CN112154443B - 光路折叠的光学指纹感应器 - Google Patents

Abstract

一种光学指纹感应器模块，包括：光源，被配置为提供指向手指的照射光，以产生被该手指散射或反射的信号光；具有表面的光电二极管阵列；透光间隔物，设置在该光电二极管阵列的该表面上；第一反射镜，被配置为反射该信号光；透镜，被配置为接收和折射由该第一反射镜反射的该信号光；界定出针孔的元件，设置在该透镜后面，并被配置为透射被该透镜折射的该信号光；第二反射镜，设置在该针孔后面，并位于该透光间隔物上方，并被配置为将通过该针孔透射的该信号光反射到该光电二极管阵列的该表面；以及电子电路，被配置为处理该光电二极管阵列产生的电信号，以产生该手指的指纹图案的图像。

Description

光路折叠的光学指纹感应器

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年1月14日提交的申请号为16/246,549的美国专利申请和2018年7月25日提交的申请号为62/703,432的美国临时专利申请的优先权，该申请号为16/246,549的美国专利申请为2018年11月13日提交的申请号为16/190,141的美国专利申请的部分继续申请，后者为2018年11月13日提交的申请号为16/190,138的美国专利申请的部分继续申请，该申请号为16/190,138的美国专利申请要求2018年7月25日提交的申请号为62/703,432的美国临时专利申请的权益，上述申请的内容均通过引用整体并入本文。

技术领域

本公开涉及在电子设备或系统中，包括在诸如移动设备等便携式计算设备、可穿戴设备和更大系统中，感应指纹并执行其它参数测量的一个或多个感应操作。

背景技术

可以在电子设备或系统中实现各种感应器以提供某些期望的功能。在各种设备和系统中，包括在便携式或移动计算设备(例如膝上型计算机、平板电脑、智能手机)、游戏系统、各种数据库、信息系统或更大的计算机控制系统中，使能用户认证的感应器是用感应器保护个人数据并防止未授权访问的一个示例。

在电子设备或系统上，用户认证可以通过一种或多种形式的生物特征识别码来执行，这些识别码可以单独使用，或者附加于传统的密码认证方法使用。一种流行的生物特征识别码是人的指纹图案。指纹感应器可以内置在电子设备中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证授权用户的指纹图案来解锁。用于电子设备或系统的感应器的另一示例是生物医学感应器，其在诸如手环设备或手表等可穿戴设备中检测用户的生物特性，例如用户血液的特性、心跳。总之，在电子设备中，可以提供不同的感应器以实现不同的感应操作和功能。

指纹可用于对用户进行认证，以访问电子设备、计算机控制的系统、电子数据库或信息系统，其既可以用作独立的认证方法，也可以与一种或多种其它认证方法(例如密码认证方法)结合使用。例如，电子设备，包括便携式或移动计算设备(例如膝上型计算机、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。在另一示例中，应当对用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统加以保护，以仅允许授权人员访问，以便保护组织或企业的信息或其设备或系统的使用。存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息可以是个人性质的，例如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其它个人信息，或可以是组织或企业专有的机密信息，如商业财务信息、员工数据、商业秘密和其它专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性被破坏，则其他人可能访问这些数据，导致失去个人隐私或丢失宝贵的机密信息。除了信息安全之外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还允许保护对于由计算机或计算机处理器(例如计算机控制的汽车和诸如ATM之类的其它系统)控制的设备或系统的使用。

可以采用诸如使用用户密码等不同方式实现对设备(例如，移动设备)或系统(例如，电子数据库和计算机控制的系统)的安全访问。但是，密码可能很容易被传播或获得，密码的这种性质会降低密码的安全级别。此外，由于用户在访问受密码保护的电子设备或系统时需要记住密码，在用户忘记密码的情况下，用户需要进行某些密码恢复程序以获得认证或以其它方式重新获得对设备或系统的访问。这些过程对用户来说可能较为麻烦，并且具有各种现实的限制和不便。个人指纹识别可用于实现用户认证以增强数据安全性，同时减轻与密码相关联的某些不期望的影响。

电子设备或系统(包括便携式或移动计算设备)可以通过一种或多种形式的生物特征识别码来使用用户认证，以保护个人或其它机密数据并防止未经授权的访问。生物特征识别码可以单独使用，也可以与密码认证方法结合使用，以提供用户认证。生物特征识别码的一种形式是人的指纹图案。指纹感应器可以内置在电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证授权用户的指纹图案来解锁。

发明内容

根据一些实施例，一种光学指纹感应器模块包括光源，该光源被配置为提供指向手指的照射光。该照射光的一部分可以从该手指散射或反射，从而产生信号光。该光学指纹感应器模块还包括具有表面的光电二极管阵列，以及设置在该光电二极管阵列的该表面上的透光间隔物。该光学指纹感应器模块还包括：第一反射镜，被配置为反射该信号光；以及透镜，被配置为接收和折射由该第一反射镜反射的该信号光。该透镜具有的光轴相对该光电二极管阵列的该表面的法线形成在45度和135度之间的角度。该光学指纹感应器模块还包括设置在该透镜后面界定出针孔的元件。针孔被配置为透射被该透镜折射的该信号光。该光学指纹感应器模块还包括设置在该针孔后面并位于该透光间隔物上方的第二反射镜。该第二反射镜被配置为将通过该针孔透射的该信号光反射到该光电二极管阵列的该表面。该光学指纹感应器模块还包括电耦合到该光电二极管阵列的电子电路。该光电二极管阵列被配置为将其上入射的该信号光转换成电信号。该电子电路被配置为处理所述电信号，以产生该手指的指纹图案的图像。

根据一些实施例，一种光学指纹感应器模块，设置在显示屏的不透明边界下方，用于检测邻近该显示屏的指纹感应区域放置的手指的指纹图案，该光学指纹感应器模块包括具有表面的光电二极管阵列，以及设置在该光电二极管阵列的该表面上的透光间隔物。该光学指纹感应器模块还包括：第一反射镜，被配置为反射从该手指散射或反射并通过该显示屏透射的信号光；以及透镜，被配置为接收和折射由该第一反射镜反射的该信号光。该透镜具有的光轴相对该光电二极管阵列的该表面的法线形成在45度和135度之间的角度。该光学指纹感应器模块还包括设置在该透镜后面界定出针孔的元件。针孔被配置为透射被该透镜折射的该信号光。该光学指纹感应器模块还包括设置在该针孔后面并位于该透光间隔物上方的第二反射镜。该第二反射镜被配置为将通过该针孔透射的该信号光反射到该光电二极管阵列的该表面。该光学指纹感应器模块还包括电耦合到该光电二极管阵列的电子电路。该光电二极管阵列被配置为将其上入射的该信号光转换成电信号。该电子电路被配置为处理所述电信号，以产生该手指的指纹图案的图像。

根据一些实施例，一种电子设备包括显示屏。该显示屏包括指纹感应区域和不透明边界。该电子设备还包括光源，该光源被配置为提供指向邻近该指纹感应区域放置的手指的照射光。该照射光的一部分可以从该手指散射或反射，从而产生信号光，以通过该显示屏透射。该电子设备还包括光学指纹感应器模块，其定位低于该显示屏，在该不透明边界的下方。该光学指纹感应器模块包括具有表面的光电二极管阵列，以及设置在该光电二极管阵列的该表面上的透光间隔物。光学指纹感应器模块还包括：第一反射镜，被配置为反射该信号光；以及透镜，被配置为接收和折射由该第一反射镜反射的该信号光。该透镜具有的光轴相对该光电二极管阵列的该表面的法线形成在45度和135度之间的角度。该光学指纹感应器模块还包括设置在该透镜后面界定出针孔的元件。针孔被配置为透射被该透镜折射的该信号光。该光学指纹感应器模块还包括设置在该针孔后面并位于该透光间隔物上方的第二反射镜。该第二反射镜被配置为将通过该针孔透射的该信号光反射到该光电二极管阵列的该表面。该光学指纹感应器模块还包括电耦合到该光电二极管阵列的电子电路。该光电二极管阵列被配置为将其上入射的该信号光转换成电信号。该电子电路被配置为处理所述电信号，以产生该手指的指纹图案的图像。

附图说明

图1是具有指纹感应模块的系统示例的框图，根据一些实施例，该指纹感应模块可以被实现为包括光学指纹感应器。

图2A和2B示出了电子设备的一示例性实施方式，根据一些实施例，该电子设备具有触摸感应显示屏组件和位于触摸感应显示屏组件下方的光学指纹感应器模块。

图3A和3B示出了根据一些实施例实现图2A和2B中所示光学指纹感应器模块的设备的示例。

图4A和4B示出了根据一些实施例的显示屏组件下方的光学指纹感应器模块的一示例性实施方式，用于实现图2A和2B中所示的设计。

图5A-5C示出了根据一些实施例的在两个不同光学条件下来自感应顶面上感应区域的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹感应器模块的操作。

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

图11示出了根据一些实施例的指纹感应区域在不同倾斜条件下经由成像模块在透明顶层上的成像，其中成像装置将指纹感应区域成像到光学感应器阵列上，并且成像装置可以是透射光的或反射光的。

图12是示出了根据一些实施例的指纹感应器的示例性操作的流程图，用于在指纹感应中减少或消除来自背景光的不期望的效应。

图13是示出了根据一些实施例的操作屏下光学指纹感应器模块用于捕捉指纹图案的示例性过程的流程图。

图14-16示出了根据一些实施例的通过用两种不同光色的光照射手指来确定与LCD显示屏接触的对象是否是活人的手指的一部分的示例性操作过程。

图17-23示出了根据一些实施例的基于针孔-透镜组件的屏下光学指纹感应器模块的示例和操作。

图24A-24B、25A-25C和26示出了根据一些实施例的使用光耦合器的隐形的屏下光学指纹感应器模块的示例。

图27示出了根据一些实施例将光学指纹感应器模块与显示屏集成的一示例性实施方式。

图28示出了根据一些实施例的可以如图27所示与显示屏集成的示例性光学指纹感应器模块。

图29示出了根据一些实施例的与如图27和28所示的光学指纹感应器模块集成的显示屏的示例性结构。

图30示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

图31示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

图32示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

图33示出了在实现如图27-32所示的屏下光学指纹感应设计的设备中可能存在的不同光信号。

图34A和34B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

图35A和35B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

图36A和36B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块。

具体实施方式

电子设备或系统可以配备有指纹认证机制，以提高设备访问的安全性。这样的电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其它可穿戴或便携式设备，或者更大型的电子设备或系统，例如便携式或桌面式个人计算机、ATM机、用于商业或政府用途的各种电子系统、数据库或信息系统的各种终端，包括车、船、火车、飞机等的机动运输系统。

指纹感应在移动应用和其它使用或要求安全访问的应用中很有用。例如，指纹感应可用于提供对移动设备的安全访问并确保包括在线购物等的金融交易。期望在移动设备和其它应用中包括适用、稳健且可靠的指纹感应。在移动、便携或可穿戴设备中，期望指纹感应器在这些设备上的有限空间里将指纹感应占据的空间最小化或消除，特别是要考虑到在给定设备上让显示区域最大化的需求。由于电容感应要求近场交互，故而电容式指纹感应器的许多实施方式必须在设备的顶面上实现。

可以设计光学感应模块以克服电容式指纹感应器中的上述和其它限制，并实现附加的技术优势。例如，在实现光学指纹感应设备时，携带指纹成像信息的光可以跨过一段距离，被引导到光学检测器的光学检测器阵列来检测指纹，而不限于电容感应器中的近场感应。特别地，携带指纹成象信息的光可以被引导通过诸如触摸屏和其它结构的许多显示屏中常用的玻璃顶盖透射，并且可以被引导通过折叠或复杂的光学路径到达光学检测器阵列，从而允许灵活地将光学指纹感应器放置在不适用于电容式指纹感应器的设备中。基于本文公开的技术的光学指纹感应器模块可以是屏下光学指纹感应器模块，其放置在显示屏下方，以捕捉和检测来自放置在屏幕的顶部感应表面上或上方的手指的光。如本文所公开的，除了检测和指纹感应图案之外，光学感应还可以用于光学地检测与用户或用户动作相关联的其它参数，例如检测所检测到的指纹是否来自活人的手指并提供反欺骗机制，或检测用户的某些生物参数。

I、屏下光学感应模块概述

光学感应技术和本公开中描述的实施方式的示例提供了一种光学指纹感应器模块，其至少部分地使用来自显示屏的光作为照射探测光，从而照射显示屏的触摸感应表面上的指纹感应区域，以基于对这种光的光学感应，执行一个或多个感应操作。适合用于实现本公开的光学感应器技术的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括使用背光以向液晶显示(liquid crystal display,LCD)像素及匹配的滤光器提供白光照射以实现彩色LCD像素的LCD屏，或不用背光，而是具有发光显示像素、其中由各个像素产生光以在屏幕上形成显示图像的显示屏，例如有机发光二极管(organic light emitting diode,OLED)显示屏或电致发光显示屏。下面提供的具体示例涉及屏下光学感应模块与LCD屏的集成，因此包含与LCD屏相关联的某些技术细节。不过，本公开技术的各个方面也适用于OLED屏和其它显示屏。

由显示屏产生的用于显示图像的光的一部分必须穿过显示屏的顶面，以便由用户观看。与顶面接触或靠近顶面的手指与顶面处的光相互作用，以使触摸的表面区域处的反射或散射光携带手指的空间图像信息。这种携带手指空间图像信息的反射或散射光返回到顶面下方的显示面板。例如，在触摸感应显示设备中，顶面是与用户交互的触摸感应界面，并且用于显示图像的光与用户手指或手之间的这种交互不断发生，但是在各种触摸感应设备中，这种返回到显示面板的携带信息的光，很大程度上被浪费了，并没有被使用。在具有触摸感应显示器和指纹感应功能的各种移动或便携式设备中，指纹感应器往往是与显示屏分开的设备，或者放置在显示屏的相同表面上的显示屏区域以外的位置，例如一些型号的苹果iPhone和三星智能手机，或放置在智能手机的背面，如华为、联想、小米或谷歌的某些型号的智能手机，以避免占用宝贵的空间，好在前面放置一个大的显示屏。这些指纹感应器是与显示屏分离的设备，因此需要紧凑以节省显示屏和其它功能的空间，同时仍要提供可靠且快速的指纹感应，且空间图像分辨率要高于某一可接受的水平。然而，在设计指纹感应器时对紧凑和小型的需要以及在捕捉指纹图案时提供高空间图像分辨率的需要，在许多指纹感应器中是相互直接冲突的，因为在基于各种合适的指纹感应技术(例如，电容式触摸感应或光学成像)捕捉指纹图案时，要具有高空间图像分辨率，就需要大的感应器面积设置大量感应像素。

本公开中描述的感应器技术和感应器技术的实施方式的示例提供一种光学指纹感应器模块，其在一些实施方式中，至少部分地使用来自显示屏的光作为照射探测光，以照射显示屏的触摸感应表面上的指纹感应区域，以基于对这种光的光学感应，执行一个或多个感应操作，或者在其它实施方式中，用与显示光分开的一个或多个指定的照射光源所发出的指定的照射或探测光进行光学感应，或者在某些实施方式中，用背景光进行光学感应。

在基于本公开的光学感应器技术，将光学感应模块集成到LCD屏的本公开的示例中，可使用LCD下光学感应器来检测用于在LCD屏中显示图像的光的一部分，其中这种用于显示屏的光的一部分可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实施方式中，基于背光的LCD屏的图像光可以在遇到诸如用户手指或手掌之类的物体或诸如手写笔等用户指针设备时被反射或散射回LCD显示屏作为返回光。使用本公开的光学感应器技术，可以捕捉这种返回光，以执行一个或多个光学感应操作。由于使用来自LCD屏的光进行光学感应，基于本公开的光学感应器技术的光学指纹感应器模块被具体设计成集成到LCD显示屏，采取保持LCD显示屏的显示操作和功能不受干扰的方式，同时提供光学感应操作和功能，以提高电子设备或系统(例如智能手机、平板电脑或移动/可穿戴设备)的整体功能性、设备集成度和用户体验。

另外，在本公开的光学感应技术的各种实施方式中，可以提供一个或多个指定的探测光源，以产生用于LCD屏下光学感应模块的光学感应操作的附加的照射探测光。在这样的应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光一起，共同形成用于光学感应操作的照射光。

关于指纹检测之外的附加光学感应功能，光学感应可用于测量其它参数。例如，考虑到能在整个LCD显示屏上获得大的触摸面积，本公开的光学感应器技术可以用于测量人手掌的图案(相比之下，一些指定的指纹感应器，例如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹感应器，其具有的专用屏外指纹感应区域相当小，在感应区域尺寸方面极度受限，可能不适合于感应大图案)。再例如，本公开的光学感应器技术不仅可以用光学感应捕捉和检测与人相关的手指或手掌的图案，还可以使用光学感应或其它感应机制，如通过“活体指纹”检测机制，来检测该捕捉或检测到的手指或手掌的图案是否来自活人的手，这种“活体指纹”可以是基于例如血液在不同光波长下不同的光吸收行为，或基于人的自然动作或运动(不论是有意还是无意)容易让活人的手指出现移动或拉伸变形这一事实，或基于当血液流经人体时与心跳相关的脉动。在一个实施方式中，光学指纹感应器模块可以检测由于心跳/血流变化使得来自手指或手掌的返回光出现的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的对象中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感应和确定活人存在的结合，以增强访问控制。又例如，光学指纹感应器模块可以包括感应功能，基于对来自手指或手掌的返回光中的光学感应，测量葡萄糖水平或氧饱和度。再例如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化会以一种或多种方式反映出来，包括指纹图案变形、手指与屏幕表面之间的接触区域的变化、指纹脊变宽、或血流动力学的变化。这些和其它变化可以通过基于本公开的光学感应器技术的光学感应来测量，并且可以用于计算触摸力。该触摸力感应可用于向光学指纹感应器模块添加除指纹感应之外的更多的功能。

关于与LCD显示屏的触摸感应方面有关的有用操作或控制特征，本公开的光学感应器技术可基于来自光学指纹感应器模块的一个或多个感应结果来提供触发功能或附加功能，以执行某些与LCD显示屏上的触摸感应控制有关的操作。例如，手指皮肤的光学特性(例如折射率)往往与其它人造物体不同。基于这点，光学指纹感应器模块可以被设计成选择性地接收和检测由手指与LCD显示屏的表面接触引起的返回光，而由其它物体引起的返回光不会被光学指纹感应器模块检测到。这种物体选择性光学检测可用于通过触摸感应提供有用的用户控制，例如仅可通过人的手指或手掌触摸唤醒智能手机或设备，而其它物体的触摸不会导致设备唤醒，从而进行节能操作，并延长电池寿命。这种操作可以通过基于光学指纹感应器模块的输出的控制手段来实现，以控制LCD显示屏的唤醒电路操作，在这种实施方式中，LCD像素被关闭，处于“睡眠”模式(并且LCD背光也被关闭)，而用于LCD面板下光学指纹感应器模块的一个或多个照射光源(例如LED)以闪烁模式打开，间歇性地向屏幕表面发射闪光，以用于感应人手指或手掌的任何触摸。在这种设计下，光学指纹感应器模块操作一个或多个照射光源以产生“睡眠”模式唤醒感应灯闪烁，使得光学指纹感应器模块可以检测由手指触摸LCD显示屏引起的这种唤醒感应光的返回光，一旦检测到这种返回光，LCD背光和LCD显示屏就打开或被“唤醒”。在一些实施方式中，唤醒感应光可处于红外不可见光谱范围内，因此使用者在视觉上不会体验到任何闪光。可以控制LCD显示屏操作，以通过消除用于指纹的光学感应的背景光来提供改进的指纹感应。例如，在一个实施方式中，每个显示扫描帧产生一帧指纹信号。如果显示器产生两帧指纹信号，其中一帧在LCD显示屏开启时产生，另一帧在LCD显示屏关闭时产生，则可以对这两帧信号求差，从而减少环境背景光的影响。在一些实施方式中，通过操作指纹感应帧速率，使之为显示帧速率的一半，可以减少指纹感应中的背景光噪声。

一种基于本公开的光学感应器技术的光学指纹感应器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD显示屏的表面侧创建指定区域，以免在诸如智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中占据宝贵的设备表面空间资源(real estate)。本公开技术的这个方面可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。

在一些实施方式中，基于本公开的光学感应器技术的光学指纹感应器模块可以被配置为非侵入式模块，即容易集成到显示屏，而不需要改变LCD显示屏的设计即可提供期望的光学感应功能，如指纹感应功能。在这方面，基于本公开的光学感应器技术的光学指纹感应器模块的设计可以独立于具体LCD显示屏的设计，这是由这种光学指纹感应器模块的性质所决定的：这种光学指纹感应器模块的光学感应是通过检测由光学指纹感应器模块的一个或多个照射光源发出的光从显示区域的顶面返回后产生的光而工作的，并且本公开的光学指纹感应器模块耦合到LCD显示屏的背面作为屏下光学指纹感应器模块，用于接收来自显示区域顶面的返回光，因此不需要与显示屏区域分开的特殊感应端口或感应区域。因此，这种屏下光学指纹感应器模块可以用于与LCD显示屏结合，以在LCD显示屏上提供光学指纹感应和其它感应器功能，而无需使用带有专门设计用于提供这种光学感应的硬件的专门设计的LCD显示屏。本公开的光学感应器技术的这个方面使得智能手机、平板电脑或其它电子设备中的各种LCD显示屏能够通过本公开的光学感应器技术的光学感应来增强功能。

例如，对于不像某些苹果iPhone或三星Galaxy智能手机那样提供有单独的指纹感应器的现有手机组件设计，这种现有的手机组件设计可以集成如本文所公开的屏下光学指纹感应器模块而不改变触摸感应显示屏组件，从而提供附加的屏上指纹感应功能。因为本公开的光学感应并不需要单独的指定的感应区域或端口，不像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机一样在显示屏区域外还具有正面指纹感应器，也不像某些智能手机(如华为、小米、谷歌或联想的某些型号)一样在背面具有指定的后指纹感应器，所以本文公开的屏上指纹感应的集成不需要对现有的手机组件设计或同时具有触摸感应层和显示层的触摸感应显示模块进行实质性改变。基于本文所公开的光学感应技术，在设备外部不需要外部感应端口或外部硬件按钮即可添加本公开的用于指纹感应的光学指纹感应器模块。增加的光学指纹感应器模块和相关电路位于手机外壳内显示屏下方，指纹感应可以很方便地在触摸屏的同一触摸感应表面上进行。

再例如，由于用于指纹感应的光学指纹感应器模块的上述特性，集成这种光学指纹感应器模块的智能手机可以用改进的设计、功能和集成机制进行更新，而不会对LCD显示屏的设计或制造产生影响或加重负担，可为设备制造和产品周期的改进/升级提供所需的灵活性，同时保持新版光学感应功能对使用LCD显示屏的智能手机、平板电脑或其它电子设备的可用性。具体地，可以在下一个产品版本中更新触摸感应层或LCD显示层，而不需要对使用本公开的屏下光学指纹感应器模块的指纹感应特性添加任何显著的硬件改变。同样的，使用新版本的屏下光学指纹感应器模块，可以将通过这种光学指纹感应器模块改进的用于指纹感应或其它光学感应功能的屏上光学感应添加到新的产品版本，无需对手机组件设计进行显著改变，包括增加附加的光学感应功能。

通过实施本公开的光学感应器技术的上述和其它特征，可以提供具有改进的指纹感应和其它感应功能的新一代的电子设备，尤其可以用于具有LCD显示屏的智能手机、平板电脑和其它电子设备，以提供各种触摸感应操作和功能，以及提高这些设备的用户体验。本文公开的光学指纹感应器模块的特征可以适用于基于不同技术的各种显示面板，包括LCD和OLED显示。以下具体示例涉及LCD显示面板和放置在LCD显示面板下方的光学指纹感应器模块。

在本公开的技术特征的实施方式中，可以提供附加的感应功能或感应模块，诸如生物医学感应器，例如可佩戴设备(例如手环设备或手表)中的心跳感应器。总之，在电子设备或系统中，可以提供不同的感应器以实现不同的感应操作和功能。

可以通过实施本公开的技术来提供各种设备、系统和技术，从而执行人类指纹的光学感应，以及对锁定的带指纹检测模块的计算机控制的设备(例如移动设备或计算机控制的系统)的访问尝试的认证。本公开的技术可用于保护对各种电子设备和系统的访问，包括便携式或移动计算设备，例如膝上型计算机、平板电脑、智能手机和游戏设备，以及其它电子设备或系统，例如电子数据库、汽车、银行ATM等。

II、屏下光学感应模块的设计示例

在以下部分中，将描述用于屏下光学指纹感应器模块的各种设计的示例，用于将光学信号收集到光学检测器并提供所需的光学成像，例如足够的成像分辨率。下面提供用于屏下光学感应模块的光学成像设计的具体示例，包括无成像透镜的光学成像设计、具有至少一个成像透镜的光学成像设计、和基于针孔-透镜组件中针孔和成像透镜的结合的光学成像设计，这种针孔-透镜组件用于改进光学成像，并有着紧凑的光学指纹感应器模块封装。

图1是具有指纹感应模块180的系统的示例的框图，指纹感应模块180包括指纹感应器181，指纹感应器181可以被实现为包括基于如本文所公开的光学指纹感应技术的光学指纹感应器。系统180包括指纹感应器控制电路184和数字处理器186，数字处理器186可包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案，并确定输入指纹图案是否是授权用户的指纹图案。指纹感应系统180使用指纹感应器181来获得指纹，并将所获得的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹感应系统180保护的设备或系统188中的功能。在操作中，对设备188的访问由指纹处理处理器186基于捕捉的用户指纹是否来自授权用户来控制。如图所示，指纹感应器181可以包括多个指纹感应像素，例如像素182A-182E，它们共同代表指纹的至少一部分。例如，指纹感应系统180可以在ATM处实现为系统188，以确定请求访问资金或其它交易的顾客的指纹。基于从指纹感应器181获得的顾客指纹与一个或多个存储的指纹的比较，指纹感应系统180可以在识别通过时使ATM系统188授权所请求的对该用户帐户的访问，或者，如果识别未通过，则可以拒绝访问。又例如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感应系统180可以是集成到设备188的模块。再例如，设备或系统188可以是楼宇设施或住家的大门或安保入口，其使用指纹感应器181来准许或拒绝入内。还例如，设备或系统188可以是汽车或其它车辆，其使用指纹感应器181连接到发动机的启动，并识别某人是否被授权操作该汽车或车辆。

作为具体示例，图2A和2B示出了电子设备200的一个示例性实施方式，电子设备200具有触摸感应显示屏组件和位于触摸感应显示屏组件下方的光学指纹感应器模块。在该特定示例中，显示技术可以由具有用于光学照射LCD像素的背光的LCD显示屏实现，或者由具有发光显示像素而不使用背光的其它显示屏(例如OLED显示屏)实现。电子设备200可以是诸如智能手机或平板电脑的便携式设备，并且可以是如图1所示的设备188。

图2A示出了设备200的正面，其可以类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕位于设备200的正面，占据正面空间的整个部分、主要部分或显著部分，并且指纹感应功能设置在设备屏幕上，例如设备屏幕上用于接收手指的一个或多个感应区域。作为示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感应区域，其可被照射为视觉上可识别的区域或范围，让用户放置手指以进行指纹感应。这样的指纹感应区域可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实施方式中，设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当今市场上的各种智能手机中常见的侧面控制按钮。同样的，可以在设备200正面上的设备屏幕外设置一个或多个可选感应器，如图2A中设备外壳左上角上的一个示例所示。

图2B示出了与本文所公开的光学指纹感应相关的设备200中的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，具有顶部的触摸感应层的触摸感应屏模块，以及具有位于触摸感应屏模块下方的显示层的显示屏模块。光学指纹感应器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，以接收和捕捉来自触摸感应屏模块的顶面的返回光，并将返回光引导到由光学感应像素或光电探测器组成的光学感应器阵列上成像，该阵列将返回光中的光学图像转换成像素信号以进行进一步处理。光学指纹感应器模块下面是设备电子器件结构，其包含用于光学指纹感应器模块和设备200中的其它部件的某些电子电路。设备电子器件可以布置在设备外壳内，并且可以包括如图2B所示的光学指纹感应器模块下面的部件。

在一些实施方式中，设备屏幕组件的顶面可以是透光层的表面，其用作用户触摸感应表面，以提供多种功能，例如：(1)显示输出表面，携带显示图像的光通过该表面到达观者的眼睛，(2)触摸感应接口，接收用户触摸，以便由触摸感应屏幕模块进行触摸感应操作，以及(3)光学接口，用于屏上指纹感应(以及可能的一个或多个其它光学感应功能)。该透光层可以是刚性层，例如玻璃或晶体层，也可以是柔性层。

显示屏的一个例子是具有LCD层和薄膜晶体管(thin film transistor,TFT)结构或基底的LCD显示器。LCD显示面板是多层液晶显示(LCD)模块，其包括发射用于LCD像素的LCD照射光的LCD显示器背光源(例如LED灯)、用于引导背光灯的光波导层、以及LCD结构层，LCD结构层可包括，例如，一层液晶(LC)单元、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感应层。该LCD模块还包括位于LCD结构层下方和光波导层上方的背光漫射器，以在空间上传播背光灯的光，用于照射LCD显示像素，还包括在光波导层下面的光学反射膜层，以将背光灯的光再循环到LCD结构层，用于提高光利用效率和显示亮度。对于光学感应，提供一个或多个单独的照射光源，其独立于LCD显示模块的背光光源操作。

参考图2B，本示例中的光学指纹感应器模块放置在LCD显示面板下方，以捕捉来自顶部触摸感应表面的返回光，并且当用户的手指与顶面的感应区域接触时，获取指纹图案的高分辨率图像。在其它实施方式中，本公开的用于指纹感应的屏下光学指纹感应器模块可以在没有触摸感应特征的设备上实施。

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学指纹感应器模块的设备的示例。图3A示出了设备的包含屏下光学指纹感应器模块的部分的横截面视图。图3B在左侧示出了具有触摸感应显示器的设备的正面视图，其中指示出了显示屏下部的指纹感应区域，并且在右侧示出了设备的包含光学指纹感应器模块的部分的透视图，该光学指纹感应器模块位于设备显示屏组件下方。图3B还示出了具有电路元件的柔性带条的布局的示例。

在图2A-2B和3A-3B的设计示例中，光学指纹感应器的设计不同于在显示屏之外另行使用单独的指纹感应器结构、并在移动设备表面上在显示屏和指纹感应器之间具有物理分界(例如，在一些移动电话设计中，在顶部玻璃盖的开口中有按钮状的结构)的一些其它指纹感应器设计。在这里所示的设计中，用于检测指纹感应和其它光信号的光学指纹感应器位于顶部玻璃盖或层(例如，图3A)下方，使得玻璃盖的顶面成为移动设备的顶面，并且成为在整个垂直堆叠且垂直重叠的显示屏层和光学检测器感应器上的连续且均匀的玻璃表面。这种将光学指纹感应和触敏显示屏集成在一个通用且均匀的表面下的设计实例提供了诸多益处，包括改进的器件集成度、增强的器件封装、增强的器件对外界环境、故障和磨损撕扯的抵抗力、以及设备使用期间增强的用户体验。

回头参考图2A和2B，所示的用于屏上指纹感应的屏下光学指纹感应器模块可以以各种配置实施。

在一个实施方式中，基于上述设计的设备可以被构造为包括：设备屏幕，其提供触摸感应操作，并且包括用于形成显示图像的LCD显示面板结构；在设备屏幕上方形成的透明顶层，其作为接口，用于在触摸感应操作中被用户触摸，并且用于透射来自显示结构的光以向用户显示图像；以及位于显示面板结构下方的光学指纹感应器模块，以接收从透明顶层返回的光来检测指纹。

本文公开的该设备和其它设备可以进一步配置为包括各种特征。

例如，如果检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，则设备电子控制模块可以包括在设备中，以授权用户对设备的访问。另外，光学指纹感应器模块被配置为除了检测指纹之外，还通过光学感应检测与指纹不同的生物特征参数，以指示与检测到的指纹相关联的透明顶层处的触摸是否来自活人。设备电子控制模块被配置为如果满足以下条件，则授权用户对设备的访问：(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。生物特征参数可以包括，例如，手指是否包含血液流动或人的心跳。

例如，该设备可以包括耦合到显示面板结构的设备电子控制模块，以向发光显示像素供电，并控制显示面板结构的图像显示，并且在指纹感应操作中，该设备电子控制模块被操作以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，以允许光学感应器阵列捕捉具有和不具有发光显示像素的照射的两个指纹图像，以减少指纹感应中的背景光。

又例如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向LCD显示面板供电，并在睡眠模式下关闭LCD显示面板的背光的电源，并且该设备电子控制模块可以被配置为在光学指纹感应器模块检测到在透明顶层的指定指纹感应区域处存在人的皮肤时，将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实施方式中，该设备电子控制模块可以被配置为操作光学指纹感应器模块中的一个或多个照射光源，使其间歇发光，同时关闭LCD显示面板的电源(在睡眠模式中)，将间歇发射的照射光引导至透明顶层的指定指纹感应区域，以监测是否存在与指定指纹感应区域接触的人的皮肤，从而将该设备从睡眠模式唤醒。

再例如，该设备可以包括耦合到光学指纹感应器模块的设备电子控制模块，以接收通过感应手指的触摸而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以测量该多个检测到的指纹中的变化，并确定导致该测量变化的触摸力。例如，该变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸面积的变化、或者指纹脊的间距的变化。

又例如，透明顶层可以包括指定的指纹感应区域，供用户用手指触摸以进行指纹感应，并且显示面板结构下方的光学指纹感应器模块可以包括与显示面板基底接触的透明块，接收从显示面板结构发射并从透明顶层返回的光，还可以包括接收光的光学感应器阵列，以及包括将该透明块中的接收光成像到光学感应器阵列上的光学成像模块。该光学指纹感应器模块可以相对于指定的指纹感应区域定位，并且构造成当与人的皮肤接触时，通过透明顶层的顶部表面处的全内反射选择性地接收返回光，同时在没有与人的皮肤接触时，不接收来自该指定的指纹感应区域的返回光。

再例如，该光学指纹感应器模块可以被构造成包括：位于显示面板结构下方的光楔，以修改与光楔配合(interface)的显示面板结构的底面上的全反射条件，从而允许通过底面从显示面板结构中提取光；光学感应器阵列，接收光楔从显示面板结构提取的光；以及光学成像模块，其位于光楔和光学感应器阵列之间，以将来自光楔的光成像到光学感应器阵列上。

下面提供用于屏上指纹感应的屏下光学指纹感应器模块的具体示例。

图4A和4B示出了用于实现图2A和2B中的设计的显示屏组件下的光学指纹感应器模块的一种实施方式的示例。图4A-4B中所示的设备包括显示组件423，其具有形成在设备屏幕组件423上方的透明顶层431，作为接口供用户触摸以进行触摸感应操作，以及透射来自显示结构的光以向用户显示图像。在一些实施方式中，该透明顶层431可以是玻璃盖或晶体材料。设备屏幕组件423可包括透明顶层431下方的LCD显示模块433。该LCD显示层允许部分光透射，使得来自顶面的光能够部分穿过LCD显示层，到达LCD下方的光学指纹感应器模块。例如，LCD显示层包括电极和布线结构，其在光学上用作孔阵和光散射物。设备电路模块435可以在LCD显示面板下方提供，以控制设备的操作，并执行用户操作设备的功能。

该特定实施方式示例中的光学指纹感应器模块702放置在LCD显示模块433下面。提供了一个或多个照射光源，例如LCD显示模块433下方的照射光源436或/和位于玻璃顶盖431下方的另一个或多个照射光源，用于通过光学指纹感应器模块702提供用于光学感应的照射光或探测光，并且可以被控制发光以使光至少部分地穿过LCD显示模块433照射在设备屏幕区域内供用户将手指放入其中以进行指纹识别的透明顶层431上的指纹感应区域615。来自一个或多个照射光源436的照射光可以被引导到顶面上的指纹感应区域615，就好像这样的照射光来自指纹照射光区域613。另一个或多个照射光源可以位于玻璃顶盖431下方，并且可以邻近顶面上的指纹感应区域615放置，以引导产生的照射光到达玻璃顶盖433而不通过LCD显示模块433。在一些设计中，一个或多个照射光源可以位于玻璃顶盖431的底面上方，以引导产生的照射光到达玻璃顶盖433的顶面上方的指纹感应区域，而不必穿过玻璃顶盖431，例如可以引导照射玻璃顶盖431上方的手指。

如图4A中所示，手指445放置在被照射的指纹感应区域615中，该区域作为用于指纹感应的有效感应区域。区域615中的一部分反射光或散射光被引导到LCD显示模块433下方的光学指纹感应器模块中，并且光学指纹感应器模块内的光电检测器感应阵列接收这样的光，并捕捉该接收光中所携带的指纹图案信息。该一个或多个照射光源436与LCD显示模块的背光源分开，并且独立于LCD显示模块的背光源操作。

在使用一个或多个照射光源436来提供用于光学指纹感应的照射光的这种设计中，在一些实施方式中，可以控制每个照射光源436以相对较低的循环周期间歇地打开，以减少用于光学感应操作的功率。在一些实施方式中，指纹感应操作可以按两步过程实现：首先，一个或多个照射光源436以闪烁模式打开，而LCD显示面板不打开，以使用闪烁光来感应是否有手指触摸感应区域615，并且一旦检测到区域615中有触摸，则操作光学感应模块以基于光学感应执行指纹感应，并且可以打开LCD显示面板。

在图4B的示例中，屏下光学指纹感应器模块包括：透明块701，其耦合到显示面板，以接收来自设备组件的顶面的返回光；以及光学成像块702，其执行光学成像和成像捕捉。在照射光源436被定位成引导照射光首先穿过玻璃顶盖431再到达手指的设计中，来自一个或多个照射光源436的光在到达盖顶面，例如感应区域615处的盖顶面之后，被盖顶面反射或散射回去，其中用户手指触摸盖顶面或定位在不接触盖顶面的地方。当指纹脊接触感应区域615中的盖顶面时，由于手指接触的位置处存在皮肤或组织，所以指纹脊下方的光反射与不存在手指的皮肤或组织的指纹谷下方另一处的光反射是不同的。在盖顶面上的触摸手指区域中的脊和谷的位置处的光反射条件的这种差异，形成了表示手指接触部分的脊和谷的图像或空间分布的图像。反射光被引导回LCD显示模块433，并且在通过LCD显示模块433的小孔之后，到达与光学指纹感应器模块的低折射率透光块701的交界处。低折射率透光块701被构造成具有小于LCD显示面板折射率的折射率，使得返回光可以从LCD显示面板提取到透光块701中。一旦返回光在透光块701内部被接收，这样的接收光进入作为成像感应块702一部分的光学成像单元，并被成像到块702内的光电探测器感应阵列或光学感应阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异产生了指纹图像的对比。如图4B所示，控制电路704(例如，微控器或MCU)耦合到成像感应块702，并耦合到主电路板上的其它电路，例如设备主处理器705。

在本特定示例中，光学光路设计被构造成使得照射光在基底和空气交界面之间的上表面上的全反射角内进入盖顶面，因此，反射光被块702中的成像光学器件和成像感应器阵列最有效地收集。在本设计中，由于每个指谷位置处没有手指组织接触玻璃顶盖431的盖顶面，故而有着全内反射条件，让指纹脊/谷区域的图像呈现最大对比度。这种成像系统的一些实施方式可能具有不期望的光学失真，这会对指纹感应产生不利影响。因此，基于光学感应器阵列处沿返回光光路的光学失真情况，可在块702中光学感应器阵列的输出信号的处理中的成像重建期间，通过失真校正来进一步校正所获取的图像。通过在X方向线和Y方向线上对整个感应区域逐行像素扫描测试图像图案，可以通过在每个光电检测器像素处捕捉的图像来生成失真校正系数。该校正处理还可以使用来自逐个调谐每个单独像素的图像，并扫描光电检测器阵列的整个图像区域。该校正系数仅需要在组装感应器之后生成一次。

来自环境的背景光(例如阳光或室内照射光)可以通过LCD面板顶面和LCD显示组件433中的孔进入图像感应器。这样的背景光会在来自手指的感兴趣图像中产生背景基线，从而可能会降低捕捉图像的对比度，这是不理想的。可以使用各种不同的方法来减少由背景光引起的这种不希望的基线强度。一个示例是以特定的照射调制频率f开启和关闭照射光源436，并且图像感应器通过使光源驱动脉冲和图像感应器帧相位同步而相应地以相同的照射调制频率获取接收的图像。在该操作下，仅一个图像相位包含来自光源的光。在实现该技术时，可以将成像捕捉的时机定为在捕捉图像时，在偶数(或奇数)帧开启照射光，同时在奇数(或偶数)帧关闭照射光，如此可以让偶数帧和奇数帧相减，用于获得主要由调制照射光源发出的光形成的图像，而显著减少背景光。基于这种设计，每个显示扫描帧产生一帧指纹信号，并且通过在一帧中打开照射光而在另一帧中关闭照射光来获得两个连续的信号帧。相邻帧相减可用于最小化或大幅减小环境背景光的影响。在实施方式中，指纹感应帧速率可以是显示帧速率的一半。

在图4B所示的示例中，来自一个或多个照射光源436的光的一部分也可以穿过盖顶面并进入手指组织。这部分照射光向周围散射，并且该散射光的一部分可最终被光学指纹感应器模块702中的成像感应器阵列收集。该散射光的光强度是与手指内部组织相互作用的结果，因此取决于手指的皮肤颜色、手指组织中的血液浓度或手指内层组织。手指的这种信息由手指上的这种散射光携带，对于指纹感应是有用的，可以作为指纹感应操作的一部分被检测到。例如，用户手指图像的区域的强度可以集成在检测中，用于测量或观察与用户心跳的阶段相关或有依赖关系的血液浓度的增加或减少。这个明显特征可用于确定用户的心率快慢、确定用户的手指是否是活人的手指、或者鉴别具有伪造指纹图案的欺骗设备。利用光中携带的手指内部组织有关信息的附加示例将在本专利文件的后面部分提供。

在一些设计中，图4B中的一个或多个照射光源436可以被设计成发射不同颜色或波长的照射光，并且光学指纹感应器模块可以通过该不同的颜色或波长捕捉来自人的手指的返回光。通过记录不同颜色或波长的返回光的对应测量强度，可以测量或确定用户的肤色、手指内的血流或内部组织结构的相关信息。作为示例，当用户登记用于指纹认证操作的手指时，可以操作光学指纹感应器以两种不同颜色或与光色A和光色B相关联的照射光波长，测量来自手指的散射光的强度，分别为强度Ia和Ib。当用户的手指放置在顶部感应表面上的感应区域上以测量指纹时，可以记录Ia/Ib的比率以与在后的测量进行比较。该方法可以用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝伪造指纹的欺骗设备，该伪造的指纹模拟用户的指纹或与用户的指纹相同但可能与用户的肤色或用户的其它生物信息不匹配。

一个或多个照射光源436可以由相同的电子器件704(例如MCU)控制，用于控制块702中的图像感应器阵列。一个或多个照射光源436可以短时脉冲(例如按照低占空比)间歇地发光，为图像感应提供脉冲光。可以操作图像感应器阵列以在相同的脉冲占空比下监视光图案。如果有人手指触摸屏幕上的感应区域615，则可使用在块702中的成像感应阵列处捕捉的图像来检测触摸事件。可以操作连接到块702中图像感应器阵列的控制电子器件或MCU 704以确定触摸是否是通过人的手指触摸。如果确认它是人的手指触摸事件，则可以操作MCU 704以唤醒智能手机系统，打开一个或多个照射光源436以执行光学指纹感应，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像感应器阵列将获取的指纹图像发送到智能手机主处理器705，智能手机主处理器705可被操作以将捕捉的指纹图像与登记的指纹数据库进行比对。如果可以匹配，则智能手机会解锁手机，允许用户访问手机并开始正常操作。如果捕捉的图像不匹配，则智能手机向用户反馈认证失败，并保持手机的锁定状态。用户可以尝试再次进行指纹感应，或者可以输入密码作为解锁手机的替代方式。

在图4A和4B中所示的示例中，屏下光学指纹感应器模块使用透光块701和具有光电检测器感应阵列的成像感应块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案在该光电探测器感应阵列上光学成像。图4B中示出了从感应区域615到块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625，作为示意性示例。透光块701与成像感应块702的光电探测器感应阵列之前的前端一起形成大块(bulk)成像模块，以实现光学指纹感应的良好成像。由于该成像过程中的光学失真，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。

在图4A和4B以及本文所公开的其它设计中的屏下光学指纹感应器模块的光学感应中，从透明顶层431上的感应区域615到屏下光学指纹感应器模块的光学信号包括不同的光分量。图5A-5C示出了在不同光学条件下来自感应区域615的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹感应器模块的操作。从照射光源或从其它光源(例如，背景光)进入手指的光可以在手指表面下方的组织中产生内部散射光，例如图5A-5C中的散射光191。手指表面下方组织中的这种内部散射光可以通过手指的内部组织传播，然后穿过手指皮肤进入透明顶层431，其中携带着某些在手指表面散射、折射或反射的光中没有携带的信息，例如手指皮肤颜色、手指内血液的浓度或流动特性等的有关信息，或同时包含以下两者的手指的光学透射图案：(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；(2)与引起手指外部的脊和谷的手指内部组织结构相关联的内部指纹图案。

图5A示出的示例示意了来自一个或多个照射光源436的照射光在穿过透明顶层431之后，如何传播通过LCD显示模块433，并且生成不同的返回光信号，其中包括携带指纹图案信息到屏下光学指纹感应器模块的光信号。为简单起见，两个不同位置处的两个照射光线80和82被引导到透明顶层431，而没有在透明顶层431的交界处经历全反射。具体地，照射光线80和82垂直于或几乎垂直于顶层431。手指60与透明顶层431上的感应区域615接触。如图所示，照射光束80在透射通过透明顶层431之后，到达与透明顶层431接触的指脊，在手指组织中产生光束183，并且产生另一光束181返回到LCD显示模块433。透射穿过透明顶层431后，照射光束82到达位于透明顶层431上方的指谷，在与透明顶层431的交界处产生反射光束185返回到LCD显示模块433，并且产生第二光束189进入手指组织，还产生被指谷反射的第三光束187。

在图5A的示例中，假设手指皮肤的等效折射率对550nm约为1.44，并且透明顶层431的玻璃盖折射率约为1.51。指纹脊-玻璃盖的交界处将光束80的一部分反射，成为反射光181进入LCD显示模块433下方的底层524。该反射比可能比较低，例如在一些LCD面板中约为0.1％。光束80的大部分变成透射到手指组织60中的光束183，引起光束183的散射，产生返回的散射光191射向LCD显示模块433和底层524。在返回的散射光191中，也包括有来自LCD像素73的透射光束189在手指组织中的散射。

手指皮肤谷位置63处的光束82被玻璃盖表面反射。例如在一些设计中，该反射可以是大约3.5％，作为反射光185射向底层524，指谷表面可以将入射光功率的大约3.3％(光187)反射到底层524，使得全反射可能约为6.8％。大部分的光189被送入手指组织60。手指组织中的透射光189中的部分光功率被组织散射，加入到射向并进入底层524的散射光191。

因此，在图5A的示例中，来自触摸手指的指谷和指脊的各种交界处或表面的光反射是不同的，而反射率的差异就携带着指纹图谱信息，可以被测量以提取与透明顶层431接触并被LCD光照射的部分的指纹图案。

图5B和5C示出了在不同条件下和在相对于手指的谷或脊的不同位置处，包括在与透明顶层431的交界处的全反射条件下，顶面处的两种附加类型的照射光线的光学路径。所示出的照射光线产生不同的返回光信号，包括将指纹图案信息携带到屏下光学指纹感应器模块的光信号。假设玻璃盖431和LCD显示模块433胶合在一起，其间没有任何气隙，使得相对玻璃盖431的入射角较大的照射光在玻璃盖-空气交界处被全反射。图5A、5B和5C示出了三组不同发散光束的示例：(1)中心光束82，其相对玻璃盖431的入射角小，没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201、202、211、212，当玻璃盖431表面没有任何接触时在玻璃盖431处全反射，并且当有手指接触玻璃盖431时，可以耦合到手指组织中(图5B和5C)，以及(3)入射角非常大的逸散光束，即使在有手指接触的位置也会在玻璃盖431处全反射。

对于中心光束82，一些设计中的玻璃盖表面可以反射约0.1％～3.5％到光束185并透射到底层524中，手指皮肤可以反射约0.1％～3.3％到光束187，并且也透射到底层524中。反射差异还取决于光束82是与手指皮肤脊61相遇还是与谷63相遇。其余的光束189被耦合到手指组织60。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束201和202，如果没有任何东西接触玻璃盖表面，则玻璃盖表面反射近100％，分别成为光束205和206。当有手指皮肤脊接触玻璃盖表面并且在光束201和202位置时，大部分光功率可以通过光束203和204耦合到手指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束211和212，如果没有任何东西接触玻璃盖表面，则玻璃盖表面反射近100％，分别成为光束213和214。当有手指触摸玻璃盖表面并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组织60中。

如图5A所示，耦合到手指组织60中的一部分照射光容易经过手指内部组织的随机散射形成低对比度光191，并且这种低对比度光191的一部分可以穿过LCD显示模块433到达光学指纹感应器模块。在由光学指纹感应器模块捕捉的这部分光中，包含着关于手指皮肤颜色、血液特征和与指纹相关联的手指内部组织结构的附加信息。在光学感应中运用的手指表面下方组织中的内部散射光的附加特征将在本专利文件的后面部分中解释，例如可以得到包含以下二者的手指的光学透射图案：(1)指纹外部的脊和谷的二维空间图案，(2)与引起手指外部的脊和谷的手指内部组织结构相关联的内部指纹图案。

因此，在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤上的脊和谷引起不同的光反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。通过比较差异可以实现高对比度指纹信号。

本公开的屏下光学感应技术可以采用各种配置，以基于图2A和2B中所示的设计来光学捕捉指纹。

例如，图4B中在光学感应模块中使用大块成像模块的基于光学成像的具体实施方式可以采用各种配置来实现。图6A-6C、7、8A-8B、9、10A-10B、11和12示出了用于光学指纹感应的屏下光学指纹感应器模块设计的各种实施方式以及附加特征和操作的示例。

图6A-6C示出了基于经由透镜的光学成像的屏下光学指纹感应器模块的示例，用于从按压在显示器玻璃盖423上的手指445捕捉指纹。图6C是图6B中所示的光学指纹感应器模块部分的放大图。如图6B所示的屏下光学指纹感应器模块放置在LCD显示模块433下方，包括：与LCD显示模块433的底面接合的透光间隔物617，以接收来自透明顶层431的顶面上的感应区域615的返回光；成像透镜621，位于间隔物617和光电探测器阵列623之间，将从感应区域615接收的返回光成像到光电探测器阵列623上。与图4B示出的没有透镜的光学投影成像系统的示例不同的是，图6B中的成像设计的示例使用了成像透镜621来在光电检测器阵列623处捕捉指纹图像，并且通过成像透镜621的设计来使得图像能够缩小。图6B中的光学指纹感应器模块的成像系统在某种程度上类似于图4B的示例中的成像系统，会经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正修正来减少这种失真，例如用针对图4B中的系统描述的失真校正方法。

与图5A-5C中的假设类似地，假设手指皮肤的等效折射率对550nm约为1.44，并且玻璃盖423的裸露玻璃盖折射率约为1.51。当LCD显示模块433胶合到玻璃盖431上而没有任何气隙时，对于大于或等于交界面的临界入射角的大角度发生全内反射。如果没有任何东西与玻璃盖顶面接触，则全反射入射角约为41.8°，如果手指皮肤接触玻璃盖顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。

在这种设计中，微透镜621和光电二极管阵列623为捕捉与感应区域615接触的手指的图像界定了视角θ。通过控制物理参数或配置可以良好地对准该视角，以检测感应区域615中玻璃盖表面上想要的部分。例如，可以对准该视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准该视角θ可以感应玻璃盖表面上的有效感应区域615。有效的感应玻璃盖表面615可以被视为反射镜，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示器中的指纹照射光区域613的图像，该图像由感应玻璃盖表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电探测器阵列623可以接收由感应玻璃盖表面615反射的区域613的图像。当手指触摸感应区域615时，一些光可以耦合到指纹的脊中，这将导致光电探测器阵列接收到来自脊的位置的光，显示为指纹上较暗的图像。因为光学检测路径的几何图形是已知的，所以在光学指纹感应器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真是可以校正的。

作为具体示例，考虑图6B中从检测模块中心轴到玻璃盖顶面的距离H是2mm。这个设计可以直接覆盖5mm的有效感应区域615，在玻璃盖上具有宽度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应区域宽度Wc。因为H包括玻璃盖431和显示模块433的厚度，所以应用设计应该考虑这些层。间隔物617、微透镜621和光电二极管阵列623可以集成在透明顶层431的底面上的彩色涂层619下面。

图7示出了图6A-6C中所示的光学指纹感应器模块的光学成像设计的进一步设计考量的示例，其中使用特殊的间隔物618来代替图6B-6C中的间隔物617，以增加感应区域615的大小。间隔物618设计为宽度Ws、厚度Hs、具有低折射率(RI)ns、并且被放置在LCD显示模块433下方，例如附接(例如胶合)到LCD显示模块433的底面。间隔物618的端面是与微透镜621配合的成角度或倾斜的面。间隔物和透镜的这种相对位置与图6B-6C中的不同，在图6B-6C中，透镜放置在间隔物617的下方。微透镜621和光电二极管阵列623组装到光学检测模块中，检测角宽度θ。检测轴625之所以是弯的，是因为在间隔物618和显示模块433之间的交界处以及在玻璃盖431和空气之间的交界处有光学折射。局部入射角φ1和φ2由组件所用材料的折射率RIs、ns、nc和na决定。

如果nc大于ns，则φ1大于φ2。如此，通过折射增大了感应宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效RI对550nm约为1.44，并且玻璃盖折射率RI约为1.51，则如果玻璃盖顶面上没有接触，则全反射入射角估计约为41.8°，并且如果有手指皮肤接触到玻璃盖顶部表面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。如果间隔物618由与玻璃盖相同的材料制成，并且从检测模块中心到玻璃盖顶面的距离是2mm，那么，如果检测角宽度为θ＝31.9°，则有效感应区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角为φ1＝φ2＝57.75°。如果特殊间隔物618所用的材料具有的折射率ns约为1.4且Hs为1.2mm且检测模块倾斜为φ1＝70°。有效感应区域宽度增加到大于6.5mm。在这些参数下，玻璃盖的检测角宽度减小到19°。因此，可以设计用于光学指纹感应器模块的成像系统，以理想地增大透明顶层431上的感应区域615的尺寸。

特殊间隔物618的折射率RI设计得足够低(例如使用MgF₂、CaF₂甚或空气来形成间隔物)，使得有效感应区域615的宽度Wc不再受到玻璃盖431和显示模块433厚度的限制。这个特性提供了所需的设计灵活性。原则上，如果检测模块具有足够的分辨率，则甚至可以增加有效感应区域以覆盖整个显示屏。

由于所公开的光学感应器技术可用于提供用于捕捉图案的大感应区域，因此所公开的屏下光学指纹感应器模块不仅可用于捕捉和检测手指的图案，而且可用于捕捉和检测更大尺寸的图案，例如与用户身份验证相关联的人的手掌。

图8A-8B示出了图7中所示的光学指纹感应器模块的光学成像设计的进一步设计考量的示例，其中设置了光电探测器阵列相对于显示屏表面的检测角θ’和透镜621与间隔物618之间的距离L。图8A示出了沿垂直于显示屏表面方向的横截面视图，图8B示出了从显示屏幕的底部或顶部观察该设备的视图。可以用填料618c来填充透镜621和光电探测器阵列623之间的空间。例如，填料618c可以用与特殊间隔物618相同的材料，也可以用另一种不同的材料。在一些设计中，填料618c可以是空气空间。

图9示出了基于图7设计的屏下光学指纹感应器模块的另一示例，其中提供了一个或多个照射光源614照射顶面感应区域615以进行光学指纹感应。照射光源614可以是扩散型的，也可以是准直型的，使得有效感应区域615内的所有点都被照射。照射光源614可以是单个元件光源，也可以是光源阵列。

图10A-10B示出了屏下光学指纹感应器模块的示例，其使用形成为薄楔形的光耦合器628来改善光学感应器阵列623处的光学检测。图10A示出了具有用于指纹感应的屏下光学指纹感应器模块的设备结构的横截面，图10B示出了设备屏幕的顶视图。光楔628(具有折射率ns)位于显示面板结构下方，以修改与光楔628配合的显示面板结构的底面上的全反射条件，以允许通过底面从显示面板结构中提取光。光学感应器阵列623接收光楔628从显示面板结构提取的光，并且光学成像模块621位于光楔628和光学感应器阵列623之间，以将来自光楔628的光成像到光学感应器阵列623上。在所示的示例中，光楔628包括面向光学成像模块和光学感应阵列623的倾斜光楔表面。同样的，如图所示，光楔628和光学成像模块621之间存在自由空间。

如果光在玻璃盖431的感应表面处被全反射，则反射率是最高效率的100％。然而，如果光平行于玻璃盖表面，则光也将在LCD底面433b处被全反射。楔形耦合器628用于修改局部表面角，使得光能够被耦合出来，让光学感应器阵列623进行检测。LCD显示模块433中的微孔提供了理想的光传播路径，让光穿过LCD显示模块433，进行屏下光学感应。如果光透射角变得太大或者当TFT层变得太厚时，实际的光传输效率可能会逐渐降低。当角度接近全反射角时，即当玻璃盖折射率为1.5时约为41.8°，则指纹图像看起来很好。因此，楔形耦合器628的楔角可以调整为若干度，使得可以提高或优化检测效率。如果玻璃盖选择更高的折射率，则全反射角变小。例如，如果玻璃盖由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。显示器中的检测光传输效率也能得到改善。因此，这种设计使用薄楔形来设置检测角度高于全反射角度，和/或使用高折射率玻璃盖材料来提高检测效率。

在图6A-6C、7、8A-8B、9和10A-10B的屏下光学指纹感应器模块设计中，顶部透明表面上的感应区域615与光学指纹感应器模块的检测轴625不垂直或正交，从而使得感应区域的成像面与检测轴625也不垂直或正交。因此，光电探测器阵列523的平面可以相对于检测轴625倾斜，以在光电探测器阵列623处实现高质量成像。

图11示出了该倾斜的三个示例配置。图11(1)显示，感应区域615a倾斜且不垂直于检测轴625。在(2)所示的具体情况中，感应区域615b被对准，位于检测轴625上，其成像平面也将位于检测轴625上。在实践中，透镜621可以被部分截断，以简化封装。在各种实施方式中，微透镜621也可以是透射型或反射型。例如，在(3)中示出了一种具体方式。感应区域615c由成像镜621a成像。光电二极管阵列623b被对准，以检测信号。

在使用了透镜621的上述设计中，透镜621可以设计成有效光圈(effectiveaperture)大于LCD显示层中允许光通过LCD显示模块传输以用于光学指纹感应的光圈。该设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其它散射物体的不期望的影响。

图12示出了指纹感应器的操作的示例，用于在指纹感应中减少或消除来自背景光的不期望的效应。光学感应器阵列可用于捕捉各种帧，并且捕捉的帧可用于在多个帧之间执行差分和求平均操作以减少背景光的影响。例如，在帧A中，用于光学指纹感应的照射光源被打开以照射手指触摸区域，在帧B中，照射被改变或被关闭。可以在图像处理中从帧A的信号中减去帧B的信号，以减少不期望的背景光影响。

通过在光路中提供适当的光学滤波，也可以减少指纹感应中的不希望的背景光。可使用一个或多个滤光器来剔除环境光的波长，如近红外(IR)和一部分红光等。在一些实施方式中，这种滤光镀层可以在光学部件的表面上制作，包括显示器底面、棱镜表面、感应器表面等。例如，人类手指主要吸收～580nm以下波长的能量，如果可以设计一个或多个滤光器或滤光镀层来剔除波长在580nm到红外之间的光，则可大幅降低环境光对指纹感应中的光学检测的不期望的效应。

图13示出了用于校正光学指纹感应器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301，控制和操作一个或多个照射光源以在特定区域发光，并且通过频率F调制这些像素的光发射。在步骤1302，操作显示面板下方的成像感应器，在同为频率F的帧率下捕捉图像。在光学指纹感应操作中，将手指放置在显示面板盖基底的顶部上，则手指的存在调制显示面板盖基底顶面的光反射强度。显示器下方的成像感应器捕捉指纹调制后的反射光图案。在步骤1303，将来自图像感应器的信号的解调与频率F同步，执行背景减除。得到的图像具有减小的背景光效应，并且包括来自发光像素的图像。在步骤1304，处理并校准捕捉到的图像以校正图像系统失真。在步骤1305，将校正后的图像作为用于用户认证的人体指纹图像。

用于捕捉用户指纹的相同光学感应器也可用于捕捉来自被照射手指的散射光，如图5A中所示的背散射光191。可以对来自图5A中感兴趣区域的背散射光191的检测器信号积分，得到强度信号。评估该强度信号的强度变化以确定指纹图案之外的其它参数，例如用户的心跳或与外部指纹图案相关联的手指的内部拓扑组织。

上述指纹感应器可能因恶意者获得授权用户的指纹并将被盗指纹图案复制到类似人手指的载体对象上而受到攻击。这种未授权的指纹图案可能在指纹感应器上使用来解锁目标设备。因此，指纹图案虽然是一种具备唯一性的生物特征识别码，但它本身未必是完全可靠或安全的识别手段。屏下光学指纹感应器模块还可以用作光学反欺骗感应器，用于感应具有指纹图案的输入物体是否是来自活人的手指，并且用于确定指纹输入是否是指纹欺骗攻击。可以在不使用单独的光学感应器的情况下提供这种光学反欺骗感应功能。光学反欺骗可以提供高速响应，而不会损害指纹感应操作的整体响应速度。

图14示出了在血液中监测的材料的示例性消光系数，其中光吸收在可见光谱范围(例如660nm的红光)和红外范围(例如940nm的红外光)之间是不同的。通过使用探测光以第一可见波长(颜色A)和波长不同的第二波长(诸如红外(infrared,IR)波长(颜色B))照射手指，可以捕捉输入物体的光吸收的差异，以确定触摸到的物体是否是活人的手指。用于提供光学感应的照射的一个或多个照射光源可用于发射不同颜色的光，以发射至少两种不同光波长的探测或照射光，以使用血液的不同光吸收行为进行活人手指检测。当一个人的心脏搏动时，脉压使血液泵入动脉，因此血液中被监测物质的消光比随着脉搏的变化而变化。接收的信号中就携带着这种脉冲信号。血液的这些特性可用于检测被监测物质是活人指纹还是假指纹。

图15示出了来自非生命材料(例如假手指或具有伪造指纹图案的欺骗装置)和活人手指的反射光中的光信号行为之间的对比。光学指纹感应器还可以用作心跳感应器以监测生物体。当检测到两个或更多个波长的探测光时，就可以用消光比差异来快速确定被监测物质是否活体，例如活人的指纹。在图15所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图14所示一样，一个在可见波长，另一个在IR波长。

当非生命物质接触指纹感应器模块上方的玻璃顶盖时，所接收的信号揭示与非生命材料的表面图案相关的强度水平，并且所接收的信号不包含与活人的手指相关联的信号分量。然而，当活人的手指触摸玻璃顶盖时，接收的信号揭示与活人相关的信号特征，包括明显不同的强度水平，因为消光比对于不同波长是不同的。该方法不需要花费很长时间就能确定触摸物质是否是活人的一部分。在图15中，脉冲形信号反映的是多次触摸而不是血液搏动。类似的，使用非生命物质多次触摸不会显示由活人手指引起的差异。

这种利用血液的光吸收行为对于不同光波长而言不同的光学感应，可以在短时间内进行以检测活人手指，并且可以比使用相同光学感应器对人的心跳的光学检测更快。

在LCD显示器中，LCD背光照射光是白光，因此包含可见光和IR光谱范围的光，用于在光学指纹感应器模块上执行上述活人手指检测。LCD显示模块中的LCD滤色器可用于允许光学指纹感应器模块获得图14和15中的测量。另外，产生光学感应的照射光的指定光源436可以被操作以在不同时间按选定的可见波长和IR波长发射探测光，并且这两种不同波长的反射探测光被光学检测器阵列623捕捉，以基于图14和15中所示的上述操作，确定触摸物体是否是活人手指。值得注意的是，尽管在不同时间选择的可见波长和IR波长的反射探测光可以反映出血液的不同的光吸收特性，但指纹图像始终可以被不同时间的选定的可见波长的探测光和IR波长的探测光捕捉。因此，可以在可见波长和IR波长下进行指纹感应。

图16示出了通过操作用于光学感应的一个或多个照射光源用两种不同的色光照射手指来确定与LCD显示屏接触的对象是否属于活人手指的一部分的操作过程的示例。

再例如，除了上文所述的血液在不同光波长下的光吸收不同之外，本公开的光学感应器技术还可以通过其它“活体手指”检测机制来检测所捕捉或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然动作或运动(不论是有意还是无意)，或当血液流过人体时会有与心跳相关的脉动，故而活人的手指往往会出现移动或拉伸变形。在一个实施方式中，光学指纹感应器模块可以检测由于心跳/血流变化使得来自手指或手掌的返回光出现的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的对象中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感应和确定活人存在的结合，以增强访问控制。再例如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化会以一种或多种方式反映出来，包括指纹图案变形、手指与屏幕表面之间的接触区域的变化、指纹脊变宽、或血流动力学的变化。这些和其它变化可以通过基于本公开的光学感应器技术的光学感应来测量，并且可以用于计算触摸力。该触摸力感应可用于向光学指纹感应器模块添加除指纹感应之外的更多的功能。

在上述示例中，指纹图案通过成像模块在光学感应器阵列上捕捉，如图4B和6B所示，光学失真倾向于降低图像感应保真度。这种光学失真可以用各种方式校正。例如，可以用已知的图案在光学感应器阵列处生成光学图像，并且已知图案中的图像坐标可以与在光学感应器阵列处所生成的具有失真的光学图像相关联，用于校准光学感应器阵列输出的成像感应信号，从而进行指纹感应。指纹感应模块参考标准图案的图像，对输出坐标进行校准。

根据本专利文件中公开的内容，可以对本公开的光学指纹感应器模块进行各种实施。

例如，可以构造一种显示面板，其中每个像素都发光，并且可以单独控制；该显示面板包括至少部分透明的基底；以及盖基底，其基本上是透明的。光学指纹感应器模块放置在显示面板下方，以感应显示面板表面顶部的图像形式。光学指纹感应器模块可用于从显示面板像素发出的光中感应图像形式。光学指纹感应器模块可包括折射率低于显示面板基底的透明块，以及具有成像感应器阵列和光学成像透镜的成像感应器块。在一些实施方案中，低折射率块的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范围内。

又例如，可以提供一种用于指纹感应的方法，其中从显示面板发射的光被盖基底反射，放置在盖基底顶部的手指与光相互作用，以通过指纹来调制光反射图案。显示面板下方的成像感应模块用于感应反射光图案图像并重建指纹图像。在一个实施方式中，来自显示面板的发射光在时域中被调制，并且成像感应器与发光像素的调制同步，其中解调过程将剔除大部分背景光(即并非来自目标像素的光)。

III、用于屏下光学感应的透镜-针孔成像设计

在本文公开的用于指纹感应的屏下光学指纹感应器模块技术的各种实施方式中，可用具有至少一个成像透镜的成像模块，在屏下光学指纹感应器模块中实现手指被照射的接触部分到光学感应器阵列上的光学成像。成像模块的透镜效应一部分用于控制返回光的空间扩散，以免在空间上扰乱光学感应器阵列处来自手指接触部分不同位置的返回光，使得当成像透镜引导返回光到达光学感应器阵列时，返回光上对应手指的指纹图案的空间信息可以被成像透镜以理想的空间成像分辨率保留。具有单个成像透镜或具有两个或更多个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光圈成比例。因此，高分辨率成像透镜需要大的数值光圈，因此需要具有大直径的透镜。基于透镜的成像模块的这个方面，不可避免地需要大块透镜系统来产生高分辨率成像系统。另外，给定的成像透镜具有的视场有限，会随着焦距的减小而增加，并随着焦距的增加而减小。

在许多指纹感应应用中，诸如在移动设备中的显示屏下实现的光学指纹感应器中，期望具有具有高空间成像分辨率和大视场的紧凑成像系统。鉴于上述基于透镜的成像系统的各种成像特征的利弊，下面提供一种用于光学指纹感应的紧凑光学成像系统，其将透镜和针孔组合成透镜-针孔成像系统，其中透镜用于形成基于透镜的成像系统，以通过透镜实现高空间成像分辨率，并通过同一透镜减小光学探测器阵列处捕捉的图像的尺寸，从而减小光学探测器阵列的尺寸，并且将针孔放置在透镜前面，从而形成针孔摄像头，在光学成像中产生大视场而不需要大直径透镜。传统的针孔摄像头可以包括用于光学成像的小光圈，可以产生大视场，只是由于光圈小和空间成像分辨率低，图像亮度有限。成像透镜和针孔摄像头的组合，在适当设计时，可受益于成像透镜的高空间成像分辨率和针孔摄像头的大视场。

图17示出了放置在LCD显示屏下方的光学指纹感应器模块4620的一个示例，其中针孔和透镜用于形成光学指纹感应器模块4620的光学成像系统。一个或多个照射光源436设置在LCD显示模块433下方的位置，其产生照射光通过LCD显示模块433和透明顶层431，透明顶层431包括透明层431顶面上的感应区域615。在透明顶层431下方提供一个或多个照射光源4661，以产生照射光到透明层431顶面上的感应区域615。一个或多个照射光源436可以位于光学指纹感应器模块4620中或旁边，除了为指纹感应提供照射外，还提供呼吸灯指示器，用于指示光学指纹感应正在进行中，或者光学指纹感应器模块4620被打开或激活。

在图17所示的示例中，光学感应模块4620是个紧凑的模块，使用了小直径的微透镜4621e，其直径可以与针孔的尺寸大致相同，略大于针孔。微透镜4621e接合到针孔结构4621g，针孔结构4621g是光学不透明的，并且可以是形成在具有透光材料的针孔基底4621f的表面上的黑化或金属材料层，其具有作为针孔4643的开口。透镜4621e放置在针孔基底4621f的下侧。在操作中，针孔结构4621g中的针孔4643上方的光学层被构造成在收集来自LCD显示面板的返回光时产生大的光学视场并将收集的光朝向光学感应器阵列4623e透射。光学感应器阵列4623e中的光学检测器响应接收的光学图案以产生检测器信号，并且检测器电路模块4623f耦合到光学感应器阵列4623e以接收和处理检测器信号。在一些实施方式中，检测器电路模块4623f可以包括柔性印刷电路(flexible printed circuit,FPC)。微透镜4621e接收来自针孔的透射光，并将所接收的光聚焦到光学感应器阵列4623e上，与没有微透镜4621e的情况下将光投射到光学感应器阵列623e上时针孔的较低空间成像分辨率相比较，可在光学感应器阵列4623e上用增强的空间成像分辨率进行光学成像。在该设计中，通过使用微透镜4621e来补偿针孔的低分辨率，并且微透镜4621e的有限视场由低折射率层4618e、高折射率层4621f和针孔4643的组件的大视场补偿。

在图17中所示的使用针孔-透镜组件进行光学成像的示例中，针孔-透镜组件的物平面靠近透明层4431的顶面上的顶部有效感应区域615，例如用于触摸感应LCD显示面板的玻璃盖，并且针孔-透镜组件的成像平面是光学感应器阵列4623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基底4621f之外，在针孔基底4621f和LCD显示面板之间还设置有折射率低于针孔基底4621f的透光间隔物4618e。在针孔基底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。在一些实施方式中，低折射率间隔物4618e可以是气隙。这种设计在低折射率间隔物4618e和高折射率针孔基底4621f之间提供两种不同光学材料的光学交界面，并且在该交界处的光学折射将低折射率间隔物4618e中来自LCD显示面板的入射光的大视场(field of view,FOV)(例如在某些情况下约140度)转换为高折射率针孔基底4621f中较小的FOV。因此，由针孔-透镜组件产生的输出光线具有相对小的FOV。

这种减小FOV的设计在若干方面可能是有利的。首先，光学指纹感应器模块4620的低折射率间隔物4618e中的光学输入FOV允许输入具有大的FOV。其次，由位于高折射率针孔基底4621f下方的针孔-透镜组件处理的实际FOV是相对于光学输入FOV的减小的FOV，使得具有大入射角的光线受到该减小的FOV的限制。这是有益的，因为在针孔-透镜组件处由大入射角的光线引起的图像失真可通过该减小的FOV而减小。另外，针孔-透镜组件处的这种减小的FOV也减少了不期望的针孔阴影效应，以免使光学感应器阵列处的图像亮度分布失真。

与在一些针孔摄像头设计中使用直径约40微米的针孔的常规针孔相机不同，在不透明层4621g中形成的针孔4643被设计成具有比针孔摄像头中的针孔的典型尺寸大得多的直径，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，通过在针孔4643正上方的针孔基底4612f上使用高折射率材料并在针孔基底4612f上方使用低折射率层4618e，允许针孔4643具有远大于针孔摄像头中针孔的典型尺寸的直径同时仍然实现大的FOV。例如，在一些实施方式中，透镜4621e被构造为半球透镜，具有面向针孔4643的平坦表面，以及部分球面，该部分球面将来自针孔4643的光导向光电探测器阵列4623e，此时，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17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。在本示例中，透光间隔物4621h和保护层4623g设置在从针孔-透镜组件到光学感应器阵列4623e的光路中。在一些实施方式中，间隔物4621h可以是诸如气隙的低折射率层，并且保护层4623g可以是覆盖光学感应器阵列4623e的光学检测器的顶部并且折射率高于间隔物4621h的层。层4621h和4623g可以构造成减少或消除光学感应器阵列4623e处的成像失真。当光在介质交界处折射时，折射光线方向上存在非线性，并在光学感应器阵列4623e处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真变得更加明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜场(例如，从顶部玻璃层4431的顶部感应表面到针孔基底4621f的光学层)来选择间隔物4621h和4623g的光学厚度比。

沿着从LCD显示面板顶部到光学感应器阵列4623e的光的光学路径，在不同光学材料的每个交界处发生光学失真。一种用于减少这种光学失真的设计技术是在针孔-透镜组件的下侧(即，针孔-透镜组件的成像侧的光学层)上提供光学匹配结构，以对应于针孔-透镜组件上侧(即针孔-透镜组件的物体侧的光学层)的光学结构，使得在针孔-透镜组件的物体侧沿着从LCD面板到针孔-透镜组件的光学路径上的一个交界处发生的光学失真能够被针孔-透镜组件的成像侧沿着从针孔-透镜组件到光学感应器阵列4623e的光学路径上的匹配的交界处的光学折射来消除或抵消。针孔-透镜组件的成像侧中的光学匹配层通过考虑针孔-透镜组件中的透镜的光功率来设计。在仅具有针孔4643而没有透镜4621e的针孔成像系统中，当物体和像场之间介质不匹配时，就存在光学失真。通过使用放置在顶部感应表面上的网格图案来测试失真，当FOV较大时，这种光学失真可以是桶形失真的形式。由物体和针孔4643的像场之间的光学层不匹配引起的桶形失真是不希望的，因为它们直接影响光学感应器阵列4623e捕捉的指纹图案的精确度。应注意，在光学感应器阵列4623e处的成像场的中心部分的这种失真的水平通常高于周边部分。

为了减轻这种失真，在成像场中针孔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，以逆转由物体侧的材料层引入的失真。这是通过匹配大入射角下的折射行为来实现的，以便校正图像使其在探测器表面上线性形成。例如，在成像倍率为1/5的针孔成像系统中，如果在针孔4643上方有2mm厚的玻璃层和1mm厚的气隙层，则可以在针孔4643下方、光学感应器阵列4623e上方提供厚度为0.4mm的玻璃层和厚度为0.25mm的气隙，以减少光学感应器阵列4623e处的光学失真。本技术可用于针对针孔4643上方的复合材料层，在针孔4643下方提供匹配的层。

图18示出了光学指纹感应器模块上方的LCD显示模块中的不同层的示例。在该实施例中，感应器模块4620集成在LCD显示模块下方。照射光源4661和附加光源4664也集成在感应器模块4620中或靠近感应器模块4620。在LCD显示屏内靠近边缘处显示的用于光学指纹(fingerprint,FP)感应的虚拟按钮是虚拟的，因为它所在的区域是整个显示器上的连续顶面(没有用于指纹感应的单独物理按钮)，并且该显示区域被指示为用于指纹感应的有效感应区域615(图17)。

在图18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传输路径以允许来自顶部感应区域的探测返回光到达LCD显示模块下方的光学指纹感应器模块。在这种材料中，可以形成透光孔或狭缝。为了改变显示器上光学感应器位置处的外观，以便降低光学感应器的显眼程度，可以在背光波导层4433f上方的棱镜4433c上集成漫射膜4433d，将光漫射到LCD像素，实现均匀照射，并且可以在背光波导层4433f下方的镜膜4433g上集成附加的漫射器4433i，将背光反射或再循环回LCD层以提高照射效率。在一些实施方式中，附加的漫射膜4433d和4433i可以被形成为围绕光学指纹感应器模块边缘的条纹，以漫射在光路中散射的光，使得LCD显示模块下方的光学指纹感应器模块周围的光路的边缘被隐藏或不太明显。

图19示出了图17中的设计的示例实施方式，其中针孔基底4621f的底面上的针孔层镀层4621g被构造成在其上方面向针孔基底4621f的一面具有高光学反射。该特征用于补偿光学指纹感应器模块4620上方的LCD层中的镜膜孔或光学反射器层或漫射层的区域反射。

在一些实施方式中，可以在针孔基底4621f的顶部上施加如图19所示的附加的漫射层4621i来引起光学漫射，并且附加漫射层4621i的中心部分可能包括清晰的光路，接收来自LCD显示模块的返回光以进行光学感应。

此外，图19示出了安装在附加漫射层4621i下方的一个或多个附加光源436a的示例位置。从附加光源436a发射的光被漫射器4621i散射。附加光源436a可以发射不同光波长的光，例如包括用于手指照射的波长和用于其它功能的其它波长，例如呼吸灯功能等。

图20示出了提供一个或多个玻璃盖下光源4661照射触摸手指4447以进行光学感应的示例。由一个或多个玻璃盖下光源4661产生的光由光4661a表示，可以透射到手指组织中，或通过手指皮肤的角质层传播。例如，当光4661a穿过手指皮肤并穿透手指组织时，光被手指组织散射。散射光的一部分作为携带指纹信息的信号光4661b出射并由光学指纹感应器模块4620检测，该指纹信息包括与外部指纹图案相关联的内部组织拓扑结构的信息。信号光4661b以大角度入射到顶部玻璃上的感应区域，可以在皮肤潮湿或干燥时捕捉并携带指纹信息。因此，使用一个或多个玻璃盖下光源4661可以改善感应器的检测性能和可靠性。

图17中示例的用于光学成像的针孔-透镜组件可以实现更高的空间成像分辨率，以捕捉到被捕捉图像中的精细特征，其空间成像分辨率超过仅有针孔4643而没有透镜4621e的系统。这种更高的空间成像分辨率是具有透镜4621e的结果。图21A和21B示出了仅有针孔时的成像操作和针孔-透镜组件的成像操作。

参考图21A，示出了没有透镜的针孔成像系统，针孔4643对入射光束4661进行衍射，产生衍射输出光束4673，该输出光束4673由于针孔4643的衍射而发散。该发散光束4673在成像平面4667处形成图像光斑4679，其反映了该成像系统的分辨率。

图21B示出了在针孔4643下方添加的微透镜4621e。由于微透镜4621e和针孔4643的这种组合，微透镜4621e的曲率改变了由针孔4643衍射的光束的波前，在成像平面4667处产生的光斑4681小于单独有针孔4643而没有透镜4621e产生的光斑4679。

通过实现该针孔-透镜组件，可以在图17的示例中提供紧凑的光学指纹感应器模块4620。由于介质交界处的折射，可以通过使用不同的光学材料来控制光传播角度。例如，如图22所示，如果针孔基底4621f上方的介质中的折射率n1低于针孔基底4621f的折射率n2，则具有大入射角的光束4683在进入针孔基底4621f之后，会弯曲成具有较小角度的光束4685。因此，通过在针孔基底4621f上使用高折射率材料，可以实现超大视场，用于在针孔-透镜组件的物体侧接收输入光。在一些实施方式中，通过在针孔基底4621f上使用高折射率材料，可以在针孔基底4621f的折射率与针孔基底4621f上层的折射率之间产生足够大的差异，从而实现大FOV(例如接近或高于140度)。

上述在针孔基底4621f的顶面处实现光线大幅度衍射弯曲的设计可以在光路中结合一些低折射率间隙(例如气隙)，从而减小光学指纹感应器模块的厚度。另外，来自针孔-透镜组件的图像的图像均匀性也可以得到改善，这是由于针孔基底顶部4621e的折射较大，故而进入针孔基底下方的透镜的光线的倾斜角减小了，FOV也变小了。

在针孔-透镜组件中，微透镜放置在针孔4643下方，因此由于针孔4643的开口小，故而微透镜的光学光圈也小。这样，微透镜表现出较低的像差，这是因为微透镜从针孔4643收集到的光线通常会靠近微透镜的曲面的轴线。

在实现该针孔-透镜组件时，针孔4643的中心位于微透镜4621e的表面的中心处或其附近。在图22的示例中，半球透镜作为示例示出，其接合到(例如被胶合)针孔板以实现本配置。半球透镜4621e的平坦表面朝上，与针孔4643接合，半球透镜4621e的平坦表面的中心位于针孔4643的中心处或附近。在这种设计下，对于通过针孔4643入射到半球透镜4621e的平坦表面的入射光，不论入射角是小是大，其光线方向都会与半球透镜4621e的径向方向(也即该透镜在该方向上的光轴)同向。这种配置减少了光学像差。对于在针孔基底4621f的顶部具有不同入射角的光束4663和4683，在进入针孔基底4621f之后，光路会被改变为接近半球透镜表面的相应光轴4689和4691。因此，在本具体设计下，由光束4663和4683形成的图像光斑4681和4693虽然具有不同的入射角，但表现出低的光学像差。

针孔-透镜组件受到光圈阴影效应的影响，这使得成像平面(光学感应器阵列4623e)处的最终图像在中心处更亮并且在周边区域中更暗，并且亮度从中心到外周沿着径向方向逐渐变化。这个效应使得在光学感应器阵列4623e处捕捉的图像劣化，可以通过使用修正空间亮度分布的校正光学滤波来减少。例如，可以将具有空间梯度透射情况的滤光器插入由光学指纹感应器模块接收的光的光学路径中，例如LCD显示面板和光学感应器阵列之间的位置。该梯度透射滤光器被构造成在针孔的中心处或附近表现出较高的光衰减，同时光衰减从针孔的中心径向向外减小，以抵消由针孔引起的光强度分布的空间变化。图23示出了这种梯度透射滤光器的光学衰减情况的示例，其具有从中心向边缘减小的径向梯度衰减。

在实施方式中，梯度透射滤光器可在光路的表面上包括一个或多个镀层以校正图像亮度不均匀的问题，该镀层可在例如显示器底面、模块部件表面或光学感应器阵列的顶面等表面上制作。除了对抗因为光圈阴影效应而导致的空间不均匀性之外，该滤光器还可以被配置为校正其它类型的亮度不均匀性，并且还可以包括能够减少其它光学失真和光学像差的特征。

上述公开的使用针孔-透镜组件在光学感应器阵列上光学成像的光学指纹感应器模块也可用于构造位于顶部玻璃盖下面的光学指纹感应器模块，但该模块放置在同样放置在同一个顶部玻璃盖下面的LCD显示屏旁边。这种光学指纹感应器模块可以放置在同一顶部玻璃盖下面的LCD显示屏旁边，以允许LCD显示器和光学指纹感应器模块上方有共同且连续的顶部表面，若干示例在第VIII小节中提供，标题为“LCD显示器一侧的光学指纹感应器”。

IV、LCD下隐形光学指纹感应器设计

根据一些实施方式，为了使屏下光学指纹感应器模块“隐形”，光学指纹感应器模块可以放置在显示屏的不透明边界下方。在许多商业生产的LCD屏中，在LCD屏的外围侧存在光学不透明边界，如围绕LCD屏的中心区域的外围不透明边框。图24A示出了LCD显示屏的顶视图，其中在LCD屏的四边上形成外围不透明边框3220，并且阻挡位于LCD屏幕的四边上的边界区域中的LCD显示像素，使得在显示操作期间，仅有通过外围不透明边框3220的开口暴露的中央LCD显示区域3210对用户可见。

因此，如图24A和24B所示，LCD下光学指纹感应器模块可以放置在LCD屏下的外围不透明边框3220所覆盖的区域附近或之内，使得位于外围不透明边框3220下方和光学指纹感应器模块上方的LCD屏部分3230可以接受改造，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，用于将携带指纹信息的探测光引导到光学指纹感应器模块。

图24B示出了图24A中标记的圆形区域下方的不同层的横截面视图。具有用于将光引导到光学指纹感应器模块的光学透射特征或区域的LCD屏部分3230放置在外围不透明边框3220下方，因此当观看LCD显示图像时，用户基本上看不见，因为外围不透明边框3220在上方，并且从用户的视角隐去了LCD屏部分3230。值得注意的是，与LCD下光学感应设计的一些其它示例不同的是，屏内FPS感应区域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。因此，下面的光学指纹感应器模块的位置在空间上偏离屏内FPS感应区域615的位置，因为下面的光学指纹感应器模块被放置在外围不透明边框3220下面而不是直接在屏内FPS感应区域615下面。

将光学透射特征或区域的LCD屏部分3230部分或全部放置在外围不透明边框3220下方以将探测光引导到LCD下光学指纹感应器模块的这种设计被称为“隐形”光学感应器设计。即使当提供一个或多个附加照射灯4663或4661来照射屏内FPS感应区域615上面用户放置手指进行光学指纹感应和其它光学感应操作的区域时，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以及下面的光学指纹感应器模块使其不被看见。

在这种设置下，屏内FPS感应区域615不再能够放置在LCD屏中的任何位置，而应该是LCD屏中位于LCD屏部分3230的具有局部透射特征或区域的位置附近地方，使得来自屏内FPS感应区域615并到达外围不透明边框3220下方的LCD屏部分3230的光的一部分可以被引导通过LCD屏，到达下面的光学指纹感应器模块进行光学感应。在该设计的各种实施方式中，具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230被设计成提供从屏内FPS感应区域615到LCD下光学指纹感应器模块的一个或多个光接收路径(至少部分地由外围不透明边框3220覆盖)，以改进光学检测性能，同时可以独立于该特殊设计，实现屏内FPS感应区域615的照射。例如，一个或多个附加照射灯4663或4661可以放置在期望的位置，以将照射光引导到屏内FPS感应区域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感应区域615。

将具有局部透射特征或区域的LCD屏部分3230放置成至少部分地被外围不透明边框3220覆盖的上述设计可以应用于LCD下光学指纹感应器模块的各种配置，用于实现图24中的设计。例如图4B中的，使用投影系统从屏内FPS感应区域615收集光的LCD下光学指纹感应器模块；或者图6B、7、8A、9和10A中的成像系统，其具有位于LCD屏下方通往光学感应器阵列的光学路径上的透镜，从屏内FPS感应区域615收集探测光，并将收集的探测光投射到光学感应器阵列；或者图17至23中的针孔与针孔下游的透镜的结合，其接收从针孔透射而来的探测光，并将接收的探测光聚焦到光学感应器阵列上以进行光学成像。

返回参考图24A-24B，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可以用于各种设计中，以增加LCD屏部分3230的光学透射以及形成透射孔或者比LCD屏的其它部分更多的透射区域。图25A-25C示出了一个具体示例，其中LCD屏的外围部分被修改，通过在修改后的LCD屏部分3230中提供改进的光学传输，形成前述的LCD屏部分3230，其中如图所示在下面的光学指纹感应器模块4620使用了图17所示的针孔和透镜的结合，来为例如光学感应器阵列收集光。

在这个设计示例中，如图25A和25B所示，LCD下光学指纹感应器模块使用针孔4643和微透镜4621e一起形成光学系统，用于从透明顶层431上的FPS感应区域615收集光，并将收集的光导向光学指纹感应器模块4620中的光学感应器阵列4623e，以同时实现大视场和高成像分辨率。更多详细描述可参见图17至23和有关描述。间隔物4621h可以是低折射率材料层，例如气隙，保护层4623g可以是带通滤光器。图25B示出了提供一个或多个玻璃盖下附加照射光源4661，以照射待检测的手指，并在从屏内FPS感应区域615到LCD屏部分3230到光学指纹感应器模块的光学路径中产生探测光。附加光源4663可以邻近光学指纹感应器模块4620放置，或在光学指纹感应器模块4620正上方，以提供手指照射的局部照射。这些光源还可以用作呼吸灯，以指示光学指纹感应器模块的操作状态。如后面部分中进一步说明的，其它光源，例如环境光源，也可以用作光学感应的探测光源。

图25A-25C示出了通过剥离LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e以及该LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e下面的其它层的一小部分，来修改LCD屏的周边部分，以形成LCD屏部分3230。移除LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e的周边部分以产生用于光学透射的空隙，以形成如图25A所示的修改后的LCD棱镜和漫射膜5433c和5433e。该空隙用于在LCD层433b下方和背光波导层4433f上方插入光耦合器5617。该光耦合器5617可以实现为具有锥形楔部的楔形光耦合器，其延伸到剥离和修改后的LCD棱镜和漫射膜5433c和4433e之间的空间中，并且这个锥形楔部可以到达未被外围不透明边框3220覆盖的LCD屏区域3100，用作光路以更好地从屏内FPS感应区域615收集光。因此，光耦合器5617包括接收来自屏内FPS感应区域615的光的耦合器顶部，并且将从屏内FPS感应区域615接收的光沿着倾斜光学路径路由到外围不透明边框3220下方的区域，被隐蔽的光学指纹感应器模块4620位于该区域，以收集来自屏内FPS感应区域615的接收光，用于光学感应。光耦合器5617的这个特征仅影响LCD屏在外围不透明边框3220附近的小区域，使得对显示质量的影响不明显。薄间隔物5617a形成在LCD层4433b的底面和光耦合器5617的顶面之间，并且可以是例如柔软的透光或透明的粘合剂层。这样，来自屏内FPS感应区域615的探测光穿过薄间隔物5617a，被光耦合器5617收集，并被引导到背光波导层4433f中。

在其它实施方式中，LCD屏的外围部分从LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e以及LCD棱镜和漫射膜4433c和4433e下面的其它层的一小部分分离或剥离，以产生用于光传输的空隙，插入光学指纹感应器模块。例如，LCD显示面板结构的背光模块包括至少部分地被外围边界覆盖的区域内的外围区域，并且其与LCD显示面板结构的其它部分分离，以提供在外围不透明边界下方放置光学指纹感应器模块的位置。

对剥离的LCD外围部分的另一种修改是：去除光学反射膜层4433g外围的一小部分作为修改后的光学反射膜层5433g，从而露出背光波导层4433f的底面，用于放置光学指纹感应器模块4620。在本示例中，光学指纹感应器模块4620的顶面是针孔基底4621f，其靠着背光波导层4433f的底面放置，以接收由光耦合器5617引导的光。在本示例中，光学路径由屏内FPS感应区域615出发，通过透明顶层431，通过触摸感应层4433a、LCD层4433b、间隔物5617a、光耦合器5617和背光波导层4433f，进入光学指纹感应器模块4620，整条光路上不含气隙。在其它实施方式中，气隙可以存在于上述光学路径中。

图25B示出了基于LCD屏的外围部分的上述修改的LCD屏部分3230的大体几何形状，其中在透明顶层431下方和背光波导层4433f上方放置了两类附加照射光源4661和4663。

图25C显示，除了LCD屏部分3230的外围部分之外，LCD屏的其它部分未被修改，以其最初制造的位置示出。

图26示出了图25A-25C中设计的实施方式的示例，其中光学指纹感应器模块4620集成在LCD组件下方靠近LCD屏结构一端的背光源434的位置。光学指纹感应器模块4620的光路在LCD显示器的工作区域(例如实际的LCD显示区域3100)之外，使得对观察者而言，光学指纹感应器模块4620隐藏在LCD不透明边界下方，基本上隐形。在本示例中，修改后的LCD反射膜层5433g下方的LCD外壳4433h位于光学指纹感应器模块4620上方，并且在光学指纹感应器模块4620处具有透光窗口，以允许所收集的光进入光学指纹感应器模块4620。

总之，上述用于能够通过光学感应检测指纹的电子设备(例如智能手机、平板电脑等)的隐形光学指纹感应器模块设计是基于提供触摸感应操作的LCD屏的，并且包括显示图像的LCD显示面板结构，以及围绕LCD显示面板结构的中心区域并覆盖LCD显示面板结构一道狭窄的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，用于产生背光照射LCD层，以在外围不透明边界内在LCD显示面板结构的中心区域中显示图像。提供了一个或多个光学感应照射探测光源来产生探测光，以照射透明顶层的感应区域，进行光学感应。LCD下光学指纹感应器模块位于LCD屏下方，并定位在外围不透明边界下方，在空间上偏离LCD显示面板结构的中心区域，用于接收穿过LCD屏的探测返回光，进行光学感应。LCD显示面板结构的一个区域中包括一个或多个附加的透射孔或区域，该区域至少部分地被外围边界覆盖，并且位于光学指纹感应器模块上方，以允许探测光穿过LCD显示面板结构到达光学指纹感应器模块，用于光学感应。

在一些实施方式中，该至少部分地被外围边界覆盖的区域内的一个或多个透射孔或区域，可以包括用于传输光的光耦合器。在一些设计中，这种光耦合器可以放置在LCD层下方和LCD背光波导层上方，同时将光学指纹感应器模块放置在LCD背光波导层下面的LCD光学反射器膜被部分移除、或者有开口或空缺的位置处。如图25A或25B的示例所示，这种光耦合器的一种实施方式是斜形楔，其将印有指纹信息的探测光引导到位于LCD屏外围不透明边界3220下方的光学指纹感应器模块上方的区域，使得这种探测光可以以图25A或25B中大体示出的方式，耦合到光学指纹感应器模块中，其中探测光从光学指纹感应器模块的顶部进入光学指纹感应器模块的光学感应器阵列，或者通过针孔-透镜组件到达光学感应器阵列，或者直接进入光学感应器阵列。

V、包括透镜-针孔成像系统且光轴不垂直于显示屏表面的光学指纹感应器模块

在一些其它实施方式中，图25A-25B中示出的光耦合器5671可以省略。相反，信号光可以直接耦合到光学指纹感应器模块中，从而简化了将光学指纹感应器模块集成到LCD屏结构的结构。图27和28示出了用于在没有光耦合器的情况下集成光学指纹感应器模块的这种设计的示例性实施方式。

参考图27，LCD显示器可包括LCD模块6002、设置在LCD模块6002上方的透明盖6003(例如玻璃盖)、以及设置在LCD模块6002下方为LCD显示器提供照射的LCD背光层6004。LCD背光层6004可以包括诸如LCD棱镜5433c和漫射膜5433e的层，如图25A所示。LCD显示器可以包括LCD显示器的外围(即边界)上的不透明区域6006。

在本实施方式中，LCD背光层6004中与不透明区域6006相邻的部分可以稍微抬起，或者与LCD模块6002分离，以产生用于将光学指纹感应器模块6000放置在LCD模块6002的不透明区域6006下方的空间。该LCD显示器可包括指纹感应区域6005。来自邻近指纹感应区域6005放置的手指的信号光6010和6012(例如被手指散射、反射或透射)可以穿过LCD模块6002，并且可以由光学指纹感应器模块6000以相对较大的入射角接收。因此，本设计实施方式可能不需要图25A和25B中所示实施方式中使用的光耦合器5617。

在一些智能手机设计中，这样将光学指纹感应器模块6000直接集成到LCD显示器，可以操作以使用相对垂直于LCD屏表面的方向具有相对较大入射角的信号光6010和6012来捕捉指纹图像。根据各种实施例，该入射角范围在30度和90度之间，例如60度到85度、或70度到85度。

图28示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块6000的示例性结构。光学指纹感应器模块6000可以包括FPC板6090，以及设置在FPC板6090上并与之相耦合的光电二极管阵列6080。光电二极管阵列6080可被配置为将其上入射的信号光转换为电信号。FPC板6090可以包括电子电路，用于处理由光电二极管阵列6080产生的电信号，产生由信号光承载的指纹图案的图像。光电二极管阵列6080可以被保护层6082覆盖。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤光器或一些其它类型的滤光器。在本配置中，光学指纹感应器模块6000上下翻转。也就是说，FPC板6090和光电二极管阵列6080邻近图27所示的LCD模块6002设置。

光学指纹感应器模块6000还可包括透光间隔物6040，设置在保护层6080上。间隔物6040可以具有相对较低的折射率。在一些实施例中，间隔物6040可以是气隙。根据一些实施例，保护层6080具有的折射率可以高于间隔物6040的折射率。

光学指纹感应器模块6000还可包括反射镜6050，反射镜6050设置在间隔物6040上方，并延伸出间隔物6040。如图28所示，手指内散射的信号光6010可以被反射镜6050反射，并被光电二极管阵列6080接收。此外，在LCD显示器的顶面和触摸LCD显示器的指纹感应区域6005的手指之间的交界处反射的信号光6018可以由反射镜6050反射，并且由光电二极管阵列6080接收。在一些实施例中，光学指纹感应器模块6000还可以包括设置在反射镜6052和间隔物6040之间的吸光材料6062。吸光材料6062可以被配置为吸收杂散光以减少或消除背景光。

在本实施方式中，由于信号光6010和6018相对于光电二极管阵列6080的表面的法线6084成掠入射角θ和θ’，光电二极管阵列6080处捕捉的图像可能在空间上失真。这种失真是可以测量的。基于测得的空间失真信息，可以对光电二极管阵列6080所生成的检测器信号进行处理，以在重建最终图像时校正空间失真。

在一些实施例中，间隔物6040和保护层6082可以被配置为减少光电二极管阵列6080处的图像失真。当光在两个介质之间的交界处折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，这可能在光电二极管阵列6080处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真可能更明显。为了减少这种失真，可以根据光学物镜场来选择间隔物6040的光学厚度与保护层6080的光学厚度的比率。

如图27所示，可以提供两个附加的照射光源6008和6009，以向与指纹感应区域6005接触或邻近的手指提供照射，以便产生信号光6010和6012，供光学指纹感应器模块6000进行光学感应。照射光源6008可以放置在从光学指纹感应器模块6000侧向平移的位置，以提供可以进入手指以在手指内部产生散射光6010和6012的照射光。散射光6010和6012可以穿过LCD模块6002，并且由光学指纹感应器模块6000检测。照射光源可以包括发光二极管(light-emitting diode,LED)、垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)或激光二极管(laser diode,LD)。特别是对于用VCSEL和LD照射，效率可以更高，因为VCSEL或LD发射光的发散角很小，因此光更容易被引导到指尖。另外，背景光也可以进入手指，并产生散射光穿过LCD模块6002，与通过一个或多个附加照射光源6008的照射产生的信号光6010和6012结合，并且可由光学指纹感应器模块6000收集和检测。使用这种信号光6010和6012的一个优点可能是，当信号光6010和6012通过手指的内部组织透射或散射时，这种信号光6010和6012容易携带指纹信息而不管手指皮肤状况(例如皮肤是否潮湿、不干净或干燥)，并且可能不受手指和顶部感应表面之间交界处条件的影响。

再次参考图27，照射光源6009可以放置在光学指纹感应器模块6000内部或附近的位置，以向手指提供照射，该照射光首先穿过LCD模块6002和盖6003，以与触摸指纹感应区域6005顶面的手指相互作用，产生背散射光或反射光(图27中未示出)。这种信号光可能受到皮肤状况的影响(例如，皮肤潮湿、不干净或干燥)，并且还可能受到手指和感应顶面之间的交界处条件的影响。

图29示出了图27和28中设计的示例性实施方式，其中光学指纹感应器模块6000集成在LCD组件下方靠近LCD屏结构一端的一个或多个背光源6480的位置。该LCD屏结构可以包括透明顶层6003和触摸感应层6440。该LCD屏结构还可以包括LCD层6450、LCD棱镜层6460和漫射膜6470。LCD层6450、LCD棱镜层6460和漫射膜6470的组合可以被称为LCD模块6002。该LCD屏结构还可以包括背光层6004、LCD反射膜层6420和LCD外壳6410。

光学指纹感应器模块6000隐藏在LCD不透明边界6006下方，对观察者而言基本隐形，如图27所示。在本示例中，LCD外壳6410和LCD反射膜层6420位于光学指纹感应器模块6000下方。光学指纹感应器模块6000可以被构造成薄的，以便更好地集成到LCD结构，例如在某些实施方式中可以是约1毫米。

根据一些实施例，由于信号光6010和6012是掠射进入光电二极管阵列6080，会引起空间失真，这可以通过包括如图30-32所示的示例中所示的透镜-针孔组件来减少。

如上面参考图17到26所讨论的那样，通过将透镜和针孔组合成透镜-针孔成像系统，可以提供紧凑的光学成像系统，用于光学指纹感应。透镜用于形成基于透镜的成像系统，以实现高空间图像分辨率，以及减小在光电二极管阵列6080处捕捉的图像的尺寸，以减小光电二极管阵列的尺寸。针孔可以放置在透镜的前面，通过实现针孔摄像头，在光学成像中产生大视场(FOV)。在图17至26所示的示例中，透镜-针孔成像系统被实现为使透镜-针孔成像系统的光轴近似垂直于LCD屏表面和光电二极管阵列表面(即，透镜-针孔成像系统的光轴近似平行于光电二极管阵列表面的法线)。例如，在图25A和25B所示的包括光楔耦合器5617的隐形LCD下光学指纹感应器模块中，该透镜-针孔成像系统的光轴近似垂直于LCD屏表面和光电二极管阵列表面。图30-32示出了透镜-针孔成像系统的一种不同形式的示例性实施方式，其中透镜-针孔成像系统的光轴几乎平行于LCD屏幕表面和光电二极管阵列表面。

图30示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块6300。光学指纹感应器模块6300可以包括FPC板6090，以及设置在FPC板6090上并耦合到FPC板6090的光电二极管阵列6080。光电二极管阵列6080可以被保护层6082覆盖。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤光器或一些其它类型的滤光器。

光学指纹感应器模块6300还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基底6032、形成在针孔基底6032上的针孔6030、以及置于针孔6030后面的微透镜6020。该透镜-针孔组件的放置使得透镜6020的光轴6034相对于光电二极管阵列6080的表面是偏离法线的(off-normal)。透镜的光轴可以定义为穿过透镜的曲率中心并平行于对称轴的直线。可以优化透镜6020的光轴6034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度β，以增加有效光圈。在一些实施例中，角度β可以在约45度至约135度的范围内，或从约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，角度β可以是约90度。在这种情况下，透镜-针孔组件的光轴6034可以几乎平行于光电二极管阵列6080的表面(即角度β接近90度)。在一些实施例中，可以在针孔基底6032上或其它部件的表面上形成光学带通滤光器镀层。

光学指纹感应器模块6300可以位于LCD模块6002的不透明边界6006下面。可以在LCD模块6002和保护层6082之间放置透光间隔物6040。间隔物6040可以具有相对较低的折射率。在一些实施例中，间隔物6040包括气隙。保护层6082具有的折射率可以高于间隔物6040的折射率。

间隔物6040和保护层6082可以被配置为减少光电二极管阵列6080表面处的图像失真。当光在两个介质之间的交界处折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，这可能在光电二极管阵列6080处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真可能更明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜场，选择间隔物6040的光学厚度与保护层6080的光学厚度的比率。

透镜-针孔组件位于光学指纹感应器模块6300的左手侧，收集由于光学指纹感应器模块6300放置在LCD模块6002的不透明边界6006下方而具有大入射角的入射信号光6010和6012。针孔6030首先接收入射信号光6010和6012，然后微透镜6020将通过针孔6030的信号光成像到光电二极管阵列6080的表面上。由于信号光6010和6012入射角大导致的空间失真，可以通过使用透镜-针孔成像系统来减少。例如，微透镜6020可以被形成为减少或消除入射信号光6010和6012的空间失真分布。针对给定的透镜-针孔组件，可以测量残留的空间失真，从而可以应用信号处理来减少或消除重建指纹图案图像时的残留失真。

图31示出了根据一些其它实施例的光学指纹感应器模块6400。类似于光学指纹感应器模块6300，光学指纹感应器模块6400可包括FPC板6090、设置在FPC板6090上并耦合到FPC板6090的光电二极管阵列6080、设置在光电二极管阵列6080上方的保护层6082、以及包括针孔6030和微透镜6030的透镜-针孔组件。在一些实施例中，保护层6082可以是带通滤光器或其它一些类型的滤光器。

与图30中所示的光学指纹感应器模块6300相比，本配置中的光学指纹感应器模块6400上下翻转。即，FPC板6090和光电二极管阵列6080邻近LCD模块6002设置(图示为在LCD模块6002正上方，因为本图是上下翻转的)。

另外，光学指纹感应器模块6400可包括设置在间隔物6040上方的反射镜6050，以及透镜-针孔组件。反射镜6050延伸出针孔基底6032的前部，形成凸缘(ledge)。穿过LCD模块6002的信号光6010和6012可以入射在反射镜6050的凸缘部分上，并被反射镜6050反射。反射的信号光又可以由透镜-针孔组件成像到光电二极管阵列6080的表面上。由于信号光6010和6012的光路被反射镜6050折叠，因此与图30所示的光学指纹感应器模块6300相比，光学指纹感应器模块6400可以制造得相对较薄。

图32示出了根据一些其它实施例的光学指纹感应器模块6500。光学指纹感应器模块6500类似于图31中所示的光学指纹感应器模块6400，也是上下翻转的。这里，光学指纹感应器模块6500不再用反射镜6050，而是可以包括微棱镜6070，设置在透镜-针孔组件前面。入射信号光6010和6012可以穿过微棱镜6070的第一表面6072，并在微棱镜6070的第二表面6074处反射。然后，反射的信号光可以穿过微棱镜6070的第三表面6076，由透镜-针孔组件接收。由于信号光6010和6012的光路被微棱镜6070折叠，因此与图31所示的光学指纹感应器模块6400类似地，光学指纹感应器模块6500可以制造得相对较薄。

在一些实施例中，可以对微棱镜6070包括的材料的折射率进行选择，使得入射在微棱镜6070的第二表面6074上的信号光6010和6012可经历全内反射(total internalreflection,TIR)。在一些其它实施例中，微棱镜的第二表面6074可以镀有高反射材料，例如金属，使得第二表面6074可以用作反射镜。在一些实施例中，微棱镜的第一表面6072的取向可以配置成使得信号光6010和6012在第一表面6072上的入射接近法向入射。另外，第一表面6072可以镀有抗反射涂层，以便减少信号光6010和6012因反射而出现的强度衰减。类似地，第三表面6076也可镀有抗反射涂层以减少反射。

图33示出了在实现有结合图27-32中所示的示例而公开的隐形LCD下光学感应设计的设备中可能存在的不同光信号。如图33所示，一个或多个附加光源6008可以放置在LCD模块上靠近透明顶层6003顶部的指纹感应区域6005(如图27所示)的一侧，以产生用于光学感应的照射光。例如，照射光束6620可以穿过透明顶层6003，照射触摸指纹感应区域6005(如图27所示)处的手指6610。来自照射光束6620的一部分光可以进入手指6610，并被手指组织散射。散射光的一部分(例如6640)可以穿过手指6610并入射在指纹感应区域6005中的透明顶层6003上，并且可以穿过透明顶层6003由光学指纹感应器模块6000收集。如上所述，从手指出来要穿过透明顶层6003的那部分散射光6640可以携带指纹信息，因此可以通过对其检测以提取用户指纹信息。

图33还示出了一个或多个照射光源6009，其邻近光学指纹感应器模块6000定位，并且位于LCD模块下方。来自这种照射光源6009的光可以穿过LCD模块，被引导到透明顶层6003。返回参考图5A-5C，指纹感应区域6005处来自照射光源6009的光可能遇到指脊61(例如光线80、201)和谷63(例如光线82、211和212)，在透明顶层6003与手指6610接触的顶部表面产生来自脊部61的反射181、205和206，以及来自谷部63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，从而印上了指纹图案，成为二维(2-D)指纹图案。另外，来自透明顶层6003下方的每个入射光线的一部分可以进入手指，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，并且可以被内部指组织散射，朝着透明顶层6003产生散射光191，散射光191可以由光学指纹感应器模块6000接收。与图33中从手指6610出来要穿过透明顶层6003的散射光的部分6640类似，图5A和5B中由于照射光源6009的照射光而发生的散射产生的散射光191中携带着指纹信息，因此可以通过对其检测以提取用户指纹信息。

在一些应用中，可以使用该一个或多个附加照射光源6008的照射而不需要该一个或多个附加照射光源6009的照射；在其它应用中，可以使用该一个或多个附加照射光源6009的照射而不需要该一个或多个附加照射光源6008的照射。在其它实施方式中，附加照射光源6008和6009可以都使用。

图33示出了用于照射手指6610的附加照射光源。入射光6630可以存在于环境中，如自然天空光、阳光或环境中的其它光源，以照射接触的手指6610。入射光6630可以被手指6610中的内部组织散射，产生散射光，作为信号光6650。信号光6650可从手指6610出射，携带指纹图案信息，以及来自手指皮肤下内部组织结构的附加拓扑信息。来自手指皮肤下内部组织结构的附加拓扑信息可以是对于指纹感应有价值的信息，并且还是三维的，因为内部组织结构是随着皮肤下的横向位置和距离皮肤表面的深度而变化的(拓扑信息)。来自手指的内部组织结构的这种附加的拓扑信息可以用来，例如，改善各种手指表面或手指-玻璃状况下的成像可靠性，以及区分真手指和上面制有与真手指相似或相同的外部指纹图案的人造物体。

图34A和34B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块7000的一种实施方式。光学指纹感应器模块7000可以包括FPC板7090，以及设置在FPC板7090上并耦合至FPC板7090的光电二极管阵列7080。光电二极管阵列7080可以被保护层7082覆盖。在一些实施例中，保护层7082可以是带通滤光器或其它一些类型的滤光器。

光学指纹感应器模块7000还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基底7032、形成在针孔基底7032上的针孔7030、以及针孔7030前面的微透镜7020。与图30-32中所示的光学指纹感应器模块6300、6400和6500类似地，该透镜-针孔组件的放置使得透镜7020的光轴7034相对于光电二极管阵列7080的表面是偏离法线的。可以优化透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度，以增加有效光圈。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可在约45度至约135度的范围内，或在约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034可以几乎平行于光电二极管阵列7080的表面(即透镜的光轴与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度是大约90度)。在一些实施例中，可以在针孔基底7032上或其它部件的表面上形成光学带通滤光器镀层。

光学指纹感应器模块7000还可包括支撑板7062，放置在光电二极管阵列7080和透镜-针孔组件上方。透光间隔物7040将支撑板7062和光电二极管阵列7080顶部覆盖的保护层7080分开。间隔物7040可以具有相对较低的折射率。在一些实施例中，间隔物7040可以是气隙。保护层7082具有的折射率可以高于间隔物7040的折射率。

间隔物7040和保护层7082可以被配置为减少光电二极管阵列7080表面处的图像失真。当光在两个介质之间的交界处折射时，可能存在折射光线方向上的非线性，这可能在光电二极管阵列7080表面处产生图像失真。当入射角很大时，这种失真可能更明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜场，选择间隔物7040的光学厚度与保护层7080的光学厚度的比率。

在一些实施例中，可以在支撑板7062位于光电二极管阵列7080的正上方并且位于透镜-针孔组件的后面的一部分表面上涂覆吸收镀层7060。吸收镀层7060可以被配置为吸收杂散光以减少或消除背景光。

类似于图31中所示的光学指纹感应器模块6400和图32所示的光学指纹感应器模块6500，光学指纹感应器模块7000与图30中所示的光学指纹感应器模块6300相比，是上下翻转的。也即，光电二极管阵列7080邻近LCD模块的显示器盖7002设置，如图34B所示。

参照图34A和34B，支撑板7062的一部分可以延伸出透镜-针孔组件的前部，形成凸缘。支撑板7062的凸缘部分可以附接反射镜7050，使得来自手指的信号光7010和7012可以由显示器盖7002透射，并且被反射镜7050朝向透镜-针孔组件反射。反射的信号光可以被微透镜7020折射并穿过针孔7030，并且折射的信号光7014和7016可以入射到光电二极管阵列7080的表面上。类似于图31中所示的光学指纹感应器模块6400和图32中所示的光学指纹感应器模块6500，通过使用反射镜7050折叠信号光7010和7012的光路，可以使光学指纹感应器模块7000的总厚度相对较薄。

在本实施方式中，针孔7030的定位偏离微透镜7020的光轴7034。例如，针孔7030定位在针孔基底7032的上边缘附近，邻近支撑板7062。这样，折射的信号光7014和7016可以以入射角θ和θ’入射在光电二极管阵列7080的表面上，该角度小于如果针孔7030位于较低位置以与微透镜7020的光轴7034对准的情况。例如，与图31所示的其中针孔6030与微透镜6020的光轴6034对准的光学指纹感应器模块6400相比，折射信号光6014和6016的入射角α和α’可能相对较大(即是更高的掠射角)；而在图34A-34B所示的光学指纹感应器模块7000中，因为针孔7030的位置离光电二极管阵列7080的表面较远，所以折射信号光7014和7016的入射角θ和θ’可以小于图31中所示的折射信号光6014和6016的入射角α和α’。换言之，折射光信号7014和7016在光电二极管阵列7080的表面上的入射更接近法向入射。

图34A和34B中所示的光学指纹感应器模块7000的配置可以提供若干优点。例如，因为光电二极管在入射角较小时的检测效率通常比入射角较大时要高，所以在本配置下，光电二极管阵列7080的检测效率可能比图31中所示光学指纹感应器模块6400的配置更高。另外，如图34B所示，由信号光7010和7012的边缘光线界定的可以穿过透镜-针孔组件被光电二极管阵列7080检测的扇形光可能更“平坦”。换言之，信号光7010和7012与LCD模块7002的表面之间的角度φ和φ’可以小于如果针孔7030定位较低以与微透镜7020的光轴对准的情况。结果就是，横向视场(FOV)7009(即由两个边缘信号光线7010和7012夹住的指纹感应区域7005的有效感应区域)可以更大。

在一些实施例中，光学指纹感应器模块7000还可以包括消光区域7070，设置在支撑板7062的凸缘部分，邻近透镜-针孔组件。消光区域7070可以被配置为削弱在FOV 7009近侧的信号光7010(对应于由实线箭头表示的边缘信号光7010)的强度。由于信号光7010可以比FOV 7009的远侧的信号光7012更亮(例如因为更靠近目标)，所以消光区域7070可以对横跨光电二极管阵列7080表面的图像光强度进行平衡。因此，消光区域7070可以用作光圈滤光器。

在一些实施例中，微透镜7020的焦距可以被配置为使得FOV 7009的远侧的信号光线7012可以锐聚焦在光电二极管阵列7080的表面上。由于消光区域7070的作用，针孔7030的有效光圈的大小对FOV 7009近侧的信号光线7010可能更小，故而FOV 7009的近侧的信号光线7010也可以在光电二极管阵列7080上锐聚焦。因此，以这种方式，光电二极管阵列7080表面上的图像可能在光电二极管阵列7080的表面上具有相对均匀的空间分辨率。

图34A和34B中所示的实施方式主要依赖于针孔7030效应来成像。因此，即使LCD下光学指纹感应器模块7000的总厚度相对较薄，也可以使失真最小化。微透镜7020可用于改善图像对比度(例如通过改善图像空间分辨率来改善)。

图35A和35B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块7100的一种实施方式。与光学指纹感应器模块7000类似的，光学指纹感应器模块7100可以包括FPC板7090，以及设置在FPC板7090上耦合到FPC板7090的光电二极管阵列7080。光电二极管阵列7080可以被保护层7082覆盖。在一些实施例中，保护层7082可以是带通滤光器或其它一些类型的滤光器。

光学指纹感应器模块7100还包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基底7032、形成在针孔基底7032上的针孔7030、以及针孔7030前面的微透镜7020。该透镜-针孔组件的放置使得透镜7020的光轴7034相对于光电二极管阵列7080的表面是偏离法线的。可以优化透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度，以增加有效光圈。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可在约45度至约135度的范围内，或在约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034可以几乎平行于光电二极管阵列7080的表面(即透镜的光轴与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度是大约90度)。在一些实施例中，可以在针孔基底7032上或其它部件的表面上形成光学带通滤光器镀层。

类似于图34A所示的光学指纹感应器模块7000，光学指纹感应器模块7100与图30中所示的光学指纹感应器模块6300相比，是上下翻转的。也即，光电二极管阵列7080邻近LCD模块的显示器盖7002设置，如图35B所示。

参见图35A和35B，光学指纹感应器模块7100还可包括位于光电二极管阵列7080上方的支撑板7162。与光学指纹感应器模块7000中的支撑板7062不同，支撑板7162不延伸出透镜-针孔组件。光学指纹感应器模块7100还可包括反射镜7150，形成在支撑板7162表面上透镜-针孔组件正后方的部分。针孔7030和微透镜7020位于针孔基底7032的上边缘附近，在支撑板7162正下方。另外，针孔7030的定位偏离微透镜7020的光轴7034。来自手指的信号光7010和7012可以穿过LCD模块7002并被微透镜7020折射，穿过针孔7030。折射后的信号光7014和7016可以入射在反射镜7150上，并被反射镜7150反射到光电二极管阵列7080的表面。

在本实施方式中，通过使用反射镜7150来折叠信号光7010和7012的光路，可以使光学指纹感应器模块7100的总厚度相对较薄。因为针孔7030和微透镜7020定位得更高，且更靠近反射镜7150，所以折射后的信号光7014和7016在光电二极管阵列7080上入射的入射角θ和θ’可以小于如果针孔7030定位较低时的情况。换言之，折射光信号7014和7016在光电二极管阵列7080上的入射更接近法向入射。因为光电二极管在入射角较小时的检测效率通常比入射角较大时更高，所以光电二极管阵列7080的检测效率可以更高。

另外，如图35B所示，由信号光7010和7012的边缘光线界定的可以穿过透镜-针孔组件被光电二极管阵列7080检测的扇形光可能更“平坦”。换言之，信号光7010和7012与LCD模块7002的表面之间的角度φ和φ’可以小于如果针孔7030定位较低以与微透镜7020的光轴对准的情况。结果就是，横向视场(FOV)7109(即由两个边缘信号光线7010和7012夹住的指纹感应区域7005的有效感应区域)可以更大。

在一些实施例中，光学指纹感应器模块7100还可包括消光区域7170，设置在透镜-针孔组件后面和反射镜7150前面。消光区域7170可以被配置为削弱在FOV 7109近侧的信号光7010(对应于由实线箭头表示的边缘信号光7010)的强度。由于信号光7010可能比FOV7109远侧的信号光7012(对应于由虚线箭头表示的边缘信号光7012)更亮，所以消光区域7070可以平衡整个光电二极管阵列7080的图像光强度。因此，消光区域7070可以用作光圈滤光器。

在一些实施例中，可以在支撑板7062上靠近反射镜7150的部分涂覆吸收镀层7160。吸收镀层7160可以被配置为吸收杂散光以减少或消除背景光。

在一些实施例中，微透镜7020的焦距可以被配置为使得FOV 7109的远侧的信号光线7012可以锐聚焦在光电二极管阵列7080上。由于消光区域7070的作用，针孔7030的有效光圈的大小对FOV 7109近侧的信号光线7010可能更小，故而FOV 7109的近侧的信号光线7010也可以在光电二极管阵列7080上锐聚焦。因此，以这种方式，光电二极管阵列7080表面上的图像可能在整个光电二极管阵列7080的表面上具有相对均匀的空间分辨率。

图36A和36B示出了根据一些实施例的光学指纹感应器模块7200的一种实施方式。光学指纹感应器模块7200可以包括FPC板7090，以及设置在FPC板7090上并耦合到FPC板7090的光电二极管阵列7080。光电二极管阵列7080可以被保护层7082覆盖。在一些实施例中，保护层7082可以是带通滤光器或其它一些类型的滤光器。

光学指纹感应器模块7200还可包括透镜-针孔组件。透镜-针孔组件包括针孔基底7032、形成在针孔基底7032上的针孔7030、以及置于针孔7030前面的微透镜7020。该透镜-针孔组件的放置可使得透镜7020的光轴7034相对于光电二极管阵列7080的表面是偏离法线的。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可在约45度至约135度的范围内，或在约80度至约95度的范围内。在一些实施例中，透镜7020的光轴7034与光电二极管阵列7080的表面的法线之间的角度可为约90度。在一些实施例中，可以在针孔基底7032上或其它部件的表面上形成光学带通滤光器镀层。

光学指纹感应器模块7200还可包括：镜架7254，其置于FPC板7090下方，并延伸到透镜-针孔组件前面；以及第一反射镜7252，形成在镜架7254上延伸到透镜-针孔组件前面的部分上。在一些实施例中，第一反射镜7252可以通过将反射镀层涂覆到镜架7254的表面的一部分来形成。在一些其它实施例中，镜架7254可以设置在FPC板7090和光电二极管阵列7080之间(图36A中未示出)。

参考图36B，光学指纹感应器模块7200可以设置在LCD显示模块的屏幕7202和背光模块7204之间。第一反射镜7252邻近背光模块7204。光学指纹感应器模块7200可以位于屏幕7202的不透明边界7206下方，使得其隐形。由放置在屏幕7202上并邻近屏幕的手指(图36B中未示出)散射的信号光7011和7013可以由屏幕7202透射，并入射到第一反射镜7252上。第一反射镜7252可以将信号光7011和7013反射到微透镜7020和针孔7030。信号光7011和7013可以被微透镜7020折射，然后穿过针孔7030。

参照图36A，光学指纹感应器模块7200还可包括位于光电二极管阵列7080上方的支撑板7162，以及形成在支撑板7162的面朝光电二极管阵列7080的表面的一部分上的第二反射镜7150。在一些实施例中，第二反射镜7150可以通过将反射镀层涂覆到支撑板7162的表面的一部分来形成。第二反射镜7150位于透镜-针孔组件的正后方。穿过针孔7030的信号光7011和7013可以被第二反射镜7150反射到光电二极管阵列7080的表面。

在一些实施例中，针孔7030和微透镜7020位于针孔基底7032的上边缘附近，在支撑板7162正下方。另外，针孔7030的定位可偏离微透镜7020的光轴7034。因为针孔7030和微透镜7020的定位更靠近第二反射镜7150，远离光电二极管阵列7080的表面，所以穿过针孔7030的信号光7014和7016在光电二极管阵列7080上的入射更接近法向入射。因为光电二极管在入射角较小时的检测效率通常比入射角较大时更高，所以光电二极管阵列7080的检测效率更高。

光学指纹感应器模块7200还可包括消光区域7170，设置在针孔7030后面和第二反射镜7150前面。消光区域7170可以被配置为削弱在FOV 7209近侧的信号光7011(如图36B所示，对应于由实线箭头表示的边缘信号光7011)的强度。由于FOV 7209近侧的信号光7011可能比FOV 7209远侧的信号光7013(对应于由虚线箭头表示的边缘信号光7013)更亮，所以消光区域7070可以对整个光电二极管阵列7080的图像光强度进行平衡。因此，消光区域7070可以用作光圈滤光器。

光学指纹感应器模块7200还可以包括吸收镀层7160，其涂覆到支撑板7062表面上与第二反射镜7150抵接的另一部分。吸收镀层7160可以被配置为吸收杂散光以减少或消除背景光。

参考图36B，通过具有两个反射镜，即第一反射镜7252和第二反射镜7150，信号光7011和7013被折叠两次，一次被第一反射镜7252折叠，一次被第二反射镜7150折叠。因此，光学指纹感应器模块7200的横向FOV 7209可以比图35B中所示的光学指纹感应器模块7100的FOV 7109更大，尽管角FOV是相同的。通过多次折叠光学路径，光学指纹感应器模块7200可以做得更薄，因此更适合安装在LCD显示模块的屏幕7202和背光模块7204之间。

虽然本公开包含许多细节，但这些细节不应被解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而是作为特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。在本专利文件中，在多个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。反之，在单个实施例的上下文中描述的各种特征，也可以分别在多个实施例中实现，或以任何合适的子组合实现。此外，尽管上面描述的特征可能是按照某种组合方式工作的，甚至在初始要求的保护中也是按这种组合方式限定的，但是在一些情况下，还是可以从要求保护的组合中剥离一个或多个特征，将所要求保护的组合变为某种子组合，或子组合的变式。

类似地，虽然操作在附图中是以特定顺序示出的，但是这不应该被理解为这些操作必须以所示的特定顺序或按顺序执行，或者所有示出的操作都必须执行，才能实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中，对各种系统部件的划分不应被理解为在所有实施例中都必须这样划分。

所描述的只是一些实施方式和示例，基于本专利文件中描述和示出的内容，可以做出其它实施方式、增强和变化。

除非另有规定，否则提到“一”、“一个”或“该/所述”时，旨在表示“一个或多个”。

范围在本文中可以表示为从“约”一个指定值，和/或到“约”另一个指定值。“约”一词在本文中用于表示近似、处于某个区域内、粗略地或大约。当“约”一词与数值范围结合使用时，即为通过扩展上述数值的上下边界来修改该范围。大体上，“约”一词在本文中用于将记载的数值上下浮动10％。当表示这种范围时，另一个实施例包括从该一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当将值表示为近似值时，通过使用先行词“约”，应理解为该指定值形成另一实施例。还应理解，每个范围的端点都包括在该范围内。

出于所有目的，本文提及的所有专利、专利申请、出版物和描述均通过引用全文并入本申请。并不代表承认其为现有技术。

Claims (27)

1.一种光学指纹感应器模块，包括：

光源，被配置为提供指向手指的照射光，所述照射光的一部分被所述手指散射或反射，从而产生信号光；

光电二极管阵列，所述光电二极管阵列具有一个表面；

透光间隔物，设置在所述光电二极管阵列的所述表面上；

第一反射镜，被配置为反射所述信号光；

透镜，被配置为接收和折射由所述第一反射镜反射的所述信号光，所述透镜具有的光轴相对所述光电二极管阵列的所述表面的法线形成在45度和135度之间的角度；

界定出针孔的元件，设置在所述透镜后面，所述针孔被配置为透射被所述透镜折射的所述信号光；

第二反射镜，设置在所述针孔后面，并位于所述透光间隔物上方，所述第二反射镜被配置为将通过所述针孔透射的所述信号光反射到所述光电二极管阵列的所述表面；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列被配置为将其上入射的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路被配置为处理所述电信号，以产生所述手指的指纹图案的图像。

2.根据权利要求1所述的光学指纹感应器模块，其中所述针孔的定位偏离所述透镜的所述光轴。

3.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面的所述法线之间的所述角度在80度和95度之间。

4.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面的所述法线之间的所述角度为90度。

5.根据权利要求4所述的光学指纹感应器模块，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面之间的距离大于所述透镜的所述光轴与所述第二反射镜之间的距离。

6.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置，并抵接所述第二反射镜，所述消光区域被配置为对所述信号光通过所述针孔透射并入射到所述消光区域上的部分进行衰减。

7.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，还包括吸光层，所述吸光层设置在所述透光间隔物上，并抵接所述第二反射镜。

8.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，其中所述光源包括激光二极管或垂直腔面发射激光器VCSEL。

9.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，还包括设置在所述光电二极管阵列上的保护层。

10.根据权利要求9所述的光学指纹感应器模块，其中所述保护层包括带通滤光器。

11.根据权利要求9所述的光学指纹感应器模块，其中所述透光间隔物包括气隙。

12.根据权利要求9所述的光学指纹感应器模块，其中所述透光间隔物和所述保护层被配置为分别具有第一折射率和第二折射率，以减少所述光电二极管阵列的所述表面处的图像失真。

13.根据权利要求1或2所述的光学指纹感应器模块，其中所述元件包括针孔基底或光圈片，并且所述针孔形成在所述针孔基底或所述光圈片上。

14.一种光学指纹感应器模块，设置在显示屏的不透明边界下方，用于检测邻近所述显示屏的指纹感应区域放置的手指的指纹图案，所述光学指纹感应器模块包括：

具有表面的光电二极管阵列；

透光间隔物，设置在所述光电二极管阵列的所述表面上；

第一反射镜，被配置为反射从所述手指散射或反射并通过所述显示屏透射的信号光；

透镜，被配置为接收和折射由所述第一反射镜反射的所述信号光，所述透镜具有的光轴相对所述光电二极管阵列的所述表面的法线形成在45度和135度之间的角度；

界定出针孔的元件，设置在所述透镜后面，所述针孔被配置为透射被所述透镜折射的所述信号光；

第二反射镜，设置在所述针孔后面，并位于所述透光间隔物上方，所述第二反射镜被配置为将通过所述针孔透射的所述信号光反射到所述光电二极管阵列的所述表面；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列被配置为将其上入射的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路被配置为处理所述电信号，以产生所述手指的指纹图案的图像。

15.根据权利要求14所述的光学指纹感应器模块，其中所述针孔的定位偏离所述透镜的所述光轴。

16.根据权利要求14或15所述的光学指纹感应器模块，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面的所述法线之间的所述角度在80度和95度之间。

17.根据权利要求16所述的光学指纹感应器模块，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面之间的距离大于所述透镜的所述光轴与所述第二反射镜之间的距离。

18.根据权利要求14或15所述的光学指纹感应器模块，还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置，并抵接所述第二反射镜，所述消光区域被配置为对所述信号光通过所述针孔透射并入射到所述消光区域上的部分进行衰减。

19.根据权利要求14或15所述的光学指纹感应器模块，还包括吸光层，所述吸光层设置在所述透光间隔物上，并抵接所述第二反射镜。

20.根据权利要求14或15所述的光学指纹感应器模块，其中所述元件包括针孔基底或光圈片，并且所述针孔形成在所述针孔基底或所述光圈片上。

21.一种电子设备，包括：

显示屏，包括指纹感应区域和不透明边界；

光源，被配置为提供指向邻近所述指纹感应区域放置的手指的照射光，所述照射光的一部分被所述手指散射或反射，从而产生信号光，以通过所述显示屏透射；以及

光学指纹感应器模块，定位低于所述显示屏，在所述不透明边界的下方，所述光学指纹感应器模块包括：

具有表面的光电二极管阵列；

透光间隔物，设置在所述光电二极管阵列的所述表面上；

第一反射镜，被配置为反射所述信号光；

透镜，被配置为接收和折射由所述第一反射镜反射的所述信号光，所述透镜具有的光轴相对所述光电二极管阵列的所述表面的法线形成在45度和135度之间的角度；

界定出针孔的元件，设置在所述透镜后面，所述针孔被配置为透射被所述透镜折射的所述信号光；

第二反射镜，设置在所述针孔后面，并位于所述透光间隔物上方，所述第二反射镜被配置为将通过所述针孔透射的所述信号光反射到所述光电二极管阵列的所述表面；以及

电耦合到所述光电二极管阵列的电子电路，其中所述光电二极管阵列被配置为将其上入射的所述信号光转换成电信号，并且所述电子电路被配置为处理所述电信号，以产生所述手指的指纹图案的图像。

22.根据权利要求21所述的电子设备，其中所述针孔的定位偏离所述透镜的所述光轴。

23.根据权利要求21或22所述的电子设备，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面的所述法线之间的所述角度在80度和95度之间。

24.根据权利要求23所述的电子设备，其中所述透镜的所述光轴与所述光电二极管阵列的所述表面之间的距离大于所述透镜的所述光轴与所述第二反射镜之间的距离。

25.根据权利要求21或22所述的电子设备，其中所述光学指纹感应器模块还包括消光区域，所述消光区域邻近所述针孔设置，并抵接所述第二反射镜，所述消光区域被配置为对所述信号光通过所述针孔透射并入射到所述消光区域上的部分进行衰减。

26.根据权利要求21或22所述的电子设备，其中所述光学指纹感应器模块还包括吸光层，所述吸光层设置在所述透光间隔物上，并抵接所述第二反射镜。

27.根据权利要求21或22所述的电子设备，其中所述元件包括针孔基底或光圈片，并且所述针孔形成在所述针孔基底或所述光圈片上。