CN111727439B - 用于皮肤印纹和文件的直接光学捕获的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于安全相关对象的直接光学捕获的设备，所述安全相关对象至少诸如皮肤印纹，而且还包括文件。本发明的目的是在用于捕获皮肤印纹的直接光学传感器中产生皮肤凸起处与皮肤凹处之间的对比度，该对比度在具有受抑全内反射的常规系统的对比度范围内，根据本发明，提供具有对比度光圈的对比度光圈层(403)，其中，对比度光圈层(403)的恰好一个对比度光圈(301)与传感器层(406)的每个光敏元件(303)相关联，该相关联的对比度光圈(301)被布置在光敏元件(303)上方的一定距离处，并且具有至少与光敏元件(303)的作用区(305)一样大的表面区域，并且对比度光圈(301)被布置在光敏元件(303)上方的一定距离处，使得光敏元件(303)的作用区(305)的至少60％被覆盖，并且照明层(409)包含多个点光源(306)，该多个点光源(306)在角度区域中朝放置表面(102)的方向发射，该角度区域被限制以防止全内反射。

Description

用于皮肤印纹和文件的直接光学捕获的设备

技术领域

本发明涉及一种用于诸如至少皮肤印纹的安全相关对象的直接光学捕获的设备，尤其用于捕获指纹或手印纹的乳突线，以识别人、纺织品和食品、用于医疗目的部分皮肤，以及用于检测手指在(例如，用于移动装置的)显示器上的位置，并且可选地用于捕获文件(例如，护照、驾驶执照和任何其他识别物品，诸如票、登机牌等)。

背景技术

存在各种用于识别目的的记录皮肤印纹的途径。用于此目的指纹的光学捕获是非常常见的。

在常规的现有技术系统中，使用受抑全内反射(FTIR)原理记录指纹。用于该目的的设备具有棱镜和用于成像的基于透镜的光学器件，光以一定角度输入到该棱镜中，使得光在棱镜的表面处经历全内反射。当手指放置在压印板或放置表面上时，光在乳突线(皮肤凸起处)接触表面的位置处从棱镜耦合出进入手指。当棱镜的表面被成像时，乳突线的(反转)图像导致：光到达乳突犁沟(皮肤凹处)所处的位置处的传感器。在皮肤凸起处反向散射的光中只有非常小的部分从皮肤凸起处所在的那些位置到达传感器。

FTIR原理的使用导致了皮肤凸起处和皮肤凹处之间的非常高的亮度对比度。这样，在实践中实现了大于90％的对比度值。然而，基于棱镜的装置的缺点是所使用的大棱镜的尺寸和重量以及整个光学系统对失调的敏感性。

更小、更轻的指纹扫描器的趋势已经导致了新类型的紧凑型便携式系统的发展，该紧凑型便携式系统同样允许指纹的高质量(FBI兼容的)光学捕获，而不需要棱镜或基于透镜的光学器件。与上述常规的棱镜系统相比，后一种系统使用大的传感器，在该传感器上直接有效地放置要记录的皮肤区域。图像的产生不需要常规的投影和尺寸缩放(放大倍数为1.0)。这些系统通常被称为直接扫描器，并且在下文中被称为直接传感器。

根据所使用的传感器的构造形式及其照明，可以产生其中皮肤凹处呈现光(FTIR原理)或皮肤凸起处呈现光(非FTIR原理)的图像。所使用的照明的角谱以及位于传感器和皮肤区域的放置表面之间的光学层的厚度和折射率对于图像生成是决定性的。

在直接FTIR类型的成像器中，照明理想地仅包含在放置表面处经历全内反射的照明角度。因此，在皮肤凹处的位置处，内部地照射在放置表面上的光的百分之百沿传感器的方向返回。在皮肤凸起处接触放置表面的位置处，部分照明被耦合到皮肤中并且被散射(受抑全反射)。从皮肤表面漫反向散射的光量达到约40％。由于各个光敏传感器元件的大的接收角(acceptance angle)(180°)，反向散射光的该成分同样被检测到。因此，基于FTIR原理的直接扫描器的最大迈克尔逊对比度结果如下：

在不是根据FTIR原理工作的直接扫描器中，照明理想地不包含在放置表面处经历全内反射的照明角度。通过放置表面照亮放置在放置表面上的皮肤区域，并且通过光敏元件检测漫反向散射的光。皮肤凸起处在图像中显得比皮肤凹处更亮；因此，该图像是FTIR系统的反转。其原因在于，在检测从皮肤凹处反向散射的光时存在附加的折射率过渡。光横穿从皮肤表面(n≈1.3)到皮肤凹处中的空气区域(n＝1.0)中的路径，并且随后进入直接扫描器的最上层(n≈1.5)。在这种情况下，散射光模拟为皮肤凹处给出了大约20％的比例的输入光，并为皮肤凸起处给出了40％的比例。因此，这些系统的最大迈克尔逊对比度达到仅为约：

在常规的基于棱镜的装置的范围内的对比度值不能在不采取附加步骤的情况下利用上述两种直接捕获原理中的任一种来产生，因为不存在常规的光学成像通道，并且因此也检测到所有不需要的散射光，因为直接扫描器的光敏元件的接收角在没有附加花费的情况下实际上达到180°。

与具有棱镜的FTIR系统相比，低基本对比度使得直接扫描器在面对不利成像条件(例如，强环境光或不同皮肤类型等)时不太鲁棒。

在现有技术中，从US2017/0161540A1、US2017/0161543A1和US2017/0161544A1中已知具有对比度增强元件的第一组解决方案，其中光敏元件可以通过使用角度选择元件来选择性地仅检测所需的角度区域。然而，这些解决方案具有的缺点是，所需的角度区域仅能通过多个层或通过弯曲表面来限制，这使得这种直接成像器的生产复杂且昂贵。

解决对比度问题的另一种途径在于接收来自皮肤凹处的光，优选地其中，通过角度选择元件的针孔特性从接近放置表面的表面法线的小接收角检测光，如例如在WO2017/045130A1、WO2017/063119A1、US2017/0017824A1和US2016/0224819A1中描述的。在这种布置中，因为来自皮肤凸起处的折射光中的一些光总是也被检测到，所以在所捕获的生物识别对象中实现的迈克尔逊对比度决不能接近100％。

发明内容

鉴于上述内容，本发明的目的是在用于捕获皮肤印纹的直接传感器中产生皮肤凸起处和皮肤凹处之间的亮度差，所述亮度差在具有棱镜的传统FTIR系统的范围内(对比度大于90％)。该解决方案应该不复杂并且易于生产。本发明的另一个目的是，同一直接传感器也可用于以足够高的对比度捕获文件。

一种用于诸如至少皮肤印纹的安全相关对象的直接光学捕获的设备，所述设备具有层序列，所述层序列包括：具有用于安全相关对象的放置表面的覆盖层；具有不透明和透明区域的光圈层，用于限制由对象通过放置表面折射入层序列中的光的入射角；具有像素的传感器层，所述像素以二维光栅布置并且在每种情况下具有光敏元件和透明通道区域，其中光敏元件仅能够检测来自放置表面的方向的光；作为层序列的支撑的基板；以及用于发射透过放置表面照亮对象的照明光的照明层。在该设备中，上述目的通过将光圈层形成为对比度光圈层来实现，该对比度光圈层用于主要通过由对象的放置在放置表面上而没有任何气隙的部分直接折射的光，其中，作为对比度光圈层的不透明区域的恰好一个对比度光圈与传感器层的每个光敏元件相关联，相应的相关联的对比度光圈被布置在光敏元件上方一定距离处，具有至少与光敏元件的作用区一样大的表面区域，并且对比度光圈被布置在光敏元件上方一定距离处，使得从放置表面的方向看，光敏元件的作用区的至少60％被覆盖，以及使得照明层包含多个点光源，该多个点光源朝放置表面的方向在角度区域中发射，该角度区域被限制为使得在覆盖层的放置表面处全内反射被抑制。

相应的相关联的对比度光圈有利地以使得从放置表面的方向看，光敏元件的作用区的至少75％，优选地至少90％被覆盖的这样的方式被布置在光敏元件上方。

在另一可选的变型方案中，相应的相关联的对比度光圈以使得从放置表面的方向看，光敏元件的作用区被完全覆盖的这样的方式被布置在光敏元件上方。

对于根据本发明的直接传感器的节省空间的结构，证明有利的是，覆盖层形成为用于整个层序列的透明基板。

在另一优选的变型方案中，相应的相关联的对比度光圈以使得对比度光圈在像素光栅偏移90°的至少两个方向上相对于光敏元件的作用区具有突出距离的这样的方式被形成在光敏元件上方。特别地，对比度光圈可以具有几何上类似的表面区域，该表面区域平行于光敏元件的作用区，具有与中心投影相同的取向。对比度光圈和光敏元件的作用区的选定表面区域优选地是矩形、方形、椭圆形或圆形。

为了改变关于安全相关对象的要求，已经证明有利的是，对比度光圈和光敏元件的作用区具有形状彼此发散的平行几何表面区域。对比度光圈和作用区可以具有不同的表面区域形状，包括矩形、方形、椭圆形或圆形。

为了改进皮肤印纹的对比度和分辨率，对比度光圈的表面区域相对于光敏元件的作用区适当地具有突出距离，突出距离的大小根据覆盖层的折射率、对比度光圈在光敏元件上方的距离以及对比度光圈和光敏元件的作用区的形状来确定。

为了实现用于捕获不同对象的不同捕获模式，证明有利的是，对比度光圈层具有两个或更多个不同的对比度光圈，所述对比度光圈彼此交替并且在与光敏元件的作用区上的像素光栅相对应的光栅中相对于彼此偏移。这对于捕获不同对象是优选的，所述对象的范围可以从诸如正常和潮湿或亮暗皮肤的不同皮肤类型的手指到各种类型的文件。

为了实现更高分辨率的捕获并且为了改进作为安全相关对象的文件的捕获，对比度光圈有利地在对比度光圈层内在偏移90°的三个方向上具有相对于光敏元件的作用区的相同的突出距离，并且在偏移90°的第四方向上具有可以接近零的较小的突出距离。

在另一改进的变型方案中，其中以相同的增加的分辨率在两个维度上实现捕获并且能够改进文件的捕获，对比度光圈在对比度光圈层内的偏移90°的两个方向上适当地具有相对于光敏元件的作用区的相同突出距离，并且在与偏移90°的两个方向相反的两个方向上具有可接近零的较短突出距离。

通过具有可选层厚度的附加间隔层来更好地调节对比度光圈与光敏元件的距离。在这方面，对比度光圈在光敏元件上方的距离适当地可在10nm和1mm之间的范围内调节。优选将该距离调节在0.5μm至50μm的范围内，其中特别优选通过将层厚度调节在1μm至10μm之间来实现该距离。

照明层有利地形成为大面积背光，其通过中间层或空气层耦合到传感器层下方的层序列。该大面积照明层优选地是显示器，该显示器优选地经由空气层耦合到层序列的最底层。最底层可以是透明基板，或者在覆盖层形成为基板的情况下是传感器层。

在替代的变型方案中，照明层可以有利地形成为点光源，该点光源在传感器层内在像素的通道区域中以偏移的方式单独地布置并且配备有限束光圈。在这一点上，LED、OLED和QLED形式的点光源可以用于传感器层中。

在特别有利的配置中，对比度光圈层被形成用于主要通过由对象的位于放置表面上而没有气隙的部分所折射的光，以及用于由对象的位于放置表面上具有气隙的部分所折射的光的附加成分，并且相应的相关联的对比度光圈被布置在光敏元件上方，使得从放置表面的方向看，光敏元件的作用区被完全覆盖，对比度光圈在覆盖作用区的表面区域内具有凹部，使得主要垂直照射的光的成分可以在凹部的区域中被附加地接收。

在对比度光圈的有利配置中，凹部优选地是呈圆孔、细长孔、狭槽、凹口、扇形或其它形状的切口的形式的凹部，并且该凹部被布置在对比度光圈的表面区域内，该表面区域覆盖光敏元件的作用区。

在对比度光圈的另一有利构造中，凹部是呈圆孔、细长孔、狭槽、凹口、扇形或其它形状的切口的形式的凹部，该凹部被布置在对比度光圈相对于作用区的突出距离中。

本发明基于以下考虑，即当捕获用于识别人的对象，例如指纹、手印或足迹时，可以以不同的方式捕获生物特征、乳突线。对于用于捕获皮肤印纹的直接光学传感器，乳突线与传感器的放置表面直接接触，并且皮肤凸起处和皮肤凹处之间的对比度由其在放置表面处的不同折射率过渡而产生。皮肤印纹的乳突状凸起处(皮肤凸起处)和乳突状犁沟(皮肤凹处)之间的对比度是实现FBI的(根据EBTS，附录F的)质量规格的关键。考虑到高对比度是高图像质量的第一基本先决条件，根据上面给出的公式，在具有仅可达33％的漫射照明的直接光学传感器中的理论最大对比度明显太低。尽管FBI兼容的图像可以在理想条件下以50％的基本对比度生成，但是在未处理的图像中的较高的基本对比度提供了保留，其确保了即使在差的边界条件(干燥或潮湿的皮肤、暗的皮肤类型、环境光或脏的放置表面)下也需要的高图像质量。

在直接传感器中总是出现的问题是对比度太低。本发明通过一种用于光学捕获的新颖检测原理解决了这个问题。

基本原理在于，检测从放置在放置表面上的对象反向散射(折射)的光，同时利用折射光或其成分可以由在从设备的放置表面到大面积传感器层的光敏元件的路径上的角度选择元件修改的可能性。根据本发明，改变光敏元件的接收角，使得有利于或防止从放置表面上的对象射出的光的某些角度区域的检测。特别地，不允许在相同的角度区域中检测从两个不同的皮肤部分(即皮肤凸起处和皮肤凹处)折射的散射光成分，使得可以实现更高的对比度，因为仅将源自皮肤凸起处以及作为折射光在较大角度下进入直接成像器的散射光的剩余部分用于信号采集。这是这样进行的，即从皮肤部分射出并以小入射角照射在光敏元件上的散射光通过对比度光圈被阻挡(遮蔽)，在每种情况下，所述对比度光圈基本上在中心覆盖光敏元件。

本发明使得有可能如此改进用于捕获皮肤印纹的直接扫描器中的皮肤凸起处和皮肤凹处之间的亮度差，以便实现具有棱镜的常规FTIR系统的(对比度大于90％的)范围。本发明还满足了用相同的直接传感器以足够高的对比度捕获文件的扩展目的。

附图说明

下面将参考实施例更全面地描述本发明。附图示出：

图1是根据本发明的用于捕获皮肤印纹的设备的基本结构；

图2a是根据本发明的设备的优选实施例形式的侧视图(截面图)，其中照明层以多个点光源的形式集成到传感器层中；

图2b是根据本发明的设备的另一实施例形式的侧视图(截面图)，其中照明层以多个点光源的形式集成到传感器层中，并且覆盖层同时形成用于层序列的基板；

图3是根据本发明的设备的另一优选实施例形式的侧视图(截面图)，其中照明层与显示器耦合作为基板下方的背光；

图4a是从作为界面的放置表面上的皮肤凸起处和皮肤凹处的不同介质过渡的掠射光(grazing light)入射的极限角的示意图；

图4b是以非写实的方式在放置表面上的用于阐明差分角度区域的位置处示出的、用于将来自皮肤凸起处和皮肤凹处的散射光输入到覆盖层中的不同极限角的叠加的示意图；

图5是根据本发明的以用于捕获由包含在传感器层中的点光源照亮的文件的实施例形式的设备的(作为示意性截面图的)侧视图；

图6是根据本发明的具有光敏元件的设备的示意性截面，该光敏元件不具有二极管光圈层并且具有完全覆盖的对比度光圈，以用于捕获在传感器层下方被作为背光的照明层照亮的文件；

图7a是具有二极管光圈和对比度光圈的光敏元件的第一实施例形式的俯视图；

图7b是图7a的实施例形式的作为剖视图的侧视图；

图8a是类同于图7a的光敏元件的俯视图，其使用相对于由二极管光圈留出开口的作用区具有限定的对称突出距离的方形对比度光圈；

图8b是方形对比度光圈的第二实施例形式中的光敏元件的俯视图，其中通过凹部在一个方向上减小了突出距离；

图8c是在圆形作用区上的圆形对比度光圈的第三实施例形式中的光敏元件的俯视图，其中均匀突出距离在一个方向上被扇形凹部中断，并且作用区没有被完全覆盖；

图8d是在方形作用区上的方形对比度光圈的第四实施例形式中的光敏元件的俯视图，其中对于两个正交方向的均匀突出距离被矩形的扇形凹部中断，大约25％的作用区未被覆盖；

图9是根据本发明的设备的另一优选布置的俯视图，其中光敏元件的对比度光圈和作用区具有不同的配置；以及

图10是其中集成了根据本发明的设备的移动装置的侧视图和俯视图。

具体实施方式

在图1中以剖视图示意性地示出了用于安全相关对象的直接光学捕获的设备的层序列(在下文中，为了简洁起见，为直接光学传感器)。安全相关对象是皮肤区域，例如手指101的印记、手印或足印、以及用于识别人的诸如身份证、护照、驾驶执照、信用卡或名片等文件105(仅在图5、6和10中示出)。

图1示意性地示出了放置在直接光学传感器的放置表面102上的具有多个皮肤凸起处103和皮肤凹处104的手指101。放置表面102通常由耐久透明覆盖层401的外表面形成，在该覆盖层401上还可以同时放置多于一个手指101。图1示意性地示出了参照三个像素307用于放置后的手指101的光学捕获的传感器结构，这三个像素307在每种情况下由光敏元件303和透明通道区域304形成。照明光201的可能的光路例如从通道区域304之一被引导，用于朝放置表面102的方向并且在放置在放置表面102上的对象中、在手指101的底侧处的手指101的照明，在这种情况下，手指101导致点转换成散射光202，其中被引导朝向放置表面102的散射光203作为折射光204进入直接传感器，该折射光204在某些前提下可以被光敏元件303接收。

从手指101的方向出发，根据本发明的设备包括：具有用于待捕获的对象的放置表面102的覆盖层401、对比度光圈层403、间隔层404、传感器层406和基板407。

基板407形成用于构建直接光学传感器的层序列的基础。导体、半导体和绝缘体借助于光刻工艺布置在基板407上，该光刻工艺在现有技术中被称为TFT(薄膜晶体管)技术。或者，也可以借助于印刷方法，例如通过丝网印刷方法来制造直接光学传感器。基板407优选地包括透明材料，例如塑料或玻璃，以使照明光201的通道能够从传感器层406的像素307的通道区域304的方向通过整个层序列，并通过对象(手指101或文件105)照亮放置表面102。

基板407承载具有以规则二维光栅布置的像素307的传感器层406。每个像素307具有用于将光转换成电信号的光敏元件303和用于从基板407下方透射照明光201的通道区域304，通道区域304在该实施例中是透明的。光敏元件303是光电二极管，其被构造为使得它们不能检测来自基板407的方向的任何来自下方的光。这是通过在光电二极管的底侧处包括不透明材料的光圈来实现的，如现有技术中已知和常规的。光敏元件303通常具有大约180°的接收角，并且被构造成使得它们从放置表面102的方向检测预定波长范围的光。像素307优选地检测380和780nm之间的可见辐射光谱中的波长范围。为了捕获FBI兼容的图像，传感器层406优选具有≤50.8μm的光敏元件303的平均间距，其对应于500ppi(每英寸像素)或更大的分辨率。

光敏元件303之间的通道区域304包括对于照明光201至少部分透明的材料。优选使用在涂覆工艺中与光敏元件303的厚度相适应的透明涂覆材料，例如二氧化硅或氧化铝。这样，在下一涂覆步骤之前，传感器层406被整平。

在直接光学传感器的大多数应用中，有利的是，以限定的方式限制光敏元件303的有效表面区域，还将接收角限制到轻微的程度，以便将光灵敏度调节到应用所需的程度，同时实现尽可能大的光敏元件303以用于改进的信噪比。在这种情况下，包括透明区域和不透明区域的二极管光圈层405被布置在传感器层406之上。二极管光圈层405的不透明区域形成二极管光圈302，其遮蔽光敏元件303的外围的表面区域部分。光敏元件303的未被二极管光圈302覆盖的部分形成了精确的定界的作用区305，在该作用区305中仍然可以检测光。确定光敏元件303和像素307的作用区305的一个二极管光圈302恰恰与每个光敏元件303相关联。二极管光圈302之间的二极管光圈层405的透明区域与传感器层406的通道区域304在表面区域上重叠，并且该透明区域优选地由与通道区域304相同的材料制成。

位于二极管光圈层405上方的是透明间隔层404，间隔层404在光敏元件303的作用区305与对比度光圈层403之间产生界定的间距。间隔层404具有0.01和1000μm之间的厚度。间隔层404的厚度优选在0.5μm和50μm之间，特别优选在1到10μm的范围内。间隔层404由透明的有机或无机材料制成，优选地由有机材料制成，以实现更好的整平效果和更大的层厚度。

具有透明区域及不透明对比度光圈301的对比度光圈层403布置在间隔层404上方。对比度光圈层403内的一个对比度光圈301正好与传感器层406的每个光敏元件303相关联。对比度光圈301覆盖大量光敏元件303的作用区305的表面区域部分和二极管光圈302的表面区域部分。对比度光圈301对于光敏元件303的作用区305对从手指101经由放置表面102射入直接传感器的散射光203的入射角具有限制作用。对比度光圈301被形成用于散射光203的有利通道，所述散射光203从手指101的位于放置表面102上的部分直接射出而没有气隙106，并且作为折射光204以大入射角进入光敏元件303的作用区305。下面将参照图4a和4b解释对可由光敏元件303检测的折射光204的入射角的限制。

对于二极管光圈302和对比度光圈301需要不透明材料，以便有效地阻挡折射光204。由于其在光刻涂覆工艺中的优异的结构化适用性而使用的优选光圈材料是例如金属，如铬、铝、金、钼、铜、银和硅等。然而，由于这些材料的反射性质，在二极管光圈302和对比度光圈301的表面处可能发生不期望的反射，并且对对比度具有限制作用，增加噪声或产生重影。因此，主要使用例如聚四氟乙烯的吸收性有机材料和例如类金刚石碳膜、氧化铬(II)、铜铟二硫化物或具有特定微观结构的材料等的吸收性无机材料。特别优选可通过印刷工艺(例如丝网印刷)用作二极管光圈302和对比度光圈301的材料，因为它们可被快速、灵活且廉价地生产。在印刷工艺中，主要使用有机材料。

位于对比度光圈层403上方的是覆盖层401，覆盖层401保护直接光学传感器免受机械和化学应力，并且利用覆盖层401的外表面形成用于诸如手指101或文件105的对象的放置表面102。覆盖层401具有在1μm-10mm范围内的厚度，优选10μm-1000μm，特别优选50μm-200μm。有利的是，覆盖层401尽可能地厚，以便确保特别好的机械和化学保护水平。然而，除此之外，覆盖层401还应足够薄以用于直接传感器在移动装置中的良好集成，其中小的总厚度是可取的。由塑料制成的覆盖层401是特别用户友好的，该覆盖层401可由用户移除和更换而不留下残留物。特别优选由例如玻璃、化学强化玻璃、熔融石英、蓝宝石或陶瓷制成硬覆盖层401。

根据本发明的设备的层序列的所有层的透明区域优选地具有相似的光学特性(特别是匹配的折射率)，以便最小化层之间的界面处的反射损耗。所有透明层的折射率优选地为n＝1.5±0.2。

可以提供具有n＝1.5±0.2的折射率并且将覆盖层401光学耦合或结合到覆盖层401下方的层序列的粘合层402(图1中未示出)，用于减少覆盖层401和对比度光圈层403之间的反射损失。粘合层402优选地是光学透明粘合剂(LOCA-液态光学透明粘合剂)或光学透明双面粘合箔(OCA-光学透明粘合剂)。特别优选基于丙烯酸酯、环氧化物和硅树脂的透明胶。

为了抑制对干扰的环境光的检测，可以在直接传感器的层序列中集成一个或更多个光谱滤光器层411(在图1中未示出)。可以以这种方式实现一些用户所需的环境光保护，其中直接传感器还必须在直射阳光下起作用。为了防止光敏元件303被环境光饱和，一个或更多个全表面区域光谱滤光器层411可以嵌入(仅在图2b中示出)在光敏元件303和放置表面102之间。这种光谱滤光器系统可以作为连续层系统布置在直接传感器的整个表面上。光谱滤光器层411被如此调整，使得优选的环境光被吸收或反射，照明光201的至少一部分被透射。

优选地提供具有透明区域和吸收区域的结构化的光谱滤光器层412(仅在图3中示出)，其中吸收区域至少位于光敏元件303的作用区305之上。吸收区域优选地以使得没有照明光201通过结构化的光谱滤光器层412被吸收的这样的方式布置。

光谱滤光器层411或412位于传感器层406和覆盖层401之间，特别优选地位于传感器层406和对比度光圈层403之间。覆盖层401本身也可形成为(未示出)光谱滤光器层411(例如，有色玻璃)。在另一实施例形式中，光敏元件303被形成为仅对于照明光201的波长是波长选择性的。所有这些步骤也可以彼此组合。

实现光谱滤光器的可能性包括例如吸收性有机和无机染料和粒子、谐振金属纳米粒子滤光器(等离子体激元滤光器)和干涉滤光器。如果使用液体粘合剂将覆盖层401连接到对比度光圈层403，则也可将环境光保护集成在其中，然后将在粘合剂层402中实现光谱滤光器层411(未示出)。光谱滤光器层411或412优选地仅使不能穿透放置的对象(手指101或文件105)的那些波长或波长范围通过。光谱滤光器层411或412的透射波段越窄，环境光(例如，太阳光)被阻挡得越好。当然，也可以组合多个光谱滤光器，或者以对多个波长范围有选择性的方式配置光谱滤光器层411或412。

当放置在放置表面102上的对象(手指101或文件105)被来自传感器层406的通道区域304的方向的照明光201照亮时，照明光201至少穿过传感器层406的通道区域304、二极管光圈层405、间隔层404、对比度光圈层403和覆盖层401。直接传感器的所有层至少对于照明光201的成分是透明的。

当对象(例如图1所示的手指101)接触放置表面102并准备被捕获时，照明光201经由设备的透明区域通过放置表面102到达手指101。当照射在搁在放置表面102上的手指101上时，照明光201被输入到手指101中并被散射。散射光202的方向由于多次散射而是随机的。散射光202的一部分作为散射光203沿放置表面102的方向行进，并作为折射光204经由放置面102处的乳突状凸起处(皮肤凸起处103)进入覆盖层401。折射光204从覆盖层401行进，折射穿透层序列的其余部分，最终在光敏元件303的作用区305中被接收，其中，所检测的光强度被转换成电信号，随后被重新计算成灰度图像。类似地，在皮肤凹处104中，散射光203从皮肤凹处104输出，最初进入皮肤凹处104的气隙106，随后作为折射光204经由放置表面102进入覆盖层401。由于具有来自皮肤凹处104的折射光204的附加光学过渡，光损失大于在没有气隙106的情况下接触的皮肤凸起处103的光损失。这种光损失由光敏元件303检测，并且表示为皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度。

由于手指101中的多重散射，折射光204的入射辐射方向的角谱是随机的。存在多个可能的方向，并且(在放置表面102处折射的)折射入覆盖层401中的光204的所有可能的光路的总和描述光锥。折射光204的两个极限角205和206(仅在图4a和4b中示出)通过皮肤凸起处103与覆盖层401之间或者气隙106与覆盖层401之间的折射率过渡而在覆盖层401中定义。由作用区305检测到的折射光204的成分取决于限制折射光204的光路的对比度光圈层403的位置和配置。

在图2a和2b中，照明光201通过点光源306(例如LED、OLED、QLED或LCD)发射，并漫射地照射放置的手指101，即，照明光201在每个角度辐射。单独的点光源306不与光敏元件303直接关联；即，光敏元件303检测来自多个点光源306的总和的折射光204。

图2a以侧视图示意性地示出了该设备的优选实施例形式。用于发射照明光201的照明层409(来自图1)集成到传感器层406中。点光源306布置在传感器层406内，以便在像素307的通道区域304中向光敏元件303偏移，并且在放置表面102的方向上将漫射照明光201发射到上半空间中。用于准直点光源306的照明光201的方式或另外的限束光圈(未示出)可以用于防止在覆盖层401的放置表面102处的全内反射。这可以例如通过二极管光圈302和/或对比度光圈301在二极管光圈层405或对比度光圈层403中的适当布置来实现。

此外，如已经描述的，在点光源306和光敏元件303之间不存在直接关联，因为点光源306的光锥可以在放置表面102中重叠，并且在检测到进入覆盖层401的折射光204之前，手指101中可以发生多重散射。

图2a的实施例形式的优点在于，基板不必是透明的，因为用于发射照明光201的点光源306被布置在基板407上。同样，通过将照明集成到传感器层406中实现了更薄的设备，这对于移动应用是特别有利的。作为本发明的实施例形式，在图10中示出了完全集成在移动装置(例如，蜂窝电话、平板电脑等)中的这种设备，其中，直接光学传感器被集成到显示器的整个表面中，并且可以在移动装置的整个显示器表面上以高图像质量捕获对象(例如，手指101或文件105)。

在用于安全相关对象的直接光学捕获的设备的另一实施例形式中，具有放置面102的覆盖层401与用于层序列的透明基板407同时形成，如在图2b中示出的那样。因此，可以省去如图1和2a所示的最初位于传感器层406下面的基板407。在这种情况下，提供覆盖层401作为基板407，首先布置对比度光圈403，并且视情况而定在之前或之后施加光谱滤光器层411。随后，连续地施加间隔层404、二极管光圈层405和传感器层406。这具有的优点是，由于省去了单独的基板407或单独的覆盖层401、粘合层402以及伴随的接合工艺，所以减小了设备的总厚度和生产成本。该实施例形式的可能的应用是在移动装置中，其中小的厚度是有利的，并且传感器层406的背侧由装置框架或简单且有利的例如塑料膜的替代物封装。

图3中以侧视图示意性地示出了该设备的优选实施例形式，其中照明层409是置于基板407下方的显示器。空气层408优选地位于照明层409和基板407之间，以便限制照明光201通过从空气到基板407的光学过渡的角谱。原则上，显示器也可以经由另一粘合层(未示出)而不是空气光学耦合到基板407，但是随后不再提供角度限制的优点。

在图3中优选地使用具有可单独控制的点光源306(未示出)的显示器的形式的照明层409，使得可以以结构化方式照亮放置在放置表面102上的对象(手指101或文件105)。发射具有可见光谱区中的不同波长的照明光201的显示器是特别优选的，使得可以向用户显示有帮助的颜色突出显示的信息。因此，可以集成用户指南，使得直接传感器的使用更容易理解。背光或显示器的点光源306的分辨率可以在100到1000ppi之间，优选地在300到500ppi的范围内。

通过附加的空气层408，漫射照明光201在进入基板层407时在空气层408-基板407界面处发生折射。如已经描述的，这导致照明光201的角谱的限制。这具有的优点是照明光201在覆盖层401的上表面处不经历全反射，否则这将导致对比度降低。

为了解释本发明的用于提高对比度的原理，图4a以截面图示意性地示出了在放置表面102处的掠射光入射的极限角205和206，该放置表面102具有用于皮肤凸起处103(直接皮肤接触)和皮肤凹处104(气隙106)的两种不同介质过渡或折射率过渡的界面。如已经描述的，由于位于放置表面102上的对象中的散射，存在折射光204的多于一个的可能光路，并且所有光路的总和描述了具有限定的极限角205或206的光锥。极限角205或206描述了在掠射光入射的两种上述材料的界面处发生光折射之后的折射光204的相应角度，并且取决于光从其行进的两种材料(皮肤、空气)以及不同光成分在其中折射的材料(例如玻璃)的光学特性。

示意性地示出了从空气到覆盖层401的过渡的极限角205和从皮肤到覆盖层401的过渡的极限角206。在两种情况下，覆盖层401是光密介质，使得光朝向放置表面102的垂线208折射。折射光204的角谱受到限制。为了进一步计算，例如，假设玻璃的覆盖层401具有n＝1.517的折射率(BK7玻璃的折射率)，皮肤具有n＝1.376的折射率(角膜的折射率)。具有折射率n＝1的空气位于皮肤凸起处103之间的皮肤凹处104中。折射率适用于600nm的波长。由于放置表面102处的光折射，折射光204描述了具有在放置表面102的垂线208与极限角205或206之间的限定的角度区域的光锥。用于从皮肤到玻璃的过渡的折射光204的第一类型的光锥具有大约65°的极限角206，并且用于空气到玻璃的过渡的第二类型的光锥具有大约41°的极限角205。如果两种类型的光锥在每种情况下都被光敏元件303(没有附加的光圈)完全检测到，这导致了皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的低对比度，因为第一类型的光锥和第二类型的光锥在它们的能量含量方面仅有微小的不同。为了在折射光204的两种类型的光锥的检测之间清晰的区分以便提高皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度，两种类型的光锥包括的角度区域的部分被根据本发明的对比度光圈301部分地或完全地阻挡。这样，在检测期间，仅在从皮肤凸起处103到覆盖层101的过渡处出现的角度区域的相对比例是增加的。

图4b以示意性截面图示出了差分角度区域207。差分角度区域207描述了折射光204的角度区域，其仅仅从搁置在放置表面102上的皮肤凸起处103折射入覆盖层401中。这意味着，例如，没有从皮肤凹处104中的气隙106输入到覆盖层401中的光在差分角度区域207中被折射。

根据本发明的对比度光圈层403的目的是限制光敏元件303的角度区域，其中光敏元件303可以检测折射光204，使得具有在皮肤凹处104中的气隙106和覆盖层401之间的过渡中产生的较小极限角205(对于BK7作为覆盖层401，大约41°)的光锥类型仅可以由光敏元件303在小程度上检测或根本不能检测。从皮肤凹处104折射的光204实际上被完全阻挡，而仅有从皮肤凸起处103折射的光204的一部分被阻挡。这涉及空气-玻璃过渡(41°)的0°和极限角205之间的角度。对比度光圈301优选地以使得具有与放置表面102的垂线208成大于大约41°的入射角的主要折射光204被光敏元件303检测到的这样的方式布置。因此，如从图4a和4b可以推断出的，专门地检测从皮肤凸起处103折射入层序列中的折射光204。皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度以这种方式显著增加，因为从皮肤凹处104射出的干涉光204被阻挡而不能被检测到。

对比度光圈301可以在很大程度上可选地关于形状和位置进行配置，这仅构成直接光学传感器的生产中的另外的涂覆和建造工艺步骤或印刷工艺。这种工艺步骤可以毫无困难地集成用于生产层序列，以便改进所捕获的皮肤印纹的对比度。

潮湿手指101的高对比度捕获，也称为“水截留(waterrejection)”，仍然是直接光学传感器中正在进行的问题。其原因是皮肤和水在可见光谱中具有相似的折射率，即，对于皮肤为1.376，对于水为1.33，使得折射光204的极限角205和206在这两种情况下彼此非常接近。在另一实施例形式中，实现潮湿手指101的高对比度捕获，因为从水(n＝1.33)到覆盖层401(例如BK7玻璃，其中n＝1.517)的过渡射入到层序列中的光204被对应配置的对比度光圈301完全阻挡。在这种情况下，对比度光圈301完全限制了对直到水-玻璃过渡的相应限制角(未示出)的折射光204的检测。该极限角达到大约61°(对于BK7)，而仍然可以检测到差分角度区域207。这意味着从接触皮肤凸起处103折射的光锥具有大约65°的较大极限角206，并且折射光204仍然被检测到。然而，来自接触皮肤凸起处103的折射光204的大部分同样被阻挡，并且信噪比降低。为了补偿，例如，可以增加照明光201的光强度。

对于这种或类似的特殊情况，在优选实施例形式中，两个或更多个不同配置的对比度光圈301被集成在一个且相同的直接光学传感器中，以便允许由相同的设备对例如正常手指101、潮湿手指101和文件105的对比度优化的捕获。不同的对比度光圈301的配置被优化用于对象的对比度优化的捕获或者在不同的应用场景中被优化并且交替地布置在层序列中。具有关联的对比度光圈301的某些光敏元件303作为日光传感器的配置也是可能的，例如用于检测环境光的强度。对比度光圈301相对于作用区305的大投影501(未示出，参见图7a，b)确保即使在非常高的环境光强度下也不会发生光敏元件303的过饱和，使得环境光强度变得可测量。

如果不同的对比度光圈301被集成在直接光学传感器中(如图5所示)，并且如果针对不同的捕获场景以这种方式优化了层序列，则由于对于每个捕获场景存在较少的可用ppi，因此降低了每个单独捕获场景的分辨率。这可以通过使用具有更高分辨率(ppi)的直接光学传感器来补偿。

在同一直接光学传感器上使用两个不同的对比度光圈301的方法中，利用被配置用于正常皮肤区域的高对比度捕获的第一对比度光圈布置(阻挡与放置表面102的垂线208成高达41°角的光锥中的折射光204)以及利用照明光201的第一光强度来捕获第一图像。图像评估算法评估皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度。如果对比度值低于最小阈值，则利用被配置用于潮湿皮肤区域的高对比度捕获的第二对比度光圈布置(阻挡与放置表面102的垂线208成高达61°角的光锥中的折射光204)以及利用照明光201的第二光强度来捕获第二图像。第二图像被存储并发送到具有直接光学传感器的装置的电子器件以用于进一步处理，例如，用于与所存储的指纹匹配。照明光201的第二光强度大于照明光201的第一光强度，以便确保良好的信噪比，因为折射光204的更多光路在第二对比度光圈布置中受到限制。

如图5和6所示的文件105(护照、名片、驾驶执照等)的捕获对对比度光圈层403提出了特殊的挑战，因为由于文件105的表面未光学耦合到放置表面102，所以在文件105和放置表面102之间总是存在薄的气隙106。

图5示出了根据图2a的设备的示意性侧视图，其中，与之相比，文件105而不是手指101位于放置表面102上并且被捕获。

在该示例中，如图2a中所示，照明光201同样由透明通道区域304中的传感器层406的像素光栅内布置的点光源306生成。点光源306配备有限束或准直装置(未示出)以防止在覆盖层401的放置表面102处的全内反射。当用照明光201照亮文件105时，在文件105的表面处发生散射。在覆盖层401的方向上反向散射的光穿过文件105和覆盖层401之间的气隙106，并且作为折射光204经由放置表面102进入直接传感器的层序列。通过气隙106，折射光锥的极限角205达到大约41°(当BK7用作覆盖层401时)。如果对比度光圈301被仅配置用于指纹的对比度优化的捕获，则文件105不再能够被捕获，因为相对于放置表面102的垂线208具有小于41°的角度的折射光204通过对比度光圈301被完全阻挡。

如已经描述的和如图5所示，直接光学传感器可以具有针对特定捕获场景彼此相邻布置的不同对比度光圈301。在这种情况下，对比度光圈301被交替地并排布置，以用于皮肤印纹(例如，手指101)以及文件105的高对比度捕获。

此外，为了控制传感器电子器件(仅在图10中示出)，可以使用不同配置的对比度光圈301在捕获模式之间来回切换，使得根据正在捕获的文件105还是手指101，仅读出光敏元件的一半。

在另一实施例形式中，在捕获之前使用附加的红外二极管和红外传感器来检查手指101或文件105是否接近放置表面102，并且通过控制对应的光敏元件303来选择相应的捕获模式。

在具有不同配置的对比度光圈301的每种情况下，也可以捕获图像。组合两个记录对于活体检测方法是有帮助的，因为例如假体以与活体手指101不同的方式与表面相接触。例如，当打印在纸或箔上的指纹被放置在放置表面102上时，不存在与放置表面102的光学耦合(类似于当捕获文件105时)。因此，作为用于指纹优化的对比度光圈301的结果，不能捕获增加对比度的折射光204。与现有技术中描述的主要检测皮肤凹处104的解决方案相比，这使得明显更难以利用印刷在纸或箔上的指纹的伪造来规避活体检测(称为电子欺骗)。

在用于各种对象(手指101和文件105)的高对比度捕获的对比度光圈301的优选实施例形式中，提供了用于来自空气-覆盖层401过渡的折射光204的小部分的限定通道，使得该部分由光敏元件303检测。如图5所示，这可以通过对比度光圈301来实现，其相对于光敏元件303的作用区305没有突出距离505(这里未示出，例如参见图8b)或仅有最小突出距离505。

在特别优选的实施例形式中，对比度光圈301的突出距离501被优化用于皮肤区域的高对比度捕获，并且同时，孔507(在图9[l]中示出，但在此未示出)被并入光敏元件303的作用区305上方的对比度光圈301中，这另外允许文件105被捕获。该实施例形式的一个优点是文件捕获的分辨率高，因为仅检测垂直照射在光敏元件303上的折射光204。这防止了在多个光敏元件303中检测到来自对象上的一个点的信息。代替地，在图9(l)中仅示为孔507的对比度光圈301中的小面积开口也可为方形或其它等边多边形或狭缝，优选地相对于彼此处于交叉位置。

如已经描述的，二极管光圈层405限定了光敏元件303的作用区305的尺寸和形状，因为二极管光圈302覆盖光敏元件303的外围部分。

图6中以示意性简化细节示出了适于捕获文件105的直接传感器的另一配置。示出了两个光敏元件303。与图5相比，这两个光敏元件303不具有任何二极管光圈层405，因此被完全重叠的对比度光圈301遮蔽。在这种情况下，通过发射漫射照明光201的照明层409提供对文件105的照明，该漫射照明光201通过空气层408相对于基板407在覆盖层401的放置表面102的方向上经历准直和取向，以致至少防止放置表面102处的全内反射。照明光201以与参照图5描述的相同方式照亮文件105，并且在文件105的上表面发生散射。散射光203穿过在文件105和覆盖层401之间的气隙106，经由放置表面102进入覆盖层401，并且由于气隙106，作为在层序列中具有大约41°的极限角205的折射光204，大部分被对比度光圈301阻挡。由于对比度光圈301相对于未受限制的光敏元件303的最小突出距离505(即，具有光敏元件303的大面积作用区305)，仅那些几乎平行于放置表面102的垂线208入射的散射光成分被阻挡，并且所有倾斜入射的折射光204可以逐像素地被捕获，以用于通过传感器层406捕获文件105。

在该示例中，作用区305与光敏元件303的尺寸完全相同。在优选实施例形式中-参见图6-对比度光圈301以这样的方式(即不再检测被折射入与放置表面102正交的层序列中的光)遮蔽光敏元件303，从而可以捕获文件105以及皮肤印纹。

由于前面所述的原因，具有较小表面区域的对比度光圈301将导致皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度恶化。在这种情况下，也不推荐具有相对于作用区305具有限定突出距离501的较大表面区域的对比度光圈301，因为传感器层406的通道区域304以这种方式被不透明对比度光圈301重叠，并且照明光201的光路在到放置表面102的途中被部分地阻挡。

在图7a中以俯视图示意性地示出了用于皮肤印纹的对比度增强捕获的二极管光圈302、作用区305和对比度光圈301的实施例形式。作用区305的关联的俯视图在图7a中由虚线示出。对比度光圈301和二极管光圈302由实线表示，并且对比度光圈301还具有剖面线。在对比度光圈301和二极管光圈302以及作用区305的布置具有对称性的情况下，示出了相应的对称轴506。所描绘的布置的可能的对称轴506在图7a中通过示例的方式被示出为点划线。该布置可以在俯视图中通过x-y平面清楚地描述。图7a中的层序列通过y-z平面描述，并且在图7b中以通过y-z平面的截面的侧视图示出，其中以参照图1的标注为基础。图7b示出了附加的粘合层402，利用该粘合层402，通过到位于粘合层402下的设备的层序列的适配的折射率过渡，实现覆盖层401的光学耦合。

下面示出和描述对比度光圈301和作用区305的其它有利的特别优选的实施例形式。该层序列与参考图1、图2a、2b、图3、图5、图6或图7a描述的配置之一相符，使得在以下附图中省略侧视图。图8a至图8d和图9(a)至(o)中的实施例形式以俯视图示出，并且借助于虚线和实线限定了由二极管光圈302限制的作用区305与对比度光圈301之间的独特关联。各个实施例形式在对称性、对比度光圈301和作用区305相对于彼此的取向、几何表面区域形状、表面区域尺寸和附加结构方面不同。

在图8a-d中以直接光传感器的光敏元件303的俯视图示意性地示出了对比度光圈301和作用区305的四种实施例形式。在所有实施例形式中，二极管光圈302和对比度光圈301以实线示出，作用区305以虚线示出，并且对称轴506以点划线示出。同样具有剖面线的对比度光圈301至少具有与作用区305相同的表面区域尺寸，并且在所有实施例形式中最大具有与二极管光圈302或光敏元件303相同的表面区域尺寸。

图8a示出了方形对比度光圈301和方形作用区305。表面区域形状在几何上是相同的。此外，该表面区域根据中心投影以相同取向平行布置；也就是说，对比度光圈301对称地位于作用区305上方。对比度光圈301的突出距离501大于图1中的突出距离，并且在像素光栅的两个维度(x维度和y维度)上具有相等的尺寸。这意味着对比度光圈301在方形作用区305的四个边中的每一个处具有相同尺寸的突出距离501。此外，图8a中的实施例形式具有四个对称轴线506，在所述对称轴506处存在该布置的镜面反射。

在图8b中，对比度光圈301和作用区305也具有几何上类似的表面区域形状。几何上类似的表面区域形状是例如方形和矩形或圆形和椭圆形。在图8b中，对比度光圈301还具有凹口502形状的移除的扇形。凹口502由凹口角度503和凹口深度504限定，这导致在凹口502的位置处对比度光圈301相对于作用区305的减小的最小突出距离505。

图8c示出了具有凹口502形状的移除的扇形的圆的对比度光圈301和具有圆形表面区域的作用区305。在这种布置中，由于圆形，所以突出距离501在除了移除的扇形之外的每个点处都是相同的尺寸。如图8c所示，凹口502由凹口角度503和凹口深度504限定，该凹口深度504可以在产生这种类型的实施例形式时任选地选择。在这种情况下，在凹口502的位置处不再存在最小突出距离505；当然，作用区305的一部分被暴露(未覆盖)，使得折射光204也可以在该区中垂直照射，并且使得折射光204可以用于捕获作为安全相关对象的文件105。

在图8b以及图8c和8d中，该布置仅具有一个关于凹口502的对称轴506。

图8d示出了本发明的另一实施例形式，其示出了图8b和图8c的变型。在这种情况下，在方形作用区305上的方形对比度光圈301中示出了留出的扇形。如图8d所示，移除凹口502直到作用区305并消除了突出距离501，使得对比度光圈301的表面区域和作用区305的覆盖物的表面区域减少四分之一，所述突出距离501在其他所有方向上是均匀的。从放置表面102的方向观察的光敏元件303的这种布置主要适合于皮肤印纹(例如，手指101)的高对比度捕获以及适合于捕获文件105，因为作用区305的大约75％被覆盖。照射在作用区305上的、与放置表面102正交的折射光204的部分可以相应地被检测以用于捕获文件105。

图9(a)至(o)示出了对比度光圈301和作用区305的配置的多个优选实施例形式。它们仅以俯视图示出，因为该层序列与图1中的相同。在所有实施例形式中，对比度光圈301和二极管光圈302以实线示出，作用区305以虚线示出，并且对称轴506以点划线示出。同样具有剖面线的对比度光圈301至少具有与作用区305相同的表面区域尺寸，并且在所有实施例形式中最大具有与二极管光圈302或光敏元件303相同的表面区域尺寸。

图9(a)示出了与图8a中已经示出并在上面描述的对比度光圈301的相同的实施例形式。对比度光圈301的所选的突出距离501越大，则在作用区305中检测到的折射光204的角度区域越小。因此，没有检测到折射光204的确定部分，并且从空气射入到层序列中的光204比从皮肤射入到层序列中的光在更大程度上被阻挡。这明显地改进了皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度。为了满足本发明的所述目的并且优化皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度，在特别优选的实施例形式中，对比度光圈301的突出距离501增加，直到仅具有大于空气-玻璃过渡的极限角度205(大约41°)的角度的折射光204可以被检测到。为此目的所需的突出距离501决定性地取决于覆盖层401的折射率和间隔层404的厚度。覆盖层401的折射率限定折射光204的极限角205或206。间隔层404的厚度越小，则用于阻挡从0°直到相对于放置表面102的垂线208的确定的限制角205的折射光所需的突出距离501越小。例如，假设覆盖层401的折射率为n＝1.517(BK7玻璃)，间隔层404的厚度为d＝10μm，则8.7μm的最小突出距离505是必要的，以便阻挡与放置表面102的垂线208成<41°的角度的折射光204，因此以便不检测来自皮肤凹处104的光。

这是由以下公式计算的：

a＝d·tanα，

其中，a是最小突出距离505，α是折射光204与放置表面102的垂线208所成的角度。

为了确定用于潮湿手指101的高对比度捕获的最小突出距离505，仅需要将来自水到覆盖层401过渡的折射光204的极限角度(α＝61°)代入上述公式中。在与前述相同的前提条件下(d＝10μm并且n＝1.517)，需要a＝18μm的突出距离501以用于限制并且不检测从水折射入层序列中的光204的从0°到与放置表面102的垂线208所成的对应的61°的极限角的光路。

直接光学传感器的优点在于可以捕获(例如手指101的)皮肤印纹和文件105两者。由于文件105在放置于放置表面102上时不经历与放置表面102的光学耦合，并且气隙106通常位于文件105与放置表面102之间，所以文件105的折射光204具有大约41°的限制角205。如果作用区305由于对比度光圈301而不再能够检测来自空气-玻璃过渡的折射光204，则文件105不能由这种直接传感器捕获。因此，以这样的来自空气-玻璃过渡的折射光204中的至少一些可被检测的方式选择对比度光圈301的配置是有帮助的折射，使得诸如护照、驾驶执照、名片等的文件105仍可被捕获。

这示出了应用的具体情况定义了对比度光圈301的实际配置，以便例如使得能够捕获包括文件105的各种安全相关对象，以关于所需的照明光201的光强度有效地组织成像过程，或者以优化用于捕获特定对象的对比度。例如，如果来自图9(a)的对比度光圈301的突出距离501被选择为使得皮肤-玻璃过渡的极限角206(大约65°)可以刚好几乎不被检测到，则在皮肤印纹的捕获期间的对比度仍然非常好，但是每个光敏元件303的总可检测的光强度非常急剧地减小。因此，为了补偿光强度的损失并提高信噪比，必须增加照明光201的光强度。然而，在移动应用领域中，例如，为了增加具有根据本发明的设备的装置的电池寿命，该设备的高效节能配置是有利的。

对比度光圈301和作用区305的其它实施例形式在图9(b)、(c)、(d)中示意性地示出。图9(b)、(c)、(d)示出了实施例示例，其中圆的(优选为圆形的)表面区域用于对比度光圈301和作用区305两者，但是对比度光圈301的方形或类似的表面区域形状也与作用区305的圆的(圆形的)表面区域组合，反之亦然，如图9(c)和(d)所示。

图9(b)示出了特别优选的实施例形式，其中作用区305和对比度光圈301都是圆的，并且突出距离501因此在所有方向上平行于传感器层406，因此对于所有方向光的阻挡是相等的。

在(例如，在手机、平板电脑等中使用的)移动应用中，另外需要足够厚的覆盖层401，因为它们保证直接传感器的改进的机械和化学保护。然而，当传感器层406和放置表面102之间的距离例如通过较厚的覆盖层401增加时，在多个光敏元件303中同时检测来自对象点的信息。这导致对比度减小和分辨率降低。由于优选地在根据本发明的解决方案中检测到从皮肤凸起处103折射的光204，即来自空气到覆盖层过渡的极限角205(对于BK7为41°)和皮肤到覆盖层过渡的极限角206(对于BK7为65°)之间的差分角度207的光，因此相同的对象信息从小于25μm的对象到传感器距离开始行进，照射到至少两个光敏元件303上。

作为如图9(e)所示的对比度光圈301的优选实施例形式的结果，通过增加覆盖层401的厚度同时实现了高对比度和高分辨率。在这种情况下，对比度光圈301以这样的使得在光敏元件303的作用区305中仅检测到由皮肤产生的散射光203的光锥的一部分作为折射光204的方式布置。为此，对比度光圈301被布置为在作用区305上不对称的矩形。对比度光圈301在三个方向上具有同一程度的突出距离501，使得由手指101折射的将从三个方向照射到作用区305上的光204(这里未示出)被完全阻挡，并且在像素光栅的第四方向上，呈现出最小突出距离505(其也可以接近零)，使得仅来自第四方向的斜入射光可以在最小突出距离505处通过对比度光圈301，并且在光敏元件303的作用区305中被检测到。

如已经描述的，在这种情况下，限制更多的光路以有利于良好的对比度和良好的分辨率，为了获得良好的信噪比，照明光201的光强度必须更高。为此，如果对比度光圈301仅在一个方向上具有最小突出距离505(如果有的话)，如图9(e)所示，则可能是有利的。

图9(f)示出了优选的实施例形式，其中对比度光圈301仅在像素光栅的偏移90°的两个方向上具有大的突出距离501，使得来自那里的光不能到达作用区305。在另外两个方向上，对比度光圈301具有可接近零的最小突出距离505。该实施例形式的优点在于，分辨率或CTF(对比度传递函数)在垂直方向和水平方向上被提高到相等的程度。

图9(g)示出了其中作用区305的形状和表面区域限定了对比度光圈301的突出距离501的配置。作用区305已经减小到确定的表面区域，通过该确定的表面区域，折射光204仍然可以照射在该表面区域上的每个点上。通过减小作用区305的表面区域，减少了对在二极管光圈302和对比度光圈301之间传播的干涉散射光203的检测。这导致对比度的进一步改进。

原则上，对比度光圈301和作用区305可以具有任何形状，而不必是方形、矩形或圆形。对比度光圈301的布置的另外的优选变型在图9(h)、(i)、(j)、(k)中示出，并且示出对比度光圈301还可具有凹口502(间隙、狭缝等)形式的凹部。

图9(h)示出了实施例形式，其中对比度光圈301被配置成使得其在对比度光圈层403内在偏移90°的三个方向上具有大的突出距离501，并且在第四方向上具有最小突出距离505，其由具有限定的凹口角度503和限定的凹口深度504的凹口502描述。凹口角度503越小，由于检测到的折射光204的角度区域越小，分辨率的改进越大。凹口深度504越大或最小突出距离505越小，检测到的光强度越大；然而，皮肤凸起处103和皮肤凹处104之间的对比度也恶化，因为来自具有气隙106的触摸皮肤区域(皮肤凹处104)的散射光203被另外捕获。

图9(i)、(j)、(k)分别示出了具有方形和圆的表面区域形状的特别优选的实施例形式，其中对比度光圈301在光敏元件303的角上具有凹口502。这些实施例形式的优点在于，分辨率在两个维度(像素光栅的x维度和y维度)上均匀地提高，因为该布置的对称轴506在像素光栅的x-y平面中精确地延伸45°。在这种类型的实施例形式中，分辨率和对比度可以显著提高。在图9(k)所示的简化配置中，凹部描述了楔形的表面区域，如已经在图8c中显示为几何完整的圆扇形。在图9(k)中，凹口502不在作用区305上方延伸，使得对比度光圈301的最小突出距离505(此处未示出)保留，并且作用区305被完全覆盖。楔形凹部然后由凹口深度504(仅在图8b-8d中示出)描述，凹口深度504大致对应于图9(k)中的对比度光圈301的半径的一半。这种类型的结构的一个优点在于简单的几何形状和皮肤捕获中的改进的对比度，而根据图8c的具有打开作用区305的覆盖物的一部分的凹口深度504的凹口502的布置允许手指101以及文件105的高对比度成像。

图9(l)示出了在作用区305上方的具有孔507的对比度光圈301。如已经描述的，对比度光圈301可以具有凹部，例如孔507或狭缝508，以便使得能够检测来自空气到覆盖层401过渡的折射光204的部分并且允许以良好的分辨率捕获文件105。对比度光圈301在作用区305上方具有局部凹部的位置是可选的。该局部凹部主要用于文件105的高分辨率、高对比度捕获，而基本上不损害用相同配置捕获的手指101的皮肤区域的对比度。当然，图9(l)中的实施例形式也可以与已经描述的对比度光圈301的实施例形式组合。

此外，如图9(m)、(n)、(o)所示，在其他配置中，可以利用对比度光圈301中的凹部，例如狭缝508或孔507，以用于使光敏元件303的作用区305的照明均匀化。

当例如通过光刻工艺生产光圈时，可能出现制造公差，使得对比度光圈301和作用区305之间的定位易于波动。为了补偿像素307之间的灵敏度的所产生的不均匀性，可取地借助于厚间隔层404在对比度光圈301和作用区305之间存在大的距离。因此，间隔层404具有0.5μm和50μm之间的优选厚度，如已经提到的，该厚度特别优选地在1μm到10μm的范围内。然而，对于厚间隔层404，必须预算较长的加工时间，这可能使得该方式昂贵。

源自制造工艺的用于补偿光圈层、对比度光圈层403和二极管光圈层405的位置误差的附加步骤在图9(m)、(n)、(o)中示出，并产生相对于光圈层中的位置偏差的改进的鲁棒性。这些布置具有凹部，如孔507或狭缝508，与图9(l)相比，该凹部不位于作用区305上方。因此，作用区305仅检测倾斜地照射通过对比度光圈301的凹部的光。通过对比度光圈301的布置来限定折射光204的第一最小角度和第二最大角度，在第一最小角度和第二最大角度之间能够在作用区305中检测到折射光204。对比度光圈301的移除区域优选地形成为使得仅检测相对于支撑表面102的垂线208具有60°和35°之间的角度并且特别优选地55°和51°之间的角度的折射光204。这使得光敏元件303的灵敏度在存在制造误差的情况下更加均匀。如已经描述的，这也可以利用对比度光圈301、作用区305和对比度光圈301的移除部分的不同几何表面区域形状来实现。

图9(m)、(n)中所示的对比度光圈301在微小程度上允许附加的入射角，从该入射角可以检测光，并且将这些附加的入射角限制到沿着图中所示的对称轴506的窄范围，使得可以对文件105实现附加的对比度增强和分辨率增加效果。

对于本领域技术人员而言，显然从上述实施例形式中可以看出，存在用于满足本发明的所述目的其它可能布置。各种布置的可选组合允许针对本文未描述的某些应用场景来优化设备。

为了在捕获皮肤印纹时实现对比度增强效果，从放置表面102的方向观察，光敏元件303的作用区305的至少60％必须由相应的关联对比度光圈301覆盖。为了在捕获皮肤印纹时显著改进对比度，该覆盖必须至少为75％，优选90％。在完全覆盖(100％)的情况下，进一步改进了捕获皮肤印纹时的对比度，同时仍然可以捕获具有足够质量的文件105。当对比度光圈301相对于作用区305具有突出距离501时，皮肤印纹的对比度被优化，但是在没有进一步措施(至少单个凹部)的情况下，文件105不再能够以足够的质量被捕获。

图10以侧视图和俯视图示意性地示出了根据本发明的完全集成到移动装置中的设备。移动装置可以是例如手机308或平板电脑，其中除了具有通常的电子电路部件(例如，WLAN、电池、RFID、USB、CPU等)的电子器件层410之外，还集成了根据本发明的设备。这样，手机308的上侧以根据本发明的设备的覆盖层401终止，并且可以以高质量(即，具有良好的对比度(＞50％)和高分辨率(≥500ppi))捕获放置在设置于该上侧的放置表面102上的对象，例如一个或更多个手指101和/或文件105。为了高质量的捕获，已经描述的对比度光圈301的相应的实施形式与光敏元件303的适当构造的作用区305组合地使用。

直接光学传感器与已经参照前面的附图描述的层序列的集成发生在移动装置的显示表面(显示器)的区域上，并且特别优选地发生在整个显示表面上。为此，用于显示用户信息和用于发射照明光201的显示器位于直接光学传感器的层序列之下。在特别优选的方式中，显示器以集成在光敏元件303之间的传感器层406中的点光源306的形式实现。在这方面，参照图2a、图2b和图5的所有标注都是适用和适合的。由于可以利用该结构变型实现的直接光学传感器的层序列的较小厚度，被选择作为任何移动装置的示例性代表的手机308也可以以大致平坦的结构来实现。

参考数字符号的列表：

101手指

102放置表面103皮肤凸起处(乳突状凸起处)

104皮肤凹处(乳突状犁沟)

105文件

106气隙(在皮肤凹处中，在文件下方)201照明光

202散射光

203沿放置表面方向散射的光204(折射)光205极限角(空气到覆盖层)

206极限角(皮肤到覆盖层)

207差分角度区域

208放置表面的垂线

301对比度光圈

302二极管光圈

303光敏元件

304通道区域

305作用区

306点光源

307像素

308手机

401覆盖层

402粘合层

403对比度光圈层

404间隔层

405二极管光圈层

406传感器层

407基板

408空气层

409照明层

410电子器件层

411(全表面区域)光谱滤光器层

412(结构化)光谱滤光器层

501突出距离

502凹口

503凹口角度

504凹口深度

505最小突出距离

506对称轴

507孔

508狭缝

Claims (19)

1.一种用于安全相关对象的直接光学捕获的设备，所述设备具有包含以下的层序列：

覆盖层（401），所述覆盖层（401）具有用于安全相关对象的放置表面（102），

光圈层，所述光圈层具有不透明区域和透明区域，用于限制由所述对象通过所述放置表面（102）折射入所述层序列中的光的入射角，

传感器层（406），所述传感器层（406）具有像素（307），所述像素（307）以二维光栅布置，并且在每种情况下具有光敏元件（303）和透明通道区域（304），其中所述光敏元件（303）仅能检测来自所述放置表面（102）的方向的光，

基板（407），所述基板（407）作为所述层序列的支撑，以及

照明层（409），所述照明层（409）用于发射照明光（201），所述照明光（201）透过所述放置表面（102）照亮所述对象，

其特征在于

所述光圈层形成为对比度光圈层（403），所述对比度光圈层（403）用于通过由所述对象的放置在所述放置表面（102）上而没有气隙（106）的部分折射的主要光，其中

作为对比度光圈层（403）的不透明区域的恰好一个对比度光圈（301）与所述传感器层（406）的每个光敏元件（303）相关联，

相关联的对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方的一定距离处，并且具有至少与所述光敏元件（303）的作用区（305）一样大的表面区域，以及

所述对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方的一定距离处，使得从所述放置表面（102）的方向看，所述光敏元件（303）的所述作用区（305）的至少60%被覆盖，

所述照明层（409）包含多个点光源（306），所述点光源（306）朝所述放置表面（102）的方向在角度区域中发射，所述角度区域以抑制在所述覆盖层（401）的所述放置表面（102）处的全内反射的方式被限制。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相关联的对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方，使得从所述放置表面（102）的方向看，所述光敏元件（303）的作用区（305）的至少75%被覆盖。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相关联的对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方，使得从所述放置表面（102）的方向看，所述光敏元件（303）的作用区（305）的至少90%被覆盖。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述相关联的对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方，使得从所述放置表面（102）的方向看，所述光敏元件（303）的所述作用区（305）被完全覆盖。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其特征在于，所述覆盖层（401）形成为用于整个层序列的透明基板（407）。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）以使得所述对比度光圈（301）在所述像素光栅的偏移90°的至少两个方向上相对于所述作用区（305）具有突出距离（501）的方式形成在所述光敏元件（303）上方。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）与所述光敏元件（303）的作用区（305）具有平行的几何表面区域，所述平行的几何表面区域具有几何相似性以及与中心投影相同的取向。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）和所述光敏元件（303）的所述作用区（305）具有形状彼此发散的平行几何表面区域。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）的所述表面区域具有相对于所述光敏元件（303）的所述作用区（305）的突出距离（501），所述突出距离（501）的大小根据所述覆盖层（401）的折射率、所述对比度光圈（301）在所述光敏元件（303）上方的距离以及所述对比度光圈（301）和所述光敏元件（303）的所述作用区（305）的形状来确定。

10.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈层（403）具有两个或更多个不同的对比度光圈（301），所述对比度光圈（301）彼此交替并且在与所述光敏元件（303）的所述作用区（305）上的所述像素光栅相对应的光栅中相对于彼此偏移，以便实现用于捕获不同的安全相关对象的不同捕获模式。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）在所述对比度光圈层（403）内偏移90°的三个方向上具有相对于所述光敏元件（303）的所述作用区（305）的相同突出距离（501），并且在偏移90°的第四方向上具有最小突出距离（505），以便实现具有增加的分辨率的捕获并且改进作为安全相关对象的文件（105）的捕获。

12.根据权利要求6至10中任一项所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）在所述对比度光圈层（403）内偏移90°的两个方向上具有相对于所述光敏元件（303）的所述作用区（305）的相同突出距离（501），并且在与偏移90°的两个方向相反的两个方向上具有最小突出距离（505），以便实现在两个维度上分辨率相等地增加的捕获，并且改进作为安全相关对象的文件（105）的捕获。

13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）距所述光敏元件（303）的距离通过具有可选层厚度的附加间隔层（404）来调节。

14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）在所述光敏元件（303）上方的距离能够在0.5μm至50μm的范围内调节。

15.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述照明层（409）被形成为大面积背光，所述大面积背光利用中间层或空气层（408）耦合到所述传感器层（406）下方的所述层序列。

16.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述照明层（409）形成为点光源（306），所述点光源（306）在所述像素（307）的所述通道区域中以偏移方式单独地布置在所述传感器层（406）内并且配备有限束光圈。

17.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈层（403）被形成为用于通过由所述对象的位于所述放置表面（102）上而没有气隙（106）的部分所折射的主要光，并且用于由所述对象的位于所述放置表面（102）上具有气隙（106）的部分所折射的光的附加成分，其中，相应的相关联的对比度光圈（301）被布置在所述光敏元件（303）上方，使得从所述放置表面（102）的方向看，所述光敏元件（303）的所述作用区（305）被完全覆盖，并且所述对比度光圈（301）在覆盖所述作用区（305）的表面区域内具有凹部（502、507、508），使得垂直照射的主要光的成分能够在所述凹部（502、507、508）的区域中被附加地接收。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）中的所述凹部是呈圆孔、细长孔、狭槽、凹口、扇形或其它形状的切口的形式的凹部（502、507、508），并且所述凹部（502、507、508）被布置在所述对比度光圈（301）的所述表面区域内部，所述表面区域覆盖所述光敏元件（303）的所述作用区（305）。

19.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述对比度光圈（301）中的所述凹部（502、507、508）是呈圆孔、细长孔、狭槽、凹口、扇形或其它形状的切口的形式的凹部（502、507、508），所述凹部（502、507、508）被布置在所述对比度光圈（301）相对于所述作用区（305）的突出距离（501）中。