用于显示信息和用于采集肢体的印记的装置的制作方法

1.本发明涉及一种用于显示信息和用于基于接触同时采集人的肢体(通常是手指)的多个血液流通的皮肤区域的印记(abdr
ü
cken)的装置和方法。肢体(autopodien)在放置面上的反射被用于生成印记的采集，例如可以使用受干扰的全反射原理。


背景技术：

2.过去几年移动电话发展成为管理越来越多敏感数据的设备还对用户的安全身份验证提出更高的要求。身份验证的安全性对用户本身也很重要。在此，除了输入密码或代码之外，借助用户个人特征的生物验证变得越来越流行。已知的方法例如基于面部的识别。然而，借助手指印记的生物验证提供了更多的信息以及由此的更高的安全性，这是因为在人的手指的乳头状结构中编码的信息例如比通过面部识别的生物验证所能检查的信息明显更多。
3.借助单个手指印记进行身份验证由来已久，适用于此的手机通常具有单个的、与其余显示屏分开的手指放置位置。在此，多个印记也可以存储在数据库中，但同时只能登记单个印记。多指认证(其中同时登记多个手指的印记)提供更高的安全性。出于空间和人体工程学的原因，此类登记是通过手机的显示屏进行的。在此，移动设备中已经存在传感器显示屏组合，其中光学图像传感器(cmos、tft、ccd传感器等)连接到显示屏(oled、qled、lcd显示屏等)。为了能够通过手指进行显示屏输入，在大多数情况下，在显示屏中集成有触敏层。
4.光学图像传感器采集皮肤印记，将皮肤印记与存储在系统中的数据进行比较，以确定并在必要时确认用户的身份，也或触发可以与某些手指相关联的应用程序的某些功能。
5.在现有技术中已知的其他装置中，显示屏的触敏区域同时用作要采集手指印记的手指的放置面。因此，不需要远离显示屏区域的单独区域来采集生物特征。以这种方式可以增加用于显示信息的有效区域，这是因为不再需要用于放置手指的单独的传感器区域。
6.在此，优选使用光学图像传感器，与电容式或基于超声波的手指印记传感器相比，该光学图像传感器具有以下优点：利用这些传感器也可以在光学传感器和待采集的生物对象之间的较大距离上实现高分辨率的采集。例如，当移动设备的用户将其它覆盖膜或覆盖玻璃施加到显示屏表面时，例如用于防止划伤，这一点至关重要。液晶(lc)显示屏主要用作显示屏(以下也称为“显示器”)，这是因为它们制造成本低且经久耐用。
7.示例地在此参考wo2019/041214a1和us2018/0165497a1。除了通常的显示屏照明装置外，这里还使用了横向布置的附加照明装置，它用定向光对放置在显示屏上的皮肤区域进行照明。接着，从皮肤区域反射回来的附加照明装置的光由位于显示屏下方或集成到显示屏中的光学图像传感器检测。为了在显示屏上显示信息，通常使用配备有平面背景照明装置的lc单元，其中从观察者的方向来看，光学传感器位于不透明的背景照明装置的前面，并且本身必须是透明的，其中亮度损失仍然存在在50％以上的范围内。由这种背景照明装置发射的光漫射传播，皮肤印记的结构通常以这种方式不能以足够的精度分辨，其中传
感器与放置的对象之间的距离越大，分辨率越低。为了用定向光照射放置的皮肤区域，组件因此具有所述的附加照明装置，附加照明装置横向地布置在背景照明装置旁边，其中附加照明装置的光被耦合到布置在lc单元上方的自身的导光体中。这降低了显示屏的清晰度并且显示的图像或信息看起来不太清晰，这是因为通过附加的照明层、导光体，一方面增加了lc单元和覆盖层顶部之间的距离，并且另一方面在光路中布置有附加的光散射结构和层或其他边界面。此外，附加的照明装置不利地被设计为整个放置面不能以与定向光相同的光强度被照射，使得只有部分显示屏表面可以用于容纳高分辨率的皮肤印记；同时采集多个手指的印记因此几乎是不可实现的。
8.us2018/0357460a1中描述了使用lc单元(lcd、lc显示器)来显示信息的各种装置。根据us2018/0357460a1的图16c、16d，使用发射定向扫描光的网格形布置的点光源(例如微型led)，用于在lc显示器的情况下进行照明以采集手指印记。点光源布置在发射漫射光的背景照明装置的前面。光学传感器布置在照明装置的上方，这是因为lc显示器的通常的背景照明装置在其背离lc单元的像素的一侧是不透明的。检测器在此处集成在lc单元的后面的平面(背板)中。为了不完全阻挡背景照明装置的光，用于生成定向光的点光源布置在彼此例如比对应于lc单元的像素宽度和高度更大的距离中。尽管如此，为了实现尽可能均匀的照明，在点光源之间的区域中布置有光阻挡元件，这些光阻挡元件阻挡来自背景照明装置的光，由此虽然增加了照明的均匀性(在关闭点光源时)，但亮度被不利地降低。此外，当使用点光形的照明时，出于准确性的原因，可能需要逐段地采集皮肤印记，并且然后将其组合成整个印记。用于点光形的照明的光源也可以布置在光学传感器元件上方，其中光学传感器元件在任何情况下布置在lc单元的背景照明装置的上方。
9.在us10177194b2中描述了一种用于用oled显示信息和用于基于接触采集单个手指印记的装置，其中在不透明的oled像素下方布置用于发射定向光的附加照明装置，其中光被发射到oled像素之间的区域中；因此，原则上，并非整个可能的区域都用于光发射，亮度被降低。传感器元件也布置在oled像素下方，但位于附加照明装置上方。由于是oled，因此不需要背景照明装置。在us10177194b2中描述的组件中，由于设计的原因，由附加照明装置发射的定向光的最多只有大约10％到达传感器元件，使得在此会出现精度损失。导光结构用于生成定向照明。为了将定向光从导光体中耦合输出，在us10177194b2中，将附加照明装置的光耦合到透明衬底层中，并从那里耦合到导光结构中，导光结构布置在透明衬底层下方并且与透明衬底层连接。导光的结构又具有大量的光学微结构，例如微棱镜，这些光学微结构用作耦合输出元件并且将光朝着用于手指的放置面的方向偏转。
10.综上所述，在现有技术中出现的装置对于布置在显示器单元上方用于显示信息的附加照明层而言具有如下缺点，虽然附加照明装置未激活，所显示的信息的清晰度和亮度被降低。对于激活的附加照明装置，只要附加照明装置位于可见范围内，该附加照明装置也可以更加照亮所显示的信息。尽管现有技术还描述了组件，其中在lc单元或oled单元下方布置有用于生成定向光以进行手指印记采集的附加照明装置，然而在此，会产生可能影响手指印记采集的质量的高透射损耗。虽然这可以用更强的光源来补偿，但这最终会导致更高的能耗，并且因此对于移动、电池供电的设备尤其不利。


技术实现要素：

11.因此，本发明的目的是开发一种组件，利用该组件可以在移动设备的显示屏的整个表面上同时高质量地采集多个肢体的皮肤区域的印记，而在此不损害显示屏的清晰度，其中组件还要尽可能节能地工作。目的还在于实现一种尽可能节能的方法，以便在这种装置上采集多个肢体的皮肤区域的印记。
12.该目的是通过一种借助反射显示信息并基于接触同时采集人的肢体的多个血液流通的皮肤区域的印记的装置实现的，装置具有以下特征：
13.从接触的皮肤区域的方向看，该装置最初包括用于放置肢体的放置面。放置面通常由玻璃制成，但也可以是施加到玻璃上的保护膜(例如由塑料制成)的边界面。始终从接触的皮肤区域的方向看，触敏层布置在放置面下方，触敏层登记皮肤区域是否放置在放置面上。这种触敏层在现有技术中是已知的并且例如在移动设备中被连接到设备的控制装置。此外，在本发明中，触敏层还用于激活或停用用于采集皮肤印记的传感技术。
14.lc单元(液晶单元)布置在触敏层下方。该lc单元包括网格形布置的像素，这些像素通常由红色、绿色和蓝色子像素组成，其中借助相应的颜色过滤器进行颜色限定；像素或子像素能够借助控制单元是单个可控制的。术语lc单元在此专门指可以切换为透射或不透明的像素结构，但不指它们的背景照明装置，其中像素上方和下方的通常用于改变透射特性所需的偏振结构也算作lc单元，布置在像素上方的偏振结构和像素之间的颜色过滤器也是如此。重要的是，除了提到的层(放置面、必要时的保护层、触敏层)，在lc单元上方没有布置可能会减小显示屏的亮度或清晰度的附加的层(例如结构化的导光层或半透明的传感器层)。在像素下方的偏振结构和像素本身之间布置有所谓的部分透明的“背板”，经由该“背板”控制像素。背板可以在其非透明区域的下侧设置有吸收层，以避免由下述的照明单元朝着放置面的方向发射的光的反射。
15.具有透明导光层体以及第一和第二照明器件的照明单元布置在lc单元下方。第一照明器件在此被构造成用第一波长范围内的漫射光来照明lc单元，也就是说，入射到导光层体中的第一波长范围的光朝着放置面的方向向上漫射。第一照明器件因此为lc单元实现背景照明。
16.第二照明器件被构造成在围绕预定中心角不超过20
°
(即围绕中心角 /-10
°
)的有限角度范围内发射定向光，第二照明器件发射第二波长范围内的光。这两个波长范围可以是一致的、部分重叠的也或彼此完全不同的。尤其是，每个波长范围也可以仅包括在容差(例如由过滤器预定的容差)内的单个波长。中心角在此以如下方式被预定，即在有限的角度范围内被发射的并且通过lc单元以及触敏层在放置面的底侧被偏转的光在放置面(其上附有介质的情况下)上以与放置面的材料的折射率有偏差的折射率至少部分地被反射，例如主要被全反射。介质例如可以是空气。
17.中心角在此不必与放置面的表面法线围成0
°
，而是与表面法线优选地围成在0
°
和80
°
之间的角度，特别优选在0
°
和70
°
之间的角度。特别优选地，有限的角度范围还仅包括围绕中心角不超过10
°
的角度，以使得能够在光学传感器(光学传感器将在下文描述)上尽可能清晰地成像乳头状结构并且在此还能够清晰地成像细节。
18.在此，两种变体是特别优选的。在一种将受干扰的全反射原理用于反射的情况下，中心角优选地大于全反射的临界角，例如在通常的玻璃空气过渡的情况下为42
°
。这样，边
界面处的反射特别强，光高效地被利用，并且对比度也相应较高。特别优选地，围绕中心角的有限角度范围的角度都使得它们大于全反射的临界角。在另一种情况下，如果不使用全反射，而是使用通常的反射，则中心角优选为0
°
，以使放置面或边界面上的反射与传感器层上的检测之间的光路尽可能短，并且因此分辨率尽可能保持较高。在这种情况下，光量显着更低，这是因为通常不超过4％的光在作为与空气的边界面的放置面上被反射。
19.单独的漫射照明不适用于对皮肤印记进行成像，这是因为布置在导光层体下方的后述传感器层与放置面之间的距离可以达到数100μm，使得无法由传感器元件分辨皮肤的乳头状结构和细节(例如毛孔)。这种另外可能处于仅50μm的尺寸布置中的细节损失通过漫射照明装置的广角光谱引起，会导致要成像的结构随着距离的增加而模糊，除非不使用成像或准直光学器件。另一方面，在显示屏用于显示信息时，漫射照明装置是必要的，以尽可能均匀地照亮显示屏。
20.lc单元的像素在此可以在对漫射光和定向光透明的状态和至少对漫射光不透明的状态之间切换，这是通过改变在进入lc单元时已经发生线性偏振的光的偏振方向来实现的。如上，lc单元的像素通过由第一照明器件发射的漫射光照明，以显示借助驱动单元被提供用于显示的信息。切换到对于定向光也是不透明的状态不是绝对必要的，但可选地是可能的。
21.最后，在导光层体下方布置具有网格形布置的传感器元件的光学传感器层，传感器元件至少对第二波长范围的光敏感。
22.与现有技术不同，光学传感器层因此布置在照明单元下方。由于传感器元件布置在导光层体下方，因此该导光层体必须是透明的，这与现有技术不同，在现有技术中，用于lc单元的背景照明装置被设计为是不透明的，这是因为在其底侧上具有高反射层，高反射层使光输出中的效率最大化。为了提高根据本发明的装置中漫射照明装置的光输出效率，可以将通常为金属的传感器层或至少传感器元件的表面设计为是部分反射的，除了检测第二波长范围的光的元件的开口之外。
23.由于传感器层形成装置的最底层这一事实，该一个或多个传感器元件不必被设计为是透明或半透明的，使得这里可以使用更便宜的部件，例如基于cmos的传感器。由于皮肤印记登记所需的所有部件都布置在lc单元下方，因此显示屏在视觉上不会受到干扰。由于漫射光和定向光都不必穿过具有半透明传感器的区域(其透射率通常仅为入射光的1％到最大30％)，因此可以提高能量效率，对于例如传统装置中的相同亮度而言，需要更少的能量。
24.在进一步的实施方式中，定向光在某些中心角中在其偏振方向方面不会被lc层改变，因此定向光总是可以不受阻碍地穿过lc单元，无论lc单元切换到不透明状态还是透明状态。其原因是，某些lc单元在其透射特性方面可能具有很强的角度和波长依赖性，这导致无论切换状态如何，定向光都可以穿过lc单元。为此，定向光的中心角应该在30
°
和80
°
之间，优选在40
°
和70
°
之间，并且特别优选在50
°
和70
°
之间。在该实施方式中，必须使用具有非交叉线性偏振器(即平行定向的偏振滤光器)的lc单元，否则定向光会熄灭。
25.然而，当在lc单元上用定向光照明时，如果使用的光是非偏振的，则由于较低偏振结构上的偏振，仍会发生约50％的损失。这种损失可以通过使用例如发射偏振光的激光器或其他光源作为用于定向照明的光源来避免。
26.此外，在一些实施方案中，如果中心角被设置为在放置面上的全反射的临界角上方的区域，则还可以使用第二照明器件来显示信息。这可以例如通过选择合适的例如棱柱形耦合输出结构的倾斜角来实现，该倾斜角相应大以在撞击光耦合输出结构的合适的倾斜面时赋予导光体中被引导的光较大的方向改变。此外，这取决于导光体和围绕导光体的粘合层之间的折射率的折射率差，粘合层的折射率低于导光体的折射率，这是因为由此限定了主要引导哪些光角度。
27.为了节约能源，可以在采集肢体的皮肤印记时关闭第一照明器件。相反，仅当要检测一个或多个皮肤区域时，才必须激活第二照明器件；第二照明器件例如可以集成到相应应用程序的控制装置中。第二照明器件的接入在此可以局部地限制在触敏层已经检测到放置一个或多个皮肤区域的那些区域，例如在从侧面照明的情况下限制在条形区域。
28.在特别优选的实施方案中，用于漫射照明的第一波长范围和用于定向照明的第二波长范围不具有交集，即范围彼此不重叠。这样，可以最小化两个照明装置的信号的重叠。优选地，然后第一波长范围包括可见光并且第二波长范围包括不可见光，不可见光优选地在780nm和3000nm之间的nir范围内，其中在315nm和380nm之间的uv-a范围内的照明也是可能的。
29.替代地，第二照明器件也可以被设计为发射单色光，即第二照明器件仅在非常窄的带中发射光。在这种情况下，为了将第二照明器件的光与第一照明器件的光分离，在光学传感器层和导光体之间布置透射过滤器，以优选地仅使第二照明器件的光穿过。
30.在此，组件的基本构件是导光层体和照明器件。可以以各种方式实现导光层体。在第一设计方案中，导光层体包括作为第一照明器件的部分的下部透明层和作为第二照明器件的部分的上部透明层。两层优选地基本上被设计为是板形的，即具有两个大面(也称为主面或大侧面)，两个大面基本上平行地布置成彼此相距很小的距离。两个大面在边缘处通过窄侧连接，窄侧形成面板的边缘。面板的几何形状在此通常是矩形的，但这不是强制性的。第一照明器件包括发射第一波长范围内的光的第一光源，并且第二照明器件包括发射第二波长范围内的光的第二光源。第一光源的光被耦合到下部透明层中并且第二光源的光被耦合到上部透明层中。优选地，在此，第一和第二光源分别布置在各个板形层的窄侧上，并且然后光可以侧向地通过窄侧或也通过导光层(导光层为此优选地被缩短或设置有倒角)的拐角被耦合到各个层中。当从侧面进行光耦合时，尤其是对于用于生成定向光的第二光源，但也对于第一光源，有利地是，光源分别由大量的单个光源组成，其中每个单个光源的发射角度由准直器件，例如吸收圆柱结构和/或光学透镜优选地限制。由此增加了最大可用亮度。尤其对于生成定向光而言，这种空间准直特别有利，这是因为光落在导光体上的入射角度可以从一开始就已被限制在依赖于具体准直结构的小的角度范围。如果第一光源例如集成到光学传感器层中并且例如布置在传感器元件之间，则用于从下方进行漫射照明的光耦合也是可能的。
31.第一光源的光和第二光源的光都借助全内反射(tir)在导光层体的各个层中被引导，必须按照如下方式相应地选择入射角范围(入射角范围具有其中第一或第二光源的光从侧面落在各个层的边界面上的角)，使得光也在入射角范围的临界角处通过全反射被引导。在此，具有比导光体的各个层更低的折射率的光学层被施加到大面上。例如，这些光学低折射层可以由空气或透明粘合剂组成。导光体的透明层在其主面上具有边界面，并且在
下部透明层的边界面上构成有用于耦合输出漫射光的第一耦合输出结构，并且在上部透明层的边界面上构成有用于耦合输出定向光的第二耦合输出结构，其中光在两种情况中的任何一种情况下朝着放置面的方向被耦合输出。
32.原则上，还可以调换透明层的堆叠顺序以及相应的照明器件或光源，并且在下部透明层的边界面上构造用于耦合输出定向光的耦合输出结构以及在上部透明层的边界面上构造用于耦合输出漫射光的耦合输出结构，即使这会导致定向光的发射角进一步变宽，也就是说，应相应地选择比第一种情况(其中被引导回的光的变宽发生在碰撞到传感器之前)窄得多的有限角度范围。
33.在此，可以将第一光源和第二光源被构造为，使得光横向地耦合到下部透明层或上部透明层中，并且在此将第一和第二光源组合以形成共同的边缘照明装置。在极端情况下，第一和第二光源组合形成单个光源，光源的光经由边缘耦合到导光层体中。由于此处使用相同波长的光进行漫射照明和定向照明，因此方便地在光学传感器层和导光层体之间布置附加的光阑层用于空间的角度选择，使得光学传感器层的传感器元件能够基本上主要或只能接收定向照明的光。
34.在此，定向光和漫射光的耦合输出结构被构造为，使得在强度方面每单位面积的照明并且对于定向光来说也在其角度分布方面的照明主要均匀地发生，而无论肢体的皮肤部分是否在一个或多个点上抵靠在放置面上。
35.这通过相应选择的耦合输出结构在大面上的分布来实现。例如，耦合输出结构的数量可以随着与光耦合所在任一例的距离增加而增加。
36.在装置的替代设计方案中，在导光层体中不使用下部透明层和上部透明层，而是导光层体包括单个透明的、基本上板形设计的透明组合层。在此，第一照明器件包括第一光源并且第二照明器件包括第二光源，其中第一光源的光优选地在第一窄侧上，优选地侧向地或侧向地从拐角耦合到组合层中，并且第二光源的光优选地在与第一窄侧相对的第二窄侧上，优选地侧向地或侧向地从拐角耦合到组合层中，或者从下方借助附加的光学元件(例如横向于传感器层布置的透镜或棱镜)耦合。在此，也借助全内反射来引导光，并且在透明组合层的边界面上优选地构造用于根据入射方向(例如从第一或第二窄侧起)朝着放置面的方向同时耦合输出漫射光和定向光的组合耦合输出结构。附加地或替代地，在此还可以布置第一和第二耦合输出结构，以便增加或确保均匀性，例如在与组合耦合输出结构相对的边界面上。在此，特别重要的是，漫射光尽可能均匀地被耦合输出。用于使定向光均匀化的器件(由于没有信息要借其进行显示，其对于显示屏的观看者来说是不重要的)也可以通过如下方式集成到光学传感器层中，例如在那里调整光阑大小或随着距光耦合所在侧的距离的增加而逐渐增加传感器元件的灵敏度，或者从该侧起以逐渐减少的吸收施加半透明层。
37.本发明还涉及一种尤其用如上所述的装置同时采集在放置面上放置的多个肢体的皮肤印记的方法。从肢体的方向观察，装置包括：放置面；触敏层；lc单元，lc单元具有网格形布置的、单个可控制的像素；照明单元，照明单元具有透明的导光层体；第一照明器件，第一照明器件用于用第一波长范围内的漫射光对lc单元进行照明；第二照明器件，第二照明器件用于在第二波长范围内发射定向光；以及光学传感器层，其具有网格形布置的、对第二波长范围的光敏感的传感器元件。
38.在该方法中，装置(例如移动电话或平板电脑)的lc单元在其运行期间首先通过第一照明器件用第一波长范围内的漫射光被照明，其中lc单元的像素在对于漫射光透明的状态和不透明的状态之间是可切换的。以此方式，可以显示信息。这是在没有放置手指时这种显示屏或平板电脑通常的运行模式。信息以彩色显示，这是因为每个像素通常由多个子像素组成，子像素发射红色、绿色和蓝色的原色光。
39.触敏层检测皮肤区域是否放置在放置面上。在皮肤区域被放置的情况下，光学传感器层的传感器元件被激活，从而它们可以检测光，此外打开第二照明器件，第二照明器件在正常的运行模式(其中仅显示信息)下被关闭。如果存在触敏层，则相应的信息(例如放置一个手指还是多个手指)自动可用，其中触敏层还登记二维放置面上的放置地点。在装置的显示屏上可以同时显示与采集印记相关的用户主导的信息。
40.在第二照明器件被打开之后，该第二照明器件在围绕预定中心角不超过20
°
的受限角度范围内发射定向光，其中中心角以如下方式被预定，使得在有限的角度范围内被发射的并且通过lc单元以及触敏层在放置面的底侧被偏转的光在放置面(其上附有介质的情况下)上以空气的折射率主要被全反射。然而，然后尤其当手指或其它肢体的皮肤凸处放置时，光会穿过放置面。然后借助光学传感器层检测从放置面反射的光。由于传感器元件布置成网格形，检测到的光可以被采集或登记为一个或多个肢体的印记，也就是说，光学传感器元件检测到的强度值被计算成一个或多个印记，其中使用现有技术中已知的图像处理方法。如果肢体的皮肤区域的登记或采集成功完成或中止，例如这是因为在采集完成之前手指从放置面上移开，则停用光学传感器层并且关闭第二照明器件。
41.由于第二照明器件和光学传感器元件仅在放置手指时才消耗能量，因此该方法以高效节能的方式运行。此外，打开第二照明器件和光学传感器元件也可以与其他条件连接，例如可以将打开限制于要明确要求测试手指印记的这些应用，例如在线银行应用程序。
42.在最后一个步骤中，将采集的一个或多个印记与存储在数据库中的印记进行比较，根据比较的结果，在必要时执行一个或多个动作。例如，可以将移动设备分配给公司中的多个用户，其中每个用户都有自己的用户配置文件和自己的用户界面。然后可以借助手指印记加载用户界面的分别用于用户的特定配置文件。
43.优选地，为了增加安全性，为每个放置的肢体进行单个采集。如果检测到一个或多个肢体的位置变化或放置了其他的肢体，也可以重复采集。还为了更加节能地设计该方法，也可以将第二波长范围的光的检测限制在通过触敏层检测肢体的放置的区域。
44.本发明的可能的应用主要在于在lc显示屏中集成多手指印记传感技术。例如，这些lc显示屏可以是智能手机、平板电脑、电视、笔记本电脑和其他带有要执行用户身份验证的显示器的设备的组成部分。应用的一个示例是汽车中的触敏显示屏，该触敏显示屏为虚拟仪表板以及其上为虚拟启动按钮，虚拟启动按钮可以在识别登记的用户的相应手指印记时开启并且启动汽车，和/或为虚拟开关，借助虚拟开关来设置用户特定的座椅和镜子组合。
45.不言而喻，在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征和下面还要解释的特征不仅可以以指定的组合使用，而且可以以其他组合或单独使用。
附图说明
46.下面参照附图基于实施例更详细地解释本发明，附图还公开了对本发明必不可少的特征。这些实施例仅用于说明并且不应被解释为限制性的。例如，对具有多个元件或组件的实施例的描述不应被解释为暗示所有这些元件或组件都是实施所必需的。相反，其他实施例可以包括替代性元件和组件、更少的元件或组件、或附加的元件或组件。除非另有说明，否则不同实施例的元件或组件可以相互组合。针对实施例之一描述的修改和变化也可以适用于其他实施例。为避免重复，不同图中相同或彼此对应的元件以相同的附图标记表示，且不再解释。附图为：
47.图1a、b示出在放置手指的情况下用于显示信息和用于基于接触同时采集肢体的皮肤印记的装置两个横截面图，
48.图2示出具有两个透明层的导光层体的横截面，
49.图3示出在替代性设计方案中的导光层体的横截面，
50.4a)至c)示出用于将光耦合到导光层体的透明层中的不同可能性，
51.图5示出导光层体的透明层的照明的另一可能性，
52.图6示出俯视图中的耦合输出元件的可能布置，
53.图7示出lc单元的可能构造，以及
54.图8示出用于同时采集多个肢体的皮肤印记的方法的基本过程。
具体实施方式
55.图1a首先示出用于显示信息和用于基于接触同时采集人的肢体的多个血液流通的皮肤区域的印记的装置的横截面。手指1在此示例地作为肢体。从接触的皮肤区域的方向看，装置首先包括：放置面2，用于放置肢体。在本例中，这是可选的保护层3的部分，保护层3用于保护下面的元件。例如，其可以是玻璃或塑料层。在可选的保护层3下方布置触敏层4，触敏层4登记皮肤区域是否已经放置在放置面2上。在触敏层4下方布置具有网格形布置的像素6的lc单元5，像素6可以借助控制单元(未示出)单个被控制。在lc单元5下方布置具有透明导光层体7以及第一和第二照明器件的照明单元，下面将参照图2和图3对照明单元进行更详细的说明。最后，在导光层体7的下方布置光学传感器层8，光学传感器层8具有网格形布置的传感器元件9。
56.下面基于根据图2和图3的替代性设计方案更详细地解释照明单元的构造。照明单元包括透明导光层体7以及第一和第二照明器件。第一照明器件被构造成用第一波长范围内的漫射光来照明lc单元。另一方面，第二照明器件被构造成在围绕预定中心角不超过20
°
的有限角度范围内和在第二波长范围内发射定向光。在此中心角以如下方式被预定，即在有限的角度范围内被发射的并且通过lc单元5以及触敏层4在放置面的底侧被偏转的光在放置面(其上附有介质的情况下)上以与放置面(2)的材料的折射率有偏差的折射率至少部分地被反射。lc单元5的像素6可以在对漫射光和定向光透明的状态与至少对漫射光不透明的状态之间切换。为了显示信息，通过漫射光对像素6进行照明。另一方面，光学传感器层8的传感器元件9仅对定向光的第二波长范围的光敏感，但其中不排除第二和第二波长范围重叠或第二波长范围包含在第一波长范围中。传感器元件9的面向导光层体7的表面可以被设计为是反射性的以增加漫射光的光输出，并且被设计具有光阑结构，以提高定向照明的
角度选择性和/或均匀性。中心角与放置面2的表面法线围成0
°
和80
°
之间、优选0
°
和70
°
之间的角度。受限的角度范围优选地包括围绕中心角不超过10
°
的角度，即围绕中心角 /-5
°
的角度。
57.另一方面，如果第一和第二波长范围重叠，则可以按照如下方式设计第二照明器件，使得第二照明器件优选地在数纳米的非常窄的波长范围内发射单色光。然后为了将第二照明器件的光与来自第一照明器件的光分离，优选地在光学传感器层8和导光体7之间布置透射过滤器。
58.图2示出具有第一和第二照明器件的导光层体7的第一设计方案。在此，导光层体7具有下部层10和上部层11。下部层10和上部层11均由透明材料(例如玻璃、pmma或聚碳酸酯)并且基本上板形地制成。下部层10被分配给第一照明器件，而上部层11被分配给第二照明器件。因此，下部层10用于用第一波长范围内的漫射光对lc单元5进行照明，而上部层11用于发射如上所述的定向光。第一照明器件包括第一光源12并且第二照明器件包括第二光源13。第一光源12和第二光源13在图2和图3中仅象征性地示出；可能的设计方案在图4和图5中示出。第一光源12的光例如侧向地、侧向地从拐角处或从下方被耦合到下部透明层10中。第二光源13的光侧向地在窄侧处或侧向地从拐角处或从下方被耦合到上部透明层11中。在下部透明层10和上部透明层11中，光分别通过全内反射被引导，因此光不能在没有辅助器件的情况下从导光体中被耦合输出。这些辅助器件通过第一耦合输出结构14在下部透明层10的边界面处形成并且通过第二耦合输出结构15在上部透明层11的边界面处形成，其中边界面意味着各个透明层10、11的大面或主要面，耦合输出结构14、15可以布置在各个层的一个或两个边界面处。在本例中，第一耦合输出结构14在下部边界面处在下部透明层10中被构造成凹形的凹部。替代地或附加地，也可以在下部透明层10的上部边界面处构造凸形的凸部。如果来自第一光源12的入射到下部透明层10中的光照射到第一耦合输出结构14上，则光(由小箭头指示)基本上被漫射偏转和耦合输出。可选地，可以在下部透明层10的窄侧上施加反射层101，该窄侧与用于光耦合的窄侧相对，以提高漫射照明的光输出。另一方面，第二耦合输出结构15在此构成在上部层的上部边界面上，上部层例如具有矩形的底面和棱柱形纵向截面，其中耦合输出结构15也还可以替代地或附加地布置在上部层11的下部边界面上并且还可以构造为长方体的形式。因此，光耦合输出在此仅在由几何形状预定的窄角度范围内发生，角度范围尤其通过棱镜表面的倾斜角或耦合输出结构的倾斜面预定，其中倾斜角相对透明层11的大面优选为5
°
至25
°
，尤其优选地为10
°
至20
°
。由第二耦合输出结构15耦合输出的定向光和由第一耦合输出结构14耦合输出的漫射光均朝着放置面2的方向被耦合输出。为了分别借助全内反射来引导下部透明层1㈡和上部透明层11中的光，在边界面处分别布置分离层16。在此，例如，这可以是空气或粘合剂层，但也可以想到具有比透明层10、11相应低的折射率的其他材料，其允许透明层10、11内的全内反射，其中分离层16的折射率例如比透明层10、11的折射率低1％至30％，优选5％至30％，更优选10％至25％。例如，隔离层16在这里也填充第一耦合输出结构14的凹形凹部。尤其是，在热或uv辐射下固化的光学透明的双面粘附的胶带(oca)或液体粘合剂(loca)也适合作为分离层的材料。此处可以使用例如硅氧烷、丙烯酸酯或环氧化物，它们的折射率在1.2和1.5之间，优选在1.3和1.47之间，并且特别优选在1.35和1.43之间。用于透明层10、11的材料(例如玻璃、pmma或聚碳酸酯等)被选择具有1.4和1.8之间，优选1.45和1.6之间、并且尤其优选1.47和1.55之
间的折射率。
59.图1b示出从下方光耦合到两个透明层中的至少一个中的导光层体7的设计方案，其中在图1b所示的示例中，第二光源13的光耦合到上部透明层层11中和/或第一光源12的光耦合到下部透明层10中。为此，在导光层体7上构成下部透明层10的悬垂部71——这里朝向左侧。同样，也可以在右侧构成上部透明层11的悬垂部(这里未示出)，以便将光源13的光从下方耦合到上部透明层11中。然后例如在悬垂部71的底侧上安装棱镜形的耦合输入元件72或透镜形的耦合输入元件73以用于光耦合。为了将这些元件连接到导光层体7或透明层11、12，优选使用在折射率方面匹配的粘合剂，粘合剂还尽可能具有与透明层11、12和耦合输入元件72、73相同的折射率。通过这种方式，可以使装置的整个构造更加紧凑地被设计，这是因为还可以耦合到非常薄的透明层11、12中。
60.在图1b所示的设计方案中，在传感器层8和导光层体7之间还布置有透射过滤器层81，透射过滤器层81例如可以被设计为带通过滤器并且基本上只对第二光源13的光透明。这在第一和第二波长范围重叠时是有利的。
61.在图2中，单独示出第一光源12和第二光源13，但也存在在侧面耦合的情况下将第一光源12和第二光源13组合以形成共同的边缘照明装置的可能性，然后其中优选地，在传感器元件9上排列光阑以用于角度选择，使得传感器元件9优选地检测在放置面上反射之后的第二光源的定向光。在这种情况下，无论是否登记手指印记，第一照明器件将始终打开。
62.在两个单独的光源12、13的情况下，在光学传感器层8和下部透明层10之间使用透射过滤器层81的形式的适配的透射过滤器(例如带通过滤器)也是有利的，透射过滤器优选地仅对于在例如5nm或10nm至200nm，优选10nm至100nm，特别优选10nm至50nm带宽的窄范围内的第二光源13的光是透明的。由此，将由光学传感器元件9待检测的光在光谱上限制在数纳米的窄范围内。光谱范围越窄，光学传感器元件9检测到的来自第一光源12的干涉光越少，但整体能够检测的光的数量也减少，由此光效率下降。在此必须找到适合于应用的相应折衷方案，如果过滤器不是太窄，这通过透射过滤器层81实现。可以用单色光源来抵消光效率的降低，并且可以相应地使用具有小于5nm的更窄带宽的透射过滤器层81。
63.图3中示出一个特别优选的替代性实施方案；导光层体7在这里可以被实施地更薄，这减小了设备的结构深度。在这种情况下，导光层体7包括透明的、基本上板形被设计的组合层17，该组合层17也称为单层。除了分离层16之外，组合层17是导光层体7的唯一层。这里，第一照明器件也包括第一光源12并且第二照明器件包括第二光源13。第一光源12的光在此优选地在第一窄侧18上侧向地或侧向地从拐角耦合到组合层17中。第二光源13的光优选地在与第一窄侧18相对的第二窄侧19上侧向地或侧向地从拐角耦合到组合层17中。在此，在板形导光体的情况下，将大面或主要面彼此连接的那些侧面或边缘称为窄侧。在此，光还借助全内反射在组合层17内部被引导，其中在透明组合层17的边界面上构造有用于根据入射方向朝着放置面2的方向耦合输出漫射光和定向光的组合耦合输出结构20。如果类似于图1a中的实施方案在两侧构造有悬垂部，也可以从下方光耦合到组合层17中。
64.组合耦合输出结构20在此被设计成，当用第一光源12的光(用实线箭头示出)从图3中的左侧照明时，即从窄侧18起照明时，光朝着放置面2的方向非定向地，即漫射地被耦合输出。组合耦合输出结构20的相应部分在这里示例性地被构造成具有用于耦合输出漫射的、非定向的照明的均匀的或可变的曲率/弯曲。从相对侧入射的光(源自第二光源13并且
在此由虚线箭头表示)当撞到组合耦合输出结构20时从图3的右侧起定向地朝着放置面2的方向被偏转。此时，组合耦合输出结构20具有平坦的表面，然而平坦的表面与放置面2相比具有棱柱形式的倾斜，即与放置面2围成不为零的角度。根据该倾斜，定向光围绕限定的中心角朝着放置面的方向被耦合输出。
65.除了该实施方案的整体构造高度较小之外，更少的层还必须相互连接。与接触面较小的距离还允许采集的皮肤印记的图像质量更高。而对于仅从一例入射的光源(在图2所示的设计方案中，原则上也可以在两侧布置第一和第二光源12、13，与图3的设计方案不同)可以通过耦合输出结构14、15在边界面上的数量和分布实现均匀的强度分布，这在使用组合耦合输出结构20的情况下或仅对于漫射光或仅对于定向光是可行的，原因是对于这两者而言使用耦合输出结构的相同的空间分布。通常，通过组合耦合输出结构20的分布将确保漫射耦合输出的光的强度看起来基本上是均匀的，这是因为这是观察者主要感知的光。在这种情况下，用于定向照明的从另一例耦合的光大部分在入射区域附近被耦合输出，这是因为在那里存在许多组合耦合输出结构20。至少对于定向光的检测的均匀化然后可以有利地通过单个的传感器元件9上方的附加光阑来实现，传感器元件9在第二光源13的光的耦合的区域中比在第一光源12的光被耦合的相对侧具有更小的开口。透射率也可以随着更厚或更薄的透射层而连续变化，例如在de102017119983b3中所描述的那样，其公开内容引入于此。
66.如图3中的箭头所示，光优选地已经以一定的角度在两侧耦合到导光体中，导光体满足了全内反射的要求，从而实现了更高的光利用率。这可以例如通过在导光体上倾斜地布置光源或通过上游耦合光学器件来实现。
67.关于光的入射，最简单的方法是从侧面耦合光(如图3中示例所示)。然而，为了实现放置在放置面上的手指的生物特征的尽可能高的分辨率，通过拐角将光耦合输入到相应的层中是有利的。这将参照图4更详细地解释。在图4a)至c)中，示出照明单元的三种设计方案，照明单元具有导光层体和用于拐角光耦合输入的照明器件。图示分别是导光体的透明层10、11或17的主面的俯视图。图4a)示出光耦合输入的实施方式，其中第一或第二光源被设计为led(光耦合输入的这种类型同样适用于定向光和漫射光)，并且其中光耦合输入在至少一个通过使导光层体的相应透明层的拐角缩短而形成的面上被实施。这种缩短的拐角21产生附加的窄侧(schmalseite)，窄侧与通常存在的矩形板形的层的窄侧围成例如135
°
的角。在这种情况下，不需要在水平方向上对光源12、13发射的光进行预准直。为了避免反射和与此相关的手指印记的双重图像的形成，然后有利的是在导光层的另外的窄侧(没有光耦合到其上)上设置吸收涂层，吸收涂层吸收到达那里的光或将到达那里的光横向地耦合输出，由此这种光不再到达放置面。
68.在图4b)和c)中示出与图4a)相比的进一步的附加措施，其中在图4b)中，光分布或光均匀化通过散射盘22得到改善，由此光在所有方向上均匀地被发射，而在图4c)中，缩短的拐角21被设计为凹形弧部，使得所有发散地从第一光源12或第二光源13发出的光束都可以不间断地进入导光层，由此仅从单个led发出的光也可以在整个透明层10、11或17中传播和被耦合输出。
69.图5示出用于将光在窄侧耦合的另一设计方案，窄侧尤其适合于产生定向光。第一光源12或第二光源13在此由许多单个的led23组成，led23沿着用于耦合的窄侧排列。led23
在此嵌入圆柱形或截锥形的吸收结构24(此处以横截面示出)中。吸收结构24确保由led发射的光空间准直到围绕轴25例如10
°
的角度范围。可用的角度范围在此尤其取决于圆柱形或截锥形的吸收结构24在发射方向上的延展。
70.图6示出具有第二耦合输出结构15的上部透明层11的两个部分的俯视图。第二耦合输出结构15被构造为楔形，并且从照明的方向为斜台形上升的矩形或梯形面，如图2的截面图所示。这里示出上部透明层11的上部边界面，其中构造有第二耦合输出结构15。第二耦合输出结构布置成多排，其中单个排彼此的距离随着与第二光源13的距离的增加而减小，以提高发射的光的强度的均匀性，这也在图2中示出。
71.图7详细示出lc单元5的可能构造。lc单元5的核心是具有液晶分子28的液晶层27，液晶分子28包含在此处未示出的单元中。液晶分子28在此以细棍形示出，以描绘偏振方向和光的偏振的旋转。具有液晶分子28的单元由垂直定向层29(这里在液晶层27下方)和水平定向层30(这里在液晶层27顶部)界定。定向层例如是具有多个平行微槽(分别要么是水平定向要么是垂直定向)的玻璃板，液晶分子28借助这些微槽机械地在单元的长度上螺旋形地定向。在玻璃板的外侧上安装层形的透明电极31，借助该电极可以在施加电压时改变液晶分子28的定向。在水平定向层30上方(即在相对放置面2的发射方向上)的透明电极31的上侧上还布置有颜色过滤器32、玻璃基板33，并且在玻璃基板33上布置有水平偏振过滤器34。在本实施方案中，在垂直定向层29下方的电极31的底侧上布置有有源半导体阵列，即所谓的背板35。它是晶体管36的阵列，主要是薄膜晶体管(tft)，其中给每个单元分配一个晶体管36，晶体管36控制位于其上方的该单元的电极。lc单元在下方由玻璃基板33和垂直的偏振过滤器37封闭。
72.对于传统显示屏，希望尽可能多地使用背景照明装置的光对显示屏进行照明，这就是为什么在背板35中的金属结构(例如导体轨道)上的反射不会造成干扰，因为反射光在必要时可以通过其他反射朝着lc单元的方向被偏转。然而，在本例中，从位于下方的导光体被耦合输出的漫射光或定向光的反射是不希望的，因为该光直接到达传感器层8而没有预先撞击放置面2。由此该反射光对用传感器元件9检测定向光具有负面影响，因为该光表示在没有印记的图像信息的情况下的偏移。这种偏移会导致传感器层的光敏元件已仅由于背板结构上的背反射而饱和，从而难以检测手指线。在这里描述的实施方案中，吸收层38因此布置在背板下方，吸收层38在结构上也被构造为阵列形并且对应于背板35的阵列结构。该吸收层38减少背板35上的反射并提高采集质量。替代地或附加地，当然也可以使用透明背板，其由诸如ito、izo或azo的透明导电材料以及诸如gan或zno的透明半导体制成。
73.最后，图8示出用于同时采集放置在放置面2上的多个肢体的印记的方法的基本过程，该方法可以使用特别是如上文所述的装置来执行。从放置的肢体的方向看，装置包括放置面2、触敏层4、lc单元5(具有网格形布置的可单个控制的像素6)、照明单元(具有透明的导光层体7以及第一照明器件和第二照明器件，第一照明器件用于使用第一波长范围内的漫射光对lc单元5进行照明，第二照明器件用于发射第二波长范围内的定向光)。具有网格形布置的、对第二波长范围的光敏感的传感器元件9的光学传感器层8连接到导光层体7。该方法可以在市售的带有触敏显示屏的手机、pc机的触敏显示屏等上执行。通常，信息已经显示在显示屏上。用户现在可以将他的手指1在显示屏的特定点处放置在放置面2上，以便启动应用程序，其中然后执行下面描述的方法步骤。启动该方法的另一种可能性是在已经运
行的应用程序中请求与安全相关的输入，为此用户必须通过手指印记来识别自己。在正常状态下，lc单元5还通过第一照明器件用第一波长范围内的漫射光被照明以显示信息，其中lc单元5的像素6可以在对漫射光透明的状态和不透明的状态之间切换。如果现在触敏层4检测到手指1是否放置在放置面2上，则一方面打开或激活用于发射定向光的第二照明器件；另一方面，光学传感器层8的传感器元件9被激活，即它们能够检测第二波长范围的入射光。在此，可以将第二波长范围的光的检测限制在通过触敏层4检测肢体的放置的区域，以节省能量。
74.在打开第二照明器件之后，这些第二照明器件在围绕预定的中心角不超过20
°
、优选不超过10
°
的有限角度范围内发射定向光。在此，中心角以如下方式被预定，即在有限的角度范围内被发射的并且通过lc单元5以及触敏层4在放置面2的底侧被偏转的光在放置面2(其上附有介质的情况下)上以与放置面(2)的材料的折射率有偏差的折射率至少部分地被反射。如果放置手指1，则在存在皮肤凹处的位置会反射定向光，这是因为在放置面2和手指1之间在皮肤凹处的位置处仍有空气层。另一方面，在皮肤凸处抵靠放置面2的位置处，定向光通过放置面2进入手指1并在那里散射，使得这些区域在图像中显得更暗。借助光学传感器层8检测从放置面2反射的光，并且基于强度差采集一个肢体的印记的图像或多个肢体的多个印记的图像。在完成或中止对肢体的皮肤印记的采集之后，光学传感器层8被停用并且第二照明器件被关闭。然后将采集的一个印记或多个印记与存储在数据库26中的印记进行比较；根据比较的结果，可以执行各种动作，例如，如果识别到手指1，则开启传输等。
75.由于第二照明器件和光学传感器层8仅在实际必须登记手指印记时才被激活，因此该方法可以被设计得特别节能，使得手指印记登记或采集几乎不影响电池的寿命。当肢体被提起并再次被放到其他位置时，或者当其他肢体被放置时，可以在此重复该方法步骤。在此，优选地对每个放置的肢体进行单个采集，以便在放置四个手指的情况下，例如理想地同时生成4个图像。
76.通过上述装置和上述方法，例如可以将多指认证集成到移动手机中，而不会因此影响显示屏上的信息显示的质量。几乎设备的整个区域也可以用于显示信息，这是因为显示屏的整个区域都可以用于手指印记的识别，并且必须预留仅用于印记识别的区域。构造也非常紧凑，使得相应设备的结构深度可以保持足够平坦。
77.附图标记列表
[0078]1ꢀꢀꢀ
手指
[0079]2ꢀꢀꢀ
放置面
[0080]3ꢀꢀꢀ
保护层
[0081]4ꢀꢀꢀ
触敏层
[0082]5ꢀꢀꢀ
lc单元
[0083]6ꢀꢀꢀ
像素
[0084]7ꢀꢀꢀ
导光层体
[0085]8ꢀꢀꢀ
传感器层
[0086]9ꢀꢀꢀ
传感器元件
[0087]
10
ꢀꢀ
下部透明层
[0088]
11
ꢀꢀ
上部透明层
[0089]
12
ꢀꢀ
第一光源
[0090]
13
ꢀꢀ
第二光源
[0091]
14
ꢀꢀ
第一耦合输出结构
[0092]
15
ꢀꢀ
第二耦合输出结构
[0093]
16
ꢀꢀ
分离层
[0094]
17
ꢀꢀ
组合层
[0095]
18
ꢀꢀ
第一窄侧
[0096]
19
ꢀꢀ
第二窄侧
[0097]
20
ꢀꢀ
组合耦合输出结构
[0098]
21
ꢀꢀ
缩短的拐角
[0099]
22
ꢀꢀ
散射盘
[0100]
23
ꢀꢀ
led
[0101]
24
ꢀꢀ
吸收结构
[0102]
25
ꢀꢀ
轴
[0103]
26
ꢀꢀ
数据库
[0104]
27
ꢀꢀ
液晶层
[0105]
28
ꢀꢀ
液晶分子
[0106]
29
ꢀꢀ
垂直定向层
[0107]
30
ꢀꢀ
水平定向层
[0108]
31
ꢀꢀ
透明电极
[0109]
32
ꢀꢀ
颜色过滤器
[0110]
33
ꢀꢀ
玻璃基板
[0111]
34
ꢀꢀ
水平偏振过滤器
[0112]
35
ꢀꢀ
背板
[0113]
36
ꢀꢀ
晶体管
[0114]
37
ꢀꢀ
垂直偏振过滤器
[0115]
38
ꢀꢀ
吸收层
[0116]
71
ꢀꢀ
悬垂部
[0117]
72
ꢀꢀ
棱柱形的耦合输入元件
[0118]
73
ꢀꢀ
透镜形的耦合输入元件
[0119]
81
ꢀꢀ
透射过滤器层
[0120]
101 反射层