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TWI867330B - 利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器及相關聯方法 - Google Patents

利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器及相關聯方法 Download PDF

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TWI867330B
TWI867330B TW111133339A TW111133339A TWI867330B TW I867330 B TWI867330 B TW I867330B TW 111133339 A TW111133339 A TW 111133339A TW 111133339 A TW111133339 A TW 111133339A TW I867330 B TWI867330 B TW I867330B
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保羅 維克波爾德特
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美商豪威科技股份有限公司
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Abstract

一種使用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，包括：多個透鏡；影像感測器，其包括像素陣列，該像素陣列包括多個第一光電二極體；每個第一光電二極體之一光敏表面之一中心與每個透鏡之一光學中心之間的一線形成多個光軸中的光軸；至少一個有孔擋板層，其位於影像感測器與多個透鏡之間，並且每個有孔擋板層具有各自的多個孔徑光闌，每一個孔徑光闌與光軸成中心對準；多個第二光電二極體，該多個第二光電二極體與多個第一光電二極體間插配置，其中每個第二光電二極體被配置為檢測穿過透鏡和未沿著光軸對準的至少一個孔徑光闌的光；以及，至少一個偏振元件，其被定位成使照射多個第二光電二極體的電磁能量偏振。

Description

利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器及相關聯方法
本發明涉及一種光學指紋感測器，特別是一種利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器及相關聯方法。
指紋感測正在成為一種越來越常見的工具，用於授權(a)登入如智慧手機等的電子裝置，(b)存取機密電子記錄，以及(c)通過網際網路進行的諸如金融交易等的電子交易。指紋感測滿足了對認證機制的市場需求，認證機制消除了輸入(並記住)密碼的需要，並且還消除了記住與不同設備及/或帳戶相關聯的多個不同密碼的需要。指紋感測是一種完善的生物特徵識別形式，並且光學指紋感測器已經被使用多年，例如被執法機構使用。
已經設計了幾種不同類型的指紋感測器用於智慧手機和其他行動裝置。這些類型的指紋感測器中的每一種都對手指進行成像以獲得指紋。基於相機的指紋掃描器使用成像透鏡和影像感測器來捕獲指紋的影像。一種基於準直器的指紋掃描器利用在影像感測器上方對準的透鏡陣列來感測指紋，其中在影像感測器上方添加了準直器。藉由形成光必須傳播通過到達影像感測器的通 道，準直器利於來自指紋樣本特定區域的圖光(map light)，被影像感測器所對應的區域所偵測。
指紋影像感測的一個問題是產生欺騙指紋感測器的虛假(fake)或偽造(spoof)指紋，以便取得登入設備的可能性。偽造指紋可以用多種方法製造，包括在紙上列印指紋影像和形成重製期望指紋圖案的模製物體。如果以足夠高的解析度和真實指紋的保真度製作，這些偽造方法可以欺騙指紋感測器，並允許對設備和帳戶的未經授權的登入。基於影像感測器的指紋感測器難以區分真實指紋與偽造指紋，從而使指紋感測器成為不太可靠的認證方法。
一種利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，包括：多個透鏡Lm=0、L1、......LJ-1，具有沿著正交於透鏡L0之透鏡軸線的水平方向的一透鏡間距，每個透鏡具有一寬度；一影像感測器，包括一像素陣列，所述像素陣列包括多個第一光電二極體Im=0、I1、......IJ-1，所述多個第一光電二極體具有在所述水平方向上等於所述透鏡間距的一第一光電二極體間距，每個第一光電二極體Im之一光敏表面之一中心與每個透鏡Lm之一光學中心之間的一線形成多個光軸Om=0、O1、......OJ-1之一光軸Om；位於所述影像感測器與所述多個透鏡之間的至少一個有孔擋板層，所述至少一個有孔擋板層中的每一個位於所述像素陣列上方的各自高度zk處，並且每一個都具有各自的多個孔徑光闌Am=0、A1、......AJ-1，每一個孔徑光闌Am與所述光軸Om成中心對準；包括在所述像素陣列中的多個第二光電二極體Sm=0、S1、......SK-1，所述多個第二光電二極體與所述多個第一光電二極體 間插配置，使得第二光電二極體Sm在所述水平方向上位於第一光電二極體Im與第一光電二極體Im+1之間，其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm和未沿著所述光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量；以及至少一個偏振元件，定位成僅使照射所述多個第二光電二極體的電磁能量偏振。
一種用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，包括：控制電子裝置之一顯示器輸出一光的圖案，以在一光學指紋感測器附近照亮觸摸所述顯示器的一指紋樣本，所述光學指紋感測器包括一像素陣列並位於所述顯示器下方；阻擋較小角度的光照射所述像素陣列之多個防偽造光電二極體，所述較小角度的光是相對於所述多個防偽造光電二極體之每個防偽造光電二極體之一光軸的入射角小於5度的電磁能量；過濾入射到所述多個防偽造光電二極體上的較大角度的光到至少一個偏振方向，所述較大角度的光是相對於所述光軸的入射角大於5度的電磁能量；使用所述多個防偽造光電二極體以檢測所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光；將所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案相關；至少部分地基於所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案的相關性來確定所述指紋偽造；以及其中所述多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯，使得所述多個防偽造光電二極體中的每個防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體中的相鄰成像光電二極體之間。
在一個實施例中，一種用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋的之方法，包括：控制電子裝置之一顯示器輸出光的一圖案，以在 一光學指紋感測器附近照亮觸摸所述顯示器的一指紋樣本，所述光學指紋感測器包括一像素陣列並位於所述顯示器下方；阻擋較小角度的光照射所述像素陣列的多個防偽造光電二極體，所述較小角度的光是相對於所述多個防偽造光電二極體之每個防偽造光電二極體之一光軸的入射角小於5度的電磁能量；過濾入射到所述多個防偽造光電二極體上的較大角度的光到至少一個偏振方向，所述較大角度的光是相對於所述光軸的入射角大於5度的電磁能量；使用所述多個防偽造光電二極體以檢測所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光；將所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案相關；至少部分地基於所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案的相關性來確定所述指紋偽造；以及其中所述多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯，使得所述多個防偽造光電二極體中的每個防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體中的相鄰成像光電二極體之間。
基於準直器的指紋感測器縮小了電磁能量在指紋樣本與影像感測器之間可以行進的可接受路徑。在某些情況下，它們藉由形成通道或圓錐形(channels or cones)來這樣做，該通道或圓錐形傳送電磁能量，但阻擋的射入電磁能量，其角度和位置不在此預期路徑內。這允許來自指紋樣本的特定區域的電磁能量僅到達影像感測器的目標在對該指紋的那個區域進行成像的區域，並減少來自指紋樣本的任何其他區域的電磁能量到達影像感測器的該區域。這可以通過幾種方式實現，包括位於透鏡陣列與影像感測器之間的有孔擋板層的陣列。每個有孔擋板層具有在影像感測器之每個像素上方對準的孔，每個孔的寬度被配置為僅傳送射入電磁能量的可接受角度的窄圓錐。這種設計已被用於說明提高 影像品質和螢幕下指紋感測器的效能。術語“光”和術語“電磁能量”在本文中可互換使用。本文的電磁能量是指波長在0.4與2微米之間的電磁能量。
存在克服指紋感測器並取得對裝置和資訊的未經授權的登入的技術，包括建立偽造指紋。偽造指紋包括指紋的印刷影像和重製目標指紋樣本之三維結構的模製物體。檢測偽造指紋的當前技術主要依賴於檢查真實指紋和偽造指紋，並使用演算法來檢測由指紋感測器產生的每個指紋的影像中的差異。由於偽造指紋被製成具有較高的解析度和保真度，它們在指紋感測器上產生的影像變得難以與真實的指紋樣本區分開來。僅使用產生的影像限制了偽造檢測，並且使指紋感測器容易受到高品質、高解析度的偽造指紋攻擊。
當在指紋感測器上使用印刷或模製的偽造指紋樣本時，樣本的材料性質在電磁能量如何在樣本與指紋感測器之間相互作用方面起作用。這可以被利用來增加偽造檢測。在指紋感測器的玻璃中，電磁能量以一定範圍的出射角從樣本散射。散射電磁能量的這種分佈取決於被取樣的材料。人的手指、印刷影像和模製物體可以在影像感測器上產生相同的影像，但是它們產生反射和散射電磁能量的不同角度分佈。能夠檢測這種角度分佈的指紋感測器比只記錄樣本影像的感測器具有更強的檢測偽造的能力。
藉由利用可用於光學指紋感測器中的有孔擋板層準直器的物理設計，檢測電磁能量的角度分佈是可能的。藉由設計，具有小入射角的電磁能量，也就是說相對於影像感測器之表面法線具有小的角度發散的電磁能量，通過準 直器以傳送到影像感測器之像素，該像素對應於指紋樣本上電磁能量所源自的物理位置。這裡，影像感測器之這些像素被稱為成像像素。通常，成像像素沿著大致平行於影像感測器之表面法線的線與至少一個孔和一給定透鏡對準。以足夠大的入射角向指紋感測器行進的電磁能量可以穿過給定的透鏡，然後穿過不與該透鏡對準的孔，之後它可以入射到影像感測器上的相鄰成像像素之間。這種光通常對指紋樣本成像沒有用，因此被忽略。在這裡描述的實施例中，具有大入射角的電磁能量，即所謂的大角度光，被檢測並用於測量指紋樣本的真實性。通過檢測大角度光，指紋感測器記錄關於樣本的附加資訊，這些資訊可用於確認樣本是真實手指還是偽造手指。
當採用演算法來檢測偽造指紋時，藉由檢測大角度光提供的附加資訊也可以被輸入到演算法中，以提高偽造檢測的準確性。通過利用機器學習演算法，這是非常有價值的，機器學習演算法可以自動比較訓練集之間的差異。由樣本的材料性質引起的角度分佈的變化將可用於機器學習演算法，該演算法將能夠基於影像細節和角度分佈的組合來識別偽造指紋。
在一個實施例中，一種使用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，包括：多個透鏡Lm=0、L1、......LJ-1，具有沿著正交於透鏡L0之透鏡軸線的水平方向的一透鏡間距，每個透鏡具有一寬度；一影像感測器，所述影像感測器包括一像素陣列，所述像素陣列包括多個第一光電二極體Im=0、I1、......IJ-1，所述多個第一光電二極體在所述水平方向上具有等於所述透鏡間距的一第一光電二極體間距，每個第一光電二極體Im之一光敏表面之一中心與每個透鏡Lm之一光 學中心之間的一線形成多個光軸Om=0、O1、......OJ-1中之一光軸Om；位於所述影像感測器與所述多個透鏡之間的至少一個有孔擋板層，所述至少一個有孔擋板層中的每一個位於所述像素陣列上方的各自高度zk處，並且每一個都具有各自的多個孔徑光闌Am=0、A1、......AJ-1，每一個孔徑光闌Am與所述光軸Om成中心對準；包括在所述像素陣列中的多個第二光電二極體Sm=0、S1、......SK-1，所述多個第二光電二極體與所述多個第一光電二極體間插配置，使得第二光電二極體Sm在所述水平方向上位於第一光電二極體Im與第一光電二極體Im+1之間，其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm和未沿著所述光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量；以及至少一個偏振元件，定位成僅使照射所述多個第二光電二極體的電磁能量偏振。
100,300,800,1300,1400:光學指紋感測器
110,310:影像感測器
112,312:像素陣列
114(m),114(0),114(1),114(2),314,314(0),314(1),314(2):第一光電二極體
116,117,117(m),316:光敏表面
118(0),118(1),118(2),318,318(0),318(1),318(2):第二光電二極體
122(0),122(m):中心
124:間距
160A,160B,160C,360A,360B,360C,360D:有孔擋板層
162A,162B,162C:高度
164A(0),164A(1),164A(2),164A(m),164B(0),164B(1),164B(m),164C(1),164C(m),364C(0),364C(1),368D(0),368D(1),368D(2):孔徑光闌
170(0),170(1),170(2),170(m),370(0),370(1),370(2):透鏡
172:透鏡寬度
173,373:透鏡間距
174(0),374:透鏡軸線
176(0),176(m),376(0):光軸
178:接受角
190,192,194:電磁能量射線
198X,198Y,198Z:軸
320:第二光電二極體間距
324:第一光電二極體間距
362A,362B,362C,362D:距離
400,1500:方法
402,404,410,430,432,434,436,460,470,472,1502,1504,1506,1508,1510,1512,1514,1516:框
502:行動裝置
504:蓋玻璃
506,1406:發光層
508:指紋樣本
552,1452:處理器
554,1454:記憶體
556,1456:應用程式
602:反射
702,1414:手指
704:表面
705:基板
706:非偏振光
708:脊位置
709:谷位置
710,712,1206,1302:光
714:空氣/表面介面
715:空氣/手指介面
802,908(1),908(2),908(3):偏振元件
902,904,906:CMOS像素
912,914,916:金屬層
1002:單一孔
1200:多層膜
1202,1204:層
1208:p偏振光
1210:s偏振光
1304:入射光
1402:顯示器
1404:蓋透鏡
1408:基板
1410:黑色背襯
1412:孔
〔圖1A〕和〔圖1B〕圖示了光學指紋感測器之截面側視圖，該光學指紋感測器利用多個第二光電二極體來檢測光以識別偽造指紋。
〔圖2〕是根據一實施例的圖1A和圖1B的光學指紋感測器之一部分的示意性截面圖。
〔圖3〕是根據一實施例的圖1A和圖1B的光學指紋感測器之示意性截面圖，其具有第四有孔擋板層，第四有孔擋板層位於影像感測器之光敏表面上方的小於10微米的位置處。
〔圖4〕是圖示了使用多個防偽造像素來檢測偽造指紋之方法的流程圖，在一些實施例中，該方法可以結合圖1A、圖1B、圖2或圖3的光學指紋感測器來使用。
〔圖5〕圖示了根據一實施例的由安裝在行動裝置的螢幕下方的圖1A和圖1B的光學指紋感測器掃描的手指。
〔圖6A〕和〔圖6B〕圖示了眾所周知的菲涅耳反射方程式。
〔圖7A〕和〔圖7B〕圖示了壓在玻璃基板表面上並由非偏振光從下面照亮的手指。
〔圖8〕圖示了在一個實施例中，用於基於偏振檢測偽造指紋的圖3之光學指紋感測器的截面側視圖。
〔圖9〕顯示三個示例性CMOS像素，每個CMOS像素具有一個第二光電二極體和一個實施為金屬柵格的偏振元件。
〔圖10〕是顯示圖8的光學指紋感測器內的一個示例性一個金屬層的平面立視圖，其在一些實施例中實施偏振元件之陣列。
〔圖11〕是圖示一些實施例中配置有圖10的偏振元件之陣列的圖 8的影像感測器的截面A-A。
〔圖12〕是圖示在一些實施例中實施為區分偏振光與非偏振光的多層膜1200(例如，多層塗層)的偏振元件802之示意圖。
〔圖13〕是圖示在實施例中使用圖12的多層膜的一個示例性光學指紋感測器之示意圖。
〔圖14〕是圖示一些實施例中的圖8的光學指紋感測器之一個示例性顯示器下應用的功能圖。
〔圖15〕是圖示一些實施例中使用偏振進行光學指紋感測器偽造檢測的一個示例性方法之流程圖。
本說明書中提到的“一個示例”或“一個實施例”意味著結合該示例描述的特定特徵、結構或特性包括在本發明的至少一個示例中。因此，短語“在一個示例中”或“在一個實施例中”在本說明書各處的出現不一定都指同一示例。此外，在一個或多個示例中，特定的特徵、結構或特性可以以任何合適的方式組合。
為了便於描述，本文中可以使用空間上相對的術語，例如“下方”、 “之下”、“下”、“下面”、“上方”、“上”等，來描述如附圖中所示的一個元件或特徵與另外的(一個或多個)元件或特徵的關係。應當理解，除了附圖中描繪的朝向之外，空間相對術語旨在包括使用或操作中裝置的不同朝向。例如，如果附圖中的裝置被翻轉，那麼被描述為在其他元件或特徵“之下”或“下方”或“下面”的元件將被定向在其他元件或特徵的“上方”。因此，術語“之下”和“下面”可以包含上方和下方兩個朝向。該裝置可以以其他方式定向(旋轉90度或以其他朝向)，並且在本文中使用的空間相對描述語被相應地解釋。此外，還應當理解，當一個層被稱為在兩個層“之間”時，它可以是兩個層之間的唯一層，或者也可以存在一個或多個中間層。
術語半導體基板可以指使用諸如矽、矽-鍺、鍺、砷化鎵及其組合的半導體形成的基板。術語半導體基板也可以指由一種或多種半導體形成的基板，其經歷了在基板中形成區域及/或接面(junctions)的先前製程步驟。半導體基板還可以包括各種特徵，例如摻雜和未摻雜的半導體、矽磊晶層以及形成在基板上的其他半導體結構。
在整個說明書中，使用了幾個技術術語。這些術語將採用它們在所屬領域中的普通含義，除非在本文中特別定義或者它們使用的上下文清楚地表明不是這樣。應當注意，在本文中，元素名稱和符號可以互換使用(例如，Si與矽)；然而，兩者具有完全相同的含義。
圖1A和圖1B圖示了光學指紋感測器100之截面側視圖，光學指紋 感測器100利用多個第二光電二極體118(m)來檢測電磁能量以識別偽造指紋。圖1A和圖1B所示的截面係平行於由正交軸198X和198Z形成的平面，在下文中稱為x-z平面，軸198X和198Z均與軸198Y正交。由正交軸198X和198Y形成的平面(下文稱為x-y平面)，和平行於x-y平面的平面被稱為水平面。除非另有規定，本文中物體之高度是指物體沿軸198Z的範圍。在本文中，對軸x、y或z的提及分別指軸198X、198Y和198Z。此外，在本文中，寬度指的是物體沿x軸的範圍，深度指的是物體沿y軸的範圍，厚度(或薄度)指的是物體沿z軸的範圍，而垂直指的是沿z軸的方向。此外，在本文中，上方指的是在正方向上沿著軸198Z離開一段距離的相對位置，而下方指的是在負方向上沿著軸198Z離開一段距離的相對位置。圖1A和圖1B最好一起查看。
光學指紋感測器100包括多個透鏡170(m)、影像感測器110和至少一個有孔擋板層160A、160B和160C。多個透鏡170(m)包括J個透鏡170(m=0)、170(1)、170(2)、......170(J-1)。每個透鏡170(m)具有透鏡寬度172，並且多個透鏡170(m)具有沿著水平方向的透鏡間距173。在圖1A和圖1B中的水平方向，透鏡寬度172和透鏡間距173相等，但是透鏡寬度172可以小於透鏡間距173，而不脫離本發明的範圍。透鏡170(0)具有平行於軸198Z的透鏡軸線174(0)。多個透鏡170(m)位於影像感測器110之光敏表面116上方。影像感測器110包括像素陣列112，像素陣列112包括多個第一光電二極體114(m)，多個第一光電二極體114(m)包含J個光電二極體114(m=0)、114(1)、114(2)、......114(J-1)。多個第一光電二極體114(m)具有第一光電二極體間距124，在圖1A和圖1B所示的實施例中，在水平方向上，第一光電二極體間距124等於透鏡間距173。連接每個透鏡170(m)之光學中心與 每個第一光電二極體114(m)之光敏表面117之中心122(m)的線係形成多個光軸176(m)中的一個光軸176(m)。在一個實施例中，多個光軸176(m)中的每個光軸垂直於光敏表面116，並且每個透鏡170(m)具有與各自的第一光電二極體114(m)的光軸176(m)對準的透鏡軸線174(0)。在一個實施例中，每個透鏡170(m)之光軸176(m)取決於透鏡170(m)之水平位置。在所謂的“扇出”(fan-out)設計中，在像素陣列112之中心附近與光電二極體114(m)對準的透鏡170(m)，具有基本上垂直於光敏表面116的光軸176(m)，但是在像素陣列112之邊緣附近與光電二極體114(n)對準的透鏡170(n)，具有相對於光敏表面116之表面法線成角度的光軸176(n)。在圖1A和圖1B所示的實施例中，每個透鏡170(m)與對應的第一光電二極體114(m)之間的距離，係沿著透鏡170(m)之焦距而配置，使得從正z方向入射到透鏡170(m)上並平行於光軸176(m)的準直電磁能量將聚焦到第一光電二極體114(m)之中心122(m)，例如122(0)。多個第一光電二極體114(m)記錄從指紋樣本反射的光，然後用於產生指紋影像。在一個實施例中，每個第一光電二極體114(m)是包括多於一個光電二極體的像素陣列112之一子陣列。
每個有孔擋板層160A、160B和160C位於多個透鏡170(m)與影像感測器110之間。至少一個有孔擋板層160A、160B和160C中的每一個位於像素陣列112上方的各自高度162處。圖1A和圖1B所示的實施例包括三個有孔擋板層160A、160B和160C，它們在像素陣列112上方的高度分別為162A、162B和162C。光學指紋感測器100可以具有更多或更少的有孔擋板層160A、160B和160C，而不脫離本發明的範圍。像素陣列112上方的每個有孔擋板層160A、160B和160C的相對間隔和高度是為了說明的目的，並不意謂著限制光學指紋感測器100內有孔擋 板層160A、160B和160C的可能配置。
每個有孔擋板層160A、160B和160C具有各自的多個孔徑光闌164M(m)，實施例中M=A,B,C,D，例如M=A其包含J個孔徑光闌164A(m=0)、164A(1)、164A(2)、......164A(J-1)。每個孔徑光闌164M(m)係沿著對應的光軸176(m)而與給定的第一光電二極體114(m)成中心對準。例如，有孔擋板層160A之孔徑光闌164A(0)、164A(1)和164A(2)係與各自的光軸176(0)、176(1)和176(2)成中心對準。為了圖示清楚，一些光軸沒有圖示。在圖1A和圖1B所示的實施例中，孔徑光闌164A(1)、164B(1)和164C(1)係與光軸176(1)(為了圖示清楚起見未圖示)成中心對準。
像素陣列112包括多個第二光電二極體118(m)，其包含k個光電二極體118(m=0)、118(1)、118(2)、......118(k-1)。多個第二光電二極體118(m)與多個第一光電二極體114(m)間插配置(intercalated)，使得第二光電二極體118(m)在水平方向上位於第一光電二極體114(m)與第一光電二極體114(m+1)之間。每個第二光電二極體118(m)被配置以檢測電磁能量，其穿過透鏡Lm和未沿著光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m。這在圖1B中圖示。電磁能量射線190穿過透鏡170(m=0)並穿過孔徑光闌164C(m=1)。另一條電磁能量射線192穿過透鏡170(m=0)並穿過孔徑光闌164A(m=1)、164B(m=1)和164C(m=2)。電磁能量射線190和192都被多個第二光電二極體118(m)中的第二光電二極體(分別為118(1)和118(2))檢測到。在一個實施例中，每個第二光電二極體118(m)是包括多於一個光電二極體的像素陣列112之一子陣列。
由多個第二光電二極體118(m)檢測到的電磁能量，相對於光軸176(m)以大入射角進入光學指紋感測器100。大角度電磁能量在這裡被量化為入射到透鏡170(m)上的入射電磁能量，其入射角相對於光軸176(m)以大於5度發散。
在一個實施例中，有孔擋板層160A、160B和160C中的每一個對於可見電磁能量是不透光的，其例如在多個孔徑光闌164M(m)之相鄰孔徑光闌之間入射在有孔擋板層160A、160B和160C上的光。這減少了光路徑的數量，其光路徑係可以使用的傳入電磁能量並且仍然入射到多個第一光電二極體114(m)上。如先前所討論的，每個有孔擋板層160A、160B和160C有助於光學指紋感測器100記錄指紋樣本之影像。
圖2是光學指紋感測器100之一部分的示意性截面圖，其包括第一光電二極體114(m)、光敏表面117(m)之中心122(m)、連同透鏡170(m)、光軸176(m)、以及分別包括孔徑光闌164A(m)、164B(m)和164C(m)的至少一個有孔擋板層160A、160B和160C之多個區段。
圖2所示的孔徑光闌164A(m)、164B(m)和164C(m)中的每一個係與光軸176(m)成中心對準。每個孔徑光闌164A(m)、164B(m)和164C(m)具有一寬度，使得它們共同傳送入射到透鏡170(m)上的落在接受角178內的電磁能量，接受角178被測量為入射到透鏡170(m)上的射線相對於光軸176(m)的角度發散(angular divergence)。當入射角大於接受角178的電磁能量射線194入射到有孔擋板層160C 上時，其被防止照射第一光電二極體114(m)。在一個實施例中，在至少一個有孔擋板層的每一個上的多個孔徑光闌164M(m)之每個孔徑光闌係在水平面中是圓形的。
圖3是光學指紋感測器300之示意性截面圖，光學指紋感測器300是圖1的光學指紋感測器100的示例。在圖3所示的實施例中，至少一個有孔擋板層360M包括第四有孔擋板層360D，其在影像感測器310之光敏表面316上方的距離362D小於10微米。有孔擋板層360D具有多個孔徑光闌364D(m)，其具有J個孔徑光闌364D(0)、364D(1)、......364D(J-1)(未圖示)，類似於圖1A、圖1B和圖2中所示的那些。有孔擋板層360D還包括多個第二孔徑光闌368D(m)，其具有K個孔徑光闌368D(0)、368D(1)、......368D(K-1)，對於多個第二光電二極體318(m)中之每個第二光電二極體318(m)有一個第二孔徑光闌368D(m)。如圖3所示，每個第二孔徑光闌368D(m)在平行於光軸376(m)的方向上，與各自的第二光電二極體318(m)之光敏表面(未圖示)之中心成中心對準。有孔擋板層360D上的多個第二孔徑光闌368允許多個第二光電二極體318(m)檢測電磁能量，同時進一步限制多個可用路徑，其允許藉由多個第一光電二極體314(m)檢測電磁能量。距離362D可以根據所使用的製造製程和與這些製程相關聯的公差而變化。
在一個實施例中，第一光電二極體314(m)之數量等於第二光電二極體318(m)之數量。因此，透鏡370(m)的數量、每個有孔擋板層360M上的孔徑光闌之數量以及第二孔徑光闌368D(m)之數量也彼此相等，並且與第一光電二極體314(m)之數量和第二光電二極體318(m)之數量相等。更簡潔地說，上面的計數 J和K是相等的。然而，情況不一定如此。第一光電二極體314(m)和第二光電二極體318(m)的相對數量可以變化，而不脫離本發明的範圍。
圖3圖示了一個實施例，其中多個第二光電二極體318(m)具有第二光電二極體間距320，其等於第一光電二極體間距324且等於在水平方向上的透鏡間距373。然而，第一光電二極體間距324和第二光電二極體間距320不需要相等，並且一些實施例可以具有相對於第一光電二極體間距324更大或更小的第二光電二極體間距320，而不脫離本發明的範圍。在一個實施例中，每個第二光電二極體318(m)比每個第一光電二極體314(m)更寬及/或具有更大的深度。每個第一光電二極體314(m)相對於每個第二光電二極體318(m)的寬度和深度可以變化，而不脫離本發明的範圍。
圖4是圖示了使用多個防偽造像素來檢測偽造指紋之方法400的流程圖。方法400可以由圖1A、圖1B、圖2和圖3的光學指紋感測器100或300中的任何一種來實施。方法400包括框(blocks)410、460和470。在一些實施例中，方法400還包括框402、404、430、432、434、436和472中的至少一個。
在框410中，檢測入射到像素陣列之多個防偽造光電二極體上的大角度光。大角度光是相對於防偽造光電二極體之光軸的入射角大於5度的入射電磁能量。多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯配置，使得多個防偽造光電二極體中之每個防偽造光電二極體位於多個成像光電二極體中之相鄰成像光電二極體之間。在框410的示例中，電磁能量射線190和192係由多個第二 光電二極體118(m)中之第二光電二極體(分別為118(1)和118(2))檢測。
在框460中，至少部分地基於檢測到的大角度光來確定電磁能量之角度分佈。在框460之一個示例中，至少部分地藉由多個第二光電二極體118(m)檢測到的電磁能量射線190和192來確定電磁能量的角度分佈。
在框470中，至少部分地基於電磁能量之角度分佈來檢測偽造指紋。
在某些實施例中，方法400包括圖4的流程圖中之一個或多個附加框。在框402中，用來自顯示器的電磁能量照亮指紋樣本，並且多個防偽造光電二極體和多個成像光電二極體係定位在顯示器的玻璃下方。實施框402之裝置之一個示例在下面描述的圖5中圖示。在框404中，指紋樣本被不均勻的照明圖案所照亮，這有助於框460中所述的確定電磁能量之角度分佈。
在框430中，檢測入射到像素陣列之多個成像光電二極體上的小角度光，小角度光是相對於防偽造光電二極體之光軸的入射角小於5度的射入電磁能量。在框430之示例中，電磁能量係通過透鏡170(0)傳送，然後在藉由第一光電二極體114(0)檢測之前，穿過孔徑光闌164A(0)、164B(0)和164C(0)。
框430可以包括框432，在框432中，至少部分地基於檢測到的小角度光來確定電磁能量之角度分佈。在框432之一個示例中，電磁能量之角度分佈 至少部分地基於(i)被第一光電二極體114(0)檢測到之前，其傳播通過透鏡170(0)然後穿過孔徑光闌164A(0)、164B(0)和164C(0)的電磁能量，以及(ii)由圖1B的多個第二光電二極體118中(m)之第二光電二極體(分別為118(1)和118(2))檢測到的電磁能量190和192來確定。
在框434中，使用至少一個有孔擋板層來防止大角度光照射多個成像光電二極體。在框434之示例中，電磁能量射線194被有孔擋板層160A阻止到達第一光電二極體114(m)，如圖2所示。
在框436中，用多個透鏡引導小角度光，其中透鏡將小角度光向多個成像光電二極體中之一個成像光電二極體以引導。在框436之示例中，電磁能量係通過透鏡170(0)傳送，然後，在被第一光電二極體114(0)檢測之前，穿過孔徑光闌164A(0)、164B(0)和164C(0)，如圖1A所示。
在框472中，將至少一種匹配演算法應用於檢測到的大角度光。在一個實施例中，至少一種匹配演算法包括機器學習演算法。
圖5顯示安裝在行動裝置502中顯示器下方的光學指紋感測器100，顯示器包括蓋玻璃504和發光層506。光學指紋感測器100可用以掃描指紋樣本508，光學指紋感測器100在右邊的插圖中更詳細地示出。在一個實施例中，行動裝置502可以是行動電話、平板電腦或其他具有顯示器的電子裝置。在一個實施例中，發光層506用不均勻的照明圖案來照亮指紋樣本508，不均勻的照明圖案 包括以下各項中的一種或多種：(i)交替的亮線和暗線，(ii)正方形照明斑(spots)，以及(iii)僅照亮指紋樣本之部分，例如僅照亮指紋樣本之一個邊緣。不均勻的照明圖案有助於確定指紋樣本508發出的角度分佈。
電子裝置502包括至少一個處理器552，通信地耦合到顯示器、光學指紋感測器100/300和儲存應用程式556(例如，軟體/韌體)之記憶體554，應用程式556包括機器可讀指令，當由處理器552執行時，機器可讀指令控制顯示器和光學指紋感測器100/300以捕獲鄰近光學指紋感測器100/300而觸摸蓋透鏡504的手指508之影像，以檢測指紋樣本508是偽造指紋的情況。
使用偏振的防偽造
根據光學幾何，指紋影像具有不同的偏振程度。到達影像感測器(例如110)的光的偏振之一個原因是以較大入射角的反射。圖6A和圖6B圖示了眾所周知的菲涅耳反射，其描述了介面處的反射效果。特別地，橫向偏振(s偏振)光在較大角度下具有比平行偏振(p偏振)光高得多的反射(參見圖6B的602)，並且發生在反射幾何主要是平面的(鏡面反射)而不是漫射的表面和區域。因此，反射光是高度偏振的，而透射(折射)光是部分偏振的。
圖7A和圖7B顯示壓在基板705(例如，玻璃)之表面704上，並由非偏振光706從下方照亮的手指702，其中菲涅耳效應導致脊位置708與谷位置709之間的不同偏振。非偏振光706處於大入射角。對於手指702與表面704接觸的脊位置708，大部分非偏振光706傳送到手指702中並漫散射，使得離開手指702並返 回到檢測器的光710保持非偏振，因為漫散射阻止了偏振之主取向(primary orientation)。然而，在谷位置709處，大部分非偏振光706被鏡面反射為光712。在谷位置709，部分非偏振光706在空氣/表面介面714被反射。然而，甚至在谷位置709處穿過空氣傳送到手指702的那部分光在空氣/手指介面715處也具有鏡面反射。在這些鏡面條件下，到達檢測器(例如，類似於圖3的影像感測器310的一影像感測器)的光被偏振，並且偏振程度取決於非偏振光706之入射角，並且可以取決於其他因素(例如，波長、手指條件等)。
有利的是，相對於手指特徵(例如，脊位置708和谷位置709)的偏振差異允許檢測在指紋感測器處呈現的相比於真實手指的假手指(fake finger)。例如，假手指具有高度的鏡面反射，但幾乎沒有漫散射。藉由使用影像感測器(例如，圖1A和圖1B的影像感測器110和/或圖3的影像感測器310之一)也適於檢測和測量偏振之程度，這些偏振之程度可以與影像感測器同時捕獲的指紋影像中所捕獲的特徵相關。
圖8圖示了用於基於偏振檢測偽造指紋之光學指紋感測器800的截面側視圖。光學指紋感測器800是圖3的光學指紋感測器300之另一個實施例，類似特徵的描述不再重複。
光學指紋感測器800還包括相對於第二光電二極體318(m)定位的多個偏振元件802，使得進入第一光電二極體314(m)的光不受影響。因此，偏振元件802可以形成位於像素陣列312上方的一陣列。在某些實施例中，偏振元件 802之陣列形成為有孔擋板層360D之一部分。與光學指紋感測器300一樣，僅光學指紋感測器800之第二光電二極體318(例如，也稱為防偽造像素)用於檢測偏振，因此偏振元件802僅位於第二光電二極體318(m)上方。眾所周知，偏振元件(例如，偏振元件802)可以將非偏振光的強度降低50%。因此，當光學指紋感測器800在顯示器下方使用時，使用影響光進入第一光電二極體314(m)(例如，主感測像素)的偏振元件是不可接受的，因為穿過顯示器的光已經減少，並且需要短的照光時間。因此，光學指紋感測器800的一個優點是只有第二光電二極體318(m)(例如，防偽造像素)被用於檢測偏振，而不是第一光電二極體314(m)(例如，影像像素)。
金屬柵格偏振
在一個實施例中，偏振元件802被實施為線柵(wire grid)。當光穿過平行導體的柵格時，平行於柵格之方向偏振的光被反射，而具有橫向偏振的光被傳送。為了在CMOS像素中實現這種效果，像素之一個或多個金屬層可以被圖案化以形成偏振元件802。圖9顯示三個示例性CMOS像素902、904和906，每個CMOS像素具有一個第二光電二極體318(m)和一個實施為金屬柵格的偏振元件908(m)。偏振元件908(m)可以代表圖8的偏振元件802。在CMOS像素902中，偏振元件908(1)使用單個金屬層912來實施，因為所需的線寬藉由製造來實現。由波長定義的線寬是被過濾的光。然而，某些製造設備可能難以實現所需的線寬。CMOS像素904包括使用兩個金屬層914實施的偏振元件908(2)。CMOS像素906包括使用三個金屬層916實施的偏振元件908(3)。因此，偏振元件908(m)可以由一個或多個金屬層製成。使用多個金屬層可以有益地降低製造要求(fabrication requirements)。在不脫離本發明範圍的情況下，可以使用三個以上的金屬層。
圖10是平面立視圖，其顯示圖8之光學指紋感測器800之金屬層有孔阻擋層360D的一個示例性，其實施了偏振元件802之一陣列。有孔阻擋層360D形成陣列，使得每個偏振元件802與影像感測器310之第二光電二極體318(m)中不同的一個第二光電二極體318對準。有孔擋板層360D還形成對準的多個單一孔1002之第二陣列，使得每個單一孔1002與影像感測器310之第一光電二極體314中不同的一個對準。在圖10的示例中，偏振元件802中之一個不同偏振元件具有不同的方向，以使得各自的第二光電二極體318檢測處於限定的偏振角的光。圖11是圖示配置有有孔擋板層360D的影像感測器310之截面A-A，其中每個偏振元件802位於不同的第二光電二極體318上方，且單一孔1002位於不同的第一光電二極體314上方。
多層膜偏振
圖12是圖示實施為區分偏振光與非偏振光的多層膜1200(例如，多層塗層)之偏振元件802的示意圖。多層膜1200被製造成多個交替的層1202、1204，其中層1202具有與層1204不同的折射率。多個交替的層1202、1204相互堆疊並放大菲涅耳效應，使得以較大入射角入射的光1206主要作為p偏振光1208而傳送，而s偏振光1210被反射。在一個實施例中，偏振元件802係由交替添加的兩種不同類型的層1202和1204所形成，其中層1202具有高折射率，而層1204具有低折射率。在某些實施例中，偏振元件802可以類似於光譜濾波器來實施。在其他實施例中，偏振元件802可以是IR截止濾光器，類似於光學指紋感測器中使用的那些 元件。
圖13是圖示使用圖12的多層膜1200之一個示例性光學指紋感測器1300的示意圖，其中多層膜1200分佈在影像感測器310上(例如，在有孔擋板層360D之頂部上)。光學指紋感測器1300類似於圖8之光學指紋感測器800，但是偏振元件802之陣列被多層膜1200代替。為了方便說明，沒有顯示光學指紋感測器1300的所有元件。
結合限制入射到第一光電二極體314上的光1302的角度的多個孔(例如，有孔阻擋層360之孔)，多層膜1200充當第二光電二極體318(例如，防偽造像素)的偏振器，因為第二光電二極體318上的入射光1304僅發生於較大角度，但是多層膜1200不會引起入射到第一光電二極體314(例如，成像像素)上的光1302的偏振，因為光1302接近法線角度。
圖14是圖示光學指紋感測器1400之一個示例性顯示器下應用的功能圖。光學指紋感測器1400可以代表圖1的光學指紋感測器100、圖3的光學指紋感測器300、圖8和圖11的光學指紋感測器800以及圖13的光學指紋感測器1300中的任何一個。光學指紋感測器1400係位於電子裝置1450(例如，智慧手機、平板電腦、筆記型電腦等)之顯示器1402下方，並且可以用於對電子裝置1450的使用者進行生物特徵身份認證。顯示器1402可以包括蓋透鏡(cover lens)1404、發光層1406(例如，OLED層)、基板1408和黑色背襯(black backing)1410。黑色背襯1410可以包括與光學指紋感測器1400對準的孔1412，以允許光到達光學指紋感測器 1400。從顯示器1402入射到光學指紋感測器1400上的光(例如，入射光)具有寬的角度分佈。例如，可以控制顯示器1402在手指1414下方發光，使得由手指1414反射和折射的光被光學指紋感測器1400感測到。
電子裝置1450包括至少一個處理器1452，通信地耦合顯示器1402、光學指紋感測器1400和儲存應用程式1456(例如，軟體/韌體)的記憶體1454，應用程式1456包括機器可讀指令，當由處理器1452執行時，機器可讀指令控制顯示器1402和光學指紋感測器1400捕獲鄰近光學指紋感測器1400觸摸蓋透鏡1404的手指1414的影像，以檢測手指1414何時是假的。
在操作的一個示例中，應用程式1456控制顯示器1402在相對於光學指紋感測器1400的某些位置以輸出某些波長(例如，多個顏色)的一光的圖案，使得到達光學指紋感測器1400的入射光被限制在光學指紋感測器1400上的較大入射角。例如，應用程式1456可以在顯示器1402上產生一圖案，以在手指1414上形成一照明邊緣。對於藉由顯示器1402上的圖案照亮的區域附近但在其外部的第二光電二極體318(例如，防偽造像素)，入射光係以較大的入射角入射。在某些實施例中，應用程式1456可以控制顯示器1402輸出一系列圖案，對於每個圖案，使用第一光電二極體314捕獲指紋影像，並使用第二光電二極體318進行偏振測量。例如，一系列圖案可以有效地相對於手指1414移動光源，使得第二光電二極體318中不同的第二光電二極體捕獲來自手指1414之不同區域的較大角度的入射光。
應用程式1456可以包括人工智慧(AI)，人工智慧(AI)包括機器學習演算法，其將產生的照明圖案、捕獲的指紋影像和第二光電二極體318(例如，防偽造像素)之位置，三者中的至少兩個相關。應用程式1456然後可以檢測手指特徵、照明、偏振、照明位置和第二光電二極體318位置之間的各種可能的關係和相關性，這使得能夠進行偽造檢測，例如檢測手指1414是否是真實的。
圖15是圖示使用偏振進行光學指紋感測器偽造檢測之一個示例性方法1500的流程圖。方法1500可以由光學指紋感測器1400且至少部分由應用程式1456實施。例如，框1502、1514和1516可以由應用程式1456實施，而框1504到1512可以由光學指紋感測器1400實施。方法1500包括框1502、1504、1506、1508、1510、1512、1514和1516。
在框1502中，方法1500控制電子裝置之顯示器輸出光的圖案，以照亮在光學指紋感測器附近觸摸顯示器的手指，光學指紋感測器位於顯示器下方。在框1502之一個示例中，應用程式1456控制顯示器1402以輸出一圖案，以照亮在顯示器1402下方而靠近光學指紋感測器1400的位置以觸摸顯示器1402的手指1414。在框1504中，方法1500使用至少一個有孔擋板層，阻擋光以較小的角度照射像素陣列之多個防偽造光電二極體。在框1504之一個示例中，有孔擋板層360阻擋光照射像素陣列312之第二光電二極體318。
在框1506中，方法1500使用至少一個有孔擋板層，阻擋光以較大的入射角照射多個成像光電二極體。在框1506之一個示例中，有孔擋板層360阻 擋光，以較大的角度照射像素陣列312之第一光電二極體314。在框1508中，方法1500使用偏振元件以檢測照射多個防偽造光電二極體的光之偏振。在框1508之一個示例中，僅位於第二光電二極體318附近的線柵偏振元件802，使僅照射第二光電二極體318的光偏振。在框1508之另一個示例中，多層膜1200僅偏振照射第二光電二極體318的較大角度的入射光，而不偏振照射第一光電二極體314的較小角度的入射光。在框1510中，方法1500使用多個防偽造光電二極體以檢測偏振光。在框1510之一個示例中，第二光電二極體318檢測由偏振元件802偏振的光。在框1512中，方法1500使用多個成像光電二極體以檢測光。在框1512之一個示例中，第一光電二極體314檢測來自手指1414的光。
在框1514中，方法1500將較大角度入射的偏振光與較小角度的入射光相關。在框1514之一個示例中，應用程式1456將第二光電二極體318所檢測到的較大角度入射的偏振光與第一光電二極體314所檢測到的較小角度的入射光相關。在框1516中，方法1500至少部分地基於該相關性來檢測偽造指紋。在框1516之一個示例中，應用程式1456實施一種或多種機器學習演算法來確定手指1414是真實的還是偽造的。
在不脫離本發明範圍的情況下，可以對上述方法和系統進行改變。因此，應當注意，包含在以上描述中或者在附圖中示出的內容應當被解釋為說明性的，而不是限制性的。下面的權利要求旨在覆蓋本文描述的所有一般的和特定的特徵，以及就語言而言，可以說落在它們之間的本方法和系統的範圍的所有陳述。
特徵組合
(A1)在第一觀點之中，一種利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，包括：多個透鏡Lm=0、L1、......LJ-1，具有沿著正交於透鏡L0之透鏡軸線的水平方向的一透鏡間距，每個透鏡具有一寬度；一影像感測器，其包括一像素陣列，該像素陣列包括多個第一光電二極體Im=0、I1、......IJ-1，多個第一光電二極體在水平方向上具有等於透鏡間距的一第一光電二極體間距，每個第一光電二極體Im之一光敏表面之一中心與每個透鏡Lm之一光學中心之間的一線形成多個光軸Om=0、O1、......OJ-1之一光軸Om；位於影像感測器與多個透鏡之間的至少一個有孔擋板層，至少一個有孔擋板層中的每一個位於像素陣列上方的各自高度zk處，並且每一個都具有各自的多個孔徑光闌Am=0、A1、......AJ-1，每一個孔徑光闌Am與光軸Om成中心對準；包括在像素陣列中的多個第二光電二極體Sm=0、S1、......SK-1，多個第二光電二極體與多個第一光電二極體間插配置，使得第二光電二極體Sm在水平方向上位於第一光電二極體Im與第一光電二極體Im+1之間，其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm和未沿著光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量；以及至少一個偏振元件，定位成僅使照射多個第二光電二極體的電磁能量偏振。
(A2)在A1的實施例中，至少一個偏振元件包括多個偏振元件之一偏振陣列，每個偏振元件包括一線柵，線柵靠近至少一個有孔擋板層而形成並位於多個第二光電二極體之不同的一個第二光電二極體上方。
(A3)在A1或A2的實施例中，至少一個偏振元件包括由交替的高折射率層和低折射率層形成的一個多層膜，該一個多層膜位於像素陣列上方。
(A4)在A1至A3中任一項的實施例中，在多個孔徑光闌之相鄰孔徑光闌之間，至少一個有孔擋板層中的每一個對於可見電磁能量是不透光(明)的。
(A5)在A1至A4中任一項的實施例中，至少一個孔徑光闌Am沿著光軸Om對準，具有各自的寬度，使得至少一個孔徑光闌Am共同傳送落在一接受角內的電磁能量，接受角被測量為入射在第一光電二極體Im之光敏表面之中心的射線相對於光軸Om的角度發散。
(A6)在A1至A5中任一項的實施例中，在至少一個有孔擋板層之每一個上的多個孔徑光闌中的每一個孔徑光闌在水平面上是圓形的。
(A7)在A1至A6中任一項的實施例中，至少一個有孔擋板層之一具有等於或小於10微米的距離zk，並且具有多個第二孔徑光闌SAm=0、SA1、......SAK-1，每個第二光電二極體Sm具有第二孔徑光闌SAm，每個第二孔徑光闌SAm在平行於光軸Om的方向上與每個第二光電二極體Sm之一光敏表面之一中心成中心對準。
(A8)在A1至A7中任一項的實施例中，至少一個有孔擋板層包括四個擋板層。
(A9)在A1至A8中任一項的實施例中，第一光電二極體之數量J等於第二光電二極體之數量K。
(A10)在A1至A9中任一項的實施例中，多個第二光電二極體在水平方向上具有等於透鏡間距的第二光電二極體間距。
(B1)在第二觀點之中，一種用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，包括：控制電子裝置之一顯示器輸出一光的圖案，以照亮在一光學指紋感測器附近觸摸顯示器的一指紋樣本，該光學指紋感測器包括一像素陣列並位於顯示器下方；阻擋較小角度的光照射像素陣列之多個防偽造光電二極體，該較小角度的光是相對於多個防偽造光電二極體之每個防偽造光電二極體之一光軸的入射角小於5度的電磁能量；過濾入射到多個防偽造光電二極體上的較大角度的光到至少一個偏振方向，該較大角度的光是相對於光軸的入射角大於5度的電磁能量；使用多個防偽造光電二極體以檢測至少一個偏振方向上的較大角度的光；將至少一個偏振方向上的較大角度的光與光的圖案相關；至少部分地基於至少一個偏振方向上的較大角度的光與光的圖案的相關性來確定指紋偽造；以及其中多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯，使得多個防偽造光電二極體中的每個防偽造光電二極體位於多個成像光電二極體中的相鄰成像光電二極體之間。
(B2)在B1的實施例中，光的圖案在手指上形成一照明邊緣。
(B3)在B1或B2的實施例中，控制步驟包括控制顯示器以輸出一系列光的圖案以照亮手指，檢測較大角度的光的步驟包括針對一系列圖案中的每個圖案檢測較大角度的光，相關步驟包括將較大角度的光與每個圖案相關。
(B4)在B1至B3中任一項的實施例中，過濾步驟包括過濾以第一偏振方向入射到多個防偽造光電二極體中之第一組上的較大角度的光，以及過濾以不同於第一偏振方向的第二偏振方向入射到多個防偽造光電二極體中之第二組上的較大角度的光，檢測較大角度的光的步驟包括使用多個防偽造光電二極體中之第一組檢測第一偏振方向上的較大角度的光，以及使用多個防偽造光電二極體中之第二組檢測第二偏振方向上的較大角度的光，相關步驟包括將第一偏振方向上的較大角度的光和第二偏振方向上的較大角度的光與一系列圖案中的每個圖案相關。
(B5)在B1至B4中任一項的實施例中，檢測步驟還包括使用機器學習演算法來學習至少一個偏振方向上的較大角度的光與較小角度的光和用於真實和偽造指紋的光的圖案之間的相關性。
(B6)在B1至B5中任一項的實施例中，檢測偽造指紋的方法更包括：阻擋較大角度的光照射像素陣列之多個成像光電二極體；以及檢測照射多個成像光電二極體的較小角度的光。
(B7)在B1至B6中任一項的實施例中，檢測偽造指紋的方法更包括用多個透鏡引導較小角度的光，每個透鏡將較小角度的光向多個成像光電二極體中之一個成像光電二極體引導。
(B8)在B1至B7中任一項的實施例中，過濾步驟包括過濾以第一偏振方向入射到多個防偽造光電二極體中之第一組上的較大角度的光，以及過濾以不同於第一偏振方向的第二偏振方向入射到多個防偽造光電二極體中之第二組上的較大角度的光，檢測較大角度的光的步驟包括使用多個防偽造光電二極體中之第一組檢測第一偏振方向上的較大角度的光，以及使用多個防偽造光電二極體中之第二組檢測第二偏振方向上的較大角度的光，相關步驟包括將第一偏振方向上的較大角度的光和第二偏振方向上的較大角度的光與光的圖案相關。
100:光學指紋感測器
110:影像感測器
112:像素陣列
114(0),114(1),114(2):第一光電二極體
116,117:光敏表面
118(0),118(1),118(2):第二光電二極體
122(0):中心
124:間距
160A,160B,160C:有孔擋板層
162A,162B,162C:高度
164A(0),164A(1),164A(2),164B(1),164C(1):孔徑光闌
170(0),170(1),170(2):透鏡
172:透鏡寬度
173:透鏡間距
174(0):透鏡軸線
176(0):光軸
198X,198Y,198Z:軸

Claims (18)

  1. 一種利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，包括：多個透鏡Lm=0、L1、......LJ-1，具有沿著正交於該透鏡L0之透鏡軸線的水平方向的一透鏡間距，每個該多個透鏡具有一寬度；一影像感測器，包括一像素陣列，所述像素陣列包括多個第一光電二極體Im=0、I1、......IJ-1，所述多個第一光電二極體在所述水平方向上具有等於所述透鏡間距的一第一光電二極體間距，每個該第一光電二極體Im之一光敏表面之一中心與每個該透鏡Lm之一光學中心之間的一線形成多個光軸Om=0、O1、......OJ-1之一光軸Om；至少一個有孔擋板層，位於所述影像感測器與所述多個透鏡之間，所述至少一個有孔擋板層中的每一個位於所述像素陣列上方的各自高度zk處，並且每一個都具有各自的多個孔徑光闌Am=0、A1、......AJ-1，每個所述孔徑光闌Am與所述光軸Om成中心對準；多個第二光電二極體Sm=0、S1、......SK-1，包括在所述像素陣列中，所述多個第二光電二極體與所述多個第一光電二極體間插配置，使得所述第二光電二極體Sm在所述水平方向上位於所述第一光電二極體Im與所述第一光電二極體Im+1之間，其中每個該第二光電二極體被配置，以檢測穿過該透鏡Lm和未沿著所述光軸Om與該透鏡Lm對準的至少一個該孔徑光闌Ax≠m的電磁能量；以及至少一個偏振元件，定位成僅使照射所述多個第二光電二極體的電磁能量偏振。
  2. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述至少一個偏振元件包括多個偏振元件之一偏振陣列，每個該至少一個偏 振元件包括一線柵，所述線柵靠近所述至少一個有孔擋板層而形成，並位於所述多個第二光電二極體之不同個上方。
  3. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述至少一個偏振元件包括由交替的高折射率層和低折射率層形成的一多層膜，所述多層膜位於所述像素陣列上方。
  4. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，在所述多個孔徑光闌之相鄰該孔徑光闌之間，所述至少一個有孔擋板層中的每一個對於可見電磁能量為不透光。
  5. 如請求項4所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述至少一個孔徑光闌Am沿著所述光軸Om對準，具有各自的寬度，使得至少一個所述孔徑光闌Am共同傳送落在一接受角內的電磁能量，所述接受角被測量為自光之所述光軸Om之發散角度，該光入射在所述第一光電二極體Im之所述光敏表面之所述中心上。
  6. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，在每個所述至少一個有孔擋板層上的每個所述多個孔徑光闌在水平面上為圓形。
  7. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其 中，所述至少一個有孔擋板層之一具有等於或小於10微米的距離zk，並且具有多個第二孔徑光闌SAm=0、SA1、......SAK-1，對於每個該第二光電二極體Sm，存在該第二孔徑光闌SAm，每個該第二孔徑光闌SAm在平行於所述光軸Om的方向上與每個該第二光電二極體Sm之一光敏表面之一中心成中心對準。
  8. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，該第一光電二極體之數量J等於該第二光電二極體之數量K。
  9. 如請求項1所述的利用偏振進行偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述多個第二光電二極體在所述水平方向上具有等於所述透鏡間距的第二光電二極體間距。
  10. 一種用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，包括：控制電子裝置之一顯示器輸出一光的圖案，以照亮在一光學指紋感測器附近觸摸所述顯示器的一指紋樣本，所述光學指紋感測器包括一像素陣列並位於所述顯示器下方；阻擋較小角度的光照射所述像素陣列之多個防偽造光電二極體，所述較小角度的光是相對於所述多個防偽造光電二極體之每個該防偽造光電二極體之一光軸的入射角小於5度的電磁能量；過濾入射到所述多個防偽造光電二極體上的較大角度的光到至少一個偏振方向，所述較大角度的光是相對於所述光軸的入射角大於5度的電磁能量； 使用所述多個防偽造光電二極體以檢測所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光；將所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案相關；至少部分地基於所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案的相關性來確定所述指紋偽造；以及其中所述多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯配置，使得所述多個防偽造光電二極體中的每個該防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體中之相鄰該成像光電二極體之間。
  11. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，其中，所述光的圖案在手指上形成一照明邊緣。
  12. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，其中，所述控制步驟包括控制所述顯示器以輸出一系列所述光的圖案以照亮手指，所述檢測所述較大角度的光的步驟包括針對所述一系列圖案中的每個圖案，檢測所述較大角度的光，所述相關步驟包括將所述較大角度的光與該每個圖案相關。
  13. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，其中，所述過濾步驟包括過濾以第一偏振方向入射到所述多個防偽造光電二極體中之第一組上的所述較大角度的光，以及過濾以不同於所述第一偏振方向的第二偏振方向入射到所述多個防偽造光電二極體中之第二組 上的所述較大角度的光，所述檢測所述較大角度的光的步驟包括使用所述多個防偽造光電二極體中之所述第一組檢測所述第一偏振方向上的所述較大角度的光，以及使用所述多個防偽造光電二極體中之所述第二組檢測所述第二偏振方向上的所述較大角度的光，所述相關步驟包括將所述第一偏振方向上的所述較大角度的光和所述第二偏振方向上的所述較大角度的光與一系列圖案中的每個圖案相關。
  14. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，其中，所述檢測步驟還包括使用機器學習演算法學習所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述較小角度的光，和用於真實和偽造指紋的光圖案間的相關性。
  15. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，更包括：阻擋該較大角度的光照射所述像素陣列之所述多個成像光電二極體；以及檢測照射所述多個成像光電二極體的所述較小角度的光。
  16. 如請求項15所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，更包括用多個透鏡引導所述較小角度的光，每個所述透鏡將所述較小角度的光導引到所述多個成像光電二極體中之一個所述成像光電二極體。
  17. 如請求項10所述的用於檢測使用光學指紋感測器和偏振檢測到的偽造指紋之方法，其中，所述過濾步驟包括過濾以第一偏振方向入射到所述多個防偽造光電二極體中之第一組上的所述較大角度的光，以及過濾以不同於所述第一偏振方向的第二偏振方向入射到所述多個防偽造光電二極體中之第二組上的所述較大角度的光，所述檢測所述較大角度的光的步驟包括使用所述多個防偽造光電二極體中之所述第一組檢測所述第一偏振方向上的所述較大角度的光，以及使用所述多個防偽造光電二極體中之所述第二組檢測所述第二偏振方向上的所述較大角度的光，所述相關步驟包括將所述第一偏振方向上的所述較大角度的光和所述第二偏振方向上的所述較大角度的光與所述光的圖案相關。
  18. 一種使用位於電子裝置顯示器下光學指紋感測器偵測偽造指紋之方法，該電子裝置包含多個成像光電二極體及多個防偽造光電二極體的像素陣列，該方法包括：控制該顯示器輸出一光的圖案，以照亮在一光學指紋感測器附近觸摸所述顯示器的一指紋樣本；阻擋較小角度的光照射所述像素陣列之該多個防偽造光電二極體；阻擋較大角度的光照射所述像素陣列之該多個成像光電二極體；在至少一偏振方向上偏振光入射到該多個防偽造光電二極體上；使用該多個防偽造光電二極體偵測在該至少一偏振方向上的光；使用該多個成像光電二極體偵測光；將所述至少一個偏振方向上具有光圖案之一的光與所述使用該多個成像光電二極體所偵測光相關； 至少部分地基於所述至少一個偏振方向上的所述較大角度的光與所述光圖案的相關性確定所述指紋偽造；以及決定所述指紋偽造，基於位於該至少一偏振方向及該光圖案之一，與使用該多個成像光電二極體所偵測光的至少一部分相關；其中所述多個防偽造光電二極體與多個成像光電二極體交錯配置，使得所述多個防偽造光電二極體中的每個該防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體中之相鄰該成像光電二極體之間。
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