CN111448570A - 利用集成到显示屏的光学检测器对显示屏上或接近显示屏的指纹或其他图案进行光学感测 - Google Patents

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Abstract

提供设备和光学传感器模块，通过将光学传感器与整个显示面板上的显示像素(409R、409B、409G)交错，从而将整个显示表面上的显示面板上方的顶面用作光学感测表面，实现指纹或其他图案的屏上光学感测。

Description

利用集成到显示屏的光学检测器对显示屏上或接近显示屏的 指纹或其他图案进行光学感测
优先权要求和相关专利申请
本专利文件要求申请人和受让人深圳市汇顶科技股份有限公司于2018年8月7日提交的申请号为62/715,792、发明名称为“利用集成到显示屏的光学检测器对显示屏上或接近显示屏的指纹或其他图案进行光学感测”的美国临时专利申请的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本专利文件的一部分。
技术领域
本专利文件涉及在电子设备或系统中对诸如指纹和面部等图案进行光学感测以及执行其他参数测量的一种或多种感测操作，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。对只有授权用户才能被识别并且与未授权用户区分开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于仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。
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，存储的信息可以实质上是个人信息，如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是由组织或企业专有地使用的机密信息，如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则数据可能会被未被授权获得访问的其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。
对移动设备等设备或电子数据库、计算机控制的系统等系统的安全访问可以以使用用户密码等不同方式实现。然而，密码可以容易地被传播或获得，并且密码的这种性质可以降低安全级别。而且，用户需要记住密码以使用受密码保护的电子设备或系统，并且如果用户忘记该密码，则用户需要采取某些密码恢复流程来获得认证或以其他方式重新获得对设备的访问。遗憾的是，在各种情况下，这些密码恢复流程可能对用户来说是负担，并且具有各种实际的限制和不便。
个人指纹识别可以用于实现用户认证，以在增强数据安全性的同时减轻与密码相关联的某些不期望的效果。
包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以使用用户认证机制来保护个人或其他机密数据，并且防止未经授权的访问。电子设备或系统上的用户认证可以通过生物表征标识符的一种或多种形式来执行，这种生物表征标识符可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物特征标识符的一种形式就是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备或系统中，以作为认证过程的一部分来读取用户的指纹图案，使得该设备或系统只能由授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。
发明内容
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由光学传感器形成的光学传感器模块的设计，该光学传感器与显示面板的显示像素空间交错，用于在整个显示表面上将用于指纹的光学感测和附加的光学感测功能的显示面板上方的顶面用作用于感测指纹或其他图案(例如，手掌图案或面部图案)的光学感测表面。在所公开的光学感测的一些实现方式中，除了采集来自手指的反射光或散射光之外，该光学感测还可用于采集和处理探测光中的光学透射图案，该探测光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，从而提供三维形貌信息，用于改进的光学指纹感测。
一方面，所公开的技术可以被实现为提供一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：显示面板，包括发光显示像素，该发光显示像素可操作以发射光，用于显示图像；顶部透明层，形成于该显示面板上方，作为用户触摸操作的界面和用于透射来自该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，供用户放置手指进行指纹感测；光学传感器模块，包括光学检测器组成的光学传感器阵列，该光学检测器空间分布在整个该发光显示像素上并与该发光显示像素空间交错，以在整个该显示面板上提供光学感测，每个光学检测器可操作以将携带该用户的指纹图案的接收光转换为表示该指纹图案的检测器信号；以及光学准直结构，呈空间分布使得每个光学准直结构耦合到相应的光学检测器，以在空间上选择将由该光学检测器检测的入射光。
一方面，所公开的技术可以被实现为提供一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备。该设备包括显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于该显示面板上方，作为用户触摸操作的界面和用于透射来自该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，供用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于该显示面板下方以及该顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，用于接收来自该顶部透明层的光以检测指纹，其中，该光学传感器模块包括光学检测器组成的光学传感器阵列，以将接收到的携带该用户的指纹图案的光转换为表示该指纹图案的检测器信号。
该设备还包括额外照明光源，位于该光学传感器模块外不同位置处，用于产生不同照明探测光束，从而以不同照明方向照亮该顶部透明层上的指定指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为产生光谱范围内的探测光，人的手指组织相对于该光谱范围内的探测光呈现光学透射，以使得每个照明探测光束中的探测光进入该顶部透明层上指定指纹感测区域上方的用户手指，从而通过该手指内组织的散射而产生散射探测光，该散射探测光朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息，其由该手指的脊和谷的内部组织的透射形成；以及探测照明控制电路，被耦合以控制该额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时间生成该不同照明探测光束，一次生成一束光束，使得位于该显示面板下方的该光学传感器可操作以依次检测来自该不同照明探测光束的该散射探测光，从而采集(1)该指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的该不同指纹形貌信息。
另一方面，所公开的技术可以被实现为提供一种用于操作电子设备通过光学感测检测指纹的方法，其中该电子设备包括显示图像的显示面板，形成于该显示面板上方、作为用于用户触摸操作的界面和用于透射来自该显示面板的光以显示图像的界面的顶部透明层，以及位于该显示面板下方的光学检测器组成的光学传感器阵列。该方法包括引导第一照明探测光束在第一照明方向上照亮该顶部透明层上方的指定指纹感测区域并进入该指定指纹感测区域上方的用户手指，从而通过手指内组织的散射而产生第一散射探测光，该第一散射探测光通过透过该手指的脊和谷的内部组织而朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)表示该手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，该第一指纹形貌图案与该第一照明方向上该手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在该第一二维透射图案内。该方法还包括操作该光学传感器阵列以检测穿过该顶部透明层和该显示面板并到达该光学传感器阵列的该第一散射探测光的透射部分，从而采集(1)该第一二维透射图案，以及(2)该第一指纹形貌图案。
另外，该方法包括引导第二照明探测光束，同时关闭该第一照明光源，以在第二不同照明方向上照亮该顶部透明层上方的指定指纹感测区域并进入该指定指纹感测区域上方的用户手指，从而通过手指内组织的散射而产生第二散射探测光，该第二散射探测光通过透过该手指的脊和谷的内部组织而朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)表示该指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，该第二指纹形貌图案与该第二照明方向上该手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在在该第二二维透射图案内，其中由于该第一和第二照明探测光束具有不同的光束方向，所以该第二形貌图案不同于该第一形貌图案。该光学传感器被操作以检测穿过该顶部透明层和该显示面板并到达该光学传感器阵列的该第二散射探测光的透射部分，从而采集(1)该第二二维透射图案，以及(2)该第二指纹形貌图案。接下来，根据该第一和第二透射图案，构造检测到的指纹图案，并对该第一和第二指纹形貌图案进行处理，以确定检测到的指纹图案是否来自自然手指。
在附图、说明书和权利要求书中，将对这些方面和其他方面及其实现方式进行更详细的描述。
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件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2E、图2F和图2G示出了将光学传感器与OLED显示面板中的OLED像素交错用于光学感测的示例。
图3示出了适于实现所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种实现方式的示例。
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的信号生成，以获得表示形成在手指的外部皮肤上的外部指纹图案的光学反射图案，并且获得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的信号生成，以获得表示与形成于手指的外部皮肤上的外部指纹图案相关联的内部手指组织的光学反射图案，并且获得屏下光学传感器模块的操作。
图6示出了指纹传感器的的操作的示例，该操作用于减少或消除背景光在指纹感测中不期望的贡献。
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8A、图8B和图9示出了通过操作OLED像素以两种不同颜色的光照亮手指来确定与OLED显示屏接触的物体是否为活体手指的一部分的操作过程的示例。
图10示出了不同按压力下同一手指的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹2301和重度按压的指纹3303。
图11示出了从约525nm到约940nm的若干不同光学波长下典型的人的大拇指和小拇指的光学透射光谱轮廓的示例。
图12示出了屏下光学传感器模块的示例中的背景光的影响。
图13示出了传感器初始化过程的示例，在每次获得指纹时，该初始化过程测量光学传感器阵列处的基线背景水平。
图14示出了OLED显示屏的示例，其中每个彩色像素包括不同颜色的相邻OLED像素和指定的光电检测器。
图15、图16、图17、图18和图19示出了用于将光学传感器与OLED显示面板中的OLED像素交错以进行光学感测的实现方式的示例。
图20示出了用于向与OLED显示面板中的OLED像素空间交错以进行光学感测的光学传感器提供一个或多个额外照明光源的示例。
图21A示出了基于图5D中的设计，将4个额外照明光源以两个正交方向放置在在指纹感测区域的相对侧上的示例。
图21B示出了用于操作额外照明光源以感测手指皮肤下的3D形貌指纹特征的操作方法的示例。
图22A和图22B示出了使用针孔-透镜组件分别作为图15、图16或图17中的光学准直结构411C、417C或419C的两个示例，其中透镜被布置为接收待成像在光电检测器上的入射光，而针孔被布置在该透镜和该光电检测器之间以限制组件的数值孔径，进而减少光学感测中的光学串扰。
图23A和图23B示出了使用针孔-透镜组件分别作为图15、图16或图17中的光学准直结构411C、417C或419C的另外两个示例，其中针孔被布置为接收待成像在光电检测器上的入射光，而透镜被布置在该透镜和该光电检测器之间。
具体实施方式
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光学感测机制，通过使用集成到显示面板的显示像素的光学传感器，用于将整个显示表面上的显示面板上方的顶面用作感测指纹或其他图案的光学感测表面，从而对接触或靠近设备显示面板表面的物体进行光学感测。所公开的光学感测可以用于检测形成在表面上作为外表面图案或者形成在外部皮肤表面下作为皮肤下内部组织结构(例如，手指皮肤下手指内部的形貌图案)的结构图案(例如，指纹、掌纹、手掌静脉纹、面部图案和其他图案)。提供光学传感器以与显示面板的显示像素空间交错，以实现所公开的光学感测。
使用集成到显示面板的显示像素的光学传感器的各种光学感测特征与使用小于显示面板区域的光学传感器阵列进行的光学感测具有共同性，其中，小于显示面板区域的光学传感器阵列作为与光学显示面板分离的光学传感器模块的一部分被包括，且被放置在光学显示面板下方，以将整个显示面板区域的一部分用作光学感测区域。本专利文件要求其优先权的美国临时专利申请号62/715,792的说明书包括对使用光学传感器阵列作为与光学显示面板分离并置于光学显示面板下方的光学传感器模块的一部分进行光学感测的各种技术特征的说明。申请人于2018年9月30日提交的申请号为16/147,855、发明名称为“利用屏下光学传感器模块对指纹进行三维光学形貌感测”的美国专利申请(代理人案卷号为117641-8041.US01)包括申请号为62/715,792的美国临时专利申请的描述以及与本专利文件中公开的技术有关的技术特征的描述。因此，申请号为16/147,855的美国专利申请的全部内容通过引用并入本专利文件的公开内容的一部分。
在所公开的光学感测技术的实现方式的示例中，光学传感器阵列组成的光学传感器被集成到显示面板以与显示面板的显示像素空间交错，使得整个显示表面可以用作用于感测指纹或其他图案(例如，手掌图案或面部图案)的光学感测表面，同时还用作用于显示图像、图形、文本和视频内容的显示面板。例如，光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以与有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示面板的发光像素集成，使得具有不同发光颜色的OLED像素的单位彩色像素包括至少一个光学传感器。再如，光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以形成在OLED显示面板的OLED像素层的外部，但是直接形成在用于形成OLED显示像素层的同一基板上的薄膜晶体管(thinfilm transistor，TFT)层中，作为显示屏尺寸的光电检测器阵列，从而将整个OLED显示面板表面用作光学感测表面。又如，光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以形成在与用于形成OLED像素的OLED基板分离的基板中，作为显示屏尺寸的光电检测器阵列，从而将整个OLED显示面板表面用作光学感测表面。
以下各节使用指纹的光学感测作为与光学显示面板表面上或光学显示面板表面附近接触的物体的更通用的光学感测的特定示例，以描述所公开的光学感测技术的示例设计。
电子设备或系统可以配备有指纹认证机制，以提高访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板计算机、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，例如便携形式或桌面形式的个人计算机、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地采集指纹的外部脊和谷或内部指纹图案的二维空间图案，以及手指皮肤下与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的形貌信息。内部指纹图案和内部指纹图案的形貌信息不仅是二维图案，还包括本质上是三维的空间信息，这是由于皮肤下方的内部组织中的空间变化支持并产生外部的脊和谷。
公开的光学感测概述
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面。手指可以触摸该顶面，从而与该顶面处的光相互作用，使得在该触摸的表面区域处的反射或散射的光携带该手指的空间图像信息，并且返回至该顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，顶面是与用户接合的触摸感测界面，并且在用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种相互作用不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在大多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，指纹传感器往往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除显示屏区域之外的位置处，例如在受欢迎的苹果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型号的智能手机，以避免占用用于在正面设置大的显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，从而需要很紧凑以节省用来显示和其他功能的空间，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，因为在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，所以对紧凑和小的需求与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面返回的光进行指纹感测和其他感测操作。该返回的光携带与该顶面接触的物体(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，其具有对原始指纹的高图像保真度以实现鲁棒的指纹感测。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期望的光学成像。
所公开的技术可以实现为提供执行人的指纹的光学感测和用于认证对配备有指纹检测模块的诸如移动设备等的锁定计算机控制设备或计算机控制系统的访问尝试的认证的设备、系统和技术。所公开的技术可以用于保护对各种电子设备和系统的访问，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行ATM等其他电子设备或系统。
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显示屏中。这种返回的光可以被采集，以用于使用所公开的光学传感器技术来执行一个或多个光学感测操作。由于使用来自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中可以被专门设计为集成到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被耦合到具有发光显示像素而不使用背光的显示屏(例如，OLED显示屏)，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接近显示屏的人的手指可以使得返回的光回到OLED显示屏中，同时携带被OLED显示屏输出的光照亮的手指的一部分的信息。这种信息可以包括手指的被照亮的部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块的集成可以采集这种返回的光中的至少一部分，通过光学成像和光学检测操作来检测手指的被照亮的部分的脊和谷的空间图案和位置。该手指被照亮的部分的脊和谷的检测到的空间图案和位置随后可以被处理，以构建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，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。通过使用所公开的光学传感器技术的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通过以下方式实现：将具有发光显示像素的显示屏(例如，OLED显示屏)用作光学感测平台，通过使用OLED显示屏的显示像素发射的光，从而在这种发射的光与手指触摸的顶部触摸表面上的区域相互作用后，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显示屏之间的密切关系为光学传感器模块的使用提供了独特的机会，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被耦合到OLED显示屏的背面而不需要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显示屏下方，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，由于这种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面返回的光而进行的，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的专门的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智能手机型号等的其他设计中，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通过以下方式实现：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，以允许在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可以被实现为通过使用与显示图像相同的顶部触摸感测表面，来提供独特的屏上指纹感测配置，并且提供触摸感测操作，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高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制通过“活体手指”检测机制来检测所采集的或检测到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学吸收行为，事实上，由于活人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相连的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的目标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肯定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中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增加除指纹感测之外更多的功能。
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，执行与OLED显示屏上触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(例如，折射率)往往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手指与OLED显示屏的表面接触而引起的的返回的光，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提供通过触摸感测的有用的用户控制，例如，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。如果生成两帧与屏幕显示相关的指纹信号，其中当OLED显示屏开启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，则对这两帧指纹信号做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被耦合到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。
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被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到具有发光显示像素的显示屏(如OLED显示屏)，而不需要改变OLED显示屏的设计以提供指纹感测等期望的光学感测功能。就这点而言，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以独立于特定的OLED显示屏设计来设计，这是由于光学传感器模块的以下性质：这种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面返回的光进行的，并且所公开的光学传感器模块作为屏下光学传感器模块耦合到OLED显示屏的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种屏下光学传感器模块可以用于与OLED显示屏组合，以在OLED显示屏上提供光学指纹感测和其他传感器功能，而不需要使用具有专门设计用于提供这种光学感测的硬件的特殊设计的OLED显示屏。所公开的光学传感器技术的这方面可以使OLED显示屏在智能手机、平板电脑或其他具有来自所公开的光学传感器技术的光学感测的增强功能的电子设备中的应用范围更加广泛。
例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果iPhone或三星Galaxy型号，这种现有电话组件设计可以不改变触摸感测显示屏组件而集成如本文所公开的屏下光学传感器模块，以提供附加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要单独的指定感测区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏区域外的前指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些型号的智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文所公开的屏上指纹感测的集成不需要对具有触摸感测层和显示层的现有电话组件设计或触摸感测显示模块进行实质的改变。基于本文件中所公开的光学感测技术，在设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件按钮来增加所公开的光学传感器模块以进行指纹感测。增加的光学传感器模块和相关电路位于电话外壳内的显示屏下，并且可以在触摸屏幕的相同触摸感测表面上方便地进行指纹感测。
再如，由于用于指纹感测的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响OLED显示屏的设计或制造或加重OLED显示屏的设计或制造负担，以在产品周期中为设备制造和改进/升级提供期望的灵活性，同时维持使用OLED显示屏的智能手机、平板电脑或其他电子设备中更新版本的光学感测功能的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感测层或OLED显示层，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块实现的指纹感测功能增加任何显著的硬件改变。并且，通过这种光学传感器模块实现的用于指纹感测或其他光学感测功能的改进屏上光学感测可以通过使用新版本的屏下光学传感器模块而被添加到新产品中，而不需要对电话组件设计做出显著改变，包括增加额外的光学感测功能。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为向新一代的电子设备提供改进的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有显示屏的智能手机、平板电脑和其他电子设备，该显示屏具有发光显示像素而不使用背光(如OLED显示屏)，以提供各种触摸感测操作和功能，并增强这种设备的用户体验。
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存在而降低，该环境下部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光使得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。在一些条件下，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来自太阳的日光，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，或者通过背景减少和增强光学感测信号电平相结合，减轻光学传感器模块处的背景光的不期望的贡献。在一些实现方式中，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额外光学照明光。
使用用于光学指纹感测和其他光学感测功能的额外照明光源还可以独立控制各种特征，包括为光学感测提供照明光，例如，就人体组织的光学透射特性而言，选择与OLED显示光分开的照明光波长；为超出OLED显示光的光谱范围的光学感测操作提供照明；控制光学感测的照明模式，例如与OLED显示光分开的照明的定时或/和持续时间；实现足够高的照明电平，同时保持有效使用电源以延长电池工作时间(移动计算设备或通信设备的重要因素)；并且在使用OLED显示光用于光学感测照明时，将额外照明光源战略性地放置在某些位置以实现难以实现或不可能实现的照明配置。
另外，与检测指纹二维空间图案的许多指纹感测技术不同，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，还采集手指皮肤下与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案。通过采集手指皮肤下与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息，所公开的光学指纹感测基本上不受手指和设备的顶部触摸表面(例如，脏污的接触表面)之间的接触条件的影响，以及外部手指皮肤状态(例如，脏污、干燥或潮湿的手指，或某些用户，例如老年用户，的手指的脊和谷之间外部变化减少)的条件的影响。
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。
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180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来获得指纹并将得到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，例如，统一表示至少一部分指纹的像素182A-182E。例如，指纹感测系统180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的客户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。再如，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。
图1中的传感器设备181可以是光学传感器模块，该光学传感器模块与显示面板分离作为单独的模块，但是放置在显示面板下方，用于将显示表面的一部分用于指纹的光学感测和附加的光学感测功能。这种设计的示例在图2A至图2D中示出。
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。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可以是智能手机或平板电脑等便携式设备，也可以是如图1所示的设备188。
图2A示出了设备200的正面，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的正面，占据正面空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏上提供指纹感测功能，例如，用于在设备屏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，供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方的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块被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检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。
在一些实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层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，通过触摸感测屏模块接收用户触摸以进行触摸感测操作，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)。该光学透明层可以为诸如玻璃或晶体层等的刚性层或柔性层。
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光像素的阵列以及薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)结构或基板的OLED显示屏，其可以包括小孔阵列，并且可以是光学透明的，以及覆盖基板以保护OLED像素。参见图2B，本示例中的光学传感器模块位于OLED显示面板下面，以采集从顶部触摸感测表面返回的光，并且当用户的手指与顶面上的感测区域接触时，获取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在左侧示出了具有触摸感测显示屏的设备的正面的视图，其中在显示屏下部指示指纹感测区域，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、图2B、图3A和图3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些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(例如图2C)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为横跨垂直堆叠并垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感测和对触敏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，包括改进了设备的集成度，增强了设备封装，增强了设备对外部元件、故障、磨损和撕裂的抵抗力，并且增强了设备的所有权期间的用户体验。
在其他设计中，图1中的传感器设备181可以是集成到显示面板的光学传感器模块，以将整个显示表面用作用于感测指纹或其他图案(例如，手掌图案或面部图案)的光学感测表面，其中，光学传感器阵列组成的光学传感器与显示面板的显示像素空间交错，使得整个显示表面可以用作用于感测指纹或其他图案(例如，手掌图案或面部图案)的光学感测表面，同时还可以用作用于显示图像、图形、文本和视频内容的显示面板。图2E、图2F和图2G示出了这种设计的示例，而图51至图58提供了其他实现示例。
在图2E中，光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以与有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示面板的发光像素集成，使得具有不同发光颜色的OLED像素的单位彩色像素包括至少一个光学传感器。在一些实现方式中，光学传感器(例如，光电二极管)和OLED像素连同诸如电耦合至OLED像素和光学传感器的TFT电路层等的其他层均生长在同一基板上。
图2F示出了另一示例，其中光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以形成在OLED显示面板的OLED像素层的外部，但是直接形成在用于形成OLED显示像素层的同一基板上的薄膜晶体管(TFT)层中，作为显示尺寸的光电检测器阵列，以将整个OLED显示面板表面用作光学感测表面。
除了图2E和图2F中的示例之外，光学传感器阵列组成的光学传感器或光电检测器可以形成在与用于形成OLED像素的OLED基板分离的基板中，作为显示尺寸的光电检测器阵列，以将整个OLED显示面板表面用作光学感测表面。在这样的实现方式中，分离基板上的光学传感器阵列组成的光学传感器被布置为与OLED基板上的OLED像素空间对应，使得一旦将OLED结构与构造的光学传感器模块集成或接合，则光学传感器模块组成的光学传感器和OLED结构的OLED像素在空间上重叠和交错，使得光学传感器分布在整个OLED像素阵列上，用于进行光学感测。
图2G示出了由于存在呈空间分布并且与OLED像素交错的光学传感器，整个OLED显示面板可以用作光学感测表面的示例。与图2A中将较小的光学传感器阵列放置在显示面板下方以将显示面板表面的一小部分区域用作光学感测表面的示例相比，图2G中的整个显示屏尺寸的光学感测区域提供了更大的光学感测表面，不仅可以感测指纹，而且还可以感测其他较大的图案，例如掌纹或面部图案。
各种OLED显示屏设计和触摸感测设计可以用于图2A、图2B、图2C和图2D中的光学传感器模块上方的设备屏幕组件。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(passive-matrix OLED，PMOLED)、有源矩阵OLED(active-matrix OLED，AMOLED)、透明OLED、阴极共用OLED、阳极共用OLED、白光OLED(white OLED，WOLED)和RGB-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，并且该集群可以被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。减少集成的触摸屏幕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线路的一部分，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接近显示屏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，该电容器可以用作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，并且还可以用作触摸感测电路的电路元件。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，可以实现每英寸极高的像素(pixels per inch，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。
在一个实现方式中，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，作为被用户触摸以进行触摸感测操作、并透射来自显示结构的光以向用户显示图像的界面，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，用于在检测到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。另外，光学传感器模块除了用于检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活体，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活体时，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，用于向发光显示像素提供电源，并控制显示面板结构的图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作为关闭一帧中的发光显示像素并开启下一帧中的发光显示像素，以允许光学传感器阵列采集具有发光显示像素照明和不具有发光显示像素照明的两个指纹图像，来减少指纹感测中的背景光。
再如，设备电子控制模块可以被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到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，显示面板结构可以被设计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，将间歇发出的光指向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，用于接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块被操作来测量该多个检测到的指纹的变化并确定造成测量到的该变化的触摸力。例如，该多个检测到的指纹的变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸区域的变化或指纹脊的间距的变化。
再如，顶部透明层可以包括用于用户通过手指触摸以进行指纹感测的指定指纹感测区域，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，用于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到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指纹感测区域放置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，选择性地接收在顶部透明层的顶面处通过全内反射的返回的光，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，用于修改与该光楔界面连接的显示面板结构的底面上的全反射条件，以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，用于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至图4B中的设备包括具有顶部透明层431的显示屏组件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的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层包括发射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射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的光的透过OLED层到达该OLED层下方的光学传感器模块，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OLED显示面板的下方，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
本具体实施案例中的光学传感器模块位于OLED显示模块433下方。可以控制指纹照明区613中的OLED像素发光，以照亮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被放置在照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为用于指纹感测的有效感测区。指纹照明区613中被OLED像素照亮的区615中的反射或散射的光中的一部分被引导到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检测器感测阵列接收这种光，并且采集由接收的光所携带的指纹图案信息。
在这种设计中，使用OLED显示面板内的指纹照明区613中的OLED像素来为光学指纹感测提供照明光，可以控制指纹照明区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功率。例如，当OLED面板中剩余的OLED像素被关闭(例如，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由两步骤的过程实现：首先，以闪光模式开启OLED显示面板内指纹照明区613中的一些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中的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OLED像素可以在亮度水平下操作，以改进用于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显示面板的透明块701，以接收来自设备组件的顶面的返回的光，该返回的光最初是由指纹感测区613中的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面后，例如，用户手指触摸的感测区域615处的盖板顶面，从该盖板顶面反射或散射回来。当感测区域615中的盖板顶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。盖板顶面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导返回至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，这种接收到的光进入作为成像感测块702的一部分的光学成像单元，并且被成像到块702内的光电检测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异形成了指纹图像的对比度。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。
在该特定的示例中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的顶面上的全反射角内进入盖板顶面，并且被块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，沿返回的光的光路的光学失真情况，在处理块702中的光学传感器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由每个光电检测器像素处采集的图像生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调整一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。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，图像传感器得以相同频率获取接收到的图像。在这种操作下，只有一个图像相位具有从OLED像素发射的光。通过奇数帧和偶数帧相减，可以获得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，去两个连续的信号帧相减，则可以将环境的背景光影响最小化或基本消除。在一些实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。
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面，并进入手指组织。这部分的光功率被散射在周围，并且该散射光中的一部分可以穿过OLED面板基板上的小孔，并最终由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。
参考图3中的OLED显示屏示例，OLED显示屏通常具有不同的颜色像素，例如，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某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手指在颜色A和B的散射光的强度，记为强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感测区域上测量指纹时得到的后续测量结果作比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
在一些实现方式中，为了在OLED显示面板未开启时使用上述光学传感器模块提供指纹感测操作，可以将为提供指纹感测照明指定的一个或多个额外的LED灯源703放置在透明块701的侧面上，如图4B所示。这种指定的LED灯703可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(例如，MCU)控制。该指定的LED灯703可以以低的占空比短时间地脉冲，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。如果有人的手指触摸屏幕上的感测区域615，则块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以被操作为确定该触摸是否为人的手指触摸。如果确定是人的手指触摸事件，MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，开启OLED显示面板(或至少关闭指纹照明区613中的用于光学指纹感测的OLED像素)，并且使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送获取的指纹图像，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，智能手机会解锁手机，并且启动正常操作。如果获取的图像没有被匹配到，智能手机会向用户反馈认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
在图4(具体地，图4B)的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电检测器感测阵列上。图4B中示出了从感测区615至块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和光电检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，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。
手指的二维光学反射图案
当探测光被引导到手指时，探测光的一部分可以在手指皮肤表面被反射、衍射或散射，产生反射的、衍射的或散射的探测光而不进入手指内侧。这一部分没有进入手指的探测光可以携带由手指的外部脊和谷形成的反射探测光束上的二维光学反射图案，并且还可以被检测，以获得外部脊和谷的指纹图案。这在本小节中参考图5A和图5B中的示例进行了解释。
另外，探测光的一部分可以进入手指并被手指中的内部组织散射。取决于手指中的探测光的光学波长，手指中的内部组织是光学吸收的，并因此可以多次衰减，除大约590nm至950nm的光学透射光谱范围内的探测光以外。可以透过手指组织的探测光携带光束上的光学透射图案，并且由于离开手指皮肤之前通过这种内部组织的内部路径，该透射探测光束可以携带脊和谷的二维图案以及与脊和谷相关联的内部组织的附加形貌信息两者。这种光学透射图案在下一小节中参考图5C和图5D中的示例进行了解释。
在本文公开的基于图4A和图4B中的屏下光学传感器模块和其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学传感器模块的光学信号包括不同的光组分。
图5A和图5B示出了用于两种不同的光学条件下从用于不同入射角范围的OLED发射的光或其他照明光的感测区615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OLED显示模块433中的OLED像素所选OLED发射光线的光路，其在透明层431的顶面处以小入射角入射并透过顶部透明层431，而没有全内反射。这种以小入射角OLED发射的光线生成不同的返回的光信号，其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，该OLED输出光束80和82以垂直角度或较小的入射角被指向顶部透明层431，而在顶部透明层431的界面处不经历全反射。在图5A所示的特定示例中，手指60接触顶部透明层431上的感测区615，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，来自OLED像素71的OLED光束80朝向手指脊61，在穿过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊61，以在手指组织中生成透射光束183和向OLED显示模块433返回的另一散射的光束181。来自OLED像素73的OLED光束82在穿过顶部透明层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的界面返回至OLED显示模块433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，假设手指皮肤在光学波长550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。还假设手指洁净干燥，相邻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-盖板玻璃的界面反射光束80的部分光，作为到OLED显示模块433下的底层524的反射的光181。其反射率低，约为0.1％。光束80中的大部分(约99％)光变为透射至手指组织60中的透射光束183，手指组织60造成光183的散射，向OLED显示模块433和底层524贡献返回的散射的光191。
来自OLED像素73的OLED发射的朝向外部谷63的光束82首先穿过顶部透明层431和由于外部谷63存在而产生的气隙的界面，以产生反射光束185，光束82的剩余部分入射到谷62上，以产生手指内的透射光束189和反射光束187。类似于手指脊61处的透射光束183，来自手指组织中的OLED像素73的透射光束189被手指组织散射，并且该散射光的一部分也对返回的散射光191有贡献，该返回的散射光191被引导朝向OLED显示模块433和低层524。在上述假设下，位于手指谷位置63处的来自显示OLED组73的约3.5％的光束82作为反射光185由盖板玻璃表面反射到底层524，并且手指谷表面将光束82剩余的约3.3％的入射光功率作为反射光187反射至底层524。由两个反射光束185和187表示的总的反射约为6.8％，并且比在手指脊61处约为0.1％的反射181强得多。因此，来自触摸手指的手指谷63和手指脊61处的各种界面或表面的光反射181和185/187是不同的，并形成光学反射图案，其中反射比差值携带指纹图谱信息，并且可以测量该反射比差值以提取与顶部透明层431接触且被OLED光或例如额外照明光源等其他照明光照亮的部分的指纹图案。
在每个手指谷63处，朝向手指谷63的光束82的大部分(大于90％)作为透射光189被透射到手指组织60中。透射光189中的光功率中的一部分被手指内部组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。因此，朝向底层524并进入底层524的散射光191包括来自手指谷63处的透射光189和手指脊61处的透射光183的贡献。
图5A中的示例示出了以小入射角到达顶部透明层431的入射OLED发射的光，并且顶部透明层431中没有全内反射。对于以较大入射角到达顶部透明层431的OLED发射光，或以大于或等于临界角进行全内反射，可以生成另一个更高对比度的光学反射图案以采集手指外部脊和谷的二维指纹图案。图5B示出了位于手指谷63下方的OLED显示模块433中的从OLED像素73中选择的OLED发射光线的示例，其中一些示出的光线在与顶部透明层431的界面处于全反射条件下，位于与特定手指谷73相邻的位置。这些图示的入射光线的示例生成不同的返回的光信号，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。假设盖板玻璃431和OLED显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得由OLED像素73发出的、具有等于或大于全内反射的临界角的对盖板玻璃431具有大的入射角的OLED光束，会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。当显示OLED像素73被开启时，OLED像素73发出的发散光束可以分为三组：(1)中心光束82，对盖板玻璃431具有小的入射角且没有全反射，(2)高对比度光束201、202、211和212，当盖板玻璃表面没有被触摸时，在盖板玻璃431处被全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合到手指组织中，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指触摸的位置处，也在盖板玻璃431处被全反射。
对于中心光束82，如图5A中所释，盖板玻璃表面反射约0.1％～3.5％以产生反射光束185，该反射光束185被透射到底层524中，手指皮肤在空气-手指谷界面反射约0.1％～3.3％以产生第二反射光束187，该第二反射光束187也被透射到底层524中。如上文参考图5A所释，在小入射角处的反射光线的反射差在空间上变化，并且取决于光束82或光束80是否与手指皮肤谷63或脊61相遇。具有小入射角的这种入射光线的其余部分变成耦合到手指组织60中的透射光束189和183。
图5B示出了高对比度光束201和202作为示例。如果在各自的入射位置没有任何东西接触盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面接近100％反射分别作为反射光束205和206。当手指皮肤脊接触盖板玻璃表面并且位于所示OLED发射光束201和202的入射位置时，将不再有全内反射的条件，因此大部分光功率作为透射光束203和204被耦合到手指中组织60。对于具有较大入射角的这种光束，当手指皮肤接触被用于产生反射中的对比图案时，该光束在没有手指皮肤的全内反射条件下和在具有显著减少的反射的全内反射条件之间发生改变。
图5B还示出了附加的高对比度光束211和212作为示例，如果没有任何东西接触盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面接近100％反射以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，没有光功率因全内反射耦合到手指组织60中。相反，如果手指脊恰好位于光束211和212的入射位置，则由于手指皮肤接触导致的全内反射的缺乏，耦合到手指组织60中的光功率增加。
与图5A中的情况相似，耦合到手指组织60中的光束(例如，透射光束203和204)会经历手指组织的随机散射，以形成朝向底层524传播的散射光191。
图5B中所示的用于照明的示例可以由OLED发射的光或额外照明光源的照明光的照明引起。在高对比度光束照亮的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。
因此，如图5A和图5B所示，来自OLED发射的光或额外照明光源的入射照明光线可以产生两种类型的光学反射图案，表示手指的相同的二维指纹图案：由小入射角的入射照明光线形成的低对比度光学反射图案没有全内反射，由大入射角的入射照明光线形成的高对比度光学反射图案基于全内反射。
手指的二维和三维光学透射图案
在图5A和5B中，来自OLED发射的光或额外照明光的入射照明光线的一部分穿过顶部透明层431，进入手指使通过手指内部组织传播的散射光191通过手指皮肤传播，朝向底层524进入顶部透明层431。如下所述，一旦透过内部组织和手指皮肤，这种散射光191就携带手指的光学透射图案，其包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，以及(2)与内部手指组织结构相关联的内部指纹图案，由于散射光从手指内侧向手指皮肤传播并透射手指皮肤，从而产生手指的外部脊和谷。因此，可以通过光学传感器阵列测量来自手指的散射光191，并且可以处理测量值进行指纹感测。值得注意的是，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的顶面的感测表面状态或手指的皮肤条件的影响(例如，脏污、潮湿/干燥或老人的手指图案)并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案在光学反射图案中具有减小的脊-谷对比度、有些损坏或者不适合提供足够的指纹信息时，仍然可以为指纹感测提供足够的信息。虽然可以通过使用人造材料来复制外部指纹图案以入侵指纹感测，但是印在光学透射图案中的用户手指的内部指纹图案极难复制，因此可以用作指纹感测中的反欺骗机制。
图5C示出了由人的手指的外部脊和谷和位于皮肤下方与外部脊和谷唯一相关联的内部手指组织形成的外部指纹图案的示例。例如，参见Holder等人所著的《指纹资源读物》(The Fignerprint Sourcebook)的第2章，(美国司法部，司法程序办公室，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乳头层，其具有形成外部脊和谷的形貌特征，作为下面的形貌特征的表示。另外，内部组织还包括并非完全复制外部脊和谷的额外结构，例如内部主脊和次脊、连接到主脊的汗腺和其他内部结构。如图5C所示，当探测光从手指的内侧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，不仅携带乳头层的二维指纹图案，其与外部脊和谷形成的外部指纹图案相同，还携带有来自内部组织结构的不由外部脊和谷携带的附加形貌信息。来自内部组织结构的这种附加的形貌信息不能从由外部手指皮肤的光学反射获得的光学反射图案获得。来自手指皮肤下的内部组织结构的附加的形貌信息是用于指纹感测的有价值信息，并且是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下的横向位置和距离皮肤表面的深度(形貌信息)变化。例如，可以使用来自手指的内部组织结构的这种附加的形貌信息来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，不同的照明探测光束穿过皮下内部组织结构的不同部分，因此印有与这种照明探测光束的不同方向上的不同光路相关联的不同3D形貌信息。成像处理技术可用于处理由这种不同的照明探测光束携带的光学透射图案，以提取与皮下内部组织结构相关的形貌特征。可以合成所提取的形貌特征以构建与指纹图案相关联的皮下内部组织结构的3-D表示或再现，并且这种构建的与指纹图案相关联的皮下内部组织结构的3-D表示可以用作指纹图案的唯一附加标识，并且可以用于区分用户的真实手指的真实指纹图案和伪造的指纹图案，伪造的指纹图案总是缺少真实手指的下层内部组织结构。特别地，随着不同方向上的不同照明探测光束的数量增加，可以通过光学传感器模块采集关于皮下内部组织结构的更详细的形貌信息。在使用指纹进行对设备的安全访问时，指纹识别过程可以被设计为组合2-D指纹图案的识别和提取的3-D表示的额外检查或指纹图案相关联的皮下内部组织的再现，以确定是否授予访问权限。所提取的形貌特征和所构建的与指纹图案相关联的皮下内部组织的3-D表示或再现可以作为反欺骗机制，可以单独使用或与其他反欺骗技术组合使用，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从手指的内部组织结构采集附加的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来检测由手指皮肤下的内部组织结构产生的不同光学阴影图案，该光学阴影图案叠加在二维指纹图案上，该二维指纹图案对于通过在不同方向上的不同照明探测光束的照明获得的所有图像是共同的。
图5D示出了两个额外照明光源X1和X2，沿X方向放置在顶部透明层431上的指纹感测区域的两个相对侧上，使得它们可以沿相对方向将两个不同的照明探测光束引导到手指。来自两个照明探测光束的图像携带相同的2-D指纹图案，但由于它们相对于手指皮肤下的内部组织结构的照明方向不同，该图像具有不同的图像阴影图案。具体地，第一额外照明光源X1沿X方向放置在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中为从左到右。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的照明在OLED下光学传感器阵列处的第一指纹图像中形成阴影图案，该阴影图案在空间上沿X方向向右移动。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的照明在OLED下光学传感器阵列处的第二指纹图像中形成阴影图案，该阴影图案在空间上沿X方向向左移动。在本技术的实现方式中，可以添加附加的额外照明光源，例如，沿Y方向或其他方向。
在本示例中，来自第一额外照明光源X1在第一照明方向上的第一照明探测光束通过手指内组织的散射引起第一散射探测光的生成，该第一散射探测光通过与手指的脊和谷相关联的内部组织传播，以携带(1)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，该第一指纹形貌图案与在第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第一二维透射图案内。类似地，来自第二额外照明光源X2在第二照明方向上的第二照明探测光束通过手指内组织的散射引起第一散射探测光的生成，该第一散射探测光通过与手指的脊和谷相关联的内部组织传播，以携带(1)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，该第二指纹形貌图案与在第二照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第二二维透射图案内。两个额外照明光源X1和X2在不同的时间顺序开启，使得光学传感器阵列可以被操作为检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列，从而采集第一二维透射图案和第一指纹形貌图案，随后采集第二二维透射图案和第二二维指纹形貌图案。将图5D中所示的阴影图案嵌入采集到的2-D指纹图案中，该阴影图案是指纹形貌图案的一种形式，其与在特定方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联。
在各种实现方式中，两个或两个以上额外照明光源可以位于光学传感器模块外部的不同位置，以产生不同的照明探测光束，从而在不同的照明方向上照亮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，每一个额外照明光源应被构造为产生光谱范围内的探测光，人的手指组织相对于该光谱范围内的探测光呈现光学透射，以使得探测光进入用户手指，从而通过手指内组织的散射而产生散射探测光，该散射探测光朝向顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息，其由手指的脊和谷的内部组织的透射形成。探测器照明控制电路，可以被耦合以控制该额外照明光源依次地开启和关闭，以在不同时间生成不同照明探测光束，一次生成一束光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以依次检测来自该不同照明探测光束的散射探测光，从而采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的该不同指纹形貌信息。
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部的不同位置的额外照明光源以产生不同照明方向上的不同照明探测光束之外，这种两个或两个以上额外照明光源使用两个或两个以上相对于光学传感器模块选择的不同位置处的不同OLED像素和光学传感器模块顶部的外部OLED显示区域，以产生不同的照明探测光束，照亮不同照明方向上的的顶部透明层上的指定指纹感测区域。这可以通过在不同时间开启这种OLED像素、同时关闭所有其他OLED像素来完成，以在两个或两个以上不同方向上获得定向照明来测量由手指的内部组织结构引起的空间移位阴影图案。
图5D中公开的技术有一个值得注意的特征是照明布置、光学检测和信号处理的简单性，可以导致紧凑感测设备封装，其用于期望紧凑感测设备封装的移动和其他应用，以及实时处理，因为检测和后续处理是可以在没有复杂信号处理的情况下高速实现的简单操作。用于采集3-D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OCT数据处理的光学相干断层扫描(OCT)成像，例如快速傅里叶变换(FFT)等不适用于智能手机和其他移动设备中的3-D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，光学波长在650nm至950nm之间)并且穿透手指的环境光或背景光的一部分也可以被引导到OLED下光学传感器阵列中，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(例如，自然日光或阳光)的强度，可以在到光学传感器模块的光学路径中提供光学衰减，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，可以实施适当的空间过滤以阻挡透过手指的环境光进入光学传感器模块，因为这种环境光不携带内部指纹图案，并且可能会对光学传感器模块中的光学检测器产生不利的影响。
因此，所公开的光学指纹感测可以使用穿过手指的透射光来采集手指的光学透射图案，其具有关于与手指在手指皮肤下的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息。光的透射穿过手指组织和手指皮肤的角质层，因此印有由指纹脊区域和谷区域形成的手指皮肤内部的内部结构变化的指纹信息，并且这种内部结构变化表现为在不同照明方向上具有不同亮度图案的光信号，该内部结构变化由手指组织吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影和/或手指皮肤处的光学反射差异造成。该光学透射图案基本上不受手指和设备的顶部触摸表面(例如，脏污的接触表面)之间的接触条件的影响，以及外部手指皮肤状态(例如，脏污、干燥或潮湿的手指，或某些用户，例如，老年用户，的手指的脊和谷之间减少的外部变化)的条件的影响。
利用与显示像素交错的光学传感器采集光学反射图案和透射图案的示例
如图2E和图2F中的示例所示，所公开的光学感测技术可以以各种配置将光学传感器与OLED显示像素空间交错以用于光学感测，其中光学传感器可以被放置在与OLED显示像素相同的层中或在OLED显示像素的层下方。
基于空间交错的光学传感器和OLED显示像素的光学感测可能受到来自各种来源的噪声的不利影响，包括来自设备使用的环境的背景光。提供了用于减少背景光噪声的各种技术。
例如，通过在光路中提供合适的光学滤波可以减少指纹感测时不期望的背景光。可以使用一个或多个滤波器来过滤环境光波长，例如，近IR和部分红光等。在一些实现方式中，这种滤波器涂层可以在光学部件的表面上制造，包括显示屏底面，棱镜表面，传感器表面等。例如，人的手指会吸收波长在～580nm以下的大部分能量，如果可以设计一个或多个光学滤波器或光学滤波涂层来过滤波长从580nm到红外线的光，可以大大减少环境光对指纹感测的光学检测的不期望的贡献。后面小节提供基于光学滤波的背景减少的更多细节。
图6和图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操作的示例，该操作用于减少或消除背景光在指纹感测中的不期望的贡献。光学传感器阵列可以用于采集各种帧，并且采集到的帧可以用于进行多个帧之间的微分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启OLED显示屏，以照亮手指触摸区域，在帧B中，改变或关闭照明。在图像处理中可以从帧A的信号减去帧B的信号，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，某些显示像素被控制和操作为在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，显示面板下的成像传感器被操作为以与频率F相同的帧速率来采集图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶部上，并且手指的存在调制该显示面板盖板基板顶面的光反射强度。该显示屏下的成像传感器采集指纹调制后的反射光图案。在步骤1303处，对来自图像传感器的信号的解调制以频率F同步，并且进行背景过滤。所得的图像减少了背景光的影响，并且包括来自像素发射的光产生的图像。在步骤1304处，处理并校准采集到的图像，以校正图像系统失真。在步骤1305处，将校正了的图像用作用于用户认证的人的指纹图像。
用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照亮手指的散射光，如图5A和图5B中所示的反向散射光191。可以集成图5A和图5B中来自反向散射光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的手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，指纹图案，尽管是一种独特的生物特征标识符，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反欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入物体是否是来自活体手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。这种光学反欺骗感测功能无需使用单独的光学传感器来提供。光学反欺骗能够提供高速响应，而不影响指纹感测操作的整体响应速度。
图8A示出了血液中受监测材料的示例性光学消光系数，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。通过使用探测光以第一可见光波长(颜色A)和诸如IR波长的第二不同波长(颜色B)照亮手指，可以采集输入目标的光学吸收的差异，以确定触摸目标是否为来自活体手指。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来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中受监控的材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测被监测的材料是活体指纹还是假指纹。
图8B示出了来自无生命材料(如假手指)和活体手指的反射光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器，来监测活体。当检测到探测光的两个或多个波长时，消光比差可以用于快速地确定被监控的材料是否是活体，例如活体指纹。在图8B所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图8A所示，一个是可见波长，另一个是IR波长。
当无生命材料触摸指纹传感器模块上方的顶部盖板玻璃时，接收到的信号揭示了与该无生命材料的表面图案相关的强度水平，并且该接收到的信号不包含与活体手指相关联的信号组分。然而，当活体手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号揭示了与活体相关联的信号特征，包括明显不同的强度水平，这是因为不同的波长的消光比不同。这种方法不需要花很长时间来确定触摸材料是否是活人的一部分。在图8B中，脉冲状信号反映了多次触摸，而不是血液脉动。与无生命材料类似的多次触摸不会显示由活体手指引起的差异。
这种血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的光学感测可以在短周期内进行，以用于活体手指检测，并且可以比使用相同光学传感器对人的心跳进行光学检测更快。
图9示出了通过操作OLED像素以用两种不同颜色的光照亮手指来确定与OLED显示屏接触的目标是否是活体手指的一部分的操作过程的示例。
又如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长下的不同光学吸收之外的其他机制，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(有意或无意的)，活体手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活体手指通常是脉动的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的目标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肯定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面积的变化、指纹脊变宽、或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。
基于本文公开的光学感测的移动电话等的便携式设备或其他设备或系统可以被配置为提供附加的操作特征。
例如，OLED显示面板可以被控制为提供局部闪光模式，以通过操作感测区域613下方的选定OLED显示像素来照亮指纹感测区域。在获取指纹图像时，窗口区域中的OLED显示像素可以暂时开启以产生高强度照明用于指纹的光学感测，并且同时还开启已开启的显示区域中的光电检测传感器以采集与开启感测区域下方的OLED像素同步的指纹图像。开启这些OLED像素的时间可以相对较短，但是可以将发射强度设定为高于在OLED显示面板上用于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能够检测更多数量的光以改善图像感测性能。在此模式下，可以关闭显示面板的其他区域中的OLED像素或使其处于睡眠模式，以在设备不被使用时节省电量。响应于视区中OLED像素的闪光，对应的光电传感器被操作为接收和检测光信号。在该闪光唤醒模式期间，当手指触摸感测区时，手指使返回的光被全反射，以产生强烈的返回的探测光，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。除了使用视区中OLED像素的一部分以外，还可以在设备中提供一个或多个额外光源，以提供用于闪光唤醒功能的闪光模式照明。
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，以能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。值得注意的是，当人在设备上按压手指时，由于按压力的变化，与显示屏上的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。当手指接触盖板玻璃上的感测区域时，触摸力的变化可能会在光学传感器阵列上引起若干可检测的变化：(1)指纹形变、(2)接触面积的变化、(3)指纹脊加宽以及(4)受压区域的血流动力学变化。这些变化可以被光学采集，并且可以用来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。
参考图10，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，脊压印随着按压力的减小而紧缩或收缩。图10示出了不同按压力下同一手指的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹2301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，该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。
当手指接触传感器表面时，手指组织吸收光功率，从而集成在光电二极管阵列上的接收功率减小。特别地，在不对低折射率材料(水、汗液等)进行感测的全内反射模式的情况下，传感器可以用于通过分析接收功率变化趋势，检测是手指触摸传感器还是其他物体意外触摸传感器。基于这种感测过程，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节电模式。
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3305内，集成的接收到的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，通过分析小区域内的集成的接收到的探测光功率的变化，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来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相互作用的动态，包括确定人是在按压触摸表面，还是将按压手指从触摸表面移开。这些用户相互作用动态可以用于触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是操作移动设备的预期触摸还是偶然的无意触摸，并且基于该确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒处于睡眠模式下的移动设备。
此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活体手指可以呈现出在两种不同探测光波长下获得的消光比的不同的特性，如图8A和图8B所述。返回参考图10，轻度按压的指纹3301可能不会明显地限制流入手指的按压部分的血液，从而产生在两种不同探测光波长下获得的表明活体组织的消光比。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，在两种不同探测光波长下获得的相应的消光比将不同于轻度按压的指纹3301的在两种不同探测光波长下获得的消光比。因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比在不同的按压力和不同的血流情况下变化。这种变化与来自人造材料的假指纹图案的不同力的按压而产生的在两种不同探测光波长下获得的光学消光比不同。
因此，还可以使用在两种不同探测光波长下获得的消光比来确定触摸来自用户的手指还是其他目标。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。
再如，所公开的光学传感器技术可以用于监测人的手指由于活人的自然移动或运动(有意或无意的)通常表现的自然运动，或监测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存在活体的肯定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，该感测功能用于基于来自手指或手掌的返回的光中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增加除指纹感测之外的更多的功能。
在实施公开的感测技术中，光学滤波可以用于减少背景光并用于改善光学感测性能。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IR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要而变化。这种光学滤波器可以通过在通向光学传感器的光路中的光学部件的选定表面上形成光学滤波器涂层来形成，该选定的表面包括例如显示底面、诸如光学棱镜的其他光学组件的表面、图2E中的OLED显示层下方的光学传感器层的上部传感器表面。例如，人的手指吸收低于某个波长(例如，约～580nm)的波长的大部分能量，如果光学滤波器被设计为过滤波长从约～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11示出了从约525nm到约940nm的若干不同光学波长下典型的人的大拇指和小拇指的光学透射光谱轮廓的示例。对于短波长，例如小于610nm的波长，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透射方向范围变大，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12示出了背景光在图2F中的空间交错的光学传感器设计中的影响，其中，光学传感器位于OLED显示像素层下方的层中。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。在一些情况下，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OLED显示像素层下方的光学传感器层。
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阻挡这种背景光中的大部分，而这种背景光939的一小部分光941穿过小孔450进入下方的光学传感器层。如图5D中所讨论的，基于与手指的外部皮肤表面上的外部指纹图案相关联的手指的内部结构的相互作用，这种光可以携带表示手指的指纹图案的光学透射图案，因此可以使用在一些用于光学指纹感测的实现方式中。
一些环境光937a不透过手指60a直接传播到盖板玻璃431。这种透射光被折射到盖板玻璃431中变成光939a。OLED TFT层的小孔450允许一小部分光941a穿过，以到达下方的光学传感器层。环境光的这种组分往往包括具有大入射角的光组分。检测光路可以被设计为在OLED显示像素层之间和光学传感器层上方包括一个或多个光学滤光层，以拒绝或减少这种环境光941a。
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在红光(例如，波长大于580nm)和更长波长的透过手指的光组分，以及不透过手指的波长比红光波长短(例如，小于580nm)的光组分。由于手指对光的吸收取决于波长，穿过手指的透射环境光通常包括一些近红外光(IR)和部分红光组分。因此，光学滤波可以包括在光路中，以滤除会另外进入光学传感器层的不期望的环境光。
一种示例设计是使用一层或多层IR阻挡滤波器涂层，例如，IR-截止滤波器涂层，来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-截止滤波器通常仅限制大于710nm的波长。当设备被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截止滤波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。使用这种两个或多个滤波器的部分原因是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。在公开的OLED显示像素层下方的光学传感器层的示例中，可以在光学传感器层上方构建光学滤波机制，以阻挡或减少来自太阳的自然日光中的进入光学传感器层的强背景光。因此，可以提供一个或多个光学滤波器层，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并到达光学传感器层。
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面板和光学传感器层之间的一个或多个光学滤波器可以是对400nm至650nm之间的光是光学透射的，同时阻挡光波长大于650nm的光，包括日光中的强红外光。实际上，一些商业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需要的。例如，一些商业多层带通滤波器可以阻挡波长600nm以上的光，但是在波长600nm以上的光谱范围内会有透射峰，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并到达光学传感器阵列，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组合在一起，可以消除或减少这种光学滤波器中不期望的光学透射带，使得组合两个或多个滤波器来共同消除或减少波长在630nm至900nm之间的不期望的光透射带，其中，一个滤波器中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光谱范围内。具体地，例如，通过使用一个滤波器来过滤波长从610nm至1100nm的光，同时透射波长在610nm以下的可见光，和另一个滤波器来过滤波长从700nm至1100nm的偏移的光谱范围内的光，同时透射波长在700nm以下的可见光，通过上述方式可以将两个滤波器组合起来。两个或两个以上光学滤波器的这种组合可用于产生对大于较高透射波长的光波长的背景光的期望的过滤。
除了使用适当的光学滤波来截止红光和IR范围中的背景光之外，通过光学滤波应减少的背景光可以包括在较短波长光谱范围(包括UV波长)中的光。在一些实现方式中，应减少或消除UV波段中的环境光，因为这种光带产生不期望的噪声。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、黑油墨和其他往往可以强烈吸收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。
所公开的利用与图2E和图2F中的显示像素交错的光学传感器进行光学感测可以通过传感器初始化过程来实施，以减少背景光的不期望的影响。如图6和图7所示的技术，该传感器初始化过程本质上是可操作的。图13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。手指模拟器设备被设计为模拟手指皮肤反射行为，而没有任何指纹图案。将从手指模拟器设备获得的图像数据作为基数1数据保存到存储器中，以在真实的感测操作中进行背景光减少处理。该过程可以是在出厂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数2，这是在具有环境光的条件下进行的。基数2表示所有环境光残留物的总影响。基数1和基数2的总和为实时基数。接下来，开启照明光或光学探测光以执行指纹感测，来采集实时信号，该实时信号混合了来自指纹的真实指纹信号和实时基数。信号混合与实时基数之间的差分可以被执行作为信号处理的一部分，以减少来自环境光的信号贡献，从而可以提高指纹图像的图像质量。
与显示像素交错的光学传感器的特定示例
图14示出了在整个OLED显示面板中集成有空间分布的光学传感器的OLED显示面板的示例，其中光学传感器与OLED像素空间交错，使得每个OLED彩色像素包括(1)不同的彩色OLED像素，它们共同产生用于该OLED彩色像素的期望颜色，以及(2)至少一个用于光学感测的光学传感器。在这种设计下，所有OLED彩色像素都嵌有它们自己的光学传感器，以允许整个显示面板尺寸的光学感测，如最初在图2E、图2F和图2G的示例中所解释。例如，在一些实现方式中，每个OLED彩色像素至少可以包括发射红光的红色OLED像素(R)、发射绿光的绿色OLED像素(G)、发射蓝光的蓝色OLED像素(B)、以及用于通过该OLED彩色像素且在该OLED彩色像素内进行光学感测的像素内光电检测器(PD)。当从垂直于OLED显示面板的方向观看时，图14的这种OLED彩色像素的示例被示出在插入物中，其中像素内光电检测器(PD)相对于其OLED彩色像素内的RGB OLED像素显示位置偏移。这种光学感测设计的光学成像空间分辨率与具有发射不同颜色的不同OLED像素的单个OLED彩色像素定义的空间显示分辨率相同。
图15示出了实现图2E中所示的OLED-PD结构的示例。图15的图15A示出了在同一基板上生长或制造OLED显示屏顶层401(例如，密封层)、具有分布式光电检测器(PD)的OLED像素层403和TFT电路层407。图15的图15B示出了单个OLED彩色像素的OLED像素结构409和针对一个OLED彩色像素的PD结构411的更详细视图，其中OLED像素结构409包括发射不同颜色(例如红光、蓝光和绿光)的不同OLED像素(例如409R、409B和409G)。示出的示例包括位于针对每个OLED彩色像素的PD 411P上方的光学准直结构411C，以限制PD 411P可以收集的入射光的角度范围，从而使较大入射角的入射光被光学准直结构411C拒绝，而不会被下面的PD411P接收，因此提高了每个PD 411P的空间分辨率以及光学传感器阵列采集的图像的成像分辨率。光学准直结构411C可包括光学准直透镜、空间孔口、针孔、管状准直器或其他结构，包括透镜-针孔组合组件，该透镜-针孔组合组件包括沿透镜的光轴彼此对齐的透镜和针孔。
图15C示出了如图15B所示的具有发射不同颜色的不同OLED像素(例如，409R、409B和409G)的OLED彩色像素和PD结构411的示例的俯视图。OLED和光电检测器411连接到功率驱动器和编程的控制器模块413。存储器模块415被耦合，以接收来自嵌入在相应的OLED彩色像素中的光电检测器411的检测信号数据，并且对接收到的数据进行处理，作为光学感测的一部分。
图16示出了实现图2F所示的OLED-PD结构的示例，其中，光学传感器阵列组成的光电检测器417形成在OLED显示面板的OLED像素层403的外部，但直接形成在用于形成OLED显示像素层403的同一基板上的薄膜晶体管(TFT)层407中作为显示尺寸的光电检测器阵列，以将整个OLED显示面板表面用作光学感测表面。如图14和图15所示，图16仅示出了OLED显示面板中的OLED彩色像素的单个OLED彩色像素。图16的图16A示出了层结构，图16B示出了像素结构和PD结构。与图15中的设计相似，提供光学准直结构417C，并且光学准直结构417C位于TFT层407内的PD 417P上方，以限制PD 417P可以收集的入射光的角度范围，使得大入射角的入射光被光学准直结构417C拒绝，而不被下面的PD 417P接收。图16C示出了如图16B所示的具有发射不同颜色的不同OLED像素(例如，409R、409B和409G)的示例性OLED彩色像素和PD结构417的俯视图。OLED和光电检测器417连接到功率驱动器和编程的控制器模块413。存储器模块415被耦合，以接收来自与相应的OLED彩色像素空间重叠的光电检测器417的检测信号。
图17示出了实现OLED-PD结构的示例，其中光学传感器阵列组成的光电检测器419形成在OLED像素层403和TFT层407外部的分离层421中。在一些实现方式中，分离层421可以形成在与用于制造层407和403的基板不同的分离基板上。图17的图17A示出了层结构，图53B示出了像素结构和PD结构。提供光学准直结构419C，并且光学准直结构419C位于PD419P上方，以限制PD 419P可以收集的入射光的角度范围，使得大入射角的入射光被光学准直结构419C拒绝，而不被下面的PD 419P接收。图17C示出了如图17B所示的具有发射不同颜色的不同OLED像素(例如，409R、409B和409G)的示例性OLED彩色像素和PD结构419的俯视图。
图18示出了OLED显示系统433的示例，该OLED显示系统433还集成有增强盖板玻璃431、一些其他传感器425以及侧面按钮427和429以形成显示组件。在该示例中，光电检测器437位于具有形成OLED彩色像素439的OLED发光元件的OLED像素层下方的层中。如两个相邻的光电检测器437的示例所示，光电检测器437在整个OLED显示屏中空间分布在相应的OLED彩色像素439内。提供处理电路435，以启用或管理供用户操作终端的各种功能或操作。OLED显示系统433可以分为两部分：一部分具有形成OLED彩色像素439的发光元件，另一部分具有光电检测器437。作为OLED彩色像素439的每个OLED像素组沿不同方向发射光束441。用于OLED像素组或OLED彩色像素439的光电检测器437可以被设计为选择性地接收来自OLED显示屏顶部的光，以进行光学指纹感测。例如，如图所示，光电检测器437的光学接收可以是准直检测并且具有角度灵敏度轮廓443，当光来自顶部方向时，该角度灵敏度轮廓443通常表现出高检测灵敏度。可以将光学准直器或其他光学元件提供给用于OLED像素组或OLED彩色像素439的每个光电检测器，以实现所需的准直光学检测。
对于光学感测，通过检测来自OLED显示屏的顶面的光，在整个OLED显示屏中空间分布在相应的OLED彩色像素439内的光电检测器437实现整个OLED显示屏表面上的光学检测。待检测的这种光可以由不同的光源形成，包括例如在操作该设备的环境中存在的光，例如自然光或环境光。当开启OLED彩色像素发射的用于在设备上显示图像的光时，这种光也会在OLED显示屏的顶面引起手指反射或散射的光，以供光电检测器437检测。在各种应用中，期望包括分布在整个OLED显示区域上的光电检测器437上方的指定照明光源或额外照明光源，以实现改进的光学感测操作。
图19示出了在图2F的设计下，具有空间分布的光电检测器的OLED显示屏的示例，该光电检测器被放置在图18所示的示例的OLED像素下方并与OLED像素空间交错。图19包括图19A和图19B，图19A示出了OLED光线和相对于由OLED光线形成的不同空间区域的对应分量，图19B示出了由OLED光线形成的不同空间区域的俯视图。在该示例中，空间分布的光电检测器(例如233、235)位于具有OLED像素(例如72、74)的OLED像素层下方的层中，并且盖板玻璃431和其他显示层521可以粘合在一起(例如，通过胶水)，使得全反射可以在盖板玻璃表面发生。参考图19B，从OLED区域241发射的光(例如具有不同颜色的不同相邻发射OLED像素的OLED彩色像素)形成中心光束区243、围绕中心光束区243的圆形的感测区247以及感测区247外部的全反射区245。参考图19A，当将发射OLED 74和相应的接收光电检测器233设置在各自位置，其中两者之间具有已知的间隔L并且已知的层厚度参数为H1和H2，可以计算或确定顶部感测表面上的OLED像素74和光电检测器233之间的位置处的相应的全反射区231的位置或坐标LF。当已知发射OLED 74的尺寸A和处理光电检测器233的尺寸D时，也可以计算相应的全反射区231的尺寸W。通常，如果发射OLED尺寸足够小，W小于D。增大发射OLED 74的尺寸A和接收光电检测器的尺寸会导致光学检测分辨率降低。基于几何光学，在具有已知参数的特定给定设计中，当发射OLED 74或一个光电检测器的尺寸增大1个单位时，有可能使检测的分辨率降低半个单位。
假设顶部感测表面上方的环境是空气，其折射率接近1，则从发射OLED 74到盖板玻璃的顶部感测表面的光线的最小全反射入射角θ可以通过公式θ＝sin-1(1/n)计算，其中n是盖板玻璃的折射率。结果，中心光束区243可以通过角度θ和距离H1计算。其余位置位于全反射区245中。例如，如果n＝1.51，并且H1＝0.6mm，则对于点光源而言，中心光束区域的直径约为1.06mm。如果H2是给定的，则可以计算最接近的光电检测器距离Lmin。例如，H2＝0.6mm，则Lmin约为1.06mm。
由于手指皮肤的折射率(通常为1.43～1.44)通常低于盖板玻璃的折射率n，因此从OLED 74到顶部感测表面上相应的全反射区231的光线的倾斜角度θ可能足够大，以在顶部感测表面上引起全内光学反射，使得OLED 74发射的光不会通过顶部感测表面耦合并进入顶部感测表面上方的空间。这样，顶部感测表面上方的手指无法与发射的OLED光相互作用，并且除非手指与盖板玻璃的顶部感测表面接触，否则可以维持此全内反射条件。用于全内反射的这种条件可用于估计位于距离Lmax处最远的光电检测器233的位置，并且对于位于比Lmax更近距离的光电检测器，在顶部感测表面上不会发生全内反射。因此，对于给定的OLED像素241，存在具有小于Lmax的径向距离的圆形感测区247，其中由OLED像素241发射的光可以在顶部感测表面处部分反射并且部分地折射到顶部感测表面上方的空间中，以进行手指的光学感测。顶部感测表面上的圆形感测区247外部的区域245与OLED像素241的距离大于Lmax，因此来自OLED像素241的任何光被全反射。例如，对于H2为0.6mm的设备，手指的折射率估计为1.44，Lmax约为3.80mm。即，有效感测区247的直径约为3.80mm。在移去中心光束区241之后，总有效感测面积约为10.47mm2。因此，为了检测100mm2的指纹，应使用大约10组OLED。如果本地帧速率为100fps，并且每帧仅点亮一组OLED，则0.1秒足以检测指纹。
对于50微米的光学感测分辨率，如果一个光电检测器小至10微米，则每组OLED的面积可以为0.1×0.1mm2。在执行光学感测时，总发射光功率可以瞬时设置为高(例如0.1mW)，以在与OLED显示像素空间交错的光学传感器处引起强的光学信号，从而提高检测的SNR。高分辨率指纹感测还可用于感测掌纹或手掌静脉纹。
额外照明和与显示像素交错的光学传感器
在实现图2E或图2F的具有空间分布的光电检测器的OLED显示屏时，除了使用OLED显示光照亮顶部感测表面以进行光学感测之外，还可以提供一个或多个额外照明光源以增强或改善光学感测操作。一个或多个额外照明光源允许光学照明以用于光学感测，而无需开启OLED显示屏的OLED像素以节省指纹感测过程中的能量，并且还提供光学感测中的其他特征。
图20示出了具有集成光学传感器的OLED显示系统的示例，该光学传感器空间分布在整个显示面板中的OLED彩色像素中，使得光电检测器共同提供高分辨率触摸感测。在该示例中，提供一个或多个额外照明光源455以发射照明光(例如，IR光)，用于光学感测。
在操作中，手指447可以被来自周围的背景光453以及来自OLED像素的显示光451照亮。手指散射光被某些光电检测器(例如233和235)接收。背景光453可以来自其他光源，例如来自太阳，或来自同一显示屏的其他位置。当手指447触摸显示屏时，手指对来自本地OLED的部分光进行散射。这可以增加局部位置的亮度。这种亮度变化与本地显示帧交替相关。当手指447触摸显示屏时，手指447吸收部分背景光。这样会降低背景的亮度。这种亮度变化与本地显示帧交替关系不大。
如果对不同帧处采集的图像进行比较，则这种比较会显示出差异，以便可以感测触摸引起的动态影响。因为光电检测器分布有相似空间分辨率的显示像素，所以光学触摸感测在光学采集的手指图像中具有高分辨率的特点。在一些实现方式中，一个或多个额外照明光源455可以用于在指纹感测和用户认证过程期间照亮手指，同时允许显示屏处于完全或部分睡眠模式，并且光学感测可以用作触发以唤醒睡眠的显示屏。
在背景和显示屏都完全暗的情况下，一个或多个额外光源455，例如一些红外LED，可以用于提供照明以进行光学传感。额外光源455可以沿着显示屏的边缘安装，并且光束457被OLED电极结构、盖板玻璃表面和底部吸收材料散射，使得照明对于整个显示屏是有效的。当背景和显示屏都暗时，额外光源455可以用于唤醒睡眠的显示屏。额外光源也可以直接用于触摸感测。在激活功能时，手指被诸如手套之类的织物材料覆盖或除手指之外的其他材料触摸显示屏时，光学触摸感测过程也很有效。
这种显示技术还可以与诸如电容性触摸传感器面板等常规触摸传感器面板集成，以实现触摸感测功能。
参考图10和相关描述，除了对诸如指纹之类的物体的图案进行光学感测之外，与OLED像素交错的空间分布的光电检测器可以用于提供高分辨率触摸力感测。当触摸力变化时，存在一些可以检测到的相关变化用于计算触摸力：盖板玻璃和显示模块变形、触摸手指接触面积的变化以及指纹变形。因为光学触摸感测具有高成像分辨率，所以可以通过在一系列信号帧之间进行比较来检测触摸手指接触面积的变化和指纹变形。通过校准，可以确定触摸力的变化。该基于光学感测的触摸力感测可以与其他触摸力传感器组合，例如分布式电容触摸力传感器、PZT触摸力传感器等。此类其他非光学力传感器的存在可用于检测将要触摸显示屏的硬设备。
在所公开的光学感测技术中，一个或多个额外光源可以用于照亮待检测的手指，以改进光学指纹感测，例如，通过改进检测中的信噪比。就这点而言，能够通过光学感测检测指纹的电子设备可以被设计为包括：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，其中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。提供光学传感器，以与如图2E和图2F所示的显示像素空间交错，用于接收由显示结构的至少一部分发光显示像素和一个或多个额外照明光源发射的、并从顶部透明层返回的光，用于检测指纹。光学传感器的这种接收光携带接收光中的图像，该图像可以被处理以进行指纹感测和其他光学感测。
返回参考图20，两个或更多个额外光源455可以放置在OLED显示像素层上方。每个额外光源可以是一个光源，或者包括多个光源，例如LED光源。额外光源可以操作为以单个波长或多个波长(例如，绿色LED、红色LED、近IR LED)发光。额外光源455可以被调制以产生调制的照明光，或被操作以在不同相位开启发光。额外光源455可以以不同的方式用于光学感测。首先，来自额外光源455的照明光在显示面板内指向盖板玻璃，可以在手指-玻璃界面反射，以生成反射的或反向散射的探测光，该光携带如图5A和图5B所示的手指皮肤外部的指纹图案。这种反射信号可以携带光学反射图案，该光学反射图案表示由手指的脊和谷形成的外部指纹图案。其次，来自额外光源455的一部分照明光可以进入手指，并且如图5C和5D所解释的内部组织结构散射的这部分照明光可以携带与指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案，这也在图5C和图5D中进行了解释。手指中的组织对照明光进行散射，以在各个方向上产生散射探测光，包括具有用于光学指纹感测的光学透射图案的反向散射探测光。反向散射探测光向后传播，穿过顶部透明层，以朝向光学传感器进入TFT层。
如关于图5C和图5D所解释的，来自探测光的反向散射探测光穿过手指皮肤传播，并且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，指纹脊和谷区域在光学透射图案中显现出具有空间变化亮度图案的光信号，这种亮度对比形成了指纹图案的一部分，并由手指组织吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影以及在手指皮肤-显示屏盖板玻璃界面的反射差异引起。由于指纹对比的复杂机制，所以即使手指干燥、潮湿或脏污时，也可以检测指纹。
存在于设备处的背景光通常可以包括两个不同部分：入射到手指的环境光或背景光，以及入射到顶部透明层而未进入手指的环境光或背景光。环境光或背景光被传播到手指中并被手指组织散射。散射背景光中的一些散射光穿过手指传播回光学传感器。未穿过手指的环境光的一部分可以进入光学传感器层，并因此可能对光学感测操作产生不利影响。
当提供额外光源用于光学感测时，用于光学感测的照明功率不再受到来自OLED显示光的光功率限制。这种额外光源可以被设计成为光学感测提供足够照明，以提高光学检测信噪比，抵消环境光影响。在一些实现方式中，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，在确定检测到的手指是否是活体手指时，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和近红外LED可以用作额外光源，以辅助如参考图8A和图8B所解释的活体手指检测，其中手指组织强烈地吸收绿色光，使得手指图像显现出期望的大亮度梯度，并且近红外光照亮整个手指，使得手指图像亮度显得更加均匀。
放置额外照明光源以获得光学透射图案的具体示例
图21A和图21B示出了用于放置额外照明光源的OLED下光学传感器模块设计的示例，通过引导照明光透过被检测的手指，以获得光学透射图案。
图21A示出了基于图5D中的设计，将4个额外照明光源以两个正交方向放置在指纹感测区域的相对侧上的示例。该示例是能够通过光学感测检测指纹的电子设备的一种实现方式，该电子设备包括显示面板，该显示面板包括可操作以发光以显示图像的发光显示像素；顶部透明层，形成于显示面板上方，作为用户触摸操作的界面，和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，供用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器，与显示像素空间交错，以接收由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，以检测指纹。该设备还包括位于不同位置处的额外照明光源，以产生不同的照明探测光束，从而在不同的照明方向上照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域。每个额外照明光源被构造为产生光谱范围内的探测光，人的手指组织相对于该光谱范围内的探测光呈现光学透射，以使得每个照明探测光束中的探测光进入该顶部透明层上指定指纹感测区域上方的用户手指，从而通过该手指内组织的散射而产生散射探测光，该散射探测光朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息，其由该手指的脊和谷的内部组织的透射形成。探测照明控制电路被耦合以控制该额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时间生成该不同照明探测光束，一次生成一束光束，使得位于该显示面板下方的该光学传感器模块可操作以依次检测来自该不同照明探测光束的该散射探测光，从而采集(1)该指纹图案信息，以及(2)分别与该不同照明方向相关联的该不同指纹形貌信息。
图21B示出了引导第一照明探测光束，以在第一照明方向上照亮顶部透明层上方的指定指纹感测区域并进入指定指纹感测区域上方的用户手指，从而通过手指内组织的散射而产生第一散射探测光，该第一散射探测光通过透过该手指的脊和谷的内部组织而朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(1)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，第一指纹形貌图案与在第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第一二维透射图案内。在第一照明探测光束的照明下，光学传感器被操作以检测穿过顶部透明层和显示面板并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，引导第二照明探测光束，同时关闭该第一照明探测光源，以在第二不同照明方向上照亮该顶部透明层上方的指定指纹感测区域并进入用户手指，从而通过手指内组织的散射而产生第二散射探测光，该第二散射探测光通过透过该手指的脊和谷的内部组织而朝向该顶部透明层传播并穿过该顶部透明层，以携带(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，其与在所述第二照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在在该第二二维透射图案内。由于第一和第二照明探测光束具有不同的光束方向，所以第二形貌图案与第一形貌图案不同。参见图5C和图5D。在第二照明探测光束的照明下，光学传感器被操作以检测穿过顶部透明层和显示面板并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。
随后，根据第一和第二透射图案，构造检测到的指纹图案，并对第一和第二指纹形貌图案进行处理，以确定检测到的指纹图案是否来自自然手指。
当提供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到来自OLED显示光的光功率限制。这种额外照明光源可以被设计成为光学感测提供足够照明，以提高光学检测信噪比，抵消环境光影响。在一些实现方式中，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，在确定检测到的手指是否是活体手指时，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和近红外LED可以用作额外光源，以同样辅助活体手指检测，其中手指组织强烈地吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近红外光照亮整个手指，使得手指图像亮度显得更加均匀。再如，如图5A至图5D所释，基于探测照明光光学透过与外部手指脊和谷相关联的内部组织而得到的光学透射图案，额外照明光源可用于提供光学指纹感测。
在一些实现方式中，将针孔-透镜组件用作与OLED彩色像素空间交错的光学传感器中的每个光学传感器的光学准直结构可以增强光学成像。图22A和图22B示出了使用针孔-透镜组件分别作为图15、图16或图17中的光学准直结构411C、417C或419C的两个示例。在图22A中，示出的光学准直器结构包括微透镜2210和针孔2220，微透镜2210和针孔2220沿着微透镜2210的光轴彼此对齐，作为透镜-针孔准直结构，放置在与一个具有不同OLED像素的OLED彩色像素相关联的光电检测器(PD)上方。到达光电检测器的入射光进入微透镜2210并穿过针孔2220到达下面的PD。提供针孔支撑件2230以支撑针孔结构，例如，形成有针孔2220一样的中心孔的不透明膜或层。在图22A示出的示例中，透镜2210是半球微透镜，其顶部球形表面面向显示面板上方的顶部玻璃，以接收来自顶部玻璃的入射光，用于光学感测指纹。半球微透镜2210具有底部圆形平坦表面，针孔2220位于底部圆形平坦表面的中心或附近。这种特定的透镜-针孔组件能够实现宽视野和大入射孔以接收入射光，并将接收到的入射光聚焦到微透镜2210的底部圆形平坦表面的中心区域。针孔2220提供空间孔口以限制透镜-针孔组件的有效数值孔径(numerical aperture，NA)，从而减少两个相邻的OLED彩色像素的相邻光学传感器之间的光学串扰。针孔2220的尺寸可以设置得足够小，以使得位于中心的小针孔2220可以很大程度地阻挡相邻OLED彩色像素上方的空间的光。
通过在针孔2220与下面的光电检测器(PD)之间包括至少一个以上的针孔，可以进一步增强上述将针孔用于(1)限制有效NA，以及(2)减少与一个或多个相邻区域或OLED彩色像素的光学串扰的用途。图22B示出了这种设计的一个示例，其中第二针孔220形成在第一针孔2220和光电检测器之间。通过第二针孔220，可以进一步空间过滤由透镜2210接收并穿过位于透镜2210底部的第一针孔2220的、具有大入射角的入射光或其他杂散光，从而阻止这些光到达光电检测器PD。沿着入射光到光电检测器PD的光路的两个不同位置处的两个针孔2220和2240的这种组合减少了光学感测中的光学串扰和不期望的杂散光，同时仍允许微透镜2210在收集入射光时以足够大的NA进行操作，以在光电检测器PD处实现高成像分辨率。在一些实现方式中，可以提供第二针孔支撑结构2242，以提供用于形成第二针孔2240的结构。
图23A和图23B示出了使用透镜-针孔组件的其他示例。在图23A中，微透镜2210和针孔220的空间位置与图22A和图22B中的空间位置不同：针孔2220被放置在微透镜2210上方以收集入射光，使得所收集的光被引导通过下面的微透镜2210。这种针孔-透镜准直结构通过将针孔2220布置为准直结构的输入而提供了较大的孔径，同时微透镜2210将收集的光聚焦到PD上。透镜2210可以是半球微透镜，其顶部球形表面与针孔2220相接并接收来自顶部玻璃的入射光，以对指纹进行光学感测。在图23B中，半球微透镜2210被定向为放置其圆形平坦表面以与针孔2220相接，并接收来自顶部玻璃的入射光，用于光学感测指纹。由于针孔2220位于微透镜2210的平坦表面的中心区域，因此该布置在减小由微透镜2210的成像操作引起的光学失真方面可以是有利的。
在一些实现方式中，图22A和图22B中所示的不同准直结构被布置为分别对齐与OLED彩色像素交错的不同光学检测器，每个光学检测器对应一个准直结构。在图15中，针孔-透镜准直结构或透镜-针孔准直结构用于在层403中或在层403上方但在顶层401下方实现准直器411C。在图16中，针孔-透镜准直结构或透镜-针孔准直结构用于在层407中或在层407上方但在OLED层403下方实现准直器417C。在图17中，针孔-透镜准直结构或透镜-针孔准直结构用于在层421中或在层421上方但在层407下方实现准直器419C。
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。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或按照任何适当的子组合实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
同样，虽然在附图中以特定次序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定次序或顺序执行，或者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单独的系统部件不应理解为在所有实施例中需要这种分离。
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来做出其他实现、增强和变化。

Claims (22)

1.一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：
显示面板，包括发光显示像素，所述发光显示像素可操作以发射光，用于显示图像；
顶部透明层，形成于所述显示面板上方，作为用户触摸操作的界面和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覆盖在所述显示面板上的光学感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；
光学检测器，空间分布在整个所述发光显示像素上并与所述发光显示像素空间交错，以在整个所述显示面板上提供光学感测，每个光学检测器可操作以将携带所述用户的指纹图案的一部分的接收光转换为检测器信号，所述光学检测器的多个检测器信号共同表示所述指纹图案；以及
光学准直结构，呈空间分布使得每个光学准直结构耦合到相应的光学检测器，以在空间上选择将由所述光学检测器检测的入射光。
2.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学检测器和所述发光显示像素形成在所述显示面板的同一层中。
3.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学检测器和所述发光显示像素形成在所述显示面板的两个不同层中。
4.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学检测器和所述发光显示像素形成在所述显示面板的同一层中，并且
所述光学检测器形成在薄膜晶体管层中。
5.如权利要求1中所述的设备，其中：
每个光学准直结构包括一个透镜。
6.如权利要求1中所述的设备，其中：
每个光学准直结构包括一个针孔。
7.如权利要求1中所述的设备，其中：
每个光学准直结构包括透镜和构造为包括针孔的针孔层的组合。
8.如权利要求7中所述的设备，其中：
所述透镜被放置以接收来自形成在所述显示面板上方的所述顶部透明层的入射光；和
所述针孔被定位在所述透镜和相应的光学检测器之间。
9.如权利要求8中所述的设备，还包括：
第二针孔层，构造为支撑第二针孔，
其中，所述第二针孔位于所述针孔和相应的光学检测器之间，以提供对透过所述针孔的光的附加空间过滤。
10.如权利要求1中所述的设备，还包括：
一个或多个光学滤波器，以阻挡或减少一定量的环境光进入光学传感器。
11.如权利要求10中所述的设备，其中：
所述一个或多个光学滤波器被设计为滤除红外光。
12.如权利要求10中所述的设备，其中：
所述一个或多个光学滤波器被设计为滤除UV光。
13.一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：
显示面板，包括发光显示像素，所述发光显示像素可操作以发射光，用于显示图像；
顶部透明层，形成于所述显示面板上方，作为用户触摸操作的界面和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覆盖在所述显示面板上的感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；
光学检测器，空间分布在整个所述发光显示像素上并与所述发光显示像素空间交错，以在整个所述显示面板上提供光学感测，每个光学检测器可操作以将携带所述用户的指纹图案的一部分的接收光转换为检测器信号，所述光学检测器的多个检测器信号共同表示所述指纹图案；以及
一个或多个额外照明光源，与所述显示面板分开，用于提供所述顶部透明层处的照明，以照亮手指进行指纹感测。
14.如权利要求13中所述的设备，其中：
所述光学检测器和所述发光显示像素形成在所述显示面板的同一层中。
15.如权利要求14中所述的设备，还包括薄膜晶体管层，其中所述同一层位于所述两个透明层和所述薄膜晶体管层之间。
16.如权利要求13中所述的设备，其中：
所述光学检测器和所述发光显示像素形成在所述显示面板的两个不同层中。
17.如权利要求16中所述的设备，其中：
所述光学检测器形成在薄膜晶体管层中。
18.如权利要求16中所述的设备，还包括：
薄膜晶体管层，所述薄膜晶体管层将用于所述光学检测器和所述发光显示像素的两个不同层分离。
19.如权利要求13中所述的设备，包括：
控制器，控制所述一个或多个额外照明光源以提供用于光学感测的照明，而无需开启所述显示面板中的发光显示像素。
20.如权利要求13中所述的设备，其中：
每个额外照明光源以不同探测波长发射探测光；以及
所述设备包括控制器，所述控制器处理光学传感器模块通过感测所述不同探测波长的探测光而得到的光学检测器信号，以确定检测到的指纹是否来自活体手指。
21.如权利要求13中所述的设备，其中：
所述一个或多个额外照明光源包括位于所述显示面板外不同位置处的不同额外照明光源，用于产生不同照明探测光束，从而以不同照明方向照亮所述顶部透明层，每个额外照明光源被构造为产生光谱范围内的探测光，人的手指组织相对于所述光谱范围内的探测光呈现光学透射，以使得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指纹感测区域上方的用户手指，从而通过所述手指内组织的散射而产生散射探测光，所述散射探测光朝向所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层，以携带(1)指纹图案信息，以及(2)分别与所述不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息，其由所述手指的脊和谷的内部组织的透射形成；以及
探测照明控制电路，被耦合以控制所述额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时间生成所述不同照明探测光束，一次生成一束光束，使得所述光学传感器可操作以依次检测来自所述不同照明探测光束的所述散射探测光，从而采集(1)所述指纹图案信息，以及(2)分别与所述不同照明方向相关联的所述不同指纹形貌信息。
22.如权利要求13中所述的设备，其中：
相邻的发光显示像素被布置为发射不同颜色的光，并且被分组以形成不同的发光显示彩色像素组；以及
所述光学检测器空间分布在所述不同的发光显示彩色像素组中，使得每个发光显示彩色像素组包括一个光学检测器。
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