CN111602074B - 用于液晶模块的集成式增强漫射器面板和液晶模块 - Google Patents

Abstract

为在电子设备中集成的液晶模块(1720)提供了光学增强漫射器面板(2600,2700)。增强漫射器面板(2600,2700)可以用于在具有集成式光学指纹传感器(1760)的电子设备中进行背光增强和漫射。增强漫射器面板(2600,2700)包括膜层(2620,2660,2720,2760)，该膜层对在一个方向上，例如，朝向显示面板，穿过的光进行折射和漫射，同时为在相反方向上，例如，朝向屏下光学传感器(1760)，穿过的光提供透明的观察窗(2655)。膜层(2620,2660)可以提供背光增强和漫射，而不会模糊用于光学感测的反射探测光。

Description

用于液晶模块的集成式增强漫射器面板和液晶模块

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年8月8日提交的申请号为16/535,092的美国非临时专利申请的权益，以及于2019年7月23日提交的申请号为62/877,692的美国专利临时申请的权益，其内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及液晶显示器，并且更具体地，涉及用于具有屏下光学指纹传感器的液晶显示器的亮度增强膜和漫射器膜，例如，在移动设备、可穿戴设备和其他计算设备的显示面板布置内集成的光学指纹传感器。

背景技术

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

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

指纹可用于认证用户，以访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统，也可以用作单独的认证方法或与诸如密码认证方法等的一种或多种其他认证方法结合使用。例如，包括诸如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等便携式或移动计算设备的电子设备和游戏系统可以利用用户认证机制，以保护个人数据并防止未经授权的访问。又如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统应该被保护为仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。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实质上可以是个人信息，例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，或是组织或企业专用的机密信息，例如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则这些数据可能会被其他人访问，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，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。

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

包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以通过生物特征标识符的一种或多种形式来利用用户认证，以保护个人或其他机密数据并防止未经授权的访问。生物特征标识符可以单独使用或与密码认证方法结合使用以提供用户认证。生物特征标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。

发明内容

实施例为在电子设备中集成的液晶模块提供了改进的光学增强漫射器面板。例如，增强漫射器面板可以用于在具有集成式光学指纹传感器的电子设备中进行背光增强和漫射。增强漫射器面板包括膜层，该膜层对在一个方向上(例如，朝向显示面板)穿过的光进行折射和漫射，同时为在相反方向上(例如，朝向屏下光学传感器)穿过的光提供透明的观察窗。例如，膜层可以提供背光增强和漫射，而不会模糊用于光学感测的反射探测光。

附图说明

本文提及并构成本文一部分的附图示出了本公开的实施例。附图连同说明书一起用于解释本发明的原理。

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

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

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

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

图5A-5C示出了根据一些实施例的两种不同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，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。

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

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

图12是示出了根据一些实施例的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影响的示例性操作的流程图。

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

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

图17A和17B分别示出了根据各种实施例的示意性便携式电子设备，以及用于这种便携式电子设备的示意性显示模块的横截面。

图18A-18D示出了常规增强层的示意性部分的视图。

图19A-19C示出了根据各种实施例的新型梯形脊增强层的示意性部分的视图。

图20A-20C示出了根据各种实施例的新型梯形谷增强层的示意性部分的视图。

图21A-21C示出了根据各种实施例的新型梯形谷增强层的示意性部分的视图。

图22A-22E示出了根据各种实施例的新型锯齿形脊增强层的示意性部分的视图。

图23A-23C示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(trapezoidal-ridge-trapezoidal-valley，TRTV)的锯齿形脊增强层的示意性部分的视图。

图24示出了根据一些实施例的表示用于产生平坦的脊的另一种技术的增强层的一部分的另一实施例。

图25A和25B示出了漫射器板的常规实现方式。

图26A-26D示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(TRTV)的增强/漫射器层的示意性部分的视图。

图27A-27C示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(TRTV)的锯齿形脊增强/漫射器层的示意性部分的视图。

在所附附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各种组件可以通过在附图标记之后跟有区分相似组件的第二标记来区分。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述可应用于具有相同第一附图标记的相似组件中的任何一个组件，而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

在以下描述中，提供了许多特定细节以透彻理解本发明。然而，本领域技术人员应理解，本发明可以在没有这些细节中的一个或多个的情况下实现。在其他示例中，出于简洁的目的，对本领域中已知的特征和技术不进行描述。

电子设备或系统可以配备有指纹认证机制，以提高访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备，还包括更大的电子设备或系统，例如便携式或桌面式的个人计算机、自动柜员机(automatic teller machine，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、飞机和其他等的机动运输系统。

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买的安全金融交易。期望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最小化或消除。由于电容式感测的近场交互要求，电容式指纹传感器的许多实现方式必须在设备的顶表面上实现。

光学感测模块可被设计为减轻电容式指纹传感器中的上述和其他限制，并实现附加的技术优势。例如，在实现光学指纹感测设备时，携带指纹成像信息的光可以在一定距离上被引导到光学检测器的光学检测器阵列进行指纹检测，而不限于电容式传感器中的近场感测。具体地，携带指纹成像信息的光可以被引导透过诸如触摸感测屏的许多显示屏中常用的顶部盖板玻璃和其他结构，并且可以被引导通过折叠或复杂的光学路径到达光学检测器阵列，从而允许将光学指纹传感器灵活地放置在不适用于电容式指纹传感器的设备中。基于本文公开的技术的光学指纹传感器模块可以是屏下光学指纹传感器模块，其放置在显示屏下方以采集和检测来自放置在屏幕的顶部感测表面上或上方的手指的光。如本文所公开的，除了检测和感测指纹图案之外，光学感测还可以用于光学地检测与用户或用户动作相关联的其他参数，例如检测到的指纹是否来自活人的手指以提供反欺骗机制，或光学地检测用户的某些生物参数。

I、屏下光学感测模块概述。

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

为了被用户看到，由显示屏产生的用于显示图像的光的一部分必然穿过该显示屏的顶表面。与顶表面接触或靠近顶表面的手指与光在顶表面处交互，以使触摸表面区域处的反射光或散射光携带手指的空间图像信息。这种携带手指的空间图像信息的反射光或散射光返回到顶表面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，例如，顶表面是接触用户的触摸感测界面，并且用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且未在各种触摸感测设备中使用。在具有触摸感测显示器和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器通常是与显示屏分离的设备，要么被设置在显示屏的同一表面上的除显示屏区域之外的位置处，例如在苹果iPhone和三星智能手机的一些型号中，要么被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌等智能手机的一些型号中，以避免占用正面上用于设置大显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，从而需要紧凑以节省显示屏和其他功能的空间，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，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)的采集指纹图像时的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域，所以用于设计指纹传感器的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。

本公开中描述的传感器技术和传感器技术的实现方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块。在一些实现方式中，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，进而执行基于这种光的光学感测的一种或多种感测操作，或者在其他实现方式中，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自一个或多个指定的照明光源、与用于光学感测的显示光分离的用于光学感测的指定的照明或探测光，或者在某些实现方式中，该光学指纹传感器模块至少部分地使用用于光学感测的背景光。

在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测模块集成到LCD屏的示例中，LCD下光学传感器可以用来检测用于在LCD屏中显示图像的光的一部分，其中，用于显示屏的光的这一部分可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实现方式中，基于背光的LCD屏的图像光在遇到用户手指或手掌、或像触笔的用户指针设备等对象时，可以作为返回光而反射或散射回LCD显示屏中。可以采集这种返回的光，以使用所公开的光学传感器技术来执行一种或多种光学感测操作。由于使用来自LCD屏的光进行光学感测，基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块被专门设计为集成到LCD显示屏，其中，该集成的方式保留LCD显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强诸如智能手机、平板电脑或移动/可穿戴式设备等电子设备或系统的整体功能、设备集成度和用户体验。

另外，在所公开的光学感测技术的各种实现方式中，可以设置一个或多个指定的探测光源，以产生用于LCD屏下光学感测模块进行光学感测操作的附加照明探测光。在这种应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光共同形成用于光学感测操作的照明光。

关于除指纹检测以外的附加的光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，鉴于整个LCD显示屏上可用的大触摸区域，所公开的光学传感器技术能够测量人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的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关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制，以通过“活体手指”检测机制检测采集的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该“活体手指”检测机制可以基于例如血液在不同光学波长下的不同光学吸收行为，事实上，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相连的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的从手指或手掌返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的对象中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的肯定判断的结合来增强访问控制。再如，光学指纹传感器模块可以包括感测功能，该感测功能用于基于来自手指或手掌的返回光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学指纹传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。

针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学指纹传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以进行与LCD显示屏上的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。基于此，光学指纹传感器模块可以被设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指造成的返回光，而由其他物体造成的返回光不会被光学指纹传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会唤醒设备，以实现节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学指纹传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏的唤醒电路操作，其中，通过关闭LCD像素(以及关闭LCD背光)使其处于“睡眠”模式，同时开启用于LCD面板下光学指纹传感器模块的一个或多个照明光源(例如LED)使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感测人的手指或手掌的任何触摸。在这种设计下，光学指纹传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，使得光学指纹传感器模块能够检测LCD显示屏上手指触摸所造成的这种唤醒感测光的返回光，并且一旦检测到返回光，LCD背光和LCD显示屏即被开启或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会体验到任何视觉上的闪光。可以控制LCD显示屏操作以通过消除背景光来为指纹的光学感测提供改进的指纹感测。在一个实现方式中，例如，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与显示相关的指纹信号，其中当LCD显示屏开启时生成一帧指纹信号，而当LCD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环境背景光的影响。在一些实现方式中，可以通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，来减少指纹感测中的背景光噪声。

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

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

例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有手机组件设计，像某些苹果iPhone或三星Galaxy智能手机，这种现有手机组件设计可以集成如本文所公开的屏下光学指纹传感器模块而不改变触摸感测显示屏组件，以提供增加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要单独的指定感测区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏区域外的前置指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些型号中的一些智能手机，在背面具有指定的后置指纹传感器，本文所公开的屏上指纹感测的集成不需要对现有手机组件设计或具有触摸感测层和显示层的触摸感测显示模块进行实质的改变。基于本文件中所公开的光学感测技术，不需要在设备外部设置用于添加所公开的用于指纹感测的光学指纹传感器模块的外部感测端口和外部硬件按钮。添加的光学指纹传感器模块和相关电路位于手机外壳内的显示屏下方，并且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。

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

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

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

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

II、屏下光学感测模块的设计示例

如本文所述，实施例提供了用于集成在屏下光学感测模块中亮度增强膜和漫射器膜的实现方式(包括一些具有集成式亮度增强和漫射器结构的膜)，该光学感测模块包括屏下光学指纹模块。为了增加清晰度和情景，描述了用于屏下光学指纹传感器模块的各种设计的示例，该屏下光学指纹传感器模块用于将光学信号收集到光学检测器并提供期望的光学成像，例如足够的成像分辨率。以下专利文件中进一步描述了屏下光学指纹感测实现方式的这些和其他实施例，在此通过引用将其整体并入本文：申请号为15/616,856的美国专利申请；申请号为15/421,249的美国专利申请；申请号为16/190,138的美国专利申请；申请号为16/190,141的美国专利申请；申请号为16/246,549的美国专利申请；以及申请号为16/427,269的美国专利申请。

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，系统180可以实现为包括基于本文件中所公开的指纹的光学感测的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186，数字处理器186可以包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案，并确定输入的指纹图案是否是授权用户的指纹图案。指纹感测系统180使用指纹传感器181来得到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，用于指纹处理的处理器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得到的客户的指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于肯定识别，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，指纹感测系统180可以拒绝访问。又如，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。又如，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。

作为具体示例，图2A和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指纹传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于光学照亮LCD像素的背光的LCD显示屏或具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏(例如OLED显示屏)来实现。电子设备200可以为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，其可以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的具有显示层的显示屏模块。光学指纹传感器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，以接收和采集来自触摸感测屏模块的顶表面的返回光，并且将该返回光引导且成像到光学感测像素或光电检测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回光中的光学图像转换成像素信号用于进一步处理。光学指纹传感器模块下方是设备电子器件结构，该设备电子器件结构包含用于设备200中的光学指纹传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图2B所示的光学指纹传感器模块的下方的一部分。

在实现方式中，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，接收用户触摸以通过触摸感测屏模块进行触摸感测操作，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。

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

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

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学指纹传感器模块的设备的示例。图3A示出了包含屏下光学指纹传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图3B在左侧示出了具有触摸感测显示器的设备的正面的视图，表示显示屏下部上的指纹感测区域，并且在右侧示出了包含位于设备显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的设备的一部分的透视图。图3B还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。

在图2A-2B和3A-3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些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，一些移动手机设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在此所示的设计中，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3A)，使得该盖板玻璃的顶表面用作移动设备的顶表面，作为连续且完整的玻璃表面，横跨垂直堆叠和垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器。这种用于将光学指纹感测和触摸感应显示屏集成在共同且均匀的表面下的设计示例提供了益处，包括提高了设备集成度，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。

返回参考图2A和2B，所示的用于屏上指纹感测的屏下光学指纹传感器模块可以以各种配置来实现。在一个实现方式中，基于上述设计的设备可以被构造成包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感测操作并且包括：用于形成显示图像的LCD显示面板结构；形成于设备屏幕上方的顶部透明层，作为被用户触摸以进行触摸感测操作、并透射来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及位于显示面板结构下方的光学指纹传感器模块，用于接收从顶部透明层返回的光以检测指纹。

本文公开的这种设备和其他设备还可以被配置为包括各种特征。例如，设备电子控制模块可以包括在该设备中，以在检测到的指纹与授权用户的指纹匹配时准许用户对该设备的访问。此外，光学指纹传感器模块除了用于检测指纹外，还用于通过光学感测来检测不同于指纹的生物特征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活人，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物特征参数指示检测到的指纹来自活人，则设备电子控制模块用于准许用户对该设备的访问。该生物特征参数可以包括，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，并且在指纹感测操作中，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。

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

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

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

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

图4A和4B示出了用于实现图2A和2B中的设计的、位于显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的一个实现方式的示例。图4A和4B中示出的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，顶部透明层431形成于设备屏幕组件423之上，作为被用户触摸以进行触摸感测操作、并透射来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面。在一些实现方式中，顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下方的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分的光学透射，使得来自顶表面的光能够部分地透过LCD显示层到达LCD下光学指纹传感器模块。例如，LCD显示层包括光学上用作孔阵列和光散射物体的电极和布线结构。可以在该LCD显示面板的下方设置设备电路模块435，以控制该设备的操作，并且为用户操作该设备执行功能。

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

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

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

在图4B的示例中，屏下光学指纹传感器模块包括：耦合到该显示面板的透明块701，以接收来自设备组件的顶表面的返回光；以及执行光学成像和成像采集的光学成像块702。在照明光源436定位成引导照明光首先透过顶部盖板玻璃431到达手指的设计中，在来自一个或多个照明光源436的光到达盖板顶表面之后，例如到达用户手指触摸的、或在没有触摸盖板顶表面时用户手指所在的感测区域615处的盖板顶表面后，从盖板顶表面反射或散射回来。当指纹脊与感测区域615中的盖板顶表面接触时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于另一位置处的指纹谷下的光反射，该另一位置处的指纹谷下没有手指的皮肤或组织。该盖板顶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触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导回LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达该光学指纹传感器模块的低折射率光学透明块701的界面。该低折射率光学透明块701的折射率被构造成小于LCD显示面板的折射率，使得可以将返回光从LCD显示面板提取到该光学透明块701中。一旦该返回光在该光学透明块701内被接收，这种接收到的光进入作为成像感测块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造成了指纹图像的对比。如图4B所示，控制电路704(例如，微控制器或MCU)耦合到成像感测块702和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。

在该特定的示例中，光学光路设计被构造为使得照明光在基板和空气界面之间的顶表面上的全反射角内进入盖板顶表面，因此，反射光被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，由于手指组织不触摸顶部盖板玻璃431的顶部盖板表面的每个手指谷位置处的全内反射条件，指纹脊/谷区域的图像呈现最大对比度。这种成像系统的一些实现方式可能具有会对指纹感测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谐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(如太阳光或室内照明光)可以通过LCD面板顶表面进而通过LCD显示组件433中的孔进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，因此可能不期望降低采集的图像的对比度。可以使用不同的方法来减少这种由背景光所引起的不期望的基线强度。一个示例是以一定的照明调制频率f开启和关闭照明光源436，相应地，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器以相同照明调制频率获取接收到的图像。在这种操作下，图像相位中只有一个包含来自光源的光。在实现该技术时，可以对成像采集进行定时，以利用在偶数(或奇数)帧处开启照明光，同时在奇数(或偶数)帧处关闭照明光来采集图像，因此，可以利用偶数帧和奇数帧相减来得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像，并且背景光明显减少。基于这种设计，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号，并且通过在一帧中开启照明光而在另一帧中关闭照明光来得到两个连续的信号帧。相邻帧相减可用于将环境的背景光影响最小化或基本消除。在实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。

在图4B所示的示例中，来自一个或多个照明光源436的光的一部分还可以穿过盖板顶表面，并进入手指组织。这部分的照明光被散射在周围，并且该散射光中的一部分可以最终被光学成像块702中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度是与手指的内部组织交互的结果，因此，其取决于手指的肤色、手指组织中的血液浓度或内部的手指组织。手指的这种信息由手指上的这种散射光携带，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，用户手指图像的区域的强度可以在检测时集成，以测量或观察与用户心跳的相位相关联的或取决于用户心跳的相位的血液浓度的增加或减少。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，以确定用户的手指是活体手指，还是提供具备伪造的指纹图案的欺骗设备。在本专利文件的后面部分中，提供了使用携带关于手指的内部组织的信息的光中的信息的附加示例。

在一些设计中，图4B中的一个或多个照明光源436可以被设计成发出不同颜色或波长的照明光，并且光学指纹传感器模块可以采集不同颜色或波长下来自人的手指的返回光。通过记录不同颜色或波长下返回光的相应的测量强度，可以测量或确定与用户的肤色、血流或手指内的内部组织结构相关联的信息。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器可以被操作为测量与光颜色A和光颜色B相关联的两种不同颜色或照明光波长下来自手指的散射光的强度，分别为强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与用户的手指放在顶部感测表面上的感测区域上测量指纹时得到的后续测量值进行比较。该方法可以用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝用模拟或与用户的指纹相同但可能与用户的肤色或用户的其他生物信息不匹配的指纹伪造的欺骗设备。

一个或多个照明光源436可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如MCU)控制。该一个或多个照明光源436可以在短时间内(例如，以低占空比)脉冲，以间歇性地发光并为图像感测提供脉冲光。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监测光图案。如果在屏幕上有人类手指触摸感测区域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，MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，开启一个或多个照明光源436以执行光学指纹感测，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配，则智能手机解锁手机，以允许用户访问手机并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，则智能手机向用户产生反馈该认证失败，并保持手机的锁定状态。用户可以尝试再次进行指纹感测，或者可以输入密码作为解锁手机的另一方式。

在图4A和4B所示的示例中，屏下光学指纹传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶表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。对于所示示例，图4B中示出了从感测区615至块702中光电检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，以实现合适的成像进行光学指纹感测。由于该成像过程中的光学失真，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。

在本文公开的由图4A和4B中的屏下光学指纹传感器模块和其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学指纹传感器模块的光学信号包括不同的光分量。

图5A-5C示出了不同光学条件下来自感测区615的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。从照明光源或从其他光源(例如，背景光)进入手指的光可以在手指表面下方的组织中产生内部散射光，例如图5A-5C中的散射光191。这种在手指表面下方的组织中的内部散射光可以通过手指的内部组织传播，并随后透过手指皮肤进入顶部透明层431，携带不由手指表面散射、折射或反射的光携带的某些信息，例如，关于手指肤色、血液浓度或手指内的血流特征的信息，或者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，和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

图5A示出了来自一个或多个照明光源436的照明光如何在透过顶部透明层431后通过OLED显示模块433传输并生成不同返回光信号的示例，该返回光信号包括将指纹图案信息携带至屏下光学指纹传感器模块的光信号。简单起见，两个不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而在与顶部透明层431接合处不经历全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指60与顶部透明层431上的感测区615接触。如图所示，照明光束80在透过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183并生成另一光束181返回至LCD显示模块433。照明光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面返回到LCD显示模块433的反射光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷反射的第三光束187。

在图5A的示例中，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。手指脊-盖板玻璃界面反射光束80的一部分，作为到LCD显示模块433下方的底层524的反射光181。在一些LCD面板中，反射率可能很低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为透入手指组织60中的光束183，手指组织60造成光183的散射，产生向LCD显示模块433和底层524的返回的散射光191。来自LCD像素73的透射光束189在手指组织中的散射也对返回的散射光191有影响。

手指皮肤谷位置63处的光束82被盖板玻璃表面反射。在一些设计中，例如，反射率可以约为3.5％，作为到底层524的反射光185，并且手指谷表面可以反射入射光能量(光187)的约3.3％至底层524，使得总反射率约为6.8％。大部分光189透射至手指组织60中。手指组织中透射光189中的光能量中的一部分被组织散射，以影响朝向并进入底层524中的散射光191。

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

图5B和5C示出了不同条件下和在相对于手指的谷或脊的不同位置处，顶表面处的两种附加类型的照明光线的光学路径，包括全反射条件下与顶部透明层431交界处的光学路径。图示的照明光线生成不同的返回光信号，其包括将指纹图案信息携带至屏下光学指纹传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何空气间隙，使得对盖板玻璃431具有大入射角的照明光在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、5B和5C示出了三组不同的发散光束的示例：(1)中心光束82，对盖板玻璃431具有小入射角且没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201，202，211，212，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，可耦合到手指组织中(图5B和5C)，以及(3)具有很大入射角的逃逸光束，在盖板玻璃431甚至手指组织接触的位置处被全反射。

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

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

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，则盖板玻璃表面分别反射几乎100％的光至光束205和206。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光能量耦合到手指组织60中。

如图5A所示，耦合到手指组织60中的照明光的一部分通常通过内部手指组织经历随机散射，以形成低对比度光191，并且这种低对比度光191中的一部分可以穿过LCD显示模块433到达光学指纹传感器模块。由光学指纹传感器模块采集的这部分光包含关于手指肤色、血液特征和与指纹相关联的手指内部组织结构的附加信息。本专利文件的后面部分中将解释，在光学感测时使用手指表面下方的组织中的内部散射的光的附加特征，例如，获得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，和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。因此，在高对比度光束照亮的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。

基于图2A和2B中示出的设计，所公开的屏下光学感测技术可以以各种配置来光学地采集指纹。例如，可以以各种配置来实现图4B中基于使用光学感测模块中的体成像模块进行光学成像的具体实现方式。

图6A-6C示出了基于通过透镜进行光学成像的屏下光学指纹传感器模块的示例，用于采集按压在显示器盖板玻璃423上的手指445的指纹。图6C是图6B所示的光学指纹传感器模块部分的放大视图。如图6B所示的屏下光学指纹传感器模块位于LCD显示模块433下方，该屏下光学指纹传感器模块包括与LCD显示模块433的底面接合的光学透明垫片617，以接收来自顶部透明层431的顶表面上的感测区615的返回光，该屏下光学指纹传感器模块还包括位于垫片617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，成像透镜621将接收到的来自感测区615的返回光成像在光电检测器阵列623上。与图4B示出的没有透镜的光学投射成像系统的示例不同，图6B中的成像设计的示例使用成像透镜621在光电检测器阵列623处采集指纹图像，并且通过成像透镜621的设计使图像缩小。在一定程度上类似于图4B示例中的成像系统，图6B中用于光学指纹传感器模块的成像系统可能经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如，对图4B中系统所描述的失真校正方法。

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

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

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

图7示出了用于图6A-6C中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的进一步设计考虑的示例，该进一步设计考虑通过使用特殊的垫片618代替图6B-6C中的垫片617，以增加感测区域615的尺寸。垫片618被设计为具有宽度Ws，厚度为Hs，具有低折射率(refraction index，RI)ns，并且，垫片618位于LCD显示模块433下，例如，被附接(如粘合)到LCD显示模块433的底面。垫片618的端面是与微透镜621接合的成角度的或倾斜的面。垫片和透镜的这种相对位置不同于图6B-6C中透镜位于垫片617的下方。微透镜621和光电二极管阵列623被组装到具有检测角宽度为θ的光学检测模块中。由于在垫片618和显示模块433之间的界面处的光学折射以及在盖板玻璃431和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角

和

是由部件材料的折射率RI、ns、nc和na决定的。

如果nc大于ns，则

大于

由此，折射增大了感测宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效折射率RI在550nm处约为1.44，并且盖板玻璃的折射率RI约为1.51，如果盖板玻璃顶表面没有被触摸，则全反射入射角估计约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶表面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。如果垫片618是由与盖板玻璃相同的材料制成，则从检测模块中心至盖板玻璃顶表面的距离为2mm，如果检测角宽度为θ＝31.9°，则有效感测区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角为

如果特殊垫片618的材料具有约为1.4的折射率ns且Hs为1.2mm，则检测模块在

处倾斜。有效感测区域宽度被增加到大于6.5mm。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角宽度被降低到19°。因此，光学指纹传感器模块的成像系统可以设计为期望扩大顶部透明层431上的感测区域615的尺寸。

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

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

图8A-8B示出了用于图7中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的进一步设计考虑的示例，在该设计中，设置光电检测器阵列在显示屏表面中相对的检测角θ’以及透镜621和垫片618之间的距离L。图8A示出了沿着垂直于显示屏表面的方向的横截面视图，图8B示出了从显示屏底部或顶部看到的设备的视图。填充材料618c可以用于填充透镜621和光电检测器阵列623之间的间隔。例如，填充材料618c可以是与特殊垫片618相同的材料或者是另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气间隔。

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

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

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

在一些屏下光学指纹传感器模块设计(例如，图6A-6C、7、8A、8B、9、10A和10B所示的那些屏下光学指纹传感器模块设计)中，顶部透明表面上的感测区域615不垂直或正交于光学指纹传感器模块的检测轴625，使得感测区域的图像平面也不垂直或正交于检测轴625。因此，光电检测器阵列623的平面相对于检测轴625可以是倾斜的，以在光电检测器阵列623处实现高质量成像。

图11A-11C示出了这种倾斜的三个示例配置。图11A示出了感测区域615a倾斜且不垂直于检测轴625。图11B中，感测区域615b对准在检测轴625上，使得其图像平面也会位于检测轴625上。实践中，可以部分地切除透镜621以简化封装。在各种实现方式中，微透镜621也可以是透射型或反射型透镜。例如，图11C中示出了特定的途径。感测区域615c由成像镜621a成像。光电二极管阵列623b对齐以检测信号。

在使用透镜621的上述设计中，透镜621可以被设计为具有有效孔径，该有效孔径大于LCD显示层中的孔的孔径，后者允许光透过LCD显示模块来进行光学指纹感测。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射物体的所造成不期望的影响。

图12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执行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启用于光学指纹感测的照明光源，以照亮手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭照明。可以在图像处理中进行帧A的信号与帧B的信号的相减，以减少不期望的背景光影响。

还可以通过在光路中提供合适的光学滤波来减少指纹感测中不期望的背景光。可以使用一个或多个光学滤波器来过滤环境光波长，例如，近红外IR和部分红光等。在一些实现方式中，这种光学滤波器涂层可以制作在光学组件的表面上，包括显示器底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于580nm的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学滤波涂层可以设计为过滤波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感测中光学检测的不期望的影响。

图13示出了用于校正光学指纹传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。步骤1301处，一个或多个照明光源被控制并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。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表面的光反射强度。该显示器下的成像传感器采集指纹调制的反射光图案。步骤1303处，对来自图像传感器的信号的解调制与频率F同步，且进行背景过滤。所得的图像减少了背景光影响，并且包括来自像素发射光产生的图像。步骤1304处，处理并校准采集的图像，以校正图像系统失真。步骤1305处，将校正的图像用作人类指纹图像来进行用户认证。

用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照亮手指的散射光，如图5A中的散射回的光191所示。可以集成来自图5A中的散射回的光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，以确定指纹图案之外的其他参数，例如，用户的心率或与外部指纹图案相关联的手指的内部拓扑组织。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将所窃取的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意个体黑客攻击。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，但其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏下光学指纹传感器模块还可以用作光学反欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入对象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。无需使用单独的光学传感器来提供这种光学反欺骗感测功能。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14示出了在血液中被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与如940nm的红外IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以第一可见光波长(颜色A)和诸如红外(IR)波长等的第二不同波长(颜色B)来照亮手指，可以采集输入对象的光学吸收的差异，以确定触摸对象是否为来自活人的手指。用于提供光学感测照明的一个或多个照明光源可以用于发出不同颜色的光，从而发出至少两种不同的光波长的探测光或照明光，以使用血液的不同光学吸收行为来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉压泵送血液在动脉中流动，因此在血液中被监测材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测被监测的材料是活体指纹还是假指纹。

图15示出了来自非活体材料(如假手指或具有仿造指纹图案的欺骗设备)和活体手指的反射光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器来监测活体。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测的材料是否是活体，例如活体指纹。在图15所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图14所示，一个是可见光波长，另一个为红外IR波长。

当非活体材料触摸指纹传感器模块上方的顶部盖板玻璃时，接收到的信号显示了与该非活体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人手指相关联的信号分量。然而，当活人手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号显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，所以该接收到的信号包括明显不同的强度水平。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。图15中，脉冲状信号反映了多次触摸而非血液脉动。类似的利用非活体材料的多次触摸不会显示由活体手指引起的差异。

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

在LCD显示器中，LCD背光照明光为白光，从而包含可见光谱范围和红外IR光谱范围的光，以在光学指纹传感器模块处执行上述活体手指检测。LCD显示模块中的LCD滤色器可以用于允许光学指纹传感器模块获得图14和15中的测量结果。另外，可以操作用于产生光学感测的照明光的指定的光源436，以在不同时间发出选定的可见光波长和红外IR波长的探测光，并且两种不同波长的反射探测光由光学检测器阵列623采集，以基于图14和15所示的上述操作来确定触摸对象是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间选定的可见光波长和红外IR波长的反射探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是指纹图像总是通过在不同时间的选定的可见光波长的探测光以及红外IR波长的探测光两者来采集。因此，指纹感测可以在可见光波长和红外IR波长两者下进行。

图16示出了通过操作用于光学感测的一个或多个照明光源以使用两种不同光颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的对象是否是活人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”检测机制检测采集到的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相连的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的从手指或手掌返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的对象中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的肯定判断的结合来增强访问控制。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化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指纹传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。

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

根据本专利文件中所公开的内容，可以进行所公开的光学指纹传感器模块的各种实现方式。例如，显示面板可以构造成：其中的每个像素发光且可以被单独控制；显示面板包括至少部分透明的基板以及实质透明的盖板基板。光学指纹传感器模块位于显示面板下方，用于感测在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学指纹传感器模块可以用于感测从显示面板像素发出的光所形成的图像。光学指纹传感器模块可以包括折射率低于显示面板基板的折射率的透明块，还包括具有成像传感器阵列以及光学成像透镜的成像传感器块。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，从显示面板发出的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光交互，以通过指纹调制光反射图案。显示面板下方的成像感测模块用于感测反射光图案图像，并重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发光像素的调制同步，其中，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。

III、用于屏下光学感测模块的增强膜

如上所述，便携式电子设备的显示屏通常被实现为多层的组件。例如，实现为触摸屏的显示屏可以包括用于输出视频数据的显示层、用于检测触摸事件的电容式触摸屏层和硬顶层等。可以使用附加层来集成屏下光学感测功能，如指纹感测。为了使光到达感测组件，光穿过顶表面和传感器(例如，光电检测器)之间的各种层。为此，这些层被设计为允许光透射，并且一些层可以被设计为增强、弯曲、聚焦、准直、反射和/或以其他方式影响穿过这些层的光透射。

图17A和17B分别示出了根据各种实施例的示意性便携式电子设备1700，以及用于这种便携式电子设备1700的示意性显示模块1710的横截面。便携式电子设备1700被示为智能手机。在其他实现方式中，便携式电子设备1700是笔记本电脑、平板电脑、可穿戴设备或任何其他合适的计算平台。便携式电子设备1700可以包括显示系统423。如上所述，显示系统423可以是触摸感测显示系统423。显示系统423在其中集成有屏下光学传感器。如图所示，屏下光学传感器可以限定感测区域615，在该感测区域615内可以执行光学感测。例如，当用户将手指445放在感测区域615内的显示屏上时，可由屏下光学传感器执行指纹扫描。这种屏下光学传感器可以利用多个层来实现。

图17B的显示模块1710可以是图17A的显示系统423的实现方式。如图所示，显示模块1710包括多个层。顶部盖板层1715(例如玻璃)可以用作用于各种用户接合操作的用户界面表面。例如，盖板层1715能够便于用户进行触摸感测操作，向用户显示图像，并且便于光学感测界面容纳手指以进行光学指纹感测和其他光学感测操作等。在一些实施例中，显示模块1710包括盖板层1715。在其他实现方式中，盖板层1715与显示模块1710分离。例如，显示模块1710作为模块集成到便携式电子设备1700中，并且盖板层1715安装在显示模块1710之上。

显示模块1710的一个或多个其他层形成液晶模块(liquid crystal module，LCM)1720。在LCM 1720下方，显示模块1710包括增强层1725。如本文所述，增强层1725可以包括一层或多层的亮度增强膜，例如包括梯形棱镜结构的增强膜。显示模块1710还可以包括光漫射器1730、导光板1735、反射器膜1740和框架1745中的一些或全部。一些实施例包括附加组件，例如一个或多个显示光源1750以及一个或多个外部光源1760(例如，用于指纹和/或其他光学感测)。

显示光源1750的实现方式可以包括LCD显示背光光源(例如，LED灯)，该LCD显示背光光源为显示模块1710提供白色背光。导光板1735的实现方式包括与显示光源1750光学耦合的波导，用于接收和引导背光。LCM 1720的实现方式包括液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层、触摸感测层等中的一些或全部。光漫射器1730的实现方式包括放置在LCM 1720下方且在导光板1735上方的背光漫射器，用于空间传播用于照亮LCM 1720中的LCD显示像素的背光。反射器膜1740的实现方式为被放置在导光板1735下方，用于将背光再循环至LCM 1720，以提高光利用率和显示亮度。

当(例如感测区域615中的)LCD单元开启时，尽管微结构可能会干扰和/或阻挡某些探测光能，但LCM 1720(例如，LC单元、电极、透明ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)能够变得部分透明。对光漫射器1730、导光板1735、反射器膜1740和框架1745的实施例进行处理，以支撑指纹传感器并提供透明或部分透明的感测光路，使得来自盖板层1715的顶表面的反射光的一部分可以到达屏下光学传感器的感测元件(例如，光电检测器阵列)。屏下光学传感器可以包括任何合适的组件，例如，指纹传感器部件、光电检测器阵列、用于准直并引导反射探测光至光电检测器阵列的光学准直器阵列以及用于接收并调节来自光电检测器阵列的检测器输出信号的光学传感器电路。光电检测器阵列的实施例包括互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)感测像素的CMOS传感器、电荷耦合器件(charge coupled device，CCD)传感器阵列或任何其他合适的光学传感器阵列。

增强层1725的实施例包括一个或多个增强膜。一些常规的增强膜设计包括具有尖锐的棱镜脊和尖锐的棱镜谷轮廓(即，在每个脊处具有尖锐的过渡且在每个谷处具有尖锐的过渡)的棱镜膜。例如，图18A-18C示出了常规增强层1800的示意性部分的视图。图18A示出了常规增强层1800的一小部分的放大视图1810。图18B和18C示出了常规增强层1800的一个增强膜层1820的一小部分的横截面。图18D示出了常规增强层1800的两个增强膜层1820a，1820b的一小部分的横截面，该两个增强膜层1820a，1820b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层1820形成有一系列尖锐的棱镜结构。每个尖锐的棱镜结构包括尖锐的脊1822和尖锐的谷1824。从顶部观察，图18A的放大视图1810示出了图18D的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层1820。如图所示，相交的尖锐棱镜结构形成尖锐脊线1812和尖锐谷线1814的网格，尖锐脊线1812和尖锐谷线1814分别对应于每个尖锐棱镜结构的尖锐的脊1822和尖锐的谷1824。如图18D所示，尖锐的脊1822指向LCM 1720的方向。

这种常规增强层1800通常追求增强导向观看者的光的亮度，例如导向和/或穿过LCM 1720。例如，常规增强层1800追求增强位于LCM 1720后的背光的亮度。如图18B所示，穿过常规增强层1800的棱镜结构的光以不同方向弯曲，如光路1832a和1832b所示。具体地，当光以LCM 1720的方向穿过增强膜层1820时(例如背光)，这种弯曲可能往往是有益的。例如，穿过增强膜层1820的具有大入射角的光可以向LCM 1720弯曲，从而引起亮度增强。如图18C所示，以另一方向(例如根据光路1830)穿过常规增强层1800的光可能往往以造成图像模糊的方式弯曲。在典型的显示应用中，这种模糊是无关紧要的，因为模糊的光是进入设备而不是朝向观看者。然而，在本文所述的屏下光学指纹感测的背景下，这种模糊影响以光学感测组件的方向传输的光，这可能妨碍位于常规增强层1800下方的组件的光学感测。

本文描述的一些实施例通过设计增强膜以提供垂直的观察窗来减轻这种模糊。例如，增强膜被设计为具有梯形棱镜结构，对于该梯形棱镜结构，一些或全部的棱镜结构具有梯形脊和/或梯形谷。增强膜的第一层可以定位为梯形特征，排列为第一队列，并且增强膜的第二层可以定位为梯形特征，排列为第二队列，第二队列与第一队列正交。在这种布置中，正交重叠的增强膜提供了透明(clear)的观察窗。以下进一步描述这种方法的实施例。

图19A-19C示出了根据各种实施例的新型梯形脊增强层1900的示意性部分的视图。梯形脊增强层1900可以是增强层1725的实施例。图19A示出了梯形脊增强层1900的一小部分的放大视图1910。图19B示出了梯形脊增强层1900的一个增强膜层1920的一小部分的横截面。图19C示出了梯形脊增强层1900的两个增强膜层1920a，1920b的一小部分的横截面，该两个增强膜层1920a，1920b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层1920形成有一系列梯形脊棱镜结构。每个梯形脊棱镜结构包括平坦的脊1922和尖锐的谷1924。从顶部观察，图19A的放大视图1910示出了图19C的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层1920。如图所示，相交的梯形脊棱镜结构形成平脊线1912和尖锐谷线1914的网格，平脊线1912和尖锐谷线1914分别对应于每个梯形脊棱镜结构的平坦的脊1922和尖锐的谷1924。在这种布置中，在来自增强膜层1920a的平脊线1912与来自增强膜层1920b的平脊线1912重叠的每个位置处，形成脊对脊透明的观察窗1950。

如图19B所示，穿过梯形脊增强层1900的平坦的脊1922区域的相邻光路以基本相同的方向弯曲，如光路1930b和1930c所示。同理，当两个平坦的脊1922区域重叠时，如在每个脊对脊透明的观察窗1950处，相邻光路继续以基本相同的方向弯曲。进一步地，穿过那些平坦的脊1922区域的光往往以基本相同的方向进入和离开膜层。这样，由屏下光学传感器接收的与这种脊对脊透明的观察窗1950对应的光不会局部失真，而可以被屏下光学传感器可靠使用。例如，可以使用准直器和/或其他组件将来自那些区域的光引导至传感器阵列的特定部分。实际上，穿过脊对脊透明的观察窗1950之外的区域的光(例如光路1930a)仍可以以不同的方式弯曲，从而使与该光相关联的相应数据模糊。正如所期望的，这种光可以被传感器忽略。例如，可以使用遮蔽或其他技术，以在物理上禁止这种光到达传感器组件，和/或可以使用数字相减或其他技术，以在逻辑上禁止这种光到达传感器组件。在一些实施例中，屏·下光学传感器将接收到的来自一些或全部的脊对脊透明的观察窗1950的图像数据汇集(例如，忽略或丢弃其他接收到的图像数据)，并将汇集的图像数据用于光学感测功能(例如，指纹检测)。

图20A-20C示出了根据各种实施例的新型梯形谷增强层2000的示意性部分的视图。梯形谷增强层2000可以是增强层1725的另一实施例。图20A示出了梯形谷增强层2000的一小部分的放大视图2010。图20B示出了梯形谷增强层2000的一个增强膜层2020的一小部分的横截面。图20C示出了梯形谷增强层2000的两个增强膜层2020a，2020b的一小部分的横截面，该两个增强膜层2020a，2020b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层2020形成有一系列梯形谷棱镜结构。每个梯形谷棱镜结构包括尖锐的脊2022和平坦的谷2024。从顶部观察，图20A的放大视图2010示出了图20C的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2020。如图所示，相交的梯形谷棱镜结构形成尖锐脊线2014和平谷线2012的网格，尖锐脊线2014和平谷线2012分别对应于每个梯形谷棱镜结构的尖锐的脊2022和平坦的谷2024。在这种布置中，在来自增强膜层2020a的平谷线2012与来自增强膜层2020b的平谷线2012重叠的每个位置处，形成谷对谷透明的观察窗2050。

如图20B所示，穿过梯形谷增强层2000的平坦的谷2024区域的相邻光路以基本相同的方向弯曲，如光路2030a和2030b所示。进一步地，穿过那些平坦的谷2024区域的光往往以基本相同的方向进入和离开膜层。同理，当两个平坦的谷2024区域重叠时，如在每个谷对谷透明的观察窗2050处，相邻光路继续以基本相同的方向弯曲。这样，由屏下光学传感器接收的与这种谷对谷透明的观察窗2050对应的光不会局部失真，而可以被屏下光学传感器可靠使用。例如，可以使用准直器和/或其他组件将来自那些区域的光引导至传感器阵列的特定部分。实际上，穿过谷对谷透明的观察窗2050之外的区域的光(例如光路1930a)仍可以以不同的方式弯曲，从而使与该光相关联的相应数据模糊。正如所期望的，这种光可以被传感器忽略。例如，可以使用遮蔽或其他技术，以在物理上禁止这种光到达传感器组件，和/或可以使用数字相减或其他技术，以在逻辑上禁止这种光到达传感器组件。在一些实施例中，屏下光学传感器将接收到的来自一些或全部的谷对谷透明的观察窗2050的图像数据汇集(例如，忽略或丢弃其他接收到的图像数据)，并将汇集的图像数据用于光学感测功能(例如，指纹检测)。

图21A-21C示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷增强层2100的示意性部分的视图。梯形脊梯形谷增强层2100可以是增强层1725的实施例。图21A示出了梯形脊梯形谷增强层2100的一小部分的放大视图2110。图21B示出了梯形脊梯形谷增强层2100的一个增强膜层2120的一小部分的横截面。图21C示出了梯形脊梯形谷增强层2100的两个增强膜层2120a，2120b的一小部分的横截面，该两个增强膜层2120a，2120b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层2120形成有一系列梯形脊梯形谷棱镜结构。每个梯形脊梯形谷棱镜结构包括平坦的脊1922和平坦的谷2024。从顶部观察，图21A的放大视图2110示出了图21C的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2120。如图所示，相交的梯形脊梯形谷棱镜结构形成平脊线1912和平谷线2012的网格，平脊线1912和平谷线2012分别对应于每个梯形脊梯形谷棱镜结构的平坦的脊1922和平坦的谷2024。在这种布置中，可以在谷和/或脊的每个相交处形成透明的观察窗。例如，在来自增强膜层2120a的平脊线1912与来自增强膜层2120b的平脊线1912重叠的每个位置处，形成脊对脊透明的观察窗1950，在来自增强膜层2120a的平谷线2012与来自增强膜层2120b的平谷线2012重叠的每个位置处，形成谷对谷透明的观察窗2050，以及在来自增强膜层2120中的一个增强膜层2120的平脊线1912与来自增强膜层2120中的另一个增强膜层2120的平谷线2012重叠的每个位置处，形成脊对谷透明的观察窗2150。

如图21B所示，穿过梯形脊梯形谷增强层2100的平坦的脊1922区域或平坦的谷2024区域的相邻光路以基本相同的方向弯曲，如光路1930b和1930c以及2030a和2030b所示。进一步地，穿过那些平坦的脊1922和平坦的谷2024区域的光往往以基本相同的方向进入和离开膜层。当多个层重叠使得两个平坦的脊1922区域重叠，两个平坦的谷2024区域重叠，或者平坦的脊1922区域与平坦的谷2024区域重叠时，这是可以成立的；使得相邻光路继续以基本相同的方向弯曲穿过多个层。这样，由屏下光学传感器接收的与任何类型的透明的观察窗(即，任何脊对脊透明的观察窗1950、谷对谷透明的观察窗2050和/或脊对谷透明的观察窗2150)对应的光不会局部失真，而可以被屏下光学传感器可靠使用。实际上，穿过透明的观察窗之外的区域的光(例如光路1930a)仍可以以不同的方式弯曲，从而使与该光相关联的相应数据模糊。正如所期望的，这种光可以被传感器忽略。例如，可以使用任何合适的物理和/或逻辑技术，以禁止这种光到达传感器组件。在一些实施例中，屏下光学传感器将接收到的来自一些或全部的透明的观察窗的图像数据汇集(例如，忽略或丢弃其他接收到的图像数据)，并将汇集的图像数据用于光学感测功能(例如，指纹检测)。

图22A-22E示出了根据各种实施例的新型锯齿形脊增强层2200的示意性部分的视图。锯齿形脊增强层2200可以是增强层1725的实施例。图22A示出了锯齿形脊增强层2200的一小部分的放大视图2210。图22B示出了锯齿形脊增强层2200的一个增强膜层2220的一小部分的横截面。图22C示出了锯齿形脊增强层2200的两个增强膜层2220a，2220b的一小部分的横截面，该两个增强膜层2220a，2220b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层2220形成有一系列锯齿形脊棱镜结构。每个锯齿形脊棱镜结构(微棱镜结构)通常由一种横截面限定，该横截面具有与相对于垂直线以倾斜角2226倾斜的一侧相对的一基本垂直侧，形成尖锐的脊2222和尖锐的谷2224。从顶部观察，图22A的放大视图2210示出了图22C的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2220。如图所示，相交的锯齿形脊棱镜结构形成尖锐脊线2212和尖锐谷线2214的网格，尖锐脊线2212和尖锐谷线2214分别对应于每个锯齿形脊棱镜结构的尖锐的脊2222和尖锐的谷2224。这种布置导致俯视图类似于图18的常规增强层1800的俯视图，但提供了与常规增强层1800的特征不同的各种特征。

图22B示出了以LCM 1720的方向例如沿着光路2230穿过增强膜层2220传输的光。跟随光路2230a的光向LCM 1720弯曲，并且跟随光路2230b的光从锯齿型脊棱镜结构中的一个锯齿型脊棱镜结构的垂直表面完全反射，从而也向LCM 1720弯曲。因此，尽管某些光路受锯齿形脊棱镜结构的影响与受常规增强层1800的常规微棱镜结构的影响不同，但是锯齿形脊增强膜层2220仍然提供背光增强特征。

与常规增强层1800不同，锯齿形脊增强膜层2220产生在屏下光学传感器的方向上传输的光的模糊较少。图22D示出了以与LCM 1720相反的方向(例如屏下光学传感器的方向)例如沿着光路2240穿过增强膜层2220传输的光。如图所示，三个对象2250相对于锯齿形脊增强膜层2220位于不同的位置。例如，对象2250是放置在设备的指纹感测区域上的手指的指纹脊或谷，该设备具有设置在LCM 1720和屏下光学指纹传感器之间的锯齿形脊增强膜层2220。来自第一对象2250a的光沿着折射光路2240a传输到检测点“A”2255a(例如，对应于第一电势传感器位置)，并且还沿着反射和折射光路2240b传输到检测点“B”2255b(即，在从一个成角度的棱镜面反射后，穿过垂直的棱镜面，然后从另一个成角度的棱镜面反射)。值得注意的是，检测点2255a和2255b明显分离且可区分，并且沿着光路2240a传输的光可能明显比沿着光路2240b传输的光更亮。相反，来自对象2250c和2250b的光可以(沿着光路2245a和2245b)到达检测点“C”2255c，使得来自对象2250c和2250b的光之间会变模糊。这样，以检测点“C”2255c的方向放置光学传感器可能会导致模糊的成像，而以检测点“A”2255a或检测点“B”2255b的方向放置光学传感器往往会产生清晰的成像。如图22E所示，(如图22C中)在相对于彼此正交取向上堆叠两个锯齿形脊增强膜层2220可以提供清晰的图像光路，例如路径2240a’和2240b’所示。

图23A-23C示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(trapezoidal-ridge-trapezoidal-valley，TRTV)的锯齿形脊增强层2300的示意性部分的视图。TRTV的锯齿形脊增强层2300可以是增强层1725的实施例。虽然图23A-23C示出了具有梯形脊和梯形谷的实施例，但锯齿形脊增强层的其他实施例可以包括仅梯形脊或梯形谷，或任何合适的组合(例如，类似于参照图19A-20C描述的实施例)。图23A示出了TRTV的锯齿形脊增强层2300的一小部分的放大视图2310。图23B示出了TRTV的锯齿形脊增强层2300的一个增强膜层2320的一小部分的横截面。图23C示出了TRTV的锯齿形脊增强层2300的两个增强膜层2320a，2320b的一小部分的横截面，该两个增强膜层2320a，2320b在相对于彼此正交取向上堆叠。

如图所示，每个增强膜层2320形成有一系列TRTV棱镜结构(微棱镜)。每个TRTV棱镜结构包括平坦的脊2322和平坦的谷2324。从顶部观察，图23A的放大视图2310示出了图23C的在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2320。如图所示，相交的TRTV棱镜结构形成平脊线2312和平谷线2314的网格，平脊线2312和平谷线2314分别对应于每个TRTV棱镜结构的平坦的脊2322和平坦的谷2324。在这种布置中，可以在谷和/或脊的每个相交处形成透明的观察窗。例如，在来自增强膜层2320a的平脊线2312与来自增强膜层2320b的平脊线2312重叠的每个位置处，形成脊对脊透明的观察窗2350，在来自增强膜层2320a的平谷线2314与来自增强膜层2320b的平谷线2314重叠的每个位置处，形成谷对谷透明的观察窗2352，以及在来自增强膜层2320中的一个增强膜层2320的平脊线2312与来自增强膜层2320中的另一个增强膜层2320的平谷线2314重叠的每个位置处，形成脊对谷透明的观察窗2354。

如图23B所示，穿过TRTV的锯齿形脊增强层2300的平坦的脊2322区域或平坦的谷2324区域的光路以基本相同的方向进入和离开TRTV的锯齿形脊增强层2300，如光路2330a和2330b所示。当多个层重叠使得两个平坦的脊2322区域重叠，两个平坦的谷2324区域重叠，或者平坦的脊2322区域与平坦的谷2324区域重叠时，这是可以成立的；使得相邻光路继续以基本相同的方向弯曲穿过多个层。这样，由屏下光学传感器接收的与任何类型的透明的观察窗(即，任何脊对脊透明的观察窗2350、谷对谷透明的观察窗2352和/或脊对谷透明的观察窗2354)对应的光不会局部失真，而可以被屏下光学传感器可靠使用。实际上，穿过透明的观察窗之外的区域的光(例如，光路2330c)仍可以以不同的方式弯曲，从而使与该光相关联的相应数据模糊。正如所期望的，这种光可以被传感器忽略。例如，可以使用任何合适的物理和/或逻辑技术，以禁止这种光到达传感器组件。在一些实施例中，屏下光学传感器将接收到的来自一些或全部的透明的观察窗的图像数据汇集(例如，忽略或丢弃其他接收到的图像数据)，并将汇集的图像数据用于光学感测功能(例如，指纹检测)。在一些实现方式中，传感器相对于TRTV的锯齿形脊增强层2300定位和/或定向，从而接收根据表示更可靠的成像信息的光路2330的光。

虽然图19A-23C示出了图17的增强层1725的各种实施例，但增强层1725还可以在具有各种修改的那些和其他实施例中实现。在一些实现方式中，增强层1725仅包括单个增强膜层。在其他实现方式中，增强层1725包括两个以上的增强膜层。例如，增强层1725包括N个相对于其相邻层旋转360/N度的膜层。在其他实现方式中，增强层1725的不同区域被不同配置。在一个这样的实现方式中，增强层1725的一个区域是具有梯形脊梯形谷棱镜结构的主传感器区域(例如，对应于感测区域615)，并且增强层1725的其余部分具有尖锐的棱镜结构、梯形脊棱镜结构或梯形谷棱镜结构。在另一个这样的实现方式中，增强层1725的第一区域是具有梯形脊梯形谷棱镜结构的主传感器区域(例如，对应于感测区域615)，增强层1725的第二区域是具有梯形脊棱镜结构或梯形谷棱镜结构的外围传感器区域(例如，对应于与感测区域615相邻且围绕感测区域615的区域)，并且增强层1725的其余部分具有尖锐的棱镜结构。

进一步地，增强层1725的平坦的区域可以以不同的方式产生。在一些实施例中，增强层1725的棱镜结构最初被制造为具有梯形特征。例如，使用模具、增材制造(例如，三维印刷)或其他技术来制造棱镜结构，以具有平坦的脊和/或平坦的谷。在其他实施例中，增强层1725的棱镜结构最初被制造为尖锐的棱镜结构，随后被精加工以形成梯形特征。例如，棱镜结构最初被制造为具有尖锐的脊，随后将尖锐的脊向下研磨或抛光，以形成平坦的脊。

图24示出了根据一些实施例的表示用于产生平坦的脊的另一种技术的增强层2400的一部分的另一实施例。如图所示，增强层2400的膜层2420被制造为具有尖锐的脊。通过将峰至少部分地设置在折射率匹配材料层2410中(例如，在组装期间，通过将峰压入折射率匹配材料2410)，可以使棱镜结构的尖锐的脊有效变平，该折射率匹配材料层2410被配置为与相邻层的折射率匹配。在一些这样的实施例中，在组装期间，可以将折射率匹配材料应用(例如，通过旋涂)于增强膜层2420正上方的层的底面上，形成折射率匹配材料层2410，并且可以将增强膜层2420的棱镜结构压入折射率匹配材料层2410。例如，增强层2400可以包括两个增强膜层2420，其位于图17B的LCM1720的正下方。可以将上增强膜层2420压入应用于LCM 1720的底面的第一折射率匹配材料层2410，并且可以将下增强膜层2420压入应用于上增强膜层2420的底面的第二折射率匹配材料层2410。在这种实现方式中，第一和第二折射率匹配材料可以被设计为匹配不同的折射率。虽然所示实施例产生了像参考图19A-19C描述的膜一样的膜，但可以使用相似的技术来产生如参考图20A-21C和23A-23C描述的膜。

IV、用于屏下光学感测模块的集成式增强漫射器膜

如上所述，便携式电子设备的显示屏通常被实现为多层的组件，例如，具有用于输出视频数据的显示层和显示层下方的其他功能层(例如，以及在显示层上方的一个或多个保护层)。显示层下方的功能层中的一些功能层通常试图影响光在用户的方向上穿过显示器的方式。例如，返回参考图17B，显示模块1710可以包括一个或多个增强层1725、漫射器层1730、导光板1735和反射器膜1740等。一个或多个背光亮度增强层1725通常可以帮助引导背光，使得来自大入射角的接近显示层的光向用户弯曲，以增强其视亮度。一个或多个漫射器层1730通常还可以用于漫射背光，例如，使得通过在显示屏上更均匀地分布背光来使显示屏看起来具有基本均匀的亮度。漫射往往还可以隐藏导光板1735、反射器膜1740和/或其他组件中的缺陷。

出于上下文的考虑，图25A和25B示出了漫射器板的常规实现方式。在图25A所示的实施例中，漫射器板可以包括设置在基板片2520上方的漫射材料2510。在图25B所示的实施例中，漫射器板可以包括其中集成(例如悬浮)有漫射材料的基板片2515。在任一实施例中，漫射器板被设计为在光通过时对光进行漫射。通常，漫射材料由具有与周围材料和/或粗糙表面的折射率明显不同的折射率的颗粒制成，使得光在与材料交互时以不同的方向被散射。例如，当光沿着光路2530行进时，光以不同的方向散射。在一些情况下，由于光散射与颗粒的大小密切相关，因此，控制颗粒的大小能够影响漫射器对指定波长的光的清晰度。

虽然这种漫射可以为背光等提供益处，但是漫射可能使显示屏下光学感测失败。例如，当来自光学感测系统的探测光通过散射器板向光学传感器反射(或其他光学信息以光学传感器的方向穿过漫射器板)时，光的散射能够有效地模糊光学信息。因此，本文所描述的实施例提供了具有漫射区域和透明的观察区域的漫射器膜，以支持背光漫射和透明的光学感测。

图26A-26D示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(TRTV)的增强/漫射器层2600的示意性部分的视图。TRTV的增强/漫射器层2600可以是图17的增强层1725和漫射器层1730两者的组合实施例。图26A示出了TRTV的增强/漫射器层2600的一小部分的放大视图2610。图26B和26C示出了TRTV的增强/漫射器层2600的一个膜层2620或2660的一小部分的横截面的两个实现方式。图26D示出了TRTV的增强/漫射器层2600的两个增强/漫射器膜层2660a，2660b的一小部分的横截面，该两个增强/漫射器膜层2660a，2660b在相对于彼此正交取向上堆叠。虽然图26A-26D示出了具有梯形脊和梯形谷两者的实施例，但是增强/漫射器层的其他实施例可以包括仅梯形脊或梯形谷，或其任何合适的组合。

如图所示，每个增强/漫射器膜层2620或2660形成有例如图21A-21C的仅增强层中的一系列梯形脊梯形谷棱镜结构。每个梯形脊梯形谷棱镜结构包括平坦的脊1922和平坦的谷2024。图26B示出了增强/漫射器膜层2620的第一实施例，其中，漫射材料2640设置在每个梯形微棱镜结构之间。如图所示，每个脊填充有这种漫射材料2640。在一些实施例中，漫射材料2640填充每个脊的整个空间，使得增强/漫射器膜层2620基本是平的。在其他实施例中，漫射材料2640将每个脊的空间填充到梯形微棱镜结构的上方或下方的水平。沿光路1930传输的光在平坦的脊1922区域中的一个平坦的脊1922区域处与增强/漫射器膜层2620交互。如参考图21B所描述的，穿过这种平坦的脊1922区域的相邻光路往往以基本相同的方向弯曲，并且往往以与它们进入膜层的方向基本相同的方向离开膜层。这样，那些平坦的脊1922区域提供了透明的观察区域。相反，沿与漫射材料2640交互的路径行进的光，例如光路2630，通过漫射材料2640被散射。

图26C示出了增强/漫射器膜层2660的第二实施例，其中，每个梯形微棱镜结构的成角度的表面被处理为漫射区域2665。在一种实现方式中，一薄层漫射材料沿每个成角度的微棱镜表面设置。在另一种实现方式中，每个成角度的微棱镜表面被纹理化(例如，具有粗糙纹理)，以易于散射光。沿光路1930传输的光在平坦的脊1922区域中的一个平坦的脊1922区域或在平坦的谷2024区域中的一个平坦的谷2024区域处与增强/漫射器膜层2620交互。如参考图21B所描述的，穿过这种平坦的脊1922区域或平坦的谷2024区域的相邻光路往往以基本相同的方向弯曲，并且往往以与它们进入膜层的方向基本相同的方向离开膜层。这样，那些平坦的脊1922区域和那些平坦的谷2024区域提供了透明的观察区域。相反，沿与漫射区域交互的路径传输的光，例如光路2630，被散射。

从顶部观察，图26A的放大视图2610示出了在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2620或2660。如图所示，可以在微棱镜脊和/或微棱镜谷(对应于每个梯形脊梯形谷棱镜结构的平坦的脊1922和平坦的谷2024)的每个相交处形成透明的观察窗区域2655。例如，增强/漫射器膜层2620的正交重叠对可以在来自两个增强/漫射器膜层2620的平坦的脊1922重叠的每个位置处，形成透明的观察窗区域2655，作为脊对脊透明的观察窗1950。增强/漫射器膜层2660的正交重叠对可以在来自两个增强/漫射器膜层2660的平坦的脊1922重叠的每个位置处，形成透明的观察窗区域2655，作为脊对脊透明的观察窗1950，可以在来自两个增强/漫射器膜层2660的平坦的谷2024重叠的每个位置处，形成谷对谷透明的观察窗2050，并且可以在来自增强/漫射器膜层2660中的一个增强/漫射器膜层2660的平坦的脊1922与来自增强/漫射器膜层2660中的另一个增强/漫射器膜层2660重叠的每个位置处，形成脊对谷透明的观察窗2150。

如图26A的放大视图2610进一步所示，透明的观察窗区域2655之外的区域是增强/漫射区域2650。例如，正如所期望的，背光等可以通过增强/漫射区域2650的微棱镜结构折射，并且可以通过增强/漫射区域2650的漫射结构(例如，漫射材料、纹理等)漫射。因此，通过TRTV的增强/漫射器层2600传输的光可以在透明的观察窗区域2655或增强/漫射区域2650中穿过。这样，基本上以LCM 1720的方向行进的光可以通过增强/漫射区域2650漫射，而基本上以屏下光学传感器的方向传输的光可以穿过透明的观察窗区域2655而不散射，以进行可靠的光学检测。一些实施例可以使用物理和/或逻辑技术，以有效地忽略和/或减少未穿过透明的观察窗区域2655接收到的光学信息。例如，实施例可以对光学感测组件进行定位和/或定向，以利于穿过透明的观察窗区域2655的光，可以使用数字遮蔽或物理遮蔽，以部分或完全限制穿过增强/漫射区域2650的光到达光学感测组件等。

图27A-27C示出了根据各种实施例的新型梯形脊梯形谷(TRTV)的锯齿形脊增强/漫射器层2700的示意性部分的视图。TRTV的锯齿形脊增强/漫射器层2700可以是图17的增强层1725和漫射器层1730两者的组合实施例。图27A示出了TRTV的锯齿形脊增强/漫射器层2700的一小部分的放大视图2710。图27B和27C示出了TRTV的锯齿形脊增强/漫射器层2700的一个膜层2720或2760的一小部分的横截面的两个实现方式。虽然图27A-27C示出了具有梯形脊和梯形谷两者的实施例，但是其他实施例可以包括仅梯形脊或梯形谷，或其任何合适的组合。

图27B和27C所示的实施例可以分别以与参考图26B和26C所述的方式大致相同的方式操作。如图所示，每个增强/漫射器膜层2720或2760形成有一系列梯形脊梯形谷棱镜结构。每个梯形脊梯形谷棱镜结构包括平坦的脊2422、平坦的谷2424、一个成角度的侧面和一个基本垂直的侧面。图27B示出了增强/漫射器膜层2720的第一实施例，其中，漫射材料2740设置在每个锯齿形微棱镜结构之间。如图所示，每个脊填充有这种漫射材料2740(例如，部分填充、完全填充或过度填充)。沿光路2430传输的光在平坦的脊2422区域中的一个平坦的脊2422区域处与增强/漫射器膜层2720交互。如参考图23B所描述的，穿过这种平坦的脊2422区域的相邻光路往往以基本相同的方向弯曲，并且往往以与它们进入膜层的方向基本相同的方向离开膜层。这样，那些平坦的脊2422区域提供了透明的观察区域。相反，沿与漫射材料2740交互的路径行进的光，例如光路2730，通过漫射材料2740被散射。

图27C示出了增强/漫射器膜层2760的第二实施例，其中，每个微棱镜结构的成角度的表面和垂直表面被处理为漫射区域2765(例如，将漫射材料与成角度的微棱镜表面和垂直的微棱镜表面集成或将成角度的微棱镜表面和垂直的微棱镜表面纹理化是一种易于散射光的方式)。沿光路2430传输的光在平坦的脊2422区域中的一个平坦的脊2422区域或在平坦的谷2424区域中的一个平坦的谷2024区域处与增强/漫射器膜层2760交互。如参考图23B所描述的，穿过这种平坦的脊2422区域或平坦的谷2424区域的相邻光路往往以基本相同的方向弯曲，并且往往以与它们进入膜层的方向基本相同的方向离开膜层。这样，那些平坦的脊2422区域和那些平坦的谷2424区域提供了透明的观察区域。相反，沿与漫射区域2765交互的路径传输的光，例如光路2730，被散射。

从顶部观察，图27A的放大视图2710示出了在相对于彼此正交取向上堆叠的两个增强膜层2720或2760。如图所示，可以在微棱镜脊和/或微棱镜谷(对应于每个锯齿形脊棱镜结构的平坦的脊2422和平坦的谷2424)的每个相交处形成透明的观察窗区域2655。例如，增强/漫射器膜层2720的正交重叠对可以形成透明的观察窗区域2655，作为脊对脊透明的观察窗；并且增强/漫射器膜层2760的正交重叠对可以形成透明的观察窗区域2655，作为脊对脊透明的观察窗、谷对谷透明的观察窗和/或脊对谷透明的观察窗。如图27A的放大视图2710进一步所示，透明的观察窗区域2655之外的区域是增强/漫射区域2650。因此，通过TRTV的锯齿形脊增强/漫射器层2700传输的光可以在透明的观察窗区域2655或增强/漫射区域2650中穿过。如图26A-26D的实施例中，基本上以LCM 1720的方向传输的光可以通过增强/漫射区域2650漫射和折射，而基本上以屏下光学传感器的方向传输的光可以穿过透明的观察窗区域2655而不散射，以进行可靠的光学检测。一些实施例可以使用物理和/或逻辑技术，以有效地忽略和/或减少未穿过透明的观察窗区域2655接收到的光学信息。例如，实施例可以对光学感测组件进行定位和/或定向，以利于穿过透明的观察窗区域2655的光，可以使用数字遮蔽或物理遮蔽，以部分或完全限制穿过增强/漫射区域2650的光到达光学感测组件等。

本文描述了集成式增强漫射器面板的各种实施例，包括参考图26A-27C描述的实施例(例如，集成式增强漫射器面板2600和集成式增强漫射器面板2700)。在一些实施例中，集成式增强漫射器面板包括至少一个具有膜表面的膜层。膜表面具有形成在其上的多个微棱镜结构和多个漫射器结构。每个微棱镜结构具有包括一个或多个观察表面和一个或多个增强表面的梯形轮廓，一个或多个观察表面相对于膜表面具有基本平行的取向，一个或多个增强表面相对于膜表面具有成角度的取向。一些实施例还包括平坦的棱镜谷(例如，平坦的谷2024或2424)。

在一些实现方式中，梯形轮廓还包括第一增强表面和第二增强表面，第一增强表面和第二增强表面相对于顶表面具有成角度的取向，并且第一增强表面和第二增强表面设置在观察表面的相对侧。例如，如图26B所示，平坦的脊1922可以是观察表面的实现方式，并且成角度的表面2602a和/或2602b可以是增强表面的实现方式，两者都成角度并且设置在观察表面的相对侧。在其他实现方式中，梯形轮廓还包括第一增强表面和第二增强表面，其中，第一增强表面相对于观察表面成角度，第二增强表面相对于观察表面具有基本垂直的取向(第一增强表面和第二增强表面设置在观察表面的相对侧)。例如，如图27B所示，平坦的脊2422可以是观察表面的实现方式，并且表面2702可以是成角度的增强表面的实现方式，表面2704可以是基本垂直的增强表面的实现方式(其中，表面2702和2704都设置在观察表面的相对侧)。

每个漫射器结构与多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面(或多个增强表面中的一个增强表面)集成，并且不与多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的一个或多个观察表面中的任意一个观察表面集成。在一些实施例中，多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于多个微棱镜结构中的增强表面中的一个或多个增强表面的纹理化表面处理，该纹理化表面处理用于漫射通过其传输的光。这种纹理化表面处理的示例由漫射区域2665和2765来说明。在其他实施例中，多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面的漫射材料，该漫射材料用于漫射通过其传输的光。在一些这样的实施例中，微棱镜结构限定棱镜谷区域，并且多个漫射器结构的至少一些漫射器结构中的每个漫射器结构被实现为漫射材料，该漫射材料填充棱镜谷区域中的相应一个棱镜谷区域的至少一部分。例如，如图26B所示，微棱镜结构限定棱镜谷区域2604，并且每个棱镜谷区域2604至少部分地填充有漫射材料2640。在这样的实施例中，每个棱镜谷区域2604可以不填充有漫射材料2640，部分填充有漫射材料2640，完全填充有漫射材料2640或者过度填充有漫射材料2640。例如，漫射材料2604可以以漫射材料的顶表面与多个微棱镜结构中的相邻的微棱镜结构的观察表面基本共面的方式填充任意或所有的棱镜谷区域2604(例如图26B中)。图27B示出了锯齿形脊实现方式情景下的相似实施例。

如图26A-27C所示，一些实施例包括多个(例如两个)膜层。在一些实现方式中，第一膜层的多个微棱镜结构形成在第一方向上延伸的第一组平行棱镜脊，并且第二膜层的多个微棱镜结构形成在与第一方向不同的第二方向上延伸的第二组平行棱镜脊。例如，第一膜层的每个观察表面限定第一组平行棱镜脊中的相应一个平行棱镜脊，并且第二膜层的每个观察表面限定第二组平行棱镜脊中的相应一个平行棱镜脊；使得通过第一组平行棱镜脊中的一个平行棱镜脊与第二组平行棱镜脊中的一个平行棱镜脊交叉的每个位置，形成透明的观察窗。在一些这样的实现方式中，第二方向与第一方向基本正交。

虽然图26A-27C示出了组合的增强/漫射器层的各种实施例，但这种组合的增强/漫射器层也可以在具有各种修改的那些和其他实施例中实现。在一些实现方式中，组合的增强/漫射器层仅包括单个增强膜层。在其他实现方式中，组合的增强/漫射器层包括两个以上的增强膜层。例如，组合的增强/漫射器层包括N个相对于其相邻层旋转360/N度的膜层。在其他实现方式中，组合的增强/漫射器层的不同区域被不同配置，例如，具有不同类型和/或数量的微棱镜结构、不同类型和/或量的漫射材料等。

虽然本公开包含许多细节，但这些细节都不应解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。在本专利文件中的单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

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

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

除非特别指出相反，否则对“一”，“一个”或“该”的引用旨在表示“一个或多个”。范围可以在本文中表示为从“大约”一个指定值和/或到“大约”另一指定值。本文使用的术语“大约”是指近似、在其范围内、大致或左右。当术语“大约”与数字范围结合使用时，它通过扩展上述列出的数值上下的边界来修改该范围。一般而言，术语“大约”在本文中用于将数值在所述值之上和之下修改10％的方差。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个特定值和/或至另一特定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，指定值形成另一实施例。还应理解，每个范围的端点都包括在范围内。

出于所有目的，本文提及的所有专利、专利申请、出版物和描述均通过引用整体并入。所有这些均未被认作现有技术。

Claims (15)

1.一种用于液晶模块的集成式增强漫射器面板，所述面板包括：

至少一个膜层，所述至少一个膜层具有形成在其上的膜表面；

多个微棱镜结构，所述多个微棱镜结构中的每个微棱镜结构具有包括观察表面和增强表面的梯形轮廓，所述观察表面的取向相对于所述膜表面平行，所述增强表面相对于所述膜表面成角度的取向；以及

多个漫射器结构，每个漫射器结构与所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面集成，并且不与所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的观察表面集成；

其中，所述梯形轮廓包括梯形脊和梯形谷，所述梯形脊用于形成所述观察表面；

所述多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面的纹理化表面处理，所述纹理化表面处理用于漫射通过其传输的光，或所述多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面的漫射材料，所述漫射材料用于漫射通过其传输的光。

2.根据权利要求1所述的集成式增强漫射器面板，其中：

所述多个微棱镜结构限定多个棱镜谷区域；并且

所述多个漫射器结构的至少一些漫射器结构中的每个漫射器结构包括漫射材料，所述漫射材料填充所述多个棱镜谷区域中的相应一个棱镜谷区域的至少一部分。

3.根据权利要求2所述的集成式增强漫射器面板，其中，对于所述多个漫射器结构的至少一些漫射器结构中的每个漫射器结构：

所述漫射材料完全填充所述多个棱镜谷区域中的相应一个棱镜谷区域，使得所述漫射材料的顶表面与所述多个微棱镜结构中的相邻的微棱镜结构的观察表面共面。

4.根据权利要求2所述的集成式增强漫射器面板，其中：

所述多个棱镜谷区域的至少一部分棱镜谷区域中的每个棱镜谷区域包括平坦的棱镜谷。

5.根据权利要求1所述的集成式增强漫射器面板，其中，对于所述多个微棱镜结构中的至少一些微棱镜结构的每个梯形轮廓：

所述增强表面是第一增强表面；并且

所述梯形轮廓还包括第二增强表面，所述第二增强表面相对于所述膜表面具有成角度的取向，所述第一增强表面和第二增强表面设置在所述观察表面的相对侧。

6.根据权利要求1所述的集成式增强漫射器面板，其中，对于所述多个微棱镜结构中的至少一些微棱镜结构的每个梯形轮廓：

所述增强表面是第一增强表面；并且

所述梯形轮廓还包括第二增强表面，所述第二增强表面的取向相对于所述膜表面垂直，所述第一增强表面和第二增强表面设置在所述观察表面的相对侧。

7.根据权利要求1所述的集成式增强漫射器面板，其中：

所述至少一个膜层包括第一膜层和第二膜层；

所述第一膜层的多个微棱镜结构形成在第一方向上延伸的第一多个平行棱镜脊；并且

所述第二膜层的多个微棱镜结构形成在与所述第一方向不同的第二方向上延伸的第二多个平行棱镜脊。

8.根据权利要求7所述的集成式增强漫射器面板，其中，所述第二方向与所述第一方向正交。

9.根据权利要求7所述的集成式增强漫射器面板，其中：

所述第一膜层的每个观察表面限定所述第一多个平行棱镜脊中的相应一个平行棱镜脊；并且

所述第二膜层的每个观察表面限定所述第二多个平行棱镜脊中的相应一个平行棱镜脊，

使得通过所述第一多个平行棱镜脊中的一个平行棱镜脊与所述第二多个平行棱镜脊中的一个平行棱镜脊交叉的每个位置，形成透明的观察窗。

10.一种包括多个液晶模块层的液晶模块，所述多个液晶模块层包括：

液晶显示面板，所述液晶显示面板具有多个液晶结构和多个触摸感测结构，所述多个液晶结构用于输出用于显示的图像，所述多个触摸感测结构用于检测触摸事件；以及

权利要求1所述的集成式增强漫射器面板，

其中，所述集成式增强漫射器面板定向为所述膜表面面向所述液晶显示面板，使得在所述至少一个膜层上形成的所述多个微棱镜结构在所述液晶显示面板的方向上延伸。

11.一种具有集成式屏下光学传感器的电子设备，所述电子设备包括：

液晶模块，所述液晶模块包括：

液晶显示面板，所述液晶显示面板具有用于输出用于显示的图像的多个液晶结构；以及

集成式增强漫射器面板，所述集成式增强漫射器面板包括至少一个膜层，所述至少一个膜层具有形成在其上的膜表面；

多个微棱镜结构，所述多个微棱镜结构中的每个微棱镜结构具有包括观察表面和增强表面的梯形轮廓，所述观察表面的取向相对于所述膜表面平行，所述增强表面相对于所述膜表面具有成角度的取向；以及

多个漫射器结构，每个漫射器结构与所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面集成，并且不与所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的观察表面集成；以及

光学传感器模块，所述光学传感器模块设置在所述液晶模块下方，用于接收穿过所述液晶显示面板和所述集成式增强漫射器面板的探测光，以检测光学生物特征，所述光学传感器模块包括用于接收所述探测光的光学传感器阵列；

其中，所述集成式增强漫射器面板定向为所述膜表面面向所述液晶显示面板，使得在所述至少一个膜层上形成的所述多个微棱镜结构在所述液晶显示面板的方向上延伸；

所述梯形轮廓包括梯形脊和梯形谷，所述梯形脊用于形成所述观察表面；所述多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面的纹理化表面处理，所述纹理化表面处理用于漫射通过其传输的光，或所述多个漫射器结构中的至少一个漫射器结构是被应用于所述多个微棱镜结构中的相应一个微棱镜结构的增强表面的漫射材料，所述漫射材料用于漫射通过其传输的光。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其中：

所述多个微棱镜结构限定多个棱镜谷区域；并且

所述多个漫射器结构的至少一些漫射器结构中的每个漫射器结构包括漫射材料，所述漫射材料填充所述多个棱镜谷区域中的相应一个棱镜谷区域的至少一部分。

13.根据权利要求11所述的电子设备，其中：

所述至少一个膜层包括第一膜层和第二膜层；

所述第一膜层的多个微棱镜结构形成在第一方向上延伸的第一多个平行棱镜脊；并且

所述第二膜层的多个微棱镜结构形成在与所述第一方向不同的第二方向上延伸的第二多个平行棱镜脊。

14.根据权利要求11所述的电子设备，还包括：

顶部透明层，所述顶部透明层设置在所述液晶模块上方，用于提供用于显示所述图像的输出界面、用于接收触摸事件的输入界面以及用于在所述光学生物特征和所述液晶显示面板之间提供光学路径的输入界面。

15.根据权利要求14所述的电子设备，还包括：

所述集成式增强漫射器面板下方的一个或多个光源，用于投射通过所述集成式增强漫射器面板和所述液晶显示器面板的、朝向所述顶部透明层的传感器区域的所述探测光，使得所述探测光的反射部分从所述顶部透明层的传感器区域被所述光学传感器模块接收。

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