CN110998600A - 光学掌纹感测的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种使用光学掌纹感测安全访问电子系统的方法，所述方法包括：将授权用户的掌纹ID数据存储在计算机存储器中；确定触发事件是否已经发生；使用所述光学掌纹传感器，获取所述人的手掌的一个或多个图像；响应于确定所述触发事件已经发生：将所述人的手掌的一个或多个图像与所述掌纹ID数据进行比较；基于所述比较，确定在所述人的手掌的一个或多个图像和所述掌纹ID数据之间是否存在匹配。所述方法还包括，响应于确定不存在所述匹配，拒绝对所述电子系统的访问；响应于确定存在所述匹配，至少基于所述匹配授权对所述电子系统的访问。

Description

光学掌纹感测的方法和系统

优先权要求和相关申请的交叉引用

本专利文件要求于2019年3月7日提交的申请号为16/296,166、发明名称为“光学掌纹传感的方法和系统”的美国非临时专利申请的权益和优先权。

技术领域

本专利文件总体涉及掌纹识别及其在电子设备或信息系统的安全访问中的应用。

背景技术

指纹可以用于对访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户进行认证，其既可以作为独立认证方法使用，也可以与一个或多个其他认证方法组合使用，例如，密码认证方法。例如，包括便携式或移动计算设备的电子设备，例如，笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统，可以采用用户认证机制，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，使其仅允许授权人员访问，以保护用于组织或企业的设备或系统的信息或使用。存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息本质上可以是个人信息，例如，个人的联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或者其他个人信息，或者可以是组织或企业专用的机密信息，例如，企业财务信息、员工数据、商业机密和其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性被损害，这些数据会被其他人访问，从而导致个人隐私的泄露或有价值的机密信息的丢失。除了信息安全之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还可以使得计算机或计算机处理器控制的设备或系统(例如，计算机控制的汽车)以及其他系统(例如，自动柜员机(automatic teller machine，ATM))的使用得到保护。

对移动设备等设备或电子数据库和计算机控制的系统等系统的安全访问可以通过不同的方式实现，包括例如使用用户密码。然而，密码可能被轻易窃取或获取，密码的这种性质会降低安全等级。此外，用户需要记住密码才能使用电子设备或系统，而如果用户忘记密码，那么用户需要进行某些密码恢复程序以获得认证，或以其他方式重新获得对设备的访问，而这样的过程对于用户而言较为繁琐，并且具有各种实际限制和不便。可以利用个人指纹识别实现用户认证，以增强数据安全性，同时减轻与密码相关联的某些不期望的影响。

包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以采用用户认证机制来保护个人或其他机密数据并防止未经授权的访问。电子设备或系统上的用户认证可通过一种或多种形式的生物标识符执行，其可以单独使用或者与常规密码认证方法一同使用。生物标识符的一种形式是人的指纹图案。生物识别符的另一种形式是人的掌纹图案。指纹传感器和/或掌纹传感器可以内置于电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案和/或掌纹图案，使得设备只能由该设备的授权用户通过指纹和/或掌纹认证进行解锁。

发明内容

根据一些实施例，一种使用光学掌纹感测安全访问电子系统的方法包括将授权用户的掌纹ID数据存储在计算机存储器中。所述掌纹ID数据可以是在注册过程中根据由光学掌纹传感器获取的所述授权用户的手掌的一个或多个图像生成的。所述方法还包括确定触发事件是否已经发生。所述触发事件可以指示人打算访问所述电子系统。所述方法还包括使用所述光学掌纹传感器，获取所述人的手掌的一个或多个图像。所述方法还包括，响应于确定所述触发事件已经发生：将所述人的手掌的一个或多个图像与所述掌纹ID数据进行比较；基于所述比较，确定在所述人的手掌的一个或多个图像和所述掌纹ID数据之间是否存在匹配。所述方法还包括，响应于确定不存在所述匹配，拒绝对所述电子系统的访问；响应于确定存在所述匹配，至少基于所述匹配授权对所述电子系统的访问。

根据一些实施例，一种用于安全访问电子系统的安全检查系统包括：一个或多个光学掌纹传感器，其与所述电子系统集成，并且用于在注册过程中获取授权用户的手掌的一个或多个图像。所述安全检查系统还包括：计算机处理器，其耦合到所述一个或多个光学掌纹传感器并且用于使用所述授权用户的手掌的一个或多个图像生成所述授权用户的掌纹ID数据；以及计算机存储器，用于存储所述掌纹ID数据。所述一个或多个光学掌纹传感器还用于：检测人的手掌在所述一个或多个光学掌纹传感器中的至少一个光学掌纹传感器的视场(FOV)内；以及响应于检测所述人的手掌在所述FOV内，获取所述人的手掌的一个或多个图像。所述计算机处理器还用于：检测指示所述人打算访问所述电子系统的触发事件；以及响应于检测所述触发事件：将所述人的手掌的一个或多个图像与存储在所述计算机存储器中的掌纹ID数据进行比较；基于所述比较，确定在所述人的手掌的一个或多个图像和所述掌纹ID数据之间是否存在匹配。所述计算机处理器还用于：响应于确定不存在所述匹配，拒绝所述人访问所述电子系统；响应于确定存在所述匹配，至少基于所述匹配授权所述人访问所述电子系统。

附图说明

图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。

图1B是示出基于图1A的设计，在移动设备如智能手机中实施的示例性指纹传感器设备的框图。

图2是示出封装在平台如智能手机的屏幕盖板玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图。

图3是示出示例性指纹感测光路的示意图。

图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器的示意图。

图5是示出用于指纹感测的示例性光学指纹传感器的框图。

图6是示出示例性活体指纹检测的示意图。

图7示出了被监测的材料的示例性消光系数。

图8示出了组织中不同部分的血流。

图9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。

图10示出了用于为认证活体手指建立不同安全等级的示例性过程1000的过程流程图。

图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图。

图12是示出封装为单独按钮的示例性光学指纹传感器的示意图。

图13是示出使用封装为单独按钮的光学指纹传感器的示例性指纹和活体手指检测的示意图。

图14和图15示出了基于所公开的技术，结合光学传感器模块使用LCD和OLED显示模块的设备的示例。

图16、图17、图18、图19、图20和图21示出了用于实现光学传感器模块的特征，以允许对处于接触和非接触状态下的物体进行光学感测的示例。

图22示出了以类似于图12中设计的离散传感器结构的形式、允许对处于接触和非接触状态下的物体进行光学感测的光学传感器模块的示例。

图23示出了将光学传感器模块放置在设备中的示例。

图24示出了操作光学传感器模块以允许对处于接触和非接触状态下的物体进行光学感测的示例。

图25示出了同一手指在不同按压力下的两种不同指纹图案，以说明光学传感器模块在不同时间采集不同指纹图案，以监测指纹脊图案的时域演变的操作。

图26示意性地示出了根据一些实施例的包括集成在其中的一个或多个光学掌纹传感器的电子平台。

图27示出了根据一些实施例的被配置为在显示屏上显示安全检查提醒光标的电子平台。

图28示出了根据一些实施例的被配置为在显示屏上显示安全检查提醒光标的电子平台。

图29示出了根据一些实施例的包括位于显示屏下方的框架边缘附近的光学掌纹传感器的电子平台。

图30示出了根据一些实施例的包括位于显示屏的显示区域内的显示屏下方的光学掌纹传感器的电子平台。

图31示出了根据一些实施例的使用掌纹感测安全访问电子平台的安全检查的示例性方法的流程图。

图32示出了根据一些实施例的使用光学掌纹感测安全访问电子系统的方法的流程图。

具体实施方式

电子设备或系统可以配备指纹认证机制，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、平板计算机、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，例如便携式或台式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。

指纹感测在使用或需要安全访问的移动应用和其他应用中是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括在线购买的安全金融交易。所期望的是，包括适用于移动设备和其他应用的鲁棒性与可靠性的指纹感测。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，尤其考虑到对给定设备上的最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感测的占用空间最小化或消除。由于电容感测的近场交互要求，电容指纹传感器的许多实现必须在设备的顶部上实现。

光学感测模块可被设计为减轻电容式指纹传感器的上述和其他限制，并获得额外的技术优势。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一定距离上被引导到光学检测器的光学检测器阵列进行指纹检测，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以透过通常用于许多显示屏(如触摸感测屏)的顶部盖板玻璃和其他结构，并且可以被引导用于折叠或复杂的光路以到达光学检测器阵列，从而允许在无法使用电容式指纹传感器的设备中灵活地放置光学指纹传感器。基于本专利文件中公开的技术的光学传感器模块可以是屏下光学传感器模块，其在一些设计中被放置在显示屏下方，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。如本专利文件中所公开的，除了检测和感测指纹图案之外，光学感测还可以用于检测其他参数，例如检测到的指纹是否来自活体手指以及用于提供防欺骗机制，或者检测此人的某些生物参数。

本专利文件中描述的光学感测技术和实现方式的示例提供了一种光学传感器模块，该光学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，以基于此光的光学感测执行一个或多个感测操作。用于实现所公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括使用背光向具有光学滤光器的液晶显示屏(liquid crystal display，LCD)像素提供白光照明以产生彩色LCD像素的LCD屏，以及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用于在屏幕上形成显示图像的光，例如有机发光二极管(organic lightemitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏。

关于指纹检测之外的附加光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，假定整个LCD显示屏上存在可用的大触摸区域，所公开的光学传感器技术可以测量人的手掌的图案(相比之下，一些指定的指纹传感器，如苹果公司的iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的尺寸上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再例如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感测来采集和检测与人关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制，以通过“活体手指”检测机制检测采集的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该“活体手指”检测机制基于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)，人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相连的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学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，从而检测在呈现为手指或手掌的物体中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测以及对活体存在的肯定判断的两者组合以增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化能够以以下一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。

针对与显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以执行与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，光学传感器模块可以被设计为选择性地接收和检测由与显示屏的表面接触的手指引起的返回的光，而由其他物体引起的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会唤醒设备，以进行节能操作并且延长电池的使用。该操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制显示屏的唤醒电路操作，其中，通过关闭像素而使其处于“睡眠”模式，而开启用于面板下光学传感器模块的一个或多个照明光源(例如，LED)或LED显示屏中的选定显示像素使其处于闪光模式，以间歇地向屏幕表面发射闪光，用于感测人的手指或手掌的任何触摸。在这种设计下，光学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，使得光学传感器模块可以检测由手指触摸显示屏引起的该唤醒感测光的返回的光，并且在检测正确的情况下，整个显示屏被开启或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外不可见的光谱范围中，所以用户不会体验到闪光的任何视觉效果。可以控制显示屏操作，使得通过消除用于指纹的光学感测的背景光以提供改进的指纹感测。例如，在一个实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与显示相关的指纹信号，其中当显示屏开启时生成一帧指纹信号，而当显示屏关闭时生成另一帧指纹信号，则这两帧指纹信号的差值可以用于减少环境背景光的影响。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，能够降低指纹感测中的背景光噪声。

在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到显示屏的背面，而不需要在显示屏的表面侧上创建指定的区域，该区域在智能手机、平板电脑或可穿戴设备等的一些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。

值得注意的是，除了其他特征之外，所公开的光学感测技术可以被实现为当用户手指位于设备附近而不与设备接触时提供光学指纹感测，以便在访问设备时进行用户认证，并且还可以在用户手指与设备接触时提供光学指纹感测。在一些实现方式中(例如，图14-16和图20-21以及其在具有LCD和OLED显示屏的光学感测实现中的应用)，光学指纹感测可以在接触和非接触情况下在手指上执行，以增强指纹感测并提供在光学感测方面的防欺骗。例如，当手指位于设备附近而不与设备接触时以及当手指与设备接触时，可以采集多个指纹图像。采集的非接触手指的指纹图像和采集的接触手指的指纹图像提供了两种不同类型的光学指纹感测机制，并且可以共同使用以增强指纹感测性能和防欺骗特征。

每个用户的手指在皮肤表面以下都有独特的内部形貌特征，这些内部特征通常不会在各种指纹传感器中被采集或获得。值得注意的是，这种皮肤表面下的独特形貌特征很难通过假指纹图案复制技术来复制，许多假指纹图案复制技术被设计为模仿或再现表示皮肤表面的外表面图案的外部图像，例如手指外表面上的脊和谷的二维指纹图案。手指外表面上的脊和谷的外表面图案的特征会随着手指的接触状态而改变形状，例如，当手指没有按压表面时，采集的指纹图案图像会反映手指在其自然位置上的脊和谷的形状，而这与在手指按压表面且形状发生改变时采集的相同手指的图像不同。当手指在不同的按压力或条件下按压时，这种与手指接触状态相关的外部指纹形状变化可以随着按压量或按压水平而变化，从而进一步使指纹检测的可检测性或指纹感测的可靠性复杂化。

本专利文件中公开的光学感测技术可用于或实现为采集用户手指的皮肤表面下的独特内部形貌特征，以提高光学指纹感测的检测精度，从而提高指纹认证提供的安全性。

图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。该系统使用具有光学检测器的阵列的光学指纹传感器来采集携带手指指纹图案的接收的光的光学图像，该手指触摸由照明光束照亮的光学指纹传感器感测表面。该系统包括指纹传感器控制电路以及数字指纹处理处理器，该指纹传感器控制电路接收来自光学指纹传感器中的光学检测器的输出，该数字指纹处理处理器可包括一个或多个处理器，该一个或多个处理器用于处理指纹图案以及确定输入的指纹图案是否为授权用户的指纹图案。指纹感测系统可将采集的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用指纹用户认证系统保护的设备或系统中的功能。例如，ATM处的指纹用户认证系统可以确定请求访问资金的客户的指纹。基于客户的指纹与一个或多个存储的指纹的比较，指纹用户认证系统可以使得ATM系统允许对于资金的访问，并且可以识别客户，以便关联正确的账户以借贷或者扣除所请求的资金。各种不同的设备或系统可以与所公开的光学指纹传感器结合使用，该设备或系统包括移动应用和各种可穿戴或便携式设备(例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备)，更大的电子设备或系统，例如便携式或台式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。图1B示出了智能手机或便携式设备的示例，其中，指纹用户认证系统是集成到智能手机的模块。

指纹感测对使用安全访问的移动应用和其他应用是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括在线购买的安全金融交易。有望包括适合于移动设备的鲁棒性与可靠性的指纹传感器特征。例如，有望移动装置中的指纹传感器具有小的占用面积和薄的尺寸，以适应移动设备中非常有限的空间；此外，有望包括保护盖板，以保护这种指纹传感器使其免受各种污染物污染。

在本专利文件中描述的用于指纹感测的光学感测技术可以被实施，以提供高性能的指纹感测，并且可以小型化封装，以适应移动设备和其他小型设备的封装。在电容式指纹传感器中，由于感测电极和手指表面电容耦合，感测是基于测量感测电极和手指表面之间的电容进行的。随着电容式传感器像素上方的保护盖板变厚，每个电容式传感器像素所感测的电场在空间中快速消散，导致传感器的空间分辨率急剧降低。与感测空间分辨率急剧降低有关，随着保护盖板厚度的增加，每个传感器像素接收的传感器信号的强度显著降低。因此，当保护盖板的厚度超过某个阈值(例如，300μm)时，对于这种电容式传感器而言，其提供感测指纹图案中期望的高空间分辨率以及使用可接受的精度可靠地分析感测到的指纹图案变得更加困难。

所公开的技术提供了在便于集成到移动设备或其他紧凑设备中的薄的光学指纹传感器封装中的光学指纹传感器设计。在一些实现方式中，所公开技术的光学指纹传感器使用匹配的光耦合方案，以提供具有低成本、高性能和灵活封装结构的光学指纹感测。所公开的光学指纹传感器也可以被配置为提供活体手指检测，以提高指纹感测的安全性。所公开技术的实现方式的示例可以用于各种各样的设备和系统，包括具有显示屏结构的设备和系统。基于所公开技术的光学指纹传感器可以被集成在显示屏(如触摸感测显示设备)的同一盖板下，或者可以被封装在位于设备上不同位置的分立设备中。此外，所公开的光学指纹传感器解决方案可用于在手指处于非接触位置或接触位置时提供单独的指纹感测，并且可以结合接触和非接触位置处的指纹感测以增强指纹感测和防欺骗。

基于所公开技术的光学指纹传感器的性能不受封装盖板厚度的限制，封装盖板的厚度可能妨碍电容式指纹传感器。就此而言，基于所公开技术的光学指纹传感器可通过使用合适的光学成像采集配置而被实现为薄封装，合适的光学成像采集配置包括没有成像透镜或棱镜的配置，成像透镜或棱镜会使得光学成像模块体积庞大。基于所公开技术的光学指纹传感器的实现方式可以提供颜色匹配设计特征，以使得光学指纹感测区域的颜色为某些期望的颜色，例如匹配周围结构的颜色。

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

在一些实现方式中，除了指纹的光学感测之外，提供了一种生物学指示的光学感测，以指示指纹图案的输入是否来自活人。该附加的光学感测特征可用于满足对于战胜可能危及指纹保护设备或系统的安全或授权访问的各种方式的需求。例如，指纹传感器可能被恶意个体攻击，该恶意个体可以获取授权用户的指纹，并将盗取的指纹图案拷贝到类似于人类手指的承载物体上。可以在指纹传感器上使用这种未经授权的指纹图案，以对目标设备或系统进行解锁。因此，指纹图案虽然是唯一的生物学标识符，但是其本身也并非是完全可靠或安全的标识。本文所述的技术、设备和系统补充了基于所公开的光学感测的指纹认证技术，并通过使用光学感测技术来确定输入指纹是否来自活人，而进一步提高了安全等级。

指纹传感器电路和活体手指检测

图1B是示出了在例如，智能手机、平板电脑或便携式计算设备1的移动设备中实现的示例性指纹传感器设备23的框图，该移动设备具有触摸感测显示屏或触摸面板10，以用于触摸感测用户输入以及显示设备1的图像以及功能。这是图1A中的一般光学指纹感测控制的系统的具体实现方式示例。触摸面板或感测显示屏10可以基于各种触摸感测显示设计来实现，包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独像素产生用于在屏幕上形成显示图像的光线，该屏幕例如是有机发光二极管(organic light emittingdiode，OLED)显示屏或电致发光显示屏或其他显示屏，如基于LCD的触摸感测显示屏。触摸感测显示面板包括触摸感测区域和显示区域，用于显示图像和内容以及用于接收来自用户的接触输入。

图1B中示出了指纹传感器设备标记21，以说明指纹传感器设备23相对于移动设备1的示例性位置。指纹传感器设备23包括执行指纹扫描、活体指纹检测和感测区域装饰功能的感测单元或电路2。感测单元2被通信地耦合至处理电路5，处理电路5处理来自感测单元2的信号流以处理与指纹扫描和活体指纹判断等相关联的信号。

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

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

活体指纹传感器4被设计为检测指纹是否来自活人的手指，并且该活体手指检测或判断是基于以下事实：活人的手指可表现出通常与活人相关联的某些运动或物理特性，例如，由于血流过用户血管所致的脉动信号。例如，血细胞在可见波长(例如较高的光学吸收)和近IR波长(例如与可见波长相比，较低的光学吸收)下表现出不同的光学吸收光谱特征。血液的这种不同的光学吸收特征可以由活体指纹传感器4以光学方式进行采集。血流的其他特征可以通过血管中的压力变化来反映。在一些实现方式中，活体指纹传感器4可以包括压力传感器、光学传感器或者可以检测活体手指的移动、伸展或脉动的其他传感器。例如，光学传感器可包括用于发射光线的光源，如发光二极管(light emitting diode，LED)或激光二极管(laser diode，LD)，以及用于检测响应于发射光而从手指散射的散射光的光检测器，如光电二极管。当光通过手指组织或血细胞传播时，一部分光被吸收，一部分被散射。活体手指的运动或血液流动会引起光吸收截面的变化，光电二极管检测此类变化，并且检测的信号可用于指示呈现给设备的指纹是否来自活人。

光耦合和照明单元8在指纹感测表面处产生探测光束，指纹感测表面产生反射的探测光束进入感测单元的光学传感器阵列(例如光电二极管阵列或CMOS传感器阵列)。当探测光束碰到触摸在感测表面的手指皮肤时，产生指纹信号。指纹传感器3通过检测感测表面处探测光束沿指纹图案的反射差异，来获取指纹信号，其中，与手指中手指皮肤不接触感测表面的指纹谷位置处的光学反射相比，手指中与感测表面接触的指纹脊皮肤的位置产生较低的光学反射。沿手指触摸的感测表面的上述反射差异的空间分布由反射的光学探测光束携带，作为指纹传感器3中光学检测器的阵列检测到的光学图像。

所公开的技术提供了两种指纹传感器封装技术，来实现指纹检测和活体手指检测。第一种封装技术是将指纹传感器封装在平台(例如智能手机)的屏幕盖板玻璃下方。第二种封装技术是将指纹传感器封装为单独的指纹感测按钮。

封装在屏幕盖板玻璃下方的指纹传感器

图2是示出封装在平台，例如智能手机、平板电脑或便携式电子设备等通信或计算设备的屏幕盖板玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图。图3进一步示出了图2中的设备的示例性指纹感测光路。

在图2中，示例性光学指纹传感器23被封装在顶部透明层50下方，该顶部透明层50可以是屏幕盖板玻璃，例如，平台1的增强型盖板玻璃。在图2所示的具有设备显示屏10(通常是触摸面板组件)的设备表面的右上侧的俯视图中，指纹传感器标记21示出了光学指纹传感器23的位置。智能手机平台1的所示设备表面包括：触摸面板组件10、如照相机等的其他传感器12、以及位于一侧或多侧用于执行设备的某些操作的实体按钮14和16。盖板玻璃50下方有各种结构，包括例如颜色材料层52、作为触摸面板组件10中显示屏一部分的显示层54(例如OLED层或LCD层)、以及触摸面板组件10中显示屏的底层56。还可以放置一组触摸感测层以覆盖顶部盖板玻璃50下方的显示层54(例如，在显示层54和顶部盖板玻璃50之间)，以提供期望的触摸感测功能。因此，光学指纹传感器23被放置在由显示层54表示的显示模块的邻近位置和外部，但是光学指纹传感器23和显示层54都在共同的连续顶部玻璃盖板50的下方。

在图2的光学指纹传感器设计中，封装设计与一些其他指纹传感器设计不同，这些其他指纹传感器设计使用与显示屏分离的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在图2和图1B所示的设计中，在用于光学指纹的指纹传感器设备标记21下方的区域中形成的指纹传感器23位于顶部盖板玻璃或层50下方，使得盖板玻璃或层50的上表面作为设备的上表面，作为横跨触摸显示组件10的显示屏和光学检测器传感器模块23的连续且均匀的玻璃表面。在图1至图6所示的示例中，光学传感器模块位于作为玻璃盖板的透明基板50的一侧，该透明基板50是连续的、在光学传感器模块处或附近没有任何开口。这种设计不同于具有指纹传感器的各种智能手机，并提供了独特的特征和益处。这种将光学指纹感测和触摸显示屏集成在公共且均匀的表面下方的设计提供了诸多益处，包括提高了设备的集成度、改善了设备封装、提高了设备的抗故障和抗磨损能力以及改善了用户体验。在指纹的光学感测和其他感测操作的一些实现方式中，例如图12中的设计示例，光学传感器模块可以封装在分立设备配置中，其中，光学传感器模块体现为与显示屏或顶部盖板玻璃50具有结构边界或分界的独特结构，例如，一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状指纹传感器结构，以提供电容式指纹传感器按钮或区域。图12中的设计基于所有光学感测或者具有电容感测和光学感测的混合感测，因此其不同于基于电容感测的其他按钮状指纹传感器结构。

设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23可以包括光学耦合器31和探测光源29，该光学耦合器31由折射率为nc(大于1)的光学透明材料制成并设置在匹配的颜色材料层25上方，该探测光源29发射探测光以照亮放置在盖板玻璃50上方的手指，以通过光学指纹传感器23进行光学指纹感测。匹配的耦合器31、匹配的颜色材料层25和探测光源29设置在电路27上方，例如，具有期望电路元件的柔性印刷电路(flexible printed circuit，FPC)上。另外，在FPC 27上设置有一个或多个光源33、光学检测器34、用于装饰照明的光源35、以及光学检测器的光学检测器阵列37，该一个或多个光源33产生探测光用于活性检测，如将在与图7至图9相关的示例中进一步示出；该光学检测器34如光电二极管，在与手指相互作用之后用于检测来自光源33的探测光，以提供活性检测；该光学检测器的光学检测器阵列37例如是用于采集指纹图案或信息的光电二极管阵列。

如图2和图3所示，在一些实现方式中，可以提供两个可选的颜色材料层25和52，将其设计为彼此颜色匹配，并用于视觉上隐藏或伪装设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23。颜色材料层25被放置在光学指纹传感器23的下方(例如，在透明耦合器31的下表面)，颜色材料层52被放置在盖板玻璃50的下方和光学指纹传感器23的上方，以覆盖未被颜色材料层25覆盖的区域，使得当从盖板玻璃50上方观察时，两个匹配的颜色材料层25和52共同形成或多或少均匀的外观。在图2和图3中的示例中，顶部匹配的颜色材料层52具有开口，该开口限定盖板玻璃50的顶部上的指纹感测表面45上的光学感测区域，以使得来自光源29的探测光照亮放置在盖板玻璃50上的手指用于光学指纹感测，并允许来自手指的光被光学指纹传感器23收集。

图3包括图3A和图3B，图3A示出了光学指纹传感器23的示例，以及图3B示出了基于反射探测光的光学指纹感测，用于采集手指外部的谷和脊处的光学反射的空间变化。

如图3A所示，光耦合器31固定于盖板玻璃50和下方间隔物材料39上，该间隔物材料39放置在光耦合器31和盖板玻璃50的下表面之间，以提供两种不同的光耦合功能。首先，光耦合器31将来自光源29的探测光耦合到顶部盖板玻璃50的顶部，以照亮放置在顶部盖板玻璃50上的手指进行光学指纹感测，其次，光耦合器31将探测光和来自手指和盖板玻璃50的其他光耦合，使其沿着与光束A’B’不同的光路穿过光耦合器31到达光学检测器阵列37以进行光学指纹感测。在图3A所示的具体设计中，耦合器31由固体透明材料制成，具有两个有角度的平面，一个平面用于接收来自探测光源29的光，另一个平面用于与光学检测器阵列37对接，以将来自顶部感测表面45的返回光引导至光学检测器阵列37。探测光源29被固定在适当的位置，使得探测光束或探测光束的一部分可以以期望的角度投射到耦合器31中。在一些实现方式中，耦合器31、间隔物材料39和盖板玻璃50中的每一个都可以由多个层制成。光学检测器阵列37被固定在适当的位置，以接收作为接收光束的一部分的反射探测光束A’B’，用于采集该反射探测光束携带的指纹图案的光学图像。

探测光源29将探测光束AB投射到耦合器31中，该耦合器31进一步将探测光束AB通过可选的颜色材料层52的开口引导至位于盖板玻璃50顶部的指纹感测表面45上，以照亮进行接触的手指。借助于设置在盖板玻璃50下方的间隔物材料39，将光束AB耦合到盖板玻璃50。当没有东西放置在盖板玻璃50的顶部感测表面45上时，探测光束功率的一部分或全部被反射到间隔物39中，并且该反射光进入耦合器31并在光学检测器阵列37处形成作为接收光束的一部分的反射探测光束A’B’。匹配的光学传感器阵列37(如光电二极管阵列)接收该作为接收光束的一部分的反射探测光束A’B’，该匹配的光学传感器阵列37将反射探测光束A’B’所携带的光学图像转换为检测器信号阵列，用于进一步处理。

当手指43触摸盖板玻璃50的感测表面45时，指纹脊73改变了接触区域中的局部表面反射率，如图3B所示。入射到每个手指脊73上的探测光的一部分61被折射为在手指43中散射的光线65，其余部分被手指脊73反射为光线67。指纹谷与感测表面45分离，一般不会显著改变感测表面45的局部表面反射。入射在指纹谷上的入射光63被感测表面45反射为光线69。作为接收光束的一部分的反射探测光束A’B’携带指纹信号。类似地，当除手指皮肤之外的物体触摸盖板玻璃50的感测表面45时，作为接收光束的一部分的反射探测光束A’B’携带不同于活体指纹的触摸材料信息。

在图2和图3中的光学传感器的示例中，耦合器31、间隔物39和盖板玻璃50的材料可以具有适当等级的光学透明度，使得探测光束可以透射并穿过该材料以到达顶部感测表面45，并且一旦从顶部感测表面45返回，该探测光束可以传输到光学检测器阵列37。到达顶部感测表面45以及从顶部感测表面45离开的探测光束的传播方向受耦合器31的折射率nc、间隔物材料39的折射率ns、盖板玻璃50的折射率nd、以及如人的手指的触摸材料的折射率nf的影响。

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

为了在没有光学透镜的情况下获得清晰的指纹图像，在一些实现方式中，可以将光源29的发射区域设计得较小以实现点光源，或者在其他实现方式中，可以对探测光束进行准直。可以安装一个小型LED光源作为光源29，并且尽可能远离耦合器31，以在图3所示的光学系统中实现这一点。

光源29、耦合器31、间隔物材料39、盖板玻璃50的光学结构和配置，以及光学检测器阵列37在光学传感器模块中的布置，包括匹配光学指纹传感器中上述这些材料的适当折射率(nc、ns、nd、nf)以及初始化探测光束入射角，可用于使探测光束在感测表面45处被完全反射或部分反射。例如，可以设计该光学传感器，使得当触摸材料是水(在589nm处折射率约为1.33)时，探测光束被全部反射，而当触摸材料是手指皮肤(在589nm处折射率约为1.44)时，探测光束被部分反射。这种设计和其他设计可以导致与顶部感测表面45接触的手指的脊和谷处的光学反射空间轮廓的变化，以获得表示手指外皮上指纹图案的反射探测光中的空间图案。

在图3的示例中，在用于接收探测光的耦合器31的入射端面处，探测光束AB的尺寸可以是H。一旦被耦合器31向上重新引导以照亮感测表面45，在感测表面45处的探测光束尺寸可以是W。通过匹配所有材料的折射率以及耦合器31和间隔物39的形状，可以将感测表面45上的照明尺寸W设置为大于H。在这种情况下，接收到的探测光束中的反射探测光束A’B’的光束尺寸可以小于感测表面45处的探测光束的光束尺寸，这是由于反射探测光束从顶部感测表面45折射到耦合器31和光学检测器阵列37引起的压缩所致。压缩比通常由折射率nc和nd决定。这是在不使用成像透镜的情况下，利用小检测器阵列对大区域进行成像的有效方法。另外，通过调整探测光束发散角和光电二极管阵列倾斜角，可以在所有尺寸上进一步调整压缩比。来自耦合器-间隔物界面的反射以及来自间隔物-盖板界面的反射形成了光学噪声，并且可以在光学传感器阵列37中的光学检测器的输出的处理中被去除。

在一些实现方式中，可以调制探测光源29，以允许光学指纹传感器23进行改进的光学检测，例如，基于调制探测光源29的调制频率实现锁定检测。匹配的光电二极管阵列37可以被设计为具有高效率并在各种光学照明环境中工作。

通过空气或真空耦合器进行指纹感测

图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器23a的示意图。图4的光学指纹传感器23a在某些方面类似于图2和图3所示的光学指纹传感器23。在光学指纹传感器23a中，实现的是由空气或真空(折射率为1)制成的耦合器32而不是图2和图3中的具有折射率大于1的透明材料的耦合器31。此外，可以实现光路窗口，以将探测光引导到手指43。

探测光源29和匹配的棱镜101设置在顶部透明玻璃50下方，并且被构造为协作以将探测光源29产生的探测光束AB耦合到顶部透明玻璃50顶部的感测表面45。棱镜101被放置在探测光源29和空气或真空耦合器32之间，并且被构造为具有第一面，以在第二相对的倾斜面处通过光学折射接收和重新引导初始水平的探测光束AB，从而使得探测光束AB通过空气或真空耦合器32朝向感测表面45向上传播。光学透射间隔物材料39可以被放置在顶部透明玻璃45的下方，以便于光学检测器阵列37的光学感测操作，并且在一些实现方式中，包括防反射涂层，以减少光学检测器阵列37处与光学感测相关的光路中的不期望的光学反射。在通向光学检测器阵列37的光路中的空气或真空耦合器32的另一侧，设置具有倾斜面的第二棱镜103，以接收来自感测表面45的返回光，并将包括反射探测光束A’B’的接收光通过棱镜103的第二面朝向光学检测器阵列37引导。光学检测器阵列37(例如，光电二极管阵列)产生检测器输出信号的阵列用于光学感测。不同于图2或图3，其中由固体透明材料形成的光学耦合器31包括下表面，以将颜色匹配材料层25保持在光学指纹传感器模块23下方，图4中光学指纹传感器23a中的颜色匹配颜色层25形成在(例如，涂在)位于FPC 27上方的空气或真空耦合器32下方的基板105上。图4所示示例中的衬底105也为两个棱镜101和103提供支撑。

在图4的光学指纹传感器23a中，用于接收探测光的盖板玻璃50的光学配置被配置，使得在盖板玻璃50中不发生全内反射。由于盖板玻璃50相对于指纹脊位置和指纹谷位置的光学界面条件的差异，当手指43触摸感测表面45时，在指纹脊位置的反射率与在指纹谷位置的反射率不同。这个差异在空间上是变化的，并且表示具有反射探测光束A’B’携带的不同位置处的不同指纹信号的手指外表面上的脊和谷的二维图案。

因为空气或真空耦合器32可以以相对低的成本实现，并且通过将两个棱镜103和105以彼此期望的间距放置可以容易地制成不同尺寸，所以这种设计可以用于构造具有不同显示尺寸范围的光学触摸面板，而不会显著增加成本。

指纹感测-样本设计

图5包括图5A、5B和5C，并且示出了用于指纹感测的示例性光学指纹传感器23b。图5A示出了光学指纹传感器23b的不同层的截面图，图5B示出了同一光学指纹传感器23b的俯视图，图5C示出了

图5所示的光学指纹传感器23b中的光学耦合器31b的具体设计不同于图2和3的光学指纹传感器23的光学耦合器31b的设计。具体地，如图5A所示，耦合器31b在左侧的一个表面111具有用于成像的弯曲(球面或非球面)镜面形状。探测光源30放置在耦合器31b的曲面镜表面111的焦点处，使得由曲面镜表面111反射的光线是平行光线，或者反射探测光束是朝向顶部感测表面45传播用于照亮手指的准直光束。在一些实现方式中，可以在探测光源30上使用针孔，以空间地限制探测光，从而使得改变的光源30a仅将一部分的光束投射到曲面镜表面111，散射光的影响被减小或消除。在制造弯曲表面111时，将耦合器31b设置为以适当的距离D偏离中心。因此，耦合器31b的曲面镜表面111适当地倾斜，使得自曲面镜表面111的准直光束以期望的角度入射到间隔物材料39和盖板玻璃50中。例如，发散光束ASB被准直并投射到感测表面45。光电二极管阵列37检测到反射探测光束A’B’，相应地，中心光SC在中心C’处或中心C’附近被反射回光学检测器阵列37(例如，光电二极管阵列)。

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

所公开技术的光学指纹传感器可以被实现为提供以下特征中的一个或多个。光学指纹传感器包括光源、耦合器、间隔物、光电二极管阵列和盖板玻璃。间隔物可以制成为包括玻璃材料、粘合材料，或者可以由气隙或真空层形成。耦合器可以制成为包括玻璃材料、粘合材料、或者空气层或真空层。在一些设计中，用于光学传感器的盖板玻璃可以被配置为显示屏盖板玻璃的一部分，或者在其他设计中可以是单独的盖板玻璃。在各种实现方式中，耦合器、间隔物和盖板玻璃中的每一个都可以包括多个层。

所公开的技术通过匹配材料的形状和材料的折射率，为控制光学检测器阵列37处的光学感测中的信号对比度方面提供了灵活性。通过沿着照明探测光的光路匹配探测光束入射角、发散角以及所涉及的耦合器、间隔物和盖板玻璃的材料，对于不同的触摸材料，可将探测光束控制为在感测表面处被全部反射或部分反射。

所公开的光学指纹传感器可以被配置为在与手指对接用于光学指纹感测时实现无水效果。例如，各种智能手机中的智能手机的盖板玻璃的折射率可以约为1.50。一种设计是使用低折射率材料(MgF₂、CaF₂、聚合物等等)以形成上述设计示例中的耦合器31或31b。例如，所公开的技术可用于将盖板玻璃50的感测表面45的局部探测光束入射角控制为大约68.5°。当水存在于光学指纹传感器的感测表面45上或与其接触时，全反射角约为62.46°，当指纹脊触摸感测表面45时，全反射角约为73.74°。当没有东西触摸感测表面45时，全反射角约为41.81°。在本设计中，在顶部感测表面45上的浸水区域处，在指纹脊触摸顶部感测表面45的位置处，探测光被全反射至光电二极管阵列37，使得不到5％的探测光被反射到光电二极管阵列37；在干的指纹谷位置，探测光束也被全反射到光电二极管阵列37。在该设计下，手指脊和手指谷的光学反射不同，并且指纹脊引起的反射生成了更强的光学信号，该光学信号被检测以在光电二极管阵列37处产生指纹图案的高对比度光学图像。

人的汗水的折射率低于手指皮肤的折射率。因此，基于上述设计中光学反射的差异，所公开的技术提供了区分指纹中的汗孔的方案。当使用空气间隙形成例如图4所示的示例的耦合器时，感测表面处不会发生全反射。不同触摸材料(指纹脊、指纹谷和其他污染物)之间的反射率的差异可以用于检测指纹图像。

由于图2至图5中上述光学设计中的光路压缩效应，在盖板玻璃50上的感测表面45处的感测区域的尺寸可以大于光电二极管阵列37的光电二极管阵列的尺寸。可以利用光路压缩效应将耦合器31或31b设计得非常薄，从而减小光学感测模块的总厚度。例如，通过设计光学感测模块中的各种组件，可以使用厚度小于1mm的CaF₂耦合器在顶部感测表面上实现10mm大小的感测区域，其中图像压缩比可设置为1:10左右。该特征可用于降低传感器厚度和传感器成本。在图2至图5的示例中，光电二极管阵列37被安装在耦合器31或31b的一端，而不是在耦合器下方。这种设计可以灵活应用彩色涂料、照明灯等，来补偿颜色或装饰传感器区域。

在一些实现方式中，用于光学感测的光源可以是安装在适当距离处的点光源。在一些实现方式中，探测光束可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜进行准直。在一些实现方式中，光源被放置在距离感测区域45足够远的地方。在一些设计中，探测光束可以具有适当的发散角。在各种设计中，探测光束可以是发散的或会聚的。

在一些实现方式中，探测光源可以被调制，以通过减少未被调制的背景光的影响来改善光学感测，并且因此可以通过类似于基于锁定放大器的检测的相敏检测与调制的探测光区分开。光电二极管阵列被设计为在任何照明环境中都能良好地工作。在上述光学设计下，盖板玻璃厚度对光学指纹感测不构成限制。该原理可用于构建光学触摸面板。

活体指纹检测

图6示出了光学感测模块中的示例性活体指纹检测设计。光学感测模块的活体指纹检测部分可以由图2的光学感测模块的示例中的用于活体手指检测的一个或多个指定的光源33和一个或多个指定的光学检测器34来实现，它们与用于为光学指纹感测提供照明的光源29和用于光学指纹感测的光学检测器阵列37分离。图6仅示出了相对于光学耦合器31放置的用于活体手指检测的一个或多个指定的光源33和一个或多个指定的光学检测器34，而没有示出光学感测模块的其他组件，例如，用于为光学指纹感测提供照明的光源29和用于光学指纹感测的光学检测器阵列37。

或者，在其他实现方式中，可通过相同的用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37来进行活体指纹检测，而不使用图2所示的分离的光学检测。图6中的活体指纹检测可以通过指纹传感器来进行，例如图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a、或图5中的光学指纹传感器23b中的一个，按照类似于下文图6的具体示例中所描述的方式来执行。

在图6中，一个或多个光源33和接收光电检测器(photodetector，PD)阵列34通过匹配的光学耦合器31被隔离，使得来自一个或多个光源33的发射光束不能直接到达光电检测器(PD)34以感测指纹是否来自活体手指。光学耦合器31引导来自光源33的光束以穿过顶部盖板玻璃50上的光路窗口41(其可以通过顶部盖板玻璃50的底部上的颜色材料层52的开口形成)，并透射到触摸材料43中，例如手指。对于活体的活体指纹，手指中的血流81在不同的探测波长下表现出特定光学吸收特性，并且还随着心跳、对传感器的按压力、呼吸或其他参数而变化。因此，在光学检测器34处接收到的探测光将携带与不同探测波长下的光学吸收特性、心跳、对传感器的按压力、呼吸、手指的微移动或其他参数相关联的可检测信息，并且因此可以被处理以使用这些信息确定触摸的物体是否来自活人。当来自光源33的探测光束83被光学耦合器31耦合以进入被监测的材料时，材料中的组织将探测光83的一部分85散射到接收PD阵列34中。通过分析接收到的信号，可以获得一系列信号并对其进行分析以用于活体手指检测。

指纹传感器光电二极管阵列37也可以用于检测来自触摸材料的散射光，因此也可以用于活体指纹检测。例如，指纹的微移动可用于指示指纹是否来自活体手指。一系列指纹图像用于恢复随时间变化的信号振幅和亮点分布。假的、非活体手指表现出不同于活体手指的动态。

图7示出了血液中被监测材料的示例性光学消光系数，其中，光吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的红外IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以可见波长和IR波长照射手指，可以采集光学吸收的差异，以确定触摸物体是否为来自活人的手指。

图8示出了组织中不同部分的血流。当人的心脏跳动时，脉压使血液泵入动脉中，因此在血液中被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。血液的这些特性可用于检测所监测的材料是活体指纹还是假指纹。

图9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。参见图6，光学指纹传感器中的光源33和相应设计的检测器34也可以作为心跳传感器以监控活体组织。光源33可以提供一个或多个光学波长。当使用两个或两个以上波长的光(例如，约660nm的红光和940nm的IR光)时，消光比的差异可用于快速确定所监测的材料是否为活体组织，例如活体指纹。在图8B中所示的示例中，使用两个光源，以发射不同波长的探测光，如图7所示，一个是可见波长，另一个是IR波长。

当非活体材料触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示了与非活体材料的表面图案相关的强度等级，并且接收的信号不包含与活人的手指关联的信号分量。但是，当活人的手指触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示了与活人关联的信号特征，包括不同的强度等级，这是因为对于不同的波长而言消光比不同。该方法不需要耗费很长时间就可以知道触摸材料是否为活人的一部分。在图9中，脉动形信号反映了多次触摸而非血液脉动。与非活体材料类似的多次触摸不会显示出由活体手指引起的差异。

血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的这种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对人的心跳的光学检测更快。

在LCD显示屏中，LCD背光照明光为白光，从而包含可见光谱范围和IR光谱范围的光，用于在光学传感器模块处执行上述活体手指检测。LCD显示模块中的LCD彩色滤光器可以用于允许光学传感器模块获得图7、图8、图9中的测量结果。另外，可以操作用于产生照明光以进行光学感测的指定的光源，以在不同时刻以选定的可见波长和IR波长发出探测光，并且两种以不同波长反射的探测光由光学检测器阵列采集，以基于图7、图8、图9中所示的上述操作，确定触摸物体是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时刻选定的以可见波长和IR波长反射的探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是在不同时间刻总是通过选定的可见波长的探测光以及IR波长的探测光两者来采集指纹图像。因此，指纹感测可以在可见波长和IR波长两者下进行。

在一种实现方式中，活体指纹检测可以由设计的光学系统实现，例如图2的示例中的光源33和光学检测器34，它们与用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37分离。指定的光源33被操作，以例如在不同时刻以所选择的可见波长和IR波长发射探测光，并且两种不同波长的反射探测光由指定的光学检测器34采集，以基于图7和图9所示的上述操作，确定触摸物体是否为活体手指。

或者，在一个实现方式中，可以通过相同的用于指纹感测的光源29和光学检测器阵列37执行活体指纹检测，而不使用指定用于活体手指检测的分离的光学检测组件。在这种使用光源29和光检测器阵列37进行指纹感测和活体指纹检测两者的设计下，光源29被操作，以在不同时刻以所选择的可见波长和IR波长发射探测光，并且两种以不同波长反射的探测光由指定的光学检测器34采集，以基于图7和图9所示的上述操作，确定触摸物体是否为活体手指。需要注意的是，尽管在不同时刻以所选定的可见波长和IR波长反射的探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是在不同时间刻总是通过所选定的可见波长的探测光以及IR波长的探测光两者来采集指纹图像。因此，指纹感测可以在可见波长和IR波长两者下进行。

安全等级建立

图10示出了基于所公开的用于指纹感测的光学感测技术，为认证活体手指建立不同安全等级的示例性过程1000的过程流程图。可以基于所请求的操作的类型，来建立不同的安全等级标准。例如，常规动作请求需要通过安全等级1验证。对于金额低于阈值的金融交易的请求，例如在100美元以下的支付，需要通过安全等级2。金额超过该阈值的金融交易可能需要更高的安全等级许可(clearance)。不同的安全等级评估之后，触发不同的安全等级动作。可以通过组合不同的活体手指特征，来建立对应于不同安全性等级的安全等级。例如，单个光源信号可以用于建立安全等级1口，两个光源信号可以组合建立安全等级2口，以此类推。

在请求操作(1002)时，开始执行方法1000或方法1000被触发。分析所请求的操作，以确定适当的安全等级(1004)。当确定需要安全等级1(最低安全等级)(1006)时，需要通过安全性触发等级1(1014)。当指纹分析通过安全性触发等级1时，执行所请求的操作(1024)。但是，当指纹分析未通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的操作(1022)。

类似地，当确定需要安全等级2(1008)时，需要通过安全性触发等级1(1016)。当指纹分析通过安全性触发等级1时，执行所请求的操作(1024)。当指纹分析未通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的操作(1022)。

当确定需要安全等级3时(1010)，需要通过安全性触发等级1(1018)。如果指纹分析通过安全性触发等级1，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的操作(1022)。

当确定需要安全等级N(1012)时，需要通过安全性触发等级1(1020)。如果指纹分析通过安全性触发等级1，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级1，则拒绝所请求的操作(1022)。

所公开技术的光学指纹传感器可以被实现，以执行具有各种特征的活体手指检测。光学指纹传感器可以检测触摸材料是否为活体手指，并且可以提高传感器的安全性。特定光源和检测器可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是非活体材料。当单波长的探测光用于照明时，心跳检测或其他活体手指特征(手指的微移动)可以用于提供可靠的标准，以检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。当使用两个或两个以上波长时，比较波长的消光比，以检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。指纹传感器光源和光电二极管阵列可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。动态指纹图像可以用于检测触摸感测区域的物体是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。

传感器区域装饰

图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图，其中光学指纹传感器23被放置在顶部盖板玻璃50下方，并且邻近显示模块且位于显示模块的外部。当光学指纹传感器23安装在盖板玻璃50下方时，盖板玻璃50被构造为包括光学窗口，该光学窗口透射光以提供用于光学感测的光路。具体地，去除一部分盖板玻璃的颜色涂层材料52，以形成用于光学感测的光学窗口。因为指纹传感器检测器被布置在耦合器31的一端，耦合器31的底部可以涂覆颜色层25，使得颜色层52和25共同向用户提供连续结构的感知。涂覆的颜色层25可以选择与平台表面的颜色匹配。例如，在耦合器下方使用相同的颜色或图案，使得传感器变为不可见。在一些实现方式中，匹配的耦合器31还可以涂有期望的或不同的颜色或图案，以实现特定或不同的装饰效果或风格。匹配的耦合器31也可以涂有某些图案或标志，例如主页按钮标志。

该设计为进一步装饰传感器区域提供了更具吸引力的选择。例如，可以提供一个或多个指定的装饰光源35，以向光学感测区域提供设计的装饰照明，例如发射不同颜色的光学波长的光来照亮传感器区域。这种装饰照明功能在黑暗环境中是非常有用的，当智能手机响铃时指示指纹感测区域位于何处。

光学指纹传感器可以实现为允许各种装饰元素，包括以下：耦合器的底面可以涂有相同的颜色或图案的层，以与平台表面颜色匹配；耦合器的底面可以涂有不同的颜色或图案的层，以显示新的外观样式；彩色光源可以被安装在耦合器的周围，以装饰传感器区域。

封装为单独按钮的指纹传感器

作为可替代的实现方式，可将设置于连续的盖板玻璃50下方的图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b封装为与盖板玻璃50的其他部分有物理分界的单独实体指纹传感器按钮。

图12是示出封装为单独按钮的示例性光学指纹传感器的示意图，该单独按钮位于设备显示面板所在的移动设备的正面。除了容纳光学指纹传感器模块之外，该按钮还可以用作设备某些操作的主页按钮、用于从省电模式唤醒设备的唤醒按钮或者设备的其他操作。

图13是示出使用封装为单独按钮的光学指纹传感器的示例性指纹检测以及活体手指检测的示意图。可将图12、图13的光学指纹传感器实施为图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a、以及图5中的光学指纹传感器23b，但是将该指纹传感器封装为单独按钮。因此，指纹感测和活体手指检测也与上述相同或相似。匹配的耦合器31用于设置光电二极管阵列37的位置并为可见区域提供封装灵活性。所有关于图12、图13中的光学指纹传感器的不同组件的上述特征可以实现为与图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a、以及图5中的光学指纹传感器23b基本上相同，包括光源也相同。但是，为了将光学指纹传感器实施为单独按钮，用于盖板玻璃51的材料可能需要比图3至图5中连续的盖板玻璃50的设计中更高等级的硬度或强度。

间隔物材料39和盖板玻璃51使探测光束AB增加了位置偏移D。当盖板玻璃51和间隔物材料19的厚度减小到零时，具体地，通过去除盖板玻璃和间隔物，探测光束偏移D被消除。例如，可以用厚度小于1mm的CaF₂实现10mm的感测尺寸。此外，光电二极管阵列37应与光路匹配，以实现适当的分辨率并保证所有照明环境中的性能。

图12和图13中示出的封装为单独按钮的光学指纹传感器可以执行与图2至图11的光学指纹传感器相同的指纹检测和活体手指检测。另外，封装为单独按钮的光学指纹传感器可以被实施以执行以下特征。

盖板玻璃和相关间隔物材料可以被实现，以根据各种应用的需要在厚度上提供设计灵活性。在一些实现方式中，实际的封装可以被设计为不使用盖板玻璃和间隔物材料。实际设计的另一个示例是使用薄盖板玻璃层保护耦合器，其中薄盖板玻璃可以具有高硬度。使用彩色玻璃或其他光学材料以构建盖板也是实用的。当设计紧凑按钮，为光学传感器提供更高的安全性的光学指纹感测时，可以集成各种机械部件以增强模块的刚性或强度。

本文中公开的光学指纹传感器设计可以以各种方式实现(例如，在与设备显示屏并排的设备盖板玻璃下或者在按钮结构中)，并且是与设备显示屏分离的感测模块。这种光学传感器设计不会干扰设备显示屏的操作、设计或安装，也不会干扰与显示屏相关或集成的功能和特征，例如，触摸感测用户界面操作和结构。这样，所公开的光学传感器技术可以用于基于各种显示技术或配置的设备，包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素产生用于在屏幕上形成显示图像的光，例如包括有源矩阵有机发光二极管(active matrix organic light emitting diode，AMOLED)显示面板的有机发光二极管(OLED)显示屏、电致发光显示屏和具有背光的其他显示屏，例如无处不在的液晶显示屏。

图14和图15示出了基于所公开技术的结合光学感测功能的设备的LCD和OLED显示屏的示例，包括光学指纹感测和附加光学感测以确定接触的物体是否来自活人。

图14示出了LCD显示面板、LCD背光照明模块以及顶部透明层的结构的示例，该LCD显示面板包括LCD显示面板结构以显示图像；该LCD背光照明模块耦合到LCD屏，用于向LCD屏产生背光以显示图像；以及该顶部透明层形成在设备屏幕上，作为被用户触摸以进行触摸感测操作的界面，以及透射来自显示结构的光以向用户显示图像的界面。LCD屏结构可以与触摸感测结构集成，该触摸感测结构提供与设备操作相关的触摸感测用户界面操作。

作为具体示例，图14示出了具有基于LCD的触摸感测显示系统1433的智能手机。触摸感测显示系统1433设置于顶部盖板玻璃1431下方，该顶部盖板玻璃1431作为用户界面表面以用于各种用户界面操作，包括例如用户的触摸感测操作，向用户显示图像，以及接收用于光学指纹感测和其他光学感测操作的手指的光学感测界面。用于光学指纹感测和其他光学感测操作的光学传感器模块1490可以放置在设备的不同位置，例如，如图所示，在LCD显示模块1433的一端，且在相同的顶部玻璃盖板1431下方。显示系统1423是多层液晶显示(LCD)模块1433，该多层液晶显示(LCD)模块1433包括：LCD显示背光光源134(例如，LED灯)，为LCD模块1433提供白色背光；光波导层1433c，耦合到LCD显示背光光源1434，以接收和引导背光；LCD结构层433a(包括例如，液晶(LC)单元和LCD电极层、透明导电ITO层、光学偏振器层、颜色过滤器层和触摸感测层)；背光漫射器1433b，设置于LCD结构层1433a的下方、光波导层1433c的上方，以空间地扩散背光来照亮LCD结构层1433a中的LCD显示像素；以及光学反射器膜层1433d，位于光波导层1433c的下方，以将背光再循环到LCD结构层433a，以改善光的使用效率以及提高显示亮度。图14中示出的示例包括用于LCD显示和触摸感测操作的设备电子/电路模块1435、用于监测周围环境的光等级的一个或多个其他传感器1425，如光学传感器、用于控制某些智能手机操作的可选侧面按钮1427和1429。

在本文件中公开的光学传感器模块1490的各种位置中，在一些实现方式中，光学传感器模块1490可以如图1B、图2、图11所示放置在显示屏旁边、且与液晶显示模块1433并排，该液晶显示模块1433或者在共同顶部盖板玻璃1431下方(如图14以及图1B、图2和图11所示)，或者在单独的分立结构中(图12)。在这样的实现方式中，通过为光学传感器模块设计探测光源，指纹感测区域可以包括顶部玻璃盖板1431上方靠近LCD显示模块1433的LCD显示面板的边缘但在LCD显示模块1433的LCD显示面板内的区域，用于除了采集从直接在LCD显示模块1433外的光学传感器模块的顶部的手指返回的探测光之外，还采集从放置在该区域中的手指返回的探测光。该区域可以标记为对用户可见，用于放置手指进行指纹感测。在一些实现方式中，可以操作将该区域中所选的LCD像素开启以在LCD显示屏面板中标记该区域或该区域的边界，以允许用户识别用于放置手指进行指纹感测的区域。在其他实现方式中，可以在LCD模块下方添加一个或多个照明光源，以产生照明光照亮顶部玻璃盖板1431上的边界或区域，使其对用户可见。通过提供一个或多个照明光源，无论LCD显示屏是关闭还是打开，该区域都可以被光学标记，以便于用户识别进行指纹感测。除了由光学传感器模块产生并从光学传感器模块投射的探测光的照明之外，LCD显示屏内该区域中存在的来自LCD像素的光还可以用于向手指添加照明光。图14标记了指纹感测区域，该指纹感测区域包括显示面板区域边缘内的感测区域和显示面板区域外的感测区域。

图15示出了基于所公开技术的结合光学感测功能的设备的OLED显示屏的示例，包括光学指纹感测和附加光学感测以确定接触的物体是否来自活人。OLED显示屏是由驱动器电子模块或电路1535驱动的OLED显示模块1533的一部分。类似于图14中基于LCD的设备示例，图15中提供了用于光学指纹感测和其他光学感测操作的光学传感器模块1490，其可以放置在设备的不同位置，例如，如图所示，在OLED显示模块1533的一端，且在相同的顶部玻璃盖板1431下方。在一些实现方式中，光学传感器模块1490可以如图1B、图2、图11所示被放置在显示屏旁边、与液晶显示模块1433并排，该液晶显示模块1433或者在共同顶部盖板玻璃1431下面(如图14以及图1B、图2和图11所示)，或者在单独的分立结构中(图12)。在这样的实现方式中，如图15所示，指纹感测区域可以包括显示面板区域边缘内的感测区域和显示面板区域外的感测区域。OLED显示区域内的指纹感测区域可以标记为对用户可见，用于放置手指进行指纹感测。在一些实现方式中，可以操作将该区域中所选的OLED像素开启以在OLED显示区域中标记该区域或该区域的边界，以允许用户识别用于放置手指进行指纹感测的区域。在其他实现方式中，可以在OLED模块下方添加一个或多个照明光源，以产生照明光照亮顶部玻璃盖板1431上的边界或区域，使其对用户可见。通过提供一个或多个照明光源，无论OLED显示屏是关闭还是打开，OLED显示区域内的区域都可以被光学标记，以便于用户识别进行指纹感测。除了由光学传感器模块产生并从光学传感器模块投射的探测光的照明之外，OLED显示屏内该区域中存在的来自OLED像素的光还可以用于向手指添加照明光。

除了通过光学感测进行指纹检测之外，基于本文中公开的技术的光学传感器模块还可以被实现，以执行用于测量其他参数的光学感测。例如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感测采集和检测与人相关联的手指图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制通过“活体手指”检测机制检测所采集或检测的手指图案是否来自活人的手。

例如，其他用户参数的光学感测可以基于以下事实：由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活人的手指通常是移动或伸展的，如图7、图8和图9中的示例所公开的光学吸收特性，或当血液流过与心跳和血流相连的人体时手指是脉动的。如参考图7、图8和图9所说明的，不同探测波长处获得的比率可以用于确定所触摸的物体是来自活人的手指，还是人造材料的假指纹图案。

再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。例如，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以以下一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。

再例如，来自显示像素(例如，OLED或LCD像素)的一部分光可以进入手指组织。这部分光功率被手指组织散射，并且该散射的光中的一部分可以被光学传感器模块中的光学传感器阵列收集。该散射光的光强取决于手指的肤色或手指组织中的血液浓度。手指上的散射光携带的信息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进行检测。例如，通过整合用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这一特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是活体手指还是具备伪造的指纹图案的欺骗设备。

至于通过光学感测获得关于用户肤色的信息，可以使用探测光的不同光学波长下的探测光照射的手指返回的光的光学强度的测量结果来获得肤色信息。当实施所公开的光学感测技术时，用于照亮手指的探测光的不同光学波长可以以不同的方式实现。例如，光学传感器模块可以包括不同光学波长的不同探测光源。再例如，当在具有OLED显示面板的设备中实现光学感测时，OLED显示面板包含不同颜色的像素，例如，在一个彩色的OLED像素内相邻的红色、绿色和蓝色像素，并且可以被控制以提供期望的彩色光来照亮手指以测量肤色。具体地，可以选择开启OLED显示面板的每个彩色像素内的像素的颜色以不同颜色照亮手指。手指在不同颜色/光学波长的探测光照射下散射的光的光强可以记录在光学传感器阵列上，并且不同光学波长下的光强信息可以用来表示用户的肤色，并且可以用作用户识别参数。就这一点而言，当用户注册了用于设备的指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器测量两种不同颜色或波长A和B下来自手指的散射光的强度，测量的强度分别为Ia和Ib。Ia/Ib的比率可以被记录和存储为用户认证数据点，并与后面的Ia/Ib的比率的测量结果进行比较，该测量结果是用户的手指放在感测区域上作为指纹感测操作的一部分以获得设备的访问权限时获得的。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。

再例如，人们的手指在皮肤表面以下具有独特的形貌或组织特征，并且这些特征在各种指纹传感器中通常未被采集或获得。这种皮肤表面下的独特形貌或组织特征很难通过假指纹图案复制技术进行复制，并且当手指没有按压在表面上时以及当手指按压在表面上时发生变形时，这些特征往往都不同。基于本文中公开的技术的光学感测可以被实现，以使用穿透人体皮肤表面的光学波长(例如，IR波长)的探测光来采集包含关于皮肤表面下的组织结构的信息的光学图像，并且该采集的图像可以被处理以获得皮肤表面下的组织结构的信息，作为确定被测手指是否是电子设备的授权用户的手指的一部分，以提供防欺骗指纹感测。在实现方式中，所公开的技术可以被实现，通过以非接触和接触配置采集图像来提供光学指纹感测，以通过使用相同的光学传感器模块提供不同的用户认证机制。

用户认证可以基于指纹图案的光学感测以及对活体存在的肯定判断的两者组合来增强访问控制。

针对与显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以在显示屏上执行与触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。基于此，光学传感器模块可以被设计为选择性地接收和检测由与显示屏的表面接触的手指导致的返回的光，而由其他物体导致的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会唤醒设备，以进行节能操作并且延长电池的使用。该操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制显示屏的唤醒电路操作。例如，可以提供设计的用于光学感测的额外光源和所设计的额外光源，并且在操作中，所设计的额外光源可以以闪光模式开启，以间歇地向屏幕表面发射闪光，用于感测人的手指或手掌的任何触摸，同时可以将显示屏置于睡眠模式以节能。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，所以用户不会体验任何闪光的视觉效果。

图16示出了基于所公开技术的具有光学指纹感测模块的移动设备形式的电子设备的示例。该示例中的光学感测特征可以应用于其他电子设备，例如平板电脑和其他便携式设备以及具有光学指纹感测的较大的电子设备。该设备包括触摸感测显示面板组件3010，其包括具有显示层3054和底层3056的显示模块。光学传感器模块3023位于显示面板组件3010附近或邻近显示面板组件3010，以提供显示面板区域外的指纹传感器区域3021和作为虚拟指纹传感器区域的显示面板区域内的指纹感测区域3022，因为光学传感器模块位于显示面板区域外的指纹传感器区域3021中。该设备还可以包括一个或多个其他传感器3012(例如，前置摄像头)、以及控制按钮，例如用于执行各种设备操作的侧面控制按钮3014。

在图16中，所示设备包括显示图像和内容并接收用户接触输入的显示模块。显示模块3010包括具有不同的显示层3054和底层3056的显示面板。顶部透明层3056形成在具有显示层3054的显示面板上，以提供用于接收用户接触输入的触摸界面，并允许其看到显示面板的显示图像和内容。如图所示，在访问设备时，用户可以将手指3043放在设备上进行指纹感测。顶部透明层3056包括延伸至显示面板的至少一端外的延伸部分。光学传感器模块3023被放置在顶部透明层3056的延伸部分之下，并且邻近显示面板3010的一端。如本专利文件中所公开的，光学传感器模块3023包括一个或多个探测光源，以产生探测光来照亮显示面板上方的顶部透明层3050的延伸部分和顶部透明层3050上方的相邻区域，从而照亮顶部透明层3050上方或与其接触的物体进行光学感测。显示面板上方的照明区域的视场在图16中标记为3025，并且顶部透明层3050中示出的相应区域由显示面板区域内的指纹感测区域3022标记。这在针对LCD和OLED显示面板的图14和图15中也进行了说明。当手指被放置在显示面板的感测区域3022上方的照明区域的视场中而未接触到顶部透明层3050时，该特征允许光学传感器模块3023对手指进行光学成像。光学传感器模块3023还可以当手指与顶部透明层3050接触时执行光学感测操作。

光学传感器模块3023包括用于采集从手指3043返回的探测光和/或返回的其他光的光学图像的光学传感器阵列。光学传感器阵列包括光学检测器，例如CMOS光电检测器或光电二极管，检测来自顶部透明层上方或与顶部透明层接触的物体的反射光，以检测接收的接触输入的存在，该接触输入与以下两者相关联：(1)第一信号，其提供指纹的第一指示以生成指示物体是否是授权用户指纹的手指的空间图案的图像的第一信号，以及(2)第二信号，其指示第二不同信号以提供物体是否是授权用户的手指的单独的第二指示。

光学传感器模块3023可以包括一个或多个触发传感器，用于检测物体是否存在或接近。该触发传感器可以生成触发探测3027，并检测返回的触发探测，以确定物体是否正在接近传感器模块，并检测和评估距离显示屏盖板3050适当距离的接近物体。触发探测可以是光学信号，例如探测光束。在其他实现方式中，触发传感器可以是使用声音信号作为探测的声音触发传感器，或者是使用电信号作为探测的触发传感器，例如电容式传感器。

在实现方式中，图16中的设备可以包括形成在顶部透明层3050下方的支撑透明层3052，并且接合到顶部透明层3050作为完整的顶部透明盖板。如图所示，该示例中的支撑透明层3052包括开口，该开口位于顶部透明层3050的延伸部分的下方，并且邻近显示面板的一端。光学传感器模块3023放置在顶部透明层3050的延伸部分下方的支撑透明层3052的开口内。顶部透明层3050和支撑透明层3052可以是玻璃透明基板或包括结晶材料的高强度透明材料。支撑透明层3052的使用可以增强整体结构强度并牢固地保持光学传感器模块3023。

参见图1A和图1B，图16中的设备包括耦合到光学传感器模块的光学传感器控制器，以控制一个或多个探测光源和光学传感器阵列的操作，从而触发对物体的不同图像的采集，包括当物体在顶部透明层上方而没有接触顶部透明层时作为第一信号的一部分的物体的图像，以及当物体与顶部透明层接触时作为第二信号的一部分的物体的另一图像。光学传感器控制器处理采集的该物体的图像，包括当物体在顶部透明层上方而没有接触顶部透明层时作为第一信号的一部分的采集的物体的图像和当物体与顶部透明层接触时作为第二信号的一部分的采集的物体的另一图像，以确定物体是否是电子设备的授权用户的手指。

通过使用图16中的设备，可以执行各种光学指纹感测操作。例如，当物体或手指触摸显示屏盖板3050时，光学传感器模块3023可以使用返回的探测光，在物体或手指触摸顶部透明层3050之前，采集区域3022和3021上方区域中的物体或手指的图像。一旦物体或手指触摸顶部透明层3050，显示屏中的触摸传感器进一步评估物体以避免欺骗。

探测光源集成在光学传感器模块3023中，以照亮物体，从而产生从被照亮物体返回到光学传感器模块3023的返回探测光，用于光学传感器模块3023内部的光学传感器阵列进行成像。在一些应用中，至少一个探测光源可以被设计为以穿透人体皮肤表面的光学波长发射探测光，例如，在红外(infrared，IR)或近IR光谱范围内的一个或多个光学波长。在这种操作下，光学传感器阵列采集(1)由穿透人体皮肤表面的光学波长的探测光形成的并包含皮肤表面下的组织结构的图像，以及(2)表示皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案。因此，光学传感器控制器处理(1)由穿透人体皮肤表面的光学波长的探测光形成的并包含皮肤表面下的组织结构的图像，以及(2)表示皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案，以形成三维轮廓，用于确定物体是否是电子设备的授权用户的手指，从而提供防欺骗指纹感测。

探测光的这种使用使得手指内部组织成像产生用户的专有特征，该特征很难被假手指图案设备复制，并且可以用作防欺骗机制，作为访问设备的用户认证过程的一部分。具体地，通过使用光学传感器模块3023在设备的用户注册期间采集上述包含用户手指皮肤下的内部组织信息的用户专有特征，并将其存储以在用户访问操作中进行比较。由于使用了皮肤表面下手指内部组织的信息，并且通过相同的光学传感器模块3023进行成像以采集皮肤表面以下手指内部组织的信息，因此假图案不可能匹配上该特征。此外，当手指未接触到顶部透明层3050的情况下没有形状变形时，以及当手指按压顶部透明层3050使其形状发生某种变形时，手指呈现出不同的表面图案和内部组织结构，从而使用存储的由光学传感器模块3023在手指未接触到顶部透明层3050时以及当手指按压顶部透明层3050时采集的不同特征提供了增强的防欺骗特征。本专利文件中公开的技术的一个方面是使用这种不同的表面图案和内部组织结构，包括当手指未接触到顶部感测表面时采集的信息，以提供改进的指纹检测安全性。

在图16中，除了来自光学传感器模块3023的探测光提供的照明之外，来自显示像素(例如，LCD或OLED像素)的显示光也可以提供附加照明用于光学感测操作。在一些实现方式中，可以在光学传感器模块3023外设置一个或多个额外的照明光源3024，以帮助照亮物体或手指。在图16所示的示例中，一个或多个额外的照明光源3024示出为位于显示模块下方。

光学指纹感测的一个技术挑战是不期望的背景光，尤其是当图16中的设备用在具有强烈背景照明的室外设置或环境中时。为了解决这项挑战，光学传感器模块3023可以包括光学传感器阵列上方的光学滤光器，以透射探测光，同时阻挡背景光到达光学传感器阵列。例如，光学滤光器可以被构造为减少到达光学传感器阵列的红外光，这一来自太阳光的强烈背景源。这种光学滤光器可以是带通滤光器或者集成在检测光路中的一个或多个滤光器涂层。每个照明光源都可以以闪光模式运行，以在短时间内产生高照明亮度。

显示屏内的屏内光学指纹感测区域3022和位于显示屏外的光学传感器模块的位置不限于图中所示，还可以通过其他各种设计来实现，包括图14、图15和图16中的设计示例。屏内光学指纹感测区域3022被照亮以对用户可见，并且该照明可以通过使用显示像素或额外的光源来实现。在一些设计中，可以对光学传感器模块的位置进行对齐，使其位于显示屏的框架边缘区域内。

图18示出了可以在图16中的光学传感器模块设计中实现的颜色涂层特征。具体地，图18示出了显示屏盖板的多层结构。例如，该盖板可以包括一个顶层3050和支撑层3052，它们可以通过不同的方式彼此接合，包括使用粘合剂。在一些设计中，顶层3050可以非常薄(例如，200至400微米或其他厚度)，并且光学传感器模块3023可以很小，例如，大约几毫米的尺寸。颜色涂层3029形成在顶部透明层下方的支撑层3052的开口内。颜色涂层3029可以被图案化以包括用于透射来自照明光源的探测光的光源窗口3033和感测光路窗口3035。在一些设计中，颜色涂层3029可以是光学不透明的。在其他设计中，颜色涂层3029可以对来自的光源的探测光透明或部分透明，这时窗口3033可以不需要。

在图16和图18中的光学传感器模块中，包括可以是光电二极管阵列的光学传感器阵列3063、探测或照明光源(LED等)3065和集成在芯片板3061上的相关电路3069。柔性印刷电路(Flexible printed circuit，FPC)3071通过焊盘3067粘合到传感器芯片板3061上。处理电子器件3077和连接器3079安装在FPC 3071上。FPC 3071可以被图案化以包括形成在图18所示的颜色涂层3029中用于光源窗口3075和检测光路窗口3073的开口。

在一些实现方式中，光源3065可以直接安装在FPC 3071下方。用于减少背景光的光学滤光器可以是形成在光电二极管阵列3063表面上的光学滤光涂层。此外，在一些设计中，模块中可以包括增强侧壁结构。

图20示出了图16、图17、图18和图19中的光学传感器模块3023的结构和操作中的各种细节的示例。显示屏盖板3050下方的支撑层3052可以制成通孔以容纳光学传感器模块3023。该孔的壁涂有颜色涂层3029，作为阻挡不期望的背景或环境光的传感器模块壁。设置光学成像或光收集模块3089以采集来自物体或手指的返回光，以便由光学传感器阵列3063进行成像。在一些实现方式中，该光学成像模块3089可以包括安装在盖板顶层3050下方的针孔或微透镜。感测光路窗口3035、针孔/微透镜3089和检测光路窗口3073可以对齐，使得光学传感器阵列3063可以接收覆盖屏内指纹感测区域3022的视场中的图像信号光3087。

在一些实现方式中，来自光源3065的光3081、来自显示层3054的光3083、来自额外光源3024的光3085可以用于照亮手指。光源包含多个光学波长，以实现指纹检测和防欺骗功能。例如，活体手指频谱特征可用于检查手指是否为活体。例如，如果使用红光或IR光作为光源，传感器可以对皮肤下较深组织(例如，真皮)成像。利用该特征，无论手指或感测表面是干燥的、潮湿的、还是具有浅的手指脊-谷特征的磨损的指纹图案，都可以利用足够的信息对指纹成像。在这种方法中，指纹可以在手指没有按压在显示屏上时成像。除了2-D指纹图案之外，数据库中包括的手指轮廓信息还包括3D指纹信息，该3D指纹信息包含手指皮肤下的内部组织结构。值得注意的是，较深组织的图像很难在假指纹中复制，因此所公开的光学指纹感测利用内置的防欺骗特征提高了指纹检测精度。

图21示出了图16的设备设计中接触和非接触状态下采集手指图像的示例。如图所示，光学传感器控制器可以被操作为：当(1)物体在顶部透明层的上方而没有接触顶部透明层并且正在接近顶部透明层时(顶部)，(2)物体与顶部透明层接触时(中间)，以及(3)物体正从顶部透明层移开时(底部)，触发对物体的不同图像的采集。这些不同的图像可以被光学采集并用于进一步提高指纹感测的防欺骗功能。

图22进一步示出了基于如图12所示的形成在顶部透明盖板的外围区域中的离散“按钮”结构的光学传感器模块设计的示例。

基于所公开技术的光学传感器模块设计可以在设备的正面、背面和侧面的不同位置以及不同配置中实现。图23示出了一些示例。例如，光学传感器模块可以位于电子设备的按钮内。在一些设计中，电子设备的按钮位于电子设备的侧面、背面或正面。电子设备的按钮可操作以执行不同于指纹感测的另一操作，例如，用于打开或关闭电子设备的电源的电源按钮。

图24示出了用于操作光学传感器模块以认证访问电子设备的用户的方法的一个示例的流程图。该方法包括：操作光学传感器模块的一个或多个探测光源，用于产生探测光，以照亮电子设备的相邻区域；操作光学传感器模块的光学检测器的光学传感器阵列，以检测来自存在于照亮的相邻区域中的物体的反射光，从而确定该物体的存在；以及操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列，当检测到存在的物体而该物体未接触到电子设备时，执行第一光学指纹感测操作，从而采集该物体的一个或多个第一光学图像，以确定所采集的物体的一个或多个第一光学图像是否包含在当授权用户的手指未接触到电子设备时通过操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列从授权用户预先获得的该授权用户的手指的第一存储指纹。基于以上所述，当确定所采集的物体的一个或多个第一光学图像不包含授权用户的第一存储指纹时，拒绝对电子设备的访问。

图24中虚线以上的处理操作表示上述处理。

接下来，当第一光学指纹感测操作确定在第一光学指纹感测操作中采集的物体的一个或多个第一光学图像被确定为包含授权用户的指纹时，该方法提供附加的用户认证，如图24中虚线以下的处理操作所示。

具体地，该方法包括：操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列，当物体与电子设备接触时，执行第二光学指纹感测操作，从而采集物体的一个或多个第二光学图像，以确定所采集的物体的一个或多个第二光学图像是否包含在当授权用户的手指与电子设备接触时通过操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列从授权用户预先获得的该授权用户的手指的第二存储指纹。因此，当确定所采集的物体的一个或多个第二光学图像不包含授权用户的第二存储指纹时，拒绝对电子设备的访问。并且，当确定所采集的物体的一个或多个第二光学图像包含授权用户的第二存储指纹时，授权对电子设备的访问。

上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，以使得能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。需要注意的是，当人用手指按压设备时，由于按压力的变化，与显示屏的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。

参见图25，接触轮廓面积随着按压力的增加而增大，同时脊的印迹随着按压力的增加而扩大。相反地，接触轮廓面积随着按压力的减小而减小，同时脊的印迹随着按压力的减小而缩小或收缩。图25示出了在不同的按压力下的同一手指的两个不同的指纹图案：轻按压指纹2301和重按压指纹2303。来自触摸表面上的指纹的所选集成区2305的返回探测光可以由光学传感器阵列上的一部分光学传感器进行采集，这部分光学传感器与触摸表面上的所选集成区2305相对应。如下面将进一步解释的，对来自那些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。

当手指触摸传感器表面时，手指组织吸收光功率，从而减小集成在光电二极管阵列上的接收功率。特别地，在不对低折射率材料(水、汗液等)进行感测的全内反射模式的情况下，通过分析接收功率变化趋势，传感器可以用于检测是手指触摸传感器还是其他情况无意地触摸传感器。基于该感测过程，传感器可以确定触摸是否是真实的指纹触摸，因此可以基于触摸是否是真正的手指按压来检测是否唤醒移动设备。因为该检测是基于集成功率检测进行的，所以用于光学指纹感测的光源处于省电模式。

在详细的指纹图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且更多的光在触摸界面处被扩大的指纹脊吸收。因此，在相对小的观察区域2305内，集成的接收光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以对按压力进行检测。

因此，通过分析较小区域内的该集成的接收探测光功率变化，可以监测指纹脊图案变形的时域演变。然后，关于指纹脊形图案变形的时域演变的信息可以用于确定手指上的按压力的时域演变。在应用中，人手指的按压力的时域演变可用于通过手指的触摸来确定用户的交互的动态，包括确定人是正在按压触摸表面，还是正在将按压手指从触摸表面移开。这些用户交互动态可以用于触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用程序的操作。例如，人手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是操作移动设备的有意触摸还是偶然的无意触摸，并且基于该确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒处于睡眠模式的移动设备。

此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人的手指可以在两个不同探测光波长下获得的光学消光比方面表现出不同的特性，如关于图7、图8、图9所阐述的。返回参见图25，轻按压指纹2301可能不会明显限制流入手指的按压部分的血液，从而产生在两个不同探测光波长下获得的指示活体组织的光学消光比。当人用力按压手指以产生重按压指纹2303时，流向按压手指部分的血液可能显著减少，因此，两个不同探测光波长下获得的相应的光学消光比与轻按压指纹2301的光学消光比不同。因此，两个不同探测光波长下获得的光学消光比随着不同的按压力和不同的血流条件而变化。该变化不同于人造材料制成的假指纹图案使用不同的力按压时在两个不同探测光波长下获得的光学消光比。

因此，两个不同探测光波长下获得的光学消光比也可以用于确定触摸是来自用户的手指还是其他物体。该确定也可以用于确定是否唤醒处于睡眠模式的移动设备。

再如，所公开的光学传感器技术可以用于监测由于人的自然移动或运动(有意或无意地)而导致活人手指易于表现的自然运动或者当血液流过与心跳相关的人体时的脉动。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对活体存在的肯定判断的两者组合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以以下一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。

掌纹感测

根据一些实施例，光学ID传感器可以被配置为成像和识别掌纹。与指纹相似，掌纹对一个人来说也是独一无二的。因此，掌纹也可以用作安全访问电子系统的生物ID。例如，掌纹识别可用于唤醒处于睡眠模式的智能手机、平板电脑或膝上型电脑，或者授权访问银行账户或授权电子金融系统中的电子支付。与指纹识别相比，掌纹识别可以对手的更大区域进行成像。手相对于光学掌纹传感器的相对位置可能不需要那么精确。此外，可以在距离光学掌纹传感器不同的距离处获得掌纹，从而可以获得“三维”掌纹ID数据。因此，使用掌纹ID进行安全检查可以提供更好的用户体验，以及更鲁棒的安全性。

根据一些实施例，集成在其中的光学掌纹传感器4013a和4013b。电子平台4000的示例可以包括智能手机、平板电脑、膝上型计算机、可穿戴设备、电子支付系统或其他需要安全访问的电子设备。电子平台4000可以具有正面4001和背面4003。电子平台4000还可以具有一个或多个侧按钮4019，例如电源开/关按钮和音量控制按钮。电子平台4000还可以包括用于插入耳机的插孔(未示出)，或者用于与无线耳机连接的蓝牙接口。

如图所示，光学掌纹传感器4013a可以设置在电子平台400的正面4001上，并且被配置为对接近正面4001的手4005的掌纹进行检测和成像。可选地或附加地，光学掌纹传感器4013b可以设置在电子平台4000的背面4003上，并且被配置为对接近背面4003的手4009的掌纹进行检测和成像。在一些实施例中，光学指纹传感器可以位于框架的侧边缘(未示出)，使得当手接近侧边缘时，掌纹可以被检测和成像。

在一些实施例中，电子平台4000(例如，智能手机或平板电脑)可以包括位于正面4001的显示屏。正面4001上的光学掌纹传感器4013a可以安装在显示屏下方，位于显示区域内或显示区域的边界处(例如，类似于图20和图21所示的光学指纹传感器)。背面4003上的光学掌纹传感器4013b可以安装在框架的背面结构的下方。

每个光学掌纹传感器4013a或4013b可以包括光学组件4015和光电二极管阵列4017。在一些实施例中，光学组件4015可以包括透镜和/或针孔(光学组件4015在本文中可以称为透镜/针孔组件)。光学组件4015可以被配置为在光电二极管阵列4017的表面形成手掌的至少一部分的图像。光电二极管阵列4017可以被配置为将光学信号转换成电信号，电信号可以存储在计算机存储器中和/或由处理器处理。由光学掌纹传感器4013a或4013b采集的图像可以包括手掌和/或手指的图案。

光学掌纹传感器4013a或4013b也可以包括光谱滤光器。光谱滤光器可以形成在光电二极管阵列4017的表面或其他光学元件的表面上。光学掌纹传感器4013a或4013b也可以包括耦合到光电二极管阵列4017的电子电路。电子电路可以形成在印刷电路板(printedcircuit board，PCB)上。作为示例，光学掌纹传感器4013a或4013b可以包括类似于图20所示的光学和光电组件。

每个光学掌纹传感器4013a或4013b可以具有特定的视场(FOV)角4007或4011，如图26中的虚线所示。在一些实施例中，光学掌纹传感器4013a或4013b可被配置为当手4005或4009在其视场FOV内接近电子平台4000的正面4001或背面4003、并且距离成像光学器件适当的物距(例如，约0mm至约10mm，或约2mm至约6mm)时检测掌纹并对其进行成像。可能需要也可能不需要手4005或4009的任何部分物理触摸光学掌纹传感器4013a或4013b。附加地或替代地，光学掌纹传感器4013a或4013b可以配置为在手4005或4009握住电子平台4000时检测掌纹并对其进行成像。

用于对掌纹进行成像的照明光可以包括来自环境的环境光、来自显示屏的光(在光学掌纹传感器4013a或4013b与电子平台4000的显示屏集成在一起的情况下)。在一些实施例中，电子平台4000还可包括邻近光学掌纹传感器4013a和/或4013b设置的一个或多个光源。除了环境光和显示屏光之外，光源还可以在手掌上提供照明光。光源可以被配置为提供红外光和/或选定波长的可见光。例如，光源可以包括激光器或LED(例如，类似于图20中所示的光源3024和3065)。如上所述，通过使用具有不同波长的多个光源，可以确定手掌的活性。

电子平台4000的安全检查系统可以检测触发事件，该触发事件指示人打算访问电子平台4000。根据各种实施例，触发事件可以是触摸物理按钮(例如，电源开/关按钮或音量控制按钮)，或插入耳机或打开无线耳机。响应于检测到触发事件，安全检查系统可以评估由光学掌纹传感器4013a和/或4013b获取的掌纹以进行认证。以此方式，可以避免在没有用户意图的情况下电子平台4000的意外唤醒。因此，可以更好地保存电池电量。

在认证过程中，安全检查系统可以将掌纹与存储在计算机存储器中的掌纹ID数据进行比较，以确定掌纹是否与掌纹ID数据匹配。掌纹ID数据可以根据注册过程中由光学掌纹传感器4013a或4013b获取的授权用户的掌纹生成。

在一些实施例中，光学掌纹传感器4013a或4013b可以被配置为连续地检测手掌(或手掌的一部分)是否在其视场(FOV)内，并在其检测到手掌在其视场内时获取掌纹。例如，光学掌纹传感器4013a或4013b可以连续地进行成像。安全检查系统可以进行图像分析以确定是否正在对手掌(或手掌的一部分)进行成像。当确定正在对手掌进行成像时，安全检查系统可以使光学掌纹传感器4013a或4013b获取掌纹(例如，采集成像在光电二极管阵列上的掌纹并将其保存在计算机存储器中)。因此，安全检查系统可以在检测到触发事件后立即评估所获取的掌纹以进行认证，而无需等待光学掌纹传感器4013a或4013b采集掌纹。因此，通过相对快速地获得对电子平台的访问，用户可以具有更好的用户体验。

在一些其他实施例中，光学掌纹传感器4013a或4013b可以被配置为仅在已经检测到触发事件之后才进行成像并获取掌纹。通过这种方式，可以更好地保存计算资源和电池电量，这可能是以在授权访问上花费较长的等待时间为代价的。

在一些实施例中，光学掌纹传感器4013a或4013b可以被配置为检测手掌是否在距离光学掌纹传感器4013a或4013b预定距离之内，并在其检测到手掌在预定距离之内时获取掌纹。预定距离可以基于光学掌纹传感器4013a或4013b的成像光学器件的光学设计来确定。例如，成像光学器件可以被设计成当物体位于一定范围内的物距时形成该物体的清晰图像。例如，物距的范围可以在0mm至约10mm之间，或在约2mm至约6mm之间。

在一些实施例中，光学掌纹传感器4013a或4013b可以被配置为当手掌处于各种物距时获取多个掌纹。例如，当手掌与光学掌纹传感器4013a或4013b相距2mm、3mm和4mm时，可以获取掌纹。类似地，在注册过程中，光学掌纹传感器4013a或4013b可以在各种物距下获取授权用户的多个掌纹。因此，存储在计算机存储器中的掌纹ID数据可以包括授权用户的手掌的三维(3D)信息。通过这种方式，认证过程可以对正在被成像的对象的3D外貌敏感。因此，安全检查系统可以具有防欺骗功能。例如，安全检查系统可能能够将活体3D手掌与2D手掌照片区分开。

在一些实施例中，电子平台可以在显示屏上显示安全检查提醒光标。例如，如图27所示，电子平台4021在正面显示屏4022上显示安全检查提醒光标4023。安全检查提醒光标4023可以用作虚拟按钮。当手指(或手4023的其他部分)触摸安全检查提醒光标4023时，可以触发安全检查系统以评估由光学掌纹传感器4027获取的手4023的掌纹。

在一些实施例中，安全检查系统可以要求特定的手指，例如食指，触摸虚拟按钮4023。例如，光学掌纹传感器4027可以位于正面显示屏4022的下边缘。虚拟按钮4023可以出现在显示屏4022上的位置，使得当用户使用右手4025的食指触摸虚拟按钮4023时，手掌的特定部分可以位于光学掌纹传感器4027的FOV 4029内。如果掌纹ID数据是在注册过程中以类似的要求获得的，掌纹评估可能会更加准确性与鲁棒性。在一些其他实施例中，可以在显示屏4022上示出多个虚拟按钮。安全检查系统可以要求多个手指同时触摸多个虚拟按钮，从而手掌的位置可能会限制在正确的位置和方向上。

图28示出了示例性实施例，其中安全检查提醒光标(虚拟按钮)用于触发掌纹的评估。在该示例中，电子平台4031可以是智能手机或另一类型的手持式设备。光学掌纹传感器4030可以位于电子平台4031的背面。用户可以将电子平台4031握在手中，显示屏4032朝上，而光学掌纹传感器4030面向手的手掌4039。虚拟按钮4035可以显示在显示屏4032上作为安全检查提醒。当用户用手指4033(例如，拇指)触摸虚拟按钮4035时，可以触发安全检查系统以评估由光学掌纹传感器4030获取的掌纹。在一些实施例中，安全检查系统可以要求特定的手指(例如，拇指)触摸虚拟光标4035，使得手掌4039的适当部分位于光学掌纹传感器4030的FOV 4037内。

图29示出了示例性实施例。在该示例中，光学掌纹传感器4013可以位于电子平台4000的正面4001上的显示屏下方的框架的边缘(例如，底边缘)附近。安全检查提醒虚拟按钮可以在光学掌纹传感器4013正上方的显示屏上显示。当手指4041接近虚拟按钮时，可以触发安全检查系统以评估由光学掌纹传感器4013获取的掌纹4045。在该示例中，掌纹4045可以主要包括指纹，因为手指4041可能在光学掌纹传感器4013的FOV 4043内。在一些实施例中，接近虚拟按钮的手掌的任何部分(不限于手指4041)可以触发安全检查系统来评估掌纹4045。

根据各种实施例，当手指4041(或手掌的其他部分)触摸虚拟按钮时，和/或当手指4041接近虚拟按钮并且距离显示屏上方适当距离(例如，3mm或5mm)时，和/或当手指4041从显示屏抬起并且距离显示屏上方适当距离(例如，3mm或5mm)时，可以触发安全检查系统来评估掌纹4045。后两种情况可以称为远程触发。光学掌纹传感器4013可以连续尝试对掌纹4045进行成像，但是仅当安全检查系统被触发时，光学掌纹传感器4013才会被触发，进而获取掌纹4045进行评估。

图30示出了另一示例性实施例。在该示例中，光学掌纹传感器4013可以位于电子平台4000的正面4001上的显示区域内的显示屏下方。安全检查提醒虚拟按钮可以在光学掌纹传感器4013正上方的显示屏上显示。当手指4041(或手掌的其他部分)接近虚拟按钮时，可以触发安全检查系统以评估由光学掌纹传感器4013获取的掌纹4045。

根据各种实施例，当手指4041触摸虚拟按钮时，和/或当手指4041接近虚拟按钮并且距离显示屏上方适当距离(例如，3mm或5mm)时，和/或当手指4041从显示屏抬起并且距离显示屏上方适当距离(例如，3mm或5mm)时，可以触发安全检查系统来评估掌纹4045。光学掌纹传感器4013可以连续尝试对掌纹4045进行成像，但是仅当安全检查系统被触发时，光学掌纹传感器4013才会被触发，进而获取掌纹4045进行评估。

图31示出了根据一些实施例的使用掌纹感测安全访问电子平台的安全检查的示例性方法的流程图。示例性电子平台可以包括智能手机、平板电脑、膝上型计算机、电子支付系统等。电子平台可以包括光学掌纹传感器，例如用于采集试图访问电子平台的人的掌纹(或指纹)的光学成像系统。光学掌纹传感器可以位于显示屏(例如，显示区域中或显示区域的边界上)下方，或作为与显示屏分离的分立按钮。

在4051，人的手掌可能接近电子平台。例如，人的手掌可能正在抓住电子平台，在电子平台上挥手或朝电子平台移动。

在4052，可以检测到触发事件。触发事件可以指示人正在试图访问电子平台。触发事件可以包括例如当人触摸物理按钮(例如，电源开/关按钮或音量控制按钮)或一个或多个虚拟按钮(例如，安全检查提醒光标)时，和/或当人的手掌与光学掌纹传感器相距适当距离时(例如，距光学掌纹传感器0mm至10mm或2mm至6mm)，和/或当人的手掌做出特定手势时(例如，来回挥动)等情况。

在4053，响应于检测到触发事件，安全检查系统可以使用光学掌纹传感器检测掌纹。在一些实施例中，光学掌纹传感器可以连续地检测其视场内的手掌的存在，并且当检测到其视场内的手掌时获取掌纹。例如，当手掌接近光学掌纹传感器并且与光学掌纹传感器达到适当的距离(例如，3mm、5mm等)时，和/或当手掌触摸光学掌纹传感器，和/或当手掌从光学掌纹传感器移开并与光学掌纹传感器达到适当距离时，光学掌纹传感器可以获取掌纹。但是，只有在检测到触发事件时，安全检查系统才可以评估掌纹。通过这种方式，一旦触发事件发生，安全检查系统就可以评估掌纹以进行认证，并在相对短的时间内确定是授权访问还是拒绝访问，而无需等待光学掌纹传感器获取掌纹。通过这种方式，还可以避免在无人意图的情况下意外唤醒电子平台。在一些其他实施例中，光学掌纹传感器可以仅在已经检测到触发事件时才开始获取掌纹。通过这种方式，可以更好地保存计算资源和电池电量，这可能是以在授权访问上花费较长的等待时间为代价的。

在4054，通过光学掌纹传感器获取的掌纹可以与存储在存储器中的掌纹ID数据比较，以评估掌纹是否与掌纹ID数据匹配。掌纹ID数据可以根据光学掌纹传感器在注册过程中获取的授权用户的掌纹生成。

在4057，如果在4054的评估结果为“失败”，则可以拒绝访问。

在4055，如果在4054的评估结果为“通过”，则可以进行防欺骗评估。防欺骗评估可以包括，例如，活体检测、电容测量、声回波检测或特定图像分析(例如，如上面参考图6至图9所描述的)。如果在4055的防欺骗评估结果为“失败”，则可以拒绝访问。

在4056，如果在4055的防欺骗评估结果为“通过”，则可以授权访问。

应理解，图31中示出的具体步骤提供了根据一些实施例的用于安全访问电子平台的安全检查的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他顺序的步骤。例如，本发明的替代实施例可以以不同顺序执行以上概述的步骤。此外，图31中示出的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，取决于特定应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员可以认识到许多变化、修改和替换。

图32示出了根据一些实施例的使用光学掌纹感测安全访问电子系统的方法2300的流程图。

在3202处，将授权用户的掌纹ID数据存储在计算机存储器中。掌纹ID数据可以是在注册过程中根据由光学掌纹传感器获取的授权用户的手掌的一个或多个图像生成的。

在3204处，确定触发事件是否已经发生。触发事件可以指示人打算访问电子系统。

在3206处，使用光学掌纹传感器，获取人的手掌的一个或多个图像；

在3208处，响应于确定触发事件已经发生，将人的手掌的一个或多个图像与掌纹ID数据进行比较。

在3210处，基于比较，确定在人的手掌的一个或多个图像和掌纹ID数据之间是否存在匹配。

在3212处，响应于确定不存在匹配，拒绝对电子系统的访问。

在3214处，响应于确定存在匹配，至少基于匹配授权对电子系统的访问。

应理解，图32所示的具体步骤提供了根据一些实施例的使用光学掌纹感测安全访问电子系统的特定方法。根据替代实施例，也可以执行其他顺序的步骤。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行以上概述步骤。此外，图32所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以按照适合于各个步骤的各种顺序来执行。此外，取决于具体应用，可以添加或删除附加步骤。本领域普通技术人员可以认识到许多变化、修改和替换。

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，而应当被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件中在单独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化。

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组件的分离不应理解为在所有实施例中要求这种分离。

本专利文件仅描述了一些实现和示例，还可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

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

范围可以在本文中表示为从“大约”一个指定值和/或到“大约”另一指定值。本文使用的术语“大约”是指近似、在其范围内、大致或左右。当术语“大约”与数字范围结合使用时，它通过扩展上述列出的数值上下的边界来修改该范围。一般而言，术语“大约”在本文中用于将数值在所述值之上和之下修改10％的方差。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“大约”将值表示为近似值时，将理解的是，指定值形成另一实施例。还将理解的是，每个范围的端点都包括在该范围内。

出于所有目的，在此提及的所有专利、专利申请、出版物和说明均通过引用并入全文。所有这些均未被认作现有技术。

Claims (32)

1.一种使用光学掌纹感测安全访问电子系统的方法，所述方法包括：

将授权用户的掌纹ID数据存储在计算机存储器中，所述掌纹ID数据是在注册过程中根据由光学掌纹传感器获取的所述授权用户的手掌的一个或多个图像生成的；

确定触发事件是否已经发生，所述触发事件指示人打算访问所述电子系统；

使用所述光学掌纹传感器，获取所述人的手掌的一个或多个图像；以及

响应于确定所述触发事件已经发生：

将所述人的手掌的所述一个或多个图像与所述掌纹ID数据进行比较；

基于所述比较，确定在所述人的手掌的所述一个或多个图像和所述掌纹ID数据之间是否存在匹配；

响应于确定不存在所述匹配，拒绝对所述电子系统的访问；以及

响应于确定存在所述匹配，至少基于所述匹配授权对所述电子系统的访问。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定所述人的手掌的至少部分是否在所述光学掌纹传感器的视场FOV内；

其中，响应于确定所述人的手掌的部分在所述光学掌纹传感器的FOV内，获取所述人的手掌的所述一个或多个图像。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括：

确定所述人的手掌的部分是否在距所述光学掌纹传感器的预定距离内；

其中，响应于确定所述人的手掌的部分在距所述光学掌纹传感器的所述预定距离内，获取所述人的手掌的所述一个或多个图像。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述预定距离在0mm至10mm之间的范围内，或者在2mm至6mm之间的范围内。

5.根据权利要求2所述的方法，其中，不断地执行确定所述人的手掌的部分是否在所述光学掌纹传感器的FOV内以及获取所述人的手掌的所述一个或多个图像，与所述触发事件是否已经发生无关。

6.根据权利要求2所述的方法，其中，响应于确定所述触发事件已经发生，执行确定所述人的手掌的部分是否在所述光学掌纹传感器的FOV内以及获取所述人的手掌的所述一个或多个图像。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，用于生成所述掌纹ID数据的所述授权用户的手掌的所述一个或多个图像包括所述授权用户的手掌的三维信息。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括：

确定在所述一个或多个图像中被成像的物体是否是活的；

其中，授权对所述电子系统的访问还基于确定所述物体是活的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，通过执行以下步骤确定所述物体是否是活的：

将多个波长的光照射在所述物体上，所述多个波长包括第一波长和第二波长；

检测被所述物体反射或散射的所述第一波长的光；

检测被所述物体反射或散射的所述第二波长的光；

将所述第一波长的被检测光与所述第二波长的被检测光进行比较；以及

基于所述比较，确定所述物体是否是活的。

10.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述电子系统包括一个或多个物理按钮；

所述触发事件包括所述人触摸所述一个或多个物理按钮中的至少一个物理按钮；以及

确定所述触发事件是否已经发生包括确定所述一个或多个物理按钮中的至少一个物理按钮是否被触摸。

11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述触发事件包括插入或打开与所述电子系统连接的耳机。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括：

在所述电子系统的显示屏上显示一个或多个虚拟按钮；

其中，所述触发事件包括所述人触摸所述一个或多个虚拟按钮中的至少一个虚拟按钮；以及

确定所述触发事件是否已经发生包括检测所述至少一个虚拟按钮的触摸。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述一个或多个虚拟按钮包括至少两个虚拟按钮；以及

所述触发事件是触摸所述至少两个虚拟按钮中的全部虚拟按钮。

14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电子系统包括智能手机、平板电脑、膝上型电脑或电子支付系统。

15.一种用于安全访问电子系统的安全检查系统，所述安全检查系统包括：

一个或多个光学掌纹传感器，与所述电子系统集成，用于在注册过程中获取授权用户的手掌的一个或多个图像；

计算机处理器，与所述一个或多个光学掌纹传感器耦合，用于使用所述授权用户的手掌的所述一个或多个图像生成所述授权用户的掌纹ID数据；以及

计算机存储器，用于存储所述掌纹ID数据；

其中，所述一个或多个光学掌纹传感器还用于：

检测人的手掌在所述一个或多个光学掌纹传感器中的至少一个光学掌纹传感器的视场FOV内；以及

响应于检测所述人的手掌在所述FOV内，获取所述人的手掌的一个或多个图像；

其中，所述计算机处理器还用于：

检测指示所述人打算访问所述电子系统的触发事件；以及

响应于检测所述触发事件：

将所述人的手掌的所述一个或多个图像与存储在所述计算机存储器中的所述掌纹ID数据进行比较；

基于所述比较，确定在所述人的手掌的所述一个或多个图像和所述掌纹ID数据之间是否存在匹配；

响应于确定不存在所述匹配，拒绝所述人访问所述电子系统；以及

响应于确定存在所述匹配，至少基于所述匹配授权所述人访问所述电子系统。

16.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器中的一个光学掌纹传感器设置在所述电子系统的显示屏下方。

17.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器中的一个光学掌纹传感器设置在所述电子系统的显示屏的边界的下方。

18.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器中的一个光学掌纹传感器设置在所述电子系统的背面。

19.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器包括第一光学掌纹传感器和第二光学掌纹传感器，所述第一光学掌纹传感器设置在所述电子系统的正面，所述第二光学掌纹传感器设置在所述电子系统的背面。

20.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述掌纹ID数据包括所述授权用户的手掌的三维信息。

21.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器还用于：

确定所述人的手掌的至少部分是否在距离一个或多个光学掌纹传感器中的至少一个光学掌纹传感器的预定距离内；

其中，响应于确定所述人的手掌的部分在所述预定距离内，获取所述人的手掌的所述一个或多个图像。

22.根据权利要求21所述的安全检查系统，其中，所述预定距离在0mm至10mm之间的范围内，或者在2mm至6mm之间的范围内。

23.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器用于：不断地检测所述人的手掌在所述FOV内以及获取所述人的手掌的所述一个或多个图像，与是否检测到所述触发事件无关。

24.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述一个或多个光学掌纹传感器用于：响应于检测所述触发事件，检测所述人的手掌在所述FOV内以及获取所述人的手掌的所述一个或多个图像。

25.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述电子系统包括一个或多个物理按钮，并且检测所述触发事件包括检测所述一个或多个物理按钮中的一个物理按钮被触摸。

26.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述电子系统包括用于与耳机连接的接口，并且所述触发事件包括插入或打开所述耳机。

27.根据权利要求15所述的安全检查系统，其中，所述电子系统包括显示屏，并且所述计算机处理器还用于：

在所述显示屏上显示一个或多个虚拟按钮；以及

其中，检测所述触发事件包括检测所述一个或多个虚拟按钮中的至少一个虚拟按钮被触摸。

28.根据权利要求27所述的安全检查系统，其中：

所述一个或多个虚拟按钮包括至少两个虚拟按钮；以及

检测所述触发事件包括检测所述至少两个虚拟按钮中的全部虚拟按钮被触摸。

29.根据权利要求15所述的安全检查系统，还包括邻近所述一个或多个光学掌纹传感器中的一个光学掌纹传感器设置的光源，所述光源用于提供光以照射所述人的手掌。

30.根据权利要求29所述的安全检查系统，其中，所述光源用于提供闪光。

31.根据权利要求15所述的安全检查系统，还包括：

第一光源，邻近所述一个或多个光学掌纹传感器中的光学掌纹传感器设置，所述第一光源用于提供第一波长的照明光；以及

第二光源，邻近所述光学掌纹传感器设置，用于提供不同于所述第一波长的第二波长的照明光；

其中，所述一个或多个光学掌纹传感器中的每一个光学掌纹传感器包括：

第一检测器，用于检测被物体反射或散射的所述第一波长的光；

第二检测器，用于检测被所述物体反射或散射的所述第二波长的光；

其中，所述计算机处理器还用于：

将所述第一波长的被检测光与所述第二波长的被检测光进行比较；以及

基于所述比较，确定所述物体是否是活的。

32.根据权利要求31所述的安全检查系统，其中，授权所述人访问所述电子系统还基于确定所述物体是活的。

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