CN108292360A - 指纹感测及校正设备 - Google Patents

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CN108292360A CN201680068133.XA CN201680068133A CN108292360A CN 108292360 A CN108292360 A CN 108292360A CN 201680068133 A CN201680068133 A CN 201680068133A CN 108292360 A CN108292360 A CN 108292360A
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金载浩
金宰亨
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Abstract

本发明提供用于指纹辨识的薄高对比度光学获取***的方法及设备。在一个实施例中，捕获指纹的图像的方法可包含：从一组光源发射光以产生来自所述指纹的散射光；基于所述组光源与所述指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列；激活所述组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；及并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的形貌。

Description

指纹感测及校正设备
相关申请案的交叉参考
本申请案主张2015年11月24日申请的“指纹感测及校正设备(FingerprintSensing and Calibration Apparatus)”的第14/951,312号美国专利申请案的权利，所述案转让给其受让人。前述美国专利申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及指纹检测***的领域。特定来说，本发明涉及用于捕获指纹的图像的方法及设备。
背景技术
各种指纹辨识装置已用于商业及军事应用。许多此类常规指纹辨识装置集中于将所捕获指纹的图案匹配到指纹样本的现有数据库。如果发现匹配，那么指纹被认为有效，但如果未发现匹配，那么指纹被认为无效。
针对移动装置及平台开发的应用程序通常需要安全电子交易，且指纹辨识开始在使此类交易更安全以及方便方面担当重要角色。将常规指纹辨识装置用于移动应用的缺点中的一者是其物理外观尺寸不适合于移动装置及移动平台。装置必须附接到移动装置或嵌入装置内。常规光学指纹获取装置可为巨大的且与移动装置无缝集成可具有挑战性。
因此，可期望具有可解决常规指纹辨识装置的上述问题的用于捕获指纹的图像的方法及设备。
发明内容
本发明提供用于指纹感测设备的方法及***。在一个实施例中，一种捕获指纹的图像的方法可包含：从一组光源发射光以产生来自所述指纹的散射光；基于所述组光源与所述指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列；激活所述组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；及并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的形貌。
在另一实施例中，一种用于捕获指纹的图像的设备包含：像素面板，其具有经配置以被指纹触摸的表面；多个光源，其用于发射光到所述指纹；多个传感器阵列，其用于感测来自所述指纹的散射光；控制器，其经配置以产生控制信号以：从所述多个光源中的一组光源发射光以产生来自所述指纹的散射光；基于所述组光源与所述指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定所述多个传感器阵列中定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列；激活所述组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；及并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的形貌。
附图说明
在结合下列图式的非限制性且非详尽性方面阅读本发明的实施例的详细描述之后将更清楚地理解本发明的前述特征及优势以及其额外特征及优势。贯穿图使用相同数字。
图1A说明根据本发明的方面的基于指纹的脊线的照明的光特性。图1B说明根据本发明的方面的基于指纹的谷线的照明的光特性。
图2A说明图1A的示范性方法的侧视图；图2B说明根据本发明的方面的图1A的示范性方法的俯视图。
图3说明根据本发明的方面的捕获指纹图像的方法。
图4A说明关于点扫描中的照明像素的示范性排除区域及感测区域；图4B说明处理点扫描的方法；图4C说明根据本发明的方面的处理扫描区域的方法。
图5A说明用于实施点扫描的示范性电路；图5B说明用于积累感测数据的示范性实施方案；图5C说明根据本发明的方面的用于实施点扫描的示范性时序。
图6A到图6F说明根据本发明的方面的收集传感器数据的示范性实施方案。
图7A到图7D说明根据本发明的方面的收集传感器数据的其它示范性实施方案。
图8说明根据本发明的方面的校正及优化指纹辨识***的方法。
图9A到9D说明根据本发明的方面的校正及优化指纹辨识***的实施例。
图10A说明捕获指纹的图像的方法；图10B说明激活一组传感器阵列以捕获来自图10A的指纹的散射光的方法；且图10C说明根据本发明的方面的并行处理通过所述组传感器阵列捕获的散射光的方法。
图11A说明根据本发明的方面的具有正向偏置的示范性子像素电路胞；图11B说明根据本发明的方面的具有反向偏置的示范性子像素电路胞。
图12说明根据本发明的方面的具有RGB子像素的示范性像素电路胞。
图13说明根据本发明的方面的使用AMOLED的指纹获取过程。
图14说明根据本发明的方面的用于捕获指纹的图像的示范性控制器。
具体实施方式
本发明提供用于指纹感测设备的方法及***。呈现下列描述以使所属领域的技术人员能够制造及使用本发明。特定实施例及应用的描述仅提供为实例。所属领域的技术人员将容易地明白在本文中描述的实例的各种修改及组合，且在不脱离本发明的范围的情况下，可将在本文中界定的一般原理应用到其它实例及应用。因此，本发明并不希望限于所描述及展示的实例，而应被赋予与本文中揭示的原理及特征一致的范围。字词“示范性”或“实例”在本文中用于意味“充当实例、例子或说明”。在本文中描述为“示范性”或“实例”的任何方面或实施例不必解释为优选或更优于其它方面或实施例。
随后的详细描述的一些部分依据流程图、逻辑块及可在计算机***上执行的对信息的操作的其它符号表示而呈现。程序、计算机执行步骤、逻辑块、过程等等在此处设想为导致所要结果的一或多个步骤或指令的自行一致序列。步骤是利用物理量的物理操纵的步骤。这些量可采用能够在计算机***中存储、传送、组合、比较及以其它方式操纵的电、磁或无线电信号的形式。这些信号有时可称为位、值、元素、符号、字符、术语、数字或类似者。每一步骤可通过硬件、软件、固件或其组合执行。
图1A说明根据本发明的方面的基于指纹的脊线的照明的光特性。图1B说明根据本发明的方面的基于指纹的谷线的照明的光特性。
图1A中的指纹获取设备(作为像素面板)的图式展示从光发射平面中的光源组件L行进穿过光学结构到成像表面且从成像表面行进到光发射平面中的光收集(传感器)组件S的入射光。入射光与放置于成像表面上的手指交互且从成像表面反射、折射或散射。像素面板经配置，使得存在充当离散光源的多个照明像素及接收携载指纹图像信息的光的多个传感器像素。用作光源或传感器的光组件可为以可寻址图案布置于光发射平面中的像素或子像素。像素面板可为显示面板或非显示面板但不限于LED或TFT型显示面板。
对于实施为附加式面板的TFT(薄膜晶体管)型光折射器，尽管光源组件定位于光折射器下方光源面板中，但光发射平面可视为与光收集平面相同的平面，这是因为TFT面板的胞的透明区域与光源面板的胞的透明区域对准。对于在胞中实施的LED型光折射器，光发射平面及光收集平面为同一平面。
下列章节描述如何可根据本发明的方面捕获指纹图像。在一个方法中，以小于光折射器/空气界面处的临界角的入射角将光从一个光源L投射到成像表面上。当入射光撞击在放置手指的成像表面时，入射光将被脊线及谷线两者散射，但程度及强度不同。与谷线相比，脊线将跨更宽角度范围散射光。更特定来说，与由从谷线散射的光命中的区域相比，从脊线散射的光将在更大区域内命中发射平面。本发明的传感器区可鉴于散射光的特性而确定，且其可经配置以区分由两个形貌特征散射的光。
散射范围的差异是归因于空气的存在，其中在成像表面处存在谷线。由于入射光的角度小于临界角，因此光从像素面板传递出，穿过成像表面而到空气中，撞击谷线，散射，再次进入像素面板且折射。由于折射，谷线将光散射到发射平面上小于脊线的区域的区域内(例如，在如图2A中展示的距离d内)。谷线及脊线两者可将光散射到相同的小区域中；从脊线及谷线散射的光之间不存在差别，因此光未被收集在接近于光源的小区域中。但脊线可将光散射到小区域外部；因此，光收集在小区域外部。像素面板跨可控制区域提供多个传感器以聚集用于产生高对比度度指纹图像的精确区分的光。
在图1A中展示的实例中，光撞击脊线触摸成像表面之处。入射光的部分被脊线吸收而光的其余部分经散射朝向光发射平面。传感器S接收散射光的射线。由传感器S接收的光强度经指派到对应于由来自光源L的入射光照明的点的位置。脊线的图像将显得明亮。
在图1B中展示的实例中，光撞击其中存在谷线的表面。光穿过表面且撞击谷线。光的部分被谷线吸收而光的其余部分被散射。散射光的部分通过成像表面重新进入光学结构且经折射而具有法向于成像表面的角度αR。折射光的射线在与光源相距距离x处命中光发射平面。此距离x受限于光折射器/空气界面处的临界角；x还取决于谷线的深度及光学结构的厚度(th)。超过与光源相距的特定距离d，光将不会被折射到光发射平面上，这是因为折射角受限于临界角。杂散光可能达到超过d，但其可被忽略，因为其强度将为可忽略的。由传感器S接收的光强度经指派到对应于由来自光源L的入射光照明的点的位置；因此，定位成超过d的传感器将把谷线的图像登记为暗的。
为使用单个光源L区分指纹脊线或谷线，光学成像设备可经配置以寻址个别像素、多个像素或像素区域，使得当L被激活时，所有传感器S可定位于与L相距预定距离x(例如，x＜d)内、可被忽略、不使用或关闭，且至少一个传感器S可定位成与L相距预定距离x(例如，d＜x＜s)，可开启，且收集入射光；此传感器称为有源传感器。有源传感器将接收仅从脊线散射的光，这是因为在超过临界角或超过距离d的情况下，除可忽略杂散光以外，从谷线散射的光无法被光学结构折射。以下段落描述用于计算其中在照明点处存在谷线的d值(还称为x(max))的方法。
在入射光穿过成像表面之后，其在空气中撞击谷线且散射。一些此散射光在与原始入射光的轴相距距离x(air)处重新进入光学结构且在光学结构中折射，从而形成法向于成像表面的角度αR。X(max)可计算为x(max)＝x(air)+厚度(th)*tan(αR)。
αR的最大可能值是光折射器/空气界面处的临界角，但αR实际上可能小于临界角。x(air)的最大值约为谷线的宽度w。因此，可使用以下表达式估计x(max)：x(max)＝w+厚度*tan(临界角)。
指纹获取设备可经设计以具有较大x(max)以减少杂散光的检测，这将降低敏感度，但将由指纹脊线及谷线的更大清晰度及区别而抵消。然而，在一些应用中，可选择较小x(max)以在不使对比度降低到不可容忍水平的情况下提高敏感度。由于谷线的宽度可因照明点而异，因此在一些其它应用中，x(max)的足够大值经估计以覆盖可在此类应用中遭遇的谷线宽度的可能范围。如果存在两个或两个以上有源传感器，可比较由一个传感器接收的光强度与由另一传感器接收的光强度以计算对应于照明点的整体亮度。
从各种照明点接收的经测量或经计算光强度可经组合以绘制出对应于每一照明点的指纹形貌。较亮区域指示较高高度(例如，脊线)而较暗区域指示较低高度(例如，谷线)。
根据本发明的方面，可在超过x(max)的大距离处收集散射光。但出于下列原因在距离太远处收集散射光可能不切实际：(a)光强度在距离照明点更远处下降，这将减小敏感度；(b)将产生过量冗余数据，这将浪费存储及处理资源；及/或(c)使用多个同时光源可有利于加速数据收集。为更快速扫描整个指纹，一种方法是每次从一个以上光源照明一个以上点。
图2A说明图1A的示范性方法的侧视图；图2B说明根据本发明的方面的图1A的示范性方法的俯视图。在一些实施方案中，光可从分开距离xL的两个光源同时投射到成像表面上，每一个具有小于光折射器/空气界面处的临界角的入射角。光源L1经定位过于接近于光源L2，从而引起干扰：一个传感器接收来自从两个照明点(例如两个脊线)散射的射线的光。为避免由干扰引起的成像伪影及低对比度的问题，xL可足够大，使得有源传感器并不接收来自从两个分开照明点散射的射线的重叠光。举例来说，忽略、未使用或关闭定位成与L相距小于x(max)的距离的传感器，且定位成与光源相距介于d与s(其中s＞d)之间的距离的至少一个传感器是有源传感器，如在图2A及图2B中展示。
s值可经选择为其中命中发射平面的散射光强度减小到所要阈值(例如在d处命中发射平面的散射光强度的小于20％、小于10％、小于5％、1％或小于1％)的距离。在超过距离s的情况下，如果两个光源之间的最小间隔不够大，那么较低强度散射光可促成干扰。在此类应用中，可在有源传感器之外添加缓冲区以避免有源传感器处的干扰。对于一些其它应用，如果此较低强度光可忽略，那么可容忍干扰。对于一些其它应用，s可经选择为小到略大于d。
根据本发明的方面，xL(min)被称为可同时照明的两个光源之间的最小距离，使得至少一个有源传感器将不接收来自从由其它光源照明的点反射、折射或散射的光的干扰。在一些实施方案中，可通过使用针对光强度衰减的数个模型来估计xL(min)。在一种方法中，最小距离可计算为xL(min)＝2*脊线宽度+函数(1/xS 2)。xS是从传感器到其对应光源L的距离。如果假定针对衰减的半球形模型，那么强度将减小1/xS 2。αs是通过传感器S接收的散射光的射线与光发射平面的法线所成的角度。如果与成像表面的法线所成的入射角(αi)是0度，那么xS＝th*tan(αs)。函数确定光强度变得可忽略的情况下的xS的可能距离。为改进指纹图像的对比度，光学成像设备可经配置，使得来自两个照明点的光不重叠。为此，xL(min)需要足够大但不大到使其不切实际。xL(min)可足够小以允许可忽略光的重叠。可针对可忽略光强度确定阈值。
在另一方法中，为避免具有来自通过两个脊线散射的光的干扰的最坏情况，最小距离可计算为xL(min)＝2*s+xB。xB表示定位于相邻有源传感器区之间的缓冲区的宽度，其中未感测到散射光，光强度变得可忽略或来自两个照明点的散射光可重叠而不引起使图像降级的干扰。可针对特定设计要求确定光强度变得可忽略的阈值。举例来说，强度可在其变为d处的光强度的小于30％、小于20％、小于10％、小于5％、1％或小于1％时变得可忽略。为改进指纹图像的对比度，光学成像设备可经配置，使得从两个照明点散射且收集在其相应有源传感器区中的光不重叠。为此，xL(min)需要足够大但不大到使其不切实际。xL(min)可足够小以针对特定应用允许可忽略光的可容忍重叠。
有源传感器区可包含一个光源及将不接收来自另一光源的照明点的干扰的至少一个有源传感器。有源传感器区可为围绕一个光源L的由距离s限定的圆形区域。此区包含定位于具有内半径d及外半径s(其中s＞d)的圆环内部的至少一个有源传感器，如在图2A及图2B中展示。
图3说明根据本发明的方面的捕获指纹图像的方法。在一个示范性实施方案中，控制器302指派一或多个像素的地址以发射光以照明指纹的区域且指派像素的地址以读取从感测区域(还称为传感器阵列)内的指纹反射的光，所述感测区域包含一或多个传感器像素304。模/数转换器(ADC)306经配置以将来自读取反射光的像素的泄漏电流转换为数字电压信号。例如寄存器308或像素阵列的存储器可经配置以存储来自每一像素的数字化信号。响应于检测最后传感器像素310，可通过图像分析器从所存储数字信号产生输出图像312。
在此示范性实施方案中，一或多个像素可经配置以照明指纹的部分，而一或多个周围像素(还称为一组感测阵列)可经配置以读取反射光。接着，可关闭一或多个照明像素的光，且可开启下一组一或多个像素以照明指纹。围绕此下一组一或多个像素的下一组传感器阵列接着可读取反射光。照明一或多个像素且通过周围像素的一组传感器阵列读取反射光的此序列可在感测区域内重复以产生用于构造指纹图像的数据。注意，根据本发明的方面，术语“像素”还可意味例如在彩色LCD中找到的个别彩色子像素的子像素。
图4A说明关于点扫描中的照明像素的示范性排除区域及感测区域；图4B说明处理点扫描的方法；图4C说明根据本发明的方面的处理扫描区域的方法。根据本发明的实施例，点扫描是指照明像素(或点)且通过感测相邻像素中的反射及/或散射光而捕获照明所述像素的效应的过程。线扫描是指在行中执行一系列点扫描的过程。区域扫描是指执行一系列线扫描直到已扫描及处理特定区域的过程。
在图4A中展示的实例中，首先开启定位于(X(i),Y(i))处的像素(还称为照明像素)中的光。为读取从通过从此像素发射的光照明的指纹反射的光，控制器可选择行Y(i+s)内的像素且开始读取、数字化且存储反射到列X(i-s)处的像素上的光。在完成列X(i-s)中的操作之后，列地址可移动到所述行中的下一像素。反射到下一像素上的光可被读取、数字化且存储直到到达所述行的最后列X(i+s)。
在读取、数字化且存储通过行Y(i+s)上的所有列中的像素收集的反射光之后，行地址可移动到下一行Y(i+s-1)，如在图4B中展示。在行Y(i+s-1)上，可读取、数字化且存储反射在来自列X(i-s)到最后列X(i+s)的每一像素上的光。在完成每一行中的所述系列操作之后，行地址可依序更新到下一行，且所述系列操作可重复直到最后行Y(i-s)完成。在获取所要点扫描区域的数据之后，点扫描完成。
注意，在选择所述组传感器阵列时，可排除定位于与照明像素相距特定距离内的像素。话句话说，排除数据不可用于构造指纹图像。举例来说，如在图4A中展示，在从通过像素(X(i),Y(i))照明的点扫描获得的数据中，对应于具有大小“2d x 2d”且定位于列X(i-d)到X(i+d)与行Y(i+d)到Y(i-d)的交叉部分内的内边界内的像素的数据可经复位使得将从用于产生指纹图像的一个像素的数据集有效地排除来自所述像素的数据。在展示的特定实施例中，当扫描指纹时，距离“d”是照明像素与感测像素之间的最小距离，超过所述距离，通过指纹谷线反射的光与通过指纹脊线在相同于谷线的照明条件下反射的光相比将是可忽略的。当制造传感器时，“d”的初始值可经估计为等于典型指纹谷线的宽度+光学结构的厚度*tan(光折射器/空气界面处的临界角)。外边界距离“s”大于“d”且实际上可使其尽可能大。然而，“s”的值可受限制，这是因为从指纹反射的光的强度与距反射点的距离的平方成反比减小。“s”的初始值可经设置为最短距离，超过所述最短距离，通过指纹脊线反射的光变得可忽略或无法贡献足够数据以形成具有足够质量的指纹图像。
根据本发明的方面，存在执行点扫描的许多可能变化。举例来说，仍可使用在区域“2d x 2d”的隅角附近的像素处读取的数据，这是因为在等于“d”的距离外部的区域可包含将通过指纹脊线而非谷线反射的光信息。点扫描的其它变化包含选择性感测(还称为选择性读取)，其中来自少于定位于排除区域外部的所有像素的数据用于构造最终图像。在下文结合图6A到6F论述不同类型的选择性感测区域的实例。
根据本发明的方面，可通过使用选择性感测的方法感测/读取较少像素数据而实现扫描速度改进及其它效率。可考虑可用于产生良好质量图像的总光数据的所得减少的折衷。在一些实施方案中，为补偿减少光数据，可接近于如在图7A到7D中说明的排除区域的边界获得选择性感测数据。
参考图4C，在针对照明像素X(i),Y(i)完成点扫描之后，控制器移动到相同行内的下一像素(X(i+1),Y(i))且执行点扫描而通过此像素照明。控制器针对相同行内的每一像素重复点扫描操作直到到达最后列X(i+n)以完成处理当前行。在处理当前行之后，控制器移动到下一行Y(i+1)且处理所述下一行。在处理下一行之后，控制器针对每一连续行完成线扫描直到到达最后行Y(i+m)。线扫描系列包括区域扫描。可根据特定应用要求定义及设置待扫描的指纹区域(通过变量“m”及“n”描述)。
区域扫描的变化可包含其中实际上可略过行或数个行及/或列或数个列的扫描。举例来说，线扫描可包含对少于给定行内的所有像素(例如，在每隔一个像素处取样(每2个像素中取样1个像素)、在每3个像素中取样1个像素、在每4个像素中取样1个像素等等)执行点扫描。区域扫描可包含对少于所有行(例如，每隔行取样(每2个行中取样一个行)、在每3个行中取样1个行、在每4个行中取样1个行等等)执行线扫描。在一些实施方案中，区域扫描可在相同区域内重复预定次数以获得最好图像数据。
图5A说明根据本发明的方面的用于实施点扫描的示范性电路。在图5A中展示的示范性实施方案中，控制器发送含有像素阵列的行及列信息的初始地址。基于初始地址(Ref_Add)，控制器开始于首先通过时钟的上升边缘触发的行，所述时钟通过内部时钟产生器501产生。所述行的启用时间可基于通过偏移控制器510建立的时钟循环的数目。行地址计数器502的输出存储于行寄存器504中，且接着进入到行解码器506中，行解码器506可解码行地址以从像素阵列508中的一行像素中选择一个像素。
在开启行线时，开启还可通过偏移控制器510设置的列数以获得像素信息。列数是从列突发地址突发计数器512输出，存储于列寄存器514中，且进入到列解码器516中以选择像素阵列内的一个列。还可通过偏移控制器510设置列数，其通过d及s的初始值控制。
每一列供应可转换为数字信息且存储于寄存器(例如列寄存器)中的像素信息。任选ADC 518可用于转换来自像素阵列508的信号以供寄存器及加法器块520使用。可通过寄存器及加法器块520在寄存器上执行例如加法的运算以产生对应于初始地址的一个像素图像的值。可在寄存器上执行其它类型的运算，例如计算平均值或中值。使用加法运算的一些优势是其为高效的且无需额外计算，且其产生可用于改进图像质量的广泛范围的输出值。
图5B说明用于积累感测数据的示范性实施方案；图5C说明根据本发明的方面的用于实施点扫描的示范性时序。在图5B中展示的示范性实施方案中，REG#1(522)、REG#2(524)、REG#3(526)及REG#4(528)的初始值设置为零。当像素接收光数据时，控制器从感测阵列读出像素信息，且接着与内部时钟同步地数字化数据且将其存储到REG#1中。在相同循环，使用加法器530使REG#1及REG#2的输出相加，且使加法器530的输出移位到REG#3中。在下一循环，基于时钟的上升边缘而将REG#3的输出移动到REG#2，REG#3的输出接着可与REG#1的输出相加。寄存器#3的输出通过时钟的下降边缘锁存且经移位到REG#4中。加法产生半循环容限，其可移除可在加法器中出现的由输入时序偏斜引起的任何偏移时序误差。
对于其中排除(即，复位)数据的点扫描的部分，使用复位信号。REG#1的复位信号称为reset_d。reset_d通过基于输入地址且关于“d”值的偏移产生器(未展示)产生。使用匹配函数产生reset_d信号。
在一个特定实例中，匹配块可基于互斥或函数，其复位对应于其中待排除数据的点扫描区段的寄存器数据。举例来说，在图6A中，可复位与列X(i-d)到X(i+d)交叉的行Y(i-d)到Y(i+d)内的数据。
在最后循环，控制器已获得来自所有所要像素的信息总和，信息总和又可用于产生指纹图像的像素。接着，过程重复直到已处理整个扫描区域。
图6A到图6F说明根据本发明的方面的收集传感器数据的示范性实施方案。展示具有扫描参数“d”及“s”的点扫描区域，且照明像素定位于中心(X(i),Y(i))处。在图6A中，可读取其中可跨整个扫描区域2s x 2s感测数据的点扫描区域，唯排除区域2d x 2d(在照明像素处居中)内的数据经复位除外。在图6B中，可读取其中可在具有距离s的圆内感测数据的点扫描，唯具有距离d的圆内的数据在相加之前经复位除外。在图6C中，可读取其中可跨整个扫描区域2s x 2s感测数据的点扫描，唯跨区域2d x 2d的整个行内的数据未被读取且经复位除外。图6D是图6C的变型，其具有额外或更大排除区域。在图6E中，可读取其中仅可跨扫描区域2s x 2s的顶部感测数据的点扫描，且跨区域2d x2d的整个行内的数据未被读取且经复位。图6F是图6E的变型，其具有额外或更大排除区域。
图7A到图7D说明根据本发明的方面的收集传感器数据的其它示范性实施方案。展示具有扫描参数“d”及“s”的点扫描区域，且照明像素定位于中心(X(i),Y(i))处。在图7A中，可读取其中可在排除区域2d x 2d(在照明像素处居中)外部的相邻像素中感测数据的点扫描区域，且复位排除区域2d x 2d内的数据。在图7B中，可读取其中可在具有半径d的圆的排除区域(在照明像素处居中)外部的相邻像素中感测数据的点扫描区域，且复位具有半径d的排除区域内的数据。图7C是图7A的变型，其具有额外排除区域。图7D是图7B的变型，其具有额外排除区域。
图8说明根据本发明的方面的校正及优化指纹辨识***的方法。如先前描述，可在制造时设置“d”及“s”的初始值。可通过使用经验数据(例如使用由具有模拟脊线及谷线的标准材料制成的模拟手指或使用用户自身的指纹)执行点、线或区域扫描而进一步优化“d”及“s”的值。
归因于操作条件的变化及用户之间的指纹细节大小的差异，当用户在装置上起始其手指的校正扫描时可调整“d”及“s”的值。在现实世界应用中，用户通常将保护膜层施加在其移动装置上。此保护层可不利地影响装置的扫描及成像性能。在此类情况中，可执行校正扫描。
在一种方法中，为进行校正扫描，控制器802可在整个指纹捕获区域或其一或多个部分内执行区域扫描804。在可影响图像质量结果的值范围内改变包含“曝光时间”、“d”及“s”的一或多个扫描参数808时，此区域扫描可重复多次806(例如N次)，且通过质量检查810。
在多次重复扫描806之后，图像分析器812可评估所存储数据且选择对应于最好图像数据(其已通过图像质量检查810)的扫描参数的组合。这些优化扫描参数-“曝光时间”、“d”及“s”-接着可应用到在下文结合图9A到9D描述的方法，且在整个指纹捕获区域814内执行。最后，图像分析器可针对特定图像质量度量检查所存储图像数据且构造指纹的最终图像816。
图9A到9D说明根据本发明的方面的校正及优化指纹辨识***的实施例。如在图9A的实施例中展示，光(L)撞击其中存在谷线的表面。光穿过表面且撞击谷线。光的部分被谷线吸收而光的其余部分被散射。散射光的部分通过成像表面重新进入光学结构且经折射而具有法向于成像表面的角度αR。折射光的射线在与光源相距距离命中光发射平面。此距离可受限于光折射器/空气界面处的临界角；此距离还取决于谷线的深度及光学结构的厚度(th1)。超过与光源相距的特定距离x(max)1，未将光折射到光发射平面上，这是因为折射角受限于临界角。杂散光可能达到超过x(max)1，但其可被忽略，因为其强度将为可忽略的。由传感器S接收的光强度经指派到对应于通过来自光源L的入射光照明的点的位置；因此，定位成超过x(max)1的传感器将把谷线的图像登记为暗的。
为基于图9A的光学结构来校正指纹辨识***，在入射光穿过成像表面之后，其在空气中撞击谷线且散射。一些此散射光在与原始入射光的轴相距距离处重新进入光学结构且在光学结构中折射，从而形成法向于成像表面的角度αR。x(max)1可计算为：x(max)1＝x(air)+厚度(th1)*tan(αR)。
αR的最大可能值是光折射器/空气界面处的临界角，但αR实际上可能小于临界角。x(air)的最大值约为谷线的宽度w。因此，可使用下列表达式校正x(max)1：x(max)1＝w+厚度*tan(临界角)。
注意，指纹获取设备可经设计以具有较大x(max)1以减少杂散光的检测，这将降低敏感度但将由指纹脊线及谷线的更大清晰度及区别而抵消。然而，在一些应用中，可选择较小x(max)1以在不使对比度降低到不可容忍水平的情况下提高敏感度。由于谷线的宽度可因照明点而异，因此在一些其它应用中，x(max)1的足够大值经估计以覆盖可在此类应用中遭遇的谷线宽度的可能范围。从各种照明点接收的经测量或经计算光强度可经组合以绘制出对应于每一照明点的指纹形貌。较亮区域指示较高高度(例如，脊线)而较暗区域指示较低高度(例如，谷线)。
在图9B到图9D中说明的实施例中，外部条件的改变可已产生调整(图9A的)x(max)1的需要，以便产生其中在脊线与谷线之间存在足够对比度的良好质量指纹图像。在这些条件下，如果未调整x(max)1，那么从谷线反射且通过有源区传感器无意地检测的光可错译为从脊线反射的光。外部条件包含用户修改(例如在显示器的顶部上放置保护膜或玻璃)及用户特性(例如具有宽谷线的指纹)。为补偿此类外部条件，可如在图8中描述那样采用校正方法。
图9B说明其中将膜放置于光学结构的顶部上且所述膜具有与原始光学结构相同的折射率(nP1)的实施例。由于膜的添加，光学结构的厚度已增大到th2，这将引起来自图9A的结构的x(max)1经调整(校正)到x(max)2，其可大于x(max)1。
图9C说明其中将具有不同折射率(nP2)的膜放置于具有折射率(nP1)的原始光学结构的顶部上的实施例。由于膜的添加，光学结构的厚度已增大到th1+th3。在空气与膜之间的接口处的临界角已改变为αR2。在膜与原始光学结构之间的接口处的临界角已改变为αR3。因此，添加此膜将引起来自图9A的结构的x(max)1经调整(校正)到x(max)3，其可大于x(max)1。
图9D说明其中检测到具有w4的谷线宽度的指纹的实施例，其中w4宽于图9A的w。由于检测到更宽谷线宽度w4，来自图9A的结构的x(max)1可经调整(校正)到x(max)4，其可大于x(max)1以补偿用户的指纹的特性的差异。
图10A说明根据本发明的方面的捕获指纹的图像的方法。在图10A中展示的示范性方法中，在框1002中，所述方法从一组光源发射光以产生来自指纹的散射光。在框1004中，所述方法基于所述组光源与指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列。在框1006中，所述方法激活所述组传感器阵列以捕获来自指纹的散射光。在框1008中，所述方法并行处理通过所述组传感器阵列捕获的散射光以产生指纹形貌。
在一些实施方案中，所述方法可任选地包含在框1010中执行的方法。在框1010中，所述方法比较指纹形貌与指纹数据库以认证指纹。根据本发明的方面，可基于来自多个用户的指纹的脊线及谷线的特性的经验数据来确定内边界及外边界。
图10B说明根据本发明的方面的激活一组传感器阵列以捕获来自图10A的指纹的散射光的方法。在框1012中，所述方法将所述组传感器阵列中的像素面板的一或多个单元胞设置在反向偏置条件下。在框1014中，所述方法检测对应于在像素面板的一或多个单元胞中的像素或子像素中的一或多者中感测的散射光的泄漏电流。在框1016中，所述方法放大从像素或子像素中的一或多者检测的泄漏电流的信号。
图10C说明根据本发明的方面的并行处理通过所述组传感器阵列捕获的散射光的方法。在图10C中展示的实例中，在框1022中，对于所述组传感器阵列中的每一传感器，所述方法执行管线操作以处理所捕获的散射光，其中管线操作包括：使用模/数转换器(ADC)将从像素面板的像素或子像素中的一或多者检测的泄漏电流的信号从模拟值转换为数字值；积累每一传感器位置处的光强度值；且将每一传感器位置处的光强度值存储于像素阵列中以形成指纹形貌的部分。
在框1024中，所述方法从下一组光源发射光以产生来自指纹的散射光；激活下一组传感器阵列以捕获来自指纹的散射光；处理通过下一组传感器阵列捕获的散射光以产生指纹形貌；且重复上述步骤直到已覆盖指纹下方的扫描区域的所有列及行。
在框1026中，所述方法分析扫描区域的图像质量；响应于扫描区域的图像质量低于阈值而调整一或多个扫描参数；且针对扫描区域重复上述校正步骤。
根据本发明的方面，调整一或多个扫描参数是基于一或多个面板的层数、一或多个面板的每一层的厚度及折射率、指纹谷线的估计宽度、指纹脊线的估计宽度或其某一组合。一或多个扫描参数可包括：所述组光源与所述组传感器阵列之间的内边界距离；所述组光源与所述组传感器阵列之间的外边界距离；所述组光源的强度；所述组传感器阵列的大小；所述组传感器阵列的形状；或其某一组合。
根据本发明的方面，有源矩阵OLED(AMOLED)面板可用作指纹获取设备的主要组件。AMOLED面板可包含子像素区域(红色、绿色及蓝色子像素)及驱动电路区域(薄膜晶体管及电容器)。可通过驱动且切换晶体管及电容器且通过控制注入到OLED子像素的电流量而调整每一子像素的亮度。可使用OLED材料沉积技术形成子像素的尺寸。举例来说，可通过在OLED材料蒸镀过程期间使用阴影掩模来设置子像素的大小及位置。
OLED可具有按以下序列的分层结构：阳极/空穴注入层/空穴输送层/发射层/电子输送层/电子注入层/阴极。ITO及具有高功函数的其它透明导电材料可用于阳极材料，且例如铝及镁的金属可用于阴极材料。图10D展示底部发射OLED的结构。在此实例中，成像表面将在衬底的底部处，且光发射平面将为阴极层。光学结构可包含衬底与阴极之间的透明层。
可通过使用各种密封技术及材料(例如干燥剂、烧结玻璃密封及薄膜囊封)来改进此指纹获取设备的可靠性(即，OLED面板寿命)。例如蓝宝石、玻璃及塑料材料的各种类型的衬底可用于OLED载体，以便控制光行进路径(折射率控制)，以增强/改进图像感测的信噪比，且改进指纹设备的可靠性及寿命。图11A展示示范性AMOLED子像素单元胞电路(具有子像素的2D驱动TFT电路)。驱动区域可包含驱动晶体管、切换晶体管、保持电容器及反向电流传感器。图11B展示在OLED电路结构中读取且放大的反向电流。注意，如在图11A、图11B及图12中展示，Vdd表示供应电力电压；Nsw表示开关TFT；C1表示存储电容器；Ndr表示基于C1电容的电荷来控制电流的驱动器TFT；Vdata表示数据线；Vgg表示Nsw的栅极电压；Vcom表示共同接地电压；Vgs表示驱动器TFT的栅极到源极电压；Vdd1表示绿色或红色光的像素的供应电力；且Vdd2表示蓝色光的像素的供应电力。
在一些实施例中，AMOLED面板具有三子像素结构。举例来说，在子像素结构中，蓝色子像素可用作光源，而相邻绿色或红色子像素可用作传感器，这是因为蓝色子像素的带隙大于绿色或红色子像素的带隙。图12展示其中蓝色子像素是光源且绿色或红色子像素是传感器的示范性R/G/B像素结构。当开启照明子像素时，反向电压可在传感器子像素中偏置。在图11B中，I-V曲线与图12中的子像素结构对应。在光从指纹反射、折射或散射到传感器子像素时增大反向偏置下传感器子像素中的反向电流量。可使用驱动电路区域中的电流感测电路测量反向电流量。可使用放大电路及/或信号处理器放大反向电流信号。接着，可通过信号处理算法(图13，算法流程图)处理经放大电流信号以产生指纹图像。
可通过改变每一子像素的大小及密度且通过设置OLED面板的子像素结构来控制OLED面板分辨率。举例来说，OLED面板可具有较大照明组件(例如，蓝色子像素)及较小传感器组件(例如，绿色及/或红色子像素)。根据本发明的方面，子像素结构可具有不同大小。可通过将像素形状从条带型改变为圆形或菱形而增强子像素密度。另外，OLED子像素结构可具有不同形状，例如正方形、矩形、圆形、菱形等等。可通过使用精细金属掩模工艺、喷墨印刷或激光转印技术来制造子像素结构的图案化。
根据本发明的方面，移动装置可配备有本发明的指纹辨识设备。如在本文中描述，移动装置可包括无线收发器，所述无线收发器能够经由无线天线通过无线通信网路发射及接收无线信号。无线收发器可通过无线收发器总线接口连接到总线。在一些实施例中，无线收发器总线接口可至少部分与无线收发器集成。一些实施例可包含多个无线收发器及无线天线以能够根据对应多个无线通信标准(例如IEEE标准802.11、CDMA、WCDMA、LTE、UMTS、GSM、AMPS、Zigbee及等等的版本)发射及/或接收信号。
移动装置还可包括能够经由SPS天线接收及获取SPS信号的SPS接收器。SPS接收器还可整体或部分处理所获取的SPS信号以用于估计移动装置的位置。在一些实施例中，还可利用处理器、存储器、DSP及/或专用处理器(未展示)以整体或部分处理所获取的SPS信号及/或结合SPS接收器计算移动装置的估计位置。可在存储器或寄存器(未展示)中执行SPS或用于执行定位操作的其它信号的存储。
另外，移动装置可包括通过总线接口连接到总线的数字信号处理器(DSP)、通过总线接口连接到总线的处理器及存储器。总线接口可与DSP、处理器及存储器集成。在各种实施例中，可响应于存储于存储器中(例如存储于计算机可读存储媒体上，例如RAM、ROM、FLASH或磁盘驱动器等)的一或多个机器可读指令的执行而执行功能。可通过处理器、专用处理器或DSP执行一或多个指令。存储器可包括存储可通过处理器及/或DSP执行以执行本文中描述的功能的软件码(编程代码、指令等等)的非暂时性处理器可读存储器及/或计算机可读存储器。在特定实施方案中，无线收发器可通过总线与处理器及/或DSP进行通信以使移动装置能够配置为如上文论述的无线站。处理器及/或DSP可执行指令以执行在上文结合图1到图13论述的过程/方法的一或多个方面。
根据本发明的方面，用户接口可包括若干装置中的任一者，例如扬声器、麦克风、显示装置、振动装置、键盘、触摸屏等等。在特定实施方案中，用户接口可使用户能够与装载于移动装置上的一或多个应用程序交互。举例来说，用户接口的装置可将模拟或数字信号存储于存储器上以响应于来自用户的移动而通过DSP或处理器进一步处理。类似地，装载于移动装置上的应用程序可将模拟或数字信号存储于存储器上以向用户呈现输出信号。在另一实施方案中，移动装置可任选地包含专用音频输入/输出(I/O)装置，包括(例如)专用扬声器、麦克风、数/模电路、模/数电路、放大器及/或增益控制件。在另一实施方案中，移动装置可包括响应于键盘或触摸屏装置上的触摸或压力的触摸传感器。
移动装置还可包括用于捕获静止或移动图像的专用相机装置。专用相机装置可包括(例如)成像传感器(例如，电荷耦合装置或CMOS成像器)、透镜、模/数电路、帧缓冲器等等。在一个实施方案中，可在处理器或DSP处执行表示所捕获图像的信号的额外处理、调节、编码或压缩。替代性地，专用视频处理器可执行表示所捕获图像的信号的调节、编码、压缩或操纵。另外，专用视频处理器可解码/解压缩所存储图像数据以用于在移动装置上的显示装置上呈现。
移动装置还可包括耦合到总线的传感器，其可包含(例如)惯性传感器及环境传感器。惯性传感器可包括(例如)加速度计(例如，在三个维度上共同响应于移动装置的加速度)、一或多个陀螺仪或一或多个磁力计(例如，以支持一或多个指南针应用程序)。移动装置的环境传感器可包括(例如)温度传感器、气压传感器、环境光传感器及相机成像器、麦克风等等。传感器可产生模拟或数字信号，所述模拟或数字信号可存储于存储器中且通过DSP或处理器处理以支持一或多个应用程序(例如关于定位或导航操作的应用程序)。
在特定实施方案中，移动装置可包括能够执行在无线收发器或SPS接收器处接收及降频转换的信号的基带处理的专用调制解调器处理器。类似地，专用调制解调器处理器可执行待升频转换以由无线收发器传输的信号的基带处理。在替代实施方案中，取代专用调制解调器处理器，可通过处理器或DSP(例如，处理器或DSP)执行基带处理。
图14说明根据本发明的方面的用于捕获指纹的图像的示范性控制器。如在图14中展示，控制器1400可包含一或多个处理器1402。一或多个处理器可通信地耦合到网络接口1404、数据库1406、指纹捕获引擎1408、存储器1410及用户接口1412。根据本发明的方面，控制器可经配置以执行在上文结合图1到图13描述的方法及过程。
将了解，为清楚起见上述描述已参考不同功能单元及处理器描述本发明的实施例。然而，将明白，可在不悖离本发明的情况下使用不同功能单元或处理器之间的任何合适功能分配。举例来说，说明为通过分开处理器或控制器执行的功能性可通过相同处理器或控制器执行。因此，对特定功能单元的引用应视为对用于提供所描述功能性而非指示严格逻辑或物理结构或组织的合适构件的引用。
本发明可以任何合适形式实施，包含硬件、软件、固件或这些的任何组合。本发明可任选地部分实施为在一或多个数据处理器及/或数字信号处理器上运行的计算机软件。本发明的实施例的元件及组件可以任何合适方式物理地、功能地及逻辑地实施。实际上，功能性可在单个单元中、在多个单元中实施或实施为其它功能单元的部分。因而，本发明可在单个单元中实施或可物理地及功能地分配在不同单元及处理器之间。
相关领域的技术人员将认识到，可使用所揭示实施例的许多可能修改及组合，同时仍采用相同基本潜在机制及方法。出于说明的目的，已参考特定实施例描写前述描述。然而，上述阐释性论述不希望为详尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。就上述教示来说，许多修改及变化是可能的。实施例经选择及描述以说明本发明的原理及其实际应用，且使其它所属领域的技术人员能够如适于所预期的特定用途，结合各种修改最好地利用本发明及各种实施例。

Claims (18)

1.一种捕获指纹的图像的方法，其包括：
从一组光源发射光以产生来自所述指纹的散射光；
基于所述组光源与所述指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列；
激活所述组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；及
并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的形貌。
2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
其中基于来自多个用户的指纹的脊线及谷线的特性的经验数据来确定所述内边界及所述外边界。
3.根据权利要求1所述的方法，其中激活一组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光包括：
将所述组传感器阵列中的像素面板的一或多个单元胞设置在反向偏压条件下；
检测对应于在所述像素面板的所述一或多个单元胞中的像素或子像素中的一或多者中感测的所述散射光的泄漏电流；及
放大从所述像素或子像素中的所述一或多者检测的所述泄漏电流的信号。
4.根据权利要求1所述的方法，其中并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光包括：
针对所述组传感器阵列中的每一传感器，执行管线操作以处理所捕获的所述散射光，其中所述管线操作包括：
使用模/数转换器ADC将从像素面板的所述像素或子像素中的所述一或多者检测的所述泄漏电流的信号从模拟值转换为数字值；
积累每一传感器位置处的光强度值；及
将每一传感器位置处的所述光强度值存储于像素阵列中以形成所述指纹的所述形貌的部分。
5.根据权利要求4所述的方法，其进一步包括：
从下一组光源发射光以产生来自所述指纹的所述散射光；
激活下一组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；
处理通过所述下一组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的所述形貌；
及
重复上述步骤直到已覆盖所述指纹下方的扫描区域的所有列及行。
6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括：
分析所述扫描区域的图像质量；
响应于所述扫描区域的所述图像质量低于阈值而调整一或多个扫描参数；及
针对所述扫描区域重复上述校正步骤。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述调整一或多个扫描参数是基于所述一或多个面板的层数、所述一或多个面板的每一层的厚度及折射率、所述指纹谷线的估计宽度、所述指纹脊线的估计宽度或其某一组合。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述一或多个扫描参数包括：
所述组光源与所述组传感器阵列之间的内边界距离；
所述组光源与所述组传感器阵列之间的外边界距离；
所述组光源的强度；
所述组传感器阵列的大小；
所述组传感器阵列的形状；
或其某一组合。
9.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：
比较所述指纹的所述形貌与指纹数据库以认证所述指纹。
10.一种用于捕获指纹的图像的设备，其包括：
像素面板，其具有经配置以由指纹触摸的表面；
多个光源，其用于发射光到所述指纹；
多个传感器阵列，其用于感测来自所述指纹的散射光；
控制器，其经配置以产生控制信号以：
从所述多个光源中的一组光源发射光以产生来自所述指纹的散射光；
基于所述组光源与所述指纹之间的一或多个面板的厚度及折射率而确定所述多个传感器阵列中定位于与所述组光源相距介于内边界与外边界之间的一组传感器阵列；
激活所述组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；及
并行处理通过所述组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的形貌。
11.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
基于来自多个用户的指纹的脊线及谷线的特性的经验数据来确定所述内边界及所述外边界。
12.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
将所述组传感器阵列中的像素面板的一或多个单元胞设置在反向偏压条件下；
检测对应于在所述像素面板的所述一或多个单元胞中的像素或子像素中的一或多者中感测的所述散射光的泄漏电流；及
放大从所述像素或子像素中的所述一或多者检测的所述泄漏电流的信号。
13.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
针对所述组传感器阵列中的每一传感器，执行管线操作以处理所捕获的所述散射光，其中所述管线操作包括：
使用模/数转换器ADC将从像素面板的所述像素或子像素中的所述一或多者检测的所述泄漏电流的信号从模拟值转换为数字值；
积累每一传感器位置处的光强度值；及
将每一传感器位置处的所述光强度值存储于像素阵列中以形成所述指纹的所述形貌的部分。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
从下一组光源发射光以产生来自所述指纹的所述散射光；
激活下一组传感器阵列以捕获来自所述指纹的所述散射光；
处理通过所述下一组传感器阵列捕获的所述散射光以产生所述指纹的所述形貌；
及
重复上述步骤直到已覆盖所述指纹下方的扫描区域的所有列及行。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
分析所述扫描区域的图像质量；
响应于所述扫描区域的所述图像质量低于阈值而调整一或多个扫描参数；及
针对所述扫描区域重复上述校正步骤。
16.根据权利要求15所述的设备，其中调整一或多个扫描参数是基于所述一或多个面板的层数、所述一或多个面板的每一层的厚度及折射率、所述指纹谷线的估计宽度、所述指纹脊线的估计宽度或其某一组合。
17.根据权利要求15所述的设备，其中所述一或多个扫描参数包括：
所述组光源与所述组传感器阵列之间的内边界距离；
所述组光源与所述组传感器阵列之间的外边界距离；
所述组光源的强度；
所述组传感器阵列的大小；
所述组传感器阵列的形状；
或其某一组合。
18.根据权利要求10所述的设备，其中所述控制器进一步经配置以：
比较所述指纹的所述形貌与指纹数据库以认证所述指纹。
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