CN107251046B - 光学指纹传感器及封装 - Google Patents

Abstract

在一个方案中，指纹传感器装置包括有集成触摸传感器模块的触摸面板。集成触摸传感器模块包括感测电路，用于响应于检测到与指纹相关联的接触输入而生成传感器信号。感测电路包括光学指纹传感器，用于检测接触输入并生成指示指纹的图像的第一信号以及生成指示与指纹不同的生物测定标记的第二信号。所生成的传感器信号包括指示指纹的图像的第一信号和指示与指纹不同的生物测定标记的第二信号。感测电路包括处理电路，可通信地耦接到感测电路来处理生成的传感器信号，以确定与指纹相关联的接触输入是否属于活体手指。

Description

光学指纹传感器及封装

相关申请的交叉引用

本专利申请要求于2015年10月23日提交的美国临时专利申请No.62/245,942的优先权。通过引用将上述专利申请的全部内容合并为本申请的公开内容的一部分。

技术领域

本专利申请大体涉及用于安全地访问电子装置或信息系统的指纹识别及其应用。

背景技术

指纹可以用于针对访问电子装置、计算机控制系统、电子数据库或信息系统来对用户进行认证，其可以作为独立认证方法使用，也可以与一个或多个其他认证方法(例如密码认证方法)组合使用。例如，包括便携或移动计算装置的电子装置(例如膝上型电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统)可以采用用户认证机制来保护个人数据并防止未经授权的访问。在另一个示例中，为了为组织或企业保护信息或者装置或系统的使用，应当确保用于组织或企业的计算机或计算机控制的装置或系统仅允许授权人员访问，。在便携装置和计算机控制的数据库、装置或系统中存储的信息可以是本质上个人的，例如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或者其他个人信息,或者可以是由组织或企业专用的保密信息，例如商业财务信息、员工数据、商业秘密和其他专有信息。如果对电子装置或系统访问的安全性受损，那么这些数据可能被其他人访问，导致个人隐私的丧失或有价值的保密信息的丢失。除了信息安全之外，保护对计算机和计算机控制的装置或系统的访问还允许保护由计算机或计算机处理器控制的装置或系统(例如计算机控制的汽车和其它系统，例如ATM)的使用。

可通过不同方式(例如使用用户密码)来实现对装置(例如移动装置)或系统(例如电子数据库和计算机控制的系统)的安全访问。但是，密码可以容易地传播或获得，并且密码的这种性质会降低安全性等级。此外，用户需要记住密码以使用电子装置或系统，而如果用户忘记密码，那么用户需要进行某些密码恢复程序以获得认证或以其他方式重获对装置的访问，这样的过程对于用户而言可能是负担，并且具有各种实际限制和不便。可以利用个人指纹识别来实现用于增强数据安全性的用户认证，同时减轻与密码相关联的某些不期望的效果。

包括便携或移动计算装置的电子装置或系统可以采用用户认证机制来保护个人或其他保密数据并防止未经授权的访问。可通过一种或多种形式的生物标识符来执行电子装置或系统上的用户认证，其可以单独使用或者在常规的密码认证方法之外附加使用。一种形式的生物标识符是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子装置或信息系统中以读取用户的指纹图案，使得装置只能由该装置的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。

发明内容

本专利申请中描述的实施方式的示例提供了使用光学传感器来感测指纹的指纹传感器设计。所描述的指纹传感器设计可用于各种装置、系统或应用，包括移动应用和各种可穿戴或便携装置(例如智能手机、平板电脑、手腕佩戴装置)，更大的电子装置或系统。

在一个方面，提供一种具有光学指纹感测功能的电子装置，其包括：触摸接收表面，该触摸接收表面包括用于接收接触输入的触摸区域；光学传感器模块，其检测所接收的、与触摸接收表面上的指纹相关联的接触输入的存在，以产生第一信号和第二信号，所述第一信号指示指纹的空间图案的图像，第二信号指示与指纹的空间图案不同并表现活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括光源和光学传感器阵列，光源用于产生投射到触摸接收表面上的探测光，光学传感器阵列被定位为从所述触摸接收表面接收带有所接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号。该装置可以进一步包括处理电路，其可通信地耦接为接收光学传感器信号来处理第一信号，以确定所检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，以及处理所述第二信号，以确定生物学标记是否指示与指纹相关联的接触输入来自活人的手指。

在另一个方案中，所公开技术的光学指纹传感器可以被实现为提供以下特征的一个或多个。光学指纹传感器包括光源、耦合器、间隔物、光电二极管阵列和盖板玻璃。间隔物可以由玻璃材料、粘合材料、甚至气隙或真空制成。耦合器可以由玻璃材料、粘合材料、甚至空气或真空制成。盖板玻璃可以是显示器盖板玻璃的一部分，或者是单独的盖板玻璃。每个所述耦合器、间隔物和盖板玻璃都可以是多个层。

所公开的技术通过匹配材料形状和折射率来提供对信号对比度控制的灵活性。通过匹配探测光束入射角、发散角以及所涉及的耦合器、间隔物和盖板玻璃的材料，可将探测光束控制为针对不同的触摸材料、在感测表面处被全部反射或部分反射。

所公开的光学指纹传感器还提供无水效果。典型的智能手机盖板玻璃的折射率为约1.50。一种设计是使用低折射率材料(MgF2、CaF2、聚合物等等)来形成耦合器。所公开的技术可用于将感测表面处的局部探测光束入射角控制为大约68.5°。当水触摸光学指纹传感器的感测表面时，全反射角约为62.46°，当指纹脊触摸感测表面时，全反射角约为73.74°。当没有东西触摸感测表面时，全反射角约为41.81°。在这种设计中，在浸水区域，探测光被全部反射到光电二极管阵列；在指纹脊触摸位置，不到5％的探测光被反射到光电二极管阵列；在干的指纹谷位置，探测光束也被全部反射到光电二极管阵列。这意味着只有指纹脊产生被检测到的信号。

汗的折射率低于手指皮肤的折射率。所公开的技术提供区分指纹中的汗孔的方案。

当用气隙来形成耦合器时，在感测表面不发生全反射。不同触摸材料(指纹脊、指纹沟和其它污染物)之间的反射率差异可用于检测指纹图像。

由于光路压缩效应，感测区域尺寸可大于光电二极管阵列尺寸。

光源可以是以适当距离安装的点光源。

可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜使探测光束准直。

探测光束可以具有适当的发散角。探测光束也可以是发散的或会聚的。

由于光路压缩效应，耦合器可以很薄。例如，可以使用小于1mm厚度的CaF2耦合器来实现甚至10mm的感测区域尺寸。在本示例中，图像压缩比为1:10。这有助于降低传感器成本。

光电二极管阵列安装在耦合器的一端而不是耦合器的下方。这种设计使得可以灵活地应用彩色涂料、照明灯等等来补偿颜色或装饰传感器区域。

可以调制探测光源以帮助减少背景光的影响。光电二极管阵列被设计为在任何照明环境中都能良好地工作。

盖板玻璃厚度不对指纹感测构成限制。

该原理可用于构建光学触摸面板。

在另一个方案中，所公开技术的光学指纹传感器可以被实现为进行活体手指检测，包括以下：

光学指纹传感器可以检测触摸材料是否为活体手指，并且可以提高传感器的安全性。

可将指定光源和检测器用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料。

当使用单一波长时，心跳检测提供可靠的标准来检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。

当使用两个或更多个波长时，比较波长的消光比，以检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。

指纹传感器光源和光电二极管阵列可用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。

动态指纹图像可用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。动态指纹图像还可用于检测活体手指触摸感测区域时按压力。

对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。

在另一个方案中，可将光学指纹传感器实施为实现各种装饰元件，包括以下：

耦合器的下表面可以涂有相同的颜色或图案层，以与平台表面颜色匹配。

耦合器的下表面可以涂有不同的颜色或图案层，以显示新的外观样式。

彩色光源可以被安装在耦合器周围，以装饰传感器区域。

在另一个方案中，作为单独按钮封装的光学指纹传感器可以进行如上所述的相同指纹检测和活体手指检测。另外，作为单独按钮的光学指纹传感器封装可以被实施为具有以下特征：

根据应用，盖板玻璃和相关间隔物材料的特征在于在厚度上具有灵活性。

特别地，实际封装不使用盖板玻璃和间隔物材料。

另一种实用设计是使用薄层盖板玻璃来保护耦合器。盖板玻璃可以具有高硬度。

使用彩色玻璃或其它光学材料来构建盖板也是实用的。

封装方法提供构建紧凑按钮的方案，可以以提高的安全性检测指纹。

可以集成其它机械部件，以使得模块坚固。

在另一个方案中，提供一种有光学指纹感测模块的电子装置，其包括：触摸感测显示面板，该触摸感测显示面板包括触摸感测和显示区域，用于显示图像和内容以及用于接收用户接触输入；顶部透明盖板，在触摸感测显示面板的顶部形成并且可操作为顶部触摸感测表面，顶部触摸感测表面用于用户将用户接触输入提供给触摸感测显示面板，并传输光线，用于用户观看通过触摸感测显示面板显示的图像；以及光学传感器模块，放置在顶部透明盖板下面并且从触摸感测显示面板移位。光学传感器模块被配置为检测所接收的与顶部触摸感测表面上的指纹相关联的接触输入的存在，以产生第一信号和第二信号，第一信号指示指纹的空间图案的图像，第二信号指示与指纹的空间图案不同并表现活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括探测光源和光学传感器阵列，探测光源用于产生投射到顶部触摸感测表面上的探测光，光学传感器阵列被定位为接收从所述触摸接收表面接收带有所接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号。探测光源产生具有两种不同波长的探测光，血液对于所述两种不同的波长有通过血液的不同光学吸收。通过感测在两种不同波长的每个波长的反射的探测光，由光学传感器阵列捕获指示指纹的空间图案的图像的第一信号，且通过两种不同波长的反射的探测光中的差异带有指示生物学标记的第二信号。

在附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了上述和其它方案和特征。

附图说明

图1A是用于控制对计算机处理器控制的装置或系统的访问的、基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的方框图。

图1B是示出基于图1A中的设计在移动装置(例如智能手机)中实现的示例性指纹传感器装置的方框图。

图2是示出封装在平台(例如智能电话)的屏幕盖玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图。

图3是示出示例性指纹感测光路的示意图。

图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器的示意图。

图5是示出用于指纹感测的示例性光学指纹传感器的方框图。

图6是示出示例性活体指纹检测的示意图。

图7示出被监测的材料的示例性扩展系数。

图8示出组织的不同部分中的血流。

图9示出非生命材料(例如假手指)与活体手指之间的比较。

图10示出用于针对认证活体手指建立不同安全等级的示例性处理1000的处理流程图。

图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图。

图12是示出作为单独按钮封装的示例性光学指纹传感器的示意图。

图13是示出示例性指纹以及使用作为单独按钮封装的光学指纹传感器的活体手指检测的示意图。

具体实施方式

本专利申请所述的指纹感测包括对指纹图案进行光学感测。

图1A是用于控制对计算机处理器控制的装置或系统的访问的、基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的方框图。该系统使用具有光学检测器的阵列的光学指纹传感器来捕获接收到的光线的光学图像，该光学图像带有来自如下手指的指纹图案，该手指触摸被照明光束照射的光学指纹传感器感测表面。系统包括指纹传感器控制电路以及数字指纹处理处理器，该指纹传感器控制电路接收来自光学指纹传感器中的光学检测器的输出，数字指纹处理处理器可包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器用于处理指纹图案并确定输入的指纹图案是否为授权用户的指纹图案。指纹感测系统可将捕获的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹用户认证系统保护的装置或系统中的功能。例如，ATM处的指纹用户认证系统可以确定请求访问资金的客户的指纹。基于客户的指纹与一个或多个存储的指纹的比较，指纹用户认证系统可以使得ATM系统允许对于资金的访问，并且可以识别客户，从而将适当的账户与信用相关联或者扣除所请求的资金。各种各样的装置或系统可以与所公开的光学指纹传感器结合使用，各种各样的装置或系统包括移动应用和各种可穿戴装置或便携装置(例如智能手机、平板电脑、手腕佩戴装置)，更大的电子装置或系统，例如便携形式或桌面形式的个人计算机、ATM、到各种电子系统的各种终端、数据库、或用于商业或政府用途的信息系统、机动交通系统(包括汽车、船、火车、飞机等等)。图1B示出智能手机或便携装置的示例，在该智能手机或便携装置中，指纹用户认证系统是集成到智能手机的模块。

指纹感测在使用安全访问的移动应用和其他应用中是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动装置的安全访问并保护金融交易(包括在线购买)。期望包括适合于移动装置的鲁棒且可靠的指纹传感器特征。例如，期望移动装置中的指纹传感器具有小的占用面积并且薄，以适应移动装置中非常有限的空间；此外，期望包括保护盖以保护这种指纹传感器使其免受各种污染物污染。

在本专利申请中用于指纹感测的光学传感技术可以被实现为提供高性能指纹感测，并且可以以紧凑的尺寸被封装，以适合移动装置和其他小型装置的封装。在电容性指纹传感器中，感测基于对感测电极和手指表面之间由于它们的电容耦合而产生的电容进行测量。随着位于电容性传感器像素之上的保护盖变得更厚，每个电容性传感器像素所感测的电场在空间中快速分散，导致传感器的空间分辨率急剧下降。结合感测空间分辨率的这种下降，在每个传感器像素处接收到的传感器信号强度也随着保护盖厚度的增加而显著下降。因此，当保护盖厚度超过某阈值(例如300μm)时，对于这种电容性传感器而言，变得更难以在感测指纹图案中提供期望的高空间分辨率以及更难以以可接受的保真度可靠地分辨感测到的指纹图案。

在一个方面，所公开的技术提供了在薄的光学指纹传感器封装中的光学指纹传感器设计，用于容易地将其集成到移动装置或其他紧凑装置中。在一些实施方式中，所公开技术的光学指纹传感器使用匹配的光耦合方案，以提供具有低成本、高性能和灵活的封装结构的光学指纹感测。所公开的光学指纹传感器也可以被配置为提供活体手指检测，以提高安全性。此外，所公开的光学指纹传感器方案可包括各种装饰选项，其提供集成传感器的平台的定制外观。

所公开技术的实施方式的示例可以用来引入用于感测手指属性(包括指纹检测)的光学技术。光学技术可用于各种各样的装置和系统，包括具有显示器结构的装置和系统。光学指纹传感器可以被集成在显示器(例如触摸感测显示装置)的相同盖板下，或者被封装在分立装置中。

基于所公开技术的光学指纹传感器的性能不受封装盖厚度(封装盖的厚度可能妨碍电容性指纹传感器)的限制。就此而言，基于所公开技术的光学指纹传感器可通过使用合适的光学成像捕获配置而被实现为薄封装，合适的光学成像捕获配置包括无成像透镜或棱镜的配置(成像透镜或棱镜趋于使得光学成像模块笨重)。基于所公开技术的光学指纹传感器的实现方式可以提供颜色匹配设计特征，以允许光学指纹感测区域的颜色为某些期望的颜色，例如匹配周围结构的颜色。

在一些实现方式中，所公开技术的光学指纹传感器可以被封装在平台屏幕盖板玻璃下方，而不改变盖板厚度和颜色。光学指纹传感器可包括光学传感器阵列，例如光电二极管阵列或CMOS传感器阵列，并且由于压缩光路结构的贡献，可使光学传感器阵列的尺寸为紧凑尺寸。此外，该设计提供装饰传感器区域的灵活性，例如利用彩色光照明提供了该灵活性。

在一些实施方式中，除了指纹的光学感测之外，提供生物学指示的光学感测以指示指纹图案的输入是否来自活人。这种附加的光学感测特征可用于满足对于克服可能损害对指纹保护装置或系统的安全或授权访问的各种方式的需要。例如，指纹传感器可能被恶意个人攻击，恶意个人可以获得授权用户的指纹，并在类似于人手指的载体对象上复制盗取的指纹图案。可以在指纹传感器上使用这种未经授权的指纹图案来解锁目标装置或系统。因此，指纹图案虽然是唯一的生物学标识符，但是其本身可能不是完全可靠或安全的标识。本文所述的技术、装置和系统补充了所公开的基于光学感测的指纹认证技术，其通过使用光学感测技术来确定输入指纹是否来自活人而进一步提高了安全等级。

指纹传感器电路和活体手指检测

图1B是示出在移动装置(例如智能手机、平板电脑或便携计算装置1)中实现的示例性指纹传感器装置23的方框图，该移动装置具有触摸感测显示屏或触摸面板10，用于触摸感测用户输入以及显示装置1的图像以及功能两者。这是图1A中的一般光学指纹感测控制的系统的具体实施方式示例。触摸面板或感测显示屏10可以基于各种触摸感测显示设计来实现，其包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独像素产生光线、用于在屏幕上形成显示图像，该屏幕例如是有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏或其它显示屏(例如基于LCD的触摸感测显示屏)。触摸感测显示面板包括触摸感测和显示区域，其用于显示图像和内容以及用于接收来自用户的接触输入。

图1B中示出了指纹传感器装置标记21，以示例性说明指纹传感器装置23相对于移动装置1的示例性位置。指纹传感器装置23包括进行指纹扫描、活体指纹检测和感测区域装饰功能的感测单元或电路2。感测单元2可通信地耦接到处理电路5，处理电路5用于处理来自感测单元2的信号流，并处理与指纹扫描和活体指纹判断等相关的信号。

接口6桥接指纹传感器装置23与应用平台或主机装置7(在该示例中为智能手机1)之间的信号流。应用平台7的示例包括智能手机1、平板计算机、膝上型计算机、可穿戴装置和期望安全访问的其他电子装置。例如，接口6可以与智能电话1的中央处理器(或者直接地，或者通过其他部件、例如总线或接口)通信，以提供来自指纹传感器装置21的传感器数据，该传感器数据包括指纹图像数据和指示所检测的、进行接触输入的指纹是否属于活体指纹的信息。

在图1B所示的示例中，感测单元2包括指纹传感器3、活体指纹检测器4、以及光耦合和照明单元8。指纹传感器3捕获指纹图案，并且可以利用一种或多种光学技术来实现。活体指纹传感器4可包括用于分析指纹图像动力学的电路。活体手指传感器4可包括用于根据所扫描的指纹来感测附加生物学标记(例如心跳或心率)的电路(例如光学传感器)。

活体指纹传感器4被设计为检测指纹是否来自活人的手指，并且该活体手指检测或判断是基于活人的手指可表现出某些运动或物理特性的事实，这些特性通常与活人相关联，例如由于血液流过用户血管所致的脉冲信号。例如，血细胞在可见波长(例如较高的光学吸收)和近IR波长(例如与可见波长相比较低的光学吸收)处表现出不同的光学吸收光谱特征。血液的这种不同的光学吸收特征可以由活体指纹传感器4以光学方式捕获。血流的其它特征可以由血管中的压力变化反映。在一些实施方式中，活体指纹传感器4可包括压力传感器、光学传感器或者可以检测活体手指的移动、伸展或脉动的其他传感器。例如，光学传感器可包括：用于发射光线的光源(例如发光二极管(LED)或激光二极管(LD))；以及用于检测响应于发射光而从手指散射的散射光的光检测器(例如光电二极管)。当光传播通过手指组织或血细胞时，光线被部分地吸收并且部分地散射。活体手指运动或血流引起光吸收截面的变化。光电二极管检测这种变化，并且所检测的信号可被用于指示正在呈现给装置的指纹是否来自活人。

光耦合和照明单元8在指纹感测表面处产生探测光束，指纹感测表面产生反射的探测光束进入感测单元的光学传感器阵列(例如光电二极管阵列或CMOS传感器阵列)中。当探测光束与触摸感测表面的手指皮肤相遇时，产生指纹信号。指纹传感器3通过跨越指纹图案检测在感测表面处探测光束的反射差异来获取指纹信号，其中，与手指中手指皮肤不接触感测表面的指纹沟位置处的光学反射相比，手指中与感测表面接触的指纹脊皮肤的位置产生较低的光学反射。手指跨越所触摸的感测表面的上述反射差异的空间分布由所反射的光学探测光束(作为指纹传感器3中光学检测器的阵列检测到的光学图像)承载。

所公开的技术提供两种指纹传感器封装技术来实现指纹检测和活体手指检测。第一种封装技术是将指纹传感器封装在平台(例如智能手机)的屏幕盖板玻璃下方。第二种封装技术是将指纹传感器封装为单独的指纹感测按钮。

封装在屏幕盖板玻璃下方的指纹传感器

图2是示出封装在平台(例如智能手机、平板电脑或便携电子装置)的屏幕盖板玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图。图3进一步示出图2中的装置的示例性指纹感测光路。

在图2中，示例性光学指纹传感器23被封装在屏幕盖板玻璃(例如平台1(例如智能手机)的增强盖板玻璃50)下方。在图2左上侧的俯视图中用指纹传感器标记21示出光学指纹传感器23的位置。智能手机平台1包括触摸面板组件10、其他传感器12(例如相机)、以及位于侧面的实体按钮12和16。在盖板玻璃50下方可包括颜色材料层52、作为触摸面板组件10中显示屏一部分的显示层54(例如OLED层或LCD层)以及触摸面板组件10中显示屏的底层56。此外也可以放置触摸感测层来覆盖显示层54，以提供触摸感测功能。

在图2的光学指纹传感器设计中，封装设计不同于使用与显示屏分离的指纹传感器结构的一些其他指纹传感器设计，其他指纹传感器设计在移动装置的表面上、在显示屏与指纹传感器之间有物理分界(例如在一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖板开口中的按钮状结构)。在图1B所示的设计下，在用于光学指纹的区域21中形成的指纹传感器23位于顶部盖板玻璃或层50下方，使得盖板玻璃或层50的上表面充当装置的上表面，作为跨越触摸显示组件10的显示屏和光学检测器传感器模块23两者的连续且均匀的玻璃表面。在图1至图6所示的示例中，光学传感器模块位于透明衬底50(例如玻璃盖板)的一侧，透明衬底50是连续的，在光学传感器模块处或附近没有任何开口。这种设计不同于具有指纹传感器的各种智能手机，并提供独特的功能和好处。用于将光学指纹感测和触敏显示屏集成在公共且均匀的表面下方的这种设计提供的好处包括改进了装置集成、改善了装置封装、提高了装置的抗故障性和耐磨损性、以及增强了用户体验。在指纹的光学感测和其他感测操作的一些实施方式中，例如图12中的设计，可将光学传感器模块封装在分立的装置配置中，在该分立的装置配置中，光学传感器模块是具有与显示屏的结构边界或分界的不同结构，例如在基于所有光学感测或者兼有容性感测和光学感测的混合感测的一些移动电话设计中、在顶部玻璃盖板的开口中的按钮式指纹传感器结构。

设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23可包括设置在匹配的颜色材料层25和探测光源29上的光学耦合器31。匹配的耦合器31、匹配的颜色材料层25和探测光源29被设置在电路27上，例如具有期望电路元件的柔性印刷电路(FPC)上。在FPC 27上还设置有用于活性检测的光源33、用于活性检测的光电二极管34、用于装饰照明的光源35、以及光电二极管阵列37。

光耦合器31固定于盖板玻璃50和下面的间隔物材料39，如图3所示。探测光源29被固定在适当的位置，以使得探测光束或者一部分探测光束可以按照期望的角度投射到耦合器31中。耦合器31、间隔物材料39和盖板玻璃50中的每一个可以由多个层制成。光电二极管阵列37被固定在适当的位置，以接收反射的探测光束A'B'，用于捕获由反射的探测光束A'B'携带的指纹图案的光学图像。

探测光源29将探测光束AB投射到耦合器31中，耦合器31进一步将探测光束AB引导通过可选颜色材料层52的开口至位于盖板玻璃50顶部的指纹感测表面45上，以照明进行接触的手指。光束AB借助于放置在盖板玻璃50下面的间隔物材料39耦合到盖板玻璃50中。当没有东西被放置在盖板玻璃50的顶部感测表面45上时，探测光束功率的一部分或全部被反射到间隔物39中，并且该反射光进入耦合器31并形成反射的探测光束A'B'。反射的探测光束A'B'被匹配的光学传感器阵列37(例如光电二极管阵列)接收，光学传感器阵列37将反射的探测光束A'B'所携带的光学图像转换为检测器信号阵列，用于进一步处理。

当手指43触摸盖板玻璃50的感测表面45时，指纹脊73改变局部表面反射率，如图3中的右图所示。入射在指纹脊上的探测光的部分61被折射为光线65，光线65在手指43中散射，其余部分被反射为光线67，光线67被指纹脊反射。指纹沟与感测表面45分离，一般不会显著改变感测表面45的局部表面反射。在指纹沟上入射的入射光63被反射为光线69，光线69被感测表面45反射。反射的探测光束A'B'携带指纹信号。类似地，当除了手指皮肤之外的东西触摸盖板玻璃50的感测表面45时，反射的探测光束A'B'带有不同于活体指纹的触摸材料信息。

在图2和图3的示例中，耦合器31、间隔物39和盖板玻璃50的材料具有适当等级的光学透明度，以使得探测光束可以在其中传输并通过它们。耦合器31的折射率为nc，间隔物材料39的折射率为ns，盖板玻璃50的折射率为nd，触摸材料的折射率为nf。探测光束的传播方向由这些材料的折射率决定。

期望的探测光束角可通过光源29的适当设计和耦合器31的端面倾斜角来实现。探测光束的发散角由光源29的结构和耦合器31端面的形状来控制。

为了在没有光学透镜的情况下获得清晰的指纹图像，通常光源29的发射区域应当小到为点光源，或者应当使探测光束准直。可将小LED光源安装为远离耦合器31，从而在图3所示的光学系统中实现这一点。

通过匹配光学指纹传感器中材料的适当折射率(nc、ns、nd、nf)并将探测光束入射角初始化，可将探测光束设计为在感测表面45处被全部反射或部分反射。例如，可将这种光学传感器设计为当触摸材料是水(在589nm处折射率约1.33)时，探测光束被全部反射，当触摸材料是手指皮肤(在589nm处折射率约1.44)时，探测光束被部分反射。

在耦合器31的入射端可将探测光束AB的尺寸定义为H。在感测表面45处探测光束的尺寸可以是W。通过匹配所有材料的折射率以及耦合器31和间隔物39的形状31，可将W设置为大于H。即，接收的探测光束A'B'可以小于在感测表面45处的探测光束。压缩比通常由折射率nc和nd决定。这是在不使用成像透镜的情况下用小检测器阵列将大区域成像的有效方法。另外，通过调整探测光束发散角和光电二极管阵列倾斜角，可以在所有尺寸上进一步调整压缩比。来自耦合器-间隔物界面的反射以及来自间隔物-盖板界面的反射构成光学噪声，并且可以在光学传感器阵列37中的光学检测器的输出的处理中去除。

在一些实施方式中，可以调制探测光源29。匹配的光电二极管阵列应当被设计为高效率并且在所有光学照明环境中工作。

指纹感测-空气或真空耦合器

图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器23a的示意图。图4的光学指纹传感器23a在某些方面类似于图2和图3所示的光学指纹传感器23。在光学指纹传感器23a中，实现由空气或真空制成的耦合器32而不是图2和图3的耦合器31。此外可以实现光路窗口，以将探测光引导到手指43。

探测光源29和匹配的棱镜101合作，将探测光束AB耦合到感测表面45。间隔物材料39可包括防反射涂层。棱镜103有助于将反射的探测光束A'B'引导到光电二极管阵列37中。匹配的颜色层25被涂在衬底105上。

在光学指纹传感器23a中，接收探测光的盖板玻璃50的光学配置被配置为使得在盖板玻璃50中不发生全内反射。由于盖板玻璃50相对于指纹脊位置和指纹沟位置的光学接口条件的差异，当手指43触摸感测表面45时，在指纹脊位置的反射率与在指纹沟位置的反射率不同。这个差异代表由反射的探测光束A'B'携带的指纹信号。

因为空气或真空耦合器成本较低并且可以是任何尺寸，所以该设计可用来开发用于任意尺寸显示器的光学触摸面板。

指纹感测-样本设计

图5示出用于指纹感测的示例性光学指纹传感器23b。光学指纹传感器23b基本上类似于图2和图3的光学指纹传感器23。在图5所示的示例性光学指纹传感器23b中，耦合器31在左侧的一个表面111具有用于成像的弯曲(球面或非球面)镜面形状。探测光源30被放置在曲面镜表面111的焦点。在探测光源30上可以使用针孔，以在空间上限制探测光，从而使得改变的光源30a仅投射一部分光束到曲面镜表面111，并减少或消除散射光的影响。在制造弯曲表面111时，将耦合器31设置为以适当的距离D离开中心。因此，曲面镜表面111适当地倾斜，以使得准直光束以期望的角度入射到间隔物材料39和盖板玻璃50中。例如，使发散光束ASB准直并将其投射到感测表面45。通过光电二极管阵列37检测到反射的探测光束A'B'。相应地，中心光SC被反射回光电二极管37中心C'。

在图5所示的示例中，光束主要在耦合器31中传播。可将该结构制造得紧凑而坚固。在图5所示的示例中，耦合器31的材料可以是单一材料，也可以是多种材料的复合物。

可将所公开技术的光学指纹传感器实现为提供以下特征中的一个或多个。光学指纹传感器包括光源、耦合器、间隔物、光电二极管阵列和盖板玻璃。间隔物可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至气隙或真空制成。耦合器可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至空气或真空制成。盖板玻璃可以是显示器盖板玻璃的一部分，或者也可以是单独的盖板玻璃。每个上述的耦合器、间隔物和盖板玻璃都可以是多层的。

所公开的技术通过匹配材料形状和折射率来提供控制信号对比度的灵活性。通过匹配探测光束入射角、发散角以及所涉及的耦合器、间隔物和盖板玻璃的材料，对于不同的触摸材料，可将探测光束控制为在感测表面处被全部反射或部分反射。

所公开的光学指纹传感器还提供无水效果。典型的智能电话盖板玻璃的折射率约为1.50。一种设计是使用低折射率材料(MgF2、CaF2、聚合物等等)来形成耦合器31。例如，所公开的技术可用于将盖板玻璃50的感测表面45处的局部探测光束入射角控制为大约68.5°。当水触摸光学指纹传感器的感测表面45时，全反射角为约62.46°，当指纹脊触摸感测表面45时，全反射角为约73.74°。当没有东西触摸感测表面45时，全反射角为约41.81°。在这种设计中，在浸水区域处，探测光被全部反射到光电二极管阵列37；在指纹脊触摸位置，不到5％的探测光被反射到光电二极管阵列；在干的指纹沟位置，探测光束也被全部反射到光电二极管阵列。在该设计下，从指的脊部到沟部的光学反射发生变化，并且由指纹脊部引起的反射产生更强的光信号，该光学信号被检测为在光电二极管阵列37处产生指纹图案的高对比度光学图像。

人的汗水的折射率低于手指皮肤的折射率。因此，基于上述设计中光学反射的差异，所公开的技术提供了区分指纹中的汗孔的方案。当使用气隙形成耦合器时，在感测表面不会发生全反射。不同触摸材料(指纹脊、指纹沟和其它污染物)之间的反射率差异可用于检测指纹图像。

由于上述光学设计中的光路压缩效应，在位于盖板玻璃50上的感测表面45处的感测区域尺寸可以大于光电二极管阵列37的光电二极管阵列尺寸。

在实施方式中，光源29可以是以适当距离安装的点光源。在一些实施方式中，可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜使探测光束准直，或者仅将光源放置为远离。探测光束可以具有适当的发散角。探测光束也可以是发散的或会聚的。

由于光路压缩效应，耦合器31可以很薄。例如，可以使用小于1mm厚度的CaF2耦合器来实现甚至10mm的感测区域尺寸。在本示例中，图像压缩比为1:10。这有助于降低传感器厚度和传感器成本。光电二极管阵列37被安装在耦合器的一端而不是耦合器的下方。这种设计使得可以灵活地应用彩色涂料、照明灯等等来补偿颜色或装饰传感器区域。

可以对探测光源进行调制以帮助减少背景光的影响。光电二极管阵列被设计为在任何照明环境中都能良好地工作。在上述光学设计下，盖板玻璃厚度不对光学指纹感测构成限制。该原理可用于构建光学触摸面板。

活体指纹检测

图6是示出示例性活体指纹检测的图。活体指纹检测可以通过设计的光学系统来实现，例如在图2的示例中的光源33和光学检测器34，它们与用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37分离。这在图6中示出。或者，可通过相同的用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37来进行活体指纹检测，而不使用图2所示的单独光学检测。按照与下面图6中的特定示例所描述类似的方式，由指纹传感器(例如图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a、或图5中的光学指纹传感器23b其中一个)来执行图6中的活体指纹检测。

在图6中，光源33和接收光电检测器(PD)阵列34被匹配耦合器31隔离，使得发射光束不能直接到达用于感测指纹是否来自活体手指的光电检测器(PD)34。光束传播通过光路窗口41并传输到触摸材料(例如手指43)中。对于活人的活体指纹，血流81随着心跳、对传感器的按压力、呼吸等等而变化。当光束83进入被监测的材料时，材料中的组织将光线85的一部分散射到接收PD阵列34中。通过分析所接收的信号，可以获得一系列信号。

指纹传感器光电二极管阵列37也可以用于检测来自触摸材料的散射光。指纹感测光源29也可以用于活体指纹检测。指纹的微运动可用于指示指纹是否来自活体手指。使用指纹图像序列来恢复随时间变化的信号振幅和亮点分布。假的、非活体的手指表现出与活体手指不同的动态。

图7示出在血液中监测的材料的示例性光学消光系数，其中光学吸收率在可见光谱范围(例如660nm的红光)和红外范围(例如940nm的IR光)之间是不同的。通过使用探测光以可见波长和IR波长照射手指，可以捕获光学吸收中的差异，以确定触摸物体是否为来自活人的手指。图8示出组织的不同部分中的血流。当人的心脏跳动时，脉冲压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中正在被监测的材料的消光比随脉冲变化。接收到的信号带有脉冲信号。血液的这些性质可用于检测所监测的材料是活体指纹还是假指纹。

图9示出非活体材料(例如假手指)与活体手指之间的比较。参照图6，光学指纹传感器也可以操作为心跳传感器来监测活体组织。使用一个或多个光波长。当使用两个以上波长的光线时，消光比差异可用于快速确定所监测的材料是否为活体组织，例如活体指纹。在图9所示的示例中，使用两个光源以不同的波长(如图7所示，一个是可见波长，另一个是IR波长)来发射探测光。

当非活体材料触摸光学指纹传感器时，接收到的信号显示与非活体材料的表面图案相关的强度水平，并且接收的信号不包含与活人的手指相关联的信号分量。但是，当活人的手指触摸光学指纹传感器时，接收到的信号显示与活人相关联的信号特性，包括明显不同的强度水平，这是因为对于不同的波长而言消光比不同。该方法不需要很长时间来了解触摸材料是否为活人的一部分。在图9中，脉冲形信号反映多次触摸而不是血液脉冲。通过非活体材料的类似多次触摸不显示由活体手指引起的差异。

在可以通过所设计的光学系统(例如图2的示例中的光源33和光学检测器34，它们独立于用于指纹感测的光源29和光学检测器34)实现活体指纹检测的实施方式中，将指定的光源33操作为例如在不同的时间以所选择的可见波长和IR波长发射探测光，并且基于图7和图9所示的上述操作，通过指定的光学检测器34捕获以两个不同波长反射的探测光，以确定触摸物体是否为活体手指。

或者，在实施方式中可通过用于指纹感测的相同光源29和光检测器阵列37来进行活体指纹检测，而不使用单独的光学感测。在这种将光源29和光检测器阵列37用于指纹感测和活体指纹检测两者的设计下，将光源29操作为在不同时间以选择的可见波长和IR波长发射探测光，并且基于图7和图9所示的上述操作，通过指定的光学检测器34捕获以两个不同波长反射的探测光，以确定触摸物体是否为活体手指。注意，虽然在不同时间以选择的可见波长和IR波长反射的探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是在不同时间总是通过处于选择的可见波长的探测光以及处于IR波长的探测光两者来捕获指纹图像。因此，可以以可见波长和IR波长两者进行指纹感测。

安全等级建立

图10示出用于基于所公开的用于指纹感测的光学感测技术、建立用于认证活体手指的不同安全等级的示例性处理1000的处理流程图。可以基于所请求的动作的类型来建立不同的安全等级标准。例如，需要常规操作请求以通过安全等级1检查。对低于阈值的数额的金融交易的请求(例如在100美元以下的支付)需要通过安全等级2。超过该阈值的数额的金融交易可能需要更高的安全等级许可(clearance)。在不同的安全等级评估之后触发不同的安全等级动作。可通过组合不同的活体手指签名来建立对应于不同安全性等级的安全等级。例如，单个光源信号可以用于建立安全性等级1门，两个光源信号可以组合建立安全性等级2门，等等。

方法1000可以在请求动作时开始(1002)。分析所请求的动作以确定适当的安全等级(1004)。当确定需要安全等级1(最低安全等级)(1006)时，需要通过安全性触发等级1(1014)。当指纹分析通过安全性触发等级1时，进行所请求的动作(1024)。但是，当指纹分析不能通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的动作(1022)。

类似地，当确定需要安全等级2(1008)时，需要通过安全性触发等级1(1016)。当指纹分析通过安全性触发等级1时，进行所请求的动作(1024)。当指纹分析不能通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的动作(1022)。

当确定需要安全等级3时(1010)，需要通过安全性触发等级1(1018)。如果指纹分析通过安全性触发等级1，则进行所请求的动作(1024)。但是如果指纹分析不能通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的动作(1022)。

当确定需要安全等级N(1012)时，需要通过安全性触发等级1(1020)。如果指纹分析通过安全性触发等级1，则进行所请求的动作(1024)。但是如果指纹分析不能通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的动作(1022)。

可将所公开技术的光学指纹传感器实现为进行包括以下的活体手指检测。光学指纹传感器可以检测触摸材料是否为活体手指，并且可以提高传感器的安全性。可将指定光源和检测器用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料。当使用单一波长时，心跳检测提供可靠的标准来检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。当使用两个或更多个波长时，比较波长的消光比以检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。指纹传感器光源和光电二极管阵列可用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。动态指纹图像可用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料，包括活体手指的指纹。对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。

传感器区域装饰

图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图。当光学指纹传感器(例如光学指纹传感器23)被安装在盖板玻璃50下方时，应当针对光路打开光学窗口。具体而言，去除盖板玻璃的一部分彩色涂层。因为指纹传感器检测器布置在耦合器31的一端，所以耦合器31的底部可以涂有颜色层25。可以选择所涂的颜色层25来匹配平台表面颜色。例如，在耦合器下使用相同的颜色或图案，使得传感器变为不可见。在一些实施方式中，匹配的耦合器31还可以涂有期望的或不同的颜色或图案，以实现某些或不同的装饰效果或风格。匹配的耦合器31也可以涂有某些图案或标志，例如归位按钮(homing button)标志。

该设计为进一步装饰传感器区域提供了有吸引力的选择。例如，可以使用不同颜色的光波照亮传感器区域。，这可以用于当智能手机响铃时、在黑暗环境中指示指纹感测区域位于何处。

可将光学指纹传感器实施为实现各种装饰元素，包括以下：耦合器的下表面可以涂有相同的颜色或图案层，以与平台表面颜色匹配；耦合器的下表面可以涂有不同的颜色或图案层，以显示新的外观样式；彩色光源可以被安装在耦合器周围，以装饰传感器区域。

作为单独按钮封装的指纹传感器

作为替代实施方式，可将放置在连续的盖板玻璃50下方的图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b封装为与盖板玻璃50的其他部分有实体分界的单独实体指纹传感器按钮。

图12是示出作为单独按钮封装的示例性光学指纹传感器的示意图。图13是示出使用作为单独按钮封装的光学指纹传感器的示例性指纹和活体手指检测的示意图。可将图12、图13的光学指纹传感器实施为图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b，但是将该指纹传感器作为单独按钮封装。因此，指纹感测和活体手指检测也与上述相同。匹配耦合器31用于设置光电二极管阵列37的位置并对于可见区域提供封装灵活性。关于图12、图13中的光学指纹传感器的不同组件的所有以上描述实际上与图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b相同，包括光源。但是，为了将光学指纹传感器实施为单独的按钮，与连续的盖板玻璃50下方的图3至图5中的设计相比，对于用于盖板玻璃51的材料而言可能需要更高等级的刚度或强度。

间隔物材料39和盖板玻璃51将位置偏移D添加到探测光束AB。当盖板玻璃51和间隔物材料19的厚度减小到零时，具体而言去除盖板玻璃和间隔物时，消除探测光束偏移D。例如，可以用小于1mm厚度的CaF2实现10mm的感测尺寸。此外，光电二极管阵列37应当与光路匹配，以实现适当的分辨率并保证所有照明环境中的性能。

作为单独按钮封装的光学指纹传感器可以进行与图2至图11的光学指纹传感器相同的指纹检测和活体手指检测。另外，作为单独按钮的光学指纹传感器封装可以被实施为执行以下特征：

根据应用，盖板玻璃和相关间隔物材料的特征在于在厚度上具有灵活性。特别地，其为不使用盖板玻璃和间隔物材料的实际封装。另一种实用设计是使用薄层盖板玻璃来保护耦合器。盖板玻璃可以具有高硬度。使用彩色玻璃或其它光学材料来构建盖板也是实用的。封装方法为构建紧凑按钮提供了方案，其可以以更高的安全性检测指纹。可以集成其它机械部件，以增强模块的刚度或强度。

可将作为单独按钮封装的光学指纹传感器实施为集成指纹检测与活体手指检测和传感器装饰的功能。

虽然本专利文献包含很多细节，但是这些不应解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是解释为可能是特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。在本专利文献中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合实现。此外，虽然可以在上面将特征描述为在某些组合中起作用并且甚至最初这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或以顺序次序进行，或者进行所有示出的操作以实现期望的结果。此外，在本专利文献中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分离。

仅描述了几个实施方式和示例，并且可以基于本专利文献中描述和示出的内容来给出其他实施方式、增强和变化。

Claims (54)

1.一种指纹传感器装置，包括：

触摸传感器模块，包括：

感测电路，用于响应于检测到与指纹相关联的接触输入而生成传感器信号，所述感测电路包括：

光学指纹传感器，包括光电二极管阵列，用于检测所述接触输入并生成指示所述指纹的图像的第一信号，以及生成指示与所述指纹不同的生物学标记的第二信号，

其中所生成的所述传感器信号包括指示所述指纹的图像的所述第一信号和指示与所述指纹不同的所述生物学标记的所述第二信号，

其中所述光学指纹传感器包括耦合器和间隔物，所述耦合器设置于所述间隔物的下方，所述间隔物设置于盖板玻璃的下方，所述耦合器、所述间隔物和所述盖板玻璃的形状和折射率被匹配为控制光源发出的探测光束在所述盖板玻璃的顶部的感测表面被全部反射或部分反射，并且被匹配为控制所述探测光束在所述耦合器的入射端处的尺寸H小于所述探测光束在所述感测表面处的尺寸W，使得所述光电二极管阵列的尺寸小于所述感测表面的尺寸，以在不依赖成像透镜的情况下通过小检测器阵列实现大区域成像；以及

处理电路，通信地耦接到所述感测电路以对所生成的所述传感器信号进行处理，从而确定与所述指纹相关联的所述接触输入是否来自活人的手指。

2.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器还包括所述光源和所述盖板玻璃。

3.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述间隔物包括玻璃材料、粘合材料、气隙或真空间隙。

4.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器包括玻璃材料、粘合材料、气隙或真空间隙。

5.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述盖板玻璃是与覆盖主机装置的显示器的其他盖板玻璃分离的单独盖板玻璃。

6.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器、所述间隔物或所述盖板玻璃包括单个层或多个层。

7.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器、所述间隔物和所述盖板玻璃在形状或折射率至少其中一个方面匹配。

8.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为匹配所述光源发射的探测光束的探测光束入射角、发散角以及所述耦合器、所述间隔物和所述盖板玻璃的材料，以将所述探测光束控制为针对不同的触摸材料、在感测表面处被全部反射或部分反射。

9.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为过滤掉由所述盖板玻璃上的水引起的反射光。

10.根据权利要求9所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器包括低折射率材料。

11.根据权利要求10所述的指纹传感器装置，其中所述低折射率材料包括MgF₂、CaF₂、环氧树脂或聚合物。

12.根据权利要求9所述的指纹传感器装置，其中所述光源被配置为将发射的所述探测光束在感测表面处的入射角控制为适当的角度。

13.根据权利要求9所述的指纹传感器装置，其中所述光源被配置为使得发射的所述探测光束被有水存在的所述感测表面全部反射到所述光电二极管阵列；在所述感测表面的指纹脊触摸位置，只有一小部分所述探测光束被反射到所述光电二极管阵列；而在干的指纹沟位置，所述探测光束被全部反射到所述光电二极管阵列，使得所述指纹脊产生被良好检测的信号。

14.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为基于汗的折射率低于手指的皮肤的折射率来区分所述指纹中的汗孔。

15.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器包括被配置为防止在所述感测表面的全反射的气隙。

16.根据权利要求15所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为基于包括指纹脊、指纹沟以及其它污染物的不同触摸材料之间的反射率差异来检测指纹图像。

17.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光源包括以预定距离安装的点光源。

18.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，包括球面透镜或反光镜、柱面透镜或反光镜、或非球面透镜或反光镜至少其中之一，用于使所述光源发射的探测光束准直。

19.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光源发射的探测光束具有预定的发散角。

20.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光源发射的探测光束是发散或会聚的。

21.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器的厚度小于1mm。

22.根据权利要求21所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器包括CaF₂、MgF₂或其它低折射率材料耦合器，以实现大感测区域尺寸和高图像压缩比。

23.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光电二极管阵列被安装在所述耦合器的一端而不是所述耦合器的下方。

24.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，包括位于在传感器区域上的彩色涂料或照明灯。

25.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光源被调制为减少背景光的影响。

26.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为无关于所述盖板玻璃的厚度而检测指纹。

27.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述指纹传感器装置是光学触摸面板。

28.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为检测与所述指纹传感器装置的传感器表面进行接触的物体是否为活体手指。

29.根据权利要求28所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器的所述光源被配置为使用单一波长来进行心跳检测。

30.根据权利要求28所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器的所述光源被配置为使用两个或更多个波长，以比较所述两个或更多个波长的消光比。

31.根据权利要求28所述的指纹传感器装置，其中所述光源和所述光电二极管阵列被配置为检测与所述指纹传感器装置的传感器表面进行接触的物体是否为活体手指。

32.根据权利要求28所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器被配置为获得动态指纹图像，以检测与所述指纹传感器装置的传感器表面进行接触的物体是否为活体手指。

33.根据权利要求28所述的指纹传感器装置，其中所述指纹传感器装置被配置为对于不同的安全需求任务建立多个安全等级。

34.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器的下表面涂有相同的颜色或图案层，以与平台表面颜色匹配。

35.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述耦合器的下表面涂有不同的颜色或图案层。

36.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器包括安装在所述耦合器周围的彩色光源，以装饰传感器区域。

37.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述指纹传感器装置被封装为单独按钮，用于安装到主机装置中。

38.根据权利要求1所述的指纹传感器装置，其中所述盖板玻璃的厚度和所述间隔物的厚度能够被改变。

39.根据权利要求38所述的指纹传感器装置，其中所述盖板玻璃和所述间隔物是可选结构。

40.根据权利要求37所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器包括光源、匹配耦合器和光电二极管阵列，而不包括盖板玻璃和间隔物。

41.根据权利要求37所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器包括光源、匹配耦合器、光电二极管阵列以及用于保护所述耦合器的薄盖板玻璃。

42.根据权利要求37所述的指纹传感器装置，其中所述光学指纹传感器包括光源、匹配耦合器、光二极管阵列和有色盖板玻璃。

43.根据权利要求37所述的指纹传感器装置，其中所述单独按钮是紧凑按钮，用于提高指纹检测的安全性。

44.一种具有光学指纹感测模块的电子装置，包括：

触摸接收表面，包括用于接收接触输入的触摸区域；以及

光学传感器模块，用于检测所接收的、与所述触摸接收表面上的指纹相关联的接触输入的存在，以产生第一信号和第二信号，所述第一信号指示所述指纹的空间图案的图像，所述第二信号指示与所述指纹的所述空间图案不同并表现活人特性的生物学标记，所述光学传感器模块包括光电二极管阵列、光源和光学传感器阵列，所述光源用于产生投射到所述触摸接收表面上的探测光，所述光学传感器阵列被定位为从所述触摸接收表面接收带有所接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号，

其中所述光学传感器模块包括耦合器和间隔物，所述耦合器设置于所述间隔物的下方，所述间隔物设置于盖板玻璃的下方，所述耦合器、所述间隔物和所述盖板玻璃的形状和折射率被匹配为控制光源发出的探测光束在所述触摸接收表面被全部反射或部分反射，并且被匹配为控制所述探测光束在所述耦合器的入射端处的尺寸H小于所述探测光束在所述触摸接收表面处的尺寸W，使得所述光电二极管阵列的尺寸小于所述触摸接收表面的尺寸，以在不依赖成像透镜的情况下通过小检测器阵列实现大区域成像。

45.根据权利要求44所述的装置，还包括：

处理电路，可通信地耦接为接收所述光学传感器信号来处理所述第一信号，以确定所检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，以及处理所述第二信号，以确定所述生物学标记是否指示与所述指纹相关联的所述接触输入来自活人的手指。

46.根据权利要求44所述的装置，包括：

透明衬底，包括作为触摸接收表面。

47.根据权利要求46所述的装置，其中：

所述透明衬底包括玻璃。

48.根据权利要求46所述的装置，其中：

所述光学传感器模块位于所述透明衬底下面，所述透明衬底是连续的，在所述光学传感器模块处或附近没有任何开口。

49.根据权利要求44所述的装置，其中：

所述装置是智能手机。

50.根据权利要求44所述的装置，其中：

所述装置是平板电脑。

51.根据权利要求44所述的装置，其中：

所述装置是便携装置。

52.一种具有光学指纹感测模块的电子装置，包括：

触摸感测显示面板，所述触摸感测显示面板包括触摸感测区域和显示区域，用于显示图像和内容以及用于接收用户接触输入；

顶部透明盖板，形成在所述触摸感测显示面板的顶部并且可操作为顶部触摸感测表面，所述顶部触摸感测表面用于将用户的接触输入提供给所述触摸感测显示面板，并传输光线，用于用户观看通过所述触摸感测显示面板显示的图像；以及

光学传感器模块，放置在所述顶部透明盖板下面并且从所述触摸感测显示面板移位，所述光学传感器模块包括光电二极管阵列，且被配置为检测所接收的与所述顶部触摸感测表面上的指纹相关联的接触输入的存在，以产生第一信号和第二信号，所述第一信号指示所述指纹的空间图案的图像，所述第二信号指示与所述指纹的所述空间图案不同并表现活人特性的生物学标记，所述光学传感器模块包括探测光源和光学传感器阵列，所述探测光源用于产生投射到所述顶部触摸感测表面上的探测光，所述光学传感器阵列被定位为从所述顶部触摸感测表面接收带有所接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号，

其中所述探测光源产生具有两种不同波长的探测光，血液对于所述两种不同的波长有不同光学吸收，

其中通过感测在所述两种不同波长的每个波长的反射的探测光，由所述光学传感器阵列捕获指示所述指纹的空间图案的图像的所述第一信号，且通过所述两种不同波长的所述反射的探测光中的差异而带有指示所述生物学标记的所述第二信号，

其中所述光学传感器模块包括耦合器和间隔物，所述耦合器设置于所述间隔物的下方，所述间隔物设置于所述顶部透明盖板的下方，所述耦合器、所述间隔物和所述顶部透明盖板的形状和折射率被匹配为控制所述探测光在所述感测表面被全部反射或部分反射，并且被匹配为控制所述探测光源发出的探测光束在所述耦合器的入射端处的尺寸H小于所述探测光束在所述顶部触摸感测表面处的尺寸W，使得所述光电二极管阵列的尺寸小于所述顶部触摸感测表面的尺寸，以在不依赖成像透镜的情况下通过小检测器阵列实现大区域成像。

53.根据权利要求52所述的装置，进一步包括：

处理电路，可通信地耦接为接收所述光学传感器信号来处理所述第一信号，以确定所检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，以及处理所述第二信号，以确定所述生物学标记是否指示与所述指纹相关联的所述接触输入来自活人的手指。

54.根据权利要求52所述的装置，其中所述耦合器包括与所述顶部透明盖板的下表面接口的第一光学透明耦合器层，以及在所述第一光学透明耦合器层下面并与其接触的第二光学透明耦合器层，其中所述第二光学透明耦合器层被定位为接收来自所述探测光源的探测光，并将所接收的探测光通过所述第一光学透明耦合器层引导到所述顶部透明盖板，以照亮用户手指。

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