CN108291838A - 用于显示底板上的集成的光学传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了用于光学成像的***和方法。一种用于对感测区上的生物测量输入对象成像的光学传感器，包括：透明层，其具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；一组孔口，其设置在透明层的第一侧之上；设置在透明层的第二侧之下的第一组反射表面，其配置成接收通过第一组孔口传输的光并且反射所接收的光；设置在透明层的第一侧之上的第二组反射表面，其配置成接收从第一组反射表面反射的光并且进一步反射光；以及多个检测器元件，其放置成接收来自第二组反射表面的进一步反射光。

Description

用于显示底板上的集成的光学传感器
相关申请的交叉引用
本申请要求2015年12月3日提交的、标题为“Display Integrated OpticalFingerprint Sensor with Transparent Layer”的美国临时专利申请序列号62/262863的权益，其全部内容通过引用被特意并入。
本申请还涉及均于2016年3月31日提交的、标题为“Optical Sensor forIntegration in a Display”的美国专利申请序列号15/087955以及标题为“OpticalSensor for Integration Over a Display Backplane”的美国专利申请序列号15/087785，其全部内容通过引用被特意并入。
技术领域
本公开总体上涉及光学传感器，并且更具体地涉及可以被集成到显示堆叠中的光学传感器。
背景技术
对象成像在多种应用中是有用的。作为示例，生物测量识别***对生物测量对象成像以用于认证和/或检验结合识别***的设备的用户。生物测量成像提供可靠的、非入侵的方式来检验个体身份以用于识别的目的。各种类型的传感器可以被用于生物测量成像。
如同各种其它生物测量特性，指纹基于有区别的个人特性并因而提供可靠的机制来识别个体。因而，指纹传感器具有许多潜在的应用。例如，指纹传感器可以用来提供固定应用中的访问控制，所述固定应用诸如安全检查点。指纹传感器也可以用来提供移动设备中的访问控制，所述移动设备诸如蜂窝电话、可穿戴智能设备(例如，智能手表和活动***)、平板计算机、个人数据助理(PDA)、导航设备以及便携式游戏设备。因此，一些应用，特别是关于移动设备的应用，可能要求不但在尺寸上小而且高度可靠的识别***。
大多数市场上买得到的指纹传感器基于光学感测技术或电容性感测技术。大多数移动设备具有电容性传感器，其具有配置成感测指纹的脊和谷特征的感测阵列。典型地，这些指纹传感器检测绝对电容(有时称为“自电容”)或跨电容(有时称为“互电容”)。在任何一种情况中，阵列中的每一个感测元件处的电容取决于是否存在脊或谷而变化，并且这些变化被电气地检测来形成指纹的图像。
尽管电容性指纹传感器提供特定的优点，但大多数市场上买得到的电容性指纹传感器难以通过远距离感测精细的脊和谷特征，从而要求指纹接触接近于感测阵列的感测表面。对于电容性传感器而言，通过厚层检测指纹仍然是重大的挑战，所述厚层诸如是保护许多智能电话和其它移动设备的显示器的厚覆盖玻璃(在本文中有时称为“覆盖透镜”)。为了解决此问题，常常在显示器旁边的区域中在覆盖玻璃中形成切口，并且将分立的电容性指纹传感器(常常与机械按钮集成)放置在切口区域中，使得其可以在不必通过覆盖玻璃进行感测的情况下检测指纹。对于切口的需要使得难以在设备的正面上形成齐平的表面，从而减损用户体验并且使制造复杂化。设备外壳中的孔还会允许水分或污染物进入设备。机械按钮的存在也占据宝贵的设备基板面。
使用光学指纹传感器的方案通常要求光学元件在光到达传感器元件之前对光进行调节。常规的光学元件常常不能够容纳在相对小的空间中可获得的有限的高度范围(诸如在电子设备的显示堆叠中所存在的那样)内。
发明内容
本公开的一个实施例提供了一种用于对感测区上的生物测量输入对象成像的光学传感器。该光学传感器包括透明层，其具有第一侧以及与第一侧相对的第二侧；一组孔口，其设置在透明层的第一侧之上；设置在透明层的第二侧之下的第一组反射表面，其配置成接收通过第一组孔口传输的光并且反射所接收的光；设置在透明层的第一侧之上的第二组反射表面，其配置成接收从第一组反射表面反射的光并且进一步反射光；以及多个检测器元件，其放置成接收来自第二组反射表面的进一步反射光。
本发明的另一个实施例提供了一种包括用于对生物测量输入对象成像的传感器的显示器。该显示器包括：一组显示像素；第一光阻挡层，其具有一组孔口以及第一组反射镜；透明层，其放置在第一光阻挡层之下；放置在透明层之下的反射层，其配置成接收通过一组孔口传输的光并且向第一组反射镜反射所接收的光，第一组反射镜配置成进一步反射来自反射层的反射光；以及一组检测器元件，其放置在透明层之下并且配置成检测来自第一组反射镜的进一步反射光。
本发明的另一个实施例提供了一种用于制作光学指纹传感器的方法。该方法包括在基板之上形成一组检测器元件和第一组镜面化的表面；在该组检测器元件和第一组镜面化的表面之上形成透明层；以及在透明层之上形成光阻挡层，光阻挡层具有一组孔口和第二组镜面化的表面。
附图说明
图1是感测***的示例的框图。
图2A－2C图示了根据不同实施例的用于对输入对象成像的集成在显示器中的传感器的示例。
图3图示了根据实施例的具有光阻挡层的传感器的示例。
图4A－4C图示了根据不同实施例的反射层的示例。
图5A－5B图示了根据不同实施例的制作传感器堆叠的方法以及传感器堆叠的布置。
具体实施方式
以下具体实施方式在本质上是示例性的，而不意在限制本公开或本公开的应用和用途。此外，不存在受前面的技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下具体实施方式中所呈现的任何明示的或暗示的理论所束缚的意图。
转至附图，并且如本文中更加详细地描述的那样，本公开的实施例提供了***和方法来光学地对诸如指纹的输入对象成像。特别地，描述了***和方法，其中光学传感器包括一个或多个反射表面和孔口来限制到达检测器元件的光的角度，使得到达每一个检测器元件的光对应于被成像的对象上的相对小的区域。孔口和反射表面的组合充当折叠的准直器，所述折叠的准直器使显示器中的检测器的厚度最小化。这允许所公开的实施例避免不得不在覆盖层厚度、图像模糊和显示图像质量之间作出折衷选择。
图1是根据本公开的实施例的具有传感器100的示例性感测***的框图。传感器100可以配置成向电子***(也称为“电子设备”)提供输入。电子***的一些非限制性示例包括所有尺寸和形状的个人计算机，诸如台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、电子书阅读器、个人数字助理(PDA)，以及可穿戴计算机(诸如智能手表和活动追踪器设备)。附加的示例电子***包括复合输入设备，诸如包括输入设备100和分离的操纵杆或按键开关的物理键盘。另外的示例电子***包括***设备，诸如数据输入设备(包括遥控器和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏和打印机)。其它示例包括远程终端、信息站和视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等)。其它示例包括通信设备(包括蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体设备(包括记录器、编辑器和播放器，诸如电视机、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。另外，电子***可以是输入设备的主设备或从设备。
传感器100可以实现为电子***的物理部分，或者可以与电子***在物理上分离。根据本公开，传感器100可以集成为电子设备的显示器的部分。视情况而定，传感器100可以使用以下方式中的任何一种或多种来与电子***的部分进行通信：总线、网络和其它有线或无线互连件。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
传感器100配置成感测由一个或多个输入对象140在感测区120中提供的输入。在一个实施例中，输入对象140是手指，并且传感器100实现为指纹传感器(也称为“指纹扫描器”)，所述指纹传感器配置成检测输入对象140的指纹特征。在其它实施例中，传感器100可以实现为脉管传感器(例如，用于手指静脉识别)、手形传感器、或接近传感器(诸如触摸板、触摸屏、和/或其它触摸传感器设备)。
感测区120涵盖传感器100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，在其中传感器100能够检测输入(例如，由一个或多个输入对象140所提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以因实施例而很大地变化。在一些实施例中，感测区120沿一个或多个方向从传感器100的表面延伸到空间中。在各种实施例中，可以由传感器元件位于其内的壳体的表面、由应用在传感器元件或任何壳体之上的面板等来提供输入表面。在一些实施例中，感测区120当被投影到输入设备100的输入表面上时具有矩形形状。
传感器100可以利用传感器部件和感测技术的任何组合来检测感测区120中的用户输入。传感器100包括用于检测用户输入的一个或多个检测器元件(或“感测元件”)。一些实现方式利用感测元件的阵列或者其它规则的或不规则的图案来检测输入对象140。
在本公开中所阐述的输入设备100的光学实现方式中，一个或多个检测器元件检测来自感测区的光。在各种实施例中，所检测的光可以从感测区中的输入对象反射、可以由感测区中的输入对象发射、或者可以是其某种组合。示例光学检测器元件包括光二极管、CMOS阵列、CCD阵列、光二极管、以及其它类型的光传感器，所述其它类型的光传感器配置成检测可见或不可见光谱中的光(诸如红外或紫外光)。光传感器可以是薄膜光检测器，诸如薄膜晶体管(TFT)或薄膜二极管。
一些光学实现方式向感测区提供照射。来自感测区的(一个或多个)照射波长中的反射被检测，以确定对应于输入对象的输入信息。
一些光学实现方式依靠输入对象的直接照射的原理，所述输入对象取决于配置可以或可以不与感测区的输入表面相接触。一个或多个光源和/或光导结构可以用来引导光到感测区。当存在输入对象时，该光从输入对象的表面反射，该反射可以由光学感测元件检测并用来确定关于输入对象的信息。
一些光学实现方式依靠内反射的原理来检测与感测区的输入表面相接触的输入对象。可以使用一个或多个光源来以某一角度引导传输介质中的光，按所述角度光在感测区的输入表面处被内反射，这是由于由感测表面限定的边缘的相对侧处的不同折射率。由输入对象对输入表面的接触使得折射率跨越此边缘而改变，这更改输入表面处的内反射特性。如果使用受抑全内反射(FTIR)的原理来检测输入对象，则常常可以实现较高对比信号。在这样的实施例中，光可以以某一入射角被引导到输入表面，按所述入射角光被完全地内反射，除了在输入对象与输入表面相接触并且使得光部分地传输穿过此界面的情况下。此情况的示例是被引入到由玻璃到空气界面限定的输入表面的手指的存在。人类皮肤与空气相比更高的折射率使得在输入表面处以该界面到空气的临界角入射的光被部分地传输通过手指，其原本会在玻璃到空气界面处被完全地内反射。此光学响应可以由***检测并且用来确定空间信息。在一些实施例中，这可以用来对小尺度指纹特征成像，其中入射光的内反射率取决于是否有脊或谷与输入表面的该部分相接触而不同。
一些实现方式配置成提供跨一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入设备可以具有因实施例而不同的传感器分辨率，其取决于诸如所涉及的特定感测技术和/或所关注的信息的尺度之类的因素。例如，一些生物测量感测实现方式可以配置成检测输入对象的生理特征(诸如手指的指纹脊特征，或者眼睛的血管图案)，其可以利用较高的传感器分辨率，并且可以呈现来自一些接近传感器实现方式的不同的技术考虑，所述接近传感器实现方式配置成检测输入对象关于感测区的位置(诸如手指关于输入表面的触摸位置)。在一些实施例中，由感测元件阵列的物理布置来确定传感器分辨率，其中较小的感测元件和/或较小的节距可以用来限定较高的传感器分辨率。
在一些实施例中，传感器100实现为指纹传感器，所述指纹传感器具有足够高以捕获指纹特征的传感器分辨率。在一些实现方式中，指纹传感器具有足以捕获细节(包括脊的末端和分叉)、方位场(有时称为“脊流”)和/或脊骨架的分辨率。这些有时称为1级和2级特征，并且在示例性实施例中，至少250像素每英寸(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些特征。在一些实现方式中，指纹传感器具有足以捕获更高级特征的分辨率，所述更高级特征诸如为汗孔或边缘轮廓(即，个别脊的边缘的形状)。这些有时称为3级特征，并且在示例性实施例中，至少750像素每英寸(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些更高级特征。
在一些实施例中，指纹传感器实现为放置传感器(也称为“区域”传感器或“静态”传感器)或扫刷传感器(也称为“滑动”传感器或“扫动”传感器)。在放置传感器实现方式中，传感器配置成当用户的手指在感测区上方被保持固定时捕获指纹输入。典型地，放置传感器包括能够在单个帧中捕获所期望的指纹区域的感测元件的二维阵列。在扫刷传感器实现方式中，传感器配置成基于用户的手指和感测区之间的相对移动来捕获指纹输入。典型地，扫刷传感器包括配置成当用户的手指在感测区上方被扫刷时捕获多个帧的感测元件的线性阵列或薄的二维阵列。多个帧然后可以被重构以形成对应于指纹输入的指纹图像。在一些实现方式中，传感器配置成捕获放置和扫刷输入二者。
在一些实施例中，指纹传感器配置成在单个用户输入过程中捕获少于用户的指纹的完整区域(本文中称为“部分”指纹传感器)。典型地，由部分指纹传感器捕获的指纹的所产生部分区域足够用于***来执行来自指纹的单个用户输入(例如，单个手指放置或单个手指扫刷)的指纹匹配。一些部分放置传感器的示例成像区域包括100mm2或更小的成像区域。在另一个示例性实施例中，部分放置传感器具有在20－50mm2的范围中的成像区域。在一些实现方式中，部分指纹传感器具有与成像区域相同尺寸的输入表面。
尽管通常在图1中的指纹传感器的上下文中描述了输入设备，但本公开的实施例包括其它生物测量传感器设备。在各种实施例中，生物测量传感器设备可以配置成捕获用户的生理生物测量特性。一些示例生理生物测量特性包括指纹图案、脉管图案(有时称为“静脉图案”)、掌纹印和手形。
在图1中，处理***110示出为与输入设备100进行通信。处理***110包括一个或多个集成电路(IC)和/或其它电路部件的部分或全部。在一些实施例中，处理***可以配置成操作输入设备的硬件来捕获输入数据，和/或基于由传感器100捕获的输入数据实现生物测量过程或其它过程。
在一些实现方式中，处理***110配置成操作传感器100的传感器硬件来检测感测区120中的输入。在一些实现方式中，处理***包括驱动器电路，所述驱动器电路配置成利用输入设备的感测硬件来驱动信号；和/或接收器电路，所述接收器电路配置成利用感测硬件来接收信号。
例如，用于光学传感器设备的处理***可以包括驱动器电路，所述驱动器电路配置成驱动照射信号到一个或多个LED、LCD背光或其它光源；和/或接收器电路，所述接收器电路配置成利用光学接收元件来接收信号。
在一些实施例中，处理***110包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码和/或类似物。在一些实施例中，处理***110包括用于存储电子可读指令和/或诸如用于生物测量识别的参考模板之类的其它数据的存储器。处理***110可以实现为传感器100的物理部分，或者可以与传感器100在物理上分离。处理***110可以使用总线、网络和/或其它有线或无线互连件来与传感器100的各部分进行通信。在一些实施例中，构成处理***110的部件被定位在一起，诸如靠近传感器100的(一个或多个)感测元件。在其它实施例中，处理***110的部件在物理上是分离的，其中一个或多个部件接近于传感器100的(一个或多个)感测元件，而一个或多个部件在其它位置。例如，传感器100可以是耦合到计算设备的***设备，并且处理***110可以包括软件，所述软件配置成在计算设备的中央处理单元以及与中央处理单元分离的一个或多个IC(可能具有关联的固件)上运行。作为另一个示例，传感器100可以在物理上集成在移动设备中，并且处理***110可以包括作为移动设备的中央处理单元或其它主处理器的部分的电路和/或固件。在一些实施例中，处理***110专用于实现传感器100。在其它实施例中，处理***110执行与传感器关联的功能并且还执行其它功能，诸如操作显示屏、驱动触觉致动器、运行用于电子***的操作***(OS)等。
处理***110可以实现为一组模块，所述模块对处理***110的不同功能进行处理。每一个模块可以包括作为处理***110的部分的电路、固件、软件或者其组合。在各种实施例中，可以使用模块的不同组合。示例模块包括：硬件操作模块，用于操作诸如传感器电极和显示屏之类的硬件；数据处理模块，用于处理诸如传感器信号和位置信息之类的数据；以及报告模块，用于报告信息。另外的示例模块包括：传感器操作模块，其配置成操作(一个或多个)感测元件以检测输入；识别模块,其配置成识别手势，诸如模式改变手势；以及模式改变模块，用于改变操作模式。在一个或多个实施例中，第一和第二模块可以被包括在分离的集成电路中。例如，第一模块可以至少部分地被包括在第一集成电路内，并且分离的模块可以至少部分地被包括在第二集成电路内。此外，单个模块的各部分可以跨多个集成电路。
在一些实施例中，处理***110通过引起一个或多个动作来直接地响应于感测区120中的用户输入(或者没有用户输入)。示例动作包括解锁设备或以其它方式改变操作模式，以及诸如光标移动、选择、菜单导航和其它功能之类的GUI动作。在一些实施例中，处理***110向电子***的某个部分(例如向与处理***110分离的电子***的中央处理***，如果这样的分离中央处理***存在的话)提供关于输入(或者没有输入)的信息。在一些实施例中，电子***的某个部分处理从处理***110所接收的信息，以作用于用户输入，诸如促进完整范围的动作，包括模式改变动作和GUI动作。
例如，在一些实施例中，处理***110操作传感器100的(一个或多个)感测元件，以产生指示感测区120中的输入(或者没有输入)的电信号。处理***110可以在产生提供给电子***的信息的过程中对电信号执行任何适当量的处理。例如，处理***110可以数字化从传感器电极所获得的模拟电信号。作为另一个示例，处理***110可以执行滤波或者其它信号调节。作为又一个示例，处理***110可以减去或者以其它方式计及基线，使得信息反映电信号与基线之间的差。作为又一些示例，处理***110可以确定位置信息、将输入识别为命令、认证用户等。
在一些实施例中，传感器100的感测区120重叠显示屏的有效区域的至少一部分，诸如其中传感器100包括触摸屏界面的实施例和/或配置成检测有效显示区域上方的生物测量输入数据的生物测量感测实施例。例如，传感器100可以包括基本上透明的传感器电极。显示屏可以是能够向用户显示视觉界面的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体、电致发光(EL)或者其它显示技术。显示屏也可以是柔性的或刚性的，并且可以是平的、弯曲的或具有其它几何形状。在一些实施例中，显示屏包括用于TFT电路和/或其它电路的玻璃或塑料基板，其可以用来提供画面和/或提供其它功能性。在一些实施例中，显示设备包括设置在显示电路之上的覆盖透镜(有时称为“覆盖玻璃”)，其也可以提供用于输入设备的输入表面。示例覆盖透镜材料包括诸如化学硬化玻璃之类的光学透明的无定形固体，以及诸如蓝宝石之类的光学透明的晶体结构。根据本公开，传感器100和显示屏可以共享物理元件。例如，一些实施例可以利用相同电学部件中的一些以用于显示画面以及用于输入感测。在一个实施例中，显示设备的一个或多个显示电极可以配置用于显示更新和输入感测二者。作为另一个示例，显示屏可以部分地或整体地由与输入设备通信的处理***110来操作。
图2A图示了光学传感器设备200的示例，所述光学传感器设备200可以被集成在显示器中。该实施例使用光传感器检测器元件202来感测放置于显示器的覆盖玻璃或覆盖透镜之上或附近的输入对象204(例如，指纹)的图像。为了减少模糊并且实现清晰的图像，形成光学路径，所述光学路径使得能够感测传输到检测器元件202的顶侧(要被成像的输入对象的相同侧)的光，如所示出的那样。光学路径由具有接收角θ的接收光锥206表示，并且包括传输路径，所述传输路径在到达检测器元件202之前，通过覆盖层208、限定的孔口210，通过透明层212，首先从反射表面216反射，其次从反射表面214反射。这些特征将光学路径限制在具有小接收角的光的接收光锥206。同样示出的是阻挡层218，其可以在不被孔口210占据的区域中阻隔光；以及反射层220，其可以在不被反射表面216占据的区域中吸收光。由所公开的实施例实现了维持小接收角，并因而使模糊最小化。传感器200还包括各种显示像素或子像素222，其可以呈现变化的颜色并且可以用来输出对用户可见的电子图像显示。
覆盖层208被提供为显示器的部分，以保护显示器的内部部件，所述内部部件诸如检测器元件202以及显示像素或子像素222。覆盖层208的顶部表面224形成感测表面，其提供用于输入对象204的接触区域。将理解的是，感测表面224形成感测区的部分，在其中可以对对象成像。如之前所描述的那样，感测区可以在实际感测表面224之上延伸。为了简明起见，覆盖层208示出为单个层。然而，覆盖层可以包括多个覆盖层或透镜，并且也可以包括附加的部件，所述附加的部件诸如偏光器、滤色器等，其取决于所利用的显示技术的类型而变化。
虽然出于说明性的目的在指纹的上下文中总体上进行了描述，但是输入对象204是任何要被成像的对象。通常地，对象204会具有各种特征。作为示例，对象204具有脊228和谷226。由于它们的凸出的本质，脊228接触感测表面224。谷226可以不接触感测表面224而代替地在输入对象204与感测表面224之间形成空气间隙。可以使用直接照射或通过依靠内反射的原理来对这些特征光学地成像。
在图2A－2C中所示出的示例中，检测器元件202和显示像素222放置在基板238之上。可以使用薄膜半导体制造过程，在与用于像素222的显示底板相同的平面中形成检测器元件202。可替换地，检测器元件202可以放置在与显示像素222不同的平面中，或者检测器元件可以被体现在与任何显示堆叠分离的分立的传感器布置中。
检测器元件202是任何适合类型的光检测器，其配置成检测来自上方的光。适合的检测器元件的示例是互补金属氧化物半导体(CMOS)和电荷耦合设备(CCD)传感器阵列。检测器元件202可以构造为薄膜光检测器，诸如薄膜晶体管(TFT)和/或薄膜光二极管(例如，pn和pin二极管)。显示像素或子像素222可以包括使用在典型显示器中的任何类型的光源，所述光源诸如为发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、液晶显示器(LCD)等。显示像素或子像素222也可以构造为TFT。在特定实施例中，显示像素或子像素222中的每一个可以是显示子像素(例如，红、绿、蓝)或者可以是像素的元素，诸如TFT。虽然显示像素或子像素222以单个平面示出，但是将理解的是，显示像素可以占据多个平面，诸如例如在LCD的情况下，其可以包括TFT、液晶、偏光器、滤色器等。
在特定实施例中，显示像素或子像素222形成光源，其用于将光传输到感测表面224，该光然后被反射并被检测器元件202检测，如以下进一步所描述的那样。然而，将理解的是，诸如光源228之类的分离的光源可以代替或者结合显示像素或子像素222来使用，以提供光源。作为另一个示例，LCD背光可以被用作光源。
阻挡层218限定第一组孔口210。第一组孔口210配置成准许从感测表面反射的特定光传输到透明层212中。阻挡层204可以包括光吸收材料、反射材料和/或遮断光从而除了通过孔口210之外不经过区域的其它材料。而且，将理解的是，阻挡层210可以不覆盖显示器的所有区域。例如，显示像素222之上的区域230可以是透明的，以允许来自显示像素或子像素222的光对于用户是可见的。阻挡层218还包括反射表面214，所述反射表面214可以是例如镜面化的表面，其被放置成反射来自下方的光。虽然阻挡层218示出为具有分立的反射表面214，但是阻挡层可以包括连续的反射表面250，如图2B中所示出的那样。
反射层220放置在透明层212之下，并且包括反射表面216。反射表面216配置成反射光并且可以构造为例如镜面化的表面。虽然反射层220示出为具有分立的反射表面216，但是将理解的是，反射层可以包括连续的反射表面260，如图2C中所示出的那样。反射层220的非反射表面部分可以由光吸收材料制作。
根据本公开，检测器元件202检测光，所述光从感测表面224和/或输入对象204反射并且落在接收光锥206内。这样的光通过孔口210和透明层212传输，然后该光在最终到达检测器元件202之前，首先从反射表面216反射，并且然后进一步从反射表面214反射。落在接收光锥206之外的光通常被阻止达到检测器元件202。
例如，(例如，从显示像素222、分离的光源228和/或背光)传输到覆盖层208中的某些光会变成入射在输入对象204上或输入对象之下的感测表面224上。该入射光转而会以不同强度朝着阻挡层218反射回来。反射光中的一些会被阻止经过阻挡层218，例如，因为该光在层218处被吸收或以其它方式被阻挡，如由光线232所示出的那样。然而，其它反射光会经过第一组孔口210并进入到透明层212中，如由光线234和236所示出的那样。
关于进入透明层212的光，该光中的一些可以在不照到反射表面216上的情况下照到反射层220上，倘若该层是由光吸收材料制作的，则该些光简单地被反射层220吸收，如由光线234所示出的那样。进入透明层212的其它光会照到反射表面216中的一个上，并且会向上朝着阻挡层218被反射回来，其中的一些会照到第二反射表面214上。在从第二反射表面214反射的光中，一些会到达检测器元件202中的至少一个，如由光线236所示出的那样。到达检测器元件202的光的量由接收光锥206限制。接收光锥206的尺寸转而由孔口210的宽度以及反射表面214、216中的一个或二者的宽度所限制。检测器元件202的光检测器表面的宽度也可以用来限制接收光锥。
根据所描述的布置，进入给定检测器元件202的光的方向被限制在具有如图2A－2C中所示出的小接收角θ的接收光锥206，以防止输入对象204的图像的模糊。接收光锥230可以，例如，被限制到少数度。在示例实施例中，接收光锥206对应于检测器元件202。接收角θ确定图像模糊的程度，以及离检测器元件202的最大距离，按照该最大距离输入对象204可以被定位而同时仍然实现给定图像分辨率。如所指明的那样，接收光锥206的尺寸取决于(a)第一孔口210的宽度，(b)反射表面216的宽度，(c)反射表面214的宽度，(d)和/或检测器元件202的光检测器表面的宽度。在各种实施例中，可以调整(a)－(d)中的任何两个或更多个的宽度以限制接收角θ。
出于说明的目的，仅示出了一个具有限定接收光锥206的对应孔口210和反射表面214、216的检测器元件202。将认识到的是，传感器会具有如所需要的那样多的这样的检测器元件202以对输入对象204的所期望区域成像，并且每一个检测器元件202会具有对应的(一个或多个)孔口和(一个或多个)反射表面以限定不同的接收光锥。此外，在示例中，针对显示器的一组显示像素或子像素222示出了一个检测器元件202。然而，检测器元件节距不需要匹配显示像素节距，即每一个像素或每一组子像素不需要具有对应的检测器元件。而且，贯穿整个显示器，检测器元件在布置上可以是交错的，以最小化对漫射光的接收。
图2A中所示出的布置图示了实施例的示例，在所述实施例中透明层212之上的层(阻挡层218)和透明层212之下的层(反射层220)具有分立的反射表面214、216。将认识到的是，反射表面的其它配置是可能的。例如，图2B图示了一个实施例，其中顶部层(即阻挡层218)包括连续的反射表面250，而底部反射层220包括分立的反射表面216。在此实施例中，接收光锥的尺寸可以根据孔口210的宽度、反射表面216的宽度和/或检测器元件202的尺寸来确定。图2C图示了另一个实施例，其中顶部层(即阻挡层218)包括分立的反射表面214，而底部反射层220包括连续的反射表面260。在此实施例中，接收光锥的尺寸可以根据孔口210的宽度、反射表面214的宽度和/或检测器元件202的尺寸来确定。
图3图示了具有阻挡层300的实施例的侧视图，该阻挡层300配置成进一步限制漫射光(例如，不来自接收光锥206之内的光)到达检测器元件202。类似于图2A－2B，该示例包括透明层212之下的反射层220。反射层220包括反射表面216和检测器元件202。顶部阻挡表面300限定孔口210并且包括第二反射表面214。接收光锥206图示了意图到达检测器元件202的光的路径。
除了顶部阻挡表面300之外，布置还包括标号为302a、302b的台阶形的阻挡部分。在该示例中，阻挡部分302a在检测器元件202的平面之上并且基本上垂直于检测器元件202的平面延伸。阻挡部分302b在检测器元件202的平面之上并且基本上平行于检测器元件202的平面延伸。将认识到的是，图3图示了截面以及阻挡部分302a、302b以及部分300可以包围检测器元件202。如所示出的那样，台阶形的阻挡部分302a和302b阻挡大角度光(相对于法向的大角度)到达检测器元件202。这由光线304和308示意性地示出，所述光线304和308落在所期望的接收光锥206之外，但是在缺少台阶形部分302a和302b的情况下，其会(例如，从邻近的孔口)到达检测器元件202，如由所投影的路径306和310所示出的那样。
虽然已经使用台阶形的部分302a和302b描述了图3，但是将理解的是，可以使用其它配置。作为示例，可以消除部分302b。这样的配置仍然会阻挡具有由光线304所示出的路径的漫射光线，同时允许光线308可能地到达检测器元件202。可替换地，顶部阻挡表面300可以横向地延伸足够远，从而阻挡漫射光线304和308到达检测器元件202。
作为又一个可替换方案，阻挡部分302a可以从阻挡部分300一直或基本上一直向下延伸到反射层220。而且，图3中的示例示出了与检测器元件的平面分别相垂直地和相平行地延伸的壁302a和302b。然而，其它取向是可能的。例如，也可以使用倾斜的和/或弯曲的侧壁。如在图2A中所示出的示例的情况下，也可以消除侧墙。
图4A－4B图示了反射层400的示例，所述反射层400可以用在实施例中以减少由到达检测器元件的漫射光引起的噪声。对应于反射表面404的接收光锥402的接收角θ可以通过形成具有光吸收层406的顶部表面408之下的反射表面404(例如，反射镜)的反射层400来收缩。反射层400仅反射进入接收光锥402的光。光接收光锥402(并且因此光接收角θ)可以通过控制反射表面404相对于光反射层400的吸收层406的顶部表面408的位置而调整。
如所示出的那样，光吸收层406可以直接地涂敷在反射表面404上方，如图4A中所示出的那样。可替换地，光吸收层406可以涂敷在透明层410上方，所述透明层410覆盖反射镜404的表面，如图4B中所示出的那样。
反射表面400会将来自接收光锥402之内的光，诸如光线412，向上朝着阻挡层(未示出)反射回来。然而，从落在接收光锥402之外的角度到达反射镜的光，诸如光线414，被光吸收层406阻挡。
图4C图示了当与具有孔口422的阻挡层420结合使用时，结合图4A－4B所描述的反射表面400可以如何被用于控制光接收光锥/角度的示例。所示出的是凹陷到光吸收层406的表面408之下的反射表面404。还示出的是具有孔口422和反射表面428的阻挡层420。
光锥424(以虚线为边界)表示具有光接收角θa的接收光锥，光接收角θa是由反射表面404的宽度和孔口422的宽度所引起的。在光锥424的情况下，具有相对于反射表面404提高的表面408的阻挡层406被忽略。换句话说，对于光锥424而言，假定的是反射表面404的表面和表面408在相同的水平上。如可以看出的那样，与接收光锥424相交的阻挡层406的底侧的区域是相对大的。在所示出的特定示例中，来自光锥424之内的光可以到达反射表面428中的任何部分。
光锥426(以实线为边界)表示具有光接收角θb的接收光锥。在光锥426的情况下，考虑具有相对于反射表面404提高的表面408的阻挡层406。如可以看出的那样，与接收光锥426相交的阻挡层406的底侧的区域与光锥424相比是相对窄的。在所示出的特定示例中，来自光锥426之内的光仅可以到达反射表面428的部分430。如之前所描述的那样，到达反射表面428的光会进一步被朝着检测器元件的平面反射。然而，仅光锥426之内的光会到达反射表面428。因而，反射表面400可以用来控制可以到达检测器元件的光的接收角。
图5A－5B图示了根据本公开可以采用的包括检测器元件、透明层、阻挡层和孔口的传感器布置的示例，连同用于制作和组装的说明性步骤。虽然以特定序列描述了步骤，但是在不背离本公开的范围的情况下，该顺序可以被更改和/或步骤可以被组合或消除，除非在以其它方式是显而易见的情况。
在步骤502中，检测器元件512和反射表面514形成在基板510上。可以使用薄膜半导体制造工艺来形成检测器元件512。反射表面514可以在基板514上形成分立的镜面化的表面或者可以形成连续的反射表面。基板510也可以可选地用光吸收材料516来涂敷，其中在反射表面514上方具有开口。如将认识到的那样，可以在添加检测器元件512之前制造吸收层516，反之亦然。如结合图4A－4C所描述的那样，反射表面514可以相对于光吸收材料516的顶部凹陷。
在步骤504中，透明层518形成在基板510上方。可替换地，步骤502中描述的基板510可以被消除，并且反射表面514、检测器件512、以及(可选地)吸收层516可以被形成为直接粘附到透明层518的底部。在形成透明层518的过程中，光吸收材料也可以选择性地包含于透明层，以形成阻挡层的侧壁，例如，结合图3所描述的侧壁302a和/或302b。
在步骤506中，反射表面520放置在透明层上方。如结合图2A－2B所指明的那样，反射表面520可以是分立的反射表面，或者可以是连续的反射表面。
如步骤508中所示出的那样，光吸收材料522也可以涂敷在透明层518和反射表面520上方。孔口524形成在光吸收材料522中，或者可替换地形成在连续的反射表面中。为了形成阻挡层，诸如图3中所示出的阻挡层300，在形成光吸收性层之前，可以部分地或者完全地蚀刻透明层的部分。如之前所描述的那样，孔口524的宽度、反射表面514的宽度、反射表面520的宽度和/或检测器元件202的光敏表面的宽度的组合限定光接收光锥，光接收光锥准许诸如光线526之类的特定光到达检测器元件512。
在说明各种实施例的过程中，已经示出了示例，其中检测器元件的节距尺寸通常与显示元件的节距尺寸相同。然而，将理解的是，检测器元件与显示元件的节距可以是不同的。另外，将理解的是，孔口和/或检测器像素的布置可以贯穿显示器而交错，以进一步减小噪声到达检测器元件的可能性。易于接收漫射光或噪声的检测器元件在成像过程期间可以被消除或者简单地不被使用。
将进一步理解的是，已经在用于对对象成像的传感器的上下文中总体上描述了布置。然而，本文中所描述的传感器也可以用作触摸传感器。
本文中所引用的包括出版物、专利申请和专利在内的所有参考文献通过引用被特此并入，达到如同每一篇参考文献各自地并且具体地指示为通过引用被并入，并且在本文中作为一个整体被阐述的相同程度。
在描述本公开的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)对术语“一”、“一个”、“所述”和“至少一个”以及类似指示物的使用是要被解释为覆盖单数和复数二者，除非本文中另有说明或者根据上下文明显矛盾。对跟随有一系列的一个或多个项目的术语“至少一个”(例如，“A和B中的至少一个”)的使用是要被解释为意味着从所列出的项目中所选择的一个项目(A或B)或者所列出的项目中的两个或更多项目的任何组合(A和B)，除非本文中另有说明或者根据上下文明显矛盾。除非另有说明，术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”是要被解释为开放性术语(即，意味着“包括，但不限于”)。本文中对值的范围的记载仅仅意在充当单独地指代落在范围内的每一个分离的值的速记方法，除非本文中另有说明，并且每一个分离的值被并入到说明书中，如同其在本文中被单独地记载。
本文中所描述的所有方法可以以任何适合的顺序执行，除非本文中另有说明或者另外根据上下文明显矛盾。除非另有声明，对本文中所提供的任何的以及所有的示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅意在更好地阐明本公开而不引起对本公开的范围的限制。说明书中的语言不应当被解释为将任何非要求保护的元素指示为对于本公开的实践是必要的。
本文中描述了本公开的优选实施例，包括发明人已知的用于执行本公开的最佳模式。当阅读前面的描述时，对于本领域普通技术人员而言，那些优选实施例的变型可以变得显而易见。发明人期望技术人员视情况而定采用这样的变型，并且发明人意在让本公开以与本文中所具体描述的不同的方式来实践。因此，本公开包括其所附权利要求中所记载的主题的所有修改和等同物，如由可适用的法律所准许的那样。而且，本公开涵盖以其所有可能变型的上述元素的任何组合，除非本文中另有说明或者另外根据上下文明显矛盾。

Claims (20)

1.一种用于对感测区上的生物测量输入对象成像的光学传感器，包括：
透明层，其具有第一侧以及与所述第一侧相对的第二侧；
一组孔口，其设置在所述透明层的所述第一侧之上；
设置在所述透明层的所述第二侧之下的第一组反射表面，其配置成接收通过所述第一组孔口传输的光并且反射所接收的光；
设置在所述透明层的所述第一侧之上的第二组反射表面，其配置成接收从所述第一组反射表面反射的光并且进一步反射光；以及
多个检测器元件，其放置成接收来自所述第二组反射表面的进一步反射光。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述检测器元件具有面向所述感测区的顶侧以及与所述感测区相对的底侧，其中所述检测器元件配置成接收来自面向所述感测区的所述顶侧的进一步反射光。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述一组孔口由光阻挡层中的开口限定。
4.根据权利要求3所述的光学传感器，其中所述阻挡层包括光吸收材料。
5.根据权利要求3所述的光学传感器，其中所述光阻挡层包括在所述检测器元件的平面之上并且平行于所述平面的第一部分，以及在至少部分地包围所述检测器元件的区域中的第二部分。
6.根据权利要求5所述的光学传感器，其中所述第二部分位于基本上垂直于所述检测器元件的所述平面的一平面中。
7.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一组反射表面包括镜面化的表面，所述镜面化的表面中的每一个被光吸收材料包围。
8.根据权利要求7所述的光学传感器，其中所述镜面化的表面相对于所述光吸收材料凹陷。
9.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述光学传感器与显示器集成，并且所述显示器的一个或多个显示像素形成光源，所述光源配置成提供由所述检测器元件接收的光。
10.根据权利要求1所述的光学传感器，还包括：
液晶显示器(LCD)背光，其形成光源，所述光源配置成提供由所述检测器元件接收的光。
11.根据权利要求1所述的光学传感器，其中调整下列宽度中的至少两个以限制针对所述检测器元件的光接收角：(a)所述第一组孔口中的所述孔口的宽度，(b)所述第一组反射表面中的所述反射表面的宽度，(c)所述第二组反射表面中的所述反射表面的宽度，以及(d)放置成接收所述进一步反射光的所述检测器元件的表面的宽度。
12.一种包括用于对生物测量输入对象成像的传感器的显示器，所述显示器包括：
一组显示像素；
第一光阻挡层，其具有一组孔口以及第一组反射镜；
透明层，其放置在所述第一光阻挡层之下；
放置在所述透明层之下的反射层，其配置成接收通过所述一组孔口传输的光并且朝着所述第一组反射镜反射所接收的光，所述第一组反射镜配置成进一步反射来自所述反射层的反射光；以及
一组检测器元件，其放置在所述透明层之下并且配置成检测来自所述第一组反射镜的进一步反射光。
13.根据权利要求12所述的显示器，其中所述检测器元件是薄膜光检测器。
14.根据权利要求12所述的显示器，其中调整下列宽度中的至少两个以限制针对所述检测器元件的光接收角：(a)所述一组孔口中的所述孔口的宽度，(b)所述第一组反射镜的宽度，(c)所述反射层中的反射表面的宽度，以及(d)放置成接收所述进一步反射光的所述检测器元件的表面的宽度。
15.根据权利要求12所述的显示器，其中所述反射层包括一组镜面化的表面，所述镜面化的表面中的每一个被光吸收材料包围。
16.根据权利要求12所述的显示器，其中所述光阻挡层包括在所述一组检测器元件的平面之上并且平行于所述平面的第一部分，以及在至少部分地包围所述一组检测器元件的区域中的第二部分，其中所述第二部分位于基本上垂直于所述一组检测器元件的所述平面的一平面中。
17.一种用于制作光学指纹传感器的方法，包括：
在基板之上形成一组检测器元件和第一组镜面化的表面；
在所述一组检测器元件和所述第一组镜面化的表面之上形成透明层；以及
在所述透明层之上形成光阻挡层，所述光阻挡层具有一组孔口和第二组镜面化的表面。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
用光吸收层涂敷所述基板，所述光吸收层具有开口，所述开口在所述检测器元件以及所述第一组镜面化的表面中的至少部分上方。
19.根据权利要求17所述的方法，其中形成所述光阻挡层还包括蚀刻掉所述透明层的部分，并且在所述透明层的经蚀刻部分中形成光吸收层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述透明层的所述经蚀刻部分形成台阶，在所述台阶上形成所述光吸收层的部分。
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