采用準直器的光學傳感器的制造方法
【專利摘要】公開了用于光學成像的系統和方法。光學指紋傳感器包括：圖像傳感器陣列；準直器濾光層，其設置在圖像傳感器陣列上方，準直器濾光層具有開孔陣列；以及光照層，其設置在準直器濾光層上方。準直器濾光層過濾反射光使得僅有特定的反射光束到達圖像傳感器陣列中的光學傳感元件。采用準直器濾光層在允許使用較低屬性圖像傳感器的同時防止模糊。
【專利說明】采用準直器的光學傳感器
交叉引用
[0001 ]本申請要求于2015年2月2日提交的序列號為62/111，012的美國臨時專利申請的優先權，其全部內容在此以明確引用的方式并入本文。
技術領域
[0002]本公開大致涉及光學傳感器，更具體地涉及一種采用準直器的光學傳感器。
【背景技術】
[0003]目標成像在各種應用中是有用的。舉例來說，生物識別系統對生物目標進行成像以認證和/或驗證包含識別系統的設備的用戶。生物成像提供了一種可靠的非侵入性的方式來驗證個體身份以用于識別。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，是基于獨特的個人特征，從而提供可靠的機制來識別個體。因此，指紋傳感器具有許多潛在的應用。例如，指紋傳感器可以用來在固定應用，如安全檢查點提供訪問控制。指紋傳感器也可用于在下述移動設備中提供訪問控制，如手機、可穿戴智能設備(例如智能手表和運動跟蹤器)、平板電腦、個人數字助理(PDA)、導航設備以及便攜式游戲設備。相應地，一些應用，特別是與移動設備相關的應用可能需要既小型又高度可靠的識別系統。
[0005]大多數市售的指紋傳感器是基于光學或電容傳感技術。不幸的是，傳統的光學指紋傳感器太過笨重以致于無法被封裝在移動設備以及其他常見的消費類電子設備中，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用。
[0006]結果，大多數移動設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指紋的凸脊和凹谷特征。典型地，這些指紋傳感器檢測絕對電容(有時稱為“自電容”)或跨電容(有時稱為“互電容”)。在任一情況下，陣列中的每個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勢，但大多數市售的電容式指紋傳感器在經過長距離感測精細的凸脊和凹谷特征時具有困難，需要指紋接觸接近傳感陣列的傳感表面。對于電容傳感器來講穿過厚層，如保護許多智能手機和其他移動設備的顯示器的厚蓋板玻璃(在文中有時也稱為“蓋板透鏡”)來檢測指紋仍然是一個重大的挑戰。為了解決這個問題，往往在蓋板玻璃上顯示器旁邊的區域形成一個切口，并且將獨立的電容式指紋傳感器(通常與機械按鈕集成)放置在切口區域中，從而可以檢測指紋而不必穿過蓋板玻璃來感測。需要切口使得難以在設備的表面形成齊平的表面，影響用戶體驗，并且使制造復雜化。機械按鈕的存在也占用了寶貴的設備不動產。
[0008]對于基于光學的傳感器而言一個可能的解決方案是使用針孔型照相機。針孔照相機包括薄的光阻擋層，其具有小開孔。在阻擋層的一側來自目標的光線穿過該開孔，并以倒立的方式被投射到設置于阻擋層的相反側的檢測表面上。然而，針孔照相機具有一定的缺點。例如，從針孔照相機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，圖像質量可能是一個問題。此外，隨著阻擋層與待成像的目標之間的距離的變化，成像目標的區域會發生顯著變化。
【發明內容】
[0009]本公開的一個實施例提供了一種光學指紋傳感器。所述光學指紋傳感器包括:圖像傳感器陣列;準直器濾光層，其設置在所述圖像傳感器陣列上方，所述準直器濾光層具有開孔陣列；以及光照層，其設置在所述準直器層上方。
[0010]本公開的另一實施例提供了一種光學指紋傳感器。所述光學指紋傳感器包括:光照層，其配置為將光直射到傳感區；準直層，其設置在所述光照層下方，并且包括多個開孔，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，其設置在所述準直層下方，并且包括光學傳感器元件陣列，所述光學傳感器元件陣列布置成使得多個所述傳感器元件接收穿過所述多個開孔中的一個開孔的透射光。
[0011]本公開的另外一個實施例提供了一種使用設備對指紋成像的方法。所述方法包括:在光照區透射光使得至少一部分光從傳感區反射;在準直層的表面阻擋從所述傳感區反射的光的至少第一部分;在所述準直層的多個開孔內阻擋從所述傳感區反射的光的至少第二部分；以及在傳感器陣列的多個光學傳感器元件處感測從所述傳感區反射的光的第三部分，所述第三部分的光穿過所述準直層中的多個開孔的至少之一。
【附圖說明】
[0012]圖1是根據本公開的一個實施例的包括光學傳感器和處理系統的系統實例的框圖；
[0013]圖2示出了根據本公開的一個實施例的包括光學傳感器的移動設備的實例；
[0014]圖3示出了根據本公開的一個實施例的具有準直器濾光層的光學傳感器的實例；
[0015]圖4示出了根據本公開的一個實施例的與具有準直器濾光層的光學傳感器交互的光的實例；
[0016]圖5示出了根據本公開的一個實施例的準直器濾光層的選擇性實施例；以及
[0017]圖6示出了根據本公開的一個實施例的使輸入目標成像的方法。
【具體實施方式】
[0018]接下來的詳細描述在本質上僅僅是示例性的，而非限制本發明或本發明的應用和用途。此外，無意于通過前述技術領域、【背景技術】、
【發明內容】
、【附圖說明】或接下來的詳細描述中所呈現的任何明示或暗示的理論限定本發明。
[0019]轉向附圖，并且如文中更詳細地描述，本發明公開的實施例提供了對諸如指紋等輸入目標光學成像的方法和系統。特別地，描述了這樣一種方法和系統，其中光學傳感器包括準直器濾光層，其作為光調節層操作且夾設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中的輸入目標反射。反射光經準直器濾光層過濾，使得僅有一些所反射的光束達到圖像傳感器陣列中的光學傳感元件。
[0020]采用本公開的準直器濾光層可防止模糊不清，同時允許采用與完全基于透鏡的或基于針孔照相機的成像傳感器相比，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設備(如手機)中。在每個光學傳感元件或一組元件上設置各個準直器開孔，通過使更多的光透射到光學傳感元件，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直器濾光層使得能夠穿過大范圍厚度的蓋板層來進行光學傳感。
[0021 ]圖1是根據本公開的一個實施例的電子系統100的實例的框圖，電子系統100包括光學傳感器器件102和處理系統104。舉例來說，示出了在捕獲、存儲和驗證生物匹配嘗試期間使用的電子設備100的基本功能組件。處理系統104包括(一個或數個)處理器106、存儲器108、模板存儲器110、操作系統(OS) 112、(一個或數個)電源114。(一個或數個)處理器106、存儲器108、模板存儲器110以及操作系統112的每一個在物理上、通信上和/或操作上互連以用于組件間的通信。電源114互連到各種系統組件以提供必要的電力。
[0022]如圖所示，(一個或數個)處理器106配置為實現功能和/或處理在電子設備100和處理系統104中執行的指令。例如，處理器106執行存儲在存儲器108中的指令或存儲在模板存儲器110上的指令，以識別生物目標或判斷生物認證嘗試是成功還是不成功。存儲器108可以是非暫時的、計算機可讀的存儲介質，配置為在操作期間將信息存儲在電子設備100內。在某些實施例中，存儲器108包括臨時存儲器，其為當電子設備100被關閉時將不保存的信息的區域。這樣的臨時存儲器的實例包括易失性存儲器，如隨機存取存儲器(RAM)、動態隨機存取存儲器(DRAM)、靜態隨機存取存儲器(SRAM)。存儲器108還保存由處理器106執行的程序指令。
[0023]模板存儲器110包括一個或多個非暫時的計算機可讀存儲介質。在指紋傳感器的上下文中，該模板存儲器110通常配置為存儲用戶指紋的指紋圖像的注冊視圖或其他注冊信息。更一般地，模板存儲器110可用于存儲關于目標的信息。模板存儲器110可以進一步配置為長期存儲信息。在一些實例中，模板存儲器110包括非易失性存儲元件。非易失性存儲元件的非限制性實例包括磁硬盤、固態硬盤(SSD)、光盤、軟盤、閃存或電可編程存儲器(EPROM)或電可擦除可編程(EEPROM)存儲器的形式等諸如此類。
[0024]處理系統104還主持操作系統(OS) 112。操作系統112控制處理系統104的組件的操作。例如，操作系統112輔助(一個或多個)處理器106、存儲器108以及模板存儲器110的相互作用。
[0025]根據各種實施例，(一個或多個)處理器106實現硬件和/或軟件來獲得描述輸入目標的圖像的數據。(一個或多個)處理器106也可以對齊兩個圖像，并將對齊的圖像相互比較，以判斷是否匹配。(一個或多個)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較大的圖像，例如在生物處理(如用于驗證或識別的注冊或匹配處理)期間收集多個部分指紋圖像時的指紋圖像。
[0026]處理系統104包括一個或多個電源114，以向電子設備100提供電力。電源114的非限制性實例包括: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的電源，以及電源線和/或適配器，其進而連接到電力。
[0027]光學傳感器102可以被實現為電子系統100的物理部分，或者可以在物理上與電子系統100分離。適當地，光學傳感器102可以使用下述任何一個或多個與電子系統100的一部分通信:總線、網絡以及其他有線或無線互連。在一些實施例中，光學傳感器102被實現為指紋傳感器來捕獲用戶的指紋圖像。根據本公開，光學傳感器102使用光學傳感達到目標成像的目的，包括對諸如指紋等生物特征進行成像。光學傳感器102可以例如被合并為顯示器的一部分，或者可以是單獨的傳感器。
[0028]電子系統100的一些非限制性實例包括各種尺寸和形狀的個人電腦，諸如臺式計算機、便攜式計算機、上網本、平板電腦、網絡瀏覽器、電子書閱讀器以及個人數字助理(PDA)等。另外的電子系統100實例包括復合輸入設備，諸如物理鍵盤和獨立的操作桿或鍵盤開關。電子系統100的其他實例包括外圍設備，諸如數據輸入設備(包括遙控器和鼠標)和數據輸出設備(包括顯示屏和打印機)。其他實例包括遠程終端、自助服務終端和視頻游戲機(例如，視頻游戲控制器、便攜式游戲裝置等)、通信設備(包括便攜式電話，諸如智能電話)以及媒體設備(包括記錄儀、編輯器和諸如電視機、機頂盒、音樂播放器、數碼相框以及數碼相機等的播放器)。
[0029]光學傳感器102可為傳感區提供光照。從傳感區的(一個或數個)光照波長的反射被檢測到以確定對應于輸入對象目標的輸入信息。
[0030]光學傳感器102可以利用直接光照輸入目標的原理，輸入目標根據配置可能會或可能不會與傳感區的傳感表面接觸。一個或多個光源和/或光導結構可用于將光直射到傳感區。當存在輸入目標時，該光從輸入目標的表面反射，反射可通過光學傳感元件檢測到并用于確定輸入目標的相關信息。
[0031]光學傳感器102也可以利用內部反射的原理來檢測與傳感表面接觸的輸入目標。一個或多個光源可用于以一個角度在光導元件中直射光，在該角度光在傳感區的傳感表面被內部反射，這是由于在傳感表面限定的邊界的相反側存在不同的折射率。輸入目標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部反射特性，弓丨起從輸入目標反射的光在與傳感表面接觸的部分變弱。如果受抑全內反射(FTIR)的原理被用來檢測輸入目標，則通常可以實現更高反差信號。在這樣的實施例中，光可以被全內反射的入射角直射到傳感表面，除了輸入目標與傳感表面接觸并引起光部分透射過該界面的情況。這樣一個實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，否則這些光將會在玻璃到空氣界面完全內部反射。此光學響應可以被系統檢測到并且用于確定空間信息。在一些實施例中，這可用于對小尺度指紋特征成像，其中入射光的內部反射率根據凸脊或凹谷是否與傳感表面的該部分接觸而不同。
[0032]圖2示出了電子設備116(如移動電話)的實例，其包括在顯示器120之上的蓋板玻璃118。通過使用顯示器120作為光學傳感器對輸入目標成像可以實現所公開的方法和系統。選擇性地，獨立的離散組件122提供光學傳感能力。離散傳感器與試圖在顯示基板(如TFT背板)上集成光學傳感器組件相比，對于設計傳感器的光學組件用以最佳光照和/或信號調節而言，可提供更多的靈活性。
[0033]圖3示出了對于光學圖像傳感器器件200的用于對目標216(如指紋)成像的堆疊的實例。傳感器200包括圖像傳感器陣列202、設置在圖像傳感器陣列202上方的準直器濾光層或光調節層204、設置在準直器濾光層204上方的光照層207、光源208以及蓋板層210。在某些實施例中，也可提供阻擋層214。
[0034]蓋板層210保護傳感器200的內部組件，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之外還保護顯示器的內部組件。在蓋板層210之上限定對于輸入目標的傳感區域。蓋板層210的上表面218可形成傳感表面，其提供對輸入目標216(例如，指紋)的接觸區域。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216是待成像的任何目標。通常，目標216將具有各種特征。舉例來說，目標216具有凸脊和凹谷。由于它們的突出性質，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216與傳感表面218之間形成氣隙。目標216可具有諸如污點、油墨等其他特征，其不會在輸入目標216的部分產生顯著結構差別，但其會影響它的光學特性。此處公開的方法和系統適用于對輸入目標216的這種結構的和非結構特征成像。
[0036]光照層207包括光源208和/或光導元件206，其將光照直射到傳感區以對輸入目標成像。如圖3所示，光源208將光束或光線212透射進入光導元件206，并且透射光穿過光導元件206傳播。光導元件可以利用全內反射，或可包括向傳感區提取光的反射表面。光照層中的一些光可能變成在與輸入目標216接觸的區域在傳感表面218入射。入射光進而朝向準直器濾光層204被反射回。在所示的實例中，光源208設置為相鄰于光導元件206。然而，將理解的是，光源208可以位于傳感器200內的任何位置，只要所發出的光能到達光導元件206SP可。例如，光源208可以設置在圖像傳感器陣列202的下方。此外，將理解的是，不需要單獨的光導元件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也可作為光導元件。作為另一實例，從光源208透射的光可以被直接透射到傳感區，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提供來對目標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、寬帶的波長或在若干個波段操作。
[0038]圖像傳感器陣列202檢測穿過準直器濾光層204的光。合適的傳感器陣列的實例為互補金屬氧化物半導體(CMOS)和電荷耦合器件
(CCD)傳感器陣列。傳感器陣列202包括能夠檢測入射光強度的多個單個光學傳感元件。
[0039]為了實現通過較厚蓋板層210的指紋和指紋大小特征的光學傳感，由光準直器濾光層204調節從指紋反射的光，使得到達圖像傳感器陣列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216的小光點。在存在這樣的調節的情況下，任何從遠離光學傳感元件的目標上的區域到達傳感元件的光均會導致圖像模糊。
[0040]為了根據本公開調節光，準直器濾光層204設置有一列開孔或準直器孔220，每個開孔在圖像傳感器陣列202上的一個或多個光學傳感元件的正上方。使用任何合適的技術形成開孔220，如激光鉆孔、蝕刻等。
[0041]準直器濾光層204僅允許從輸入目標216(例如，手指)反射的以直角或接近直角入射到準直器濾光層204的光線通過和到達圖像傳感器陣列的光學傳感元件204。在一個實施例中，準直器濾光層204是具有孔陣列220的不透明層。該準直器濾光層204是層疊的、堆疊的或是直接構建在圖像傳感器陣列202的正上方。舉例來講，準直器濾光層204可由諸如聚碳酸酯等塑料、PET、聚酰亞胺、炭黑、無機絕緣或金屬材料、硅或SU-8制成。在某些實施例中，準直器濾光層204是單片的。
[0042]在圖3中還示出了阻擋層214，其可選地被設置為光學傳感器200的一部分。阻擋層214為以設置在準直器濾光層204上方的半透明或不透明的層。舉例來說，如圖3所示，阻擋層可以設置在蓋板層210與光照層207之間。選擇性地，阻擋層214可設置在光照層207與準直器濾光層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，對傳感器200的組件(如準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的特征，其被設計為引起與特定波長(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、質地或反射性質的外觀，由此允許與集成光學傳感器200的設備的特定審美匹配或形成對比。如果使用可見光照波長，則可使用半透明層來允許足夠的光通過阻擋層到達傳感區，同時仍然充分遮擋下方的組件。
[0043]圖4示出了設置在光照層207與圖像傳感器陣列202之間的準直器濾光層204和傳感器200內的光的相互作用的靠近圖。蓋板層210的部分226與輸入目標216的凸脊接觸，并且蓋板層210的部分228由于目標216的凹谷的存在而與空氣接觸。圖像傳感器陣列202包括光學傳感元件230、232、234和236，其設置在準直器濾光層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216的凸脊或凹谷占據的部分從蓋板層210反射。由于光線238在準直器開孔220的上方并且相對接近法線，因此光線238通過準直器波光層204中的開孔220，并且例如入射在光學傳感元件232和236上。光學傳感元件然后可用于測量光的強度并將所測量的強度轉換為輸入目標216的圖像數據。另一方面，相對于法線具有較大角度的光束240和242在準直器濾光層204的頂面或開孔內的表面(例如，開孔側壁)撞擊準直器濾光層204，并且被阻擋而被阻止到達圖像傳感器陣列202中的光學傳感元件。
[0045]準直器濾光層204的度量是開孔或孔220的縱橫比。縱橫比為準直器濾光層204中的孔的高度(h)244除以孔直徑246。縱橫比應該足夠大，以防止“散射”光到達每個準直器孔正下方的光學傳感元件。散射光的實例是從蓋板層210(例如，凹谷)的部分228反射的光線242，其在沒有準直器濾光層的情況下將到達凸脊下側的傳感元件。較大的縱橫比將光接收錐區限制于較小的角度，提高系統的光學分辨率。最小的縱橫比可以使用從準直器濾光層204到待成像的目標(例如，手指)的距離除以手指所期望的光學分辨率來估計。在一些實施例中，準直器開孔220為圓柱形或圓錐形。準直器開孔220的側壁可以包括凹槽或其他結構來防止散射光從側壁反射而到達光學傳感元件。有效的縱橫比通過沿著準直器孔的高度的平均孔直徑來確定。適當的縱橫比的實例為大約3:1到100:1的范圍內的比率，更典型地為在約5:1到20:1的范圍內的比率。
[0046]通常期望將準直器開孔220的高度244制作得盡可能薄，以為制作準直器濾光層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直器縱橫比。然而，如果開孔過小(小于正使用的光的波長的幾倍)，則衍射效應會導致額外的模糊，這是由于從準直器開孔220射出的光線發散。這樣的衍射效應可以通過將準直器濾光層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遠場距離(Γ~2/λ( lambda)，其中r是開孔半徑，λ是光波長)靠近得多。
[0047]還通常期望減小準直器濾光層204與圖像傳感器陣列202之間的距離，以允許到達圖像傳感器陣列202的光學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到達特定的光學傳感元件，導致圖像模糊。
[0048]如果圖像傳感器陣列202是CCD或CMOS圖像傳感器，其中光學傳感元件節距(元件之間的距離)可小于準直器開孔節距(孔之間的距離)，則通過單個準直器開孔220的光可能照射一個以上的光學傳感元件。這樣的布置由圖4中的光學傳感元件234和236示出。在這種情況下，處理系統(圖1)可將對應于給定準直器開孔的所有光學傳感元件的光強度組合起來。在處理來自圖像傳感器陣列202的原始數據之后所得到的指紋圖像可具有對應于準直器開孔陣列的分辨率。需要注意的是，準直器濾光層204中的開孔220的布置可能會導致傳感器陣列202中的一些光學傳感元件未被使用。未使用的光學傳感元件的實例是傳感元件240。由于光學傳感元件240不在準直器孔的下方，因此反射的光線將在到達光學傳感元件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據之前對圖像適當地縮放。
[0049]光學傳感器200的成像分辨率(dpi)由準直器濾光層204中的開孔220的分辨率定義而節距是每個開孔之間的距離。在光學傳感器200中，準直器濾光層204中的每個開孔220對應于正被成像的目標216的特征的樣本，諸如來自指紋內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)應該足夠大，使得對每個感興趣的特征采取多個樣本。這樣，例如，為了對指紋中的凸脊成像，節距可以是從50到100微米的量級，這是因為凸脊本身的節距為150至250微米的量級。如果期望捕獲更多的顆粒特征(如指紋中的毛孔)，則諸如25微米的更小的節距將是適當的。相反，較大的節距可以用來捕獲輸入目標的較大特征。
[0050]光學傳感器200在準直器濾光層204與傳感表面220之間的寬范圍距離上表現相似，這是因為反射光的過濾通常與厚度無關，只要準直器濾光層204中的孔的縱橫比被選擇為支持所期望的光學分辨率即可。
[0051]圖5示出了準直器濾光層204的選擇性實施例。如上所述，準直器濾光層204由吸光材料制成，并且包括開孔220的陣列。在所示的選擇性實施例中，準直器濾光層204的頂面還包括反射層250。反射層250允許通常被準直器濾光層204吸收的光束被朝向傳感區向上反射回。將光重新射回傳感區允許反射光被重復利用，從而一些重復利用的光可以從待成像的輸入目標反射并且透射過準直器濾光層開孔。
[0052]包含反射層250通過將散射光反射回到輸入目標216最大限度地減少了光損耗，而在整體傳感器封裝內不需要高級別的照明。吸光準直器濾光層體的頂部可使用各種變形技術來粗糙化，所述變形技術包括但不限于: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，命名幾個實例，諸如鋁、鉻和銀。
[0053]所公開的方法和系統考慮了各種方法將準直器濾光層204包括在光學傳感器200的整體結構中。例如，準直器濾光層204可以是被疊加或層疊到圖像傳感器陣列202上的預先圖案化的結構，如圖3-4中大體描述的那樣。本公開考慮了備選實施例。例如，一個選擇性實施例是直接在CMOS圖像傳感器晶圓或晶片上將準直器濾光層204形成圖案或形成準直器濾光層204，大體如圖5所示。例如，晶片級的準直器層可以通過微制造形成。取代將單獨的準直器濾光層204放置在圖像傳感器陣列202的頂部，而是對CMOS圖像傳感器陣列制作添加后端處理。根據這種技術，不需要單獨制造準直器濾光層。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。可以通過對金屬和底下的聚合物層依次進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]在另一實施例中，用光學干涉濾光器代替或補充準直器濾光層204，該光學干涉濾光器阻擋對于成像面的法線相對較遠的入射角的入“散射(stray)”光。可以使用多層光學濾光器，其透過幾乎接近法線入射的光，使得濾光器可以構造為僅通過特定波長的光。雖然這樣的角度特定的濾光器可以被設計為針對特定的光波長工作，但這樣的干擾濾光器可以用來拒絕來自相鄰凸脊和凹谷的散射光。
[0055]準直器濾光層204也可以是在頂部和底部具有圓形開口的玻璃準直器濾光器。這種類型的準直器濾光層使用雙面對準技術制成，其形成對準的頂部和底部開口，但沒有貫穿玻璃體的物理中空孔。準直器濾光層的頂面可以被紋理化為用于光進入的漫射器，而底面可以是通過將光反射回到透明的玻璃體的重復利用的金屬質。優點之一是，這種方法使得層壓更簡單，因為沒有物理中空孔。根據此玻璃準直器濾光層，蓋板玻璃、光導膜以及玻璃濾光器可以用現成的層壓設備來層壓。
[0056]在一些實施例中，可以使用具有鉆孔的不透明的玻璃準直器濾光器。這類似于先前描述的準直器濾光膜。制造方法可以是相同的，除了主體是玻璃的事實以外。基于所要求的dpi確定開孔密度。
[0057]圖6示出了根據本公開的成像方法600。
[0058]在步驟602中，使用具有光源和/或光導元件的光照層照射傳感區。如前面所述，這可通過使用將光射向單獨的光導元件的光源或通過直接將光透射到蓋板層中來實現。所透射的光被射向蓋板層上方的傳感區，并從該目標朝向光準直器層反射。
[0059]在步驟604中，一些反射光在準直器濾光層被阻擋，而其他光通過準直器濾光層中的開孔。一般情況下，相對接近法線入射到準直器濾光層的光線將通過開孔，而遠離法線入射的光線將被阻擋。光可被準直器層的表面、準直器的中間層、準直器的底層或準直器開孔的側壁阻擋。
[0060]在步驟606中，通過準直器濾光層的光入射到光準直器層下方的傳感器陣列上的一個或多個光學傳感元件上。在多于一個傳感元件位于準直器濾光層中的特定開孔下方的情況下，在傳感元件檢測到的光可以被平均或以其他方式組合。圖像數據可以被調整為計及(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到的光被處理以形成輸入目標的圖像或部分圖像。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聯、和/或將捕獲的圖像數據與作為識別或驗證處理的一部分先前存儲的圖像數據比較。
[0062]雖然本發明描述了在指紋圖像傳感的上下文中的光學目標成像，但所述方法和系統可用于對任何目標成像。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。
[0063]文中引用的所有參考文獻，包括公布文本、專利申請以及專利，在此以如同每個參考文獻被單獨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]在描述本發明的上下文中(特別是在以下權利要求的上下文中)使用術語“一”和“一個”以及“所述”、“至少一個”以及類似的指稱將被解釋為既包括單數又包括復數，除非文中另有說明或上下文明確規定。使用術語“至少一個”后面接著一個或多個項目的列表(例如，“A和B中的至少一個”)將被解釋為意味著從所列項目中選擇一項(A或B)或兩種或更多種所列項目的任何組合(A和B)，除非文中另有說明或上下文明確規定。術語“包括”、“具有”、“包含”以及“含有”將被解釋為開放式術語(即，意思是“包括，但不限于”)，除非另有說明。文中的數值范圍的敘述僅僅意在用作為單獨參考落入該范圍的每個單獨數值的便捷方法，除非另有說明，并且每個單獨數值如同其在文中被單獨引用一樣被并入說明書。
[0065]可以任何適當的順序執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定。使用任何和所有實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明，并不會對本發明的范圍構成限制，除非另有說明。在說明書中沒有任何語言應該被解釋為指示任何非要求權利的元件作為本發明實踐的基本要素。
[0066]文中描述了本發明的優選實施例，包括發明人已知的實施本發明的最佳方式。在閱讀前述說明時，這些優選實施例的變型對于本領域技術人員而言會變得顯而易見。發明人期望技術人員根據需要適當地使用這些變型，并且發明人打算以并非文中具體描述的方式來實踐本發明。因此，本發明在適用法律允許的情況下包括在所附權利要求中敘述的技術主題的所有變型和等同物。此外，本發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定。
【主權項】
1.一種光學指紋傳感器，包括: 圖像傳感器陣列； 準直器濾光層，其設置在所述圖像傳感器陣列上方，所述準直器濾光層具有開孔陣列；以及 光照層，其設置在所述準直器層上方。2.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，其中，以半導體晶圓形成所述圖像傳感器陣列。3.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，其中，所述圖像傳感器陣列包括多個光學傳感元件，并且所述多個光學傳感元件接收從傳感區反射并且透過所述開孔陣列中的開孔的光。4.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，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.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，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.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，還包括:阻擋層，其設置在所述準直器濾光層上方，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.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，其中，所述準直器濾光層包括具有反射層的頂面。8.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，其中，所述準直器濾光層包括固化的聚合物。9.根據權利要求1所述的光學指紋傳感器，其中，所述開孔陣列具有小于指紋中凸脊節距的節距。10.一種光學指紋傳感器，包括: 光照層，其配置為將光直射到傳感區； 準直層，其設置在所述光照層下方，并且包括多個開孔，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，其設置在所述準直層下方，并且包括光學傳感器元件陣列，所述光學傳感器元件陣列布置成使得多個所述傳感器元件接收穿過所述多個開孔中的一個開孔的透射光。11.根據權利要求10所述的光學指紋傳感器，其中，所述多個開孔具有小于指紋中凸脊節距的節距。12.根據權利要求10所述的光學指紋傳感器，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.根據權利要求10所述的光學指紋傳感器，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.根據權利要求10所述的光學指紋傳感器，還包括:阻擋層，其設置在所述準直層上方，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.根據權利要求14所述的光學指紋傳感器，其中，所述阻擋層是不透明的。16.根據權利要求14所述的光學指紋傳感器，其中，所述阻擋層是半透明的。17.—種使用設備對指紋成像的方法，包括: 在光照區透射光使得至少一部分光從傳感區反射； 在準直層的表面阻擋從所述傳感區反射的光的至少第一部分； 在所述準直層的多個開孔內阻擋從所述傳感區反射的光的至少第二部分；以及在傳感器陣列的多個光學傳感器元件處感測從所述傳感區反射的光的第三部分，所述第三部分的光穿過所述準直層中的多個開孔的至少之一。18.根據權利要求17所述的方法，其中，從所述多個傳感器元件接收的數據被組合成單個像素值。19.根據權利要求17所述的方法，還包括:去除來自未使用的光學傳感元件的數據。20.根據權利要求17所述的方法，其中，所述在光照區透射光的步驟包括在蓋板層中透射光。
【文檔編號】G06K9/00GK105844212SQ201610069038
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年2月1日
【發明人】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
【申請人】辛納普蒂克斯公司