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TWI867331B - 具有顏色選擇的防偽造光學指紋感測器方法和硬體 - Google Patents

具有顏色選擇的防偽造光學指紋感測器方法和硬體 Download PDF

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TWI867331B
TWI867331B TW111133566A TW111133566A TWI867331B TW I867331 B TWI867331 B TW I867331B TW 111133566 A TW111133566 A TW 111133566A TW 111133566 A TW111133566 A TW 111133566A TW I867331 B TWI867331 B TW I867331B
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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

一種具有偽造檢測的光學指紋感測器包括：多個透鏡；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中心與每個透鏡之一光學中心之間的一線形成一光軸；至少一個有孔擋板層，其定位在影像感測器和多個透鏡之間，每個有孔擋板層具有各自的多個孔徑光闌，每個孔徑光闌與光軸成中心對準；多個第二光電二極體，與多個第一光電二極體間插配置；以及，一彩色濾光器層，位於像素陣列和多個透鏡之間，所述彩色濾光器層包括多個彩色濾光器，定位為使得每個第二光電二極體被配置為檢測通過透鏡、彩色濾光器和未沿著光軸對準的至少一個孔徑光闌的電磁能量。

Description

具有顏色選擇的防偽造光學指紋感測器方法和硬體
本發明涉及一種光學指紋感測器，特別是一種具有顏色選擇的防偽造光學指紋感測器方法和硬體。
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。
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。
在一個實施例之中，一種具有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；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；彩色濾光器層，所述彩色濾光器層位於所述圖像感測器和所述多個透鏡之間，所述彩色濾光器層包括定位在由所述多個第二光電二極體中的一個而不是所述多個第一光電二極體中的一個檢測到的電磁能的路徑中的多個彩色濾光器；其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm、一彩色濾光器和未沿著所述光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量。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。
在一個實施例之中，一種用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，包括：檢測在通過彩色濾光器之後入射在一像素陣列之多個防偽造光電二極體上的大角度光，所述大角度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大於5度的電磁能量；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之每個防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體之相鄰成像光電二極體之間；至少部分地基於檢測到的所述大角度光來確定電磁能量之角度分佈；以及，至少部分地基於電磁能量之所述角度分佈和光譜資訊來檢測偽造指紋。
100,200,300,400,500:光學指紋感測器
110,310:影像感測器
112,312:像素陣列
114(0),114(1),114(2),314(0),314(1),314(2):第一光電二極體
116,117,316:光敏表面
118(0),118(1),118(2),318(0),318(1),318(2):第二光電二極體
122(0):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),164B(0),164B(1),164C(1),164C(2),364C(0),364C(1), 368D(0),368D(1),368D(2):孔徑光闌
170(0),170(1),170(2),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),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,362E:距離
402(0),402(1),402(2),402(3),502(0),502(1),502(2),502(3):彩色濾光器層
404,406,408,410:電磁能量
600:方法
602,604,610,630,632,634,636,660,670,672:框
702:行動裝置
704:蓋玻璃
706:發光層
708:指紋樣本
752:處理器
754:記憶體
756:應用程式
〔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〕是根據一實施例的圖3的光學指紋感測器之示意性截面視圖，光學指紋傳感器具有在兩個有孔擋板層之間的彩色濾光器層。
〔圖5〕是根據一實施例的圖3的光學指紋感測器之示意性截面圖，其具有彩色濾光器層，彩色濾光器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6〕是圖示在一個實施例中的使用具有彩色濾光器的多個防偽造像素來檢測偽造指紋之方法的流程圖，該方法可以結合圖4或圖5的光學指紋感測器來使用。
〔圖7〕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。
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、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(m)。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(m)對準的透鏡170(m)，具有相對於光敏表面116之表面法線成角度的光軸176(m)。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)。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、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、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、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、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160的可能配置。
每個有孔擋板層160A、160B、160C具有各自的多個孔徑光闌164M(m)，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、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、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、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368D(m)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360D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是光學指紋感測器400之示意性截面視圖，其係圖3的光學指紋感測器300之一示例。在這兩個圖中共有的附圖標記指示相同的特徵。在圖4所示的實施例中，有孔擋板層360A、360B形成包括彩色濾光器層402(m)之一光學堆疊。如上所述，每個有孔擋板層360A、360B具有多個孔徑光闌，如圖1A、圖1B、圖2和圖3中圖示的那些。為清楚起見，孔徑光闌未在圖4中顯示。有孔擋板層360D還包括多個第二孔徑光闌368D(m)，多個第二孔徑光闌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)之一光敏表面(未圖示)之一中心成中心對準，如圖3所示。有孔擋板層360D上的多個第二孔徑光闌368D(m)允許多個第二光電二極體318(m)檢測電磁能量，同時進一步限制允許多個第一光電二極體314(m)檢測電磁能量的可用路徑。因此，距離362D可以根據所使用的製造製程和與這些製程相關的公差而略有改變。
在圖4中，彩色濾光器層402(m)係顯示於像素陣列312上方的高度362E處。在一些實施例中，彩色濾光器層402(m)可以位於其他高度的位置，例如位於有孔擋板層360A和360B之間。通常，彩色濾光器層402(m)形成在有孔擋板層360M之光學堆疊中的位置處，該位置位於僅有被第二光電二極體318(m)接收的較大角度的光之光路徑中。在用於第一光電二極體314(m)的主成像光學元件中使用彩色濾光器可能會使用於指紋匹配的主影像劣化和複雜化。在圖4的一些實施例中，彩色濾光器以這樣的方式定位在光學堆疊內：它們過濾照射第二光電二極體318(m)的電磁能量，並且不干擾用第一光電二極體314(m)檢測到的主指紋影像的光路徑。
可以使用不同光譜透射的濾光器層以測量電磁能量404、406、408和410之光譜。例如，濾光器402(0)和402(2)傳送藍色譜帶(例如，430nm至490nm的波長範圍)。濾光器402(1)和402(3)傳送綠色譜帶(例如，490nm至570nm的波長範圍)，或者也可以使用中性濾光器。像素陣列上的彩色濾光器之圖案為防偽造檢測提供了附加的資訊。如圖4所示，電磁能量404在照射第二光電二極體318(1)之前通過一透鏡370(0)和彩色濾光器402(1)。電磁能量408也通過透鏡370(0)，但由於其入射角，其在照射第二光電二極體318(2)之前通過彩色濾光器402(2)。
圖5是光學指紋感測器500之一示意性截面視圖，其係圖3和圖4之指紋感測器300和400的示例。在所有這三個圖中共有的附圖標記指示相同的特徵。在圖5所示的一些實施例中，彩色濾光器層502(m)係位於像素陣列312之表面上方與有孔擋板層360D大致相同的高度362D處。如上文針對圖4所描述的，電磁能量404、406、408和410在照射第二光電二極體318(m)中的一個之前通過彩色濾光器層502(m)。如圖5所示，電磁能量404在照射第二光電二極體318(1)之前通過一透鏡370(0)和彩色濾光器502(2)。電磁能量408也通過透鏡370(0)，但是由於其入射角，其在照射第二光電二極體318(2)之前通過彩色濾光器502(2)。
圖4是圖示了用於使用具有顏色過濾的多個防偽造像素來檢測偽造指紋之方法600的流程圖。方法600可以由圖4和圖5的光學指紋感測器400或500中的任何一種來實施。方法600包括框(blocks)610、660和670。在一些實施例中，方法600還包括框602、604、630、632、634、636和672中的至少一個。
在框610中，檢測在通過彩色濾光器層之後入射在像素陣列的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。彩色濾光器層位於防偽造光電二極體上方的一定距離處，使得僅大角度光通過彩色濾光器。在框610的示例中，電磁能量404和406在通過彩色濾光器402(1)之後被第二光電二極體318(1)檢測到，並且電磁能量408和410在通過彩色濾光器402(2)之後被第二光電二極體318(2)檢測到。
在框660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660之一個示例中，不同光譜範圍的相對回應提供了用於確定電磁能量之角度分佈的附加資訊。
在框670中，至少部分地基於電磁能量之角度分佈來檢測偽造指紋。此外，當電磁能量通過彩色濾光器層402(m)、502(m)時提供的光譜資訊可以與主指紋影像中的特徵相關以改進防偽造檢測。
在某些實施例中，方法600包括圖6的流程圖中之一個或多個附加框。在框602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602之裝置之 一個示例在下面描述的圖7中圖示。在框604中，指紋樣本被不均勻的照明圖案所照亮，這有助於框660中所述的確定電磁能量之角度分佈。
在框630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630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630可以包括框632，在框632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632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(m)中之第二光電二極體(分別為118(1)和118(2))檢測到的電磁能量190和192來確定。
在框634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634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636中，用多個透鏡引導小角度光，其中透鏡導引小角度光朝向多個成像光電二極體中之一個成像光電二極體。在框636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672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。防偽造演算法可以併入來自彩色濾光器層402(m)或502(m)之光譜資訊。
圖7顯示安裝在行動裝置702中一顯示器下方的光學指紋感測器100，顯示器包括一蓋玻璃704和一發光層706。光學指紋感測器100可用以掃描一指紋樣本708，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702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706用不均勻的照明圖案來照亮指紋樣本708，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708發出的角度分佈。
電子裝置702包括至少一個處理器752，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756(例如，軟體/韌體)之記憶體754，應用程式756包括機器可讀指令，當由處理器752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704的指紋樣本708之影像，以檢測指紋樣本708是偽造指紋的情況。
儘管圖7描述了使用的光學指紋感測器100，但是可以類似地安裝 光學指紋感測器200、300、400或500中的任何一個。
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，一種具有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；至少一個有孔擋板層，位於影像感測器與多個透鏡之間，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；以及，彩色濾光器層，所述彩色濾光器層位於所述圖像感測器和所述多個透鏡之間，所述彩色 濾光器層包括定位在由所述多個第二光電二極體中的一個而不是所述多個第一光電二極體中的一個檢測到的電磁能的路徑中的多個彩色濾光器；其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm、一彩色濾光器和未沿著所述光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量。
(A2)在A1的實施例中，彩色濾光器層位於兩個有孔擋板層之間。
(A3)在A1或A2的實施例中，彩色濾光器層位於大約距影像感測器之影像敏感表面等於或小於10微米的距離zk處。
(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所檢測的偽造指紋之方法，包括：檢測在通過彩色濾光器之後入射在一像素陣列之多個防偽造光電二極體上的大角度光，所述大角度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大於5度的電磁能量；其中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之相鄰成像光電二極體之間；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；以及，至少部分地基於電磁能量之角度分佈和光譜資訊來檢測偽造指紋。
(B2)在B1的實施例中，多個防偽造光電二極體和多個成像光電二極體形成在單個像素陣列中。
(B3)在B1或B2的實施例中，該方法更包括檢測入射在像素陣列之多個成像光電二極體上的小角度光，該小角度光是相對於多個成像光電二極體之每個成像光電二極體之一光軸的射入角小於5度的電磁能量。
(B4)在B1至B3中任一項的實施例中，確定步驟更包括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。
(B5)在B1至B4中任一項的實施例中，該方法更包括用多個有孔擋板層防止較大角度的光照射多個成像光電二極體。
(B6)在B1至B5中任一項的實施例中，該方法更包括用多個透鏡引導小角度光，每個透鏡導引小角度光朝向多個成像光電二極體中之一個成像光電二極體。
(B7)在B1至B6中任一項的實施例中，該方法更包括用來自一顯示器的電磁能量照亮一指紋樣本，多個防偽造光電二極體和多個成像光電二極體定位在顯示器之一玻璃下方。
(B8)在B1至B7中任一項的實施例中，該方法更包括用一不均勻的照明圖案照亮指紋樣本。
(B9)在B1至B8中任一項的實施例中，該方法更包括將至少一種防偽造演算法應用於大角度光和相關聯的光譜資訊之檢測。
(B10)在B1至B9中任一項的實施例中，至少一種防偽造演算法包括一種或多種機器學習演算法。
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 (20)

  1. 一種具有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；彩色濾光器層，所述彩色濾光器層位於所述影像感測器和所述多個透鏡之間，所述彩色濾光器層包括定位在由所述多個第二光電二極體中的一個而不是所述多個第一光電二極體中的一個檢測到的電磁能的路徑中的多個彩色濾光器；其中每個第二光電二極體被配置，以檢測穿過透鏡Lm、一彩色濾光器和未沿著所述光軸Om與Lm對準的至少一個孔徑光闌Ax≠m的電磁能量。
  2. 如請求項1所述的具有偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述 彩色濾光器層位於兩個有孔擋板層之間。
  3. 如請求項1所述的具有偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述彩色濾光器層位於大約距所述影像感測器之影像敏感表面等於或小於10微米的距離zk處。
  4. 如請求項1所述的具有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是不透光的。
  5. 如請求項4所述的具有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的射線相對於所述光軸Om的角度發散。
  6. 如請求項1所述的具有偽造檢測的光學指紋感測器，其中，在所述至少一個有孔擋板層之每一個上的所述多個孔徑光闌中的每個孔徑光闌在水平面上是圓形的。
  7. 如請求項1所述的具有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，對於每個第二光電二極體Sm，存在第二孔徑光闌SAm，每個第二孔徑光闌SAm在平行於所述光軸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。
  8. 如請求項1所述的具有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包括四個擋板層。
  9. 如請求項1所述的具有偽造檢測的光學指紋感測器，其中，所述第一光電二極體之數量J等於所述第二光電二極體之數量K。
  10. 如請求項1所述的具有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。
  11. 一種用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，包括：檢測在通過彩色濾光器之後入射在一像素陣列之多個防偽造光電二極體上的大角度光，所述大角度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大於5度的電磁能量；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之每個防偽造光電二極體位於所述多個成像光電二極體之相鄰成像光電二極體之間； 至少部分地基於檢測到的所述大角度光來確定電磁能量之角度分佈；以及至少部分地基於電磁能量之所述角度分佈和光譜資訊來檢測偽造指紋。
  12. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，其中，所述多個防偽造光電二極體和所述多個成像光電二極體形成在單個像素陣列中。
  13. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括檢測入射在所述像素陣列之所述多個成像光電二極體上的小角度光，所述小角度光是相對於所述多個成像光電二極體之每個成像光電二極體之一光軸的射入角小於5度的電磁能量。
  14. 如請求項13所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，其中，所述確定步驟更包括至少部分地基於檢測到的所述小角度光來確定所述電磁能量之角度分佈。
  15. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括用多個有孔擋板層防止較大角度的光照射所述多個成像光電二極體。
  16. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括用多個透鏡引導小角度光，每個透鏡導引小角度光朝向所述多 個成像光電二極體中之一個成像光電二極體。
  17. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括用來自一顯示器的電磁能量照亮一指紋樣本，所述多個防偽造光電二極體和所述多個成像光電二極體定位在所述顯示器之一玻璃下方。
  18. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括用一不均勻的照明圖案照亮所述指紋。
  19. 如請求項11所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，更包括將至少一種防偽造演算法應用於大角度光和相關聯的光譜資訊之所述檢測。
  20. 如請求項19所述的用於檢測使用光學指紋感測器所檢測的偽造指紋之方法，其中，所述至少一種防偽造演算法包括一種或多種機器學習演算法。
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