CN109074475B - 包括针孔阵列掩膜的电子设备和相关方法 - Google Patents

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Abstract

电子设备可包括光学图像传感器和光学图像传感器上方的针孔阵列掩膜层。电子设备也可包括显示层，该显示层在针孔阵列掩膜层上方，该显示层包括间隔开的显示器像素；以SS及至少一个光源，该至少一个光源与光学图像传感器横向相邻，并且当与光学图像传感器相邻时能够将光引导到用户的手指中。

Description

包括针孔阵列掩膜的电子设备和相关方法
技术领域
本发明涉及电子器件的领域，并且更特别地，涉及光学图像传感器的领域。
背景技术
指纹感测和匹配是用于个人识别或验证的可靠且广泛使用的技术。特别地，指纹识别的通用方法涉及扫描样本指纹或其图像并存储该图像和/或指纹图像的独特特性。诸如出于验证的目的，可将样本指纹的特性与已在数据库中的参考指纹的信息进行比较，以确定人的正确识别。
例如，对于电子设备且更特别地便携式设备中的验证和/或认证而言，指纹传感器可特别有利。例如，这种指纹传感器可由便携式电子设备的外壳承载，并且尺寸可设定成感测来自单个手指的指纹。
在指纹传感器被集成到电子设备或主机设备中的情况下，例如，如上面提到的，可期望更快地实行认证，特别是在实行电子设备上的另一任务或应用程序时。换句话讲，在一些实例中，让用户以单独的认证步骤实行认证(例如在任务之间切换以实行认证)可为不期望的。
发明内容
电子设备可包括光学图像传感器和光学图像传感器上方的针孔阵列掩膜层。电子设备也可包括显示层，显示层在针孔阵列掩膜层上方，显示层包括多个间隔开的显示器像素；以及至少一个光源，该至少一个光源与光学图像传感器横向相邻，并且当与光学图像传感器相邻时能够将光引导到用户的手指中。
电子设备也可包括透明覆盖层，透明覆盖层在显示层上方，透明覆盖层限定手指放置表面，手指放置表面能够接纳与手指放置表面相邻的用户的手指。例如，至少一个光源可与透明覆盖层横向相邻，使得当与透明覆盖层相邻时，来自至少一个光源的光被引导到用户的手指中。
针孔阵列掩膜层可在其中具有至少一个光开口。例如，至少一个光源可被定位在针孔阵列掩膜层下面并与至少一个光开口对准。
电子设备还可包括设备外壳，设备外壳承载光学图像传感器、针孔阵列掩膜层、显示层和至少一个光源。例如，至少一个光源可包括与设备外壳的周边相邻承载的多个光源。
例如，至少一个光源可包括可见光源、红外光源和紫外光源中的至少一个。光学图像传感器、针孔阵列掩膜层和手指放置表面可被配置为限定在手指放置表面处的重叠区域，并且限定在光学图像传感器处的间隔开的区域。
电子设备也可包括承载光学图像传感器的柔性电路基板。例如，电子设备还可包括在光学图像传感器和针孔阵列掩膜层之间的光学透明体。
电子设备可包括光学图像传感器上方的光学透明粘合剂层。例如，光学图像传感器可能够实行认证功能、欺骗检测功能和生命体征测量功能中的至少一个。
方法方面涉及制作电子设备的方法。该方法可包括将针孔阵列掩膜层定位在光学图像传感器上方，以及将显示层定位在针孔阵列掩膜层上方。显示层包括多个间隔开的显示器像素。该方法也可包括将至少一个光源定位成与光学图像传感器横向相邻，并且当与光学图像传感器相邻时能够将光引导到用户的手指中。
附图说明
图1是根据实施方案的电子设备的平面图。
图2是图1的电子设备的示意性框图。
图3是图1的电子设备的一部分的示意性剖视图。
图4a和图4b是根据滚动快门技术的将光和积分线数量相对于帧进行比较的图形。
图5是根据全局快门模式将光与积分线数量相对于帧进行比较的图形。
图6a和图6b分别是用于图1的电子设备的光学图像传感器的估计的图像平面分辨率和对象平面分辨率的图形。
图7a和图7b是依据用于图1的电子设备的光学图像传感器的点扩散函数形状的估计的成像分辨率的图形。
图8a-图8g是示出了对于图2的电子设备的针孔阵列掩膜层中的给定直径的开口的光学图像传感器的分辨率的模拟图像。
图9是根据图1的电子设备的光学图像感测原理用于生成图像的原型电子设备的示意性剖视图。
图10a-图10h是示出图像分辨率的使用图9的原型电子设备捕获的图像。
图11a-图11h是示出图像分辨率的使用图9的原型电子设备的模拟图像。
图12a-图12c是来自图9的原型电子设备的重叠对象区域的单独子图像的实施例。
图13a-图13b是示出了来自图9的原型电子设备的重叠子图像的单个图像的恢复的捕获的图像。
图14是使用前照式原型设备在相对低的角度处的捕获的图像。
图15a-图15d是用前照式原型设备使用不同颜色的光的捕获的图像。
图16a-图16c是使用前照式原型设备在相对高的角度处的捕获的图像。
图17a-图17c是使用前照式原型设备在相对高的角度处的捕获的图像。
图18a-图18c是使用前照式原型设备在相对高的角度处的捕获的图像。
图19是根据本发明另一实施方案的电子设备的一部分的示意性剖视图。
图20是根据本发明的另一实施方案的电子设备的一部分的示意性剖视图。
图21是根据本发明的另一实施方案的电子设备的一部分的放大示意性剖视图。
图22是根据本发明的另一实施方案的电子设备的一部分的放大示意性剖视图。
图23是根据实施方案的手指生物特征传感器的示意性框图。
图24a是示出当应用于图23的手指生物特征传感器时的直接反射率的图示。
图24b是示出当应用于图23的手指生物特征传感器时的漫反射率和局部传送率的图示。
图24c是示出当应用于图23的手指生物特征传感器时的散射透射的图示。
图24d是示出当应用于图23的手指生物特征传感器时的全内反射的图示。
图25a和图25b是示出指纹脊三维(3D)数据生成概念的示意图。
图26是根据实施方案的示出了重叠目标区域的手指生物特征传感器的一部分的示意图。
图27是根据实施方案的用于确定用户的手指的指纹图案的3D结构的手指生物特征传感器的一部分的示意图。
图28a和图28b是示出根据实施方案的在两个不同照明方向和角度下光源的镜面反射的示意图。
图29是示出根据实施方案的相对于具有重叠目标区域的多个图像传感器的漫反射和传送的图示。
图30是根据实施方案的手指生物特征传感器的一部分的示意图。
图31a是根据实施方案的在60°角度处使用蓝光拍摄的手指图像。
图31b是根据实施方案的在60°处的图像轮廓图形。
图32a是根据实施方案的在20°角度处使用蓝光拍摄的手指图像。
图32b是根据实施方案的在20°处的图像轮廓图形。
图33a和图33b是根据实施方案的示出了所有入射轮廓的水平轮廓的漫射和镜面手指图像区域的3D绘图。
图34是根据另一实施方案的电子设备内的手指生物特征传感器的更详细的示意图。
图35是根据实施方案的电子设备的示意性框图。
图36是图35的电子设备的更详细的示意性剖视图。
图37是根据实施方案的电子设备的示意性剖视图。
图38是根据实施方案的电子设备的示意性顶视图。
具体实施方式
现在将参考示出了本发明的优选实施方案的附图在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以许多不同的形式体现，并且不应被释义为限于本文所阐述的实施方案。相反，提供这些实施方案，使得本公开将为周密且完整的，并且将向本领域的技术人员全面地传达本发明的范围。全文中相似的标号指相似的元件，并且以100为增量的撇号符号和标号用于指不同实施方案中的相似元件。
初始参考图1和图2，电子设备1020例示性地包括外壳(例如，便携式外壳1021)和由便携式外壳承载的处理器1022。电子设备1020例示性地是移动无线通信设备，例如，蜂窝电话。电子设备1020可为另一类型的电子设备，例如，平板计算机、膝上型计算机、可穿戴计算机等。
显示器1023也由便携式外壳1021承载并耦接到处理器1022。例如，显示器1023可为发光二极管(LED)显示器，并且可具有附加电路以提供触摸显示特征，如本领域技术人员将了解的。下面描述显示器1023的另外的细节。
无线收发器1025也承载在外壳1021内并耦接到处理器1022。无线收发器1025与处理器1022协作以实行例如用于语音和/或数据的至少一个无线通信功能。在一些实施方案中，电子设备1020可不包括无线收发器 1025或其他无线通信电路。
存储器1026也耦接到处理器1022。例如，存储器1026用于存储手指匹配生物特征模板数据。存储器1026可存储其他或附加类型的数据。
如本领域技术人员将了解的，如果显示器1023是触摸显示器的形式，则触摸显示器可作为输入设备和显示器两者操作。如此，显示器1023 将与处理器1022协作以响应于输入实行一个或多个设备功能。例如，设备功能可包括电子设备1020的通电或断电、经由无线收发器1025发起通信，和/或基于到触摸显示器的输入实行菜单功能。
处理器1022可基于到触摸显示器的按压或输入，改变显示器1023以示出可用应用程序的菜单。当然，可基于到触摸显示器1023的输入实行其他设备功能。其他或附加的手指操作的用户输入设备(例如，按钮开关 1024)可由便携式外壳1021承载，另选地或除此之外，按钮开关1024可用于设备功能，如本领域技术人员将了解的。
除此之外现在参考图3，用于感测用户的生物特征(诸如例如用户的手指1040的指纹图案的图像)的光学图像传感器1031由显示器1023下方的外壳1021承载。更特别地，光学图像传感器1031包括集成电路(IC) 基板和由IC基板承载的图像感测电路。光学图像传感器1031可通过具有球栅阵列(BGA)触点1035的栅格阵列或其他耦接技术耦接到电路基板，例如，柔性基板1034。光学图像传感器1031可为背照式传感器或背面照明(BSI)图像传感器，如本领域技术人员将了解的。
电子设备1020可选地包括光源1041。光源1041可为一个或多个发光二极管(LED)，并且/或者可为显示层1036的一部分。换句话讲，显示器像素1038可为光源，或者可存在单独的或附加的光源。光源1041将光引导到用户的手指1040中，并且可引导光用于光学图像传感器1031。例如，显示器的不同LED可允许光的波长和照明角度的动态改变和/或相对于光的波长和照明角度的更大的灵活性。可使用可见光源或不可见光源 (例如，红外光(IR)或紫外光(UV))和/或另一类型的光源，或者可使用光源的组合。然而，与其他颜色的光(例如，蓝色的光)相比，IR光可更深地穿透到用户的手指1040内。
可期望光源1041与光学图像传感器1031同步，并且更特别地与光学图像传感器的信号采集同步。例如，光源1041可与光学图像传感器1031 协作，使得光学图像传感器在滚动快门模式和全局快门模式中的一者或两者下操作，如本领域技术人员将了解的。全局快门模式可改善对背景光或干扰的容忍度，并减少功耗，如本领域技术人员将了解的。除此之外，光学图像传感器1031可与滤光器(例如，窄带光谱滤光器)协作，该滤光器可对应于光源1041的光谱。滤光器可减少对手指辨识的背景效应或增加对背景的容忍度。例如，滤光器可为光学滤光器。
现在将描述滚动快门和全局快门模式的另外的细节。典型的光学图像传感器通常在滚动快门模式下操作。在该模式下，对于每个传感器线，积分时间开始于且结束于不同时间。当与有源照明组合时，此类操作可为效率低的，因为此类操作通常需要在两种状态中的一种下转变照明。
现在参考图4a中的图形，在第一状态下，照明(即，光源1041)从第一线积分的开始到最后一个线积分的结束接通。该状态具有两个缺点： 1)积分时间短于照明接通时间，引起照明功率效率低；以及2)如果照明切换在连续帧之间以改变角度或波长，则下一帧开始被延迟直到第一帧结束，添加了不短于读出时间的等待时间，引起时间效率低。
现在参考图4b中的图形，在第二状态下，照明从最后一个线积分的开始到第一线积分的结束接通。该状态具有两个缺点：1)积分时间长于照明接通时间，引起背景光干扰效率低；以及2)照明占空比相对较短，引起高峰值功率操作。
现在参考图5中的图形，因此可期望在全局快门模式下操作光学图像传感器1031。在该模式下，对于所有传感器线，积分时间开始且结束于相同的时间。此类操作具有三个优点：1)照明接通时间等于积分时间，引起照明功率的有效使用；2)在照明切换以改变角度或波长的情况下，往往不需要在帧之间具有死区时间；以及3)照明占空比是最大的，放宽对高峰值功率操作的需要。
光学透明粘合剂层(OCA)1042在光学图像传感器1031上方，并且更特别地，由光学图像传感器的上表面承载。光学透明体或支撑构件1043 将OCA层1042与针孔阵列掩膜层1050间隔开。换句话讲，支撑构件 1043在OCA层1042和针孔阵列掩膜层1050之间。
针孔阵列掩膜层1050在光学图像传感器1031上方，例如，与光学图像传感器间隔开在100微米-300微米的范围内的距离。更特别地，针孔阵列掩膜层1050例示性地承载在支撑构件1043的顶表面上。针孔阵列掩膜层1050是不透明掩膜，并且在其中具有多个开口1051或针孔，以准许光穿过其。例如，开口1051可均匀地间隔开或以蜂房式图案间隔开。开口 1051的节距或间距可为例如在1mm-3mm的范围内，并且更特别地是约 1.5mm。开口1051之间的间距或节距影响图像分辨率。除此之外，例如，每个开口1051可具有在5微米-40微米的范围内的尺寸。当然，每个开口 1051或针孔的尺寸影响来自光学图像传感器1031的感测图像，如下面将另外详细描述的。针孔阵列掩膜层1050是不透明的，并且因此不准许光穿过。针孔阵列掩膜层1050可包括铬(例如，铬层)，以提供不透明度。当然，其他材料(无论是在层中还是不在层中)可用于提供不透明度。
为显示器1023的一部分的显示层1036在针孔阵列掩膜层1050上方。显示层1036例示性地包括用于显示图像的显示器像素1038阵列和/或微透镜，如本领域技术人员将了解的。特别地，显示层1036可为发光二极管 (LED)显示器的一部分。LED或显示器像素1038可间隔开以允许光穿过，并且可与开口1051或针孔对准。
显示封装层1044在显示层1036上方。另一光学透明粘合剂层1045在显示封装层1044上方。例如，包括缟玛瑙的透明覆盖层1046在显示层 1036上方，并且限定了手指放置表面，手指放置表面能够接纳与手指放置表面相邻的用户的手指。更特别地，透明覆盖层1046由光学透明粘合剂层 1045承载，并且透明覆盖层1046的上表面限定用于接纳用户的手指1040 的手指放置表面1047。例如，手指放置表面1047可与针孔阵列掩膜层 1050间隔开在1.5mm-2mm(即，1500微米-2000微米)的范围内的距离。当然，手指放置表面1047可例如基于期望的图像特性，与针孔阵列掩膜层 1050间隔开另一距离。
在包括光学图像传感器1031的示例性电子设备1020中，层的高度可如下：柔性基板1039可为约0.15mm厚，光学图像传感器1031可为约 0.1mm，光学透明粘合剂层1042可为约0.05mm，支撑构件1043可为约 0.2mm，显示封装层1044可为约0.1mm，第二光学透明粘合剂层1045可为约0.15mm，并且透明覆盖层1046可为约1.5mm。当然，每层之间的间距和每层的尺寸可不同，但是如下所述，可期望光学图像传感器1031和针孔阵列掩膜层1050之间的间距相对较小。
光学图像传感器1031、针孔阵列掩膜阵列层1050和手指放置表面 1047的相对间距和几何形状限定了在手指放置表面处的重叠区域，并且限定在光学图像传感器处的间隔开的区域。于是，针孔阵列掩膜层1050和光学图像传感器1031之间的间距确定即在手指放置表面1047处的感测图像重叠量。较大的间距对应于较大量的图像重叠，这对于处理可为不期望的。换句话讲，重叠越多，计算密集的图像构造可越多。相比之下，光学图像传感器1031和针孔阵列层1050之间的较小距离可导致没有显著重叠，并且因此，可更容易地重建图像。
光学图像传感器1031且更特别地图像感测电路感测用户的手指1040 或放置成与手指放置表面1047相邻的对象，并且基于此，可实行一个或多个生物特征功能，例如，用户认证(匹配操作)、生物特征注册功能和/或欺骗检测功能。此外，当显示器1023为触摸显示器的形式时，当用户接触触摸显示器时，例如，在导航功能或其他触摸显示输入期间，来自用户的手指1040的数据被光学图像传感器1031感测或获取例如用于手指匹配和/ 或欺骗检测，如本领域技术人员将了解的。
现在将描述与使用光学图像传感器1031的手指生物特征感测有关的电子设备1020的操作。来自光源1041和/或显示器像素1038的光基于对象(例如，与手指放置表面1047相邻或在透明覆盖层1046上的用户的手指1040)散射。由光学图像传感器1031通过显示层1036中的针孔和/或微透镜以及针孔阵列掩膜层1050中的开口1051或针孔捕获散射光。
有利地，显示层1036是多光谱和多阴影照明器，并且通常不受环境光的影响。此外，在一些实施方案中，显示层1036可用于欺骗检测，例如，基于阻抗的欺骗检测和/或其他基于光或基于电场的检测技术，如本领域技术人员将了解的。
甚至另外，光学图像传感器1031的裸片具有相对大量的未利用区域，该未利用区域可被分配用于其他处理，例如，手指生物特征或指纹处理和/或欺骗检测，例如，光谱仪。
使用针孔阵列掩膜层1050作为成像技术的一部分产生重叠对象区域的单独图像。可通过相对于尺寸和从对象到针孔阵列层1050且到光学图像传感器1031的距离调节不同参数来调节图像的阴影和放大率。例如，可基于高度和平均折射率比实现0.114的放大率。由cos4函数给出开口或针孔图像阴影。即使存在重叠区域，阴影也允许感测图像的分离。阴影通过单个开口1051或针孔确定对象区域图像的有效尺寸。
关于分辨率，针孔阵列层1050的使用允许约15微米的图像分辨率。因此，可使用相对宽泛的像素尺寸范围。例如，可实现约120微米的对象平面分辨率。
更特别地，可基于为几何和衍射PSF的卷积的针孔成像点扩散函数 (PSF)来确定针孔光学系统分辨率。两者都是轴对称2D函数。几何PSF 量化由于每个开口或针孔的有限尺寸而造成的模糊。几何PSF通过到光学图像传感器1031上(用于图像空间分辨率)或到对象上(用于对象空间分辨率)的针孔圆形投影给出。衍射PSF量化了由于离开小开口(例如，对于圆孔)的光衍射而造成的附加模糊，衍射PSF由第一贝塞尔函数给出。
相对于图像重叠，使用64％-100％范围内的信号电平，可获得±26.5°的视场角度。当与200微米的开口1051或针孔尺寸、1750微米的对象区域尺寸和1500微米的开口的间距或节距一起使用时，对象可由成像区域完全覆盖。通过使用20％-100％范围内的信号电平，可获得±48°的视场角度。当与200微米的开口1051或针孔尺寸、1750微米的对象区域尺寸和 1500微米的开口的针孔间距或节距一起使用时，每个对象区域在同一捕获中从不同角度被感测或成像多次。例如，重叠信息可用于改善分辨率和信噪比(SNR)，并且/或者提取3D信息。
参考图6a和图6b，图形1060a和图形1060b是基于1750微米的对象到开口距离和200微米的光学图像传感器到开口距离的开口1051或针孔尺寸的图形。图形1060a、图形1060b分别标绘针对以微米为单位的图像平面分辨率(图6a)和对象平面分辨率(图6b)以微米为单位的每个开口 1051的直径。线1061a、线1061b对应于具有380nm的波长的光，线1062a、线1062b对应于具有460nm的波长的光，线1063a、线1063b对应于具有525nm的波长的光，线1064a、线1064b对应于具有630nm的波长的光，线1065a、线1065b对应于具有850nm的波长的光，并且线 1066a、线1066b对应于具有940nm的波长的光。可特别适合于可见光的开口1051的尺寸为9微米。
除此之外，在相对大的针孔或开口1051处的线的PSF宽度上升是几何分辨率主导的状态。在相对较小的开口1051处的快速PSF宽度上升是衍射主导的状态。组合的两种效应产生可被认为的最佳分辨率的最佳针孔尺寸。可期望开口1051尺寸的选择在一定程度上高于最佳确定的分辨率，例如，到信噪比(SNR)的折衷分辨率。
现在参考图7a和图7b中的图形1070a、图形1070b，示出了针孔成像分辨率。图7a中的图形1070a对应于9微米的开口1051或针孔尺寸、 1750微米的对象到开口距离和200微米的图像传感器到开口距离，而图7b 中的图形1070b对应于15微米的开口或针孔尺寸、1750微米的对象到开口距离和200微米的图像传感器到开口距离。线1071a、线1071b对应于具有460nm的波长的光，线1072a、线1072b对应于具有525nm的波长的光，线1073a、线1073b对应于具有630nm的波长的光，并且线1074a、线1074b对应于具有850nm的波长的光。例示性地，对于9微米的开口 1051或针孔直径，对象平面分辨率(1/e)为105微米，而对于15微米的开口1051或针孔直径，对象平面分辨率(1/e)为155微米。图形1070a 对应于相对小的针孔尺寸、衍射状态，具有钟形，并且因此具有相对显著的波长依赖性。图形1070b对应于相对大的针孔尺寸、主要几何状态，具有正方形形状，并且因此具有可忽略不计的波长依赖性。
也期望考虑像素模糊。像素PSF是像素化和串扰PSF的卷积。像素化 PSF是由于像素的有限尺寸，并且像素化PSF可通过2D平方sinc函数或通过对超级采样的图像进行积分来建模。串扰PSF是例如通过角度和波长测量的像素属性。串扰PSF取决于射入角，并且更特别地，取决于相对于图像中心的像素位置。
例如，串扰PSF在大小上往往大约是一个像素，但是可具有远程拖尾，尤其是对于近红外(NIR)光。然而，与光学模糊相比，像素模糊通常不被预期相对显著，因为像素尺寸显著小于开口1051或针孔的尺寸。
现在参考图8a-图8g，示出了示出示例性分辨率的模拟图像。图像用于绿光、15微米的开口1051直径和155微米的分辨率。图8A示出了4线每毫米，线宽为125微米。图8B示出了5线每毫米，线宽为100微米。图 8C示出了6线每毫米，线宽为83微米。图8D示出了7线每毫米，线宽为 71微米。图8E示出了8线每毫米，线宽为63微米。图8F示出了9线每毫米，线宽为56微米，并且图8G示出了10线每毫米，线宽为50微米。例如，155微米的1/e分辨率有利地允许多至约7线每毫米的分辨，这可取决于对比度降低限制。
关于阴影，阴影包括光学阴影和像素阴影两者。光学阴影可通过“第四余弦(cosine-4th)”几何因子来近似。在光学传感器1031处以取决于针孔平面的折射率比的角度接收光。测量像素阴影，并且除了几何效应之外，像素阴影被预期不会超过额外的余弦因子。
关于信噪比(SNR)和积分时间，每个开口1051或针孔的尺寸驱动分辨率-SNR折衷。信号电平基于针孔平面辐照度、开口1051或针孔尺寸、像素灵敏度、积分时间和阴影。
给定光学图像传感器的噪声电平可为具有恒定参数的信号的函数，恒定参数包括像素属性，诸如例如读取噪声、光响应非均匀性(PRNU)和固定图案噪声(FPN)。例如，对于9微米的分辨率最佳开口直径，光圈数为22.2。对于15微米的开口直径，传感器距离为200微米，光圈数为 13.3(约1.5倍的分辨率损失和约2.8倍的相同SNR的积分时间减少)。如本领域技术人员将了解的，由以下给出图像中心信号：
信号＝亮度[cd/m2]*π*反射率*透射率/
(4F2)*灵敏度[e/lx-s]*tau[s]
对于约520cd/m2的典型显示器亮度、约70％的反射率、13.3的光圈数、6微米的像素节距、100ms的积分时间，所得信号可为约140e，SNR 为约11。该SNR可被认为相对较低，并且因此对于可使用的对比度，可期望约10％的图像调制。对于SNR增加或积分时间减小，可考虑例如经由合并的更大的有效像素节距，即，像素之间的间距。
关于图像失真，可基于鱼眼或逆向鱼眼效应产生图像失真。例如，图像失真可由于对象界面介质和光学图像传感器1031之间的折射率的差异，并且由正弦比折射函数建模。针孔成像本身不会引入显著的失真，因此维持角正切相对恒定。通过使用具有更紧密匹配(例如，几乎相同的折射率)的材料，可减少失真。可在将各个图像拼接在一起之前通过图像处理来校正失真，如本领域技术人员将了解的。
现在参考图9，原型电子设备1200根据上述原理用于生成图像。更特别地，由具有1.5的折射率和1500微米的厚度的后玻璃1202承载的具有约 12微米厚度的铬掩膜1201用于模拟将感测的对象。模拟对象的铬掩膜 1201是具有2英寸×2英寸尺寸、钠钙玻璃基板(后玻璃)和铬图案的 Thorlabs R2L2S1P正分辨率测试板。
漫射光源1203被定位在铬掩膜1201上方。漫射光源1203包括对超过 2英寸的漫射器进行均匀地照明的多个蓝色发光二极管(LED)。中心波长为约450nm。光源1203因为在较高波长下铬掩膜的残余透射限于蓝色 LED，这引起减少的对比度。
铬掩膜1201与针孔阵列掩膜层1204间隔开约1500微米，因为针孔阵列掩膜层也由具有约1.5的折射率和约1500微米的厚度的后玻璃1205承载。针孔阵列掩膜层1204具有约12微米的厚度，并且针孔阵列掩膜层中的单个开口1206的直径为12微米。
光学图像传感器1207在针孔阵列掩膜层1204下面并与其间隔开约 750微米，相关联的折射率为约1.3。750微米间距包括150微米气隙 1208、具有300微米的厚度和1.5的折射率的覆盖玻璃层1209，以及具有 300微米的厚度的第二气隙1210。预测的对象平面分辨率为38微米(PSF- 1/e直径；相当于最小分辨线对宽度)。
除此之外参考图10A-图10H和图11A-图11H中的图像，原型用于生成图像，该图像分别与模拟图像进行比较。图10A-图10H分别对应于18 线每毫米、16线每毫米、14线每毫米、12.5线每毫米、11线每毫米、10 线每毫米、9线每毫米和8线每毫米的捕获或生成的图像。图11A-图11H 分别对应于18线每毫米、16线每毫米、14线每毫米、12.5线每毫米、11 线每毫米、10线每毫米、9线每毫米和8线每毫米的模拟图像。应当注意的是，仍然分辨18线每毫米，但如图所示，对比度相对较低(28微米的线宽)。特别参考图10E-图10H，可见的失真是由于对针孔或开口1051 上的折射率阶跃的“逆向鱼眼”效应。
现在参考图12A-图12C，示出了重叠对象区域的单独子图像的示例性图像。从具有12微米直径和1000微米间距的5×5针孔阵列层拍摄这些图中的捕获的图像。图13A和图13B示出了来自例如图12A-图12C中所示的那些的重叠子图像的单个图像的恢复。
使用前照式原型设备实行另外的测试，该测试表明相对于手指脊成像，对比度通常强烈地取决于角度和波长。更特别地，相对于前照式原型设备，光源被定位成与图像传感器横向相邻，并且针对不同的光角度进行横向调节。使用与上面的原型描述的相同的铬掩膜来模拟将感测的对象。
现在参考图14中的图像，例如，当光源角度靠近法线时，550nm处的脊图像对比度相对较低。现在参考图15A-图15D，与蓝光(450nm，图 15A)或绿光(550nm，图15B)的对比度例示性地好于与红光(650nm，图15C)或红外光(940nm，图15D)的对比度。图16A-图16C分别是在 550nm、850nm和940nm下在相对高的角度处的捕获的图像。图17A-图 17C和图18A-图18C分别是在550nm、850nm和940nm下在相对高的角度处的附加捕获的图像。例示性地，对比度在高角度处显著改善，但是在红外波长下仍然较低。脊密度为约3线每毫米。
虽然本文已经将电子设备1020描述为移动无线通信设备的形式，但是电子设备可为独立光学图像感测设备(即，手指生物特征感测或指纹感测设备)的形式。此外，虽然光学图像传感器1031已经被主要描述为用于生物特征认证，但是应当理解，光学图像传感器且更特别地图像感测电路能够实行生物特征认证功能、欺骗检测功能和生命体征测量功能中的任一个或所有。
特别地，例如，使用针孔阵列掩膜层1050的阴影的感测的三维几何形状、成像的多光谱性质和/或有生命手指的其他特性可用于生物特征认证。光学图像传感器1031也可能够实行感测其他生物特征，诸如例如心率或脉搏率(心率或脉搏率可用于确定血压)和/或脉搏或血氧定量，并且可基于在不同波长下的感测图像的能力。如本领域技术人员将了解的，为了检测心率，可使用绿光和IR光的组合，并且为了检测血氧水平，可使用红光和IR光的组合。
另外，例如，光学图像传感器1031可与开口1051结合地使用以在环境光感测模式下操作，在可穿戴电子设备中这可为相对期望的。更特别地，通过使用例如整个针孔阵列掩膜层1050和光学图像传感器1031的整个像素阵列，可导致相对高的光接受角度，这对于环境光感测操作通常是期望的。
现在将描述环境光感测模式的操作的另外的细节。所有像素可组合成单个输出，并且用极低功耗读出电路读出。然后，光学图像传感器1031与针孔阵列掩膜层1050的组合可在非常宽的视场(FOV)(例如，多至180 度)中集成光。例如，典型的相机在相对窄的FOV(往往在60度和70度之间)中感测光，这对于在环境光感测模式下的操作可能太小。例如，通过针对针孔阵列掩膜层1050与光学图像传感器1031的组合具有非常大例如多至180度的FOV可提供优于典型相机的相对大的优点。
由于针孔或开口1051相对靠近光学图像传感器1031定位，所以针孔阵列掩膜层1050或甚至针孔成像技术的使用提供宽角度光感测。因此，有效焦距显著低于光学图像传感器1031的尺寸。当像素在单个输出中组合时，像素将对进入开口1051的几乎所有光都是灵敏的。例如，这允许相对低功率环境光感测模式，该模式由于减少的取向依赖性而具有优于典型传感器的稳定性优点。
现在参考图19，示出了示例性集成设计的电子设备1020'的一部分。基板1034'与基座1039'间隔开。光学图像传感器1031'由基板1034'的上表面承载。无源部件1049'由基板1034'的下表面承载。键合引线1057'将光学图像感测电路耦接到由基板1034'承载的电路。透明玻璃层1059'被承载在壳体上，并且具有例如0.5mm的厚度。壳体1058'在光学图像传感器1031' 周围从基板1034'向上延伸。壳体1058'将针孔阵列掩膜层1050'和透明玻璃层1059'与光学图像传感器1031'间隔开例如150微米的距离，该距离在针孔阵列掩膜层1050'和透明玻璃层1059'与光学图像传感器1031'之间限定气隙。针孔阵列掩膜层1050'由透明层1059'(例如，玻璃层)的下表面承载。光吸收粘合剂1092'(例如，环氧树脂)可将透明玻璃层1059'和针孔阵列掩膜层1050'固定到壳体1057'。
现在参考图20，图19中示出的部件或元件集成在示例性电子设备 1020'中。印刷电路板(PCB)1081'耦接基板1034'且更特别地与无源部件 1049'相邻的基板的下表面。包括间隔开的显示器像素1038'的显示层1036'由与壳体1058'横向相邻或在壳体1058'周围的基板1034'的上表面承载。显示层1036'可耦接到被带离基板1034'的显示器控制电路1082'。透明覆盖层 1046'在透明层1059'上方。例如，透明覆盖层1046'可用粘合剂固定到透明层 1059'。例如，透明覆盖层1046'可为玻璃或缟玛瑙，或者可为另一种材料。
方法方面涉及制作电子设备1020的方法。该方法包括将针孔阵列掩膜层1050定位在光学图像传感器1031上方，以及将显示层1036定位在针孔阵列掩膜层上方。显示层1036包括间隔开的显示器像素1038。该方法也包括将透明覆盖层1046定位在显示层1036上方，透明覆盖层1046限定手指放置表面1047，手指放置表面1047能够接纳与手指放置表面1047相邻的用户的手指1040。
另一方法方面涉及感测光学图像的方法。该方法包括使用光学图像传感器1031感测从与由透明覆盖层1046限定的手指放置表面1047相邻的用户的手指1040反射的，通过透明覆盖层的，通过光学图像传感器上方的针孔阵列掩膜层1050并通过针孔阵列掩膜层上方的显示层1036的光，其中显示层包括间隔开的显示器像素1038。
现在参考图21，在另一实施方案中，包括开口1051”的针孔阵列掩膜层1050”可不在光学图像传感器1031”和显示层1036”之间，而是由显示层承载或与显示层集成。例示性地，显示层1036”包括用于显示图像并间隔开以允许光穿过的间隔开的显示器像素1038”阵列和/或微透镜。允许光穿过的显示器像素1038”之间的间距限定了开口1051”。这与其中间隔开的显示器像素1036之间的空间可与开口1051或针孔阵列掩膜层1050中的针孔对准的实施方案形成对比。方法方面涉及制作相关的电子设备的方法以及使用电子设备或使用电子设备感测手指的方法。
现在参考图22，在又一实施方案中，针孔阵列掩膜层1050”'包括在开口1051”'中的透镜1091”'。例如，透镜1091”'中的每个可具有约40微米- 100微米的直径。透镜1091”'可有利地改善图像质量和SNR，这可因此减少用于照明的光功率和合计总功耗，这在与移动设备或便携式设备一起使用时可为特别有利的。透镜可另选地或除此之外包括在显示层1036”'中。
现在参考图23，例如，可由上面描述的电子设备1020承载的手指生物特征传感器1130示例性地包括电介质层1146。电介质层1146可为透明覆盖层，例如，也如上所述。其他材料和/或层可形成电介质层1146。电介质层 1146具有在其上接纳用户的手指1140的前表面1147和相反的后表面1148。
光源1141a-光源1141n将光注入到用户的手指1140中。例如，光源 1141a-光源1141n可选择性地在不同波长下操作。光源1141a-光源1141n 中的至少一些与电介质层1146的后表面1148相邻。在一些实施方案中，可存在单个光源，单个光源可沿着电介质层1146的后表面移动。
例如以针孔相机的形式的图像传感器1131a-图像传感器1131n与限定指向用户的手指1140的多个重叠目标区域的电介质层的后表面相邻。图像传感器1131a-图像传感器1131m可各自为光学图像传感器的形式，诸如例如，上述光学图像传感器，并且可用于感测用户的手指生物特征，诸如例如，用户的手指1140的指纹图案的图像。
本领域技术人员应当了解，可将若干个图像传感器1131a-图像传感器 1131n组装在单个集成电路中，并且该图像传感器可统称为图像传感器。图像传感器1131a-图像传感器1131n可相对于相应的光源1141定位，以在图像传感器1131a-图像传感器1131n和光源1141之间限定相应的镜面反射角度，如本领域技术人员将了解的。
控制器1122或处理器选择性地操作光源1141，并且基于来自用户的手指1140的漫散射和镜面反射从图像传感器1131a-图像传感器1131n收集图像数据，如将在下面另外详细解释的。例如，控制器1122生成指纹脊三维(3D)数据，且更特别地，基于镜面反射角度。控制器1122也可选择性地在不同波长下操作光源1141a-光源1141n。控制器1122可基于不同波长光确定与电介质层1146相邻且由图像传感器1131a-图像传感器1131n感测的对象是否是欺骗，如本领域技术人员将了解的。
除此之外现在参考图24a-图24d，示出了用户的手指1140如何与电介质层1146或玻璃相互作用的实施例。用户的手指1140与光的相互作用基于光源1141a-光源1141n和图像传感器1131a-图像传感器1131n的定位。图 24a示出了直接反射率，例如，其中生成由I指代的光或照明的光源 1141a、光源1141b与接收由R指代的光的图像传感器1131a、图像传感器 1131b被定位成使得它们彼此相对靠近，并且使得它们之间的角度几乎垂直，这样捕获镜面反射。图24b示出了漫反射率和局部传送率。光源 1141a、光源1141b和图像传感器1131a、图像传感器1131b以不同的角度间隔开，使得图像传感器不捕获镜面反射，而是捕获远离镜面反射的漫反射。
图24c示出散射透射。光源1141a相对远离捕获非局部传送的图像传感器1131a、图像传感器1131b。相互作用的另一效应是脊阴影，其中光源相对于图像传感器成角度，但小于全内反射(TIR)的角度。图像传感器接近垂直，但减少或避免镜面反射。
图24d示出了电介质层1146上的TIR。光源1141a、光源1141b的角度在空气的TIR和手指1140的皮肤的TIR之间。图像传感器1131a、图像传感器1131b可接收镜面反射或漫反射。另一相互作用效应是荧光，借此光源是紫外光(UV)，并且图像传感器接收更长波长的光。
本文描述的感测概念基于照明自由度。例如，照明射入角可对应于是否存在受抑全内反射(FTIR)、阴影和/或非阴影。照明自由度也可包括照明的目标到读出目标距离的距离。本文描述的感测概念也基于读出自由度。例如，读出自由度可包括镜面漫射、漫反射和传送的光。其他和/或附加的光行为可被认为是照明自由度或读出自由度的一部分。
现在参考图25a和图25b，简化图示出了3D指纹成像概念。可在不同的角度处使用多个图像传感器1131a、图像传感器1131b或接收器。也从不同角度使用一系列照明源1141a(图25a)、照明源1141n(图25b)。
除此之外现在参考图26，示出了示出重叠目标区域的手指生物特征传感器的一部分。多个相机或图像传感器1131a-1131e定位在电介质层1146 下方，电介质层1146限定手指压板或手指生物特征感测区域，使得用户的手指1140的每个区域在多个相机视图中是可见的。对于用户的手指1140 的表面上的每个光点，存在从若干个图像传感器1131a-图像传感器1131e 可得出的强度数据。
除此之外现在参考图27，为了确定用户的手指1140的指纹图案的3D 结构，控制器1122与图像传感器1131a-图像传感器1131n协作以测量跨越脊和谷图案的皮肤表面的斜率。如果照明角度是已知的，例如，控制器 1122可通过确定给定位置处的哪个图像传感器从该特定区域看到镜面反射 1189，确定目标的任何部分的斜率。
除此之外现在参考图28a和图28b，用户的手指1140的表面通常不平滑并具有纹理。由此，镜面反射通常不只限于单个尖锐限定的角度。相反，它覆盖了在一定程度上更广泛的角度。这允许图像传感器在用户的手指1140下面周期性地间隔开，但仍然捕获镜面反射。相对于镜面反射 1187示出了改变照明方向和角度的效应。例示性地，改变照明方向(例如，参见1141a、1141n)和角度提供了关于3D结构的更多信息。
除此之外参考图29，示出了相对于具有重叠目标区域的多个图像传感器1131a-图像传感器1131e的漫反射和传送1188。图像传感器1131a-图像传感器1131e被定位成使得它们看到漫反射和传送。由图像传感器1131a- 图像传感器1131e捕获的强度差异由照明以不同角度冲击用户的手指1140 的皮肤引起。
照明角度接近法线的区域在漫射图像中将看起来更亮，而照明角度远离法线(例如，更多掠射)的区域在漫射图像中将看起来更暗。改变照明的颜色改变了高角度区域和低角度区域之间的差异量。较短波长的光(例如，蓝色)通常不会同样多地穿透或传送。较长波长的光(例如，红色) 在其入口点周围的较大区域中穿透、扩散和传送。这消除了具有不同照明角度的区域之间的差异。
除此之外现在参考图30，现在将描述由手指生物特征传感器1130生成的原始数据。一般来讲，存在光学强度测量。例如，对于在用户的手指 1140的表面上的每个光点(光点位置(x，y))，对于每个光源1141a (源位置(x，y)，颜色(c))且对于看到或捕获该光点的每个图像传感器1131a-图像传感器1131d(相机位置(x，y))，存在光学强度测量。可收集数据并将数据形成到将由控制器1122处理的阵列中，例如，以提取一种或多种期望类型的数据。
在可见光图像中，观察漫散射区域和镜面反射区域。镜面反射引起更高的对比度。图像内的镜面反射区域存在和位置取决于相对于射入方位角的图案取向，并且镜面反射空间相位强烈地取决于射入入射角。该依赖性可用于收集脊3D结构信息，因为相位取决于轮廓的二阶导数。
除此之外参考图31a和图31b，图像和图形分别示出了在60°处的手指图像轮廓。使用蓝光的归一化图像实施例(图31a)示出了沿着图像的顶部边缘的镜面反射区域和在其他地方的漫散射。图31b中的图形示出了镜面 1177区域中的信号轮廓示出相对于漫射1178区域的相对较高的对比度。
除此之外参考图32a和图32b，图像和图形分别示出在20°处的图像轮廓。类似于60°轮廓的手指图像基于蓝色光源。当入射角度改变时，镜面区域的位置偏移(图32a)。镜面1176区域内的轮廓相位也偏移(图像中的亮信号脊横向移动)(图32b)。由1175指代漫射轮廓。
现在参考图33a和图33b，示出了即在0°-90°处的所有入射轮廓的示例性图像水平轮廓。图33a示出镜面轮廓，而图33b示出了漫射轮廓。镜面图像区域轮廓示出成像脊的显著逐渐偏移。漫射图像区域轮廓几乎没有示出成像脊的偏移。
现在参考图34，示出了电子设备内的手指生物特征传感器的示意图。更特别地，手指生物特征传感器1130'包含在显示器内。由显示器基板1128' 承载的显示器的显示器像素1138'是光源，并且提供照明。反射光穿过相邻显示器像素1138'之间的开口1151'或针孔，并且被图像传感器1131a'捕获。
应当注意的是，为了便于解释，仅示出了单个开口1151'和图像传感器1131a'。进入像素或图像传感器1131a'的光可包括来自引起直接镜面反射1119'的源、引起漫反射和传送反射1118'的源和引起阴影反射1117'的源的光。
实际上，所收集的图像数据可用于生成指纹脊3D数据，指纹脊3D数据可用于生成手指图像。所生成的手指图像可由控制器1122用于例如通过将所生成的数据与所存储的注册数据进行匹配来实行认证功能。所生成的手指图像数据也可由控制器1122用于确定欺骗，这确定与手指生物特征传感器相邻的对象事实上是有生命手指还是假手指、隐约指纹或其他类型的欺骗手指。
生成指纹脊三维(3D)数据的方法使用手指生物特征传感器1130，手指生物特征传感器1130包括具有能够在其上接纳用户的手指1140的前表面 1147的电介质层1146；至少一个光源1141a-光源1141n，至少一个光源 1141a-光源1141n能够将光注入到用户的手指中；以及图像传感器1131a-图像传感器1131n，图像传感器1131a-图像传感器1131n与限定了指向用户的手指的多个重叠目标区域的电介质层的后表面1148相邻。该方法包括使用控制器1122基于来自用户的手指1140的漫散射和镜面反射从图像传感器 1131a-图像传感器1131n收集图像数据，并且生成指纹脊3D数据。
现在参考图35和图36，在电子设备1320的另一实施方案中，用于感测用户的生物特征(诸如例如，用户的手指1340的指纹图案的图像)的光学图像传感器1331由显示器1323下方的外壳1321承载。类似于上述实施方案，光学图像传感器1331包括集成电路(IC)基板和由IC基板承载的图像感测电路。光学图像传感器1331可通过具有球栅阵列(BGA)触点的栅格阵列或其他耦接技术耦接到电路基板，例如，柔性基板1334。光学图像传感器1331可为背照式传感器或背面照明(BSI)图像传感器，如本领域技术人员将了解的。当然，图像传感器1331可为前照式(FSI)图像传感器或其他类型的传感器。
电子设备1320可选地包括与光学图像传感器1331横向相邻的光源 1341。当用户的手指与光学图像传感器相邻时，光源1341将光引导到用户的手指1340中，并且可引导光用于光学图像传感器1331。光源1341可为与显示层1336物理分离或不是显示层1336的一部分的一个或多个发光二极管(LED)。换句话讲，显示器像素1338不同于光源1341。光源1341可为可见光源或不可见光源(例如，红外光(IR)或紫外光(UV))，并且/或者可使用另一类型的光源，或者可使用光源的组合。然而，与其他颜色的光(例如，蓝色的光)相比，IR光可在用户的手指1340内穿透更深。光源1341也可为相对明亮的，例如，约1000尼特。在一些实施方案中，光源1341可具有可调节的亮度，例如，基于应用、用户的手指和/或针孔的尺寸可调节的。如上所述，可期望光源1341与光学图像传感器 1331(且更特别地，光学图像传感器的信号采集)同步。
例示性地，光学透明粘合剂层(OCA)1342在光学图像传感器1331上方，且更特别地，由光学图像传感器的上表面承载。例如，OCA层1342可为液体光学透明粘合剂层。当然，OCA层1342可为另一类型的OCA层。
光学透明体或支撑构件1343将OCA层1342与针孔阵列掩膜层1350 间隔开。换句话讲，支撑构件1343在OCA层1342和针孔阵列掩膜层 1350之间。
针孔阵列掩膜层1350在光学图像传感器1331上方，例如，与光学图像传感器间隔开100微米-300微米的范围内的距离。更特别地，针孔阵列掩膜层1350例示性地承载在支撑构件1343的顶表面上。针孔阵列掩膜层 1350是不透明掩膜，并且在其中具有多个开口1351或针孔，以准许光穿过其。例如，开口1351可均匀地间隔开或以蜂房式图案间隔开。开口1351 的节距或间距可为例如1mm-3mm的范围内，并且更特别地为约1.5mm。节距或间距可在另一范围内，例如，小于1mm，并且可由堆叠的几何参数、目标图像分辨率和/或信噪比(SNR)确定。如本领域技术人员将了解的，开口1351之间的间距或节距影响图像分辨率。除此之外，例如，每个开口1351可具有在5微米-40微米的范围内的尺寸。当然，每个开口1351 或针孔的尺寸影响来自光学图像传感器1331的感测图像，如下面将另外详细描述的。针孔阵列掩膜层1350是不透明的，并且因此不准许光穿过。针孔阵列掩膜层1350可包括铬(例如，铬层)，以提供不透明度。当然，其他材料(无论是在层中还是不在层中)可用于提供不透明度。
为显示器1323的一部分的显示层1336在针孔阵列掩膜层1350上方。在一些实施方案中，针孔阵列掩膜层1350可为显示器1323的一部分，例如，针孔可使用金属线和/或黑色材料形成为显示层1336的一部分，如本领域技术人员将了解的。显示层1336例示性地包括用于显示图像的显示器像素1338阵列和/或微透镜，如本领域技术人员将了解的。特别地，显示层1336可为发光二极管(LED)显示器的一部分。LED或显示器像素 1338可间隔开以允许光穿过，并且可与开口1351或针孔对准。
显示封装层1344在显示层1336上方。另一光学透明粘合剂层1345在显示封装层1344上方。例如，包括缟玛瑙的透明覆盖层1346在显示层1336上方，并且限定了手指放置表面1347，手指放置表面1347能够接纳与手指放置表面1347相邻的用户的手指。透明覆盖层1346可为另一类型的透明材料，例如玻璃。更特别地，透明覆盖层1346由光学透明粘合剂层1345承载，并且透明覆盖层1346的上表面限定用于接纳用户的手指1340 的手指放置表面1347。例如，手指放置表面347可与针孔阵列掩膜层1350 间隔开1.5mm-2mm(即，1500微米-2000微米)的范围内的距离。当然，手指放置表面1347可例如基于期望的图像特性，与针孔阵列掩膜层1350 间隔开另一距离。上面已经描述了不同层的相对尺寸。
例示性地，光源1341与透明覆盖层1346横向相邻。当用户的手指与透明覆盖层或手指放置表面1347相邻时，与透明覆盖层1346横向相邻的光源1341的相对定位准许来自光源的光被引导到用户的手指1340中。
光学图像传感器1331、针孔阵列掩膜阵列层1350和手指放置表面 1347的相对间距和几何形状限定了在手指放置表面处的重叠区域，并且限定在光学图像传感器处的间隔开的区域。于是，针孔阵列掩膜层1350和光学图像传感器1331之间的间距确定了感测的图像重叠量。较大的间距对应于较大量的图像重叠，这对于处理可为不期望的。换句话讲，图像传感器 1331上的重叠越多，计算密集的图像构造可越多。相比之下，光学图像传感器1331和针孔阵列层1350之间的较小距离可导致图像传感器上没有显著图像重叠，并且因此，可更容易地重建图像。
光学图像传感器1331且更特别地图像感测电路感测用户的手指1340 或放置成与手指放置表面1347相邻的对象，并且基于此，可实行一个或多个生物特征功能，例如，用户认证(匹配操作)、生物特征注册功能和/或欺骗检测功能。此外，当显示器1323为触摸显示器的形式时，当用户接触触摸显示器时，例如，在导航功能或其他触摸显示输入期间，来自用户的手指1340的数据被光学图像传感器1331感测或获取例如用于手指匹配和/ 或欺骗检测，如本领域技术人员将了解的。
例如，控制器1322或处理器选择性地操作光源1341，并且与光学图像传感器1331协作以收集手指生物特征数据。控制器1322也可选择性地在不同波长下和/或在不同亮度下操作光源1341。控制器1322可基于不同波长光、生命体征测量功能、不同的照明角度和/或不同的光偏振，例如通过将感测生物特征数据与注册生物特征数据进行比较，确定与透明覆盖层 1346相邻且由光学图像传感器1331感测的对象是否被认证为是欺骗，如本领域技术人员将了解的。当然，可使用其他欺骗检测技术。
虽然本文已经描述了控制器1322，但是应当了解，控制器的功能可体现在光学图像传感器1331中。换句话讲，光学图像传感器1331可实行本文相对于控制器1322描述的功能中的所有或一些，并且可不使用分立的控制器。当然，可使用单独的或分立的控制器1322和光学图像传感器1331。
现在参考图37，在另一实施方案中，光源1341'可不与透明覆盖层 1346'横向相邻。代替地，针孔阵列掩膜层1350'可在其中具有对应的光开口 1351'。光源1341'被定位在针孔阵列掩膜层1350'下面，并且与光源对准。可通过柔性基板1334'承载光源1341'与光学图像传感器1331'。光源1341'可不由与光学图像传感器1331'相同的基板承载，并且基板可不是柔性的。
现在参考图38，在另一实施方案中，电子设备1320”可包括例如以在设备外壳1321”的周边周围间隔开的LED的形式的多个光源1341”。在一些实施方案中，光源1341”可一体形成在设备外壳1321”内。控制器1322”可例如基于应用或功能和/或基于光学图像传感器1331”选择性地操作某些光源1341”。
如本领域技术人员将了解的，照明可被认为是光学图像传感器1331的操作中的相对重要的因素。虽然可使用本文所述的针孔成像技术进行显示层 1336后面的光学指纹感测，借此可由显示器本身提供照明，但是照明可没有强大或明亮到足以获得可接受的信噪比(SNR)。除此之外，控制显示层 1336的照明可相对复杂，例如对于手指生物特征感测。因此，由光源1341 提供的外部照明可为特别有利的，使得显示层1336不依赖于照明。应当注意的是，在一些实施方案中，外部光源1341可在显示层内并置排列，然而，这可能不是期望的，因为这可能潜在地减少显示器1323的发射区域。
例如，光源1341也可减小用于对用户的手指1340成像的处理时间。如上所述，针孔中的每个的尺寸和/或形状(例如，矩形)可确定相应的点扩散函数，该点扩散函数继而可确定分辨率。对于期望的分辨率，光源1341 可提供增加的SNR，以因此减少积分时间，如本领域技术人员将了解的。
方法方面涉及制作电子设备的方法。该方法包括将针孔阵列掩膜层 1350定位在光学图像传感器1331上方，以及将显示层1336定位在针孔阵列掩膜层上方。显示层1336包括间隔开的显示器像素。该方法也包括将光源1341定位成与光学图像传感器1331横向相邻且能够在与光学图像传感器相邻时将光引导到用户的手指1340中。
由如本文公开的设备收集的生物特征数据的益处包括在不使用密码的情况下方便地访问设备特征。在其他实施例中，收集用户生物特征数据用于向用户提供关于其健康或健身水平的反馈。本公开还设想了对这种设备的用户有益的个人信息数据(包括生物特征数据)的其他用途。
实践本发明要求收集、转移、存储或分析用户数据(包括个人信息) 将遵守建立的隐私政策和实践。特别地，此类实体应实施并一致使用通常视为满足或超过行业或政府要求的隐私政策和实践，以维护个人信息数据的私密和安全，包括使用满足或超过行业或政府标准的数据加密和安全方法。来自用户的个人信息不应当在合法和合理用途之外共享或出售。另外，此类收集应当仅在接收用户的知情同意之后发生。除此之外，此类实体将采取任何所需的步骤，用于保障和保护对此类个人信息数据的访问，并且确保能够访问个人信息数据的其他人遵从他们的隐私政策和程序。另外，此类实体可使其本身经受第三方评估以证明其遵从广泛接受的隐私政策和实践。
本公开也设想选择性地阻止对个人信息数据(包括生物特征数据)的访问或使用。本文公开的硬件和/或软件元件可被配置为防止或阻止对此类个人信息数据的访问。可选地允许用户通过独自或组合地提供安全信息诸如密码、个人识别号码(PINS)、触摸手势或其他认证方法绕过生物特征认证步骤对于本领域技术人员是众所周知的。用户还可选择移除、禁用或制约对收集用户的个人健康或健身数据的某些与健康相关的应用程序的访问。
受益于前述描述及相关联的附图中所呈现的教导内容的本领域的技术人员将想到本发明的许多修改形式和其他实施方案。因而，应当理解，本发明不限于所公开的具体实施方案，并且修改和实施方案旨在包括在所附权利要求书的范围内。

Claims (19)

1.一种电子设备，包括：
光学图像传感器；
掩膜层，所述掩膜层在其中具有针孔阵列以及至少一个光开口；
显示层，所述显示层包括多个间隔开的发光二极管(LED)，所述发光二极管(LED)被配置为当对象与所述光学图像传感器相邻时向所述光学图像传感器提供照明以用于感测所述对象，所述掩膜层设置在所述光学图像传感器和所述显示层之间；以及
至少一个光源，所述至少一个光源与所述光学图像传感器相邻并且在所述掩膜层下方与所述至少一个光开口对准，并且被配置为当所述对象与所述光学图像传感器相邻时将光引导到所述对象中并且当所述对象与所述光学图像传感器相邻时还向所述光学图像传感器提供照明以用于感测所述对象。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个光源与所述光学图像传感器横向相邻。
3.根据权利要求1所述的电子设备，还包括透明覆盖层，所述透明覆盖层在所述显示层上方，所述透明覆盖层限定对象放置表面，所述对象放置表面被配置为接纳与所述对象放置表面相邻的对象。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述透明覆盖层限定手指放置表面，所述手指放置表面被配置为接纳与所述手指放置表面相邻的用户的手指。
5.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述至少一个光源与所述透明覆盖层相邻，使得当与所述透明覆盖层相邻时来自所述至少一个光源的光被引导到所述对象中。
6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述至少一个光源包括可见光源、红外光源和紫外光源中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述光学图像传感器、掩膜层和对象放置表面被配置为限定在所述对象放置表面处的重叠区域，并且限定在所述光学图像传感器处的间隔开的区域。
8.根据权利要求1所述的电子设备，还包括承载所述光学图像传感器的柔性电路基板。
9.根据权利要求1所述的电子设备，还包括在所述光学图像传感器和所述掩膜层之间的光学透明体。
10.根据权利要求1所述的电子设备，还包括在所述光学图像传感器上方的光学透明粘合剂层。
11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述光学图像传感器被配置为实行认证功能、欺骗检测功能和生命体征测量功能中的至少一个。
12.一种电子设备，包括：
光学图像传感器；
针孔阵列掩膜层，所述针孔阵列掩膜层在其中具有至少一个光开口；
显示层，所述显示层在所述针孔阵列掩膜层上方且包括多个间隔开的显示器像素，所述针孔阵列掩膜层设置在所述光学图像传感器和所述显示层之间；以及
至少一个光源，所述至少一个光源与在所述针孔阵列掩膜层下面的所述光学图像传感器横向相邻，并且与所述至少一个光开口对准以当与所述光学图像传感器相邻时将光引导到用户的手指中。
13.根据权利要求12所述的电子设备，还包括透明覆盖层，所述透明覆盖层在所述显示层上方，所述透明覆盖层限定手指放置表面，所述手指放置表面被配置为接纳与所述手指放置表面相邻的所述用户的手指。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述至少一个光源与所述透明覆盖层横向相邻，使得当与所述透明覆盖层相邻时来自所述至少一个光源的光被引导到所述用户的手指中。
15.一种制作电子设备的方法，包括：
将掩膜层定位在光学图像传感器和显示层之间，所述掩膜层在其中具有多个针孔以及至少一个光开口，所述显示层在所述掩膜层上方，并且所述显示层包括多个间隔开的发光二极管(LED)以用于当对象与所述光学图像传感器相邻时向所述光学图像传感器提供照明以用于感测所述对象；以及
将至少一个光源定位成与所述光学图像传感器相邻并且在所述掩膜层下方与所述至少一个光开口对准，所述至少一个光源被配置为当所述对象与所述光学图像传感器相邻时将光引导到所述对象中并且当所述对象与所述光学图像传感器相邻时还向所述光学图像传感器提供照明以用于感测所述对象。
16.根据权利要求15所述的方法，其中对所述至少一个光源进行定位包括将所述至少一个光源定位成与所述光学图像传感器横向相邻。
17.根据权利要求15所述的方法，还包括将透明覆盖层定位在所述显示层上方以限定对象放置表面，所述对象放置表面被配置为接纳与所述对象放置表面相邻的对象。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述透明覆盖层限定手指放置表面，所述手指放置表面被配置为接纳与所述手指放置表面相邻的用户的手指。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一个光源被定位成与所述透明覆盖层相邻，使得当与所述透明覆盖层相邻时来自所述至少一个光源的光被引导到所述对象中。
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