CN108292361B - 具有角度限制反射器的显示器集成的光学指纹传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于对显示器的感测区上的诸如指纹的输入对象成像的光学传感器。传感器包括透明基板，所述透明基板具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧。检测器元件的阵列放置在透明基板的第一侧之上，而角度限制反射器放置在透明基板的第二侧之下。角度限制反射器配置成将在所限制接收角内入射在角度限制反射器上的光朝着检测器元件阵列反射。

Description

具有角度限制反射器的显示器集成的光学指纹传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月3日提交的、标题为“Display Integrated OpticalFingerprint Sensor with Angle Limiting Reflector”的美国临时专利申请序列号62/262894的权益，其全部内容通过引用特意并入。
本申请还涉及均于2016年3月31日提交的、标题为“Optical Sensor forIntegration in a Display”的美国专利申请序列号15/087955和标题为“Optical Sensorfor Integration Over a Display Backplane”的美国专利申请序列号15/087971，其全部内容通过引用特意并入。
技术领域
本公开总体上涉及光学传感器，并且更具体地涉及可以与显示堆叠集成的光学传感器。
背景技术
对象成像在多种应用中是有用的。作为示例，生物测量识别系统对生物测量对象成像以用于认证和/或检验结合识别系统的设备的用户。生物测量成像提供可靠的、非入侵的方式来检验个体身份以用于识别的目的。各种类型的传感器可以用于生物测量成像。
如同各种其它生物测量特性，指纹基于有区别的个人特性并因而提供可靠的机制来识别个体。因而，指纹传感器具有许多潜在的应用。例如，指纹传感器可以用来提供固定应用中的访问控制，所述固定应用诸如为安全检查点。指纹传感器也可以用来提供移动设备中的访问控制，所述移动设备诸如为蜂窝电话、可穿戴智能设备(例如，智能手表和活动跟踪器)、平板计算机、个人数据助理(PDA)、导航设备以及便携式游戏设备。因此，一些应用，特别是关于移动设备的应用，可能要求不但在尺寸上小而且高度可靠的识别系统。
大多数市场上买得到的指纹传感器基于光学感测技术或电容性感测技术。大多数移动设备具有电容性传感器，所述电容性传感器具有配置成感测指纹的脊和谷特征的感测阵列。典型地，这些指纹传感器检测绝对电容(有时称为“自电容”)或跨电容(有时称为“互电容”)。在任何一种情况下，阵列中的每一个感测元件处的电容取决于是否存在脊或谷而变化，并且这些变化被电气地检测来形成指纹的图像。
尽管电容性指纹传感器提供特定的优点，但大多数市场上买得到的电容性指纹传感器难以通过远距离感测精细的脊和谷特征，从而要求指纹接触接近于感测阵列的感测表面。对于电容性传感器，通过厚层检测指纹仍然是重大的挑战，所述厚层诸如为保护许多智能电话和其它移动设备的显示器的厚护罩玻璃(本文中有时称为“护罩透镜”)。为了解决此问题，常常在显示器旁边的区域中在护罩玻璃中形成切口，并且将(常常与机械按钮集成的)分立的电容性指纹传感器放置在切口区域中，使得其可以在不必通过护罩玻璃进行感测的情况下检测指纹。对于切口的需要使得难以在设备的正面上形成齐平的表面，从而减损用户体验并且使制造复杂化。设备外壳中的孔也可以使水分或污染物进入设备。机械按钮的存在也占据宝贵的设备基板面。
使用光学指纹传感器的方案通常要求光学元件在光到达传感器元件之前调节光。常规的光学元件常常不能够安装在相对小的空间中可获得的有限的高度范围内，诸如在电子设备的显示堆叠中所存在的那样。
发明内容
本公开的一个实施例提供了用于对感测区上的生物测量输入对象成像的光学传感器。光学传感器包括：透明基板，所述透明基板具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；检测器元件阵列，其放置在透明基板的第一侧之上；以及角度限制反射器，其放置在透明基板的第二侧之下，角度限制反射器配置成将在所限制接收角内入射在角度限制反射器上的光朝着检测器元件阵列反射。
本公开的另一个实施例提供了用于对生物测量输入对象成像的显示器。显示器包括：透明基板，其具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；显示元件集合，其放置在透明基板的第一侧之上；检测器元件阵列，其放置在透明基板的第一侧之上；以及角度限制反射器，其放置在透明基板的第二侧之下，角度限制反射器配置成将在所限制接收角内入射在角度限制反射器上的光朝着检测器元件阵列反射。
本公开的另一个实施例提供了一种用于制作光学指纹传感器的方法。方法包括：在显示基板的第一侧之上形成检测器元件阵列，其中显示基板由透明材料制作；以及在显示基板的第二侧之下形成角度限制反射器，所述第二侧与显示基板的第一侧相对。
附图说明
图1是感测系统的示例的框图。
图2图示了根据特定实施例的与用于对输入对象成像的显示器集成的传感器的示例。
图3图示了根据特定实施例的与用于对输入对象成像的显示器集成的传感器的示例。
图4图示了根据特定实施例的具有弯曲表面的角度选择性反射器的示例。
图5A-5B图示了根据特定实施例的反射性表面的示例。
图6A-6C图示了根据特定实施例的隔板布置的示例。
图7图示了根据特定实施例的制作与显示器集成的传感器的方法的示例。
具体实施方式
以下的具体实施方式在本质上是示例性的而不意在限制本公开或本公开的应用和用途。此外，不存在受前面的技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下的具体实施方式中所呈现的任何明示的或暗示的理论所束缚的意图。
转至附图，并且如本文中更加详细地描述的那样，本公开的实施例提供了系统和方法，以光学地对诸如指纹的输入对象成像。特别地，描述了系统和方法，以用于限制反射光的角度对向(angular subtend)。实施例包括角度选择性反射器。在与检测器元件和读出电路结合的情况下，该系统和方法适合于将诸如指纹传感器之类的用于对输入对象成像的传感器与诸如例如LED或OLED显示器之类的显示器集成。角度选择性反射器充当光学元件，在由单独的检测器元件观察时，该光学元件限制要被成像的输入对象的视场。可以以多种方式制造角度选择性反射器，例如，通过堆叠分离的反射性元件和分离的吸收隔板层，或者使用标准半导体或模制过程以及简单金属化步骤来制造为一片。
该系统和方法可以提供有成本效益的附加部件，其不需要更改显示器制造过程，并且可以在不进行特殊对准的情况下在最终产品组装过程中使用层压或附连来制造。诸如反射器之类的传感器的部件可以以片或卷的格式被制作得相对薄，并且以后被模切来覆盖显示器的区域的全部或仅一部分。该系统和方法也可以通过在显示基板中增加简单的孔口，来提供进一步限定/调整检测器元件与输入对象(例如，手指)之间的光学路径的增加的灵活性。
图1是根据本公开的实施例的具有传感器100的示例性感测系统的框图。传感器100可以配置成向电子系统(也称作“电子设备”)提供输入。电子系统的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、电子书阅读器、个人数字助理(PDA)和可穿戴计算机(诸如智能手表和活动跟踪器设备)。附加的示例电子系统包括复合输入设备，诸如包括输入设备100和分离的操纵杆或按键开关的物理键盘。另外的示例电子系统包括诸如数据输入设备(包括遥控器和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏和打印机)的外围设备。其它示例包括远程终端、信息站和视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等)。其它示例包括通信设备(包括蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体设备(包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子系统可以是输入设备的主设备或从设备。
传感器100可以实现为电子系统的物理部分，或者可以与电子系统在物理上分离。根据本公开，传感器100可以被集成为电子设备的显示器的部分。视情况而定，传感器100可以使用以下方式中的任何一种或多种来与电子系统的部分进行通信：总线、网络和其它有线或无线互连件。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
传感器100配置成感测由一个或多个输入对象140在感测区120中提供的输入。在一个实施例中，输入对象140是手指，并且传感器100实现为指纹传感器(也称作“指纹扫描器”)，其配置成检测输入对象140的指纹特征。在其它实施例中，传感器100可以实现为脉管传感器(例如，用于手指静脉识别)、手形传感器或者接近传感器(诸如触摸板、触摸屏和/或其它触摸传感器设备)。
感测区120涵盖传感器100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中传感器100能够检测输入(例如，由一个或多个输入对象140提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以因实施例而很大地变化。在一些实施例中，感测区120沿一个或多个方向从传感器100的表面延伸到空间中。在各种实施例中，可以由传感器电极位于其内的外壳的表面、由应用在传感器元件或任何外壳上方的面板等来提供输入表面。在一些实施例中，感测区120在投影到输入设备100的输入表面上时具有矩形形状。
传感器100可以利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。传感器100包括用于检测用户输入的一个或多个检测器元件(或“感测元件”)。一些实现方式利用感测元件的阵列或其它规则或不规则图案来检测输入对象140。
在本公开中所阐述的输入设备100的光学实现方式中，一个或多个检测器元件检测来自感测区的光。在各种实施例中，所检测的光可以从感测区中的输入对象反射、可以由感测区中的输入对象发射、或者可以是其某种组合。示例光学检测器元件包括光电二极管、CMOS阵列、CCD阵列、光二极管和其它类型的光传感器，所述其它类型的光传感器配置成检测可见或不可见光谱中的光(诸如红外或紫外光)。光传感器可以是薄膜晶体管(TFT)或者薄膜二极管(TFD)。
一些光学实现方式向感测区提供照射。检测来自感测区的在(一个或多个)照射波长中的反射来确定对应于输入对象的输入信息。
一些光学实现方式依靠输入对象的直接照射的原理，输入对象取决于配置可以或可以不与感测区的输入表面相接触。一个或多个光源和/或光引导结构可以用来引导光至感测区。当输入对象存在时，此光从输入对象的表面反射，其反射可以由光学感测元件检测并且用来确定与输入对象有关的信息。
一些光学实现方式依靠内反射的原理来检测与感测区的输入表面相接触的输入对象。一个或多个光源可以用来以某一角度引导传输介质中的光，光在所述角度处在感测区的输入表面处被内反射，这是由于在由感测表面限定的边缘的相对侧处的不同折射率。由输入对象对输入表面的接触使得折射率跨越此边缘而改变，这更改在输入表面处的内反射特性。如果使用受抑全内反射(FTIR)的原理来检测输入对象，则常常可以实现较高对比信号。在这样的实施例中，光可以以某一入射角被引导至输入表面，光在所述入射角处被完全地内反射，除了在输入对象与输入表面相接触并且使得光部分地传输穿过此界面的位置。此情况的示例是被引入到由玻璃到空气界面所限定的输入表面的手指的存在。人类皮肤与空气相比更高的折射率使得以界面到空气的临界角在输入表面处入射的光被部分地传输通过手指，其中在其它情况下其在玻璃到空气界面处会被完全地内反射。此光学响应可以由系统检测并且用来确定空间信息。在一些实施例中，这可以被用来对小尺度的指纹特征成像，其中入射光的内反射率取决于是否有脊或谷与输入表面的该部分相接触而不同。
一些实现方式配置成提供跨一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入设备取决于诸如所涉及的特定感测技术和/或所关注信息的尺度之类的因素，可以具有因实施例而变化的传感器分辨率。例如，一些生物测量感测实现方式可以配置成检测输入对象的生理特征(诸如手指的指纹脊特征，或者眼睛的血管图案)，其可以利用较高的传感器分辨率并且呈现来自一些接近传感器实现方式的不同技术考虑，所述接近传感器实现方式配置成检测输入对象关于感测区的位置(诸如手指关于输入表面的触摸位置)。在一些实施例中，传感器分辨率由感测元件阵列的物理布置来确定，其中较小的感测元件和/或较小的节距可以用来限定较高的传感器分辨率。
在一些实施例中，传感器100实现为指纹传感器，所述指纹传感器具有足够高以捕获指纹的特征的传感器分辨率。在一些实现方式中，指纹传感器具有足够用来捕获细节(包括脊末端和分叉)、方位场(有时称为“脊流”)和/或脊骨架的分辨率。这些有时称为1级和2级特征，并且在示例性实施例中，至少250像素每英寸(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些特征。在一些实现方式中，指纹传感器具有足够用来捕获更高级特征的分辨率，所述更高级特征诸如为汗孔或边缘轮廓(即单独的脊的边缘的形状)。这些有时称为3级特征，并且在示例性实施例中，至少750像素每英寸(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些更高级特征。
在一些实施例中，指纹传感器实现为放置传感器(也称作“区域”传感器或“静态”传感器)或者扫刷传感器(也称作“滑动”传感器或“扫动”传感器)。在放置传感器实现方式中，传感器配置成在用户的手指在感测区上方被保持静止时捕获指纹输入。典型地，放置传感器包括能够在单个帧中捕获指纹的所期望区域的感测元件的二维阵列。在扫刷传感器实现方式中，传感器配置成基于用户的手指与感测区之间的相对移动来捕获指纹输入。典型地，扫刷传感器包括配置成在用户的手指在感测区上方被扫刷时捕获多个帧的感测元件的线性阵列或薄的二维阵列。该多个帧然后可以被重构来形成对应于指纹输入的指纹图像。在一些实现方式中，传感器配置成捕获放置输入和扫刷输入二者。
在一些实施例中，指纹传感器配置成在单个用户输入期间捕获少于用户的指纹的完整区域(本文中称为“部分”指纹传感器)。典型地，由部分指纹传感器捕获的指纹的所产生部分区域足够用于系统来执行来自指纹的单个用户输入的指纹匹配(例如，单个手指放置或单个手指扫刷)。部分放置传感器的一些示例成像区域包括100mm2或更小的成像区域。在另一个示例性实施例中，部分放置传感器具有在20-50mm2的范围中的成像区域。在一些实现方式中，部分指纹传感器具有与成像区域相同尺寸的输入表面。
尽管在图1中的指纹传感器的上下文中总体上描述了输入设备，但本公开的实施例包括其它生物测量传感器设备。在各种实施例中，生物测量传感器设备可以配置成捕获用户的生理生物测量特性。一些示例生理生物测量特性包括指纹图案，脉管图案(有时称为“静脉图案”)，掌纹印和手形。
在图1中，处理系统110示出为与输入设备100通信。处理系统110包括一个或多个集成电路(IC)和/或其它电路部件中的部分或全部。在一些实施例中，处理系统可以配置成操作输入设备的硬件来捕获输入数据，和/或基于由传感器100捕获的输入数据来实现生物测量过程或其它过程。
在一些实现方式中，处理系统110配置成操作传感器100的传感器硬件来检测感测区120中的输入。在一些实现方式中，处理系统包括：驱动器电路，其配置成利用输入设备的感测硬件来驱动信号；和/或接收器电路，其配置成利用感测硬件来接收信号。
例如，用于光学传感器设备的处理系统可以包括：驱动器电路，其配置成将照射信号驱动到一个或多个LED、LCD背光或其它光源；和/或接收器电路，其配置成利用光学接收元件来接收信号。
在一些实施例中，处理系统110包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码和/或类似物。在一些实施例中，处理系统110包括用于存储电子可读指令和/或诸如用于生物测量识别的参考模板之类的其它数据的存储器。处理系统110可以实现为传感器100的物理部分，或者可以与传感器100在物理上分离。处理系统110可以使用总线、网络和/或其它有线或无线互连件来与传感器100的部分进行通信。在一些实施例中，将构成处理系统110的部件定位在一起，诸如靠近传感器100的(一个或多个)感测元件。在其它实施例中，处理系统110的部件在物理上分离，其中一个或多个部件接近于传感器100的(一个或多个)感测元件，而一个或多个部件在其它位置。例如，传感器100可以是耦合到计算设备的外围设备，而处理系统110可以包括软件，所述软件配置成在计算设备的中央处理单元以及与该中央处理单元分离的一个或多个IC(可能具有关联的固件)上运行。作为另一个示例，传感器100可以在物理上集成在移动设备中，而处理系统110可以包括作为移动设备的中央处理单元或其它主处理器的部分的电路和/或固件。在一些实施例中，处理系统110专用于实现传感器100。在其它实施例中，处理系统110执行与传感器关联的功能并且也执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器、运行用于电子系统的操作系统(OS)等。
处理系统110可以实现为对处理系统110的不同功能进行处理的模块的集合。每一个模块可以包括作为处理系统110的一部分的电路、固件、软件或其组合。在各种实施例中，可以使用模块的不同组合。示例模块包括用于操作硬件的硬件操作模块，所述硬件诸如为传感器电极和显示屏；用于处理数据的数据处理模块，所述数据诸如为传感器信号和位置信息；以及用于报告信息的报告模块。另外的示例模块包括配置成操作(一个或多个)感测元件以检测输入的传感器操作模块、配置成识别诸如模式改变手势之类的手势的识别模块，以及用于改变操作模式的模式改变模块。在一个或多个实施例中，第一模块和第二模块可以被包括在分离的集成电路中。例如，第一模块可以至少部分地被包括在第一集成电路内，而分离的模块可以至少部分地被包括在第二集成电路内。此外，单个模块的部分可以跨多个集成电路。
在一些实施例中，处理系统110通过引起一个或多个动作而直接响应于感测区120中的用户输入(或没有用户输入)。示例动作包括解锁设备或者以其它方式改变操作模式，以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理系统110向电子系统的某个部分(例如，向电子系统的与处理系统110分离的中央处理系统，如果这样的分离的中央处理系统存在的话)提供关于输入(或没有输入)的信息。在一些实施例中，电子系统的某个部分处理从处理系统110接收的信息以作用于用户输入，诸如促进完整范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理系统110操作传感器100的(一个或多个)感测元件以产生指示感测区120中的输入(或没有输入)的电信号。处理系统110在产生提供给电子系统的信息时可以对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理系统110可以将从传感器电极获得的模拟电信号数字化。作为另一个示例，处理系统110可以执行滤波或其它信号调节。作为又一个示例，处理系统110可以减去或以其它方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差。作为进一步的示例，处理系统110可以确定位置信息、辨识作为命令的输入、认证用户等。
在一些实施例中，传感器100的感测区120重叠显示屏的有效区域的至少部分，诸如其中传感器100包括触摸屏界面的实施例和/或配置成检测有效显示区域上方的生物测量输入数据的生物测量感测实施例。例如，传感器100可以包括基本上透明的显示器电极。显示屏可以是能够向用户显示视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或其它显示技术。显示屏也可以是柔性的或刚性的，并且可以是平的、弯曲的、或者可以具有其它几何形状。在一些实施例中，显示屏包括用于TFT电路和/或其它电路的玻璃或塑料基板，所述基板可以用来提供画面和/或提供其它功能性。在一些实施例中，显示设备包括设置在显示电路之上的护罩透镜(有时称为“护罩玻璃”)，其也可以为输入设备提供输入表面。示例护罩透镜材料包括诸如化学硬化玻璃之类的光学透明的无定形固体，以及诸如蓝宝石之类的光学透明的晶体结构。根据本公开，传感器100和显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同电学部件中的一些以用于显示画面以及用于输入感测。在一个实施例中，显示设备的一个或多个显示电极可以配置用于显示更新和输入感测二者。作为另一个示例，显示屏可以由与输入设备通信的处理系统110部分地或整体地操作。
图2图示了光学传感器设备200的示例，该光学传感器设备200可以集成在显示器中。该实施例使用光-传感器检测器元件202来感测放置在显示器的护罩玻璃或护罩透镜之上或附近的输入对象204(例如，指纹)的图像。为了减少模糊以及实现清晰的图像，形成了光学路径，所述光学路径使得能够感测传输到检测器元件202的底部侧(要被成像的输入对象的相对侧)的光。针对每一个检测器元件202的光学路径由具有接收角θ的接收光锥206来表示，并且包括在进入角度选择性反射器212之前通过护罩层208、通过透明基板210的传输路径。角度选择性反射器212包括反射性层216并且可以包括隔板214。进入角度选择性反射器212的大角度光(相对于法向的大角度)由隔板214中的壁吸收和/或由反射性层216滤除。小角度光(相对于法向的小角度)到达反射性层216并被朝着基板210向上反射返回，并且反射光中的至少一些到达检测器元件202并在检测器元件202处被检测。隔板214将光学路径限制在具有相对小的接收角的光的接收光锥206。接收光锥还可以由检测器元件202的尺寸(例如，宽度)来限制。由所公开的实施例实现了维持小的接收角并因而实现将模糊最小化。传感器200也包括各种显示元件218，所述显示元件218可以产生不同的颜色并且用来提供对用户可见的图形显示。
护罩层208典型地提供为显示器的部分来保护显示器的内部部件，所述内部部件诸如是检测器元件202和显示元件218。护罩层208的顶部表面220形成感测表面，其提供用于输入对象204的接触区域。将理解的是，感测表面220形成感测区的部分，在其中可以对对象成像。如之前所描述的那样，感测区可以在实际感测表面220之上延伸。为了简化起见，护罩层208示出为单个层。然而，护罩层可以包括多个层或透镜，并且也可以包括附加的部件，其取决于所利用的显示技术的类型而变化。
虽然出于说明性的目的在指纹的上下文中总体上进行了描述，但是输入对象204是要被成像的任何对象。通常地，对象204会具有各种特征。作为示例，对象204具有脊222和谷224。由于它们凸出的本质，脊222接触感测表面220。谷224可以不接触感测表面220，而代替地在输入对象204与感测表面220之间形成空气间隙。这些特征可以使用直接照射或者通过依靠内反射的原理来被光学地成像。
在图2中所示出的示例中，检测器元件202和显示元件218放置在基板210之上。基板210由透明(包括半透明)材料制作。基板210可以对特定波长选择性地透明，例如，允许光的特定波长经过而阻挡、减弱或吸收其它波长。虽然检测器元件202和显示元件218通常示出在相同的平面中，但是检测器元件202和显示元件218可以放置在不同的平面中。
检测器元件202是任何适合类型的光检测器，其配置成从下面检测光。适合的检测器元件的示例是互补金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合设备(CCD)传感器阵列。检测器元件202可以构造为薄膜晶体管(TFT)和/或薄膜光检测器(TFD)，诸如pn和pin二极管。显示元件218可以包括用在典型显示器中的任何类型的光源，诸如例如发光二极管(LED)和有机LED(OLED)。在特定实施例中，显示元件218中的每一个可以是显示子像素(例如，红色、绿色、蓝色)或者可以是像素的元素。
在特定实施例中，显示元件218形成用来将光传输到感测表面220的光源，所述光然后被反射并且如下面进一步描述的那样由检测器元件202检测。然而，将理解的是，诸如光源226之类的分离光源可以代替或结合显示元件218来使用以提供光源。
隔板214配置成限制接收光锥206的角度θ，其中所述角度取决于隔板的纵横比，其中纵横比是隔板壁的高度(h)与壁之间的距离或与隔板开口228的宽度(w)的比率(图3)。形成隔板开口228的空间配置成准许光的传输，并且可以是空气或者对于用于光学检测的光而言透明的任何适合的材料。隔板214的壁可以由光吸收材料制作。隔板壁示出为从基板210延伸到反射性层216；然而，壁可以更短，即可以不覆盖基板210与反射性层216之间的全部距离。而且，虽然隔板壁描绘为直的，但是它们可以是弯曲的或有角的。
反射性层216放置在隔板214之下，并且包括反射性表面230。反射性表面230配置成反射光并且可以，例如，被构造为连续的或分立的镜面化表面的集合。此外，反射性表面230可以具有多种形状，诸如例如平的、弯曲的和棱形的。
根据所描述的布置，进入给定检测器元件202的光的方向被限制在具有如图2中所示出的小的接收角θ的对应接收光锥206，以防止输入对象204的图像模糊。接收光锥206可以，例如，被限制在数度。接收角θ确定图像模糊的程度，以及输入对象204可以被定位而同时仍然实现给定图像分辨率的离检测器元件202的最大距离。接收光锥206的尺寸取决于隔板214中的开口228的纵横比，反射性层216的结构和反射性属性和/或检测器元件202的宽度。
检测器元件202检测光，所述光从感测表面220和/或输入对象204反射并且落在接收光锥206内。这样的光传输通过护罩层208和透明基板210，并且通过隔板开口228，该光然后至少部分地被反射性表面230反射并且向上到检测器元件202。落在特定接收光锥206之外的光通常被防止到达对应的检测器元件202，因为这样的光会由隔板214的壁阻挡、由反射性层214过滤或者因为该光落在对应于另一个检测器元件的接收光锥中。
在特定实施例中，光屏蔽232提供在检测器元件202之上。光屏蔽232防止在感测表面220处反射的光直接到达检测器元件202。
出于说明的目的，仅仅示出了有限数目的检测器元件202和对应的接收光锥。将认识到的是，传感器200会具有如所需要的一样多的那样的检测器元件202以对输入对象204的所期望区域成像，并且每一个检测器元件202会具有对应的接收光锥。此外，在示例中，针对显示器的显示元件218的集合示出了一个检测器元件202。然而，检测器元件节距不需要匹配显示元件节距，例如，每一个像素或子像素的集合不需要具有对应的检测器元件。而且，检测器元件贯穿显示器在布置上可以是交错的，以最小化对漫射光的接收。
隔板214与反射性表面230的组合缩窄了入射在检测器元件上的光的角度，并且因而也限制了来自输入对象上的特定区域的到达每一个检测器元件的光。隔板214阵列的宽度和高度确定接收角θ。由检测器采样的对应区域取决于特定显示部件的厚度，即输入对象204与检测器元件202之间的光学路径。较高的比率为对输入对象的较精细采样或经过较厚的显示部件成像创造条件。当然，取决于所期望的图像的分辨率和质量以及显示部件的总体尺寸，可以使用任何纵横比。同样地，取决于光学系统的设计，可以使用不同的纵横比来实现相同的给定光学分辨率。例如，如果隔板阵列与弯曲的反射镜组合(如以下图4中那样)，则相比于如果其与平的反射镜组合，隔板阵列的纵横比可以更低。
图3图示了示出以下内容的视图：接收处于接收光锥206之内的来自总体上在检测器元件202a之上的输入对象的小的区域的光，而由隔板布置214阻挡或吸收在接收光锥206之外的光。附图中所描绘的是检测器元件202a、检测器元件202b、透明基板210、隔板214和具有反射性表面230的反射性层216。还示出的是接收光锥206的一部分。
光线240表示从感测表面220处的输入对象204反射的并且落在接收光锥206之内的光束。由于其相对小的角度，光线240经过透明基板210、通过隔板214、被反射性表面230反射并且到达检测器元件202a的下侧。
光线242也表示从感测表面220处的输入对象204反射的光束。然而，光线242以相对大的角度反射并且因此落在接收光锥206之外。光线242的角度足够小以到达反射性表面230，但是由于反射的角度，光线242照到隔板214的侧壁244上。光线242由侧壁244吸收，由此防止光线242到达检测器元件的平面并且防止可能地形成到达(例如)检测器元件202b的漫射光束。
该布置防止来自接收光锥206之外的大角度光到达检测器元件。因而，到达特定检测器元件的光通常被限制为来自在检测器元件正上方附近的输入对象的区域的光，由此最小化模糊。
图4图示了可以用在特定实施例中的角度选择性反射器400的示例，并且图示了选择性反射器与法向光408、小角度(接近法向)光410和大角度光412的相互作用。角度选择性反射器400包括隔板402和弯曲的反射性表面404。弯曲的反射性表面402可以具有多种几何形状，包括，例如，抛物线型、椭圆形、圆形或半圆形、非球面，并且可以是完整尺寸或者环形的。设置在弯曲表面404和隔板402之上的是检测器元件406a、406b和406c。
如所示出的那样，光线408相对于限定检测器元件的平面被直下(法向)引导。当光线408照到反射性表面404上时，光线402朝着检测器元件的平面被向上反射返回。反射光的相对角度取决于反射性表面404的曲率而会变化。在抛物线型反射性表面的情况下，光线402朝着相对于弯曲表面404的焦点被反射返回。检测器元件406a因而可以接近于焦点放置，以接收最大量的反射的法向光。
作为另一个示例，光线410从相对于法向的小角度到达角度选择性反射器400。因此，光线410不正好聚焦在反射性表面204的焦点上。尽管如此，检测器元件406b仍然接收偏离角度的光线410。还将认识到的是，出于此原因，检测器元件406不需要直接地与隔板壁和反射性表面的中心对准，这是由于检测器元件仍然会接收诸如光线410之类的某些光。换句话说，所公开的实施例的优势在于，角度选择性反射器不需要与用于对输入对象成像的检测器元件完美地对准。
光线412图示了相对大(宽)角度光，其落在对应于检测器元件406c的接收光锥之外。当光线412照到反射性表面404上时，它们以相对大的角度被反射。因而，如所示出的那样，光线412照到隔板402的壁414上并且被吸收，从而防止相邻检测器像素之间的相互干扰。
图5A图示了后向反射器阵列膜500，其可以用在特定实施例中作为形成在隔板(未示出)下面的反射性层。在此实施例中，反射性层由棱镜阵列膜形成。布置500可以用来滤除较大角度光。
例如，光线502(其具有接近法向角度)成为在棱形表面508处入射在反射器500上。光线502沿着与入射光平行的路径被向上反射返回，如所示出的那样。类似地，光线504(其虽然不是法向，但是以小角度入射在棱形表面508上)也沿着平行的路径被向上反射返回。
相比之下，诸如由光线506示出的以较大角度到达反射器500的光大多经过棱形表面508。因而，后向反射器500在不要求高的隔板的情况下，滤除较大角度光。然而，将理解的是，仍然可以使用隔板来移除漫射光。
图5B图示了采取二向色反射器和/或介电堆叠520的形式的反射性层。二向色反射器反射特定波长的光，而同时传递其它波长。通过使用二向色反射器，特定的一种或多种颜色，例如，蓝色光，可以用于成像过程，而反射器传递诸如红色和绿色的其它光。介电反射镜由介电材料的多个薄层制作，所述多个薄层可以，例如，沉积在玻璃或其它材料的基板上。基于介电层的厚度的类型，反射器可以被设计成针对光的不同波长具有特定的反射率。
因而，例如，特定颜色(例如，红色)的光线522成为入射在反射性层520上，并且被反射性层的表面反射。不同颜色(例如蓝色)的光线524以与光线522几乎相同的角度成为入射在反射性层520上，但是经过反射性层。可替换地，和/或结合前面的内容，光线526以与法向相比相对大的角度成为入射在反射性层520上，并且经过反射性层。以此方式，反射性层可以被设计成在不需要隔板的情况下，针对选择性波长范围创建窄的接收光锥。
图6A-6B图示了根据不同实施例的隔板602和604的平面视图。如图6A中所示出的那样，隔板602具有壁606的第一集合和壁608的第二集合，其中壁的第二集合与壁的第一集合垂直。在示例中，壁形成具有总体上是矩形或正方形截面的间隙610。在图6B中，隔板604形成具有圆形截面的间隙616。如之前所描述的那样，间隙610和/或616可以利用空气来填充或者可以利用透明或半透明材料来填充。此外，将理解的是，针对所示出的图6A-6B中的隔板的几何形状仅仅作为示例。间隙的截面可以形成任何几何形状，包括不同形状的多边形、椭圆形等等。而且，截面可以形成不规则形状并且不需要被均匀地分布。
隔板可以通过以所示出的布置沉积材料、模制等来形成，或者通过在吸收材料中蚀刻或开槽孔来形成。可替换地，如图6C中所示出的那样，隔板可以形成为两个1D层，其中一层堆叠在另一层的顶部上。第一1D层利用沿第一方向延伸的壁612的集合来形成。然后第二1D层利用垂直并且堆叠在壁612的第一集合的顶部上的壁614的集合来形成。
隔板也可以通过类似于拉制光学纤维阵列的过程来制作，其中每一个纤维具有围绕该纤维的吸收层或包覆层。如果纤维是透明的，则纤维可以保留。可替换地，纤维可以被移除而留下吸收层。
虽然已经将本文中的实施例中的某些描述为使用隔板布置，但是将理解的是，隔板是不必要的。例如，使用二向色反射器和/或介电堆叠的实施例可以消除对隔板布置的需要。
图7图示了根据本公开的用于制作传感器布置的方法的示例，所述传感器布置包括检测器元件、透明层和角度选择性反射器。虽然步骤以特定序列描述，但是在不背离本公开的范围的情况下，序列可以被更改和/或步骤可以被组合或消除，除非在以其它方式是显而易见的情况。
在步骤702中，形成具有第一侧(顶部侧)和第二侧(底部侧)的透明基板。在步骤704中，在基板的顶部侧之上形成检测器元件阵列。
在步骤706中，形成角度选择性反射器。角度选择性反射器包括反射性层并且可以包括隔板，所述隔板可以由光吸收材料构造。在具有隔板的实施例中，隔板可以以多种方式制造。在一个实施例中，通过在硅(Si)或其它高吸收化合物晶片中蚀刻孔或沟槽来制造隔板，所述方法类似于半导体制造中所使用的硅穿孔(TSV)过程。在另一个实施例中，通过在玻璃或塑料基板上选择性地沉积或蚀刻厚的吸收层来制造隔板，所述方法可以在一个或多个步骤中完成以便创建具有所期望的纵横比的图案。在另一个实施例中，通过注模、压印或者热成型诸如硅树脂或装着吸收染料或粒子的其它树脂之类的材料来制造隔板。
为了捕获2D图像，隔板应当限制沿所有方位角方向的角度，并且因此应当具有2D布置，诸如图6A和6B中所示出的那样。如之前所指明的那样，图6A和6B中所示出的几何形状仅仅作为示例并且可以使用任何适合的几何形状。两个1D层可以堆叠在彼此的顶部上，例如，如图6C中所示出的沿垂直方向堆叠在彼此的顶部上的两个1D(线性阵列)图案。
在步骤708中，使用任何适合的方法将角度选择性反射器附连到透明基板的底部侧。作为一个示例，使用光学透明的粘合剂将角度选择性反射器附连到基板。隔板和角度选择性反射器通常也可以直接形成到透明基板上。
在说明各种实施例的过程中，已经示出其中检测器元件的节距尺寸与显示元件的节距尺寸总体上相同的示例。然而，将理解的是，检测器元件和显示元件的节距可以是不同的。另外，将理解的是，孔口和/或检测器像素的布置贯穿显示器可以是交错的，以进一步减小到达检测器元件的噪声的可能性。易于接收漫射光或噪声的检测器元件在成像过程期间可以简单地因为不被使用而消除。
还将理解的是，已经总体上在用于对对象成像的传感器的上下文中描述了布置。然而，本文中所描述的传感器也可以用作触摸传感器。
包括出版物、专利申请和专利在内的本文中所引证的所有参考文献通过引用被特此并入，达到好像每一篇参考文献各自地并且具体地指示为通过引用被并入，并且在本文中作为一个整体被阐述的相同程度。
在描述本公开的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)对术语“一”、“一个”、“所述”、“至少一个”和类似指示物的使用是要解释为覆盖单数和复数二者，除非在本文中另有说明或根据上下文明显矛盾。对跟随有一系列的一个或多个项目的术语“至少一个”(例如，“A和B中的至少一个”)的使用是要被解释为意味着从所列出项目中所选择的一个项目(A或B)或者所列出项目中的两个或更多的任何组合(A和B)，除非本文中另有说明或根据上下文明显矛盾。术语“包含”、“具有”、“包括”和“容纳”是要被解释为开放式术语(即，意味着“包括，但不限于”)，除非另有说明。本文中对值的范围的记载仅仅意在充当单独地指代每一个落在范围内的分离的值的速记方法，除非本文中另有说明，并且每一个分离的值并入到说明书中，好像其在本文中是单独地被记载。
本文中所描述的所有方法可以以任何适合的顺序执行，除非本文中另有说明或另外根据上下文明显矛盾。本文中所提供的对任何以及所有示例或者示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅意在更好地阐明本公开，而不引起对本公开的范围的限制，除非另有声明。说明书中的语言不应当被解释为将任何非要求保护的元素指示为对于本公开的实践是必要的。
本文中描述了本公开优选的实施例，包括发明人已知的用于执行本公开的最佳模式。当阅读前面的描述时，对于本领域普通技术人员而言，那些优选实施例的变型可以成为显而易见的。发明人预期技术人员视情况而定来采用这样的变型，并且发明人意在让本公开以与本文中所具体描述的不同的方式来实践。因此，本公开包括其所附权利要求中所记载的主题的如由适用法律所准许的所有修改和等同物。而且，本公开涵盖以所有其可能变型的上述元素的任何组合，除非本文中另有说明或另外根据上下文明显矛盾。

Claims (25)

1.一种用于对感测区中的生物测量输入对象成像的光学传感器，包括：
透明基板，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧，其中所述透明基板放置在所述感测区之下；
显示元件集合，放置在所述透明基板的所述第一侧之上；
检测器元件阵列，放置在所述透明基板的所述第一侧之上；以及
角度限制反射器，放置在所述透明基板的所述第二侧之下，所述角度限制反射器配置成将在所限制接收角内入射在所述角度限制反射器上的光朝着所述检测器元件阵列反射；其中，所述透明基板放置在所述感测区与所述角度限制反射器之间。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括反射性表面，以及形成孔口阵列的多个光吸收隔板，所述隔板放置在所述透明基板与所述反射性表面之间。
3.根据权利要求2所述的光学传感器，其中所述孔口阵列包括透明材料。
4.根据权利要求2所述的光学传感器，其中所述孔口阵列具有多边形截面。
5.根据权利要求2所述的光学传感器，其中所述孔口阵列具有椭圆形或圆形截面。
6.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括棱镜阵列，所述棱镜阵列配置成反射接近正入射光并且配置成传递与法向成相对大角度的入射光。
7.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括光聚焦反射器阵列，所述光聚焦反射器阵列配置成引导光至所述检测器元件。
8.根据权利要求7所述的光学传感器，其中所述光聚焦反射器阵列是抛物线型、球面、非球面或椭圆形之一。
9.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括多层介电堆叠，所述多层介电堆叠针对光的不同波长具有不同的反射率。
10.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括二向色反射器，所述二向色反射器配置成反射第一波长范围的光而同时传递第二波长范围的光。
11.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述角度限制反射器包括平的反射性表面。
12.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括：
光屏蔽层，放置在所述感测区与所述检测器元件之间。
13.一种用于对感测区中的生物测量输入对象成像的显示器，包括：
透明基板，具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧，其中所述透明基板放置在所述感测区之下；
显示元件集合，放置在所述透明基板的所述第一侧之上；
检测器元件阵列，放置在所述透明基板的所述第一侧之上；以及
角度限制反射器，放置在所述透明基板的所述第二侧之下，所述角度限制反射器配置成将在所限制接收角内入射在所述角度限制反射器上的光朝着所述检测器元件阵列反射；其中，所述透明基板放置在所述感测区与所述角度限制反射器之间。
14.根据权利要求13所述的显示器，其中所述显示元件和所述检测器元件放置在相同的平面中。
15.根据权利要求13所述的显示器，其中所述显示器是有机发光二极管(OLED)显示器并且所述显示元件包括有机发光二极管 。
16.根据权利要求13所述的显示器，其中所述显示元件配置成为由所述角度限制反射器所反射的光提供源。
17.根据权利要求13所述的显示器，其中所述角度限制反射器包括反射性表面，以及形成孔口阵列的多个光吸收隔板，所述隔板放置在所述透明基板与所述反射性表面之间。
18.根据权利要求13所述的显示器，其中所述角度限制反射器包括棱镜阵列，所述棱镜阵列配置成反射接近正入射光并且配置成传递与法向成相对大角度的入射光。
19.根据权利要求13所述的显示器，其中所述角度限制反射器包括光聚焦反射器阵列，所述光聚焦反射器阵列配置成引导光至所述检测器元件。
20.根据权利要求19所述的显示器，其中所述光聚焦反射器阵列是抛物线型、球面、非球面或椭圆形之一。
21.根据权利要求13所述的显示器，其中所述角度限制反射器包括平的反射性表面。
22.一种用于制作用于对显示器的感测区中的输入对象成像的光学指纹传感器的方法，包括：
在显示基板的第一侧之上形成检测器元件阵列，其中所述显示基板由透明材料制作并且其中所述显示基板放置在所述感测区之下；
形成显示元件集合，其放置在所述显示基板的所述第一侧之上；以及
在所述显示基板的第二侧之下形成角度限制反射器，所述第二侧与所述显示基板的所述第一侧相对；其中，透明基板放置在所述感测区与所述角度限制反射器之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其中形成所述角度限制反射器包括：
利用光学透明的粘合剂将所述角度限制反射器附连到所述显示基板的所述第二侧。
24.根据权利要求22所述的方法，其中形成所述角度限制反射器包括：
在透明层的所述第二侧之下形成光吸收隔板和反射镜，其中所述光吸收隔板放置在所述显示基板的所述第二侧与所述反射镜之间。
25.根据权利要求22所述的方法，其中形成所述检测器元件阵列包括：
使用薄膜半导体制造过程在与所述检测器元件阵列相同的平面中形成显示底板。
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