(57)【要約】  光センサシステムは、生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、前記入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、前記複数の表示要素の下に配置されたアパーチャ層と、前記アパーチャ層の下に配置されたコリメータ層と、前記コリメータ層の下に配置された複数の光検出要素と、を有する。前記複数の光検出要素は、前記アパーチャ層及び前記コリメータ層を通過した前記検出領域からの光を検出するように構成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、
前記入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、
前記複数の表示要素の下に配置されたアパーチャ層と、
前記アパーチャ層の下に配置されたコリメータ層と、
前記コリメータ層の下に配置された複数の光検出要素と、を有し、
前記複数の光検出要素は、前記アパーチャ層及び前記コリメータ層を通過した前記検出領域からの光を検出するように構成される、光センサシステム。
【請求項２】
前記複数の表示要素が、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）又は有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）を有し、前記複数のＬＥＤ又はＯＬＥＤが、前記検出領域からの光の供給源である、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項３】
前記入力面が、カバーレンズの一部であり、
前記光センサシステムが、更に、前記複数の表示要素と前記カバーレンズとの間に偏光子薄膜を有する、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項４】
前記コリメータ層が、更に、
ギャップ又は透明層と、
前記ギャップ又は前記透明層の下にコリメータを形成する複数の光遮断構造と、を有する、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項５】
前記複数の光遮断構造は、エッチドシリコンから形成される、請求項４に記載の光センサシステム。
【請求項６】
前記複数の光遮断構造は、１００μｍ以下の高さを有する、請求項４に記載の光センサシステム。
【請求項７】
前記複数の光遮断構造が、垂直壁を有する、請求項４に記載の光センサシステム。
【請求項８】
前記複数の光遮断構造が、傾斜した壁を有する、請求項４に記載の光センサシステム。
【請求項９】
前記アパーチャ層と前記コリメータ層とが、前記アパーチャ層及び前記コリメータ層を通過する光に少なくとも１５：１のアスペクト比を提供するように構成された、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１０】
前記検出領域に光を提供するように構成された補助光源を更に有し、
前記光源からの光が、前記検出領域から反射され、前記アパーチャ層を通過され、前記複数の光検出要素によって検出される、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１１】
前記複数の表示要素と前記アパーチャ層とは、ディスプレイスタックの一部である、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１２】
前記アパーチャ層、前記コリメータ層及び前記複数の光検出要素が、ディスプレイスタックに取り付けられた光学生体認証センサの一部である、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１３】
前記アパーチャ層のアパーチャが、前記コリメータ層のそれぞれの光コリメーティング領域に位置合わせされ、前記光コリメーティング領域が、前記コリメータ層の光遮断部分の間に配置された、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１４】
前記複数の表示要素が、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層上に形成され、
前記アパーチャ層が、前記薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層の一部である、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１５】
前記複数の表示要素が、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）層上に形成され、
前記ＴＦＴ層が、前記アパーチャ層の前記アパーチャに加えてアパーチャを有する、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１６】
前記アパーチャ層のアパーチャが非円形であり、前記アパーチャは、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向き合わないように向けられた、請求項１に記載の光センサシステム。
【請求項１７】
生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、
前記入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、
複数のピンホールを有し、前記複数の表示要素の下に配置されたピンホール層と、
前記ピンホール層の下に配置されたイメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサが、前記生体認証オブジェクトに対応する複数のサブ画像を検出するように構成され、
前記複数のサブ画像の各サブ画像が、前記ピンホール層のそれぞれのピンホールによって前記イメージセンサ上に投射される、光センサシステム。
【請求項１８】
前記検出された複数のサブ画像を前記生体認証オブジェクトの画像に組み合わせるように構成された処理システムを更に含む、請求項１７に記載の光センサシステム。
【請求項１９】
生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、
前記入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素であって、赤色光に対応するサブ画素と、緑色光に対応するサブ画素と、を含む複数の表示要素と、
前記複数の表示要素の下に配置され、前記検出領域から反射された前記複数の表示要素からの光を検出するように構成されたイメージセンサと、
前記複数の表示要素に、前記複数の表示要素を使用して前記生体認証オブジェクトを赤色光と緑色光とで交互に照明し、前記検出領域から反射された赤色光と緑色光の前記イメージセンサによる検出に基づいて、前記生体認証オブジェクトに対応するパルスを検出するように構成されたプロセッサと、を有する光センサシステム。
【請求項２０】
前記プロセッサは、更に、前記検出領域から反射された前記赤色光と前記緑色光の検出に基づいて、前記生体認証オブジェクトに対応する血液酸素測定の酸素処理レベル又は程度を決定するように構成された、請求項１９に記載の光センサシステム。
【請求項２１】
生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、
前記入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、
前記複数の表示要素の下に配置され、前記検出領域から反射された前記複数の表示要素からの光を回折するように構成されたアパーチャ層と、
前記アパーチャ層の下に配置されたイメージセンサと、を有し、
前記イメージセンサは、前記回折光の前記回折パターンを検出するように構成される、光センサシステム。
【請求項２２】
前記回折光の前記回折パターンを前記イメージセンサによる検出のために中心ピークに制限するように構成されたコリメータ層を更に有する、請求項２１に記載の光センサシステム。
【請求項２３】
前記回折パターンのそれぞれを、前記イメージセンサによる検出のための中心ピークと１次最大値に限定するように構成されたコリメータ層を更に有し、
前記システムが、更に、前記イメージセンサによって検出された前記制限された回折パターンをデコンボリューションするように構成されたプロセッサを含む、請求項２１に記載の光センサシステム。
【請求項２４】
表示装置のための光学生体認証センサを作成する方法において、
ディスプレイスタックを形成するステップであって、前記ディスプレイスタックが、生体認証オブジェクトの検出領域を提供する入力面及び光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素を有するステップと、
生体認証オブジェクトセンサを形成するステップであって、前記生体認証オブジェクトセンサが、コリメータ層と複数の光検出要素とを有するステップと、
アパーチャ層を形成するステップと、
前記生体認証オブジェクトセンサを前記ディスプレイスタックに取り付けるステップと、を含む方法。
【請求項２５】
前記アパーチャ層が、ディスプレイスタックの一部として形成された、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記アパーチャ層が、前記生体認証オブジェクトセンサの一部として形成された、請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
光学生体認証のセンサを使用して前記生体認証オブジェクトに関連する血管情報を検出する方法であって、
表示装置の複数の表示要素によって、前記表示装置のカバーレンズの上の生体認証オブジェクトを緑色光と赤色光で交互に照明するステップと、
前記表示装置の複数の光検出要素によって、照明中に前記カバーレンズの上の検出領域からそれぞれ反射された緑色光と赤色光を検出するステップであって、前記反射光が、検出される前に前記表示装置のアパーチャ層とコリメータ層を通過するステップと、
前記表示装置のプロセッサによって、前記検出された緑色光と赤色光に基づいて前記生体認証オブジェクトに対応するパルスを検出するステップとを含む方法。
【請求項２８】
前記プロセッサによって、前記検出された緑色光と赤色光に基づいて前記生体認証オブジェクトに対応する血液酸素測定の酸素処理レベル又は程度を決定するステップを更に含む、請求項２７の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本特許出願は、参照により組み込まれる２０１６年１月２９日に提出された米国仮特許出願第６２／２８９，１７２号の利益を請求する。
【背景技術】
【０００２】
タッチセンサデバイス（一般にタッチパッド又は近接センサデバイスとも呼ばれる）並びに指紋センサデバイスを含む入力装置は、様々な電子システムに広く使用されている。
【０００３】
タッチセンサデバイスは、典型的には、しばしば面によって区分される検出領域を含み、その検出領域内で、タッチセンサデバイスは、典型的にはユーザが電子システムと対話するユーザ入力を提供できるようにするために、１つ以上の入力オブジェクトの存在、位置及び／又は動きを決定する。
【０００４】
指紋センサデバイスは、また、典型的には、ユーザ認証又はユーザ識別に関する目的のため、指紋センサデバイスが、指紋又は部分的指紋の存在、位置、動き及び／又は特徴を決定する検出領域を有する。
【０００５】
このように、タッチセンサデバイスと指紋センサデバイスは、電子システムのインタフェースを提供するために使用されうる。例えば、タッチセンサデバイスと指紋センサデバイスは、より大きい計算処理システムの入力デバイス（ノートブック又はデスクトップコンピュータに組み込まれるかその周辺の不透明タッチパッド及び指紋リーダ）として使用されることが多い。タッチセンサデバイスと指紋センサは、より小さい計算処理システム（スマートフォンやタブレットなどのモバイルデバイスに組み込まれたタッチスクリーンなど）にもよく使用される。
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態では、光センサシステムは、生体認証オブジェクトに検出領域を提供する入力面と、入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、複数の表示要素の下に配置されたアパーチャ層と、アパーチャ層の下に配置されたコリメータ層と、コリメータ層の下に配置された複数の光検出要素とを有し、複数の光検出要素は、アパーチャ層とコリメータ層を通過した検出領域からの光を検出するように構成される。
【０００７】
別の一実施形態では、光センサシステムは、生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、複数の表示要素の下に配置された複数のピンホールを含むピンホール層と、ピンホール層の下に配置されたイメージセンサとを含み、イメージセンサは、生体認証オブジェクトに対応する複数のサブ画像を検出するように構成され、複数のサブ画像の各サブ画像が、ピンホール層のそれぞれのピンホールによってイメージセンサに投射される。
【０００８】
更に別の一実施形態では、光センサシステムは、生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素であって、赤色光に対応するサブ画素と緑光に対応するサブ画素とを含む複数の表示要素と、複数の表示要素の下に配置され、検出領域から反射された複数の表示要素からの光を検出するように構成されたイメージセンサと、複数の表示要素を使用して複数の表示要素に生体認証オブジェクトを赤色光と緑色光で交互に照明させ、イメージセンサによって検出領域から反射された赤色光と緑色光の検出領域に基づいて、生体認証オブジェクトに対応するパルスを検出するように構成されたプロセッサとを有する。
【０００９】
更に別の一実施形態では、光センサシステムは、生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、入力面の下に配置され、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素と、複数の表示要素の下に配置され、検出領域から反射された複数の表示要素からの光を回折するように構成されたアパーチャ層と、アパーチャ層の下に配置されたイメージセンサとを有し、イメージセンサが、回折光の回折パターンを検出するように構成される。
【００１０】
更に別の一実施形態では、表示装置のための光学生体認証センサを作成する方法が、ディスプレイスタックを形成するステップであって、ディスプレイスタックが、生体認証オブジェクトのための検出領域を提供する入力面と、光を放射して表示を提供するように構成された複数の表示要素とを含むステップと、生体認証オブジェクトセンサを形成するステップであって、生体認証オブジェクトセンサが、コリメータ層と複数の光検出要素とを含むステップと、アパーチャ層を形成するステップと、生体認証オブジェクトセンサをディスプレイスタックに取り付けるステップとを含む。
【００１１】
更に別の一実施形態では、光学生体認証センサを使用して生体認証オブジェクトに関連する血管情報を検出するための方法が、表示装置の複数の表示要素によって、表示装置のカバーレンズの上の生体認証オブジェクトを緑色光と赤色光で交互に照明するステップと、表示装置の複数の光検出要素によって、照明中にカバーレンズの上の検出領域から反射された緑色光と赤色光それぞれを検出するステップであって、反射光が、検出される前に表示装置のアパーチャ層とコリメータ層を通過するステップと、表示装置のプロセッサによって、検出された緑色光と赤色光に基づいて生体認証オブジェクトに対応するパルスを検出するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的な入力装置のブロック図である。
【図２Ａ】別の例示的な入力装置のブロック図である。
【図２Ｂ】別の例示的な入力装置のブロック図である。
【図３Ａ】タッチスクリーンインタフェースと指紋検出インタフェースの両方を有する例示的な電子装置を示すブロック図である。
【図３Ｂ】タッチスクリーンインタフェースと指紋検出インタフェースの両方を有する例示的な電子装置を示すブロック図である。
【図４】アパーチャ層（ディスプレイスタック内）とコリメーティングフィルタ層とを有する例示的な光学指紋センサのブロック図である。
【図５】アパーチャ層（ディスプレイスタックの下）とコリメーティングフィルタ層とを有する例示的な光学指紋センサのブロック図である。
【図６】開口を通過する光の大部分を収集する光遮断構造によって形成されたコリメーティング領域の最上部における領域のサイズの傾向を示す例示的グラフである。
【図７】ディスプレイスタックの詳細と、コリメーティングフィルタ層を有するアパーチャ層の可能な構成とを示す例示的光学指紋センサの概略図である。
【図８Ａ】正方形として形成された主入口アパーチャの例示的レイアウトであり、この場合、最も近い隣接アパーチャは、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向き合うように向けられている。
【図８Ｂ】正方形として形成された主入口アパーチャの例示的レイアウトであり、この場合、最も近い隣接アパーチャは、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向き合わないように向けられている。
【図９】ディスプレイスタック内のピンホール層を有する例示的光学指紋センサのブロック図である。
【図１０】ディスプレイスタック内のアパーチャ層を通る赤色光と緑色光を検出する例示的光学指紋センサのブロック図である。
【図１１】光を回折パターンに回折させるように構成された比較的小さいアパーチャを有するディスプレイスタック内のアパーチャ層を備えた、例示的光学指紋センサデバイスのブロック図である。
【図１２】回折イメージングを利用した入力生体認証オブジェクトの画像を取得するための典型的プロセスを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の詳細な説明は、本質的に例であり、本開示又は本開示の用途及び使用法を限定するものではない。更に、前述の背景、図面の簡単な説明、以下の詳細な説明に示されたどの明示又は暗示された理論によっても拘束されるものではない。
【００１４】
本開示の一実施形態は、ディスプレイ下に配置された光センサのための光コリメーションを提供する。アパーチャ層をコリメータ層と共に使用することによって、比較的製造の容易なコスト効率の高い構造を使用して、光検出システムのための比較的高いアスペクト比を達成するための様々な利点が得られる。
【００１５】
ディスプレイ下の光センサに対してピンホール層、回折イメージング及びパルス検出を利用する更に他の例示的な実施形態も、本明細書で考察され議論される。
【００１６】
図１は、例示的入力装置１００のブロック図である。入力装置１００は、電子システム（図示せず）に入力を提供するように構成されうる。本明細書で使用されるとき、用語「電子システム」（又は、「電子装置」）は、情報を電子的に処理できる任意のシステムを広義に指す。電子システムの幾つかの非限定的な例には、デスクトップコンピュータ、ラップトップコンピュータ、ネットブックコンピュータ、タブレット、ウェブブラウザ、ｅブックリーダ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、ウエアラブルコンピュータ（スマートウォッチ、アクティビティトラッカ装置など）などの全てのサイズと形状のパーソナルコンピュータが含まれる。電子システムの追加の例には、入力装置１００並びに別個のジョイスティック又はキースイッチを含む物理キーボードなどの複合入力装置が含まれる。電子システムの更に他の例には、データ入力装置（リモートコントロールとマウスを含む）やデータ出力装置（表示画面とプリンタを含む）などの周辺装置が含まれる。他の例には、リモート端末装置、キオスク、及びビデオゲーム機（例えば、ビデオゲームコンソール、携帯ゲーム機など）が含まれる。他の例には、通信装置（スマートフォンなどの携帯電話を含む）及びメディア装置（レコーダ、エディタ、及びテレビ、セットトップボックス、音楽プレーヤ、デジタル写真フレーム、デジタルカメラなどのプレーヤを含む）が含まれる。更に、電子システムは、入力装置に対してホストでもスレーブでもよい。
【００１７】
入力装置１００は、電子システムの物理部分として実現されてもよく、電子システムと物理的に別個でもよい。必要に応じて、入力装置１００は、バス、ネットワーク、及び他の有線又は無線相互接続のいずれか１つ以上を使用して、電子システムの一部分と通信できる。例には、Ｉ２Ｃ、ＳＰＩ、ＰＳ／２、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ、高周波及びＩＲＤＡが含まれる。
【００１８】
図１では、センサ１０５が、入力装置１００と共に含まれる。センサ１０５は、検出領域内の１つ以上の入力オブジェクトによって提供される入力を検出するように構成された１つ以上の検出要素を含む。入力オブジェクトの例には、指、スタイラス及び手が含まれる。検出領域は、センサ１０５の上、そのまわり、その中、及び／又はその近くに、入力装置１００がユーザ入力（例えば、１つ以上の入力オブジェクトによって提供されたユーザ入力）を検出できる任意の空間を包含する。特定の検出領域のサイズ、形状及び位置は、実施形態によって異なりうる。幾つかの実施形態では、検出領域は、信号対雑音比によって十分に正確なオブジェクト検出が妨げられるまで、入力装置１００の表面から空間内に１つ以上の方向に拡張する。この検出領域が特定の方向に拡張する距離は、約１ミリメートル未満、数ミリメートル、数センチメートル又はそれ以上でよく、使用される検出技術のタイプと必要精度により大きく異なりうる。したがって、幾つかの実施形態は、入力装置１００の表面との非接触、入力装置１００の入力面（例えば、タッチ面）との接触、ある量の印加力又は圧力と結合された入力装置１００の入力面との接触、及び／又はこれらの組み合わせを含む。様々な実施形態では、入力面は、センサ要素が中又は上に位置決めされたセンサ基板の表面によって提供されてもよく、センサ要素の上に位置決めされた表面シート又は他のカバー層によって提供されてもよい。
【００１９】
入力装置１００は、１つ以上の検出要素が検出領域からの光を検出する光検出技術を利用できる。検出光は、入力オブジェクトから反射されるか、入力オブジェクトを透過するか、入力オブジェクトによって放射されるか、これらの組み合わせでよい。検出光は、可視又は不可視スペクトル（赤外線や紫外線など）でよい。例示的な光検出要素には、フォトダイオード、ＣＭＯＳイメージセンサアレイ、ＣＣＤアレイ、フォトダイオード、及び対象の波長光に敏感な他の適切な光センサが含まれる。検出領域に光を提供するためにアクティブ照明が使用されてもよく、検出領域からの照明波長の反射を検出して、入力オブジェクトに対応する入力情報を決定できる。
【００２０】
一例の光学技術は、入力オブジェクトの直接照明を利用し、この直接照明は、構成により検出領域の入力面と接してもよく接しなくてもよい。検出領域に光を導くために１つ以上の光源及び／又は光ガイド構造が使用される。入力オブジェクトが存在するとき、この光は、入力オブジェクトの表面から直接反射され、その反射が、光検出要素によって検出され、入力オブジェクトに関する入力情報を決定するために使用されうる。
【００２１】
別の例の光学技術は、内部反射に基づく間接照明を利用して検出領域の入力面に接する入力オブジェクトを検出する。入力面によって規定された界面の両側で屈折率が異なるので、検出領域の入力面で内部反射された角度で透過媒体内に光を導くために、１つ以上の光源が使用される。入力オブジェクトが入力面と接触することにより、屈折率がこの境界の前後で変化し、これにより入力面における内部反射特性が変化する。漏れ全反射（ＦＴＩＲ）の原理を使用して入力オブジェクトを検出すると、より高コントラストの信号を達成でき、その場合、光は、入力オブジェクトが接触し光がこの界面を部分的に透過される位置を除き、全内部反射された入射角で入力面に導かれる。この一例は、ガラス空気界面によって規定された入力面に導入される指の存在である。人間皮膚は空気より屈折率が高いので、空気に対する界面の臨界角で入力面に入射する光が、指を部分的に透過され、その光は、普通ならガラス空気界面で全反射される。この光学応答が、システムによって検出され、空間情報を決定するために使用されうる。幾つかの実施形態では、これを使用して、指紋パターンなどの入力オブジェクトの小規模な表面変化を画像化でき、入射光の内部反射率は、指の隆起部と谷が入力面のその部分と接触しているかどうかにより異なる。
【００２２】
図１で、処理システム１１０は、入力装置１００と共に含まれる。処理システム１１０は、１つ以上の集積回路（ＩＣ）及び／又は他の回路構成要素の一部又は全てを含む。処理システム１１０は、センサ１０５に結合され、センサ１０５の検出ハードウェアを使用して検出領域内の入力を検出するように構成される。
【００２３】
処理システム１１０は、入力装置１００の検出ハードウェアによって検出信号を駆動するように構成されたドライバ回路、及び／又はその検出ハードウェアによって結果信号を受け取るように構成されたレシーバ回路とを含みうる。例えば、光センサデバイスのための処理システムは、１つ以上のＬＥＤ又は他の光源への照明信号を駆動するように構成されたドライバ回路、及び／又は受光素子によって信号を受け取るように構成されたレシーバ回路とを含みうる。
【００２４】
処理システム１１０は、ファームウェアコードやソフトウェアコードなどの電子的読取り可能な命令を含みうる。処理システム１１０は、センサ１０５の物理部分として実現されてもよく、センサ１０５から物理的に別個でもよい。また、処理システム１１０の構成要素は、一緒に配置されてもよく、互いに物理的に別個に配置されてもよい。例えば、入力装置１００は、計算処理装置に結合された周辺装置でよく、処理システム１１０は、計算処理装置の中央処理ユニット上及び中央処理ユニットと別個の１つ以上のＩＣ（例えば、関連ファームウェアを有する）上で動作するように構成されたソフトウェアを含みうる。別の例として、入力装置１００は、モバイル装置に物理的に組み込まれてもよく、処理システム１１０は、モバイル装置の主プロセッサの一部である回路とファームウェアを含んでもよい。処理システム１１０は、入力装置１００の実現に専用化されてもよく、表示画面の作動や触覚アクチュエータの駆動などの他の機能を実行してもよい。
【００２５】
処理システム１１０は、入力装置１００の検出要素を作動させて検出領域内の入力（又は、入力のないこと）を示す電気信号を生成できる。処理システム１１０は、電子システムに提供される情報を作成する際に電気信号に任意の適切な量の処理を実行できる。例えば、処理システム１１０は、センサ電極から得られたアナログ電気信号をデジタル化できる。別の例として、処理システム１１０は、フィルタリング又は他の信号調整を実行できる。更に別の例として、処理システム１１０は、情報が電気信号と基準線との差を反映するように、基準線を減算するか又は他の方法で考慮できる。更に他の例として、処理システム１１０は、位置情報の決定、コマンドとしての入力の認識、手書きの認識、生体認証サンプルの照合などを行える。
【００２６】
例えばセンサ１０５がタッチスクリーンインタフェースを提供する場合、入力装置１００の検出領域が、表示装置のアクティブ領域の一部又は全てと重なってもよい。表示装置は、無機発光ダイオード（ＬＥＤ）ディスプレイ、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、プラズマディスプレイ、エレクトロルミネセンス（ＥＬ）ディスプレイ、又は他の表示技術を含む、視覚インタフェースをユーザに表示できる任意の適切なタイプの動的ディスプレイでよい。ディスプレイは、柔軟でも剛性でもよく、平坦でも湾曲面でもよく、他の幾何学形状でもよい。ディスプレイは、視覚情報を提供しかつ／又は他の機能を提供するため、表示画素をアドレス指定するために使用されうるＴＦＴ回路用のガラス又はプラスチック基板を含みうる。表示装置は、表示回路の上かつ表示モジュールの内層の上に配置されたカバーレンズ（「カバーガラス」とも呼ばれる）を含むことができ、カバーレンズは、入力装置１００のための入力面も提供できる。カバーレンズ材料の例には、化学的硬化ガラスなどの光学的に透明な非晶質固体と、サファイアなどの光学的に透明な結晶構造を含む。入力装置１００と表示装置は、物理要素を共用できる。例えば、同じ電気構成要素のうちの幾つかは、１つ以上の表示電極を表示更新と入力検出の両方に使用するなど、視覚情報の表示と入力装置１００による入力検出の両方に利用されうる。別の例として、表示画面は、入力装置と通信する処理システム１１０によって一部分又は全体が作動されうる。
【００２７】
図２Ａ〜図２Ｂは、更に他の例示的な入力装置１００を表す。図２Ａで、入力装置１００は、タッチセンサ２０５ａを含むように示される。タッチセンサ２０５ａは、検出領域２２０ａ内で入力オブジェクト２４０ａの位置情報を検出するように構成される。入力オブジェクト２４０ａには、図２Ａに示されたように、指又はスタイラスが含まれうる。検出領域２２０ａは、入力オブジェクトより大きい面積を有する入力面を含みうる。タッチセンサ２０５ａは、入力面に対するタッチの位置を検出するように構成された分解能を有する検出要素アレイを含みうる。
【００２８】
図２Ｂでは、入力装置１００は、指紋センサ２０５ｂを含むように示される。指紋センサ２０５ｂは、指２４０ｂから指紋を取得するように構成される。センサ２０５ｂは、センサ２０５ｂ上に置かれるかその上でスワイプされる指紋の入力面を提供するカバー層２１２の下に配置される。検出領域２２０ｂは、サイズが全指紋より大きいか、小さいか、又は類似の面積を有する入力面を含みうる。指紋センサ２０５ｂは、指２４０ｂの表面変化を検出するように構成された分解能を有する検出要素アレイを有し、指紋センサ２０５ｂは、図２Ａのタッチセンサ２０５ａより高い分解能を有する。
【００２９】
図３Ａ〜図３Ｂは、ディスプレイと指紋検出インタフェースの両方を有する例示的な電子装置３０１ａと３０１ｂを示すブロック図である。図３Ａでは、電子装置（例えば、スマートフォンやタブレットなどのモバイル装置）３０１ａは、アクティブ表示領域３０５ａとは別個の指紋センサ３０５ｂを有する。図３Ｂで、電子装置３０１ｂは、指紋センサ用のインタフェースがタッチセンサ用のインタフェースと重なるように、アクティブ表示領域３０５ａ内に一体化された指紋センサ３０５ｂを有する。図３Ａ〜図３Ｂで、タッチセンサインタフェースは、また、ディスプレイのアクティブ領域とも重なってもよく、その結果、図３Ｂで、アクティブ表示領域は、指紋検出インタフェースとタッチ検出インタフェースの両方を含む。
【００３０】
図３Ｂの構成は、前側カバーガラス上にあるホームボタンの除去を可能にすることが望ましく、これにより、外観デザインを改善しかつ表示領域を大きくする可能性が提供される。図３Ｂの構成を達成するために、幾つかの実施形態では、光学指紋センサ（ＯＦＰＳ）が、半透明ディスプレイ内及び／又は下のアパーチャ層と相対的に改善された光分解能を提供するコリメータと共に、半透明ディスプレイの下に配置されてもよい。
【００３１】
開示の実施形態の典型的用途は、モバイル装置用の指紋センサである。モバイル装置用の従来の指紋センサでは、指紋センサは、多くの場合、装置の表示部分内よりもモバイル装置のボタンの下又はその近くに配置される。より厚い材料スタック（例えば、カバーガラス、タッチセンサ、接着剤及びディスプレイ）を通した高度な指紋画像化は、コリメータの寸法（即ち、カラム高さ：カラム開口）によって定義される所定のアスペクト比を提供するために光学指紋センサ（ＯＦＰＳ）のすぐ上で光をコリメーションすることによって可能にされることがあり、高いアスペクト比（１５：１以上など）を有するコリメータの製造は、コリメータコストがますます高くなり、またアスペクト比が高くなるほど製造が困難及び／又は不可能になるので、コスト高又は実現不能になる。
【００３２】
しかしながら、開示の一実施形態は、コリメータ層と組み合わせて使用される別個のアパーチャ層を導入することによって、半透明ディスプレイの下に光学指紋センサが提供されることが可能になる。これにより、所定の光分解能のためのコリメータコストが削減され、ディスプレイの下（光センサが表示図形の表示を妨げない位置）での検出が可能になる。また、組み合わされた開口及びコリメータ手法の使用は、センサ画素クロストークを回避できる。
【００３３】
したがって、開示の一実施形態は、生体認証セキュリティ機能の利用可能性を維持しながら、比較的大きい表示領域を有しかつ／又は「ホーム」ボタンが存在しないモバイル装置の製造を可能にする。例えば、光学指紋センサを半透明ディスプレイの下に配置すると、指紋センサボタンの無い、より大きいディスプレイ及びモノリシックカバーガラスが可能になり、またセンサがディスプレイの下に隠されるので、光学指紋センサを外観上隠したり装飾被覆を整合したりする必要も回避されうる。
【００３４】
これは、例えば１つの一実施形態では、ディスプレイの中及び／又は下のアパーチャ層をコリメータと一緒に利用して、厚さとコストを削減し（従来の光学指紋センサ内のコリメータと比較して）かつ高い有効アスペクト比を可能にすることによって達成されうる。
【００３５】
図４は、ディスプレイスタック内のアパーチャ層４０１とコリメーティングフィルタ層４０２とを有する例示的な光学指紋センサのブロック図である。この一実施形態では、アパーチャ層４０１は、装置のディスプレイ（又は「ディスプレイスタック」）４１０内に配置される（ディスプレイ４１０の個々の構成要素及び層は、単純にするために示されていない）。生体認証オブジェクト（例えば、指紋）の検出領域を提供する入力面が、ディスプレイ４１０の上に提供される。コリメーティングフィルタ層（又は、「コリメータ層」）４０２が、ディスプレイ４１０の下に配置され、コリメーティングフィルタ層４０２は、ギャップ又は透明層４２０と複数の光遮断構造４２１を含みうる。光遮断構造の間に形成されたコリメーティング領域４２２は、２０１５年９月３０日に出願されＳＭＩＴＨらに譲渡され「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＥＮＳＯＲ  ＵＳＩＮＧ  ＣＯＬＬＩＭＡＴＯＲ」と題する米国特許出願番号１４／８７１，８１０号明細書に記載されたような光コリメーションアパーチャ又は穴のアレイに類似してもよく、この内容全体は、参照により本明細書に組み込まれる。コリメーティング領域４２２に対応する光検出要素４３０が、更に、複数の光遮断構造４２１の下に配置される。
【００３６】
所定の光学分解能の場合、アパーチャ層とコリメータの組み合わせ（即ち、アパーチャ層４０１とコリメーティングフィルタ層４０２の組み合わせ）の使用により、アパーチャ層なしにコリメーティングフィルタ層を有する光センサと比較して、光遮断構造４２１に必要な厚さが減少する（その場合、光遮断構造の厚さが、図４に表されたアパーチャ層４０１と光検出要素４３０の間の十分な距離を範囲に含むことが必要になる）。コリメータ厚さの減少は、コリメータコストも削減できる。製造におけるコストと制約によって、コリメータ層と組み合わせたアパーチャ層を有する光センサ構造は、コリメータ層にのみ依存する光センサ構造よりも高い有効アスペクト比を可能にする。
【００３７】
アパーチャ層４０１は、開口又はアパーチャのアレイを含む。アパーチャ層４０１の開口は、コリメーティング領域４２２に対応するコリメータフィルタ層４０２内の開口に位置合わせされうる。図４に示された例では、アパーチャは、アパーチャとコリメータ層を組み合わせた構造のための入口アパーチャを効果的に形成するために、ディスプレイ４１０のＴＦＴ層内又はその近くに配置されうる。
【００３８】
図４に示された例では、アパーチャ層４０１は、ディスプレイ４１０内に位置決めされる。半透明ディスプレイは、表示層をパターン形成するためにリソグラフィを使用できる。従って、ディスプレイ４１０に対応するディスプレイスタックを製造するプロセスに、アパーチャ層４０１をパターン形成するステップが含まれうる。これは、例えば、外側ディスプレイスタックの内部のフィーチャ、外側スタックの外側のフィーチャ、又はこれらの組み合わせによって達成されうる。アパーチャ層４０１の寸法詳細は、設計制約及び目標有効アスペクト比に依存する。更に、ディスプレイスタック内のアパーチャ層４０１を、ディスプレイ４１０の下のコリメーティング領域４２２（及び対応する光検出要素４３０）に位置合わせするために、アラインメントフィーチャが使用されうる。
【００３９】
ディスプレイスタック内のアパーチャをパターン形成する代わりに、アパーチャ層が、半透明ディスプレイの下に位置決めされてもよい。この例は図５に示され、図５は、アパーチャ層４０１（ディスプレイスタック４１０の下）とコリメーティングフィルタ層４０２を有する例示的光学指紋センサのブロック図である。アパーチャ層４０１とコリメーティングフィルタ層４０２のパターン形成アパーチャは、ディスプレイ４１０と別個であり、例えば、表示用途並びに非表示用途に使用できる独立型光学指紋センサパッケージの一部でよい。この独立型光学指紋センサパッケージが表示用途で使用される場合、ディスプレイ内のアラインメントフィーチャは、ディスプレイ内のアパーチャを光学指紋センサパッケージのアパーチャ層内のアパーチャに位置合わせして、ディスプレイの光遮断要素が光センサを妨げるのを防止するために使用されうる。
【００４０】
一実施形態では、コリメーティング領域４２２を有する複数の光遮断構造４２１は、１００μｍ以下の厚さ（製造を比較的容易にする）を有するエッチドシリコンを使用して形成され、コリメーティングフィルタ層４０２とアパーチャ層４０１の組み合わせは、１５：１以上（例えば、２０：１又は３０：１を含む）のアスペクト比を提供する。更に、光遮断構造４２１の形状から分かるように、光センサ（即ち、光検出要素４３０に対応する）の画素間のクロストークが防止される。アパーチャ層４０１（ディスプレイのＴＦＴ層又は独立型アパーチャ層）内の主アパーチャのサイズＤは、フラウンホーファー距離Ｒ（Ｒ〜２＊Ｄ２／λ）がアパーチャ層４０１から光遮断構造４２１の最上部までの距離に近くなるように、十分に大きく選択されうる。これにより、主アパーチャをできるだけ小さくでき、主アパーチャでの回折に関連した分解能の損失なしに、アスペクト比を高めることによって光学分解能が高まる。
【００４１】
図６は、アパーチャ層４０１（一実施形態ではＴＦＴ平面内にありうる）のアパーチャを通過する光の大部分を収集する光遮断構造４２１によって形成されたコリメーティング領域４２２の最上部の領域のサイズの傾向を示す例示的グラフである。フレネル領域と遠視野領域の間の遷移点は、フラウンホーファー距離が、アパーチャから光遮断構造４２１によって形成されたコリメーティング領域４２２の最上部までの距離と等しいアパーチャサイズに対応する。図６で分かるように、アパーチャサイズは、コリメーティング領域４２２の最上部に最小光点を生成するように選択されうる。
【００４２】
上の図４と図５に描かれた例は、様々な状況で特に適切なことがある。例えば、図５に示されたような独立型光学指紋センサパッケージの一部としてアパーチャ層を提供することは、独立型光学指紋センサパッケージがアンダーディスプレイ及び非アンダーディスプレイ用途で使用されうるので有利でありうる。更に、ディスプレイ製造業者によって作成されたような従来のディスプレイスタックは、光が通過できる多数の穴を有してもよく、図５に示されたような光学指紋センサパッケージをそのようなディスプレイスタックとの組み合わせで容易に使用できるようにする。他の例では、ディスプレイスタック内の穴が配置された場所を決定することによって、図４の構造が、特別に構成されたアパーチャ層を提供することなく達成されうる（例えば、光学指紋センサパッケージのコリメーティング領域が、ディスプレイスタック内の既存の穴に位置合わせされて、図４の構造が達成されうる）。他の例では、ディスプレイ製造業者に、アパーチャを提供するようにディスプレイスタックを特別に構成させて、別個のアパーチャ層を必要としないようにすることが比較的効率的なことがある（例えば、ディスプレイスタックの層が、図４に示されたようなアパーチャ層として使用され、アパーチャは、所望の構成でレイアウトされ、そのようなアパーチャの寸法は所望の光透過量を提供するように設計される）。
【００４３】
図７は、ディスプレイスタック７１０の詳細及びアパーチャ層７０１ａ，７０１ｂの可能な構成をコリメーティングフィルタ層７０２と共に示す、例示的な光学指紋センサの概略図である。ディスプレイスタック４１０は、例えば、半透明放射ディスプレイに対応でき、ＴＦＴ基板７１２、ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素７１３、ディスプレイ封止層７１１、及びアパーチャ層７０１ａを構成するアパーチャを有する任意選択の光遮断薄膜を含む。アパーチャ層７０１ａを構成する光遮断薄膜は、アパーチャ層７０１ａのアパーチャが設けられた場所以外にアパーチャ層７０１ａを通過する光を遮るために使用されうることを理解されよう（例えば、アパーチャ層７０１ａが、図７の右側に表されたようなディスプレイスタック７１０のＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素内のフィーチャ間の空間を通過する光を遮る）。
【００４４】
図７に表された装置のディスプレイスタック７１０は、更に、カバーレンズ７４１を有し、そのカバーレンズ７４１の上に、入力面７４０は、生体認証入力のための検出領域を提供する。カバーレンズ７４１は、透明接着剤７４２によって偏光子薄膜７４３に取り付けられ、偏光子薄膜７４３は、追加の透明接着剤７４２によってディスプレイ封止層７１１に取り付けられる。ディスプレイスタック７１０の下には、コリメーティングフィルタ層７０２と光検出要素７３１を含む光学指紋センサパッケージが提供される。コリメーティングフィルタ層７０２は、更に、複数の光遮断構造７２１と、その光遮断構造７２１の間に形成されたコリメーティング領域７２２と、透明層７２０（又はギャップ）とを含む。一実施形態では、エッチドシリコンコリメーティング構造でよい光遮断構造７２１の間の空間は、比較的単純な製造を提供するために透明層７２０に使用されるのと同じ材料でファイルされうる。代替の典型的実施態様では、代わりに、透明層７２０とコリメーティング領域７２２が、空気で満たされたままでもよく（又は、低い屈折率を有する透明材料で満たされる）、アパーチャ及びコリメータシステムの迷光阻止特性が改善される。
【００４５】
ディスプレイスタック７１０のＴＦＴ層内のフィーチャ（例えば、金属及びシリコンフィーチャ）が不透明でもよいので、これらのフィーチャ内のギャップは、下の光学指紋センサパッケージに光を通すアパーチャとして働きうる。従って、１つの一実施形態では、アパーチャ層７０１ａもアパーチャ層７０１ｂも使用されない。代わりに、ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素７１３に基づくディスプレイスタック７１０内にアパーチャ層が提供されてもよく、ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素間の空間／穴は、組み合わされたアパーチャ及びコリメータシステムのための入口アパーチャを有効に構成する。したがって、ディスプレイスタック７１０のＴＦＴ層内のこれらのＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャ７１３のレイアウトは、できるだけ大きい主アパーチャを形成するように構成されてもよく、これにより、できるだけ多くの光を下の光学指紋センサパッケージに透過でき、比較的小さいアパーチャを有することによって生じうる回折効果が回避される（回折効果は、光撮像分解能と光収集を低下させうる）。
【００４６】
別の一実施形態では、アパーチャ層７０１ａは使用されるが、アパーチャ層７０１ｂは使用されない。アパーチャ層７０１ａは、ディスプレイスタック７１０の画素回路に使用されるＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャ７１３によって形成されたＴＦＴパターンの開口の代わりに又はその開口と共に、アパーチャを規定するためにＴＦＴ層に追加されうる光遮断アパーチャ薄膜である。例えば、ＴＦＴ層内のＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャ７１３内のギャップが、より広い角度で光を回折させうる小さいアパーチャ（主アパーチャの隣又はその近くにある）を形成するとき、そのような回折によってシステムの光学分解能が低下されうる。従って、これらのギャップを阻止するＴＦＴ層の光遮断アパーチャ薄膜としてアパーチャ層７０１ａを含むことは、光センサの光学分解能を改善するのに役立ちうる。
【００４７】
更に別の一実施形態では、アパーチャ層７０１ｂが使用されるが、アパーチャ層７０１ａは使用されない。この一実施形態では、アパーチャ層７０１ｂは、組み合わされたアパーチャ及びコリメータシステムに主入口アパーチャを提供する。アパーチャ層７０１ｂは、ＴＦＴ基板７１２の底面に形成されてもよく（例えば、基板の底面にパターン形成された不透明層を被覆することによって）、又は別個に形成され取り付けられてもよい（例えば、基板の底面に取り付けられた別個のセンサモジュールの最上層として提供されるか、ＴＦＴ基板７１２の底面に取り付けられた別個の基板又は薄膜上に提供され、その下に、別個のセンサモジュールが取り付けられる）。
【００４８】
更に別の一実施形態では、アパーチャ層７０１ａ及び７０１ｂの両方が使用される。この一実施形態では、アパーチャ層７０１ａが、主入口アパーチャを提供し、アパーチャ層７０１ｂが、画素間のクロストークを減らす働きをするアパーチャを提供し、その結果、他の画素からの迷光が特定の画素（例えば、光検出要素７３１に対応する画素）に対応するコリメーティング領域７２２に達しなくなる。
【００４９】
更に別の一実施形態では、アパーチャ層７０１ａは使用されないが、組み合わされたアパーチャ及びコリメータシステムの主入口アパーチャが、ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素７１３に基づくディスプレイスタック７１０に提供されてもよく、アパーチャ層７０１ｂが、画素間のクロストークを減らす働きをするアパーチャを提供し、その結果、他の画素からの迷光が、特定の画素（例えば、光検出要素７３１に対応する画素）に対応するコリメーティング領域７２２に達しなくなる。
【００５０】
これらの実施形態のそれぞれで、コリメーティング領域７２２が、光検出要素７３１に位置合わせされ、組み合わされたアパーチャ及びコリメータシステムの主入口アパーチャにも位置合わせされる（主入口アパーチャは、ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素７１３間のギャップ、アパーチャ層７０１ａ又はアパーチャ層７０１ｂによって構成される）。更に、アパーチャ層７０１ｂが、クロストークを制限するために主入口アパーチャの下の補助アパーチャ層として使用されるとき、アパーチャ層７０１ｂのアパーチャも、主入口アパーチャと、コリメーティング領域７２２及び光検出要素７３１とに位置合わせされる。
【００５１】
図７に表された例では、入力面上又はその上の検出領域を照明するための供給光は、ディスプレイの表示要素（例えば、表示を提供するためにも使用される発光ダイオード（ＬＥＤ））から来てもよい。他の一実施形態では、補助光源（例えば、１つ以上の個別のＬＥＤ又はＯＬＥＤ）が、指を照明するための光源として、ディスプレイの代わり又はそのディスプレイに加えて使用されうる。補助光源は、例えば、指紋を直接照明してもよく、全内部反射（ＴＩＲ）モード照明の光ガイドとしてカバーガラスを利用するために、カバーガラスに導かれる光を提供してもよい。更に他の例示的な実施形態では、環境又は周囲光が、指を照明するために使用されてもよく（例えば、日光が指を透過して、指紋フィーチャによって屈折されうる）、その場合、指紋又は検出領域のアクティブ照明は不要である。様々な実施態様では、センサによって検出される検出領域からの光は、生体認証オブジェクトによって反射され、屈折され、散乱されて、センサによって取得された生成画像に影響を及ぼしうる。
【００５２】
図４、図５及び図７の光遮断構造は、それぞれのコリメーティング領域を定義する壁が垂直になるように形成されてもよく（例えば、図５に表されたように）、傾斜されてもよい（又は「テーパ付けされる」）（例えば、図４と図７に表されたように）。実際には、製造しやすくするために傾斜又はテーパ付き側壁を有する光遮断構造を利用し、位置合わせに関してより大きな公差を可能にすることが有利なことがある。光遮断構造は、エッチドシリコン、あるいはポリカーボネートなどのプラスチック、ＰＥＴ、ポリイミド、カーボンブラック、無機絶縁若しくは金属材料又はＳＵ−８を含む様々な他の適切な材料から形成されうる。コリメーティング領域７２２は、空気又は透明材料で満たされうる。また、光遮断構造７２１は、高いアスペクト比の穴が開けられたシリコンなどの１つの層、又はより高いアスペクト比の光コリメーティング領域７２２を集合的に構成するように互いに位置合わせされた開口を有する幾つかのスタック層で作成されうる。
【００５３】
様々な実施形態は、アパーチャ層のアパーチャの様々なアパーチャ形状を利用できることを理解されよう。例えば、１つの一実施形態では、主入口アパーチャが円形でよい。別の一実施形態では、主入口アパーチャは、非円形（例えば、長方形又は正方形アパーチャ）でよい。
【００５４】
ディスプレイスタックのＴＦＴ層内の要素間のギャップが、アパーチャ層を形成するために主入口アパーチャを提供する実施形態では、アパーチャは、ＴＦＴ層内のそのような要素が分散されたパターンにより（例えば、交差した配線要素により）長方形又は正方形でもよい。他の一実施形態では、他の非円形形状が可能である。更に、ギャップが比較的小さくてもよいので（例えば、２〜５μｍ）、そのようなアパーチャは、回折を引き起こすことがある。例えば図８Ａと図８Ｂに表されたように、正方形アパーチャによって引き起こされる回折パターンが正方形の縁となる。図８Ａは、非円形アパーチャ（正方形として形成された）の例示的レイアウトであり、ここで、最も近い隣接アパーチャは、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向かい合うように向けられ、各アパーチャと関連した最大回折の説明図を含む。図８Ｂは、非円形アパーチャ（正方形として形成された）の例示的レイアウトであり、ここで、最も近い隣接アパーチャは、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向き合わないように向けられ、各アパーチャと関連した最大回折の説明図を含む。
【００５５】
図８Ａと図８Ｂから分かるように、最も近い隣接正方形アパーチャが、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向かい合うように配列されたとき（図８Ａを参照）、１つのアパーチャからの回折パターンが他のアパーチャに達する可能性は、最も近い隣接アパーチャの辺が互いに向かい合わないように最も近い隣接正方形アパーチャが配列された状況よりも大きい（図８Ｂを参照）。規則的な長方形配列を使用するこの例では、アパーチャの辺は、配列の行又は列と平行にならないように配列されるが、他の非長方形配列を使用できる。したがって、アパーチャの縁が、アパーチャ配列格子と平行でないような角度のときは（図８Ｂに示されたような）、より高次の最大回折の光が他のアパーチャに達する傾向が減少する。したがって、図８Ｂに示された構成は、各長方形又は正方形アパーチャの縁が、その最も近い隣接物に対して回転された場合（即ち、縁が最も近い隣接縁と反対を向いている場合）、近くのアパーチャ間のクロストークの低減と相互作用の低減に関して、図８Ａに示された構成よりも有利である。
【００５６】
別の一実施形態では、ディスプレイ下の光センサは、ピンホール層を利用して、ディスプレイによる生体認証オブジェクトの画像化を容易にする。図９は、ディスプレイスタック９１０内にピンホール層９１３を有する例示的光学指紋センサデバイスのブロック図である。ピンホールのアレイが、ピンホール層９１３に形成され、各ピンホールは、装置の入力面９４０のそれぞれの部分（例えば、入力面９４０の領域９０１ｂ、９０２ｂ、９０３ｂ）に対応するサブ画像（例えば、サブ画像９０１ａ、９０２ａ、９０３ａ）を、ＣＭＯＳ画像センサ（ＣＩＳ）などの下の検出器アレイ又はイメージセンサ９３１上に投射するように構成される。図９は、断面を示すが、サブ画像９０１ａ，９０２ａ，９０３ａ及びその対応する入力面９４０における領域９０１ｂ，９０２ｂ，９０３ｂが、二次元（円形又は正方形など）でよいことを理解されよう。入力面９４０は、ディスプレイスタック９１０に取り付けられたカバーレンズ９４１の最上部又は上に検出領域を提供する。ディスプレイスタック９１０は、例えば、ＴＦＴ基板９１２、複数のＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャを封止するディスプレイ封止層９１１、及びピンホール層９１３を有する。
【００５７】
ピンホール層９１３は、図４と図７に関して前述されたようなディスプレイ内アパーチャ層と類似の方式で形成されうる。図９で、ピンホール層９１３が、透明ＴＦＴ基板（又は、「表示バックプレーン基板」）９１２の上に位置決めされる。ディスプレイスタックが、金属フィーチャを使用して個々の画素をアドレス指定する多くのＯＬＥＤディスプレイと同じようにかつ／又はＯＬＥＤのための下部電極として、金属層又は他の不透明フィーチャを有する場合、生体認証オブジェクトからピンホールを通って検出器アレイ又はイメージセンサ９３１に至る光経路の光信号の強度低下又はひずみを回避するために、ピンホール層９１３が、そのような不透明フィーチャの隣又はその近くに形成されうる。ピンホール層９１３の個々のピンホールは、ディスプレイスタック内の不透明又は光遮断フィーチャのない領域に位置決めされうる。様々な典型的な実施形態では、個々のピンホールが、規則的配列で位置決めされてもよく、ディスプレイスタック９１０の不透明機能的フィーチャのパターンに対して変更がほとんど必要ないように不規則配列又は他の不規則パターンで位置決めされてもよい。
【００５８】
指紋照合用途のために、処理システム（図９に表されていない）による適切な画像処理を使用してサブ画像（例えば、サブ画像９０１ａ，９０２ａ，９０３ａ）を更に組み合わせてもよい。例えば、指紋検証又は登録のために、個々のサブ画像がそれぞれ反転され、より大きい画像にステッチされうる。個々のピンホールとオブジェクト平面と検出器平面の間の既知の空間関係、及び／又は重なり領域内のサブ画像間の相関関係を使用して、個々のサブ画像をより大きい複合画像にステッチできる。あるいは、個々のサブ画像は、個々のサブ画像を別々に維持するがそれらの間の空間関係を定義する変換を保持する方法など、他の方法でモザイク状に集められてもよい。
【００５９】
個々のサブ画像は、同時又は異なる時間期間に取得されうる。同時に取得される場合、それらのサブ画像は、投射されたサブ画像が検出器アレイ又はイメージセンサ上で重なる場合、必要に応じてデコンボリューションされてもよい。画像処理を単純化しそのようなデコンボリューションを回避するために、ディスプレイスタック内の表示サブ画素又は他の発光素子を使用してカバーガラスの上にある入力面を照明することによって、指の異なる部分を異なる時間に照明するシーケンスが使用されうる。シーケンスの各ステージで、指紋の現在照明されている領域に対応するピンホールの下から得られたサブ画像だけが保持されてもよく、このシーケンスは、通常は同じ組の検出器画素に重なる隣り合ったサブ画像に対応する指紋の部分が、シーケンス中に同時に照明されないように設計されうる。
【００６０】
一実施形態では、ピンホールの分布は、各ピンホールが隣接ピンホールから約８００μｍ離れるようなものでよい。
【００６１】
サブ画像がある程度縮小されることがあり（領域９０１ｂ、９０２ｂ、９０３ｂが、サブ画像９０１ａ、９０２ａ、９０３ａより大きい）、図９に表された光センサデバイスには比較的高分解能のイメージセンサ９３１を使用することが有利なことがあることを理解されよう。
【００６２】
他の一実施形態では、ピンホールが、回折光学素子（例えば、フレネルゾーンプレート）と置き換えられてもよく、その結果、回折光学素子アレイは、検出器に達する光に作用するか又はサブ画像配列を下の検出器に投射するために使用される。また、光遮断領域と光に作用するアパーチャとを含む他のアパーチャ層が、ディスプレイスタックに含まれ、下の検出器を使用してディスプレイを通して指紋画像を取得するために使用されうる。
【００６３】
別の一実施形態では、表示画素からの光の２つの異なる波長が、パルス検出に使用される。これは、アンダーディスプレイセンサと共に使用されてもよく、代替実施態様では、ディスプレイのＴＦＴ層内に形成された検出器素子などの他の検出器と共に使用されてもよい。例えば、ディスプレイスタックの２つのサブ画素（例えば、赤色及び緑色サブ画素）が、パルス検出のためにディスプレイ下の光センサによって使用されうる。緑色の代わりに青色又は紫色も使用されうる。十分なコントラストと血管変化に対する適切な応答を有する他の波長が可能である。
【００６４】
一般に、指紋センサは、認証済みの指と同じ隆起部と谷のパターンがある場合に人工的な指（例えば、なりすまし）の検出及び認可に弱いことがある。したがって、生体認証入力が生の指に対応していることを検証することによって、付加セキュリティが提供される。この一実施形態では、光学指紋センサが、検出領域から反射された光の２つの色（例えば、赤色と緑色）を検出することによって指内の血管流を測定するために使用され、それにより、２つの色の光は、ディスプレイのサブ画素によって提供される。そうすることによって、この一実施形態は、なりすまし又は不健全な指が不正アクセスを得るために使用されるリスクを減らす。あるいは、これは、健康監視のためのパルス検出などの補助機能を提供するために、表示装置内の光学指紋センサを別の目的に再利用するか強化するために使用されうる。
【００６５】
赤色及び緑色照明を使用するパルス酸素濃度法は、例えば、<http://www.nature.com/ncomms/2014/141210/ncomms6745/full/ncomms6745.html>で入手可能な、C.M.ロッホナーらによる「All-organic optoelectronic sensor for pulse oximetry」 Nature Communications 5, Article number: 5745, DOI: 10.1038/ncomms6745 (Dec. 10, 2014)に記載されている。オキシヘモグロビン（ＨｂＯ２）とデオキシヘモグロビン（Ｈｂ）の吸収スペクトルは、約６４０ｎｍ（赤）で大きく異なり、５４０ｎｍ（緑）で類似する。それらの２つの波長での肉の吸収の差が、ヘモグロビン酸素化の程度である。心臓の各パルスの最中、動脈は、酸素化された血液で膨れ、次にその血液が、静脈返流内に達する前に脱酸素化される。従って、組織は、送達された動脈血の各ボーラスで赤みがかって脈動するのが見える。この目に見えるパルスは、基準として緑色照明信号を使用して、センサに返された赤色光を比較することにより検出される。
【００６６】
図１０の一実施形態は、ディスプレイからの赤色及び緑色照明を使用し、光検出が、ディスプレイ下の光学指紋センサによって行われる。図１０は、ディスプレイスタック１０１０内のアパーチャ層１００２を介して赤色及び緑色光を検出する例示的光学指紋センサのブロック図である（例えば、アパーチャ層１００２は、例えば図４と図７に関して前述されたように、ディスプレイスタックのＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャのギャップに対応するアパーチャの上か又はＴＦＴ／ＯＬＥＤフィーチャの下に提供されたアパーチャを有する個別層の上の、表示要素の下に提供される）。ディスプレイスタック１０１０の表示要素から（例えば、赤色及び緑色サブ画素から）の赤色及び緑色光は、カバーガラス１０４１の上又はそれより上にある入力面上の指を照明するために使用される。カバーガラス１０４１は、偏光子（又は「偏光子薄膜」）１０４３に取り付けられ、偏光子１０４３は、ディスプレイスタック１０１０に取り付けられる。ディスプレイスタック１０１０の下には、検出領域から反射された表示要素からの光（例えば、赤色及び緑色光）を検出するように構成されたイメージセンサ１０３１がある。
【００６７】
一実施形態では、ディスプレイ１０１０（例えば、緑色及び赤色サブ画素を有するＯＬＥＤディスプレイ）は、プロセッサ又は処理システム上の適切なプログラミングによって、指などの生体認証オブジェクトを赤色及び緑色光で交互に照明するように制御されうる。検出器は、ディスプレイスタックのアパーチャ層内のアパーチャを介して検出領域から反射された交互の赤色及び緑色光を受け取る。各赤色フレームは、血液酸素化の相対基準を得るために隣接した緑色フレームと比較され、１つ以上の鼓動にわたって、その相対信号が、パルスと同期して増減することが分かる。そのような増減の周波数は、個人の心拍速度の直接尺度であり、したがって、プロセッサは、生体認証オブジェクトに対応するパルス（パルスの有無及び／又はパルス測定値の検出を含む）を検出するように構成されうる。更に、赤色／緑色変化の大きさは、絶対酸素化レベル又は血液酸素測定法の基準も示し、プロセッサが、更に、検出領域から反射された赤色光及び緑色光の検出に基づいて、生体認証オブジェクトに対応する血液酸素測定法の酸素化レベル又は大きさを決定することを可能にする。この測定法は、「パルスフォトプレチスモグラム」又はＰＰＧと呼ばれうる。
【００６８】
代替の典型的実施態様では、２つの波長による照明は、検出器が２つの色に別個の画素を有する場合は同時でもよい。例えば、センサ上のカラーフィルタは、色を識別するために使用されうる。あるいは、検出器は、広帯域吸収を利用でき、光源が変調される。典型的なモバイル装置表示は、フレームを６０Ｈｚで変更できる。したがって、モバイル装置用途の光学指紋センサでは、交番フレームが赤色及び緑色サブ画素を照明する場合、センサは、赤色及び緑色信号を時間的に識別できる。
【００６９】
したがって、従来の解決策は、波長に応じた反射率測定に使用される異なる波長の光を提供するために専用光源を必要とするが、図１０の一実施形態では、これは、ディスプレイ自体の既存のマルチスペクトル発光機能を再利用して、指紋センサに補助機能（例えば、アンチスプーフィング又は健康監視のためのパルス検出）を提供することによって回避される。
【００７０】
別の一実施形態では、ディスプレイ下の光センサは、回折イメージングを利用して入力生体認証オブジェクトのフィーチャを決定する。前述のように、モバイル装置ディスプレイに使用されるディスプレイスタックは、１つ以上の配線層と、光の通過を可能にする小さいギャップ又は開口を有しうる表示要素とを含む。この一実施形態では、これらの小さいギャップ又は開口は、複雑なパターンに通過する光の回折を提供する小さいアパーチャとして使用される。図１１は、例示的な光学指紋センサデバイスのブロック図であり、ディスプレイスタック１１１０内のアパーチャ層１１０２は、光を回折パターンに回折されるように構成された比較的小さいアパーチャを有する。アパーチャによって生成された回折パターンのタイプが、アパーチャの形状に対応しうることを理解されよう。
【００７１】
図１１に示されたように、入力生体認証オブジェクト（指紋などの）の検出領域から反射された光が、ディスプレイスタック１１１０のカバーガラス１１４１、偏光子１１４３及びアパーチャ層１１０２を通過し、イメージセンサ１１３１によって検出される。イメージセンサ１１３１に接続された処理システム（図示せず）は、イメージセンサによって検出された回折パターンをデコンボリューションして、入力生体認証オブジェクトのフィーチャを決定しかつ／又は入力生体認証オブジェクトの画像を生成する。
【００７２】
図１２は、図１１に関して前述された回折イメージングに基づく入力生体認証オブジェクトの画像を取得するための典型的プロセスを示すフローチャートである。この一実施形態では、入力生体認証オブジェクト１２０１に対応する光照射野１２０２が、アパーチャ層１１０２によって回折パターン１２０３に回折され、回旋画像１２０４が、イメージセンサ１１３１によって検出される。次に、処理システムは、回折１２０５の逆変換を行って入力生体認証オブジェクトに対応する補正画像１２０６を得る。
【００７３】
コリメータのみに依存する光センサデバイスと比較して、この一実施形態は、比較的多くの光を所定の分解能で収集できる。また、この一実施形態は、製造が比較的単純である。
【００７４】
更に他の例示的な実施形態では、回折イメージングは、イメージセンサで受け取られる回折パターンの部分を制限するために、コリメータと共に使用されうる。浅いか又は弱いコリメータは、回折パターンを少数のピークに制限でき、逆変換計算の複雑さを比較的単純なデコンボリューションに低減する。更に、より高いアスペクト比のコリメータが、回折パターンの中央ピークだけを選出でき、したがって、入力生体認証オブジェクトの画像を得るためにデコンボリューションは不要である。一実施形態では、このコリメータは、回折素子なしに鮮明な画像を提供するために必要とされるコリメータよりも限定的でないことがある（例えば、より低い有効アスペクト比を利用できる）。
【００７５】
更に他の例示的な実施形態では、オブジェクト面での小さい光点が刺激として提供されてもよく、その応答が光センサによって測定されうる。これは、像平面での回折パターンを測定するために使用でき、この有限パルス応答は、オブジェクト（例えば、指紋）の後のイメージングに使用されるデコンボリューション変換を作成するために変換されうる。
【００７６】
本明細書で検討される例は、指紋センサに関する開示の一実施形態を示すが、そのような技術が、他の実施形態において指紋パターンを検出するように構成された単なるセンサを超える様々な分解能を有する他のタイプのセンサにも使用されうることを理解されよう。
【００７７】
本明細書に記載された出版物、特許出願及び特許を含む全ての参考文献は、参照により、各参考文献が参照によって組み込まれるように個別かつ特定的に示され、その全体が本明細書に記載される場合と同じ程度に組み込まれる。
【００７８】
本発明について述べる文脈（特に、以下の特許請求の範囲の文脈）における用語「a」、「an」、「the」及び「at least one」の使用は、本明細書で特に指示されるか文脈によって明確に否定されない限り、単数と複数の両方を対象として含むと解釈されるべきである。１つ以上の品目のリストの前の用語「少なくとも１つ（at least one）」の使用（例えば、「ＡとＢの少なくとも１つ」）は、明細書に示されるか文脈によって明確に示されない限り、リストの品目（Ａ又はＢ）から選択された１つの品目、又はリストされた品目（ＡとＢ）の複数の任意の組み合わせを意味するように解釈されるべきである。用語「comprising」、「having」、「including」及び「containing」は、特に断らない限り、非限定的な用語（即ち、「〜を含むがこれに限定されない」）として解釈されるべきである。本明細書における値の範囲の列挙は、単に、本明細書で特に示されない限り、範囲内にあるそれぞれの別々の値を個別に指す簡単な方法を提供するものであり、各別個の値は、明細書で個々に列挙されるかのように本明細書に組み込まれる。
【００７９】
本明細書に記載された全ての方法は、本明細書で指定されるか文脈によって明らかに否定されない限り、任意の適切な順序で行われうる。本明細書に提供されたあらゆる例又は例示的文言（例えば、「など」）の使用は、単に、本発明をより適切に解明するものであり、特に請求されない限り本発明の範囲を限定するものではない。本明細書内の文言は、本発明の実施に不可欠な非請求要素を示すように解釈されるべきでない。
【００８０】
本明細書には、本発明を実施するために発明者に既知の最良の形態を含む本発明の好ましい実施形態が記載される。それらの好ましい実施形態の変化は、以上の説明を読むことで当業者に明らかになりうる。発明者は、当業者が必要に応じてそのような変形を使用することを想定しており、発明者は、本明細書に具体的に記載された方法とは別の方法で発明が実施されることを意図する。従って、本発明は、準拠法によって許可されるように本明細書に添付された請求項に記載された内容の全ての修正と等価物を含む。更に、本明細書に特に示されるか文脈によって明確に解釈されない限り、全ての可能な変形における前述の要素の任意の組み合わせが本発明によって包含される。
【符号の説明】
【００８１】
７０１ａ，７０１ｂ  アパーチャ層
７０２  コリメーティングフィルタ層
７１０  ディスプレイスタック
７１１  ディスプレイ封止層
７１２  ＴＦＴ基板
７１３  ＴＦＴ／ＯＬＥＤ要素
７２０  透明層
７２１  光遮断構造
７２２  光コリメーティング領域
７３１  光検出要素
７４０  入力面
７４１  カバーレンズ
７４２  透明接着剤
７４３  偏光子薄膜
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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