CN108885693A

CN108885693A - 具有发散光学元件的生物计量传感器

Info

Publication number: CN108885693A
Application number: CN201780020980.3A
Authority: CN
Inventors: 李英信; P.维克波尔德特; R.J.戈夫; B.L.麦基
Original assignee: Synaptics Inc
Current assignee: Fingerprint Kaana Kadun Intellectual Property Co ltd
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2017-03-28
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2037-03-28
Also published as: US10108841B2; US20170286743A1; CN108885693B; WO2017172797A1

Abstract

光学生物计量传感器包括光感测元件阵列、发散光学元件阵列和孔径阵列，所述孔径阵列设置在光感测元件阵列与发散光学元件阵列之间。在所限定接收角内入射在发散光学元件上的光穿过孔径并且朝着光感测元件，而在所限定接收角之外入射在发散光学元件上的光远离孔径发散。

Description

具有发散光学元件的生物计量传感器

技术领域

本公开一般涉及光学传感器，且更具体地涉及使用发散光学元件的光学传感器。

背景技术

对象成像在多种应用中是有用的。作为示例，生物计量识别系统对生物计量对象成像以用于认证和/或检验包含识别系统的设备的用户。生物计量成像提供可靠的、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计量成像。

如同各种其它生物计量特性，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。

大多数商业上可以得到的指纹传感器基于光学感测技术或电容性感测技术。遗憾的是，常规的光学指纹传感器体积太大以至于不能被封装在移动设备和其它通常的消费者电子设备中，从而将它们的用途限制在门禁控制终端和其中传感器尺寸不是限制的类似应用。

结果，大多数移动设备中的指纹传感器是具有被配置为感测指纹的脊和谷特征的感测阵列的电容性传感器。通常，这些指纹传感器检测绝对电容(有时被称为“自电容”)或跨电容(有时被称为“互电容”) 。在任一情况下，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，并且这些变化被电检测以形成指纹的图像。

尽管电容性指纹传感器提供某些优点，但大多数商业上可以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。机械按钮的存在也占据宝贵的设备基板面。

用于基于光学的传感器的一种可能的解决方案是使用针孔型相机。针孔相机包括具有小孔径的薄阻光层。来自所述阻挡层的一侧上的对象的光穿过所述孔径且以倒转的方式投射到设置在阻挡层的相对侧上的检测表面上。然而，针孔相机遭受某些缺点。例如，从针孔相机布置收集的图像被反转，因而可能要求额外的处理是有用的。而且，来自对象的大量光被阻挡层阻挡，并且仅少量的光透射穿过孔径。因而，图像质量可能是问题。而且，成像的对象的面积随着阻挡层与待成像对象之间的距离变化而显著变化。

发明内容

本公开提供光学生物计量感测设备，其包括在(待成像对象与孔径之间的)孔径上方的发散光学元件，以用于每一个感测元件或者像素来增强孔径的效果，所述效果是来优选地移除来自远离感测元件或像素的中间轴的对象特征的光的贡献。这样的实施例有利地减少了当输入对象进一步远离传感器移动时发生的模糊效果。在包括光学“准直器过滤器”的某些实施例中，(与不使用或者与会聚元件相反的)发散光学元件的此使用减小了所需要的准直器过滤器的高度或长度，这可以是传感器制造中的优点，所述传感器制造包括其中更长或更高的过滤器可以影响显示图像质量的显示器中感测。

根据实施例，提供一种光学生物计量传感器(例如，指纹传感器) ，其通常包括光感测元件阵列、发散光学元件阵列和设置在光感测元件阵列与发散光学元件阵列之间的孔径阵列。在操作中，在所限定接收角内入射在发散光学元件上的光穿过孔径并且朝着光感测元件，而在所限定接收角之外入射在发散光学元件上的光远离孔径发散。在某些方面中，发散光学元件阵列包括由第二材料形成的多个透镜元件，所述第二材料具有与第一材料的第一折射率n₁ 不同的第二折射率n₂，入射在发散光学元件上的光从所述第一材料进入发散光学元件。在某些方面中，发散光学元件阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件各自具有从透镜元件的中间部分到透镜元件的外面部分逐渐增大的折射率。在某些方面中，孔径阵列中的每一个孔径具有圆形横截面或矩形横截面。在某些方面中，光学生物计量传感器还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光入口端来设置，并且其中每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。在某些方面中，光学生物计量传感器还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径形成对应准直器过滤器孔结构的光入口端，并且其中每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。在某些方面中，光学生物计量传感器还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光出口端来设置，并且其中每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应发散光学元件延伸，所述发散光学元件设置在准直器过滤器孔结构的光入口端处。

根据另一个实施例，提供一种制造光学生物计量传感器(例如，指纹传感器)的方法。所述方法通常包括在衬底中形成光感测元件阵列，在衬底上形成孔径阵列，以及在孔径阵列上形成发散光学元件阵列，其中孔径阵列设置在光感测元件阵列与发散光学元件阵列之间。发散光学元件阵列通常被布置以使得在所限定接收角内入射在发散光学元件上的光穿过孔径并且朝着光感测元件，而使得在所限定接收角之外入射在的发散光学元件上的光远离孔径发散。

根据又一实施例，提供一种用于对生物计量对象(例如，指纹)进行成像的输入设备，其通常包括输入表面、用于感测输入表面处的生物计量对象的光学图像传感器，以及定位在光学图像传感器与输入表面之间的显示器护罩透镜。光学图像传感器通常包括光感测元件阵列、发散光学元件阵列以及设置在光感测元件阵列与发散光学元件阵列之间的孔径阵列。在操作中，所限定接收角内的从输入表面入射在发散光学元件上的光穿过孔径并且朝着光感测元件，而其中所限定接收角之外的从输入表面入射在发散光学元件上的光远离孔径发散。在某些方面中，显示器护罩透镜的表面包括输入表面。在某些方面中，输入表面包括覆盖显示器护罩透镜的光学透明玻璃或聚合物材料层的表面。

参考说明书的其余部分，包括附图和权利要求，将实现本发明的其它特征和优点。下面参照附图详细描述本发明的另外的特征和优点，以及本发明的各种实施例的结构和操作。在附图中，相似的参考标号指示相同或功能上类似的元件。

附图说明

参考附图来描述具体实施方式。对说明书和附图中的不同实例中相同参考标号的使用可以指示类似或相同的项目。

图1是根据本公开的实施例的包括光学传感器和处理系统的系统的示例的框图。

图2图示了根据本公开的实施例的包括光学传感器的移动设备的示例。

图3图示了根据本公开的实施例的具有光调节层的光学传感器的示例。

图4图示了根据本公开的实施例的光调节层配置的示例。

图5A-图5C图示了根据本公开的实施例的备选发散光学元件结构的示例。

图6图示了根据本公开的实施例的备选光调节层配置的示例。

图7图示了根据本公开的实施例的配置用于正面照明的光学传感器的示例。

图8图示了根据本公开的实施例的配置用于正面照明的光学传感器的另一示例。

图9图示了根据本公开的实施例的配置用于背面照明的光学传感器的示例。

图10图示了根据本公开的实施例的配置用于背面照明的光学传感器的另一示例。

图11图示了根据本公开的实施例的配置用于背面照明的光学传感器的另一示例。

图12图示了根据本公开的实施例的用于制造光学生物计量传感器的过程的示例。

具体实施方式

以下具体实施方式在本质上是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，不存在受前面的技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下具体实施方式中所呈现的任何明示或暗示的理论的束缚。

转到附图，并且如本文中更详细描述的那样，本公开的实施例提供了用于对诸如指纹之类的输入对象进行光学成像的方法和系统。具体地，描述了一种方法和系统，其中光学传感器包括与孔径阵列或孔径的阵列组合的发散光学元件阵列，所述孔径阵列或孔径的阵列作为插入在光照明层与图像传感器阵列之间的光调节层进行操作。来自照明层的透射光从护罩层上方的感测区中的输入对象反射。反射光被光调节层过滤，使得只有某些反射光束到达图像传感器阵列中的光感测元件。特别地，与孔径组合的发散光学元件操作以限制到达图像传感器阵列中的光学光传感器元件的光束的接收角。在优选接收角之外的光束发散或远离光传感器元件转向。采用具有本文中所公开的孔径的发散光学元件有利地减少或防止图像模糊。本公开描述了使用发散光学元件来改进光学感测，例如通过护罩层的大范围厚度的光学感测。

在某些实施例中，光调节层还包括插入孔径阵列与图像传感器阵列之间或发散光学元件阵列与孔径阵列之间的光导管或准直器过滤器层。与单纯基于透镜或基于针孔相机的成像传感器而言可能的情况相比，采用光导管或准直器过滤层有助于进一步减少或防止模糊，同时允许诸如指纹传感器的更低剖面的图像传感器。因此，图像传感器可以制作得薄以在诸如蜂窝电话的移动设备中使用。当与光导管或准直器过滤器层组合使用时，发散光学元件的使用减小了所需要的光导管的高度或长度，从而提供传感器制造和使用方面的优点，包括其中较长或较高光导管可能影响显示图像质量的显示器中感测。

图1是根据本公开的实施例的包括光学传感器设备102和处理系统104的电子系统100的示例的框图。作为示例，图示了在捕获、存储和验证生物计量匹配尝试期间利用的电子设备100的基本功能部件。处理系统104包括（一个或多个）处理器106 、存储器108 、模板存储器110 、操作系统(OS) 112和（一个或多个）电源114 。（一个或多个）处理器106 、存储器108 、模板存储器110和操作系统112中的每一个物理地、通信地和/或可操作地互连以用于部件间通信。电源114互连到各种系统部件以在必要时提供电力。

如所图示的那样，（一个或多个）处理器106配置为实现用于在电子设备100和处理系统104内执行的功能性和/或处理指令。例如，处理器106执行存储在存储器108中的指令或存储在模板存储器110上的指令，以识别生物计量对象或确定生物计量认证尝试是成功还是不成功。可以是非瞬态计算机可读存储介质的存储器108配置成在操作期间在电子设备100内存储信息。在一些实施例中，存储器108包括临时存储器，即用于当电子设备100关闭时不要保存的信息的区域。这样的临时存储器的示例包括易失性存储器，诸如随机存取存储器( RAM ) 、动态随机存取存储器( DRAM )和静态随机存取存储器( SRAM ) 。存储器108还保存用于由处理器106执行的程序指令。

模板存储器110包括一个或多个非瞬态计算机可读存储介质。在指纹传感器的上下文中，模板存储器110通常配置为存储针对用户的指纹的指纹图像或其它注册信息的注册视图。更通常地，模板存储器110可以用于存储关于对象的信息。模板存储器110还可以配置用于信息的长期存储。在一些示例中，模板存储器110包括非易失性存储元件。除了别的以外，非易失性存储元件的非限制性示例还包括磁性硬盘、固态驱动器( SSD ) 、光盘、软盘、闪速存储器或者电可编程只读存储器( EPROM )或电可擦可编程只读存储器( EEPROM)的形式。

处理系统104还主控操作系统(OS) 112 。操作系统112控制处理系统104的部件的操作。例如，操作系统112促进（一个或多个）处理器106 、存储器108和模板存储器110的相互作用。

根据各种实施例，（一个或多个）处理器106实现硬件和/或软件以获得描述输入对象的图像的数据。（一个或多个）处理器106还可以对准两个图像以及将所对准图像彼此比较以确定是否存在匹配。（一个或多个）处理器106还可以操作以在生物计量过程期间从一系列较小的部分图像或子图像重构较大图像，所述较小的部分图像或子图像诸如在收集多个部分指纹图像时的指纹图像，所述生物计量过程诸如用于验证或识别的注册或匹配过程。

处理系统104包括向电子设备100提供功率的一个或多个电源114 。电源114的非限制性示例包括一次性电源、可再充电电源和/或从镍-镉、锂离子或其它合适材料开发的电源，以及转而连接到电力的电源线和/或适配器。

光学传感器102可以实现为电子系统100的物理部分，或者可以与电子系统100在物理上分离。视情况而定，光学传感器102可以使用以下项目中的任何一项或多项来与电子系统100的部分进行通信：总线、网络和其它有线或无线互连。在一些实施例中，光学传感器102实现为生物计量传感器以捕获用户输入对象的生物计量信息。例如，在一个实施例中，光学传感器102实现为指纹传感器，以捕获用户的指纹图像。根据本公开，光学传感器102出于对象成像的目的而使用光学感测，所述对象成像包括对生物计量对象或诸如指纹的特征进行成像。光学传感器102可以合并为例如显示器的部分，或者可以是分立传感器。

电子系统100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、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理( PDA ) 。附加示例电子系统100包括复合输入设备，诸如物理键盘和分离的操纵杆或按键开关。另外的示例电子系统100包括诸如数据输入设备(包括远程遥控和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏和打印机)之类的外围设备。其它示例包括远程终端、信息站、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等) 、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) 。

光学传感器102可以向感测区提供照明。检测以（一个或多个）照明波长的来自感测区的反射以确定对应于输入对象的输入信息。

光学传感器102可以利用输入对象的直接照明的原理，所述输入对象取决于配置可以或可以不与感测区的输入表面或感测表面接触。一个或多个光源和/或光导结构可以用来将光引导到感测区。当存在输入对象时，该光从输入对象的表面反射，这些反射可以由光感测元件检测并用来确定关于输入对象的信息。

光学传感器102还可以利用内反射的原理来检测与感测表面接触的输入对象。由于在由感测表面限定的边界的相对侧处的不同折射率，一个或多个光源可以用来引导光导元件中的光处于一定的角度，，所述光以所述角度在感测区的输入表面或感测表面处内反射。由输入对象与感测表面的接触使得折射率跨该边界改变，这更改了感测表面处的内反射特性，从而使得从输入对象反射的光在其与感测表面接触的部分处较弱。如果使用受抑全内反射( FTIR )的原理来检测输入对象，则通常可以实现较高的对比度信号。在这样的实施例中，除了输入对象与感测表面接触并且使得光部分地跨该界面透射的位置之外，光可以以入射角被引导到感测表面，所述光以所述角度进行全内反射。此情况的示例是引入到由玻璃到空气界面限定的输入表面的手指的存在。与空气相比，人类皮肤的较高折射率使得以到空气的界面的临界角入射在输入表面处的光部分地透射通过手指，否则其将在玻璃到空气界面处全内反射。该光学响应可以由系统检测并用于确定空间信息。在一些实施例中，这可以用于对小尺度指纹特征成像，其中入射光的内反射率取决于指纹脊或谷是否与感测表面的该部分接触而不同。

图2图示了诸如移动电话的电子设备116的示例，所述电子设备116包括显示器120上方的护罩玻璃(或护罩透镜) 118 。所公开的方法和系统可以通过使用显示器120作为光学传感器来对输入对象成像而实现。备选地，单独的分立部件122提供光学感测能力。备选地或附加地，提供光学感测能力的单独的分立部件122可以位于显示器120下方。

图3图示了用于对诸如指纹之类的对象216进行成像的光学图像传感器设备200的叠层的示例。传感器200包括图像传感器阵列202、设置在图像传感器阵列202上方的光调节层204 (与可选的光导管或准直器过滤器孔结构220一起示出) 、设置在光调节层204上方的照明层207、光源208和护罩层210。在某些实施例中，也可以提供阻挡层214。

护罩层210保护传感器200的内部部件，诸如图像传感器阵列202。护罩层210可以包括保护除了传感器200之外的显示器的内部部件的护罩玻璃或护罩透镜。用于输入对象的感测区被限定在护罩层210之上。护罩层210的顶表面218可以形成输入表面或感测表面，其提供用于输入对象216 (例如，指纹)的接触区域。护罩层210由诸如玻璃、透明聚合物材料等的任何材料制作。在某些实施例中，附加的光学透明玻璃或聚合物材料层覆盖护罩层210，在这种情况下，附加层的顶表面形成输入表面或感测表面。

尽管出于说明性目的通常在指纹的上下文中进行描述，但输入对象216是要成像的任何对象。通常，对象216将具有各种特征。作为示例，对象216具有脊和谷。由于它们的突出性质，脊接触护罩210层的感测表面218。相比之下，谷不接触感测表面218，而是代替在输入对象216与感测表面218之间形成气隙。对象216可以具有不在输入对象216的部分中创建显著结构差异但影响其光学属性的其它特征，诸如污点、墨水等。本文中所公开的方法和系统适合于对输入对象216的这样的结构和非结构特征成像。

在一个实施例中，照明层207包括将照明引导到感测区以便对输入对象成像的光源208和/或光导元件206。如图3中所示出的那样，光源208将光束或光线212发射到光导元件206中，并且透射光传播通过光导元件206。光导元件可以利用全内反射，或者可以包括朝着感测区向上提取光的反射表面。照明层中的一些光可以在与输入对象216接触的区域中入射在感测表面218处。入射光转而朝着光调节层204反射回来。在所示出的示例中，光源208相邻于光导元件206设置。然而，将理解的是，假如发射的光到达光导元件206,光源208可以定位在传感器200内的任何地方。例如，光源208可以设置在图像传感器阵列202下方。而且，将理解的是，不需要分离的光导元件206。例如，从光源208发射的光可以直接透射到护罩层210中，在这种情况下护罩层210也用作光导元件。作为另一示例，从光源208发射的光以可直接透射到感测区，在此情况下，光源208自身充当照明层。

也不需要分立的光源。例如，该方法和系统预期使用由显示器提供的光，诸如发光OLED像素或来自LCD的背光作为合适的光源。由照明层207提供以对对象216进行成像的光可以是近红外线(NIR)或可见的。光可以具有窄带波长、宽带波长或者在若干个带中操作。

图像传感器阵列202检测通过光调节层204的光。合适的传感器阵列的示例是互补金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合器件(CCD)传感器阵列。传感器阵列202包括能够检测入射光的强度的多个单独的光学感测元件或光感测元件。

为了通过较厚的护罩层210实现指纹和指纹尺寸的特征的光学感测，由光调节层204调节从指纹反射的光，使得到达图像传感器阵列202中的感测元件的光仅仅来自在传感器元件正上方的输入对象216上的小点。在不存在这样的调节的情况下，从对象上远离光感测元件的区到达感测元件的任何光促成图像模糊。

为了根据本公开调节光，光调节层204设置有发散光学元件阵列和孔径阵列，其中每一个孔径设置在发散光学元件与图像传感器阵列202上的一或多个光感测元件之间。

光调节层204仅允许从输入对象216(例如，手指)反射的、以法线或接近法线入射到光调节层204的光线穿过并且到达图像传感器阵列204的光感测元件。光调节层204被层压、叠层或直接建立在图像传感器阵列202上方。作为示例，光调节层204可以由诸如聚碳酸酯、PET或聚酰亚胺之类的塑料材料、炭黑、无机绝缘或金属材料、硅或SU – 8制作。在某些实施例中，光调节层204是单片的。

图3中还示出的是阻挡层214，其可选地提供为光学传感器200的一部分。阻挡层214是半透明或不透明层，其可以设置在光调节层204上方。作为示例，阻挡层可以设置在护罩层210与照明层207之间，如图3中所示出的那样。备选地，阻挡层214可以设置在照明层207与光调节层204之间。在任一情况下，阻挡层214遮蔽传感器200的部件（诸如光调节层204中的孔径），以免受环境光照明，同时仍允许传感器200进行操作。阻挡层214可以包括多个不同的材料或子层。例如，可以使用薄金属或电子传导层，其中层厚度小于可见光谱中的光穿透的趋肤深度。备选地，阻挡层214可以包括例如在可见光谱中吸收光的一种染料和/或颜料或者若干种染料和/或颜料。作为又一备选方案，阻挡层214可以包括若干子层或纳米尺寸特征，其设计成引起与诸如例如可见光之类的某些波长的干涉，以便选择性地吸收或反射不同波长的光。阻挡层214的光吸收剖面可以被配制成给出颜色、纹理或反射质量的特定外观，由此允许与传感器200集成到其中的设备的特定美学匹配或对比。如果使用可见照明波长，则半透明层可以用于允许足够的光穿过阻挡层到达感测区，同时仍充分地遮蔽下方的部件。

图4图示了根据实施例的包括发散光学元件层250和孔径阵列层260的光调节层204的示例。图4还示出了光调节层204内的光的相互作用。图像传感器阵列202包括设置在发散光学元件252下方的光感测元件230。孔径阵列层260包括孔径阵列或孔262阵列，每一个孔径或孔262插入在发散光学元件252与一个或多个光感测元件230之间。

在一个实施例中，每一个发散光学元件252包括凹透镜元件(例如，微透镜)，所述凹透镜元件操作使得在所限定接收角内入射在发散光学元件252上的光穿过孔径262并且朝着（一个或多个）光感测元件230，而在所限定接收角之外入射在发散光学元件252上的光远离孔径262发散。在一个实施例中，每一个发散光学元件252包括由一种材料形成的透镜(例如，微透镜)元件，所述材料具有与入射在发散光学元件上的光从其进入透镜元件的材料的折射率n₁不同的折射率n₂。例如，在图4中，微透镜元件可以具有如所示出的凹形剖面，其中n₁<n₂。由于斯涅耳定律，由入射光束经历的折射率改变使得光束在不垂直于两种材料之间的界面的情况下折射。例如，如图4中所示出的那样，对于具有凹形剖面的微透镜，垂直于(具有折射率n₁的)第一材料与(具有折射率n₂的)第二材料之间的界面入射的光束或光线238将未折射地通过。类似地，以接近法向角入射的光束或光线240将轻微折射。取决于入射角，以较大角度入射的光束或光线242将经历更大的折射。微透镜界面的形状(例如，如图4中所示出的凹形剖面或者如图5C中所示出的凸形剖面)可以结合孔径262的宽度被最优化，以控制在其之内的入射光穿过孔径262并且朝着（一个或多个）光感测元件230，而在其之外的入射在发散光学元件252上的光远离孔径262发散的所限定接收角。第一材料(n₁)和第二材料(n₂)可以包括光学透明玻璃或聚合物材料。在一个实施例中，第一材料包括空气(n₁=1)。在一个实施例中，图4实施例的第一材料(n₁)可以是形成光导元件206或护罩层210 (图3)的材料。

图5A-图5C图示了发散光学元件的附加实施例。如图5A中所示出的那样，发散光学元件包括梯度折射率透镜(GRIN)结构，其中元件具有从元件的中间部分到元件的外部部分逐渐增大的折射率。GRIN元件可以具有圆形形状或者矩形或正方形形状，这取决于发散光与其组合的孔径和/或准直器过滤器孔结构的形状。在另一个实施例中，发散光学元件具有如图5C中所示出的凸形剖面，其中n₁>n₂。在此实施例中，低折射率材料形成凸透镜，其被具有较高折射率的材料包围，这类似于图4的凹透镜起作用。应当理解的是，发散光学元件阵列250可以包括不同类型的发散光学元件252 。例如，阵列250可以包括如图4中所示出的那样配置的一些发散光学元件，以及如图5A-图5C中所示出的那样配置的其它发散光学元件。图5B图示了可以用于进一步减小光接收角的锥形反射隧道结构。

有利地，与孔径组合的发散光学元件充当过滤器以仅收集来自对应光传感器元件或在接近法线入射处的元件之上的输入对象(例如，手指)的部分的光，并且限制或滤除可能促成模糊效果的较高角度入射光，以由此能够实现对输入对象（例如，指纹特征）的较清晰图像。例如，在传感器阵列处仅收集以接近法向入射的来自手指的光线确保了所产生的图像在有改进的对比度的情况下清晰得多。如图4中可见的那样，发散光学元件252重定向不想要的光线并且防止它们到达光感测元件。

为了进一步调节光，在一个实施例中，光调节层204设置有准直器过滤器孔结构或光导管220的可选阵列。在一个实施例中，每一个准直器孔结构220设置在图像传感器阵列202上的光感测元件上方。例如，如图4中所示出的那样，每一个孔径262最接近于对应准直器过滤器孔结构220的光入口端来设置，并且每一个准直器过滤器孔结构220从对应孔径262朝着至少一个对应光感测元件230延伸。在另一个实施例中，如图6中所示出的那样，每一个孔径262在光感测元件230与准直器过滤器孔结构220之间并且最接近于对应准直器过滤器孔结构220的光出口端来设置，以及准直器过滤器孔结构220从对应孔径262朝着设置在准直器过滤器孔结构220的光入口端的对应发散光学元件252延伸。

准直器过滤器孔结构220可以包括材料层中的物理孔或孔隙，其可以使用任何合适的技术形成，所述技术诸如激光钻孔、蚀刻等。准直器过滤器孔结构还可以包括在顶部和底部上具有用于接收光的开口的固体透明玻璃或聚合物材料(例如，柱)。例如，在图6中所示出的实施例中，每一个准直器过滤器孔结构220包括光学透明材料，并且准直器过滤器孔结构中的光学透明材料的光入口端形成对应发散光学元件252，例如如图6中所示出的凹形剖面。在一个实施例中，可以使用双面对准技术制造固体准直器过滤器孔结构，以创建对准的顶部开口和底部开口，但没有穿过材料(例如，玻璃或聚合物)主体的物理上空的孔。该方法的优点之一在于，其使得层压更简单，这是因为没有物理上空的孔。对于固体(例如，玻璃或聚合物)准直器过滤器层，护罩玻璃、光导膜和过滤器可以例如利用容易得到的层压装备来例如与聚酰亚胺或PET膜层压。

在某些实施例中，在光调节层204中还提供滤色器层270。滤色器阵列层270包括单独的滤色器元件，其用来选择性地吸收或反射某些波长的或者某些波长带内的光，使得允许所选择波长或者所选择波长带内的入射光到达光传感器元件230 。

孔径阵列中的每一个孔径262可以具有圆形横截面或矩形横截面或椭圆形横截面。孔径阵列260中的孔径262可以包括混合横截面剖面，例如，阵列中的一些孔径可以限定圆形开口而其它孔径可以限定矩形开口。

准直器过滤器孔结构220将光线向下传递到光感测元件230 (例如，光电二极管)，并且还消除不想要的光线。准直器过滤器孔结构220充当“光导”和“准直器过滤器”。准直器过滤器孔结构220的有用度量是孔220的纵横比。纵横比是孔的高度(h)除以孔直径(d)(或者矩形横截面的情况下的宽度)。纵横比应当足够大，以帮助防止杂散或不期望的光到达每一个准直器过滤器孔结构220正下方的光感测元件。较大的纵横比将光接收锥体限制到较小的角度，从而改进了系统的光学分辨率。可以使用从准直器过滤器层220到正被成像的对象(例如，手指)的距离除以手指的所期望光学分辨率的比率来估计最小纵横比。在一些实施例中，准直器孔径220在形状上为圆柱形或圆锥形(例如，锥形) 。准直器孔径220的侧壁可以包括凹槽或其它结构以防止杂散光反射离开壁并到达光感测元件。有效纵横比由沿着准直器孔的高度的平均孔直径确定。合适的纵横比的示例为大约3:1到100:1的范围中的比率，以及更典型地为大约5:1到20:1的范围中的比率。

通常期望使准直器孔径220的高度(h)尽可能薄，以提供用于制造准直器过滤层220和将其与下面的诸如CMOS或CCD图像传感器之类的图像传感器阵列202集成的最大灵活性。小的孔径直径(d)可以用于维持期望的准直器纵横比。然而，如果使孔径太小(小于正使用的光的波长的数倍) ，则衍射效应可能促成附加的模糊，这是因为离开准直器孔径220的光线发散。这样的衍射效应可以通过尽可能接近于图像传感器阵列202放置准直器过滤器层204来减轻，所述接近理想地比夫琅和费远场距离(r^2/λ，其中r是孔径半径而λ是光波长) 接近得多。

通常还期望最小化准直器过滤器层220与图像传感器阵列202之间的距离以允许到达图像传感器阵列202的光感测元件的光尽可能集中。另外，如果该传感器阵列202到准直器过滤器层204的距离太大，则来自相邻孔的杂散光可能到达特定的光感测元件，从而导致图像模糊。在三个元件——发散光学元件252 、孔径262和准直器过滤器孔结构220——一起的情况下，叠层的总高度有利地不必增加。与仅使用准直器过滤器孔结构220相比，如果所有三个元件组合，有利地不需要高纵横比。例如，准直器过滤器孔结构设备所需要的纵横比大于大约5 : 1 (孔深度:孔直径)以消除模糊，这可能需要穿过相当厚的Si层的深反应离子蚀刻(DRIE)。与发散光学元件组合，可以放松纵横比要求，并且可以考虑更简单和更有成本效益的制造选项。例如，每一个准直器过滤器孔结构的长度与每一个对应孔径的直径或宽度的纵横比为大约3:1至大约30:1或更大。另外，当与没有发散光学元件相比包括了发散光学元件时，正面照明设备成为制造的更好选项。由于总厚度减小，这对于显示器中指纹图像传感器同样有利。在一个实施例中，提供(例如，在其上涂覆)光吸收材料来覆盖准直器过滤器孔结构的侧壁。

图7和图8图示了根据各种实施例的正面照明设备的示例实施例。图9-图11图示了根据各种实施例的背面照明设备的示例实施例。在这些背面照明实施例中，孔径阵列设置在半导体管芯或晶片的背面上，在其内形成光感测元件阵列。同样地，准直器过滤器孔结构阵列形成在半导体管芯或晶片的背面中。图10图示了可以利用使用例如黑色矩阵(BM)树脂的添加步骤来创建光导管层的制造选项。在一个实施例中，光调节层204是具有孔阵列或光导管220阵列的不透明层。光导管220使用任何合适的技术形成，所述技术诸如激光钻孔、蚀刻等。如图7和图9中所示出的那样，在一个实施例中，滤色器层可构造为设置在孔径层260与准直器过滤器孔结构层220之间的分离层。如图8和图11中所示出的那样，在一个实施例中，滤色器层可以在光导管或准直器过滤器孔结构中创建或形成。

光感测元件节距(元件之间的距离)可以小于孔径262节距(孔径之间的距离)，例如，在其中图像传感器阵列202为CCD或CMOS图像传感器以及穿过单个孔径262或准直器过滤器孔结构220的光可以照明多于一个光感测元件的一些实施例中。包括准直器过滤器孔结构220阵列的实施例的这样的布置的示例由图4和图6中的光感测元件232和234示出。在这样的情况下，处理系统(图1)可以组合由对应于给定准直器过滤器孔结构的所有光感测元件记录的光强度。在处理来自图像传感器阵列202的原始数据之后的所产生指纹图像可以具有对应于（其中不存在准直器过滤器孔结构220的）实施例的孔径阵列262的分辨率或者对应于准直器过滤器孔结构220的阵列的分辨率。应注意的是，光调节层204中的孔径262或准直器过滤器孔结构220的布置可以导致传感器阵列202中的一些光感测元件未被使用。未使用的光感测元件的示例是图4和图6中的感测元件236。因为光感测元件236不在准直器孔(或孔径)下面，所以反射的射线在到达它们之前将被阻挡。图像处理可以移除未使用的传感器元件并且在例如数据被用在图像重构或图像匹配中之前适当地缩放图像。

光学传感器200的成像分辨率(以dpi为单位)由光调节层204中的孔径262 (或孔径准直器过滤器孔结构组合)的分辨率限定，而节距是每一个孔径之间的距离。在光学传感器200中，光调节层204中的每一个孔径262对应于正被成像的对象216的特征的样本，诸如来自指纹内的脊或谷的样本。为了使分辨率最大化，采样密度(其等于孔径密度)应当足够大，使得对每一个感兴趣的特征采集多个样本。因此，例如，为了对于指纹中的脊成像，节距可以在50至100微米的量级，这是因为脊本身的节距在150至250微米的量级。如果期望捕获更多的粒度特征，诸如指纹中的毛孔，则诸如25微米的较小的节距将是合适的。相反，较大节距可以用于捕获输入对象的较大特征。

光传感器200在光调节层204与感测表面220之间的宽距离范中类似地执行，这是因为对反射光的过滤通常是独立于厚度的，只要选择光调节层204中的任何准直器过滤器孔结构的纵横比被选为支持期望的光学分辨率即可。

图12图示了根据实施例的用于制造光学生物计量传感器的过程。在步骤1210中，在衬底(例如，晶片，其之后可以被分割以形成单独的传感器管芯管芯)中形成光感测元件阵列。在步骤1220中，在衬底上形成孔径阵列。在步骤1230中，在孔径阵列上形成发散光学元件阵列，使得孔径阵列设置在光感测元件阵列与发散光学元件阵列之间。发散光学元件阵列被布置使得在所限定接收角内入射在发散光学元件上的光穿过孔径并且朝着光感测元件，而使得在所限定接收角之外入射在发散光学元件上的光远离孔径发散。

在一个实施例中，可选步骤1250包括形成准直器过滤器孔结构阵列。在实施例中，形成准直器过滤器孔结构，使得每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光入口端来设置，并且每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。在另一个实施例中，形成准直器过滤器孔结构，使得孔径阵列设置在半导体晶片或管芯的背面上，该半导体晶片或管芯包括在其内形成光感测元件阵列的衬底，并且准直器过滤器孔结构阵列形成在半导体晶片或管芯的背面中。在另一个实施例中，准直器过滤器孔结构被形成为使得每一个孔径形成对应准直器过滤器孔结构的光入口端，并且每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。在另一个实施例中，准直器过滤器孔结构被形成为使得每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光出口端来设置，并且每一个准直器过滤器孔结构从对应孔径朝着至少一个对应发散光学元件延伸，所述发散光学元件设置在准直器过滤器孔结构的光入口端。在该实施例中，每一个准直器过滤器孔结构可以包括光学透明材料，并且其中至少一个对应发散光学元件形成准直器过滤器孔结构的光入口端。

在一个实施例中，可选步骤1240包括在孔径阵列与光感测元件阵列之间形成光学滤色器元件阵列。滤色器元件可以作为形成准直器过滤器孔结构以在准直器过滤器孔结构中形成滤色器元件的步骤1250的部分(参见例如图8和图11 )来形成，或步骤1240可以分离地执行以形成滤色器元件的分离层。

在此同时提交的题为“Image Sensor Structures for Fingerprint Sensing”的共同未决的美国申请序列号[莱迪希(Leydig)参考722897（150117US）] 提供了用于形成光学生物计量传感器设备的各种细节，包括形成准直器过滤器孔结构，并且在此通过引用以其整体并入。

尽管本公开在指纹图像感测的上下文中描述光学对象成像，但所述方法和系统可以用来对任何生物计量对象(具有生物计量特征的对象)成像。例如，手掌或手的高分辨率图像可以通过将手直接放置在护罩层上来获取。非生物计量对象的成像也在本公开的范围内。

本文中引用的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，在此通过引用并入本文，其程度如同每一个参考文献被单独地和具体地指出通过引用并入并且在本文中以其整体阐述。

术语“一”、“一个”、“所述”、“至少一个”以及类似指代词在描述所公开主题的上下文中（尤其是在以下的权利要求的上下文中）的使用将被解释为覆盖单数和复数二者，除非在本文中另有指示或者上下文明显矛盾。后面有一个或多个项目的列表的术语“至少一个”（例如，“A和B中的至少一个”）的使用将被解释为意指从所列出的项目选择出的一个项目（A或B）或者所列出的项目中的两个或更多个的任何组合（A和B），除非在本文中另有指示或者上下文明显矛盾。术语“包括、”“具有、”“含有、”以及“包含”将被解释为开放式的术语（即，意指“包括但不限于”），除非另有说明。本文中的值的范围的记载仅仅意在充当单独地引用落入该范围内的每个单独值的速记方法，除非在本文中另有指示，并且每个分离的值被并入本说明书，就好像其在本文中被单独地记载。本文中描述的所有方法可以以任何合适的顺序被执行，除非在本文中另有指示或者以其它方式上下文明显矛盾。本文中所提供的任何和所有示例或示例语言（例如，“诸如”）的使用仅仅意在更好地阐明本公开的主题，而不是对本发明的范围施加限制，除非另有声明。本说明书中的语言都不应当被解释为将任何未声明的要素指示为对于本发明的实践必不可少。

在本文中描述了某些实施例。在阅读前面的描述时，那些实施例的变型对于本领域普通技术人员可能变得明显。本发明人期望技术人员视情况而定地采用这样的变型，并且本发明人意在与如本文中具体描述的那样不同地实践实施例。因此，本公开包括由可适用的法律所准许的所附于此的权利要求中所记载的主题的所有修改和等同物。而且，在其所有可能变型中的以上描述的要素的任何组合被本公开涵盖，除非在本文中另有指示或者以其它方式上下文明显矛盾。

Claims

1.一种光学生物计量传感器，包括：

光感测元件阵列；

发散光学元件阵列；以及

孔径阵列，所述孔径阵列设置在所述光感测元件阵列与所述发散光学元件阵列之间，

其中在所限定接收角内入射在所述发散光学元件上的光穿过所述孔径并且朝着所述光感测元件，以及其中在所述所限定接收角之外入射在所述发散光学元件上的光远离所述孔径发散。

2.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述发散光学元件阵列包括由第二材料形成的多个透镜元件，所述第二材料具有与第一材料的第一折射率n₁不同的第二折射率n₂，入射在所述发散光学元件上的所述光从所述第一材料进入所述发散光学元件。

3.如权利要求2所述的光学生物计量传感器，其中所述多个透镜元件中的每一个具有凹形剖面，以及其中n₁<n₂。

4.如权利要求2所述的光学生物计量传感器，其中所述多个透镜元件中的每一个具有凸形剖面，以及其中n₁>n₂。

5.如权利要求2所述的光学生物计量传感器，其中所述第一材料和所述第二材料包括光学透明的聚合物材料。

6.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述孔径阵列具有比指纹中的脊的节距更小的节距。

7.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述发散光学元件阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件各自具有从所述透镜元件的中间部分到所述透镜元件的外面部分逐渐增大的折射率。

8.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，还包括光学滤色器元件阵列，所述光学滤色器元件阵列设置在所述孔径阵列与所述光感测元件阵列之间。

9.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述孔径阵列中的每一个孔径具有圆形横截面或者矩形横截面。

10.如权利要求9所述的光学生物计量传感器，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光入口端来设置，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

11.如权利要求10所述的光学生物计量传感器，其中每一个准直器过滤器孔结构的长度与每一个对应孔径的直径或宽度的纵横比是大约3:1到大约30:1。

12.如权利要求10所述的光学生物计量传感器，其中每一个准直器过滤器孔结构的直径或宽度从所述光入口端到最接近所述至少一个对应光感测元件的末端减小。

13.如权利要求10所述的光学生物计量传感器，其中所述孔径阵列设置在半导体管芯的背面上，在所述半导体管芯中形成所述光感测元件阵列，以及其中所述准直器过滤器孔结构阵列形成在所述半导体管芯的所述背面中。

14.如权利要求9所述的光学生物计量传感器，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径形成对应准直器过滤器孔结构的光入口端，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

15.如权利要求9所述的光学生物计量传感器，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光出口端来设置，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应发散光学元件延伸，所述发散光学元件设置在所述准直器过滤器孔结构的光入口端处。

16.如权利要求15所述的光学生物计量传感器，其中每一个准直器过滤器孔结构包括光学透明材料，以及其中所述至少一个对应发散光学元件形成所述准直器过滤器孔结构的所述光入口端。

17.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述孔径阵列设置在半导体管芯的背面上，在所述半导体管芯中形成所述光感测元件阵列。

18.如权利要求1所述的光学生物计量传感器，其中所述生物计量传感器是指纹传感器。

19.一种用于制作光学生物计量传感器的方法，包括：

在衬底中形成光感测元件阵列；

在所述衬底上形成孔径阵列；

在所述孔径阵列上形成发散光学元件阵列，其中所述孔径阵列设置在所述光感测元件阵列与所述发散光学元件阵列之间，

其中所述发散光学元件阵列被布置以使得在所限定接收角之内入射在所述发散光学元件上的光穿过所述孔径并且朝着所述光感测元件，而使得在所述所限定接收角之外入射在所述发散光学元件上的光远离所述孔径发散。

20.如权利要求19所述的方法，还包括在所述孔径阵列与所述光感测元件阵列之间形成光学滤色器元件阵列。

21.如权利要求19所述的方法，还包括形成准直器过滤器孔结构阵列。

22.如权利要求21所述的方法，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光入口端来设置，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

23.如权利要求21所述的方法，其中所述孔径阵列设置在包括所述衬底的半导体管芯的背面上，在所述半导体管芯内形成所述光感测元件阵列，以及其中所述准直器过滤器孔结构阵列形成在所述半导体管芯的所述背面中。

24.如权利要求21所述的方法，其中每一个孔径形成对应准直器过滤器孔结构的光入口端，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

25.如权利要求21所述的方法，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光出口端来设置，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应发散光学元件延伸，所述发散光学元件设置在所述准直器过滤器孔结构的光入口端处。

26.如权利要求25所述的方法，其中每一个准直器过滤器孔结构包括光学透明材料，以及其中所述至少一个对应发散光学元件形成所述准直器过滤器孔结构的所述光入口端。

27.如权利要求19所述的方法，其中所述孔径阵列设置在包括所述衬底的半导体管芯的背面上，在所述半导体管芯中形成所述光感测元件阵列。

28.一种用于对生物计量对象成像的输入设备，包括：

输入表面；

光学图像传感器，用于在所述输入表面处感测生物计量对象；以及

显示器护罩透镜，定位在所述光学图像传感器与所述输入表面之间；

其中所述光学图像传感器包括：

光感测元件阵列；

发散光学元件阵列；以及

孔径阵列，设置在所述光感测元件阵列与所述发散光学元件阵列之间，

其中在所限定接收角之内的从所述输入表面入射在所述发散光学元件上的光穿过所述孔径并且朝着所述光感测元件，而其中所述所限定接收角之外的从所述输入表面入射在所述发散光学元件上的光远离所述孔径发散。

29.如权利要求28所述的输入设备，其中所述显示器护罩透镜的表面包括所述输入表面。

30.如权利要求28所述的输入设备，其中所述输入表面包括覆盖所述显示器护罩透镜的光学透明玻璃或者聚合物材料层的表面。

31.如权利要求28所述的输入设备，其中所述发散光学元件阵列包括由第二材料形成的多个透镜元件，所述第二材料具有与第一材料的第一折射率n₁不同的第二折射率n₂，入射在所述发散光学元件上的所述光从所述第一材料进入所述发散光学元件。

32.如权利要求31所述的输入设备，其中所述多个透镜元件中的每一个具有凹形剖面，以及其中n₁<n₂。

33.如权利要求31所述的输入设备，其中所述多个透镜元件中的每一个具有凸形剖面，以及其中n₁>n₂。

34.如权利要求31所述的输入设备，其中所述第一材料和所述第二材料包括光学透明的聚合物材料。

35.如权利要求28所述的输入设备，其中所述孔径阵列具有比指纹中的脊的节距更小的节距。

36.如权利要求28所述的输入设备，其中所述发散光学元件阵列包括多个透镜元件，所述多个透镜元件各自具有从所述透镜元件的中间部分到所述透镜元件的外面部分逐渐增大的折射率。

37.如权利要求28所述的输入设备，还包括光学滤色器元件阵列，所述光学滤色器元件阵列设置在所述孔径阵列与所述光感测元件阵列之间。

38.如权利要求28所述的输入设备，其中所述孔径阵列中的每一个孔径具有圆形横截面或者矩形横截面。

39.如权利要求38所述的输入设备，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径限定对应准直器过滤器孔结构的光入口端，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

40.如权利要求39所述的输入设备，其中每一个准直器过滤器孔结构的长度与每一个对应孔径的直径或宽度的纵横比是大约3:1到大约30:1。

41.如权利要求39所述的输入设备，其中每一个准直器过滤器孔结构的直径或宽度从所述光入口端到最接近所述至少一个对应光感测元件的末端减小。

42.如权利要求29所述的输入设备，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径形成对应准直器过滤器孔结构的光入口端，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应光感测元件延伸。

43.如权利要求29所述的输入设备，还包括准直器过滤器孔结构阵列，其中每一个孔径最接近于对应准直器过滤器孔结构的光出口端来设置，以及其中每一个准直器过滤器孔结构从所述对应孔径朝着至少一个对应发散光学元件延伸，所述发散光学元件设置在所述准直器过滤器孔结构的光入口端处。

44.如权利要求43所述的输入设备，其中每一个准直器过滤器孔结构包括光学透明材料，以及其中所述至少一个对应发散光学元件形成所述准直器过滤器孔结构的所述光入口端。