CN113994394A - 显示器下的无源太赫兹生物特征成像装置 - Google Patents

显示器下的无源太赫兹生物特征成像装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无源太赫兹生物特征成像装置(100)，其被配置成被布置在至少部分地透明的显示面板(102)下方，并且被配置成捕获位于透明的显示面板的相对侧的对象的太赫兹图像，该太赫兹生物特征成像装置包括：图像传感器(108)，该图像传感器包括天线像素阵列(109)，该天线像素阵列被布置成检测由对象产生的太赫兹辐射，以捕获该对象的太赫兹图像。

Description

显示器下的无源太赫兹生物特征成像装置
技术领域
本发明涉及被配置成被布置在至少部分地透明的显示面板下的无源太赫兹生物特征成像装置。本发明还涉及包括无源太赫兹生物特征成像装置的电子装置。
背景技术
生物特征(biometric)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诸如移动电话的消费者电子装置的大部分中。
光学指纹传感器为人所知已经一段时间，并且在某些应用中可以是例如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)将进入的光聚焦至图像传感器上。光学指纹传感器也已被证明适合于布置在电子装置的显示器下方。然而，事实证明，即使使用简单的二维图像作为假指纹，许多光学指纹传感器也很容易被欺骗。
因此，有兴趣提供针对欺骗和假生物特征对象的安全性提高的显示器内指纹传感器，从而防止未经授权的用户获得对受保护装置或系统的访问。
发明内容
鉴于现有技术的上述和其他缺点，本发明的一个目的是提供具有改进的检测欺骗的能力的显示器下的生物特征成像装置。特别地，本发明涉及在太赫兹范围内工作以在不需要对对象进行辅助照明的情况下捕获对象的图像的无源太赫兹生物特征成像装置。
根据本发明的第一方面，提供了一种无源太赫兹生物特征成像装置，其被配置成被布置在至少部分地透明的显示面板下方，并且被配置成捕获位于透明的显示面板的相对侧的对象的太赫兹图像。
无源太赫兹生物特征成像装置包括图像传感器，该图像传感器包括天线像素阵列，该天线像素阵列被布置成检测由对象产生的太赫兹辐射，以捕获对象的图像。该图像有利地是太赫兹图像。
本发明基于以下认识：在毫米和亚毫米波长下(例如在“太赫兹间隙”的频率下)成像提供了增加检测指纹的最外层组织层下的结构的能力。换言之，可以检测指纹的皮下层。人们意识到，太赫兹间隙中的波长长到足以在使用例如RF电路设计时被检测到，但是在一些实施方式中也低到足以在涉及可以被实现的光束成形光学器件时被认为是光。此外，光子能量低到足以使得光子不会被大多数材料吸收，即辐射的穿透可以是例如达到0.2mm而进入皮肤，从而增加了检测指纹欺骗的概率。
此外，本发明基于以下认识：无源地检测由对象产生的太赫兹辐射，以这种方式捕获太赫兹生物特征图像。这提供了消除对快到足以在覆盖太赫兹频率的频率下(优选地在上述太赫兹间隙中)产生足够功率的源的需要。此外，通过消除源，获得了更紧凑的生物特征成像装置，该生物特征成像装置被安装在电子装置的显示面板下方的复杂性更低。
此外，消除源意味着生物特征成像装置需要更少的部件，从而为安装图像传感器开启更多可能性。
此外，通过要求保护的本发明，可以在不需要皮肤与图像传感器之间直接接触的情况下检测指纹，并且这种能力通过辐射的穿透而得到提高，从而与在可见光范围内工作的光学传感器相比，为用于显示器下布置的生物特征成像装置提供改进的性能。
太赫兹辐射在本文中优选地意味着包括低于红外光频率且高于微波频率的辐射频率范围，例如在本文中太赫兹辐射的范围是指大约100GHz至大约10THz。
在其下布置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工作原理是由放置在感测表面上的手指产生的辐射被天线像素阵列中的天线接收，这些天线产生指示检测到的太赫兹辐射的感测信号。通过组合来自所有天线像素的信号，可以形成代表指纹的图像，并且可以执行后续的生物特征验证。来自每个天线像素的信号可以以例如逐列或逐行的方式被读取。
天线可以是例如偶极天线，例如采用领结形(bow tie)天线配置。领结形天线通常采用至少部分为圆形的几何形状，与采用更多直线几何形状的偶极天线相比，有利地提供了更极化独立的天线。因此，使用领结形天线提供了增加检测到的太赫兹辐射的信号强度。还可以构想具有更多极数的天线。
优选地，天线像素可以操作为功率检测器，该功率检测器用作检测由对象产生的太赫兹辐射并且提供DC信号的传感器，DC信号的水平取决于检测到的太赫兹辐射的功率。换言之，天线像素可以适于感测进入的太赫兹辐射并且输出基于检测到的进入的太赫兹辐射的功率的低频信号或DC电压水平或DC电流水平。因此，在实施方式中，从天线像素输出的DC电压或电流的水平可以基于检测到的太赫兹辐射的功率。
因此，通过提供天线像素作为功率检测器，获得了允许简单的读出的紧凑的天线像素，因为信号输出已经在芯片上适于ADC接收，而无需附加的AC至DC转换电路。因此，天线像素包括用于收集太赫兹辐射的天线本身以及用于将检测到的太赫兹信号转换为例如可以由ADC检测到的信号的频率转换元件二者。发明人因此实现了用于在太赫兹范围内进行图像捕获的这样的紧凑功率检测器阵列，以用于空间通常有限的显示器下的生物特征应用。
图像传感器因此可以包括功率检测器阵列，该功率检测器阵列被布置成检测由对象产生的太赫兹辐射，并且提供低频信号输出或DC信号输出。
每个天线像素可以包括功率检测器，该功率检测器包括天线结构，功率检测器被配置成将指示检测到的太赫兹辐射的太赫兹信号转换为频率低于太赫兹辐射的频率的信号，或者转换为DC信号。
因此，图像传感器可以有利地包括片上功率检测器，该功率检测器以合适的频率提供如上所述的可测量的信号，以供模数转换器读取作为输入。来自每个天线像素的低频信号或DC信号是被读取以用于构建太赫兹图像的输出信号。功率检测器因此可以是电连接到像素的天线的片上晶体管结构。优选地，天线结构是晶体管结构的一部分。
晶体管结构和天线结构可以被制成单个部件。因此，像素本身可以包括天线和用于对检测信号进行整流的晶体管二者。
天线像素阵列可以包括二维材料。换言之，天线像素阵列可以由二维材料制成。二维材料一般只包括一个或几个原子层。
在实施方式中，天线像素阵列包括石墨烯。因此，天线像素阵列可以由石墨烯制成。石墨烯是一种示例二维材料，并且包括一层或几层碳原子。此外，石墨烯特别适用于天线结构和/或功率检测器，因为石墨烯具有高电迁移率，这意味着允许由石墨烯制成的晶体管结构的快速工作。这种晶体管可以是石墨烯场效应晶体管。此外，石墨烯的电特性使得能够调制石墨烯结构的栅极中的电导率，这有利地能够进行频率转换以用于如上所述的简单读出。对于本文中的实施方式，还可以构想其他二维材料。
此外，石墨烯是当被布置在柔性或可弯曲基板上时是柔性或可弯曲的二维材料，这为显示器下布置提供安装优势，特别是当显示面板弯曲时。
与体半导体晶体管相反，石墨烯是二维材料，并且与常规体晶体管相比提供更高的灵敏度。例如，石墨烯FET晶体管的栅极、漏极和源极结构可以用作天线，由此从源极到漏极的电流流动受到阻碍栅极/天线的太赫兹辐射的影响。
此外，将石墨烯用于天线像素能够实现至少几乎光学透明的天线像素阵列。这有利地允许图像传感器在显示面板下方的堆叠中几乎任意的安装位置，因为图像传感器不会在视觉上阻碍显示器的外观。
尽管石墨烯是本文的实施方式的有利替选，但是还可以构想其他二维材料，例如硅烯、锗烯和磷烯，以及TMD，如MoS2、WSe2等。
图像传感器可以操作为检测在不包括可见光范围的频率范围内的太赫兹辐射。可见光的范围在大约400nm至700nm的范围内，并且是对于人类的可见光范围。因此，图像传感器包括被设计成耦合到太赫兹辐射频率的天线。图像传感器可以在太赫兹范围例如10GHz至100THz内的频率下工作。
优选地，图像传感器可以在如下频率范围内工作：10GHz至100THz，优选地为100GHz至50THz，更优选地为300GHz至30THz，更优选地为100GHz至10THz，更优选地为300GHz至10THz。
天线是微型天线，例如在几微米的范围内，从而在天线像素阵列中安装大量天线。此外，天线和相关联的电路的尺寸和设计用于针对特定太赫兹频率范围对天线像素进行调谐。天线像素的大小可以在大约15微米至大约150微米的范围内。
在一个实施方式中，图像传感器可以附接到显示面板。这为生物特征成像装置提供了小的堆叠高度。例如，图像传感器可以与显示面板堆叠，意味着图像传感器与显示面板平行布置。因此，图像传感器的表面，优选地布置有天线像素阵列的表面，附接到显示面板的背面。显示面板的背面与显示面板的手指要触摸或接近以进行成像的感测表面相对。
在一个实施方式中，图像传感器可以包括支承天线像素阵列的基板。基板可以由柔性材料制成。这有利地在不同形状的显示器下提供了改进的集成。例如，对于柔性基板，图像传感器可以与弯曲的显示面板共形地成形。
有利地，图像传感器可以被直接地层压在显示面板上。图像传感器可以例如被粘合到显示面板的背面。
在一个实施方式中，图像传感器可以是至少部分地透明的。这进一步使得能够将图像传感器靠近显示面板放置，因为图像传感器基本上不会阻碍显示面板的视觉外观。
在一些实现方式中，显示面板堆叠可以包括显示元件，该显示元件包括颜色可控光源阵列。可以根据实施方式使用各种类型的显示器。例如，具有任何类型的三刺激(tri-stimulus)发射(如RGB、CMY等)的基于OLED、u-LED的显示元件。
在这样的实现方式中，图像传感器可以被布置在包括颜色可控光源阵列的显示元件与显示面板的顶盖玻璃之间。因此，图像传感器可以被堆叠在颜色可控光源阵列与顶盖玻璃之间。当天线像素包括二维材料时，这尤其合适。
在一些实施方式中，图像传感器可以被布置在包括颜色可控光源阵列的显示元件下方。因此，从透明的显示面板的外表面看，图像传感器被布置在顶盖玻璃和显示元件下方。
在实施方式中，图像传感器可以包括支承天线像素阵列的基板，其中，该基板可以由至少部分地透明的材料制成。这有利地允许图像传感器从顶部到底部放置在显示器堆叠的任何堆叠位置处。
在一些实施方式中，太赫兹辐射重定向元件阵列被布置在显示面板与图像传感器之间，其中，每个太赫兹辐射重定向元件被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素阵列上。每个太赫兹辐射重定向元件可以被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素的子阵列或者单个天线像素上。太赫兹辐射重定向元件的引入通过实现从生物特征对象到天线像素阵列的太赫兹辐射的有效引导，改进了分层的生物特征成像装置的集成。
可以构想不同类型的太赫兹辐射重定向元件。在一个有利实施方式中，太赫兹辐射重定向元件阵列可以是微透镜阵列，其中，每个微透镜被配置成将太赫兹辐射重定向到像素的子阵列上或者天线像素阵列中的单个像素中。微透镜提供了将太赫兹辐射重定向到天线像素阵列的有利方式。
微透镜阵列可以被布置在透明基板上，该透明基板被布置成覆盖图像传感器。这简化了无源太赫兹生物特征成像装置的制造，因为微透镜可以全部制造在同一透明基板上。此外，将所有微透镜布置在单个基板上有助于使微透镜位于单个平面的任务。
可以布置不透明层以覆盖透明基板的上表面。不透明层还包括多个单独的开口，其中，微透镜中的每一个位于不透明层中的相应开口中。这有利地确保图像传感器检测到有限的杂散太赫兹辐射，即，这样防止了未穿过微透镜的太赫兹辐射到达图像传感器。
在进一步的实施方式中，太赫兹辐射重定向元件阵列可以是竖直波导阵列，其中，每个竖直波导被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素阵列中的天线像素上。可以构想若干种类型的竖直波导并且这些类型的竖直波导在本发明的范围内。例如，空心金属波导、同轴波导，以上仅作为示例提及。
使用太赫兹辐射重定向元件，对象产生的太赫兹辐射被太赫兹辐射重定向元件接收，随后被重定向到相应的天线子阵列或者天线像素阵列中的单个天线上。在子阵列的情况下，可以针对每个子阵列捕获手指的一部分的图像。如上所述，通过组合来自所有太赫兹辐射重定向元件的图像，可以形成代表指纹的图像，并且可以执行随后的生物特征验证。
包括太赫兹辐射重定向元件有利于生物特征成像装置的无源操作，因为太赫兹辐射重定向元件使得能够将对象产生的辐射向天线像素阵列聚焦或引导，或者甚至直接聚焦或引导到天线像素阵列或者甚至聚焦或引导到单个天线像素。
有利地，本文提供的无源太赫兹生物特征成像装置的实施方式被配置成在没有对对象进行照明的辅助太赫兹辐射的情况下基于由对象产生的太赫兹辐射来捕获对象的太赫兹图像。
根据本发明的第二方面，提供了电子装置，包括：至少部分地透明的显示面板；根据本文描述的实施方式中的任一个所述的无源太赫兹生物特征成像装置；以及处理电路，其被配置成接收来自无源太赫兹生物特征成像装置的指示接触透明的显示面板的生物特征对象的信号，并且基于检测到的生物特征对象来执行生物特征认证过程。
诸如指纹认证过程之类的生物特征认证过程本身是已知的，并且通常包括：将基于获取的指纹图像构建的验证表示的特征与在用户注册期间构建的注册表示的特征进行比较。如果找到具有足够高分数的匹配项，则用户成功通过认证。
生物特征对象可以是手指，由此信号指示手指的指纹。
电子装置是移动装置，例如移动电话(例如智能电话)、平板电脑、膝上型电脑或适用于显示器下的生物特征成像装置的任何其他便携式装置。
显示面板可以包括可以例如基于OLED、LCD、μLED和类似技术的显示元件。因此，启用了显示器内无源生物特征太赫兹成像。
在实施方式中，图像传感器被配置成覆盖显示面板区域的至少四分之一。
在实施方式中，图像传感器被配置成覆盖显示面板区域的至少一半。
在实施方式中，图像传感器被配置成覆盖基本上整个显示面板区域。
本发明的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所述的效果和特征。
根据本发明的第三方面，提供了制造用于太赫兹生物特征成像装置的图像传感器的方法，该方法包括：提供被配置成覆盖用于电子装置的显示器的盖玻璃；在显示面板上提供二维材料层；将二维材料层图案化以形成被配置成检测太赫兹辐射的天线像素阵列。
二维材料可以被直接沉积在盖玻璃上，或者二维材料可以从基板转移到盖玻璃上。天线像素所需的其他材料(例如金属线和介电材料)可以使用已知的微制造技术直接沉积在盖玻璃上。
本发明的第三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和第二方面描述的效果和特征。
替选地，该方法用于制造用于无源太赫兹生物特征成像装置的组合的盖玻璃和图像传感器。
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3A示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图3B是图3A的特写视图；
图4示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图5示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图6A示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图6B示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图7示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置；
图8概念性地示出了根据本发明的实施方式的天线像素阵列和单个天线像素；
图9概念性地示出了用于从天线像素阵列中的天线提供感测信号的感测电路；
图10概念性地示出了用于从天线像素阵列中的天线提供感测信号的感测电路；
图11概念性地示出了根据本发明的实施方式的示例天线像素；
图12示意性地示出了根据本发明的另一实施方式的被布置在弯曲显示面板下方的无源太赫兹生物特征成像装置；以及
图13是根据本发明的实施方式的用于制造用于太赫兹生物特征成像装置的图像传感器的方法步骤的流程图。
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无源太赫兹生物特征成像装置来描述根据本发明的无源太赫兹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例如在位于盖玻璃等下方的其他生物特征成像应用中使用。
现在转向附图并且特别地转向图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无源太赫兹生物特征成像装置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。无源太赫兹生物特征成像装置100可以例如用于解锁移动装置101和/或用于授权使用移动装置101执行的交易等。
无源太赫兹生物特征成像装置100在这里被示出为小于显示面板104，但仍然相对较大，例如大面积实现方式。在另一有利实现方式中，无源太赫兹生物特征成像装置100可以与显示面板104具有相同的大小，即，全显示器解决方案。因此，在这样的情况下，用户可以将他/她的手指放在显示面板上的任何位置以进行生物特征认证。在其他可能的实现方式中，无源太赫兹生物特征成像装置100可以小于所描绘的生物特征成像装置，例如提供热区(hot-zone)实现方式。
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，本发明可以关于包括透明的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)能够适用。
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包括透明的显示面板204和无源太赫兹生物特征成像装置100，生物特征成像装置100被概念性地示出为布置在透明的显示面板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可以是电子装置的独立控制单元202，例如装置控制器。替选地，控制单元202可以被包括在无源太赫兹生物特征成像装置100中。
控制单元202被配置成接收来自生物特征成像装置100的指示检测到的对象的信号。接收的信号可以包括图像数据。
基于接收到的信号，控制单元202被配置成检测指纹或其他生物特征对象，并且基于检测到的指纹，控制单元202被配置成执行生物特征认证过程，例如指纹认证过程。这样的生物特征或指纹认证过程本身是本领域技术人员已知的，并且本文不再进一步描述。
图3A示意性地示出了根据本发明的实施方式的无源太赫兹生物特征成像装置100。此处，无源太赫兹生物特征成像装置100被布置在至少部分地透明的显示面板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太赫兹辐射来捕获与盖结构的外表面接触或在其附近的生物特征对象的太赫兹图像如指纹或掌纹。在下文中，将描述被配置成捕获与显示面板102的外表面103接触的手指105的图像的无源太赫兹生物特征成像装置100。
无源太赫兹生物特征成像装置100包括图像传感器108，图像传感器包括天线像素阵列109，天线像素阵列109被布置成检测本文中仅通过箭头概念性地示出的由对象产生的太赫兹辐射115，以捕获对象105的太赫兹图像。
天线像素(其中一个被表示为110)被配置成检测太赫兹范围内的辐射115。因此，天线被调谐为在特定频率范围内具有比其他频率更高的灵敏度，使得可以以足够的灵敏度检测由手指产生的太赫兹辐射。
此外，天线的大小使得大量天线被包括在天线像素矩阵109中。例如，天线像素的大小可以在大约15微米至150微米的范围内，优选地在大约50微米至100微米的范围内。
图像传感器108在如下频率范围内工作：10GHz至100THz，优选地为100GHz至50THz，更优选地为300GHz至30THz，更优选地为300GHz至10THz。因此，天线像素阵列中的天线被调谐以有效地耦合到优选频率范围内的太赫兹辐射。
使用本文中公开的无源太赫兹生物特征成像装置，由于太赫兹辐射穿透到人体皮肤中，因此所提取的多光谱生物特征图像可以提供生物特征图像的改进的深度分辨率，而不需要专用的太赫兹辐射源。穿透度可以是大约0.1mm至0.4mm。通过这种方式，皮下信息以及例如关于汗管生理学的信息可以被提供并且被用于生物特征认证。
图像传感器108连接到模数转换器120，模数转换器用于对源自天线像素110的模拟信号S进行采样并且将模拟信号S转换为手指105的指纹图案的数字表示。此外，图像传感器108连接到如箭头概念性示出的、例如包括专用集成电路(ASIC)和现场可编程门阵列(FPGA)的合适的列和行控制和定时电路122。
在图3A中，图像传感器108被示出为与透明的显示面板102竖直分离。因此，在显示面板102与图像传感器108之间存在可以放置附加部件的间隙。
特写视图图3B示出了与外表面103接触的指纹的脊118和谷124。由手指105产生的太赫兹辐射被显示面板102调制。更具体地，由于显示器玻璃与谷和显示器玻璃之间的空气之间的折射率不匹配，导致谷118中产生的太赫兹辐射被部分反射回手指105，而与外表面103直接接触的脊118处的大部分太赫兹辐射透射穿过显示面板102。由此，从脊透射并且穿过显示面板102到达的太赫兹辐射的功率大于从谷透射并且穿过显示面板102到达的太赫兹辐射的功率。
在其他实施方式中，现在转向图4，图像传感器108附接到显示面板102。这里，天线像素阵列109与显示面板的背表面111平行，因此，图像传感器108与显示面板102的总体形状平行。利用本实施方式，天线像素110靠近待成像的手指105。这种图像传感器的天线像素110有利地包括石墨烯或者可以制成柔性的以更好地符合显示面板102的形状的另一种二维材料。此外，在这样的实施方式中，承载天线像素阵列109的基板112有利地是柔性的。
为了使天线像素110甚至更接近手指105，图像传感器可以被直接地层压在显示面板上，即显示面板102的与外表面103相对的背表面111上。
图5概念性地示出了本发明的实施方式的另外可能的实施方式。在该实施方式中，图像传感器108位于包括颜色可控像素阵列119的显示元件117下方。换言之，图像传感器108和透明的显示面板(这里提供为盖玻璃102)被布置在显示元件117的相对侧上。可以根据实施方式使用各种类型的显示元件。例如，具有任何类型的三刺激(tri-stimulus)发射(如RGB、CMY等)的基于OLED、u-LED的显示元件。
图像传感器108可以被层压在显示元件117上，从而在显示面板102下方提供生物特征成像装置的低堆叠。显示元件117可以用作可以是至少部分地透明的图像传感器108的基板。
图6A概念性地示出了本发明的另一实施方式，其中图像传感器108被交错地布置在透明的显示面板102与包括颜色可控发光单元阵列119的显示元件117之间。因此，图像传感器108被堆叠在颜色可控光源阵列119例如显示像素与顶盖玻璃102之间。当天线像素包括二维材料时，这尤其适用。
在本实施方式中，如图6A所示，图像传感器108优选地至少部分地透明，使得用户从透明的显示面板102上方可以看到显示像素119。这可以通过由二维材料例如石墨烯制造天线像素110以及由透明聚合物材料制造基板来实现。
如图6A所示的被布置在基板113上的天线像素阵列109可以被直接地层压在显示元件117上。替选地，被布置在基板112上的天线像素阵列109可以被直接地层压在显示面板102的背表面111上。这些实施方式都提供低堆叠高度。
图6B示出了本发明的另一个可能的实施方式。此处图像传感器108被布置在显示面板102的背表面111上。此处显示面板102被用作天线像素110的阵列109的基板。因此，天线像素110的阵列109可以被直接制造在显示面板102上，例如作为玻璃盖提供。天线像素110的阵列109也可以在别处制造并且随后转移到盖玻璃。
天线像素110的阵列109在显示元件117与盖玻璃102之间交错。优选地，在该实施方式中，天线像素110的阵列109由二维(2D)材料制成，这使得将天线像素110的阵列109直接制造在盖玻璃102上变得方便。天线像素110的阵列109所需的其他金属层和介电材料可以被直接沉积在盖玻璃102上。
现在转向图7，图7概念性地示出了本发明的另一实施方式。生物特征成像装置100包括被布置成覆盖图像传感器108的透明基板113。在透明基板113上布置有太赫兹辐射重定向元件116的阵列，太赫兹辐射重定向元件116的阵列被布置在显示面板102与图像传感器108之间。每个太赫兹辐射重定向元件116被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素阵列109上。
在当前描述的实施方式中，太赫兹辐射重定向元件阵列是微透镜116的阵列，其中，每个微透镜被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素的子阵列或天线像素阵列中的单个天线像素。
微透镜116被布置在透明基板113上，透明基板可以可选地包括覆盖透明基板113的上表面的不透明层114。不透明层114还包括被布置成彼此有一定距离的多个单独的开口121。微透镜116均被布置在可选的不透明层114的相应开口121中，并且与不透明层114在同一平面中。此外，微透镜116具有与开口121相同的大小和形状，以防止未穿过微透镜116的任何杂散太赫兹辐射到达图像传感器108。
每个微透镜116被配置成将太赫兹辐射重定向为穿过透明基板113并且到达天线像素的子阵列或者到达天线像素阵列109中的单个天线像素110上。子阵列被定义为从仅一个微透镜116接收辐射的天线像素阵列。还应当注意的是，微透镜和天线像素未按比例绘制。
微透镜116被示出为接收由手指105产生的太赫兹辐射，该太赫兹辐射在到达微透镜116之前已经传播穿过显示面板102，并且由微透镜116接收的太赫兹辐射被聚焦到图像传感器108上。在该示例实施方式中，一个微透镜将太赫兹辐射重定向到一个天线像素，尽管也可以构想每个微透镜将辐射重定向到天线像素的子阵列。接收来自微透镜116的太赫兹辐射的子阵列或天线像素优选地与接收来自相邻微透镜的太赫兹辐射的相邻子阵列不交叠。
太赫兹生物特征成像装置100还可以包括位于不透明层114与显示面板102之间的至少一个中间层122。中间层包括透明的显示面板102与透镜116之间的气隙。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、光学滤光器和/或偏振滤光器。通常优选的是，微透镜116的折射率尽可能地高，并且与微透镜116上方或下方的任何相邻材料的折射率不同。
在一些可能的实现方式中，微透镜阵列可以由竖直波导阵列代替，其中，每个竖直波导被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素阵列中的像素上。竖直波导可以类似于光学准直器，但是可以在太赫兹辐射范围内工作。
图8概念性地示出了示例天线像素阵列109。每个天线像素500包括天线结构502和晶体管504。天线结构502可以是晶体管504的栅极G和源极S。在该特定示意性示例实施方式中，天线像素500是偶极天线传感器。晶体管504可以由例如标准半导体Si、InP、InAsP、GaN晶体管或类似物制成。在一个有利的实施方式中，天线结构502和检测器晶体管504由单层二维材料制成。例如，二维材料可以是石墨烯。晶体管504可以是石墨烯场效应晶体管(GFET)。
本实施方式中的天线像素阵列109可以使用标准薄膜技术(例如石墨烯的化学气相沉积，或者溅射、脉冲激光沉积、物理气相沉积、电子束光刻或光刻、蚀刻等)制造。
晶体管和天线一起用于由天线检测并且由晶体管将检测到的撞击天线的太赫兹辐射转换为频率低于太赫兹辐射的频率的信号。有利地，天线结构502和晶体管504被集成在单个部件中。
天线像素500被配置成功率检测器，该功率检测器适于检测太赫兹辐射并且输出与进入的太赫兹辐射的功率相关的DC或低频信号。晶体管用作功率检测器的整流元件。换言之，天线(即栅极和源极)被配置成接收太赫兹辐射，并且晶体管被配置成将接收到的信号转换和整流为DC或低频信号。DC或低频信号可以由ADC读取。
天线结构502和晶体管结构504可以被制成单层，从而提供制造相对简单的天线像素阵列109。天线像素500可以是平面天线，从而提供有利地几乎不有助于生物特征成像传感器的堆叠的图像传感器，从而提供薄的图像传感器。
转向图9，图9示出了用于被配置成检测进入的太赫兹辐射601的功率检测器500的示例读出电路600。漏电极D经由读出线604连接到多路复用器602，并且另外的多路复用器606可以与第一多路复用器602串联连接，以便处理来自阵列109中的功率检测器的行和列的信号。来自功率检测器500的信号是低频或DC信号。多路复用器606的输出端串联连接到模数转换器608，以用于对源自功率检测器500的模拟信号进行采样并将其转换为例如手指104的指纹图案的数字表示。在一些实现方式中，在第二多路复用器606与ADC 608之间插入放大器电路610，尽管这不是严格要求的。
直流源612分别通过线614和616连接到栅极G和源极S。DC源612被布置成向功率检测器500馈送DC电压。栅极G和源极S通过电容器618连接，有效地在高频下提供二极管连接的晶体管，即在如由电容器调整的足够高的频率下，优选地在超出检测以进行成像所需的太赫兹频率的较低范围的频率下，栅极G和源极S通过电容器618电短路。
通常，进入的太赫兹辐射是通过半波整流和低通滤波来检测的。更具体地，当辐射601撞击用作功率检测器500的天线502的栅极G和源S时，栅极G和源S的电势以进入的太赫兹辐射601的频率调制，由此DC电压馈送被传递到漏极D。然而，由于采用二极管连接的晶体管配置，因此漏极D的输出是半波整流信号。该半波整流信号通过例如电容器和/或诸如线圈之类的电感部件滤波，从而向多路复用器602提供DC或低频感测信号。例如，电容器可以被并联插入在漏极D与地之间，以及/或者电感部件可以与功率检测器500的漏极D串联连接。因此，功率检测器500用作整流晶体管和天线。
图10示出了本发明构思的另一可能实现方式，其中，呈偶极天线传感器形式的功率检测器800具有连接在接收器天线802a与接收器天线802b之间的整流二极管801。在该实现方式中，读出电路600与参照图8描述的读出电路相同。
通常，天线像素可以包括一个或若干个片上高频器件，例如晶体管、多个晶体管、二极管或多个二极管。
因此，功率检测器可以包括连接到天线像素的天线结构的至少一个片上晶体管结构或者连接到像素的天线结构的至少一个片上二极管。
图11概念性地示出了示例天线像素900，例如，领结形配置的功率检测器。功率检测器900包括栅极G、源极S和漏极D。栅极G和源极S的几何形状至少部分地确定了功率检测器被调谐到的谐振频率。更准确地说，功率检测器的谐振频率由漏极D、源极S与栅极G之间的电耦合以及功率检测器的各个部分的几何形状定义。优选地，天线像素的工作频率范围被包括在如下范围内：10GHz至100THz，优选地为100GHz至50THz，更优选地为300GHz至30THz。
这里，领结形功率检测器900的栅极G和源极S均分别包括弯曲的远侧边缘902和904。换言之，栅极G和源极S均包括从上方看成形有预定曲率半径的一端。远端902和904的形状可以适于调谐功率检测器900的工作频率。此外，与采用更直的几何形状的偶极天线相比，由弯曲的远端902、904提供的至少部分圆形几何形状有利地提供了更极化独立的天线。
在优选实施方式中，天线像素例如功率检测器由二维材料例如石墨烯制成。这有利地使得能够在柔性基板上制造功率检测器，而不会显著地在功率检测器的工作妥协。柔性基板可以包括例如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)或任何其他类似材料。该图像传感器可以提供在几乎任意形状的显示器下(例如在弯曲显示面板下)的集成，由此柔性图像传感器可以与弯曲显示面板共形地成形。此外，与常规的3D晶体管相比，使用石墨烯提供了具有改进性能的晶体管。
关于上述，现在转向图12，无源太赫兹生物特征成像装置1008可以被配置成被布置在至少部分地透明且弯曲的显示面板1002下方，并且可以被配置成捕获位于至少部分地透明的弯曲显示面板1002的相对侧上的对象105的图像。图像传感器1008包括天线像素阵列109以及与透明的弯曲显示面板1002的曲率共形地成形的柔性基板1010。
图13是根据本发明的实施方式的用于制造用于太赫兹生物特征成像装置的图像传感器的方法步骤的流程图。该方法包括提供被配置成覆盖电子装置的显示器的盖玻璃102的步骤S102。随后，在盖玻璃102上提供S104二维材料层1400。接下来，将二维材料层1400图案化S106以形成被配置成检测太赫兹辐射的天线像素110的阵列。
二维材料可以被直接沉积在盖玻璃上，或者二维材料可以从基板转移到盖玻璃上。可以使用已知的微制造技术将天线像素所需的其他材料(例如金属线和介电材料)直接沉积在盖玻璃上。二维材料可以是石墨烯，但是也可以构想其他二维材料，例如硅烯、锗烯和磷烯以及TMD，如MoS2、WSe2等。
到用于向读出电路提供感测信号(S)的天线像素的电连接可以由盖玻璃侧上的二维金属线并且通过例如金属垫和/或导电粘合剂形成。这种二维金属线有利地是人眼不可见的。
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。
在本文中微透镜被示为具有朝向透明基板定向的平坦表面的平凸透镜。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，并且在一个实施方式中，透镜可以附接至显示面板的下表面，即使与微透镜的相反定向相比可能降低成像性能。还可以使用其他类型的透镜，例如凸透镜。使用平凸透镜的优点是由具有平坦表面的透镜提供的易于制造和组装。
还应注意，如本领域技术人员所理解的，附图中部件的大小是为了清楚而选择的，并且不一定按比例绘制。
微透镜可以以具有50μm至2mm范围的间距的阵列来布置。
微透镜可以是直径在20μm至1mm的范围内的圆形透镜。
微透镜可以是最短边的长度在20μm至1mm的范围内的矩形透镜。
此外，微透镜的高度可以在2μm至600μm的范围内。
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 (28)

1.一种无源太赫兹生物特征成像装置(100)，其能够在太赫兹辐射范围内工作，并且被配置成被布置在至少部分地透明的显示面板(102)下方，并且被配置成捕获位于所述透明的显示面板的相对侧的生物特征对象的太赫兹图像，所述太赫兹生物特征成像装置包括：
图像传感器(108)，其包括天线像素阵列(109)，所述天线像素阵列被配置成检测太赫兹范围内的辐射，并且被布置成检测由所述生物特征对象产生的太赫兹辐射，以在没有对所述生物特征对象进行照明的辅助太赫兹辐射的情况下捕获所述生物特征对象的太赫兹图像，其中，在所捕获的太赫兹图像中能够检测到所述生物特征对象的皮下层，
其中，每个像素包括功率检测器，所述功率检测器包括：天线结构，其被配置成感测由所述生物特征对象产生的太赫兹辐射；以及至少一个片上频率转换元件，其连接到所述天线结构，并且被配置成将感测到的太赫兹辐射转换为频率比所述太赫兹辐射的频率低的信号或者转换为DC信号，以供模数转换器读取作为输入。
2.根据权利要求1所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器附接到所述显示面板。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器包括支承所述天线像素阵列的基板。
4.根据权利要求3所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述基板由柔性材料制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器被直接地层压在所述显示面板上。
6.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器至少部分地透明。
7.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器被堆叠在包括颜色可控光源阵列的显示元件与所述显示面板的盖玻璃之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的太赫兹生物特征成像装置，其中，所述天线像素阵列被制造在所述显示面板上。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器被布置在包括颜色可控光源阵列的显示元件的下方。
10.根据权利要求9所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器被层压在所述显示元件上。
11.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，包括：
太赫兹辐射重定向元件阵列，其被布置在所述显示面板与所述图像传感器之间，其中，每个太赫兹辐射重定向元件被配置成将太赫兹辐射重定向到所述天线像素阵列上。
12.根据权利要求11所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述太赫兹辐射重定向元件阵列是微透镜阵列，其中，每个微透镜被配置成将太赫兹辐射重定向到天线像素的子阵列或者所述天线像素阵列中的单个天线像素上。
13.根据权利要求11所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述太赫兹辐射重定向元件阵列是竖直波导阵列，其中，每个竖直波导被配置成将太赫兹辐射重定向到所述天线像素阵列中的像素上。
14.根据权利要求1所述的太赫兹生物特征成像装置，其中，所述频率转换元件包括连接到所述天线像素的天线结构的至少一个片上晶体管结构或者连接到所述像素的天线结构的至少一个片上二极管。
15.根据权利要求1所述的太赫兹生物特征成像装置，其中，所述晶体管结构和所述天线结构被制作在单个部件中。
16.根据权利要求14或15中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，从天线像素输出的DC电压的水平基于检测到的太赫兹辐射的功率。
17.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述天线像素由至少部分地透明的材料制成。
18.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述天线像素阵列包括二维材料。
19.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述天线像素阵列包括石墨烯。
20.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器能够操作成检测在不包括可见光范围的频率范围内的太赫兹辐射。
21.根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，其中，所述图像传感器能够在如下频率范围内工作：10GHz至100THz，优选地为100GHz至50THz，更优选地为300GHz至30THz。
22.一种电子装置(200)，包括：
至少部分地透明的显示面板；
根据前述权利要求中任一项所述的无源太赫兹生物特征成像装置，以及
处理电路，其被配置成：
接收来自所述无源太赫兹生物特征成像装置的指示接触所述至少部分地透明的显示面板的生物特征对象的信号，
基于检测到的生物特征对象来执行生物特征认证过程。
23.根据权利要求22所述的电子装置，其中，所述透明的显示面板被配置成调制从所述生物特征对象发出的太赫兹辐射，由此将经调制的太赫兹辐射向所述图像传感器传输。
24.根据权利要求22和23中任一项所述的电子装置，其中，所述电子装置是移动装置。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的电子装置，其中，所述图像传感器被配置成覆盖显示面板区域的至少四分之一。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的电子装置，其中，所述图像传感器被配置成覆盖显示面板区域的至少一半。
27.根据权利要求22至26中任一项所述的电子装置，其中，所述图像传感器被配置成覆盖基本上整个显示面板区域。
28.一种制造用于无源太赫兹生物特征成像装置的图像传感器的方法，所述方法包括：
提供被配置成覆盖用于电子装置的显示器的盖玻璃；
在所述盖玻璃上提供二维材料层；
将所述二维材料层图案化，以形成被配置成检测太赫兹辐射的天线像素阵列。
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