CN111819572B - 在光学感测模块中利用明暗反转成像对二维假对象进行反欺骗 - Google Patents

Abstract

一种光学扫描系统(1500)包括：盖板层(1510)，照明子系统(1520)，光学传感器(1530)以及处理器(1550)。光学扫描系统(1500)被配置为使得在与物体(1540)与接触表面(1515)之间的接触的图案对应的明暗图案中，通过接触表面(1515)的内部镜面反射，将入射在定义感测区域上的直接照明光转向到光学传感器(1530)上。对接触表面(1515)的某一区域中的直接照明光的遮盖抑制了该区域中的镜面反射，使得仅通过非镜面反射将光学信息从该区域导向光学传感器(1530)。三维(真实)和二维(欺骗)对象通常对遮盖区域中缺少镜面反射表现出不同的光学响应，这可以用来检测这种欺骗。

Description

在光学感测模块中利用明暗反转成像对二维假对象进行反 欺骗

优先权要求和相关申请的交叉引用

本专利文件要求申请人为深圳市汇顶科技股份有限公司于2019年10月17日提交的申请号为62/916,779、发明名称为“在光学感测模块中利用明暗反转成像对二维假对象进行反欺骗”的美国临时专利申请的权益和优先权。上述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。

技术领域

本公开涉及用于提供使用明暗反转成像来对二维假对象进行反欺骗的光学传感器，例如与移动计算设备的显示面板装置集成的屏下光学指纹传感器。

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。

指纹可用于认证访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户，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，由于用户需要记住密码以访问受密码保护的电子设备或系统，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。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

实施例提供了利用明暗反转成像对二维假对象(如指纹)进行反欺骗的光学感测。例如，实施例可以在集成到诸如智能手机的电子设备中的显示器下光学指纹传感器的情景下操作。光学扫描系统被配置为使得在与物体与接触表面之间的接触的图案对应的明暗图案中，通过接触表面的内部镜面反射，将入射在定义感测区域上的直接照明光转向到光学传感器上。对接触表面的某一区域中的直接照明光的遮盖抑制了该区域中的镜面反射，使得仅通过非镜面反射将光学信息从该区域导向光学传感器。三维(真实)和二维(欺骗)对象通常对遮盖区域中缺少镜面反射表现出不同的光学响应，这可以用来检测这种欺骗。

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来自两种不同光学条件下的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铺设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用于减少或消除背景光在指纹感测中的不期望的影响的指纹传感器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14A示出了其中集成有显示器下光学感测模块的说明性便携式电子设备。

图14B示出了具有设置在诸如OLED或AMOLED显示器的显示器下方的显示器下光学感测模块的说明性显示器下光学感测环境的横截面。

图14C示出了具有设置在诸如OLED或AMOLED显示器的显示器下方的显示器下光学感测模块的另一说明性显示器下光学感测环境的横截面。

图15和16示出了根据各种实施例的具有光学感测模块的光学感测环境的操作的某些原理。

图17A和17B示出了当遮盖镜面照明光时真实指纹图像和二维欺骗图像之间光学感测的差异。

图18示出了根据各种实施例的使用明暗反转成像对三维物体的二维表现进行反欺骗的说明性方法的流程图。

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，相同类型的各个组件可以通过在附图标记后跟有第二标记进行区分，该第二标记用于在相似组件之间进行区分。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，则描述内容可应用于具有相同的第一附图标记的相似组件中的任何一个，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、ATM、各种终端到各种电子系统、数据库，或者用于商业或政府用途的信息系统，包括汽车、船、火车、飞机和其他等的机动运输系统。

指纹感应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，指纹感应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接触表面上实现。

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。特别地，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，从而允许灵活地将光学指纹传感器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、显示器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适当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，用于形成屏幕上的显示图像，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，下面提供的具体示例涉及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接触表面。与接触表面接触或靠近接触表面的手指与接触表面处的光相互作用，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接触表面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，例如，接触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，并且在各种触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示屏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模型中，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模型，以避免占用正面上的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，因此需要是紧凑的，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，进而执行基于此光的光学感测一种或多种感测操作，或者在其他实现方式中，该光学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光或探测光，或者在某些实现方式中，该光学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于检测光的一部分，该光的一部分用于在LCD屏中显示图像，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等物体、或像触笔等的用户指针设备时，可以作为返回光而反射或散射回LCD显示屏中。这种返回光可以被采集，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，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)。再例如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感测来采集和检测与人关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制，以通过“活体手指”检测机制检测采集的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该“活体手指”检测机制基于例如血液在不同光学波长下的不同光学吸收行为，事实上，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，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。这些或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引起设备的苏醒，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，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。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。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接触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接触表面的返回光，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，以提供LCD显示屏上的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或三星盖乐世(Galaxy)系列智能手机，这种现有手机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指纹传感器模块，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、谷歌或联想中一些模型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，并且指纹感测可以在触摸屏的相同触摸感测表面上面方便地进行。

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。基于包括LCD和OLED显示器的不同技术，本文公开的光学指纹传感器模块的特征可适用于各种显示面板。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、显示器下光学感测模块的设计示例

如本文所述，实施例提供了诸如用于屏下光学指纹模块的显示器下光学感测模块的大感测区域的实施方式。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显示器下光学指纹感测实现方式的这些和其他实施例，在此通过引用将其全部内容并入本文：专利号为15/616,856的美国专利申请；专利号为15/421,249的美国专利申请；专利号为16/190,138的美国专利申请；专利号为16/190,141的美国专利申请；专利号为16/246,549的美国专利申请；以及专利号为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180的系统180的示例的框图，指纹传感器181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，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。

如具体的示例，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，并且电子设备200可以为如图1所示的设备188。

图2A示出了设备200的正面，其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。这种指纹感应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面控制按钮。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接触表面的返回光，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以用于进一步处理。光学指纹传感器模块下方是设备电子结构，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，设备屏幕组件的接触表面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感测表面，以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，接收用于触摸感测屏模块的触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他光学感测功能)。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(LC)单元层、LCD电极、透明导电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接触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，一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在此处所示的设计中，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)，使得该盖板玻璃的接触表面用作移动设备的接触表面，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公共且完整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，该设备还包括顶部透明层，形成于设备屏幕上方，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，该设备还包括光学指纹传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。

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)检测到的生物特征参数指示检测到的指纹来自活体，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，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。

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，并关闭LCD显示面板的背光电源处于睡眠模式，并且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，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，设备电子控制模块可以用于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)，用于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，以监控是否存在与指定的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。

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接触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，以修改与该光楔接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，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，还可以包括光学成像模块，位于该光楔和该光学传感器阵列之间，以将来自该光楔的光成像到该光学传感器阵列上。

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、并且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，使得来自接触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显示层包括电极和布线结构，光学地用作孔阵列和光散射物体。设备电路模块435可以设置在该LCD显示面板的下面，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。

本具体实现方式的示例中的光学指纹传感器模块702位于LCD显示模块433下。设置一个或多个照明光源，例如LCD显示模块433下面的照明光源436或/和位于顶部盖板玻璃431下面的另一个或多个照明光源，用于提供光学指纹感测模块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上的用于用户将手指放入其中来进行指纹识别的指纹感测区615。来自一个或多个照明光源436的照明光可以被引导至接触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下面，并且可以邻近接触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433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的接触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。区域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，一些实现方式中可以控制每个照明光源436间歇性地以相对较慢的周期打开，以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被操作为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，该透明块701接收来自设备组件的接触表面的返回光；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，来自一个或多个照明光源436的光在到达盖板接触表面之后，例如到达用户手指触摸的、或在没有触摸盖板接触表面时用户手指所在的感测区域615处的盖板接触表面后，从该盖板接触表面反射或散射回来。当指纹脊与感测区域615中的盖板接触表面接触时，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。盖板接触表面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导回LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达与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光学成像单元作为成像感测块702的一部分，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接触表面上的全反射角内进入盖板接触表面，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的顶部接触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有不利影响的不期望的光学失真。因此，基于在光学传感器阵列处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(如太阳光或室内照明光)可以通过LCD面板接触表面、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背景光所引起的这种不期望的基线强度。一个示例是以一定的照明调制频率f打开和关闭照明光源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，图像传感器以相同的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)帧处开启照明光来采集图像，同时关闭奇数(或偶数)帧处的照明光，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获得两个连续的帧信号。相邻帧相减可用于将环境背景光的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。

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接触表面，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指纹传感器模块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，对于指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测到。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来自与光颜色A和光颜色B相关联的两种不同颜色或照明光波长的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，以拒绝用指纹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控光图案。如果在屏幕上存在触摸感应区域615的人类指纹，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的触摸。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，将与显示屏的接触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。用于示出的示例，图4B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和光电探测器感测阵列之前的成像感测块702的前端形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，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组分。

图5A-5C示出了用于不同光学条件下从感测区615返回的光的信号生成，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的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的照明光如何通过OLED显示模块433传播的示例，并在透过顶部透明层431后生成到屏下光学指纹传感器模块的不同的返回光信号，该返回光信号包括携带指纹图案信息的光信号。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，以生成从与顶部透明层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-盖板玻璃的界面对光束80的部分光束进行反射，作为到LCD显示模块433下方的底层524的反射的光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射至手指组织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，反射比差异携带指纹图样信息，并且可以测量该反射比差异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示出了不同条件和不同位置下的相对于手指的谷或脊的接触表面处的两种附加类型的照明光线的光路，包括全反射条件下与顶部透明层431交界处的照明光线的光路。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，两者之间没有任何气隙，使得对盖板玻璃431具有大的入射角的照明光会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、5B和5C示出了三组不同的散发光束的示例：(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(图5A)，(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(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，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。反射差异取决于光束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对光束205和206的反射几乎达到100％。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对光束213和214的反射几乎达到100％。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该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，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上431的接触表面上的感测区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。如果盖板玻璃接触表面没有被接触，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接触表面，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，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。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接触表面的距离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度大小为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，折射增大了感应宽度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，如果盖板玻璃接触表面没有被触摸，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接触表面，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接触表面的距离为2mm，如果检测角为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MgF2、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和光电探测器阵列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接触表面感测区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，以修改与光楔628接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，来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用于修改局部表面角，使得光可以耦合输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和10A-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接触表面的光反射强度。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，处理并校准采集的图像，以校正图像系统失真。步骤1305，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。

III、基于明暗成像反转的反欺骗

许多光学指纹传感器，包括上述那些指纹传感器，容易受到某些类型的黑客攻击。这种传感器可能被恶意个体攻击，该恶意个体可以获取授权用户的指纹，并将盗取的指纹图案拷贝到类似于人类手指的载体目标上。例如，恶意个人可以获取人指纹的二维表现。在一些情况下，只要该表现包括足够的生物特征信息，那么将手指的二维表现放置在光学扫描仪的扫描区域中就可以成功欺骗该扫描仪，例如识别指纹脊线的图案。可以在指纹传感器上使用这种未经授权的指纹图案，以对目标设备等进行解锁。

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。本文描述的光学传感器的实施例，包括那些实现为屏下光学指纹传感器模块的实施例，可以被配置用于光学防欺骗，例如，检测具有指纹图案的输入对象是否是来自活人的真实手指(例如，与是指纹欺骗攻击的指纹输入相对)。在一些实施例中，这种光学反欺骗被集成在光学传感器内，而不设置单独的传感器。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。

出于上下文的考虑，图14A-14C示出了实现为显示器下光学感测环境的光学感测环境的示例，例如上述那些环境。图14A示出了其中集成有显示器下光学感测模块的说明性便携式电子设备1400。如图所示，显示器下光学感测模块可以在任何合适类型的显示器1405之下，例如有机发光二极管(OLED)显示器、有机电致发光二极管(organicelectroluminescent diode，OELD)显示器或有源矩阵OLED(active-matrix OLED，AMOLED)显示器。基于显示器下光学感测模块和/或其他组件(例如，显示器下光学感测模块的层等)的位置和配置，形成光学感测窗1410。例如，光学感测窗1410是显示器1405的其中可以进行光学感测的区域。

图14B示出了具有设置在诸如OLED或AMOLED显示器的显示器下方的显示器下光学感测模块1434的说明性显示器下光学感测环境1420的横截面。显示器下光学感测模块1434在所示实现方式中的光学感测窗1410正下方，并且包括各种组件，例如微透镜1436。显示器可以包括透明盖板层1422(如盖板玻璃)、光学阵列模块(如OLED阵列模块)1424和显示电子器件1426。如图所示，该配置提供了使用显示器下光学感测模块1434进行感测的视场1430，其基本上可以与光学感测窗1410共延。这种配置的一个特征是视场1430是锥形立体角。因此，可能存在不垂直于显示表面的观看方向。

图14C示出了具有设置在诸如OLED或AMOLED显示器的显示器下方的显示器下光学感测模块1464的另一说明性显示器下光学感测环境1450的横截面。显示器下光学感测模块1464在所示实现方式中的光学感测窗1410正下方，并且包括各种组件。显示器可以包括透明盖板层1452(如盖板玻璃)、光学阵列模块(如OLED阵列模块)1454、阵列保护层1456和显示电子器件1458。如图所示，该配置提供了使用显示器下光学感测模块1464进行感测的视场1462，其基本上可以与光学感测窗1410共延。在这种实现方式中，可以应用微透镜阵列或针孔阵列以在盖板玻璃1452表面上形成目标的图像。这种实现方式的一个特征是视场1462以特定角度倾斜。

图15和16示出了根据各种实施例的具有光学感测模块1530的光学感测环境1500和1600的操作的某些原理。如本文所述，根据使用明暗反转成像对三维物体的二维表现进行反欺骗的光学感测系统来具体描述光学感测环境1500和1600。因此，图示被简化为仅包括增加了描述清晰度的那些组件。如图15所示，环境1500(如光学感测系统或组件)可以包括盖板层1510、照明子系统1520、光学传感器模块1530、处理器1550和数据存储器1555。环境1500还可以包括多层显示模块、框架和/或其他支撑结构、各种附加的光学组件(如波导，漫射器等)和/或其他组件。

盖板层1510可以被实现为图14B的盖板层1422、图14C的盖板层1452或任何其他合适的盖板层的实施例。在一些实现方式中，盖板层1510是具有精确厚度和折射率的玻璃层。盖板层还可以用于提供可将物体(如指尖)放置在其上以进行光学扫描的接触表面1515。接触表面1515还可以被配置为与触摸敏感显示特征和/或其他特征一起使用。

照明子系统1520的实施例用于引导照明光穿过盖板层1510，以使反射光到达光学传感器模块1530，该光学传感器模块1530设置在盖板层1510下方。照明子系统1520可以被实现为，或可以包括诸如OLED的离散照明源的阵列1525。阵列1525可以是具有任何合适数量元件的任何合适的尺寸和/或形状。在一些实施例中，可以(例如通过处理器1550)控制照明子系统1520以选择性地激活部分阵列。处理器1550可以将指令(如信号)传送至照明子系统1520，以激活整个阵列1525(如所有照明源)或部分阵列(如除了照明源的特定子集之外的所有照明源)。例如，激活部分阵列可以致使存在未将照明光引导至盖板层1510的照明源的定义区域(例如，矩形等)，使得接触表面1515的对应部分不接收直接照明光。这可以有效地产生在本文中被称为盖板层1510的未被直接照亮的“遮盖”区域和盖板层1515的被直接照亮的“非遮盖”区域。这种遮盖可以以任何合适的方式来实现。例如，照明子系统1520可以配置有照明层和遮盖层；并且，通过激活照明层中的所有照明源并激活某些遮盖元件以阻挡来自某些照明源的光来实现遮盖。如本文所使用的，阵列1525(或“完整阵列”、“整个阵列”等)是指用于覆盖接触表面1515的定义感测区域的全套照明源。在一些情况下，接触表面1515大于定义感测区域，和/或照明子系统1520包括照明源，用于将照明光引导至接触表面1515的感测区域之外的区域；使得阵列1525仅是照明子系统1520的整套照明源的一部分。

盖板层1510被配置为使得在与物体1540的三维特征图案与接触表面1515之间的接触对应的明暗图案中反射光被(在)盖板层1510的接触表面1515内部反射。例如，物体1540是具有指纹的指尖，并且该指纹具有谷1542和脊1544。当手指放在接触表面1515上时，脊1544与接触表面1515接触，并且谷不与接触表面1515接触。这样，谷1542和脊1544的图案形成三维特征图案。光学传感器模块1530的实施例可以是图14B的光学感测模块1434、图14C的光学感测模块1464或任何其他合适的光学感测模块的实现方式。光学传感器模块1530设置在盖板层1510下方，用于根据由三维特征图案引起的明暗图案来接收反射光的至少一部分。

例如，照明子系统1520的阵列1525(OLED阵列)利用入射光照亮盖板层1510的接触表面1515。接触表面1515反射入射光。通过接触表面1515的阵列1525的内部反射有效地形成等效反射阵列1525’(反射图像)。光学传感器模块1530有效地采集等效反射阵列1525’图像。在无接触的区域(如指纹谷1542)中，照亮该区域的照明光的入射光线通常向回反射(作为反射光线)，形成明图像。因为接触表面1515平坦且光滑，所以特定照明源(如OLED像素)与其被光学传感器模块1530采集的图像之间的关系通常遵循关于接触表面1515的镜面反射定律。相反，在接触的区域(如指纹脊1544)中，照亮该区域的照明光的入射光线通常散射，形成暗图像。因此，脊1544与触摸表面物理接触，使得在那些接触的位置处的镜面反射大大降低。在由光学传感器模块1530检测的结果图像中，脊1544区域产生较低的亮度，而谷1542区域产生较高的亮度(镜面反射光通常比散射光明亮)，从而产生明暗图案。

照明子系统1520的阵列1525的遮盖使得接触表面1515的仅一部分被直接照亮。然而，即使接触表面1515的那些未被直接照亮的部分通常接收一些照明光，例如漫射照明光。这样，接触表面1515的整个感测区域通常接收间接(例如，漫射)照明光并且通常产生非镜面反射(通常由反射光线1529示出)。然而，镜面反射往往仅发生在接触表面1515的直接照亮的未遮盖区域中。结果，由光学传感器模块1530接收的光学信息包括响应于仅通过非镜面反射到达光学传感器模块1530(即，光学传感器模块1530的光学传感器)的反射光的第一部分接收的明暗图案的遮盖区域，以及响应于通过照明光的镜面反射和非镜面反射到达光学传感器的反射光的第二部分接收的明暗图案的未遮盖区域。

处理器1550的实施例可以包括一个或多个任何合适类型的处理器，例如一个或多个通用处理器、专用处理器、状态机等。处理器1550可以指导照明子系统1520和/或光学传感器模块1530的操作。例如，处理器1550可以指导照明子系统1520选择性地利用照明源的阵列1525提供完全照明或仅利用阵列1525的一部分提供部分(遮盖)照明。处理器1550还可以实现与成像有关的特征、欺骗检测特征、生物特征等。在一些实施例中，处理器1550生成包括从明暗图案的遮盖区域生成的至少第一图像部分的特征图像。在一些实现方式中，特征图像还包括明暗图案的一些或全部未遮盖区域。然后，通过分析特征图像以确定第一图像部分是否指示明暗图案的遮盖区域中的明暗反转，处理器1550可以检测二维欺骗对象。

处理器1550的实施例可以与一个或多个数据存储器1555进行通信，以促进这种检测。在一些实施例中，数据存储器1555是在其上已存储有先前获取的图像的非瞬态数据存储器(例如，固态存储器)。在这种实施例中，可以将由处理器根据反射光生成的特征图像与存储的先前获取的图像进行比较，以查看是否存在匹配。如本文所述，真实的三维物体的图像可以在镜面照明光被遮盖的区域中显示明暗反转。这样，在第一组实施例中，也利用遮盖照明来先前获取存储图像，使得在遮盖照明条件下获取的真实物体(如真实指纹)的特征图像与存储图像匹配。在第二实施例中，在没有遮盖照明的情况下先前获取存储图像，使得在遮盖照明条件下获取的真实对象(如真实指纹)的特征图像与存储图像不匹配。在第二组实施例的一些实施例中，匹配可以指示欺骗(即，真实物体不匹配)。在第二组实施例的其他实施例中，可以首先对生成的特征图像进行明暗反转校正(例如，通过反转被遮盖的第一图像部分中的明暗)，然后，可以将校正的图像与存储图像进行匹配；在这种方法中，匹配可以指示真实物体。

在其他实施例中，数据存储器1555可以包括用于临时存储在相同获取会话期间收集的图像的瞬态或非瞬态存储器。例如，当一个人将她的手指放在接触表面1515上时，处理器1550可以获取多个条件下多个帧中的多个图像。在这种实施例的一种实现方式中，单个获取会话具有至少两个获取帧。在第一获取帧中，处理器1550指导照明子系统1520完全照亮接触表面1515的采集区域，并使用在该全照明条件下由光学传感器模块1530接收的反射光来生成全照明图像。在第二获取帧中，处理器1550指导照明子系统1520部分照亮接触表面1515的采集区域(留下仅间接照亮的遮盖区域)，并使用在此局部照明条件下由光学传感器模块1530接收的反射光来生成特征图像。第一获取帧可以在第二获取集帧之前或之后(即，图像可以以任何合适的顺序生成)。可以将一个或多个特征图像和全照明图像进行比较，以检测明暗反转。在这种实施例的另一实现方式中，单个获取会话具有快速且一连串的获取帧，其中，获取帧的某些部分使用全照明来生成全照明图像，而获取帧的其余部分使用部分照明来生成特征图像(例如，照明在遮盖区域中被选通)。在这种情况下，可以在图像上对遮盖区域中的像素强度进行平均，以检测明暗反转。例如，利用欺骗物体不会出现明暗反转，使得像素强度的平均水平比真实物体要亮得多。

这种检测的原理由图16示出。就上下文而言，图16的环境1600示出了具有与盖板层1510的接触表面1515接触的三维物体的盖板层1510。该物体包括谷1542和脊1544(如指纹)的图案，使得谷1542不与接触表面1515接触，并且脊1544正与接触表面1515接触。假定整个阵列1525引导照明光穿过盖板层1510至物体。如上所述，脊1544的图像亮度由两个分量构成：通过接触表面1515引起的镜面照明光1605的镜面反射分量1609；以及非镜面分量1617。非镜面分量1617包括非镜面照明光1613和1615的脊表面反射光以及来自物体(如手指组织)的散射光。谷1542的图像亮度由两个分量构成：通过接触表面1515引起的镜面照明光1607的镜面反射分量1611，以及非镜面分量1619。非镜面分量1619包括非镜面照明光1613和1615的谷表面反射光以及来自物体(如手指组织)的散射光。

因此，如果区域中提供镜面照明光，则在脊1544位置处的物理接触改变接触表面1515的界面，使得镜面反射明显降低或消除。结果是，因为镜面反射通常比非镜面反射大得多，所以图像的对应于脊1544的部分比图像的对应于谷1542的部分更暗。相反，如果区域中未提供镜面照明光，则图像的对应于三维脊1544的部分比图像的对应于三维谷1542的部分更亮。这种效果是因为脊1544表面通常比谷1542表面更光滑。然而，典型的二维欺骗表现(例如，印在纸张、透明胶带等上的指纹的图像)在整个二维表面上具有基本恒定的平滑度和其他特征(与真实指纹或其他三维对象的平滑度和其他特征不同)。这样，欺骗谷和欺骗脊之间的二维差异通常不会改变盖板玻璃触摸表面界面，并且图像明暗图案在镜面和非镜面(即直接和间接)照明光下基本保持相同。

图17A和17B示出了当遮盖镜面照明光时真实指纹图像和二维欺骗图像之间光学感测的差异。图17A示出了在照明完全(由照明阵列1710a表示)的情况下的成像。例如，参考图15和16，这种情况可以表示使用照明子系统1520的整个阵列1525来照亮接触表面1515的感测区域，使得光学传感器模块1530通过整个感测区域上的镜面反射来接收光学信息。如图所示，在这种情况下，真实指纹图像1720a和二维欺骗指纹图像1730a基本相同。

图17B示出了在镜面照明光的一部分被遮盖(由具有遮盖区域1715的照明阵列1710b表示)的情况下的成像。例如，通过关闭定义区域中的某些OLED像素，可以有效关闭相应位置中的镜面照明光。在这种情况下，在没有镜面照明光的对应位置中，在真实指纹图像和二维欺骗指纹图像之间通常存在明暗反转。虽然遮盖区域被显示为一个小的矩形区域，但是任何合适的形状和大小都可以被遮盖。

如图所示，对于真实指纹图像1720b，在具有镜面照明光的未遮盖区域中(例如，开启OLED像素)，真实指纹的脊通常产生较亮的图像，而谷通常产生较暗的图像；而在没有镜面照明光的遮蔽区域中(例如，关闭OLED像素，如区域1725中)，真实指纹的脊通常产生较暗的图像，而谷通常产生较亮的图像。相反，对于二维欺骗图像1730b，遮蔽区域和未遮蔽区域之间没有明显差异。在既有镜面照明光又没有镜面照明光的区域中(例如，开启或关闭OLED像素)，真实指纹的脊通常产生较亮的图像，而谷通常产生较暗的图像。因此，评估由遮盖区域中的指纹脊和谷形成的图像可以提供信息，以确定目标是真实指纹还是二维欺骗。

图18示出了根据各种实施例的使用明暗反转成像对三维物体的二维表现进行反欺骗的说明性方法1800的流程图。可以使用上述系统中的任一种系统和/或任何其他合适的系统来实现方法1800。方法1800的实施例开始于阶段1804，通过引导照明光穿过光学感测组件的盖板层，以使反射光到达设置在盖板层下方的光学传感器。盖板层被配置为使得在与物体的三维特征图案与接触表面之间的接触对应的明暗图案中反射光被盖板层的接触表面内部反射。在一些实施例中，阶段1804处的引导照明光包括选择性地激活多个照明源的一部分。在这种实施例中，照明源可以被配置为，使得：激活照明源的整个阵列将照明光引导至盖板层的整个感测区域，使光学传感器接收遮盖区域中的通过非镜面反射和镜面反射的反射光；以及激活照明源的部分阵列将照明光仅引导至感测区域的与未遮盖区域相对应的部分，使光学传感器接收遮盖区域中的仅通过非镜面反射的反射光。

阶段1808，实施例可以使用光学传感器，接收反射光的至少一部分，反射光的至少一部分包括响应于仅通过非镜面反射到达光学传感器的反射光的第一部分接收的明暗图案的遮盖区域，以及响应于通过照明光的镜面反射和非镜面反射到达光学传感器的反射光的第二部分接收的明暗图案的未遮盖区域。阶段1812，实施例可以响应于接收，生成包括从明暗图案的遮盖区域生成的至少第一图像部分的特征图像。在一些实施例中，特征图像的生成还包括从明暗图案的未遮盖区域生成的第二图像部分。

阶段1816，实施例可以通过分析特征图像以确定第一图像部分是否指示明暗图案的遮盖区域中的明暗反转，检测二维欺骗对象。在一些实施例中，检测包括检索表现先前从具有明暗图案的遮盖区域中的明暗反转的物体的三维特征图案获取的光学信息的一个或多个存储图像；以及分析特征图像以确定至少第一图像部分是否与一个或多个存储图像的对应部分匹配。在这种实施例中，当至少第一图像部分与一个或多个存储图像的对应部分不匹配时，可以检测二维欺骗对象。

在一些实施例中，阶段1816处的检测包括：在完全照亮盖板层的感测区域(例如，激活照明源的整个阵列)的同时，获得由光学传感器获取的表现物体的三维特征图案的光学信息的一个或多个全照明图像；以及分析特征图像以确定至少第一图像部分是否与一个或多个全照明图像的对应部分匹配。例如，当至少第一图像部分与一个或多个存储图像的对应部分成功匹配时，通过分析来检测二维欺骗对象。在其他实施例中，阶段1816处的检测包括在分析之前，校正用于明暗图案的遮盖区域中的明暗反转的第一图像部分。在这种情况下，当至少第一图像部分与一个或多个存储图像的对应部分不匹配时，通过分析可以检测二维欺骗对象。

如本文所述，阶段1816处的欺骗检测包括将生成的特征图像(例如，利用遮盖照明生成的)与先前获取的图像(例如，使用全照明光或还使用遮盖照明光的)进行比较。在一些实施例中，从存储器(例如，非瞬态存储器)检索一个或多个先前获取的(例如，全照明)图像，其中，一个或多个先前获取的图像先前已在第一时间的先前光学扫描会话期间存储。在这样的实施例中，阶段1804处的引导照明光、阶段1808处的接收、阶段1812处的生成和阶段1816处的检测可以在随后的第二时间的第二光学扫描会话中进行。在其他实施例中，在单个获取会话的多个帧期间生成一些或全部比较图像。例如，阶段1804处的引导照明光、阶段1808处的接收和阶段1812处的生成在光学扫描会话的第一获取帧中进行。在光学扫描会话的第二获取帧中，通过以下方式获得一个或多个全照明图像：激活照明源的整个阵列；利用光学传感器，响应于激活，再次接收在明暗图案的遮盖区域和未遮盖区域中的通过镜面反射和非镜面反射的反射光的至少一部分；以及响应于再次接收，再次生成响应于在第二获取帧中接收的反射光的至少一部分的一个或多个全照明图像。在这种实施例中，阶段1816处的检测至少在第一和第二获取帧后进行。例如，如本文所使用的，获取会话旨在指示用户出于特定目的(例如，生物特征识别、生物特征认证、电子访问、生物特征注册等)而尝试使用光学扫描仪的特定情况，通常包括用户将手指或其他物体与接触表面接触放置一次(或在较小的时间窗内有限次)。相反，多个扫描会话通常可以指任何其他情况，例如，当用户尝试使用光学扫描系统时，以及在较早的成功或失败的尝试之后的某个稍后时间，再次尝试使用光学扫描系统时。

为了说明起见，照明光预先标记有定义的照明图案(例如，具有被标记的镜面照明光的一部分)。根据照明图案定义明暗反转的图像区域。该系统意识到镜面照明光被标记的预定义区域。然后，该系统可以校正那些预定义区域(例如，反转图像那些部分中的明暗)，以形成完整的指纹图像。该图像校正之后，真实指纹的图像通常显示为好像已被完全照亮(即，预定义区域中的脊和谷表现出与未标记情况下相同的明暗图案)；但是，二维欺骗指纹的图像通常以不同的方式显示，预定义区域中的脊和谷表现出与未标记情况相比的明暗反转的图案。因此，真实指纹的校正图像通常与先前存储在指纹数据库中的指纹图像匹配；并且二维欺骗图像的校正图像不匹配(校正过程在欺骗图像的遮盖区中导致反转的明暗图案)。

在其他实现方式中，可以通过其他方式利用明暗反转。在一个实施例中，预先收集指纹图像的数据库，其具有标记出的预定义区域。在这样的实施例中，可以将新收集的图像(在相同的遮盖条件下收集的)直接与数据库进行比较，而无需预先校正图像以进行明暗反转。在另一个实施例中，明暗反转仅用于欺骗检测，而不用于生物特征识别。在这样的实施例中，可以利用全照明光获取图像，并且可以获取另一图像，其具有标记出的预定区域，然后可以比较两个图像。如果图像匹配，则可能表明存在欺骗。

尽管以术语“明暗图案”和“明暗反转”来描述实施例，但是这些术语不限于仅基于明暗的完全反转的检测。而是更一般地，这种术语包括未遮盖的照明条件(例如，导致响应于镜面和非镜面反射的光学信息)与遮盖的照明光(例如，导致仅响应于非镜面反射的光学信息)之间的特定感测区域或子区域的光学响应的任何适当可检测的差异。例如，在一些情况下(例如，如图17B所示，当将真实物体图像的遮盖区域与欺骗物体图像的遮盖区域进行比较时，存在明暗的完全反转。在其他情况下，欺骗物体导致遮盖区域暗一些，而真实物体导致遮盖区域暗得多；使得可以可靠地检测欺骗和真实情况之间遮盖区域变暗的差异。在其他情况下，欺骗物体导致遮盖区域保持相当数量的细节(例如，对应于欺骗谷和欺骗脊的图案)，而真实物体导致遮盖区域具有很少细节；使得能够检测遮盖区域中的脊和谷的细节可以可靠地指示出存在欺骗物体。

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 (12)

1.一种使用明暗反转成像对三维物体的二维表现进行反欺骗的光学感测系统，所述系统包括：

盖板层；

照明子系统，用于引导照明光穿过所述盖板层，以使反射光到达设置在所述盖板层下方的光学传感器，所述盖板层被配置为使得在与物体的三维特征图案与接触表面之间的接触对应的明暗图案中所述反射光被所述盖板层的所述接触表面内部反射；

光学传感器，设置在所述盖板层下方，用于接收所述反射光的至少一部分，所述反射光的至少一部分包括响应于仅通过非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第一部分，以及响应于通过所述照明光的镜面反射和所述非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第二部分，所述反射光的第一部分为来自所述明暗图案的遮盖区域的光，所述反射光的第二部分为来自所述明暗图案的未遮盖区域的光；以及

处理器，与所述光学传感器耦合，用于：

生成包括从所述明暗图案的遮盖区域生成的至少第一图像部分的特征图像；以及

通过分析所述特征图像以确定所述第一图像部分是否指示所述明暗图案的遮盖区域中的明暗反转，检测二维欺骗对象；

其中，所述照明子系统包括被配置的多个照明源，并且所述处理器用于选择性地引导所述照明源的整个阵列或部分阵列的激活，使得：

激活所述照明源的整个阵列将照明光引导至所述盖板层的整个感测区域，使所述光学传感器接收所述遮盖区域中的通过所述非镜面反射和所述镜面反射的所述反射光；以及

激活所述照明源的部分阵列将照明光仅引导至所述感测区域的与所述未遮盖区域相对应的部分，使所述光学传感器接收所述遮盖区域中的仅通过所述非镜面反射的所述反射光；

所述处理器用于通过以下方式检测所述二维欺骗对象：

在引导所述照明子系统以激活所述照明源的整个阵列的同时，获得由所述光学传感器获取的表现所述物体的三维特征图案的光学信息的一个或多个全照明图像；以及

分析所述特征图像以确定至少所述第一图像部分是否与所述一个或多个全照明图像的对应部分匹配；

当所述至少第一图像部分与所述一个或多个全照明图像的对应部分成功匹配时，通过所述分析来检测所述二维欺骗对象；或者

所述系统还包括：

图像数据存储器，其上已存储有表现先前从具有所述明暗图案的遮盖区域中的所述明暗反转的所述物体的三维特征图案获取的光学信息的存储图像，

其中，所述处理器用于通过检索所述存储图像中的一个或多个存储图像并分析所述特征图像以确定至少所述第一图像部分是否与所述一个或多个存储图像的对应部分匹配，检测所述二维欺骗对象，

其中，当所述至少第一图像部分与所述一个或多个存储图像的对应部分不匹配时，检测所述二维欺骗对象。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理器用于进一步通过以下方式检测所述二维欺骗对象：

在所述分析之前，校正用于所述明暗图案的遮盖区域中的明暗反转的所述第一图像部分，

其中，当所述至少第一图像部分与所述一个或多个全照明图像的对应部分不匹配时，通过所述分析来检测所述二维欺骗对象。

3.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述光学传感器用于响应于在获取时间仅通过所述非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第一部分，接收所述遮盖区域；以及

所述获得所述一个或多个全照明图像包括检索来自非瞬态存储器的所述一个或多个全照明图像，所述一个或多个全照明图像在所述获取时间之前已存储至所述非瞬态存储器。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述处理器用于在具有多个获取帧的光学获取会话中通过以下方式检测所述二维欺骗对象：

在所述获取帧的第一获取帧中：

引导所述照明子系统以激活所述照明源的部分阵列，使得所述光学传感器用于响应于仅通过所述非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第一部分，接收所述遮盖区域；以及

生成所述特征图像；

在所述获取帧的第二获取帧中：

引导所述照明子系统以激活所述照明源的整个阵列，使得所述光学传感器用于在所述第二获取帧中响应于通过所述镜面反射和所述非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光，接收所述遮盖区域；以及

获得所述一个或多个全照明图像；以及

在所述第一和第二获取帧后，使用所述特征图像和所述一个或多个全照明图像检测所述二维欺骗对象。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二获取帧在所述第一获取帧之前。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述物体是手指，所述三维特征图案包括所述手指的指纹的脊和谷，并且所述二维欺骗对象是所述指纹的二维图像。

7.根据权利要求1所述的系统，还包括：

显示模块，

其中，所述盖板层是设置在所述显示模块上方的顶部透明层，并且所述光学传感器是设置在所述显示模块下方的显示器下光学感测模块。

8.一种使用明暗反转成像对三维物体的二维表现进行反欺骗的方法，所述方法包括：

引导照明光穿过光学感测组件的盖板层，以使反射光到达设置在所述盖板层下方的光学传感器，所述盖板层被配置为使得在与物体的三维特征图案与接触表面之间的接触对应的明暗图案中所述反射光被所述盖板层的所述接触表面内部反射；

使用所述光学传感器，接收所述反射光的至少一部分，所述反射光的至少一部分包括响应于仅通过非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第一部分，以及响应于通过所述照明光的镜面反射和所述非镜面反射到达所述光学传感器的所述反射光的第二部分，所述反射光的第一部分为来自所述明暗图案的遮盖区域的光，所述反射光的第二部分为来自所述明暗图案的未遮盖区域的光；

响应于所述接收，生成包括从所述明暗图案的遮盖区域生成的至少第一图像部分的特征图像；以及

通过分析所述特征图像以确定所述第一图像部分是否指示所述明暗图案的遮盖区域中的明暗反转，检测二维欺骗对象；

其中，所述检测所述二维欺骗对象包括：

检索表现先前从具有所述明暗图案的遮盖区域中的明暗反转的所述物体的三维特征图案获取的光学信息的一个或多个存储图像；以及

分析所述特征图像以确定至少所述第一图像部分是否与所述一个或多个存储图像的对应部分匹配，

其中，当所述至少第一图像部分与所述一个或多个存储图像的对应部分不匹配时，检测所述二维欺骗对象；或者

所述引导照明光包括选择性地激活多个照明源的一部分，所述照明源被配置，使得：

激活所述照明源的整个阵列将照明光引导至所述盖板层的整个感测区域，使所述光学传感器接收所述遮盖区域中的通过所述非镜面反射和所述镜面反射的所述反射光；以及

激活所述照明源的部分阵列将照明光仅引导至所述感测区域的与所述未遮盖区域相对应的部分，使所述光学传感器接收所述遮盖区域中的仅通过所述非镜面反射的所述反射光；

所述检测所述二维欺骗对象包括：

在激活所述照明源的整个阵列的同时，获得由所述光学传感器获取的表现所述物体的三维特征图案的光学信息的一个或多个全照明图像；以及

分析所述特征图像以确定至少所述第一图像部分是否与所述一个或多个全照明图像的对应部分匹配；

当所述至少第一图像部分与所述一个或多个全照明图像的对应部分成功匹配时，通过所述分析来检测所述二维欺骗对象。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述检测所述二维欺骗对象还包括：

在所述分析之前，校正用于所述明暗图案的遮盖区域中的明暗反转的所述第一图像部分，

其中，当所述至少第一图像部分与所述一个或多个全照明图像的对应部分不匹配时，通过所述分析来检测所述二维欺骗对象。

10.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述引导照明光、所述接收、所述生成和所述检测在第二时间的第二光学扫描会话中进行；以及

所述获得所述一个或多个全照明图像包括检索来自非瞬态存储器的所述一个或多个全照明图像，所述一个或多个全照明图像在所述第二时间之前的第一时间的第一光学扫描会话中已存储至所述非瞬态存储器。

11.根据权利要求8所述的方法，其中：

所述引导照明光、所述接收和所述生成在光学扫描会话的第一获取帧中进行；

所述获得所述一个或多个全照明图像包括，在所述光学扫描会话的第二获取帧中：

激活所述照明源的整个阵列；

利用所述光学传感器，响应于所述激活，再次接收在所述明暗图案的遮盖区域和未遮盖区域中的通过镜面反射和非镜面反射的所述反射光的至少一部分；以及

响应于所述再次接收，再次生成响应于通过所述镜面反射和所述非镜面反射接收的所述反射光的至少一部分的所述一个或多个全照明图像；以及

所述检测至少在所述第一和第二获取帧后进行。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述特征图像的生成还包括从明暗图案的未遮盖区域生成的第二图像部分。