本公開內(nèi)容總體上涉及光學(xué)傳感器，并且更具體地，涉及具有衍射光學(xué)元件的光學(xué)生物計量傳感器，諸如指紋傳感器。

背景技術(shù)：

對象成像在各種各樣的應(yīng)用中都有用。舉例來說，生物計量識別系統(tǒng)對生物計量對象成像以用于認(rèn)證和/或驗證裝有該識別系統(tǒng)的設(shè)備的用戶。生物計量成像提供一種驗證個體身份以達到識別目的的可靠的非侵入式方式。各種類型的傳感器可以被用于生物計量成像。

與各種其他生物計量特征一樣，指紋基于與眾不同的個人特征并且提供識別個體的可靠機制。因此，指紋傳感器具有許多潛在應(yīng)用。例如，指紋傳感器可以被用來在諸如安全檢查站的固定應(yīng)用中提供訪問控制。指紋傳感器還可以被用來在移動設(shè)備中提供訪問控制，所述移動設(shè)備諸如為蜂窩電話、可穿戴智能設(shè)備(例如智能手表和活動追蹤器)、平板計算機、個人數(shù)據(jù)助理(pda)、導(dǎo)航設(shè)備和便攜式游戲設(shè)備。一些應(yīng)用(例如與移動設(shè)備有關(guān)的應(yīng)用)可能需要既尺寸小又高度可靠的識別系統(tǒng)。

大多數(shù)商業(yè)上可得的指紋傳感器基于光學(xué)或電容性感測技術(shù)。傳統(tǒng)的光學(xué)指紋傳感器通常太笨重而不便于封裝在移動設(shè)備及其他常用消費類電子設(shè)備中，從而將它們的使用局限于門禁控制終端以及傳感器尺寸不是限制的類似應(yīng)用。

因此，大多數(shù)移動設(shè)備中的指紋傳感器是具有被配置成感測指紋的脊和谷特征的感測陣列的電容性傳感器。通常，這些指紋傳感器或者檢測絕對電容(有時被稱為“自電容”)或者檢測跨電容(有時被稱為“互電容”)。在任一種情況下，陣列中的每個感測元件處的電容都根據(jù)存在脊還是存在谷而變化，并且電氣地檢測這些變化來形成指紋的圖像。

盡管電容性指紋傳感器提供某些優(yōu)點，但是商業(yè)上可得的電容性指紋傳感器通常難以通過大的距離感測精細的脊和谷特征，需要指紋接觸靠近感測陣列的感測表面。對電容性傳感器來說通過厚的層來檢測指紋仍是重大挑戰(zhàn)，所述厚的層諸如為保護許多智能電話及其他移動設(shè)備的顯示器的厚的覆蓋玻璃(在本文中有時被稱為“覆蓋透鏡”)。為了解決這個問題，常常在顯示器旁邊的區(qū)域中的覆蓋玻璃中形成開口，并且將分立的電容性指紋傳感器(常常與機械按鈕集成)放置在開口區(qū)域中以使得它可以在不通過覆蓋玻璃進行感測的情況下檢測指紋。對開口的需要使得難以在設(shè)備面上形成齊平表面，從而會使用戶體驗大打折扣并且使制造復(fù)雜化。設(shè)備外殼中的孔還允許水分或污染物進入設(shè)備。機械按鈕的存在還占用了有價值的設(shè)備基板面。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在一個實施例中，一種用于對生物計量對象成像的光學(xué)傳感器包括：反射離開生物計量對象的光可穿透的覆蓋層；光學(xué)層，其被設(shè)置在覆蓋層下面，具有多個衍射光學(xué)元件；以及感測層，其具有設(shè)置在光學(xué)層下面的多個感測元件，該感測元件中的每一個被配置成檢測來自生物計量對象的光。光學(xué)層的多個衍射光學(xué)元件被配置成將來自生物計量對象的光引導(dǎo)至該多個感測元件。

在一個實施例中，一種用于對指紋成像的光學(xué)指紋傳感器包括：反射離開指紋的光可穿透的覆蓋層；光學(xué)層，其被設(shè)置在覆蓋層下面，具有多個衍射光學(xué)元件；以及感測層，其具有設(shè)置在光學(xué)層下面的多個感測元件，其中該多個感測元件中的每一個被配置成檢測來自指紋的光。光學(xué)層的多個衍射光學(xué)元件被配置成將來自指紋的光引導(dǎo)至該多個感測元件。

在一個實施例中，一種用于對生物計量對象成像的系統(tǒng)包括：光學(xué)傳感器和處理系統(tǒng)。該光學(xué)傳感器包括：反射離開生物計量對象的光可穿透的覆蓋層；光學(xué)層，其被設(shè)置在覆蓋層下面，具有多個衍射光學(xué)元件；以及感測層，其具有設(shè)置在光學(xué)層下面的多個感測元件。光學(xué)層的多個衍射光學(xué)元件被配置成將來自生物計量對象的光引導(dǎo)至該多個感測元件。該處理系統(tǒng)被連接到該多個感測元件并且被配置成從該多個感測元件獲得圖像數(shù)據(jù)并且將所獲得的圖像數(shù)據(jù)與參考模板進行比較。

附圖說明

下面將基于附圖來甚至更詳細地描述實施例的示例。本發(fā)明不限于這些示例。在本文中描述和/或圖示的所有特征可以在各種實施例中被單獨地使用或按不同組合來組合。通過參考附圖閱讀下面的詳細描述，各種實施例的特征和優(yōu)點將變得顯而易見，附圖圖示以下內(nèi)容：

圖1是包括光學(xué)傳感器和處理系統(tǒng)的示例性系統(tǒng)的框圖。

圖2圖示了包括光學(xué)傳感器的示例性電子設(shè)備，諸如移動電話。

圖3圖示了具有衍射光學(xué)元件層的示例性光學(xué)傳感器。

圖4圖示了具有多個衍射光學(xué)元件的示例性光學(xué)傳感器，其中通過每個相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光僅在一個感測元件處可分辨。

圖5a-5c圖示了具有多個衍射光學(xué)元件的示例性光學(xué)傳感器，其中通過每個相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光在多個感測元件處可分辨。

圖6圖示了可以被用于本公開內(nèi)容的示例性實施例中的光學(xué)層的衍射光學(xué)元件的示例性二元波帶片設(shè)計。

圖7圖示了具有示例性的尺度集的示例性二元波帶片。

圖8圖示了示例性的基于二元波帶片的光學(xué)系統(tǒng)中的示例性軸上光射線和示例性離軸光射線。

圖9圖示了用于將示例性的5x5毫米圖像聚焦在示例性的5x5毫米傳感器陣列上的示例性衍射光學(xué)元件陣列。

圖10圖示了用于對輸入生物計量對象成像的示例性方法。

圖11圖示了從透明材料圖案化的菲涅耳透鏡的示例。

具體實施方式

下面的詳細描述本質(zhì)上是示例性的，并且不意圖限制本發(fā)明或本發(fā)明的應(yīng)用和使用。此外，無意圖受前述技術(shù)領(lǐng)域、背景技術(shù)、發(fā)明內(nèi)容、附圖簡述或者下面的具體實施方式中所給出的任何明示或暗示理論的限制。

轉(zhuǎn)向附圖并且如在本文中更詳細描述的那樣，本公開內(nèi)容的實施例提供對諸如指紋的輸入生物計量對象光學(xué)成像的方法和系統(tǒng)。特別地，描述了方法和系統(tǒng)，其中光學(xué)傳感器包括具有多個衍射光學(xué)元件(例如二元波帶片、光子篩、菲涅耳透鏡和/或正弦波帶片的陣列)的光學(xué)層，其操作為介于覆蓋層與具有多個光學(xué)感測元件的圖像傳感器陣列之間的光調(diào)節(jié)層。來自光照源的發(fā)射光從輸入生物計量對象反射并且通過覆蓋層。反射光被光學(xué)層調(diào)節(jié)以使得僅反射光射束的子集在圖像傳感器陣列中的光學(xué)感測元件處被分辨。

采用本公開內(nèi)容的光學(xué)層在允許具有比利用傳統(tǒng)光學(xué)和電容性成像傳感器可能具有的更小的外形的生物計量圖像傳感器的同時防止模糊，并且提供與大范圍的覆蓋層厚度的兼容性。因此，本公開內(nèi)容中討論的生物計量圖像傳感器的實施例特別適用于其中期望薄的傳感器以及其中期望相對較厚的覆蓋層的應(yīng)用，諸如在移動設(shè)備中。另外，衍射光學(xué)元件在光學(xué)層中的使用提供相對較高的效率，因為光學(xué)元件允許大比例的反射光束到達圖像傳感器陣列的感測元件。

圖1是包括光學(xué)傳感器102和處理系統(tǒng)104的示例性系統(tǒng)100的框圖。圖示了在捕獲、存儲和/或驗證生物計量匹配嘗試期間利用的電子設(shè)備的示例性部件。處理系統(tǒng)104包括(一個或多個)處理器106、存儲器108、模板存儲裝置110、操作系統(tǒng)(os)112和電源114。(一個或多個)處理器106、存儲器108、模板存儲裝置110和操作系統(tǒng)112中的每一個被物理地、通信地和/或操作地互連以用于部件間通信。電源114被互連到各種系統(tǒng)部件以在必要時提供電功率。

如所圖示的那樣，(一個或多個)處理器106被配置成實施功能和/或處理用于針對系統(tǒng)100執(zhí)行的指令。例如，(一個或多個)處理器106執(zhí)行存儲在存儲器108中的指令以標(biāo)識生物計量對象或確定生物計量認(rèn)證嘗試是成功還是失敗?？梢允欠撬矔r計算機可讀存儲介質(zhì)的存儲器108被配置成存儲信息和/或處理器可執(zhí)行的指令。在一些實施例中，存儲器108包括臨時存儲器，用于當(dāng)電子設(shè)備被關(guān)閉時不要被保留的信息的區(qū)域。這樣的臨時存儲器的示例包括易失性存儲器，諸如為隨機存取存儲器(ram)、動態(tài)隨機存取存儲器(dram)和靜態(tài)隨機存取存儲器(sram)。存儲器108還保留用于由處理器106執(zhí)行的程序指令。

模板存儲裝置110包括一個或多個非瞬時計算機可讀存儲介質(zhì)。在示例性指紋傳感器的背景下，模板存儲裝置110被配置成存儲用戶的指紋的指紋圖像的登記視圖或其他登記信息。更一般地，模板存儲裝置110可以被用來存儲關(guān)于對象的信息。模板存儲裝置110還可以被配置用于信息的長期存儲。在一些示例中，模板存儲裝置110包括非易失性存儲元件。除其他以外，非易失性存儲元件的非限制性示例包括磁性硬盤、固態(tài)驅(qū)動器(ssd)、光盤、軟盤、閃速存儲器或電可編程存儲器(eprom)或電可擦除且可編程(eeprom)存儲器的形式。

存儲系統(tǒng)104還托管操作系統(tǒng)(os)112。操作系統(tǒng)112控制處理系統(tǒng)104的部件的操作。例如，操作系統(tǒng)112促進(一個或多個)處理器106、存儲器108和模板存儲裝置110的交互。

根據(jù)各種實施例，(一個或多個)處理器106實施硬件和/或軟件來獲得描述輸入對象的圖像的數(shù)據(jù)。(一個或多個)處理器106還可以對齊兩個圖像并且將對齊的圖像彼此進行比較以確定是否存在匹配。(一個或多個)處理器106還可以操作用來從一系列較小的部分圖像或子圖像重構(gòu)較大的圖像，諸如當(dāng)在生物計量過程期間收集多個部分指紋圖像時的指紋圖像，所述生物計量過程諸如為用于驗證或標(biāo)識的登記或匹配過程。

處理系統(tǒng)104包括向電子設(shè)備100提供功率的一個或多個電源114。電源114的非限制性示例包括一次性使用電源、可再充電電源和/或從鎳鎘、鋰離子或其他適當(dāng)材料開發(fā)的電源以及其本身又被連接到電功率的電源線和/或適配器。

光學(xué)傳感器102可以被實施為與處理系統(tǒng)104相同的設(shè)備的物理部分，或者可以與處理系統(tǒng)104物理地分開。適當(dāng)時，光學(xué)傳感器102可以使用以下各項中的任何一個或多個與電子系統(tǒng)104的各部分通信：總線、網(wǎng)絡(luò)及其他有線或無線互連。在一些實施例中，光學(xué)傳感器102被實施為捕獲用戶的指紋圖像的指紋傳感器。根據(jù)本公開內(nèi)容，光學(xué)傳感器102使用光學(xué)感測來達到包括對諸如指紋的生物計量成像的對象成像的目的。光學(xué)傳感器102可以被合并為例如顯示器的一部分，或者可以是分立的傳感器。

電子系統(tǒng)100的一些非限制性示例包括所有尺寸和形狀的個人計算機，諸如桌上型計算機、膝上型計算機、筆記本計算機、平板電腦、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器、電子書閱讀器和個人數(shù)字助理(pda)。附加的示例電子系統(tǒng)100包括合成的輸入設(shè)備，諸如物理鍵盤和分開的操縱桿或按鍵開關(guān)。其他示例電子系統(tǒng)100包括外圍設(shè)備，諸如數(shù)據(jù)輸入設(shè)備(包括遠程控件和鼠標(biāo))以及數(shù)據(jù)輸出設(shè)備(包括顯示屏和打印機)。其他示例包括遠程終端、信息亭、視頻游戲機(例如視頻游戲控制臺、便攜式游戲設(shè)備等等)、通信設(shè)備(包括蜂窩電話，諸如智能電話)以及媒體設(shè)備(包括記錄器、編輯器和播放器，諸如電視、機頂盒、音樂播放器、數(shù)字相框和數(shù)字相機)。

光學(xué)傳感器102可以向感測區(qū)提供光照。來自感測區(qū)的處于(一個或多個)光照波長的反射被檢測以確定與輸入對象相對應(yīng)的輸入信息。

光學(xué)傳感器102可以利用輸入對象的直接光照的原理，根據(jù)配置其可以與感測區(qū)的感測表面接觸或者不接觸。一個或多個光源和/或?qū)Ч饨Y(jié)構(gòu)可以被用來將光引導(dǎo)至感測區(qū)。當(dāng)存在輸入對象時，該光被反射離開輸入對象，并且該反射可以被光學(xué)感測元件檢測并且被用于確定關(guān)于輸入對象的信息。

光學(xué)傳感器102還可以利用內(nèi)反射的原理來檢測與感測表面接觸的輸入對象。一個或多個光源可以被用來以一定角度在導(dǎo)光元件中引導(dǎo)光，光以所述角度在感測區(qū)的感測表面處被內(nèi)反射，這歸因于由感測表面限定的邊界的相對側(cè)處的不同折射率。感測表面被輸入對象的接觸導(dǎo)致折射率跨這個邊界改變，這改變感測表面處的內(nèi)反射特性，從而導(dǎo)致從輸入對象反射的光在其與感測表面接觸的部分變得更弱。如果受抑全內(nèi)反射(ftir)的原理被用來檢測輸入對象，則常?？梢詫崿F(xiàn)更高的對比信號。在這樣的實施例中，可以以光被全內(nèi)反射的入射角將光引導(dǎo)至感測表面，除了輸入對象與感測表面接觸并且導(dǎo)致光部分透射過這個界面的地方。這樣的一個示例是被引入到由玻璃到空氣界面限定的輸入表面的手指的存在。人類皮膚與空氣相比更高的折射率導(dǎo)致以與空氣的界面臨界角入射到感測表面的光部分透射通過手指，在這種情況下它否則將在玻璃與空氣界面處完全被內(nèi)反射。這種光學(xué)響應(yīng)可以被系統(tǒng)檢測并且被用于確定空間信息。在一些實施例中，這可以被用來對小尺度的指紋特征成像，在這種情況下入射光的內(nèi)反射率根據(jù)脊還是谷與感測表面的該部分接觸而不同。

圖2圖示了包括光學(xué)傳感器的示例性電子設(shè)備116，諸如移動電話。電子設(shè)備116包括在顯示器120上的覆蓋玻璃118。在某些實施例中，光學(xué)傳感器可以與顯示器120集成(例如可提供指紋感測區(qū)的觸摸屏顯示器的一部分)。可替代地，顯示活動區(qū)域之外的分立部件122可以提供光學(xué)感測能力。

圖3圖示了具有衍射光學(xué)元件層的示例性光學(xué)傳感器。光學(xué)傳感器200被用來對諸如指紋的生物計量對象216成像。光學(xué)傳感器200包括：具有多個感測元件或“像素”的圖像傳感器陣列202、設(shè)置在圖像傳感器陣列202上面的具有用于調(diào)節(jié)反射離開生物計量對象的光的多個衍射光學(xué)元件的光學(xué)層204、設(shè)置在光學(xué)層204上面的光照層207、光源208以及覆蓋層210。在某些實施例中，還可以提供阻擋層214。

覆蓋層210保護光學(xué)傳感器200的內(nèi)部部件，諸如圖像傳感器陣列202。覆蓋層210可以包括覆蓋玻璃或覆蓋透鏡，除了光學(xué)傳感器200之外，其還保護顯示器的內(nèi)部部件。在覆蓋層210上面限定輸入對象的感測區(qū)。覆蓋層210的頂表面218可以形成感測表面，其為輸入對象216(例如指紋)提供接觸區(qū)域。覆蓋層210由諸如玻璃、透明聚合材料等的任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥伞?/p>

盡管已經(jīng)出于示意性的目的在指紋的背景下一般性地進行了描述，但是輸入對象216也可以是其他生物計量輸入對象。一般來說，輸入對象216將具有各種特征。舉例來說，生物計量對象216是具有脊和谷的指紋。歸因于它們的突出性質(zhì)，脊接觸覆蓋層210的感測表面218。相反，谷不接觸感測表面218并且反而在輸入對象216與感測表面218之間形成氣隙。對象216可以具有不會在輸入對象216的各部分中產(chǎn)生明顯結(jié)構(gòu)差異但會影響其光學(xué)性質(zhì)的其他特征，諸如污跡、墨水等等。在本文中公開的方法和系統(tǒng)適用于對輸入對象216的這樣的結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)特征成像。

光照層207包括光源208和/或?qū)Ч庠?06，該導(dǎo)光元件206將光照引導(dǎo)至感測區(qū)以便對輸入對象成像。如圖3所示，光源208將光射束或光射線212透射到導(dǎo)光元件206中，并且透射的光傳播通過導(dǎo)光元件206。導(dǎo)光元件可以利用全內(nèi)反射，或者可以包括提取向上朝向感測區(qū)的光的反射表面。光照層中的一些光可以變成在與輸入對象216接觸的區(qū)域中入射到感測表面218。入射光本身又朝向光學(xué)層204被往回反射。在所示的示例中，光源208被設(shè)置成與導(dǎo)光元件206相鄰。然而，將理解的是，倘若所發(fā)出的光到達導(dǎo)光元件206，則光源208可以被定位于光學(xué)傳感器200內(nèi)的任何地方。例如，光源208可以被設(shè)置在圖像傳感器陣列202下面。此外，將理解的是不需要分開的導(dǎo)光元件206。例如，從光源208透射的光可以直接透射到覆蓋層210中(覆蓋層210也可以充當(dāng)導(dǎo)光元件)。作為另一示例，從光源208透射的光可以被直接透射到感測區(qū)，在這種情況下光源208自己本身充當(dāng)光照層。

也不需要分立的光源。例如，由顯示器提供的光或來自lcd的背光可以是適當(dāng)?shù)墓庠?例如用于具有觸摸屏的移動設(shè)備)。由光照層207提供以對對象216成像的光可以是在近紅外(nir)下或是可見的。該光可以具有窄頻帶波長、寬頻帶波長或者在若干頻帶中操作。

圖像傳感器陣列202檢測通過光學(xué)層204的光。適當(dāng)?shù)膫鞲衅麝嚵械氖纠腔パa金屬氧化物半導(dǎo)體(cmos)和電荷耦合設(shè)備(ccd)傳感器陣列。圖像傳感器陣列202包括能夠檢測入射光的強度的多個單獨的光學(xué)感測元件(或者“像素”)。

為了實現(xiàn)通過較厚覆蓋層210對指紋和指紋尺寸的特征的光學(xué)感測，由光學(xué)層204調(diào)節(jié)從指紋反射的光以使得到達圖像傳感器陣列202中的感測元件的光僅來自輸入對象216上的位于傳感器元件正上方的部分。在不存在這樣的調(diào)節(jié)的情況下，從對象上的遠離光學(xué)感測元件的區(qū)到達感測元件的任何光是圖像模糊的原因之一。

在示例性實施方式中(如下面將關(guān)于圖4所討論的那樣)，光學(xué)層的多個衍射光學(xué)元件中的每一個被配置成使得通過相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光僅在多個感測元件中的一個感測元件處可分辨。在另一示例性實施方式中(如下面將關(guān)于圖5a-5c所討論的那樣)，光學(xué)層的多個衍射光學(xué)元件中的每一個被配置成使得通過相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光在多個感測元件中的多個感測元件處可分辨。

為了根據(jù)本公開內(nèi)容調(diào)節(jié)光，光學(xué)層204被設(shè)置有衍射光學(xué)元件的陣列，所述衍射光學(xué)元件被配置成在多個感測元件中的每一個處生成反射離開指紋的光的相長干涉。該相長干涉允許反射離開指紋的特定部分的光射束在每個感測元件處被分辨以在相應(yīng)的感測元件處提供對應(yīng)的像素信息，而反射離開指紋的其他部分的光射束在相應(yīng)的感測元件處不被分辨?？杀皇褂玫倪m當(dāng)?shù)难苌涔鈱W(xué)元件的示例包括一個或多個二元波帶片、光子篩、菲涅耳透鏡以及正弦波帶片。

在一種實施方式中，光學(xué)層可以包括具有不透明圖案化層的透明襯底(例如可以利用二元波帶片來圖案化該不透明圖案化層)。在另一示例性實施方式中，光學(xué)層可以包括具有開口的不透明襯底(例如開口可以以光子篩的形式分布)。

圖3中還示出的是阻擋層214，其可選地被提供為光學(xué)傳感器200的一部分。阻擋層214是可被設(shè)置在光學(xué)層204上面的半透明層或不透明層。舉例來說，阻擋層可以被設(shè)置在覆蓋層210與光照層207之間，如圖3所示?？商娲?，阻擋層214可以被設(shè)置在光照層207與光學(xué)層204之間。在任一種情況下，阻擋層214為光學(xué)傳感器200的部件，諸如光學(xué)層的衍射光學(xué)元件遮蔽環(huán)境光照，而仍允許光學(xué)傳感器200操作。

阻擋層214可以包括許多不同的材料或子層。例如，在層厚度小于可見光譜中的光穿透的趨膚深度的情況下可以使用薄金屬或電子導(dǎo)電層?？商娲?，阻擋層214可以包括例如在可見光譜中吸收光的一種染料和/或顏料或者若干種染料和/或顏料。作為又一替代，阻擋層214可以包括被設(shè)計成導(dǎo)致與某些波長(舉例來說諸如可見光)的干涉的若干子層或納米尺寸的特征，以便選擇性地吸收或反射不同波長的光。阻擋層214的光吸收剖面可以被公式化以給出顏色、紋理或反射質(zhì)量的特定外觀，從而允許與光學(xué)傳感器200被集成在其中的設(shè)備的特定美學(xué)匹配或?qū)Ρ?。如果使用可見光照波長，則半透明層可以被用來允許足夠的光通過阻擋層或者形成感測區(qū)，而仍足遮蔽下面的部件。

圖4圖示了具有多個衍射光學(xué)元件的示例性光學(xué)傳感器，其中通過每個相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光僅在一個感測元件處可分辨。具體來說，感測元件401、402和403中的每一個被配置成檢測與覆蓋層210上面的相應(yīng)的區(qū)(在這個示例中為區(qū)421、422和423)對應(yīng)的光強度。因此，衍射光學(xué)元件411在感測元件401處導(dǎo)致來自區(qū)421的光的相長干涉，衍射光學(xué)元件412在感測元件402處導(dǎo)致來自區(qū)422的光的相長干涉，并且衍射光學(xué)元件413在感測元件403處導(dǎo)致來自區(qū)423的光的相長干涉，從而允許生物計量對象216的特征(諸如所描繪的指紋的脊和谷)被檢測。

示意性地示出的是通過覆蓋層210的示例性的光射線，其被衍射光學(xué)元件411、412和413引導(dǎo)為在感測元件401、402和403處相長干涉。例如，在覆蓋層的頂部上的區(qū)421處反射離開生物計量對象216的脊的示例性光射線被衍射光學(xué)元件411引導(dǎo)為在感測元件401處相長干涉。光學(xué)感測元件401因此可以測量光的強度來為對應(yīng)于感測元件401的像素提供數(shù)據(jù)。歸因于光學(xué)層的配置，源自于其他位置的光射線不會在感測元件401處被分辨，因為從421以外的區(qū)域撞擊到411上的光不會聚焦在401上。相反地，那些射線可以被轉(zhuǎn)移到各感測元件之間的區(qū)域中的感測層202或者朝向手指216被往回反射。離軸或“雜散”光還可以被引導(dǎo)為以非具體方式照明大區(qū)域以使得它為圖像形成相對無害的背景。

將會認(rèn)識到，生物計量對象216的脊和谷僅是示意性的并且不是按照比例來描繪的。

在某些實施例中，為了增加分辨率，光學(xué)傳感器的采樣密度應(yīng)該足夠大以使得為每個所關(guān)心的特征取得多個樣本。因此，例如為了對指紋中的脊成像，各感測元件之間的距離可以是大約50到100微米，因為脊自身的寬度可能是大約150到250微米。如果期望捕獲更小的特征，諸如指紋中的毛孔，諸如25微米的更小的間距將是適當(dāng)?shù)?。反過來，更大的間距可以被用來捕獲輸入對象的更大的特征。

在某些實施例中，為了提供足夠的機械強度，某些手持設(shè)備的玻璃覆蓋透鏡可以具有0.4到1.0毫米的厚度。

圖5a-5c圖示了具有多個衍射光學(xué)元件的示例性光學(xué)傳感器，其中通過每個相應(yīng)衍射光學(xué)元件的光在多個感測元件處可分辨。具體來說，感測元件501、502和503中的每一個分別被配置成檢測與覆蓋層210上面的區(qū)523、522和521對應(yīng)的光強度。因此，衍射光學(xué)元件511同時導(dǎo)致在感測元件503處的來自區(qū)521的光的相長干涉(參見圖5a中描繪的光射束)、在感測元件502處的來自區(qū)522的光的相長干涉(參見圖5b中描繪的光射束)以及在感測元件501處的來自區(qū)523的光的相長干涉(參見圖5c中描繪的光射束)，從而允許生物計量對象216的特征(諸如所描繪的指紋的脊和谷)被檢測。

在一個示例中，每個像素可以具有25到70微米的間距尺寸。覆蓋玻璃可以具有0.4到1.0毫米的厚度。衍射層厚度可以極薄(<100納米)，或者其也可以更厚。從衍射層到傳感器平面的間隔與覆蓋玻璃厚度和衍射透鏡焦距有關(guān)(例如1/f＝1/l1+1/l2，其中f＝焦距，l1＝透鏡-對象平面厚度，l2＝透鏡-圖像平面距離)。在一個示例中，覆蓋玻璃的頂部與感測元件之間的距離在0.2毫米與2.0毫米之間。

將會認(rèn)識到，在圖5a-5c所描繪的示例中，光學(xué)層中的每個衍射光學(xué)元件對應(yīng)于圖像感測元件或像素的3×3陣列。在其他示例性實施例中，衍射光學(xué)元件的配置可以是不同的以使得不同的對應(yīng)性(諸如每個衍射元件對應(yīng)于2×2像素陣列、4x4像素陣列等等)被實現(xiàn)。

對于其中衍射光學(xué)元件中的每一個對應(yīng)于一個n×n像素陣列(其中n大于1)或者一個n×m陣列(其中n和/或m大于1)的實施例，像素陣列中的每一個產(chǎn)生正被成像的生物計量對象的特定視圖的倒置子視圖。在某些實施例中，衍射元件和像素陣列可以被定位成使得對應(yīng)于一個衍射元件的像素陣列與對應(yīng)于另一衍射元件的像素陣列重疊(即其中來自多個衍射元件的光在單個感測元件處可分辨)。

圖6圖示了可以被用于本公開內(nèi)容的示例性實施例中的光學(xué)層的衍射光學(xué)元件的示例性二元波帶片設(shè)計。一般來說，波帶片的理想幾何結(jié)構(gòu)如下：

其中rn是從第n個波帶到第n+1個波帶的過渡的半徑，n是波帶號，p是從對象到波帶片的距離，q是從波帶片到傳感器的距離，并且λ是光照的波長(參見圖6)。二元波帶片被設(shè)計成阻擋或者從奇數(shù)波帶或者從偶數(shù)波帶衍射的光，以使得來自圖像平面(在覆蓋層的頂部上)的光波同相地到達傳感器平面上的感測元件(并且因此相長干涉)。

在示例性實施方式中，在光照光源具有中心在550納米上的波長、距離p為700微米(即從指紋到二元波帶片)以及距離q為700微米(即從二元波帶片到感測元件)的情況下，波帶片幾何結(jié)構(gòu)如下表所示：

在具有方形網(wǎng)格的50微米傳感器間距的示例中，大于大約第7或第8波帶索引的波帶索引將不被使用，因為它們將影響相鄰像素。

圖7圖示了具有在上面的表格中標(biāo)識的尺度的示例性二元波帶片。這樣的二元波帶片將提供2.2微米的分辨率(1.22倍外側(cè)波帶寬度)。然而，定義波帶的特征的粗糙度或失準(zhǔn)將限制這個分辨率，并且理想地，邊緣粗糙度應(yīng)小于外側(cè)(最精細地形成的)波帶的寬度的10％。

對于其中對從衍射光學(xué)元件離軸的感測元件期望高度成像保真度的實施例(例如諸如圖5a-5c所描繪的那樣的實施例，其中某些感測元件旨在檢測來自圖像平面的不是直接正對相應(yīng)感測元件的特征)，考慮與視場(fov)有關(guān)的其他參數(shù)。對于基于波帶片的光學(xué)系統(tǒng)，fov常常被表述為系統(tǒng)在其上展示良好性能的最大角度尺寸。如圖8所示，離軸光射線到達與軸上光射線稍稍異相的傳感器平面。這樣的系統(tǒng)的fov因此受限于波帶片的聚焦深度(dof)。

為了使成像保真度在角場點θ處保持為高，δq+δ′q應(yīng)該小于系統(tǒng)的圖像側(cè)dof(λ/nai²)。滿足這個標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)致在角場點θ處的、四分之一波的散焦。如果期望更好的波前質(zhì)量，應(yīng)該滿足更嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)—例如當(dāng)δq+δ′q小于dof/2.5時實現(xiàn)λ/10的波前質(zhì)量。對于特定波前質(zhì)量的角場點θ可以被表示如下：

其中η是縮放因子(δq+δ′q<dof/η)。

關(guān)聯(lián)視場的前述等式還關(guān)于圖4的示例性實施例和圖6-7所示的示例性二元波帶片的接收角可適用，其中通過每個相應(yīng)的衍射光學(xué)元件的光僅在一個感測元件處可分辨。對于上面關(guān)于圖7所討論的示例性尺度，對于λ/10的波前質(zhì)量θ＝8.2°，這對應(yīng)于直徑為～200微米的指紋上的成像點。在具有這些約束的情況下，假定波帶片的外側(cè)直徑是108微米，波帶片起準(zhǔn)直儀一樣的作用。

對于對5×5毫米區(qū)域中的示例性指紋成像，可以利用上面關(guān)于圖7所討論的波帶片的陣列，其中每個波帶片將指紋的200微米直徑區(qū)聚焦在5×5毫米的傳感器陣列上。因此，在該波帶片幾何結(jié)構(gòu)的情況下，利用25×25的波帶片陣列來將5×5毫米的圖像聚焦在5×5毫米的傳感器陣列上。此外，在光照光源具有中心在550納米的波長的情況下，從指紋到波帶片的距離是700微米并且從波帶片到傳感器的距離是700微米。圖9圖示了用于將示例性的5×5毫米的圖像聚焦在示例性5×5毫米的傳感器陣列上的示例性衍射光學(xué)元件陣列。

在可替代實施例中，光子篩類型的衍射光學(xué)元件可以被用來代替二元波帶片衍射光學(xué)元件。使用光子篩類型的衍射光學(xué)元件的優(yōu)點可以包括分辨率的提高、限制來自更高階衍射的失真以及降低光照的光色差。可以以類似于用于制造二元波帶片衍射光學(xué)元件的過程的方式來實施光子篩類型的衍射光學(xué)元件的制造。

在另一可替代實施例中，正弦波帶片可以被用作衍射光學(xué)元件來限制來自更高階衍射的失真。

在又一可替代實施例中，菲涅耳透鏡可以被用作衍射光學(xué)元件。可以例如通過將圖案沖壓、模制或印刻在透明材料中來產(chǎn)生菲涅耳透鏡。圖11圖示了從透明材料圖案化的菲涅耳透鏡的示例。

圖10示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的對輸入生物計量對象成像的方法1000。在階段1002處，使用具有光源和/或?qū)Ч庠墓庹諏觼碚丈涓袦y區(qū)。如先前所描述的那樣，這可以通過使用將光引導(dǎo)至分開的導(dǎo)光元件中的光源或通過將光直接透射到覆蓋層中來完成。透射光被引導(dǎo)朝向覆蓋層上面的感測區(qū)并且從對象朝向光學(xué)層反射。

在階段1004處，光學(xué)層的衍射光學(xué)元件調(diào)節(jié)光并且將其引導(dǎo)朝向圖像傳感器陣列的感測元件(或“感測層”)。

在階段1006處，在圖像傳感器陣列的感測元件處檢測到在圖像傳感器陣列的感測元件處相長干涉的光。

在階段1008處，在圖像傳感器陣列處檢測到的光被處理以形成輸入對象的視圖(其可以是輸入對象的完整圖像或部分圖像)。將會認(rèn)識到，在其中每個衍射光學(xué)元件都對應(yīng)于多個像素的陣列的實施例中，每個多像素陣列可以捕獲倒置的子視圖，并且可以利用附加的處理來將多個倒置的子視圖縫合在一起以形成生物計量對象的視圖。

還可以對所獲得的生物計量對象的視圖執(zhí)行進一步處理，包括例如將部分圖像縫合在一起以形成模板，和/或使模板中的各個部分圖像彼此關(guān)聯(lián)，和/或作為標(biāo)識或驗證過程的一部分將所捕獲的圖像數(shù)據(jù)與先前存儲的圖像數(shù)據(jù)進行比較(例如以基于將所獲得的圖像數(shù)據(jù)與參考模板進行比較來提供認(rèn)證結(jié)果)。在一個示例中，處理系統(tǒng)被配置成從多個感測元件獲得圖像數(shù)據(jù)并且將所獲得的圖像數(shù)據(jù)與參考模板進行比較。在另一示例中，處理系統(tǒng)還被配置成在將所獲得的圖像數(shù)據(jù)與參考模板進行比較之前將與圖像數(shù)據(jù)對應(yīng)的部分圖像組合成合成數(shù)據(jù)。

盡管前面的示例一般地描述了在指紋圖像感測的背景下的光學(xué)成像，但是在本文中討論的方法和系統(tǒng)也可以被用來對其他類型的對象成像。例如，還可以以類似方式獲得手掌或其他生物計量圖案的高分辨率圖像。

將會認(rèn)識到，本發(fā)明的實施例實現(xiàn)高水平的效率并且實現(xiàn)功率節(jié)省，同時通過如在本文中討論的在光學(xué)層中使用衍射光學(xué)元件而允許在薄的空間量中實現(xiàn)光學(xué)感測。此外，對于其中期望限制鄰近光學(xué)感測元件之間的串?dāng)_的實施例，衍射光學(xué)元件可以被配置成允許僅在相應(yīng)的感測元件處分辨反射光。

在相同程序上通過引用將在本文中提到的包括出版物、專利申請和專利在內(nèi)的所有參考文獻合并于此，猶如每個參考文獻被單獨且具體地指示成通過引用被合并且按其整體在本文中被闡述一樣。

在描述本發(fā)明的背景下對術(shù)語“一”和“一個”以及“所述”和“至少一個”以及類似討論目標(biāo)的使用應(yīng)被解釋為覆蓋單數(shù)和復(fù)數(shù)二者，除非在本文中以其他方式指示或者顯然與上下文矛盾。后面是一個或多個項目的列表的對術(shù)語“至少一個”的使用(例如“a和b中的至少一個”)應(yīng)被解釋成意指從所列的項目(a或b)中選擇的一個項目或者所列的項目(a和b)中的兩個或更多個的任何組合，除非在本文中以其他方式指示或者顯然與上下文矛盾。術(shù)語“包括”、“具體”、“包含”和“含有”應(yīng)被解釋為開放式的術(shù)語(即意指“包括但不限于”)，除非以其他方式指出。在本文中，值的范圍的詳述僅僅旨在被用作單個地提及落入范圍內(nèi)的每個分開的值的速記法，除非在本文中以其他方式指示，并且每個分開的值被合并到說明書中，好像它在本文中被單獨詳述一樣。

可以以任何適當(dāng)?shù)捻樞騺韴?zhí)行在本文中描述的所有方法，除非在本文中以其他方式指示或者顯然與上下文矛盾。在本文中提供的任何和所有示例或示例性語言(例如“諸如”)的使用僅僅旨在更好地闡明本發(fā)明而不對本發(fā)明的范圍產(chǎn)生限制，除非以其他方式來要求保護。說明書中的所有語言都不應(yīng)該被解釋為將任何非要求保護的要素指示為實行本發(fā)明所必需的。

在本文中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，包括發(fā)明人所知的實施本發(fā)明的最佳模式。在閱讀前面的描述時，那些優(yōu)選實施例的變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說變得顯而易見。發(fā)明人預(yù)期本領(lǐng)域技術(shù)人員會酌情采用這樣的變化，并且發(fā)明人打算使本發(fā)明以不同于在本文中具體描述的其他方式來實行。因此，本發(fā)明包括如由適用的法律所允許的隨附權(quán)利要求中詳述的內(nèi)容的所有修改和等同物。此外，本發(fā)明包括其所有可能變化中的上述要素的任何組合，除非在本文中以其他方式指示或者顯然與上下文矛盾。