CN111316287B - 用于屏上指纹感测的超薄屏下光学传感器中的透镜-针孔阵列设计 - Google Patents

Abstract

提出了一种通过使用用于改进的光学指纹感测的屏下光学传感器模块(600a)提供指纹的屏上光学感测的设备(200，700)。该光学传感器模块(600a)包括：(1)光学检测器的光学传感器阵列(621)，用于检测携带指纹图案的光，(2)针孔层(920a，617i)，其被构造为包括针孔阵列，并且位于光学传感器阵列(621)上方，用于空间过滤由光学检测器检测的入射光；以及(3)透镜层(617h)，其被构造为包括形成在针孔层(920a，617i)上方的透镜阵列，其中透镜在空间上被分离并定位，使得一个透镜被设置在针孔阵列中的一个对应的针孔(951，959)上方，并且透镜阵列中的不同透镜被分别放置在针孔阵列中的不同针孔(951，959)上方，以允许光学传感器阵列(621)接收并检测入射光。

Description

用于屏上指纹感测的超薄屏下光学传感器中的透镜-针孔阵 列设计

相关申请的交叉引用

本专利文件要求于2018年10月8日由申请人深圳市汇顶科技股份有限公司提交的申请号为62/742,900，发明名称为“用于屏上指纹感测的屏下光学传感器中的透镜-针孔阵列设计”的美国临时申请的优先权和利益，其公开内容通过引用并入本专利文件的公开内容的一部分。

技术领域

本专利文件涉及在电子设备或系统中指纹的感测以及执行其他参数测量的一个或多个感测操作，该电子设备或系统包括移动设备或可穿戴设备等便携式设备和更大的系统。

背景技术

各种传感器可以在电子设备或系统中实现，以提供某些期望的功能。只有授权的用户才能被识别并且与非授权用户进行区分的计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问的需求不断增长。

例如，移动电话、数码相机、平板PC、笔记本电脑和其他便携式电子设备在个人、商业和政府的使用中越来越普及。供个人使用的便携式电子设备可以配备有一个或多个安全机制以保护用户的隐私。

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可以被保护，使其仅允许授权人员访问，以保护用于组织或企业的信息或设备或系统的使用。

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可以具有应当被保护的某些特性。例如，存储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，计算机控制的汽车和以及ATM等其他系统的使用得到保护。

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受密码保护的电子设备或系统，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。遗憾的是，各种情况下，这样的密码恢复过程对用户而言较为繁琐，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。指纹传感器可以内置于电子设备或系统中，以读取用户的指纹图案作为认证过程的一部分，使得该设备或系统只能由授权用户通过该授权用户的指纹图案的认证来解锁。

发明内容

本专利文件中描述的传感器技术和传感器技术的实现方式的示例提供了一种位于显示面板下方用于指纹的光学感测和附加的光学感测功能的光学传感器模块。所公开的传感器技术可以被实现为构造一种通过使用改进的光学指纹感测的包括光学传感器模块的屏下光学传感器模块提供指纹的屏上光学感测的设备，所述光学传感器模块包括(1)光学检测器的光学传感器阵列，用于检测携带指纹图案的光，(2)针孔层，其被构造为包括针孔阵列，并且位于所述光学传感器阵列上方，用于空间过滤由所述光学检测器检测的入射光；以及(3)透镜层，其被构造为包括形成在所述针孔层上方的透镜阵列，其中透镜在空间上分离并定位，使得一个透镜被放置在所述针孔阵列中的一个对应的针孔上方，并且所述透镜阵列中的不同透镜被分别放置在所述针孔阵列中的不同针孔上方，以允许所述光学传感器阵列接收并检测所述入射光。

在所公开技术的一个方面，电子设备可以被构造为能够通过光学感测检测指纹，以包括：一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于所述显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面且作为用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面，所述顶部透明层提供指纹感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于所述显示面板下方，用于接收来自所述顶部透明层的光，以采集指纹图像。所述光学传感器模块包括：(1)光学检测器的光学传感器阵列，用于将接收到的携带所述用户的指纹图案的光转换为表示所述指纹图案的检测器信号，(2)针孔层，其被构造为包括针孔阵列，并且位于所述光学传感器阵列上方，用于空间过滤由所述光学传感器阵列的光学检测器检测的入射光；以及(3)透镜层，其被构造为包括形成在所述针孔层上方的透镜阵列，其中透镜在空间上分离并定位，使得一个透镜被放置在所述针孔阵列中的一个对应的针孔上方，并且所述透镜阵列中的不同透镜被分别放置在所述针孔阵列中的不同针孔上方，以允许所述光学传感器阵列的光学检测器接收来自所述针孔阵列和所述透镜阵列的入射光。

在一些实施方式中，上述设备中的所述针孔层可以被构造为具有与所述入射光的一个光学波长相当或不大于所述入射光的一个光学波长的针孔的针孔尺寸，并且具有足够薄的针孔层厚度，以允许从面向所述透镜层的所述针孔层的第一侧到面向所述光学传感器阵列的所述针孔层的底侧的光学倏逝耦合。

在另一方面，所公开的技术可以被实现为提供一种为超薄屏下光学传感器模块提供用于通过光学感测检测指纹的方法，包括：将光学传感器模块放置在显示图像的显示面板下方，以采集位于所述显示面板上方的手指的指纹的图像；构造所述光学传感器模块，以包括(1)光学检测器的光学传感器阵列，用于检测携带指纹图案的光，以产生表示所述指纹图案的检测器信号，(2)针孔层，其被构造为包括针孔阵列，并且位于所述光学传感器阵列上方，用于空间过滤由所述光学传感器阵列的光学检测器检测的入射光；以及(3)透镜层，其被构造为包括形成在所述针孔层上方的透镜阵列，其中透镜在空间上分离并定位，使得一个透镜被放置在所述针孔阵列中的一个对应的针孔上方，并且所述透镜阵列中的不同透镜被分别放置在所述针孔阵列中的不同针孔上方，以允许所述光学传感器阵列的光学检测器接收来自所述针孔阵列和所述透镜阵列的入射光。所述方法还包括将所述针孔层构造为具有：(1)与所述入射光的一个光学波长相当或不大于所述入射光的一个光学波长的针孔的针孔尺寸，以及(2)足够薄的针孔层厚度，以允许从面向所述透镜层的所述针孔层的第一侧到面向所述光学传感器阵列的所述针孔层的底侧的光学倏逝耦合。

在另一方面，所公开的技术可以被实现为提供一种用于通过光学感测检测指纹的超薄屏下光学传感器模块，包括：光学检测器的光学传感器阵列，用于检测携带指纹图案的光，以产生表示所述指纹图案的检测器信号；针孔层，其被构造为包括针孔阵列，并且位于所述光学传感器阵列上方，用于空间过滤由所述光学传感器阵列的光学检测器检测的入射光；以及透镜层，其被构造为包括形成在所述针孔层上方的透镜阵列，其中透镜在空间上分离并定位，使得一个透镜被放置在所述针孔阵列中的一个对应的针孔上方，并且所述透镜阵列中的不同透镜被分别放置在所述针孔阵列中的不同针孔上方，以允许所述光学传感器阵列的光学检测器接收来自所述针孔阵列和所述透镜阵列的入射光。所述针孔层被构造为具有：(1)与所述入射光的一个光学波长相当或不大于所述入射光的一个光学波长的针孔的针孔尺寸，以及(2)足够薄的针孔层厚度，以允许从面向所述透镜层的所述针孔层的第一侧到面向所述光学传感器阵列的所述针孔层的底侧的光学倏逝耦合。

在又一个方面，所公开的光学感测的实现方式可以用于在透过与形成在外部手指皮肤上的外部指纹图案相关联的内部手指组织的探测光中获得光学透射图案，以提供用于改进的光学指纹感测的三维形貌信息。

例如，可以实现所公开的技术以提供一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备。所述设备包括：显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于所述显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面且作为用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面，所述顶部透明层包括指定的指纹感测区域，用于用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于所述显示面板下方和所述顶部透明层上的指定的指纹感测区域的下方，以接收来自所述顶部透明层的光从而检测指纹，其中，所述光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，用于将接收到的携带用户指纹图案的光转换为表示所述指纹图案的检测器信号。

所述设备还包括：额外照明光源，位于所述光学传感器模块外的不同位置，以产生不同的照明探测光束，从而以不同的照明方向照射所述顶部透明层上的指定的所述指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为产生相对于人类手指的组织呈现光学透射的光谱范围内的探测光，以允许每个照明探测光束中的探测光进入所述顶部透明层上的指定的所述指纹感测区域上的用户手指，从而通过所述手指内的组织的散射产生朝所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层的散射探测光，以分别携带以下两者：(1)指纹图案信息和(2)由通过所述手指的脊和谷的内部组织的透射引起的，分别与所述不同的照明方向相关联的不同的指纹形貌信息；以及探测照明控制电路，其被耦合以控制所述额外照明光源依次开启和关闭，以在不同的时刻产生所述不同的照明探测光束，一次产生一束光束，使得位于所述显示面板下方的所述光学传感器模块可操作为依次检测来自所述不同的照明探测光束的所述散射探测光，从而分别采集(1)所述指纹图案信息和(2)与所述不同的照明方向相关联的所述不同的指纹形貌信息。

对于另一个示例，所公开的技术可以被实现为提供一种用于操作电子设备以通过光学感测检测指纹的方法，其中所述电子设备包括显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于所述显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面且作为用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面；以及位于所述显示面板下方的光学检测器的光学传感器阵列。所述方法包括引导第一照明探测光束以在第一照明方向上照射所述顶部透明层上的指定的指纹感测区域，并进入指定的指纹感测区域上的用户手指，以通过所述手指内的组织的散射而产生通过所述手指的脊和谷的内部组织的透射，朝所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层的第一散射探测光，以携带以下两者(1)第一二维透射图案，表示由所述手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与所述第一照明方向上所述手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入所述第一二维透射图案内。所述方法还包括：操作所述光学传感器阵列以检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第一散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第一二维透射图案，以及(2)所述第一指纹形貌图案。

此外，所述方法包括在关闭所述第一照明光源的同时引导第二照明探测光束，以在第二不同的照明方向上照射所述顶部透明层上的指定的指纹感测区域并进入所述用户手指，以通过所述手指内的组织的散射而产生通过所述手指的脊和谷的内部组织的透射，朝所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层的第二散射探测光，以携带以下两者(1)表示所述指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与所述第二照明方向上的所述手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入所述第二二维透射图案内，其中由于所述第一照明探测光束和第二照明探测光束的光束方向不同，所以所述第二形貌图案不同于所述第一形貌图案。所述光学传感器阵列被操作以检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第二散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第二二维透射图案，以及(2)所述第二指纹形貌图案。接下来，根据所述第一透射图案和所述第二透射图案构建检测的指纹图案，并且处理所述第一指纹形貌图案和所述第二指纹形貌图案以确定检测的所述指纹图案是否来自自然手指。

这些方面、其他方面以及它们的实现方式将在附图、说明书和权利要求中进行更详细地描述。

附图说明

图1是具有指纹感测模块的系统的示例的框图，该系统可以实现为包括本文中公开的光学指纹传感器。

图2A和图2B示出了电子设备200的一个示例性实现方式，该电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于该触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。

图2C和图2D示出了实现图2A和图2B中的光学传感器模块的设备的示例。

图3示出了适于实现公开的光学指纹感测技术的OLED显示屏和触摸感测组件的一个示例。

图4A和图4B示出了用于实现图2A和图2B中的设计的、位于显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。

图5A和图5B示出了对于两种不同的光学条件下来自顶部感测表面上的感测区的返回光以获得表示形成在手指皮肤上的外部指纹图案的光学反射图案的信号生成，以及屏下光学传感器模块的操作。

图5C和图5D示出了对于来自顶部感测表面上的感测区的返回光以获得表示与手指皮肤上形成的外部指纹图案相关联的内部手指组织的光学反射图案的信号生成，以及屏下光学传感器模块的操作。

图6示出了指纹传感器的用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望的影响的操作的示例。

图7示出了操作用于采集指纹图案的屏下光学传感器模块的过程。

图8、图9和图10示出了通过操作OLED像素以两种不同颜色的光照射手指来确定与OLED显示屏接触的物体是否为活人的手指的一部分的操作过程的示例。

图11示出了由OLED显示屏产生的、用于校准由光学传感器阵列输出的用于指纹感测的成像感测信号的标准校准图案的示例。

图12、图13A、图13B、图14A以及图14B示出了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，其中，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学传感器阵列。

图15和图16示出了具有光学准直器的屏下光学传感器模块的示例。

图17示出了利用光学过滤减少到达屏下光学传感器模块中光电探测器阵列的背景光的光学准直器阵列的示例。

图18A、图18B、图19和图20示出了在OLED显示屏下进行光学感测的光学准直器设计的示例。

图21、图22、图23A以及图23B示出了在设计光学传感器模块时基于针孔相机效应的改进的光学成像分辨率。

图24包括图24A和图24B，并示出了具有光学偏转或衍射装置或层的OLED显示面板下的光学指纹传感器的示例。图24(即，图24A和图24B)中的数字用于表示以下内容：

431-盖板玻璃；

433-OLED显示模块；

433T-OLED显示模块的TFT层；

3210-视角适配器光学层；

3210a-视角适配器层的细节；

2001-光准直器；

621-光电探测器阵列；

63a，63b-指纹谷中的不同位置；

82a，82b-来自指纹谷不同位置的光；

82P-照射到手指的光；

82R-从手指表面反射的光；

82D-从TFT小孔衍射的光；

82S-穿过准直器的光；

82E-准直器吸收的光；

901-其他光；

901E-准直器吸收的光。

图25示出了同一手指在不同按压力下的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹3301和重度按压的指纹3303。

图26示出了典型的人类大拇指和小拇指在从约525nm到约940nm的几个不同光学波长下的光学透射光谱轮廓的示例。

图27示出了屏下光学传感器模块的示例中的背景光的影响。

图28示出了用于设计用于减少背景光的屏下光学传感器模块中的光学过滤的设计算法的示例。

图29示出了图29A和图29B中屏下光学传感器模块的两个示例，该屏下光学传感器模块在光学检测器阵列之前具有光学准直器阵列或光学针孔阵列，作为具有小的光学数值孔径的接收光学器件的一部分，以减少进入光学检测器阵列的背景光。图29(即，图29A和图29B)中的数字用于表示以下内容：

951-准直器针孔；

953-准直器壁材料；

955，967-具有大入射角的环境光；

957-基底；

959-成像相机针孔；

961-孔径限制孔；以及

963，965-针孔材料。

图30示出了在每次获得指纹时，测量光学传感器阵列处的基线背景水平的传感器初始化过程的示例。

图31和图32示出了具有额外照明光源的屏下光学传感器模块的示例中的不同光学信号的行为，该额外照明光源用于补充OLED显示光的指纹感测照明。

图33示出了设计算法的示例，该设计算法用于设计在存在用于光学感测的额外光源的情况下用于减少背景光的屏下光学传感器模块中的光学过滤。

图34A、图34B、图35、图36和图37示出了用于放置额外照明光源以通过引导照明光透过检测的手指获得光学透射图案的屏下OLED光学传感器模块设计的示例。

图38示出了基于使用壳体阻挡环境光的针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例。

图39A-图39E示出了用于通过使用具有用于光学指纹感测成像的适当光学倍率的针孔阵列或光学准直器阵列的组合控制触摸感测屏幕上的感测区域的形状的屏下光学指纹传感器模块设计的示例。

图40A-图40D示出了示例，使得控制光学倍率的光学设计用于可以通过使用(1)针孔阵列或光学准直器阵列以及(2)分别与针孔或光学准直器相对应的光学透镜阵列的组合实现，其中一个或多个相邻针孔或光学准直器用于将光引导至光学传感器阵列中的单个光学传感器。

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，例如便携式或桌面式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。

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以及包括在线购物的安全金融交易。所期望的是，包括适用于移动设备和其他应用的鲁棒且可靠的指纹感测。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到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。

本专利文件中公开的设备或系统使用光学感测技术执行光学指纹感测和其他光学感测操作。值得注意的是，本专利文件中公开的光学感测可用于光学采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案或与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案以及内部指纹图案的形貌信息。内部指纹图案以及内部指纹图案的形貌信息不仅仅是二维图案，而且由于支撑和产生外部脊和谷的皮肤下的内部组织的空间变化，因此还包括本质上是三维的空间信息。

值得注意的是，在屏下光学感测设备或系统的各种应用中，所期望的是使屏下光学传感器模块的层实用且尽可能的薄。例如，某些设备的尺寸或厚度，例如包括智能手机、平板电脑、智能可穿戴设备的各种移动或可穿戴设备，是为如显示屏、电池模块或其他电路等重要组件的首要不动的空间。超薄屏下光学传感器模块具有非常理想的特征，为其他重要部件留出了更多的空间。本专利文件公开的技术提供了透镜阵列和针孔阵列或光学准直器阵列的独特组合，以显著减少或基本消除在其它基于透镜的光学成像或检测设计中，对屏下光学传感器阵列处透镜阵列和成像平面之间的空间的需求，从而提供超薄屏下光学传感器模块。值得注意的是，在一些实现方式中，孔径尺寸与待检测光的一个光学波长相当或不大于待检测光的一个光学波长的超小针孔阵列可以被构造为超薄结构，以使得能够从针孔阵列层的一侧到另一侧进行光学倏逝耦合，用于光学传感器阵列的光学检测。

以下文件中提供了本专利文件中各种特征的实现方式的一些示例：(1)2018年9月30日提交的申请号为16/147,855、发明名称为“使用屏下光学传感器模块进行指纹的三维光学形貌感测”的美国专利申请，并于2019年10月3日公开的公开号为US2019-0303639-A1的美国专利申请；(2)2019年2月26日公布的专利号为10,216,975、发明名称为“具有有机发光二极管(OLED)屏幕或其他屏幕的设备中用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块中经由成像透镜和成像针孔的光学成像”的美国专利；(3)2019年5月28日公布的专利号为10,303,921、发明名称为“基于具有透镜-针孔模块和其他光学设计的光学成像的LCD屏上光学指纹感测”的美国专利；以及(4)2019年10月8日公布的专利号为10,437,974、发明名称为“改善用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的光学感测性能”的美国专利。上述引用的专利文件中的每一个专利文件的公开内容的全部内容通过引用并入作为本专利文件公开内容的一部分。

公开的光学感测的概述

为了被用户看到，由显示屏生成的用于显示图像的光可以穿过该显示屏的顶表面。手指可以触摸该顶表面，从而与该顶表面处的光交互，使得在该触摸的表面区域处的反射的光或散射的光携带该手指的空间图像信息，并且返回至该顶表面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，顶表面是与用户接合的触摸感测界面，用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光大部分都被浪费了，并在大多数触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器倾向于是与显示屏分离的设备，要么被设置在显示屏的相同表面上的、显示屏区域之外的位置处，例如受欢迎的苹果iphone和三星Galaxy智能手机中，要么被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的一些新款智能手机，以避免占用用于在正面放置大显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，因此需要很紧凑以节省空间用于显示和其他功能，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，因为基于各种合适的指纹感测技术(例如电容式触摸感测或光学成像)的采集指纹图像中的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域，所以对紧凑小巧的需求与对在采集指纹图案时提供高空间图像分辨率的需求，在许多指纹传感器中彼此直接冲突。

本文公开的光学传感器技术使用在显示屏中用于显示图像的、并从设备显示组件的顶表面返回的光来进行指纹感测和其他感测操作。该返回的光携带与该顶表面接触的物体(例如手指)的信息，并且采集和检测该返回的光构成了在实现位于显示屏下方的特定光学传感器模块时设计考虑的一部分。因为触摸屏幕组件的顶表面用作指纹感测区域，所以该被触摸区域的光学图像应该由光学传感器模块内的光学成像传感器阵列采集，该光学成像传感器阵列具有对原始指纹的高图像保真度以用于鲁棒的指纹感测。光学传感器模块可以设计为通过恰当地配置用于采集和检测返回的光的光学元件来实现这种期望的光学成像。

所公开的技术可以实现为提供执行人类指纹的光学感测和用于认证对移动设备或计算机控制的系统等锁定的计算机控制的设备的访问尝试的设备、系统和技术，该锁定的计算机控制的设备配备有指纹检测模块。所公开的技术可以用于保护对各种电子设备和系统的访问，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行ATM等其他电子设备或系统。

本文所公开的光学传感器技术可以实现为检测用于在显示屏中显示图像的光的一部分，其中，用于显示屏的光的这部分可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在所公开的用于具有发光显示像素而不使用背光的OLED显示屏或另一显示屏的光学传感器技术的一些实现方式中，由OLED显示屏产生的图像光在OLED显示屏的顶表面处或附近遇到用户手指或手掌、或像触笔的用户指针设备等物体时，可以作为返回的光反射或散射回OLED显示屏。这种返回的光可以采集用于利用所公开的光学传感器技术来执行一个或多个光学感测操作。由于使用来自OLED显示屏自身的OLED像素的光进行光学感测，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块在一些实现方式中可以特别设计为集成到OLED显示屏，其中，该集成的方式维持OLED显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强智能手机或其他移动/可穿戴式设备等电子设备或其他形式的电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。

例如，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具有发光显示像素而不使用背光的显示屏(如OLED显示屏)，以通过使用上述由OLED显示屏产生的光的返回的光来感测人的指纹。操作中，与OLED显示屏直接接触或在OLED显示屏附近的人的手指能够产生返回到OLED显示屏中的返回的光，同时携带由OLED显示屏输出的光照射到手指的一部分的信息。该信息可以包括例如手指的被照射的部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块可以集成为采集该返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作检测手指的被照射的部分的脊和谷的空间图案和位置。然后，可以对该检测的手指的被照射的部分的脊和谷的空间图案和位置进行处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测的指纹是否为匹配指纹。通过使用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感测的指纹检测使用OLED显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏的光或使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感测的显示屏。

所公开的光学传感器技术可以以下方式实现：将具有发光显示像素的显示屏(如OLED显示屏)用作光学感测平台，在OLED显示屏的显示像素发射的光与手指触摸的顶部触摸表面上的区域交互后，使用该发射的光进行指纹感测或其他光学感测功能。所公开的光学传感器技术和OLED显示屏之间的这种密切关系为使用光学传感器模块提供了独特的机会，以提供与OLED显示屏的触摸感测方面相关的(1)附加的光学感测功能以及(2)有用的操作或控制特征。

需要注意的是，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OLED显示屏的背面而不需要在OLED的显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些外部表面区域受限的智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。这种光学传感器模块可以设置在OLED显示屏之下，与显示屏区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于该光学传感器模块的光学感测是通过检测由OLED显示屏发出的并从显示区域的顶表面返回的光而进行的，所以所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的特殊感测端口或感测区域。因此，在包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机模型等的其他设计中，指纹传感器位于显示屏的相同表面上的特定指纹传感器区域或端口(如主页按钮)处，但位于显示屏区域外的指定的非显示区域中，不同于该其他设计中的指纹传感器，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，允许在OLED显示屏上的位置处进行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术能够实现为通过使用既能显示图像又能提供触摸感测操作的相同顶部触摸感测表面，提供独特的屏上指纹感测配置，而在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或接口。

关于除指纹检测以外的附加的光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个OLED显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏幕外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到极大限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测以采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制以通过“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，该检测机制可以基于例如不同光学波长下血液的不同光吸收行为，事实上，由于活人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，这个人的手指通常是移动着或伸展着的。在一种实现方式中，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，从而检测表现为手指或手掌的物体中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。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OLED显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些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。该触摸力感测能够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。

针对与OLED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，以进行与OLED显示屏的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与OLED显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他物体造成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提供通过触摸感测的有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会引起设备的唤醒，以进行节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制OLED显示屏的唤醒电路操作，其中，通过关闭大多数OLED像素使其处于“睡眠”模式而不发光，而开启OLED显示屏中的部分OLED像素使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感测人的手指或手掌的任何触摸。另一种“睡眠”模式配置可以通过使用内置于光学传感器模块的一个或多个额外的LED光源来实现，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，其中，在睡眠模式期间关闭所有的OLED像素，使得光学传感器模块能够检测由手指在OLED显示屏上触摸造成的这种唤醒感测光的返回的光，并且响应于正面检测，OLED显示屏上的OLED像素被开启或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。又如，由光学传感器模块进行的指纹感测是基于在正常OLED显示屏操作的过程中对来自OLED显示屏的表面的返回的光的感测，可以控制OLED显示屏操作以通过消除用于指纹的光学感测的背景光来提供改善的指纹感测。例如，在一种实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果利用屏幕生成两帧指纹信号，其中当OLED显示屏打开时生成一帧指纹信号，而当OLED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可以用于减少周围的背景光的影响。在一些实现方式中，通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，能够减少指纹感测中的背景光噪声。

如上所述，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OLED显示屏的背面，而不需要在OLED显示屏的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为向新一代的电子设备提供改善的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有发光显示像素而不使用背光的显示屏(如OLED显示屏)的智能手机、平板电脑和其他电子设备，以提供各种触摸感测操作和功能，并提高这些设备的用户体验。

在实际应用中，配备有光学指纹感测的电子设备中用于指纹感测和其他感测功能的光学感测的性能可能因来自环境的不期望的背景光的出现而降低，该环境下部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光导致光学传感器模块中的光学检测器产生噪声信号，这种噪声信号会不期望地降低光学指纹感测检测的信噪比。在一些情况下，这种背景噪声可能达到覆盖携带光学指纹信息或其他有用信息(例如，生物信息)的有用信号的信号电平的程度，并可能导致不可靠的光学感测操作，甚至导致光学感测的故障。例如，光学传感器模块处的不期望的背景光的来源之一可能是太阳的日光，并且太阳光的影响对于户外操作或在日光强烈的遮蔽环境中可能尤成问题。又如，在具有所公开的光学指纹感测的设备位置处或其附近的位置出现的其它光源也可能导致光学传感器模块处出现不期望的背景光。

通过减少能够进入光学传感器模块的不期望的背景光的量，或者通过增强除返回的OLED显示光的信号电平之外的、携带了指纹或其他有用信息的光学感测信号的光学信号电平，或者通过背景光减少和增强光学感测信号电平相结合，减缓光学传感器模块处的背景光的不期望影响。在实现方式中，可以通过使用一个或多个光学滤波机制结合屏下光学传感器模块来实现背景光减少。在增强携带指纹或其他有用信息的光学感测信号的光学信号电平时，可以将一个或多个额外照明光源添加到设备中，以提供除返回的OLED显示光引起的信号电平之外的附加光学照明光。

使用额外照明光源进行光学指纹感测和其他光学感测功能还可以提供对以下各种特征的独立控制：为光学感测提供照明光，例如，依据人体组织的光学透射特性选择与OLED显示光分离的照明光波长；为OLED显示光的光谱范围以外的光学感测操作提供照明；控制用于光学感测的照明模式，例如与OLED显示光分离的照明时间或/和持续时间；实现足够高的照明亮度，同时保持有效的电力使用以延长电池工作时间(对于移动计算或通信设备而言的重要因素)；以及将额外照明光源巧妙的放置在特定位置以当使用用于照明的OLED显示光进行光学感测时实现难以或不可能实现的照明配置。

此外，与许多检测指纹的二维空间图案的指纹感测技术不同，所公开的光学指纹感测技术可以被实现为不仅采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案，而且采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案。所公开的通过采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息进行光学指纹感测基本上不受手指和设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指中脊和谷之间的外部变化减小)的影响。

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

显示面板下方的光学感测模块的总体架构

图1是具有包括指纹传感器181的指纹感测模块的系统180的示例的框图，该系统可以实现为包括基于本文件中所公开的指纹的光学感测的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186，该数字处理器186可以包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案，并确定输入的指纹图案是否是授权用户的指纹图案。指纹感测系统180使用指纹传感器181获得指纹并将获得的指纹与储存的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹感测系统180保护的设备或系统188中的功能。操作中，指纹处理处理器186基于采集的用户指纹是否来自授权用户，控制对设备188的访问。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹感测像素，如共同表示指纹中的至少一部分的像素182A-182E。例如，指纹感测系统180可以在ATM处被实现为系统188，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的用户的指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。再如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。又如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。

作为具体的示例，图2A和图2B示出了电子设备200的一个示例性实现，该电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有发光显示像素而不使用背光的OLED显示屏或另一种显示屏来实现。电子设备200可以为智能手机或平板电脑等便携式设备，并且电子设备200可以为如图1所示的设备188。

图2A示出了设备200的正面，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的正面，占据了正面空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，如用于在设备屏幕上接纳手指的一个或多个感测区域。作为示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可以被照亮为明显可识别的区或区域，用于用户放置手指进行指纹感测。这种指纹感测区可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实现方式中，设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当前市场上各种智能手机中常见的侧控制按钮。并且，如图2A中设备外壳的左上角的一个示例所示，在设备屏幕外的设备200的正面上可以设置一个或多个可选的传感器。

图2B示出了设备200中与本文件中公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，以接收和采集来自触摸感测屏模块的顶表面的返回的光，并且将该返回的光引导且成像到光学感测像素或光电探测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回的光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学传感器模块之下是设备电子结构，该设备电子结构包含用于设备200中的光学传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图2B所示的光学传感器模块的下方的一部分。

在实现方式中，设备屏幕组件的顶表面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，接收用于触摸感测屏模块的触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他光学感测功能)。这种光学透明层可以为玻璃或晶体层或柔性层等刚性层。

具有发光显示像素而不使用背光的显示屏的一个示例是具有单独的发射像素的阵列以及薄膜晶体管(TFT)结构或基板的OLED显示屏，其中，该薄膜晶体管结构或基板可以包括小孔阵列，并且可以是光学透明的，并且可以是覆盖基板以保护OLED像素。参见图2B，本示例中的光学传感器模块位于OLED显示面板的下方，以采集来自该顶部触摸感测表面的返回的光，并且获取当用户的手指与该顶表面上的感测区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。此外，合适的显示面板可以有不同于OLED显示屏的各种屏幕设计。

图2C和2D示出了实现图2A和2B中的光学传感器模块的设备的示例。图2C示出了包含屏下光学传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图2D在左侧示出了具有指示指纹感测区域位于显示屏下部的触摸感测显示屏的设备的正面视图，并且在右侧示出了包含位于设备显示屏组件下方的光学传感器模块的设备的一部分的透视图。图2D还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。

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

各种OLED显示屏设计和触摸感测设计可以用于图2A、2B、2C和2D中的光学传感器模块之上的设备屏幕组件。图3示出了OLED显示屏和触摸感测组件的一个示例，该示例是苹果公司于2015年11月19日公开的公开号为US2015/0331508A1、发明名称为“集成硅-OLED显示屏和触摸传感器面板”的美国专利申请中的图7B，该申请通过引用并入本专利文件的公开内容的一部分。OLED可以以各种类型或配置来实现，包括但不限于无源矩阵OLED(PMOLED)、有源矩阵OLED(AMOLED)、透明OLED、阴极共用OLED、阳极共用OLED、白光OLED(WOLED)和三原色OLED。不同类型的OLED可以有不同的用途、配置和优点。在具有集成硅-OLED显示屏和触摸传感器面板的系统的示例中，该系统可以包括硅基板、晶体管阵列、一个或多个金属化层、一个或多个通孔、OLED叠层、滤色器、触摸传感器以及附加的部件和电路。附加的部件和电路可以包括静电放电设备、光屏蔽、开关矩阵、一个或多个光电二极管、近红外检测器和近红外滤色器。集成硅-OLED显示屏和触摸传感器面板还可以配置用于近场成像、光学辅助触摸和指纹检测。在一些示例中，多个触摸传感器和/或显示像素可以被分组成集群，并且该集群可以耦合到开关矩阵以用于触摸和/或显示粒度的动态变化。在图3的OLED示例和其他实现方式中，触摸传感器和触摸感测电路可以包括，例如，驱动线和感测线等触摸信号线、接地区域和其他电路。减少集成的触摸屏的尺寸的一种方式可以是包括多功能电路元件，该多功能电路元件可以形成设计为以显示系统的电路运行的显示电路的一部分，以在显示屏上生成图像。该多功能电路元件还可以形成可以感测在显示屏上或显示屏附近的一个或多个触摸的触摸感测系统的触摸感测电路中的一部分。该多功能电路元件可以是，例如，LCD的显示像素中的电容器，该电容器可以用于以显示系统中显示电路的存储电容器/电极、公共电极、导线/路径等运行，并且还可以用于以触摸感测电路的电路元件运行。图3中OLED显示屏示例可以实现为将多点触摸功能包括到OLED显示屏，而不需要覆盖OLED显示屏的分离的多点触摸面板或层。OLED显示屏、显示电路、触摸传感器和触摸电路可以在硅基板上形成。通过在硅基板上制造集成的OLED显示屏和触摸传感器面板，可以实现极高的每英寸像素(PPI)。针对OLED和触摸感测结构的不同于图3的其他布置也是可能的。例如，触摸感测层可以是位于OLED显示组件的顶部的组件。

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

在一种实现方式中，基于上述设计的设备可以被构造为包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，用于形成显示图像，该设备还包括顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面，该设备还包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹。

该设备还可以配置有各种特征。

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

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

再如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向发光显示像素提供电源，并在睡眠模式下关闭发光显示像素的电源，并且当光学传感器模块在顶部透明层的指定指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以用于将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实现方式中，当显示面板结构处于睡眠模式时，设备电子控制模块可以用于操作一个或多个选择的发光显示像素间歇性地发光，同时关闭其他发光显示像素的电源，将间歇发出的光引导至顶部透明层的指定指纹感测区域，以监控是否存在与指定指纹感测区域接触的人的皮肤，用于将设备从睡眠模式唤醒。并且，显示面板结构可以设计为除了包括发光显示像素外，还包括一个或多个LED灯，以及当显示面板结构处于睡眠模式时，设备电子控制模块用于操作一个或多个LED灯间歇性地发光，同时关闭发光显示像素的电源，将间歇发出的光引导至顶部透明层的指定指纹感测区域，以监控是否存在与指定指纹感测区域接触的、用于将设备从睡眠模式唤醒的人的皮肤。

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

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

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

下面提供了用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的具体示例。

图4A和图4B示出了显示屏组件下方的光学传感器模块的一种实现方式的示例，该光学传感器模块用于实现图2A和图2B中的设计。图4A-图4B中的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，该顶部透明层431形成于设备屏幕组件423之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于透射来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面。在一些实现方式中，该顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下方的OLED显示模块433。OLED显示模块433包括OLED层及其他，该OLED层包括发出用于显示图像的光的OLED像素阵列。OLED层具有光学地用作孔阵列和光散物体阵列的电极和布线结构。OLED层中的孔阵列允许来自顶部透明层431的光的透射通过该OLED层到达该OLED层下方的该光学传感器模块，并且由OLED层造成的光散射影响屏下光学传感器模块的用于指纹感测的光学检测。设备电路模块435可以设置在该OLED显示面板的下方，以控制该设备的操作，并且执行用户操作设备的功能。

本特定实现示例中的该光学传感器模块位于OLED显示模块433下。可以控制指纹照明区613中的OLED像素发光，以照射设备屏幕区域内的顶部透明层431上的指纹感测区615，使用户将手指放入其中进行指纹识别。如图所示，手指445放置在被照射的指纹感测区615中作为有效感测区进行指纹感测。指纹照明区613中被OLED像素照射的区615中的反射或散射的光中的一部分被引导至OLED显示模块433下的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电探测器感测阵列接收这种光，并且采集由接收的该光所携带的指纹图案信息。

在这种设计中，使用OLED显示面板内的指纹照明区613中的OLED像素为光学指纹感测提供照明光，可以控制指纹照明区613中的OLED像素以较低的周期间歇性地开启，以减少用于光学感测操作的光学功率。例如，当OLED面板中剩余的OLED像素被关闭(如处于睡眠模式)时，指纹照明区613中的OLED像素可以间歇性地开启，以发出用于光学感测操作的照明光，该光学感测操作包括执行光学指纹感测和唤醒OLED面板。在一些实现方式中，该指纹感测操作可以以两步骤的过程实现：首先，以闪光模式开启OLED显示面板内指纹照明区613中的数个OLED像素，而不开启该指纹照明区613中其他的OLED像素，以使用闪光来感测手指是否触摸感测区615，并且一旦检测到区615中的触摸，开启指纹照明区613中OLED像素，以激活光学感测模块进行指纹感测。并且，响应于激活该光学感测模块以进行指纹感测，指纹照明区613中的OLED像素可以在亮度水平下操作，以改善指纹感测的光学检测性能，例如，在比显示图像中的亮度水平更高的亮度水平下操作。

在图4B的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合到该显示面板的透明块701，该透明块701接收来自设备组件的顶表面的返回的光，该返回的光最初是由指纹感测区615的OLED像素发出的，该屏下光学传感器模块还包括执行光学成像和成像采集的光学成像块702。来自指纹照明区613中的OLED像素的光在到达盖板顶表面后，例如，用户手指触摸的感测区域615处的盖板顶表面，从该盖板顶表面反射或散射回来。当感测区域615中的盖板顶表面紧密接触指纹脊时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于另一位置处的指纹谷下的光反射，该另一位置处的指纹谷下没有手指的皮肤或组织。该盖板顶表面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导至返回OLED像素，并且在穿过OLED显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低折射率光学透明块701的界面。该低折射率光学透明块701的折射率被构造成小于OLED显示面板的折射率，使得可以将返回的光从OLED显示面板提取到该光学透明块701中。一旦该返回的光在该光学透明块701内被接收，这种接收的光进入作为成像感测块702的一部分的光学成像单元，并且被成像到块702内的光电探测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异造成了指纹图像的对比。图4B所示的是控制电路704(例如微控制器或MCU)，其耦合到成像感测块702和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。

在该特定示例中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的顶表面上的总反射角内进入盖板顶表面，并会被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比度。这种成像系统可能具有会对指纹感测有不利影响的不期望的光学失真。因此，基于光学传感器阵列处的，沿返回光线的光路的光学失真情况，在处理块702中的光学传感器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由每个光电探测器像素处采集的图案生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调谐一个单独的像素且扫描光电探测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。

来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过OLED显示组件433中的TFT基板孔穿过OLED面板顶表面进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且这种背景基线是不期望的。可以使用不同的方法来减少这种基线强度。一个示例是以一定的频率F开启和关闭指纹照明区613中的OLED像素，通过对像素驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器以相同频率获取接收的图像。在这种操作下，不同相位的图像中只有一个包含从像素发射的光。通过减去奇数和偶数帧，可能得到大部分由指纹照明区613中调制的OLED像素发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧生成指纹信号的帧。如果通过在一帧中开启指纹照明区613中的OLED像素并在另一帧中关闭指纹照明区613中的OLED像素，去除两个连续的信号帧，则可以将环境的背景光影响最小化或大量消除。在实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。

来自指纹照明区613中OLED像素的光中的一部分还可以穿过盖板顶表面，并进入手指组织。这部分的光功率被散在周围，并且该散射光中的一部分可以穿过OLED面板基板上的小孔，并最终被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度取决于手指的肤色和手指组织中的血液浓度，并且手指上的该散射光携带的这种信息对指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测。例如，通过集成用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这种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。

返回至图3中的OLED显示屏示例，OLED显示屏通常具有不同颜色的像素，如相邻的红色、绿色和蓝色像素形成一个彩色OLED像素。通过控制开启每个彩色像素内的哪种颜色的像素并记录相应的测量强度，可以确定用户的肤色。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自手指的颜色A和B的散射光的强度，强度为Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感测区域上时测量指纹的后面的测量结果进行比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。

在一些实现方式中，为了在OLED显示面板为不开启时使用上述光学传感器模块提供指纹感测操作，如图4B所示，可以将为提供指纹感测照明指定的一个或多个额外的LED光源436设置在透明块701的侧面上。该指定的LED灯436可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如MCU)控制。该指定的LED灯436可以以低的占空比短时间地脉冲，以间歇性地发光并提供用于图像感测的脉冲光。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监控从OLED面板盖板基板反射的光图案。如果有人类手指触摸屏幕上的感测区域615，则在块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以被操作为确定该触摸是否为人类手指触摸。如果确定是人类手指触摸事件，则MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，开启OLED显示面板(或至少关闭指纹照明区613中的用于执行光学指纹感测的OLED像素)，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送采集的指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配的，则智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，则智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。

在图4(尤其是图4B)的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电探测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶表面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电探测器感测阵列上。图4B中示出了从感测区615至块702中光电探测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和光电探测器感测阵列之前的成像感测块702的前端形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，如上所释，失真校正可以用于实现期望的成像操作。

手指的二维光学反射图案

当探测光被引导至手指时，一部分的探测光可以在手指皮肤表面被反射、衍射或散射，以产生反射、衍射或散射的探测光，而不会进入手指的内侧。该部分的没有进入手指的探测光可以在由手指的外部脊和谷引起的反射探测光束上携带二维光学反射图案，并且可以被检测以获得外部脊和谷的指纹图案。将参考本小节中的图5A和图5B中的示例进行解释。

此外，一部分的探测光可以进入手指，并被手指的内部组织散射。根据手指内部的探测光的光学波长，手指中的内部组织具有光学吸收性，因此除了大致在590nm到950nm的光学透射光谱范围内的探测光，都可以被分别衰减。能够透过手指组织的探测光在光束上携带光学透射图案，并且该透射的探测光束能够携带以下两者：脊和谷的二维图案以及由于在离开手指皮肤之前穿过内部组织的内部路径而与脊和谷相关联的该内部组织的附加形貌信息。在下一小节中，将参照图5C和图5D中的示例解释该光学透射图案。

在由图4A-图4B中的屏下光学传感器模块和本文公开的其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学传感器模块的光学信号包括不同的光组分。

图5A和图5B示出了在两种不同光学条件下用于OLED发射光或不同入射角范围的其他照明光的来自感测区615的返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学传感器模块的操作。

图5A示出了来自OLED显示模块433中OLED像素的选定的OLED发射光线的光路，该选定的OLED发射光线在透明层431的顶表面处以小的入射角入射并透过顶部透明层431，并且没有全内反射。小的入射角的这些OLED发射光线产生不同的返回光信号，包括将指纹图案信息携带至屏下光学传感器模块的光信号。具体地，示出了两个不同位置处的两个OLED像素71和73，以发射OLED输出光束80和82，OLED输出光束80和82以垂直于顶部透明层431的方向，或者以相对小入射角的方向被引导至顶部透明层431，而不在顶部透明层431的界面处经历全反射。在图5A中描述的具体示例中，手指60与顶部透明层431上的感测区615接触，手指脊61位于OLED像素71上方，手指谷63位于OLED像素73上方。如图所示，从OLED像素71朝向手指脊61的OLED光束80在透过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊61，以生成手指组织中的透射光束183和向OLED显示模块433返回的另一散射光束181。来自OLED像素73的OLED光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷63，以生成从顶部透明层431的界面向OLED显示模块433返回的反射光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷表面反射的第三光束187。

在图5A的示例中，假设在550nm的光学波长处，手指皮肤表面的等效折射率约为1.44，顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。同时假设手指是干净且干燥的，使得相邻的手指谷和脊之间的空隙是空气。在这些假设下，在手指皮肤脊位置61处开启显示OLED像素71以产生光束80。手指脊-盖板玻璃界面反射光束80的一部分，作为到OLED显示模块433下方的底层524的反射的光181。其反射率低，约为0.1％。光束80中的大部分(大约99％)变为透射到手指组织60中的透射光束183，手指组织60导致光183的散射，对朝向OLED显示模块433和底层524的返回的散射光191有贡献。

从OLED像素73朝向外部谷63的OLED发射光束82首先穿过顶部透明层431的界面和由于外部谷63的存在而产生的空气间隙以产生反射光束185，光束82的剩余部分入射到谷63上以产生手指内部的透射光束189和反射光束187。类似于手指脊61处的透射光束183，手指组织中的来自OLED像素73的透射光束189被手指组织散射，该散射光的一部分也对被引导朝向OLED显示模块433和底层524的返回的散射光191有贡献。在上述假设下，约3.5％的来自显示OLED组73的光束82在手指皮肤谷位置63处被盖板玻璃表面反射为到底层524的反射光185，手指谷表面将约3.3％的光束82的其余部分的入射光功率反射为到底层524的反射光187。由两个反射光束185和187表示的全反射约为6.8％，这比手指脊61处约0.1％的反射181强得多。因此，在触摸手指的手指谷63和手指脊61处的来自各种界面或表面的光反射181和185/187是不同的，且形成光学反射图案，其中反射比差异携带指纹图样信息，并且可以被测量以提取与顶部透明层431接触且被OLED光或其他照明光学例如额外照明光源等照射的部分的指纹图案。

在每个手指谷63处，朝向手指谷63的光束82的大部分(多于90％)作为透射光189透射到手指组织60中。透射光189中的光功率中的一部分被手指的内部组织散射，对朝向并进入底层524中的散射光191有贡献。因此，朝向并进入底层524的散射光191包括手指谷63处的透射光189以及手指脊61处的透射光183的贡献。

图5A中的示例示出了在顶部透明层431中没有全内反射的情况下，以小入射角入射到顶部透明层431的OLED发射光。对于以相对较大入射角或大于全内反射的临界角入射到顶部透明层431的OLED发射光，可以生成另一个较高对比度的光学反射图案，以采集手指的外部脊和谷的二维指纹图案。图5B示出了来自位于手指谷63下方的OLED显示模块433中的OLED像素73的选择的OLED发射光线的示例，其中，在顶部透明层431与特定手指谷65相邻的位置处的界面处，一些图示的光线处于全反射条件下。图示的入射光线的示例产生不同的返回的光信号，包括携带指纹图案信息至屏下光学传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和OLED显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何空气间隙，使得由OLED像素73发射以大于或等于临界角的大入射角射向盖玻璃431的OLED光束，将在盖板玻璃-空气界面处被完全反射。当显示OLED像素73开启时，OLED像素73发射的发散光束可以分为三组：(1)中心光束82，与盖板玻璃431具有小的入射角且没有全反射，(2)高对比度光束201、202、211、212，盖板玻璃表面未被触摸时在盖板玻璃431处被全反射，而在手指触摸盖板玻璃431时可以耦合到手指组织中，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指接触的位置也在盖板玻璃431处被全反射。

对于中心光束82，如图5A所释，盖板玻璃表面反射约0.1％～3.5％的光，以产生透射到底层524的反射光束185，手指皮肤在空气-手指谷界面处反射约0.1％～3.3％的光，以产生同样透射到底层524的第二反射光束187。如以上参照图5A所释，小入射角的反射光线的反射差异在空间上变化，该反射差异取决于光束82或光束80是否与手指皮肤谷63或脊61相遇。具有小入射角的该入射光线的其余部分变成透射光束189和183耦合到手指60的手指组织中。

图5B示出了高对比度光束201和202的示例。如果在盖板玻璃表面的各自的入射位置处没有被触摸，则盖板玻璃表面几乎100％反射分别作为反射光束205和206。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面并且在所示的OLED发射光束201和202的入射位置处时，不再存在全内反射条件，因此大部分光功率被耦合到手指60的手指组织中作为透射光束203和204。对于具有大入射角的这类光束，在不存在手指皮肤时处于全内反射条件，以及在手指皮肤触摸时超出全内反射条件具有明显减少的反射的这种变化，用于产生反射的对比图案。

图5B进一步示出了附加的高对比度光束211和212的示例，其中，盖板玻璃表面反射几乎100％的光，如果盖板玻璃表面未被接触，则在全内反射条件下分别产生相应的反射光束213和214。例如，当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的入射位置时，由于全内反射，没有光功率耦合到手指60的手指组织中。相比之下，如果手指脊恰好位于光束211和212的入射位置处，由于手指皮肤的接触引起的全内反射的缺乏，耦合到手指组织60中的光功率增加。

与图5A中的情况类似，耦合到手指组织60中的光束(例如，透射光束203和204)将经历手指组织的随机散射以形成朝底层524传播的散射光191。

图5B所示示例的照明可以由OLED发射光或来自额外照明光源的照明光引起。在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。通过比较这种差异可以获得高对比度指纹信号。

因此，如图5A和图5B所示，来自OLED发射光或额外照明光源的入射照明光线可产生表示手指的相同二维指纹图案的两种类型的光学反射图案：低对比度光学反射图案，没有全内反射的情况下由小入射角的入射照明光线形成；以及高对比度光学反射图案，由基于全内反射的大入射角的入射照明光线形成。

手指的二维和三维光学透射图案

在图5A和5B中，来自OLED发射光或额外照明光的一部分的入射照明光线穿过顶部透明层431并进入手指，导致散射光191传播通过手指内部组织，并透过手指皮肤以进入顶部透明层431朝向底层524。如下所释，该散射光191一旦透过内部组织和手指皮肤，就会携带手指的光学透射图案，包括(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；(2)与由于散射光从手指内侧向手指皮肤的传播产生的手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案，并且该散射光191透射手指皮肤。因此，来自手指的散射光191可以通过光学传感器阵列被测量，并对测量结果进行处理以进行指纹感测。需要注意的是，与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案，基本上不受顶部透明层431的顶表面的感测表面条件或手指的皮肤条件的影响(例如，脏的、湿的/干的或老化的手指图案)，并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案具有降低的脊谷对比度、稍微受损或者不适合在光学反射图案中提供足够指纹信息时，仍可以提供足够信息用于指纹感测。虽然外部指纹图案可以使用人造材料进行复制以侵入指纹感测，但是印在光学透射图案中的用户手指的内部指纹图案是极其难以复制的，因此可以在指纹感测中用作防欺骗机制。

图5C示出了外部指纹图案的示例，由人的手指的外部脊和谷以及在皮肤下且与外部脊和谷唯一相关联的内部手指组织形成。例如，参见Holder等人所著的《指纹资料大全》第2章(美国司法部，司法办公室，国家司法研究所，华盛顿特区，2011年)。如图5C所示，内部组织包括手指皮肤下的具有形貌特征的乳头层，外部脊和谷根据该形貌特征形成，作为深层的形貌特征的表示。此外，内部组织还包括并非完全复制外部脊和谷的附加结构，例如内部主脊、次脊、连接主脊和其他内部结构的汗腺。如图5C所示，当探测光从手指的内部向外传播到手指皮肤时，探测光与手指皮肤下的内部组织相互作用，不仅携带与外部脊和谷形成的外部指纹图案相同的乳头层的二维指纹图案，而且携带外部脊和谷未携带的来自内部组织结构的附加形貌信息。来自内部组织结构的这种附加形貌信息不能从外部手指皮肤光学反射出的光学反射图案中获得。来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加形貌信息对于指纹感测是有价值的信息，并且其是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下方的横向位置和距皮肤表面的深度(形貌信息)而变化。来自手指的内部组织结构的这种附加形貌信息可以用于，例如，区分自然手指与用与自然手指相似或相同的外部指纹图案制造的人造物体。

参考图5C，但不同的照明探测光束穿过皮肤下的内部组织结构的不同部分，从而印有与该照明探测光束在不同方向上的不同光路相关联的不同的三维形貌信息。可以使用成像处理技术来处理由该不同照明探测光束携带的光学透射图案，以提取与皮肤下内部组织结构相关联的形貌特征。所提取的形貌特征可以被合成以构建与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示或再现，并且构建的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示可以用作指纹图案的唯一附加标识，并且可以用来区分用户的真手指的真实指纹图案与总是缺少真手指下的内部组织结构的制造的指纹图案。具体地，随着不同方向上的不同照明探测光束的量的增加，光学传感器模块可以采集关于皮下内部组织结构的更为详细的形貌信息。在使用指纹对设备进行安全访问时，指纹识别过程可以设计为，结合二维指纹图案的识别和提取的与指纹图案相关联的皮下内部组织的三维表示或再现的附加检查，以确定是否允许访问。所提取的形貌特征和构建的与指纹图案相关联的皮下内部组织结构的三维表示或再现可以是防欺骗机制，并且可以单独使用，也可以与其他防欺骗技术组合使用，以增强指纹感测的安全性和准确性。

所公开的光学指纹感测技术采集手指的内部组织结构的附加形貌信息的一种方式是，通过在不同方向上引导不同的照明探测光束，以检测由手指皮肤下的内部组织结构产生的叠加在二维指纹图案上的不同光学阴影图案，这对通过不同方向上的不同照明探测光束的照明获得的所有图像来说是常见的。

图5D示出了两个额外照明光源X1和X2，沿着X方向被置于顶部透明层431上的指纹感测区域的两个相对侧上，以便可以将两个不同的照明探测光束沿相对方向引导至手指。来自两个照明探测光束的图像携带相同的二维指纹图案，但具有不同的图像阴影图案，由于其相对于手指皮肤下的内部组织结构的不同照明方向。具体地，第一额外照明光源X1沿着X方向被置于指纹感测区域的左侧，使得来自第一额外照明光源X1的第一照明探测光束在图5D中从左边到右边。由于与手指皮肤下的内部组织结构的相互作用，第一额外照明光源X1的照明导致OLED下光学传感器阵列处的第一指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝X方向的右侧偏移。由于与手指皮肤下的内部组织结构的相互作用，右侧的第二额外照明光源X2的照明导致OLED下光学传感器阵列处的第二指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝X方向的左侧偏移。在该技术的实现方式中，例如，在Y方向或其他方向上，可以添加附加的额外照明光源。

在该示例中，来自第一额外照明光源X1的第一照明方向上的第一照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。同样地，来自第二额外照明光源X2的第二照明方向上的第二照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第二二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。在不同的时刻依次开启两个额外照明光源X1和X2，使得光学传感器阵列可以被操作，以检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第一散射探测光的透射部分，以便采集第一二维透射图案和第一指纹形貌图案，然后采集第二二维透射图案和第二指纹形貌图案。图5D中所示的阴影图案嵌入在所采集的2D指纹图案中，并且是与特定方向上的手指的脊和谷的内部组织的照明相关联的指纹形貌图案的一种形式。

在各种实现方式中，两个或两个以上额外照明光源可位于光学传感器模块外的不同位置处以产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定指纹感测区域。由于该技术基于探测光透过手指组织的能力，所以每个额外照明光源应该被构造为产生相对于人类手指的组织呈现光学透射的光谱范围内的探测光，以使得探测光进入用户手指，从而通过手指内的组织的散射产生朝顶部透明层传播并穿过该顶部透明层的散射探测光，以携带以下两者：(1)指纹图案信息，以及(2)由手指的脊和谷的内部组织的透射引起的，分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。探测照明控制电路可以被耦合以控制额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时刻产生不同的照明光束，其中一次产生一束光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作为依次检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，从而采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。

除了使用独立于OLED像素的光源作为位于光学传感器模块外不同位置的额外照明光源以在不同照明方向上产生不同的照明探测光束之外，该两个或两个以上额外照明光源在相对于光学传感器模块的选定的不同位置以及光学传感器模块顶部的外部OLED显示区域外使用两个或两个以上不同的OLED像素，以产生不同的照明探测光束，从而以不同照明方向照射顶部透明层上的指定指纹感测区域。这可以通过在不同时刻开启该OLED像素同时关闭所有其他OLED像素实现，以获得两个或两个以上不同方向的方向照明，从而测量由手指的内部组织结构引起的空间偏移阴影图案。

图5D中公开的技术的一个显著特征在于照明布置、光学检测和信号处理的简单性，这可以带来紧凑的光学传感器封装用于需要紧凑型感测设备封装的移动和其他应用，以及实时处理的简单性，因为检测和后续处理是可以高速实现且无需复杂的信号处理的简单操作。用于采集三维图像的各种光学成像技术需要复杂的光学成像系统和复杂且耗时的信号处理，例如基于复杂的光学相干层析成像(OCT)数据处理例如快速傅里叶变换(FFT)等的OCT成像，以及其他的不适用于智能手机和其他移动设备中的三维光学指纹感测。

在上述示例中，用于获得手指的光学透射图案的照明光可以来自OLED显示屏的OLED像素或者与OLED显示屏分离的额外照明光源。另外，在手指的光学透射光谱带内(例如，650nm和950nm之间的光学波长)并透过手指的环境光或背景光的一部分也可以被引导至OLED下光学传感器阵列，以测量与手指的指纹图案相关联的光学透射图案。取决于环境光或背景光的强度(例如，自然日光或太阳光)，可以在到光学传感器模块的光路中提供光学衰减，以避免光学传感器阵列处的检测饱和。在使用环境光或背景光的一部分来获得光学感测中手指的光学透射图案时，可以实现适当的空间滤波以阻挡透过手指的环境光进入光学传感器模块，因为这样的环境光中不携带内部指纹图案，可能会对光学传感器模块中的光学检测器产生不利影响。

因此，所公开的光学指纹感测可以使用穿过手指的透射光以采集手指的光学透射图案，该光学透射图案具有与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息。光的透射是通过手指组织和手指皮肤的角质层进行的，因此通过指纹脊区域和谷区域引起的手指皮肤内的内部结构变化印有指纹信息，并且这种内部结构变化表现为，由手指组织吸收、折射和反射，由手指皮肤结构阴影，和/或由手指皮肤处的光学反射差异造成的在不同照明方向上具有不同亮度图案的光信号。光学透射图案基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化减小)的影响。

用于采集光学反射和透射图案的屏下光学传感器模块设计的示例

基于图2A和2B中的设计，所公开的屏下光学感测技术可以根据各种配置进行光学指纹采集。

例如，图4B中基于通过使用光学感测模块中的块成像模块的光学成像的具体实现，可以以各种配置来实现。

本专利文件中公开的屏下光学感测可能受到来自各种因素的噪声的不利影响，这种因素包括来自设备使用的环境的背景光。提供了用于降低背景光噪声的各种技术。

例如，可以通过在光路中提供合适的光学过滤来减少指纹感测时不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于过滤环境光波长，例如，近IR光和部分的红光等。在一些实现方式中，可以将这种光学过滤涂层制作在光学部件的表面上，包括显示屏底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于～580nm的光的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学过滤涂层可以设计为过滤波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感测中光学检测的影响。基于光学过滤的背景减少的更多细节在后面部分描述。

图6和7示出了基于在光学传感器模块处采集和处理光学信号的特定方式的技术的两个示例。

图6示出了指纹传感器的用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望的影响的操作的示例。光学传感器阵列可以用于采集各种帧，并且采集的帧可以用于进行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，OLED显示屏被开启，以照射手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭OLED显示屏的照明。从帧A的信号减去帧B的信号可以使用在图像处理中，以减少不期望的背景光影响。

图7示出了用于校正光学传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，控制和操作某些显示像素以在特定区域中发光，并且这些像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，显示面板下的成像传感器被操作以一帧率和相同的频率F采集图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶部上，并且手指的存在调制该显示面板盖板基板顶表面的光反射强度。该显示屏下的成像传感器采集指纹调制的反射光图案。在步骤1303处，将对来自图像传感器的信号的解调制与频率F同步，并且进行背景减除。所得的图像具有降低的背景光影响，并且包括来自像素发光的图像。在步骤1304处，处理并校准采集的图像，以校正图像系统失真。在步骤1305处，将校正的图像用作用于用户认证的人类指纹图像。

用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照射手指的散射光，如图5A和5B中的散射到底层的光191所示。可以集成来自图5A和5B中的散射到底层中的光191的感兴趣区域中的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化以确定用户的心率。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将被偷盗的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，指纹图案尽管是唯一的生物表征标识符，其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏下光学传感器模块还可以用作光学防欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入物体是否是来自活人的手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。可以在不使用单独的光学传感器的情况下提供这种光学防欺骗感测功能。光学防欺骗能够提供高速响应，而不损害指纹感测操作的整体响应速度。

图8示出了在血液中监控的材料的示例性消光系数，血液中的光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的红外光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以在第一可视波长(颜色A)和IR波长(颜色B)等第二不同波长照射手指，可以采集输入物体的光学吸收的不同，以确定触摸的物体是否为来自活人的手指。因为OLED像素包括发射不同颜色的光的OLED像素，发射至少两种不同的光学波长的探测光，以使用血液的不同光学吸收行为进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中监控的材料的消光比随着脉搏而变化。接收的信号携带脉搏信号。血液的这些性质可以用于检测被监控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)与活体手指的反射光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器运行，以监控活体组织。当检测到探测光的两个或两个以上波长时，消光比差可以用于快速地确定被监控的材料是否是活体生物，例如活体指纹。在图9所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图8所示，一个是可视波长，另一个为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。然而，当活人的手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收的信号揭示了与活人相关联的信号特征，由于不同波长的消光比不同，所以该接收的信号包括明显不同的强度等级。该方法不需要花很长时间来确定触摸材料是否是活人的一部分。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的人的心跳的光学检测更快。

图10示出了通过操作OLED像素以两种不同颜色的光照射手指确定与OLED显示屏接触的物体是否为活人的手指的一部分的操作过程的示例。

再如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长下的不同光学吸收之外的其他机制，利用“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。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉搏，活人的手指通常是移动着或伸展着的。在一种实现方式中，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的由于心跳/血流变化而导致的变化，从而检测在表现为手指或手掌的物体中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。再如，当人触摸OLED显示屏时，触摸力的变化可以以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形，手指和屏幕表面之间的接触区域的变化，指纹脊变宽，或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。

在上述示例中，如图4B所示，指纹图案经由成像模块被采集在光学传感器阵列上，光学失真通常降低了图像感测保真度。这种图像失真可以以各种方式校正。图11示出了由OLED显示屏产生的、用于校准由光学传感器阵列输出的用于指纹感测的成像感测信号的标准校准图案的示例。指纹感测模块参考标准图案的图像校准输出坐标。

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

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

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

在本文公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块技术的各种实现方式中，可以实现手指的被照射的触摸部分光学成像到屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列，而不使用通过在光学照明下对从手指的触摸部分返回的光成像的透镜等成像模块。没有成像模块的光学指纹感测的一个技术挑战是如何控制返回的光的传播，这种传播可能在空间上扰乱光学传感器阵列处的从手指的触摸部分上的不同位置返回的光，使得当这种返回的光到达光学传感器阵列时，不同位置的空间信息可能丢失。这个挑战可以通过使用光学准直器或针孔阵列替代屏下光学传感器模块中的光学成像模块通过光学感测检测指纹解决。一种用于实现这种光学指纹发送的设备可以包括：设备屏幕，提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，以形成显示图像的一部分；顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感应操作的用户触摸界面并且用于透射来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示面板结构下方，以接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹，该光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列接收返回的光，该光学传感器模块还包括位于该返回的光的到光学传感器阵列的路径中的光学准直器阵列或针孔阵列。光学准直器阵列用于收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集的返回的光引导至光学传感器阵列。

使用准直器的成像依赖于在不同位置使用不同的准直器，以将来自指纹的不同区域的光在空间上分离到光学检测器阵列中的不同的光学检测器。每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为控制每个准直器的光学视图的窄场，例如，仅来自被照射的手指上的小区域的光被每个准直器采集，并被投射到光学检测器阵列中数个相邻的光学检测器上。例如，可以将每个准直器沿着该准直器的厚度或长度设计的很大，如几百微米，使得每个准直器的光学视图的场可以允许准直器向光学检测器阵列上的小区域传送成像光，例如，光学检测器阵列中的一个光学检测器或几个相邻的光学检测器(例如，在一些情况下，在光学检测器阵列的每一侧上的十几微米的区域)。

在所公开的技术的另一方面，由于心脏的心跳和泵送动作，所述的光学传感器可以用于通过测量手指中由血流变化引起的随时间变化的反射光强度，测量人的心跳。该信息包含在由手指反射、散射或漫射的接收的光中，并且由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可以用于多种功能，包括获取指纹的光学图像和测量人的心跳。在实现方式中，传感器设备处理器用于处理一个或多个光学检测器信号，以提取心跳信息。这个传感器装置处理器可以是处理来自光学感测像素或混合型感测像素的像素输出信号以提取指纹信息的同一传感器装置处理器。

图12、图13A-13B和图14A-14B示出了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学传感器阵列。这种光学准直器或针孔被放置在显示屏和屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间，以耦合从显示面板返回的期望的光，同时过滤光学传感器阵列在光学检测中的背景光。这种光学准直器或针孔的实现可以简化光学传感器阵列的光学检测的光学设计，例如本专利文献中公开的其他设计不需要使用复杂的光学成像设计。此外，这种光学准直器或针孔的实现可以简化整体光学布局到光学传感器阵列的光学对准，并且提高光学传感器阵列的光学检测的可靠性和性能。此外，这种光学准直器或针孔能够显著地简化屏下光学传感器模块的制造以及降低屏下光学传感器模块的总体成本。

图12示出了包括光学准直器的光学准直器阵列2001的屏下光学传感器模块，光学准直器阵列2001位于光电探测器阵列2002的顶部，用于将携带指纹信息的信号光引导至光电探测器阵列2002上不同的光电探测器中。电路模块2003耦合到光电探测器阵列2002，以操作光电探测器阵列2002，并且接收来自光电探测器阵列2002上的光电探测器的输出信号。OLED显示模块433包括小透光孔82D，如OLED显示模块的TFT层中的孔，以允许来自顶部透明层431的顶表面的光穿过OLED显示模块433到达屏下光学传感器模块。准直器阵列2001可以使用各种设计中的准直器，如基于波导的图像发射器、光纤阵列(有芯或无芯)、微透镜阵列、针孔阵列和其他。阵列2001中的准直器设计为限制采样图像的数值孔径。准直器阵列2001中的每个像素可以看作是光学检测针。光电二极管阵列2002可以是CMOS传感器阵列、CCD传感器阵列、光电二极管阵列或其他光感测阵列。

在操作中，OLED像素照射盖板玻璃431。从盖板玻璃431反射的光被OLED显示模块433中的TFT结构的孔衍射。准直器阵列2001对衍射的光的有用部分进行采样，并选择适合每个准直器的小数值孔径的光的一部分，将这一部分光传递到光电二极管阵列2002，以形成感测区域的图像。

图13A-图13B示出了图12中的光学传感器模块的操作。OLED显示模块433中的照明区613中的OLED像素将光束82P照射到与盖板玻璃431上的感测区615接触的手指。手指和盖板玻璃431反射光束82R。TFT基板中的小孔衍射光束82R以形成光束82D。准直器阵列2001中合适的准直器单元从光束82D中选择光束82S并将其引导至光电探测器阵列2002的合适的光电探测器元件中。在一些OLED显示屏中，部分光可以被直接朝向传感器模块照射，并且可以通过校准消除。

图14A-图14B示出了图12和图13A-图13B中设计的示例性实现方式。本示例中的光学准直器阵列2001包括光学准直器阵列903和填充在光学准直器903之间的光学吸收材料905，以吸收光来减少不同光学准直器之间的串扰。准直器阵列2001中的每个准直器903可以是沿垂直于显示面板的方向延伸或延长的通道，并且每个准直器903允许光以低损耗沿其轴线传输。准直器阵列2001设计为减少不同光学准直器之间的光学串扰，并且在光学感测时保持期望的空间分辨率。在一些实现方式中，一个光学准直器可以仅对应于光电探测器阵列2002中的一个光电探测器。在其他实现方式中，一个光学准直器可以对应于光电检测器阵列2002中的两个或两个以上的光电检测器。如图14B所示，在一些设计中，每个准直器单元的轴可以垂直于显示屏表面，并且可以相对于显示表面倾斜。在操作中，仅沿准直器轴传播的光携带图像信息。例如，适当的入射光82P被反射以形成光82R。光82R随后被TFT的小孔衍射，并且延伸到光82D。部分光82S被传输到光电二极管阵列2002中。远离轴的部分光82E被填充材料吸收。盖板玻璃表面431上的反射光携带指纹信息。其他OLED像素发射相对于准直器单元轴成角度的光901，因此该光可以被阻挡。反射光的一部分，如901E，传输到对应的光学准直器中，以到达光电探测器阵列2002。

光学准直器阵列可以通过不同的技术制造，包括通过平面基板蚀刻孔、形成光波导阵列、形成与光学过滤器匹配的微透镜阵列、使用无芯光纤束，或在透明片上印刷准直器等。这种准直器阵列的期望特征包括：(1)沿轴传播的光组分和从轴传播出去的组分之间的足够的透射对比度，使得准直器保证了在光电检测器阵列处指纹图案的光学感测中期望的空间分辨率；(2)允许的传输数值孔径足够小，以实现光学感测的期望的高空间分辨率。

可以使用各种光学准直器阵列设计。光学准直器阵列中的每个光学准直器被构造成通过在沿着或接近光学准直器的轴的方向传输光，同时阻挡其他方向的光，来进行空间过滤，并且具有小的光学传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。这种小的光学传输数值孔径也减少了进入光学传感器阵列的背景光的量。准直器元件孔径和间距(即，两个临近的准直器元件之间的距离)可以设计为实现光学指纹感测的期望的空间分辨率。

图15示出了准直器设计的示例，这种通过使用CMOS结构中两个不同金属层中的对齐的孔的准直器设计是CMOS结构的一部分。阵列中的每个准直器是沿垂直于显示面板的方向的细长通道。

图16示出了位于OLED显示结构下的光学指纹传感器模块的示例，在采集指纹信息中，该光学指纹传感器模块为每个光学传感器像素合并光学传感器阵列和集成的准直器阵列。如图所示，光学传感器阵列包括光电探测器阵列和设置在光电探测器阵列之上的准直器阵列，以包括作为光学准直器的光学透光通孔和的通孔之间的光学不透明金属结构。OLED显示像素发光以照射手指的触摸部分，从手指反射的光穿过准直器阵列被引导至采集手指的一部分指纹图像的光电探测器阵列。该准直器阵列可以使用具有通过CMOS工艺集成的孔或开口的一个或多个金属层来实现。

屏下光学传感器模块中的这种光学准直器可以构造为提供直接的点对点成像。例如，光学准直器阵列的尺寸和单个准直器的尺寸可以设计为分别紧密匹配光电探测器阵列的尺寸和单个光电探测器的尺寸，以实现光学准直器和光电探测器之间的一对一成像。由光学传感器模块接收的光携带的整个图像可以由单个光电探测器处的光电探测器阵列同时采集而不进行接拼。

光学准直器阵列的空间过滤操作可以有利地减少进入光学传感器模块中的光电探测器阵列的背景光的量。此外，由于从OLED像素发射的光的照明，可以在光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤掉背景光，并减少在光电探测器阵列处的背景光的量，以改善来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许OLED像素发射的光的传输，同时阻挡太阳光中的红外光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学过滤可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学过滤涂层，该光学过滤涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电探测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。

图17示出了利用光学过滤减少到达屏下光学传感器模块中光电探测器阵列的背景光的光学准直器阵列的示例。该示例使用光学波导阵列作为光学准直器，并且一个或多个光学滤波器膜耦合到该光学波导阵列，以减少到达耦合到光学波导阵列的光电探测器阵列的不期望的背景光，例如，太阳光中的IR光，同时透射预定光谱带中期望的光用作照射手指的探测光。光波导可以包括具有或不具有外部波导包层的波导芯。光波导也可以由具有不同光纤的无芯光纤束形成，其中每个单元准直器是不具有光纤芯结构的一片光纤。当无芯光纤成束时，光纤之间的填充材料可以包括光吸收材料，以增加不被无芯光纤引导的杂散光的吸收。最终的准直器可以利用多个子准直器阵列层进行组装。

以下部分提供各种的光学准直器设计及其制造的示例。

图18A和图18B示出了通过蚀刻制造准直器的示例。在图18A中，用于形成准直器阵列中的光学准直器的合适材料层形成在光学透明的支撑基板上或由光学透明的支撑基板支撑。蚀刻掩模形成在该层之上，并且具有用于蚀刻下层的图案，以形成光学准直器。执行合适的蚀刻工艺以形成光学准直器。支撑基板可以与准直器阵列结合，并且可以由包括氧化硅等的各种光学透明材料形成。

图18B示出了通过经由层间连接器材料堆叠多个子准直器阵列层组装成的光学准直器阵列的示例，该层间连接材料可以是粘合剂、玻璃或合适的光学透明材料。在一些实现方式中，不同的子准直器阵列层可以在没有层间连接器材料的情况下彼此堆叠。这种堆叠使得具有沿着准直器轴的期望长度或深度的光学准直器的制造，实现了期望的光学数值孔径。准直器的孔在几何上限制了视角。传输数值孔径由准直器的厚度和孔径决定。在一些应用中，孔可以用光学透明材料填充，在一些设计中，孔可能是空的。

在一些实现方式中，支撑基板可以涂覆有一个或多个光学滤波器膜以减少或消除背景光，例如，太阳光中的IR光，同时传输预定光谱带中期望的光用作照射手指的探测光。

图19示出了与微透镜阵列耦合的光学空间滤波器的阵列，其中，每个微透镜相对于光学空间滤波器的相应通孔放置，使得每个单元准直器包括微透镜和微空间滤波器，例如，微孔。每个微透镜被构造和定位成将接收的光聚焦到相应的微空间滤波器，而对该接收的光不进行成像。微孔限制了有效的接收数值孔径。空间滤波器可以印刷在光学透明基板上，或者蚀刻在一片硅晶片上。可以通过MEMS处理或化学处理来刻蚀微透镜阵列。微透镜也可以由梯度折射率材料制成，例如将一个梯度折射率玻璃纤维片切割成四分之一间距的长度。微透镜的焦距和空间滤波器孔的直径可用于控制每个单元的传输数值孔径。同其他设计一样，准直器板可以涂覆滤光膜，以减少或消除传感器中未使用的光带，例如太阳光中的IR光。

图20示出了具有内置的光准直的集成的CMOS光电检测阵列传感器的示例。通过梳理不同金属层704中的对准的孔阵列705和交错在金属层之间以提供分离的氧化物层702和703构建准直器。这些孔可以与光学传感器阵列中的光敏元件701对齐。光学指纹成像器是利用在OLED显示模块710和盖板玻璃下内置光准直的这种集成的CMOS光电探测阵列传感器实现的。触摸盖板玻璃的传感器窗口区域的用户手指的指纹可以通过从指纹谷和指纹脊反射的光的检测来成像，这些光从窗口区域的OLED显示像素发出。来自指纹脊区域的光会减少，因为光会被脊区域处的指纹组织吸收，而相比之下来自指纹谷区域的光会更强烈。指纹的脊和谷之间的这种光照水平差异在光学传感器阵列处产生指纹图案。

在上面的基于准直器的光学传感器模块设计中，每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为大到将成像光传递到光学检测器阵列上的小区域，或可以设计为小到将成像光传递到光学检测器阵列上的大区域。当准直器阵列中的每个准直器沿着该准直器的厚度或长度减小到某一点时，例如几十微米时，每个准直器的光学视区的场可以相对较大，以覆盖光学检测器阵列上一部分相邻光学检测器，如1mm×1mm的区域。在一些设备设计中，光学指纹感测可以通过使用针孔阵列来实现，该针孔阵列中的每个针孔具有足够大的光学视区场，以覆盖光学检测器阵列中的一部分相邻光学检测器，从而在感测指纹时实现光学检测器阵列处的高图像分辨率。与使用准直器的设计相比，针孔阵列可以具有更薄的尺寸和更少数量的针孔，以在没有成像透镜的情况下实现期望的高成像分辨率。并且，不同于经由光学准直器的成像，具有针孔阵列的成像使用每个针孔作为针孔照相机，以采集图像，基于针孔照相机操作的图像重建过程不同于通过使用光学准直器阵列的图像重建过程，即：每个针孔建立子图像区，并且针孔阵列中不同针孔的子图像区被拼接在一起，以构成整个图像。具有针孔阵列的光学传感器模块的图像分辨率与检测器阵列的灵敏元件的大小有关，从而可以通过调整检测器尺寸来调整或优化感测分辨率。

可以基于各种半导体图样技术或工艺或其他制造方法，以较低的成本相对简单地制造针孔阵列。针孔阵列还可以提供空间过滤操作，以有利地减少进入光学传感器模块中的光电探测器阵列的背景光的量。与设计具有光学准直器的光学传感器模块相似，由于OLED像素发射的光的照明，可以在具有针孔阵列的光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤掉背景光，并减少在光电探测器阵列处的背景光的量，以改善来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许OLED像素发射的光的传输，同时阻挡太阳光中的IR光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学过滤可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学过滤涂层，该光学过滤涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电探测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。

在基于光学准直器的光学传感器模块中，光学传感器阵列处的光学成像分辨率可以通过配置光学准直器以提供针孔相机效应的方式得到改善。图21示出了这种设计的一个示例。

在图21中，这种光学准直器阵列的准直器单元618将来自相应检测区域单元的光引导至光电探测器阵列621。准直器单元的孔形成小的视场(FOV)618b。如果光电探测器阵列621中的探测器未采集每个单元的FOV中的细节，则成像分辨率由每个准直器单元的FOV决定。为了提高检测分辨率，需要减小每个准直器单元的FOV。然而，当在光电探测器阵列621中的每个光电探测器和相应的准直器618之间设有间隙618a时，准直器单元的小孔用作针孔。这种针孔相机效应在每个单元的FOV的图像中提供更高的成像分辨率。当单元的FOV中存在多个检测器元件时，如插入件621a中所示，可以识别该单元的FOV中的图像细节。这意味着检测分辨率得到了提高。在实现方式中，可以以各种方式设置这样的间隙，包括例如在准直器618和光学传感器阵列621之间添加光学滤光膜618a。

借助针孔相机效应，可以优化准直器板的填充因子。例如，为了检测10mm×10mm大小的区域，如果每个单元的FOV覆盖1mm×1mm的区域，则可以使用10×10的准直器阵列。如果在每个单元的FOV中检测器能够获得20×20的清晰度图像，则整体检测分辨率为200×200或50微米或500psi。这种方法可以应用于所有类型的准直器方法。

图22示出了利用针孔相机效应来改善光学成像分辨率的另一示例。顶部透明层431下方的OLED显示模块层433包括OLED层及其他，该OLED层包括OLED像素阵列，该OLED像素阵列发出用于显示图像的光并且具有光学地用作孔的阵列和散射物体的光的电极和布线结构。OLED层中的孔阵列视作OLED显示模块层433内的小透光孔450，并且使得来自顶部透明层431的光的传输穿过OLED层到达用于指纹感测的光学传感器模块621。在该示例中，光学传感器模块包括若干层：在OLED显示模块层433下方且在针孔阵列617上方的间隔物917、在针孔阵列617下方且在光电探测器阵列621上方的保护材料919，以及电路板623。物体光学距离由感测表面到针孔平面的总材料厚度决定，包括显示模块433的厚度、间隔物917的厚度、任何过滤涂层厚度、任何间隙厚度以及任何胶粘材料厚度的光学厚度。图像光学距离由针孔平面到光电探测器阵列的总材料厚度决定，包括保护材料厚度、任何过滤涂层厚度、任何间隙厚度、以及任何胶粘材料厚度。图像倍率由图像光学距离与物体光学距离相比较决定。检测模式可以通过设置适当的倍率来优化。例如，倍率可以设置为小于1，例如0.7或0.5等。在一些设备设计中，间隔物和针孔阵列层可以结合成单个组件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以结合成单个部件，以便预先定义每个针孔的中心坐标。

图23A示出了基于针孔相机效应的光学成像的示例。在物体侧，OLED显示面板上的整个检测区921被分成多个子检测区923。针孔阵列920设置为对检测区921进行成像。针孔阵列920中的每个针孔单元负责小视场(FOV)925。每个小FOV 925覆盖子检测区923。如图23A所示，在感测表面的一侧，一个针孔的每个小FOV可以与其相邻针孔的小FOVs重叠。在图像侧，光学传感器阵列中的每个子检测区923采集图像933。同样如图23A所示，针孔的每个小FOV 925具有对应的图像区935。可以优化该系统的倍率，使得在光学传感器阵列上能够分别区分每个子检测区的图像。换句话说，小FOVs的图像在光学传感器阵列上彼此不重叠。在此检测模式中，每个针孔的中心坐标是预定义的，并且可以预校准每个OLED显示像素的图像点坐标。由于每个像素只有一个对应的图像位置，所以检测区中的所有显示像素可以同时点亮。因为针孔相机的图像是倒置的，所以信号处理可以根据校准表格恢复整个图像。

图23B示出了通过实现光学针孔阵列的屏下光学传感器模块的示例，以说明影响光学检测器阵列处的每个针孔产生的该视场(FOVi)和光学传感器模块的成像分辨率的设备设计因子。所示示例示出了相关层的厚度值，例如顶部透明层431和OLED显示模块层433的总厚度(Ds)，针孔阵列920a的层的厚度(T)，在针孔阵列920a下方且在光电探测器阵列621上方的保护材料919a的厚度(Di)。如图23B所示，将针孔阵列920a应用于感测区域成像，该感测区域为手指60按压的顶部透明层433上的顶部感测表面，并且针孔层920a的厚度T可影响视场(FOV)的角度。结合从感测表面到针孔的距离和从图像平面到针孔的距离，对感测区域的FOVs和成像区域的FOVi进行定义。图像倍率由Di/Ds得出。在设备的设计中，可以调整和优化T、Ds和Di的值，以获得期望的FOV和图像倍率。

在图23B的示例中，可以将相邻的FOVs调整为适当重叠。同样，也可以将相邻的FOVi调整为彼此部分重叠或完全分离或离散。在相邻的FOVs彼此重叠的设计中，感测表面上的某些点可以具有多个图像点。该特征可以用于增强指纹的光学检测。

图6和图7中的两种背景减少技术中的任何一种都可以应用于图23B中的光学传感器模块的操作，以减少背景噪声。例如，显示扫描帧可以用于生成不同的指纹信号的帧。当获得两个顺序获得的信号帧，在一帧中显示屏点亮，而在另一帧中显示屏关闭时，如图6所示，可以使用这两个信号帧的差以减少或消除周围的背景光的影响，其中，指纹感测帧频是显示帧频的一半。

在实现用于屏下光学传感器模块的图23B的设计和其他设计中，用于减少背景光的光学滤波器膜可以涂覆在间隔物917、针孔层920a、保护层919a或显示表面上。如图23B所示，当背景光937投射到手指组织60上时，短的波长组分往往大部分被手指组织吸收，较长的波长(例如，红光或红外光)的光中的部分透过手指，向光学检测器阵列621传播。光学滤波器膜可用于过滤那些波长较长的背景光组分，以改善指纹的光学检测。

在用于光学准直器的上述示例中，用于将光从显示屏顶部的手指引导至用于指纹感测的光学传感器阵列的光学准直器的方向可以垂直于OLED显示屏的顶部触摸表面，以收集来自手指的返回的探测光进行指纹感测，其中大部分光在垂直于顶部触摸表面的光方向。实践中，当触摸手指干燥时，通过感测与顶部触摸表面基本垂直的返回的探测光获得的光学传感器阵列中检测的图像中的图像对比度，低于从相对于顶部触摸表面的垂直方向有角度的返回的探测光中获得的相同图像。这在某种程度上是因为成角度的返回光的光学感测在空间上过滤掉了来自顶部触摸表面的大部分与顶部触摸表面垂直的强烈的返回光。考虑到来自顶部触摸表面的返回的探测光的光学感测的这个方面，可以将光学准直器定向，使得每个准直器单元的轴可以相对于顶部触摸表面倾斜，如图14B中的示例所示。

然而，在制造中，制造倾斜式准直器更复杂且成本更高。使用如图12和图13B所示的垂直的光学准直器，同时还通过选择性地检测来自顶部触摸表面的成角度的返回光实现光学感测中更高的对比度的一种方式是：在光进入垂直的光学准直器之前，在垂直的光学准直器和来自顶部触摸表面的返回的光之间提供光学偏转或衍射装置或层。在一些实现方式中，这种光学偏转或衍射装置或层可以在OLED显示面板和垂直光学准直器之间，以选择仅处于某个倾斜角度的返回的探测光进入垂直光学准直器，进而由在垂直光学准直器的另一端上的光学检测器阵列进行光学检测，同时阻止或减少垂直于顶部触摸表面的且来自顶部触摸表面的返回的探测光进入光学准直器的量。该光学偏转或衍射装置或层可以以各种形式实现，包括例如棱镜阵列、具有衍射图案的光学层或位于光学准直器和显示面板之间的其他设备，以选择从显示面板返回的成角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。

图24包括图24A和图24B，并示出了OLED显示面板下的具有光学偏转或衍射装置或层的光学指纹传感器的示例。

如图24A所示，准直器阵列中的每个准直器2001可以是沿竖直或垂直于显示表面的轴的延伸通道。视角适配器光学层3210用于调整来自显示面板的返回的探测光的视角，并位于光学准直器2001和显示面板之间，以选择从显示面板返回的成角度的探测光进入光学准直器2001，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器2001的返回的探测光的量。

图24B示出了视角适配器光学层3210和主探测光路的更多细节。例如，视角适配器光学层3210可以实现为衍射图案层，例如棱镜结构3210a。只有来自手指的离开显示面板具有适当入射角的返回的探测光82a和82b才可以弯曲穿过准直器2001。相比之下，垂直于显示面板的返回的探测光由视角适配器光学层3210引导至远离垂直于显示面板的初始方向，并因此变成光学准直器2001的离轴入射光。这减少了垂直于显示面板并可以进入光学准直器2001的返回的探测光的量。

当适当调整视角后，来自指纹谷的不同位置63a和63b的接收光携带指纹信息。例如，在相同照明下，由于存在视角和指尖皮肤的指纹轮廓，光82a可能比光82b更强。换句话说，这种检测可以看到一定程度的指纹阴影。这种布置改善了手指干燥时的检测。

基于本文公开的光学感测的移动电话等便携式设备或其他设备或系统可以配置为提供附加的操作特征。

例如，OLED显示面板可以控制为提供局部闪光模式，以通过操作感测区域615下方的选定的OLED显示像素照射指纹感测区域615。这可以在OLED显示面板下的光学传感器模块中提供，例如，基于光学成像设计的图4A和图4B，或者基于通过光学准直器阵列的光学成像的图13A和图13B。在获取指纹图像的情况下，窗口区域613中的OLED显示像素可以暂时开启，以产生用于指纹的光学感测的高强度照明，并且同时，与感测区域615下方的OLED像素的开启同步，打开光检测传感器阵列621以采集指纹图像。开启这些OLED像素的时间可以相对较短，但是发射强度可以设定为高于用于在OLED显示面板上显示图像的正常发射。为此，用于光学指纹感测的这种模式是闪光模式，其使得光电检测器传感器阵列621能够检测更大量的光以改善图像感测性能。

再如，光学传感器模块可设计为满足OLED显示面板的顶部感测表面处的全内反射条件，以实现闪光唤醒功能，其中视区613中的一部分OLED像素开启以闪光，而其他OLED像素被关闭并处于睡眠模式，以在设备不使用时节省电力。响应于视区613中OLED像素的闪光，光学传感器阵列621中的相应光电传感器操作为接收和检测光信号。当在该闪光唤醒模式期间，手指触摸感测区615时，手指使返回的光被全反射，以产生强烈返回的探测光，该探测光在光学传感器阵列处被检测，并且对光的存在的检测可以用于唤醒睡眠模式下的设备。除了使用视区613中的部分OLED像素外，还可以在光学传感器模块附近提供一个或多个额外光源，以在视区613处提供用于闪光唤醒功能的闪光模式照明。当非手指物体触摸OLED显示面板上方的顶表面上的视区613时，不会出现全内反射条件，因为其他材料很少具有手指皮肤特性。因此，即使非手指物体触摸视区613，触摸位置处缺少全内反射也可能导致没有足够返回的探测光到达光学传感器阵列触发闪光唤醒操作。

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，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。当手指触摸盖板玻璃上的感测区时，触摸力的变化可能会导致光学传感器阵列处发生以下几种可检测的变化：(1)指纹变形，(2)接触区域的变化，(3)指纹脊变宽，以及(4)受压区域处血流动态变化。这些变化可以被光学采集，并可以用于计算触摸力的相应变化。触摸力感测为指纹感测增加了更多功能。

参见图25，接触轮廓面积随着按压力的增加而增加，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示出了同一手指在不同按压力下的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹3301和重度按压的指纹3303。来自触摸表面上的指纹的选定集成区3305的返回的探测光可以被光学传感器阵列上的一部分光学传感器采集，这部分光学传感器与触摸表面上的选定集成区3305相对应。如下进一步所释，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。尤其是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，通过分析接收的功率变化趋势，传感器可以用于检测是手指触摸传感器，还是其他物体无意地触摸传感器。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，从而可以基于触摸是否是真实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。

在详细的指纹图谱中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且扩大的指纹脊在触摸界面处吸收更多的光。因此，在相对小的观察区3305内，集成的接收的光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测按压力。

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，可以使用关于指纹脊图案变形的时域演变的信息，确定手指上的按压力的时域演变。在应用中，人的手指的按压力的时域演变可以用于通过手指的触摸来确定用户交互的动态，包括确定人正在按压触摸表面，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的操作。例如，人的手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是用来操作移动设备的有意触摸还是意外的无意触摸，并且，基于这样的确定，移动设备控制系统可以确定是否要唤醒睡眠模式下的移动设备。

此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人手指在两个不同探测光波长下获得的光学消光比方面可以表现出不同的特性，如图8和图9所述。返回参考图25，轻度按压的指纹3301不会明显地限制流入手指的按压部分的血液，从而产生指示活人组织的两个不同探测光波长下获得的光学消光比。当人用力按压手指以产生重度按压的指纹3303时，流向按压手指部分的血液可能会严重减少，因此，两个不同探测光波长下获得的相应光学消光比将不同于轻度按压的指纹3301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随着不同的按压力和不同的血流条件而变化。这种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还可以用于确定触摸是来自用户的手指还是其他物体。这种确定也可以用于确定是否唤醒睡眠模式下的移动设备。

又如，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(有意或无意的)或血液流过人体时与心跳相关的脉动而使活人手指表现出的自然运动。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和活人存在的正面确定的结合，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，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些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。

上述光学传感器模块设计和特征旨在将光学信号收集到屏下光学传感器模块中的光学检测器，并通过实施至少一个成像透镜或准直器或针孔阵列经由光学成像来提供期望的光学成像质量(例如，检测的图像分辨率)。如上所述，如图6和图7中所示的两个示例，通过执行某些控制和信号处理可以在屏下光学传感器模块中提供背景减少技术。此外，可以将一个或多个附加的光学设计特征添加到上面公开的光学传感器模块设计中，以基于背景光过滤或添加额外的照明光源来减少背景光。基于操作控制/信号处理、光学过滤和添加额外的照明光源的不同的背光减少技术可以以各种方式结合在实现方式中。

用于减少背景光的光学过滤技术可以以本文件中公开的各种光学传感器模块设计来实现。虽然在光学传感器模块的光路中插入光学滤波器的总体目标是过滤环境光波长，例如，近红外光和部分红光以及其他不期望的波长，但是这种光学滤波器的具体实现方式可以基于每个应用的具体需求而变化。可以通过在通向光学检测器阵列621的光路中的光学部件的选定表面形成光学滤波器涂层来形成这种光学滤波器，该选定表面包括例如显示屏底部表面，光学棱镜等其他光学组件的表面、光学检测器阵列621的上传感器表面等。例如，人类手指吸收低于某个波长(例如约～580nm)的波长的能量中的大部分，如果光学滤波器设计为过滤波长从～580nm至红外线的波长的光，则能够大大减少不期望的环境光的影响。

图26示出了从约525nm到约940nm的几个不同光学波长下典型的人类大拇指和小拇指的光学透射光谱轮廓的示例。对于短波长，例如波长小于610nm的，小于0.5％的环境光可以穿过手指。红光和近IR光具有更高的透射率。由于手指组织的散射，穿过手指的环境光的传输方向范围变大，从而可以与屏下光学传感器模块待检测的信号光混合。在太阳光下操作时，因为太阳光的光功率较高，所以必须谨慎处理来自太阳光的不期望的环境光，以减少或最小化对光学指纹传感器性能的不利影响。

图27示出了屏下光学传感器模块600a中的背景光的影响。可能对光学指纹感测产生不利影响的不期望的环境光可以穿过不同路径到达光学指纹传感器600a。在某些情况下，环境光路可以根据其光路分成不同的情况：像937这样的一些光穿过手指进入光学指纹传感器600a，以及像937a这样的一些光不穿过手指，而是从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器600a。

在所示出的用于指纹感测的屏下光学传感器模块600a中，传感器封装罩600b形成于屏下光学传感器模块600a的外部，可以由光学不透明材料或吸收材料形成为背景阻挡物，至少用于阻挡一些入射背景光，例如像937a这样不穿过手指，而是从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器600a的背景光中的部分大角度光。

对于穿过手指60a传播的环境光937，手指60a吸收一些入射光，使得光939的一部分透过手指60a到达盖板玻璃431，随后透过盖板玻璃431到达OLED TFT层。OLED TFT层中的小孔450阻挡该背景光中的大部分，而这种背景光939的一小部分光941穿过小孔450进入光学指纹传感器封装罩600a/600b。如在图5D中所讨论的，这种光可以携带基于与手指的外部皮肤表面上的外部指纹图案相关的手指的内部结构的相互作用且表示手指指纹图案的光学透射图案，因此可以用于一些实现方式进行光学指纹感测。

一些环境光937a透过手指直接传播到盖板玻璃431。这种透射光被折射到盖板玻璃431中并变成光939a。OLED TFT层小孔450允许一小部分的光941a的穿过，以到达光学指纹传感器封装罩600a/600b。这种环境光的组分往往包括具有大入射角的光组分。检测光路可以设计成使得这部分环境光不与信号光混合。

光学指纹传感器封装可设计为使得光学传感器模块600a仅接收来自检测光路窗口的光，同时阻挡大入射角的不期望的环境光。例如，在一些实现方式中，OLED显示屏的OLED光源可以用作探测光源，以照射手指进行光学指纹感测。在这种设计下，只打开与OLED显示模块的底部接合(例如粘合)的光学传感器模块600a的顶侧，以接收光，例如图27所示的光学指纹传感器封装罩的顶部的光学窗口，并且传感器底部和侧壁在检测光波长带内不是光学透明的，这样就会减少可以进入光学指纹传感器的环境光。因此，对于起先没有透过手指而后进入光学传感器模块的环境光，光学传感器模块的封装罩可以设计为利用光阻挡侧壁或适当设计的光学接收孔提供对这种光的吸收或阻挡，使得这种光在到达接收光的材料或封装材料时被吸收或阻挡。

不期望的环境光可以包括不同的波长组分，因此在实现所公开的技术时，不同的环境光组分应进行不同处理，以减少其对光学指纹感测的影响。

例如，不期望的环境光可以包括透过手指的红光(例如，波长大于580nm)和更长波长的光组分，以及不透过手指的比红光短的波长(例如，小于580nm)的光组分。由于手指对光的吸收依赖于波长，穿过手指的透射环境光通常包括一些近红外(IR)光和部分红光组分。因此，光学过滤可以包括在光学指纹传感器封装中，以滤除会进入光学检测器阵列的不期望的环境光。

示例设计是使用一个或多个IR阻挡滤波器涂层(例如IR-截止滤光器涂层)以减少来自手指的透射光中的IR光或近IR光。然而，用于成像设备的各种IR-截止滤光器通常仅限制大于710nm的波长。当设备暴露在直接或间接太阳光下时，这种过滤性能可能不足以减少光学指纹感测时的IR背景光。在一些应用中，合适的IR过滤涂层应该将短端截止波长延伸至低于710nm的较短波长，例如610nm。

由于各种IR截止涂层的光谱响应，具有用于较短波长的延伸的工作频带的单个IR截止滤光器可能无法提供期望的IR阻挡性能。在用于屏下光学传感器模块的一些滤波器设计中，可以组合使用两个或两个以上光学滤波器，以在传感器光路中实现期望的IR阻挡性能。使用这种两个或两个以上滤波器的部分原因是存在来自太阳的自然日光的强背景光，这是一个重要的技术问题。在OLED显示面板下的公开的光学传感器的示例中，可以在屏下光学传感器叠层中内置光学过滤机构，以阻挡或减少来自太阳的自然日光的进入光学传感器阵列600a的强背景光。因此，一个或多个光学滤波器层可以集成到光学传感器阵列上方的屏下光学传感器叠层中，以阻挡来自太阳的不期望的背景日光，同时允许用于光学指纹感测的照明光穿过以到达光学传感器阵列。

例如，在一些实现方式中，照明光可以在显示屏的OLED发射的可见范围内，例如400nm到650nm之间，并且OLED面板和光学传感器阵列之间的一个或多个光学滤波器可以是对400nm至650nm之间的光具有透光性，同时阻挡光波长大于650nm的光，包括日光中的强IR光。实践中，一些商用光学滤波器具有透射带，这种透射带对于本文件中公开的屏下光学传感器的特定应用而言可能是不期望的。例如，一些商用多层带通滤波器可以阻挡600nm以上的光，但是600nm以上的光谱范围内具有透射峰，例如630nm与900nm之间的光学透射带。这种光学透射带内的日光中的强背景光可以穿过以到达光传感器阵列，并对用于光学指纹感测的光学检测产生不利影响。通过将具有不同光谱范围的两个或两个以上的不同光学滤波器结合在一起，可以消除或减少这些光学滤波器中的不期望的光学透射带，使得一个滤波器中的不期望的光学透射带可以处于另一光学滤波器的光学阻挡频谱范围内，以这种方式，两个或两个以上这种滤波器的结合可以共同消除或减少630nm至900nm之间的不期望的光透射带。具体地，例如，通过使用一个滤波器来过滤610nm至1100nm之间的光，同时透射波长低于610nm的可见光，用另一个滤波器来过滤偏移的光谱范围700nm至1100nm之间的光，同时透射波长低于700nm的可见光，可以将两个滤波器结合起来。两个或两个以上光学滤波器的这种结合可用于产生对背景光中的光学波长大于较高透射波长的期望的过滤。这类光学滤波器可以涂覆在图23B所示的各种示例中的间隔物917、准直器920a和/或保护材料919a上。

在一些实现方式中，当使用以上所公开的两个或两个以上光学滤波器时，可以在两个滤波器之间填充光学吸收材料，以显示对过滤的光带的适当吸收，使得两个光学滤波器之间的反射光可以被吸收。例如，可以将一个滤波器涂覆在间隔物917上，另一个滤波器涂覆在保护材料919a上，而准直器920a可以制成具有光学吸收性以吸收两个滤波器的过滤光带。作为具体的示例，可以使用在610nm至1100nm之间具有高吸收率的一个蓝色玻璃片作为滤波器的基底。在这种情况下，两个滤波器涂覆在蓝色玻璃的上表面和下表面上，并且该组件可以用作间隔物或保护材料。

除了使用适当的光学过滤来截止屏下光学传感器模块中的红光和IR光范围中的背景光之外，通过光学过滤应减少的背景光可以包括等较短波长光谱范围内(包括紫外光UV波长)的光。在一些实现方式中，应减少或消除UV波段中的环境光，因为这种光带会产生噪声。这种消除可以通过UV截止涂层或材料吸收来实现。手指组织、硅和黑油墨等易于强力吸收UV光。UV光的材料吸收可用于减少UV光对光学指纹感测的影响。

图28示出了用于设计根据以上描述的用于减少背景光的屏下光学传感器模块中的光学过滤的设计算法的示例。因此，除了在向光学传感器模块的光路中设计合适的光学滤波器外，也可以将用于减少背景光的附加的设计特征添加到光学传感器模块中的光学检测器阵列的接受光学器件的设计中。将那些光学过滤的考虑和在操作这种光学传感器模块时通过操作控制和信号处理进一步减少背景光相结合，以实现期望的光学感测性能。

在具有光学检测器阵列之前的光学准直器阵列或光学针孔阵列的屏下光学传感器模块中，光学准直器阵列或光学针孔阵列是接收光学器件的一部分，并且可以设计有小的光学数值孔径，以减少进入光学检测器阵列的背景光。图29示出了图29A和29B中的两个示例。

参见图29A，准直器针孔951可以设计为在探测光带内是光学透明的，可以选择准直器壁材料953以吸收到达壁的光955。如果准直器材料是硅，则每个壁上都可以形成涂黑的吸光涂层。

参见图29B，作为接收光学器件的一部分的针孔959的针孔阵列可以构造为具有有效数值孔径，以阻挡具有大入射角的环境光。具有孔径限制孔961阵列的光阻挡层可以形成在针孔959阵列的下方，使得出自有效数值孔径的光967可以被具有孔径限制孔961的光阻挡层的不透明部分阻挡。形成成像照相机针孔959和孔径限制孔961的材料963和965可以是光学不透明材料，或黑油墨等光吸收材料，或金属膜等光学反射材料。

在一些实现方式中，可以使用一个或多个光学滤波器作为支撑针孔照相机型光学器件的基板，使得多个功能部件能够结合或集成到一个硬件中。这种不同背景光减少机制的集成或组合可以降低设备成本，还可以减小设备厚度。

屏下光学传感器模块也可以用传感器初始化过程来操作，以减少背景光的不期望的影响。同图6和图7所示的技术一样，该传感器初始化过程实质上是可操作的。图30示出了该传感器初始化过程的示例，在每次获得指纹时，测量光学传感器阵列处的基线背景水平。在执行实际指纹感测之前，在没有任何环境光影响的暗室环境中，开启用于光学感测的照明光或光学探测光(OLED显示屏)，将手指模拟器设备放置在盖板玻璃上，以记录图像数据。手指模拟器设备设计成模拟手指皮肤反射行为，但没有任何指纹图案。将从手指模拟器设备中获得的图像数据作为基础1数据保存到存储器中，用于实际感测操作中的背景光减少处理。该过程可以是在运送设备之前在工厂完成的设备校准过程。

在实时指纹感测中，存在环境影响。在操作中，首先关闭照明光或光学探测光(例如，OLED屏)，将图像数据记录为基础2，这是在具有环境光的条件下进行的。该基础2表示所有环境光残留物的总影响。基础1和基础2的总和得出实时基础。接下来，打开照明光或光学探测光执行指纹感测，以采集实时信号，该实时信号是来自指纹的实际指纹信号和实时基础的混合。信号混合与实时基础之间可以执行差分作为信号处理的一部分，以减少来自环境光的信号影响，从而可以获得指纹图像的图像质量。图30中的上述示例示出了一种用于操作能够通过光学感测检测指纹的电子设备的方法，该方法通过操作触摸显示面板(为该设备提供触摸感测操作)下方的光学传感器模块，产生探测光以照射触摸显示面板的顶部透明层，进而操作光学传感器模块内的光学传感器阵列，以获得来自顶部透明层的返回的探测光中的第一图像。该方法包括操作光学传感器模块内的光学传感器阵列，同时关闭探测光，以获得仅有环境光的照明下的第二图像，而不用任何探测光照射触摸显示面板的顶部透明层；以及处理第一图像和第二图像，以去除该设备的成像操作中的环境光的影响。

基于以上所述，背景光对屏下光学传感器模块的性能的不期望的影响可以通过不同的技术来减缓，这些技术包括在到光学传感器阵列的光路中实施光学过滤以减少背景光、设计用于光学传感器阵列的接收光学器件以减少背景光，或控制光学传感器模块和信号处理的操作以进一步减小背景光对光学感测性能的影响。这些不同的技术可以单独使用也可以结合使用，以满足期望的设备性能。

在公开的光学感测技术中，除了使用来自OLED显示模块的OLED发射光之外，还可以使用一个或多个额外光源来照射待检测的手指，以改善光学指纹感测，例如通过改善检测中的信噪比。包含的一个或多个额外照明光源用于增加除返回的OLED显示光引起的信号电平之外的携带指纹或其他有用信息的光学信号电平，以提高光学感测灵敏度，这种包含可以单独使用，也可以结合上述公开的技术使用，以减少进入屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列的背景光的量。

就这点而言，能够通过光学感测检测指纹的电子设备可以设计为包括：设备屏幕，提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，以形成显示图像的一部分；顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸的界面，并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及一个或多个额外照明光源，定位成向形成于设备屏幕上方的作为用于用户触摸的界面的顶部透明层提供额外照明光。该设备还进一步包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收由该显示结构的发光显示像素的至少一部分以及该一个或多个额外照明光源发出并从顶部透明层返回的光来检测指纹，该光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列用于检测光学传感器模块中接收的光中的图像。在实现方式中，例如在各种OLED屏中，显示面板结构包括在显示面板结构的发光显示像素之间的开口或孔，以允许返回的光穿过显示面板结构到达光学传感器模块。光学传感器模块包括光学准直器阵列或针孔阵列，以收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集的返回的光引导至光学传感器阵列。

使用额外照明进行照亮的第一个示例在图4B中示出，包括一个或多个额外光源436，该额外光源436附着或粘合于与视区613相同的位置或区域中，以对感测区615提供附加的照明，从而增加光学感测操作中的光强度。额外光源436可以是扩展类型或是准直类型的光源，以使得有效感测区615内所有的点被照射。额外光源436可以是单元件光源或光源阵列。此外，在光学指纹感测操作期间，OLED显示模块433中的视区或指纹照明区613中的OLED像素可以操作于比用于在OLED显示屏中显示图像的亮度水平更高的亮度水平，以增强用于光学感测操作的照明度。

图31和图32示出了具有额外照明光源的屏下光学传感器模块的示例中的各种光学信号的光学行为，该额外照明光源由OLED显示光提供用于补充光学指纹感测照明。

图31和图32中的示例包括额外的光源971，这些光源被组装在光学传感器模块中或邻近光学传感器模块，并且通常位于由顶部透明层431提供的指定指纹感测区域之下。具体地，在该示例中，两个或两个以上额外光源971置于光学传感器模块600a外部，并且在封装壁600b的外部。每个额外光源971可以是一个光源，或者包括多个光源，例如LED光源。额外光源971可以操作以一个单一波长或多个波长(例如，绿色LED、红色LED、近IR光LED)发光。额外光源971可以被调制以产生调制的照明光，或被操作以在不同的阶段打开进行发光。在每个额外光源971的输出端口处，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与OLED显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，以使得来自额外光源971的探测光973耦合到盖板431表面朝向手指的显示屏中。在一些实现方式中，有望避免显示屏中的探测光973的大输出角度，并且耦合材料972可以配置为限制探测光的数值孔径。耦合材料972可以是例如气隙等的低折射率材料，并且可以构造成具有期望的输出孔径，该输出孔径限制显示屏中的探测光973的输出角度。

OLED显示模块的TFT层中的小孔450将探测光束973散射到各个方向。如图31所示，一些散射光977以大角度向光学传感器模块600a传播，由于光学传感器模块600a的接收光学器件的小孔径的吸收或阻挡，这些散射光977不太可能进入光学传感器模块。一些散射光977a向远离光学传感器模块600a的孔径的其他方向传播，因此不影响光学感测。值得注意的是，来自每个额外光源971的探测光973的一部分穿过TFT层作为朝向顶部透明层431的顶表面的探测光975。该探测光975可以以两种方式与顶部盖板431上的手指交互进行光学指纹感测。首先，像图5A和图5B所释的，探测光975的一部分可以被反射回光学传感器模块600a，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。其次，通过如图5A和图5B所释的光学传输，参考朝向屏下光学传感器模块的散射光191，探测光975的另一部分可以耦合到手指60a中，以携带如图5C和图5D所释的与指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案。手指60a中的组织对探测光975进行散射，以在各个方向上产生散射的探测光979，包括具有光学透射图案的背向散射探测光981，以进行光学指纹感测。反向散射探测光981传播穿过顶部透明层431，朝向光学传感器模块600a进入TFT层。TFT层使反向散射探测光981发生折射或散射，其中一部分成为探测光组分983，可以由光学传感器模块600a中的光电探测器阵列进行检测。

如图5C和5D所释，来自探测光979的反向散射探测光981传播穿过手指皮肤，由于与手指的外部脊和谷相关联的内部手指组织的相互作用，指纹脊区域和谷区域表现为在光学透射图案中具有空间变化的亮度图案的光信号，这种亮度对比形成指纹图案的一部分，并且是由手指组织的吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影，以及手指皮肤-显示盖板玻璃界面的反射差异引起的。由于指纹对比的复杂机制，即使手指干燥、潮湿或手指脏时，也可以检测指纹。

图32进一步示出了存在于设备处的背景光通常可以包括不同的两部分，一部分是入射到手指60a的环境光或背景光937，另一部分是入射到顶部透明层431而未进入手指60a的环境光或背景光937c。由于环境光或背景光937传播到手指60a中，所以手指组织将接收的背景光937散射为不同方向的散射背景光937b，并与探测光979混合。散射背景光937b中的一些散射光939通过手指60a传播回光学传感器模块600a。未穿过手指60a的环境光937c的一部分如果被允许进入光学传感器模块600a，则可能对光学传感器模块600a的光学感测操作产生不利影响。因此，如上参考图28-图30所释，期望通过以上所述的光学滤波、接收光学器件的设计或控制光学传感器模块的操作和信号处理来减少或消除进入光学传感器模块600a的环境光的量。

如图5D的示例，散射背景光937b中的散射光939通过手指60a向光学传感器模块600a传播，由于与包括手指的外部脊和谷相关联的内部组织的手指的相互作用，因此携带光学透射图案。在一些实现方式中，来自环境光或背景光的光939可以基于其光学透射图案被检测以进行光学指纹感测。

图33示出了设计算法的示例，该设计算法用于设计用于光学感测的具有额外光源的屏下光学传感器模块中的光学过滤。图33中的设计考虑是为了减少或消除光学传感器模块处的环境光，包括透过手指和不透过手指的环境光。这与图28所示的设计类似。由于手指的吸收性，透射环境光可以包括一些近IR光和部分的红光组分。因此，光学滤波器涂层应设计为处理剩余的环境光。一个示例设计是使用红光/IR光带通滤波器，因为红光和近IR光在手指组织中可以传播相对较长的距离。考虑到日照强烈，带通滤波器可以基于探测光源波段设计。结合图28的上述讨论，UV波段也应该被消除，因为这个光带会产生噪声。这种消除可以通过UV截止涂层或材料吸收实现。手指组织、硅和黑油墨等强力吸收UV光。在一些设计中，材料吸收可以用于消除UV光的影响。对于不透过手指的环境光，可以通过设计接收光学元件吸收实现消除。这部分光具有大入射角的特点，可以通过适当设计的接收数值孔径来阻挡。

图29A、29B和图30中用于减少背景光的技术也可应用于图31和图32中用于光学感测的具有额外光源的光学传感器模块，以减少环境光。

当提供有用于光学感测的额外光源时，用于光学感测的照明功率不再受来自OLED显示光的光功率限制。这种额外光源可以设计成提供用于光学感测的足够照明，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测的手指是否是活人手指时使用额外光源可以提供灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色LED和近IR LED可以用作额外光源，以辅助实现图8和图9所描述的活人手指检测，其中，手指组织强力吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近IR光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。

放置额外照明光源以获得光学透射图案的具体示例

图34A至图37示出了通过引导照明光透过检测的手指获得光学透射图案的用于放置额外照明光源的屏下OLED光学传感器模块设计的示例。

图34A示出了基于图5D中的设计在指纹感测区域的相对侧上沿两个正交方向放置4个额外照明光源的示例。该示例是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备的实现方式，该电子设备包括：显示面板，该显示面板包括可操作以发射用于显示图像的光的发光显示像素；顶部透明层，形成于显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面并且作为用于透射来自显示面板的光以显示图像的界面，该顶部透明层包括指定指纹感测区域，用于用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于显示面板下方和顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，以接收由发光显示像素的至少一部分发射并从顶部透明层返回的光，从而检测指纹。光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，以将来自显示面板的携带用户指纹图案的返回光转换为表示指纹图案的检测器信号。该设备还包括，位于光学传感器模块外的不同位置处的额外照明光源，以产生不同照明探测光束，从而在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定的指纹感测区域。每个额外照明光源可以被构造为产生相对于人类手指的组织呈现光学透射的光谱范围内的探测光，以允许每个照明探测光束中的探测光进入在顶部透明层上的指定指纹感测区域上的用户手指，从而通过手指内的组织的散射产生朝顶部透明层传播并穿过顶部透明层的散射探测光，以分别携带以下两者：(1)指纹图案信息和(2)由通过手指的脊和谷的内部组织的透射引起的，分别与不同的照明方向相关联的不同的指纹形貌信息。探测照明控制电路被耦合以控制额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时刻产生不同的照明探测光束，其中一次产生一束光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作为依次检测来自不同照明探测光束的散射探测光，从而分别采集(1)指纹图案信息和(2)与不同照明方向相关联的不同的指纹形貌信息。

用于放置额外照明光源以通过引导照明光透过检测的手指获得光学透射图案的屏下OLED光学传感器模块设计的示例也可以用于其他显示面板设计，包括例如，LCD显示面板。用于获得光学透射图案的额外照明光源的具体实现方式可以因设计而异。图34B示出了用于操作具有显示面板的各种设备的操作流程，该显示面板可以以各种配置实现，例如OLED、LCD或其他显示屏。图34B中的方法或操作包括操作电子设备以通过光学感测检测指纹，并且该电子设备包括显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面且作为用于透射来自显示面板的光以显示图像的界面；以及位于显示面板下方的光学检测器的光学传感器阵列。

图34B示出了第一照明探测光束被引导以在第一照明方向上照射顶部透明层上的指定指纹感测区域，并进入指定指纹感测区域上的用户手指，从而通过手指内的组织的散射而产生通过手指的脊和谷的内部组织的透射，朝顶部透明层传播并穿过顶部透明层的第一散射探测光，以携带以下两者(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。当在第一照明探测光束的照射下，操作光学传感器阵列以检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第一散射探测光的透射部分，从而采集(1)第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案。

接下来，在关闭第一照明光源的同时，第二照明探测光束被引导，以在第二不同的照明方向上照射顶部透明层上的指定指纹感测区域并进入用户手指，从而通过手指内的组织的散射而产生通过手指的脊和谷的内部组织的透射，朝顶部透明层传播并穿过顶部透明层的第二散射探测光，以携带以下两者(1)表示指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上的手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。由于第一照明探测光束和第二照明探测光束的光束方向不同，所以第二形貌图案不同于第一形貌图案。参见图5C和图5D。当在第二照明探测光束的照射下，操作光学传感器阵列以检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第二散射探测光的透射部分，从而采集(1)第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案。

然后，根据第一透射图案和第二透射图案构建检测的指纹图案，并且处理第一指纹形貌图案和第二指纹形貌图案以确定检测的指纹图案是否来自自然手指。

现在转到图35、36和图37，额外照明光源可以放置在光学传感器模块外的不同位置，以将照明光束沿不同方向引导至手指中，从而在图5D所释的采集的光学透射图案中提供不同的阴影。

在图35中，至少一个额外照明光源971a被放置在显示面板和顶部透明层431的上方，并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束976引导至顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指，从而进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。两个或两个以上这样的光源971a可以如此放置。图35进一步示出了额外照明光源971也放置在图31和图32所释的指定指纹感测区域的下方。

在图36中，至少一个额外照明光源971b被放置在顶部透明层431下方，并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束976引导至顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指的一侧，从而进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971b可以如此放置。图36进一步示出了额外照明光源971也放置在图31和图32所释的指定指纹感测区域下方。

在图37中，至少一个额外照明光源971c被放置在显示面板的下方，并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束976引导至顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指的一侧，从而进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971c与显示面板并排放置在顶部透明层431下方。两个或两个以上这样的光源971c可以如此放置。图37进一步示出了额外照明光源971也放置在图31和图32所释的指定指纹感测区域下方。

当提供有额外照明光源用于光学感测时，用于光学感测的照明功率不再受来自OLED显示光的光功率限制。这种额外光源可以设计为，提供足够照明用于光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，从而抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外照明光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外照明光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测的手指是否是活人手指时，使用额外照明光源可以提供灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色LED和近IR LED可以用作额外光源，以辅助活体手指检测，其中，手指组织强烈吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大的亮度梯度，并且近IR光全部照射穿过手指，使得手指图像亮度看起来更均匀。再如，如图5A至5D所释，通过透过与外部手指脊和谷相关联的内部组织的探测照明光的光学透射，额外照明光源可以用于提供基于光学透射图案的光学指纹感测。

如上所述，不期望的背景或环境光可能会对光学感测操作产生不利影响，并且其可以通过各种技术被降低。用于降低环境光效果的技术也可以用于改善基于针孔-透镜组件的该屏下光学传感器模块的性能。

例如，光学传感器模块外的光屏蔽封装罩的使用也可以应用于基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块。图38示出的示例中，传感器模块620被集成到封装罩620a中，以阻挡环境光进入光学传感器阵列。在显示屏的保护层中形成窗口。模块620和620a安装在保护层下方。间隔物材料可以用于修改显示屏的视野并保护显示屏。如果间隔物是空气间隙，则传感器模块不直接接触显示屏，因此使用期间显示屏不受影响。

光学传感器阵列上方的透镜阵列和针孔阵列或光学准直器阵列的组件

在实现光学传感器阵列上方的针孔阵列或光学准直器阵列时，在一些设计中，如图21所示的示例，单个针孔或光学准直器可以用于将光引导至光学传感器阵列中不同光学传感器的相应子区域，其中，由单个针孔或光学准直器的视场覆盖的显示屏的顶部触摸感测表面上或附近的区域被转换为光学传感器阵列中不同光学传感器的相应子区域上方的成像区域。该设计下的每个针孔或光学准直器的尺寸通常远大于待成像的光的光学波长，以避免当每个针孔或光学准直器的尺寸与光的一个光学波长相当或小于光的一个光学波长时，对光学感测产生不期望的衍射效应。

图23A和图23B的示例示出了使用针孔或光学准直器的光学设计(例如，间距)控制系统的光学倍率，以通过光学传感器阵列上的相邻针孔或光学准直器在空间上分离子检测区域的图像，从而获得期望的成像分辨率。这种用于控制光学倍率的光学设计可以通过使用以下的组合实现(1)针孔阵列或光学准直器阵列和(2)光学透镜阵列，该光学透镜阵列分别与针孔或光学准直器相对应，一个针孔或准直器对应于一个透镜，如图19中的示例所示。在具有透镜阵列和针孔/准直器阵列的这种设计中，每个透镜的光学焦距以及透镜阵列和针孔/准直器阵列相对于显示屏和光学传感器阵列上方的顶部感测表面的相对位置可以被配置为实现每个透镜-针孔/准直器组件的期望光学倍率，以在空间上分离由两个相邻透镜-针孔/准直器组件形成的光学传感器阵列上的光学图像，如图23A和图23B所示。

此外，透镜-针孔/准直器组件或针孔/准直器的布置可以以特定的方式或配置配置，以实现在显示屏顶部的期望的感测区域形状。

图39A至图39E通过描绘以下示例示出了该设计，针孔-透镜阵列组件920d、显示屏上方的顶表面处或其附近的检测区921d、顶表面处或其附近的子检测区923d、顶表面处或其附近的针孔/准直器-透镜组件形成的成像单元的光学视场925d、由(多个)针孔/准直器-透镜组件形成的两个相邻成像单元的光学视场925d的重叠区926d、屏下光学检测器阵列或组件931d、由透镜-针孔层920d中的针孔/准直器-透镜组件在光学检测器阵列或组件931d处形成的子检测区的光学图像933d、以及光学检测器阵列或组件931d处成像单元的视场的相应图像区935d。

图39A和39B示出了通过沿着矩形感测检测区921d的纵向放置两个透镜-针孔组件而形成的显示屏顶部上的矩形感测区域或检测区的示例。在该示例中，两个透镜-针孔组件中的每一个都包括相邻组件，并且沿着矩形感测检测区921d的纵向方向对准和移动位置，以采集由显示屏顶部的两个子检测方形区923d形成的矩形感测区域或检测区。

图39A示出了矩形传感检测区921d和两个子检测方形区923d的俯视图，在两个子检测方形区923d下，分别在子检测方形区923d的中心形成两个透镜-针孔组件。图39A还示出了显示屏上方的顶部感测表面上的两个透镜-针孔组件的重叠视场925d的重叠区926d。图39B示出了矩形感测检测区921d所在的顶部设备触摸感测表面处或附近的顶部感测区域的相对层位置、包括两个透镜-针孔组件的透镜-针孔层920d、示出为在光学检测器阵列或组件931d处的两个透镜-针孔组件的非重叠成像视场933d的光学传感器阵列上的两个透镜-针孔组件的成像层、以及在显示屏处或上方或附近的顶部感测表面上的两个透镜-针孔组件的重叠视场925d的重叠区926d。在该设计下，光学检测器阵列或组件931d处的两个透镜-针孔组件的非重叠成像视场933d允许彼此空间分离并且位于空间分离的成像视场933d的光学检测器阵列或组件931d中的不同光学检测器组对应于相邻两个透镜-针孔组件的光学视场925d，使得检测区921d的两个子检测区923d的图像可以分别被光学检测器阵列或组件931d中的两组不同的光学检测器采集，而重叠视场925d的重叠区926d的图像被两组不同的光学检测器采集。

图39C示出了透镜-针孔组件层920d，其中两个透镜-针孔组件如图39B所示在右侧和左侧彼此隔开。图39D示出了两个子检测方形区域923d的光学检测器阵列或组件931d处的图像933d，其中光学传感器阵列931d中的光学检测器的第一子区域接收由图39C中左侧的第一透镜-针孔组件形成的左侧的第一子检测方形区域923d的图像，并且光学传感器阵列931d中的光学检测器的第二子区域接收由图39C中右侧的第二透镜-针孔组件形成的右侧的第二子检测方形区域923d的图像。图39E还示出了分别由两个相邻的透镜-针孔组件形成的非重叠成像视场933d，其对应于显示屏上方的顶部感测表面上的两个透镜-针孔组件的重叠视场925d。

因此，针孔层和透镜层可以被构造为使得针孔层中的一个针孔和与形成针孔-透镜组件的针孔层中的一个针孔对应的透镜层中的一个透镜被布置为将透镜和针孔接收的光引导到一组相邻的光学检测器中，并且针孔层中的另一个针孔和与形成另一个针孔-透镜组件的针孔层中的另一个针孔对应的透镜层中的另一个透镜被布置为将另一个透镜和另一个针孔接收的光引导到不同组的相邻光学检测器中。针孔和透镜可以被布置使得针孔-透镜组件形成期望形状的针孔-透镜组件，从而以期望的形状采集顶部透明层上感测区域的图像，用于光学感测阵列处的光学感测。

图39A至39E示出了使用针孔-透镜组件阵列以使用每个针孔-透镜组件在光学传感器阵列中的一组光学检测器上成像的设计的示例。在该设计中，重叠区域926d的光学图像被两个相邻的针孔-透镜组件采集到光学传感器阵列中其相应但分离的光学检测器组上。在对来自光学传感器阵列的检测器信号进行图像处理期间，由两组不同的光学检测器经由两个相邻的不同针孔-透镜组件采集的重叠区域926d的光学图像的数据可以在最终图像构造中被移除。

图39A至39E示出了作为矩形感测区域的细长形状的示例，并且可以通过针孔-透镜组件的适当布置形成其他感测形状。

在用于实现光学传感器阵列上方的针孔阵列或光学准直器阵列的其他设计中，一个或多个相邻的针孔或光学准直器可以用于将光引导至光学传感器阵列中的单个光学传感器。图40A至40D示出了该设计的示例，其中图40C示出了使用一个针孔-透镜组件将光引导到光学传感器阵列中的单个光学检测器元件中的示例，而图40D示出了使用多个针孔-透镜组件将光引导到光学传感器阵列中的单个光学检测器元件中的示例。在这样的设备中，每个针孔-透镜组件中的小针孔是空间滤光器，其允许在透镜的垂直入射方向或其接近垂直的入射方向的入射光穿过针孔到达检测器元件，同时倾斜方向的入射光被引导远离针孔，从而被阻挡。

参考图40A和图40B，设置透镜层617h以包括微透镜阵列，设置针孔层617i以包括分别与微透镜对齐的针孔，一个针孔对一个微透镜作为针孔-透镜组件，如图40A所示。如本专利文件中所解释的，光学传感器模块可以包括位于光学传感器阵列上方的滤光层，以允许期望光学波长的光的光学透射到达光学传感器阵列，同时阻止不期望光学波长的光到达光学传感器阵列，例如红外(IR)或紫外(UV)光学波长的光。在图48A中，作为示例，该滤光层被示为位于针孔层617i和光学传感器阵列621之间的层617j。该滤光层可以在入射光到达光学传感器阵列之前形成在入射光的光路中的其他位置。

图40B示出了针孔-透镜组件的几何形状为方形的俯视图的示例。针孔-透镜组件也可以使用其他形状。

图40C示出了一个针孔-透镜组件被设计为将光耦合到光学传感器阵列621中的单个光学传感器中的示例。在该示例中，针孔是位于光学传感器中心或其附近的小通孔，小通孔的开口比光学传感器的孔径小得多。在该设计中，在层617h和617i中形成的针孔-透镜组件在空间上分别对应于光学传感器阵列621中的光学传感器，其中一个针孔-透镜组件对应于一个光学传感器。在图39A-图39E和图23A和图23B中，显示屏的顶部触摸感测表面处或附近被一个单独的针孔或光学准直器的视场覆盖的区域被转换为光学传感器阵列中不同光学传感器的相应子区域上的成像区域，不同于图39A-图39E以及图23A和图23B中的针孔/准直器设计，图40C中每个针孔的尺寸可以非常小，例如，相当于或小于要成像到光学传感器上的光的一个光学波长。

当每个针孔的尺寸相当于或小于要成像到光学传感器上的光的一个光学波长时，光传播行为从根本上改变，因为通过该小针孔的光学透射严重受损，并且针孔层会变得光学不透明，特别是对于针孔层厚度大于一个光学波长的针孔层。对于尺寸相当于或小于要成像到光学传感器上的光的一个光学波长的针孔，穿过针孔层的光耦合不再是通过穿过针孔的常规光传播，而是通过来自针孔层第一侧的入射光的光学相互作用，其中小针孔激发针孔处或针孔附近的光学倏逝场，并且该激发的光学倏逝场的光能在一个光学波长或更小的小空间范围内出现在针孔的第二侧，同时在第二侧远离针孔的位置显著延迟。因此，针孔第二侧的光检测器必须在一个光学波长或更小的近距离，以便为了接收和检测针孔第二侧的光学倏逝场中的光能。因此，厚度明显大于入射光的一个光学波长的厚针孔层将基本上不产生光学透射，因为光学传感器阵列的光学检测器不能检测分别位于其相应针孔处的光学倏逝场。

认识到上述情况，并鉴于减小用于屏下光学感测的光学传感器模块的总厚度的需要，使用一个或多个相邻针孔或光学准直器将光引导到光学传感器阵列中的单个光学传感器的光学传感器模块可以被设计为基于光学倏逝耦合通过使针孔层厚度相当于、不大于或小于要成像到光学传感器阵列上的光的一个光学波长，并且其可以被设计以通过将光学传感器阵列放置在光学倏逝场内短距离处的针孔附近实现期望的光学感测。该设计可用于实现高空间成像分辨率、通过降低光学传感器阵列的背景噪声同时使用针孔层作为阻挡不期望的入射光的空间滤波器实现低噪声光学检测、以及通过直接在光学传感器阵列的光学检测器上形成薄针孔层实现超薄传感器设计。在实现方式中，厚针孔层的厚度在各种设计中可以小于1微米，或者在一些设计中小于500nm，或者在一些设计中小于100nm。

上述使用薄针孔层的倏逝耦合可以在设计中实现，其中两个或两个以上的针孔-透镜组件可以用于成像到光学传感器阵列的一个光学传感器中。图40D还示出了将九个针孔-透镜组件(3×3)放置到一个光学传感器中的示例，其中每个针孔的尺寸与待成像的光的一个光学波长相当或小于该光学波长，并且下方的单个光学检测器将来自九个针孔的倏逝耦合光进行组合，以产生检测器输出信号，作为来自光学传感器阵列的检测器输出信号的一部分。

用于实现使用一个或多个相邻的针孔或光学准直器以将光引导至光学传感器阵列中的单个光学传感器的上述设计的光学传感器阵列以及用于实现其他光学指纹传感器设计的光学传感器阵列，可以通过使用以下各种光学检测器设计实现，包括例如，光学CMOS传感器、光学CCD传感器、光学薄膜晶体管(TFT)传感器等。

如图40D中的示例所示，放置多个相邻的针孔或光学准直器以对应并将光引导至光学传感器阵列中的单个光学传感器的另一个优点是在制造中易于对准。具有4×4、3×3或更大的相邻针孔阵列或光学准直器阵列，以对应并将光引导至光学传感器阵列中的单个光学传感器，提供了针孔/准直器之间相对于光学传感器阵列中的光学检测器的未对准的内置抗扰性。

虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而应被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。也可以在单个实施例中以组合的方式实施在本专利文件中在单独的实施例的情境中描述的某些特征。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。此外，虽然特征可以如上文描述在某些组合和甚至初始要求保护的组合中起作用，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从组合中去除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变型。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但是这不应该被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例的各种系统组件的分离不应理解为要求在所有实施例中进行分离。

本专利文件仅描述了几个实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容做出其他实现、增强和变化。

Claims (21)

1.一种光学传感器模块，适用于能够通过光学感测检测指纹的电子设备，其特征在于，所述光学传感器模块用于设置在所述电子设备的显示面板下方以实现屏下光学指纹检测，所述光学传感器模块包括：

光学传感器阵列，其被构造为包括呈阵列式分布的多个光学检测器，用于接收携带用户手指的指纹图案的光信号，并将所述光信号转换为表示所述指纹图案的检测器信号，其中所述光信号为显示面板或者额外照明光源发出的光照射到所述显示面板上方的手指而形成的并穿过所述显示面板返回的光信号；

针孔层，包括针孔阵列，设置在所述光学传感器阵列上方，所述针孔阵列用于通过空间过滤的方式将所述光信号分别引导至所述光学传感器阵列的合适的光学检测器；

透镜层，其被构造为包括形成在所述针孔阵列上方的微透镜阵列，其中所述微透镜阵列的每一个微透镜被设置在所述针孔阵列对应的针孔上方，并且所述微透镜阵列的不同微透镜被分别设置在所述针孔阵列的不同针孔上方，所述微透镜阵列用于将其接收到的光信号分别聚焦到相对应的针孔，并通过所述针孔将所述光信号分别传输到合适的光学检测器；

所述针孔层的针孔被构造为具有不大于所述入射光的光学波长的针孔尺寸，并且所述针孔层的厚度小于1微米，以允许从面向所述透镜层的所述针孔层的第一侧到面向所述光学传感器阵列的所述针孔层的底侧的光学倏逝耦合。

2.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列还包括位于所述针孔之间的光学吸收材料，所述光学吸收材料用于吸收传输到所述针孔之间的光以减少不同针孔之间的串扰。

3.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列的针孔用于形成沿垂直于所述显示面板的方向或者沿与所述显示面板具有预定倾斜角度的方向延伸的光学通道，并且每个针孔允许光以低损耗沿其轴线传输，并使所述光学传感器阵列在光学感测时保持期望的空间分辨率。

4.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述光学准直器阵列为在所述光学传感器阵列上方的针孔层形成的针孔阵列，所述针孔阵列的每个针孔具有足够大的光学视场，以覆盖所述光学传感器阵列的一个或者一部分相邻光学检测器，从而在所述光学检测器阵列在光学感测指纹时实现的高图像分辨率。

5.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列和所述微透镜阵列被构造为使得所述针孔阵列的一个针孔和所述微透镜阵列的一个相应的微透镜与所述光学传感器阵列的其中一个对应的光学检测器光学重叠，以将从所述微透镜和相应的针孔接收到的光引导到所述光学传感器的一个对应的光学检测器；或者，被构造为使得所述针孔阵列相邻的针孔和所述微透镜阵列相对应的相邻的微透镜与所述光学传感器阵列的其中一个对应的光学检测器光学重叠，以将从所述相邻微透镜和相应的所述相邻针孔接收到的光引导到所述光学传感器的一个对应的光学检测器。

6.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述微透镜阵列的一个微透镜被构造为将所述微透镜接收到的光通过所述针孔阵列的相应针孔引导至所述光学传感器阵列的一组相邻的光学检测器，并且所述微透镜阵列的另一个微透镜被构造为将所述另一个微透镜接收到的光通过所述针孔阵列的相应针孔引导至所述光学传感器阵列的另一组相邻的光学检测器。

7.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列使用具有集成的透光通孔或开口的一个或者多个光学不透明层来实现。

8.如权利要求7所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列的针孔被设计为采用至少两个不同的光学不透明层中相互对齐的透光通孔或者开口，所述光学不透明层包括作为CMOS结构一部分的金属层。

9.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列被设计为集成在所述光学传感器阵列之上的针孔阵列，所述针孔阵列使用具有通过CMOS工艺集成的通孔或者开口的一个或多个金属层来实现。

10.如权利要求1至9中任一项所述的光学传感器模块，其特征在于，所述光学传感器模块的指纹感测区域形成在所述电子设备的显示屏上方的顶部透明层，以供所述用户放置手指进行指纹感测，其中，所述透镜层的每个微透镜的焦距以及所述透镜层相对于所述顶部透明层和所述光学传感器阵列的位置被构造为使得：所述微透镜阵列的每一个微透镜在所述顶部透明层的光学视场与其相邻的微透镜在所述顶部透明层的光学视场部分重叠；并且，所述微透镜阵列的每一个微透镜在所述光学传感器阵列的光学视场与其相邻的微透镜在所述光学传感器阵列的光学视场部分相分离。

11.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述光学传感器模块还包括位于所述光学传感器阵列上方的滤光层，所述滤光层用于允许期望光学波长的光进行光学透射以到达所述光学传感器阵列，同时阻挡不期望光学波长的光到达所述光学传感器阵列。

12.如权利要求11所述的光学传感器模块，其特征在于，所述滤光层位于所述光学传感器阵列上方和所述针孔阵列下方，所述滤光层用于阻挡红外IR或紫外UR光学波长的光到达所述光学传感器阵列。

13.根据权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，所述针孔层的厚度小于100纳米。

14.一种电子设备，其特征在于，包括：

显示面板，用于显示图像；

顶部透明层，形成于所述显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面且作为用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面，所述顶部透明层提供指纹感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；以及

如权利要求1至13中任一项所述的光学传感器模块，位于所述显示面板下方以实现屏下光学指纹检测。

15.如权利要求14所述的电子设备，其特征在于，还包括：

额外照明光源，位于所述光学传感器模块外的不同位置，以产生不同的照明探测光束，从而以不同的照明方向照射所述顶部透明层上的指定的所述指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为产生相对于人类手指的组织呈现光学透射的光谱范围内的探测光，以允许每个照明探测光束中的探测光进入所述顶部透明层上的指定的所述指纹感测区域上的用户手指，从而通过所述手指内的组织的散射产生朝所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层的散射探测光，以分别携带以下两者：指纹图案信息和由通过所述手指的脊和谷的内部组织的透射引起的，分别与所述不同的照明方向相关联的不同的指纹形貌信息；以及

探测照明控制电路，其被耦合以控制所述额外照明光源依次开启和关闭，以在不同的时刻产生所述不同的照明探测光束，一次产生一束光束，使得位于所述显示面板下方的所述光学传感器模块可操作为依次检测来自所述不同的照明探测光束的所述散射探测光，从而分别采集所述指纹图案信息和与所述不同的照明方向相关联的所述不同的指纹形貌信息。

16.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，

所述额外照明光源位于所述顶部透明层下方和所述光学传感器模块上方，以引导所述不同的照明探测光束穿过所述顶部透明层，从而照射指定的所述指纹感测区域上方的手指；或者，

所述额外照明光源位于所述顶部透明层上方，以引导所述不同的照明探测光束穿过所述顶部透明层上方的空间，从而照射指定的所述指纹感测区域上方的手指。

17.如权利要求15所述的电子设备，其特征在于，

每个额外照明光源还发射第二不同波长的第二探测光；以及

所述设备包括控制器，所述控制器处理来自感测所述探测光和所述第二探测光的所述光学传感器模块的光学检测器信号，以确定检测的指纹是否来自活体的手指。

18.一种超薄屏下光学传感器模块，其特征在于，包括：

光学传感器阵列，包括多个光电检测器，用于检测携带指纹图案的光信号，以产生表示所述指纹图案的检测器信号；

针孔层，包括针孔阵列，设置在所述光学传感器阵列上方，所述针孔阵列用于将所述光信号分别引导至所述光学传感器阵列的合适的光学检测器；

微透镜阵列，形成在所述针孔阵列上方，所述微透镜阵列的每一个微透镜被设置在所述针孔阵列对应的针孔上方，并且所述微透镜阵列的不同微透镜被分别设置在所述针孔阵列的不同针孔上方，所述微透镜阵列用于将其接收到的光信号分别聚焦到相对应的针孔，以使所述光信号通过所述针孔分别传输到合适的光学检测器;

所述针孔层的针孔被构造为具有不大于所述入射光的光学波长的针孔尺寸，并且所述针孔层的厚度小于1微米，以允许从面向所述透镜层的所述针孔层的第一侧到面向所述光学传感器阵列的所述针孔层的底侧的光学倏逝耦合。

19.如权利要求18所述的超薄屏下光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列的每个针孔具有足够大的光学视场，以覆盖所述光学传感器阵列的一个或者一部分相邻光学检测器。

20.如权利要求18所述的超薄屏下光学传感器模块，其特征在于，所述针孔阵列通过形成在作为CMOS结构一部分的金属层的透光通孔或开口来实现，且每一个针孔被设计为采用至少两个不同的光学不透明层中相互对齐的透光通孔或者开口，其中所述至少两个不同的光学不透明层包括所述作为CMOS结构一部分的金属层。

21.如权利要求18所述的超薄屏下光学传感器模块，其特征在于，所述针孔层的厚度小于100纳米。

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