基于利用透镜-针孔模块和其他光学设计的光学成像的LCD屏上光学指纹感测的制作方法

本专利文件要求(1)深圳市汇顶科技股份有限公司于2018年2月26日提交的申请号为62/635,538、发明名称为“通过用于屏上指纹感测的lcd屏下光学传感器模块中的成像透镜和成像针孔的光学成像”的美国临时专利申请(代理案卷号为117641-8040.us00)，和(2)深圳市汇顶科技股份有限公司于2018年4月8日提交的申请号为62/654,525、发明名称为“具有成像透镜和成像针孔的、用于屏上指纹感测和三维光学形貌感测的不可见lcd屏下光学传感器”的美国临时专利申请(代理案卷号为117641-8040.us01)的权益和优先权。上述专利申请的全部内容通过引用并入本专利申请的公开内容的一部分。

本专利文件涉及在电子设备或系统中感测指纹并执行其他参数测量值的一种或多种感测操作，该电子设备或系统包括诸如移动设备或可穿戴设备的便携式设备和较大系统。

背景技术：

各种传感器可以在电子设备或系统中实现，以提供某些期望的功能。实现用户认证的传感器是传感器的一个示例，用于在各种设备或系统中保护个人数据并防止未经授权的访问，该设备和系统包括便携式或移动计算设备(例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机)、游戏系统、各种数据库、信息系统或较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生物标识符的一种或多种形式来执行，其可以单独使用，也可以和传统的密码认证方法一起使用。生物标识符的一种普遍形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子设备中以读取用户的指纹图案，使得设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案进行解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一示例是生物医学传感器，其在例如腕带设备或手表等可穿戴设备中检测用户的生物特性，例如用户的血液特性、心跳。总之，可以在电子设备中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。

指纹可以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，其既可以作为独立认证方法使用，也可以与一个或多个其他认证方法，例如密码认证方法组合使用。例如，包括便携式或移动计算设备的电子设备，例如笔记本电脑、平板电脑、智能手机和游戏系统，可以采用用户认证机制来保护个人数据并防止未经授权的访问。又如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统应该被保护仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。存储在便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中的信息性质上可以是个人信息，例如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是组织或企业专用的机密信息，例如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则这些数据可能会被其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，对计算机和计算机控制的设备或系统的安全访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及atm等其他系统。

对(例如移动设备)设备或(例如电子数据库和计算机控制的系统)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，密码可能很容易传播或获取，密码的这种性质会降低密码的安全级别。此外，由于用户在访问受密码保护的电子设备或系统时需要记住密码，在用户忘记密码的情况下，用户需要进行某些密码恢复程序以获得认证，或重新获得对设备或系统的访问的权限。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通过生物标识符一种或多种形式来使用用户认证，以保护个人或其他机密数据，并防止未经授权的访问。生物标识符可以单独使用，也可以和密码认证方法组合使用，以提供用户认证。生物标识符的一种形式是人的指纹图案。指纹传感器可以内置于电子设备或信息系统中以读取用户的指纹图案，使得设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案进行解锁。

技术实现要素：

提供了设备和光学传感器模块，用于通过使用(液晶显示，liquidcrystaldisplay)lcd屏下光学传感器模块提供指纹的屏上光学感测，该lcd屏下光学传感器模块采集并检测来自lcd屏顶部上的光纤的光。提供了lcd下光学传感器模块的各种实现方式，包括基于隐藏光学透射特征或区域于lcd不透明边界下方的不可见lcd下光学传感器模块和基于透镜-针孔组件的光学采集。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，其中，lcd显示面板包括背光模块，以产生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，传输来自显示结构的光以向用户显示图像，并传输用于光学感测的探测光的界面；照明探测光源，用于产生探测光，照亮顶部透明层的感测区域以进行光学感测；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屏的返回的探测光以进行光学感测。光学传感器模块包括：光学检测器的光学传感器阵列，用于将接收到的来自lcd屏，携带用户的指纹图案的探测光转换成表示指纹图案检测器信号；针孔层，位于lcd屏和光学传感器阵列之间，并且被构造为包括针孔，该针孔被构造为在收集返回的探测光时产生大的光学视场，并向光学传感器阵列传输收集到的探测光；以及透镜，位于针孔层和光学传感器阵列之间，用于接收来自针孔的传输的探测光，并将接收到的探测光聚焦到光学传感器阵列上，与利用针孔将光投射到没有透镜的光学传感器阵列上时的较低空间成像分辨率相比，透镜以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列处进行光学成像。

另一方面，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：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显示面板结构和外围不透明边界，外围不透明边界包围lcd显示面板结构的中心区域并覆盖lcd显示面板结构的窄外围边界。lcd显示面板结构包括背光模块，用于产生背光以在外围不透明边界内的lcd显示面板结构的中心区域中显示图像。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，传输来自显示结构的光以向用户显示图像，并传输用于光学感测的探测光的界面。该设备包括：照明探测光源，用于产生探测光，照亮顶部透明层的感测区域以进行光学感测；以及光学传感器模块，位于lcd屏下方且位于外围不透明边界的下方，以与lcd显示面板结构的中心区域在空间上偏移，以接收穿过lcd屏的返回的探测光以进行光学感测。lcd显示面板结构包括至少部分被外围边界覆盖且位于光学传感器模块上方的区域内的一个或多个额外传输孔或区域，以允许探测光穿过lcd显示面板结构到达光学传感器模块以进行光学感测。

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：液晶显示(lcd)显示面板，包括背光模块，以产生用于显示图像的背光；以及顶部透明层，形成于lcd显示面板上方，作为用于用户触摸操作，并传输来自显示面板的光以显示图像的界面。顶部透明层包括指定的供用户放置手指进行指纹感测的指纹感测区域。光学传感器模块位于lcd显示面板下方且在顶部透明层上的指定的指纹感测区域之下，用于接收来自顶部透明层的光以检测指纹，并且该光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，用于将接收到的携带用户的指纹图案的光转换成表示指纹图案的检测器信号。该设备包括照明光源，位于光学传感器模块外的不同位置处，用于产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照亮顶部透明层上的指定的指纹感测区域，并且每个照明光源被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于光谱范围呈现光学透射，以允许每个照明探测光束中的探测光进入顶部透明层上的指定的指纹感测区域上方的用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，散射的探测光向顶部透明层传播并穿过顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由通过手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。探测照明控制电路被耦合以控制额外照明光源在不同时刻产生不同照明探测光束时按顺序打开和关闭，每个时刻产生一束照明探测光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以按顺序检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，以采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。

以下附图、说明书和权利要求书提供了所公开技术的上述和其他方面及其实现方式和特征的更详细地描述。

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、在显示屏组件下方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。

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17示出了利用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例。

图18a、图18b和图18c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19a和图19b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20示出了用于改进的lcd下光学感测的lcd光源设计的示例。

图21a至图21d示出了用于改进的lcd下光学感测的增强特征的示例。

图22示出了用于改进的lcd下光学感测的lcd波导设计的示例。

图23a至图23c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24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25、图26、图27、图28、图29a、图29b、图30和图31示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例和操作。

图32a、图32b、图33a、图33b、图33c、图34和图35示出了通过将透光特征或区域放置在lcd屏的不透明边框下的不可见lcd下光学传感器模块设计的示例。

图36a、图36b、图37a、图37b、图38、图39、图40、图41a和图41b示出了用于获得光学反射和透射图案以改善光学指纹感测的示例。

图42a至图42c、图43、图44和图45示出了附加的用于指纹感测和其他光学感测操作的光学传感器设计。

具体实施方式

本专利文件中公开的光学感测技术在以下几个部分中展现。(一)光学指纹感测的介绍；(二)公开的屏下(under-display)光学感测模块的概述；(三)公开的屏下光学感测模块的设计示例；(四)用于屏下光学感测的透镜-针孔成像设计；(五)指纹感测时利用lcd下光学指纹传感器感测手指皮肤下的形貌特征；(六)指纹感测时利用lcd下光学指纹传感器感测手指皮肤下的形貌特征；以及(七)在lcd显示器一侧上的光学指纹传感器。

一、光学指纹感测的介绍

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。由于电容式感测的近场交互需求，电容式指纹传感器的许多实现方式必须在设备的顶面上实现。

光学感测模块可以设计为减轻电容式指纹传感器中的上述和其他限制，并实现附加的技术优势。例如，在实现光学指纹感测设备时，携带指纹成像信息的光可以通过一段距离被引导至用于检测指纹的光学检测器的光学检测器阵列，而不受限于电容式传感器中的近场感测。具体地，携带指纹成像信息的光可以被引导穿透触摸感测屏等众多显示屏和其他结构中常用的顶部盖板玻璃，并且可以被引导通过交叉或复杂的光路以到达光学检测器阵列，从而可以将光学指纹传感器灵活地放置在不适用于电容式指纹传感器的设备中。基于本专利文件中公开的技术的光学传感器模块可以是屏下光学传感器模块，该屏下光学传感器模块被置于显示屏下方以采集和检测来自置于屏幕的顶部感测表面或顶部感测表面以上的手指的光。如本专利文件所公开的，除了检测和感测指纹图案之外，光学感测还可以用于光学检测与用户或用户动作相关联的其他参数，例如检测到的指纹是否来自活人的手指以提供防欺骗机制，或者用户的某些生物参数。

二、公开的屏下光学感测模块的概述

光学感测技术和本专利文件中描述的实现方式的示例提供了一种光学传感器模块，该光学传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光，以照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹感测区域并执行基于此光的光学感测的一种或多种感测操作。一种用于实现所公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括：液晶显示(lcd)屏，使用背光向lcd像素提供白色光照，并且使用匹配的光学滤波器实现彩色lcd像素；或者具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成光，用于在有机发光二极管(organiclightemittingdiode，oled)显示屏或电致发光显示屏等屏幕上形成显示图像。尽管所公开的技术的各个方面适用于oled屏和其他显示屏，但以下提供的具体示例是针对屏下光学感测模块与lcd屏的集成，因此该示例中包含与lcd屏相关联的技术细节。

为了被用户看到，由显示屏生成的用于显示图像的光的一部分必定穿过该显示屏的顶面。与顶面接触或靠近顶面的手指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。这种携带手指的空间图像信息的反射或散射的光返回至该顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，例如，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，并且在各种触摸感测设备中未被使用。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屏和其他功能，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，所以用于设计指纹传感器的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，在一些实现方式中，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执行基于此光的光学感测一种或多种感测操作，或者在其他实现方式中，该光学传感器模块至少部分地使用来自一个或多个指定的照明光源、与用于光学感测的显示光分离的指定的照明或探测光进行光学感测，或者在某些实现方式中，该光学传感器模块至少部分地使用背景光进行光学感测。

在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测模块集成到lcd屏的示例中，lcd下光学传感器可以用于检测用于在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非常受限，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，通过“活体手指”检测机制来检测所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该检测机制可以基于例如不同光学波长下血液的不同光学吸收行为，事实上，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动着或伸展着的，或者当血液流过与心跳相连的人体时手指会有脉动。在一个实现方式中，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，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。

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提供基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果的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。据此，光学传感器模块可以设计为选择性地接收和检测由与lcd显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他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显示屏被打开或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。可以控制lcd显示屏操作以通过消除背景光来为指纹的光学感测提供改进的指纹感测。例如，在一个实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与显示相关的指纹信号，其中当lcd显示屏打开时生成一帧指纹信号，而当lcd显示屏关闭时生成另一帧指纹信号，对这两帧图像信号做差可以减少周围背景光的影响。在一些实现方式中，可以通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，来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来进行的，并且所公开的光学传感器模块可以耦合到lcd显示屏的背面，作为屏下光学传感器模块，并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感测功能，而不需要使用具有专门设计的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些方面可以在智能手机、平板电脑或其他具有根据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。此外，通过使用新版本的屏下光学传感器模块，可以将通过这种光学传感器模块实现的用于指纹感测，或其他光学感测功能的改善的屏上光学感测，添加到新产品版本中，包括增加的附加光学感测功能，而不需要对电话组件设计做显著改变。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为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，尤其是可以向具有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，可以提供附加的感测功能或感测模块，例如生物医学传感器等，例如腕带设备或手表等可穿戴设备中的心跳传感器。总之，可以在电子设备或系统中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。

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。

三、公开的屏下光学感测模块的设计示例

在以下部分中，提供了用于屏下光学传感器模块的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块用于将光学信号收集到光学检测器并提供期望的光学成像，例如足够的成像分辨率。下面提供了用于屏下光学感测模块的光学成像设计的具体示例，包括没有成像透镜的光学成像设计，具有至少一个成像透镜的光学成像设计和基于将针孔和成像透镜组合在针孔-透镜组件中的光学成像设计，以进行改善的光学成像和紧凑的光学传感器模块的封装。

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的示例性框图，其可以实现为包括基于本文件中所公开的指纹的光学感测的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和数字处理器186，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授权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。

作为具体的示例，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该触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。在该特定的示例中，显示器技术可以通过使用背光来光学照亮lcd像素的lcd显示屏来实现，或者通过具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏(例如，oled显示屏)来实现。电子设备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的正面，其可以与一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征相类似。设备屏幕在设备200的正面，占据正面空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，如用于接纳设备屏幕上的手指的一个或多个感测区域。作为示例，图2a示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，可以被照亮为明显可识别的区或区域，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的正面上可以提供一个或多个可选的传感器。

图2b示出了与本文件中公开的光学指纹感测相关的设备200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至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。光学传感器模块下方是设备电子器件结构，该设备电子器件结构包含用于设备200中的光学传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图2b所示的光学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，作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，通过触摸感测屏模块接收用户触摸以进行触摸感测操作，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他的光学感测功能)。该光学透明层可以为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。

显示屏的一个示例是具有lcd层以及薄膜晶体管(thinfilmtransistor，tft)结构或基板的lcd显示器。lcd显示面板为多层液晶显示(lcd)模块，该多层lcd模块包括：lcd显示器背光光源(例如led灯)，发出用于lcd像素的lcd照明光；用于引导背光的光波导层；以及，lcd结构层，可以包括例如液晶(liquidcrystal，lc)单元层、lcd电极、透明传导ito层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感测层。lcd模块还包括：背光漫射器，位于lcd结构层下方且位于光波导层上方，用于在空间上传播背光，以照亮lcd显示像素；以及，光学反射器膜层，位于光波导层下方，用于将背光再循环至lcd结构层，以改善光利用率和显示器亮度。为了光学感测，可以提供一个或多个单独的照明光源，并相对于lcd显示模块的背光光源独立地来操作这些照明光源。

参见图2b，本示例中的光学传感器模块位于lcd显示面板的下方，用于采集来自该顶部触摸感测表面返回的光，并且获取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。

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正面的视图，表示显示屏下部上的指纹感测区域，在右侧示出了包含位于设备显示屏组件下方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，其他的指纹传感器设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，像一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在此处所示的设计中，用于检测指纹感测和其他光学信号的光学指纹传感器位于顶部盖板玻璃或层的下方(例如图3a)，使得该盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为连续且完整的玻璃表面，横跨垂直堆叠和垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器。这种用于将光学指纹感测和触摸感应显示屏集成在公共且完整的表面下的设计示例提供了益处，包括提高了设备集成度，增强了设备封装，增强了设备对外部元件、故障、磨损和撕裂的抵抗力，并且增强了设备的所有权期间的用户体验。

返回参考图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为包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感测操作并且包括：用于形成显示图像的lcd显示面板结构；形成于设备屏幕上方的顶部透明层，作为被用户触摸以进行触摸感测操作，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，位于显示面板结构的下方，用于接收从顶部透明层返回的光以检测指纹。

本文件中公开的这种设备和其他设备还可以被配置为包括各种特征。

例如，该设备可以包括设备电子控制模块，用于如果检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，授权用户访问该设备。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特征参数，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，以及该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)检测到的生物特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。该生物特征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。

例如，该设备可以包括耦合至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使得在一帧中关闭发光显示像素并在下一帧中打开发光显示像素，以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至显示面板结构，用于向lcd显示面板提供电源，并在睡眠模式下关闭lcd显示面板背光的电源，并且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，将显示面板结构从所述睡眠模式唤醒。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、用于将设备从睡眠模式唤醒的人的皮肤。

又如，该设备可以包括耦合至光学传感器模块的设备电子控制模块，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为，测量该多个检测到的指纹的变化并确定引起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指定的指纹感测区域，用于用户使用手指触摸以进行指纹感测，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；接收该光的光学传感器阵列；以及光学成像模块，将该透明块中接收到的光成像到该光学传感器阵列上。该光学传感器模块可以相对于指定的指纹感测区域来放置，并且被构造为：当与人的皮肤接触时，选择性地接收在顶部透明层的顶面处经过全内反射的返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收来自指定的指纹感测区域的返回的光。

再如，光学传感器模块可以被构造为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，以允许从该显示面板结构提取出穿过该底面的光。该光学传感器模块还可以包括：光学传感器阵列，接收来自该光楔的从该显示面板结构提取出的光；以及光学成像模块，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示出了用于实现图2a和图2b中的设计的、在显示屏组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。图4a至图4b中的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，顶部透明层431形成于设备屏幕组件423之上，作为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。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下方的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显示层包括光学上用作孔阵列和光散射目标的配线结构和电极。设备电路模块435可以设置在该lcd显示面板的下方，以控制设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。

在该特定实现方式的示例中，光学传感器模块702位于lcd显示模块433下方。一个或多个照明光源，可以用于提供照明光或探测光，以通过光学传感器模块702进行光学感测，并且可以通过控制该一个或多照明光源发光，以至少部分地穿过lcd显示模块433以照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上方的指纹感测区域615，以用于用户将手指放入其中来进行指纹识别。该一个或多个照明光源例如可以是lcd显示模块433下方的照明光源436或/和位于顶部盖板玻璃431下方的另外的一个或多个照明光源。来自一个或多个照明光源436的照明光可以被引导至顶面上的指纹感测区域615，如同该照明光是来自指纹照明光区613。另外的一个或多个照明光源可以位于顶部盖板玻璃431下方，并且可以放置在顶面上的指纹感测区域615附近，以引导产生的照明光到达顶部盖板玻璃433而无需穿过lcd显示模块433。在一些设计中，一个或多个照明光源可以位于顶部盖板玻璃431的底面上方，以引导产生的照明光到达顶部盖板玻璃433的顶面上方的指纹感测区域而不必穿过顶部盖板玻璃431，例如，引导照明光照亮顶部盖板玻璃431上方的手指。

如图4a所示，手指445被置于照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为有效感测区进行指纹感测。区615中反射或散射的光中的一部分被引导至lcd显示模块433下方的光学传感器模块中，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，并采集由该接收的光所携带的指纹图案信息。一个或多个照明光源436与用于lcd显示模块的背光源分开，并且独立于lcd显示模块的背光光源操作。

在使用一个或多个照明光源436来为光学指纹感测提供照明光的这种设计中，一些实现方式中可以控制每个照明光源436间歇性地以相对较慢的周期打开，以减少用于光学感测操作的能量。在一些实现方式中，指纹感测操作可以以两步过程来实现：首先，以闪光模式打开一个或多个照明光源436，而不打开lcd显示面板，从而使用闪烁的光来感测手指是否触摸感测区615，然后，一旦检测到区615中的触摸，光学感测模块则被操作为执行基于光学感测的指纹感测，并且可以打开lcd显示面板。

在图4b的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合至该显示面板的透明块701以接收来自设备组件的顶面的返回的光，以及执行光学成像和成像采集的光学成像块702。在一种照明光源436被定位以引导照明光首先透过顶部盖板玻璃431再到达手指的设计中，来自一个或多个照明光源436的光在到达盖板顶面后，例如到达用户手指触摸的、或在没有触摸盖板顶面时用户手指所在的感测区域615处的盖板顶面后，从该盖板顶面反射或散射回来。当指纹脊接触感测区域615中的盖板顶面时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于指纹谷下的另一位置处的光反射，其中指纹谷下的另一位置处没有手指的皮肤或组织。该盖板顶面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导返回至lcd显示模块433，并且在穿过lcd显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的具有低折射率光学透明块701的界面。该折射率光学透明块701的折射率被构造为小于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产生指纹图像的对比度。如图4b所示，控制电路704(例如微控制器或mcu)耦合至成像感测块702和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。

在该特定的示例中，光学光路设计被构造为：照明光在基板和空气界面之间的顶面上的全反射角内进入盖板顶面，因此，反射的光被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，由于每个手指谷位置处的全内反射条件，其中手指组织不触摸顶部盖板玻璃431的顶部盖板表面，因此指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比度。这种成像系统的一些实现方式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，在对块702中的光学传感器阵列的输出信号处理时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在x方向线和y方向线的整个感测区域扫描测试图像图案，其中每次扫描一行像素，可以通过每个光电检测器像素处采集的图像生成失真校正系数。这种校正过程还可以使用每次调整一个单独的像素并扫描光电检测器阵列的整个图像区域的图像。这种校正系数只需要在传感器组装之后生成一次。

来自环境的背景光(如太阳光或室内照明光)可以穿过lcd面板顶面并穿过lcd显示组件433中的孔进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，因此可能不期望降低采集的图像的对比度。可以使用不同的方法来减少这种由背景光引起的不期望的基线强度。一个示例是以一定的照明调制频率f打开和关闭照明光源436，相应地，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器以相同的照明调制频率获取接收到的图像。在该操作下，图像相位中只有一个包含来自光源的光。在实现该技术时，可以对成像采集进行定时，以利用在偶数(或奇数)帧处开启照明光来采集图像，同时关闭奇数(或偶数)帧处的照明光，因此，可以利用偶数帧和奇数帧相减来得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像，并且背景光明显减少。基于该设计，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号，并且通过在一帧中打开照明光而在另一帧中关闭照明光来得到连续两个帧信号。相邻帧相减可用于将环境的背景光影响最小化或基本消除。在实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。

在图4b中的示例中，来自一个或多个照明光源436的光中的一部分还可以穿过盖板顶面，进入手指组织。这部分的照明光被散射在周围，并且该散射的光中的一部分可以最终被光学传感器模块702中的成像传感器阵列收集。该散射的光的光强度是与手指的内部组织交互的结果，因此，其决于手指的肤色、手指组织中的血液浓度或内部的手指组织。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，用户手指图像的区域的强度可以在检测时集成，以测量或观察与用户心跳的相位相关联的或取决于用户心跳的相位的血液浓度的增加或减少。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，以确定用户的手指是活体手指，还是提供具备伪造的指纹图案的欺骗设备。在本专利文件的后面部分中，提供了使用携带关于手指的内部组织的信息的光中的信息的附加示例。

在一些设计中，图4b中的一个或多个照明光源436可以设计为发出不同颜色或波长的照明光，并且光学传感器模块可以采集不同颜色或波长下来自人的手指的返回的光。通过记录不同颜色或波长下返回的光的相应的测量强度，可以测量或确定与用户的肤色、血流或手指内的内部组织结构相关联的信息。例如，当用户注册用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器可以被操作为测量来自与光颜色a和光颜色b相关联的两种不同颜色或照明光波长的手指的散射光的强度，分别为强度ia和ib。可以记录ia/ib的比率，以与用户的手指放在顶部感测表面上的感测区域上测量指纹时得到的后续测量值进行比较。该方法可以用作设备的反欺骗系统的一部分，以拒绝用指纹模拟或与用户的指纹相同但可能与用户的肤色或用户的其他生物信息不匹配的指纹伪造的欺骗设备。

一个或多个照明光源436可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如mcu)控制。该一个或多个照明光源436可以在短时间内(例如，以低占空比)脉冲，以间歇性地发光并为图像感测提供脉冲光。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监控光图案。如果在屏上有人类手指触摸感测区域615，则在块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或mcu704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，mcu704可以被操作为唤醒智能手机系统，打开一个或多个照明光源436以执行光学指纹感测，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配，则智能手机解锁手机，以允许用户访问手机并启动正常操作。如果采集的图像不匹配，则智能手机向用户产生反馈该认证失败，并保持手机的锁定状态。用户可以尝试再次进行指纹感测，或者可以输入密码作为解锁手机的另一方式。

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。用于示出的示例，图4b示出了从感测区615至块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和成像感测块702的前端在光电检测器感测阵列之前形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。

在本文公开的基于图4a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、图5b、图5c、图35、图36a和图36b示出了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。从照明光源或从其他光源(例如背景光)进入手指的光可以在手指表面下方的组织中产生内部散射的光，例如图5a至图5c中的散射的光191和图35中的散射的光5561b和5562a。这种在手指表面下方的组织中的内部散射的光可以通过手指的内部组织传播，并随后透过手指皮肤进入顶部透明层431，携带不由手指表面散射、折射或反射的光携带的某些信息，例如，关于手指肤色、血液浓度或手指内的血流特征的信息，或者手指的光学透射图案，其包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

图5a示出了来自一个或多个照明光源436的照明光如何通过oled显示模块433传播的示例，并在透过顶部透明层431后生成不同的返回的光信号至屏下光学传感器模块，返回的光信号包括携带指纹图案信息的光信号。为简单起见，两个不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而不经历顶部透明层431界面处的全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指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并生成另一光束181返回至lcd显示模块433。照明光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面向lcd显示模块433返回的反射的光束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面板中反射率可能低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为传输至手指组织60中的光束183，造成光183的散射，产生向lcd显示模块433和底层524返回的散射的光191。来自lcd像素73的传输光束189在手指组织中的散射也对返回的散射的光191有贡献。

手指皮肤谷位置63处的光束82由盖板玻璃表面反射。在一些设计中，例如，反射率可以约为3.5％，作为到底层524的反射光185，并且手指谷表面可以反射入射光能量(光187)的约3.3％至底层524，使得总反射率约为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中的光能量的一部分被组织散射，以贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。

因此，在图5a中的示例中，来自在触摸手指的手指谷和手指脊处的各种界面或表面的光反射是不同的，反射比差异携带指纹图样信息，并且可以测量该反射比差异以提取与顶部透明层431接触且被oled光照射到的部分的指纹图案。

图5b和图5c示出了不同条件和不同位置下的相对于手指的谷或脊的顶面处的两种附加类型的照射光线的光路，包括在与顶部透明层431的界面处的全反射条件下的照明光线的光路。图示的照明光线生成不同的返回的光信号，包括将指纹图案信息携带至屏下光学传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和lcd显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何空气间隙，使得对盖板玻璃431具有大入射角的照明光会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5a、图5b和图5c示出三个不同组的发散光束的例子：(1)中心光束82，与盖板玻璃431具有小入射角而没有全反射(图5a)，(2)高对比度光束201，202，211，212，在盖板玻璃表面没有被触摸时在盖板玻璃431处被全反射，并在手指触摸盖板玻璃431时可耦合到手指组织中(图5b和图5c)，以及(3)具有很大入射角的逃逸光束，在盖板玻璃431甚至手指组织接触的位置处被全反射。

对于中心光束82，一些设计中的盖板玻璃表面可以反射大约0.1％～3.5％的光束185，这部分光被传输到底层524中，手指皮肤可以反射大约0.1％～3.3％的光束187，这部分光也被传输到底层524中。反射差异取决于光束82是否与手指皮肤脊61或谷63相遇。剩余的光束189被耦合到手指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束201和202，如果盖板玻璃表面没有被触摸，则盖板玻璃表面分别对光束205和206的反射几乎达到100％。当手指皮肤脊触摸盖板玻璃表面且在光束201和202的位置时，光能量中的大部分通过光束203和204可以耦合到手指组织60中。

对于满足局部全内反射条件的高对比度光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，则盖板玻璃表面分别对光束213和214的反射几乎达到100％。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光能量耦合到手指组织60中。

如图5a所示，耦合到手指组织60中的照明光的一部分通常通过内部手指组织经历随机散射，以形成低对比度光191，并且这种低对比度光191中的一部分可以穿过lcd显示模块433到达光学传感器模块。由光学传感器模块采集的该部分光包含关于手指肤色、血液特征和与指纹相关联的手指内部组织结构的附加信息。本专利文件的后面部分中将解释，在光学感测时使用手指表面下方的组织中的内部散射的光的附加特征，例如，获得手指的光学透射图案，其包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，和(2)与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。

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根据各种配置进行光学指纹采集。

例如，基于在光学感测模块中使用体成像模块的光学成像，可以根据各种配置来实现图4b中的具体实现方式。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，用于采集按压在显示器盖板玻璃423上的手指445的指纹。图6c是图6b中示出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下方，包括：与lcd显示模块433的底面接合的光学透明间隔物617，用于接收来自顶部透明层431的顶面上的感测区615的返回的光；成像透镜621，位于间隔物617和光电检测器阵列623之间，将接收到的来自感测区615的返回的光成像到光电检测器阵列623上。与图4b示出的没有透镜的光学投射成像系统的示例不同，图6b中的成像设计的示例使用成像透镜621在光电检测器阵列623处采集指纹图像，并且通过成像透镜621的设计使图像缩小。在某种程度上，与图4b示例中的成像系统类似，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，可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如图4b中的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550nm处手指皮肤的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当oled显示模块433粘合在盖板玻璃431上且没有任何空气间隙时，在临界或大于界面的临界入射角的大角度时发生全内反射。如果盖板玻璃顶面未被接触，则全反射入射角约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。

在该设计中，微透镜621和光电二极管阵列623限定了用于采集感测区615中接触手指的图像的视角θ。为了检测感测区615中盖板玻璃表面中的期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测lcd显示组件的全内反射。具体地，对准视角θ以感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效感测盖板玻璃表面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，该图像由感测盖板玻璃表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电检测器阵列623可以接收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，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电检测器阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学检测路径的几何形状是已知的，所以可以校正在光学传感器模块中的光路中引起的指纹图像失真。

作为具体的示例，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，其在盖板玻璃上的宽度为wc。调整间隔物617的厚度可以调整检测器位置参数h，并且可以优化有效感测区宽度wc。由于h包括盖板玻璃431和显示模块433的厚度，所以该申请设计应当考虑这些层。间隔物617、微透镜621和光电二极管阵列623可以集成在顶部透明层431的底面上的彩色涂层619的下方。

图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被设计为具有宽度ws，厚度hs，具有低折射率(refractionindex，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，如果盖板玻璃顶面未被触摸，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几度，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，以在光电检测阵列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不期望的影响。

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，以确定指纹图案之外的其他参数，例如，用户的心率或与外部指纹图案相关联的手指的内部拓扑组织。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将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(如假手指或具有伪造的指纹图案的欺骗设备)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，从而包含可见光谱范围和红外ir光谱范围的光，以在光学传感器模块处执行上述活体手指检测。lcd显示模块中的lcd滤色器可以用于允许光学传感器模块获得图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623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学吸收特性，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示出了通过操作用于光学感测的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(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动着或伸展着的，或者当血液流过与心跳相连的人体时手指会有脉动。在一个实现方式中，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。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像，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，其中，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)的附件3，以及2016年6月20日提交的、申请号为pct/us2016/038445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)，以及2016年11月2日提交的、申请号为pct/cn2016/104354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，并于2017年5月11日以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窄的光学视场，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几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(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)传送成像光。

图17示出了具有液晶显示(lcd)显示器和屏下光学传感器模块的智能手机的示例，该屏下光学传感器模块包括光学模块，用于采集并引导光至光学检测器阵列进行光学指纹感测。基于lcd的触摸感测显示系统423在lcd显示系统423下实现了具有光电检测器阵列6621的光学感测模块。置于lcd显示屏和屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间的光学模块617可以配置为各种设计，以耦合来自显示面板的期望的返回的光，同时光学传感器阵列过滤光学检测中的背景光。在一些设计中，光学模块617可以包括本文件中所描述的一个或多个成像透镜、本文件中所描述的透镜-针孔组件、或光学准直器阵列或针孔阵列。

触摸感测显示系统423置于顶部盖板玻璃431下，该顶部盖板玻璃431作为用户界面表面以用于各种用户界面操作，包括用户的触摸感测操作和向用户显示图像等，以及作为光学感测界面以用于接纳手指以进行光学指纹感测和其他光学感测操作，其中，探测光从设备内部被引导至顶部盖板玻璃431以照亮手指。在许多实现方式中，显示系统423包括触摸感测结构(具有例如用于感测触摸的触摸感测电极阵列)和置于触摸感测结构下的多层lcd模块433。多层lcd模块433包括：lcd显示器背光光源434(例如，led灯)用于为lcd模块433提供白色背光；光波导层433c，耦合到lcd显示器背光光源434，以接收和引导背光；lcd结构层433a(包括例如液晶(lc)单元层、lcd电极、透明传导ito层、光学偏振器层、滤色层和触摸感测层)；背光漫射器433b，位于lcd结构层433a下方且在光波导层433c上方，在空间上扩散背光以照亮lcd结构层433a中的lcd显示像素；以及光学反射膜层433d，位于光波导层433c下方，以将背光再循环到lcd结构层433a以改善光使用效率和显示器亮度。尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的lcd单元打开时，lcd结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ito、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。对光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和lcd模块框架进行处理以容纳指纹传感器，并提供透明或部分透明的感测光路，使得一部分从盖板玻璃431的顶面反射的光可以到达具有lcd屏下光学传感器模块的光电检测器阵列621，以进行指纹感测和其他光学感测操作。如图所示，这种lcd屏下的光学传感器模块包括各种指纹传感器部件，例如，用于收集和引导反射探测光到光电检测器阵列621的光学模块617，以及接收和调节来自光电检测器阵列6621的检测器输出信号的光学传感器电路模块6623。光电二极管阵列6621可以是cmos感测像素的cmos传感器、ccd传感器阵列或对光敏感的合适的光学传感器阵列。

所示的示例包括用于lcd显示和触摸感测操作的电子器件模块435、一个或多个其他传感器425例如用于监控周围环境的光线等级的光学传感器等、和用于控制某些智能手机操作的可选侧按钮427和429。

在图17的示例中，光源可以包括显示器背光光源434和额外的指定的探测光源436。来自额外的指定的探测光源436的光束442a和来自显示器光源434的光束442b可以用作传感器探测光以照亮与顶部玻璃盖板431接触的手指，以向光学传感器模块生成期望的携带指纹图案和其他信息的反射的探测光。

尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的lcd单元打开时，lcd结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ito、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。对光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和lcd模块框架进行处理以容纳指纹传感器，并提供透明或部分透明的感测光路。

基于所公开的lcd屏下光学传感器设计，与lcd显示屏直接接触或在lcd显示屏附近的人的手指，能够使得返回的光回到lcd显示屏中，同时携带被lcd显示屏输出的光照射到的手指的一部分的信息。这些信息可以包括，例如，手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置。因此，光学传感器模块可以集成以采集这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置。该检测到的手指被照射部分的脊和谷的空间图案和位置随后可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。通过使用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感测的指纹检测使用lcd显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏的光或使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感测的显示屏。

需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到lcd显示屏的背面而不需要lcd显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。这种光学传感器模块可以置于lcd显示屏之下，与显示屏区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于这种光学传感器模块通过检测来自lcd显示屏并从显示区域的顶面返回的光进行光学感测，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的特殊感测端口或感测区域。因此，不同于其他设计中的指纹传感器，包括苹果的iphone/ipad设备或三星galaxy智能手机模型等其他设计中的指纹传感器，这些指纹传感器位于显示屏的相同表面上的特定指纹传感器区域或端口(如主页按钮)处，但位于显示屏区域外的指定的非显示区中。基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，以允许在lcd显示屏上的任意位置执行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术通过使用与显示图像相同的顶部触摸感测表面，提供了独特的屏上指纹感测配置，并且在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或端口的情况下提供触摸感测操作。

除了通过光学感测进行的指纹检测外，光学感测还可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个lcd显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iphone/ipad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上非常受限，可能不适合感测大图案)。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通过“活体手指”检测机制来检测所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该检测机制可以基于如下事实，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动着或伸展着的，或者当血液流过与心跳相连的人体时手指会有脉动。在一个实现方式中，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，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。据此，光学传感器模块可以设计为选择性地接收和检测由与lcd显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他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lcd显示屏广泛使用在智能手机、平板电脑或其他电子设备中，使得这些设备具有来自所公开的光学传感器技术的光学感测的增强功能。

例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果iphone或三星模型，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，添加所公开的用于指纹感测的光学传感器模块的设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件按钮。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏下，并且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。此外，通过使用新版本的屏下光学传感器模块，可以将通过这种光学传感器模块实现的、用于指纹感测或其他光学感测功能的、改善的屏上光学感测，添加到新产品版本中，包括增加附加的光学感测功能，而不需要对电话组件设计做显著改变。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为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可以以某些配置实现，这些配置使用在显示屏中用于显示图像的、并从设备显示组件的顶面返回的光来进行指纹感测和其他感测操作，其中，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。触摸屏组件的顶面用作指纹感测区域，该被触摸区域的光学图像可以由光学传感器模块内的光学成像传感器阵列采集，具有对原始指纹具有高图像保真度，以实现鲁棒性的指纹感测。光学传感器模块可以设计为通过适当地配置光学元件来实现这种期望的光学成像以采集和检测返回的光。

在设计lcd显示模块下的光学传感器模块时，应该考虑lcd显示模块的各种技术特征或特性，并将其纳入到整体光学传感器模块设计的考虑因素中，以改善光学感测操作。以下部分描述了几种设计示例。

各种lcd显示模块中的一个常见部件是光漫射器，其可以是将入射光漫射到不同方向的薄片，以实现显示器的空间均匀性和大视角。然而，该lcd漫射器层的存在可能会降低lcd下光学传感器模块的光学检测。

图18a和图18b示出了位于lcd波导层433c和其他lcd层433a之间的lcd光漫射器层433b。在一些lcd组件中，盖板玻璃层431可以与下面的漫射器片433b分开一定距离(例如，在一些lcd设备中是几毫米)，并且光学模块617通过光波导板433c(可能是亚微米厚度)与漫射器片433b分开。在这种结构下，漫射器片433b中的强漫射可以显著降低穿过lcd显示模块433到达光学检测器阵列6621的信号光中的信号对比度。尽管对于显示操作来说lcd漫射器层433b处的光漫射是期望的，但其降低了指纹检测性能。

lcd漫射器层433b的这种不期望的效果可以通过使用不同的技术来减轻。图18a和图18b中示出了两个示例。

图18a示出了一个示例，其中，可以在光学传感器模块上方的漫射器片433b的部分中的lcd显示模块中的相应区域或整个漫射器片433b中制作孔951a，以改善从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列6621的返回的光的传输。孔的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。在此设计中，将孔951a包含在lcd漫射器层433b中是为了为光学传感器模块提供光学传输路径。

图18b示出了另一示例，其中，漫射器片可以被构造成包括低漫射光学透明点951b，在光学传感器模块上方的区域中光漫射较弱，以在这种低漫射光学透明点951b处改善到光学传感器模块的光的传输。这种低漫射光学透明点951b的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射，并且点的分布可以允许通过lcd显示层的来自顶部盖板玻璃431的返回的光的有效接收。如果漫射器片由对光进行衍射或漫射的粗糙表面材料制成，则可以将选定的材料选择性地应用于粗糙表面，以提供某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，使得漫射器层对这种光的散射较弱，从而更多的光可以穿过漫射器层到达用于光学感测的光学传感器模块。

又如，参见图18a和图18b，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，以将未使用的光反射回lcd层来提高显示器亮度。然而，这种光学反射器膜433d的存在可以阻挡大部分光，使其无法达到lcd下方的光学传感器模块，因此可能对光学指纹感测产生不利影响。这种光学反射器层可以以下方式进行修改：在大多数位置维持lcd波导层下的所期望的光学反射，同时在lcd下光学传感器模块的位置处允许期望的光学传输。在一些实现方式中，可以固定用于lcd下的光学传感器模块的光学模块617以触摸反射器膜433d。

图18c示出了用于提供透明光路的另一示例，以引导来自一个或多个照明光源436的光，以改善检测模块的指纹感测而不被漫射层明显漫射。例如，孔969可以选择性地形成在光漫射器膜433b中，以改善到lcd下光学指纹传感器的光传输。为了减小孔969对显示性能的影响，光路孔969可以相对于光漫射器膜433b的法线方向倾斜，以在孔969的区域中保持足够水平的光漫射，以产生期望的显示质量，同时提供一些光传输来进行lcd下光学感测。此外，这样的孔969可以设计为很小，例如0.3mm或更小，以进一步增强背光的漫射，同时仍在lcd下光学指纹传感器处提供改善的光学成像。在一些实现方式中，光路孔可以是空的而只有空气，也可以填充有透明材料。

在一些设计中，光路孔969可以不限于某个区域，而是可以分布在整个光漫射器膜433b上，例如，孔969可以均匀地分布在整个膜433b中。这种设计消除了选定孔969在某个区域而非其他区域中产生的不期望的空间不均匀照明。在一些设计中，光路孔969可以以空间梯度模式分布，使得由孔969引起的lcd照明的任何改变是渐进的且不太明显。

图19a示出了一个示例，其中通过在光学反射器膜433d中的光学传感器模块位置的区域中包括或形成透光孔955来修改光学反射器层，以允许用于光学反射器膜的大部分中的lcd显示器的光学反射，同时为光学模块617提供透明的光路，用于接收lcd的顶部上的手指反射的光。反射器膜433d中孔955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。每个准直器单元孔径可以在光学反射器层433d中具有一个或多个孔955以提供所期望的光路用于光学感测。检测时，由反射器层433d中的这种透光孔955的存在引起的空间不均匀性可以被校准。如果准直器单元孔径以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以按照相同的节距钻出漫射器片中的孔。

图19b示出了用于修改lcd中的光学反射器层的另一示例，其中屏上光学感测区域614中的光学反射器膜的光学反射率可以修改为允许通过下面的光学传感器实现一定程度的光学传输以进行光学感测。各种商业lcd反射器膜使用柔性塑料材料作为基板，并且这种塑料材料的光透射率可能足以将足够的光传输到光学传感器模块以进行指纹感测。

在用于lcd漫射器层和lcd反射器层的上述设计中，孔可以形成在一个或多个照明光源所处的区域中，以允许照明光充分透射以穿过lcd显示模块层到达顶部盖板玻璃，以照亮手指来进行光学感测操作。

在上述设计中，光学传感器模块位于lcd显示模块的下方，因此位于lcd波导层下方，lcd波导层被设计为将来自背光光源的背光引导至lcd显示区域。如图20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的一个侧表面均匀地漏出，然后通过波导433c上方的漫射器片433b漫射，作为漫射光957向上照亮lcd像素以显示图像。在一些lcd中，大约一半的漫射光957可以直接朝着光学模块617传播而不到达顶部感测区域615，因此在光学感测检测时变成不期望的背景光的一部分。

可以提供一个或多个额外的光源436以连接光学传感器模块，用于照亮手指并且将携带指纹图案信息的光提供给lcd下方的光学传感器模块。由于照明光源436的位置(例如，在光学传感器旁边或与光学传感器相邻的反射器膜433d下方)，波导433c的光引导功能可以通过设计被构造为用于背光的有效波导，但对来自照明光源436的光不起作用，使得来自436的光可以更高效地到达lcd面板的顶面以照亮手指。

另外，照明光源436可以设计为以一个或多个光学波长发射照明光，该一个或多个光学波长与来自lcd显示器背光光源434的lcd显示器照明光波长不同。照明光源436可以用于指纹感测和其他感测功能。

用于选择与lcd显示器的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的上述设计可以用来降低功耗。使用显示器背光光源进行指纹检测需要打开显示器背光光源来进行光学指纹感测。与上述设计相比，该设计会消耗更多的功率，其中，在上述设计中，用于光学感测的照明光与背光在光学波长上部分不同，以便在不打开lcd背光的情况下进行光学感测操。用于选择与lcd显示器的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的上述设计，能够实现照明光源的灵活选择，以获得附加的优势。例如，可以使用红外光作为照明光源436，使得lcd漫射器层对于红外ir照明光更透明，以实现红外ir照明光所期望的更高透射率。又如，可以选择照明光源以提供用于其他功能的多个波长，例如防欺骗活体感测、心跳感测等。

在设计lcd下光学传感器模块时，可以使用照明光源436的位置和空间分布来调整观察角，从而优化感测质量。

在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21a至图21d示出了作为433a所示的lcd层结构的一部分的包括两层或两层以上的背光增强膜(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的顶部上。

在图21a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21b和图21c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形成没有透光孔的清晰图像。视角φ1和照明角φ2应根据增强膜的设计进行调整。

图21d中的示例示出了光学单元617u和光电检测器阵列单元621u的特定设计。光学单元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22示出了lcd模块中的光波导层的示例，其包括用于lcd下光学感测模块的在检测光路中的部分透明部分，以允许改善的用于光学感测的照明光的光学传输穿过波导层。

图23a至图23c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，光学反射器层通过将未使用的背光再循环回lcd层433a来增强lcd显示器亮度。就这点而言，沿着光学反射器膜433d的光学反射率的缺陷，例如光学反射器膜433d中的机械缺陷，会导致lcd显示器亮度的可见变化，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。

图23a示出一个示例，其中可以在照明光源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。

图23b示出了另一种解决方案的示例，通过选择照明光源波长，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光范围(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433d而不需要在反射器膜中形成孔。

图23c示出了再一示例，其中，反射器膜433d是空间上均匀的结构，并且被构造为包括用于传输照明光的窄带透射窗口975，以进行光学检测。例如，反射器膜433d中的这种窄透明或透射窗口975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，或者基于通过透镜和针孔的组件的光学成像的图25。在获取指纹图像的情况下，感测窗口区域中的lcd显示像素和照明光源可以暂时打开以产生高强度照明用于指纹的光学感测，并且同时打开光电检测传感器阵列以采集与照明光的开启同步的指纹图像。开启照明光的时间可以相对较短，但是可以设定发射强度很高。为此，用于光学指纹感测的这种模式是闪光模式，其使得光电检测器传感器阵列能够检测更多数量的光以改善图像感测性能。

上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，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)受压区域处血流的动态变化。这些变化可以被光学采集，并可以用于计算触摸力的相应变化。触摸力感测为指纹感测增加了更多功能。

参见图24，示出了手指的接触轮廓面积，其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24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2401和重度按压的指纹2403。来自触摸表面上的指纹的选定集成区2405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2405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，手指组织吸收部分光，使得集成在lcd下光学传感器模块中的光电二极管阵列上的接收功率的总量减小。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的动态变化，即在光学检测器阵列处检测的光学功率的趋势或时间变化，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被操作为处于足以进行集成的感测操作的较低的功率水平或处于节电模式。

在详细的指纹图样中，当将手指按压在顶部感测表面615上时的按压力增加，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2405内，集成的接收到的光能量变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测或测量按压力。

因此，通过分析小区内集成的接收到的探测光能量变化，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24，轻度按压的指纹2401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2403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2401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或者当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，这种自然运动是由于人的自然移动或运动(有意或无意的)而出现的活人的手指的行为。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。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。

四、用于屏下光学感测的透镜-针孔成像设计

在本文公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块技术的各种实现方式中，可以使用具有至少一个成像透镜的成像模块，来实现手指被照亮的触摸部分在屏下光学传感器模块中的光学检测器阵列上的光学成像。成像模块的透镜效应部分地用于控制返回的光的空间扩散，这种空间扩散可能在光学传感器阵列处空间地扰乱手指触摸部分的不同位置上返回的光，因此，当成像透镜引导返回的光使其到达光学传感器阵列时，通过具有期望的空间成像分辨率的成像透镜，可以保存与手指的指纹图案对应的返回的光的空间信息。具有单个成像透镜或者具有两个或两个以上成像透镜的组件的成像模块的空间成像分辨率，与成像模块的数值孔径成比例。因此，高分辨率成像透镜需要大的数值孔径，因此需要大直径的透镜。基于透镜的成像模块的这一方面不可避免地需要庞大的透镜系统来产生高分辨率成像系统。此外，给定的成像透镜具有有限的视场，该视场随着焦距的减小而增加且随着焦距的增加而减小。

在许多指纹感测应用中，例如在移动设备中的显示屏下实现的光学指纹传感器中，期望具有高空间成像分辨率和大视场的紧凑型成像系统。考虑到对上面讨论的基于透镜的成像系统的各种成像特征的权衡，下面将提供一种通过将透镜和针孔组合成透镜-针孔成像系统的用于光学指纹感测的紧凑型光学成像系统，其中，透镜用于形成基于透镜的成像系统，以通过透镜实现高空间成像分辨率，并实现光学检测器阵列处的采集的图像的尺寸的减小，从而通过透镜减小光学检测器阵列的尺寸，并且针孔被置于透镜的前方，以在不需要大直径透镜的情况下，通过实现针孔相机，产生光学成像中的大视场。传统的针孔相机可以包括用于光学成像的小孔径，由于小孔径和低空间成像分辨率，可以在图像亮度受限的同时产生大视场。成像透镜和针孔相机的组合被合理设计后，可以受益于成像透镜的高空间成像分辨率和针孔相机的大视场。

图25示出了置于lcd显示屏下方的光学传感器模块4620的一个示例，其中针孔和透镜用于形成光学传感器模块4620的光学成像系统。一个或多个照明光源436设置在lcd显示模块433下方的位置处，以产生照明光穿过lcd显示模块433和顶部透明层431，包括透明层431的顶面上的感测区615。一个或多个照明光源4661设置在顶部透明层431的下方，以向透明层431的顶面上的感测区615产生照明光。一个或多个照明光源436可以位于光学传感器模块4620或挨着光学传感器模块4620，除了提供用于指纹感测的照明之外，还提供呼吸灯指示器，用于指示正在进行光学指纹感测或者光学传感器模块4620打开或激活。

在图25所示的示例中，光学感测模块4620通过使用具有小直径的微透镜4621e实现紧凑型模块，该微透镜4621e可以与针孔的尺寸大致相同，略微大于针孔。微透镜4621e接合到针孔结构4621g，该针孔结构4621g是光学不透明的，形成在光学透明材料的针孔基板4621f的表面上，且可以为涂黑的或金属材料的层，并具有开口作为针孔4643。微透镜4621e置于针孔基板4621f的底侧上。在操作中，针孔结构4621g中的针孔4643上方的光学层被构造为在收集来自lcd显示面板的返回的光时产生大的光学视场，并且将收集的光传输到光学传感器阵列4623e。光学传感器阵列4623e中的光学检测器响应于所接收的光学图案以产生检测器信号，检测器电路模块4623f耦合到光学传感器阵列4623e以接收和处理检测器信号。在一些实现方式中，检测器电路模块4623f可以包括柔性印刷电路(pfc)。微透镜4621e接收来自针孔的传输的光并将接收到的光聚焦到光学传感器阵列4623e上，与将光投射到没有微透镜4621e的光学传感器阵列623e上时的针孔的较低空间成像分辨率相比，微透镜4621e以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列4623e处进行光学成像。在此设计中，通过使用微透镜4621e来补偿针孔的低分辨率，并且通过低折射率层4618e、高折射率层4621f和针孔4643的组件的大视场来补偿微透镜4621e的有限视场。

图25示出的用于光学成像的针孔-透镜组件的示例中，针孔-透镜组件的目标平面靠近透明层4431的顶面上的顶部有效感测区615，例如用于触摸感测lcd显示面板的盖板玻璃，并且针孔-透镜组件的成像平面是光学传感器阵列4623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基板4621f外，在针孔基板621f和lcd显示面板之间设置光学透明间隔物4618e，其折射率低于针孔基板4621f的折射率。在针孔基板4621f上方使用较低折射率材料是光学设计的一部分，以实现用于接收来自lcd显示面板的光的大视场。在一些实现方式中，较低折射率间隔物4618e可以是空气间隙。该设计提供了较低折射率间隔物4618e和较高折射率针孔基板4621f之间的两种不同光学材料的光学界面，在该界面处的光学折射将来自较低折射率间隔物4618e中的lcd显示面板的入射光的大视场(fov)(例如，在一些情况下约140度)，转换成较高折射率针孔基板4621f中的较小的fov。因此，由针孔-透镜组件产生的输出光线具有相对小的fov。

这种减少fov的设计在以下几方面可能是有利的。首先，光学传感器模块4620的较低折射率间隔物4618e中的光学输入fov允许输入具有大fov。其次，由位于较高折射率针孔基板4621f下方的针孔-透镜组件处理的实际fov，相对于光学输入fov是减小的fov，使得具有大入射角的光线受限于该减小的fov。这是有益的，因为这种减小的fov降低了针孔-透镜组件处的大入射角中的光线引起的图像失真。此外，针孔-透镜组件处的这种减小的fov降低了不希望的针孔阴影效应，而这种针孔阴影效应会使光学传感器阵列处的图像的亮度分布产生失真。

与一些针孔相机设计中使用约40微米直径针孔的传统针孔相机不同，形成在不透明层4621g中的针孔4643被设计成具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，例如在一些设计中大于100微米或200微米(例如250微米)。在透镜和针孔的这种组合中，针对针孔4643上方的针孔基板4612f的高折射率材料的使用，以及针对针孔基板4612f上方的较低折射率层4618e的使用，允许针孔4643具有远大于针孔相机中的典型针孔尺寸的直径，同时仍然实现大fov。例如，在一些实现方式中，当透镜4621e构造为半球透镜，具有面向针孔4643的平面和将来自针孔643的光引导至光电检测器阵列4621e的部分球面时，针孔4643的直径可以与透镜4621e的曲面的曲率半径大致相同或相似。

还可以实现附加的设计特征，以改善基于针孔-透镜组件的光学成像系统的整体光学性能和紧凑性。例如，如图25所示，可以在透镜-针孔组件和光电二极管阵列4623e之间放置附加的光学层。在该示例中，在从针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路中设置光学透明间隔物4621h和保护材料4623g。在一些实现方式中，间隔物4621h可以是低折射率层例如空气间隙等，保护材料4623g可以是覆盖光学传感器阵列4623e的光学检测器的顶部的层，且折射率高于间隔物4621h的折射率。层4621h和4623g可以被构造为减小或消除光学传感器阵列4623e处的成像失真。当光在介质界面折射时，折射光线的方向上存在非线性，并且在光学传感器阵列4623e处产生图像失真。当入射角大时，这种失真变得更为明显。为了减少这种失真，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物场(例如，从顶部玻璃层4431的顶部感测表面至针孔基板4621f的光学层)来选择间隔物4621h和4623g的光学厚度比。

光学失真发生在沿lcd显示面板的顶部到光学传感器阵列4623e的光的光路的不同光学材料的每个界面处。一种用于减少这种光学失真的设计技术是，在针孔-透镜组件的底侧(即，针孔-透镜组件的成像侧上的光学层)上提供光学匹配结构，以对应于针孔-透镜组件的顶侧的光学结构(即，针孔-透镜组件的物侧上的光学层)，使得沿lcd面板到针孔-透镜组件的光路的、在针孔-透镜组件的物侧的一个界面处引起的光学失真，通过沿针孔-透镜组件到光学传感器阵列4623e的光路的、在针孔-透镜组件的成像侧的匹配界面处的光学折射对抗或抵消。针孔-透镜组件的成像侧的光学匹配层是通过考虑针孔-透镜组件中透镜的光焦度来设计的。在没有透镜4621e，只有针孔4643的针孔成像系统中，当介质在物场与像场之间不匹配时存在光学失真。通过使用置于顶部感测表面上方的网格图案来测试失真，当fov较大时，这种光学失真可以是桶形失真的形式。针孔4643的物场和像场之间的不匹配的光学层引起的桶形失真是不期望的，因为它们直接影响光学传感器阵列4623e采集的指纹图案的准确性。需要注意的是，在光学传感器阵列4623e的成像场的中心部分中的这种失真程度通常高于周边部分。

为了减轻这种失真，成像场中的针孔4643和透镜4621e下方的材料层可以根据它们的折射率和厚度值来构造，以逆转材料层在物侧引入的失真。这是通过匹配大入射角内的折射行为来实现的，以便校正在检测器表面上线性形成的图像。例如，在成像放大率为1/5的针孔成像系统中，如果针孔4643上方存在2mm厚的玻璃层和1mm厚的空气间隙层，则可以在针孔4643下方且在光学传感器阵列4623e上方提供0.4mm厚的玻璃层和0.25mm厚的空气间隙层，以减少光学传感器阵列4623e处的光学失真。该技术可应用于针对针孔4643上方的复杂材料层，在针孔4643下方提供匹配层。

图26示出了光学传感器模块上方的lcd显示模块中的不同层的示例。在该实施例中，传感器模块4620集成在lcd显示模块下方。照明光源4661和额外光源4664也集成在传感器模块4620中或靠近传感器模块4620。因为在lcd显示屏内边缘附近示出的用于光学指纹(fp)感测的虚拟按钮在横跨整个显示器的连续的顶面的区域上(没有单独的物理按钮用于指纹感测)，所以该虚拟按钮是虚拟的，并且是被指示为用于指纹感测的有效感测区615(图25)的显示区域。

在图26的示例中，lcd显示模块的lcd背光组件中的材料被设计成提供光学传输路径，以允许来自顶部感测区的返回的探测光到达lcd显示模块下方的底层光学传感器模块。透光孔或透光狭缝可以由这种材料形成。为了修改光学传感器位置处显示器的外观以使得光学传感器不太明显，可以将漫射器膜4433d与背光波导层4433f上方的棱镜4433c集成，以将光漫射到lcd像素获得均匀照明，并且可以将附加的漫射器4433i与位于背光波导层4433f下方的、将背光反射回或再循环回lcd层的镜膜4433g集成，以提高照明效率。在一些实现方式中，附加的漫射器膜4433d和4433i可以被成形为围绕光学传感器模块边缘的条，以漫射散射在光路中的光，使得围绕lcd显示模块下方的光学传感器模块的光路边缘被隐藏和/或不太明显。

图27示出了图25中的设计的示例性实现方式，其中针孔基板4621f的底面上的针孔层涂层4621g被构造为，在其面向针孔基板4621f的上侧具有高光学反射率。该特征用于补偿光学传感器模块4620上方的lcd层中的镜膜孔或光学反射器层或散射层的区域反射。

在一些实现方式中，附加的漫射器层4621i可以应用于图27所示的针孔基板4621f的顶部，以引起光学漫射，并且附加的漫射器层4621i的中心部分可以包括清晰的光路，以接收来自lcd显示模块的返回的光以进行光学感测。

此外，图27示出了安装在附加的漫射器层4621i下方的一个或多个额外光源436a的示例性位置。额外光源436a发射的光被漫射器4621i散射。额外光源436a可以发射不同光学波长的光，例如包括用于手指照明的波长和用于其他功能例如呼吸灯功能等的其他波长。

图28示出的示例中提供了一个或多个盖板玻璃下光源4661，以照亮触摸手指4447进行光学感测。由一个或多个盖板玻璃下光源4661产生的光表示为光4661a，其可以透射到手指组织中或传播穿过手指皮肤的角质层。例如，当光4661a透过手指皮肤并穿透手指组织时，光被手指组织散射。一部分散射光作为信号光4661b出现并被光学传感器模块4620检测，其中，信号光4661b携带指纹信息，其包括关于与内部指纹图案相关联的拓扑内部组织结构的信息。信号光4661b以大角度入射到顶部玻璃上的感测区域，可以采集并携带皮肤潮湿或干燥时的指纹信息。因此，使用一个或多个盖板玻璃下光源4661可以改善传感器的检测性能和可靠性。

在图25的示例中用于光学成像的针孔-透镜组件可以实现较高空间成像分辨率，以采集所采集的图像中的精细特征，该分辨率超过只有针孔4643没有透镜4621e的系统的空间成像分辨率。这种较高空间成像分辨率是具有透镜4621e的结果。图29包括图29a和图29b，并且示出了只有针孔的成像操作和针孔-透镜组件的成像操作。

参见图29的图29a示出的没有透镜的针孔成像系统，针孔4643衍射入射光束4661以产生衍射的输出光束4673，由于针孔4643的衍射该输出光束4673是发散的。该发散光束4673在成像平面4667处形成反映该成像系统的分辨率的图像光点4679。

图29中的图29b示出了在针孔4643下方增加微透镜4621e。由于将微透镜4621e和针孔4643组合，微透镜4621e的曲率修改了由针孔4643衍射的光束的波前，以在成像平面4667处产生光点4681，该光点4681小于只有针孔4643没有透镜4621e所产生的光点4679。

针孔-透镜组件可以实现为提供图25的示例中的紧凑型光学传感器模块4620。由于介质界面的折射，光传播角度可以通过使用不同的光学材料来控制。例如，如图30所示，如果针孔基板4621f上方的介质中的折射率n1低于针孔基板4621f的折射率n2，则具有大入射角的光束4683在进入针孔基板4621f后弯曲为具有较小角度的光束4685。因此，使用较高折射率材料用于针孔基板4621f，可以实现非常大的视场以在针孔-透镜组件的物侧接收输入光。在一些实现方式中，使用高折射率材料用于针孔基板4621f可以实现大的fov(例如，接近或高于140度)，以在针孔基板621f和针孔基板4621f上面的层之间实现足够大的折射率差异。

实现针孔基板4621f的顶面处的光线的大的衍射弯曲的上述设计，可以通过在光路中合并一些低折射率间隙(诸如空气间隙)用来减小光学传感器模块的厚度。另外，由于针孔基板4621e顶部的大的折射导致进入到针孔基板下面的透镜的光线的倾斜角度以较小的fov减小，所以可以改善来自针孔-透镜组件的图像的图像均匀性。

在针孔-透镜组件中，微透镜位于针孔4643下方，由于针孔4643的小开口，所以微透镜的光学孔径小。同样，由于微透镜收集的来自针孔4643的光线通常接近微透镜的弯曲表面的轴线，所以微透镜显示出较低像差。

在实现该针孔-透镜组件时，针孔4643的中心位于微透镜4621e的表面的中心或靠近微透镜4621e的表面的中心。在图30的示例中，半球透镜作为示例示出并被接合(例如胶合)到针孔板上以实现这种配置。半球透镜4621e的平面面朝上接合到针孔4643，并且半球透镜4621e的平面的中心在针孔4643的中心或在针孔4643的中心附近。这种设计下，通过针孔4643到半球透镜4621e的平面的入射光，以小入射角还是大入射角，都将使其光线方向与半球透镜4621e的半径方向一致，为透镜在这个方向上的光轴。这种配置减少了光学像差。对于在针孔基板4621f的顶部具有不同入射角的光束4663和4683，它们的光路在进入针孔基板4621f后被修改为靠近各自的半球透镜表面的光轴4689和4691。因此，该具体设计下，光束4663和4683形成的图像光点4681和4693表现出低光学像差，尽管他们具有不同的入射角。

针孔-透镜组件受到孔径阴影效应的影响，使得成像平面(光学传感器阵列4623e)处的最终图像的亮度沿着径向方向从中心到周边区域逐渐变化，在中心处看起来较亮，在周边区域较暗。该效应使得在光学传感器阵列4623e处采集的图像降级，并且通过使用修改空间亮度分布的矫正光学滤波可以减小这种效应的影响。例如，具有空间梯度透射轮廓的光学滤波器可以插入到由光学传感器模块接收的光的光路中，例如在oled显示面板和光学传感器阵列之间的位置。该梯度度透射滤波器被构造为在针孔的中心处或附近呈现高的光学衰减，并且从针孔的中心径向向外呈现递减的光学衰减，以抵消由针孔引起的光的光学强度分布的空间变化。图31示出了这种梯度透射滤波器的光学衰减轮廓的示例，具有从中心向边缘递减的径向梯度衰减。

在实现方式中，梯度透射滤波器可以包括可以制作在光路的表面上的一个或多个涂层，以校正图像亮度的不均匀性，例如，显示器底面、模块部件表面或光学传感器阵列顶面。除了通过孔径阴影效应抵消空间不均匀性之外，滤波器还可以被配置为校正其他类型的亮度不均匀性，并且还可以包括可以减小其他光学失真和光学像差的特征。

以上公开的使用针孔-透镜组件光学成像到光学传感器阵列上的光学传感器模块，也可以用于构建位于顶部玻璃盖板下方且置于相同顶部玻璃盖板下方的lcd显示屏旁边的光学传感器模块。这种光学传感器模块可以置于相同顶部玻璃盖板下方的lcd显示屏旁，以实现lcd显示器上方的共同且连续的顶面，并且在题为“在lcd显示器一侧上的光学指纹传感器”的第八小节中提供了该光学传感器模块和若干示例。

五、不可见lcd下光学指纹传感器设计

理论上，由于其光学感测配置，lcd显示屏下的光学传感器模块的设计提供了将lcd屏中的光学指纹感测区放置在lcd屏的几乎任何位置的一些灵活性。由于指纹感测区域615位于lcd屏显示区域内，并且与lcd屏的其他部分一起用于在设备的正常操作期间显示图像，与指纹感测区域615相对应的lcd屏显示区域可以控制为在指纹感测区域615的区域或边界内显示图像，使得指纹感测区域615被可见地标记以供用户放置手指进行指纹感测操作。当一个或多个额外照明光源4663或4661被应用于lcd下光学感测时，一个或多个额外照明光源4663或4661可以用来照亮指纹感测区域615，以将该区域标记为可见，以在不打开lcd屏的情况下进行指纹感测，或者，在其他实现方式中，lcd屏打开以使用指纹感测区域615的lcd像素来标记指纹感测区域615。

将光学传感器模块置于lcd显示屏下方的挑战之一是用于光学感测的探测光要获得足够的光学透射以穿过lcd显示屏，这样才会有足够的来自顶部透明层4431的顶面上的指纹感测区域615的携带指纹信息的光。这对于光学感测可能是重要的，因为穿过lcd显示屏的探测光的光学透射不足可能会对lcd屏下光学传感器模块的光学检测的信噪比、光学感测灵敏度、和光学成像对比度产生不利影响。

如图18a至图23c所示的示例所述，可以修改lcd屏叠层中的各种层以改善光学传感器模块处的探测光的光学透射和光学感测的图像对比度。例如，透射特征或区域可以形成在通向lcd下光学模块的路径中，在lcd背光波导层上方的lcd漫射层，和/或，lcd背光波导层下面的反射器膜或反射器层中。然而，lcd屏叠层中的这种透射特征或区域可能导致lcd屏的显示图像出现不期望的视觉效果。

参见图18a，例如，lcd漫射器层433b中包括孔951a，以增强光学传感器模块6621处的lcd屏中的局部光学透射，可以减少局部光学漫射，同时增加孔951a处的局部光学透射，使得孔951a的区域中的lcd显示器呈现比lcd漫射器层433b中没有孔951a时的周围的lcd显示器区域稍亮。

如图18a所标识的，屏内指纹感测(fps)区域615包括局部孔951a，在其显示器外观上有点“异常”，而没有这样的孔951a的周围屏幕区域是“正常”显示区域，在lcd屏被操作为在正常屏幕操作中显示图像时，显得比屏内fps感测区域615稍暗一些。在图19a和图22的示例中，透射特征或区域也可以形成在lcd屏叠层的反射器膜或背光波导中，并且位于光学传感器模块所在的区域中。

因此，在lcd下光学传感器模块所在的区域中，lcd屏叠层中的透射特征或区域的局部存在可以使lcd屏中的该区域与没有该透射特征或区域的lcd屏的其余部分尤其是lcd屏中的周围区域相比，屏幕亮度看起来略微不同。因此，lcd下光学传感器模块所在的区域处的屏幕亮度的这种视觉差异，使得屏内fps感测区域615对用户可见，尽管这种差异对一些用户而言可能较为不明显。虽然屏内fps感测区域615的这种视觉差异在光学指纹感测操作期间是可接受的，甚至是有帮助的，但当lcd屏操作为显示视频、图像、图形或文本的正常显示操作时，这种视觉差异不是期望的。

本专利文件中公开的技术的一个方面是设计lcd下光学感测模块和相关联的特征以减少屏内fps感测区域615和lcd屏中的其他“正常”区域中的显示图像的外观差异，使得屏内fps感测区域615与lcd屏中的其他“正常”区域完全或基本上混合，从而在lcd屏被操作为使用屏内fps感测区域615和lcd屏中的其他“正常”区域进行正常显示操作时对用户“不可见”。

由于需要光学传感器模块上方的lcd屏中的透射特征或区域来实现更好的光学感测操作，因此改善lcd屏的局部光学透射以进行lcd下光学感测且不使该区域对用户可见的一种方式是，将这种光学传感器模块上方的lcd屏中的透射特征或区域放置在用户观看lcd屏时用户不可见的位置处。

在许多商用lcd屏中，lcd屏的外围边缘存在光学不透明边界，如围绕lcd屏中心区域的外围不透明边框。图32中的图32a示出了lcd显示屏的俯视图，其中外围不透明边框3220形成在lcd屏的四侧，将lcd显示像素限制在lcd屏四侧的边界区域内，使得在显示操作期间仅是暴露于外围不透明边框3220的开口的中心lcd显示区域3210对用户可见。

相应地，如图32中图32a和图32b所示，lcd下光学传感器模块可置于lcd屏下方，靠近外围不透明边框3220覆盖的区域或在该区域内，以便可以修改位于光学传感器模块上方的外围不透明边框3220下方的lcd屏部分3230，以在lcd屏叠层中提供一个或多个期望的局部透射特征或区域，以将携带指纹信息的探测光引导至光学传感器模块。

图32b示出了图32a中标记的圆形区域下的不同层的横截面视图。具有将光引导至光学传感器模块的光学透射特征或区域的lcd屏部分3230，被置于外围不透明边框3220下方，因此在观看lcd显示的图像时对用户基本上不可见，因为外围不透明边框3220在lcd屏部分3230上方，从用户的视角上隐藏了lcd屏部分3230。需要注意的是，与lcd下光学感测设计的一些其他示例不同，屏内fps感测区域615的中心在空间上偏离具有光学透射特征或区域的lcd屏部分3230的中心。相应地，下面的光学传感器模块的位置在空间上偏离屏内fps感测区域615的位置，因为下面的光学传感器模块被置于外围不透明边框3220下方，而不是直接在屏内fps感测区域615下方。

将具有光学透射特征或区域的lcd屏部分3230部分地或完全地置于外围不透明边框3220下方以将探测光引导至lcd下光学传感器模块中的这种设计，称为“不可见”光学传感器设计。即使当设置一个或多个附加照明光4663或4661以照亮屏内fps感测区域615上方的区域以用于用户放置手指进行光学指纹感测和其他光学感测操作，该设计也可以隐藏lcd屏叠层的lcd屏部分3230中的局部透射特征或区域和下方的光学传感器模块，使其不可见。

该布置下，屏内fps感测区域615可以不用再置于lcd屏中的任何地方，而应在具有局部透射特征或区域的lcd屏部分3230的位置附近的lcd屏中，使得来自屏内fps感测区域615的、到达外围不透明边框3220下方的lcd屏部分3230的一部分光可以被引导穿过lcd屏以到达下面的光学传感器模块进行光学感测。在该设计的各种实现方式中，具有局部透射特征或区域的lcd屏部分3230被设计为提供从屏内fps感测区域615到lcd下光学传感器模块的一个或多个光接收路径(至少部分地被外围不透明边框3220覆盖)，以改善光学检测性能，同时屏内fps感测区域615的照明可以独立于该特殊设计而实现。例如，可以将一个或多个额外照明光4663或4661置于期望的位置处以将照明光引导至屏内fps感测区域615，而不必穿过具有局部透射特征或区域的lcd屏部分3230以到达屏内fps感测区域615。参考图38、图39和图40提供的一些示例。

上述设计中的具有局部透射特征或区域的lcd屏部分3230，至少部分地被外围不透明边框3220覆盖，可以应用于lcd下光学传感器模块的各种配置，以实现图32中的设计。例如，图4b中lcd下光学传感器模块，使用投影仪系统收集来自屏内fps感测区域615的光；或者，图6b、图7、图8a、图9和图10a中的成像系统，具有在至光学传感器阵列的光路中的位于lcd屏下方的透镜，以收集来自屏内fps感测区域615的探测光并将收集的探测光投射到光学传感器阵列；或者，图17所示的无透镜光学系统，使用光学准直器或针孔阵列收集来自屏内fps感测区域615的探测光，并将收集的探测光投射到光学传感器阵列；或者，图25至图31所示的针孔和针孔下方的透镜的组合，以接收来自针孔的传输的探测光，并将所接收的探测光聚焦到光学传感器阵列上进行光学成像。

返回参见图32，除了形成透射孔或比lcd屏的其他部分更多的透射区域外，由外围不透明边框3220部分或全部覆盖的具有局部透射特征或区域的lcd屏部分3230可以使用各种设计以增加lcd屏部分3230的光学透射。图33a、图33b和图33c示出了一个具体的示例，其中通过在修改的lcd屏部分3230中提供改善的光学透射，来修改lcd屏的外围部分以形成lcd屏部分3230，其中，作为示例，所示的下面的光学传感器模块4620使用图25中所示的针孔和透镜的组合以收集用于光学传感器阵列的光。

在该设计示例中，如图33a和图33b所示，lcd下光学传感器模块使用针孔4643和微透镜4621e一起形成光学系统，以收集来自顶部透明层431上的fps感测区域615的光，并将收集的光引导到光学传感器模块4620中的光学传感器阵列4623e上，以同时获得大视场和高成像分辨率。更多细节请参见图25至图31及相关描述。间隔物4621h可以是低折射率材料层例如空气间隙等，保护材料4623g可以是带通滤波器。图33b示出了设置盖板玻璃下的一个或多个额外照明光源4661，以照亮待检测手指，并且在从屏内fps感测区域615到lcd屏部分3230的光路中产生探测光至光学传感器模块。额外光源4663可以置于在光学传感器模块4620附近或正好在光学传感器模块4620的上方，以提供局部照明进行手指照明。这些光源还可以用作呼吸灯来指示光学传感器模块的操作状态。如后面章节所进一步解释的，其他光源，例如环境光源，也可以用作探测光源进行光学感测。

图33a、图33b和图33c示出了通过剥离lcd棱镜和漫射膜4433c和4433e的小部分，以及lcd棱镜和漫射膜4433c和4433e下面的其他层，来修改lcd屏的外围部分以形成lcd屏部分3230。漫射膜4433c和4433e和lcd棱镜的周边部分被去除以形成用于光学透射的空隙，以形成如图33a所示的修改的lcd棱镜和漫射膜5433c和5433e。该空隙用于在lcd层433b下方且在背光波导层4433f上方插入光学耦合器5617。该光学耦合器5617可以实现为具有锥状楔形部分的楔形光学耦合器，以延伸到剥离并修改的lcd棱镜与漫射膜5433c和4433e之间的空间中，并且该锥状楔形部分可以到达未被外围不透明边框3220覆盖的lcd屏区域3100，作为光路以更好地收集来自屏内fps感测区域615的光。相应地，光学耦合器5617包括顶部耦合器部件，其接收来自屏内fps感测区域615的光，并且向外围不透明边框3220的区域沿着倾斜光路路由接收到的来自屏内fps感测区域615的光，其中，隐藏的光学传感器模块4620被定位，以收集接收到的来自屏内fps感测区域615的光，以进行光学感测。该光学耦合器5617的此特征仅影响靠近外围不透明边框3220的lcd屏的小区域，因此对显示质量的影响不明显。在lcd层4433b的底面和光学耦合器5617的顶面之间形成薄间隔物5617a，其可以是，例如，软光学透明层或透明粘合剂层。同样，来自屏内fps感测区域615的探测光穿过薄间隔物5617a并且被光学耦合器5617收集并引导到背光波导层4433f。

剥离的lcd外围部分的另一种改进是，去除光学反射器膜层4433g的小外围部分作为改进的光学反射器膜层5433g，以暴露背光波导层4433f的底面以放置光学传感器模块4620。本示例中的光学传感器模块4620的顶面是针孔基板4621f，针孔基板4621f靠着背光波导层4433f的底面放置以接收由光学耦合器5617引导的光。在该示例中，从屏内fps感测区域615穿过顶部透明层431，通过触摸感测层4433a、lcd层4433b、间隔物5617a、光学耦合器5617和背光波导层4433f进入光学传感器模块4620的光路，不包括空气间隙。在其他实现方式中，上述光路中可以存在空气间隙。

图33b示出了基于lcd屏的外围部分的上述修改的lcd屏部分3230的一般几何形状，其中两种类型的额外照明光源4661和4663置于顶部透明层431下方且在背光波导层4433f上方。

图33c示出了除lcd屏部分3230的外围部分外，lcd屏的其他部分未被修改并且以其最初制造的位置示出。

图34示出了图33a至图33c中的设计的实现方式的示例，其中，光学传感器模块4620集成在lcd屏结构的一端的靠近背光光源434的位置处的lcd组件的下方。用于光学传感器模块4620的光路不在lcd显示器的工作区(例如，实际的lcd显示区域3100)内，因此光学传感器模块4620对观者隐藏在lcd不透明边界下方，并且基本不可见。在该示例中，修改的lcd反射器膜层5433g下方的lcd外壳4433h位于光学传感器模块4620上方并且在光学传感器模块4620处具有光学透明窗口，以使得收集的光进入光学传感器模块4620。

综上所述，用于能够通过光学感测检测指纹的电子设备(例如，智能手机、平板电脑等)的上述不可见光学传感器模块设计，是基于lcd屏的，该lcd屏提供触摸感测操作，并且包括用于显示图像的lcd显示面板结构和外围不透明边界，该外围不透明边界包围lcd显示面板结构的中心区域并覆盖lcd显示面板结构的窄外围边界。lcd显示面板结构包括背光模块，以产生背光，以在外围不透明边界内的lcd显示面板结构的中心区域中照亮lcd层显示图像。设置有一个或多个光学感测照明探测光源，用于产生探测光，照亮顶部透明层的感测区域以进行光学感测。lcd下光学传感器模块位于lcd屏下方且位于外围不透明边界的下方，以与lcd显示面板结构的中心区域在空间上偏移，以接收穿过lcd屏的返回的探测光以进行光学感测。lcd显示面板结构包括至少部分被外围边界覆盖且位于在光学传感器模块上方的区域内的一个或多个额外传输孔或区域，以允许探测光穿过lcd显示面板结构到达光学传感器模块以进行光学感测。在一些实现方式中，至少部分被外围边界覆盖的区域内的一个或多个额外传输孔或区域可以包括光学耦合器以传输光。在一些设计中，该光学耦合器可以置于lcd层下方以及lcd背光波导层上方，而光学传感器模块置于lcd背光波导层下方的lcd光学反射器膜的一部分被去除的位置或具有开口或空隙的位置。

六、指纹感测时利用lcd下光学指纹传感器感测手指皮肤下的形貌特征

在公开的lcd下光学感测的实际实现方式中，配备有光学指纹感测的电子设备中的用于指纹感测和其他感测功能的光学感测的性能可能因来自环境的不期望的背景光的出现而降低，环境中的部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光导致lcd下光学传感器模块中的光学检测器产生噪声信号，不期望地降低了光学指纹感测检测的信噪比。在一些情况下，这种背景噪声可能达到覆盖携带光学指纹信息或其他有用信息(例如，生物信息)的有用信号的信号电平的程度，并可能导致不可靠的光学感测操作，甚至导致光学感测的故障。例如，光学传感器模块处的不期望的背景光的来源之一可能是太阳的日光，并且太阳光的影响可能对于户外操作或在日光强烈的遮蔽环境中尤其成问题。又如，在具有所公开的光学指纹感测的设备的位置或其附近的位置处出现的其它光源，也可能导致光学传感器模块处的不期望的背景光。

通过减少能够进入光学传感器模块的不期望的背景光的量，或者通过增强携带指纹或其他有用信息的光学感测信号的光学信号电平，或者通过背景减少和增强光学感测信号电平相结合，可以减缓光学传感器模块处的背景光的不期望影响。在实现方式中，可以通过使用一个或多个光学滤波机制结合lcd下光学传感器模块来实现背景减少。在增强携带指纹或其他有用信息的光学感测信号的光学信号电平时，可以将一个或多个额外照明光源添加到设备中，以提供可以由来自lcd背光照明光源的lcd显示光单独控制的光学照明光。

使用用于光学指纹感测和其他光学感测功能的额外照明光源还可以在以下方面提供对各种特征的独立控制，包括提供照明光进行光学感测，例如：根据人体组织的光学传输特性选择与lcd显示光分开的照明光波长；为超出lcd显示光的光谱范围的光学感测操作提供照明；控制用于光学感测的照明模式例如与lcd显示光分开的照明的定时或/和持续时间；实现足够高的照明级别，同时保持功率的有效使用以延长电池操作时间(移动计算或通信设备的重要因素)；以及，有策略地将额外照明光源放置在特定位置，以在使用lcd显示光照明时，实现难以或不可能实现的照明配置，以进行光学感测。

另外，与检测手指的外表面上的二维空间图案的许多指纹感测技术不同，所公开的光学指纹感测技术可以实现为不仅采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案，而且还采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的指纹图案的内部拓扑特征。所公开的通过采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息的光学指纹感测，基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化的减小)的影响。因此，使用所公开的光学指纹感测，有利于通过采集与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息，提供鲁棒且可靠的光学感测。

在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供附加的感测功能或感测模块，例如生物医学传感器等，例如腕带设备或手表等可穿戴设备中的心跳传感器。总之，可以在电子设备或系统中提供不同的传感器以实现不同的感测操作和功能。

图35示出了与图32至图34中的示例相关的所公开的实现不可见lcd下光学感测设计的设备中存在的不同光信号。在图35所示的示例中，一个或多个额外光源4661被置于靠近顶部透明层431的顶部上方的光学感测区域615的lcd模块的一侧，以产生照明光进行光学感测，例如，穿过顶部透明层以照亮光学感测区域615处的触摸手指的照明光束5661a。来自照明光束5661a的光的一部分可以进入手指并被手指组织散射。散射光的一部分(例如5661b)透过手指进入fps感测区域615中的顶部透明层431，并且可由光学耦合器5617收集以通过光学传感器阵列4620感测。如下所详细解释的，从手指散射出进入顶部透明层431的散射光的部分5661b携带指纹信息，因此可以被检测以提取用户指纹信息。

图35还示出了位于光学传感器模块4620附近并在lcd模块下方的一个或多个照明光源4663。用于该照明光源4663的光可以穿过lcd模块被引导至顶部透明层431。返回参考图5a、图5b和图5c，来自光学感测区域615处的照明光源4663的光遇到手指脊61(例如光线80，201)和谷63(例如光线82，211和212)，引起来自与手指接触的顶部透明层431的顶面的脊61的反射181，205和206和谷63的反射185，213和214。来自不同位置的反射光线具有不同的信号幅度，因此印有指纹图案作为二维指纹图案。另外，来自顶部透明层431下方的每个入射光线的一部分进入手指，例如来自光线80的光线183、来自光线82的光线189、来自光线201的光线203和来自光线202的光线204，并被内部手指组织散射以产生朝向顶部透明层431的散射光191，散射光191可以被光学耦合器5617收集并被光学传感器模块4610接收。类似于图35中从手指散射出进入顶部透明层431的散射光的部分5661b，图5a和图5b中由来自照明光源4663的照明光的散射引起的散射光191携带指纹信息，从而可以检测该散射光191以提取用户指纹信息。

除了来自照明光源4661和4663的光之外，手指指尖处的入射光5662可以来自不同的光源，例如来自太阳光的环境光、灯的室内光、或其他源。入射光5662可以透射到手指组织中或通过手指皮肤的角质层传播以产生通过从手指组织散射的散射光。部分这种散射光(例如散射光线5662a)透过手指传播进入顶部透明层431，从而携带指纹信息。

因此，来自不同源的不同照明光束可以携带指纹信息并可以被检测以提取指纹图案。如下进一步所释，光学信号661b和5662a在不同皮肤条件下一直携带指纹信息，例如，皮肤是湿的、脏的或干的。因此，在lcd下光学传感器阵列4620处的光学信号5661b和5662a的检测可以改善指纹检测性能和指纹感测的可靠性。

当光遇到手指时，手指组织显示光在特定波长下的光学透射。因此，光学信号5661b和5662a通常是在该特定波长下的光。

图36a示出了在从约525nm到约940nm的几个不同光学波长下的典型的人类大拇指和小拇指的光学透射光谱轮廓的示例。对于短波长，例如波长小于610nm的波长，0.5％以下的环境光可以穿过手指。红光和近红外ir光具有更高的透射率。由于手指组织的散射，穿过手指的环境光传输至大范围的多个方向，从而可以与屏下光学传感器模块待检测的信号光混合。在太阳光下操作时，因为太阳光的光学功率较高，所以必须谨慎处理来自太阳光的不期望的环境光，以减少或最小化对光学指纹传感器性能的不利影响。返回参见图35，光学信号5661b和5662a处于650nm和950nm之间的光谱范围内，其中手指显示超过1％的光学透射。相应地，可以选择光源4661以产生在650nm和950nm之间的光谱范围内的光。光源4663也可以在该光谱范围内选择。

因此，如图5a至图5c和图35所示，入射照明光线可产生表示手指的相同二维指纹图案的两种类型的光学反射图案：由小入射角的入射照明光线形成的低对比度光学反射图案，其中手指脊和谷处没有全内反射；基于主要在手指谷处的全内反射的由大入射角的入射照明光线形成的高对比度光学反射图案。

来自内部散射光的透射光，例如图5a至5c中的散射光191和图35中的散射光5561b和5662a，由于它们通过手指的内部组织传播，并随后透过手指皮肤进入顶部透明层431，所以可以携带手指的光学透射图案，包含(1)指纹的外部脊和谷的二维空间图案，和(2)由于来自手指内侧的散射光的传播朝向手指皮肤并透过手指皮肤，与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案。因此，手指内的散射光可以通过光学传感器阵列来测量，并可以对测量结果进行处理以进行指纹感测。

需要注意的是，与产生手指的外部脊和谷的内部手指组织结构相关联的内部指纹图案基本上不受顶部透明层431的顶面的感测表面条件或手指的皮肤条件的影响(例如，脏的、湿的/干的或老化的手指图案)，并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案具有减小的脊-谷对比度、有点受损或者不适合提供光学反射图案中的足够指纹信息时，该内部指纹图案仍可以提供足够信息进行指纹感测。虽然外部指纹图案可以使用人造材料进行复制以侵入指纹感测，但是印在光学透射图案中的用户手指的内部指纹图案是极其难以复制的，因此可以在指纹感测中用作防欺骗机制。

图36b示出外部指纹图案的示例，由人的手指的外部脊和谷以及在皮肤下方且与外部脊和谷唯一相关联的内部手指组织形成。例如，参见holder等人的《指纹资料大全》第2章(美国司法部，司法办公室，国家司法研究所，华盛顿特区，2011年)。如图36b所示，内部组织包括手指皮肤下的具有形貌特征的乳头层，外部脊和谷源自该形貌特征形成，作为下面的形貌特征的表示。此外，内部组织还包括并非完全复制外部脊和谷的附加结构，例如内部主脊和次脊，连接主脊的汗腺和其他内部结构。如图36b所示，当探测光从手指的内部向外传播到手指皮肤时，探测光与手指皮肤下的内部组织交互，不仅携带与外部脊和谷形成的外部指纹图案相同的乳头层的二维指纹图案，而且携带外部脊和谷未携带的来自内部组织结构的附加形貌信息。来自内部组织结构的这种附加形貌信息不能从外部手指皮肤光学反射出的光学反射图案中获得。来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加形貌信息对于指纹感测是有价值的信息，而且是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下方的横向位置和距皮肤表面的深度(形貌信息)而变化。来自手指的内部组织结构的这种附加形貌信息可以用于，例如，区分自然手指与用与自然手指相似或相同的外部指纹图案制造的人造物体。

参考图36b，虽然仅示出了一束内部散射光，但不同的照明探测光束穿过皮肤下内部组织结构的不同部分，从而印有与该照明探测光束在不同方向上的不同光路相关联的不同的三维形貌信息。可以使用成像处理技术来处理由该不同照明探测光束携带的光学透射图案，以提取与皮肤下内部组织结构相关联的形貌特征。所提取的形貌特征可以被合成以构建与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示或再现，并且构造的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示可以用作指纹图案的唯一附加标识，并且可以用来区分用户的真手指的真实指纹图案与总是缺乏真手指下面的内部组织结构的伪造的指纹图案。具体地，随着不同方向上的不同照明探测光束的数量的增加，光学传感器模块可以采集关于皮肤下内部组织结构的更为详细的形貌信息。在使用指纹对设备进行安全访问时，指纹识别过程可以设计为，结合二维指纹图案的识别和提取的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织的三维表示或再现的附加检查，以确定是否授权访问。所提取的形貌特征和构造的与指纹图案相关联的皮肤下内部组织结构的三维表示或再现可以是防欺骗机制，并且可以单独使用，也可以与其他防欺骗技术组合使用，以增强指纹感测的安全性和准确性。

所公开的光学指纹感测技术采集手指的内部组织结构的附加形貌信息的一种方式是，通过在不同方向上引导不同的照明探测光束，以检测由手指皮肤下的内部组织结构产生的叠加在二维指纹图案上的不同光学阴影图案，这对通过不同方向上的不同照明探测光束的照明获得的所有图像来说是常见的。

图37a示出了两个额外照明光源x1和x2，沿着x方向被置于顶部透明层431上的指纹感测区域的两个相对侧上，以便可以将两个不同的照明探测光束以相对方向引导至手指。由于其相对于手指皮肤下的内部组织结构的不同照明方向，来自两个照明探测光束的图像携带相同的二维指纹图案，但具有不同的图像阴影图案。具体地，图37中第一额外照明光源x1沿着x方向被置于指纹感测区域的左侧，使得来自第一额外照明光源x1的第一照明探测光束从左边到右边。

现在到图37b中，由于与手指皮肤下的内部组织结构的交互，第一额外照明光源x1的照明导致oled下光学传感器阵列处的第一指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝x方向的右侧偏移。由于与手指皮肤下的内部组织结构的交互，右侧的第二额外照明光源x2的照明导致oled下光学传感器阵列处的第二指纹图像中出现阴影图案，并且该阴影图案在空间上朝x方向的左侧偏移。在该技术的实现方式中，例如，在y方向或其他方向上，可以添加附加的额外照明光源。

在该示例中，来自第一额外照明光源x1的第一照明方向上的第一照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。同样，来自第二额外照明光源x2的第二照明方向上的第二照明探测光束通过手指的组织内部的散射而产生第一散射探测光，传播与手指的脊和谷相关联的内部组织，以携带(1)第二二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。两个额外照明光源x1和x2在不同的时间依次打开，使得光学传感器阵列可以被操作为，检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第一散射探测光的透射部分，以便采集第一二维透射图案和第一指纹形貌图案，然后采集第二二维透射图案和第二指纹形貌图案。图37b中所示的阴影图案嵌入在所采集的2d指纹图案中，并且是与特定方向上的手指的脊和谷的内部组织的照明相关联的指纹形貌图案的一种形式。

在各种实现方式中，两个或两个以上额外照明光源可位于光学传感器模块外部的不同位置处以产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定的指纹感测区域。由于该技术基于探测光透过手指组织的能力，所以每个额外照明光源应该被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于该光谱范围呈现光学透射，以允许探测光进入用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，散射的探测光向顶部透明层传播并穿过顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由通过手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。探测照明控制电路被耦合以控制额外照明光源在不同时刻产生不同照明探测光束时按顺序打开和关闭，每个时刻产生一束照明探测光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以按顺序检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，以采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。

图37b中公开的技术的一个显著特征在于照明布置、光学检测和信号处理的简单性，这种简单性可以带来：紧凑的光学传感器封装用于需要紧凑型感测设备封装的移动和其他应用；以及实时处理，因为检测和后续处理是简单操作，可以高速实现且无需复杂的信号处理。用于采集三维图像的各种光学成像技术需要复杂的光学成像系统和复杂且耗时的信号处理，例如基于复杂的光学相干层析(oct)数据处理例如快速傅里叶变换(fft)等的oct成像，以及其他的不适用于智能手机和其他移动设备中的三维光学指纹感测。

在上述示例中，用于获得手指的光学透射图案的照明光可以来自与lcd显示屏分离的照明光源。另外，在手指的光学透射光谱带内(例如，650nm和950nm之间的光学波长)并穿透手指的环境光或背景光的一部分也可以被引导至oled下光学传感器阵列，以测量与手指的指纹图案相关联的光学透射图案。取决于环境光或背景光的强度(例如，自然日光或太阳光)，可以在到光学传感器模块的光路中提供光学衰减，以避免光学传感器阵列处的检测饱和。在使用环境光或背景光的一部分来获得光学感测中手指的光学透射图案时，可以实现适当的空间滤波以阻挡透过手指的环境光进入光学传感器模块，因为这样的环境光中不携带内部指纹图案，可能会对光学传感器模块中的光学检测产生不利影响。

因此，所公开的光学指纹感测可以使用穿过手指的透射光来采集手指的光学透射图案，其中具有与手指皮肤下的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息。光的传输是通过手指组织和手指皮肤的角质层进行的，因此该光的传输通过指纹脊区域和谷区域引起的手指皮肤内的内部结构变化印有指纹信息，并且这种内部结构变化表现为，由手指组织吸收、折射和反射，由手指皮肤结构阴影，和/或由手指皮肤处的光学反射差异造成的在不同照明方向上具有不同亮度图案的光信号。该光学透射图案基本上不受手指与设备的顶部触摸表面之间的接触条件(例如，脏的接触表面)和外部手指皮肤状况的条件(例如，脏的、干的或湿的手指，或者某些用户例如老年用户等的手指的脊和谷之间的外部变化减小)的影响。

当在实现所公开的技术时提供额外光源用于光学感测时，光学感测的照明功率不再受来自lcd显示光的光学功率限制。这种额外光源可以设计成提供足够照明进行光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测到的手指是否是活体手指时，额外光源的使用可以带来灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色led和近红外irled可以用作额外光源，以辅助活体手指检测，如参照图14和图15所释，其中，手指组织强力吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近红外ir光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。

图38、图39和图40示出了用于放置照明光源以获得如图36a和图36b所示的光学透射图案的具体示例。

在图38中，至少一个额外照明光源971a被置于显示面板和顶部透明层431上方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。两个或两个以上这样的光源971a可以如此放置。

图43进一步示出，额外照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方以获得光学反射图案并贡献到光学透射图案中。额外光源971被组装在光学传感器模块4620中或附近，并且通常位于由顶部透明层431提供的指定的指纹感测区域下方。具体地，在该示例中，两个或两个以上额外光源971被置于光学传感器模块4620的外部并且在封装壁600b的外部。每个额外光源971可以是一个光源或包括多个光源，例如led光源。额外光源971可以被操作为以一个单一波长或多个波长(例如，绿色led、红色led、近红外irled)发光。额外光源971可以被调制以产生调制的照明光，或被操作为在不同的阶段打开进行发射。在每个额外光源971的输出端口，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与lcd显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，以允许来自额外光源971的探测光973耦合到盖板431表面的朝向手指的显示器中。在一些实现方式中，可以期望避免显示器中的探测光973的大输出角度，并且耦合材料972可以配置为限制探测光的数值孔径。耦合材料972可以是空气间隙等低折射率材料，并且可以构造为具有期望的输出孔径，限制显示器中的探测光973的输出角度。

lcd显示模块433将探测光束973散射到各个方向。一些散射光977以大角度向光学传感器模块4620传播，并且不太可能进入光学传感器模块，这是因为光学传感器模块的接收光学器件的小孔径的吸收或阻挡。一些散射光977a向远离光学传感器模块的孔径的其他方向传播，因此不影响光学感测。需要注意的是，来自每个额外光源971的探测光973的一部分穿过lcd模块433作为朝向顶部透明层431的顶面的探测光975。该探测光975可以以两种方式与顶部盖板431上的手指交互以进行光学指纹感测。首先，探测光975的一部分可以如图5a、图5b和图5c所释的被反射回光学传感器模块，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。其次，通过如参考朝向lcd下光学传感器模块的散射光191的图5a和图5b中所释的光学透射，探测光975的另一部分可以耦合至手指60a，以携带与图36a和图36b所释的指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案。手指60a中的组织对探测光975进行散射，以在各个方向上产生散射的探测光979，包括具有用于光学指纹感测的光学透射图案的背向散射探测光981。背向散射探测光981背向传播穿过顶部透明层431，朝向光学传感器模块进入lcd模块433。lcd模块433对背向散射探测光981进行折射或散射，其中一部分变为探测光组分983，可以由光学传感器模块4620中的光电检测器阵列进行检测。

图38进一步示出了存在于设备处的背景光通常可以包括不同的两部分：入射到手指60a的环境光或背景光937，和入射到顶部透明层431而未进入手指60a的环境光或背景光937c。由于环境光或背景光937传播到手指60a中，所以手指组织将接收到的背景光937散射为不同方向的散射背景光937b，并与探测光979混合。散射背景光937b中的一些散射光939通过手指60a传播回光学传感器模块4620。未穿过手指60a的环境光937c的一部分如果被允许进入光学传感器模块4620，则可能对光学传感器模块4620的光学感测操作产生不利影响。因此，期望通过光学滤波、接收光学器件的设计或控制光学传感器模块的操作和信号处理，以减少或消除进入光学传感器模块4620的环境光的量。

如图36b所示例的，散射背景光937b中的散射光939通过手指60a向光学传感器模块4620传播，由于与包括与手指的外部脊和谷相关联的内部组织的手指的交互，因此携带光学透射图案。在一些实现方式中，来自环境光或背景光的这种光939可基于其光学透射图案被检测以进行光学指纹感测。

在图39中，至少一个额外照明光源971b被置于顶部透明层431下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971a可以这样放置。图39进一步示出，额外照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方。

在图40中，至少一个额外照明光源971b被置于显示面板下方并且远离设计的指纹感测区域，以将照明光束937引导至顶部透明层431上方的指定的指纹感测区域中的手指的一侧，以进入手指并在手指内部引起散射，这对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的信号981的一部分有贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与顶部透明层431下方的显示面板并排放置。两个或两个以上这样的光源971a可以如此放置。图40进一步示出，额外的照明光源971也被置于指定的指纹感测区域下方。

当提供额外照明光源进行光学感测时，光学感测的照明功率可以独立于来自背光源的lcd显示光的光学功率被控制。这种额外光源可以设计成提供足够照明进行光学感测，以改善光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外光源可以在短时间内以高输出功率闪光，以获得最佳检测。此外，在确定检测到的手指是否是活体手指时，额外光源的使用可以带来灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色led和近红外irled可以用作额外光源，以辅助活体手指检测，其中，手指组织强力吸收绿色光，使得手指图像呈现出期望的大亮度梯度，并且近红外ir光穿过手指并将其全部照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。又如，通过穿过与外部手指脊和谷相关联的内部组织的探测照明光的光学透射，基于光学透射图案可以使用额外照明光源来提供光学指纹感测。

图41a示出了基于图36b中的设计，在指纹感测区域的相对侧的两个正交方向上放置4个额外照明光源的示例。该示例是能够通过光学感测检测指纹的电子设备的一种实现方式，该电子设备包括：显示面板，包括发光显示像素，其操作为发光以显示图像；顶部透明层，形成于该显示面板之上，作为用于用户触摸操作，并传输来自该显示面板的光以显示图像的界面，顶部透明层包括指定的供用户放置手指进行指纹感测的指纹感测区域；以及光学传感器模块，位于显示面板下方且在顶部透明层上的指定的指纹感测区域的之下，用于接收由该发光显示像素中的至少一部分发出的并从该顶部透明层返回的光以检测指纹。光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，用于将来自显示面板的携带用户的指纹图案的返回的光转换成表示指纹图案的检测器信号。该设备还包括额外照明光源，位于光学传感器模块外部的不同位置处以产生不同照明探测光束，以在不同照明方向上照射顶部透明层上的指定的指纹感测区域。每个额外照明光源可以被构造为在光谱范围内产生探测光，人类手指的组织相对于该光谱范围呈现光学透射，以允许每个照明探测光束中的探测光进入顶部透明层上的指定的指纹感测区域上方的用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生散射的探测光，散射的探测光向顶部透明层传播并穿过顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由通过手指的脊和谷的内部组织的透射引起的、分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。探测照明控制电路被耦合以控制额外照明光源在不同时刻产生不同照明探测光束时按顺序打开和关闭，每个时刻产生一束照明探测光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以按顺序检测来自不同照明探测光束的散射的探测光，以采集(1)指纹图案信息，以及(2)分别与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。

用于获得光学透射图案的额外照明光源的具体实现方式可以随设计变化。图41b示出了用于操作具有显示面板的各种设备的操作流程，可以在oled、lcd等各种配置中实现。图42b中的方法或操作包括操作电子设备，以通过光学感测来检测指纹，该电子设备包括：显示面板，用于显示图像；顶部透明层，形成于该显示面板之上，作为用于用户触摸操作，并传输来自该显示面板的光以显示图像的界面；以及光学检测器的光学传感器阵列，位于显示面板下方。

图41b示出了第一照明探测光束被引导以在第一照明方向上照亮顶部透明层上的指定的指纹感测区域，并进入指定的指纹感测区域上的用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生第一散射探测光，通过手指的脊和谷的内部组织的透射，朝向并穿过顶部透明层，以携带(1)第一二维透射图案，表示由手指的脊和谷形成的指纹图案，以及(2)第一指纹形貌图案，与第一照明方向上手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第一二维透射图案内。在第一照明探测光束的照射下，光学传感器阵列被操作为，检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第一散射探测光的透射部分，以便采集(1)第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案。

接下来，在打开第一照明光源时，第二照明探测光束被引导以在不同的第二照明方向上照亮顶部透明层上的指定的指纹感测区域并进入用户手指，以通过手指内部的组织的散射而产生第二散射探测光，通过手指的脊和谷的内部组织的透射，朝向并穿过顶部透明层以携带(1)第二二维透射图案，表示指纹图案，以及(2)第二指纹形貌图案，与第二照明方向上的手指的脊和谷的内部组织的照射相关联，并被嵌入第二二维透射图案内。由于第一和第二照明探测光束的光束方向不同，所以第二形貌图案与第一形貌图案不同。在第二照明探测光束的照射下，光学传感器阵列被操作为，检测穿过顶部透明层和显示面板到达光学传感器阵列的第二散射探测光的透射部分，以采集(1)第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案。

随后，根据第一透射图案和第二透射图案构造检测到的指纹图案，并且处理第一指纹形貌图案和第二指纹形貌图案以确定检测到的指纹图案是否来自自然手指。

对于图32a和图32b中的不可见lcd下光学传感器模块设计，屏内fps感测区域615位于lcd显示器的边缘处。相应地，基于图36b中的设计，通过在不同方向上按顺序地照亮手指来实现感测的一种方式是，在指纹感测区域的相对侧的两个相对方向上使用两个额外照明光源。这在图32a中示出，其中两个额外照明光源x1和x2被置于屏内fps感测区域615的两侧以进行顺序测量。

七、lcd显示器一侧上的光学指纹传感器

光学指纹传感器封装可用于将光学指纹传感器的一个或多个光电二极管阵列设置在显示屏区域外的一个或多个显示侧或边缘位置处，使得光学指纹传感器模块部分或全部在显示屏区域外。在这种视觉光学指纹传感器封装中，窗口或部分透明的涂层或盖板可用于检测器阵列。以下提供了这种设计的若干示例，并且这些示例可以用于实现本专利文件中公开的各种技术特征，包括例如透镜-针孔成像设计。

图1示出了移动设备中的可见光学指纹传感器封装的示例，其具有与可见的光学指纹传感器封装相关的特征的三个不同视图。图42包括图42a(移动设备的显示侧的俯视图)、图42b(沿图42a中的线b-b’的侧视图，以示出指纹传感器中的不同层)和图1c(示出了指纹传感器的光学检测器布置的示例的一些细节)中的三个不同视图。参见图42a，移动设备的该示例包括具有集成的手指特性传感器部件的显示组件10。显示组件10包括可以通过lcd屏、oled屏或其他显示屏设计实现的显示屏。显示组件10中的显示屏可以是触敏屏，用于在操作移动设备时提供触摸感测用户界面。参见图42b，显示组件10包括顶部上的增强盖板玻璃50，以及设置在增强盖板玻璃50下方的用于显示屏的其他显示层54。如图42a所示，附图标记12指示另一传感器的位置的一个示例，并且两个或两个以上的其他传感器可以置于指纹传感器之外的移动设备上。移动设备还可以包括可选的用户输入机制，例如为智能终端准备的侧按钮14，16。附图标记21表示指纹传感器所在的指纹传感器区。在一些指纹传感器实现方式(图42c)中，附图标记23表示与指纹传感器相关联的检测器阵列。指纹传感器区21位于显示组件10的显示屏外的选定位置，以允许用于采集指纹的指纹传感器区21内的光学检测器能够接收来自用户手指的反射或散射光，以进行指纹感测操作。如图42b中的插图所示，设置在光学检测器阵列23上方的是接收光学器件24(例如，光学透镜或光学准直器)，其是用于检测从诸如手指的目标反射的光的光学检测器。光电检测器阵列23上方的接收光学器件24可以是各种配置，例如，在一些设计中，其可以包括一个或多个透镜、没有透镜的光学准直器或者将透镜和准直器进行组合。如图42b所示，具有集成电路的背板25设置在检测器阵列23下方。在一些实现方式中，检测器阵列23可以集成到背板25中。背板25可以设置在柔性印刷电路(fpc)27上。对于图42a和图42b中所示的具体设计，其中，用于光学指纹感测的光学检测器阵列23置于显示屏结构54的一端，支撑玻璃56可以设置在盖板玻璃50下方的光学指纹传感器模块的另一侧，用于加强光学指纹传感器模块区域处的整体组件的机械强度，并提高整个封装的结构完整性。对于使用具有高强度材料或具有足够厚的玻璃的盖板玻璃50的设备，可以去除该支撑玻璃56。

返回参考图42a，位于显示组件10的显示屏内的指纹传感器区21附近的是用于指纹检测的特定显示区29，用户在其上放置用户手指，以基于下方指纹传感器的光学指纹感测进行指纹检测。该用于指纹检测的特定显示区29是显示屏的一部分，因此，用于显示图像和接收来自用户的手指的指纹图案。作为显示屏的一部分的用于指纹检测的特定显示区29位于显示组件10的显示屏外的指纹传感器区21附近，使得来自按压显示区29的手指的照射部分的反射或散射的光可以进入指纹传感器区21，到达光学检测器阵列23，以进行光学感测操作。如图42b所示，光路窗口31设置在接收光学器件上方并靠近设备显示器内的特定显示区29，以进行指纹检测。检测器阵列23包括布置在不同检测器区中的多个检测器元件，不同检测器区包括：指纹检测区33，位于检测器阵列23的中心区域中，用于指纹和指纹特性检测；以及一个或多个附加的检测器区41和43，用于其他光学感测功能，其中，如图42c所示，附加的检测器区41和43可以是用于环境和血流速度检测的环境和血流检测器区41和43。另外，在一些实现方式中，附图标记37和39表示可以置于增强的盖板玻璃50上方的附加的特定区，用于其他光学感测操作，例如血流速度检测。在一些实现方式中，附加的感测区37和39中的每一个可以包括显示屏结构54中的一块显示像素，其可以操作以产生期望的用于附加的光学感测的照明，例如，发射红光或期望的光谱的光，照亮用户手指以感测血流速度或葡萄糖水平。该设计表示一个示例，其中，发光触摸屏(例如oled触摸屏)包括：指纹感测区29，供用户触摸进行指纹感测，以生成由用于检测指纹的光学检测器阵列接收的返回的光；以及在区29的两个相对侧上的第一光学感测区37和第二光学感测区39，用于提供除指纹感测之外的附加的光学感测。

如图42b所示，这种特定的光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，其他的指纹传感器设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，像一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在图42b所示的设计下，指纹传感器区21和相关联的用于检测指纹感测和其他光学信号的光学检测器传感器模块23位于顶部盖板玻璃或层50下方，使得盖板玻璃或层50的顶面用作移动设备的顶面，作为连续且完整的玻璃表面，横跨显示组件10的显示屏(包含在显示屏边缘附近用于指纹检测的特定显示区29)和指纹传感器区21以及相关联的光学检测器传感器模块23。这种将光学指纹感测和触敏显示屏集成在公共且完整的表面下方的设计提供了诸多益处，包括提高了设备集成度、改善了设备封装、增强了设备的抗故障和抗磨损能力以及增强了用户体验。该特征也存在于本文件中所公开的技术的其他实现方式中。然而，在指纹的光学感测和其他感测操作的一些实现方式中，光学传感器模块可以以独立的设备配置封装，其中，光学传感器模块是与显示屏之间有结构边界或分界的独特结构，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指纹传感器结构，该结构基于所有光学感测或具有电容感测和光学感测的混合感测。

这种光学指纹传感器可以用在许多具有显示器或类似光源的设备中。图42中的光学感测基于用户手指的照明。可以使用不同的照明机制。例如，在一些实现方式中，显示屏的显示元件位于光学感测的显示屏内的图42a中的几个区域29，37，39内，用于可用于照亮用户手指。来自显示屏的这些显示元件的光用于在显示屏上形成显示图像的一部分，作为移动设备操作的一部分，并且光在透过屏幕的顶层后，照亮用户手指，使得来自照射手指的反射或散射的光允许通过检测器阵列23和其他检测器41，43，37和39进行光学感测。一种用于实现所公开的光学传感器技术的合适的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括：具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成光，用于在有机发光二极管(oled)显示屏或电致发光显示屏等屏幕上形成显示图像。所公开的光学传感器技术还可以适用于与其他显示屏一起使用，例如lcd显示屏，其使用一个或多个照明光源(例如led)以背光或边缘照明配置产生照明光，以照亮lcd显示像素，该lcd显示像素过滤和调制每个lcd像素处的照明光，以显示图像。

当显示器照明光用于照亮用户手指，以进行用户的指纹或其他生物特征参数的光学感测时，来自显示器的光包含不同的颜色，例如红光(575nm-660nm)、绿光(490nm-575nm)和蓝光(410nm-490nm)，该光可以由显示像素(例如oled显示像素)直接发射，或者可以通过显示像素(例如基于背光或边缘光设计的led显示像素)进行光学滤波。对于除指纹之外的光学感测，例如血流速度或心跳速率，可以在某些光学波长下选择照亮用户手指的光的光学波长，例如，在红色光谱中感测用户的血液，以获得心跳速率、氧气水平、血糖水平等。在oled显示屏中，每个显示器颜色像素至少包括三种不同颜色的oled像素，并且来自红色oled像素的红光可以测量用户的血液信息。

几个集成的检测器阵列23，33，41，43(例如光电二极管)可用于检测从手指组织散射的光，并检测环境中的光。检测器阵列23，33，41，43可以靠近特定显示区29，37，39放置和封装，以提高光检测效率。由于图42中示出的指定显示区的位置取决于应用和具体设备设计，所以，这些位置可以根据如图42a中所示的示例性位置进行修改，并且可以置于显示组件10上的其他合适位置处。

在各种实现方式中，一个或多个其他光源可以用于产生光，照亮用户手指，以光学地感测用户的指纹或其他生物特征参数。这种用于光学感测的光与显示器照明光不同且分离，该显示器照明光由显示像素(例如oled显示像素)发射，或者从照明光源引导向显示像素(例如基于背光或边缘光设计的led显示像素)。用于光学感测的一个或多个光源可以集成到图42中的显示器或移动设备中，用于为用户手指提供特殊照明以进行光学感测。可以选择这种用于光学感测的光源的光学波长，以满足光学感测要求。例如，可以使用一个或多个红色光源将红光照射到用户手指上，以对用户的血液信息进行光学感测。可以调制来自这些其他光源的照明光，以改善光学感测检测。例如，可以利用合适的图案调制显示器光源，以便在检测期间拒绝背景光。传感器模块可以检测指纹、心跳和血流速度等。如果指定波长的光源被集成到显示器中，则传感器模块可以监测其他生物参数，例如葡萄糖和血氧饱和度。

图43示出了用于诸如图42的移动设备的移动设备的指纹感测模块的示例。具有集成的手指特性传感器的显示组件10包括用于指纹检测的特定显示区29。附图标记62表示按压传感器的手指。与图42类似，设置在特定显示区29附近的检测器阵列23包括多个检测器元件，其包括指纹检测器区33中的检测器元件，用于响应于按压传感器的手指62的指纹感测和指纹特性检测。检测器阵列23还包括环境和血流区41和43中的检测器元件，用于环境和血流速度检测。检测器阵列23的检测器元件的示例包括光学设备，例如光电二极管、ccd感测像素或cmos感测像素。

特定区29中的显示元件可用于提供部分照明以进行指纹感测，并且区33中的检测器元件用于测量指纹。区41或43，或41和43中的检测器元件用于监测环境光照明。特定区29中的显示元件以适合于指纹、环境和血流检测的一种或多种模式形成。例如，区29中的显示元件可以分成小组，每组具有适当数量的检测器元件。可以依次打开检测器元件的小组，以照亮置于传感器区上或靠近传感器区的手指。检测器阵列23中的检测器元件检测从手指散射的散射光91。来自区33中的检测器阵列23元件的检测器信号携带指纹信息。来自区41，43或两个区中的检测器元件的检测器信号用于校准来自区33的指纹信号，以便消除包括来自其他显示区影响的环境光的影响。

图44是用于心跳感测的可见封装中的示例性指纹感测模块的框图。该指纹感测模块包括具有集成的手指特性传感器部件的显示组件10。检测器阵列23设置在显示组件附近，并且被定位成接收由手指62接触顶部盖板表面引起的反射或散射光。将用于指纹检测的特定显示区29指定在靠近检测器阵列23的显示屏内位置处的显示组件10上。响应于触摸，显示区29中的显示像素被打开，向显示器的顶部盖板表面投射光，以照亮显示区29内的顶部盖板表面区域，从而照亮用户手指62。来自与显示区29中的顶部盖板表面接触的用户手指62的反射或散射光的一部分可以到达附近的检测器阵列23。检测器阵列23包括指纹检测器区33中的检测器元件，用于指纹和指纹特性检测。区41和43中的检测器元件用于环境和血流速度检测。

为了检测心跳信号，同时打开更多的显示元件，以产生足够的入射光能量用于心跳信号的光学感测。手指组织光吸收率随着由心跳控制的血流而变化。光吸收波动信号反映了心跳速率。在所公开的技术中，可以选择由显示元件发射的光的光波长，以优化检测。而且，可以以一定频率调制光照明，以进一步减少环境的影响。例如，特定显示区域可以以非常高的帧速率进行操作，以便实现该调制。在一些实现方式中，可以调制显示器的光源。在一些实现方式中，额外调制光源可以集成到显示组件10中。通过区分假指纹和来自活体手指的指纹，在指纹获取的同时进行心跳感测可以极大地改善移动设备的安全访问。

图45示出了用于血流速度感测的可见封装中的示例性指纹感测模块。该指纹感测模块包括具有集成的手指特性传感器部件的显示组件10。检测器阵列23设置在显示组件附近，并且被定位成接收待监测的手指。检测器阵列23包括指纹检测器区33中的检测器元件，用于指纹和指纹特性检测。区41和43中的检测器元件用于环境和血流速度检测。显示组件10还包括显示屏区域内的给定区37和39，用于血流速度检测。

图45中，指纹传感器组件被构造为接收传感器区域101上手指，手指的一侧与区37和39中的显示元件重叠，另一侧与区41和43中的检测器(例如光电二极管)重叠。区37中的显示元件和区41中的检测器协作，以测量手指的一个位置处的脉冲信号。区39中的显示元件和区43中的检测器协作，以测量手指的另一个位置处的脉冲信号。脉动信号在动脉中产生。如图所示，操作时，手指可以沿着两个区37和39的方向放置。在左区37和右区39处检测动脉中流动的血液，表示血液从左区37流向右区39。当血液从右区39流回到左区37时，血液在静脉中流动并且没有明显的脉动信号。通过比较两个位置37和39之间的脉动延迟时间，可以获取血流速度信息。由于血压与血流速度相关，所以，图45中所示的传感器还可以监测血压。

虽然本专利文件包含许多细节，但是不应将这些细节解释为对任何发明或可要求保护的范围的限制，而应解释为对特定发明的特定实施例的特有的特征的描述。本专利文件中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的变形来实现。此外，尽管上文可以将特征描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是在一些情况下，来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以从组合中删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按相继顺序次序执行，或者执行所有所示的操作以实现期望的结果。此外，在本专利文件中描述的实施例中的分离的各种系统组件不应理解为在所有实施例中都需要这种分离。

本文仅描述了几个实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实施例、改进和变化。