KR101981730B1 - 비-이미징 접촉 센서들에 대한 주변광 조명 - Google Patents

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다니엘 에이치 라긴
존 에프 카버
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크로스 매치 테크놀로지스, 인크.
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Abstract

플래튼(34, 44)을 제공하는 상부 표면 및 상부 표면 상에 있고 플래튼(34, 44)을 통해 센서 내에 수신된 적어도 재지향된 주변광에 의해 조명될 때 피부(22)의 토폴로지를 나타내는 광을 수신하기 위한 광 감지 픽셀 엘리먼트들(24)의 1-차원 또는 2-차원 어레이(31, 40, 106)를 갖는 센서(30, 36, 60, 70, 104)가 피부 토폴로지의 이미지들을 캡처하기 위해 제공된다. 반사 또는 산란 재료들의 하나 이상의 층들 또는 코팅들은 피부를 조명하도록 플래튼(34, 44) 쪽으로 반사, 산란 또는 전파에 의해 주변광을 재지향시키기 위해 센서 내에 제공된다. 픽셀 엘리먼트들(24)은 제공된 주변광의 하나 이상의 선택된 파장들 또는 파장 범위들을 감지한다. 선택적인 광원(들)(71, 124)는 선택적으로 제공된 주변광이 적절한 센서 동작을 위해 불충분할 때 이용하기 위해 제공될 수 있다.

Description

비-이미징 접촉 센서들에 대한 주변광 조명{AMBIENT LIGHT ILLUMINATION FOR NON-IMAGING CONTACT SENSORS}
본 출원은 2012년 11월 12일 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/559,071호를 우선권으로 주장하며, 상기 가특허는 본 명세서에 인용에 의해 포함된다.
본 발명은 비-이미징 접촉 센서들(non-imaging contact sensors)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 조명을 위해 주변광(ambient light)을 활용할 수 있는 비-이미징 접촉 센서들에 관한 것이다. 이러한 센서들은 지문 스캐너들에 대해 또는 임의의 다른 피부 토폴로지 또는 피부의 부분(예를 들어, 손가락들, 엄지손가락, 손바닥들, 발가락들 등)을 이미징하는데 유용하다. 센서들은 이들이 센서의 광 감지 픽셀 엘리먼트들 상에 피부 토폴로지를 나타내는 광의 적절한 캡처를 가능하게 하기 위해 광학계(optics)(예를 들어, 센서의 전체 시야에 걸쳐서 포커싱 및/또는 확대에 영향을 주기 위한 하나 이상의 렌즈들)를 요구하지 않기 때문에 비-이미징 접촉 센서들로서 본 명세서에서 지칭된다. 이러한 비-이미징 접촉 센서들은 주변(인공 또는 자연) 광을 활용함으로써 그 자신의 성능면에서 강화되며, 그에 따라 조명이 센서에 제공되거나 그 내부에서 인에이블되지 않고 동작할 수 있다.
지문 감지는 현재 식별 및 검증 목적들을 위해 널리 이용된다. 이를 위해, 사람의 지문은 지문 감지 디바이스에 의해 획득되며, 이 지문 감지 디바이스의 출력은 프로세싱되고 하나 이상의 지문들의 저장된 특징적 데이터에 비교되어 매칭이 존재하는지를 결정한다. 대부분의 광학 지문 감지 장치들은 프리즘을 포함하고, 미국 특허 번호 제2,195,699호 및 제5,416,573호에서 설명된 바와 같이, 지문을 이미징하기 위해 감쇠 전반사(frustrated total internal reflection; FTIR) 효과를 이용한다. 종래 기술에서, 지문 스캐닝 디바이스로부터 주변광을 차단하기 위한 필요성은 중요한 이슈로 고려되고 다수의 해결책이 제안되었다. 예를 들어, 미국 특허 번호 제7,119,889호에서, 플래튼(platen) 위에 안착된 커버(cover)를 포함하는 주변광 실드(ambient light shield)가 제안되며, 여기서 상기 커버는 지문을 이미징하기 위해 지문 스캐너에 의해 이용되는 파장의 주변광을 차단한다. 제 2 예로서, FTIR에 기초한 접촉 지문 스캐너는 통상적으로 스펙트럼 필터(spectral filter), 통상적으로 유리 기판 상의 일련의 유전체 막들을 포함하여서, 필터들은 대역통과 필터로서 작용한다. 따라서, 상기 필터는 지문 스캐너에 의해 이용되는 광이 스캐너의 센서로 통과하도록 허용하고 이 스펙트럼 대역 외의 광, 예를 들어, 주변광이 차단된다.
FTIR 지문 스캐너에 대한 대안은 접촉 지문 스캐너이다. 미국 특허 번호 제5,991,467호 및 제7,369,690호에서 설명된 바와 같이, 지문의 광학적 감지는 또한 예를 들어, 도 1에서 대략적으로 설명되고 도시되는 것과 같이 광전자 센서(20)를 이용하여 수행될 수 있다. 종래 기술은 소스(21)로부터의 배면광 조명(21a)이 플래튼(23) 상에 배치된 손가락(22)에 부딪히도록 어레이(20a)의 투명 영역들을 통해 투과되는 것을 설명한다. 지문의 융기부(ridges)(8)가 플래튼(38)과 접촉하게 되는 영역들에서, 광은 손가락으로 투과되고, 산란되고(광선 25) 광 감지 검출기들(24)의 2-차원(2D) 어레이에 의해 검출된다. 지문 센서(20)와 접촉시에, 손가락(22)의 지문의 오목부(valley)(7)는 조명(광선 28)을 반사하는 에어 경계를 생성하고, 반사된 광은 광 감지 검출기들(24)에 의해 검출되지 않게 된다. 지문 오목부들의 구역들을 침투하는 잔여 조명 광은 피부로 투과되고, 일부는 반사될지라도, 융기부들의 것에 비해 상당히 감소된 양의 광이 광 감지 검출기들로 복귀하고, 이에 따라 융기부들 및 오목부들로 구성된 지문의 이미지가 생성된다. 광 감지 검출기들(24)은 각각 검출기(24)가 수신하는 반사된 광(25)의 양에 따라 검출기(24)의 누적된 전하를 저장하는 커패시터 또는 커패시턴스를 갖는다. 광 감지 검출기들(24) 각각에서 수신되는 광(25)의 양은 광이 반사되는 그의 위치에 따라 상이한데, 그 이유는 손가락의 돌출된 부분인 융기부(8) 부분으로부터 반사되는 광(25)과 손가락(22)의 들어간 부분인 오목부(7) 부분으로부터 반사되는 광(28)이 서로 상이하기 때문이며, 여기서 도 1의 융기부들 및 오목부들은 디바이스의 동작을 명확하게 하기 위해 과장된 규모로 그려졌다. 트랜지스터들(26)이 검출기들(24) 각각에 대해 제공된다. 각각의 트랜지스터(26)는 그의 연관된 검출기(24)의 커패시터에 저장되는 전자 전하의 양을 판독하기 위해 스위칭한다. 이들 스위칭 트랜지스터들(26)은 TFT들로서 알려진 박막 트랜지스터들일 수 있고, 광 감지 검출기들(24)은 박-막 기반 PIN 포토다이오드들일 수 있다.
플래튼(23)은 통상적으로 그의 동작을 가능하게 하기 위해 TFT-기반 센서들의 트랜지스터들(26), 전기 연결들, 및 다른 엘리먼트들을 비롯해서, 검출기들(24) 및 다른 전자부품들을 갖는 기판 또는 투명 백플레인(backplane)(29) 위의 얇은 보호층(27)의 표면에 의해 제공될 수 있다. 센서(20)의 제조는 유리의 백플레인(29) 상에 형성되는 비정질 실리콘 기술을 이용할 수 있다. 배면광 조명(21)은 기판(29) 및 기판(29) 상의 불투명하지 않은 구역들(예를 들어, 검출기들(24), 트랜지스터(26), 전기 연결들 및 다른 엘리먼트들을 포함하지 않는 구역들)을 통과한다. 검출기들(24)은 기판(29)을 향하는 측 상에서 불투명하여서, 소스(21)로부터의 조명 광(21a)은 직접 검출되지 않고, 반사 또는 산란됨으로 인해서만 검출된다.
검출기들(24)은 이하, 2차원 센서 어레이(20a)의 광 감지 픽셀 엘리먼트들(또는 픽셀들)(24)로서 지칭되는데, 그 이유는 각각의 검출기가 대상 손가락(22)의 지문 또는 손가락(들), 손바닥, 엄지손가락 또는 사람의 다른 피부를 나타내는 2-차원 이미지의 하나의 픽셀에 따른 광(센서(20)의 칩 상의 다른 전자부품에 의해 판독될 때)을 감지하기 때문이다. 손가락(22)이 어레이(20a)의 광 감지 픽셀들의 근접한 부근에 있으므로, 어떠한 이미징 광학계들도 이용되지 않고, 이에 따라, 지문 이미지를 캡처하기 위해 이 광전자 센서를 이용하는 디바이스의 용어는 본 명세서에서 비-이미징 접촉 지문 센서(20)로서 지칭되며, 여기서, 이러한 센서는 광 감지 픽셀들의 2-차원 센서 어레이(20a)를 갖는다. TFT들이 트랜지스터들(26)을 제공하는 지문 접촉 센서들은 본 명세서에서 TFT-기반 지문 접촉 센서들로서 지칭된다. 그러나 본 발명에 의해 제공된 개선들 이전에, 상업적으로 유용한 비-이미징 접촉 지문 센서가 지문 스캐너들에서 이용하기 위해 성공적으로 개발되지 않았다. FTIR 지문 스캐너의 이미징 광학계들에 대한 필요성을 방지하는 것은 보다 간결하고 경량(이는 모바일 지문 스캐너들에 대해 특히 유용함)이 되는 것을 가능하게 할 것이므로, 이러한 것이 바람직할 수 있다.
도 1에서 도시된 바와 같은 비-이미징 접촉 접근법에 기초한 지문 센서에 대해, 이러한 센서는 모바일 애플리케이션들에 대해 이점인, FTIR 지문 센서들보다 상당히 간결하고 경량이지만, 임의의 모바일 애플리케이션에 대한 다른 일반적인 요건은 통상적으로 제공된 배터리의 수명을 최대화하도록 가능한 낮은 전력 소비를 갖는다는 것이다. 이러한 배터리에 관한 드레인의 하나의 소스는 도 1의 조명(21)에 의해 도시된 것과 같은 스캐너의 내부 조명 소스를 들 수 있다. 따라서 스캐너의 전체 전력 소비를 낮추도록 동작을 위해 내부 조명을 요구하지 않거나, 내부 조명 소스의 이용이 선택적인 비-이미징 접촉 센서를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
이에 따라, 본 발명의 일 특징은 주변 조명을 활용하고 그럼으로써 내부 조명 소스에 대한 필요성을 감소 또는 제거할 수 있는 비-이미징 접촉 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 이러한 센서들을 활용하는 지문 스캐너들의 전력 소비를 감소시키기 위해 존재할 때 주변광을 활용하고 안내하는 비-이미징 접촉 센서들을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 특징은 주변광이 거의 또는 전혀 존재하지 않을 때, 적합한 지문 이미지들을 캡처하기 위해 내부 조명이 존재하는 주변광에 부가되도록 부분적으로 온(on)(인에이블) 또는 완전히 온(인에이블) 상태가 되는, 지문 이미지들을 캡처하기 위해 선택적인 내부 조명을 갖는 비-이미징 접촉 센서들을 제공하는 것이다.
간략히 설명하면, 본 발명은 상부 표면, 및 피부가 위치되는 상부 표면을 통해 센서 내에 수신되는 적어도 재지향된 주변광에 의해 조명되는 피부의 토폴로지를 나타내는 광을 수신하기 위한 광 감지 픽셀 엘리먼트들(또는 픽셀들)의 1-차원(1D) 또는 2-차원(2D) 어레이를 갖는 비-이미징 접촉 센서를 실현한다. 센서 내의 주변광의 이러한 재지향은, 상부 표면 상의 손가락의 경우에 지문과 같이 피부의 토폴로지를 나타내는 이러한 조명의 반사된/산란된 부분을 픽셀 엘리먼트들이 수신하는 것을 가능하게 할 수 있는, 센서의 상부 표면 또는 플래튼을 따른 피부의 조명을 제공하도록, (다른 방식으로 수신될 수 있는) 센서의 주변광의 양을 증가 또는 강화한다.
센서의 상부 표면 또는 플래튼은 픽셀 엘리먼트들의 어레이를 보호하도록 센서의 재료의 층의 부분일 수 있다. 손가락(들)의 바닥, 엄지손가락, 손바닥, 또는 발가락 또는 다른 원하는 피부 구역(들)과 같은 피부가 플래튼 상에 위치될 수 있다. 어레이가 플래튼 아래에 배치되고 센서에 의해 캡처될 원하는 피부 토폴로지에 따라 크기가 정해진다.
센서는 광 감지 엘리먼트들 및 그의 동작을 가능하게 하는 다른 전자부품들이 배치되는 전면 표면을 갖는 백플레인 기판을 갖는다. 센서 내에서 주변광의 재지향을 가능하게 하기 위해, 동일하거나 상이한 재료의 하나 이상의 층들 또는 코팅들은 플래튼 쪽으로 반사, 산란 또는 전파 중 하나 이상에 의해 센서 내에 수신된 주변광을 재지향하기 위해 센서 내에 제공된다. 예를 들어, 기판의 배면 표면은 기판 및 적어도 상부 표면을 통해 기판의 배면 표면으로 전달된, 거기에 입사된 주변광을 플래튼 쪽으로 반사 및/또는 산란하는 재료의 코팅 또는 층일 수 있다. 다른 예로서, 반사 코팅은 광 감지 엘리먼트들 또는 그의 동작을 가능하게 하는 다른 전자부품의 배면 또는 전면을 따라 제공될 수 있거나, 기판 위의 재료들의 층은 센서 내에 수신된 주변광이 측병향으로 전파하여 피부를 조명하도록 허용하는 도파관을 제공하며, 여기서 플래튼은 도파관의 최상위 층의 표면에 의해 제공된다. 광 감지 픽셀 엘리먼트 상에 제공되는 반사 코팅의 하나의 이익은, 그렇지 않았으면 광 감지 픽셀 엘리먼트를 포화시켰을 많은 주변광이 기대되는 애플리케이션에 대한 주변광에 관한 제어를 허용한다는 것이다.
플래튼은 바람직하게는 재료의 보호층에 의해 제공되며, 이 재료의 보호층은 피부가 위치될 수 있고 이에 따라 이러한 보호층 아래의 광 감지 픽셀 엘리먼트들이 필요로 되지 않는 외부 구역들 또는 위치들을 가질 수 있다. 센서 내에 수신되는 주변광의 양을 증가시키기 위해, 광학 엘리먼트는 이를 테면, 기판의 배면 표면을 따른 상술된 반사 코팅에 의해 센서 내에서 추후에 재지향되도록 기판으로 보호층을 통해 수신된 주변광을 전달 또는 안내하기 위해 광학 엘리먼트가 보호층의 이러한 위치들 또는 구역들 아래에 제공될 수 있다. 이러한 광학 엘리먼트들 중 여러개가 원하는 경우 제공될 수 있다.
바람직하게는, 픽셀 엘리먼트들은 존재하는 주변광의 하나 이상의 선택된 파장들 또는 파장 범위들을 감지한다. 예를 들어, 센서의 광 감도는 적색 및 적외선(또는 근 IR)과 같은 피크 주변광 파장들 또는 파장 범위들로 세팅되거나 조정될 수 있으며, 여기서 이들 파장들의 강한 주변광은 하나 이상의 손가락들의 피부를 통해 투과하고 센서를 노출시킨다. 또한, 광 감지 픽셀 엘리먼트들은 광 감지 픽셀들에 도달할 수 있는 주변광의 레벨에 따라 제어된 픽셀 통합 시간(integration time) 및/또는 주변광에 의한 광 감지 픽셀들의 포화의 위험을 감소 또는 최소화하는 충전율을 갖는 것이 바람직하다.
선택적으로, 센서는 주변광이 불충할 때 센서 동작을 가능하게 하기 위해 동작되는 내부 조명 소스(들)를 가질 수 있다. 예를 들어, 소스는 이를테면, 전면 및 배면 기판 표면들 사이에서 그의 한 측을 통해 기판에 조명을 제공할 수 있다. 이 경우에, 기판의 배면 표면에 따른 적어도 상술된 반사 또는 산란 재료은 소스로부터 플래튼 쪽으로 광을 지향하기 위해 제공된다. 다른 예에서, 소스는 반사 또는 산란 재료을 갖지 않는 기판의 배면 표면을 통해 조명을 제공할 수 있다. 내부 조명 소스가 존재할 때, 센서는 광 감지 픽셀 엘리먼트들이 재지향된 주변광에 의해 조명되는 피부의 토폴로지를 나타내는 광을 수신하고 소스는 인에이블되지 않는 제 1 모드에서 그리고 존재하는 주변 조명이 적절한 센서 동작을 가능하게 하기에 부족하거나 불충분할 때 피부를 조명하기 위해 모든 또는 부가적인 조명을 제공하도록 소스가 인에이블되는 제 2 모드에서 동작 가능하다.
본 발명은 또한 하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 수신하기 위한 비-이미징 광 감지 픽셀들의 어레이를 갖는 센서 및 대상의 하나 이상의 손가락들의 배치를 위한 플래튼을 갖는 하우징을 갖는, 하나 이상의 지문들을 캡처하기 위한 장치(또는 시스템)를 실현하며, 여기서 어레이는 플래튼 아래에 배치되고, 주변광은 하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 수신하기 위한 광 감지 픽셀들의 동작을 가능하게 하기 위해 플래튼을 통해 수신 가능하다. 이러한 하우징은 플래튼을 통해 수신된 주변광이, 광 감지 픽셀들이 하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 충분히 수신하는 것을 인에이블시키기 위한 조명을 제공할 수 없을 때 플래튼에 조명을 제공하는 광원(들)를 또한 가질 수 있다.
제어기(또는 프로세서)는 센서를 동작시키고 그로부터 이미지들을 수신하기 위해 하우징 내에 제공될 수 있다. 내부 조명 소스가 존재할 때, 제어기는 광 감지 픽셀들이 하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 충분히 수신하는 것을 인에이블시키기에 주변광이 충분하지 않다고 표시하는 센서(또는 별개의 주변광 센서)로부터의 수신된 이미지에 응답하고, 이어서 충분한 지문 이미지들을 가능하게 하기에 충분한 모든 또는 보충 광을 센서에 제공하도록 광 센서(들)를 동작시킨다. 즉, 내부 조명 소스(들)를 갖는 센서의 경우에, 제어기는 제어기가 존재하는 주변광의 양을 측정하는 것을 가능하게 하는, 플래튼 근처에 배치된 주변광 센서로부터 신호들 또는 광 감지 픽셀로부터 수신된 신호들에 따라, 제 1 및 제 2 모드들 중 하나에서 센서의 동작을 제어한다.
주변광을 수신하는 단계, 상부 표면 상에 존재할 때 피부를 조명하도록 상부 표면(또는 플래튼)으로 수신된 주변광을 센서 내에서 재지향하는 단계, 및 피부의 토폴로지를 나타내는 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 1D 또는 2D 어레이 상에서 재지향된 주변광의 반사된 부분을 수신하는 단계를 갖는 방법이 본 발명에 의해 또한 제공된다. 내부 조명 소스가 제공되는 경우, 이 방법은 주변광이 수신 단계를 수행하기에 불충분할 때 광 감지 픽셀 엘리먼트들이 동작하는 것을 인에이블시키기 위해 센서 내의 내부 조명을 제공하도록 이러한 광원을 또한 동작시킨다.
본 발명이 TFT-기반 센서 어레이들을 활용하는 비-이미징 센서들을 설명하지만, 위에 제안된 센서 수정들 중 일부는 대면적 CMOS 또는 CCd 센서들에 대해 응용 가능하다.
본 명세서의 도면들에서 도시된 비-접촉 지문 센서가 예시 목적을 위해 단순화되고 이에 따라 이러한 동작을 보여주기 위해 개략적으로 그려진다.
도면들과 관련하여 설명되는 광 또는 조명의 예들은 화살표들 또는 광선들로서 도시된다.
본 발명의 위의 및 다른 특징들 및 이점들은 첨부 도면들과 관련하여 다음의 설명의 이해로부터 보다 자명하게 될 것이다.
도 1은 지문을 이미징하는 경우에서 이용을 도시하는 종래 기술의 TFT-기반 센서의 부분의 개략적 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 2D TFT-기반 센서 어레이의 부분의 하향식 개략도이다.
도 2b는 라인들 2B-2B를 따른 도 2a의 센서의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따라 2D TFT-기반 센서의 부분의 개략적 단면도이다.
도 4는 태양 복사 스펙트럼의 플롯이다.
도 5는 통상적인 형광 전구의 출력 강도 스펙트럼의 플롯이며, 여기서 도 4 및 도 5는 본 발명의 제 3 실시예의 논의와 관련하여 본 명세서에서 참조된다.
도 6은 본 발명의 제 4 실시예에 따라 2D TFT-기반 센서의 부분의 개략적 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제 5 실시예에 따른 2D TFT-기반 센서의 부분의 개략적 단면이다.
도 8은 본 발명의 제 6 실시예에 따른 2D TFT-기반 센서의 부분의 개략적 단면이다.
도 9는 도 8의 센서를 갖는 TFT-기반 센서를 이용한 지문 스캐너 시스템의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 비-이미징 접촉 센서(30)는 앞서 설명된 바와 같이, 충전율의 감소를 갖는 각각의 광 감지 픽셀(24)의 개선을 갖는, 어레이(20a)에서 도시된 것과 동일하거나 유사한 광 감지 픽셀 엘리먼트들(24)(또는 픽셀들)의 2-차원 어레이(31)를 갖는 것으로 도시된다. TFT 센서의 경우에 대해, 선택적으로 광 감지 픽셀들(24)의 충전율의 감소에 의해 허용되는 투명 영역들(6)의 증가가 존재한다.
앞서 언급된 바와 같이, 도 1의 센서 어레이(20a)는 박막 트랜지스터(TFT), CMOS 또는 다른 기술을 이용하여 제조될 수 있다. 2D 광학 센서 어레이(20a)를 제조하는데 이용된 기술과 무관하게, 광감성 영역들(24)은 물론 픽셀들 및 트랜지스터들(26)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 구동/판독 전자부품을 위해 이용되는 영역들이 존재할 것이다. 예를 들어, 지문 스캐닝 애플리케이션에 대해, 저-보안 바이오메트릭 애플리케이션(low-security biometric applications)(예를 들어, 컴퓨터 또는 셀-전화 로그인들)에 대해 ≥250 ppi(points per inch) 및 하드웨어 스캐너 인증들이 미국(U.S.) FBI(Federal Bureau of Investigation)와 같은 조직들에 의해 요구되는 AFIS(Automated Fingerprint Identification System) 데이터베이스를 포함하는 지문 애플리케이션들에 대해 ≥500 ppi를 갖는 것이 바람직하다. 예로서, 500 ppi 해상도를 위해 FBI-인증되어야 하는 지문 스캐너에 대해, x 및 y 방향들에서의 픽셀 피치(각각 Λx 및 Λy)는
Figure 112017108535914-pct00001
와 동일하게 세팅될 수 있거나, 더 작은 픽셀 피치, 예를 들어, 40㎛(635ppi)로 세팅될 수 있고, 최종 이미지는 그것이 AFIS 데이터베이스에 진입하기 이전에 500ppi로 다운샘플링된다.
도 2a 지오메트리를 고려하면, 센서 어레이(30)의 충전율은 사이트의 총 구역(Λx x Λy)에 의해 나눠지는 광 감지 픽셀(24)의 활성 구역("a" x "b")의 비(ratio)에 의해 정의되며, 이는
Figure 112017108535914-pct00002
와 동일하다. 감광성 영역들(24) 및 전자부품들(26)에 의해 소비되지 않는 어레이(31)의 영역들(6)은 백플레인(29)에 대한 직접적이고 투명한 경로를 갖는다. CMOS 및 CCD 어레이들의 경우에 대해, 백플레인은 실리콘이고 이에 따라 가시광에 대해 투명하지 않지만, TFT 어레이의 경우에, 백플레인(29)은 바람직하게는 유리로 이루어지고 이에 따라 가시광에 대해 투명하다.
대형-픽셀, 대면적 센서들에 대한 현재의 시장은 디지털 X-선 시장이다. 신틸레이션 층(scintillation layer)을 갖도록 제조되는 대형-픽셀(≥70㎛), 대면적(≥2" 평방) 센서들(예를 들어, CA, Palo Alto의 TPIX에 의해 제조된 TFT-기반 센서들 또는 영국, 런던의 Dexela Limited에 의한 CMOS-기반 센서들을 참조)은 가능한 큰 충전율을 갖는데, 그 이유는 X-선 소스가 매우 강하지 않고(건강 이유들로), 신틸레이션 층의 X-선 - 녹색 광 변환 효율이 특히 효율적이지 않으며, 주변광(X-선 복사를 포함함)이 관련이 없기 때문이다. 사실상, 픽셀들이 임의의 디지털 X-선 애플리케이션(통상적으로 70 내지 100㎛ 범위) 중 최소인 경향이 있는 디지털 유방조영술 이미징(digital mammography imaging)을 위한 일부 회사들은, PIN 포토다이오드가 구동/판독 라인들 및 픽셀 트랜지스터들의 상단 상에 제조되는 TFT 센서 제조 기술을 개발하여, 본질적으로 100% 충전율 및 이에 따른 0% 투명 영역들(6)을 허용한다. 충전율을 감소시키는 것은 이에 따라 하이-엔드 사진술(육상 및 우주)은 물론 디지털 X-선 이미지들을 생성하기 위한 대면적 센서 어레이들의 통상적인 이용에 대조적인데, 그 이유는 양자의 애플리케이션들은 최대 감도 및 그에 따른 최대 센서 충전율을 요구하기 때문이다. 부가적으로, 양자의 애플리케이션들은 어떠한 투명 영역들도 요구하지 않는다.
그러나, 지문 스캐닝 애플리케이션들에 대한 본 발명의 제 1 실시예에 따라, 높은 충전율 및 투명도에 대한 현재의 동향의 역(reverse)이 제공되는데, 즉, 주변 광을 활용하는 센서에서 주변광에 의해 포화되는 광 감지 픽셀들(24)의 가능성으로 인해, 센서의 어레이의 충전율은 고의로 감소되고, 사실상 <40%, 또는 심지어 <30% 또는 <20%의 영역이 될 수 있다. 충전율을 감소시킴으로써, 투명 영역들(6)의 증가를 허용하는 것은 물론 센서 어레이(31)의 광 감지 픽셀들(24)에 의해 수신되는 주변 조명의 양을 감소시킨다. 따라서, 본 실시예에 따라, 40%보다 작은 충전율(감지성 픽셀 구역 대 총 픽셀 구역)을 갖는 광 감지 픽셀들(24)이 센서 어레이(31)의 제조 시에 선택될 수 있고, 이에 따라 어레이의 투명도(즉 영역들(6))의 증가는 20%보다 크게 될 수 있다. 이러한 방식으로, 광 감지 픽셀들(24)의 바람직하지 않은 주변광 포화가 방지되거나 최소화될 수 있는 것은 물론, 증가된 투명 영역들(6)을 통해 감지 픽셀들의 플레인(plane)의 배면측을 통해 증가된 원하는 주변광이 조정되도록 허용한다.
도 2b는 라인 2B-2B를 따라 도 2a에서 도시된 센서(30)의 어레이의 단면을 도시한다. 주변 광선(11)은 보호 층(36)을 통해 투명 영역(6)으로 그리고 TFT 어레이에 대해 앞서 언급된 바와 같이 우선적으로 유리인 백플레인 기판(29) 내로 투과되는 것으로 도시된다. 광선(11)은 이어서 주변광(11)을 반사하는 백플레인(29)의 배면측에 또는 이에 따라 있는 코팅(16)에 부딪한다. 예로서, 코팅(16)은 디바이스의 동작의 파장들에서 높은 반사율을 갖는 알루미늄 또는 은과 같은 금속으로 제조된 평탄한 반사 코팅일 수 있다. 평탄한 코팅을 통해, 주변 광선(11)은 광선(12)으로 정반사할 것이고 입사되는 주변광(incident ambient)의 일부가 손가락(22) 밑에 도달하고 플래튼(44)에 접촉하는 것을 가능하게 하여서, 지문을 나타내는 반사된/산란된 광(12a)의 일부가 광 감지 픽셀들(24) 중 하나에 의해 검출된다. 대안적으로 또는 이에 부가적으로, 코팅(16)은 입사 주변 광선(11)이 정반사 광선(12) 대신 또는 그에 더하여, 다양한 산란된 광선들(13 및 19)로 반사될 수 있도록 산란하게 될 수 있다. 이들 산란된 광선들(13 및 19)은 손가락(22)의 지문 토폴로지(융기부들(8) 및 오목부들(7))에 부딪히고, 플래튼(44)의 계면으로부터 산란된/반사된 광선들 중 일부(13b)는 광 감지 픽셀들(24)에 의해 검출된다. 코팅(16)은 백색 페인트가 이용된 경우 달성될 바와 같이, 입사광을 모든 방향들로 랜덤으로 산란할 수 있거나, 보다 제어된 산란은 프레넬 구조들, 회절 광학계들, 홀로그램 광학계(holographic optics), 또는 표면 릴리프 구조의 이용을 통해 달성될 수 있다. 대안적으로, 코팅(16) 보단 오히려 동일한 반사 기능을 수행하는 유전체 스택 층이 이용될 수 있다. 따라서, 백플레인 기판(29)은 적어도 플래튼(44) 및 기판(29)을 통해 센서 내에 수신되는 주변광을, 손가락(22)의 피부를 조명하기 위해 플래튼(44)을 향해 역으로 반사 및/또는 산란함으로써 재지향하는 재료의 코팅(16) 또는 층을 갖는 배면 표면을 갖는다.
다른 코팅(14)이 또한 센서(30)에 존재할 수 있다. 이 코팅은 도 2b에서 도시된 바와 같이, 광 감지 픽셀들(24), 트랜지스터들(26) 또는 어레이(31)의 다른 비-투명한 엘리먼트들(또는 전자부품)(이들의 배면 표면을 따라)과 백플레인 기판(29)의 전면 표면 사이에 있다. 코팅(14)은 바람직하게는 주변광을 반사하고, 반사는 유전체 코팅 스택 또는 금속 코팅을 통해 달성되는 것과 같이 정반사가 될 수 있지만, 코팅(16)을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이 또한 산란하게 될 수 있다. 코팅(14)은 투명 영역들(6)을 통과하지 않게 되는 주변광(19)을 광(19a)으로 반사함으로써 지문 조명에 제공되는 광의 양을 강화하여서, 그것이 코팅(16)에 반사되는 다른 기회를 갖게 하고 플래튼(44) 상에 위치되는 손가락(22)을 조명하기 위해 투명 영역들(6)을 통하는 그의 경로를 발견하게 한다. 코팅(14)과 더불어 또는 없이, 코팅(16)의 이용은 이에 따라 플래튼(44)에 재지향되는 주변광의 양을 강화하고, 그 결과 지문 토폴로지를 나타내는 더 많은 주변광이 광 감지 픽셀들로 복귀될 수 있다.
도 3을 참조하면, 비-이미징 접촉 센서(36)의 본 발명의 제 2 실시예는 보호층(27)의 상단 상에 3개의 부가적인 층들(37, 38 및 39)을 갖는 것으로 도시되며, 그 밖의 센서 어레이(40)는 앞서 설명된 센서 어레이(20a)와 동일하거나 유사하다. 센서(36)의 플래튼(34)은 층(37)의 상부 표면에 의해 제공된다. 층들(37, 38 및 39)은 주변광을 측방향으로 전파하여 손가락(22) 밑으로 가도록 허용하는 도파관(35)을 형성한다. 주변광이 도파관(35)에 의해 "캡처"되고 도파관 코어(38)에서 안내되기 위해, 산란 또는 회절 이벤트들이 있어야 한다. 산란은 전기 컴포넌트들(26)과 주변광(42)의 만남(encounter)을 통해 달성될 수 있지만, 회절 또는 프레넬 구조들(41)에 의해 또한 도움을 받을 수 있다. 구조들(41)은 손가락 배치를 위해 할당된 구역 외부에 위치될 수 있어서, 손가락은 구조들(41) 바로 위에 결코 배치될 수 없거나, 구조들(41)은 일반적으로 지문을 이미징하기 위해 이용되는 동일 각도가 아닌 특정한 범위의 주위 각도들(ambient angles)에 기초하여 도파관 모드를 자극(excite)할 수 있고, 이들은 그에 따라 센서의 광 감지 픽셀들(24) 상에서 광의 이미징 능력을 방해하지 않는다. 예로서, 구조들(41)은 광 감지 픽셀들(24)로 이미징을 위해 이용되는 그러한 각도들과 별개로, 주위 조명 각도들의 세트에 대해 매칭되는 브래그(Bragg)의 홀로그램 구조들일 수 있다. 도파관(35)에 의해 안내되는 광은, 도파관에 의해 정상적으로 안내되는 광이 피부와 상호작용하고 광 감지 픽셀들(24) 쪽으로 아래로 산란하도록 피부의 굴절률과 유사한 굴절률의 존재에 의해 교란(disrupt)된다. 도파관(35)이 3개의 층들(코팅들(37, 38 및 39))의 부가와 더불어 도 3에서 예시되지만, 위에서 설명된 방법에서 여전히 기능하는 한 더 많거나 더 적은 코팅들을 갖도록 구성될 수 있다.
별개로 또는 이에 부가적으로, 반사 코팅들(32 및 33)을 제공하는 재료들은 도 3에서 도시된 바와 같이 센서(36)의 어레이(40)에 적용될 수 있다. 반사 코팅(32)은 광-감지 엘리먼트들(24)에 적용될 수 있는 코팅이다. 코팅이 광-감지 엘리먼트 상에 있으므로, 코팅은 부분적으로 반사성이며, 이는 광-감지 엘리먼트(24) 위에 센서 층들의 내부에 남아있는 광의 양을 증가시키는 이점을 갖고 이에 따라 손가락(22) 밑의 "터널링"의 기회를 갖는다. 코팅(32)은 또한 그렇지 않았으면 센서를 포화시켰을 수 있는 많은 주변광이 예상되는 애플리케이션에 대해 주변광에 대한 특정한 양의 제어를 허용한다. 코팅(32)의 반사 값은 픽셀(24)의 감도, 제공되는 주변광의 양 및 주변광이 손가락(22) 아래로 터널링하기 위한 능력 간의 트래이드오프이다. 코팅(33)은 어레이의 전자 구역들(40)에 적용된다. 이 코팅은 코팅(32)과 동일할 수 있지만, 반드시 동일한 필요는 없는데, 그 이유는 코팅(33)이 전자 컴포넌트들의 상단 상에 있으므로, 그것은 잠재적으로 100% 반사적으로 이루어질 수 있기 때문이다. 따라서, 도파관(35) 및/또는 반사 코팅(32 및 33)은 플래튼(34)(손가락(22)의 융기부들 및 오목부들 밑에 이들과 대면하여 놓임)으로 주변광을 채널링함으로써 광의 양을 강화하고, 그 결과 센서 내에 수신되는 더 많은 주변광이 손가락(22)의 피부를 조명하기 위해 플래튼(34)으로 재지향될 수 있고, 이어서 지문 토폴로지를 나타내는 광 감지 픽셀들(24)로 복귀된다.
본 발명의 제 3 실시예에서, 센서(20) 또는 본 명세서에서의 다른 실시예들의 센서들 중 임의의 다른 것의 광 감지 픽셀들(24)의 동작의 센서의 파장은 상당한 주변광이 있는 스펙트럼 영역에 있다. 보다 정확히 말하면, 센서들(30, 36, 60, 70, 또는 104)은 센서의 응답(responsivity)으로 곱해진 주변광 세기의 곱이 센서 픽셀의 포화가 발생함 없이 최대화(이는 주변광의 피크 세기의 파장일 수 있거나 아닐 수 있음)되는 스펙트럼 영역에서 동작한다. 도 4 및 도 5에서는 (www.wikipedia.com로부터 획득된) 태양광에 대한 그리고 형광 광들에 대한 스펙트럼들이 각각 예시된다. 주변 형광 광들(예를 들어, 통상적인 사무실 머리위 조명)로 조명되는 접촉 광학 지문 스캐너에 대해, 센서 픽셀들(24)이 가시광(400-700nm)을 감지하는 것이 바람직하지만, 가능하지 않은 경우, 센서 픽셀들(24)은 형광 스펙트럼의 적어도 550nm 또는 620nm 피크들 또는 바람직하게는, 형광 스펙트럼의 550nm 및 620nm 부분들을 감지하게 되어야 한다. 태양광 또는 실외 광에서 동작하는 접촉 광학 지문 스캐너에 대해, 태양광의 세기로 인해, 광 세기가 최강인 스펙트럼 중 전체 가시적 부분(400-750nm)에서 동작하는 것이 바람직할 수 있지만, 픽셀 포화도가 위험한 경우, 이것 외부의 파장들에서 동작하는 것이 바람직할 수 있다. 플래튼(34)에 터치하는 피부가 예를 들어, 적색 및 근(near) IR에서 합당하게 투과적인 파장을 활용하는 것이 또한 가능하다. 이 파장들의 주변광은 피부가 상기(glow)되게 하고, 이러한 상기는 광 감지 픽셀들(24)에 의해 검출될 수 있다. 이러한 방식으로, 센서는 주변광 스펙트럼 내의 선택된 광 감도로 조정된다. 즉, 광 감지 픽셀들(24)은 센서에 제공된 주변광의 스펙트럼 콘텐츠(spectral content)와 연관되는 선택된 파장(들) 또는 대역(들)에 응답하여 동작하는 센서의 어레이에 제공된다.
도 6은 손가락(22)이 존재하지 않을, 광 감지 픽셀들(24)(또는 다른 전자부품들) 위가 아닌 보호 층(36)을 따른 구역(61) 또는 위치들로부터 주변광을 안으로 가져오는 지문 센서(60)를 도시하는 본 발명의 제 4 실시예를 도시한다. 주변광은 광학 엘리먼트(50)의 이용을 통해 구역(61)을 통해 손가락 밑으로 직접 채널링될 수 있다. 광학 엘리먼트(50)는 보다 많은 주변 광이 아래로부터 손가락(22)을 조명하기 위해 지향되도록 반사 코팅(16)의 충분히 큰 부분을 조명하기 위해 주변광을 안내하는 단순한 거울(피아노 또는 곡선), 프레넬, 회절 엘리먼트, 홀로그램 엘리먼트, 또는 다른 엘리먼트 또는 엘리먼트들의 결합일 수 있다. 센서(60)는 백플레인(29)의 배면 표면을 따른 코팅(16)과 더불어 센서(30)의 어레이(31)(도 2b)를 갖는 것으로 도 6에서 도시된다. 이러한 방식으로, 구역(61) 아래의 광학 엘리먼트(50)는 손가락(22)을 조명하기 위해 센서 내에서 더 많은 주변광을 안내함으로써 지문을 나타내는, 광 감지 픽셀들(24)로 복귀될 수 있는 주변광의 양을 강화할 수 있다. 앞서 설명된 어레이(31)의 코팅(14) 또는 센서 픽셀들(24)의 충전율 감소는 센서(60)에서 선택적이다. 단일의 위치(61)가 도시되지만, 다수의 구역들은, 예를 들어, 센서(60)에서 주변광의 양을 증가시키도록 광 파이프(light pipe)를 제공하는 광학 엘리먼트들(50)을 가질 수 있다. 도 6에서 도시되지 않았지만, 주변광(11)은 또한 도 2b에서 도시된 바와 같은 플래튼(44)을 통해 수신될 수 있다.
도 7은 내부 광원(71)를 갖는 지문 센서(70)를 도시하는 본 발명의 제 5 실시예를 도시한다. 센서(70)는 백플레인(29)의 배면 표면을 따른 코팅(16)과 더불어 센서(30)가 어레이(31)(도 2b)를 갖는 것으로서 도시된다. 앞서 설명된 어레이(31)의 코팅 또는 센서 픽셀들(24)의 충전율 감소는 선택적이다. 광원(71)는 광선들(72)을 통해 반사 코팅(16)을 조명하도록 백플레인(29)의 에지를 조명한다. 도 2b에서 주변광을 참조하여 앞서 설명된 바와 같이, 반사 코팅(16)은 정반사 또는 산란 코팅일 수 있으며, 여기서 어느 경우든, 코팅은 플래튼(44)에서 또는 그 근처에서 반사된/산란된 광이 광-감지 픽셀들(24)에 의해 검출되도록 손가락(22)의 아래측으로 주변광(11) 및 내부 조명(72) 둘 다를 반사한다. 광원(71)는 주변광(11)이 충분한 지문 이미지를 캡처하기에 불충분한 전력일 때 활용된다. 따라서, 센서(70)는 코팅(16)의 재료을 갖지 않는 상기 기판의 표면 또는 측면을 따라 광원(71)를 갖는다.
지문 스캐너에서, 주변광(11)이 충분한 지문 이미지를 캡처하기에 불충분한 전력을 갖는지에 관한 결정은, 광원(71) 및 센서(70)를 포함(그러나 이들로 제한되지 않음)해서, 스캐너 동작을 제어하는 지문 스캐너의 제어기 또는 프로그래밍된 프로세서(118)(도 9와 관련하여 추후에 설명되는 바와 같음)에 의해 제공될 수 있다. 제어기(118)는 주변광(11)이 충분한 지문 이미지를 캡처하기에 불충분한 전력을 가질 때를 검출할 수 있다. 예를 들어, 제어기(118)(또는 컴퓨터 시스템(130))는 센서(70)로부터 제어기에 제공된 이미지의 픽셀들의 값에 따라 이것을 결정할 수 있어서, 퍼센트, 평균, 또는 이미지의 픽셀 값들의 다른 통계적(또는 공간적) 분포는 불충분한 주변 조명(예를 들어, 노출 미달)을 나타내는 문턱값(들)에 비교될 수 있거나, 또는 제어기(118)는, 지문이 불충분한 플래튼 조명(예를 들어, 캡처된 지문의 불충분한 구역, 검출된 불충분한 수의 상세 지점들)으로 인해 불충분한 품질인지를 결정하기 위해 지문 토폴로지를 분석할 수 있다. 만약 그렇다면, 제어기(118) 광 스캐닝 픽셀(24)에 의한 이미지 캡처 동안 광원(71)를 오프 상태로부터 온으로 바꾸는 것을 가능하게 하고, 주변광을 보충하는데 필요한 광의 양으로 광원(71)로부터의 조명의 레벨을 또한 세팅하여 획득된 이미지의 품질을 개선할 수 있다. 이미지가 획득된 이후, 광원(71)는 제어기(118)에 의해 턴 오프될 수 있다. 광원(71)로부터 광에 대한 필요성 없이 충분한 주변광이 제공되고 있다는 것에 관한 결정은 각각의 지문 스캔 이후에 또는 주기적으로 또는 이미지 캡처(주변광 검출 모드) 이전에 센서(70)를 이용하여 제어기(118)에 의해 수행될 수 있다(여기서 주변광이 불충분한 경우, 스캐닝은 광원(71)로부터의 부가적인 또는 유일한 조명으로 자동으로 반복됨). 광원(71)보다 오히려, 플래튼(44)에 광을 제공하는 다른 내부 조명 수단이 또한 이용될 수 있다. 따라서, 센서(70)는 제어기(118)에 의해, 광 감지 픽셀들(24)이 센서에(센서들(30 또는 36)과 관련하여 앞서 설명된 것과 같이)서 내부적으로 재지향되는 주변광에 의해 조명되는 피부의 토폴로지를 나타내는 광을 수신하고 소스(71)는 디스에이블 또는 오프되는 제 1 모드 및 적절한 센서 동작을 가능하게 하기 위해 모든 또는 센서(70) 내에 수신되는 이러한 주변광에 대해 부가적인 조명을 제공하도록 제어기(118)에 의해 소스(71)가 인에이블 또는 온이 되는 제 2 모드에서 동작 가능한 것으로 고려될 수 있다.
도 8은 일련의 오목부들(7) 및 융기부들(8)(손가락의 피부의 토폴로지를 나타냄)을 포함하는 지문을 갖는 손가락(22)이 플래튼(44) 상에 배치되는, 비-이미징 접촉 센서(104)를 도시하는 본 발명의 제 6 실시예를 도시한다. 플래튼(44)은 선택적으로 센서 내로 가능한 많은 주변광(110)을 허용하는 반사 방지(AR) 코팅(108)으로 구성된다. 광 감지 픽셀들(24)은 코팅(109a)을 갖고 전자부품(26)은 코팅(109b)을 가지며, 여기서 이러한 코팅들은 도 3의 코팅들(32 및 33)을 참조하여 각각 설명되는 것과 동일한 방식으로 기능할 수 있다. 백플레인 기판(29)의 전면 표면을 따른 투명한 영역들(6)은 코팅(109)을 갖는다. 배면광(또는 조명 소스)(124) 및 조명 광선(125)은 도 8에서 도시된 바와 같이 백플레인 기판(29)의 배면 표면을 따라 조명(광선(125)에 의해 도시됨)을 제공하도록 제공되며, 이러한 배면광(124)은 제어기(118)에 의해 센서(70)의 경우에서 설명되는 것과 동일한 방식으로 동작될 수 있다. CCD 또는 CMOS 기술을 이용하여 제조된 어레이(106)의 경우에서와 같이 백플레인(29)이 실리콘인 경우, 코팅(109c)은 100% 반사적으로 제조될 수 있고, 배면광(124) 및 조명 광선(124)이 제공되지 않을 것이다. 비정질 Si TFT 기술을 이용하는 어레이(106)의 경우에서와 같이 백플레인(29)이 유리인 경우, 코팅(109c)은 부분적으로 반사적 또는 선택적으로 반사적으로 제조될 수 있어서, 내부 배면광(124)은 충분한 주변광(110)이 충분한 품질의 지문 이미지의 캡처를 위해 이용가능하지 않다고 결정될 때 (도 7과 관련하여 앞서 설명된 바와 같은 제어기에 의해서와 같이) 이용될 수 있다. 부분 반사적 코팅(109c)은 유전체 스택 또는 매우 얇은 금속 층을 이용하여 제조될 수 있다. 대안적으로, 특정한 스펙트럼 및 각도 범위의 조명 광(125)이 투과되지만 주변광이 반사되는 선택적 코팅이 이용될 수 있다. 예로서, 센서(104)는 주변 형광 광에서 동작할 수 있고 이에 따라 주변광의 에너지 대부분이 >450nm 및 <750nm이므로, 코팅(109c)은 그 스펙트럼 영역에 대해 높은 반사를 갖지만, 동시에 파장 <450nm에 대해 낮은 반사를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 주변 형광 광이 충분히 강하지 않다고 결정되는 경우, 배면광(124)은 파장들 <450nm의 광(125)을 방출할 수 있고(예를 들어, 430 또는 405nm LED를 이용함), 이에 따라 코팅(109c)은 이들 파장들에서 또한 투과적이다. 유사하게 주변 태양광에서 동작하는 모바일 스캐너에 대해, 센서(104)는 또한 파장 >450nm를 갖는 주변 태양광에 기초하여 일 모드에서 동작하고 <450nm의 파장인 내부 조명(태양광이 존재하지 않거나 충분한 전력으로 존재하지 않을 때)에 기초하여 다른 모드에서 동작할 수 있다. 재차 코팅들(109a, 109b 및 109c)의 목적은 손가락(22) 밑으로 주변광을 안내하기 위해 가능한 많은 주변광을 반사하기 위한 것이다.
주변광의 이용의 모드들로부터 내부 조명(도 7 및 도 8에서 도시된 바와 같은)의 이용으로의 스위칭은 이진 판단일 필요는 없다. 오히려, 소비되는 전기 전력의 양을 최소화하기 위해, 내부 조명은 부분적 레벨로 턴 온될 수 있고, 상기 부분적 레벨은 이용 가능한 주변광과 결합하여 충분한 품질의 지문 이미지가 캡처되기에 충분하다. 이러한 방식으로, 코팅들(108, 109a, 109b 및/또는 109c)의 이용은 손가락(22) 밑으로 더 많은 광을 안내함으로써 지문을 나타내는, 광 감지 픽셀들(24)로 복귀될 수 있는 주변광의 양을 강화한다. 그러나 내부 조명 소스(들)는 여기서 또는 다른 실시예들에서 설명하는 바와 같이 주변 광 강화를 위한 구조들 없이 제어기(118)에 의해 결정되는 바와 같이 덜 바람직하게 이용될 수 있다.
요약하면, 센서는 플래튼에 대해 놓여지는 손가락의 지문 토폴로지를 터널링, 채널링, 그 밑을 이동하거나 또는 다른 방식으로 조명하는 센서 내에 수신되는 주변광의 양을 증가(또는 강화)시키고, 그에 따라 광-감지 픽셀들에 의해 검출되는 플래튼에서 또는 그 근처에서 반사되는/산란되는 주변광의 양(지문 토폴로지를 나타냄)을 증가시키는 하나 이상의 층들, 코팅들, 또는 다른 구조들을 가질 수 있다. 이러한 하나 이상의 구조들은, (i) 플래튼의 상단 상의 반사방지(AR) 코팅, 또는 증가된 주변광을 센서 내로 침투시키도록 센서의 어레이 위에 있는 임의의 보호층 또는 다른 층들; (ii) 광 감지 픽셀들의 검출 구역들의 상단 상의 반사층(평탄하거나 구조화됨); (ii) 전자부품들의 상단 상의 반사층(예를 들어, 스위칭 트랜지스터들 또는 어레이의 다른 비-광 감지 컴포넌트들); (iv) 센서의 백플레인의 배면측 상의 반사층(평탄하거나 구조화됨), (v) 바람직하게는 도파관 층이 있는 경우 이러한 도파관층 내로 주변광을 지향시키기 위한 구조들과 결합된 도파관 층 및/또는 (vi) 하나 이상의 손가락들이 아래로부터 조명되도록(바람직하게는, (iv)의 구조에 의한 반사에 의해) 광학 엘리먼트를 통해 센서 내로 주변광이 전달될 수 있는, 어떠한 손가락에 대해서도 지정되지 않은 플래튼(44)을 따른 구역(들) 중 하나 이상에 의해 제공될 수 있다. 평탄한 AR 또는 반사층의 경우에, 층은 일련의 유전체층들일 수 있다. 평탄한 반사층에 대해, 층은 금속, 유전체 및 홀로그램 층들의 결합일 수 있다. 구조화된 반사층의 경우에 대해, 층은 대략적으로 그리고 랜덤하게 산란하게 될 수 있거나, 이 층은 광을 적절히 산란하기 위해 프레넬 광학계들, 마이크로렌즈들 또는 회절 광학계들의 이용을 통해 특별히 구조화될 수 있다.
도 9는 도 8의 예시적인 센서(104)를 위해 이용하는 지문 이미징 장치 또는 시스템(112)의 블록도이다. 하우징(116)은 센서(104)를 위치시키기 위한 구멍 또는 개구(114)를 갖도록 제공되며, 여기서 센서(104)의 표면이 플래튼을 제공하고, 이러한 센서(104)는 도 7 및 도 8과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 필요로 될 때 배면-광 조명 소스(124)를 이용한다. 2-차원 지문(들)을 나타내는 신호들은 지문 식별, 검증 또는 등록을 위해 지문 이미지를 컴퓨터(130)에 제공하도록 제어기 또는 프로세서(118)에 의해 프로세싱된다. 컴퓨터 시스템(130)은 또한 디스플레이 및 사용자 인터페이스(예를 들어, 키보드, 터치스크린 또는 마우스)를 갖고, 지문 이미징 장치에 통상적인 컴퓨터 시스템을 나타내며, 지문들을 캡처하기 위해 장치(112)의 동작을 제어하도록 프로그래밍된다. 선택적으로, 컴퓨터 시스템(130)에 의해 제공되는 프로세싱 및 제어 모두 다 또는 부분은 적합한 사용자 인터페이스를 갖는 하우징(116) 내의 제어기(118) 또는 다른 프로세서(들)에 의해 제공될 수 있다. 장치가 모바일 지문 스캐너일 때 또는 외부 전력 소스가 이용 가능하지 않을 때 장치(112)의 컴포넌트들에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있는 것과 같은 배터리(117)가 도시된다.
본 발명의 다른 실시예들을 가능하게 하기 위해, 배면광(124)은 하우징(116)으로부터 생략되고, 센서(104) 보단 오히려 센서(30, 36 또는 65)가 이용된다. 아니면, 배면광(124)이 생략될 수 있고, 대신 도 7의 소스(71)와 유사한 조명 소스가 제공되고, 센서(104) 보단 오히려 센서(70)가 대신 이용된다. 이러한 센서들(30, 36, 60, 70 및 104)은 또한 제 3 실시예의 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같은 주변광 스펙트럼 감도를 가질 수 있다. 본 명세서에서 설명된 개선된 센서들의 이용은 내부 조명에 대한 필요성을 제거함으로써 또는 내부 조명에 대한 소스가 존재하면, 주변광이 불충분할 때 필요한 만큼만 소스가 센서에 대한 조명을 제공하는 것을 가능하게 함으로써 감소된 전력 소비를 가능하게 한다.
선택적 내부 광원(들)가 하우징(116)에 존재할 때, 불충분한 조명으로 인해 이미지의 노출 미달을 결정하도록 하는 제어기(118)에 의한 프로세싱 보단 오히려, 주변광의 레벨을 결정(또는 측정)하기 위해 제어기(118)에 데이터 또는 신호를 출력하는 주변광 센서(119)(예를 들어, 포토다이오드)가 플래튼 근처를 따라 제공될 수 있으며, 이는 너무 낮을 때(문턱 레벨 미만일 때) 충분한 지문 이미지 품질을 가능하게 하기 위해 이미지 캡처 동안 광원(71)를 동작시킨다.
또한, 위의 실시예들 중 임의의 것, 또는 심지어 센서(20)에서, 제어기(118)는 광 감지 픽셀들(24)에 도달할 수 있는 상이한 레벨들의 주변광을 수신하기 위해 변동되는 광 감지 픽셀들(24)의 통합 시간을 제어할 수 있다. 검출된 주변광이 낮을 때(예를 들어, 광 감지 픽셀들(24) 상의 광이 불충분하거나 없음) 더 많은 주변광을 포착하기에 충분한 인터벌로 통신 시간들을 증가시키고, 검출된 주변광이 너무 높을 때(예를 들어, 광 감지 픽셀들(24)이 모두 또는 부분적으로 포화됨), 더 적은 주변광을 포착하도록 하는 인터벌로 감소된다. 이에 따라 광 감지 픽셀들(24)의 통합 시간의 제어는, 센서로부터 수신된 이미지에서 제어기에 의해 부분적인 포화가 검출될 때 이러한 것을 방지하거나 최소화하기 위한 다른 방식이다. 동일한 이미지 분석은 통합 시간을 증가시킬 때를 결정하기 위해 불충분한 주변 조명(즉, 광 감지 픽셀들 상의 전하가 낮거나 없음으로 인한 노출 미달)을 결정하는데 있어 이용되는 바와 같이 제어기(118)에 의해 제공될 수 있다. 또한, 동일한 이미지 분석은 불충분한 주변 조명을 결정하지만 노출 미달 보단 오히려 과노출(over exposure)을 나타내는 문턱값(들)을 이용하고 그에 따라 광 감지 픽셀들(24) 상의 모든 또는 부분적인 포화(고 전하)를 방지하거나 최소화하기 위한 것으로서 제어기(118)에 의해 이용될 수 있다. 재차, 선택적으로 주변광 센서(119)로부터의 데이터는 최적의 이미지 획득을 가능하게 하도록 하는 그러한 레벨에 응답하여 제어되는 광 감지 픽셀들의 통합 시간 및 주변 조명의 레벨을 결정하는데 이용될 수 있다.
어레이들(31, 40 및 106)(또는 제 3 실시예에 따라 동작하는 어레이(20))는 미국 CA, Palo, Alto의 DPFX에 의해 제조되는 바와 같은 2D TFT 어레이에 기초할 수 있다. 이들 DPIX 2D TFT 어레이들은 100-200㎛ 해상도로 2" x 2" 내지 19" x 19"의 구역들의 범위에 있고, 디지털 x-선 스캐너들에서 현재 이용되지만, 이전에는 지문 스캐너를 위한 센서에서 활용되는 것으로 여겨지지 않았다. 예를 들어, DPIX 평면 패널 비정질 실리콘(a-Si) x-선 이미지 센서는 30 x 40 cm2 활성 구역, 127㎛ 해상도 및 7.4 메가픽셀들을 가질 수 있다. DPIX 어레이들 및 센서들에 관한 보다 많은 정보를 위해, 예를 들어, R.L.Weisfield, M.A.Hartney, R.A.Street, 및 R.B.Apte의 "New Amorphous-Silicon Image Sensor for X-Ray Diagnostic Medical Imaging Applications", SPIE Vol.3336, Medical Imaging 1998. Physics of Medical Imaging, 1998년 2월 22-24일, pp.444-452를 참조한다. 비-이미징하는 다른 광전자 센서들은 영국 런던의 Dexela에 의해 제조된 것과 같은 CMOS 센서들을 활용한다. 각각의 실시예가 별개로 기술되었지만, 실시예들 중 2개 이상의 결합될 수 있다.
센서가 비-이미징 광 감지 픽셀들의 2-차원 어레이로서 설명되지만, 비-이미징 광 감지 픽셀들의 1-차원 어레이가 또한 본 명세서에서 설명된 실시예들과 함께 이용될 수 있다. 부가적으로, 감지 픽셀들(24)을 갖는 어레이들(31, 40, 106)은 백플레인 기판(29)을 포함하는 것으로서 도시되지만, 이러한 어레이들 및 그의 연관된 전자부품 및 데이터 라인들은 기판을 포함하지 않고 도면들에서 도시되는 바와 같이 기판(19)의 전면 표면 상에 배치되는 것으로 고려될 수 있다.
지문 또는 손가락 이란 단어는 단지 지문 또는 손가락이 아니라 오히려, 임의의 피부 토폴로지 또는 임의의 타입의 또는 부분의 피부(예를 들어, 손가락들, 엄지손가락들, 손바닥들, 발가락들 등)을 지칭하도록 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
위의 설명으로부터, 개선된 비-이미징 접촉 지문 센서들이 제공된다는 것이 자명할 것이다. 본 명세서에서 설명된 센서들 및 이용 방법에서의 변동들 및 수정들은 그들 자체를 당업자들에게 의심할 여지없이 제안할 것이다. 이에 따라 위의 설명은 제한적인 의미가 아니라 예시적인 것으로서 받아들여져야 한다.

Claims (25)

  1. 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서에 있어서,
    하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 수신하기 위한 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 어레이 ― 상기 어레이는 투명 영역들의 세트를 포함함 ― ; 및
    상부 표면으로서 플래튼(platen)을 갖고, 상기 어레이가 상기 플래튼 아래에 배치되는 것인 하나 이상의 손가락들의 배치(placement)를 위해 구성되는 하우징 ― 백플레인(backplane)의 표면은 상기 어레이 아래에 배치되고 상기 어레이를 향함 ―
    을 포함하며,
    주변광(ambient light)은, 상기 플래튼을 통해 수신되고, 상기 플래튼을 통해 그리고 상기 어레이 내에 위치된 상기 투명 영역들의 세트를 통해 이동하고, 상기 주변광의 거울 반사(specular reflection)를 위해 구성되는 상기 백플레인의 상기 표면으로부터 반사되며,
    상기 주변광은 상기 백플레인의 상기 표면으로부터 다시 상기 투명 영역들을 경유하여 상기 플래튼을 통해 상기 플래튼 상에 배치된 상기 손가락들을 향해 이동하여, 상기 손가락들로부터의 상기 주변광의 반사를 야기하고, 상기 주변광의 반사가 상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들 중 하나 이상을 향해 이동하는 것을 야기하여, 상기 손가락들의 하나 이상의 지문들을 나타내는 광이 광 감지 픽셀 엘리먼트들에 의해 수신되는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들은 최소의 제1 거리만큼 분리되고, 상기 플래튼에 대한 상기 픽셀 엘리먼트들의 근접성은 상기 최소의 제1 거리의 1/2와 동일한 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 어레이가 상부에 배치된 상부 표면을 갖는 기판을 더 포함하고, 상기 기판은, 상기 기판을 통해 상기 상부 표면 쪽으로 광을 재지향시키도록 구성되는 제1 재료로 만들어진 하부 백플레인 표면을 갖는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기판은, 상기 상부 표면과 상기 하부 백플레인 표면 사이에 배치되어 반사 또는 산란 중 하나 이상에 의해 입사되는 주변광을 재지향시키기 위한 제2 재료를 포함하는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 손가락들이 위치되는 곳 아래가 아닌 상기 상부 표면의 영역 아래에 제공되는 적어도 하나의 광학 엘리먼트를 더 포함하고, 상기 광학 엘리먼트는, 상기 광학 엘리먼트에 의한 재지향을 위해 상기 영역을 통해 수신되는 주변광을 상기 기판으로 안내하는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 상부 표면과 하부 표면 사이에 배치되는 조명 소스를 더 포함하고, 상기 센서는, 상기 조명 소스가 디스에이블된(disabled) 동안, 상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 어레이가, 재지향된 주변광을 통해 지문을 나타내는 광을 수신하는 것인 제1 모드에서 동작가능하고, 상기 센서는, 상기 조명 소스가 상기 주변광에 더하여 상기 센서에 광을 제공하도록 인에이블되는(enabled) 것인 제2 모드에서 동작가능한 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  7. 제6항에 있어서,
    광 감지 픽셀 엘리먼트들로부터 수신된 신호들에 따라, 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 하나의 모드로 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  8. 제6항에 있어서,
    주변광 센서, 및 상기 주변광 센서로부터의 신호들에 따라 상기 제1 모드 및 상기 제2 모드 중 하나의 모드로 상기 센서의 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  9. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 광원은 상기 광원으로부터의 조명(illumination)의 반사를 통해 상기 플래튼으로의 조명을 제공하며, 상기 조명의 반사는 상기 백플레인의 상기 표면으로부터 지향되는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  10. 제1항에 있어서,
    충전율(fill factor)은 40% 미만인 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 어레이가 상부에 배치된 상부 표면을 갖는 기판, 및 상기 기판 내에 수신된 주변광이 측방으로 전파되어 상기 상부 표면 상에 배치된 손가락들을 조명하도록 허용하는 도파관을 형성하는 복수의 재료 층들을 더 포함하는, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트 각각은 입사되는 광의 수신시 통합 시간(integration time) 동안에 작동하고, 상기 통합 시간은 광 감지 픽셀 엘리먼트들에 도달하는 주변광 레벨에 따라 선택되는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들은 존재하는 상기 주변광의 하나 이상의 선택된 파장들 또는 파장 범위들에 민감한 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들은 40-50 미크론의 최소 제1 거리만큼 분리되고, 상기 플래튼에 대한 상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 근접성은 20-25 미크론과 동일한 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 센서.
  15. 지문 이미지들을 캡처하기 위한 방법에 있어서,
    하나 이상의 지문들을 나타내는 광을 수신하기 위한 광 감지 픽셀 엘리먼트들의 어레이 ― 상기 어레이는 투명 영역들의 세트를 포함함 ― ; 및
    상부 표면으로서 플래튼을 갖고, 상기 어레이가 상기 플래튼 아래에 근접하여 배치되는 것인 하나 이상의 손가락들의 배치를 위해 구성되는 하우징 ― 백플레인의 표면은 상기 어레이 아래에 배치되고 상기 어레이를 향함 ―
    을 포함하는 센서를 제공하는 단계를 포함하며,
    주변광은 상기 플래튼을 통해 수신되고, 상기 플래튼을 통해 그리고 상기 어레이 내에 위치된 상기 투명 영역들의 세트를 통해 이동하고, 상기 주변광의 거울 반사를 위해 구성되는 상기 백플레인의 상기 표면으로부터 반사되며,
    상기 주변광은, 상기 백플레인의 상기 표면으로부터 다시 상기 투명 영역들을 경유하여 상기 플래튼을 통해 상기 플래튼 상에 배치된 상기 손가락들을 향해 이동하여, 상기 손가락들로부터의 상기 주변광의 반사를 야기하고, 상기 주변광의 반사가 상기 반사에 근접하게 위치된 상기 광 감지 픽셀 엘리먼트들 중 하나 이상을 향해 이동하는 것을 야기하여, 상기 손가락들의 하나 이상의 지문들을 나타내는 광이 상기 반사에 근접하게 위치된 광 감지 픽셀 엘리먼트들에 의해 수신되는 것인, 지문 이미지들을 캡처하기 위한 방법.
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