如在生物處理(如用于驗(yàn)證或識(shí)別的注冊(cè)或匹配處理)期間收集多個(gè)部分指紋圖像時(shí)的指紋圖像。
[0026]處理系統(tǒng)104包括一個(gè)或多個(gè)電源114，以向電子設(shè)備100提供電力。電源114的非限制性實(shí)例包括:單次使用的電源、可再充電電源、和/或從鎳鎘、鋰離子或其他合適的材料研發(fā)的電源，以及電源線和/或適配器，其進(jìn)而連接到電力。
[0027]光學(xué)傳感器102可以被實(shí)現(xiàn)為電子系統(tǒng)100的物理部分，或者可以在物理上與電子系統(tǒng)100分離。適當(dāng)?shù)?，光學(xué)傳感器102可以使用下述任何一個(gè)或多個(gè)與電子系統(tǒng)100的一部分通信:總線、網(wǎng)絡(luò)以及其他有線或無線互連。在一些實(shí)施例中，光學(xué)傳感器102被實(shí)現(xiàn)為指紋傳感器來捕獲用戶的指紋圖像。根據(jù)本公開，光學(xué)傳感器102使用光學(xué)傳感達(dá)到目標(biāo)成像的目的，包括對(duì)諸如指紋等生物特征進(jìn)行成像。光學(xué)傳感器102可以例如被合并為顯示器的一部分，或者可以是單獨(dú)的傳感器。
[0028]電子系統(tǒng)100的一些非限制性實(shí)例包括各種尺寸和形狀的個(gè)人電腦，諸如臺(tái)式計(jì)算機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)、上網(wǎng)本、平板電腦、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、電子書閱讀器以及個(gè)人數(shù)字助理(PDA)等。另外的電子系統(tǒng)100實(shí)例包括復(fù)合輸入設(shè)備，諸如物理鍵盤和獨(dú)立的操作桿或鍵盤開關(guān)。電子系統(tǒng)100的其他實(shí)例包括外圍設(shè)備，諸如數(shù)據(jù)輸入設(shè)備(包括遙控器和鼠標(biāo))和數(shù)據(jù)輸出設(shè)備(包括顯示屏和打印機(jī))。其他實(shí)例包括遠(yuǎn)程終端、自助服務(wù)終端和視頻游戲機(jī)(例如，視頻游戲控制器、便攜式游戲裝置等)、通信設(shè)備(包括便攜式電話，諸如智能電話)以及媒體設(shè)備(包括記錄儀、編輯器和諸如電視機(jī)、機(jī)頂盒、音樂播放器、數(shù)碼相框以及數(shù)碼相機(jī)等的播放器)。
[0029]光學(xué)傳感器102可為傳感區(qū)提供光照。從傳感區(qū)的(一個(gè)或數(shù)個(gè))光照波長(zhǎng)的反射被檢測(cè)到以確定對(duì)應(yīng)于輸入對(duì)象目標(biāo)的輸入信息。
[0030]光學(xué)傳感器102可以利用直接光照輸入目標(biāo)的原理，輸入目標(biāo)根據(jù)配置可能會(huì)或可能不會(huì)與傳感區(qū)的傳感表面接觸。一個(gè)或多個(gè)光源和/或光導(dǎo)結(jié)構(gòu)可用于將光直射到傳感區(qū)。當(dāng)存在輸入目標(biāo)時(shí)，該光從輸入目標(biāo)的表面反射，反射可通過光學(xué)傳感元件檢測(cè)到并用于確定輸入目標(biāo)的相關(guān)信息。
[0031]光學(xué)傳感器102也可以利用內(nèi)部反射的原理來檢測(cè)與傳感表面接觸的輸入目標(biāo)。一個(gè)或多個(gè)光源可用于以一個(gè)角度在光導(dǎo)元件中直射光，在該角度光在傳感區(qū)的傳感表面被內(nèi)部反射，這是由于在傳感表面限定的邊界的相反側(cè)存在不同的折射率。輸入目標(biāo)與傳感表面的接觸引起折射率跨過此邊界而變化，從而改變了在傳感表面的內(nèi)部反射特性，弓丨起從輸入目標(biāo)反射的光在與傳感表面接觸的部分變?nèi)酢Ｈ绻芤秩珒?nèi)反射(FTIR)的原理被用來檢測(cè)輸入目標(biāo)，則通常可以實(shí)現(xiàn)更高反差信號(hào)。在這樣的實(shí)施例中，光可以被全內(nèi)反射的入射角直射到傳感表面，除了輸入目標(biāo)與傳感表面接觸并引起光部分透射過該界面的情況。這樣一個(gè)實(shí)例是存在手指被引入由玻璃到空氣界面限定的輸入表面。與空氣相比，人體皮膚的折射率較高，引起在傳感表面以界面到空氣的臨界角度入射的光部分透射穿過手指，否則這些光將會(huì)在玻璃到空氣界面完全內(nèi)部反射。此光學(xué)響應(yīng)可以被系統(tǒng)檢測(cè)到并且用于確定空間信息。在一些實(shí)施例中，這可用于對(duì)小尺度指紋特征成像，其中入射光的內(nèi)部反射率根據(jù)凸脊或凹谷是否與傳感表面的該部分接觸而不同。
[0032]圖2示出了電子設(shè)備116(如移動(dòng)電話)的實(shí)例，其包括在顯示器120之上的蓋板玻璃118。通過使用顯示器120作為光學(xué)傳感器對(duì)輸入目標(biāo)成像可以實(shí)現(xiàn)所公開的方法和系統(tǒng)。選擇性地，獨(dú)立的離散組件122提供光學(xué)傳感能力。離散傳感器與試圖在顯示基板(如TFT背板)上集成光學(xué)傳感器組件相比，對(duì)于設(shè)計(jì)傳感器的光學(xué)組件用以最佳光照和/或信號(hào)調(diào)節(jié)而言，可提供更多的靈活性。
[0033]圖3示出了對(duì)于光學(xué)圖像傳感器器件200的用于對(duì)目標(biāo)216(如指紋)成像的堆疊的實(shí)例。傳感器200包括圖像傳感器陣列202、設(shè)置在圖像傳感器陣列202上方的準(zhǔn)直器濾光層或光調(diào)節(jié)層204、設(shè)置在準(zhǔn)直器濾光層204上方的光照層207、光源208以及蓋板層210。在某些實(shí)施例中，也可提供阻擋層214。
[0034]蓋板層210保護(hù)傳感器200的內(nèi)部組件，諸如圖像傳感器陣列202。蓋板層210可包括蓋板玻璃或蓋板透鏡，其除了傳感器200之外還保護(hù)顯示器的內(nèi)部組件。在蓋板層210之上限定對(duì)于輸入目標(biāo)的傳感區(qū)域。蓋板層210的上表面218可形成傳感表面，其提供對(duì)輸入目標(biāo)216(例如，指紋)的接觸區(qū)域。蓋板層210由諸如玻璃、透明聚合材料等的任何材料制成。
[0035]盡管出于說明目的在指紋的背景下大體描述，但輸入目標(biāo)216是待成像的任何目標(biāo)。通常，目標(biāo)216將具有各種特征。舉例來說，目標(biāo)216具有凸脊和凹谷。由于它們的突出性質(zhì)，凸脊與蓋板210層的傳感表面218接觸。相反，凹谷不與傳感表面218接觸，反而在輸入目標(biāo)216與傳感表面218之間形成氣隙。目標(biāo)216可具有諸如污點(diǎn)、油墨等其他特征，其不會(huì)在輸入目標(biāo)216的部分產(chǎn)生顯著結(jié)構(gòu)差別，但其會(huì)影響它的光學(xué)特性。此處公開的方法和系統(tǒng)適用于對(duì)輸入目標(biāo)216的這種結(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)特征成像。
[0036]光照層207包括光源208和/或光導(dǎo)元件206，其將光照直射到傳感區(qū)以對(duì)輸入目標(biāo)成像。如圖3所示，光源208將光束或光線212透射進(jìn)入光導(dǎo)元件206，并且透射光穿過光導(dǎo)元件206傳播。光導(dǎo)元件可以利用全內(nèi)反射，或可包括向傳感區(qū)提取光的反射表面。光照層中的一些光可能變成在與輸入目標(biāo)216接觸的區(qū)域在傳感表面218入射。入射光進(jìn)而朝向準(zhǔn)直器濾光層204被反射回。在所示的實(shí)例中，光源208設(shè)置為相鄰于光導(dǎo)元件206。然而，將理解的是，光源208可以位于傳感器200內(nèi)的任何位置，只要所發(fā)出的光能到達(dá)光導(dǎo)元件206SP可。例如，光源208可以設(shè)置在圖像傳感器陣列202的下方。此外，將理解的是，不需要單獨(dú)的光導(dǎo)元件206。例如，從光源208透射的光可以被直接透射到蓋板層210，在這種情況下蓋板層210也可作為光導(dǎo)元件。作為另一實(shí)例，從光源208透射的光可以被直接透射到傳感區(qū)，在這種情況下光源208本身作為光照層。
[0037]也不需要離散的光源。例如，該方法和系統(tǒng)考慮利用由顯示器提供的光或來自LCD的背光作為合適的光源。由光照層207提供來對(duì)目標(biāo)216成像的光可以為近紅外光(NIR)或可見光。光可以具有窄帶的波長(zhǎng)、寬帶的波長(zhǎng)或在若干個(gè)波段操作。
[0038]圖像傳感器陣列202檢測(cè)穿過準(zhǔn)直器濾光層204的光。合適的傳感器陣列的實(shí)例為互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)和電荷耦合器件
(CCD)傳感器陣列。傳感器陣列202包括能夠檢測(cè)入射光強(qiáng)度的多個(gè)單個(gè)光學(xué)傳感元件。
[0039]為了實(shí)現(xiàn)通過較厚蓋板層210的指紋和指紋大小特征的光學(xué)傳感，由光準(zhǔn)直器濾光層204調(diào)節(jié)從指紋反射的光，使得到達(dá)圖像傳感器陣列202中的傳感元件的光僅來自于傳感器元件正上方的輸入目標(biāo)216的小光點(diǎn)。在存在這樣的調(diào)節(jié)的情況下，任何從遠(yuǎn)離光學(xué)傳感元件的目標(biāo)上的區(qū)域到達(dá)傳感元件的光均會(huì)導(dǎo)致圖像模糊。
[0040]為了根據(jù)本公開調(diào)節(jié)光，準(zhǔn)直器濾光層204設(shè)置有一列開孔或準(zhǔn)直器孔220，每個(gè)開孔在圖像傳感器陣列202上的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感元件的正上方。使用任何合適的技術(shù)形成開孔220，如激光鉆孔、蝕刻等。
[0041]準(zhǔn)直器濾光層204僅允許從輸入目標(biāo)216(例如，手指)反射的以直角或接近直角入射到準(zhǔn)直器濾光層204的光線通過和到達(dá)圖像傳感器陣列的光學(xué)傳感元件204。在一個(gè)實(shí)施例中，準(zhǔn)直器濾光層204是具有孔陣列220的不透明層。該準(zhǔn)直器濾光層204是層疊的、堆疊的或是直接構(gòu)建在圖像傳感器陣列202的正上方。舉例來講，準(zhǔn)直器濾光層204可由諸如聚碳酸酯等塑料、PET、聚酰亞胺、炭黑、無機(jī)絕緣或金屬材料、硅或SU-8制成。在某些實(shí)施例中，準(zhǔn)直器濾光層204是單片的。
[0042]在圖3中還示出了阻擋層214，其可選地被設(shè)置為光學(xué)傳感器200的一部分。阻擋層214為以設(shè)置在準(zhǔn)直器濾光層204上方的半透明或不透明的層。舉例來說，如圖3所示，阻擋層可以設(shè)置在蓋板層210與光照層207之間。選擇性地，阻擋層214可設(shè)置在光照層207與準(zhǔn)直器濾光層204之間。在任一情況下，阻擋層214在仍然允許傳感器200操作的同時(shí)，對(duì)傳感器200的組件(如準(zhǔn)直器濾光層中的開孔)遮擋周圍的光照。阻擋層214可以包括若干不同的材料或子層。例如，可使用薄的金屬或電子導(dǎo)電層，其中層厚度小于在可見光譜中光滲透的皮膚深度。選擇性地，阻擋層214可以包括吸收例如可見光譜中的光的染料和/或顏料或幾種染料和/或顏料。作為另一種選擇，阻擋層214可以包括若干子層或納米級(jí)的特征，其被設(shè)計(jì)為引起與特定波長(zhǎng)(舉例來講如可見光)的干擾，從而選擇性地吸收或反射不同波長(zhǎng)的光。阻擋層214的光吸收屬性可能被制定成給出特定的顏色、質(zhì)地或反射性質(zhì)的外觀，由此允許與集成光學(xué)傳感器200的設(shè)備的特定審美匹配或形成對(duì)比。如果使用可見光照波長(zhǎng)，則可使用半透明層來允許足夠的光通過阻擋層到達(dá)傳感區(qū)，同時(shí)仍然充分遮擋下方的組件。
[0043]圖4示出了設(shè)置在光照層207與圖像傳感器陣列202之間的準(zhǔn)直器濾光層204和傳感器200內(nèi)的光的相互作用的靠近圖。蓋板層210的部分226與輸入目標(biāo)216的凸脊接觸，并且蓋板層210的部分228由于目標(biāo)216的凹谷的存在而與空氣接觸。圖像傳感器陣列202包括光學(xué)傳感元件230、232、234和236，其設(shè)置在準(zhǔn)直器濾光層204的開孔或孔220的下方。
[0044]直觀地顯不了在蓋板層210反射的一系列光線。例如，光線238在被目標(biāo)216的凸脊或凹谷占據(jù)的部分從蓋板層210反射。由于光線238在準(zhǔn)直器開孔220的上方并且相對(duì)接近法線，因此光線238通過準(zhǔn)直器波光層204中的開孔220，并且例如入射在光學(xué)傳感元件232和236上。光學(xué)傳感元件然后可用于測(cè)量光的強(qiáng)度并將所測(cè)量的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為輸入目標(biāo)216的圖像數(shù)據(jù)。另一方面，相對(duì)于法線具有較大角度的光束240和242在準(zhǔn)直器濾光層204的頂面或開孔內(nèi)的表面(例如，開孔側(cè)壁)撞擊準(zhǔn)直器濾光層204，并且被阻擋而被阻止到達(dá)圖像傳感器陣列202中的光學(xué)傳感元件。
[0045]準(zhǔn)直器濾光層204的度量是開孔或孔220的縱橫比?？v橫比為準(zhǔn)直器濾光層204中的孔的高度(h)244除以孔直徑246?？v橫比應(yīng)該足夠大，以防止“散射”光到達(dá)每個(gè)準(zhǔn)直器孔正下方的光學(xué)傳感元件。散射光的實(shí)例是從蓋板層210(例如，凹谷)的部分228反射的光線242，其在沒有準(zhǔn)直器濾光層的情況下將到達(dá)凸脊下側(cè)的傳感元件。較大的縱橫比將光接收錐區(qū)限制于較小的角度，提高系統(tǒng)的光學(xué)分辨率。最小的縱橫比可以使用從準(zhǔn)直器濾光層204到待成像的目標(biāo)(例如，手指)的距離除以手指所期望的光學(xué)分辨率來估計(jì)。在一些實(shí)施例中，準(zhǔn)直器開孔220為圓柱形或圓錐形。準(zhǔn)直器開孔220的側(cè)壁可以包括凹槽或其他結(jié)構(gòu)來防止散射光從側(cè)壁反射而到達(dá)光學(xué)傳感元件。有效的縱橫比通過沿著準(zhǔn)直器孔的高度的平均孔直徑來確定。適當(dāng)?shù)目v橫比的實(shí)例為大約3:1到100:1的范圍內(nèi)的比率，更典型地為在約5:1到20:1的范圍內(nèi)的比率。
[0046]通常期望將準(zhǔn)直器開孔220的高度244制作得盡可能薄，以為制作準(zhǔn)直器濾光層204以及將其與底層的圖像傳感器陣列202(如CMOS或CCD圖像傳感器)集成提供最大的靈活性。小的開孔直徑246可用于保持所需的準(zhǔn)直器縱橫比。然而，如果開孔過小(小于正使用的光的波長(zhǎng)的幾倍)，則衍射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致額外的模糊，這是由于從準(zhǔn)直器開孔220射出的光線發(fā)散。這樣的衍射效應(yīng)可以通過將準(zhǔn)直器濾光層204放置得盡可能靠近圖像傳感器陣列202來減輕，理想地比Fraunhofer遠(yuǎn)場(chǎng)距離(Γ~2/λ( lambda)，其中r是開孔半徑，λ是光波長(zhǎng))靠近得多。
[0047]還通常期望減小準(zhǔn)直器濾光層204與圖像傳感器陣列202之間的距離，以允許到達(dá)圖像傳感器陣列202的光學(xué)傳感元件的光盡可能地集中。此外，如果該傳感器陣列202到準(zhǔn)直器濾光層204的距離過大，則來自相鄰的孔的散射光可能會(huì)到達(dá)特定的光學(xué)傳感元件，導(dǎo)致圖像模糊。
[0048]如果圖像傳感器陣列202是CCD或CMOS圖像傳感器，其中光學(xué)傳感元件節(jié)距(元件之間的距離)可小于準(zhǔn)直器開孔節(jié)距(孔之間的距離)，則通過單個(gè)準(zhǔn)直器開孔220的光可能照射一個(gè)以上的光學(xué)傳感元件。這樣的布置由圖4中的光學(xué)傳感元件234和236示出。在這種情況下，處理系統(tǒng)(圖1)可將對(duì)應(yīng)于給定準(zhǔn)直器開孔的所有光學(xué)傳感元件的光強(qiáng)度組合起來。在處理來自圖像傳感器陣列202的原始數(shù)據(jù)之后所得到的指紋圖像可具有對(duì)應(yīng)于準(zhǔn)直器開孔陣列的分辨率。需要注意的是，準(zhǔn)直器濾光層204中的開孔220的布置可能會(huì)導(dǎo)致傳感器陣列202中的一些光學(xué)傳感元件未被使用。未使用的光學(xué)傳感元件的實(shí)例是傳感元件240。由于光學(xué)傳感元件240不在準(zhǔn)直器孔的下方，因此反射的光線將在到達(dá)光學(xué)傳感元件240之前被阻擋。圖像處理可以去除未使用的傳感器元件并且例如在圖像重建或圖像匹配中使用數(shù)據(jù)之前對(duì)圖像適當(dāng)?shù)乜s放。
[0049]光學(xué)傳感器200的成像分辨率(dpi)由準(zhǔn)直器濾光層204中的開孔220的分辨率定義而節(jié)距是每個(gè)開孔之間的距離。在光學(xué)傳感器200中，準(zhǔn)直器濾光層204中的每個(gè)開孔220對(duì)應(yīng)于正被成像的目標(biāo)216的特征的樣本，諸如來自指紋內(nèi)的凸脊或凹谷的樣本。為了最大限度地提高分辨率，采樣密度(其等于開孔密度)應(yīng)該足夠大，使得對(duì)每個(gè)感興趣的特征采取多個(gè)樣本。這樣，例如，為了對(duì)指紋中的凸脊成像，節(jié)距可以是從50到100微米的量級(jí)，這是因?yàn)橥辜贡旧淼墓?jié)距為150至250微米的量級(jí)。如果期望捕獲更多的顆粒特征(如指紋中的毛孔)，則諸如25微米的更小的節(jié)距將是適當(dāng)?shù)摹Ｏ喾?，較大的節(jié)距可以用來捕獲輸入目標(biāo)的較大特征。
[0050]光學(xué)傳感器200在準(zhǔn)直器濾光層204與傳感表面220之間的寬范圍距離上表現(xiàn)相似，這是因?yàn)榉瓷涔獾倪^濾通常與厚度無關(guān)，只要準(zhǔn)直器濾光層204中的孔的縱橫比被選擇為支持所期望的光學(xué)分辨率即可。
[0051]圖5示出了準(zhǔn)直器濾光層204的選擇性實(shí)施例。如上所述，準(zhǔn)直器濾光層204由吸光材料制成，并且包括開孔220的陣列。在所示的選擇性實(shí)施例中，準(zhǔn)直器濾光層204的頂面還包括反射層250。反射層250允許通常被準(zhǔn)直器濾光層204吸收的光束被朝向傳感區(qū)向上反射回。將光重新射回傳感區(qū)允許反射光被重復(fù)利用，從而一些重復(fù)利用的光可以從待成像的輸入目標(biāo)反射并且透射過準(zhǔn)直器濾光層開孔。
[0052]包含反射層250通過將散射光反射回到輸入目標(biāo)216最大限度地減少了光損耗，而在整體傳感器封裝內(nèi)不需要高級(jí)別的照明。吸光準(zhǔn)直器濾光層體的頂部可使用各種變形技術(shù)來粗糙化，所述變形技術(shù)包括但不限于:噴砂、涂覆填料、紫外壓印或干法刻蝕。這種粗糙化的頂部然后可被薄層金屬覆蓋，其形成以隨機(jī)的方式多面化的表面。反射層250可以由將反射光的任何合適的材料制成，命名幾個(gè)實(shí)例，諸如鋁、鉻和銀。
[0053]所公開的方法和系統(tǒng)考慮了各種方法將準(zhǔn)直器濾光層204包括在光學(xué)傳感器200的整體結(jié)構(gòu)中。例如，準(zhǔn)直器濾光層204可以是被疊加或?qū)盈B到圖像傳感器陣列202上的預(yù)先圖案化的結(jié)構(gòu)，如圖3-4中大體描述的那樣。本公開考慮了備選實(shí)施例。例如，一個(gè)選擇性實(shí)施例是直接在CMOS圖像傳感器晶圓或晶片上將準(zhǔn)直器濾光層204形成圖案或形成準(zhǔn)直器濾光層204，大體如圖5所示。例如，晶片級(jí)的準(zhǔn)直器層可以通過微制造形成。取代將單獨(dú)的準(zhǔn)直器濾光層204放置在圖像傳感器陣列202的頂部，而是對(duì)CMOS圖像傳感器陣列制作添加后端處理。根據(jù)這種技術(shù)，不需要單獨(dú)制造準(zhǔn)直器濾光層。在CMOS圖像傳感器陣列的頂部，首先可涂覆具有諸如炭黑等吸光染料的液體型聚合樹脂，然后可固化以形成準(zhǔn)直器濾光層體。在將聚合樹脂固化之后，可選地將金屬濺射到固化的樹脂頂部以作為反射層?？梢酝ㄟ^對(duì)金屬和底下的聚合物層依次進(jìn)行光刻和蝕刻以形成開孔來形成開孔圖案。最后一步，金屬層可以被粗糙化以形成反射/散射層。
[0054]在另一實(shí)施例中，用光學(xué)干涉濾光器代替或補(bǔ)充準(zhǔn)直器濾光層204，該光學(xué)干涉濾光器阻擋對(duì)于成像面的法線相對(duì)較遠(yuǎn)的入射角的入“散射(stray)”光?？梢允褂枚鄬庸鈱W(xué)濾光器，其透過幾乎接近法線入射的光，使得濾光器可以構(gòu)造為僅通過特定波長(zhǎng)的光。雖然這樣的角度特定的濾光器可以被設(shè)計(jì)為針對(duì)特定的光波長(zhǎng)工作，但這樣的干擾濾光器可以用來拒絕來自相鄰?fù)辜购桶脊鹊纳⑸涔狻?br>[0055]準(zhǔn)直器濾光層204也可以是在頂部和底部具有圓形開口的玻璃準(zhǔn)直器濾光器。這種類型的準(zhǔn)直器濾光層使用雙面對(duì)準(zhǔn)技術(shù)制成，其形成對(duì)準(zhǔn)的頂部和底部開口，但沒有貫穿玻璃體的物理中空孔。準(zhǔn)直器濾光層的頂面可以被紋理化為用于光進(jìn)入的漫射器，而底面可以是通過將光反射回到透明的玻璃體的重復(fù)利用的金屬質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)之一是，這種方法使得層壓更簡(jiǎn)單，因?yàn)闆]有物理中空孔。根據(jù)此玻璃準(zhǔn)直器濾光層，蓋板玻璃、光導(dǎo)膜以及玻璃濾光器可以用現(xiàn)成的層壓設(shè)備來層壓。
[0056]在一些實(shí)施例中，可以使用具有鉆孔的不透明的玻璃準(zhǔn)直器濾光器。這類似于先前描述的準(zhǔn)直器濾光膜。制造方法可以是相同的，除了主體是玻璃的事實(shí)以外?；谒蟮膁pi確定開孔密度。
[0057]圖6示出了根據(jù)本公開的成像方法600。
[0058]在步驟602中，使用具有光源和/或光導(dǎo)元件的光照層照射傳感區(qū)。如前面所述，這可通過使用將光射向單獨(dú)的光導(dǎo)元件的光源或通過直接將光透射到蓋板層中來實(shí)現(xiàn)。所透射的光被射向蓋板層上方的傳感區(qū)，并從該目標(biāo)朝向光準(zhǔn)直器層反射。
[0059]在步驟604中，一些反射光在準(zhǔn)直器濾光層被阻擋，而其他光通過準(zhǔn)直器濾光層中的開孔。一般情況下，相對(duì)接近法線入射到準(zhǔn)直器濾光層的光線將通過開孔，而遠(yuǎn)離法線入射的光線將被阻擋。光可被準(zhǔn)直器層的表面、準(zhǔn)直器的中間層、準(zhǔn)直器的底層或準(zhǔn)直器開孔的側(cè)壁阻擋。
[0060]在步驟606中，通過準(zhǔn)直器濾光層的光入射到光準(zhǔn)直器層下方的傳感器陣列上的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)傳感元件上。在多于一個(gè)傳感元件位于準(zhǔn)直器濾光層中的特定開孔下方的情況下，在傳感元件檢測(cè)到的光可以被平均或以其他方式組合。圖像數(shù)據(jù)可以被調(diào)整為計(jì)及(account for)未處于開孔下方的傳感元件。
[0061]在步驟608中，在圖像傳感器陣列檢測(cè)到的光被處理以形成輸入目標(biāo)的圖像或部分圖像。這樣的處理可包括，例如，將部分圖像拼接在一起、在模板中將各種部分圖像相互關(guān)聯(lián)、和/或?qū)⒉东@的圖像數(shù)據(jù)與作為識(shí)別或驗(yàn)證處理的一部分先前存儲(chǔ)的圖像數(shù)據(jù)比較。
[0062]雖然本發(fā)明描述了在指紋圖像傳感的上下文中的光學(xué)目標(biāo)成像，但所述方法和系統(tǒng)可用于對(duì)任何目標(biāo)成像。例如，可通過將手直接放置在蓋板層上獲得手掌或手的高分辨率圖像。非生物特征的成像也處于本公開的范圍內(nèi)。
[0063]文中引用的所有參考文獻(xiàn)，包括公布文本、專利申請(qǐng)以及專利，在此以如同每個(gè)參考文獻(xiàn)被單獨(dú)且具體地指示被引用并入且全文闡述的相同程度通過引用的方式并入本文。
[0064]在描述本發(fā)明的上下文中(特別是在以下權(quán)利要求的上下文中)使用術(shù)語“一”和“一個(gè)”以及“所述”、“至少一個(gè)”以及類似的指稱將被解釋為既包括單數(shù)又包括復(fù)數(shù)，除非文中另有說明或上下文明確規(guī)定。使用術(shù)語“至少一個(gè)”后面接著一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目的列表(例如，“A和B中的至少一個(gè)”)將被解釋為意味著從所列項(xiàng)目中選擇一項(xiàng)(A或B)或兩種或更多種所列項(xiàng)目的任何組合(A和B)，除非文中另有說明或上下文明確規(guī)定。術(shù)語“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”將被解釋為開放式術(shù)語(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有說明。文中的數(shù)值范圍的敘述僅僅意在用作為單獨(dú)參考落入該范圍的每個(gè)單獨(dú)數(shù)值的便捷方法，除非另有說明，并且每個(gè)單獨(dú)數(shù)值如同其在文中被單獨(dú)引用一樣被并入說明書。
[0065]可以任何適當(dāng)?shù)捻樞驁?zhí)行文中所述的所有方法，除非文中另有說明或上下文明確規(guī)定。使用任何和所有實(shí)例或文中提供的示例性語言
(例如，“諸如”)，只不過是為了更好地說明本發(fā)明，并不會(huì)對(duì)本發(fā)明的范圍構(gòu)成限制，除非另有說明。在說明書中沒有任何語言應(yīng)該被解釋為指示任何非要求權(quán)利的元件作為本發(fā)明實(shí)踐的基本要素。
[0066]文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，包括發(fā)明人已知的實(shí)施本發(fā)明的最佳方式。在閱讀前述說明時(shí)，這些優(yōu)選實(shí)施例的變型對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言會(huì)變得顯而易見。發(fā)明人期望技術(shù)人員根據(jù)需要適當(dāng)?shù)厥褂眠@些變型，并且發(fā)明人打算以并非文中具體描述的方式來實(shí)踐本發(fā)明。因此，本發(fā)明在適用法律允許的情況下包括在所附權(quán)利要求中敘述的技術(shù)主題的所有變型和等同物。此外，本發(fā)明涵蓋了上述元件的所有可能變型的任何組合，除非文中另有說明或上下文明確規(guī)定。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種光學(xué)指紋傳感器，包括: 圖像傳感器陣列； 準(zhǔn)直器濾光層，其設(shè)置在所述圖像傳感器陣列上方，所述準(zhǔn)直器濾光層具有開孔陣列；以及 光照層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直器層上方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，以半導(dǎo)體晶圓形成所述圖像傳感器陣列。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述圖像傳感器陣列包括多個(gè)光學(xué)傳感元件，并且所述多個(gè)光學(xué)傳感元件接收從傳感區(qū)反射并且透過所述開孔陣列中的開孔的光。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述開孔的高度與所述開孔的直徑之比在大約3:1到100:1之間。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述開孔的高度與所述開孔的直徑之比在大約5:1到20:1之間。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，還包括:阻擋層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直器濾光層上方，所述阻擋層配置為允許來自所述光照層的非可見光透過并且阻擋可見光的透過。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述準(zhǔn)直器濾光層包括具有反射層的頂面。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述準(zhǔn)直器濾光層包括固化的聚合物。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述開孔陣列具有小于指紋中凸脊節(jié)距的節(jié)距。10.一種光學(xué)指紋傳感器，包括: 光照層，其配置為將光直射到傳感區(qū)； 準(zhǔn)直層，其設(shè)置在所述光照層下方，并且包括多個(gè)開孔，其中所述開孔配置為阻擋來自所述光照層的一部分光；以及 圖像傳感器層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直層下方，并且包括光學(xué)傳感器元件陣列，所述光學(xué)傳感器元件陣列布置成使得多個(gè)所述傳感器元件接收穿過所述多個(gè)開孔中的一個(gè)開孔的透射光。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述多個(gè)開孔具有小于指紋中凸脊節(jié)距的節(jié)距。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述開孔的高度與所述開孔的直徑之比在大約3:1到100:1之間。13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述開孔的高度與所述開孔的直徑之比在大約5:1到20:1之間。14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)指紋傳感器，還包括:阻擋層，其設(shè)置在所述準(zhǔn)直層上方，所述阻擋層配置為至少部分地允許來自所述光照層的光透過并且至少部分地阻擋其他光的透過。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述阻擋層是不透明的。16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)指紋傳感器，其中，所述阻擋層是半透明的。17.—種使用設(shè)備對(duì)指紋成像的方法，包括: 在光照區(qū)透射光使得至少一部分光從傳感區(qū)反射； 在準(zhǔn)直層的表面阻擋從所述傳感區(qū)反射的光的至少第一部分； 在所述準(zhǔn)直層的多個(gè)開孔內(nèi)阻擋從所述傳感區(qū)反射的光的至少第二部分；以及在傳感器陣列的多個(gè)光學(xué)傳感器元件處感測(cè)從所述傳感區(qū)反射的光的第三部分，所述第三部分的光穿過所述準(zhǔn)直層中的多個(gè)開孔的至少之一。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，從所述多個(gè)傳感器元件接收的數(shù)據(jù)被組合成單個(gè)像素值。19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，還包括:去除來自未使用的光學(xué)傳感元件的數(shù)據(jù)。20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述在光照區(qū)透射光的步驟包括在蓋板層中透射光。
【文檔編號(hào)】G06K9/00GK105844212SQ201610069038
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年2月1日
【發(fā)明人】P.史密斯, P.維克博爾德特, P.沃爾富克, S.莫勒薩, Y.李, R.克倫克勒
【申請(qǐng)人】辛納普蒂克斯公司