CN210091189U - 光学传感器装置和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种光学传感器装置和电子设备，用于减少不期望的莫尔图案。该光学传感器装置适用于能够通过光学感测进行指纹检测的电子设备，且该光学传感器装置包括：光学传感器阵列，用于设置在该电子设备的显示面板下方，以接收该显示面板上方的手指被照亮时形成并穿过该显示面板返回的探测光，该返回的探测光用于供该光学传感器阵列进行指纹检测；一个或多个光学过滤层，设置在该光学传感器阵列上方，用于传输该探测光，同时阻挡光学波长大于该探测光的背景日光；一个或多个间隔层，设置在该显示面板和该光学传感器阵列之间，该一个或多个间隔层具有足够的厚度以减少不期望的莫尔图案。

Description

光学传感器装置和电子设备
相关申请的交叉引用
本专利文件要求申请人为深圳市汇顶科技股份有限公司于(1)2017年7 月6日提交的申请号为62/529,464、发明名称为“用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的多层光学设计”的美国临时专利申请，和(2)2017年7 月27日提交的申请号为62/537,953、发明名称为“具有间隔的光学准直器阵列和光学传感器阵列的用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的多层光学设计”的美国临时专利申请的优先权和权益。上述专利申请的全部内容通过引用并入本文件的一部分。
技术领域
本专利文件涉及光学传感器模块，光学传感器模块能够基于光学感测在移动设备或可穿戴设备等电子设备或较大系统中执行一种或多种感测操作，例如指纹感测或其他参数测量。
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。对只有授权用户才能被识别并且与非授权用户区分开的计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问的需求不断增长。
例如，移动电话、数码相机、平板PC、笔记本电脑和其他便携式电子设备在个人、商业和政府的使用中越来越普及。供个人使用的便携式电子设备可以配备有一个或多个安全机制以保护用户的隐私。
再如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统可以被保护于仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。
存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息可以具有应当被保护的某些特性。例如，存储的信息性质上可以是个人信息，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，或是组织或企业专用的机密信息，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，则数据可能被未经授权获得访问的其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。
对移动设备等设备或电子数据库和计算机控制的系统等系统的安全访问可以以不同方式来实现，例如，使用用户密码。然而，密码可以容易地被传播或获得，并且密码的这种性质会降低安全等级。而且，用户需要记住密码以使用电子设备或系统，并且如果用户忘记该密码，则用户需要进行某些密码恢复流程来获得认证，或以其他方式重新获得对设备的访问，而这样的过程对于用户而言较为繁琐，并且具有各种实际限制和不便。可以利用个人指纹识别来实现用户认证，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使用用户认证机制来保护个人或其他机密数据，并且防止未经授权的访问。电子设备或系统上的用户认证可以通过生物特征标识符的一种或多种形式来执行，这种生物特征标识符可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物特征标识符的一种形式就是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。
实用新型内容
光学传感器模块可以放置在诸如液晶显示器(LCD)屏、有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏的显示屏下，并且这种屏下光学传感器模块可以用于提供光学感测功能，包括光学指纹感测。在一些实现方式中，提供光学感测来确定接触的目标是否来自活人。
一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：液晶显示(LCD)屏，用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；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，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；以及光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，用于接收穿过LCD屏的探测光，以检测指纹，其中，光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学传感器阵列，该光学准直器阵列接收探测光，该光学传感器阵列接收来自该光学准直器阵列的探测光。
另一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：(1)液晶显示(LCD)屏，用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；LCD背光模块，耦合到LCD屏，用于产生到LCD屏、用于显示图像的背光；(2)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，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；(3)光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，用于接收从顶部透明层反射并穿过LCD屏的探测光，以检测指纹；(4)一个或多个探测光源，与LCD背光模块分离，位于LCD显示面板结构下方，用于产生探测光，该探测光穿过LCD显示面板结构，照亮顶部透明层上指定的指纹感测区域，以使指定的指纹感测区域与顶部透明层的周围区域明显不同，以供用户放置手指进行光学指纹感测；以及(5)设备控制模块，耦合到光学传感器模块，用于处理光学传感器模块的输出，以确定光学传感器模块检测到的指纹是否与授权用户的指纹匹配，除了检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人。
另一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：液晶显示(LCD)屏，用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；LCD背光模块，耦合到 LCD屏，用于产生到LCD屏、用于显示图像的背光；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，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；以及光学传感器模块，位于LCD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。该光学传感器模块包括透明块、光学传感器阵列和光学成像模块，该透明块与显示面板基板接触，以接收来自显示面板结构的光，该光学传感器阵列接收光，该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。一个或多个探测光源，与LCD背光模块分离，位于LCD显示面板结构下方，用于产生探测光，该探测光穿过LCD显示面板结构，照亮顶部透明层上指定的指纹感测区域，以使该指定的指纹感测区域与顶部透明层的周围区域明显不同，以供用户放置手指进行光学指纹感测。
另一方面，提供了一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：显示面板，用于显示图像；顶部透明层，形成于显示面板之上，作为被用户触摸，并传输来自显示面板的光以显示图像的界面；保护层，接合到显示面板的底部，并且成形为包括开口；光学准直器界面连接层，位于保护层的开口内部，并在开口内与显示面板的底部接合；光学准直器阵列，位于保护层的开口内部，并与光学准直器界面连接层接合，用于接收从顶部透明层返回的光，以检测指纹；光学检测器的光学传感器阵列，位于光学准直器阵列下方并与光学准直器阵列间隔开，用于收集来自显示器面板的并通过光学准直器阵列的返回的光，其中，光学传感器阵列接合到保护层，以将光学传感器阵列保持在光学准直器阵列下方；以及一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光。光学准直器界面连接层和光学准直器阵列与光学传感器阵列之间的间隔被设计，以减少不期望的莫尔(Moiré)图案。在实现方式中，显示面板可以包括LCD屏、OLED屏或其他显示屏。
再一方面，所公开的技术可以实现为提供一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：显示面板，用于显示图像；顶部透明层，形成于显示面板之上，作为被用户触摸，并传输来自显示面板的光以显示图像的界面；保护层，接合到显示面板的底部，并且成形为包括开口；光学准直器界面连接层，位于保护层的开口内部，并在开口内与显示面板的底部接合；光学准直器阵列，位于保护层的开口内部，并与光学准直器界面连接层接合，用于接收从顶部透明层返回的光，以检测指纹；光学检测器的光学传感器阵列，位于光学准直器阵列下方并与光学准直器阵列间隔开，用于收集来自显示器面板的并通过光学准直器阵列的返回的光，其中，光学传感器阵列接合到保护层，以将光学传感器阵列保持在光学准直器阵列下方；以及一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光。光学准直器界面连接层和光学准直器阵列与光学传感器阵列之间的间隔被设计，以减少不期望的莫尔(Moiré)图案。
附图、说明书和权利要求书中更详细地描述了所公开技术的这些和其他方面及其实现方式。
附图说明
图1是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本文件中公开的光学指纹传感器。
图2A和图2B示出了电子设备200的一个示例性实现方式，该电子设备 200具有触摸感测显示屏组件和位于该触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。
图3A和图3B示出了实现图2A和图2B中的光学传感器模块的设备的示例。
图4A和图4B示出了用于实现图2A和图2B中的设计的、在显示屏组件之下的光学传感器模块的一个实现方式的示例。
图5A、图5B和图5C示出了对于来自两种不同的光学条件下的顶部感测表面上的感测区的返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学传感器模块的操作。
图6A至图6C、图7、图8A至图8B、图9和图10A至图10B示出了屏下光学传感器模块的示例设计。
图11示出了在不同的铺设条件下通过成像模块在顶部透明层上的指纹感测区域的成像，其中成像设备将该指纹感测区域成像到光学传感器阵列上，并且该成像设备可以是光学透射的或光学反射的。
图12示出了指纹传感器的操作的示例，该操作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。
图13示出了操作用于采集指纹图案的屏下光学传感器模块的过程。
图14、图15和图16示出了用于通过用两种不同光颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的目标是否是活人的手指的一部分的操作过程的示例。
图17A至图17B、图18和图19A至图19C示出了用于光学指纹感测的光学准直器设计，适于实现所公开的屏下光学传感器模块技术。
图20、图21A、图21B、图22A和图22B示出了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学传感器阵列。
图23和图24示出了具有光学准直器的屏下光学传感器模块的示例。
图25示出了光学准直器阵列的示例，该光学准直器阵列利用光学过滤来减少到达屏下光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光。
图26A、图26B、图27和图28示出了在LCD显示屏下进行光学感测的光学准直器设计的示例。
图29、图30和图31示出了基于在设计光学传感器模块中针孔相机效果的改进的光学成像分辨率。
图32示出了使用光学针孔阵列进行光学感测的LCD下光学传感器模块的示例。
图33包括图33A和图33B，并且图33示出了在具有光学偏转或衍射设备或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。
图34A、图34B和图34C示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD漫射器设计的示例。
图35A和图35B示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD反射器设计的示例。
图36示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD光源设计的示例。
图37A至图37D示出了用于改进的LCD下光学感测的增强特征的示例。
图38示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD波导设计的示例。
图39A至图39C示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD背光光源和照明光源的示例。
图40示出了不同按压力下相同手指的两个不同的指纹图案：轻度按压的指纹和重度按压的指纹。
图41A示出OLED显示器的示例。
图41B和图42示出了OLED下光学传感器模块结构的示例，该结构用于实现上述光学过滤并减少莫尔(Moiré)条纹或图案。
图43包括图43A至图43C，并且图43示出了用于设计光学传感器模块中的光学准直器阵列的周期性图案中的未对准的示例，以减少莫尔条纹。
图44示出了屏下光学传感器模块结构的示例，该光学传感器模块结构在屏幕下方的光学传感器模块中具有间隔开的光学准直器阵列和光学传感器阵列。
具体实施方式
电子设备或系统可以配备指纹认证机制，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、平板计算机、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备，还包括更大的电子设备或系统，例如便携形式或桌面形式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。
指纹感测在使用或需要安全访问的移动应用和其他应用中是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括在线购买的安全金融交易。所期望的是，包括适于移动设备和其他应用的鲁棒且可靠的指纹感测。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到对给定设备上的最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感测的占用最小化或消除。
为了被用户看到，由显示屏生成的用于显示图像的光必定穿过该显示屏的顶面。手指可以触摸该顶面，从而与该顶面处的光交互，使得在该触摸的表面区域处的反射或散射的光携带该手指的空间图像信息，并且返回至该顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，顶面是与用户接合的触摸感测界面，并且在用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在大多触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器通常是与显示屏分离的设备，或者被设置在显示屏区域外的与显示屏相同的表面上，例如在苹果iphone和三星智能手机的一些型号中，或者被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的一些型号的智能手机，以避免占用正面上用于放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，从而需要很紧凑以节省空间用于显示和其他功能，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，因为在基于各种合适的指纹感测技术(例如电容式触摸感测或光学成像)的采集指纹图像中的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域，所以对紧凑小巧的需求与对在采集指纹图案时提供高空间图像分辨率的需求，在许多指纹传感器中彼此直接冲突。
本专利文件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传感器模块，该光学传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域，并基于此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产生光，用于在该屏幕上形成显示图像，该屏幕例如是液晶显示(LCD)屏幕、有机发光二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏等。
在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测集成到LCD的示例中，LCD下光学传感器可以用于检测用于在LCD屏中显示图像的光的一部分，其中，用于显示屏的光的这部分可以是散射光、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、或像触笔的用户指针设备等目标时，可以作为返回的光反射或散射回LCD显示屏中。这种返回的光可以被采集以用于使用所公开的光学传感器技术来执行一种或多种光学感测操作。由于使用了来自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传感器模块特殊地设计为集成到 LCD显示屏，其中，该集成的方式维持LCD显示屏的显示操作和功能而没有受到干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强智能手机、平板电脑或移动/可穿戴式设备等电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。
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屏下光学感测模块进行光学感测操作的附加的照明探测光。在这种应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光共同形成用于光学感测操作的照明光。
关于除指纹检测以外的附加的光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果 iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制来检测通过“活体手指”检测机制所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该检测机制可以基于例如不同光学波长下血液的不同光学吸收行为，事实上，由于活人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，这个人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的肯定确定的结合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量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能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以执行与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)通常与其他人造目标不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他目标造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他目标的触摸不会引起设备的苏醒，以进行节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制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，而打开LCD面板下光学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。这种设计下，光学传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，使得光学传感器模块能够检测由手指在LCD显示屏上触摸造成的这种唤醒感测光的返回的光，并且响应于肯定检测，LCD背光和LCD显示屏被照亮或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。可以控制LCD显示屏操作以通过消除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显示屏照亮时生成一帧指纹信号，而当LCD显示屏熄灭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，能够减少指纹感测中的背景光噪声。
基于所公开的光学传感器技术的光学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传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏设计的设计，这是由于光学传感器模块的以下性质：这种光学传感器模块的光学感测是通过检测由光学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，并且所公开的光学传感器模块作为屏下光学传感器模块耦合到LCD显示屏的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种屏下光学传感器模块可以用于与LCD显示屏组合，以在LCD显示屏上提供光学指纹感测和其他传感器功能，而不使用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方面可以在智能手机、平板电脑或其他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的电子设备中实现各种LCD显示屏。
例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果 iPhone或三星Galaxy智能手机，这种现有电话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传感器模块，以提供增加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要分离的指定的感测区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏区域外的前指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些型号的一些智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文所公开的屏上指纹感测的集成不需要对具有触摸感测层和显示层的现有电话组件设计或触摸感测显示模块进行实质的改变。基于本文件中所公开的光学感测技术，设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件按钮，该设备需要添加所公开的光学传感器模块来进行指纹感测。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏下，并且可以在触摸屏的相同触摸感测表面上方便地进行指纹感测。
又如，由于用于指纹感测的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响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，同时维持使用LCD 显示屏的智能手机、平板电脑或其他电子设备中光学感测功能的更新版本的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感测层或LCD显示层，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块的指纹感测特征做任何显著的硬件改变。并且，基于这种光学传感器模块实现的屏上光学感测，以用于指纹感测或其他光学感测功能的改进—也包括增加附加的光学感测功能，可以通过在新产品中使用新版本的屏下光学传感器模块来实现，而不需要对电话组件设计做显著改变。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为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，提供各种触摸感测操作和功能，并增强这种设备的用户体验。基于包括LCD和OLED显示器的不同技术，本专利文件中公开的光学传感器模块的特征可适用于各种显示面板。以下的具体示例针对的是LCD显示面板和置于LCD显示面板下的光学传感器模块。
在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供生物医学传感器等附加的感测功能或感测模块，例如在像腕带设备或手表的可穿戴设备中的心跳传感器。通常，可以在电子设备或系统中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。
所公开的技术可以实现为提供执行人类指纹的光学感测和用于认证对移动设备或计算机控制的系统等锁定的计算机控制的设备的访问尝试的认证的设备、系统和技术，该锁定的计算机控制的设备配备有指纹检测模块。所公开的技术可以用于保护对各种电子设备和系统的访问，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行ATM等其他电子设备或系统。
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，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，并确定输入的指纹图案是否是授权用户的指纹图案。指纹感测系统180使用指纹传感器181来得到指纹并将得到的指纹与储存的指纹进行比较，以启用或禁用由指纹感测系统180保护的设备或系统188中的功能。操作中，指纹处理处理器186基于采集的用户指纹是否来自授权用户，控制对设备188的访问。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹感测像素，如统一表示指纹中的至少一部分的像素182A至182E。例如，指纹感测系统180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181得到的客户的指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于肯定识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。又如，设备或系统188 可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。又如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。再如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。
如具体的示例，图2A和图2B示出了电子设备200的一个示例性实现方式，该电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于光学照亮LCD像素的背光的LCD显示屏或具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏(例如OLED显示屏)来实现。电子设备200可以为智能手机或平板电脑等便携式设备，并且电子设备200可以为如图1所示的设备188。
图2A示出了设备200的前侧，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的前侧，占据前侧空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，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，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，在设备屏幕外的设备200 的前侧上可以提供一个或多个可选的传感器。
图2B示出了设备200中与本文件中公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，用于接收和采集来自触摸感测屏模块的顶面返回的光，并且将该返回的光引导且成像到光学感测像素或光电检测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回的光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学传感器模块之下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中的光学传感器模块和其他组件的某些电子电路。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所示的光学传感器模块的下面的一部分。
在实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，接收用于触摸感测屏模块进行触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他的光学感测功能)。这种光学透明层可以为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。
显示屏的一个示例是具有LCD层以及薄膜晶体管(thin film transistor， TFT)结构或基板的LCD显示器。LCD显示面板为多层式液晶显示(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、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感测层的LCD结构层。LCD模块还包括在LCD结构层下方且在光波导层上方的背光漫射器以及光波导层下方的光学反射器膜层，该背光漫射器用于空间传播用于照亮 LCD显示像素的背光，该光学反射器膜层用于将背光再循环至LCD结构层，以提高光利用率和显示亮度。
参见图2B，本示例中的光学传感器模块位于LCD显示面板的下面，用于采集来自该顶部触摸感测表面的返回的光，并且获取当用户的手指与该顶面上的感测区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。另外，合适的显示面板可以有不同于OLED显示器的各种屏幕设计。
图3A和图3B示出了实现图2A和图2B中的光学传感器模块的设备的示例。图3A示出了包含屏下光学传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图3B在左侧示出了具有触摸感测显示器的设备的前侧的视图，表示显示屏下部上的指纹感测区域，并且在右侧示出了包含位于设备显示屏组件下面的光学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、图3A和图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，这些设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器(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)之间具有物理分界。在本文所示的设计中，用于检测指纹感测和其他光学信号的光学指纹传感器位于顶部盖板玻璃或层的下面(例如图3A)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为横跨垂直堆叠并垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感测和对触摸灵敏的显示屏集成在共同且均匀的表面下的这种设计提供了益处，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，并且增强了在设备所有权期间的用户体验。
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，该设备还包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，用于接收从顶部透明层返回的光，以检测指纹。
本文件中公开的这种设备和其他设备还可以被配置为包括各种特征。
例如，设备电子控制模块可以包括在该设备中，用于在检测到的指纹与授权用户的指纹匹配时授权用户对该设备的访问。另外，光学传感器模块除了用于检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活人时，则设备电子控制模块用于授权用户对该设备的访问。该生物表征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。
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，用于向发光显示像素提供电源，并通过显示面板结构控制图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作关闭一帧中的发光显示像素并开启下一帧中的发光显示像素，以允许光学传感器阵列采集具有发光显示像素照明和不具有发光显示像素照明的两个指纹图像，来减少指纹感测中的背景光。
又如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，用于向LCD显示面板提供电源，并在睡眠模式下关闭LCD显示面板的背光的电源，并且当光学传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以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传感器模块中的一个或多个照明光源间歇性地发光，同时关闭LCD显示面板电源(处于睡眠模式)，将间歇发出的照明光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监控是否存在与指定的指纹感测区域接触的人的皮肤，用于将设备从睡眠模式唤醒。
又如，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传感器模块，用于接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块被操作来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，该多个检测到的指纹的变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸面积的变化或指纹脊的间距的变化。
又如，顶部透明层可以包括用于用户用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传感器模块可以包括与显示面板基板接触的透明块，用于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。该光学传感器模块可以相对于指定的指纹感测区域放置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，选择性地接收在顶部透明层的顶面处通过全内反射的返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收来自指定的指纹感测区域的返回的光。
再如，光学传感器模块可以被构造成包括位于显示面板结构下方的光楔，用于修改与该光楔界面连接的显示面板结构的底面上的全反射条件，来允许从该显示面板结构提取出穿过该底面的光，该光学传感器模块还可以包括光学传感器阵列，接收来自该光楔的从该显示面板结构提取出的光，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，用于将来自该光楔的光成像到该光学传感器阵列上。
下面提供了用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的具体示例。
图4A和图4B示出了显示屏组件下面的光学传感器模块的一个实现方式的示例，该光学传感器模块用于实现图2A和图2B中的设计。图4A至图4B 中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432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，该顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下面的LCD显示模块433。LCD显示层允许部分的光学传输，使得来自顶面的光能够部分地透过LCD显示层到达LCD下光学传感器模块。例如，LCD显示层包括电极和光学充当孔阵列和光散射目标的布线结构。可以在该OLED显示面板的下面提供设备电路模块435，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
本特定实现方式示例中的光学传感器模块702位于LCD显示模块433 下。为光学传感器模块702提供一个或多个照明光源703，并且可以控制该一个或多照明光源703发光，以至少部分地穿过LCD显示模块照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上的用于用户将手指放入其中来进行指纹识别的指纹感测区615。来自一个或多个照明光源703的照明光可以被引导向顶面上的指纹感测区域615，如同该照明光是来自指纹照明光区613。如图所示，手指445被放置在照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为用于指纹感测的有效感测区。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下的光学传感器模块中，并且光学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。
在使用一个或多个光源703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，每个照明光源703可以被控制，以相对较慢的周期间歇性地打开，从而减少用于光学感测操作的功率。在一些实现方式中，指纹感测操作可以以两步过程来实现：首先，以闪光模式打开一个或多个光源703，而不打开LCD显示面板，从而使用闪烁的光来感测手指是否触摸感测区615，然后，一旦检测到区615中的触摸，则操作光学感测模块执行基于光学感测的指纹感测，并且可以打开LCD显示面板。
在图4B的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合到该显示面板的透明块 701，该透明块701接收来自设备组件的顶面的返回的光，该屏下光学传感器模块还包括执行光学成像和成像采集的光学成像块702。来自照明光源703 的光在到达盖板顶面后，例如，用户手指触摸的感测区域615处的盖板顶面，从该盖板顶面反射或散射回来。当感测区域615中的盖板顶面紧密接触指纹脊时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于指纹谷下的另一位置处的光反射，指纹谷下的另一位置处没有手指的皮肤或组织。该盖板顶面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导回向LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低指数光学透明块701的界面。该低指数光学透明块701的折射率被构造成小于LCD显示面板的折射率，使得可以将返回的光从LCD显示面板提取到该光学透明块701中。一旦该返回的光在该光学透明块701内被接收，这种接收到的光进入作为成像感测块 702的一部分的光学成像单元，并且被成像到块702内的光电检测器感测阵列或光学感测阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异造成了指纹图像的对比。如图4B所示，控制电路704(例如微控制器或MCU)耦合到成像感测块702 和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。
在该特定的示例中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的顶面上的总反射角内进入盖板顶面，并会被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比。这种成像系统可能具有会对指纹感测有不利影响的不期望的光学失真。因此，基于光学传感器阵列处的，沿返回的光的光路的光学失真情况，在处理块702中的光学传感器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由在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谐一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。
来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过LCD显示组件433中的孔穿过LCD面板顶面进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且这种背景基线是不期望的。可以使用不同的方法来减少这种基线强度。一个示例是以一定的频率f调谐接通和断开照明光源703，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器得以相同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。通过减去奇数帧和偶数帧，可能得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧生成指纹信号的帧。如果通过在一帧中谐调接通照明光并在另一帧中调谐断开照明光，去除两个连续的信号帧，则可以将环境的背景光影响最小化或大量消除。在实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。
来自照明光源703的光中的一部分还可以穿过盖板顶面，并进入手指组织。这部分的光功率被散射在周围，并且该散射的光中的一部分可以最终被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射的光的光强度取决于手指的肤色和手指组织中的血液浓度，并且手指上的该散射的光携带的这种信息对指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测。例如，通过集成用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是活体手指，还是具备伪造的指纹图案的欺骗设备。
图4B中的一个或多个照明光源703可以设计为发出不同颜色或波长的光，并且光学传感器模块可以采集来自人的手指的不同颜色或波长的返回的光。通过记录相应测量到的不同颜色或波长的返回的光的强度，可以确定与用户的肤色相关联的信息。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自手指的颜色A和B的散射光的强度，作为强度Ia 和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感测区域上时测量指纹的后续测量结果作比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
一个或多个照明光源703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703可以以低的占空比短时间地脉冲，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被操作为以相同的脉冲占空比监控光图案。如果存在触摸屏上的感测区域615的人类手指，则在块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以被操作为确定该触摸是否为人类手指触摸。如果确定是人类手指触摸事件，MCU 704可以被操作为唤醒智能手机系统，打开用于执行光学指纹感测的照明光源703，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702 中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配的，智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果采集的该图像没有被匹配到，智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
在图4A和图4B的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电检测器感测阵列上。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和光电检测器感测阵列之前的成像感测块702的前端形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，如上所释，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。
在本文公开的由图4和4B中的屏下光学传感器模块和其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学传感器模块的光学信号包括不同的光组分。图5A、5B和图5C示出了用于两种不同的光学条件下从感测区615返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学传感器模块的操作。
图5A示出了来自照明光源703的照明光如何通过OLED显示模块433 传播的示例，并在透过顶部透明层431后生成到屏下光学传感器模块的不同的返回的光信号，该返回的光信号包括携带指纹图案信息的光信号。简单起见，不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而在与顶部透明层431交接处不经历全反射。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和向LCD显示模块433返回的另一光束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的界面向LCD显示模块433返回的反射的光束 185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷反射的第三光束187。
在图5A的示例中，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。手指脊-盖板玻璃的界面反射光束80的部分光，作为到LCD显示模块433下方的底层524的反射的光 181。在一些LCD面板中，其反射率低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为传输至手指组织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返回的散射的光191。来自LCD像素 73的传输光束189在手指组织中的散射也对返回的散射的光191有贡献。
盖板玻璃表面将手指皮肤谷位置63处的光束82功率的约3.5％(光185) 反射到底层524，并且手指谷表面将该入射光功率的约3.3％(光187)反射至底层524。总反射率约为6.8％。大部分光189被传输至手指组织60中。手指组织中的传输的光189中的光功率中的一部分被手指组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。
因此，来自在触摸手指的手指谷和手指脊处的各种界面或表面的光反射是不同的，反射比差携带指纹地图信息，并且可以测量该反射比差以提取与顶部透明层431接触且被OLED光照射到的部分的指纹图案。
图5B和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，顶面处的两种附加的照射光线的光路，包括全反射条件下与顶部透明层431 交界处的光路。图示的照明光线生成不同的返回的光信号，其包括将指纹图案信息携带至屏下光学传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得对盖板玻璃431具有大的入射角的照明光会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、图5B和图 5C示出了以下不同的三组发散光束的示例：(1)中心光束82，对盖板玻璃 431具有小的入射角且没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201，202， 211和212，当盖板玻璃表面没有被触摸时，在盖板玻璃431处被全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合到手指组织中(图5B和图5C)，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指组织触摸的位置处，也在盖板玻璃431处被全反射。
对于中心光束82，盖板玻璃表面对着光束185反射约为0.1％～3.5％的光，这部分光被传输到底层524中，手指皮肤对光束187反射约为0.1％～3.3％的光，这部分光也被传输到底层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。
对于高对比度光束201和202，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束205和206反射几乎100％的光。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面且在光束201和202的位置处时，光功率中的大部分通过光束203和 204耦合到手指组织60中。
对于高对比度光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束213和214反射几乎100％的光。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光功率耦合到手指组织60中。
如图5A所示，耦合到手指组织60中的光束会经历手指组织的随机散射，以形成低对比度光191，并且该低对比度光191中的一部分会穿过LCD显示模块433到达光学传感器模块。
因此，在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。
基于图2A和图2B中的设计，所公开的屏下光学感测技术可以以各种配置来光学地采集指纹。
例如，可以以各种配置来实现图4B中的具体实现，该实现是基于通过使用光学感测模块中的体成像模块的光学成像。图6A至图6C、图7、图8A至图8B、图9、图10A至图10B、图11和图12示出了用于光学指纹感测的屏下光学传感器模块设计的各种实现、附加特征和操作的示例。
图6A、图6B和图6C示出了基于通过透镜进行光学成像的屏下光学传感器模块的示例，用于从按压显示盖板玻璃423的手指445采集指纹。图6C 是图6B所示的光学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，该屏下光学传感器模块包括与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的返回的光，该屏下光学传感器模块还包括位于间隔物617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，成像透镜621将接收到的来自感测区615的返回的光成像在光电检测器阵列623上。类似于图4B示例中的成像系统，图6B中用于光学传感器模块的成像系统可能经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如，对图4B中系统所描述的失真校正方法。
与图5A、图5B和图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，全内反射以大于界面的临界入射角的大角度发生。如果盖板玻璃顶面没有被接触，则全反射入射角约为41.8°，并且如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。
在这种设计中，微透镜621和光电二极管阵列623限定了采集感测区615 中接触手指的图像的视角θ。为了检测感测区615中盖板玻璃表面中的期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准视角θ来感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效感测的盖板玻璃表面615可以被视为镜子，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示器中指纹照明光区613的图像，该图像向由感测的盖板玻璃表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电检测器阵列623可以接收由感测的盖板玻璃表面615反射的区613的图像。当手指触摸感测区615时，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电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。由于光学的检测路径的几何形状是已知的，所以可以校正在光学传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真。
如具体的示例，考虑到图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测区宽度Wc。由于H包括盖板玻璃431和显示模块433的厚度，所以该申请设计应当考虑这些层。间隔物617、微透镜 621和光电二极管阵列623可以集成在顶部透明层431的底面上的彩色涂层619的下方。
图7示出了用于图6中至图6C示出的光学传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，通过使用特殊的间隔物618代替图6B至图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，厚度为Hs，具有低折射率(RI)ns，并且，间隔物618位于LCD显示模块433 下，例如，被附接(如粘合)到LCD显示模块433的底面。间隔物618的端面是与微透镜621界面连接的有角度的或倾斜的面。间隔物和透镜的这种相对位置不同于图6B至图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度大小为θ的光学检测模块中。由于在间隔物618和显示模块433之间的界面处的光学折射以及在盖板玻璃431 和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角φ1和φ2是由部件材料的折射率RI、ns、nc和na决定的。
如果nc大于ns，则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，如果盖板玻璃顶面没有被触摸，则全反射入射角估计约为 41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，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，如果检测角为θ＝31.9°，则有效感测区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角为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。有效感测区域宽度被增加到大于6.5mm。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角宽度被降低到19°。因此，光学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设计为足够低(如，使用MgF2、CaF2 或甚至空气来形成间隔物)时，有效感测区域615的宽度Wc不再受限于盖板玻璃431和显示模块433的厚度。这种性质提供了期望的设计灵活性。原则上，如果检测模块具有足够的分辨率，甚至可以将有效感测区域增加到覆盖所有的显示屏。
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传感器模块不仅可以用于采集和检测手指的图案，还可以用于采集和检测更大尺寸的图案，例如与人相关联的人的手掌，来进行用户认证。
图8A至图8B示出了用于图7中示出的光学传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，在该设计中，设置光电检测器阵列在显示屏表面中相对的检测角θ’以及透镜621和间隔物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和光电检测器阵列 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中的设计的屏下光学传感器模块的另一示例，其中，提供了一个或多个照明光源61，用于照亮用于光学指纹感测的顶面感测区 615。照明光源614可以是扩展类型或是准直类型的光源，使得有效感测区 615内所有的点被照亮。照明光源614可以是单元件光源或光源阵列。
图10A至10B示出了使用形状为薄楔的光学耦合器628的屏下光学传感器模块的示例，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，用于调整与光楔628界面连接的显示面板结构的底面上的全反射条件，来允许从显示面板结构提取出穿过底面的光。光学传感器阵列623接收来自光楔628的从显示面板结构提取出的光，光学成像模块621位于光楔628和光学传感器阵列623之间，以将来自光楔628的光成像到光学传感器阵列623上。在所示的示例中，光楔628包括面对着光学成像模块和光学感测阵列623的倾斜光楔面。并且，如图所示，在光楔628和光学成像模块621之间存在自由间隔。
如果光在盖板玻璃431的感测表面处被全反射，则反射率为100％，具有最高的效率。然而，如果光与盖板玻璃表面平行，则光还会在LCD底面433b 处被全反射。楔形耦合器628用于调整局部表面角，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中的微孔提供使得光透过LCD显示模块433以进行屏下光学感测的期望的光传播路径。如果光透射角变得太大或当TFT层变得太厚时，实际的光透射效率可能逐渐减少。当该角度接近于全反射角时，即约为41.8°，且盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来是好的。因此，楔形耦合器628的楔角可以被调整为一对数度，使得检测效率提高或优化。如果选择更高的盖板玻璃的折射率，则全反射角变小。例如，如果盖板玻璃由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。也提高了显示器中的检测光透射效率。因此，这种设计使用薄楔将检测角设置为高于全反射角，和/或使用高折射率的盖板玻璃材料，来提高检测效率。
在图6A至图10B中的屏下光学传感器模块设计中，顶部透明表面上的感测区域615不是竖直的或者不垂直于光学传感器模块的检测轴625，使得感测区域的图像平面也不是竖直的或不垂直于检测轴625。因此，光电检测器阵列523的平面相对于检测轴625可以是倾斜的，以在光检测阵列623处实现高质量成像。
图11示出了这种倾斜的三个示例配置。图11(1)示出了感测区域615a 倾斜且不垂直于检测轴625。在(2)所示的特定情况下，感测区域615b对准在检测轴625上，其图像平面也会位于检测轴625上。实践中，可以部分地切掉透镜621以简化封装。在各种实现方式中，微透镜621也可以是透射型或反射型透镜。例如，(3)中示出了特定的途径。感测区域615c由成像镜 621a成像。光电二极管阵列623b对齐以检测信号。
在使用透镜621的上述设计中，透镜621可以被设计为具有有效孔径，该有效孔径大于LCD显示层中的孔的孔径，后者允许光透过LCD显示模块来进行光学指纹感测。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射目标的所造成不期望的影响。
图12示出了指纹传感器的用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望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，用于光学指纹感测的照明光源被开启，以照亮手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭照明。可以在图像处理中使用从帧A的信号减去帧B的信号，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过滤来减少指纹感测时不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于拒绝环境光波长，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组件的表面上，包括显示器底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于～580nm的波长的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学过滤涂层可以设计为拒绝波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感测时光学检测的影响。
图13示出了用于校正光学传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，一个或多个照明光源被控制并操作于在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，显示面板下的成像传感器的帧速率被操作为和频率F相同，以采集图像。在光学指纹感测操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶部上，并且手指的存在调制该显示面板盖板基板顶面的光反射强度。该显示器下的成像传感器采集指纹调制的反射光图案。在步骤1303处，对来自图像传感器的信号的解调制以频率F同步，并且进行背景过滤。所得的图像减少了背景光的影响，并且包括来自像素发射的光产生的图像。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，将校正了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的光，如图5A中的散射到底层中的光191所示。可以集成来自图5A中的散射到底层中的光191的感兴趣区域中的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化以确定用户的心率。
上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将被偷盗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，指纹图案，尽管是唯一的生物表征标识符，其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏下光学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目标是否是来自活人的手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。无需使用单独的光学传感器来提供这种光学反欺骗感测功能。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示出了在血液中监控的材料的示例性消光系数，血液中的光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围与如940nm的红外IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以在第一可见波长(颜色A)和诸如红外IR波长的第二不同波长(颜色B)来照亮手指，可以采集输入目标的光学吸收的不同，以确定触摸的目标是否为来自活人的手指。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的光学波长的探测光或照明光，以使用血液的不同光学吸收行为来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中监控的材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测被监控的材料是活体指纹还是假指纹。
图15示出了来自无生命材料(如假手指)和活体手指的反射的光中的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来监控活体。当检测到探测光的两个或两个以上的波长时，消光比差可以用于快速地确定被监控的材料是否是活体，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，一个是可见波长，另一个为红外RI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人的手指相关联的信号组分。然而，当活人的手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号揭示了与活人相关联的信号特征，由于不同波长的消光比不同，所以该接收到的信号包括明显不同的强度水平。这种方法不需要花很长时间来确定触摸材料是否是活人的一部分。图15中，脉冲状信号反应了多次触摸的情形，而不是血液脉冲。与无生命材料的相似的多次触摸不显示由活体手指引起的差异。
血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的这种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的人的心跳的光学检测更快。
在LCD显示器中，LCD背光照明光为白光，从而包含在光学传感器模块处执行上述活体手指检测的可见光谱范围和红外IR光谱范围的光。LCD 显示模块中的LCD滤色器可以用于允许光学传感器模块获得图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的光源436，以在不同时间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返回的探测光由光学检测器阵列621采集，以基于图14和图15所示的上述操作来确定触摸对象是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间选定的可见波长和红外IR波长的反射的探测光可以反映血液的不同光吸收特性，但指纹图像总由在不同时间选定的可见波长的探测光和红外IR波长的探测光采集。因此，指纹感测可以在可见波长和红外IR波长下进行。
图16示出了通过操作一个或多个照明光源以用两种不同颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的目标是否是活人的手指的一部分的操作过程的示例。
再如，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，利用“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(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉搏，活人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光由于心跳/血流变化而导致的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活体心跳。用户认证可以是基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的肯定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。可以使用这种触摸力感测为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
在上述示例中，如图4B和图6B所示，指纹图案经由成像模块被采集在光学传感器阵列上，光学失真通常降低了图像感测保真度。这种图像失真可以以各种方式来校正。例如，可以使用已知图案来在光学传感器阵列处生成光学图案，并且已知图案中的图像坐标与在光学传感器阵列处生成的具有失真的光学图像有关，该已知图像的图像坐标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校准输出坐标。
根据本专利文件中所公开的内容，可以进行所公开的光学传感器模块的各种实现方式。
例如，显示面板可以构造成：其中的每个发光像素可以被单独控制；显示面板包括至少部分透明的基板以及实质透明的盖板基板。光学传感器模块位于显示面板下，用于感测在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学传感器模块可以用于感测从显示面板像素发射的光所形成的图像。光学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，低折射率块的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范围内。
又如，可以提供一种用于指纹感测的方法，其中从显示面板发射的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光交互，以通过指纹调制光反射图案。显示面板下的成像感测模块用于感测反射的光图案图像，并且重建指纹图像。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射像素的调制同步，基于此种设置的解调制过程会拒绝背景光(不是来自目标像素的光)中的大部分光。
对所公开的用于光学指纹感测的屏下光学传感器模块的各种设计考虑在作为申请号为62/289,328的美国临时专利申请和申请号为62/330,833的美国临时专利申请的一部分的发明名称为“多功能指纹传感器和封装”(41页文本和26页附图)的文件、以及2016年6月20日在美国专利商标局提交的、申请号为PCT/US2016/038445、申请名称为“具有光学感测能力的多功能指纹传感器”的国际专利申请(要求于2015年6月18日提交的、申请号为62/181,718的美国临时专利申请的优先权，并于2016年12月22日以 WO2016/205832公开)中和2016年11月2日在SIPO提交的、申请名称为“具有光学感测的防指纹欺骗的多功能指纹传感器”的国际专利申请(要求于2015年11月2日提交的、申请号为62/249,832的美国临时专利申请的优先权，并以WO2017/076292公开)中被进一步描述。上述专利申请的全部公开内容通过引用并入本专利文件公开内容的一部分。
在本文公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块技术的各种实现方式中，可以实现手指的被照亮的触摸部分光学成像到屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列，而不使用通过在光学照明下对从手指的触摸部分返回的光成像的透镜等成像模块。没有成像模块的光学指纹感测的一个技术挑战是如何控制返回的光的传播，这种传播可能在空间上扰乱光学传感器阵列处的从手指的触摸部分上的不同位置返回的光，使得当这种返回的光到达光学传感器阵列时，不同位置的空间信息可能丢失。这个挑战可以通过使用光学准直器或针孔阵列替代屏下光学传感器模块中的光学成像模块利用光学感测检测指纹来解决。一种用于实现这种光学指纹发送的设备可以包括：设备屏幕，用于提供触摸感测操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，以形成显示图像的一部分；顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示面板结构下方，用于接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹，该光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列接收返回的光，该光学传感器模块还包括位于该返回的光的到光学传感器阵列的路径中的光学准直器阵列或针孔阵列。光学准直器阵列用于收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光引导至光学传感器阵列。
使用准直器的成像依赖于在不同位置使用不同的准直器，以将来自指纹的不同区域的光在空间上分离到光学检测器阵列中的不同的光学检测器。每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为控制每个准直器的光学视图的窄场，比如，仅来自被照亮的手指上的小区域的光被每个准直器采集，并被投射到光学检测器阵列中数个相邻的光学检测器上。例如，可以将每个准直器沿着该准直器的厚度或长度设计的很大，如几百微米，使得每个准直器的光学视图的场可以允许准直器向光学检测器阵列上的诸如光学检测器阵列中的一个光学检测器或几个相邻的光学检测器的小区域传送成像光(比如，在一些情况下，在光学检测器阵列的每一侧上的十几微米的区域)。
以下部分通过示例解释了光学准直器阵列或针孔阵列如何用于屏下光学指纹感测，该示例在光学指纹感测时在混合感测像素中使用光学准直器，每个混合感测像素具有用于采集指纹信息的电容式传感器和用于采集指纹信息的光学传感器。
图17A和17B示出了将电容感测和光学感测结合在同一感测像素中的混合感测像素设计的两个示例。
图17A示出了指纹传感器设备2100的示例，该指纹传感器设备2100在采集指纹信息时，为传感器像素阵列的每个传感器像素在光学传感器的基础上并入电容式传感器。通过结合电容式传感器和光学传感器，使用光学传感器得到的指纹图像可以用于更好地分解使用电容式传感器得到的3D指纹结构。为了说明的目的，图17A示出的结构表示传感器像素阵列中的一个传感器像素，并且每个传感器像素包括在同一像素内彼此相邻布置的光学传感器 2102和电容式传感器2114。
光学传感器2102包括光电检测器2108和置于光电检测器2108上方的准直器2106，以使从手指2102反射的光2124向着光电检测器2108变窄或聚焦。LED等一个或多个光源(未示出)可以放置在准直器2106的周围来发光，该光被手指反射为反射的光2124，并被引导至相应的光电检测器2108或向着相应的光电检测器2108聚焦，以采集手指2102的指纹图像中的一部分。可以使用光纤束或具有孔或开口的一个或多个金属层来实现准直器2106。这种在光学检测器阵列上方使用多个光学准直器可以用作采集具有期望的空间分辨率的指纹图形的无透镜光学设计，以进行可靠的光学指纹感测。图17A 示出了使用具有孔或开口2112的一个或多个金属层2110实现的准直器2106。图17A中在顶部结构或层2104和光电检测器2108之间的层中的准直器2106 包括由光纤或一层或多层(如硅或金属)中的孔或开口形成的多个单独的光学准直器，这种单独的光学准直器中的每一个接收沿着每个光学准直器的纵向或在小角范围内的光线2124，如图所示，光线2124可以通过每个开口或孔的顶部开口以及管状结构采集，使得来自每个光学准直器纵向的以大角度入射的光线被每个准直器拒绝到达该光学准直器的另一端上的光学光电二极管。
在每个感测像素的电容感测部分中，电容式传感器2114包括电容式传感器板2116，该电容式传感器板2116电磁耦合到与感测像素接近或接触的手指的一部分，以进行电容感测。更具体地，当手指2102与可选盖板2104或实现手指传感器设备2100的移动设备上的盖板接触或离得很近时，电容式传感器板2116和手指2102作为一个或多个电容式元件2122的两个板相互作用。电容式传感器板2116的数量可以基于电容式传感器2114的设计而变化。电容式传感器板2116可以使用一个或多个金属层来实现。电容式传感器板2116 通信地耦合到电容式传感器电路2120，使得电容式传感器电路2120可以处理来自电容式传感器板2116的信号，以得到表示3D指纹结构的信号。可以在电容式传感器板2116和电容式传感器电路之间设置路由或屏蔽材料，以电屏蔽金属板2116。电容式传感器电路2120可以通信地耦合到电容式传感器板2116和光电检测器2108，以处理来自电容式传感器板2116的信号和来自光电检测器2108的信号。在图17A中，每个混合感测像素内的电容式传感器和光学传感器彼此相邻且相互存在位移，而不在空间上重叠。
在实现方法中，图17A中的混合传感器设计中的光学准直器设计等光学感测特征，可以用于屏下光学传感器模块中。因此，图17A中具有光学准直器特征的光学感测可以在能够通过光学感测检测指纹的移动设备或电子设备中实现，该移动设备或电子设备包括：显示屏结构；形成于显示屏结构之上的顶部透明层，作为用户触摸界面，并传输来自显示屏结构的光以显示图像给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示屏结构的下方，用于接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。光学传感器模块包括接收返回的光的光电检测器的光学传感器阵列，还包括光学准直器阵列，用于通过显示屏结构收集来自顶部透明层的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器引导至光学传感器阵列中的光电检测器。
图17B示出了指纹传感器设备2130的另一个示例，该指纹传感器设备 2130在感测器像素阵列中以空间上重叠的配置将光学传感器和电容式传感器结构性地集成在每个混合传感器像素中，以减少每个混合感测像素占用的空间。指纹传感器设备2130包括硅等半导体基板2131。在基板2131上设置多个感测元件或感测像素2139。每个感测元件或感测像素2139包括有源电子电路区域2132，该有源电子电路区域2132包括CMOS开关、放大器、电阻器和电容器，来处理传感器信号。每个感测像素或感测元件2139包括设置或嵌在有源电子电路区域2132中的光电检测器2133。用于电容感测的电容式传感器的电容式传感器板或顶部电极2134设置在光电检测器2133上，并且包括传感器板2134上的孔或开口2138，还起到将光引导至光电检测器2133 上的光的准直器的作用。设置填充有导电材料的通孔2135，以将顶部电极 2134电连接到有源电路元件2132。通过调整开口或孔以及顶部电极2134与光电检测器2133的距离，可以调整光电检测器(如光电二极管)2133的光收集角2137。指纹传感器设备2130由保护盖板2136覆盖，该保护盖板2136 包括硬质材料，例如蓝宝石、玻璃等。光电检测器2133的光收集角2137可以设计为保存由光电二极管阵列收集的图像的空间分辨率。LED等光源2140 位于盖板的下面，在指纹传感器设备2130的侧面发光，该光被手指反射并引导至光电检测器2133，以采集指纹图像。当手指触摸保护盖板或与保护盖板非常近时，手指和感测顶部电极2134的组合形成人体和感测顶部电极2134 之间的电容耦合(如电容器2142)。包括光学传感器和电容式传感器的指纹传感器设备2130可以获得指纹的光反射图像和电容耦合图像这两种图像。感测顶部电极2134用于双重目的：1)用于电容感测，以及2)作为准直器(通过在感测顶部电极2134上制造一个或多个孔)将从手指返回的光引导至光电检测器2133或向着光电检测器2133变窄或聚焦。感测顶部电极2134的再利用消除了对附加金属层或光纤束的需要，从而减小了每个像素的尺寸，并因此减小了指纹传感器设备2130的整体尺寸。
图17B中，光学感测设计使用在顶层2136和光电检测器的底部阵列2133 之间形成的孔或开口2138作为光学准直器，以仅选择在某些角度2137内的光线，如图所示，以保持光电检测器阵列中的光电检测器2133收集的图像的空间分辨率。类似于图17A中的光纤或其他管状光学准直器，在顶层2136 和光电检测器2133的底部阵列之间形成的孔或开口2138构成了光学准直器，收集来自顶部透明层经由显示屏结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器引导至光电检测器2133。
图18是将光学传感器和电容式传感器并入每个混合感测像素中的示例性混合指纹传感器设备2200的俯视图。指纹传感器设备2200实现为CMOS 硅芯片2221，该CMOS硅芯片2221包括混合(并入光学传感器和电容式传感器)感测元件阵列或像素阵列2222。可替换地，图18中的光学布局还可以用于本文件中公开的所有光学感测设计，其中开口或孔2223表示图17A 和图17B中的光学准直器。例如，感测元件的大小或尺寸可以在25μm至 250μm的范围内。混合传感器设备2220可以包括支持电路阵列，该支持电路阵列包括侧面区域2224中的放大器、模数转换器ADC和缓冲存储器。此外，混合传感器设备2200可以包括用于引线接合或凸起接合的区域2225。混合传感器元件2222的顶层2226可以包括用于电容感测的金属电极。可以在每个顶部金属电极23上制造一个或多个开口或孔2223，以在结构上用作准直器来将光以垂直方向引导照射在顶部电极下面的光电检测器上。因此，顶层 2226结构可以用于光学感测和电容感测的双重目的。可以提供一种传感器设备处理器，以处理来自混合感测像素的像素输出信号，来提取指纹信息。
除作为准直器共享用于电容感测和用于在垂直方向聚焦光的相同结构以外，可以在光学传感器和电容式传感器之间共享传感器信号检测电路的一个示例，以检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。
图19A示出了具有用于指纹的电容感测和光学感测功能的示例性混合指纹感测元件或像素2300的电路图。该示例性传感器像素2300包括传感器信号检测电路2316，以在检测或获取基于电容感测的来自感测顶部电极(如顶部金属层)2308的传感器信号和基于光学感测的来自光电检测器(如光电二极管)2314的感测信号之间选择性地切换，以获取手指的来自光电检测器2314的反射光学图像和来自电容式传感器电极2308的电容耦合图像。在一些实现方式中，每个混合感测像素中的来自两种感测机制的两个图像可以串行地被传感器信号检测电路处理。在所示的示例中，开关2310和2312具有：分别电耦合到感测顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，以及耦合到传感器信号检测电路2316的共用输入端的第二端，以向传感器信号检测电路 2316提供对应的来自光电检测器2314的光学检测器信号和对应的来自感测顶部电极2308的电容感测信号。当开关2310断开(CAP_EN＝0)且开关2312 闭合(Optical_en＝1)时，传感器信号检测电路2316获取表示在特定混合感测像素处接收到的扫描指纹的光学图像的光学检测器信号。当开关2310的 CAP_EN＝1且光学_en＝0时，传感器信号检测电路2316可以获取表示扫描指纹的电容图像的电容感测信号。在光学图像和电容图像均被获取到之后，两个图像可以在下游电路中单独地或组合地处理，以识别指纹特征。
用上述混合感测像素的两种成像模态，可以通过以不同方式利用两种类型的图像来增强指纹识别的性能。这种增强的指纹识别可以通过传感器设备处理器2321等传感器设备处理器来实现，用于处理来自混合感测像素的像素输出信号，以提取指纹信息。例如，电容图像可以提供关于指纹特征的脊和谷的深度的3D图像。作为3D电容图像的补充，光学图像可以提供关于指纹特征的高分辨率2D信息。因为两种图像信息都关于指纹的相同的脊，所以具有更高空间分辨率的光学2D图像可以用于恢复电容感测图像分辨率。在一些实现方式中，与光学感测方法相比，电容感测方法可以更加灵敏和准确地识别指纹的谷，使用电容感测方法获取的图像的空间分辨率可以基于盖板的厚度而劣化。电容感测的这个方面可以通过光学感测来弥补。操作中，传感器响应可以是固定的，并且电容式传感器的点扩散函数对于所有的传感器位置可以是固定的。更高分辨率的光学感测可以用作分辨率恢复方法，并且可以应用在电容感测图像上以增强3D图像。来自光学感测的部分高分辨率图像可以用于帮助该恢复方法。因此，可以通过基于高分辨率2D图像的内插或恢复来增强3D电容图像，以提供关于谷和脊的更多信息。
增强的3D图像可以提供改进的指纹识别和匹配。在另一示例中，可以一同存储光学图像和电容图像，以在每次进行指纹识别或匹配时提供两种比较。使用两种类型的图像进行比较增强了指纹感测系统的准确性和安全性。
传感器信号检测电路2316可以使用多种不同的电路设计以各种方式实现。在一个示例中，积分感测电路2318可以实现为存储由脊或谷的触摸引起的电荷或离移动设备的盖板非常近的指纹传感器设备的盖板引起的电荷。包含的积分电路2318增强了信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。积分感测电路包括运算放大器2322，用于放大由示例性传感器像素2300的感测顶部电极2308或光电检测器2314检测到的传感器信号，如电容相关信号或光学相关信号(例如，电压信号)。包括多种金属中的一种的导电材料的感测顶部电极2308通过开关2310电连接到放大器2322的负端或反相输入端2328。感测顶部电极2108和手指的局部表面2302起到电容器Cf 2302的相对板的作用。电容器Cf 2302的电容基于手指的局部表面和感测顶部电极2308之间的距离‘d’变化，该距离‘d’即电容器Cf 2302的两个板之间的距离。电容器Cf 2302的电容与电容器Cf 2302的两个板之间的距离‘d’成反比。当感测顶部电极2308与手指的脊相对时电容器Cf 2302的电容大于当感测顶部电极2308与手指的谷相对时电容器Cf 2302的电容。
此外，在示例性传感器像素2300中，可以在不同导电元件之间形成各种寄生电容器或其他电容器。例如，可以在感测顶部电极2308和设备接地端 2305之间形成寄生电容器CP 2304。设备接地紧密地耦合到大地。另一电容器Cr 2324可以在放大器2322的输出导体和放大器2322的负端或反相输入端2328之间形成，并且起到放大器2322的反馈电容的作用。并且，开关2326 可以耦合在放大器2322的输出端和放大器2322的负端或反相输入端2328之间，以复位积分电路2318。
放大器2322的正端电连接至激励信号Vref。在每个传感器像素中，可以直接向专用放大器的正端提供激励信号Verf。通过直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf，示例性传感器像素2100成为有源传感器像素。此外，直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf消除了包括所有传感器像素共有的激励电极的需要，这样减少了来自传感器芯片的半导体结构的导电(如金属)层。在一些实现方式中，基于传感器像素的设计，可以实现可选的激励电极2306以增强SNR。此外，通过直接向放大器2322提供激励信号Verf 2330，激励信号Vref 2322不直接应用于手指，以避免对手指的潜在的刺激或伤害。而且，当直接将激励信号应用于手指的激励电极未被使用时，指纹传感器设备的所有部件可以被集成到单个封装设备中，并且整个指纹传感器设备可以设置在保护盖板玻璃之下。由于整个指纹传感器设备设置在保护盖板玻璃下，保护指纹传感器设备免受可能损坏指纹传感器的手指和其他外部元件的影响。
图19A中，传感器像素2300中的传感器信号检测电路2316的输出信号 (光学输出信号和电容输出信号)(如放大器2322的Vpo)电耦合到开关 2320，以选择性地将输出信号Vpo从传感器像素2300输出到包括滤波器的信号处理电路。开关2320可以使用晶体管或其他切换机制来实现，并且可以电耦合到控制器，以控制开关2320的切换。通过控制开关2320，2310和2312，传感器像素阵列中的传感器像素可以选择性地在获取光学信号和获取电容信号之间切换。在一个实现方式中，可以获取阵列中每一行、排或列的传感器像素的光学信号或电容信号，然后切换该光学信号或电容信号以获取该行、排或列的其他类型信号。可以逐行进行光学信号获取和电容信号获取之间的切换。在另一实现方式中，可以获取阵列中所有传感器像素或元件的一种类型的信号(电容信号或光学信号)，然后切换该种类型的信号以获取该所有传感器像素或元件的其他类型的信号。因此，不同的信号类型的获取之间的切换可以发生在整个阵列。两种类型的传感器信号的获取之间的切换的其他变形可以实现。
图19B示出了另一示例性混合指纹感测元件或像素2340的电路图。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感测元件或像素2340与混合指纹感测元件或像素2300实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图 19A的描述。
混合指纹感测元件或像素2340实现感测顶部电极2308，以在其上包括起到准直器作用的孔或开口2342，以将反射的光2344向着光电检测器2314 (如光电二极管)聚焦或窄化。光电检测器2314可以位于或设置在使用感测顶部电极2308实现的准直器的下方，用于采集由准直器2308聚焦的反射的光2344。
在一些实现方式中，可以包括光学传感器和电容式传感器的传感器信号检测电路的单独示例，以并行地检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。
图19C示出了示例性混合指纹感测元件或像素2350的电路图，用于对来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号进行并行检测。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感测元件或像素2350与混合指纹感测元件或像素2340实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图19A的描述。
为了对来自电容板和光电检测器的传感器信号进行并行检测，混合指纹感测元件或像素2350包括分别与感测顶部电极2308和光电检测器2324通信耦合的单独的传感器信号检测电路2316和2317。传感器信号检测电路2317 可以实现为基本上类似于传感器信号检测电路2316。在一些实现方式中，开关2310和2312可以设置为具有分别电耦合到感测顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，和分别耦合到传感器信号检测电路2316和2317的第二端，以向传感器信号检测电路2316和2317分别提供来自光电检测器2314的光学检测器信号和来自感测顶部电极2308的电容感测信号。当开关2310和2312 一同闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以并行地对来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。当开关2310和2312 彼此异相地闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以串行地对来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。此外，传感器设备处理器2321可以通过开关2320A和2320B直接或间接地通信耦合到传感器信号检测电路2316和2317，以并行或串行地处理检测到的来自电容板 2308和光电检测器2314的传感器信号。
在所公开的技术的另一方面，由于心脏的心跳和泵送动作，针对图17A、图17B、图18、图19A和图19B描述的光学传感器可以用于通过测量手指中由血流变化引起的随时间变化的反射光强度，来测量人的心跳。该信息包含在由手指反射、散射或漫射的接收到的光中，并且由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可以用于多种功能，包括获取指纹的光学图像和测量人的心跳。在实现方式中，传感器设备处理器用于处理一个或多个光学检测器信号，以提取心跳信息。这种传感器设备处理器可以与处理来自光学感测像素或混合感测像素的像素输出信号以提取指纹信息的传感器设备处理器相同。
以下部分描述了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块利用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学传感器阵列。这种光学准直器或针孔放置在LCD显示屏和屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间，以耦合来自显示面板的所期望的返回的光，同时在光学传感器阵列进行光学检测时滤除背景光。这种光学准直器或针孔的实现可以简化光学传感器阵列进行光学检测的光学设计，例如，在本专利文件中公开的其他设计中不使用图6B、图7、图10A和图11中的成像设计等复杂的光学成像设计。此外，这种光学准直器或针孔的实现可以简化光学传感器阵列的整个光学布局的光学对准，并且提高光学传感器阵列进行光学检测的可靠性和性能。而且，这种光学准直器或针孔可以显著简化制造过程并降低屏下光学传感器模块的总体成本。
图20示出了具有液晶显示(LCD)显示器和屏下光学传感器模块的智能手机的示例，该屏下光学传感器模块包括光学准直器阵列，用于校正光并将光引导至用于光学指纹感测的光学检测器阵列。基于LCD的触摸感测显示系统423在LCD显示系统423下实现了具有光电检测器阵列621的光学感测模块。
触摸感测显示系统423置于顶部盖板玻璃431下，该顶部盖板玻璃431 作为用于包括用户的触摸感测操作和向用户显示图像等的各种用户界面连接操作的用户界面表面，以及作为用于容纳手指进行指纹感测和其他光学感测的光学感测界面，其中，探测光从设备内部被引导至顶部盖板玻璃431，以照亮手指。显示系统423为多层式LCD模块433，其包括LCD显示背光光源434(例如，LED灯)、光波导层433c、LCD结构层433a(包括例如，液晶(LC)单元层、LCD电极层、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感测层)、背光漫射器433b和光学反射器膜层433d，LCD显示背光光源434提供用于LCD模块433的白色背光，光波导层433c耦合到LCD显示背光光源434，用于接收和引导背光，背光漫射器433b置于LCD结构层433a 下方且在光波导层433c上方，用于空间传播用于照亮LCD结构成中LCD显示像素的背光，光学反射器膜层在光波导层433c下方，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。尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的LCD单元打开时，LCD结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器并且提供透明或部分透明的感测光路，使得来自盖板玻璃431 顶面的反射的光的一部分可以到达LCD屏下光学传感器模块内的光电检测器阵列621，进行指纹感测和其他光学感测操作。如图所示，LCD屏下的光学传感器模块包括各种指纹传感器组件，例如用于准直反射的探测光并将反射的探测光引导至光电检测器阵列621的光学准直器阵列617，和接收并调节来自光电检测器阵列621的检测器输出信号的光学传感器电路模块623。光学准直器阵列617可以包括光学准直器，并且该光学准直器阵列617可以是基于波导的图像发射器、光纤阵列、微透镜阵列或针孔阵列。光学准直器用于限制采样图像的数值孔径(NA)并且用于形成相应的图像要素。每个光学准直器单元获取顶部玻璃盖板431上目标手指的触摸部分的图像的一部分。所有准直器传输的光束共同在光电检测器阵列621处形成目标的完整图像。光电二极管阵列621可以是CMOS感测像素的CMOS传感器、CDD传感器阵列或对光敏感的适用的光学传感器阵列。
所示的示例包括用于LCD显示和触摸感测操作的电子器件模块435、诸如用于监控周围环境的光线水平的光学传感器等的一个或多个其他传感器 425和用于控制某些智能手机操作的可选侧按钮427和429。
在图20的示例中，所示示例中的光源包括显示背光光源434和额外的指定的探测光源436。来自额外的指定的探测光源436的光束442a和来自显示光源434的光束442b可以用作用于照亮与顶部玻璃盖板431接触的手指的传感器探测光，以生成期望的携带指纹图案和其他信息的至光学传感器模块的反射的探测光。
尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的LCD单元打开时，LCD结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器，并且提供透明或部分透明的感测光路。
下面，图21A和图21B进一步示出了图20的上述示例中的LCD屏下光学传感器模块的操作。在顶部盖板玻璃431上，指纹感测区域或窗口为顶部盖板玻璃431顶面上的区域，该顶部盖板玻璃431位于下面的光学传感器模块的正上方或靠近下面的光学传感器模块。由于光学传感器模块在LCD结构下方，所以感测窗口是顶部盖板玻璃431的连续的顶面的一部分，并且该感测窗口也是用于LCD显示的显示区域的一部分。因此，在顶面上可以没有可见的物理边界来表明该感测窗口。这种感测窗口可以通过其他手段来向用户表明，以帮助用户将手指放置在用于指纹感测和其他光学感测操作的感测窗口内。例如，额外的指定的探测光源436可以用于照亮感测窗口，使得感测窗口的区域明显不同于顶部盖板玻璃上的周围区域，并且用户容易看见该区域。这可以在LCD面板关闭或LCD面板打开时完成。
如图21A和图21B所示，用户在感测窗口上按压手指，然后，探测光束 82P照亮手指。手指和盖板玻璃431将探测光反射为反射的信号光束82R。 LCD模块433中的各种散射界面433S漫射反射的信号光束82R，以形成漫射的光束82D。准直器阵列617中的各个准直器单元选择光分量82S并将选定的光分量82S引导入光电检测器阵列621的对应的感光检测器。光电二极管或CMOS感测检测器等感光检测器生成包含关于指纹图案的信息的相应传感器信号。光源中的一部分可以在没有首先穿过LCD面板的顶面上的手指感测区域的情况下进入指纹传感器模块。这部分光为背景噪声，并且可以通过校准来消除。准直器阵列617的每个准直器单元仅选择沿着其允许的方向以相对较低的光损耗传输到光电检测器阵列621中的一部分相应的光电检测器中的光。因此，准直器阵列617中的每个准直器单元及其在光电检测器阵列 621中相应的光电检测器一起操作，以定义有效的检测光学数值孔径NA。该 NA直接定义由光学传感器模块产生的图像的空间分辨率。
基于所公开的LCD屏下光学感测设计，与LCD显示屏直接接触或在LCD 显示屏附近的人的手指能够使得返回的光在回到LCD显示屏中的同时携带被LCD显示屏输出的光照射到的一部分手指的信息。这种信息可以包括手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块的集成可以采集这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置。该检测到的手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置随后可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。使用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感测的指纹检测使用LCD显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏的光或使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感测的显示屏。
需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面而不需要在LCD显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。这种光学传感器模块可以置于LCD显示屏之下，与显示屏区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于这种光学传感器模块的光学感测是通过检测来自LCD显示屏的并从显示区域的顶面返回的光而进行的，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的特殊感测端口或感测区域。因此，在包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机型号等的其他设计中，指纹传感器位于显示屏的相同表面上的特定指纹传感器区域或端口(如主页按钮) 处，但位于显示屏区域外的指定的非显示区域中，不同于该其他设计中的指纹传感器，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，允许在LCD 显示屏上的位置处进行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术的实施通过使用与显示图像和提供触摸感测操作相同的顶部触摸感测表面，来提供独特的屏上指纹感测配置，而在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或接口。
除了通过光学感测进行的指纹检测外，光学感测还可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果 iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制来检测通过“活体手指”检测机制所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该检测机制可以基于事实，由于人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，活人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活体心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活人的肯定确定的结合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量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。这些变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以进行与LCD显示屏上的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造目标不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他目标造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标选择性光学检测可以用于通过触摸感测提供有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他目标的触摸不会引起设备的苏醒，以进行节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏的唤醒电路操作，其中，例如，可以包括设计的用于光学感测的额外光源，并且打开该设计的额外光源使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感测人的手指或手掌的任何触摸，同时LCD显示屏可以置于睡眠模式以节省能量。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。
基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD显示屏的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。
在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到LCD显示屏，而不需要改变 LCD显示屏的设计以提供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传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏设计的设计，这是由于光学传感器模块的以下性质：这种光学传感器模块的光学感测是通过检测来自LCD显示屏的并从显示区域的顶面返回的光进行的，并且所公开的光学传感器模块耦合到LCD显示屏的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种光学传感器模块可以用于与LCD显示屏组合，以在LCD显示屏上提供光学指纹感测和其他传感器功能，而不使用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方面可以使各种LCD显示屏使用在智能手机、平板电脑或其他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的电子设备中。
例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果 iPhone或三星型号，这种现有电话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传感器模块，以提供增加的屏上指纹感测功能。因为所公开的光学感测不需要分离的指定的感测区域或端口，像某些苹果iPhone/三星手机具有在显示屏区域外的前指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些型号的一些智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文所公开的屏上指纹感测的集成不需要对具有触摸感测层和显示层的现有电话组件设计或触摸感测显示模块进行实质的改变。简言之，设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件，该设备需要添加所公开的光学传感器模块来进行指纹感测。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏下，并且可以在触摸屏的相同触摸感测表面上方便地进行指纹感测。
又如，由于用于指纹感测的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响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，同时维持使用LCD 显示屏的智能手机、平板电脑或其他电子设备中光学感测功能的更新版本的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感测层或LCD显示屏，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块的指纹感测特征做任何显著的硬件改变。并且，基于这种光学传感器模块实现的屏上光学感测，以用于指纹感测或其他光学感测功能的改进—也包括增加额外的光学感测功能，可以通过在新产品中使用新版本的屏下光学传感器模块来实现，而不需要对电话组件设计做显著改变。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为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，提供各种触摸感测操作和功能，并增强这种设备的用户体验。
本文公开的光学传感器技术使用在显示屏中用于显示图像的从设备显示组件的顶面返回的光来进行指纹感测和其他感测操作。该返回的光携带与该顶面接触的目标(例如手指)的信息，并且采集和检测该返回的光构成了在实现位于显示屏下方的特定光学传感器模块时设计考虑的一部分。因为触摸屏组件的顶面用作指纹感测区域，所以该被触摸区域的光学图像应该由光学传感器模块内的光学成像传感器阵列采集，该光学成像传感器阵列具有对原始指纹的高图像保真度以用于鲁棒的指纹感测。光学传感器模块可以设计为通过恰当地配置用于采集和检测返回的光的光学元件来实现这种期望的光学成像。
图22A至图22B示出了图20，图21A和图21B中光学准直器设计的示例性实现方式。本示例中的光学准直器阵列2001包括光学准直器阵列903和填充在光学准直器903之间的光学吸收材料905，以吸收光来减少不同光学准直器之间的串扰。准直器阵列2001中的每个准直器903可以是沿垂直于显示面板的方向延伸或延长的通道，并且每个准直器903允许光以低损耗沿其轴线传输。准直器阵列2001设计为减少不同光学准直器之间的光学串扰，并且在光学感测时保持期望的空间分辨率。在一些实现方式中，一个光学准直器可以仅对应于光电检测器阵列2002中的一个光电检测器。在其他实现方式中，一个光学准直器可以对应于光电检测器阵列2002中的两个或两个以上的光电检测器。如图22B所示，在一些设计中，每个准直器单元的轴可以垂直于显示屏表面，并且可以相对于显示表面倾斜。在操作中，仅沿准直器轴传播的光携带图像信息。例如，适当的入射光82P被反射以形成光82R。光82R 随后被TFT的小孔衍射，并且扩展到光82D。光部分82S被传输到光电二极管阵列2002中。远离轴的光部分82E被填充材料吸收。盖板玻璃表面431 上的反射携带指纹信息。相对于准直器单元轴成角度的光线901因此可以被阻挡。反射光的一部分，如901E，传输到对应的光学准直器中，以到达光电检测器阵列2002。
光学准直器阵列可以通过不同的技术制造，包括通过平面基板蚀刻孔、形成光波导阵列、形成与光学滤波器匹配的微透镜阵列、使用无芯光纤束，或在透明片上印刷准直器等。这种准直器阵列的期望特征包括：(1)沿轴传播的光组分和从轴传播出去的组分之间的足够的透射对比度，使得准直器保证了在光电检测器阵列处指纹图案的光学感测中期望的空间分辨率；(2)允许的传输数值孔径足够小，以实现光学感测的期望的高空间分辨率。
可以使用各种光学准直器阵列设计。光学准直器阵列中的每个光学准直器被构造成通过在沿着或接近光学准直器的轴的方向传输光，同时阻挡其他方向的光，来进行空间过滤，并且具有小的光学传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。小的光学传输数值孔径还减少了进入光学传感器阵列的背景光的量。准直器元件孔径和间距(即，两个临近的准直器元件之间的距离)可以设计为实现光学指纹感测的期望的空间分辨率。
图23示出了准直器设计的示例，通过使用CMOS结构中两个不同金属层中的对齐的孔的准直器设计是CMOS结构的一部分。在该特定示例中，阵列中的每个光学准直器是沿垂直于显示面板的方向的长条形通道。
图24示出了LCD显示结构下的光学指纹传感器模块的示例，在采集指纹信息中，该光学指纹传感器模块为每个光学传感器像素合并光学传感器阵列和集成的准直器阵列。如图所示，光学传感器阵列包括光电检测器阵列和设置在光电检测器阵列之上的准直器阵列，以包括作为光学准直器的光学透明通孔和通孔之间的光学不透明金属结构。引导照明光以照亮手指的触摸部分，从手指反射的光被引导穿过光学准直器阵列，以到达采集手指的一部分指纹图像的光电检测器阵列。该光学准直器阵列可以使用具有通过CMOS工艺集成的孔或开口的一层或多层金属层来实现。
屏下光学传感器模块中的这种光学准直器可以构造为提供直接的点对点成像。例如，光学准直器阵列的尺寸和单个准直器的尺寸可以设计为分别紧密匹配光电检测器阵列的尺寸和单个光电检测器的尺寸，以实现光学准直器和光电检测器之间的一对一成像。由光学传感器模块接收到的光携带的整个图像可以由单个光电检测器处的光电检测器阵列同时采集而不进行接拼。
光学准直器阵列的空间滤波操作可以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。此外，由于存在从OLED像素发射的光的照明，可以在光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤除背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以被配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感测生成的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外IR光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学滤波可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学滤波涂层，该光学滤波涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。
图25示出了利用光学滤波减少到达屏下光学传感器模块中光电检测器阵列的背景光的光学准直器阵列的示例。该示例将光学波导阵列作为光学准直器，并且一个或多个光学滤波器膜耦合到光学波导阵列，以减少到达耦合到光学波导阵列的光电检测器阵列的不期望的背景光，例如来自太阳光的红外IR光，同时传输用于照射手指的探测光的预定光谱带中期望的光。光波导可以包括具有或不具有外部波导包层的波导芯。光波导也可以由具有不同光纤的无芯光纤束形成，其中，每个单元准直器是不具有光纤芯结构的光纤片。当无芯光纤成束时，光纤之间的填充材料可以包括光吸收材料，以增加不被无芯光纤引导的杂散光的吸收。最终的准直器可以与多层的子准直器阵列进行组装。
以下部分提供各种的光学准直器设计及其制造的示例。
图26A和图26B示出了通过蚀刻制造准直器的示例。在图26A中，用于形成准直器阵列中的光学准直器的合适材料层形成在光学透明的支撑基板上或由光学透明的支撑基板支撑。蚀刻掩模形成在该层之上，并且具有用于蚀刻下层的图案，以形成光学准直器。执行合适的蚀刻工艺以形成光学准直器。支撑基板可以与准直器阵列结合，并且可以由包括氧化硅等的各种光学透明材料形成。
图26B示出了通过经由层间连接器材料(可为粘合剂、玻璃或合适的光学透明材料)堆叠多层子准直器阵列来组装的光学准直器阵列的示例。在一些实现方式中，子准直器阵列的不同层可以在没有层间连接器材料的情况下彼此堆叠。这种堆叠允许沿着准直器轴线制造具有期望长度或深度的光学准直器，以实现期望的光学数值孔径。准直器的孔在几何上限制了视角。传输数值孔径由准直器的厚度和孔径决定。孔在一些应用中可以用光学透明材料填充，并且在一些设计中可以是空的。
在实现方式中，支撑基板可以涂覆有一个或多个光学滤波器膜，以减少或消除例如来自太阳光的红外IR光等的背景光，同时传输用于照亮手指的探测光的预定光谱带中期望的光。
图27示出了与微透镜阵列耦合的光学空间滤波器的阵列，其中，每个微透镜相对于光学空间滤波器的相应通孔放置，使得每个单元准直器包括微透镜和微空间滤波器，例如，微孔。每个微透镜被构造和放置成将接收到的光聚焦到相应的微空间滤波器而不成像接收到的光。微孔限制了有效的接收数值孔径。空间滤波器可以印刷在光学透明基板上，或者蚀刻在一片硅晶片上。微透镜阵列可以通过MEMS处理或化学处理来蚀刻。微透镜也可以由梯度折射率材料制成，例如将一片梯度折射率玻璃纤维切割成四分之一间距的长度。微透镜的焦距和空间滤波器孔的直径可用于控制每个单元的传输数值孔径。像其他设计一样，准直器板可以涂覆有滤波器膜，以减少或消除传感器中未使用的光带，例如来自太阳光的红外IR光。
图28示出了具有内置的光准直的集成的CMOS光电检测阵列传感器的示例。准直器通过结合不同金属层704中对准孔阵列705和在金属层之间交错的氧化层702，703来构建，以提供间隔。这些孔可以与光学传感器阵列中的光敏元件701对齐。光学指纹成像仪是利用这种在LCD显示模块701和盖板玻璃下的具有内置的光准直的集成的CMOS光电检测阵列传感器来实现的。触摸盖板玻璃的传感器窗口区域的用户手指的指纹可以通过检测从指纹谷和脊反射的光来成像。因为光被脊区域处的指纹组织吸收，所以来自指纹脊区域的光线会减少，而相比之下，来自指纹谷区域的光会更强。指纹的脊与谷之间的这种光线水平差异在光学传感器阵列处产生指纹图案。
在上述基于准直器的光学传感器模块设计中，每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为大到将成像光传送到光学检测器阵列上的小区域，或可以设计为小到将成像光传送到光学检测器阵列上的大区域。当准直器阵列中的每个准直器沿着该准直器的厚度或长度减小到某一点时，例如几十微米时，每个准直器的光学视场可以相对较大，以覆盖光学检测器阵列上一部分相邻的光学检测器，如1mm×1mm的区域。在一些设备设计中，光学指纹感测可以通过使用针孔阵列来实现，该针孔阵列中的每个针孔具有足够大的光学视场，以覆盖光学检测器阵列中的一部分相邻的光学检测器，来在感测指纹时实现光学检测器阵列处的高图像分辨率。与使用准直器的设计相比，针孔阵列可以具有更薄的尺寸和更少数量的针孔，以在没有成像透镜的情况下实现期望的高成像分辨率。并且，与经由光学准直器的成像不同，具有针孔阵列的成像使用每个针孔作为针孔相机，以采集图像，基于针孔相机操作的图像重建过程不同于通过使用光学准直器阵列的图像重建过程，即：每个针孔建立子图像区，并且针孔阵列中不同的针孔的子图像区被拼接在一起，以构成整个图像。具有针孔阵列的光学传感器模块的图像分辨率与检测器阵列的灵敏元件的大小有关，从而可以通过调整检测器尺寸来调整或优化感测分辨率。
可以基于各种半导体图样技术或工艺或其他制造方法，以较低的成本相对简单地制造针孔阵列。针孔阵列还可以提供空间滤波操作，以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。与设计具有光学准直器的光学传感器模块相似，由于存在用于光学感测生成的照明光的照明，可以在具有针孔阵列的光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤除背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感测的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外IR光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学滤波可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学滤波涂层，该光学滤波涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。
在基于光学准直器的光学传感器模块中，光学传感器阵列处的光学成像分辨率可以通过以提供针孔相机效应的方式配置光学准直器而得到改善。图 29示出了这种设计的示例。
图29中，这种光学准直器阵列的准直器单元618将来自相应检测区域单元的光引导至光电检测器阵列621。准直器单元的孔径形成小视场(field of view，FOV)618b。如果光电检测器阵列621中的检测器未采集每个单位FOV 中的细节，则成像分辨率由每个准直器单元的FOV决定。为了提高检测分辨率，需要减小每个准直器单元的FOV。然而，当在光电检测器阵列621中的每个光电检测器和相应的准直器618之间设置间隙618a时，准直器单元的小孔径用作针孔。这种针孔相机效应在FOV的每个单位的图像中提供更高的成像分辨率。当单位FOV中有多个检测器元件时，如插入件621a中所示，可以识别单位FOV中的图像细节。这意味着检测分辨率得到改善。在实现方式中，可以以各种方式设置这样的间隙，包括例如在准直器618和光学感测器阵列621之间添加光学滤波器膜618a。
借助针孔相机效应，可以优化准直器板的填充因子。例如，为了检测10mm ×10mm大小的区域，如果每个单位FOV覆盖1mm×1mm的区域，则可以使用10×10的准直器阵列。如果每个单位FOV中，检测器可以获得20×20 的清晰度图像，整体检测分辨率为200×200或50微米或500psi。这种方法可以应用于所有类型的准直方法。
图30示出了利用针孔相机效应来改善光学成像分辨率的另一示例。在该示例中，光学传感器模块包括多个层：间隔物917、可以是厚度足够小的光学准直器阵列的针孔阵列617、保护材料919、光电检测器阵列621和电路板 623。目标光学距离由感测表面到针孔平面的总材料厚度决定，包括显示模块 433的光学厚度、间隔物917的厚度、任何滤波涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度。图像光学距离由针孔平面到光电检测器阵列的总材料厚度决定，包括保护材料厚度、任何滤波涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度。图像放大率由图像光学距离与目标光学距离相比决定。检测模式可以通过设置适当的放大率来优化。例如，放大率可以设定为小于1，例如0.7或0.5等。在一些设备设计中，间隔物和针孔阵列层可以组合成单个组件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个组件，从而预先定义每个针孔的中心坐标。
图31示出了基于针孔相机效应的光学成像的示例。在目标侧，LCD显示面板上的整个检测区921被分成多个子检测区923。设置针孔阵列920用于对检测区921进行成像。针孔阵列920中的每个针孔单元负责一个小视场 (FOV)925。每个小FOV 925覆盖一个子检测区923。如图31所示，一个针孔的每个小FOV可以与其相邻针孔的小FOV重叠。在图像侧，光学传感器阵列中的每个子检测区923采集图像933。也如图31所示，针孔的每个小 FOV 925具有对应的图像区935。可以优化该系统的放大率，使得每个子检测区的图像可以分别区分。换句话说，小FOV的图像相互不重叠。在该检测模式中，每个针孔的中心坐标是预先定义的，每个LCD显示像素的图像点坐标可以被预先校准，并且这种预校准可以在传感器操作期间用于为校准生成校准表格。在该设计中，针孔相机的图像是倒置的，并且信号处理可以基于校准表格恢复整个图像。
在用于光学准直器的上述示例中，用于将来自显示屏顶部上的手指的光引导至用于指纹感测的光学感测器阵列中的光学准直器的方向可以垂直于LCD显示屏的顶部触摸表面，以收集从手指返回的用于指纹感测的探测光，其中返回的探测光的大部分是在垂直于顶部触摸表面的光方向上。在实践中，当触摸手指干燥时，通过感测与顶部触摸表面基本垂直的返回的探测光，光学感测器阵列中检测到的图像中的图像对比度低于从相对于顶部触摸表面的垂直方向成角度的返回的探测光中获得的相同图像的图像对比度。这在某种程度上是因为有角度的返回的光的光学感测在空间上滤除从顶部触摸表面强烈返回的光，这部分光大部分垂直于顶部触摸表面。考虑到从顶部触摸表面返回的探测光的光学感测的这一方面，光学准直器可以被定向为每个准直器单元的轴可以相对于顶部触摸表面倾斜，如图22B的示例所示。
然而，在制造中，制造倾斜的准直器更加复杂且成本更高。一种使用如图20和图21B所示的垂直光学准直器、同时还通过选择性地检测来自顶部触摸表面的有角度的返回的光来实现光学感测中更高对比度的方式是：在返回的光进入垂直光学准直器之前，在垂直光学准直器和来自顶部触摸表面的返回的光之间提供光学偏转或衍射设备或层。在一些实现方式中，这种光学偏转或衍射设备或层可以在OLED显示面板和垂直光学准直器之间，用于选择仅处于某个倾斜角度的返回的探测光进入垂直光学准直器，进而由在垂直光学准直器的另一端上的光学检测器阵列进行光学检测，同时阻挡或减少垂直于顶部触摸表面的且来自顶部触摸表面的返回的探测光进入光学准直器的量。该光学偏转或衍射设备或层可以以各种形式实现，包括例如棱镜阵列、具有衍射图案的光学层或位于光学准直器和显示面板之间的其他设备，以选择从显示面板返回的有角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
图32示出了使用光学针孔阵列的用于光学感测的光学传感器模块的示例。如图所示，针孔阵列920a形成在LCD显示模块433和光学光电检测器阵列621之间，用于将手指60按压的感测区域成像到光学光电检测器阵列 621上。
针孔层920a的厚度T表明视场(FOV)角。利用从感测表面到针孔阵列 920a的距离以及从成像平面到针孔阵列920a的距离，对感测区域FOVs和成像区域FOVi进行定义。图像放大率由Di/Ds给出，其中，Di是针孔阵列920a 和光学传感器阵列621之间的光学透明层919a的厚度，并且Ds是由间隔物 917、LCD显示模块433和顶部盖板玻璃层431组合叠层的厚度。例如针孔层厚度T、Ds和Di等的设备参数可针对期望的FOV和图像放大率的组合来优化。例如，如果需要，光学传感器模块可被配置为理想的参数，以使得阵列920a中相应的相邻针孔的相邻FOV适当重叠。类似地，也可以将相邻的 FOVi调整为重叠或完全分离作为离散的FOVi。在设计为使相邻的FOVs彼此重叠的光学传感器模块中，感测表面上的点中的一些点可以具有多个图像点。该特征可以用于增强检测。
在图32的示例中，用于减少背景光的光学滤波器膜可以形成或涂覆在间隔物917、针孔层920a、保护919a或显示表面上。如图所示，当背景光937 投射到手指组织60上时，短波长组分大部分被吸收，部分长波长(例如，红光或红外光)光被传输到检测器621。光学滤波器膜可用于拒绝那些长波长组分，以改善携带手指信息的返回的光信号的检测。
图33包括33A和图33B，并且图33示出了具有光学偏转或衍射设备或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。
如图33A所示，准直器阵列中的每个准直器2001可以是沿竖直或垂直于显示表面的轴的延伸通道。视角适配器光学层2210用于调整来自显示面板的返回的探测光的视角，并且该视角适配器光学层2210位于光学准直器2001 和LCD显示面板之间，以选择从显示面板返回的有角度的探测光进入光学准直器2001，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器2001的返回的探测光的量。
图33B示出了视角适配器光学层3210和主探测光路的更多细节。例如，视角适配器光学层3210可以实现为诸如棱镜结构3210a的衍射图案层。只有来自手指的具有出于显示面板的适当入射角的返回的探测光82a和82b才可以弯曲透过准直器2001。相比之下，垂直于显示面板的返回的探测光由视角适配器光学层2210引导至为远离垂直于显示面板的初始方向，并因此变为到光学准直器2001的离轴入射光。这样减少了垂直于显示面板并可以进入光学准直器2001的返回的探测光的量。
当适当调整视角后，来自指纹谷的不同位置63a和63b的接收光携带指纹信息。例如，在相同照明下，由于视角和指尖皮肤的指纹轮廓不同，光82a 可能比光82b强。这种设计允许光学传感器模块获得一定程度的指纹阴影。这种布置改进了手指干燥时的检测。
在设计LCD显示模块下的光学传感器模块时，应该考虑LCD显示模块的各种技术特征或特性并将其纳入到整体的光学传感器模块设计中，以改进光学感测操作。以下部分描述了几种设计示例。
各种LCD显示模块中的一个常见部件是光漫射器，其可以是将入射光漫射到不同方向以实现大视角和显示的空间均匀性的薄片。然而，该LCD漫射器层的存在可能会降低LCD下光学传感器模块的光学检测。
图34A和图34B示出了位于LCD波导层433c和其他LCD层433a之间的LCD光漫射器层433b。在一些LCD组件中，盖板玻璃层431可以与下面的漫射器片433b分开一定距离(例如，在一些LCD设备中，几毫米)，并且光学准直器阵列617通过光波导板433c(其可以是次级的微米厚)与漫射器片433b分离。在这种结构下，漫射器片433b中的强漫射可以显著降低穿过LCD显示模块433到达光学检测器阵列621的信号光中的信号对比度。尽管 LCD漫射器层433b处的光漫射是显示操作所需的，但其降低了指纹检测性能。
LCD漫射器层433b的这种不期望的效果可以通过使用不同的技术来减轻。图34A和图34B中示出了两个示例。
图34A示出了一个示例，其中，可以在光学传感器模块上方的漫射器片 433b的部分中的相应区域或LCD显示模块中的整个漫射器片433b中制成孔 951a，以改善从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列621的返回的光的传输。孔的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径的直径可以约40微米，并且漫射器片孔的尺寸可以为5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等等。在此设计中，将孔951a包含在LCD漫射器层433b中是为了为每个准直器单元建立光路。每个准直器单元的孔径可在漫射器片中具有一个或多个孔，以提供从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列621的期望的光路。如果准直器单元的孔径以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距钻出漫射器片中的孔。检测中的不均匀性可以被校准。
图34B示出了另一示例，其中，漫射器片可以被构造成包括低漫射光学透明点951b，其中在光学传感器模块上方的区域中光漫射较弱，以改善光到光学传感器模块的传输。透明点的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射，并且点的分布可以使得每个准直器单元具有一个或多个透明的光路，以允许有效接收来自顶部盖板玻璃431并通过LCD显示层的返回的光。如果准直器单元的孔径以大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距制成漫射器片中的透明点。如果漫射器片由用于衍射或漫射光的粗糙表面材料制成，则可以将选定的材料选择性地应用于粗糙表面，以提供某种透明材料来减少粗糙表面的原始光学漫射。合适材料的示例包括环氧树脂、蜡或油，并且这些材料可以有效地改变漫射。
对于给定的LCD漫射器层，可以选择长波长光源来产生探测光或照明光，使得针对这种光的漫射器散射较弱，从而更多的光可以穿过漫射器层到达光学传感器模块。
又如，参考图35A和图35B，各种LCD显示模块包括LCD波导层433c 下方的LCD中的光学反射器层或膜433d，用于将未使用的光反射回LCD层来提高显示亮度。然而，这种光学反射器膜433d的存在可阻挡大部分光到达 LCD下方的光学传感器模块，因此可能对光学指纹感测产生不利影响。这种光学反射器层可以以在大多数位置维持LCD波导层下的所期望的光学反射，同时在LCD下光学传感器模块的位置处允许期望的光学传输的方式进行修改。在一些实现方式中，可以固定LCD下的光学传感器的准直器模块617以接触反射器膜433d。
图34C示出了用于提供透明光路的另一示例，该透明光路用于引导来自一个或多个照明光源436的光，以改善检测模块的指纹感测而不被漫射层明显漫射。例如，孔969可以选择性地形成在光漫射器膜433b中，以改善到 LCD下光学指纹传感器的光传输。为了避免影响显示性能，光路孔可以倾斜以在孔969的区域中保持一定程度的光漫射功能。此外，这样的孔969可以设计为很小，例如0.3mm或更小，以进一步增强背光的漫射，同时仍在LCD 下光学指纹传感器处提供改进的光学成像。在实现方式中，光路孔可以是空的，填充空气，也可以填充有透明材料。
在一些设计中，光路孔969可以不限于某个区域，而是可以分布在整个光漫射器膜433b上，例如，孔969可以均匀分布在整个膜433b中。这种设计消除了选定孔969在某些区域但不在其他区域中产生的不期望的空间不均匀照明。在一些设计中，光路孔969可以以空间梯度模式分布，使得由孔969 引起的LCD照明的任何改变是渐进的且不太明显。
图35A示出了用于修改光学反射器层的一个示例，其中通过在光学反射器膜中包括或形成光学传感器模块位置的区域中的光透射孔来修改光学反射器层，以允许光学反射器膜的大部分位置中的用于LCD显示的光学反射，同时为光学准直器阵列617提供透明光路，用于接收从LCD上方的手指反射的光。孔的尺寸、形状和分布可以被配置为满足光学感测需要。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径的直径可以约40微米，并且漫射器片孔的尺寸可以为5微米、10微米、30微米、 40微米或100微米等等。每个准直器单元孔可以在光学反射器层中具有一个或多个孔以提供用于光学感测的所期望的光路。检测中的不均匀性可以被校准。如果准直器单元的孔径以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距钻出漫射器片中的孔。
图35B示出了用于修改LCD中的光学反射器层的另一示例，其中光学反射器膜的光学反射可以修改为允许一定程度的光学传输以通过下面的光学传感器进行光学感测。各种商业LCD反射器膜使用柔性塑料材料作为基板，并且这种塑料材料的光透射可能足以将足够的光传输到光学传感器模块用于指纹感测。
在用于LCD漫射器层和LCD反射器层的上述设计中，孔可以形成在一个或多个照明光源所处的区域中，以允许照明光可以充分穿过LCD显示模块层到达顶部盖板玻璃，用于照亮手指来进行光学感测操作。
在上述设计中，光学传感器模块位于LCD显示模块的下方，因此位于 LCD波导层下方，LCD波导层被设计为将来自背光光源的背光引导至LCD 显示区域。如图36所示，来自显示器光源434(例如，LED)的背光由波导 433c引导并由LCD漫射器层漫射以离开波导433c，提供LCD所需的背光。光可以从波导433c的一个侧面均匀漏出，然后通过漫射器片433b漫射。在一些LCD中，大约一半的漫射光957可以朝着准直器617传播并且在光学感测检测中变成强背景光。
可以提供一个或多个额外的光源436以连接光学传感器模块，用于照亮手指并且将携带指纹图案信息的光提供给LCD下方的光学传感器模块。由于照明光源的位置(例如，在光学传感器旁边或与光学传感器相邻的反射器膜 433d下方)，波导433c的光导功能对来自照明光源436的光不起作用，使得来自436的光可以更高效地到达LCD面板的顶面以照亮手指。
另外，照明光源436可以设计为以不同于来自LCD显示背光光源434的LCD显示照明光波长的一个或多个光学波长发射照明。照明光源436可以用于指纹感测和其他感测功能。
上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计可以用来降低功耗。使用显示背光光源进行指纹检测需要打开显示背光光源来进行光学指纹感测。与上述设计相比，这种设计消耗更多功率，其中用于光学感测的照明光部分地不同于光学波长中的背光，其允许光学感测操作而不需要打开LCD背光。上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计能够灵活地选择照明光源以获得额外的优势。例如，可以使用红外光作为照明光源436，使得LCD 漫射器层对于IR照明光更透明，以实现IR照明光的期望的更高传输。又如，可以选择照明光源以提供多个波长用于其他功能，例如防欺骗活体感测、心跳感测等。
在设计LCD下光学传感器模块时，可以使用照明光源436的位置和空间分布来调整观察角，从而优化感测质量。
在将光学传感器模块放置在LCD模块下方时，可以使用附加的光学设计来增强从波导层到LCD层的背光传输，同时维持用于光学感测的照明光到光学传感器模块的充分传送。
图37A至图37D示出了作为433a所示的LCD层结构的一部分的包括两层或更多层背光增强膜(例如，433px和433py)的增强结构的示例。背光增强膜433px和433py形成在光漫射器层433b上方。
在图37A的示例中，每个增强膜433px和433py包括偏振棱镜结构。两个增强膜433px和433py的棱镜槽方向大体相互垂直以共同形成一对增强膜，以改善到LCD面板的照明光传送。然而，如果配置不适当，增强膜的这种功能可能对LCD下光学指纹传感器模块621U的光学成像产生不利影响。
如图37B和图37C的示例所示，额外的光源照射方向和检测器观察方向可以具体配置成不沿增强膜433px和433py的棱镜槽方向，以减小增强膜对光学指纹感测的不利成像影响。这种设计是为了在增强膜中获得没有穿孔的清晰图像。视角φ1和照明角度φ2应根据增强膜的设计进行调整。
图37D中的示例示出了准直器单元617U和光电检测器阵列单元621U的特定设计。准直器单元617U用于提供由微透镜、针孔或两者组合实现的成像功能。通过优化单个检测单元设计或通过使用多个检测单元，可以实现光电检测器阵列单元621U处的较大感测区域。
图38示出了LCD模块中的光波导层的示例，其包括在检测光路中的部分透明部分，以允许改善用于光学感测的照明光的光传输穿过波导层。
图39A至图39C示出了用于设计用于LCD显示模块下的光学传感器模块中的光学感测的照明光源的示例。在LCD显示模块中，光学反射器层可以通过将未使用的背光循环到LCD层来增强LCD显示亮度。就这点而言，沿着光学反射器膜的光学反射率的缺陷，例如反射器膜中的机械缺陷，会导致LCD显示亮度的可见变化，因此是不希望的。图39A至图39C示出了用于减少反射器层或膜中缺陷的不利影响的设计特征。
如图39A所示，可以在照明光源436的位置处的反射器层433d中提供微孔973，用于照明光中的可见光组分。这种可见光组分用于在显示器的有限区域内提供照明以显示必要的文本或标识信息，而无需打开显示器背光。
如图39B所示，另一种解决方案是选择照明光源波长，使之不再落入通常处于可见光波段的反射器膜的工作波段。用于光学感测的照明光源436可以在反射器膜的反射光谱范围之外，例如在400nm以下(例如380nm)的短波长范围或超出可见红色范围(例如780nm、900nm、940nm等)的长波长范围之外，使得照明光可以穿过反射器膜或层而不需要在反射器膜中形成孔。
图39C示出了再一设计方案，将反射器膜设计为包括用于传输用于光学检测的照明光的窄带透射窗口975。例如，反射器膜中的这种窄透明或透射窗口可以在525nm和535nm之间。
基于本文件公开的光学感测的移动电话等的便携式设备或其他设备或系统可以被配置为提供附加的操作特征。
例如，可以控制LCD显示面板提供局部闪光模式，以通过操作感测区域下方的选定LCD显示像素来照亮指纹感测区域。这可以在LCD显示面板下的光学传感器模块中提供，例如，基于光学成像设计的图4A和图4B，或者基于通过光学准直器阵列的光学成像的图21A和图21B。在获取指纹图像的情况下，感测窗口区域中的LCD显示像素和照明光源可以暂时开启以产生高强度照明用于指纹的光学感测，并且同时开启光电检测传感器阵列621以采集与开启照明光同步的指纹图像。开启照明光的时间可以相对较短，但是可以将发射强度设定为很高。为此，用于光学指纹感测的这种模式是闪光模式，其使得光电检测器传感器阵列621能够检测更大量的光以改善图像感测性能。
上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，使得能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。需要注意的是，当人用手指按压设备时，由于按压力的变化，与显示屏上的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。当手指触摸盖板玻璃上的感测区时，触摸力的变化可能导致光学传感器阵列发生以下几种可检测的变化：(1)指纹变形，(2) 接触面积的变化，(3)指纹脊变宽，以及(4)受压区域处血流动态变化。这些变化可以被光学采集，并可以用于计算触摸力的相应变化。触摸力感测为指纹感测增加了更多功能。
参见图40，接触轮廓面积随着按压力的增加而增大，同时脊压印随着按压力的增加而扩大。相反地，接触轮廓面积随着按压力的减少而减小，同时脊压印随着按压力的减少而紧缩或收缩。图40示出了不同按压力下相同手指的两个不同的指纹图案：轻度按压的指纹2301和重度按压的指纹3303。来自触摸表面上的指纹的选定集成区3305的返回的探测光可以被光学传感器阵列上的一部分光学传感器采集，该部分光学传感器与触摸表面上的选定集成区3305相对应。下文进一步解释了对来自那些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。
当手指触摸传感器表面时，手指组织吸收光功率，因此集成在光电二极管阵列上的接收功率减小。尤其是在不感测低折射率材料(水、汗液等)的全内反射模式下，传感器可以用于通过分析接收功率变化趋势，来检测是手指触摸传感器还是其他目标意外触摸传感器。基于这种感测过程，传感器可以确定触摸是否是真实的指纹触摸，从而可以基于触摸是否是真实的手指按压来检测是否要唤醒移动设备。因为检测是基于集成功率检测进行的，所以用于光学指纹感测的光源处于节电模式。
在详细的指纹地图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且更多的光在触摸界面处被扩大的指纹脊吸收。因此，在相对小的观察区3305内，集成的接收到的光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测按压力。
因此，通过分析小区内集成的接收到的探测光功率变化，可以监控指纹脊图案变形的时域演变。然后，可以使用关于指纹脊图案变形的时域演变的信息来确定手指上按压力的时域演变。在应用中，人的手指的按压力的时域演变可以用于通过手指的触摸来确定用户交互的动态，包括确定人是在按压触摸表面，还是将按压手指从触摸表面移开。这些用户交互动态可以用来触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人的手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是用来操作移动设备的有意触摸还是意外的无意触摸，并且，基于这样的确定，移动设备控制系统可以确定是否要唤醒睡眠模式下的移动设备。
此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人的手指可以呈现出在两种不同探测光波长下获得的消光比的不同的特性，如图14和图15所述。返回到图40，轻度按压的指纹3301可能不会明显地限制流入手指的按压部分的血液，从而产生表明活人组织的在两种不同探测光波长下获得的消光比。当人用力按压手指以产生重度按压的指纹3303时，流向按压手指部分的血液可能会严重减少，因此，在两种不同探测光波长下获得的相应的消光比将不同于轻度按压的指纹3301的在两种不同探测光波长下获得的消光比。因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比在不同的按压力和不同的血流情况下变化。这种变化与用人造材料的假指纹图案的不同的力按压而产生的在两种不同探测光波长下获得的消光比不同。
因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比还可以用来确定触摸来自用户的手指还是其他目标。这种确定也可以用于确定是否唤要醒睡眠模式下的移动设备。
再如，所公开的光学传感器技术可以用于监控自然运动，这种自然运动是由于活人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉搏而出现的人的手指的行为。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对存在活人的肯定确定的结合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感测功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化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。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
用于屏下光学指纹传感器的多层光学设计
在实现以上所公开的屏下光学传感器时，一个重要的技术问题是存在来自太阳的自然日光的强背景光。在LCD面板下方的公开的光学传感器的示例中，如图30所示的一个示例，光学过滤机制可以内置在LCD下光学传感器叠层中，以阻挡或减少来自太阳的自然日光的进入光学传感器阵列621的强背景光。这种阻挡和减少背景光的方案可以显著提高用于光学指纹感测的光学检测。
因此，一个或多个光学滤波器层可以集成在光学传感器阵列621上方的 LCD下光学传感器叠层中，用于阻挡不期望的来自太阳的背景光，同时允许用于光学指纹感测的照明光穿过到达光学传感器阵列。例如，在一些实现方式中，照明光可以在可视范围内，例如波长为400nm到650nm，LCD面板和光学传感器器阵列之间的一个或多个光学滤波器可以对波长在400nm到 650nm之间的光进行光学透射，同时阻挡光学波长大于650nm的光，包括日光中的强IR光。实际上，一些商业光学滤波器具有透射带，这种透射带对于本文件中公开的屏下光学传感器的特定应用而言可能是不需要的。例如，一些商业多层带通滤波器可以阻挡波长600nm以上的光，但是在波长600nm以上的光谱范围内会有透射峰，例如630nm与900nm之间的光学透射带。这种光学透射带内的日光中的强背景光可以穿过并达光学传感器阵列621，并对用于光学指纹感测的光学检测产生不利影响。通过将具有不同光谱范围的两个或两个以上的不同光学滤波器组合在一起，可以消除或减少这种光学滤波器中不期望的光学透射带，使得组合两个或两个滤波器来共同消除或减少波长在630nm至900nm之间的不期望的光透射带，其中，一个滤波器中不期望的光学透射带可以处于另一光学滤波器的光学阻挡光谱范围内。具体地，例如，通过使用一个滤波器来过滤波长从610nm至1100nm的光，同时透射波长在610nm以下的可见光，和另一个滤波器来过滤波长从700nm至1100nm 的偏移的光谱范围内的光，同时透射波长在700nm以下的可见光，可以将两个滤波器组合起来。两个或两个以上光学滤波器的这种组合可用于产生对大于较高透射波长的光学波长的背景光的期望的拒绝。这种光学滤波器可以涂覆在图30所示的间隔物917、准直器617和/或保护材料919上。
在一些实现方式中，当使用以上所公开的两个或两个以上光学滤波器时，可以在两个滤波器之间填充光学吸收材料，以对被拒绝的光带进行适当吸收，使得在两个光学滤波器之间的反弹光可以被吸收。例如，一个滤波器可以涂覆在间隔物917上，另一滤波器可以涂覆在保护材料919上，而准直器617 被制造为可以光学吸收被两个滤波器拒绝的光带。如具体的示例，具有波长从610nm到1100nm的高吸收率的蓝色玻璃片可以用作滤波器的基底。这种情况下，两个滤波器涂覆在蓝色玻璃的上表面和下表面上，并且，这种部件可以用作间隔物或保护材料。
再次参考LCD下光学指纹传感器的示例，光学传感器模块的光学堆叠中的不同层包含各种图案。例如，LCD面板在光学传感器模块上方具有周期性的LCD像素；光学准直器阵列层617具有周期性的准直器；以及光学传感器阵列621包含周期性的光学检测器单元。由于图30中的设备中的这些图案化层和其他图案化层空间重叠，所以这些层可能产生不期望的光学干扰图案，其被称为具有莫尔(Moiré)条纹的莫尔图案。需要注意的是，对于莫尔干扰图案的出现，两个重叠的图案层不是必须完全相同，因为它们必须被移位、旋转等，或者具有不同但相似的间距图案。存在这样的莫尔图案严重劣化了要在光学传感器阵列621处检测的光学指纹图像，并且可能使光学传感器模块彻底发生故障。
在图30中的示例中，间隔物层917置于在LCD面板和光学准直器阵列层617之间，另一个保护层919置于在光学准直器阵列层617和光学传感器阵列621之间。可以使层917和919足够厚，以破坏在LCD面板与光学准直器阵列层617之间形成莫尔图案的条件和在光学准直器阵列层617与光学传感器阵列621之间形成莫尔图案的条件，或以破坏在LCD面板、在光学准直器阵列层617和在光学传感器阵列621上形成莫尔图案的条件。例如，为层 917和919添加光学带通滤波器层来增加足够的厚度，以减少莫尔图案。
此外，由光学准直器阵列层617与光学传感器阵列621之间的光学干扰形成的莫尔图案可能是不期望的光学干扰的主要来源。这样，可以增加光学准直器阵列层617与光学传感器阵列621之间的光学厚度到足够大的值，来减少不期望的光学干扰。增加光学厚度，或增加保护层919的光学厚度可以通过用具有足够大的折射率的光学透明材料填充准直器来实现。由于被填充的光学准直器不再是中空结构，所以用透明材料填充准直器能够有助于封装光学传感器。
上述使用多个层进行光学滤波以减少背景光和减少莫尔图案的光学设计可应用于OLED下显示面板光学传感器模块。此外，公开的与LCD下光学传感器模块有关的其他技术特征可以应用于OLED下显示屏或其他显示屏的光学传感器模块。OLED显示器是具有发光显示像素的显示屏的一个示例，并且该OLED显示器可以通过使用从具有或不具有额外的照明光OLED显示屏的显示像素发射的光来用作光学感测平台，以在这种发射的光与手指触摸的顶部触摸表面上的区域交互之后执行指纹感测或其他光学感测功能。所公开的光学传感器技术和OLED显示屏之间的这种密切关系为使用光学传感器模块提供了独特的机会，以提供与OLED显示屏的触摸感测方面相关的(1)附加的光学感测功能和(2)有用的操作或控制特征。
OLED显示器可以被构造为包括单个发光像素的阵列以及薄膜晶体管 (TFT)结构或基板，该TFT结构或基板可以包括小孔阵列，并且可以是光学透明且是盖板基板，用于保护OLED像素。
各种OLED显示设计和触摸感应设计可以用于图2A、图2B、图3A和图3B中光学传感器模块之上的设备屏幕组件。图41A示出了OLED显示和触摸感测组件的一个示例，该示例是申请人为苹果公司于2015年11月19日公布的申请号为US2015/0331508、发明名称为“集成的硅-OLED显示和触摸传感器面板”的美国专利中的图7B，该附图通过引用并入作为本专利文件公开内容的一部分。OLED可以以各种类型或配置来实现，包括但不限于无源矩阵OLED(PMOLED)、有源矩阵OLED(AMOLED)、透明OLED、阴极共用OLED、阳极共用OLED、白光OLED(WOLED)和三原色OLED。不同类型的OLED可以有不同的用途、配置和优点。在具有集成的硅-OLED显示和触摸传感器面板的系统的示例中，该系统可以包括硅基板、晶体管阵列、一个或多个金属化层、一个或多个通孔、OLED叠层、滤色器、触摸传感器以及附加的部件和电路。附加的部件和电路可以包括静电放电设备、光屏蔽、开关矩阵、一个或多个光电二极管、近红外检测器和近红外滤色器。集成的硅-OLED显示和触摸传感器面板还可以配置用于近场成像、光学辅助触摸和指纹检测。在一些示例中，多个触摸传感器和/或显示像素可以被组成集群，并且该集群可以耦合到开关矩阵以用于触摸和/或显示粒度的动态变化。在图 41A的OLED示例和其他实现方式中，触摸传感器和触摸感测电路可以包括，例如，驱动线和感测线等触摸信号线、接地区域和其他电路。减少集成的触摸屏的尺寸的一种方式可以是包括多功能电路元件，该多功能电路元件可以形成显示电路的一部分，该显示电路被设计成作为显示系统的电路运行，以在显示器上生成图像。该多功能电路元件还可以形成触摸感测系统的触摸感测电路的一部分，该触摸感测系统可以感测在显示器上或显示器附近的一个或多个触摸。该多功能电路元件可以是，例如，LCD的显示像素中的电容器，该电容器可以用于以显示系统中显示电路的存储电容器/电极、公共电极、导线/路径等运行，并且还可以用于以触摸感测电路的电路元件运行。图41A中 OLED显示器示例可以实现为将多点触摸功能包括到OLED显示器，而不需要覆盖OLED显示器的分离的多点触摸面板或层。OLED显示器、显示电路、触摸传感器和触摸电路可以在硅基板上形成。通过在硅基板上制造集成的 OLED显示和触摸传感器面板，可以实现每英寸极高的像素(pixels per inch， PPI)。针对OLED和触摸感测结构的不同于图41A的其他布置也是可能的。例如，触摸感测层可以是位于OLED显示组件的顶部的组件。
返回参考如图2A和2B所示的用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块可以以各种配置来实现。
在OLED下光学传感器的一个实现方式中，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，并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个发光心事像素可操操作，以发射用于形成显示图像的光，该设备还包括顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为被用户触摸以进行触摸感测操作，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面，该设备还包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，用于接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹。
置于OLED面板下方的各种光学指纹传感器设计的一些示例公开在申请人为深圳汇顶科技有限公司于2017年6月7日提交的申请号为15/616,856、发明名称为“用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的光学准直器”的美国专利申请中。该申请以公开号为US2017/0270342的美国专利申请公开，并通过引用并入本专利文件的一部分。
如具体的示例，图41B示出了OLED下光学传感器模块结构，该结构用于实现上述光学过滤并减少莫尔(Moiré)图案。该结构包括四层。从上到下，这四层为：间隔物917、准直器617、保护材料919和光电检测器阵列621。在四层之间施加粘合剂或填充材料600f。键层与外壳600b一起封装，外壳 600b阻挡来自侧面或底部的光带。在该示例中，电路板或柔性印刷电路 (flexible printed circuit，FPC)623从外壳伸出。
带通滤波器涂层制作在间隔物917或保护材料919的表面上。在一些实现方式中，可以为两个滤波器提供两个不同但重叠的滤波器光谱范围，以共同产生期望的光学滤波器范围。例如，一个滤波器可以设计为拒绝波长在 610nm至1100nm的光，而另一个滤波器可以设计为拒绝波长在700nm至 1100nm的光。为此，两个滤波器共同拒绝的频带将彻底地从信号频带中消除。
两个光学滤波器之间的材料的特性是对被拒光带适当吸收，使得两个滤波器之间的反弹光可以消失。例如，可以将一个滤波器涂覆在间隔物917上，另一个滤波器涂覆在保护材料919上，而准直器617吸收被拒光带。例如，具有波长从610nm到1100nm的高吸收率的蓝色玻璃片可以用作滤波器的基底。这种情况下，两个滤波器涂覆在蓝色玻璃的上表面和下表面上，并且，这种部件可以用作间隔物或保护材料。
间隔物917和保护材料919的一个功能是消除莫尔条纹，该莫尔条纹是由存在某些相似性的周期性图案的相邻重叠的不同层引起的干扰图案。可以调整两个部件的厚度，来减少或消除莫尔条纹。利用这种结构，准直器单元的内壁可以不必涂黑。在实现方式中，可以调整保护材料919的厚度，来优化检测性能，例如分辨率等。
图42还示出了准直器617k是针孔阵列，其可以通过蚀刻晶片制成。在晶片中蚀刻形成针孔之后，用透明材料填充针孔，使得准直器阵列成为没有中空结构的固体材料。这样可以增加准直器阵列和光学传感器阵列之间的光学厚度，以减少不期望的莫尔干扰图案。在这种设计下，OLED面板和准直器阵列之间的间隔物917可以做得非常薄，或甚至可以去除。填充材料600f 也可以非常薄。
图43A至图43C示出了用于通过在光学准直器阵列的周期性图案与显示层的周期性图案或光学传感器阵列的周期性图案之间产生错位(例如，相对旋转)来减少不期望的莫尔条纹的示例，以消除或减少莫尔条纹。在用于 OLED下光学传感器模块的示例中，OLED电极层具有一些光可以穿过的小孔。图43A中示出了典型的OLED显示器的光漏图像1011。因为OLED显示像素和触摸感测层在显示区域中重叠，所以光漏图像通常具有复杂的结构。应仔细设计光学准直器阵列的针孔布局，以便可以显着减少或甚至消除莫尔条纹。图43B示出了一种设计，其中，光学准直器阵列的针孔布局线相对于显示层的周期性图案或光学传感器阵列的周期性图案以适当的角度旋转。这种旋转产生空间错位，以减少莫尔条纹。在一些设计中，该旋转角度可以是，例如30度。
图43C还示出了由于图43B中所示的光学准直器阵列的旋转而产生的结果光学图像1017。在该示例中，剩余的莫尔条纹的强度相对较弱，使得可以应用合适的信号过滤算法来处理光学传感器阵列的输出信号，以滤除由剩余的莫尔条纹引起的干扰。
在设计LCD/OLED显示器下的光学传感器模块时，应考虑设计屏下光学传感器模块时的各种因素。上述示例涉及考虑光学探测光的产生、返回的光学探测光的路由、光学感测性能、干扰信号(例如，莫尔条纹)和噪声(包括强背景光和来自环境光和太阳光的噪声)。此外，显示器下光学传感器模块的设计还应包括其他因素，包括与显示层的界面结合和对显示层的影响，以及各种工程和制造方面的考虑因素。
例如，屏幕下光学传感器模块与显示层的连接物应设计成减少对LCD或 OLED显示层的性能和操作的影响，或将对LCD或OLED显示层的性能和操作的影响最小化，并且提高最终由显示层和下面的光学传感器模块组装的组合的整体可靠性。在这种考虑下，图44示出了屏下光学传感器模块的示例，其中，光学准直器阵列与下面的光学传感器阵列分离，并且该光学准直器阵列直接附接到显示层。
具体地，在图44的示例中，提供保护层433a作为光学传感器模块和 OLED模块之间的界面连接层，并且该保护层433a用于保持光学传感器模块中部件的一部分，或将光学传感器模块中部件的一部分接合到OLED模块，例如，光学传感器阵列621。保护层433可以成形为包括光学感测区域中的开口，用于将光学准直器阵列617m保持在光学传感器阵列621上方。设置光学准直器界面连接层917a直接与光学准直器阵列617m接合在一侧上，并且该光学准直器界面连接层917a附接OLED模块的OLED层的下侧。该层 917a可以由一种或多种合适的光学间隔物材料形成。例如，保护层433的上侧和光学准直器界面连接层917a可以包括用于附接OLED层的下侧的粘合剂层。
因此，在该设计中，间隔物材料917a和针孔阵列准直器617m固定到 OLED模块的底面上。在一些实现方式中，保护层433的粘合剂可以用于阻挡光，使得光仅可穿过由保护层433的开口形成的准直器孔径。可选地，准直器表面可涂覆有合适的黑色材料，以减少表面反射。一些OLED模块在底面下方具有保护层433a。在这种设计下，用于光学感测的光学准直器阵列 617m的接合和光学传感器阵列621等其他光学部件的接合被分离开。这种分离减少了对OLED模块的影响。
在图44中的示例中，光学准直器阵列617m的底部和光学传感器阵列621 的顶部彼此间隔开，以减少光学感测操作中不期望的莫尔条纹，并且允许经由光学准直器阵列进行适当的光学成像，该光学准直器阵列用于执行光学准直和光学针孔成像操作。光学准直器阵列617m与光学传感器阵列621的顶部之间的间隔可以是气隙，或是准直器617m与间隔物917a之间合适的填充材料600h。当手指推动盖板玻璃431时，盖板玻璃431可能变形。填充材料 600h设计成减少或避免损坏OLED模块。
在图44中的示例中，光学传感器封装底部结构600g用于将传感器模块部件固定到OLED模块的保护层433a上，并且还可以用于阻挡不需要的光波长。
在实现方式中，可以将合适的带通滤波器集成到保护材料919a或间隔物 917a的表面上。如上所公开的，可以使用两个或两个以上的滤波器来共同产生期望的光学过滤操作。
例如，两个滤波器之间的材料的特性是对被拒光带适当吸收，使得两个滤波器之间的反弹光可以消失。例如，可以将一个滤波器涂覆在间隔物917a 上，另一个滤波器涂覆在保护材料919a上，而准直器617m吸收被拒光带。例如，具有波长从610nm到1100nm的高吸收率的蓝色玻璃片可以用作滤波器的基底。这种情况下，两个滤波器涂覆在蓝色玻璃的上表面和下表面上，并且，这种部件可以用作间隔物或保护材料。
间隔物917a、填充材料600h和保护材料919a可以被设计，以减少莫尔条纹。可以调整三个部件的厚度，以实现总体期望莫尔条纹减少。在一些设计中，三个部件的厚度值可以分别为20μm、150μm和120μm。
本专利文件中所公开的屏下光学传感技术可以以各种配置实现。以下提供了这些配置的一些示例。
配置1是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：
显示面板，具有液晶显示(LCD屏)，该LCD屏用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；
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，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；以及
光学传感器模块，位于显示面板结构下方，用于接收穿过LCD屏的探测光，以检测指纹，其中，光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学传感器阵列，该光学准直器阵列接收探测光，该光学传感器阵列接收来自光学准直器阵列的探测光，其中，该光学传感器模块包括一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，以及其中，该光学传感器模块包括第一层和第二层，第一层在LCD屏与光学准直器阵列之间，第二层在光学准直器阵列与光学传感器阵列之间，使得第一层和第二层足够厚，以减少不期望的莫尔图案。
配置2是根据配置1的设备，其中，顶部透明层包括指定的用于用户用手指触摸以进行指纹感测的指纹感测区域；以及其中，位于显示面板结构下方的光学传感器模块包括透明块，该透明块与显示面板基板接触，用于接收来自LCD显示面板结构的并从顶部透明层返回的光，其中，该光学传感器模块相对于指定的指纹感测区域放置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，选择性地接收来自顶部透明层的并经由光学准直器阵列的返回的光。
配置3是根据配置2的设备，其中，LCD显示面板结构包括对光进行漫射的光漫射器层，并且光漫射器层包括光学传感器模块上方的选定区域处的孔，以允许光传输到达光学传感器模块。
配置4是根据配置2的设备，其中，LCD显示面板结构包括对光进行漫射的光漫射器层，并且光漫射器层包括光学传感器模块上方的选定区域，该选定区域较光漫射器层的其他部分对光进行漫射，以允许一些光传输通过，并到达光学传感器模块。
配置5是根据配置1的设备，该设备还包括：
LCD照明光源，用于提供到LCD显示面板结构、用于显示图像的背光；
光学反射器层，形成于LCD显示面板的底部区域上，用于将光反射回 LCD显示面板结构；
孔，形成在光学传感器模块上方的选定区域中，用于允许光传输到达光学传感器模块。
配置6是根据配置1的设备，该设备还包括：LCD照明光源，提供到LCD 显示面板结构、用于显示图像的背光；以及光学反射器层，形成于LCD显示面板的底部区域上，用于将光反射回LCD显示面板结构，其中，光学反射器层包括在光学传感器模块上方的选定区域，该选定区域允许光传输到达光学传感器模块。
配置7是根据配置1的设备，该设备还包括：LCD照明光源，提供到LCD 显示面板结构、用于显示图像的背光；一个或多个探测光源，形成在LCD显示面板结构下方，用于发射穿过LCD显示面板结构的探测光，以照亮LCD 显示面板结构的顶部上的或与LCD显示面板结构的顶面接触的目标或手指，该LCD显示面板结构将反射的探测光引导至光学传感器模块；以及设备电子控制模块，耦合到显示面板结构，用于向一个或多个探测光源提供电源，并在一个或多个探测光源处于睡眠模式时关闭一个或多个探测光源的电源，其中设备电子控制模块用于，当光学传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，将LCD显示面板结构从睡眠模式唤醒。
配置8是根据配置7的设备，其中，设备电子控制模块用于，当LCD显示面板结构处于睡眠模式时，操作一个或多个探测光源间歇地发出探测光，同时关闭LCD显示面板结构的电源，将间歇发出的探测光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监控是否存在与指定的指纹感测区域接触的、用于将设备从睡眠模式唤醒的人的皮肤。
配置9是根据配置8的设备，其中，一个或多个探测光源发射不可见光。
配置10是根据配置1的设备，该设备还包括设备电子控制模块，用于如果检测到的指纹与授权用户的指纹匹配时，授权用户访问该设备。
配置11是根据配置10的设备，其中，光学传感器模块除了用于检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示在顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人，以及设备电子控制模块用于如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活人时，授权用户访问该设备。
配置12是根据配置11的设备，其中，生物表征参数包括心跳。
配置13是根据配置11的设备，该设备还包括生物识别传感器，与光学传感器模块分离，用于检测不同于指纹的生物表征参数，以指示在顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人，以及设备电子控制模块用于如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活人时，授权用户访问该设备。
配置14是根据配置1的设备，该设备包括设备电子控制模块，耦合到光学传感器模块，用于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，其中，该设备电子控制模块测量多个检测到的指纹的变化并确定引起测量到的变化的触摸力。
配置15是根据配置14的设备，其中，多个检测到的指纹的变化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。
配置16是根据配置1的设备，其中，该设备是智能手机。
配置17是根据配置1的设备，其中，该设备是便携式设备。
配置18是根据配置1的设备，其中，光学准直器用于收集来自LCD显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光引导至光学传感器阵列。
配置19是根据配置1的设备，其中，光学准直器包括基板，该基板具有形成在基板中的作为光学准直器的通孔阵列。
配置20是根据配置1的设备，其中，光学准直器包括光学波导阵列或光纤阵列。
配置21是根据配置1的设备，其中，光学准直器包括微透镜组成的微透镜阵列，并且每个微透镜聚焦接收到的光而不对接收到光成像。
配置22是根据配置21的设备，其中，光学传感器模块包括光纤阵列，该光纤在空间上布置成与微透镜阵列中的微透镜匹配，每个微透镜对应一个光学滤波器，光学滤波器过滤到达光学传感器阵列的光。
配置23是根据配置22的设备，其中，光学传感器模块包括与光学准直器共享的光学滤波层，用于过滤到达光学传感器阵列的光。
配置24是根据配置1的设备，其中，每个光学准直器被构造成在沿着或接近光学准直器的轴线方向传输光，同时阻挡其他方向的光，并且具有小的传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。
配置25是根据配置1的设备，其中，LCD屏包括光漫射器层，该光漫射器层被配置为包括选定区域，该选定区域包括光传输路径，用于允许来自 LCD屏上方的顶部透明层的反射光传输通过，并到达光学传感器模块。
配置26是根据配置1的设备，其中：
LCD显示面板结构包括LCD照明光源，以提供到LCD显示面板结构、用于显示图像的背光；以及
一个或多个探测光源，形成于LCD显示面板结构下方，用于发射穿过 LCD显示面板结构的探测光，该探测光照亮顶部透明层的顶面上的指纹传感器区域，以使该指纹传感器区域区别于顶部透明层的周围区域，以供用户放置手指进行光学指纹感测。
配置27是根据配置26的设备，其中：
LCD显示面板结构包括一个或多个背光增强膜层，每个背光增强膜层包括具有相互垂直的两组棱镜槽的光学偏振棱镜结构；以及
一个或多个探测光源和LCD显示面板结构下方的光学传感器模块被布置，使得光学传感器模块在与棱镜槽的方向不同的方向上接收由一个或多个探测光源产生的并从顶部透明层反射的反射探测光。
配置28是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：
液晶显示(LCD)屏，用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；
LCD背光模块，耦合到LCD屏，用于产生到所述LCD屏、用于显示图像的背光；
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，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；
光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，包括光学传感器阵列，用于接收从顶部透明层反射并穿过LCD屏的探测光，以检测指纹；
一个或多个探测光源，与LCD背光模块分离，位于LCD显示面板结构下方，用于产生探测光，该探测光穿过LCD显示面板结构，照亮顶部透明层上指定的指纹感测区域，以使指定的指纹感测区域与顶部透明层的周围区域明显不同，以供用户放置手指进行光学指纹感测；以及
设备控制模块，耦合到光学传感器模块，用于处理光学传感器模块的输出，以确定光学传感器模块检测到的指纹是否与授权用户的指纹匹配，除了检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人，
其中，光学传感器模块包括一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，以及其中，光学传感器模块包括LCD屏与光学传感器阵列之间的一个或多个层，一个或多个层足够厚，以减少不期望的莫尔图案。
配置29是根据配置28的设备，其中：
一个或多个探测光源产生不同的光学波长下的探测光，使得光学传感器模块采集由与顶部透明层上的指定的指纹感测区域接触的目标反射的不同的光学波长下的探测光中的光学特性，以及
设备控制模块可操作，以处理采集的由目标反射的不同的光学波长下的探测光中的光学特性，来确定目标是否是活人的手指。
配置30是根据配置28的设备，其中，LCD显示面板结构包括对光进行漫射的光漫射器层，并且该光漫射器层包括光学传感器模块上方的选定区域处的孔，以允许光传输到达光学传感器模块。
配置31是根据配置28的设备，其中，LCD显示面板结构包括对光进行漫射的光漫射器层，并且该光漫射器层包括光学传感器模块上方的选定区域，该选定区域较光漫射器层的其他部分对光进行漫射，以允许一些光传输通过，并到达光学传感器模块。
配置32是根据配置28的设备，该设备还包括光学反射器层，形成于LCD 显示面板的底部区域上，用于将光反射回LCD显示面板结构；以及孔，形成在光学传感器模块上方的选定区域中，用于允许光传输到达光学传感器模块。
配置33是根据配置28的设备，其中，设备控制模块用于，当LCD显示面板结构处于睡眠模式时，操作一个或多个探测光源间歇地发出探测光，同时关闭LCD显示面板结构的电源，将间歇发出的探测光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监控是否存在与指定的指纹感测区域接触的、用于将设备从睡眠模式唤醒的人的皮肤。
配置34是根据配置28的设备，其中，设备控制模块被耦合到光学传感器模块，用于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，并且设备控制模块测量多个检测到的指纹的变化并确定引起测量到的变化的触摸力。
配置35是根据配置34的设备，其中，多个检测到的指纹的变化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。
配置36是根据配置28的设备，其中，光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学传感器阵列，该光学准直器阵列接收探测光，该光学传感器阵列接收来自光学准直器阵列的探测光，以及该光学准直器包括基板，该基板具有形成在基板中的作为光学准直器的通孔阵列。
配置37是根据配置28的设备，其中，光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学传感器阵列，该光学准直器阵列接收探测光，该光学传感器阵列接收来自光学准直器阵列的探测光，以及光学准直器包括光学波导阵列或光纤阵列。
配置38是根据配置28的设备，其中，光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学传感器阵列，该光学准直器阵列接收探测光，该传感器阵列接收来自光学准直器阵列的探测光，以及光学准直器包括微透镜组成的微透镜阵列，并且每个微透镜聚焦接收到的光而不对接收到光成像。
配置39是根据配置28的设备，其中，LCD屏包括光漫射器层，该光漫射器层被配置为包括选定区域，该选定区域包括光传输路径，用于允许来自 LCD屏上方的顶部透明层的反射光传输通过，并到达光学传感器模块。
配置40是根据配置28的设备，其中：
LCD显示面板结构包括一个或多个背光增强膜层，每个背光增强膜层包括具有相互垂直的两组棱镜槽的光学偏振棱镜结构；以及
一个或多个探测光源和LCD显示面板结构下方的光学传感器模块被布置，使得光学传感器模块在与棱镜槽的方向不同的方向上接收由一个或多个探测光源产生的并从顶部透明层反射的反射探测光。
配置41是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：
液晶显示(LCD)屏，用于提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的LCD显示面板结构；
LCD背光模块，耦合到LCD屏，用于产生到所述LCD屏、用于显示图像的背光；
顶部透明层，形成于LCD屏上方，作为被用户触摸以进行触摸感测操作，并传输来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；
光学传感器模块，位于LCD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，其中，该光学传感器模块包括透明块、光学传感器阵列和光学成像模块，该透明块与显示面板基板接触，以接收来自显示面板结构的光，该光学传感器阵列接收光，该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；以及
一个或多个探测光源，与LCD背光模块分离，位于LCD显示面板结构下方，用于产生探测光，该探测光穿过LCD显示面板结构，照亮顶部透明层上指定的指纹感测区域，以使指定的指纹感测区域与顶部透明层的周围区域明显不同，以供用户放置手指进行光学指纹感测，
其中，光学传感器模块包括一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，以及其中，光学传感器模块包括LCD屏与光学传感器阵列之间的一个或多个层，一个或多个层足够厚，以减少不期望的莫尔图案。
配置42是根据配置41的设备，其中，光学成像模块包括透镜，该透镜将透明块中接收到的光成像到光学传感器阵列。
配置43是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：
显示面板，包括发光显示像素，每个像素可操作以发射光，用于形成显示图像的一部分；
顶部透明层，形成于显示面板上方，作为被用户触摸，并传输来自显示面板的光以显示图像的界面；以及
光学传感器模块，位于显示面板下方，用于接收由发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹，光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，光学准直器的阵列，位于显示面板和光学传感器阵列之间，用于收集来自显示面板的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光引导至光学传感器阵列，
其中，光学传感器模块包括一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，以及其中，光学传感器模块包括第一层和第二层，第一层在显示面板与光学准直器阵列之间，第二层在光学准直器阵列与光学传感器阵列之间，使得第一层和第二层足够厚，以减少不期望的莫尔图案。
配置44是根据配置43的设备，其中，光学传感器模块包括位于光学准直器和显示面板之间的光学层，用于选择从显示面板返回的有角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
配置45是根据配置44的设备，其中，光学层包括光学衍射图案，该光学衍射图案衍射返回的探测光，以引导从显示面板返回的有角度的探测光进入光学准直器。
配置46是根据配置44的设备，其中，光学准直器是垂直于显示面板的方向上的细长通道，并且位于光学准直器和显示面板之间的光学层被构造为将来自显示面板的有角度的探测光引导为大致垂直于显示面板，以进入光学准直器，同时将来自显示面板的垂直于显示面板的探测光的一部分引导为远离光学准直器的方向。
配置47是根据配置43的设备，该设备还包括设备电子控制模块，耦合到显示面板结构，用于向发光显示像素提供电源，并在发光显示像素处于睡眠模式时关闭发光显示像素的电源，以及其中，设备电子控制模块用于，当光学传感器模块检测到人的皮肤的存在时，将显示面板结构从睡眠模式唤醒。
配置48是根据配置43的设备，其中，光学准直器阵列包括基板，该基板具有形成在基板中的作为光学准直器的通孔阵列。
配置49是根据配置43的设备，其中：
光学传感器模块除了用于检测指纹外，还通过光学感测来检测不同于指纹的生物表征参数，以指示在顶部透明层处与检测到的指纹关联的触摸是否来自活人；以及
该设备还包括设备电子控制模块，用于如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活人时，授权用户访问该设备。
配置50是根据配置1或43的设备，其中：
两个或两个以上的光学过滤层被配置以传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，以及
光学吸收材料位于两个相邻的光学过滤层之间，用于吸收两个相邻的光学过滤层的被拒光带中的光，使得两个光学过滤层之间的反弹光被光学吸收材料吸收。
配置51是根据配置1或43的设备，其中，光学准直器阵列包括周期性图案，该周期性图案未对准显示面板的周期性图案，以减少不期望的莫尔条纹。
配置52是根据配置51的设备，其中，光学准直器阵列包括周期性图案，该周期性图案相对于显示面板的周期性图案以一定角度旋转，以减少不期望的莫尔条纹。
配置53是一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该电子设备包括：
显示面板，用于显示图像；
顶部透明层，形成于显示面板之上，作为被用户触摸，并传输来自显示面板的光以显示图像的界面；
保护层，接合到显示面板的底部，并且成形为包括开口；
光学准直器界面连接层，位于保护层的开口内部，并在开口内与显示面板的底部接合；
光学准直器阵列，位于保护层的开口内部，并与光学准直器界面连接层接合，用于接收从顶部透明层返回的光，以检测指纹；
光学检测器的光学传感器阵列，位于光学准直器阵列下方并与光学准直器阵列间隔开，用于收集来自显示器面板的并通过光学准直器阵列的返回的光，其中，光学传感器阵列接合到保护层，以将光学传感器阵列保持在光学准直器阵列下方；以及
一个或多个光学过滤层，用于传输用于指纹的光学感测的探测光，同时阻挡光学波长大于探测光的背景日光，
其中，光学准直器界面连接层和光学准直器阵列与光学传感器阵列之间的间隔被设计，以减少不期望的莫尔图案。
配置54是根据配置53的设备，其中，光学准直器阵列与光学传感器阵列之间的间隔包括气隙。
配置55是根据配置53的设备，其中，光学准直器阵列与光学传感器阵列之间的间隔包括填充材料。
配置56是根据配置53的设备，其中，光学准直器阵列包括周期性图案，该周期性图案未对准显示面板的周期性图案，以减少不期望的莫尔条纹。
配置57是根据配置56的设备，其中，光学准直器阵列包括周期性图案，该周期性图案相对于显示面板的周期性图案以一定角度旋转，以减少不期望的莫尔条纹。
配置58是根据配置56的设备，其中，光学传感器模块包括位于光学准直器和显示面板之间的光学层，用于选择从显示面板返回的有角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
配置59是根据配置53的设备，其中，显示面板是OLED显示面板。
配置60是根据配置53的设备，其中，显示面板是LCD显示面板。
虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件中描述的某些特征在单独实施例的上下文中还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形式实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按照顺序依次执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种单独的系统部件不应理解为在所有实施例中需要这种分离。
本专利文件仅描述了几个实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

Claims (23)

1.一种光学传感器装置，适用于能够通过光学感测进行指纹检测的电子设备，其特征在于，所述光学传感器装置包括：
光学传感器阵列，用于设置在所述电子设备的显示面板下方，以接收所述显示面板上方的手指被照亮时形成并穿过所述显示面板返回的探测光，所述返回的探测光用于供所述光学传感器阵列进行指纹检测；
一个或多个光学过滤层，设置在所述光学传感器阵列上方，用于传输所述探测光，同时阻挡光学波长大于所述探测光的背景日光；
一个或多个间隔层，设置在所述显示面板和所述光学传感器阵列之间，所述一个或多个间隔层具有足够的厚度以减少不期望的莫尔图案。
2.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其特征在于，还包括：
一个或多个探测光源，设置在所述显示面板的下方，用于产生所述探测光，其中所述探测光穿过所述显示面板并照亮位于所述显示面板的显示区域的指纹感测区域。
3.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其特征在于，还包括：
光学准直器阵列，设置在所述光学传感器阵列上方，所述光学准直器阵列包括多个光学准直器，用于将所述返回的探测光传输到所述光学传感器阵列。
4.根据权利要求3所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列用于选择从所述显示面板返回具有倾斜角度的探测光，并将所述具有倾斜角度的探测光传输到所述光学传感器阵列。
5.根据权利要求3所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列包括基板，所述基板具有形成在所述基板并作为所述光学准直器的通孔阵列。
6.根据权利要求3所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列在所述光学传感器阵列上方的金属层形成的多个孔。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列与所述光学传感器阵列之间具有间隔，所述间隔为气隙或者具有填充材料。
8.根据权利要求3至6中任一项所述的光学传感器装置，其特征在于，还包括：
微透镜阵列，所述微透镜阵列包括形成在所述光学准直器阵列上方的多个微透镜，每个微透镜用于聚焦接收到的探测光而不对接收到的所述探测光进行成像。
9.根据权利要求3至6中任一项所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列包括周期性图案，所述周期性图案未对准所述显示面板的周期性图案，以减少不期望的莫尔图案。
10.根据权利要求9所述的光学传感器装置，其特征在于，所述光学准直器阵列的周期性图案相对于所述显示面板的周期性图案以一定角度旋转，以减少不期望的莫尔图案。
11.根据权利要求3所述的光学传感器装置，其特征在于，所述一个或多个检测层包括间隔物层和保护层，其中所述间隔物层设置在所述显示面板与所述光学准直器阵列之间，所述保护层设置在所述光学准直器阵列与所述光学传感器阵列之间，并且所述间隔物层和所述保护层足够厚以减少不期望的莫尔图案。
12.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其特征在于，所述一个或多个光学过滤层包括：
至少两个光学过滤层以及位于两个相邻的光学过滤层之间的光学吸收层，所述光学吸收层用于吸收所述两个相邻的光学过滤层的被拒光带的光，使得所述两个相邻光学过滤层之间的反弹光被所述光学吸收材料吸收。
13.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其特征在于，所述一个或多个光学过滤层用于对波长在400nm到650nm之间的光进行光学透射，同时阻挡光学波长大于650nm的光。
14.根据权利要求1所述的光学传感器装置，其特征在于，所述一个或多个光学过滤层包括：两个或两个以上滤波器的组合，所述两个或两个以上滤波器的组合用于共同消除或减少波长在630nm至900nm之间的不期望的透射光。
15.根据权利要求2所述的光学传感器装置，其特征在于，所述一个或多个探测光源用于产生不同的光学波长的探测光，以使得所述光学传感器阵列采集由所述指纹感测区域上方目标反射的不同光学波长的探测光，以确定所述目标是否是活人的手指。
16.一种电子设备，其特征在于，包括显示屏和设置在所述显示屏下方的光学传感器模块，其中，所述显示屏包括显示面板，所述光学传感器模块包括如权利要求1至15中任一项所述的光学传感器装置。
17.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述显示屏为OLED显示屏，所述OLED显示屏的部分OLED显示像素用于提供所述探测光，以照亮位于所述OLED显示屏的指纹感测区域。
18.根据权利要求16所述的电子设备，其特征在于，所述显示屏为LCD显示屏，所述LCD显示屏包括LCD显示面板和为所述LCD显示面板提供背光的背光模块，所述光学传感器模块设置在所述背光模块的下方。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其特征在于，所述背光模块包括：
光漫射器层，所述光漫射器层包括位于所述光学传感器模块上方的选定区域处的孔，以允许所述探测光传输到达所述光学传感器模块。
20.根据权利要求18所述的电子设备，其特征在于，所述背光模块包括：
光漫射器层，所述光漫射器层包括位于所述光学传感器模块上方的选定区域，所述选定区域相较于所述光漫射器层的其他部分对光进行漫射以允许一些探测光传输通过并到达所述光学传感器模块。
21.根据权利要求18所述的电子设备，其特征在于，所述背光模块包括：
光学反射器层，用于将光反射回所述LCD显示面板，所述光学反射器层包括形成在所述光学传感器模块上方的选定区域的透光孔，所述透光孔用于允许所述探测光传输到达所述光学传感器模块。
22.根据权利要求17所述的电子设备，其特征在于，所述背光模块包括一个或多个背光增强膜层，每个背光增强膜层包括具有相互垂直的两组棱镜槽的光学偏振棱镜结构。
23.根据权利要求22所述的电子设备，其特征在于，所述光学传感器模块在与棱镜槽的方向不同的方向分别接收由一个或多个探测光源产生的并在手指反射而返回的探测光。
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