生物计量成像装置和相关方法

生物计量成像装置和相关方法
【专利摘要】提供用于鉴别个体的系统、装置和方法。在一个方面，用于鉴别个体的系统可包括能够发射具有至少一种从700nm到1200nm波长的电磁辐射的主动光源，和经定位以接收从个体反射后的所述电磁辐射从而产生所述个体的电子表示的成像装置。所述系统可包括影像处理模块，所述影像处理模块在功能上耦合到所述成像装置以将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示。所述成像装置可包括厚度小于约10微米的装置层、形成接面的两个掺杂区域和经定位以与所述电磁辐射相互作用的纹理化区域，并且可对于至少一种超过800nm的波长具有至少33%的EQE。
【专利说明】生物计量成像装置和相关方法
[0001]优先权数据
[0002]本申请要求2011年7月13日提交的美国临时申请序列号61/507，488的权益，其通过引用并入本文中。
【背景技术】
[0003]生物计量学是对可独特地鉴别个体的生物来源的特征的研究。近年来生物计量技术已越来越引起关注，并且可分成两组:合作鉴别和非合作鉴别。合作生物计量鉴别方法在个体知道的情况下获得生物计量读数，并且通常检测例如指纹、掌印和虹膜等生物特征。非合作生物计量鉴别方法在个人不知道的情况下获得生物计量读数，并且通常检测个体的面部、言语和热特征。本公开关注于通过使用成像装置可检测合作与非合作个体的各种生物计量特征的装置和方法。
[0004]面部和虹膜检测是用于鉴别个体的安检应用所使用的一些较常见特征。这些检测方法涉及两个独立步骤:登记阶段，其中生物计量数据收集并存储在数据库中；和查询步骤，其中未知的生物计量数据与数据库比较以鉴别个体。在这两个步骤中，照相机可用于收集和捕捉个体面部或虹膜的影像。使用将影像解构成许多数学矢量的算法对影像进行处理，这些数学矢量总体上构成所述个体的独特特征。
[0005]数字式成像装置常用于收集这些影像数据。举例来说，电荷耦合装置(charge-coupled device, CCD)广泛用于数字成像，并且随后已经通过性能提高的互补金属 _ 氧化物 _ 半导体(complementary metal-oxi de-semi conductor, CMOS)成像器加以改进。许多传统的CMOS成像器利用前面照度(front side illumination,FSI)。在这种情况下，电磁辐射入射到含有CMOS装置和电路的半导体表面上。也已经使用背面照度CMOS成像器，并且在许多设计中，电磁辐射入射到与CMOS装置和电路相对的半导体表面上。
[0006]然而，作为对生物计量特征获取的严重警告，皮肤和/或虹膜的色素沉着在登记阶段以及在将来查询阶段都会影响收集稳固数据的能力。色素沉着可遮蔽或隐藏界定特征数学矢量值的独特的结构要素。

【发明内容】

[0007]本发明提供用于在合作和非合作情况下鉴别个体的系统、装置和方法。在一个方面，举例来说，用于鉴别个体的系统可包括能够发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的电磁辐射的光源，和经定位以接收从个体反射后的所述电磁辐射从而产生所述个体的电子表示的成像装置。所述系统还可包括影像处理模块，所述影像处理模块在功能上耦合到所述成像装置以接收所述电子表示。所述影像处理模块将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特鉴别特性的个体表示。所述成像装置可包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与电磁辐射相互作用的纹理化区域。所述成像装置对于具有至少一种超过SOOnm的波长的电磁辐射具有至少约33%的外部量子效率。[0008]考虑各种光源，并且能够提供在本发明装置和系统所利用的范围内的电磁辐射的任何光源都被认为是在本发明的范围内。在一个方面，举例来说，所述光源可以是主动光源。在又一方面，所述光源可以是被动光源或换句话说来自周围的环境光。在另一方面，所述主动光源可以是两个或更多个主动光源，每一个发射不同峰值发射波长的红外电磁辐射。在一个特定方面，所述两个或更多个主动光源可发射约850nm和约940nm的红外电磁福射。在另一方面，所述两个或更多个主动光源可发射约850nm和约1060nm的红外电磁福射。
[0009]所述成像装置中所用的所述半导体装置层可包括任何有用的半导体材料。然而，在一个方面，所述半导体装置层可由硅构成。在一个特定方面，具有厚度小于约10微米的装置层的基于硅的成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射至少约33%的外部量子效率。在另一方面，所述响应时间可以是从约0.1ms到约16ms。在又一个特定方面，具有厚度小于约10微米的半导体装置层的基于硅的成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过940nm波长的电磁福射至少约11%的外部量子效率。
[0010]在另一方面，所述成像装置能够使用从所述主动光源发出的具有至少一种从约700nm到约1200nm波长并且具有在3m处射到所述个体上的至少0.lmW/mm2的场景光亮度的电磁辐射，捕捉所述电子表示，其足够详细，以鉴别所述至少一种基本上独特的鉴别特性。在又一方面，所述成像装置能够使用从所述主动光源发出的具有至少一种从约SOOnm到约IOOOnm波长并且具有在3米处射到所述个体上的约1.0mff/mm2到约100mW/mm2的场景光亮度的电磁辐射，捕捉所述电子表示，其足够详细，以鉴别所述至少一种基本上独特的鉴别特性。在另一方面，所述成像装置可在电子全局快门上操作以捕捉所述电子表示。
[0011]在又一方面，所述系统可包括分析模块，所述分析模块在功能上耦合到所述影像处理模块，其中所述分析模块可操作以将所述至少一种基本上独特的鉴别特性与已知的鉴别特性比较以促进所述个体的鉴别。
[0012]在另一方面，所述系统可包括自动平移和缩放模块，所述自动平移和缩放模块可操作以移动所述光源或所述成像装置中的至少一个，从而追踪所述个体。
[0013]在一些方面，所述成像装置可包括至少两个成像装置。在一个特定方面，所述至少两个成像装置包括经定位和可操作以产生所述个体的面部电子表示的第一成像装置和经定位和可操作以产生所述个体的虹膜电子表示的第二成像装置。在另一特定方面，所述系统可包括自动平移和缩放模块，所述自动的平移和缩放模块可操作以移动所述光源或所述成像装置中的至少一个；和工艺模块，所述工艺模块用以分析所述面部电子表示和提供面部和虹膜的所述移动和缩放模块座标。
[0014]在一些方面，所述系统可经配置以对所鉴别的个体隐蔽。在一个方面，举例来说，所述系统可在视觉上不透明的红外透明介质后面对所述个体隐蔽。所述红外透明介质可以是至少部分地涂有红外透明涂料的玻璃或塑料平面或其它红外透明介质。在一个方面，金属粒子可渗入所述红外透明介质的至少一部分。在又一方面，量子点可安置在所述红外透明介质上，以使得红外光透过所述介质并且滤去可见光。在另一方面，所述系统可通过来自所述个体的触发器激活，无论所述个体是否知道所述触发器。所述触发器可以是整合在所述系统中的能够激活所述系统的晶体管或传感器。所述触发器可以是热传感器、动作传感器、光传感器和其它类似的传感器。
[0015]所述系统还可以被设计成小尺寸。举例来说，在一个方面，所述光源、所述成像装置和所述影像处理模块可总体上具有小于约160立方厘米的尺寸。在另一方面，所述光源、所述成像装置和所述影像处理模块可总体上具有小于约16立方厘米的尺寸。在又一方面，所述成像装置可具有约1/7英寸的光学格式。
[0016]还考虑本发明的系统和装置可用于多种其它系统、装置和情况。举例来说，在一个方面，本发明的系统可整合到电子装置中。虽然考虑任何电子装置，但非限制性实例可包括移动智能手机、移动电话、膝上型计算机、平板电脑、其它个人电子装置等等。还考虑所述整合适用的各种情况。举例来说，在一个方面，此类电子装置可提供个体的肯定鉴别以解锁所述电子装置。在另一方面，个体的肯定鉴别可用于在金融事务中验证个体。在另一方面，肯定鉴别可用于确定个体的国籍或验证护照或执照状态。
[0017]本公开另外提供鉴别个体的方法。在一个方面，此类方法可包括向所述个体发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的红外电磁福射；将从所述个体反射的所述红外电磁辐射接收到成像装置中以产生所述个体的电子表示；将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示；以及使用所述至少一种基本上独特的鉴别特性鉴别所述个体。所述成像装置可包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与电磁辐射相互作用的纹理化区域。所述成像装置可对于具有至少一种超过800nm波长的电磁福射具有至少约33%的外部量子效率。
[0018]在一个特定方面，所述至少一种基本上独特的鉴别特性可包括足以鉴别所述个体的个体虹膜的电子表示。在一个特定方面，所述虹膜的所述电子表示可通过所述成像装置在离所述个体约0.5米到约15米的距离处捕捉。在又一个特定方面，所述虹膜的所述电子表示可通过所述成像装置在离所述个体约2米到约10米的距离处捕捉。在另一特定方面，所述虹膜的所述电子表示可在从所述成像装置到所述个体超过2米的距离处，使用具有至少940nm波长和低于10，000毫瓦/平方毫米/球面度的强度的所述红外电磁辐射捕捉。
[0019]在又一方面，发射红外电磁辐射可进一步包括从至少两个主动光源发射红外电磁辐射，每一个发射不同峰值发射波长。在所述情况下，来自每一主动光源的电子表示可处理成每个具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示，并且接着每一个体表示可以彼此比较以验证所述个体的鉴别结果。
[0020]在一个方面，通过所述成像装置捕捉所述电子表示可通过全局电子快门机构实现。在一个特定方面，所述全局电子快门可用约0.1ms到约Ims的积分时间操作。在另一特定方面，所述个体可相对于所述成像装置移动并且所述积分时间足以捕捉所述电子表示，其足够详细以鉴别所述至少一种基本上独特的鉴别特性。
[0021]在另一方面，所述方法可包括将所述至少一种基本上独特的鉴别特性与已知的鉴别特性比较以促进所述个体的鉴别。考虑多种已知的鉴别特性，其非限制性实例可包括面部特征、虹膜特征、热特征等等，包括其组合。此外，在一个方面，比较所述至少一种基本上独特的鉴别特性进一步包括针对多个已知的鉴别特性比较所述至少一种基本上独特的鉴别特性。
[0022]在又一方面，所述个体表示可以是面部表示，并且所述面部表示可经分析以定位特定的面部特征，并且所述成像装置可平移和/或缩放以使所述特定的面部特征或虹膜特征成像。
[0023]在另一方面，所述方法可包括相对于所述个体的移动来移动所述发射的红外电磁辐射和/或所述成像装置，以在接收所述红外电磁辐射期间追踪所述个体。
[0024]在又一方面，所述方法可进一步包括接收所述电子表示；选择所述电子表示的一部分；将所述成像装置缩放以基本上对应于所述电子表示的所述部分并且产生所述个体的第二电子表示；以及将所述第二电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的第二个体表示。
[0025]在另一方面，提供一种具有整合的用户许可系统的电子装置，其中所述用户许可系统包括成像装置，所述成像装置包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与电磁辐射相互作用的纹理化区域，其中所述成像装置对于具有至少一种超过SOOnm波长的电磁辐射具有至少约33%的外部量子效率。所述成像装置经定位以捕捉所述装置的用户的鉴别特性的电子表示，其中所述成像装置可操作以至少周期性地捕捉所述电子表示。所述系统可进一步包括存储寄存器，所述存储寄存器可操作以存储许可用户的已知的鉴别特性；和电耦合到所述成像装置和所述存储寄存器的分析模块，所述分析模块可操作以将所述鉴别特性的所述电子表示与所述已知的鉴别特性比较以验证所述用户是所述许可用户。在另一方面，所述系统可进一步包括光源，所述光源可操作以向所述用户发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的电磁福射。在又一方面,所述分析模块和所述成像装置可整体整合在一起，与所述电子装置的CPU分开。应当指出，所述分析模块可在物理上与所述成像装置分开，并且独立于所述电子装置的CPU操作。在另一方面，所述成像装置可以是可操作以连续地验证所述用户是所述许可用户。在又一方面，所述系统可包括开关，所述开关将所述成像装置在红外光捕捉与可见光捕捉模式之间切换。本文中考虑各种开关，例如晶体管、红外或彩色滤光器和本领域技术人员已知的其它开关。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]为了更全面地了解本发明的性质和优点，参考优选实施例的以下详细描述并且与附图相结合，其中:
[0027]图1是根据本公开的一个方面的用于鉴别个体的系统的图示。
[0028]图2是根据本公开的另一方面的成像装置的示意图。
[0029]图3是与根据本公开的另一方面的基于硅但具有纹理化区域的光检测装置的吸收特性相比，基于标准硅的迅速(或薄)光检测装置的吸收特性的图形表示。
[0030]图4是根据本公开的另一方面的感光装置的示意图。
[0031]图5是根据本公开的另一方面的感光阵列装置的示意图。
[0032]图6是根据本公开的另一方面的六个晶体管成像器的示意图。
[0033]图7a是展示用根据本公开的另一方面的具有卷帘快门的光成像器捕捉的虹膜的照片。
[0034]图7b是展示用根据本公开的另一方面的具有全局快门的光成像器捕捉的虹膜的照片。
[0035]图8是根据本公开的另一方面的飞行时间测量的图示。
[0036]图9a是根据本公开的另一方面的光成像器阵列的像素配置的示意图。[0037]图9b是根据本公开的另一方面的光成像器阵列的像素配置的示意图。
[0038]图9c是根据本公开的另一方面的光成像器阵列的像素配置的示意图。
[0039]图10是根据本公开的另一方面的十一个晶体管成像器的示意图。
[0040]图11是根据本公开的另一方面的包含辐射热测量计的感光装置的示意图。
[0041]图12是根据本公开的一个方面的用于鉴别个体的整合系统的图示。
[0042]图13是根据本公开的另一方面的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0043]在本文描述本公开前，应了解本公开不局限于本文所公开的具体结构、处理步骤或材料，而是延伸到如相关领域的一般技术人员所认识到的其同等物。还应了解，本文所采用的术语仅用于描述具体实施例的目的而意图为限制性的。
[0044]定义
[0045]以下术语将根据下文阐述的定义使用。
[0046]应当指出，除非上下文另外清楚地指出，否则如本说明书和随附权利要求书中所用，单数形式“一”和“所述”包括多个指示物。因此，举例来说，提及“一种掺杂剂”包括一种或多种此类掺杂剂，并且提及“所述层”包括提及一个或多个此类层。
[0047]如本文所用，“量子效率”(QE)定义为入射到光电装置上的转换为电子的光子百分t匕。外部QE (EQE)定义为在装置外每个进入的光子所获得的电流。因而，EQE取决于光子的吸收和电荷的收集。EQE低于QE，这是由于重组作用和光损耗(例如透射和反射损耗)。
[0048]如本文所用，术语“电磁辐射”和“光”可互换使用，并且可表示跨越宽范围的波长，包括可见波长(约350nm到800nm)和不可见波长(约800nm以上或350nm以下)。红外光谱通常被描述为包括:光谱的近红外部分，包括约800到1300nm的波长；光谱的短波红外部分，包括约1300nm到3微米的波长；和光谱的中到长波红外(或热红外)部分，包括约3微米以上高达约30微米的波长。除非另外指出，否则这些在本文中一般并统一称为电磁波谱的“红外”部分。
[0049]如本文所用，“响应时间”是指检测装置的上升时间或下降时间。在一个方面，“上升时间”是在由光与装置的相互作用产生的电信号的前缘上峰值振幅输出的10%点与90%点之间的时间差。“下降时间”测量为电信号的后缘的90%点与10%点之间的时间差。在一些方面，下降时间可称为衰减时间。
[0050]如本文所用，“快门速度”是指当捕捉影像时照相机的快门保持打开的持续时间。快门速度与暴露时间(即光到达影像传感器的持续时间)成正比。换句话说，快门速度控制到达感光成像器的光的量。快门速度越慢，暴露时间越长。快门速度通常是以秒和秒的分数表示。例如，4、2、1、1/2、1/4、1/8、1/15、1/30、1/60、1/125、1/250、1/500、1/1000、1/2000、1/4000、1/8000。值得注意的是，每一速度增量平分入射到成像器上的光的量。
[0051]如本文所用，术语“纹理化区域”是指具有纳米到微米大小的表面变化的拓扑学的表面。此类表面拓扑学可通过任何适当的技术形成，所述技术包括(但不限于)一种激光脉冲或多种激光脉冲的照射、化学蚀刻、平版印刷图案化、多种同时激光脉冲干扰、反应离子蚀刻等等。虽然此类表面的特征可取决于所采用的材料和技术而变化，但在一个方面，此类表面可以是几百纳米厚并由纳米微晶体(例如约10到约50纳米)和纳米孔组成。在另一方面，此类表面可包括微米大小的结构(例如约0.5 μ m到约60 μ m)o在又一方面,表面可包括约5nm和约500 μ m的纳米大小和/或微米大小的结构。应提及纹理化区域可以有序或无序。
[0052]如本文所用，术语“表面改性(surface modifying)”和“表面改性(surfacemodification)”是指使用多种表面改性技术改变半导体材料的表面。所述技术的非限制性实例包括电浆蚀刻、反应离子蚀刻、多孔硅蚀刻、发射激光、化学蚀刻(例如各向异性蚀刻、各向同性蚀刻)、纳米刻印、材料沉积、选择性外延生长等等，包括其组合。在一个特定方面，表面改性可包括主要使用激光辐射或激光辐射与掺杂剂组合的工艺，其中激光辐射促进掺杂剂并入半导体材料的表面中。因此，在一个方面，表面改性包括诸如半导体材料的基材的掺杂。
[0053]如本文所用，术语“目标区”是指打算掺杂或表面改性的基材区域。基材的目标区可随着表面改性工艺进展而变化。举例来说，在第一目标区掺杂或表面改性后，可在同一基材上选择第二目标区。
[0054]如本文所用，术语“通量”是指来自激光辐射的单次脉冲的通过单位面积的能量的量。换句话说，“通量”可被描述成一个激光脉冲的能量表面密度。
[0055]如本文所用，术语“检测”是指电磁辐射的感测、吸收和/或收集。
[0056]如本文所用，术语“场景光亮度”是指射到巳知的区域或场景上的光的面密度。
[0057]如本文所用，术语“基本上”是指动作、特征、特性、状态、结构、项目或结果的完全或几乎完全的范围或程度。举例来说，“基本上”被围绕的物体将意指物体完全被围绕或者几乎完全被围绕。在一些情况下，准确的可允许的与绝对完全的偏差度可取决于特定上下文。然而，一般说来，接近完全将使得具有与获得绝对和全部完全时相同的整个结果。当用于否定含意时“基本上”的使用同等地可应用，以指动作、特征、特性、状态、结构、项目或结果完全或接近完全缺乏。举例来说，“基本上不含”粒子的组合物将完全缺乏粒子，或几乎完全缺乏粒子，使得作用将与其完全缺乏粒子时相同。换句话说，“基本上不含”成分或要素的组合物实际上仍然可含有所述项目，只要其作用不可测量即可。
[0058]如本文所用，术语“约”用以通过提供给定值可以“略微高于”或“略微低于”数值范围端点来给所述端点提供灵活性。
[0059]为方便起见，如本文所用，多个项目、结构要素、组成要素和/或材料可呈现于常见列表中。然而，这些列表应理解成如同列表的每个成员个别地鉴别为单独和独特的成员。因此，在无相反指示的情况下，不应仅仅基于呈现在共同的群组中，就将所述列表的个别成员理解为同一列表的任何其它成员的实际同等物。
[0060]浓度、量和其它数值数据在本文中可用范围形式表现或呈现。应了解，此类范围形式仅仅是为了方便和简洁而使用，并且因此应灵活地解释为不仅包括明确叙述的数值作为范围的界限，而且还包括所述范围内涵盖的所有个别数值或子范围，如同每个数值和子范围被明确叙述。举例来说，“约I到约5”的数值范围应解释为不仅包括约I到约5的明确叙述的值，而且还包括所指示范围内的个别值和子范围。因此，包括在此数值范围内的是例如2、3和4等个别值和例如1-3、2-4和3-5等子范围，以及个别地1、2、3、4和5。
[0061]此相同原则适用于仅叙述一个数值作为最小值或最大值的范围。此外，无论所描述的范围或特征的宽度如何，此类解释应都适用。[0062]本公开
[0063]安检一般已经成为许多商业、社区、政府等最优先考虑的事情。建立有效安检的一个关键部分是快速鉴别个体。举例来说，为了民众的安全性，在例如机场、中心城市等重大通道中实施生物计量扫描程序可促进个体的鉴别和追踪，以及在一些情况下，鉴别和追踪个体的安全性。举一例来说，此类系统可用于鉴别被绑架或出走的儿童。在其它情况下，可定位并抓捕逃犯和嫌疑犯。此外，所述系统可适用于鉴别许可用户并允许许可用户接近金融事务、个人电子装置，此可减少投票人欺诈、金融诈骗、其它形式的身份偷窃等等的发生。
[0064]如已经描述的，使面部和眼部特征成像的生物计量系统内在的一个问题是由色素沉着引起的干扰。为了避免此潜在干扰，可使用捕捉在SOOnm到1300nm范围内的光波长的生物计量成像装置。对于此波长范围内的电磁辐射，色素沉着基本上是透明的，因此电磁光子自由地穿过色素并且从感兴趣的结构要素反射出，以进行鉴别。在眼睛中，举例来说，近红外电磁光子穿过虹膜色素并且从虹膜韧带结构反射出。
[0065]然而，常规的成像器，包括CXD与CMOS影像传感器，基于硅光检测器并且对感兴趣的波长范围内的近红外光具有极低的敏感性。因而，在很多情况下，这些系统限于其中低敏感性和影像捕捉速度限制不是问题的应用。当企图从一定距离和/或用短的积分时间捕捉虹膜特征时，IR光的强度需要大大增加以补偿传统成像器的差IR敏感性。高强度IR可能损害眼部组织并且可能引起其它的负面作用。
[0066]本发明提供一种有效的生物计量装置，其可在低光条件下操作，在可见和红外(IR)光谱中具有优良的信号噪声比和高量子效率。使用IR光源，与单纯可见光相对比，本发明的系统可使虹膜的纹理化图案成像、去除现场光变化并且减少角膜反射对图案的干扰，从而捕捉更加准确的虹膜信息。
[0067]在一个方面，如图1中所示，举例来说，用于鉴别个体的系统可包括能够发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的电磁辐射104的至少一个主动光源102，和经定位以接收从个体110反射108时的电磁辐射从而产生个体的电子表示的成像装置106。影像处理模块112可在功能上耦合到成像装置106以接收所述电子表示。影像处理模块112用以使用所属领域的技术人员已知的算法将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示。此基本上独特的鉴别特性用以鉴别个体110。另外，注意此类系统可用于合作以及非合作鉴别情况。
[0068]图2展示成像装置的一个示例性实施例，其能够在低光条件下操作，在可见和IR光谱中具有优良的信号噪声比和高量子效率。成像装置200可包括具有厚度小于约10微米的装置层的半导体装置层202、形成接面的至少两个掺杂区域204、206以及经定位以与进入的电磁辐射210相互作用的纹理化区域208。考虑许多配置，并且任何类型的接面配置被认为是在本发明的范围内。举例来说，第一和第二掺杂区域可以彼此不同，彼此接触，彼此重叠等。在一些情况下，本征区域可至少部分位于第一与第二掺杂区域之间。在一些方面，半导体装置层可小于约50微米厚。另外，在一些方面，半导体装置层可安置在块状半导体层或半导体支撑层上。
[0069]展示纹理化区域208位于与第一掺杂区域204和第二掺杂区域206相对的半导体装置层202 —侧。在此情况下，穿过半导体装置层202接触纹理化区域208的电磁辐射可穿过半导体装置层反射回来，因此有效地提高半导体材料的吸收光程长度。纹理化区域可与半导体材料的整个表面或仅其一部分相关联。另外，在一些方面，纹理化区域可特别定位以使半导体材料的吸收光程长度达到最大。在其它方面，可在纹理化区域附近包括第三掺杂以改善纹理化区域附近产生的载流子的收集。
[0070]成像装置可具有厚度小于约10微米的半导体装置层和对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射至少约33%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过约800nm波长的电磁辐射至少约33%的外部量子效率。在另一方面，所述响应时间可以是从约0.1ms到约16ms。另外考虑装置层的其它厚度。在一个方面，举例来说，装置层厚度可小于50微米。在另一方面，装置层厚度可小于5微米。在又一方面，装置层厚度可小于I微米。装置层厚度的下限可以是允许装置具有功能性的任何厚度。然而，在一个方面，装置层可以是至少IOnm厚。在另一方面，装置层可以是至少IOOnm厚。在又一方面,装置层可以是至少500nm厚。另外,在另一方面,成像装置可对于具有至少一种超过约850nm波长的电磁辐射具有至少约23%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可对于具有至少一种超过约940nm波长的电磁辐射具有至少约11%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过约940nm波长的电磁辐射至少约11%的外部量子效率。
[0071 ] 在另一方面，成像装置可对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射具有至少约46%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过约800nm波长的电磁福射至少约46%的外部量子效率。另外,在另一方面，成像装置可具有厚度小于10微米的半导体装置层，并且成像器可对于具有至少一种超过约850nm波长的电磁辐射具有至少约32%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可具有厚度小于10微米的半导体装置层，并且成像器可对于具有至少一种超过约850nm波长的电磁辐射具有至少50%或至少60%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可对于具有至少一种超过约940nm波长的电磁辐射具有至少约15%的外部量子效率。在另一方面，成像装置可具有约0.1ms到约Ims的响应时间和对于具有至少一种超过约940nm波长的电磁辐射至少约15%的外部量子效率。关于所述感光装置的更多细节已经描述于2011年6月20日提交的美国申请第13/164，630号中，其通过引用以其全部内容并入本文中。
[0072]应当注意，虽然图2中所示的装置具有前面照射结构，但背面照射结构也考虑在内并且被认为是在本发明的范围内。另外，不管前面照射还是背面照射，纹理化区域208可定位在与进入的电磁辐射210相对的半导体装置层202的一侧上，如所示的那样。纹理化区域还可定位在与进入的电磁辐射相邻的半导体装置层的一侧上(未图示)。换句话说，在此情况下，电磁辐射将在进入半导体装置层前接触纹理化区域。另外，考虑纹理化区域可定位在半导体装置层的相对侧与相邻侧上。
[0073]本发明的成像装置可用于捕捉能够用以在短距离以及长距离鉴别个体的电子表示。所述装置可在短距离,例如比如约2cm或少到约IOcm或长达50cm或长达0.5m，捕捉电子表示。装置还可在短距离到长距离捕捉电子表示，例如比如长达lm、长达3m、长达6m、长达IOm或长达15m或更长。
[0074]用于构建成像器的半导体可以是任何有用的半导体材料，由其可制造出具有本文所述的特性的此类成像器。然而，在一个方面，半导体装置层是硅。然而，注意硅光检测器具有对光的IR波长的有限检测能力，特别是对于薄膜硅装置。传统的硅材料需要实质的吸收深度以检测波长长于约700nm的光子。虽然可见光可以容易地吸收于硅层的前几微米中，但是在硅中薄晶片深度(例如约100 μ m)较长波长(例如900nm)的吸收即使有的话也是差的。本发明的成像装置可增大硅的电磁辐射吸收范围，因此允许甚至在浅的深度和硅薄膜中吸收可见和IR光。
[0075]回到图2，举例来说，纹理化区域208可增强吸收，提高外部量子效率，并减少响应时间，特别是在红外波长中。所述独特和新颖的装置可允许快速的快门速度，从而在可见和红外光谱中捕捉移动物体的影像。因此在基于硅的装置中此类提高的敏感性可降低光检测器的处理成本，降低光源所需的功率,提高3D类型成像的深度分辨率，并且改善个体的生物计量测量。
[0076]图3展示吸收/响应性图，其中虚线302表示基于传统的标准快速硅装置的光电二极管的吸收特征，并且实线304表示基于硅但包括纹理化区域的光电二极管装置的吸收特征。值得注意的是，与具有纹理化区域的成像装置相比，红外(即SOOnm到1200nm区域)中标准快速硅成像器的吸收导致相对低的响应性。注意，成像器是多个光电二极管的集合。
[0077]虽然考虑本发明的系统可包括用于增加装置与个体之间的捕捉距离的光学器件，但具有纹理化区域的成像装置允许系统在低IR光强度水平下甚至在所述长距离起作用。此减少能量消耗和热管理问题，以及潜在减少可由高强度IR光引起的副作用。在一个方面，举例来说，成像装置可使用从主动光源发出的具有至少一种从约700nm到约1200nm波长并且具有在3米处射到个体的至少0.lmff/mm2的场景光亮度的电磁辐射，捕捉个体的电子表示，其足够详细以鉴别基本上独特的鉴别特性。在另一方面，成像装置可使用从主动光源发出的具有至少一种从约SOOnm到约IOOOnm波长并且具有在3米处射到个体的约0.lmff/mm2到约100mW/mm2的场景光亮度的电磁福射,捕捉个体的电子表示,其足够详细以鉴别基本上独特的鉴别特性。在另一方面，成像装置可使用从主动光源发出的具有至少一种从约800nm到约IOOOnm的波长并且具有在3米处射到个体的约lmW/mm2到约10mW/mm2的场景光亮度的电磁辐射，捕捉个体的电子表示，其足够详细以鉴别基本上独特的鉴别特性。在又一方面，在超过2米的距离，电磁辐射具有至少940nm的波长并且应具有低于10，000毫瓦/平方毫米/球面度的眼睛损伤阀值的光功率。应当注意，在一个方面，基本上独特的鉴别特性是个体的虹膜图案。
[0078]如已经描述的，在一些方面，装置中硅材料的厚度可决定响应性和响应时间。标准的硅装置需要是厚的，即超过100 μ m，以检测红外光谱中的波长，并且所述利用厚装置的检测导致低敏感性和高暗电流。纹理化区域经定位以与电磁辐射相互作用，以增加装置中红外光的吸收，从而提高红外响应性，同时允许快速操作。漫散射和反射可导致吸收光程长度增加，特别是如果与全内反射组合的话，导致极大地提高硅光电二极管、光检测器、光电二极管阵列、成像器等的红外响应性。由于吸收光路长度增加，所以较薄的硅材料可用于将电磁辐射吸收到红外区中。较薄硅材料装置的一个优点是载荷子更加迅速地从装置清除，因此减少响应时间。相反地，至少部分由于于扩散，厚的硅材料装置更加缓慢地将载荷子从其清除。
[0079]然而，注意硅装置层可具有允许电磁辐射检测和转换功能性的任何厚度，并且因此硅装置层的任何此类厚度都被认为是在本发明的范围内。如前所述的，薄的硅层材料可特别有益于减少装置的响应时间和/或电容。如已经描述的，如与较厚的硅材料层相比，载荷子可以更加迅速地从较薄的娃材料层清除。娃越薄，电子/空穴必须穿越以被收集的材料越少，并且所产生的载荷子遭遇可捕集或减慢载流子收集的缺陷的可能性越低。因此，实施快速的光反应的一个目标是将薄的硅材料用于成像器的半导体装置层。此类装置可通过光电二极管的内建电位和任何外加偏压几乎耗尽载荷子，以通过在电场中漂移提供对光产生的载流子的快速收集。保持在光电二极管的任何未耗尽区域中的载荷子通过扩散输送来收集，其比漂移输送慢。为此，使扩散可能占优势的任何区域厚度比耗尽的漂移区更薄可能是期望的。在硅材料中，在无外加偏压下适当掺杂提供了约ΙΟμπι的耗尽区。因而，在一些方面，适用的是利用厚度小于约100 μ m、小于约10 μ m或小于约5μηι的娃材料层。在另一方面，娃材料可具有使外加偏压产生足够载荷子的饱和速度的电场的厚度和基材掺杂浓度。应当注意，如本文所公开的，在零偏压下操作光电二极管可能导致低噪声，但在较长响应时间下。然而，当施加偏压时，暗电流增加，导致较高噪声，但响应时间减少。如果入射辐射信号强，那么暗电流增加可能得到补偿。然而，在较薄装置层下，暗电流增加的量可被最小化。
[0080]半导体装置层一般可具有允许电磁辐射检测和转换功能性的任何厚度，并且因此半导体材料的任何此类厚度都被认为是在本发明的范围内。在一些方面，纹理化区域提高装置的效率，使得半导体装置层可比先前可能的厚度薄。减少半导体装置层的厚度减少了制造此类装置所需的半导体材料的量。在一个方面，举例来说，半导体装置层具有约500nm到约50μπι的厚度。在另一方面，半导体装置层具有小于或等于约100 μ m的厚度。在另一方面，半导体装置层具有约500nm到约20 μ m的厚度。在另一方面，半导体装置层具有约500nm到约ΙΟμπι的厚度。在另一方面,半导体装置层可具有约500nm到约50 μ m的厚度。在又一方面，半导体装置层可具有约500nm到约2 μ m的厚度。在其它方面，半导体装置层可具有小于10微米、5微米或I微米的厚度。
[0081]在一个方面，硅半导体装置层可具有约IOOnm到约100 μ m的厚度。在另一方面，硅材料具有约0.5 μ m到约50 μ m的厚度。在又一方面，硅材料具有约5 μ m到约10 μ m的厚度。在另一方面，硅材料具有约Iym到约5 ym的厚度。
[0082]如已经描述的，感光成像装置的响应时间受光产生的载流子跨越装置层厚度的通过时间限制。作为进一步的解释，整个电子装置结构的负载电阻(R)和电容(C)的RC时间常数可通过使用小负载电阻器并且通过限制硅材料的掺杂密度和光电二极管的面积保持小光电二极管电容来保持小于此通过时间。举例来说，在无任何外加偏压下，以IO1Vcm3掺杂的光电二极管可具有的电容可为10nF/cm2。具有50ohm负载电阻器的小面积光电二极管具有飞快的RC时间常数。面积为0.01cm2的光电二极管可具有0.5纳秒的RC时间常数。假使响应时间将受跨越光电二极管的最大载荷子通过时间限制，那么扩散速率可对不同厚度的光电二极管的响应时间施加上限。举例来说，如果光电二极管具有小于d=100 μ m的厚度，那么扩散通过时间可根据以下方程式(II)计算，其中D是电子的扩散系数。
[0083]
【权利要求】
1.用于鉴别个体的系统，其包括: 主动光源，其能够发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的电磁福射； 成像装置，其经定位以接收从个体反射后的所述电磁辐射，从而产生所述个体的电子表示，所述成像装置包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与所述电磁辐射相互作用的纹理化区域，其中所述成像装置对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射具有至少约33%的外部量子效率；以及 影像处理模块，其在功能上耦合到所述成像装置并且可操作以接收所述电子表示，其中所述影像处理模块可操作以将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述半导体装置层耦合到块状半导体。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述主动光源是两个或更多个主动光源，每一个发射不同峰值发射波长的红外电磁辐射。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述两个或更多个主动光源发射约850nm和约940nm的红外电磁福射。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像装置能够使用从所述主动光源发射的具有至少一种从约700nm到约1200nm波长并且具有在3米处射到所述个体的至少0.lmff/mm2的场景光亮度的电磁辐射，捕捉所述电子表示，所述电子表示足够详细以鉴别所述至少一种基本上独特的鉴别特性。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像装置是基于硅并且具有约0.1ms到约Ims的响应时间以及对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射至少约33%的外部量子效率。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像装置是基于硅并且具有约0.1ms到约Ims的响应时间以及对于具有至少一种超过940nm波长的电磁福射至少约11%的外部量子效率。
8.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括分析模块，所述分析模块在功能上耦合到所述影像处理模块，其中所述分析模块可操作以将所述至少一种基本上独特的鉴别特性与已知的鉴别特性比较以促进所述个体的鉴别。
9.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括自动平移和缩放模块，所述自动平移和缩放模块可操作以移动所述光源或所述成像装置中的至少一个，从而追踪所述个体。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述成像装置包括至少两个成像装置。
11.根据权利要求10所述的系统，其中所述至少两个成像装置包括经定位和可操作以产生所述个体的面部电子表示的第一成像装置和经定位和可操作以产生所述个体的虹膜电子表示的第二成像装置。
12.根据权利要求11所述的系统，其进一步包括: 自动平移和缩放模块，其可操作以移动所述主动光源或所述成像装置中的至少一个；以及 工艺模块，其用以分析所述面部电子表示并且为所述面部和虹膜提供所述平移和缩放模块座标。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述系统在红外透明而光学上不透明的介质后面对所述个体隐蔽。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述光源、所述成像装置和所述影像处理模块总体上具有小于约160立方厘米的尺寸。
15.根据权利要求1所述的系统，其进一步包括整合有所述系统的电子装置，其中所述电子装置包括移动智能手机、移动电话、膝上型计算机和平板电脑中的至少一个。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述个体的肯定鉴别可操作以在金融事务中验证所述个体。
17.鉴别个体的方法，其包括: 向所述个体发射具有至少一种从约700nm到约1200nm波长的红外电磁福射； 将从所述个体反射的所述红外电磁辐射接收到成像装置中以产生所述个体的电子表示，所述成像装置包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与所述电磁辐射相互作用的纹理化区域，其中所述成像装置对于具有至少一种超过800nm波长的电磁辐射具有至少约33%的外部量子效率； 将所述电子表示处理成具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示；以及 使用所述至少一种基本上独特的鉴别特性鉴别所述个体。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一种基本上独特的鉴别特性包括足以鉴别所述个体的虹膜的电子表示。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述虹膜的所述电子表示通过所述成像装置在距所述个体约0.5m到约15m的距离处捕捉。
20.根据权利要求17所述的方法，其中发射红外电磁辐射进一步包括从至少两个主动光源发射红外电磁福射，每一个发射不同峰值发射波长。
21.根据权利要求31所述的方法，其中来自每个主动光源的电子表示处理成每个具有至少一种基本上独特的鉴别特性的个体表示，并且其中每一个体表示进行比较以验证所述个体的鉴别结果。
22.根据权利要求17所述的方法，其进一步包括相对于所述个体的移动来移动所述发射的红外电磁辐射和所述成像装置，以在接收所述红外电磁辐射期间追踪所述个体。
23.具有整合的用户许可系统的电子装置，所述用户许可系统包括: 成像装置，其包括厚度小于约10微米的半导体装置层、形成接面的至少两个掺杂区域和经定位以与电磁辐射相互作用的纹理化区域，其中所述成像装置对于具有至少一种超过SOOnm波长的电磁辐射具有至少约33%的外部量子效率，所述成像装置经定位以捕捉所述装置用户的鉴别特性的电子表示，其中所述成像装置可操作以至少周期性地捕捉所述电子表不; 存储寄存器，其可操作以存储许可用户的巳知的鉴别特性； 分析模块，其电耦合到所述成像装置和所述存储寄存器，所述分析模块可操作以将所述鉴别特性的所述电子表示与所述已知的鉴别特性比较以验证所述用户是所述许可用户。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述分析模块和所述成像装置整体整合在一起，与所述电子装置的CPU分开。
25.根据权利要求23所述的装置，其中所述用户许可系统可操作以连续地验证所述用户是所述许可用户。
26.根据权利要求23所述的装置，其进一步包括开关以将所述成像装置在红外光捕捉与可见光捕捉模式之间切换。
【文档编号】G06K9/46GK103946867SQ201280044408
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2012年7月13日 优先权日:2011年7月13日
【发明者】S·D·塞勒, M·U·普拉勒 申请人:西奥尼克斯公司