CN110546647A - 基于利用离轴针孔进行透镜-针孔成像的屏下光学指纹传感器 - Google Patents

Abstract

一种光学指纹传感器模块(4620,6000)，包括：光源(436,6009)，用于提供导向手指(6610)的照明光(6620)，所述照明光(6620)的一部分被手指(6610)散射或反射，从而生成信号光(6640,6650)。所述光学指纹传感器模块(4620,6000)还包括具有表面的光电二极管阵列(4623e)；具有光轴的透镜(4621e)，所述光轴相对于所述光电二极管阵列(4623e)的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度；和限定针孔(4621g)的构件，所述针孔(4621g)位于所述透镜(4621e)的光轴之外。所述透镜(4621e)和所述针孔(4621g)用于将所述信号光(6640,6650)聚焦到所述光电二极管阵列(4623e)的表面上。所述光学指纹传感器模块(4620)还包括电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路(435)，所述电子电路(435)用于处理所述光电二极管阵列(4623e)生成的电信号以产生所述手指(6610)的指纹图案的图像。

Description

基于利用离轴针孔进行透镜-针孔成像的屏下光学指纹传 感器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年7月25日提交的申请号为62/703,432的美国临时专利申请的优先权，该临时专利申请通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及电子设备或系统中指纹的感测以及执行其他参数测量的一个或多个感测操作，电子设备或系统包括诸如移动设备等的便携式计算设备、可穿戴设备以及更大的系统。

背景技术

各种传感器可以在电子设备或系统中实现，以提供某些期望的功能。实现用户认证的传感器是各种设备和系统中传感器的一个示例，以保护个人数据并防止未授权访问，该设备和系统包括便携式或移动计算设备(例如，笔记本电脑、平板电脑、智能手机)、游戏系统、各种数据库、信息系统或更大型计算机控制系统。

电子设备或系统上的用户认证可以通过生物特征标识符的一种或多种形式来执行，这种生物特征标识符可以单独使用或与常规密码认证方法一起使用。生物特征标识符的一种普遍形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备中，以读取用户的指纹图案，使得该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来解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一示例是类似腕带设备或手表等的可穿戴设备中的生物医学传感器，其检测用户的生物特征，例如，用户血液的特征、心跳。总之，不同的传感器可以设置在电子设备中，以实现不同的感测操作和功能。

指纹可用于认证访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户，也可以用作单独的认证方法或与诸如密码认证方法等的一种或多种其他认证方法结合使用。例如，包括诸如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等便携式或移动计算设备的电子设备和游戏系统可以利用用户认证机制，以保护个人数据并防止未经授权的访问。又如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统应该被保护为仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中存储的信息可以实质上是个人信息，如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是由组织或企业专有地使用的机密信息，如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则这些数据可能被其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值的机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。

对设备(例如移动设备)或系统(例如电子数据库和计算机控制的系统)的安全访问可以通过不同方式实现，例如使用用户密码。然而，密码可以容易地传播或获取，并且密码的这种性质可以降低密码的安全级别。而且，由于用户需要记住密码以访问受密码保护的电子设备或系统，如果用户忘记密码，则用户需要执行某些密码恢复程序来获得认证或以其他方式重新获得对设备或系统的访问。这些过程对用户来说可能是繁琐的，并且具有各种实际的限制和不便。个人指纹识别可以用于实现用户认证，以在增强数据安全性的同时减轻与密码相关联的某些不期望的效果。

包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以通过一种或多种形式的生物特征标识符来利用用户认证，以保护个人或其他机密数据并防止未经授权的访问。生物特征标识符可以单独使用或与密码认证方法结合使用以提供用户认证。生物特征标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在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来解锁。

发明内容

根据一些实施例，一种光学指纹传感器模块包括光源，用于提供导向手指的照明光。所述照明光的一部分被手指散射或反射，从而生成信号光。所述光学指纹传感器模块还包括具有表面的光电二极管阵列，和具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度。所述透镜用于接收和折射所述信号光。所述光学指纹传感器模块还包括限定针孔的构件，所述针孔位于所述透镜的光轴之外。所述针孔用于将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上。所述光学指纹传感器模块还包括电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路。所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号。所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

根据一些实施例，一种光学指纹传感器模块，用于设置在显示屏的不透明边界下，用于检测邻近所述显示屏的指纹感测区域放置的手指的指纹图案，所述光学指纹传感器模块包括：具有表面的光电二极管阵列；具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度。所述透镜用于接收和折射从所述手指散射或反射并透过所述显示屏的信号光。所述光学指纹传感器模块还包括位于所述透镜的光轴之外的针孔。所述针孔用于将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上。所述光学指纹传感器模块还包括电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路。所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号。所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

根据一些实施例，一种电子设备包括显示屏，包括指纹感测区域和不透明边界；以及光源，用于提供导向邻近所述指纹感测区域放置的手指的照明光。所述照明光的一部分被所述手指散射或反射，从而生成待透过所述显示屏的信号光。所述电子设备还包括光学指纹传感器模块，位于所述显示屏下方所述不透明边界下方。所述光学指纹传感器模块包括光电二极管阵列，具有基本上平行于所述显示屏的表面；和具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度。所述透镜用于接收和折射所述信号光。所述光学指纹传感器模块还包括位于所述透镜的光轴之外的针孔。所述针孔形成为将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上。所述光学指纹传感器模块还包括电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路。所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号。所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

附图说明

图1是根据一些实施例的具有指纹感测模块的系统的示例的框图，该系统可以实现为包括光学指纹传感器。

图2A和2B示出了根据一些实施例的电子设备的示例性实现方式，该电子设备具有触摸感测显示屏组件和位于该触摸感测显示屏组件下方的光学指纹传感器模块。

图3A和3B示出了根据一些实施例的实现图2A和2B中示出的光学指纹传感器模块的设备的示例。

图4A和4B示出了根据一些实施例的用于实现图2A和2B中示出的设计的、位于显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的示例性实现方式。

图5A-5C示出了根据一些实施例的来自两种不同光学条件下的顶部感测表面上的感测区的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。

图6A-6C、7、8A-8B、9和10A-10B示出了根据一些实施例的屏下光学指纹传感器模块的示例设计。

图11示出了根据一些实施例的在不同的铺设条件下通过成像模块在顶部透明层上的指纹感测区域的成像，其中成像设备将该指纹感测区域成像到光学传感器阵列上，并且该成像设备可以是光学透射的或光学反射的。

图12是示出了根据一些实施例的用于减少或消除背景光在指纹感测中的不期望的贡献的指纹传感器的示例性操作的流程图。

图13是示出了根据一些实施例的用于操作屏下光学指纹传感器模块以采集指纹图案的示例性过程的流程图。

图14-16示出了根据一些实施例的用于通过使用两种不同光色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的物体是否是活体手指的一部分的示例性操作过程。

图17-23示出了根据一些实施例的基于针孔-透镜组件的显示屏下光学指纹传感器模块的示例和操作。

图24A-24B、25A-25C和26示出了根据一些实施例的利用光学耦合器的不可见的显示屏下光学指纹传感器模块的示例。

图27示出了根据一些实施例的将光学指纹传感器模块与显示屏集成的示例性实现方式。

图28示出了根据一些实施例的如图27所示的可以与显示屏集成的示例性光学指纹传感器模块。

图29示出了根据一些实施例的如图27和28所示的与光学指纹传感器模块集成的显示屏的示例性结构。

图30示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块。

图31示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块。

图32示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块。

图33示出了可以存在于实现如图27-32所示的显示屏下光学指纹感测设计的设备中的不同光信号。

图34A和34B示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块。

图35A和35B示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块。

具体实施方式

电子设备或系统可以配备有指纹认证机制，以提高访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备，还包括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、各种终端到各种电子系统、数据库，或者用于商业或政府用途的信息系统，包括汽车、船、火车、飞机和其他等的机动运输系统。

指纹感测在移动应用和其他使用或需要安全访问的应用中是有用的。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在线购物等的安全金融交易。所期望的是，包括适用于移动设备和其他应用的鲁棒且可靠的指纹感测。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到给定设备上最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感测的占用最小化或消除。由于电容感测的近场交互要求，电容式指纹传感器的许多实现方式必须在设备的顶面上实现。

光学感测模块可以设计为减轻电容式指纹传感器中的上述和其他限制并实现附加的技术优势。例如，在实现光学指纹感测设备时，携带指纹成像信息的光可以在距离上被引导到光学检测器的光学检测器阵列，用于检测指纹，而不限于电容式传感器中的近场感测。特别地，携带指纹成像信息的光可以被引导透过诸如触摸感测屏的许多显示屏中常用的顶部盖板玻璃和其他结构，并且可以被引导通过折叠或复杂的光学路径到达光学检测器阵列，从而允许灵活地将光学指纹传感器放置在不适用于电容式指纹传感器的设备中。基于本文公开的技术的光学指纹传感器模块可以是屏下光学指纹传感器模块，其放置在显示屏下方以采集和检测来自放置在屏幕的顶部感测表面上或上方的手指的光。如本文所公开的，除了检测和感测指纹图案之外，光学感测还可以用于光学地检测与用户或用户动作相关联的其他参数，例如检测到的指纹是否来自活人的手指以提供反欺骗机制，或光学地检测用户的某些生物参数。

I、显示器下光学感测模块概述。

本公开描述的光学感测技术和实现方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，进而执行基于这种光的光学感测的一种或多种感测操作。一种用于实现所公开的光学传感器技术的适当的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括：液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏，其使用背光以向LCD像素提供白光照明，并且使用匹配的光学滤波器以实现彩色LCD像素，或者具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成光，用于形成屏幕上的显示图像，例如，有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏。尽管所公开技术的各个方面适用于OLED屏和其他显示屏，下面提供的具体示例涉及屏下光学感测模块与LCD屏的集成，因此包含与LCD屏相关联的某些技术细节。

为了被用户看到，由显示屏产生的用于显示图像的光的一部分必然穿过该显示屏的顶面。与顶面接触或靠近顶面的手指与顶面处的光相互作用，以使触摸表面区域处的反射光或散射光携带手指的空间图像信息。这种携带手指的空间图像信息的反射光或散射光返回到顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，例如，顶面是接触用户的触摸感测界面，并且用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在各种触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示屏和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器倾向于是与显示屏分离的设备，要么被设置在显示屏的同一表面上的除显示屏区域之外的位置处，例如在苹果手机(iphone)和三星智能手机的一些模型中，要么被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌等智能手机的一些模型，以避免占用正面上的用于设置大显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，因此需要是紧凑的，以节省显示屏和其他功能的空间，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，在许多指纹传感器中，设计指纹传感器为紧凑且小巧的需求与采集指纹图案时提供高空间图像分辨率的需求彼此直接冲突，因为在基于各种适当的指纹感测技术(例如，电容式触摸感测或光学成像)采集指纹图像时的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域。

本公开中描述的传感器技术和传感器技术的实现方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块。在一些实现方式中，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，进而基于这种光的光学感测执行一个或多个感测操作，或者在其他实现方式中，基于来自一个或多个与用于光学感测的显示屏光源分离的指定的照明光源的用于光学感测的指定照明光或探测光，执行一个或多个感测操作，或者在某些实现方式中，基于用于光学感测的背景光，执行一个或多个感测操作。

在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测模块集成到LCD屏的示例中，LCD下光学传感器可以用于检测光的一部分，该光的一部分用于在LCD屏中显示图像，其中，用于显示屏的光的这一部分可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实现方式中，基于背光的LCD屏的图像光在遇到用户手指或手掌等物体、或像触笔等的用户指针设备时，可以作为返回光而反射或散射回LCD显示屏中。这种返回光可以被采集，以用于使用所公开的光学传感器技术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，基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块被专门设计为集成到LCD显示屏，其中，该集成的方式保留LCD显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强诸如智能手机、平板电脑或移动/可穿戴式设备等电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。

另外，在所公开的光学感测技术的各种实现方式中，可以设置一个或多个指定的探测光源，以产生用于LCD屏下光学感测模块进行光学感测操作的附加照明探测光。在这种应用中，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。

关于除指纹检测以外的附加的光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，鉴于整个LCD显示屏上可用的大触摸区域，所公开的光学传感器技术能够测量人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/平板电脑(iPad)设备的主按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，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相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来通过“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体的手，该“活体手指”检测机制可以基于，例如，血液在不同光学波长下的不同光学吸收行为，事实上，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的从手指或手掌返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的对象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存在活体的正面确定的结合来增强访问控制。又如，光学指纹传感器模块可以包括感测功能，该感测功能用于基于来自手指或手掌的返回光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化能够以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。这些或其他变化可以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指纹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指纹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，以进行与LCD显示屏上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，光学指纹传感器模块可以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造成的返回光，而由其他物体造成的返回光不会被光学指纹传感器模块检测到。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引起设备的苏醒，以实现节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学指纹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，其中，通过关闭LCD像素(以及关闭LCD背光)使其处于“睡眠”模式，同时开启用于LCD面板下光学指纹传感器模块的一个或多个照明光源(例如LED)使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感测人的手指或手掌的任何触摸。在这种设计下，光学指纹传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，使得光学指纹传感器模块能够检测LCD显示屏的手指触摸所造成的这种唤醒感测光的返回光，并且一旦检测到返回光，LCD背光和LCD显示屏即被开启或“唤醒”。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。LCD显示屏操作可以控制为通过消除用于指纹的光学感测的背景光来提供改进的指纹感测。在一个实现方式中，例如，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果与显示相关的两帧指纹信号在LCD显示屏开启时生成一帧，并在LCD显示屏关闭时生成另一帧，则这两帧指纹信号的差集可以用于减少周围的背景光的影响。在一些实现方式中，通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，能够减少指纹感测中的背景光噪声。

基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD显示屏的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中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。

在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块可以被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到显示屏，而不需要改变LCD显示屏的设计以提供指纹感测等期望的光学感测功能。就这点而言，基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏的设计，这是由于光学指纹传感器模块的以下性质：这种光学指纹传感器模块的光学感测是通过检测由光学指纹传感器模块的一个或多个照明光源发出的并从显示区域的顶面返回的光进行的，并且所公开的光学指纹传感器模块耦合到LCD显示屏的背面而作为屏下光学指纹传感器模块，用于接收来自显示区域的顶面的返回光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种屏下光学指纹传感器模块可以用于与LCD显示屏组合，以提供LCD显示屏上的光学指纹感测和其他传感器功能，而不使用具有专门设计用于提供这种光学感测的硬件的特殊设计的LCD显示屏。所公开的光学传感器技术的这一方面使得智能手机、平板电脑或其他电子设备中的各种LCD显示屏具有来自所公开的光学传感器技术的光学感测的增强功能。

例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有手机组件设计，像某些苹果iPhone或三星盖乐世系列(Galaxy)智能手机，这种现有手机组件设计可以不改变触摸感测显示屏组件而集成如本文所公开的屏下光学指纹传感器模块，以提供增加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要单独的指定感测区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏区域外的前置指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想中一些模型在背面具有指定的后置指纹传感器，本文所公开的屏上指纹感测的集成不需要对现有手机组件设计或具有触摸感测层和显示层的触摸感测显示模块进行实质的改变。基于本文件中所公开的光学感测技术，不需要在设备外部设置用于添加所公开的用于指纹感测的光学指纹传感器模块的外部感测端口和外部硬件按钮。添加的光学指纹传感器模块和相关电路位于手机外壳内的显示屏下方，并且指纹感测可以在触摸屏的相同触摸感测表面上面方便地进行。

又如，由于用于指纹感测的光学指纹传感器模块的上述性质，集成这种光学指纹传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响LCD显示屏的设计或制造或加重LCD显示屏的设计或制造负担，以在产品周期中为设备制造和改进/升级提供期望的灵活性，同时维持更新版本的光学感测功能对使用LCD显示屏的智能手机、平板电脑或其他电子设备的实用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感测层或LCD显示层，利用所公开的屏下光学指纹传感器模块无需为指纹感测特征增加任何显著的硬件改变。此外，通过使用新版本的屏下光学指纹传感器模块，可以将针对这种光学指纹传感器模块实现的指纹感测或其他光学感测功能的改进的屏上光学感测添加到新产品版本中，而不需要对手机组件设计作出显著的改变，包括增加额外的光学感测功能。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为向新一代的电子设备提供改进的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有LCD显示屏的智能手机、平板电脑和其他电子设备，以提供各种触摸感测操作和功能，并增强这种设备的用户体验。基于包括LCD和OLED显示器的不同技术，本文公开的光学指纹传感器模块的特征可适用于各种显示面板。以下的具体示例针对的是LCD显示面板和置于LCD显示面板下的光学指纹传感器模块。

在所公开的技术特征的实现方式中，可以设置附加的感测功能或感测模块，如生物医学传感器，例如在像腕带设备或手表的可穿戴设备中的心跳传感器。总之，可以在电子设备或系统中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。

所公开的技术可以实现为提供执行人体指纹的光学感测和用于认证对配备有指纹检测模块的诸如移动设备等的锁定计算机控制设备或计算机控制系统的访问尝试的认证的设备、系统和技术。所公开的技术可以用于保护对各种电子设备和系统的访问，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行ATM等其他电子设备或系统。

II、显示器下光学感测模块的设计示例。

在以下部分中，用于屏下光学指纹传感器模块的各种设计的示例，用于将光学信号收集到光学检测器并提供所需的光学成像，例如具有足够的成像分辨率。下面提供用于屏下光学感测模块的光学成像设计的具体示例，包括没有成像透镜的光学成像设计、具有至少一个成像透镜的光学成像设计以及基于将针孔和成像透镜组合到针孔-透镜组件中的光学成像设计，用于改进的光学成像和紧凑的光学指纹传感器模块封装。

图1是具有包括指纹传感器181的指纹感测模块180的系统180的示例的框图，指纹传感器181可以实现为包括基于本文件中所公开的指纹的光学感测的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186，数字处理器186可以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是授权用户的指纹图案。指纹感测系统180使用指纹传感器181获得指纹并将获得的指纹与储存的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹感测系统180保护的设备或系统188中的功能。在操作中，基于采集的用户指纹是否来自授权用户，用于指纹处理的处理器186控制对设备188的访问。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹感测像素，如统一表示指纹中的至少一部分的像素182A-182E。例如，指纹感测系统180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的用户的指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。再如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。又如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。

作为一个具体示例，图2A和2B示出了电子设备200的一个示例性实现，该电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于该触摸感测显示屏组件下方的光学指纹传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于光学照亮LCD像素的背光的LCD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(例如OLED显示屏)来实现。电子设备200可以是智能手机或平板电脑等便携式设备，也可以是如图1所示的设备188。

图2A示出了设备200的正面，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的正面，占据正面空间的全部、大部分或显著部分，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收手指的一个或多个感测区域。作为示例，图2A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，用于用户放置手指以进行指纹感测。这种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，在设备屏幕外的设备200的正面上可以设置一个或多个可选的传感器。

图2B示出了设备200中与本文件中公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图2B中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、以及位于触摸感测屏幕模块下的具有显示层的显示屏模块。光学指纹传感器模块耦合到显示屏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顶面的返回光，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，该光学传感器阵列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。光学指纹传感器模块下方是设备电子结构，该设备电子结构包含用于设备200中的光学指纹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内部，并且可以包括如图2B所示的光学指纹传感器模块的下方的一部分。

在一些实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层的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，接收用于触摸感测屏幕模块的触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(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为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。

显示屏的一个示例是具有LCD层以及薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)结构或基板的LCD显示器。LCD显示面板为多层式液晶显示(LCD)模块，该多层式LCD模块包括发出用于LCD像素的LCD照明光的LCD显示背光光源(例如LED灯)、引导背光的光波导层、以及可以包括例如液晶(LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤波器层和触摸感测层的LCD结构层。LCD模块还包括在LCD结构层下方且在光波导层上方的背光漫射器以及光波导层下方的光学反射器膜层，该背光漫射器用于空间传播用于照亮LCD显示像素的背光，该光学反射器膜层用于将背光再循环至LCD结构层，以提高光利用率和显示亮度。对于光学感测，设置一个或多个单独的照明光源，并且独立于LCD显示模块的背光光源操作。

参见图2B，本示例中的光学指纹传感器模块位于LCD显示面板的下面，以采集来自该顶部触摸感测表面的返回光，并且获取当用户的手指与该顶面上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指纹传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学指纹传感器模块的设备的示例。图3A示出了包括屏下光学指纹传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图3B在左侧示出了具有触摸感测显示器的设备的正面的视图，指示了显示屏中下部的指纹感测区域，并在右侧示出了包括位于设备显示屏组件下面的光学指纹传感器模块的设备的一部分的透视图。图3B还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。

在图2A-2B和3A-3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些其他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(例如，一些移动手机设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)之间具有物理分界。在本文所示的设计中，用于检测指纹感测信号和其他光学信号的光学指纹传感器位于顶部盖板玻璃或层的下面(例如图3A)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为横跨垂直堆叠并垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感测和触摸敏感的显示屏集成在共同且均匀的表面下的这种设计示例提供了益处，包括提高了设备一体化，增强了设备封装，增强了设备对外部元件、故障、磨损和撕裂的抵抗力，并且增强了设备的所有权期间的用户体验。

返回参考图2A和2B，所示的用于屏上指纹感测的屏下光学指纹传感器模块可以以各种配置来实现。

在一个实现方式中，基于上述设计的设备可以被构造成包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感测操作并且包括用于形成显示图像的LCD显示面板结构，该设备还包括顶部透明层，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、并透射来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面，该设备还包括光学指纹传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。

本文公开的这种设备和其他设备还可以被配置为包括各种特征。

例如，设备电子控制模块可以包括在该设备中，以在检测到的指纹与授权用户的指纹匹配时准许用户对该设备的访问。此外，光学指纹传感器模块除了用于检测指纹外，还用于通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活体，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活体，则设备电子控制模块用于准许用户对该设备的访问。该生物表征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。

例如，该设备可以包括耦合到显示面板结构的设备电子控制模块，以向发光显示像素提供电源，并控制显示面板结构的图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作为关闭一帧中的发光显示像素并开启下一帧中的发光显示像素，以允许光学传感器阵列采集具有发光显示像素照明和不具有发光显示像素照明的两个指纹图像，来减少指纹感测中的背景光。

再如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向LCD显示面板提供电源，并关闭LCD显示面板的背光电源处于睡眠模式，并且当光学指纹传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以用于将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实现方式中，设备电子控制模块可以用于操作光学指纹传感器模块中的一个或多个照明光源间歇性地发光，同时关闭LCD显示面板的电源(处于睡眠模式)，用于将间歇发出的照明光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监测是否存在与指定的指纹感测区域接触的人的皮肤，用于将设备从睡眠模式唤醒。

再如，该设备可以包括设备电子控制模块，该设备电子控制模块耦合到光学指纹传感器模块，以接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块操作为测量该多个检测到的指纹的变化并确定造成测量到的该变化的触摸力。例如，该变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸区域的变化、或指纹脊的间距的变化。

再如，顶部透明层可以包括用于用户通过手指触摸以进行指纹感测的指定的指纹感测区域，并且显示面板结构下方的光学指纹传感器模块可以包括与显示面板基板接触的透明块，以接收从该显示面板结构发出的并从该顶部透明层返回的光，该光学指纹传感器模块还可以包括接收该光的光学传感器阵列以及光学成像模块，该光学成像模块将该透明块中接收到的该光成像到该光学传感器阵列上。该光学指纹传感器模块可以相对于指定的指纹感测区域设置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，选择性地接收顶部透明层的顶面处通过全内反射返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收从指定的指纹感测区域返回的光。

又如，光学指纹传感器模块可以被构造成包括位于显示面板结构下方的光楔，以改变与该光楔接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，进而允许从该显示面板结构提取出穿过该底面的光，该光学指纹传感器模块还可以包括光学传感器阵列，接收来自该光楔的从该显示面板结构提取出的光，还可以包括光学成像模块，位于该光楔和该光学传感器阵列之间，以将来自该光楔的光成像到该光学传感器阵列上。

下面提供了用于屏上指纹感测的屏下光学指纹传感器模块的具体示例。

图4A和4B示出了用于实现图2A和2B中的设计的、位于显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的一个实现方式的示例。图4A和4B中示出的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，顶部透明层431形成于设备屏幕组件423之上，作为被用户触摸以进行触摸感测操作、并且透射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，顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下面的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分的光学透射，使得来自顶面的光能够部分地透过LCD显示层到达LCD下光学指纹传感器模块。例如，LCD显示层包括电极和布线结构，光学地用作孔阵列和光散射物体。设备电路模块435可以设置在该LCD显示面板的下面，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。

本具体实现方式的示例中的光学指纹传感器模块702位于LCD显示模块433下。设置一个或多个照明光源，例如LCD显示模块433下面的照明光源436或/和位于顶部盖板玻璃431下面的另一个或多个照明光源，用于提供光学指纹感测模块702进行光学感测的照明光或探测光，并且可以控制该一个或多个照明光源发光，以至少部分地穿过LCD显示模块433以照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上的用于用户将手指放入其中来进行指纹识别的指纹感测区615。来自一个或多个照明光源436的照明光可以被引导至顶面上的指纹感测区域615，如同该照明光来自指纹照明光区613。另一个或多个照明光源可以位于顶部盖板玻璃431下面，并且可以邻近顶面上的指纹感测区域615放置，以引导产生的照明光到达顶部盖板玻璃433而无需穿过LCD显示模块433。在一些设计中，一个或多个照明光源可以位于顶部盖板玻璃431的底面上方，以引导产生的照明光到达顶部盖板玻璃433的顶面上方的指纹感测区域，而不必穿过顶部盖板玻璃431，例如，直接照亮顶部盖板玻璃431上方的手指。

如图4A所示，手指445被放置在照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为用于指纹感测的有效感测区。区域615中反射或散射的光中的一部分被引导至LCD显示模块433下的光学指纹传感器模块中，并且光学指纹传感器模块内的光电检测器感测阵列接收这种光，并且采集由接收的该光所携带的指纹图案信息。一个或多个照明光源436不同于LCD显示模块的背光源，并且独立于LCD显示模块的背光源操作。

在使用一个或多个照明光源436来提供用于光学指纹感测的照明光的这种设计中，在一些实现方式中，可以控制每个照明光源436以相对较慢的周期间歇性地开启，从而减少用于光学感测操作的电源。在一些实现方式中，指纹感测操作可以以两步过程来实现：首先，以闪光模式开启一个或多个照明光源436，而不开启LCD显示面板，从而使用闪烁的光来感测手指是否触摸感测区615，然后，一旦检测到区615中的触摸，则操作光学感测模块执行基于光学感测的指纹感测，并且可以开启LCD显示面板。

在图4B的示例中，屏下光学指纹传感器模块包括耦合到该显示面板的透明块701，以接收来自设备组件的顶面的返回光；以及执行光学成像和成像采集的光学成像块702。在照明光源436定位成引导照明光首先透过顶部盖板玻璃431到达手指的设计中，在来自一个或多个照明光源436的光到达盖板顶面之后，例如，感测区域615处的盖板顶面处，用户手指触摸或位于而不接触该盖板顶面，从盖板顶面反射或散射回。当指纹脊与感测区域615中的盖板顶面接触时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，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。该盖板顶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这种不同形成了图像，该图像表示该手指的触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导回LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达该光学指纹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的折射率被构造成小于LCD显示面板的折射率，使得返回光可以从LCD显示面板提取到该光学透明块701中。一旦该返回光在该光学透明块701内被接收，这种接收到的光进入光学成像单元作为成像感测块702的一部分，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造成了指纹图像的对比。如图4B所示，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。

在该特定的示例中，光学光路设计被构造为使得照明光在基板和空气界面之间的顶面上以全反射角进入盖板顶面，因此，反射光被块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，由于手指组织不触摸顶部盖板玻璃431的顶部盖板表面的每个手指谷位置处的全内反射条件，指纹脊/谷区域的图像呈现最大对比度。这种成像系统的实现方式可能具有对指纹感测产生不利影响的不期望的光学失真。因此，基于沿返回光的光路在光学传感器阵列处的光学失真情况，在对块702中的光学传感器阵列的输出信号进行处理时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。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，失真校正系数可以由每个光电检测器像素处采集的图像生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调谐一个单独的像素并扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种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(如太阳光或室内照明光)可以通过LCD面板顶面、进而通过LCD显示组件433中的孔进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且因此可能不期望地降低了采集图像的对比度。可以使用不同的方法来减少背景光所引起的这种不期望的基线强度。一个示例是以一定的照明调制频率f开启和关闭照明光源436，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器能够以相同照明调制频率获取接收到的图像。在这种操作下，图像相位中只有一个包含来自光源的光。在实现该技术时，可以将成像采集定时成在偶数(或奇数)帧处开启照明光，同时在奇数(或偶数)帧处关闭照明光来采集图像，因此，可以减去偶数帧和奇数帧，用于获得主要由具有明显减少的背景光的调制照明光源发出的光形成的图像。基于这种设计，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号，并且通过在一帧中开启照明光而在另一帧中关闭照明光来获得两个连续的信号帧。相邻帧的减法可用于最小化或基本上减小环境背景光的影响。在一些实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。

在图4B所示的示例中，来自一个或多个照明光源436的光的一部分还可以穿过盖板顶面，并进入手指组织。这部分的照明光被散射在周围，并且该散射光中的一部分可以最终被光学指纹传感器模块702中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度是与手指的内部组织相互作用的结果，因此取决于手指的皮肤颜色、手指组织或内部手指组织中的血液浓度。手指的这种信息由手指上的这种散射光携带，对于指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测到。例如，用户手指图像区域的强度可以集成在用于测量或观测与用户心跳的相位相关或依赖于用户心跳的相位的血液浓度的增加或减少的检测中。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是否是活体手指，或者提供具备仿造的指纹图案的欺骗设备。本专利文件的后面部分提供了使用携带手指的内部组织信息的光中的信息的附加示例。

在一些设计中，图4B中的一个或多个照明光源436可以设计成发出不同颜色或波长的照明光，并且光学指纹传感器模块可以采集不同颜色或波长下来自人的手指的返回光。通过记录在不同颜色或波长下相应测量到的返回光的强度，可以测量或确定与用户的肤色相关联的信息、手指内的血流或内部组织结构。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还可操作为分别测量在两种不同颜色或与光色A和光色B相关联的照明光波长下来自手指的散射光的强度，分别为强度Ia和Ib。当用户的手指放在顶部感测表面上的感测区域上以测量指纹时，可以记录Ia/Ib的比率，以与稍后的测量结果作比较。该方法可以用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝通过使用模拟或与用户的指纹相同但可能与用户的肤色或用户的其他生物信息不匹配的指纹制造的欺骗设备。

一个或多个照明光源436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)控制。该一个或多个照明光源436可以以短时间(例如，低占空比)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操作为以相同的脉冲占空比监测光图案。如果人类手指触摸屏幕上的感测区域615，则块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可以操作为确定该触摸是否为人类手指触摸。如果确定是人类手指触摸事件，MCU 704可以操作为唤醒智能手机系统，开启用于执行光学指纹感测的一个或多个照明光源436，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，智能手机解锁手机，以允许用户访问手机并启动正常操作。如果采集的该图像不存在匹配，智能手机向用户反馈该认证失败并保持手机的锁定状态。用户可以尝试再次进行指纹感测，或者可以输入密码作为解锁手机的替代方式。

在图4A和4B所示的示例中，屏下光学指纹传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电检测器感测阵列上。作为示例，图4B中示出了从感测区615至块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和成像感测块702的光电检测器感测阵列前方的前端形成了大的成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，失真校正可以用于实现期望的成像操作。

在本文公开的由图4A和4B中的屏下光学指纹传感器模块和其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学指纹传感器模块的光学信号包括不同的光组分。图5A-5C示出了用于不同光学条件下从感测区615返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。从照明光源或从其他光源(例如，背景光)进入手指的光可以在手指表面下方的组织中产生内部散射光，例如图5A-5C中的散射光191。在手指表面下方的组织中的这种内部散射的光可以通过手指的内部组织传播并且随后透过手指皮肤进入顶部透明层431，携带有被手指表面散射、折射或反射的光未携带的某些信息，例如，关于手指皮肤颜色的信息、手指内的血液浓度或流动特性、或手指的光学透射图案，包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

图5A示出了来自一个或多个照明光源436的照明光如何通过OLED显示模块433传播的示例，并在透过顶部透明层431后生成到屏下光学指纹传感器模块的不同的返回光信号，该返回光信号包括携带指纹图案信息的光信号。简单起见，两种不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而在与顶部透明层431接合处不经历全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指60与顶部透明层431上的感测区615接触。如图所示，照明光束80在透过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183和返回至LCD显示模块433的另一光束181。照明光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面返回到LCD显示模块433的反射光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷反射的第三光束187。

在图5A的示例中，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。手指脊-盖板玻璃的界面对光束80的部分光束进行反射，作为到LCD显示模块433下方的底层524的反射的光181。在一些LCD面板中，其反射率低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为透过手指组织60中的光束183，手指组织60造成光183的散射，产生向LCD显示模块433和底层524返回的散射光191。来自LCD像素73的透射光束189在手指组织中的散射也对返回的散射光191有贡献。

手指皮肤谷位置63处的光束82被盖板玻璃表面反射。在一些设计中，例如，随着反射光185朝向底层524，反射率可以是大约3.5％，并且手指谷表面可以将入射光功率的大约3.3％(光187)反射到底层524，使得全反射可能约为6.8％。大部分光189透射至手指组织60中。手指组织中的透射光189中的光功率中的一部分被手指组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。

因此，在图5A的示例中，来自触摸手指的手指谷和手指脊处的各种界面或表面的光反射是不同的，反射比差携带指纹地图信息，并且可以测量该反射比差以提取与顶部透明层431接触且被OLED光照亮到的部分的指纹图案。

图5B和5C示出了不同条件下和在相对于手指的谷或脊的不同位置处，顶面处的两种附加类型的照明光线的光路，包括全反射条件下与顶部透明层431接合处的光路。图示的照明光线生成不同的返回光信号，其包括将指纹图案信息携带至屏下光学指纹传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得对盖板玻璃431具有大的入射角的照明光在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、5B和5C示出了三组不同的发散光束的示例：(1)中心光束82，对盖板玻璃431具有小的入射角且没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201，202，211和212，当盖板玻璃表面没有被触摸时，在盖板玻璃431处被全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合到手指组织中(图5B和图5C)，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指组织触摸的位置处，也在盖板玻璃431处被全反射。

对于中心光束82，在一些设计中，盖板玻璃表面反射约为0.1％～3.5％的光至光束185，这部分光透射至底层524中，手指皮肤可以反射约为0.1％～3.3％的光至光束187，这部分光也透射至底层524中。反射差取决于光束82是否与手指皮肤脊61或谷63相遇。剩余的光束189被耦合到指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束201和202，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别反射几乎100％至光束205和206。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面且在光束201和202的位置处时，光功率中的大部分可以通过光束203和204耦合到手指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别反射几乎100％至光束213和214。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光功率耦合到手指组织60中。

如图5A所示，耦合到手指组织60中的照明光的一部分会经由内部手指组织发生随机散射，以形成低对比度光191，并且这种低对比度光191中的一部分将穿过LCD显示模块433到达光学指纹传感器模块。由光学指纹传感器模块采集的这部分光包含关于手指皮肤颜色、血液特征和与指纹相关联的手指内部组织结构的附加信息。用于在光学感测中使用手指表面下方组织中的内部散射光的附加特征将在本专利文件的后面部分中解释，例如获得手指的光学透射图案，包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

因此，在高对比度光束照亮的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。

基于图2A和2B中示出的设计，所公开的屏下光学感测技术可以以各种配置来光学地采集指纹。

例如，可以以各种配置来实现图4B中基于使用光学感测模块中的大的成像模块进行光学成像的具体实现。图6A-6C、7、8A-8B、9、10A-10B、11和12示出了用于光学指纹感测的屏下光学指纹传感器模块设计的各种实现方式、附加特征和操作的示例。

图6A-6C示出了屏下光学指纹传感器模块的示例，该屏下光学指纹传感器模块基于透镜进行光学成像，用于采集来自按压显示盖板玻璃423的手指445的指纹。图6C是图6B所示的光学指纹传感器模块部分的放大视图。如图6B所示的屏下光学指纹传感器模块位于LCD显示模块433下方，该屏下光学指纹传感器模块包括与LCD显示模块433的底面连接的光学透明间隔物617，以接收来自顶部透明层上431的顶面上的感测区615的返回光，该屏下光学指纹传感器模块还包括位于间隔物617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，以将接收到的来自感测区615的返回光成像在光电检测器阵列623上。与图4B示出的没有透镜的光学投影成像系统的示例不同，图6B中的成像设计的示例使用成像透镜621在光电检测器阵列623处获取指纹图像，并且通过成像透镜621的设计实现图像缩小。在一定程度上类似于图4B示例中的成像系统，图6B中用于光学指纹传感器模块的成像系统可能经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如，对图4B中系统所描述的失真校正方法。

与图5A-5C中的假设相似，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当OLED显示模块433粘合在盖板玻璃431上且没有任何气隙时，全内反射以等于或大于界面的临界入射角的大角度发生。如果盖板玻璃顶面没有被接触，则全反射入射角约为41.8°，并且如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。

在这种设计中，微透镜621和光电二极管阵列623限定了采集感测区615中接触手指的图像的视角θ。为了检测感测区615中盖板玻璃表面中的期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准视角θ来感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效感测的盖板玻璃表面615可以被视为镜子，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示器中指纹照明光区613的图像，该图像由感测的盖板玻璃表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电检测器阵列623可以接收由感测盖板玻璃表面615反射的区域613的图像。当手指触摸感测区615时，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电检测器阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学检测路径的几何形状是已知的，因此可以校正光学指纹传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真。

作为具体的示例，考虑到图6B中从检测模块中心轴到盖板玻璃顶面的距离H为2mm，这种设计可以直接覆盖5mm的有效感测区615，该有效感测区615在盖板玻璃上具有宽度Wc。调整间隔物617的厚度可以调整检测器位置参数H，并且可以优化有效感测区宽度Wc。由于H包括盖板玻璃431和显示模块433的厚度，所以该申请设计应当将这些层考虑在内。间隔物617、微透镜621和光电二极管阵列623可以集成在顶部透明层431的底面上的彩色涂层619的下方。

图7示出了用于图6A-6C中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，该另一设计考虑通过使用特殊的间隔物618代替图6B-6C中的间隔物617，以增加感测区域615的尺寸。间隔物618被设计为具有宽度Ws，厚度为Hs，具有低折射率(refraction index，RI)ns，并且，间隔物618位于LCD显示模块433下，例如，被附接(如粘合)到LCD显示模块433的底面。间隔物618的端面是与微透镜621接合的成角度的或倾斜的面。间隔物和透镜的这种相对位置不同于图6B-6C中透镜位于间隔物617的下方。微透镜621和光电二极管阵列623被组装到具有检测角度大小为θ的光学检测模块中。由于在间隔物618和显示模块433之间的界面处的光学折射以及在盖板玻璃431和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角和是由部件材料的折射率RI，ns、nc和na决定的。

如果nc大于ns，则大于由此，折射放大了感测宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效RI在550nm处约为1.44，并且盖板玻璃的折射率RI约为1.51，如果盖板玻璃顶面没有被触摸，则全反射入射角估计约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差值约为31.9°。如果间隔物618是由与盖板玻璃相同的材料制成，则从检测模块中心至盖板玻璃顶面的距离为2mm，如果检测角为θ＝31.9°，则有效感测区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角为如果特殊间隔物618的材料具有约为1.4的折射率ns且Hs为1.2mm，则检测模块在处倾斜。有效感测区域宽度被增加到大于6.5mm。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角宽度被降低到19°。因此，光学指纹传感器模块的成像系统可以设计为期望扩大顶部透明层431上的感测区域615的尺寸。

当特殊间隔物618的折射率RI被设计为足够低(如，使用MgF₂、CaF₂或甚至空气来形成间隔物)时，有效感测区域615的宽度Wc不再受限于盖板玻璃431和显示模块433的厚度。这种性质提供了具有期望的设计灵活性。原则上，如果检测模块具有足够的分辨率，有效感测区域甚至可以增加到覆盖整个显示屏。

因为所公开的光学传感器技术可以用于提供大的感测区域来采集图案，所以所公开的屏下光学指纹传感器模块不仅可以用于采集和检测手指的图案，还可以用于采集和检测更大尺寸的图案，例如与人相关联的人的手掌，来进行用户认证。

图8A-8B示出了用于图7中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，在该设计中，设置光电检测器阵列在显示屏表面中相对的检测角θ’以及透镜621和间隔物618之间的距离L。图8A示出了沿着垂直于显示屏表面的方向的横截面视图，图8B示出了从显示屏底部或顶部看到的设备的视图。填充材料618c可以用于填充透镜621和光电检测器阵列623之间的间隔。例如，填充材料618c可以是与特殊间隔物618相同的材料或者是另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气间隔。

图9示出了基于图7的设计中的屏下光学指纹传感器模块的另一示例，其中，设置了一个或多个照明光源614，以照亮用于光学指纹感测的顶面感测区615。照明光源614可以是扩展类型或是准直类型的光源，使得有效感测区615内所有的点被照亮。照明光源614可以是单元件光源或光源阵列。

图10A-10B示出了使用形状为薄楔的光学耦合器628的屏下光学指纹传感器模块的示例，以提高在光学传感器阵列623处的光学检测。图10A示出了具有用于指纹感测的屏下光学指纹传感器模块的设备结构的横截面，图10B示出了设备屏幕的顶视图。光楔628(具有折射率ns)位于显示面板结构的下方，以改变与光楔628接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，以允许从显示面板结构提取出穿过底面的光。光学传感器阵列623接收来自光楔628的从显示面板结构提取出的光，光学成像模块621位于光楔628和光学传感器阵列623之间，以将来自光楔628的光成像到光学传感器阵列623上。在所示的示例中，光楔628包括面对着光学成像模块和光学感测阵列623的倾斜光楔面。并且，如图所示，在光楔628和光学成像模块621之间存在空闲间隔。

如果光在盖板玻璃431的感测表面处被全反射，则反射率为100％，具有最高的效率。然而，如果光与盖板玻璃表面平行，则光还会在LCD底面433b处被全反射。楔形耦合器628用于改变局部表面角，使得光可以耦合输出以用于在光学传感器阵列623处的检测。LCD显示模块433中的微孔提供为光透过LCD显示模块433传输提供了用于屏下光学感测的期望的光传播路径。如果光透射角变得太大或当TFT层变得太厚时，实际的光透射效率可能逐渐减少。当该角度接近于全反射角时，即约为41.8°，且盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来是好的。因此，楔形耦合器628的楔角可以被调整为几度，使得检测效率可以提高或优化。如果选择更高的盖板玻璃的折射率，则全反射角变小。例如，如果盖板玻璃由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。显示器中的检测光透射效率也提高了。因此，使用薄楔的这种设计设置的检测角要高于全反射角，和/或使用高折射率的盖板玻璃材料，以提高检测效率。

在图6A-6C、7、8A-8B、9和10A-10B中的屏下光学指纹传感器模块设计中，顶部透明表面上的感测区域615不垂直或正交于光学指纹传感器模块的检测轴625，使得感测区域的图像平面也不垂直或正交于检测轴625。因此，光电检测器阵列523的平面相对于检测轴625可以是倾斜的，以实现在光检测阵列623处的高质量成像。

图11示出了这种倾斜的三个示例配置。图11(1)示出了感测区域615a倾斜且不正交于检测轴625。在(2)中所示的特定情况下，感测区域615b对准在检测轴625上，其图像平面也会位于检测轴625上。实践中，可以部分地切掉透镜621以简化封装。在各种实现方式中，微透镜621也可以是透射型或反射型透镜。例如，(3)中示出了特定的方法。感测区域615c由成像镜621a成像。光电二极管阵列623b对齐以检测信号。

在使用透镜621的上述设计中，透镜621的有效孔径可以被设计为大于LCD显示层中的孔的孔径，这样允许光透过LCD显示模块来进行光学指纹感测。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射物体的不期望的影响。

图12示出了用于减少或消除背景光在指纹感测中的不期望的贡献的指纹传感器的示例性操作。光学传感器阵列可以用于采集各种帧，并且采集到的帧可以用于进行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启用于光学指纹感测的照明光源，以照亮手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭照明。帧A的信号与帧B的信号的相减可以用于图像处理中，以减少不期望的背景光影响。

还可以通过在光路中提供合适的光学滤波来减少指纹感测中不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于过滤环境光波长，例如，近红外IR光和部分的红光等。在一些实现方式中，这种光学滤波器涂层可以制作在光学部件的表面上，包括显示器底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于580nm的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学滤波器涂层可以设计为过滤波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感测中光学检测的不期望的贡献。

图13示出了用于校正光学指纹传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，控制并操作一个或多个照明光源在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，操作显示面板下的成像传感器以相同频率F的的帧速率来采集图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶部上，并且手指的存在调制该显示面板盖板基板顶面的光反射强度。该显示器下的成像传感器采集指纹调制后的反射光图案。在步骤1303处，来自图像传感器的信号的解调制与频率F同步，并且进行背景过滤。所得的图像减少了背景光的影响，并且包括来自像素发射光产生的图像。在步骤1304处，处理并校准采集到的图像，以校正图像系统失真。在步骤1305处，将校正了的图像用作用于用户认证的人体指纹图像。

用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照亮手指的散射光，如图5A中的反向散射的光191所示。可以集成感兴趣区域中图5A中来自返回的散射光191的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化，以确定指纹图案之外的其他参数，例如，用户的心率，或与外部指纹图案相关联的手指的内部拓扑组织。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将所窃取的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，指纹图案，尽管是一种独特的生物标识符，其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏下光学指纹传感器模块还可以用作光学反欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入物体是否是来自活体的手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。这种光学反欺骗感测功能无需使用单独的光学传感器来提供。光学反欺骗能够提供高速响应，而不损害指纹感测操作的整体响应速度。

图14示出了血液中受监测材料的示例性消光系数，血液中的光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以第一可见光波长(颜色A)和诸如红外(IR)波长等的第二不同波长(颜色B)照亮手指，可以采集输入物体的光学吸收的差异，以确定触摸物体是否来自活体手指。用于提供光学感测照明的一个或多个照明光源可以用于发出不同颜色的光，并且发出的光为至少两种不同的光波长的探测光或照明光，以使用血液的不同光学吸收行为来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中受监测材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测被监测的材料是活体指纹还是假指纹。

图15示出了来自无生命材料(如假手指或具有仿造指纹图案的欺骗设备)和活体手指的反射光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器运行，来监测活体。当检测到探测光的两个或更多个波长时，消光比差可以用于快速地确定被监测的材料是否是活体，例如活体指纹。在图15所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图14所示，一个是可见光波长，另一个为红外IR波长。

当无生命材料触摸指纹传感器模块上方的顶部盖板玻璃时，接收到的信号揭示了与该无生命材料的表面图案相关的强度水平，并且该接收到的信号不包含与活体手指相关联的信号分量。然而，当活体手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号揭示了与活体相关联的信号特征，包括明显不同的强度水平，这是因为不同波长的消光比不同。这种方法不需要花很长时间来确定触摸材料是否是活体的一部分。图15中，脉冲状信号反映了多次触摸，而不是血液脉动。类似于无生命材料的多次触摸不会显示由活体手指引起的差异。

这种血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的光学感测可以在短周期内进行，以用于活体手指检测，并且可以比使用相同光学传感器的人的心跳的光学检测更快。

在LCD显示器中，LCD背光照明光为白光，从而包含在光学指纹传感器模块处执行上述活体手指检测的可见光谱范围和红外IR光谱范围的光。LCD显示模块中的LCD滤波器可以用于允许光学指纹传感器模块获得图14和15中的测量结果。另外，可以操作用于产生光学感测的照明光的指定的光源436，以在不同时间以选定的可见波长和红外IR波长发出探测光，并且两种不同波长的反射探测光由光学检测器阵列623采集，以基于图14和15所示的上述操作来确定触摸物体是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间选定的可见光波长和IR波长的反射探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但指纹图像总是在不同时间通过选定的可见光波长的探测光和红外IR波长的探测光采集。因此，指纹感测可以在可见光波长和红外IR波长下进行。

图16示出了通过操作用于光学感测的一个或多个照明光源以使用两种不同颜色的光照亮手指，以确定与LCD显示屏接触的目标是否是活体手指的一部分的操作过程的示例。

又如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长下的不同光学吸收之外的其他机制，通过“活体手指”检测机制检测采集到的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活体手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活人的手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的来自手指或手掌的返回光的变化，从而检测在表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存在活体的正面确定的结合来增强访问控制。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化可以以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。这些变化和其他变化可以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指纹传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。

在上述示例中，如图4B和6B所示，指纹图案经由成像模块被采集在光学传感器阵列上，光学失真通常降低了图像感测保真度。这种图像失真可以以各种方式来校正。例如，可以使用已知图案在光学传感器阵列处生成光学图像，并且已知图案中的图像坐标可以与光学传感器阵列处生成的具有失真的光学图像相关，用于校准由光学传感器阵列输出的用于指纹感测的成像感测信号。指纹感测模块参考标准图案的图像校准输出坐标。

根据本专利文件中所公开的内容，可以进行所公开的光学指纹传感器模块的各种实现方式。

例如，显示面板可以构造成：其中的每个发光像素可以被单独控制；显示面板包括至少部分透明的基板以及实质透明的盖板基板。光学指纹传感器模块位于显示面板下，用于感测在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学指纹传感器模块可以用于感测从显示面板像素发射的光所形成的图像。光学指纹传感器模块可以包括折射率低于显示面板基板的折射率的透明块，还包括具有成像传感器阵列的成像传感器块以及光学成像透镜。在一些实现方式中，低折射率块的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范围内。

再如，可以提供一种用于指纹感测的方法，其中从显示面板发出的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光交互，以调制指纹的光反射图案。显示面板下方的成像感测模块用于感测反射的光图案图像，并重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发射像素的调制同步，其中解调制过程会拒绝背景光(不是来自目标像素的光)中的大部分光。

III、用于显示器下光学感测的透镜-针孔成像设计。

在本文公开的用于指纹感测的屏下光学指纹传感器模块技术的各种实现方式中，具有至少一个成像透镜的成像模块可用于实现手指的被照亮的触摸部分到屏下光学指纹传感器模块中光学传感器阵列上的光学成像。成像模块的透镜效应在一定程度上用于控制返回光的空间扩散，其可以在光学传感器阵列处空间地争夺来自手指的触摸部分上的不同位置的返回光，使得当成像透镜引导返回光到达光学传感器阵列时，成像透镜可以保持对应于手指上的指纹图案的返回光的空间信息具有所需的空间成像分辨率。具有单个成像透镜或两个或更多个成像透镜的组件的成像模块的空间成像分辨率与成像模块的数值孔径成比例。因此，高分辨率成像透镜需要大的数值孔径，因此需要具有大直径的透镜。基于透镜的成像模块的这个方面不可避免地需要大的透镜系统来产生高分辨率成像系统。另外，给定的成像透镜具有有限的视场，其随着焦距的减小而增加，并随着焦距的增加而减小。

在诸如在移动设备中的显示屏下实现的光学指纹传感器的许多指纹感测应用中，期望包含具有高空间成像分辨率和大视场的紧凑成像系统。鉴于上述基于透镜的成像系统的各种成像特征的权衡，下面通过将透镜和针孔组合成透镜-针孔成像系统来提供用于光学指纹感测的紧凑光学成像系统，其中透镜用于形成基于透镜的成像系统，以通过透镜实现高空间成像分辨率和光学检测器阵列处采集的减小尺寸的图像，以通过相同透镜减小光学检测器阵列的尺寸，并且在透镜前面放置针孔，以通过实现针孔相机来产生光学成像中的大视场，而不需要大直径的透镜。传统的针孔相机可以包括用于光学成像的小孔径，并且可以产生大视场，同时由于小孔径和低空间成像分辨率而遭受有限的图像亮度。当经过适当设计，成像透镜和针孔相机的组合可受益于成像透镜的高空间成像分辨率和针孔相机的大视场。

图17示出了放置在LCD显示屏下方的光学指纹传感器模块4620的一个示例，其中针孔和透镜用于形成光学指纹传感器模块4620的光学成像系统。一个或多个照明光源436设置在LCD显示模块433下方的位置处，以产生照明光以穿过LCD显示模块433和顶部透明层431，顶部透明层431包括透明层431顶面上的感测区615。一个或多个照明光源4661设置在顶部透明层431下方，以产生照明光到透明层431顶面上的感测区615。一个或多个照明光源436可以位于光学指纹传感器模块4620中或旁边，用于除了提供用于指纹感测的照明之外，还提供用于指示光学指纹感测正在进行或光学指纹传感器模块4620被开启或激活的呼吸光指示器。

在图17所示的示例中，光学感测模块4620是通过使用微透镜4621e的紧凑模块，微透镜4621e可以具有与针孔的尺寸大致相同的小直径，因此略大于针孔。微透镜4621e与针孔结构4621g接合，针孔结构4621g是光学不透明的并且可以是在光学透明材料制成的针孔基板4621f的表面上形成的黑化或金属材料层，并具有作为针孔4643的开口。微透镜4621e放置在针孔基板4621f的下侧。在操作中，针孔结构4621g中的针孔4643上方的光学层被构造成在收集来自LCD显示面板的返回光时产生大的光学视场，并将收集的光朝向光学传感器阵列4623e透射。光学传感器阵列4623e中的光学检测器响应接收的光学图案以产生检测器信号，并且检测器电路模块4623f耦合到光学传感器阵列4623e以接收和处理检测器信号。在一些实现方式中，检测器电路模块4623f可以包括柔性印刷电路(flexible printedcircuit，PFC)。相比于不存在微透镜4621e而将光投射到光学传感器阵列4623e上时的针孔的较低空间成像分辨率，微透镜4621e接收从针孔透射的光，并将接收到的光聚焦到光学传感器阵列4623e上，进而以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列4623e处进行光学成像。在该设计中，通过使用微透镜4621e来补偿针孔的低分辨率，并且微透镜4621e的有限视场由低折射率层4618e、高折射率层4621f和针孔4643的组件的大视场补偿。

在图17示出的使用针孔-透镜组件用于光学成像的示例中，针孔-透镜组件的物平面靠近诸如用于触摸感测LCD显示面板的盖板玻璃等的透明层4431的顶面上的顶部有效感测区615，针孔-透镜组件的成像平面是光学传感器阵列4623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基板4621f之外，在针孔基板621f和LCD显示面板之间还设置有折射率低于针孔基板4621f的光学透明间隔物4618e。在针孔基板4621f上方使用较低折射率材料是光学设计的一部分，以实现用于接收来自LCD显示面板的光的大视场。在一些实现方式中，较低折射率间隔物4618e可以为气隙。该设计在较低折射率间隔物4618e和较高折射率针孔基板4621f之间提供了具有两种不同光学材料的光学界面，并且该界面处的光学折射将来自较低折射率间隔物4618e中的LCD显示面板的入射光的大视场(field of view，FOV)(例如，在一些情况下，约140度)转换成较高折射率针孔基板4621f中的较小FOV。因此，由针孔-透镜组件产生的输出光线具有相对小的FOV。

这种减少FOV的设计在以下几方面是有利的。首先，光学指纹传感器模块4620的较低折射率间隔物4618e中的光学输入FOV使得输入具有大FOV。其次，由位于较高折射率针孔基板4621f下方的针孔-透镜组件处理的实际FOV相对于光学输入FOV是减小的FOV，使得具有大入射角的光线受限于该减小的FOV。这是有益的，因为这种减小的FOV降低了针孔-透镜组件处的大入射角中的光线引起的图像失真。此外，针孔-透镜组件处的这种减小的FOV降低了不希望的会使光学传感器阵列处的图像的亮度分布失真的针孔阴影效应。

与一些针孔相机设计中使用约40微米直径的针孔的传统针孔相机不同，形成在不透明层4621g中的针孔4643被设计成具有远大于针孔相机中针孔的典型尺寸的直径，在一些设计中，例如，大于100微米，或200微米(例如250微米)。在透镜和针孔的这种组合中，针对针孔4643上方的针孔基板4612f的高折射率材料的使用，以及针对针孔基板4612f上方的低折射率层4618e的使用允许针孔4643具有远大于针孔相机中针孔的典型尺寸的直径，同时仍然实现大FOV。例如，在一些实现方式中，当透镜4621e构造为半球透镜，具有面向针孔4643的平面和将来自针孔4643的光引导至光电检测器阵列4621e的部分球面时，针孔4643的直径可以与透镜4621e的曲面的曲率半径大致相同或相似。

还可以实现附加的设计特征，以改善基于针孔-透镜组件的光学成像系统的整体光学性能和紧凑性。例如，如图17所示，可以在透镜-针孔组件和光电二极管阵列4623e之间放置附加的光学层。在该示例中，在从针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路中设置光学透明间隔物4621h和保护材料4623g。在一些实现方式中，间隔物4621h可以是低折射率层，例如空气间隙等，保护材料4623g可以是覆盖光学传感器阵列4623e的光学检测器的顶部的层，且具有高于间隔物4621h的折射率的折射率。层4621h和4623g可以被构造为减小或消除光学传感器阵列4623e处的成像失真。当光在介质界面折射时，存在折射光线方向上的非线性，并且在光学传感器阵列4623e处产生图像失真。当入射角大时，这种失真变得更为明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜视场(例如，从顶部玻璃层4431的顶部感测表面至针孔基板4621f的光学层)来选择间隔物4621h和4623g的光学厚度比。

光学失真发生在沿LCD显示面板顶部到光学传感器阵列4623e的光的光路中具有不同光学材料的每个界面处。一种用于减少这种光学失真的设计技术是：在针孔-透镜组件的下侧上提供光学匹配结构(即，针孔-透镜组件的成像侧上的光学层)，以对应于针孔-透镜组件的上侧的光学结构(即，针孔-透镜组件的物体侧上的光学层)，使得在针孔-透镜组件的物体侧中沿LCD面板到针孔-透镜组件的光路中的一个界面处发生的光学失真通过在针孔-透镜组件的成像侧中沿针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路中的匹配界面处的光学折射来抵消或弥补。针孔-透镜组件的成像侧的光学匹配层是通过考虑针孔-透镜组件中透镜的光学功率来设计的。在仅具有针孔4643而没有透镜4621e的针孔成像系统中，当介质在物体场和像场之间不匹配时，存在光学失真。当FOV较大时，通过使用放置在顶部感测表面上的网格图案来测试失真，这种光学失真可以是桶形失真的形式。由针孔4643的物体场和像场之间的不匹配光学层引起的桶形失真是不希望的，因为它们直接影响由光学传感器阵列4623e采集的指纹图案的精度。应注意，这种失真的水平通常在光学传感器阵列4623e处像场的中心部分高于周边部分。

为了减轻这种失真，在像场中针孔4643和透镜4621e下方的材料层可以根据它们的折射率和厚度值来构造，以扭转由物体侧的材料层引入的失真。这是通过匹配大入射角的折射行为来实现的，以便校正图像，使其在检测器表面上线性形成。例如，在成像倍率为1/5的针孔成像系统中，如果在针孔4643上方有2mm厚的玻璃层和1mm厚的气隙层，则可以在针孔4643下方和光学传感器阵列4623e上方设置0.4mm厚的玻璃层和0.25mm厚的气隙，以减小光学传感器阵列4623e处的光学失真。该技术可用于在针孔4643下方提供用于针孔4643上方的复杂材料层的匹配层。

图18示出了光学指纹传感器模块上方的LCD显示模块中的不同层的示例。在该实施例中，传感器模块4620集成在LCD显示模块下方。照明光源4661和额外光源4664也集成在传感器模块4620中或附近。在LCD显示屏内显示的靠近边缘的用于光学指纹(opticalfingerprint，FP)感测的虚拟按钮是虚拟的，因为它位于整个显示器上的连续顶面的区域上(没有用于指纹感测的单独物理按钮)，并且是指示为用于指纹感测的有效感测区615(图17)的显示区域。

在图18的示例中，LCD显示模块的LCD背光组件中的材料被设计为提供光透射路径，以允许来自顶部感测区的返回探测光到达LCD显示模块下方的底层光学指纹传感器模块。利用这种材料可以形成透光孔或狭缝。为了改变光学传感器位置处的显示器的外观以降低光学传感器的可见性，可以将漫射器膜4433d与背光波导层4433f上方的棱镜4433c集成以将光漫射到LCD像素以实现均匀照明，并且附加漫射器4433i可以与位于背光波导层4433f下方的镜膜4433g集成，并且将背光反射或再循环回LCD层，以提高照明效率。在一些实现方式中，附加漫射器膜4433d和4433i可以被成形为围绕光学指纹传感器模块的边缘周围的条纹，以漫射光路中散射的光，使得围绕LCD显示模块下方的光学指纹传感器模块的光路边缘是被隐藏的或不可见的。

图19示出了图17中设计的示例性实现方式，其中，针孔基板4621f的底面上的针孔层涂层4621g构造成在其面向针孔基板4621f的上侧具有高光学反射。该特征用于补偿光学指纹传感器模块4620上方的LCD层中的镜膜孔或光学反射器层或漫散层的区域反射。

在一些实现方式中，可以在针孔基板4621f的顶部上施加附加漫射器层4621i，如图19所示，以引起光学漫射，并且附加漫射器层4621i的中心部分可以包括清晰的光路，以接收来自LCD显示模块的返回光以进行光学感测。

此外，图19示出了安装在附加漫射器层4621i下方的一个或多个额外光源436a的示例位置。从额外光源436a发射的光被漫射器4621i散射。额外光源436a可以发射不同光学波长的光，例如，包括用于手指照明的波长和用于其他功能的其他波长，例如呼吸灯功能等。

图20示出了设置一个或多个盖板玻璃下光源4661以照亮触摸手指4447用于进行光学感测的示例。由一个或多个盖板玻璃下光源4661产生的光由光4661a表示，并且可以透射到手指组织中或通过手指皮肤的角质层传播。例如，当光4661a透过手指皮肤并穿透手指组织时，光被手指组织散射。散射光的一部分作为携带指纹信息的信号光4661b传出，并且由光学指纹传感器模块4620检测，其中该指纹信息包括与外部指纹图案相关联的拓扑内部组织结构方面的信息。信号光4661b以大角度入射到顶部玻璃上的感测区，可以在皮肤潮湿或干燥时采集并携带指纹信息。因此，使用一个或多个盖板玻璃下光源4661可以改善传感器的检测性能和可靠性。

相比于仅具有针孔4643而没有透镜4621e的系统的空间成像分辨率，图17示例中的用于光学成像的针孔-透镜组件可以实现更高的空间成像分辨率，以采集所采集图像中的精细特征。这种更高的空间成像分辨率是具有透镜4621e的结果。图21A和21B示出了仅具有针孔的成像操作和针孔-透镜组件的成像操作。

参见图21A，图21A示出了没有透镜的针孔成像系统，针孔4643对入射光束4661进行衍射以产生衍射的输出光束4673，输出光束4673由于针孔4643的衍射而发散。发散光束4673在成像平面4667处形成图像光斑4679，其反映该成像系统的分辨率。

图21B示出了在针孔4643下方添加微透镜4621e。由于微透镜4621e和针孔4643的组合，微透镜4621e的曲率改变了由针孔4643衍射的光束的波前，以在成像平面4667处产生比没有透镜4621e而仅由针孔4643单独产生的光斑4679更小的光斑4681。

针孔-透镜组件可以被实现为提供图17示例中紧凑的光学指纹传感器模块4620。由于介质界面处的折射，可以通过使用不同的光学材料来控制光传播角度。例如，如图22所示，如果针孔基板4621f上方的介质中的折射率n1低于针孔基板4621f的折射率n2，则具有大入射角的光束4683在进入针孔基板4621f之后弯曲成具有较小角度的光束4685。因此，通过使用用于针孔基板4621f的较高折射率材料，可以实现用于在针孔-透镜组件的物体侧接收输入光的极大视场。在一些实现方式中，通过使用用于针孔基板4621f的高折射率材料以在针孔基板621f与针孔基板4621f上方的层的折射率之间产生足够大的差异，可以实现大的FOV(例如，接近或高于140度)。

用于在针孔基板4621f的顶面处实现光线的大的衍射弯曲的上述设计可以用于通过在光路中结合一些低折射率间隙(例如气隙)来减小光学指纹传感器模块的厚度。另外，可以改善来自针孔-透镜组件的图像的图像均匀性，因为由于针孔基板4621e顶部的大折射，进入针孔基板下方透镜的光线的倾斜角随FOV的减小而减小。

在针孔-透镜组件中，微透镜放置在针孔4643下方，因此由于针孔4643的小开口，微透镜的光学孔径很小。这样，微透镜表现出较低的像差，因为微透镜收集的针孔4643的光线通常接近微透镜的曲面的轴。

在实现该针孔-透镜组件时，针孔4643的中心位于微透镜4621e的表面的中心处或附近。在图22的示例中，半球透镜作为示例示出，并且接合到(例如，粘合到)针孔板以实现该配置。半球透镜4621e的平面朝上以与针孔643接合，并且半球透镜4621e的平面的中心位于针孔4643的中心处或附近。在这种设计下，通过针孔4643与半球透镜4621e的平面具有小入射角或大入射角的入射光将使其光线方向与半球透镜4621e的径向方向一致，即透镜在径向方向上的光轴。这种配置减少了光学像差。对于在针孔基板4621f的顶部具有不同入射角的光束4663和4683，在进入针孔基板4621f之后它们的光路被改变为接近半球透镜表面的相应光轴4689和4691。因此，在该特定设计下，由光束4663和4683形成的图像光斑4681和4693虽然具有不同的入射角，但表现出低的光学像差。

针孔-透镜组件受到孔径阴影效应，这使得成像平面(光学传感器阵列4623e)处的最终图像在中心处更亮而在周边区域中更暗，并且亮度沿着径向方向从中心到周边区域逐渐变化。这种效应劣化了在光学传感器阵列4623e处采集的图像，但可以通过使用改变空间亮度分布的校正光学滤波来减少。例如，具有空间梯度透射分布的光学滤波器可以插入由光学指纹传感器模块接收的光的光路中，例如，OLED显示面板和光学传感器阵列之间的位置。该梯度透射滤波器被构造成在针孔的中心处或附近表现出高的光学衰减，而在从针孔的中心径向向外具有减小的光学衰减，以抵消由针孔引起的光的光强度分布的空间变化。图23示出了这种梯度透射滤波器的光学衰减分布的示例，其具有从中心向边缘减小的径向梯度衰减。

在一些实现方式中，梯度透射滤波器可包括可在光路的表面上制作一个或多个涂层以校正图像亮度不均匀性，例如，显示器底面、模块部件表面、或光学传感器阵列的顶面。除了抵消孔径阴影效应引起的空间不均匀性之外，滤波器还可以用于校正其他类型的亮度不均匀性，并且还可以包括可以减少其他光学失真和光学像差的特征。

上述公开的使用针孔-透镜组件进行光学成像到光学传感器阵列上的光学指纹传感器模块还可用于构造位于顶部玻璃盖板下面、且放置在相同的顶部玻璃盖板下面的LCD显示屏旁边的光学指纹传感器模块。这种光学指纹传感器模块可以放置在同一顶部玻璃盖板下面的LCD显示屏旁边，以实现LCD显示器和光学指纹传感器模块上方具有共同且连续的顶面。此外，若干示例在题为“LCD显示器一侧的光学指纹传感器”的第VIII小节中给出。

IV、不可见的LCD下光学指纹传感器设计。

根据一些实现方式，为了使显示屏下光学指纹传感器模块“不可见”，光学指纹传感器模块可以放置在显示屏的不透明边界下方。在许多商业生产的LCD屏中，光学不透明边界存在于LCD屏的外围侧，如围绕LCD屏的中心区域的外围不透明边框。图24A示出了LCD显示屏的顶视图，其中外围不透明边框3220形成在LCD屏的四个侧面上并且阻挡LCD屏的四个侧面上的边界区域中的LCD显示像素，使得在显示操作期间，用户仅可以看到由外围不透明边框3220的开口暴露的中央LCD显示区域3210。

因此，如图24A和24B所示，LCD下光学指纹传感器模块可以放置在由周边不透明边框3220所覆盖的区域附近或内部的LCD屏下方，使得位于光学指纹传感器模块上方的周边不透明边框3220下方的LCD屏部分3230可以被改变以在LCD屏叠层中提供一个或多个期望的局部透射特征或区域，用于将携带指纹信息的探测光引导到光学指纹传感器模块。

图24B示出了图24A中的标记圆形区域下方的不同层的横截面视图。用于将光引导到光学指纹传感器模块的具有光学透射特征或区域的LCD屏部分3230放置在周边不透明边框3220下方，因此当观看LCD显示图像时，LCD屏部分3230很大程度上对用户不可见，因为周边不透明边框3220在上方并且隐藏LCD屏部分3230于用户视角之外。值得注意的是，与LCD下光学感测设计的一些其他示例不同，屏内FPS感测区域615的中心在空间上偏离具有光学透射特征或区域的LCD屏部分3230的中心。因此，下层光学指纹传感器模块的位置在空间上偏离屏内FPS感测区域615的位置，因为下层光学指纹传感器模块被放置在外围不透明边框3220下面，而不是直接在屏内FPS感测区域615下面。

这种将具有光学透射特征或区域的LCD屏部分3230部分或全部放置在周边不透明边框3220下面以将探测光引导到LCD下光学指纹传感器模块中的设计被称为“不可见的”光学传感器设计。即使当设置一个或多个额外的照明灯4663或4661用于照亮屏内FPS感测区域615上面的区域时，在屏内FPS感测区域615中，用户将手指放置其上用于光学指纹感测和其他光学感测操作，该设计也可以隐藏LCD屏叠层的LCD屏部分3230中的局部透射特征或区域以及下层光学指纹传感器模块，使其不可见。

在这种布置下，屏内FPS感测区域615不再能够放置在LCD屏中的任何位置，而是应该位于具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230的位置附近的LCD屏中，使得到达外围不透明边框3220下方的LCD屏部分3230的一部分来自屏内FPS感测区域615的光可以被引导通过LCD屏到达下层光学指纹传感器模块以进行光学感测。在该设计的各种实现方式中，具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230被设计为提供从屏内FPS感测区域615到LCD下光学指纹传感器模块的一个或多个光接收路径(至少部分地由外围不透明边框3220覆盖)，以提高光学检测性能，同时可以独立于该特殊设计实现屏内FPS感测区域615的照明。例如，一个或多个额外照明灯4663或4661可以放置在期望的位置以将照明光引导到屏内FPS感测区域615，而不必穿过具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230来到达屏内FPS感测区域615。

将具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230放置成至少部分地被周边不透明边框3220覆盖的上述设计可以应用于LCD下光学指纹传感器模块的各种配置，用于实现图24中的设计。例如，图4B中，使用投影仪系统收集来自屏内FPS感测区域615光的LCD下光学指纹传感器模块，或者图6B、7、8A、9和10A中，具有位于LCD屏下方的透镜的成像系统在到光学传感器阵列的光路中以从屏内FPS感测区域615收集探测光并且将收集的探测光投射到光学传感器阵列中，或者如图17至23所示，针孔和针孔下游的透镜的组合，以接收来自针孔的透射探测光并将接收的探测光聚焦到光学传感器阵列上以进行光学成像。

返回参考图24A-24B，由周边不透明边框3220部分或全部覆盖的具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230可以用于各种设计中，增加LCD屏部分3230的光学透射，以及相比LCD屏的其他部分形成透射孔或者更透射区域。图25A-25C示出了一个具体示例，其中通过在改良的LCD屏部分3230中提供改进的光学透射来改变LCD屏的外围部分以形成LCD屏部分3230，其中如图所示的下层光学指纹传感器模块4620使用图17中所示的针孔和透镜的组合来收集用于光学传感器阵列的光。

在设计示例中，如图25A和25B所示，LCD下光学指纹传感器模块同时使用针孔4643和微透镜4621e共同形成光学系统，用于从顶部透明层431上的FPS感测区域615收集光并将收集的光引导至光学指纹传感器模块4620中的光学传感器阵列4623e，以实现大视场和高成像分辨率。对于更多细节，参见图17至23以及相关说明。间隔物4621h可以是低折射率材料层，例如气隙，保护层4623g可以是带通滤波器。图25B示出了设置一个或多个盖板玻璃下额外照明光源4661以照亮待检测的手指并且在从屏内FPS感测区域615到LCD屏部分3230再到指纹传感器模块的光路中生成探测光。额外光源4663可以放置在光学指纹传感器模块4620附近或正好在光学指纹传感器模块4620上方，以提供用于手指照明的局部照明。这些光源还可以用作呼吸灯以指示光学指纹传感器模块的操作状态。如后面部分中进一步说明的，其他光源，例如环境光源，也可以用作光学感测的探测光源。

图25A-25C示出了通过剥离LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e的一小部分以及LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e下面的其它层来改变LCD屏的周边部分以形成LCD屏部分3230。移除LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e的周边部分以产生用于光学透射的空隙，进而形成如图25A所示的改良的LCD棱镜和漫射膜5433c和5433e。该空隙用于在LCD层433b下方和背光波导层4433f上方插入光学耦合器5617。该光学耦合器5617可以实现为具有锥形楔形部分的楔形光学耦合器，以延伸到剥离和改良的LCD棱镜和漫射膜5433c和4433e之间的空间中，并且该锥形楔形部分可以到达未被周边不透明边框3220覆盖的LCD屏区域3100，作为更好地收集来自屏内FPS感测区域615的光的光路。因此，光学耦合器5617包括顶部耦合器部分，其接收来自屏内FPS感测区域615的光并且将来自屏内FPS感测区域615的接收光沿着倾斜光路发送到外围不透明边框3220下方的区域，其中隐藏的光学指纹传感器模块4620被定位以收集来自屏内FPS感测区域615的接收光进行光学感测。光学耦合器5617的这个特征仅影响周边不透明边框3220附近的LCD屏的小区域，使得对显示质量的影响不明显。薄的间隔物5617a形成在LCD层4433b的底面和光学耦合器5617的顶面之间，并且可以是例如柔软的光学清晰或透明的粘合剂层。因此，来自屏内FPS感测区域615的探测光穿过薄间隔物5617a，进而被光学耦合器5617收集并引导到背光波导层4433f中。

在其他实现方式中，LCD屏的外围部分从LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e的一小段以及LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e下面的其他层分离或剥离，以产生用于光透射的空隙，进而用于插入光学指纹传感器模块。例如，LCD显示面板结构的背光模块包括至少部分地被外围边界覆盖并且与LCD显示面板结构的其他部分分离的区域内的外围区域，以提供用于光学指纹传感器模块定位在外围不透明边界下方的位置。

对剥离的LCD外围部分的另一种改进是去除光学反射器膜层4433g的一段小周边部分作为改进的光学反射器膜层5433g，以暴露背光波导层4433f的底面，用于放置光学指纹传感器模块4620。在该示例中，光学指纹传感器模块4620的顶面是针孔基板4621f，其靠着背光波导层4433f的底面放置，以接收由光学耦合器5617引导的光。在该示例中，从屏内FPS感测区域615通过顶部透明层431、通过触摸感测层4433a、LCD层4433b、间隔物5617a、光学耦合器5617和背光波导层4433f进入光学指纹传感器模块4620的光路不包含气隙。在其他实现方式中，气隙可以存在于上述光路中。

图25B示出了基于LCD屏的外围部分的上述改进的LCD屏部分3230的一般几何结构，其中两种类型的额外照明光源4661和4663放置在顶部透明层431下方和背光波导层4433f上方。

图25C示出了除了LCD屏部分3230的外围部分之外，LCD屏的其他部分未作改变并且以其最初制造的位置示出。

图26示出了图25A-25C中设计的示例性实现方式，其中光学指纹传感器模块4620集成在LCD组件下方，靠近LCD屏结构一端的背光源434。光学指纹传感器模块4620的光路在LCD显示器的工作区域(例如，实际的LCD显示区域3100)之外，使得光学指纹传感器模块4620隐藏在LCD不透明边界下方，并且基本上不可见。在该示例中，改良的LCD反射器膜层5433g下方的LCD壳体4433h位于光学指纹传感器模块4620上方，并且在光学指纹传感器模块4620处具有光学透明窗口，以允许所收集的光进入光学指纹传感器模块4620。

总之，上述用于能够通过光学感测检测指纹的电子设备(例如，智能手机、平板电脑等其他)的不可见光学指纹传感器模块设计基于LCD屏，该LCD屏提供触摸感测操作，并且包括显示图像的LCD显示面板结构和围绕LCD显示面板结构的中心区域并覆盖LCD显示面板结构的窄外围边界的外围不透明边界。LCD显示面板结构包括背光模块，用于产生背光，照亮LCD层，以在周边不透明边界内的LCD显示面板结构的中心区域中显示图像。设置一个或多个光学感测照明探测光源来产生探测光，以照亮顶部透明层的感测区域以进行光学感测。LCD下光学指纹传感器模块位于LCD屏下方并位于外围不透明边界下方，以在空间上偏离LCD显示面板结构的中心区域，以接收通过LCD屏返回的探测光进行光学感测。LCD显示面板结构包括区域内的一个或多个额外的透射孔或区域，该区域至少部分地被外围边界覆盖，并且位于光学指纹传感器模块上方，以允许探测光通过LCD显示面板结构到达用于光学感测的光学指纹传感器模块。

在一些实现方式中，位于至少部分地被外围边界覆盖的区域内的一个或多个额外透射孔或区域可以包括用于透射光的光学耦合器。在一些设计中，该光学耦合器可以放置在LCD层下方和LCD背光波导层上方，而光学指纹传感器模块放置在一定位置处的LCD背光波导层下面，在该位置处，LCD光学反射器膜的一部分被去除或者具有开口或空隙。如图25A或25B中的示例所示，这种光学耦合器的一种实现方式是锥形楔形，其将印有指纹信息的探测光引导到位于LCD屏外围不透明边界3220下方的光学指纹传感器模块上方的区域，使得这种探测光可以以图25A或25B中示出的方式耦合到光学指纹传感器模块中，其中探测光从光学指纹传感器模块的顶部进入光学指纹传感器模块的光学传感器阵列，或者通过针孔-透镜组件到达光学传感器阵列，或者直接进入光学传感器阵列。

V、包括光轴不垂直于显示屏表面的透镜-针孔成像系统的光学指纹传感器模块。

在一些其它实现方式中，可以省略图25A-25B中示出的光学耦合器5671。取而代之，信号光可以直接耦合到光学指纹传感器模块中，从而简化了将光学指纹传感器模块集成到LCD屏结构的结构。图27和28示出了用于在没有光学耦合器的情况下集成光学指纹传感器模块的这种设计的示例性实现方式。

参见图27，LCD显示器可包括LCD模块6002、设置在LCD模块6002上方的透明盖板6003(例如，玻璃盖板)、以及设置在LCD模块6002下方的用于为LCD显示器提供照明的LCD背光层6004。LCD背光层6004可以包括如图25A所示的诸如LCD棱镜5433c和漫射膜5433e的层。LCD显示器可以包括LCD显示器的外围(即边界)上的不透明区域6006。

在该实现方式中，与不透明区域6006相邻的LCD背光层6004的一部分可以稍微抬高或者与LCD模块6002分离，以产生用于将光学指纹传感器模块6000放置在LCD模块6002的不透明区域6006下方的空间。LCD显示器可包括指纹感测区6005。来自邻近指纹感测区6005放置的手指的信号光6010和6012(例如，被手指散射、反射或透射)可以通过LCD模块6002发送，并且可以以相对大的入射角被光学指纹传感器模块6000接收。因此，该设计实现方式可能不需要图25A和25B示出的实现方式中使用的光学耦合器5617。

在一些智能手机设计中，这种光学指纹传感器模块6000与LCD显示器的直接集成可以操作以通过使用相对于垂直于LCD屏表面的方向的相对大的入射角的信号光6010和6012来采集指纹图像。根据各种实施例，该入射角处于30度和90度之间的范围，例如，60度到85度，或70度到85度。

图28示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块6000的示例性结构。光学指纹传感器模块6000可以包括FPC板6090以及设置在FPC板6090上并且耦合到FPC板6090的光电二极管阵列6080。光电二极管阵列6080可以用于将入射在其上的信号光转换成电信号。FPC板6090可以包括电子电路，用于处理由光电二极管阵列6080生成的电信号，以产生由信号光携带的指纹图案的图像。光电二极管阵列6080可以被保护层6082覆盖。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤波器或一些其他类型的光学滤波器。在该配置中，光学指纹传感器模块6000上下翻转。也就是说，FPC板6090和光电二极管阵列6080邻近图27所示的LCD模块6002设置。

光学指纹传感器模块6000还可包括设置在保护层6080上方的光学透明间隔物6040。间隔物6040可以具有相对低的折射率。在一些实施例中，间隔物6040可以为气隙。根据一些实施例，保护层6080可以具有高于间隔物6040的折射率。

光学指纹传感器模块6000还可包括镜子6050，镜子6050设置在间隔物6040上方并延伸超过间隔物6040。如图28所示，散射在手指内的信号光6010可以被镜子6050反射，并且被光电二极管阵列6080接收。另外，在LCD显示器的顶面和触摸LCD显示器的指纹感测区6005的手指之间的界面处反射的信号光6018可以被镜子6050反射，并且被光电二极管阵列6080接收。在一些实施例中，光学指纹传感器模块6000还可包括设置在镜子6052和间隔物6040之间的光吸收材料6062。光吸收材料6062可以用于吸收杂散光以减少或消除背景光。

在该实现方式中，由于信号光6010和6018相对于光电二极管阵列6080的表面的法线6084的掠入射角θ和θ’，光电二极管阵列6080处的采集图像可能在空间上失真。这种空间失真是可以测量的。基于测量的空间失真信息，可以处理由光电二极管阵列6080生成的检测器信号，以在重建最终图像时校正空间失真。

在一些实施例中，间隔物6040和保护层6082可以用于减少光电二极管阵列6080处的图像失真。当光在两个介质之间的界面处折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，这可能在光电二极管阵列6080处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真可能更明显。为了减少这种失真，可以根据光学物镜视场来选择间隔物6040的光学厚度与保护层6080的光学厚度的比率。

如图27所示，可以设置两个附加照明光源6008和6009，以向与指纹感测区域6005接触或相邻的手指提供照明，以便产生信号光6010和6012，用于光学指纹传感器模块6000进行光学感测。照明光源6008可以放置在从光学指纹传感器模块6000横向移位的位置处，以提供可以进入手指以在手指内部产生散射光6010和6012的照明光。散射光6010和6012可以透过LCD模块6002并且由光学指纹传感器模块6000检测。照明光源可以包括发光二极管(light-emitting diodes，LED)、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting lasers，VCSEL)或激光二极管(laser diodes，LD)。特别是对于VCSEL和LD的照明，效率可以更高，因为VCSEL或LD发射的光的发散角很小，因此光更容易被引导到指尖。另外，背景光也可以进入手指并产生散射光，其可以透过LCD模块6002，且与通过一个或多个额外照明光源6008的照明生成的信号光6010和6012组合，进而可以由光学指纹传感器模块6000收集和检测。使用这种信号光6010和6012的一个优点可以是：当信号光6010和6012通过手指的内部组织透射或散射时，这种信号光6010和6012倾向于携带指纹信息而与手指皮肤条件(例如，皮肤是否潮湿、变脏或干燥)无关，并且可能不受手指和顶部感测表面之间的界面条件的影响。

返回参考图27，照明光源6009可以放置在光学指纹传感器模块6000内部或附近的位置，以向手指提供照明，该照明首先透过LCD模块6002和盖板6003，以与触摸指纹感测区6005中的顶面的手指相互作用，并产生反向散射光或反射光(图27中未示出)。这种信号光可能受到皮肤状况(例如，皮肤潮湿、变脏或干燥)的影响，并且还可能受到手指和顶部感测表面之间的界面条件的影响。

图29示出了图27和61中示出的设计的示例性实现方式，其中光学指纹传感器模块6000集成在LCD组件下方，在靠近LCD屏结构一端的一个或多个背光源6480的位置。LCD屏结构可以包括顶部透明层6003和触摸感测层6440。LCD屏结构还可以包括LCD层6450、LCD棱镜层6460和散射膜6470。LCD层6450、LCD棱镜层6460和散射膜6470的组合可以称为LCD模块6002。LCD屏结构还可以包括背光层6004、LCD反射器膜层6420和LCD壳体6410。

光学指纹传感器模块6000隐藏在LCD不透明边界6006下方并且基本上不可见，如图27所示。在该示例中，LCD壳体6410和LCD反射器膜层6420位于光学指纹传感器模块6000下方。光学指纹传感器模块6000可以被构造成薄的，以便更好地集成到LCD结构，例如，在一些实现方式中，大约1毫米左右。

根据一些实施例，可以通过包括如图30-32的示例中所示的透镜-针孔组件来减小由光电二极管阵列6080处的信号光6010和6012的掠入射引起的空间失真。

如上面图17至26所述，通过将透镜和针孔组合为透镜-针孔成像系统，可以设置用于光学指纹感测的紧凑光学成像系统。透镜用于形成基于透镜的成像系统，以实现高空间图像分辨率和光电二极管阵列6080处尺寸减小的采集图像，以减小光电二极管阵列的尺寸。针孔可以放置在透镜的前面，以通过实现针孔相机在光学成像中产生大视场(field ofview，FOV)。在图17至26所示的示例中，透镜-针孔成像系统被实现为使透镜-针孔成像系统的光轴近似垂直于LCD屏表面和光电二极管阵列表面(即，透镜-针孔成像系统的光轴大致平行于光电二极管阵列表面的法线)。例如，在图25A和25B中所示的不可见的LCD下光学指纹传感器模块中，其包括光学楔形耦合器5617，透镜-针孔成像系统的光轴近似垂直于LCD屏表面和光电二极管阵列表面。图30-32示出了透镜-针孔成像系统的不同方案的示例性实现方式，其中透镜-针孔成像系统的光轴几乎平行于LCD屏表面和光电二极管阵列表面。

图30示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块6300。光学指纹传感器模块6300可以包括FPC板6090以及设置在FPC板6090上并且耦合到FPC板6090的光电二极管阵列6080。光电二极管阵列6080可以被保护层6082覆盖。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤波器或一些其他类型的光学滤波器。

光学指纹传感器模块6300还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基板6032、形成在针孔基板6032上的针孔6030、以及设置在针孔6030后面的微透镜6020。透镜-针孔组件定位成使得透镜6020的光轴6034相对于光电二极管阵列6080的表面偏离法线。透镜的光轴可以定义为穿过透镜的曲率中心并平行于对称轴的线。可以优化透镜6020的光轴6034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度β，以增加有效孔径。在一些实施例中，角度β可以在约45度至约135度的范围内，或从约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，角度β可以是大约90度。在这种情况下，透镜-针孔组件的光轴6034可以几乎平行于光电二极管阵列6080的表面(即，角度β接近90度)。在一些实施例中，光学带通滤波器涂层可以形成在针孔基板6032上或其他部件的表面上。

光学指纹传感器模块6300可以位于LCD模块6002的不透明边界6006下方。光学透明间隔物6040可以位于LCD模块6002和保护层6082之间。间隔物6040可以具有相对低的折射率。在一些实施例中，间隔物6040包括气隙。保护层6082可以具有高于间隔物6040的折射率的折射率。

间隔物6040和保护层6082可以用于减少光电二极管阵列6080的表面处的成像失真。当光在两个介质之间的界面处折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，这可能在光电二极管阵列6080处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真可能更明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜视场来选择间隔物6040的光学厚度与保护层6080的光学厚度的比率。

透镜-针孔组件位于光学指纹传感器模块6300的左手侧，以便由于光学指纹传感器模块6300放置在LCD模块6002的不透明边界6006下方而以大入射角收集入射信号光6010和6012。针孔6030首先接收入射信号光6010和6012，然后微透镜6020将穿过针孔6030的信号光成像到光电二极管阵列6080的表面上。通过使用透镜-针孔成像系统，可以减小由于信号光6010和6012的大入射角引起的空间失真。例如，微透镜6020可以被成形为减少或抵消入射信号光6010和6012的失真空间分布。可以针对给定的透镜-针孔组件测量残余空间失真，使得可以应用信号处理以减少或去除重建指纹图案的图像时的残余失真。

图31示出了根据一些其他实施例的光学指纹传感器模块6400。类似于光学指纹传感器模块6300，光学指纹传感器模块6400可包括FPC板6090、设置在FPC板6090上并耦合到FPC板6090的光电二极管阵列6080、设置在光电二极管阵列6080上方的保护层6082、以及包括针孔6030和微透镜6030的透镜-针孔组件。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤波器或一些其他类型的光学滤波器。

在该配置中，光学指纹传感器模块6400相比于图30中所示的光学指纹传感器模块6300上下翻转。也就是说，FPC板6090和光电二极管阵列6080邻近LCD模块6002设置(它们被示为直接在LCD模块6002上方，因为该图是上下翻转的)。

另外，光学指纹传感器模块6400可包括设置在间隔物6040和透镜-针孔组件上方的镜子6050。镜子6050延伸超出针孔基板6032的前部以形成凸缘。透过LCD模块6002的信号光6010和6012可以入射在镜子6050的凸缘部分上并被镜子6050反射。反射的信号光又可以由透镜-针孔组件成像到光电二极管阵列6080的表面上。因为信号光6010和6012的光路被镜子6050折叠，所以与图30所示的光学指纹传感器模块6300相比，光学指纹传感器模块6400可以制造得相对较薄。

图32示出了根据一些其他实施例的光学指纹传感器模块6500。光学指纹传感器模块6500类似于图31中所示的光学指纹传感器模块6400，因为它也是上下翻转的。这里，代替使用镜子6050，光学指纹传感器模块6500可以包括设置在透镜-针孔组件前面的微棱镜6070。入射信号光6010和6012可以透过微棱镜6070的第一表面6072，并在微棱镜6070的第二表面6074处反射。然后，反射的信号光可以透过微棱镜6070的第三表面6076，进而被透镜-针孔组件接收。因为信号光6010和6012的光路由微棱镜6070折叠，所以光学指纹传感器模块6500可以制造得相对较薄，类似于图31中所示的光学指纹传感器模块6400。

在一些实施例中，微棱镜6070可包括一种材料，该材料被选择为具有一定折射率，使得入射在微棱镜6070的第二表面6074上的信号光6010和6012可以发生全内反射(totalinternal reflection，TIR)。在一些其他实施例中，微棱镜的第二表面6074可以涂覆有高反射材料，例如金属，使得第二表面6074可以用作镜子。在一些实施例中，微棱镜的第一表面6072的定向可以配置成使得信号光6010和6012接近垂直入射地入射到第一表面6072上。另外，第一表面6072可以涂覆有抗反射涂层，以便减少信号光6010和6012由于反射造成的强度衰减。类似地，第三表面6076也可涂覆有抗反射涂层以减少反射。

图33示出了实现结合图27-32所示的示例公开的不可见的LCD下光学感测设计的设备中可以存在的不同光信号。在图33示出的示例中，一个或多个额外光源6008可以放置在LCD模块靠近顶部透明层6003顶部的指纹感测区域6005(如图27所示)的一侧，以产生用于光学感测的照明光。例如，照明光束6620可以穿过顶部透明层6003以照亮指纹感测区域6005(如图27所示)处的触摸手指6610。来自照明光束6620的光的一部分可以进入手指6610，并被手指组织散射。散射光的一部分(例如，6640)可以透过手指6610并入射在指纹感测区域6005中的顶部透明层6003上，并且可以透过顶部透明层6003，进而被光学指纹传感器模块6000收集。如上所述，从手指出来并通过顶部透明层6003透射的散射光的一部分6640可以携带指纹信息，因此可以被检测以提取用户指纹信息。

图33还示出了一个或多个照明光源6009，其位于光学指纹传感器模块6000附近并且位于LCD模块下方。来自这种照明光源6009的光可以通过穿过LCD模块被引导到顶部透明层6003。返回参考图5A-5C，在指纹感测区域6005处，来自照明光源6009的光可能遇到手指脊61(例如，光线80，201)和手指谷63(例如，光线82，211和212)以引起来自手指6610所接触的顶部透明层6003的顶面上的脊部61的反射光线181，205和206以及谷部63的反射光线185，213和214。来自不同位置的这些反射光线具有不同的信号幅度，因此印有指纹图案作为2-D指纹图案。另外，来自顶部透明层6003下方的每个入射光线的一部分可以进入手指，例如来自光线80的光线183、来自光线82的光线189、来自光线201的光线203和来自光线202的光线204可以被内部指组织散射，以产生朝向顶部透明层6003的散射光191，其可以由光学指纹传感器模块6000接收。类似于图33中从手指6610出来并透过顶部透明层6003的散射光的一部分6640，由于照明光源6009的照明光引起的图5A和5B中的散射引起的散射光191携带指纹信息，因此可以被检测以提取用户指纹信息。

在一些应用中，可以使用一个或多个额外照明光源6008的照明，而不需要一个或多个额外照明光源6009的照明；在其他应用中，可以使用一个或多个额外照明光源6009的照明，而不需要一个或多个额外照明光源6008的照明。在其他实现方式中，可以使用额外的照明光源6008和6009两者。

图33示出了用于照亮手指6610的附加照明光源。入射光6630可以存在于环境中，例如自然天空光、日光或环境中的其他光源，以照亮触摸手指6610。入射光6630可以被手指6610内的内部组织散射，以产生作为信号光6650的散射光。信号光6650可以离开手指6610，以携带指纹图案信息和来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加形貌信息。来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加形貌信息可能是用于指纹感测的有价值信息，并且是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下的横向位置和皮肤表面的深度(形貌信息)而变化。例如，可以使用来自手指的内部组织结构的这种附加的形貌信息来改善不同的手指表面或手指-玻璃条件下的成像可靠性，并且将自然手指和具有与自然手指相似或相同的外部指纹图案制成的人造物体区分开来。

图34A和34B示出了根据一些实施例的光学指纹传感器模块7000的另一实现方式。光学指纹传感器模块7000可以包括FPC板7090以及设置在FPC板7090上并且耦合到FPC板7090的光电二极管阵列7080。光电二极管阵列7080可以被保护层7082覆盖。在一些实施例中，保护层7082可以是带通滤波器或一些其他类型的光学滤波器。

光学指纹传感器模块7000还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基板7032、形成在针孔基板7032上的针孔7030、以及设置在针孔7030前面的微透镜7020。类似于图30-32中所示的光学指纹传感器模块6300，6400和6500，透镜-针孔组件定位成使得透镜7020的光轴7034相对于光电二极管阵列7080的表面偏离法线。可以优化透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度，以增加有效孔径。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可以在约45度至约135度、或约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034可以几乎平行于光电二极管阵列7080的表面(即，透镜的光轴与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度接近90度)。在一些实施例中，光学带通滤波器涂层可以形成在针孔基板7032上或其他部件的表面上。

光学指纹传感器模块7000还可包括位于光电二极管阵列7080和透镜-针孔组件上方的支撑板7062。光学透明间隔物7040将支撑板7062和覆盖光电二极管阵列7080顶部的保护层7080分开。间隔物7040具有相对低的折射率。在一些实施例中，间隔物7040可以为气隙。保护层7082可以具有高于间隔物7040的折射率的折射率。

间隔物7040和保护层7082可以用于减少光电二极管阵列7080的表面处的图像失真。当光在两种介质之间的界面折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，而这会在光学传感器阵列623e处产生图像失真。当入射角大时，这种失真变得更为明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜视场来选择间隔物7040的光学厚度和保护层7080的光学厚度的比率。

在一些实施例中，吸收涂层7060可以施加到支撑板7062的一部分上，该部分位于光电二极管阵列7080的正上方并且位于透镜-针孔组件的后面。吸收涂层7060可以用于吸收杂散光以减少或消除背景光。

类似于图31中所示的光学指纹传感器模块6400和图32中所示的光学指纹传感器模块6500，光学指纹传感器模块7000相比于图30中所示的光学指纹传感器模块6300上下翻转。也就是说，光电二极管阵列7080邻近LCD模块和显示器盖板7002设置，如图34B所示。

参见图34A和34B，支撑板7060的一部分可以延伸超出透镜-针孔组件的前部以形成凸缘。镜子7050可以附接到支撑板7062的凸缘部分，使得来自手指的信号光7010和7012可以透过LCD模块7002并通过镜子7050朝向透镜-针孔组件反射。反射的信号光可以由微透镜7020折射并穿过针孔7030，然后折射的信号光7014和7016可以入射在光电二极管阵列7080的表面上。类似于图31中所示的光学指纹传感器模块6400和图32中所示的光学指纹传感器模块6500，通过使用镜子7050折叠信号光7010和7012的光路，光学指纹传感器模块7000的总厚度可以变得相对较薄。

在该实现方式中，针孔7030定位在微透镜7020的光轴7034之外。例如，针孔7030位于邻近支撑板7062的针孔基板7032的上边缘附近。这样，折射信号光7014和7016可以以入射角θ和θ’入射在光电二极管阵列7080的表面上，该入射角小于当针孔7030位于下方以与微透镜7020的光轴7034对准时形成的角度。例如，在图31中所示的光学指纹传感器模块6400中，针孔6030与微透镜6020的光轴6034对准，折射信号光6014和6016的入射角α和α’可能相对较大(即，以较高的掠射角)，而相比之下，在图34A-34B中所示的光学指纹传感器模块7000中，由于针孔7030的位置较高，所以折射信号光7014和7016的入射角θ和θ’可以小于折射信号光6014和6016的入射角α和α’。换句话说，折射光信号7014和7016更接近垂直入射地入射在光电二极管阵列7080的表面上。

图34A和34B中示出的光学指纹传感器模块7000的配置可以提供若干优点。例如，由于相比于较大入射角，光电二极管通常在较小入射角处具有更高的检测效率，因此相比于图31中示出的光学指纹传感器模块6400的配置，在本配置中光电二极管阵列7080的检测效率可能更高。此外，如图34B所示，穿过透镜-针孔组件并被光电二极管阵列7080检测的信号光7010和7012的边缘光线所限定的光的扇区可以是“更平坦的”。也就是说，信号光7010和7012与LCD模块7002的表面之间的角度φ和φ’可以小于当针孔7030位于较低位置以与微透镜7020的光轴对准时形成的角度。因此，横向视场(FOV)(即，由两个边缘信号光线7010和7012对向的指纹感测区7005的有效感测区域)可以更大。

在一些实施例中，光学指纹传感器模块7000还可以包括位于支撑板7062的凸缘部分上邻近透镜-针孔组件的消光区域7070。消光区域7070可以用于衰减FOV的近侧的信号光7010(对应于由实线箭头表示的边缘信号光7010)的强度。由于信号光7010可以比FOV远侧的信号光7012更亮(例如，因为目标更近)，所以消光区域7070可以帮助平衡光电二极管阵列7080表面上的图像光强度。因此，消光区域7070可以用作孔径滤波器。

在一些实施例中，微透镜7020的焦距可以被配置为使得FOV远侧的信号光线7012可以锐聚焦在光电二极管阵列7080的表面上。由于消光区域7070的作用，用于FOV的近侧的信号光线7010的针孔7030的有效孔径尺寸可以更小，因此FOV的近侧上的信号光线7010也可以锐聚焦在光电二极管阵列7080上。因此，以这种方式，光电二极管阵列7080的表面上的图像可以在遍及光电二极管阵列7080的表面上具有相对均匀的空间分辨率。

图34A和34B示出的实现方式主要依靠针孔7030的作用进行成像。因此，即使LCD下光学指纹传感器模块7000的总厚度变得相对较薄，失真也可以实现最小化。微透镜7020可用于改善图像对比度(例如，通过改善图像空间分辨率)。

图35A和35B示出了根据一些其他实施例的光学指纹传感器模块7100的另一实现方式。类似于光学指纹传感器模块7000，光学指纹传感器模块7100可以包括FPC板7090以及设置在FPC板7090上并且耦合到FPC板7090的光电二极管阵列7080。光电二极管阵列7080可以被保护层7082覆盖。在一些实施例中，保护层7082可以是带通滤波器或一些其他类型的光学滤波器。

光学指纹传感器模块7100还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基板7032、形成在针孔基板7032上的针孔7030、以及设置在针孔7030前面的微透镜7020。透镜-针孔组件定位成使得透镜7020的光轴7034相对于光电二极管阵列7080的表面偏离法线。可以优化透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度，以增加有效孔径。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可以在约45度至约135度、或约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034可以几乎平行于光电二极管阵列7080的表面(即，透镜的光轴与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度接近90度)。在一些实施例中，光学带通滤波器涂层可以形成在针孔基板7032上或其他部件的表面上。

类似于图34A中所示的光学指纹传感器模块7000，光学指纹传感器模块7100相比于图30中所示的光学指纹传感器模块6300上下翻转。也就是说，光电二极管阵列7080邻近LCD模块和显示器盖板7002设置，如图35B所示。

参见图35A和35B，光学指纹传感器模块7100还可以包括位于光电二极管阵列7080上方的支撑板7162。与光学指纹传感器模块7000中的支撑板7062不同，支撑板7162未延伸超出透镜-针孔组件。光学指纹传感器模块7100还可以包括设置在恰好位于透镜-针孔组件后面的支撑板7162的一部分下方的镜子7150。针孔7030和微透镜7020位于针孔基板7032的上边缘附近，恰好在支撑板7162下方。此外，针孔7030定位在微透镜7020的光轴7034之外。来自手指的信号光7010和7012可以透过LCD模块7002，然后由微透镜7020折射并穿过针孔7030。折射信号光7014和7016可以入射在镜子7150上，并被镜子7150朝向光电二极管阵列7080的表面反射。

在该实现方式中，通过使用镜子7150折叠信号光7010和7012的光路，光学指纹传感器模块7100的总厚度可以变得相对较薄。因为针孔7030和微透镜7020定位得更高并且更靠近镜子7150，所以折射信号光7014和7016可以以入射角θ和θ’入射在光电二极管阵列7080上，该入射角小于当针孔7030位于较低位置时形成的入射角。换句话说，折射光信号7014和7016更接近垂直入射地入射在光电二极管阵列7080上。因为与较大的入射角相比，光电二极管通常在较小的入射角处具有更高的检测效率，所以光电二极管阵列7080的检测效率可以更高。

此外，如图35B所示，穿过透镜-针孔组件并被光电二极管阵列7080检测的信号光7010和7012的边缘光线所限定的光的扇区可以是“更平坦的”。也就是说，信号光7010和7012与LCD模块7002的表面之间的角度φ和φ’可以小于当针孔7030位于较低位置以与微透镜7020的光轴对准时形成的角度。因此，横向视场(FOV)(即，由两个边缘信号光线7010和7012对向的指纹感测区7005的有效感测区域)可以更大。

在一些实施例中，吸收涂层7160可以施加到靠近镜子7150的支撑板7062的一部分上。吸收涂层7160可以用于吸收杂散光以减少或消除背景光。

在一些实施例中，光学指纹传感器模块7100还可以包括位于透镜-针孔组件后面且在镜子7150前面的消光区域7170。消光区域7170可以用于衰减FOV的近侧的信号光7010(对应于由实线箭头表示的边缘信号光7010)的强度。由于信号光7010可以比FOV远侧的信号光7012(对应于由虚线箭头表示的边缘信号光7012)更亮，所以消光区域7070可以帮助平衡光电二极管阵列7080上的图像光强度。因此，消光区域7070可以用作孔径滤波器。

在一些实施例中，微透镜7020的焦距可以被配置为使得FOV远侧的信号光线7012可以锐聚焦在光电二极管阵列7080上。由于消光区域7070的作用，用于FOV的近侧的信号光线7010的针孔7030的有效孔径尺寸可以更小，因此FOV的近侧上的信号光线7010也可以锐聚焦在光电二极管阵列7080上。因此，以这种方式，光电二极管阵列7080的表面上的图像可以在遍历光电二极管阵列7080的表面上具有相对均匀的空间分辨率。

虽然本公开包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而应被解释为对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件在不同实施例的上下文中描述的某些特征还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还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合形式实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自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，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按照顺序依次执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统部件的分离不应理解为在所有实施例中需要这种分离。

本文仅描述了一些实现方式和示例，但可以基于本专利文件中描述和示出的内容来进行其他实现、增强和变化。

除非特别指出相反的情况，否则对“一”，“一个”或“该”的引用旨在表示“一个或多个”。

范围在本文中可以表示为从“约”一个指定值和/或到“约”另一个指定值。术语“约”在本文中用于表示近似、在...附近、大致或左右。当术语“约”与数值范围结合使用时，它通过扩展上述数值的上下边界来改变范围。通常，术语“约”在本文中用于将所述值之上和之下的数值改变10％的方差。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个指定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，指定值形成另一实施例。还应理解，每个范围的端点都包括在范围内。

出于所有目的，本文提及的所有专利、专利申请、出版物和描述均通过引用整体并入。没有任何文件被承认为是现有技术。

Claims (30)

1.一种光学指纹传感器模块，包括：

光源，用于提供导向手指的照明光，所述照明光的一部分被手指散射或反射，从而生成信号光；

光电二极管阵列，所述光电二极管阵列具有一个表面；

具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度，所述透镜用于接收信号光，并使所述信号光发生折射；

具有一个针孔的构件，所述针孔位于所述透镜的光轴之外，并用于将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

2.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，其中所述针孔位于远离所述光电二极管阵列的表面的所述透镜的光轴之外。

3.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，其中所述透镜的光轴与所述光电二极管阵列的表面的法线之间的角度在80度和95度之间。

4.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，其中所述透镜的光轴与所述光电二极管阵列的表面的法线之间的角度为约90度。

5.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，其中所述光源包括激光二极管或垂直腔面发射激光器VCSEL。

6.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，还包括镜子，所述镜子设置在所述透镜的前面，并用于将所述信号光朝向所述透镜反射。

7.根据权利要求6所述的光学指纹传感器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置且邻接所述镜子，并用于衰减入射在其上的所述信号光的一部分。

8.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述光电二极管阵列上方的保护层。

9.根据权利要求8所述的光学指纹传感器模块，其中所述保护层包括带通滤波器。

10.根据权利要求8所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述保护层上方的光学透明间隔物。

11.根据权利要求10所述的光学指纹传感器模块，其中所述光学透明间隔物包括空气间隙。

12.根据权利要求10所述的光学指纹传感器模块，其中，所述光学透明间隔物和所述保护层分别配置成具有第一折射率和第二折射率，以减少所述光电二极管阵列的表面处的图像失真。

13.根据权利要求10所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述光学透明间隔物上方的光吸收层。

14.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述光电二极管阵列上方的光学透明间隔物。

15.根据权利要求14所述的光学指纹传感器模块，还包括镜子，所述镜子设置在所述针孔后面并且位于所述光学透明间隔物上方，并用于将所述针孔透射的所述信号光朝向所述光电二极管阵列反射。

16.根据权利要求15所述的光学指纹传感器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置且邻接所述镜子，并用于衰减入射在其上的所述信号光的一部分。

17.根据权利要求15所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述光透明间隔物上方并邻接所述镜子的光吸收层。

18.根据权利要求1所述的光学指纹传感器模块，其中，所述具有针孔的所述构件包括针孔基板或孔板，并且所述针孔形成在所述针孔基板或所述孔板上。

19.一种光学指纹传感器模块，用于设置在显示屏的不透明边界下方，用于检测邻近所述显示屏的指纹感测区域放置的手指的指纹图案，所述光学指纹传感器模块包括：

具有表面的光电二极管阵列；

具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度，所述透镜用于接收和折射从所述手指散射或反射并透过所述显示屏的信号光；

位于所述透镜的光轴之外的针孔，所述针孔用于将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

20.根据权利要求19所述的光学指纹传感器模块，还包括镜子，所述镜子设置在所述透镜的前面，并用于将所述信号光朝向所述透镜反射。

21.根据权利要求20所述的光学指纹传感器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置且邻接所述镜子，并用于衰减入射在其上的所述信号光的一部分。

22.根据权利要求19所述的光学指纹传感器模块，还包括设置在所述光电二极管阵列上方的光学透明间隔物。

23.根据权利要求22所述的光学指纹传感器模块，还包括镜子，所述镜子设置在所述针孔后面并且在所述光学透明间隔物上方，并用于将透过所述针孔的所述信号光朝向所述光电二极管阵列反射。

24.根据权利要求23所述的光学指纹传感器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置且邻接所述镜子，并用于衰减入射在其上的所述信号光的一部分。

25.根据权利要求19所述的光学指纹传感器模块，其中，所述透镜的光轴与所述光电二极管阵列的表面的法线之间的角度为约90度。

26.一种电子设备，包括：

显示屏，包括指纹感测区域和不透明边界；

光源，用于提供导向邻近所述显示屏的指纹感测区域放置的手指的照明光，所述照明光的一部分被所述手指散射或反射，从而生成待透过所述显示屏的信号光；以及

光学指纹传感器模块，位于所述显示屏下方所述不透明边界的下方，所述光学指纹传感器模块包括：

光电二极管阵列，具有基本上平行于所述显示屏的表面；

具有光轴的透镜，所述光轴相对于所述光电二极管阵列的表面的法线形成介于45度到135度之间的角度，所述透镜用于接收所述信号光；

位于所述透镜的光轴之外的针孔，所述针孔形成为将所述透镜折射的所述信号光透射到所述光电二极管阵列的表面上；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列用于将入射在其上的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路用于处理所述电信号以产生所述手指的指纹图案的图像。

27.根据权利要求26所述的电子设备，其中，所述光学指纹传感器模块还包括：

镜子，设置在所述透镜前面，用于将所述信号光朝向所述透镜反射；和

消光区域，邻近所述针孔设置且邻接所述镜子，用于衰减入射在其上的所述信号光的一部分。

28.根据权利要求26所述的电子设备，其中，所述光学指纹传感器模块还包括：

光学透明间隔物，设置在所述光电二极管阵列上；和

镜子，设置在所述针孔后面并且位于所述光学透明间隔物上方，用于将所述针孔透射的所述信号光朝向所述光电二极管阵列反射。

29.根据权利要求26所述的电子装置，其中所述光源包括激光二极管或垂直腔面发射激光器VCSEL。

30.根据权利要求26所述的电子装置，其中所述透镜的光轴与所述光电二极管阵列的表面的法线之间的角度为约90度。