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JP2019525290A - Integrated light emitting display and sensor for sensing biological properties - Google Patents

Integrated light emitting display and sensor for sensing biological properties Download PDF

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JP2019525290A
JP2019525290A JP2018563910A JP2018563910A JP2019525290A JP 2019525290 A JP2019525290 A JP 2019525290A JP 2018563910 A JP2018563910 A JP 2018563910A JP 2018563910 A JP2018563910 A JP 2018563910A JP 2019525290 A JP2019525290 A JP 2019525290A
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ジェローム チャンドラ バート,
ジェローム チャンドラ バート,
リチャード イアン オルセン,
リチャード イアン オルセン,
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インサイト システムズ
インサイト システムズ
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Abstract

ディスプレイ部分と統合されるバイオセンサデバイスが、指等の身体部分によってタッチするための表面を含む。LEDのアレイ等の光源が、身体部分によって部分的に反射および吸収されるように、表面を通して光を放出する。光検出器のアレイが、身体部分によって戻るように反射された光を検出し、身体部分における光吸収パターンに対応する光反射の画像に対応する信号を生成する。光吸収パターンは、指紋、血管パターン、血管内の血液移動、それらの組み合わせ、または他のバイオメトリック特徴に相関し得る。プロセッサが、光検出器から信号を受信し、信号を分析し、身体部分の特性を決定する。特性は、検出された特性を記憶された特性と比較することによって、バイオセンサデバイスのユーザを認証するために使用され得る。【選択図】図18A biosensor device integrated with a display portion includes a surface for touching by a body portion such as a finger. A light source, such as an array of LEDs, emits light through the surface so that it is partially reflected and absorbed by the body part. An array of photodetectors detects the light reflected back by the body part and generates a signal corresponding to an image of light reflection corresponding to the light absorption pattern at the body part. The light absorption pattern may correlate with a fingerprint, blood vessel pattern, blood movement within the blood vessel, combinations thereof, or other biometric features. A processor receives the signal from the photodetector, analyzes the signal, and determines the characteristics of the body part. The characteristic can be used to authenticate the user of the biosensor device by comparing the detected characteristic with the stored characteristic. [Selection] Figure 18

Description

(関連出願への相互参照)
本願は、2017年5月19日に出願された米国出願第15/600,480号の一部継続出願であり、Jerome Chandra Bhatによって2016年6月9日に出願された米国仮特許出願第62/348,096号ならびにJerome Chandra BhatおよびRichard Ian Olsenによって2016年5月23日に出願された米国仮特許出願第62/340,218号に基づき、これらの出願の優先権を主張し、これらの出願は、本特許譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に援用される。
(Cross-reference to related applications)
This application is a continuation-in-part of US Application No. 15 / 600,480, filed May 19, 2017, and US Provisional Patent Application No. 62, filed June 9, 2016 by Jerome Chandra Bhat. Claiming the priority of these applications under US / 348,096 and US Provisional Patent Application No. 62 / 340,218, filed May 23, 2016 by Jerome Chandra Bhat and Richard Ian Olsen, The application is assigned to this patent assignee and is hereby incorporated by reference.

(発明の分野)
本発明は、血流、血液成分、指紋、血管パターン、顔等の生物学的特性の感知、特に、光および光検出器を使用するそのような特性の感知に関する。
(Field of Invention)
The present invention relates to the sensing of biological properties such as blood flow, blood components, fingerprints, blood vessel patterns, faces, and more particularly to sensing such properties using light and photodetectors.

(背景)
特定の波長(例えば、赤色またはIR)の光を人間の身体部分(例えば、指)に印加し、身体部分を通して透過される光を測定することが、血流(例えば、脈拍)、血液中の成分(ヘモグロビン等)、脂肪、および他の特性を検出するために使用され得ることが、公知である。概して、光吸収が、特定の特性に相関する。
(background)
Applying light of a specific wavelength (eg, red or IR) to a human body part (eg, a finger) and measuring the light transmitted through the body part can result in blood flow (eg, pulse), in blood It is known that it can be used to detect components (such as hemoglobin), fat, and other properties. In general, light absorption correlates to a particular property.

しかしながら、そのようなシステムは、概して、単一の機能のみを実施する医療デバイスに限定される。さらに、光吸収の測定は、身体部分を通してであるため、デバイスは、指等の試験されている特定の身体部分を囲むように具体的に作製されなければならない。   However, such systems are generally limited to medical devices that perform only a single function. Furthermore, since the measurement of light absorption is through the body part, the device must be specifically made to surround the particular body part being tested, such as a finger.

必要とされるものは、種々の機能のために使用され得、医療目的ならびにユーザの認証等の非医療目的のために使用され得る、よりフレキシブルかつコンパクトな生物学的センサである。ユーザ認証に関して、生物学的センサは、既存の消費者製品に容易に統合されることが可能であるべきである。   What is needed is a more flexible and compact biological sensor that can be used for various functions and for medical purposes as well as non-medical purposes such as user authentication. With respect to user authentication, biological sensors should be able to be easily integrated into existing consumer products.

米国特許第9,570,002号は、第31欄において、光検出器とともに、フルカラーディスプレイスクリーンのマトリクスにIR LEDエミッタを追加することを記載している。このとき、ユーザは、スクリーンをタッチし得、ユーザの指紋の画像が、スクリーンにタッチする指先の隆起からの反射を検出することによって検出され得る。検出は、指先の表面のみであり、血管または血流等を検出するために、指の中へのある深さにおけるいずれの光吸収も測定しない。したがって、デバイスが認証のために使用される場合、模倣/偽造された指紋が、デバイスを欺くことができる。加えて、ディスプレイスクリーンは、密接に詰め込まれた赤色、緑色、および青色LEDのアレイであり、分解能を喪失することなくIR LEDおよび光検出器を既存のLEDのアレイに追加することは、困難である。さらに、統合されたディスプレイピクセルおよび検出ピクセルを伴う新しいディスプレイスクリーンを開発することは、非常に高価である。   US Pat. No. 9,570,002 describes in column 31 the addition of an IR LED emitter to the matrix of a full color display screen, along with a photodetector. At this time, the user can touch the screen and the image of the user's fingerprint can be detected by detecting reflections from the ridges of the fingertips touching the screen. The detection is only on the surface of the fingertip and does not measure any light absorption at a certain depth into the finger to detect blood vessels or blood flow or the like. Thus, if the device is used for authentication, a counterfeit / fake fingerprint can deceive the device. In addition, the display screen is a closely packed array of red, green, and blue LEDs, making it difficult to add IR LEDs and photodetectors to an existing array of LEDs without losing resolution. is there. Furthermore, developing a new display screen with integrated display pixels and detection pixels is very expensive.

米国特許第9,570,002号明細書US Pat. No. 9,570,002

(概要)
統合されたコンパクトな光エミッタおよびセンサデバイスが、説明され、本デバイスを使用する人物の生物学的特性を検出するために使用され得る。特性は、医療/診断目的ならびに人物の認証のために使用されることができる。例えば、本デバイスは、ユーザを認証するために、スマートフォン、コンピュータ、またはさらには銃内に設置され得る。
(Overview)
An integrated compact light emitter and sensor device can be described and used to detect the biological properties of a person using the device. The characteristics can be used for medical / diagnostic purposes as well as for person authentication. For example, the device can be placed in a smartphone, computer, or even a gun to authenticate a user.

一実施形態では、LEDまたはフィルタ処理された白色光等の多波長光源によって形成される高分解能ピクセルが、皮膚に適用されると、指等の身体部分に侵入する光を提供する。光検出器のアレイが、光エミッタ内に統合され、身体部分から戻るように反射された光の大きさを検出し、戻るように反射された光の大きさは、身体部分による光の吸収によって影響を受ける。光検出器のアレイは、光吸収の高分解能画像を作成し得る。ピクセル(例えば、放出される波長)は、特定の生物学的特性を標的とするように制御され得、本デバイスの分解能は、指紋および血管パターン等の詳細な特性を検出するために高くあり得る。ビデオ画像がさらに、捕捉され得る。光学部が、血管の場所を検出するため等、皮膚の中へのある深さにおける吸収のみを検出するために使用され得る。本デバイス内のプロセッサが、光検出器からの信号を分析し、ユーザの認証等の結果を生成するようにプログラムされ得る。   In one embodiment, a high resolution pixel formed by a multi-wavelength light source such as an LED or filtered white light provides light that enters a body part such as a finger when applied to the skin. An array of photodetectors is integrated into the light emitter to detect the amount of light reflected back from the body part, and the amount of light reflected back from the body part depends on the absorption of light by the body part. to be influenced. An array of photodetectors can produce a high resolution image of light absorption. Pixels (eg, emitted wavelengths) can be controlled to target specific biological characteristics, and the resolution of the device can be high to detect detailed characteristics such as fingerprints and blood vessel patterns . A video image may further be captured. The optics can be used to detect only absorption at a certain depth into the skin, such as to detect the location of a blood vessel. A processor in the device may be programmed to analyze the signal from the photodetector and generate a result such as user authentication.

指紋および血管パターンの両方を偽造することは非常に困難であるため、本デバイスは、指紋検出器のみと比較して、認証に関してはるかに高い信頼性を有する。   Since it is very difficult to counterfeit both fingerprints and blood vessel patterns, the device has much higher reliability with respect to authentication compared to fingerprint detectors alone.

別の実施形態では、LED光(例えば、IR光)が、透明光ガイドの縁に結合され、光は、光ガイドおよび空気の非常に異なる屈折率に起因するTIRによって光ガイド内で誘導される。ユーザの指が、指紋検出のためにガラス等の光ガイド面上に押されると仮定して、指およびガラスの屈折率は、密接に合致される。指紋の頂点(隆起)は、ガラス面に接触する一方、窪みは、空隙をもたらす。故に、光は、頂点のパターンにおいてのみ、光ガイドから指に引き出される。したがって、光ガイドは、透明であり得る。高分解能光検出器アレイが、光ガイドの後方に位置付けられる。光ガイドの上面に接触する身体部分(例えば、指)から反射された光は、次いで、光ガイドを通して戻るように透過され、光検出器アレイによって検出される。本デバイスはまた、随意に、光ガイドの後方にディスプレイピクセルを伴うディスプレイとして動作し得る。結果として生じる検出された画像は、指紋、血管パターン、または生物学的特性の他の組み合わせによって、ユーザを認証するために使用され得る。一実施形態では、光ガイドはまた、検出器部分から側方に離間されるディスプレイスクリーンのためのディスプレイガラスであり、したがって、検出器およびディスプレイは、統合される。ディスプレイピクセルは、OLED等の従来のものであり得、検出器光源のみが、ディスプレイガラスを光ガイドとして使用する。ディスプレイ(またはディスプレイのためのタッチスクリーン)のための光ガイドおよび保護層の二重の目的のためにディスプレイガラスを使用することによって、相乗効果および統合が存在し、TIRは、指紋/血管検出のために光を均一に拡散する。検出器のための光源は、ディスプレイガラスの任意の縁に近接して光学的に結合され得る。   In another embodiment, LED light (eg, IR light) is coupled to the edge of the transparent light guide and the light is guided in the light guide by TIR due to very different refractive indices of the light guide and air. . Assuming the user's finger is pushed onto a light guide surface such as glass for fingerprint detection, the refractive indices of the finger and glass are closely matched. The apex (bump) of the fingerprint contacts the glass surface, while the depression provides a void. Thus, light is drawn from the light guide to the finger only in the apex pattern. Thus, the light guide can be transparent. A high resolution photodetector array is positioned behind the light guide. Light reflected from a body part (eg, a finger) that contacts the top surface of the light guide is then transmitted back through the light guide and detected by the photodetector array. The device may also optionally operate as a display with display pixels behind the light guide. The resulting detected image can be used to authenticate the user by fingerprint, blood vessel pattern, or other combination of biological characteristics. In one embodiment, the light guide is also a display glass for the display screen that is laterally spaced from the detector portion, so that the detector and display are integrated. The display pixels can be conventional, such as OLEDs, and only the detector light source uses the display glass as a light guide. By using the display glass for the dual purpose of the light guide and protective layer for the display (or touch screen for the display), there is synergy and integration, TIR is the fingerprint / blood vessel detection In order to diffuse light uniformly. The light source for the detector can be optically coupled proximate any edge of the display glass.

検出器アレイは、ディスプレイピクセル全体を通して分散される、またはディスプレイ部分から側方に離間され得る。   The detector array can be distributed throughout the display pixels or laterally spaced from the display portion.

光は、指の頂点を介して指の中へのある距離に入射し、また、指内で散乱し、ある深さ内の血管によって吸収された状態になる。これは、指紋と血管パターンとの間の位置関係を検出するために、指紋パターンと併用され得る二次反射パターンを生成する。指紋パターンは、高コントラストである一方、血管パターンは、指紋パターンにわたって効果的に重ねられる。   Light is incident at some distance into the finger via the apex of the finger, is scattered within the finger, and is absorbed by blood vessels within a certain depth. This generates a secondary reflection pattern that can be used in conjunction with the fingerprint pattern to detect the positional relationship between the fingerprint and the blood vessel pattern. The fingerprint pattern is high contrast, while the blood vessel pattern is effectively superimposed over the fingerprint pattern.

一実施形態では、光源および光センサ部分は、ディスプレイ部分内のいずれの空間も使い果たさないように、ディスプレイ部分の一方の側に沿って等、ディスプレイピクセルから側方に離間される。ディスプレイ部分は、画像を生成するために、薄いガラスパネル等の光通過パネルを通して光を放出する。ガラスパネルはさらに、容量タッチセンサを含み得る。先に説明されるように、バイオ検出器部分のための光源は、光センサ部分に隣り合う等、ディスプレイ部分から側方に離間される、または光源は、光通過パネルの縁に光学的に結合され、光通過パネルは、光源のための導波路として作用する。検出は、したがって、ディスプレイ区域とは別個の区域を通してである。光源は、IR光を放出し得る一方、ディスプレイ部分は、ピクセルのアレイから赤色、緑色、および青色光を放出する。このように、光源および検出器部分は、ディスプレイ部分に影響を及ぼさない一方、ディスプレイ部分および検出器部分の両方は、同一の光通過パネルを使用する。故に、ディスプレイおよびセンサは、統合されるが、側方に離間される。   In one embodiment, the light source and light sensor portions are spaced laterally from the display pixels, such as along one side of the display portion, so as not to use up any space in the display portion. The display portion emits light through a light-passing panel, such as a thin glass panel, to generate an image. The glass panel may further include a capacitive touch sensor. As previously described, the light source for the biodetector portion is laterally spaced from the display portion, such as adjacent to the photosensor portion, or the light source is optically coupled to the edge of the light passing panel The light passing panel acts as a waveguide for the light source. Detection is therefore through an area separate from the display area. The light source can emit IR light, while the display portion emits red, green, and blue light from the array of pixels. Thus, the light source and detector portions do not affect the display portion, while both the display portion and detector portion use the same light passing panel. Thus, the display and sensor are integrated but spaced laterally.

本デバイスはまた、脈拍センサとして、または標的波長を吸収する特定の血液成分のためのセンサとして使用され得る。   The device can also be used as a pulse sensor or as a sensor for specific blood components that absorb target wavelengths.

異なる波長を放出する異なるLEDが、別個に通電され得、反射された光は、身体部分の異なるタイプの生物学的特徴を決定するために、広スペクトル光検出器によって検出される。   Different LEDs emitting different wavelengths can be energized separately and the reflected light is detected by a broad spectrum photodetector to determine different types of biological characteristics of the body part.

光学部が、光を集束させ、血管等、身体部分の中へのある深さにおける生物学的特徴のみを検出するために使用され得る。   The optics can be used to focus the light and detect only biological features at a certain depth into the body part, such as blood vessels.

ガスセンサ、脈拍を検出するための電極等の付加的センサが、光学センサに統合され得る。   Additional sensors such as gas sensors, electrodes for detecting the pulse can be integrated into the optical sensor.

本デバイスは、コンパクトかつ安価であり、認証またはユーザの生物学的特性の分析のためのポータブルデバイスにおけるその使用を可能にし得る。   The device is compact and inexpensive and may allow its use in portable devices for authentication or analysis of a user's biological properties.

そのようなデバイスの種々の他の設計および使用も、説明される。   Various other designs and uses of such devices are also described.

図1は、選択された区域において選択された波長の光を放出し得る高分解能光エミッタの上から見下ろした図であり、本デバイスはまた、発光面に接触する人物の身体部分から光吸収を感知するために、各多波長ピクセル区域内に光検出器のアレイを含む。FIG. 1 is a top-down view of a high-resolution light emitter that can emit light of a selected wavelength in a selected area, and the device also absorbs light from a body part of a person in contact with the light emitting surface. An array of photodetectors is included in each multi-wavelength pixel area for sensing.

図2は、認証または医療診断のために、指紋、血流、血液中のヘモグロビン、または他の特性を検出するために発光面上に配置される人物の指を示す、図1のデバイスの断面図である。FIG. 2 is a cross section of the device of FIG. 1 showing a person's finger placed on a light emitting surface to detect fingerprints, blood flow, hemoglobin in blood, or other characteristics for authentication or medical diagnosis. FIG.

図3は、光波長対血液中のヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンの吸収の相関を図示し、これは、人物の血液中のそのような成分の濃度を決定するために、図1および図2のデバイス内のプロセッサによって使用され得る。FIG. 3 illustrates the correlation of light wavelength versus absorption of hemoglobin and oxyhemoglobin in the blood, which is used in the devices of FIGS. 1 and 2 to determine the concentration of such components in a person's blood. Can be used by other processors.

図4は、生物学的特性を検出するために光源および光センサを含むデバイスの別の実施形態の断面図であり、光が、透明または半透明光ガイドの縁部分に注入され、光ガイドの前面から放出され、フォトダイオードアレイが、人物の身体部分による光の吸収の画像を検出するために、光ガイドの後方に位置付けられる。FIG. 4 is a cross-sectional view of another embodiment of a device that includes a light source and a light sensor to detect biological properties, where light is injected into an edge portion of a transparent or translucent light guide, Emitted from the front, a photodiode array is positioned behind the light guide to detect an image of light absorption by a person's body part.

図5は、スマートフォン、ラップトップコンピュータ、または他の消費者デバイスの保護外層等の透明層に添着される図4のデバイスを図示する。FIG. 5 illustrates the device of FIG. 4 attached to a transparent layer, such as a protective outer layer of a smartphone, laptop computer, or other consumer device.

図6は、反射された光の検出との組み合わせにおいて、EKG信号の検出等、人物の身体部分からの電気信号を感知するために、電極を用いて増強される図4のデバイスを図示する。FIG. 6 illustrates the device of FIG. 4 augmented with electrodes to sense electrical signals from a person's body part, such as detection of an EKG signal, in combination with detection of reflected light.

図7は、人物から発生するガスを検出するために、感受性ガス感知要素を用いてさらに増強される図5のデバイスを図示する。FIG. 7 illustrates the device of FIG. 5 further enhanced with a sensitive gas sensing element to detect gas emanating from a person.

図8は、本デバイスと接触する身体部分(例えば、指)の温度を決定するために、非接触赤外線温度センサを用いてさらに増強される図6のデバイスを図示する。FIG. 8 illustrates the device of FIG. 6 further enhanced using a non-contact infrared temperature sensor to determine the temperature of a body part (eg, a finger) that contacts the device.

図9は、より高い分解能のために、より高い信号対雑音比のために、およびよりコンパクトなデバイスを形成するために、集束レンズが光センサアレイに当接する、本発明の別の実施形態を図示する。FIG. 9 shows another embodiment of the present invention where the focusing lens abuts the photosensor array for higher resolution, for higher signal-to-noise ratio, and to form a more compact device. Illustrated.

図10は、光検出器の高分解能アレイを有する単一の集積回路チップの正面図である。レンズアレイが、検出器アレイにわたって位置付けられ、これは、入射光を集束させ、信号対雑音比を増加させるために光検出器に入射する直接光の量を低減させる。光源が、光ガイドと接触する人物の身体部分の方向においてのみ光を放出する透明光ガイド等、多くの好適な設計を有し得る。反射された光は、光ガイドを通して光検出器に戻るように透過される。FIG. 10 is a front view of a single integrated circuit chip having a high resolution array of photodetectors. A lens array is positioned across the detector array, which focuses the incident light and reduces the amount of direct light incident on the photodetector to increase the signal to noise ratio. The light source can have many suitable designs, such as a transparent light guide that emits light only in the direction of the body part of the person in contact with the light guide. The reflected light is transmitted through the light guide back to the photodetector.

図11は、図10と類似するが、光源(例えば、LEDまたはレーザ)を光検出器と同一の表面上に統合する。FIG. 11 is similar to FIG. 10, but integrates a light source (eg, LED or laser) on the same surface as the photodetector.

図12は、種々のデバイスを用いて実施され得る機能を識別する。FIG. 12 identifies functions that can be implemented using various devices.

図13は、ユーザの生物学的特性を検出するために本デバイスによって実施される基本ステップの実施例のフローチャートである。FIG. 13 is a flowchart of an example of the basic steps performed by the device to detect a biological characteristic of a user.

図14は、統合されたセンサおよびディスプレイの別の実施形態の上から見下ろした図であり、センサ部分がディスプレイ部分から側方に離間されるが、ディスプレイ部分と同一のカバーガラスを使用する。FIG. 14 is a top down view of another embodiment of an integrated sensor and display, where the sensor portion is laterally spaced from the display portion, but uses the same cover glass as the display portion.

図15は、ディスプレイ部分に影響を及ぼさないように、ディスプレイ部分から側方に離間されるセンサ部分およびIRエミッタを示す、図14のデバイスの断面図である。センサおよびIRエミッタは、理解を容易にするために、図14のより正確な断面と対照的に、図15において横並びに示される。FIG. 15 is a cross-sectional view of the device of FIG. 14 showing the sensor portion and IR emitter spaced laterally from the display portion so as not to affect the display portion. The sensor and IR emitter are shown side-by-side in FIG. 15 for ease of understanding, as opposed to the more accurate cross section of FIG.

図16は、ディスプレイ部分の縁に沿ったセンサ部分のさらなる詳細を示す、統合されたディスプレイ/センサの断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view of an integrated display / sensor showing further details of the sensor portion along the edge of the display portion.

図17は、検出器要素の底部部分に電気的に結合される導電性トレースを示す、統合されたディスプレイ/センサの断面図である。FIG. 17 is a cross-sectional view of an integrated display / sensor showing conductive traces that are electrically coupled to the bottom portion of the detector element.

図18は、身体部分によって反射および吸収される光を放出する図15のデバイスを図示し、ユーザを認証するために反射/吸収された光の感知された画像を作成するように、反射された光が検出される。FIG. 18 illustrates the device of FIG. 15 that emits light reflected and absorbed by the body part and reflected to create a sensed image of the reflected / absorbed light to authenticate the user. Light is detected.

図19は、ディスプレイ区域が部分的に透明であり、センサが身体部分からディスプレイ区域を通して光を受け取る、別の実施形態を図示する。FIG. 19 illustrates another embodiment where the display area is partially transparent and the sensor receives light from the body part through the display area.

図20は、図19の実施形態の実施例の断面図であり、ディスプレイ部分が、分散された透明区域を有し、分散された透明区域を通して身体部分から反射された光がディスプレイ部分の下方の検出器アレイによる感知のために通過する。ディスプレイピクセル(例えば、赤色、緑色、および青色サブピクセル)は、検出器アレイのための光源を提供し得る、または光源は、IRエミッタ等の別個の光源であり得る。FIG. 20 is a cross-sectional view of an example of the embodiment of FIG. 19, wherein the display portion has a dispersed transparent area, and light reflected from the body part through the dispersed transparent area is below the display portion. Pass for sensing by the detector array. Display pixels (eg, red, green, and blue subpixels) can provide a light source for the detector array, or the light source can be a separate light source, such as an IR emitter.

図21は、赤色、緑色、および青色OLEDサブピクセルが、上部基板上に形成され、1つまたは複数のフォトダイオードが、身体部分から反射された光を検出するために底部基板上に薄フィルムトランジスタとともに形成される一方、薄フィルムトランジスタは、ディスプレイピクセルを制御する、別の実施形態の断面図である。FIG. 21 shows that red, green, and blue OLED sub-pixels are formed on the top substrate, and one or more photodiodes are thin film transistors on the bottom substrate to detect light reflected from the body part. While formed with, thin film transistors are cross-sectional views of another embodiment that controls display pixels.

図22は、1つまたは複数のIR LED等のIRエミッタが、光ガイドとして作用するディスプレイのディスプレイガラスの縁に光学的に結合され、ディスプレイガラスは、ガラスと接触する身体部分からの反射のための光を放出する、別の実施形態の断面図である。光は、ディスプレイ区域から側方に離間される区域においてのみ検出され得る、またはディスプレイ区域内に分散された光検出器によって検出され得る。FIG. 22 shows that an IR emitter, such as one or more IR LEDs, is optically coupled to the edge of the display glass of the display that acts as a light guide, the display glass being reflected from a body part that contacts the glass. FIG. 6 is a cross-sectional view of another embodiment that emits the light. Light can be detected only in areas that are laterally spaced from the display area, or can be detected by photodetectors dispersed within the display area.

図23は、液晶ピクセルが、フォトダイオードとともに透明基板(例えば、ガラス)上に形成され、バックライトからの光が、液晶層を通過し、フォトダイオードによる検出のために身体部分から反射される、別の実施形態の断面図である。FIG. 23 shows that a liquid crystal pixel is formed on a transparent substrate (eg, glass) with a photodiode, and light from the backlight passes through the liquid crystal layer and is reflected from the body part for detection by the photodiode. It is sectional drawing of another embodiment.

種々の図における同一または同等の要素は、同一の番号を用いて標識化される。   The same or equivalent elements in the various figures are labeled with the same number.

(詳細な説明)
ある波長の光を放出し、画像捕捉を使用して、光放出窓と接触する(またはそれに近接する)人物の身体部分による光の吸収を検出する、種々のタイプのバイオセンサデバイスが、説明される。他の使用も、説明される。
(Detailed explanation)
Various types of biosensor devices are described that emit light of a wavelength and use image capture to detect the absorption of light by a human body part in contact with (or close to) the light emission window. The Other uses are also described.

図1は、捕捉されるべき身体部分反射画像のために好適なサイズを有するバイオセンサデバイス10の上から見下ろした図である。一実施形態では、デバイス10は、その表面にタッチする指を検出するために十分な大きさにすぎない。   FIG. 1 is a top down view of a biosensor device 10 having a suitable size for a body part reflection image to be captured. In one embodiment, device 10 is only large enough to detect a finger touching its surface.

デバイス10は、マイクロLED12または垂直共振器面発光レーザ(VCSEL)等の他の光源によって形成されるピクセル11のアレイを備える。そのようなレーザは、発光ダイオードのサブセットと見なされる。LED12は、異なる着目ピーク波長を放出する異なる種類であり得る、またはLED12は、異なる着目波長を放出するための異なる蛍光体を伴う同一の種類(例えば、UV LED)であり得る。示される実施例では、単一のピクセル11内のLED12は、赤色R、青色B、緑色G、およびIR放出LEDを含む。異なる波長は、異なる量だけ皮膚に侵入し、より短い波長(青色、緑色)は、より長い波長(赤色、赤外線)よりも皮膚の中により浅く侵入する。別の実施形態では、デバイス10は、指内の血流の検出等の特定の機能のためにのみ意図され、LED12は、赤色またはIR等、特定の機能のための単一の狭帯域の波長のみを放出する。各ピクセル11はまた、広帯域フォトダイオード14または他のタイプの光検出器を含む。異なる波長を放出するLED12は、別個に通電され得、したがって、フォトダイオード14の出力は、通電されたLED12によって放出される波長に相関されることができる。デバイス10の分解能は、高分解能ディスプレイと同一であり得る。   Device 10 comprises an array of pixels 11 formed by other light sources such as micro LEDs 12 or vertical cavity surface emitting lasers (VCSEL). Such lasers are considered a subset of light emitting diodes. The LEDs 12 can be of different types that emit different peak wavelengths of interest, or the LEDs 12 can be of the same type (eg, UV LEDs) with different phosphors for emitting different wavelengths of interest. In the example shown, the LEDs 12 within a single pixel 11 include red R, blue B, green G, and IR emitting LEDs. Different wavelengths penetrate the skin by different amounts, and shorter wavelengths (blue, green) penetrate more shallowly into the skin than longer wavelengths (red, infrared). In another embodiment, the device 10 is intended only for a specific function, such as detection of blood flow in the finger, and the LED 12 is a single narrowband wavelength for a specific function, such as red or IR. Only release. Each pixel 11 also includes a broadband photodiode 14 or other type of photodetector. The LEDs 12 that emit different wavelengths can be energized separately, so the output of the photodiode 14 can be correlated to the wavelength emitted by the energized LED 12. The resolution of device 10 may be the same as a high resolution display.

ピクセルアレイ内の任意の1つのピーク波長のLEDはまた、随意に、連続的に照明され、ピクセルアレイ内からの1つまたは複数の検出器が、同時に読み取られ、デジタル処理によって取得される画像の分解能のさらなる強化を可能にするようにクロストークを排除し得る。例えば、そのような連続的な照明は、光を散乱するだけで光を吸収しない場所からの、身体部分内の吸収特徴(例えば、血管)の場所の強化された区別を可能にする。加えて、読み取られる検出器は、照明されたLEDに近接するもののみであり得、したがって、サンプリングされる身体部分区域は、高度に局所化される。   Any one peak wavelength LED in the pixel array is also optionally illuminated continuously and one or more detectors from within the pixel array can be read simultaneously and acquired by digital processing. Crosstalk can be eliminated to allow further enhancement of resolution. For example, such continuous illumination allows enhanced differentiation of the location of absorbing features (eg, blood vessels) within a body part from locations that only scatter light and do not absorb light. In addition, the detectors that are read can only be in proximity to the illuminated LEDs, and thus the sampled body part area is highly localized.

LEDは、OLEDまたは無機LEDであり得る。   The LED can be an OLED or an inorganic LED.

代替として、種々の色ピクセルは、液晶ディスプレイ(LCD)によって形成され得る。典型的なLCDは、広い範囲の波長を有する白色光バックライトを使用する。赤色フィルタ、緑色フィルタ、青色フィルタ、およびIRフィルタ等の色フィルタが、サブピクセルを形成し、制御可能な液晶層の後方に位置付けられる。液晶層は、サブピクセル場所毎に光シャッタを効果的に有する。光シャッタを制御することによって、各ピクセル内の異なる色が、制御される。フォトダイオード14は、次いで、LCD層の上部またはLCD層の下方にわたる透明な積層された層に形成され得る。   Alternatively, the various color pixels can be formed by a liquid crystal display (LCD). A typical LCD uses a white light backlight having a wide range of wavelengths. Color filters such as a red filter, a green filter, a blue filter, and an IR filter form subpixels and are positioned behind the controllable liquid crystal layer. The liquid crystal layer effectively has an optical shutter for each subpixel location. By controlling the light shutter, different colors within each pixel are controlled. The photodiode 14 can then be formed in a transparent stacked layer over the LCD layer or under the LCD layer.

いずれの実施形態でも、フォトダイオード14および発光ピクセルは、分析されるべき人物の身体部分の同一の側上にあり、したがって、フォトダイオード14は、例えば人物の皮膚による光の吸収を検出するために、反射された光の画像を検出する。これは、人物の身体部分を通過する光の量を検出する公知のデバイスと対照的である。検出されている身体部分内の局所化された吸収は、基本的に、異なるフォトダイオード14によって受け取られる反射された光間の差異を検出することによって決定されるため、反射された光の画像は、吸収された光の画像に対応する。そのような差異は、吸収パターンをマッピングし、これを記憶された吸収パターンと比較するために使用されることができる。故に、反射された光の絶対的大きさは、サンプリングされている身体部分、任意の周囲光、LEDへの電流等に基づいて変動し得るが、光反射の大きさにおける差異は、依然として、身体部分内の吸収パターンに対応する。   In either embodiment, the photodiode 14 and the light emitting pixel are on the same side of the body part of the person to be analyzed, so that the photodiode 14 is for detecting light absorption by the person's skin, for example. Detect the reflected light image. This is in contrast to known devices that detect the amount of light that passes through a person's body part. Since the localized absorption within the body part being detected is basically determined by detecting the difference between the reflected light received by the different photodiodes 14, the image of the reflected light is Corresponds to the image of absorbed light. Such differences can be used to map the absorption pattern and compare it to the stored absorption pattern. Thus, although the absolute magnitude of the reflected light can vary based on the body part being sampled, any ambient light, the current to the LED, etc., the difference in the magnitude of the light reflection is still Corresponds to the absorption pattern in the part.

組み合わせ指紋検出器および血管場所検出器のためのピクセル11のアレイの実施例は、2cm×2cmであり、800個のピクセル11を含むアレイであり得る。分解能は、0.25mmと同程度に小さくあり得る。そのようなアレイサイズは、2つの異なる試験を使用するユーザの認証のためにスマートフォンまたは他のハンドヘルドデバイス内に組み込まれることができる。   An example of an array of pixels 11 for a combined fingerprint detector and vessel location detector is 2 cm × 2 cm, and may be an array that includes 800 pixels 11. The resolution can be as small as 0.25 mm. Such an array size can be incorporated into a smartphone or other handheld device for authentication of users using two different tests.

LEDコントローラ18は、例えば、行および列アドレス指定を使用してLED12の通電を制御し、フォトダイオード14は、光検出器コントローラ20によって制御される。プロセッサ22は、コントローラ18および20の全体的制御を提供し、所望の機能に応じて、さらなる処理のために種々のフォトダイオード14の出力を検出する。一実施形態では、プロセッサ22は、指紋ならびに指内の血管の場所、脈拍、および血液中の成分を検出するようにデバイスを制御する。血流を分析するために、ビデオのような複数の画像が、取得され得る。プロセッサ22は、ユーザを認証するためにデータをメモリ内に記憶された情報と比較し得る、または医療分析のためにデータを使用し得る。   The LED controller 18 controls the energization of the LEDs 12 using, for example, row and column addressing, and the photodiode 14 is controlled by the photodetector controller 20. The processor 22 provides overall control of the controllers 18 and 20 and detects the output of various photodiodes 14 for further processing, depending on the desired function. In one embodiment, the processor 22 controls the device to detect fingerprints and blood vessel locations, pulses, and components in the blood within the finger. Multiple images, such as videos, can be acquired to analyze blood flow. The processor 22 may compare the data with information stored in memory to authenticate the user, or may use the data for medical analysis.

一実施形態では、LEDコントローラ18は、LEDの照明をラスタにする(raster)、または別様に空間的に順序付ける一方、光検出器コントローラ20は、複数の固有の照明状態に対応する画像のシーケンスを捕捉する。プロセッサ22は、捕捉された画像の散乱光を補償するためにデータのシーケンスを処理し、それによって、デバイスと接触する身体部分内の吸収特徴によって形成される組み合わせられた画像の分解能を増加させ得る。   In one embodiment, the LED controller 18 rasters, or otherwise spatially orders, the illumination of the LEDs, while the photodetector controller 20 captures images corresponding to multiple unique illumination conditions. Capture the sequence. The processor 22 may process the sequence of data to compensate for the scattered light of the captured image, thereby increasing the resolution of the combined image formed by the absorbing features in the body part that contacts the device. .

プロセッサ22およびコントローラ18/20を含む全体的デバイス10は、電力リードおよびデータリードを要求するにすぎない単一のモジュール式デバイスとして形成され得る。   The overall device 10 including the processor 22 and the controller 18/20 may be formed as a single modular device that only requires power and data leads.

ピクセルアレイの異なる区分。またはピクセル11のうちの異なるピクセルは、異なるピクセル11からのフォトダイオード14とLED12との間のクロストークを低減させるために、別個に通電され得る。理想的には、身体部分は、最も高い分解能の画像を取得するために、衝突して反射される光の散乱を最小限にするために、デバイス10と直接接触する。集束および指向性光学部もまた、分解能をさらに改善するために使用され得る。   Different sections of the pixel array. Or, different pixels of the pixels 11 can be energized separately to reduce crosstalk between the photodiodes 14 and the LEDs 12 from the different pixels 11. Ideally, the body part is in direct contact with the device 10 to minimize the scattering of light reflected upon impact to obtain the highest resolution image. Focusing and directional optics can also be used to further improve resolution.

図2は、本デバイスの保護ガラスカバー24と直接接触する人物の指23を示す、図1のデバイス10の簡略化された断面である。指23内の血管25もまた、示される。指23が空気の屈折率よりもはるかに高いが、ガラスカバー24の屈折率と類似する屈折率(例えば、1.5)を有することに起因して、(ガラスに直接接触する)指紋の隆起26および(ガラスから分離される)指紋の谷27は、それらの区域で異なる量の光反射28を引き起こす。谷区域は、ガラス/空気界面におけるTIRに起因して、ガラス表面から比較的に高いパーセンテージの光を反射する一方、隆起区域は、比較的に高いパーセンテージの光を吸収する。フォトダイオード14の高分解能に起因して、いくつかのフォトダイオード14は、谷27の下に位置し、その他は、隆起26の下に位置し、したがって、指紋の画像は、プロセッサ22(図1)によって検出可能であり、ユーザの認証のために記憶された指紋と相関されることができる。   FIG. 2 is a simplified cross section of the device 10 of FIG. 1 showing a person's finger 23 in direct contact with the protective glass cover 24 of the device. A blood vessel 25 in the finger 23 is also shown. The ridge of the fingerprint (in direct contact with the glass) due to the finger 23 having a refractive index (e.g. 1.5) that is much higher than the refractive index of air but similar to that of the glass cover 24 26 and the fingerprint valley 27 (separated from the glass) cause different amounts of light reflection 28 in those areas. The valley area reflects a relatively high percentage of light from the glass surface due to TIR at the glass / air interface, while the raised area absorbs a relatively high percentage of light. Due to the high resolution of the photodiodes 14, some photodiodes 14 are located below the valleys 27 and others are located below the ridges 26, so the image of the fingerprint is the processor 22 (FIG. 1). ) And can be correlated with stored fingerprints for user authentication.

ガラスカバー24は、無機ガラス、サファイア等の結晶材料、ガラスセラミック、またはポリマーを含み得る。   The glass cover 24 may include an inorganic glass, a crystalline material such as sapphire, a glass ceramic, or a polymer.

指紋検出器を妨害する方法が、公知である。不正行為に対して追加される保証として、プロセッサ22は、フォトダイオード14のデータも処理し、指内の血管と一貫する低波長(例えば、赤色、IR)吸収のパターンを決定する。光は、指紋の隆起を介してある距離だけ指に入射する。指紋に対する血管の形状および場所は、個人間で一意であり、偽造することは非常に困難である。そのようなデータは、認証のために記憶されたデータに相関される。例えば、ユーザは、初期ベースライン検出を実施し、組み合わせ指紋パターンおよび血管パターンが、検出および記憶される。認証に関して、新しい検出が、ベースラインパターンに実質的に合致する場合、ユーザは、認証される。他の血液データもまた、医療分析のために取得され得る。図2は、血管25の皮膚深さにおける光反射28を示し、血管の場所における赤色/IR光の吸収は、標的深さ内に血管を含んでいない指の区域と比較して、より高い。(指紋パターンと併せた、または指紋パターンとは別個の)検出された血管のマップが、次いで、プロセッサ22によって作成され、基準血管の記憶されたマップと比較されることができる。   Methods for disturbing fingerprint detectors are known. As an additional guarantee against fraud, the processor 22 also processes the photodiode 14 data to determine a pattern of low wavelength (eg, red, IR) absorption that is consistent with blood vessels in the finger. The light is incident on the finger a distance through the fingerprint ridge. The shape and location of the blood vessel relative to the fingerprint is unique among individuals and is very difficult to counterfeit. Such data is correlated to data stored for authentication. For example, the user performs initial baseline detection and the combined fingerprint pattern and blood vessel pattern are detected and stored. With respect to authentication, the user is authenticated if the new detection substantially matches the baseline pattern. Other blood data can also be acquired for medical analysis. FIG. 2 shows the light reflection 28 at the skin depth of the blood vessel 25, where the red / IR light absorption at the blood vessel location is higher compared to the area of the finger that does not contain a blood vessel within the target depth. A map of detected blood vessels (in conjunction with or separate from the fingerprint pattern) can then be generated by the processor 22 and compared to a stored map of reference blood vessels.

フォトダイオード14の信号は、プロセッサ22によって相互から減算され得、したがって、差異は、着目波長の吸収に相関する。そのただの絶対値ではなく、高分解能フォトダイオード14によって出力される信号の差異は、LEDからのフォトダイオード14によって直接受け取られる光の同相除去を可能にし、したがって、信号体雑音比を大幅に増加させる。   The signals of the photodiodes 14 can be subtracted from each other by the processor 22, so the difference correlates with the absorption of the wavelength of interest. The difference in the signal output by the high resolution photodiode 14 rather than its absolute value allows the common mode rejection of the light directly received by the photodiode 14 from the LED, thus greatly increasing the signal to noise ratio. Let

概して、広い区域を横断するフォトダイオード14のアレイは、デバイス10が、ガラスカバー24に接触する、またはガラスカバー24に近接する適切なコントラストのアイテムのための画像捕捉デバイスとして作用することを可能にする。故に、指、掌、手首、または顔等の身体部分が、ガラスカバー24と接触する、またはガラスカバー24に近接する場合に、デバイス10は、指紋等の有益なバイオ認証およびバイオメトリックデータ、血管パターン等の浅い真皮下バイオ認証データ、顔および他の皮膚色調情報、ならびに皮膚常在病原体の存在を捕捉するために使用され得る。   In general, an array of photodiodes 14 that traverse a large area allows the device 10 to act as an image capture device for items of appropriate contrast in contact with or close to the glass cover 24. To do. Thus, when a body part such as a finger, palm, wrist, or face is in contact with or in proximity to the glass cover 24, the device 10 may provide useful biometric and biometric data such as fingerprints, blood vessels, and the like. It can be used to capture shallow subdermal biometric data such as patterns, facial and other skin tone information, and the presence of skin resident pathogens.

さらに、ピクセルアレイは、ガラスカバー24と接触する、またはガラスカバー24に近接する1つまたは複数の指または他の身体部分の存在および運動を検出するために単純に使用され、それによって、アレイが、さらなる専用タッチ感知アレイ、機械的ボタン、または別個のジェスチャサブシステムに関する要件を伴わずに、種々のジェスチャを感知するために、またはタッチスクリーンもしくは単純な「ボタン」として使用されることを可能にし得る。   In addition, the pixel array is simply used to detect the presence and movement of one or more fingers or other body parts that are in contact with or close to the glass cover 24 so that the array is Allowing it to be used to sense various gestures, or as a touch screen or simple “button”, without the need for additional dedicated touch sensing arrays, mechanical buttons, or separate gesture subsystems obtain.

加えて、異なる色のLED12を順序付けることによって、身体部分の分光法が、実施され、光学的に収集されるバイオメトリックデータをもたらし得る。波長がある程度皮膚に侵入する場合には、真皮下バイオメトリックデータが、取得され得る。例えば、赤色および緑色の両方が、血流、血管を検出し、心拍数を確認するために使用されることができ、適切な波長の赤色および赤外線の組み合わせが、血液酸素供給を確認するために使用され得る。   In addition, by ordering the different colored LEDs 12, body part spectroscopy can be performed, resulting in optically collected biometric data. Subcutaneous biometric data can be acquired if the wavelength penetrates the skin to some extent. For example, both red and green can be used to detect blood flow, blood vessels, and confirm heart rate, and a combination of red and infrared at the appropriate wavelength to confirm blood oxygen supply Can be used.

異なる波長は、異なる量だけ皮膚に侵入し、より短い波長(青色、緑色)は、より長い波長(赤色、赤外線)よりも皮膚の中により浅く侵入する。故に、ピクセル波長を横断して走査することによって、真皮の異なる深さをサンプリングする画像が、取得され得る。異なる画像からのデータは、次いで、相互から減算され、付加的分解能をもたらし得る。例えば、表皮データを捕捉する青色画像が、真皮下データのみを現すように、表皮データおよび真皮下データの両方を捕捉する赤色画像から減算され得る。   Different wavelengths penetrate the skin by different amounts, and shorter wavelengths (blue, green) penetrate more shallowly into the skin than longer wavelengths (red, infrared). Thus, by scanning across the pixel wavelength, images that sample different depths of the dermis can be acquired. Data from different images can then be subtracted from each other to provide additional resolution. For example, a blue image that captures epidermis data may be subtracted from a red image that captures both epidermis data and dermis data so that only the dermis data appears.

波長応答の範囲を拡大することは、さらに多くの情報が収集されることを可能にする。より高いか、またはより低いかのいずれかの周波数における応答性を伴う付加的ピクセルを混合または追加することによって、病原体検出、UV暴露、水和、および身体化学等の付加的機能が、確認されることができる。いくつかの場合では、UVが、血液または皮膚内の蛍光成分を検出するために使用され得る。   Increasing the range of wavelength response allows more information to be collected. By mixing or adding additional pixels with responsiveness at either higher or lower frequencies, additional functions such as pathogen detection, UV exposure, hydration, and body chemistry are confirmed. Can. In some cases, UV can be used to detect fluorescent components in blood or skin.

加えて、画像のシーケンス(すなわち、ビデオ)を捕捉することによって、血管に沿った血液の脈拍の移動が、取得され、心拍数、血圧が推測され得る血液脈波速度、心拍出量、1回拍出量等のさらなるバイオメトリックデータを(直接、または推測によってのいずれかで)提供することができる。画像のシーケンスはまた、血流を観察し、検証されている身体部分が真に生きている身体部分を備え、スプーフ材料サンプルまたは分離されたもしくは死後の身体部分の使用等を通したバイオ認証イベントを偽造する試行を備えていないことを推定するために使用され得る。同様に、光検出器とともに、種々の色を生成するLEDの組み合わせの使用は、例えば、指紋のコピーを保有する、人間の指に適用される材料の識別を提供することができるが、同時に生理学的検証を示す。この「ビデオ」能力は、次いで、共形材料による指紋スプーフィングを阻止することに役立つことができる。   In addition, by capturing a sequence of images (ie, video), blood pulse movements along the blood vessel can be acquired and the heart rate, blood pressure, blood pressure, cardiac output, Additional biometric data such as stroke volume can be provided (either directly or by speculation). The sequence of images also observes blood flow, the body part being verified comprises a truly living body part, a biometric event through the use of a spoof material sample or a separated or post-mortem body part, etc. Can be used to estimate that no attempt is made to forge. Similarly, the use of a combination of LEDs that generate various colors with a photodetector can provide identification of material applied to a human finger, eg, holding a copy of a fingerprint, but at the same time physiological The verification is shown. This “video” capability can then help to prevent fingerprint spoofing by conformal material.

拡張された画像のシーケンスを捕捉および処理する場合では、補償が、ビデオ捕捉中の対象の運動に関して提供される必要があり得る。本場合では、例えば、青色、緑色、または他の適切な光源を用いて捕捉される表皮画像の運動が、ビデオ捕捉中の対象の運動を追跡するために使用されることができ、例えば、赤色または赤外光を用いて捕捉される、捕捉された真皮下画像内の運動を補償するために使用されることができる。   In the case of capturing and processing an extended sequence of images, compensation may need to be provided for the motion of the object during video capture. In this case, for example, the motion of the skin image captured using blue, green, or other suitable light source can be used to track the motion of the object during video capture, for example red Or it can be used to compensate for motion in a captured subdermal image that is captured using infrared light.

指の中に侵入する光が、指内の構造に基づいて、後方散乱および反射の変動を受けることを考慮して、指紋の検出は、青色光等の指の中に最も侵入しない光からが最良である。しかし、指紋は、広い範囲の可視および近赤外波長を用いて読み取られる可能性が高くあり得る。   Taking into account that light that penetrates into the finger is subject to backscatter and reflection fluctuations based on the structure inside the finger, fingerprint detection is performed from light that does not penetrate most into the finger, such as blue light. Is the best. However, fingerprints can be likely to be read using a wide range of visible and near infrared wavelengths.

より長い波長を使用して、真皮下画像が、取得されることができる。例えば、真皮の中への2〜3mm以上の侵入を可能にする照明波長およびパワーを使用することは、光が、毛細血管および静脈が見出され得る真皮下領域まで侵入することを可能にする。血管が指紋の隆起および谷と一致すると仮定して、血管から収集される画像もまた、指紋の隆起および谷の存在によって影響を受ける可能性が高い。故に、指紋の隆起および谷の存在の両方は、認識のために使用される層の特異性を強化し得る、または血管の画像から除去されることができる。指紋を除去することが望ましい一例示では、先に議論されるようなより短い波長光によって捕捉されるような指紋の画像を単純に減算する技法が、展開されることができる。代替として、これは、フィルタ処理または類似する影響を有する他の技法等による、画像処理を介して行われ得る。指紋の影響はまた、(後の図に示される)このシステム内への光学部の包含等によって、検出器アレイの検出器の焦点が本質的にもっぱらまたは主として真皮下にあるように検出器アレイを設定することによって最小限にされ得る。   Using longer wavelengths, a subdermal image can be acquired. For example, using an illumination wavelength and power that allows penetration of 2-3 mm or more into the dermis allows light to penetrate into the subdermal region where capillaries and veins can be found. . Assuming that blood vessels coincide with fingerprint ridges and valleys, images collected from blood vessels are also likely to be affected by the presence of fingerprint ridges and valleys. Thus, both the fingerprint ridges and the presence of valleys can enhance the specificity of the layers used for recognition or can be removed from the image of the blood vessel. In one example where it is desirable to remove the fingerprint, techniques can be developed that simply subtract the fingerprint image as captured by shorter wavelength light as discussed above. Alternatively, this can be done via image processing, such as by filtering or other techniques with similar effects. The effect of fingerprints is also that the detector array is such that the detector focus of the detector array is essentially exclusively or predominantly under the skin, such as by the inclusion of optics within this system (shown in the figure below). Can be minimized by setting

また、指紋および血管画像の両方を検出することによって、本デバイス上の指の配向は、ランダムであってもよい。なぜなら、指紋画像が、血管画像に関する基準を提供し得るからである。したがって、相互に対する画像は、本デバイス上の指の位置にかかわらず、記憶された相対的画像と正確に比較されることができる。   Also, by detecting both fingerprint and blood vessel images, the orientation of the finger on the device may be random. This is because the fingerprint image can provide a reference for the blood vessel image. Thus, the images relative to each other can be accurately compared with the stored relative images regardless of the position of the finger on the device.

本バイオ認証方法論のアーチファクトとして、有意な生理学的情報が、同時に抽出されることができる。異なる照明下で捕捉された血管の画像を研究することによって、感知区域の直下の組織の分光分析を実施することが、可能であり、その感知区域から血液、間質液、または組織の化学作用が実施され得る。例えば、ヘモグロビンおよびオキシヘモグロビンが異なる吸光係数の変化を有する680nmおよび850nm等の2つの異なる波長下の画像を研究することによって(図3)、血液酸素飽和度SpO2の測度を得ることが、可能である。転じて、適切な照明波長下で捕捉された画像を研究することによって、血糖、赤血球数、白血球数、血液CO2、血糖、ならびに他の血液および間質液溶質が、検出されることができる。   As an artifact of this bioauthentication methodology, significant physiological information can be extracted simultaneously. By studying images of blood vessels captured under different illuminations, it is possible to perform spectroscopic analysis of tissue directly under the sensing area, from which blood, interstitial fluid, or tissue chemistry Can be implemented. For example, by studying images under two different wavelengths, such as 680 nm and 850 nm, where hemoglobin and oxyhemoglobin have different extinction coefficient changes (FIG. 3), it is possible to obtain a measure of blood oxygen saturation SpO2. is there. In turn, by studying images captured under the appropriate illumination wavelength, blood glucose, red blood cell count, white blood cell count, blood CO2, blood glucose, and other blood and interstitial fluid solutes can be detected.

上記の構成の全てでは、周囲光の影響が、考慮される必要があり得る。具体的には、指等の薄い身体部分を研究する場合では、周囲光は、指を通して検出器アレイに伝搬し、受信される信号または画像に干渉し得る。故に、周囲光の影響は、考慮される必要があり得る。周囲光は、日光等の本質的に定常状態の光源、または白熱照明もしくは変調されるLED照明等の変調される光源を備え得る。周囲光に由来する検出された光学信号の部分は、最初に、アレイ光源を「オフ」状態にして検出器アレイをサンプリングすることによって定量化され得る。この信号は、次いで、アレイ光源による照明にのみ関連する信号を推定するように、アレイ光源が「オン」状態にあるとき、検出器アレイが続けて捕捉する信号から減算され得る。加えて、全てのフォトダイオード14は、同一の量の周囲光を検出し得るため、同相信号を減算することは、周囲光を相殺する。   In all of the above configurations, the effects of ambient light may need to be considered. Specifically, when studying thin body parts such as fingers, ambient light can propagate through the fingers to the detector array and interfere with the received signal or image. Hence, the influence of ambient light may need to be considered. Ambient light may comprise an essentially steady state light source such as sunlight or a modulated light source such as incandescent or modulated LED lighting. The portion of the detected optical signal derived from ambient light can be quantified by first sampling the detector array with the array light source in the “off” state. This signal can then be subtracted from the signal that the detector array subsequently captures when the array light source is in the “on” state so as to estimate a signal that is only relevant for illumination by the array light source. In addition, since all photodiodes 14 can detect the same amount of ambient light, subtracting the in-phase signal cancels the ambient light.

相関される二重サンプリングの本方法はさらに、光検出器構成と、各ピクセル内の複数の光検出器に関する選択肢との両方によって強化されることができる。この「周囲光除去」は、アレイ光源およびアレイ検出器サンプリング時間を、周囲光のいずれの変調の周波数よりもはるかに高い周波数において変調することによって促進されることができる。任意の周囲光変調の周波数はさらに、検出器アレイ自体によって検出され得る。   This method of correlated double sampling can be further enhanced by both the photodetector configuration and options for multiple photodetectors within each pixel. This “ambient light removal” can be facilitated by modulating the array light source and array detector sampling times at a frequency much higher than the frequency of any modulation of the ambient light. The frequency of any ambient light modulation can further be detected by the detector array itself.

上記は、マイクロLEDディスプレイを利用する例示を説明しているが、機能的に同等のモダリティが、OLEDディスプレイまたはアクティブマトリクスLCDディスプレイ等の適切な分解能の任意の他のディスプレイに統合される拡張された検出器のアレイの統合を通して達成されることができる。具体的には、ディスプレイが、非晶質シリコン、多結晶質シリコン、または有機半導体等の集積半導体素子を含む場合、フォトダイオードアレイは、実質的に類似する半導体処理を使用してディスプレイ内に形成され、したがって、最小の付加的処理コストおよびより高い分解能を伴い得る。   The above describes an example utilizing a micro LED display, but the functionally equivalent modality is extended to be integrated into any other display of appropriate resolution, such as an OLED display or an active matrix LCD display. This can be achieved through integration of an array of detectors. Specifically, if the display includes integrated semiconductor elements such as amorphous silicon, polycrystalline silicon, or organic semiconductors, the photodiode array is formed in the display using a substantially similar semiconductor process. Thus, it may involve minimal additional processing costs and higher resolution.

機能的に同等のモダリティはまた、例えば、光学モジュール、ガラス上のチップ(カバーガラスに直接取り付けられるチップ)、またはディスプレイ上のチップ(ディスプレイガラスに直接取り付けられるチップ)における別個の拡張された検出器のアレイを用いて達成され得る。そのようなモジュール、ガラス上のチップ、またはディスプレイ上のチップは、ディスプレイと直接統合され得る、またはスタンドアロンアレイを備え得、その独自の照明源を備え得る、またはディスプレイ等からの外部光源、もしくは任意の他の適切な既存のピクセル化、均一、側面、ポイント、もしくは他の照明源を利用するように配列され得る。   A functionally equivalent modality is also a separate extended detector, for example in an optical module, a chip on the glass (chip attached directly to the cover glass), or a chip on the display (chip attached directly to the display glass) Can be achieved using an array of Such modules, chips on glass, or chips on the display can be integrated directly with the display, or can comprise a stand-alone array, can have its own illumination source, or an external light source from the display, etc., or any Other suitable existing pixelated, uniform, side, point, or other illumination sources may be arranged to utilize.

拡張された検出器のアレイは、CMOS画像センサ等の統合されたセンサアレイを備え得、後に説明される、図4に描写されるように統合される光学部を有し得る。モジュールカバーガラス自体は、随意に、光学的に強化する、光学的にフィルタ処理する、または光学的に遮断する層、反射防止コーティング、および同等物を用いて完全または部分的にコーティングされ得る。   The expanded array of detectors may comprise an integrated sensor array, such as a CMOS image sensor, and may have integrated optics as depicted in FIG. 4, described later. The module cover glass itself can optionally be fully or partially coated with optically reinforced, optically filtered or optically blocking layers, antireflective coatings, and the like.

そのようなモジュールは、複数のヒューマンインターフェースおよび生理学的強化のための最終用途への統合点として動作し得る。限定ではないが、例えば、消費者デバイス上の光学的に機能するオン/オフまたは他の「ボタン」、ピンチ、ズーム、スクロール、ジョイスティック、トラックボール、シグネチャ等の高レベル機能に関するジェスチャ認識等の特徴が、アルゴリズムまたはソフトウェアを介して既存の動作に追加されることができる。   Such a module may operate as an integration point into end uses for multiple human interfaces and physiological enhancements. Features such as, but not limited to, gesture recognition for high-level functions such as optically functional on / off or other “buttons”, pinch, zoom, scroll, joystick, trackball, signature, etc. on consumer devices Can be added to existing operations via algorithms or software.

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはまた、付加的機械的ボタンアクションを提供するために、圧力センサまたは圧力感知アレイを用いて強化され得る。積層容量センサアレイ層もまた、統合され得、それから「タッチ」イベントおよびタッチイベントの関連付けられる力が、決定され得る。タッチイベントの力の決定はまた、最適なバイオ認証またはバイオメトリックデータに最適化されない大きさであるタッチイベントの消費者へのフィードバックとして使用され得る。例えば、モジュールを強く押しすぎることは、毛細血管への血流を制限し、それによって、それから受信される信号に影響を及ぼし得る。   An integrated or stand-alone sensor module can also be enhanced with a pressure sensor or pressure sensing array to provide additional mechanical button actions. The stacked capacitive sensor array layer can also be integrated, and then the “touch” event and the associated force of the touch event can be determined. The determination of the force of the touch event can also be used as feedback to the consumer of the touch event that is of a size that is not optimized for optimal biometrics or biometric data. For example, pushing the module too hard can limit blood flow to the capillaries, thereby affecting the signals received therefrom.

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはさらに、エポキシ、シリコーン、アクリル、またはフリットガラスもしくは化合物半導体ガラス等の低温融解ガラス等の光学的に透明な接着剤を介して、ディスプレイまたはカバーガラスに直接接合され得る。本場合では、接合は、モジュールカバーガラスおよびディスプレイガラスの界面全体を横断して延在する接着剤を備え得る。代替として、接着剤は、界面の一部にわたって(例えば、縁において)分注され得、モジュールカバーガラスおよびディスプレイガラスの大部分は、単に、接触する、または近接近し得る。   The integrated or stand-alone sensor module is further bonded directly to the display or cover glass via an optically clear adhesive such as epoxy, silicone, acrylic, or low temperature melting glass such as frit glass or compound semiconductor glass. obtain. In this case, the bond may comprise an adhesive that extends across the entire interface of the module cover glass and the display glass. Alternatively, the adhesive can be dispensed over a portion of the interface (eg, at the edges), and the majority of the module cover glass and display glass can simply touch or be in close proximity.

図4は、同一または異なる波長を放出するLED等の光源30が、保護カバーとしての役割もまた果たす光ガイド32の外縁の周囲にのみ位置する別の実施形態を図示する。LEDを光ガイド32内に埋設する、または別様に光を縁に結合すること等によって、光は、光ガイド32の縁部分に結合される。光は、TIRによって光ガイドの全ての区域に搬送され、光ガイド32の上面のみを通して出射する。   FIG. 4 illustrates another embodiment in which a light source 30, such as an LED, that emits the same or different wavelengths is located only around the outer edge of the light guide 32 that also serves as a protective cover. Light is coupled to the edge portion of the light guide 32, such as by embedding the LED in the light guide 32, or otherwise coupling light to the edge. Light is transported to all areas of the light guide by TIR and exits only through the top surface of the light guide 32.

身体部分が、光ガイド32と直接接触すべきである場合、光は、光ガイドの屈折率と類似する屈折率を有する皮膚に起因して、身体部分による接触点において光ガイドから自然に抽出される。検出されるべき身体部分が、光ガイド32から離間され得る場合、光ガイド32は、成形されたマイクロリフレクタ(プリズム)等の光抽出特徴を有し得、光抽出特徴は、光を上向きに指向し、光を混合する。バックライトのために光ガイド内でそのように分散されたマイクロリフレクタを使用することは、周知である。故に、通電されたLEDからの光は、光ガイド面と接触するまたはそれに近接する身体部分の中に上向きに略均一に放出され得る。光ガイド32によって放出される下向きの光は、殆どまたは全く存在しない。光ガイド32の多くは、身体部分から戻るように反射された光が光ガイド32を通過するように透明である。光ガイドを使用するそのような設計は、ディスプレイピクセルLEDとともにIR LEDおよび光検出器をディスプレイスクリーンに統合することと比較して、比較的に安価である。さらに、光検出器アレイの分解能は、任意のディスプレイピクセルアレイから独立し、したがって、より高い分解能が、作成されることができる。   If the body part should be in direct contact with the light guide 32, the light is naturally extracted from the light guide at the point of contact by the body part due to skin having a refractive index similar to that of the light guide. The If the body part to be detected can be spaced from the light guide 32, the light guide 32 can have a light extraction feature such as a shaped micro-reflector (prism), which directs the light upward. And mix the light. It is well known to use micro-reflectors so dispersed in the light guide for the backlight. Thus, light from an energized LED can be emitted substantially uniformly upward into a body part that contacts or is close to the light guide surface. There is little or no downward light emitted by the light guide 32. Many of the light guides 32 are transparent so that light reflected back from the body part passes through the light guide 32. Such designs using light guides are relatively inexpensive compared to integrating IR LEDs and photodetectors with display pixel LEDs into the display screen. Furthermore, the resolution of the photodetector array is independent of any display pixel array, and thus a higher resolution can be created.

光学部34は、身体部分の中へのある距離のみから反射された光をフォトダイオードアレイ38上に集束させる集束マイクロレンズを備え得る。光学部34はまた、身体部分からの入射光を光ガイドに垂直な狭い角度にのみ限定し、クロストークを低減させ、分析されている身体部分の特徴をより良好にマッピングし得る。フォトダイオードアレイ38は、CMOS画像センサ、CCD画像センサ、または任意の他の画像センサであり得る。   The optic 34 may comprise a focusing microlens that focuses light reflected from only a certain distance into the body part onto the photodiode array 38. The optic 34 may also limit incident light from the body part only to a narrow angle perpendicular to the light guide, reduce crosstalk, and better map the characteristics of the body part being analyzed. The photodiode array 38 can be a CMOS image sensor, a CCD image sensor, or any other image sensor.

光遮断壁40が、直接光がフォトダイオードアレイ38に衝突することを妨げるために使用され得る。モジュールは、LEDからの熱を吸熱するために、不透明熱伝導性封入体42を含み得る。図1の制御電子機器は、モジュールに取り付けられる、または別個であり得る。モジュールは、プリント回路基板へのはんだ付けのための接触パッドを有し得る。   A light blocking wall 40 can be used to prevent direct light from impinging on the photodiode array 38. The module may include an opaque thermally conductive enclosure 42 to absorb heat from the LED. The control electronics of FIG. 1 may be attached to the module or separate. The module may have contact pads for soldering to the printed circuit board.

図5は、スマートフォンまたは他のデバイスの透明表面層等の保護透明カバー44に当接する図4のモジュールを図示する。   FIG. 5 illustrates the module of FIG. 4 abutting a protective transparent cover 44 such as a transparent surface layer of a smartphone or other device.

後で詳細に説明されるように、図2のIRエミッタは、ディスプレイピクセルアレイ内から削除され、ディスプレイガラスに縁結合され得る。IR光は、次いで、IR光がディスプレイガラスに直接接触する皮膚組織(例えば、指)に遭遇するまで、TIRによってディスプレイガラス内で均一に拡散される。接触点において、光は、皮膚組織によって反射/吸収され、ディスプレイピクセルアレイ内の分散されたフォトダイオード14によって検出される。したがって、身体部分は、検出のために、任意の配向において、ディスプレイガラスの任意の部分にタッチし得る。   As will be described in detail later, the IR emitter of FIG. 2 can be removed from within the display pixel array and edge coupled to the display glass. The IR light is then diffused uniformly within the display glass by TIR until the IR light encounters skin tissue (eg, a finger) that is in direct contact with the display glass. At the point of contact, the light is reflected / absorbed by the skin tissue and detected by the dispersed photodiodes 14 in the display pixel array. Thus, the body part can touch any part of the display glass in any orientation for detection.

図6に示されるように、統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールはさらに、1つまたは複数の電極48および50を備え得、1つまたは複数の電極48および50は、光ガイド32を通してもしくは光ガイド32の周囲に延在する、またはモジュールの外部に位置するが、ユーザが電気的に監視されることを可能にするようにモジュールに電気的に接続される。例えば、そのような電極49および50は、ユーザの心電図(ECGまたはEKG)または生体インピーダンスを検出するために使用され得る。ECG信号は、心拍数、またはECG信号の形態によって決定されるような、関連する、起こり得るもしくは実際の病状を決定するために、孤立して使用され得る。代替として、ECGは、血圧および他の医療的に重要なインジケータを決定するために、光学的に導出されるフォトプレチスモグラム(PPG)と連携して使用され得る。生体インピーダンスは、水和、脂肪含有量、または他のバイタルサインを決定するために使用され得る。筋肉作用もまた、電気的に監視され得る。全てのそのようなモニタは、単一のモジュール内に組み合わせられ得る。   As shown in FIG. 6, the integrated or stand-alone sensor module may further comprise one or more electrodes 48 and 50, one or more electrodes 48 and 50 passing through the light guide 32 or the light guide. Extends around 32 or is external to the module but is electrically connected to the module to allow the user to be electrically monitored. For example, such electrodes 49 and 50 can be used to detect a user's electrocardiogram (ECG or EKG) or bioimpedance. The ECG signal can be used in isolation to determine an associated, possible or actual medical condition, as determined by heart rate, or form of ECG signal. Alternatively, ECG can be used in conjunction with an optically derived photoplethysmogram (PPG) to determine blood pressure and other medically important indicators. Bioimpedance can be used to determine hydration, fat content, or other vital signs. Muscle action can also be monitored electrically. All such monitors can be combined in a single module.

ECG信号はまた、バイオ認証シグネチャとして使用され得る。   The ECG signal can also be used as a biometric signature.

したがって、バイオ認証は、指紋、血管撮像、もしくはECG等の単一のモダリティを介して、または複数のモダリティの組み合わせ、すなわち、多因子認証の形態を通して実施され得る。全てのバイオ認証イベントが、誤検出および検出漏れの形態におけるエラーを受けると仮定して、多因子バイオ認証の使用は、バイオ認証の正確度を改善することができる。例えば、多因子バイオ認証スキームは、2つの因子の肯定的認証および第3の因子の拒絶された認証を備える認証イベントを確認するように構成され、それによって、(低減されたセキュリティを犠牲にしてではあるが)検出漏れに起因してユーザがシステムからロックアウトされる確率を低減させる一方、少なくとも2つの因子が認証されることを要求することによって、誤検出およびスプーフィングに対する増加されたセキュリティを提供し得る。代替として、異なるモダリティが、異なる認証時間を有すると仮定して、多因子認証スキームは、単一の高速認証因子に基づいて、最初の高速低セキュリティ認証を提供し、付加的なより緩慢な認証因子を収集および処理するために要求される長い時間期間にわたって、1つまたは複数の後続の増加するセキュリティ認証のレベルを提供するように構成され得る。   Thus, bio-authentication can be performed through a single modality such as fingerprint, angiography, or ECG, or a combination of multiple modalities, ie through a form of multi-factor authentication. Assuming that all biometric events are subject to errors in the form of false positives and false positives, the use of multi-factor biometrics can improve the accuracy of biometrics. For example, a multi-factor bio-authentication scheme may be configured to confirm an authentication event comprising a two-factor positive authentication and a third-factor rejected authentication, thereby (at the expense of reduced security). (Although providing increased security against false positives and spoofing by reducing the probability that a user will be locked out of the system due to false positives) while requiring that at least two factors be authenticated Can do. As an alternative, assuming that different modalities have different authentication times, the multi-factor authentication scheme provides an initial fast low security authentication based on a single fast authentication factor, with additional slower authentication. It may be configured to provide one or more subsequent increasing levels of security authentication over a long period of time required to collect and process the factors.

図7に示されるように、モジュールはさらに、統合されたガス感知要素54を用いて増強され得る。ガス感知要素54は、代わりに、個別の近接デバイスであり得る。適切な電気化学感知要素等の高特異性の高指向性ガスセンサの使用は、犬が人物の病気を嗅ぐことができるように、現在のまたは起こり得る病状を検出するために使用され得る。そのようなデータは、孤立して、または上記に概説される光学および電気データと併せて使用され、データが解釈され得るより完全な文脈を提供し、それによって、より(統計的に)正確な医療診断または総合的健康/ウェルネス診断をもたらすことができる。   As shown in FIG. 7, the module can be further augmented with an integrated gas sensing element 54. The gas sensing element 54 may instead be a separate proximity device. The use of highly specific, highly directional gas sensors, such as suitable electrochemical sensing elements, can be used to detect current or possible medical conditions so that the dog can sniff a person's illness. Such data can be used in isolation or in conjunction with the optical and electrical data outlined above to provide a more complete context in which the data can be interpreted, thereby providing a more (statistically) accurate A medical diagnosis or a comprehensive health / wellness diagnosis can be provided.

相補的ガス感知要素54の使用はまた、バイオ認証用途において使用され得る。指紋スプーフサンプルは、木材、糊、パテ、アセテートシート、および同等物等の有機材料の中または上への指紋再現物を備え得る。そのような材料は、殆どが、特に、形成または硬化後の短い時間において、揮発性有機化合物を放出する。加えて、人間は全て、皮膚および汗を通して揮発性有機化合物(VOC)を放出する。したがって、接触点におけるガス状環境がバイオ認証イベントと実質的に同時にサンプリングされる、接触または近接近する指紋もしくは他のバイオ認証イベントは、スプーフ材料または直接的な皮膚の存在を「嗅ぐ」機会を有する。さらに、任意の1人の個人によって放出されるVOC(その「臭気」)の特定の比率は、十分に固有であり、これは、十分な分解能がガス感知要素において存在する場合、さらなるバイオ認証因子またはモダリティとして使用され得る。そのような感知スキームは、実際の人間の指23の存在を検出するガス感知要素54と併せて、指紋および/または血管場所による光吸収を感知するフォトダイオードアレイ38によって図7に描写される。   The use of complementary gas sensing elements 54 can also be used in bioauthentication applications. The fingerprint spoof sample can comprise a fingerprint reproduction in or on organic materials such as wood, glue, putty, acetate sheets, and the like. Such materials release most volatile organic compounds, especially in a short time after formation or curing. In addition, all humans emit volatile organic compounds (VOC) through the skin and sweat. Thus, a fingerprint or other biometric event in contact or close proximity, where the gaseous environment at the point of contact is sampled substantially simultaneously with the biometric event, provides an opportunity to “sniff” the presence of spoof material or direct skin. Have. Furthermore, the specific ratio of VOCs (its “odor”) emitted by any one individual is sufficiently unique, which is an additional bioauthentication factor if sufficient resolution exists in the gas sensing element. Or it can be used as a modality. Such a sensing scheme is depicted in FIG. 7 by a photodiode array 38 that senses light absorption by fingerprints and / or blood vessel locations in conjunction with a gas sensing element 54 that detects the presence of an actual human finger 23.

統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールは、コンパクトなラインスキャナ(ピクセルの単一または細いライン)として配列され得、ラインスキャナを横断して指が物理的に走査またはスワイプされ得る。これは、縮小されたセンサ占有面積を用いて指または他の身体部分の拡大された部分を走査することが可能である利点を提供し得る。スタンドアロンセンサモジュールの場合では、縮小された占有面積は、携帯電話、腕時計、および他のウェアラブル等の空間制約プラットフォームへのデザインインを促進することができ、削減されたモジュールコストを促進することができる。指のスワイプアクションは、小さい形状因子のセンサが広い範囲の身体組織を調査することを可能にすることができる。広い範囲の身体組織にわたって感知することが可能であることは、特定のバイオ認証およびバイオメトリックマーカが、マーカが最も強くまたは最も高度に定義される特定の組織区域内でサンプリングされ得る利点を提供する。例えば、伝統的な指紋を取得しようとしている場合、遠位指節骨にわたって組織を走査することは、遠位指節骨が表皮特徴(隆起および谷)が豊富な領域であるため、最も有用な情報を提供する。他方で、指静脈識別データ等の一意の真皮下情報を捕捉することは、中間指節骨にわたって最も成功することが分かり得、中間指節骨では、静脈がより大きく、したがって、検出することがより容易であり、かつ、バイオ認証イベント中のセンサモジュールとの接触による指への圧力の印加によってあまり影響を受けない。故に、光学バイオ認証ラインスキャナは、指がこれにわたって走査される際、遠位指節骨からの指紋データおよび中間指節骨からの指静脈識別データを最適に捕捉するように構成され得る。モジュールはさらに、センサが指節間関節のうちの1つの下を通過する際の照明源または焦点距離の変化等によって、モジュールにわたる指の通過を感知し、指走査中にモジュールの動作を変更し得る。   The integrated or stand-alone sensor module can be arranged as a compact line scanner (single or thin line of pixels) and a finger can be physically scanned or swipe across the line scanner. This may provide the advantage that it is possible to scan an enlarged part of a finger or other body part using a reduced sensor footprint. In the case of a stand-alone sensor module, the reduced footprint can facilitate design-in to space constrained platforms such as mobile phones, watches, and other wearables, which can facilitate reduced module costs. . The finger swipe action can allow a small form factor sensor to investigate a wide range of body tissues. Being able to sense over a wide range of body tissues offers the advantage that certain biometrics and biometric markers can be sampled within specific tissue areas where the markers are the strongest or most highly defined . For example, when trying to acquire a traditional fingerprint, scanning tissue across the distal phalanx is most useful because the distal phalanx is an area rich in epidermal features (ridges and valleys) Provide information. On the other hand, capturing unique subdermal information such as finger vein identification data can be seen to be most successful across the middle phalange, where the vein is larger and therefore can be detected. It is easier and is less affected by the application of pressure to the finger by contact with the sensor module during the biometric event. Thus, the optical biometric line scanner can be configured to optimally capture fingerprint data from the distal phalange and finger vein identification data from the middle phalanx as the finger is scanned over it. The module further senses the passage of the finger across the module, such as by changing the illumination source or focal length as the sensor passes under one of the interphalangeal joints, and alters the module's operation during finger scanning. obtain.

ラインアレイセンサがさらに、平坦なカバーガラスまたは湾曲したカバーガラス上もしくはその後方に形成され、ガラスの曲線は、指または手首のものとほぼ合致し得る。そのようなセンサは、次いで、ネットワーク化される場合、ユーザのバイオ認証を提供するウェアラブルデバイスとして使用され得る、指輪または腕時計等のウェアラブルデバイスの中に組み込まれ得る。そのようなデバイスは、ワンタイムバイオ認証イベントを実施することができる。これは、次いで、センサアレイに連続的または周期的にポーリングし、ウェアラブルデバイスが除去されておらず、ユーザが依然として生きていることを確認することができる。ウェアラブルデバイスは、次いで、ユーザが、任意の後続バイオ認証イベントを実施する必要なく、バイオ認証されたままであることを確認することができる。そのようなデバイスは、次いで、例えば、電話、クレジットカード支払いシステム、ATM、自動車、扉、データボルト、および同等物と無線でネットワーク化され、高速ユーザ認証を促進することができる。そのようなモダリティは、バイオ認証イベントが数回の心拍が捕捉されることを要求し得るECG信号の分析を備える場合等、バイオ認証イベントが冗長なイベントを備える場合に特に有用である。   A line array sensor is further formed on or behind the flat or curved cover glass, and the curve of the glass may substantially match that of the finger or wrist. Such a sensor can then be incorporated into a wearable device such as a ring or watch that can be used as a wearable device to provide user bio-authentication when networked. Such a device can conduct a one-time bioauthentication event. This can then continuously or periodically poll the sensor array to confirm that the wearable device has not been removed and the user is still alive. The wearable device can then verify that the user remains bio-authenticated without having to perform any subsequent bio-authentication events. Such devices can then be networked wirelessly with, for example, telephones, credit card payment systems, ATMs, cars, doors, data bolts, and the like, to facilitate fast user authentication. Such a modality is particularly useful when the biometric event comprises a redundant event, such as when the biometric event comprises an analysis of an ECG signal that may require several heartbeats to be captured.

図8に示されるように、統合された、またはスタンドアロンセンサモジュールからの信号はさらに、統合された、または個別の近接接触もしくは非接触温度センサ58からのデータを用いて増強され得る。低波長(赤色またはIR)フィルタ60が、センサ58を被覆し得る。温度データは、スタンドアロンバイオメトリックとして使用され得る、または他のバイオメトリックが解釈されるさらなる文脈を提供するために使用され得る。   As shown in FIG. 8, signals from integrated or stand-alone sensor modules can be further augmented with data from integrated or individual proximity contact or non-contact temperature sensors 58. A low wavelength (red or IR) filter 60 may cover the sensor 58. The temperature data can be used as a stand-alone biometric or can be used to provide further context in which other biometrics are interpreted.

図9は、制御回路およびフォトダイオードがセンサチップ62内に統合され、集束光学部64がより精密な集束のためにフォトダイオードアレイ上に直接形成される実施形態を示す。集束は、光ガイド32に接触する身体部分の中へのある距離内であり得る。縁結合されたLED光源30もまた、示される。結果として生じるモジュールは、非常に薄く、種々の用途に容易に組み込まれる。   FIG. 9 shows an embodiment in which the control circuit and photodiode are integrated into the sensor chip 62 and the focusing optics 64 is formed directly on the photodiode array for more precise focusing. Focusing may be within a distance into the body part that contacts the light guide 32. An edge coupled LED light source 30 is also shown. The resulting module is very thin and is easily incorporated into various applications.

図10は、図9のセンサチップ62および光学部の一実施形態の上から見下ろした図である。各プレノプティックレンズ68が、フォトダイオード14のアレイ状群に重複し、マイクロレンズ66が、各フォトダイオード14を被覆し得る。フォトダイオード14間のピッチは、コンパクトなアレイを形成するために、0.25mmを下回り得る。本スキームでは、各プレノプティックレンズ68の下のフォトダイオード14(検出器ピクセル)のアレイは、0.25mmの分解能を有する1つのマクロピクセルをもたらす。各フォトダイオード14にわたる各マイクロレンズ66は、光捕捉を改善し、指向性を提供し得る。本実施例における各プレノプティックレンズ68は、約16個のフォトダイオード14に重複する。プレノプティックレンズ68は、異なる深さにおいて焦点を合わせ、身体部分から反射された光についてのより多くの情報を収集するような指向性であり得る。種々のレンズは、透明シートを成形し、シートをフォトダイオードアレイにわたって積層することによって形成され得る、またはフォトダイオードアレイにわたって直接成形することによって形成され得る。半球形レンズ68が、簡易化するために示されるが、レンズは、集束のために好適な任意の形状であり得る。チップは、任意の光ガイドガラスの後部に添着されることができる。別の実施形態では、光学部は、スペーサを用いてフォトダイオードアレイから離間される。基準フォトダイオード69が、周囲光を検出するために、プレノプティックレンズ68の外側に位置し得る。検出された信号を処理するためのシステム論理70が、コンパクトさおよび信号対雑音比の改善のために、フォトダイオードアレイと同一のチップ上に形成される。論理は、アナログ/デジタルコンバータと、デジタル処理回路とを含み得る。   FIG. 10 is a top view of the sensor chip 62 and the optical unit in FIG. 9 as viewed from above. Each plenoptic lens 68 can overlap an array of photodiodes 14, and a microlens 66 can cover each photodiode 14. The pitch between the photodiodes 14 can be less than 0.25 mm to form a compact array. In this scheme, the array of photodiodes 14 (detector pixels) under each plenoptic lens 68 results in one macropixel having a resolution of 0.25 mm. Each microlens 66 across each photodiode 14 may improve light capture and provide directivity. Each plenoptic lens 68 in this embodiment overlaps approximately 16 photodiodes 14. The plenoptic lens 68 may be directional to focus at different depths and collect more information about the light reflected from the body part. The various lenses can be formed by molding a transparent sheet and laminating the sheet over the photodiode array, or can be formed by molding directly over the photodiode array. Although a hemispherical lens 68 is shown for simplicity, the lens can be any shape suitable for focusing. The chip can be attached to the rear of any light guide glass. In another embodiment, the optic is spaced from the photodiode array using a spacer. A reference photodiode 69 may be located outside the plenoptic lens 68 to detect ambient light. System logic 70 for processing the detected signal is formed on the same chip as the photodiode array for compactness and improved signal to noise ratio. The logic may include an analog / digital converter and digital processing circuitry.

図11は、LED光源72を用いて増強された図10のモジュールを図示する。光源72は、先に説明されるように、光を上側の光ガイドの中に注入し、フォトダイオードアレイにわたって光を拡散し得る。身体部分から反射する光は、光ガイドを通してフォトダイオードに戻るように通過する。別の実施形態では、モジュールは、小さくあり得(例えば、2×2cmを下回る)、LED光源72からの光は、身体部分内で散乱され、フォトダイオードアレイ上に反射されるため、光ガイドは、必要とされない。   FIG. 11 illustrates the module of FIG. 10 augmented with an LED light source 72. The light source 72 can inject light into the upper light guide and diffuse the light across the photodiode array, as described above. Light reflected from the body part passes through the light guide back to the photodiode. In another embodiment, the module can be small (eg, below 2 × 2 cm) and the light guide is scattered because the light from the LED light source 72 is scattered within the body part and reflected onto the photodiode array. Not needed.

LED性能は、経時的に劣化するため、フォトダイオード14はまた、ベースラインに対してLED光出力を比較し、LED通電回路にフィードバックを提供し、ベースライン性能を達成するために使用され得る。   As LED performance degrades over time, the photodiode 14 can also be used to compare LED light output against the baseline, provide feedback to the LED energization circuit, and achieve baseline performance.

上記の実施形態は、狭帯域エミッタと併せて、広帯域検出器のアレイによって実施される分光分析を備えるが、その機能性はまた、蛍光体変換白色LED等の広帯域エミッタと併せて、光学フィルタをその上にまたはその光路内に伴う検出器等の波長特有検出器の使用を通して実装され得る。   The above embodiments comprise spectroscopic analysis performed by an array of broadband detectors in conjunction with narrowband emitters, but their functionality also includes optical filters in conjunction with broadband emitters such as phosphor-converted white LEDs. It can be implemented on or through the use of wavelength specific detectors such as detectors associated with the optical path.

図12は、本明細書に説明されるモジュールの種々の可能な使用を識別する。   FIG. 12 identifies various possible uses of the modules described herein.

図13は、本発明の一実施形態による、種々のモジュールによって実施される基本ステップを識別するフローチャートである。   FIG. 13 is a flowchart identifying basic steps performed by various modules, according to one embodiment of the invention.

ステップ80において、LEDディスプレイパネル、光ガイドパネル、または他の光源が、光検出器アレイに対して配列され、バイオセンサを形成する。   In step 80, an LED display panel, light guide panel, or other light source is arranged with respect to the photodetector array to form a biosensor.

ステップ82において、バイオセンサの出力窓が、分析のために身体部分によってタッチされる。タッチセンサまたは光影センサが、身体部分が画像検出プロセスを開始するために出力窓上にあるときを検出するために、本デバイス内に組み込まれ得る。   In step 82, the output window of the biosensor is touched by the body part for analysis. A touch sensor or light shadow sensor may be incorporated into the device to detect when a body part is on the output window to initiate the image detection process.

ステップ84において、LEDは、通電され、所望の波長を身体部分に印加し、指紋検出、血管検出、脈拍等のために身体部分による局所化された光吸収を検出する。LEDは、同時にまたは連続的に通電され得る。LEDが連続的に通電される場合、光検出器は、光の吸収を通電されたLEDに近接する身体部分における場所とより良好に関連付けるように、選択的に読み取られ得る。連続的照明は、任意のパターンであり得る。   In step 84, the LED is energized, applies the desired wavelength to the body part, and detects localized light absorption by the body part for fingerprint detection, blood vessel detection, pulse, etc. The LEDs can be energized simultaneously or sequentially. If the LED is energized continuously, the photodetector can be selectively read to better associate the absorption of light with a location in the body part proximate to the energized LED. Continuous illumination can be any pattern.

ステップ86において、光検出器アレイからの信号が、列および行等によって走査され、アレイを横断する検出された光の相対的大きさを検出し、身体部分による光吸収の詳細な画像を効果的に取得する。   In step 86, the signal from the photodetector array is scanned, such as by column and row, to detect the relative magnitude of the detected light across the array and effectively produce a detailed image of light absorption by the body part. To get to.

LEDが連続的に通電される場合では、本方法は、次いで、付加的空間的吸収データを提供するために、各通電後にステップ84に折り返し得る。   In the case where the LEDs are energized continuously, the method can then loop back to step 84 after each energization to provide additional spatial absorption data.

ステップ88において、未加工データが、ユーザの認証、医療分析等の結果を取得するために、モジュールのプロセッサによって処理される。   In step 88, the raw data is processed by the module's processor to obtain results such as user authentication, medical analysis, and the like.

光検出器および光源が、ディスプレイ部分自体に影響を及ぼさないように、ディスプレイ区域の外側に位置する実施形態を含む、種々の他の実施形態が、下記に開示される。したがって、ディスプレイ部分は、概して、従来のものであり得る。光検出器は、ディスプレイスクリーンを被覆する同一のガラスによって被覆される。バイオセンサ機能のために放出される光は、ディスプレイの縁部分から、またはディスプレイ部分とは別個の光源からであり得る。   Various other embodiments are disclosed below, including embodiments that are located outside the display area so that the photodetector and light source do not affect the display portion itself. Thus, the display portion can generally be conventional. The photodetector is covered by the same glass that covers the display screen. The light emitted for the biosensor function can be from the edge portion of the display or from a light source separate from the display portion.

ディスプレイ部分が、身体部分によって反射された光が通過し下層光検出器アレイによって検出される分散された透明部分を含む実施形態もまた、説明される。   Embodiments are also described in which the display portion includes a dispersed transparent portion through which light reflected by the body portion passes and is detected by the underlying photodetector array.

図14−18は、センサがディスプレイ部分から側方に離間されるが、同一のディスプレイガラスまたはカバーガラスを使用する、統合されたディスプレイおよび光学センサを図示する。ディスプレイ区域90は、任意の画像を表示するようにアドレス指定される、赤色、緑色、および青色ピクセルのアレイを含む。本デバイスは、スマートフォンディスプレイであり得る。ディスプレイ区域90は、薄いディスプレイガラス92(または他のタイプの光通過パネル)によって被覆され、これは、タッチスクリーンセンサ層を含み得る。   14-18 illustrate an integrated display and optical sensor that uses the same display glass or cover glass, although the sensor is laterally spaced from the display portion. Display area 90 includes an array of red, green, and blue pixels that are addressed to display any image. The device can be a smartphone display. Display area 90 is covered by a thin display glass 92 (or other type of light transmissive panel), which may include a touch screen sensor layer.

ディスプレイ区域90の活性区域は、審美目的のために黒色インク94によって囲まれる。インクは、典型的には、黒色であるが、任意の色であり得る。   The active area of the display area 90 is surrounded by black ink 94 for aesthetic purposes. The ink is typically black, but can be any color.

ディスプレイ区域90に隣り合って、同一のガラス92を使用するセンサ区域96がある。黒色インク94がIRに不透過性である場合では、センサ区域96は、インクを用いて被覆されないか、またはIRを通過させるIRインク98を用いて被覆されるかのいずれかである。IRインク98は、黒色に見え得る。   Adjacent to the display area 90 is a sensor area 96 that uses the same glass 92. If the black ink 94 is impermeable to IR, the sensor area 96 is either not coated with ink or is coated with IR ink 98 that passes IR. IR ink 98 may appear black.

フォトダイオードダイ等の1つまたは複数の光学検出器要素100が、IRインク98の下に搭載され、したがって、それらは、図16に示されるように、IRインクを通過する光を検出し得る。IR LED等のIRエミッタ102が、センサ区域96の上方のガラス92に接触する身体部分に光を印加するために通電される。赤色等の他の波長LEDもまた、検出されるべき生物学的特性に応じて、センサ区域96内にあり得る。身体部分が指であると仮定して、IR光または赤色光は、指の表面から部分的に反射され、また、指、特に、指紋の頂点がガラス92に接触する場所に入射する。先に説明されるように、光の一部は、血液および血管によって、または血液中のある成分によって吸収され、吸収のパターンが、検出される。   One or more optical detector elements 100, such as a photodiode die, are mounted under the IR ink 98, so that they can detect light passing through the IR ink, as shown in FIG. An IR emitter 102, such as an IR LED, is energized to apply light to a body part that contacts the glass 92 above the sensor area 96. Other wavelength LEDs such as red may also be in the sensor area 96 depending on the biological property to be detected. Assuming that the body part is a finger, IR light or red light is partially reflected from the surface of the finger and is incident on the finger, particularly where the fingerprint apex contacts the glass 92. As explained earlier, some of the light is absorbed by blood and blood vessels, or by some component in the blood, and the pattern of absorption is detected.

別の実施形態では、センサ区域96によって放出される光は、白色光であり得、検出器要素100は、センサ区域96の正面の身体部分または印刷コードを含む任意の物体からの白色光の反射の画像を検出する。   In another embodiment, the light emitted by the sensor area 96 may be white light, and the detector element 100 reflects white light from any body part or printed object in front of the sensor area 96. Detect the image.

ディスプレイ区域90から検出器要素100およびIRエミッタ102を側方に離間することによって、ディスプレイ区域90は、センサ区域96によって影響を受けない。したがって、ディスプレイ区域90は、非常に高い分解能のピクセルのアレイを有することができる。   By laterally separating the detector element 100 and the IR emitter 102 from the display area 90, the display area 90 is not affected by the sensor area 96. Accordingly, the display area 90 can have an array of very high resolution pixels.

光学部が、検出器の光路の中に組み込まれ得る。例えば、光学部は、検出器ダイにわたって成形される、または検出器ダイに搭載され得る。代替として、光学部は、ディスプレイガラス92またはIRインク98上に成形される、もしくは別様にディスプレイガラス92またはIRインク98に搭載され得る。光学部はまた、随意に、ディスプレイガラス92の中にエッチングされ得る。有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタもまた、光検出器ダイ上、ディスプレイガラス92上、または光路内の任意の他の適切な要素上に直接配置され得る。検出器は、ピクセルのアレイまたは焦点面アレイを備え得る。   An optic can be incorporated into the optical path of the detector. For example, the optic can be molded over or mounted on the detector die. Alternatively, the optics can be molded onto the display glass 92 or IR ink 98, or otherwise mounted on the display glass 92 or IR ink 98. The optics can also optionally be etched into the display glass 92. Optical filters such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters can also be placed directly on the photodetector die, on the display glass 92, or on any other suitable element in the optical path. The detector may comprise an array of pixels or a focal plane array.

図16は、検出器要素100をより詳細に図示する。反射された光104は、IRインク98を通過し、検出器要素100によって検出され、これは、単一の検出器要素または検出器要素のアレイであり、指等の身体部分による光の反射/吸収の高分解能画像を生成し得る。   FIG. 16 illustrates the detector element 100 in more detail. The reflected light 104 passes through the IR ink 98 and is detected by the detector element 100, which is a single detector element or an array of detector elements that reflects / reflects light by a body part such as a finger. Absorption high resolution images can be generated.

別の実施形態では、検出器要素100に到達する、身体部分内の光のある程度の散乱が存在するため、ディスプレイ区域90内のLEDは、身体部分から反射される光を供給する。   In another embodiment, the LEDs in the display area 90 provide light reflected from the body part because there is some scattering of light in the body part that reaches the detector element 100.

図14−18のデバイスの利点は、センサ区域96が、スマートフォンディスプレイであり得るディスプレイ区域90の構造または動作に影響を及ぼさないことである。   An advantage of the devices of FIGS. 14-18 is that the sensor area 96 does not affect the structure or operation of the display area 90, which may be a smartphone display.

センサ区域96は、認証のためにユーザの指紋および/または血管パターンを検出するために使用され得る。   Sensor area 96 may be used to detect a user's fingerprint and / or blood vessel pattern for authentication.

図16に示されるように、検出器要素100への電気的相互接続は、IRインク98上に堆積される導電性トレース106および108ならびに適切な相互接続110および112(例えば、導電性接着剤、はんだ等)を介してであり得る。導電性トレース106/108は、代替として、ガラス92上に直接堆積され得、パターン化されたIRインク98が、それらの上部上に堆積され得る。導電性トレース106/108は、例えば、導電性酸化物、導電性有機材料、半導体、金属、またはそれらの混合物から成り得る。相互接続110/112は、例えば、はんだ、金属、導電性ペースト、導電性フィルム、または異方性導電性要素から成り得る。検出器要素100は、スタンドアロン光受容器またはその2次元もしくは線形アレイを備え得る、またはフォトダイオード等の1つもしくは複数の光受容器要素をアナログ電子回路ならびに随意のアナログ/デジタルコンバータ、デジタル制御論理、デジタル/アナログ回路、および処理回路と統合する要素を備え得る。検出器要素100は、CMOS画像センサまたは類似するデバイスを備え得る。   As shown in FIG. 16, the electrical interconnections to detector element 100 include conductive traces 106 and 108 deposited on IR ink 98 and appropriate interconnections 110 and 112 (eg, conductive adhesive, Via solder etc.). Conductive traces 106/108 may alternatively be deposited directly on glass 92 and patterned IR ink 98 may be deposited on top of them. The conductive traces 106/108 can comprise, for example, a conductive oxide, a conductive organic material, a semiconductor, a metal, or a mixture thereof. Interconnect 110/112 may comprise, for example, solder, metal, conductive paste, conductive film, or anisotropic conductive elements. The detector element 100 may comprise a stand-alone photoreceptor or a two-dimensional or linear array thereof, or one or more photoreceptor elements, such as photodiodes, with analog electronics and optional analog / digital converters, digital control logic. , Digital / analog circuitry, and elements that integrate with processing circuitry. The detector element 100 may comprise a CMOS image sensor or similar device.

後部カバー113もまた、図16に示される。   The rear cover 113 is also shown in FIG.

図17に示されるように、検出器要素100への電気接続はまた、例えば、可撓性PCB(フレックス回路)、PCB、リボンコネクタ、ワイヤアセンブリ、または検出器要素100の裏側に接続される任意の他の適切な要素によって、ガラス92から独立して成され得る。金属トレース114が、本実施例において示される。検出器要素100の裏側への電気接続はまた、ばねコネクタまたは他の類似する相互接続スキームを介して成され得る。そのようなスキームでは、検出器要素100は、裏側照明(BSI)CMOS画像センサにおいて使用されるもの等の技術を備え得る。   As shown in FIG. 17, the electrical connection to the detector element 100 can also be, for example, a flexible PCB (flex circuit), PCB, ribbon connector, wire assembly, or any other connected to the back side of the detector element 100. It can be made independent of the glass 92 by other suitable elements. A metal trace 114 is shown in this example. Electrical connections to the back side of detector element 100 can also be made via spring connectors or other similar interconnection schemes. In such a scheme, detector element 100 may comprise technologies such as those used in backside illumination (BSI) CMOS image sensors.

LEDまたはVCSEL等の1つまたは複数の発光デバイスもまた、ガラス92に搭載され得る。発光デバイスおよび検出器要素100は、類似する方式でガラス92に搭載され得る。光学部が、発光デバイスの光路の中に組み込まれ得る。例えば、光学部は、エミッタにわたって成形される、またはエミッタに搭載され得る。代替として、光学部は、ディスプレイガラス92またはIRインク98上に成形される、もしくは別様にディスプレイガラス92またはIRインク98に搭載され得る。光学部はまた、随意に、ディスプレイガラス92の中にエッチングされ得る。有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタもまた、光検出器ダイ上、ディスプレイガラス上、または光路内の任意の他の適切な要素上に直接配置され得る。本場合では、光は、発光デバイスからIRインク98を通して放出され、ディスプレイガラス92の上方の、またはディスプレイガラス92と接触する部分的に反射性の身体(ユーザの顔、手、または指等)に入射する。図18に示されるように、IRエミッタ102から放出された光117は、身体部分116から戻るように反射され(光線118)、検出器要素100によって検出される。代替として、ディスプレイ自体が、エミッタとして使用され得、検出器要素100は、ディスプレイから反射された光を単純に検出し得る。   One or more light emitting devices such as LEDs or VCSELs may also be mounted on the glass 92. The light emitting device and detector element 100 may be mounted on the glass 92 in a similar manner. An optic may be incorporated into the light path of the light emitting device. For example, the optic can be molded over or mounted on the emitter. Alternatively, the optics can be molded onto the display glass 92 or IR ink 98, or otherwise mounted on the display glass 92 or IR ink 98. The optics can also optionally be etched into the display glass 92. Optical filters such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters can also be placed directly on the photodetector die, on the display glass, or on any other suitable element in the optical path. In this case, light is emitted from the light emitting device through IR ink 98 and onto a partially reflective body (such as the user's face, hand, or finger) above or in contact with the display glass 92. Incident. As shown in FIG. 18, the light 117 emitted from the IR emitter 102 is reflected back from the body part 116 (light ray 118) and detected by the detector element 100. Alternatively, the display itself can be used as an emitter, and the detector element 100 can simply detect light reflected from the display.

上記に与えられる実施例は、IRインク98の後方に位置付けられている検出器要素100を備えるが、検出器要素100は、いずれのインクも不在であるガラス92上に位置付けられ得る。   Although the example given above comprises a detector element 100 positioned behind the IR ink 98, the detector element 100 may be positioned on a glass 92 that is free of any ink.

放出された光が、感知スキームの一部として要求される上記の実施例では、光エミッタをオンおよびオフにする時点における二重相関サンプリングが、反射された信号とバックグラウンド光との間を判別することに役立つことができる。   In the above embodiment where emitted light is required as part of the sensing scheme, double correlation sampling at the time of turning the light emitter on and off distinguishes between the reflected signal and background light. Can help you.

図19および図20は、1つまたは複数の光学検出器要素100が、裏側ガラス板120上等のディスプレイ119の裏側に搭載される、部分的透明OLEDディスプレイ等の部分的に透明なディスプレイ119を図示する。ディスプレイ119は、図20に示される意図的に透明な区域121(「透明ピクセル」)のアレイを備え得、その目的は、ディスプレイ119を通して光路を提供し、それによって、これを部分的に透明にすることである。そのような実施例では、部分的透明ディスプレイ119の後部に搭載される、フォトダイオードまたは他の光検出器のアレイであり得る検出器要素100は、随意に、部分的透明ディスプレイ119のピクセルアレイに整合され得、したがって、検出器アレイ内の感光性要素は、部分的透明ディスプレイ119内の透明区域121の真下に位置する。身体部分16から反射された光は、ディスプレイピクセル124から、または専用エミッタ102からであり得る。図19では、光線125が、専用エミッタ102によって放出されるように示され、図20では、光線126が、赤色ピクセル124によって放出されるように示される。反射された光127は、検出器要素100によって検出されるように示される。   19 and 20 show a partially transparent display 119, such as a partially transparent OLED display, in which one or more optical detector elements 100 are mounted on the back side of the display 119, such as on the back glass plate 120. Illustrated. The display 119 may comprise an array of intentionally transparent areas 121 (“transparent pixels”) shown in FIG. 20, the purpose of which is to provide an optical path through the display 119, thereby making it partially transparent. It is to be. In such an embodiment, the detector element 100, which may be an array of photodiodes or other photodetectors, mounted on the back of the partially transparent display 119, is optionally included in the pixel array of the partially transparent display 119. The photosensitive elements in the detector array can therefore be aligned and therefore are located directly below the transparent area 121 in the partially transparent display 119. The light reflected from the body part 16 can be from the display pixel 124 or from the dedicated emitter 102. In FIG. 19, light ray 125 is shown as emitted by dedicated emitter 102, and in FIG. 20, light ray 126 is shown as emitted by red pixel 124. The reflected light 127 is shown to be detected by the detector element 100.

光学部が、検出器要素100の光路の中に組み込まれ得る。例えば、光学部は、検出器ダイにわたって成形される、または検出器ダイに搭載され得る。代替として、光学部は、裏側ガラス板120上に成形される、もしくは別様に裏側ガラス板120に搭載される、または裏側ガラス板120の中にエッチングされる、もしくは別様に裏側ガラス板120の中にパターン化され得る。有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタもまた、光検出器ダイ上、ディスプレイガラス上、または光路内の任意の他の適切な要素上に直接配置され得る。検出器要素100は、ピクセルのアレイまたは焦点面アレイを備え得る。   An optic can be incorporated into the optical path of the detector element 100. For example, the optic can be molded over or mounted on the detector die. Alternatively, the optic is molded on the back glass plate 120 or otherwise mounted on the back glass plate 120 or etched into the back glass plate 120, or alternatively the back glass plate 120. Can be patterned into Optical filters such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters can also be placed directly on the photodetector die, on the display glass, or on any other suitable element in the optical path. Detector element 100 may comprise an array of pixels or a focal plane array.

ディスプレイ要素のいずれかは、光源として使用され得、身体部分から反射された光は、検出器要素100によって検出され得る。赤色、緑色、および青色LED124(RGBと標識化される)が、透明区域121に近接する各ディスプレイピクセル区域内に示される。典型的には、赤色、緑色、および青色アレイ状ピクセルを備える、ディスプレイピクセルアレイ自体は、随意に、赤外線放出ピクセル、紫外線放出ピクセル、または任意の他の適切な波長の放出ピクセルを含むように増強され得る。そのようなスキームでは、赤外線、紫外線、または他の適切な波長範囲内で放出するOLED材料が、使用され得る。マイクロLEDディスプレイの場合では、例えば、それぞれ、AlInGaPおよびAlGaNから作製される赤外線および紫外線LEDは、赤色、緑色、および青色LEDピクセルアレイの一部として組み込まれ得、他の適切な波長は、これらの同一の材料または他の化合物半導体合金によって生成され得る。 Any of the display elements can be used as a light source, and the light reflected from the body part can be detected by the detector element 100. A red, green, and blue LED 124 (labeled RGB) is shown in each display pixel area proximate to the transparent area 121. The display pixel array itself, typically comprising red, green, and blue array-like pixels, is optionally augmented to include infrared emitting pixels, ultraviolet emitting pixels, or any other suitable wavelength emitting pixels. Can be done. In such schemes, OLED materials that emit in the infrared, ultraviolet, or other suitable wavelength range may be used. In the case of micro LED displays, for example, infrared and ultraviolet LEDs made from Al x In y Ga z P and Al x Ga y N, respectively, can be incorporated as part of a red, green, and blue LED pixel array. Other suitable wavelengths may be produced by these same materials or other compound semiconductor alloys.

代替として、1つまたは複数の別個の光学エミッタ102が、部分的透明ディスプレイ119の後方に搭載され得る。これらのエミッタ102からの光は、部分的透明ディスプレイ119を通して透過され、外部の身体部分116から反射され、検出器要素100によって検出され得る。光学部が、エミッタ102の光路の中に組み込まれ得る。例えば、光学部は、エミッタダイにわたって成形される、またはエミッタダイに搭載され得る。代替として、光学部は、裏側ガラスパネル120上に成形される、もしくは別様に裏側ガラスパネル120に搭載される、または裏側ガラスパネル120の中にエッチングされる、もしくは別様に裏側ガラスパネル120の中にパターン化され得る。有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタもまた、光検出器ダイ上、ディスプレイガラス上、または光路内の任意の他の適切な要素上に直接配置され得る。   Alternatively, one or more separate optical emitters 102 can be mounted behind the partially transparent display 119. Light from these emitters 102 can be transmitted through the partially transparent display 119, reflected from the external body part 116, and detected by the detector element 100. An optic can be incorporated into the optical path of the emitter 102. For example, the optic may be molded over or mounted on the emitter die. Alternatively, the optic is molded on the back glass panel 120 or otherwise mounted on the back glass panel 120, or etched into the back glass panel 120, or alternatively the back glass panel 120. Can be patterned into Optical filters such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters can also be placed directly on the photodetector die, on the display glass, or on any other suitable element in the optical path.

図14の設計と同様に、別個のエミッタが、代替として、ディスプレイの側に沿って搭載され得る。これらの別個のエミッタは、赤外線エミッタ、紫外線エミッタ、または任意の適切な波長のエミッタを備え得、例えば、LEDまたは蛍光体変換LEDを備え得る。代替として、カメラフラッシュ、インジケータLED、他の光学通信リンクの中に組み込まれる光源、または任意の他の光源等の最終製品内の別個のエミッタが、照明源として使用され得、それによって、近接する身体から反射された信号が、検出され得る。加えて、先に説明されるように、光源は、ディスプレイガラスに縁結合され得、ディスプレイガラスは、光が身体部分およびディスプレイガラスの接触点において逃散するまで、TIRによって光を内部で拡散する。   Similar to the design of FIG. 14, separate emitters can alternatively be mounted along the side of the display. These separate emitters can comprise an infrared emitter, an ultraviolet emitter, or any suitable wavelength emitter, for example, an LED or a phosphor-converted LED. Alternatively, a separate emitter in the final product, such as a camera flash, indicator LED, light source incorporated in other optical communication links, or any other light source may be used as an illumination source, thereby proximate A signal reflected from the body can be detected. In addition, as described above, the light source can be edge coupled to the display glass, which diffuses the light internally by TIR until the light escapes at the contact points of the body part and the display glass.

図21は、AMOLEDディスプレイ等のディスプレイ130内の単一のピクセルを図示し、これは、低温多結晶質シリコン(LPTS)、非晶質シリコン(a−Si)、または結晶性シリコンにおいて形成される薄膜トランジスタ(TFT)アレイ134を備える半導体バックプレーン132をさらに備える。そのような実施形態では、1つまたは複数の感光性検出器要素100が、表面有機エレクトロルミネセンス層の堆積に先立って、半導体バックプレーン132内に形成される。検出器要素100は、例えば、p−i−nフォトダイオード等のフォトダイオードを備え得る。OLED材料が、赤色、緑色、および青色サブピクセル135を形成するために、TFTアレイ134にわたって成長または堆積され得る。赤外線サブピクセルもまた、アレイの一部としてそのように形成され得る。光学部136が、随意に、検出器要素100にわたって形成される、または別様に配置され得る。そのような光学部は、例えば、フォトレジストリフロープロセスまたは印刷プロセスによって形成される、例えば、レンズを備え得る。1つまたは複数の検出器要素100は、ディスプレイに直接統合される光学検出器または検出器アレイとして使用され得る。光線138もまた、示される。   FIG. 21 illustrates a single pixel in a display 130, such as an AMOLED display, which is formed in low temperature polycrystalline silicon (LPTS), amorphous silicon (a-Si), or crystalline silicon. A semiconductor backplane 132 comprising a thin film transistor (TFT) array 134 is further provided. In such embodiments, one or more photosensitive detector elements 100 are formed in the semiconductor backplane 132 prior to deposition of the surface organic electroluminescent layer. The detector element 100 may comprise a photodiode, such as a p-i-n photodiode, for example. OLED material can be grown or deposited across the TFT array 134 to form red, green, and blue subpixels 135. Infrared subpixels can also be so formed as part of the array. The optic 136 can optionally be formed across the detector element 100 or otherwise arranged. Such an optic may comprise, for example, a lens formed by, for example, a photoregistry flow process or a printing process. One or more detector elements 100 may be used as an optical detector or detector array that is integrated directly into the display. Ray 138 is also shown.

有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタが、随意に、特定の波長に対する感光性を有するピクセルをもたらすように、検出器要素100にわたって組み込まれ得る。例えば、赤色、緑色、青色、シアン色、マゼンタ色、黄色、IR、およびUV吸収染料が、随意に、色感知または分光法が可能なマルチピクセル検出器を提供するように、異なる検出器要素にわたって配置され得る。OLED材料自体は、随意に、フォトダイオードにわたって配置され、赤色、青色、および青色OLED材料は全て、異なる吸収スペクトルを有し、したがって、固有の光学フィルタとして作用し得る。   Optical filters such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters can optionally be incorporated across the detector element 100 to provide pixels that are sensitive to specific wavelengths. For example, red, green, blue, cyan, magenta, yellow, IR, and UV-absorbing dyes optionally across different detector elements to provide a multi-pixel detector capable of color sensing or spectroscopy. Can be placed. The OLED material itself is optionally placed over the photodiode, and the red, blue, and blue OLED materials all have different absorption spectra and can therefore act as intrinsic optical filters.

図22は、統合されたディスプレイおよび検出器の別の実施形態を示し、図23は、図22のディスプレイ/検出器内の単一のピクセル区域を示す。   FIG. 22 illustrates another embodiment of an integrated display and detector, and FIG. 23 illustrates a single pixel area within the display / detector of FIG.

フルカラーディスプレイ140が、低温多結晶質シリコン(LPTS)、非晶質シリコン(a−Si)、または結晶性シリコンにおいて形成される薄膜トランジスタ(TFT)アレイを備えるTFT−LCD等のバックプレーン142を含む。トランジスタは、透明ガラス基板146(図23)上に堆積されるパターン化およびドープされた非晶質シリコンであり得、ITO等のパターン化された導体は、透明であり得る。薄膜トランジスタ147のアレイは、LCD層148とともにガラス基板146上に形成され、トランジスタ144は、従来の列および行デコーダによってオンにされ、各LCDピクセルを制御し、そのうちの1つが、図23に示される。   Full color display 140 includes a backplane 142 such as a TFT-LCD with a thin film transistor (TFT) array formed in low temperature polycrystalline silicon (LPTS), amorphous silicon (a-Si), or crystalline silicon. The transistor may be patterned and doped amorphous silicon deposited on a transparent glass substrate 146 (FIG. 23), and patterned conductors such as ITO may be transparent. An array of thin film transistors 147 is formed on the glass substrate 146 along with the LCD layer 148, and the transistor 144 is turned on by a conventional column and row decoder to control each LCD pixel, one of which is shown in FIG. .

青色、赤色、および緑色フィルタ等の色フィルタ150が、青色、赤色、および緑色サブピクセルを形成するために、LCD層148の上方または下方に形成される。赤外線サブピクセルもまた、ピクセルの一部としてそのように形成され得る。黒色マスク152が、サブピクセルをより良好に光学的に分離するために、上部ディスプレイガラス154上に印刷される。   Color filters 150, such as blue, red, and green filters, are formed above or below the LCD layer 148 to form blue, red, and green subpixels. Infrared subpixels can also be so formed as part of the pixel. A black mask 152 is printed on the upper display glass 154 to better optically isolate the subpixels.

バックプレーン142のディスプレイ部分は、従来のものであり得る。   The display portion of the backplane 142 can be conventional.

白色バックライト156が、バックプレーン142の下方に位置付けられ、LCDサブピクセルは、制御可能なシャッタのように作用し、ピクセル毎に選択された量の青色、赤色、および緑色光を放出し、広い色域を生成する。   A white backlight 156 is positioned below the backplane 142 and the LCD sub-pixel acts like a controllable shutter, emitting a selected amount of blue, red, and green light per pixel, wide Generate a color gamut.

フォトリソグラフィが、バックプレーン142を形成するために一般的に使用され、非常に高い分解能が、取得されることができる。   Photolithography is commonly used to form the backplane 142, and very high resolution can be obtained.

検出器を用いてそのようなディスプレイを増強するために、非晶質シリコンフォトダイオード等の1つまたは複数の感光性要素158もまた、フォトリソグラフィによってバックプレーン142上に堆積およびパターン化される。フォトダイオードは、TFTアレイ内に形成され、付加的マスキングステップを使用して形成されるシリコントランジスタ147の変形であり得る。TFTアレイおよびフォトダイオードは、ガラス基板146上の同一の平面内に形成され得る。基板146上の好適な導体が、フォトダイオードを検出器回路に接続する。フォトダイオードは、ディスプレイ区域の外側にある、またはディスプレイ区域全体を通して分散され得る。感光性要素158は、例えば、p−i−nフォトダイオード等のフォトダイオードを備え得る。   In order to enhance such a display using a detector, one or more photosensitive elements 158, such as amorphous silicon photodiodes, are also deposited and patterned on the backplane 142 by photolithography. The photodiode can be a variation of the silicon transistor 147 formed in the TFT array and formed using an additional masking step. The TFT array and the photodiode can be formed in the same plane on the glass substrate 146. A suitable conductor on the substrate 146 connects the photodiode to the detector circuit. The photodiodes can be distributed outside the display area or throughout the display area. The photosensitive element 158 may comprise a photodiode, such as, for example, a pin photodiode.

図22に示されるように、IRエミッタ159または他のピーク波長LEDは、ディスプレイガラス154の縁に光学的に結合され、ディスプレイガラス154は、導波路として使用され、IR光164を拡散し、バックプレーン142から離れるように光検出器要素158の上方にのみIR光164を放出する。先に説明されるように、光は、身体部分116がディスプレイガラス154に接触する区域においてのみディスプレイガラス154から抽出される。身体部分が、ディスプレイガラスに接触する必要がない場合、ディスプレイガラス154の表面は、導波光を抽出するために、光検出器要素158にわたって粗面化され得る。ディスプレイガラスは、ピクセルのディスプレイ部分にわたってクリアであり得る。   As shown in FIG. 22, an IR emitter 159 or other peak wavelength LED is optically coupled to the edge of the display glass 154, which is used as a waveguide to diffuse IR light 164 and back IR light 164 is emitted only above the photodetector element 158 away from the plane 142. As explained earlier, light is extracted from the display glass 154 only in areas where the body part 116 contacts the display glass 154. If the body part does not need to contact the display glass, the surface of the display glass 154 can be roughened over the photodetector elements 158 to extract the guided light. The display glass can be clear over the display portion of the pixel.

IRフィルタ162もまた、ディスプレイガラス154の底面上に印刷され得、RGB色フィルタ150と平面であり得る。   The IR filter 162 can also be printed on the bottom surface of the display glass 154 and can be planar with the RGB color filter 150.

図23は、バックライト156を示し、バックライト156は、検出器のための光168を提供するが、検出器のための光は、図22に示されるように、ディスプレイガラス154の縁に結合され得る。   FIG. 23 shows the backlight 156, which provides light 168 for the detector, but the light for the detector is coupled to the edge of the display glass 154, as shown in FIG. Can be done.

光学部が、随意に、感光性要素158にわたって形成される、または別様に配置され得る。そのような光学部は、例えば、フォトレジストリフロープロセスまたは印刷プロセスによって形成される、例えば、レンズを備え得る。この1つまたは複数の感光性要素は、ディスプレイに直接統合される光学検出器または検出器アレイとして使用され得る。そのような例示では、光遮断層が、バックライトによる感光性要素の直接照明を遮断するように、成長基板と感光性要素との間に組み込まれることができる。   The optic may optionally be formed over the photosensitive element 158 or otherwise arranged. Such an optic may comprise, for example, a lens formed by, for example, a photoregistry flow process or a printing process. The one or more photosensitive elements can be used as an optical detector or detector array that is integrated directly into the display. In such an illustration, a light blocking layer can be incorporated between the growth substrate and the photosensitive element to block direct illumination of the photosensitive element by the backlight.

有機染料、誘電フィルタ、または金属誘電フィルタ等の光学フィルタが、随意に、特定の波長に対する感光性を有するピクセルをもたらすように、検出器ピクセルにわたって組み込まれ得る。例えば、赤色、緑色、青色、シアン色、マゼンタ色、黄色、IR、およびUV吸収染料が、随意に、色感知または分光法が可能なマルチピクセル検出器を提供するように、異なる検出器ピクセルにわたって配置され得る。標準的LCD色フィルタ材料自体が、随意に、フォトダイオードにわたって配置され得る。   Optical filters, such as organic dyes, dielectric filters, or metal dielectric filters, can optionally be incorporated across the detector pixels to provide pixels that are sensitive to specific wavelengths. For example, red, green, blue, cyan, magenta, yellow, IR, and UV absorbing dyes optionally across different detector pixels to provide a multi-pixel detector capable of color sensing or spectroscopy. Can be placed. The standard LCD color filter material itself can optionally be placed over the photodiode.

いくつかの実施形態では、検出器ピクセルはまた、LCD要素の直下に配置され得、したがって、LCDマトリクスは、検出器ピクセルをシャッタ閉鎖するために使用され、アレイによる画像の捕捉を促進し得る。   In some embodiments, the detector pixels can also be placed directly under the LCD element, and thus the LCD matrix can be used to shutter-close the detector pixels to facilitate image capture by the array.

図22では、ディスプレイ部分は、通常、任意の画像または命令を表示するように動作する一方、図22のIR LED159は、ディスプレイガラス154に、IR光を光検出器要素158の区域内に放出させるように通電される。放出された光は、光検出器要素158に近接するディスプレイガラス154の上方の、またはディスプレイガラス154と接触する身体部分116によって反射および吸収され、光検出器要素158からの信号は、検出器回路によって処理され、指紋、血管、顔認識、それらの組み合わせ等の身体部分116の特性を識別する。光検出器要素158は、所望の分解能に応じて、任意の数のピクセルを備え得る。故に、検出のための全ての放出は、IR LED159等の側面発光源によって生成され、したがって、いかなるディスプレイピクセル区域も、IRエミッタによって占められない。   In FIG. 22, the display portion typically operates to display any image or instruction, while the IR LED 159 of FIG. 22 causes the display glass 154 to emit IR light into the area of the photodetector element 158. So that it is energized. The emitted light is reflected and absorbed by the body part 116 above or in contact with the display glass 154 proximate to the photodetector element 158, and the signal from the photodetector element 158 is detected by the detector circuit. To identify characteristics of the body part 116 such as fingerprints, blood vessels, face recognition, combinations thereof, and the like. Photodetector element 158 may comprise any number of pixels depending on the desired resolution. Thus, all emission for detection is generated by a side-emitting source, such as IR LED 159, and therefore no display pixel area is occupied by the IR emitter.

ガラスが人間の組織と接触する点において、ガラス154および人間の組織の近接する屈折率は、光が組織の中に透過されるようにする。光は、次いで、減衰され、組織から検出器アレイ上に後方散乱され、光は、検出器アレイから検出され得る。バイオ認証シグネチャまたはバイオメトリックデータが、この検出された光から確認されることができる。   At the point where the glass is in contact with human tissue, the close refractive index of the glass 154 and human tissue allows light to be transmitted into the tissue. The light is then attenuated and backscattered from the tissue onto the detector array, and the light can be detected from the detector array. A bioauthentication signature or biometric data can be verified from the detected light.

IR以外の波長は、特に、顔認識に関して、他の生物学的特性を検出するために使用され得る。   Wavelengths other than IR can be used to detect other biological properties, particularly with respect to facial recognition.

一実施形態では、ディスプレイ部分は、従来の画像を表示するために高分解能であり得る一方、検出器部分は、ディスプレイガラスの下の検出部分の場所を識別するために、低分解能可視光ピクセルを含み得る。例えば、検出部分内の発光ピクセル(例えば、RGBまたは白色)は、検出器区域の輪郭を提供する、またはユーザに対する単純な命令を識別し得る。そのような実施形態では、ディスプレイ部分内のピクセルは、検出区域内の発光ピクセルから独立して動作する。検出器区域内の発光ピクセルはまた、検出されるべき身体部分のための照明ピクセルとしての役割を果たし得る。   In one embodiment, the display portion may be high resolution to display a conventional image, while the detector portion uses low resolution visible light pixels to identify the location of the detection portion under the display glass. May be included. For example, light emitting pixels (eg, RGB or white) in the detection portion may provide a contour of the detector area or identify simple instructions to the user. In such embodiments, the pixels in the display portion operate independently of the light emitting pixels in the detection area. The light emitting pixels in the detector area can also serve as illumination pixels for the body part to be detected.

全ての実施形態では、図1の検出回路および制御回路は、本デバイスに統合され得る。   In all embodiments, the detection and control circuits of FIG. 1 can be integrated into the device.

本発明の特定の実施形態が示され、説明されたが、変更および修正が、そのより広い側面において、本発明から逸脱することなく成され得、したがって、添付される特許請求の範囲は、本発明の真の精神および範囲内である、全てのそのような変更および修正をそれらの範囲内に包含すべきであることが、当業者に明白となる。   While particular embodiments of the present invention have been shown and described, changes and modifications can be made in its broader aspects without departing from the invention, and thus the appended claims are intended to It will be apparent to those skilled in the art that all such changes and modifications within the true spirit and scope of the invention should be included within those scope.

そのようなデバイスの種々の他の設計および使用も、説明される。
本発明は、例えば、以下を提供する。
(項目1)
バイオセンサデバイスであって、
光通過パネルを有するディスプレイ部分であって、前記ディスプレイ部分は、画像を生成するためにピクセルにおいて光を放出し、前記ピクセルは、ピーク波長の第1のセットを有する光を生成する、ディスプレイ部分と、
前記光通過パネルの一部を通して光を受け取るように構成された検出器部分であって、前記検出器部分は、前記光を放出するディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間される、検出器部分と、
人物の身体部分によって部分的に反射および吸収されるように、前記光通過パネルを通して光を放出するように構成された光源であって、前記光源は、前記画像を生成するために使用される前記ディスプレイ部分内の前記ピクセル以外のものである、光源と、
前記ディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間され、少なくとも前記身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列された、前記検出器部分内の1つまたは複数の光検出器であって、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第1の信号を生成する、光検出器と、
前記1つまたは複数の光検出器に結合され、前記身体部分の特性を決定するために前記第1の信号を分析するために構成された検出回路と
を備える、デバイス。
(項目2)
前記ピクセルは、赤色、緑色、および青色光を生成し、前記光源は、赤外光を生成する、項目1に記載のデバイス。
(項目3)
前記光源は、前記光通過パネルの縁に近接して光学的に結合され、前記光通過パネルは、導波路として作用することにより、前記光源からの前記光を誘導し、前記光源からの前記光を前記光通過パネルの発光面を通して放出する、項目1に記載のデバイス。
(項目4)
前記光通過パネルは、光が、実質的に、前記身体部分が前記発光面と直接接触している前記光通過パネルの前記発光面を通してのみ放出されるように構成されている、項目3に記載のデバイス。
(項目5)
前記光源は、前記ディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間される、項目1に記載のデバイス。
(項目6)
前記光源は、1つまたは複数の発光ダイオードを備える、項目1に記載のデバイス。
(項目7)
前記光源は、異なるピーク波長の光を放出する発光ダイオードを備える、項目1に記載のデバイス。
(項目8)
前記光源は、血管によって吸収される波長の光を放出する、項目1に記載のデバイス。
(項目9)
前記光源は、光ガイドを備え、1つまたは複数の発光ダイオードからの光は、前記光ガイドに光学的に結合され、前記光ガイドは、その表面を通して光を放出するために構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目10)
前記光通過パネルは、前記光ガイドである、項目9に記載のデバイス。
(項目11)
前記1つまたは複数の光検出器は、前記身体部分から反射された光が、前記1つまたは複数の光検出器による検出のために前記光ガイドを通過するように、前記光ガイドの後方に位置する、項目9に記載のデバイス。
(項目12)
前記身体部分から反射された光の角度範囲を限定するために、前記1つまたは複数の光検出器にわたるレンズをさらに備える、項目1に記載のデバイス。
(項目13)
前記身体部分の中への特定の距離のみから、前記身体部分から反射された光を前記1つまたは複数の光検出器上に集束させるために、前記光検出器にわたるレンズをさらに備える、項目1に記載のデバイス。
(項目14)
前記デバイスに統合された非光学センサをさらに備える、項目1に記載のデバイス。
(項目15)
前記非光学センサは、前記身体部分によってタッチするための電極を備える、項目14に記載のデバイス。
(項目16)
前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、指紋を検出するように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目17)
前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指内の血管を検出するように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目18)
前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指における指紋および血管の両方を検出するように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目19)
前記デバイスに統合されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光源の通電および前記1つまたは複数の光検出器によって受け取られる前記反射された光の検出を制御する、項目1に記載のデバイス。
(項目20)
プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光検出器からのデータを処理し、前記データを記憶されたデータと比較し、前記デバイスのユーザの認証を示すように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目21)
プロセッサをさらに備え、前記光源は、複数の発光ダイオードを備え、前記プロセッサは、前記光検出器のうちの1つまたは複数のものからの信号が前記プロセッサによって読み取られ、処理されている間、連続的に照明されるように前記発光ダイオードを制御するように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目22)
プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記身体部分の光反射画像を検出し、前記身体部分内の前記光の吸収の区域を決定するように構成されている、項目1に記載のデバイス。
(項目23)
前記1つまたは複数の光検出器からのデータを処理するように構成されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、ジェスチャを検出するために前記身体部分の移動を検出する、項目1に記載のデバイス。
(項目24)
バイオセンサデバイスであって、
光通過パネルを有するディスプレイ部分であって、前記ディスプレイ部分は、画像を生成するためにピクセルにおいて光を放出し、前記ピクセルは、ピーク波長の第1のセットを有する光を生成する、ディスプレイ部分と、
前記光通過パネルの縁に近接して光学的に結合された光源であって、前記光通過パネルは、光ガイドとして作用することにより、前記光源からの前記光を誘導し、前記光源からの前記光を前記光通過パネルの発光面を通して放出し、前記光源は、前記画像を生成するために使用される前記ディスプレイ部分内のピクセル以外のものである、光源と、
前記光通過パネルに接触する身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列された1つまたは複数の光検出器であって、前記光源からの光は、前記身体部分が前記光通過パネルに接触する区域において、前記光通過パネルから抽出され、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第1の信号を生成する、光検出器と、
前記1つまたは複数の光検出器に結合され、前記身体部分の特性を決定するために前記第1の信号を分析するために構成された検出回路と
を備える、デバイス。
(項目25)
前記1つまたは複数の光検出器は、前記ディスプレイ部分から側方に離間される、項目24に記載のデバイス。
(項目26)
前記1つまたは複数の光検出器は、前記ディスプレイ部分内に分散される、項目24に記載のデバイス。
(項目27)
前記検出回路は、指紋を検出し、前記指紋の頂点は、前記光通過パネルに接触し、前記光通過パネルから光を抽出する、項目24に記載の検出器。
(項目28)
前記検出回路は、前記指内の血管パターンも検出する、項目27に記載の検出器。
(項目29)
前記検出回路は、前記指における指紋および血管の組み合わせられたパターンを検出する、項目28に記載の検出器。
Various other designs and uses of such devices are also described.
For example, the present invention provides the following.
(Item 1)
A biosensor device,
A display portion having a light transmissive panel, wherein the display portion emits light at a pixel to generate an image, the pixel generating light having a first set of peak wavelengths; ,
A detector portion configured to receive light through a portion of the light passing panel, wherein the detector portion is laterally spaced from the pixel in the display portion that emits the light. Part,
A light source configured to emit light through the light transmissive panel to be partially reflected and absorbed by a human body part, wherein the light source is used to generate the image A light source other than the pixels in the display portion;
One or more photodetectors in the detector portion spaced laterally from the pixels in the display portion and arranged to detect light reflected back by at least the body portion; The photodetector generates a first signal corresponding to the reflected light back; and
A detection circuit coupled to the one or more photodetectors and configured to analyze the first signal to determine a characteristic of the body part;
A device comprising:
(Item 2)
Item 2. The device of item 1, wherein the pixels generate red, green, and blue light and the light source generates infrared light.
(Item 3)
The light source is optically coupled in proximity to an edge of the light passage panel, and the light passage panel acts as a waveguide to guide the light from the light source and to emit the light from the light source. The device according to item 1, wherein the device emits light through a light emitting surface of the light transmission panel.
(Item 4)
Item 4. The light passing panel is configured such that light is emitted substantially only through the light emitting surface of the light passing panel, wherein the body part is in direct contact with the light emitting surface. Devices.
(Item 5)
The device of claim 1, wherein the light source is laterally spaced from the pixels in the display portion.
(Item 6)
The device of item 1, wherein the light source comprises one or more light emitting diodes.
(Item 7)
Item 2. The device of item 1, wherein the light source comprises a light emitting diode that emits light of different peak wavelengths.
(Item 8)
Item 2. The device of item 1, wherein the light source emits light of a wavelength that is absorbed by a blood vessel.
(Item 9)
The light source comprises a light guide, light from one or more light emitting diodes is optically coupled to the light guide, and the light guide is configured to emit light through its surface; Item 2. The device according to Item 1.
(Item 10)
Item 10. The device according to Item 9, wherein the light passage panel is the light guide.
(Item 11)
The one or more photodetectors are located behind the light guide such that light reflected from the body part passes through the light guide for detection by the one or more photodetectors. 10. The device according to item 9, wherein the device is located.
(Item 12)
The device of item 1, further comprising a lens spanning the one or more photodetectors to limit the angular range of light reflected from the body part.
(Item 13)
Item 1 further comprising a lens across the photodetector to focus light reflected from the body part onto the one or more photodetectors from only a particular distance into the body part. Device described in.
(Item 14)
The device of item 1, further comprising a non-optical sensor integrated with the device.
(Item 15)
15. A device according to item 14, wherein the non-optical sensor comprises an electrode for touching by the body part.
(Item 16)
The device of item 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect a fingerprint.
(Item 17)
The device of claim 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect a blood vessel in the finger.
(Item 18)
The device of item 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect both fingerprints and blood vessels in the finger.
(Item 19)
The device of claim 1, further comprising a processor integrated with the device, wherein the processor controls energization of the light source and detection of the reflected light received by the one or more photodetectors.
(Item 20)
The processor of claim 1, further comprising a processor configured to process data from the photodetector, compare the data with stored data, and indicate authentication of a user of the device. Devices.
(Item 21)
And further comprising a processor, wherein the light source comprises a plurality of light emitting diodes, the processor continuously while signals from one or more of the photodetectors are read and processed by the processor. The device of claim 1, wherein the device is configured to control the light emitting diode to be illuminated.
(Item 22)
The device of claim 1, further comprising a processor, wherein the processor is configured to detect a light reflection image of the body part and to determine an area of absorption of the light within the body part.
(Item 23)
The device of claim 1, further comprising a processor configured to process data from the one or more photodetectors, wherein the processor detects movement of the body part to detect a gesture. .
(Item 24)
A biosensor device,
A display portion having a light transmissive panel, wherein the display portion emits light at a pixel to generate an image, the pixel generating light having a first set of peak wavelengths; ,
A light source optically coupled proximate to an edge of the light passage panel, the light passage panel acting as a light guide to guide the light from the light source and from the light source A light source that emits light through a light emitting surface of the light passing panel, wherein the light source is other than a pixel in the display portion used to generate the image;
One or more photodetectors arranged to detect light reflected back by the body part contacting the light passing panel, wherein the light from the light source is transmitted by the body part to the light; A photodetector that produces a first signal corresponding to the reflected light that is extracted from the light passage panel in an area that contacts the passage panel;
A detection circuit coupled to the one or more photodetectors and configured to analyze the first signal to determine a characteristic of the body part;
A device comprising:
(Item 25)
25. The device of item 24, wherein the one or more photodetectors are laterally spaced from the display portion.
(Item 26)
25. The device of item 24, wherein the one or more photodetectors are distributed within the display portion.
(Item 27)
25. A detector according to item 24, wherein the detection circuit detects a fingerprint, and a vertex of the fingerprint contacts the light passage panel and extracts light from the light passage panel.
(Item 28)
28. The detector according to item 27, wherein the detection circuit also detects a blood vessel pattern in the finger.
(Item 29)
29. A detector according to item 28, wherein the detection circuit detects a combined pattern of fingerprints and blood vessels on the finger.

Claims (29)

バイオセンサデバイスであって、
光通過パネルを有するディスプレイ部分であって、前記ディスプレイ部分は、画像を生成するためにピクセルにおいて光を放出し、前記ピクセルは、ピーク波長の第1のセットを有する光を生成する、ディスプレイ部分と、
前記光通過パネルの一部を通して光を受け取るように構成された検出器部分であって、前記検出器部分は、前記光を放出するディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間される、検出器部分と、
人物の身体部分によって部分的に反射および吸収されるように、前記光通過パネルを通して光を放出するように構成された光源であって、前記光源は、前記画像を生成するために使用される前記ディスプレイ部分内の前記ピクセル以外のものである、光源と、
前記ディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間され、少なくとも前記身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列された、前記検出器部分内の1つまたは複数の光検出器であって、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第1の信号を生成する、光検出器と、
前記1つまたは複数の光検出器に結合され、前記身体部分の特性を決定するために前記第1の信号を分析するために構成された検出回路と
を備える、デバイス。
A biosensor device,
A display portion having a light transmissive panel, wherein the display portion emits light at a pixel to generate an image, the pixel generating light having a first set of peak wavelengths; ,
A detector portion configured to receive light through a portion of the light passing panel, wherein the detector portion is laterally spaced from the pixel in the display portion that emits the light. Part,
A light source configured to emit light through the light transmissive panel to be partially reflected and absorbed by a human body part, wherein the light source is used to generate the image A light source other than the pixels in the display portion;
One or more photodetectors in the detector portion spaced laterally from the pixels in the display portion and arranged to detect light reflected back by at least the body portion; The photodetector generates a first signal corresponding to the reflected light back; and
A detection circuit coupled to the one or more photodetectors and configured to analyze the first signal to determine a characteristic of the body part.
前記ピクセルは、赤色、緑色、および青色光を生成し、前記光源は、赤外光を生成する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the pixels generate red, green, and blue light and the light source generates infrared light. 前記光源は、前記光通過パネルの縁に近接して光学的に結合され、前記光通過パネルは、導波路として作用することにより、前記光源からの前記光を誘導し、前記光源からの前記光を前記光通過パネルの発光面を通して放出する、請求項1に記載のデバイス。   The light source is optically coupled in proximity to an edge of the light passage panel, and the light passage panel acts as a waveguide to guide the light from the light source and to emit the light from the light source. The device of claim 1, wherein the device emits light through a light emitting surface of the light passing panel. 前記光通過パネルは、光が、実質的に、前記身体部分が前記発光面と直接接触している前記光通過パネルの前記発光面を通してのみ放出されるように構成されている、請求項3に記載のデバイス。   The light passing panel is configured to emit light only through the light emitting surface of the light passing panel, wherein the body part is substantially in direct contact with the light emitting surface. The device described. 前記光源は、前記ディスプレイ部分内の前記ピクセルから側方に離間される、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the light source is laterally spaced from the pixels in the display portion. 前記光源は、1つまたは複数の発光ダイオードを備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the light source comprises one or more light emitting diodes. 前記光源は、異なるピーク波長の光を放出する発光ダイオードを備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the light source comprises a light emitting diode that emits light of different peak wavelengths. 前記光源は、血管によって吸収される波長の光を放出する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the light source emits light of a wavelength that is absorbed by a blood vessel. 前記光源は、光ガイドを備え、1つまたは複数の発光ダイオードからの光は、前記光ガイドに光学的に結合され、前記光ガイドは、その表面を通して光を放出するために構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The light source comprises a light guide, light from one or more light emitting diodes is optically coupled to the light guide, and the light guide is configured to emit light through its surface; The device of claim 1. 前記光通過パネルは、前記光ガイドである、請求項9に記載のデバイス。   The device of claim 9, wherein the light passage panel is the light guide. 前記1つまたは複数の光検出器は、前記身体部分から反射された光が、前記1つまたは複数の光検出器による検出のために前記光ガイドを通過するように、前記光ガイドの後方に位置する、請求項9に記載のデバイス。   The one or more photodetectors are located behind the light guide such that light reflected from the body part passes through the light guide for detection by the one or more photodetectors. The device of claim 9, which is located. 前記身体部分から反射された光の角度範囲を限定するために、前記1つまたは複数の光検出器にわたるレンズをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a lens across the one or more photodetectors to limit an angular range of light reflected from the body part. 前記身体部分の中への特定の距離のみから、前記身体部分から反射された光を前記1つまたは複数の光検出器上に集束させるために、前記光検出器にわたるレンズをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The lens further comprising a lens across the photodetector to focus light reflected from the body part only on the one or more photodetectors from a particular distance into the body part. The device according to 1. 前記デバイスに統合された非光学センサをさらに備える、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a non-optical sensor integrated with the device. 前記非光学センサは、前記身体部分によってタッチするための電極を備える、請求項14に記載のデバイス。   The device of claim 14, wherein the non-optical sensor comprises an electrode for touching by the body part. 前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、指紋を検出するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect a fingerprint. 前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指内の血管を検出するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect blood vessels in the finger. 前記身体部分は、指を備え、前記デバイスは、前記指における指紋および血管の両方を検出するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, wherein the body part comprises a finger and the device is configured to detect both fingerprints and blood vessels in the finger. 前記デバイスに統合されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光源の通電および前記1つまたは複数の光検出器によって受け取られる前記反射された光の検出を制御する、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a processor integrated with the device, wherein the processor controls energization of the light source and detection of the reflected light received by the one or more photodetectors. . プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記光検出器からのデータを処理し、前記データを記憶されたデータと比較し、前記デバイスのユーザの認証を示すように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The processor of claim 1, further comprising a processor configured to process data from the photodetector, compare the data with stored data, and indicate authentication of a user of the device. The device described. プロセッサをさらに備え、前記光源は、複数の発光ダイオードを備え、前記プロセッサは、前記光検出器のうちの1つまたは複数のものからの信号が前記プロセッサによって読み取られ、処理されている間、連続的に照明されるように前記発光ダイオードを制御するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   And further comprising a processor, wherein the light source comprises a plurality of light emitting diodes, the processor continuously while signals from one or more of the photodetectors are read and processed by the processor. The device of claim 1, wherein the device is configured to control the light emitting diode to be illuminated. プロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、前記身体部分の光反射画像を検出し、前記身体部分内の前記光の吸収の区域を決定するように構成されている、請求項1に記載のデバイス。   The device of claim 1, further comprising a processor, wherein the processor is configured to detect a light reflection image of the body part and determine an area of absorption of the light within the body part. 前記1つまたは複数の光検出器からのデータを処理するように構成されたプロセッサをさらに備え、前記プロセッサは、ジェスチャを検出するために前記身体部分の移動を検出する、請求項1に記載のデバイス。   The processor of claim 1, further comprising a processor configured to process data from the one or more photodetectors, wherein the processor detects movement of the body part to detect a gesture. device. バイオセンサデバイスであって、
光通過パネルを有するディスプレイ部分であって、前記ディスプレイ部分は、画像を生成するためにピクセルにおいて光を放出し、前記ピクセルは、ピーク波長の第1のセットを有する光を生成する、ディスプレイ部分と、
前記光通過パネルの縁に近接して光学的に結合された光源であって、前記光通過パネルは、光ガイドとして作用することにより、前記光源からの前記光を誘導し、前記光源からの前記光を前記光通過パネルの発光面を通して放出し、前記光源は、前記画像を生成するために使用される前記ディスプレイ部分内のピクセル以外のものである、光源と、
前記光通過パネルに接触する身体部分によって戻るように反射された光を検出するように配列された1つまたは複数の光検出器であって、前記光源からの光は、前記身体部分が前記光通過パネルに接触する区域において、前記光通過パネルから抽出され、前記光検出器は、前記戻るように反射された光に対応する第1の信号を生成する、光検出器と、
前記1つまたは複数の光検出器に結合され、前記身体部分の特性を決定するために前記第1の信号を分析するために構成された検出回路と
を備える、デバイス。
A biosensor device,
A display portion having a light transmissive panel, wherein the display portion emits light at a pixel to generate an image, the pixel generating light having a first set of peak wavelengths; ,
A light source optically coupled proximate to an edge of the light passage panel, the light passage panel acting as a light guide to guide the light from the light source and from the light source A light source that emits light through a light emitting surface of the light passing panel, wherein the light source is other than a pixel in the display portion used to generate the image;
One or more photodetectors arranged to detect light reflected back by the body part contacting the light passing panel, wherein the light from the light source is transmitted by the body part to the light; A photodetector that produces a first signal corresponding to the reflected light that is extracted from the light passage panel in an area that contacts the passage panel;
A detection circuit coupled to the one or more photodetectors and configured to analyze the first signal to determine a characteristic of the body part.
前記1つまたは複数の光検出器は、前記ディスプレイ部分から側方に離間される、請求項24に記載のデバイス。   25. The device of claim 24, wherein the one or more photodetectors are laterally spaced from the display portion. 前記1つまたは複数の光検出器は、前記ディスプレイ部分内に分散される、請求項24に記載のデバイス。   25. The device of claim 24, wherein the one or more photodetectors are distributed within the display portion. 前記検出回路は、指紋を検出し、前記指紋の頂点は、前記光通過パネルに接触し、前記光通過パネルから光を抽出する、請求項24に記載の検出器。   25. The detector of claim 24, wherein the detection circuit detects a fingerprint, and a vertex of the fingerprint contacts the light passage panel and extracts light from the light passage panel. 前記検出回路は、前記指内の血管パターンも検出する、請求項27に記載の検出器。   28. The detector of claim 27, wherein the detection circuit also detects a blood vessel pattern in the finger. 前記検出回路は、前記指における指紋および血管の組み合わせられたパターンを検出する、請求項28に記載の検出器。   29. The detector of claim 28, wherein the detection circuit detects a combined pattern of fingerprints and blood vessels on the finger.
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