CN110753999B - 用于使用基于点的照亮的光学感测的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

用于对对象成像的光学感测系统和方法包括显示器下的光学传感器，该传感器具有位于显示器上、显示器中或显示器下的一个或多个分立光源。光学传感器可包括布置在显示器中或显示器下的光学感测元件(例如，光电检测器)的阵列。显示器包括OLED或LCD显示器。

Description

用于使用基于点的照亮的光学感测的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求标题为“SYSTEMS AND METHODS FOR REDUCING UNWANTEDREFLECTIONSIN DISPLAY SYSTEMS INCORPORATING AN UNDER DISPLAY BIOMETRICSENSOR”的并且于2018年5月25日提交的美国申请序列号15/990,353以及标题为“SYSTEMSAND METHODS FOROPTICAL SENSING USING POINT-BASED ILLUMINATION”的并且于2017年6月12日提交的美国临时申请序列号62/518,582的优先权，所述申请各自通过引用以其整体特此并入。
背景技术
对象成像在多种应用中是有用的。作为示例，生物计量识别系统对生物计量对象进行成像，以用于认证和/或验证并入识别系统的设备的用户。生物计量成像提供了一种可靠的、非侵入性的方式来验证个体身份以用于识别目的。包括光学传感器的各种类型的传感器可以用于生物计量成像。
发明内容
本公开总体上提供了用于对对象成像的光学感测系统和方法。各种实施例包括显示器下的光学传感器，该传感器具有位于显示器上、显示器中或显示器下的一个或多个分立光源。光学传感器可以包括光学感测元件(例如光电检测器)的阵列。
根据实施例，提供了一种光学感测系统，其包括：显示基板；多个显示元件，以用于显示可见图像；传感器光源，其用于照亮感测区，其中传感器光源与多个显示元件分离；以及检测器，其用于检测来自感测区的光。在某些方面中，多个显示元件包括滤色器、设置在显示基板和滤色器之间的液晶材料以及设置在显示基板下的背光。在某些方面中，传感器光源包括设置在显示基板上方、或显示基板下或显示基板中的发光二极管(LED)。在某些方面中，传感器光源包括设置在显示基板的活动区域的不透明区中的发光二极管(LED)。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在背光上方的伪(dummy)图案，伪图案包括设置在背光和显示基板之间的多个光阻挡特征。在某些方面中，传感器光源包括布置在多个微型LED的群中的微型LED。在某些方面中，传感器光源的宽度或包含传感器光源的群的宽度被配置为围绕设置在传感器光源与感测区之间的照亮路径中的遮蔽特征来发射光。
在某些方面中，检测器包括设置在显示基板上方的检测器阵列，其中检测器阵列包括布置成多个行和多个列的多个光电传感器；其中传感器光源设置在与行中的一个和列中的一个对齐的第一位置中，其中第一位置没有任何光电传感器。在某些方面中，光学感测系统还包括耦合至检测器阵列的处理电路，其中处理电路被配置为从多个光电传感器接收多个像素值，并且其中处理电路被配置为基于多个像素值中的一个或多个像素值确定对应于第一位置的像素值。在某些方面中，处理电路被配置为通过对围绕第一位置的多个围绕像素值进行内插来确定像素的值。
在某些方面中，光学感测系统还包括设置在显示基板上方的显示像素电路，其中多个显示元件包括用于显示可见图像的多个有机发光二极管(OLED)子像素，并且其中传感器光源包括与多个OLED子像素分离的传感器OLED，其中传感器OLED设置在显示基板上方。在某些方面中，传感器OLED被配置为利用比多个OLED子像素更高的电流来被驱动。在某些方面中，传感器OLED被配置为发射比多个OLED子像素更高强度的光。在某些方面中，光学感测系统除了传感器OLED之外还包括一个或多个其它传感器OLED，其中传感器OLED和一个或多个其它传感器OLED被布置成群。
在某些方面中，多个显示元件包括设置在显示基板上方的显示像素电路，并且感测系统还包括设置在显示像素电路上方的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面，其中传感器光源设置在显示基板下，并且其中检测器包括设置在显示基板下的多个光电传感器。在某些方面中，光学感测系统还包括低指数层，该低指数层设置在显示基板下并且设置在多个光电传感器上方，其中低指数层不设置在传感器光源上方，并且其中低指数层具有低于显示基板的折射率。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在多个光电传感器之间的区域中的光吸收层。
在某些方面中，多个显示元件包括设置在显示基板上方的显示像素电路，并且感测系统还包括设置在显示像素电路上方的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面，其中传感器光源设置在显示基板上方，并且其中检测器包括设置在显示基板下的多个光电传感器，其中多个光电传感器被配置为基于来自传感器光源的点照亮来捕获指纹的放大图像。在某些方面中，多个光电传感器中的光电传感器比与显示像素电路相关联的显示像素具有更大的面积。
在某些方面中，滤色器包括具有不透明部分和多个不同的子像素滤色器的滤色器层，其中滤色器层设置在液晶材料上方。在某些方面中，光学感测系统还包括：用于向液晶材料施加电流的显示像素电路，其中显示像素电路设置在显示基板上方；以及透明覆盖片，其设置在滤色器上方，其中透明覆盖片的顶表面包括指纹感测表面，该指纹感测表面设置在显示基板的活动区域的面积范围内。在某些方面中，传感器光源包括微型发光二极管(LED)，其用于利用发射光照亮接触指纹感测表面的手指，其中微型LED设置在活动区域的面积范围内，并且检测器包括具有多个光电传感器的检测器阵列，以用于检测来自指纹感测表面的返回光，其中返回光对应于发射光与手指的相互作用，其中多个光电传感器设置在活动区域的面积范围内。在某些方面中，微型LED设置在背光和显示基板之间或设置在显示基板和滤色器层之间。在某些方面中，滤色器层的不透明部分包括黑色矩阵。在某些方面中，多个光电传感器设置在显示基板上方。
在某些方面中，微型LED设置在背光和透明显示基板之间。在某些方面中，光学感测系统除了该微型LED之外还包括多个微型LED，其中多个微型LED和该微型LED在活动区域的面积范围内以图案布置，其中多个微型LED和该微型LED部分地遮挡来自背光的显示光。在某些方面中，光学感测还包括设置在活动区域的面积范围内的伪图案，其中伪图案部分地遮挡来自背光的显示光。在某些方面中，伪图案包括设置在背光和透明显示基板之间的多个光阻挡特征。在某些方面中，伪图案根据由多个微型LED和该微型LED形成的图案而周期性地变化。在某些方面中，微型LED设置在显示基板和滤色器层之间。在某些方面中，微型LED设置在不透明部分中的透明开口下，并且被配置为通过透明开口发射发射光。在某些方面中，微型LED的顶表面包括抗反射(AR)涂层。在某些方面中，光学感测系统还包括用于激活微型LED的信号线，其中信号线电连接到微型LED，其中信号线形成在透明显示基板上方，并且其中信号线共享具有显示像素电路的图案化导电层。在某些方面中，微型LED设置在滤色器层和透明覆盖片之间。在某些方面中，滤色器层的不透明部分包括黑色矩阵。在某些方面中，多个光电传感器设置在显示基板上方。在某些方面中，光学感测系统还包括用于从多个光电传感器中的光电传感器接收信号的传感器线，其中传感器线与显示像素电路共享图案化导电层。
根据实施例，提供了一种光学感测系统，该光学感测系统包括液晶显示器(LCD)单元、用于照亮LCD单元的显示照亮器、用于照亮感测区的传感器光源(其中传感器光源与显示照亮器分离)以及用于检测来自感测区的光的检测器。在某些方面中，LCD单元包括显示基板、滤色器以及设置在显示基板和滤色器之间的液晶材料。在某些方面中，显示照亮器包括设置在LCD单元的显示基板下的背光。在某些方面中，传感器光源包括设置在LCD单元的显示基板上方或LCD单元的显示基板下或设置在LCD单元中的发光二极管(LED)。在某些方面中，传感器光源包括设置在LCD单元的活动区域的不透明区中的发光二极管(LED)。
根据另一个实施例，提供了一种光学感测系统，该光学感测系统包括：传感器基板；设置在传感器基板上方的检测器阵列，其中检测器阵列包括布置成多个行和多个列的多个光电传感器；以及光源，其设置在与行中的一个和列中的一个对齐的第一位置中，其中第一位置没有任何光电传感器。
根据又一个实施例，提供了一种有机发光二极管(OLED)显示面板，其包括显示基板、设置在显示基板上方的显示像素电路、用于显示可见图像的多个OLED子像素以及与多个OLED子像素分离的传感器OLED，传感器OLED设置在显示基板上方。在某些方面中，传感器OLED被配置为利用比多个OLED子像素更高的电流来被驱动和/或发射比多个OLED子像素更高强度的光。
根据进一步的实施例，提供了一种光学感测系统，该光学感测系统包括：显示基板；设置在显示基板上方的显示像素电路；设置在显示像素电路上方的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面；设置在显示基板下的传感器光源以及设置在显示基板下的多个光电传感器。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在显示基板下的圆偏振器，其中圆偏振器设置在传感器光源和多个光源之上。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在显示基板上方和显示像素电路下的吸收层。在某些方面中，吸收层根据显示像素电路的图案来被图案化。在某些方面中，吸收层包括多层薄膜吸收体堆叠。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在薄膜吸收体堆叠下的高指数层，其中高指数层具有比显示基板更高的折射率。在某些方面中，吸收层包括黑色层。在某些方面中，光学感测系统还包括低指数层，该低指数层设置在显示基板之下并且设置在多个光电传感器上方，其中低指数层不设置在传感器光源上方，并且其中低指数层具有比显示基板更低的折射率。在某些方面中，光学感测系统还包括设置在多个光电传感器之间的区域中的光吸收层。
根据又一个实施例，提供了一种光学感测系统，该光学感测系统包括：显示基板；设置在显示基板上方的显示像素电路；设置在显示像素电路上方的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面；设置在显示基板上方的传感器光源；以及设置在显示基板下的多个光电传感器，其中多个光电传感器被配置为基于来自传感器光源的点照亮来捕获指纹的放大图像。在某些方面中，多个光电传感器中的光电传感器具有比与显示像素电路相关联的显示像素更大的面积。
根据另一实施例，提供了一种图像处理方法，该方法包括：利用处理电路接收与光学感测系统相关联的图像，其中光学感测系统包括光源和用于捕获图像的光电传感器阵列；利用处理电路生成基于图像中的强度变化的强度模型，其中强度模型根据距图像中位置的径向距离对强度变化进行建模；以及利用处理电路基于生成的强度模型归一化图像。在某些方面中，图像处理方法还包括基于对比度和径向距离中的至少一个来确定归一化图像的可接受片段。在某些方面中，图像处理方法还包括丢弃落在距图像中的位置半径之外的图像的一部分。在某些方面中，图像处理方法还包括丢弃落在局部对比度阈值以下的图像的一部分。
根据另一个实施例，提供了一种图像处理方法，该方法包括：利用处理电路接收与光学感测系统相关联的第一图像和第二图像，其中光学感测系统包括第一光源、第二光源和用于捕获图像的光电传感器阵列，其中第一图像对应于第一光源以及第二图像对应于第二光源；利用处理电路根据放大因子缩放第一图像；利用处理电路根据相同或不同的放大因子缩放第二图像；并且利用处理电路根据放大因子和第一图像相对于第二图像的位置，将缩放的第一图像和缩放的第二图像彼此相关联。在某些方面中，图像处理方法还包括基于第一光源相对于第二光源的位置来确定第一图像相对于第二图像的位置。在某些方面中，第一光源的位置和第二光源的位置由光学感测系统的构造来固定。在某些方面中，关联还包括将缩放的第一图像和缩放的第二图像缝合在一起成为合成图像。在某些方面中，关联还包括确定缩放的第一图像和缩放的第二图像之间的变换，其中变换包括缩放的第一图像的位置和缩放的第二图像的位置之间的平移，其中图像处理方法还包括基于变换将缩放的第一图像和缩放的第二图像与参考生物计量图像数据进行比较。在某些方面中，缩放第一图像包括放大第一图像，以及缩放第二图像包括放大第二图像。
根据实施例，提供了一种非暂时性计算机可读存储介质，该存储介质包含用于由处理器执行的程序指令，其中程序指令的执行使得包括处理器的电子设备执行如本文中描述的图像处理，例如，本文中描述的各种图像处理方法实施例中的任何。
根据实施例，提供了一种计算机程序产品，该计算机程序产品使得电子设备或处理系统执行如本文中描述的图像处理，例如，执行本文中描述的各种图像处理方法实施例中的任何。
根据实施例，提供了一种光学感测系统，该光学感测系统包括显示基板；设置在显示基板上方的(例如，包括多个发光显示元件或像素的)显示像素电路；设置在显示基板和显示像素电路上方的第一圆偏振器；以及设置在第一圆偏振器上方的透明覆盖片。透明覆盖片的顶表面提供用于诸如手指的对象的感测表面。光学感测系统还包括：设置在显示基板之下的传感器层，传感器层具有多个光电传感器；以及设置在传感器层与显示基板之间的第二圆偏振器。圆偏振器典型地包括四分之一波长延迟器板和线性偏振器，它们一起起作用以圆形地偏振穿过两个元件的光。在某些方面中，系统还包括设置在显示基板上方的多个光发射器，其中多个光电传感器被配置为检测从多个光发射器发射并通过第一圆偏振器和第二圆偏振器返回的光。在某些方面中，系统还包括设置在多个光电传感器和第二圆偏振器之间的角度选择性结构。在某些方面中，角度选择性结构包括多个准直器过滤器元件。在某些方面中，系统还包括设置在显示基板之下的光源。在某些方面中，系统还包括设置在传感器光源和显示基板之间的漫射器元件。在某些方面中，系统还包括双折射材料校正层，以校正设置在光源(其设置在显示基板之下)和第二圆偏振器之间的角度偏振效应。在某些方面中，系统还包括设置在第一圆偏振器上方的四分之一波长延迟器。在某些方面中，四分之一波长延迟器设置在透明覆盖片上方。在某些方面中，第一圆偏振器的旋向性(handedness)与第二圆偏振器的旋向性相同。
根据另一实施例，提供了一种光学显示设备，该光学显示设备包括：显示基板；设置在显示基板上方的显示像素电路；设置在显示基板和显示像素电路上方的圆偏振器；设置在圆偏振器上方的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面；以及设置在圆偏振器上方的四分之一波长延迟器。在某些方面中，四分之一波长延迟器设置在透明覆盖片的顶表面上方，其中接近透明覆盖片的顶表面的四分之一波长延迟器的顶表面为对象提供感测表面。在某些方面中，四分之一波长延迟器设置在透明覆盖片和圆偏振器之间。在某些方面中，四分之一波长延迟器包括液晶(LC)四分之一波长延迟器和多个电极，其中电压向多个电极的施加控制了LC四分之一波长延迟器的激活状态。在某些方面中，设备还包括设置在LC四分之一波长延迟器之下的光学图像传感器，其中光学图像传感器被配置为在激活LC四分之一波长延迟器时获得第一图像，并且在去激活LC四分之一波长延迟器时获得第二图像。在某些方面中，设备还包括设置在显示基板之下的第二圆偏振器。在某些方面中，设备还包括传感器层，该传感器层包括设置在圆偏振器之下的多个光电传感器。
根据又一个实施例，提供了一种光学指纹传感器设备，该光学指纹传感器设备包括：具有多个光电传感器的图像传感器层；设置在图像传感器层上方的角度选择性结构；以及设置在图像传感器层上方的圆偏振器，其中圆偏振器包括设置在线性偏振器层上方的四分之一波长延迟器层(例如，线性偏振器设置在四分之一波长延迟器和图像传感器层之间)。在某些方面中，角度选择性结构包括多个准直器过滤器元件。在某些方面中，设备还包括光源，该光源被配置为照亮角度选择性结构上方的感测区域。在某些方面中，设备还包括设置在光源和圆偏振器之间的漫射器元件。在某些方面中，设备还包括双折射材料校正层，以校正设置在光源和第二圆偏振器之间的角度偏振效应。
根据又一实施例，提供了一种光学显示设备，该光学显示设备包括：显示基板；设置在显示基板之上的多个发光显示像素；设置在显示基板和多个发光显示像素之上的圆偏振器；以及设置在多个发光显示像素之下的四分之一波长延迟器。在某些方面中，四分之一波长延迟器安装在显示基板之下。在某些方面中，四分之一波长延迟器集成在显示基板中。在某些方面中，设备还包括安装在四分之一波长延迟器之下的线性偏振器。在某些方面中，设备还包括设置在圆偏振器之上的透明覆盖片，其中透明覆盖片的顶表面提供用于对象的感测表面。在某些方面中，设备还包括设置在线性偏振器之下的传感器层，传感器层具有多个光电传感器。
参照包括附图和权利要求的说明书的其余部分，将实现本发明的其它特征和优点。本发明的其它特征和优点以及本发明的各种实施例的结构和操作在下文参考附图详细描述。在附图中，相似的参考标号指示相同或功能上类似的元件。
附图说明
参照附图描述具体实施方式。在说明书和附图中的不同情况下对相同的参考标号的使用可以指示类似或相同的项目。
图1是根据实施例的包括显示设备和处理系统的电子系统的示例的框图。
图2图示了根据本公开的显示系统的示例。
图3图示了根据一些实施例的传感器的示例的平面视图，其中各种显示像素(圆形)和检测器像素(方形)位于相同平面或平行平面上，并且其中感测表面位于平行于检测器像素平面和显示像素平面的平面中。
图4A-4B示出了一系列平面视图，其图示根据一些实施例的使用时间图案的对象成像的示例。
图5图示了叠加在高对比度区上的对象的部分图像的平面视图，其在显示像素的点亮期间被成像。
图6图示了根据本公开的在使用显示器的对象成像期间提供反馈的方式。
图7图示了获得、处理和执行诸如指纹之类的输入对象的图像的匹配的方法。
图8描绘了根据各种实施例的光学系统的示意图。
图9描绘了根据各种实施例的显示器的示意图。
图10描绘了根据各种LCD显示器实施例的液晶显示器(LCD)面板的示意图。
图11示出了根据各种实施例的基于点源的光学系统的示例。
图12A-12B示出了根据一些实施例的用于感测的点源的示意性示例：图12A示出了理想点源，其中照亮和返回光学路径具有相同的距离，从而导致在传感器平面处的2倍放大；图12B示出了用作点源的宽光源或宽光源群，从而导致在传感器平面处的一些模糊，但是仍然能够基于点源光学原理在传感器图像中分辨对象特征。
图13描绘了根据一些实施例的设置在LCD单元中的微型LED的示例。
图14图示了根据实施例的具有分立的微型LED作为用于照亮手指的光源的显示器中光学指纹传感器的横截面。
图15A示出了根据实施例的具有专用“明亮的OLED像素”作为用于照亮对象/手指的光源的显示器中光学传感器的横截面。
图15B示出了根据实施例的散布在红色、绿色和蓝色OLED显示发射器/子像素之间的光电二极管和专用OLED发射器的示例布局。
图15C示出了根据实施例的散布在红色、绿色和蓝色OLED显示发射器/子像素之间的光电二极管和专用OLED发射器的示例布局，包括硬接线在一起并由OLED驱动器电路作为单个点源照亮器进行操作的专用OLED发射器的群。
图16A示出了根据实施例的接合到分离的基板的LED，该LED可以例如使用光学透明粘合剂(OCA)被接合到OLED基板的背面。
图16B示出了根据实施例的接合到OLED基板的背面的LED。
图16C示出了根据实施例的接合到分离的透明基板的微型LED，其位于背光和LCD显示器的TFT基板之间。
图16D示出了根据实施例的接合到LCD显示器TFT基板的背面的微型LED。
图17示出了根据实施例的在LCD底板下的微型LED/伪特征布置的示例。
图18A-图18B图示了LED尺寸与图像质量的关系曲线；图18A图示了用于照亮感测区的小LED，其可能防止从感测区中的遮蔽位置捕获有用的图像；图18B图示了当光从不同角度到达传感器时，较大LED的使用可能导致模糊效应。
图19A-图19B图示了根据实施例的显示器下的光学指纹传感器：图19A是显示器下的光学指纹传感器的侧视图；图19B示出了光电检测器阵列，该光电检测器阵列包括在传感器基板的未被光电检测器占据的部分上方的光吸收性涂层(例如，黑色遮罩)。
图20A是根据实施例的OLED下的光学指纹传感器(FPS)的示意性侧视图，其示出了成像区(感测区的部分)以及角度的范围，从所述角度处来自手指的反射光到达光电检测器而来自显示器的反射光不到达光电检测器。
图20B是图20A的OLED下的光学FPS的示意性顶视图，其示出了有用的成像区域。
图21示出了根据实施例的显示器中的FPS堆叠。
图22A、22B和22C图示了根据实施例的使多个部分手指图像成为单个手指图像的组装；图22A示出了两个部分手指图像；图22B示出了在被重新归一化/亮度校正之后的两个部分手指图像的亮度和对比度；图22C示出了手指的较大部分的合成图像——两个重新归一化的图像中的每个的中心部分以合成图像中的相应光源(LED)位置为中心。
图23示出了根据实施例的在透明覆盖层下的指纹图像传感器的横截面；手指仅被来自光源的光照亮，并且图像被传感器基板上的光电传感器捕获。
图24A示出了在传感器处接收到的光强度的模拟，其包括强度与距照亮源的距离的相关性；通过本文中描述的归一化方法可以减少光强度的急剧改变。
图24B示出了针对类似于图24A的模拟的传感器几何形状在传感器处测量的光强度。
图25A示出了根据距照亮源的距离连同穿过图像的中心的样本强度分布的图像中的最小和最大亮度的示例。
图25B示出了原始指纹图像的示例。
图25C示出了根据实施例的在经历亮度校正图像处理之后的图25B的图像。
图26是用于创建图22C中所示出的合成图像的图像缝合过程的描绘；将独立获取的图像的片段缝合在一起，其中每个图像的部分放入(下部的)合成图像中，其中每个部分都以LED位置为中心(在LED位置已经由手指-成像器放大比缩放之后)。
图27图示了根据实施例的使用中值阈值化方法的图像缝合的结果。
图28图示了用于使用显示器下的(例如，点源照亮)方案通过显示器进行指纹成像的光学指纹传感器的实施例，所述方案包括圆偏振器以吸收从显示器反射的光同时允许来自手指的反射到达检测器处。
图29A示出了典型的显示堆叠。
图29B示出了根据实施例的包括薄膜吸收体层的显示器堆叠。
图30示出了裸金属线的性能(例如，图29A)与薄膜堆叠的性能(例如，图29B)的关系曲线的比较。
图31图示了用于通过显示器进行指纹成像的光学指纹传感器的另一实施例，其包括圆偏振器以吸收从显示器反射的光同时允许来自手指的反射到达检测器处。
图32示出了根据一些实施例的在显示器下的吸收性层的不同配置，以最小化显示器反射。
图33A图示了根据实施例的光学显示设备堆叠。
图33B图示了常规的显示堆叠。
图34示出了光学显示设备堆叠的另一实施例，其包括位于显示层和传感器层之间的圆偏振器。
图35示出了在各自与图34的每个层相互作用之后光的(偏振)行为。
图36A、36B和36C图示了包括附加粘合剂层的光学显示设备堆叠的实施例。
图37示出了光学显示堆叠的实施例，其包括显示器上的圆偏振器，其中屏幕保护物层包括添加的四分之一波板并且具有与在图33的左侧所示出的堆叠类似的功能性。
图38示出了光学显示堆叠的实施例，该光学显示堆叠包括具有可控制的四分之一波长延迟器的显示器上的圆偏振器。
图39A图示了包括附接显示器背面的圆偏振器的实施例。
图39B图示了包括圆偏振器的实施例，该圆偏振器具有集成在显示基板中的四分之一波长延迟器。
具体实施方式
以下具体实施方式在本质上是示例性的，并且不旨在限制本发明或本发明的应用和用途。此外，无意受以下具体实施方式或附图中呈现的任何明示或暗示的理论约束。
转向附图，并且如本文中详细描述的那样，本公开的实施例提供了用于对诸如指纹的输入对象进行成像(例如，光学成像)的方法、设备和系统。
图1是包括显示器102和处理系统104的电子系统100的示例的框图。显示器(或“显示设备”)102也可以用作用于成像的传感器。
作为示例，图示了在捕获、存储和验证生物计量匹配尝试期间利用的电子设备100的基本功能部件。处理系统104可以包括(一个或多个)处理器106、存储器108、模板存储部110、操作系统(OS)112和(一个或多个)电源114。(一个或多个)处理器106、存储器108、模板存储部110和操作系统112可以直接或间接地物理地、通信地和/或可操作地彼此连接。(一个或多个)电源114可以连接到处理系统104中的各种部件，以在必要时提供电功率。
如所图示，处理系统104可以包括处理电路，该处理电路包括一个或多个处理器106，其被配置为实现用于在电子设备100内执行的功能性和/或处理指令。例如，处理器106执行存储在存储器108中的指令或存储在模板存储部110上的指令，以对图像进行归一化、重构合成图像、识别、验证或以其它方式匹配生物计量对象，或者确定生物计量认证尝试是否成功。可以是非暂时性计算机可读存储介质的存储器108可以被配置为在操作期间在电子设备100内存储信息。在一些实施例中，存储器108包括临时存储器，其是用于在电子设备100关闭时不要保存的信息的区域。这种临时存储器的示例包括易失性存储器，诸如随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)和静态随机存取存储器(SRAM)。存储器108还可保存程序指令以供由处理器106执行。
模板存储部110可以包括一种或多种非暂时性计算机可读存储介质。在指纹传感器设备或系统的上下文中，模板存储部110可以被配置为存储与用户的指纹相关联的指纹图像的注册视图或图像数据或其它注册信息，诸如模板标识符、包含不同图像或视图之间的转换信息的注册图等。更一般地，模板存储部110可以存储关于输入对象的信息。模板存储部110可以进一步被配置用于信息的长期存储。在一些示例中，模板存储部110包括非易失性存储元件。除了其它的之外，非易失性存储元件的非限制性示例包括磁性硬盘、固态驱动器(SSD)、光盘、软盘、闪速存储器或电可编程存储器(EPROM)或电可擦除和可编程(EEPROM)存储器的形式。
处理系统104还可以主控操作系统(OS)112。操作系统112可以控制处理系统104的部件的操作。例如，操作系统112促进(一个或多个)处理器106、存储器108和模板存储部110的相互作用。
根据一些实施例，(一个或多个)处理器106实现硬件和/或软件以获得描述输入对象的图像的数据。在一些实施方式中，(一个或多个)处理器106还可例如通过对齐两个图像并且将对齐的图像彼此比较来确定两个图像之间是否匹配。当在生物计量过程(诸如用于检验或识别的注册或匹配过程)期间收集了多个部分指纹图像时，(一个或多个)处理器106还可以操作以从一系列较小的部分图像或子图像(诸如指纹图像)重构较大图像。
处理系统104可以包括一个或多个电源114，以向电子设备100的部件提供功率。(一个或多个)电源114的非限制性示例包括一次性电源、可再充电电源和/或从镍镉、锂离子或其它合适材料开发的电源以及电源线和/或适配器，其转而连接到电功率。电源114可以在处理系统104和/或电子设备100的外部。
显示器102可以被实现为电子系统100的物理部分，或者可以在物理上与电子系统100分离。视情况而定，显示器102可以使用各种有线和/或无线互连和通信技术(诸如总线和网络)与电子系统100的部分进行通信。示例技术可以包括集成电路间(I2C)、串行外围接口(SPI)、PS/2、通用串行总线(USB)、红外数据协会(IrDA)和由IEEE802.11标准定义的各种射频(RF)通信协议。在一些实施例中，显示器102被实现为指纹传感器以捕获用户的指纹图像。更一般地，可以实现显示器102的部件或集成在显示器中或与显示器集成的部件(例如，一个或多个光源、检测器等)以对对象成像。根据一些实施例，显示器102可以将光学感测用于对象成像，包括对诸如指纹的生物计量成像。
电子系统100的一些非限制性示例包括个人计算设备(例如，台式计算机、膝上型计算机、上网本计算机、平板电脑、网络浏览器、电子书阅读器和个人数字助理(PDA))、复合输入设备(例如，物理键盘、操纵杆和按键开关)、数据输入设备(例如，遥控器和鼠标)、数据输出设备(例如，显示屏和打印机)、远程终端、信息亭、视频游戏机(例如，视频游戏控制台、便携式游戏设备等)、通信设备(例如，蜂窝电话，诸如智能电话)和媒体设备(例如，记录器、编辑器和播放器，诸如电视、机顶盒、音乐播放器、数码相框和数码相机)。
在一些实施例中，根据本文档中其它地方描述的一些实施例，处理系统104包括显示驱动器电路、LED驱动器电路、用于操作或激活光源或者用于从检测器接收数据或读出检测器的接收器电路或读出电路。例如，处理系统104可以包括一个或多个显示驱动器集成电路(IC)、LED驱动器IC、OLED驱动器IC、读出IC等。
图2图示了根据本公开的光学显示系统200的示例。光学显示系统200(也称为“显示器200”)包括光源(例如，光源202和203)、光电传感器(例如，检测器像素204和205)、基板206和覆盖层208。根据一些实施例，输入对象210由显示器200成像。如上所描述的那样，显示器200可以是分离的设备，或者可以作为包括移动电话、媒体设备和任何其它合适的电子设备100的各种设备的部分被并入。
光源202和203具有下面描述的合适的类型(例如，OLED、微型LED等)。在一些实施例中，光源202和203可包括原来的显示元件(例如，一个或多个原来的OLED像素/发射器)，或集成在显示器中或与显示器集成的专用发射器(例如，集成在OLED或LCD显示器中或与OLED或LCD显示器集成的微型LED)。尽管在图2中仅示出了两个光源202、203，但是可以使用任何数量和任何布置的光源。例如，可以仅使用一个光源，可以使用两个光源，或者可以使用多个光源的阵列。光源202、203可以发射相同波长的光或者可以发射不同波长(例如，不同颜色)的光。而且，可以发射除了可见光以外的波长。
光电传感器或检测器像素204和205可以检测从光源202、203发射的光。光电传感器的类型的示例是CMOS传感器、光电晶体管和光电二极管。根据一些实施例，也可以使用基于薄膜晶体管的传感器。
尽管将光源202、203和光电传感器204、205描绘为不同的元件，但是在一些实施例中，相同类型的元件可以用于既发射光又检测发射光。例如，光源202、203自身可以使用LED、OLED或另一合适的显示驱动器技术被反向偏置以用作检测器像素。光源202、203可以被单独地反向偏置以用作检测器像素，或者可以被集体地反向偏置，例如，以用作检测器像素的行或列。此外，所有光源202、203可以在反向偏置状态下是可寻址的，或者较小的子集可以在反向偏置状态下是可寻址的，以最小化所包括的附加路由电路的量，在这种情况下，显示器200可以包括指纹感测的特殊区域，该区域与可以设置为反向偏置的检测器状态的那些光源202、203对应。另外，尽管检测器像素204、205与光源202、203示出在同一基板206上，但是检测器像素204、205可以以其它方式布置在设备内，例如，在与光源202、203不同的平面上。
覆盖层208可以包括覆盖透镜、覆盖玻璃或覆盖片，其保护显示器200的内部部件，诸如光源202、203和检测器像素204、205。覆盖层208可以由任何合适的材料制成，所述材料诸如化学强化玻璃、晶体材料(例如，合成蓝宝石)、透明聚合物材料等。覆盖层208还可包括与诸如电容性触摸屏功能性之类的显示和/或触摸屏功能性相关联的一个或多个附加层。覆盖层208可以是透明的，由此允许来自光源202、203和原来的显示元件(例如，原来的OLED发射器)的光在显示器200之外被发射和观察。覆盖层208的顶表面形成感测表面或输入表面212，其为输入对象210提供接触区域。
输入对象210是要成像的对象，并且可以包括诸如指纹的生物计量对象。输入对象210可以具有各种特性，例如，脊214和谷216。由于它们的凸出性质，脊214接触覆盖层208的感测表面212。相比起来，谷216通常不接触感测表面212，而是在输入对象210和感测表面212之间形成间隙218。输入对象210可以具有其它特性221，诸如水分、污渍或油墨，它们不会在输入对象210的部分中创建显著的结构差异，但是其可以影响它的光学属性。
光源202、203在覆盖层208内发射光的射束，并且发射光以各种角度变得入射在覆盖层208的感测表面212上。取决于角度，发射光中的一些被反射并且发射光中的一些被折射。然而，对于在感测表面212上不存在指纹脊的情况，以超过临界角度θc的角度到达感测表面212处的光射束经历全内反射，即，来自超过临界角的发射射束的所有光在感测表面212处被反射。
如将领会的，由于感测表面212之上的介质可以变化，所以沿着感测表面212的各种点处的临界角也可以变化。例如，输入对象210的脊214和在输入对象210的谷216内形成的间隙218可以具有不同的折射率。因此，与由间隙218和感测表面212形成的边界相比，在感测表面212和脊214之间的边界处可存在不同的临界角度。这些差异在图2中说明性地示出。线220代表以针对间隙218和感测表面212边界的临界角度(θcv)从光源202发射的光的射束，而线222代表对应的反射射束。线224代表针以针对脊214和感测表面212边界的临界角度(θcr)发射的光的射束，而线226代表对应的反射射束。相对于光源202，区228描绘了基板206上的区域，该区域由以临界角θcv和θcr发射的光射束产生的反射光界定，或者换句话说，由反射射束222和226界定。
根据一些实施例，落入区228内的检测器像素204用于当光源202被点亮时检测反射光以对输入对象210的部分成像。关于脊和谷的检测，区228是相对高对比度的区域。因为从与谷216(例如，空气)接触的感测表面212反射的光经历全内反射，而从与输入对象210(例如，皮肤)接触的感测表面212反射的光不经历全内反射，所以出现相对高对比度。因此，从光源202发射的光射束(其在感测表面处具有的入射角度落在θcv和θcr之间)被反射并到达落在区228内的检测器像素204。
根据本公开的另一方面，落入区230内(相对于光源202)的检测器像素205也可以用于对输入对象210成像。特别地，来自光源202的发射射束(其以小于脊的临界角度(θcr)和谷的临界角度(θcv)两者的角度变得入射到感测表面212上)导致反射射束落入区230内。由于散射，从脊214和谷216落在区230内的反射射束的对比度可以小于落在高对比度区228内的反射射束的对比度。然而，取决于诸如检测器像素204、205的灵敏度和分辨率要求之类的因素，区230仍可能适合于感测输入对象210上的脊214和谷216。而且，区230可以适合于检测输入对象210中的非结构光学变化，诸如水分或污渍或油墨221。
将领会的是，由于反射的角度，在区228中检测到的反射光射束可以提供输入对象210的部分图像的放大视图。放大的量至少部分取决于光源202与感测表面212之间的距离以及检测器204与感测表面212之间的距离。在一些实施方式中，可相对于这些表面或平面的法线(例如，相对于感测表面的法线或相对于包含光源或检测器的平面)来定义这些距离。例如，如果光源202和检测器像素204是共面的，则光源202和感测表面212之间的距离可以等于检测器204和感测表面212之间的距离。在这种情况下，基于从感测表面212到达区228中的检测器像素204的单个内反射，输入对象210的图像或部分图像可经历两倍放大(2X)。
由感测表面212处的脊214和间隙218产生的临界角度θcr和θcv至少部分取决于与在感测表面212处形成的边界接触的介质的属性，该属性可能受到输入对象210的条件的影响。例如，与感测表面212接触的干燥手指可能导致跨感测表面212的皮肤到空气的变化，其分别对应于指纹脊和谷。然而，与感测表面212接触的湿手指可能导致跨感测表面212的皮肤到水或其它液体变化。因此，湿手指的临界角度可能不同于由同一手指在干燥条件下形成的临界角度。因此，根据本公开，在检测器像素204、205处接收的光的强度可以用于确定相对临界角度和/或对象是湿的还是干燥的，并且执行减轻动作(诸如不同地处理图像、向用户提供反馈)和/或调整用于捕获输入对象的图像的检测器像素或传感器操作。可以生成通知以提示校正不期望的输入对象条件。例如，如果检测到湿手指，则可以显示消息或可以点亮指示灯以提示用户在成像之前使手指变干燥。
图3图示了根据一些实施例的传感器的示例的平面视图，其中各种显示元件或像素(圆形)和检测器像素(方形)位于同一平面或平行平面上，并且其中感测表面位于平行于检测器像素平面和显示像素平面的平面中。在示例中，对应于显示像素302的光源被点亮以用于对输入对象210(图2)的一部分进行成像。同心圆形304和306图示了高对比度区308的边界，其如上所描述的那样至少部分取决于诸如显示器的尺度以及临界角度θcr和θcv的因素。
在某些实施例中，当对应于显示像素302的光源被点亮时，落在高对比度区308内的检测器像素(诸如检测器像素310和312)可以用于检测来自显示像素302的反射光以对输入对象的一部分进行成像。在其它实施例中，或者结合来自区308的数据的集合，可以使用诸如落在区318内的检测器像素314的检测器像素。
在图3中也示出的是与第二显示像素320对应的第二光源。同心圆形322和324图示了第二高对比度区326的边界，其对应于显示像素320。区326内的检测器像素(诸如检测器像素328和330)可以用于收集与要成像的对象对应的数据。在其它实施例中，或者结合来自区326的数据的集合，可以使用诸如落在区336内的检测器像素332的检测器像素。在一些实施方式中，读出整个检测器阵列，并且将落在感兴趣的区之外的图像的部分滤除或丢弃。在其它实施方式中，根据当前活动的光源，选择性地读出或扫描检测器阵列以仅从感兴趣的区捕获图像数据。
在图3的示例中，高对比度区308和高对比度区326是不重叠的。然而，将理解的是，区308和326可以重叠。在重叠的高对比度区的情况下，如以下结合图4A-4B所讨论的那样，光源302和320可以在不同的时间被点亮。可替代地，可以做出规定以相比于从光源320发射的光来区别从光源302发射的光，在这种情况下，可以同时点亮光源302和320，而在它们相应的高对比度区内收集数据。当显示像素302和320同时被点亮作为对象成像的部分时，图3提供了使用空间图案的对象成像的示例。
将理解的是，图3仅图示了两个光源的点亮，并且每个光源包括对应的检测区，利用该检测区收集用于输入对象的部分图像的数据。在操作中，系统和方法任意地设想点亮尽可能多的光源以捕获足够的部分图像以构成对象的较大图像或完整图像，并且在一些实施方式中一个光源可能是合适的。还将理解的是，各种显示元件或像素可被独立地用于同时显示视觉信息，而选择的光源(其可以是显示器的部分或与显示器分离)被点亮以用于对象成像。例如，可以使用比来自从显示图像来的周围显示光的光显著更亮的光源，从而允许光学传感器信号足够强以与由显示器引起的嘈杂背景区分开。可替代地，在感测期间，在当前活动的传感器光源周围的区中，显示像素可以局部关闭或变暗。
图4A-4B示出了一系列平面视图，其图示了根据一些实施例的使用时间图案的对象成像的示例。在图4A中，显示像素用作光源。当点亮光源402时，同心圆形404和406标识高对比度区域408的边界。在该配置中，高对比度区域408内的检测器像素(诸如检测器像素410和412)可以用于从要成像的输入对象212收集与脊和谷或其它表面特征对应的数据。可替代地，或结合前述内容，可以使用区411内的检测器像素，该区从边界404径向向内。在一些实施方式中，可以使用区406之外的其它检测器像素。
图4B表示与图4A相同(但在不同的时间)的显示像素和检测器像素的集合。光源414被点亮。如将会注意到的是，标识对应的高对比度区420的边界的同心圆形416和418已经相对于图4A的高对比度区408移动。因此，落在高对比度区域中的检测器像素的子集已经改变，尽管一些像素可能落在高对比度区域408和420两者中，诸如检测器像素412。
在图4A和4B的示例中，高对比度区408和420重叠。然而，光源402和414的点亮在时间上间隔开。例如，光源402被点亮或激活。在从区408内收集数据之后，光源402被关闭或去激活。然后点亮或激活光源414，并从区420内收集数据。在从区420内收集数据之后，关闭光源414。该过程继续使用一样多的显示像素，并任意地以任何顺序捕获足够的部分图像，以任意地形成较大或完整的图像或输入对象的表示。如前所描述的那样，本公开还设想了具有不重叠的高对比度区域的多个显示像素的同时点亮以及具有重叠的高对比度区域的多个显示像素的同时点亮，例如，只要从不同点亮像素接收的反射光可以被分辨或确定。
图5图示了叠加在高对比度区504上的对象的部分图像的平面视图，其在显示像素506的点亮期间成像。同心圆形508和510示出高对比度区504的边界。部分512对应于输入对象的脊。高对比度区504内的其它区域对应于输入对象的谷518。如前所描述的那样，由于由显示像素506所发射光所经历的反射角度，与对象上的实际脊和谷相比，在高对比度区504中检测到的脊和谷可以被放大。放大的量可以取决于显示器的几何形状，包括显示像素、检测器像素和感测区之间的距离。而且，与更靠近显示像素的检测器像素(例如，检测器像素516)相比，距显示像素506更远的检测器像素(例如，检测器像素514)可以接收更低强度的反射光，因为关于光在各种显示层中传播的距离，光的强度减少了。
在一些应用中，来自在单独显示像素的图案化点亮(例如，如本文中所描述的显示像素的顺序或同时点亮)期间获得的各种部分图像的图像数据被组合成输入对象的合成图像数据。可以基于图案中的照亮源之间的已知空间关系来对齐部分图像数据。作为示例，可以通过将部分图像缝合在一起成为较大的图像、或者通过根据各种部分图像的相对对齐来生成将来自各种部分图像的图像数据相关的映射来组合部分图像数据。在这种拼合或映射之前，图像的缩小可能是有用的。另外，将加权函数应用于图像数据以计及在具有距显示像素的不同距离的检测器像素处接收的光的不同强度可能是有用的。在一些应用中，如果使用区508内部的像素，则来自各种部分图像的所产生数据可以被去卷积以重构较大图像。可替代地，该区内部的数据可以传达用于一些应用的足够信息，使得不使用去卷积。
图6图示了根据本公开的在使用显示器的对象的成像期间提供反馈的方式。这样的反馈可以例如用于在注册和/或认证过程中在获取指纹图像期间向用户提供反馈。
如所示出的那样，设备600包括活动显示区域604。活动显示区域604可以涵盖如所示出的设备600的表面的一部分，或者其可以涵盖整个设备表面或设备表面的多个部分。而且，感测表面或输入表面可以涵盖活动显示区域604的一部分，或者感测表面可以涵盖整个活动显示区域604或活动显示区域604的多个部分。诸如手指的对象606被放置在活动显示区域604上方(例如，在其附近或与其接触)。根据本文中的描述，根据图案点亮对象606下面的一个或多个光源(未示出)以对对象606的部分或全部成像。在对象606的成像期间或之后，可以点亮对象606的周边处或附近的显示像素或其它光源，以提供视觉上可感知的界限608。显示的界限608可以改变外观以表示状态。例如，当对象606被成像时和/或在认证时段期间，界限可以是第一颜色(例如，黄色)。一旦成像和认证完成，如果认证成功则颜色可以改变为第二颜色(例如，绿色)，或者如果认证不成功，则颜色可以改变为第三颜色(例如，红色)。将领会的是，颜色的改变提供了可以更改界限608以向用户发信号通知状态的一个示例。也可以采用界限的外观的其它改变(诸如从虚线到实线的改变、或界限的形状的整体改变)。
图7图示了获得、处理和执行诸如指纹之类的输入对象的图像的匹配的方法700。作为示例，匹配可以用于生物计量认证或生物计量识别。将领会的是，步骤和步骤的顺序仅用作示例。在不脱离本公开的情况下，可以消除步骤或修改顺序。
在步骤702中，检测在显示器的感测表面附近或与其接触的输入对象的存在。这种检测例如可以作为检测在显示器中的检测器像素处接收的光的强度改变的结果而发生。可替代地，可以例如使用触摸屏经由电容性感测或其它常规技术来检测输入对象的存在。
在步骤704中，确定要成像的输入对象的水分含量。例如，可以通过点亮显示像素以确定高对比度区域的内边界来确定水分含量。通过将确定的高对比度的内边界与干燥对象的预期边界进行比较，可以估计相对水分含量。水分含量可以用于各种目的。例如，检测的水分含量可以用作预期图像质量的度量。检测的水分含量还可以用于规定高对比度的边界，并且因此，可以用来规定在作为成像过程的部分点亮给定光源时哪些检测器像素将用于收集数据。检测的水分含量还可以用于通知用户不能获得合适的图像。然后可以指示用户使对象(例如，手指)变干燥并发起另一成像尝试。
在步骤706中，点亮一个或多个光源(例如，显示像素、分离的LED等)以对输入对象成像。要点亮的光源和点亮顺序取决于使用的点亮图案。如果使用空间图案，则多个空间上分离的光源被同时点亮。如果使用时间图案，则在不同的时间点亮不同的光源或集体地操作为点源的不同光源的群。如前所描述的那样，用于成像的图案可以包括时间和空间图案的组合。例如，在对应的高对比度区域不重叠的情况下，可以首先点亮显示像素的第一集合。这然后可以接下来是点亮不同的显示像素的第二集合，其也提供不相交的高对比度区，依此类推。点亮的显示像素和点亮的顺序可以例如由通过电容性传感器或触摸屏检测触摸位置来指导。
还设想的是，即使多个显示像素提供重叠的高对比度区域，也可以将其点亮。在这样的布置中，显示像素发射不同波长(例如，颜色)的光，其可以被分离地检测以分辨对象的不同部分图像。可替代地，可以使用诸如码分复用(CDM)之类的技术来发射光。在这样的布置中，可以对所收集的数据进行去卷积以分辨指纹的不同子部分。只要可以检测和区分从不同显示像素发射的光，就可以使用其它方法来在从不同显示像素发射的光之间进行区分。
在步骤708中，从适当的检测器像素获得图像数据。适当的检测器像素将例如是被点亮的(一个或多个)显示像素在对应的(一个或多个)高对比度区中的检测器像素。然而，如前所描述的那样，可以使用高对比度区内部的区。此外，在一些实施方式中，读出或扫描整个检测器阵列，以及然后可以利用图像处理滤除不期望的像素区。
在步骤710中，对点亮图案是否完成作出确定。当收集了将构成对象的期望图像的整体的所有部分图像的数据时，图案完成。如果图案不完整，则处理返回到步骤706。在步骤706中，下一个光源或光源的集合被点亮。
在步骤712中，针对各种部分图像的收集的数据经历处理。作为示例，处理可以包括图像数据的缩小和/或归一化或加权因子对图像数据的应用以计及在较远离光源的检测器像素处检测的光的不同强度。处理还可以包括：将针对各种部分图像的数据组合成完整图像，或者创建将部分图像彼此相关的模板，即使它们保持分离。可以根据图案中的像素之间的已知几何关系来组合来自各种部分图像的图像数据。图像数据还可基于其它参数(诸如覆盖层的厚度)进行组合，该参数提供有关从点亮像素和检测器像素到感测表面的光射束路径的附加信息，以分辨部分图像之间的物理变换。覆盖层的厚度可以是预定义的，或者可以基于高对比度区的内边界的位置在图像捕获时间计算。例如，对于较薄或较厚的覆盖层，内边界的位置可以分别较接近或远离点亮的显示像素。
在步骤714中，可以将图像数据与对象的先前存储的图像进行比较。例如，可以将在认证尝试期间取得的指纹的图像与先前存储的指纹的注册视图进行比较。如果检测到匹配，则认证用户。如果未检测到匹配，则可以拒绝认证。作为另一示例，可以将在控制输入期间取得的指纹的图像与先前存储的指纹的注册视图进行比较，以识别哪个手指提供了输入。如果检测到与特定手指的匹配，则然后可以基于识别的手指来发起手指特定的显示响应或其它设备操作。
如结合图6所描述的那样，可以在结合图7描述的过程期间向用户提供反馈。例如，可以在成像期间和/或当认证过程在进行中时在用户的手指周围提供带色界限。一旦那些过程完成，界限的颜色可能改变，以表示成像的完成和认证的结果。例如，绿色界限表示认证成功，而红色界限表示认证失败。
在图像处理之后，可以在例如存储器108或模板存储部110中存储针对对象的收集的数据以供稍后使用。
图8描绘了根据一些光学系统实施例的光学系统800的示意图。光学系统800被配置为光学地检测一个或多个对象810，并且包括一个或多个光源802、一个或多个感测区812以及一个或多个光检测器(或“光学检测器”)805。当操作时，(一个或多个)光源802朝着(一个或多个)感测区812发射发射光820，并且当(一个或多个)对象810被设置在(一个或多个)感测区812中时，发射光820与(一个或多个)对象810相互作用。(一个或多个)光检测器805检测从(一个或多个)感测区812返回的返回光822，并将返回光822转换为光学数据830。
(一个或多个)感测区812涵盖一个或多个空间或区域，在其中光学系统800能够检测(一个或多个)对象810并捕获与光学系统800感兴趣的(一个或多个)对象810相关联的足够信息。(一个或多个)感测区812光学耦合到(一个或多个)光源802和(一个或多个)光检测器805两者，由此提供一个或多个照亮光学路径以供发射光820从(一个或多个)光源802到达(一个或多个)感测区812，以及提供一个或多个返回光学路径以供返回光822从(一个或多个)感测区812到达(一个或多个)光检测器805。(一个或多个)照亮光学路径和(一个或多个)检测光学路径在整体上或在部分上可以物理地分离或可以重叠。在光学系统800的一些实施方式中，(一个或多个)感测区812包括在(一个或多个)光源802和(一个或多个)光学检测器805的合适深度或范围内的三维空间，以用于深度成像或接近感测。在一些实施方式中，(一个或多个)感测区812包括具有二维区域的感测表面(例如，传感器压板)，以用于接收(一个或多个)对象810的接触以进行接触成像或触摸感测。在一些实施方式中，(一个或多个)感测区812可涵盖在一个或多个方向上延伸的空间或区域，直到光学系统800的信噪比(SNR)或物理约束妨碍足够准确地检测(一个或多个)对象810。
(一个或多个)光源802包括一个或多个光发射器(例如，一个或多个光发射设备或材料)，该光发射器被配置为照亮(一个或多个)感测区812以用于对象检测。在光学系统800的一些实施方式中，(一个或多个)光源802包括一个或多个发光二极管(LED)、激光器或其它电致发光设备，其可以包括有机或无机材料并且可以被电控制或操作。在一些实施方式中，(一个或多个)光源802包括多个光源，其可以以规则的阵列或不规则的图案布置，并且其可以在物理上被定位在一起或在空间上分开在两个或更多分离的位置中。(一个或多个)光源802可以发射窄带、宽带或多个不同的带中的光，其可以在可见光谱或不可见光谱中具有一个或多个波长，并且(一个或多个)光源802可以发射偏振光或非偏振光。在一些实施方式中，(一个或多个)光源802包括一个或多个专用的光发射器，其仅用于照亮(一个或多个)感测区812以用于对象检测。在一些实施方式中，(一个或多个)光源802包括与电子系统的一个或多个其它功能相关联的一个或多个光发射器，诸如用于向用户显示视觉信息或图像的发射器或显示元件。
(一个或多个)光检测器805包括一个或多个光敏设备或材料，其被配置为检测来自(一个或多个)感测区812的光以用于对象检测。在800的一些实施方式中，(一个或多个)光检测器805包括一个或多个光电二极管(PD)、电荷耦合器件(CCD)、光电晶体管、光敏电阻器或其它光电传感器，其可以包括有机或无机材料并且其可以被电子地测量或操作。在一些实施方式中，(一个或多个)光检测器805包括多个光敏部件，其可以以规则阵列或不规则图案布置并且可以在物理上定位在一起或在空间上分开在两个或更多分离的位置中。在一些实施方式中，(一个或多个)光检测器805包括一个或多个图像传感器，其可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)、薄膜晶体管(TFT)或电荷耦合器件(CCD)过程形成。(一个或多个)光检测器805可以检测窄带、宽带或多个不同带中的光，这些光可以具有一个或多个可见或不可见光谱中的波长。(一个或多个)光检测器805可对由(一个或多个)光源802发射的光的(一个或多个)带的全部或部分敏感。
(一个或多个)对象810包括提供光学系统800感兴趣的信息的一个或多个有生命或无生命的对象。在光学系统800的一些实施方式中，(一个或多个)对象810包括一个或多个人、手指、眼睛、脸、手或触控笔。当(一个或多个)对象810位于(一个或多个)感测区812中时，所有或一部分发射光820与(一个或多个)对象810相互作用，并且所有或一部分发射光820返回到(一个或多个)光检测器805作为返回光822。返回光822包含与发射光820和(一个或多个)对象810的相互作用对应的效应。在光学系统800的一些实施方式中，当发射光820与(一个或多个)对象810相互作用时，它被(一个或多个)对象810反射、折射、吸收或散射。此外，在一些实施方式中，(一个或多个)光检测器805检测包含被(一个或多个)对象810或(一个或多个)感测区812的一个或多个表面反射、折射或散射的光的返回光822，并且返回光822指示与被810对光的反射、折射、吸收或散射对应的效应。在一些实施方式中，光检测器805还检测其它光，诸如外界光、环境光或背景噪声。
(一个或多个)光检测器805将全部或部分的检测的光转换成包含关于(一个或多个)对象810的信息并对应于发射光820与(一个或多个)对象810的相互作用的效应的光学数据830。在一些实施方式中，光学数据830包括一个或多个图像、图像数据、光谱响应数据、生物计量数据或位置数据。光学数据830可以被提供给一个或多个处理部件以用于进一步的下游处理或存储。
光学系统800的部件可以包含在同一物理组件中，或者可以在物理上分离。例如，在光学系统800的一些实施方式中，(一个或多个)光源802和(一个或多个)光学检测器805或其子部件被包含在相同的半导体封装或相同的设备外壳中。在一些实施方式中，(一个或多个)光源802和(一个或多个)光检测器805或其子部件被包含在两个或更多分离的封装或设备外壳中。光学系统800的一些部件可以或可以不被包括为光学系统800的任何物理或结构组件的部分。例如，在一些实施方式中，(一个或多个)感测区812包括结构感测表面，该结构感测表面被包括在光学系统800的物理组件中。在一些实施方式中，(一个或多个)感测区812包括在光学系统800的操作期间与光学系统800相关联的环境空间，其可以由光学系统800的设计或配置确定，并且可以在光学系统800的不同操作实例上涵盖不同空间。在一些实施方式中，在光学系统800的操作期间，(一个或多个)对象810由一个或多个用户或环境提供，所述(一个或多个)对象810在光学系统800的不同操作实例上可以包括不同的用户或环境。
光学系统800可以包括为简单起见未图示的一个或多个附加部件。例如，在光学系统800的一些实施方式中，光学系统800包括一个或多个附加光学器件或光学部件(未画出)，其被包括以作用于光学系统800中的光。光学系统800可以包括一个或多个光引导件、透镜、反射镜、折射表面、衍射元件、过滤器、偏振器、光谱过滤器、准直器、针孔或光吸收层，其可以包括在(一个或多个)照亮光学路径或(一个或多个)返回光学路径中，并且其可以视情况而定针对(一个或多个)对象810的检测用于修改或指引光。
图9描绘了根据一些显示器实施例的显示器900的示意图。显示器900包括一个或多个显示基板906，显示像素电路910以及一个或多个覆盖层或覆盖物908。
显示器900是用于将图像、视频或文本呈现给一个或多个观看者或用户的电子视觉显示设备。显示器900包括显示像素电路910(例如，一个或多个电极、导线、晶体管等)，其全部或部分地设置在(一个或多个)显示基板906上方以用于操作显示器900中的一个或多个显示元件或显示像素。显示像素电路910可以直接在(一个或多个)显示基板906的表面上或者在设置在(一个或多个)显示基板906上的一个或多个中间层上设置在(一个或多个)显示基板906上方。(一个或多个)显示基板906包括一个或多个支承层，以用于承载显示像素电路910或显示器900的部件。(一个或多个)覆盖物908包括一个或多个层(例如，一个或多个钝化层、平坦化层、保护性覆盖片等)，其设置在(一个或多个)显示基板906上方并且设置在显示像素电路910上方。在显示器900的一些实施方式中，显示器900形成平坦、弯曲、透明、半透明或不透明的显示面板。在一些实施方式中，显示器900包括以显示堆叠布置的多个层。显示堆叠可以包括构成显示面板的所有层或者显示面板中的堆叠的层的任何多个子集。
显示器900可以利用合适的技术来显示二维或三维视觉信息，诸如有机发光二极管(OLED)技术、微型LED技术、液晶显示器(LCD)技术、等离子体技术、电致发光显示器(ELD)技术等。在显示器900的一些实施方式中，显示像素电路910包括有源矩阵或无源矩阵底板。在一些实施方式中，显示器900是发射或非发射显示器。在显示器900的一些发射实施方式中，显示像素电路910控制或操作多个光发射显示像素的像素值，并且显示像素是顶部发射或底部发射。在显示器DIS的一些非发射实施方式中，显示像素电路910控制或操作多个传输或反射显示像素的像素值。在一些实施方式中，显示器900呈现可从显示器的一个或多个侧观看的可见图像，所述一个或多个侧可以在覆盖侧之上、基板侧之下或显示器周围。
图10描绘了根据一些LCD显示器实施例的液晶显示器(LCD)面板1000的示意图。
LCD面板1000包括LCD单元1010和用于利用显示光1004照亮LCD单元1010的显示照亮器，例如，背光1002。背光1002包括用于向LCD单元1010提供显示光1004的一个或多个发射、反射或折射部件(例如，一个或多个LED、棱镜阵列、亮度增强膜等)。背光1002还可包括偏振器，或者偏振器可以设置在背光1002上方，以过滤到达LCD单元1010的光的偏振。
LCD面板1000包括由玻璃或另一合适的材料制成的透明薄膜TFT显示基板9061006，在其上方可以形成显示像素电路。液晶材料1012设置在透明薄膜晶体管(TFT)显示基板1006上方，并且液晶材料1012夹在TFT显示基板1006和滤色器层1014之间。与LCD面板1000的操作相关联的显示像素电路(包括TFT 1016、导线1018和电极)被设置在TFT显示基板1006上方。导线1018可以用于发射与子像素相关联的信号，诸如用于操作TFT 1016的控制信号或与所显示的帧的子像素值相关联的子像素数据。TFT 1016可以用于切换或控制通过显示像素电路发射的信号，并且尽管在图中示出了一个晶体管，但是在LCD面板1000的一些实施方式中，可以在同一子像素中包括多个晶体管。
液晶材料1012耦合到公共电极1017和像素电极1015，其可用于向液晶材料1012施加电压或电极场，以用于根据显示帧数据控制穿过子像素的显示光1004的量。向像素电极1015施加电压可以生成电场，这可以更改子像素处的液晶材料1012的取向，由此控制通过子像素滤色器1027到观看区的光的量。LCD面板1000可以利用平面中切换(IPS)技术或另一合适的LCD技术，在这种情况下，与子像素相关联的电极的布置可以根据特别的LCD技术而改变。
滤色器层1014可以包括滤色器基板1024，或者滤色器层1014可以由滤色器基板1024承载，并且滤色器基板1024可以由玻璃或另一合适的材料制成。滤色器层1014包括不透明部分1025(例如，黑色矩阵、黑色遮罩等)和子像素滤色器1027(例如，红色滤色器、绿色滤色器、蓝色滤色器等)。不透明部分1025可将子像素滤色器1027与一个或多个相邻子像素滤色器分离，所述相邻子像素滤色器诸如是属于不同像素的相邻子像素滤色器或属于相同像素但是相同像素的不同子像素颜色的相邻子像素滤色器。滤色器层1014的不透明部分1025的面积范围对应于LCD面板1000的活动显示区的不透明区1032，并且子像素滤色器1027的面积范围对应于LCD面板1000的活动显示区的子像素颜色区1034。LCD面板1000还包括设置在LCD单元1010上方的透明覆盖片1008。在LCD面板1000的一些实施方式中，覆盖片1008包括化学硬化玻璃层、蓝宝石或透明塑料材料。
在图10中，示出了LCD面板1000的一个子像素和与子像素相关联的一些显示像素电路部件，但是应当理解的是，LCD面板1000可以包括多个像素和子像素，以及在图10中未示出的附加的显示像素电路和其它部件。
在一些实施方式中，与显示照亮器分离的光源(诸如微型LED点源)被设置在1010中、1010下或1010上方。
图11示出了根据某些实施例的基于点源的光学系统(或点照亮系统)1100的示例。从点源1102发射的光发散，但是来自发射光1120和返回光1122的光射线基本上不彼此交叉，以允许在光电传感器平面1105处分辨接近感测区1112的对象1110的图像。在实施方式中，点源1102是真实点源或足够近似点源以分辨对象1110的特征。
图12A-12B示出了根据一些实施例的用于感测的点源的示意性示例。在图12A中，示出了理想点源，并且照亮路径距离(demi)和返回光学路径距离(dret)相同，从而导致传感器平面处的2倍放大。在图12B中，将宽光源或宽光源群用作点源。这导致传感器平面处的一些模糊，但是仍然可以基于点源光学原理在传感器图像中分辨对象特征。
图13描绘了根据一些实施例的包括设置在LCD单元1310中的微型LED(mLED)1310(其包括抗反射涂层1312)的LCD面板1300的示例。如所示出的那样，由mLED1310发射的光1320穿过不透明部分1325中的透明区到覆盖层1308中。
本文中公开的各种光学显示系统和显示面板适合于与光学生物计量感测(包括光学指纹感测)一起使用。在光学指纹传感器中，可以使用准直的或点光源照亮手指，这允许通过利用在空气/玻璃界面(谷)处而不是在皮肤/玻璃界面(脊)处的高得多的反射率(例如，全内反射或“TIR”)来获得指纹脊和谷的高对比度图像。
然而，可能难以在小的、薄形式因素光学传感器中(尤其是在显示器的活动区域中)提供这种照亮。图14图示了具有用于照亮例如手指的输入对象1410的分立光源1402(例如，微型LED)的显示器中光学传感器的横截面。参考图14，位于显示设备的显示器中或显示器上的各种位置处的多个光源1402用作光源，以允许在跨显示器的各种位置处获得输入对象(例如，指纹)的高对比度TIR图像。
可以将明亮的LED放置在显示器侧面或显示器之下或显示器的同一层中(例如，显示元件侧面、显示元件之下或与显示元件在同一层中)。当将光源放置在显示器之下时，许多光可能丢失，因为它被显示器阻挡，其可能具有2％-50％之间的净透射率，其中对于OLED显示器净透射率尤其低。在LCD的情况下，由于背光膜层、漫射器和亮度增强膜(BEF)之间的空气间隙，可能难以从显示器之下照亮输入对象(例如，手指)。本文中描述了用于解决显示器下的传感器光源的这些问题的一些实施例。图14示出了实施例，其中在OLED和LCD显示器两者中，传感器照亮源1402位于或定位在(一个或多个)显示层之上，从而通过保持真实点源照亮源、并且在一些实施方式中通过将光源放置为更靠近手指1410来增加传感器的有效放大，而增强了光学效率以及改进了传感器的光学分辨率。
在一些实施方式中，微型LED可在一侧上以低至数微米的尺寸范围制造，或者较大。这样小的(以及与OLED显示像素相比明亮的)光源使得能够照亮手指的一部分，以获得指纹特征(例如，脊和谷)的高对比度图像。这些小的微型LED可以直接放置在硅IC上或TFT阵列上。通过跨显示器(或其一部分)放置多个微型LED光源，这些微型LED可用于照亮手指的连续部分，从而允许按顺序(或并行，例如如果微型LED之间的距离足够大以至于手指的部分和被用来收集图像的传感器不会互相干扰)捕获手指的部分的图像。在手机显示器的情况下，例如，相互作用距离可以是大约数毫米。
在LCD和OLED显示器实施例中，(一个或多个)光源1402可以被放置在TFT有源矩阵的顶部上的不过度干扰显示器操作或外观的位置中。对于OLED显示器，(一个或多个)光源1402的位置可以在红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)OLED显示发射器/子像素之间，如图14中所描绘的那样。对于LCD，(一个或多个)光源1402可以位于不是LCD的透明孔口区域的部分的任何地方。
如果经历手指1410的外部阳光(或其它外界光)非常明亮并干扰了指纹图像集合，则在实施例中，蓝色或绿色的光可用作光源1402，并且可选的波长选择性过滤器(未示出)可位于光电检测器上方以阻挡任何不来自微型LED光源的光。
在光电传感器1405面积密度相当高并且在TFT/显示阵列中没有许多空间可用于附加的微型LED的情况下，在实施例中，一个或多个光电传感器1405可以由微型LED代替或覆盖，以及传感器的图像中的每个对应像素值可以通过对附近像素的值进行内插来获得。参考图14未具体描述的各种元件(例如，覆盖玻璃、TFT、基板封装等)可以与本文中所描述的其它实施例中的相似元件类似，并且不进一步描述。
图15A、15B和15C示出了包括一个或多个专用OLED发射器的OLED显示器实施例，所述一个或多个专用OLED发射器操作为用于照亮感测区的光源。图15A示出了具有专用的“明亮OLED像素”作为用于照亮对象/手指的光源1502(也标明为“E”)的显示器中的光学传感器的横截面。图15B示出了根据实施例的散布在红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)OLED显示发射器/子像素之间的多个专用OLED发射器1502和光电二极管的示例布局。图15C示出了根据实施例的散布在红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)OLED显示发射器/子像素之间的专用OLED发射器1502(也标明为“E”)和光电二极管1505(也标明为“PD”)的示例布局，所述专用OLED发射器1502包括硬接线在一起并由OLED驱动器电路1510操作为单个点源照亮器的专用OLED发射器(E)1502的群。参考图15A未具体描述的各种元件(例如，覆盖玻璃、TFT、基板封装等)可以与本文中描述的其它实施例中的相似元件类似，并且不进一步描述。
在这些OLED显示器实施例中，微型LED利用专用的OLED发射器1502或像素来被代替(或补充)，该专用的OLED发射器1502或像素能够以比其它OLED显示像素更高的电流和强度来被驱动。在一些情况下，OLED显示发射器不以远大于500cd/m2的亮度驱动，以避免OLED显示器的过早老化和变暗，尤其是对于蓝色发射器而言。这可以对应于每个OLED发射器/子像素的若干纳瓦数量级的光学功率输出。因为点源手指照亮方案有时可能使用不宽于被成像的近似特征尺寸(对于一些指纹传感器而言诸如为50-100μm)的光源，所以该一个或多个邻近或不邻近的OLED显示像素可以被同时点亮，从而需要不超过几十纳瓦的光学功率。
在一些操作条件下(例如，在日光下)，一些光源可能仅发射少量光，其可能不足以获得指纹图像。因此，在一些实施方式中，使用较亮的小(例如，＜200μm)光源。尽管小的(例如，＜20μm宽的)LED能够提供如1毫瓦那样多的光学功率，但是在一些实施方式中，可能难以在不过度降级显示外观的情况下将这种小的LED放置在OLED显示发射器之间。
在根据图15A、15B和15C的一些实施例中，可以通过放置专用于光学感测的附加OLED像素或子像素(或使用现有的OLED像素)或者照亮OLED显示像素之间的感测区，以及(以比非专用显示OLED显示发射器更高的亮度等级、但是达比不使用专用OLED传感器像素的显示操作所需的更短的持续时间)驱动那些专用OLED传感器像素、子像素或发射器，来解决这个困境。
在一些实施例中，可以将专用的OLED传感器照亮发射器/子像素放置在非专用的OLED显示器的子像素(例如，红色、绿色和蓝色子像素发射器)之间的暗区域中。这些专用发射器可以稀疏方式跨OLED显示器分布，或者这些中一个或多个可以位于显示器的子集中。在一些实施方式中，可以将多个专用的OLED传感器发射器集结以形成较大(和较亮)的多像素照亮源，这些照亮源集体地一起操作为单个点照亮源。可以选择这些专用像素的颜色(主要发射波长)以最优化发射光的量、最大化其寿命并提供与用于在潜在的明亮外界光条件下读取指纹图像的光学要求兼容的照亮。专用OLED传感器发射器可以全部以相同或类似波长发射光，或者在一些实施方式中，可以将不同带色的专用OLED发射器一起用于多光谱光学感测或其它目的。
可以选择在其处可以驱动专用发射器的亮度，以提供用于要收集的指纹图像的足够的光，同时保持专用发射器的寿命。OLED老化(达到特定亮度下降的时间)有时被描述为以下形式的幂定律(power-law)
tbright/tref＝(Lref/Lbright)α
在其中Lref和Lbright分别是参考和明亮照亮等级，α是加速因子，对于各种OLED设备构造其可以在1.2-1.9之间变化，以及tref和tbright是在参考和明亮照亮等级下操作时的寿命。
因为专用发射器在平均一天(例如，根据一个示例使用，总共少于20秒)期间比非专用显示发射器(例如，根据一个示例使用高达若干小时)可以被照亮达少得多的时间，所以可以以比非专用OLED显示像素发射器亮得多的强度(例如，如100倍那样多或更多)来驱动专用发射器，由此为指纹感测应用提供足够的光。
这些明亮的专用OLED发射器可以包括修改的TFT像素电路，以提供产生更多光所必须的较高的驱动电流，并且显示/传感器驱动器IC或外围电路可以设计为在获取图像时适应操作的这种短的闪光模式。
因为高分辨率(例如。300+dpi)显示器中的OLED发射器之间存在可用于光电二极管/光电传感器的相对小的空间量，所以优选利用专用OLED发射器代替单独光电二极管或光电传感器，而不是要求该两者并排处于已经拥挤的像素中。在这种情况下，尽管由传感器读取的图像将在单独像素位置处错过传感器数据，但是由于可以使用比光电传感器更少的传感器光源，所以可以基于周围像素强度来对那些错过的像素值进行内插。可替代地，可以将光电传感器放置在显示基板之下，其一些实施方式在本文中其它地方描述。
对于一些成像应用和像素节距，可能不必须每个显示元件或像素包括一个光电二极管1505，如图15B中所描绘的那样(例如，对于具有大放大因子的成像器，其中期望的手指图像分辨率(例如，以ppi为单位)小于显示/传感器像素节距)。在一些实施例中，专用OLED发射器1502和光电二极管1505的密度可以不同，其中专用发射器或专用发射器的群跨显示器分布。可以实现冗余的专用发射器或专用发射器的群，使得(例如，当特别的专用发射器或群开始老化或变暗时)图像传感器可以切换到使用不同的发射器或群或群的集合，以照亮手指并获取图像。使用这种方法，图像后处理可以利用对改变的活动专用发射器或发射器群的位置的了解。因为在一些实施例中，活动专用发射器群之间的距离可能大(例如，若干毫米)，所以可能以可能产生过早老化的甚至更高的亮度驱动这些专用发射器，然后当亮度已经下降到不可接受的等级时切换到新的专用发射器或发射器群。
图15B示出了示例布局，在其中多个专用传感器OLED发射器1502布置成群。尽管在图15B中示出了在形成群时的5个OLED发射器1502，但是群可以包括两个或更多发射器1502。在一些实施方式中，可以将群分离地一起驱动以操作为单个点源或光源。可替代地，群可以如图15C中所示出的那样被硬接线在一起。驱动器电路1510可以将相同的电流驱动到专用OLED发射器1502的群的分离的电极上，而不需要用于群的单独发射器的TFT显示层中的分离的通道或分离的接线。
现在参考图16A、16B、16C、16D、17、18A和18B，某些实施例使用点源照亮(或近似点源照亮)提供用于光学传感器(例如，光学指纹传感器)的照亮源。在某些实施例中，显示设备可以包括：一个或多个LED 1602，其被接合在显示底板(TFT)基板1606的背面上；或者一个或多个LED，其被接合到被接合/粘附至底板(TFT)基板1606的分离的基板1607。在一些实施例中，这些技术可以在OLED(具有透明基板)或LCD显示器中实现。
与基于准直器的光学指纹传感器(FPS)相比，基于点源照亮的显示器中的光学指纹传感器实施例提供了更高的SNR，这是因为不需要使用准直过滤器(准直器)，并且具有大幅地高于显示器的强度的明亮腋生(axillary)源可用于直接照亮手指(作为示例，通过显示器的透射率可以为5-10％，而1/10纵横比的准直器具有为0.5％的透射率)。而且，基于准直器的光学FPS难以在除了OLED之外的显示器中实现，而基于点源照亮的显示器中的光学FPS可以在诸如LCD的其它显示器上实现。
在参考图16A、16B、16C、16D、17、18A和18B所示出和描述的实施例中，光电检测器阵列1605、1805(“PD”)被集成在显示器的底板中，并且一个或若干点源用于照亮对象，例如，手指。来自点源的、从手指/覆盖玻璃界面或手指输入表面反射回去的光，以及界面的放大图像(在点源周围被极放大)在光电检测器阵列上被捕获。本文中描述了将点源(或点源阵列)用于LCD和OLED显示器的实施例。
对于OLED显示器，可以将一个或若干个LED 1602接合到显示基板1606的背面，如图16B中所示。可替代地，一个或多个LED 1602可以被接合到分离的基板1607，其可以例如使用光学透明粘合剂(OCA)被接合到OLED基板1606的背面，如图16A中所示。
对于LCD显示器，可以将一个微型LED 1602或微型LED 1602的群用作用于照亮的点源。使用紧密间隔的微型LED的群以避免遮蔽效应可能是有用的(如以下将解释的那样)。一个或多个微型LED 1602可以接合到显示TFT基板的背面，如图16D中所示，或者接合到分离的透明基板1607，其如图16C中所示位于背光和TFT基板之间。如图17中所示，为了改进显示器的均匀性，在一个实施例中，跨显示器的一部分或跨具有LED群的相同尺寸和图案的整个显示器包括了伪光阻挡特征(图案)1705。伪特征1705可以减小显示器的总亮度，但是可以改进均匀性。伪图案可以包括不透明特征，其根据由微型LED形成的图案而周期性地变化，其示例在图17中示出。例如，设置在背光上方的伪图案可以包括设置在背光与显示基板之间的多个光阻挡特征。
对于放置在底板下的LED，照亮感测区(例如，感测区中的手指)的光可以被TFT、金属线、OLED像素元件、黑色遮罩(在LCD的情况下)等阻挡。因此，例如，如果使用小的LED来照亮手指，则手指的部分可能不被照亮，这可能会阻碍从遮蔽的位置捕获有用的图像。在另一方面，较大的LED可能会导致模糊效应，因为光从不同角度到达传感器。这在图18A和18B中已经示意性地图示。在一个实施例中，选择允许的最大LED尺寸或最大LED群尺寸。例如，最大LED尺寸的粗略估计可以是分辨率乘以放大因子。放大因子可以取决于光源、传感器和覆盖层界面或感测/输入表面之间的距离。
单独LED或每个LED群之间的距离可取决于光电检测器(光电传感器)的灵敏度和动态范围以及源的输出功率和显示器和源相对于覆盖层界面的位置。检测器上的有用区域通常由源的强度以及检测器中的动态范围和噪声确定，因为到达检测器的光的强度与半径的平方遵循反比关系。对于固定的光强度，传感器的噪声可确定最大成像半径。这可以导致由检测器上的有用图像区域给出的手指上的有用成像区域被除以放大因子。对于有用图像的固定半径，如果需要手指的连续图像，则光源可能具有靠近的距离，因此使用每个源拍摄的手指图像重叠或会合。
现在转到图19A、19B、20A和20B，根据某些实施例描述了附加的光学感测系统。在图19A、19B、20A和20B中所示出的实施例中，传感器系统包括光电检测器阵列1905、一个或多个LED 1902、覆盖光电检测器阵列1905(但不在(一个或多个)LED 1902上方)的涂层层1909(其具有低于显示器或显示层1930的折射率的折射率)以及在未被光电检测器1905占据的传感器基板1906的部分上方的光吸收涂层1933(例如，黑色遮罩)。低指数层1909限制了从其处光从显示器反射并到达光电检测器1905处的角度，因此，一部分传感器检测从手指/覆盖层界面1912反射的光，而从显示堆叠反射的大部分光被排斥。光吸收层1933可以防止通过扩大照亮源的有效尺寸能够使图像质量降低和模糊的光在显示器和传感器之间的多次反射。
图20A中示出了传感器系统的横截面示意图，其示出了从显示器和覆盖层界面反射的光的路径。LED 2005以角度θc提供充足的光以用于成像。低指数材料2009堆叠在光电检测器和显示器之间(但不在LED 2005上方)，其中折射率n1满足θc＝sin-1(n1/n2)，其中n2是显示基板的指数。该层使得以大于θc的角度朝着传感器到来的光被反射回去。因此，来自显示器的反射光仅在小于以下半径的半径内到达光电检测器
Rin＝2×tdisp×tanθc。
在大于Rout＝2×tstack×tanθc的半径之外，来自覆盖层界面的镜面反射光可能不到达传感器。
因此，如图20B中所示，在LED 2005周围的Rin和Rout半径之间的传感器的区捕获大部分来自从手指/覆盖层界面来的镜面反射光的图像，而来自显示器的镜面反射光将从显示器/低指数层界面被排斥。作为示例，假定65°的角度，n2＝1.4，1mm的tstack，0.2mm的tdisp：
Rin＝0.86mm
Rout＝4.29mm。
n1＝1.27
应当理解的是，图20A的横截面示意图不一定按比例，因此低指数率层2009的厚度可以小于显示基板厚度tdisp。
而且，在一些实施例中，黑色遮罩或光吸收层堆叠在低指数层2009之下或之上。
在一些实施例中，LED 2005位于光电检测器平面之上，例如位于显示器之下的分离基板上。可以将一个或若干个紧密放置的LED用作单个点源，然而，源的尺度(例如，定位地最远的LED之间的距离)至少部分取决于传感器所需的成像分辨率。近似地，对于R的分辨率，源的尺寸应小于mR，其中m是传感器的放大因子。
图21示出了指纹传感器2100的另一实施例，其包括在显示像素层处的光源2102和在显示层之下的传感器2105。在一些实施方式中，光源2102可以包括提供在显示层中的微型LED或明亮OLED，以作为用于呈现图像的显示像素的部分或作为(一个或多个)专用传感器光源。与显示器中的光电传感器相比，图21中所示出的实施例包括较大的光电传感器2105，例如，在(例如，比传感器1905)大100倍的范围内。此外，这些光电传感器2105不占用已经拥挤的显示层的空间，并且使光电传感器阵列免于设计约束。例如，显示像素节距可以在40μm至60μm的范围内，并且可以使感测像素节距比显示像素节距更大，例如，是其2或3倍。
对于采用手指的点源照亮的(例如，用于移动电子设备)薄指纹图像传感器，通常有用的是校正不均匀的图像亮度和/或从多个部分手指图像组装较大的图像。例如，当在其上放置手指的玻璃非常薄(<1mm)时，当使用单个点光源照亮手指时，难以对大于若干毫米宽的手指的区进行成像。因此，一些实施方式通过连续地取得手指的部分的图像并将那些部分手指图像重新组装成手指的单个图像来重构全手指的图像。每个部分手指图像的亮度可能非常不均匀，但是是以可预测和可校正的方式。
在点源TIR(全内反射)成像的一些实施例中，利用与要成像的特征(例如，手指脊和谷)粗略地相同尺寸的小光斑照亮对象/手指会产生在光源的小圆形内的特征的图像。该圆形的直径可以是从光源到对象/手指的距离的若干倍。根据实施例，在图23中描绘了光源2302、传感器2320和要成像的手指2310的一种配置。在其它实施例中，光源可以放置在光电传感器层之上或之下。
如果跨传感器分布光源的阵列，则每个光源可以照亮其之上和附近的对象/手指的一部分，并且通过组合在按顺序点亮光源时捕获的若干图像，可以构造较大的图像或整个对象/手指的表示。图22A、22B和22C图示了根据实施例的使多个部分手指图像成为单个手指图像的组装。图22A示出了两个部分手指图像，其各自在由光源限定的感测区的不同部分(例如，LED位置)中拍摄。图22B示出了如将在本文中描述的在被重新归一化/亮度校正之后的两个部分手指图像的亮度和对比度。图22C示出了手指的较大部分的合成图像——两个重新归一化图像中的每个的中心部分以合成图像中的相应光源(LED)位置为中心。
在成像系统包括多个光源的情况下，由光电传感器阵列捕获的图像可以是对象/手指的放大图像。如果(一个或多个)光源和传感器阵列在同一平面中，则图像放大可能是2倍，但是当(一个或多个)光源和传感器阵列与对象/手指在不同的距离时，该放大比可能改变：当光源比传感器更靠近对象/手指时，放大比增加；以及当光源比传感器更远离对象/手指时，放大比降低。取决于制造和组装公差，以及是否在覆盖层的顶部上放置了另一个透明层(诸如屏幕保护物)，放大比可能明显改变。因此，在某些实施例中，期望在使用期间测量放大比，而不是依赖于潜在地不准确或过时的假定放大比。
在实施例中，通过捕获在传感器上方不存在对象/手指的情况下的图像来确定放大比。这样的图像可能看起来像图24B(左侧)中所示出的那样。图像的中心相对暗，其中从光源到对象/手指和传感器的光射线角度低于全内反射角度(对于尝试离开覆盖玻璃到空气中的光而言)，并且当光射线角度超过全内反射角度时，图像在该中心圆形外部亮得多。从暗的中心区到较亮的区的转变发生在全内反射角度(对于玻璃和空气而言偏离法线约42度)处。已知来自光源的捕获的图像中的此转变的全内反射角度和距离rTIR(例如，参见图23)，可以确定从传感器到手指的距离，并且因此可以确定图像放大比。
因为到达远离照亮源的对象/手指(和传感器)的光的量迅速下降，所以获取的图像可能(因为在TIR角度之下反射离开玻璃表面的光射线)在LED的中心附近是暗的，在围绕该中心圆形的环中(在TIR角度之上)是亮的；然后在离LED较远的地方又是暗的，因为光的量然后随着距LED的距离而迅速下降(例如，参见图24B)。通过使用径向亮度校正方法或算法，可以显著减少这些强的平均强度变化。
在一些实施例中，亮度校正方法包括识别在照亮源周围的连续地更大的环中发现的最暗和最亮强度，并创建两个对应的曲线或模型Imin(r)和Imax(r)，以将最亮和最暗强度等级记录为与照亮源的距离r的函数。
每个像素的强度可以利用在距照亮源该距离处的所有像素的最大-最小亮度的分数来代替，例如：
只要亮度变化主要取决于距中央照亮源的距离，这就可能具有在图像中的所有位置将分数对比度延伸到接近100％的效果。
某些实施例可以将亮度校正独立地应用于手指的不同部分的每个图像。可能期望使用代表多于一个LED的照亮条件的复合或平均Imin(r)和/或Imax(r)，以用于跨多个单独图像的一致的亮度校正。
在一些实施例中，在已经将亮度校正应用于针对每个单个照亮源获取的每个图像之后，图像被缝合在一起或者基于光源的位置和图像放大比以其它方式彼此相关或相关联。在一个实施例中，这是通过按其放大比收缩每个图像并使该图像以其照亮源(例如，LED)位置为中心来完成的。另一个实施例包括通过图像放大比按比例扩大LED位置，以及使每个未缩放图像以新按比例扩大的LED位置为中心。在图26和图27中所描绘的示例中，使用后一种方法。图26是用于创建图22C中所示出的合成图像的图像缝合处理的描绘；将独立获取的图像的片段缝合在一起，其中每个图像的部分放入(下部)合成图像中，其中每个部分以LED位置为中心(在LED位置已经通过手指-成像器放大比按比例扩大之后)。图27图示了根据实施例的使用中值阈值方法的图像缝合的结果。
在某些实施例中，照亮源(诸如LED)的阵列可以被定位成使得在由每个LED照亮的手指的区中存在一定程度的重叠。在这些重叠区中，系统可以决定要使用哪个LED的图像。一种选择方法是选择最接近于光源的图像。通常可以通过构造与每个光源的接近度的Voronoi单元映射来完成这一点，或者，如果将LED位置准确地放置在规则阵列中，则仅使用每个像素的行和列编号即可找到最近的LED。
在一些实施例中，构造图像缝合映射，该图像缝合映射除了LED位置之外还使用图像特性来决定将LED的图像的哪些部分放置在合成图像或合成指纹表示的哪些部分中。
在一个实施例中，基于对比度或距离的阈值方法被用于确定亮度校正的LED的图像的可接受片段。对于要缝合的图像的每个点，选择来自在其中点落在图像的可接受片段中的LED的图像的点。接下来，从选择的图像点计算聚合统计信息，诸如加权平均或中间亮度。(一个或多个)权重可以基于或根据距离、对比度或者对于所有选择的图像简单地相等。然后，基于计算的平均亮度和阈值，可以针对该点选择亮度值。作为示例，图27示出了使用中值亮度(相等权重)和为120/255的亮度阈值的图像缝合的结果。距LED的中心150像素的半径已经用于确定LED的图像的可接受片段。
缝合图像的一些替代方法实施例可以基于计算针对LED的图像中的点的局部对比度。对于要缝合的图像的多个点或每个点，选择来自针对该点具有最高局部对比度的LED图像的亮度值。基于像素附近的亮度值的统计来确定局部对比度。确定局部对比度的一种方法是针对，例如，模式或模式的清晰度之间的距离的双峰分布的度。
可以开发归一化和构造手指的合成图像的其它方法实施例以执行亮度校正，包括不使用径向亮度校正的经验方法，或者构建(或计算)并存储亮度校准映射的方法。在执行这些图像处理步骤之后，可以将归一化和/或合成的指纹图像用于指纹或生物计量匹配(例如，验证、识别、认证等)或存储在注册模板或模板存储部中(例如，作为完整图像、压缩图像、提取的特征集合等)。
减少不想要的反射
对于具有位于具有照亮源(诸如点光源)的显示器下的光学传感器(例如，光学指纹传感器)的实施例，光可以从显示器的背面反射，并使通过传感器捕获的图像的质量降级。该光的强度还可以高于从感测表面(例如，感测表面上的手指)反射或返回的光，并且可以减小能够检测的信号的动态范围。因此，在一些实施例中，提供了用于抑制这些反射的方法。参考图28-32，针对使用显示器下的照亮方案通过显示器进行的指纹成像，描述了光学传感器的某些实施例。
图28-32中的实施例的传感器包括：光电检测器(光电传感器)的阵列、一个或多个光源(诸如LED)，显示图案下的可选吸收层和/或位于显示器的背面上以最小化来自显示层的反射的圆偏振器(包括四分之一波长延迟器和线性偏振器)。在未被光电检测器占据的传感器基板的部分上方或显示器和传感器侧两者上使用了可选的光吸收涂层(黑色遮罩)。(一个或多个)吸收层和圆偏振器减少了在没有首先从玻璃-手指界面被反射的直接光反射到达光电检测器，因此改进了捕获的图像的质量。
图28-32图示了包括指纹传感器2850和位于显示基板(例如，OLED显示器)2830下的一个或多个照亮源2802的实施例。在一些实施方式中，可用于光电检测器2804的光存积可实质上高于基于准直器的光学指纹传感器(OFPS)。在基于准直器的OFPS中，从显示器之上到达传感器的光被显示器(例如，在一些实施方式中只有5％的光经过显示器)和准直器(例如，在一些实施方式中对于1/10准直器而言传输0.5％的信号)衰减，从而导致仅0.025％的总传输率。相比起来，在使用来自显示器下的照亮源(例如，一个或多个点源)方案的情况下，因为两次通过显示器导致为0.25％的总传输率，所以能够导致较少的衰减。然而，如果将光源放置在显示器下，则来自显示器的反射可能使信号降级。例如，当具有照亮源(诸如一个或多个光源2802)的光学生物计量传感器(诸如光学指纹传感器)位于显示基板2830下时，由照亮源2802发射的光可以从显示器(例如，显示基板2830上的显示堆叠的金属线2840)反射到传感器，并且可以使由传感器捕获的生物计量对象图像的质量降级。该光的强度也可以高于从对象(例如，手指)或感测表面本身反射或返回的光，并且可以减小可以检测的对象(例如，手指)信号的动态范围。
在某些实施例中，使用设置在传感器基板和显示器之间的圆偏振器层来完成在显示器的后侧处抑制这些反射。参照图28-32，示出了用于使用显示器下的照亮源方案通过显示器进行的指纹成像的光学指纹传感器的实施例，其包括圆偏振器2820以吸收从显示器反射(2)的光，同时允许从手指的反射(1)到达传感器。图28-32中的实施例的传感器包括：光电检测器(光电传感器)的阵列2804、一个或多个光源2802(例如，LED)以及位于光电传感器2804和显示基板2830的背面之间以最小化来自显示堆叠中的显示层(例如，金属线2840)的反射的圆偏振器层2820(包括四分之一波长延迟器层或板2822和线性偏振器2824)。图28与图31类似，但包括在显示基板2830下的可选层(例如，光学透明粘合剂或“OCA”)2814，以及覆盖层2808。
图32示出了根据一些实施例的在显示器下以最小化显示器反射的吸收层的不同配置。在一个实施例中，吸收层或黑色遮罩沉积在显示器金属图案下，并被绝缘体层(例如，钝化层)覆盖，该绝缘体层使基板的表面平坦化以用于后续的底板制造。可替代地，可以通过在金属之下添加和吸收体和氧化物层来直接借助金属图案形成多层薄膜吸收体(也参见图29)。在一些实施例中，可以利用对金属层进行图案化的相同步骤来对薄膜吸收体进行图案化，从而不允许显示器底板制造过程中的改变。这种薄膜吸收体的一个具体示例是Cr/SiO2堆叠或W/SiO2堆叠，其中吸收体厚度为约7nm，以及氧化物厚度为约60nm。因为薄膜堆叠的性能可以是角度相关的，所以另一个实施例包括高指数层(例如，TiO2)，其与多层薄膜吸收体结合以减小那些针对较大角度的影响。图30比较了裸金属和具有薄膜堆叠的金属的反射率。
在一些实施例中，例如，如图28和31中所示，位于光源和显示器之间的圆偏振器(例如，层压到显示基板的底部)也可以减少来自显示器(例如，显示器中的金属层)的反射，同时允许来自手指感测区的光由于这些界面的不同反射率特性而穿过。
返回图28，圆偏振器2820可以附接到(例如，安装到、粘附到或层压到)显示基板2830的背面或到传感器2850的顶侧。在某些实施例中，四分之一波长延迟器2822安装在显示基板2830之下。在其它实施例中，四分之一波长延迟器2822被集成在显示基板2830中。例如，承载显示发射器和像素电路的显示基板2830可以由具有形成四分之一波长延迟器2822的厚度的双折射材料制成或以其它方式包括。线性偏振器2824可以被安装到四分之一波长延迟器2822或显示基板2830或以其它方式设置在其之下，以借助四分之一波长延迟器2822形成圆偏振器2820。
圆偏振器2820操作为使由光源2802发射的光圆偏振，如将在以下更详细地描述的那样。反射离开显示器的圆偏振光(例如，反射离开显示堆叠中的金属线2840)将再次遇到圆偏振器2820，该圆偏振器操作以阻挡返回的反射光，同时允许来自(手指)感测表面2812的光由于这些界面的不同反射率特性而穿过，如将参考图35在以下描述的那样。
在某些实施例中，可选的光吸收涂层(例如，黑色遮罩；未示出)可以用于覆盖未被光电检测器2804占据的传感器基板的部分，并且可以位于显示基板2830和传感器基板2850的一个或两个上。圆偏振器2820和可选的(一个或多个)吸收层有利地最小化了没有首先从玻璃-手指界面被反射的直接光反射到达检测器，因此改进了捕获的图像的质量。圆偏振器2820和可选的(一个或多个)吸收层还有利地防止了光在显示器和传感器之间的多次反射，其能够通过扩大照亮源的有效尺寸来使图像质量降低和模糊。
在某些光学指纹传感器中，显示光可以用于照亮感测表面并因此照亮生物计量对象。对于手指，传感器会登记脊和谷之间的光的差异。因为来自谷的光遭受玻璃-空气界面反射，而来自脊的光不会，所以在照亮来自手指下的情况下，该界面处的附加反射可增加由传感器检测到的光。这可使谷看起来比脊更明亮。并且，如果光线来自手指之上或内部，则空气-玻璃界面可能从由传感器检测到的光中减去。在这里，谷可能看起来比脊更暗。基于手指的改变条件(即干燥或正常)或由手指的组织散射回去的光的改变量，这能够导致不一致的图像。去除从该界面反射的光可能会使图像对变化的手指或照亮条件不太敏感。
缓解此问题的一种方法是消除来自空气-玻璃界面的附加反射。图33A和33B图示了根据实施例(图33A)的光学显示设备堆叠和常规的显示堆叠(图33B)两者。给定由于常规的圆偏振器3320而使来自OLED或LCD面板两者的光都被偏振，则在如图33A所示出的一个实施例中，四分之一波长延迟器3326被添加到圆偏振器3320上方，例如，相对于偏振器3320的偏振轴线以45度对齐。照亮手指3310的光由于四分之一波长延迟器3326将被圆偏振，并且来自玻璃-空气界面的直接镜面反射将被偏振器3322吸收，这是以与内部显示反射在它们到达眼睛之前被圆偏振器3320吸收的方式类似的方式(例如，参见图34，在下面更详细地讨论)。在本实施例中，如图33A中所示，由显示器3330发射并与手指3310(脊或谷)相互作用并向后射向传感器3350的光将通过到传感器3350，而从玻璃-空气界面反射的光(标明为“R”)将被线性偏振器3322吸收。对于人类眼睛而言，尽管处于降低的亮度，但显示的图像将不会受到影响，并且对于使用偏振太阳镜的某人而言，其将甚至更加与观看角度无关。相比起来，在不存在如图33B中所示的附加的四分之一波长延迟器3326的情况下，由显示器3330发射并从玻璃-空气界面反射的光将通过到传感器3350，由此不利地影响传感器3350的光学检测性能。
图34示出了光学显示设备堆叠的另一实施例，其包括位于显示层3430和传感器层3450之间的圆偏振器3420。如所示出的那样，圆偏振器3420可被安装到或附接到显示器3430之下的传感器模块3450。圆偏振器3420将使由显示器发射的背景光(标明为显示光或“DL”)偏振，这将使它衰减近似50％。由显示器发射的光DL和在感测表面3412处从手指反射的光(标明为“R”)不管怎样地被显示器之上的圆偏振器3415偏振，以及因此被衰减；如果偏振器3420(即右旋圆偏振器或左旋圆偏振器)的“旋向性”与显示器圆偏振器3415的“旋向性”相同，则偏振器3420将使该已经偏振的(由手指反射的)的光R不受影响地经过。因此，偏振器3420可以使由显示器发射的背景(不期望的)光衰减，但是不影响指纹光。
偏振器3420的“旋向性”的适当选择还允许指纹传感器偏振器阻挡来自显示器下面的光源的反射，这是以与显示器圆偏振器3415阻挡反射或眩光相同的方式，所述反射或眩光如由射在显示器上(从左上方的箭头)的外界光(“AL”)所示，其反射离开显示器3430并被显示器圆偏振器3415中的线性偏振器3416吸收(或阻挡)。也就是说，反射离开显示器3430的来自LED 3402的发射光(标明为“EL1”)将被线性偏振器3424吸收/阻挡。然而，从LED3402发射的、传播到感测表面3412上的手指3410并且被(通过两个偏振器)反射回传感器的光(标明为“EL2”)在很大程度上不受影响。图35将更详细地描述偏振如何通过这些各种层改变的示例。为了简单起见，图35描述了当两个线性偏振器3416、3424的取向对齐时偏振如何改变。然而，当取向未对齐(即，线性偏振器3416、3424相对于彼此旋转)时，偏振表现相同，以及因此图35表示通过各种元件/层的光偏振的一般行为的特殊情况。
在某些实施例中，圆偏振器3420的“旋向性”与显示器圆偏振器3415的旋向性相同，其中线性偏振器3424、3416相对于四分之一波长延迟器3422、3418的快轴和慢轴具有相同的取向，例如，+/-45度，或相同的右/左圆偏振。
在某些实施例中，传感器层3450包括一个或多个传感器光源3402，诸如LED点源。还可以提供可选的漫射器元件3405，以任意地调节由传感器光源3402发射的光。在存在多个光源3402的情况下，可以在选择的光源或所有光源之上提供分离的漫射器元件，或者可以提供漫射器环或连接的漫射器结构以覆盖多个光源3402中的一些或全部。在某些实施例中，传感器层3450还包括设置在传感器(其包括多个光电传感器中的一个)上方的角度选择性结构3411，如图34中所示。例如，在实施例中，角度选择性结构可以包括多个准直器过滤器元件或准直器。准直器操作为光调节层，其内插在图像传感器和之上的感测区之间，以帮助防止或减少图像模糊。从显示器和/或光源3402照亮感测表面3412的光在覆盖玻璃3408之上的感测表面3412处反射离开输入对象3410。反射光被准直器过滤，使得仅某些反射光射束到达传感器中的光学感测元件。关于根据各种实施例的准直器元件的操作、形成和变化的附加细节可以在美国专利No.9,829,614中找到，所述专利出于所有目的通过引用被并入。
在图35中，图34中示出的层已经被分离以讨论光在与每个层的每次相互作用之后的行为。讨论将参考图35、通过以左下角处的照亮源(例如，LED)3502开始并逐渐达到覆盖玻璃层808，然后再次向下回到传感器3550来进行。再一次，图35表示当与各种元件/层相互作用时光偏振的一般行为的特殊情况。在这种特殊情况下，线性偏振器要对齐，使得在整个说明书中使用共同的“x”和“y”轴。然而，当两个线性偏振器3516、3524的取向不对齐(即：一个线性偏振器相对于另一个旋转)时，光的偏振表现相同。
从照亮源(例如，LED)3502发射的光在(1)处是非偏振的。在经过线性偏振器3524之后，在(2)处，光相对于四分之一波长延迟器3522以45°角线性偏振。即，线性偏振的光具有彼此同相的x和y分量(相对于四分之一波长延迟器3522)。x和y分量的相位延迟在图35中表示为x：0，y：0。在(3)处，在经过四分之一波长延迟器3522(其y轴在本示例中为“慢”轴)之后，y分量的相位被延迟了λ/4。这将线性偏振变成圆偏振。从显示器3530朝向传感器3550反射回去的光使其y分量由四分之一波长延迟器3522再次延迟了λ/4，使得y分量现在与x分量异相180°(λ/2)。现在，(反射的)光在与原始光正交的方向上线性偏振，并被线性偏振器3524阻挡。
当圆偏振光经过(4)处的显示器3530时，偏振不改变。在(5)处，在经过四分之一波长延迟器3518(其x轴在本示例中为“慢”轴(在该示例中，其相对于四分之一波长延迟器3522旋转了90°))之后，x分量的相位现在被延迟了λ/4。由于x和y分量被延迟相同的量，它们再一次同相并且具有与从线性偏振器3524出射之后它们具有的线性偏振相同的线性偏振。在(6)处，当光经过具有相同取向的线性偏振器3516时，偏振不改变。当偏振在(7)处经过覆盖玻璃3508时，偏振不改变。
在覆盖玻璃3508的感测表面3512处的反射之后，在(8)处，偏振不改变，并且当它经过覆盖玻璃3508时偏振不改变。当偏振从(9)处的覆盖玻璃3508出射时，偏振不改变。在(10)处，通过线性偏振器3516的偏振不改变，所述线性偏振器3516具有与(反射的)光的偏振相同的取向。在(11)处，在再次经过四分之一波长延迟器3518(其x轴为“慢”轴)之后，x轴分量延迟了另一个λ/4，使得它现在比y轴慢了λ/4。这将线性偏振变成圆偏振。当偏振在(12)处与显示器3530相互作用并经过显示器3530时，偏振不改变。
在(13)处，在再一次经过四分之一波长延迟器3522(其y轴为“慢”轴)之后，y轴分量延迟了另一个λ/4，以使其与x分量同相。当最初经过线性偏振器3524并与之相互作用时，这创建了与较早在(2)处相同的线性偏振。在(14)处，偏振通过线性偏振器3524不改变，所述线性偏振器3524具有与光相同的取向，使得光能够与传感器3550相互作用。
完整路径示出了从显示器3530的背面反射的光被阻挡，但是传输到手指和背面(通过两个圆偏振器)的光在很大程度上不受影响。从偏振的立场来看，当它经过圆偏振器3524时只有一个衰减等级。如果将LED或其它点源用作照亮源3502，则可以在传感器-光源模块层之上使用圆偏振器以减少或消除来自显示器的背面的反射。
本领域的技术人员将认识到，与各种层相互作用的光的前述讨论对于具有构成的线性偏振器的不同取向的一般情况将行得通，只要每个圆偏振器(例如，圆偏振器3420和圆偏振器3415)的旋向性相同。
图36A、36B和36C图示了包括一个或多个附加粘合剂层的光学显示设备堆叠的实施例。图36A示出了类似于图33A中所示出的堆叠的具有添加的四分之一波长延迟器的显示器上的圆偏振器的实施例，所述实施例具有将堆叠附接到覆盖玻璃的附加的粘合剂层，如所示出的那样。图36B示出了类似于图33A中所示出的堆叠的具有添加的四分之一波长延迟器的显示器上的圆偏振器的实施例，所述实施例具有将堆叠附接到覆盖玻璃的添加的粘合剂层以及在显示器圆偏振器和添加的四分之一波长延迟器之间的粘合剂层，如所示出的那样。图36C示出了类似于图33A中所示出的堆叠的具有添加的四分之一波长延迟器的显示器上的圆偏振器的实施例，所述实施例具有在显示器圆偏振器和添加的四分之一波长延迟器之间的粘合剂层，如所示出的那样。
图37示出了光学显示器堆叠的实施例，该光学显示器堆叠包括显示器上圆偏振器，该显示器上圆偏振器具有包括添加的四分之一波板的屏幕保护物层。图37中的堆叠在功能性上类似于图33A中所示出的堆叠。在该实施例中，添加的四分之一波长延迟器位于屏幕保护物层中的覆盖玻璃之上。可以在形成或分布体现显示器和显示器圆偏振器的设备之后添加屏幕保护物层。在该实施例中，接近透明覆盖玻璃的顶表面的四分之一波长延迟器的顶表面提供了用于对象(例如，手指)的感测表面。
图38示出了光学显示器堆叠的实施例，该光学显示器堆叠包括具有可控制的四分之一波长延迟器(诸如液晶(LC)四分之一波长延迟器)的显示器上的圆偏振器。控制器将电压信号施加到电极，以便控制可控制的四分之一波长延迟器的激活或状态之间的切换。激活状态可以包括“开”和“关”状态，例如，使得设备在“开”状态下类似于图33A来操作，并且在“关”状态下类似于图33B来操作。例如，在实施例中，光学图像传感器可以被设置在LC四分之一波长延迟器之下，并且在操作中，光学图像传感器可以被配置为当LC四分之一波长延迟器被激活或“开”时获得第一图像，并且当LC四分之一波长延迟器被去激活或“关”时获得第二图像。
图39A图示了包括圆偏振器3920的实施例，该圆偏振器3920附接到(例如，安装到、粘附到或层压到)显示基板(例如，OLED显示堆叠)的背面。在某些实施例中，四分之一波长延迟器3922安装在显示基板之下。线性偏振器3924可以安装到四分之一波长延迟器3922或显示基板或者以其它方式设置在其之下，以形成具有四分之一波长延迟器3922的圆偏振器3920。例如，可以提供包括圆偏振器3920(以及可选地还包括显示器圆偏振器)的显示模块，以用于附加处理来形成期望的设备堆叠。
图39B图示了包括圆偏振器3920的实施例，其中四分之一波长延迟器集成在显示基板3922中。例如，承载显示发射器和像素电路的显示基板可以由具有形成四分之一波长延迟器的厚度的双折射材料制成或者以其它方式包括该双折射材料。线性偏振器3924可以安装到四分之一波长延迟器显示基板3922或者以其它方式设置在其之下，以借助四分之一波板3922形成圆偏振器3920。例如，可以提供包括圆偏振器3920(以及可选地还包括显示器圆偏振器)的显示模块，以用于附加处理来形成期望的设备堆叠。
在某些实施例中，光学传感器设备堆叠可以包括一个或多个校正角度偏振效应的附加校正层。因为四分之一波长延迟器对穿过四分之一波长延迟器的光的偏振影响是在构成四分之一波长延迟器的双折射材料中传播的距离的函数，所以以相对于定义四分之一波长延迟器的顶表面和底表面的一角度穿过四分之一波长延迟器的光可能与垂直于顶表面和底表面穿过的光经历不同的偏振效应。例如，出射光可以是椭圆偏振的而不是圆偏振的。为了补偿，可以适当地设置附加的双折射材料以补偿这种角度效应。例如，可以将由具有适当的厚度和/或光学取向的双折射材料制成的双折射材料校正层任意地设置在照亮源与圆偏振器之间，或者设置在其它设备层之间。
在描述本发明的上下文中(特别是在以下权利要求的上下文中)，对术语“一”和“一个”和“所述”和“至少一个”以及类似指示物的使用要被解释为覆盖单数和复数两者，除非本文中另有指示或根据上下文明显矛盾。对跟随有一个或多个项目的列表的术语“至少一个”的使用(例如，“A和B中的至少一个”)要解释为意指从所列项目中选择的一个项目(A或B)或者所列项目中的两个或更多(A和B)的任意组合，除非本文中另有指示或根据上下文明显矛盾。除非另有说明，否则术语“包括”、“具有”、“含有”和“包含”要解释为开放式术语(即，意指“包括但不限于”)。除非本文中另有指示，否则本文中对值的范围的叙述仅旨在用作单独指代落入范围内的每个分离值的简写方法，并且每个分离值都被并入说明书中，如同其在本文中被单独叙述一样。
除非本文中另有指示或以其它方式根据上下文明显矛盾，否则本文中描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外要求，否则本文中提供的对任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在较好地阐明本发明，并且不对本发明的范围构成限制。说明书中的任何语言都不应解释为指示任何未要求保护的元素对于本发明的实践是必要的。
本文中描述了本发明的优选实施方式，包括发明人已知的用于执行本发明的最佳模式。在阅读前述描述时，那些优选实施例的变型对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。发明人预期技术人员视情况而定采用这样的变型，并且发明人意图以不同于如本文中具体描述的那样来实践本发明。因此，本发明包括如由适用法律所准许的其所附权利要求中叙述的主题的所有修改和等同物。而且，除非本文中另有指示或以其它方式根据上下文明显矛盾，否则本发明涵盖上述元素以其所有可能的变型的任何组合。

Claims (19)

1.一种光学感测系统，包括：
显示基板；
多个显示元件；
传感器光源，其用于照亮感测区，其中所述传感器光源与所述多个显示元件分离，以及
其中所述传感器光源设置在所述显示基板下；以及
检测器，其用于检测来自所述感测区的光；
其中所述多个显示元件包括滤色器、设置在所述显示基板和所述滤色器之间的液晶材料以及设置在所述显示基板下的背光；
所述光学感测系统还包括设置在所述背光上方的伪图案，所述伪图案包括设置在所述背光和所述显示基板之间的多个光阻挡特征。
2.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中所述传感器光源包括设置在所述显示基板的活动区域的不透明区中的发光二极管(LED)。
3.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中所述传感器光源包括以多个微型LED的群布置的微型LED。
4.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中所述传感器光源的宽度或包含所述传感器光源的群的宽度被配置为围绕设置在所述传感器光源与所述感测区之间的照亮路径中的遮蔽特征来发射光。
5.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中所述滤色器包括具有不透明部分和多个不同的子像素滤色器的滤色器层，其中所述滤色器层设置在所述液晶材料上方，所述光学感测系统还包括：
显示像素电路，其用于向所述液晶材料施加电流，其中所述显示像素电路设置在所述
显示基板上方；以及
透明覆盖片，其设置在所述滤色器上方，其中所述透明覆盖片的顶表面包括指纹感测表面，所述指纹感测表面设置在所述显示基板的活动区域的面积范围内；
其中所述传感器光源包括微型LED，其用于利用发射光照亮接触所述指纹感测表面的手指，其中所述微型LED设置在所述活动区域的所述面积范围内；以及
其中所述检测器包括具有多个光电传感器以用于检测来自所述指纹感测表面的返回光的检测器阵列，其中所述返回光对应于所述发射光与所述手指的相互作用，其中所述多个光电传感器设置在所述活动区域的所述面积范围内。
6.根据权利要求5所述的光学感测系统，其中所述微型LED设置在所述背光和所述显示基板之间或者设置在所述显示基板和所述滤色器层之间。
7.根据权利要求5所述的光学感测系统，其中所述滤色器层的所述不透明部分包括黑色矩阵。
8.根据权利要求1所述的光学感测系统，其中所述多个显示元件包括设置在所述显示基板上方的显示像素电路，其中所述感测系统还包括：
透明覆盖片，其设置在所述显示像素电路上方，其中所述透明覆盖片的顶表面提供用
于对象的感测表面；
其中所述传感器光源设置在所述显示基板下；以及
其中所述检测器包括设置在所述显示基板下的多个光电传感器。
9.根据权利要求8所述的光学感测系统，还包括：
低指数层，其设置在所述显示基板之下并且设置在所述多个光电传感器上方，其中所述低指数层不设置在所述传感器光源上方，并且其中所述低指数层具有低于所述显示基板的折射率。
10.根据权利要求9所述的光学感测系统，还包括：
光吸收层，其设置在所述多个光电传感器之间的区域中。
11.一种图像处理方法，包括：
利用处理电路接收与光学感测系统相关联的图像，其中所述光学感测系统包括光源和用于捕获所述图像的光电传感器阵列；
利用所述处理电路生成基于所述图像中的强度变化的强度模型，其中所述强度模型根据距所述图像中位置的径向距离对所述强度变化进行建模；以及
利用所述处理电路基于生成的强度模型归一化所述图像。
12.根据权利要求11所述的图像处理方法，还包括：
基于对比度和径向距离中的至少一个来确定归一化的图像的可接受片段。
13.根据权利要求11所述的图像处理方法，还包括：
丢弃落在离所述图像中的所述位置半径之外的所述图像的一部分。
14.根据权利要求11所述的图像处理方法，还包括：
丢弃落在局部对比度阈值之下的所述图像的一部分。
15.一种图像处理方法，包括：
利用处理电路接收与光学感测系统相关联的第一图像和第二图像，其中所述光学感测系统包括第一光源、第二光源以及用于捕获所述图像的光电传感器阵列，其中所述第一图像对应于所述第一光源，以及所述第二图像对应于所述第二光源；
利用所述处理电路根据放大因子缩放所述第一图像；
利用所述处理电路根据所述放大因子缩放所述第二图像；以及
利用所述处理电路根据所述放大因子和所述第一图像相对于所述第二图像的位置，将缩放的第一图像和缩放的第二图像彼此相关联；
所述图像处理方法，还包括：
基于所述第一光源相对于所述第二光源的位置来确定所述第一图像相对于所述第二图像的所述位置。
16.根据权利要求15所述的图像处理方法，其中所述第一光源的所述位置和所述第二光源的所述位置由所述光学感测系统的构造来固定。
17.根据权利要求15所述的图像处理方法，其中所述关联还包括将所述缩放的第一图像和所述缩放的第二图像缝合在一起成为合成图像。
18.根据权利要求15所述的图像处理方法，其中所述关联还包括确定所述缩放的第一图像和所述缩放的第二图像之间的变换，其中所述变换包括所述缩放的第一图像的位置和所述缩放的第二图像的位置之间的平移，其中所述图像处理方法还包括基于所述变换将所述缩放的第一图像和所述缩放的第二图像与参考生物计量图像数据进行比较。
19.根据权利要求15所述的图像处理方法，其中所述缩放所述第一图像包括按比例扩大(upscale)所述第一图像；以及
其中所述缩放所述第二图像包括按比例扩大所述第二图像。
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