CN109478083A - 具有力感测能力的光学指纹传感器 - Google Patents
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Abstract
提供了一种设备，包括显示面板和光学传感器模块。光学指纹传感器可以检测接触输入，生成表示指纹的图像的信号，并且生成表示与该指纹不同的生物学标记的信号。生成的传感器信号包括表示指纹图像的信号和表示与该指纹不同的生物学标记的信号。光学传感器模块可以在不同的时间采集不同的指纹图案，以监测指纹脊图案变形的时域演变，指纹脊图案变形的时域演变表示来自接触输入的按压力的时域演变。感测电路可以处理生成的传感器信号，以确定与指纹关联的接触输入是否属于活人的手指。
Description
相关申请的交叉引用
本专利申请要求(1)2016年7月18日提交的申请号为62/363,823、发明名称为“光学指纹传感器及封装”的美国临时专利申请的优先权和权益；(2)2016年10月24日提交的国际专利申请号为PCT/US2016/058552、发明名称为“光学指纹传感器及封装”的优先权和权益，其中，(2)中的专利又要求于2015年10月23日提交的申请号为62/245,942的美国临时专利申请的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用并入本申请的公开内容的一部分。
技术领域
本专利文件一般涉及用于安全访问电子设备或信息系统的指纹识别及其应用。
背景技术
指纹可以用于对访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户进行认证，其既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，包括便携式或移动计算设备的电子设备，例如，笔记本电脑、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，为了保护组织或企业的信息或者设备或系统的使用，应当确保用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统仅允许授权人员访问。存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息性质上可以是个人信息，例如，个人的联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或者其他个人信息，或者组织或企业专用的机密信息，例如，企业财务信息、员工数据、商业机密和其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性被损害，数据会被其他人访问，从而导致个人隐私的泄露或有价值的机密信息的丢失。除了信息安全之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还可以使得计算机或计算机处理器控制的设备或系统，例如，计算机控制的汽车和其他系统，如ATM的使用得到保护。
可通过不同方式，例如，使用用户密码来实现对设备，如移动设备，或系统，如电子数据库和计算机控制的系统的安全访问。然而，密码可能被轻易扩散或获取，密码的这种性质会降低安全等级。此外，用户需要记住密码才能使用电子设备或系统，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，或以其他方式重新获得对设备的访问的权限，而这样的过程对于用户而言较为繁琐，并且，具有各种实用性的限制和不便。可以利用个人指纹识别来实现用户认证，增强数据安全性，同时减轻与密码相关联的某些不期望的影响，。
包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以采用用户认证机制来保护个人或其他机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实现电子设备或系统上的用户认证，其可以单独使用或者附加于常规密码认证方法使用。生物标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子设备或信息系统中以读取用户的指纹图案，使得设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案进行解锁。
发明内容
本专利文件中描述的实现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以用于各种设备、系统或应用，包括移动应用和各种可穿戴或便携式设备(例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备)，较大的电子设备或系统。
在一个方面，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：显示面板，用于显示图像和内容并接收用户接触输入；光学传感器模块，设置于显示面板下方，用于检测接收的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记，光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列被定位于接收携带接收的接触输入的信息的反射探测光，并产生光学传感器信号。光学传感器模块在不同的时间采集不同的指纹图案，以监测指纹脊图案的时域演变。
在另一个方面，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：显示面板，用于显示图像和内容并接收用户接触输入；光学传感器模块，设置于显示面板下方，用于检测接收的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括光学传感器阵列和光学准直器阵列，光学传感器阵列被定位用于接收携带接收的接触输入的信息的反射的探测光，并产生光学传感器信号，光学准直器阵列位于显示面板与光学传感器阵列之间，以空间地过滤返回的探测光，以用于光学传感器阵列的光学检测。在一些实现方式中，光学传感器模块还包括光学层，该光学层在光学准直器和显示面板之间，以选择从显示面板返回的有角度的探测光以进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
在另一个方面，提供了一种具有光学指纹感测功能的电子设备，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，检测接收的、与触摸接收表面上的指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征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触摸接收表面接收携带接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号。该设备可以进一步包括处理电路，该处理电路被通信地耦合以接收光学传感器信号，以处理第一信号，以确定检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，并且处理第二信号，以确定生物学标记是否表示与指纹关联的接触输入来自活人的手指。
在另一方面，所公开技术的光学指纹传感器可以被实施以提供以下特征中的一个或多个。该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、或者甚至气隙或真空制成。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。上述的耦合器、间隔物和盖板玻璃中的每一个都可以是多层的。
所公开的技术通过匹配材料形状和折射率，为控制信号对比度提供了灵活性。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了无水效果。典型的智能手机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)来形成耦合器。所公开的技术可用于将感测表面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°。在本设计中，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才会生成被检测到的信号。
汗的折射率低于手指皮肤的折射率。所公开的技术提供了一种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、指纹谷和其他污染物)之间的反射率的差异可以用于检测指纹图像。
由于光路压缩效应，感测区域的尺寸可大于光电二极管阵列的尺寸。
光源可以是安装在适当距离处的点光源。
探测光束可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜进行准直。
探测光束可以具有适当的发散角。探测光束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，可以使用厚度小于1mm的CaF2耦合器来实现甚至10mm的感测区域大小。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非耦合器的下方。这种设计可以灵活应用彩色涂料、照明灯等，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。
盖板玻璃厚度对指纹感测不构成限制。
该原理可以用于构建光学触摸面板。
在另一个方面，所公开技术的光学指纹传感器可以被实施以执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，可以提高传感器的安全性。
特定光源和检测器可以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。
当使用单波长时，心跳检测提供了可靠的标准，来检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
当使用两个或两个以上波长时，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包括活体手指的指纹的非活体材料。
指纹传感器光源和光电二极管阵列可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
动态指纹图像可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。动态指纹图像还可以用于检测活体手指触摸感测区域时的按压力。
对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。
在另一个方面，光学指纹传感器可以被实施，以实现各种装饰元素，包括以下：
耦合器的下表面可以涂有相同的颜色或图案的层，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的层，以显示新的外观样式。
彩色光源可以安装在耦合器的周围，以装饰传感器区域。
在另一个方面，作为单独按钮封装的光学指纹传感器可以执行如上所述的相同的指纹检测和活体手指检测。另外，作为单独按钮封装的光学指纹传感器可以被实施以执行以下特征：
根据应用，盖板玻璃和相关间隔物材料在厚度上具有灵活性。
特别地，不使用盖板玻璃和间隔物材料是一种实用封装。
另一种实用设计是使用薄层盖板玻璃来保护耦合器。该盖板玻璃可以具有高硬度。
使用彩色玻璃或其他光学材料来构建盖板也是实用的。
封装方法提供了一种构建紧凑按钮的方案，该紧凑按钮可以更高的安全性检测指纹。
可以集成其他机械部件，以使得模块坚固。
在另一个方面，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，该电子设备包括：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，形成于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，该顶部触摸感测表面用于用户向触摸感测显示面板提供用户接触输入，并传输光线，用于用户观看触摸感测显示面板显示的图像；以及光学传感器模块，设置于顶部透明盖板下方并且从触摸感测显示面板移位。光学传感器模块用于检测接收的与顶部触摸感测表面上的指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征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，该探测光源用于产生投射到顶部触摸感测表面上的探测光，该光学传感器阵列被定位于接收从触摸接收表面反射的、携带接收的接触输入的信息的探测光，并产生光学传感器信号。探测光源产生两种不同波长的探测光，血液对于所述两种不同的波长具有不同的光学吸收。通过感测两个不同波长中每个波长的反射的探测光，光学传感器阵列采集表示指纹的空间图案的图像的第一信号，且两个不同波长的反射的探测光中的差异携带表示生物学标记的第二信号。
附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了上述和其他方面及特征。
附图说明
图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。
图1B是示出基于图1A的设计，在移动设备，如智能手机中实施的示例性指纹传感器设备的框图。
图2是示出封装在平台，如智能手机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框图。
图6是示出示例性活体指纹检测的示意图。
图7示出了被监测的材料的示例性延长系数。
图8示出了组织中不同部分的血流。
图9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。
图10示出了用于为认证活体手指建立不同安全等级的示例性过程1000的流程图。
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。
图14示出了具有基于LCD的触摸感测显示系统的智能手机，该智能手机在显示系统下实现了具有光电检测器阵列的光学感测模块。
图15进一步示出了图14的示例中的LCD屏下光学传感器模块的操作。
图16、17、18和19示出了在OLED屏下集成光学传感器模块以提供光学感测功能的示例。
图20示出了图18、19中设计的示例性实现方式。
图21示出了通过在CMOS结构中的两个不同金属层中使用对齐的孔而成为CMOS结构的一部分的准直器设计的示例。
图22示出了具有光学偏转或衍射设备或层的OLED/LCD显示面板下光学指纹传感器的示例。
图23示出了同一手指在不同按压力下的两种不同指纹图案，以说明光学传感器模块在不同时间采集不同指纹图案，以监测指纹脊图案的时域演变的操作。
具体实施方式
本专利文件所述的指纹感测包括指纹图案的光学感测。
图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。该系统使用具有光学检测器的阵列的光学指纹传感器来采集接收的光线的光学图像，该光学图像携带来自手指的指纹图案，该手指触摸被照明光束照射的光学指纹传感器感测表面。该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，该数字指纹处理处理器可包括一个或多个处理器，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。指纹感测系统可将采集的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用指纹用户认证系统保护的设备或系统中的功能。例如，ATM的指纹用户认证系统可以确认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，以便关联正确的账户以借贷或者扣除所请求的资金。各种不同的设备或系统可以与所公开的光学指纹传感器结合使用，该设备或系统包括移动应用和各种可穿戴或便携式设备(例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备)，更大的电子设备或系统，例如便携式或桌面式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。图1B示出了智能手机或便携式设备的示例，其中，指纹用户认证系统是集成到智能手机的模块。
指纹感测对使用安全访问的移动应用和其他应用是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括网上购物的安全金融交易。包括适合于移动设备的鲁棒且可靠的指纹传感器特征是可取的。例如，移动设备中的指纹传感器有望具有小面积而且薄，以适应移动设备中非常有限的空间；包括保护盖板，以保护指纹传感器远离各种污染物，也是可取的。
在本专利文件中用于指纹感测的光学感测技术可以被实施，以提供高性能的指纹感测，并且可以小型化封装，以适应移动设备和其他小型设备的封装。在电容指纹传感器中，由于感测电极和手指表面电容耦合，感测是基于测量感测电极和手指表面之间的电容进行的。随着电容传感器像素之上的保护盖板变厚，每个电容传感器像素感测的电场在空间中快速消散，导致传感器的空间分辨率急剧降低。与感测空间分辨率急剧降低相关，随着保护盖板厚度的增加，每个传感器像素接收的传感器信号的强度显著降低。因此，当保护盖板的厚度超过某个阈值(例如，300μm)时，电容传感器提供感测指纹图案中所需的高空间分辨率，以及用可接受的精度可靠地分析感测到的指纹图案变得更加困难。
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设备或其他紧凑设备中。在一些实现方式中，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用于提供活体手指检测，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，该装饰选项提供集成传感器的平台的定制外观。
所公开技术的实现方式的示例可以用于引入用于感测手指特性，包括指纹检测的光学技术。光学技术可用于各种不同的设备和系统，包括具有显示器结构的设备和系统。光学指纹传感器可以被集成在显示器，如触摸感测显示设备的同一盖板下，或者被封装在分立设备中。
基于所公开技术的光学指纹传感器的性能不受封装盖板厚度的限制，封装盖板的厚度可能妨碍电容性指纹传感器。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采集配置而被实现为薄封装，合适的光学成像采集配置包括没有成像透镜或棱镜的配置，成像透镜或棱镜会使光学成像模块体积庞大。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，以使得光学指纹感测区域的颜色为某些期望的颜色，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，而不会改变盖板厚度和颜色。光学指纹传感器可以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作用，可使光学传感器阵列的尺寸为紧凑尺寸。此外，该设计，例如，利用彩色光照明，为装饰传感器区域提供了灵活性。
在一些实现方式中，除了指纹的光学感测之外，提供了一种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。该附加的光学感测特征可用于满足对于战胜可能危及指纹保护设备或系统的安全或授权访问的各种方式的需求。例如，指纹传感器可能被恶意个体攻击，该恶意个体可以获取授权用户的指纹，并将盗取的指纹图案拷贝到类似于人类手指的承载物体上。可以在指纹传感器上使用这种未经授权的指纹图案，以对目标设备或系统进行解锁。因此，指纹图案虽然是唯一的生物学标识符，但是其本身也并非是完全可靠或安全的标识。本文所描述的技术、设备和系统补充了基于所公开的光学感测的指纹认证技术，并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是示出了在移动设备，例如，智能手机、平板电脑或便携式计算设备1中实现的示例性指纹传感器设备23的框图，该移动设备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设备1的图像以及功能。这是图1A中的一般光学指纹感测控制的系统的具体实现方式示例。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，包括显示屏具有发光显示像素无需使用背光，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(organic light emitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏或其他显示屏，如基于LCD的触摸感测显示屏。触摸感测显示面板包括接触感测区域和显示区域，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设备标记21，以说明指纹传感器设备23相对于移动设备1的示例性位置。指纹传感器设备23包括执行指纹扫描、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被通信地耦合至处理电路5，处理电路5处理来自感测单元2的信号流以处理与指纹扫描和活体指纹判断等关联的信号。
接口6桥接指纹传感器设备23与应用平台或主机设备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、笔记本电脑、可穿戴设备和需要安全访问的其他电子设备。例如，接口6可以与智能手机1的中央处理器(直接地，或者通过其他部件，如总线或接口)进行通信，以提供来自指纹传感器设备标记21下的指纹传感器设备23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采集指纹图案，并且可以通过使用一个或多个光学技术来实现。活体指纹传感器4可包括用于分析指纹图像动态的电路。活体手指传感器4可包括用于感测来自扫描的指纹的附加生物学标记，例如，心跳或心率的电路，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以下的事实：活人的手指可表现出通常与活人相关联的某些运动或物理特性，例如，由于血流通过用户血管所致的脉动信号。例如，血细胞在可见光波长(例如较高的光学吸收)和近IR波长(例如与可见光波长相比，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以光学方式进行采集。血流的其他特征可以通过血管中的压力变化来反映。在一些实现方式中，活体指纹传感器4可以包括压力传感器、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，如发光二极管(light emittingdiode，LED)或激光二极管(laser diode，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，如光电二极管。当光传播通过手指组织或血细胞时，一部分光被吸收并且一部分被散射。活体手指的运动或血液流动引起光吸收截面的变化。光电二极管检测此类变化，并且检测的信号可用于指示呈现给设备的指纹是否来自活人。
光耦合和照明单元8产生指纹感测表面的探测光束，生成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)。当探测光束碰到与触摸感测表面的手指皮肤时，产生指纹信号。指纹传感器3通过检测感测表面处探测光束沿指纹图案的反射差异，来获取指纹信号，其中，在与感测表面接触的手指中的指纹脊的皮肤的位置处，产生比手指皮肤不与感测表面接触的手指中的指纹谷的位置低的光学反射。沿手指触摸的感测表面的上述反射差异的空间分布由反射的光学探测光束携带，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。
所公开的技术提供了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、平板电脑或便携式电子设备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进一步示出了图2中的设备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，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，通过指纹传感器标记21示出了光学指纹传感器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(如相机)以及位于侧面的实体按钮12和16。盖板玻璃50下方可以包括颜色材料层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，触摸感测层也可以放置为覆盖显示层54，以提供触摸感测功能。
在图2的光学指纹传感器设计中，封装设计与一些其他指纹传感器设计不同，这些设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在图1B所示的设计下，形成在用于光学指纹的指纹传感器设备标记21下方的区域中的指纹传感器23位于顶部盖板玻璃或层50下方，使得盖板玻璃或层50的上表面为设备的上表面，作为横跨触摸显示组件10的显示屏和光学检测器传感器模块23的连续且统一的玻璃表面。在图1至图6所示的示例中，光学传感器模块位于透明基板50，如玻璃盖板的一侧，该透明基板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，并提供了独特的优点和特征。这种将光学指纹感测和触摸显示屏集成在公共且统一的表面下方的设计提供了诸多益处，包括提高了设备的集成度、改善了设备封装、提高了设备的抗故障和抗磨损能力以及改善了用户体验。在指纹的光学感测和其他感测操作的一些实现方式中，例如图12中的设计，光学传感器模块可以封装在分立设备配置中，其中，光学传感器模块是基于全部光学感测或者兼有电容感测和光学感测的混合感测，为具有结构边界或与显示屏具有分界的不同结构，例如，一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状指纹传感器结构。
设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23可以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设置在电路27，例如，具有期望电路元件的柔性印刷电路(FPC)上。另外，在FPC 27上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。
如图3所示，光耦合器31固定于盖板玻璃50和下方间隔物材料39上。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中的每一个都可以由多个层制成。光电二极管阵列37被固定在适当的位置，以接收反射探测光束A’B’，用于采集该反射探测光束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，该耦合器31进一步将探测光束AB引导通过可选地颜色材料层52的开口至位于盖板玻璃50顶部的指纹感测表面45上，以照亮进行接触的手指。借助于设置于盖板玻璃50下方的间隔物材料39，将光束AB耦合到盖板玻璃50。当没有东西放置在盖板玻璃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并形成反射探测光束A’B’。匹配的光学传感器阵列37(如光电二极管阵列)接收该反射探测光束A’B’，该匹配的光学传感器阵列37将反射探测光束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。
如图3中的右图所示，当手指43触摸盖板玻璃50的感测表面45时，指纹脊73改变了局部表面反射率。入射在指纹脊上的探测光的部分61被折射为光线65，该光线65在手指43中被散射，其余部分被反射为光线67，该光线67被指纹脊反射。指纹谷与感测表面45分离，一般不会显著改变感测表面45的局部表面反射。在指纹谷上入射的入射光63被反射为光线69，该光线69被感测表面45反射。反射探测光束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，反射探测光束A’B’携带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穿过它们。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和耦合器31的端面倾斜角的适当设计来实现。探测光束的发散角通过光源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的发射区域应当像点光源一样小，或者探测光束应当被准直。小型LED光源可以远离耦合器31安装，从而在图3所示的光学系统中实现这一点。
通过将光学指纹传感器中材料的适当折射率(nc、ns、nd、nf)进行匹配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，可以设计该光学传感器，使得当触摸材料是水(在589nm处折射率约为1.33)时，探测光束被全部反射，而当触摸材料是手指皮肤(在589nm处折射率约为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，可将W设置为大于H。即，接收的探测光束A’B’可以小于感测表面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，利用小检测器阵列对大区域进行成像的有效方法。另外，通过调整探测光束发散角和光电二极管阵列倾斜角，可以进一步调整所有尺寸的压缩比。来自耦合器-间隔物界面的反射以及来自间隔物-盖板界面的反射形成了光学噪声，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被去除。
在一些实现方式中，可以调制探测光源29。匹配的光电二极管阵列应设计为高效率并且可以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，实施的是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，可以实施光路窗口，以将探测光引导到手指43。
探测光源29和匹配的棱镜101协作，以将探测光束AB耦合到感测表面45。间隔物材料39可以包括防反射涂层。棱镜103有助于将反射探测光束A’B’引导到光电二极管阵列37中。匹配的颜色层25被涂在基板105上。
在光学指纹传感器23a中，在接收探测光时盖板玻璃50的光学配置被配置，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谷位置的光学界面条件的差异，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谷位置的反射率不同。这个差异表征反射探测光束A’B’携带的指纹信号。
由于空气或真空耦合器成本相对较低并且可以是任何尺寸，因此该设计可用于开发任意显示尺寸的光学触摸面板。
指纹感测-样本设计
图5示出了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，除了耦合器31中有一些变化。在图5所示的示例性光学指纹传感器23b中，耦合器31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设置在曲面镜表面111的焦点处。小孔可以用于探测光源30上，以空间地限制探测光，从而使得修改的光源30a仅将一部分的光束投射到曲面镜表面111，散射光的影响被减小或消除。在制造弯曲表面111时，将耦合器31设置为以适当的距离D偏离中心。因此，曲面镜表面111适当地倾斜，使得准直的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，发散光束ASB被准直并投射到感测表面45。光电二极管阵列37检测反射探测光束A’B’。相应地，中心光SC反射回光电二极管37的中心C’。
图5中所示的示例中，光束主要在耦合器31中传播。可将该结构制造得紧凑且鲁棒。图5中所示的示例中，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。
所公开技术的光学指纹传感器可以被实施，以提供以下特征中的一个或多个。该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、或者甚至气隙或真空制成。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。上述的耦合器、间隔物和盖板玻璃种的每一个都可以是多层的。
所公开的技术通过匹配材料形状和折射率，为控制信号对比度提供了灵活性。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了无水效果。典型的智能手机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，全反射角约为62.46°，当指纹脊触摸感测表面45时，全反射角约为73.74°。当没有东西触摸感测表面45时，全反射角约为41.81°。在本设计中，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；在干的指纹谷位置，探测光束也被全部反射到光电二极管阵列。在该设计下，手指脊和手指谷的光学反射不同，并且指纹脊引起的反射生成了更强的光信号，该光学信号被检测，以在光电二极管阵列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、指纹谷和其他污染物)之间的反射率的差异可以用于检测指纹图像。
由于上述光学设计中的光路压缩效应，在盖板玻璃50上的感测表面45处的感测区域的尺寸可以大于光电二极管阵列37的光电二极管阵列的尺寸。
在实现方式中，光源29是安装在适当距离处的点光源。在一些实现方式中，可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜对探测光束进行准直，或者只是把光源放在很远的地方。探测光束可以具有适当的发散角。探测光束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，可以使用厚度小于1mm的CaF2耦合器来实现甚至10mm的感测区域大小。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。这种设计可以灵活应用彩色涂料、照明灯等，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，盖板玻璃厚度对光学指纹感测不构成限制。该原理可以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示意图。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，光源33和光学检测器34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所示的分离的光学检测。图6中的活体指纹检测可以通过指纹传感器，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中的一个，按照与下文在图6中的具体示例中所描述的类似的方式来执行。
在图6中，光源33和接收光电检测器(photodetector，PD)阵列34通过匹配的耦合器31被隔离，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(如手指43)。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表示指纹是否来自活体手指。一系列指纹图像用于恢复随时间变化的信号振幅和亮点分布。假的、非活体手指表现出不同于活体手指的动态。
图7示出血液中被监测材料的示例性光学消光系数，其中，光吸收在可见光谱范围，如660nm的红光和红外范围，如940nm的IR光之间是不同的。通过使用探测光以可见光波长和IR波长照射手指，可以采集光学吸收的差异，以确定触摸物体是否为来自活人的手指。图8示出了组织中不同部分的血流。当人的心脏跳动时，脉动压力泵送血液，使得血液在动脉中流动，因此在血液中被监测材料的消光比随着脉动而变化。接收的信号携带脉动信号。血液的这些特性可用于检测所监测的材料是活体指纹还是假指纹。
图9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。参考图6，光源33、光学指纹传感器也可以作为心跳传感器，来监测活体组织。使用一个或多个光波长。当使用两个或两个以上波长的光线时，消光比的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。图9中所示的示例中，使用两个光源，来发射不同的波长的探测光，如图7所示，一个是可见光波长，另一个是IR波长。
当非活体材料触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示的强度等级与非活体材料的表面图案相关，并且接收的信号不包含与活人的手指关联的信号分量。但是，当活人的手指触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示与活人关联的信号特征，包括明显不同的强度等级，这是因为对于不同的波长而言消光比不同。该方法不需要耗费很长时间就可以知道触摸材料是否为活人的一部分。在图9中，脉动形信号反映了多次触摸而非血液脉动。非活体材料类似的多次触摸不会显示出由活体手指引起的差别。
在一种实现方式中，其中，可以通过所设计的光学系统实现活体指纹检测，如图2的示例中的光源33和光学检测器34，它们和用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37分离。特定的光源33被操作，以例如在不同的时间发射所选择的可见光波长和IR波长的探测光，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采集两个不同波长的反射探测光，以确定触摸物体是否为活体手指。
或者，在一个实现方式中，可以通过相同的用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37，而不使用单独的光学感测，来执行活体指纹检测。在将光源29和光学检测器阵列37用于指纹感测和活体指纹检测的设计下，光源29被操作，以在不同时间发射所选择的可见光波长和IR波长的探测光，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采集两个不同波长的反射探测光，以确定触摸物体是否为活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间、选择的可见光波长和IR波长的反射探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是通过在不同时间、选择的可见光波长的探测光以及IR波长的探测光一直采集指纹图像。因此，指纹感测可以在可见光波长和IR波长处进行。
安全等级建立
图10示出了基于所公开的用于指纹感测的光学感测技术，为认证活体手指建立不同安全等级的示例性过程1000的流程图。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，常规操作请求需要通过安全等级1验证。对于低于阈值金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。超过该阈值金额的金融交易可能需要更高的安全等级许可(clearance)。不同的安全等级评估之后，触发不同的安全等级动作。可以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口，两个光源信号可以组合建立安全性等级2口，以此类推。
在请求操作(1002)时，开始执行方法1000。分析所请求的操作，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，执行所请求的操作(1024)。但是，当指纹分析未通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的操作(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，执行所请求的操作(1024)。当指纹分析未通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的操作(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，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的操作(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，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的操作(1022)。
所公开技术的光学指纹传感器可以被实施，以执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。特定光源和检测器可以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。当使用单波长时，心跳检测提供了可靠的标准，来检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。当使用两个或两个以上波长时，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包括活体手指的指纹的非活体材料。指纹传感器光源和光电二极管阵列可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。动态指纹图像可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。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(如光学指纹传感器23)安装在盖板玻璃50下方时，应为光路打开一个光学窗口。具体地，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，耦合器31的底部可以涂覆颜色层25。涂覆的颜色层25可以选择与平台表面的颜色匹配。例如，在耦合器下方使用相同的颜色或图案，使得传感器变为不可见。在一些实现方式中，匹配的耦合器31还可以涂有期望的或不同的颜色或图案，以实现特定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，例如主页按钮标志。
该设计为进一步装饰传感器区域提供了更具吸引力的选择。例如，不同颜色的光波可以用于照亮传感器区域。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。
光学指纹传感器可以被实施，以实现各种装饰元素，包括以下：耦合器的下表面可以涂有相同的颜色或图案的层，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的层，以显示新的外观样式；彩色光源可以被安装在耦合器的周围，以装饰传感器区域。
作为单独按钮封装的指纹传感器
作为可替代的实现方式，可将设置于连续的盖板玻璃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的其他部分有物理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检测以及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。匹配的耦合器31用于设置光电二极管阵列37的位置并为可见区域提供封装灵活性。所有关于图12、图13中的光学指纹传感器的不同组件的上述描述基本上与包括光源的图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相同。但是，为了将光学指纹传感器实施为单独按钮，用于盖板玻璃51的材料可能比图3至图5中连续的盖板玻璃50的设计中需要更高等级的硬度或强度。
间隔物材料39和盖板玻璃51给探测光束AB增加位置偏移D。当盖板玻璃51和间隔物材料19的厚度减小到零时，具体地，通过去除盖板玻璃和间隔物，探测光束偏移D被消除。例如，可以用厚度小于1mm的CaF2实现10mm的感测尺寸。此外，光电二极管阵列37应与光路匹配，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执行与图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，作为单独按钮封装的光学指纹传感器可以被实施以执行以下特征：
根据应用，盖板玻璃和相关间隔物材料在厚度上具有灵活性。特别地，不使用盖板玻璃和间隔物材料是一种实用封装。另一种实用设计是使用薄层盖板玻璃来保护耦合器。该盖板玻璃可以具有高硬度。使用彩色玻璃或其他光学材料来构建盖板也是实用的。封装方法提供了一种构建紧凑按钮的方案，该紧凑按钮可以更高的安全性检测指纹。可以集成其他机械部件，以增强模块的硬度或强度。
作为单独按钮封装的光学指纹传感器被实施，以将指纹检测功能与活体手指检测以及传感器装饰的功能进行集成。
上述光学指纹传感器设计也可以其他配置来实现。用于实现所公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独像素生成光用于在屏幕上形成显示图像，例如，液晶显示(liquidcrystal display，LCD)屏、有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏。
图14和15图示了在液晶显示(LCD)屏下集成光学传感器模块，以提供用于确定接触的物体是否来自活人的光学感测功能，包括光学指纹感测和光学感测的示例。在一种实现方式中，为了提供LCD屏下的光学感测，所公开的技术可以用于构建能够通过光学感测来检测指纹的电子设备，该电子设备包括(1)液晶显示(LCD)屏，提供触摸感测操作，且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；LCD背光模块，耦合到LCD屏以产生用于显示图像的LCD屏的背光；(2)顶部透明层，形成于设备屏幕上方作为被用户触摸以进行触摸感测操作，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；(3)光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，用于接收从顶部透明层反射并穿过LCD屏的探测光，以检测指纹；(4)一个或多个探测光源，与LCD背光模块分离，位于LCD显示面板结构下方，以产生穿过LCD显示面板结构的探测光，以照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域，以与顶部透明层的周围区域明显不同，以供用户放置用于光学指纹感测的手指；(5)设备控制模块，耦合到光学传感器模块，以处理光学传感器模块的输出，确定光学传感器模块检测到的指纹是否与授权用户的指纹匹配，除了检测指纹之外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物学参数，以表示与检测的指纹关联的顶部透明层处的触摸是否来自活人。
在另一个实现方式中，为了提供LCD屏下的光学感测，所公开的技术可以用于提供能够通过光学感测来检测指纹的电子设备，该设备包括：液晶显示(LCD)屏，提供触摸感测操作，且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；顶部透明层，形成于设备屏幕上方作为被用户触摸以进行触摸感测操作，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，用于接收穿过LCD屏的探测光，以检测指纹，其中，光学传感器模块包括接收探测光的光学准直器的光学准直器阵列，以及接收来自光学准直器阵列的探测光的光学传感器的光学传感器阵列。
在基于所公开的光学传感器技术将光学感测集成到LCD的所公开的示例中，LCD下光学传感器可以用于检测LCD屏中显示图像的一部分光，其中，用于显示屏幕的这一部分光可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实现方式中，在遇到物体，如用户手指或手掌，或如触笔等的用户点选设备时，基于背光的LCD屏的图像光可以作为返回光被反射或散射回LCD显示屏。可以通过使用所公开的光学传感器技术来采集该返回光，来执行一个或多个光学感测操作。由于使用来自LCD屏的光进行光学感测，因此基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块具体地被设计为集成到LCD显示屏，该集成的方式保持LCD显示屏的显示操作和功能不受干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强电子设备或系统，例如智能手机，平板电脑或移动/可穿戴设备的整体功能，设备集成和用户体验。
此外，在所公开的光学感测技术的各种实现方式中，可以提供一个或多个指定的探测光源，以产生用于LCD屏下光学感测模块的光学感测操作的附加照明探测光。在该应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光共同形成用于光学感测操作的照明光。
作为具体示例，图14示出了具有基于LCD的触摸感测显示系统1423的智能手机，其在显示系统1423下实现具有光电检测器阵列1621的光学感测模块。
触摸感测显示系统1423设置于顶部盖板玻璃1431的下方，该顶盖玻璃1431作为用户界面表面以用于各种用户界面操作，包括例如用户的触摸感测操作，向用户显示图像，以及光学感测界面以接收用于光学指纹感测和其他光学感测操作的手指，其中，探测光从设备内部引导至顶部盖板玻璃1431以照亮手指。显示系统1423是多层液晶显示(LCD)模块1433，该多层液晶显示(LCD)模块1433包括：LCD显示背光光源134(例如，LED灯)，为LCD模块1433提供白色背光；光波导层1433c，耦合到LCD显示背光光源1434，以接收和引导背光；LCD结构层433a(包括例如，液晶(LC)单元和LCD电极层、透明导电ITO层、光学偏振器层、颜色过滤器层和触摸感测层)；背光漫射器1433b，设置于LCD结构层1433a的下方、光波导层1433c的上方，以空间地扩散背光来照亮LCD结构层1433a中的LCD显示像素；以及光学反射器膜层1433d，位于光波导层1433c的下方，以将背光再循环到LCD结构层433a，以改善光的使用效率以及提高显示亮度。当感测窗口中的LCD单元开启时，尽管微结构可能会吸收部分的探测光功率，但大部分LCD结构层1433a(包括液晶单元、电极、透明ITO、偏振器、颜色过滤器、触摸感测层等)变得部分透明。光漫射器1433b、光波导1433c、反射器膜1433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器并提供透明或部分透明的感测光路径，使得来自盖板玻璃1431的上表面的部分反射光可以到达具有用于指纹感测和其他光学感测操作的LCD屏下光学传感器模块的光电检测器阵列1621。如图所示，LCD屏下的光学传感器模块包括各种指纹传感器部件，例如，用于准直和引导反射探测光到光电检测器阵列1621的光学准直器阵列1617，以及接收和调节来自光电检测器阵列1621的检测器输出信号的光学传感器电路模块1623。光学准直器阵列1617可以包括光学准直器，并且可以是基于波导的图像发射器、光纤阵列、微透镜阵列或小孔阵列。光学准直器用于限制采样图像的数值孔径(NA)并形成相应的图像元素。每个光学准直器单元获得顶部玻璃盖板1431上的目标手指触摸部分的部分图像。所有准直器的透射光束共同在光电检测器阵列1621处形成目标的完整图像。光电二极管阵列1621可以是CMOS感测像素的CMOS传感器、CCD传感器阵列或对光敏感的合适的光学传感器阵列。
该示例包括：用于LCD显示和触摸感测操作的电子模块1435、用于监测周围环境的光等级的一个或多个其他传感器1425，如光学传感器、用于控制某些智能手机操作的可选侧面按钮1427和1429。
图14中所示的示例中，所示示例中的光源包括显示背光光源1434和额外指定的探测光源1436。来自额外指定的探测光源1436的光束1442a以及来自显示光源1434的光束1442b可以被使用，作为用于照亮与顶部玻璃盖板1431接触的手指的传感器探测光，为光学传感器模块产生携带指纹图案和其他信息的期望的反射探测光。
当感测窗口中的LCD单元开启时，尽管微结构可能会吸收部分的探测光功率，但大部分LCD结构层1433a(包括液晶单元、电极、透明ITO、偏振器、颜色过滤器、触摸感测层等)变得部分透明。光漫射器1433b、光波导1433c、反射膜1433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器并提供透明或部分透明的感测光路径。
图15进一步示出了上述图14的示例中的LCD屏下光学传感器模块的操作。在顶部盖板玻璃1431上，指纹感测区域或窗口1613为顶部盖板玻璃1431的上表面的区域，其正好在下面的光学传感器模块的正上方或附近。由于光学传感器模块位于LCD结构下方，感测窗口1613是顶部盖板玻璃1431的连续的上表面的一部分，并且也是LCD显示器的显示区域的一部分。因此，上表面可能没有可见的物理分界以指示该感测窗口1613。该感测窗口1613可以通过其他手段指示用户，以帮助用户将手指放置在感测窗口1613内，用于指纹感测和其他光学感测操作。例如，额外指定的探测光源1436可以用于照亮感测窗口1613，使得感测窗口1613的区域与顶部盖板玻璃上的周围区域明显不同，并且该感测窗口1613的区域对用户来说容易看到。这可以在LCD面板关闭或LCD面板开启时完成。
如图15所示，用户将手指按压在感测窗口613上，探测光束1582P照射手指447。手指1447和盖板玻璃1431反射作为反射信号光束1582R的探测光。LCD模块1433中的各种散射界面1433S漫射反射信号光束1582R，以形成漫射光束1582D。准直器阵列1617中的各个准直器单元选择光分量1582S，并将选择的光分量1582S引导到相应的光电检测器阵列1621的光敏检测器中。光敏检测器，如光电二极管或CMOS感测检测器产生包括指纹图案的信息的相应的传感器信号。一部分光源可以进入指纹传感器模块，而不用首先通过LCD面板上表面上的手指感测区域。该部分的光线产生背景噪音，可通过校准进行消除。准直器阵列1617的每个准直器单元只选择沿其允许方向以相对低的光损耗、向一部分光电检测器阵列1621中相应的光电检测器传输的光。因此，准直器阵列1617中的每个准直器单元以及光电检测器阵列1621中相应的光电检测器一起操作，以限定有效检测光学数值孔径NA。该NA直接定义光学传感器模块产生的图像的空间分辨率。
基于所公开的LCD屏下光学感测设计，与LCD显示屏直接接触的人的手指或者靠近LCD显示屏的人的手指可以产生返回至LCD显示屏的光，同时携带由LCD显示屏输出的光照亮的手指部分的信息。该信息可以包括：例如，手指被照亮部分的脊和谷的空间图案和位置。因此，可以集成光学传感器模块，以采集至少一部分这种返回光，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指被照亮部分的脊和谷的空间图案和位置。可以随后对该检测的、手指被照亮部分的脊和谷的空间图案和位置进行处理，以构造指纹图案并执行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。通过使用所公开的光学传感器技术，该基于光学感测的指纹检测使用LCD显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”组件的独立传感器，不使用来自显示屏的光或不使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感测的显示屏。
需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要LCD显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些电子设备中，例如，智能手机、平板电脑或可穿戴设备，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。这种光学传感器模块可以设置在与显示屏区域垂直重叠的LCD显示屏的下方，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于该光学传感器模块的光学感测是通过检测由LCD显示屏发出的并从显示区域的上表面返回的光而进行的，因此所公开的光学传感器模块不需要特定的、与显示屏区域分离的感测端口或感测区域。因此，不同于包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机模型等其他设计中的指纹传感器，在其他设计中，指纹传感器位于显示屏的相同表面上的特定指纹传感器区域或端口(如主页按钮)处，但位于显示屏区域外的指定的非显示区中。基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，使得在LCD显示屏上的任意位置执行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术通过使用与显示图像相同的顶部触摸感测表面，提供了独特的屏上指纹感测配置，并且在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或端口的情况下提供触摸感测操作。
除了通过光学感测进行指纹检测之外，光学感测可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏幕外指纹感测区域，其在感测区域的尺寸上高度受限，不适合感测大的图案)。再例如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测来采集和检测与人关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制，通过“活体手指”检测机制来检测采集的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该“活体手指”检测机制基于以下事实：由于人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，活人的手指通常是移动或伸展的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的物体中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对活人存在的正面确定的组合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。作为另一个示例，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化能够以以下一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这种变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以执行与LCD显示屏的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。基于此，光学传感器模块可以被设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指导致的返回的光，而由其他物体导致的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会唤醒设备，以进行节能操作并且延长电池的使用。该操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏的唤醒电路操作，该LCD显示屏例如可以包括设计的、用于光学感测的额外光源，并且该设计的额外光源能够以闪光模式开启，间歇性地向屏幕表面发射闪光，以感测人的手指或手掌的任何触摸，同时可将LCD显示屏置于睡眠模式以节省电力。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。
基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD的显示屏的表面侧创建指定区域，在一些电子设备，例如，智能手机、平板电脑或可穿戴设备中，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。
图16、17、18和19示出了在OLED屏下集成光学传感器模块以提供光学感测功能的示例。
作为具体示例，图16中的图16A和16B示出了具有触摸感测显示屏组件和位于触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块的一个电子设备的示例性实现。在该具体示例中，显示技术可以通过OLED显示屏或具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏来实现。电子设备200可以是如智能手机或平板电脑等的便携式设备。
图16A示出了设备200的正面，其可以类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕位于设备200的正面，占据正面空间的全部、大部分或重要部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，如用于在设备屏幕上接纳手指的一个或多个感测区域。作为示例，图16A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可以被照亮为明显可识别的区或区域，让用户放置手指以进行指纹感测。该指纹感测区可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实现方式中，设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当前市场上各种智能手机中常见的侧面控制按钮。并且，如图2A中设备外壳的左上角的一个示例所示，在设备200的正面、设备屏幕外可以设置一个或多个可选的传感器。
图16B示出了设备200中与本文件所公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图16B所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏幕模块以及位于触摸感测模块下方、具有显示层的显示屏幕模块。光学传感器模块耦合到显示屏幕组件模块并位于其下方，以接收和采集来自触摸感测屏幕模块的上表面的返回光，并且将该返回光引导且成像到光学感测像素或光电检测器的光学传感器阵列上，该光学感测像素或光电检测器将该返回光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学传感器模块的下方是设备电子结构，该设备电子结构包含用于设备中的光学传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳的内部，并且可以包括如图16B所示的光学传感器模块的下方的部分。
在实现方式中，设备屏幕组件的上表面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，接收用于触摸感测模块的触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏幕上指纹感测(以及可能的一个或多个其他光学感测功能)。这种光学透明层可以是玻璃或晶体层或柔性层等刚性层。
具有发光显示像素而不使用背光的显示屏的一个示例是具有单独的发射像素的阵列以及薄膜晶体管(TFT)结构或基板的OLED显示器，其中，该薄膜晶体管结构或基板可以包括小孔阵列，并且可以是光学透明的，并且可以是覆盖基板以保护OLED像素。参见图16B，本示例中的光学传感器模块位于OLED显示面板的下方，以采集从该顶部触摸感测表面的返回光，并且采集当用户的手指与上表面的感测区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。此外，合适的显示面板可以具有不同于OLED显示器的各种屏幕设计。
图17包括图17A和图17B，并且示出了显示屏幕组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例，该光学传感器模块用于实现图16A和图16B中的设计。图17中的设备包括具有顶部透明层1431的显示屏幕组件1423，该顶部透明层1431形成于设备屏幕组件1423之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面。在一些实现方式中，该顶部透明层1431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件1423可以包括顶部透明层1431下方的OLED显示模块433。OLED显示模块1433包括OLED层及其他，该OLED层包括发出用于显示图像的光的OLED像素阵列。OLED层具有光学地用作孔和光散物体的阵列的电极和布线结构。OLED层中的孔阵列使得来自顶部透明层1431的光的传输通过该OLED层到达该OLED层下方的光学传感器模块，并且由OLED层引起的光散射影响屏幕下方的用于指纹感测的光学传感器模块的光学检测。设备电子模块1435可以设置在该OLED显示面板的下方，以控制该设备的操作，并且执行用户操作设备的功能。
具体实现示例中的光学传感器模块位于OLED显示模块1433下方。可以控制指纹照明区1613中的OLED像素发光，以照亮设备屏幕区域内的顶部透明层1431上的指纹感测区1615，使用户将手指放入其中来进行指纹识别。如图所示，一个手指放置在照亮的指纹感测区1615中，该指纹感测区1615作为用于指纹感测的有效感测区。指纹照明区1613中被OLED像素照亮的区1615中的一部分反射或散射光被引导至OLED显示模块1433下方的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电检测器感测阵列接收该光，并且采集接收的光所携带的指纹图案信息。
在这种设计中，使用OLED显示面板内的指纹照明区1613中的OLED像素来为光学指纹感测提供照明光，可以控制指纹照明区1613中的OLED像素以相对较低的周期间歇性地开启，以减少用于光学感测操作的光学功率。例如，当OLED面板中剩余的OLED像素被关闭(如处于睡眠模式)时，指纹照明区613中的OLED像素可以间歇性地开启，以发射用于光学感测操作的照明光，该光学感测操作包括执行光学指纹感测和唤醒OLED面板。在一些实现方式中，该指纹感测操作可以两步骤的过程实现：首先，以闪光模式开启OLED显示面板内指纹照明区1613中的数个OLED像素，而不用开启该指纹照明区1613中其他的OLED像素，以使用闪光来感测手指是否触摸感测区1615，并且一旦检测到区1615中的触摸，开启指纹照明区1613中OLED像素，以激活光学感测模块执行指纹感测。并且，一经激活该光学感测模块以进行指纹感测，指纹照明区1613中的OLED像素可以在亮度等级下进行操作，以提高指纹感测的光学检测性能，例如，比显示图像的亮度等级更高的亮度等级。
在图17B的示例中，屏幕下光学传感器模块包括透明块701和执行光学成像和成像采集的光学成像块702，该透明块701耦合到显示面板，以接收来自设备组件上表面的返回光，该返回光最初是由指纹感测区1613中的OLED像素发射的。来自指纹照明区1613中的OLED像素的光在到达盖板上表面后，例如，用户手指触摸的感测区域1615处的盖板上表面，从该盖板上表面反射或散射回来。当指纹脊紧密接触感测区域1615中的盖板上表面时，由于在该位置处存在接触的手指的皮肤或组织，因此指纹脊下的光反射不同于另一位置处的指纹谷下的光反射，该另一位置处的指纹谷下没有手指的皮肤或组织。该盖板上表面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的差异形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导返回OLED像素，并且在穿过OLED显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低折射率光学透明块701的界面。该低折射率光学透明块701的折射率被构造为小于OLED显示面板的折射率，使得可以将返回的光从OLED显示面板引出到该光学透明块701中。一旦该返回的光在光学透明块701内被接收，接收的光进入作为成像感测块702的一部分的光学成像单元，并且被成像到块702内的光电检测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异产生指纹图像的对比度。图17B所示的是控制电路704(例如微控制器或MCU)，耦合到成像感测块702和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。
在具体示例中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的、上表面上的总反射角内进入盖板上表面，会被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现出最大的反差。这种成像系统可能具有不期望的光学失真，这会对指纹感测有不利影响。因此，基于光学传感器阵列处的、沿返回光的光路的光学失真情况，在处理块702中的光学传感器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来进行校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以通过每个光电检测器像素处采集的图像生成。该校正过程还可以使用来自于每次调谐一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。该校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。
来自环境的背景光(如阳光或室内光)可以通过OLED显示组件1433中的TFT基板孔穿过OLED面板上表面进入图像传感器。该背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，是不期望的。可以使用不同的方法来减弱这种基线强度。一个示例是以一定的频率F调谐开启和关闭指纹照明区1613中的OLED像素，相应地，通过对像素驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器以相同频率获取接收的图像。在此操作下，只有一个图像相位具有从OLED像素发射的光。通过对偶数帧和奇数帧求差，可能得到大部分由指纹照明区1613中调制的OLED像素发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧都会生成指纹信号帧。如果对通过在一个帧中调谐开启指纹照明区1613中的OLED像素并在另一帧中调谐关闭指纹照明区1613中的OLED像素得到的两个连续的信号帧求差，则可以将环境的背景光影响最小化或基本消除。在实现方式中，指纹感测帧率可以是显示帧率的一半。
来自指纹照明区613中OLED像素的一部分光还可以穿过盖板上表面，并进入手指组织。这部分光的功率被散射在周围，并且该散射光中的一部分可以穿过OLED面板基板上的小孔，并最终被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度取决于手指的肤色和手指组织中的血液浓度，并且手指上的该散射光携带的这种信息对指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测。例如，通过集成用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这一特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是活体手指，还是具备伪造的指纹图案的欺骗设备。
OLED显示器通常具有不同的颜色像素，如相邻的红色、绿色和蓝色像素形成一个彩色OLED像素。通过控制开启每个彩色像素内的哪种颜色的像素并记录相应的测量强度，可以确定用户的肤色。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自手指的两种不同颜色或波长A和B的散射光的强度，分别作为测量的强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感测区域上测量指纹时的晚些的测量结果作比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。或者，如关于图7、8和9所说明的，不同探测波长处获得的比率可以用于基本确定所触摸的物体是来自活人的手指，还是人造材料的假指纹图案。
在一些实现方式中，为了在OLED显示面板未开启时使用上述光学传感器模块提供指纹感测操作，如图17所示，可以将为提供指纹感测照明指定的一个或多个额外的LED光源703设置在透明块701的侧面上。该指定的LED灯703可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如MCU)来控制。该指定的LED灯703可以短时间以低的占空比进行脉冲，以间歇性地发光并提供用于图像感测的脉冲光。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监测从OLED面板盖板基板反射的光图案。如果存在人类手指触摸屏幕上的感测区域1615，则在块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以被操作为确定该触摸是否为人类手指的触摸。如果确定是人类手指触摸事件，MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，开启OLED显示面板(或至少关闭指纹照明区613中的用于执行光学指纹感测的OLED像素)，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配，智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
图18、19和20示出了使用OLED显示屏下方的屏下光学传感器模块提供指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或小孔阵列将携带指纹信息的信号光引导到光学传感器阵列。
图18示出了包括光学准直器的光学准直器阵列2001的屏下光学传感器模块，光学准直器阵列2001位于光电检测器阵列2002的顶部，用于将携带指纹信息的信号光引导到光电检测器阵列2002上不同的光电检测器中。电路模块2003耦合到光电检测器阵列2002，以操作光电检测器阵列2002，并且接收来自光电检测器阵列2002上的光电检测器的输出信号。OLED显示模块1433包括小型透光孔，如OLED显示模块的TFT层中的孔，以使得来自顶部透明层1431的上表面的光穿过OLED显示模块1433到达屏下光学传感器模块。准直器阵列2001可以使用各种设计中的准直器，如基于波导的图像发射器、光纤阵列(有芯或无芯)、微透镜阵列、小孔阵列和其他。阵列2001中的准直器设计为限制采样图像的数值孔径。准直器阵列2001中的每个像素可以看作光学检测针。光电二极管阵列2002可以是CMOS传感器阵列、CDD传感器阵列、光电二极管阵列或其他光感光阵列。
在操作中，OLED像素照射盖板玻璃1431。从盖板玻璃1431反射的光被OLED显示模块1433中的TFT结构的孔衍射。准直器阵列2001对衍射的光的有用部分进行采样，并将光传递到光电二极管阵列2002，以形成感测区域的图像。
图19示出了图18中的光学传感器模块的操作。OLED显示模块1433中的照明区1613中的OLED像素将光束1582P照射到与盖板玻璃1431上的感测区1615接触的手指。手指和盖板玻璃1431反射光束1582R。TFT基板中的小孔衍射光束1582R，以形成光束1582D。准直器阵列2001中适当的准直器单元从光束1582D中选择光束1582S，并将其引导到光电检测器阵列2002的适当的光电检测器元件中。在一些OLED显示器中，部分光可以被直接照射到传感器模块，并且可以通过校准进行消除。
图20示出了图18和图19中设计的示例性实现方式。本示例中的光学准直器阵列2001包括光学准直器903的阵列和填充在光学准直器903之间的光学吸收材料905，以吸收光来减少不同光学准直器之间的串扰。准直器阵列2001中的每个准直器903可以是沿垂直于显示面板的方向延伸或延长的通道，并且使光以低损耗沿其轴线进行传输，并且准直器阵列2001被设计为减少不同光学准直器之间的光学串扰，并且维持光学感测中的期望的空间分辨率。在一些实现方式中，一个光学准直器可以仅对应于光电检测器阵列2002中的一个光电检测器。在其他实现方式中，一个光学准直器可以对应于光电检测器阵列2002中的两个或两个以上光电检测器。如图20B所示，在一些设计中，每个准直器单元或细长通道的轴可以垂直于显示屏表面，并且可以相对于显示表面倾斜。在操作中，只有沿准直器轴传播的光携带图像信息。例如，适当的入射光1582P被反射以形成光1582R。光1582R随后被TFT的小孔衍射，并且延伸到光1582D。部分光1582S被传输到光电二极管阵列2002中。远离轴的部分光1582E被填充材料吸收。盖板玻璃表面1431上的反射光携带指纹信息。其他OLED像素发射相对于准直器单元轴成一定角度的光901，因此该光可以被阻挡。反射光的一部分，如901E，传输到相应的光学准直器中，以到达光电检测器阵列2002。
光学准直器阵列可以通过不同的技术制造，包括例如通过平面基板蚀刻孔、形成光波导阵列、形成与光学过滤器匹配的微透镜阵列、使用无芯光纤束、或在透明片上印刷准直器等。该准直器阵列的期望特征包括：(1)沿轴传播的光分量和远离轴传播的分量之间的足够的传输对比度，使得准直器保证了在光电检测器阵列处指纹图案的光学感测中期望的空间分辨率；(2)允许的传输数值孔径足够小，以实现光学感测的期望的高空间分辨率。
可以使用各种光学准直器阵列设计。光学准直器阵列中的每个光学准直器被构造为通过在沿着或接近光学准直器的轴的方向传输光，同时阻挡其他方向的光，来执行空间过滤，并且具有小的传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。准直器元件孔径和间距(即两个临近的准直器元件之间的距离)可以被设计为实现用于光学指纹感测的期望的空间分辨率。
图21示出了通过在CMOS结构中的两个不同金属层中使用对齐的孔而成为CMOS结构的一部分的准直器设计的示例。阵列中的每个准直器是沿垂直于显示面板的方向的细长通道。
在上述用于将来自显示屏顶部的手指的光引导至用于指纹感测的光学传感器阵列的光学准直器的实现方式中，如图14、15、18、19和21所示，光学准直器的方向可以垂直于LCD或OLED显示屏上的顶部触摸表面，以收集来自手指、用于指纹感测的返回探测光，其中大部分的返回探测光是沿垂直于顶部触摸表面的光的方向。在实践中，当触摸的手指干燥时，通过感测与顶部触摸表面基本垂直的返回探测光，光学传感器阵列中检测图像中的图像对比度低于从相对于顶部触摸表面的垂直方向成一定角度的返回探测光获得的相同图像的对比度。这部分地因为有角度返回光的光学感测在空间上过滤掉了来自顶部触摸表面的强返回光，该强返回光大部分垂直于顶部触摸表面。考虑到从顶部触摸表面返回的探测光的光学感测的这个方面，光学准直器可以被定向，使得每个准直器单元的轴可以相对于顶部触摸表面倾斜，如示例中的图20B所示。
然而，在制造中，制造倾斜式准直器更加复杂且成本更高。使用如图14、15、18、19和21所示的垂直光学准直器，通过选择性地检测来自顶部触摸表面的有角度返回光，在光学感测中实现更高的对比度的一种方式是在进入垂直光学准直器之前，在图14、15、18、19和21所示的垂直光学准直器和来自顶部触摸表面的返回光之间提供光学偏转或衍射设备或层。在一些实现方式中，该光学偏转或衍射设备或层可以是在OLED/LCD显示面板和垂直光学准直器之间，以只选择一定倾斜角度的返回探测光进入垂直光学准直器，以用于垂直光学准直器的另一端上的光学检测器阵列光学检测，同时阻挡或减少垂直于顶部触摸表面并进入光学准直器的来自顶部触摸表面的返回探测光的量。该光学偏转或衍射设备或层可以各种形式来实现，包括例如棱镜阵列、具有衍射图案的光学层或位于光学准直器和显示面板之间的其他设备，以选择从显示面板返回的有角度的探测光以进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
图22包括图22A和22B，示出了具有光学偏转或衍射设备或层的OLED/LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。
如图22A所示，准直器阵列中的每个准直器2001可以是沿垂直或垂直于显示表面的轴的方向的延伸通道。视角适配器光学层2210用于调节来自显示面板的返回探测光的视角，并且位于光学准直器2001和显示面板之间，以选择从显示面板返回的有角度的探测光以进入光学准直器2001，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器2001的返回的探测光的量。
图22B示出了视角适配器光学层2210和主探测光路的更多细节。例如，视角适配器光学层2210可以被实现为衍射图案层，例如棱镜结构2210a。只有来自手指、以适当入射角从显示面板出来的返回探测光1582a和1582b可以弯曲以传输通过准直器2001。相比之下，垂直于显示面板的返回探测光由视角适配器光学层2210引导至远离垂直于显示面板的原始方向，因此变为偏离轴的入射光进入到光学准直器2001。这减少了垂直于显示面板并且可以进入光学准直器2001的返回探测光的量。
当适当的调整视角时，来自指纹谷不同位置2263a和2263b的接收光携带指纹信息。例如，在相同的照明下，由于观察角度以及指尖皮肤的指纹轮廓，光1582a可能比光1582b强。换句话说，检测可以看到一定程度的指纹阴影。这样的布置改进了手指干燥时的检测。
上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，以使得能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。需要注意的是，当人按压设备的手指时，由于按压力的变化，与显示屏的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。
参见图23，接触轮廓面积随着按压力的增加而增加，同时随着按压力的增加，脊纹也会扩大。相反地，接触轮廓面积随着按压力的减小而减小，同时随着按压力的减小，脊纹缩小或收缩。图23示出了在不同的按压力下的同一手指的两个不同的指纹图案：轻按压指纹2301和重按压指纹2303。来自触摸表面上的指纹的所选集成区2305的返回探测光可以由对应于触摸表面上所选集成区2305的光学传感器阵列上的一部分光学传感器进行采集。如下面将进一步解释的，对来自这些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。
当手指接触传感器表面时，手指组织吸收光功率，从而集成在光电二极管阵列上的接收功率减小。特别地，在不对低折射率材料(水、汗液等)进行感测的全内反射模式的情况下，通过分析接收功率变化趋势，传感器可以用于检测手指是接触传感器还是其他情况无意地接触传感器。基于该感测过程，传感器可以确定触摸是否是真实的指纹触摸，因此可以基于触摸是否是真正的手指按压来检测是否唤醒移动设备。因为该检测是基于集成功率检测，用于光学指纹感测的光源在省电模式下。
在细节的指纹图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且通过扩大的指纹脊在触摸界面处吸收更多的光。因此，在相对小的观察区域2305内，集成的接收光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以对按压力进行检测。
因此，通过分析较小区域内的该集成的接收探测光功率变化，可以监测指纹脊图案变形的时域演变。然后，关于指纹脊形图案变形的时域演变的信息可以用于确定手指上的按压力的时域演变。在应用中，人手指的按压力的时域演变可用于通过手指的触摸来确定用户的交互的动态，包括确定人是按压触摸表面，还是将按压手指离开触摸表面。这些用户交互动态可以用于触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是操作移动设备的预期触摸还是偶然的无意触摸，并且基于该确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒处于睡眠模式的移动设备。
此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人的手指可以在两个不同探测光波长获得的光学消光比(如图7、8、9所示)中表现出不同的特性。参见图23，轻按压指纹2301不会明显限制血液流入手指的按压部分，从而产生表示活人组织的两个不同探测光波长处获得的光学消光比。当人使劲按压手指以产生重按压指纹2303时，流向被按压手指部分的血流可能显著减少，因此，两个不同探测光波长处获得的相应的光学消光比与轻按压指纹2301的光学消光比不同。因此，两个不同探测光波长处获得的光学消光比随着不同的按压力和不同的血流条件而变化。该变化与来自人造材料的假指纹图案的不同力的按压的两个不同探测光波长处获得的光学消光比不同。
因此，两个不同探测光波长处获得的光学消光比也可以用于确定触摸是来自用户的手指还是其他。该确定也可以用于确定是否唤醒处于睡眠模式的移动设备。
再如，所公开的光学传感器技术可以用于监测由于人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉动，活人的手指表现的自然运动。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对活人存在的正面确定的组合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。作为另一个示例，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以以下一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
虽然本专利文件包含许多细节，但这些细节都不应解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是作为特征的描述，这些特征可以是特定于特定发明的特定实施例。在本专利文件中的单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以组合在单个实施例中实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地在多个实施例中实现，或在任何适合的部分组合中实现。此外，虽然上文描述的特征在某些组合和原始要求保护的组合中起作用，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中脱离，并且要求保护的组合可以导向到部分组合或部分组合的变形。
类似地，虽然在附图中以特定顺序对操作进行了描述，不应理解为这些操作需要以所示的特定顺序或以连续顺序执行，或需要以所有示出的操作执行，以达到期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例的各种系统组件的分离不应理解为要求在所有实施例中进行分离。
本专利文件仅描述了几个实现方式和示例，基于本专利文件中的描述和说明可以进行其他的实现，改进和变化。
Claims (20)
1.一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：
显示面板，用于显示图像和内容并接收用户接触输入；
光学传感器模块，设置于所述显示面板下方，用于检测接收的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，所述第一信号表示所述指纹的空间图案的图像，所述第二信号表示与所述指纹的所述空间图案不同并表征活人特性的生物学标记，所述光学传感器模块包括光学传感器阵列，所述光学传感器阵列被定位于接收携带接收的所述接触输入的信息的反射探测光，并产生光学传感器信号，
其中，所述光学传感器模块在不同的时间采集不同的指纹图案，以监测指纹脊图案变形的时域演变，所述指纹脊图案变形的时域演变表示来自所述接触输入的按压力的时域演变。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学传感器模块被构造为测量返回的两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，作为表示接收的接触是否来自活人的所述第二信号。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述光学传感器模块被构造为：测量(1)所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，(2)来自所述接触输入的按压力的时域演变，以确定接收的接触是否来自活人。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括：
电路，被通信地耦合以接收所述光学传感器信号，以处理所述第一信号，以确定检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，并且处理所述第二信号，以确定所述生物学标记是否表示与所述指纹关联的所述接触输入来自活人的手指。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述电路用于基于所述指纹脊图案变形的所述时域演变，将所述设备从睡眠模式唤醒。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述显示面板是液晶显示面板，所述设备还包括探测光源，所述探测光源产生照亮所述显示面板的一部分的探测光，以光学地检测接收的所述接触输入的存在。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述光源被构造为：发射两个或两个以上不同波长的所述探测光；其中，所述光学传感器模块被构造为：测量(1)所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，(2)来自所述接触输入的按压力的时域演变，以确定接收的接触是否来自活人。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述显示面板是有机发光显示面板，所述有机发光显示面板包括发光以形成图像的显示像素，其中照亮所述显示面板的一部分，以光学地检测接收的所述接触输入的存在的探测光，来自所述有机发光显示面板的显示像素。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述光学传感器模块被构造为测量由所述有机发光显示面板发射的、返回的两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，作为表示接收的接触是否来自活人的所述第二信号。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学传感器模块包括位于所述显示面板和所述光学传感器阵列之间的光学准直器的光学准直器阵列，以空间地选择返回的探测光，以进入所述光学传感器阵列。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述光学准直器是沿垂直于所述显示面板的方向延伸的通道。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述光学传感器模块还包括光学层，所述光学层在所述光学准直器和所述显示面板之间，以选择从所述显示面板返回的有角度的探测光以进入所述光学准直器，同时减少垂直于所述显示面板并进入所述光学准直器的返回的所述探测光的量。
13.一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：
显示面板，用于显示图像和内容并接收用户接触输入；
光学传感器模块，设置于所述显示面板下方，用于检测接收的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，所述第一信号表示所述指纹的空间图案的图像，所述第二信号表示与所述指纹的所述空间图案不同并表征活人特性的生物学标记，
其中，所述光学传感器模块包括光学传感器阵列和光学准直器阵列，所述光学传感器阵列被定位用于接收携带接收的所述接触输入的信息的反射的探测光，并产生光学传感器信号，所述光学准直器阵列位于所述显示面板与所述光学传感器阵列之间，以空间地过滤返回的所述探测光，以用于所述光学传感器阵列的光学检测。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述光学传感器模块还包括光学层，所述光学层在光学准直器和所述显示面板之间，以选择从所述显示面板返回的有角度的探测光以进入所述光学准直器，同时减少垂直于所述显示面板并进入所述光学准直器的返回的所述探测光的量。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光学层包括光衍射图案，所述光衍射图衍射返回的所述探测光，以引导从所述显示面板返回的有角度的所述探测光进入所述光学准直器。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，所述光学准直器是在垂直于所述显示面板的方向上的细长通道，并且所述光学准直器与所述显示面板之间的光学层被构造为将来自所述显示面板的有角度的所述探测光引导为大致垂直于所述显示面板，以进入所述光学准直器，同时引导来自显示面板的垂直于所述显示面板的一部分探测光远离所述光学准直器的方向。
17.根据权利要求13所述的设备，其中，所述显示面板是液晶显示面板，所述设备还包括探测光源，所述探测光源产生照亮所述显示面板的一部分的探测光，以光学地检测接收的所述接触输入的存在。
18.根据权利要求17所述的设备，其中，所述光源被构造为：发射两个或两个以上不同波长的所述探测光；其中，所述光学传感器模块被构造为测量(1)所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，(2)来自所述接触输入的按压力的时域演变，以确定接收的接触是否来自活人。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述显示面板是有机发光显示面板，所述有机发光显示面板包括发光以形成图像的显示像素，其中照亮所述显示面板的一部分，以光学地检测接收的所述接触输入的存在的探测光，来自所述有机发光显示面板的显示像素。
20.根据权利要求19所述的设备，其中，所述光学传感器模块被构造为测量由所述有机发光显示面板发射的、返回的两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的探测光的消光比，作为表示接收的接触是否来自活人的所述第二信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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