采用全息術的光學指紋成像的制作方法

本公開一般涉及圖像傳感器，并且更具體地涉及諸如指紋傳感器 的生物計量傳感器。

背景技術：

生物計量鑒定系統用于鑒定結合鑒定系統的裝置的用戶。生物計量感測技術提供可靠的、非侵入方式來驗證個人身份用于鑒定目的。

像某些其他生物計量特征一樣，指紋是基于不能改變的個人特征并且從而是用來識別個人的可靠機制。存在針對生物計量和指紋傳感器的使用的許多潛在應用。例如，指紋傳感器可以用來提供固定應用（諸如安全檢查站）中的訪問控制。指紋傳感器也可以用來提供便攜式應用（諸如便攜式計算機、個人數字助理（PDA）、蜂窩電話、游戲裝置、導航裝置、信息設備、數據存儲裝置等）中的訪問控制。因此，一些應用，尤其便攜式應用，可能需要緊湊的、高可靠的并且便宜的電子指紋感測系統。

生物計量驗證系統的分辨率越高，它從用戶獲得的信息越詳細。例如，更高分辨率的指紋傳感器，相比更低分辨率的指紋傳感器，從用戶的指紋獲得更詳細的信息。更詳細的指紋信息允許更可靠的機制來識別個人。

許多生物計量傳感器是電容性的。然而，電容性傳感器難以獲得高于大約500像素每英寸的分辨率。此外，由于增加與電容性感測元件的距離易于降低信號強度并增加個體像素之間的模糊性，電容性傳感器難以通過厚的材料層進行感測。期望獲得一種能夠通過厚的材料層更有效地進行感測的較高分辨率傳感器。

技術實現要素：

一個實施例提供電子裝置。電子裝置包括生物計量傳感器。生物計量傳感器包括照明器、反光鏡、生物計量傳感器陣列以及分束器。分束器配置成將從照明器接收的光束分離為入射到生物計量感測區的第一光束以及入射到反光鏡的第二光束。分束器進一步配置成將從生物計量感測區反射的所反射第一光束以及從反光鏡反射的所反射第二光束組合成入射到傳感器陣列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相對于彼此離軸地組合在第三光束中。

處理系統耦合到傳感器陣列。處理系統配置成將來自傳感器陣列的像素數據轉換成頻譜。頻譜包括零階圖像、實像及虛像。處理系統還配置成對對應于實像的頻率范圍外的頻譜進行濾波，并且將所濾波頻譜重建成生物計量圖像。

在另一實施例中，提供生物計量傳感器。生物計量傳感器包括照明器、反光鏡、生物計量傳感器陣列以及分束器。分束器配置成將從照明器接收的光束分離為入射到生物計量感測區的第一光束以及入射到反光鏡的第二光束。分束器進一步配置成將從生物計量感測區反射的所反射第一光束以及從反光鏡反射的所反射第二光束組合成入射到傳感器陣列的第三光束，其中所反射第一光束和所反射第二光束相對于彼此離軸地組合在第三光束中。處理系統耦合到傳感器陣列。處理系統配置成重建生物計量圖像。

在又一實施例中，提供電子裝置。電子裝置包括生物計量傳感器。生物計量傳感器包括多個照明器、反光鏡、生物計量傳感器陣列以及多個分束器。每個分束器配置成將從多個照明器中的一個接收的光束分離為入射到生物計量感測區的第一光束以及入射到反光鏡的第二光束。每個分束器進一步配置成將從生物計量感測區反射的所反射第一光束以及從反光鏡反射的所反射第二光束組合成入射到傳感器陣列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相對于彼此離軸地組合在第三光束中。

處理系統耦合到傳感器陣列。對于多個分束器中的每個，處理系統配置成將來自傳感器陣列的像素數據轉換成頻譜。頻譜包括零階圖像、實像及虛像。處理系統還配置成對對應于實像的頻率范圍外的頻譜進行濾波，并且將所濾波頻譜重建成生物計量圖像。處理系統將來自分束器的每個的生物計量圖像的每個組合成單個組合生物計量圖像。

附圖說明

圖1是依照本公開實施例的、全息光學傳感器的示例系統的框圖。

圖2A是依照本公開實施例的、示出系統中光線傳送的全息光學傳感器的示例系統的框圖。

圖2B是依照本公開另一實施例的、示出系統中光線傳送的全息光學傳感器的示例系統的框圖。

圖2C是依照本公開又一實施例的、示出系統中光線傳送的全息光學傳感器的示例系統的框圖。

圖3示出依照本公開各種實施例（諸如在圖1中示出的實施例）的、由傳感器捕獲的圖像的傅里葉變換。

圖4是依照本公開另一實施例的、用于使圖像成四倍的全息光學傳感器的示例系統的框圖的頂視圖。

圖5示出依照本公開實施例的、各種分束器配置。

具體實施方式

下列詳細描述本質上僅僅是示范性的，并不意圖限制本發明或本發明的應用和使用。而且，不存在由在先技術領域、背景技術、發明內容或下面具體實施方式中提出的、任何表達的或暗示的理論所約束的意圖。

本公開一般涉及用于成像的方法和系統。所公開系統的實施例能夠實現高分辨率對象成像。在一些實施例中，系統通過使用全息成像傳感器實現高分辨率成像。全息成像傳感器使用分束器來將從光源發出的光分離為兩個方向。光線的一部分（例如第一光束）按第一方向反射到要被成像的對象，并且光線的一部分（例如第二光束）按第二方向傳送到反光鏡。從反光鏡反射的光線以及從要被成像的對象反射的光線隨后在分束器組合，形成組合的所反射光線。組合的所反射光線隨后入射到傳感器上。

在一個實施例中，處理系統配置成利用菲涅耳積分（Fresnel integral）將來自傳感器的像素數據重建成對象的圖像。在另一實施例中，使用菲涅耳-基爾霍夫積分（Fresnel-Kirchhoff integral）。在任一例子中，產生多個圖像。零階圖像以及從虛像和實像形成的孿生像（twin image）以及一些寄生像都被產生。處理器隨后過濾多個圖像，使得僅留下實像。

依照這個公開，系統和方法可以用來對任何對象成像。如下更詳細地解釋，在某些實施例中，對諸如指紋的生物計量對象進行成像。通過使用全息圖像傳感器，可獲得更高水平的細節。例如，在一些實施例中，諸如指紋中出汗孔（sweat pore）的精細細節可以被成像。在一些實施例中，通過例如允許精細特征的使用來驗證生物計量對象的活躍度、慮及改進匹配準確性的更高質量圖像、或者慮及用來匹配的附加可區別特征的使用，對精細細節成像增加生物計量安全系統（諸如指紋讀出器）的安全性。

所描述的系統、方法和傳感器可以合并在各種電子系統中。電子系統的一些非限制性示例包括所有大小和形狀的個人計算機，諸如桌上型電腦、膝上型電腦、上網本電腦、平板電腦、網絡瀏覽器、電子書閱讀器和個人數字助理（PDA）。另外的示例電子裝置包括復合型輸入裝置，諸如物理鍵盤以及獨立操縱桿或按鍵開關。進一步的示例包括諸如數據輸入裝置（包括遙控器和鼠標）和數據輸出裝置（包括顯示屏幕和打印機）之類的外圍設備。其他示例包括遠程終端、信息亭、以及視頻游戲機（例如，視頻游戲控制臺、便攜式游戲裝置等）。其他示例包括通信裝置（包括諸如智能電話之類的蜂窩電話）和媒體裝置（包括錄音機、編輯器和諸如電視機的播放器、機頂盒、音樂播放器、數碼相框和數碼相機）。

現在轉向附圖，圖1一般是依照本公開的生物計量傳感器的框圖。具體而言，所例示的生物計量傳感器是全息光學傳感器100。在一個實施例中，全息光學傳感器100是指紋傳感器。全息光學傳感器100包括照明器102。照明器102包括諸如發光二極管104（LED）的光源和小孔106。在備選實施例中，光源包括有機發光二極管（OLED）和激光二極管。在其他實施例中，照明器包括窄帶光源。在另一實施例中，照明器包括光源和通過窄帶光的光譜過濾器。

全息光學傳感器100也包括分束器108以及成角度的反光鏡110。要被成像的對象113 （諸如手指）放置在感測區111中。在一些實施例中，諸如玻璃蓋板(cover lens)的保護層112覆蓋感測區111。玻璃蓋板可以覆蓋顯示器，諸如LCD顯示器、AMOLED顯示器、OLED顯示器或其他顯示器。在一些實施例中，顯示器是諸如蜂窩電話的移動裝置的部件。諸如互補金屬氧化物半導體（CMOS）傳感器的傳感器114收集光線來使對象成像。也可以使用備選的傳感器，諸如電荷耦合裝置（CCD）相機。在一個實施例中，保護層112布置在分束器108上方。保護層112的上表面對應于生物計量感測區。保護層112可以是顯示器的玻璃蓋板。在一個實施例中，分束器108安裝至保護層的下表面。在例示的實施例中，反光鏡110是不連續鏡。在備選的實施例中，反光鏡鍍覆在分束器的表面。在一些實施例中，照明器102和反光鏡110沿相對水平方向布置在分束器108的相對側上，并且感測區111和傳感器陣列114沿相對垂直方向布置在分束器108的相對側上。

如圖1所例示，光源104發出的光通過小孔106被過濾。小孔典型地直徑為數微米。如所示出，小孔106布置在光源104和分束器108之間的光學通路中。穿過小孔106的光導致入射到分束器108上的光束。在一些具有足夠小的光源的實施例中，小孔不是必需的。分束器將光線分離為第一和第二光束。第一光束朝向玻璃蓋板112和要被成像的對象113（諸如手指）反射。第二光束通過分束器傳送，并且被發送到反光鏡110。反光鏡110成角度使得光線不是處于垂直入射。

來自第一光束的光線從要被成像的對象113反射并且朝向分束器發送回來。來自第二光束的光線在反光鏡110反射并且也朝向分束器發送回來。然而，由于反光鏡110成角度，來自第二光束的光線成一定角度被反射。第一和第二光束在分束器108組合并且干涉在傳感器114處被測量。

處理系統116可以耦合到傳感器114用來處理所測量的干涉。處理系統可以包括處理器和非暫時性計算機可讀存儲器。處理系統116配置成將來自傳感器陣列114的像素數據轉換為頻譜數據。如以下詳述，頻譜數據包括零階圖像、實像以及虛像。處理系統116可以包括各種組件，諸如處理器、存儲器、模板庫（template storage）、操作系統（OS）以及電源。處理器、存儲器、模板庫、操作系統以及電源中的每個物理地、通信地和/或操作地互連以用于組件間通信。處理器可以執行儲存在存儲器中的指令或儲存在模板庫中的指令來確定安全系統中的鑒定嘗試成功與否。存儲器，其可以是非暫態、計算機可讀存儲介質，配置成在操作期間儲存電子裝置中的信息。在一些實施例中，存儲器包括暫時性存儲器，用于當電子裝置關閉時不會被維持的信息的區域。這樣的暫時性存儲器的示例包括易失性存儲器，諸如隨機存取存儲器（RAM）、動態隨機存取存儲器（DRAM）、以及靜態隨機存取存儲器（SRAM）。存儲器也維持程序指令以供由處理器執行。

處理系統116對對應于實像的頻率范圍外的頻譜進行濾波。例如，處理系統可以利用高通、低通或其他濾波器來對對應于實像的頻率范圍外的頻譜進行濾波。在一個實施例中，對象113是諸如指紋的生物計量對象。處理系統116將所濾波的頻譜重建為生物計量圖像。在一個實施例中，處理系統116配置成使用菲涅耳積分將像素數據重建為生物計量圖像。在另一實施例中，處理系統116配置成利用菲涅耳-基爾霍夫積分將像素數據重建為生物計量圖像。處理器可以將指令儲存在非暫時性計算機可讀存儲器上以用于重建像素數據。

在圖1例示的實施例中，分束器108通過將光線傳送至反光鏡110以及將光線反射到感測區111來分離從照明器102接收的光線。因而，分束器108將從照明器102接收的光束分離為入射到生物計量感測區111的第一光束和入射到反光鏡110的第二光束。在另一實施例中（諸如在2C中示出的實施例），分束器108將光線傳送到生物計量感測區111同時將光線反射到反光鏡110。在圖1中例示的實施例可以在垂直維度上具有更小的包裝尺寸。這可以使得圖1中例示的實施例更適合用于包裝到諸如移動裝置的某些消費電子裝置中。

圖2A-2C示出示例全息光學傳感器配置以及在每個系統中的光線傳輸。在圖2A中，照明器202（包括光源和小孔），發送光線到分束器204。入射到分束器204的光線206的一部分通過通路210傳送到反光鏡208。入射到分束器204的光線206的一部分通過通路214反射到感測區212。

來自對象216的反射光線218和來自反光鏡208的反射光線220在分束器204組合，并且干涉在傳感器222處被測量。因而，分束器204將從生物計量感測區212反射的所反射第一光束218以及從反光鏡208反射的所反射第二光束220組合成入射到傳感器陣列的第三光束221，其中，所反射第一光束218和所反射第二光束220相對于彼此離軸（off-axis）地組合在第三光束221中。角度224是反光鏡的角度。通過使反光鏡208成角度，從反光鏡反射的以及從對象216反射的并且組合成第三光束221的結果光線可以在頻率空間（frequency space）中被分隔，如由角度226所示。圖像在頻率空間中的分隔將在下面進一步解釋。

在圖2A-2C例示的實施例中，反光鏡角度224應謹慎地選擇。角度應足以允許圖像的不同組分在頻率空間中被分隔。此外，角度應足夠小，使得像素間距能夠分辨空間頻率分量。對于后一種情況，角度應小于Sin^-1(λ/2p)，其中p是傳感器的像素間距，而λ是光線的頻率。從而，傳感器陣列具有像素間距，且照明器配置成發出第一波長的光線。在這個實施例中，反光鏡的表面和感測平面的法線之間的相對角度小于第一波長除以兩倍像素間距的反正弦。

圖2B例示具有不同反光鏡角度的備選實施例。照明器228發送光線到分束器230。入射到分束器230的光線232的一部分通過通路236傳送到反光鏡234。入射到分束器230的光線232的一部分通過通路240反射到感測區238。來自對象244的反射光線242和來自反光鏡234的反射光線246在分束器230組合，并且干涉在傳感器248處被測量。從反光鏡234反射的以及從對象244反射的結果光線可以在頻率空間中被分隔，如由角度252所示。角度250是反光鏡的角度。可以看出，角度224（圖2A）和角度250按相反方向布置。

圖2C例示具有不同配置的另一備選實施例。照明器254發送光線到分束器256。入射到分束器256的光線258的一部分通過通路262發射到反光鏡260。入射到分束器256的光線258的一部分通過通路266傳送到感測區264。來自對象270的反射光線268和來自反光鏡260的反射光線272在分束器256組合，并且干涉在傳感器272處被測量。從反光鏡273反射的以及從對象268反射的結果光線可以在頻率空間中被分隔，如下更詳細地描述。

圖3示出依照本公開各種實施例（諸如在圖1中示出的實施例）的、由傳感器捕獲的圖像的傅里葉變換。存在圖像的三個主組分，圖像在傳感器（諸如圖1中的傳感器114）中形成。首先，存在零階圖像302，其是要被成像的對象113的以及來自成角度的反光鏡110的個體圖像的總和。其次，存在孿生像，它們從要被成像的對象113和成角度的反光鏡110之間的干涉的虛像304和實像306形成。此外，將存在由不需要的反射導致的一些寄生圖像308、310。寄生圖像308、310通過將合適的抗反射涂層應用到光學組件上來最小化。若反光鏡110與分束器平行（即垂直于玻璃蓋板112），圖像會難以分隔。然而，通過使反光鏡成角度，圖像在頻率空間中被分隔。系統應將所有頻率濾除，除了表示實像的那些。

一旦頻譜被濾波使得僅保留實像頻率，能夠利用菲涅耳-基爾霍夫積分或者菲涅耳積分重建圖像。

在一些實施例中，應選擇小孔的直徑使得照明數值孔徑（NA）與檢測NA匹配。所采集的光線應盡可能覆蓋傳感器114的大部分，并且應選擇傳感器像素尺寸使得其不限制分辨率。小孔106和分束器108之間的距離應最小化，分束器108和反光鏡110以及分束器108和要被成像的對象113之間的距離也應當如此。

圖4是依照本公開另一實施例的、用于使圖像成四倍的全息光學傳感器的示例系統的框圖的頂視圖。盡管所例示的系統具有兩個分束器和四個照明器，該原理對其他數量的分束器和照明器同樣起作用。

四個照明器402、404、406、408提供穿過對應小孔410、412、414、416的光線。兩個分束器418、420將來自照明器402、404、406、408的光線的一部分朝向反光鏡422傳送。光線的一部分朝向要被成像的對象（未在頂視圖中示出）反射。分束器的每個配置成將從對應照明器接收的光束分離為入射到生物計量感測區的第一光束和入射到對應反光鏡的第二光束。這個系統以側視圖在用于一個分束器的圖1中示出。相同的原理適用于多個分束器配置。如以上針對一個分束器所解釋的，分束器418、420將從生物計量感測區反射的所反射第一光束和從對應反光鏡反射的所反射第二光束組合成入射到傳感器陣列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相對于彼此離軸地組合在第三光束中。在所例示的實施例中，反光鏡422布置在分束器418、420的每個之間，并且分束器418、420的每個共享反光鏡422。

在圖4中示出的實施例產生四個圖像。可以利用參考圖3在上面描述的傅里葉變換來處理每個圖像。處理系統（例如圖1中116），耦合到傳感器陣列（例如圖1中114）。四個圖像中的每個可以縫合在一起，或進行組合，來使所成像區域增加到4倍。為了降低這些圖像的每個之間的干涉，照明器402、404、406、408能夠被施加脈沖，使得在任何時間僅一個是接通的。備選地，其中兩個可能被施加脈沖，隨后是剩余的兩個照明器。在另一實施例中，照明器能夠按不同的照明頻率來被施加脈沖。處理系統能夠配置成基于在脈沖和非脈沖時期期間捕獲的像素數據之間的差異濾除背景噪聲。在另一實施例中，使用不同顏色的照明器，并且處理系統能夠配置成基于用于照明器的各種顏色之間的差異濾除背景噪聲。因而對應于不同的相應分束器的、不同的相應照明器能夠被光譜編碼（采用不同照明波長）以便在檢測器陣列處解碼圖像。

圖5例示各種分束器配置和反光鏡，其可以用來，例如，限制傳感器的總體尺寸和/或增加要被成像的區域。盡管描述的實施例包括立方體分束器，也可使用其他類型的分束器。例如，可取決于應用來使用板分束器、立方體分束器、偏振分束器以及非偏振分束器。在一些實施例中，分束器的厚度由成角度反光鏡的長度來確定。分束器配置502、506、510以及514（例示前視圖）包含單個分束器和反光鏡504、508、512以及516。在這些配置的每個中，反光鏡的長度確定分束器的薄度。這些配置可以用在許多實施例中，包括，例如，描繪在圖1中的實施例。反光鏡512和516安裝在分束器510和514上。反光鏡也可以鍍覆在分束器的表面上。在一些實施例中，使用偏振分束器。例如，在一個實施例中，使用偏振分束器，其中第一四分之一波片布置在感測表面和偏振分束器之間，并且第二四分之一波片布置在反光鏡和偏振分束器之間。與使用非偏振分束器的某些實施例相比，這個實施例可以更好地保護來自照明器的光線。此外，偏振分束器不吸收并且驅散被抑制偏振狀態的能量，并且因此它們適合用于與高強度光源（諸如激光）配合使用。

在一些實施例中，分束器反射層598距離反光鏡和要被成像的對象的距離應該是相同的。因此，如在分束器514中示出的，從分束器反射層598到所鍍反光鏡516的距離被拉長，以匹配從分束器反射層到感測區的距離。

分束器配置518（例示前視圖）包含兩個分束器520、522和兩個反光鏡524、526。這個配置可以用在采用多個圖像的實施例中，諸如在圖4中示出的實施例。分束器配置528也包括共享一個雙面反光鏡534的兩個分束器530、532。在這些配置中，多個分束器允許增加傳感器的成像區域，而不增加分束器的厚度，就像利用單個分束器捕獲相當區域將會產生的。

分束器配置536、538及540（例示頂視圖）各自包含兩個分束器和一個反光鏡。分束器配置536包括分束器542、544和反光鏡546。同樣地，分束器配置538包括分束器548、550和反光鏡552。分束器配置540包括分束器554、556和反光鏡558。反光鏡558可以鍍覆到分束器554、556上或者可以是夾在分束器之間的獨立反光鏡。分束器配置536、538及540可以用在使用多個圖像的實施例中，諸如圖4中示出的實施例。

在本文引用的所有參考，包括出版物、專利應用、和專利通過相同程度的引用據此合并，就像每個參考被單獨地并且具體地指示來通過引用進行合并，并且以其整體在本文提出。

術語“一個（a、an）”及“所述”及“至少一個”以及類似所指在描述本發明的上下文中（尤其在所附權利要求的上下文中）的使用可以被解釋為覆蓋單個及多個，除非本文中以其他方式指示或者明顯與上下文相抵觸。術語“至少一個”（隨其后是一項或多項的列表）的使用（例如“A和B的至少一個”）可以解釋為表示從所列項中選擇的一項（A或B）或者所列項的兩個或多個的任何組合（A和B），除非本文中以其他方式指示或者明顯與上下文相抵觸。術語“由…組成”、“具有”、“包括”及“包含”可以被解釋為是開放式術語（即表示“包括，但不限于，”），除非另外說明。本文中數值范圍的記載僅僅意在用作單獨地參考落入范圍內每個獨立值的簡略表述方法，除非在本文中另外指示，并且每個獨立值合并在說明書中，就像其單獨地在本文中記載一樣。本文描述的所有方法可以按任何合適的順序執行，除非在本文中以其他方式指示或者明顯與上下文相抵觸。本文提供的、任何和所有示例，或示例性措辭（例如“諸如”）的使用，僅僅意在更好地闡明本發明，而不施加對本發明范圍的限定，除非另外聲明。說明書中措辭不應被解釋為指示任何非-主張元件為對本發明的實踐是必不可少的。

本文描述本發明的優選實施例，包括用于實現本發明的發明人已知的最優模式。基于閱讀上述描述，那些優選實施例的變形對本領域技術人員是顯而易見的。發明人期望本領域技術人員適當地使用這樣的變形，并且發明人想要本發明可以按與本文所具體描述的相不同的方式來實施。因此，這個發明包括由適用法律所允許的、在所附權利要求中記載的、該主題的所有修改和等同。此外，按其所有可能的變形的、上述元件的任何組合由本發明所包含，除非在本文中以其他方式指示或者明顯與上下文相抵觸。