利用屏下光学传感器模块对指纹进行三维光学形貌感测
阅读：965发布：2023-12-21
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1.一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：
显示图像的显示面板；
顶部透明层，形成于所述显示面板上方，作为用户触摸操作的界面，和用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面，所述顶部透明层包括指定指纹感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；
光学传感器模块，位于所述显示面板下方以及所述顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，用于接收来自所述顶部透明层的光以检测指纹，其中所述光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，以将接收到的携带所述用户的指纹图案的光转换为表示所述指纹图案的检测器信号；
额外照明光源，位于所述光学传感器模块外部的不同位置，用于产生不同的照明探测光束，以在不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为产生对应于人类手指的组织呈现光透射的光谱范围内的探测光，以允许每个照明探测光束中的探测光在所述顶部透明层上的指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过所述手指内部组织的散射产生散射探测光，所述散射探测光朝向所述顶部透明层传播，并穿过所述顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射形成的、分别与所述不同照明方向相关联的不同的指纹形貌信息；以及探测照明控制电路，被耦合以控制所述额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时刻生成不同照明探测光束，一次一个光束，使得位于所述显示面板下方的所述光学传感器模块可操作以依次检测来自所述不同照明探测光束的所述散射探测光，以分别采集(1)所述指纹图案信息，以及(2)与所述不同照明方向相关联的所述不同的指纹形貌信息。
2.如权利要求1所述的设备，其中：
额外照明光源发射590nm至950nm之间的探测光，其中人类手指呈现光学透射。
3.如权利要求1所述的设备，其中：
所述额外照明光源位于所述顶部透明层下方以及所述光学传感器模块上方，用于引导所述不同照明探测光束穿过所述顶部透明层，以照亮所述指定指纹感测区域上方的手指。
4.如权利要求1所述的设备，其中：
所述额外照明光源位于所述顶部透明层上方，用于引导所述不同照明探测光束穿过所述顶部透明层上方的空间，以照亮所述指定指纹感测区域上方的手指。
5.如权利要求1所述的设备，其中：
所述额外照明光源位于所述顶部透明层下方以及所述光学传感器模块上方，用于引导所述不同照明探测光束穿过所述顶部透明层，以照亮所述指定指纹感测区域上方的手指。
6.如权利要求1所述的设备，其中：
每个额外照明光源还以第二不同波长发射第二探测光；以及
所述设备包括控制器，所述控制器用于处理来自感测所述探测光的所述光学传感器模块的光学检测器信号，以及所述第二探测光，以确定检测到的指纹是否来自活人的手指。
7.如权利要求1所述的设备，其中：
所述额外照明光源包括第一照明光源和第二照明光源，第一照明光源和第二照明光源被放置在相对于所述顶部透明层上的指定指纹感测区域的相反方向上，使得来自第一和第二照明光源的所述照明探测光束在相反方向上被引导到所述指定指纹感测区域。
8.如权利要求1所述的设备，包括：
附加的额外照明光源位于所述显示面板下方以及所述顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，用于产生附加的照明探测光束，以照亮所述指定指纹感测区域，以在与所述指定指纹感测区域接触的用户手指处引起朝向所述光学感测模块的光学反射，以用于指纹感测。
9.如权利要求1所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括：
针孔层，位于所述显示面板和所述光学传感器阵列之间，被构造为包括针孔，所述针孔被构造成在收集光时产生大的光学视场并向所述光学传感器阵列传输所述收集到的光，以及
透镜，位于所述针孔层和所述光学传感器阵列之间，用于接收来自所述针孔的透射光，并将所述接收的光聚焦到所述光学传感器阵列上，与没有所述透镜而使用所述针孔将光投射到所述光学传感器阵列上时的较低空间成像分辨率相比，所述透镜以增强的空间成像分辨率在所述光学传感器阵列处进行光学成像。
10.如权利要求1所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括位于所述显示面板和所述光学传感器阵列之间的光学准直器阵列，用于收集光并将所述收集的光引导到所述光学传感器阵列。
11.如权利要求10所述的设备，其中所述光学传感器模块还包括：
光学衍射器，位于所述光学准直器和所述显示面板之间，通过将返回的探测光衍射为有角度的探测光，以进入所述光学准直器，同时减少垂直于所述显示面板并进入所述光学准直器的返回的探测光的量。
12.如权利要求10所述的设备，其中：
所述光学准直器是在垂直于所述显示面板的方向上的细长通道，并且所述光学准直器和显示器之间的光学层被构造为，引导有角度的探测光基本垂直于所述显示面板进入所述光学准直器，同时引导垂直于所述显示面板的所述探测光的一部分远离所述光学准直器的方向。
13.如权利要求1所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括将光收集到所述光学传感器阵列上的透镜。
14.如权利要求1所述的设备，其中：
每个所述额外照明光源被构造成为以不同于所述探测光的波长的第二探测波长发射第二探测光；以及
所述光学传感器模块被构造为测量以不同波长返回的探测光，以确定所述指纹图案是否来自活人的手指。
15.如权利要求1所述的设备，还包括：
一个或多个光学滤波器，置于所述顶部透明层的顶面和所述光学传感器模块的光学传感器阵列之间，以阻挡或减少进入所述光学传感器阵列的环境光的量。
16.如权利要求15所述的设备，其中：
所述一个或多个光学滤波器被设计为滤除红外光或UV光。
17.如权利要求1所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括形成于所述光学传感器阵列的侧面上的侧壁，以阻挡以大入射角进入所述光学传感器阵列的环境光。
18.一种操作电子设备通过光学感测检测指纹的方法，其中所述电子设备包括显示图像的显示面板，形成于所述显示面板上方、作为用于用户触摸操作和用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面的顶部透明层，以及位于所述显示面板下方的光学检测器的光学传感器阵列，所述方法包括：
引导第一照明探测光束在第一照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，以在所述指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过手指内部组织的散射产生第一散射探测光，所述第一散射探测光朝向所述顶部透明层传播，并穿过所述顶部透明层，通过透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射以携带(1)表示由所述手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，所述第一指纹形貌图案在所述第一照明方向上与所述手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在所述第一二维透射图案内；
操作所述光学传感器阵列以检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第一散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第一二维透射图案、以及(2)所述第一指纹形貌图案；
关闭第一照明光源的同时，引导第二照明探测光束在第二不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，并进入用户手指，通过手指内部组织的散射产生第二散射探测光，所述第二散射探测光朝向并穿过所述顶部透明层，通过透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射以携带(1)表示所述指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，所述第二指纹形貌图案在所述第二照明方向上与所述手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在所述第二二维透射图案内，其中因为第一和第二照明探测光束的不同光束方向，第二形貌图案不同于第一形貌图案；
操作所述光学传感器阵列检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第二散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第二二维透射图案、以及(2)所述第二指纹形貌图案；
从第一和第二透射图案构建检测到的指纹图案；以及
处理第一和第二指纹形貌图案以确定所述检测到的指纹图案是否来自自然手指。
19.如权利要求18所述的方法，其中：
所述第一和第二指纹形貌图案包括由所述手指的脊和谷的内部组织由于照明光束方向不同引起的不同的光学强度变化图案。
20.如权利要求18所述的方法，包括：
引导照明光，分离所述第一和第二照明探测光束，以穿过所述顶部透明层，以照亮在所述指定指纹感测区域中与顶部透明层接触的所述手指；
使用所述光学传感器阵列，以检测由所述手指反射的朝向所述光学传感器阵列的照明光，并采集表示所述手指的脊和谷的指纹图案的光学反射图案；以及
使用采集到的所述光学反射图案和所述第一和第二透射图案构建检测到的指纹。
21.如权利要求20所述的方法，其中：
所述显示面板是包括显示像素的有机发光二极管显示(OLED)面板，每个显示像素包括不同OLED像素，可操作为发出不同颜色的光，以为每个显示像素生成彩色光；以及所述设备还包括置于不同位置的额外照明光源，且与所述OLED面板分开操作，以产生所述照明光和所述第一和第二照明探测光束，所述照明光用于生成表示所述指纹图案的所述光学反射图案，所述第一和第二照明探测光束用于生成表示所述指纹图案的所述第一和第二透射图案。
22.如权利要求21所述的方法，其中：
一个或多个第一额外照明光源位于所述OLED面板下方，负责产生用于生成所述光学反射图案的所述照明光；以及
第二额外照明光源位于OLED面板上方，负责产生用于生成所述第一和第二透射图案的所述第一和第二照明探测光束。
23.如权利要求22所述的方法，包括：
操作所述第一和第二额外照明光源发光，以发出高于所述OLED像素发出的光的亮度水平的光，以增强所述光学传感器阵列的检测灵敏度。
24.如权利要求23所述的方法，包括：
操作闪光模式下的所述第一和第二额外照明光源，以在短时期内开启和关闭每个额外照明光源，以通过所述光学传感器阵列进行光学感测，以减少与通过所述光学传感器阵列进行光学感测相关联的功耗。
25.如权利要求22所述的方法，其中光学感测由以下执行：
选择性地开启所述指定指纹感测区域下方的所述OLED面板的OLED像素，而不开启所述OLED面板的其他OLED像素，同时开启所述第一额外照明光源，以通过所述光学传感器阵列产生用于光学感测的所述光学反射图案；
进一步开启所述第二额外照明光源，以通过所述光学传感器阵列产生用于光学感测的所述光学透射图案；以及
构建所述检测到的指纹图案，基于(1)由所述光学传感器阵列采集到的所述光学反射图案，所述光学反射图案来自所述指定指纹感测区域下方的选择性开启的OLED像素和所述第一额外照明光源的照明，以及(2)由所述光学传感器阵列采集到的所述光学透射图案，所述光学透射图案来自所述第二额外照明光源的照明。
26.如权利要求25所述的方法，还包括：
除了获得由光学传感器阵列采集到的所述光学透射图案之外，所述光学透射图案来自所述第二额外照明光源的照明，除此之外，使用在590nm至950nm的光谱范围内的来自环境光的入射光，其中人类手指呈现光学透射，以为获得由所述光学传感器阵列采集的所述光学透射图案提供额外照明，以增强所述光学感测在获得所述检测到的指纹图案时的检测灵敏度。
27.如权利要求18所述的方法，包括：
使用与所述显示面板上的用于显示图像的光分开的额外照明光，照亮手指，以产生从所述手指的内部组织到所述光学传感器阵列的散射光，以检测所述手指中的葡萄糖水平。
28.如权利要求18所述的方法，包括：
操作所述光学传感器阵列，以获得两个或两个以上不同波长的接收到的光的测量值；
以及
比较在所述光学传感器阵列处以两个或两个以上不同波长接收到的光的消光比，以确定所述接收到的光是否来自活人的活体组织。
29.如权利要求18所述的方法，包括：
操作所述光学传感器模块，以在不同的时间采集不同的指纹图案，以监测指纹脊图案变形的时域演变，所述指纹脊图案变形的时域演变表示与所述顶部透明层接触的手指的按压力的时域演变。
利用屏下光学传感器模块对指纹进行三维光学形貌感测
[0002] 本专利文件要求申请人深圳市汇顶科技股份有限公司于2018年3月27日提交的申请号为62/648,898、发明名称为“利用屏下光学传感器模块对指纹进行三维光学形貌感测”的美国临时专利申请的优先权和在先权益。
技术领域
[0003] 本专利文件涉及在电子设备或系统中指纹的感测以及执行其他参数测量的一个或多个感测操作，所述电子设备或系统包括移动设备或可穿戴设备等便携式设备和更大的系统。
背景技术
[0004] 各种传感器在电子设备或系统中的实现可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未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。
[0006] 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。
[0007] 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，存储的信息可以实质上是个人信息，如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是由组织或企业专有使用的机密信息，如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则数据可能会被未被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。除了信息的安全性以外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还允许保护由计算机或计算机处理器控制的设备或系统(例如计算机控制的汽车)以及其他系统(例如ATM)的使用。
[0008] 对移动设备等设备或电子数据库、计算机控制的系统等系统的安全访问可以以使用用户密码等不同方式实现。然而，密码可以容易地被传播或获得，并且密码的这种性质可以降低单独使用密码的安全水平。而且，用户需要记住密码以使用受密码保护的电子设备或系统，并且如果用户忘记该密码，则用户需要采取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。遗憾的是，在各种情况下，这些密码恢复流程可能对用户来说是负担，并且具有各种实际的限制和不便。
[0009] 个人指纹识别可以被利用于实现用户认证，以在增强数据安全性的同时减轻与密码相关联的某些不期望的效果。
[0010] 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，并且防止未被授权的访问。电子设备或系统上的用户认证可以通过生物标识的一种或多种形式来执行，这种生物标识可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物标识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系统中，作为认证过程的一部分来读取用户的指纹图案，使得该设备或系统只能由授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。
发明内容
[0011] 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位于显示面板下方的光学传感器模块，用于指纹的光学感测，以及附加的光学感测功能。所公开的光学感测的实现方式可用于获得探测光中的光学透射图案，所述光学透射图案透射穿过与形成在外部手指皮肤上的外部指纹图案相关联的内部手指组织，提供用于改进光学指纹感测的三维形貌信息。
[0012] 一方面，所公开的技术可以实现以提供一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备。该设备包括显示图像的显示面板；顶部透明层，形成于所述显示面板上方，作为用户触摸操作的界面，和用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面，所述顶部透明层包括指定指纹感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于所述显示面板下方以及所述顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，用于接收来自所述顶部透明层的光以检测指纹，其中所述光学传感器模块包括光学检测器的光学传感器阵列，以将接收到的携带所述用户的指纹图案的光转换为表示所述指纹图案的检测器信号。
[0013] 本设备还包括额外照明光源，位于所述光学传感器模块外部的不同位置，用于产生不同的照明探测光束，以在不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，每个额外照明光源被构造为产生对应于人类手指的组织呈现光透射的光谱范围内的探测光，以允许每个照明探测光束中的探测光在所述顶部透明层上的指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过所述手指内部的组织的散射产生散射探测光，所述散射探测光朝向所述顶部透明层传播，并穿过所述顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)由透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射形成的、分别与所述不同照明方向相关联的不同的指纹形貌信息；以及探测照明控制电路，被耦合以控制所述额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时刻生成不同照明探测光束，一次一个光束，使得位于显示面板下方的所述光学传感器模块可操作以依次检测来自所述不同照明探测光束的散射探测光，以分别采集(1)指纹图案信息，以及(2)与所述不同照明方向相关联的所述不同的指纹形貌信息。
[0014] 另一方面，所述公开的技术可以实现，以提供一种操作电子设备通过光学感测检测指纹的方法，其中所述电子设备包括显示图像的显示面板，形成于所述显示面板上方、作为用于用户触摸操作和用于透射来自所述显示面板的光以显示图像的界面的顶部透明层，以及位于所述显示面板下方的光学检测器的光学传感器阵列。本方法包括引导第一照明探测光束在第一照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，以在所述指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过手指内部组织的散射产生第一散射探测光，所述第一散射探测光朝向所述顶部透明层传播，并穿过所述顶部透明层，通过透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射以携带(1)表示由所述手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，所述第一指纹形貌图案在所述第一照明方向上与所述手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在所述第一二维透射图案内。本方法也还包括操作所述光学传感器阵列以检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第一散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第一二维透射图案、以及(2)所述第一指纹形貌图案。
[0015] 另外，本方法包括关闭第一照明光源的同时，引导第二照明探测光束在第二不同照明方向上照亮所述顶部透明层上的指定指纹感测区域，并进入用户手指，通过手指内部组织的散射产生第二散射探测光，所述第二散射探测光朝向所述顶部透明层传播并穿过所述顶部透明层，通过透过所述手指的脊和谷的内部组织的透射以携带(1)表示所述指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，所述第二指纹形貌图案在所述第二照明方向上与所述手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在在所述第二二维透射图案内，其中因为所述第一和第二照明探测光束的不同光束方向，第二形貌图案不同于第一形貌图案。所述光学传感器被操作以检测穿过所述顶部透明层和所述显示面板到达所述光学传感器阵列的所述第二散射探测光的透射部分，从而采集(1)所述第二二维透射图案、以及(2)所述第二指纹形貌图案。接下来，从第一和第二透射图案构建检测到的指纹图案，以及处理第一和第二指纹形貌图案以确定所述检测到的指纹图案是否来自自然手指。
附图说明
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 图2C和图2D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。
[0020] 图3示出了适于实现公开的光学指纹感测技术的OLED显示器和触摸感测组件的一个示例。
[0021] 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种实现方式的示例。
[0022] 图5A和5B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，以获得表示外部指纹图案的光学反射图案，该外部指纹图案形成在手指的外部皮肤上，并且获得屏下光学传感器模块的操作。
[0023] 图5C和5D示出了对于来自顶部感测表面上的感测去的返回的光的信号生成，以获得表示内部手指组织的光学反射图案，该内部手指组织与形成于手指的外部皮肤上的外部手指图案相关联，并且获得屏下光学传感器模块的操作。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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贡献。
[0027] 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。
[0029] 图16示出了由OLED显示器产生的标准校准图案的示例，该标准校准图案用于校准用于指纹感测的光学传感器阵列输出的成像感测信号。
[0030] 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。
[0031] 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检测器阵列。
[0032] 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。
[0033] 图25示出了具有光学滤波的光学准直器阵列的示例，以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。
[0034] 图26A、图26B、图27和图28示出了在OLED显示屏下用于光学感测的光学准直器设计的示例。
[0035] 图29、图30、图31A以及图31B示出了在设计光学传感器模块时基于针孔相机效应的改进的光学成像分辨率。
[0036] 图32包括图32A和图32B，示出了具有光学偏转或衍射的设备或层的OLED显示面板下方的光学指纹传感器的示例。图32中的数字(即，图32A和32B)用于表示以下内容：
[0037] 431-盖板玻璃；
[0038] 433-OLED显示模块；
[0039] 433T-OLED显示模块的TFT层；
[0040] 3210-视角适配器光学层；
[0041] 3210-视角适配器层的细节；
[0042] 2001-光准直器；
[0043] 621-光电检测器阵列；
[0044] 63a、63b-指纹谷中的不同位置；
[0045] 82a、82b-来自不同指纹谷位置的光；
[0046] 82P-照射到手指上的光；
[0047] 82R-手指表面反射的光；
[0048] 82D-从TFT小孔衍射的光；
[0049] 82S-通过准直器的光；
[0050] 82E-准直器吸收的光；
[0051] 901-其他光；以及
[0052] 901E-准直器吸收的光。
[0053] 图33示出了不同按压力下同一手指的两个不同指纹图案：轻度按压的指纹2301和重度按压的指纹3303。
[0055] 图35示出了屏下光学传感器模块的示例中的背景光的影响。
[0057] 图37示出了图37A和图37B中的用于屏下光学传感器模块的两个示例，该屏下光学传感器模块具有在光学检测器阵列之前的光学准直器阵列或光学针孔阵列，作为接收光学器件的一部分且具有小的光学数值孔径，以减少进入光学检测器阵列的背景光。图37中的数字(即，图37A和37B)用于表示以下内容：
[0058] 951-准直器针孔；
[0059] 953-准直器壁材料；
[0060] 955、967-具有大入射角的环境光；
[0061] 957-基板；
[0062] 959-成像相机针孔；
[0063] 961-孔径限制孔；以及
[0064] 963、965-针孔材料。
[0065] 图38示出了传感器初始化过程的示例，在每次获得指纹时，该初始化过程测量光学传感器阵列处的基线背景水平。
[0066] 图39和图40示出了具有额外照明光源的屏下光学传感器模块的示例中的不同光学信号的行为，该额外照明光源用于通过OLED显示光补充指纹感测照明。
[0067] 图41示出了用于设计屏下光学传感器模块中的光学滤波的设计算法的示例，以当存在用于光学感测的额外光源时，减少背景光。
[0068] 图42至图45示出了用于放置额外照明光源的OLED下光学传感器模块设计的示例，以通过引导照明光透过被检测的手指获得光学透射图案。
[0069] 图46示出了基于孔针-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例。
[0070] 图47示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例，该针孔-透镜组件在针孔-透镜组件的物体侧和成像侧具有匹配的材料层。
[0071] 图48包括图48A和图48B，示出了针孔相机和针孔-透镜组件的成像操作，以说明由于针孔-透镜组件的存在，空间成像分辨率的透镜得到改进。图48中的数字(即，图48A和48B)用于表示以下内容：
[0072] 661、663-来自物体的光束；
[0073] 621f-针孔基板；
[0074] 667-图像面板；
[0075] 643-针孔；
[0076] 673-发散光束；
[0077] 621e-微透镜；
[0078] 677-会聚光束；
[0079] 679-针孔的图像点；以及
[0080] 681-针孔+微透镜的图像点。
[0081] 图49示出了针孔-透镜组件的成像，以说明由于存在用于支撑位于针孔-透镜组件上方的针孔的高折射率层，图像失真减少。
[0082] 图50示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块中的滤波器的梯度透射滤波器轮廓的示例，以改善图像均匀性。
[0083] 图51示出了基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的示例，该组件使用壳体阻挡环境光。
具体实施方式
[0084] 电子设备或系统可以配备指纹认证机制，以改进访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板计算机、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。
[0085] 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空间最小化或消除。
[0086] 本专利文件中公开的设备或系统使用光学感测技术执行光学指纹感测和其他光学感测操作。值得注意的是，本专利文件中公开的光学感测可用于光学地采集指纹的外部脊和谷或内部指纹图案的二维空间图案，以及手指皮肤下方与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的形貌信息。内部指纹图案和内部指纹图案的形貌信息不仅是二维图案，还包括本质上是三维的空间信息，这是由于皮肤下方的内部组织中的空间变化支持并产生外部的脊和谷。
[0087] 公开的光学感测概述
[0088] 为了被用户看到，由显示屏生成的用于显示图像的光可以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，指纹传感器倾向于是与显示屏分离的设备，要么被设置在显示屏的相同表面上的除显示屏区域之外的位置处，例如在受欢迎的苹果iPhone和三星Galaxy智能手机中，要么被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的一些新型号的智能手机，以避免占用用于在正面设置大的显示屏的宝贵空间。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来显示和其他功能，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，所以对紧凑和小的需求与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。
[0089] 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、并从设备显示组件的顶面返回的光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物体(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。因为触摸屏幕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，其具有对原始指纹的高图像保真度以实现鲁棒的指纹感测。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期望的光学成像。
[0090] 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。
[0091] 本文所公开的光学传感器技术可以实现为检测用于在显示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，在所公开的用于具有发光显示像素而不使用背光的OLED显示屏或另一显示屏的光学传感器技术的一些实现方式中，由OLED显示屏产生的图像光在OLED显示屏的顶面处或附近遇到用户手指或手掌、或像触笔的用户指针设备等物体时，可以作为返回的光反射或散射回OLED显示屏中。这种返回的光可以被采集，以使用所公开的光学传感器技术来执行一个或多个光学感测操作。由于使用来自OLED显示屏自身的OLED像素的光进行光学感测，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块在一些实现中可以被专门设计为集成到OLED显示屏，其中，该集成的方式维持OLED显示屏的显示操作和功能而没有干扰，同时提供光学感测操作和功能，以增强智能手机或其他移动/可穿戴式设备等电子设备或其他形式的电子设备或系统的整体功能、设备集成和用户体验。
[0092] 例如，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被耦合到具有发光显示像素而不使用背光的显示屏(例如，OLED显示屏)，通过使用上述由OLED显示屏产生的光的返回的光来感测人的指纹。操作中，与OLED显示屏直接接触或在OLED显示屏附近的人的手指可以使得返回的光回到OLED显示屏中，同时携带被OLED显示屏输出的光照亮的手指的一部分的信息。这种信息可以包括手指的被照亮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，通过光学成像和光学检测操作来检测手指的被照亮的部分的脊和谷的空间图案和位置。该手指的被照亮的部分的脊和谷的检测到的空间图案和位置随后可以被处理，以构建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基于光学感测的指纹检测使用OLED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。
[0093] 所公开的光学传感器技术可以通过以下方式实现：将具有发光显示像素的显示屏(例如，OLED显示屏)用作光学感测平台，通过使用OLED显示屏的显示像素发射的光，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后，进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显示屏之间的密切关系为光学传感器模块的使用提供了独特的机会，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、以及(2)有用的操作或控制特征。
[0094] 需要注意的是，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耦合到OLED显示屏的背面而不需要OLED的显示屏的显示表面侧的指定区域，在一些外部表面区域受限的智能手机、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设置在OLED显示屏下方，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由OLED显示屏发出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专门的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智能手机模型等的其他设计中，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通过以下方式实现：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OLED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可以被实现为通过使用与显示图像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，并且提供触摸感测操作，而在显示屏区域外没有分离的指纹感测区域或接口。
[0095] 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OLED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幕外指纹感测区域，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吸收行为，事实上，由于活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，从而检测在呈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，基于来自手指或手掌的返回的光中的光学感测来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸OLED显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。
[0096] 针对与OLED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，执行与OLED显示屏上触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(例如，折射率)往往与其他人造物体不同。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OLED显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他物体造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于提供通过触摸感测的有用的用户控制，例如，只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会引起设备的苏醒，以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OLED显示屏的唤醒电路操作，其中，通过关闭大多数OLED像素使其处于“睡眠”模式而不发光，而开启OLED显示屏中的部分OLED像素使其处于闪光模式，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。另一种“睡眠”模式配置可以通过使用内置于光学传感器模块的一个或多个额外的OLED光源来实现，以产生“睡眠”模式唤醒感测的闪烁光，其中，在睡眠模式期间关闭所有的OLED像素，使得光学传感器模块能够检测由手指在OLED显示屏上触摸造成的这种唤醒感测光的返回的光，并且响应于正面检测，OLED显示屏上的OLED像素被开启或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。又如，由光学传感器模块进行的指纹感测是基于在正常OLED显示屏操作的过程中对来自OLED显示屏的表面的返回的光的感测，可以控制OLED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。如果生成两帧与屏幕显示相关的指纹信号，其中当OLED显示屏开启时生成一帧指纹信号，而当OLED显示屏关闭时生成另一帧指纹信号，则对这两帧指纹信号做差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。
[0097] 如上所述，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被耦合到OLED显示屏的背面，而不需要在OLED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。
[0098] 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具有发光显示像素的显示屏(如OLED显示屏)，而不需要改变OLED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OLED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OLED显示屏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OLED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OLED显示屏组合，以在OLED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OLED显示屏。所公开的光学传感器技术的这方面可以使OLED显示屏在智能手机、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的范围更加广泛。
[0099] 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述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、谷歌或联想的一些模型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，在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，并且可以在触摸屏幕的相同触摸感测表面上方便地进行指纹感测。
[0100] 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OLED显示屏的设计或制造或加重OLED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OLED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OLED显示层，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块实现的指纹感测功能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。
[0101] 所公开的光学传感器技术的以上或其他特征的实现可以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，尤其是对于具有显示屏的智能手机、平板电脑和其他电子设备，该显示屏具有发光显示像素而不使用背光(如OLED显示屏)，以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。
[0102] 在实际应用中，配备有光学指纹感测的电子设备中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存在而降低，该环境下部分背景光可能会进入光学传感器模块。这种背景光使得光学传感器模块中的光学检测器产生噪声信号，这种噪声信号会不期望地降低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来自太阳的日光，并且太阳光的影响对于户外操作或在日光强烈的遮蔽环境中可能尤成问题。又如，在具有所公开的光学指纹感测的设备位置处或其附近的位置出现的其它光源也可能导致光学传感器模块处出现不期望的背景光。
[0103] 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，或者通过增强除返回的OLED显示光的信号电平之外的、携带了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，减轻光学传感器模块处的背景光的不期望的影响。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屏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，以提供除返回的OLED显示光引起的信号电平之外的额外光学照明光。
[0104] 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独立控制各种特征，包括为光学感测提供照明光，例如，就人体组织的光学透射特性而言，选择与OLED显示光分开的照明光波长；为超出OLED显示光的光谱范围的光学感测操作提供照明；控制光学感测的照明模式，例如与OLED显示光分开的照明的定时或/和持续时间；实现足够高的照明电平，同时保持有效使用电源以延长电池工作时间(移动计算设备或通信设备的重要因素)；并且在使用OLED显示光用于光学感测照明时，将额外照明光源战略性地放置在某些位置以实现难以实现或不可能实现的照明配置。
[0105] 另外，与检测指纹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被实现为不仅采集指纹的外部脊和谷的二维空间图案，还采集手指皮肤下方与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案。通过采集手指皮肤下方与手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息，所公开的光学指纹感测基本上不受手指和设备的顶部触摸表面(例如，脏污的接触表面)之间的接触条件的影响，以及外部手指皮肤状态(例如，脏污、干燥或潮湿的手指，或某些用户例如老年用户的手指的脊和谷之间外部变化减少)的条件的影响。
[0106] 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。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。
[0107] 显示面板下光学感测模块的一般体系结构
[0108] 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来获得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，例如，统一表示至少一部分指纹的像素182A-182E。例如，指纹感测系统
180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的客户指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。再如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。再如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。
180可以在作为系统188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181获得的客户指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，指纹感测系统180可以使得ATM系统188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备或系统188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测系统180是集成到设备188的模块。再如，设备或系统188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。再如，设备或系统188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。
[0109] 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发光显示像素而不使用背光的OLED显示屏或另一种显示屏来实现。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。
[0110] 图2A示出了设备200的正面，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的正面，占据正面空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏上提供指纹感测功能，例如，用于在设备屏上接纳手指的一个或多个感测区域。作为示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可以被照亮为明显可识别的区或区域，供用户放置手指进行指纹感测。这种指纹感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的正面上可以设置一个或多个可选的传感器。
[0111] 图2B示出了设备200中与本文件中公开的光学指纹感测相关的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下方的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块被耦合到显示屏组件模块并位于其下方，以接收和采集来自触摸感测屏模块的顶面的返回的光，并且将该返回的光引导且成像到光学感测像素或光电探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结构，该设备电子结构包含用于设备200中的光学传感器模块和其他零件的某些电子电路。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方的一部分。
[0112] 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，通过触摸感测屏模块接收用户触摸以进行触摸感测操作，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他光学感测功能)。该光学透明层可以为诸如玻璃或晶体层等的刚性层或柔性层。
[0113] 具有发光显示像素而不使用背光的显示屏的一个示例是具有单独的发光像素的阵列以及薄膜晶体管(TFT)结构或基板的OLED显示器，其可以包括小孔阵列，并且可以是光学透明的，以及覆盖基板以保护OLED像素。参见图2B，本示例中的光学传感器模块位于OLED显示面板下面，以采集从顶部触摸感测表面返回的光，并且当用户的手指与顶面上的感测区域接触时，获取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。此外，合适的显示面板可以有不同于OLED显示器的各种屏幕设计。
[0114] 图2C和图2D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2C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2D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，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2D还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。
[0115] 在图2A、图2B、图2C和图2D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，并且在移动设备表面上的显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(例如，一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在本文所示的设计中，用于检测指纹感测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2C)，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敏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，包括改进了设备的集成度，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。
[0116] 各种OLED显示设计和触摸感测设计可以用于图2A、2B、2C和2D中的光学传感器模块之上的设备屏幕组件。图3示出了OLED显示器和触摸感测组件的一个示例，该示例为图7B所示的苹果公司提交的发明名称为“集成硅-OLED显示器和触摸传感器面板”、并于2015年11月19日公开的公开号为US2015/0331508A1的美国专利申请，该申请通过引用的方式并入本专利文件的一部分。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RGB-OLED。不同类型的OLED可以有不同的用途、配置和优点。在具有集成硅-OLED显示器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。集成硅-OLED显示器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/或显示像素可以被分组成集群，并且该集群可以被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3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。减少集成的触摸屏幕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设计为以显示系统的电路运行的显示线路的一部分，以在显示器上生成图像。该多功能电路元件还可以形成可以感测在显示器上或显示器附近的一个或多个触摸的触摸感测系统的触摸感测电路中的一部分。该多功能电路元件可以是，例如，LCD的显示像素中的电容器，该电容器可以用于在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3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显示器和触摸传感器面板，可以实现极高的每英寸像素(PPI)。针对OLED和触摸感测结构的不同于图3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。
[0117] 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。
[0118] 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，用于形成显示图像，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、并透射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，以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。
[0119] 该设备还可以配置有各种特征。
[0120] 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体，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物特征参数指示检测到的指纹来自活体时，则设备电子控制模块用于授权用户对该设备的访问。该生物特征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。
[0121] 例如，该设备可以包括被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。
[0122] 再如，设备电子控制模块可以被耦合到显示面板结构，以向发光显示像素提供电源，并在睡眠模式下关闭发光显示像素的电源，并且当光学传感器模块在顶部透明层的指定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，当显示面板结构处于睡眠模式时，设备电子控制模块可以用于操作一个或多个选择的发光显示像素间歇性地发光，同时关闭其他发光显示像素的电源，将间歇发出的光引导到顶部透明层的指定指纹感测区域，以监控是否存在与指定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。并且，显示面板结构可以被设计除了包括发光显示像素外，还包括一个或多个LED灯，以及当显示面板结构处于睡眠模式时，设备电子控制模块用于操作一个或多个LED灯间歇性地发光，同时关闭发光显示像素的电源，将间歇发出的光指向顶部透明层的指定指纹感测区域，以监控是否存在与指定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。
[0123] 再如，该设备可以包括设备电子控制模块，该设备电子控制模块耦合到光学传感器模块，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区域的变化或指纹脊的间距的变化。
[0124] 再如，顶部透明层可以包括用于用户通过手指触摸以进行指纹感测的指定的指纹感测区域，并且显示面板结构下方的光学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。
[0125] 又如，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，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，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。
[0126] 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。
[0127] 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种实现方式的示例，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形成于设备屏组件423之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸的界面并且作为用于透射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OLED显示模块433。OLED显示模块433包括OLED层及其他，该OLED层包括发出用于显示图像的光的OLED像素阵列。OLED层具有光学地用作孔阵列和光散射物体阵列的电极和布线结构。OLED层中的孔阵列允许来自顶部透明层431的光的透过OLED层到达该OLED层下面的光学传感器模块，并且由OLED层造成的光散射影响屏下光学传感器模块的用于指纹感测的光学检测。设备电路模块435可以设置在OLED显示面板的下面，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
[0128] 本具体实施案例中的光学传感器模块位于OLED显示模块433下。可以控制指纹照明区613中的OLED像素发光，以照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上的指纹感测区615，使用户将手指放入其中进行指纹识别。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。指纹照明区613中被OLED像素照亮的区615中的反射或散射的光中的一部分被引导到OLED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探测器感测阵列接收这种光，并且采集由接收的光所携带的指纹图案信息。
[0129] 在这种设计中，使用OLED显示面板内的指纹照明区613中的OLED像素来为光学指纹感测提供照明光，可以控制指纹照明区613中的OLED像素以较低的周期间歇性地开启，以减少用于光学感测操作的光功率。例如，当OLED面板中剩余的OLED像素被关闭(例如，处于睡眠模式)时，指纹照明区613中的OLED像素可以间歇性地开启，以发出用于光学感测操作的照明光，该光学感测操作包括执行光学指纹感测和唤醒OLED面板。在一些实现方式中，该指纹感测操作可以以两步骤的过程实现：首先，以闪光模式开启OLED显示面板内指纹照明区613中的数个OLED像素，而不开启该指纹照明区613中其他的OLED像素，以使用闪光来感测手指是否触摸感测区615，并且一旦检测到区615中的触摸，开启指纹照明区613中OLED像素，以激活光学感测模块进行指纹感测。并且，响应于激活该光学感测模块以进行指纹感测，指纹照明区613中的OLED像素可以在亮度水平下操作，以改进用于指纹感测的光学检测性能，例如，在比显示图像中的亮度水平更高的亮度水平下操作。
[0130] 在图4B的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合到显示面板的透明块701，以接收来自设备组件的顶面的返回的光，该返回的光最初是由指纹感测区613中的OLED像素发出的，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。来自指纹照明区613中的OLED像素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没有手指的皮肤或组织。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。该反射光被引导返回OLED像素，并且在穿过OLED显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低折射率光学透明块701的界面。该低折射率光学透明块701的折射率被构造成小于OLED显示面板的折射率，使得可以将返回的光从OLED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内的光电探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。
[0131] 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全反射角内进入盖板顶面，并将通过块702中的成像光学器件和成像传感器阵列被最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比度。这种成像系统可能具有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整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。
[0132] 来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过OLED显示组件433中的TFT基板孔穿过OLED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开启和关闭指纹照明区613中的OLED像素，通过对像素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，只有一个图像相位具有从OLED像素发射的光。通过奇数帧和偶数帧相减，可以获得大部分由指纹照明区613中调制的OLED像素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。如果通过在一帧中开启指纹照明区613中的OLED像素并在另一帧中关闭指纹照明区613中的OLED像素，去两个连续的信号帧相减，则可以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。
[0133] 来自指纹照明区613中OLED像素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，并且该散射光中的一部分可以穿过OLED面板基板上的小孔，并最终由光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射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。
[0134] 参考图3中的OLED显示器示例，OLED显示器通常具有不同的颜色像素，例如，相邻的红色、绿色和蓝色像素形成一个彩色的OLED像素。通过控制开启每个彩色像素内的某种颜色的像素并记录相应的测量强度，可以确定用户的肤色。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在颜色A和B下的散射光的强度，记为强度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测量指纹时得到的后续测量结果作比较。该方法可以帮助过滤可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
[0135] 在一些实现方式中，为了在OLED显示面板未开启时使用上述光学传感器模块提供指纹感测操作，可以将为提供指纹感测照明指定的一个或多个额外的LED灯源703放置在透明块701的侧面上，如图4B所示。这种指定的LED灯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(例如，MCU)控制。该指定的LED灯703可以以低的占空比短时间地脉冲，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从OLED面板盖板基板反射的光图案。如果有人类手指触摸屏幕上的感测区域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，开启OLED显示面板(或至少关闭指纹照明区613中的用于光学指纹感测的OLED像素)，并且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发送获取的指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将采集的指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配，智能手机会解锁手机，并且启动正常操作。如果获取的图像没有被匹配到，智能手机会向用户反馈认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
[0136] 在图4的示例中(具体地，如图4B)，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。
[0137] 手指的二维光学反射图案
[0138] 当探测光被引导到手指时，探测光的一部分可以在手指皮肤表面被反射、衍射或散射，产生反射的、衍射的或散射的探测光而不进入手指内侧。这一部分没有进入手指的探测光可以在由手指的外部脊和谷引起的反射的探测光束上携带二维光学反射图案，并且可以被检测以获得外部脊和谷的指纹图案。这在本小节中参考图5A和5B中的示例进行解释。
[0139] 另外，探测光的一部分可以进入手指并被手指中的内部组织散射。取决于手指中的探测光的光学波长，手指中的内部组织是光学吸收的，并因此可以多次衰减，除大约590nm至950nm的光学透射光谱范围内的探测光以外。可以通过手指组织传输的探测光在光束上携带光学透射图案，由于离开手指皮肤之前通过这种内部组织的内部路径，该透射探测光束可以携带脊和谷的二维图案以及与脊和谷相关联的内部组织的附加形貌信息。这在本小节中参考图5C和5D中的示例进行解释。
[0140] 在本文公开的基于图4A和图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。
[0141] 图5A和5B示出了用于两种不同的光学条件下从用于不同入射角范围的OLED发射的光或其他照明光的感测区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。
[0142] 图5A示出了OLED显示模块433中的OLED像素所选OLED发射光线的光路，其在透明层431的顶面处以小入射角入射并透过顶部透明层431，而没有全内反射。这种以小入射角OLED发射的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。具体地，示出了两个不同位置处的两个OLED像素71和73，以发射OLED输出光束80和82，该OLED输出光束80和82以垂直角度或较小的入射角被指向顶部透明层431，而在顶部透明层431的界面处不经历全反射。在图5A所示的特定示例中，手指60接触顶部透明层431上的感测区615，手指脊61位于OLED像素71上方，手指谷63位于OLED像素73上方。如图所示，来自OLED像素71的OLED光束80朝向手指脊61，在穿过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊61，以在手指组织中生成透射光束183和向OLED显示模块433返回的另一散射的光束181。来自OLED像素73的OLED光束82在穿过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷63，以生成从顶部透明层431的界面返回至OLED显示模块433光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷表面反射的第三光束187。
[0143] 在图5A的示例中，假设手指皮肤在光学波长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。还假设手指洁净干燥，相邻手指谷和脊之间的空隙是空气。在这些假设下，在手指皮肤脊位置61处开启显示OLED像素71以产生光束80。手指脊-盖板玻璃的界面反射光束80的部分光，作为到OLED显示模块433下的底层524的反射的光181。其反射率低，约为0.1％。光束80中的大部分(约99％)光变为透射至手指组织60中的透射光束183，手指组织60造成光183的散射，向OLED显示模块433和底层524贡献返回的散射的光191。
[0144] 来自OLED像素73的OLED发射的光束82朝向外部谷63，首先穿过顶部透明层431和由于外部谷63存在产生的气隙的界面，以产生反射光束185，光束82的剩余部分入射到谷62上，以产生手指内的透射光束189和反射光束187。类似于手指脊61处的透射光束183，来自手指组织中的OLED像素73的透射光束189被手指组织散射，并且该散射光的一部分也对返回的散射光191有贡献，该返回的散射光191被引导朝向OLED显示模块433和下层524。在上述假设下，位于手指谷位置63处的来自显示OLED组73的约3.5％的光束82作为反射光185由盖板玻璃表面反射到底层524，并且手指谷表面将光束82剩余的约3.3％的入射光功率作为反射光187反射至底层524。由两个反射光束185和187表示的总的反射约为6.8％，并且在手指脊61处比约为0.1％的反射181强得多。因此，来自触摸手指的手指谷63和手指脊61处的各种界面或表面的光反射181和185/187是不同的，并形成光学反射图案，其中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光或例如额外照明光源等其他照明光照亮的部分的指纹图案。
[0145] 在每个手指谷63处，朝向手指谷63的光束82的大部分(大于90％)作为透射光189被透射到手指组织60中。透射光189中的光功率中的一部分被手指内部组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。因此，朝向底层524并进入底层524的散射光191包括来自手指谷63处的透射光189和手指脊61处的透射光183的贡献。
[0146] 图5A中的示例示出了以小入射角到达顶部透明层431的入射OLED发射的光，并且顶部透明层431中没有全内反射。对于以较大入射角到达顶部透明层431的OLED发射光，或以大于或等于临界角进行全内反射，可以生成另一个更高对比度的光学反射图案以采集手指外部脊和谷的二维指纹图案。图5B示出了位于手指谷63下方的OLED显示模块433中的从OLED像素73中选择的OLED发射光线的示例，其中一些示出的光线在与顶部透明层431的界面处于全反射条件下，位于与特定手指谷73相邻的位置。这些图示的入射光线的示例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OLED显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得由OLED像素73发出的、具有等于或大于全内反射的临界角的对盖板玻璃431具有大的入射角的OLED光束，会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。当显示OLED像素73被开启时，OLED像素73发出的发散光束可以分为三组：(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，(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，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指触摸的位置处，也在盖板玻璃431处被全反射。
[0147] 对于中心光束82，如图5A中所释，盖板玻璃表面反射约0.1％～3.5％以产生反射光束185，该反射光束185被透射到底层524中，手指皮肤在空气-手指谷界面反射约0.1％～3.3％以产生第二反射光束187，该第二反射光束187也被透射到底层524中。如上文参考图
5A所释，在小入射角处的反射光线的反射差在空间上变化，并且取决于光束82或光束80是否与手指皮肤谷63或脊61相遇。具有小入射角的这种入射光线的其余部分变成耦合到手指组织60中的透射光束189和183。
5A所释，在小入射角处的反射光线的反射差在空间上变化，并且取决于光束82或光束80是否与手指皮肤谷63或脊61相遇。具有小入射角的这种入射光线的其余部分变成耦合到手指组织60中的透射光束189和183。
[0148] 图5B示出了高对比度光束201和202作为示例。如果在各自的入射位置没有任何东西接触盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面接近100％反射分别作为反射光束205和206。当手指皮肤脊接触盖板玻璃表面并且位于所示OLED发射光束201和202的入射位置时，将不再有全内反射的条件，因此大部分光功率作为透射光束203和204被耦合到手指中组织60。对于具有较大入射角的这种光束，当手指皮肤接触被用于产生反射中的对比图案时，该光束在没有手指皮肤的全内反射条件下和在具有显著减少的反射的全内反射条件之间发生改变。
[0149] 图5B还示出了附加的高对比度光束211和212作为示例，如果没有任何东西接触盖板玻璃表面，则盖板玻璃表面接近100％反射以在全内反射条件下分别产生相应的反射光束213和214。例如，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的入射位置时，没有光功率因全内反射耦合到手指组织60中。相反，如果手指脊恰好位于光束211和212的入射位置，则由于手指皮肤接触导致的全内反射的缺乏，耦合到手指组织60中的光功率增加。
[0150] 与图5A中的情况相似，耦合到手指组织60中的光束(例如，透射光束203和204)会经历手指组织的随机散射，以形成朝向底层524传播的散射光191。
[0151] 图5B中所示的用于照明的示例可以由OLED发射的光或额外照明光源的照明光的照明引起。在高对比度光束照亮的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。
[0152] 因此，如图5A和图5B所示，来自OLED发射的光或额外照明光源的入射照明光线可以产生两种类型的光学反射图案，表示手指的相同的二维指纹图案：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没有全内反射，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基于全内反射。
[0153] 手指的二维和三维光学透射图案
[0154] 在图5A和5B中，来自OLED发射的光或额外照明光的入射照明光线的一部分穿过顶部透明层431，进入手指使通过手指内部组织传播的散射光191通过手指皮肤传播，朝向底层524进入顶部透明层431。如下所述，一旦透过内部组织和手指皮肤，这种散射光191就携带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，以及(2)与内部手指组织结构相关联的内部指纹图案，由于散射光从手指内侧向手指皮肤传播并透射手指皮肤，从而产生手指的外部脊和谷。因此，可以通过光学传感器阵列测量来自手指的散射光191，并且可以处理测量值进行指纹感测。值得注意的是，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的顶面的感测表面状态或手指的皮肤条件的影响(例如，脏污、潮湿/干燥或老人的手指图案)，并且当外部手指皮肤上的外部指纹图案在光学反射图案中具有减小的脊-谷对比度、有些损坏或者不适合提供足够的指纹信息时，仍然可以为指纹感测提供足够的信息。虽然可以通过使用人造材料来复制外部指纹图案以入侵指纹感测，但是印在光学透射图案中的用户手指的内部指纹图案极难复制，因此可以用作指纹感测中的反欺骗机制。
[0155] 图5C示出了由人的手指的外部脊和谷和位于皮肤下方与外部脊和谷唯一相关联的内部手指组织形成的外部指纹图案的示例。例如，参见Holder等人的《指纹资源读物》的第2章，(美国司法部司法程序办公室，国家司法研究所，华盛顿特区，2011年)。如图5C所示，内部组织包括手指皮肤下方的乳头层，其具有形成外部脊和谷的形貌特征，作为下面的形貌特征的表达。另外，内部组织还包括并非完全复制外部脊和谷的额外结构，例如内部主脊和次脊、连接到主脊的汗腺和其他内部结构。如图5C所示，当探测光从手指的内侧向外传播到手指皮肤时，探测光与手指皮肤下方的内部组织相互作用，不仅携带乳头层的二维指纹图案，其与外部脊和谷形成的外部指纹图案相同，还携带有来自内部组织结构的不由外部脊和谷携带的附加形貌信息。来自内部组织结构的这种附加的形貌信息不能从由外部手指皮肤的光学反射获得的光学反射图案获得。来自手指皮肤下方的内部组织结构的附加的形貌信息是用于指纹感测的有价值信息，并且是三维的，因为内部组织结构随着皮肤下的横向位置和距离皮肤表面的深度(形貌信息)变化。例如，可以使用来自手指的内部组织结构的这种附加的形貌信息来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。
[0156] 参照图5C，不同的照明探测光束穿过皮下内部组织结构的不同部分，因此印有与这种照明探测光束的不同方向上的不同光路相关联的不同3D形貌信息。成像处理技术可用于处理由这种不同的照明探测光束携带的光学透射图案，以提取与皮下内部组织结构相关的形貌特征。可以合成所提取的形貌特征以构建与指纹图案相关联的皮下内部组织结构的3-D表示或再现，并且与指纹图案相关联的皮下内部组织结构的3-D表示可以用作指纹图案的唯一的附加识别，并且可以用于区分用户的真实手指的真实指纹图案和伪造的指纹图案，伪造的指纹图案总是缺少真实手指的下层内部组织结构。特别地，随着不同方向上的不同照明探测光束的数量增加，可以通过光学传感器模块采集关于皮下内部组织结构的更详细的形貌信息。在使用指纹进行对设备的安全访问时，指纹识别过程可以被设计为组合2-D指纹图案的识别和提取的3-D表示的额外检查或指纹图案相关联的皮下内部组织的再现，以确定是否授予访问权限。所提取的形貌特征和构建的与指纹图案相关联的皮下内部组织的3-D表现或再现可以是反欺骗机制，可以单独使用或与其他反欺骗技术组合使用，以增强指纹感测的安全性和准确性。
[0157] 所公开的光学指纹感测技术从手指的内部组织结构采集附加的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来检测由手指皮肤下方的内部组织结构产生的不同光学阴影图案，该光学阴影图案叠加在二维指纹图案上，该二维指纹图案对于通过在不同方向上的不同照明探测光束的照明获得的所有图像是共同的。
[0158] 图5D示出了两个额外照明光源X1和X2，沿X方向放置在顶部透明层431上的指纹感测区域的两个相对侧上，使得它们可以沿相反方向将两个不同的照明探测光束引导到手指。来自两个照明探测光束的图像携带相同的2-D指纹图案，但由于它们相对于手指皮肤下方的内部组织结构的照明方向不同，该图像具有不同的图像阴影图案。具体地，第一额外照明光源X1沿X方向放置在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在图5D中为从左到右。由于与手指皮肤下方的内部组织结构的相互作用，第一额外照明光源X1的照明在OLED光学传感器阵列下方的第一指纹图像中形成阴影图案，该阴影图案在空间上朝向在X方向上右侧移动。由于与手指皮肤下方的内部组织结构的相互作用，右侧的第二额外照明光源X2的照明在OLED光学传感器阵列下方的第二指纹图像中形成阴影图案，该阴影图案在空间上朝向在X方向上左侧移动。在该技术的实现方式中，可以添加附加的额外照明光源，例如，沿Y方向或其他方向。
[0159] 在本示例中，来自第一额外照明光源X1在第一照明方向上的第一照明探测光束通过手指内部组织的散射引导第一散射探测光的生成，该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)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，该第一指纹形貌图案在第一照明方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第一二维透射图案内。类似地，来自第二额外照明光源X2在第二照明方向上的第二照明探测光束通过手指内部组织的散射引导第一散射探测光的生成，该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)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，该第二指纹形貌图案在第二照明方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第二二维透射图案内。两个额外照明光源X1和X2在不同的时间顺序开启，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，从而采集第一二维透射图案和第一指纹形貌图案，随后采集第二二维透射图案和第二二维指纹形貌图案。将图5D中所示的阴影图案嵌入采集到的2-D指纹图案中，该阴影图案是指纹形貌图案的一种形式，其与在特定方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联。
[0160] 在各种实现方式中，两个或两个以上额外照明光源可以位于光学传感器模块外部的不同位置，以产生不同的照明探测光束，在不同的照明方向上照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域。由于该技术基于探测光透过手指组织的能力，每一个额外照明光源应被构造为产生光谱范围内的探测光，对应于人类手指组织呈现光学透射，允许探测光进入用户手指，通过手指内部组织的散射产生散射探测光，该散射探测光朝向顶部透明层传播，并穿过该顶部透明层以携带(1)指纹图案信息，以及(2)分别与所述不同照明方向相关联的不同的指纹形貌信息，这些信息由透过手指的脊和谷的内部组织的透射形成。探测照明控制电路，可以被耦合以控制所述额外照明光源依次地开启和关闭，以在不同时刻生成不同照明探测光束，一次一个光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以依次检测来自所述不同照明探测光束的散射探测光，分别采集(1)指纹图形信息，以及(2)与不同照明方向相关联的不同指纹形貌信息。
[0161] 除了使用独立于OLED像素的光源作为位于光学传感器模块外部的不同位置的额外照明光源以产生不同照明方向上的不同照明探测光束之外，这种两个或两个以上额外照明光源使用两个或两个以上相对于光学传感器模块选择的不同位置处的不同OLED像素和光学传感器模块顶部的外部OLED显示区域，以产生不同的照明探测光束，照亮不同照明方向上的的顶部透明层上的指定指纹感测区域。这可以通过在不同时刻开启这种OLED像素，同时关闭所有其他OLED像素来完成，以在两个或两个以上不同方向上获得定向照明来测量由手指的内部组织结构引起的空间移位阴影图案。
[0162] 图5D中公开的技术有一个值得注意的特征是照明布置、光学检测和信号处理的简单性，可以导致紧凑感测设备封装，其用于期望紧凑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可以在没有复杂信号处理的情况下高速实现的简单操作。用于采集3-D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OCT数据处理的光学相干断层扫描(OCT)成像，例如快速傅里叶变换(FFT)等不适用于智能手机和其他移动设备中的3-D光学指纹感测。
[0163] 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OLED显示器的OLED像素或者与OLED显示器分离的额外照明光源。另外，在手指的光学透射光谱带内(例如，光学波长在650nm至950nm之间)并且穿透手指的环境光或背景光的一部分也可以被引导到OLED下光学传感器阵列中，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(例如，自然日光或阳光)的强度，可以在到光学传感器模块的光学路径中提供光学衰减，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，可以实施适当的空间过滤以阻挡透过手指的环境光进入光学传感器模块，因为这种环境光不携带内部指纹图案，并且可能会对光学传感器模块中的光学检测器产生不利的影响。
[0164] 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，其具有关于与手指皮肤下方的手指的外部脊和谷相关联的内部指纹图案的信息。光的透射穿过手指组织和手指皮肤的角质层，因此印有由指纹脊区域和谷区域造成的手指皮肤内部的内部结构变化的指纹信息，并且这种内部结构变化表现为在不同照明方向上具有不同亮度图案的光信号，该内部结构变化由手指组织吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影和/或手指皮肤处的光学反射差异造成。该光学透射图案基本上不受手指和设备的顶部触摸表面(例如，脏污的接触表面)之间的接触条件的影响，以及外部手指皮肤状态(例如，脏污、干燥或潮湿的手指，或某些用户，例如，老年用户，的手指的脊和谷之间减少的外部变化)的条件的影响。
[0165] 用于采集光学反射和透射图案的屏下光学传感器模块设计的示例
[0166] 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按照各种配置来光学地采集指纹。
[0167] 例如，基于通过使用光学感测模块中的体成像模块的光学成像，可以以各种配置来实现图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。
[0168] 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OLED显示模块433下方，包括：与OLED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；以及位于间隔物617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，以将接收到的来自感测区615的返回的光成像到光电检测器阵列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，图4B中系统所描述的失真校正方法。
[0169] 与图5A和图5B中的假设相似，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当OLED显示模块433粘合在盖板玻璃431上且没有任何气隙时，全内反射在等于或大于界面的临界入射角的大角度时发生。如果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。
[0170] 在这种设计中，微透镜621和光电二极管阵列623限定了用于采集感测区615中接触手指的图像的视角θ。为了检测感测区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OLED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。有效的感测盖板玻璃表面615可以被视为镜子，使得光电探测器阵列有效地检测OLED显示器中的指纹照明区613或视区的图像，该图像由感测盖板玻璃表面615投射到光电探测器阵列上。如果开启视区/指纹照明区613中的OLED像素来发光，光电二极管/光电探测器阵列623可以接收由感测盖板玻璃表面615反射的区613的图像。当手指触摸感测区615时，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，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。
[0171] 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，该有效感测区615在盖板玻璃的宽度为Wc。调整间隔物617的厚度可以调整检测器位置参数H，并且可以优化有效感测区宽度Wc。由于H包括盖板玻璃431和显示模块433的厚度，所以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。
[0172] 图7示出了用于图6A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OLED显示模块433下，例如，被附接(如粘合)到OLED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。
[0173] 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。
[0174] 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。这种特性使得设计者得到想要的灵活性。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。
[0175] 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。
[0176] 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可以是空气间层。
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可以是空气间层。
[0177] 图9示出了基于图7的设计中的屏下光学传感器模块的另一示例，其中OLED显示模块433中的视区或指纹照明区613被设计为包括一个或多个额外的光源614，该额外的光源614附着或粘合于与视区613相同的位置或区域中，为感测区615提供附加的照明，从而增加了光学感测操作中的光强度。这是用来改进光学感测灵敏度的方法之一。额外光源614可以是扩展类型或是准直类型，使得有效感测区615内所有的点被照亮。额外光源614可以是单个元件光源或光源阵列。如上所述，OLED显示模块433中的视区或指纹照明区613中的OLED像素可以在光学指纹感测操作期间被操作亮度水平，该亮度水平高于OLED显示器中用于显示图像的亮度水平。
[0178] 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，以改进在光学传感器阵列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，以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。
[0179] 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OLED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。
OLED显示模块431的TFT层中的微孔提供使得光透过OLED显示模块431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，使得检测效率改进或优化。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°。显示器中的检测光透射效率也得到改进。
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，来改进检测效率。
OLED显示模块431的TFT层中的微孔提供使得光透过OLED显示模块431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，使得检测效率改进或优化。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°。显示器中的检测光透射效率也得到改进。
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，来改进检测效率。
[0180] 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。
[0181] 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。
[0182] 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OLED显示层中的孔的孔径，后者允许光透过OELD显示器来进行光学指纹感测。这种设计可以减少OLED显示模块中的布线结构和其他散射目标造成不期望的影响。
[0183] 在所公开的指纹技术的一些实现方式中，可以通过控制显示屏的OLED像素(613)改进光学传感器阵列623处的指纹感测对比度，该OLED像素(613)在指纹触摸感测中为采集指纹图案提供照明。当指纹传感器被激活时，例如，由于触摸的存在，局部视区613中的OLED像素可以被开启，并具有高亮度以改进指纹感测对比度。例如，局部视区613中的OLED像素的亮度可以被控制为高于当局部视区613中相同的OLED像素用作常规显示器时的最大亮度。
[0184] 本专利文件中公开的屏下光学感测可能受到来自各种因素的噪声的不利影响，这种因素包括来自设备使用的环境的背景光。提供了用于减少背景光噪声的各种技术。
[0185] 例如，通过在光路中提供合适的光学滤波可以减少指纹感测时不期望的背景光。可以使用一个或多个滤波器来过滤环境光波长，例如，近IR和部分红光等。在一些实现方式中，这种滤波器涂层可以在光学零件的表面上制造，包括显示器底面，棱镜表面，传感器表面等。例如，人类手指会吸收波长在～580nm以下的大部分能量，如果可以设计一个或多个光学滤波器或光学滤波涂层来过滤波长从580nm到红外线的光，可以大大减少对指纹感测的光学检测中来自环境光的不期望的贡献。后面章节提供基于光学滤波的背景减少的更多细节。
[0186] 图12和图13示出了基于在光学传感器模块处采集和处理光学信号的特定方式的技术的两个示例。
[0187] 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贡献。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进行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启OLED显示器，以照亮手指触摸区域，在帧B中，改变或关闭照明。在图像处理中可以从帧A的信号减去帧B的信号，以减少不期望的背景光影响。
[0188] 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，某些显示像素被控制和操作为在特定区域中发光，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被操作为以与频率F相同的帧速率来采集图像。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与频率F同步，并且进行背景过滤。
所得的图像减少了背景光影响，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。
所得的图像减少了背景光影响，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。
[0189] 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和5B所示的后向散射光191。可以集成来自图5A和5B中来自后向散射光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。
[0190] 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，尽管是一种独特的生物特征标识符，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体手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。这种光学反欺骗感测功能无需使用单独的光学传感器来提供。光学反欺骗能够提供高速响应，而不影响指纹感测操作的整体响应速度。
[0191] 图14A示出了血液中受监测材料的示例性光学消光系数，血液中的光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以第一可见光波长(颜色A)和诸如IR波长的第二不同波长(颜色B)照亮手指，可以采集输入目标的光学吸收的差异，以确定触摸目标是否为来自活体手指。因为OLED像素包括发出不同颜色的光的OLED像素，发出至少两种不同的光学波长的探测光，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，因此在血液中受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。
[0192] 图14B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更多个波长时，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14B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，另一个是IR波长。
[0193] 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，接收到的信号显示了与该无生命材料的表面图案相关的强度水平，并且该接收到的信号不包含与活体手指相关联的信号组分。然而，当活体手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号揭示了与活体相关联的信号特征，因为不同的波长的消光比不同，其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。在图14B中，脉冲状信号反映了多次触摸，而不是血液脉动。与无生命材料类似的多次触摸不会显示由活体手指引起的差异。
[0194] 这种血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的光学感测可以在短周期内进行，以用于活体手指检测，并且可以比使用相同光学传感器的人的心跳的光学检测更快。
[0195] 图15示出了通过操作OLED像素以用两种不同颜色的光照亮手指来确定与OLED显示屏接触的目标是否是活体手指的一部分的操作过程的示例。
[0196] 又如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长下的不同光学吸收之外的其他机制，利用“活体手指”检测机制检测采集的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活体手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活人的手指通常是脉动的。在一个实现方式中，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，从而检测在呈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，当人触摸OLED显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽，或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。
[0197] 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。图16示出了由OLED显示器产生的标准校准图案的示例，该标准校准图案用于校准用于指纹感测的光学传感器阵列输出的成像感测信号。指纹感测模块参考标准图案的图像校准输出坐标。
[0198] 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。
[0199] 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。
[0200] 再如，可以提供一种用于指纹感测的方法，其中从显示面板发出的光被盖板基底反射，位于盖板基底顶部上的手指与光交互，以通过指纹调制光反射图案。显示面板下方的成像感测模块用于感测反射的光图案图像，并重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发光像素的调制同步，基于此种设置的解调制过程会过滤背景光(不是来自目标像素的光)中的大部分光。
[0201] 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2016年6月20日提交的、申请号为PCT/US2016/038445、发明名称为“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日以国际公开号WO2016/205832A1公开)中和2016年11月2日提交的、申请号为PCT/CN2016/104354、发明名称为“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，并以国际公开号WO2017/076292A1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。
[0202] 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，可以实现将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利用光学感测检测指纹的光学传感器模块中的光学成像模块来解决。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，形成于设备屏幕上方，作为用于被用户触摸以进行所述触摸感测操作、并透射来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；以及光学传感器模块，位于所述显示面板结构下方，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。
[0203] 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(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。
[0204] 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。
[0205] 图17A和图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。
[0206] 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。
[0207] 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。在光学检测器阵列上方使用多个光学准直器，其可以用作无透镜光学设计，以采集具有期望的空间分辨率的指纹图形，来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光学准直器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过滤到达该光学准直器的另一端上的光学光电二极管。
[0208] 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电磁被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。
[0209] 在实现方式中，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；形成于显示屏结构上方的顶部透明层，作为被用户触摸并透射来自显示屏结构的光以向用户显示图像的界面；以及光学传感器模块，位于显示屏结构下方，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光电检测器的光学传感器阵列，该光电检测器接收返回的光，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，并分离来自顶部透明层中不同位置的光，同时将收集到的返回的光通过光学准直器引导至光学传感器阵列中的光电检测器。
[0210] 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在传感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窄化或聚焦。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。
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窄化或聚焦。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。
[0211] 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。
[0212] 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22A至图22B中的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25μ5至250μ5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。
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25μ5至250μ5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。
[0213] 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，作为一个示例，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，以检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。
[0214] 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(光学_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。
[0215] 利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在指纹的相同的脊上，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补充。在操作中，对于所有的传感器位置，传感器响应可以是固定的，并且电容式传感器的点传播功能可以是固定的。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。
[0216] 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。
[0217] 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(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Cf2302的两个板之间的距离‘d’成反比。当感测顶部电极2308与手指的脊相对时的电容器Cf 2302的电容大于当感测顶部电极2308与手指的谷相对时的电容器Cf
2302的电容。
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Cf2302的两个板之间的距离‘d’成反比。当感测顶部电极2308与手指的脊相对时的电容器Cf 2302的电容大于当感测顶部电极2308与手指的谷相对时的电容器Cf
2302的电容。
[0218] 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可以被耦合在放大器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。
[0219] 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Vref。通过直接向放大器2322的正端提供激励信号Vref，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Vref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Vref2330，激励信号Vref 2322不直接应用于手指，以避免潜在地刺激或伤害手指。而且，当用于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。
[0220] 图19A中，传感器像素2300中的传感器信号检测电路2316(如放大器2322的Vpo)的输出信号(光学输出信号和电容输出信号)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。
[0221] 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。
[0222] 混合指纹感测元件或像素2340实现了感测顶部电极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。
[0223] 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。
[0224] 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。
[0225] 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。在一些实施例中，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可以对来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号进行并行检测。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直接或间接地通信被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。
[0226] 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，并且该信息由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可以具有多种功能，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。
[0227] 图20、图21A至图21B和图22A至图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被放置在显示屏和屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间，以耦合从显示面板返回的期望的光，同时过滤光学传感器阵列在光学检测中的背景光。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，并且改进光学传感器阵列进行光学检测的可靠性和性能。此外，这种光学准直器或针孔能够显著地简化屏下光学传感器模块的制造并降低屏下光学传感器模块的总体成本。
[0228] 图20示出了包括光学准直器的光学准直器阵列2001的屏下光学传感器模块，该光学准直器阵列2001位于光电检测器阵列2002的顶部，用于将携带指纹信息的信号光指向光电检测器阵列2002上不同的光电检测器中。电路模块2003被耦合到光电检测器阵列2002，以操作光电检测器阵列2002，并且接收来自光电检测器阵列2002上的光电检测器的输出信号。OLED显示模块433包括小透光孔82D，例如，OLED显示模块的TFT层中的孔，以允许来自顶部透明层431的顶面的光穿过OLED显示模块433到达屏下光学传感器模块。准直器阵列2001可以在各种设计中使用准直器，例如，基于波导的图像发射器、光纤阵列(有芯或无芯)、微透镜阵列、针孔阵列和其他。阵列2001中的准直器被设计为限制采样图像的数值孔径。准直器阵列2001中的每个像素可以看作是光学检测针。光电二极管阵列2002可以是CMOS传感器阵列、CDD传感器阵列、光电二极管阵列或其他光感测阵列。
[0229] 在操作中，OLED像素照亮盖板玻璃431。来自盖板玻璃431反射的光被OLED显示模块433中的TFT结构的孔衍射。准直器阵列2001对衍射的光的有用部分进行采样，并选择适合每个准直器的小数值孔径的光的一部分，将这一部分光传递到光电二极管阵列2002，以形成感应区域的图像。
[0230] 图21A至图21B示出了图20中的光学传感器模块的操作。OLED显示模块433中的照明区613中的OLED像素将光束82P照射到与盖板玻璃431上的感应区域615接触的手指。手指和盖板玻璃431反射光束82R。TFT基板中的小孔衍射光束82R以形成光束82D。准直器阵列2001中合适的准直器单元从光束82D中选择光束82S，并将其引导至光电检测器阵列2002的合适的光电检测器元件中。在一些OLED显示器中，部分光可以被直接朝向传感器模块照射，并且可以通过校准消除。
[0231] 图22A至图22B示出了图20和图21A至图21B中设计的示例性实现方式。该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透射。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，反射适当的入射光82P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被透射到光电二极管阵列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。其他OLED像素发射相对于准直器单元轴成一定角度的光901，因此该光可以被阻挡。反射光的一部分，如901E，透射到对应的光学准直器中，以到达光电检测器阵列2002。
[0232] 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)允许的透射数值孔径足够小，以实现光学感测的期望的高空间分辨率。
[0233] 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透射光，同时阻挡其他方向的光，来进行空间滤波，并且具有小的光学透射数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。小的光学透射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。
[0234] 图23示出了，通过在CMOS结构中使用两个不同金属层中的对齐的孔而成为CMOS结构的一部分得准直器设计的示例。阵列中的每个准直器是沿垂直于显示面板的方向的细长通道。
[0235] 图24示出了OLED显示结构下的光学指纹传感器模块的示例，其结合了用于采集指纹信息的每个光学传感器像素的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。OLED显示像素发光以照亮手指的触摸部分，从手指反射的光被引导穿过准直器阵列，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个或多个金属层来实现。
[0236] 屏下光学传感器模块中的这种光学准直器可以被构造为提供直接的点对点成像。例如，光学准直器阵列和单独的准直器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独光电检测器的尺寸，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拼接。
[0237] 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像素发出的光的照明，可以在光学传感器模块中提供一个或多个光学滤波器，以滤除背景光并减少光电检测器阵列处背景光的量，用于改进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过滤器，以允许OLED像素发射的光的透射，同时阻挡太阳光中的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。
[0238] 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滤波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。该示例将光学波导的阵列作为光学准直器，并且一个或多个光学滤波器膜被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IR光，同时透射用于照亮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。
[0239] 以下部分提供各种的光学准直器设计及其制造的示例。
[0240] 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。
[0241] 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。透射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。
[0242] 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IR光等的背景光，同时透射用于照亮手指的探测光的预定光谱带中期望的光。
[0243] 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透射数值孔径。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IR光。
[0244] 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集成的CMOS光电检测阵列传感器来实现，其在OLED显示模块(710)和盖板玻璃下具有内置的准直光。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，这些光从窗口区域的OLED显示像素发出。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。指纹的脊和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。
[0245] 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。当准直器阵列中每个准直器沿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相邻光学检测器的贴片，如1mm×1mm的区域。在一些设备的设计中，光学指纹感测可以通过使用针孔阵列来实现，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，以在感测指纹时实现光学检测器阵列处的高图像分辨率。与准直器设计相比，针孔阵列可以具有更薄的尺寸和更少量的针孔，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的元件尺寸有关，从而可以通过调整检测器尺寸来调整或优化感测分辨率。
[0246] 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OLED像素发射的光的照明，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，以滤掉背景光，并减少在光电探测器阵列处的背景光的量，以改进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过滤器，以允许OLED像素发射的光的透射，同时阻挡太阳光中的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。
[0247] 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进。图29示出了这种设计的示例。
[0248] 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(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。
为了改进检测分辨率，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进。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和光学传感器阵列621之间添加光学滤波器膜618a。
为了改进检测分辨率，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进。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和光学传感器阵列621之间添加光学滤波器膜618a。
[0249] 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。
[0250] 图30示出了利用针孔相机效应来改进光学成像分辨率的另一示例。顶部透明层431下面的OLED显示模块层433包括OLED层及其他，该OLED层包括OLED像素阵列，该OLED像素阵列发出用于显示图像的光并且具有光学地用作孔的阵列和散射物体的光的电极和布线结构。OLED层中的孔阵列被示为OLED显示模块层433内的小透光孔450，并且使得来自顶部透明层431的光的透射穿过OLED层到达用于指纹感测的光学传感器模块621。在该示例中，光学传感器模块包括若干层：在OLED显示模块层433下方且在针孔阵列617上方的间隔物917、在针孔阵列617下方且在光电检测器阵列621上方的保护材料919，以及电路板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厚度、间隔物
917厚度、任何过滤涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度的光学厚度。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部件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个部件，从而预先定义每个针孔的中心坐标。
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厚度、间隔物
917厚度、任何过滤涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度的光学厚度。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部件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个部件，从而预先定义每个针孔的中心坐标。
[0251] 图31A示出了基于针孔相机效应的光学成像的示例。目标侧上，OLED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31A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31A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定义的，每个OLED显示像素的图像点坐标可以被预先校准。由于每个像素只有一个对应的图像位置，所以检测区中的所有显示像素可以同时点亮。因为针孔相机的图像是倒置的，所以信号处理可以基于校准表格恢复整个图像。
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定义的，每个OLED显示像素的图像点坐标可以被预先校准。由于每个像素只有一个对应的图像位置，所以检测区中的所有显示像素可以同时点亮。因为针孔相机的图像是倒置的，所以信号处理可以基于校准表格恢复整个图像。
[0252] 图32B示出了屏下光学传感器模块的示例，通过实现光学针孔阵列，说明影响光学检测器阵列处的每个针孔产生的视场(FOVi)的设备设计因子，并因此影响光学传感器模块的成像分辨率。所示示例示出了相关层的厚度值，例如，顶部透明层431和OLED显示模块层433的总厚度(Ds)，针孔阵列920a的层920a的厚度(T)，以及在针孔阵列617下方且在光电检测器阵列621上方的保护材料919的厚度(Di)。如图31B所示，将针孔阵列920a应用于感测区域成像，其中手指60按压顶部透明层433上的顶部感测表面，并且针孔层920a的厚度T可以影响视场(FOV)的角度。结合从感测表面到针孔的距离和从图像平面到针孔的距离，定义感测区域的FOVs和成像区域的FOVi。图像放大率由Di/Ds得出。在设计设备时，可以调整和优化T、Ds和Di的值，以获得期望的FOV和图像放大率。
[0253] 在图31B的示例中，可以将相邻的FOVs调整为适当重叠。同样，也可以将相邻的FOVi调整为部分重叠或完全分离或彼此离散。在相邻的FOVs彼此重叠的设计中，感测表面上的一些点可以具有多个图像点。该特征可以用于增强指纹的光学检测。
[0254] 图12和图13中的两种背景减少技术中的任何一种都可以应用于图31B中的光学传感器模块的操作，以减少背景噪声。例如，显示扫描帧可以用于生成指纹信号的不同的帧。当获得两个顺序获得的信号帧，在一帧中显示器点亮，而在另一帧中显示器关闭时，如图12所示，可以使用这两个信号帧的差值以减少或消除周围背景光的影响，其中，在该操作模式下指纹感测帧频是显示帧频的一半。
[0255] 在实现用于屏下光学传感器模块的图31B的设计和其他设计中，用于减少背景光的光学滤波器膜可以涂覆在间隔物917、针孔层920a、保护层919a或显示表面上。如图31B所示，当背景光937被投射到手指组织60上时，大部分短的波长组分往往被手指组织吸收，较长的波长(例如，红光或红外光)中的光的一部分透过手指，向光学检测器阵列621传播。光学滤波器膜可用于过滤那些波长较长的背景光组分，以改进指纹的光学检测。
[0256] 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传感器阵列中的光学准直器的方向，该光学准直器的方向可以垂直于OLED显示屏的顶部触摸表面，以收集从手指返回的探测光来进行指纹感测，其中返回的探测光的大部分光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，光学传感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。
[0257] 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。
[0258] 图32包括图32A和图32B，示出了具有光学偏转或衍射的设备或层的OLED显示面板下方的光学指纹传感器的示例。
[0259] 如图32A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。
[0260] 图32B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。
[0261] 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。换句话说，这种检测可以看到一定程度的指纹阴影。这种布置改进了手指干燥时的检测。
[0262] 基于本文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。
[0263] 例如，OLED显示面板可以被控制为提供局部闪光模式，以通过操作感测区域613下方的选定OLED显示像素来照亮指纹感测区域613。这可以在OLED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，窗口区域613中的OLED显示像素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以采集与开启感测区域613下方的OLED像素同步的指纹图像。开启这些OLED像素的时间可以相对较短，但是可以将发射强度设定为高于在OLED显示面板上用于显示图像的正常发射。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进图像感测性能。
[0264] 再如，光学传感器模块可以被设计为满足OLED显示面板的顶部感测表面处的全内反射条件，以实现闪光唤醒功能，其中视区613中的OLED像素的一部分开启以闪光，而其他OLED像素被关闭并处于睡眠模式，以在设备不使用时节省电力。响应于视区613中OLED像素的闪光，光学传感器阵列621中的对应光电传感器操作为接收和检测光信号。在该闪光唤醒模式期间，当手指触摸感测区613时，手指使返回的光被全反射，以产生强烈的返回的探测光，该探测光在光学传感器阵列处被检测，并且对光的存在的检测可以用于唤醒睡眠模式下的设备。除了使用视区613中的OLED像素的一部分以外，还可以在光学传感器模块附近提供一个或多个额外光源，以在视区613处提供用于闪光唤醒功能的闪光模式照明。当非手指物体触摸OLED显示面板上的顶面上的视区613时，可能不会发生全内反射条件，因为其他材料很少具有手指皮肤特性。因此，即使非手指物体接触感应区域613，在触摸位置缺乏全内反射也可能导致返回的探测光不足以到达光学传感器阵列以触发闪光唤醒操作。
[0265] 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，以能够区分在不同时刻采集的采集指纹中的微小变化。值得注意的是，当人在设备上按压手指时，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。当手指接触盖板玻璃上的感应区域时，接触力的变化可能会在光学传感器阵列上引起若干可检测的变化：(1)指纹形变、(2)接触区域的变化、(3)指纹脊加宽以及(4)受压区域的血流动力学变化。这些变化可以被光学采集，并且可以用来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。
[0266] 参见图33，接触轮廓面积随着按压力的增加而增大，同时脊的印迹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小而减小，同时脊压印随着按压力的减小而紧缩或收缩。图33示出了不同按压力下同一手指的两个不同指纹图案：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。如下进一步所释，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。
[0267] 当手指接触传感器表面时，手指组织吸收光功率，从而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。
[0268] 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，可以对按压力进行检测。
[0269] 因此，通过分析小区域内的集成的接收到的探测光功率的变化，可以监测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的按压力的时域演变。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于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，人手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是操作移动设备的预期触摸还是偶然的无意触摸，并且基于该确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒处于睡眠模式下的移动设备。
[0270] 此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活体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14A和图14B所述。返回参考图33，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，从而产生在两种不同探测光波长下获得的表明活体组织的消光比。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。这种变化与来自人造材料的假指纹图案的不同力的按压而产生的在两种不同探测光波长下获得的光学消光比不同。
[0271] 因此，还可以使用在两种不同探测光波长下获得的消光比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醒睡眠模式下的移动设备。
[0272] 再如，所公开的光学传感器技术可以用于监测人的手指由于活人的自然移动或运动(有意或无意的)通常表现的自然运动，或监测当血液流过与心跳相关的人体时的脉动。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体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，该感测功能用于基于来自手指或手掌的返回的光中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。这种触摸力感测可以用于为光学传感器模块增加除指纹感测之外更多的功能。
[0273] 上述光学传感器模块设计和特征旨在将光学信号收集到屏下光学传感器模块中的光学检测器，并通过实现至少一个成像透镜或准直器或针孔阵列经由光学成像来提供期望的光学成像质量(例如，检测到的图像分辨率)。如上所述，例如图12和图13中所示的两个示例，通过执行某些控制和信号处理可以在屏下光学传感器模块中提供背景减少技术。另外，可以将一个或多个附加的光学设计特征添加到上述公开的光学传感器模块设计中，以基于背景光过滤或添加额外照明光源来减少背景光。基于操作控制/信号处理、光学滤波和添加额外照明光源的不同的背景光减少技术可以以各种方式结合在实现方式中。
[0274] 用于减少背景光的光学滤波技术可以以本文件中公开的各种光学传感器模块设计来实现。虽然在光学传感器模块的光路中插入光学滤波器的总体目标是过滤环境光波长，例如，近IR和部分红光以及其他不期望的波长，但是这种光学滤波器的具体实现方式可以基于每个应用的具体需要而变化。这种光学滤波器可以通过在通向光学检测器阵列621的光路中的光学零件的选定表面上形成光学滤波器涂层来形成，该选定表面包括例如显示底面、光学棱镜等其他光学部件的表面、光学检测器阵列的上部传感器表面等。例如，人类手指吸收低于某个波长(例如，约～580nm)的波长的大部分能量，如果光学滤波器被设计为过滤波长从约～580nm至红外线的波长的光，则能够大大减少不期望的环境光的影响。
[0275] 图34示出了从约525nm到约940nm的数个不同光学波长下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，例如小于610nm的波长，小于0.5％的环境光可以穿过手指。红光和近IR光具有更高的透射率。由于手指组织的散射，穿过手指的环境光的透射方向范围变大，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。
[0276] 图35示出了屏下光学传感器模块600a中的背景光的影响。可能对光学指纹感测产生不利影响的不期望的环境光可以穿过不同路径到达光学指纹传感器600a。在一些情况下，环境光路可以根据其光路分成不同的情况：像937这样的一些光穿过手指进入光学指纹传感器600a，以及像937a这样的一些光不穿过手指，而是从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器600a。
[0277] 在示出的用于指纹感测的屏下光学传感器模块600a中，传感器封装600b形成于屏下光学传感器模块600a的外部，可以由光学不透明材料或吸收材料形成为背景阻挡物，至少用于阻挡一些入射背景光，例如像937a这样不穿过手指，而是从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器600a的背景光中的部分大角度光。
[0278] 对于穿过手指60a传播的环境光937，手指60a吸收一些入射光，使得光939的一部分透过手指60a到达盖板玻璃431，随后透过盖板玻璃431到达OLED TFT层。OLED TFT层中的小孔450阻挡这种背景光中的大部分，而这种背景光939的一小部分光941穿过小孔450进入光学指纹传感器封装600a/600b。如图5D中所讨论的，基于与手指的外部皮肤表面上的外部指纹图案相关联的手指的内部结构的相互作用，这种光可以携带表示手指的指纹图案的光学透射图案，因此可以使用在一些用于光学指纹感测的实现方式中。
[0279] 一些环境光937a不透过手指直接传播到盖板玻璃431。这种透射光被折射到盖板玻璃431中变成光939a。OLED TFT层小孔450允许一小部分光941a的穿过，以到达光学指纹传感器封装600a/600b。环境光的这种组分往往包括具有大入射角的光组分。可以设计检测光路，使得这部分环境光不与信号光混合。
[0280] 可以设计光学指纹传感器封装，使得光学传感器模块600a仅接收来自检测光路窗口的光，同时阻挡大入射角的不期望的环境光。例如，在一些实现方式中，OLED显示器的OLED光源可以用作探测光源，以照亮手指进行光学指纹感测。在这种设计下，只打开与OLED显示模块的底部接合(例如粘合)的光学传感器模块600a的顶侧，以接收光，例如图35中所示的光学指纹传感器封装的顶部的光学窗口600c，并且传感器底部和侧壁在检测光波段内不是光学透明的，这样就会减少可以进入光学指纹传感器的环境光。因此，对于起先没有透过手指而后进入光学传感器模块的环境光，光学传感器模块的封装可以被设计为利用光阻挡侧壁或适当设计的光学接收孔提供对这种光的吸收或阻挡，使得这种光在到达接收光学器件材料或封装材料时被吸收或阻挡。
[0281] 不期望的环境光可以包括不同的波长组分，因此在实现所公开的技术时，不同的环境光组分应进行不同处理，以减少其对光学指纹感测的影响。
[0282] 例如，不期望的环境光可以包括在红光(例如，波长大于580nm)和更长波长的透过手指的光组分，以及不透过手指的波长比红光波长短(例如，小于580nm)的光组分。由于手指对光的吸收取决于波长，穿过手指的透射环境光通常包括一些近红外(IR)和部分红光组分。因此，光学指纹传感器封装中可以包括光学滤波，以滤除会另外进入光学检测器阵列的不期望的环境光。
[0283] 一种示例设计是使用一层或多层IR阻挡滤波器涂层，例如，IR-截止滤波器涂层，来减少来自手指的透射光中的IR光或近IR光。然而，用于成像设备的各种IR-截止滤波器通常仅限制大于710nm的波长。当设备被暴露在直接或间接太阳光下时，这种过滤性能可能不足以减少光学指纹感测时的IR背景光。在一些应用中，合适的IR过滤涂层应该将短端截止波长延伸至低于710nm的较短波长，例如610nm。
[0284] 由于各种IR截止涂层的光谱响应，具有用于较短波长的延伸的工作频带的单个IR截止滤波器可能无法提供期望的IR阻挡性能。在用于屏下光学传感器模块的一些滤波器设计中，可以组合使用两个或两个以上光学滤波器，以在传感器光路中实现期望的IR阻挡性能。使用这种两个或多个滤波器的部分原因是来自太阳的自然日光的强背景光，这是一个重要的技术问题。在OLED显示面板下的公开的光学传感器的示例中，可以在屏下光学传感器叠层中内置光学滤波机制，以阻挡或减少来自太阳的自然日光中的进入光学传感器阵列600a的强背景光。因此，一个或多个光学滤波器层可以集成到光学传感器阵列上方的屏下光学传感器叠层中，以阻挡来自太阳的不期望的背景日光，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。
[0285] 例如，在一些实现方式中，照明光可以在显示器的OLED发射的可见范围内，例如400nm到650nm之间，并且OLED面板和光学传感器阵列之间的一个或多个光学滤波器可以对
400nm至650nm之间的光进行光学透射，同时阻挡光波长大于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到达光学传感器阵列，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，使得组合两个或多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，通过上述方式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波长的背景光的期望的过滤。这种光学滤波器可以涂覆在图31B所示的各种示例中的间隔物917、准直器
617和/或保护材料919上。
400nm至650nm之间的光进行光学透射，同时阻挡光波长大于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到达光学传感器阵列，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，使得组合两个或多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，通过上述方式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波长的背景光的期望的过滤。这种光学滤波器可以涂覆在图31B所示的各种示例中的间隔物917、准直器
617和/或保护材料919上。
[0286] 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，以对被过滤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过滤的光带。作为具体的示例，可以使用在610nm至1100nm之间具有高吸收率的蓝色玻璃片作为滤波器的基底。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。
[0287] 除了使用适当的光学滤波来截止屏下光学传感器模块中的红光和IR范围中的背景光之外，通过光学滤波应减少的背景光可以包括在较短波长光谱范围(包括UV波长)中的光。在一些实现方式中，应减少或消除UV波段中的环境光，因为这种光带会产生噪声。这种消除可以通过UV截止涂层或材料吸收来实现。手指组织、硅、黑油墨和其他往往可以强力吸收UV光。UV光的材料吸收可用于减少UV光对光学指纹感测的影响。
[0288] 图36示出了设计算法的示例，根据上述讨论，该设计算法用于设计屏下光学传感模块中的光学滤波，用于减少背景光。因此，除了在到光学传感器模块的光学路径中设计合适的光学滤波器外，还可以在光学传感器模块中的用于光学检测器阵列的接收光学器件的设计中添加用于减少背景光的附加设计特征。在操作这种光学传感器模块时，可以经由操作控制和信号处理将这些光学滤波考虑和进一步的背景光减少相结合，以实现期望的光学感测性能。
[0289] 在具有光学检测器阵列之前的光学准直器阵列或光学针孔阵列的屏下光学传感器模块中，光学准直器阵列或光学针孔阵列是接收光学器件的一部分，并且可以被设计具有小的光学数值孔径，以减少进入光学检测器阵列的背景光。图37示出了图37A和37B中的两个示例。
[0290] 参见图37A，准直器针孔951可以被设计为在探测光带内是光学透明的，准直器壁材料953可以被选择为吸收到达壁的光955。如果准直器材料是硅，则每个壁上都可以形成黑化的吸光涂层。
[0291] 参见图37B，作为接收光学器件的一部分的针孔959的针孔阵列可以被构建为具有有效数值孔径，以阻挡具有大入射角的环境光。具有孔径限制孔961阵列的光阻挡层可以形成在针孔959阵列的下方，使得有效数值孔径外的光967可以被具有孔径限制孔961的光阻挡层的不透明部分阻挡。形成成像相机针孔959和孔径限制孔961的材料963和965可以是不透光材料或光学吸收材料，例如黑色油墨或金属膜等光学反射材料。
[0292] 在一些实现方式中，一个或多个光学滤波器可以用作用于支撑针孔相机型光学器件的基板，使得多个功能零件可以被组合或集成到一个硬件中。这种不同背景光减少机制的集成或组合可以降低设备成本，还可以减小设备厚度。
[0293] 屏下光学传感器模块也可以用传感器初始化过程来操作，以减少背景光的不期望的影响。如图12和图13所示的技术，该传感器初始化过程本质上是用来操作的。图38示出了该传感器初始化过程的示例，在每次获得指纹时，测量光学传感器阵列处的基线背景水平。在执行实际指纹感测之前，在没有任何环境光影响的暗室环境中，开启用于光学感测的照明光或光学探测光(OLED显示器)，将手指模拟器设备放置在盖板玻璃上，以记录图像数据。
手指模拟器设备被设计为模拟手指皮肤反射行为，而没有任何指纹图案。将从手指模拟器设备获得的图像数据作为基数1数据保存到存储器中，以在真实的感测操作中进行背景光减少处理。该过程可以是在运送设备之前在工厂完成的设备校准过程。
手指模拟器设备被设计为模拟手指皮肤反射行为，而没有任何指纹图案。将从手指模拟器设备获得的图像数据作为基数1数据保存到存储器中，以在真实的感测操作中进行背景光减少处理。该过程可以是在运送设备之前在工厂完成的设备校准过程。
[0294] 在实时指纹感测中，存在环境影响。在操作中，首先关闭照明光或光学探测光(例如，OLED屏)，将图像数据记录为基数2，这是在具有环境光的条件下进行的。基数2表示所有环境光残留物的总影响。基数1和基数2的总和为实时基数。接下来，开启照明光或光学探测光以执行指纹感测，采集实时信号，该实时信号混合了来自指纹的真实指纹信号和实时基数。信号混合与实时基础之间的差分可以执行作为信号处理的一部分，减少来自环境光的信号贡献，从而可以获得指纹图像的图像质量。图38中的上述示例示出了一种用于操作能够通过光学感测检测指纹的电子设备的方法，该方法通过操作为该设备提供触摸感测操作的触摸显示面板下方的光学传感器模块，产生照亮触摸显示面板的顶部透明层的探测光，操作光学传感器模块内的光学传感器阵列来获得来自该顶部透明层的返回的探测光中的第一图像。该方法包括操作光学传感器模块内的光学传感器阵列，同时关闭探测光，以获得仅有环境光而不用任何探测光照亮的触摸显示面板的顶部透明层的照明下的第二图像；以及处理第一图像和第二图像，以去除设备的图像操作中的环境光的影响。
[0295] 基于以上，背景光对屏下光学传感器模块的性能的不期望的影响可以通过不同的技术来减轻，这些技术包括在到光学传感器阵列的光路中实施光学滤波以减少背景光、设计用于光学传感器阵列的接收光学器件以减少背景光，或控制光学传感器模块和信号处理的操作以进一步减小背景光对光学感测性能的影响。这些不同的技术可以单独使用也可以结合使用，以满足期望的设备性能。
[0296] 在所公开的光学感测技术中，除了使用来自OLED显示模块的OLED发射光之外，还可以使用一个或多个额外光源来照亮待检测的手指，以改进光学指纹感测，例如，通过改进检测中的信噪比。包含一个或多个额外照明光源以增加除返回的OLED显示光引起的信号电平之外的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，用于改进光学感测灵敏度，其可以单独使用，也可以结合上述公开的技术使用，以减少进入屏下光学传感器模块中的光学传感器阵列的背景光的量。
[0297] 就这点而言，能够通过光学感测检测指纹的电子设备可以被设计为包括：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，作为用于被用户触摸以进行所述触摸感测操作、并透射来自显示结构的光以向用户显示图像的界面；以及一个或多个额外照明光源，定位成向形成于设备屏上方的作为用于用户触摸的界面的顶部透明层提供额外照明光。该设备还进一步包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收由该显示结构的发光显示像素的至少一部分发出的光，以及由一个或多个额外照明光源发出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，该光学传感器阵列用于检测光学传感器模块中接收到的光中的图像。在实现方式中，例如在各种OLED屏中，显示面板结构包括在显示面板结构的发光显示像素之间的开口或孔，以允许返回的光穿过显示面板结构到达光学传感器模块；光学传感器模块包括光学准直器阵列或针孔阵列，以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。
[0298] 使用额外照明照亮的第一个示例在图9中示出，包括一个或多个额外光源614，该额外光源614附着或粘合于与视区613相同的位置或区域中，为感测区615提供附加的照明，从而增加光学感测操作中的光强度。额外光源614可以是扩展类型或是准直类型，使得有效感测区615内所有的点被照亮。额外光源614可以是单个元件光源或光源阵列。此外，OLED显示模块433中的视区或指纹照明区613中的OLED像素可以在光学指纹感测操作期间操作亮度水平，该亮度水平高于OLED显示器中用于显示图像的亮度水平，以增强用于光学感测操作的照明度。
[0299] 图39和图40示出了具有额外照明光源的屏下光学传感器模块的示例中的各种光学信号的光学行为，该额外照明光源用于补充OLED显示光提供的光学指纹感测照明。
[0300] 图39和图40中的示例包括额外光源971，该额外光源971被组装在光学传感器模块中或附近，并且通常位于由顶部透明层431提供的指定指纹感测区域下方。具体地，在该示例中，两个或两个以上额外光源971被放置在光学传感器模块600a的外部以及包装壁600b的外部。每个额外光源971可以是一个光源，或可以包括多个光源，例如LED光源。额外光源971可以操作以一个单一波长或多个波长(例如，绿色LED、红色LED、近IR LED)发光。额外光源971可以被调制以产生调制的照明光，或被操作以在不同相位开启发光。在每个额外光源
971的输出端口处，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与OLED显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，使得来自额外光源971的探测光973被耦合到盖板
431表面上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，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可以是例如气隙等的低折射率材料，并且可以构造为具有期望的输出孔径，该输出孔径限制显示器中的探测光973的输出角度。
971的输出端口处，适当的耦合材料972设置在每个额外光源971与OLED显示模块之间。耦合材料972可以包括合适的光学透明材料，使得来自额外光源971的探测光973被耦合到盖板
431表面上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，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可以是例如气隙等的低折射率材料，并且可以构造为具有期望的输出孔径，该输出孔径限制显示器中的探测光973的输出角度。
[0301] OLED显示模块的TFT层中的小孔450将探测光束973散射到各个方向。如图39所示，一些散射光977以大角度朝向光学传感器模块660a传播，由于光学传感器模块660a的接收光学器件的小孔径的吸收或阻挡，这些散射光977不太可能进入光学传感器模块。一些散射光977a朝向远离光学传感器模块660a的孔径的其他方向传播，因此不影响光学感测。值得注意的是，来自每个额外光源971的探测光973的一部分穿过TFT层，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盖431上的手指相互作用，进行光学指纹感测。首先，探测光875的一部分可以如图5A和5B所释被反射回光学传感器模块
600a，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。第二，探测光875的另一部分可以通过光学透射耦合到手指60a中，如图5A和5B中所释，参考朝向屏下光学传感器模块的散射光191，来携带与指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案，如图5C和5D中所释。手指60a中的组织散射探测光975，在各个方向上产生散射探测光979，包括具有用于光学指纹感测的光学透射图案的后向散射探测光981。反向散射探测光981反向传播，穿过顶部透明层431，朝向光学传感器模块600a进入TFT层。TFT层使反向散射探测光981发生折射或散射，其中一部分折射或散射后的光成为探测光组分983，可以由光学传感器模块600a中的光电检测器阵列检测。
600a，作为表示由脊和谷形成的外部指纹图案的光学反射图案。第二，探测光875的另一部分可以通过光学透射耦合到手指60a中，如图5A和5B中所释，参考朝向屏下光学传感器模块的散射光191，来携带与指纹图案和内部组织结构相关联的光学透射图案，如图5C和5D中所释。手指60a中的组织散射探测光975，在各个方向上产生散射探测光979，包括具有用于光学指纹感测的光学透射图案的后向散射探测光981。反向散射探测光981反向传播，穿过顶部透明层431，朝向光学传感器模块600a进入TFT层。TFT层使反向散射探测光981发生折射或散射，其中一部分折射或散射后的光成为探测光组分983，可以由光学传感器模块600a中的光电检测器阵列检测。
[0302] 对于如图5C和5D所释，来自探测光979的后向散射探测光981穿过手指皮肤传播，由于与手指的外部脊和谷相关联的内部手指组织的相互作用，指纹脊区域和谷区域显示具有光学透射图案中的空间变化亮度图案的光信号，并且这种亮度对比形成了指纹图案的一部分，由手指组织吸收、折射和反射，手指皮肤结构阴影和在手指皮肤显示器盖板玻璃界面的反射差异引起。因为指纹对比的复杂机制，所以即使手指干燥、潮湿或脏污时，也可以检测指纹。
[0303] 图40进一步示出了存在于设备处的背景光，该背景光通常可以包括两个不同的部分，一部分是入射到手指60a的环境光或背景光937，另一部分是入射到顶部透明层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穿过手指60a传播回光学传感器模块600a。如果没有穿过手指60a的环境光937c的一部分被允许进入光学传感器模块600a，则可能对光学传感器模块600a的光学感测操作产生不利的影响。因此，可以期望通过光学滤波、通过接收光学器件的设计或通过控制光学传感器模块的操作和信号处理来减少或消除进入光学传感器模块
600a的环境光的量，如上所述，参考图36至图38。
600a的环境光的量，如上所述，参考图36至图38。
[0304] 对于图5D所示，散射背景光937b中的散射光939穿过手指60a朝向光学传感器模块600a传播，因此，由于与手指的相互作用而携带光学透射图案，该散射光939包括与手指的外部脊和谷相关联的内部组织。在一些实现方案中，可基于其光学透射图案来检测来自环境光或背景光的光939，以进行光学指纹感测。
[0305] 图41示出了设计算法的示例，该设计算法用于设计用于光学感测的具有额外光源的屏下光学传感器模块中的光学滤波。图41中的设计考虑是为了减少或消除光学传感器模块中的环境光，包括透过手指和不透过手指的环境光。这与图36所示的设计类似。由于手指的吸收性，透射环境光可以包括一些近IR和部分的红光组分。因此，光学滤波器涂层应被设计为处理剩余的环境光。一个示例设计是使用RED/IR带通滤波，因为红光和近IR光在手指组织中可以传播相对较长的距离。考虑到日照强烈，可以基于探测光源波段设计带通滤波器。结合与图36相关的上述讨论，因为UV光波段会产生噪声，该波段也应该被消除。这种消除可以通过UV截止涂层或材料吸收来实现。手指组织、硅和黑油墨等可以强力吸收UV光。在一些设计中，材料吸收可以用来消除UV光的影响。对于不透过手指的环境光，可以通过设计接收光学器件吸收来实现消除。这部分光的特点是具有大入射角，可以通过适当设计的接收数值孔径来阻挡。
[0306] 图37和图38中用于减少背景光的技术也可应用于图39和图40中用于光学感测的具有额外光源的光学传感器模块，以减少环境光。
[0307] 当提供有用于光学感测的额外光源时，用于光学感测的照明功率不再受到来自OLED显示光的光功率限制。这种额外光源可以被设计为给光学感测提供足够照明，以改进光学检测信号的信噪比，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，使用额外光源可以提供灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色LED和近IR LED可以用作额外光源，同样辅助如图14A和图14B所释的活体手指检测，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IR光完整地照亮手指，使得手指图像亮度看起来更均匀。
[0308] 放置额外照明光源以获得光学透射图案的具体实例
[0309] 图42至图45示出了用于放置额外照明光源的OLED下光学传感器模块设计的示例，通过引导照明光透过被检测的手指，以获得光学透射图案。
[0310] 图42A示出了基于图5D中的设计，将4个额外照明光源以两个正交方向放置在在指纹感测区域的相对侧上的示例。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，该显示面板包括可操作以发光以显示图像的发光显示像素；顶部透明层，形成于显示面板上方，作为用户触摸操作的接口，和用于透射来自显示面板的光以显示图像的接口，该顶部透明层包括指定指纹感测区域，供用户放置手指进行指纹感测；以及光学传感器模块，位于显示面板下方以及顶部透明层上的指定指纹感测区域下方，以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，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，将从携带用户的指纹图案的来自显示面板返回的光转换成表示指纹图案的检测器信号。该设备还包括位于光学传感器模块外部的不同位置上的额外照明光源，以产生不同的照明探测光束，在不同的照明方向上照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域。每个额外照明光源被构造为产生光谱范围内的探测光，对应于人类手指的组织呈现光透射，允许每个照明探测光束中的探测光在顶部透明层上的指定指纹感测区域上方进入用户手指，该散射探测光朝向顶部透明层传播，并经过顶部透明层，以携带(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的指纹形貌信息，这些信息由透过手指的脊和谷的内部组织的透射形成。
[0311] 探测照明控制电路被耦合以控制额外照明光源依次开启和关闭，以在不同时刻生成不同照明探测光束，一次一个光束，使得位于显示面板下方的光学传感器模块可操作以依次检测来自不同照明探测光束的散射探测光，分别采集(1)指纹图案信息，以及(2)与不同照射方向相关联的不同指纹形貌信息。
[0312] 用于放置额外照明光源以通过引导照明光在检测下穿过手指透射来获得光学透射图案的OLED下光学传感器模块设计的示例，也可以与其他显示面板设计一起使用，包括，例如，LCD显示板。用于获得光学透射图案的额外照明光源的具体实施方式可以从一种设计变化为另一种设计。图42B示出了用于操作具有显示面板的各种设备的操作流程，该操作流程可以使用OLED，LCD等各种配置实现。图42B中的方法或操作包括操作电子设备通过光学感测来检测指纹，并且电子设备包括显示图像的显示面板，顶部透明层，形成于显示面板上方，作为用户触摸操作的接口，和用于传输来自显示面板的光以显示图像的接口，以及光学检测器的光学传感器阵列，位于显示面板下方的显示面板上。
[0313] 图42B示出了第一照明探测光束被引导在第一照明方向上照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域，在指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过散射手指内部的组织产生第一散射探测光，第一散射探测光朝向顶部透明层传播，并经过顶部透明层，通过透过手指的脊和谷的内部组织以携带(1)表示手指的脊和谷形成的指纹图案的第一二维透射图案，以及(2)第一指纹形貌图案，第一指纹形貌图案在第一照明方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在第一二维透射图案内。在第一照明探测光束的照明下，光学传感器阵列被操作以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，从而采集(1)第一二维透射图案、以及(2)第一指纹形貌图案。
[0314] 接下来，关闭第一照明光源的同时，第二照明探测光束被引导在第二不同照明方向上照亮顶部透明层上的指定指纹感测区域，在指定指纹感测区域上方进入用户手指，通过散射手指内部的组织产生第二散射探测光，第二散射探测光朝向顶部透明层传播，并经过顶部透明层，通过透过手指的脊和谷的内部组织以携带(1)表示指纹图案的第二二维透射图案，以及(2)第二指纹形貌图案，第二指纹形貌图案在第二照明方向上与手指的脊和谷的内部组织的照明相关联，并嵌入在在第二二维透射图案内。因为第一和第二照明探测光束的不同光束方向，第二形貌图案不同于第一形貌图案参见图5C和图5D。在第二照明探测光束的照明下，光学传感器被操作以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，从而采集(1)第二二维透射图案、以及(2)第二指纹形貌图案。
[0315] 随后，构建第一和第二透射图案检测到的指纹图案，第一和第二形貌图案被处理以为确定检测到的指纹图案是否来自自然手指。
[0316] 现在转到图43、图44和图45，额外照明光源可以被放置在光学传感器模块外的各个位置，在不同的方向上将照明光束引导到手指，以在图5D所释的采集的光学透射图案中提供不同的阴影。
[0317] 在图43中，至少一个额外照明光源971a被放置在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，将照明光束937引导到顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指，使照明光束937进入手指并在手指内部引起散射，对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的部分信号981作出贡献。可以如此放置两个或两个以上这样的光源971a。图43还示出了额外照明光源971也放置在指定指纹感测区域下方，如图39和图40中所释。
[0318] 在图44中，至少一个额外照明光源971b被放置在顶部透明层431下方并且远离设计的指纹感测区域，将照明光束937引导到顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指的一侧，使照明光束937进入手指并在手指内部引起散射，对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的部分信号981作出贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与显示面板并排放置在顶部透明层431下方。可以如此放置两个或两个以上这样的光源971a。图44还示出了额外照明光源971也放置在指定指纹感测区域下方，如图39和图40中所释。
[0319] 在图45中，至少一个额外照明光源971b被放置在显示面板下方并且远离设计的指纹感测区域，将照明光束937引导到顶部透明层431上方的指定指纹感测区域中的手指的一侧，使照明光束937进入手指并在手指内部引起散射，对具有用于光学指纹感测的光学透射图案的部分信号981作出贡献。在该示例中，一个额外照明光源971b与显示面板并排放置在顶部透明层431下方。可以如此放置两个或两个以上这样的光源971a。图45还示出了额外照明光源971也放置在指定指纹感测区域下方，如图39和图40中所释。
[0320] 当提供用于光学感测的额外照明光源时，用于光学感测的照明功率不再受到来自OLED显示光的光功率限制。这种额外照明光源可以被设计为给光学感测提供足够照明，改进光学检测信号的信噪比，以抵消环境光影响。在实现方式中，可以调制额外照明光源而不影响显示功能和使用寿命。此外，在指纹感测期间，额外照明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，使用额外照明光源可以提供灵活性，从而可以避免假指纹检测。例如，绿色LED和近IR LED可以用作额外光源，同样辅助活体手指检测，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IR光完整地照亮手指，使得手指图像亮度看起来更均匀。又如，如图5A至5D所释，基于通过探测照明光的光学透射的光学透射图案，通过与外部手指脊和谷相关的内部组织，额外照明光源可用于提供光学指纹感测。
[0321] 基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块中的光学成像示例
[0322] 显示面板结构下方的光学传感器模块的光学成像光学器件可以以上述一些示例所示的各种方式实现，包括使用具有折叠光路的透镜以形成用于屏下光学传感器模块的成像系统，以及使用光学准直器阵列在没有成像镜头的情况下成像。值得注意的是，设计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大体积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。
[0323] 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，下面通过组合基于透镜的成像系统来提供用于光学指纹感测的紧凑型光学成像系统，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，以通过相同的透镜减小光学检测器阵列的尺寸。针孔被置于透镜的前方，以在不需要大直径透镜的情况下，通过实现针孔相机来产生光学成像中的视场。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。
[0324] 图46示出了置于OLED显示屏下方的光学传感器模块620的一个示例，其中使用针孔和透镜来形成光学传感器模块620的光学成像系统。在该示例中，光学感测模块620是使用具有小直径的微透镜621e的紧凑型模块，该微透镜621e可以与针孔的尺寸大致相同，略微大于针孔。微透镜621e接合到针孔结构621g，其中针孔结构621g是光学不透明的并且可以是形成在针孔基板621f的表面上的涂黑的或金属材料的层，该针孔基板621f为光学透明材料并具有开口作为针孔643。微透镜621e置于针孔基板621f的底侧上。在操作中，针孔结构621g中的针孔643上方的光学层被构造为，在收集来自OLED显示面板的返回的光时产生大的光学视场，并且将收集的光透射到光学传感器阵列623e。光学传感器阵列623e中的光学检测器响应于所接收到的光学图案以产生检测器信号，检测器电路模块623f被耦合到光学传感器阵列623e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623f可以包括柔性印刷电路(PFC)。微透镜621e接收来自针孔的透射光并将接收到的光聚焦到光学传感器阵列623e上，与将光投射到没有微透镜621e的光学传感器阵列623e上时的较低空间成像分辨率相比，微透镜621e以增强的空间成像分辨率在光学传感器阵列623e处进行光学成像。在该设计中，利用微透镜621e来补偿针孔的低分辨率，并且通过针孔643的大视场来补偿微透镜621e的有限视场。
[0325] 图46中用于光学成像的针孔-透镜组件的所示示例中，针孔-透镜组件的目标平面靠近透明层431的顶面上的顶部有效感测区615，例如用于触摸感测OLED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623e的光学检测器的接收表面。除了针孔基板621f外，在针孔基板621f和OLED显示面板之间设置折射率低于针孔基板621f的光学透明间隔物618e。在针孔基板621f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OLED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618e可以是空气间隙。该设计提供了在较低折射率间隔物618e和较高折射率针孔基板621f之间的两种不同光学材料的光学界面，并且该界面处的光学折射将来自较低折射率间隔物618e中的OLED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621f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。
[0326] 这种减少FOV的设计在以下几方面是有利的。首先，光学传感器模块620的较低折射率间隔物618e中的光学输入FOV是大FOV。其次，由位于较高折射率针孔基板621f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畸变。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畸变。
[0327] 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，针孔643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643上方的针孔基板612f的高折射率材料的使用，以及针对针孔基板612f上方的低折射率层618e的使用使得针孔643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621e构造为半球透镜，具有面向针孔643的平面和将来自针孔643的光引导至光电检测器阵列621e的部分球面时，针孔643的直径可以与透镜621e的曲面的曲率半径大致相同或相似。
[0328] 还可以实现附加的设计特征，以改进基于针孔-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623e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623e的光路中设置光学透明间隔物621h和保护材料623g。在一些实现方式中，间隔物621h可以是低折射率层例如空气间隙等，保护材料623g可以是覆盖光学传感器阵列623e的光学检测器的顶部的层，且折射率高于间隔物621h的折射率。层621h和623g可以被构造为减小或消除光学传感器阵列623e处的成像畸变。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623e处产生图像畸变。当入射角大时，这种畸变变得更为明显。为了减少这种畸变，可以根据针孔-透镜组件的光学结构和针孔-透镜组件的光学物镜视场(例如，从顶部玻璃层431的顶部感测表面至针孔基板621f的光学层)来选择间隔物621h和623g的光学厚度比。
[0329] 光学畸变发生在沿OLED显示面板的顶部到光学传感器阵列623e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-透镜组件的物体侧上的光学层)，使得沿OLED面板到针孔-透镜组件的光路的、在针孔-透镜组件的物体侧的一个界面处引起的光学畸变，通过沿针孔-透镜组件到光学传感器阵列623e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功率来设计的。
[0330] 图47示出了具有针孔-透镜组件的光学成像系统，该针孔-透镜组件在针孔643上方具有一系列层(633、635、637、639、641等)，并且在针孔643下方具有相应的材料层645、647、649等。在具有针孔643而没有透镜621e的针孔成像系统中，当介质在物体和图像场之间不匹配时，存在光学畸变。当FOV较大时，这种光学畸变可以是桶形畸变的形式。例如，如图47所示，具有所示的网格图案的物体651被放置在顶部感测表面上而不是手指447，以测试畸变。由物体和针孔643的图像场之间的不匹配光学层引起的桶形畸变可以由失真图案
653表示。这种畸变是不期望的，因为它们直接影响由光学传感器阵列623e采集的指纹图案的准确性。应注意，这种在光学传感器阵列623e处的成像场的中心部分的畸变水平通常高于周边部分的畸变水平，如畸变图像653所示。
653表示。这种畸变是不期望的，因为它们直接影响由光学传感器阵列623e采集的指纹图案的准确性。应注意，这种在光学传感器阵列623e处的成像场的中心部分的畸变水平通常高于周边部分的畸变水平，如畸变图像653所示。
[0331] 为了减轻这种畸变，成像场中针孔下方的材料层645、647、649等可以根据它们的折射率和厚度值来构造，以反转由物体侧的材料层引入的畸变。这是通过匹配大入射角的折射行为来实现的，从而校正在探测器表面上线性形成的图像。例如，在成像倍率为1/5的针孔成像系统中，如果在针孔643上方有2mm厚的玻璃层和1mm厚的气隙层，则可以在针孔643下方和光学传感器阵列623e上方提供0.4mm厚的玻璃层和0.25mm厚的气隙，以减小光学传感器阵列623e处的光学畸变。该技术可在针孔643下方提供匹配层，用于针孔643上方的复杂材料层。
[0332] 在图46的示例中，用于光学成像的针孔-透镜组件，仅使用针孔643而不使用透镜621e可以实现更高的空间成像分辨率，在采集到的图像中采集超过系统的空间成像分辨率的精细特征。使用透镜621e会带来更高的空间成像分辨率。图48示出了单独针孔的成像操作和针孔-透镜组件的成像操作。
[0333] 参照图48的图48A中示出的不使用透镜的针孔成像系统，针孔643衍射入射光束661以产生衍射的输出光束673，该输出光束673由于针孔643的衍射而发散。该发散光束673在成像平面667处形成图像光斑679，反映了成像系统的分辨率。
[0334] 图48中的图48B示出了微透镜621e被添加到在针孔643下方，并且微透镜621e的曲率修改了由针孔643衍射的光束的波前，以在成像平面667处产生光点681，光点681小于不使用透镜621e的针孔643单独产生的光点679。
[0335] 针孔-透镜组件可以被实现为在图25的示例中提供紧凑的光学传感器模块620。由于介质界面处的折射，可以通过使用不同的光学材料来控制光传播角度。例如，如图28所示，如果针孔基板621f上的介质的折射率n1低于针孔基板621f的折射率n2，则具有大入射角的光束683弯曲成在进入针孔基板621f之后具有较小的角度的光束685。因此，通过使用用于针孔基板621f的更高折射率材料，可以实现用于在针孔-透镜组件的物体侧接收输入光的极大视场。在一些实现方式中，可以通过使用用于针孔基板621f的高折射率材料在针孔基板621f与针孔基板621f上方的层的折射率之间产生足够大的差异来实现大FOV(例如，接近或高于140度)。
[0336] 用于在针孔基板621f的顶面处实现光线的大的衍射弯曲的上述设计，可以通过在光路中并入一些低折射率间隙(诸如气隙)，来减小光学传感器模块的厚度。另外，由于针孔基板621e顶部的大折射，进入针孔基板下方的透镜的光线的倾斜角度随着较小的FOV变小，所以可以改进来自针孔-透镜组件的图像的图像均匀性。
[0337] 在针孔-透镜组件中，微透镜放置在针孔643下方，因此由于针孔643的小开口，微透镜的光学孔径很小。这样，因为由微透镜收集的来自针孔643的光线通常接近微透镜的弯曲表面的轴，所以微透镜呈现出较低的像差。
[0338] 在实现针孔-透镜组件时，针孔643的中心位于微透镜表面的中心或附近。在图49的示例中，半球透镜作为示例示出，并且接合(例如，被粘合)到针孔板以实现该配置。半球透镜621e的平面朝上以接合针孔643，并且半球透镜621e的平面的中心位于针孔643的中心或附近。在这种设计下，通过针孔643与半球透镜621e的平面具有小入射角或大入射角的任何入射光，其光线方向与半球透镜621e的径向方向一致，该半球透镜621e是在该方向上的透镜的光轴。这种配置减少了光学像差。对于在针孔基板621f顶部具有不同入射角的光束663和683，在进入针孔基板621f之后，它们的光路被修改为接近半球透镜表面的相应光轴
689和691。因此，在该特定设计下，图像光斑681和693呈现较低的光学像差。
689和691。因此，在该特定设计下，图像光斑681和693呈现较低的光学像差。
[0339] 针孔-透镜组件受到孔径阴影效应影响，这使得成像平面(光学传感器阵列623e)处的最终图像在中心更亮并且在周边区域更暗，并且亮度沿着径向方向从中心到周边区域逐渐变化。该效应劣化在光学传感器阵列623e处采集的图像，可以通过使用修改空间亮度分布的校正光学滤波来减少。例如，具有空间梯度透射轮廓的光学滤波器可以插入由光学传感器模块接收到的光的光路中，例如，OLED显示面板和光学传感器阵列之间的位置。该梯度透射滤波器被构造为在针孔的中心或附近呈现出较高的光学衰减，该光学衰减从针孔的中心径向向外减小，以抵消由针孔引起的光的光学强度分布的空间变化。
[0340] 图50示出了这种梯度透射滤波器的光学衰减曲线的示例，其具有从中心向边缘减小的径向梯度衰减。
[0341] 在实现方式中，梯度透射滤波器可包括一个或多个涂层，该涂层可在光路的表面上制作，以校正图像亮度不均匀性，例如，显示器底面、模块零件表面或光学传感器阵列的顶面。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，还可以包括可以减少其他光学畸变和光学像差的特征。
[0342] 如上所述，不期望的背景光或环境光可能对光学感测操作产生不利影响，并且可以通过各种技术来减少。用于降低环境光的影响的技术也可用于改进这种基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块的性能。
[0343] 例如，在光学传感器模块外部使用光屏蔽封装也可以用于基于针孔-透镜组件的屏下光学传感器模块。图51示出了一个示例，其中传感器模块620集成到封装620a中以阻挡环境光进入光学传感器阵列。在显示器的保护层中形成窗口。模块620和620a安装在保护层下方。可以利用间隔物材料631修改显示器的视图并为显示器提供保护。如果间隔件618e是气隙，则传感器模块不直接接触显示器，使得显示器在使用期间不受影响。
[0344] 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。
[0345] 同样，虽然在附图中以特定次序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定次序或顺序执行，或者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。
[0346] 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。
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