CN109696192A - 具有自动增益和曝光控制的光学生物计量传感器 - Google Patents

具有自动增益和曝光控制的光学生物计量传感器 Download PDF

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Abstract

公开一种用于对生物计量输入对象成像的光学成像设备。光学传感器包括感测元件阵列。光学传感器配置成读取感测元件阵列中的感测元件的子集；分析感测元件的子集的读数以确定子集的一个或多个感测元件是否饱和；更改光学成像设备的操作点；以及对输入对象进行成像。

Description

具有自动增益和曝光控制的光学生物计量传感器
技术领域
本公开总体上涉及光学传感器，并且更具体地涉及具有增益和曝光控制的光学传感器。
背景技术
对象成像在多种应用中是有用的。举例来说，生物计量识别***对生物计量对象进行成像以用于认证和/或验证并入识别***的设备的用户。生物计量成像提供可靠的、非侵入性的方式来验证个体身份以用于识别目的。各种类型的传感器可以用于生物计量成像。
指纹是可以被成像的生物计量对象的示例。如同各种其它生物计量特性的指纹基于明显不同的个人特性，并因此提供一种识别个体的可靠机制。因此，指纹传感器具有许多潜在的应用。例如，指纹传感器可以用于在固定应用中提供访问控制，所述固定应用诸如安全检查点。指纹传感器还可以用于在移动设备中提供访问控制，所述移动设备诸如手机、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)、导航设备和便携式游戏设备。因此，一些应用（特别是与移动设备相关的应用）可能需要既在尺寸上小又高度可靠的识别***。
大多数移动设备中的指纹传感器是具有被配置成感测指纹的脊和谷特征的电容性感测阵列的电容性传感器。通常，这些指纹传感器检测绝对电容(有时被称为“自电容”)或者跨电容(有时被称为“互电容”)。在任一情况下，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，并且这些变化被电检测以形成指纹的图像。
虽然电容性指纹传感器提供某些优点，但大多数商业上可得到的电容性指纹传感器难以通过大距离感测精细脊和谷特征，从而需要指纹接触靠近感测阵列的感测表面。对于电容性传感器而言，通过厚的层来检测指纹仍然是巨大的挑战，所述厚的层诸如保护许多智能电话和其它移动设备的显示器的厚的护罩玻璃(在本文中有时被称为“护罩透镜”)。为了解决这个问题，经常在显示器旁边的区域中在护罩玻璃中形成切口，并且将分立电容性指纹传感器(通常与按钮集成)放置在切口区域中，使得其可以检测指纹而不必通过护罩玻璃进行感测。对切口的需要使得难以在设备的面上形成齐平表面，从而减损了用户体验，并且使制造复杂化。机械按钮的存在也占用宝贵的设备基板面。
光学传感器提供电容性传感器的备选方案。不幸的是，传统的光学指纹传感器太笨重以致不能封装在移动设备和其它常见的消费者电子设备中，从而将它们的使用限制在门禁控制终端以及其中传感器尺寸不是限制的类似应用中。另外，光学传感器可以受到不同的环境照明条件的影响。例如，光学指纹传感器可以在受到室内照明时提供令人满意的指纹的成像，但是同一指纹传感器可能在受到阳光时变得饱和，由此阻碍或抑制对指纹成像的能力。
发明内容
一个实施例提供一种用于对生物计量输入对象成像的光学成像设备。光学成像设备包括光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括感测元件阵列；以及控制电路。控制电路被配置成第一次读取感测元件阵列中的感测元件的第一子集；分析感测元件的第一子集的第一读取以确定感测元件的第一子集的一个或多个感测元件是否饱和；第一次更改光学成像设备的操作点；以及对输入对象进行成像。
另一实施例提供一种用于对生物计量输入对象成像的光学成像设备。光学成像设备包括光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括多个未遮蔽的感测元件，多个未遮蔽的感测元件配置成对输入对象成像；以及多个经遮蔽的感测元件。经遮蔽的感测元件包括：第一感测元件，设置在第一空间遮光罩下方，第一空间遮光罩配置成允许第一光量到达所述第一感测元件的感测区域；以及第二感测元件，设置在第二空间遮光罩下方，第二空间遮光罩配置成允许第二光量到达第二感测元件的感测区域；其中第一光量与第二光量不同。
另一实施例提供一种使用具有多个光学感测元件的光学传感器阵列对生物计量输入对象成像的方法。该方法包括：第一次读取光学传感器阵列中的感测元件的子集；分析感测元件的子集的第一读数以确定环境光条件；基于环境光条件更改操作点；以及使用光学传感器阵列对输入对象成像。
附图说明
图1是包括光学传感器和处理***的***的示例的框图。
图2图示了根据实施例的光学传感器的示例。
图3A图示了根据实施例的根据用于自动增益和曝光控制的方法所使用的光学感测元件的阵列。
图3B图示了根据实施例的实现自动增益和曝光控制的方法。
图4图示了具有和不具有各种光阻挡结构的光学感测元件的示例。
图5图示了光学感测元件阵列的示例，其中某些感测元件配置用于自动增益及曝光控制。
图6图示了具有重叠准直器孔口的光学感测元件阵列的示例，并且其中某些传感器元件被配置用于自动增益和曝光控制。
图7图示了具有重叠准直器孔口的光学感测元件阵列的另一示例，并且其中某些传感器元件被配置用于自动增益和曝光控制。
图8A-图8B图示了相对于光学感测元件阵列设置的光阻挡结构的示例。
具体实施方式
以下详细描述本质上是示例性的，并不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受到前面的技术领域、背景技术、发明内容、附图说明或以下详细描述中所呈现的任何明示或暗示的理论的约束。
转到附图，并且如本文中更详细描述的那样，实施例提供了用于对包括但不限于指纹的输入对象(诸如生物计量输入对象)进行光学成像的***和方法。具体来说，描述用于生物计量传感器的***和方法，所述生物计量传感器可以在包括亮光(例如，阳光)的多种环境照明条件下对生物计量进行成像。***和方法提供用于单帧快照的光学敏感度降低以测量明亮的环境照明，由此避免需要多个帧以实现与现有***中发现的相同的结果，其现有***因此需要更多的功率和更多的延迟。
公开了各种解决方案。在一个实施例中，不使用特殊光学感测元件(也称为"像素")。代替地，该***和方法对光学感测元件阵列中的光学感测元件的子集进行采样。结果用于调整增益和曝光控制以将光学传感器置于用于输入对象(例如，指纹)的光学成像的适合操作范围中。在其它实施例中，光学感测元件的子集配置以感测元件过滤器，例如空间遮光罩。这些遮蔽可变地和部分地阻挡光到达光学感测元件，由此甚至在亮光条件下防止至少一些感测元件变得饱和。来自部分阻挡的光学感测元件的读数然后可以用于调整增益和曝光以将光学传感器置于用于输入对象的光学成像的适合的操作范围中。备选地，读数可以用于其它目的，诸如基于读数调整包含光学传感器的设备的另一参数或设定。该***和方法可以连同诸如准直器的滤光器层使用。就准直器而言，准直器孔口的节距可以或可以不匹配光学感测元件的节距，并且准直器可以或可以不与光学传感器对准。
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可以配置成将输入提供到电子***(也称为“电子设备”)。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、电子书阅读器、个人数字助理(PDA)和可穿戴计算机(诸如智能手表和活动***设备)。附加示例电子***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***包括诸如数据输入设备(包括远程遥控和鼠标)和数据输出设备(包括显示屏和打印机)之类的***设备。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机或从机。
传感器100可以被实现为电子***的物理部分，或者可以与电子***在物理上分离。传感器100可以集成为电子设备的显示器的一部分。视情况而定，传感器100可以使用以下各项中的任何一个或多个与电子***的部分通信：总线、网络和其它有线或无线互连。示例包括I2C、SPI、PS/2、通用串行总线(USB)、蓝牙、RF和IRDA。
传感器100被配置成感测由感测区120中的一个或多个输入对象140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被实现为被配置成检测输入对象140的指纹特征的指纹传感器(也称为“指纹扫描仪”)。在其它实施例中，传感器100可以实现为血管传感器(例如，用于手指静脉识别)、掌形传感器或接近传感器(诸如触摸板、触摸屏及或其它触摸传感器设备)。在其它实施例中，传感器可以用于通过监视图像的反射率的动态改变来检测心率。
感测区120包含传感器100之上、周围、之中和/或附近的任何空间，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提供的用户输入)。特定感测区的尺寸、形状和位置可以逐个实施例而极大地变化。在一些实施例中，感测区120从传感器100的表面沿一个或多个方向延伸到空间中。在各种实施例中，输入表面可以由传感器元件位于其内的外壳的表面、由施加在传感器元件或任何外壳之上的面板等提供。在一些实施例中，感测区域120在投影到输入设备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其它规则或不规则图案来检测输入对象140。
在本文中阐述的输入设备100的光学实现方式中，一个或多个检测器元件(也称为光学感测元件)检测来自感测区域的光。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、由感测区中的输入对象发射或其某种组合。示例光学检测器元件包括光电二极管、CMOS阵列、CCD阵列和配置成检测可见或不可见光谱(诸如红外或紫外光)中的光的其它类型的光传感器。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明。检测来自（一个或多个）照明波长中的感测区域的反射以确定对应于输入对象的输入信息。
一些光学实现方式依赖于输入对象的直接照明的原理，其可以取决于配置而与感测区的输入表面接触或不接触。一个或多个光源和/或光导结构可以用于将光引导到感测区。当存在输入对象时，该光从输入对象的表面反射，这些反射可以由光学感测元件检测并用于确定关于输入对象的信息。
一些光学实现方式依赖于内反射的原理来检测与感测区的输入表面接触的输入对象。由于在由感测表面限定的边界的相对侧处的不同折射率，一个或多个光源可以用于以一角度在透射介质中引导光，光以该角度在感测区的输入表面处被内反射。由输入对象对输入表面的接触导致折射率跨该边界改变，这更改了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，则通常可以取得较高的对比度信号。在这样的实施例中，除了输入对象与输入表面接触并且使光跨该界面部分地透射之外，光可以以一入射角被引导到输入表面，光以该角度被全内反射。这样的示例是引入到由玻璃到空气界面限定的输入表面的手指的存在。与空气相比，人类皮肤的较高折射率使得以界面到空气的临界角入射在输入表面处的光部分透射通过手指，其原本会在玻璃到空气界面处被全内反射。该光学响应可以由***检测并用于确定空间信息。在一些实施例中，这可以用于对小尺度指纹特征成像，其中入射光的内反射率取决于脊或谷是否与输入表面的该部分接触而不同。
一些实现方式被配置成提供跨越一维、二维、三维或更高维空间的图像。输入设备可以具有取决于诸如所涉及的特定感测技术和/或感兴趣的信息的尺度之类的因素而逐个实施例变化的传感器分辨率。例如，一些生物计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眼睛的血管图案)，这可以利用较高传感器分辨率且呈现来自一些接近传感器实现方式的不同技术考虑，所述接近传感器实现方式配置成检测输入对象相对于感测区的位置(诸如手指相对于输入表面的触摸位置)。在一些实施例中，通过感测元件的阵列的物理布置来确定传感器分辨率，其中可以使用较小的感测元件和/或较小的节距来限定较高的传感器分辨率。
在一些实施例中，传感器100被实现为具有足够高以捕获指纹特征的传感器分辨率的指纹传感器。在一些实现方式中，指纹传感器具有足以捕获细节(包括脊末端和分叉)、取向域(有时称为“脊流”)和/或脊骨架的分辨率。这些有时被称为1级和2级特征，并且在示例性实施例中，至少每英寸250像素(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较高级特征的分辨率，所述较高级特征诸如汗孔或边缘轮廓(即，单独脊的边缘的形状)。这些有时被称为3级特征，并且在示例性实施例中，至少每英寸750像素(ppi)的分辨率能够可靠地捕获这些较高级特征。
在一些实施例中，指纹传感器被实现为方位传感器(也称为“区域”传感器或“静态”传感器)或划擦传感器(也称为“滑动”传感器或“扫划”传感器)。在方位传感器实现方式中，传感器配置成在用户的手指在感测区上方保持静止时捕获指纹输入。通常，方位传感器包括能够在单个帧中捕获指纹的期望区域的感测元件的二维阵列。在划擦传感器实现方式中，传感器配置成基于用户的手指与感测区之间的相对移动而捕获到指纹输入。通常，划擦传感器包括感测元件的线性阵列或薄二维阵列，所述感测元件被配置成当用户的手指在感测区上方划擦时捕获多个帧。然后可以重构多个帧以形成对应于指纹输入的指纹的图像。在一些实现方式中，传感器被配置成捕获方位和划擦输入两者。
在一些实施例中，指纹传感器(本文中称为“部分”指纹传感器)配置成在单个用户输入中捕获小于用户的指纹的全区域。通常，由部分指纹传感器捕获的指纹的所产生部分区域足以供***执行从指纹的单个用户输入(例如，单个手指方位或单个手指划擦)的指纹匹配。用于部分方位传感器的一些示例成像区域包括100mm2或更小的成像区域。在另一示例性实施例中，部分方位传感器具有20-50mm2范围内的成像区域。在一些实现方式中，部分指纹传感器具有与成像区域尺寸相同的输入表面。
虽然输入设备总体上在图1中的指纹传感器的上下文中描述，但实施例包括其它生物计量传感器设备。在各种实施例中，生物计量传感器设备可以配置成捕获用户的生理生物计量特性。一些示例生理生物计量特性包括指纹图案、血管图案(有时被称为“静脉图案”)、掌纹和掌形。
在图1中，处理***110被示出为与输入设备100通信。处理***110包括一个或多个集成电路(IC)的部分或全部，所述集成电路（IC）包括微处理器、微控制器等和/或其它电路部件。在一些实施例中，处理***可以配置成操作输入设备的硬件以捕获输入数据，和/或基于由传感器100捕获的输入数据实现生物计量过程或其它过程。
在一些实现方式中，处理***110配置成操作传感器100的传感器硬件以检测感测区120中的输入。在一些实现方式中，处理***包括：驱动器电路，配置成利用输入设备的感测硬件驱动信号和/或接收器电路，配置成利用感测硬件接收信号。例如，用于光学传感器设备的处理***可以包括：驱动器电路，配置成将照明信号驱动到一或多个LED、LCD背光或其它光源；和/或接收器电路，配置成利用光学接收元件接收信号。
在一些实施例中，处理***110包括电子可读指令，诸如固件代码、软件代码等。在一些实施例中，处理***110包括用于存储电子可读指令和/或其它数据的存储器，诸如用于生物计量识别的参考模板。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与传感器100的部分通信。在一些实施例中，组成处理***110的部件定位在一起，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的部件在物理上分离，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别处。例如，传感器100可以是耦合到计算设备的***设备，并且处理***110可以包括被配置成在计算设备的中央处理单元上运行的软件以及与中央处理单元分离的一个或多个IC(可能具有相关联的固件)。作为另一示例，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一部分的电路和/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执行与传感器相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、运行电子***的操作***(OS)等。
处理***110可以被实现为操作处理***110的不同功能的模块的集合。每一个模块可以包括作为处理***110的一部分的电路、固件、软件或其组合。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被配置成操作（一个或多个）感测元件以检测输入的传感器操作模块、被配置成识别诸如模式改变手势之类的手势的识别模块、以及用于改变操作模式的模式改变模块。在一个或多个实施例中，第一和第二模块可以包括在分离的集成电路中。例如，第一模块可以至少部分地包括在第一集成电路内，并且分离的模块可以至少部分地包括在第二集成电路内。此外，单个模块的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响应于感测区120中的用户输入(或没有用户输入)。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***，如果存在这样的分离的中央处理***)提供关于输入(或没有输入)的信息。在一些实施例中，电子***的某个部分处理从处理***110接收的信息以对用户输入起作用，诸如促进全范围的动作，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(或没有输入)的电信号。处理***110可以在产生提供给电子***的信息时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获得的模拟电信号。作为另一示例，处理***110可以执行滤波或其它信号调节。作为又一示例，处理***110可以减去或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与显示屏的有源区域的至少一部分重叠，诸如其中传感器100包括触摸屏界面的实施例和/或被配置成检测有源显示区域上的生物计量输入数据的生物计量感测实施例。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，并且可以是平坦的、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衬底，其可以用于提供视觉和/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上方的护罩透镜(有时称为“护罩玻璃”)，其还可以为输入设备提供输入表面。示例护罩透镜材料包括塑料、光学透明的无定形固体，诸如化学硬化的玻璃，以及光学透明的晶体结构，诸如蓝宝石。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的电部件中的一些以供显示画面并且用于输入感测。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两者。作为另一示例，显示屏可以部分地或全部地由与输入设备通信的处理***110操作。
图2图示了用于对输入对象202(诸如指纹或其它生物计量)成像的光学成像设备200的示例的叠放。光学成像设备200包括光学传感器204，且在某些实施例中包括过滤器层206。还示出护罩层212。护罩层212保护光学成像设备200的内部部件，诸如光学传感器204和过滤器层206。护罩层212可以包括护罩玻璃或护罩透镜。在某些实施例中，护罩层212包括显示堆叠，诸如说明性地描绘为具有红色(R)、绿色(G)及蓝色(B)像素的OLED显示器——尽管显示堆叠可以分类为分离层且可以包括任何颜色的像素。此外，在一些实施例中，可以使用诸如微型LED显示器或其它发光显示器的其它显示堆叠。光学成像设备200可以用于在整个显示器的任何部分上方、在显示器的经设计部分上方或在没有显示器的情况下在护罩透镜或玻璃上方对输入对象202成像。将理解的是，光学成像设备200以及层中的每一个都以简化形式示出。光学成像设备200可以包括其它层，且各种层可以包括未示出的部件和子层。
用于输入对象202的感测区被定义在护罩层212之上。感测区包括由护罩层212的顶表面形成的感测表面214，其提供用于输入对象202(例如，指纹或更一般的生物计量)的接触区域。如之前在以上所描述的那样，感测区可以在感测表面214之上延伸。因此，输入对象202不需要接触要成像的感测表面214。
尽管出于说明性目的在指纹的上下文中总体上进行了描述，但输入对象202是要成像的任何对象。通常，输入对象202将具有各种特征。例如，就指纹而言，输入对象202具有可以被光学成像的脊和谷。用于成像的输入对象202的照明可以由显示部件(例如，OLED)和/或由可以安装在过滤器层206下方或上方的分离光源(未示出)提供。当光源安装在过滤器层206下方时，过滤器层206的部分可以是透明的，以允许光到达护罩层212和感测表面214。
光学成像设备200可以包括过滤器层206内的滤光器208以用于调节从输入对象202和/或在感测表面214处反射的光。在特定示例中，滤光器208为准直器，然而，将理解的是，可以使用不同类型的滤光器。当部署为准直器时，滤光器208包括孔口或孔210的阵列，其中每一个孔口210通常在光学传感器204的一个或多个光学感测元件上方，使得穿过孔口210的光到达感测元件。孔口210的阵列可以形成规则或不规则图案。孔口210可以为空隙或可以由透明材料制成，或其组合，并且可以使用添加或减除方法(例如，激光、钻孔、蚀刻、冲压等)形成。在除了孔口210之外的区域中，滤光器208包括将阻挡、反射、吸收或以其它方式遮断光的材料(例如，金属)。因此，滤光器208通常仅准许从输入对象202(例如，手指)或感测表面214反射的以(相对于由过滤器层206的纵向轴限定的纵向平面)垂直或接近垂直入射的光线穿过并且到达光学传感器204的光学感测元件。应当理解的是，准直器可以使用任何其它适合的方法或材料来制造，并且进一步地，准直器或其部分可以附加地或备选地地准许(例如，具有成角度的或倾斜的接收角的)其它非垂直光线到达传感器。
光学传感器204设置在过滤器层206下方并且包括光学传感器阵列216，所述光学传感器阵列216包括光学感测元件阵列，其中光学传感器阵列中的一个或多个感测元件通常设置在滤光器208的孔口210下方。光学传感器阵列216中的光学感测元件检测穿过滤光器208且成为入射于感测元件中的一个或多个上的光的强度。光学传感器204的示例包括可以由半导体管芯（诸如CMOS图像传感器(CIS)管芯）形成的CMOS图像传感器，或者形成于非导电衬底(诸如玻璃)上的基于TFT的传感器。
控制电路218电连接和逻辑连接到光学传感器204。控制电路218通常控制光学传感器204的操作——例如，作为生物计量成像过程的一部分，读取传感器阵列216内的光学感测元件的值、控制传感器曝光(积分)时间和信号增益等。控制电路218可以包括处理器、存储器和/或分立部件。控制电路218可以是分离的，如通常示出的那样，或者可以部分地或整体地与光学传感器204集成。
在所示出的实施例中，滤光器层206(例如，准直器)被示出在光学传感器204的上方并且与光学传感器204稍微间隔开。应当理解的是，滤光器层206可以直接设置在光学传感器204的顶部上。在某些实施例中，滤光器层206可以诸如由通过材料的移除或选择性沉积而在CMOS传感器中形成准直器而形成为光学传感器的集成部分。如以下将讨论的那样，空间遮光罩可以形成在例如滤光器层206的孔口210内。
为了通过护罩层212实现诸如指纹和指纹尺寸特征的特征的光学感测，从输入对象202和/或感测表面214反射的光可以由滤光器208调节，使得到达传感器阵列216中的感测元件的光仅仅来自输入对象202和/或感测表面214上的小斑点（大体上在传感器元件上方）。在没有这样的调节的情况下，从输入对象202上远离光学感测元件的区到达感测元件的任何光促成图像模糊。滤光器208通过仅允许穿过孔口210的光到达传感器阵列216且因此到达光学传感器元件而为光学成像设备200提供这样的光调节。
一般而言，传感器阵列216中的每一个光学感测元件随时间(积分时间)ΔT收集(积分)光并且将所收集的光转换成电信号。可以放大的电信号由控制电路218读出并且可以转换成数字形式。在其期间每一个感测元件在被读取之前收集光的时间段(ΔT)被称为曝光时间或简单地称为曝光。放大的量被称为增益。对于光学传感器，典型的积分时间的示例是大约160ms，其中需要16ms来读取整个光学传感器阵列。将理解的是，这些时间可以取决于光学传感器的配置、单独的光学感测元件的数量、行的数量等而极大地变化。
在某些照明条件(诸如阳光)中，周围的环境光可以以足够强度到达光学传感器204的单独感测元件，以针对给定曝光时间使感测元件中的一些或全部饱和。饱和也可以由于大传感器信号的放大而有效地发生。自然地，感测元件的饱和可以干扰并可能妨碍有效地对输入对象成像的能力。本文中描述的***和方法以各种方式解决该问题，如以下描述中更详细描述的那样。然而，通常，***和方法用于读出感测元件的子集、分析读数、以及调整增益和/或曝光以将光学传感器置于用于特定环境光条件的适当操作点处。***和方法可以用于提供快速成像而不引入与现有方法相关联的等待时间。
在一个示例中(例如，图3A-图3B)，第一次读取形成光学传感器204的感测元件阵列216中的光学感测元件的子集。然后分析读数的结果以调整与感测元件结合使用的增益和曝光，直到光学成像设备200实现准许输入对象的可接受成像的操作点，例如，准许确定指纹的脊、谷和其它特征。此实现方式不需要使用经修改的或特殊的感测元件(像素)。
在另一示例中(例如，图5、图6、图7)，采用特殊感测元件(诸如经遮蔽的感测元件或像素或特殊像素)。经遮蔽的感测元件连同遮光罩使用(例如，图4)，所述遮光罩可以通过感测元件基准而在感测元件上阻挡的光量方面变化。遮光罩设置在被成像的对象与单独的感测元件之间。例如，遮光罩可以作为光学传感器204的部分直接形成于感测元件的顶部上，如由遮光罩220示意性地示出的那样。作为另一示例，遮光罩可以形成为滤光器208的部分，如由空间遮光罩222所示出的那样。遮光罩创建特殊像素，其中一些不会由于亮光而如未遮蔽的像素那样容易或快速地饱和。因此，特殊像素可以用于在未遮蔽的感测元件会饱和的情况下读取传感器值。例如，可以使用具有彼此不同的敏感度的特殊像素。基于不同的敏感度，在给定的光条件下，特殊像素中的不同的像素将彼此不同地响应。作为示例，在明亮的环境光条件下，特殊像素中的一些(例如，具有对光的最低敏感度或最小曝光区域的那些)可能没有饱和，而特殊像素中的其它像素(例如，具有对光的较高敏感度或较大曝光区域的那些)可能在相同的光条件下饱和。经遮蔽的感测元件因此可以用于分析环境条件且基于特殊像素的响应快速调整增益及曝光控制。此外，应当注意的是，变化尺寸的特殊光传感器可以用于类似地变化特殊像素的敏感度，而不需要遮蔽。
在某些实施例中，光学传感器阵列216可以使用滚动快门或全局快门来操作。在滚动快门布置中，阵列中的感测元件的每一行被集成达时间段(ΔTR)，其中每一行的开始时间和结束时间是交错的。在其积分时间之后，例如通过控制电路218读出给定行，在此期间可以集成另一行或多行。因此，在滚动快门中，在其期间每一行感测光的时间段暂时间隔开，即使时间段可以重叠。在全局快门布置中，整个传感器阵列同时集成达时间段(ΔTG)以及然后读出。
图3A-图3B图示了根据某些实施例的自动增益和曝光控制的布置和方法，其中不需要使用经遮蔽的光学感测元件(特殊像素)，尽管可以可选地采用它们。
图3A描绘包括单独光学感测元件302(每一个正方形表示光学感测元件)的光学传感器阵列300。在该示例中，光学感测元件302通常被示出为形成(沿着x轴的)行和(沿着y轴的)列。为了说明的目的，仅示出有限数量的光学感测元件。然而，对于显示器中光学传感器，可以使用多得多的感测元件来对输入对象(诸如指纹)成像，例如，大约50K的感测元件。该布置示出了感测元件的规则图案，然而，将理解的是，单独感测元件不需要形成行和列并且也可以使用不规则图案。尽管可以可选地使用特殊的像素，但是没有示出或要求它们。
图3B图示了可以用于测量环境条件且提供增益和/或曝光控制同时最小化对成像输入对象所涉及的等待时间的任何影响的方法320。如通常在步骤322中所示出的那样，初始读取光学传感器阵列300中的感测元件的子集。例如，通过控制电路218读出三个间隔开的行304a、304b、304c。因为仅读出整个传感器阵列的行的子集，所以与读出光学传感器阵列300的较大部分所需的时间相比，此过程可以发生在部分时间(例如，大约数微秒)中，如通常将对输入对象的整个图像进行成像(例如，大约数毫秒)所做的那样。
然后分析来自行304a、304b、304c的子集的数据，如步骤324中所示出的那样。分析的结果将指示如何如步骤326中示出的那样进行。例如，如果感测元件的子集提供可接受区内(例如，所有或大多数感测元件未饱和)的值，那么所述方法可以继续对整个感测区（例如，诸如通常在如步骤330中所示出的指纹成像过程期间发生的感测元件300的整个阵列）进行成像。
另一方面，如步骤328中所示出的那样，如果确定多个感测元件饱和，则可以调整传感器的增益和/或曝光以将传感器移动到可接受的操作区中，诸如将准许诸如脊和谷的特征成像的操作区。一旦调整曝光和/或增益，过程可以直接继续到输入对象的成像(步骤330)，或返回到步骤322以对光学感测元件的相同或另一子集进行采样。
作为说明性示例，光学传感器初始可以配置有ΔT＝160ms的曝光时间且具有输入信号的2倍的增益输出(2X)。在步骤322中，读取光学感测元件304a、304b、304的子集。在步骤324中，分析来自光学传感器子集的读数。如果确定的是光学感测元件的子集中的全部或许多在不饱和状态下操作（如可以是其中仅存在室内环境光的情况）则该过程可以继续到步骤330，其中采集输入对象的整个图像。然而，如果子集的光学感测元件中的所有或许多是饱和的（如步骤324和326中所确定的那样），则可以如步骤328中所示出的那样调整曝光时间和/或增益。例如，曝光时间ΔT可以减小到30ms，并且增益可以调整到3X。然后，该过程可以重复步骤322-326。如果光学感测元件仍未在可接受范围内操作，那么所述过程可以通过例如将曝光时间ΔT调整到10ms且将增益调整到1X而再次重复。过程可以重复，直到光学传感器在可接受的操作范围内，使得输入对象可以在步骤330中成像。
在图3A-图3B的实施例中，任何适合的算法可以用于到达用于光学传感器的适当操作点。例如，对曝光和增益的调整可以简单地遵循针对曝光时间ΔT和增益的通过各种值的***步进，直到达到适当的操作点。备选地，或者与其组合，该方法可以简单地跳到已知的操作点。例如，可能已知的是特定增益和曝光时间在直射阳光下工作是已知的。在这样的情况下，当在步骤324-326中初始确定饱和时，可以立即将增益和曝光时间值设定为已知值。
将理解的是，光学感测元件304a、304b、304c的特定子集仅出于说明的目的而示出。例如，子集不需要包括完整的或甚至部分的行，并且可以贯穿光学感测元件阵列中零星地间隔开。当然，将像素的子集限制为仅某些行或部分行通常将准许更快的读出时间，尤其是在滚动快门布置的上下文中。
图4图示了一系列单独的光学感测元件402-412，其包括各种类型和程度的遮光罩。在每一个感测元件内，阴影圆圈420表示收集和集成光的光敏感区域。虽然示出为圆形，但是将理解的是，光敏感区域可以是任何形状。
感测元件402不包括遮光罩并且因此形成未遮蔽的感测元件或像素。因此，感测元件402的感测区域420将接收入射在其上的最大光。
感测元件404包括空间遮光罩，所述空间遮光罩包括区域422，由此形成特殊的或经遮蔽的感测元件或像素。区域422被设计成阻挡(例如，吸收、反射或以其它方式遮断或防止)光以免到达感测区域420的部分。如所示出的那样，间隙或狭缝423存在于区域422之间，光通过所述间隙或狭缝423可以透射，由此准许光到达感测区域420。由于存在阻挡区域422，经遮蔽的感测元件404的感测区域接收光，但是为比未遮蔽的感测元件402更少的光。
经遮蔽的感测元件406包括空间遮光罩，所述空间遮光罩包括与结合感测元件404所描述的布置类似的区域424。然而，当与感测元件404相比时，遮蔽区域424相对较大，由此导致遮蔽区域424之间的对应较小(较窄)间隙或狭缝425。如将显而易见的那样，阻挡区域424的配置提供感测元件406的感测区域以接收光，但是为比感测元件404更少的光。
经遮蔽的感测元件408和410包括空间遮光罩，所述空间遮光罩包括一系列阻挡区域426或428。如所示出的那样，阻挡区域426和428的布置提供与如结合感测元件404和406所示出的单个间隙或狭缝配置相对的一系列间隙或狭缝。由于阻挡区域426和428的配置，感测元件408和410的感测区域接收光，但是与未阻挡的感测元件402相比是以不同的度数和更少的光。
感测元件412示出了备选布置。代替使用空间遮光罩，感测元件被包括诸如具有可变密度的过滤器的滤光器430的阻挡遮罩覆盖。滤光器可以被配置成例如阻挡某些波长的光，同时准许透射、偏振其它波长的光或以其它方式配置成以降低由感测区域所接收的光的强度。
将认识到的是，经遮蔽的感测元件404-412的配置中的每一个将阻挡正入射于感测元件上的变化角度的光。因此，经遮蔽的感测元件404-412不会如未遮蔽的感测元件那样快速或容易地饱和。还将认识到的是，结合图4示出和描述的示例仅旨在是示例。可以采用阻挡区域和/或过滤介质的任何对称或不对称布置来减少入射到感测元件的感测区域上的光。
此外，阻挡或遮蔽区域可以使用任何适合的添加或减除技术来构造。例如，阻挡区域可以通过添加膜或金属层来构造。就金属而言，可以涂敷金属以促进光的吸收。阻挡区域可以形成为传感器的一部分，例如通过例如从CMOS传感器管芯的材料的选择性移除。也可以使用用于阻挡区域的各种位置。例如，阻挡区域可以直接形成在感测元件和对应感测区域的顶部上。备选地，阻挡区域可以形成在过滤器层的内部或形成为过滤器层的一部分，例如，在准直器的孔口内或邻接准直器的孔口。只要遮罩设置在感测元件与要成像的输入对象之间，就可以使用任何适合的位置。
将认识到的是，感测元件402被称为“未遮蔽的”的并且感测元件404-408被称为“经遮蔽的”，以指示感测元件本身是否具有遮蔽，而不管是否使用滤光器层。滤光器层206(例如，准直器)的使用可以进一步阻挡光到达经遮蔽的或未遮蔽的像素，这取决于例如滤光器层与光学传感器204的对准。
如下文进一步描述的那样，某些实施例采用具有感测元件的子集的光学传感器阵列，所述感测元件的子集具有变化的空间遮光罩(经遮蔽的感测元件)，这允许阻挡变化角度的光以及因此允许变化角度的光到达感测区域。这些经遮蔽的感测元件即使在未遮蔽的感测元件变得饱和时也允许确定环境照明条件。然后可以更改增益和曝光以将整个传感器置于在操作点，使得图像传感器可以用于例如甚至在诸如直射阳光的条件下对指纹成像。
应当了解的是，经遮蔽的感测元件可以用于通过校准步骤的对象成像。因为经遮蔽的感测元件的敏感度通过设计是已知的，所以经遮蔽的感测元件可以利用反函数来归一化。以此方式，未饱和的经遮蔽的感测元件可以用于正常成像功能。
图5图示了光学传感器阵列500的示例，所述光学传感器阵列500包括经遮蔽的感测元件502的子集(也用“S”表示)，诸如结合图4描述的那些，其可以用来分析照明条件以及实现增益及曝光调整。通常，由遮光罩阻挡的光量将变化。但是仅作为一个说明性示例，假设使用简单的狭缝类型遮罩(参见图4的光学感测元件404和406)，最左边的感测元件可以包括允许最大量的光到达感测区域的最大狭缝。向右移动，感测元件可以包括逐渐变小的狭缝，从而允许越来越多的光被阻挡，使得在最右边的感测元件接收最少量的光。当然，可以使用任何其它阻挡配置来获得相同的结果，例如，如由感测元件408、410或412所示出的那样。在该示例中，经遮蔽的感测元件位于或接近光学传感器阵列500的边缘(行504a和504b)，其可以对应于显示器的无源区域。
施加到经遮蔽的感测元件S的遮罩不需要遵循渐进布置。经遮蔽的感测元件S也不需要被布置在传感器阵列的行中或边缘处。各种特殊像素可以与变化程度的遮罩或变化程度的敏感度一起使用，以允许甚至在包括未遮蔽的像素将饱和的照明条件的变化的照明条件中检测来自传感器元件的各种值。一般来说，经遮蔽的感测元件的位置经选择以根据应用捕获跨越感测区的事件。例如，将一个感测元件S放置在感测区的中心处将是有效的，但是可能错过饱和发生在边缘处的情况，诸如在其中阳光和阴影特征与有源区域对准的指纹应用，之后是覆盖整个有源区域的手指放置。因此，在某些应用中，跨有源区域的特殊经遮蔽的像素的分布是有用的。另外，多个不同水平的经遮蔽的传感器元件和/或具有变化的敏感度的经遮蔽的传感器元件是另一个设计参数。增加的经遮蔽的传感器元件或具有增加敏感度的传感器元件的连续体将提供饱和点的更大粒度，从而促进确定捕获高信噪比图像的理想曝光时间。
在对输入对象(诸如指纹)成像之前，读取经遮蔽的感测元件S的值。因为经遮蔽的感测元件具有多种遮罩且因此接收不同量的光，所以经遮蔽的感测元件中的至少一些将提供可测量且有意义的读数(例如，光学感测元件的动态范围内的读数)，而不管环境光条件如何。来自经遮蔽的感测元件S的读数可以然后用于在需要时调整增益和曝光设定以将光学传感器阵列500置于适合的操作点处，使得可以对输入对象成像。
如果适合数量的经遮蔽的感测元件S与多种遮罩一起使用，那么将通常可能确定环境光条件以调整增益和曝光，而无需参与诸如结合图3B所示出和描述的反复过程。这起因于与可变数量的遮蔽耦合的经遮蔽的感测元件的数量可以提供足够的信息以准确地评估环境照明条件而不需要重复的读数的事实。然而，如果认为必要或期望，则可以使用反复过程。
如结合图2所指出的那样，光学传感器可以与诸如准直器的滤光器层结合使用。在这样的情况下，准直器的孔口的节距可以匹配或不匹配传感器阵列中的光学感测元件的节距。另外，准直器的孔口可以不与单独的感测元件对准和/或这样的对准的量可以变化。现在将结合图6-图7的示例来描述这样的布置。
图6图示了具有各种单独感测元件602的光学传感器阵列600的示例。光学传感器阵列设置在具有由阴影圆604描绘的开口的准直器下方。如可以看到的那样，在示例中，准直器开口604各自在两个相邻光学感测元件(例如，感测元件606和608)上方。
根据所描述的***和方法，两个相邻的感测元件(例如，608和606)可以共享准直器开口。在这样的布置中，穿过准直器开口的光可以到达两个相邻的感测元件。每一个准直器开口可以因此与用于正常输入对象成像的未遮蔽的感测元件606以及与增益及曝光控制结合使用的经遮蔽的感测元件608(也表示为S)相关联。每一个经遮蔽的感测元件S可以具有某种类型的遮罩(参见图4)。经遮蔽的感测元件S因此可以贯穿光学传感器阵列或仅在某些位置(诸如靠近或接近于边缘、中心等的行)处间隔开。如参考图5所描述的那样，经遮蔽的感测元件S可以具有变化程度的光阻挡材料且因此甚至在亮光条件下也将提供多种值。以此方式，可读取及分析经遮蔽的感测元件以在必要时调整增益及曝光。
图7图示了具有各种单独感测元件702的光学传感器阵列700的另一示例。光学传感器阵列700设置在具有由阴影圆(例如704)描绘的开口的准直器下方。如可以看到的那样，在示例中，准直器开口通常不与光学感测元件完全对准。例如，准直器开口704直接在感测元件706上方。然而，准直器开口708在两个相邻的感测元件(例如，感测元件710和712)上方。在此示例中，经遮蔽的感测元件S可以用于其中准直器开口设置在多个感测元件上方的那些实例中。因此，例如，感测元件712可以用作经遮蔽的感测元件。作为准直器开口704下方的唯一像素的感测元件706是未遮蔽的感测元件。与经遮蔽的感测元件712相邻的感测元件710也是未遮蔽的。
在其它实例中，准直器开口可以设置在多于两个感测元件上方，诸如参照准直器开口716示出的那样。在这样的情况下，设置在准直器开口下方的一个或多个感测元件718可以用作经遮蔽的感测元件S。一个或多个感测元件720可以是未遮蔽的并用于对象成像。
此外，诸如感测元件722的感测元件可能不在准直器元件下方，而是足够接近以接收足够的光来用作特殊感测元件。因此，感测元件722可以被配置为经遮蔽的感测元件并且还可以被用于增益和曝光控制的测量。还将认识到的是，给定感测元件相对于滤光器层的位置(当存在时)可以消除使用遮光罩来使用感测元件作为特殊感测元件的需要。例如，准直器将自然地阻挡不在准直器孔口正下方的感测元件的光，由此限制或消除在某些情况下对分离的遮罩的需要。
与其它示例一样，未遮蔽的感测元件用于正常输入对象成像，而经遮蔽的像素通常用于采集结合增益和曝光控制或环境光检测使用的读数。然而，如上文所指出的那样，经遮蔽的感测元件还可以通过实现适当的校准而用于对象成像。
此外，应当理解的是，在包括滤光器层或准直器层的实施例中，特殊像素或经遮蔽的像素可以设置在滤光器层或准直器层下方或与其共同定位的区域中。附加地或备选地，可以使包含特殊像素或经遮蔽的像素的光学传感器的（一个或多个）部分不含滤光器层或准直器层。
图8A-图8B图示了光学传感器阵列的示例连同遮光罩相对于光学传感器阵列及可适用的滤光器的位置的示例。
如图8A中所示出的那样，光学传感器802的横截面包括多个光学感测元件804和806。光学感测元件804是未遮蔽的。光学感测元件806为经遮蔽的像素，其包括遮罩808。遮罩808可以形成空间图案或包括如之前结合图4所描述的过滤材料。在图8A的示例中，遮罩808直接形成到光学感测元件806上且可以由金属、膜或任何适合材料制成以阻挡(反射、吸收或遮断)光，由此限制到达下方的感测元件的光量。遮罩也可以由CMOS传感器管芯制成。
如还示出的那样，一些或所有未遮蔽的像素804可以由材料810界定。边界810的包括是可选的，但是当使用时提供更一致的上表面层，这可以帮助将光学传感器附连或邻接到另一部件，诸如分离的过滤器层。
更一般地，在光学感测元件806上形成遮罩808可以提供某些优点，其中例如光学感测元件806形成于硅晶片上。作为示例，在光学感测元件806上沉积金属可以跨整个管芯创建更均匀的金属密度。在光学感测元件上方没有金属覆盖的情况下，管芯的侧面可以具有较高的拓扑结构，从而使得光学感测元件806上方的后续的平面化更具挑战性。跨整个成像阵列以某一频率放置遮罩提供具有帮助平坦化的益处的拓扑结构增加。同样，不同宽度的金属具有不同的产量影响，由此为特定的金属间隔设计提供优点。如上所指出的那样，可以添加边界810以进一步帮助平面化。
图8B图示了包括多个光学感测元件822和824的光学传感器820的另一示例的横截面。光学感测元件822是未遮蔽的。光学感测元件824是经遮蔽的感测元件，其包括遮罩828。
图8B的示例包括滤光器层830，其是准直器。准直器包括具有形成孔口832(例如，光开口、空隙或透明材料)的透明区的光阻挡区826(例如，固体材料或堆叠吸收层)。光阻挡区域826被设计成以相对宽的角度吸收或遮断光。孔口832可以是空隙或透明材料且具有经设计以将到达感测元件的光的角度限制为来自窄圆锥以减少模糊的纵横比。此外，应当理解的是，代替所描绘的光阻挡和光透射区或除所描绘的光阻挡和光透射区之外，可以使用其它光学部件，诸如微透镜。
在图8B的实施例中，遮罩828被包括在准直器的孔口832内。
将认识到的是，准直器可以是分离的层，或者可以形成为光学传感器820的集成部分。例如，准直器可以通过在CMOS传感器管芯内钻孔或蚀刻材料来制造。备选地，准直器可以分离地制造并且使用晶片级工艺直接加接到CMOS传感器管芯或直接形成在光学传感器820上。
应当指出的是，本文中所描述的***和方法可以用于除了调整光学传感器的操作点以进行成像之外的目的。例如，图5中所示出的实施例可以用于在相同传感器中提供集成成像器和环境光检测器，其中一些像素用于成像以及特殊像素502用于环境光检测。然后可以将环境光检测转而用于电子***的任何功能，在所述电子***中环境光确定是有用的。例如，可以基于利用光学传感器的特殊像素502检测的环境光条件来调整显示器亮度。备选地，可以基于环境光确定来调整电子***的某个其它操作点。在一些示例中，环境光条件确定可以用作用于确定覆盖传感器的对象的存在的代替物，其中对象的存在对应于基于阻挡光到达特殊像素的对象的低环境光确定。作为示例，这对于确定指纹在传感器上方的存在以初始化指纹成像(例如，低功率唤醒检测)可以是有用的，或备选地，这对于确定(例如，在电话呼叫期间按压传感器的)面部的存在以抑制或解激活其它部件（诸如触摸屏或显示器）可以是有用的。此外，在这些示例中的任一者中，光学传感器可以可选地配置成在至少两种不同模式中操作。在一种模式中，光学传感器对输入对象成像，而在另一模式中，光学传感器基于特殊像素502的子集确定环境光条件，而不需要从阵列的其余像素确定图像。此外，该***和方法可以用于任何光学图像传感器。例如，3D结构的光、飞行时间图像传感器或LIDAR成像器都用于汽车和移动市场以及具有测量环境光的类似需要的其它应用中的深度成像。
本文中记载的所有参考文献，包括出版物、专利申请和专利，在此通过引用并入本文，其程度如同每一个参考文献被单独地和具体地指出通过引用并入并且在本文中以其整体阐述。
术语“一”、“一个”、“所述”、“至少一个”以及类似指代词在描述本发明的上下文中（特别是在以下的权利要求的上下文中）的使用将被解释为覆盖单数和复数二者，除非在本文中另有指示或者根据上下文明显矛盾。后面有一个或多个项目的列表的术语“至少一个”（例如，“A和B中的至少一个”）的使用将被解释为意味着从所列出的项目选择的一个项目（A或B）或者所列出的项目中的两个或更多个的任何组合（A和B），除非在本文中另有指示或者根据上下文明显矛盾。术语“包括、”“具有、”“含有、”以及“包含”将被解释为开放式的术语（即，意指“包括但不限于”），除非另有说明。本文中的值的范围的记载仅仅意在充当个体地引用落入该范围内的每一个单独值的速记方法，除非在本文中另有指示，并且每一个单独值被并入本说明书，就好像其在本文中被单独地记载。
本文中描述的所有方法可以以任何合适的顺序被执行，除非在本文中另有指示或者相反上下文明显矛盾。本文中所提供的任何和所有示例或示例性语言（例如，“诸如”）的使用仅仅意在更好地阐明本公开，而不是对本公开的范围提出限制，除非另有声明。本说明书中的语言都不应当被解释为将任何未声明的要素指示为对于本公开的实施必不可少。
在本文中描述了示例实施例。在阅读前面的描述时，那些实施例的变型对于本领域普通技术人员变得显而易见。本发明人期望技术人员视情况而定地采用这样的变型，并且本发明人意在与如本文中具体描述的那样不同地实施本发明。因此，本说明书包括如可适用的法律所准许的所附于此的权利要求中所记载的主题的所有修改和等同物。此外，在其所有可能变型中的以上描述的要素的任何组合被本发明包含，除非在本文中另有指示或者相反上下文明显矛盾。

Claims (24)

1.一种用于对生物计量输入对象成像的光学成像设备，包括：
光学传感器阵列，包括感测元件的阵列；以及
控制电路；
其中所述控制电路配置成：
第一次读取所述感测元件阵列中的感测元件的第一子集；
分析感测元件的所述第一子集的第一读数，以确定感测元件的所述第一子集的一个或多个感测元件是否饱和；
第一次更改所述光学成像设备的操作点；以及
对所述输入对象成像。
2.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中所述控制电路配置成通过调整增益或曝光时间中的至少一个来更改所述操作点。
3.根据权利要求2所述的光学成像设备，其中所述控制电路配置成将所述增益或所述曝光时间中的所述至少一个调整成对应于在亮光中对所述生物计量输入对象成像的值。
4.根据权利要求2所述的光学成像设备，其中所述控制电路还配置成：
在所述操作点的所述第一次更改之后以及在对所述输入对象的所述成像之前第二次读取感测元件的所述第一子集。
5.根据权利要求1所述的光学成像设备，其中感测元件的所述第一子集包括所述光学传感器阵列的多个间隔开的行。
6.根据权利要求5所述的光学成像设备，其中所述间隔开的行包括接近于所述光学传感器阵列的边缘和中心来设置的感测元件。
7.根据权利要求1所述的光学成像设备，还包括设置在所述光学传感器阵列之上的准直器。
8.一种用于对生物计量输入对象成像的光学成像设备，包括：
光学传感器阵列，所述光学传感器阵列包括：
多个未遮蔽的感测元件，所述多个未遮蔽的感测元件被配置成对输入对象成像；
多个经遮蔽的感测元件，包括：
第一感测元件，设置在第一空间遮光罩之下，所述第一空间遮光罩配置成允许第一光量到达所述第一感测元件的感测区域；以及
第二感测元件，设置在第二空间遮光罩之下，所述第二空间遮光罩配置成允许第二光量到达所述第二感测元件的感测区域，
其中所述第一光量与所述第二光量不同。
9.根据权利要求8所述的光学成像设备，还包括所述光学传感器阵列之上的滤光器层，其中所述滤光器层包括具有多个孔口的准直器、被设置在所述第一感测元件之上的第一孔口以及被设置在所述第二感测元件之上的第二孔口。
10.根据权利要求9所述的光学成像设备，其中所述第一空间遮光罩设置在所述第一孔口内，而所述第二遮光罩设置在所述第二孔口内。
11.根据权利要求9所述的光学成像设备，其中所述第一空间遮光罩和所述第二空间遮光罩设置在所述光学传感器阵列之上以及所述滤光器层之下。
12.根据权利要求8所述的光学成像设备，其中所述第一空间遮光罩包括形成第一间隙的阻挡材料以及所述第二空间遮光罩包括形成第二间隙的阻挡材料，所述第一间隙和所述第二间隙准许通过其的光的透射以及所述第二间隙比所述第一间隙更窄。
13.根据权利要求8所述的光学成像设备，其中所述第一空间遮光罩和所述第二空间遮光罩包括过滤材料，所述过滤材料准许某些波长的光的透射以及阻挡其它波长的光的透射。
14.根据权利要求8所述的光学成像设备，其中所述第一感测元件和所述第二感测元件接近于所述光学传感器阵列的边缘来设置。
15.根据权利要求8所述的光学成像设备，其中所述第二感测元件接近于所述光学传感器阵列的中心来设置。
16.一种使用具有多个光学感测元件的光学传感器阵列对生物计量输入对象成像的方法，包括：
第一次读取所述光学传感器阵列中的感测元件的子集；
分析感测元件的所述子集的第一读数，以确定环境光条件；
基于所述环境光条件更改操作点；以及
使用所述光学传感器阵列对所述生物计量输入对象成像。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述更改所述操作点包括调整所述光学传感器阵列的增益或曝光中的至少一个。
18.根据权利要求16所述的方法，其中感测元件的所述子集是未遮蔽的感测元件。
19.根据权利要求16所述的方法，其中感测元件的所述子集是经遮蔽的感测元件。
20. 根据权利要求19所述的方法，其中所述经遮蔽的感测元件包括：
第一感测元件，设置在第一空间遮光罩之下，所述第一空间遮光罩配置成允许第一光量到达所述第一感测元件的感测区域；以及
第二感测元件，设置在第二空间遮光罩之下，所述第二空间遮光罩配置成允许第二光量到达所述第二感测元件的感测区域，
其中所述第一光量与所述第二光量不同。
21.根据权利要求16所述的方法，其中感测元件的所述子集配置成接收通过准直器的光。
22.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在更改所述操作点之后以及在对所述生物计量输入对象成像之前，第二次读取所述光学传感器阵列中的感测元件的所述子集。
23.根据权利要求16所述的方法，其中感测元件的所述子集中的至少一些接近于所述光学传感器阵列的边缘来设置。
24.根据权利要求16所述的方法，其中感测元件的所述子集中的至少一些接近于所述光学传感器阵列的中心来设置。
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