CN112639705B - 光学指纹传感器模块和操作光学指纹传感器模块的方法 - Google Patents

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Abstract

存在一种光学生物计量成像设备(102)，其被配置成捕获与生物计量成像设备(102)的外表面(106)接触的对象(104)的图像，该生物计量成像设备(102)包括：图像传感器(200)，其包括光电检测器像素阵列(202)和图像传感器电路系统，该图像传感器电路系统被配置成捕获与成像设备(102)的外表面接触的对象(104)的图像；图像传感器(200)，其包括第一导电结构(206)，该第一导电结构(206)被布置成与光电检测器像素阵列(202)的有源感测区域(208)邻近；显示面板(210)，其布置在图像传感器(200)的顶部上并且布置在距图像传感器(200)一定距离处，该显示面板(210)包括在显示面板(210)的底侧(214)上的第二导电结构(212)，并且该第二导电结构(212)被布置成面向图像传感器(200)的第一导电结构(206)；以及电容性读出电路系统，其被布置和配置成检测第一导电结构(206)与第二导电结构(212)之间的电容。

Description

光学指纹传感器模块和操作光学指纹传感器模块的方法
技术领域
本发明涉及光学指纹传感器和用于操作光学指纹传感器的方法。特别地，本发明涉及光学指纹传感器与显示面板的集成。
背景技术
生物计量系统被广泛用作用于增加诸如移动电话等的个人电子设备的便利性和安全性的手段。特别地，现在在所有新发布的诸如移动电话的消费电子设备的大部分设备中包括指纹感测系统。
光学指纹传感器已经已知了一段时间，并且可以是例如某些应用中的电容式指纹传感器的可行替选。光学指纹传感器可以例如基于针孔成像原理并且/或者可以采用微通道即准直器或微透镜来将入射光聚焦至图像传感器上。
还期望将指纹传感器集成在诸如智能电话的用户设备的显示面板中，以在显示区域的较大部分上实现“显示中”的指纹感测。特别地，光学指纹传感器已经示出用于显示集成的前景，其中光学指纹传感器可以附接至至少部分透明的显示面板的底侧。
然而，光学指纹传感器与显示面板的集成需要传感器到显示器的背侧的准确层压，这在现有的制造过程中可能难以集成。
因此，需要适合于与显示面板集成的改进的光学指纹传感器模块。
发明内容
鉴于现有技术的以上提到的缺点和其他缺点，本发明的目的是提供与显示面板集成的改进的光学生物计量成像设备。所描述的生物计量成像设备主要用于指纹识别，但是也可以用于捕获其他生物计量特征例如掌纹等。
根据本发明的第一方面，提供了一种光学生物计量成像设备，其被配置成捕获与生物计量成像设备的外表面接触的对象的图像。该生物计量成像设备包括：图像传感器，其包括光电检测器像素阵列和图像传感器电路系统，该图像传感器电路系统被配置成捕获与成像设备的外表面接触的对象的图像；图像传感包括第一导电结构，该第一导电结构被布置成与光电检测器像素阵列的有源感测区域邻近；显示面板，其布置在图像传感器的顶部上并且布置在距图像传感器一定距离处，该显示面板包括在显示器的底侧上的第二导电结构，该第二导电结构被布置成面向图像传感器的第一导电结构；以及电容性读出电路系统，其被布置和配置成检测第一导电结构与第二导电结构之间的电容。
在本上下文中，生物计量成像设备的外表面可以被假定为图像传感器布置在其下方的显示面板的表面。图像传感器被配置成以足够的分辨率捕获与外表面接触的对象例如手指的图像，以捕获要用于识别认证的指纹等。
显示面板布置在图像传感器的顶部上并且布置在距图像传感器一定距离处，这意味着显示面板与图像传感器之间不存在直接接触，并且此外，该距离被选择使得显示面板被允许在不接触图像传感器的任何部分的情况下弯曲一定量。例如，由于用户在其中可以集成显示面板的设备例如智能电话的正常使用期间向下按压显示面板，因此显示面板可能弯曲。特别地，第一导电结构与第二导电结构分开，使得这两个结构形成在它们之间布置有绝缘体的平行板电容器的板。此处，绝缘体由第一电绝缘结构与第二电绝缘结构之间的空气间隙提供，从而允许所述结构之间的距离随着显示面板的弯曲而改变。
电容性读出电路系统耦合至第一导电结构和第二导电结构，以便确定它们之间的电容。电容性读出电路系统可以例如与图像传感器电路系统集成。然而，电容性读出电路系统也可以被提供为布置在图像传感器附近的单独电路系统。
本发明基于以下认识：有利的是将生物计量成像设备的图像传感器与显示面板分开布置，以简化其中布置有生物计量成像设备的设备的制造。然而，当图像传感器与显示面板的底表面物理地分开时，与显示面板的外表面接触的手指与图像传感器之间的距离可以根据施加至该表面的力的大小而改变。因此，通过在显示面板的底表面与图像传感器之间形成电容器，可以准确地确定手指与图像传感器之间的距离，这进而允许图像传感器被调整至用于特定图像获取的距离。
确定如所描述的电容的另一优点是，表面上的意外光触摸可以与有意接触区分开。例如，如果生物计量成像设备处于睡眠模式并且其中使用表面触摸来唤醒设备，则这可以是有利的，其中可以确保生物计量成像设备和/或显示面板仅在外表面与足够的力接触的情况下唤醒。
根据本发明的一个实施方式，光学生物计量成像设备还可以包括框架，其中，显示面板的盖玻璃被布置成搁置在框架上，并且图像传感器布置在框架内。框架例如可以是环绕图像传感器所处的内部体积的矩形框架。然而，框架还可以包括若干个单独的部分。盖玻璃因此将具有比显示面板的有源部分大的表面面积，使得显示面板表现出T形横截面，使得盖玻璃可以被布置成与框架机械地接触。
根据本发明的一个实施方式，光学生物计量成像设备还可以包括载体，其中，光电检测器像素阵列布置在载体上，并且第一导电结构与光电检测器像素阵列邻近地布置在载体上。由此，存在不直接取决于光电检测器像素阵列的配置来确定导电结构所处的位置的自由度。
根据本发明的一个实施方式，光学生物计量成像设备还可以包括与第一导电结构邻近地布置在载体上的间隔件。间隔件可以用于防止在显示面板上的过大的力的情况下显示面板的底表面与图像传感器接触。间隔件还可以被配置成防止第一导电结构与第二导电结构接触，这可能潜在地导致对导电结构和电容性读出电路系统的损坏。
根据本发明的一个实施方式，光学生物计量成像设备还可以包括布置在载体与第一导电结构之间的间隔件。由此，可以通过控制间隔件的高度来容易地控制第一导电结构与第二导电结构之间的距离。
根据本发明的一个实施方式，光学生物计量成像设备可以包括多个所述第一导电结构。由此可以在多个位置处确定图像传感器与显示面板之间的距离。
根据本发明的一个实施方式，显示面板可以包括多个所述第二导电结构。例如，对于图像传感器上的每个相应的导电结构，在显示面板上可以存在一个导电结构。然而，也可以在一个表面上具有一个大结构并且在相对的表面上具有多个较小的结构。由此，由于可以在多个位置处确定显示面板与图像传感器之间的距离，因此可以更详细地确定显示面板的变形。显示面板的变形可以被假定为取决于施加力的一个位置或多个位置并且还取决于所施加的力的大小。由此，例如可以确定一个或更多个对象是否与表面接触，并且还可以估计与表面接触的对象的尺寸。
根据本发明的一个实施方式，框架可以包括底板部，从而形成U形支架。框架由此可以被看作为具有五个侧面的盒，并且其中显示面板被布置为在盒的顶侧上的盖。由此，包括图像传感器和显示面板的光学生物计量成像设备可以被形成为准备集成在消费设备中的单个模块。此外，密封件可以布置在框架与显示面板之间例如在框架与显示面板的盖玻片之间，以便保护图像传感器和显示面板的有源层两者。
根据本发明的一个实施方式，图像传感器布置在支架的底板部上，这简化了配置，因为图像传感器可以借助于粘合剂附接至框架的底板上。
根据本发明的一个实施方式，底板部可以包括凹部，并且图像传感器可以布置在底板部的凹部中。由此，可能更容易相对于框架正确地对准图像传感器。
根据本发明的一个实施方式，底板部可以包括通孔，并且图像传感器布置在底板部的通孔中。由此，可以使包括框架的生物计量成像设备的整体高度最小化。
根据本发明的一个实施方式，底板部可以包括通孔，并且图像传感器可以布置在底板部的通孔下方。由此，生物计量成像设备还可以用于其中显示器与框架的底板之间的空间没有大到足以容纳图像传感器的应用中。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于检测光学生物计量成像设备的表面上的力的方法，该光学生物计量成像设备被配置成捕获与生物计量成像设备的外表面接触的对象的图像，该生物计量成像设备包括：图像传感器，其包括光电检测器像素阵列和图像传感器电路系统，该图像传感器电路系统被配置成捕获与成像设备的外表面接触的对象的图像；图像传感器包括第一导电结构，该第一导电结构布置在图像传感器的顶表面上并且与光电检测器像素阵列的有源感测区域邻近；显示面板，其布置在图像传感器的顶部上并且布置在距图像传感器一定距离处；显示面板包括在显示器的底侧上的第二导电结构，该第二导电结构被布置成面向图像传感器的第一导电结构；以及电容性读出电路系统，其被布置和配置成检测第一导电结构与第二导电结构之间的电容；该方法包括检测第一导电结构与第二导电结构之间的电容的变化。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括基于电容与第一导电结构与第二导电结构之间的距离之间的已知关系来确定成像设备的外表面上的力。
根据本发明的一个实施方式，该方法还可以包括基于电容与第一导电结构与第二导电结构之间的距离之间的已知关系来确定生物计量成像设备的缩小因子。
本发明第二方面的效果和特征在很大程度上类似于以上结合本发明第一方面所描述的那些效果和特征。
当研究所附权利要求和以下描述时，本发明的其他特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，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那些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方面和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的包括生物计量成像设备的手持设备；
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设备；
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设备；
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设备；
图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像设备；
图6示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像设备；
图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像设备；
图8示意性地示出了用于操作根据本发明的实施方式的生物计量成像设备的方法的特征；以及
图9示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像设备。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参照集成在诸如智能电话的手持设备的显示面板中的光学指纹感测设备来描述根据本发明的光学生物计量成像设备和用于使用这样的设备的方法的各种实施方式。然而，应当注意，所描述的成像设备可以同样被提供为独立设备，以被集成在其中期望生物计量成像的不同应用中。
图1示意性地示出了包括集成在智能电话100的显示面板中的光学生物计量成像设备102的智能电话100。光学生物计量成像设备102被配置成捕获与生物计量成像设备102的外表面106接触的对象103的图像。与外表面106接触的对象104在此处被示为与显示面板的表面106接触的手指104。除了指纹之外，所描述的设备102还可以用于捕获掌纹。
图2示意性地示出了包括图像传感器200的生物计量成像设备，该图像传感器200又包括光电检测器像素阵列202和图像传感器电路系统(未示出)，该图像传感器电路系统被配置成捕获与成像设备102的外表面106接触的对象104的图像。图像传感器电路系统可以是集成在图像传感器200中的电路系统、外部电路系统或其组合。用于控制图像传感器200的外部电路系统可以例如包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。
图像传感器200还包括第一导电结构206，该第一导电结构206被布置成与光电检测器像素阵列202的有源感测区域208邻近。在本描述中，光电检测器像素阵列202布置在载体204上，并且导电结构206与光检测器像素阵列202邻近地布置在载体204上。原则上还可以将导电结构206放置在光检测器像素阵列202上，但要注意的是，导电结构206将阻挡光直接到达结构206下方的像素。
光学生物计量成像设备102还包括显示面板210，该显示面板210布置在图像传感器200的顶部上并且布置在距图像传感器200一定距离处，显示面板包括在显示面板的底侧214上的第二导电结构212。底侧214被限定为显示面板210的面向图像传感器200的一侧。第二导电结构212被布置成面向图像传感器206的第一导电结构，使得可以检测第一导电结构206与第二导电结构212之间的电容耦合。
在本描述书中，照射手指104的光源自布置在图像传感器200上方的显示面板210。由显示面板210的发光元件发射的光被手指104反射并且重定向成朝向图像传感器200，以便图像传感器200以足够的分辨率捕获手指104的图像以解析手指104的指纹。
如图2所示，光学生物计量成像设备还可以包括框架216，其中显示面板210的盖玻片218被布置成搁置在框架216上，并且图像传感器200布置在框架216内。框架216的主要功能是承载显示面板210，并且框架的许多不同配置是可能的。框架216可以例如是连续的、半连续的或者包括单独的支承结构。应当注意，图像传感器200与显示面板210之间的正确距离还可以在没有框架216的情况下以许多不同方式来实现，例如通过将显示面板210和图像传感器200适当地附接至其中布置有生物计量成像设备102的设备100来实现。还应当注意，附图未按比例绘制，并且附图的目的是传达本发明的各种实施方式的主要特征。
图2所示的框架216还包括底板部220。由此，框架216的横截面形成U形支架。所示出的框架216因此可以被看作为没有盖的盒，其中图像传感器200布置在框架216的底板220上。
光学生物计量成像设备102还包括电容性读出电路系统(未示出)，该电容性读出电路系统被布置和配置成检测第一导电结构206与第二导电结构212之间的电容。检测到的电容与第一导电结构206与第二导电结构212之间的距离成比例，并且因此可以通过监测电容来检测显示面板210的底表面214的垂直移动。电容性读出电路系统可以是集成在图像传感器200中的电路系统、外部电路系统或其组合。用于控制电容性读出的外部电路系统可以例如包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或另一可编程设备。
第一导电结构206和第二导电结构212彼此面向以形成具有空气间隙作为电介质层的平行板电容器。第一导电结构206和第二导电结构212可以例如通过沉积相应的金属层来形成。此外，不需要两个导电结构206、212具有相同的尺寸。还可以分别在显示面板210上和图像传感器上提供多个导电结构206、212以形成多个电容器，以便在多个位置处检测显示面板210相对于图像传感器200的垂直移动。
图3示出了光学生物计量成像设备102的示例实施方式，该光学生物计量成像设备102还包括与第一导电结构206邻近地布置在载体204上的间隔件300。间隔件300可以具有大于图像传感器200的厚度的高度，以便用作针对图像传感器200的机械保护，从而防止显示面板210与光电检测器像素阵列202接触。
图4示出了光学生物计量成像设备的示例实施方式，其中在载体204与第一导电结构206之间布置有间隔件300。换言之，第一导电结构206布置在间隔件300的顶部上。
图5示出了光学生物计量成像设备102的示例实施方式，其中框架216的底板部220包括凹部500，并且其中，图像传感器200布置在底板部220的凹部500中。
图6示出了光学生物计量成像设备102的示例实施方式，其中底板部220包括通孔600，并且其中，图像传感器200布置在底板部220的通孔600中。框架216和图像传感器200因此可以布置在另一结构元件上，该另一结构元件例如可以是其中布置有光学生物计量成像设备102的设备的一部分。
图7示出了光学生物计量成像设备102的示例实施方式，其中底板部220包括通孔600，并且其中，图像传感器200布置在底板部220的通孔600下方。此处，间隔件300可以用于将图像传感器200附接至框架216的底侧。间隔件300例如可以借助于粘合剂附接至框架216。
图8示意性地示出了当手指104向下按压在设备的外表面106例如显示面板210的盖玻璃218上时的光学生物计量成像设备102。诸如AMOLED面板的显示面板具有一定的柔性，并且当手指104以足够的力按压在面板上时，柔性显示面板210将响应于所施加的力并与所施加的力成比例地变形并向下弯折。
第一导电结构206与第二导电结构212之间的减小的距离引起电容C的相应增加，电容C与所施加的力F成比例。由于缩小因子(Demag)与对象与图像传感器之间的距离成比例，因此Demag与力F成反比。所述关系可以描述如下：
图9示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物计量成像设备，其中示出了设备的光学特性。参照图9，Ho示出了对象距离，Hi为图像距离，Ao为对象区域，并且Ai为图像区域。缩小因子通过Ho与Hi的比率来计算。Hi固定在成像设备102内，而距离Ho取决于施加至盖板玻璃218顶部的力经历改变。还可以假定d在Ho改变时改变，因此Demag取决于可以基于d的变化确定的改变后的Ho。此外，可以假定对于给定的设备已知d的变化与Ho的变化之间的关系，使得可以基于第一导电结构206与第二导电结构212之间的电容变化来导出Ho的变化。图9还示出了第二导电结构212比第一导电结构206大。
即使已经参照本发明的具体示例性实施方式描述了本发明，但是许多不同的变更、修改等对于本领域技术人员而言将变得明显。此外，应当注意，可以以各种方式省略、互换或布置设备的各部分，该设备仍然能够执行本发明的功能。
另外地，根据对附图、公开内容和所附权利要求的研究，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时可以理解和实现所公开的实施方式的变型。在权利要求书中，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。在互不相同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (15)

1.一种光学生物计量成像设备(102)，其被配置成捕获与所述生物计量成像设备的外表面(106)接触的对象(104)的图像，所述生物计量成像设备包括：
图像传感器(200)，其包括光电检测器像素阵列(202)和图像传感器电路系统，所述图像传感器电路系统被配置成捕获与所述成像设备的所述外表面接触的所述对象的图像；
所述图像传感器包括第一导电结构(206)，所述第一导电结构(206)被布置成与所述光电检测器像素阵列的有源感测区域(208)邻近；
显示面板(210)，其布置在所述图像传感器的顶部上并且布置在距所述图像传感器一定距离处，所述显示面板包括在所述显示面板的底侧(214)上的第二导电结构(212)，并且所述第二导电结构(212)被布置成面向所述图像传感器的所述第一导电结构；以及
电容性读出电路系统，其被布置和配置成检测所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的电容。
2.根据权利要求1所述的光学生物计量成像设备，还包括框架(216)，其中，所述显示面板的盖玻璃(218)被布置成搁置在所述框架上，并且所述图像传感器布置在所述框架内。
3.根据权利要求1所述的光学生物计量成像设备，还包括载体(204)，其中，所述光电检测器像素阵列布置在所述载体上，并且所述第一导电结构与所述光电检测器像素阵列邻近地布置在所述载体上。
4.根据权利要求3所述的光学生物计量成像设备，还包括与所述第一导电结构邻近地布置在所述载体上的间隔件(300)。
5.根据权利要求3所述的光学生物计量成像设备，还包括布置在所述载体与所述第一导电结构之间的间隔件(300)。
6.根据权利要求1所述的光学生物计量成像设备，包括多个所述第一导电结构。
7.根据权利要求6所述的光学生物计量成像设备，其中，所述显示面板包括多个所述第二导电结构。
8.根据权利要求2所述的光学生物计量成像设备，其中，所述框架包括底板部(220)，从而形成U形支架横截面。
9.根据权利要求8所述的光学生物计量成像设备，其中，所述图像传感器布置在所述支架的所述底板部上。
10.根据权利要求8所述的光学生物计量成像设备，其中，所述底板部包括凹部(500)，其中，所述图像传感器布置在所述底板部的所述凹部中。
11.根据权利要求8所述的光学生物计量成像设备，其中，所述底板部包括通孔(600)，其中，所述图像传感器布置在所述底板部的所述通孔中。
12.根据权利要求8所述的光学生物计量成像设备，其中，所述底板部包括通孔(600)，其中，所述图像传感器布置在所述底板部的所述通孔下方。
13.一种用于检测光学生物计量成像设备(102)的表面上的力的方法，所述光学生物计量成像设备(102)被配置成捕获与所述生物计量成像设备的外表面(106)接触的对象(104)的图像，所述生物计量成像设备包括：
图像传感器(200)，其包括光电检测器像素阵列(202)和图像传感器电路系统(210)，所述图像传感器电路系统被配置成捕获与所述成像设备的外表面接触的对象的图像；
所述图像传感器包括第一导电结构，所述第一导电结构布置在所述图像传感器的顶表面上并且与所述光电检测器像素阵列的有源感测区域邻近；
显示面板，其布置在所述图像传感器的顶部上并且布置在距所述图像传感器一定距离处；
所述显示面板包括在所述显示面板的底侧上的第二导电结构，所述第二导电结构被布置成面向所述图像传感器的所述第一导电结构；以及
电容性读出电路系统，其被布置和配置成检测所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的电容；
所述方法包括检测所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的电容的变化。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括基于所述电容和所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的距离之间的已知关系来确定所述成像设备的所述外表面上的力。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括基于所述电容和所述第一导电结构与所述第二导电结构之间的距离之间的已知关系来确定所述生物计量成像设备的缩小因子。
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