CN112823355A - 具有补偿光路的显示屏下光学传感器 - Google Patents

Abstract

光学感测具有补偿光路。例如，实施例可以在集成到诸如智能手机的电子设备(200)中的显示屏下光学指纹传感器(181)的上下文中操作。响应于穿过显示模块(433)的反射探测光，补偿结构(2155)用于补偿由背光增强结构引起的反射探测光的发散折射。一些实施例在具有微棱镜结构(2105)的增强面板(2000)的上下文中操作，该微棱镜结构倾向于使该反射探测光模糊。在这样的上下文中，实施例用于提供一个或多个补偿膜层(2150)以补偿该增强面板(2000)的光学效应，从而减轻模糊和/或其他不期望的光学条件。

Description

具有补偿光路的显示屏下光学传感器

相关申请的交叉引用

本专利文件要求申请人深圳市汇顶科技股份有限公司于2019年9月20日提交的申请号为62/903,672的在先美国临时专利申请的优先权和权益，以及申请人深圳市汇顶科技股份有限公司于2019年9月27日提交的申请号为62/907,418的在先美国临时专利申请的权益。

技术领域

本公开涉及光学传感器，例如屏下光学指纹传感器，其与移动计算设备的显示面板布置集成并用于提供具有补偿光路的显示屏下光学感测。

背景技术

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

电子设备或系统上的用户认证可以通过一种或多种形式的生物特征标识符来执行，这种生物特征标识符可以单独使用或与常规密码认证方法一起使用。生物特征标识符的一种普遍形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一示例是类似腕带设备或手表等的可穿戴设备中的生物医学传感器，其检测用户的生物特征，例如，用户血液的特征、心跳。总之，不同的传感器可以设置在电子设备中，以实现不同的感测操作和功能。

指纹可用于认证访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统的用户，可以用作单独的认证方法或与诸如密码认证方法等的一种或多种其他认证方法结合使用。例如，包括诸如笔记本电脑、平板电脑、智能手机等便携式或移动计算设备的电子设备和游戏系统可以利用用户认证机制，以保护个人数据并防止未经授权的访问。又如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统应该被保护为仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中存储的信息可以实质上是个人信息，如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是由组织或企业专有地使用的机密信息，如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则这些数据可能被其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值的机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。

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

包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以通过一种或多种形式的生物特征标识符来利用用户认证，以保护个人或其他机密数据并防止未经授权的访问。生物特征标识符可以单独使用或与密码认证方法组合使用，以提供用户认证。生物特征标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案，使得设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。

发明内容

实施例提供具有亮度增强和补偿光路的光学感测。例如，实施例可以在集成到诸如智能手机的电子设备中的显示屏下光学指纹传感器的上下文中操作。响应于穿过显示模块的反射探测光，补偿结构用于补偿由背光增强结构引起的反射探测光的发散折射。一些实施例在具有微棱镜结构的增强面板的上下文中操作，该微棱镜结构倾向于使该反射探测光模糊。在这样的上下文中，实施例用于提供一个或多个补偿膜层以补偿该增强面板的光学效应，从而减轻模糊和/或其他不期望的光学条件。

附图说明

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

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

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

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

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

图5A-图5C示出了根据一些实施例的两种不同光学条件下来自顶部感测表面上的感测区的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。

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

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

图12是示出了根据一些实施例的用于减少或消除背景光在指纹感测中的不期望的贡献的指纹传感器的示例性操作的流程图。

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

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

图17A和图17B分别示出了根据各种实施例的说明性便携式电子设备以及用于这种便携式电子设备的说明性显示模块的横截面。

图18A-图18C示出了对称增强层的说明性部分的视图。

图19示出了覆盖在单个增强膜层上的说明性指纹感测区域。

图20示出了覆盖在具有两个增强膜层的增强面板上的说明性指纹感测区域，该增强膜层被堆叠成使得它们各自的微棱镜结构在大致正交的方向上延伸。

图21示出了根据各种实施例的配置用于光路补偿的光学布置的一部分。

图22示出了根据各种实施例的具有增强膜层和补偿层的另一光学布置。

图23-图25示出了根据各种实施例的用于提供光路补偿而无需双重成像的说明性光学布置。

图26A-图26D示出了根据各种实施例的简化的显示系统布置，其中在具有增强层和补偿层的显示系统的上下文中，每个显示系统布置具有显示屏下光学传感器。

图27示出了根据各种实施例的说明性显示屏下光学感测环境。

图28示出了根据各种实施例的具有离轴感测的说明性显示屏下光学感测环境。

图29示出了根据各种实施例的说明性显示屏下光学感测环境。

在附图中，类似的组件和/或特征可以具有相同的参考标号。此外，可以通过在参考标号之后增加区分相似组件的第二标号来区分相同类型的各种组件。如果在说明书中仅使用第一参考标号，则该描述适用于具有相同的第一参考标号的任何一个类似组件，而与第二参考标号无关。

具体实施方式

在以下描述中，提供了许多具体细节以便透彻理解本发明。然而，本领域技术人员应当理解，本发明可以在没有这些细节中的一个或多个的情况下实现。在其他示例中，为了简洁，本领域已知的特征和技术将不再描述。

电子设备或系统可以配备指纹认证机制，以改进访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备，还包括更大的电子设备或系统，例如便携式或台式的个人计算机、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物的安全金融交易。所期望的是，包括适用于移动设备和其他应用的鲁棒性与可靠性的指纹感测。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到对给定设备上的最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感测的占用空间最小化或消除。由于电容感测的近场交互要求，电容式指纹传感器的许多实现方式必须在设备的顶面上实现。

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

I、显示屏下光学感测模块概述

本公开描述的光学感测技术和实现方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，进而基于这种光的光学感测执行一种或多种感测操作。一种用于实现所公开的光学传感器技术的适当的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括：液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏，其使用背光以向LCD像素提供白光照明，并且使用匹配的光学滤波器以实现彩色LCD像素，或者具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成光，用于形成屏幕上的显示图像，例如，有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏。尽管所公开技术的各个方面适用于OLED屏和其他显示屏，下面提供的具体示例涉及屏下光学感测模块与LCD屏的集成，因此包含与LCD屏相关联的某些技术细节。

为了被用户看到，由显示屏产生的用于显示图像的光的一部分必然穿过该显示屏的顶面。与顶面接触或靠近顶面的手指与顶面处的光相互作用，以使触摸表面区域处的反射光或散射光携带手指的空间图像信息。这种携带手指的空间图像信息的反射光或散射光返回到顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，例如，顶面是接触用户的触摸感测界面，并且用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种相互作用不断发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在各种触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示屏和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器倾向于作为与显示屏分离的设备，可能设置在显示屏的同一表面上的除显示屏区域之外的位置处，例如在苹果手机iPhone和三星智能手机的一些模型中，或者可能设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌等智能手机的一些模型，以避免占用正面上用于设置大显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，因此需要是紧凑的，以节省显示屏和其他功能的空间，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，在许多指纹传感器中，设计指纹传感器为紧凑且小巧的需求与采集指纹图案时提供高空间图像分辨率的需求彼此直接冲突，因为在基于各种适当的指纹感测技术(例如，电容式触摸感测或光学成像)采集指纹图像时的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域。

本公开中描述的传感器技术和传感器技术的实现方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块，在一些实现方式中，该光学指纹传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，进而基于这种光的光学感测执行一个或多个感测操作，或者在其他实现方式中，其使用来自一个或多个指定照明光源的指定照明或探测光进行光学感测，而该一个或多个指定照明光源与用于光学感测的显示屏光源分离，或者在某些实现方式中，基于背景光，用于光学感测。

在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测模块集成到LCD屏的示例中，LCD下光学传感器可以用于检测光的一部分，该光的一部分用于在LCD屏中显示图像，其中，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，在一些实现方式中，基于背光的LCD屏的图像光在遇到用户手指或手掌等物体、或像触笔等的用户指针设备时，可以作为返回光而反射或散射回LCD显示屏中。这种返回光可以被采集，以用于使用所公开的光学传感器技术来执行一个或多个光学感测操作。由于使用来自LCD屏的光进行光学感测，基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块被专门设计为集成到LCD显示屏，其中，该集成的方式保留LCD显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强诸如智能手机、平板电脑或移动和/或可穿戴式设备等电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。

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

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

针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学指纹传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以进行与LCD显示屏上的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。基于此，光学指纹传感器模块可以设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指造成的返回光，而由其他物体造成的返回光不会被光学指纹传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，例如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会引起设备的苏醒，以实现节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学指纹传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏的唤醒电路操作，其中，通过关闭LCD像素(以及关闭LCD背光)使其处于“睡眠”模式，同时开启用于LCD面板下光学指纹传感器模块的一个或多个照明光源(例如LED)使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感测人的手指或手掌的任何触摸。在这种设计下，光学指纹传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，使得光学指纹传感器模块能够检测LCD显示屏的手指触摸所造成的这种唤醒感测光的返回光，并且一旦检测到返回光，LCD背光和LCD显示屏即被开启或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。LCD显示屏操作可以控制为通过消除用于指纹的光学感测的背景光来提供改进的指纹感测。例如，在一个实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与显示相关的指纹信号，其中当LCD显示屏打开时生成一帧指纹信号，而当LCD显示屏关闭时生成另一帧指纹信号，则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。在一些实现方式中，通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，能够降低指纹感测中的背景光噪声。

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

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

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

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

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

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

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

II、显示屏下光学感测模块的设计示例

如本文所述，实施例提供了诸如用于屏下光学指纹模块的显示屏下光学感测模块的大感测区域实现方式。出于增加清楚性和上下文的考虑，描述了用于屏下光学指纹传感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，例如具有足够的成像分辨率。在下面的专利文件中，进一步描述了显示屏下光学指纹感测实现方式的这些和其他实施例，在此通过引用将这些专利文件全部内容并入本文，分别为：美国专利申请第15/616,856号；美国专利申请第15/421,249号；美国专利申请第16/190,138号；美国专利申请第16/190,141号；美国专利申请第16/246,549号；以及美国专利申请第16/427,269号。

图1是具有包括指纹传感器181的指纹感测模块180的系统180的示例的框图，其可以实现为包括基于本文件中所公开的指纹的光学感测的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186，数字处理器186可以包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案并确定输入的指纹图案是否是授权用户的指纹图案。指纹感测系统180使用指纹传感器181获得指纹并将获得的指纹与储存的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹感测系统180保护的设备或系统188中的功能。在操作中，基于采集的用户指纹是否来自授权用户，指纹处理处理器186控制对设备188的访问。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹感测像素，例如，统一表示至少一部分指纹的像素182A-182E。例如，指纹感测系统180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的客户指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。再如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。再如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。

作为一个具体示例，图2A和图2B示出了电子设备200的一个示例性实现方式，电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于该触摸感测显示屏组件下方的光学指纹传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于光学照亮LCD像素的背光的LCD显示屏或具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏(例如OLED显示屏)来实现。电子设备200可以是智能手机或平板电脑等便携式设备，也可以是如图1所示的设备188。

图2A示出了设备200的正面，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕位于设备200的正面，占据全部、大部分或显著部分的正面空间，并且在设备屏幕上设置指纹感测功能，例如，用于在设备屏幕上接纳手指的一个或多个感测区域。作为示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可以被照亮为明显可识别的区或区域，供用户放置手指进行指纹感测。这种指纹感应区可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实现方式中，设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当前市场上各种智能手机中常见的侧控制按钮。并且，如图2A中设备外壳的左上角的一个示例所示，设备200在设备屏幕外的正面上可以设置一个或多个可选的传感器。

图2B示出了设备200中与本文件中公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下方的具有显示层的显示屏模块。光学指纹传感器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，以接收和采集来自触摸感测屏模块的顶面的返回光，并且将该返回光引导且成像到光学感测像素或光电检测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学指纹传感器模块下方是设备电子器件结构，该设备电子器件结构包含用于设备200中的光学指纹传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图2B所示的光学指纹传感器模块的下方的一部分。

在一些实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层的表面作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，通过触摸感测屏模块接收用户触摸以进行触摸感测操作，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他光学感测功能)。该光学透明层可以为诸如玻璃或晶体层等的刚性层或柔性层。

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显示屏。LCD显示面板为多层式液晶显示(LCD)模块，该多层式LCD模块包括发出用于LCD像素的LCD照明光的LCD显示背光光源(例如LED灯)、引导背光的光波导层、以及可以包括例如液晶(LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、彩色滤光片层和触摸感测层的LCD结构层。LCD模块还包括位于LCD结构层下方且光波导层上方的背光漫射器，用于空间分散用于照亮LCD显示像素的背光；以及光波导层下方的光学反射器膜层，用于将背光再循环至LCD结构层，以提高光利用率和显示亮度。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2B，本示例中的光学指纹传感器模块位于LCD显示面板下方，以采集来自该顶部触摸感测表面的返回光，并且当用户的手指与该顶面上的感测区域接触时获取高分辨率的指纹图案图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学指纹传感器模块可以在不具备触摸感测特征的设备上实现。

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

在图2A-图2B以及图3A-图3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些其他设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备表面上的显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在本文所示的设计中，用于检测指纹感测信号和其他光学信号的光学指纹传感器位于顶部盖板玻璃或层的下方(例如图3A)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为遍及垂直堆叠并垂直重叠的显示屏层和光学检测传感器上的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感测和触摸敏感显示屏集成在共同且均匀的表面下的这种设计示例提供了益处，包括提高了设备一体化，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，并且增强了设备的持有期间的用户体验。

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

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

例如，该设备可以包括耦合到显示面板结构的设备电子控制模块，以向发光显示像素提供电源，并控制显示面板结构的图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作为关闭一帧中的发光显示像素并开启下一帧中的发光显示像素，以允许光学传感器阵列采集具有发光显示像素照明和不具有发光显示像素照明的两个指纹图像，从而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，并关闭LCD显示面板的背光电源处于睡眠模式，并且当光学指纹传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以用于将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实现方式中，设备电子控制模块可以用于操作光学指纹传感器模块中的一个或多个照明光源间歇性地发光，同时关闭LCD显示面板的电源(处于睡眠模式)，用于将间歇发出的照明光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监测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，该设备可以包括设备电子控制模块，该设备电子控制模块耦合到光学指纹传感器模块，以接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块操作为测量该多个检测到的指纹的变化并确定造成测量到的该变化的触摸力。例如，该变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸面积的变化、或指纹脊间隔的变化。

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

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

图4A和图4B示出了用于实现图2A和图2B设计的、位于显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的一个实现方式的示例。图4A和图4B中示出的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，该顶部透明层431形成于设备屏幕组件423之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸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，顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下方的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分的光学透射，使得来自顶面的光能够部分地透过LCD显示层到达LCD下光学指纹传感器模块。例如，LCD显示层包括光学地用作孔阵列和光散射物体的电极和布线结构。设备电路模块435可以设置在该LCD显示面板下方，以控制该设备的操作并且为用户执行功能以操作该设备。

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

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

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

在图4B的示例中，屏下光学指纹传感器模块包括耦合到该显示面板以接收来自设备组件的顶面的返回光的透明块701以及执行光学成像和成像采集的光学成像块702。在一种照明光源436被定位以引导照明光首先透过顶部盖板玻璃431再到达手指的设计中，来自一个或多个照明光源436的光在到达盖板顶面后，例如到达用户手指触摸的、或在没有触摸盖板顶面时用户手指所在的感测区域615处的盖板顶面后，从该盖板顶面反射或散射回来。当指纹脊与感测区域615中的盖板顶面接触时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于另一位置处的指纹谷下的光反射，该另一位置处的指纹谷下没有手指的皮肤或组织。这种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不同形成了表示该手指的触摸部分的脊和谷的空间分布的图像。该反射光被引导回LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达该光学指纹传感器模块的低折射率光学透明块701的界面。低折射率光学透明块701被构造成具有小于LCD显示面板的折射率的折射率，使得返回光可以从LCD显示面板提取到光学透明块701中。一旦该返回光在光学透明块701内接收，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，并被成像到块702内的光电检测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异产生指纹图像的对比度。如图4B所示，控制电路704(例如，微控制器或MCU)耦合到成像感测块702和主电路板上的诸如设备主处理器705等其他电路。

在该特定的示例中，光学光路设计被构造为使得照明光在基板和空气界面之间的顶面上全反射角范围内进入盖板顶面，因此，反射光被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，由于每个手指谷位置处的全内反射条件，其中手指组织不触摸顶部盖板玻璃431的顶部盖板表面，因此指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比度。这种成像系统的实现方式可能具有不期望的光学失真，这会对指纹感测产生不利影响。因此，基于沿返回光的光路在光学传感器阵列处的光学失真轮廓，在对块702中的光学传感器阵列的输出信号进行处理时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由每个光电检测器像素处采集的图像生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调制一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域而得到的图像。这种校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。

来自环境的背景光(如太阳光或室内照明光)可以通过LCD面板顶面、进而通过LCD显示组件433中的孔进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且因此可能不期望地降低了采集图像的对比度。可以使用不同的方法来减少背景光所引起的这种不期望的基线强度。一个示例是以一定的照明调制频率f开启和关闭照明光源436，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器能够以相同照明调制频率获取接收到的图像。在这种操作下，图像相位中只有一个包含来自光源的光。在实现该技术时，可以将成像采集定时成在偶数(或奇数)帧处开启照明光，同时在奇数(或偶数)帧处关闭照明光来采集图像，因此，可以减去偶数帧和奇数帧，用于获得主要由具有明显减少的背景光的调制照明光源发出的光形成的图像。基于这种设计，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号，并且通过在一帧中开启照明光而在另一帧中关闭照明光来获得两个连续的信号帧。相邻帧的减法可用于最小化或基本上减小环境背景光的影响。在一些实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。

在图4B所示的示例中，来自一个或多个照明光源436的光的一部分还可以穿过盖板顶面，并进入手指组织。这部分的照明光被散射在周围，并且这种散射光中的一部分可以最终被光学指纹传感器模块702中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度是与手指的内部组织相互作用的结果，因此取决于手指的皮肤颜色、手指组织或内部手指组织中的血液浓度。手指的这种信息由手指上的这种散射光携带，对于指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测到。例如，用户手指图像的区域的强度可以在检测时集成，以测量或观察与用户心跳的相位相关联的或取决于用户心跳的相位的血液浓度的增加或减少。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是否是活体手指，或者用于提供具备伪造的指纹图案的欺骗设备。本专利文件的后面部分提供了使用携带手指的内部组织信息的光中的信息的附加示例。

在一些设计中，图4B中的一个或多个照明光源436可以设计成发出不同颜色或波长的照明光，并且光学指纹传感器模块可以采集不同颜色或波长下来自人的手指的返回光。通过记录在不同颜色或波长下对应测量到的返回光的强度，可以测量或确定与用户的肤色、血流或手指内的内部组织结构相关联的信息。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器可操作为分别测量在两种不同颜色或与光色A和光色B相关联的照明光波长下来自手指的散射光的强度，记作强度Ia和Ib。当用户的手指放置在顶部感测表面上的感测区域上以测量指纹时，可以记录Ia/Ib的比率，以与稍后的测量结果作比较。该方法可以用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝通过利用模拟用户指纹或与用户指纹相同但可能与用户的肤色或用户的其他生物信息不匹配的指纹制造的欺骗设备。

一个或多个照明光源436可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如MCU)控制。该一个或多个照明光源436可以以短时间(例如，低占空比)进行脉冲，以间歇性地发光并提供用于图像感测的脉冲光。图像传感器阵列可以操作为以相同的脉冲占空比监测光图案。如果存在人类手指触摸屏幕上的感测区域615，则块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以操作为确定该触摸是否为人类手指触摸。如果确定是人类手指触摸事件，MCU 704可以操作为唤醒智能手机系统，开启用于执行光学指纹感测的一个或多个照明光源436，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列向智能手机主处理器705发送获取的指纹图像，智能手机主处理器705可以操作为将采集的指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配，智能手机解锁手机，以允许用户访问手机并启动正常操作。如果采集的图像不存在匹配，智能手机向用户反馈该认证失败并保持手机的锁定状态。用户可以尝试再次进行指纹感测，或者可以输入密码作为解锁手机的替代方式。

在图4A和图4B所示的示例中，屏下光学指纹传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，从而将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电检测器感测阵列上。作为示例，图4B中示出了从感测区615至块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和成像感测块702中位于光电检测器感测阵列前方的前端形成了大的成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，失真校正可以用于实现期望的成像操作。

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

图5A-图5C示出了用于不同光学条件下从感测区615返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。从照明光源或从其他光源(例如，背景光)进入手指的光可以在手指表面下方的组织中产生内部散射光，例如图5A-图5C中的散射光191。在手指表面下方的组织中的这种内部散射的光可以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，从而携带被手指表面散射、折射或反射的光未携带的某些信息，例如，关于手指皮肤颜色的信息、手指内的血液浓度或流动特性、或手指的光学透射图案，其包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

图5A示出了来自一个或多个照明光源436的照明光如何在透过顶部透明层431后传播通过OLED显示模块433、并生成到达屏下光学指纹传感器模块的不同返回光信号的示例，该返回光信号包括携带指纹图案信息的光信号。为了简单起见，两种不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而在顶部透明层431的界面处不经历全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指60与顶部透明层431上的感测区615接触。如图所示，照明光束80在透过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183和返回至LCD显示模块433的另一光束181。照明光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面返回到LCD显示模块433的反射光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷反射的第三光束187。

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

手指皮肤谷位置63处的光束82被盖板玻璃表面反射。在一些设计中，例如，随着反射光185朝向底层524，反射率可以是大约3.5％，并且手指谷表面可以将入射光能量的大约3.3％(光187)反射到底层524，使得全反射可能约为6.8％。大部分光189透射至手指组织60中。手指组织中的透射光189中的光能量中的一部分被组织散射，从而贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。

因此，在图5A的示例中，来自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，并且这种反射比差携带指纹图谱信息且可以被测量以提取与顶部透明层431接触并被OLED光照亮到的部分的指纹图案。

图5B和图5C示出了不同条件下和在相对于手指的谷或脊的不同位置处位于顶面的两种附加类型的照明光线的光路，包括顶部透明层431的界面处全反射条件下的照明光线的光路。图示的照明光线生成到达屏下光学指纹传感器模块的不同返回光信号，包括携带指纹图案信息的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得相对于盖板玻璃431具有大入射角的照明光在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、图5B和图5C示出了三组不同的发散光束的示例：(1)中心光束82，相对于盖板玻璃431具有小入射角且不发生全反射(图5A)，(2)高对比度光束201、202、211和212，当没有任何物体触摸盖板玻璃表面时，在盖板玻璃431处发生全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合到手指组织中(图5B和图5C)，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，这些光束即使在手指组织触摸的位置处，也会在盖板玻璃431处发生全反射。

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

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束201和202，如果没有任何物体触摸盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面分别反射几乎100％的光到光束205和206。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面且位于光束201和202的位置时，光能量中的大部分通过光束203和204可以耦合到手指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束211和212，如果没有任何物体触摸盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面分别反射几乎100％的光到光束213和214。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光能量耦合到手指组织60中。

如图5A所示，耦合到手指组织60中的照明光的一部分会经由内部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到达光学指纹传感器模块。由光学指纹传感器模块采集的这部分光包含关于手指皮肤颜色、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。用于在光学感测中使用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，例如获得手指的光学透射图案，包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案；和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。因此，在高对比度光束照亮的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。

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

图6A-图6C示出了基于经由透镜的光学成像的屏下光学指纹传感器模块的示例，用于采集来自按压显示盖板玻璃423的手指445的指纹。图6C是图6B所示的光学指纹传感器模块部分的放大视图。如图6B所示的屏下光学传感器模块位于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，用于接收来自顶部透明层431的顶面上的感测区615的返回光；以及位于间隔物617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，以将接收到的来自感测区615的返回光成像到光电检测器阵列623上。与图4B示出的不包括透镜的光学投影成像系统的示例不同，图6B中的成像设计的示例使用成像透镜621在光电检测器阵列623处采集指纹图像，并且通过成像透镜621的设计实现图像缩小。在一定程度上类似于图4B示例中的成像系统，图6B中用于光学指纹传感器模块的成像系统可能经历图像失真，并且可以使用适当的光学校正校准来减少这种失真，例如，针对图4B中系统所描述的失真校正方法。

与图5A-图5C中的假设相似，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当OLED显示模块433粘合在盖板玻璃431上且没有任何气隙时，全内反射在等于或大于界面的临界入射角的大角度时发生。如果没有任何物体接触盖板玻璃顶面，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°。

在这种设计中，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。为了检测盖板玻璃表面上感测区615中所期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准视角θ以感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效的感测盖板玻璃表面615可以被看作镜子，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示屏中指纹照明光区613的图像，该图像由感测盖板玻璃表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电检测器阵列623可以接收区613中由感测盖板玻璃表面615反射的图像。当手指触摸感测区615时，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电检测器阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学检测路径的几何原理是已知的，因此可以校正光学指纹传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真。

作为具体的示例，假定图6B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615，该有效感测区615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，所以应用设计应当将这些层考虑在内。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7示出了用于图6A-图6C中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，该另一设计考虑通过使用特殊的间隔物618代替图6B-图6C中的间隔物617，以增加感测区域615的尺寸。间隔物618设计为具有宽度Ws，厚度Hs，具有低折射率(refraction index，RI)ns，并且，间隔物618放置于LCD显示模块433下方，例如，被附接(如粘合)到LCD显示模块433的底面。间隔物618的端面是与微透镜621接合的成角度的或倾斜的面。间隔物和透镜的这种相对位置不同于图6B-图6C，在图6B-图6C中，透镜位于间隔物617的下方。微透镜621和光电二极管阵列623被组装到具有检测角广度为θ的光学检测模块中。由于在间隔物618和显示模块433之间的界面以及在盖板玻璃431和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角φ1和φ2由部件材料的折射率RI、ns、nc和na决定。

如果nc大于ns，则φ1大于φ2。由此，折射放大了感测宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效折射率RI在550nm处约为1.44，并且盖板玻璃的折射率RI约为1.51，如果没有任何物体触摸盖板玻璃顶面，则全反射入射角估计约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，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是由与盖板玻璃相同的材料制成，则从检测模块中心至盖板玻璃顶面的距离为2mm，如果检测角广度θ＝31.9°，则有效感测区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角φ1＝φ2＝57.75°。如果特殊间隔物618的材料具有约为1.4的折射率ns且Hs为1.2mm，则检测模块在φ1＝70°处倾斜。有效感测区域宽度增加到6.5mm以上。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角广度降低到19°。因此，用于光学指纹传感器模块的成像系统可以设计为期望扩大顶部透明层431上的感测区域615的尺寸。

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

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

图8A-图8B示出了通过设置光电检测器阵列在显示屏表面中相对的检测角θ’以及透镜621和间隔物618之间的距离L，用于图7中示出的光学指纹传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例。图8A示出了沿着垂直于显示屏表面的方向的横截面视图，图8B示出了从显示屏底部或顶部看到的设备的视图。填充材料618c可以用于填充透镜621和光电探测器阵列623之间的间隔。例如，填充材料618c可以是与特殊间隔物618相同的材料或者是另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气间隔。

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

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

如果光在盖板玻璃431的感测表面处发生全反射，则反射率为100％，具有最高的效率。然而，如果光与盖板玻璃表面平行，则光还会在LCD底面433b处发生全反射。楔形耦合器628用于改变局部表面角，使得光可以耦合输出以用于在光学传感器阵列623处的检测。LCD显示模块433中的微孔提供了期望的光传播路径，使得光透过LCD显示模块433，从而进行屏下光学感测。如果光透射角变得太大或当TFT层变得太厚时，实际的光透射效率可能逐渐降低。当该角度接近于全反射角时，即约为41.8°，且盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来是好的。因此，楔形耦合器628的楔角可以被调整为若干度，从而可以提高或优化检测效率。如果盖板玻璃的折射率被选定为更高，则全反射角变得更小。例如，如果盖板玻璃由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。显示屏中的检测光透射效率也得到提高。因此，这种设计使用薄楔将检测角设置为高于全反射角，和/或使用高折射率的盖板玻璃材料，从而提高检测效率。

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

图11A-图11C出了针对这种倾斜的三个示例配置。图11A示出了感测区域615a是倾斜的且不垂直于检测轴625。在图11B中，感测区域615b与检测轴625上方对准，使得其图像平面也将位于检测轴625上。实践中，可以部分切掉透镜621以简化封装。在各种实现方式中，微透镜621还可以是透射型或反射型透镜。例如，图11C中示出了特定的方法。感测区域615c由成像镜621a成像。光电二极管阵列623b进行对准以检测信号。

在使用透镜621的上述设计中，透镜621可以被设计为具有大于LCD显示层中孔的孔径的有效孔径，从而允许光透过LCD显示模块来进行光学指纹感测。这种设计可以减少LCD显示模块中布线结构和其他散射物体的不期望的影响。

图12示出了指纹传感器用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望的影响的操作的示例。光学传感器阵列可以用于采集各种帧，并且采集到的帧可以用于执行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启用于光学指纹感测的照明光源，以照亮手指触摸区域，在帧B中，改变或关闭照明。帧A的信号与帧B的信号的相减可以用于图像处理中，以减少不期望的背景光影响。

还可以通过在光路中提供合适的光学滤波来减少指纹感测中不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于过滤环境光波长，例如，近红外IR光和部分的红光等。在一些实现方式中，这种光学滤波器涂层可以制作在光学部件的表面上，包括显示屏底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指会吸收波长在约580nm以下的大部分能量，如果一个或多个光学滤波器或光学滤波涂层可以被设计为过滤波长从580nm到红外线的光，则可以大大减少环境光对指纹感测中光学检测的不期望的贡献。

图13示出了用于校正光学指纹传感器模块中图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，控制和操作一个或多个照明光源在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，操作显示面板下的成像传感器以相同频率F和某一帧率采集图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶面上，并且手指对显示面板盖板基板的顶面的光反射强度进行调制。显示屏下的成像传感器采集指纹调制后的反射光图案。在步骤1303处，以频率F对来自图像传感器的信号的解调进行同步，并且进行背景相减。所得的图像减少了背景光的影响，并且包括来自像素发射光产生的图像。在步骤1304处，处理并校准采集到的图像，以校正图像系统失真。在步骤1305处，将校正后的图像用作用于用户认证的人类指纹图像。

用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照亮手指的散射光，如图5A所示的后向散射光191。可以集成感兴趣区域中来自图5A中后向散射光191的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化，以确定指纹图案之外的其他参数，例如，用户的心率或与外部指纹图案相关联的手指的内部拓扑组织。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将所窃取的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，尽管指纹图案是一种独特的生物特征标识符，但它本身可能并不是完全可靠或安全的标识。屏下光学指纹传感器模块还可以用作光学反欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入物体是否是来自活体的手指，并且用于确定指纹输入是否是指纹欺骗攻击。这种光学反欺骗感测功能无需使用单独的光学传感器来提供。光学反欺骗能够提供高速响应，而不影响指纹感测操作的整体响应速度。

图14示出了血液中受监测材料的示例性光学消光系数，其中，光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的红外IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以第一可见光波长(颜色A)和诸如红外(IR)波长等的第二不同波长(颜色B)照亮手指，可以采集输入物体的光学吸收的差异，以确定触摸物体是否来自活体手指。用于提供光学感测照明的一个或多个照明光源可以用于发出不同颜色的光，并且发出的光为至少两种不同光学波长的探测光或照明光，以利用血液的不同光学吸收行为进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此血液中受监测材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测受监测材料是活体指纹还是假指纹。

图15示出了来自无生命材料(例如，假手指或具有仿造指纹图案的欺骗设备)和活体手指的反射光中光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器运行，以监测活体。当检测到两种或更多种波长的探测光时，消光比差可以用于快速地确定受监测材料是否是活体，例如活体指纹。在图15所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图14所示，一个是可见光波长，另一个是红外IR波长。

当无生命材料触摸指纹传感器模块上方的顶部盖板玻璃时，接收到的信号揭示了与该无生命材料的表面图案相关的强度水平，并且该接收到的信号不包含与活体手指相关联的信号组分。然而，当活体手指触摸顶部盖板玻璃时，接收到的信号揭示了与活体相关联的信号特征，包括明显不同的强度水平，这是因为不同波长的消光比不同。这种方法不需要花费很长时间来确定触摸材料是否是活体的一部分。在图15中，脉冲状信号反映了多次触摸，而不是血液脉动。无生命材料的类似多次触摸不会显示出由活体手指引起的差异。

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

在LCD显示屏中，LCD背光照明光为白光，从而包含用于在光学指纹传感器模块处执行上述活体手指检测的可见光谱和红外IR光谱范围的光。LCD显示模块中的LCD滤光片可以用于允许光学指纹传感器模块获得图14和图15中的测量结果。另外，可以操作用于产生光学感测的照明光的指定光源436，以在不同时刻以选定的可见波长和红外IR波长发出探测光，并且两种不同波长的反射探测光由光学检测器阵列623采集，以基于图14和图15所示的上述操作来确定触摸物体是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时刻选定的可见波长和IR波长的反射探测光可以反映血液的不同光学吸收特性，但是指纹图像总是在不同时刻由选定的可见波长的探测光和IR波长的探测光两者采集。因此，指纹感测可以在可见波长和IR波长两者下进行。

图16示出了通过操作用于光学感测的一个或多个照明光源以使用两种不同颜色的光照亮手指，用于确定与LCD显示屏接触的物体是否是活体手指的一部分的操作过程的示例。

又如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长下的不同光学吸收之外的其他机制，通过“活体手指”检测机制检测采集到的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活体手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活人的手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化而导致的来自手指或手掌的返回光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的物体中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活体的正面确定的结合来增强访问控制。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化可以以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽、或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学指纹传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。

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

根据本专利文件中的公开内容，可以针对所公开的光学指纹传感器模块进行各种实现。例如，显示面板可以构造成：每个像素均发光，并且可以被单独控制；显示面板包括至少部分透明的基板；以及基本透明的盖板基板。光学指纹传感器模块放置于显示面板下方，用于感测在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学指纹传感器模块可以用于感测从显示面板像素发出的光所形成的图像。光学指纹传感器模块可以包括折射率低于显示面板基板的折射率的透明块，还包括具有成像传感器阵列的成像传感器块以及光学成像透镜。在一些实现方式中，低折射率块具有位于1.35至1.46或1至1.35的范围内的折射率。

再如，可以提供一种方法用于指纹感测，其中从显示面板发出的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光相互作用，以调制指纹的光反射图案。显示面板下方的成像感测模块用于感测反射的光图案图像，并重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发光像素的调制同步，其中解调过程会过滤大部分的背景光(不是来自目标像素的光)。

如上所述，便携式电子设备的显示屏通常被实现为具有多层的组件。例如，实现为触摸屏的显示屏可以包括用于输出视频数据的显示层、用于检测触摸事件的电容性触摸屏层、硬顶层等。附加的层用于集成显示屏下光学感测功能，例如指纹感测。为了使光到达感测组件，光穿过顶面和传感器(例如，光电检测器)之间的各个层。为此，这些层被设计成允许光透射，并且一些层可以被设计成增强、弯曲、聚焦、准直、反射和/或以其他方式影响穿过这些层的光的传输。

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

图17B的显示模块1710可以是图17A的显示系统423的一种实现方式。尽管不是显示模块1710的一部分，但显示屏下光学传感器1765也被示出作为参考。如图所示，显示模块1710包括多个层。顶部盖板层1715(例如，玻璃)可以用作用于各种用户界面操作的用户界面表面。例如，盖板层1715可以促进用户的触摸感测操作、向用户显示图像、用作光学感测接口来接收手指以进行光学指纹感测和其他光学感测操作等等。在一些实施例中，显示模块1710包括盖板层1715。在其他实现方式中，盖板层1715与显示模块1710分离。例如，显示模块1710作为模块集成到便携式电子设备1700中，而盖板层1715安装在显示模块1710的顶部。

显示模块1710的一层或多层其他层形成液晶模块(liquid crystal module，LCM)1720。在LCM 1720下方，显示模块1710包括增强层1725。如本文所述，增强层1725可以包括一层或多层亮度增强膜，例如包括梯形棱镜结构的增强膜。显示模块1710还可以包括光漫射器1730、导光板1735、反射器膜1740、框架1745和光路补偿器1755中的一些或全部。一些实施例包括附加组件，例如一个或多个显示光源1750和一个或多个外部光源1760(例如，用于指纹感测和/或其他光学感测)。

显示光源1750的实现方式可以包括LCD显示屏背光光源(例如，LED灯)，其为显示模块1710提供白色背光。导光板1735的实现方式包括与显示光源1750光学耦合的波导，以接收和引导背光。LCM 1720的实现方式包括液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、彩色滤光片层、触摸感测层等中的一些或全部。光漫射器1730的实现方式包括背光漫射器，该背光漫射器放置在LCM 1720下方并且在导光板1735上方，以在空间上分散背光以照亮LCM 1720中的LCD显示像素。反射器膜1740被实现为放置在导光板1735下方，以将背光再循环到LCM 1720，进而提高光的利用效率和显示亮度。

当(例如，在感测区域615中)LCD单元开启时，LCM 1720(例如，LC单元、电极、透明ITO、偏振器、彩色滤光片、触摸感测层等)可以变得部分透明，尽管微结构可能会干扰和/或阻挡某些探测光能。光漫射器1730、导光板1735、反射器膜1740、光路补偿器1755和/或框架1745的实施例可以被处理，以保持显示屏下光学传感器1765并提供透明或部分透明的感测光路，使得来自盖板层1715的顶面的反射光的一部分可以到达显示屏下光学传感器1765的感测元件(例如，光电检测器阵列)。显示屏下光学传感器1765可以包括任何合适的组件，例如，指纹传感器部件、光电检测器阵列、用于将反射的探测光准直并引导至光电检测器阵列的光学准直器阵列、以及接收并调节来自光电检测器阵列的检测器输出信号的光学传感器电路。光电检测器阵列的实施例包括CMOS感测像素组成的CMOS传感器、CCD传感器阵列或任何其他合适的光学传感器阵列。

增强层1725的实施例包括一个或多个增强膜。一些增强膜设计包括具有尖锐棱镜脊和尖锐棱镜谷轮廓的棱镜膜(即，每个脊处具有尖锐过渡和每个谷处具有尖锐过渡)。如本文所述，增强层1725的微棱镜结构被配置为使得显示屏下照明朝向LCM 1720弯曲以帮助增强这种照明(例如，背光照明和探测照明)。然而，当光然后(通过盖板层1715的顶面)通过增强层1725反射回显示屏下光学传感器1765时，相同的弯曲效应倾向于使反射光发散。这种发散会导致模糊和/或其他不利于使用显示屏下光学传感器1765进行光学感测的损害。

本文所述的实施例包括光路补偿器1755，光路补偿器1755用于至少部分地补偿增强层1725对沿显示屏下光学传感器1765的方向传播的光的发散效应。例如，实施例包括用于通过显示模块(例如，LCM 1720)将入射光投射到盖板层(例如，盖板层1715)上的装置，该盖板层将入射光的至少一部分重定向为反射光。该用于投射的装置可以包括显示光源1750、一个或多个外部光源1760、和/或探测照明、背光或其他显示屏下照明的任何其他合适的光源中的一些或全部。这样的实施例还包括用于对反射光进行成像的装置。该用于成像的装置可以包括显示屏下光学传感器1765的一些或全部，其可以包括任何合适的光学器件、电路、软件、结构和/或类似物。这样的实施例还包括用于当入射光沿第一方向穿过用于增强的装置时通过使入射光的至少一些发散部分朝向盖板层弯曲来增强入射光的亮度的装置，使得入射光的每个入射射线以相应的入射角入射在盖板层上，并以相应的初始反射角被盖板层反射为相应的反射射线。该用于增强的装置可以被实现为增强层1725，其可以包括一个或多个可以彼此相邻或不相邻并且可以基本相同或可以基本不相同的增强膜层。这样的实施例还包括用于补偿由沿与第一方向相反的第二方向穿过用于增强亮度的装置的反射射线所引起的反射射线的弯曲的装置，该用于增强的装置使每个反射射线从相应的初始反射角向相应的修改的反射角弯曲，该用于补偿的装置使至少一些反射射线中的每个反射射线从相应的修改的反射角朝向相应的初始反射角重新弯曲。该用于补偿的装置可以被实现为光路补偿器1755。如本文所述，光路补偿器1755可包括具有一个或多个可以彼此相邻或不相邻并且可以基本相同或基本不相同的补偿膜层的补偿层。通常，该用于增强的装置试图增强由显示屏下照明所投射的入射光的亮度，但是相对于用于成像的装置所成像的反射光，这种用于增强的装置还倾向于引起模糊和/或其他不期望的光学效应。该用于补偿的装置至少部分地试图补偿由向回穿过用于增强的装置的反射光所引起的那些不期望的光学效应，从而改善通过用于成像的装置的反射光的成像。

出于增加上下文的考虑，图18A-图18C示出了增强层1800的说明性部分的视图。图18A示出了增强层1800的一小部分的放大图1810。图18B和图18C示出了增强层1800的一个增强膜层1820的一小部分的横截面。图18C示出了增强层1800中以相对于彼此正交的方向堆叠的两个增强膜层1820a、1820b的一小部分的横截面。

如图所示，每个增强膜层1820形成有一系列尖锐棱镜结构。每个尖锐棱镜结构包括尖锐脊1822和尖锐谷1824。图18A的放大视图1810示出了从顶部观察到的以相对于彼此正交的方向堆叠的图18C的两个增强膜层1820。如图所示，相交的尖锐棱柱结构形成尖锐脊线1812和尖锐谷线1814的网格，分别对应于每个尖锐棱柱结构的尖锐脊1822和尖锐谷1824。如图18C所示，尖锐脊1822指向LCM 1720的方向(也是盖板层1715的方向)。

这种增强层1800通常试图增强朝向观看者(例如朝向和/或穿过LCM1720)的光的亮度。例如，增强层1800试图增强位于LCM 1720后面的背光的亮度和/或用于显示屏下光学感测的探测照明的亮度。如图18B所示，穿过增强层1800的棱镜结构的光沿不同的方向弯曲，如光路1832a和1832b所示。每个光路1832示出了光能的两个传播方向。第一方向(即，通常朝向LCM1720)可以表示从增强层1800下方的光源起源的背光和/或探测照明能量的矢量。第二方向(即，通常背离LCM 1720)可以表示从另一层(例如，LCM1720上方的顶部透明层)反射离开并沿显示屏下光学传感器方向向后传播的背光和/或探测照明能量的矢量。

随着光沿LCM 1720的方向穿过增强膜层1820，这种弯曲可能倾向于有益。例如，沿第一方向穿过增强膜层1820的光，包括具有大入射角的光路(例如，路径1832)，可以以大体会聚的方式朝向LCM 1720弯曲，从而引起亮度增强。作为必然，沿第二方向穿过增强层1800的光可能倾向于以大体发散的方式弯曲。如果尝试进行光学感测，则会导致图像模糊。在典型的显示应用中，由于模糊的光正在进入设备而不是朝向观看者，因此这种模糊是无关紧要的。然而，如本文所述，在显示屏下光学指纹感测的情况下，这种模糊影响沿光学感测组件的方向传播的光，这可能使位于常规增强层1800下方的组件阻碍光学感测。

为了更加清楚，图18B示出了用于光学感测的三种示例性潜在参考位置(例如，位置和定向)1850。如果根据参考位置1850a放置光学传感器，则该光学传感器可能倾向于检测通过左右棱镜面进入增强膜层1820的光，这可能倾向于导致图像模糊。然而，如果根据参考位置1850b或1850c放置光学传感器，则光学传感器可能倾向于检测仅分别通过右棱镜面或左棱镜面进入增强膜层1820的光。在这种情况下，可以避免模糊，但是至少一半的检测区域可能无法成像。可以将可比较分析应用于具有多个增强膜层1820的增强层1800的实现方式，如图18C中所示。例如，将光学传感器放置在参考位置1850b或1850c可能倾向于检测仅分别通过增强膜层1820b的右棱镜面或左棱镜面进入增强膜层1820b的光；但是，将光学传感器放置在那些参考位置(1850b或1850c)中的任何一个上可能都倾向于检测通过增强膜层1820a的左右棱镜面进入增强膜层1820a的光，这仍然可能导致图像模糊。通过围绕轴线1840将参考位置1850b和1850c旋转45度并将光学传感器定位在那些位置之一中，可以倾向于检测到仅通过增强膜层1820a的单个棱镜面并且仅通过增强膜层1820b的单个棱镜面进入的光。在这种情况下，可以避免模糊，但是至少四分之三的检测区域可能无法从任何单个参考位置进行成像。

为了说明起见，图19示出了覆盖在诸如增强膜层1820的单个增强膜层1900上的说明性指纹感测区域615。如图所示，增强膜层1900的微棱镜结构形成大体上在第一方向(标记为“X”轴1920)上延伸并且在大体上正交于第二方向(标记为“Y”轴1925)上延伸的平行脊线。尽管未示出，但是可以假定“Z”轴在LCM 1720的方向上从页面向外指向，正交于X轴和Y轴两者。如上所述，尽管理论指纹感测区域615占用相对较大的感测区域，但是定向为感测整个区域的光学传感器可能倾向于接收来自每个微棱镜结构的两个棱镜面的反射探测光，从而导致图像模糊。定向为仅从每个微棱镜结构的一个棱镜面接收反射探测光的光学传感器可以倾向于避免图像模糊，但是也倾向于导致感测区域减小(如感测子区域1910所示)。例如，光学传感器可以被定向为大体指向负Y方向、正Z方向(例如，{0，-y，z})。在这种情况下，实际感测子区域1910可以大约为理论感测区域615的面积的一半或更小。

图20示出了覆盖在具有两个增强膜层的增强面板2000上的说明性指纹感测区域615，该增强膜层被堆叠成使得它们各自的微棱镜结构在大致正交的方向上延伸。增强面板2000可以被实现为例如图18A和图18C所示的增强面板。如图所示，增强面板2000具有第一微棱镜结构(例如，属于第一增强膜层)和第二微棱镜结构(例如，属于第二增强膜层)，其中第一微棱镜结构形成大体在第一方向上(沿“X”轴1920)延伸的平行脊线，第二微棱镜结构形成大体在第一二方向上(沿“Y”轴1925)延伸的平行脊线。通过两个增强膜层，每层都可能导致模糊。例如，穿过下增强膜层的微结构的一个棱镜面的光是穿过上增强膜层的微结构的两个棱镜面的光的组合。因此，为了避免模糊，光学传感器被定向为通过两个增强膜层从每个微棱镜结构的仅一个棱镜面接收反射探测光。例如，光学传感器可以被定向为大体上指向正X、负Y、正Z方向(例如，{x，-y，z})。在这种情况下，实际感测子区域2010可以是理论感测区域615的面积的大约四分之一。例如，当使用对称微棱镜结构时(例如，如图18A-图18C所示的那些)，实际感测子区域2010可以小于理论感测区域615的面积的四分之一。

图21示出了根据各种实施例的配置用于光路补偿的光学布置2100的一部分。该光学布置包括说明性增强膜层1820和说明性补偿膜层2150。例如，增强膜层1820如参考图18A-图18C所描述地示出。如图所示，增强膜层1820包括增强微棱镜结构2105，每个增强微棱镜结构具有两个相对的成角度的增强棱镜面(2110a和2110b)，它们相遇形成增强棱镜脊2115。增强棱镜面中的第一增强棱镜面2110a相对于增强膜层1820的表面平面2107以第一增强角(An1)定向，增强棱镜面中的第二增强棱镜面2110b相对于增强膜层1820的表面平面2107以第二增强角(An2)定向，并且增强棱镜面2110以第三增强角(An3)相遇以形成增强棱镜脊2115。每个增强微棱镜结构2105具有三角形横截面，使得An1、An2和An3相加等于180度。每个增强棱镜脊2115与其相邻的增强微棱镜2105的增强棱镜脊2115间隔开增强间距2109。增强膜层1820被示出为具有对称的增强微棱镜结构2105，使得An1和An2基本相等。在其他实现方式中，增强微棱镜结构2105是不对称的，使得An1不同于An2。

补偿膜层2150包括补偿微棱镜结构2155，每个补偿微棱镜结构具有两个相对的成角度的补偿棱镜面(2160a和2160b)。补偿棱镜面中的第一补偿棱镜面2160a相对于补偿膜层2150的表面平面2157以第一补偿角(Am1)定向，补偿棱镜面中的第二补偿棱镜面2160b相对于补偿膜层2150的表面平面2157以第二补偿角(Am2)定向。每个补偿微棱镜结构2155具有基本为三角形的横截面。在实施例中(如图所示)，补偿棱镜面2160相遇，从而以第三补偿角(Am3)形成尖锐补偿棱镜脊2165。在其他实施例中(例如，如下面的图25所示)，不存在尖锐补偿棱镜脊2165；相反，脊可以被切掉或压平，以形成附加的补偿棱镜面。在这样的实施例中，压平或切掉的脊仍被称为补偿棱镜脊2165，并且以度为单位的脊角(Am3)可以被确定为180-(Am1+Am2)。每个补偿棱镜脊2165与其相邻的补偿微棱镜2155的补偿棱镜脊2165间隔开补偿间距2159。尽管示出为具有对称的补偿微棱镜结构2155(例如，使得Am1和Am2基本相等)，但是补偿微棱镜结构2155可以出于不同的目的对称或不对称，例如，如本文所述。

在一些实施例中，补偿膜层2150被设计为以与增强膜层1820引起的弯曲相反的方式有效地弯曲光。在一些实施例中，如图所示，An1基本等于Am1，使得增强棱镜面中的第一增强棱镜面2110a基本平行于补偿棱镜面中的第一补偿棱镜面2160a。在一些实施例中，An2也基本等于Am2，使得增强棱镜面中的第二增强棱镜面2110a也基本平行于补偿棱镜面中的第二补偿棱镜面2160a。在一些实施例中，增强间距2109等于补偿间距2159。在其他实施例中，增强间距2109不同于(例如，小于)补偿间距2159。例如，如图所示，增强膜层1820与补偿膜层2150间隔开一定距离。在一些这样的情况下，将补偿膜层2150配置为具有以更大的补偿间距2159间隔开的更大的补偿微棱镜结构2155可以产生更好的补偿。例如，在所示的实施例中，示出了光束A和光束B(例如，反射光的反射光线)被增强膜层1820折射，从而使光束发散。然后，发散光束到达补偿膜层2150，并再次被补偿膜层2150折射，从而使光束弯曲回到其基本上原始的方向(例如，尽管可能间隔得更远)，如光束C和光束D所示。

图22示出了根据各种实施例的具有增强膜层1820和补偿膜层2150的另一光学布置2200。在一些实施例中，图22的光学布置可以与图21的光学布置相似或相同。出于上下文考虑，图22示出了由其他功能层2210分开的增强膜层1820和补偿膜层2150。例如，如图17B所示，增强膜层1820可以是增强层1725(或其一部分)，而补偿膜层2150可以是光路补偿层1755a或1755b；并且这些层可以由其他功能层2210分开，例如光漫射器1730、导光板1735、反射膜器1740等等。由于由其他功能层2210形成的增强膜层1820和补偿膜层2150之间的间隔，与特定增强棱镜面2110相互作用后的光又与非对应的补偿棱镜面2160相互作用可能是常见的。当与显示屏下光学传感器(例如，显示屏下光学传感器1765)一起使用时，这可能导致串扰(例如，成像混乱)。

补偿膜层2150的实施例可以被设计为消除(或至少减轻)这种串扰。例如，如图所示，光束E被增强膜层1820弯曲，使其从其原始方向发散。随后，光束进入补偿膜层2150，被补偿膜层2150折射，并与补偿棱镜面2160相互作用。补偿棱镜面2160将光束的传播方向改变到一定程度，使得该光束基本上不会被显示屏下光学传感器检测到。在一些实现方式中，这种方法可以消除(或明显减轻)这类光束对光学感测的任何影响。

图21和图22中所讨论的串扰可能性仅仅是一种光学关切问题。在一些实现方式中，另一种相似的关切问题是双重成像的可能性。例如，返回参考图21，增强膜层1820与补偿膜层2150重叠，其中凹槽平行。微棱镜结构被构建在具有适当厚度的基板上，并且补偿膜层2150位于距增强膜层1820的距离Z处。通常，待感测物体距离这些膜不远。在这种布置中，特定的光路在某些情况下可以具有两条路径，通过这两条路径传播通过膜层(例如，如图所示的光路AC和光路BD)。因此，材料厚度和两个膜层之间的距离可能导致光学传感器中出现双重子图像，这可能会阻碍可靠的光学感测。各种实施例通过有效消除给定光路的一条路径以外的所有路径来解决这种双重成像。补偿膜层2150的特性可以被不同地设计以提供不同的特征，以致于用于解决这些光学关切问题中的一些或全部。例如，补偿膜层2150的实施例可以被设计为减少这种串扰(如图21所示)，以仅补偿由每个增强微棱镜结构2105的增强棱镜面2110中的一个增强棱镜面引起的弯曲(例如，如图22所示)，和/或解决其他关切问题。下面参考图23-图25描述一些这样的设计。

首先转到图23，示出了光学布置2300，其中增强膜层1820和补偿膜层2150重叠，其中它们各自的凹槽平行，并且对应的微棱镜表面(增强微棱镜结构2105和补偿微棱镜结构2155)平行。每个第一增强棱镜面2110a平行于每个第一补偿棱镜面2160a，并且每个第二增强棱镜面2110b平行于每个第二补偿棱镜面2160b。然而，补偿膜层2150的一些或全部补偿微棱镜结构2155的每个第二补偿棱镜面2160b被处理成对一些或全部探测光频率不透明。例如，探测光(例如，并且通常地，穿过需要补偿的补偿膜层2150的任何光)具有特定的一个或多个频率，并且选定的补偿棱镜面2160被处理成对这些频率不透明、部分不透明、反射或以其他方式抑制。在所示的实现方式中，每个第一补偿棱镜面2160a是透明的(例如，至少对于感兴趣的频率)，并且每个第二补偿棱镜面2160b被处理成不透明的或内部反射的(例如，对于那些感兴趣的频率)。

通过对(一些或全部)补偿微棱镜结构2155的每个补偿微棱镜结构的一个面应用表面处理2310，这种效应可以得到实现。表面处理2310可以包括用吸光材料处理棱镜面，粗化面，掺杂面的材料，在面处漫射材料，在面上施加涂层，或者以消除、或明显降低至少一个子图像的亮度的方式制造该面。为了更加清楚，示出了相邻的光束A和光束B。如参考图21所描述的，尽管相邻，但是那些光束可以遍历通过膜层的不同路径，最终到达不同的补偿棱镜面2160，潜在地导致串扰。然而，由于表面处理2310，只有一个子图像穿过补偿膜层2150，而另一子图像被抑制。例如，光束B进入增强膜层1820，被增强膜层1820折射并从增强膜层1820出射；然后，光束B进入补偿膜层2150，被补偿膜层2150折射并从补偿膜层2150出射为光束D。然而，光束A进入增强膜层1820，被增强膜层1820折射并从增强膜层1820出射；然后光束A进入补偿膜层2150，被补偿膜层2150折射并通过补偿膜层2150的表面处理2310被抑制。

转到图24，示出了另一种光学布置2400，其中增强膜层1820与补偿膜层2150重叠，它们各自的凹槽平行。与图23不同，这里每个补偿微棱镜结构2155的仅一个面平行于增强微棱镜结构2105的对应面。如图所示，每个第一增强棱镜面2110a平行于每个第一补偿棱镜面2160a，但是每个第二增强棱镜面2110b不平行于每个第二补偿棱镜面2160b。因此，每个第二补偿棱镜面2160b实际上是非补偿表面。通过这样的布置，沿着非补偿表面系列的子图像倾向于严重失真并且偏离出光学传感器的检测区域。因此，只有一个子图像可以被检测到，或者忽略不期望的子图像的影响可能是相对简单的。

转到图25，示出了另一种光学布置2500，其中增强膜层1820与补偿膜层2150重叠，它们各自的凹槽平行。图25中的实现方式与图24的实现方式类似，除了一些或全部补偿微棱镜结构2155的棱镜脊被压平以形成附加的补偿棱镜面2160c。如图24中所示，每个第一增强棱镜面2110a平行于每个第一补偿棱镜面2160a，但是每个第二增强棱镜面2110b不平行于每个第二补偿棱镜面2160b(即，每个第二补偿棱镜面是非补偿表面)。附加的补偿棱镜面2160c(压平的脊表面)可以被定向、处理和/或以任何合适的方式配置，以减少从非补偿表面2510反射离开的光对光学传感器的一些或全部影响。例如，每个附加的补偿棱镜面2160c可以基本平行于补偿膜层2150的基板平面。这种布置可以进一步减少或消除除一个子图像之外的所有子图像免于光学检测。

图26A-图26D示出了根据各种实施例的简化的显示系统布置2600，其中在具有增强层和补偿层的显示系统的上下文中，每个显示系统布置具有显示屏下光学传感器1765。布置2600示出了光学系统的一些不同的实现方式。光学系统的实施例包括多个光学层，每个光学层用于影响穿过其的光的传输。该光学层包含包括至少一个增强膜层1820的增强层以及包括至少一个补偿膜层2150的补偿层。每个增强膜层1820包括指向增强方向2610的增强微棱镜结构2105，每个增强微棱镜结构2105具有由相应的第一增强棱镜面2110a和相应的第二增强棱镜面2110a形成的三角形截面，该相应的第一增强棱镜面2110a和该相应的第二增强棱镜面2110b相遇以形成相应的增强棱镜脊2115。每个补偿膜层2150具有指向与增强方向2610基本相反的补偿方向2620的补偿微棱镜结构2155，每个补偿微棱镜结构2155具有由相应的第一补偿棱镜面2160a和相应的第二补偿棱镜面2160b形成的三角形横截面。如本文所述，每个相应的第一增强棱镜面2110a基本平行于每个相应的第一补偿棱镜面2160a。在各种实现方式中，每个相应的第二增强棱镜面2110b可以基本平行于或基本不平行于每个相应的第二补偿棱镜面2160b；并且每个相应的第二增强棱镜面2110b可以被配置或不配置为或以其他方式处理为抑制穿过其的光的传播。

在一些实施例中，如图所示，光学系统还包括设置在增强层(一个或多个增强膜层1820)和补偿层(一个或多个补偿膜层2150)上方的盖板层1715。因此，增强方向2610通常指向盖板层1715，并且补偿方向2620通常指向远离盖板层1715。实施例还可以包括液晶显示模块(LCM)1720，其可以设置在盖板层1715下方并且在一个或多个增强膜层1820和/或补偿膜层2150上方。在一些实施例中，显示屏下光学传感器1765设置在一个或多个增强膜层1820和补偿膜层2150下方。一些实施例还包括设置在一个或多个增强膜层1820和/或补偿膜层2150下方的照明子系统(未示出)。该照明子系统用于通过一个或多个增强膜层1820和/或补偿膜层2150以及LCM 1720将探测光投射在盖板层1715上。因此，显示屏下光学传感器1765可以用于对从盖板层1715反射离开并向回穿过一个或多个增强膜层1820和补偿膜层2150之后、到达其光学传感器的探测光的部分进行成像。

图26A示出了仅具有单个增强膜层1820和单个补偿膜2150的布置2600d。在这种布置中，补偿膜层2150用于完全或部分补偿增强膜层1820的效应。增强膜层1820和补偿膜层2150被示出为设置在其他功能光学层(示出为“多组”功能光学层2210，每组功能光学层具有一个或多个功能光学层)之间。各种功能光学层可包括一个或多个光漫射器层、导光板层、反射器膜层、滤光片层、附加的增强和/或补偿层、和/或任何其他合适的光学层。

在图26B-图26D所示的各种实现方式中，增强层被示出为具有两个增强膜层1820，例如图18C所示的增强膜层1820；补偿层被类似地示出为具有两个补偿膜层2150。例如，第一增强膜层1820a被布置为与第二增强膜层1820b基本正交地重叠，使得第一增强膜层1820a的增强棱镜脊2115在基本正交于第二增强膜层1820b的增强棱镜脊的方向上延伸。类似地，第一补偿膜层2150a被布置为与第二补偿膜层2150b正交地重叠，使得第一补偿膜层2150a的补偿棱镜脊在基本正交于第二补偿膜层2150b的补偿棱镜脊的方向上延伸。在这种布置中，第一补偿膜层2150a可以被设计为基本补偿第一增强膜层1820a，第二补偿膜层2150b可以被设计为基本补偿第二增强膜层1820b。

在图26B中，两个增强膜层1820设置在盖板层1715(和LCM 1720)与第一组功能光学层2210a之间，并且两个补偿膜层2150设置在第一组功能光学层2210a和第二组功能光学层2210b之间。上(第一)增强膜层1820a与上(第一)补偿膜层2150a有效地匹配(例如，它们各自的棱镜脊在相同的第一方向上延伸)，并且下(第二)增强膜层1820b与下(第二)补偿膜层2150b有效地匹配(例如，它们各自的棱镜脊在正交于第一方向的相同第二方向上延伸)。图26C的布置2600c类似于图26B的布置，除了补偿膜层2150的顺序。在图26C中，上(第一)增强膜层1820a与下(第一)补偿膜层2150a有效地匹配，并且下(第二)增强膜层1820b与上(第二)补偿膜层2150b有效地匹配。因此，相比第二增强膜层1820b和第二补偿膜层2150b之间的相对间隔，第一增强膜层1820a和第一补偿膜层2150a之间具有更大的相对间隔，其中第二增强膜层1820b和第二补偿膜层2150b分别位于第一组功能光学层2210a的正上方和正下方。

如图26D所示，多个增强膜层1820不一定必须相邻，和/或多个补偿膜层2150不一定必须相邻。在所示的配置中，增强膜层1820和补偿膜层2150是交错的。第一增强膜层1820a设置在盖板层1715(和LCM 1720)与第一组功能光学层2210a之间，第一补偿膜层2150a和第二增强膜层1820设置在第一组功能光学层2210a和第二组功能光学层2210b之间，以及第二补偿膜层2150b设置在第二组功能光学层2210b和第三组功能光学层2210c之间。在这种配置中，匹配的膜层保持紧密在一起。例如，第一增强膜层1820a和第一补偿膜层2150a位于第一组功能光学层2210a的正上方和正下方，第二增强膜层1820b和第二补偿膜层2150b位于第二组功能光学层2210b的正上方和正下方。在一些这样的布置中，光漫射器层被包括在第一和/或第二组功能光学层2210中，例如，以帮助避免由增强层和补偿层的布置引起的条纹和/或其他伪像。

如上所述，由于指纹或其他物体与顶面之间的相互作用，光从顶部盖板层朝向光学传感器传播，例如由顶部盖板层的顶面反射的探测光和背光。补偿层可以被设计为使得反射光的任意特定光束源于第一方向、由增强膜层弯曲到第二方向、并在到达显示屏下光学传感器之前由补偿层弯曲回到大体第一方向。补偿膜层的几何和光学性质可以被调节以优化补偿质量和/或提供其他特征。例如，补偿层可以包括更多或更少的补偿膜层，补偿微棱镜可以被设计成具有与增强微棱镜的角度和/或间距不同的角度和/或间距，补偿棱镜面可以被处理(例如，不透明的或反射的)等等。此外，在各种实施例中，补偿层可以更靠近或远离增强层间隔开以提供不同的特征。

如上所述，增强膜层和/或补偿膜层的微棱镜结构的各种布置可能倾向于将感测区域(例如，上述感测区域615)限制为仅有的面积减小的实际感测子区域(例如，上述子区域1910或2010)。增加理论感测区域615的面积可以抵消面积减小的实际感测子区域2010的限制。例如，将理论感测区域615的面积加倍可以使实际感测子区域2010的面积加倍。一种增加理论感测区域615的面积的方法是增加被检测的物体(例如，指纹特征)与光学传感器的输入处的透镜之间的距离。然而，直接增加这种距离会涉及增加光学传感器的厚度，这在许多应用中是不切实际的。例如，在智能手机应用中，期望保持薄的包装，同时仍然希望实现大的感测区域。一些实施例试图通过使用折射和反射以产生折叠的光路来有效地增加理论感测区域615，而不会相应地增加传感器厚度。

图27示出了根据各种实施例的说明性显示屏下光学感测环境2700。如图所示，环境2700包括设置在显示模块1710下方的显示屏下光学感测系统。光学感测系统包括光学感测模块2710、折射结构2720和反射结构2730。光学感测模块2710可以包括用于光学感测的任何合适的组件。为了简单起见，光学感测模块2710被示为光学检测器2712和透镜2714。作为参考，显示模块1710被示为限定显示平面2705。例如，显示模块1710的显示表面通常是平的(例如，尽管它可以包括带边框的边缘、圆形的边缘等)，使得显示表面通常位于显示平面2705中。显示模块1710可以是任何合适类型的显示屏，并且可以包括一层或多层。在一些实施例中，如上所述，显示模块1710是液晶显示(LCD)模块，其具有多个包括LCD层的层(例如，包括LCD像素阵列、电极互连等)。

光学感测模块2710用于根据接收到的照明能量推导出光学信息。例如，当光通过输入孔2716进入光学感测模块2710时，光被透镜2714聚焦到光学检测器2712上，光学检测器2712可以包括光电检测器阵列和/或任何其他合适的组件。接收到的照明能量然后可以被转换成光学信息。例如，该转换可以包括任何合适的光学处理(例如，利用透镜、滤波器、调制器、掩模等)和/或任何合适的逻辑处理(例如，使用计算处理器、状态机、软件等)。如图所示，输入孔2716可以被定向为基本平行于显示平面2705。在这种配置中，平行于显示平面2705传播的光路可以与透镜2714同轴地进入输入孔2716的中心。

反射结构2730可以接收穿过显示模块1710(例如，在光学感测区域615内)的反射探测光并且可以。在一些实施例中，反射结构2730包括集成有(例如，贴附到)顶部反射表面2735的镜子。例如，反射结构2730包括以适当的角度支撑和定向镜子的结构，该角度适于将反射探测光的光路2740朝向折射结构2720重定向。在其他实施例中，反射结构2730是具有成角度的顶面2735的整体式棱镜体。在这样的实施例中，整体式棱镜体可以由具有选定折射率的材料(例如，塑料，玻璃等)制成，从而使得穿过显示模块1710之后入射在成角度的顶面2735上的反射探测光朝向折射结构2720反射。如图所示，反射结构2730的尺寸和方向被设置成使来自整个光学感测区域615的反射探测光的光路2740重定向到折射结构2720。在某些实现方式中，反射结构2730的尺寸和方向被设置成对仅来自光学感测区域615的一部分和/或另外来自光学感测区域615之外的区域的反射探测光的光路2740进行重定向。

折射结构2720的实施例接收来自反射结构2730的反射探测光，并且使反射探测光的光路2740弯曲以会聚在光学感测模块2710的输入孔2716上。例如，如图所示，光路2740a、2740b和2740c分别从光学感测区域615的最左边缘、中心和最右边缘起源，从而代表来自整个光学感测区域615的光路2740。尽管覆盖了较大的光学感测区域615，但是光路2740全部被反射结构2730重定向到折射结构2720，并且全部被折射结构2720弯曲以会聚在光学感测模块2710的输入孔2716上。在一些实施例中，折射结构2720是整体式棱镜体，具有第一折射表面(例如，距光学感测模块2710较远)以接收来自反射结构的反射探测光，以及第二折射表面(例如，距光学感测模块2710较近)以将反射探测光传输到光学传感模块的输入孔，第一折射表面相对于第二折射表面成一定角度。例如，如图所示，第二折射表面可以基本正交于显示平面而定向。

如上所述(尽管未在图27中示出)，实施例可以包括照明源和顶部透明层。照明源可以设置在显示模块1710下方，以产生探测光并引导探测光穿过显示模块1710的至少一部分。例如，探测光源可以包括发光二极管(light emitting diode，LED)、垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)或任何其他合适的光源。顶部透明层可以设置在显示模块1710上方，并且配置为用于由显示模块1710产生的图像的输出接口。在一些实现方式中，显示模块1710还包括触敏特征，并且顶部透明层还可以被配置为用于触敏交互的输入接口。尽管光学感测区域615被示出为基本位于显示平面2705中，但是也可以参考顶部透明层的顶面来限定光学感测区域615。例如，当光学感测模块2710被配置为用于显示屏下光学指纹感测时，指纹通常被放置在顶部透明层的顶面上，使得光学感测区域615更直接对应于顶部透明层的顶面中可以执行光学指纹感测的区域。光学感测区域615于是可以是用于接收来自照明源的探测光并且响应于物体(例如，指纹特征)与顶面之间的相互作用而对探测光的一部分进行反射的区域。例如，如上所述，顶部透明层可以由相对于顶部透明层上方的空气和/或指纹特征或其他物体具有特定折射率的材料(例如，处理过的玻璃)制成。因此，基于是否存在物体，探测光将倾向于在顶部透明层的顶面处被反射或不反射(例如，指纹脊会导致探测光被反射，而指纹谷会导致探测光被吸收、散射等)。在这样的实施例中，由反射结构2730重定向、折射结构2720弯曲以及光学感测模块2710接收的反射探测光是由顶部透明层的顶面反射的探测光。

在一些实施例中，反射结构2730和折射结构2720被配置(例如，调整尺寸、形状、位置和方向)，使得穿过光学感测区域615的中心的光路2740b之一被反射结构2730重定向并被折射结构2720弯曲，以进入光学感测模块的输入孔2716的中心。例如，透镜2714是具有主光轴的凸透镜，并且输入孔2716与透镜2714对准，使得输入孔2716的中心与透镜2714的主光轴对准。在一些实施例中，如图所示，反射结构2730和折射结构2720被配置为使得在基本垂直于显示平面的第一方向(例如，相对于图示垂直)上穿过显示模块的光路2740b之一被反射结构2730重定向，并且被折射结构2720弯曲，从而在基本平行于显示平面的第二方向(例如，相对于图示水平)上进入光学感测模块2710的输入孔2716。

图28示出了根据各种实施例的具有离轴感测的说明性显示屏下光学感测环境2800。类似于图27的环境2700，环境2800包括设置在显示模块1710下方的显示屏下光学感测系统。光学感测系统包括光学感测模块2710、折射结构2720和反射结构2730(具有反射顶面2735)。光学感测模块2710可以包括用于光学感测的任何合适的组件，例如光学检测器2712和透镜2714。与图27不同，图28的环境2800示出了小于理论光学感测区域615的实际光学感测子区域2810，例如参考图20和图21所描述的。

如上所述，显示模块1710的实施例可以包括具有微棱镜结构的增强层。例如，每个微棱镜结构可以具有至少第一和第二棱镜面，并且第一和第二棱镜面可以相对于彼此对称或不对称。当反射探测光穿过微棱镜结构时，一些反射探测光穿过微棱镜结构的第一棱镜面，而另一些反射探测光穿过微棱镜结构的第二棱镜面。例如，反射探测光的光路2840的第一部分穿过微棱镜结构的第一棱镜面，并且反射探测光的光路2840的第二部分穿过微棱镜结构的第二棱镜面，使得光路2840的第一和第二部分发散。如上所述，如果光学感测模块2710接收光路2840的第一和第二部分两者，则这种发散会引起模糊。相反，实施例可以将光学感测模块2710配置为根据接收到的仅与反射探测光的光路2840的第一部分相对应的照明能量推导出光学信息。因此，实际光学感测子区域2810小于理论光学感测区域615(例如，大约一半或四分之一的面积)。

在一些这样的实施例中，增强层包括第一增强膜层和第二增强膜层。第一增强膜层具有微棱镜结构的第一部分，该第一部分被布置为形成在第一方向上延伸的第一平行棱镜脊线，并且第二增强膜层具有微棱镜结构的第二部分，该第二部分被布置为形成在不同于第一方向的第二方向上延伸的第二平行棱镜脊线。例如，如图21所示，第一增强膜层可以与第二增强膜层基本相同，并且第一增强膜层可以堆叠在第二增强膜层的顶部上并且被定向为使得第一方向正交于第二方向。在一些这样的实施例中，反射探测光的光路2840的第一部分通过穿过微棱镜结构的第一部分的第一棱镜面和微棱镜结构的第二部分的第一棱镜面而穿过微棱镜结构的第一棱镜面；反射探测光的光路2840的第二部分通过穿过微棱镜结构的第一部分的第二棱镜面和微棱镜结构的第二部分的第二棱镜面而穿过微棱镜结构的第二棱镜面。还可能存在反射探测光的光路2840的第三部分和反射探测光的光路2840的第四部分，该第三部分穿过微棱镜结构的第一部分的第一棱镜面和微棱镜结构的第二部分的第二棱镜面，并且该第四部分穿过微棱镜结构的第一部分的第二棱镜面和微棱镜结构的第二部分的第一棱镜面。此外，在这样的实施例中，实际光学感测子区域2810可以小于理论光学感测区域615(例如，理论光学感测区域615的大约仅四分之一可以是可用的而不会模糊)。

光学感测模块2710的实施例包括透镜2714和光学检测器2712(例如，包括任何合适类型的感测组件)，其定向成使得会聚在光学感测模块2710的输入孔2716上的反射探测光通过透镜2714聚焦到光学检测器2712上。一些这样的实施例可以被配置成优选与仅(或主要)穿过微棱镜结构的特定面(例如，仅第一棱镜面)的照明能量相对应的光路2840的第一部分。例如，如图28所示，显示屏下光学感测系统被配置为使得光路2840a和光路2840b通过反射结构2730和折射结构2720被引导到光学感测模块2710中，而光路284c没有被引导。在一些这样的实施例中，光学检测器2712可以根据由仅针对光路2840的第一部分的配置偏好而导致的通常偏心的光路而相对于透镜离轴定位。因此，光学检测器2712可以被配置(例如，调整位置和/或尺寸)，以接收从实际光学感测子区域2810而不是从理论光学感测区域615的其余部分反射的照明能量。

图29示出了根据各种实施例的说明性显示屏下光学感测环境2900。如图所示，环境2900包括设置在显示模块1710下方的显示屏下光学感测系统。环境2900可以如上面参考图27或图28所描述的那样或者以任何其他合适的方式来实现。例如，光学感测系统包括光学感测模块2710、折射结构2720和反射结构2730。如图所示，环境2900可以包括一个或多个光路补偿器1755，例如补偿层。在一些实施例中，补偿层被实现为显示模块1710的层。在其他实施例中，补偿层被实现为位于显示模块1710和光学感测系统之间的单独层、和/或另外直接位于光学感测系统的正前方。在其他实施例中，补偿层被实现为不仅作为显示模块1710的层，而且位于光学感测系统的正前方。如本文所述，补偿层可以帮助将更多来自感测区域615的光学信息引导到光学传感器2710，同时减轻模糊、串扰和其他不期望的光学效应。

虽然本公开包含许多细节，但这些细节都不应解释为对任何申请或要求保护的范围的限制，而应被解释为可以是特定于特定申请的特定实施例的特征的描述。在本专利文件中的单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合实现。另外，虽然以上可将特征描述为按某些组合来动作，或者甚至最初权利要求是这样记载的，但来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可被从该组合中删去，并且要求保护的组合可指向子组合或子组合的变体。

类似地，尽管附图中以特定顺序对操作进行描述，但这不应被理解为要求以所示的特定顺序或按顺序来执行这些操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种系统组件的分离不应理解为在所有实施例中要求这种分离。

仅描述了若干实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

除非特别指出相反的情况，否则“一”，“一个”或“该”的引用旨在表示“一个或多个”。范围可以在本文中表示为从“约”一个指定值和/或到“约”另一个指定值。术语“约”在本文中用于表示近似、在...附近、大致或左右。当术语“约”与数值范围结合使用时，其通过扩展所提出数值的上下边界来修改该范围。一般而言，术语“约”在本文中用于将数值在所述值之上和之下修改10％的方差。当表达这样的范围时，另一实施例包括从一个指定值和/或到另一个指定值。类似地，当通过使用先行词“约”将值表示为近似值时，应理解，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部并入。所有这些均未被认作现有技术。

Claims (20)

1.一种光学指纹识别装置，应用于具有显示屏的电子设备，所述光学指纹识别装置包括：

具有光学增强和补偿的光学系统，所述光学系统包括：

多个光学层，每个光学层用于影响穿过其的光的传输，所述多个光学层包括：

增强层，包括至少一个增强膜，所述增强膜具有指向增强方向的多个增强微棱镜结构；和

补偿层，包括至少一个补偿膜，所述补偿膜具有指向与所述增强方向基本相反的补偿方向的多个补偿微棱镜结构；

照明子系统，用于通过所述增强层和所述补偿层将探测光投射在盖板层上；和

光学感测子系统，用于对从所述盖板层反射离开并向回穿过所述增强层和所述补偿层之后、到达所述光学感测子系统的所述探测光的部分进行成像。

2.根据权利要求1所述的光学指纹识别装置，其中：

每个增强微棱镜结构具有由相应的第一增强棱镜面和相应的第二增强棱镜面形成的三角形横截面，所述相应的第一增强棱镜面和所述相应的第二增强棱镜面相遇以形成相应的增强棱镜脊；

每个补偿微棱镜结构具有由相应的第一补偿棱镜面和相应的第二补偿棱镜面形成的三角形横截面；并且

每个相应的第一增强棱镜面基本平行于每个相应的第一补偿棱镜面。

3.根据权利要求2所述的光学指纹识别装置，其中：

所述多个增强微棱镜结构形成为使得相应的增强棱镜脊根据增强间距而间隔开；

所述多个补偿微棱镜结构形成为使得每个相应的第一补偿棱镜面和每个相应的第二补偿棱镜面相遇以形成相应的补偿棱镜脊，并且相应的补偿棱镜脊根据补偿间距而间隔开；并且

所述增强间距不同于所述补偿间距。

4.根据权利要求2所述的光学指纹识别装置，其中：

每个相应的第二增强棱镜面基本不平行于每个相应的第二补偿棱镜面。

5.根据权利要求2所述的光学指纹识别装置，其中：

每个相应的第一增强棱镜面、每个相应的第二增强棱镜面和每个相应的第一补偿棱镜面对一个或多个探测光频率基本透明；并且

每个相应的第二补偿棱镜面被处理成对所述一个或多个探测光频率不透明。

6.根据权利要求5所述的光学指纹识别装置，其中：

通过将漫射材料施加到每个相应的第二补偿棱镜面和/或通过对每个相应的第二补偿棱镜面进行表面纹理化处理以阻碍穿过其的光的传输，每个相应的第二补偿棱镜面被处理成对所述一个或多个探测光频率不透明。

7.根据权利要求2所述的光学指纹识别装置，其中：

每个补偿微棱镜结构形成在限定补偿平面的补偿基板上；

每个相应的第一补偿棱镜面相对于所述补偿平面以第一补偿角定向；

每个相应的第二补偿棱镜面相对于所述补偿平面以第二补偿角定向；并且

每个补偿微棱镜结构还包括相应的第三补偿平面，所述第三补偿平面基本平行于所述补偿平面并且被处理成对一个或多个探测光频率不透明。

8.根据权利要求2所述的光学指纹识别装置，其中：

每个增强微棱镜结构形成在限定增强平面的增强基板上；

每个相应的第一增强棱镜面相对于所述增强平面以第一增强角定向；

每个相应的第二增强棱镜面相对于所述增强平面以第二增强角定向；并且

第一和第二增强棱镜面以第三增强角相遇以形成所述增强棱镜脊，使得第一、第二和第三增强角相加等于180度。

9.根据权利要求8所述的光学指纹识别装置，其中所述第一增强角不同于所述第二增强角。

10.根据权利要求1所述的光学指纹识别装置，其中所述光学感测子系统包括显示屏下光学生物特征成像系统。

11.根据权利要求1所述的光学指纹识别装置，其中所述照明子系统包括红外光源。

12.一种电子设备，包括：

显示模块，包括液晶面板和设置在所述液晶面板后方的背光模组；和

具有光学增强和补偿的光学系统，设置在所述液晶面板下方，所述光学系统包括：

多个光学层，每个光学层用于影响穿过其的光的传输，所述多个光学层包括：

增强层，包括至少一个增强膜，所述增强膜具有指向增强方向的多个增强微棱镜结构；和

补偿层，包括至少一个补偿膜，所述补偿膜具有指向与所述增强方向基本相反的补偿方向的多个补偿微棱镜结构；

照明子系统，用于通过所述增强层和所述补偿层将探测光投射在盖板层上；和

光学感测子系统，用于对从所述盖板层反射离开并向回穿过所述增强层和所述补偿层之后、到达所述光学感测子系统的所述探测光的部分进行成像。

13.根据权利要求12所述的电子设备，其中：

每个增强微棱镜结构具有由相应的第一增强棱镜面和相应的第二增强棱镜面形成的三角形横截面，所述相应的第一增强棱镜面和所述相应的第二增强棱镜面相遇以形成相应的增强棱镜脊；

每个补偿微棱镜结构具有由相应的第一补偿棱镜面和相应的第二补偿棱镜面形成的三角形横截面；并且

每个相应的第一增强棱镜面基本平行于每个相应的第一补偿棱镜面。

14.根据权利要求13所述的电子设备，其中：

所述多个增强微棱镜结构形成为使得相应的增强棱镜脊根据增强间距而间隔开；

所述多个补偿微棱镜结构形成为使得每个相应的第一补偿棱镜面和每个相应的第二补偿棱镜面相遇以形成相应的补偿棱镜脊，并且相应的补偿棱镜脊根据补偿间距而间隔开；并且

所述增强间距不同于所述补偿间距。

15.根据权利要求13所述的电子设备，其中：

每个相应的第二增强棱镜面基本不平行于每个相应的第二补偿棱镜面。

16.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述多个光学层还包括：

第一组功能光学层，设置在所述增强层和所述补偿层之间；和

第二组功能光学层，设置在所述补偿层和所述光学感测子系统之间。

17.根据权利要求16所述的电子设备，其中：

所述增强层仅包括所述增强膜，所述相应的增强棱镜脊在第一方向上彼此平行地延伸；并且

所述补偿层仅包括所述补偿膜，所述多个补偿棱镜脊在所述第一方向上彼此平行地延伸。

18.根据权利要求16所述的电子设备，其中：

所述增强膜是第一增强膜，所述多个增强微棱镜结构是多个第一增强微棱镜结构，所述多个第一增强微棱镜结构形成在第一方向上彼此平行地延伸的第一相应增强棱镜脊；

所述增强层包括第二增强膜，所述第二增强膜具有多个第二增强微棱镜结构，所述多个第二增强微棱镜结构形成在基本正交于所述第一方向的第二方向上彼此平行地延伸的第二相应增强棱镜脊；

所述补偿膜是第一补偿膜，所述多个补偿微棱镜结构是多个第一补偿微棱镜结构，所述多个第一补偿微棱镜结构形成在所述第一方向上彼此平行地延伸的第一相应补偿棱镜脊；

所述补偿层包括第二补偿膜，所述第二补偿膜具有多个第二补偿微棱镜结构，所述多个第二补偿微棱镜结构形成在所述第二方向上彼此平行地延伸的第二相应补偿棱镜脊；并且

所述第一增强膜位于所述第二增强膜上方，所述第一补偿膜位于所述第二补偿膜上方，使得所述第二增强膜位于所述第一组功能光学层的正上方，而所述第一补偿膜位于所述第一组功能光学层的正下方。

19.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述光学感测子系统包括显示屏下光学生物特征成像系统。

20.根据权利要求12所述的电子设备，其中所述照明子系统包括红外光源。

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