具有伪造检测的光学指纹传感器和相关联的方法与流程

1.本发明涉及一种具有伪造检测的光学指纹传感器和一种用于检测使用光学指纹传感器检测到的伪造指纹的方法。


背景技术：

2.指纹感测正在成为一种越来越常见的工具，用于授权(a)访问如智能手机等电子设备，(b)访问机密电子记录，以及(c)通过互联网进行的诸如金融交易等电子交易。指纹感测满足了对认证机制的市场需求，该认证机制消除了输入(并记住)密码的需要，并且还消除了跟踪与不同设备和/或账户相关联的多个不同密码的需要。指纹感测是一种完善的生物特征识别形式，并且光学指纹传感器已经被使用多年，例如被执法机构使用。
3.已经设计了几种不同类型的指纹传感器用于智能手机和其他移动设备。这些类型的指纹传感器中的每一种都对手指进行成像以获得指纹。基于相机的指纹扫描仪使用成像透镜和图像传感器来捕获指纹的图像。一种基于准直器的指纹扫描仪利用在图像传感器上方对准的透镜阵列来感测指纹，其中在图像传感器上方添加了准直器。准直器通过形成光必须传播通过其中以到达图像传感器的通道，帮助映射来自指纹样本的特定区域的光，以被图像传感器的对应区域检测到。
4.指纹图像感测的一个问题是产生欺骗指纹传感器的虚假或伪造(spoof，或称为欺骗)指纹以便取得对设备的访问的可能性。伪造指纹可以用多种方法制造，包括在纸上打印指纹图像和形成复现期望指纹图案的模制物体。如果以足够高的分辨率和真实指纹的保真度创建，这些伪造方法可以欺骗指纹传感器，并允许对设备和帐户的未经授权的访问。基于图像传感器的指纹传感器难以区分真实指纹与伪造指纹，从而使指纹传感器成为不太可靠的认证方法。


技术实现要素：

5.基于准直器的指纹传感器缩小了电磁能量在指纹样本与图像传感器之间可以行进的可接受路径。在某些情况下，它们通过形成通道或圆锥来这样做，该通道或圆锥传送电磁能量，但阻挡角度和位置不在此预期路径内的射入电磁能量。这允许来自指纹样本的特定区域的电磁能量仅到达图像传感器的旨在对该指纹的那个区域成像的区域，并减少来自指纹样本的任何其他区域的电磁能量到达图像传感器的该区域。这可以通过几种方式实现，包括位于透镜阵列与图像传感器之间的有孔的挡板层阵列。每个有孔的挡板层具有在图像传感器的每个像素上方对准的孔，每个孔的宽度被配置为仅传送射入电磁能量的可接受角度的窄圆锥。这种设计已被用于帮助提高图像质量和屏幕下指纹传感器的性能。术语“光”和术语“电磁能量”在本文中可互换使用。本文的电磁能量是指波长在0.4与2微米之间的电磁能量。
6.存在克服指纹传感器并取得对设备和信息的未经授权的访问的技术，包括创建伪造指纹。伪造指纹包括指纹的印刷图像和复现目标指纹样本的三维结构的模制物体。检测
伪造指纹的当前技术主要依赖于检查真实指纹和伪造指纹，并使用算法来检测由指纹传感器生成的各个指纹的图像中的差异。由于伪造指纹被制成具有更高的分辨率和保真度，它们在指纹传感器上产生的图像变得难以与真实的指纹样本区分开来。仅使用图像是对伪造检测的限制，并且使指纹传感器容易受到高质量、高分辨率的伪造指纹攻击。
7.当在指纹传感器上使用印刷或模制的伪造指纹样本时，样本的材料性质在电磁能量如何在样本与指纹传感器之间相互作用方面起作用。这可以被利用来增加伪造检测。电磁能量以一定范围的出射角从样本散射。散射电磁能量的这种分布取决于被取样的材料。人的手指、印刷图像和模制物体可以在图像传感器上产生相同的图像，但是它们产生反射和散射电磁能量的不同角度分布。能够检测这种角度分布的指纹传感器比只记录样本图像的传感器具有更强的检测伪造的能力。
8.通过利用可用于光学指纹传感器的有孔挡板层准直器的物理设计，检测电磁能量的角度分布是可能的。通过设计，具有小入射角的电磁能量，也就是说相对于图像传感器的表面法线具有小的角度发散的电磁能量，通过准直器传送到图像传感器的像素，该像素对应于指纹样本上电磁能量所源自的物理位置。这里，图像传感器的这些像素被称为成像像素。通常，成像像素沿着大致平行于图像传感器的表面法线的线与至少一个孔和给定透镜对准。以足够大的入射角向指纹传感器行进的电磁能量可以穿过给定的透镜，然后穿过不与该透镜对准的孔，之后它可以入射到图像传感器上的相邻成像像素之间。这种光通常对指纹样本成像没有用，因此被忽略。在这里描述的实施例中，具有大入射角的电磁能量，即所谓的大角度光，被检测并用于测量指纹样本的真实性。通过检测大角度光，指纹传感器记录关于样本的附加信息，这些信息可用于确认样本是真实手指还是伪造手指。
9.当采用算法来检测伪造指纹时，通过检测大角度光提供的附加信息也可以被输入到算法中，以提高电子伪造检测的准确性。这对于机器学习算法的使用尤其有价值，机器学习算法可以自动比较训练集之间的差异。由样本的材料性质引起的角度分布的变化将可用于机器学习算法，该算法将能够基于图像细节和角度分布的组合来识别伪造指纹。
10.在一方面，提供了一种具有伪造检测的光学指纹传感器。该光学指纹传感器包括：多个透镜l
m＝0
、l1、
……
l
j-1
，其具有沿着与透镜l0的透镜轴线正交的水平方向的透镜间距，每个透镜具有一定宽度；图像传感器，包括像素阵列，该像素阵列包括多个第一光电二极管i
m＝0
、i1、
……ij-1
，多个第一光电二极管在水平方向上具有等于透镜间距的第一光电二极管间距，每个第一光电二极管im的光敏表面的中心与每个透镜lm的光学中心之间的线形成垂直于像素阵列的光敏表面的多个光轴o
m＝0
、o1、
……oj-1
中的光轴om；位于图像传感器与多个透镜之间的至少一个有孔的挡板层，至少一个有孔的挡板层中的每一个位于像素阵列上方的相应高度zk处，并且每一个都具有相应的多个孔径光阑a
m＝0
、a1、
……aj-1
，每个孔径光阑am与光轴om成中心对准；以及包括在像素阵列中的多个第二光电二极管s
m＝0
、s1、
……sk-1
，多个第二光电二极管与多个第一光电二极管间插(intercalate，或称为交插)，使得第二光电二极管sm在水平方向上位于第一光电二极管im与第一光电二极管i
m 1
之间，其中每个第二光电二极管被配置为检测已经穿过透镜lm和未沿着光轴om与lm对准的至少一个孔径光阑a
x≠m
的电磁能量。
11.在一些实施例中，在所述多个孔径光阑的相邻孔径光阑之间，所述至少一个有孔的挡板层中的每一个对于可见电磁能量是不透明的。
12.在一些实施例中，所述至少一个孔径光阑am沿着所述光轴om对准，具有相应的宽度，使得至少一个孔径光阑am共同传送落在接受角内的电磁能量，所述接受角被测量为入射在所述第一光电二极管im的所述光敏表面中心的射线相对于所述光轴om的角度发散。
13.在一些实施例中，在所述至少一个有孔的挡板层的每一个上的所述多个孔径光阑的每个孔径光阑在水平面中是圆形的。
14.在一些实施例中，所述至少一个有孔的挡板层之一具有等于或小于10微米的距离zk，并且具有多个第二孔径光阑sa
m＝0
、sa1、
……
sa
k-1
，每个第二光电二极管sm具有第二孔径光阑sam，每个第二孔径光阑sam在平行于所述光轴om的方向上与每个第二光电二极管sm的光敏表面的中心成中心对准。
15.在一些实施例中，所述至少一个有孔的挡板层包括四个挡板层。
16.在一些实施例中，第一光电二极管的数量j等于第二光电二极管的数量k。
17.在一些实施例中，所述多个第二光电二极管在所述水平方向上具有等于所述透镜间距的第二光电二极管间距。
18.在另一方面，提供了一种用于检测使用光学指纹传感器检测到的伪造指纹的方法。该方法包括：检测入射在像素阵列的多个防伪造光电二极管上的大角度光，大角度光是入射在像素阵列上方的透镜上的电磁能量，其入射角相对于透镜的光轴以大于5度发散；其中多个防伪造光电二极管与多个成像光电二极管交错，使得多个防伪造光电二极管中的每个防伪造光电二极管位于多个成像光电二极管中的相邻成像光电二极管之间；至少部分地基于检测到的大角度光来确定电磁能量的角度分布；以及至少部分地基于电磁能量的角度分布来检测伪造指纹。
19.在一些实施例中，所述多个防伪造光电二极管和所述多个成像光电二极管形成在单个像素阵列中。
20.在一些实施例中，所述方法还包括检测入射到所述像素阵列的所述多个成像光电二极管上的小角度光，小角度光是相对于所述透镜的所述光轴以小于5度发散的入射角入射到所述像素阵列上方的透镜上的射入电磁能量。
21.在一些实施例中，所述确定步骤还包括至少部分地基于检测到的所述小角度光来确定所述电磁能量的角度分布。
22.在一些实施例中，所述方法还包括用多个有孔的挡板层防止较大角度的光照射所述多个成像光电二极管。
23.在一些实施例中，所述方法还包括用多个透镜引导小角度光，每个透镜将小角度光向所述多个成像光电二极管中的一个成像光电二极管引导。
24.在一些实施例中，所述方法还包括用来自显示器的电磁能量照亮指纹样本，所述多个防伪造光电二极管和所述多个成像光电二极管位于所述显示器的玻璃下方。
25.在一些实施例中，所述方法还包括用不均匀的照明图案来照亮所述指纹样本。
26.在一些实施例中，所述方法还包括将至少一种匹配算法应用于大角度光的检测。
27.在一些实施例中，所述至少一种匹配算法包括机器学习算法。
附图说明
28.图1a和1b图示了光学指纹传感器的截面侧视图，该光学指纹传感器利用多个第二
光电二极管来检测光以识别伪造指纹。
29.图2是根据实施例的图1a和1b的光学指纹传感器的一部分的示意性截面图。
30.图3是根据实施例的图1a和1b的光学指纹传感器的示意性截面图，其具有第四有孔的挡板层，第四有孔的挡板层在图像传感器的光敏表面上方的小于10微米的位置处。
31.图4是图示了使用多个防伪造像素来检测伪造指纹的方法的流程图，在实施例中，该方法可以结合图1a、图1b、图2或图3的光学指纹传感器来使用。
32.图5图示了根据实施例的由安装在移动设备的屏幕下方的图1a和1b的光学指纹传感器扫描的手指。
33.图6a图示了根据实施例的像素阵列的截面顶视图，该像素阵列是图3的像素阵列的示例。
34.图6b图示了根据实施例的有孔的挡板层的顶视图，该有孔的挡板层是图3的有孔的挡板层的示例。
35.图7a图示了根据实施例的像素阵列的截面顶视图，该像素阵列是图3的像素阵列的示例。
36.图7b图示了根据实施例的有孔的挡板层的顶视图，该有孔的挡板层是图3的有孔的挡板层的示例。
具体实施方式
37.本说明书中提到的“一个示例”或“一个实施例”意味着结合该示例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个示例中。因此，短语“在一个示例中”或“在一个实施例中”在本说明书各处的出现不一定都指同一示例。此外，在一个或多个示例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。
38.为了便于描述，本文中可以使用空间上相对的术语，例如“下方”、“之下”、“下”、“下面”、“上方”、“上”等，来描述一个元件或特征与附图中所示的另外的(一个或多个)元件或特征的关系。应当理解，除了附图中描绘的朝向之外，空间相对术语旨在包括使用或操作中设备的不同朝向。例如，如果附图中的设备被翻转，那么被描述为在其他元件或特征的“之下”或“下方”或“下面”的元件将被定向在其他元件或特征的“上方”。因此，术语“之下”和“下面”可以包含上方和下方两个朝向。该设备可以以其他方式定向(旋转90度或以其他朝向)，并且在本文中使用的空间相对描述语被相应地解释。此外，还应当理解，当一个层被称为在两个层“之间”时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。
39.术语半导体基板可以指使用诸如硅、硅-锗、锗、砷化镓及其组合的半导体形成的基板。术语半导体基板也可以指由一种或多种半导体形成的基板，其经历了在基板中形成区域和/或结的先前工艺步骤。半导体基板还可以包括各种特征，例如掺杂和未掺杂的半导体、硅外延层以及形成在基板上的其他半导体结构。
40.在整个说明书中，使用了几个技术术语。这些术语将采用它们在所属领域中的普通含义，除非在本文特别定义或者它们使用的上下文清楚地表明不是这样。应当注意，在本文件中，元素名称和符号可以互换使用(例如，si与硅)；然而，两者具有完全相同的含义。
41.图1a和1b图示了光学指纹传感器100的截面侧视图，该光学指纹传感器100利用多
个第二光电二极管118来检测电磁能量以识别伪造指纹。第二光电二极管118在本文中也被称为防伪造光电二极管。图1a和1b所示的截面平行于由正交轴198x和198z形成的平面，在下文中称为x-z平面，轴198x和198z均与轴198y正交。由正交轴198x和198y形成的平面(下文中称为x-y平面)，和平行于x-y平面的平面被称为水平面。除非另有规定，本文中物体的高度是指物体沿轴198z的范围。在本文中，对轴x、y或z的提及分别指轴198x、198y和198z。此外，在本文中，宽度指的是物体沿x轴的范围，深度指的是物体沿y轴的范围，厚度(或薄度)指的是物体沿z轴的范围，竖直指的是沿z轴的方向。此外，在本文中，上方指的是在正方向上沿着轴198z离开一段距离的相对位置，而下方指的是在负方向上沿着轴198z离开一段距离的相对位置。图1a和1b最好一起查看。
42.光学指纹传感器100包括多个透镜170、图像传感器110和至少一个有孔的挡板层160。多个透镜170包括j个透镜，170(m＝0)、170(1)、170(2)、
……
170(j-1)。每个透镜170具有透镜宽度172，并且多个透镜170具有沿着水平方向的透镜间距173。在图1a和图1b中的水平方向，透镜宽度172和透镜间距173相等，但是透镜宽度172可以小于透镜间距173，而不脱离本发明的范围。透镜170(0)具有平行于轴198z的透镜轴线174。多个透镜170位于图像传感器110的光敏表面116上方。图像传感器110包括像素阵列112，像素阵列112包括多个第一光电二极管114，第一光电二极管114包含j个光电二极管，114(m＝0)、114(1)、114(2)、
……
114(j-1)。多个第一光电二极管114具有第一光电二极管间距124，在图1a和1b所示的实施例中，在水平方向上，第一光电二极管间距124等于透镜间距173。连接每个透镜170的光学中心与每个第一光电二极管114的光敏表面117的中心122的线形成多个光轴176中的一个光轴176。在实施例中，多个光轴176中的每个光轴垂直于光敏表面116，并且每个透镜170具有与相应的第一光电二极管114的光轴176对准的透镜轴线174。在实施例中，每个透镜170(m)的光轴176(m)取决于透镜170(m)的水平位置。在所谓的“扇出”设计中，在像素阵列112的中心附近与光电二极管114(m)对准的透镜170(m)具有基本上垂直于光敏表面116的光轴176(m)，但是在像素阵列112的边缘附近与光电二极管114(n)对准的透镜170(n)具有相对于光敏表面116的表面法线成角度的光轴176(n)。在图1a和1b所示的实施例中，每个透镜170与对应的第一光电二极管114之间的距离与透镜170的焦距一起配置，使得从正z方向入射到透镜170上并平行于光轴176的准直电磁能量将聚焦到第一光电二极管114的中心122。多个第一光电二极管114记录从指纹样本反射的光，该光然后用于生成指纹图像。在实施例中，每个第一光电二极管114是包括多于一个光电二极管的像素阵列112的子阵列。
43.每个有孔的挡板层160位于多个透镜170与图像传感器110之间。至少一个有孔的挡板层160中的每一个位于像素阵列112上方的相应高度162处。图1a和1b所示的实施例包括三个有孔的挡板层160a、160b和160c，它们在像素阵列112上方的高度分别为162a、162b和162c。光学指纹传感器100可以具有更多或更少的有孔的挡板层160，而不脱离本发明的范围。像素阵列112上方的每个有孔的挡板层160的相对间隔和高度是为了说明的目的，并不意味着限制光学指纹传感器100内有孔的挡板层160的可能配置。
44.每个有孔的挡板层160具有相应的多个孔径光阑164，其包含j个孔径光阑，164a(m＝0)、164a(1)、164a(2)、
……
164a(j-1)。每个孔径光阑164沿着对应的光轴176与给定的第一光电二极管114成中心对准。例如，有孔的挡板层160a的孔径光阑164a(0)、164a(1)和164a(2)与相应的光轴176(0)、176(1)和176(2)成中心对准。为了图示清楚，一些光轴没有
示出。在图1a和1b所示的实施例中，孔径光阑164a(1)、164b(1)和164c(1)与光轴176(1)(为了图示清楚起见未示出)成中心对准。
45.像素阵列112包括多个第二光电二极管118，其包含k个光电二极管，118(k＝0)、118(1)、118(2)、
……
118(k-1)。多个第二光电二极管118与多个第一光电二极管114间插，使得第二光电二极管118(k)在水平方向上位于第一光电二极管114(m)与第一光电二极管114(m 1)之间。每个第二光电二极管118被配置成检测已经穿过透镜lm和未沿着光轴om与lm对准的至少一个孔径光阑a
x≠m
的电磁能量。这在图1b中图示。电磁能量射线190穿过透镜170(m＝0)并穿过孔径光阑164c(m＝1)。另一条电磁能量射线192穿过透镜170(m＝0)并穿过孔径光阑164a(m＝1)、164b(m＝1)和164c(m＝2)。电磁能量射线190和192都被多个第二光电二极管118中的第二光电二极管(分别为118(1)和118(2))检测到。在一个实施例中，每个第二光电二极管118是包括多于一个光电二极管的像素阵列112的子阵列。
46.由多个第二光电二极管118检测到的电磁能量相对于光轴176以大入射角进入光学指纹传感器100。该大角度电磁能量在这里被量化为入射到透镜170(m)上的射入电磁能量，其入射角相对于光轴176(m)以大于5度发散。
47.在一个实施例中，有孔的挡板层160中的每一个对于在多个孔径光阑164的相邻孔径光阑之间入射在有孔的挡板层160上的可见电磁能量(例如光)是不透明的。这减少了射入电磁能量可以采用并且仍然入射在多个第一光电二极管114上的路径的数量。如先前所讨论，每个有孔的挡板层160帮助光学指纹传感器100记录指纹样本的图像。
48.图2是光学指纹传感器100的一部分的示意性截面图，其包括第一光电二极管114(m)、光敏表面117的中心122(m)、连同透镜170(m)、光轴176(m)以及分别包括孔径光阑164a(m)、164b(m)和164c(m)的至少一个有孔的挡板层160a、160b和160c的区段。
49.图2所示的孔径光阑164a(m)、164b(m)和164c(m)中的每一个与光轴176(m)成中心对准。每个孔径光阑164a(m)、164b(m)和164c(m)的宽度使得它们共同传送入射到透镜170(m)上的落在接受角178内的电磁能量，接受角178被测量为入射到透镜170(m)上的射线相对于光轴176(m)的角度发散。当入射角大于接受角178的电磁能量射线194入射到有孔的挡板层160c上时，防止其照射第一光电二极管114(m)。在实施例中，在至少一个有孔的挡板层的每一个上的多个孔径光阑164的每个孔径光阑在水平面中是圆形的。
50.图3是光学指纹传感器300的示意性截面图，该光学指纹传感器300是图1的光学指纹传感器100的示例。在图3所示的实施例中，至少一个有孔的挡板层360包括第四有孔的挡板层360d，其在图像传感器310的光敏表面316上方的距离362d小于10微米。有孔的挡板层360d具有多个孔径光阑364，其具有j个孔径光阑364d(0)、364d(1)、
……
364d(j-1)(未示出)，类似于图1a、图1b和图2中所示的那些。有孔的挡板层360d还包括多个第二孔径光阑368，其具有k个孔径光阑368d(0)、368d(1)、
……
368d(k-1)，多个第二光电二极管318中的每个第二光电二极管318有一个第二孔径光阑368。如图3所示，每个第二孔径光阑368在平行于光轴374的方向上与相应的第二光电二极管318的光敏表面(未示出)的中心成中心对准。有孔的挡板层360d上的多个第二孔径光阑368允许多个第二光电二极管318检测电磁能量，同时进一步限制允许多个第一光电二极管314检测电磁能量的可用路径。距离362d可以根据所使用的制造工艺和与这些工艺相关联的公差而变化。
51.在一个实施例中，第一光电二极管314的数量等于第二光电二极管318的数量。因
此，透镜370的数量、每个有孔的挡板层360上的孔径光阑的数量以及第二孔径光阑368的数量也彼此相等，并且与第一光电二极管314的数量和第二光电二极管318的数量相等。更简洁地说，上面的计数j和k是相等的。然而，情况不一定如此。第一光电二极管314和第二光电二极管318的相对数量可以变化，而不脱离本发明的范围。
52.图3图示了一个实施例，其中多个第二光电二极管318具有第二光电二极管间距320，该第二光电二极管间距320在水平方向上等于第一光电二极管间距324和透镜间距373。然而，第一光电二极管间距324和第二光电二极管间距320不需要相等，并且实施例可以具有相对于第一光电二极管间距324更大或更小的第二光电二极管间距320，而不脱离本发明的范围。在实施例中，每个第二光电二极管318比每个第一光电二极管314更宽和/或具有更大的深度。每个第一光电二极管314与每个第二光电二极管318的相对宽度和深度可以变化，而不脱离本发明的范围。
53.图4是图示了使用多个防伪造像素来检测伪造指纹的方法400的流程图。方法400可以由图1a、图1b、图2和图3的光学指纹传感器100或300中的任何一种来实施。方法400包括框410、460和470。在实施例中，方法400还包括框402、404、430、432、434、436和472中的至少一个。
54.在框410中，检测入射到像素阵列的多个防伪造光电二极管上的大角度光。大角度电磁能量在这里被量化为相对于透镜的光轴以大于5度发散的入射角入射到透镜上的射入电磁能量。多个防伪造光电二极管与多个成像光电二极管交错，使得多个防伪造光电二极管中的每个防伪造光电二极管位于多个成像光电二极管中的相邻成像光电二极管之间。在框410的示例中，电磁能量射线190和192由多个第二光电二极管118中的第二光电二极管(分别为118(1)和118(2))检测。
55.在框460中，至少部分地基于检测到的大角度光来确定电磁能量的角度分布。在框460的一个示例中，至少部分地通过多个第二光电二极管118检测到的电磁能量射线190和192来确定电磁能量的角度分布。
56.在框470中，至少部分地基于电磁能量的角度分布来检测伪造指纹。
57.在某些实施例中，方法400包括图4中流程图的一个或多个附加框。在框402中，用来自显示器的电磁能量照亮指纹样本，并且将多个防伪造光电二极管和多个成像光电二极管定位在显示器的玻璃下方。实施框402的设备的一个示例在图5中图示，如下面所描述的。在框404中，指纹样本被不均匀的照明图案照亮，这有助于在框460中确定电磁能量的角度分布。
58.在框430中，检测入射到像素阵列的多个成像光电二极管上的小角度光，小角度电磁能量在这里被量化为相对于透镜的光轴以小于5度发散的入射角入射到透镜上的射入电磁能量。在框430的示例中，电磁能量通过透镜170(0)传送，然后穿过孔径光阑164a(0)、164b(0)和164c(0)，之后被第一光电二极管114(0)检测到。
59.框430可以包括框432，在框432中，至少部分地基于检测到的小角度光来确定电磁能量的角度分布。在框432的一个示例中，电磁能量的角度分布至少部分地基于(i)传播通过透镜170(0)然后穿过孔径光阑164a(0)、164b(0)和164c(0)并且之后被第一光电二极管114(0)检测到的电磁能量，以及(ii)由图1b的多个第二光电二极管118中的第二光电二极管(分别为118(1)和118(2))检测到的电磁能量190和192来确定。
60.在框434中，使用至少一个有孔的挡板层来防止大角度光照射多个成像光电二极管。在框434的示例中，电磁能量射线194被有孔的挡板层160a阻止到达第一光电二极管114(m)，如图2所示。
61.在框436中，用多个透镜引导小角度光，其中透镜将小角度光向多个成像光电二极管中的一个成像光电二极管引导。在框436的示例中，电磁能量通过透镜170(0)传送，然后穿过孔径光阑164a(0)、164b(0)和164c(0)，之后被第一光电二极管114(0)检测到，如图1a所示。
62.在框472中，将至少一种匹配算法应用于检测到的大角度光。在实施例中，至少一种匹配算法包括机器学习算法。
63.图5示出了安装在移动设备502中显示器下方的光学指纹传感器100，该显示器包括盖玻璃504和发光层506。光学指纹传感器100正在扫描指纹样本508，光学指纹传感器100在右边的插图中更详细地示出。在实施例中，移动设备502可以是移动电话、平板电脑或其他具有显示器的电子设备。在实施例中，发光层506用不均匀的照明图案来照亮指纹样本508，该不均匀的照明图案包括以下各项中的一个或多个：(i)交替的亮线和暗线，(ii)正方形照明斑，以及(iii)仅照亮指纹样本的部分，例如仅照亮指纹样本的一个边缘。不均匀的照明图案有助于确定指纹样本508发出的角度分布。
64.电子设备502包括通信地耦合到显示器的至少一个处理器552、光学指纹传感器100/300和存储应用程序556(例如，软件/固件)的存储器554，该应用程序556包括机器可读指令，当由处理器552执行时，机器可读指令控制显示器和光学指纹传感器100/300捕获邻近光学指纹传感器100/300触摸盖透镜504的手指508的图像，以检测指纹样本508何时是伪造指纹。
65.图6a是像素阵列612的截面顶视图，像素阵列612是图3的光学指纹传感器300的像素312的示例。图6b图示了有孔的挡板层660d的顶视图，该有孔的挡板层660d是图3的光学指纹扫描仪300的有孔的挡板层360d的示例。图6a所示的截面和图6b所示的顶视图平行于由正交轴198x和198y形成的x-y平面。图6a和6b最好一起查看。
66.像素阵列612包括多个第一光电二极管614(示出为用斜线填充)和多个第二光电二极管618(示出为用点填充)。有孔的挡板层660d包括多个第一孔径光阑664d(圆形孔口)，每个第一光电二极管614有一个第一孔径光阑664d。有孔的挡板层660d还包括多个第二孔径光阑668d(矩形孔口)，每个第二光电二极管618有一个第二孔径光阑668d。有孔的挡板层660d被设计成位于像素阵列612上方，使得(a)每个第一孔径光阑664d的中心在平行于每个第一光电二极管614的光轴676的方向上与相应第一光电二极管614的光敏表面(未示出)的中心成中心对准，并且(b)每个第二孔径光阑668d的中心与相应第二光电二极管618的光敏表面(未示出)的中心成中心对准。有孔的挡板层660d上的多个第一孔径光阑664d允许多个第一光电二极管614检测小角度的光(未示出)，而有孔的挡板层660d上的多个第二孔径光阑668d允许多个第二光电二极管618检测大角度的光(未示出)。由于到达每个第一光电二极管614的小角度光与到达每个第二光电二极管618的大角度光的相对量，每个第二孔径光阑668d的面积大于每个第一孔径光阑664d的面积。在图6a所示的实施例中，选择每个第一孔径光阑664d与每个第二孔径光阑668d的相对面积，使得在指纹样本(未示出)的单次曝光期间，每个第一光电二极管614的检测光强度是每个第二光电二极管618的检测光强度的20
倍大。这对应于每个第二孔径光阑668d的面积与每个第一孔径光阑664d的面积的比率5:1。该比率可以更大或更小，而不脱离本发明的范围。在图6a和6b所示的实施例中，像素阵列612的未填充正方形(示出为用白色填充)是未使用的光电二极管。这降低了像素阵列612的潜在分辨率，但是有利地降低了光电二极管之间的串扰，这使噪声降低。
67.像素阵列612是图3的像素阵列312的示例，仅包括来自图3的描述的某些组件。像素阵列612、多个第一光电二极管614、多个第二光电二极管618、有孔的挡板层660d、多个第一孔径光阑664d和多个第二孔径光阑668d分别是图3的像素阵列312、多个第一光电二极管314、多个第二光电二极管318、有孔的挡板层360d、多个第一孔径光阑364d和多个第二孔径光阑368d的示例，并且每个相应元件的描述在两幅图之间适用。
68.图7a是像素阵列712的截面顶视图，像素阵列712是图3的光学指纹传感器300的像素312的示例。图7b图示了有孔的挡板层760d的顶视图，该有孔的挡板层760d是图3的光学指纹扫描仪300的有孔的挡板层360d的示例。图7a所示的截面和图7b所示的顶视图平行于由正交轴198x和198y形成的x-y平面。图7a和7b最好一起查看。
69.像素阵列712包括多个第一光电二极管714(示出为用斜线填充)和多个第二光电二极管718(示出为用点填充)。有孔的挡板层760d包括多个第一孔径光阑764d(圆形孔口)，每个第一光电二极管714有一个第一孔径光阑764d。有孔的挡板层760d还包括多个第二孔径光阑768d(矩形孔口)，每个第二光电二极管718有一个第二孔径光阑768d。有孔的挡板层760d被设计成位于像素阵列712上方，使得(a)每个第一孔径光阑764d的中心在平行于每个第一光电二极管714的光轴776的方向上与相应第一光电二极管714的光敏表面(未示出)的中心成中心对准，并且(b)每个第二孔径光阑768d的中心与相应第二光电二极管的光敏表面(未示出)的中心成中心对准。有孔的挡板层760d上的多个第一孔径光阑764d允许多个第一光电二极管714检测小角度的光(未示出)，而有孔的挡板层760d上的多个第二孔径光阑768d允许多个第二光电二极管718检测大角度的光(未示出)。由于到达每个第一光电二极管714的小角度光与到达每个第二光电二极管718的大角度光的相对量，每个第二孔径光阑768d的面积大于每个第一孔径光阑764d的面积。在图7a所示的实施例中，选择每个第一孔径光阑764d与每个第二孔径光阑768d的相对面积，使得在指纹样本(未示出)的单次曝光期间，每个第一光电二极管714的检测光强度是每个第二光电二极管718的检测光强度的20倍大。这对应于每个第二孔径光阑768d的面积与每个第一孔径光阑764d的面积的比率5:1。该比率可以更大或更小，而不脱离本发明的范围。像素阵列712不包括未使用的光电二极管(像在图6a的像素阵列612中示出为用白色填充的那些)，这有利地增加了像素阵列712的分辨率，但是可能不利地允许光电二极管之间的串扰，导致噪声。像素阵列712内的第一光电二极管714和第二光电二极管718的其他配置允许基于像素阵列712的要求在分辨率和灵敏度之间进行优化，并且不脱离本发明的范围。
70.像素阵列712是图3的像素阵列312的示例，仅包括来自图3的描述的某些组件。像素阵列712、多个第一光电二极管714、多个第二光电二极管718、有孔的挡板层760d、多个第一孔径光阑764d和多个第二孔径光阑768d分别是图3的像素阵列312、多个第一光电二极管314、多个第二光电二极管318、有孔的挡板层360d、多个第一孔径光阑364d和多个第二孔径光阑368d的示例，并且每个相应元件的描述适用于两幅图之间。
71.在不脱离本发明范围的情况下，可以对上述方法和系统进行改变。因此，应当注
意，包含在以上描述中或者在附图中示出的内容应当被解释为说明性的，而不是限制性的。下面的权利要求旨在覆盖本文描述的所有一般的和特定的特征，以及就语言而言，可以说落在它们之间的本方法和系统的范围的所有陈述。
72.特征组合
73.(a1)在第一方面，一种具有伪造检测的光学指纹传感器包括：多个透镜l
m＝0
、l1、
……
l
j-1
，其具有沿着正交于透镜l0的透镜轴线的水平方向的透镜间距，每个透镜具有一定宽度；图像传感器，其包括像素阵列，该像素阵列包括多个第一光电二极管i
m＝0
、i1、
……ij-1
，多个第一光电二极管在水平方向上具有等于透镜间距的第一光电二极管间距，每个第一光电二极管im的光敏表面的中心与每个透镜lm的光学中心之间的线形成多个光轴o
m＝0
、o1、
……oj-1
中的光轴om；位于图像传感器与多个透镜之间的至少一个有孔的挡板层，至少一个有孔的挡板层中的每一个位于像素阵列上方的相应高度zk处，并且每一个都具有相应的多个孔径光阑a
m＝0
、a1、
……aj-1
，每个孔径光阑am与光轴om成中心对准；以及包括在像素阵列中的多个第二光电二极管s
m＝0
、s1、
……sk-1
，多个第二光电二极管与多个第一光电二极管间插，使得第二光电二极管sm在水平方向上位于第一光电二极管im与第一光电二极管i
m 1
之间，其中每个第二光电二极管被配置为检测已经穿过透镜lm和未沿着光轴om与lm对准的至少一个孔径光阑a
x≠m
的电磁能量。
74.(a2)在a1的实施例中，在多个孔径光阑的相邻孔径光阑之间，至少一个有孔的挡板层中的每一个对于可见电磁能量是不透明的。
75.(a3)在a2的实施例中，至少一个孔径光阑am沿着光轴om对准，具有相应的宽度，使得至少一个孔径光阑am共同传送落在接受角内的电磁能量，接受角被测量为入射在第一光电二极管im的光敏表面的中心上的射线相对于光轴om的角度发散。
76.(a4)在a1至a3中任一个的实施例中，在至少一个有孔的挡板层的每一个上的多个孔径光阑的每个孔径光阑在水平面上是圆形的。
77.(a5)在a1至a4中任一个的实施例中，至少一个有孔的挡板层之一具有小于10微米的距离zk，并且具有多个第二孔径光阑sa
m＝0
、sa1、
……
sa
k-1
，每个第二光电二极管sm具有第二孔径光阑sam，每个第二孔径光阑sam在平行于光轴om的方向上与每个第二光电二极管sm的光敏表面的中心成中心对准。
78.(a6)在a1至a5中任一个的实施例中，至少一个有孔的挡板层包括四个挡板层。
79.(a7)在a1至a6中任一个的实施例中，第一光电二极管的数量j等于第二光电二极管的数量k。
80.(a8)在a1至a7中任一个的实施例中，多个第二光电二极管在水平方向上具有与透镜间距相等的第二光电二极管间距。
81.(b1)在第二方面，一种用于检测使用光学指纹传感器检测到的伪造指纹的方法包括：检测入射到像素阵列的多个防伪造光电二极管上的大角度光，大角度光是相对于透镜的光轴以大于5度发散的入射角入射到像素阵列上方的透镜上的射入电磁能量；其中多个防伪造光电二极管与多个成像光电二极管交错，使得多个防伪造光电二极管中的每个防伪造光电二极管位于多个成像光电二极管中的相邻成像光电二极管之间；至少部分地基于检测到的大角度光来确定电磁能量的角度分布；以及至少部分地基于电磁能量的角度分布来检测伪造指纹。
82.(b2)在b1的实施例中，多个防伪造光电二极管和多个成像光电二极管形成在单个像素阵列中。
83.(b3)在b1或b2的实施例中，该方法还包括检测入射到像素阵列的多个成像光电二极管上的小角度光，小角度光是相对于透镜的光轴以大于5度发散的入射角入射到像素阵列上方的透镜上的射入电磁能量。
84.(b4)在b3的实施例中，确定步骤还包括至少部分地基于检测到的小角度光来确定电磁能量的角度分布。
85.(b5)在b1至b4中任一个的实施例中，该方法还包括用多个有孔的挡板层防止较大角度的光照射多个成像光电二极管。
86.(b6)在b1至b5中任一个的实施例中，该方法还包括用多个透镜引导小角度光，每个透镜将小角度光向多个成像光电二极管中的一个成像光电二极管引导。
87.(b7)在b1至b6中任一个的实施例中，该方法还包括用来自显示器的电磁能量照亮指纹样本，多个防伪造光电二极管和多个成像光电二极管位于显示器的玻璃下方。
88.(b8)在b7的实施例中，该方法还包括用不均匀的照明图案照亮指纹样本。
89.(b9)在b1至b8中任一个的实施例中，该方法还包括将至少一种匹配算法应用于大角度光的检测。
90.(b10)在b9的实施例中，至少一种匹配算法包括机器学习算法。