采用全息术的光学指纹成像的制作方法

本公开一般涉及图像传感器，并且更具体地涉及诸如指纹传感器 的生物计量传感器。

背景技术：

生物计量鉴定系统用于鉴定结合鉴定系统的装置的用户。生物计量感测技术提供可靠的、非侵入方式来验证个人身份用于鉴定目的。

像某些其他生物计量特征一样，指纹是基于不能改变的个人特征并且从而是用来识别个人的可靠机制。存在针对生物计量和指纹传感器的使用的许多潜在应用。例如，指纹传感器可以用来提供固定应用（诸如安全检查站）中的访问控制。指纹传感器也可以用来提供便携式应用（诸如便携式计算机、个人数字助理（PDA）、蜂窝电话、游戏装置、导航装置、信息设备、数据存储装置等）中的访问控制。因此，一些应用，尤其便携式应用，可能需要紧凑的、高可靠的并且便宜的电子指纹感测系统。

生物计量验证系统的分辨率越高，它从用户获得的信息越详细。例如，更高分辨率的指纹传感器，相比更低分辨率的指纹传感器，从用户的指纹获得更详细的信息。更详细的指纹信息允许更可靠的机制来识别个人。

许多生物计量传感器是电容性的。然而，电容性传感器难以获得高于大约500像素每英寸的分辨率。此外，由于增加与电容性感测元件的距离易于降低信号强度并增加个体像素之间的模糊性，电容性传感器难以通过厚的材料层进行感测。期望获得一种能够通过厚的材料层更有效地进行感测的较高分辨率传感器。

技术实现要素：

一个实施例提供电子装置。电子装置包括生物计量传感器。生物计量传感器包括照明器、反光镜、生物计量传感器阵列以及分束器。分束器配置成将从照明器接收的光束分离为入射到生物计量感测区的第一光束以及入射到反光镜的第二光束。分束器进一步配置成将从生物计量感测区反射的所反射第一光束以及从反光镜反射的所反射第二光束组合成入射到传感器阵列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相对于彼此离轴地组合在第三光束中。

处理系统耦合到传感器阵列。处理系统配置成将来自传感器阵列的像素数据转换成频谱。频谱包括零阶图像、实像及虚像。处理系统还配置成对对应于实像的频率范围外的频谱进行滤波，并且将所滤波频谱重建成生物计量图像。

在另一实施例中，提供生物计量传感器。生物计量传感器包括照明器、反光镜、生物计量传感器阵列以及分束器。分束器配置成将从照明器接收的光束分离为入射到生物计量感测区的第一光束以及入射到反光镜的第二光束。分束器进一步配置成将从生物计量感测区反射的所反射第一光束以及从反光镜反射的所反射第二光束组合成入射到传感器阵列的第三光束，其中所反射第一光束和所反射第二光束相对于彼此离轴地组合在第三光束中。处理系统耦合到传感器阵列。处理系统配置成重建生物计量图像。

在又一实施例中，提供电子装置。电子装置包括生物计量传感器。生物计量传感器包括多个照明器、反光镜、生物计量传感器阵列以及多个分束器。每个分束器配置成将从多个照明器中的一个接收的光束分离为入射到生物计量感测区的第一光束以及入射到反光镜的第二光束。每个分束器进一步配置成将从生物计量感测区反射的所反射第一光束以及从反光镜反射的所反射第二光束组合成入射到传感器阵列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相对于彼此离轴地组合在第三光束中。

处理系统耦合到传感器阵列。对于多个分束器中的每个，处理系统配置成将来自传感器阵列的像素数据转换成频谱。频谱包括零阶图像、实像及虚像。处理系统还配置成对对应于实像的频率范围外的频谱进行滤波，并且将所滤波频谱重建成生物计量图像。处理系统将来自分束器的每个的生物计量图像的每个组合成单个组合生物计量图像。

附图说明

图1是依照本公开实施例的、全息光学传感器的示例系统的框图。

图2A是依照本公开实施例的、示出系统中光线传送的全息光学传感器的示例系统的框图。

图2B是依照本公开另一实施例的、示出系统中光线传送的全息光学传感器的示例系统的框图。

图2C是依照本公开又一实施例的、示出系统中光线传送的全息光学传感器的示例系统的框图。

图3示出依照本公开各种实施例（诸如在图1中示出的实施例）的、由传感器捕获的图像的傅里叶变换。

图4是依照本公开另一实施例的、用于使图像成四倍的全息光学传感器的示例系统的框图的顶视图。

图5示出依照本公开实施例的、各种分束器配置。

具体实施方式

下列详细描述本质上仅仅是示范性的，并不意图限制本发明或本发明的应用和使用。而且，不存在由在先技术领域、背景技术、发明内容或下面具体实施方式中提出的、任何表达的或暗示的理论所约束的意图。

本公开一般涉及用于成像的方法和系统。所公开系统的实施例能够实现高分辨率对象成像。在一些实施例中，系统通过使用全息成像传感器实现高分辨率成像。全息成像传感器使用分束器来将从光源发出的光分离为两个方向。光线的一部分（例如第一光束）按第一方向反射到要被成像的对象，并且光线的一部分（例如第二光束）按第二方向传送到反光镜。从反光镜反射的光线以及从要被成像的对象反射的光线随后在分束器组合，形成组合的所反射光线。组合的所反射光线随后入射到传感器上。

在一个实施例中，处理系统配置成利用菲涅耳积分（Fresnel integral）将来自传感器的像素数据重建成对象的图像。在另一实施例中，使用菲涅耳-基尔霍夫积分（Fresnel-Kirchhoff integral）。在任一例子中，产生多个图像。零阶图像以及从虚像和实像形成的孪生像（twin image）以及一些寄生像都被产生。处理器随后过滤多个图像，使得仅留下实像。

依照这个公开，系统和方法可以用来对任何对象成像。如下更详细地解释，在某些实施例中，对诸如指纹的生物计量对象进行成像。通过使用全息图像传感器，可获得更高水平的细节。例如，在一些实施例中，诸如指纹中出汗孔（sweat pore）的精细细节可以被成像。在一些实施例中，通过例如允许精细特征的使用来验证生物计量对象的活跃度、虑及改进匹配准确性的更高质量图像、或者虑及用来匹配的附加可区别特征的使用，对精细细节成像增加生物计量安全系统（诸如指纹读出器）的安全性。

所描述的系统、方法和传感器可以合并在各种电子系统中。电子系统的一些非限制性示例包括所有大小和形状的个人计算机，诸如桌上型电脑、膝上型电脑、上网本电脑、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理（PDA）。另外的示例电子装置包括复合型输入装置，诸如物理键盘以及独立操纵杆或按键开关。进一步的示例包括诸如数据输入装置（包括遥控器和鼠标）和数据输出装置（包括显示屏幕和打印机）之类的外围设备。其他示例包括远程终端、信息亭、以及视频游戏机（例如，视频游戏控制台、便携式游戏装置等）。其他示例包括通信装置（包括诸如智能电话之类的蜂窝电话）和媒体装置（包括录音机、编辑器和诸如电视机的播放器、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机）。

现在转向附图，图1一般是依照本公开的生物计量传感器的框图。具体而言，所例示的生物计量传感器是全息光学传感器100。在一个实施例中，全息光学传感器100是指纹传感器。全息光学传感器100包括照明器102。照明器102包括诸如发光二极管104（LED）的光源和小孔106。在备选实施例中，光源包括有机发光二极管（OLED）和激光二极管。在其他实施例中，照明器包括窄带光源。在另一实施例中，照明器包括光源和通过窄带光的光谱过滤器。

全息光学传感器100也包括分束器108以及成角度的反光镜110。要被成像的对象113 （诸如手指）放置在感测区111中。在一些实施例中，诸如玻璃盖板(cover lens)的保护层112覆盖感测区111。玻璃盖板可以覆盖显示器，诸如LCD显示器、AMOLED显示器、OLED显示器或其他显示器。在一些实施例中，显示器是诸如蜂窝电话的移动装置的部件。诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器的传感器114收集光线来使对象成像。也可以使用备选的传感器，诸如电荷耦合装置（CCD）相机。在一个实施例中，保护层112布置在分束器108上方。保护层112的上表面对应于生物计量感测区。保护层112可以是显示器的玻璃盖板。在一个实施例中，分束器108安装至保护层的下表面。在例示的实施例中，反光镜110是不连续镜。在备选的实施例中，反光镜镀覆在分束器的表面。在一些实施例中，照明器102和反光镜110沿相对水平方向布置在分束器108的相对侧上，并且感测区111和传感器阵列114沿相对垂直方向布置在分束器108的相对侧上。

如图1所例示，光源104发出的光通过小孔106被过滤。小孔典型地直径为数微米。如所示出，小孔106布置在光源104和分束器108之间的光学通路中。穿过小孔106的光导致入射到分束器108上的光束。在一些具有足够小的光源的实施例中，小孔不是必需的。分束器将光线分离为第一和第二光束。第一光束朝向玻璃盖板112和要被成像的对象113（诸如手指）反射。第二光束通过分束器传送，并且被发送到反光镜110。反光镜110成角度使得光线不是处于垂直入射。

来自第一光束的光线从要被成像的对象113反射并且朝向分束器发送回来。来自第二光束的光线在反光镜110反射并且也朝向分束器发送回来。然而，由于反光镜110成角度，来自第二光束的光线成一定角度被反射。第一和第二光束在分束器108组合并且干涉在传感器114处被测量。

处理系统116可以耦合到传感器114用来处理所测量的干涉。处理系统可以包括处理器和非暂时性计算机可读存储器。处理系统116配置成将来自传感器阵列114的像素数据转换为频谱数据。如以下详述，频谱数据包括零阶图像、实像以及虚像。处理系统116可以包括各种组件，诸如处理器、存储器、模板库（template storage）、操作系统（OS）以及电源。处理器、存储器、模板库、操作系统以及电源中的每个物理地、通信地和/或操作地互连以用于组件间通信。处理器可以执行储存在存储器中的指令或储存在模板库中的指令来确定安全系统中的鉴定尝试成功与否。存储器，其可以是非暂态、计算机可读存储介质，配置成在操作期间储存电子装置中的信息。在一些实施例中，存储器包括暂时性存储器，用于当电子装置关闭时不会被维持的信息的区域。这样的暂时性存储器的示例包括易失性存储器，诸如随机存取存储器（RAM）、动态随机存取存储器（DRAM）、以及静态随机存取存储器（SRAM）。存储器也维持程序指令以供由处理器执行。

处理系统116对对应于实像的频率范围外的频谱进行滤波。例如，处理系统可以利用高通、低通或其他滤波器来对对应于实像的频率范围外的频谱进行滤波。在一个实施例中，对象113是诸如指纹的生物计量对象。处理系统116将所滤波的频谱重建为生物计量图像。在一个实施例中，处理系统116配置成使用菲涅耳积分将像素数据重建为生物计量图像。在另一实施例中，处理系统116配置成利用菲涅耳-基尔霍夫积分将像素数据重建为生物计量图像。处理器可以将指令储存在非暂时性计算机可读存储器上以用于重建像素数据。

在图1例示的实施例中，分束器108通过将光线传送至反光镜110以及将光线反射到感测区111来分离从照明器102接收的光线。因而，分束器108将从照明器102接收的光束分离为入射到生物计量感测区111的第一光束和入射到反光镜110的第二光束。在另一实施例中（诸如在2C中示出的实施例），分束器108将光线传送到生物计量感测区111同时将光线反射到反光镜110。在图1中例示的实施例可以在垂直维度上具有更小的包装尺寸。这可以使得图1中例示的实施例更适合用于包装到诸如移动装置的某些消费电子装置中。

图2A-2C示出示例全息光学传感器配置以及在每个系统中的光线传输。在图2A中，照明器202（包括光源和小孔），发送光线到分束器204。入射到分束器204的光线206的一部分通过通路210传送到反光镜208。入射到分束器204的光线206的一部分通过通路214反射到感测区212。

来自对象216的反射光线218和来自反光镜208的反射光线220在分束器204组合，并且干涉在传感器222处被测量。因而，分束器204将从生物计量感测区212反射的所反射第一光束218以及从反光镜208反射的所反射第二光束220组合成入射到传感器阵列的第三光束221，其中，所反射第一光束218和所反射第二光束220相对于彼此离轴（off-axis）地组合在第三光束221中。角度224是反光镜的角度。通过使反光镜208成角度，从反光镜反射的以及从对象216反射的并且组合成第三光束221的结果光线可以在频率空间（frequency space）中被分隔，如由角度226所示。图像在频率空间中的分隔将在下面进一步解释。

在图2A-2C例示的实施例中，反光镜角度224应谨慎地选择。角度应足以允许图像的不同组分在频率空间中被分隔。此外，角度应足够小，使得像素间距能够分辨空间频率分量。对于后一种情况，角度应小于Sin^-1(λ/2p)，其中p是传感器的像素间距，而λ是光线的频率。从而，传感器阵列具有像素间距，且照明器配置成发出第一波长的光线。在这个实施例中，反光镜的表面和感测平面的法线之间的相对角度小于第一波长除以两倍像素间距的反正弦。

图2B例示具有不同反光镜角度的备选实施例。照明器228发送光线到分束器230。入射到分束器230的光线232的一部分通过通路236传送到反光镜234。入射到分束器230的光线232的一部分通过通路240反射到感测区238。来自对象244的反射光线242和来自反光镜234的反射光线246在分束器230组合，并且干涉在传感器248处被测量。从反光镜234反射的以及从对象244反射的结果光线可以在频率空间中被分隔，如由角度252所示。角度250是反光镜的角度。可以看出，角度224（图2A）和角度250按相反方向布置。

图2C例示具有不同配置的另一备选实施例。照明器254发送光线到分束器256。入射到分束器256的光线258的一部分通过通路262发射到反光镜260。入射到分束器256的光线258的一部分通过通路266传送到感测区264。来自对象270的反射光线268和来自反光镜260的反射光线272在分束器256组合，并且干涉在传感器272处被测量。从反光镜273反射的以及从对象268反射的结果光线可以在频率空间中被分隔，如下更详细地描述。

图3示出依照本公开各种实施例（诸如在图1中示出的实施例）的、由传感器捕获的图像的傅里叶变换。存在图像的三个主组分，图像在传感器（诸如图1中的传感器114）中形成。首先，存在零阶图像302，其是要被成像的对象113的以及来自成角度的反光镜110的个体图像的总和。其次，存在孪生像，它们从要被成像的对象113和成角度的反光镜110之间的干涉的虚像304和实像306形成。此外，将存在由不需要的反射导致的一些寄生图像308、310。寄生图像308、310通过将合适的抗反射涂层应用到光学组件上来最小化。若反光镜110与分束器平行（即垂直于玻璃盖板112），图像会难以分隔。然而，通过使反光镜成角度，图像在频率空间中被分隔。系统应将所有频率滤除，除了表示实像的那些。

一旦频谱被滤波使得仅保留实像频率，能够利用菲涅耳-基尔霍夫积分或者菲涅耳积分重建图像。

在一些实施例中，应选择小孔的直径使得照明数值孔径（NA）与检测NA匹配。所采集的光线应尽可能覆盖传感器114的大部分，并且应选择传感器像素尺寸使得其不限制分辨率。小孔106和分束器108之间的距离应最小化，分束器108和反光镜110以及分束器108和要被成像的对象113之间的距离也应当如此。

图4是依照本公开另一实施例的、用于使图像成四倍的全息光学传感器的示例系统的框图的顶视图。尽管所例示的系统具有两个分束器和四个照明器，该原理对其他数量的分束器和照明器同样起作用。

四个照明器402、404、406、408提供穿过对应小孔410、412、414、416的光线。两个分束器418、420将来自照明器402、404、406、408的光线的一部分朝向反光镜422传送。光线的一部分朝向要被成像的对象（未在顶视图中示出）反射。分束器的每个配置成将从对应照明器接收的光束分离为入射到生物计量感测区的第一光束和入射到对应反光镜的第二光束。这个系统以侧视图在用于一个分束器的图1中示出。相同的原理适用于多个分束器配置。如以上针对一个分束器所解释的，分束器418、420将从生物计量感测区反射的所反射第一光束和从对应反光镜反射的所反射第二光束组合成入射到传感器阵列的第三光束。所反射第一光束和所反射第二光束相对于彼此离轴地组合在第三光束中。在所例示的实施例中，反光镜422布置在分束器418、420的每个之间，并且分束器418、420的每个共享反光镜422。

在图4中示出的实施例产生四个图像。可以利用参考图3在上面描述的傅里叶变换来处理每个图像。处理系统（例如图1中116），耦合到传感器阵列（例如图1中114）。四个图像中的每个可以缝合在一起，或进行组合，来使所成像区域增加到4倍。为了降低这些图像的每个之间的干涉，照明器402、404、406、408能够被施加脉冲，使得在任何时间仅一个是接通的。备选地，其中两个可能被施加脉冲，随后是剩余的两个照明器。在另一实施例中，照明器能够按不同的照明频率来被施加脉冲。处理系统能够配置成基于在脉冲和非脉冲时期期间捕获的像素数据之间的差异滤除背景噪声。在另一实施例中，使用不同颜色的照明器，并且处理系统能够配置成基于用于照明器的各种颜色之间的差异滤除背景噪声。因而对应于不同的相应分束器的、不同的相应照明器能够被光谱编码（采用不同照明波长）以便在检测器阵列处解码图像。

图5例示各种分束器配置和反光镜，其可以用来，例如，限制传感器的总体尺寸和/或增加要被成像的区域。尽管描述的实施例包括立方体分束器，也可使用其他类型的分束器。例如，可取决于应用来使用板分束器、立方体分束器、偏振分束器以及非偏振分束器。在一些实施例中，分束器的厚度由成角度反光镜的长度来确定。分束器配置502、506、510以及514（例示前视图）包含单个分束器和反光镜504、508、512以及516。在这些配置的每个中，反光镜的长度确定分束器的薄度。这些配置可以用在许多实施例中，包括，例如，描绘在图1中的实施例。反光镜512和516安装在分束器510和514上。反光镜也可以镀覆在分束器的表面上。在一些实施例中，使用偏振分束器。例如，在一个实施例中，使用偏振分束器，其中第一四分之一波片布置在感测表面和偏振分束器之间，并且第二四分之一波片布置在反光镜和偏振分束器之间。与使用非偏振分束器的某些实施例相比，这个实施例可以更好地保护来自照明器的光线。此外，偏振分束器不吸收并且驱散被抑制偏振状态的能量，并且因此它们适合用于与高强度光源（诸如激光）配合使用。

在一些实施例中，分束器反射层598距离反光镜和要被成像的对象的距离应该是相同的。因此，如在分束器514中示出的，从分束器反射层598到所镀反光镜516的距离被拉长，以匹配从分束器反射层到感测区的距离。

分束器配置518（例示前视图）包含两个分束器520、522和两个反光镜524、526。这个配置可以用在采用多个图像的实施例中，诸如在图4中示出的实施例。分束器配置528也包括共享一个双面反光镜534的两个分束器530、532。在这些配置中，多个分束器允许增加传感器的成像区域，而不增加分束器的厚度，就像利用单个分束器捕获相当区域将会产生的。

分束器配置536、538及540（例示顶视图）各自包含两个分束器和一个反光镜。分束器配置536包括分束器542、544和反光镜546。同样地，分束器配置538包括分束器548、550和反光镜552。分束器配置540包括分束器554、556和反光镜558。反光镜558可以镀覆到分束器554、556上或者可以是夹在分束器之间的独立反光镜。分束器配置536、538及540可以用在使用多个图像的实施例中，诸如图4中示出的实施例。

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术语“一个（a、an）”及“所述”及“至少一个”以及类似所指在描述本发明的上下文中（尤其在所附权利要求的上下文中）的使用可以被解释为覆盖单个及多个，除非本文中以其他方式指示或者明显与上下文相抵触。术语“至少一个”（随其后是一项或多项的列表）的使用（例如“A和B的至少一个”）可以解释为表示从所列项中选择的一项（A或B）或者所列项的两个或多个的任何组合（A和B），除非本文中以其他方式指示或者明显与上下文相抵触。术语“由…组成”、“具有”、“包括”及“包含”可以被解释为是开放式术语（即表示“包括，但不限于，”），除非另外说明。本文中数值范围的记载仅仅意在用作单独地参考落入范围内每个独立值的简略表述方法，除非在本文中另外指示，并且每个独立值合并在说明书中，就像其单独地在本文中记载一样。本文描述的所有方法可以按任何合适的顺序执行，除非在本文中以其他方式指示或者明显与上下文相抵触。本文提供的、任何和所有示例，或示例性措辞（例如“诸如”）的使用，仅仅意在更好地阐明本发明，而不施加对本发明范围的限定，除非另外声明。说明书中措辞不应被解释为指示任何非-主张元件为对本发明的实践是必不可少的。

本文描述本发明的优选实施例，包括用于实现本发明的发明人已知的最优模式。基于阅读上述描述，那些优选实施例的变形对本领域技术人员是显而易见的。发明人期望本领域技术人员适当地使用这样的变形，并且发明人想要本发明可以按与本文所具体描述的相不同的方式来实施。因此，这个发明包括由适用法律所允许的、在所附权利要求中记载的、该主题的所有修改和等同。此外，按其所有可能的变形的、上述元件的任何组合由本发明所包含，除非在本文中以其他方式指示或者明显与上下文相抵触。