JP7265565B2 - 指紋センサ、表示装置、指紋検出方法及び指紋センサの製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、センサの技術分野に関し、特に、指紋センサ、表示装置、指紋検出方法、及び指紋センサの製造方法に関する。

近年、指紋識別や掌紋識別において、様々な手法が提案されている。指紋や掌紋の識別に用いられる光学的方法としては、例えば、全反射法、光路分離法、スキャン法などが挙げられる。全反射法では、光源からの光（例えば周囲光）が画素に入射し、パッケージ基板の表面で全反射する。指や手のひらが表示パネルに接触すると、該表面の全反射条件が接触に応じて局所的に変化し、全反射が局所的に乱れる。全反射の乱れは、反射の低下を招く。この原理に基づいて、指の隆線と谷線を区別することができる。代替的に、指や手のひらが表示パネルに接触したときの静電容量の変化を検出することで、指紋や掌紋を識別することもできる。

一態様では、本開示は、複数の光ファイバのアレイを含む指紋センサを提供する。前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有し、かつ、前記複数の光ファイバの各々は、入射光を前記第２端部から入射させ、出射光を前記第２端部から出射させるように構成される。前記複数の光ファイバの各々は、ファイバコアと、前記ファイバコア内におけるファイバブラッググレーティングと、第１端部における反射膜とを含む。

任意選択で、前記ファイバブラッググレーティングは、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に入射光の第１部分を反射し、第１反射波長を有する第１反射光を生成し、かつ前記入射光の第２部分を透過光として、前記第１端部に向けて前記ファイバブラッググレーティングを通過させるように構成され、前記第１端部における反射膜は、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に沿って前記透過光を反射し、第２反射光を生成するように構成され、第２端部から出射される前記出射光は、第１反射光と第２反射光とを含み、第１スペクトル分布を有する複合光である。

任意選択で、第１端部に圧力を加えると、ファイバブラッググレーティングによって反射される前記第１反射光の波長は、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長にシフトし、第１端部に圧力を加えると、第２端部から出射される前記複合光のスペクトル分布は、第１スペクトル分布から第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布に変化する。

任意選択で、前記複数の光ファイバ内にそれぞれ配置された前記複数のファイバブラッググレーティングは、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一な公称ピッチを有し、前記複数の光ファイバの複数の第２端部から出射される光は、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一なスペクトル分布を有する。

任意選択で、指紋センサは、前記出射光を検出してスペクトル信号を生成するように構成された画像センサをさらに含む。

任意選択で、指紋センサは、前記スペクトル信号を基準スペクトル信号と比較して、前記スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差を生成するように構成された比較器をさらに含む。

任意選択で、指紋センサは、前記複数の光ファイバの各々の第１端部と直接に接触する保護層をさらに含む。

任意選択で、反射膜は、異なる屈折率を有する第１サブ層と第２サブ層とを少なくとも含む。

任意選択で、第１サブ層は酸化ハフニウムを含み、第２サブ層は酸化ケイ素を含む。

任意選択で、指紋センサは、第２端部から前記複数の光ファイバの各々に入射光を提供するように構成された光源をさらに含む。

任意選択で、指紋センサは、光源と、光源からの光をほぼコリメート光にコリメートするように構成された光コリメータと、光コリメータからのコリメート光を前記複数の光ファイバに一方向に伝送するように構成されたサーキュレータと、前記複数の光ファイバから出射され、サーキュレータによって一方向に前記画像センサに伝送された光を検出して、スペクトル信号を生成するように構成された画像センサとをさらに含む。

別の態様では、本開示は、本明細書に記載の指紋センサを含む表示装置を提供する。

任意選択で、指紋センサは、光源と、光源からの光をほぼコリメート光にコリメートするように構成された光コリメータと、光コリメータからのコリメート光を前記複数の光ファイバに一方向に伝送するように構成されたサーキュレータと、前記複数の光ファイバから出射され、サーキュレータによって一方向に前記画像センサに伝送された光を検出してスペクトル信号を生成するように構成された画像センサと、スペクトル信号を表示装置のドライバ集積回路に伝送するように構成されたプリント回路とをさらに含む。

任意選択で、表示装置は、カバーガラスと、カバーガラスに取り付けられた表示パネルとをさらに含み、表示装置は、カバーガラスにおける開口を有し、前記開口を介して少なくとも指紋センサの一部が設置される。

任意選択で、前記複数の光ファイバーは、指紋を検出するために前記開口に設置される。

任意選択で、前記表示装置は携帯電話である。

別の態様では、本開示は、複数の光ファイバのアレイを含む指紋センサを使用して指紋を検出する方法を提供する。前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有し、かつ、前記複数の光ファイバの各々は、入射光を第２端部から入射させ、出射光を第２端部から出射させるように構成される。前記複数の光ファイバの各々は、ファイバコアと、前記ファイバコア内におけるファイバブラッググレーティングと、第１端部における反射膜とを含み、前記方法は、前記複数の光ファイバの各々の第２端部からの出射光を検出して、スペクトル信号を生成するステップを含む。

任意選択で、前記出射光を検出する前に、前記方法は、前記複数の光ファイバの各々に入射する入射光を提供するステップと、入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に入射光の第１部分を反射し、第１反射波長を有する第１反射光を生成するステップと、前記入射光の第２部分を透過光として、前記第１端部に向けて、前記ファイバブラッググレーティングを通過させるステップと、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に前記透過光を反射し、第２反射光を生成するステップと、第１反射光と第２反射光を混合して、第１スペクトル分布を有する出射光を生成するステップとをさらに含む。

任意選択で、前記方法は、前記複数の光ファイバのうちの１本以上の第１端部に圧力を加えるステップと、第１端部に圧力を加えるときに、ファイバブラッググレーティングによって反射された前記第１反射光の波長を、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長に変更するステップと、前記第１端部に圧力を加えるときに、前記第２端部から出射される前記出射光のスペクトル分布を、第１スペクトル分布から第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布に変更するステップをさらに含む。

任意選択で、前記圧力は、指の隆起部によって加えられる。

任意選択で、前記方法は、前記出射光のスペクトル分布を基準スペクトル分布と比較するステップと、前記スペクトル分布と前記基準スペクトル分布との間の偏差を決定するステップとをさらに含む。

任意選択で、前記方法は、前記偏差が第１範囲内にあると判定された場合に、前記複数の光ファイバのうちの第１光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の隆線位置として判定するステップと、前記偏差が第１範囲とは異なる第２範囲にあると判定された場合に、前記複数の光ファイバのうちの第２光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の谷線位置として判定するステップとをさらに含む。

任意選択で、基準スペクトル分布は、第１端部に実質的に外圧が加えられていないときに第２端部から出射される出射光のスペクトル分布である。

別の態様では、本開示は、指紋センサを製造する方法を提供し、前記方法は、複数の光ファイバのアレイを形成するステップを含み、前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有するように形成され、入射光を第２端部から入射させ、かつ出射光を第２端部から出射させるように構成される。前記複数の光ファイバを形成するステップは、前記複数の光ファイバの各々のファイバコアにファイバブラッググレーティングを形成するステップと、前記複数の光ファイバの各々の第１端部に反射膜を形成するステップとをさらに含む。

以下の図面は、開示された各実施例に基づく例示目的の例であり、本開示の範囲を限定することを意図していない。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサの断面図である。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサの三次元図である。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサの断面図である。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサ内の光ファイバの非圧縮状態および圧縮状態を示す図である。

非圧縮状態及び圧縮状態のそれぞれにおける光ファイバからの出射光のスペクトル分布を示す。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサの構造を示す概略図である。

本開示のいくつかの実施例による指紋センサの概略図である。

本開示のいくつかの実施例による表示装置の一部構造を示す概略図である。

以下、実施例を挙げて本開示をさらに具体的に説明する。以下のいくつかの実施形態に関する説明は、例示および説明を目的としているだけである。これは、網羅的なものではなく、開示された厳密な形態に限定されない。

本開示は、特に、従来技術の制限及び欠点による１つ以上の問題を実質的に除去する指紋センサ、表示装置、指紋検出方法及び指紋センサの製造方法を提供する。一態様では、本開示は指紋センサを提供する。いくつかの実施例では、指紋センサは、複数の光ファイバのアレイを含む。前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有する。前記複数の光ファイバの各々は、入射光を第２端部から入射させ、出射光を第２端部から出射させるように構成される。いくつかの実施例では、前記複数の光ファイバの各々は、ファイバコアと、前記ファイバコア内におけるファイバブラッググレーティングと、第１端部における反射膜とを含む。前記指紋センサは、極めて高感度であり、装置内の静電気の影響を受けない。

本明細書で使用される場合、「ファイバブラッググレーティング」（ＦＢＧ）という用語は、光ファイバの一区間に構成され、特定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過する反射器を指す。ファイバブラッググレーティングは、ファイバコアの屈折率が周期的に変化し、波長特定の誘電体ミラーを生成する光ファイバに関連する。ＦＢＧは、反射周波数又は反射波長を有する波長特定の反射器として機能する。ＦＢＧが曝される環境が変化すると、屈折率の周期的変化が変化し、それによって反射波長のシフトが生じる。このシフトは、環境又は環境パラメータの変化に関連している可能性がある。環境パラメータの非限定的な例は、温度、圧力、力、張力、加速度及び形状を含む。本明細書で使用される場合、「ファイバコア」という用語は、光ファイバ内の光誘導経路に関する。

反射波長のシフトは、式（１）に従って計算され得る。

式中、Δλ _Ｂ は反射波長のシフトを表し、αは光ファイバの材料の熱膨張係数を表し、Ｐ_１１およびＰ_１２はそれぞれ、異なる方向における光ファイバの材料のミサイルテンソル成分（ｍｉｓｓｉｌｅ ｔｅｎｓｏｒ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）を表し、ξは光ファイバの材料の熱光学係数を表し、Δεは張力の変化を表し、ΔＴは温度の変化を表し、νは光ファイバの材料のポアソン比を表し、Λは光ファイバのファイバブラッググレーティングのピッチを表し、ｎ_ｅｆｆは入射光に対するファイバコアの屈折率を表す。

任意選択で、光ファイバは石英などの熱膨張係数が比較的小さい材料で構成され、温度変化による反射波長のシフトの影響は無視できる。したがって、式（１）は式（２）に簡略化することができる。

図１は、本開示のいくつかの実施例による指紋センサの断面図である。図２は本開示のいくつかの実施例による指紋センサの三次元図である。図１及び図２に示すように、いくつかの実施例では、指紋センサは、複数の光ファイバ１０のアレイを含む。複数の光ファイバ１０のアレイは、可撓性ベース基板などのベース基板上に設置されてもよい。図１及び図２において、保護層３上には、複数の光ファイバ１０のアレイが設置されている。

図１に示すように、前記複数の光ファイバ１０の各々は、ファイバコア７とファイバコア７の周囲を取り囲むコーティング５とを含む。いくつかの実施例では、前記複数の光ファイバ１０の各々は、ファイバコア７内におけるファイバブラッググレーティング６をさらに含む。ファイバコア７内のファイバブラッググレーティング６は、周期的に変調される屈折率を有するため、その上に衝突する複数の波長を有する光信号の屈折率が周期的に強められ、弱められ、それにより、光ファイバの長手方向に沿って周期的な屈折率変調を実現する。ファイバブラッググレーティング６は、所定の周期に対応する特定波長の入射光の一部を反射し、同時に、残りの波長の光信号を、屈折率の周期的な変化を検出することなく透過させる。

図１に示すように、いくつかの実施例では、前記複数の光ファイバ１０の各々は、第１端部Ｅ１と、第１端部Ｅ１の反対側の第２端部Ｅ２とを有する。前記複数の光ファイバ１０の各々は、第１端部Ｅ１における反射膜４をさらに含む。このように、前記複数の光ファイバ１０の各々は、入射光Ｉを第２端部Ｅ２から入射させ、出射光Ｅを第２端部Ｅ２から出射させるように構成される。図１に示すように、反射膜４は、ファイバコア７の端部においてファイバコア７と直接接触している。任意選択で、反射膜４は、ファイバコア７の端部から一定の間隙を隔てて配置される。

図３は本開示のいくつかの実施例による指紋センサの断面図である。図１及び図３に示すように、ユーザの指が指紋センサ上に置かれると、指の指紋は複数の隆線１と複数の谷線２とを有する。複数の谷線２を含む指紋の谷部は指紋センサに接触しない。複数の隆線１を含む指紋の隆起部は、指紋センサと直接接触し、例えば、保護層３と直接接触する。隆起部は、前記複数の光ファイバ１０のうちの１つ以上に圧力Ｆを加える。図３に示すように、谷部に対応する領域では前記複数の光ファイバ１０は圧縮されない。前記複数の光ファイバ１０の中のファイバブラッググレーティング６は、非圧縮状態でピッチＰを有する。前記複数の光ファイバ１０は隆起部に対応する領域において圧縮される。前記複数の光ファイバ１０におけるファイバブラッググレーティング６は、圧縮状態においてピッチＰよりも小さいピッチＰ’を有する。前記複数の光ファイバ１０に加えられる圧力Ｆが大きいほど、ファイバブラッググレーティング６は多く圧縮され、ピッチＰ’は小さくなる。

図４は本開示のいくつかの実施例による指紋センサ内の光ファイバの非圧縮状態および圧縮状態を示す。図５は、非圧縮状態及び圧縮状態のそれぞれにおける光ファイバからの出射光のスペクトル分布を示す。図４に示すように、前記複数の光ファイバ１０の各々は、入射光Ｉを第２端部Ｅ２から入射させ、出射光Ｅを第２端部Ｅ２から出射させるように構成される。図４及び図５に示すように、非圧縮状態において、ファイバブラッググレーティング６は、入射光Ｉの伝送方向と実質的に反対の方向に入射光Ｉの第１部分を反射して、第１反射波長を有する第１反射光Ｒ１を生成し（図５参照）、入射光Ｉの第２部分を透過光Ｔとして、第１端部Ｅ１に向けてファイバブラッググレーティング６を通過させるように構成される。透過光Ｔは、第２端部Ｅ２から第１端部Ｅ１に向かう方向に、反射膜４に到達するまで、光ファイバを透過し続ける。第１端部Ｅ１における反射膜４は、入射光Ｉの伝送方向と実質的に反対の方向に沿って透過光Ｔを反射し、第２反射光Ｒ２を生成するように構成される（図５参照）。出射光Ｅは、第１反射光Ｒ１及び第２反射光Ｒ２を含む複合光であり、第１スペクトル分布を有し（図５参照）、第２端部Ｅ２から出射する。

図４及び図５に示すように、圧縮状態において、ファイバブラッググレーティング６は、入射光Ｉの第１部分を入射光Ｉの伝送方向と実質的に反対の方向に反射して、第２反射波長を有する第１反射光Ｒ１'を生成し（図５参照）、入射光Ｉの第２部分を透過光Ｔ'としてファイバブラッググレーティング６を第１端部Ｅ１に向けて通過させるように構成される。透過光Ｔ'は、第２端部Ｅ２から第１端部Ｅ１に向かう方向に、反射膜４に到達するまで、光ファイバーを透過し続ける。第１端部Ｅ１における反射膜４は、入射光Ｉの伝送方向と実質的に反対の方向に透過光Ｔ'を反射して、第２反射光Ｒ２'を生成するように構成される（図５参照）。出射光Ｅ'は、第１反射光Ｒ１'及び第２反射光Ｒ２'を含む複合光であり、第２スペクトル分布を有し（図５参照）、第２端部Ｅ２から出射する。本明細書で使用される場合、「スペクトル分布」という用語は、スペクトル上の光の相対強度と各波長との間の関係を指す。例えば、第１スペクトル分布及び第２スペクトル分布は、異なる波長で最大強度及び最小強度を有し得る。

図３に示すように、圧縮状態にある前記複数の光ファイバ１０におけるファイバブラッググレーティング６のピッチＰ’は、非圧縮状態にある前記複数の光ファイバ１０におけるファイバブラッググレーティング６のピッチＰよりも小さい。その結果、図５に示すように、第１端部Ｅ１に圧力Ｆを加えると、ファイバブラッググレーティング６によって反射される反射光の波長は、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長にシフトする。第１端部Ｅ１に圧力Ｆを加えると、第２端部Ｅ２から出射される複合光のスペクトル分布は、第１スペクトル分布から、第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布に変化する。この出射光のスペクトル分布を検出することにより、指紋の隆起部と谷部を判定し、指紋を識別することができる。

図４及び図５に示すように、第２スペクトル分布は第１スペクトル分布と異なる。任意選択で、入射光は白色光である。非圧縮状態において、ファイバブラッググレーティング６は入射光Ｉの第１部分を反射し、それにより第１反射光Ｒ１を生成する。透過光Ｔは、反射膜４で反射されるまで光路に沿って伝播し続け、それにより第２反射光Ｒ２を生成する。第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２を含む複合光は、入射光と異なるスペクトル分布を有する。第２反射光Ｒ２は、第１反射光Ｒ１に比べて、光路に沿って余分な長さを伝播するので、第１反射光Ｒ１と第２反射光Ｒ２との間には位相遅延が存在する。

圧縮状態では、出射光Ｅ’は入射光Ｉと異なるスペクトル分布を有する。また、ピッチＰ’は、非圧縮状態におけるピッチＰと比べて変化するため、ファイバブラッググレーティング６で反射される第１反射光の波長も、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長に変化する。このように、第１反射光Ｒ１’は、第１反射光Ｒ１の第１反射波長と異なる第２反射波長を有する。この反射波長のシフトと第２反射光Ｒ２’の位相遅延により、第２スペクトル分布は第１スペクトル分布と異なるものとなる。

いくつかの実施例では、指紋の効率的な検出を容易にするために、前記複数の光ファイバ内にそれぞれ配置された複数のファイバブラッググレーティングは、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないとき、ほぼ均一な公称反射波長を有する。本明細書で使用される場合、「公称反射波長」という用語は、各ファイバブラッググレーティングが反射するように設計された光の波長を指し、製造上のばらつきにより、実際の波長が設計波長からわずかにずれる可能性がある。前記複数の光ファイバ内の前記複数のファイバブラッググレーティングにおいてほぼ均一な公称反射波長を得るために、いくつかの実施例では、前記複数の光ファイバ内にそれぞれ配置された前記複数のファイバブラッググレーティングは、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一な公称ピッチを有する。本明細書で使用される場合、「公称ピッチ」という用語は、各ファイバブラッググレーティングが有するように設計されたピッチを指し、製造上のばらつきによって、実際のピッチが設計ピッチからわずかにずれる可能性がある。したがって、前記複数の光ファイバの第２端部から出射される光は、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないとき、ほぼ均一なスペクトル分布を有する。

図６は、本開示のいくつかの実施例による指紋センサの構造を示す概略図である。図６に示すように、いくつかの実施例では、指紋センサは、前記複数の光ファイバ１０の各第２端部から出射される複合光を検出し、複合光に対応するスペクトル信号を生成するように構成された画像センサ２０をさらに含む。様々な適切な画像センサは、複合光を検出し、検出された複合光に対応するスペクトル信号を生成するために使用することができ、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）画像センサと相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）画像センサが挙げられる。

任意選択で、増幅器３０（例えば、乗算回路またはＭＵ回路）によってスペクトル信号を増幅する。そして、増幅されたスペクトル信号は、アドレスデコーダ４０に送られて、アドレス信号をデコードする。続いて、スペクトル信号は、アナログ／デジタル変換器５０によってデジタル形式のスペクトル信号に変換される。スペクトル信号は、比較器６０に送られ、基準スペクトル信号と比較される。比較器６０は、比較結果に基づいて、スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差を生成する。任意選択で、前記偏差はスペクトル信号のスペクトル分布と基準スペクトル信号のスペクトル分布との間の偏差である。スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差としては、例えば、最大強度を有する波長のシフト、最小強度を有する波長のシフト、スペクトルにおける強度変化の勾配の変化等が挙げられる。

任意選択で、基準スペクトル信号は、光ファイバが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一なファイバブラッググレーティングの公称ピッチを有する光ファイバの出射光から得られる信号である。任意選択で、基準スペクトル信号は、光ファイバが圧縮状態（例えば基準圧力で圧縮された圧縮状態）にあるときに、ほぼ均一なブラッググレーティングの公称ピッチを有する光ファイバの出射光から得られる信号である。

いくつかの実施例では、図１に示すように、指紋センサは、前記複数の光ファイバ１０の各々の第１端部Ｅ１を覆う保護層３をさらに含む。任意選択で、保護層は、前記複数の光ファイバ１０の各々の第１端部Ｅ１と直接接触する。任意選択で、保護層は、前記複数の光ファイバ１０の各々の反射膜４と直接接触する。

保護層３の形成には、各種の適切な材料を用いることができる。任意選択で、保護層３は、例えばエラストマーなどの可撓性保護層である。保護層３を形成する適切な可撓性材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、シリコーンポリマー、ポリシロキサン、ゴム、ポリウレタン、ポリウレタンポリイミド、ポリエポキシド等を用いることができる。

反射膜４の形成には、各種の適切な材料や製造方法を用いることができる。反射膜４を形成する適切な反射材料としては、例えば、銀、白金、金、銅、アルミニウム、パラジウム、ルテニウム、ロジウム等の高い反射率を有する金属及びこれらの合金や積層体を用いることができる。

いくつかの実施例では、反射膜４は、複数のサブ層を含む。任意選択で、反射膜４は、屈折率の異なる第１サブ層と第２サブ層とを少なくとも有する。例えば、反射膜４は、高屈折率の第１サブ層と低屈折率の第２サブ層とを少なくとも有するブラッグ反射器である。任意選択で、ブラッグ反射器は、交互に配置された複数の高屈折率サブ層と複数の低屈折率サブ層を含む。任意選択で、第１サブ層は金属酸化物を含み、第２サブ層は酸化ケイ素を含む。任意選択で、第１サブ層は酸化ハフニウムを含み、第２サブ層は酸化ケイ素を含む。

いくつかの実施例では、指紋センサは、第２端部Ｅ２から前記複数の光ファイバ１０の各々に入射光Ｉを提供するように構成された光源をさらに含む。任意選択で、入射光Ｉは白色光であり、光源は白色光源である。

一般的に、成人の指紋における複数の隆線１（または複数の谷線２）は、約０．３ｍｍから０．５ｍｍの範囲内のピッチを有し、例えばピッチは約０．３ｍｍである。任意選択で、前記複数の光ファイバ１０の各々の直径（コーティング５を含む場合）は、約５μｍから約２００μｍの範囲内、例えば、約５μｍから約１７５μｍの範囲内、約５μｍから約１５０μｍの範囲内、約５μｍから約１２５μｍの範囲内、約５μｍから約１００μｍの範囲内、約５μｍから約７５μｍの範囲内、約５μｍから約５０μｍの範囲内、約５μｍから約２５μｍ、および約５μｍから約２０μｍの範囲内である。任意選択で、前記複数の光ファイバ１０の各々の直径（コーティング５を含む場合）は、約２５μｍから約７５μｍの範囲内、例えば約５０μｍである。任意選択で、前記複数の光ファイバ１０のアレイは、約５μｍから約２００μｍの範囲内のピッチを有し、例えばピッチは約５μｍから約１７５μｍ、約５μｍから約１５０μｍ、約５μｍから約１２５μｍの範囲内、約５μｍから約１００μｍの範囲内、約５μｍから約７５μｍの範囲内、約５μｍから約５０μｍの範囲内、約５μｍから約２５μｍの範囲内、および約５μｍから約２０μｍの範囲内である。任意選択で、前記複数の光ファイバ１０のアレイは、約２５μｍから約７５μｍ、例えば約５０μｍのピッチを有する。

別の態様では、本開示は、本明細書で説明される指紋センサを有する表示装置を提供する。適切な表示装置の例は、電子ペーパー、携帯電話、タブレットコンピュータ、テレビ、モニター、ノート型コンピュータ、デジタルアルバム、ＧＰＳなどを含むが、これらに限定されない。一例では、表示装置は携帯電話である。任意選択で、指紋センサは、携帯電話などの表示装置の指紋スキャナーとして搭載される。任意選択で、指紋スキャナーはインディスプレイスキャナーである。

任意選択で、前記比較器は前記表示装置の集積回路に集積される。

図７は本開示のいくつかの実施例による指紋センサの一部構造の概略図である。図８は、本開示のいくつかの実施例による表示装置の一部構造の概略図である。図７及び図８に示すように、いくつかの実施例では、表示装置は、表示装置の一部を構成する指紋センサ１００を含む。表示装置は、光学透明接着剤９３によってカバーガラス９１に取り付けられた表示パネル９２を有する表示モジュール９を備える。図８に示すように、表示装置はカバーガラス９１における開口Ｏを有し、この開口Ｏを介して指紋センサ１００の少なくとも一部が設置される。具体的には、前記複数の光ファイバ１０は、指紋を検出するために、開口Ｏに設置される。指紋センサ１００は、光（例えば、赤外光）を放射するための光源１２をさらに含む。具体的には、いくつかの実施例では、光源１２は、１３００ｎｍから１５００ｎｍの範囲の波長を有する赤外光を放射するように構成される。光源１２から放射された光は光コリメータ１３を通過し、該光コリメータ１３は光源１２から放射された光を略平行光にコリメートするように構成される。そして、コリメート光は、サーキュレータ１４によって前記複数の光ファイバ１０に伝送される。開口Ｏ内に位置する前記複数の光ファイバ１０は、サーキュレータ１４からの入射光が前記複数の光ファイバ１０の各々の第２端部Ｅ２に入射するように配置される。

各種適切なサーキュレータが、前記指紋センサに使用することができる。適切なサーキュレータの例としては、マイクロストリップ型サーキュレータ、ストリップライン型サーキュレータ、導波路サーキュレータ、および集中サーキュレータが挙げられる。任意選択で、サーキュレータ１４は、マイクロストリップ型サーキュレータである。任意選択で、サーキュレータ１４は、フェライト材料からなる。一定の磁場が印加されると、サーキュレータ１４における光は一方向の環状の光路に沿って伝送される。図７に示すように、光コリメータ１３からのコリメート光は、サーキュレータ１４内の一方向の光路を通って点Ａから点Ｂに伝送され、サーキュレータ１４から前記複数の光ファイバ１０に出射される。

各種適切な光コリメータが、前記指紋センサにおいて使用することができる。光コリメータとしては、例えば、曲面ミラーや光学レンズが挙げられる。一例では、図７に示すように、光コリメータ１３は、光拡散器と凸レンズとの組立体を含む。光拡散器は、光源１２からの光を拡散するように構成され、例えば、凸レンズの焦点面に配置された磨りガラスが挙げられる。磨りガラスからの拡散光は、凸レンズによってほぼコリメート光に集光されてサーキュレータ１４に出射される。

図７及び図８に示すように、いくつかの実施例では、指紋センサ１００は、サーキュレータ１４からのコリメート光のビームの直径を拡張するように構成されたビームエキスパンダ１１をさらに含む。一例では、ビームエキスパンダ１１は、２つの凸レンズを含む。２つの凸レンズのうち第１凸レンズの直径は第２凸レンズの直径よりも小さく、かつ第１凸レンズと第２凸レンズの焦点面はほぼ重なる。サーキュレータ１４からのコリメート光はビームエキスパンダ１１によって拡大され、ビームエキスパンダ１１から出射される。拡大されたコリメート光ビームは、前記複数の光ファイバ１０の全領域を十分にカバーする。

ビームエキスパンダ１１からのコリメート光は、前記複数の光ファイバ１０の各々の第２端部Ｅ２に入射し、前記複数の光ファイバ１０の各々の反射膜で反射される。反射光は、前記複数の光ファイバ１０の各々の第２端部Ｅ２から出射され、ビームエキスパンダ１１に入射する。ビームエキスパンダ１１は、前記複数の光ファイバ１０からの光ビームのサイズを縮小するように機能する。そして、光ビームは、点Ｂでサーキュレータ１４に戻り、そして、点Ｃに一方向に伝送され、画像センサ２０に入射する。画像センサ２０は、出射光を検出してスペクトル信号を生成するように構成される。任意選択で、画像センサ２０は、時分割で出射光を検出し、前記複数の光ファイバの各々に対応するスペクトル信号を生成するように構成される。

画像センサ２０によって生成されたスペクトル信号は、フレキシブルプリント回路１５を通じてドライバ集積回路に伝送される。スペクトル信号を基準スペクトル信号と比較して、スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差を生成し、それによって指紋情報を得る。

図１、図２、図７及び図８に示すように、いくつかの実施例では、指紋センサ１００は、前記複数の光ファイバの各々の第１端部Ｅ１を覆う保護層３をさらに含む。任意選択で、図７及び図８に示すように、指紋センサ１００は、第２端部Ｅ２において複数の光ファイバを支持するためのベース層８をさらに含む。任意選択で、ベース層８は、酸化シリコンからなる。ベース層８は、前記複数の光ファイバ１０に入らないように、不要な光をフィルタリングするように構成される。

別の態様では、本開示は、本明細書に記載の指紋センサを使用して指紋を検出する方法を提供する。いくつかの実施例では、前記方法は、前記複数の光ファイバの各々の第２端部からの出射光を検出して、スペクトル信号を生成するステップを含む。いくつかの実施例では、出射光を検出する前に、前記方法は、前記複数の光ファイバの各々に入射する入射光を提供するステップと、入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に前記入射光の第１部分を反射して、第１反射波長を有する第１反射光を生成するステップと、前記入射光の第２部分を透過光として、前記第１端部に向けて、前記ファイバブラッググレーティングを通過させるステップと、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に前記透過光を反射し、第２反射光を生成するステップと、第１反射光と第２反射光を混合して、第１スペクトル分布を有する出射光を生成するステップと、を含む。

いくつかの実施例では、前記方法は、前記複数の光ファイバのうちの１本以上の第１端部に圧力を加えるステップをさらに含む。一例では、ユーザの指によって圧力を加え、例えば、指の隆起部によって圧力を加えるステップを実行する。指紋の複数の隆線は、前記複数の光ファイバのうちの１本以上の第１端部と直接接触し、前記指紋の複数の谷線は、前記複数の光ファイバに接触しない。任意選択で、前記方法は、第１端部に圧力を加えるときに、ファイバブラッググレーティングによって反射された反射光の波長を、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長に変更するステップと、前記第１端部に圧力を加えるときに、前記第２端部から出射される出射光のスペクトル分布を、第１スペクトル分布から第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布に変更するステップを含む。

いくつかの実施例では、前記方法は、出射光のスペクトル分布を基準スペクトル分布と比較するステップと、前記スペクトル分布と前記基準スペクトル分布との間の偏差を決定ステップとをさらに含む。スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差としては、例えば、最大強度を有する波長のシフト、最小強度を有する波長のシフト、スペクトルにおける強度変化の勾配の変化等が挙げられる。

いくつかの実施例では、前記方法は、前記偏差が第１範囲内にあると判定された場合、前記複数の光ファイバのうちの第１光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の隆線位置として判定するステップをさらに含む。任意選択で、前記方法は、前記偏差が第１範囲とは異なる第２範囲にあると判定された場合に、前記複数の光ファイバのうちの第２光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の谷線位置として判定するステップをさらに含む。任意選択で、基準スペクトル分布は、第１端部に実質的に外圧が加えられていないときに第２端部から出射される出射光のスペクトル分布である。

このプロセスは、前記複数の光ファイバに対して（同時にまたは時分割方式で）繰り返されることができ、それによって、指紋の一部または全部に対応する複数の隆線位置（および任意選択で、複数の谷線位置）を判定することができる。指紋の隆起部（及び任意選択で、谷部）を判定して、それによって指紋を識別することができる。

別の態様では、本開示は、指紋センサを製造する方法を提供する。いくつかの実施例では、前記方法は前記複数の光ファイバのアレイを形成するステップを含み、前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有するように形成され、入射光を第２端部から入射させ、かつ出射光を第２端部から出射させるように構成される。任意選択で、前記複数の光ファイバを形成するステップは、前記複数の光ファイバの各々のファイバコアにファイバブラッググレーティングを形成するステップと、前記複数の光ファイバの各々の第１端部に反射膜を形成するステップとを含む。任意選択で、前記複数の光ファイバのアレイを形成するステップは、前記複数の光ファイバをバンドルに組み立てるステップを含む。任意選択で、アレイ内の前記複数の光ファイバは、前記複数の光ファイバ内の光路が互いに略平行になるように、互いに対して位置合わせされる。任意選択で、アレイ内の前記複数の光ファイバは、約５μｍから約２００μｍの範囲内のピッチ有するように組み立てられ、例えば、ピッチは約５μｍから約１７５μｍの範囲内、約５μｍから約１５０μｍの範囲内、約５μｍから約１２５μｍの範囲内、約５μｍから約１００μｍの範囲内、約５μｍから約７５μｍの範囲内、約５μｍから約５０μｍの範囲内、約５μｍから約２５μｍの範囲内、および約５μｍから約２０μｍの範囲内である。任意選択で、アレイ内の前記複数の光ファイバは、約２５μｍから約７５μｍの範囲内のピッチを有するように組み立てられ、例えばピッチは約５０μｍである。

任意選択で、前記複数の光ファイバは、前記複数の光ファイバ内の複数のファイバブラッググレーティングが、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一な公称ピッチと、同じ入射光に対するほぼ均一な反射波長を有するように形成される。任意選択で、前記複数の光ファイバは、前記複数の光ファイバの複数の第２端部から出射される光が、前記複数のファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一なスペクトル分布を有するように形成される。

任意選択で、前記複数の光ファイバは、入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に沿って入射光の第１部分を反射し、第１反射波長を有する第１反射光を生成し、かつ前記入射光の第２部分を透過光として、第１端部に向けてファイバブラッググレーティングを通過させるファイバブラッググレーティングを構成するように形成される。任意選択で、反射膜は第１端部に形成され、入射光の伝送方向と実質的に反対方向に沿って前記透過光を反射して、第２反射光を生成する。任意選択で、前記出射光は、第１反射光と第２反射光を含む複合光であり、第１スペクトル分布を有し、第２端部から出射する。

任意選択で、前記複数の光ファイバは、第１端部に圧力が加えられると、ファイバブラッググレーティングによって反射される反射光の波長が、第１反射波長から、第１反射波長とは異なる第２反射波長にシフトするように形成される。任意選択で、第１端部に圧力が加えられると、第２端部から出射される前記複合光のスペクトル分布は、第１スペクトル分布から、第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布に変化する。

任意選択で、前記方法は、前記出射光を検出し、スペクトル信号を生成するように構成された画像センサを形成するステップをさらに含む。任意選択で、前記方法は、前記スペクトル信号を基準スペクトル信号と比較して、前記スペクトル信号と基準スペクトル信号との間の偏差を生成するように構成された比較器を形成するステップをさらに含む。

任意選択で、前記方法は、前記複数の光ファイバの各々の第１端部と直接に接触する保護層を形成するステップをさらに含む。

任意選択で、前記反射膜を形成するステップは、少なくとも異なる屈折率を有する第１サブ層と第２サブ層を形成するステップを含む。任意選択で、第１サブ層は酸化ハフニウムからなり、第２サブ層は酸化シリコンからなる。

任意選択で、前記方法は、第２端部から前記複数の光ファイバの各々に入射光を提供するように構成された光源を形成するステップをさらに含む。

以上、本開示の実施例について、例示及び説明の目的で説明した。それは網羅的であること、または本発明を開示された正確な形態または例示的な実施例に限定することを意図していない。したがって、上記の説明は、限定ではなく例示と見なされるべきである。多くの修正及び変形は当業者にとって明らかであろう。これらの実施形態は、本発明の原理及びその最良の形態の実際の適用を説明するために選択及び記載され、これにより、当業者は、本発明が特定の用途又は企図される実施形態の様々な実施例及び様々な変形に適用することを理解することができる。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等な形式によって特定されるべきであり、ここで、別段の定めがない限り、全ての用語は、その最も広い合理的な意味で解釈される。したがって、「発明」、「本発明」等の用語は、特許請求の範囲を特定の実施形態に限定するものではなく、本発明の例示的な実施例への言及は、本発明を限定することを意味しなく、そのような限定を推論すべきではない。本発明は、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲によってのみ限定される。さらに、これらの請求項は、名詞または要素が続く「第１」、「第２」などの用語の使用に関連する可能性があり、これらの用語は、特定の数が与えられていない限り、そのような用語によって修飾される要素の数を限定することを意図するのではなく、１種の命名方式として理解されるべきである。記載された利点および利益は、本発明のすべての実施例に必ずしも適用するとは限らない。当業者は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に変更を加えることができることを理解されたい。さらに、本開示の要素または構成要素が、添付の特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかにかかわらず、公に供することを意図していない。

Claims (20)

1. 複数の光ファイバのアレイを含む指紋センサであって、
   前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部とを有し、
   前記複数の光ファイバの各々は、入射光を前記第２端部から入射させ、出射光を前記第２端部から出射させるように構成され、
   前記複数の光ファイバの各々は、
   ファイバコアと、
   前記ファイバコア内におけるファイバブラッググレーティングと、
   第１端部における反射膜とを含み、
   前記ファイバブラッググレーティングは、前記出射光が第１スペクトル分布を有するように、指の谷部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えていない時に圧縮されないように構成され、
   前記ファイバブラッググレーティングは、さらに、前記出射光が前記第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布を有するように、指の隆起部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えている時に圧縮されるように構成される、
   指紋センサ。
2. 前記ファイバブラッググレーティングは、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に入射光の第１部分を反射し、第１反射波長を有する第１反射光を生成し、かつ前記入射光の第２部分を透過光として、前記第１端部に向けて前記ファイバブラッググレーティングを通過させるように構成され、
   前記第１端部における反射膜は、前記入射光の伝送方向と実質的に反対の方向に沿って前記透過光を反射し、第２反射光を生成するように構成され、
   前記第２端部から出射される前記出射光は、前記第１反射光と前記第２反射光とを含み、前記第１スペクトル分布を有する複合光である、請求項１に記載の指紋センサ。
3. 指によって前記第１端部に圧力を加えると、前記ファイバブラッググレーティングによって反射される前記第１反射光の波長は、前記第１反射波長から、前記第１反射波長とは異なる第２反射波長にシフトし、
   指によって前記第１端部に圧力を加えるときに、前記第２端部から出射される前記複合光のスペクトル分布は、前記第１スペクトル分布から前記第１スペクトル分布とは異なる前記第２スペクトル分布に変化する、請求項２に記載の指紋センサ。
4. 前記複数の光ファイバにそれぞれ配置された複数の前記ファイバブラッググレーティングは、複数の前記ファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一な公称ピッチを有し、
   前記複数の光ファイバの複数の第２端部から出射される光は、複数の前記ファイバブラッググレーティングが実質的に圧縮されていないときに、ほぼ均一なスペクトル分布を有する、請求項１から３のいずれかに記載の指紋センサ。
5. 前記出射光を検出してスペクトル信号を生成するように構成された画像センサをさらに含む、請求項１から４のいずれかに記載の指紋センサ。
6. 前記スペクトル信号を基準スペクトル信号と比較し、前記スペクトル信号と前記基準スペクトル信号との間の偏差を生成するように構成された比較器をさらに含む、請求項５に記載の指紋センサ。
7. 前記複数の光ファイバの各々の第１端部と直接に接触する保護層をさらに含む、請求項１から６のいずれかに記載の指紋センサ。
8. 前記反射膜は、異なる屈折率を有する第１サブ層と第２サブ層とを少なくとも含む、請求項１から７のいずれかに記載の指紋センサ。
9. 前記第１サブ層は酸化ハフニウムを含み、前記第２サブ層は酸化シリコンを含む、請求項８に記載の指紋センサ。
10. 前記第２端部から前記複数の光ファイバの各々に前記入射光を提供するように構成された光源をさらに含む、請求項１から９のいずれかに記載の指紋センサ。
11. 光源と、
    前記光源からの光をほぼコリメート光にコリメートするように構成された光コリメータと、
    前記光コリメータからのコリメート光を前記複数の光ファイバに一方向に伝送するように構成されたサーキュレータと、
    前記複数の光ファイバから出射され、前記サーキュレータによって一方向に画像センサに伝送された光を検出して、スペクトル信号を生成するように構成された画像センサとをさらに含む、
    請求項１から９のいずれかに記載の指紋センサ。
12. 光源と、
    光源からの光をほぼコリメート光にコリメートするように構成された光コリメータと、
    光コリメータからのコリメート光を前記複数の光ファイバに一方向に伝送するように構成されたサーキュレータと、
    前記複数の光ファイバから出射され、前記サーキュレータによって一方向に画像センサに伝送された光を検出してスペクトル信号を生成するように構成された画像センサと、
    前記スペクトル信号を表示装置のドライバ集積回路に伝送するように構成されたプリント回路とをさらに含む、
    請求項１から９のいずれかに記載の指紋センサ。
13. 請求項１から１２のいずれかに記載の指紋センサを含む表示装置。
14. 請求項１３に記載の表示装置であって、
    カバーガラスと、カバーガラスに取り付けられた表示パネルとをさらに含み、
    前記表示装置は、前記カバーガラスにおける開口を有し、前記開口を介して少なくとも前記指紋センサの一部が設置される、表示装置。
15. 前記複数の光ファイバは、指紋を検出するために前記開口に設置される、請求項１４に記載の表示装置。
16. 指紋センサを使用して指紋を検出する方法であって、
    前記指紋センサは複数の光ファイバのアレイを含み、
    前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、前記第１端部と反対側の第２端部とを有し、
    前記複数の光ファイバの各々は、入射光を第２端部から入射させ、出射光を第２端部から出射させるように構成され、
    前記複数の光ファイバの各々は、
    ファイバコアと、
    前記ファイバコア内におけるファイバブラッググレーティングと、
    前記第１端部における反射膜とを含み、
    前記ファイバブラッググレーティングは、前記出射光が第１スペクトル分布を有するように、指の谷部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えていない時に圧縮されないように構成され、
    前記ファイバブラッググレーティングは、さらに、前記出射光が前記第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布を有するように、指の隆起部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えている時に圧縮されるように構成され、
    前記方法は、前記複数の光ファイバの各々の第２端部からの出射光を検出して、スペクトル信号を生成するステップを含む、方法。
17. 前記出射光のスペクトル分布を基準スペクトル分布と比較するステップと、
    前記スペクトル分布と前記基準スペクトル分布との間の偏差を決定するステップとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記偏差が第１範囲内にあると判定された場合に、前記複数の光ファイバのうちの第１光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の隆線位置として判定するステップと、
    前記偏差が第１範囲とは異なる第２範囲にあると判定された場合に、前記複数の光ファイバのうちの第２光ファイバから出射される出射光に対応する位置を指紋の谷線位置として判定するステップとをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記基準スペクトル分布は、第１端部に実質的に外圧が加えられていないときに、第２端部から出射される出射光のスペクトル分布である、請求項１７に記載の方法。
20. 指紋センサを製造する方法であって、
    複数の光ファイバのアレイを形成するステップを含み、
    前記複数の光ファイバの各々は、第１端部と、第１端部と反対側の第２端部とを有するように形成され、入射光を第２端部から入射させ、かつ出射光を第２端部から出射させるように構成され、
    前記複数の光ファイバを形成するステップは、
    前記複数の光ファイバの各々のファイバコアにファイバブラッググレーティングを形成するステップと、
    前記複数の光ファイバの各々の第１端部に反射膜を形成するステップとをさらに含み、
    前記ファイバブラッググレーティングは、前記出射光が第１スペクトル分布を有するように、指の谷部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えていない時に圧縮されないように構成され、
    前記ファイバブラッググレーティングは、さらに、前記出射光が前記第１スペクトル分布とは異なる第２スペクトル分布を有するように、指の隆起部が前記複数の光ファイバのうちの１本または複数本の光ファイバの第１端部に圧力を加えている時に圧縮されるように構成される、方法。

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