CN114072859A - 包括准直结构的生物特征成像装置和在生物特征成像装置中成像的方法 - Google Patents

包括准直结构的生物特征成像装置和在生物特征成像装置中成像的方法 Download PDF

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Abstract

光学生物特征成像装置(100)包括：图像传感器(102)，其包括多个光电检测器像素(104)；多个准直结构(106)，其被设置在图像传感器上方，准直结构被配置成将到达图像传感器的光的入射角限制为低于第一预定入射角(θ1)；其中，至少该准直结构的子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角(θ2)的光的光阻挡元件(108)，第二入射角低于第一入射角；其中，光阻挡元件被配置成使得入射角在第一预定入射角与第二预定入射角之间的光能够通过，并且其中光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。

Description

包括准直结构的生物特征成像装置和在生物特征成像装置中 成像的方法
技术领域
本发明涉及适于集成在显示面板中的光学生物特征成像装置。特别地，本发明涉及适于指纹感测的光学生物特征成像装置。
背景技术
生物特征成像系统被广泛用作为增加个人电子设备(例如移动电话等)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设备(例如移动电话)中的大部分设备中。
光学指纹传感器为人们所知已经有一段时间，并且可以在某些应用(例如用作显示器下传感器)中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，以及/或者可以采用微结构，例如准直器或微透镜，来收集入射光并将其引导向图像传感器。
光学指纹传感器可以产生展现两种不同类型的对比度的指纹图像。一种类型的对比度是由于传感器的盖结构(例如显示器玻璃)与手指的不同区域之间的折射率的变化引起的。对于不与盖结构接触的手指部分(例如指纹谷)而言，以大于临界角的角度到达盖结构的表面的光由于玻璃与空气之间的折射率的差异而被反射，因此与接触玻璃的皮肤部分(对于其而言临界角显著更大)相比，可以看出对比度。另一种类型的对比度是典型相机系统的对比度，其中从不同的皮肤表面(脊和谷)反射的光产生与照片中存在的对比度相似的对比度，在照片中脊显得更亮而谷显得更暗，这与先前描述的对比度相反。
当在所获取的图像中，一种机制相对于另一机制的主导性不稳定时，单个图像内的不同类型的对比度的混合会产生问题。这在对干燥手指进行成像时是常见现象，而自然湿润的手指在整个过程中提供非常强烈的指数匹配对比度(index-matched contrast)，在连续的脊边界和谷(非接触)区域之间提供良好的描绘。具有单个对比度的图像与具有对比度的混合的图像之间的差异如此显著，以致于这是所谓的“交叉匹配”场景(干燥手指与湿润/正常手指的生物特征匹配)中有问题的性能的原因。另外，正常手指的强烈的指数匹配对比度机制可以很好地匹配在传感器盖结构的顶上出现2D欺骗(spoof)时所产生的相机类型对比度。
因此，期望解决在光学生物特征成像装置中与不同类型的图像对比度有关的上述问题。
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适合在电子用户设备中的显示器盖玻璃下使用的改进的生物特征成像装置，并且其中可以解决与不同类型的图像对比度有关的问题。
根据发明的第一方面，提供了一种生物特征成像装置，该生物特征成像装置包括：图像传感器，其包括多个光电检测器像素；多个准直结构，其被布置在图像传感器上方，准直结构被配置成将到达图像传感器的光的入射角限制为低于第一预定入射角(θ1)；其中，至少该准直结构的子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角(θ2)的光的光阻挡元件(108)，第二入射角低于第一入射角，并且其中，光阻挡元件被配置成使得入射角在第一预定入射角与第二预定入射角之间的光能够通过。
准直结构即准直器被配置成接收已经从指尖反射的光。到达准直器的光的入射角可以取决于准直器与手指之间的材料的特性而极大地变化，并且准直结构的功能是收集光并且将光引导向图像传感器，使得到达图像传感器的光具有低于第一预定入射角的入射角。由此，到达图像传感器的光具有锥形形状，其立体角(solid angle)由准直器特性限定。准直结构可以以许多不同的方式来实施，如将在下文中描述的。为了实现期望的准直功能，准直结构例如可以包括若干孔径层、微透镜和/或细长开口。
此外，对于包括光阻挡元件的准直结构的子集，入射角小于第二预定角度的光被阻挡。在实践中，这意味着正交光、或以正交光为中心的窄角度范围内的光被光阻挡元件阻挡，并且被阻止到达图像传感器。
本发明基于以下认识：可以使用所描述的光学生物特征成像装置在生物特征图像的两种类型的对比度之间进行区分，该光学生物特征成像装置包括具有和不具有光阻挡元件的准直结构的组合。由此，可以简化随后的图像处理，以使得可以验证对比度类型可能随指纹而变化的指纹，或者在由于不同的环境或皮肤状况而导致对比度与先前核准的示例(即，交叉匹配场景)的对比度非常不同的情况下验证指纹。分开两种不同类型的对比度还提供了应用反欺骗检测的独特机会，这是因为在单个物理欺骗(2D或3D)中同时复制两种成像对比度将是极其具有挑战性的。
此外，光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。光阻挡元件例如可以被配置成阻挡可见范围的子范围。由此第一预定波长范围是可见光的波长范围的子范围。由此，可以通过控制照射手指的光的波长来控制光阻挡元件是否应当阻挡被手指反射的光。在各种实施方式中，光阻挡元件可以被配置成充当例如在可见波长范围内的低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器或带阻滤波器。在一些实施方式中，光阻挡元件可以被称为滤色器，其中仅透射所选择的颜色。在一些实现方式中，第一波长范围还可以延伸到IR(红外)或UV(紫外)波长范围中。
根据发明的一个实施方式，光阻挡元件优选地被配置成使得基于从具有光阻挡元件的准直结构接收光的像素而形成的生物特征图像具有第一对比度类型，并且基于从不具有光阻挡元件的准直结构接收光的像素而形成的生物特征图像具有与第一对比度类型不同的第二对比度类型。由此基于从较广角度到达像素的光的第一对比度类型将是相机类型对比度，其中在所得到的图像中指纹的脊将表现为较亮区域，而谷将表现为较暗区域。第二对比度类型通常将由反向图像对比度(reverse image contrast)主导，该反向图像对比度可以被称为指数匹配对比度，其中在所得到的图像中脊将表现为较暗区域，而谷将是较亮区域。然而，从不具有光阻挡元件的准直结构接收光的像素将接收正交光和倾斜光两者，并且因此所得到的图像将示出两种类型的对比度的混合。手指与成像装置的外表面之间的界面的光学特性以及手指本身的特性一起确定所得到的图像的对比度主要是相机类型还是指数匹配类型，或者是它们之间的均匀混合。如上文所提及的，主导的对比度类型也可以在指纹的区域上变化。
根据发明的一个实施方式，准直结构的阵列中每隔一个的准直结构可以包括光阻挡元件。对于准直结构的矩形阵列，这将导致棋盘/棋盘格图案。然而，准直结构的阵列也可以具有其他配置，例如六边形。此外，不要求图像传感器的像素具有与准直结构相同的阵列配置，并且也不要求在像素的数目和尺寸与准直结构的数目和尺寸之间存在1∶1的关系。
根据发明的一个实施方式，准直结构的第一子集包括被配置成阻挡第一预定波长范围内的光的光阻挡元件，并且准直结构的第二子集包括被配置成阻挡与第一波长范围不同的第二预定波长范围内的光的光阻挡元件。第一波长范围和第二波长范围优选地是在可见光的波长范围(即约400nm至750nm)内或附近的非交叠的波长范围。通过使用充当用于不同波长的光的滤波器的光阻挡元件，可以通过控制照射手指的光来控制针对每个准直器结构要捕获的对比度类型。
根据发明的一个实施方式，每个准直结构可以包括光阻挡元件。假设可以控制照射手指的光的波长，则对于所有准直结构均包括光阻挡元件的成像装置而言，也可以捕获所描述的两个对比度类型的图像，只要至少光阻挡元件的子集允许光的特定子范围通过以使得正交定向的光可以到达图像传感器即可。在这样的实施方式中的光阻挡元件由此可以充当仅阻挡可见范围中的特定颜色的光的滤色器。
根据发明的一个实施方式，准直结构包括：第一孔径层，其布置在图像传感器上方；第一透明层，其布置在第一孔径层上方；以及微透镜的阵列，其布置在第一透明层上方。第一孔径层可以直接布置在图像传感器上，或者在第一孔径层与图像传感器之间可以存在附加层。以相同的方式，第一透明层可以直接布置在第一孔径层上，或者在第一透明层与第一孔径层之间可以存在附加层。由此，通过微透镜和孔径层实现准直功能，由此限制到达图像传感器的光的入射角。
根据发明的一个实施方式，生物特征成像装置还包括：第二孔径层，其布置在第一透明层上；以及第二透明层，其布置在第二孔径层上，其中，微透镜的阵列被布置在第二透明层上。第二孔径层优选地被配置成使得避免相邻准直结构之间的光学串扰。第二孔径层和第二透明层可以被看作准直结构的一部分，但是它们也可以被看作在准直结构之前形成在图像传感器上的单独的层。
对于准直结构包括一个或更多个孔径层的上述实施方式，光阻挡元件可以位于第一孔径层或第二孔径层的孔径中。例如，光阻挡元件可以是居中地位于第一孔径层的圆形孔径中的圆形元件，使得形成环形形状开口。然而，其他选项也是可能的。孔径和光阻挡元件可以具有其他形状，并且光阻挡元件可以位于第二孔径层的孔径中或第一孔径层与第二孔径层之间的某处。还可以使用多于两个的孔径层。
根据发明的一个实施方式，生物特征成像装置的准直结构的至少子集包括角度限制元件，该角度限制元件被配置成将到达图像传感器的入射光的角度限制为低于第三预定入射角(θ3)，第三入射角低于第一入射角。
具有角度限制元件的准直结构可以被配置成捕获第二对比度类型的光，即，产生指数匹配对比度类型的图像的基本上正交的光。由此，可以形成生物特征成像装置，其中准直结构的第一子集具有光阻挡元件，使得可以形成具有相机类型对比度的图像，并且其中准直结构的第二子集具有角度限制元件，使得可以形成具有指数匹配类型对比度的图像。
角度限制元件可以以许多不同的方式来配置。角度限制元件例如可以通过准直结构的上述示例的孔径来实施，其中第一孔径层和/或第二孔径层的孔径可以被配置成将入射角限制为低于第三预定入射角。角度限制元件例如可以形成为比包括光阻挡元件的准直结构中的孔径小的孔径。在非限制性示例中，角度限制元件可以是开口的尺寸与另一准直结构中的光阻挡元件的尺寸相同的孔径。也可以在准直结构的孔径中或孔径之间由单独的结构形成角度限制元件。
还可以形成包括孔径形式的角度限制元件的准直结构，该孔径被布置为在水平平面中相对于另一孔径具有偏移，由此限制到达图像传感器的光的入射角。
在一个实施方式中，准直结构的第一子集与准直结构的第二子集不交叠，意味着没有准直结构包括光阻挡元件和角度限制元件两者。例如，限定多个准直结构中的一半准直结构的子集可以包括光阻挡元件，而另一半可以包括角度限制元件，使得可以仅使用一个图像捕获来形成基于两种不同类型的对比度的两个图像。对于准直结构的适当配置，每个图像可以具有成像装置的全分辨率的一半的分辨率。
根据发明的一个实施方式，角度限制元件可以被配置成阻挡第一预定波长范围内的光，由此使得可以通过控制朝向手指发射的光的波长来控制要由成像装置捕获哪个对比度类型。
还提供了一种显示装置，该显示装置包括：具有发光元件的阵列的显示面板；以及根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，该生物特征成像装置被布置在显示面板之下。由此，生物特征成像装置可以集成在显示面板中或位于显示面板之下，使得可以在显示器的整个表面上进行生物特征成像。然后，显示器的像素将充当生物特征成像装置的光源，使得从显示面板发射的光被与显示面板的外表面接触的生物特征对象反射并且反射回图像传感器，在该图像传感器处可以形成生物特征对象的图像。生物特征对象例如可以是指纹或掌纹。
此外，可以控制显示面板发射与光阻挡滤波器的波长范围对应的选定波长范围内的光，使得光阻挡元件可以基于所发射的光的颜色来选择性地阻挡正交光。
根据发明的第二方面，提供了一种在生物特征成像装置中成像的方法，该生物特征成像装置包括：包括多个光电检测器像素的图像传感器以及布置在图像传感器上方的多个准直结构，准直结构被配置成将到达图像传感器的光的入射角限制为第一预定入射角，其中，至少该准直结构的子集包括光阻挡元件，光阻挡元件被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光，第二入射角低于第一入射角，并且其中，光阻挡元件被配置成使得入射角在第一入射角与第二入射角之间的光能够通过。
该方法包括：使用位于包括光阻挡元件的准直结构的子集下的像素来形成第一图像；使用位于不包括光阻挡元件的准直结构的子集下的像素来形成第二图像；以及基于第一图像和第二图像来形成组合图像。
在所描述的方法中，第一图像将包括经由具有光阻挡元件的准直结构而到达图像传感器的非正交光。第一图像因此将具有相机类型对比度。
第二图像包括经由不具有光阻挡元件的准直结构而到达图像传感器的正交光和非正交光两者。第二图像因此将具有相机类型对比度和指数匹配对比度两者。在一半的准直结构包括光阻挡元件的实施方式中，第一图像和第二图像的分辨率将是最大可能分辨率的一半。
根据发明的第三方面，提供了一种在生物特征成像装置中成像的方法，该生物特征成像装置被布置在包括多个发光元件的显示面板下。生物特征成像装置包括：具有多个光电检测器像素的图像传感器以及布置在图像传感器上方的多个准直结构，准直结构被配置成将到达图像传感器的光的入射角限制为第一预定入射角，其中，至少该准直结构的子集包括光阻挡元件，该光阻挡元件被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光，第二入射角低于第一入射角，光阻挡元件被配置成使得入射角在第一入射角与第二入射角之间的光能够通过，并且其中，光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。
该方法包括：控制显示面板发射仅在第一波长范围内的光；基于从包括光阻挡元件的准直结构的子集接收光的像素来形成第一图像；控制显示面板发射第一波长范围以外的光；基于从不包括光阻挡元件的准直结构的子集接收光的像素来形成第二图像；以及基于第一图像和第二图像来形成组合图像。
在所描述的方法中，第一图像将包括经由具有光阻挡元件的准直结构而到达图像传感器的非正交光。第一图像因此将具有相机类型对比度。
第二图像包括经由所有准直结构而到达图像传感器的正交光和非正交光两者。第二图像因此将具有相机类型对比度和指数匹配对比度两者。在一半的准直结构包括光阻挡元件的实施方式中，第一图像的分辨率将是最大可能分辨率的一半，第二图像的分辨率将是全分辨率，这是因为光阻挡元件对于第一预定波长范围以外的光是透明的。
根据发明的第四方面，提供了一种在生物特征成像装置中成像的方法，该生物特征成像装置被布置在包括多个发光元件的显示面板下，生物特征成像装置包括：包括形成光电检测器像素阵列的多个像素的图像传感器以及布置在图像传感器上方的准直结构的阵列，准直结构被配置成限制到达图像传感器的光的入射角，其中，准直结构的第一子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光的光阻挡元件，第二入射角低于第一入射角，准直结构的第一子集的光阻挡元件被配置成使得入射角在第一入射角与第二入射角之间的光能够通过，并且其中，准直结构的第一子集的光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光，并且准直结构的第二子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光的光阻挡元件，准直结构的第二子集的光阻挡元件被配置成使得入射角在第一入射角与第二入射角之间的光能够通过，并且其中，准直结构的第二子集的光阻挡元件被配置成阻挡与第一波长范围不同的第二预定波长范围内的光。
该方法包括：控制显示面板发射仅在第一波长范围内的光；基于位于准直结构的第一子集下的像素来形成第一图像；基于位于所有准直结构下的像素来形成第二图像；控制显示面板发射仅在第二波长范围内的光；基于位于准直结构的第二子集下的像素来形成第三图像；基于第一图像和第三图像来形成第一组合图像；以及基于第一组合图像和第二图像来形成第二组合图像。
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。技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，可以将本发明的不同特征进行组合以创建除了在下文中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更详细地描述本发明的这些和其他方面，在附图中：
图1示意性地示出了根据发明的实施方式的生物特征成像装置；
图2A至图2B示意性示出了根据发明的实施方式的生物特征成像装置的细节；
图3A至图3E示意性示出了根据发明的实施方式的生物特征成像装置的细节；
图4A至图4C示意性地示出了使用根据发明的实施方式的装置和方法获取的生物特征图像的特征；
图5是概述根据发明的实施方式的方法的一般细节的流程图；
图6示意性地示出了根据发明的实施方式的方法的选择的步骤；
图7是概述根据发明的实施方式的方法的一般细节的流程图；以及
图8是概述根据发明的实施方式的方法的一般细节的流程图。
具体实施方式
在本详细描述中，主要参照适合在诸如智能电话、平板计算机等的消费设备的显示面板下使用的指纹成像传感器来描述根据本发明的生物特征成像系统的各种实施方式。
图1示意性地示出了根据发明的实施方式的光学生物特征成像装置100的一部分。特别地，图1示出了生物特征成像装置100的一部分的截面，并且应当理解，成像装置100进一步延伸以形成合适尺寸的成像装置。
光学生物特征成像装置100包括图像传感器102，该图像传感器102包括多个光电检测器像素104。多个准直结构106被布置在图像传感器102上方，进一步参照示出了包括光阻挡元件108的准直结构106的一部分的图2A至图2B，准直结构106被配置成将到达图像传感器的光的入射角限制为低于第一预定入射角θ1，该光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。
此外，至少准直结构106的子集包括光阻挡元件108，该光阻挡元件108被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角θ2的光，其中第二入射角θ2低于第一入射角θ1，即θ2＜θ1。光阻挡元件108还被配置成使得入射角在第一预定入射角θ1与第二预定入射角θ2之间的范围内的光能够通过。在图2A至图2B中进一步示出了入射角θ1和θ2，其中可以看到，使得入射角低于θ1且高于θ2的光能够通过准直结构到达图像传感器102。在本上下文中，入射角是相对于对象示出的(图2A)，以及相对于第一孔径110层的平面示出的(图2B)，该平面可以假定为与图像传感器102的平面相同。这意味着使得已经到达准直结构的入射角在θ1与θ2之间的光能够通过准直结构到达图像传感器102。
在非限制性示例中，第一入射角θ1可以约为20°，并且第二入射角θ2可以约为10°，由此意味着入射角在10°至20°的范围内的光到达图像传感器。光阻挡元件108因此在这里被配置成阻挡入射角在10°与0°之间的光。
在图1中示出的示例实施方式中，准直结构106包括：布置在图像传感器102上的第一孔径层110；布置在第一孔径层110上的第一透明层112；布置在第一透明层112上的第二孔径层114；布置在第二孔径层114上的第二透明层116；以及布置在第二透明层116上的微透镜118的阵列。在一些实施方式中，准直结构106可以实现为仅是微透镜118的阵列、第一透明层112和第一孔径层110。此外，光阻挡元件108可以由与第一孔径层110相同的材料制成并且在与第一孔径层110相同的处理步骤中形成。
微透镜118与第一孔径层110和第二孔径层114的对应孔径对准，使得到达图像传感器102的光通过一个微透镜118，并且进一步通过第一孔径层110和第二孔径层114的对应孔径。这里，第二孔径层114的孔径优选地被配置成防止光学串扰，即，使得来自相邻准直结构的光仅到达其对应的垂直对准的像素104。在示出的示例中像素的尺寸被配置成使得通过准直结构的光到达一个对应的像素。
第一透明层112的材料可以被配置成阻挡红外波长范围内的光，并且在这样的实施方式中被称为IR截止层(IR-cut layer)。第一透明层112例如可以被配置成阻挡波长高于约600nm的光，从而确保红外光或近红外可见范围内的光不会到达图像传感器102。在材料堆叠中IR截止层也可以设置为单独的层。
生物特征成像装置100还可以包括本文中未描述的附加中间层，例如粘合剂层，只要这些层足够透明以使得光能够在没有过多损失的情况下从微透镜行进至图像传感器即可。
如图1中还示出的，生物特征成像装置包括不透明掩膜层120，该不透明掩膜层120包括位于各个微透镜118的位置处的开口122。不透明掩模层120可以在微透镜118已经布置在第二透明层116上之前或之后而被布置在第二透明层116上。在任一情况下，不透明掩模层120的开口122具有等于或小于微透镜118的尺寸的尺寸。不透明掩模层120还使得实现在微透镜阵列中微透镜118的稀疏布置，使得在邻近的微透镜118之间存在距离。
此外，第一孔径层110可以由其中形成有图像传感器102的CMOS芯片中的最顶部金属层形成。因此，可以在相同的制造过程中形成图像传感器102和第一孔径层110。第一孔径层114因此可以是金属层。第一孔径层114也可以是在可见范围内不透明的金属氧化物(黑铬)或黑色聚合物(光致抗蚀剂)层。第一透明层112和第二透明层116可以是旋涂的(spin-coated)聚合物层。在旋涂第一透明层112和第二透明层116的应用中，如果也旋涂第二孔径层114，则简化了制造过程，并且然后可以由例如黑色光致抗蚀剂形成第二孔径层114。也可以在单独的透明材料(例如玻璃)片上形成第一孔径层和第二孔径层中的一者或两者，并且随后将孔径层和玻璃片布置到图像传感器102上。
图3A是布置在显示面板300下的生物特征成像装置100的示意图，图3B示出了根据发明的实施方式的准直结构106。手指302与显示面板300的外表面304例如盖玻璃(其中可以看到指纹脊306和谷308)接触。在示出的实现方式中，在显示面板300的底表面与生物特征成像装置100的微透镜118之间存在气隙312。
光束310a至光束310e示意性地示出了以不同入射角到达准直结构的光，其中第一光束310a示出了正交光，其中第五光束310e示出了在图像传感器处具有最高入射角的光。在图3B中，示出了包括光阻挡元件108的准直结构106。光阻挡元件108为圆形结构，其被布置在第一孔径层110的圆形孔径的中央，使得形成环形形状开口314，如图3D的俯视图中进一步示出的。第一光束310a至第四光束310d示出了入射角低于第一预定入射角θ1由此能够通过准直结构106的光，而第五光束310e表示入射角高于θ1由此被准直结构106阻挡的光。此外，第一光束310a和第二光束310b示出入射角低于第二预定入射角θ2的光，导致这样的光被光阻挡元件108阻挡并被阻止到达光电检测器像素104。因此，在示出的准直结构106中，只有入射角在第一预定入射角θ1与第二预定入射角θ2之间的光才能到达图像传感器102的像素104。
准直结构106和光阻挡元件108优选地被配置成使得基于从具有光阻挡元件108的准直结构接收光的像素而形成的生物特征图像具有第一对比度类型，并且基于从不具有光阻挡元件的准直结构106接收光的像素而形成的生物特征图像具有与第一对比度类型不同的第二对比度类型。
可以通过在微透镜118与第一孔径层110中的对应孔径之间引入水平偏移来进一步控制准直结构106的接收角。
图3C示出了包括角度限制元件320的准直结构106，并且在图3E中示出了角度限制元件320的俯视图。角度限制元件320被配置成限制到达图像传感器的入射光的角度，使得该角度低于第三预定入射角θ3，其中第三预定入射角θ3低于第一入射角θ1，θ3＜θ1。此外，θ3可以等于θ2。在实践中，可以通过至少对于所选波长具有较低接收角的准直结构来实现角度限制元件320。由此，角度限制元件320可以是准直结构106的一部分。
在图3C中，具有最低入射角的光，即310a至310b，到达图像传感器，而具有较高入射角的光，即310c至310d，被角度限制元件阻挡。角度限制元件320可以具有与先前描述的环形开口314相同的尺寸，使得具有角度限制元件320的准直结构的开口316具有与光阻挡元件108相同的尺寸。由此，对于具有角度限制元件320的准直结构，只有具有被光阻挡元件108阻挡的入射角的光才能到达图像传感器102，即θ3＝θ2。
借助于包括光阻挡元件108和角度限制元件320的准直结构106，可以形成具有不同对比度类型的互补图像，如在下文中将更详细地描述的。
准直结构、光阻挡元件和角度限制元件的具体配置部分地取决于显示面板和图像传感器的特性。准直结构被有利地配置成适应具体实现方式，使得可以捕获具有两种不同对比度的图像。
图4A至图4C示意性地示出了两个对比度类型以及两个对比度类型的组合。图4A示意性地示出了使用以下准直结构而捕获的手指的图像400：该准直结构具有光阻挡元件使得防止正交和近正交的光到达图像传感器。基于从较广角度到达像素的光，第一对比度类型将是“类相机的”，其中在图像400中谷402相对较暗，而脊404相对较亮。
图4B示意性地示出了使用以下准直结构而捕获的手指的图像406：该准直结构具有角度限制元件使得只有正交和近正交的光才能到达图像传感器。基于从较窄角度到达像素的光，第二对比度类型将是“指数匹配类型”，其中在图像406中脊408相对较暗，而谷410相对较亮。在一些实现方式中，由于边界不匹配导致反射率差异，可能会出现第二对比度类型。
在图4C中，示意性地示出了由两个对比度类型的组合构成的图像。
图5是概述根据发明的方法的一般步骤的流程图。将进一步参照示意性地示出了方法的步骤的图6来描述该方法。该方法包括：使用位于包括光阻挡元件的准直结构的子集606下的像素来形成500第一图像602；使用位于不包括光阻挡元件的准直结构的子集608下的像素来形成502第二图像604；以及基于第一图像602和第二图像604来形成504组合图像630。
在图6中，示出了包括准直结构的阵列的生物特征成像装置100，其中准直结构的子集606包括如前所述的光阻挡元件108。剩余的准直结构608不包括光阻挡元件，使得形成棋盘图案。执行单个图像捕获以捕获图像600，此后将图像处理分成两个单独的图像处理流610、612。两个图像处理流610、612中的每一个将处理分辨率大约为图像传感器的全分辨率一半的图像。第一图像处理流610处理位于具有光阻挡元件的准直结构下的像素。在示出的示例中，与准直结构的一个子集606对应的捕获图像600的像素614被上采样以形成内插图像，并且在对内插图像进行分析之后，形成指纹图像602，该指纹图像602仅示出基于入射角在θ1与θ2之间的光的第一对比度类型。
在第二图像处理流612中，处理位于不具有光阻挡元件的准直结构下的像素。这里，与互补子集608对应的捕获图像600的像素618被上采样以形成内插图像，并且在对内插图像进行分析之后，形成指纹图像604，该指纹图像604示出基于入射角低于θ1的光的两种对比度类型。基于来自对应的两个图像处理流610、612的两个指纹图像602、604，可以形成组合指纹图像630。
可以在包括具有光阻挡元件的准直结构的成像装置中以类似方式实现所描述的方法，并且可以配置具有或不具有光阻挡元件和/或角度限制元件的准直结构的组合，使得成像装置的特性适于给定应用。
图7是概述用于以下图像传感器的本发明实施方式的一般步骤的流程图：该图像传感器与参照图6描述的图像传感器类似，但是不同之处在于光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。光阻挡元件因此可以充当带阻滤波器、或充当带通滤波器，在这种情况下，第一波长范围将由两个单独的范围限定。光阻挡元件的子集也可以是不透明的，使得阻挡所有可见光。
方法包括：控制700显示面板发射仅在第一波长范围内的光；基于从包括光阻挡元件的准直结构的子集接收光的像素来形成702第一图像；控制704显示面板发射第一波长范围以外的光；基于从所有准直结构接收光的像素来形成706第二图像；以及基于第一图像和第二图像来形成708组合图像。
第一图像将展现基于非正交光的单个对比度类型，并且其将具有图像传感器的全分辨率的大约一半。第二图像将示出两个对比度并且具有图像传感器的全分辨率。因此，通过使用充当光学滤波器的光阻挡元件，可以形成具有全分辨率的一个图像。
图8是概述用于以下图像传感器的本发明实施方式的一般步骤的流程图：在该图像传感器中，所有准直结构均包括光阻挡元件，并且其中，准直结构的第一子集的光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光，并且其中，准直结构的第二子集的光阻挡元件被配置成阻挡与第一波长范围不同的第二预定波长范围内的光。第一子集和第二子集例如可以形成棋盘图案。
方法包括：控制800显示面板发射仅在第一波长范围内的光；基于位于准直结构的第一子集下的像素来形成802第一图像；基于位于所有准直结构下的像素来形成804第二图像；控制806显示面板发射仅在第二波长范围内的光；基于位于准直结构的第二子集下的像素来形成808第三图像；基于第一图像和第三图像来形成810第一组合图像；以及基于第一组合图像和第二图像来形成812第二组合图像。
第一图像将具有对于准直结构的第一子集的、基于非正交光的单个对比度类型，第二图像将具有双对比度和全分辨率，并且第三图像将具有对于准直结构的第二子集的、基于非正交光的单个对比度。由此，通过组合第一图像和第三图像，可以实现非正交光的全分辨率图像，并且可以基于两个全分辨率图像——一个仅具有一个对比度类型并且一个具有双对比度——来执行生物特征分析。
上述实施方式可以与包括角度限制元件的准直结构一起使用和/或补充，该准直结构也可以充当波长滤波器，由此使可能的组合无穷无尽。对于特定的实现方式，因此可以在装置复杂性与生物特征准确性之间找到合适的平衡。
尽管已经参照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而言许多不同的变更、修改等将变得明显。此外，应当注意，装置的各部分可以以各种方式被省去、互换或布置，但是装置仍然能够执行本发明的功能。
另外，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各种变型。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。在相互不同的从属权利要求中记载某些手段的这一事实不表示这些手段的组合不能用于获得益处。

Claims (17)

1.一种光学生物特征成像装置(100)，包括：
图像传感器(102)，所述图像传感器包括多个光电检测器像素(104)；
多个准直结构(106)，所述多个准直结构被布置在所述图像传感器上方，所述准直结构被配置成将到达所述图像传感器的光的入射角限制为低于第一预定入射角(θ1)；
其中，至少所述准直结构的子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角(θ2)的光的光阻挡元件(108)，所述第二入射角低于所述第一入射角，其中，所述光阻挡元件被配置成使得入射角在所述第一预定入射角与所述第二预定入射角之间的光能够通过，并且其中，所述光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。
2.根据权利要求1所述的生物特征成像装置，其中，所述光阻挡元件被配置成使得基于从具有光阻挡元件的准直结构接收光的像素而形成的生物特征图像具有第一对比度类型，并且基于从不具有光阻挡元件的准直结构接收光的像素而形成的生物特征图像具有与所述第一对比度类型不同的第二对比度类型。
3.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，准直结构的阵列中每隔一个的准直结构包括光阻挡元件。
4.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其中，准直结构的第一子集包括被配置成阻挡第一预定波长范围内的光的光阻挡元件，并且准直结构的第二子集包括被配置成阻挡与所述第一波长范围不同的第二预定波长范围内的光的光阻挡元件。
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，所述准直结构包括：
第一孔径层(110)，所述第一孔径层被布置在所述图像传感器上方；
第一透明层(112)，所述第一透明层被布置在所述第一孔径层上方；以及
微透镜(118)的阵列，所述微透镜的阵列被布置在所述第一透明层上方。
6.根据权利要求6所述的生物特征成像装置，还包括：
第二孔径层(114)，所述第二孔径层被布置在所述第一透明层上；以及
第二透明层(116)，所述第二透明层被布置在所述第二孔径层上，其中，所述微透镜的阵列被布置在所述第二透明层上。
7.根据权利要求6所述的生物特征成像装置，其中，所述光阻挡元件位于所述第一孔径层或所述第二孔径层的孔径中。
8.根据权利要求6或7所述的生物特征成像装置，其中，所述光阻挡元件被布置在所述第一孔径层或所述第二孔径层的孔径的中央部分中。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的生物特征成像装置，其中，所述光阻挡元件被布置在所述第一孔径层与所述第二孔径层之间。
10.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，至少所述准直结构的子集包括角度限制元件，所述角度限制元件被配置成将到达所述图像传感器的入射光的角度限制为低于第三预定入射角(θ3)，所述第三预定入射角低于所述第一入射角。
11.根据权利要求10所述的生物特征成像装置，其中，包括角度限制元件的所述准直结构的子集与包括光阻挡元件的所述准直结构的子集不交叠。
12.根据权利要求10或11所述的生物特征成像装置，其中，所述角度限制元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光。
13.一种显示装置，包括：
具有发光元件的阵列的显示面板；以及
根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，所述生物特征成像装置被布置在所述显示面板之下。
14.一种显示装置，包括：
具有发光元件的阵列的显示面板；以及
根据前述权利要求中任一项所述的生物特征成像装置，所述生物特征成像装置被布置在所述显示面板之下，其中，所述生物特征成像装置被配置成当控制所述显示面板发射仅在所述第一波长范围内的光时捕获图像。
15.一种在生物特征成像装置中成像的方法，所述生物特征成像装置包括：
包括多个光电检测器像素的图像传感器以及布置在所述图像传感器上方的多个准直结构，所述准直结构被配置成将到达所述图像传感器的光的入射角限制为第一预定入射角，其中，至少所述准直结构的子集包括光阻挡元件，所述光阻挡元件被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光，所述第二入射角低于所述第一入射角，并且其中，所述光阻挡元件被配置成使得入射角在所述第一入射角与所述第二入射角之间的光能够通过，所述方法包括：
使用位于包括光阻挡元件的所述准直结构的子集下的像素来形成(500)第一图像；
使用位于不包括光阻挡元件的所述准直结构的子集下的像素来形成(502)第二图像；以及
基于所述第一图像和所述第二图像来形成(504)组合图像。
16.一种在生物特征成像装置中成像的方法，所述生物特征成像装置被布置在包括多个发光元件的显示面板下，所述生物特征成像装置包括：
具有多个光电检测器像素的图像传感器以及布置在所述图像传感器上方的多个准直结构，所述准直结构被配置成将到达所述图像传感器的光的入射角限制为第一预定入射角，其中，至少所述准直结构的子集包括光阻挡元件，所述光阻挡元件被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光，所述第二入射角低于所述第一入射角，所述光阻挡元件被配置成使得入射角在所述第一入射角与所述第二入射角之间的光能够通过，并且其中，所述光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光，所述方法包括：
控制(700)所述显示面板发射仅在所述第一波长范围内的光；
基于从包括光阻挡元件的所述准直结构的子集接收光的像素来形成(702)第一图像；
控制(704)所述显示面板发射所述第一波长范围以外的光；
基于从所有准直结构接收光的像素来形成(706)第二图像；以及
基于所述第一图像和所述第二图像来形成(708)组合图像。
17.一种在生物特征成像装置中成像的方法，所述生物特征成像装置被布置在包括多个发光元件的显示面板下，所述生物特征成像装置包括：
包括形成光电检测器像素阵列的多个像素的图像传感器以及布置在所述图像传感器上方的准直结构的阵列，所述准直结构被配置成限制到达所述图像传感器的光的入射角，其中，所述准直结构的第一子集包括被配置成阻挡入射角低于第二预定入射角的光的光阻挡元件，所述第二入射角低于所述第一入射角，所述准直结构的第一子集的光阻挡元件被配置成使得入射角在所述第一入射角与所述第二入射角之间的光能够通过，并且其中，所述准直结构的第一子集的光阻挡元件被配置成阻挡第一预定波长范围内的光，
并且所述准直结构的第二子集包括被配置成阻挡入射角低于所述第二预定入射角的光的光阻挡元件，所述准直结构的第二子集的光阻挡元件被配置成使得入射角在所述第一入射角与所述第二入射角之间的光能够通过，并且其中，所述准直结构的第二子集的光阻挡元件被配置成阻挡与所述第一波长范围不同的第二预定波长范围内的光，所述方法包括：
控制(800)所述显示面板发射仅在所述第一波长范围内的光；
基于位于所述准直结构的第一子集下的像素来形成(802)第一图像；
基于位于所有准直结构下的像素来形成(804)第二图像；
控制(806)所述显示面板发射仅在所述第二波长范围内的光；
基于位于所述准直结构的第二子集下的像素来形成(808)第三图像；
基于所述第一图像和所述第三图像来形成(810)第一组合图像；以及
基于所述第一组合图像和所述第二图像来形成(812)第二组合图像。
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