CN114450727A - 利用光学感测模块进行的透明的假对象覆盖的反欺骗 - Google Patents

Abstract

提供用于使用像素扩散检测进行的透明的欺骗覆盖材料的反欺骗的光学感测。一些实施例在集成到电子设备中的屏下光学指纹传感器的上下文中操作。光学扫描系统可以将入射在感测区域上的照明以可预测的方式引导到通过接触表面的镜面反射而重定向的光学传感器上。当对象(例如，手指)与接触表面直接接触时，维持可预测的镜面对应。但是，当在对象和接触表面之间放置透明的欺骗材料时，欺骗材料则会产生附加的镜面反射和非镜面反射，从而导致在光学传感器的像素扩散。因此，可以通过检测这种像素扩散来检测欺骗材料的存在。一些实施例使用照明掩蔽来帮助促进像素扩散检测。

Description

利用光学感测模块进行的透明的假对象覆盖的反欺骗

优先权和相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年12月5日提交的美国非临时专利申请号为16/705,183、发明名称为“利用光学感测模块进行的透明的假对象覆盖的反欺骗”的权益和优先权。

技术领域

本公开涉及光学传感器，例如与移动计算设备的显示面板布置集成的屏下光学指纹传感器，该光学传感器用于提供假对象覆盖的反欺骗。

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所需功能。启用用户认证的传感器是保护个人数据并阻止各种设备和系统中未经认证的访问的传感器的一个示例，这些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、信息系统或更大的计算机控制的系统。

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进行，该认证可以单独使用，也可以在传统的密码认证方法之外使用。人的指纹图案是生物特征标识符的一种普遍形式。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，使得设备只能由设备的认证用户通过其指纹图案的认证来解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一个示例是生物医学传感器，该传感器在腕带设备或手表等可穿戴设备中检测用户的生物学特性，例如用户的血液特性、心跳。通常，电子设备中可以提供不同的传感器，以实现不同的传感操作及功能。

指纹可用于对访问电子设备、计算机控制的系统、电子数据库或信息系统的用户进行认证，既可用作独立的认证方法，也可以与一种或多种其他认证方法，例如密码认证方法结合使用。例如，包括便携式或移动计算设备，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统在内的电子设备可以使用用户认证机制来保护个人数据并阻止未经认证的访问。在另一个示例中，应该保护组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统以仅允许认证人员访问，以保护组织或企业的信息或设备或系统的使用。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能是个人性质的，例如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息、或供组织或企业专用的机密信息，例如企业财务信息、员工数据、商业秘密和其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，这些数据可能会被其他人访问，从而导致个人隐私或有价值的机密信息受损。除了信息的安全性之外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还可以保护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和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的方式实现，例如使用用户密码。但是，密码可能会被轻易传播或获取，并且密码的这种性质会降低其安全级别。此外，由于用户需要记住密码才能访问受密码保护的电子设备或系统，如果用户忘记密码，则需要通过某些密码恢复程序才能获得认证或以其他方式重新获得设备或系统的访问权限。这一过程可能会给用户带来负担，并有各种实际限制和不便。个人指纹识别可用于实现用户认证，从而在增强数据安全性的同时减轻与密码相关的某些不良影响。

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使用用户认证，以保护个人数据或其他机密数据并阻止未经认证的访问。生物特征标识符可以单独使用，也可以与密码认证方法结合使用，以提供用户认证。人的指纹图案是生物特征标识符的一种形式。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，使得设备只能由设备的认证用户通过其指纹图案的认证来解锁。

发明内容

实施例提供了使用像素扩散检测进行的透明的欺骗覆盖材料的反欺骗的光学感测。例如，实施例可以在集成到智能手机等电子设备中的屏下光学指纹传感器的上下文中操作。光学扫描系统用于使得将入射在定义的感测区域上的照明以可预测的方式引导到通过接触表面的内部镜面反射而重定向的光学传感器上。当手指等与接触表面直接接触时，维持可预测的镜面对应。但是，当在手指(或其他对象)和接触表面之间放置透明的欺骗材料(例如，乳胶手套、玻璃纸胶带等)时，欺骗材料则会产生附加的镜面反射和非镜面反射，从而导致在光学传感器的像素扩散。因此，可以通过检测这种像素扩散来检测欺骗材料的存在。一些实施例使用照明掩蔽来帮助促进像素扩散检测。

附图说明

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

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

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

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

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

图5A-5C示出了根据一些实施例的在两种不同的光学条件下来自顶部传感表面上的感测区域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的。

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

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

图12是示出根据一些实施例的用于在指纹传感中减少或消除来自背景光的不良贡献的指纹传感器的示例性操作的流程图。

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

图14A示出了具有集成在其中的屏下光学感测模块的说明性便携式电子设备。

图14B示出了具有设置在OLED或AMOLED显示屏等显示屏下方的屏下光学感测模块的说明性屏下光学感测环境的剖面。

图14C示出了具有设置在OLED或AMOLED显示器等显示器下方的屏下光学感测模块的另一说明性屏下光学感测环境的剖面。

图15示出了根据各种实施例的具有与非欺骗对象关联的光学感测模块的光学感测环境的某些操作原理。

图16示出了根据各种实施例的在覆盖于对象上的透明欺骗的上下文中具有光学感测模块的光学感测环境。

图17A和17B示出了在与光学感测环境的接触表面直接接触的指纹的成像和通过透明的欺骗覆盖材料与光学感测环境的接触表面分离的指纹的成像之间的光学感测的差异。

图18示出了根据各种实施例的用于通过光学传感器进行的透明的假对象覆盖的反欺骗的说明性方法的流程图。

在附图中，相似的组件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，相同类型的各个组件可以通过在附图标记后跟有第二标记进行区分，该第二标记用于在相似组件之间进行区分。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，则描述内容可应用于具有相同的第一附图标记的相似组件中的任何一个，而不考虑第二附图标记。

具体实施方式

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

电子设备或系统可配备指纹认证机制，以提高访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备、更大的电子设备或系统，例如便携式或台式形式的个人计算机、ATM、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，包括汽车、轮船、火车、飞机等的机动交通系统。

指纹传感在移动应用和使用或需要安全访问的其他应用中十分有用。例如，指纹传感可用于提供对移动设备的安全访问以及包括在线购买在内的安全的金融交易。包括适用于移动设备和其他应用的稳健可靠的指纹传感是可取的。在移动、便携式或可穿戴设备中，鉴于这些设备上的有限空间，特别是考虑到对给定设备上最大显示区域的需求，对于指纹传感器而言，需要最小化或消除用于指纹传感的足迹。由于电容传感的近场交互需求，电容式指纹传感器的许多实施方式必须在设备的接触表面上实现。

光学感测模块可设计成减轻电容式指纹传感器中的上述和其他限制并实现附加的技术优势。例如，在实现光学指纹传感设备时，携带指纹成像信息的光可被远距离引导到光学探测器的光学探测器阵列中以检测指纹，而不限于电容式传感器中的近场传感。特别地，携带指纹成像信息的光可被引导穿过许多显示屏，例如触摸感测屏等结构中常用的盖板玻璃，并且可被引导通过折叠的或复杂的光路到达光学探测器阵列，从而可以灵活地将光学指纹传感器放置在电容式指纹传感器无法使用的设备中。基于本文所公开的技术，光学指纹传感器模块可以是屏下光学指纹传感器模块，该模块放置在显示屏下方以捕获和检测从放置在屏顶部传感表面上或上方的手指发出的光。正如本文所公开的，除了检测和感测指纹图案外，光学感测还可用于以光学方式检测与用户或用户动作相关的其他参数，例如检测到的指纹是否来自活人的手指以及提供反欺骗机制，或用户的某些生物学参数。

I、屏下光学感测模块的概述

本公开中描述的光学感测技术和实施方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块，该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，以基于这种光的光学感测，执行一个或多个传感操作。用于实现所公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括液晶显示(liquidcrystal display，LCD)屏，使用背光为LCD像素和匹配的光学滤波器提供白光照明，以实现彩色LCD像素，或不使用背光而具有发光显示像素的显示屏，其中每个单独的像素生成用于在屏上形成显示图像的光，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是针对屏下光学感测模块与LCD屏的集成，因此包含与LCD屏相关的某些技术细节，尽管所公开的技术的各个方面都适用于OLED屏和其他显示屏。

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接触表面，以供用户观看。与接触表面接触或靠近接触表面的手指与在接触表面的光相互作用，使得在接触的表面区域处的反射光或散射光携带手指的空间图像信息。这种携带手指的空间图像信息的反射光或散射光返回到接触表面下方的显示面板。例如，在触摸感测显示设备中，接触表面是与用户触摸感测的界面，并且用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互是不断发生的，但这种返回到显示面板的携带信息的光在很大程度上被浪费了且并没有用于各种触摸感测设备。在具有触摸感测显示器和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器往往是与显示屏分离的设备，或放置在显示屏的同一表面上，即显示屏区以外的位置，例如，部分型号的苹果iPhone和三星智能手机，或放置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的部分型号的智能手机，以避免将大显示屏放在正面，从而占用宝贵的空间。这些指纹传感器是与显示屏分离的设备，因此需要紧凑以为显示屏和其他功能节省空间，同时仍能提供可靠快速的指纹感测，且空间图像分辨率高于某一可接受的水平。然而，在许多指纹传感器中，设计紧凑小巧的指纹传感器和在捕获指纹图案时提供高空间图像分辨率，这两种需求之间存在直接冲突，因为在捕获指纹图案时，基于各种合适的指纹传感技术(例如，电容式触摸感测或光学成像)需要一个具有大量传感像素的大传感器区域，以获得高空间图像分辨率。

本公开中描述的传感器技术和传感器技术的实施方式的示例提供了一种光学指纹传感器模块，该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，以基于一些实施方式中这种光的光学感测，或基于其他实施方式中从与用于光学感测的显示光分离的一个或多个指定的照明光源中用于光学感测的指定的照明光或探测光，或基于某些实施方式中用于光学感测的背景光，执行一个或多个传感操作。

在所公开的示例中，基于所公开的光学传感器技术将光学传感器模块集成到LCD屏，LCD屏下光学传感器可用于检测用于在LCD屏中显示图像的光的一部分，其中，用于显示屏的这一部分光可能是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实施方式中，当遇到用户手指或手掌等对象，或手写笔等用户指针设备时，基于背光的LCD屏的图像光可能作为返回光反射或散射回LCD显示屏。这种返回光可被捕获，以使用所公开的光学传感器技术执行一个或多个光学感测操作。由于使用用于光学感测的来自LCD屏的光，因此基于所公开的光学传感器技术的光学指纹传感器模块专门设计为集成到LCD显示屏上，从而在提供光学感测操作和功能的同时，保持LCD显示屏的显示操作和功能不受干扰，以增强电子设备或系统，例如智能手机、平板电脑或移动和/或可穿戴设备的整体功能、设备集成和用户体验。

此外，在所公开的光学感测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附加的照明探测光，用于LCD屏下光学感测模块进行的光学感测操作。在此类应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光共同形成用于光学感测操作的照明光。

关于指纹检测之外的附加的光学感测功能，光学感测可用于测量其他参数。例如，鉴于整个LCD显示屏上可用的大触摸区，所公开的光学传感器技术可以测量人的手掌的图案(相比之下，一些指定的指纹传感器，例如苹果的iPhone/iPad的主页按钮中的指纹传感器，这些设备具有一个相当小的和指定的屏外指纹感测区，该感测区的尺寸受到严格限制，可能不适合传感大图案)。再举一个例子，所公开的光学传感器技术不仅可用于使用光学感测捕获和检测与人相关的手指或手掌的图案，并且还能使用光学感测或其他传感机制，通过“活手指”检测机制检测捕获到的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，这可能基于，例如血液在不同光波长下的不同光吸收行为，事实是由于人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液随着心跳流经人的身体时的脉搏，活人的手指往往会移动或伸展。在一种实施方式中，光学指纹传感器模块可以检测由于心跳/血流变化导致的来自手指或手掌的返回光的变化，从而检测在呈现为手指或手掌的对象中是否存在实时心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和活人存在的肯定判断的结合，以增强访问控制。再举一个例子，光学指纹传感器模块可以包括传感功能，以基于来自手指或手掌的返回光中的光学感测测量葡萄糖水平或氧饱和度。又例如，当人触摸LCD显示屏时，可以通过一种或多种方式反映出触摸力的变化，包括指纹图案变形、手指和屏表面之间接触面积的变化、指纹脊变宽或血流动力学的变化。这些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测量，并且可用于计算触摸力。这种触摸力传感可用于为光学指纹传感器模块添加指纹传感之外的更多功能。

关于与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用的操作或控制特征，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传感结果提供触发功能或附加功能，以在LCD显示屏上执行与触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学性能(例如，折射率)往往与其他人造对象不同。基于此，光学指纹传感器模块可被设计为选择性地接收和检测由手指与LCD显示屏的表面接触而引起的返回光，而光学指纹传感器模块不会检测到由其他对象引起的返回光。这种对象选择性光学检测可用于通过触摸感测提供有用的用户控制，例如只需通过人的手指或手掌的触摸即可唤醒智能手机或设备，而其他对象的触摸不会导致设备被唤醒，以实现节能操作并延长电池寿命。此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，通过关闭LCD像素(以及也关闭LCD背光)进入“睡眠”模式，同时用于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)以闪光模式打开，从而间歇性地向屏表面发射闪光，以传感人的手指或手掌的任何触摸。在此设计下，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”模式唤醒传感灯闪烁，从而光学指纹传感器模块可以检测LCD显示屏上的手指触摸导致的这种唤醒传感灯的返回光，一旦检测到返回光，将打开或“唤醒”LCD背光和LCD显示屏。在一些实施方式中，唤醒传感光可以在红外不可见光谱范围内，因此用户将不会感受到闪光灯的任何视觉效果。通过消除用于指纹的光学感测的背景光，可以控制LCD显示屏操作以提供改进的指纹传感。例如，在一种实施方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果在LCD显示屏打开时，在一帧中生成带有显示的两帧指纹信号，而在LCD显示屏关闭时，在另一帧中生成带有显示的两帧指纹信号，则这两帧信号之间的减法可用于减少环境背景光的影响。在一些实施方式中，通过操作，将指纹传感帧率控制为显示帧率的一半，可以减少指纹传感中的背景光噪声。

基于所公开的光学传感器技术，光学指纹传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而无需在LCD显示屏的表面侧上创建指定的区域，该指定的区域将会在一些电子设备，如智能手机、平板电脑或可穿戴设备中占据宝贵的设备表面基板面。所公开的技术的这一方面可用于在设备设计和产品集成或制造中提供一定的优势或益处。

在一些实施方式中，基于所公开的光学传感器技术，光学指纹传感器模块可被配置为非侵入性模块，该模块可以轻易地集成到显示屏，而无需改变LCD显示屏的设计，以提供所需的光学感测功能，例如指纹传感。在这一方面，基于所公开的光学传感器技术，由于光学指纹传感器模块的性质，光学指纹传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏设计的设计：这种光学指纹传感器模块的光学感测是通过检测光学指纹传感器模块的一个或多个照明光源发出的且从显示区的接触表面返回的光，并且所公开的光学指纹传感器模块作为屏下光学指纹传感器模块耦合到LCD显示屏的背面，以接收来自显示区的接触表面的返回光，因此不需要与显示屏区分离的特殊传感端口或感测区。相应地，这种屏下光学指纹传感器模块可用于与LCD显示屏结合，以在LCD显示屏上提供光学指纹传感和其他传感器功能，而无需使用专门设计的LCD显示屏，该显示屏具有专门为提供这种光学感测而设计的硬件。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，一种现有的手机组装设计不提供单独的指纹传感器，如在部分苹果的iPhone或三星的Galaxy智能手机中那样，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传感器模块，而无需改变触摸感测显示屏组件，以提供增加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要单独的指定的感测区或端口，如部分苹果的iPhone/三星的Galaxy手机在显示屏区外具有前指纹传感器，或者像华为、小米、谷歌或联想的部分型号那样，部分智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文公开的屏上指纹传感的集成不需要对现有的手机组装设计或同时具有触摸感测层和显示层的触摸感测显示模块进行实质性改变。基于本文件所公开的光学感测技术，设备外部无需外部传感端口和外部硬件按钮来添加所公开的用于指纹传感的光学指纹传感器模块。添加的光学指纹传感器模块和相关电路位于手机外壳内部的显示屏下方，并且可以方便地在用于触摸屏的同一触摸感测表面上执行指纹传感。

再举一个例子，由于用于指纹传感的光学指纹传感器模块的上述性质，集成了这种光学指纹传感器模块的智能手机可以通过改进的设计、功能和集成机制更新，而不会影响或增加LCD显示屏的设计或制造的负担，以为设备制造和产品周期的改进/升级提供所需的灵活性，同时为智能手机、平板电脑或其他使用LCD显示屏的电子设备提供更新版本的光学感测功能。具体地，触摸感测层或LCD显示层可以在下一个产品版本中更新，而无需使用所公开的屏下光学指纹传感器模块为指纹感测功能添加任何重大的硬件变化。此外，通过使用屏下光学指纹传感器模块的新版本，可以将这种光学指纹传感器模块改进的用于指纹传感的屏上光学感测或其他光学感测功能添加到新产品版本中，而无需对手机组件设计进行重大改变，包括添加附加的光学感测功能。

可以实现所公开的光学传感器技术的上述和其他特征，以提供具有改进的指纹传感和其他传感功能的新一代电子设备，特别是智能手机、平板电脑和其他具有LCD显示屏的电子设备，以提供各种触摸感测操作和功能，并增强此类设备中的用户体验。本文所公开的光学指纹传感器模块的特征可适用于基于包括LCD和OLED显示器的不同技术的各种显示面板。下面的具体示例针对LCD显示面板和放置在LCD显示面板下方的光学指纹传感器模块。

在所公开的技术特征的实施方式中，可以提供附加的传感功能或传感模块，例如生物医学传感器，如腕带设备或手表等可穿戴设备中的心跳传感器。通常，电子设备中或系统可以提供不同的传感器以实现不同的传感操作和功能。

可以实现所公开的技术以提供执行人类指纹的光学感测和认证的设备、系统和技术，以认证尝试对锁定的计算机控制的设备的访问，例如配备指纹检测模块的移动设备或计算机控制的系统。所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，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏设备，以及其他电子设备或系统，例如电子数据库、汽车、银行ATM等。

II、屏下光学感测模块的设计示例

如本文所述，实施例提供了屏下光学感测模块的大感测区实施方式，例如用于屏下光学指纹模块。为了更加清楚和上下文，描述了用于屏下光学指纹传感器模块的各种设计的示例，以将光学信号收集到光学探测器并提供所需的光学成像，例如足够的成像分辨率。在以下专利文件中，进一步描述了屏下光学指纹传感实施方式的这些和其他实施例，这些专利文件通过引用完整合并：美国专利申请号15/616,856；美国专利申请号15/421,249；美国专利申请号16/190,138；美国专利申请号16/190,141；美国专利申请号16/246,549；和美国专利申请号16/427,269。

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，该系统180可被实现为包括基于本文件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，该数字处理器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指纹图案是否为认证用户的指纹图案。指纹传感系统180使用指纹传感器181来获得指纹并将获得的指纹与存储的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹传感系统180保护的设备或系统188中的功能。在操作中，基于捕获的用户指纹是否来自认证用户，对设备188的访问由指纹处理处理器186来控制。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹传感像素，例如共同代表指纹的至少一部分的像素182A-182E。例如，指纹传感系统180可以在ATM实现为系统188，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于从指纹传感器181获得的客户指纹与一个或多个存储的指纹的比较，指纹传感系统180可以在得到确定的识别时，使ATM系统188准许访问用户账户的请求，或者在得到否定的识别时，可以拒绝访问用户账户的请求。再举一个例子，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹传感系统180是集成到设备188的模块。再举一个例子，设备或系统188可以是使用指纹传感器181准许或拒绝进入设施或住宅的大门或安全入口。再举一个示例，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以连接到发动机的启动并识别某人是否获得操作汽车或其他交通工具的认证。

作为具体的示例，图2A和图2B示出了具有触摸感测显示屏组件和位于触摸感测显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的电子设备200的示例性实施方式。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于对LCD像素进行光学照明的背光的LCD显示屏来实现，或者通过具有发光显示像素而不使用背光的另一个显示屏来实现(例如，OLED显示屏)来实现。电子设备200可以是便携式设备，例如智能手机或平板电脑，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，该设备200与一些现有的智能手机或平板电脑在一些特征上相类似。设备屏幕位于设备200的正面，占据了正面空间的全部、主要部分或大部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，例如用于在设备屏幕上接收手指的一个或多感测区。作为一个示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可被照亮为明显可标识的区，供用户放置手指以进行指纹感测。这种指纹感测区可以像设备屏幕的其他部分一样，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支持当今市场上各种智能手机中常见的侧面控制按钮的侧面。此外，一个或多个可选的传感器可以设置在设备屏幕外的设备200的正面，如图2A中设备外壳的左上角的一个示例所示。

图2B示出了与本文件所公开的光学指纹传感相关的设备200中的模块的结构构造的示例。图2B示出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，以及具有位于触摸感测屏模块下方的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，以接收和捕获来自触摸感测屏模块的接触表面的返回光，引导返回光，并将其成像到光学感测像素或光电探测器的光学传感器阵列上，其将返回光中的光电图像转换成像素信号，以供进一步处理。在光学指纹传感器模块下方的是设备电子结构，该结构包含用于光学指纹传感器模块和设备200中其他部件的某些电子电路。该电子设备可布置在设备外壳内部并且可以包括在光学指纹传感器模块下方的一部分，如图2B所示。

在实施方式中，设备屏幕组件的接触表面可以是用作用户触摸感测表面的光学透明层的表面，以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光线通过该表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测接口，用于通过触摸感测屏模块接收用户对触摸感测操作的触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能一个或多个其他光学感测功能)。该光学透明层可以是玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。

显示屏的一个示例是具有LCD层和薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)结构或基板的LCD显示器。LCD显示面板是多层液晶显示(liquid crystal display，LCD)模块，包括为LCD像素发射LCD照明光的LCD显示背光光源(例如，LED灯)、引导背光光的光波导层，以及LCD结构层，该LCD结构层可以包括，例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层，和触摸感测层。该LCD模块还包括在LCD结构层下方和光波导层上方的背光扩散器，以在空间上分散的背光光来照亮LCD显示像素，以及在光波导层下方的光学反射膜层，以对LCD结构层回收背光光来提高光利用效率和显示亮度。对于光学感测，提供一个或多个单独的照明光源，并且独立于LCD显示模块的背光光源进行操作。

参考图2B，本示例中的光学指纹传感器模块放置在LCD显示面板下方，当用户的手指接触接触表面上的感测区时，捕获来自顶部触摸感测表面的返回光并且获取指纹图案的高分辨率图像。在其他实施方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学指纹传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学指纹传感器模块的设备的示例。图3A示出了包含屏下光学指纹传感器模块的设备的一部分的剖面图。图3B在左侧示出了指示显示屏下部的指纹感测区的具有触摸感测显示的设备的正面的视图，并且在右侧示出了包含设备显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的设备的一部分的透视图。图3B还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。

在图2A-2B和3A-3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于其他一些指纹传感器设计，其后者使用与显示屏分离的指纹传感器结构，在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器间存在物理分界线(例如，在一些移动电话设计中，顶部玻璃盖的开口中的按钮状结构)。在这里图示的设计中，用于检测指纹感测的光学指纹传感器和其他光学信号位于顶部盖板玻璃或层的下方(例如，图3A)，使得盖板玻璃的接触表面作为移动设备的接触表面，作为跨越垂直堆叠和垂直重叠的显示屏层和光学探测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。这种将光学指纹感测和触摸敏感显示屏集成在一个共同且均匀的表面下的设计示例具有以下优点，包括改进设备集成、增强设备封装、增强设备对外部元件、故障和磨损的抵抗力，以及在设备所有权期间增强用户体验。

返回参考图2A和2B，图示的用于屏上指纹传感的屏下光学指纹传感器模块可以以各种配置实现。在一种实施方式中，基于上述设计的设备可被构造成包括设备屏幕a并包括LCD显示面板结构、顶部透明层以及光学指纹传感器模块。设备屏幕a提供触摸感测操作，LCD显示面板结构用于形成显示图像，顶部透明层作为用户触摸的界面在设备屏幕上形成，用于触摸感测操作以及透射来自显示结构的光以向用户显示图像，光学指纹传感器模块位于显示面板结构下方，用于接收从顶部透明层返回的光以检测指纹。

本文所公开的该设备和其他设备可以进一步配置成包括各种特征。例如，设备电子控制模块可以包括在设备中，以在检测到的指纹与认证用户的指纹相匹配时允许用户访问该设备。此外，光学指纹传感器模块除了检测指纹之外，还用于通过光学感测来检测不同于指纹的生物特征参数，以指示与检测到的指纹相关的在顶部透明层的触摸是否来自活人，并且设备电子控制模块用于，如果(1)检测到的指纹与认证用户的指纹相匹配并且(2)检测到的生物特征参数指示检测到的指纹来自活人，则允许用户访问该设备。生物特征参数可以包括，例如手指是否包含血流或人的心跳。

例如，该设备可以包括与显示面板结构耦合的设备电子控制模块，以向发光显示像素供电，并通过显示面板结构控制图像显示，并且在指纹传感操作中，操作设备电子控制模块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，以允许光学传感器阵列在具有和没有由发光显示像素照明的情况下捕获两个指纹图像，以减少指纹传感中的背景光。

再举一个例子，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，并且在睡眠模式下关闭对LCD显示面板的背光的供电，并且设备电子控制模块可用于，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检测到人的皮肤的存在时，从睡眠模式中唤醒显示面板结构。更具体地，在一些实施方式中，设备电子控制模块可用于操作光学指纹传感器模块中的一个或多个照明光源以间歇地发光，同时关闭对LCD显示面板的供电(在睡眠模式下)，将间歇性发射的照明光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，用于监测是否有人的皮肤与指定的指纹感测区域接触，以从睡眠模式中唤醒设备。

再举一个例子，设备可以包括耦合到光学指纹传感器模块的设备电子控制模块，以接收关于从感测手指的触摸中获得的多个检测到的指纹的信息，并操作设备电子控制模块，以测量多个检测到的指纹中的变化及确定导致测量到的变化的触摸力。例如，该变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸面积的变化、或指纹脊的间距的变化。

再举一个例子，顶部透明层可以包括指定的指纹感测区域，供用户用手指触摸以进行指纹感测，并且显示面板结构下方的光学指纹传感器模块可以包括透明块、光学传感器阵列以及光学成像模块。透明块与显示面板基板接触，以接收从显示面板结构发射的并从顶部透明层返回的光，光学传感器阵列接收光，光学成像模块将透明块中接收到的光成像到光学传感器阵列上。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，并构造成当与人的皮肤接触时，通过在顶部透明层的接触表面的完全内反射，选择性地接收返回光，同时在不与人的皮肤接触的情况下，不接收来自指定的指纹感测区域的返回光。

再举一个示例，光学指纹传感器模块可以构造成包括光楔、光学传感器阵列以及光学成像模块。光楔位于显示面板结构下方，以修改与光楔接口的显示面板结构的底表面上的全反射条件，从而允许通过底表面从显示面板结构中提取光，光学传感器阵列接收来自从显示面板结构提取的光楔的光，光学成像模块位于光楔和光学传感器阵列之间，以将来自光楔的光成像到光学传感器阵列上。

图4A和4B示出了用于实现图2A和2B中的设计的显示屏组件下方的光学指纹传感器模块的一个实施方式的示例。图4A和4B示出的设备包括显示组件423，其具有形成在设备屏幕组件423上方的作为用户触摸的界面的顶部透明层431，以进行触摸感测操作并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可以包括位于顶部透明层431下方的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分光学透射，因此来自接触表面的光可以部分地穿过LCD显示层，以到达LCD下光学指纹传感器模块。例如，LCD显示层包括在光学上充当孔和光散射对象的阵列的电极和布线结构。设备电路模块435可以设置在LCD显示面板下方，以控制设备的操作，并执行用户操作设备的功能。

在这个特定的实施方式示例中，光学指纹传感器模块702放置在LCD显示模块433下方。提供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/和位于盖板玻璃431下方的另一个或多个照明光源，用于为光学指纹传感器模块702进行的光学感测提供照明光或探测光，并可控制一个或多个照明光源，以发射至少部分穿过LCD显示模块433的光，以照亮设备屏幕区内顶部透明层431上的指纹感测区615，供用户放置其中用于指纹识别的手指。来自一个或多个照明光源436的照明光可被引导到接触表面上的指纹感测区615，似乎这种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盖板玻璃431下方，并且可以与接触表面上的指纹感测区域615相邻放置，以引导产生的照明光到达盖板玻璃433，而不穿过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盖板玻璃431的底表面上方，以引导产生的照明光到达盖板玻璃433的接触表面上方的指纹感测区域，而不必穿过盖板玻璃431，例如，引导照亮盖板玻璃431上方的手指的照明光。

如图4A所示，作为用于指纹感测的有效的感测区，手指445放置在被照亮的指纹感测区615中。区615中的一部分反射光或散射光被引导进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部的光电探测器传感阵列接收这种光，并捕获接收到的光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离，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为光学指纹传感提供照明光的这一设计中，在一些实施方式中，可以控制每个照明光源436以相对较低的周期间歇地打开，以减少用于光学感测操作的功率。在一些实施方式中，指纹感测操作可以通过两个步骤实现：首先，以闪烁模式打开一个或多个照明光源436，而不打开LCD显示面板，以使用闪烁光来感测是否有手指触摸感测区615，并且一旦检测到感测区615中有触摸，则操作光学感测模块执行基于光学感测的指纹感测，并可以打开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透明块701和光学成像块702，透明块701耦合到显示面板，以接收来自设备组件的接触表面的返回光，光学成像块702执行光学成像和成像捕获。在到达盖板接触表面后，来自一个或多个照明光源436的光，例如，在用户手指触摸或不触摸的情况下，盖板接触表面位于感测区615，从盖板接触表面被反射或散射回来，且在照明光源436位于其中的设计中，引导照明光首先穿过盖板玻璃431到达手指。当指纹脊与感测区615中的盖板接触表面接触时，由于在该位置存在手指的皮肤或组织接触的情况，指纹脊下方的光反射不同于在指纹谷下另一位置的光反射，不存在手指的皮肤或组织。这种盖板接触表面上的触摸到的手指区中的脊和谷位置处的光反射条件的差异形成了代表手指的触摸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，并在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达具有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构造成具有折射率小于LCD显示面板的折射率，使得返回光可以从LCD显示面板提取到光学透明块701中。一旦在光学透明块701内部接收返回光，这种接收到的光会作为成像传感块702的一部分进入光学成像单元，并成像到块702内部的光电探测器传感阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异形成了指纹图像的对比度。如图4B所示，控制电路704(例如，微控制器或MCU)耦合到成像传感块702和其他电路，例如主电路板上的设备主处理器705。

在这个特定示例中，构造光学光路设计，使得照明光在基板和空中界面之间的接触表面上的全反射角内进入盖板接触表面，因此，反射光由块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在该设计中，由于在手指组织不接触盖板玻璃431的顶部接触表面的每个手指谷位置的完全内反射条件，指纹脊/谷区的图像表现出最大的对比度。这种成像系统的一些实施方式可能具有将对指纹感测产生不利影响的不良光学畸变。相应地，在处理块702中的光学传感器阵列的输出信号时，基于沿着在光学传感器阵列的返回光的光路的光学畸变轮廓，在成像重建过程中，可以通过畸变校正来进一步校正所获取的图像。畸变校正系数可以通过在X方向线和Y方向线中的整个感测区每次扫描一个行像素的测试图像图案，由在每个光电探测器像素处捕获的图像生成。该校正过程还可以使用来自每次在一个像素上调整每个单独像素的图像，以及扫描光电探测器阵列的整个图像区域的图像。该校正系数仅需要在传感器组装后生成一次。

来自环境的背景光(例如，太阳光或室内照明光)可以通过LCD面板接触表面，并通过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感兴趣的图像中创建背景基线，因此可能会不合需要地降低所捕获图像的对比度。可以使用不同的方法来减少由背景光引起的这种不合需要的基线强度。一个例子是在某个照明调制频率f下打开和关闭照明光源436，图像传感器相应地通过光源驱动脉冲和图像传感器帧的相位同步，以相同的照明调制频率获取接收到的图像。在此操作下，仅有一个图像相位包含来自光源的光。在实现该技术时，可以对成像捕获进行定时以在偶数(或奇数)帧上打开照明灯的情况下捕获图像，同时在奇数(或偶数)帧上关闭照明灯，并且相应地，可以使用减去偶数帧和奇数帧来获得主要由调制的照明光源发射的光形成的图像，该调制的照明光源具有显著减少的背景光。基于这种设计，每个显示扫描帧都会生成一帧指纹信号，并且通过在一帧中打开照明光而在另一帧中关闭照明光来获得两帧连续的信号。相邻帧的减法可用于最小化或显著减少环境背景光的影响。在实施方式中，指纹感测帧率可以是显示帧率的一半。

在图4B示出的示例中，来自一个或多个照明光源436的一部分光也可以穿过盖板接触表面并进入手指组织。这部分照明光在四处散射，并且该散射光的一部分最终可由光学指纹传感器模块702中的成像传感器阵列收集。这种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、手指组织中的血液浓度或手指内部组织。手指的这种信息由手指上的这种散射光携带，这对指纹感测很有用，并且可以作为指纹感测操作的一部分进行检测。例如，可以在检测中集成用户的手指图像的区域的强度，用于测量或观察与用户心跳的相位相关或取决于用户心跳的相位的血液浓度的增加或减少。这一鲜明特征可用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是否是活手指，或为欺骗设备提供伪造的指纹图案。本专利文件的后面部分提供了使用携带手指的内部组织上的信息的光中的信息的其他示例。

在一些设计中，图4B中的一个或多个照明光源436可以设计成发射不同颜色或波长的照明光，并且光学指纹传感器模块可用不同颜色或波长捕获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相应测量强度，可以测量或确定与用户的肤色、血流或手指内的内部组织结构相关的信息。作为一个示例，当用户注册用于指纹认证操作的手指时，可以操作光学指纹传感器以在与光颜色A和光颜色B相关的两种不同颜色或照明光波长下测量来自手指的散射光的强度，分别为强度Ia和强度Ib。当用户的手指放置在顶部感测表面上的感测区以测量指纹时，可以记录Ia/Ib的比率以与之后的测量结果进行比较。该方法可用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝欺骗装置，该装置是使用模仿用户指纹或与用户指纹相同但可能与用户肤色或用户的其他生物信息不匹配的指纹制造而成的。

一个或多个照明光源436可由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同电子器件704(例如，MCU)控制。一个或多个照明光源436可在短时间(例如，以低占空比)内进行脉冲，以间歇地发射光并提供用于图像传感的脉冲光。可以操作图像传感器阵列以在相同的脉冲占空比下监视光图案。如果有人的手指触摸屏上的感测区615，则可以使用在块702中的成像传感阵列捕获的图像来检测触摸事件。可以操作连接到块702中的图像传感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进行的。若确认是人的手指触摸事件，则可以操作MCU 704来唤醒智能手机系统，打开一个或多个照明光源436，以执行光学指纹感测)，并使用正常模式来获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列将获取的指纹图像发送到智能手机主处理器705，可以操作该智能手机主处理器705以将捕获到的指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果匹配成功，该智能手机解锁手机，以允许用户访问手机并开始正常操作。如果捕获的图像匹配失败，智能手机会向用户反馈认证失败，并保持手机的锁定状态。用户可以再次尝试通过指纹感测，或者可以输入密码作为解锁手机的替代方法。

在图4A和4B示出的示例中，屏下光学指纹传感器模块使用光学透明块701和具有光电探测器传感阵列的成像传感块702，以将与显示屏的接触表面接触的触摸手指的指纹图案光学成像到光电探测器传感阵列上。从感测区615到块702中的光电探测器阵列的光学成像轴或检测轴625在图4B中示出，作为图示的示例。光学透明块701和光电探测器传感阵列之前的成像传感块702的前端形成了主体成像模块，以实现用于光学指纹传感的适当成像。由于该成像过程中的光学畸变，可以使用畸变校正来实现所需的成像操作。

在由图4A和4B中的屏下光学指纹传感器模块进行的光学感测和本文所公开的其他设计中，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信号包括不同的光组件。

图5A-5C示出了在不同的光学条件下用于来自感测区615的返回光的信号生成，以便于理解屏下光学指纹传感器模块的操作。来自照明光源或其他光源(例如，背景光)的进入手指的光可以在手指表面下方的组织中生成内部散射光，例如图5A-5C中的散射光191。这种在手指表面下方的组织中的内部散射光可以穿过手指的内部组织，随后穿过手指皮肤进入顶部透明层431，该顶部透明层431携带不是由手指表面散射、折射或反射的光所携带的某些信息，例如关于手指肤色、手指内部的血液浓度或流动特性的信息，或手指的光学透射图案，其中包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关的内部指纹图案。

图5A示出了来自一个或多个照明光源436的照明光在穿过顶部透明层431之后如何穿过OLED显示模块433并生成不同的返回光信号的示例，该光信号包括携带指纹图案信息到屏下光学指纹传感器模块的光信号。为简单起见，两个不同位置的两条照明光线80和82被引导到顶部透明层431，而不在顶部透明层431的界面经历全反射。具体地，照明光线80和82垂直或几乎垂直于顶层431。手指60与顶部透明层431上的感应区615接触。如图所示，照明光束80在穿过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183，并产生返回到LCD显示模块433的另一光束181。照明光束82在穿过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以从返回到LCD显示模块433的具有顶部透明层431的界面生成反射光束185，进入手指组织的第二光束189以及由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的等效折射率约为1.44，顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。手指脊-盖板玻璃界面将光束80的一部分作为反射光181反射到LCD显示模块433下方的底层524。在一些LCD面板中，反射率可以很低，例如大约0.1％。光束80的大部分变成光束183，该光束183透射进手指组织60中，导致光183的散射，以产生朝向LCD显示模块433和底层524的返回散射光191。来自手指组织中的LCD像素73的透射光束189的散射也促成返回散射光191。

在手指皮肤谷位置63的光束82被盖板玻璃表面反射。在一些设计中，例如，当反射光185朝向底层524时，反射率可约为3.5％，并且手指谷表面可将入射光功率(光187)的约3.3％反射到底层524，使得全反射率可约为6.8％。大部分光189透射进手指组织60中。人体组织中透射光189中的部分光功率被组织散射，以促成朝向并进入底层524的散射光191。

因此，在图5A的示例中，来自触摸手指的手指谷和手指脊的各个界面或表面的光反射不同，反射率差异携带指纹图信息并且可被测量，以提取与顶部透明层431接触并被OLED灯照亮的部分的指纹图案。

图5B和5C示出了在不同条件下，以及相对于手指的谷或脊的不同位置处的两种附加类型的照明光线在接触表面的光路，包括在具有顶部透明层431的界面的全反射条件下。图示的照明光线生成不同的返回光信号，包括携带指纹图案信息到屏下光学指纹传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433胶合在一起，中间没有任何空气间隙，使得对盖板玻璃431具有大入射角的照明光将在盖板玻璃-空气界面处被完全反射。图5A、5B和5C示出了三组不同的发散光束的示例：(1)中心光束82，具有对盖板玻璃431的小入射角，没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201、202、211、212，当没有任何东西触摸盖板玻璃表面时，在盖板玻璃431被完全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合进手指组织中(图5B和5C)，以及(3)逃逸光束，具有非常大的入射角，即使在手指组织接触的位置也在盖板玻璃431被完全反射。

对于中心光束82，在一些设计中，盖板玻璃表面对光束185的反射可约为0.1％～3.5％，该光束185透射到底层524，手指皮肤对光束187的反射可约0.1％～3.3％，该光束187也透射到底层524。反射差异取决于光束82是否与手指皮肤脊61或谷63相遇。余下的光束189耦合进手指组织60中。

对于满足局部完全内反射条件的高对比度光束201和202，如果没有任何东西触摸盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面分别对光束205和206的反射率接近100％。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面并在光束201和202位置时，大部分的光功率可以通过光束203和204耦合进手指组织60中。

对于满足局部完全内反射条件的高对比度光束211和212，如果没有任何东西触摸盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面分别对光束213和214的反射率接近100％。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好在光束211和212位置时，没有光功率耦合进手指组织60中。

如图5A所示，耦合进手指组织60的照明光的一部分往往会经历通过手指内部组织进行的随机散射，以形成低对比度光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到达光学指纹传感器模块。光学指纹传感器模块捕获的这部分光包含有关手指肤色、血液特征和与指纹相关的手指内部组织结构的附加信息。本专利文件的后面部分将解释在光学感测中使用手指表面下方的组织中的内部散射光的附加特征，例如获得手指的光学透射图案，其中包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关的内部指纹图案。因此，在高对比度光束照亮的区中，手指皮肤的脊和谷引起不同的光学反射，且反射差异图案携带指纹图案信息。通过比较差异可以获得高对比度指纹信号。

所公开的屏下光学感测技术可以采用各种配置，以基于图2A和2B示出的设计以光学方式捕获指纹。例如，通过使用光学感测模块中的主体成像模块，可以在各种配置中实现基于光学成像的具体实施方式。

图6A-6C示出了基于通过透镜的光学成像的屏下光学指纹传感器模块的示例，用于捕获来自按压在显示盖板玻璃423上的手指445的指纹。图6C是图6B示出的光学指纹传感器模块部分的放大图。图6B示出的屏下光学指纹传感器模块放置在LCD显示模块433下方，其包括光学透明间隔物617和成像透镜621。光学透明间隔物617接合至LCD显示模块433的底表面，以接收来自顶部透明层431的接触表面上的感测区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，以将从感测区615接收的返回光成像到光电探测器阵列623上。与图4B示出的无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以在光电探测器阵列623捕获指纹图像，并通过成像透镜621的设计实现图像缩小。在某种程度上类似于图4B中的示例的成像系统，图6B中用于光学指纹传感器模块的这种成像系统可能会经历图像畸变，可以使用合适的光学校正校准来减少这种畸变，例如，图4B中所述的用于系统的畸变校正方法。

类似于图5A-5C中的假设，假设手指皮肤在550nm的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423的裸盖板玻璃的折射率为1.51。当OLED显示模块433胶合到盖板玻璃431上且没有任何空气间隙时，完全内反射以大于或等于界面的临界入射角的大角度发生。如果没有任何东西与盖板玻璃接触表面接触，全反射入射角约为41.8°，如果手指皮肤接触盖板玻璃接触表面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。

在该设计中，微透镜621和光电二极管阵列623定义了视角θ，用于捕获感应区615中的接触手指的图像。该视角可以通过控制物理参数或配置来适当地调整，以便在感测区615中检测盖板玻璃表面的所需部分。例如，可以调整视角以检测LCD显示组件的完全内反射。具体地，调整视角θ以感测盖板玻璃表面上有效的感测区615。有效地感测盖板玻璃表面615可被视为镜子，使得光电探测器阵列有效地检测LCD显示屏中指纹照明光区613的图像，其由感测盖板玻璃表面615投射到光电探测器阵列上。光电二极管/光电探测器阵列623可以接收由感测盖板玻璃表面615反射的区613的图像。当手指触摸感测区615时，一些光可以耦合进指纹的脊中，这将导致光电探测器阵列从脊的位置接收光，以显示为较暗的指纹图像。由于光学检测路径的几何形状是已知的，因此可以校正光学指纹传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像畸变。

作为一个具体的示例，考虑到图6B中从检测模块中心轴到盖板玻璃接触表面的距离H是2mm。该设计可以直接覆盖5mm的有效的感测区615，其在盖板玻璃上的宽度为W。调整间距物617的厚度可以调整探测器位置参数H，并优化有效的感测区宽度Wc。因为H包括盖板玻璃431和显示模块433的厚度，所以应用设计应当考虑这些层。间距物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的底表面上的彩色涂层619下方。

图7示出了图6A-6C示出的用于光学指纹传感器模块的光学成像设计的进一步设计考虑的示例，通过使用特殊的间隔物618来取代图6B-6C中的间隔物617，以增加感测区615的尺寸。间隔物618设计成宽度为Ws，厚度为Hs，以具有低折射率(refraction index，RI)ns，并且放置在LCD显示模块433下方，例如，附着(例如，胶合)到LCD显示模块433的底表面。间隔件618的端面是与微透镜621接口的有角度或倾斜的面。间隔物和透镜的这种相对位置与图6B-6C不同，其中透镜放置在间隔物617下方。微透镜621和光电二极管阵列623组装成具有检测角宽度θ的光学检测模块。检测轴625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和空气之间的界面的光学折射而弯曲。局部入射角φ1和φ2由组件材料的折射率RIs、ns、nc以及na决定。

如果nc大于ns，φ1大于φ2。因此，折射扩大了感测宽度Wc。例如，假设手指皮肤在550nm处的等效RI约为1.44，盖板玻璃指数RI约为1.51，如果没有任何东西触摸盖板玻璃接触表面，则估计全反射入射角约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃接触表面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。若间隔物618与盖板玻璃的材质相同，则检测模块中心到盖板玻璃接触表面的距离为2mm，若检测角宽度为θ＝31.9°，则有效的感测区宽度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的材料折射率ns约为1.4，Hs为1.2mm，且检测模块的倾斜度φ1＝70°。有效的感测区宽度增加至大于6.5mm。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角宽度减小到19°。因此，光学指纹传感器模块的成像系统可以设计成适当地扩大顶部透明层431上的感测区615的尺寸。

特殊间隔物618的折射率RI设计成足够低(例如，使用MgF₂、CaF₂或甚至空气来形成间隔物)，有效的感测区域615的宽度Wc不再受到盖板玻璃431和显示模块433的厚度限制。此性能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，甚至可以增加有效的感测区以覆盖整个显示屏。

由于所公开的光学传感器技术可用于提供用于捕获图案的大感测区域，因此所公开的屏下光学指纹传感器模块可用于捕获和检测不仅是手指的图案，而且是更大尺寸的图案，例如与用于用户认证相关的人的手掌。

图8A-8B示出了图7示出的用于光学指纹传感器模块的光学成像设计的进一步设计考虑的示例，通过设置光电探测器阵列相对于显示屏表面的检测角度θ’和透镜621和间隔物618之间的距离L。图8A示出了沿着垂直于显示屏表面的方向的剖面图，图8B示出了从置换屏的底部或顶部的设备的视图。填充材料618c可用于填充透镜621和光电探测器阵列623之间的空间。例如，填充材料618c可以是与特殊间隔物618相同的材料或另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气空间。

图9示出了基于图7中的设计的屏下光学指纹传感器模块的另一示例，其中提供一个或多个照明光源614来照亮接触表面感测区615，以进行光学指纹感测。照明光源614可以是扩展型，或是准直型，使得有效的感测区615内的所有点都被照亮。照明光源614可以是单个元件光源或光源阵列。

图10A-10B示出了屏下光学指纹传感器模块的示例，该模块使用形状为薄楔形的光学耦合器628来改进在光学传感器阵列623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剖面，图10B示出了设备屏幕的俯视图。光楔628(折射率为ns)位于显示面板结构下方，以修改与光楔628接口的显示面板结构的底表面上的全反射条件，以允许通过底表面从显示面板结构中提取光。光学传感器阵列623接收来自从显示面板结构提取的光楔628的光，并且光学成像模块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。在图示的示例中，光楔628包括面向光学成像模块和光学感测阵列623的倾斜的光楔表面。此外，如图所示，在光楔628和光学成像模块621之间存在自由空间。

如果光在盖板玻璃431的感测表面被完全反射，则反射率为100％，效率最高。然而，如果光平行于盖板玻璃表面，其也会在LCD底表面433b被完全反射。楔形耦合器628用于修改局部表面角，使得光可以被耦合出去，以在光学传感器阵列623进行检测。LCD显示模块433中的微孔为光穿过LCD显示模块433提供所需的光传播路径，以进行屏下光学感测。如果光透射角过大或当TFT层过厚时，实际的透光效率会逐渐降低。当光透射角接近全反射角时，即约41.8°，且当盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来不错。相应地，楔形耦合器628的楔形角可以调整为几度，这样可以提高或优化检测效率。如果选择更高的盖板玻璃的折射率，则全反射角会变小。例如，如果盖板玻璃由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。显示器中的检测光透射效率也得到了提高。因此，本设计使用薄楔子将检测角设置为高于全反射角，和/或使用高折射率的盖板玻璃材料来提高检测效率。

在一些屏下光学指纹传感器模块的设计中(例如，图6A-6C、7、8A、8B、9、10A和10B所示的那些)，顶部透明表面上的感测区615不是垂直的或不垂直于光学指纹传感器模块的检测轴625，使得感测区的图像平面也不是垂直的或不垂直于检测轴625。相应地，光电探测器阵列623的平面可以相对于检测轴625倾斜，以在光电探测器阵列623获得高质量成像。

图11A-11C示出了这种倾斜的三个示例配置。图11A示出了感测区615a倾斜且不垂直于检测轴625。在图11B中，调整感测区615b以在检测轴625上，使得其图像平面也将位于检测轴625上。在实践中，可将透镜621部分切除，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，具体方法如图11C所示。感测区615c由成像镜621a成像。调整光电二极管阵列623b以检测信号。

在使用透镜621的上述设计中，透镜621可以设计成具有大于LCD显示层中的孔的孔径的有效的孔径，其允许通过LCD显示模块透射光，以进行光学指纹传感。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射对象的不良影响。

图12示出了用于在指纹传感中减少或消除来自背景光的不良贡献的指纹传感器的操作的示例。光学传感器阵列可用于捕获各种帧，并且捕获的帧可用于在多个帧之间进行差分和平均运算，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，打开用于光学指纹传感的照明光源，以照亮手指触摸区域，在帧B中，改变或被关闭照明。在图像处理中，可以通过从帧A的信号中减去帧B的信号来减少不良的背景光影响。

还可以通过在光路中提供适当的光学过滤来减少指纹传感中的不良的背景光。一个或多个光学滤波器可用于拒绝环境光波长，例如近IR和部分红光等。在一些实施方式中，这种光学滤波器涂层可在光学部件的表面上制成，包括显示器底表面、棱镜表面、传感器表面等。例如，如果一个或多个光学滤波器或滤光涂层可以设计成拒绝波长从580nm到红外的光，则人的手指会吸收低于580nm波长的大部分功率，而在指纹传感中，环境光对光学检测的不良影响也会大大减少。

图13示出了用于校正光学指纹传感器模块中的图像畸变的操作过程的示例。在步骤1301，控制并操作一个或多个照明光源以在特定区域发光，并且由频率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传感器，以相同频率F的帧速率捕获图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板的盖板基板的顶部，手指的存在会调制显示面板的盖板基板接触表面的光反射强度。显示屏下方的成像传感器捕获指纹调制的反射光图案。在步骤1303，将来自图像传感器的信号的解调与频率F同步，并执行背景减法。由此生成的图像具有减少的背景光效果，并且包括来自像素发射光的图像。在步骤1304，处理并校准捕获图像，以校正图像系统畸变。在步骤1305，将校正后的图像用作人的指纹图像，以进行用户认证。

用于捕获用户指纹的相同的光学传感器也可用于捕获来自被照亮的手指的散射光，如图5A中的背向散射光191所示。可以整合来自图5A中的感兴趣区域的背向散射光191的探测器信号，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的手指的内部拓扑组织。

III、基于检测像素扩散的反欺骗

许多光学指纹传感器很容易受到某些类型的黑客攻击，包括上述那些指纹传感器。这种传感器可能会被恶意的人入侵，他们可以获得认证用户的指纹，并将偷来的指纹图案复制到类似于人类手指的载体对象上。例如，恶意的人可以把他的手指放在由透明材料制成的欺骗设备的顶部或内部，然后，他可以将透明覆盖的手指放置在光学扫描仪的扫描区，以欺骗扫描仪。透明材料上可以印有指纹图案，或以其他方式结合在其上。例如，可以使用这种欺骗技术来绕过同时检测光学特征(例如，来自指纹的脊和谷)和活体特征(例如，检测血流或其他活体皮肤特征的多光谱成像、生物电容等)的传感器。在这种情况下，透明覆盖层可以提供山脊和山谷特征，而活体手指则提供活体特征。这种欺骗可用在指纹传感器上，以解锁目标设备等。

因此，指纹图案虽然是唯一的生物特征标识符，但其本身可能不是完全可靠或安全的标识。本文所述的光学传感器的实施例，包括那些实现为屏下光学指纹传感器模块，可配置用于光学反欺骗，例如，检测具有指纹图案的输入对象是否是来自活人的真正的手指(例如，而非指纹输入是指纹欺骗攻击)。在一些实施例中，这种光学反欺骗集成在光学传感器内，不提供单独的传感器。光学反欺骗可以提供高速响应，不影响指纹传感操作的整体响应速度。

为方便起见，图14A-C示出了实现为屏下光学感测环境的光学感测环境的示例，例如上述的那些。图14A示出了具有集成在其中的屏下光学感测模块的说明性便携式电子设备。如图所示，屏下光学感测模块可以位于任何合适类型的显示器1405下方，例如有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)、有机电致发光二极管(organicelectroluminescent diode，OELD)或有源矩阵OLED(active-matrix OLED，AMOLED)显示器。基于屏下光学感测模块和/或其他组件(例如，屏下光学感测模块的层等)的位置和配置，形成光学感测窗口1410。例如，光学感测窗口1410是其中可以执行光学感测的显示器1405的区域。

图14B示出了具有设置在OLED或AMOLED显示器等显示器下方的屏下光学感测模块的说明性屏下光学感测环境的剖面。在图示的实施方式中，屏下光学感测模块1434直接位于光学感测窗口1410下方，并且包括各种组件，例如微透镜1436。显示器可以包括透明覆盖层1422(例如，盖板玻璃)、光学阵列模块(例如，OLED阵列模块)1424以及显示电子1426。如图所示，该配置提供了视场1430，用于使用屏下光学感测模块1434进行感测，其可以与光学感测窗口1410范围基本上一致。这种配置的一个特征是视场1430是圆锥形立体角。因此，可能存在不垂直于显示表面的观察方向。

图14C示出了具有设置在OLED或AMOLED显示器等显示器下方的屏下光学感测模块1464的另一说明性屏下光学感测环境1450的剖面。在图示的实施方式中，屏下光学感测模块1464位于光学感测窗口1410下方，并且包括各种组件。显示器可以包括透明覆盖层1452(例如，盖板玻璃)、光学阵列模块(例如，OLED阵列模块)1454、阵列保护层1456以及显示电子1458。如图所示，该配置提供了视场1462，用于使用屏下光学感测模块1464进行感测，其可以与光学感测窗口1410范围基本上一致。在这种实施方式中，可以适用微透镜阵列或针孔阵列，以在盖板玻璃1452表面上形成目标的图像。这种实施方式的一个特征是视场1462以特定的角度倾斜。

图15示出了根据各种实施例的具有与非欺骗对象相关的光学感测模块1530的光学感测环境1500的某些操作原理。环境1500的图示被简化为仅包括那些增加描述清晰度的组件。如图15所示，环境1500(例如，光学感测系统或组件)可以包括覆盖层1510、照明子系统1520、光学传感器模块1530、处理器1550和数据存储1555。环境1500还可以包括多层显示模块、帧和/或其他支撑结构，和/或各种附加的光学组件(例如，波导、漫射器等)。

覆盖层1510可以实现为图14B的覆盖层1422、图14C的覆盖层1452或其他任何合适的覆盖层的实施例。在一些实施方式中，覆盖层1510是具有精确厚度和折射率的玻璃层。覆盖层还可用于提供接触表面1515，对象(例如，指尖))可以放置在其上，以进行光学扫描。接触表面1515可以进一步配置为与触摸敏感显示特征和/或其他特征一起使用。

照明子系统1520的实施例用于引导照明穿过覆盖层1510，以使反射光到达光学传感器模块1530，其设置在覆盖层1510下方。照明子系统1520可以实现为，或可以包括离散的照明源的阵列1525，例如OLED。阵列1525可以是任何合适的尺寸和/或形状，具有任何合适数量的元素。在一些实施例中，可以(例如，由处理器1550)控制照明子系统1520，被以选择性地激活部分阵列。处理器1550可以向照明子系统1520传达指令(例如，信号)，以激活整个阵列1525(例如，所有的照明源)，或阵列的一部分(例如，除了照明源的某个子集之外的所有照明源)。例如，激活部分阵列会导致存在不将照明引导至覆盖层1510的照明源的定义的区域(例如，矩形等)，使得接触表面1515的相应部分不接收直接照明。这可以有效地创建在本文中称为未被直接照亮的覆盖层1510的“掩蔽的”或“标记的”区域，以及被直接照亮的覆盖层1515的“未掩蔽的”或“未标记的”区域。这种掩蔽可以以任何合适的方式来实现。例如，照明子系统1520可以配置有照明层和掩蔽层，且掩蔽是通过激活照明层中的所有照明源并激活某些掩蔽元件以阻挡来自某些照明源的光来实现的。如本文所使用的，阵列1525(或“全阵列”、“整个阵列”等)是指用于覆盖接触表面1515的定义的感测区的全套照明源。在一些情况下，接触表面1515大于定义的感测区，和/或照明子系统1520包括照明源，以将照明引导至感测区域外的接触表面1515的区域，使得阵列1525只是照明子系统1520的照明源的整个集合的一部分。

覆盖层1510被配置为使得反射光由(在)覆盖层1510的接触表面1515以与对象1540的三维特征图案和接触表面1515之间的接触相对应的明暗图案进行内部反射。例如，对象1540是具有指纹的指尖，且指纹具有谷1542和脊1544。当手指放置在接触表面1515上时，脊1544接触接触表面1515，而谷不接触接触表面1515。因此，谷1542和脊1544的图案形成三维特征图案。光学传感器模块1530的实施例可以是图14B的光学感测模块1434、图14C的光学感测模式1464或其他合适的光学感测模块的实施方式。光学传感器模块1530设置在覆盖层1510下方并且用于根据由三维特征图案引起的明暗图案接收至少一部分反射光。

例如，照明子系统1520(OLED阵列)的阵列1525用入射光照亮覆盖层1510的接触表面1515。接触表面1515反射入射光。实际上，接触表面1515对阵列1525的内部反射形成等效的反射阵列1525’(反射图像)。光学传感器模块1530有效地捕获等效的反射阵列1525’的图像。在没有接触的区域(例如，指纹谷1542)中，照亮该区域的照明的入射光线往往会反射回来(作为反射光线)，形成明亮的图像。因为接触表面1515是平坦且光滑的，特定的照明源(例如，OLED像素)与其由光学传感器模块1530捕获的图像之间的关系倾向于遵循接触表面1515上的镜面反射定律。相反，在有接触的区域(例如，指纹脊1544)中，照亮该区域的照明的入射光线往往会散射，形成暗图像。因此，脊1544物理地接触触摸表面，使得在这些接触位置的镜面反射率大大降低。在由光学传感器模块1530检测到的结果图像中，脊1544区产生的亮度较低，而谷1542区域产生的亮度较高(镜面反射光通常比散射光更亮)，从而形成明暗图案。

光学传感器模块1530的实施例被实现为光学传感器元件的阵列。例如，传感器元件的阵列可以是电荷耦合器件(charge-coupled device，CCD)阵列等。光学传感器元件的阵列可以配置成使得照明子系统1520的照明阵列的特定的照明元件的照明与光学传感器模块1530的传感器阵列的特定的传感元件具有镜面对应。例如，特定的传感器元件可用于在镜面件下(例如，当在反射位置没有接触时，当没有对象与接触表面1515接触时，当该位置有一个指纹脊时等)，接收来自相应照明源的作为入射光线的反射光线。为了说明，图15示出了两条光线。第一光线作为入射光线起源于位置A(例如，在第一照明源、照明像素、照明阵列元件等)，在接触表面1515的第一特定位置经历镜面反射，并在位置A’(例如，在第一传感器像素、传感器阵列元件等)作为反射光线被接收。类似地，第二光线作为入射光线起源于位置B，在接触表面1515的第二特定位置经历镜面反射，并在位置B’(例如，在第二传感器像素、传感器阵列元件等)作为反射光线被接收。在一些实施例中，如本文所述，源自位置A的光线与指纹脊1544相互作用，并且由于在接触表面1515改变的界面条件而趋于散射。即使在这种情况下，本文所公开的内容也认为在位置A和A’之间存在镜面对应。原因之一是，如果要移除手指，从位置A行进到位置A’的光线将以与从位置B行进到位置B’的光线基本相同的方式经历镜面反射。另一原因是，即使有一些散射，仍然存在一些遵循镜面反射定律的镜面反射，因此来自离开位置A的入射光线的一些光能将在接触表面的镜面反射后到达位置A’(来自光线的其他能量将会散射)。

照明子系统1520的阵列1525的掩蔽导致仅接触表面1515的一部分被直接照亮。然而，即使接触表面1515的那些不被直接照亮的部分也倾向于接收一些照明，例如漫射照明。因此，接触表面1515的整个感测区域倾向于接收间接(例如，漫射)照明，并且倾向于产生非镜面反射。然而，镜面反射往往只发生在接触表面1515的直接照射的、未掩蔽的区域中。因此，由光学传感器模块1530接收的光学信息包括响应于仅通过非镜面反射到达光学传感器模块1530(即光学传感器模块1530的光学传感器)的反射光的第一部分而接收的明暗图案的掩蔽区域，以及响应于通过照明的镜面反射和非镜面反射到达光学传感器的反射光的第二部分而接收的明暗图案的未掩蔽区域。

处理器1550的实施例可以包括任何合适类型的处理器，例如一个或多个通用处理器、专用处理器、状态机等。处理器1550可以引导照明子系统1520和/或光学传感器模块1530的操作。例如，处理器1550可以引导照明子系统1520，以选择性地用照明源的阵列1525提供完全照明或仅用阵列1525的一部分提供部分(掩蔽)照明。处理器1550还可以实现与成像相关的特征、欺骗检测特征、生物特征等。在一些实施例中，处理器1550生成特征图像，至少包括从明暗图案的掩蔽区域生成的第一图像部分。在一些实施方式中，特征图像还包括明暗图案的部分或全部未掩蔽区域。然后，处理器1550可以通过分析特征图像来检测二维欺骗对象，以确定是否存在像素扩散，如本文所述。

处理器1550的实施例可以与一个或多个数据存储1555进行通信，以促进这种检测。在一些实施例中，数据存储1555是非瞬态数据存储(例如，固态存储器)，其上存储了先前获取的图像。在这种实施例中，可以将处理器从反射光生成的特征图像与存储的、先前获取的图像进行比较，看两者是否匹配。如本文所述，与参考图像或其他参考数据相比，被透明欺骗覆盖的对象的图像可以显示像素扩散。在一些实施例中，光学传感器模块1530从覆盖层1510的接触表面1515接收重定向照明，该重定向照明响应于与接触表面1515接触的对象(例如手指)的三维特征集相对应的光学响应图案中的入射照明。处理器1550可以与光学传感器模块1530耦合，并且用于根据光学响应图案从重定向照明生成特征图像。处理器1550还可以基于多个传感器像素和多个照明像素之间定义的镜面对应获得预期的光学响应(例如，从数据存储1555)。如上所述，预期的光学响应可以基于入射光如何响应于与接触表面1515直接接触的对象而经历镜面反射。例如，预期的光学响应可以包括或代表与接触表面1515直接接触放置的非欺骗对象的先前获取的图像。作为另一个示例，如果非欺骗对象与接触表面1515直接接触放置(或者如果没有任何东西与接触表面1515接触放置)，则预期的光学响应可以包括或代表特定的照明图案的镜面响应。然后，处理器1550可以通过检测预期的光学响应和特征图像之间的像素扩散来检测透明的假对象，如本文所述。

在其他实施例中，数据存储1555可以包括瞬态或非瞬态存储，用于临时存储在同一采集会话期间收集的图像。例如，当一个人将她的手指放置在接触表面1515上时，处理器1550可以在多个条件下获取多个帧中的多个图像。在这种实施例的一种实现方式中，单个采集时间段至少具有两个采集帧。在第一采集帧中，处理器1550引导照明子系统1520完全照亮接触表面1515的捕获区域，并且使用在该完全照明条件下通过光学传感器模块1530接收的反射光，以生成完全照明图像。在第二采集帧中，处理器1550引导照明子系统1520部分地照亮接触表面1515的捕获区域(留下仅被间接照亮的掩蔽区域)，并且使用在该部分照明条件下由光学传感器模块530接收的反射光，以生成特征图像。第一采集帧可以在第二采集帧之前或之后(即，可以以任何合适的顺序生成图像)。在这种实施例的另一个实施方式中，单个采集时间段具有快速连续的采集帧，其中一部分的采集帧使用全照明来生成全照明图像，而其余部分的采集帧使用部分照明来生成部分照明(掩蔽)图像。包括掩蔽在内的各种照明条件可用于增强对像素扩散的检测。

图16示出了根据各种实施例的在覆盖于对象上的透明的欺骗的上下文中具有光学感测模块1530的光学感测环境1600。对于上下文，图16的环境1600示出了具有三维对象1610的覆盖层1510，该三维对象1610通过透明的欺骗覆盖材料1620(例如，手套、胶带等)与覆盖层1510的接触表面1515分离。如本文所使用的，术语透明的一般旨在包括生成本文所述效果的任何量的透明度或不透明度。如果材料是部分半透明的、仅对某些波长的透明等，这种效果仍可能出现，并且任何此类条件都被认为是透明的，如本文所使用的。

接触表面1515被配置为使得入射光在接触表面1515经历镜面反射。例如，非欺骗对象(例如，指纹脊和谷)的三维特征在具有不同折射界面的接触表面1515上创建位置的图案。例如，在谷处，接触表面1515处于覆盖层1510的材料(例如，玻璃)和空气之间的过渡处，而在脊处，接触表面1515处于覆盖层1510的材料(例如，玻璃)和对象的材料(例如，手指的皮肤)之间的过渡处。这些差异可以确定入射光线是否主要倾向于在特定的位置反射或散射。二维特征(例如，代表脊和谷的指纹的打印副本的较暗和较亮区)也可以影响一些实施方式。例如，暗区和亮区(或打印在透明材料上透明区和不透明区)可以对入射光产生不同的光学影响，一种倾向于导致更多的镜面反射，而另一种倾向于导致更多的散射。在接触表面1515的这些各种光学响应可以导致由光学传感器模块1530接收的与特征的图案相对应的光学信息的明暗图案。

正如参考图15所述，整个系统可以配置为照明像素和传感器像素之间的镜面对应。因此，源自位置A中的照明像素的入射光线在接触表面1515处经历镜面反射，并且被在位置A’的传感器像素接收。当非欺骗对象(例如，1610，假定对入射照明不透明)直接与接触表面1515接触(即，与不被透明的欺骗覆盖材料1620分离)时，非欺骗对象往往不会产生附加的镜面反射，并且保持镜面对应。然而，当添加透明的欺骗覆盖材料1620时，透明的欺骗覆盖材料1620的顶表面1625可以成为另一个镜面反射界面。因此，如图16所示，源自位置A中的照明像素的入射光线仍然在接触表面1515经历镜面反射(尽管只是部分地)，从而导致对应的反射光线被在位置A’(现在是A’1)的传感器像素接收。另外，相同的入射光线可以在透明的欺骗覆盖材料1620内散射，可能导致相应的反射光线被在位置A’2(例如，和其他位置)的至少另一个传感器像素接收，并且相同的入射光光线可以在透明的欺骗覆盖材料1620的顶表面1625经历进一步的镜面反射，导致相应的反射光线被在位置A’3的又一个传感器像素接收。

实际上，由入射光线A(例如，反射或散射，或反射亮或反射暗)产生的光学信息在传感器像素的更大区上扩散，本文称为像素扩散的效果。值得注意的是，非欺骗对象1610(例如，手指)和接触表面1515之间的直接接触产生特定的光学响应，而在接触表面1515和非欺骗对象1610之间的透明的欺骗覆盖材料1620的存在由于像素扩散而产生不同的光学响应。因此，实施例可以通过检测由像素扩散引起的光学响应中的这种差异来检测透明欺骗覆盖材料1620的存在。

图17A和17B示出了在与光学感测环境的接触表面直接接触的指纹的成像和通过透明的欺骗覆盖材料与光学感测环境的接触表面分离的指纹的成像之间的光学感测的差异。图17A示出了在完全照明(由照明阵列1710a代表)的条件下的成像。例如，参考图15和16，这种条件可以代表使用照明子系统1520的全阵列1525来照亮接触表面1515的感测区域，使得光学传感器模块1530通过跨越整个感测区域的镜面反射接收光学信息。

图像1720a代表与光学感测环境的接触表面1515直接接触的指纹的成像。图像1730a代表通过透明的欺骗覆盖材料，例如图16的透明的欺骗覆盖材料1620与光学感测环境的接触表面1515分离的相同的指纹的成像。如图所示，由于像素扩散，图像1730a指示与图像1720a不同的光学响应。例如，实施例可以生成特征图像(1730a)，以包括对象(例如，指纹的脊和谷)的特征集的至少一部分的第一表现。处理器1550可以通过获得对应于预期的光学响应的参考图像(例如，1720a)并包括对象的特征集的至少一部分的第二表现来获得预期的光学响应。然后，处理器1550可以通过比较参考图像和特征图像来检测透明的假对象覆盖，以检测对象的特征集的一部分中的像素扩散。

然而，可以看出，像素扩散图像1730a仍可以包括与参考图像1720a中类似的特征信息。因此，在某些情况下，这可能很难，或者可能需要更广泛(例如，更多的时间密集型、更多的处理器密集型等)的图像处理来可靠地辨别这种差异，并且检测像素扩散。如图17B所示，一些实施例使用掩蔽(或标记)作为这种检测的一部分。这种方法可以提供各种特征，例如检测可靠性的增加、检测时间的减少、检测处理的减少等。这种掩蔽或标记是通过仅激活(例如，由处理器1550)照明像素的一部分来提供的，以引导在接触表面1515的标记的照明图案穿过覆盖层1510。标记的照明图案1715可以具有预定义的明暗照明图案，使得在进一步对应于预定义的明暗照明图案的光学响应图案中接收重定向照明。照明像素和传感器像素之间的已知镜面对应可以确定对标记的照明图案1715的预期的光学响应，如参考图像1720b中的参考接收的图案1725所示。在产生特征图像1730b时，透明的欺骗覆盖材料引起标记的照明图案1715的像素扩散，这可以在像素扩散接收的图案1735中看到。

在图示的示例中，处理器1550通过选择性地激活和去激活照明像素的特定行来仅激活多个照明像素的一部分，从而以有效地包括照明像素的亮线的方式(例如，被一行或多行明亮像素中断的变暗区域)形成标记的照明图案。因此，特征图像(例如，1730b)包括照明像素的亮线的第一表现(例如，作为像素扩散接收的图案1735的一部分)，而预期的光学响应(在图像1720b中示出)包括照明像素的亮线的第二表现(例如，作为参考接收的图案1725的一部分)。处理器1550可以通过检测第一表现比第二表现宽来检测像素扩散。这种单一的亮线图案有助于减少检测像素扩散所涉及的处理，例如，因为检测涉及分析图像中相对少量的信息。然而，可以使用任何其他合适的图案。例如，照明像素的选择性激活可用于生成具有多条亮线、特定形状等的照明图案。对照明像素的选择性激活的参考通常可包括在接触表面1515选择性地引导入射光线和/或选择性地防止入射光线到达接触表面1515的任何合适的方式。

图18示出了根据各种实施例的用于通过光学传感器进行的透明的假对象覆盖的反欺骗的说明性方法1800的流程图。方法1800可以使用上述任何系统和/或任何其他合适的系统来实现。方法1800的实施例开始于阶段1804，通过激活设置在光学感测系统的覆盖层下方的照明像素，以引导入射照明穿过覆盖层到达覆盖层的接触表面。在一些实施例中，照明像素包括有机发光二极管(organic light emitting diodes，OLED)。

在阶段1808，响应于入射照明，实施例通过光学传感器的传感器像素从覆盖层的接触表面接收重定向照明，在与接触表面接触的对象的特征集相对应的光学响应图案中接收重定向照明。在一些实施例中，对象是手指且对象的特征集是手指的指纹脊和指纹谷的集合。在阶段1812，实施例可以根据光学响应图案从重定向照明生成特征图像。

在阶段1816，实施例可以基于传感器像素和照明像素之间定义的镜面对应获得预期的光学响应。例如，照明像素包括一组N个照明像素，每个照明像素用于引导N条入射光线中的相应一个，传感器像素包括一组N个传感器像素，每个传感器像素用于接收N条反射光线中的相应一个，以及定义的镜面对应在N个传感器像素和N个照明像素之间，基于N条反射光线中的每一条，每一条反射光线都是由在接触表面的N个位置中的相应一个的N条入射光线中的对应一条的镜面反射确定地产生的。N可以是大于一的任何合适的整数，例如以千计的整数。在一些实施例中，在阶段1816的获得包括从非瞬态存储器(例如，先前捕获的图像等)检索预期的光学响应。

在阶段1820，实施例可以通过检测预期的光学响应和特征图像之间的像素扩散来检测透明的假对象。在一些实施例中，特征图像包括对象的特征集的至少一部分的第一表现，在阶段1816的获得包括获得对应于预期的光学响应的参考图像并且包括对象的特征集的至少一部分的第二表现，以及在阶段1820的检测包括比较参考图像和特征图像，以检测对象的特征集的一部分中的像素扩散。在一些实施例中，在阶段1804的激活包括仅激活多个照明像素中的一部分，以形成具有预定义的明暗照明图案的标记的照明图案，使得在进一步对应于预定义的明暗照明图案的光学响应图案中接收重定向照明。在一些这种实施例中，预期的光学响应基于光学传感器使用标记的照明图案对对象的特征集的事先成像，使得预期的光学响应与预定义的明暗照明图像具有镜面对应。在其他实施例中，在阶段1804的激活包括选择性的激活和去激活照明像素的特定行来仅激活多个照明像素的一部分，以形成标记的照明图案以包括照明像素的亮线，使得特征图像包括照明像素的亮线的第一表现。在一些这样的实施例中，预期的光学响应包括照明像素的亮线的第二表现，以及在阶段1820的检测包括检测第一表现比第二表现宽。

虽然本公开包含许多细节，但这些不应解释为对任何发明的范围或可能要求保护的范围的限制，而是作为可能特定于特定发明的特定实施例的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或在任何合适的子组合中实现。此外，虽然上述特征可能被描述为在某些组合中起作用，甚至最初要求保护，但在某些情况下可以从组合中删除一个或多个来自要求保护的组合的特征，并且要求保护的组合可以指向子组合或子组合的变体。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描绘了操作，但这不应理解为要求以所示的特定顺序或序列顺序执行这些操作，或者执行所有图示的操作，以获得期望的结果。此外，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都需要这样的分离。

仅描述了一些实施方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和说明的内容进行其他实施方式、增强和变化。

除非有相反的特别说明，否则“一个”或“该”的表述旨在表示“一个或多个”。范围在本文中可以表示为从“大约”一个指定值和/或到“大约”另一个指定值。术语“大约”在本文中用于表示大约、在……的区域、大致或周围。当术语“大约”与数值范围结合使用时，它通过将边界延伸到规定数值的上方和下方来修改该范围。一般而言，术语“大约”在本文中用于修改高于和低于值的10％方差的数值。当表达这样的范围时，另一个实施例包括从一个特定值和/或到另一个特定值。类似地，当值被表示为近似值时，通过使用先行词“大约”，将理解指定值形成另一个实施例。将进一步理解，每个范围的端点都包括在该范围内。

此提及的所有专利、专利申请、出版物和描述均通过引用完整合并，以供所有用途。没有一个被承认是现有技术。

Claims (20)

1.一种光学传感器系统，用于利用光学传感器进行的透明的假对象覆盖的反欺骗，所述系统包括：

照明子系统，所述照明子系统位于覆盖层下方并且具有多个照明像素，以引导入射照明穿过所述覆盖层到达所述覆盖层的接触表面；

光学传感器，所述光学传感器设置在所述覆盖层下方并且包括多个传感器像素，以响应于所述入射照明从所述覆盖层的所述接触表面接收重定向照明，在与所述接触表面接触的对象的特征集相对应的光学响应图案中接收所述重定向照明；以及

处理器，所述处理器与所述光学传感器耦合，并且用于：

根据所述光学响应图案从所述重定向照明生成特征图像；

基于所述多个传感器像素和所述多个照明像素之间定义的镜面对应获得预期的光学响应；以及

通过检测所述预期的光学响应和所述特征图像之间的像素扩散来检测透明的假对象覆盖。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述多个照明像素包括一组N个照明像素，每个照明像素用于引导N条入射光线中的相应一个；

所述多个传感器像素包括一组N个传感器像素，每个传感器像素用于接收N条反射光线中的相应一个；以及

所述定义的镜面对应在所述N个传感器像素和N个照明像素之间，基于所述N条反射光线中的每一条，所述每一条反射光线都是由在所述接触表面的N个位置中的相应一个的所述N条入射光线中的对应一条的镜面反射确定地产生的，

其中，N是大于1的整数。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

非瞬态存储器，其中所述处理器用于通过从所述非瞬态存储器检索所述预期的光学响应来获得所述预期的光学响应。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述特征图像包括所述对象的所述特征集的至少一部分的第一表现；

所述处理器用于通过获得对应于所述预期的光学响应的参考图像并且包括所述对象的所述特征集的至少所述一部分的第二表现来获得所述预期的光学响应；以及

所述处理器用于通过比较所述参考图像和所述特征图像检测所述透明的假对象覆盖，以检测在所述对象的所述特征集的所述一部分中的像素扩散。

5.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述处理器还用于激活所述多个照明像素，以引导所述入射照明穿过所述覆盖层到达所述覆盖层的所述接触表面。

6.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述处理器还用于仅激活所述多个照明像素的一部分，以引导所述接触表面上的标记的照明图案穿过所述覆盖层，所述标记的照明图案具有预定义的明暗照明图案，使得进一步在对应于所述预定义的明暗照明图案的所述光学响应图案中接收所述重定向照明；以及

所述预期的光学响应基于所述光学传感器使用所述标记的照明图案对所述对象的所述特征集的事先成像，使得所述预期的光学响应与所述预定义的明暗照明图像具有镜面对应。

7.根据权利要求6所述的系统，其中：

所述处理器还用于通过选择性的激活和去激活所述照明像素的特定行来仅激活所述多个照明像素的所述一部分，以形成所述标记的照明图案以包括所述照明像素的亮线，使得所述特征图像包括所述照明像素的所述亮线的第一表现；

所述预期的光学响应包括所述照明像素的所述亮线的第二表现；以及

所述处理器用于通过检测所述第一表现比所述第二表现宽来检测所述像素扩散。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述对象是手指且所述对象的所述特征集是所述手指的指纹脊和指纹谷的集合。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个照明像素包括多个有机发光二极管。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括：

所述覆盖层。

11.根据权利要求10所述的系统，还包括：

显示子系统，所述显示子系统设置在所述照明子系统和所述光学传感器上方，以及所述覆盖层下方。

12.一种用于通过光学传感器进行的透明的假对象覆盖的反欺骗的方法，所述方法包括：

激活多个照明像素，所述多个照明像素设置在光学感测系统的覆盖层的下方，以引导入射照明穿过所述覆盖层到达所述覆盖层的接触表面；

响应于所述入射照明，通过光学传感器的多个传感器像素从所述覆盖层的所述接触表面接收重定向照明，所述重定向照明是在与所述接触表面接触的对象的特征集相对应的光学响应图案中接收的；

根据所述光学响应图案从所述重定向照明生成特征图像；

基于所述多个传感器像素和所述多个照明像素之间定义的镜面对应获得预期的光学响应；以及

通过检测所述预期的光学响应和所述特征图像之间的像素扩散来检测透明的假对象覆盖。

13.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述多个照明像素包括一组N个照明像素，每个照明像素用于引导N条入射光线中的相应一个；

所述多个传感器像素包括一组N个传感器像素，每个传感器像素用于接收N条反射光线中的相应一个；以及

所述定义的镜面对应在所述N个传感器像素和N个照明像素之间，基于所述N条反射光线中的每一条，所述每一条反射光线是由在所述接触表面的N个位置中的相应一个的所述N条入射光线中的对应一条的镜面反射确定地产生的，

其中，N是大于1的整数。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述获得包括从非瞬态存储器检索所述预期的光学响应。

15.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述特征图像包括所述对象的所述特征集的至少一部分的第一表现；

所述获得所述预期的光学响应包括获得对应于所述预期的光学响应的参考图像并且包括所述对象的所述特征集的至少所述一部分的第二表现；以及

所述检测所述透明的假对象覆盖包括比较所述参考图像和所述特征图像，以检测在所述对象的所述特征集的所述一部分中的像素扩散。

16.根据权利要求12所述的方法，其中：

所述激活包括仅激活所述多个照明像素中的一部分，以形成具有预定义的明暗照明图案的标记的照明图案，使得进一步在对应于所述预定义的明暗照明图案的所述光学响应图案中接收所述重定向照明；以及

所述预期的光学响应基于所述光学传感器使用所述标记的照明图案对所述对象的所述特征集的事先成像，使得所述预期的光学响应与所述预定义的明暗照明图像具有镜面对应。

17.根据权利要求16所述的方法，其中：

所述激活包括选择性的激活和去激活所述照明像素的特定行，以形成所述标记的照明图案以包括所述照明像素的亮线，使得所述特征图像包括所述照明像素的所述亮线的第一表现；

所述预期的光学响应包括所述照明像素的所述亮线的第二表现；以及

所述检测所述像素扩散包括检测所述第一表现比所述第二表现宽。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述对象是手指且所述对象的所述特征集是所述手指的指纹脊和指纹谷的集合。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多个照明像素包括多个有机发光二极管。

20.一种用于通过光学传感器进行的透明的假对象覆盖的反欺骗的系统，所述系统包括：

一组处理器；以及

处理器可读存储器，所述处理器可读存储器与所述一组处理器耦合并且具有存储在其上的处理器可读指令，当执行所述处理器可读指令时，使得所述一组处理器执行步骤，包括：

引导多个照明像素的激活，所述多个照明像素设置在光学感测系统的覆盖层下方，以引导入射照明穿过所述覆盖层到达所述覆盖层的接触表面；

响应于所述入射照明，通过光学传感器的多个传感器像素从所述覆盖层的所述接触表面引导接收重定向照明，所述重定向照明是在与所述接触表面接触的对象的特征集相对应的光学响应图案中接收的；

根据所述光学响应图案从所述重定向照明生成特征图像；

基于所述多个传感器像素和所述多个照明像素之间定义的镜面对应获得预期的光学响应；以及

通过检测所述预期的光学响应和所述特征图像之间的像素扩散来检测透明的假对象覆盖。

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