CN112689839A

CN112689839A - 生物特征成像装置

Info

Publication number: CN112689839A
Application number: CN201880097513.5A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 雷内·尼尔松; 伊赫桑·哈希米
Original assignee: Fingerprint Cards AB
Current assignee: Fingerprint kaana Kadun Intellectual Property Co.,Ltd.
Priority date: 2018-09-17
Filing date: 2018-09-17
Publication date: 2021-04-20
Also published as: EP3853760A1; US20220043998A1; EP3853760A4; US11398110B2; WO2020056547A1

Abstract

一种生物特征成像装置(100)，其被配置成被布置在至少部分透明的显示面板(102)下方，并且被配置成捕获位于透明显示面板(102)的相对侧的对象的图像。生物特征成像装置(100)包括：图像传感器(108)，其包括光电检测器像素阵列(109)；透明基板(112)，其覆盖光电检测器像素阵列(109)；第一组微透镜(118)，其被配置成使光重定向通过透明基板(112)并且到达光电检测器像素阵列(109)中的像素子阵列(120)上。第一组微透镜(118)中的透镜具有第一焦距。第二组微透镜(119)被配置成使光重定向通过透明基板(112)并且到达光电检测器像素阵列(109)中的像素子阵列(121)上。第二组微透镜(119)中的透镜的第二焦距与第一焦距不同。

Description

生物特征成像装置

技术领域

本发明涉及被配置成被布置在至少部分透明的显示面板下的生物特征成像装置。本发明还涉及电子装置。

背景技术

生物特征系统被广泛地用作用于提高诸如移动电话等的个人电子装置的便利性和安全性的手段。特别地，指纹感测系统现在被包括在所有新发布的消费者电子装置如移动电话的大部分中。

光学指纹传感器为人所知已经一段时间了，并且在某些应用中可以是例如电容式指纹传感器的可行的替选。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)将入射光聚焦至图像传感器上。

US2015/0071648描述了一种能够在指纹感测模式下检测指纹并在另一模式下检测触摸或手势的光学触摸感测装置。光学触摸感测装置通过调整正在被积极使用的感测装置的光电导迹线和金属迹线的数量来以两种不同的分辨率工作。光电导迹线的电导率的变化指示入射光强度的变化。

然而，尽管在US2015/0071648中公开的光学触摸感测装置能够检测显示器上的活动，但是期望能够检测更宽范围的手势，从而使得能够经由手势进行更复杂的用户控制操作。

因此，期望提供一种改进的光学指纹感测装置。

发明内容

鉴于现有技术的以上提及的缺点和其他缺点，本发明的目的是提供一种允许不同焦平面中的手势识别和指纹检测的生物特征成像装置。还提供了一种包括这样的生物特征成像装置的电子装置。

根据本发明的第一方面，提供了一种生物特征成像装置，其被配置成被布置在至少部分透明的显示面板下方，并且被配置成捕获位于透明显示面板的相对侧的对象的图像，该生物特征成像装置包括：图像传感器，其包括光电检测器像素阵列；透明基板，其覆盖光电检测器像素阵列；第一组微透镜，其中，第一组中的每个微透镜被配置成使光重定向通过透明基板并且到达光电检测器像素阵列中的像素子阵列上，其中，第一组透镜中的透镜具有第一焦距；第二组微透镜，其中，第二组中的每个微透镜被配置成使光重定向通过透明基板并且到达光电检测器像素阵列中的像素子阵列上，其中，第二组透镜中的透镜的第二焦距与第一焦距不同。

本发明基于以下认识：可以实现具有不同焦距的两组不同的透镜，以用于检测距生物特征成像装置不同距离处的对象。一组透镜相比于另一组透镜可以适于检测较大距离处的对象例如手和手指。替代地，另一组透镜适于检测例如相对靠近生物特征成像装置的手指或指纹。

下方布置有生物特征成像装置的显示面板的外表面也可以被称为感测表面。所描述的生物特征成像装置的操作原理是：由显示面板中的像素发出的光将被放置在感测表面上的手指反射，并且所反射的光被微透镜接收并随后被重定向到针对每个微透镜的光电检测器像素阵列中的相应的像素子阵列上。由此，可以针对每个子阵列捕获手指的一部分的图像，并且通过将来自所有微透镜的图像进行组合，可以形成表示指纹或手势的图像并且可以执行随后的生物特征验证或手势识别。

通过要求保护的发明，提供了一种生物特征成像装置，其容易集成在显示面板中以提供显示器内指纹感测功能，并且其中，成像装置还能够检测在生物特征成像装置前面执行的手指或手势，而不必触摸显示面板。

因此，第一组微透镜可以被配置用于对触摸在透明显示面板的外表面上的对象进行成像，并且第二组微透镜可以被配置用于对距透明显示面板的外表面一定距离处的对象进行成像。

在实施方式中，第二焦距可以比第一焦距长。

根据实施方式，与第一组微透镜相关联的像素子阵列和与第二组微透镜相关联的像素子阵列不重叠。为了更容易地将已被一组微透镜重定向的检测光与已被另一组微透镜重定向的检测光分开，以不重叠的相应像素子阵列配置它们是有利的。因此，可以接收来自第一组微透镜的光的一个像素子阵列可能不能同时接收来自另一组微透镜的光。子阵列以这种方式彼此不同。子阵列的大小可以在20μm至2mm的范围内。

根据实施方式，第二组微透镜可以比第一组透镜分布得更稀疏。因此，第二组中微透镜的密度可以低于第一组中微透镜的密度。

根据实施方式，第一组微透镜和第二组微透镜可以被布置在组合的微透镜阵列中。换句话说，第一组微透镜和第二组微透镜可以被混合布置在单个阵列布局中。

根据实施方式，第一组微透镜可以被布置在间距在50μm至2mm范围内的阵列中。

根据实施方式，第二组微透镜可以被布置在间距大于或等于第一组透镜的间距的阵列中。该阵列可以以任何图案例如方形、矩形或六边形阵列被布置。

根据实施方式，第一组中的透镜可以是直径在20μm至1mm范围内的圆形透镜。

根据实施方式，第一组中的微透镜是其最短边的长度在20μm至1mm的范围内的矩形透镜。

根据实施方式，第一组中的透镜的曲率半径小于第二组中的透镜的曲率半径。曲率半径可以是微透镜的光接收表面——即，面向显示面板的表面——的曲率半径。可替选地，在一些实施方式中，曲率半径可以是面向图像传感器的表面的曲率半径。

此外，微透镜的高度可以在2μm至600μm的范围内。

利用多个微透镜的上述可能的配置，可以提供在显示面板下方使用的光学指纹传感器，并且可以基于显示面板的特性和手头应用的要求来调整特定配置。

根据实施方式，第一组微透镜可以被配置用于将光重定向至用于指纹检测的光敏像素阵列，并且第二组微透镜可以被配置用于将光重定向至用于电子装置的手势控制功能的光敏像素阵列。

根据实施方式，第一组微透镜和第二组微透镜被布置在透明基板上，透明基板被布置成覆盖图像传感器。这简化了生物特征成像装置的制造，因为微透镜可以全部在同一透明基板上制造。此外，将所有微透镜布置在单个基板上有助于使微透镜在单个平面中的任务。

微透镜优选地被配置成将光聚焦到相应的像素子阵列上。

根据本发明的第二方面，提供了一种电子装置，包括：透明显示面板；根据所附权利要求中任一项的生物特征成像装置，以及处理电路，该处理电路被配置成：从生物特征成像装置接收指示位于距透明显示面板的外显示表面一定距离处的检测对象的信号，确定检测对象的手势或形状，以及基于检测到的手势或形状执行至少一个动作。

显示面板可以例如基于OLED、LCD、μLED和类似技术。从而实现显示器内生物特征成像。

根据实施方式，处理电路可以被配置成：从生物特征成像装置接收指示触摸透明显示面板的手指的指纹的信号，基于检测到的指纹来执行指纹认证过程。

检测对象可以是用户的手。

所述至少一个动作可以包括电子装置上的导航事件、缩放、音量控制、打字、显示控制。

电子装置例如可以是移动装置，例如移动电话(例如，智能电话)、平板计算机、平板手机等。

本发明第二方面的另外的效果和特征在很大程度上类似于上面结合本发明的第一方面描述的效果和特征。

当研究所附的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。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下述实施方式以外的实施方式。

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电子装置的示例；

图2是根据本发明的实施方式的电子装置的示意性框图；

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物特征成像装置；

图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物特征成像装置；

图5a概念性地示出了触摸透明面板的手指和具有第一焦距的第一组微透镜；

图5b示意性地示出了执行手势的对象和具有第二焦距的第二组微透镜。

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照被布置在显示面板下方的生物特征成像装置来描述根据本发明的生物特征成像装置的各种实施方式。然而，应当注意，所描述的成像装置也可以在其他光学指纹成像应用中使用，例如在位于盖玻璃等下方的光学指纹传感器中使用。

现在转向附图并且特别地转向图1，图1示意性地示出了被配置成应用根据本公开内容的构思的电子装置的示例，该电子装置呈具有集成的显示器内生物特征成像装置100和显示面板104的移动装置101的形式，显示面板104具有触摸屏接口106。生物特征成像装置100可以例如用于解锁移动装置100和/或用于授权使用移动装置100执行的交易等。此外，生物特征成像装置100还可以用于由用户执行的手势识别以控制电子装置上的动作。

优选地并且对本领域技术人员而言明显地，图1中所示的移动装置100还包括用于WLAN/Wi-Fi通信的第一天线、用于电信通信的第二天线、麦克风、扬声器和电话控制单元。当然，移动装置还可以包括有其他硬件元件。

还应当注意，本发明可以适用于关于包括透明显示面板的任何其他类型的电子装置，例如，膝上型计算机、平板计算机等。

图2是根据本发明的实施方式的电子装置的示意性框图。根据本发明的实施方式，电子装置200包括透明显示面板204和生物特征成像装置100，生物特征成像装置100被概念性地示出为布置在透明显示面板204下方。此外，电子装置200包括处理电路例如控制单元202。控制单元202可以是电子装置400的独立控制单元，例如装置控制器。可替选地，控制单元202可以包括在生物特征成像装置100中。

控制单元202被配置成从生物特征成像装置100接收指示检测对象的信号。所接收的信号可以包括图像数据。检测对象可以被定位成离开透明显示面板204的外显示表面，即，不与外显示表面接触。

基于接收到的信号，控制单元202被配置成确定检测对象的手势或形状，或者检测对象的手势和形状两者。控制单元202可以利用被认为是已知的图像识别方法来检测对象的形状和/或手势。

控制单元202被配置成基于检测到的对象的手势和/或形状来执行至少一个动作。因此，由对象执行的形状和/或手势可以用于控制电子装置上的功能。对象的手势和/或形状可以从由生物特征成像装置100捕获的图像中提取。电子装置的手势控制可以在三维(即，x、y、z)上执行，以控制电子装置上的各种功能。

可以由例如手的形状或由手或手的手指执行的手势控制的一些示例应用包括：改变扬声器音量(z方向)或转到下一首歌曲(x-y方向)，使用不同的手指手势唤醒显示屏或使显示屏睡眠，放大或缩小图片或页面，在文档或网页中滚动，使用浮动在显示面板上的手指运动显示指纹触摸位置，使用浮动在显示面板上的手指运动键入文本，用手挥动来改变菜单等。

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的生物特征成像装置100。此处，生物特征成像装置100被布置在至少部分透明的显示面板102下方。然而，生物特征成像装置100可以被布置在任何足够透明的盖结构下方，只要图像传感器接收足够量的光来捕获与盖结构的外表面接触的生物特征对象的图像如指纹或掌纹，或者检测更远离外表面的对象以用于手势检测。在下文中，将描述被配置成捕获与显示面板102的外表面106接触的手指104的图像并且被配置成检测由不与显示面板102接触的手执行的手势的生物特征成像装置100。

生物特征成像装置100包括图像传感器108，图像传感器108包括光电检测器像素阵列109，其中，每个像素110是可单独控制的光电检测器，光电检测器被配置成检测入射光的量并且生成指示由检测器接收到的光的电信号。图像传感器108可以是任何合适类型的图像传感器，例如连接至相关联的控制电路的CMOS或CCD传感器。这样的图像传感器的操作和控制可以认为是已知的，并且本文中将不再论述。

生物特征成像装置100还包括：被布置成覆盖图像传感器108的透明基板112；覆盖透明基板112的上表面的不透明层114。不透明层114还包括彼此间隔一定距离布置的多个分开的开口116；以及两组具有不同焦距的微透镜118、119。

生物特征成像装置包括两组微透镜。此处示出了第一组中的两个透镜118和第二组中的一个透镜119。第一组中的透镜118的焦距不同于第二组中的透镜119的焦距。每个微透镜118、119被布置在与不透明层114在同一平面的可选不透明层114的相应的开口116中。此外，微透镜118、119的大小和形状与开口116的大小和形状相同，以防止未穿过微透镜118、119的任何杂散光到达图像传感器108。

每个微透镜118、119被配置成使光重定向通过透明基板112并且到达光电检测器像素阵列109中的像素子阵列120、121上。子阵列120、121在此处被定义为从仅一个微透镜118、119接收光的像素的阵列。还应当注意的是，微透镜118、119和显示像素未按比例绘制。微透镜118、119被示出为接收由手指104反射的光，该光在到达微透镜118、119之前已经传播通过显示面板102，并且由微透镜118、119接收的光被聚焦到图像传感器108上。接收来自第一组的微透镜118的光的像素子阵列120优选地与接收来自第二组的微透镜119的光的像素子阵列121不重叠。

此处将微透镜118、119示出为平凸透镜，该平凸透镜具有朝向透明基板定向的平坦表面。还可以使用其他透镜配置和形状。平凸透镜可以例如被布置成平坦表面朝向显示面板102，并且在一个实施方式中，透镜可以附接至显示面板102的下表面，尽管与微透镜的反向定向相比可能降低成像性能。还可以使用其他类型的透镜如凸透镜。使用平凸透镜的优点是容易进行由具有平坦表面的透镜提供的制造和组装。

生物特征成像装置100还包括位于不透明层114与显示面板102之间的中间层122。中间层122可以例如包括用于将显示面板102附接至成像装置100的粘合层，并且中间层122的折射率不同于微透镜118、119的折射率。中间层包括透明显示面板与透镜119、118之间的空气间隙。此外，中间层122还可以包括本文中未单独示出的抗反射涂层、滤光器和/或偏振滤光器。通常优选的是，微透镜118、119的折射率尽可能高并且与微透镜118上方或下方的任何相邻材料的折射率不同。

图4是生物特征成像装置100的分解视图，更清楚地示出了接收来自一个微透镜118、119的光的像素阵列109中的像素子阵列120、121。此处，微透镜118、119被示出为提供圆形像素子阵列120、121的圆形平凸透镜。还可以使用矩形微透镜，矩形微透镜会导致近似矩形的像素子阵列。微透镜118、119的间距至少大于相应子阵列120、121的大小的一半，或者大于相应的微透镜118、119的直径，无论相应子阵列120、121的大小的一半和微透镜118、119的直径中的哪个是最大的。对于圆形微透镜118，微透镜118的直径可以在20μm至1mm的范围内，并且对于矩形微透镜，最短边的长度可以在20μm至1mm的范围内。此外，微透镜118、119的高度在2μm至600μm范围内，并且被布置在具有50μm至2mm范围内的间距的稀疏阵列配置中。微透镜的每一组内的所有微透镜118、119优选地具有相同的大小和形状。

在图4中，还可以看出，子阵列120和或子阵列121不重叠，尽管可能不是严格要求的，但是这是优选的。因此，每个微透镜118将光重定向到包括多个光感测元件的像素阵列120上，使得由用于相应微透镜118的子阵列120捕获图像。类似地，每个微透镜119将光重定向到包括多个光感测元件的像素阵列121上，使得由用于相应微透镜119的子阵列121捕获图像。每个图像表示指纹或另一对象的一部分，并且通过组合所捕获的图像，手指或对象的完整图像可以被得到，并且被用于进一步的认证和验证或者用于手势控制功能。可以以许多不同的方式执行在从多个子阵列捕获到多个图像之后得到指纹图像或者提取手势所需的图像分析，并且本文中将不再详细论述。

可以注意到，为了捕获指纹的图像，仅需要激活位于手指正下方的子阵列，从而提供高能效且快速的图像捕获。此外，可以顺序地执行子阵列的激活，使得不是所有子阵列都需要同时被激活，从而使得能够使用简化的读出电路。

生物特征成像装置能够对触摸透明显示面板的外表面的对象如指纹进行成像。此外，生物特征成像装置还能够对位于距透明显示面板的外表面一定距离处的对象进行成像。这在图5a至图5b中示意性地示出。

图5a示意性地示出了触摸透明面板106的手指104。图5b示出了在距透明显示面板的外表面一定距离处执行手势的手304。

图5a概念性地示出了触摸透明面板106的手指104和具有第一焦距的第一组透镜118。第一组透镜具有适于聚焦从位于透镜118附近的手指的指纹重定向的光的焦距。因此，第一组透镜118被配置成将光重定向至用于指纹检测的光敏像素阵列。

此外，第二组透镜被配置成将光重定向至用于手势控制功能的光敏像素阵列108。换句话说，以及如图5b中概念性地示出的，第二组透镜119被适配有使得例如能够由手304在距生物特征成像装置100相对较大的距离处执行手势的焦距。手304和生物特征成像装置100未按比例缩放。

公知的是，透镜的焦距与透镜的视场密切相关。对于给定的传感器，更短的焦距也意指更宽的视场角。因此，第一组透镜118的焦距比第二组透镜119的焦距短导致图5a所示的视场角502比图5b所示的第二组透镜119的视场角503宽。这意指具有较长焦距的第二组透镜119比第一组透镜118更适于更远离生物特征成像装置100的对象的成像。以同样的方式，具有较短焦距的第一组透镜118比第二组透镜119更适于更靠近生物特征成像装置100的对象的成像。

存在将透镜配置成具有不同焦距的各种方法。一种方法是调整透镜的曲率半径。在一个实施方式中，第一组中的透镜118的曲率半径小于第二组中的透镜119的曲率半径。这是例如图5a中的所示实施方式中的情况。

控制单元可以包括微处理器、微控制器、可编程数字信号处理器或其他可编程装置。控制单元还可以或替代地包括专用集成电路、可编程门阵列或可编程阵列逻辑、可编程逻辑器件或数字信号处理器。在控制单元包括可编程装置(例如，以上提及的微处理器、微控制器或可编程数字信号处理器)的情况下，处理器还可以包括控制可编程装置的操作的计算机可执行代码。应当理解，借助于控制单元(或通常称为“处理电路”)提供的功能的全部或某些部分可以至少部分地与生物特征成像装置集成。

尽管已经参照本发明的具体例示性实施方式描述了本发明，但是对于本领域技术人员来说，许多不同的改变、修改等将变得明显。而且，应当注意，成像装置的部件以及用于制造成像装置的方法可以以各种方式被省略、互换或布置，成像装置仍能够执行本发明的功能。

另外，通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实施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。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中陈述某些手段的仅有事实不指示不能有利地使用这些手段的组合。

Claims

1.一种生物特征成像装置(100)，其被配置成被布置在至少部分透明的显示面板(102)下方，并且被配置成捕获位于所述透明显示面板的相对侧的对象的图像，所述生物特征成像装置包括：

-图像传感器(108)，其包括光电检测器像素阵列(109)；

-透明基板(112)，其覆盖所述光电检测器像素阵列；

-第一组微透镜(118)，其中，所述第一组中的每个微透镜被配置成使光重定向通过所述透明基板并且到达所述光电检测器像素阵列中的像素子阵列(120)上，其中，所述第一组透镜中的透镜具有第一焦距；

-第二组微透镜(119)，其中，所述第二组中的每个微透镜被配置成使光重定向通过所述透明基板并且到达所述光电检测器像素阵列中的像素子阵列(121)上，其中，所述第二组透镜中的透镜的第二焦距与所述第一焦距不同。

2.根据权利要求1所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组微透镜被配置用于对触摸在所述透明显示面板的外表面上的对象进行成像，并且所述第二组微透镜被配置用于对距所述透明显示面板的外表面一定距离处的对象进行成像。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第二焦距比所述第一焦距长。

4.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，与所述第一组微透镜相关联的子阵列(120)和与所述第二组微透镜相关联的子阵列(121)不重叠。

5.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第二组微透镜比所述第一组透镜分布得更稀疏。

6.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组微透镜和所述第二组微透镜被布置在组合的微透镜阵列中。

7.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组微透镜被布置在间距在50μm至2mm范围内的阵列中。

8.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第二组微透镜被布置在间距大于或等于所述第一组透镜的间距的阵列中。

9.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组中的透镜是直径在20μm至1mm范围内的圆形透镜。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组中的微透镜是其最短边的长度在20μm至1mm的范围内的矩形透镜。

11.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组中的透镜的曲率半径小于所述第二组中的透镜的曲率半径。

12.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组微透镜被配置用于将光重定向至用于指纹检测的光敏像素阵列，并且所述第二组微透镜被配置用于将光重定向至用于电子装置的手势控制功能的光敏像素阵列。

13.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述第一组微透镜和所述第二组微透镜被布置在所述透明基板上，所述透明基板被布置成覆盖所述图像传感器。

14.根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述微透镜被配置成将光聚焦到相应的像素子阵列上。

15.一种电子装置，包括：

-透明显示面板；

-根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，以及

-处理电路，所述处理电路被配置成：

-从所述生物特征成像装置接收指示位于距所述透明显示面板的外显示表面一定距离处的检测对象的信号，

-确定所述检测对象的手势或形状，以及

-基于检测到的手势或形状执行至少一个动作。

16.根据权利要求15所述的电子装置，其中，所述处理电路被配置成：

-从所述生物特征成像装置接收指示触摸所述透明显示面板的手指的指纹的信号，

-基于检测到的指纹来执行指纹认证过程。

17.根据权利要求15和16中任一项所述的电子装置，其中，所述检测对象是用户的手。

18.根据权利要求15至17中任一项所述的电子装置，其中，所述至少一个动作包括所述电子装置上的导航事件、缩放、音量控制、打字、显示控制。

19.根据权利要求15至18中任一项所述的电子装置，其中，所述电子装置是移动电话。