CN111950529A - 具有非接触成像能力的光学指纹传感器 - Google Patents

具有非接触成像能力的光学指纹传感器 Download PDF

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Abstract

提供了一种具有非接触成像能力的光学指纹传感器。在用户手指位于设备附近而未接触到该设备时，以及在用户手指与设备接触时，执行光学指纹感测以在访问设备时进行用户认证。可以对接触和非接触示例中的手指执行光学指纹感测，以增强指纹感测并在光学感测中提供防欺骗。当手指位于设备附近而未接触到设备时，以及手指与设备接触时，可以采集多个指纹图像。采集的非接触手指的指纹图像和采集的接触手指的指纹图像提供了两种不同类型的光学指纹感测机制，可以共同增强指纹感测性能和防欺骗特征。

Description

具有非接触成像能力的光学指纹传感器
本申请是申请日为2018年5月17日、中国申请号为201880002013.9、发明名称为“具有非接触成像能力的光学指纹传感器”的专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利文件要求于2017年5月17日提交的申请号为62/507,779、发明名称为“具有非接触成像能力的光学指纹传感器”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申请的公开内容的一部分。
技术领域
本专利文件一般涉及用于安全访问电子设备或信息系统的指纹识别及其应用。
背景技术
指纹可以用于对访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户进行认证，其既可以作为独立认证方法使用，也可以与一个或多个其他认证方法，例如密码认证方法组合使用。例如，包括便携式或移动计算设备的电子设备，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统，可以采用用户认证机制来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。
对移动设备等设备或电子数据库和计算机控制的系统等系统的安全访问可以以不同方式来实现，包括例如使用用户密码。然而，密码可能很容易传播或获取，密码的这种性质可能会降低安全级别。此外，用户需要记住密码才能使用电子设备或系统，而如果用户忘记密码，那么用户需要进行某些密码恢复程序以获得认证，或以其他方式重新获得对设备的访问的权限，而这样的过程对于用户而言较为繁琐，并且具有各种实用性的限制和不便。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标识符的一种或多种形式来执行，其可以单独使用，也可以和传统的密码认证方法一起使用。生物标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子设备或信息系统中以读取用户的指纹图案，使得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进行解锁。
发明内容
本专利文件中描述的实现方式的示例提供了使用光学传感器来感测指纹的指纹传感器设计。所描述的指纹传感器设计可以用于各种设备、系统或应用，包括移动应用和各种可穿戴或便携式设备(例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备)，较大的电子设备或系统。
所公开的光学传感器的某些实现方式允许在手指靠近但未接触到移动电话或平板电脑等设备或其他系统时采集用户手指的图像，并在手指与该设备接触时，能够实现高级指纹认证功能，包括更为高级强大的防欺骗功能等，以提高访问安全性。
一方面，例如，提供了一种用于认证访问电子设备的用户的方法，所述方法利用置于所述电子设备的顶部透明层的延伸部分下方且邻近置于所述顶部透明层下方的显示面板的一端的光学传感器模块。所述方法包括操作所述光学传感器模块的一个或多个探测光源，用于产生探测光，以照亮所述显示面板上方的、所述顶部透明层的部分和所述顶部透明层上方的邻近区域；操作所述光学传感器模块的光学检测器的光学传感器阵列，以检测来自存在于所述顶部透明层上方且未接触到所述顶部透明层的目标的反射光，以确定所述目标的存在；操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列，当检测到存在所述目标而所述目标未接触到所述顶部透明层时进行第一光学指纹感测操作，采集所述目标的一个或多个第一光学图像，以确定采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像是否包括在授权用户的手指未接触到所述顶部透明层时通过操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列从所述授权用户预先获得的所述授权用户的所述手指的第一存储指纹；在该方法中，当确定采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像不包括所述授权用户的所述第一存储指纹时，拒绝对所述电子设备的访问；并且当所述第一光学指纹感测操作确定所述第一光学指纹感测操作中采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像被确定为包括授权用户的所述指纹时，所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列被操作为在所述目标与所述顶部透明层接触时进行第二光学指纹感测操作，采集所述目标的一个或多个第二光学图像，以确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像是否包括在所述授权用户的所述手指与所述顶部透明层接触时通过操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列从所述授权用户预先获得的所述授权用户的所述手指的第二存储指纹；所述方法还包括当确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像不包括所述授权用户的所述第二存储指纹时，拒绝对所述电子设备的访问；以及当确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像包括所述授权用户的所述第二存储指纹时，授权对所述电子设备的访问。
上述方法可以以各种方式实现，并包括各种特征。例如，所述方法可以包括操作形成于所述顶部透明层下方的触摸传感器，以确定目标是否与所述顶部透明层接触。例如，所述方法可以包括操作所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源，以发射穿透人类皮肤表面的光学波长的所述探测光，使得所述光学传感器模块采集包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以提供防欺骗指纹感测，并且所述方法还可以包括操作所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源，以发射穿透人类皮肤表面的红外(IR)光学波长的所述探测光。
例如，所述方法可以包括操作所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源，以发射两个或两个以上不同光学波长的所述探测光，在所述不同光学波长下人类活体手指呈现出不同的光学性质；以及操作所述光学传感器阵列，以测量返回的所述两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以确定所述目标是否是活人的手指。就这点而言，所述方法还可以包括操作所述光学传感器模块以测量(1)所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，(2)来自与所述顶部透明层接触的所述目标的按压力的时域演变，以确定接收到的所述接触是否来自活人。
例如，所述方法可以包括操作所述显示面板以在所述探测光投射到的区域下方显示用户可见的标记的指纹感测区域，以向所述用户指示放置手指用于指纹感测的地方。所述标记的指纹感测区域与所述光学传感器模块相邻，以使得用户手指在所述标记的指纹感测区域上方时所述光学传感器模块接收返回的探测光，并且还使得用户手指与所述标记的指纹感测区域接触时，所述光学传感器模块采集来自所述用户手指的一部分的返回光。
另一方面，所公开的技术可以实现为提供一种具有光学指纹感测模块的电子设备。该设备可以包括：显示面板，显示图像和内容并接收用户接触输入；以及顶部透明层，形成于所述显示面板之上，以提供用于接收用户接触输入的触摸界面并允许查看所述显示面板的显示的图像和内容，所述顶部透明层包括延伸至所述显示面板的至少一端外的延伸部分。光学传感器模块置于所述顶部透明层的所述延伸部分下方且邻近所述显示面板的所述一端，所述光学传感器模块包括一个或多个探测光源，用于产生探测光，以照亮所述显示面板上方的、所述顶部透明层的所述延伸部分和所述顶部透明层上方的邻近区域，以便照亮位于所述顶部透明层上方的或与所述顶部透明层接触的目标以进行光学感测，光学传感器阵列包括光学检测器，用于检测来自所述顶部透明层上方的或与所述顶部透明层接触的所述目标的反射光，以检测(1)第一信号，用于提供所述目标是否是授权用户的手指的第一指示，以及(2)不同的第二信号，用于提供所述目标是否是授权用户的手指的单独的第二指示。该设备还包括光学传感器控制器，耦合至所述光学传感器模块，用于控制所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列的操作，以触发对所述目标的不同图像的采集，包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的所述目标的另一图像。在该设备中，所述光学传感器控制器处理采集的所述目标的图像，包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的采集的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的采集的所述目标的另一图像，以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指。
上述设备可以以各种方式实现，并包括各种特征。例如，在该设备中，所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置为以穿透人类皮肤表面的光学波长发射所述探测光，所述光学传感器阵列采集由穿透人类皮肤表面的所述光学波长的所述探测光形成的且包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以及所述光学传感器控制器处理包括所述皮肤表面下方的组织结构的、穿透人类皮肤表面的所述光学波长下采集的所述目标的图像，以将所述皮肤表面下方的所述组织结构的信息作为所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指的确定的一部分，以提供防欺骗指纹感测。此外，所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置成以穿透人类皮肤表面的红外(IR)光学波长发射所述探测光。
例如，在该设备中，所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源可以被配置为以穿透人类皮肤表面的光学波长发射所述探测光，所述光学传感器阵列采集(1)由穿透人类皮肤表面的所述光学波长的所述探测光形成的且包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以及(2)表示所述皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案；以及所述光学传感器控制器处理(1)由穿透人类皮肤表面的所述光学波长的所述探测光形成的且包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以及(2)表示所述皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案，以形成用于确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指的三维轮廓，以提供防欺骗指纹感测。
例如，在该设备中，耦合至所述光学传感器模块的所述光学传感器控制器可操作为：当目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层且接近所述顶部透明层时，当所述目标与所述顶部透明层接触时，以及当所述目标从所述顶部透明层移开时，触发对所述目标的不同图像的采集。
例如，在该设备中，所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被构造为以两个或两个以上不同光学波长发射所述探测光，在所述不同光学波长下人类活体手指呈现出不同的光学性质；以及所述光学传感器控制器被构造为测量返回的所述两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以确定所述目标是否是活人的手指。就这点而言，所述光学传感器模块可以构造为测量(1)所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以及(2)来自与所述顶部透明层接触的所述目标的按压力的时域演变，以确定接收到的所述接触是否来自活人。
例如，在实现上述设备时，所述显示面板可以是各种显示配置，包括液晶显示器(LCD)面板、有机发光二极管(OLED)显示面板、或有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示面板。
例如，在该设备中，置于所述顶部透明层的所述延伸部分下方的所述光学传感器模块可以构造为将来自所述一个或多个探测光源的所述探测光投射到所述显示面板上方的区域上，以便采集来自所述显示面板上方的所述区域的目标的返回的探测光，以在所述目标未接触到所述顶部透明层时采集所述目标的图像。就这点而言，所述显示面板可以被操作为在所述探测光投射到的区域下方显示用户可见的标记的指纹感测区域，以向所述用户指示放置手指用于指纹感测的地方，其中所述标记的指纹感测区域与所述光学传感器模块相邻，以使得用户手指在所述标记的指纹感测区域上方时所述光学传感器模块接收返回的探测光，并且还使得用户手指与所述标记的指纹感测区域接触时，所述光学传感器模块采集来自用户手指的一部分的返回的光。此外，所述光学传感器模块可以包括由微透镜形成的光学成像孔径，采集来自目标的返回的探测光，以将来自采集的所述返回的探测光的图像形成在所述光学传感器阵列上，或者包括由针孔形成的光学成像孔径，采集来自目标的返回的探测光，以将来自采集的所述返回的探测光的图像形成在所述光学传感器阵列上。
例如，在该设备中，所述光学传感器模块可以包括(1)光学成像孔径，用于采集待成像到所述光学传感器阵列的返回的探测光，以及(2)光学探测光透明开口，与所述光学成像孔径之间存在移位且在每个光学探测光源上方，以将所述探测光输出到所述顶部透明层上方以进行指纹感测。所述光学传感器模块可以包括彩色涂层，所述彩色涂层与所述顶部透明层接合且在所述顶部透明层下方，以覆盖所述光学成像孔径与每个光学探测光透明开口之间的空间，并且所述彩色涂层对所述探测光至少部分透明。
例如，在该设备中，所述光学传感器模块可以包括位于所述光学传感器阵列上方的光学滤波器，以传输所述探测光，同时阻挡背景光到达所述光学传感器阵列。具体地，所述光学滤波器可以构造为减少到达所述光学传感器阵列的红外光。
例如，所述设备还可以包括触发传感器，所述触发传感器与所述光学传感器模块分离且位于所述顶部透明层下方，所述触发传感器被构造为在目标接触所述顶部透明层之前感测所述目标的存在，并在所述目标未接触到所述顶部透明层时，触发所述光学传感器模块的第一光学指纹感测操作。所述光学传感器控制器处理所述光学传感器模块的所述第一光学指纹感测操作采集的光学图像，以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指，并且当基于所述第一光学指纹感测操作的所述确定是否定时拒绝访问。当基于所述第一光学指纹感测操作的所述确定是肯定时，所述光学传感器模块被操作以通过在所述目标接触所述顶部透明层时采集指纹图像来执行第二光学指纹感测操作，以进一步确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指，并且仅在所述第二光学指纹感测操作的所述确定为肯定后才授权所述访问。此外，与所述光学传感器模块分离的所述触发传感器可以包括电容式传感器，用于测量与位于所述顶部透明层上方的所述目标相关联的电容；或者与所述光学传感器模块分离的所述触发传感器可以包括超声波传感器，用于将声音信号引导至所述目标，并检测来自位于所述顶部透明层上方的所述目标的反射声音信号。
又如，所述设备可以包括支撑透明层，所述支撑透明层形成于所述顶部透明层下方且与所述顶部透明层接合，所述支撑透明层包括开口，所述开口在所述顶部透明层的所述延伸部分下方且邻近所述显示面板的所述一端，并且所述光学传感器模块可以置于所述顶部透明层的所述延伸部分下方的所述支撑透明层的所述开口内。就这点而言，所述顶部透明层和所述支撑透明层可以是玻璃透明基板。
又如，所述设备可以包括触摸传感器，所述触摸传感器形成于所述顶部透明层下方且被构造为确定目标是否与所述顶部透明层接触。
另一方面，所公开的技术可以实现为通过将光学传感器模块置于设备中的不同位置处，以非接触配置和接触配置采集图像来提供光学指纹感测。具体地，提供了一种用于认证用户访问电子设备的方法，所述方法利用电子设备的光学传感器模块，所述方法包括：操作所述光学传感器模块的一个或多个探测光源产生探测光，以照亮所述电子设备的邻近区域；操作所述光学传感器模块的光学检测器的光学传感器阵列，以检测来自照亮的所述邻近区域中存在的目标的反射光，以确定所述目标的存在；操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列，当检测到存在所述目标而所述目标未接触到所述电子设备时进行第一光学指纹感测操作，采集所述目标的一个或多个第一光学图像，以确定采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像是否包括在授权用户的手指未接触到所述电子设备时通过操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列从所述授权用户预先获得的所述授权用户的手指的第一存储指纹；当确定采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像不包括所述授权用户的所述第一存储指纹时，拒绝对所述电子设备的访问；当所述第一光学指纹感测操作确定所述第一光学指纹感测操作中采集的所述目标的所述一个或多个第一光学图像被确定为包括授权用户的指纹时，操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列，以在所述目标与所述电子设备接触时进行第二光学指纹感测操作，采集所述目标的一个或多个第二光学图像，以确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像是否包括在授权用户的手指与所述电子设备接触时通过操作所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列从所述授权用户预先获得的所述授权用户的所述手指的第二存储指纹；当确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像不包括所述授权用户的所述第二存储指纹时，拒绝对所述电子设备的访问；以及当确定采集的所述目标的所述一个或多个第二光学图像包括所述授权用户的所述第二存储指纹时，授权对所述电子设备的访问。
上述方法可以以各种方式实现，并包括各种特征。例如，所述光学传感器模块可以位于所述电子设备的按钮中。在一些实现方式中，所述电子设备的所述按钮可以在所述电子设备的侧面、包括显示面板的所述电子设备的正面。所述电子设备的所述按钮可操作以执行与指纹感测不同的另一操作。所述电子设备的所述按钮可以是用于打开所述电子设备的电源的电源按钮。
例如，在实现上述方法时，所述电子设备可以包括：包括显示面板的正面、与所述正面相对的背面、以及所述正面和所述背面之间的侧面。所述光学传感器模块可以置于所述电子设备的侧面，或者所述电子设备的背面，或者所述电子设备的正面。所述光学传感器模块还可以置于形成在所述电子设备的所述正面的按钮中且位于所述显示面板外。
再如，上述方法可以包括操作所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源，以发射穿透人类皮肤表面的光学波长的所述探测光，使得所述光学传感器模块采集包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以提供防欺骗指纹感测。所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置成以穿透人类皮肤表面的红外(IR)光学波长发射所述探测光。
又如，所述方法可以包括操作所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源，以发射两个或两个以上不同光学波长的所述探测光，在所述不同光学波长下人类活体手指呈现出不同的光学性质；以及操作所述光学传感器阵列，以测量返回的所述两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以确定所述目标是否是活人的手指。就这点而言，该方法还可以包括操作所述光学传感器模块以测量(1)所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，(2)来自与所述顶部透明层接触的所述目标的按压力的时域演变，以确定接收到的所述接触是否来自活人。
所公开的技术可以被实施以提供其他特征。
例如，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：显示面板，显示图像和内容并接收用户接触输入；光学传感器模块，置于显示面板下方，用于检测接收到的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记，光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列被定位于接收反射的探测光并产生光学传感器信号，所述反射的探测光携带接收的接触输入的信息。光学传感器模块在不同的时间采集不同的指纹图案，以监测指纹脊图案的时域演变。
再如，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：显示面板，显示图像和内容并接收用户接触输入；光学传感器模块，置于显示面板下方，用于检测接收的与指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列被定位成接收反射的探测光并产生光学传感器信号，所述反射的探测光携带接收的接触输入的信息。在一些实现方式中，该光学传感器模块还包括光学传感器阵列和显示面板之间的光学滤波器层，用于减少太阳光或环境光等背景光。
再如，提供了一种具有光学指纹感测功能的电子设备，包括：触摸接收表面，该触摸接收表面包括用于接收接触输入的触摸区域；光学传感器模块，检测接收到的与触摸接收表面上的指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括光源和光学传感器阵列，光源用于产生投射到触摸接收表面上的探测光，光学传感器阵列被定位为从触摸接收表面接收携带接收的接触输入的信息的探测光并产生光学传感器信号。该设备可以进一步包括处理电路，该处理电路被通信地耦合以接收光学传感器信号，以处理第一信号，以确定检测的图像是否与授权用户的指纹图案匹配，并且处理第二信号，以确定生物学标记是否表示与指纹关联的接触输入来自活人的手指。
再如，所公的开技术的光学指纹传感器可以被实施以提供以下特征中的一个或多个。该光学指纹传感器包括光源、耦合器、间隔物、光电二极管阵列和盖板玻璃。间隔物可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至空气间隙或真空制成。耦合器可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至空气间隙或真空制成。盖板玻璃可以是显示器盖板玻璃的一部分，也可以是单独的盖板玻璃。上述耦合器、间隔物和盖板玻璃中的每一个都可以是多层的。
所公开的技术可以用于通过匹配材料形状和折射率为控制信号对比度提供灵活性。通过匹配探测光束入射角、发散角以及所涉及的耦合器、间隔物和盖板玻璃的材料，对于不同的触摸材料，可以控制探测光束在感测表面处被全部反射或部分反射。
在一些实现方式中，所公开的光学指纹传感器可以配置为提供无水指纹感测效果。典型的智能手机盖板玻璃的折射率约为1.50。一种设计是使用低折射率材料(MgF2、CaF2、聚合物等)来形成耦合器。所公开的技术可用于将感测表面的局部探测光束入射角控制为大约68.5°。当水触摸光学指纹传感器的感测表面时，全反射角约为62.46°，当指纹脊触摸感测表面时，全反射角约为73.74°。当没有东西触摸感测表面时，全反射角约为41.81°。在本设计中，在浸水区域，探测光被全部反射到光电二极管阵列；在指纹脊触摸位置，不到5％的探测光被反射到光电二极管阵列；在干的指纹谷位置，探测光束也被全部反射到光电二极管阵列。这意味着只有指纹脊才会生成被检测到的信号。
汗的折射率低于手指皮肤的折射率。所公开的技术提供了一种区分指纹中的汗孔的方案。
当使用空气间隙形成耦合器时，在感测表面不会发生全反射。不同触摸材料(指纹脊、指纹谷和其他污染物)之间的反射率的差异可以用于检测指纹图像。
由于光路压缩效应，感测区域的尺寸可大于光电二极管阵列的尺寸。
光源可以是安装在适当距离处的点光源。
探测光束可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜进行准直。
探测光束可以具有适当的发散角。探测光束可以是发散的或会聚的。
由于光路压缩效应，耦合器可以很薄。例如，可以使用厚度小于1mm的CaF2耦合器来实现甚至10mm的感测区域大小。在本示例中，图像压缩比为1:10。这有助于降低传感器成本。
光电二极管阵列安装在耦合器的一端而非耦合器的下方。这种设计可以灵活应用彩色涂料、照明灯等，来补偿颜色或装饰传感器区域。
可以对探测光源进行调制，以帮助减少背景光的影响。光电二极管阵列被设计为在任何照明环境中都能良好地工作。
盖板玻璃厚度对指纹感测不构成限制。
该原理可以用于构建光学触摸面板。
在另一方面，所公开的技术的光学指纹传感器可以被实施以执行包括以下的活体手指检测：
光学指纹传感器可以检测触摸材料是否为活体手指，并且可以提高传感器的安全性。
特定光源和检测器可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是非活体材料。
当使用单波长时，心跳检测提供了可靠的标准，来检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
当使用两个或两个以上波长时，比较波长的消光比，以检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
指纹传感器光源和光电二极管阵列可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
动态指纹图像可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。
动态指纹图像还可以用于检测活体手指触摸感测区域时的按压力。
对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。
在另一方面，光学指纹传感器可以被实施，以实现各种装饰元素，包括以下：
耦合器的底面可以涂有相同的颜色或图案的层，以与平台表面颜色匹配。
耦合器的底面可以涂有不同的颜色或图案的层，以显示新的外观样式。
彩色光源可以安装在耦合器的周围，以装饰传感器区域。
在另一个方面，封装为单独按钮的光学指纹传感器可以执行如上所述的相同的指纹检测和活体手指检测。另外，封装为单独按钮的光学指纹传感器可以被实施以执行以下特征：
根据应用，盖板玻璃和相关的间隔物材料在厚度上具有灵活性。
特别地，一种实用的封装是不使用盖板玻璃和间隔物材料。
另一种实用的设计是使用薄层盖板玻璃来保护耦合器。该盖板玻璃可以具有高硬度。
使用彩色玻璃或其他光学材料来构建盖板也是实用的。
封装方法提供了一种构建紧凑按钮的方案，可以以更高的安全性检测指纹。
可以集成其他机械部件，以使得模块坚固。
在实现所公开的技术的又一示例中，提供了一种具有光学指纹感测模块的电子设备，该电子设备包括：触摸感测显示面板，该触摸感测显示面板包括触摸感测和显示区域，用于显示图像和内容以及用于接收用户接触输入；顶部透明盖板，形成于触摸感测显示面板的顶部并且可操作为顶部触摸感测表面以用于用户向触摸感测显示面板提供用户接触输入，并传输光线，以用于用户查看触摸感测显示面板显示的图像；以及光学传感器模块，置于顶部透明盖板下方并且与触摸感测显示面板之间存在移位。光学传感器模块用于检测接收的与顶部触摸感测表面上的指纹关联的接触输入的存在，以生成第一信号和第二信号，第一信号表示指纹的空间图案的图像，第二信号表示与指纹的空间图案不同并表征活人特性的生物学标记。光学传感器模块包括探测光源和光学传感器阵列，该探测光源用于产生投射到顶部触摸感测表面上的探测光，该光学传感器阵列被定位于接收从触摸接收表面反射的、携带接收的接触输入的信息的探测光，并产生光学传感器信号。探测光源产生两种不同波长的探测光，血液对于所述两种不同的波长具有不同的光学吸收。通过感测两个不同波长中每个波长的反射的探测光，光学传感器阵列采集表示指纹的空间图案的图像的第一信号，且两个不同波长的反射的探测光中的差异携带表示生物学标记的第二信号。
又一方面，所公开的技术可以实现为提供一种具有光学指纹感测模块的电子设备，包括：显示面板，显示图像和内容并接收用户接触输入；顶部透明层，形成于所述显示面板之上，以提供用于接收用户接触输入的触摸界面并允许查看所述显示面板的显示的图像和内容；以及光学传感器模块，置于所述顶部透明层和所述显示面板下方。所述光学传感器模块包括一个或多个探测光源，用于产生探测光，以便照亮位于所述顶部透明层上方或与所述顶部透明层接触的目标以进行光学感测，光学传感器阵列包括光学检测器，用于检测来自所述顶部透明层上方或与所述顶部透明层接触的所述目标的反射光，以检测(1)第一信号，用于提供所述目标是否是授权用户的手指的第一指示，以及(2)不同的第二信号，用于提供所述目标是否是授权用户的手指的单独的第二指示。该设备包括光学传感器控制器，耦合至所述光学传感器模块，用于控制所述一个或多个探测光源和所述光学传感器阵列的操作，以触发对所述目标的不同图像的采集，包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的所述目标的另一图像。所述光学传感器控制器处理采集的所述目标的图像，包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的采集的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的采集的所述目标的另一图像，以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指。
在实现方式中，所述顶部透明层可以包括指定的指纹感测区域，用于用户放置手指进行指纹感测；所述光学传感器模块可以位于所述指定的指纹感测区域下方，以接收来自所述顶部透明层的光以检测指纹，其中所述光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，以将接收到的携带所述用户的指纹图案的光转换成表示所述指纹图案的检测器信号；以及所述设备还可以包括额外照明光源，位于所述光学传感器模块外的不同位置处，用于产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的所述指定的指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于所述光谱范围呈现出光学透射，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所述指定的指纹感测区域上方的用户手指，以通过所述手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，所述散射的探测光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)由所述手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与所述不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息；以及所述设备还可以包括探测照明控制电路，耦合以控制所述额外照明光源按顺序打开和关闭以在不同时刻产生所述不同的照明光束，其中每个时刻产生一束照明光束，使得位于所述显示面板下方的所述光学传感器模块可操作以顺序地检测来自所述不同照明探测光束的所述散射的探测光，以采集(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。
附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了上述和其他方面及特征。
附图说明
图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。
图1B是示出基于图1A的设计在智能手机等移动设备中实现的示例性指纹传感器设备的框图。
图2是示出封装在智能手机等平台的屏幕盖板玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图。
图3是示出示例性指纹感测光路的示意图。
图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器的示意图。
图5是示出用于指纹感测的示例性光学指纹传感器的框图。
图6是示出示例性活体指纹检测的示意图。
图7示出了示例性的被监测材料的延长系数。
图8示出了组织中不同部分的血流。
图9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。
图10示出了为认证活体手指建立不同安全等级的示例性过程1000的流程图。
图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图。
图12是示出示例性封装为单独按钮的光学指纹传感器的示意图。
图13是示出使用封装为单独按钮的光学指纹传感器的示例性指纹检测以及活体手指检测的示意图。
图14和图15示出了基于所公开技术的结合光学传感器模块使用LCD和OLED显示模块的设备的示例。
图16、图17、图18、图19、图20和图21示出了用于实现光学传感器模块以允许接触和非接触条件下的目标的光学感测的特征的示例。
图22示出了具有类似于图12中的设计的独立传感器结构的形式、允许接触和非接触条件下的目标的光学感测的光学传感器模块的示例。
图23示出了将光学传感器模块放置在设备中的示例。
图24示出了操作光学传感器模块以允许接触和非接触条件下的目标的光学感测的示例。
图25示出了同一手指在不同按压力下的两种不同指纹图案，以说明光学传感器模块在不同时间采集不同指纹图案，以监测指纹脊图案的时域演变的操作。
图26A和图26B示出了电子设备的一个示例性实现，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传感器模块。
图27A和27B示出了实现图26A和26B中的光学传感器模块的设备的示例。
图28A和图28B示出了用于实现图26A和图26B中的设计的、在显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。
图29A、图29B和图29C示出了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30A至图30C示出了屏下光学传感器模块的示例设计。
图31示出了利用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例。
图31A、图31B和图31C示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD漫射器设计的示例。
图31D和图31E示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD反射器设计的示例。
图32至图38示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例和操作。
图39、图40A、图40B、图40C、图41和图42示出了通过将透光特征或区域放置在LCD屏的不透明边框下的不可见的LCD下光学传感器模块设计的示例。
图43A、图43B、图44A、图44B、图45、图46、图47、图48A和图48B示出了用于获得光学反射和透射图案以改善光学指纹感测的示例。
图49A和图49B示出了显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。
图50A和图50B示出了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的光的信号生成，以获得表示形成在手指表皮上的外部指纹图案的光学反射图案，以及屏下光学传感器模块的操作。
图51A至图51C示出了屏下光学传感器模块的示例设计。
图52、53A和53B示出了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，其中，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列，以将携带指纹信息的信号光引导至光学传感器阵列。
图54示出了在设计光学传感器模块时基于针孔相机效果的改善的光学成像分辨率。
图55和图56示出了具有额外照明光源的屏下光学传感器模块的示例中的不同光学信号的行为，该额外照明光源用于补充OLED显示光的指纹感测照明。
图57至图59示出了OLED下光学传感器模块设计的示例，该设计用于放置额外照明光源以在检测中引导照明光透过手指来获得光学透射图案。
图60示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例。
图61示出了基于针孔-透镜组件的OLED屏下光学传感器模块的示例，该针孔-透镜组件利用外壳阻挡环境光。
具体实施方式
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最小化或消除。由于电容式感测的近场交互需求，电容式指纹传感器的许多实现方式必须在设备的顶面上实现。
光学感测模块可以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通过一段距离被引导至用于检测指纹的光学检测器的光学检测器阵列，而不受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穿透触摸感测屏等众多显示屏和其他结构中常用的顶部盖板玻璃，并且可以被引导通过交叉或复杂的光路以到达光学检测器阵列，从而可以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。基于本专利文件中公开的技术的光学传感器模块可以是屏下光学传感器模块，在一些设计中该屏下光学传感器模块被置于显示屏下方以采集和检测来自置于屏幕的顶部感测表面或顶部感测表面以上的手指的光。如本专利文件所公开的，除了检测和感测指纹图案之外，还可以使用光学感测来检测其他参数，例如检测到的指纹是否来自活人的手指以提供防欺骗机制，或者人的某些生物学参数。
光学感测技术和本专利文件中描述的实现方式的示例提供了一种光学传感器模块，该光学传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域并执行基于此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：液晶显示器(LCD)屏幕，使用背光通过光学滤波器向LCD像素提供光照以产生彩色LCD像素；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，用于在有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏等屏幕上形成显示图像。
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LCD显示屏幕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非常受限，可能不适合感测大图案)。又如，所公开的光学传感器技术不但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吸收行为，事实上，由于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着或伸展着的，或者当血液流过与心跳相连的人体时手指会有脉动。在一个实现方式中，光学传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。又如，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的光学感测来测量血糖水平或血氧饱和度。又如，当人触摸OLED显示屏幕时，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。可以使用这种触摸力感测为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与显示屏幕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结果提供触发功能或附加功能，以进行与显示屏幕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)通常与其他人造目标不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与显示屏幕的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他目标造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标选择性光学检测可以用于提供通过触摸感测的有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他目标的触摸不会引起设备的苏醒，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，以控制显示屏幕的唤醒电路操作，其中，通过关闭像素使其处于“睡眠”模式，同时以闪光模式打开LED显示屏中用于板下光学传感器模块或选定的显示像素的一个或多个照明光源(例如LED)，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。这种设计下，光学传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，使得光学传感器模块能够检测由手指在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，整个显示屏被打开或“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。可以控制显示屏操作以通过消除用于指纹的光学感测的背景光来提供改善的指纹感测。例如，在一个实现方式中，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，其中当显示屏幕打开时生成一帧指纹信号，而当显示屏幕关闭时生成另一帧指纹信号，则这两帧指纹信号的差值可以用于减少周围的背景光的影响。在一些实现中，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。
在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合至显示屏幕的背面，而不需要在显示屏幕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。
需要注意的是，除了其他特征之外，所公开的光学感测技术可以被实现为在用户手指位于设备附近而未接触到该设备时提供光学指纹感测以在访问设备时进行用户认证，并且还可以在用户手指与设备接触时提供光学指纹感测。在一些实现方式中(例如，图14至图16、图20至图21以及它们在LCD和OLED显示器的光学感测实现方式中的应用)，可以对手指接触和非接触的示例进行光学指纹感测，以增强指纹感测并在光学感测中提供防欺骗。例如，当手指位于设备附近而与设备未接触时，以及手指与设备接触时，可以采集多个指纹图像。采集的非接触手指的指纹图像和采集的接触手指的指纹图像提供了两种不同类型的光学指纹感测机制，可以共同使用以增强指纹感测性能和防欺骗特征。
每个用户在其手指的皮肤表面下方都具有独特的内部形貌特征，这些内部特征在各种指纹传感器中通常未被采集或使用。需要注意的是，这些皮肤表面下方的独特的形貌特征很难通过假指纹图案复制技术复制，许多假指纹图案复制技术设计为模仿或再现表示皮肤表面的外表面图案的外部图像，例如手指外表面上的谷和脊的二维指纹图案。手指外表面上的脊和谷的外表面图案的特征随着手指的接触状态通常在形状上发生变化，例如，当手指未按压表面时，采集的指纹图案的图像通常会反映手指的脊和谷在自然状态下的形状，这与同一手指在按压表面时手指变形时采集的图像不同。与手指的接触状态有关的外部指纹形状可以随着手指在不同的按压力或按压条件下按压时的按压量或水平而变化，从而使指纹感测中的指纹可检测性或可靠性进一步复杂化。
本专利文件中公开的光学感测技术可以用于或实现为采集用户手指的皮肤表面下方的独特的内部形貌特征，以提高光学指纹感测的检测准确度，从而提高指纹认证提供的安全性。
图1A是基于光学感测的指纹用户认证系统的示例的框图，该系统控制对计算机处理器控制的设备或系统的访问。该系统使用具有光学检测器阵列的光学指纹传感器来采集接收到的光线的光学图像，携带触摸被照明光束照射的光学指纹传感器感测表面的手指的指纹图案。该系统包括指纹传感器控制电路以及数字指纹处理处理器，该指纹传感器控制电路接收来自光学指纹传感器中的光学检测器的输出，该数字指纹处理处理器可包括一个或多个处理器，以处理指纹图案并确定输入的指纹图案是否为授权用户的指纹图案。指纹感测系统可将采集的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用指纹用户认证系统保护的设备或系统中的功能。例如，ATM的指纹用户认证系统可以确认请求访问资金的客户的指纹。基于客户的指纹与一个或多个存储的指纹的比较，指纹用户认证系统可以使得ATM系统允许对于资金的访问并且可以识别客户，以便关联正确的账户以借贷或者扣除所请求的资金。各种不同的设备或系统可以与所公开的光学指纹传感器结合使用，包括移动应用和各种可穿戴或便携式设备(例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备)，更大的电子设备或系统例如便携式或桌面式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。图1B示出了智能手机或便携式设备的示例，其中，指纹用户认证系统是集成到智能手机的模块。
指纹感测对使用安全访问的移动应用和其他应用是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括在线购买的安全金融交易。有望包括适合于移动设备的鲁棒且可靠的指纹传感器特征。例如，移动设备中的指纹传感器有望具有小面积而且薄，以适应移动设备中非常有限的空间；有望包括保护盖板以保护指纹传感器远离各种污染物。
在本专利文件中用于指纹感测的光学感测技术可以实现为提供高性能的指纹感测，并且可以小型化封装，以适应移动设备和其他小型设备封装。在电容指纹传感器中，由于感测电极和手指表面电容耦合，感测是基于测量感测电极和手指表面之间的电容进行的。随着电容传感器像素之上的保护盖板变厚，每个电容传感器像素感测的电场在空间中快速消散，导致传感器的空间分辨率急剧降低。与感测空间分辨率急剧降低相关，随着保护盖板厚度的增加，每个传感器像素接收的传感器信号的强度显著降低。因此，当保护盖板的厚度超过某个阈值(例如，300μm)时，电容传感器提供感测指纹图案中期望的高空间分辨率以及使用可接受的精度可靠地分析感测到的指纹图案变得更加困难。
所公开的技术提供了在薄的光学指纹传感器封装中的光学指纹传感器设计，以容易地将其集成到移动设备或其他紧凑型设备中。在一些实现方式中，所公开的技术中的光学指纹传感器使用匹配的光耦合方案，以提供具有低成本、高性能和灵活封装结构的光学指纹感测。所公开的光学指纹传感器也可以被配置为提供活体手指检测，以提高指纹感测安全性。公开技术的实现方式的示例可用于各种不同的设备和系统，包括具有显示器结构的设备和系统。基于公开技术的光学指纹传感器可以被集成在显示器例如触摸感测显示设备的同一盖板下，或者被封装在位于设备的不同位置处的独立元件中。另外，所公开的光学指纹传感器解决方案可以在手指在非接触位置和接触位置时用来提供单独的指纹感测，并且可以组合接触和非接触位置处的指纹感测以增强指纹感测和防欺骗。
基于所公开的技术的光学指纹传感器的性能不受可能妨碍电容性指纹传感器的封装盖板厚度的限制。就此而言，基于所公开的技术的光学指纹传感器可通过使用合适的光学成像采集配置而被实现为薄封装，包括不会使光学成像模块体积庞大的成像透镜或棱镜的配置。基于所公开的技术的光学指纹传感器的实现方式可以提供颜色匹配设计特征，以使得光学指纹感测区域的颜色为某些期望的颜色，如匹配周围结构的颜色。
在一些实现方式中，所公开的技术中的光学指纹传感器可以被封装在平台屏幕盖板玻璃下方，而不会改变盖板厚度和颜色。光学指纹传感器可以包括光学传感器阵列，例如光电二极管阵列或CMOS传感器阵列，并且由于压缩光路结构的作用，可使光学传感器阵列的尺寸为紧凑尺寸。此外，该设计，例如，利用彩色光照明，为装饰传感器区域提供了灵活性。
在一些实现方式中，除了指纹的光学感测之外，提供了一种生物指示的光学感测，以指示指纹图案的输入是否来自活人。该附加的光学感测特征可用于满足对于战胜可能危及指纹保护设备或系统的安全或授权访问的各种方式的需求。例如，指纹传感器可能被恶意个体攻击，该恶意个体可以获取授权用户的指纹，并将盗取的指纹图案拷贝到类似于人类手指的载体目标上。可以在指纹传感器上使用这种未经授权的指纹图案对目标设备或系统进行解锁。因此，指纹图案虽然是唯一的生物标识符，但是其本身也并非是完全可靠或安全的标识。本文所描述的技术、设备和系统补充了基于所公开的光学感测的指纹认证技术，并通过使用光学感测技术来确定输入指纹是否来自活人，而进一步提高了安全等级。
指纹传感器电路和活体手指检测
图1B是示出了在移动设备，例如智能手机、平板电脑或便携式计算设备1中实现的示例性指纹传感器设备23的框图，该移动设备具有触摸感测显示屏或触摸面板10，用于触摸感测用户输入以及显示设备1的图像和功能。这是图1A中的一般光学指纹感测控制系统的具体实现方式示例。触摸面板或感测显示屏10可以基于各种触摸感测显示设计来实现，包括显示屏具有发光显示像素无需使用背光，其中每个单独像素产生光线，用于在屏幕上形成显示图像，该屏幕例如是有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏或其他显示屏，如基于LCD的触摸感测显示屏。触摸感测显示面板包括接触感测区域和显示区域，用于显示图像和内容以及用于接收来自用户的接触输入。
图1B中示出了指纹传感器设备标记21，以说明指纹传感器设备23相对于移动设备1的示例性位置。指纹传感器设备23包括执行指纹扫描、活体指纹检测和感测区域装饰功能的感测单元或电路2。感测单元2被可通信地耦合至处理电路5，处理电路5处理来自感测单元2的信号流以处理与指纹扫描和活体指纹判断等关联的信号。
接口6桥接指纹传感器设备23与应用平台或主机设备7，在该示例中为智能手机1之间的信号流。应用平台7的示例包括智能手机1、平板计算机、笔记本电脑、可穿戴设备和需要安全访问的其他电子设备。例如，接口6可以与智能手机1的中央处理器(直接地，或者通过其他部件，如总线或接口)进行通信，以提供来自指纹传感器设备标记21下的指纹传感器设备23的传感器数据，包括指纹图像数据和指示所检测的进行接触输入的指纹是否属于活体指纹的信息。
在图1B所示的示例中，感测单元2包括指纹传感器3、活体指纹检测器4、以及光耦合和照明单元8。指纹传感器3采集指纹图案，并且可以通过使用一个或多个光学技术来实现。活体指纹传感器4可包括用于分析指纹图像动态的电路。活体手指传感器4可包括用于感测来自扫描的指纹的附加生物标记例如心跳或心率的电路，例如光学传感器。
活体指纹传感器4被设计为检测指纹是否来自活人的手指，并且该活体手指检测或判断是基于以下的事实：活人的手指可表现出通常与活人相关联的某些运动或物理特性，例如，由于血流通过用户血管所致的脉冲信号。例如，血细胞在可见光波长(例如较高的光学吸收)和近IR波长(例如与可见光波长相比，较低的光学吸收)下表现出不同的光学吸收光谱特征。血液的这种不同的光学吸收特征可以由活体指纹传感器4以光学方式进行采集。血流的其他特征可以通过血管中的压力变化来反映。在一些实现方式中，活体指纹传感器4可以包括压力传感器、光学传感器或者可以检测活体手指的移动、伸展或脉动的其他传感器。例如，光学传感器可包括用于发射光线的光源例如发光二极管(light emittingdiode，LED)或激光二极管(laser diode，LD)，以及光检测器例如光电二极管，以检测响应于发射光的从手指散射的散射光。当光传播通过手指组织或血细胞时，一部分光被吸收并且一部分被散射。活体手指的运动或血液流动引起光吸收截面的变化。光电二极管检测此类变化，并且检测的信号可用于指示呈现给设备的指纹是否来自活人。
光耦合和照明单元8在指纹感测表面产生探测光束，生成反射的探测光束进入感测单元的光学传感器阵列(例如光电二极管阵列或CMOS传感器阵列)。当探测光束碰到与触摸感测表面的手指皮肤时，产生指纹信号。指纹传感器3通过检测感测表面处探测光束沿指纹图案的反射差异来获取指纹信号，其中，在与感测表面接触的手指的指纹脊的皮肤的位置处产生的光学反射低于手指皮肤不与感测表面接触的手指的指纹谷的位置处产生的光学反射。沿手指触摸的感测表面的上述反射差异的空间分布由反射的光学探测光束携带，作为指纹传感器3中光学检测器的阵列检测到的光学图像。
所公开的技术提供了两种指纹传感器封装技术，来实现指纹检测和活体手指检测。第一种封装技术是将指纹传感器封装在平台例如智能手机的屏幕盖板玻璃下方。第二种封装技术是将指纹传感器封装为单独的指纹感测按钮。
封装在屏幕盖板玻璃下方的指纹传感器
图2是示出封装在平台的屏幕盖板玻璃下方的示例性光学指纹传感器的示意图，该平台可以是通信或计算设备，例如智能手机、平板电脑或便携式电子设备。图3进一步示出了图2中的设备的示例性指纹感测光路。
在图2中，示例性光学指纹传感器23封装在顶部透明层50下面，该顶部透明层50可以是屏幕盖板玻璃，例如平台1的增强型盖板玻璃。在图2所示的具有设备显示器10(通常为触摸面板组件)的设备表面的右上侧的俯视图中，光学指纹传感器23的位置由指纹传感器标记21示出。智能手机平台1的所示的设备表面包括触摸面板组件10、照相机等其他传感器12、以及用于执行设备的某些操作的一个或多个侧面上的物理按钮14和16。盖板玻璃50下方具有各种结构，包括：例如颜色材料层52、作为触摸面板组件10中显示屏的一部分的显示层54(例如OLED层或LCD层)以及触摸面板组件10中的显示屏的底层56。还可以放置一组触摸感测层以覆盖顶部盖板玻璃50下面的显示层54(例如，在显示层54和顶部盖板玻璃50之间)以提供期望的触摸感测功能。因此，光学指纹传感器23置于由显示层54表示的显示模块的附近和外部，但是光学指纹传感器23和显示层54都在公共且连续的顶部玻璃盖板50下方。
在图2的光学指纹传感器设计的示例中，封装设计与一些其他指纹传感器设计不同，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，类似于一些移动电话设计中的在顶部玻璃盖板的开口中的结构的按钮)。在图2和图1B所示的设计下，形成在指纹传感器设备标记21下方区域的用于光学指纹感测的指纹传感器23位于顶部盖板玻璃或层50下方，使得盖板玻璃或层50的顶面作为设备的顶面，且作为横跨触摸显示组件10的显示屏和光学检测器传感器模块23的连续且完整的玻璃表面。在图1至图6所示的示例中，光学传感器模块位于作为玻璃盖板的透明基板50的一侧，该透明基板50是连续的，在光学传感器模块处或附近没有任何开口。这种设计不同于具有指纹传感器的各种智能手机，并提供了独特的特征和优点。这种将光学指纹感测和触敏显示屏集成在公共且完整的表面下方的设计提供了诸多益处，包括提高了设备集成度、改善了设备封装、提高了设备的抗故障和抗磨损能力以及改善了用户体验。在指纹的光学感测和其他感测操作的一些实现方式中，例如图12中的设计示例，光学传感器模块可以被封装于独立的设备配置，其中光学传感器模块呈现与显示屏或顶部盖板玻璃50之间有结构边界或分界的不同结构，例如，一些手机设计中的顶部玻璃盖板的开口处的按钮状指纹传感器结构提供电容式指纹传感器按钮或区域。图12中的设计基于所有光学感测或基于电容感测和光学感测的混合感测，因此不同于基于电容感测的其他按钮状指纹传感器结构。
设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23可以包括：光学耦合器31，该光学耦合器31由折射率nc(大于1)的光学透明材料制成，并设置在匹配的颜色材料层25上方；探测光源29，用于发射探测光以照亮放置在盖板玻璃50上方的手指，以由光学指纹传感器23进行光学指纹感测。匹配的耦合器31、匹配的颜色材料层25和探测光源29设置在电路27上，例如具有期望的电路元件的柔性印刷电路(FPC)上。在FPC 27上还设置有一个或多个光源33，其产生用于活体检测的探测光，在与图7至图9相关的示例中将进一步描述；光电二极管等光学检测器34，用于在与手指交互以提供活性检测后检测来自光源33的探测光；用于装饰照明的光源35；以及光电二极管阵列等光学检测器的光学检测器阵列37，用于采集指纹图案或信息。
如图2和图3所示，在一些实现方式中，两个可选的颜色材料层25和52可以被提供并设计为彼此颜色匹配且用于视觉上隐藏或伪装设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器23。颜色材料层25置于光学指纹传感器23的下方(例如在透明耦合器31的底面)，而颜色材料层52置于盖板玻璃50下方且在光学指纹传感器23的上方，以覆盖未被颜色材料层25覆盖的区域，因此当从盖板玻璃50的上方查看时，两个颜色匹配的材料层25和52共同形成基本均匀的外观。在图2和图3的示例中，顶部颜色匹配的材料层52具有开口，该开口限定盖板玻璃50顶部上面的指纹感测表面45上的光学感测区域，以使得来自光源29的探测光照亮放在盖板玻璃50上的用于光学指纹感测的手指，并使得来自手指的光被光学指纹传感器23收集。
图3包括图3A和图3B，图3A示出了光学指纹传感器23的示例，图3B示出了基于反射的探测光的光学指纹感测，用于采集手指外部的谷和脊处的光学反射的空间变化。
如图3A所示，光耦合器31被固定在盖板玻璃50上，且光耦合器31与盖板玻璃50的底面之间设置有下方间隔物材料39，以提供两种不同的光耦合功能。首先，光耦合器31将来自光源29的探测光耦合到盖板玻璃50的顶部，以照亮放置在盖板玻璃50上方的手指以进行光学指纹感测；其次，光耦合器31耦合探测光和来自该手指和盖板玻璃50的其他光线，使其沿着与光束A’B’不同的光路穿过光耦合器31到达光学检测器阵列37以进行光学指纹感测。在图3A所示的具体设计中，耦合器31由具有两个成角度的平坦平面的固体透明材料制成，一个用于接收来自探测光源29的光，另一个用于与光学探测器阵列37接合以将来自顶部感测表面45的返回的光引导至光学检测器阵列37。探测光源29被固定在适当的位置，以使得探测光束或者一部分探测光束可以按照期望的角度投射到耦合器31中。在实现方式中，耦合器31、间隔物材料39和盖板玻璃50中的每一个都可以由多个层组成。光学检测器阵列37被固定在适当的位置，以接收作为接收到的光束A’B’的一部分的反射的探测光束，用于采集该反射的探测光束携带的指纹图案的光学图像。
探测光源29将探测光束AB投射到耦合器31中，耦合器31进一步通过可选的颜色材料层52的开口将探测光束AB引导至位于盖板玻璃50顶部的指纹感测表面45，以照亮接触的手指。借助于设置在盖板玻璃50下方的间隔物材料39，将光束AB耦合到盖板玻璃50。当没有东西放置在盖板玻璃50的顶部感测表面45上时，探测光束功率的一部分或全部被反射到间隔物39中，并且该反射光进入耦合器31并在光学检测器阵列37处形成作为接收的光束A’B’的一部分的反射的探测光束。匹配的光学传感器阵列37(例如，光电二极管阵列)接收作为接收到的光束A’B’的一部分的反射的探测光束，并将反射的探测光束A’B’所携带的光学图像转换为检测器信号阵列，用于进一步处理。
如图3B所示，当手指43触摸盖板玻璃50的感测表面45时，指纹脊73改变了接触区域的局部表面反射。入射到每个指纹脊73上的探测光的部分61被折射为光线65，该光线65在手指43中被散射，其余部分被指纹脊73反射为光线67。指纹谷与感测表面45分离，一般不会显著改变感测表面45的局部表面反射。入射到指纹谷上的入射光63被感测表面45反射为光线69。作为接收到的光束A’B’的一部分的反射的探测光束携带指纹信号。同样，当除手指皮肤以外的东西触摸盖板玻璃50的感测表面45时，作为接收到的光束A’B’的一部分的反射的探测光束携带不同于活体指纹的触摸材料信息。
在图2和图3中的光学传感器的示例中，耦合器31、间隔物39和盖板玻璃50的材料可以具有适当等级的光学透明度，使得探测光束能够透入并穿过该材料到达顶部感测表面45，并且一旦从顶部感测表面45返回，可以传输到光学检测器阵列37。向顶部感测表面45传输以及从顶部感测表面45离开的探测光束的传播方向受耦合器31的折射率nc、间隔物材料39的折射率ns、盖板玻璃50的折射率nd以及触摸材料例如人的手指的折射率nf的影响。
期望的探测光束角可通过光源29和耦合器31的端面倾斜角的适当设计来实现。探测光束的发散角通过光源29的结构和耦合器31的端面的形状来控制。
为了在没有光学透镜的情况下获得清晰的指纹图像，在一些实现方式中，光源29的发射区域可以被设计为很小以实现点光源，在其他实现方式中，探测光束可以被准直。作为实践，小型LED光源可以被安装作为光源29并远离耦合器31，以在图3所示的光学系统中实现这一点。
光源29、耦合器31、间隔物材料39、盖板玻璃50的光学结构和配置以及光学传感器模块中的光学检测器阵列37的布置，包括匹配光学传感器中的材料的适当的折射率(nc、ns、nd、nf)和初始化探测光束入射角，可以用于使得探测光束在感测表面45被全部反射或部分反射。例如，可以设计该光学传感器，使得当触摸材料是水(在589nm处的折射率约为1.33)时探测光束被全部反射，而当触摸材料是手指皮肤(在589nm处的折射率约为1.44)时探测光束被部分反射。这样的设计以及其他的设计可以引起与顶部感测表面45接触的手指的脊和谷的光学反射空间轮廓的变化，以获得反射的探测光中表示手指表皮的指纹图案的空间图案。
在图3的示例中，用于接收探测光的耦合器31的入射端面处的探测光束AB尺寸可以是H。一旦被耦合器31向上重新引导以照亮感测表面45，探测光束尺寸在感测表面45处就可以为W。通过匹配所有材料的折射率以及耦合器31和间隔物39的形状，可以将感测表面45上的照射尺寸W设定为大于H。在这种情况下，从顶部感测表面45到耦合器31和光学检测器阵列37的反射的探测光束的折射引起的压缩，使得接收到的探测光束A’B’中的反射的探测光束的尺寸可以小于感测表面45处的探测光束的尺寸。这种压缩比通常由折射率nc和nd决定。这是在不使用成像透镜的情况下，利用小检测器阵列对大区域进行成像的有效方法。另外，通过调整探测光束发散角和光电二极管阵列倾斜角，压缩比可以被进一步调整为所有尺寸。来自耦合器-间隔物界面的反射以及来自间隔物-盖板界面的反射形成了光学噪声，并且可以在对光学传感器阵列37中的光学检测器的输出进行的处理中被去除。
在一些实现方式中，可以调制探测光源29以改善光学指纹传感器23的光学检测，例如基于用于调制探测光源29的调制频率实现锁定检测。匹配的光电二极管阵列37可以设计为具有高效率且可以在各种光学照明环境中工作。
通过空气或真空耦合器进行指纹感测
图4是具有空气或真空耦合器的示例性光学指纹传感器23a的示意图。图4的光学指纹传感器23a与图2和图3所示的光学指纹传感器23在某些方面相似。在光学指纹传感器23a中，实现由空气或真空(折射率为1)制成的耦合器32，而不是图2和图3中的具有折射率大于1的透明材料的耦合器31。此外，可以使用光路窗口将探测光引导到手指43。
探测光源29和匹配的棱镜101设置在顶部透明玻璃50的下方，并被构造成配合以将由探测光源29产生的探测光束AB耦合至顶部透明玻璃50的顶部上的感测表面45。棱镜101被置于探测光源29和空气或真空耦合器32之间，并且被构造成具有第一平面以接收初始的水平探测光束AB，并通过相对的成角度的第二平面上的光折射改变水平探测光束AB的方向，使其以向上传播穿过空气或真空耦合器32到感测表面45。透光性间隔物材料39可以置于顶部透明玻璃45的下方，以便于光学检测器阵列37的光学感测操作，并且在一些实现方式中，包括防反射涂层，用于减少与光学检测器阵列37处的光学感测相关的光路中的不期望的光学反射。在通向光学检测器阵列37的光路中的空气或真空耦合器32的另一侧，提供了具有成角度的平面的第二棱镜103，用于接收来自感测表面45的返回的光，并引导接收到的光，包括反射的穿过棱镜103的第二平面到达光学检测器阵列37的探测光束A’B’。光学检测器阵列37(例如，光电二极管阵列)产生用于光学感测的检测器输出信号阵列。图2和图3中由实心透明材料形成的光学耦合器31包括底面，以将颜色匹配的材料层25保持在光学指纹传感器模块23的下方，与其不同，图4中的光学指纹传感器23a中的颜色匹配的材料层25形成在(例如涂在)基板105上，该基板105位于FPC 27上方的空气或真空耦合器32的底面。图4中描述的示例中该基板105还为两个棱镜101和103提供支撑。
在图4的光学指纹传感器23a中，配置用于接收探测光的盖板玻璃50的光学配置，使得盖板玻璃50不发生全内反射。由于盖板玻璃50相对于指纹脊位置和指纹谷位置的光学界面条件的差异，当手指43触摸感测表面45时，指纹脊位置处的反射率与指纹谷位置处的反射率不同。这种差异在空间上变化，并利用反射的探测光束A’B’携带的不同位置处的不同指纹信号表征手指的外表面上的脊和谷的二维图案。
由于空气或真空耦合器32可以以相对较低的成本实现，并且通过将两个棱镜103和105以期望的间隔彼此放置，可以容易地制成一系列不同尺寸的空气或真空耦合器32，所以该设计可以用于构造具有一系列不同显示尺寸的光学触摸面板，而不会显著增加成本。
指纹感测-样本设计
图5包括图5A、图5B以及图5C，并示出了用于指纹感测的示例性光学指纹传感器23b。图5A示出了光学指纹传感器23b的不同层的截面图，图5B示出了同一光学指纹传感器23b的俯视图。
图5所示的光学指纹传感器23b中的光学耦合器31b的具体设计不同于图2和图3中的光学指纹传感器23中的光学耦合器31b的设计。具体地，如左侧图5A所示的耦合器31b的一个面111具有曲面(球面或非球面)的镜面形状以用于成像。探测光源30被置于耦合器31b的曲面镜面111的焦点处，使得由曲面镜面111反射的光线是平行光线或者反射的探测光束是向顶部感测表面45传播的准直光束以照亮手指。在一些实现方式中，小孔可以用在探测光源30上，以在空间上限制探测光，从而使得修改的光源30a仅将一部分光束投射到曲面镜面111，同时减小或消除散射光的影响。在制造曲面111时，将耦合器31b设置为以适当距离D偏离中心。因此，耦合器31b的曲面镜面111适当地倾斜，使得来自曲面镜面111的准直光束以期望的角度入射到间隔物材料39和盖板玻璃50中。例如，发散光束ASB被准直并投射到感测表面45。光电二极管阵列37检测反射的探测光束A’B’。相应地，中心光SC被反射回中心C’处或中心C’附近的光电二极管37。
在图5所示的示例中，光束主要在耦合器31b中传输。可将该结构制造得紧凑且鲁棒。在图5所示的示例中，耦合器31b的材料可以是单一材料，也可以是多种材料的复合物。
所公开的技术的光学指纹传感器可以被实现为提供以下特征中的一个或多个。该光学指纹传感器包括光源、耦合器、间隔物、光电二极管阵列和盖板玻璃。间隔物可以由包括玻璃材料和粘合材料的材料制成，也可以由空气间隙或真空层形成。耦合器可以包括玻璃材料、粘合材料、空气层或真空层。在一些设计中，光学传感器的盖板玻璃可以配置为显示器盖板玻璃的一部分，在其他设计中也可以是独立的盖板玻璃。在各种实现方式中，耦合器、间隔物和盖板玻璃中的每一个可以包括多个层。
所公开的技术通过匹配材料的形状和材料的折射率，在控制光学检测器阵列37处的光学感测中的信号对比度方面提供灵活性。通过匹配沿照明探测光的光路的探测光束入射角、发散角以及所涉及的耦合器、间隔物和盖板玻璃的材料，对于不同的触摸材料，可将探测光束控制为在感测表面处被全部反射或部分反射。
所公开的光学指纹传感器可以被配置为操作以实现在与手指接触进行光学指纹感测时的无水效果。例如，各种智能手机中的智能手机盖板玻璃可以具有约1.50的折射率。一种设计是使用低折射率材料(MgF2、CaF2、聚合物等等)来形成上述设计示例中的耦合器31或耦合器31b。例如，所公开的技术可用于将盖板玻璃50的感测表面45处的局部探测光束入射角控制为大约68.5°。当水出现在光学指纹传感器的感测表面45上或接触光学指纹传感器的感测表面45时，全反射角约为62.46°。当指纹脊触摸感测表面45时，全反射角约为73.74°。当没有东西触摸感测表面45时，全反射角约为41.81°。在本设计中，在顶部感测表面45的浸水区域处，在指纹脊触摸顶部感测表面45的位置处，探测光被全反射至光电二极管阵列37，使得不到5％的探测光被反射到光电二极管阵列37；在干的指纹谷位置处，探测光束也被全反射到光电二极管阵列37。在该设计下，从手指脊到手指谷的光学反射是不同的，并且由指纹脊引起的反射生成了更强的光信号，被检测以在光电二极管阵列37处产生指纹图案的高对比度光学图像。
人的汗水的折射率低于手指皮肤的折射率。因此，基于上述设计中光学反射的差异，所公开的技术提供了区分指纹中的汗孔的方案。当使用空气间隙形成如图4所示的示例的耦合器时，感测表面处不会发生全反射。不同触摸材料(指纹脊、指纹谷和其他污染物)之间的反射率的差异可以用于检测指纹图像。
由于图2至图5中的上述光学设计中的光路压缩效应，在盖板玻璃50上的感测表面45处的感测区域的尺寸可以大于光电二极管阵列37的光电二极管阵列的尺寸。可利用光路压缩效应将耦合器31或31b设计得非常薄，从而减小光学感测模块的整体厚度。例如，通过设计光学感测模块中的各种组件，可以使用厚度小于1mm的CaF2耦合器在顶部感测表面上实现10mm大小的感测区域，其中图像压缩比可以设置为1:10左右。该特征有助于降低传感器厚度和传感器成本。在图2至图5的示例中，光电二极管阵列37被安装在耦合器31或31b的一端而不是耦合器的下方。这种设计可以灵活应用彩色涂料、照明灯等，来补偿颜色或装饰传感器区域。
在实现方式中，用于光学感测的光源可以是安装在适当距离处的点光源。在一些实现方式中，探测光束可以通过球面透镜、柱面透镜或非球面透镜进行准直。在一些实现方式中，光源被置于距离感测区域45足够远的地方。在一些设计中，探测光束可以具有适当的发散角。在各种设计中，探测光束可以是发散的或会聚的。
在一些实现方式中，探测光源可以被调制为通过减少未被调制的背景光的影响来改善光学感测，从而可以与通过相敏检测的调制探测光进行区分，该相敏检测与基于锁定放大器的检测类似。光电二极管阵列被设计为在任何照明环境中都能良好地工作。在上述光学设计下，盖板玻璃厚度对光学指纹感测不构成限制。该原理可以用于构建光学触摸面板。
活体指纹检测
图6示出了光学感测模块中的示例性活体指纹检测设计。光学感测模块的活体指纹检测部分可以由图2的光学感测模块的示例中的用于活体手指检测的一个或多个指定的光学检测器34和一个或多个指定的光源33来实现，它们与用于为光学指纹感测提供照明的光源29和用于光学指纹感测的光学检测器阵列37分离。图6仅示出了相对于光学耦合器31放置的用于活体手指检测的一个或多个指定的光学检测器34和一个或多个指定的光源33，而没有示出光学感测模块的其他组件，例如，用于提供照明进行光学指纹感测的光源29以及用于光学指纹感测的光学检测器阵列37。
可替换地，在其他实现方式中，可通过相同的用于指纹感测的光学检测器阵列37和光源29来进行活体指纹检测，而不使用图2所示的分离的光学检测。图6中的活体指纹检测可以通过指纹传感器来进行，例如图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b中的其中一个，以类似于下面图6的具体示例中所描述的方式进行。
图6中，一个或多个光源33和接收光电探测器(PD)阵列34被匹配的光学耦合器31隔离，使得来自一个或多个光源33的发射光束不能直接到达光电探测器(PD)34以感测指纹是否来自活体手指。光耦合器31将来自光源33的光束引导穿过顶部盖板玻璃50上的光路窗口41(可以通过顶部盖板玻璃50的底部上的颜色材料层52的开口形成)透射到触摸材料43中，例如手指。对于活人的活体指纹，手指中的血流81在不同探测波长下表现出一定的光吸收特性，并且还随着心跳、对传感器的按压力、呼吸或其他参数发生变化。因此，在光学检测器34处接收到的探测光将携带与不同探测波长下的光学吸收特性、心跳、对传感器的按压力、呼吸、手指的微移动或其他参数相关联的可检测的信息，从而可以处理为利用这些信息来确定触摸对象是否来自活人。当来自光源33的探测光束83通过光学耦合器31耦合进入被监测的材料时，材料中的组织将探测光83的一部分85散射到接收PD阵列34中。通过分析接收到的信号，可以获得一系列信号并对其进行分析以用于活体手指检测。
指纹传感器光电二极管阵列37也可以用于检测来自触摸材料的散射光，因此还可以用于活体指纹检测。例如，指纹的微移动可用于指示指纹是否来自活体手指。一系列指纹图像用于恢复随时间变化的信号振幅和亮点分布。假的、非活体手指表现出不同于活体手指的动态。
图7示出了血液中被监测材料的示例性光学消光系数，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。通过使用探测光以可见光波长和IR波长照射手指，可以采集光学吸收的差异，以确定触摸目标是否为来自活人的手指。
图8示出了组织中不同部分的血流。当人的心脏跳动时，脉压泵送血液在动脉中流动，因此在血液中监测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9示出了非活体材料(如假手指)与活体手指之间的比较。参见图6，光学指纹传感器中的光源33和对应设计的检测器34也可以作为心跳传感器来监测活体组织。光源33可以提供一个或多个光波长。当使用两个或两个以上波长的光线时(例如，约660nm的红光和940nm的红外光)，消光比的差异可用于快速确定所监测的材料是否为活体组织，例如活体指纹。图8所示的示例中，使用两个光源来发射具有不同波长的探测光，如图7所示，一个是可见光波长，另一个是IR波长。
当非活体材料触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示了与非活体材料的表面图案相关的强度等级，并且接收的信号不包含与活人的手指关联的信号分量。但是，当活人的手指触摸光学指纹传感器时，接收的信号揭示了与活人关联的信号特征，包括明显不同的强度等级，这是因为对于不同的波长而言消光比不同。该方法不需要耗费很长时间就可以知道触摸材料是否为活人的一部分。在图9中，脉冲形信号反映了多次触摸而非血液脉动。与无生命材料相似的多次触摸不显示由活体手指引起的差异。
血液在不同光学波长下的不同光学吸收行为的上述光学感测可以在短时间内用于活体手指检测，这可能比使用相同光学传感器的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光谱范围的光，以在光学传感器模块处执行上述活体手指检测。LCD显示模块中的LCD滤色器可以用于允许光学传感器模块获得图7、图8和图9中的测量结果。另外，用于产生照明光以进行光学感测的指定的光源，可以操作为在不同时间以选定的可见波长和红外波长发出探测光，并且两种不同波长的反射的探测光由光学检测器阵列采集，以基于图7、图8和图9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波长和红外波长的反射的探测光可以反映血液的不同光吸收特性，但指纹图像往往是由不同时间选定的可见波长的探测光和红外波长的探测光采集的。因此，指纹感测可以在可见波长和红外波长下进行。
在实现方式中，活体指纹检测可以通过设计的光学系统来实现，例如图2的示例中的光源33和光学检测器34，它们与用于指纹感测的光学检测器阵列37和光源29分离。指定的光源33被操作，例如在不同的时间，以所选择的可见光波长和IR波长发射探测光，并且基于图7和图9所示的上述操作，通过指定的光学检测器34采集两个不同波长的反射的探测光，以确定触摸目标是否为活体手指。
可替换地，在一个实现方式中，可以通过相同的用于指纹感测的光学检测器阵列37和光源29来执行活体指纹检测，而不使用单独的设计为用于活体指纹检测的光学感测组件。在使用光源29和光学检测器阵列37进行指纹感测和活体指纹检测的设计下，光源29被操作为在不同时间以所选择的可见光波长和IR波长发射探测光，并且基于图7和图9所示的上述操作，通过指定的光学检测器34采集两个不同波长的反射的探测光，以确定触摸目标是否为活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间选定的可见波长和红外波长的反射的探测光可以反映血液的不同光吸收特性，但指纹图像往往是由不同时间选定的可见波长的探测光和红外波长的探测光采集的。因此，指纹感测可以在可见波长和红外波长下进行。
安全等级建立
图10示出了基于所公开的用于指纹感测的光学感测技术建立不同安全等级以认证活体指纹的示例性过程1000的流程图。可以基于所请求的动作的类型，来建立不同的安全等级标准。例如，常规操作请求需要通过安全等级1验证。对于金额低于阈值的金融交易的请求，例如在100美元以下的支付，需要通过安全等级2。金额超过该阈值的金融交易可能需要更高的安全等级许可(clearance)。不同的安全等级评估之后，触发不同的安全等级动作。可以通过组合不同的活体手指签名，来建立对应于不同安全等级的安全性等级。例如，单个光源信号可以用于建立安全性等级1口，两个光源信号可以组合建立安全性等级2口，以此类推。
在请求操作(1002)时，可以开始或触发方法1000。分析所请求的操作，以确定适当的安全等级(1004)。当确定需要安全等级1(最低安全等级)(1006)时，需要通过安全性触发等级1(1014)。当指纹分析通过安全性触发等级1时，执行所请求的操作(1024)。但是，当指纹分析未通过安全性触发等级1时，拒绝所请求的操作(1022)。
同样，当确定需要安全等级2(1008)时，需要通过安全性触发等级2(1016)。当指纹分析通过安全性触发等级2时，执行所请求的操作(1024)。当指纹分析未通过安全性触发等级2时，拒绝所请求的操作(1022)。
当确定需要安全等级3时(1010)，需要通过安全性触发等级10(1018)。如果指纹分析通过安全性触发等级10，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级10，则拒绝所请求的操作(1022)。
当确定需要安全等级N(1012)时，需要通过安全性触发等级N(1020)。如果指纹分析通过安全性触发等级N，则执行所请求的操作(1024)。但是，如果指纹分析未通过安全性触发等级N，则拒绝所请求的操作(1022)。
所公开的技术的光学指纹传感器可以实现为执行具有各种特征的活体手指检测。光学指纹传感器可以检测触摸材料是否为活体手指，并且可以提高传感器的安全性。特定光源和检测器可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是非活体材料。当使用单波长的探测光照明时，心跳检测或其他活体手指特征(手指的微移动)可以用于提供可靠的标准，以检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。当使用两个或两个以上波长时，比较波长的消光比，以检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。指纹传感器光源和光电二极管阵列可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。动态指纹图像可以用于检测触摸感测区域的目标是活体手指还是包括活体手指的指纹的非活体材料。对于不同的安全需求任务，可以建立多个安全等级。
传感器区域装饰
图11是示出用于传感器区域装饰的示例性光学指纹传感器的示意图，其中光学指纹传感器23被置于顶部盖板玻璃50下方邻近显示模块且位于其外部。当光学指纹传感器23被安装在盖板玻璃50的下方时，该盖板玻璃50被构造成包括传输光的光学窗口，以提供用于光学感测的光路。具体地，将盖板玻璃的颜色涂层材料52的一部分被去除以形成用于光学感测的光学窗口。因为指纹传感器检测器被布置在耦合器31的一端，耦合器31的底部可以涂覆颜色层25，使得颜色层52和25共同为用户提供对连续结构的感知。涂覆的颜色层25可以选择与平台表面的颜色匹配。例如，在耦合器下方使用相同的颜色或图案，使得传感器变为不可见。在一些实现方式中，匹配的耦合器31还可以涂有期望的或不同的颜色或图案，以实现特定或不同的装饰效果或风格。匹配的耦合器31也可以涂有某些图案或标志，例如主页按钮标志。
该设计为进一步装饰传感器区域提供了更具吸引力的选择。例如，可以提供一个或多个指定的装饰光源35以向光学感测区域提供设计的装饰照明，例如，发射不同颜色的光波长的光以照亮传感器区域。这种装饰照明特征可以用于黑暗环境中，在智能手机响铃时指示指纹感测区域的位置。
光学指纹传感器可以实现为各种装饰元素，包括：耦合器的底面可以涂有相同的颜色或图案的层，以与平台表面颜色匹配；耦合器的底面可以涂有不同的颜色或图案的层，以显示新的外观样式；彩色光源35可以被安装在耦合器的周围，以装饰传感器区域。
封装为单独按钮的指纹传感器
作为可替换的实现方式，置于连续的盖板玻璃50下方的图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b可以封装为单独的实体指纹传感器按钮，与盖板玻璃50的其他部分之间具有物理分界。
图12是示出封装为单独按钮的示例性光学指纹传感器的示意图，该单独按钮位于设备显示面板所在的移动设备的前侧。除了容纳光学指纹传感器模块外，该按钮还可以用作设备的某些操作的主页按钮、将设备从省电模式唤醒的唤醒按钮或该设备的其他操作。
图13是示出使用图12所示的使用被封装为单独按钮的光学指纹传感器的示例性指纹检测和活体手指检测的示意图。图12和图13的光学指纹传感器可实现为图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b，但封装为单独按钮。因此，指纹感测和活体手指检测也与上述相同或相似。匹配的耦合器31用于设置光电二极管阵列37的位置并为可见区域提供封装灵活性。图12和图13中的光学指纹传感器的不同组件的上述特征可实现为与图3中的光学指纹传感器23、图4中的光学指纹传感器23a以及图5中的光学指纹传感器23b基本上相同，包括光源也相同。但是，为了将光学指纹传感器实现为单独按钮，用于盖板玻璃51的材料的硬度或强度可能需要比图3至图5中连续的盖板玻璃50的设计中更高的等级。
间隔物材料39和盖板玻璃51使探测光束AB增加了位置偏移D。当盖板玻璃51和间隔物材料19的厚度减小到零时，具体地，通过去除盖板玻璃和间隔物，探测光束偏移D被消除。例如，可以用厚度小于1mm的CaF2实现10mm的感测尺寸。此外，光电二极管阵列37应与光路匹配，以实现适当的分辨率并保证所有照明环境中的性能。
图12和图13所示的封装为单独按钮的光学指纹传感器可以执行与图2至图11的光学指纹传感器相同的指纹检测和活体手指检测。另外，封装为单独按钮的光学指纹传感器可以实现为执行以下特征：
根据各种应用的需要，盖板玻璃和相关间隔物材料可以实现为在厚度上具有设计灵活性。在一些实现方式中，实用封装可以设计为不使用盖板玻璃或间隔物材料。实用设计的另一示例是使用薄层盖板玻璃保护耦合器，其中薄盖板玻璃可以具有高硬度。使用彩色玻璃或其他光学材料来构建盖板也是实用的。当设计紧凑型按钮以为光学指纹传感器提供更高的安全性以进行光学指纹感测的时，可以集成各种机械部件以提高模块的硬度或强度。
本文件中公开的光学指纹传感器设计可以以各种方式实现(例如，与设备显示器一起在设备盖板玻璃下或在按钮结构中)，并且是与设备显示屏分离的感测模块。这种光学传感器设计不会干扰设备显示屏的操作、设计以及安装，也不会干扰与显示屏相关联或与显示屏集成的功能或特征，例如触摸感测用户界面操作和结构。同样，所公开的光学传感器技术可以用于基于各种显示技术或配置的设备，包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成用于在屏幕上形成显示图像的光，例如包括有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示面板的有机发光二极管(OLED)显示屏、电致发光显示屏以及具有背光的其他显示器，例如常见的液晶显示器(LCD)屏。
图14和15图示出了基于所公开技术的结合光学感测功能的设备的LCD和OLED显示屏的示例，包括光学指纹感测和附加的光学感测以确定接触的目标是否来自活人。
图14示出了LCD显示面板的结构的示例，包括：LCD显示面板结构，用于显示图像；LCD背光模块，耦合至LCD屏以向用于显示图像的LCD屏产生背光；以及形成于设备屏幕上方的顶部透明层，作为用于用户触摸以进行触摸感测操作的界面以及用于传输来自显示面板结构的光以向用户显示图像的界面。LCD屏结构可以与触摸感测结构集成，该触摸感测结构提供与设备操作相关的触摸感测用户界面操作。
作为具体示例，图14示出了具有基于LCD的触摸感测显示系统1433的智能手机。触摸感测显示系统1433被置于顶部盖板玻璃1431的下方，该顶部盖板玻璃1431作为用于各种用户界面操作的用户界面表面，包括如用户的触摸感测操作，向用户显示图像，以及接纳用于光学指纹感测和其他光学感测操作的手指的光学感测界面。用于光学指纹感测和其他光学感测操作的光学传感器模块1490可以置于设备的各个位置处，例如，如图所示，位于LCD显示模块1433的一端且在相同的顶部玻璃盖板1431下方。显示系统1423是多层液晶显示(LCD)模块1433，包括：LCD显示背光光源1434(例如，LED灯)，为LCD模块1433提供白色背光；光波导层1433c，耦合至LCD显示背光光源1434，以接收和引导背光；LCD结构层1433a(包括例如，液晶(LC)单元层、LCD电极、透明传导ITO层、光学偏振器层、颜色过滤器层和触摸感测层)；背光漫射器1433b，置于LCD结构层1433a的下方且在光波导层1433c的上方，以在空间上扩散背光光来照亮LCD结构层1433a中的LCD显示像素；以及位于光波导层1433c的下方的光学反射器膜层1433d，以将背光再循环到LCD结构层1433a，以改善光的使用效率以及提高显示亮度。图14所示的示例包括：用于LCD显示和触摸感测操作的设备电子/电路模块1435；一个或多个其他传感器1425，例如光学传感器，用于监测周围环境的光等级；用于控制某些智能手机操作的可选的侧面按钮1427和1429。
在本文件中公开的光学传感器模块1490的各种位置中，在一些实现方式中，光学传感器模块1490可以挨着图1B、图2、图11所示的显示器且在LCD显示模块1433的旁边，即，在共同的顶部盖板玻璃1431下方(如图14所示，还可参见图1B、图2、图11)，或者在单独的离散结构中(图12)。在这些实现方式中，指纹感测区域可以包括位于顶部玻璃盖板1431上方且靠近LCD显示模块1433的LCD显示面板的边缘但在LCD显示面板内的区域，通过设计用于光学传感器模块的探测光源，除了采集直接放在LCD显示模块1433外部的光学传感器模块上方的手指返回的探测光以外，还可以采集来自放置在该区域的手指的返回的探测光。该区域可被标记为对用户可见以用于放置手指进行指纹感测。在一些实现方式中，可以操作该区域中选定的LCD像素打开以在LCD显示面板中标记该区域或该区域的边界，以允许用户识别用于放置手指进行指纹感测的区域。在其他实现方式中，可以在LCD模块下面添加一个或多个照明光源，以产生照明光照亮顶部玻璃盖板1431上的边界或区域以对用户可见。通过提供一个或多个照明光源，不管LCD显示器是关闭还是打开，该区域都可以被光学标记，以使用户易于识别以进行指纹感测。除了光学传感器模块产生并投射的探测光的照射外，还可以使用来自LCD显示器内的该区域中出现的LCD像素的光来增加照射到手指上的照明光。图14标记出了指纹感测区域，包括显示面板区域的边缘内的感测区域和显示面板区域外的感测区域。
图15示出了基于所公开技术的结合光学感测功能的设备的OLED显示屏的示例，包括光学指纹感测和附加的光学感测以确定接触的目标是否来自活人。OLED显示屏是由驱动器电子模块或电路1535驱动的OLED显示模块1533的一部分。与图14中的基于LCD的设备的示例类似，图15提供了用于光学指纹感测和其他光学感测操作的光学传感器模块1490，可以置于设备的各个位置处，例如，如图所示，位于OLED显示模块1533的一端且在相同的顶部玻璃盖板1431下方。在一些实现方式中，光学传感器模块1490可以挨着图1B、图2、图11所示的显示器且在LCD显示模块1433的旁边，即，在共同的顶部盖板玻璃1431下方(如图14所示，还可参见图1B、图2、图11)，或者在单独的离散结构中(图12)。在这些实现方式中，如图15所示，指纹感测区域可以包括显示面板区域的边缘内的感测区域和显示面板区域外的感测区域。OLED显示区域内的指纹感测区域可以标记为对用户可见以用于放置手指进行指纹感测。在一些实现方式中，可以操作将该区域中选定的OLED像素打开以在OLED显示区域中标记该区域或该区域的边界，以允许用户识别用于放置手指进行指纹感测的区域。在其他实现方式中，可以在OLED模块下面添加一个或多个照明光源，以产生照明光照亮顶部玻璃盖板1431上的边界或区域以对用户可见。通过提供一个或多个照明光源，不管OLED显示器是关闭还是打开，OLED显示区域内的该区域都可以被光学标记，以易于用户识别进行指纹感测。除了光学传感器模块产生并投射的探测光的照射外，还可以使用来自OLED显示器内的该区域中出现的OLED像素的光来增加照射到手指上的照明光。
除了通过光学感测进行指纹检测之外，基于本文件中所公开的技术的光学传感器模块还可以实现为执行用于测量其他参数的光学感测。例如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指的图案，而且还可以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或检测到的指纹的图案是否来自活人的手。
例如，其他用户参数的光学感测可以基于以下事实：由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活人的手指通常是移动着或伸展着的，如图7、图8、图9中的示例所公开的光学吸收特性，或者由于血液流过与心跳相连的人体时手指会有脉动。如关于图7、图8和图9所说明的，不同探测波长处获得的比率可以用于确定触摸目标是来自活人的手指，还是人造材料的假指纹图案。
例如，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的光学感测来测量血糖水平或血氧饱和度。例如，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测为光学传感器模块添加了除指纹感测之外的更多的功能。
又如，来自显示像素(例如，OLED或LCD像素)的一部分光可以进入手指组织。这部分的光功率被手指组织散射在周围，并且该散射的光中的一部分可以被光学传感器模块中的光学传感器阵列收集。这种散射光的光强取决于手指的肤色或手指组织中的血液浓度。手指上的散射光携带的这些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，以确定用户的手指是活体手指，还是提供具有伪造的指纹图案的欺骗设备。
对于通过光学感测获得用户肤色的信息，可以使用探测光的不同光学波长下的探测光照射的手指返回的光的光强度的测量结果，来获得肤色信息。当实现所公开的光学感测技术时，用于照射手指的探测光的不同光学波长可以以不同的方式实现。例如，光学传感器模块可以包括不同光学波长的不同探测光源。又如，当在具有OLED显示面板的设备中实现光学感测时，OLED显示面板包含不同颜色的像素，例如，在一个彩色OLED像素内的相邻的红色、绿色和蓝色像素，并且可以被控制以提供期望的彩色光以照亮手指以测量肤色。具体地，可以选择打开OLED显示面板的每个彩色像素内的像素的颜色，以便以不同颜色照亮手指。可以在光学传感器阵列记录在不同颜色/光学波长的探测光照射下手指散射的光的光强度，并且不同光学波长下的这种强度信息可以用来表示用户的肤色，并可以用作用户识别参数。就此而言，当用户注册了用于设备的指纹认证操作的手指后，光学指纹传感器测量两种不同颜色或波长A和B下来自手指的散射光的强度，测量的强度分别为Ia和Ib。Ia/Ib的比率可以被记录并存储为用户认证数据点，并与后面的Ia/Ib的比率的测量结果作比较，该测量结果是用户的手指放在感测区域上作为指纹感测操作的一部分以获得设备的访问权限时获得的。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
又如，人的手指在皮肤表面下方具有独特的形貌或组织特征，这些特征在各种指纹传感器中通常未被采集和使用。这种皮肤表面下方的独特形貌或组织特征很难通过假指纹图案复制技术复制，并且手指未按压在表面上以及手指按压表面发生变形时，这些特征通常都不同。基于本文件中公开的技术的光学感测可以实现为使用穿透人类皮肤表面的光学波长(例如，IR波长)的探测光来采集包含关于皮肤表面下方的组织结构的信息的光学图像，可以对采集的这类图像进行处理以获得皮肤表面下方的组织结构的信息，作为确定被测量的手指是否是电子设备的授权用户的手指的一部分，以供提供防欺骗指纹感测。在实现方式中，所公开的技术可以实现为通过以非接触配置和接触配置采集图像来提供光学指纹感测，以通过使用相同的光学传感器模块提供不同的用户认证机制。
用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对存在活人的正面确定的结合，来增强访问控制。
针对与显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以在显示屏上进行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。据此，光学传感器模块可以设计为选择性地接收和检测由与显示屏幕的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他物体造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标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，例如只有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该设备的唤醒，以进行节能操作并延长电池使用。该操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制显示屏的唤醒电路操作。例如，可以提供设计的用于光学感测的额外光源和所设计的额外光源，并且在操作中，所设计的额外光源可以以闪光模式打开，间歇性地向屏幕表面发射闪光以感测人的手指或手掌的触摸，而显示屏可以置于睡眠模式以节能。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会体验任何闪光的视觉效果。
图16示出了基于所公开的技术的具有光学指纹感测模块的移动设备形式的电子设备的示例。本示例中的光学感测特征可以应用于其他电子设备，例如平板电脑和其他便携式设备以及具有光学指纹感测的较大电子设备。该设备包括触摸感测显示面板组件3010，其包括具有显示层3054和底层3056的显示模块。光学传感器模块3023位于显示面板组件3010附近或邻近显示面板组件3010，以提供显示面板区域外部的指纹传感器区域3021和作为虚拟指纹传感器区域的显示面板区域内部的指纹感测区域3022，因为光学传感器模块位于显示面板区域外部的指纹传感器区域3021中。该设备还可以包括一个或多个其他传感器3012(例如，前置摄像头)、以及控制按钮例如用于执行各种设备操作的侧面控制按钮3014等。
图16中，所示的设备包括显示模块，用于显示图像和内容并接收用户接触输入。显示模块3010包括具有不同的显示层3054和底层3056的显示面板。顶部透明层3050形成在具有显示层3054的显示面板之上，以提供用于接收用户接触输入的触摸界面并使得查看该显示面板的显示的图像和内容。如图所示，用户在访问设备时可以将手指3043放置在设备上方，以进行指纹感测。顶部透明层3050包括延伸至显示面板的至少一端外的延伸部分。光学传感器模块3023被置于顶部透明层3050的延伸部分下方且邻近显示面板3010的一端。如本专利文件所公开的，光学传感器模块3023包括一个或多个探测光源，用于产生探测光，以照亮显示面板上方的顶部透明层3050的延伸部分和顶部透明层3050上方的邻近区域，以便照亮位于顶部透明层3050上方或与顶部透明层3050接触的目标以进行光学感测。显示面板上方的照亮区域的视场在图16中标记为3025，而在顶部透明层3050中示出的对应区域在显示面板区域内标记为指纹感测区域3022。这在针对LCD和OLED显示面板的图14和图15中也进行了说明。手指在置于显示面板的感测区域3022上方的照亮区域的视场中而未接触到顶部透明层3050时，该特征使得光学传感器模块3023对手指进行光学成像。光学传感器模块3023还可以在手指与顶部透明层3050接触时进行光学感测操作。
光学传感器模块3023包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列用于采集来自手指3043返回的探测光和/或返回的其它光的光学图像。该光学传感器阵列包括光学检测器，例如CMOS光电探测器或光电二极管，用于检测来自顶部透明层上方或与该顶部透明层接触的目标的反射光，以检测与以下相关联的接收的接触输入的存在：(1)第一信号，用于提供指纹的第一指示以生成指示目标是否是授权用户指纹的手指的空间图案的图像的第一信号，以及(2)指示不同的第二信号的第二信号，用于提供该目标是否是授权用户的手指的单独的第二指示。
光学传感器模块3023可以包括一个或多个触发传感器，用于检测目标是否存在或接近。该触发传感器可以产生触发探测3027并检测返回的触发探测以确定目标是否正在接近传感器模块，并且检测和评估与显示器盖板3050有适当距离的接近目标。触发探测可以是光学信号，例如探测光束。在其他实现方式中，触发传感器可以是使用声音信号作为探测的声学触发传感器，或者是使用电信号作为探测的触发传感器例如电容传感器等。
在实现方式中，图16中的设备可以包括支撑透明层3052，该支撑透明层3052形成于顶部透明层3050下方且与顶部透明层3050接合作为完整的顶部透明盖板。如图所示，该示例中的支撑透明层3052包括开口，该开口在顶部透明层3050的延伸部分下方且邻近显示面板的一端。光学传感器模块3023被置于顶部透明层3050的延伸部分下方的支撑透明层3052的开口内。顶部透明层3050和支撑透明层3052可以是玻璃透明基板，或者是包括结晶材料的高强度透明材料。支撑透明层3052的使用可以增强整体结构强度，牢固地保持光学传感器模块3023。
参见图1A和1B，图16中的设备包括光学传感器控制器，该光学传感器控制器耦合至光学传感器模块，用于控制一个或多个探测光源和光学传感器阵列的操作，以触发对目标的不同图像的采集，包括当该目标在顶部透明层上方而未接触到顶部透明层时的作为第一信号的一部分的该目标的图像，以及当该目标与顶部透明层接触时的作为第二信号的一部分的该目标的另一图像。光学传感器控制器处理采集的目标的图像，包括当该目标在顶部透明层上方而未接触到顶部透明层时的作为第一信号的一部分的采集的该目标的图像，以及当目标与顶部透明层接触时的作为第二信号的一部分的采集的该目标的另一图像，以确定该目标是否是电子设备的授权用户的手指。
各种光学指纹感测操作可以利用图16中的设备来执行。例如，当目标或手指触摸显示器盖板3050时，光学传感器模块3023可以使用返回的探测光，在目标或手指触摸顶部透明层3050之前，采集区域3022和3021上方的区域中的目标或手指的图像。一旦目标或手指触摸到顶部透明层3050，显示器中的触摸传感器就会进一步评估该目标以避免欺骗。
探测光源被集成在光学传感器模块3023中照亮目标，以产生从被照亮的目标返回光学传感器模块3023的返回的探测光，以由光学传感器模块3023内的光学传感器阵列进行成像。在一些应用中，至少一个探测光源可以设计为以穿透人类皮肤表面的光学波长发射探测光，例如红外(IR)或近红外光谱范围中的一个或多个光学波长。在该操作下，光学传感器阵列采集(1)由穿透人类皮肤表面的光学波长的探测光形成的且包括皮肤表面下方的组织结构的图像，以及(2)表示皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案。相应地，光学传感器控制器处理(1)由穿透人类皮肤表面的光学波长的探测光形成的且包括皮肤表面下方的组织结构的图像，以及(2)表示皮肤表面的表面图案的图像，例如手指的脊和谷的指纹图案，以形成三维轮廓，用于确定目标是否是电子设备的授权用户的手指的，以提供防欺骗指纹感测。
探测光的这种使用，使得手指的内部组织的成像生成用户专用的特征，该特征很难通过假手指图案设备复制，可以用作防欺骗机制，作为用户认证过程的一部分以访问设备。具体地，利用光学传感器模块3023在设备的用户注册过程期间采集包括用户手指皮肤下的内部组织信息的上述用户专用特征，并且存储该用户专用特征以便在用户访问操作中进行比较。由于使用了皮肤表面下的手指内部组织的信息以及由相同的光学传感器模块3023进行成像以采集皮肤表面下的手指内部组织的信息，所以伪造的图案不可能与这种特征匹配。此外，手指未接触到顶部透明层3050而未发生形状变形时和手指按压顶部透明层3050产生一些形状变形时，手指呈现出不同的表面图案和内部组织结构，因此利用存储的由光学传感器模块3023在手指未接触到顶部透明层3050时和手指按压顶部透明层3050时采集的不同特征提供增强的防伪特征。该专利文件中公开的技术的一个方面是使用这些不同的表面图案和内部组织结构，包括手指未接触到顶部感测表面时采集的信息，以提供改善的指纹检测安全性。
在图16中，除了来自光学传感器模块3023的探测光提供的照明之外，来自显示像素(例如，LCD或OLED像素)的显示光也可以提供附加的照明用于光学感测操作。在一些实现方式中，一个或多个额外照明光源3024可以设置在光学传感器模块3023的外部，以辅助照亮目标或手指。在图16所示的示例中，一个或多个额外照明光源3024示出为位于显示模块下方。
不期望的背景光是光学指纹感测中的一个技术挑战，在图16中的设备用在具有强烈背景照明的室外设置或环境中时尤为明显。为解决该挑战，光学传感器模块3023可以包括位于光学传感器阵列上方的光学滤波器，以传输探测光，同时阻挡背景光到达光学传感器阵列。例如，光学滤波器可以构造为减少到达光学传感器阵列的红外光，这一来自太阳光的强烈的背景源。这种光学滤波器可以是带通滤波器，也可以是集成在检测光路中的一个或多个滤波器涂层。每个照明光源都可以以闪光模式操作，以在短时间内产生较高的照明亮度。
图17示出了移动设备正面的示例，示出了显示屏内的显示屏内光学指纹感测区域3022和位于显示屏外的光学传感器模块的位置，其可以通过各种设计来实现，包括图14、图15和图16中的设计示例。显示屏内光学指纹感测区域3022被照亮以对用户可见，并且该照明可以使用显示像素或额外光源来实现。在一些设计中，光学传感器模块位置可以对齐位于显示器的框架边缘区域内。
图18示出了可以在图16中的光学传感器模块设计中实现的颜色涂层特征。具体地，图18示出了显示盖板的多层结构。例如，盖板可以包括顶层3050和支撑层3052，二者可以通过不同方式彼此接合，包括使用粘合剂。在一些设计中，顶层3050可以非常薄(例如，200至400微米或其他厚度)，并且光学传感器模块3023可以很小，例如约几毫米的尺寸。颜色涂层3029形成在支撑层3052的开口内的顶部透明层下方。颜色涂层3029可以被图案化以包括用于传输来自照明光源的探测光的光源窗口3033以及感测光路窗口3035。在一些设计中，颜色涂层3029可以是光学不透明的。在其它设计中，颜色涂层3029对来自光源的探测光可以是透明的或部分透明的，这时窗口3033可以不需要。
图19示出了图16和图18中的光学传感器模块中的电路结构的示例，包括可以是光电二极管阵列的光学传感器阵列3063、探测或照明光源(LED等)3065以及集成在芯片板3061上的相关电路3069。柔性印刷电路(FPC)3071通过焊盘3067粘合到传感器芯片板3061上。处理电子器件3077和连接器3079安装在FPC 3071上。FPC 3071可以被图案化以包括形成在图18所示的颜色涂层3029中的用于光源窗口3075和检测光路窗口3073的开口。
在一些实现方式中，光源3065可以直接安装在FPC 3071下方。用于减少背景光的光学滤波器可以是形成在光电二极管阵列3063的表面上的光学滤波器涂层。此外，在一些设计中，模块中可以包括增强侧壁结构。
图20示出了图16、图17、图18和图19中的光学传感器模块3023的结构和操作中的各种细节的示例。显示器盖板3050下方的支撑层3052可以制成通孔以容纳光学传感器模块3023。孔壁涂有颜色涂层3029，作为传感器模块壁，用于阻挡不期望的背景光或环境光。设置光学成像模块或光收集模块3089以采集来自目标或手指的返回的光，以通过光学传感器阵列3063成像。在一些实现方式中，该光学成像模块3089可以包括安装在盖板顶层3050下方的针孔或微透镜。感测光路窗口3035、针孔/微透镜3089和检测光路窗口3073可以对齐，使得光学传感器阵列3063可以接收覆盖显示器内指纹感测区3022的视场中的图像信号光3087。
在一些实现方式中，来自光源3065的光3081、来自显示器3054的光3083，来自额外光源3024的光3085可用于照亮手指。光源包括多种光波长，以实现指纹检测和防欺骗功能。例如，活体手指光谱特征可以用来检查手指是否来自活体。例如，如果使用红色或近红外光作为光源，则传感器可以对皮肤下面的较深组织(如真皮)进行成像。通过该特征，无论手指或感测表面是干燥的、潮湿的、还是具有浅的手指脊-谷特征的磨损的指纹图案，指纹都可以利用充分的信息进行成像。在该方法中，指纹可以在手指没有按在显示器上时成像。除了2-D指纹图案之外，数据库中包括的手指轮廓信息还包括3D指纹信息，该3D指纹信息包括手指皮肤下的内部组织结构。需要注意的是，假指纹中较深组织的图像可能难以复制，因此所公开的光学指纹感测通过内置防欺骗特征改善了指纹检测精度。
图21示出了图16的设备设计中接触和非接触条件下采集手指的图像的示例。如图所示，光学传感器控制器可操作为：(1)当目标在顶部透明层上方而未接触到该顶部透明层且接近该顶部透明层时(顶部)，(2)当该目标与顶部透明层接触时(中间)，以及(3)当该目标从顶部透明层移开时(底部)，触发对该目标的不同图像的采集。可以对这些不同的图像进行光学采集并用于进一步改善指纹感测的反欺骗功能。
图22进一步示出了基于独立的“按钮”结构的光学传感器模块设计的示例，形成在图12所示的顶部透明盖板的周边区域中。
基于所公开的技术的光学传感器模块设计可以在设备的正面、背面和侧面的各个位置以及各种配置中实现。图23示出了一些示例。例如，光学传感器模块可以位于电子设备的按钮中。在一些设计中，电子设备的按钮在该电子设备的侧面、背面、或者正面。该电子设备的按钮可以操作为执行与指纹感测不同的另一操作，例如用于打开或关闭该电子设备的电源的电源按钮。
图24示出了用于操作光学传感器模块以认证用户访问电子设备的方法的一个示例的流程图。该方法包括：操作光学传感器模块的一个或多个探测光源，用于产生探测光，以照亮电子设备的邻近区域；操作光学传感器模块的光学检测器的光学传感器阵列，以检测来自存在于照亮的邻近区域的目标的反射光，以确定该目标的存在；以及操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列，当检测到存在目标而该目标未接触到电子设备时进行第一光学指纹感测操作，采集该目标的一个或多个第一光学图像，以确定采集的目标的一个或多个第一光学图像是否包括在授权用户的手指未接触到电子设备时通过操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列从授权用户预先获得的该授权用户的手指的第一存储指纹。基于以上所述，当确定采集的目标的一个或多个第一光学图像不包括授权用户的第一存储指纹时，拒绝对该电子设备的访问。
上述处理通过图24中的虚线上方的处理操作表示。
接下来，当第一光学指纹感测操作确定在第一光学指纹感测操作中采集的目标的一个或多个第一光学图像被确定为包括授权用户的指纹时，该方法提供附加的用户认证，如图24中位于虚线下方的处理操作。
具体地，该方法包括操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列，当目标与电子设备接触时进行第二光学指纹感测操作，采集该目标的一个或多个第二光学图像，以确定采集的目标的一个或多个第二光学图像是否包括在授权用户的手指与电子设备接触时通过操作一个或多个探测光源和光学传感器阵列从授权用户预先获得的授权用户的手指的第二存储指纹。相应地，当确定采集的目标的一个或多个第二光学图像不包括授权用户的第二存储指纹时，拒绝对该电子设备的访问。并且，当确定采集的目标的一个或多个第二光学图像包括授权用户的第二存储指纹时，授权对该电子设备的访问。
上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，使得能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。需要注意的是，当人用手指按压设备时，由于按压力的变化，与显示屏上的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。
参见图25，接触轮廓面积随着按压力的增加而增大，同时脊的印迹随着按压力的增加而扩大。相反，接触轮廓面积随着按压力的减小而减小，同时脊的印迹随着按压力的减小而收缩或缩小。图25示出了在不同按压力下的相同手指的两个不同的指纹图案：轻度按压的指纹2301和重度按压的指纹2303。来自触摸表面上的指纹的选定集成区2305的返回的探测光可以被光学传感器阵列上的一部分光学传感器采集，这部分光学传感器与触摸表面上的选定集成区2305相对应。如下进一步所释，对来自那些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。
当手指触摸传感器表面时，手指组织吸收光功率，从而减小集成在光电二极管阵列上的接收功率。尤其是在不感测低折射率材料(水、汗液等)的全内反射模式下，通过分析接收功率变化趋势，传感器可以用于检测是手指触摸传感器，还是其他目标意外触摸传感器。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要唤醒移动设备。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。
在详细的指纹地图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且更多的光在触摸界面处被扩大的指纹脊吸收。因此，在相对小的观察区域2305内，集成的接收到的光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测按压力。
因此，通过分析小区内集成的接收到的探测光功率变化，可以监测指纹脊图案变形的时域演变。然后，可以使用关于指纹脊图案变形的时域演变的信息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交互的动态，包括确定人正在按压触摸表面，还是正在将按压手指从触摸表面移开。这些用户交互动态可以用来触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人的手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是用来操作移动设备的有意触摸还是意外的无意触摸，基于这样的确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒睡眠模式下的移动设备。
此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人手指在两个不同探测光波长下获得的消光比方面可以表现出不同的特性，如关于图7、图8和9所阐述的。返回参考图25，轻度按压的指纹2301可能不会明显地限制流入手指的按压部分的血液，从而产生在两个不同探测光波长下获得的表明活人组织的消光比。当人用力按压手指以产生重度按压的指纹2303时，流向按压手指部分的血液可能会严重减少，于是，两个不同探测光波长下获得的相应光学消光比将不同于轻度按压的指纹2301的光学消光比。因此，两个不同探测光波长下获得的光学消光比随着不同的按压力和不同的血流条件而变化。这种变化不同于人造材料制成的假指纹图案使用不同的力按压时在两个不同探测光波长下获得的光学消光比。
因此，两个不同探测光波长下获得的光学消光比还可以用于确定触摸是来自用户的手指还是其他目标。这种确定也可以用于确定是否唤要醒睡眠模式下的移动设备。
又如，所公开的光学传感器技术可以用于监测活人手指易于表现的自然运动，是因为活人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对活人的存在的正面确定的结合来增强访问控制。又如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量血糖水平或血氧饱和度。又如，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些或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。除指纹感测之外，这种触摸力感测还可用于为光学传感器模块添加更多功能。
除了在用户手指与设备接触时执行光学指纹感测之外，以下部分还提供了附加技术细节，用于实现位于设备附近而未接触到设备的用户手指的光学指纹感测。与图14至图16以及图20至图21中的在先示例不同，下面提供的示例是LCD下或OLED下光学传感器，使用传播穿过盖板玻璃、触摸感测层、以及LCD或OLED显示层的光，以执行光学感测。
作为具体的示例，图26A和图26B示出了电子设备2600的一种示例性实现方式，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传感器模块。在该特定的示例中，显示器技术可以通过使用背光来光学照亮LCD像素的LCD显示屏来实现，或者通过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2600可以为智能手机或平板电脑等便携式设备，并且电子设备2600可以为如图1所示的设备1。
图26A示出了设备2600的正面，其可以与一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征相类似。设备屏幕在设备2600的正面，占据正面空间的全部、大部分或重要部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，如用于接纳设备屏幕上的手指的一个或多个感测区域。作为示例，图26A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，可以被照亮为明显可识别的地区或区域，以用于用户放置手指以进行指纹感测。该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2600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26A中设备外壳的左上角的一个示例所示，在设备2600的正面且在设备屏幕外可以设置一个或多个可选的传感器。
图26B示出了与本文件中公开的光学指纹感测相关的设备2600的模块的结构构造的示例。图26B中所示的设备屏幕组件包括，例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块耦合至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探测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回的光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学传感器模块下方是设备电子结构，该设备电子结构包括用于设备2600中的光学传感器模块和其他部件的特定电子电路。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26B所示的光学传感器模块的下方的部分。
在实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示器输出表面，其中携带显示器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的光学感测功能)。该光学透明层可以为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。
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显示面板为多层液晶显示器(LCD)模块，该LCD模块包括：LCD显示器背光光源(例如LED灯)，发出用于LCD像素的LCD照明光；用于引导背光的光波导层；以及，LCD结构层，例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明传导ITO层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感测层。LCD模块还包括：背光漫射器，位于LCD结构层下方且位于光波导层上方，用于在空间上传播背光，以照亮LCD显示像素；以及，光学反射器膜层，位于光波导层下方，用于将背光再循环至LCD结构层，以改善光利用率和显示亮度。为了光学感测，可以提供一个或多个单独的照明光源，并相对于LCD显示模块的背光光源独立地来操作这些照明光源。
参见图26B，本示例中的光学传感器模块位于LCD显示面板的下面，以采集来自该顶部触摸感测表面的返回的光，并且获取用户的手指与该顶部表面上的感测区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块可以在没有触摸感测功能的设备上实现。
图27A和27B示出了实现图26A和26B中的光学传感器模块的设备的示例。图27A示出了包括屏下光学传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图27B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，在右侧示出了包括位于设备显示屏组件下面的光学传感器模块的设备的一部分的透视图。图27B还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。
在图26A、26B、27A和27B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，其他的指纹传感器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，像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27A和图27B)，使得该盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为连续且均匀的玻璃表面，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对触摸感应显示屏集成在公共且完整的表面下的设计提供了益处，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26A和26B，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，作为用于用户触摸的界面，以进行触摸感测操作和传输来自显示面板结构的光以向用户显示图像；光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，用于接收从顶部透明层返回的光以检测指纹。
本文件中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，该设备可以包括设备电子控制模块，以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被配置为检测指纹外，还被配置为通过光学感测检测不同于指纹的生物特征参数，以指示在顶部透明层处的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被配置为授权用户对该设备的访问。该生物表征参数可以包括，例如，手指是否包括人的血流或心跳。
例如，该设备可以包括耦合至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，并通过显示面板结构控制图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作使得在一帧中关闭发光显示像素并在下一帧中打开发光显示像素，以使得光学传感器阵列通过光显示像素采集照明和非照明的两个指纹图像，来减少指纹感测中的背景光。
再如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向LCD显示面板提供电源，并在睡眠模式下关闭LCD显示面板的背光的电源，并且当光学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被配置为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显示面板电源(处于睡眠模式)，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。
再如，该设备可以包括耦合至光学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，这种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指定的指纹感测区域，用于用户使用手指触摸以进行指纹感测。显示面板结构下方的光学传感器模块可以包括：与显示面板基板接触的透明块，以接收从该显示面板结构发出的且从该顶部透明层返回的光；接收该光的光学传感器阵列；以及光学成像模块，将该透明块接收到的光成像到该光学传感器阵列上。该光学传感器模块可以相对于指定的指纹感测区域放置，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经过全内反射的返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收来自指定的指纹感测区域的返回的光。
又如，光学传感器模块可以被构造成包括位于显示面板结构下方的光楔，以修改与该光楔接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，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；光学成像模块，位于该光楔和该光学传感器阵列之间，以将来自该光楔的光成像到该光学传感器阵列上。
下面提供了用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的具体示例。
图28A和图28B示出了用于实现图26A和图26B中的设计的、在显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。图28A至图28B中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，作为用于用户触摸以进行触摸感测操作的界面以及用于传输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下面的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分光学传输，使得来自顶面的光可以部分地穿过LCD显示层到达LCD下光学传感器模块。例如，LCD显示层包括光学上用作孔阵列和光散射目标的配线结构和电极。设备电路模块435可以设置在该OLED显示面板的下方，以控制设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
在该特定实现方式的示例中，光学传感器模块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下面的照明光源436或/和位于顶部盖板玻璃431下方的另外的一个或多个照明光源，用于提供照明光或探测光，以通过光学传感器模块702进行光学感测，并且可以控制该一个或多照明光源发光，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上方的指纹感测区615，以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面上的指纹感测区域615，如同该照明光是来自指纹照明光区613。位于顶部盖板玻璃431下方的另外的一个或多个照明光源可以放置在顶面上的指纹感测区域615附近，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。如图所示，手指445被置于照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为有效感测区以进行指纹感测。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下方的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电探测器感测阵列接收这种光，并采集由该接收的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显示模块的背光源光源操作。
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的打开，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，以闪光模式打开一个或多个光源436，而不打开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，光学感测模块则被操作为执行基于光学感测的指纹感测，并且可以打开LCD显示面板。
在图28B的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合至该显示面板的透明块701以接收来自设备组件的顶面的返回的光，以及执行光学成像和成像采集的光学成像块702。来自一个或多个照明光源436的光在到达盖板顶面后，例如到达用户手指触摸的感测区域615处的盖板顶面后，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指纹谷下的另一位置处的光反射，其中指纹谷下的另一位置处没有手指的皮肤或组织。该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，到达该光学传感器模块的具有低折射率的光学透明块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，使得可以将返回的光从LCD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内的光电探测器感测阵列或光学感测整列上。指纹脊和谷之间的光反射差异产生指纹图像的对比度。如图28B所示，控制电路704(例如微控制器或MCU)耦合至成像感测块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，并会被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比度。这种成像系统可能具有不期望的光学畸变，这会对指纹感测有不利影响。因此，基于光学传感器阵列处的沿返回的光的光路的光学畸变情况，在对处理块702中的光学传感器阵列的输出信号处理时，获取的图像还可以在成像重建期间通过畸变校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域扫描测试图像图案，其中每次扫描一行像素，可以通过每个光电探测器像素处采集的图像生成畸变校正系数。这种校正过程还可以使用每次调整一个单独像素且扫描光电探测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种校正系数只需要在传感器组装之后生成一次。
来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过LCD显示组件433中的孔穿过LCD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，图像传感器以相同频率获取接收到的图像。在该操作下，只有一个图像相位包括来自光源的光。通过减去奇数和偶数帧，可能得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果通过在一帧中打开照明光并在另一帧中关闭照明光得到的连续两帧信号相减，则可以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。
来自照明光源436的光中的一部分还可以穿过盖板顶面，进入手指组织。这部分的光功率被散射在周围，并且该散射的光中的一部分最终可以被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射的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的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，通过对用户手指图像的区域的强度积分，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，以确定用户的手指是活体手指，还是提供具有伪造的指纹图案的欺骗设备。
图28B中的一个或多个照明光源436可以设计为发出不同颜色或波长的光，并且光学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的光。通过记录不同颜色或波长下返回的光的相应的测量强度，可以确定与用户的肤色相关联的信息。例如，当用户注册用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自颜色A和颜色B下的手指的散射光的强度，为强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与用户的手指放在感测区域上测量指纹时得到的后续测量值进行比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
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可以以低占空比，在短时间内间歇性地发光，并为光学感测提供脉冲光。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的触摸。如果确定是人类手指触摸事件，MCU704可以被操作为唤醒智能手机系统，打开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会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，则智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，则智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
在图28A和图28B的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电探测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电探测器感测阵列上。图28B中示出了从感测区615至块702中光电探测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和成像感测块702的前端在光电探测器感测阵列之前形成了体成像模块，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畸变，如上所释，可以使用畸变校正来实现期望的成像操作。
在本文公开的基于图28A和图28B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29A、图29B和图29C示出了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传感器模块的操作。
图29A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，并在透过顶部透明层431后生成不同的返回的光信号至屏下光学传感器模块，返回的光信号中包括携带指纹图案信息的光信号。为简单起见，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，而不经历顶部透明层431界面处的全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指2960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的界面向LCD显示模块433返回的光束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29A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-盖板玻璃的界面反射光束80的部分光，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面板中反射率可能低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为传输至手指组织2960中的光束183，造成光183的散射，产生向LCD显示模块433和底层524返回的散射的光191。来自LCD像素73的传输光束189在手指组织中的散射也对返回的散射的光191有贡献。
手指皮肤谷位置2963处的光束82由盖板玻璃表面反射(例如约3.5％)作为到底层524的反射光185，并且手指谷表面反射入射光能量(光187)的约3.3％至底层524。总反射率约为6.8％。大部分光189被传输至手指组织2960中。手指组织中的传输的光189中的光功率的一部分被手指组织散射，以贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。
因此，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，并且可以测量反射比差异以提取与顶部透明层431接触且被OLED光照射到的部分的指纹图案。
图29B和29C示出了不同条件和不同位置下的相对于手指的谷或脊的顶面处的两种附加类型的照明光线的光路径，包括在与顶部透明层431的界面处的全反射条件下的照明光线的光路径。图示的照明光线产生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会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图29A、图29B和29C示出三个不同组的发散光束的例子：(1)中心光束82，与盖板玻璃431具有小入射角而没有全反射(图29A)，(2)高对比度光束201，202，211，212，在盖板玻璃表面没有被触摸时在盖板玻璃431处被全反射，并在手指触摸盖板玻璃431时可耦合到手指组织中(图29B和图29C)，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，盖板玻璃表面对光束185的反射约为0.1％～3.5％，这部分光被传输到底层524中，手指皮肤对光束187的反射约为0.1％～3.3％，这部分光也被传输到底层524中。反射差异取决于光束82是否与手指皮肤脊2961或谷2963相遇。剩余的光束189被耦合到手指组织2960中。
对于高对比度光束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，光功率中的大部分通过光束203和204耦合到手指组织2960中。
对于高对比度光束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，没有光功率耦合到手指2960的手指组织中。
如图29A所示，耦合到手指2960的手指组织中的光束会通过手指组织发生随机散射，以形成低对比度光191，并且这种低对比度光191中的一部分将穿过LCD显示模块433到达光学传感器模块。
因此，在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。
基于图26A和26B中的设计，所公开的屏下光学感测技术可以根据各种配置进行光学指纹采集。
例如，基于在光学感测模块中使用体成像模块的光学成像，可以根据各种配置来实现图28B中的具体实现方式。图30A至图30C、图31、图31A至图31E、图32、图33、图34和图35示出了用于光学指纹感测的屏下光学传感器模块设计的各种实现方式、附加特征和操作的示例。
图30A、图30B和图30C示出了基于通过透镜进行光学成像的屏下光学传感器模块的示例，用于采集按压在显示器盖板玻璃423上的手指445的指纹。图30C是图30B中示出的光学传感器模块部分的放大视图。如图30B所示的屏下光学传感器模块位于LCD显示模块433下方，包括：与LCD显示模块433的底面接合的光学透明间隔物617，以接收来自顶部透明层431的顶面上的感测区域615的返回的光；位于间隔物617和光电探测器阵列623之间的成像透镜621，以将接收到的来自感测区域615的返回的光成像到光电探测器阵列623上。与图28B示例中的成像系统类似，图30B中用于光学传感器模块的成像系统可能经历图像畸变，可以使用合适的光学校正校准来减少这种畸变，例如用于图28B中系统所描述的畸变校正方法。
与图29A、图29B和图29C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，在等于或大于界面的临界入射角的大角度时会发生全内反射。如果盖板玻璃顶面没有被接触，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的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来感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效感测的盖板玻璃表面615可以被视为镜子，使得光电探测器阵列有效地检测LCD显示器中指纹照明光区域613的图像，该图像由感测的盖板玻璃表面615投射到光电探测器阵列上。光电二极管/光电探测器阵列623可以接收由感测的盖板玻璃表面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，这会引起光电探测器阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学的检测路径的几何形状是已知的，所以可以校正在光学传感器模块中的光路中引起的指纹图像畸变。
作为具体的示例，考虑到图30B中从检测模块中心轴到盖板玻璃顶面的距离H为2mm。这种设计可以直接覆盖5mm的有效感测区域615，其在盖板玻璃的宽度为Wc。调整间隔物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考虑这些层。间隔物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。
在本文公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块技术的各种实现方式中，可以实现将手指的被照亮的触摸部分光学成像到屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列，而不使用成像模块，例如在光学照明下对从手指的触摸部分返回的光进行成像的透镜。实现没有成像模块的光学指纹感测的一个技术挑战在于，如何控制返回的光的传播，这种传播可能在空间上扰乱光学传感器阵列处的从手指的触摸部分上的不同位置返回的光，使得这种返回的光到达光学传感器阵列时，不同位置的空间信息可能丢失。通过使用光学准直器或针孔阵列替代屏下光学传感器模块中的光学成像模块以通过光学感测来检测指纹，可以克服这项挑战。一种用于实现这种光学指纹发送的设备可以包括：设备屏幕，提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，可以操作每个像素发光，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，作为界面，以用于用户触摸以进行触摸感测操作的，并用于传输来自显示结构的光以向用户显示图像；以及光学传感器模块，位于显示面板结构下方，以接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光，来检测指纹。该光学传感器模块包括：光学传感器阵列，接收返回的光；光学准直器阵列或针孔阵列，位于向光学传感器阵列返回光的路径中。光学准直器阵列用于收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光引导至光学传感器阵列。
使用准直器的成像依赖于在不同位置使用不同的准直器，以将来自指纹的不同区域的光在空间上分离到光学检测器阵列中的不同的光学检测器。每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为控制每个准直器的光学窄视场，比如，仅来自被照亮手指上的小区域的光被每个准直器采集，并被投射到光学检测器阵列中的一些相邻的光学检测器上。例如，可以将每个准直器沿着该准直器的厚度或长度设计的很大，比如几百微米，使得每个准直器的光学视场可以允许准直器向光学检测器阵列上的小区域传送成像光，比如，光学检测器阵列中的一个光学检测器或几个相邻的光学检测器(比如，在一些情况下，在光学检测器阵列的每一侧上的数十微米的区域)。
图31示出了具有液晶显示(LCD)显示器和屏下光学传感器模块的智能手机的示例，该屏下光学传感器模块包括光学模块，用于采集并引导光至光学检测器阵列进行光学指纹感测。基于LCD的触摸感测显示系统423在LCD显示系统423下实现了具有光电探测器阵列6621的光学感测模块。置于LCD显示屏和屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间的光学模块617可以配置为各种设计，以耦合来自显示面板的期望的返回的光，同时光学传感器阵列过滤光学检测中的背景光。在一些设计中，光学模块617可以包括本文件中所描述的一个或多个成像透镜、本文件中所描述的透镜-针孔组件、或光学准直器阵列或针孔阵列。
触摸感测显示系统423置于顶部盖板玻璃431下方，该顶部盖板玻璃431作为用户界面表面以用于各种用户界面操作，包括用户的触摸感测操作和向用户显示图像等，以及作为光学感测界面以用于接纳手指以进行光学指纹感测和其他光学感测操作，其中，探测光从设备内部被引导至顶部盖板玻璃431以照亮手指。显示系统423是多层LCD模块433，包括：LCD显示器背光光源434(例如，LED灯)，用于为LCD模块433提供白色背光；光波导层433c，耦合到LCD显示器背光光源434，以接收和引导背光；LCD结构层433a(包括例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明传导ITO层、光学偏振器层、滤色层和触摸感测层)；背光漫射器433b，位于LCD结构层433a下方且在光波导层433c上方，在空间上扩散背光光源以照亮LCD结构层433a中的LCD显示像素；以及光学反射膜层433d，位于光波导层433c下方，以将背光再循环到LCD结构层433a以改善光使用效率和显示器亮度。尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的LCD单元打开时，LCD结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。对光漫射器433b、光波导433c、反射膜433d和LCD模块框架进行处理以固定指纹传感器，并提供透明或部分透明的感测光路径，使得一部分从盖板玻璃431的顶面反射的光可以到达具有LCD屏下光学传感器模块的光电探测器阵列621，以进行指纹感测和其他光学感测操作。如图所示，LCD屏下的光学传感器模块包括各种指纹传感器部件，例如，用于收集和引导反射探测光到光电探测器阵列621的光学模块617，以及接收和调节来自光电探测器阵列6621的检测器输出信号的光学传感器电路模块6623。光电二极管阵列6621可以是CMOS感测像素的CMOS传感器、CCD传感器阵列或对光敏感的合适的光学传感器阵列。
所示的示例包括用于LCD显示和触摸感测操作的电子器件模块435、一个或多个其他传感器425例如用于监控周围环境的光线等级的光学传感器等、和用于控制某些智能手机操作的可选侧按钮427和429。
在图31的示例中，所示示例中的光源包括显示器背光光源434和额外的指定的探测光源436。来自额外的指定的探测光源436的光束442a和来自显示器光源434的光束442b可以用作传感器探测光以照亮与顶部玻璃盖板431接触的手指，以向光学传感器模块生成期望的携带指纹图案和其他信息的反射的探测光。
尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的LCD单元打开时，LCD结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。对光漫射器433b、光波导433c、反射膜433d和LCD模块框架进行处理以容纳指纹传感器，并提供透明或部分透明的感测光路。
基于所公开的LCD屏下光学传感器设计，与LCD显示屏直接接触或在LCD显示屏附近的人的手指，能够使得返回的光回到LCD显示屏中，同时携带被LCD显示屏输出的光照射到的手指的一部分的信息。这些信息可以包括，例如，手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置。因此，光学传感器模块可以集成以采集这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置。该检测到的手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置随后可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测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这种基于光学感测的指纹检测使用LCD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。
需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面而不需要LCD显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中，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置于LCD显示屏之下，与显示屏区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于这种光学传感器模块通过检测来自LCD显示屏并从显示区域的顶面返回的光进行光学感测，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的特殊感测端口或感测区域。因此，不同于其他设计中的指纹传感器，包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机模型等其他设计中的指纹传感器，这些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中。基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，使得在LCD显示屏上的任意位置执行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术通过使用与显示图像相同的顶部触摸感测表面，提供了独特的屏上指纹感测配置，并且在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或端口的情况下提供触摸感测操作。
除了通过光学感测进行的指纹检测外，光学感测还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LCD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非常受限，可能不适合感测大图案)。又如，所公开的光学传感器技术不但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如下事实，由于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着或伸展着的，或者当血液流过与心跳相连的人体时，手指会有脉动。在一个实现方式中，光学传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对活体存在的正面确定的结合来增强访问控制。又如，光学传感器模块可以包括感测功能，以基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量血糖水平或血氧饱和度。又如，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。这些变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测为光学传感器模块添加了除指纹感测之外的更多的功能。
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。据此，光学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的光，而由其他物体造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标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，例如只有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该设备的唤醒，以实现节能操作并延长电池使用。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LCD显示屏的唤醒电路操作，其中，例如，可以包括设计的用于光学感测的额外光源，并且打开该设计的额外光源使其处于闪光模式，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，同时LCD显示屏可以置于睡眠模式以节省能量。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会体验任何闪光的视觉效果。
基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD显示屏的表面一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LCD显示屏，而不需要改变LCD显示屏的设计，以提供期望的光学感测功能例如指纹感测。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LCD显示屏的设计，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通过检测来自LCD显示屏并从显示区域的顶面返回的光进行光学感测，并且所公开的光学传感器模块耦合至LCD显示屏的背面以接收来自显示区域的顶面的返回的光，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，这种光学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，而不使用专门设计的具有特殊设计以提供这种光学感测的硬件的LCD显示屏。所公开的光学传感器技术的这方面可以使LCD显示屏广泛使用在智能手机、平板电脑或其他电子设备中，使得这些设备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电话组件设计例如苹果iPhone或三星模型，这种现有电话组件设计可以在不改变触摸感测显示屏组件的情况下集成如本文所述的屏下光学传感器模块，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分离的指定感测区域或端口，像苹果iPhone/三星手机具有在显示屏区域外的前指纹传感器，或者像一些智能手机在背面具有指定的后指纹传感器比如华为、小米、谷歌或联想的一些模型，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。简言之，添加所公开的用于指纹感测的光学传感器模块的设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件按钮。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏下，并且可以在触摸屏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特性，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，而不对LCD显示屏的设计或制造带来影响或增加负担，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LCD显示屏的智能手机、平板电脑或其他电子设备中光学感测功能的更新版本的可用性。具体地，利用所公开的屏下光学传感器模块，可以在下一产品版本中更新触摸感测层或LCD显示层，无需为指纹感测功能做任何显著的硬件改变。此外，通过使用新版本的屏下光学传感器模块，可以将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、改善的屏上光学感测，添加到新产品版本中，包括增加附加的光学感测功能，而不需要对电话组件设计做显著改变。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为新一代的电子设备提供改善的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有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，并增强这些设备的用户体验。
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来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目标(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，具有对原始指纹具有高图像保真度，以实现鲁棒性的指纹感测。光学传感器模块可以设计为通过适当地配置光学元件来实现这种期望的光学成像以采集和检测返回的光。
在设计LCD显示模块下的光学传感器模块时，应该考虑LCD显示模块的各种技术特征或特性，并将其纳入到整体光学传感器模块设计的考虑因素中，以改善光学感测操作。以下部分描述了几种设计示例。
各种LCD显示模块中的一个常见部件是光漫射器，其可以是将入射光漫射到不同方向的薄片，以实现显示器的空间均匀性和大视角。然而，该LCD漫射器层的存在可能会降低LCD下光学传感器模块的光学检测。
图31A和图31B示出了位于LCD波导层433c和其他LCD层433a之间的LCD光漫射器层433b。在一些LCD组件中，盖板玻璃层431可以与下面的漫射器片433b分开一定距离(例如，在一些LCD设备中是几毫米)，并且光学模块617通过光波导板433c(可能是亚微米厚度)与漫射器片433b分开。在这种结构下，漫射器片433b中的强漫射可以显著降低穿过LCD显示模块433到达光学检测器阵列6621的信号光中的信号对比度。尽管对于显示操作来说LCD漫射器层433b处的光漫射是期望的，但其降低了指纹检测性能。
LCD漫射器层433b的这种不期望的效果可以通过使用不同的技术来减轻。图31A和图31B中示出了两个示例。
图31A示出了一个示例，其中，可以在光学传感器模块上方的漫射器片433b的部分中的LCD显示模块中的相应区域或整个漫射器片433b中制作孔951a，以改善从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列6621的返回的光的传输。孔的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。在此设计中，将孔951a包含在LCD漫射器层433b中是为了为光学传感器模块显示光学传输路径。
图31B示出了另一示例，其中，漫射器片可以被构造成包括低漫射光学透明点951b，在光学传感器模块上方的区域中光漫射较弱，以改善到光学传感器模块的光的传输。透明点的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射，并且点的分布可以允许通过LCD显示层的来自顶部盖板玻璃431的返回的光的有效接收。如果漫射器片由对光进行衍射或漫射的粗糙表面材料制成，则可以将选定的材料选择性地应用于粗糙表面，以提供某些透明材料来减少粗糙表面的原始光学漫射。合适材料的示例包括环氧树脂、蜡或油，并且这些材料可以有效地改变漫射。
对于给定的LCD漫射器层，可以选择长波长光源来产生探测光或照明光，使得针对这种光的漫散射较弱，从而更多的光可以穿过漫射器层到达光学传感器模块。
再如，参见图31A和图31B，各种LCD显示模块包括LCD波导层433c下方的LCD中的光学反射层或膜433d，以将未使用的光反射回LCD层来提高显示亮度。然而，这种光学反射膜433d的存在可以阻挡大部分光，使其无法达到LCD下方的光学传感器模块，因此可能对光学指纹感测产生不利影响。这种光学反射层可以以下方式进行修改：在大多数位置维持LCD波导层下的所期望的光学反射，同时在LCD下光学传感器模块的位置处允许期望的光学传输。在一些实现方式中，可以固定用于LCD下的光学传感器的光学模块617以触摸反射器膜433d。
图31C示出了用于提供透明光路的另一示例，以引导来自一个或多个照明光源436的光，以改善检测模块的指纹感测而不被漫射层明显漫射。例如，孔969可以选择性地形成在光漫射器膜433b中，以改善到LCD下光学指纹传感器的光传输。为了避免影响显示性能，光路孔可以倾斜以在孔969的区域中保持一定程度的光漫射功能。此外，这样的孔969可以设计为很小，例如0.3mm或更小，以进一步增强背光的漫射，同时仍在LCD下光学指纹传感器处提供改善的光学成像。在一些实现方式中，光路孔可以是空的而只有空气，也可以填充有透明材料。
在一些设计中，光路孔969可以不限于某个区域，而是可以分布在整个光漫射器膜433b上，例如，孔969可以均匀地分布在整个膜433b中。这种设计消除了选定孔969在某个区域而非其他区域中产生的不期望的空间不均匀照明。在一些设计中，光路孔969可以以空间梯度模式分布，使得由孔969引起的LCD照明的任何改变是渐进的且不太明显。
图31D示出了一个示例，其中通过在光学反射膜中的光学传感器模块的区域中包括或形成透光孔来修改光学反射层，以允许用于光学反射膜的大部分中的LCD显示器的光学反射，同时为光学模块617提供透明的光路径，用于接收LCD上方的手指反射的光。孔的尺寸、形状和分布可以被配置为满足光学感测需要。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径的直径可以约40微米，并且漫射器片孔的尺寸可以为5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等等。每个准直器单元孔可以在光学反射器层中具有一个或多个孔以提供所期望的光路用于光学感测。检测中的不均匀性可以被校准。如果准直器单元孔以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以按照相同的间距钻出漫射器片中的孔。
图31E示出了用于修改LCD中的光学反射器层的另一示例，其中光学反射器膜的光学反射率可以修改为允许通过下面的光学传感器实现一定程度的光学传输以进行光学感测。各种商业LCD反射器膜使用柔性塑料材料作为基板，并且这种塑料材料的光透射率可能足以将足够的光传输到光学传感器模块以进行指纹感测。
在用于LCD漫射器层和LCD反射器层的上述设计中，孔可以形成在一个或多个照明光源所处的区域中，以使得照明光充分透射以穿过LCD显示模块层到达顶部盖板玻璃，以照亮手指来进行光学感测操作。
在上述设计中，光学传感器模块位于LCD显示模块的下方，因此位于LCD波导层下方，LCD波导层被设计为将来自背光光源的背光引导至LCD显示区域。来自显示器光源434(例如，LED)的背光由波导433c引导并由LCD漫射器层漫射以离开波导433c，提供LCD所需的背光。光可以从波导433c的一个侧面均匀漏出，然后通过漫射器片433b漫射。在一些LCD中，大约一半的漫射光可以朝着光学模块617传播并且在光学感测检测中变成强背景光。
可以提供一个或多个额外的光源436以连接光学传感器模块，用于照亮手指并且将携带指纹图案信息的光提供给LCD下方的光学传感器模块。由于照明光源436的位置(例如，在光学传感器旁边或与光学传感器相邻的反射器膜433d下方)，波导433c的光引导功能对来自照明光源436的光不起作用，使得来自436的光可以更高效地到达LCD面板的顶面以照亮手指。
另外，照明光源436可以设计为以一个或多个光学波长发射照明光，该一个或多个光学波长与来自LCD显示器背光光源434的LCD显示器照明光波长不同。照明光源436可以用于指纹感测和其他感测功能。
用于选择与LCD显示器的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的上述设计可以用来降低功耗。使用显示器背光光源进行指纹检测需要打开显示器背光光源来进行光学指纹感测。与上述设计相比，该设计会消耗更多的功率，其中，在上述设计中，用于光学感测的照明光与背光在光学波长上部分不同，以便在不打开LCD背光的情况下进行光学感测操。用于选择与LCD显示器的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的上述设计，能够实现照明光源的灵活选择，以获得附加的优势。例如，可以使用红外光作为照明光源436，使得LCD漫射器层对于IR照明光更透明，以实现IR照明光所期望的更高透射率。再如，可以选择照明光源以提供用于其他功能的多个波长，例如防欺骗活体感测、心跳感测等。
在设计LCD下光学传感器模块时，可以使用照明光源436的位置和空间分布来调整观察角，从而优化感测质量。
在一些设计中，可以控制LCD显示面板提供局部闪光模式，以通过操作感测区域下方的选定的LCD显示像素来照亮指纹感测区域。这可以在LCD显示面板下的光学传感器模块中提供，例如，基于光学成像设计的图28A和图28B，或者基于通过透镜和针孔的组件的光学成像的图32。在获取指纹图像的情况下，感测窗口区域中的LCD显示像素和照明光源可以暂时打开以产生高强度照明用于指纹的光学感测，并且同时打开光电探测传感器阵列以采集与照明光的开启同步的指纹图像。打开照明光的时间可以相对较短，但是可以将设定发射强度很高。为此，用于光学指纹感测的这种模式是闪光模式，其使得光电探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。
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，以便能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。需要注意的是，当人用手指按压设备时，由于按压力的变化，与显示屏上的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。手指触摸盖板玻璃上的感测区时，触摸力的变化可能导致光学传感器阵列发生以下几种可检测的变化：(1)指纹变形，(2)接触面积的变化，(3)指纹脊变宽，以及(4)受压区域处血流的动态变化。这些变化可以被光学采集，并可以用于计算触摸力的相应变化。触摸力感测为指纹感测增加了更多功能。
在本文公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块技术的各种实现方式中，可以使用具有至少一个成像透镜的成像模块，来实现手指被照亮的触摸部分在屏下光学传感器模块中的光学检测器阵列上的光学成像。成像模块的透镜效应部分地用于控制返回的光的空间扩散，这种空间扩散可能在光学传感器阵列处空间地扰乱手指触摸部分的不同位置上返回的光，因此，当成像透镜引导返回的光使其到达光学传感器阵列时，通过具有期望的空间成像分辨率的成像透镜，可以保存与手指的指纹图案对应的返回的光的空间信息。具有单个成像透镜或者具有两个或两个以上成像透镜的组件的成像模块的空间成像分辨率，与成像模块的数值孔径成比例。因此，高分辨率成像透镜需要大的数值孔径，因此需要大直径的透镜。基于透镜的成像模块的这一方面不可避免地需要庞大的透镜系统来产生高分辨率成像系统。此外，给定的成像透镜具有有限的视场，该视场随着焦距的减小而增加且随着焦距的增加而减小。
在许多指纹感测应用中，例如在移动设备中的显示屏下实现的光学指纹传感器中，期望具有高空间成像分辨率和大视场的紧凑型成像系统。考虑到对上面讨论的基于透镜的成像系统的各种成像特征的权衡，下面通过组合基于透镜的成像系统来提供用于光学指纹感测的紧凑型光学成像系统，以通过透镜实现高空间成像分辨率，并实现光学探测器阵列处的采集的图像的尺寸的减小，以通过相同的透镜减小光学探测器阵列的尺寸。针孔被置于透镜的前方，以在不需要大直径透镜的情况下，通过实现针孔相机，产生光学成像中的视场。传统的针孔相机可以包括用于光学成像的小孔径，由于小孔径和低空间成像分辨率，可以在图像亮度受限的同时产生大视场。成像透镜和针孔相机的组合被合理设计后，可以受益于成像透镜的高空间成像分辨率和针孔相机的大视场。
图32示出了置于LCD显示屏下方的光学传感器模块4620的一个示例，其中针孔和透镜用于形成光学传感器模块4620的光学成像系统。一个或多个照明光源436设置在LCD显示模块433下方的位置处，以产生照明光穿过LCD显示模块433和顶部透明层431，包括透明层431的顶面上的感测区615。一个或多个照明光源4661设置在顶部透明层431的下方，以向透明层431的顶面上的感测区615产生照明光。一个或多个照明光源436可以位于光学传感器模块4620或挨着光学传感器模块4620，除了提供用于指纹感测的照明之外，还提供呼吸灯指示器，用于指示正在进行光学指纹感测或者光学传感器模块4620打开或激活。
在图32所示的示例中，光学感测模块4620通过使用具有小直径的微透镜4621e实现紧凑型模块，该微透镜4621e可以与针孔的尺寸大致相同，略微大于针孔。微透镜4621e接合到针孔结构4621g，该针孔结构4621g是光学不透明的，形成在光学透明材料的针孔基板4621f的表面上，且可以为涂黑的或金属材料的层，并具有开口作为针孔4643。微透镜4621e置于针孔基板4621f的底侧上。在操作中，针孔结构4621g中的针孔4643上方的光学层被构造为在收集来自LCD显示面板的返回的光时产生大的光学视场，并且将收集的光传输到光学传感器阵列4623e。光学传感器阵列4623e中的光学检测器响应于所接收的光学图案以产生检测器信号，检测器电路模块4623f耦合到光学传感器阵列4623e以接收和处理检测器信号。在一些实现方式中，检测器电路模块4623f可以包括柔性印刷电路(FPC)。微透镜4621e接收来自针孔的透射光并将接收到的光聚焦到光学传感器阵列4623e上，与将光投射到没有微透镜4621e的光学传感器阵列4623e上时的较低空间成像分辨率相比，微透镜4621e以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列4623e处进行光学成像。在此设计中，通过使用微透镜4621e来补偿针孔的低分辨率，并且通过低折射率层4618e、高折射率层4621f和针孔4643的组件的大视场来补偿微透镜4621e的有限视场。
图32示出的用于光学成像的针孔-透镜组件的示例中，针孔-透镜组件的目标平面靠近透明层431的顶面上的顶部有效感测区615，例如用于触摸感测LCD显示面板的盖板玻璃，并且针孔-透镜组件的成像平面是光学传感器阵列4623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基板4621f外，在针孔基板4621f和LCD显示面板之间设置光学透明间隔物4618e，其折射率低于针孔基板4621f的折射率。在针孔基板4621f上方使用较低折射率材料是光学设计的一部分，以实现用于接收来自LCD显示面板的光的大视场。在一些实现方式中，较低折射率间隔物4618e可以是空气间隙。该设计提供了较低折射率间隔物4618e和较高折射率针孔基板4621f之间的两种不同光学材料的光学界面，在该界面处的光学折射将来自较低折射率间隔物4618e中的LCD显示面板的入射光的大视场(FOV)(例如，在一些情况下约140度)，转换成较高折射率针孔基板4621f中的较小的FOV。因此，由针孔-透镜组件产生的输出光线具有相对小的FOV。
这种减少FOV的设计在以下几方面是有利的。首先，光学传感器模块4620中的较低折射率间隔物4618e中的光学输入FOV是大FOV。其次，由位于较高折射率针孔基板4621f下方的针孔-透镜组件处理的实际FOV，相对于光学输入FOV是减小的FOV，使得具有大入射角的光线受限于该减小的FOV。这是有益的，因为这种减小的FOV降低了针孔-透镜组件处的大入射角中的光线引起的图像畸变。此外，针孔-透镜组件处的这种减小的FOV降低了不希望的针孔阴影效应，而这种针孔阴影效应会使光学传感器阵列处的图像的亮度分布产生畸变。
与一些针孔相机设计中使用约40微米直径针孔的传统针孔相机不同，形成在不透明层4621g中的针孔4643被设计成具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，例如在一些设计中大于100微米或200微米(例如250微米)。在透镜和针孔的这种组合中，针对针孔4643上方的针孔基板4612f的高折射率材料的使用，以及针对针孔基板4612f上方的低折射率层4618e的使用，使得针孔4643具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，同时仍然实现大FOV。例如，在一些实现方式中，当透镜4621e构造为半球透镜，具有面向针孔4643的平面和将来自针孔4643的光引导至光电探测器阵列4621e的部分球面时，针孔4643的直径可以与透镜4621e的曲面的曲率半径大致相同或相似。
还可以实现附加的设计特征，以改善基于针孔-透镜组件的光学成像系统的整体光学性能和紧凑性。例如，如图32所示，可以在透镜-针孔组件和光电二极管阵列4623e之间放置附加的光学层。在该示例中，在从针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路中设置光学透明间隔物4621h和保护材料4623g。在一些实现方式中，间隔物4621h可以是低折射率层例如空气间隙等，保护材料4623g可以是覆盖光学传感器阵列4623e的光学检测器的顶部的层，且折射率高于间隔物4621h的折射率。层4621h和4623g可以被构造为减小或消除光学传感器阵列4623e处的成像畸变。当光在介质界面折射时，折射光线的方向上存在非线性，并且在光学传感器阵列4623e处产生图像畸变。当入射角大时，这种畸变变得更为明显。为了减少这种畸变，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物场(例如，从顶部玻璃层4431的顶部感测表面至针孔基板4621f的光学层)来选择间隔物4621h和4623g的光学厚度比。
光学畸变发生在沿LCD显示面板的顶部到光学传感器阵列4623e的光的光路的不同光学材料的每个界面处。一种用于减少这种光学失真的设计技术是，在针孔-透镜组件的底侧(即，针孔-透镜组件的成像侧上的光学层)上提供光学匹配结构，以对应于针孔-透镜组件的顶侧的光学结构(即，针孔-透镜组件的物侧上的光学层)，使得沿LCD面板到针孔-透镜组件的光路的、在针孔-透镜组件的物侧的一个界面处引起的光学畸变，通过沿针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路的、在针孔-透镜组件的成像侧的匹配界面处的光学折射对抗或抵消。针孔-透镜组件的成像侧的光学匹配层是通过考虑针孔-透镜组件中透镜的光焦度来设计的。在没有透镜4621e，只有针孔4643的针孔成像系统中，当介质在物场与像场之间不匹配时存在光学畸变。通过使用置于顶部感测表面上方的网格图案来测试畸变，当FOV较大时，这种光学畸变可以是桶形畸变的形式。针孔4643的物场和像场之间的不匹配的光学层引起的桶形畸变是不期望的，因为它们直接影响光学传感器阵列4623e采集的指纹图案的准确性。需要注意的是，在光学传感器阵列4623e的成像场的中心部分中的这种畸变程度通常高于周边部分。
为了减轻这种失真，成像场中的针孔4643和透镜4621e下方的材料层可以根据它们的折射率和厚度值来构造，以逆转材料层在物侧引入的畸变。这是通过匹配大入射角内的折射行为来实现的，以便校正在检测器表面上线性形成的图像。例如，在成像放大率为1/5的针孔成像系统中，如果针孔4643上方存在2mm厚的玻璃层和1mm厚的空气间隙层，则可以在针孔4643下方且在光学传感器阵列4623e上方提供0.4mm厚的玻璃层和0.25mm厚的空气间隙层，以减少光学传感器阵列4623e处的光学畸变。该技术可应用于针对针孔4643上方的复杂材料层，在针孔4643下方提供匹配层。
图33示出了光学传感器模块上方的LCD显示模块中的不同层的示例。在该实施例中，传感器模块4620集成在LCD显示系统下方。照明光源4661和额外光源436也集成在传感器模块4620中或靠近传感器模块4620。因为没有单独的物理按钮用于指纹感测，所以在边缘附近LCD显示屏内显示的用于光学指纹(FP)感测的虚拟按钮是虚拟的，并且是被指示为用于指纹感测的有效感测区615(图32)的显示区域。
在图33的示例中，LCD显示模块的LCD背光组件中的材料被设计成提供光学传输路径，以使得来自顶部感测区的返回的探测光到达LCD显示模块下方的底层光学传感器模块。透光孔或透光狭缝可以由这种材料形成。为了修改光学传感器位置处显示器的外观以使得光学传感器不太明显，可以将漫射器膜4433d与背光波导层4433f上方的棱镜4433c集成，以将光漫射到LCD像素获得均匀照明，并且可以将附加的漫射器4433i与位于背光波导层4433f下方的、将背光反射回或再循环回LCD层的镜膜4433g集成，以提高照明效率。在一些实现方式中，附加的漫射膜4433d和4433i可以被成形为围绕光学传感器模块边缘的条，以漫射散射在光路中的光，使得围绕LCD显示模块下方的光学传感器模块的光路边缘被隐藏和/或不太明显。
图34示出了图32中的设计的示例性实现方式，其中针孔基板4621f的底面上的针孔层涂层4621g被构造为，在其面向针孔基板4621f的上侧具有高光学反射率。该特征用于补偿光学传感器模块4620上方的镜膜孔的区域反射。
在一些实现方式中，附加的漫射器层4621i可以应用于图34所示的针孔基板4621f的顶部，以引起光学漫射，并且附加的漫射器层4621i的中心部分可以包括清晰的光路，以接收来自LCD显示模块的返回的光以进行光学感测。
此外，图34示出了安装在附加的漫射器层4621i下方的一个或多个额外光源436a的示例性位置。额外光源436a发射的光被漫射器4621i散射。额外光源可以发射不同光学波长的光，例如包括用于手指照明的波长和用于其他功能例如呼吸灯功能等的其他波长。
图35示出的示例中提供了一个或多个盖板玻璃下光源4661，以照亮触摸手指4447进行光学感测。由一个或多个盖板玻璃下光源4661产生的光表示为光4661a，其可以透射到手指组织中或传播穿过手指皮肤的角质层。例如，当光4661a透射到手指组织时，光被散射。一部分散射光作为信号光4661b出现并被光学传感器模块4620检测。该信号光4661b携带指纹信息。信号光4661b以大角度入射到顶部玻璃上的感测区域，通常会采集并携带皮肤潮湿或干燥时的指纹信息。因此，使用一个或多个盖板玻璃下光源4661可以改善传感器的检测性能和可靠性。
在图32的示例中用于光学成像的针孔-透镜组件可以实现较高空间成像分辨率以采集所采集的图像中的精细特征，超过只有针孔4643没有透镜4621e的系统的空间成像分辨率。这种较高的空间成像分辨率是具有透镜4621e的结果。图36示出了只有针孔的成像操作和针孔-透镜组件的成像操作。
参见图36的左侧部分示出的没有透镜的针孔成像系统，针孔4643衍射入射光束4661以产生衍射的输出光束4673，由于针孔4643的衍射该输出光束4673是发散的。该发散光束4673在成像平面4667处形成反映该成像系统的分辨率的图像光点4679。
图36的右侧部分示出了在针孔4643下方增加微透镜4621e，并且微透镜4621e的曲率修改了由针孔4643衍射的光束的波前，以在成像平面4667处产生光点4681，该光点4681小于只有针孔4643没有透镜4621e所产生的光点4679。
针孔-透镜组件可以实现为提供图32的示例中的紧凑型光学传感器模块4620。由于介质界面的折射，光传播角度可以通过使用不同的光学材料来控制。例如，如图37所示，如果针孔基板4621f上方的介质中的折射率n1低于针孔基板4621f的折射率n2，则具有大入射角的光束4683在进入针孔基板4621f后弯曲为具有较小角度的光束4685。因此，使用较高折射率材料用于针孔基板4621f，可以实现非常大的视场以在针孔-透镜组件的物侧接收输入光。在一些实现方式中，使用高折射率材料用于针孔基板4621f可以实现大的FOV(例如，接近或高于140度)，以在针孔基板4621f和针孔基板4621f上面的层之间实现足够大的折射率差异。
实现针孔基板4621f的顶面处的光线的大的衍射弯曲的上述设计，可以通过在光路中合并一些低折射率间隙(诸如空气间隙)用来减小光学传感器模块的厚度。另外，由于针孔基板4621e顶部的大的折射导致进入到针孔基板下面的透镜的光线的倾斜角度以较小的FOV减小，所以可以改善来自针孔-透镜组件的图像的图像均匀性。
在针孔-透镜组件中，微透镜位于针孔4643下方，由于针孔4643的小开口，所以微透镜的光学孔径小。同样，由于微透镜收集的来自针孔4643的光线通常接近微透镜的弯曲表面的轴线，所以微透镜显示出较低像差。
在实现该针孔-透镜组件时，针孔4643的中心位于微透镜表面的中心或靠近微透镜表面的中心。在图37的示例中，半球透镜作为示例示出并被接合(例如胶合)到针孔板上以实现这种配置。半球透镜4621e的平坦表面面朝上接合到针孔4643，并且半球透镜4621e的平面的中心在针孔4643的中心或在针孔4643的中心附近。这种设计下，通过针孔4643到半球透镜4621e的平面的任何入射光，不管以小入射角还是大入射角，都将使其光线方向与半球透镜4621e的半径方向一致，为透镜在这个方向上的光轴。这种配置减少了光学像差。对于在针孔基板4621f的顶部具有不同入射角的光束4663和4683，它们的光路在进入针孔基板4621f后被修改为靠近各自的半球透镜表面的光轴4689和4691。因此，该具体设计下，光束4663和4683形成的图像光点4681和4693表现出低光学像差，尽管他们具有不同的入射角。
针孔-透镜组件受到孔径阴影效应的影响，使得成像平面(光学传感器阵列4623e)处的最终图像的亮度沿着径向方向从中心到周边区域逐渐变化，在中心处看起来较亮，在周边区域较暗。该效应使得在光学传感器阵列4623e处采集的图像降级，并且通过使用修改空间亮度分布的矫正光学滤波可以减小这种效应的影响。例如，具有空间梯度透射轮廓的光学滤波器可以插入到由光学传感器模块接收的光的光路中，例如在OLED显示面板和光学传感器阵列之间的位置。该梯度透射滤波器被构造为在针孔的中心处或附近表现出高的光学衰减，并且从针孔的中心径向向外减小的光学衰减可以抵消由针孔引起的光的光强度分布的空间变化。图38示出了这种梯度透射滤波器的光学衰减轮廓的示例，具有从中心向边缘衰减的径向梯度衰减。
在实现方式中，梯度透射滤波器可以包括可以制作在光路的表面上的一个或多个涂层，以校正图像亮度的不均匀性，例如，显示器底面、模块部件表面或光学传感器阵列顶面。除了通过孔径遮蔽效应抵消空间不均匀性之外，滤波器还可以被配置为校正其他类型的亮度不均匀性，并且还可以包括可以减小其他光学畸变和光学像差的特征。
以上公开的使用针孔-透镜组件光学成像到光学传感器阵列上的光学传感器模块，也可以用于构建光学传感器模块，位于顶部玻璃盖板下方且置于相同顶部玻璃盖板下方的LCD显示屏旁边。
不可见LCD下光学指纹传感器设计
理论上，由于其光学感测配置，LCD显示屏下的光学传感器模块的设计提供了将LCD屏中的光学指纹感测区放置在LCD屏的几乎任何位置的一些灵活性。由于指纹感测区域615位于LCD屏显示区域内，并且与LCD屏的其他部分一起用于在设备的正常操作期间显示图像，与指纹感测区域615相对应的LCD屏显示区域可以控制为在指纹感测区域615的区域或边界内显示图像，使得指纹感测区域615被可见地标记以供用户放置手指进行指纹感测操作。当一个或多个额外照明光源4663或4661被应用于LCD下光学感测时，一个或多个额外照明光源4663或4661可以用来照亮指纹感测区域615，以将该区域标记为可见，以在不打开LCD屏的情况下进行指纹感测，或者，在其他实现方式中，LCD屏打开以使用指纹感测区域615的LCD像素来标记指纹感测区域615。
将光学传感器模块置于LCD显示屏下方的挑战之一是用于光学感测的探测光要获得足够的光透射以穿过LCD显示屏，这样才会有足够的来自顶部透明层4431的顶面上的指纹感测区域615的携带指纹信息的光。这对于光学感测可能是重要的，因为穿过LCD显示屏的探测光的光透射不足可能会对LCD屏下光学传感器模块的光学检测的信噪比、光学感测灵敏度、和光学成像对比度产生不利影响。
如图31至图31E所示的示例所述，可以修改LCD屏叠层中的各种层以改善光学传感器模块处的探测光的光投射和光学感测的图像对比度。例如，透射特征或区域可以形成在通向LCD下光学模块的路径中，在LCD背光波导层上方的LCD漫射层，和/或，LCD背光波导层下面的反射器膜或反射器层中。然而，LCD屏叠层中的这种透射特征或区域可能导致LCD屏的显示图像出现不期望的视觉效果。
参见图31A，例如，LCD漫射器层433b中包括孔951a，以增强光学传感器模块6621处的LCD屏中的局部光学透射，可以减少局部光学漫射，同时增加孔951a处的局部光学透射，使得孔951a的区。域中的LCD显示器呈现比LCD漫射器层433b中没有孔951a时的周围的LCD显示器区域稍亮如图31A所标识的，屏内指纹感测(FPS)区域615包括局部孔951a，在其显示器外观上有点“异常”，而没有这样的孔951a的周围屏幕区域是“正常”显示区域，在LCD屏被操作为在正常屏幕操作中显示图像时，显得比屏内FPS感测区域615稍暗一些。在图31D的示例中，透射特征或区域也可以形成在LCD屏叠层的反射器膜或背光波导中，并且位于光学传感器模块所在的区域中。
因此，在LCD下光学传感器模块所在的区域中，LCD屏叠层中的透射特征或区域的局部存在可以使LCD屏中的该区域与没有该透射特征或区域的LCD屏的其余部分尤其是LCD屏中的周围区域相比，屏幕亮度看起来略微不同。因此，LCD下光学传感器模块所在的区域处的屏幕亮度的这种视觉差异，使得屏内FPS感测区域615对用户可见，尽管这种差异对一些用户而言可能较为不明显。虽然屏内FPS感测区域615的这种视觉差异在光学指纹感测操作期间是可接受的，甚至是有帮助的，但当LCD屏操作为正常显示操作时，这种视觉差异不是期望的。
本专利文件中公开的技术的一个方面是设计LCD下光学感测模块和相关联的特征以减少屏内FPS感测区域615和LCD屏中的其他“正常”区域中的显示图像的外观差异，使得屏内FPS感测区域615与LCD屏中的其他“正常”区域完全或基本上混合，从而在LCD屏被操作为使用屏内FPS感测区域615和LCD屏中的其他“正常”区域进行正常显示操作时对用户“不可见”。
由于需要光学传感器模块上方的LCD屏中的透射特征或区域来实现更好的光学感测操作，因此改善LCD屏的局部光学透射以进行LCD下光学感测且不使该区域对用户可见的一种方式是，将这种透射特征或区域放置在光学传感器模块上方的LCD屏中的位置处，在用户观看LCD屏时对用户不可见。
在许多商用LCD屏中，LCD屏的外围边缘存在不透明边界，如围绕LCD屏中心区域的外围不透明边框。图39中的图39A示出了LCD显示屏的俯视图，其中外围不透明边框3220形成在LCD屏的四侧，将LCD显示像素限制在LCD屏四侧的边界区域内，使得在显示操作期间仅是暴露于外围不透明边框3220的开口的中心LCD显示区域3210对用户可见。
相应地，如图39中图39A和图39B所示，LCD下光学传感器模块可置于LCD屏下方，靠近外围不透明边框3220覆盖的区域或在该区域内，以便可以修改位于光学传感器模块上方的外围不透明边框3220下方的LCD屏部分3230，以在LCD屏叠层中提供一个或多个期望的局部透射特征或区域，以将携带指纹信息的探测光引导至光学传感器模块。
参考图39B，示出了图39A中标记的圆形区域下的不同层的横截面视图，具有将光引导至光学传感器模块的光学透射特征或区域的LCD屏部分3230，被置于外围不透明边框3220下方，因此在观看LCD显示的图像时对用户基本上不可见，因为外围不透明边框3220在上方，从用户的视角上隐藏了LCD屏部分3230。需要注意的是，与LCD下光学感测设计的一些其他示例不同，屏内FPS感测区域615的中心在空间上偏离具有光学透射特征或区域的LCD屏部分3230的中心。相应地，下面的光学传感器模块的位置在空间上偏离屏内FPS感测区域615的位置，因为下面的光学传感器模块被置于外围不透明边框3220下方，而不是直接在屏内FPS感测区域615下方。
将具有光学透射特征或区域的LCD屏部分3230部分地或完全地置于外围不透明边框3220下方以将探测光引导至LCD下光学传感器模块中的这种设计，称为“不可见”光学传感器设计。即使当设置一个或多个附加照明光4663或4661以照亮屏内FPS感测区域615上方的区域以用于用户放置手指进行光学指纹感测和其他光学感测操作，该设计也可以隐藏LCD屏叠层的LCD屏部分3230中的局部透射特征或区域和下方的光学传感器模块，使其不可见。
该布置下，屏内FPS感测区域615可以不用再置于LCD屏中的任何地方，而应在具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230的位置附近的LCD屏中，使得来自屏内FPS感测区域615的、到达外围不透明边框3220下方的LCD屏部分3230的一部分光可以被引导穿过LCD屏以到达下面的光学传感器模块进行光学感测。需要注意的是，在该设计的各种实现方式中，具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230被设计为提供从屏内FPS感测区域615到LCD下光学传感器模块的光接收路径(至少部分地被外围不透明边框3220覆盖)，以改善光学检测性能，同时屏内FPS感测区域615的照明可以独立于该特殊设计而实现。例如，可以将一个或多个额外照明光4663或4661置于期望的位置处以将照明光引导至屏内FPS感测区域615，而不必穿过具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230以到达屏内FPS感测区域615。
上述设计中的具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230，至少部分地被外围不透明边框3220覆盖，可以应用于LCD下光学传感器模块的各种配置，以实现图32中的设计。例如，图28B中LCD下光学传感器模块，使用投影仪系统收集来自屏内FPS感测区域615的光；或者，图30B中的成像系统，具有在至光学传感器阵列的光路中的位于LCD屏下方的透镜，以收集来自屏内FPS感测区域615的探测光并将收集的探测光投射到光学传感器阵列；或者，图31所示的无透镜光学系统，使用光学准直器或针孔阵列收集来自屏内FPS感测区域615的探测光，并将收集的探测光投射到光学传感器阵列；或者，图32至图38所示的针孔和针孔下方的透镜的结合，以接收来自针孔的透射的探测光，并将所接收的探测光聚焦到光学传感器阵列上进行光学成像。
返回参见图32，除了形成透射孔或比LCD屏的其他部分更多的透射区域外，由外围不透明边框3220部分或全部覆盖的具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230可以使用各种设计以增加LCD屏部分3230的光学透射。图40A、图40B和图40C示出了一个具体的示例，其中通过在修改的LCD屏部分3230中提供改善的光学透射，来修改LCD屏的外围部分以形成LCD屏部分3230，其中，作为示例，所示的下面的光学传感器模块4620使用图32中所示的针孔和透镜的组合以收集用于光学传感器阵列的光。
在该设计示例中，如图40A和图40B所示，LCD下光学传感器模块使用针孔4643和微透镜4621e一起形成光学系统，以收集来自顶部透明层431上的FPS感测区域615的光，并将收集的光引导到光学传感器模块4620中的光学传感器阵列4623e上，以同时获得大视场和高成像分辨率。更多细节请参见图25至图31及相关描述。间隔物4621h可以是低折射率材料层例如空气间隙等，保护材料4623g可以是带通滤波器。图40B示出了设置盖板玻璃下的一个或多个额外照明光源4661以照亮待检测手指，并且在从屏内FPS感测区域615到LCD屏部分3230的光路中产生探测光至传感器模块。额外光源4663可以置于在光学传感器模块4620附近或正好在光学传感器模块4620的上方，以提供局部照明进行手指照明。这些光源还可以用作呼吸灯来指示光学传感器模块的操作状态。如后面章节所进一步解释的，其他光源，例如环境光源，也可以用作探测光源进行光学感测。
图40A、图40B和图40C示出了通过剥离漫射膜4433c和4433e和LCD棱镜的小部分，以及漫射膜4433c和4433e和LCD棱镜下面的其他层，来修改LCD屏的外围部分以形成LCD屏部分3230。漫射膜4433c、4433e和LCD棱镜的周边部分被去除以形成用于光学透射的空隙，以形成如图40A所示的修改的LCD棱镜和漫射膜5433c和5433e。该空隙用于在LCD层4433b下方且在背光波导层4433f上方插入光学耦合器5617。该光学耦合器5617可以实现为具有锥状楔形部分的楔形光学耦合器，以延伸到剥离并改进的LCD棱镜与漫射膜5433c和4433e之间的空间中，并且该锥状楔形部分可以到达未被外围不透明边框3220覆盖的LCD屏区域3100，作为光路以更好地收集来自屏内FPS感测区域615的光。该光学耦合器5617中的此特征仅影响靠近外围不透明边框3220的LCD屏的小区域，因此对显示质量的影响不明显。在LCD层4433b的底面和光学耦合器5617的顶面之间形成薄间隔物5617a，可以是，例如，软光学透明层或透明粘合剂层。同样，来自屏内FPS感测区域615的探测光穿过薄间隔物5617a并且被光学耦合器5617收集并引导到背光波导层4433f。
剥离的LCD外围部分的另一种修改是，去除光学反射器薄膜层4433g的小外围部分作为改进的光学反射器薄膜层5433g，以暴露背光波导层4433f的底面以放置光学传感器模块4620。本示例中的光学传感器模块4620的顶面是针孔基板4621f，针孔基板4621f靠着背光波导层4433f的底面放置以接收由光学耦合器5617引导的光。在该示例中，从屏内FPS感测区域615穿过顶部透明层431，通过触摸感测层4433a，LCD层4433b，间隔物5617a，光学耦合器5617和背光波导层4433f进入光学传感器模块4620的光路，不包括空气间隙。在其他实现方式中，上述光路中可以存在空气间隙。
图40B示出了基于LCD屏的外围部分的上述修改的LCD屏部分3230的一般几何形状，其中两种类型的额外照明光源4661和4663置于顶部透明层431下方且在背光波导层4433f上方。
图40C示出了除LCD屏部分3230的外围部分外，LCD屏的其他部分未被修改。
图41示出了图40A至图40C中的设计的实现方式，其中，光学传感器模块4620集成在LCD组件的下方，尤其是LCD屏结构的一端的靠近背光光源434的位置处。传感器的光路不在LCD显示器的工作区内，因此传感器隐藏在LCD不透明边界下方使查看者基本不可见。修改的LCD反射器膜层5433g下方的LCD外壳4433h在光学传感器模块4620上方并且在光学传感器模块4620处具有光学透明窗口，以使得收集的光进入光学传感器模块4620。
综上所述，用于能够通过光学感测检测指纹的电子设备(例如，智能手机、平板电脑等)的上述不可见光学传感器模块设计，是基于LCD屏的，该LCD屏提供触摸感测操作并且包括显示图像的LCD显示面板结构以及包围LCD显示面板结构的中心区域并覆盖该LCD显示面板结构的窄外围边界的外围不透明边界。LCD显示面板结构包括背光模块以产生背光，以在外围不透明边界内的LCD显示面板结构的中心区域中显示图像。设置有一个或多个光学感测照明探测器光源，用于产生探测光，以照亮顶部透明层的感测区域以进行光学感测。LCD下光学传感器模块位于LCD屏下方且位于外围不透明边界的下方，以与LCD显示面板结构的中心区域在空间上偏移，以接收穿过LCD屏的返回的探测光以进行光学感测。LCD显示面板结构包括至少部分被外围边界覆盖且位于光学传感器模块上方的区域内的一个或多个额外传输孔或区，使得探测光穿过LCD显示面板结构到达光学传感器模块以进行光学感测。在一些实现方式中，至少部分被外围边界覆盖的区域内的一个或多个额外传输孔或区域可以包括光学耦合器以传输光。在一些设计中，该光学耦合器可以置于LCD层下方以及LCD背光波导层上方，而光学传感器模块置于LCD背光波导层下方的LCD光学反射器膜的一部分被去除的位置或具有开口或空隙的位置。
LCD下光学指纹传感器的二维和三维指纹感测
在公开的LCD下光学感测的实际实现方式中，配备有光学指纹感测的电子设备中的用于指纹感测和其他感测功能的光学感测的性能可能因来自环境的不期望的背景光的出现而降低，环境中的部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光导致LCD下光学传感器模块中的光学检测器产生噪声信号，不期望地降低了光学指纹感测检测的信噪比。在一些情况下，这种背景噪声可能达到覆盖携带光学指纹信息或其他有用信息(例如，生物信息)的有用信号的信号电平的程度，并可能导致不可靠的光学感测操作，甚至导致光学感测的故障。例如，光学传感器模块处的不期望的背景光的来源之一可能是太阳的日光，并且太阳光的影响可能对于户外操作或在日光强烈的遮蔽环境尤其成问题。再如，在具有所公开的光学指纹感测的设备的位置或其附近的位置处出现的其它光源，也可能导致光学传感器模块的不期望的背景光。
通过减少能够进入光学传感器模块的不期望的背景光的数量，或者通过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，或者通过背景减少和增强光学感测信号电平相结合，可以减缓光学传感器模块处的背景光的不期望影响。在实现方式中，可以通过使用一个或多个光学滤波机制结合LCD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，以提供可以由来自LCD背光照明光源的LCD显示光单独控制的光学照明光。
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在以下方面提供对各种特征的独立控制，包括提供照明光进行光学感测，例如：根据人体组织的光学传输特性选择与LCD显示光分开的照明光波长；为超出LCD显示光的光谱范围的光学感测操作提供照明；控制用于光学感测的照明模式例如与LCD显示光分开的照明的定时或/和持续时间；实现足够高的照明级别，同时保持功率的有效使用以延长电池操作时间(移动计算或通信设备的重要因素)；以及，有策略地将额外照明光源放置在特定位置，以在使用LCD显示光时，实现难以或不可能实现的照明配置，以进行光学感测。
另外，与检测指纹的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实现为不仅采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案，而且还采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案。通过采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息的公开的光学指纹感测，基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化的减小)的影响。
在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供附加的感测功能或感测模块，例如生物医学传感器等，例如腕带设备或手表等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。
图42示出了实现与图32至图34中的示例相关的所公开的实现不可见LCD下光学感测设计的设备中存在的不同光信号。在图42描述的示例中，一个或多个额外光源4661被置于靠近顶部透明层431的顶部上方的光学感测区域615的LCD模块的一侧，以产生照明光进行光学感测，例如，穿过顶部透明层以照亮光学感测区域615处的触摸手指的照明光束5661a。来自照明光束5661a的光的一部分可以进入手指并被手指组织散射。散射光的一部分(例如5661b)透过手指进入FPS感测区域615中的顶部透明层431，并且可由光学耦合器5617收集以通过光学传感器阵列4620感测。如下所详细解释的，从手指散射出进入顶部透明层431的散射光的部分5661b承携带指纹信息，因此可以被检测以提取用户指纹信息。
图42还示出了位于光学传感器模块4620附近并在LCD模块下方的一个或多个照明光源4663。用于该照明光源4663的光可以穿过LCD模块被引导至顶部透明层431。返回参考图29A、图29B和图29C，来自光学感测区域615处的照明光源4663的光遇到手指脊2961(例如光线80，201)和谷2963(例如光线82，211和212)，引起来自与手指接触的顶部透明层431的顶面的脊5661的反射181，205和206和谷2963的反射185，213和214。来自不同位置的反射光线具有不同的信号幅度，因此作为二维指纹图案印有指纹图案。另外，来自顶部透明层431下方的每个入射光线的一部分进入手指，例如来自光线80的光线183，来自光线82的光线189，来自光线201的光线203，和来自光线202的光线204，并被内部手指组织散射以产生朝向顶部透明层431的散射光191，散射光191可以被光学耦合器5617收集并被光学传感器模块4610接收。类似于图42中从手指散射出进入顶部透明层431的散射光的部分5661b，图29A和图29B中由来自照明光源4663的照明光的散射引起的散射光191携带指纹信息，从而可以被检测以提取用户指纹信息。
除了来自照明光源4661和4663的光之外，手指指尖处的入射光5662可以来自不同的光源，例如来自太阳光的环境光、灯的室内光、或其他源。入射光5662可以透射到手指组织中或通过手指皮肤的角质层传播以产生通过从手指组织散射的散射光。部分这种散射光(例如散射光线5662a)透过手指传播进入顶部透明层431，从而携带指纹信息。
因此，来自不同源的不同光线可以携带指纹信息并可以被检测以提取指纹图案。如下进一步所释，光学信号5661b和5662a在不同皮肤条件下一直携带指纹信息，例如，皮肤是湿的、脏的或干的。因此，在LCD下光学传感器阵列4620处的光信号5661b和5662a的检测可以改善指纹检测性能和指纹感测的可靠性。
当光遇到手指时，手指组织显示光在特定波长下的光学传输。因此，光学信号5661b和5662a通常是在该特定波长下的光。
图43A示出了在从约525nm到约940nm的几个不同光学波长下的典型的人类大拇指和小拇指的光学透射光谱轮廓的示例。对于短波长，例如波长小于610nm的波长，0.5％以下的环境光可以穿过手指。红光和近红外光具有更高的透射率。由于手指组织的散射，穿过手指的环境光传输至大范围内的多个方向，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。返回参见图35，光学信号5661b和5662a处于650nm和950nm之间的光谱范围内，其中手指显示超过1％的光学透射。同样，可以选择光源4661以产生在650nm和950nm之间的光谱范围内的光。光源4663也可以在该光谱范围内选择。
因此，如图29A至图29C和图42所示，入射照明光线可产生表示手指的相同二维指纹图案的两种类型的光学反射图案：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，其中手指脊和谷处没有全内反射；基于主要在手指谷处的全内反射的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。
来自内部散射光的透射光，例如图29A至29C中的散射光191，和图42中的散射光5561b和5662a，由于它们通过手指的内部组织传播并且随后透过手指皮肤进入顶部透明层431，所以可以携带手指的光学透射图案，包括：(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；(2)由于来自手指内侧的散射光的传播朝向手指皮肤并透过手指，产生的与引起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，手指内的散射光可以通过光学传感器阵列来测量，并可以对测量结果处理以进行指纹感测。
需要注意的是，引起手指的外部脊和谷的与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的顶面的感测表面条件或手指的皮肤条件的影响(例如，脏的、湿的/干的或老化的手指图案)，并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案具有减小的脊谷对比度、有点受损或者不适合提供光学反射图案中的足够指纹信息时，仍可以提供足够信息进行指纹感测。虽然外部指纹图案可以使用人造材料进行复制以侵入指纹感测，但是印在光透设图案中的用户手指的内部指纹图案是极其难以复制的，因此可以在指纹感测中用作防欺骗机制。
图43B示出外部指纹图案的示例，由人的手指的外部脊和谷以及在皮肤下方且与外部脊和谷唯一相关联的内部手指组织形成。例如，参见Holder等人的《指纹资料大全》第2章(美国司法部，司法办公室，国家司法研究所，华盛顿特区，2011年)。如图43B所示，内部组织包括手指皮肤下的具有形貌特征的乳头层，外部脊和谷源自该形貌特征形成，作为下面的形貌特征的表示。此外，内部组织还包括并非完全复制外部脊和谷的附加结构，例如内部主脊和次脊，连接主脊和其他内部结构的汗腺。如图43B所示，当探测光从手指的内部向外传播到手指皮肤时，探测光与手指皮肤下的内部组织相互作用，不仅携带与外部脊和谷形成的外部指纹图案相同的乳头层的二维指纹图案，而且携带外部脊和谷未携带的来自内部组织结构的附加形貌信息。来自内部组织结构的这种附加形貌信息不能从外部手指皮肤光学反射出的光学反射图案中获得。来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加形貌信息对于指纹感测是有价值的信息，而且是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下方的横向位置和距皮肤表面的深度(形貌信息)而变化。自手指的内部组织结构的这种附加形貌信息可以用于，例如，区分自然手指与用与自然手指相似或相同的外部指纹图案制造的人造物体。
参考图43B，虽然仅示出了一束内部散射光，但不同的照明探测光束穿过皮肤下的内部组织结构的不同部分，从而印有与该照明探测光束在不同方向上的不同光路相关联的不同的三维形貌信息。可以使用成像处理技术来处理由该不同照明探测器光束携带的光学透射图案，以提取与皮肤下内部组织结构相关联的形貌特征。所提取的形貌特征可以被合成以构建与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示或再现，并且构造的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示可以用作指纹图案的唯一附加标识，并且可以用来区分用户的真手指的真实指纹图案与总是缺乏真手指下面的内部组织结构的制造的指纹图案。具体地，随着不同方向上的不同照明探测器光束的数量的增加，光学传感器模块可以采集关于皮肤下内部组织结构的更为详细的形貌信息。在使用指纹对设备进行安全访问时，指纹识别过程可以设计为，结合二维指纹图案的识别和提取的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织的三维表示或再现的附加检查，以确定是否允许访问。所提取的形貌特征和构造的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示或再现可以是防欺骗机制，并且可以单独使用，也可以与其他防欺骗技术组合使用，以增强指纹感测的安全性和准确性。
所公开的光学指纹感测技术采集手指的内部组织结构的附加形貌信息的一种方式是，通过在不同方向上引导不同的照明探测光束，以检测由手指皮肤下的内部组织结构产生的叠加在二维指纹图案上的不同光学阴影图案，这对通过不同方向上的不同照明探测器光束的照明获得的所有图像来说是常见的。
图44A示出了两个额外照明光源X1和X2，沿着X方向被置于顶部透明层431上的指纹感测区域的两个相对侧上，以便可以将两个不同的照明探测光束沿相对方向引导至手指。由于其相对于手指皮肤下的内部组织结构的不同照明方向，来自两个照明探测光束的图像携带相同的二维指纹图案，但具有不同的图像阴影图案。具体地，图44A和图44B中第一额外照明光源X1沿着X方向被置于指纹感测区域的左侧，使得来自第一额外照明光源X1的第一照明探测光束从左边到右边。
现在到图44B中，由于与手指皮肤下的内部组织结构的相互作用，第一额外照明光源X1的照明导致OLED下光学传感器阵列处的第一指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝X方向的右侧偏移，这是由于。由于与手指皮肤下的内部组织结构的相互作用，右侧的第二额外照明光源X2的照明导致OLED下光学传感器阵列处的第二指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝X方向的左侧偏移。在该技术的实现方式中，例如，在Y方向或其他方向上，可以添加附加的额外照明光源。
在该示例中，来自第一额外照明光源X1的第一照明方向上的第一照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。同样，来自第二额外照明光源X2的第二照明方向上的第二照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第二二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案的，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。两个额外照明光源X1和X2在不同的时间依次打开，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的第一散射探测光的透射部分，以便采集第一二维透射图案和第一指纹形貌图案，然后采集第二二维透射图案和第二指纹形貌图案。图44B中所示的阴影图案嵌入在所采集的2D指纹图案中，并且是与特定方向上的手指的脊和谷的内部组织的照明相关联的指纹形貌图案的一种形式。
在各种实现方式中，两个或两个以上额外照明光源可位于光学传感器模块外部的不同位置处以产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定的指纹感测区域。由于该技术基于探测光透过手指组织的能力，所以每个额外照明光源应该被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于该光谱范围呈现出光学透射，以使得探测光进入用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，向顶部透明层传播并穿过顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)不同指纹形貌信息，由手指的脊和谷的内部组织的透射引起，分别与不同照明方向相关联。探测照明控制电路可以耦合以控制额外照明光源按顺序打开和关闭，以在不同时刻产生不同的照明光束，其中每次产生一束照明光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以顺序地检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，以采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。
图44B中公开的技术的一个显著特征在于照明布置、光学检测和信号处理的简单性，这种简单性可以带来紧凑的光学传感器封装用于需要紧凑型感测设备封装的移动和其他应用，以及实时处理，因为检测和后续处理是简单操作，可以高速实现且无需复杂的信号处理。用于采集三维图像的各种光学成像技术需要复杂的光学成像系统和复杂且耗时的信号处理，例如基于复杂的光学相干层析成像(OCT)数据处理例如快速傅里叶变换(FFT)等的OCT成像，以及其他的不适用于智能手机和其他移动设备中的三维光学指纹感测。
在上述示例中，用于获得手指的透射图案的照明光可以来自与LCD显示屏分离的照明光源。另外，在手指的光学透射光谱带内(例如，650nm和950nm之间的光学波长)并穿透手指的环境光或背景光的一部分也可以被引导至OLED下光学传感器阵列，以测量与手指的指纹图案相关联的光学透射图案。取决于环境光或背景光的强度(例如，自然日光或太阳光)，可以在到光学传感器模块的光路中提供光学衰减，以避免光学传感器阵列处的检测饱和。在使用环境光或背景光的一部分来获得光学感测中手指的光学透射图案时，可以实现适当的空间滤波以阻挡透过手指的环境光进入光学传感器模块，因为这样的环境光中不携带内部指纹图案，可能会对光学传感器模块中的光学检产生不利影响。
因此，所公开的光学指纹感测可以使用穿过手指的透射光来采集手指的光学透射图案，其中具有与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息。光的传输是通过手指组织和手指皮肤的角质层进行的，因此通过指纹脊区域和谷区域引起的手指皮肤内的内部结构变化印有指纹信息，并且这种内部结构变化表现为，由手指组织吸收、折射和反射，由手指皮肤结构阴影，和/或由手指皮肤处的光学反射差异造成的在不同照明方向上具有不同亮度图案的光信号。光学透射图案基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化减小)的影响。
当提供额外光源用于光学感测时，光学感测的照明功率不再受来自LCD显示光的光功率限制。这种额外光源可以设计成提供足够照明进行光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测到的手指是否是活人手指时，额外光源的使用可以带来灵活性，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，以辅助活人手指检测，如参照图14和图15所释，其中，手指组织强力吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近红外光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。
图38、图39、图40A、图40B和图40C示出了用于放置照明光源以获得如图43A和图43B所示的光学透射图案的具体示例。
在图45中，至少一个额外的照明光源971a被置于显示面板和顶部透明层431上方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。两个或两个以上这样的光源971a可以如此放置。
图45进一步示出，额外照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方以获得光学反射图案并贡献到光学透射图案中。额外光源971被组装在光学传感器模块4620中或附近，并且通常位于由顶部透明层431提供的指定指纹感测区域下方。具体地，在该示例中，两个或两个以上额外光源971被置于光学传感器模块4620的外部并且在封装壁600b的外部。每个额外光源971可以是一个光源或包括多个光源，例如LED光源。额外光源971可以被操作为以一个单一波长或多个波长(例如，绿色LED、红色LED、近红外光LED)发光。额外光源971可以被调制以产生调制的照明光，或被操作为在不同的阶段打开进行发射。在每个额外光源971的输出端口，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与LCD显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，以使得来自额外光源971的探测光973耦合到盖板431表面的朝向手指的显示器中。在一些实现方式中，可以期望避免显示器中的探测光973的大输出角度，并且耦合材料972可以配置为限制探测光的数值孔径。耦合材料972可以是空气间隙等低折射率材料，并且可以构造为具有期望的输出孔径，限制显示器中的探测光973的输出角度。
LCD显示模块433将探测光束973散射到各个方向。一些散射光977以大角度向光学传感器模块4620传播，并且不太可能进入光学传感器模块，这是因为光学传感器模块的接收光学器件的小孔径的吸收或阻挡。一些散射光977a向远离光学传感器模块的孔径的其他方向传播，因此不影响光学感测。需要注意的是，来自每个额外光源971的探测光973的一部分穿过LCD模块433作为朝向顶部透明层431的顶面的探测光975。该探测光975可以以两种方式与顶部盖板431上的手指交互以进行光学指纹感测。首先，探测光975的一部分可以如图29A、图29B和图29C所释的被反射回光学传感器模块，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。其次，通过光学透射，探测光975的另一部分可以耦合至手指60a，以携带与图43A和图43B所释的指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案，如同在图29A和29B的说明中参考朝向LCD下光学传感器模块的散射光191，。手指60a中的组织对探测光975进行散射，以在各个方向上产生散射的探测光979，包括具有用于光学指纹感测的光学透射图案的背向散射探测光981。背向散射探测光981背向传播穿过顶部透明层431，进入朝向光学传感器模块的LCD模块433。LCD模块433折射或散射反向散射探测光981发生，其中一部分折成为探测光组分983，可以由光学传感器模块4620中的光电探测器阵列进行检测。
图45进一步示出了存在于设备处的背景光，该背景光通常可以包括不同的两部分：入射到手指60a的环境光或背景光937，和入射到顶部透明层431而未进入手指60a的环境光或背景光937c。由于环境光或背景光937传播到手指60a中，所以手指组织将接收到的背景光937散射为不同方向的散射背景光937b，并与探测光979混合。散射背景光937b中的一些散射光939通过手指60a传播回光学传感器模块4620。未穿过手指60a的环境光937c的一部分如果被允许进入光学传感器模块4620，则可能对光学传感器模块4620的光学感测操作产生不利影响。因此，期望通过光学滤波、接收光学器件的设计或控制光学传感器模块的操作和信号处理，以减少或消除进入光学传感器模块4620的环境光的量。
如图43B所示例的，散射背景光937b中的散射光939通过手指60a向光学传感器模块4620传播，由于与包括与手指的外部脊和谷相关联的内部组织的手指的相互作用，因此携带光学透射图案。在一些实现方式中，来自环境光或背景光的这种光939可基于其光学透射图案被检测以进行光学指纹感测。
在图46中，至少一个额外的照明光源971a被置于顶部透明层431下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971a可以这样放置。图46进一步示出了额外的照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方。
在图47中，至少一个额外的照明光源971a被置于显示面板下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971a可以这样放置。图47进一步示出了额外的照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方。
当提供额外照明光源进行光学感测时，用于光学感测的照明功率可以不再受来自背景光源的LCD显示光的光功率的控制。这种额外照明光源可以设计为提供足够照明进行光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外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人手指时，使用额外照明光源可以提供灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色LED和近红外LED可以用作额外光源，以辅助实现活人手指检测，其中，手指组织强列吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近红外光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。再如，通过穿过与外部手指脊和谷相关联的内部组织的探测照明光的光学透射，基于光学照明图案可以使用额外照明光源来提供光学指纹感测。
图48A示出了基于图43B中的设计，在指纹感测区域的相对侧的两个正交方向上放置4个额外照明光源的示例。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，包括发光显示像素，其操作为发光以显示图像；顶部透明层，形成于该显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面并且作为用于传输来自该显示面板的光以显示图像的界面；顶部透明层，包括指定的指纹感测区域，用于用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于显示面板和顶部透明层上的指定的指纹感测区域的下方，以接收由该发光显示像素中的至少一部分发出的并从该顶部透明层返回的光以检测指纹。光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，将来自显示面板的携带用户的指纹图案的返回的光转换成表示指纹图案的检测器信号。该设备还包括额外照明光源，位于光学传感器模块外部的不同位置处以产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定的指纹感测区域。每个额外照明光源可以被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于该光谱范围呈现出光学透射，以使得每个照明探测光束中的探测光进入顶部透明层上的指定的指纹感测区域上方的用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，朝向并穿过顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。探测照明控制电路耦合以控制额外照明光源按顺序打开和关闭以在不同时刻产生不同的照明光束，其中每个时刻产生一束照明光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作为，顺序地检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，以采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。
用于获得光学透射图案的额外照明光源的具体实现方式可以随设计变化。图48B示出了用于操作具有显示面板的各种设备的操作流程，可以在OLED、LCD等各种配置中实现。图48B中的方法或操作包括操作电子设备，以通过光学感测来检测指纹，该电子设备包括：显示面板，用于显示图像；顶部透明层，形成于该显示面板之上，作为用于用户触摸操作的界面并且作为用于传输来自该显示面板的光以显示图像的界面；以及光学检测器的光学传感器阵列。
图48B示出了第一照明探测光束被引导以在第一照明方向上照亮顶部透明层上的指定的指纹感测区域，并进入指定的指纹感测区域上的用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生第一散射探测光，通过手指的脊和谷的内部组织的透射，朝向并穿过顶部透明层，以携带(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。在第一照明探测光束的照射下，光学传感器阵列被操作为，检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第一散射探测光的透射部分，以便携带(1)第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案。
接下来，在打开第一照明光源时，第二照明探测光束被引导以在不同的第二照明方向上照亮顶部透明层上的指定的指纹感测区域并进入用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生第二散射探测光，通过手指的脊和谷的内部组织的透射朝向并穿过顶部透明层以携带(1)表示指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上的手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。由于第一和第二照明探测光束的光束方向不同，所以第二形貌图案与第一形貌图案不同。在第二照明探测光束的照射下，光学传感器阵列被操作为，检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第二散射探测光的透射部分，以便携带(1)第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案。
随后，根据第一透射图案和第二透射图案构造检测到的指纹图案，并且处理第一指纹形貌图案和第二指纹形貌图案以确定检测到的指纹图案是否来自自然手指。
对于图39A和图39B中的不可见的LCD下光学传感器模块设计，屏内FPS感测区域615位于LCD显示器的边缘处。相应地，基于图43B中的设计，通过在不同方向上顺序地照亮手指来实现感测的一种方式是，在指纹感测区域的相对侧的两个相对方向上使用两个额外照明光源。这在图39A中示出，其中两个额外照明光源X1和X2被置于屏内FPS感测区域615的两侧以进行顺序测量。
OLED下光学指纹传感器的二维和三维指纹感测
如上所述，上面公开的用于光学感测的光学设计和特征可以在具有OLED和其他显示屏的设备中实现。以下部分提供了将光学传感模块与OLED显示器集成的一些具体示例。
在所公开的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中使用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，遇到目标例如用户手指或手掌、或像触笔的用户指针设备等时，可以作为返回的光被反射回或散射回OLED显示屏中。这种返回的光可以被采集以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。由于在光学感测中对来自OLED显示屏自身的OLED像素的光的使用，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特殊地设计为集成到OLED显示屏，其中，该方式维持OLED显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强智能手机或其他移动/可穿戴式设备等电子设备或其他形式的电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。
例如，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到具有发光显示像素而不使用背光的显示屏(如OLED显示屏)，以通过使用上述由OLED显示屏产生的光的返回的光来感测人的指纹。操作中，与OLED显示屏直接接触或在OLED显示屏附近的人的手指能够使得返回的光回到OLED显示屏中，同时携带被OLED显示屏输出的光照射到手指的一部分的信息。这种信息可以包括手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块可以集成以采集这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置。该检测到的手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置随后可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。利用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感测的指纹检测，使用OLED显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏的光，也不使用用于手机、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(如OLED显示屏)作为光学感测平台，通过使用OLED显示屏的显示像素发射的光，在其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显示屏之间的这种密切关系为使用光学传感器模块提供了独特的机会，以提供与OLED显示屏的触摸感测方面相关的(1)附加的光学感测功能和(2)有用的操作或控制特征。
在实际应用中，配备有光学指纹感测的电子设备中用于指纹感测和其他感测功能的光学感测的性能，可能因来自环境的不期望的背景光的出现而降低，该环境下部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光导致光学传感器模块中的光学检测器产生噪声信号，不期望地降低光学指纹感测检测的信噪比。在一些情况下，这种背景噪声可能达到覆盖携带光学指纹信息或其他有用信息(例如，生物信息)的有用信号的信号电平的程度，并可能导致不可靠的光学感测操作，甚至导致光学感测的故障。例如，光学传感器模块处的不期望的背景光的来源之一可能是太阳的日光，并且太阳光的影响对于户外操作或在日光强烈的遮蔽环境中尤其成问题。再如，在具有所公开的光学指纹感测的设备位置处或其附近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数量，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，减缓光学传感器模块处的背景光的不期望的影响。在实现方式中，可以通过使用一个或多个光学滤波机制结合屏下光学传感器模块来实现背景减少。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。
使用额外照明光源进行光学指纹感测和其他光学感测功能，还可以在以下方面对各种特征提供独立控制，包括：提供照明光用于光学感测，例如根据人体组织的光学传输特性选择与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，控制用于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，实现足够高的照明级别，同时保持电力的有效使用以延长电池操作时间(移动计算或通信设备的重要因素)，以及将额外照明光源有策略地放置在特定位置处，以实现利用OLED显示光照明以进行光学感测时，难以或不可能实现的照明配置。
另外，与检测指纹的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实现为，不仅采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案，而且还采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案。公开的光学指纹感测，通过采集与手指的外部脊和谷相关联的手指皮肤下的内部指纹图案的信息，基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化的减小)的影响。
在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供附加的感测功能或感测模块，例如生物医学传感器等，例如腕带设备或手表等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。
图49A和图49B示出了OLED显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。图49A至图49B中的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，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，并且作为用于传输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下面的OLED显示模块433。OLED显示模块433包括OLED层及其他，该OLED层包括发光以显示图像的OLED像素阵列。OLED层具有光学地用作孔阵列和光散射目标阵列的布线结构和电极。OLED层中的孔阵列允许来自顶部透明层431的光传输通过OLED层到达OLED层下面的光学传感器模块，并且由OLED层造成光散射影响用于指纹感测的屏下光学传感器模块的光学检测。设备电路模块435可以在OLED显示面板的下方，以控制设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
本特定实现方式示例中的光学传感器模块被置于OLED显示模块433的下方。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来进行指纹识别。如图所示，手指445被置于照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为有效感测区以进行指纹感测应。被指纹照明区613中的OLED像素照亮的区615中的反射或散射的光中的一部分，被引导至OLED显示模块433下方的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电探测器感测阵列接收这种光，并采集由接收的光携带的指纹图案信息。
在该设计中，使用OLED显示面板内的指纹照明区613中的OLED像素提供照明光进行光学指纹感测，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打开，以减少用于光学感测操作的光学功率。例如，当OLED面板中剩余的OLED像素被关闭(如处于睡眠模式)时，可以间歇性地打开指纹照明区613中的OLED像素，以发出照明光进行光学感测操作，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，以闪光模式打开OLED显示面板内指纹照明区613中的一些OLED像素，而不打开该指纹照明区613中的其他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，打开指纹照明区613中的OLED像素，以激活光学感测模块进行指纹感测。并且，一旦激活该光学感测模块进行指纹感测，指纹照明区613中的OLED像素就可以在亮度水平下操作，以改善指纹感测的光学检测性能，例如，在高于其显示图像时的亮度水平的亮度水平下操作。
在图49B的示例中，屏下光学传感器模块包括：耦合至显示面板的透明块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；和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。当指纹脊紧密接触感测区域615中的盖板顶面时，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指纹谷下的另一位置处的光反射，指纹谷下的另一位置处没有手指的皮肤或组织。该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指数光学透明块701的界面。该低指数光学透明块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内的光电探测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异造成了指纹图像的对比。如图49B所示，控制电路704(例如微控制器或MCU)耦合至成像感测块702和主其他电路例如电路板上的设备主处理器705等。
在该特定示例中，光学光路设计是：光线进入基板和空气界面之间的顶面上的全反射角内的盖板顶面，并被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在该设计中，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不期望的光学畸变，这会对指纹感测有不利影响。因此，基于光学传感器阵列处的沿返回的光的光路的光学畸变情况，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畸变校正来校正。在X方向线和Y方向线的整个感测区域，通过扫描测试图像图案，其中每次扫描一行像素，可以根据每个光电探测器像素处采集的图像生成畸变校正系数。这种校正过程还可以使用来自每次一个地调谐单独像素且扫描光电探测器阵列的整个图像区域的图像。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打开和关闭指纹照明区613中的OLED像素，相应地，通过对像素驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器以相同频率获取接收到的图像。在该操作下，只有其中一个图像相位具有来自像素的光。通过减去奇数和偶数帧，可能得到大部分由指纹照明区613中的调制的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。如果通过在一帧中打开指纹照明区613中的OLED像素并在另一帧中关闭OLED像素，将信号的两个连续帧相减，则可以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。
来自指纹照明区613中的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，并且该散射的光中的一部分可以穿过OLED面板基板上的小孔，最终被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射的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，以确定用户的手指是活体手指，还是提供具有伪造的指纹图案的欺骗设备。
OLED显示器通常具有不同的颜色像素，如相邻的红色、绿色和蓝色像素形成一个彩色OLED像素。通过控制打开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来自手指的颜色A和B的散射光的强度，强度为Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与用户的手指放在感测区域上测量指纹时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。参见对图7、图8和图9的相关描述。
在一些实现方式中，为了在OLED显示面板未打开时使用上述光学传感器模块提供指纹感测操作，如图49B所示，可以指定一个或多个额外的LED光源703用于提供指纹感测照明，并可以置于透明块701的侧面。该指定的LED灯703可以由相同的电子器件704(如MCU)控制，以控制块702中的图像传感器阵列。该指定的LED灯703可以以低占空比在短时间内脉冲，以间歇性地发光并提供脉冲光进行图像感测。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监控从OLED面板盖板基板反射的光图案。如果有人类手指触摸屏上的感测区域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类手指的触摸。如果确定是人类手指触摸事件，则MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，打开OLED显示面板(或至少关闭指纹照明区613中的OLED像素，以进行光学指纹感测)，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，则智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，则智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
在图49B的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电探测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电探测器感测阵列上。图49B中示出了从感测区615至块702中光电探测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和光电探测器感测阵列之前的成像感测块702的前端形成了体成像模块，以实现合适的成像进行光学指纹感测。由于该成像过程中的光学畸变，如上所释，可以使用畸变校正来实现期望的成像操作。
当探测光被引导至手指时，一部分探测光可以在手指皮肤表面被反射、衍射或散射，以产生反射、衍射或散射的探测光而不进入手指的内部。没有进入手指的这部分探测光在由手指的外部脊和谷引起的反射探测光束上可以携带二维光学反射图案，并且可以被探测以获得外部脊和谷的指纹图案。这部分是参照50A和50B中的示例来解释的。
另外，探测光的一部分可以进入手指并且被手指内的内部组织散射。根据手指内部的探测光的光学波长，手指的内部组织具有光学吸收性，因此可以被分别衰减，大致在590nm到950nm的光学透射光谱范围内的探测光除外。能够穿透手指组织的探测光通过光束携带光学透射图案，该透射的探测光束可以携带脊和谷的二维图案以及与脊有关的内部组织的附加形貌信息，因为在离开手指皮肤之前存在穿过这些内部组织的内部路径。该光学透射图案参考图43A、43B、48A和48B进行解释。
在本文公开的通过图49A和图49B中的屏下光学传感器模块进行的光学感测中，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50A和图50B示出了两种不同光学条件下，来自感测区615的返回的光的信号生成，用于OLED发射光或不同入射角范围的其他照射光，以便于理解屏幕下光学传感器模块的操作。
图50A示出了来自OLED显示模块433中的OLED像素的选择的OLED发射光线的光路，在透明层431的顶面处以小的入射角入射并透过顶部透明层431，并且没有全内反射。小的入射角的这些OLED发射光线产生不同的返回的光信号，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。具体地，示出了两个不同位置处的两个OLED像素71和73，以发射OLED输出光束80和82，OLED输出光束80和82以垂直于顶部透明层431的方向，或者以在顶部透明层431的界面处不经历全反射的相对小入射角的方向，被引导至顶部透明层431。在图50A中描述的具体示例中，手指2960与顶部透明层431上的感测区615接触，手指脊2961位于OLED像素71上方，手指谷2963位于OLED像素73上方。如图所示，从OLED像素71到手指脊2961的OLED光束80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2961，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2963，以生成从顶部透明层431的界面返回至OLED显示模块433的反射光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷表面反射的第三光束187。
在图50A的示例中，假设在550nm的光学波长处，手指皮肤表面的等效折射率约为1.44，顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。同时假设手指是干净且干燥的，使得相邻的手指谷和脊之间的空隙是空气。在这些假设下，在手指皮肤脊位置2961处打开显示器OLED像素71以产生光束80。手指脊-盖板玻璃界面反射光束80的一部分，作为到OLED显示模块433下方的底层524的反射的光181。其反射率低，约为0.1％。光束80中的大部分(大约99％)变为透射到手指组织60中的透射光束183，手指组织60造成光183的散射，以贡献到朝向OLED显示模块433和底层524的返回的散射光191中。
由于外部谷2963的存在，从OLED像素73到外部谷63的OLED发射光束82首先穿过顶部透明层431的界面和空气间隙以产生反射光束185，光束82的剩余部分入射到谷2962上以产生手指内部的透射光束189和反射光束187。类似于手指脊2961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，该散射光的一部分也对被引导至OLED显示模块433和底层524的返回的散射光191有贡献。在上述假设下，盖板玻璃表面将来自手指皮肤谷位置2963处的显示器OLED组73的光束82的约3.5％反射为到底层524的反射光185，手指谷表面将光束82的其余部分的入射光功率的约3.3％反射到底层524作为反射光187。由两个反射光束185和187表示的全反射约为6.8％，这比手指脊2961处约0.1％的反射181强得多。因此，来自触摸手指的手指谷2963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，且形成光学反射图案，其中反射比差异携带指纹图样信息，并且可以被测量以提取与顶部透明层431接触且被OLED光或其他照明光学例如额外照明光源等照射到的部分的指纹图案。
在每个手指谷2963处，朝向手指谷2963的光束82的大部分(多于90％)作为透射光189透射到手指组织2960中。透射光189中的光功率中的一部分被手指的内部组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。因此，朝向并进入底层524的散射光191包括来自手指谷2963处的透射光189和手指脊2961处的透射光183的贡献。
图50A中的示例示出了在顶部透明层431中没有全内反射的情况下，以小入射角入射到顶部透明层431的OLED发射光。对于以相对较大入射角或大于全内反射的临界角入射到顶部透明层431的OLED发射光，可以生成另一个较高对比度的光学反射图案，以采集手指的外部脊和谷的二维指纹图案。图50B示出了选择的OLED发射光线的示例，来自位于手指谷2963下方的OLED显示模块433中的OLED像素73，其中，在顶部透明层431与特定手指谷2963相邻的位置处的界面处，一些图示的光线处于全反射条件下。图示的入射光线的示例产生不同的返回的光信号，包括携带指纹图案信息至屏下光学传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和OLED显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何空气间隙，使得由OLED像素73以大于或等于临界角发出的与盖板玻璃431具有大入射角的OLED光束会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。当显示器OLED像素73打开时，OLED像素73发出的发散光束可以分为三组：(1)中心光束82，与盖板玻璃431具有小的入射角且没有全反射，(2)高对比度光束201，202，211和212，盖板玻璃表面未被触摸时在盖板玻璃431处被全反射，而在手指触摸盖板玻璃431时可以耦合到手指组织中，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指接触的位置也在盖板玻璃431处被全反射。
对于中心光束82，如图50A所释，盖板玻璃表面反射约0.1％～3.5％的光，以产生透射到底层524的反射光束185，手指皮肤在空气-手指谷界面处反射约0.1％～3.3％的光，以产生同样透射到底层524的第二反射光束187。如以上参照图50A所释，小入射角的反射光线的反射差异在空间上变化，该反射差异取决于光束82或光束80是否与手指皮肤谷2963或脊2961相遇。具有小入射角的这种入射光线的其余部分变成透射光束189和183耦合到手指2960的手指组织中。
图50B示出了高对比度光束201和202的示例。如果在各自的入射位置处盖板玻璃表面没有触摸，则盖板玻璃表面反射几乎100％分别作为反射光束205和206。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面并且在所示的OLED发射光束201和202的入射位置处时，全内反射条件不再存在，因此大部分光功率被耦合到手指2960的手指组织中作为透射光束203和204。对于具有大入射角的这类光束，在手指皮肤不存在时处于全内反射条件，以及在手指皮肤触摸时超出全内反射条件具有明显减少的反射的这种变化，用于产生反射的对比图案。
图50B进一步示出了附加的高对比度光束211和212的示例，其中，盖板玻璃表面反射几乎100％的光，如果盖板玻璃表面未被接触，则在全内反射条件下分别产生相应的反射光束213和214。例如，当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的入射位置时，由于全内反射，没有光功率耦合到手指2960的手指组织中。相比之下，如果手指脊恰好位于光束211和212的入射位置处，由于缺乏由手指皮肤的接触引起的全内反射，耦合到手指组织2960中的光功率增加。
与图50A中的情况类似，耦合到手指组织2960中的光束(例如，透射光束203和204)将经历手指组织的随机散射以形成朝底层524传播的散射光191。
图50B所示示例的照明可以由OLED发射光或来自额外照明光源的照明光引起。在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。通过比较这种差异可以获得高对比度指纹信号。
因此，如图50A和图50B所示，来自OLED发射光或额外照明光源的入射照明光线可产生表示手指的相同二维指纹图案的两种类型的光学反射图案：低对比度光学反射图案，没有全内反射的情况下由小入射角的入射照明光线形成；以及高对比度光学反射图案，由基于全内反射的大入射角的入射照明光线形成。
在图50A和50B中，来自OLED发射光或额外照明光的一部分入射照明光线穿过顶部透明层431并进入手指，以引起传播通过手指内部组织的散射光191，并穿透手指皮肤以进入顶部透明层431朝向底层524。如下所释，该散射光191一旦透过内部组织和手指皮肤，就会携带手指的光学透射图案，包括(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；(2)与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，因为散射光从手指的内侧向手指皮肤传播并透过手指。因此，来自手指的散射光191可以通过光学传感器阵列来测量，并对测量结果进行处理以进行指纹感测。需要注意的是，与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案，基本上不受顶部透明层431的顶面的感测表面条件或手指的皮肤条件的影响(例如，脏的、湿的/干的或老化的手指图案)，并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案具有减小的脊谷对比度、有点受损或者不适合在光学反射图案中提供足够指纹信息时，仍可以提供足够信息用于指纹感测。虽然外部指纹图案可以使用人造材料进行复制以侵入指纹感测，但是印在光学透射图案中的用户手指的内部指纹图案是极其难以复制的，因此可以在指纹感测中用作防欺骗机制。
使用透射图案的细节参考图43A、图43B、图48A和48B中所释，其中，可以基于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采集三维信息，因为散射光从手指的内侧向手指皮肤传播并透过手指。
以下提供OLED下光学传感器模块设计的一些具体示例，用于采集光学反射和透射图案。
图51A、图51B和图51C示出了通过透镜基于光学成像的屏下光学传感器模块的示例，用于采集按压在显示器盖板玻璃423上的手指445的指纹。图51C是图51B中示出的光学传感器模块部分的放大视图。如图51C所示的屏下光学传感器模块，位于OLED显示模块433下方，包括：与OLED显示模块433的底面接合的光学透明间隔物617，以接收来自顶部透明层431的顶面上的感测区域615的返回的光，；成像透镜621，位于间隔物617和光电探测器阵列623之间，将接收到的来自感测区域615的返回的光成像到光电探测器阵列623上。与图49B示例中的成像系统类似，图51C中用于光学传感器模块的成像系统可能经历图像畸变，可以使用合适的光学校正校准来减少这种畸变，例如用于图49B中的系统所描述的畸变校正方法。
与图50A和图50B中的假设相似，假设550nm处手指皮肤的等效折射率约为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，在等于或大于界面的临界入射角的大角度时会发生全内反射。如果盖板玻璃顶面未被接触，则全反射入射角约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，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中盖板玻璃表面中的期望的部分，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OLED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，使得光电探测器阵列有效地检测视区或OLED显示器中指纹照明区613的图像，该图像由感测盖板玻璃表面615投射到光电探测器阵列上。如果打开视区/指纹照明区613中的OLED像素来发光，则光电二极管/光电探测器阵列623可以接收由感测盖板玻璃表面615反射的区域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，这会引起光电探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，所以可以校正在光学传感器模块中的光路中引起的指纹图像畸变。
作为具体的示例，考虑到图51B中从检测模块中心轴到盖板玻璃顶面的距离H为2mm。这种设计可以直接覆盖5mm的有效感测区域615，其在盖板玻璃上的宽度为Wc。调整间隔物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考虑这些层。间隔物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52示出了OLED屏下光学传感器模块，包括光学准直器的光学准直器阵列2001，位于光电探测器阵列2002的顶部，用于将携带指纹信息的信号光引导至光电探测器阵列2002上不同光电探测器中。电路模块2003耦合到光电探测器阵列2002，以操作光电探测器阵列2002，并且接收来自光电探测器阵列2002上的光电探测器的输出信号。OLED显示模块433包括小透光孔82D，如OLED显示模块的TFT层中的孔，以使得来自顶部透明层431的顶面的光穿过OLED显示模块433到达屏下光学传感器模块。准直器阵列2001可以使用各种设计中的准直器，如基于波导的图像发射器、光纤阵列(有芯或无芯)、微透镜阵列、针孔阵列和其他。阵列2001中的准直器设计为限制采样图像的数值孔径。准直器阵列2001中的每个像素可以看作是光学检测针。光电二极管阵列2002可以是CMOS传感器阵列、CCD传感器阵列、光电二极管阵列或其他光感测阵列。
在操作中，OLED像素照亮盖板玻璃431。从盖板玻璃431反射的光被OLED显示模块433中的TFT结构的孔衍射。准直器阵列2001对衍射的光的有用部分进行采样，并选择符合每个准直器的小数值孔径的光的一部分传输至光电二极管阵列2002，以形成感测区域的图像。
图53A至53B示出了图52中的光学传感器模块的操作。OLED显示模块433的照明区613中的OLED像素将光束82P照射到与盖板玻璃431上的感测区615接触的手指。手指和盖板玻璃431反射光束82R。TFT基板中的小孔衍射光束82R以形成光束82D。准直器阵列2001中合适的准直器单元从光束82D中选择光束82S并将其引导至光电探测器阵列2002中的合适的光电探测器元件中。在一些OLED显示器中，部分光可以直接向传感器模块照射，并且可以通过校准消除。
图54示出了利用针孔相机效应来改善光学成像分辨率的另一示例。顶部透明层431下面的OLED显示模块层433包括OLED层及其他，该OLED层包括发光以显示图像的OLED像素阵列，并且具有光学地用作孔阵列和光散射目标阵列的布线结构和电极。OLED层中的孔阵列视作OLED显示模块层433内的小透光孔450，并且使得来自顶部透明层431的光的传输穿过OLED层到达光学传感器模块621以进行光学感测。在该示例中，光学传感器模块包括若干层：在OLED显示模块层433下方且在针孔阵列617上方的间隔物917、在针孔阵列617下方且在光电探测器阵列621上方的保护材料919，以及电路板623。目标光学距离由感测表面到针孔平面的全部材料的厚度决定，包括显示模块433的厚度、间隔物917的厚度、任何滤波涂层厚度、任何空气间隙厚度以及任何胶粘材料厚度的光学厚度。图像光学距离由针孔平面到光电探测器阵列的全部材料的厚度决定，包括保护材料厚度、任何滤波涂层厚度、任何空气间隙厚度以及任何胶粘材料厚度。通过比较图像光学距离与目标光学距离确定图像放大率。可以通过设置适当的放大率优化检测模式。例如，放大率可以设置为小于1，例如0.7或0.5等。在一些设备设计中，间隔物和针孔阵列层可以组合成单个组件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个组件，以便预先定义每个针孔的中心坐标。
在实时指纹感测中，会出现环境影响，背景光对屏下光学传感器模块的性能的不期望的影响可以通过不同技术来减缓，包括在到光学传感器阵列的光路中实施滤光以减少背景光、设计用于光学传感器阵列的接收光学器件以减少背景光，或控制光学传感器模块和信号处理的操作以进一步减小背景光对光学感测性能的影响。这些不同的技术可以单独使用也可以结合使用，以满足期望的设备性能。
在公开的光学感测技术中，除了使用来自OLED显示模块的OLED发射光之外，还可以使用一个或多个额外光源来照亮待检测的手指，以改善光学指纹感测，例如通过改善检测中的信噪比。一个或多个额外照明光源的这种包括，增加了携带指纹或其他有用信息的光学信号电平，其中除返回的OLED显示光引起的信号电平，以提高光学感测灵敏度，并且这种包括可以单独使用，也可以结合上述公开的技术使用，以减少进入屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列的背景光的数量。
就这点而言，能够通过光学感测检测指纹的电子设备可以设计为包括：设备屏幕，提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，以形成显示图像的一部分；顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为界面用于用户触摸以进行触摸感测操作，并用于传输来自显示结构的光以将向用户显示图像；以及一个或多个额外照明光源，定位成向顶部透明层提供额外照明光，顶部透明层形成于设备屏幕上方且作为用于用户触摸的界面。该设备还进一步包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收由显示结构的发光显示像素的至少一部分发出的，以及由一个或多个额外照明光源发出的，并从顶部透明层返回的光，以检测指纹，该光学传感器模块包括光学传感器阵列，用于检测光学传感器模块中接收到的光中的图像。在实现方式中，例如在各种OLED屏中，显示面板结构包括在显示面板结构的发光显示像素之间的开口或孔，以使得返回的光穿过显示面板结构到达光学传感器模块。光学传感器模块包括光学准直器阵列或针孔阵列，以收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光引导至光学传感器阵列。
在一些实现方式中，一个或多个额外光源614可以附着到或粘合于视区613的相同的位置或区域中，以对感测区615提供附加的照明，从而增加光学感测操作中的光强度。额外光源614可以是扩展类型或是准直类型的光源，以使得有效感测区615内所有的点被照亮。额外光源614可以是单元件光源或光源阵列。此外，在光学指纹感测操作期间，OLED显示模块433的视区或指纹照明区613中的OLED像素可以被操作为更高的亮度水平，超过用于在OLED显示器中显示图像的亮度水平，以增强照明度进行光学感测操作。
图55和图56示出了具有额外照明光源以通过OLED显示光提供用于补充光学指纹感测照明的屏下光学传感器模块的示例中的各种光学信号的光学行为。
图55和图56中的示例包括额外光源971，被组装在光学传感器模块中或附近，并且通常位于由顶部透明层431提供的指定指纹感测区域下方。具体地，在该示例中，两个或两个以上额外光源971被置于光学传感器模块600a的外部并且在封装壁600b的外部。每个额外光源971可以是一个光源或包括多个光源，例如LED光源。额外光源971可以被操作以一个单一波长或多个波长(例如，绿色LED、红色LED、近红外光LED)发光。额外光源971可以被调制以产生调制的照明光，或被操作以在不同的阶段打开进行发光。在每个额外光源971的输出端口处，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与OLED显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，以使得来自额外光源971的探测光973朝向盖板431表面上的手指耦合到显示器中。在一些实现方式中，期望避免显示器中的探测光973的大输出角度，并且耦合材料972可以配置为限制探测光的数值孔径。耦合材料972可以是低折射率材料例如空气间隙等，并且可以构造为具有期望的输出孔径，以限制显示器中的探测光973的输出角度。
OLED显示模块的TFT层中的小孔450将探测光束973散射到各个方向。如图55所示，一些散射光977以大角度向光学传感器模块660a传播，由于光学传感器模块660a的接收光学器件的小孔径的吸收或阻挡，这些散射光不太可能进入光学传感器模块。一些散射光977a向远离光学传感器模块660a的孔径的其他方向传播，因此不影响光学感测。需要注意的是，来自每个额外光源971的探测光973的一部分穿过TFT层作为朝向顶部透明层431的顶面的探测光975。该探测光975可以以两种方式与顶部盖板431上的手指交互以进行光学指纹感测。首先，像图50A和图50B所释的，探测光975的一部分可以被反射回光学传感器模块600a，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。其次，通过如图50A和图50B所释的光学传输，参考朝向屏下光学传感器模块的散射光191，探测光975的另一部分可以耦合到手指60a中，以携带如图43B所释的与指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案。手指60a中的组织对探测光975进行散射，以在各方向上产生散射的探测光979，包括具有光学透射图案的背向散射探测光981，以进行光学指纹感测。反向散射探测光981背向传播穿过顶部透明层431，朝向光学传感器模块600a进入TFT层。TFT层使反向散射探测光981发生折射或散射，其中一部分变成探测光组分983，可以由光学传感器模块600a中的光电探测器阵列进行检测。
如图55所释，来自探测光979的背向散射探测光981传播穿过手指皮肤，由于与手指的外部脊和谷相关联的内部手指组织的相互作用，指纹脊区域和谷区域表现为在光学透射图案中具有空间变化的亮度图案的光信号，这种亮度对比形成指纹图案的一部分，并且是由手指组织的吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影，以及手指皮肤-显示盖板玻璃界面的反射差异引起的。由于指纹对比的复杂机制，即使手指干燥、潮湿或脏时，也可以检测指纹。
图56进一步示出了存在于设备处的背景光，通常可以包括不同的两部分，一部分是入射到手指60a的环境光或背景光937，另一部分是入射到顶部透明层431而未进入手指60a的环境光或背景光937c。由于环境光或背景光937传播到手指60a中，所以手指组织将接收到的背景光937散射为不同方向的散射背景光937b，并与探测光979混合。散射背景光937b中的一些散射光939通过手指60a传播回光学传感器模块600a。未穿过手指60a的环境光937c的一部分如果被允许进入光学传感器模块600a，则可能对光学传感器模块600a的光学感测操作产生不利影响。因此，期望通过以上所述的光学滤波、接收光学器件的设计或控制光学传感器模块的操作和信号处理来减少或消除进入光学传感器模块600a的环境光的量。
例如，散射背景光937b中的散射光939通过手指60a向光学传感器模块600a传播，由于与手指的相互作用，其中包括手指的外部脊和谷相关联的内部组织，因此携带光学透射图案。在一些实现方式中，来自环境光或背景光的这种光939可以基于其光学透射图案被检测以进行光学指纹感测。
图57、图58和图59示出了额外照明光源可以置于光学传感器模块外部的各位置处，在不同方向上将照明光束引导到手指中，以在所采集的光学透射图案中提供不同的阴影。
在图57中，至少一个额外的照明光源971a被置于显示面板和顶部透明层431上方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。两个或两个以上这样的光源971a可以如此放置。图57进一步示出了额外照明光源971也被置于图55和图56所释的指定的指纹感测区域下方。
在图58中，至少一个额外的照明光源971b被置于顶部透明层431下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971b可以如此放置。图58进一步示出了额外照明光源971也被置于如图55和图56所释的指定的指纹感测区域下方。
在图59中，至少一个额外的照明光源971c被置于显示面板下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。两个或两个以上这样的光源971c可以如此放置。图59进一步示出了额外照明光源971也被置于如图55和图56所释的指定的指纹感测区域下方。
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来自OLED显示光的光功率限制。这种额外照明光源可以设计为，提供足够照明用于光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外照明光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外照明光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测到的手指是否是活人手指，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，以辅助活体手指检测，其中，手指组织强烈吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大的亮度梯度，并且近红外光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。再如，通过穿过与外部手指脊和谷相关联的内部组织的探测照明光的光学透射，额外照明光源可以用来提供基于光学透射图案的光学指纹感测。
显示面板结构下方的光学传感器模块的光学成像光学器件可以以上面的一些示例所示的各种方式实现，包括使用具有折叠光路的透镜来形成用于屏下光学传感器模块的成像系统，以及使用光学准直器阵列进行成像而没有成像透镜。需要注意的是，具有至少一个成像透镜的成像模块设计为，实现将手指被照亮的触摸部分光学成像到屏下光学传感器模块中的光学检测器阵列上。成像模块的透镜效应部分用于控制返回的光的空间扩散，这种空间扩散可能在光学传感器阵列处空间地扰乱手指触摸部分的不同位置上返回的光，因此，当成像透镜引导返回的光使其到达光学传感器阵列时，通过具有期望的空间成像分辨率的成像透镜，可以保存与手指的指纹图案对应的返回的光的空间信息。具有单个成像透镜或者具有两个或两个以上成像透镜的组件的成像模块的空间成像分辨率，与成像模块的数值孔径成比例。因此，高分辨率成像透镜需要大的数值孔径，因此需要大直径的透镜。基于透镜的成像模块的这一方面必然需要庞大的透镜系统来产生高分辨率成像系统。此外，给定的成像透镜具有有限的视场，该视场随着焦距的减小而增加，随着焦距的增加而减小。
在许多指纹感测应用中，例如在移动设备中的显示屏下实现的光学指纹传感器中，期望具有高空间成像分辨率和大视场的紧凑型成像系统。考虑到对上面讨论的基于透镜的成像系统的各种成像特征的权衡，下面通过组合基于透镜的成像系统来提供用于光学指纹感测的紧凑型光学成像系统，以通过透镜实现高空间成像分辨率，并实现光学探测器阵列处的采集的图像的尺寸的减小，从而通过相同的透镜减小光学探测器阵列的尺寸。针孔被置于透镜的前方，以在不需要大直径透镜的情况下，通过实现针孔相机产生光学成像中的视场。传统的针孔相机可以包括用于光学成像的小孔径，由于小孔径和低空间成像分辨率，可以在图像亮度受限的同时产生大视场。成像透镜和针孔相机的组合被合理设计后，可以受益于成像透镜的高空间成像分辨率和针孔相机的大视场。
图60示出了置于OLED显示屏下方的光学传感器模块620的一个示例，其中使用针孔和透镜来形成光学传感器模块620的光学成像系统。在该示例中，光学感测模块620是使用具有小直径的微透镜621e的紧凑型模块，该微透镜621e可以与针孔的尺寸大致相同，略微大于针孔。微透镜621e接合到针孔结构621g，针孔结构621g是光学不透明的，并且可以是形成在针孔基板621f的表面上的涂黑的或金属材料的层，该针孔基板621f为光学透明材料并具有开口作为针孔643。微透镜621e置于针孔基板621f的底侧上。在操作中，针孔结构621g中的针孔643上方的光学层被构造为，在收集来自OLED显示面板的返回的光时产生大的光学视场，并且将收集的光传输到光学传感器阵列623e。光学传感器阵列623e中的光学检测器响应于所接收的光学图案以产生检测器信号，检测器电路模块623f耦合到光学传感器阵列623e以接收和处理检测器信号。在一些实现方式中，检测器电路模块623f可以包括柔性印刷电路(PFC)。微透镜621e接收来自针孔的透射光并将接收到的光聚焦到光学传感器阵列623e上，与将光投射到没有微透镜621e的光学传感器阵列623e上时的较低空间成像分辨率相比，微透镜621e以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列623e处进行光学成像。在该设计中，利用微透镜621e来补偿针孔的低分辨率，并且通过针孔643的大视场来补偿微透镜621e的有限视场。
图60中用于光学成像的针孔-透镜组件的所示示例中，针孔-透镜组件的目标平面靠近透明层431的顶面上的顶部有效感测区615，例如用于触摸感测OLED显示面板的盖板玻璃，并且针孔-透镜组件的成像平面是光学传感器阵列623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基板621f外，在针孔基板621f和OLED显示面板之间设置折射率低于针孔基板621f的光学透明间隔物618e。在针孔基板621f上方使用较低折射率材料是光学设计的一部分，以实现用于接收来自OLED显示面板的光的大视场。在一些实现方式中，较低折射率间隔物618e可以是空气间隙。该设计提供了在较低折射率间隔物618e和较高折射率针孔基板621f之间的两种不同光学材料的光学界面，并且该界面处的光学折射将来自较低折射率间隔物618e中的OLED显示面板的入射光的大视场(FOV)(例如，在一些情况下约140度)，转换成较高折射率针孔基板621f中的较小的FOV。因此，由针孔-透镜组件产生的输出光线具有相对小的FOV。
这种减少FOV的设计在以下几方面是有利的。首先，光学传感器模块620的较低折射率间隔物618e中的光学输入FOV是大FOV。其次，由位于较高折射率针孔基板621f下方的针孔-透镜组件处理的实际FOV，相对于光学输入FOV是减小的FOV，使得具有大入射角的光线受限于该减小的FOV。这是有益的，因为这种减小的FOV降低了针孔-透镜组件处的大入射角中的光线引起的图像畸变。此外，针孔-透镜组件处的这种减小的FOV降低了不希望的针孔阴影效应，而这种针孔阴影效应会使光学传感器阵列处的图像的亮度分布产生畸变。
与一些针孔相机设计中使用约40微米直径针孔的传统针孔相机不同，针孔643被设计成具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，例如在一些设计中大于100微米或200微米(例如250微米)。在透镜和针孔的这种组合中，针对针孔643上方的针孔基板612f的高折射率材料的使用，以及针对针孔基板612f上方的低折射率层618e的使用，使得针孔643具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，同时仍然实现大FOV。例如，在一些实现方式中，当透镜621e构造为半球透镜，具有面向针孔643的平面和将来自针孔643的光引导至光电探测器阵列621e的部分球面时，针孔643的直径可以与透镜621e的曲面的曲率半径大致相同或相似。
还可以实现附加的设计特征，以改善基于针孔-透镜组件的光学成像系统的整体光学性能和紧凑性。例如，可以在透镜-针孔组件和光电二极管阵列623e之间放置附加的光学层。在该示例中，在从针孔-透镜组件到光学传感器阵列623e的光路中设置光学透明间隔物621h和保护材料623g。在一些实现方式中，间隔物621h可以是低折射率层例如空气间隙等，保护材料623g可以是覆盖光学传感器阵列623e的光学检测器的顶部的层，且折射率高于间隔物621h的折射率。层621h和623g可以被构造为减小或消除光学传感器阵列623e处的成像畸变。当光在介质界面折射时，折射光线的方向上存在非线性，并且在光学传感器阵列623e处产生图像畸变。当入射角大时，这种畸变变得更为明显。为了减少这种畸变，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物场(例如，从顶部玻璃层431的顶部感测表面至针孔基板621f的光学层)来选择间隔物621h和623g的光学厚度比。
光学畸变发生在沿OLED显示面板的顶部到光学传感器阵列623e的光的光路的不同光学材料的每个界面处。一种用于减少这种光学失真的设计技术是，在针孔-透镜组件的底侧(即，针孔-透镜组件的成像侧上的光学层)上提供光学匹配结构，以对应于针孔-透镜组件的顶侧的光学结构(即，针孔-透镜组件的物侧上的光学层)，使得沿OLED面板到针孔-透镜组件的光路的、在针孔-透镜组件的物侧的一个界面处引起的光学畸变，通过沿针孔-透镜组件到光学传感器阵列623e的光路的、在针孔-透镜组件的成像侧的匹配界面处的光学折射对抗或抵消。针孔-透镜组件的成像侧的光学匹配层是通过考虑针孔-透镜组件中透镜的光焦度来设计的。
如上所述，不期望的背景或环境光可能会对光学感测操作产生不利影响，并且可以通过各种技术来减少。用于降低环境光效果的技术也可以用于改善基于针孔-透镜组件的这种屏下光学传感器模块的性能。
例如，光学传感器模块外部的光屏蔽封装罩的使用也可以应用于基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块。图61示出的示例中，传感器模块620被集成到封装罩620a中，以阻挡环境光进入光学传感器阵列。在显示器的保护层中形成窗口。模块620和620a安装在保护层下面。间隔物材料631可以用于修改显示器的视图并保护显示器。如果间隔物618e是空气间隙，则传感器模块不直接接触显示器，因此使用期间显示器不受影响。
虽然本专利文件包含许多细节，但是不应将这些细节解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而应解释为对特定发明的特定实施例的特有的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的变形来实现。此外，尽管上文可以将特征描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
类似地，尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按相继顺序次序执行，或者执行所有所示的操作以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的分离的各种系统组件不应理解为在所有实施例中都需要这种分离。
本文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施例、改进和变化。

Claims (25)

1.一种光学传感器模块，应用于具有显示面板的电子设备，其特征在于，所述显示面板用于显示图像和内容并接收用户接触输入，其上方形成有顶部透明层，所述顶部透明层包括延伸至所述显示面板的至少一端外的延伸部分，所述光学传感器模块用于设置在所述顶部透明层的所述延伸部分下方且邻近所述显示面板的所述一端；
所述光学传感器模块包括：
光学传感器阵列，包括光学检测器，用于检测来自所述顶部透明层上方的或与所述顶部透明层接触的目标被一个或多个探测光源产生探测光照亮时产生反射光，所述反射光用于检测第一信号和第二信号，所述第一信号用于提供所述目标是否是授权用户的手指的第一指示，所述第二信号用于提供所述目标是否是授权用户的手指的单独的第二指示；
其中，所述一个或多个探测光源产生的探测光照射到所述显示面板上方的、所述顶部透明层的所述延伸部分和所述顶部透明层上方的邻近区域，以便照亮位于所述顶部透明层上方的或与所述顶部透明层接触的所述目标以进行光学感测；
并且，所述光学传感器模块还耦合至光学传感器控制器，以使得所述一个或多个探测光源以及所述光学传感器阵列在所述光学传感器控制器的控制下触发对所述目标的不同图像的采集，其中所述目标的不同图像包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的所述目标的另一图像，用以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指。
2.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置成以穿透人类皮肤表面的光学波长发射所述探测光，
所述光学传感器阵列用于采集由穿透人类皮肤表面的所述光学波长的所述探测光形成的且包括所述皮肤表面下方的组织结构的图像，以将所述皮肤表面下方的所述组织结构的信息作为所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指的确定的一部分，以提供防欺骗指纹感测。
3.如权利要求2所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置成以穿透人类皮肤表面的红外IR光学波长发射所述探测光。
4.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被配置成以穿透人类皮肤表面的光学波长发射所述探测光，
所述光学传感器阵列用于采集由穿透人类皮肤表面的所述光学波长的所述探测光形成的且包括所述皮肤表面下方的组织结构的第一图像，以及表示所述皮肤表面的表面图案的第二图像，所述第一图像和所述第二图像用于确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指的三维轮廓，以提供防欺骗指纹感测。
5.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
耦合至所述光学传感器模块的所述光学传感器控制器可操作为：当目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层且接近所述顶部透明层时，当所述目标与所述顶部透明层接触时，以及当所述目标从所述顶部透明层移开时，触发对所述目标的不同图像的采集。
6.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块的所述一个或多个探测光源被构造为以两个或两个以上不同光学波长发射所述探测光，在所述不同光学波长下人类活体手指呈现出不同的光学性质；以及，
所述光学传感器控制器被构造为测量返回的所述两个或两个以上不同波长的探测光，以比较所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以确定所述目标是否是活人的手指。
7.如权利要求6所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块被构造为测量所述两个或两个以上不同波长的所述探测光的消光比，以及来自与所述顶部透明层接触的所述目标的按压力的时域演变，以确定接收到的所述接触是否来自活人。
8.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块被构造为将来自所述一个或多个探测光源的所述探测光投射到所述显示面板上方的区域上，以便采集来自所述显示面板上方的所述区域的目标的返回的探测光，以在所述目标未接触到所述顶部透明层时采集所述目标的图像。
9.如权利要求8所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述显示面板被操作以在所述探测光投射到的所述区域下方显示用户可见的标记的指纹感测区域，以向所述用户指示放置手指用于指纹感测的地方，以及，
所述标记的指纹感测区域与所述光学传感器模块相邻，以使得用户手指在所述标记的指纹感测区域上方时所述光学传感器模块接收返回的探测光，并且还使得用户手指与所述标记的指纹感测区域接触时，所述光学传感器模块采集来自所述用户手指的一部分的返回的光。
10.如权利要求8所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块包括由微透镜形成的光学成像孔径，所述光学成像孔径采集来自目标的返回的探测光，以将来自采集的所述返回的探测光的图像形成在所述光学传感器阵列上。
11.如权利要求8所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块包括由针孔形成的光学成像孔径，所述光学成像孔径采集来自目标的返回的探测光，以将来自采集的所述返回的探测光的图像形成在所述光学传感器阵列上。
12.如权利要求8所述的光学传感器模块，其特征在于，所述光学传感器模块包括：
光学成像孔径，用于采集待成像到所述光学传感器阵列的返回的探测光；以及，
光学探测光透明开口，与所述光学成像孔径之间存在移位且在每个光学探测光源上方，以将所述探测光输出到所述顶部透明层上方以进行指纹感测。
13.如权利要求12所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块包括彩色涂层，所述彩色涂层与所述顶部透明层接合且在所述顶部透明层下方，以覆盖所述光学成像孔径与每个光学探测光透明开口之间的空间，以及，
所述彩色涂层对所述探测光至少部分透明。
14.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块包括位于所述光学传感器阵列上方的光学滤波器，以传输所述探测光，同时阻挡背景光到达所述光学传感器阵列，所述光学滤波器被构造为减少到达所述光学传感器阵列的红外光。
15.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，还包括：
触发传感器，与所述光学传感器模块分离且位于所述顶部透明层下方，所述触发传感器被构造为在目标接触所述顶部透明层之前感测所述目标的存在，并在所述目标未接触到所述顶部透明层时，触发所述光学传感器模块的第一光学指纹感测操作；
其中，所述光学传感器控制器处理所述光学传感器模块的所述第一光学指纹感测操作采集的光学图像，以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指，并且当基于所述第一光学指纹感测操作的所述确定是否定时拒绝访问；
其中，当基于所述第一光学指纹感测操作的所述确定是肯定时，所述光学传感器模块被操作以通过在所述目标接触所述顶部透明层时采集指纹图像来执行第二光学指纹感测操作，以进一步确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指，并且仅在所述第二光学指纹感测操作的所述确定为肯定后才授权所述访问。
16.如权利要求15所述的光学传感器模块，其特征在于，所述触发传感器包括：
电容式传感器，用于测量与位于所述顶部透明层上方的所述目标相关联的电容；或者，
超声波传感器，用于将声音信号引导至所述目标，并检测来自位于所述顶部透明层上方的所述目标的反射声音信号。
17.如权利要求1所述的光学传感器模块，其特征在于，还包括：
支撑透明层，形成于所述顶部透明层下方且与所述顶部透明层接合，所述支撑透明层包括开口，所述开口在所述顶部透明层的所述延伸部分下方且邻近所述显示面板的所述一端；
其中，所述光学传感器模块置于所述顶部透明层的所述延伸部分下方的所述支撑透明层的所述开口内，所述顶部透明层和所述支撑透明层是玻璃透明基板。
18.一种光学传感器模块，应用于具有显示面板的电子设备，其特征在于，所述显示面板用于显示图像和内容并接收用户接触输入，其上方形成有顶部透明层，所述光学传感器模块用于设置在所述顶部透明层的所述显示面板的下方；
所述光学传感器模块包括：
光学传感器阵列，包括光学检测器，用于检测来自所述顶部透明层上方或与所述顶部透明层接触的目标被一个或多个探测光源照亮时产生的反射光，所述反射光用于检测第一信号和第二信号，所述第一信号用于提供所述目标是否是授权用户的手指的第一指示，所述第二信号用于提供所述目标是否是授权用户的手指的单独的第二指示；
其中，所述一个或多个探测光源产生的探测光被构成成照亮位于所述顶部透明层上方或与所述顶部透明层接触的目标以进行光学感测；
并且，所述光学传感器模块还耦合至光学传感器控制器，以使得所述一个或多个探测光源以及所述光学传感器阵列在所述光学传感器控制器的控制下触发对所述目标的不同图像的采集，其中所述目标的不同图像包括当所述目标在所述顶部透明层上方而未接触到所述顶部透明层时的作为所述第一信号的一部分的所述目标的图像，以及当所述目标与所述顶部透明层接触时的作为所述第二信号的一部分的所述目标的另一图像，用以确定所述目标是否是所述电子设备的授权用户的手指。
19.如权利要求18所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述光学传感器模块位于所述述顶部透明层指定的指纹感测区域下方以接收来自所述顶部透明层的光以检测指纹，其中所述光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，以将接收到的携带所述用户的指纹图案的光转换成表示所述指纹图案的检测器信号；
所述光学传感器模块所在的电子设备还包括：
额外照明光源，位于所述光学传感器模块外的不同位置处，用于产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的所述指定的指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于所述光谱范围呈现出光学透射，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所述指定的指纹感测区域上方的用户手指，以通过所述手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，所述散射的探测光向所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层以携带指纹图案信息，以及由所述手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与所述不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息；以及，
探测照明控制电路，耦合以控制所述额外照明光源按顺序打开和关闭以在不同时刻产生所述不同的照明光束，其中每个时刻产生一束照明光束，使得位于所述显示面板下方的所述光学传感器模块可操作以顺序地检测来自所述不同照明探测光束的所述散射的探测光，以采集所述指纹图案信息，以及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。
20.如权利要求19所述的光学传感器模块，其特征在于，所述光学传感器模块包括：
针孔层，位于所述显示面板和所述光学传感器阵列之间且被构造为包括针孔，所述针孔被构造为在收集光时产生大的光学视场并且向所述光学传感器阵列传输收集到的所述光，以及，
透镜，位于所述针孔层和所述光学传感器阵列之间，接收来自所述针孔的透射光并将接收到的所述光聚焦到所述光学传感器阵列上，以增强的空间成像分辨率在所述光学传感器阵列处进行光学成像。
21.如权利要求19所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述显示面板是液晶显示LCD屏，用于提供触摸感测操作且包括用于显示图像的LCD显示面板结构和外围不透明边界，所述外围不透明边界包围所述LCD显示面板结构的中心区域并覆盖所述LCD显示面板结构的窄外围边界，其中所述LCD显示面板结构包括背光模块，用于产生背光以在所述外围不透明边界内的所述LCD显示面板结构的所述中心区域中显示所述图像；
所述顶部透明层在所述LCD屏上形成为界面，用于用户触摸以进行所述触摸感测操作，用于传输来自所述显示面板结构的所述光以将图像显示给用户，以及用于传输用于光学感测的所述探测光；
所述电子设备还包括照明探测器光源，用于产生探测光以照亮所述顶部透明层的感测区域以进行光学感测；
所述光学传感器模块位于所述LCD屏下方且位于所述外围不透明边界的下方，以与所述LCD显示面板结构的中心区域在空间上偏移，以接收穿过所述LCD屏的返回的探测光以进行光学感测；
其中，所述LCD显示面板结构包括至少部分被所述外围边界覆盖且在所述光学传感器模块上方的区域内的一个或多个额外传输孔或区，使得探测光穿过所述LCD显示面板结构到达所述光学传感器模块以进行光学感测。
22.如权利要求21所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述LCD显示面板结构包括漫射光的光漫射器层，所述光漫射器层包括孔，以形成由所述外围边界覆盖且位于所述光学传感器模块上方的所述区域内的所述额外传输孔或区的一部分，使得探测光穿过所述LCD显示面板结构到达所述光学传感器模块以进行光学感测。
23.如权利要求21所述的光学传感器模块，其特征在于，还包括：
LCD发光模块，耦合至所述LCD显示面板结构以向所述LCD显示面板结构提供用于显示图像的背光，其中，所述LCD显示面板结构包括背光波导层，用于耦合以接收来自所述LCD发光模块的所述背光，以引导接收到的所述背光照亮所述LCD显示面板结构和形成在所述LCD显示面板结构的底部区域的光反射器层，以将光反射回所述LCD显示面板结构；
其中，所述光反射器层包括孔，以形成由所述外围边界覆盖且位于所述光学传感器模块上方的所述区域内的所述额外传输孔或区的一部分，使得探测光穿过所述LCD显示面板结构到达所述光学传感器模块以进行光学感测。
24.如权利要求21所述的光学传感器模块，其特征在于，所述LCD显示面板结构包括：
LCD组件层，包括LCD层和附加层，以形成用于显示图像的LCD像素；
LCD发光模块，耦合至所述LCD显示面板结构，以向用于显示图像的所述LCD组件层提供背光；
背光波导层，耦合以接收来自所述LCD发光模块的所述背光，以引导接收到的所述背光照亮所述LCD组件层；
光漫射层，位于所述背光波导层和所述LCD组件层之间，用于漫射光并被构造为包括在所述光学传感器模块的位置处的所述外围边界下方的空隙，以便于光穿过所述LCD显示面板结构到达所述光学传感器模块以进行光学感测；
光反射器层，形成于所述背光波导层下方以将光反射回所述LCD显示面板结构，并且所述光反射器层构造为在所述光学传感器模块的位置处的所述外围边界下方具有空隙，使得所述光学传感器模块被置于所述背光波导层下方，以通过所述背光波导层的透射光接收所述LCD屏上的探测光；以及，
光耦合器，位于所述LCD组件层下方且在所述背光波导层上方，以便光穿过所述LCD显示面板结构到达所述光学传感器模块以进行光学感测。
25.如权利要求21所述的光学传感器模块，其特征在于，
所述LCD显示面板包括外围不透明边界，所述外围不透明边界包围所述LCD显示面板的中心区域并覆盖所述LCD显示面板的窄外围边界；以及，
所述LCD显示面板包括一个或多个额外传输孔或区，所述一个或多个额外传输孔或区位于至少部分被所述外围边界覆盖且位于所述光学传感器模块上方的区域内，使得探测光穿过所述LCD显示面板到达所述光学传感器模块以进行光学感测。
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