生物特征成像装置论文和设计-雷内·尼尔松

全文摘要

一种生物特征成像装置(100)，包括：图像传感器(108)，其包括光电检测器像素阵列(109)，该图像传感器还包括在该图像传感器的顶表面与底表面之间延伸的多个通孔连接(130)；透明基板(112)，其被布置成覆盖图像传感器；不透明层(114)，其包括多个分开的开口(116)，该不透明层被布置在成像装置的顶表面与图像传感器之间；以及多个微透镜(118)，每个微透镜被布置成与不透明层的对应开口对准，使得穿过微透镜和对应开口的光到达光电检测器像素阵列。

主设计要求

1.一种生物特征成像装置(100)，其特征在于，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)，所述图像传感器还包括在所述图像传感器的顶表面与底表面之间延伸的多个通孔连接(130)；透明基板(112)，其被布置成覆盖所述图像传感器；不透明层(114)，其包括多个分开的开口(116)，所述不透明层被布置在所述成像装置的顶表面与所述图像传感器之间；以及多个微透镜(118)，每个微透镜被布置成与所述不透明层的对应开口对准，使得穿过所述微透镜和所述对应开口的光到达所述光电检测器像素阵列。

设计方案

1.一种生物特征成像装置(100)，其特征在于，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)，所述图像传感器还包括在所述图像传感器的顶表面与底表面之间延伸的多个通孔连接(130)；

透明基板(112)，其被布置成覆盖所述图像传感器；

不透明层(114)，其包括多个分开的开口(116)，所述不透明层被布置在所述成像装置的顶表面与所述图像传感器之间；以及

多个微透镜(118)，每个微透镜被布置成与所述不透明层的对应开口对准，使得穿过所述微透镜和所述对应开口的光到达所述光电检测器像素阵列。

2.根据权利要求1所述的生物特征成像装置，其中，所述图像传感器还包括分别位于所述图像传感器的所述顶表面和所述底表面上的多个第一电连接元件和第二电连接元件(132，134)，每个所述第一电连接元件通过所述通孔连接被连接至第二电连接元件。

3.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其特征在于，还包括IR阻挡层(136)，其被配置成阻止IR光到达所述图像传感器。

4.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其中，所述透明基板被接合至所述图像传感器。

5.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其中，借助于粘合剂和位于所述透明基板与所述图像传感器之间的间隔元件(304)，所述透明基板附接至所述图像传感器。

6.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其中，所述透明基板的厚度在50μm至800μm的范围内。

7.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其中，所述微透镜是球面透镜或非球面透镜。

8.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其特征在于，还包括第二多个微透镜(302)，所述第二多个微透镜(302)中的每个被布置成与所述透明基板的相对侧上的对应微透镜相对。

9.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其特征在于，还包括在所述不透明层与所述透明基板之间的至少一个中间层。

10.根据权利要求1或2所述的生物特征成像装置，其特征在于，还包括至少部分透明的显示面板，所述至少部分透明的显示面板被布置成覆盖所述不透明层和所述微透镜。

11.根据权利要求10所述的生物特征成像装置，其特征在于，还被配置成捕获与所述显示面板的外表面(106)接触的对象的图像，所述生物特征成像装置。

12.根据权利要求10所述的生物特征成像装置，其特征在于，还包括被布置在所述不透明层与所述显示面板之间的至少一个中间层(122)。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及适于集成在显示面板中的光学指纹感测装置。特别地，本实用新型涉及包括多个微透镜的光学指纹传感器。

背景技术

生物特征系统被广泛用作增加诸如移动电话等个人电子装置的便利性和安全性的手段。特别是指纹感测系统现在被包括在诸如移动电话的所有新近发布的消费电子装置的大部分中。

光学指纹传感器为人所知已有一段时间，并且在某些应用中，光学指纹传感器可以是例如电容式指纹传感器的可行的替选物。光学指纹传感器可以例如基于小孔成像原理和\/或可以采用微通道(即准直器或微透镜)来将入射光聚焦到图像传感器上。

US 2007\/0109438描述了一种可以用作指纹传感器的光学成像系统，在该系统中，微透镜被布置成将光重定向到检测器上。在所描述的成像系统中，每个微透镜构成采样点，并且微透镜被彼此靠近布置以增加图像分辨率。为了避免混合从相邻微透镜接收到的光，在微透镜与检测器之间布置微通道或孔。

然而，为了实现高分辨率传感器，必须使微透镜变小并且以高精度制造微透镜，使得制造工艺复杂且对变化敏感，并且包括小的微透镜的所描述类型的传感器也将对覆盖传感器的任何层的透射率的空间差异敏感。

因此，期望提供一种改进的光学指纹感测装置。

实用新型内容

鉴于现有技术的上述和其他缺点，本实用新型的目的是提供适于布置在显示面板下方的生物特征成像装置，从而提供显示器内指纹感测功能。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种生物特征成像装置，包括：图像传感器，其包括光电检测器像素阵列，该图像传感器还包括在该图像传感器的顶表面与底表面之间延伸的多个通孔连接；透明基板，其被布置成覆盖图像传感器；不透明层，其包括多个分开的开口，该不透明层被布置在成像装置的顶表面与图像传感器之间；以及多个微透镜，每个微透镜被布置成与不透明层的对应开口对准，使得穿过微透镜和对应开口的光到达光电检测器像素阵列。

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射的光将被放置在感测表面上的手指反射，并且反射的光被微透镜接收并随后被重定向到每个微透镜的光电检测器像素阵列中的对应的像素子阵列上。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，可以形成表示指纹的图像并且可以执行随后的生物特征验证。

此处，不透明层中的开口用作孔，允许光经由微透镜穿过孔。微透镜的特性被选择成使得光电检测器像素阵列中的每个子阵列经由微透镜接收由放置在显示面板的外表面上的手指的指纹的一部分反射的光。因此，可以通过将由所有子阵列捕获的图像进行组合来形成表示完整指纹的组合图像。当生物特征成像装置被布置在显示面板下方时，足以激活与手指在显示器上的位置对应的子阵列，而不是激活成像装置中的所有子阵列。而且，仅需要激活与手指位置对应的位置中的显示像素。

所描述的不透明层和微透镜的配置允许微透镜的稀疏布置，在该稀疏布置中，相邻的微透镜被不透明层的一部分分开，该部分对应于不透明层中的开口的分离。

借助于所要求保护的实用新型，提供了一种生物特征成像装置，该生物特征成像装置易于被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，可以使成像装置对显示面板的透射率的空间变化不敏感。此外，得到的图像的分辨率不是仅由微透镜阵列来限定的，因为根据本实用新型的各种实施方式，每个微透镜又将光重定向到图像传感器中的多个像素上。因此，该分辨率将基于微透镜的光学性质和图像传感器的分辨率的组合来确定。因此，与每个微透镜对应于得到图像中的单个像素的传感器相比，微透镜可以被制造得更大并且彼此相距一定距离来布置。因此，简化了制造工艺，并且制造工艺也与大规模晶片处理技术以及大规模封装级处理兼容。

每个微透镜被布置成与不透明层的对应开口对准意味着穿过一对透镜和对应开口的光不穿过任何其他微透镜或开口。因此，微透镜的数目与不透明层中的开口的数目之间存在1:1的对应关系。

微透镜例如可以被布置在不透明层中的与该不透明层处于同一平面的开口中。因此，在孔与微透镜之间没有垂直距离。这又简化了制造工艺，因为不透明层和微透镜都可以布置在透明基板上。因此，在微透镜被布置成与不透明层以及不透明层中的开口在同一平面中的情况下，光的收集度高并且到达图像传感器的杂散光的风险被最小化。

微透镜的尺寸可以对应于开口的尺寸。因此，由微透镜接收的所有光被重定向到图像传感器，并且未穿过微透镜的光不会到达图像传感器。

微透镜可以有利地被配置成将光聚焦到像素子阵列上。由此，光被聚焦在图像传感器上，并且可以捕获手指的一部分的清晰图像。然而，原则上可以在这样的配置中使用微透镜，在该配置中，对来自微透镜的光的会聚在图像传感器上形成略微散焦\/模糊的图像，这意味着不严格要求透镜的焦点位于图像传感器的平面中。

由仅从一个微透镜接收光的像素子阵列限定的有效子阵列小于微透镜与图像传感器之间的距离的两倍。

理论上，图像传感器上的图像将无限延伸，但实际上在角度大于45度时基本上为零。由于场曲率并且由于透镜收集的光随着角度的增加而减少，图像将散焦。场曲率二次方地取决于角度(视场)和透镜尺寸两者。因此，具有一半直径的透镜将具有四分之一的场曲率，但也具有四分之一的光。

此外，有效子阵列的全部或部分可以被定义为在读出和\/或后续图像处理期间被使用以形成手指的一部分的图像的质量区域。然而，这样的质量区域可以是诸如圆形、椭圆形或矩形的任何合适的形状，并且不要求质量区域具有与微透镜相同的形状，微透镜可以是圆形、椭圆形或矩形，因为可以通过读出方法和随后的图像处理技术来确定质量区域的配置。

不透明层中的多个开口被布置成形成开口阵列，该开口阵列的间距大于光电检测器像素阵列中的有效像素子阵列的尺寸的一半。由此可以避免相邻的子阵列完全交叠并且可以确保来自仅一个透镜的光到达图像传感器中的特定数目的图像传感器像素。原则上，可以看作限定有效子阵列的非交叠区域的尺寸随着微透镜之间的距离的增加而增加。

子阵列的尺寸可以在20μm至2mm的范围内。

微透镜可以是直径在20μm至1mm范围内的圆形透镜，或者是最短边的长度在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。

微透镜可以被布置成具有50μm至2mm范围内的间距的阵列，并且可以以诸如正方形、矩形或六边形阵列的任何图案来布置阵列。

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。

生物特征成像装置还可以包括在不透明层与透明基板之间的至少一个中间层。中间层可以例如是改进不透明层与透明基板的粘附性和\/或用于改进整个结构的机械\/热稳定性和可靠性的层。位于微透镜与透明基板之间的任何中间层优选地具有高透明度并且具有与微透镜或透明基板相同的折射率，以避免相邻层之间的界面处的不期望的折射和\/或反射。

根据本实用新型的一个实施方式，生物特征成像装置还可包括至少部分透明的显示面板，该至少部分透明的显示面板被布置成覆盖不透明层。显示面板可以例如基于OLED、LCD、μLED和类似技术。从而，使显示器内生物成像成为可能。

生物特征成像装置还可包括在不透明层与显示面板之间的至少一个中间层。不透明层与显示面板之间的中间层可以是例如覆盖不透明层和微透镜两者的抗反射涂层。在微透镜与显示面板之间也可以存在气隙，以便在微透镜旁边提供具有低折射率的材料。然而，气隙不排除布置在微透镜和不透明层上的一个或多个中间层的存在。中间层可以例如具有与微透镜的折射率不同的折射率。中间层的折射率也可以高于透镜的折射率。在这种情况下，必须反转透镜的曲率，使得朝向较高折射率的材料弯曲透镜。

显示面板在与微透镜位置对应的位置处至少部分透明。因此，并不严格要求显示面板是完全透明的，仅需要显示面板在微透镜的位置处足够透明，使得足够的光可以穿过显示器并且到达微透镜以使得能够由图像传感器捕获图像。

显示面板具有重复透射图案，重复图案中的每个单位单元包括第一部分，该第一部分的透明度比第二部分更高，并且其中，微透镜被布置在与第一部分对应的位置中。由于显示面板包括像素阵列以及用于控制像素阵列的对应电路，因此显示器的透明度可以根据例如显示像素以可重复的方式变化。因此，可以被任意定义的显示单位单元可以被视为具有透明度较高的区域部分和透明度较低的区域部分。由于期望使尽可能多的光到达图像传感器，所以微透镜优选地与具有最高透明度的显示单位单元的一个或多个部分对准。

微透镜可以具有大于可重复透射图案的周期的尺寸。因此，由子阵列形成的图像基于多于一个的上述显示单位单元的平均值。这又具有以下优点：微透镜相对于透射图案的相对对准可以被任意选择。

生物特征成像装置还可包括布置在不透明层上的多个导电结构，其中，导电结构连接到感测电路并且被配置成检测接触显示面板表面的对象。导电结构可以以在成像装置的微透镜之间的一些或所有区域中的结构阵列来提供。还可以在不透明层上形成稀疏的导电结构阵列。导电结构有利地形成为板或垫，以与放置在显示器表面上的手指形成电容耦合，并且感测电路由此被配置成检测该电容耦合。然后，所描述的导电结构可以用于提供“手指检测”或“唤醒”功能，使得光学传感器可以被停用或处于待机模式，直到检测到显示面板上出现手指为止。此外，多个导电结构还可以用于确定显示器表面上的一个或更多个手指的位置，使得仅激活所需位置中的子阵列以获取指纹图像，从而提供更高能效的成像装置。

生物特征成像装置还可以包括位于显示面板与图像传感器之间的偏振滤光器。

生物特征成像装置还可以包括位于显示面板与图像传感器之间的滤光器。滤光器也可以称为波长滤光器或光谱滤光器，其允许特定波长或特定波长范围内的光通过。

偏振滤光器和滤色器可以用于避免未被显示面板发射并且未被手指反射的光到达图像传感器。例如，可以将显示器控制成发射预定偏振的光或已知颜色范围内的光，并且提供仅允许具有发射的光的特性的光到达图像传感器的滤光器。

提供了一种生物特征成像装置，该生物特征成像装置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与显示面板的外表面接触的对象的图像，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，其被布置成覆盖图像传感器；覆盖透明基板的上表面的不透明层，其中，不透明层还包括多个分开的开口；以及多个微透镜，每个微透镜位于不透明层的相应开口上方并且与不透明层的相应开口相距一定距离，使得每个微透镜的焦点位于不透明层与图像传感器之间；其中，每个微透镜被配置成将光重定向成穿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。

因此，微透镜被放置在距不透明层的垂直距离处但是与不透明层中的开口对准，使得穿过微透镜的光到达图像传感器。开口与微透镜之间的垂直距离可以由沉积或以其他方式布置在不透明层上的中间透明层限定。

微透镜与开口之间的垂直距离优选地小于透镜焦距的一半。因此，即使微透镜优选地尽可能靠近不透明层放置或者与不透明层放置在同一平面中，也可能存在不可能将微透镜放置在不透明层的平面中的应用和设计。在这种应用中，微透镜优选地被放置成距不透明层的平面不远于微透镜焦距的一半。随着微透镜与开口之间的距离增加，成像装置的性能会在某种程度上降低，因为存在光通过开口泄漏的风险。

当研究所附权利要求书和以下描述时，本实用新型的其他特征和优点将变得明显。本领域技术人员认识到，在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以将本实用新型的不同特征进行组合以创建除了下面描述的实施方式之外的实施方式。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本实用新型的这些和其他方面，附图示出了本实用新型的示例实施方式，在附图中：

图1A至图1B示意性地示出了根据本实用新型的实施方式的生物特征成像装置；

图2示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的生物特征成像装置；以及

图3示意性地示出了根据本实用新型的一个实施方式的生物特征成像装置；

具体实施方式

在本详细描述中，主要参照布置在显示面板下方的生物特征成像装置来描述根据本实用新型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用于其他光学指纹成像应用，例如位于盖玻片等下方的光学指纹传感器中。

图1A示意性地示出了生物特征成像装置100，其包括图像传感器108，图像传感器108包括光电检测器像素阵列109，该图像传感器还包括在图像传感器108的顶表面与底表面之间延伸的多个通孔连接130。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和包括多个分开的开口116的不透明层114，不透明层114被布置在成像装置100的顶表面与图像传感器108之间。

成像装置100还包括多个微透镜118，每个微透镜118被布置成与不透明层114的对应开口116对准，使得穿过微透镜118和对应开口116的光到达光电检测器像素阵列109。在图1A中，微透镜118在与不透明层114相同的平面被布置在不透明层114的开口116中。微透镜118也可以被布置成与开口116对准但是距该开口的垂直距离处。

图像传感器108还包括分别位于图像传感器108的顶表面和底表面上的多个第一电连接元件132和多个第二电连接元件134，每个第一电连接元件132通过通孔连接130被连接至对应的第二电连接元件134。连接元件132、134可以形成为垫、焊盘、凸块或任何其他合适的电连接元件。连接元件132、134和通孔连接130实现图像传感器108与外部电路之间的电连接，外部电路可以连接至位于图像传感器108的后侧并且因此也在成像装置100的后侧的暴露的第二电连接元件134。

成像装置100还包括IR阻挡层136，其被配置成阻止IR光到达图像传感器108。IR阻挡层136可以例如附接至图像传感器的表面，即，在透明基板112与图像传感器之间。

透明基板可以借助于接合或通过使用粘合剂而附接至图像传感器，并且透明基板的厚度可以在50μm到800μm的范围内。

图1B示意性地示出了生物特征成像装置100的其他细节。这里，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覆盖结构下，只要图像传感器接收到足够量的光以捕获与该覆盖结构的外表面接触的生物特征对象的图像即可，生物特征对象例如指纹或掌纹。在下文中，将描述被配置成捕获与显示面板102的外表面106接触的手指104的图像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检测电信号，该电信号指示由检测器接收到的光。图像传感器108可以是任何合适类型的图像传感器，例如连接到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还包括多个分开的开口116，开口116被布置成彼此有一定距离；以及多个微透镜118。每个微透镜118被布置在与不透明层114在同一平面的不透明层114的相应的开口116中。此外，微透镜118具有与开口116相同的尺寸和形状，以防止未穿过微透镜118的杂散光到达图像传感器108。

在另一个实施方式中，微透镜118可以被布置在不透明层114上方，即处于距不透明层114的垂直距离处，其中微透镜118的焦点位于不透明层114与图像传感器108之间。

每个微透镜118被配置成将光重定向成穿过透明基板112并且到达光电检测器像素阵列109中的像素子阵列120上。这里，子阵列120被限定为仅从一个微透镜118接收光的像素阵列。还应当注意的是，微透镜118和显示像素未按比例绘制。微透镜118接收由手指104反射的光，该光在到达微透镜118之前已经穿过显示面板102传播，并且由微透镜118接收的光被聚焦到图像传感器108上。

此处将微透镜118示出为平凸透镜，该平凸透镜具有朝向透明基板取向的平坦表面。还可以使用其他透镜配置和形状，例如球面透镜和非球面透镜。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，透镜可以附接到显示面板102的下表面，即使与微透镜的反向方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制造和组装具有平坦表面的透镜的容易性。

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可以例如是用于将显示面板102附接到成像装置100的粘合层，并且中间层122的折射率不同于微透镜118的折射率。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2是生物特征成像装置100的分解图，图2更清楚地示出了像素阵列109中的接收来自一个微透镜118的光的像素子阵列120。这里，微透镜118被示出为提供圆形像素子阵列120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的间距至少大于子阵列120的尺寸的一半，或者大于微透镜118的直径，无论子阵列120的尺寸的一半和微透镜118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，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具有2μm至600μm范围内的高度，并且被布置成具有50μm至2mm范围内的间距的稀疏阵列配置。微透镜阵列内的所有微透镜118优选地具有相同的尺寸和形状。

在图2中，还可以看出，子阵列120是非交叠的，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，使得由用于对应微透镜118的子阵列120来捕获图像。每个图像代表指纹的一部分，并且通过将捕获的图像进行组合，可以得到手指的完整图像并用于进一步的认证和验证。在从多个子阵列捕获到多个图像之后，可以以许多不同的方式执行得到指纹图像所需的图像分析，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。

图3示意性地示出了包括第二多个微透镜302的生物特征成像装置100的示例实施方式，每个微透镜302被布置成与透明基板112的相对侧上的对应的微透镜118相对。应当注意，在各组微透镜之间，微透镜的尺寸和形状可以是不同的，这意味着第一多个微透镜118可以具有第一配置，并且第二多个微透镜302可以具有第二配置。

同样，在这里，不透明层114被示出为位于透明基板112的顶表面上。然而，不透明层114可以例如被布置在透明基板112的下表面上，或者被布置在包括微透镜的两个平面之间的中间位置处。

在包括透明基板112两侧的微透镜118、302的实施方式中，借助于粘合剂和位于透明基板112与图像传感器108之间的间隔元件304，透明基板112有利地被附接至图像传感器108。间隔元件304例如可以被设置成围绕光电检测器像素阵列109的框架的形式，从而既有助于框架内粘合剂的沉积又有助于保护像素阵列109。

尽管已经参照本实用新型的具体示例性实施方式描述了本实用新型，但是对于本领域技术人员而言，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实用新型的功能。

此外，本领域技术人员可以根据对附图、公开内容和所附权利要求书的研究在实践所要求保护的实用新型时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”不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中引用的某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

设计图

生物特征成像装置论文和设计

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主设计要求

设计方案

设计说明书

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