CN111819575A - 生物计量成像装置和用于制造生物计量成像装置的方法 - Google Patents

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CN111819575A CN201980017331.7A CN201980017331A CN111819575A CN 111819575 A CN111819575 A CN 111819575A CN 201980017331 A CN201980017331 A CN 201980017331A CN 111819575 A CN111819575 A CN 111819575A
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Abstract

一种生物计量成像装置(100)，被配置成捕获与成像装置的外表面(104)接触的对象(102)的图像，该生物计量成像装置包括：至少部分透明的显示面板(106)，其包括由显示单元盒(108)的阵列限定的重复的透射图案，每个显示单元盒具有相同的透射图案；图像传感器(110)，其包括布置在显示面板下方的光检测器像素阵列(111)；以及准直仪层(112)，其布置在显示面板与图像传感器之间，准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构(114)以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构(116)，第二准直仪开口尺寸与第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及第一准直结构和第二准直结构关于显示单元盒的相对位置基于显示单元盒的透射图案。

Description

生物计量成像装置和用于制造生物计量成像装置的方法
技术领域
本发明涉及集成在显示面板中的生物计量成像装置以及用于制造这样的生物计量成像装置的方法。具体地，本发明涉及光学指纹传感器形式的包括准直结构的生物计量成像装置。
背景技术
生物计量系统被广泛用作用于增加例如移动电话等的个人电子装置的便利性和安全性的设备。特别地，如今在所有新发布的例如移动电话的消费电子装置的大部分中包括指纹感测系统。
可以使用光学指纹传感器来执行生物计量成像，光学指纹传感器已知了一段时间，并且其可以是例如某些应用中的电容式指纹传感器可行的替选。光学指纹传感器可以例如基于针孔成像原理和/或可以采用微通道，即，将入射光聚焦至图像传感器上的准直仪或微透镜。
光学指纹传感器可以例如适合于集成在便携式电子装置例如智能电话或平板电脑的显示面板中。然而，当前已知的显示面板通常不是完全透明的，因为在显示器中存在不能容易地制成完全透明的电路系统和部件。此外，显示面板的透光特性可以在显示区域上变化，并且对于不同的显示类型和对于不同的显示面板制造商的显示器，透明度也可以不同。
因此，存在对适合于与显示面板集成的生物计量成像装置的需要。优选的是，还可以修改成像装置的设计，使得其可以与具有不同特性的显示面板一起使用。
发明内容
鉴于以上提到的内容和现有技术的其他缺陷，本发明的目的是提供一种改进的生物计量成像装置，该生物计量成像装置包括适用于电子装置的显示面板。
根据本发明的第一方面，提供了一种生物计量成像装置，其被配置成捕获与成像装置的外表面接触的对象的图像。生物计量成像装置包括至少部分透明的显示面板，其具有由显示单元盒的阵列限定的重复的透射图案，每个显示单元盒具有相同的透射图案；图像传感器，其包括布置在显示面板下方的光检测器像素阵列；以及准直仪层，其布置在显示面板与图像传感器之间，准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构，第二准直仪开口尺寸与第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及第一准直结构和第二准直结构关于显示单元盒的相对位置基于显示单元盒的透射图案。
显示面板是至少部分透明的设备，其中显示面板的至少一部分透射足够量的光用于图像传感器以形成与显示面板的外表面接触的对象的图像。因此，由显示面板的发光元件发出的光将通过显示面板的盖层发出并且被与外表面接触的对象例如手指反射。反射光将转而通过显示面板、通过其中光被准直并且到达图像传感器的准直结构传播，以形成对象的图像。还假设捕获的图像具有足够高的分辨率，以在指纹的脊与谷之间进行区分。此后，捕获的指纹图像可以用于生物计量识别和验证。
显示面板可以是多个已知类型的显示面板例如LED、OLED、μLED、电致变色显示器和其他相似的技术中的任何一种，只要显示面板足够透明以允许通过显示面板成像即可。
显示面板包括像素阵列，其中，每个像素能够被控制发光，使得可以在显示器中形成图像。由此，在像素阵列中的所有像素具有相同的特性的应用中，每个像素具有相同的光透射特性。因此，显示单元盒可以对应于显示器的像素。此外，单个显示单元盒即显示像素的透射图案取决于使用的显示技术并且取决于用于形成显示器的特定架构和配置。
因此，本发明基于以下认识：有利的是基于单元盒的透射图案形成准直结构，以使到达准直仪开口并且随后到达图像传感器的被对象反射的光的量最大化。对于较大的准直仪尺寸，更多的光到达图像传感器，这使得可以在具有较低透射率的显示器下捕获图像。然而，分辨率与准直仪尺寸成反比例，意味着较大的准直仪导致较低的分辨率。从而，通过使基于显示面板的透射图案的准直仪特性适应，可以优化生物计量成像装置的分辨率与光敏度之间的折衷。
根据本发明的一个实施方式，准直仪层针对每个显示单元盒可以包括第一准直结构中的至少一个和第二准直结构中的至少一个，意味着第一准直结构和第二准直结构的每一个中的至少一个直接地位于显示单元盒以下。从而，例如可以选择使用准直结构中的哪一个用于特定的图像捕获事件，同时使可实现的分辨率的最大化。如果需要较高的分辨率，以及如果透射的光的强度足够，则可以使用较小的准直仪结构进行图像捕获，并且如果分辨率的需求被放宽以及/或者如果光透射较低，则可以使用较大的准直仪结构。
根据本发明的一个实施方式，每个显示单元盒可以包括具有第一透明度的第一部分和具有第二透明度的第二部分，第一透明度低于第二透明度，并且其中，大于第二准直结构的第一准直结构与显示单元盒的第一部分对准，并且第二准直结构与显示单元盒的第二部分对准。从而，可以实现来自显示单元盒中的不同准直仪的更均匀的信号分布。这进而改进了手指特征提取，因为图像上的信号均匀性得以改进。
根据本发明的一个实施方式，显示单元盒可以具有一致的透明度。所描述的发明也可以有利地用于包括单元盒的显示器，其中，单元盒的区域上的透明度基本上相同。如以上所描述的，通过针对每个显示单元盒使用不同尺寸的准直结构，能够实现不同的图像分辨率，并且对准直结构的选择即图像分辨率可以因此适于在特定的成像条件集合下实现到达准直层的光的量的最佳可能的分辨率。
根据本发明的一个实施方式，每个第一准直结构与显示单元盒的第一子集的相应的显示单元盒对准，并且每个第二准直结构与显示单元盒的第二子集的相应的显示单元盒对准，显示单元盒的第二子集与显示单元盒的第一子集不交叠。从而，在所描述的实施方式中，对于每个显示单元盒只存在一个准直结构。这意味着，在此也可以在分辨率与光敏度之间实现以上描述的折衷。显示单元盒的第一子集和第二子集可以是交替的以形成交错的单元盒阵列。
根据本发明的一个实施方式，生物计量成像装置还可以包括布置在准直仪层与图像传感器之间、或者准直仪层与显示面板之间的针孔层。附加的针孔层可以针对特定应用降低准直仪结构的高度的要求，从而降低制造成本。
根据本发明的一个实施方式，第一准直结构和第二准直结构中的至少一个是圆形准直结构或矩形准直结构，参照准直层的平面中的准直结构截面。原则上，准直结构可以具有矩形与圆形形状之间的任何的多边形截面。在一些应用中，具有圆形截面的准直结构对于容易制造可能是有利的。圆形准直仪也在所有方向上具有相同的响应，这可能是有益的。然而，使用矩形准直仪可以实现对图像传感器像素和传感器区域更有效地使用。因此，存在与圆形准直仪和矩形准直仪两者相关联的优点。
根据本发明的一个实施方式，第一准直结构和第二准直结构中的每一个的高度与宽度之间的纵横比可以有利地在5：1至20：1的范围内。较低的纵横比意味着较大的接收角，并且从对象的较大的区域中收集光，因此，由于低通滤波导致较低的分辨率。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造生物计量成像装置的方法，该生物计量成像装置被配置成捕获与成像装置的外表面接触的对象的图像。该方法包括：提供至少部分透明的显示面板，该显示面板具有由单元盒的阵列限定的重复的透射图案，每个单元盒具有相同的透射图案；提供包括光检测器像素阵列的图像传感器；以及提供布置在显示面板与图像传感器之间的准直仪层，准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构，第二准直仪开口尺寸与第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及第一准直结构和第二准直结构关于显示单元盒的相对位置基于显示单元盒的透射图案。
根据本发明的一个实施方式，提供准直仪层可以包括：将准直仪基板附接至图像传感器；在基板中形成多个第一准直结构和多个第二准直结构；以及将显示面板附接至准直仪基板。从而，准直结构可以在与形成生物计量成像装置相同的制造过程中形成。例如，准直基板可以是附接至包括多个图像传感器的晶片的晶片，从而使得能够进行大规模的制造过程。
根据本发明的一个实施方式，在基板中形成多个第一准直结构和多个第二准直结构可以包括在准直仪基板中形成开口。因此，准直结构可以是填充有空气的，以提供准直结构与周围材料之间期望的折射率的差。然而，原则上准直结构可以使用任何透明材料填充。
根据本发明的一个实施方式，可以有利地通过光刻和蚀刻形成多个第一准直结构和多个第二准直结构。从而，通过使用容易与标准的半导体制造方法兼容的工艺，使得能够形成晶片级别的准直结构。
根据本发明的一个实施方式，准直仪基板可以是硅基板，这进一步有助于与常规的晶片规模制造方法的集成。
根据本发明的一个实施方式，提供布置在显示面板与图像传感器之间的准直仪层可以有利地包括：在基板中提供包括多个第一准直结构和多个第二准直结构的准直仪装置；将准直仪层附接至图像传感器；以及将显示面板附接至准直仪基板。因此，可以分开地制造准直层，这在一些应用中可能是期望的。
本发明第二方面的另外的效果和特征大体上类似于结合本发明的第一方面以上描述的那些。
在研究所附权利要求和以下描述时，本发明的另外的特征和优点将变得明显。技术人员认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以组合本发明的不同特征以创建除了以下描述的实施方式之外的实施方式。
附图说明
现在将参照示出本发明的示例实施方式的附图来更详细地描述本发明的这些和其他方面，其中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置；
图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置的一部分；
图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置的一部分；
图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置的成像原理；
图5A至图5B示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置的多个部分；
图6A至图6B示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像装置；
图7是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图；
图8是概述根据本发明的实施方式的方法的一般步骤的流程图；以及
图9示意性地示出了根据本发明的实施方式的方法的步骤。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参照适于指纹感测的光学生物计量成像装置来描述根据本发明的系统和方法的各种实施方式。然而，也可以使用所描述的装置来检测其他对象例如掌纹。
图1是光学生物计量成像装置100的示意性截面，光学生物计量成像装置100被配置成捕获与成像装置的外表面104接触的对象102的图像。对象在此是手指，并且生物计量成像装置被配置成捕获放置在外表面104上的手指102的指纹。生物计量成像装置包括至少部分透明的显示面板106，至少部分透明的显示面板106包括由显示单元盒108的阵列限定的重复的透射图案，每个显示单元盒具有相同的透射图案。生物计量成像装置还包括图像传感器110，图像传感器110包括布置在显示面板106下面的光检测器像素阵列111以及布置在显示面板106与图像传感器110之间的准直仪层112，准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构114以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构116，第二准直仪开口尺寸与第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及第一准直结构114和第二准直结构116关于显示单元盒108的相对位置基于显示单元盒108的透射图案。
显示面板106包括盖玻璃118和有源层120，其中，有源层120可以包括布置在透明基板上的控制电路系统和发光元件。显示单元盒108的部分122包括控制电路系统和发光元件，其不完全透明并且因此被示出为阻止由手指108反射的光到达准直仪层112和图像传感器110。然而，对于许多类型的显示面板，取决于用于形成有源层的导电层的厚度和材料选择，显示单元盒108的包括控制电路系统和发光元件的部分122仍可以透射一定量的光。
如图1中所示，准直仪层112包括每个显示单元盒108两个较小的准直结构114和一个较大的准直结构116，即，与显示单元盒108对准并且直接地位于单元盒108以下。较大的准直结构116与单元盒的包括较高量的具有减小的透明度或没有透明度的区域部分的部分对准，然而较小的准直结构114位于具有较高透明度的区域部分中。从而，可以选择要使用哪些准直结构，即，对于生物计量成像装置100的特定的操作条件可以选择要使用像素阵列111中的哪些像素。
图2示意性地示出了生物计量成像装置的部分的顶视图，其中，示出了用于显示面板的可重复的透射图案，其中，每个显示单元盒108具有相同的透射图案。不需要整个显示面板具有相同的重复的透射图案，如果显示面板的仅一部分包括可重复的透射图案，则所描述的发明也适用。此外，准直层112可以仅覆盖显示面板106的区域的一部分。
此外，图1示意性地示出了准直仪工作原理，将进一步参照示出了一个准直仪结构116的图3来详细描述准直仪工作原理。基本原理是，每个准直仪结构114、116对在显示器106的顶部即对象平面处的光分布进行采样，并且在例如CMOS图像传感器(CIS)110上检测每个采样点处的光。准直仪结构114、116的高度和宽度限制了每个采样点的视场，从而减少了来自有限视场的低通滤波。那些实体也将影响到达CIS的光的量，并且因此影响信号电平。
图3详细地示出了具有高度h和直径d的一个准直仪结构116的几何形状，准直仪结构116被定位在显示面板106与图像传感器110之间。显示面板具有l1+l2的总厚度，其中，l1是盖玻璃118的厚度，并且l2是有源层下方的基板的厚度。图3的外线302a、302b指示在图像传感器110上的准直仪区域上的每个点处检测到的光锥。
因此，每个准直仪看到对象的有限部分A，其中，有限部分A的尺寸由准直仪的几何形状给出。在该距离上，每个准直仪收集所有光，不过使用径向减小函数进行加权。径向衰减是由于每个准直仪对向的减小的立体角导致的。因此，在该视场上的任何信号变化将被高度地抑制，并且准直仪将用作低通滤波器。图4示意性地示出了准直仪的直径沿箭头402的方向增加的径向加权函数。
图5A至图5B示意性地示出了生物计量成像装置100的实施方式，其中，显示单元盒108具有均匀的透明度。在图5A中，准直层112包括用于每个单元盒108的一个准直结构，具有交替的较小的准直结构114和较大的准直结构116，并且在图5B中，每个单元盒108包括较小的准直结构114和较大的准直结构116两者。技术人员容易认识到，准直结构的相对尺寸和分布可以以许多不同的方式变化，以适于在不同的应用中使用以及与具有不同特性的显示面板一起使用。对于通常可用的显示面板，单元盒的尺寸可以在10μm至100μm的范围内，并且准直仪的尺寸可以在相同的范围内，即，在10μm与100μm之间，其中，准直结构的尺寸是指矩形准直结构的侧面以及圆形准直结构的直径。此外，第一准直结构和第二准直结构中的每一个的高度与宽度之间的纵横比在5：1至20：1的范围内，意味着准直结构的高度可以在50μm至2000μm的范围内。
图6A至图6B示意性地示出了与图1中所示的装置相似的生物计量成像装置，具有以下差异：图6的装置包括针孔层602，针孔602如图6A中所示的布置在准直仪层112与显示器106之间，或者如图6B中所示的布置在准直仪层112与图像传感器110之间。如在图6中可以看到的，在针孔层602与准直仪层112之间存在偏移。此外，针孔层602中的开口可以具有与准直仪开口大致相同的尺寸。针孔层602和准直仪层112的组合可以被看作实际上是比单独的准直仪的纵横比具有更大纵横比的较长的准直仪。
图7和图8是概述根据本发明的实施方式的方法的各个步骤的流程图。图9A至图9C示意性地示出了根据图7和图8的流程图的方法的各个步骤。
图7是概述根据本发明的实施方式的制造生物计量成像装置的方法的一般步骤的流程图，包括：提供700显示面板106、提供702包括光检测器像素阵列111的图像传感器110、以及提供704布置在显示面板106与图像传感器110之间的准直仪层112。
图8是概述根据本发明的实施方式的制造生物计量成像装置的方法的一般步骤的流程图。方法包括将准直仪基板附接800至图像传感器110、在基板中形成802多个第一准直结构114和多个第二准直结构116，以形成准直层112，图9B中示出了最终结构。最后的步骤包括将显示面板106附接804至形成准直层112的准直仪基板上。
准直仪基板可以有利地是硅管芯或晶片，其中，准直结构114、116形成为基板的透明部分。在将可以通过粘结完成的准直仪基板附接之后，可以任选地将准直仪基板向下变薄以达到期望的厚度，其中，准直仪基板的厚度决定了最终准直结构的高度。在最后的步骤中，将显示面板106附接至准直仪基板，以形成生物计量成像装置100，如图9C中所示。
即使已经参考本发明的特定例示实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员而言许多不同的变更、修改等将变得明显。此外，应当注意，可以以各种方式省略、互换或布置成像装置的各部分，成像装置仍然能够执行本发明的功能。
另外地，通过技术人员根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究来实践所要求保护的发明，可以理解和实现公开的实施方式的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。仅在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (16)

1.一种生物计量成像装置(100)，被配置成捕获与所述成像装置的外表面(104)接触的对象(102)的图像，所述生物计量成像装置包括：
至少部分透明的显示面板(106)，其包括由显示单元盒(108)的阵列限定的重复的透射图案，每个显示单元盒具有相同的透射图案；
图像传感器(110)，其包括布置在所述显示面板下方的光检测器像素阵列(111)；以及
准直仪层(112)，其布置在所述显示面板与所述图像传感器之间，所述准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构(114)以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构(116)，所述第二准直仪开口尺寸与所述第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及所述第一准直结构和所述第二准直结构关于所述显示单元盒的相对位置基于所述显示单元盒的所述透射图案。
2.根据权利要求1所述的生物计量成像装置，其中，所述准直仪层针对每个显示单元盒包括所述第一准直结构中的至少一个和所述第二准直结构中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的生物计量成像装置，其中，每个显示单元盒包括具有第一透明度的第一部分和具有第二透明度的第二部分，所述第一透明度低于所述第二透明度，并且其中，大于第二准直结构的第一准直结构与所述显示单元盒的所述第一部分对准，并且所述第二准直结构与所述显示单元盒的所述第二部分对准。
4.根据权利要求1或2所述的生物计量成像装置，其中，所述显示单元盒具有一致的透明度。
5.根据权利要求1所述的生物计量成像装置，其中，每个第一准直结构与显示单元盒的第一子集的相应的显示单元盒对准，并且每个第二准直结构与显示单元盒的第二子集的相应的显示单元盒对准，所述显示单元盒的第二子集与所述显示单元盒的第一子集不交叠。
6.根据前述权利要求中任一项所述的生物计量成像装置，还包括布置在所述准直仪层与所述图像传感器之间的针孔层(602)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的生物计量成像装置，还包括布置在所述准直仪层与所述显示面板之间的针孔层(602)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的生物计量成像装置，其中，所述第一准直结构和所述第二准直结构中的至少一个是圆形准直结构。
9.根据前述权利要求中任一项所述的生物计量成像装置，其中，所述第一准直结构和所述第二准直结构中的至少一个是矩形准直结构。
10.根据前述权利要求中任一项所述的生物计量成像装置，其中，所述第一准直结构和所述第二准直结构中的每一个的高度与宽度之间的纵横比在5：1至20：1的范围内。
11.一种用于制造生物计量成像装置(100)的方法，所述生物计量成像装置(100)被配置成捕获与所述成像装置的外表面(104)接触的对象(102)的图像，所述方法包括：
提供(700)至少部分透明的显示面板(106)，所述显示面板(106)具有由单元盒(108)的阵列限定的重复的透射图案，每个单元盒具有相同的透射图案；
提供(702)包括光检测器像素阵列(111)的图像传感器(110)；以及
提供(704)布置在所述显示面板与所述图像传感器之间的准直仪层(112)，所述准直仪层包括具有第一准直仪开口尺寸的多个第一准直结构(114)以及具有第二准直仪开口尺寸的多个第二准直结构(116)，所述第二准直仪开口尺寸与所述第一准直仪开口尺寸不同，其中，各个准直仪开口尺寸以及所述第一准直结构和所述第二准直结构关于所述显示单元盒的相对位置基于所述显示单元盒的所述透射图案。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，提供所述准直仪层包括：
将准直仪基板附接(800)至所述图像传感器；
在所述基板中形成(802)所述多个第一准直结构和所述多个第二准直结构；以及
将所述显示面板附接(804)至所述准直仪基板。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述基板中形成所述多个第一准直结构和所述多个第二准直结构包括在所述准直仪基板中形成开口。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，通过光刻和蚀刻形成所述多个第一准直结构和所述多个第二准直结构。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述准直仪基板是硅基板。
16.根据权利要求11所述的方法，其中，提供布置在所述显示面板与所述图像传感器之间的所述准直仪层包括：
在所述基板中提供包括所述多个第一准直结构和所述多个第二准直结构的准直仪层；
将所述准直仪层附接至所述图像传感器；以及
将所述显示面板附接至所述准直仪基板。
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