KR20170106425A - 온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈 - Google Patents

온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈 Download PDF

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Abstract

이미지를 표시하기 위해 디스플레이 스크린에 의해 방출되고 스크린 어셈블리의 상부 표면에 의해 다시 반사되는 복귀 광을 포착하고 검출하는 언더-스크린 광학 센서 모듈을 사용해서 온-스크린 광 감지를 제공하기 위해 제공된다.

Description

온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈
본 특허문헌은 선전 후이딩 테크놀로지 컴퍼니 리미티드에 의해 이하의 선행 특허 출원의 우선권 및 이익을 주장한다:
(1) 발명의 명칭이 "온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈(UNDER-SCREEN OPTICAL SENSOR MODULE FOR ON-SCREEN FINGERPRINT SENSING)"이고 2016년 1월 31일에 출원된 미국 가특허 출원 No. 62/289,328;
(2) 발명의 명칭이 "온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈"이고 2016년 5월 2일에 출원된 미국 가특허 출원 No. 62/330,833; 및
(3) 발명의 명칭이 "온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈"이고 2016년 6월 7일에 출원된 미국 가특허 출원 No. 62/347,073.
또한, 본 특허문헌은 출원인 선전 후이딩 테크놀로지 컴퍼니 리미티드의 2016년 6월 20일에 USPTO에 출원되고 2016년 12월 22일에 No. WO 2016/205832 하에 공개되고 발명의 명칭이 "광 감지 능력을 지닌 다기능 지문 센서"인 국제 특허 출원 No. PCT/US2016/038445로부터 우선권을 주장하는 바이며, 상기 문헌은 또한 2015년 6월 18일에 출원된 미국 가특허출원 No. 62/181,718로부터 우선권을 주장한다.
이상의 특허 출원의 전체 내용은 본 특허 문헌의 일부로서 원용되어 병합된다.
본 특허문헌은 모바일 장치 또는 웨어러블 장치와 같은 포터블 장치 및 대형 시스템을 포함하는, 전자 장치 또 는 시스템에서 지문을 감지하고 다른 파라미터 측정의 하나 이상의 감지 작동을 수행하는 것에 관한 것이다.
다양한 센서들이 소정의 원하는 기능을 제공하기 위해 전자 장치 또는 시스템에 구현될 수 있다. 권한이 부여된 사용자만 인식되고 권한이 없는 사용자를 구별하는 컴퓨터 및 컴퓨터 제어 장치 또는 시스템에 대한 액세스를 안전하게 해야 할 필요성이 커지고 있다.
예를 들어, 휴대 전화, 디지털 카메라, 태블릿 PC, 노트북 컴퓨터 및 기타 휴대용 전자 장치는 개인, 상업 및 정부 용도로 점차 대중화되었다. 개인용 휴대 전자 장치에는 사용자의 개인 정보를 보호하기 위한 하나 이상의 보안 메커니즘이 탑재될 수 있다.
다른 예를 들면, 회사나 기업을 위한 컴퓨터 또는 컴퓨터 제어 장치 또는 시스템은 권한이 부여된 직원만 액세스할 수 있도록 하여 조직이나 기업용 장치 또는 시스템의 정보 또는 사용을 보호할 수 있다.
휴대용 장치 및 컴퓨터 제어 데이터베이스, 장치 또는 시스템에 저장된 정보는 보호해야 하는 특정한 특성일 수 있다. 예를 들어, 저장된 정보는 개인 정보, 예를 들어, 개인 연락처 또는 전화번호부, 개인 사진, 개인 건강 정보 또는 기타 개인 정보일 수도 있고 회사나 기업이 독점적으로 사용하는 기밀 정보, 예를 들어, 비즈니스 재무 정보, 직원 데이터, 영업 비밀 및 기타 독점 정보일 수도 있다. 전자 장치 또는 시스템에 대한 액세스 보안이 누설되면, 액세스 권한을 얻지 못하는 다른 사람이 데이터에 액세스하여 개인의 사생활이 손실되거나 중요한 기밀 정보를 잃을 수 있다. 정보 보안 이외에도 컴퓨터 및 컴퓨터-제어 장치 또는 시스템에 대한 액세스를 보호하면 컴퓨터 또는 컴퓨터 프로세서, 예를 들어 컴퓨터-제어 자동차 및 ATM과 같은 다른 시스템으로 제어되는 장치 또는 시스템의 사용을 보호할 수 있다.
모바일 장치 또는 전자 데이터베이스 및 컴퓨터 제어 시스템과 같은 시스템과 같은 장치에 대한 보안 액세스는 사용자 암호 사용과 같은 여러 가지 방법으로 수행할 수 있다. 그렇지만, 암호는 쉽게 퍼지거나 획득될 수 있으며 이러한 암호의 특성으로 인해 보안 수준이 저하될 수 있다. 또한, 사용자는 암호-보호 전자 장치 또는 시스템을 사용하기 위해서는 암호를 기억해야 하며 사용자가 암호를 잊어 버리면 사용자는 특정한 암호 복구 절차를 수행하여 인증을 받거나 그렇지 않으면 장치에 대한 액세스를 다시 획득해야 한다. 불행하게도, 다양한 상황에서, 이러한 암호 복구 프로세스는 사용자에게 부담이 될 수 있으며, 다양한 실제적인 제한 및 불편함을 준다.
개인 지문 감지는 암호와 관련된 특정의 원하지 않는 영향을 완화하면서 데이터 보안을 강화하기 위해 사용자 인증을 달성하는 데 활용할 수 있다.
휴대용 또는 모바일 컴퓨팅 장치를 포함한 전자 장치 또는 시스템은 개인 또는 기타 기밀 데이터를 보호하고 무단 액세스를 방지하기 위해 사용자 인증 메커니즘을 사용할 수 있다. 전자 장치 또는 시스템에 대한 사용자 인증은 하나 또는 여러 형식의 생체 인식기를 통해 수행될 수 있으며, 이러한 인증은 단독으로 또는 기존의 암호 인증 방법에 더해서 사용될 수 있다. 생체 인식기의 한 형태는 사람의 지문 패턴이다. 전자 장치 또는 시스템에 지문 센서를 내장하여 사용자의 지문 패턴을 인증 프로세스의 일부로 읽을 수 있으므로 장치 또는 시스템은 권한이 부여된 사용자의 지문 패턴 인증을 통해 권한이 부여된 사용자에 의해 잠금해제될 수 있을 뿐이다.
본 특허 문헌에 기재된 센서 기술 및 센서 기술의 구현 예는 디스플레이 스크린으로부터의 광을 사용하여 그러한 광의 광학 감지에 기초한 하나 이상의 감지 작동을 수행하는 광학 센서 모듈을 제공한다. 개시된 광학 센서 기술을 구현하기 위한 적절한 디스플레이 스크린은 백라이트를 사용하지 않고 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린을 포함하는 다양한 디스플레이 기술 또는 구성에 기초할 수 있고, 각각의 개별 픽셀은 유기 발광 다이오드(OLED) 디스플레이 스크린 또는 전계 발광 디스플레이 스크린과 같은 스크린상에 디스플레이 이미지의 일부를 형성하기 위한 광을 생성한다. 개시된 광학 센서 기술은 또한 LCD 디스플레이 스크린과 같은 다른 디스플레이 스크린과 함께 사용되도록 적응될 수 있다.
한 관점에서, 개시된 기술은 이미지를 표시하기 위해 디스플레이 스크린에 의해 방출되어 스크린 어셈블리의 상부 표면에 의해 다시 복귀하는 복귀 광을 포착하고 검출하는 언더-스크린 광학 센서 모듈을 사용하여 지문의 온-스크린 광 감지를 제공하도록 구현될 수 있다.
다른 관점에서, 개시된 기술은 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치를 제공하도록 구현될 수 있으며, 상기 장치는, 터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린; 상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 포함한다.
다른 관점에서, 지문 감지를 디스플레이 스크린에 부가하는 방법이 제공되며, 상기 방법은, 터치 감지 동작을 제공하고 디스플레이 이미지를 형성하는 광을 방출하는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린의 디자인의 변경 없이, 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 광학 센서 모듈을 배치하는 단계를 포함한다.
다른 관점에서, 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치가 제공되며, 상기 장치는 터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린; 상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 포함한다. 상기 광학 센서 모듈은, 상기 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하여, 광학 쐐기와 접하는 디스플레이 패널 구조체의 하부 표면상의 전반사 조건을 수정함으로써 상기 하부 표면을 통해 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 추출할 수 있게 하는 광학 쐐기; 상기 디스플레이 패널 구조체로부터 추출된 광을 상기 광학 쐐기로부터 수신하는 광학 센서 어레이; 및 상기 광학 쐐기와 상기 광학 센서 어레이 사이에 위치하여 상기 광학 쐐기로부터의 광을 상기 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈을 포함한다.
다른 관점에서, 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치가 제공되며, 상기 장치는 터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린; 상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 포함한다. 상기 디스플레이 패널 구조체는 복귀 광이 디스플레이 패널 구조체를 통과해서 광학 센서 모듈에 도달할 수 있도록 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 사이에 개구 또는 홀을 포함하며, 상기 광학 센서 모듈은 상기 디스플레이 구조체로부터의 복귀 광을 수집하고, 수집된 복귀 광을 광학 센서 어레이로 지향시키면서 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하는 광학 콜리메이터의 어레이를 포함한다.
또 다른 관점에서, 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치가 제공되며, 상기 장치는 터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린; 상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 포함한다. 상기 광학 센서 모듈은 광학 센서 어레이를 포함하고, 상기 광학 센서 어레이는 상기 복귀 광을 수신하는 광학 검출기의 어레이, 및 디스플레이 패널 구조체로부터 복귀 광을 수집하고 상부 투명 층 내의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하는 광 핀홀의 어레이를 포함하며, 각각의 핀홀은 수집된 복귀 광을 광학 센서 어레이의 인접 광학 검출기의 패치로 지향하도록 구성되고, 서로 다른 핀홀은 광학 센서 어레이의 광학 검출기의 상이한 패치에서 결상을 위해 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 복귀 광을 수집한다.
이러한 관점과 다른 관점 그리고 그것들의 구현에 대해 도면, 상세한 설명 및 특허청구범위에서 더 상세하게 설명한다.
도 1은 본 명세서에 개시된 광학 지문 센서를 포함하도록 구현될 수 있는 지문 감지 모듈을 갖는 시스템의 일례의 블록도이다.
도 2a 및 도 2b는 접촉 감지 디스플레이 스크린 어셈블리 및 터치 감지 디스플레이 스크린 어셈블리 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 갖는 전자 장치(200)의 하나의 예시적인 구현 예를 도시한다.
도 2c 및 도 2d는 도 2a 및 도 2b의 광학 센서 모듈을 구현하는 장치의 예를 도시한다.
도 3은 개시된 광학 지문 감지 기술을 구현하기에 적합한 OLED 디스플레이 및 터치 감지 어셈블리의 일례를 도시한다.
도 4a 및 도 4b는 도 2a 및 도 2b의 디자인을 구현하기 위한 디스플레이 스크린 어셈블리 아래의 광학 센서 모듈의 한 구현예를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 언더-스크린 광학 센서 모듈의 작동의 이해를 용이하게 하기 위해 2가지의 상이한 광학 조건하에서 상부 감지 표면상의 감지 영역으로부터의 복귀 광에 대한 신호 생성을 도시한다.
도 6, 도 7, 도 8, 도 9, 및 도 10은 언더-스크린 광학 센서 모듈의 예시적 디자인을 도시한다.
도 11은 결상 장치가 광학 센서 어레이 상에 지문 감지 영역을 결상하고 결상 장치가 광학적으로 투과 또는 광학적으로 반사될 수 있는 상이한 타일링 조건하에서 결상 모듈을 통해 상부 투명 층 상에 결상 영역을 결상하는 것을 도시한다.
도 12는 지문 감지 중에 배경 광으로부터의 원하지 않는 기여를 줄이거나 제거하기 위한 지문 센서의 작동의 예를 도시한다.
도 13은 언더-스크린 광학 센서 모듈을 작동시켜 지문 패턴을 포착하는 프로세스를 도시한다.
도 14a, 도 14b, 도 15는 OLED 디스플레이 스크린과 접촉하는 객체가 실제 사람의 손가락의 일부인지를 결정하기 위해 OLED 픽셀을 조작하여 손가락을 2개의 상이한 광의 색으로 조명하는 작동 프로세스의 일례를 나타낸다.
도 16은 지문 감지를 위해 광학 센서 어레이에 의해 출력된 결상 감지 신호를 교정하기 위해 OLED 디스플레이에 의해 생성된 표준 교정 패턴의 예를 도시한다.
도 17, 도 18 및 도 19는 개시된 언더-스크린 광학 센서 모듈 기술을 구현하기에 적합한 광학 지문 감지를 위한 광학 콜리메이터 설계를 도시한다.
도 20, 도 21 및 도 22는 지문 정보를 반송하는 신호 광을 광학 센서 어레이로 지향시키기 위한 광학 콜리메이터 또는 핀홀의 어레이를 사용하는 언더-스크린 광학 센서 모듈을 사용해서 지문을 감지하는 다양한 설계의 예를 도시한다.
도 23 및 도 24는 광학 콜리메이터를 구비한 언더-스크린 광학 센서 모듈의 예를 도시한다.
도 25는 언더-스크린 광학 센서 모듈의 광학 검출기 어레이에 도달하는 배경 광을 감소시키기 위해 광학 필터링을 갖는 광학 콜리메이터 어레이의 예를 도시한다.
전자 장치 또는 시스템에는 장치 액세스에 대한 보안을 향상시키기 위해 지문 인증 메커니즘이 탑재될 수 있다. 이러한 전자 장치 또는 시스템으로는 휴대용 또는 이동 컴퓨팅 장치, 예를 들어 스마트폰, 태블릿 컴퓨터, 손목 착용 장치 및 기타 웨어러블 또는 휴대용 장치, 대형 전자 장치 또는 시스템, 예를 들어 휴대형 또는 데스크톱 형태의 개인용 컴퓨터, ATM, 각종 전자 시스템, 데이터베이스 또는 상업용 또는 정부용 정보 시스템에 대한 각종 단말, 자동차, 보트, 기차, 항공기 등을 포함한 자동화된 운송 시스템을 들 수 있다.
지문 감지는 모바일 응용 프로그램 및 보안 액세스를 사용하거나 필요로 하는 기타 응용 프로그램에서 유용하다. 예를 들어, 지문 감지는 모바일 장치에 대한 보안 액세스를 제공하고 온라인 구매를 포함한 금융 거래를 보호하는 데 사용될 수 있다. 모바일 장치 및 다른 애플리케이션에 적합한 견고하고 신뢰성 있는 지문 감지를 포함하는 것이 바람직하다. 모바일, 휴대용 또는 웨어러블 장치에서, 이러한 장치상에 제한된 공간이 주어지면 지문 센서는 주어진 장치의 최대 디스플레이 영역에 대한 요구를 특히 고려하여 지문 감지를 위한 지문을 최소화하거나 없애는 것이 바람직합니다.
이미지를 디스플레이하기 위한 디스플레이 스크린에 의해 생성된 광은 사용자가 볼 수 있도록 디스플레이 스크린의 상부 표면을 통과할 수 있다. 손가락이 상부 표면에 닿아서 상부 표면에서 광과 상호작용하여 터치의 표면 영역에서 반사된 또는 산란된 광이 손가락의 공간 이미지 정보를 반송하여 상부 표면 아래의 디스플레이 패널로 복귀하게 한다. 터치 감지 디스플레이 장치에서, 상부 표면은 사용자와의 터치 감지 계면이고, 이미지를 디스플레이하기 위한 광과 사용자 손가락 또는 손 사이의 이러한 상호작용은 끊임없이 발생하지만, 디스플레이 패널로 다시 복귀하는 그러한 정보-반송 광은 대부분 낭비되고 대부분의 터치 감지 장치에는 사용되지 않는다. 터치 감지 디스플레이 및 지문 감지 기능을 갖는 다양한 모바일 또는 휴대용 장치에서, 지문 센서는 디스플레이 스크린과는 별도의 장치로 되는 경향이 있는데, 인기있는 애플 아이폰과 최근의 삼성 갤럭시 스마트폰에서와 같이 디스플레이 스크린 영역 외부의 한 위치에서 디스플레이 스크린의 동일한 표면상에 배치되거나, 또는 화웨이, 레노버, 샤오미 또는 구글에 의한 스마트폰의 새로운 모델처럼, 대형 디스플레이 화면을 배치하기 위한 귀중한 공간을 전면에 차지하지 않도록 스마트폰의 뒷면에 배치된다. 이들 지문 센서는 디스플레이 스크린과는 별개의 장치이므로 디스플레이 및 다른 기능을 위해 공간을 절약하도록 소형일 필요가 있음과 동시에, 허용 가능한 특정 레벨 이상의 공간 이미지 해상도로 신뢰성 있고 빠른 지문 감지를 여전히 제공해야 한다. 그렇지만, 지문 패턴을 포착함에 있어서 콤팩트한 소형화의 필요성 및 높은 공간 해상도를 제공할 필요성은 많은 지문 센서에서 서로 직접적으로 상충하는데, 그 이유는 다양한 적합한 지문 감지 기술(예를 들어, 용량성 터치 감지 또는 광학 결상)을 기반으로 지문 패턴을 포착할 때의 높은 공간 해상도는 대량의 감지 픽셀이 있는 대형 센서 영역을 필요로 하기 때문이다.
본 명세서에 개시된 광학 센서 기술은 지문 감지 및 다른 감지 동작을 위해 장치 디스플레이 어셈블리의 상부 표면으로부터 복귀되는, 디스플레이 스크린에 이미지를 디스플레이하기 위한 광을 사용한다. 복귀 광은 상부 표면과 접촉하는 대상(예를 들어, 손가락)의 정보를 반송하고, 이 복귀 광의 포착 및 검출은 디스플레이 스크린 아래에 위치하는 특정한 광학 센서 모듈을 구현할 때 고려해야 할 설계 사항의 일부를 구성한다. 터치 스크린 어셈블리의 상단 표면이 지문 감지 영역으로 사용되기 때문에, 이 터치 영역의 광학 이미지는 견고한 지문 감지를 위해 원래의 지문에 대한 높은 이미지 충실도로 광학 센서 모듈 내부의 광학 결상 센서 어레이로 포착되어야 한다 감지. 광학 센서 모듈은 복귀 광을 포착하고 검출하기 위한 광학 소자를 적절하게 구성함으로써 이러한 바람직한 광학 결상을 달성하도록 설계될 수 있다.
개시된 기술은 인간의 지문의 광학 감지 및 액세스 시도를 인증하기 위한 인증을 수행하는 장치, 시스템 및 기술을, 모바일 장치 또는 컴퓨터 제어 시스템과 같은 잠긴 컴퓨터-제어 장치에 제공한다. 개시된 기술은 랩톱, 태블릿, 스마트폰 및 게임 장치와 같은 휴대용 또는 이동 컴퓨팅 장치, 및 전자 데이터베이스, 자동차, 은행 ATM 등과 같은 다른 전자 장치 또는 시스템을 포함하는 다양한 전자 장치 및 시스템에 대한 액세스를 보호하기 위해 사용될 수 있다.
여기에 개시된 광학 센서 기술은 디스플레이 스크린에 대한 광의 일부가 산란 광, 반사광 또는 일부 미광(stray light)이 될 수 있는 디스플레이 스크린에 이미지를 표시하는데 사용되는 광의 일부를 검출하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, OLED 디스플레이 스크린 또는 백라이트를 사용하지 않고 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 다른 디스플레이 스크린에 대한 개시된 광학 센서 기술의 일부의 구현 예에서, OLED 디스플레이 스크린의 상부 표면 또는 그 부근에서 OLED 디스플레이 스크린에 의해 생성된 이미지 광은 사용자 손가락 또는 손바닥과 같은 대상 또는 스타일러스와 같은 사용자 포인터 장치와 직면할 때 복귀 광으로서 OLED 디스플레이 스크린으로 다시 반사 또는 산란될 수 있다. 이러한 복귀 광은 개시된 광학 센서 기술을 사용하여 하나 이상의 광 감지 동작을 수행하기 위해 포착될 수 있다. 광학 감지를 위한 OLED 디스플레이 스크린 자체의 OLED 픽셀로부터의 광의 사용으로 인해, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은, 일부 구현 예에서, 광 감지 동작 및 기능을 제공하면서 간섭없이 OLED 디스플레이 스크린의 디스플레이 동작 및 기능을 유지하여, 스마트폰 또는 다른 모바일/웨어러블 장치 또는 다른 형태의 전자 장치 또는 시스템과 같은 전자 장치의 전반적인 기능, 장치 통합 및 사용자 경험을 향상시키는 방식으로, OLED 디스플레이 스크린에 통합되도록 특별히 설계될 수 있다.
예를 들어, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 백라이트를 사용하지 않고 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린(예를 들어, OLED 디스플레이 스크린)에 결합되어, OLED 디스플레이 스크린에 의해 생성된 광으로부터의 전술한 복귀 광을 사용하여 사람의 지문을 감지할 수 있다. 동작 중에, OLED 디스플레이 스크린과 직접 접촉하거나 OLED 디스플레이 스크린 부근에 근접해 있는 사람의 손가락은 OLED 디스플레이 스크린에 의해 출력된 광에 의해 조명된 손가락의 일부의 정보를 반송하면서 OLED 디스플레이 스크린으로 다시 복귀하는 광을 생성할 수 있다. 이러한 정보는 예를 들어 손가락의 조명된 부분의 융기 부분 및 골 부분의 공간 패턴 및 위치를 포함할 수 있다. 따라서, 광학 센서 모듈은 광학 결상 및 광 검출 동작에 의해 손가락의 조명 된 부분의 융기 부분 및 골 부분의 공간 패턴 및 위치를 검출하기 위해 그러한 복귀 광의 적어도 일부를 포착하도록 통합될 수 있다. 그런 다음 손가락의 조명된 부분의 융기 부분 및 골 부분의 검출된 공간 패턴 및 위치는 지문 패턴을 구성하고 지문 인식을 수행하도록 처리될 수 있는데, 예를 들어 저장되어 있는 인증된 사용자 지문 패턴과 비교하여 그 검출된 지문이 사용자 인증 및 장치 액세스 프로세스의 일부로서 일치하는지를 결정할 수 있다. 개시된 광학 센서 기술을 이용하는 이러한 광 감지 기반의 지문 검출은 OLED 디스플레이 스크린을 광 감지 플랫폼으로 사용하며, 기존의 용량성 지문 센서 또는 기본적으로 자체-내장 센서(self-contained sensor)인 다른 지문 센서를, 디스플레이 스크린으로부터의 광을 사용하지 않거나 이동 전화, 태블릿 및 다른 전자 장치의 지문 감지를 위해 디스플레이 스크린을 사용하지 않는 "애드-온" 구성 요소로 대체하는 데 사용될 수 있다.
개시된 광학 센서 기술은 OLED 디스플레이 스크린의 디스플레이 픽셀로부터 방출된 광을 사용함으로써 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린(예를 들어, OLED 디스플레이 스크린)을 광 감지 플랫폼으로서 사용하여 그러한 방출된 광이 손가락으로 터치된 상부 터치 표면상의 한 영역과 상호작용한 후에 지문 감지 기능 또는 다른 광학 감지 기능을 수행하는 방식으로 구현될 수 있다. 개시된 광학 센서 기술과 OLED 디스플레이 스크린 간의 이러한 친밀한 관계는 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈을 사용하는 유일한 기회를 제공하여 (1) 추가적인 광 감지 기능과 (2) OLED 디스플레이 스크린의 터치 감지 측면과 관련한 유용한 동작 또는 제어 특징 모두를 제공한다.
특히, 일부 구현 예에서, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 외부 표면적이 제한적인 스마트폰, 태블릿 또는 웨어러블 장치와 같은 일부 전자 장치에서 OLED 디스플레이 스크린의 디스플레이 표면 측 상의 귀중한 장치 표면 부동산을 차지할 지정 영역을 요구하지 않고 OLED 디스플레이 스크린의 후면에 결합 될 수 있다. 이러한 광학 센서 모듈은 디스플레이 스크린 영역과 수직으로 겹치는 OLED 디스플레이 스크린 아래에 배치될 수 있고, 사용자의 관점에서 광학 센서 모듈은 디스플레이 스크린 영역 뒤에 숨어 있다. 또한, 이러한 광학 센서 모듈의 광 감지는 OLED 디스플레이 스크린에 의해 방출되고 표시 영역의 상부 표면으로부터 복귀하는 광을 검출함으로써 이루어지므로, 개시된 광학 센서 모듈은 특수 감지 포트 또는 디스플레이 스크린 영역과는 다른 감지 영역을 필요로 하지 않는다. 따라서 지문 센서가 디스플레이 스크린의 동일한 표면상의 특수 지문 센서 영역 또는 포트(예를 들어, 홈 버튼)에 위치하되 디스플레이 스크린 영역 외부에 있는 지정된 비-표시 영역에 위치하는 애플의 아이폰/아이패드 장치 또는 삼성 갤럭시 스마트폰 모델과는 달리, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 복귀 광을 손가락으로부터 광학 센서로 라우팅하도록 독특한 광학 감지 디자인을 사용하고 고해상도 광학 결상 감지를 달성하도록 적절한 광학 결상 메커니즘을 제공함으로써 지문 감지가 OLED 디스플레이 스크린 상의 한 위치에서 수행될 수 있게 하는 방식으로 구현될 수 있다. 이와 관련하여, 개시된 광학 센서 기술은 디스플레이 스크린 영역 외부에 별도의 지문 감지 영역 또는 포트를 제공함이 없이 터치 감지 동작을 제공하고 이미지를 디스플레이하는 동일한 상부 터치 감지 표면을 사용함으로써 고유한 온-스크린 지문 감지 구성을 제공하도록 구현될 수 있다.
지문 감지 이외의 추가의 광학 감지 기능과 관련하여, 광학 감지를 사용하여 다른 파라미터를 측정할 수 있다. 예를 들어, 개시된 광학 센서 기술은 OLED 디스플레이 스크린 전체에 걸쳐 이용 가능한 넓은 터치 영역이 주어지면 사람의 손바닥의 패턴을 측정할 수 있다(대조적으로, 애플의 아이폰/아이패드 장치의 홈 버튼에 있는 지문 센서와 같은 일부의 지정된 지문 센서는 다소 작고 지정된 오프-스크린 지문 감지 영역을 가지며 이 영역은 감지 영역 크기가 매우 제한적이어서 큰 패턴을 감지하는 데 적합하지 않을 수 있다. 또 다른 예로서, 개시된 광학 센서 기술은 사람과 관련된 손가락 또는 손바닥의 패턴을 포착하고 검출하기 위해 광학적인 감지를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 포착되거나 검출된 지문 또는 손바닥의 패턴이 "생체 손가락" 검출 메커니즘에 의해 실제 사람의 손으로부터 나오는지를 검출하기 위해 광학적 감지 또는 다른 감지 메커니즘을 사용할 수 있으며, 이것은 예를 들어, 서로 다른 광학 파장에서의 혈액의 상이한 광학 흡수 거동, 즉 실제 사람의 손가락은 사람의 (의도했거나 의도하지 않은) 자연스런 이동이나 움직임으로 인해 움직이거나 늘어나기도 하고 혈액이 심장 박동과 관련하여 사람의 신체를 통과할 때 맥박이 뛰는 경향이 있다는 사실에 근거할 수 있다. 하나의 구현 예에서, 광학 센서 모듈은 심장박동/혈류변화에 기인한 손가락 또는 손바닥으로부터의 복귀 광의 변화를 검출할 수 있고, 따라서 손가락 또는 손바닥으로 제시된 대상에 실제 심장 박동이 있는지를 검출할 수 있다. 사용자 인증은 액세스 제어를 향상시키기 위해 지문/손바닥 패턴의 광학 감지와 실제 사람의 존재를 긍정적으로 결정하는 것의 조합을 기반으로 할 수 있다. 또 다른 예로서, 광학 센서 모듈은 손가락 또는 손바닥으로부터의 복귀 광의 광 감지에 기초하여 혈당치 또는 산소 포화도를 측정하기 위한 감지 기능을 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 사람이 OLED 디스플레이 스크린을 터치하면, 지문 패턴 변형, 손가락과 스크린 표면 간의 접촉 영역의 변화, 지문 융기 확장(fingerprint ridge widening), 또는 혈류 역학 변화를 포함한 하나 이상의 방식으로 터치 힘의 변화가 반영될 수 있다. 이러한 변환 및 다른 변화는 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학적 감지에 의해 측정될 수 있고 터치 힘을 계산하는데 사용될 수 있다. 이 터치 힘 감지는 지문 감지를 외에 광학 센서 모듈에 더 많은 기능을 추가하는 데 사용될 수 있다.
OLED 디스플레이 스크린의 터치 감지 양상과 연결하여 유용한 동작 또는 제어 특징와 관련하여, 개시된 광학 센서 기술은 광학 센서 모듈로부터의 하나 이상의 감지 결과에 기초한 트리거링 기능 또는 추가 기능을 제공하여 OLED 디스플레이 스크린을 걸치는 터치 감지 제어와 연결해서 소정의 동작을 수행한다. 예를 들어, 손가락 피부의 광학적 속성(예를 들어, 굴절률)은 다른 인공물과는 다르게 되는 경향이 있다. 이에 기초하여, 광학 센서 모듈은 OLED 디스플레이 스크린의 표면과 접촉하는 손가락에 의해 야기되는 복귀 광을 선택적으로 수신하고 검출하는 반면, 다른 물체에 의해 야기된 복귀 광이 광학 센서 모듈에 검출되지 않도록 설계될 수 있다. 이러한 대상-선택적 광 검출은 에너지 효율적인 작동 및 배터리 사용을 연장하기 위해 사람의 손가락 또는 손바닥을 통한 터치만으로 스마트폰 또는 장치를 깨우지만 다른 대상에 의한 터치로 인해 장치가 깨어나지 않게 하는 것과 같은 터치 감지에 의해 유용한 사용자 제어를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이 동작은 광학 센서 모듈의 출력에 기초한 제어에 의해 구현되어 OLED 디스플레이 스크린의 웨이크 업 회로 동작을 제어할 수 있는데, 이 동작은 OLED 디스플레이 스크린의 대부분이 OLED 픽셀의 대부분을 발광하지 않고 턴 오프됨으로써 "수면(sleep)" 모드에 있는 반면 OLED 디스플레이 스크린의 OLED 픽셀 중 일부는 플래시 모드에서 턴 온되어 플래시 광을 간헐적으로 방출하여 사용자의 손가락 또는 손바닥에 의한 터치를 감지하는 동작이다. 다른 "수면" 모드 구성은 광학 센서 모듈에 내장된 하나 이상의 여분의 LED 광원을 사용하여 "수면" 모드 웨이크-업 감지 광 플래시를 생성시킴으로써 달성될 수 있는데, 여기서는 수면 모드 동안 모든 OLED 픽셀이 턴 오프되어 광학 센서 모듈이 OLED 디스플레이 스크린상의 손가락 터치에 의해 야기된 이러한 웨이크-업 감지 광의 복귀 광을 검출할 수 있고, 포지티브 검출 시, OLED 디스플레이 스크린상의 OLED 픽셀은 턴 온 또는 "웨이크 업"된다. 일부 구현 예에서, 웨이크-업 감지 광은 적외선 보이지 않는 스펙트럼 범위에 있을 수 있으므로 사용자는 플래시 광을 시각적으로 경험하지 못할 것이다. 다른 예로서, 광학 센서 모듈에 의한 지문 감지는 정상적인 OLED 디스플레이 스크린 동작의 과정에서 OLED 디스플레이 스크린의 표면으로부터의 복귀 광의 감지에 기초하고, OLED 디스플레이 스크린 동작은 지문을 광학적으로 감지하기 위해 배경 조명을 제거하여 향상된 지문 감지를 제공하도록 제어될 수 있다. 하나의 구현 예에서, 예를 들어, 각각의 디스플레이 스캔 프레임은 지문 신호의 프레임을 생성한다. OLED 디스플레이 스크린이 턴 온 될 때 하나의 프레임에서 그리고 OLED 디스플레이 스크린이 턴 오프 될 때 다른 프레임에서 그 디스플레이에 따른 2 프레임의 지문 신호가 생성되면, 이들 2 프레임의 신호 간의 감산을 사용하여 주변 배경 조명 영향을 줄일 수 있다. 이 지문 감지를 동작시킴으로써 프레임 레이트는 일부 구현 예에서 디스플레이 프레임 레이트의 절반이 되어, 지문 감지에서 배경 광 노이즈가 감소될 수 있다.
전술한 바와 같이, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 스마트폰, 태블릿 또는 웨어러블 장치와 같은 일부의 전자 장치에서 귀중한 장치 표면 부동산을 점유할 OLED 디스플레이 스크린의 표면 측 상에 지정된 영역을 생성함이 없이 OLED 디스플레이 스크린의 후면에 결합될 수 있다. 개시된 기술의 이러한 양상은 소정의 장치 설계 및 제품 통합 또는 제조 모두에서 소정의 이점 또는 호혜를 제공하도록 사용될 수 있다.
일부 구현 예에서, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 지문 감지와 같은 원하는 광 감지 기능을 제공하기 위해 OLED 디스플레이 스크린의 설계 변경 없이 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린(예를 들어, OLED 디스플레이 스크린)에 쉽게 통합될 수 있는 비 침습성 모듈(non-invasive module)로서 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학 센서 모듈은 광학 센서 모듈의 특성으로 인해 특정한 OLED 디스플레이 스크린 디자인의 설계와는 독립적일 수 있다: 이러한 광학 센서 모듈의 광 감지는 OLED 디스플레이 스크린에 의해 방출되고 디스플레이 영역의 상부 표면으로부터 복귀하는 광을 검출함으로써 이루어지며, 상기 개시된 광학 센서 모듈은 디스플레이 영역의 상부 표면으로부터 복귀 광을 수신하기 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈로서 OLED 디스플레이 스크린의 후면에 결합되며 따라서 디스플레이 스크린 영역과는 별도의 특수 감지 포트 또는 감지 영역을 필요로 하지 않는다. 따라서, 이와 같은 언더-스크린 광학 센서 모듈은 OLED 디스플레이 스크린과 결합하여 특히 이러한 광학적 감지를 제공하도록 특별히 설계된 하드웨어로 특별히 설계된 OLED 디스플레이 스크린을 사용하지 않고 OLED 디스플레이 스크린 상에 광학 지문 감지 및 다른 센서 기능을 제공하는 데 사용될 수 있다. 개시된 광학 센서 기술의 이러한 양상은 개시된 광학 센서 기술의 광 감지로부터 향상된 기능을 갖는 스마트폰, 태블릿 또는 다른 전자 장치에서 광범위한 OLED 디스플레이 스크린을 가능하게 한다.
예를 들어, 특정한 애플 아이폰 또는 삼성 갤럭시 모델에서와 같이 별도의 지문 센서를 제공하지 않는 기존의 전화 어셈블리 디자인의 경우, 그러한 기존의 전화 어셈블리 디자인은 터치 감지-디스플레이 스크린 어셈블리를 변경하지 않고 여기에 개시된 바와 같은 언더-스크린 광학 센서 모듈을 통합하여, 추가된 온-스크린 지문 감지 기능을 제공한다. 개시된 광 감지는 디스플레이 스크린 영역 외부에 전면 지문 센서가 있는 특정의 애플 아이폰/삼성 갤럭시 폰 또는 화웨이, 샤오미, 구글 또는 레노보의 일부 모델에서와 같이 후면에 지정된 후면 지문 센서가 있는 일부 스마트폰의 경우와 같이 별도의 지정된 감지 영역 또는 포트를 필요로 하지 않기 때문에, 여기에 개시된 온-스크린 지문 감지의 통합은 기존의 전화 어셈블리 설계 또는 터치 감지 층 및 디스플레이 층을 모두 갖는 터치 감지 디스플레이 모듈에 실질적인 변화를 요구하지 않는다. 본 문헌에 개시된 광 감지 기술에 기초하여, 지문 감지를 위해 상기 개시된 광학 센서 모듈을 추가하기 위해 장치 외부에 외부 감지 포트 및 외부 하드웨어 버튼이 필요하지 않다. 추가된 광학 센서 모듈 및 관련 회로는 폰 하우징 내부의 디스플레이 스크린 아래에 있으며, 지문 감지는 터치 스크린에 대한 동일한 터치 감지 표면상에서 편리하게 수행될 수 있다.
다른 예로서, 지문 감지를 위한 광학 센서 모듈의 전술한 특성으로 인해, 이러한 광학 센서 모듈을 통합하는 스마트폰은 OLED 디스플레이 스크린의 설계 또는 제조에 영향을 미치거나 부담을 주지 않으면서 개선된 디자인, 기능 및 통합 메커니즘으로 업데이트되어, OLED 디스플레이 스크린을 사용하는 스마트폰, 태블릿 또는 기타 전자 장치에 대한 최신 버전의 광학 감지 기능의 가용성을 유지하면서 장치 제조 및 제품 주기의 개선/업그레이드에 원하는 유연성을 제공한다. 구체적으로, 터치 감지 층 또는 OLED 디스플레이 층은 개시된 언더-스크린 광학 센서 모듈을 사용하는 지문 감지 특징에 대해 어떠한 중요한 하드웨어 변경도 추가하지 않고 다음 제품 출시에 업데이트될 수 있다. 또한, 이러한 광학 센서 모듈에 의한 지문 감지 또는 다른 광학 감지 기능을 위한 개선된 온-스크린 광 감지는 추가적인 광학 센싱 기능을 추가하는 것을 포함한, 폰 어셈블리 설계에 대해 큰 변경 필요 없이 새로운 버전의 언더-스크린 광학 센서 모듈을 사용하여 신제품 출시에 추가될 수 있다.
개시된 광학 센서 기술의 이상의 특징 및 다른 특징은 개선된 지문 감지 및 다른 감지 기능을 갖는 차세대 전자 장치, 특히 백라이트를 사용함이 없이 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린(예를 들어, OLED 디스플레이 스크린)을 포함하는 스마트폰, 태블릿 및 다른 전자 장치를 제공하도록 구현될 수 있어서 각종 터치 감지 동작 및 기능을 제공하고 이러한 장치에서 사용자 경험을 향상시킬 수 있다.
개시된 기술적 특징의 구현 예에서, 손목 밴드 장치 또는 시계와 같은 웨어러블 장치에서 생의학 센서, 예를 들어, 심장박동 센서와 같이, 추가의 감지 기능 또는 감지 모듈이 제공될 수 있다. 일반적으로, 전자 장치 또는 시스템에 서로 다른 센서가 제공되어 서로 다른 감지 동작 및 기능을 달성할 수 있다.
도 1은 본 명세서에 개시된 바와 같이 지문의 광 감지에 기초하여 광학 지문 센서를 포함하도록 구현될 수 있는 지문 센서(181)를 포함하는 지문 감지 모듈(180)을 갖는 시스템(180)의 일례의 블록도이다. 시스템(180)은 지문 센서 제어 회로(184) 및 디지털 프로세서(186)를 포함하며, 디지털 프로세서(186)는 지문 패턴을 처리하고 입력 지문 패턴이 인가된 사용자의 것인지를 판정하기 위한 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 지문 감지 시스템(180)은 지문 센서(181)를 사용해서 지문을 획득하고 그 획득된 지문을 저장되어 있는 지문과 비교해서 지문 감지 시스템(180)에 의해 보호되는 장치 또는 시스템(188)의 기능성을 작동 가능하게 하거나 작동하지 못하게 한다. 동작 시, 장치(188)에 대한 액세스는 포착된 사용자 지문이 인가된 사용자의 것인지에 기초해서 지문 처리 프로세서(186)에 의해 제어된다. 도시된 바와 같이, 지문 센서(181)는 지문의 적어도 일부를 집합적으로 나타내는 픽셀 182A-182E와 같은 복수의 지문 감지 픽셀을 포함할 수 있다. 예를 들어, 지문 감지 시스템(180)은 시스템(188)과 같은 ATM에서 구현되어 자금 또는 다른 거래에 액세스하려는 고객의 지문을 판정할 수 있다. 지문 센서(181)로부터 획득된 고객의 지문과 하나 이상의 저장된 지문과의 비교에 기초해서, 지문 감지 시스템(180)은 긍정 인식 시에는 ATM 시스템(188)이 사용자 계좌에 대해 그 요구된 액세스를 허가하게 하고, 부정 인식 시에는 그 액세스를 거부하게 할 수 있다. 다른 예에서, 장치 또는 시스템(188)은 스마트폰 또는 포터블 장치일 수 있으며 지문 감지 시스템(180)은 장치(188)에 통합된 모듈이다. 다른 예에서, 장치 또는 시스템(188)은 지문 센서(181)를 사용해서 입장을 허가 또는 거부하는 공장 또는 가정에서의 게이트 또는 보안 입구일 수 있다. 또 다른 예에서, 장치 또는 시스템(188)은 지문 센서(181)를 사용해서 엔진의 시동에 연결해서 자동차 또는 차량을 운행할 권한이 있는 사람인지를 인식하는 자동차 또는 다른 차량이다.
특정한 예로서, 도 2a 및 도 2b는 터치 감지 디스플레이 스크린 어셈블리 및 터치 감지 디스플레이 스크린 어셈블리 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 갖는 전자 장치(200)의 하나의 예시적 구현 예를 도시하고 있다. 이 특정한 예에서, 디스플레이 기술은 OLED 디스플레이 스크린 또는 백라이트를 사용함이 없이 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 다른 디스플레이 스크린에 의해 구현될 수 있다. 전자 장치(200)는 스마트폰 및 태블릿과 같은 포터블 장치일 수 있고 도 1에 도시된 바와 같은 장치(188)일 수 있다.
도 2a는 일부 현존하는 스마트폰 또는 태블릿에서 일부 특징과 유사할 수 있는 장치(200)의 전면을 도시한다. 장치 스크린은 전방 측 공간의 전체, 대다수 또는 상당 부분을 차지하는 장치(200)의 전면에 있고, 지문 감지 기능은 장치 스크린 상에 제공되고, 예를 들어, 장치 스크린 상에 손가락을 수용하기 위한 하나 이상의 감지 영역에 제공된다. 일례로서, 도 2a는 사용자가 지문 감지를 위한 손가락을 위치시키기 위해 가시적으로 인식 가능한 구역(zone) 또는 영역으로서 조명될 수 있는 손가락 접촉을 위한 장치 스크린 내의 지문 감지 구역을 도시한다. 이러한 지문 감지 구역은 이미지 디스플레이를 위한 장치 스크린의 나머지처럼 기능할 수 있다. 도시된 바와 같이, 장치(200)의 장치 하우징은 다양한 구현 예에서 오늘날 시장에 있는 다양한 스마트폰에서 공통적인 측면 제어 버튼을 지원하는 측면을 가질 수 있다. 또한, 도 2a의 장치 하우징의 좌측 상부 모서리에 일례로 도시된 바와 같이, 장치 스크린 외부의 장치(200)의 전면 상에 하나 이상의 선택 센서가 제공될 수 있다.
도 2b는 본 명세서에 개시된 광학 지문 감지와 관련하여 장치(200) 내의 모듈의 구조적 구성 예를 도시한다. 도 2b에 도시된 장치 스크린 어셈블리는 예를 들어, 상부에 터치 감지 층을 갖는 터치 감지 스크린 모듈, 및 디스플레이 층이 터치 감지 스크린 모듈 아래에 위치하는 디스플레이 스크린 모듈을 포함한다. 광학 센서 모듈은 터치 감지 스크린 모듈의 상부 표면으로부터의 복귀 광을 수신하여 포착하고, 복귀 광의 광 이미지를 추가 처리를 위한 픽셀 신호로 변환시키는 광 감지 픽셀의 광학 센서 어레이 또는 포토디텍터에 복귀 광을 안내하고 결상하기 위해 디스플레이 스크린 어셈블리 모듈에 연결된다. 광학 센서 모듈 아래에는 장치(200) 내의 광학 센서 모듈 및 다른 부품을 위한 특정의 전자 회로를 포함하는 장치 일렉트로닉스 구조체가 있다. 장치 일렉트로닉스는 장치 하우징 내부에 배치될 수 있고 도 2b에 도시된 바와 같이 광학 센서 모듈 아래에 있는 부품을 포함할 수 있다.
구현 예에서, 장치 스크린 어셈블리의 상부 표면은 (1) 디스플레이 이미지를 반송하는 광이 통과하여 뷰어의 눈에 도착하는 디스플레이 출력 표면, (2) 터치 감지 스크린 모듈에 의한 터치 감지 동작에 대한 사용자 터치를 수신하기 위한 터치 감지 계면, 및 (3) 온-스크린 지문 감지를 위한 광학적 인터페이스(및 가능하게는 하나 이상의 다른 광학 감지 기능)와 같이 복수의 기능을 제공하기 위해 사용자 터치 감지 표면으로서 기능하는 광학적 투명 층의 표면일 수 있다. 이 광학적 투명 층은 유리 또는 결정 층 또는 플렉서블 층과 같은 단단한 층일 수 있다.
백라이트를 사용하지 않는 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 스크린의 일례는 개별적인 발광 픽셀의 어레이를 갖는 OLED 디스플레이이고, 작은 홀의 어레이를 포함할 수 있고 광학적으로 투과할 수 있는 박막 트랜지스터(TFT) 구조체 또는 기판이며, OLED 픽셀을 보호하기 위한 커버 기판이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이 예에서의 광학 센서 모듈은 OLED 디스플레이 패널 아래에 배치되어 상부 터치 감지 표면으로부터의 복귀 광을 포착하고 사용자의 손가락이 상부 표면상의 감지 영역과 접촉할 때 지문 패턴의 고해상도 이미지를 획득한다. 다른 구현 예에서, 지문 감지를 위한 개시된 언더-스크린 광학 센서 모듈은 터치 감지 특징이 없는 장치 상에 구현될 수 있다. 또한, 적절한 디스플레이 패널은 OLED 디스플레이와는 다른 다양한 스크린 디자인일 수 있다.
또한, 도 2c 및 도 2d는 도 2a 및 도 2b의 광학 센서 모듈을 구현하는 장치의 예를 도시한다. 도 2c는 언더-스크린 광학 센서 모듈을 포함하는 장치의 일부의 단면도를 도시한다. 도 2d는 좌측에는 디스플레이 스크린의 하부에 지문 감지 영역을 나타내는 접촉 감지 디스플레이가 있는 장치의 정면도이고, 우측에는 디스플레이 스크린 어셈블리의 아래에 있는 광학 센서 모듈을 포함하는 장치의 일부의 사시도이다. 도 2d는 또한 회로 소자를 갖는 플렉서블 테이프의 레이아웃의 예를 도시한다.
도 2a, 도 2b, 도 2c 및 도 2d에서의 설계 예에서, 광학 지문 센서 설계는 모바일 장치의 표면 상의 디스플레이 스크린과 지문 센서 사이의 물리적 경계를 갖는 디스플레이 스크린과는 별도의 지문 센서 구조체(예를 들어, 일부 이동 전화 설계에서 상부 유리 커버의 개구부에 있는 구조체형의 버튼)를 사용하는 일부의 다른 지문 센서 설계와는 다르다. 여기에 도시된 설계에서, 지문 감지 및 다른 광학 신호를 검출하기 위한 광학 지문 센서는 커버 유리의 상부 표면이 수직으로 적층되고 수직으로 겹쳐지는 디스플레이 스크린 층과 광학 검출기 센서 모두를 가로질러 연속적이고 균일한 유리 표면으로서 기능하도록 상부 커버 유리 또는 층 아래에 위치한다(예를 들어, 도 2c). 공통의 균일한 표면 아래에 광학 지문 감지와 터치 스크린 디스플레이 스크린을 통합하기 위한 이 디자인은 장치의 소유권 기간에 향상된 장치 통합, 개선된 장치 패키징, 외부 소자에 대한 향상된 장치 내성, 장애 및 마모, 그리고 향상된 사용자 경험 등의 이점을 제공한다.
다양한 OLED 디스플레이 디자인 및 터치 감지 디자인은 도 2a, 2b, 2c 및 2d의 광학 센서 모듈 위의 장치 스크린 어셈블리에 사용될 수 있다. 도 3은 OLED 디스플레이 및 터치 센싱 어셈블리의 일례를 도시하며, 이것은 이 특허 문헌의 개시의 일부로서 참고 문헌으로 편입된 Apple, Inc에 의해 2015년 11월 19일자로 공개되고, 특허출원 발명의 명칭이 "Integrated Silicon-OLED Display and Touch Sensor Panel"인 미국 특허 출원 공보 제 US2015/0331508A1 호의 도 7b이다. OLED는 수동-매트릭스 OLED(PMOLED), 액티브-매트릭스 OLED(AMOLED), 투과 OLED, 캐소드-공통 OLED, 애노드-공통 OLED, 화이트 OLED(WOLED) 및 RGB-OLED를 포함하는 다양한 유형 또는 구성으로 구현될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 다양한 유형의 OLED는 서로 다른 용도, 구성 및 장점을 가질 수 있다. 집적된 실리콘-OLED 디스플레이 및 터치 센서 패널을 갖는 시스템의 예에서, 시스템은 실리콘 기판, 트랜지스터의 어레이, 하나 이상의 금속화 층, 하나 이상의 비아, OLED 스택, 컬러 필터, 터치 센서, 그리고 추가 구성요소 및 회로를 포함할 수 있다. 추가 구성요소 및 회로는 정전기 방출 장치, 차광, 스위칭 매트릭스, 하나 이상의 포토다이오드, 근적외선 검출기 및 근적외선 컬러 필터를 포함할 수 있다. 집적된 Silicon-OLED 디스플레이 및 터치 센서 패널은 니어-필드 이미징, 광학-보조 터치 및 지문 검출을 위해 추가 구성이 가능하다. 일부 예에서, 복수의 터치 센서 및/또는 디스플레이 픽셀이 클러스터로 그룹화될 수 있고, 클러스터는 터치 및/또는 디스플레이 그래뉼래리티의 동적 변화를 위한 스위칭 매트릭스에 결합될 수 있다. 도 3의 OLED 예 및 다른 구현 예에서, 터치 센서 및 터치 감지 회로는 예를 들어, 구동 라인 및 감지 라인, 접지 영역 및 다른 회로와 같은 터치 신호 라인을 포함할 수 있다. 통합된 터치 스크린의 크기를 줄이는 한 가지 방법은 디스플레이상에 이미지를 생성하기 위해 디스플레이 시스템의 회로로서 동작하도록 설계된 디스플레이 회로의 일부를 형성할 수 있는 다기능 회로 소자를 포함하는 것일 수 있다. 다기능 회로 소자는 또한 디스플레이상에서 또는 그 부근에서 하나 이상의 터치를 감지할 수 있는 터치 감지 시스템의 터치 감지 회로의 일부를 형성할 수 있다. 다기능 회로 소자는 예를 들어 디스플레이 시스템의 디스플레이 회로의 저장 커패시터/전극, 공통 전극, 전도성 와이어/경로 등으로서 동작하도록 구성될 수 있고, 또한 터치 감지 회로의 회로 소자로서 동작하도록 구성될 수도 있는 LCD의 디스플레이 픽셀 내의 커패시터일 수 있다. 도 3의 OLED 디스플레이 예는 별도의 멀티-터치 패널 또는 OLED 디스플레이를 중첩하는 층을 필요로 하지 않고 OLED 디스플레이에 멀티-터치 기능을 포함하도록 구현될 수 있다. OLED 디스플레이, 디스플레이 회로, 터치 센서 및 터치 회로는 실리콘 기판 상에 형성될 수 있다. 실리콘 기판상에 집적된 OLED 디스플레이 및 터치 센서 패널을 제조함으로써, 인치 당 픽셀 수(PPI)가 매우 높게 달성될 수다. OLED 및 터치 센싱 구조에 대해서 도 3과 상이한 다른 구성도 가능하다. 예를 들어, 터치 감지 층은 OLED 디스플레이 어셈블리의 상부에 위치하는 어셈블리일 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 도시된 온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈은 다양한 구성으로 구현될 수 있다.
하나의 구현 예에서, 위의 설계에 기초한 장치는 터치 감지 동작을 제공하는 장치 스크린을 포함하도록 구성될 수 있고, 디스플레이 이미지를 형성하기 위해 각각 광을 방출할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 갖는 디스플레이 패널 구조, 터치 감지 동작을 위해 사용자가 터치하고 디스플레이 구조로부터 광을 전송하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층, 및 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하여 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀의 적어도 일부분에 의해 방출되고 손가락 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하는 광학 센서 모듈을 포함한다.
이 장치는 다양한 특징으로 추가로 구성될 수 있다.
예를 들어, 검출된 지문이 인증된 사용자의 지문과 일치하는 경우 장치에 사용자의 액세스를 허용하기 위해 장치 전자 제어 모듈이 장치에 포함될 수 있다. 또한, 광학 센서 모듈은 지문을 검출하는 것 외에, 검출된 지문과 관련된 상부 투명 층에서의 터치가 실제 사람으로부터의 터치인지를 나타내는 광학적 감지에 의해 지문과는 다른 생체 파라미터를 검출하도록 구성되며, 상기 장치 전자 제어 모듈은 (1) 검출된 지문이 인증된 사용자의 지문과 일치하고 (2) 검출된 생체 파라미터가 검출된 지문이 실제 사람으로부터의 지문을 나타내는 경우 상기 장치에 대한 사용자의 액세스를 허가하도록 구성된다. 생체 파라미터는 예를 들어 손가락이 혈류를 포함하는지 또는 사람의 심장박동을 포함하는지를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 장치는 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 공급하고 디스플레이 패널 구조에 의한 이미지 디스플레이를 제어하기 위해 디스플레이 패널 구조에 결합된 장치 전자 제어 모듈을 포함할 수 있으며, 지문 감지 동작에서 장치 전자 제어 모듈은 하나의 프레임에서 발광 디스플레이 픽셀을 턴 오프하고 다음 프레임에서 발광 디스플레이 픽셀을 턴 온하도록 동작해서 광학 센서 어레이가 발광 디스플레이 픽셀에 의한 조명을 사용하거나 사용하지 않은 두 개의 지문 이미지를 포착할 수 있게 하여 지문 감지 시에 배경 광을 감소한다.
다른 예를 들면, 장치 전자 제어 모듈은 디스플레이 패널 구조에 결합되어 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 공급하고 수면 모드에서 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단할 수 있으며, 장치 전자 제어 모듈은 광학 센서 모듈이 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역에서 사람의 피부의 존재를 검출할 때 디스플레이 패널 구조체를 수면 모드로부터 깨우도록 구성될 수 있다. 더 구체적으로, 일부 구현 예에서, 장치 전자 제어 모듈은 디스플레이 패널 구조체가 수면 모드에 있을 때 다른 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 동안, 하나 이상의 선택된 발광 디스플레이 픽셀은 간헐적으로 광을 방출하도록 동작시키고, 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역과 접촉하여 장치를 수면 모드에서 깨우는 사람의 피부가 있는지를 모니터링하기 위해 상기 지정된 지문 감지 영역으로 상기 간헐적으로 방출된 광을 지향시키도록 구성될 수 있다. 또한, 디스플레이 패널 구조체는 발광 디스플레이 픽셀 외에 하나 이상의 LED 라이트를 포함하며, 장치 전자 제어 모듈은 디스플레이 패널 구조체가 수면 모드에 있을 때 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 동안, 상기 하나 이상의 LED 라이트는 간헐적으로 광을 방출하도록 동작시키고, 상기 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역과 접촉하여 장치를 수면 모드에서 깨우는 사람의 피부가 있는지를 모니터링하기 위해 상기 지정된 지문 감지 영역으로 상기 간헐적으로 방출된 광을 지향시키도록 구성될 수 있다.
다른 예로서, 상기 장치는 광학 센서 모듈에 결합되어, 손가락의 터치를 감지하여 획득된 복수의 검출된 지문에 관한 정보를 수신하는 장치 전자 제어 모듈을 포함하며, 상기 장치 전자 제어 모듈은 상기 복수의 검출된 지문의 변화를 측정하고 상기 측정된 변화를 야기하는 터치 힘을 결정하도록 동작한다. 예를 들어, 상기 변화는 상기 터치 힘으로 인한 지문 이미지의 변화, 상기 터치 힘으로 인한 터치 영역의 변화, 또는 지문 융기의 간격의 변화를 포함할 수 있다.
다른 예로서, 상부 투명 층은 사용자가 지문 감지를 위해 손가락으로 접촉하도록 지정된 지문 감지 영역을 포함할 수 있고, 디스플레이 패널 구조체 아래의 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 기판과 접촉하여 디스플레이 패널 구조체로부터 방출되어 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하는 투과 블록, 및 상기 투과 블록 내의 수신 광을 광학 센서 어레이에 결상하는 광학 센서 어레이를 포함한다. 광학 센서 모듈은 지정된 지문 감지 영역과 관련해서 위치하고, 사람의 피부에 접촉이 없는 때는 지정된 광원으로부터의 복귀 광을 수신하지 않으면서 사람의 피부와 접촉할 때 상부 투명 층의 상부 표면에서의 내부 전반사를 통해 복귀 광을 선택적으로 수신하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에서, 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하여, 광학 쐐기와 접하는 디스플레이 패널 구조체의 하부 표면상의 전반사 조건을 수정함으로써 상기 하부 표면을 통해 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 추출할 수 있게 하는 광학 쐐기, 디스플레이 패널 구조체로부터 추출된 광을 광학 쐐기로부터 수신하는 광학 센서 어레이, 및 상기 광학 쐐기와 상기 광학 센서 어레이 사이에 위치하여 상기 광학 쐐기로부터의 광을 상기 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈을 포함하도록 구성될 수 있다.
온-스크린 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈의 특정한 예를 이하에 설명한다.
도 4는 도 4a 및 도 4b를 포함하고 도 2a 및 도 2b에서의 설계를 구현하는 디스플레이 스크린 어셈블리 아래의 광학 센서 모듈의 하나의 구현 예를 도시한다. 도 4의 장치는 상부 투명 층(431)이 장치 스크린 어셈블리(423) 위에 형성된 디스플레이 어셈블리(423)를 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 포함한다. 이 상부 투명 층(431)은 일부 구현 예에서 커버 유리 또는 결정 재료일 수 있다. 장치 스크린 어셈블리(423)는 상부 투명 층(431) 아래에 OLED 디스플레이 모듈(433)을 포함할 수 있다. OLED 디스플레이 모듈(433)은 무엇보다도 이미지를 표시하기 위한 광을 방출하는 OLED 픽셀의 어레이를 포함하는 OLED 층을 포함한다. OLED 층은 홀의 어레이 및 광 산란 대상으로서 광학적으로 작용하는 전극 및 배선 구조체를 가진다. OLED 층 내의 홀의 어레이는 OLED 층을 통해 상부 투명 층(431)으로부터 광을 전송하여 OLED 층 아래의 광학 센서 모듈에 도달하게 할 수 있고 OLED 층에 의해 야기되는 광 산란은 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈에 의한 광 검출에 영향을 준다. 장치 회로 모듈(435)은 OLED 디스플레이 패널 아래에 제공되어 장치의 동작을 제어하고 사용자가 장치를 동작시키는 기능을 수행한다.
이 특정한 구현 예에서 광학 센서 모듈은 OLED 디스플레이 모듈(433) 아래에 위치한다. 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 사용자가 지문 인식을 위해 손가락을 두는 장치 스크린 영역 내에서 상부 투명 층(531) 상의 지문 감지 구역(615)을 광을 방출하여 조명하도록 제어될 수 있다. 도시된 바와 같이, 손가락(445)은 지문 감지를 위한 유효 감지 구역으로서 그 조명된 지문 감지 구역(615)에 위치한다. 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀에 의해 조명된 구역(615) 내의 반사 또는 산란 광의 일부는 OLED 디스플레이 모듈(433) 아래의 광학 센서 모듈로 지향시키고 광학 센서 모듈 내의 포토디텍터 감지 어레이는 그러한 광을 수신하고 수신 광에 의해 반송된 지문 패턴 정보를 포착한다.
광학 지문 감지를 위한 조명 광을 제공하기 위해 OLED 디스플레이 패널 내의 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀을 사용하는 이러한 설계에서, 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 상대적으로 낮은 주기로 간헐적으로 턴 온 되도록 제어하여 광 감지 동작에 사용되는 광 전력을 절감한다. 예를 들어, OLED 패널 내의 OLED 픽셀 중 나머지는 (예를 들어, 수면 모드에서) 턴 오프되고, 지문 조명 구역(213) 내의 OLED 픽셀은 광학적 지문 감지를 수행하는 것과 OLED 패널을 깨우는 것을 포함하는, 광 감지 동작을 위해 조명 광을 간헐적으로 방출하도록 턴 온 될 수 있다. 지문 감지 동작은 일부 구현 예에서 2-단계 프로세스로 구현될 수 있다: 첫째, OLED 디스플레이 패널 내의 지문 조명 구역(613)의 수 개의 OLED 픽셀이 지문 조명 구역(613) 내의 다른 OLED 픽셀을 턴 온 시키지 않고 플래시 모드에서 턴 온 되어 플래시 광을 사용해서 지문이 감지 구역(615)을 터치하는지를 감지하며, 구역(615) 내의 터치가 검출되면, 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 지문 감지를 수행하도록 턴 온 되어 광 감지 모듈을 활성화시킨다. 또한, 지문 감지를 수행하도록 턴 온 되어 광 감지 모듈을 활성화할 때, 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 지문 감지를 위한 광 검출 성능을 개선하는 휘도 레벨, 예를 들어 이미지를 표시할 때 그 밝기 레벨보다 높은 휘도 레벨에서 동작할 수 있다.
도 4b의 예에서, 언더-스크린 광학 센서 모듈은, 디스플레이 패널에 결합되어 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀에 의해 초기에 방출되는 장치 어셈블리의 상부 표면으로부터 복귀 광을 수신하는 투과 블록(701) 및 광학적 결상 및 결장 포착을 수행하는 광 결상 블록(702)을 포함한다. 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀로부터의 광은 커버 상부 표면, 예를 들어, 사용자 손가락이 터치하는 감지 영역(615)에 있는 커버 상부 표면에 도달한 후, 그 커버 상부 표면으로부터 다시 반사되거나 산란된다. 감지 영역(615)에서 커버 상부 표면의 근접 접촉에서 지문이 융기할 때, 지문 융기 아래에서의 광 반사는 그 위치에서 접촉하는 손가락의 피부 또는 조직의 존재로 인해 손가락의 피부 또는 조직이 없는 지문 골 아래의 다른 위치에서의 광 반사와는 다르다. 커버 상부 표면 상의 터치 손가락 영역의 융기 부분 및 골 부분의 위치에서의 이러한 광 반사 조건의 차이는 손가락의 터치 부분의 융기 부분 및 골 부분의 이미지 또는 공간적 분포를 나타내는 이미지를 형성한다. 반사 광은 OLED 픽셀 쪽으로 다시 지향되고, OLED 디스플레이 모듈(433)의 작은 홀을 통과한 후, 광학 센서 모듈의 저 굴절률 광학 투과 블록(701)과의 계면에 도달한다. 저 굴절률 광학 투과 블록(701)은 OLED 디스플레이 패널이 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지도록 구성되므로 복귀 광은 OLED 디스플레이 패널로부터 광학 투과 블록(701)으로 추출될 수 있다. 복귀 광이 광학 투과 블록(701) 안으로 수신되면, 그러한 수신 광은 결상 감지 블록(702)의 일부로서 광학 결상 유닛에 진입하고 블록(702) 안의 포토디텍터 감지 어레이 또는 광 감지 어레이에 결상된다. 지문 융기 부분과 골 부분 간의 광 반사 차이는 지문 이미지의 대조를 생성한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 도 4는 결상 감지 블록(702) 및 메인 회로 보드 상의 장치 메인 프로세서(705)와 같은 다른 회로에 결합되어 있는 제어 회로(704)(예를 들어, 마이크로제어기 또는 MCU)이다.
이 특정한 예에서, 광학적 광 경로 설계는 그러한 광 빔이 기판과 공기 계면 간의 상부 표면 상의 전체 반사 각 내에서 커버 상부 표면에 입사하여 블록(702) 내의 결상 광학 기기 및 결상 센서 어레이에 의해 대부분 효과적으로 수집되는 것이다. 그러한 결상 시스템은 지문 감지에 악영향을 미칠 수 있는 원하지 않는 광 왜곡을 가질 수 있다. 따라서, 획득된 이미지는 광학 센서 어레이에서 복귀 광의 광 경로를 따르는 광 왜곡 윤곽에 기초하여 블록(702) 내의 광학 센서 어레이의 출력 신호를 처리하는 과정에서 결상 재구성 동안 왜곡 보정에 의해 추가로 보정될 수 있다. X 방향 라인 및 Y 방향 라인에서의 전체 감지 영역을 통해 한 번에 한 라인 픽셀씩 테스트 이미지 패턴을 스캐닝함으로써 포토디텍터 픽셀마다 포착된 이미지에 의해 왜곡 보정 계수가 생성될 수 있다. 이 보정 프로세스는 또한 한 번에 하나씩 개별 픽셀을 조정하고 이미지를 포토디텍터 어레이의 전체 이미지 영역을 통해 스캐닝하여 이미지를 사용할 수 있다. 이 보정 계수는 단지 센서의 어셈블리 후 한 번만 생성하면 된다.
환경으로부터의 배경 광(예를 들어, 태양광 또는 실내 광)은 OLED 디스플레이 어셈블리(433) 내의 TFT 기판 홀을 통해 OLED 패널 상부 표면을 통해 이미지 센서로 진입할 수 있다. 이러한 배경 광은 손가락으로부터 관심 있는 이미지에서 배경 기준선을 생성할 수 있으며 바람직하지 않다. 이 기준선 강도를 줄이기 위해 다른 방법을 사용할 수 있다. 일례는 특정 주파수 F에서 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀을 턴 온 및 턴 오프하는 것이며, 따라서 이미지 센서는 픽셀 구동 펄스 및 이미지 센서 프레임을 위상 동기화함으로써 동일한 주파수에서 그 수신된 이미지를 획득한다. 이 동작하에서, 이미지 위상 중 하나만이 픽셀로부터 방출된 광을 갖는다. 짝수 프레임 및 홀수 프레임을 감산함으로써, 지문 조명 구역(613) 내의 변조된 OLED 픽셀로부터 방출된 광으로 가장 많이 이루어진 이미지를 얻을 수 있다. 이 설계에 기초하여, 각각의 디스플레이 스캔 프레임은 한 프레임의 지문 신호를 생성한다. 한 프레임에서 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀을 턴 온하고 다른 프레임에서 턴 오프함으로써 두 개의 순차적인 프레임의 신호가 공제되면, 주변 배경 광 영향이 최소화되거나 실질적으로 제거될 수 있다. 구현 예에서, 지문 감지 프레임 레이트는 디스플레이 프레임 레이트의 절반일 수 있다.
지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀로부터의 광의 일부는 커버 상부 표면을 통과하여 손가락 조직으로 들어갈 수 있다. 이 부분의 광 파워는 주변에 산란되고 이 산란 광의 일부는 OLED 패널 기판의 작은 홀을 통과하여 결국 광학 센서 모듈의 결상 센서 어레이에 수집된다. 이 산란 광의 광 강도는 손가락의 피부색, 손가락 조직의 혈중 농도에 따라 다르며, 손가락 상의 이 산란 광에 의해 반송되는 이 정보는 지문 감지에 유용하며 지문 감지 작동의 일부로 검출될 수 있다. 예를 들어, 사용자의 손가락 이미지의 영역의 강도를 통합함으로써, 사용자의 심장 박동의 위상에 따라 혈중 농도의 증가/감소를 관찰할 수 있다. 이 서명은 사용자의 심장 박동 속도를 결정하거나, 사용자의 손가락이 실제 손가락인지 여부를 결정하거나, 스푸핑 장치(spoof device)에 가공된 지문 패턴을 제공하는 데 사용될 수 있다.
도 3의 OLED 디스플레이 예를 참조하면, OLED 디스플레이는 일반적으로 서로 다른 컬러 픽셀, 예를 들어 하나의 컬러 OLED 픽셀을 형성하는 인접한 적색 픽셀, 녹색 픽셀 및 청색 픽셀을 갖는다. 각 컬러 픽셀 내의 어떤 픽셀의 컬러가 턴 온 되도록 제어하고 대응하는 측정 강도를 기록함으로써, 사용자의 피부색이 결정될 수 있다. 예로서, 사용자가 지문 인증 동작을 위해 손가락을 등록하면, 광학 지문 센서는 또한 컬러 A, B에서의 손가락으로부터의 산란 광의 강도를 강도 Ia, Ib로서 측정한다. Ia/Ib 비율은 지문을 측정하기 위해 사용자의 손가락을 감지 영역에 놓았을 때 나중의 측정과 비교하기 위해 기록될 수 있다. 이 방법은 사용자의 피부색과 일치하지 않는 스푸핑 장치를 거부하는 데 도움이 될 수 있다.
일부 구현 예에서, OLED 디스플레이 패널이 턴 온 되지 않을 때 전술된 광학 센서 모듈을 사용하여 지문 감지 동작을 제공하기 위해, 지문 감지 조명을 제공하도록 지정된 하나 이상의 여분의 LED 광원(703)이 도 4에 도시된 바와 같이 투과 블록(701) 측 상에 배치될 수 있다. 이러한 지정된 LED 광(703)은 블록(702) 내의 이미지 센서 어레이를 제어하기 위한 동일한 전자 기기(704)(예를 들어, MCU)에 의해 제어될 수 있다. 지정된 LED 광(703)은 낮은 듀티 사이클에서, 간헐적으로 광을 방출하고 이미지 감지를 위한 펄스 광을 제공하도록 짧은 시간 동안 맥박칠 수 있다. 이미지 센서 어레이는 동일한 펄스 듀티 사이클에서 OLED 패널 커버 기판에서 반사된 광 패턴을 모니터링하도록 동작될 수 있다. 인간의 손가락이 스크린상의 감지 영역(615)을 터치하면, 블록(702) 내의 결상 감지 어레이에서 포착되는 이미지는 접촉 이벤트를 검출하는 데 사용될 수 있다. 블럭(702) 내의 이미지 센서 어레이에 연결된 제어 전자 기기 또는 MCU(704)는 터치가 인간의 손가락 터치에 의한 것인지를 판정하도록 동작될 수 있다. 인간의 손가락 터치 이벤트인 것으로 확인되면, MCU(704)는 스마트폰 시스템을 깨우거나, OLED 디스플레이 패널(또는 광학 지문 감지를 수행하기 위한 지문 조명 구역(613) 내의 적어도 턴 오프된 OLED 픽셀), 일반 모드를 사용하여 전체 지문 이미지를 획득하도록 동작할 수 있다. 블록(702) 내의 이미지 센서 어레이는 획득된 지문 이미지를 스마트폰 메인 프로세서(705)에 전송할 것이며, 스마트폰 메인 프로세서(705)는 포착된 지문 이미지를 그 등록된 지문 데이터베이스와 일치하도록 동작할 수 있다. 일치가 존재하면 스마트폰은 전화를 잠금해제하고 정상 작동을 시작한다. 포착된 이미지가 일치하지 않으면 스마트폰은 인증 실패를 사용자에게 알릴 것이다. 사용자는 다시 시도하거나 패스코드를 입력할 수 있다.
도 4의 예에서(특히, 도 4b), 언더-스크린 광학 센서 모듈은 광학 검출기 어레이와 함께 광 투과 블록(701) 및 결상 검출 블록(702)을 사용하여, 디스플레이 스크린의 상부 표면과 접촉하는 터치 손가락의 지문 패턴을 포토디텍터 감지 어레이 상에 광학적으로 결상한다. 감지 구역(615)으로부터 블록(702) 내의 광학 검출기 어레이까지의 광학 결상 축 또는 검출 축(625)이 도 4b에 도시되어 있다. 포토디텍터 감지 어레이 앞의 광학적 투과 블록(701) 및 결상 감지 블록(702)의 전단은 광학 지문 감지를 위한 적절한 결상을 달성하기 위한 벌크 결상 모듈을 형성한다. 이 결상 프로세스에서의 광학 왜곡으로 인해, 원하는 결상 작업을 달성하기 위해 왜곡 보정을 위에서 설명한 대로 사용할 수 있다.
도 4에서의 언더-스크린 광학 센서 모듈 및 여기서 개시된 다른 설계에 의한 광 감지에서, 상부 투명 층(431) 상의 감지 구역(615)으로부터 언더-스크린 광학 센서 모듈까지의 광학 신호는 서로 다른 광 컴포넌트를 포함한다. 도 5a 및 도 5b는 언더-스크린 광학 센서 모듈의 동작을 쉽게 이해하기 위해 2가지 서로 다른 광학 조건하에서 감지 구역(615)으로부터의 복귀 광을 위한 신호 생성을 도시한다.
도 5a는 상부 투명 층(431)을 통한 전송 후 OLED 디스플레이 모듈(433)로부터 어떻게 OLED-발광이 되고, 지문 패턴 정보를 언더-스크린 광학 센서 모듈로 반송하는 광 신호를 포함하는 서로 다른 복귀 광 신호를 어떻게 생성하는지를 도시한다. 2개의 서로 다른 위치에서의 2개의 OLED 픽셀(71 및 73)은 상부 투명 층(431)의 계면에서의 전반사를 경험함이 없이 상부 투명 층(431)으로 지향하는 OLED 출력 광 빔(80 및 82)을 방출하도록 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, OLED 광 빔(80)은 상부 투명 층(431)을 통해 전송된 후 상부 투명 층(431)과 접촉하는 손가락 융기 부분에 도달하여 손가락 조직에서 광 빔(183)을 생성하고 OLED 디스플레이 모듈(433)을 향해 다시 광 빔(181)을 생성한다. OLED 광 빔(82)은 상부 투명 층(431)을 통해 통과한 후 상부 투명 층(431) 위에 위치하는 손가락 골 부분에 도달하여 OLED 디스플레이 모듈(433) 쪽으로 다시 향하는 상부 투명 층(431)과의 계면으로부터 반사광 빔(185), 손가락 조직에 들어가는 제2 광 빔(189) 및 손가락 골 부분에 의해 반사된 제3 광 빔(187)을 포함한다.
도 5a의 예에서, 손가락 피부의 등가 굴절률은 550nm에서 약 1.44이고, 상부 투명 층(431)에 대한 커버 유리 굴절률은 약 1.51이라고 가정한다. 이러한 가정하에, 디스플레이 OLED 픽셀(71)은 손가락 피부 융기 부분 위치에서 턴 온 되어 빔(80)을 생성한다. 손가락 융기-커버 유리 계면은 반사광(181)으로서 빔(80)의 일부를 OLED 디스플레이 모듈(433) 아래의 하부 층(524)으로 반사시킨다. 반사율은 약 0.1 %로 낮다. 광 빔(80)의 대부분은 손가락 조직(60)으로 전송되는 빔(183)이 되어, 광(183)의 산란을 일으켜 OLED 디스플레이 모듈(433) 및 하부 층(524)을 향한 복귀 산란 광(191)을 생성한다. 손가락 조직 내의 OLED 픽셀(73)로부터 전송된 광 빔(189)의 산란 역시 복귀 산란광(191)에 기여한다.
손가락 피부 골 위치(63), 커버 유리 표면에서 디스플레이 OLED 그룹(73)으로부터의 빔(82)은 하부 층(524)으로 입사광(82) 파워(광(185))의 약 3.5%를 반사하며, 손가락 골 표면은 입사광 전력(광 (187))의 약 3.3%를 하부 층(524)으로 반사한다. 전반사는 약 6.8%이다. 대부분의 광(189)은 손가락 조직(60)으로 전송된다. 손가락 조직 내의 투과 광(189)에서의 광 파워의 일부는 조직에 의해 산란되어 하부 층(524)을 향한 산란광(191)에 기여한다.
따라서, 터치 손가락의 손가락 골 부분과 손가락 융기 부분에서의 다양한 계면 또는 표면으로부터의 광 반사는 상이하고, 그 반사율 차는 지문 지도 정보를 반송하며, 손가락과 접촉하여 OLED 광을 조명하는 그 부분의 지문 패턴을 추출하도록 측정될 수 있다.
도 5b는 상부 투명 층(431)과의 계면에서의 전반사 조건하에서 OLED 디스플레이 모듈(433)로부터 어떻게 OLED-발광이 되고, 지문 패턴 정보를 언더-스크린 광학 센서 모듈로 반송하는 광 신호를 포함하는 서로 다른 복귀 광 신호를 어떻게 생성하는지를 도시한다. 커버 유리(431)와 OLED 디스플레이 모듈(433)은 그 사이에 에어 갭 없이 함께 접착되어, 커버 유리(431)에 큰 입사각을 갖는 OLED 픽셀(73)에 의해 방출된 OLED 광 빔이 커버 유리-에어 계면에서 전반사될 것이다. 디스플레이 OLED 픽셀(73)이 턴 온 되면, 발산 광 빔은 3개의 그룹: (1) 전반사가 없는 커버 유리(431)에 작은 입사각을 갖는 중심 빔(82), (2) 커버 유리(431)에 아무것도 접촉하지 않고 그리고 손가락이 커버 유리(431)에 닿았을 때 손가락 조직에 결합될 수 있을 때 커버 유리(431)에서 전반사되 높은 콘트라스트 빔(201, 202, 211, 212), 및 (3) 손가락 조직이 접촉하고 있는 위치에서도 커버 유리(431)에 전반사되는 매우 큰 입사 각을 갖는 탈출 빔으로 분할될 수 있다.
중심 광 빔(82)에 있어서, 커버 유리 표면은 하부 층(524)에 투과되는 광 빔(185)에 약 0.1%~3.5%를 반사하고, 손가락 피부도 하부 층(524)에 투과되는 광 빔(187)에 0.1%~3.3%를 반사한다. 반사율 차이는 광 빔(82)이 광 빔(82)이 손가락 피부 융기 부분(61)과 만나는지 또는 골 부분(63)과 만나는지에 따라 다르다. 나머지 광 빔(189)은 손가락 조직(60)에 결합된다.
고 콘트라스트 광 빔(201 및 202)에 있어서, 커버 유리 표면은 커버 유리 표면에 아무것도 터치 안 하면 광 빔(205 및 206)에 거의 100% 각각 반사한다. 손가락 피부 융기 부분이 광 빔(201 및 202) 위치에서 커버 유리 표면을 터치할 때, 대부분의 광 파워는 광 빔(203 및 204)에 의해 손가락 조직(60)에 결합된다.
고 콘트라스트 광 빔(211 및 212)에 있어서, 커버 유리 표면은 커버 유리 표면에 아무것도 터치 안 하면 광 빔(213 및 214)에 거의 100% 각각 반사한다. 손가락 피부 융기 부분이 커버 유리 표면을 터치하고 손가락 피부 골 부분이 광 빔(211 및 212) 위치에 있을 때, 광 파워는 손가락 조직(60)에 결합되지 않는다.
도 5a와 마찬가지로, 손가락 조직(60)에 결합되는 광 빔은 저-콘트라스트 광(191)을 형성하도록 손가락 조직에 의한 무작위 산란을 경험할 것이다.
그러므로 고 콘스트라스트 광 빔 조명 영역에서, 손가락 피부 융기 부분 및 골 부분은 서로 다른 광학적 반사를 야기하고 반사 차이 패턴은 지문 패턴 정보를 반송한다. 그 차이를 비교함으로써 고 콘트라스트 지문 신호가 달성될 수 있다.
개시된 언더-스크린 광 감지 기술은 도 2a 및 도 2b에서의 설계에 기초하여 지문을 광학적으로 포착하는 다양한 구성에 있을 수 있다.
예를 들어, 광 감지 모듈 내의 벌크 결상 모듈을 사용하는 광 결상에 기초하여 도 4b에의 특정한 구현 예는 다양한 구성으로 구현될 수 있다. 도 6, 7, 8, 9, 10, 11 및 12는 광 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈에 대한 다양한 구현 예 및 추가의 특징 및 동작에 대한 예를 도시한다.
도 6은 도 6a, 도 6b 및 도 6c를 포함하며 디스플레이 커버 유리(423)를 누르는 손가락(445)으로부터 지문을 포착하는 렌즈를 통해 광 결상에 기초하는 언더-스크린 광학 센서 모듈의 예를 도시한다. 도 6c는 도 6b에 도시된 광학 센서 모듈 부분의 확대도이다. 도 6b에 도시된 바와 같은 언더-스크린 광학 센서 모듈은 OLED 디스플레이 모듈(433) 아래에 위치하여, 상부 투명 층(431)의 상부 표면 상의 감지 구역(615)으로부터 복귀 광을 수신하도록 OLED 디스플레이 모듈(433)의 하부 표면에 결부되는 광학적 투명 스페이서(617), 감지 구역(615)으로부터 수신된 복귀 광을 포토디텍터 어레이(623)에 결상하도록 스페이서(617)와 포토디텍터 어레이(623) 사이에 위치하는 결상 렌즈(621)를 포함한다. 도 4b에서의 예의 결상 시스템과 마찬가지로, 광학 센서 모듈을 위한 이 도 6b에서의 결상 시스템도 이미지 왜곡을 경험할 수 있고 적절한 광학 보정 캘리브레이션을 사용하여, 예를 들어 도 4b의 시스템에서 설명된 왜곡 보정 방법을 사용하여 그러한 왜곡을 완화할 수 있다.
도 5a 및 도 5b에서의 가정과 마찬가지로, 커버 유리(523)에 있어서 550nm에서 약 1.44로 되는 손가락 피부의 등가 굴절률 및 약 1.51로 되는 베어 커버 유리 굴절률을 가정한다. OLED 디스플레이 모듈(433)이 에어 캡 없이 커버 유리(431)에 접착될 때, 내부 전반사는 내부 전반사는 계면에 대한 임계 입사각 이상에서 큰 각도로 발생한다. 커버 유리 상부 표면과 아무것도 접촉하지 않을 때 전반사 입사각은 약 41.8°이고, 손가락 피부가 커버 유리 상부 표면을 터치하면 전반사 각은 약 73.7°이다. 대응하는 전반사 각 차이는 약 31.9°이다.
이 설계에서, 마이크로 렌즈(621) 및 포토다이오드 어레이(623)는 감지 영역(615)에서 접촉 손가락의 이미지를 포착하기 위한 시야각 q를 규정한다. 이 시야각은 감지 구역(615) 내의 커버 유리 표면의 원하는 부분을 검출하기 위해 물리적 파라미터 또는 구성을 제어함으로써 적절하게 정렬될 수 있다. 예를 들어, 시야각은 OLED 디스플레이 어셈블리의 내부 전반사를 검출하도록 정렬될 수 있다. 구체적으로, 시야 각 q는 커버 유리 표면상의 유효 감지 영역(615)을 감지하도록 정렬된다. 유효 감지 커버 유리 표면(615)은 거울로 볼 수 있어서, 포토디텍터 어레이는 감지 커버 유리 표면(615)에 의해 포토디텍터 어레이에 투영되는 OLED 디스플레이 내의 시야 구역(viewing zone) 또는 지문 조명 구역(613)의 이미지를 효과적으로 검출한다. 시야 구역/지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀이 턴 온 되어 발광하면, 포토다이오드/포토디텍터 어레이(623)는 감지 커버 유리 표면(615)에 의해 반사되는 구역(613)의 이미지를 수신할 수 있다. 손가락이 감지 구역(615)을 터치하면, 광의 일부는 지문 융기 부분에 결합될 수 있고 이는 포토디텍터 어레이가 융기 부분의 위치로부터 광을 수신하여 지문의 더 어두운 이미지로 나타나게 할 것이다. 광 검출 경로의 기하학적 구조가 알려졌기 때문에, 광학 센서 모듈의 광 경로에서 발생하는 지문 이미지 왜곡을 보정할 수 있다.
구체적인 예로서, 도 6b에서 검출 모듈 중심 축에서 커버 유리 상부 표면까지의 거리 H가 2mm인 것으로 상정한다. 이러한 설계는 커버 유리 상의 폭 Wc를 갖는 5mm의 유효 감지 구역(615)을 직접적으로 커버할 수 있다. 스페이서(617) 두께를 조정하면 검출기 위치 파라미터 H를 조정할 수 있고, 유효 감지 구역 폭 Wc를 최적화할 수 있다. H는 커버 유리(431) 및 디스플레이 모듈(433)의 두께를 포함하기 때문에, 애플리케이션 설계는 이러한 층을 고려해야 한다. 스페이서(617), 마이크로 렌즈(621) 및 포토다이오드 어레이(623)는 상부 투명 층(431)의 하부 표면 상의 컬러 코팅(619) 아래에 집적될 수 있다.
도 7은 감지 구역(615)의 크기를 증가시키기 위해 도 6의 스페이서(617)를 대체할 특수 스페이서(618)를 사용함으로써 도 6에 도시된 광학 센서 모듈을 위한 광학 결상 설계의 추가의 설계를 고려하는 예를 도시한다. 스페이서(618)는 폭 Ws 및 두께 Hs로 설계되어 저 굴절률 RI를 가지며, OLED 디스플레이 모듈(433) 아래에 위치하는데, 예를 들어 OLED 디스플레이 모듈(433)의 하부 표면에 부착되어 있다(접착되어 있다). 스페이서(618)의 말단 면(end facet)은 마이크로 렌즈(621)와 접하는 각이 진 또는 경사면이다. 스페이서와 렌즈의 이러한 상대적 위치는 렌즈가 스페이서(617) 아래에 위치하는 도 6과는 다르다. 마이크로 렌즈(621) 및 포토다이오드(623)는 검출 각 폭 q로 광학 검출 모듈에 조립된다. 검출 축(625)은 스페이서(618)와 디스플레이 모듈(433) 사이의 계면 및 커버 유리(431)와 공기 사이의 계면에서의 광학 굴절로 인해 구부러진다. 국소 입사각 f1, f2는 구성요소 재료들의 굴절률 RIs, ns, nc, na에 의해 결정된다.
nc가 ns보다 크면, f1은 f2보다 크다. 따라서, 굴절은 감지 폭 Wc를 확대시킨다. 예를 들어, 손가락 피부의 등가 RI가 550nm에서 약 1.44이고 커버 유리 지수 RI가 약 1.51이라고 가정하면, 커버 유리 상부 표면에 아무것도 닿지 않으면 전체 반사 입사각은 약 41.8°로 추정되며, 손가락 피부가 커버 유리 상부 표면에 닿으면 전체 반사 각도는 약 73.7°이다. 해당 전반사 각도 차이는 약 31.9°이다. 스페이서(618)가 커버 유리와 동일한 재료로 이루어지고, 검출 모듈 중심으로부터 커버 유리 상부 표면까지의 거리가 2mm인 경우, 검출 각 폭이 q = 31.9°일 때, 유효 감지 영역 폭 Wc는 약 5mm이다. 해당 중심 축의 국부 입사각은 f1=f2=57.75°이다. 특수 스페이서(618)에 대한 재료의 굴절률 ns가 약 1.4이고 Hs가 1.2mm이면 검출 모듈은 f1 = 70°에서 기울어진다. 유효 감지 영역 폭은 6.5mm보다 커지도록 증가한다. 이러한 파라미터 하에서, 커버 유리의 검출 각 폭은 19°로 감소한다. 따라서, 광학 센서 모듈을 위한 결상 시스템은 상부 투명 층(431)상의 감지 영역(615)의 크기를 바람직하게 확대하도록 설계될 수 있다.
특수 스페이서(618)의 RI가 충분히 낮도록 (예를 들어, MgF2, CaF2 또는 공기를 사용하여 스페이서를 형성하도록) 설계되면, 유효 감지 영역(615)의 폭 Wc는 더 이상 커버 유리(431) 및 디스플레이 모듈(433)에 의해 제한되지 않는다. 원칙적으로, 검출 모듈이 충분한 분해능을 갖는다면, 유효 감지 영역은 모든 디스플레이 스크린을 커버하도록 증가될 수 있다.
개시된 광학 센서 기술이 패턴을 포착하기 위한 큰 감지 영역을 제공하는 데 사용될 수 있기 때문에, 개시된 언더-스크린 광학 센서 모듈은 손가락의 패턴뿐만 아니라 사용자 인증을 위한 관계자의 손바닥의 더 큰 패턴을 포착하고 검출하는 데 사용될 수 있다.
도 8은 디스플레이 스크린 표면과 관련된 광학 검출기 어레이의 검출 각 q' 및 렌즈(621)와 스페이서(618) 사이의 거리 L을 설정함으로써 도 7에 도시된 광학 센서 모듈에 대한 광학 결상 설계의 추가 설계 고려 사항의 예를 도시한다. 도 8a는 디스플레이 스크린 표면에 수직 방향의 단면도이고, 도 8b는 변위 스크린의 하부 또는 상부로부터의 장치의 도면을 도시한다. 충전 재료(filling material)(618c)는 렌즈(621)와 광학 검출기 어레이(623) 사이의 공간을 채우기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 충전 재료(618c)는 특수 스페이서(618)와 동일한 재로 또는 다른 상이한 재료일 수 있다. 일부 설계에서, 충전 재료(618c)는 공기 공간일 수 있다.
도 9는 도 7의 설계에 기초한 언더-스크린 광학 센서 모듈의 다른 예를 도시하며 여기서 OLED 디스플레이 모듈(433) 내의 시야 구역 또는 지문 조명 구역(613)은 감지 구역(615)에 추가 조명을 제공하기 위해 시야 영역(613)의 동일한 위치 또는 영역에 부착되거나 접착되는 하나 이상의 여분의 광원(614)을 포함하며, 따라서 광학 감지 동작에서 광 강도를 증가시킨다. 이것은 광 감지 감도를 향상시키는 방법 중 하나이다. 여분의 광원(614)은 팽창된 형태일 수 있거나, 유효 감지 영역(615) 내의 모든 지점이 조명되도록 시준된 형태일 수 있다. 여분의 광원(614)은 단일 소자 광원 또는 광원 어레이일 수 있다. 전술한 바와 같이, OLED 디스플레이 모듈(433)의 시야 구역 또는 지문 조명 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 OLED 디스플레이에 이미지를 디스플레이하는 데 사용되는 밝기 레벨보다 높은 광학 지문 감지 동작 중에 더 높은 휘도 레벨로 동작할 수 있다.
도 10은 광학 센서 어레이(623)에서의 광 검출을 개선하기 위해 얇은 쐐기 모양의 광 커플러(628)를 사용하는 언더-스크린 광학 센서 모듈의 예를 도시한다. 도 10의 도 10a는 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈을 갖는 장치 구조체의 단면을 도시하고, 도 10b는 장치 스크린의 평면도이다. (굴절률 ns를 갖는) 광학 쐐기(628)는 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하여, 광학 쐐기(628)와 접하는 디스플레이 패널 구조체의 하부 표면상의 전반사 조건을 변경하여 디스플레이 패널 구조체로부터 하부 표면을 통한 광 추출을 허용한다. 광학 센서 어레이(623)는 디스플레이 패널 구조로부터 추출된 광학 쐐기(628)로부터의 광을 수신하고 광학 결상 모듈(621)은 광학 쐐기(628)로부터 광학 센서 어레이(623) 상에 결상하도록 광학 쐐기(628)와 광학 감지 어레이(623) 사이에 위치한다. 도시된 예에서, 광학 쐐기(628)는 광학 결상 모듈과 광 감지 어레이(623)와 대면하는 경사진 광학 쐐기 표면을 포함한다. 또한, 도시된 바와 같이, 광학 쐐기(628)와 광학 결상 모듈(621) 사이에는 자유 공간이 존재한다.
광이 커버 유리(431)의 감지 표면에서 전반사되면, 반사율은 최고 효율인 100%이다. 그렇지만, 광은 커버 유리 표면에 평행한 경우에는 OLED 하부 표면(433b)에서도 전반사될 것이다. 쐐기 커플러(628)는 광이 광학 센서 어레이(623)에서의 검출을 위해 결합될 수 있도록 국부 표면 각을 수정하는데 사용된다. OLED 디스플레이 모듈(431)의 TFT 층의 미세 구멍은 언더-스크린 광 감지를 위해 OLED 디스플레이 모듈(431)을 통해 전송할 광을 위한 소망의 광 전파 경로를 제공한다. 광 전송 각이 너무 커지거나 TFT 층이 너무 두꺼워지면 실제 광 전송 효율은 점차 낮아질 수 있다. 커버 유리 굴절률이 1.5인 경우, 각도가 전반사 각도에 가까울 때, 즉 약 41.8°일 때, 지문 이미지는 양호하게 보인다. 따라서, 쐐기 커플러(628)의 쐐기 각은 2도가 되도록 조정되어 검출 효율이 높아지거나 최적화될 수 있다. 커버 유리의 굴절률을 높게 선택하면 전반사 각도가 작아진다. 예를 들어, 커버 유리가 굴절률이 약 1,76인 사파이어로 이루어진 경우, 전반사 각은 약 34.62°이다. 또한, 디스플레이에서의 검출 광 전송 효율도 향상된다. 따라서, 이 설계에서는 얇은 쐐기를 사용하여 검출 각도를 전반사 각도보다 높게 설정하고 및/또는 고 굴절률 커버 유리 물질을 사용하여 검출 효율을 향상시킨다.
도 6 내지 도 10의 언더-스크린 광학 센서 모듈에서, 상부 투과 표면상의 감지 영역(615)은 광학 센서 모듈의 검출 축(625)에 대해 수직 또는 수직이 아니므로, 감지 영역의 이미지 평면 역시 검출 축(625)에 대해 수직 또는 수직이 아니다. 따라서, 광학 검출기 어레이(523)의 평면은 광학 검출기 어레이(623)에서 고품질의 결상을 달성하기 위해 검출 축(625)에 대해 기울어질 수 있다.
도 11은 이 기울기에 대한 3가지 구성 예를 도시한다. 도 11의 (1)은 검출 축(625)이 검출 영역(615a)에 기울어져서 수직이 아닌 것을 도시한다. (2)에 도시 된 특정한 경우에, 검출 영역(615b)은 검출 축(625) 상에 있도록 정렬되고, 그 이미지 평면 역시 검출 축(625) 상에 위치할 것이다. 실제로, 렌즈(621)는 패키지를 간단하게 하기 위해 부분적으로 절단될 수 있다. 다양한 구현 예에서, 마이크로 렌즈(621)는 또한 투과형 또는 반사형일 수 있다. 예를 들어, 특정한 접근법이 (3)에 설명되어 있다. 결상 영역(615c)은 결상 미러(621a)에 의해 결상된다. 포토다이오드 어레이(623b)는 신호를 검출하도록 정렬된다.
렌즈(621)가 사용되는 위의 설계에서, 렌즈(621)는 광학 지문 감지를 위해 OLED 디스플레이를 통해 광의 투과를 허용하는 OLED 디스플레이 층에서의 구멍의 애퍼처보다 큰 유효 애퍼처를 갖도록 설계될 수 있다. 이러한 설계는 OLED 디스플레이 모듈에서 배선 구조 및 다른 산란 대상의 바람직하지 않은 영향을 감소시킬 수있다.
개시된 지문 기술의 일부 구현 예에서, 광학 센서 어레이(623)에서의 지문 감지 콘트라스트는 지문 터치 감지에서 지문 패턴을 포착하기 위한 조명을 제공하는 디스플레이 스크린의 OLED 픽셀(613)을 제어함으로써 향상될 수 있다. 예를 들어, 터치의 존재로 인해 지문 센서가 활성화될 때, 국부 시야 구역(613) 내의 OLED 픽셀은 높은 밝기로 턴 온 되어 지문 감지 콘트라스트를 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 국부 시야 구역(613) 내의 OLED 픽셀의 밝기는 국부 시야 구역(613)의 동일한 OLED 픽셀이 정규 디스플레이로 사용될 때의 그 최대 밝기보다 더 높도록 제어될 수 있다.
도 12는 지문 감지에서의 배경 광으로부터의 원하지 않는 기여를 줄이거나 제거하기 위한 지문 센서의 동작의 예를 도시한다. 광학 센서 어레이는 다양한 프레임을 포착하는 데 사용될 수 있으며 포착된 프레임을 사용하여 여러 프레임 간의 차등 및 평균화 작업을 수행하여 배경 조명의 영향을 줄일 수 있다. 예를 들어, 프레임 A에서 OLED 디스플레이는 손가락 터치 영역을 조명하기 턴 온 되고 프레임 B에서는 조명이 변경되거나 턴 오프 된다. 바람직하지 않은 배경 광 영향을 감소시키기 위해 프레임 A의 신호로부터 프레임 B의 신호의 뺄셈이 이미지 처리에서 사용될 수 있다.
지문 감지에서의 원하지 않는 배경 광은 또한 광 경로에서 적절한 광학 필터링을 제공함으로써 감소될 수 있다. 하나 이상의 광학 필터를 사용해서 근 적외선(near IR) 및 적색 광의 일부 등과 같은 환경 광 파장을 배제하기 위해 사용될 수 있다. 일부 구현 예에서, 이러한 광학 필터 코팅은 디스플레이 하부 표면, 프리즘 표면, 센서 표면 등을 표면 포함하는 광학 부품의 표면 상에 제조될 수 있다. 예를 들어, 인간의 손가락은 ~580nm 이하의 파장의 에너지를 대부분 흡수하는데, 580nm에서 적외선까지의 파장의 광을 배제하도록 하나 이상의 광학 필터 또는 광학 필터링 코팅을 설계할 수 있다면, 환경 광으로부터의 지문 감지에서 광학 검출에 대한 원하지 않는 기여를 크게 감소할 수 있다.
도 13은 광학 센서 모듈에서의 이미지 왜곡을 보정하기 위한 동작 처리의 일례를 나타낸다. 단계 1301에서, 특정 디스플레이 픽셀이 제어되어 특정 영역에서 발광하도록 작동되고, 이러한 픽셀의 발광은 주파수 F에 의해 변조된다. 단계 1302에서, 디스플레이 패널 아래의 결상 센서는 동일한 주파수 F의 프레임 레이트에서 이미지를 포착하도록 작동한다. 광학 지문 감지 동작에서, 손가락은 디스플레이 패널 커버 기판의 상부에 놓이고, 손가락의 존재는 디스플레이 패널 커버 기판 상부 표면의 광 반사 강도를 변조시킨다. 디스플레이 아래의 결상 센서는 지문 변조 반사광 패턴을 포착한다. 단계 1303에서, 이미지 센서로부터의 신호의 복조가 주파수 F와 동기화되고, 배경 차감이 수행된다. 결과적인 이미지는 감소된 배경 조명 효과를 가지며 픽셀 발광으로부터 이미지를 포함한다. 단계 1304에서, 포착 이미지는 처리되어 이미지 시스템 왜곡을 보정하기 위해 처리되어 교정된다. 단계 1305에서, 보정 이미지는 사용자 인증을 위해 사람의 지문 이미지로 사용된다.
사용자의 지문을 포착하기 위해 사용되는 것과 동일한 광학 센서는 도 5a 및 도 5b의 후방 산란 광(191)에 의해 도시된 바와 같이 조명된 손가락으로부터의 산란 광을 포착하는 데에도 사용될 수 있다. 관심 영역 내의 도 5a 및 5b의 후방 산란 광(191)으로부터의 검출기 신호는 집적되어 강도 신호를 생성할 수 있다. 이 강도 신호의 강도 변화를 평가하여 사용자의 심박수를 결정한다.
상기 지문 센서는 인가된 사용자의 지문을 획득할 수 있는 악의적인 개인에 의해 해킹될 수 있으며, 도난된 지문 패턴을 사람의 손가락과 유사한 캐리어 대상에 복사할 수 있다. 이러한 인증되지 않은 지문 패턴은 지문 센서에서 사용되어 대상 장치의 잠금을 해제할 수 있다. 따라서 고유한 생체 인식 인식자이지만 지문 패턴은 그 자체만으로는 완전히 신뢰할 수 있거나 안전한 인식이 될 수 없다. 또한, 언더-스크린 광학 센서 모듈은 지문 패턴을 갖는 입력 대상이 실제 사람의 손가락인지의 여부 및 지문 입력이 지문 스푸핑 공격(fingerprint spoofing attack)인지의 여부를 판단하기 위한 광학 스푸핑 방지 센서로서 사용될 수도 있다. 이 광학 스푸핑 방지 기능은 별도의 광학 센서를 사용하지 않고도 제공될 수 있다. 광학 스푸핑 방지는 지문 감지 동작의 전반적인 응답 속도를 저하하지 않으면서 고속 응답을 제공할 수 있다.
도 14a는 광학 흡수가 가시 스펙트럼 범위, 예를 들어 660nm에서의 적색 광 및 적외선 범위, 예를 들어 940nm에서의 IR 광 사이에서 상이한 혈액에서 모니터링되는 물질의 예시적인 광학 흡광 계수(optical extinction coefficient)를 나타낸다. 탐침 광을 사용하여 제1 가시 파장(컬러 A) 및 IR 파장(컬러 B)과 같은 제2 상이한 파장에서 손가락을 조명함으로써, 입력 대상의 광학 흡수의 차이를 포착하여 터치된 대상이 실제 사람의 손가락인지를 판단할 수 있다. OLED 픽셀은 서로 다른 색상의 빛을 방출하는 OLED 픽셀을 포함하여 적어도 두 개의 서로 다른 광학 파장의 탐침 광을 방출하기 때문에 실제 손가락 검출을 위해 혈액의 다른 광학 흡수 거동을 사용한다. 사람의 심장박동이 있을 때, 맥박 압력은 혈액을 펌핑하여 동맥에 흐르게 하므로 혈액에서 모니터링되는 물질의 소광비(extinction ratio)가 맥박과 함께 변한다. 수신된 신호는 펄스 신호를 반송한다. 혈액의 이러한 성질은 모니터링되는 물질이 실제 지문인지 아니면 가짜 지문인지를 검출하는 데 사용될 수 있다.
도 14b는 무생물 물질(예를 들어, 스푸핑된 손가락) 및 실제 손가락으로부터의 반사광에서의 광 신호 거동을 비교한 도면이다. 광학 지문 센서는 심장박동 센서로 작동하여 살아있는 유기체를 모니터링 할 수 있다. 탐침 광의 2개 이상의 파장이 검출될 때, 소광비 차이는 모니터링된 물질이 실제 지문과 같은 살아있는 유기체인지를 신속하게 결정하는데 사용될 수 있다. 도 14b에 도시된 예에서, 상이한 파장의 탐침 광이 사용되었는데, 도 14a에 도시된 바와 같이 하나는 가시 파장에서, 다른 하나는 IR 파장에서 사용되었다.
무생물 재료가 지문 센서 모듈 위의 상부 커버 유리에 닿으면, 수신 신호는 무생물 재료의 표면 패턴과 상관되는 강도 수준을 나타내며 수신 신호에는 실제 사람의 손가락과 관련된 신호 성분이 포함되어 있지 않다. 그렇지만, 실제 사람의 손가락이 상부 커버 유리에 닿으면, 수신 신호는 다른 파장에 따라 소광비가 다르므로 분명히 다른 강도 수준을 포함하는, 실제 사람과 관련된 신호 특성을 나타낸다. 이 방법은 터치 물질이 실제 사람의 일부인지를 판정하는 데 오랜 시간이 걸리지 않는다. 도 14b에서, 펄스 형 신호는 혈액 펄스 대신에 복수의 터치를 반영한다. 무생물 재료를 사용한 유사한 복수의 터치는 실제 손가락으로 야기되는 차이를 보이지 않는다.
상이한 광학 파장에서의 혈액의 상이한 광 흡수 거동의 광 감지는 실제 손가락 검출을 위해 짧은 기간에 수행될 수 있고 동일한 광학 센서를 사용하는 사람의 심장박동의 광학 검출보다 더 빠를 수 있다.
도 15는 OLED 픽셀을 조작하여 손가락을 2개의 상이한 옅은 색으로 조명함으로써 OLED 디스플레이 스크린과 접촉하는 대상이 실제 사람의 손가락의 일부인지를 판정하기 위한 동작 프로세스의 일례를 도시한다.
또 다른 예를 들면, 개시된 광학 센서 기술은 손가락 또는 손바닥의 포착되거나 검출된 패턴이, 상이한 광학 파장에서의 혈액의 전술한 다른 광 흡수 이외의 다른 메커니즘에 의한 "실제 손가락" 검출 메커니즘에 의해 실제 사람의 손인지를 검출하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 실제 사람의 손가락은 사람의 (의도했거나 의도하지 않은) 자연스러운 이동이나 움직임으로 인해 움직이거나 늘어나거나 혈액이 심장 박동과 관련하여 사람의 신체를 통해 흐를 때 맥박이 뛰는 경향이 있다. 일 구현 예에서, 광학 센서 모듈은 심장박동/혈류 변화에 기인한 손가락 또는 손바닥으로부터의 복귀 광의 변화를 검출할 수 있고, 따라서 손가락 또는 손바닥으로 제시된 대상에 실제 심장박동이 있는지를 검출할 수 있다. 사용자 인증은 액세스 제어를 향상시키기 위해 지문/손바닥 패턴의 광학 감지와 실제 사람의 존재에 대한 긍정 결정 모두의 조합을 기반으로 할 수 있다. 또 다른 예로서, 사람이 OLED 디스플레이 스크린을 터치하면, 지문 패턴 변형, 손가락과 스크린 표면 간의 접촉 영역의 변화, 지문 융기 확장, 또는 혈류 역학 변화를 포함한 하나 이상의 방식으로 터치 힘의 변화가 반영될 수 있다. 이러한 변환 및 다른 변화는 개시된 광학 센서 기술에 기초한 광학적 감지에 의해 측정될 수 있고 터치 힘을 계산하는데 사용될 수 있다. 이 터치 힘 감지는 지문 감지를 외에 광학 센서 모듈에 더 많은 기능을 추가하는 데 사용될 수 있다.
지문 패턴이 도 4b 및 도 6b에 도시된 바와 같이 결상 모듈을 통해 광학 센서 어레이 상에 포착되는 위의 예에서, 광학 왜곡은 이미지 감지 충실도를 저하시키는 경향이 있다. 이러한 광학 왜곡은 다양한 방법으로 보정될 수 있다. 도 16은 지문 감지를 위해 광학 센서 어레이에 의해 출력된 결상 감지 신호를 교정하기 위해 OLED 디스플레이에 의해 생성된 표준 교정 패턴의 예를 도시한다. 지문 감지 모듈은 표준 패턴의 이미지를 참조하는 출력 좌표를 교정한다.
이 특허 문헌의 개시에 비추어, 개시된 바와 같은 광학 센서 모듈에 대한 다양한 구현이 이루어질 수 있다.
예를 들면, 각 픽셀이 발광하고 개별적으로 제어될 수 있는 디스플레이 패널이 구성될 수 있으며; 상기 디스플레이 패널은 적어도 부분적으로 투명 기판; 및 실질적으로 투명한 커버 기판을 포함한다. 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 표면의 상부에 이미지 형태를 감지하기 위해 디스플레이 패널 아래에 배치된다. 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 픽셀로부터 방출되는 광으로부터 이미지 형태를 감지하는 데 사용할 수 있다. 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 기판보다 굴절률이 낮은 투명 블록, 결상 센서 어레이 및 광학 이미징 렌즈를 갖는 이미징 센서 블록을 포함할 수 있다. 일부 구현 예에서, 저 굴절률 블록은 1.35 내지 1.46 또는 1 내지 1.35 범위의 굴절률을 갖는다.
다른 예로서, 디스플레이 패널로부터의 발광이 커버 기판에서 반사되고, 커버 기판의 상부에 놓인 손가락이 광과 상호작용하여 지문에 의해 광 반사 패턴을 변조시키는 지문 감지 방법이 제공될 수 있다. 디스플레이 패널 아래의 결상 감지 모듈은 반사광 패턴 이미지를 감지하고 지문 이미지를 재구성하는 데 사용된다. 일 실시 예에서, 디스플레이 패널로부터의 발광은 시간 도메인에서 변조되고, 결상 센서는 방출 픽셀의 변조와 동기화되며, 여기서 복조 프로세스는 배경 광(목표로 되는 픽셀로부터가 아닌 광)의 대부분을 배제할 것이다.
광학 지문 감지를 위한 개시된 언더-스크린 광학 센서 모듈에 대한 다양한 설계 고려사항은 미국 가특허출원 제62/289,328호 및 미국 가특허출원 제62/330,833호의 일부로서 발명의 명칭이 "다기능 지문 센서 및 패키징"(텍스트 41페이지 및 도면 26장) 및 2016년 6월 20일 USPTO에 출원되고 발명의 명칭이 "광학 감지 능력이 있는 다기능 지문 센서"인 국제특허출원 PCT/US2016/038445(2015년 6월 18에 출원되고 2016년 12월 22일에 No. WO2016/205832로 공개된 미국 가특허출원 제62/181,718호로부터 우선권을 주장한다) 및 2016년 11월 2일 SIPO에 출원된 "지문 스푸핑에 대한 광학적 감지를 갖는 다기능 지문 센서"(2015년 11월 2일에 출원되어 번호 제____하에 공개된 미국 가특허출원 제62/249,832호로부터 우선권을 주장한다)에 첨부 3에서 추가로 설명되어 있다. 전술한 특허출원의 전체 내용은 본 특허 명세서의 개시의 일부로서 참고 문헌으로 병합된다.
본 명세서에 개시된 지문 감지를 위한 언더-스크린 광학 센서 모듈 기술의 다양한 구현 예에서, 언더-스크린 광학 센서 모듈의 광학 센서 어레이에 대한 손가락의 조명된 터치 부분의 광학적 결상은 광학 조명하에서 손가락의 터치 부분으로부터의 복귀 광을 결상함으로써 렌즈와 같은 결상 모듈을 사용함이 없이 달성될 수 있다. 결상 모듈이 없는 광학 지문 감지에 대한 하나의 기술적 과제는 광학 센서 어레이에서 손가락의 터치 부분 상의 서로 다른 위치로부터의 복귀 광을 공간적으로 스크램블링할 수 있는 복귀 광의 확산을 어떻게 제어하느냐 이고 서로 다른 위치의 공간 정보는 그러한 복귀 광이 광학 센서 어레이에 도달할 때 손실될 수 있다. 이 과제는 광 감지에 의해 지문을 감지하기 위해 언더-스크린 광학 센서 모듈의 광 결상 모듈을 교체하기 위해 광 콜리메이터 또는 핀홀 어레이를 사용하여 해결할 수 있다. 이러한 광학 지문 송신을 구현하기 위한 장치는 터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린; 상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈을 포함하고, 상기 광학 센서 모듈은 복귀 광을 수신하는 광학 센서 어레이와, 상기 광학 센서 어레이에 대한 복귀 광의 경로에 위치하는 광학 콜리메이터 또는 핀홀의 어레이를 포함한다. 광학 콜리메이터 어레이는 디스플레이 패널 구조로부터의 복귀 광을 수집하고, 수집된 복귀 광을 광학 센서 어레이로 향하게 하면서 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하는데 사용된다.
콜리메이터를 이용한 결상은 서로 다른 위치의 다른 콜리메이터를 사용하여 지문의 서로 다른 영역의 광을 광학 검출기 어레이의 서로 다른 광학 검출기로 공간적으로 분리한다. 콜리메이터를 따르는 각 콜리메이터의 두께 또는 길이는 각 콜리메이터의 광학 시야의 좁은 필드를 제어하도록 설계될 수 있는데, 예를 들어, 조명된 손가락의 작은 영역에서만 나오는 광은 각 콜리메이터에 의해 포착되어 광학 검출기 어레이 내의 몇 개의 인접 광학 검출기에 투사된다. 예를 들어, 콜리메이터를 따르는 각 콜리메이터의 두께 또는 길이는, 예를 들어, 수백 마이크론 정도로 크게 설계될 수 있어서, 각 콜리메이터의 광학적 시야는 콜리메이터가 광학 검출기 어레이, 예를 들어 광학 검출기 어레이의 하나의 광학 검출기 또는 몇 개의 인접 광학 검출기 상의 작은 영역(예를 들어, 일부의 경우에서 광학 검출기 어레이의 각각의 측 상에 수십 마이크론의 영역)으로 결상 광을 전달하도록 허용할 수 있다.
다음 장에서는 지문 정보를 포착하기 위한 용량성 센서와 지문 정보를 포착하기 위한 광학 센서를 각각 가지는 하이브리드 감지 픽셀에서 광학 지문 감지 시에 광학 콜리메이터를 사용하는 예에 의한 언더-스크린 광학 지문 감지를 위해 광학 콜리메이터 또는 핀홀의 어레이를 사용하는 방법을 설명한다.
도 17a 및 도 17b는 용량성 감지와 광학적 감지를 동일한 감지 픽셀 내에서 결합하는 하이브리드 감지 픽셀 설계의 2가지 예를 도시한다.
도 17a는 지문 정보를 포착할 때 센서 픽셀 어레이의 각 센서 픽셀에 대한 광학 센서에 추가하여 용량성 센서를 포함하는 지문 센서 장치(2100)의 예를 도시한다. 용량성 센서와 광학 센서를 결합함으로써 광학 센서로 얻은 지문 이미지를 사용하여 용량성 센서로 얻은 3D 지문 구조체를 더 잘 해결할 수 있다. 설명의 목적상, 도 17a에 도시된 구조체는 센서 픽셀 어레이 내의 하나의 센서 픽셀을 나타내고, 각 센서 픽셀은 동일한 픽셀 내에서 서로 옆에 배치되는 광학 센서(2102) 및 용량성 센서(2114)를 포함한다.
광학 센서(2102)는 손가락(2102)으로부터 반사광(2124)을 포토디텍터(2108) 쪽으로 좁히거나 집중시키기 위해 포토디텍터(2108) 및 포토디텍터(2108) 위에 배치된 콜리메이터(2106)를 포함한다. LED(도시되지 않음)와 같은 하나 이상의 광원이 콜리메이터(2106) 주위에 배치되어 광을 방출하는데, 이 광은 반사광(2124)으로서 손가락에서 반사되어 손가락(2102)의 지문 이미지의 일부를 포착하기 위해 대응하는 포토디텍터(2108)를 향하여 지향되거나 집중된다. 콜리메이터(2106)는 광 섬유 다발 또는 홀 또는 개구부를 갖는 하나 이상의 금속층을 포함할 수 있다. 광학 검출기 어레이 위의 복수의 광학 콜리메이터를 이와 같이 사용하는 것은 신뢰할 수 있는 광학 지문 감지를 위해 원하는 공간 해상도로 지문 이미지를 포착하기 위한 무렌즈(lensless) 광학 설계로 사용될 수 있다. 도 17a는 홀 또는 개구(2112)를 갖는 하나 이상의 금속층(2110)을 사용하여 구현된 콜리메이터(2106)를 도시한다. 도 17의 상부 구조체 또는 층(2104)과 포토디텍터(2108) 사이의 층에서의 콜리메이터(2106)는 광섬유 또는 하나 이상의 층(예를 들어, 실리콘 또는 금속)의 홀 또는 개구에 의해 형성된 복수의 개별적인 광학 콜리메이터를 포함하고, 이러한 개개의 광학 콜리메이터 각각은 각각의 광학 콜리메이터의 길이 방향을 따르는 방향으로 또는 도시된 바와 같이 각각의 개구 또는 홀의 상단 개구에 의해 그리고 관형 구조에 의해 포착될 수 있는 작은 각도 범위 내에서 광선(2124)을 수신하므로 각각의 광학 콜리메이터의 길이 방향으로부터 큰 각으로 입사하는 광선이 각각의 콜리메이터에 의해 광학 콜리메이터의 다른 쪽 끝의 광학 포토다이오드에 도달하는 것이 거부된다.
각각의 감지 픽셀의 용량성 감지 부분에서, 용량성 센서(2114)는 감지 픽셀 근처에 있거나 접촉하는 손가락의 일부에 전자기적으로 결합되어 용량성 감지를 수행하는 용량성 센서 플레이트(2116)를 포함한다. 더 구체적으로, 용량성 센서 플레이트(2116) 및 손가락(2102)은 손가락(2102)이 옵션 커버(2104) 또는 지문 센서 장치(2100)를 실행하는 모바일 장치상의 커버에 접촉하거나 상당히 가까이 있을 때 하나 이상의 용량성 소자(2122)의 2개의 플레이트로서 상호작용한다. 용량성 센서 플레이트(2116)의 수는 용량성 센서(2114)의 디자인에 기초하여 변할 수 있다. 용량성 센서 플레이트(2116)는 하나 이상의 금속층을 사용해서 구현될 수 있다. 용량성 센서 플레이트(2116)는 용량성 센서 회로(2120)에 통신 가능하게 결합되어 있어서 용량성 센서 회로(2120)는 용량성 센서 플레이트(2116)로부터의 신호를 처리하여 3D 지문 구조를 나타내는 데이터를 획득할 수 있다. 용량성 센서 플레이트(2116)와 용량성 센서 회로 사이에 라우팅 또는 차폐 용량성 센서를 배치하여 금속 플레이트(2116)를 전기적으로 차폐한다. 용량성 센서 회로(2120)는 용량성 센서 플레이트(2116)와 포토디텍터(2108) 모두에 통신 가능하게 결합되어 용량성 센서 플레이트(2116)로부터의 신호 및 포토디텍터(2108)로부터의 신호를 모두 처리할 수 있다. 도 17a에서, 각각의 하이브리드 감지 픽셀 내의 용량성 센서 및 광학 센서는 공간적으로 겹치지 않게 서로 인접해서 떨어져 있다.
구현 예에서, 광학 콜리메이터와 같은 도 17a의 하이브리드 센서 설계에서의 광학 감지 특징은 언더-스크린 광학 센서 모듈에서 사용될 수 있다. 따라서, 도 17a의 광학 콜리메이터 특성을 갖는 광학 감지는 모바일 장치 또는 전자 장치에서 구현될 수 있으며 모바일 장치 또는 전자 장치는 디스플레이 스크린 구조; 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 스크린 구조체로부터의 광을 전송하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 디스플레이 스크린 구조체 위에 형성되는 상부 투명 층; 및 상기 디스플레이 스크린 구조 아래에 위치하여 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하는 광학 센서 모듈을 포함하여 광학 감지에 의해 지문을 검출할 수 있다. 광학 센서 모듈은 복귀 광을 수신하는 포토디텍터의 광학 센서 어레이, 및 디스플레이 스크린 구조체를 통해 상부 투명 층으로부터의 복귀 광을 수집하고 수집된 복귀 광을 광학 콜리메이터를 통해 광학 센서 어레이의 포토디텍터로 지향시키면서 상부 투명 층의 상이한 위치로부터 광을 분리하기 위한 광학 콜리메이터의 어레이를 포함한다.
도 17b는 각각의 하이브리드 감지 픽셀의 지문을 감소시키기 위해 센서 픽셀 어레이에서 공간적 중첩 구성으로 각각의 하이브리드 센서 픽셀에서 광학 센서 및 용량성 센서를 구조적으로 통합하는 지문 센서 장치(2130)의 다른 예를 도시한다. 지문 센서 장치(2130)는 실리콘과 같은 반도체 기판(2131)을 포함한다. 기판(2131) 위에 복수의 감지 소자 또는 감지 픽셀(2139)이 배치된다. 각각의 감지 소자 또는 감지 픽셀(2139)은 센서 신호를 처리하기 위해 CMOS 스위치, 증폭기, 저항기 및 커패시터를 포함하는 능동 전자 회로 영역(2132)을 포함한다. 각각의 감지 픽셀 또는 감지 소자(2139)는 능동 전자 회로 영역(2132)에 배치되거나 매립된 포토디텍터(2133)를 포함한다. 용량성 감지를 위한 용량성 센서의 용량성 센서 플레이트 또는 상부 전극(2134)은 포토디텍터(2133) 위에 배치되고, 센서 플레이트(2134) 위의 홀 또는 개구(2138)를 포함하여 광을 포토디텍터(2133)에 지향시키는 광의 콜리메이터로서도 기능한다. 전도성 재료로 채워진 비어(2135)는 상부 전극(2134)을 능동 회로 소자(2132)에 전기적으로 연결하도록 배치된다. 개구 또는 홀 및 상부 전극(2134)과 포토디텍터(2133)와의 거리를 조정함으로써, 포토디텍터(예를 들어, 포토다이오드)(2133)의 광 수집 각(2137)을 조정될 수 있다. 지문 센서 장치(2130)는 사파이어, 유리 등과 같은 경질 재료를 포함하는 보호 커버(2136)에 의해 덮여 있다. 포토디텍터(2133) 광 수집 각(2137)은 포토다이오드 어레이에 의해 수집된 이미지의 공간 해상도를 보존하도록 설계될 수 있다. 지문 이미지를 포착하기 위해 손가락에서 반사되어 포토디텍터(2133) 쪽으로 지향하는 빛을 방출하기 위해, 지문 센서 장치(2130)의 측면 상의 커버 아래에 LED와 같은 광원(2140)이 배치된다. 손가락이 보호 커버를 터치하거나 실질적으로 가까이 오면, 손가락과 감지 상부 전극(2134)은 조합해서 인체와 감지 상부 전극(2134) 사이에 용량 결합(예를 들어, 커패시터(2142))을 형성한다. 광학 센서 및 용량성 센서 모두를 포함하는 지문 센서 장치(2130)는 지문의 광 반사 이미지와 용량성 커플링 이미지 모두의 이미지를 모두 획득할 수 있다. 감지 상부 전극(2134)은 이중의 목적: 1) 용량성 감지를 위해, 그리고 2) 반사광을 손가락으로부터 광학 검출기(2133) 쪽으로 지향시키거나 좁히거나 집중시키는 (감지 상부 전극(2134) 상에 하나 이상의 홀을 제조함으로써) 콜리메이터로서 기능한다. 감지 상부 전극(2134)을 재사용함으로써 추가적인 금속층 또는 광섬유 다발의 필요성을 없애고, 따라서 각 픽셀 크기를 줄이고 따라서 지문 센서 장치(2130)의 전체 크기를 감소시킨다.
도 17b에서, 광 감지 설계는 도시된 바와 같이 포토디텍터 어레이 내의 포토디텍터(2133)에 의해 수집된 이미지의 공간 해상도를 보존하기 위해 특정 각도(2137) 내의 광선만을 선택하도록 상부 층(2136)과 포토디텍터(2133)의 하부 어레이 사이에 형성된 구멍 또는 개구부(2138)를 광학 콜리메이터로서 사용한다. 도 17a의 섬유 또는 다른 관형 광학 콜리메이터와 유사하게, 상부 층(2136)과 포토디텍터(2133)의 하부 어레이 사이에 형성된 구멍 또는 개구(2138)는 디스플레이 스크린 구조체를 통해 상부 투명 층으로부터의 복귀 광을 수집하고 그 수집된 복귀 광을 광학 콜리메이터를 통해 포토디텍터(2133)로 지향시키면서 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하기 위한 광학 콜리메이터를 구성한다.
도 18은 각각의 하이브리드 감지 픽셀 내에 광학 센서 및 용량성 센서를 모두 포함하는 예시적인 하이브리드 지문 센서 장치(2200)의 평면도이다. 지문 센서 장치(2200)는 하이브리드(광학 센서 및 용량성 센서 양자를 포함) 감지 소자 또는 픽셀(2222)의 어레이를 포함하는 CMOS 실리콘 칩(2221)으로서 구현된다. 대안으로, 도 22의 레이아웃은 또한 이 문헌에 개시된 모든 광학 감지 설계에 대해 개구 또는 홀(2223)이 도 17a 또는 도 17b의 광학 콜리메이터를 나타내는 경우일 수 있다. 감지 소자의 크기 또는 치수는 예를 들어 25㎛ 내지 250㎛의 범위에 있을 수 있다. 하이브리드 센서 장치(2200)는 측면 영역(2224)에 증폭기, ADC 및 버퍼 메모리를 포함하는 지원 회로의 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 하이브리드 센서 장치(2200)는 와이어 본딩 또는 범프 본딩을 위한 영역(2225)을 포함할 수 있다. 하이브리드 센서 소자(2222)의 상부 층(2226)은 용량성 감지를 위한 금속 전극을 포함할 수 있다. 하나 이상의 개구 또는 홀(2223)은 상부 전극 아래의 포토디텍터 상에서 광을 내기 위해 수직 방향으로 광을 지향시키는 콜리메이터로서 구조적으로 기능하도록 각각의 상부 금속 전극(23) 상에 제조될 수 있다. 따라서, 상부 층(2226) 구조는 광학 감지 및 용량성 감지의 이중 목적을 제공할 수 있다. 하이브리드 감지 픽셀로부터의 픽셀 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하기 위해 센서 장치 프로세서가 제공될 수 있다.
용량성 감지를 위한 동일한 구조를 공유하고 콜리메이터로서 수직 방향으로 광을 집중시키는 것에 추가하여, 센서 신호 검출 회로의 한 예가 포토디텍터 및 용량성 센서 사이에서 공유되어 포토디텍터 및 용량성 센서 플레이트 모두로부터의 센서 신호를 검출할 수 있다.
도 19a는 지문에 대한 용량성 감지 기능 및 광학 감지 기능을 모두 갖는 예시적인 하이브리드 지문 감지 소자 또는 픽셀(2300)에 대한 회로도를 도시한다. 예시적인 센서 픽셀(2300)은 용량성 감지에 기초한 감지 상부 전극(예를 들어, 상부 금속층)(2308) 및 광 감지에 기초한 포토디텍터(예를 들어, 포토다이오드)(2314)로부터의 센서 신호를 검출하거나 획득하는 것을 선택적으로 스위칭하는 센서 신호 검출 회로(2316)를 포함하여, 광학 검출기(2314)로부터의 반사 광학 이미지 및 손가락으로부터 용량성 센서 전극(2308)으로부터의 용량성 결합 이미지를 모두 얻는다. 일부 구현 예에서, 각각의 하이브리드 감지 픽셀 내의 2개의 감지 메커니즘으로부터의 2개의 이미지는 센서 신호 검출 회로에 의해 연속으로 처리될 수 있다. 도시된 예에서, 스위치(2310 및 2312)는 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2314)에 전기적으로 각각 결합되는 제1 단자 및 센서 신호 검출 회로(2316)의 공통 입력 단자에 결합되어 있는 제2 단자를 포함하여, 포토디텍터(2314)로부터의 대응하는 광학 검출기 신호 및 감지 상부 전극(2308)으로부터의 대응하는 용량성 감지 신호를 센서 신호 검출 회로(2316)에 제공한다. 스위치(2310)가 턴 오프되고(CAP_EN=0) 스위치(2312)가 턴 온(Optical_en=1) 될 때, 센서 신호 검출 회로(2316)는 특정 하이브리드 감지 픽셀에서 수신된 스캔 된 지문의 광학 이미지를 나타내는 광학 검출기 신호를 획득한다. 센서 신호 검출 회로(2316)는 스위치(2310) CAP_EN=1 및 Optical_en=0일 때 스캔된 지문의 용량성 이미지를 나타내는 용량성 감지 신호를 획득할 수 있다. 광학 이미지 및 용량성 이미지가 모두 획득된 후, 두 이미지는 다운스트림 회로에서 개별적으로 처리되어 조합해서 지문 특성을 인식할 수 있다.
전술한 하이브리드 감지 픽셀에 의한 2가지 방식의 결상으로, 2가지 유형의 이미지를 다른 방식으로 사용함으로써 지문 인식 성능을 향상시킬 수 있다. 이 향상된 지문 인식은 하이브리드 감지 픽셀로부터 픽셀 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는, 센서 장치 프로세서(2321)와 같은 센서 장치 프로세서에 의해 달성될 수 있다. 예를 들어, 용량성 이미지는 지문 특징의 융기 부분 및 골 부분의 깊이에 3D 이미지를 제공할 수 있다. 3D 용량성 이미지를 보충하여, 광학 이미지는 지문 특성에 대한 고해상도 2D 정보를 제공할 수 있다. 더 높은 공간 해상도를 갖는 광학 2D 이미지는 지문의 동일한 융기 부분 상의 두 이미지 정보로 인해 용량성 감지 이미지 해상도를 복원하는데 사용될 수 있다. 용량성 감지 방법이 광학 센싱 방법보다 지문의 골을 인식하는데 더 민감하고 정확할 수 있는 일부 구현 예에서, 용량성 감지 방법을 사용하여 획득된 이미지의 공간 해상도는 커버의 두께에 기초하여 저하될 수 있다. 용량성 감지의 이러한 양상은 광학 감지에 의해 보완될 수 있다. 동작 시, 센서 응답은 고정될 수 있고 용량성 센서의 포인트 스프레드 기능은 모든 센서 위치에 대해 고정될 수 있다. 고해상도 광 감지는 해상도 복원 방법으로 사용될 수 있으며 용량성 감지 이미지에 적용하여 3D 이미지를 향상시킬 수 있다. 광학 감지로부터 부분적인 고해상도 이미지를 사용하여 복구 방법에 일조할 수 있다. 따라서, 3D 용량성 이미지는 고해상도 2D 이미지에 기초하여 보간 또는 복구함으로써 골 부분 및 융기 부분에 대한 더 많은 정보를 제공하도록 향상될 수 있다.
향상된 3D 이미지는 개선된 지문 인식 및 매칭 제공할 수 있다. 다른 예에서, 광학 이미지 및 용량성 이미지는 지문 인식 및 매칭이 수행될 때마다 2개의 비교를 제공하도록 함께 저장될 수 있다. 비교를 위해 2 유형의 이미지를 사용하면 지문 감지 시스템의 정확도 및 보안성을 강화한다.
센서 신호 검출 회로(2316)는 복수의 상이한 회로 설계를 사용하여 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 일례에서, 적분기 감지 회로(2318)는 모바일 장치의 커버의 지문 센서 장치의 커버에 접촉하거나 그 근처에 있음으로써 융기 부분 및 골 부분에 의해 발생하는 전하를 저장하도록 구현될 수 있다. 적분기 회로(2318)를 포함하면 신호대잡음비(SNR)를 향상시킨다. 적분기 감지 회로는 예시적인 센서 픽셀(2300)의 감지 상부 전극(2308) 또는 포토디텍터(2314)에 의해 검출된, 용량 관련 또는 광학 관련 신호(예를 들어, 전압 신호)와 같은 센서 신호를 증폭하는 연산 증폭기(2322)를 포함한다. 다양한 금속 중 하나와 같은 전도성 재료를 포함하는 감지 상부 전극(2308)은 스위치(2310)를 통해 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328)에 전기적으로 연결된다. 감지 상부 전극(2108) 및 손가락(2302)의 국부 표면은 커패시터 Cf(2302)의 대면 플레이트로 기능한다. 커패시터 Cf(2302)의 커패시턴스는 손가락의 국부 표면과 감지 상부 전극(2308) 사이의 거리 'd', 및 커패시터 Cf(2302)의 두 플레이트 사이의 거리에 기초하여 가변한다. 커패시터 Cf(2302)의 커패시턴스는 커패시터 Cf(2302)의 두 플레이트 사이의 거리 'd'에 반비례한다. 커패시터 Cf(2302)의 커패시턴스는 감지 상부 전극(2308)이 손가락의 골 부분 반대쪽에 있을 때보다 손가락의 융기 부분에 대면할 때 더 크다.
또한, 다양한 기생 커패시터 또는 다른 커패시터가 예시적인 센서 픽셀(2300) 내의 서로 다른 전도성 소자 사이에 형성될 수 있다. 예를 들어, 기생 커패시터 CP(2304)가 감지 상부 전극(2308)과 장치 접지 단자(2305) 사이에 형성될 수 있다. 장치 접지는 대지 접지에 밀접하게 결합된다. 다른 커패시터 Cr(2324)은 증폭기(2322)의 출력 도체와 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328) 사이에 형성될 수 있고 증폭기(2322)에 대한 피드백 커패시터로서 기능할 수 있다. 또한, 스위치(2326)는 증폭기(2322)의 출력과 증폭기(2322)의 음극 또는 반전 단자(2328)에 결합되어 적분기 회로(2318)를 리셋시킨다.
증폭기(2322)의 양극 단자는 여기 신호 Vref에 전기적으로 접속된다. 여기 신호 Vref는 각 센서 픽셀 내의 전용 증폭기의 양극 단자에 직접 제공될 수 있다. 여기 신호 Vref를 증폭기(2322)의 양극 단자에 직접 제공함으로써, 예시적인 센서 픽셀(2100)은 능동 센서 픽셀이 된다. 또한, 여기 신호 Vref를 증폭기(2322)의 양극 단자에 직접 제공하는 것은 센서 칩의 반도체 구조로부터 전도성(예를 들어, 금속) 층을 감소시키는, 모든 센서 픽셀에 공통인 여기 전극을 포함할 필요를 제거한다. 일부 구현 예에서, 선택적 여기 전극(2306)은 센서 픽셀의 설계에 기초하여 SNR을 향상시키도록 구현될 수 있다. 또한, 여기 신호 Vref(2330)를 증폭기(2322)에 직접 제공함으로써, 자극 신호 Vref(2322)는 손가락에 직접적으로 인가되지 않기 때문에 잠재적으로 손가락을 자극하거나 손상시키지 않게 된다. 또한, 손가락에 직접 여기 신호를 인가하는 여기 전극을 사용하지 않으면, 지문 센서 장치의 모든 구성 요소를 하나의 패키지 장치로 통합할 수 있고, 지문 센서 장치 전체를 보호 커버 유리 아래에 배치할 수 있다. 전체 지문 센서 장치가 보호 커버 유리 아래에 배치되면, 지문 센서 장치는 손가락 및 지문 센서를 잠재적으로 손상시킬 수 있는 다른 외부 요소로부터 보호된다.
도 19a에서, 센서 픽셀(2300) 내의 센서 신호 검출 회로(2316)(예를 들어, 증폭기(2322)의 Vpo)의 (광학 및 용량성) 출력 신호는 스위치(2320)에 전기적으로 연결되어 출력 신호 Vpo를 센서 픽셀(2300)로부터 필터를 포함하는 신호 처리 회로에 선택적으로 출력한다. 스위치(2320)는 트랜지스터 또는 다른 스위칭 메커니즘을 사용하여 구현될 수 있고 제어기에 전기적으로 결합되어 스위치(2320)의 스위칭을 제어할 수 있다. 스위치(2320, 2310 및 2312)를 제어함으로써, 센서 픽셀 어레이 내의 센서 픽셀들은 광학 신호 및 용량성 신호를 획득하는 것에서 선택적으로 전환될 수 있다. 일 구현 예에서, 광학 신호 또는 용량성 신호는 어레이 내의 센서 픽셀의 각각의 라인, 행 또는 열에 대해 획득될 수 있고, 그런 다음 라인, 행 또는 열에 대한 다른 유형의 신호를 획득하도록 스위칭될 수 있다. 광학 신호 및 용량성 신호 포착 사이의 스위칭은 라인별로 수행될 수 있다. 다른 구현 예에서, 어레이 내의 모든 센서 픽셀 또는 소자에 대해 하나의 유형의 (용량성 또는 광학) 신호가 획득될 수 있으며, 그런 다음 모든 센서 픽셀 또는 소자에 대해 다른 유형의 신호를 획득하도록 스위칭될 수 있다. 따라서, 전체 어레이에 대해 다른 신호 유형의 획득 사이의 스위칭이 발생할 수 있다. 2가지 유형의 센서 신호의 획득 사이에서 스위칭의 다른 변형이 구현될 수 있다.
도 19b는 다른 예시적인 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2340)에 대한 회로도를 도시한다. 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2340)은 동일한 참조 번호를 갖는 구성요소에 대해 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2300)과 실질적으로 동일하다. 동일한 참조 번호를 갖는 공통 구성 요소의 설명에 대해서는 도 19a의 설명을 참조한다.
하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2340)은 반사광(2344)을 포토디텍터 (2314)(예를 들어, 포토다이오드)를 향하여 집중시키거나 좁히기 위한 콜리메이터로서 기능하는 홀 또는 개구(2342)를 포함하도록 감지 상부 전극(2308)을 구현한다. 포토디텍터(2314)는 콜리메이터(2308)에 의해 집중된 반사광(2344)을 포착하기 위해 감지 상부 전극(2308)을 사용하여 구현된 콜리메이터 아래에 위치하거나 배치될 수 있다.
일부 구현 예에서, 센서 신호 검출 회로에 대한 별도의 예가 광학 센서 및 용량성 센서에 대해 포토디텍터 및 용량성 센서 플레이트 모두로부터 센서 신호를 병렬로 검출하도록 포함될 수 있다.
도 19c는 포토디텍터 및 용량성 센서 플레이트로부터의 센서 신호의 병렬 검출을 수행하기 위한 예시적인 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2350)의 회로도를 도시한다. 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2350)은 동일한 참조 번호를 갖는 구성 요소에 대해 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2340)과 실질적으로 동일하다. 동일한 참조 번호를 갖는 공통 구성 요소의 설명에 대해서는 도 19a의 설명을 참조한다.
용량성 플레이트와 포토디텍터 모두로부터의 센서 신호 검출을 병렬로 수행하기 위해, 하이브리드 지문 검출 소자 또는 픽셀(2350)은 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2324)에 통신 가능하게 연결된 별도의 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)를 포함한다. 센서 신호 검출 회로(2317)는 센서 신호 검출 회로(2316)와 실질적으로 유사하게 구현될 수 있다. 일부 구현 예에서, 스위치(2310 및 2312)는 각각 감지 상부 전극(2308) 및 포토디텍터(2314)에 전기적으로 결합되는 제1 단자, 및 각각의 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)에 결합되어 포토디텍터(2314)로부터의 광학 검출기 신호 및 감지 상부 전극(2308)으로부터의 용량성 감지 신호를 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)에 각각 제공하는 제2 단자를 갖도록 배치될 수 있다. 스위치(2310 및 2312)가 서로 턴 온 및 턴 오프 될 때, 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)는 용량성 플레이트(2308) 및 포토디텍터(2314)로부터 센서 신호 검출을 병렬로 수행할 수 있다. 스위치(2310 및 2312)가 서로 위상차로 턴 온 및 턴 오프 될 때, 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)는 용량성 플레이트(2308) 및 포토디텍터(2314)로부터 센서 신호 검출을 직렬로 수행할 수 있다. 또한, 센서 장치 프로세서(2321)는 통신을 용량성 플레이트(2308) 또는 포토디텍터(2314)에서 검출된 센서 신호를 병렬 또는 직렬로 처리하기 위해 스위치(2320A 및 2320B)를 통해 직접 또는 간접적으로 센서 신호 검출 회로(2316 및 2317)에 통신 가능하게 결합될 수 있다.
개시된 기술의 다른 양상에서, 도 17a, 도 17b, 도 18a, 도 19a 및 도 19a와 관련해서 설명된 광학 센서는 심장박동 및 심장의 박동 동작으로 인해 손가락의 혈류 변동에 의해 야기된 반사광 강도 변화를 시간에 따라 측정함으로써 인간의 심장 박동을 측정하는데 사용될 수 있다. 이 정보는 손가락에 의해 반사, 산란 또는 확산되고 광학 검출기 신호에 의해 반송되는 수신 광에 포함된다. 따라서, 광학 센서는 지문의 광학 이미지를 획득하고 인간의 심장 박동을 측정하는 것을 포함하는 다수의 기능을 수행할 수 있다. 구현 예에서, 센서 장치 프로세서는 심장 박동 정보를 추출하기 위해 하나 이상의 광학 검출기 신호를 처리하는데 사용된다. 이 센서 장치 프로세서는 광학 감지 픽셀 또는 하이브리드 감지 픽셀로부터의 픽셀 출력 신호를 처리하여 지문 정보를 추출하는 것과 동일한 센서 장치 프로세서일 수 있다.
또한, 도 20, 도 21 및 도 22는 지문 정보를 반송하는 신호 광을 광 센서 어레이로 지향시키기 위해 광학 콜리메이터 또는 핀홀의 어레이를 사용하는 언더-스크린 광 센서 모듈을 사용하는 지문 감지를 위한 다양한 설계의 예를 도시한다.
도 20은 지문 정보를 반송하는 신호 광을 포토디텍터 어레이(2002) 상의 서로 다른 포토디텍터로 지향시키기 위해 포토디텍터 어레이(2002)의 상부에 배치된 광학 콜리메이터의 광학 콜리메이터 어레이(2001)를 포함하는 언더-스크린 광 센서 모듈을 도시한다. 회로 모듈(2003)은 광학 검출기 어레이(2002)를 작동시키고 포토디텍터 어레이(2002) 상의 포토디텍터로부터의 출력 신호를 수신하기 위해 광학 검출기 어레이(2002)에 결합되어 있다. OLED 디스플레이 모듈(433)은 작은 광 투과 홀(82D), 예를 들어 OLED 디스플레이 모듈의 TFT 층의 홀을 포함하여, 상부 투명 층(431)의 상부 표면으로부터의 광이 OLED 디스플레이 모듈(433)을 통과하여 언더-스크린 광 센서 모듈에 도달하게 한다. 콜리메이터 어레이(2001)는 다양한 설계, 예를 들어 도파관 기반의 이미지 전송기, (코어가 있는 또는 코어가 없는) 광섬유 어레이, 마이크로 렌즈 어레이, 핀홀 어레이 및 기타의 콜리메이터를 사용할 수 있다. 어레이(2001) 내의 콜리메이터는 샘플링된 이미지의 수치 애퍼처를 제한하도록 설계된다. 콜리메이터 어레이(2001)의 각 픽셀은 광학 탐지 바늘로 간주될 수 있다. 포토다이오드 어레이(2002)는 CMOS 센서 어레이, CCD 센서 어레이, 포토다이오드 어레이 또는 다른 포토센싱 어레이일 수 있다.
동작 시, OLED 픽셀은 커버 유리(431)를 조명한다. 커버 유리(431)에서 반사된 광은 OLED 디스플레이 모듈(433)의 TFT 구조의 홀에 의해 회절된다. 콜리메이터 어레이(2001)는 회절 광의 유용한 부분을 샘플링하여 그 광을 광 다이오드 어레이(2002)에 통과시켜 감지 영역의 이미지를 형성한다.
도 21은 도 20의 광 센서 모듈의 동작을 도시한다. OLED 디스플레이 모듈(433)의 조명 영역(613) 내의 OLED 픽셀은 커버 유리(431) 상의 감지 구역(615)과 접촉하는 손가락에 광 빔(82P)을 비춘다. 손가락 및 커버 유리(431)는 광 빔(82R)을 반사한다. TFT 기판의 작은 구멍들은 광선(82R)을 회절시켜 광선(82D)을 형성한다. 콜리메이터 어레이(2001) 내의 적절한 콜리메이터 유닛은 광 빔(82D)으로부터 광(82S)을 선택하여 그것을 광학 검출기 어레이(2002)의 적절한 포토디텍터 소자로 유도한다. 일부 OLED 디스플레이에서, 광의 일부는 센서 모듈을 향해 직접 조사되고 교정에 의해 제거될 수 있다.
도 22는 도 20 및 도 21의 설계의 예시적인 구현을 도시한다. 이 예에서의 광학 콜리메이터 어레이(2001)는 광학 콜리메이터(903)의 어레이 및 광학 콜리메이터(903) 사이에 채워진 광 흡수 재료(905)를 포함하여 서로 다른 광학 콜리메이터 사이의 혼선을 감소시키기 위해 광을 흡수한다. 콜리메이터 어레이(2001)의 각각의 콜리메이터(903)는 단지 저손실로 그 축을 따라 광을 전송하게 하고, 콜리메이터 어레이(2001)는 서로 다른 광학 콜리메이터 간의 광학적 혼선을 감소시키고 광 감지에서 원하는 공간 분해능을 유지하도록 설계된다. 일부 구현 예에서, 하나의 광학 콜리메이터는 광학 검출기 어레이(2002) 내의 하나의 포토디텍터에만 대응할 수 있다. 다른 구현 예에서, 하나의 광학 콜리메이터는 포토디텍터 어레이(2002) 내의 2개 이상의 포토디텍터에 대응할 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 각 콜리메이터 유닛의 축은 일부 설계에서 디스플레이 스크린 표면에 수직일 수 있고 디스플레이 표면에 대해 경사질 수 있다. 작동 시 콜리메이터 축을 따라 전파하는 광만 이미지 정보를 반송한다. 예를 들어, 적절한 입사광(82P)은 반사되어 광(82R)을 형성한다. 그런 다음 광(82R)은 TFT의 작은 구멍에 의해 회절되어 광(82D)으로 확장된다. 광 부분(82S)은 포토다이오드 어레이(2002)로 전송된다. 축으로부터 떨어진 광 부분(82E)은 충전 재료에 의해 흡수된다. 커버 유리 표면(431)상의 반사는 지문 정보를 반송한다. 다른 OLED 픽셀은 콜리메이터 유닛 축에 대하여 소정 각을 이루며 따라서 차단될 수도 있는 광(901)을 방출한다. 901E와 같은 반사광의 일부는 대응하는 광학 콜리메이터로 전송되어 포토디텍터 어레이(2002)에 도달한다.
광학 콜리메이터 어레이는 예를 들어 평평한 기판을 통해 홀을 에칭하고, 광 도파관 어레이를 형성하고, 광학 필터와 일치하는 마이크로 렌즈 어레이를 형성하고, 코어 없는 광섬유 다발을 사용하거나, 투명 시트 상에 콜리메이터를 프린팅하는 것을 포함하는 여러 기술에 의해 이루어질 수 있다. 이러한 콜리메이터 어레이에 대한 바람직한 특징은: (1) 콜리메이터가 광학 검출기 어레이에서 지문 패턴의 광학 감지에서 원하는 공간 분해능을 보장할 수 있도록 축을 따라 전파하는 광 성분과 축으로부터 벗어나 전파하는 성분 사이의 충분한 투과 콘트라스트; (2) 광학 감지를 위해 원하는 높은 공간 해상도를 구현하기에 충분히 작은 허용된 투과 수치 애퍼처를 포함한다.
다양한 광학 콜리메이터 어레이 설계가 사용될 수 있다. 광학 콜리메이터 어레이 내의 각 광학 콜리메이터는 작은 투과 수치 애퍼처를 갖도록 다른 방향의 광을 차단하면서 광학 콜리메이터의 축을 따르는 방향으로 또는 그 근방에서 광을 전송함으로써 공간 필터링을 수행하여 광학 콜리메이터 어레이에 의한 높은 공간 분해능을 달성하도록 구성되어 있다. 콜리메이터 소자 애퍼처 및 피치(즉, 2개의 인접한 콜리메이터 소자 사이의 거리)는 광학 지문 감지를 위해 원하는 공간 해상도를 달성하도록 설계될 수 있다.
도 23은 CMOS 구조체의 2개의 서로 다른 금속층에서 정렬된 홀을 사용함으로써 CMOS 구조체의 일부인 콜리메이터 설계에 대한 예를 도시한다.
도 24는 지문 정보를 포착하는 각각의 광 센서 픽셀에 대해 광 센서 어레이와 집적 콜리메이터 어레이를 병합하는 OLED 디스플레이 구조하에서의 광 지문 센서 모듈의 예를 도시한다. 광 센서 어레이는 포토디텍터의 어레이를 포함하고 콜리메이터 어레이는 도시된 바와 같이 비아 사이의 광학 콜리메이터 및 광학적으로 불투명한 금속 구조체로서 광학적으로 투명한 비아를 포함하도록 포토디텍터 어레이 위에 배치된다. OLED 디스플레이 픽셀은 손가락의 터치된 부분을 조명하기 위해 광을 방출하고 손가락에서 반사된 광은 콜리메이터 어레이를 통해 손가락의 지문 이미지의 일부를 포착하는 광학 검출기 어레이에 도달한다. 콜리메이터 어레이는 CMOS 프로세스를 통해 집적된 홀 또는 개구를 갖는 하나 이상의 금속층(들)을 사용하여 구현될 수 있다.
언더-스크린 광 센서 모듈 내의 이러한 광학 콜리메이터는 직접적인 점대점 결상을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광학 콜리메이터 어레이 및 개별 콜리메이터의 치수는 광학 콜리메이터와 포토디텍터 사이의 일대일 결상을 달성하기 위해 포토디텍터 어레이의 치수 및 개별 포토디텍터의 치수와 각각 정확하게 일치하도록 설계될 수 있다. 광 센서 모듈에 의해 수신된 광에 의해 반송되는 전체 이미지는 스티칭(stitching) 없이 동시에 개별 포토디텍터에서 포토디텍터 어레이에 의해 포착될 수 있다.
광학 콜리메이터 어레이의 공간 필터링 동작은 광 센서 모듈 내의 광학 검출기 어레이에 진입하는 배경 광의 양을 유리하게 감소시킬 수 있다. 또한, 하나 이상의 광학 필터가 광 센서 모듈에 제공되어 배경 광을 걸러 내고 OLED 픽셀로부터 방출된 조명으로 인해 지문 감지 영역으로부터의 복귀 광의 광 감지를 향상시키기 위해 광학 검출기 어레이에서 배경 광의 양을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 필터는 예를 들어 밴드 패스 필터로서 구성되어 태양광 중 IR 광과 같은 다른 광 성분 차단하면서 OLED 픽셀에 의해 방출되는 광의 전송을 허용할 수 있다. 이 광학 필터링은 야외에서 장치를 사용할 때 태양광으로 인한 배경 광을 줄이는 데 효과적일 수 있다. 하나 이상의 광학 필터는 예를 들어 광학 센서 모듈 내의 포토디텍터 어레이에 대한 광학 경로를 따라 하나 이상의 인터페이스 상에 형성된 광학 필터 코팅 또는 하나 이상의 개별 광학 필터로서 구현될 수 있다.
도 25는 언더-스크린 광 센서 모듈 내의 광학 검출기 어레이에 도달하는 배경 광을 감소시키는 광학 필터링을 갖는 광학 콜리메이터 어레이의 예를 도시한다. 이 예는 광 콜리메이터로서 광 도파관의 어레이를 사용하고, 하나 이상의 광 필터 필름이 광 도파관 어레이에 결합되어 원하지 않는 배경 광이 광 도파관 어레이에 결합된 광학 검출기 어레이에 도달하는 것을 감소시킨다.
상기 콜리메이터에 기초한 광 센서 모듈의 설계에서, 콜리메이터를 따르는 각각의 콜리메이터의 두께 또는 길이는 광학 검출기 어레이 상의 작은 영역으로 결상 광을 전달할 수 있을 정도로 크거나, 광학 검출기 어레이 상의 넓은 영역으로 결상 광을 전달할 수 있을 정도로 작게 설계될 수 있다. 콜리메이터 어레이 내의 콜리메이터를 따르는 각각의 콜리메이터의 두께 또는 길이가 특정한 지점, 예를 들어, 수십 미크론으로 감소하면, 각각의 콜리메이터의 광학 시야가 상대적으로 커져서 광학 검출기 어레이 상의 인접한 광학 검출기의 패치, 예를 들어, 1mm x 1mm의 영역을 덮을 수 있다. 일부의 장치 설계에서 광 지문 감지는 각각의 핀홀이 광학 검출기 어레이 내의 인접한 광학 검출기의 패치를 커버할 정도로 충분히 큰 광학적 시야를 가져 지문 감지 시 광학 검출기 어레이에서 높은 이미지 해상도를 달성하도록 핀 홀의 어레이를 사용함으로써 달성될 수 있다. 콜리메이터 설계와 비교하여, 핀홀 어레이는 결상 렌즈없이 원하는 높은 결상 해상도를 달성하기 위해 더 얇은 치수 및 더 적은 핀홀 수를 가질 수 있다. 또한, 광학 콜리메이터를 통한 결상과는 달리, 핀홀 어레이를 이용한 결상은 각 핀홀을 핀홀 카메라로 사용하여 이미지를 포착하고 핀홀 카메라 작동에 기초한 이미지 재구성 프로세스는 광학 콜리메이터 어레이를 사용하는 것과 다르며; 각각의 핀홀은 서브-이미지 구역을 설정하고, 핀 홀 어레이 내의 서로 다른 핀홀에 의한 서브 이미지 구역을 함께 스티칭하여 전체 화상을 구성한다. 핀홀 어레이를 갖는 광학 센서 모듈에 의한 이미지 해상도는 검출기 어레이의 민감한 소자 크기와 관련되어 있으며, 따라서 감지 해상도는 검출기 치수를 조정하여 조정하거나 최적화할 수 있다.
핀홀 어레이는 다양한 반도체 패턴화 기술 또는 프로세스 또는 다른 제조 방법에 기초하여 비교적 저렴하면서 상대적으로 간소하게 제조될 수 있다.
핀홀 어레이는 또한 공간 필터링 동작을 제공하여 광 센서 모듈 내의 광학 검출기 어레이에 들어가는 배경 광의 양을 유리하게 감소시킬 수 있다. 광학 콜리메이터로 광학 센서 모듈을 설계하는 것과 유사하게, 하나 이상의 광학 필터가 핀홀 어레이를 갖는 광학 센서 모듈에 제공되어 배경 광을 걸러 내고 OLED 픽셀로부터 방출된 광에 의한 조명으로 인해 지문 감지 영역으로부터의 복귀 광의 개선된 광학 감지를 위해 포토디텍터 어레이에서 배경 광의 양을 줄인다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 필터는 예를 들어 밴드 패스 필터로서 구성되어 태양광 중 IR 광과 같은 다른 광 구성 요소를 차단하면서 OLED 픽셀에 의해 방출되는 광의 전송을 허용할 수 있다. 이 광학 필터링은 야외에서 장치를 사용할 때 태양광으로 인한 배경 조명을 줄이는 데 효과적일 수 있다. 하나 이상의 광학 필터는 예를 들어 광학 센서 모듈의 광학 검출기 어레이에 대한 광학 경로를 따라 하나 이상의 계면 상에 형성된 광학 필터 코팅 또는 하나 이상의 개별 광학 필터로서 구현될 수 있다.
이 특허 문헌은 많은 세부 사항을 포함하고 있지만, 이것들은 어떤 발명의 또는 청구될 수 있는 범위의 제한으로 해석되어서는 안 되며, 오히려 특정 발명의 특정 실시예에 특정될 수 있는 특징에 대한 설명으로 해석되어야 한다. 별도의 실시예의 맥락에서 이 특허 문헌에 기술된 소정의 특징 역시 하나의 실시예에서 조합하여 구현될 수 있다. 반대로, 하나의 실시예의 맥락에서 설명된 다양한 특징 역시 복수의 실시예에서 개별적으로 또는 임의의 적합한 서브콤비네이션으로 구현될 수 있다. 더욱이, 특징들이 특정 조합으로 작용하고 초기에 그러한 것으로서 주장되는 경우조차도 위에서 설명될 수 있으나, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징은 일부의 경우에 그 조합에서 배제될 수 있고, 청구된 조합은 서브콤비네이션 또는 서브콤비네이션의 변형으로 유도될 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정 순서로 도면들에 도시되어 있지만, 이는 원하는 결과를 달성하기 위해 그러한 동작들이 도시된 특정한 순서 또는 순번으로 수행되어야 한다는 것이나 또는 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것을 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 이 특허 문헌에 설명된 실시예에서 다양한 시스템 구성요소의 분리는 모든 실시예에서 그러한 분리를 요구하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
단지 소수의 구현 및 예가 설명되었을 뿐이고, 본 특허 문헌에 설명되고 도해된 것에 기초하여 다른 구현, 개선 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (26)

  1. 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치로서,
    터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린;
    상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및
    상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈
    을 포함하는 전자 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체는 상기 광학 센서 모듈과 접하고 상기 발광 디스플레이 픽셀을 지지하는 디스플레이 패널 기판을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 기판과 접촉하여 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 수신하는 투과 블록, 광을 수신하는 광학 센서 어레이, 및 투과 블록 내의 수신 광을 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈을 포함하며,
    상기 투과 블록은 디스플레이 패널 구조체의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지는, 전자 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상부 투명 층은 사용자가 지문 감지를 위해 손가락으로 터치하도록 지정된 지문 감지 영역을 포함하고,
    상기 디스플레이 패널 구조체 아래의 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 구조체와 접촉하여 디스플레이 패널 구조체로부터 방출되고 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하는 투과 블록, 광을 수신하는 광학 센서 어레이, 및 투과 블록 내의 수신 광을 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은 상기 지정된 지문 감지 영역과 관련해서 위치하고, 사람의 피부에 의한 접촉이 없을 때 상기 지정된 지문 감지 영역으로부터 복귀 광을 수신하지 않으나 사람의 피부와 접촉할 때 상기 상부 투명 층의 상부 표면에서 내부 전반사를 통해 복귀 광을 선택적으로 수신하도록 구성되는, 전자 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체에 결합되어 상기 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 공급하고 수면 모드에서 상기 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 장치 전자 제어 모듈을 더 포함하고,
    상기 장치 전자 제어 모듈은 광학 센서 모듈이 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역에서 사람의 피부의 존재를 검출할 때 디스플레이 패널 구조체를 수면 모드에서 깨우도록 구성되어 있는, 전자 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장치 전자 제어 모듈은 상기 디스플레이 패널 구조체가 수면 모드에 있을 때 다른 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 동안, 하나 이상의 선택된 발광 디스플레이 픽셀은 간헐적으로 광을 방출하도록 동작시키고, 상기 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역과 접촉하여 상기 전자 장치를 수면 모드에서 깨우는 사람의 피부가 있는지를 모니터링하기 위해 상기 지정된 지문 감지 영역으로 상기 간헐적으로 방출된 광을 지향시키도록 구성되어 있는, 전자 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체는 상기 발광 디스플레이 픽셀 외에 하나 이상의 LED 라이트를 포함하며,
    상기 장치 전자 제어 모듈은 상기 디스플레이 패널 구조체가 수면 모드에 있을 때 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 동안, 상기 하나 이상의 LED 라이트는 간헐적으로 광을 방출하도록 동작시키고, 상기 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역과 접촉하여 상기 전자 장치를 수면 모드에서 깨우는 사람의 피부가 있는지를 모니터링하기 위해 상기 지정된 지문 감지 영역으로 상기 간헐적으로 방출된 광을 지향시키도록 구성되어 있는, 전자 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광학 센서 모듈은 지문을 검출하는 것 외에, 검출된 지문과 관련된 상부 투명 층에서의 터치가 실제 사람으로부터의 터치인지를 나타내기 위해 광학적 감지에 의한 지문과는 다른 생체 파라미터도 검출하도록 구성되어 있으며,
    장치 전자 제어 모듈은 (1) 검출된 지문이 인가된 사용자의 지문과 일치하고 (2) 상기 검출된 생체 파라미터가 상기 검출된 지문이 실제 사람으로부터의 지문임을 나타내면 전자 장치에 대한 사용자의 액세스를 허용하도록 구성되어 있는, 전자 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체는 상기 광학 센서 모듈과 접하고 상기 발광 디스플레이 픽셀을 지지하는 디스플레이 패널 패널을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은 디스플레이 패널 기판과 접촉하여 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 수신하는 투과 블록, 광을 수신하는 광학 센서 어레이, 및 투과 블록 내의 수신 광을 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈을 포함하는, 전자 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체에 결합되어 상기 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 공급하고 상기 디스플레이 패널 구조체에 의해 이미지 디스플레이를 제어하는 장치 전자 제어 모듈을 포함하고,
    지문 감지 동작에서, 상기 장치 전자 제어 모듈은 하나의 프레임에서 발광 디스플레이 픽셀을 턴 오프하고 다음 프레임에서 발광 디스플레이 픽셀을 턴 온하도록 동작함으로써 광학 센서 어레이가 발광 디스플레이 픽셀에 의한 조명이 있고 조명이 없는 2개의 지문 이미지를 포착할 수 있게 하여 지문 감지 시에 배경 광을 감소시키는, 전자 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광학 센서 모듈에 결합되어, 손가락의 터치를 감지하여 획득된 복수의 검출된 지문에 관한 정보를 수신하는 장치 전자 제어 모듈을 포함하며,
    상기 장치 전자 제어 모듈은 상기 복수의 검출된 지문의 변화를 측정하고 상기 측정된 변화를 야기하는 터치 힘을 결정하는, 전자 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변화는 상기 터치 힘으로 인한 지문 이미지의 변화, 상기 터치 힘으로 인한 터치 영역의 변화, 또는 지문 융기의 간격의 변화를 포함하는, 전자 장치.
  12. 지문 감지를 디스플레이 스크린에 부가하는 방법으로서,
    터치 감지 동작을 제공하고 디스플레이 이미지를 형성하는 광을 방출하는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린의 디자인의 변경 없이, 상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 광학 센서 모듈을 배치하는 단계
    를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체와 접촉하여 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 수신하는 투과 블록 및 광을 수신하는 광학 센서 어레이를 상기 광학 센서 모듈이 포함하도록 구성하는 단계; 및
    상기 투과 블록이 디스플레이 패널 구조체의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가지도록 만드는 단계
    를 포함하는 방법.
  14. 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치로서,
    터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린;
    상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및
    상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈
    을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은,
    광학 쐐기 - 상기 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하여, 상기 광학 쐐기와 접하는 디스플레이 패널 구조체의 하부 표면상의 전반사 조건을 수정함으로써 상기 하부 표면을 통해 디스플레이 패널 구조체로부터 광을 추출할 수 있게 함 - ;
    상기 디스플레이 패널 구조체로부터 추출된 광을 상기 광학 쐐기로부터 수신하는 광학 센서 어레이; 및
    상기 광학 쐐기와 상기 광학 센서 어레이 사이에 위치하여 상기 광학 쐐기로부터의 광을 상기 광학 센서 어레이에 결상하는 광 결상 모듈
    을 포함하는 전자 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 광학 쐐기는 상기 광 결상 모듈과 상기 광 감지 어레이와 대면하는 경사진 광학 쐐기 표면을 포함하는, 전자 장치.
  16. 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치로서,
    터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린;
    상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및
    상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈
    을 포함하며.
    상기 디스플레이 패널 구조체는 복귀 광이 디스플레이 패널 구조체를 통과해서 광학 센서 모듈에 도달할 수 있도록 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 사이에 개구 또는 구멍을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은 상기 디스플레이 구조체로부터의 복귀 광을 수집하고, 수집된 복귀 광을 광학 센서 어레이로 지향시키면서 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하는 광학 콜리메이터의 어레이를 포함하는, 전자 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 광학 센서 모듈은 상기 광학 콜리메이터의 어레이 내의 광학 콜리메이터에 의해 수집되지 않은 광을 흡수하기 위해 상기 광학 콜리메이터 사이에 광학적으로 흡수하는 물질을 포함하는, 전자 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 광학 콜리메이터의 어레이는 광학 콜리메이터로서 관통공의 어레이가 형성되어 있는 기판을 포함하는, 전자 장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 광학 콜리메이터의 어레이는 광 도파관 또는 광섬유의 어레이를 포함하는, 전자 장치.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 광학 콜리메이터의 어레이는 마이크로 렌즈의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고 각각의 마이크로 렌즈는 수신 광을 결상함이 없이 수신 광의 초점을 맞추는, 전자 장치.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 광학 콜리메이터 어레이 내의 각각의 광학 콜리메이터는 다른 방향으로 광을 차단하면서 광 콜리메이터의 축을 따라 또는 축에 근접한 방향으로 광을 투과하고, 광학 콜리메이터의 어레이에 의해 높은 공간 분해능을 달성하기 위해 작은 투과 수치 애퍼처(transmission numeral aperture)를 갖도록 구성되는, 전자 장치.
  22. 광 감지에 의해 지문을 검출할 수 있는 전자 장치로서,
    터치 감지 동작을 제공하고, 디스플레이 이미지의 일부를 형성하는 광을 방출하도록 각각 동작할 수 있는 발광 디스플레이 픽셀을 가지는 디스플레이 패널 구조체를 포함하는 장치 스크린;
    상기 터치 감지 동작을 위해 사용자에 의해 터치되고 상기 디스플레이 패널 구조체로부터의 광을 투과하여 사용자에게 이미지를 표시하기 위한 계면으로서 상기 장치 스크린 위에 형성된 상부 투명 층; 및
    상기 디스플레이 패널 구조체의 발광 디스플레이 픽셀 중 적어도 일부에 의해 방출되고 지문을 검출하기 위해 상부 투명 층으로부터 복귀하는 광을 수신하도록 디스플레이 패널 구조체 아래에 위치하는 광학 센서 모듈
    을 포함하며,
    상기 광학 센서 모듈은 광학 센서 어레이를 포함하고, 상기 광학 센서 어레이는 상기 복귀 광을 수신하는 광학 검출기의 어레이, 및 디스플레이 패널 구조체로부터 복귀 광을 수집하고 상부 투명 층 내의 서로 다른 위치로부터 광을 분리하는 광 핀홀의 어레이를 포함하며,
    각각의 핀홀은 수집된 복귀 광을 광학 센서 어레이의 인접 광학 검출기의 패치로 지향하도록 구성되고, 서로 다른 핀홀은 광학 센서 어레이의 광학 검출기의 상이한 패치에서 결상을 위해 상부 투명 층의 서로 다른 위치로부터 복귀 광을 수집하는, 전자 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 디스플레이 패널 구조체에 결합되어 상기 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 공급하고 수면 모드에서 상기 발광 디스플레이 픽셀에 전력을 차단하는 장치 전자 제어 모듈을 더 포함하고,
    상기 장치 전자 제어 모듈은 광학 센서 모듈이 상부 투명 층의 지정된 지문 감지 영역에서 사람의 피부의 존재를 검출할 때 디스플레이 패널 구조체를 수면 모드에서 깨우도록 구성되어 있는, 전자 장치.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 광학 센서 모듈은 지문을 검출하는 것 외에, 검출된 지문과 관련된 상부 투명 층에서의 터치가 실제 사람으로부터의 터치인지를 나타내기 위해 광학적 감지에 의한 지문과는 다른 생체 파라미터도 검출하도록 구성되어 있으며,
    검출된 지문이 인가된 사용자의 지문과 일치하고 상기 검출된 생체 파라미터가 상기 검출된 지문이 실제 사람으로부터의 지문임을 나타내면 전자 장치에 대한 사용자의 액세스를 허용하도록 구성되어 있는 장치 전자 제어 모듈
    을 더 포함하는 전자 장치.
  25. 제1항 내지 제11항 및 제14항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 OLED 픽셀에 의해 방출된 광과는 다른 파장의 광을 감소시키도록 상기 광학 센서 모듈에 대한 광학 경로 내에 하나 이상의 광학 필터를 더 포함하는 전자 장치.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광학 필터는 IR 광을 필터링하도록 설계되어 있는, 전자 장치.
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