包括光学图像传感器上方的针孔阵列掩膜的电子设备及相关方法与流程

本发明涉及电子器件领域，并且更具体地，涉及光学图像传感器领域。

背景技术：

指纹感测和匹配是用于个人识别或验证的可靠且广泛应用的技术。具体地，指纹识别的一种通用方法涉及扫描样本指纹或其图像并存储该图像和/或指纹图像的独特特征。诸如出于验证的目的，可将样本指纹的特征与已在数据库中的参考指纹的信息进行比较，以确定对人的正确识别。

对于电子设备，更具体地例如便携式设备中的验证和/或认证而言，指纹传感器可能特别有利。此类指纹传感器可例如由便携式电子设备的外壳承载，并且其尺寸可设定为感测来自单个手指的指纹。

在指纹传感器集成到电子设备或主机设备中的情况下，例如，如上所述，可能期望更快速地执行认证，特别是在电子设备上执行另一任务或应用程序时。换句话讲，在某些情况下，可能不期望让用户在单独的认证步骤(例如，在执行认证的多个任务之间切换)中执行认证。

技术实现要素：

一种电子设备可包括光学图像传感器上方的光学图像传感器和针孔阵列掩膜层。该电子设备还可包括针孔阵列掩膜层上方的显示层。显示层包括多个间隔开的显示器像素。该电子设备还可包括显示层上方的透明覆盖层，该覆盖层限定能够接收与其相邻的手指的手指放置表面。

该电子设备还可包括光源，该光源能够例如在与透明覆盖层相邻时将光引导到手指中。光学图像传感器、针孔阵列掩膜层和手指放置表面可被配置为限定手指放置表面处的重叠区域以及光学图像传感器处的间隔开的区域。

针孔阵列掩膜层可具有多个开口，这些开口各自具有5至40微米范围内的尺寸。多个开口可彼此间隔开例如1至3毫米范围内的距离。

针孔阵列掩膜层可与光学图像传感器间隔开100至300微米范围内的距离。针孔阵列掩膜层可与手指放置表面间隔开例如1500至2000微米范围内的距离。

针孔阵列掩膜层可包括例如铬。该电子设备还可包括承载光学图像传感器的柔性电路基板。光学图像传感器可包括集成电路(ic)基板以及由ic基板承载的图像感测电路。

该电子设备还可包括光学图像传感器和针孔阵列掩膜层之间的光学透明主体。该电子设备还可包括例如在光学图像传感器上方的光学透明粘合剂层。

光学图像传感器能够执行例如认证功能、欺骗检测功能、导航功能和生命体征测量功能中的至少一者。光学图像传感器能够基于来自手指的指纹执行认证功能。

显示层可包括例如触摸显示层。针孔阵列掩膜层在其中可具有多个间隔开开的开口，并且针孔阵列掩膜层可在多个开口内包括多个透镜。

一个方法方面涉及制造电子设备的方法。该方法包括将针孔阵列掩膜层定位在光学图像传感器上方并将显示层定位在针孔阵列掩膜层上方。显示层包括多个间隔开的显示器像素。该方法还包括将透明覆盖层定位在显示层上方，该覆盖层限定能够接收与其相邻的手指的手指放置表面。

附图说明

图1是根据实施方案的电子设备的平面图。

图2是图1的电子设备的示意性框图。

图3是图1的电子设备的一部分的示意性剖视图。

图4a和图4b是根据卷帘快门技术来比较光和整合线数相对于帧的曲线图。

图5是根据全局快门模式来比较光和整合线数相对于帧的曲线图。

图6a和图6b分别是图1的电子设备的光学图像传感器的估计图像平面和对象平面分辨率的曲线图。

图7a和图7b是根据针对图1的电子设备的光学图像传感器的点扩展函数形状的估计成像分辨率的曲线图。

图8a至图8g是示出图2的电子设备的针孔阵列掩膜层中给定直径的开口的光学图像传感器的分辨率的模拟图像。

图9是根据图1的电子设备的光学图像感测原理用于产生图像的原型电子设备的示意性剖视图。

图10a至图10h是使用图9的原型电子设备捕获的图像，其示出了图像分辨率。

图11a至图11h是使用图9的原型电子设备的模拟图像，其示出了图像分辨率。

图12a至图12c是来自图9的原型电子设备的重叠物体区域的单独子图像的示例。

图13a至图13b是示出从来自图9的原型电子设备的重叠子图像中恢复单个图像的捕获图像。

图14是使用前照式原型设备的以相对低角度的捕获图像。

图15a至图15d是利用前照式原型设备并使用不同颜色的光的捕获图像。

图16a至图16c是使用前照式原型设备的以相对高角度的捕获图像。

图17a至图17c是使用前照式原型设备的以相对高角度的捕获图像。

图18a至图18c是使用前照式原型设备的以相对高角度的捕获图像。

图19是根据本发明的另一个实施方案的电子设备的一部分的示意性剖视图。

图20是根据本发明的另一个实施方案的电子设备的一部分的示意性剖视图。

图21是根据本发明的另一个实施方案的电子设备的一部分的放大示意性剖视图。

图22是根据本发明的另一个实施方案的电子设备的一部分的放大示意性剖视图。

具体实施方式

现在将参考示出了本发明的优选实施方案的附图在下文更全面地描述本发明。然而，本发明可以多种不同的形式体现，并且不应将本发明理解为受限于本文所述的实施方案。相反，提供这些实施方案，使得本公开为周密且完整的，并且将向本领域的技术人员充分地表达本发明的范围。在全文中，类似的编号指代类似的元件，并且在不同实施方案中，使用加撇符号指代类似的元件。

首先参考图1和图2，电子设备20示例性地包括外壳，例如便携式外壳21以及由便携式外壳承载的处理器22。电子设备20示例性地是移动无线通信设备，例如蜂窝电话。电子设备20可以是另一种类型的电子设备，例如平板电脑、膝上型计算机、可穿戴计算机等。

无线收发器25也承载在外壳21内并耦接到处理器22。无线收发器25与处理器22配合以执行至少一个无线通信功能，例如语音和/或数据。在一些实施方案中，电子设备20可不包括无线收发器25或其他无线通信电路。

显示器23也由便携式外壳21承载并耦接到处理器22。如本领域技术人员将理解的，显示器23可以是例如发光二极管(led)显示器，并且可具有提供触摸显示特征的附加电路。显示器23的更多细节在下文描述。

存储器26也耦接到处理器22。存储器26用于存储例如手指匹配生物识别模板数据。存储器26可存储其他或附加类型的数据。

如本领域技术人员将理解的，如果显示器23为触摸显示器的形式，则触摸显示器充当输入设备和显示器两者。因此，显示器23将响应于输入而与处理器22配合以执行一个或多个设备功能。例如，设备功能可包括对电子设备20通电或断电、经由无线收发器25发起通信和/或基于到触摸显示器的输入执行菜单功能。

更具体地，相对于菜单功能，处理器22可基于到触摸显示器的按压或输入来改变显示器23以展示可用应用程序的菜单。当然，可基于到触摸显示器23的输入来执行其他设备功能。其他或附加的手指操作的用户输入设备可由便携式外壳21承载，例如，如本领域技术人员将理解的，可另选地或除此之外用于设备功能的按钮开关24。

现在另外参考图3，用于感测用户的生物识别的光学图像传感器31(诸如例如，用户手指的指纹图案的图像40)由显示器23下方的外壳21承载。更具体地，光学图像传感器31包括集成电路(ic)基板以及由ic基板承载的图像感测电路。光学图像传感器31可通过具有球栅阵列(bga)触点35的栅格阵列或其他耦接技术耦接到电路基板，例如柔性基板34。光学图像传感器31可以是本领域技术人员将理解的背照式传感器或背面照明(bsi)图像传感器。

电子设备20可选地包括光源41。光源41将光引导到用户手指40中，并且可将光引导到光学图像传感器31。光源41可以是一个或多个发光二极管(led)并且/或者可以是显示层36的一部分。换句话讲，显示器像素38可以是光源，或者可存在单独或附加的光源。例如，显示器的不同led可允许相对于光的波长和照明角度的动态变化和/或更多灵活性。可使用可见光源或不可见光源(例如，红外(ir)或紫外线(uv))和/或另一种类型的光源，或者可使用光源的组合。然而，与其他颜色的光(例如，蓝色的光)相比，ir光可在用户手指40内穿透更深。可能希望的是光源41与光学图像传感器31同步，更具体地，与光学图像传感器的信号采集同步。例如，光源41可与光学图像传感器31配合，使得光学图像传感器以卷帘快门模式和全局快门模式中的一者或两者操作，如本领域技术人员将理解的。如本领域技术人员将理解的，全局快门模式可改善对背景光或干扰的容忍度并降低功耗。另外，光学图像传感器31可与滤光器(例如，可对应于光源41的光谱的窄带光谱滤光器)配合。滤光器可减少背景对手指识别的影响或增加对背景的容忍度。滤光器可以是例如光学滤光器。

现在将描述卷帘快门模式和全局快门模式的更多细节。典型的光学图像传感器通常以卷帘快门模式操作。在该模式下，每个传感器线的整合时间在不同时间开始和结束。当此类操作与主动照明组合时可能是低效的，因为这通常需要在两种方案之一中转变照明。

现在参考图4a中的曲线图，在第一方案中，照明(即光源41)从第一线整合开始到最后线整合结束。该方案有两个缺点：1)整合时间短于照明时间，从而致使照明功率低效；以及2)如果照明开关在连续的帧之间，诸如以改变角度或波长，则下一帧开始被延迟直到第一帧结束，从而增加不短于读出时间的等待时间，致使时间低效。

现在参考图4b中的曲线图，在第二方案中，照明从最后线整合开始到第一线整合结束。该方案有两个缺点：1)整合时间长于照明时间，从而致使背景光干扰低效；以及2)照明占空比相对较短，从而致使高峰值功率操作。

现在参考图5中的曲线图，因此可能期望以全局快门模式操作光学图像传感器31。在该模式下，所有传感器线的整合时间同时开始和结束。此类操作有三个优点：1)照明时间等于整合时间，从而致使有效利用照明功率；2)在照明开关诸如改变角度或波长的情况下，通常不需要在帧之间存在死区时间；以及3)照明占空比最大，从而放松了高峰值功率运行的需要。

光学透明粘合剂层(oca)42在光学图像传感器31上方，更具体地，由光学图像传感器的上表面承载。光学透明主体或支撑构件43将oca层42与针孔阵列掩膜层50间隔开。换句话讲，支撑构件43在oca层42和针孔阵列掩膜层50之间。

针孔阵列掩膜层50在光学图像传感器31上方，例如与光学图像传感器间隔开100至300微米范围内的距离。更具体地，针孔阵列掩膜层50示意性地承载在支撑构件43的顶表面上。针孔阵列掩膜层50是不透明掩膜，并且其中具有多个开口51或针孔，以允许光从其中通过。例如，开口51可均匀间隔开或以例如蜂窝图案间隔开。开口51的间距(spacing)的间距(pitch)可例如在1至3mm的范围内，尤其为约1.5mm。如本领域技术人员将理解的，开口51之间的间距(spacing)或间距(pitch)会影响图像分辨率。另外，每个开口51的尺寸可例如在5至40微米的范围内。当然，每个开口51或针孔的尺寸都会影响来自光学图像传感器31的感测图像，如下文将进一步详细描述。针孔阵列掩膜层50是不透明的，并且因此不允许光穿过。针孔阵列掩膜层50可包括铬(例如，铬层)，以提供不透明度。当然，可使用其他材料(无论是不是层)来提供不透明度。

作为显示器23的一部分的显示层36在针孔阵列掩膜层50上方。如本领域技术人员将理解的，显示层36示例性地包括显示器像素阵列38和/或用于显示图像的微透镜。具体地，显示层36可以是发光二极管(led)显示器的一部分。led或显示器像素38可间隔开以允许光穿过，并且可与开口51或针孔对齐。

显示封装层44在显示层36上方。另一个光学透明粘合剂层45在显示封装层44上方。透明覆盖层46(例如，包括缟玛瑙)在显示层36上方并限定能够接收与其相邻的用户手指的手指放置表面。更具体地，透明覆盖层46由光学透明粘合剂层45承载，并且透明覆盖层46的上表面限定用于接收用户手指40的手指放置表面47。手指放置表面47可与针孔阵列掩膜层50间隔开例如1.5mm至2mm(即1500至2000微米)范围内的距离。当然，手指放置表面47可例如基于期望的图像特性与针孔阵列掩膜层50间隔开另一距离。

在包括光学图像传感器31的示例性电子设备20中，各层的高度可如下：柔性基板34可为约0.15mm厚，光学图像传感器31可为约0.1mm，光学透明粘合剂层42可为约0.05mm，支撑构件43可为约0.2mm，显示封装层44可为约0.1mm，第二光学透明粘合剂层45可为约0.15mm，并且透明覆盖层46可为约1.5mm。当然，每层之间的间距和尺寸可不同，但如下文所述，可能期望光学图像传感器31和针孔阵列掩膜层50之间的间距相对较小。

光学图像传感器31、针孔阵列掩膜层50和手指放置表面47的相对间距和几何形状限定手指放置表面处的重叠区域以及光学图像传感器处的间隔开的区域。因此，针孔阵列掩膜层50和光学图像传感器31之间的间距确定即在手指放置表面47处感测到的图像重叠量。更大的间距对应于更大的图像重叠量，这对于处理过程可能是不期望的。换句话讲，重叠越多，图像构造的计算强度越大。相反，光学图像传感器31和针孔阵列层50之间的距离较小可导致没有显著的重叠，并且因此可更容易地重构图像。

光学图像传感器31(并且更具体地，图像感测电路)感测用户手指40或邻近手指放置表面47放置的对象，并且基于此，可执行一个或多个生物识别功能，例如用户认证(匹配操作)、生物识别注册功能和/或欺骗检测功能。此外，当显示器23为触摸显示器的形式时，当用户例如在导航功能或其他触摸显示输入期间接触触摸显示器时，来自用户手指40的数据由光学图像传感器31感测或获取，例如用于手指匹配和/或欺骗检测，如本领域技术人员将理解的。

现在将描述使用光学图像传感器31的与手指生物识别感测有关的电子设备20的操作。来自光源41和/或显示器像素38的光基于与手指放置表面47相邻或在透明覆盖层46上的对象(例如，用户手指40)被散射。被散射的光由光学图像传感器31通过显示层36中的针孔和/或微透镜以及针孔阵列掩膜层50中的开口51或针孔捕获。

有利地，显示层36是多光谱和多阴影照明器，并且通常不受环境光线的影响。此外，在一些实施方案中，显示层36可用于欺骗检测，例如基于阻抗的欺骗检测和/或其他基于光或基于电场的检测技术，如本领域技术人员将理解的。

甚至更进一步，光学图像传感器31的芯片具有相对大量的未使用区域，这些区域可被分配用于其他处理，例如手指生物识别或指纹处理和/或欺骗检测，例如光谱仪。

使用作为成像技术的一部分的针孔阵列掩膜层50产生重叠物体区域的单独图像。可通过相对于从对象到针孔阵列层50以及到光学图像传感器31的尺寸和距离调整不同参数来调整图像的阴影和放大倍率。例如，可基于高度和平均折射率比来实现0.114的放大倍率。开口或针孔图像阴影由cos⁴函数给出。阴影允许感测图像的分离，即使存在重叠区域。此外，阴影通过单个开口51或针孔确定对象区域图像的有效尺寸。

相当于图像重叠，使用64％至100％范围内的信号电平，可获得±26.5°的视场角。当与开口51或200微米的针孔尺寸、1750微米的物体区域尺寸以及1500微米的开口的间距(spacing)或间距(pitch)一起使用时，对象可被成像区域完全覆盖。通过使用20％至100％范围内的信号电平，可获得±48°的视场角。当与开口51或200微米的针孔尺寸、1750微米的对象区域尺寸以及1500微米的开口的针孔间距(spacing)或间距(pitch)一起使用时，每个对象区域在同一次捕获中从不同角度被多次感测或成像。例如，可使用重叠信息来提高分辨率和信噪比(snr)和/或提取3d信息。

相当于分辨率，使用针孔阵列层50允许约15微米的图像分辨率。因此，可使用相对宽范围的像素尺寸。例如，可实现约120微米的对象平面分辨率。

更具体地，可基于针孔成像点扩散函数(psf)(为几何和衍射psf的卷积)来确定针孔光学系统分辨率。两者都是轴对称的2d函数。几何psf对由于每个开口或针孔的尺寸有限引起的模糊进行量化。几何psf由光学图像传感器31(用于图像空间分辨率)或物体(用于物体空间分辨率)上的针孔圆形投影给定。衍射psf对由于小开口处的光衍射引起的附加模糊(例如，对于圆形孔径)进行量化，它由第一贝塞尔函数给出。

参考图6a和图6b，曲线图60a和60b是基于1750微米的对象与开口距离以及200微米的光学图像传感器与开口距离的开口51或针孔尺寸的曲线图。曲线图60a,60b描绘了每个开口51的直径(以微米为单位)分别与图像平面分辨率(图6a)和对象平面分辨率(图6b)(以微米为单位)之间的关系。线61a,61b对应于波长为380nm的光，线62a,62b对应于波长为460nm的光，线63a,63b对应于波长为525nm的光，线64a,64b对应于波长为630nm的光，线65a,65b对应于波长为850nm的光，并且线66a,66b对应于波长为940nm的光。可能特别适合可见光的开口51的尺寸为9微米。

另外，相对较大的针孔或开口51处的线的psf宽度增加是几何分辨率主导方案。相对较小的开口51处的psf宽度快速增加是衍射主导方案。这两种效果组合产生了可能被认为是最佳分辨率的最佳针孔尺寸。可能期望将开口51尺寸选择为略大于最佳确定的分辨率，例如以针对信噪比(snr)折衷分辨率。

现在参考图7a和图7b中的曲线图70a,70b，示出了针孔成像分辨率。图7a中的曲线图70a对应于9微米的开口51或针孔尺寸、1750微米的对象与开口距离以及200微米的图像传感器与开口距离，而图7b中的曲线图70b对应于15微米的开口或针孔尺寸、1750微米的对象与开口距离以及200微米的图像传感器与开口距离。线71a,71b对应于波长为460nm的光，线72a,72b对应于波长为525nm的光，线73a,73b对应于波长为630nm的光，线74a,74b对应于波长为850nm的光。示例性地，对于9微米的开口51或针孔直径，对象平面分辨率(1/e)为105微米，而对于15微米的开口51或针孔直径，对象平面分辨率(1/e)为155微米。曲线图70a对应于相对小的针孔尺寸、衍射方案，具有钟形形状，并且因此具有相对显著的波长相关性。曲线图70b对应于相对大的针孔尺寸、主要几何方案，具有正方形形状，并且因此可忽略不计的波长相关性。

还需要考虑像素模糊。像素psf是像素化和串扰psf的卷积。像素化psf是由于像素的尺寸有限引起的，并且其可通过2d平方的正弦函数或通过对超采样图像进行整合来建模。

串扰psf是例如通过角度和波长测量的像素特性。串扰psf取决于入射角，并且更具体地，取决于相对于图像中心的像素位置。串扰psf的尺寸通常在一个像素的数量级，但是可具有远程尾部，特别是对于例如近红外(nir)光。然而，与光学模糊相比，通常不期望像素模糊相对显著，因为像素尺寸显著小于开口51或针孔的尺寸。

现在参考图8a至图8g，示出了说明示例性分辨率的模拟图像。图像是针对直径为15微米的开口51和分辨率为155微米的绿色光。图8a示出了4线每毫米，其中线宽为125微米。图8b示出了5线每毫米，其中线宽为100微米。图8c示出了6线每毫米，其中线宽为83微米。图8d示出了7线每毫米，其中线宽为71微米。图8e示出了8线每毫米，其中线宽为63微米。图8f示出了9线每毫米，其中线宽为56微米，并且图8g示出了10线每毫米，其中线宽为50微米。1/e分辨率为155微米有利地允许高达约7线每毫米的分辨，这可取决于例如对比度降低极限。

相对于阴影，阴影包括光学阴影和像素阴影两者。光学阴影可近似取决于“余弦4次方”几何因子。在光学图像传感器31处以取决于针孔平面的折射率比的角度接收光。测量像素阴影，并且除了几何效应之外，预计其不超过额外的余弦因子。

相对于信噪比(snr)和整合时间，每个开口51或针孔的尺寸驱动分辨率-snr折衷。信号电平基于针孔平面辐照度、开口51或针孔尺寸、像素灵敏度、整合时间和阴影。给定光学图像传感器的噪声电平可以是具有常量参数(包括诸如例如读出噪声、光子响应非均匀性(prnu)和固定模式噪声(fpn)的像素特性)的信号函数。

例如，对于9微米的分辨率-最佳开口直径，f数为22.2。对于15微米的开口直径，200微米的传感器距离，f数为13.3(分辨率损失约为1.5倍，相同snr的整合时间减少约为2.8倍)。如本领域技术人员将理解的，图像中心信号由下式给出：

信号＝亮度[cd/m²]*π*反射率*透射率/

(4f²)*灵敏度[e/lx-s]*tau[s]

对于约520cd/m²的典型显示亮度、约70％的反射率、f/13.3、6微米的像素间距、100ms的整合时间，所得到的信号可为约140e，其中snr为约11。该snr可被认为相对较低，并且因此对于可工作的对比度，可能期望图像调制为约10％。可例如经由合并考虑更大的有效像素间距(pitch)(即像素之间的间隔(spacing))，用于增加snr或减少整合时间。

相对于图像失真，可基于鱼眼或反鱼眼效应导致图像失真。图像失真可能是由于例如对象界面介质和光学图像传感器31之间的折射率的差异引起的，并且通过正弦比折射函数而建模。针孔成像本身不会引起显著的失真，从而保持角度切线相对恒定。可通过使用具有更紧密匹配(例如，折射率几乎相同)的材料来减小失真。如本领域技术人员将理解的，可通过在将各个图像拼接在一起之前进行图像处理来纠正失真。

现在参考图9，使用原型电子设备200根据上述原理生成图像。更具体地，使用铬掩膜201来模拟要待感测的对象，该铬掩膜具有约12微米的厚度，被一块折射率为1.5、厚度为1500微米的背玻璃202承载。模拟对象的铬掩膜201是thorlabsr2l2s1p正分辨率靶，它具有2英寸×2英寸尺寸、钠钙玻璃基板(背玻璃)和铬图案。

扩散光源203被定位在铬掩膜201上方。漫射光源203包括多个蓝色发光二极管(led)，它们均匀地照射超过2英寸的扩散器。中心波长为约450nm。光源203限于蓝色led，因为铬掩膜在较高波长的残余透射致使对比度降低。

铬掩膜201与针孔阵列掩膜层204间隔开约1500微米，因为该针孔阵列掩膜层也由背玻璃205承载，该背玻璃具有约1.5的折射率和约1500微米的厚度。针孔阵列掩膜层204具有约12微米的厚度，并且该针孔阵列掩膜层中的单个开口206的直径为12微米。

光学图像传感器207在针孔阵列掩膜层204下方，并与之间隔开约750微米，相关联的折射率为约1.3。750微米的间距包括150微米的气隙208、厚度为300微米并且折射率为1.5的覆盖玻璃层209，以及厚度为300微米的第二气隙210。预测的对象平面分辨率为38微米(psf-1/e直径；相当于最小可分辨线对宽度)。

另外参考图10a至图10h、图11a至图11h中的图像，原型用于生成图像，然后将图像与模拟图像分别进行比较。图10a至图10h分别对应于18、16、14、12.5、11、10、9和8线每毫米捕捉或生成的图像。图11a至图11h分别对应于18、16、14、12.5、11、10、9和8线每毫米的模拟图像。应当注意，18线每毫米仍可分辨，但如图所示，对比度相对较低(线宽为28微米)。具体参考图10e至图10h，可见的失真是由于针孔或开口51上的折射率阶跃产生的“反鱼眼”效应。

现在参考图12a至图12c，示出了重叠对象区域的单独子图像的示例性图像。这些图中的捕捉图像是采集自具有1000微米间距的12微米直径5×5针孔阵列层。图13a和图13b示出了从重叠的子图像中复原单个图像，例如图12a至图12c所示的那些。

使用前照明原型设备进行进一步的测试，其示出了相对于指纹脊线成像，对比度通常强烈地取决于角度和波长。更具体地，相对于前照式原型设备，光源被定位成与图像传感器横向相邻，并且针对不同的光角度被横向调整。使用与上述原型相同的铬掩膜来模拟待感测的对象。现在参考图14中的图像，例如当光源角度接近法向时，550nm处的脊线图像对比度相对较低。

现在参考图15a至图15d，示出使用蓝光(450nm，图15a)或绿光(550nm，图15b)比使用红光(650nm，图15c)或红外光(940nm，图15d)的分辨率更好。图16a至图16c分别是在550nm、850nm和940nm以相对高的角度捕捉的图像。图17a至图17c以及图18a至图18c分别是在550nm、850nm和940nm处以相对高的角度捕捉的附加图像。例示性地，对比度在高角度下显著改善，但在红外波长下仍然较低。脊线密度为约3线每毫米。

虽然本文已将电子设备20描述为移动无线通信设备的形式，但是本领域的技术人员应当理解，该电子设备可以是独立光学图像感测设备的形式(即，手指生物识别感测或指纹感测设备)。

此外，虽然光学图像传感器31已被主要描述为用于生物识别认证，但是应当理解，光学图像传感器，更具体地图像感测电路能够执行生物识别认证功能、欺骗检测功能和生命体征测量功能中的任何者或全部。具体地，例如使用针孔阵列掩膜层50进行遮蔽的感测3d几何形状、成像的多光谱特性和/或活体手指的其他特征可用于生物识别认证。光学图像传感器31也可能能够执行感测其他生物识别特征，诸如例如心率或脉搏率(可用于确定血压)和/或脉搏或血氧测定，并且可以基于在不同波长下感测图像的能力。如本领域的技术人员将理解的那样，为了检测心率，可以使用绿光和ir(红外)光的组合，并且针对检测血氧水平，可以使用红光和ir(红外)光的组合。

此外，光学图像传感器31可以与开口51组合使用，以在环境光感测模式下操作，这在例如可穿戴电子设备中可能是相对期望的。更具体地，通过使用例如整个针孔阵列掩膜层50和光学图像传感器31的整个像素阵列，可获得相对较高的光接收角，这对于环境光感测操作通常是期望的。

现在将描述环境光感测模式的操作的其他细节。所有像素可以组合成单个输出，并且用极低功耗读出读出电路。组合针孔阵列掩膜层50的光学图像传感器31然后可以在很宽例如高达180度的视场(fov)中集成光。例如，典型的相机感测通常介于60和70度之间的相对较窄fov中的光，该fov对于在环境光感测模式中的操作可能太小。通过使结合组合光学图像传感器31的针孔阵列掩膜层50具有非常大的例如高达180度的fov，可以提供优于例如典型相机的一个较大优势。

使用针孔阵列掩膜层50，或甚至针孔成像技术提供了广角光检测功能，因为针孔或开口51相对靠近光学图像传感器31定位。因此，有效焦距明显小于光学图像传感器31的尺寸。当像素组合在单个输出中时，将对几乎所有进入开口51的光都敏感。这允许相对低功率的环境光感测模式，由于例如降低的取向依赖性，其将具有比典型传感器稳定的优点。

现在参考图19，电子设备20’的一部分示出了一种示例性集成设计。基板34'与底座39'间隔开。无源器件49'由基板34’的下表面承载。光学图像传感器31’由基板34’的上表面承载。键合引线57'将光学图像感测电路耦接到由基板34’承载的电路。壳体58’从围绕光学图像传感器31’的基板34'向上延伸。透明玻璃层59’由壳体承载，并且具有例如0.5mm的厚度。针孔阵列掩膜层50’由透明层59’例如玻璃层的下表面承载。壳体58’使针孔阵列掩膜层50’和透明玻璃层59’与光学图像传感器31’间隔开例如150微米的距离，从而限定了它们之间的气隙。吸光性粘合剂92’例如环氧树脂可以将透明玻璃层59’和针孔阵列掩膜层50’固定到壳体57’。

现在参考图20，图19中所示的部件或元件被集成到示例性电子设备20’中。印刷电路板pcb81’耦接基板34’，并且更具体地，耦接基板的与无源器件49’相邻的下表面。包括间隔开的显示像素38’的显示层36'由基板34’的与壳体58'横向相邻或在其周围的上表面承载。显示层36'可以耦接到布置在基板34’外部的显示器控制电路82’。透明覆盖层46'在透明层59'上方。例如，可以用粘合剂将透明覆盖层46’固定到透明层59’。透明覆盖层46’可以是例如玻璃或缟玛瑙，或者可以是其他材料。

一个方法方面涉及制造电子设备20的方法。该方法包括将针孔阵列掩膜层50定位在光学图像传感器31上方，并将显示层36定位在该针孔阵列掩膜层上方。显示层36包括间隔开的显示像素38。该方法还包括将透明覆盖层46定位在显示层36上方，该覆盖层限定能够接收与其相邻的用户手指40的手指放置表面47。

另一个方法方面涉及感测光学图像的方法。该方法包括使用光学图像传感器31来感测从由透明覆盖层46限定的与手指放置表面47相邻的用户手指40反射穿过透明覆盖层、穿过光学图像传感器上方的针孔阵列掩膜层50并穿过针孔阵列掩膜层上方的显示层36的光，其中显示层包括间隔开的显示像素38。

现在参考图21，在另一个实施方案中，包括开口51”的针孔阵列掩膜层50”可能不位于光学图像传感器31”和显示层36”之间，而是由显示层承载或与显示层集成。例示性地，显示层36”包括间隔开的显示像素38”阵列，和/或用于显示图像并且间隔开以允许光穿过的微透镜。显示像素38”之间的允许光通过的间距限定了开口51”。这与在其中间隔开的显示像素36之间的间距可以与针孔阵列掩膜层50中的开口51或针孔对准的实施方案相反。一些方法方面涉及制造相关电子设备的方法以及使用该电子设备来使用或感测手指的方法。

现在参考图22，在另一个实施方案中，针孔阵列掩膜层50”’在开口51”’中包括透镜91”’。透镜91”’中的每个透镜可以具有例如约40至100微米的直径。透镜91”’可以有利地改善图像质量和snr，这可因此可以降低用于照明的光功率和总功耗，这在与移动设备或便携式设备一起使用时可能特别有利。另选地或除此之外，可以将透镜包括在显示层36”’中。

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