CN109791325A - 具有***任务栏显示区的设备和用于屏上指纹感测的lcd屏下光学传感器模块 - Google Patents

具有***任务栏显示区的设备和用于屏上指纹感测的lcd屏下光学传感器模块 Download PDF

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Abstract

具有包括主显示区和***显示区的显示设计的设备或***，主显示区和***显示区共同形成无缝连续的显示区域，用于在作为单个显示区域的两个区之上显示图像、内容或信息，并且即使在主显示区熄灭时，还允许独立于主显示区操作***显示区仅在***显示区上显示某些图像、信息或内容。除了提供与主显示区域的显示功能分离或与其组合的显示功能外，基于所公开的技术的***显示区还可以用于通过在***显示区的显示区域下包括一个或多个传感器来提供某些感测功能。

Description

具有***任务栏显示区的设备和用于屏上指纹感测的LCD屏 下光学传感器模块
优先权要求和相关申请的交叉引用
本专利文件要求2017年3月7日提交的申请号为62/468,337、发明名称为“在设备显示器中具有***任务栏显示区的用于屏下指纹感测的LCD屏下光学传感器模块”的美国临时专利申请的权益和优先权。
本专利文件还要求2017年9月18日提交的申请号为15/708,088、发明名称为“用于屏上指纹感测的LCD屏下光学传感器模块”的美国专利申请的权益和优先权，并且其是该美国专利申请的部分继续申请。
技术领域
本专利文件涉及具有显示器和设备显示器下的光学传感器模块的电子设备或***，光学传感器模块用于基于移动设备或可穿戴设备等电子设备或较大***中的光学感测执行一种或多种感测操作，例如指纹测量或其他参数测量。
背景技术
电子设备或***的显示器是执行用户功能和设备操作的用户界面的重要部分，并且显示器允许以各种形式向用户显示信息并由用户执行操作。这种显示器可以被构造成触敏显示屏，以提供触摸感测操作，作为用户与电子设备之间的附加交互和通过通信链路或网络与他人进行的通信或交互。
另外，可以在电子设备或***中实现各种传感器，以提供某些期望的功能。在移动电话、平板电脑和其他便携式设备的一些设计中，某些传感器可以置于显示屏外部但也在该显示屏所在的设备的相同面上。一些智能手机或平板电脑中的一些传感器的示例包括前置相机、接近传感器、环境光传感器或其他类型的传感器(例如投影仪和用于面部识别的成像传感器)。
用于用户认证的传感器是用于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)的设备、游戏***、各种数据库、信息***或较大的计算机控制的***的传感器的另一示例，这些设备或***可以采用用户认证机制来保护个人数据并防止未被授权的访问。电子设备上的用户认证可以通过生物度量标识符的一种或多种形式来执行，这种生物度量标识符可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物度量标识符的一种普遍形式就是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。用于电子设备或***的传感器的另一示例是生物医学传感器，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。
指纹可以用于认证用户以访问电子设备、计算机控制的***、电子数据库或信息***，可以将其用作独立的认证方法或与一个或多个其他认证方法(例如密码认证方法)结合使用。例如，包括笔记本电脑、平板电脑、智能手机等的便携式或移动计算设备的电子设备和游戏***可以采用用户认证机制来保护个人数据并防止未被授权的访问。在另一示例中，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或***应该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***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***中的信息实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***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***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***的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他***。
发明内容
本专利文件公开了用于包括主显示区和***显示区的电子设备或***的显示设计，主显示区和***显示区共同形成无缝连续的显示区域，用于在作为单个显示区域的两个区上显示图像、内容或信息，并且即使在主显示区熄灭时，还允许独立于主显示区操作***显示区，仅在***显示区上显示某些图像、信息或内容。在如以下示例所示的一些实现方式中，基于LCD显示技术实现主显示区和***显示区时，两个区可以共享相同的背光模块，使得两个区在背光模块打开时都可用，另外，可以提供作为用于***显示区的附加照明源的独立的照明背光光源，以允许其在主显示区和用于两个区共享的背光模块关闭时操作。除了提供与主显示区的显示功能分离或与其组合的显示功能外，基于所公开的技术的***显示区还可以用于通过在***显示区的显示区域下包括一个或多个传感器来提供某些感测功能。
一方面，本专利文件中所公开的技术可以实现为构造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(liquid crystal display，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，其中，LCD显示屏包括(1)具有LCD显示像素的主显示区和具有LCD显示像素的***显示区，其中，主显示区和***显示区共同形成无缝连续的LCD显示区域，和(2)LCD背光模块，提供照亮主显示区和***显示区的背光；指定的***显示区照明模块，相对于LCD屏放置，并且被构造成产生照明光，以及将照明光仅引导至***显示区，以使***显示区能够独立于主显示区显示图像或信息并且能够在LCD背光模块关闭时可操作以显示图像或信息；顶部透明层，形成于LCD屏之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自LCD屏的光以将图像或信息显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于LCD显示面板结构下方，并且被构造成接收来自与***显示区接触或靠近的目标的并穿过LCD屏的探测光来检测指纹。
另一方面，本专利文件中所公开的技术可以实现为构造一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该设备包括：液晶显示(LCD)显示面板结构，用于显示图像或信息并且用于提供触摸感测操作，LCD显示面板结构包括LCD层、光漫射器层、波导层和光反射器层，该LCD层用于通过处理主显示区和***显示区中的照明背光显示图像或信息，该主显示区和该***显示区共同形成无缝连续的LCD显示区域，该光漫射器层用于漫射该主显示区和该***显示区中的照明背光，该波导层用于接收照明背光并将接收到的照明背光引导至该主显示区和该***显示区，以及该光反射器层用于将照明背光重新引导入该主显示区和该***显示区的用于显示操作的LCD层中，光漫射器层和光反射器层中的每一层被构造成在LCD显示面板结构的***显示区中的选定区域处包括孔或通道，以允许光被传输。该设备还包括：LCD背光模块，耦合到该LCD显示面板结构的波导层，以向该LCD层产生用于显示图像或信息的背光；指定的***显示区照明模块，被放置用于产生照明光，以及将照明光仅引导至该***显示区，使该***显示区能够独立于主显示区显示图像或信息并且能够在该LCD背光模块关闭时可操作以显示图像或信息；顶部透明层，形成于该LCD显示面板结构之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面；光学传感器模块，位于该LCD显示面板结构下方，以接收来自该顶部透明层的并穿过该LCD显示面板结构的探测光来检测指纹；以及一个或多个探测光源，与该LCD背光模块分离，位于该顶部透明层之下，以产生照亮***显示区中该顶部透明层上的用于用户放置手指的指定的指纹感测区域的该探测光，以通过该光学传感器模块进行光学指纹感测。
再一方面，本专利文件中所公开的技术可以实现为构造一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，该设备包括液晶显示(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。LCD显示屏包括具有LCD显示像素的主显示区和具有LCD显示像素的***显示区，其中，主显示区和***显示区共同形成无缝连续的LCD显示区域。LCD显示屏也可以包括:LCD背光模块，提供照亮主显示区和***显示区的背光；以及指定的***显示区照明模块，仅向***显示区提供照明光，以使***显示区独立于主显示区显示图像。该设备还包括：顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示面板结构下方，并且被配置为光学传感器模块的至少一部分位于***显示区下方。光学传感器模块被构造成接收来自与***显示区接触或靠近的目标的并穿过LCD屏的探测光来检测指纹。
在实现具有(1)主显示区和(2)***显示区的上述LCD显示屏时，控制模块可以耦合到主显示区、***显示区、LCD背光模块和指定的***显示区照明模块，使指定的***显示区照明模块能够在LCD背光模块关闭时照亮***显示区以显示图像。在一些实现方式中，控制模块可以被构造成：控制***显示区显示***显示区中用于用户在那放置手指进行指纹感测的指纹感测区，控制***显示区显示消息、显示允许用户启动应用或通过触摸图标执行功能的图标或显示其他信息。
在实现上述设备时，光学传感器模块可以包括不同的光学设计，用于将探测光引导至光学检测器阵列进行感测。在一些设计中，探测光可以在没有透镜的情况下被投射到光学检测器阵列上。在一些设计中，可以使用一个或多个成像透镜将探测光指到光学检测器阵列上。在一些其他的设计中，光学传感器模块可以包括光学准直器的光学准直器阵列和光学检测器的光学检测器阵列，光学准直器阵列用于接收探测光，光学检测器阵列用于接收来自光学准直器阵列的探测光。
以下附图、说明书和权利要求提供了对所公开的技术及其实现方式的以上和其他方面和特征更详细的描述。
附图说明
图1A、图1B、图1C和图1D示出了具有主显示区和***显示区的显示器的***显示区的不同用途的示例，以允许***显示区独立于主显示区操作以显示某些图像、信息或内容，同时使主显示区和***显示区能够用作单个的无缝连续的显示区域。
图2A和图2B示出了具有LCD显示模块的设备的示例，以在LCD面板下为相同LCD面板中的主显示区和***显示区提供具有的一个或多个指定的照明光源的指定的***显示区照明模块。
图2C和图2D示出了具有LCD显示模块的设备的另一示例，以在LCD面板内为相同LCD面板中的主显示区和***显示区提供具有的一个或多个指定的照明光源的指定的***显示区照明模块。
图2E和图2F示出了具有LCD显示模块的设备的两个示例，以为相同LCD面板中的主显示区和***显示区提供指定的***显示区照明模块和用于将照明光仅分散至***显示区的指定的区域照明波导。
图3A是具有指纹感测模块的***的示例的框图，该***可以实现为包括本文件中公开的光学指纹传感器。
图3B和图3C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3D和图3E示出了实现图3B和图3C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3B和图3C中的设计的、在显示屏组件之下的光学传感器模块的一个实现方式的示例。
图5A、图5B和图5C示出了对于来自两种不同的光学条件下的顶部感测表面上的感测区的返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学传感器模块的操作。
图6A至图6C、图7、图8A至图8B、图9和图10A至图10B示出了屏下光学传感器模块的示例设计。
图11示出了在不同的铺设条件下通过成像模块在顶部透明层上的指纹感测区域的成像，其中成像设备将该指纹感测区域成像到光学检测器阵列上，并且该成像设备可以是光学透射的或光学反射的。
图12示出了指纹传感器的操作的示例，该操作用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望的影响。
图13示出了操作用于采集指纹图案的屏下光学传感器模块的过程。
图14、图15和图16示出了用于通过用两种不同光颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的目标是否是活着的人的手指的一部分的操作过程的示例。
图17A至图17B、图18和图19A至图19C示出了用于光学指纹感测的光学准直器设计，适于实现所公开的屏下光学传感器模块技术。
图20、图21A、图21B、图22A和图22B示出了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学检测器阵列。
图23和图24示出了具有光学准直器的屏下光学传感器模块的示例。
图25示出了光学准直器阵列的示例，该光学准直器阵列利用光学过滤来减少到达屏下光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光。
图26A、图26B、图27和图28示出了在LCD显示屏下进行光学感测的光学准直器设计的示例。
图29、图30和图31示出了基于在设计光学传感器模块中针孔相机效果的改进的光学成像分辨率。
图32示出了使用光学针孔阵列进行光学感测的LCD下光学传感器模块的示例。
图33A和图33B示出了在具有光学偏转或衍射装置或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。
图34A、图34B和图34C示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD漫射器设计的示例。
图35A和图35B示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD反射器设计的示例。
图36示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD光源设计的示例。
图37A至图37D示出了用于改进的LCD下光学感测的增强特征的示例。
图38示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD波导设计的示例。
图39A至图39C示出了用于改进的LCD下光学感测的LCD背光光源和照明光源的示例。
图40示出了不同按压力下相同手指的两个不同的指纹图案：轻度按压的指纹和重度按压的指纹。
图41A、图41B和图42示出了置于设备的LCD显示器下的光学传感器模块的具体实现方式的示例，该设备具有LCD显示模块以在相同LCD面板中提供主显示区和***显示区。
图43示出了从约525nm到约940nm的几个不同光学波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。
图44示出了屏下光学传感器模块的示例中的背景光的影响。
图45示出了用于在屏下光学传感器模块中设计光学过滤的设计算法的示例，以减少光学感测中背景光的影响。
图46示出了屏下光学传感器模块的图46A和图46B中的两个示例，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，作为具有小的光学数值孔径的接收光学器件的一部分，以减少进入光学检测器阵列的背景光。
图47示出了每次获得指纹时在光学检测器阵列处测量基线背景水平的传感器初始化过程的示例。
图48示出了具有置于LCD显示器下的光学传感器模块的设备的示例，通过在两个不同的位置处使用两种不同的探测光源来产生可透过手指组织用于光学感测的探测光。
图49示出了将图48中的探测光设计实现于具有LCD显示器的图42中的设备示例的特定示例，该LCD显示器被构造成提供主显示区和***显示区，并且通过在两个不同的位置处使用两种不同的探测光源来产生可透过手指组织用于光学感测的探测光。
具体实施方式
本专利文件公开了用于包括主显示区和***显示区以显示图像、信息、图标并执行用户操作的电子设备或***的显示器设计。两个显示区设计成彼此相邻放置，使得两者可以共同形成无缝连续的显示区域，作为单个的显示区域显示图像、内容或信息，并且进一步允许独立于主显示区操作***显示区来显示某些图像、信息或内容。具有主显示区和***显示区的这种组合作为共同的单个显示区域或两个单独的显示区域提供了用于显示操作和用于用户界面操作的多种应用。
除了提供与主显示区域的显示功能分离或与其组合的显示功能外，基于所公开的技术的***显示区还可以用于通过在***显示区的显示区域下包括一个或多个传感器来提供某些感测功能。例如，***显示区可以包括用于采集待由光学传感器模块检测的光的光学感测区域，该光学传感器模块置于设备显示器的***显示区下或附近进行光学感测，以提供光学感测功能，例如光学指纹感测、其他参数的光学感测或用于确定接触的目标是否来自活着的人的光学感测。
例如，在具有本文件中公开的屏下光学感测功能的设备中，***显示区可以包括用于采集携带指纹图案和其他信息的待由光学传感器模块检测的返回的光的光学感测区域，该光学传感器模块置于设备显示器的***显示区下或附近进行光学感测，以提供包括光学指纹感测和用于确定接触的目标是否来自活着的人的光学感测等的一种或多种光学感测功能。本文公开的基于相邻的主显示区和***显示区的双区设计的技术可以基于以来自每个LCD显示像素之外的背光光源的照明光为基础的液晶显示(LCD)面板或其他显示面板(例如以在每个有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)像素内发出的光为基础的OLED面板)来实现。
图1A、图1B、图1C和图1D示出了具有相邻的主显示区10和***显示区20的智能手机的不同显示模式的示例，不同的显示模式用于***显示区20的不同用途。具有主显示区10和***显示区20的显示器设计成允许***显示区20独立于主显示区10操作，以显示某些图像、信息或内容，同时使主显示区和***显示区能够一起使用，作为单个的无缝连续的显示区域。为了说明所公开的双区显示技术的各种特征，主显示区10和***显示区20可以通过本示例或其他示例中的LCD面板来实现。
图1A、图1B、图1C和图1D中的显示器可以是集成有触摸感测层LCD屏，以提供触摸感测操作并且显示图像、信息和其他对象。这种LCD屏可以设计成包括(1)如上部较大区域中所示的具有LCD显示像素的主显示区10和(2)如下部较小条区域中所示的具有LCD显示像素的***显示区20。两个显示区10和20彼此相邻并集成，使得主显示区10和***显示区20可以共同形成并用作单个的、无缝且连续的LCD显示区域。许多实现方式中的***显示区20是小于主显示区10的显示区域，例如作为图1A至图1D的具体示例中所示的底部任务栏区。在所示的示例中，某些设备传感器置于两个显示区10和20之外，但某些传感器可以置于两个显示区10和20内，例如无需显示屏外空间的光学传感器模块。
在这种LCD显示器的一些实现方式中，可以提供两个照明光模块：(1)LCD背光模块，提供照亮主显示区10和***显示区20中的LCD像素的可见背光，和(2)附加的指定的***显示区照明模块，仅向***显示区20中的LCD像素产生可见照明光，用于独立于主显示区显示图像、信息和其他对象，这包括在主显示区关闭的情况。例如，双区显示设备可以包括顶部透明层，形成于设备屏幕之上的，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面，并且，在各种实现方式中，顶部透明层可以作为位于顶部上的两个区之上的单个无缝层。
另外，控制模块可以耦合到主显示区10、***显示区20、LCD背光模块和指定的***显示区照明模块，以控制两个显示区10和20的操作。例如，这种控制模块可以控制LCD背光模块向两个区10和20提供背光照明光，并且控制两个区中的LCD像素执行图1A至图1D中所示的显示功能的各种模式，其中，***显示区20可以加入主显示区10中作为组合的单个显示器，或者独立于主显示区10显示其自身的信息。又如，如图1B的示例中所示，控制模块可以使指定的***显示区照明模块能够在LCD背光模块关闭时照亮***显示区20来显示图像。
在许多应用中，如下文所详述的，光学传感器模块可以设置在显示屏的显示面板结构下方的位置，并且可以被配置为光学传感器模块的至少一部分位于***显示区20下方。这种光学传感器模块可以被构造成接收来自与***显示区接触或靠近的目标的并穿过LCD屏的探测光来检测指纹、与手指相关联的其他生物度量信息或基于光学感测的其他感测功能。显示屏的顶面可以包括指纹感测(fingerprint sensing，FPS)区或区域，在指纹感测区或区域中存在来自顶面下方的探测光以照亮手指来进行指纹感测或进行一种或多种其他的光学感测操作。可以通过显示表示指定的FPS区的边界的图像或显示FPS区的图像将这种FPS区标记为可见。
具体示例中的***显示区20是小于主显示区10的显示区域，作为可以提供各种功能的底部任务栏区，包括显示图标、图像或其他对象(图1A和图1C)、显示信息或文本消息(图1B)和显示在主显示区中显示的大图像的延伸部分，使得两个区10和20形成单个的、无缝且连续的显示区域(图1D)。两个显示区10和20的这种不同的显示模式或配置可以由控制模块控制。
例如，在一些实现方式中，控制模块可以用于控制***显示区20显示***显示区20中用于用户在那放置手指以进行指纹感测或其他光学感测的指纹感测(FPS)区。这种显示的FPS区为图1A中***显示区20中显示的对象之一。控制模块可以用于控制***显示区20显示图标，该图标允许用户启动应用或通过触摸该图标执行功能。参见图1A和图1C。控制模块可以控制***显示区20在***显示区中的不同位置处显示图标组。也如图1A所示，可以在***显示区20中放置不同的图标，以允许用户通过触摸进行选择或允许用户通过滑动触摸将当前显示的图标或对象中的一些或全部图标或对象移出***显示区20来显示附加的图标，同时将附加的或其他图标或对象放置在***显示区20中。这样就扩展了可以在***显示区20中执行的功能。
在一些其他的实现方式中，如图1B所示，控制模块可以用于控制***显示区20显示消息或信息。显示的消息或信息可以是重复的相同文本消息或信息，或者是滚动的不同文本消息或信息。在图1B示出的具体的屏幕捕获中，主显示区显示为熄灭，但在其他显示模式中，主显示区20可以在使用***显示区显示一条或多条文本消息或其他信息的同时被照亮以进行显示。
图2A示出了具有LCD显示模块的设备的示例，以在相同LCD面板中提供主显示区10和***显示区20。该示例包括置于诸如盖板玻璃的顶部透明层431之下的触摸感测显示***，该顶部透明层作为用户界面的表面实现各种用户界面操作，包括例如：用户的触摸感测操作、向用户显示图像等；以及作为光学感测界面接收手指进行光学指纹感测和其他的光学感测操作，其中，探测光从设备内部引导至顶部盖板玻璃431以照亮手指。这种特定的显示***示例包括多层式LCD模块433，该多层式LCD模块433包括为LCD模块433提供白色背光的LCD显示背光模块434(例如侧光式背光配置或背光式背光配置的LED灯)，和耦合到LCD显示背光光源434的光波导层433c，用于接收背光并将背光导向LCD结构层433a(例如侧光式背光配置)。LCD结构层433a可以包括例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极层、透明导电ITO层、LCD单元的两个相对侧上的前光学偏振器和后光学偏振器层、具有用于产生颜色的滤色器的滤色器层和用于触摸感测操作的触摸感测层。如下所述，将图2A中的LCD结构层433a修改为LCD结构层433f以适应***显示区。
多层式LCD模块433也包括用于管理来自LCD显示背光光源434的光波导层433c中的背光的多个层，该多个层包括：背光漫射器层433b，位于光波导层433c的上方和LCD结构层433f的下方，通过空间传播背光以照亮LCD结构层433f中的LCD显示像素；光学反射器模层433d，位于光波导层433c的下方，用于将背光再循环至LCD结构层433a，以提高光利用率和显示亮度。
与各种智能手机或其他设备中的多层式LCD模块不同，多层式LCD模块433具有两个不同的显示区：如图1A至图1D所示的主显示区10和***显示区20。在***显示区20下，为***显示区20提供附加的模块：指定的***显示区照明模块436b，用于产生作为照亮***显示区20的多层式LCD模块433的小的***LCD面板区域的照明光，以允许***显示区20工作，即使在关闭LCD显示背光光源434使得多层式LCD模块433的主显示区10由于缺少背光而关闭时。如该示例所示，指定的***显示区照明模块436b置于多层式LCD模块433的下方。在这种设计下，来自指定的***显示区照明模块436b的照明光需要穿透光学反射器膜层433d和光波导层433c以及背光漫射器层433b来到达LCD结构层433f，在LCD结构层433f中，通过过滤接收到的照明光来控制LCD像素显示图像。因此，光学反射器膜层433d被构造成在***显示区20中包括部分传输区或窗口，以允许来自指定的***显示区照明模块436b的照明光透过。作为实现该目标的一个示例，图2A示出了在光学反射器膜层433d中形成的微透明结构951e，其可以被打制成提供一些光学传输的孔或的其他结构。
图2A也示出了形成在***显示区20附近中的多层式LCD模块433下的光学传感器模块的示例，以在顶部透明层431上或上方提供光学感测。具体地，在该示例中，这种光学传感器模块包括光学检测器或光学传感器(例如光电二极管或其他光学感测元件)的光学检测器阵列621a，用于接收和检测从顶部透明层431返回的光学探测光，以进行光学指纹感测或其他光学感测等光学检测。在多层式LCD模块433下提供一个或多个光学探测光源436a，以引导探测光通过多层式LCD模块433到达顶部透明层431，从而照亮***显示区20中用于光学感测感测区，并且返回的探测光被引导穿过多层式LCD模块433到达光学检测器阵列621a。因此，LCD层433f可以被构造成包括作为窗口的***显示区20中的区域，以呈现允许探测光传输的期望水平的光学传输，如LCD层433f中示出的修改窗口951c；类似地，光漫射器层433b可以被构造成包括作为光学窗口的***显示区20中的区域，以呈现允许探测光传输的期望水平的光学传输，如光漫射器层433b中示出的修改窗口951d。这种LCD下光学感测的技术挑战之一就是在光学检测器阵列621a处的不期望的背景光或环境光，并且可以在光路中使用合适的光学过滤设计，以通过在通向光学检测器阵列621a的光学接收路径的适用表面上实现光学过滤膜或图层来减少或拒绝这种不期望的背景光或环境光。
因此，修改图2A中***显示区20中的多层式LCD模块433中的层进行适应，以引导来自LCD下且指定的***显示区照明模块436b的照明光并允许探测光的充分传输而便于LCD下光学感测。那些在光漫射器433b和其他LCD层433f中的用于传输充足的光的区域可以以以下不同的方式形成，包括例如包括形成透明孔、使用透明或部分透明的材料、以合适的角度对准检测光路或者切除或另外移除在***显示区20中的该区域中的散射材料(例如光漫射器、棱镜膜)。
在示出的示例中，在多层式LCD模块433下提供电路板层623，以支撑用于在***显示区20中进行光学感测的指定的***显示区照明模块436b、一个或多个光学探测光源436a和光学检测器阵列621a。
探测光源436a可以设计为以一个或多个适合的波长(例如在以可以以适合的入射角部分透过反射器膜和液晶单元偏振器的较长的可见红色波长(例如940nm波段)为开始的近红外光谱范围内)发射探测光。探测光源436a可以以与来自光源模块434的背光照明光的波长不同的光学波长来设置，使得波导433c的光导功能对来自照明光源436a的光无效，从而来自探测光源436a的探测光可以更有效地穿过到达LCD面板上方的顶部透明层431来照亮手指。可以为LCD显示器下的光学传感器模块设计各种光学***。例如，如果用于将返回的探测光引导至光学检测器阵列621a的接收光学器件没有透镜，则可以将探测光准直。光学传感器模块设计的一些具体示例公开在本专利文件的后面部分。
在一些实现方式中，***显示区或任务栏区域20中的指定的照明光源436b可以设计为当主显示器背光434关闭时提供用于显示图标或图像的低功耗照明。指定的照明光源436b应该处于可见光谱范围内，例如白光，以在***显示区或任务栏区域20中提供彩色或单色的显示。
图2B示出了***显示区或任务栏区域20中的指定的照明光源436b的照明操作，其中，形成在光学反射器膜层433d中的微透明结构951e接收来自指定的照明光源436b的任务栏照明光957a，该指定的照明光源436b可独立于主显示器背光光源434进行控制。任务栏光源436b可以用于照亮***显示区或任务栏区域20的整个区域或一部分区域。
图2C示出了具有LCD显示模块的设备的另一示例，以在相同LCD面板中提供主显示区和***显示区。与图2A中的示例不同，用于向***显示区20中的LCD像素提供照明光的一个或多个指定的照明光源436c置于在LCD模块433内而不在LCD模块433下方，同时仍然将光学检测器阵列621a和一个或多个探测光源436a放置在LCD模块433之下。具体地，一个或多个指定的照明光源436c的光源模块可以位于光漫射器433b的处理区域951d中或LCD层433f的951c中，所以，产生的照明可见光可以到达***显示区20内的LCD模块433中的LCD像素。
图2D示出了***显示区或任务栏区域20中的指定的照明光源436c的照明操作，该指定的照明光源436c可以独立于主显示背光光源434进行控制。任务栏光源436c可以用于照亮***显示区或任务栏区域20的整个区域或一部分区域。
在一些实现方式中，可以提供作为侧栏照明光导的单独的***显示区照明波导，以接收来自一个或多个任务栏光源436c或436b的光，并将光均匀地分散在任务栏20中。图2E示出了区域光波导结构2000作为***显示区照明波导形成在LCD模块433内部以覆盖LCD层433f的***显示区20的示例。区域光波导结构2000与LCD波导433c分离，LCD波导433c将来自主背光模块434的照明分散至主显示区10和***显示区20的整个LCD层433f。在这种设计下，区域光波导结构2000是经过设计的波导，以接收来自一个或多个任务栏光源436c的照明光，并且操作该区域光波导结构2000以空间上更加均匀的方式将接收到的来自一个或多个任务栏光源436c的照明光空间分散在***显示区20中的不同LCD像素位置处。
用于照亮***显示区20的区域光波导结构可以放置在与图2E的示例中所示位置不同的其他位置处。并且只要来自一个或多个指定的照明光源的输出的照明光可以耦合到区域光波导结构内，那么区域光波导结构的存在可以用于在放置一个或多个指定的照明光源方面提供一些设计灵活性。图2F示出了区域光波导结构2000形成在LCD模块433内部以覆盖LCD层433f的***显示区20的另一示例。如图2F的具体设计中所示，一个或多个指定的照明光源436f位于LCD层433f的边缘处，而不在图2E示例中的OCD层433f中，并且其光学耦合到位于LCD层433f内部的区域光波导结构2000。一个或多个指定的照明光源436f的这种特定布置简化了具有独立操作的***显示区域20和LCD下光学传感器的LCD的多层式结构。
在相同LCD面板中具有主显示区和***显示区的图2A、图2C、图2E和图2F中的示例中，提供了以下三种不同的照明光源：(1)背光模块434，用于向相同LCD面板中的主显示区和***显示区提供可见照明光或白色照明光，(2)具有一个或多个光源436b或436c的指定的照明光模块，以向***显示区20内的LCD模块433中的LCD像素提供指定的照明光，从而在背光模块434关闭时允许***显示区域20的显示操作，和(3)具有用于LCD下光学感测的一个或多个探测光源436a的探测光模块。可以实现各种光照明操作。又如，与背光模块434和具有一个或多个光源436b或436c的指定的照明光模块不同，具有用于LCD下光学感测的一个或多个探测光源436a的照明光探测光模块，与其他用于光学感测的探测光源一样，可以设计为以与LCD显示照明光波长不同的一种或多种光学波长发出用于光学感测的探测光，并且该照明光探测光模块可以例如在超出可见光谱范围的红外光谱范围内或在可见光谱范围内，以及可以使用该照明光探测光模块来利用不同的探测波长探测来自目标或手指的不同的光学响应特性。用于光学感测的照明光源可以放置在相同的大致位置中(例如，在光学传感器旁边或邻近的反射器膜433d的下方)，或放置在将一个或多个照明光源放置在LCD模块下方以及将一个或多个照明光源靠近顶部透明层431下的LCD模块的边缘放置的不同位置处。
随后的部分描述的是显示屏下方的显示屏模块和光学传感器模块的设计和特征，其用于执行触摸或靠近显示屏的顶面的手指或目标的指纹感测和其他光学感测。这种屏下光学感测设计可以在具有主显示区和***显示区的双区显示器中以及在没有***显示区的单区显示器中使用。
电子设备或***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***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***，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***、数据库或信息***以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通***。
指纹感测在使用或需要安全访问的移动应用和其他应用中是有用的。例如，指纹感测可以用于提供对移动设备的安全访问和包括在线购买的安全金融交易。所期望的是，包括适于移动设备和其他应用的鲁棒且可靠的指纹感测。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到对给定设备上的最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感测的占用最小化或消除。
为了被用户看到，由显示屏生成的用于显示图像的光必定穿过该显示屏的顶面。手指可以触摸该顶面，从而与该顶面处的光交互，使得在该触摸的表面区域处的反射或散射的光携带该手指的空间图像信息，并且返回至该顶面下方的显示面板。在触摸感测显示设备中，顶面是与用户接合的触摸感测界面，并且在用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在大多触摸感测设备中未被使用。在具有触摸感测显示和指纹感测功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器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，例如在苹果iphone和三星智能手机的一些模型中，要么被设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的一些模型的智能手机，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于显示和其他功能，同时仍然提供具有高于某一可接受水平的空间图像分辨率的可靠且快速的指纹感测。然而，因为在基于各种合适的指纹感测技术(例如电容式触摸感测或光学成像)的采集指纹图像中的高空间图像分辨率需要具有大量感测像素的大传感器区域，所以对是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。
传感器技术和本专利文件中描述的传感器技术的实现方式的示例提供了一种光学传感器模块，该光学传感器模块至少部分地使用来自显示屏的光作为照明探测光照亮显示屏的触摸感测表面上的指纹干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适当的显示屏可以基于各种显示技术或配置，包括具有发光显示像素而不使用背光的显示屏，其中每个单独的像素生成用于在液晶显示(LCD)屏、有机发光电二极管(OLED)显示屏或电致发光显示屏等屏幕上形成显示图像的光。
在公开的用于基于所公开的光学传感器技术将光学感测集成到LCD的示例中，LCD下光学传感器可以用于检测用于在LCD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。由于在光学感测时对来自LCD显示屏的光的使用，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***的整体功能、设备集成和用户体验。
另外，在所公开的光学感测技术的各种实现方式中，可以提供一个或多个指定的探测光源，以产生用于LCD屏下光学感测模块进行光学感测操作的附加的照明探测光。在这种应用中，来自LCD屏的背光的光和来自一个或多个指定的探测光源的探测光共同形成用于光学感测操作的照明光。
关于除指纹检测以外的附加的光学感测功能，光学感测可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制来检测通过“活体手指”检测机制所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活着的人的手，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，由于活着的人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，这个人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活着的人的正面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。这些和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与LCD显示屏的触摸感测方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感测结果提供触发功能或附加功能，以执行与LCD显示屏上的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造目标不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他目标造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种目标选择性光学检测可以用于提供通过触摸感测的有用的用户控制，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，并且响应于正面检测，LCD背光和LCD显示屏被照亮或“唤醒”。在一些实现方式中，唤醒感测光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。可以控制LCD显示屏操作以通过消除用于指纹的光学感测的背景光来提供改进的指纹感测。例如，在一个实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与显示相关的指纹信号，其中当LCD显示屏照亮时生成一帧指纹信号，而当LCD显示屏熄灭时生成另一帧指纹信号，则这两帧指纹信号的差值可以用于减少周围的背景光的影响。在一些实现方式中，通过操作指纹感测帧速率为显示帧速率的一半，能够减少指纹感测中的背景光噪声。
基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面，而不需要在LCD显示屏的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。
在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到显示屏，而不需要改变LCD显示屏的设计以提供指纹感测等期望的光学感测功能。就这点而言，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏设计的设计，这是由于光学传感器模块的以下性质：这种光学传感器模块的光学感测是通过检测由光学传感器模块的一个或多个照明光源发出的并从显示区域的顶面返回的光进行的，并且所公开的光学传感器模块作为屏下光学传感器模块耦合到LCD显示屏的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种屏下光学传感器模块可以用于与LCD显示屏组合，以在LCD显示屏上提供光学指纹感测和其他传感器功能，而不使用具有专门设计用于提供这种光学感测的硬件的特殊设计的LCD显示屏。所公开的光学传感器技术的这方面可以使LCD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。
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指纹感测功能的更新版本的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感测层或LCD显示层，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块实现的指纹感测特征做任何显著的硬件改变。并且，基于这种光学传感器模块实现的屏上光学感测，以用于指纹感测或其他光学感测功能的改进——也包括增加附加的光学感测功能，可以通过在新产品中使用新版本的屏下光学传感器模块来实现，而不需要对电话组件设计做显著改变。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为向新一代的电子设备提供改进的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有LCD显示屏的智能手机、平板电脑和其他电子设备，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。基于包括LCD和OLED显示器的不同技术，本专利文件中公开的光学传感器模块的特征可适用于各种显示面板。以下的具体示例针对的是LCD显示面板和置于LCD显示面板下的光学传感器模块。
在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供生物医学传感器等附加的感测功能或感测模块，例如在像腕带设备或手表的可穿戴设备中的心跳传感器。总之，可以在电子设备或***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***等锁定的计算机控制的设备的访问尝试的认证的设备、***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***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***。
图3A是具有包括指纹传感器181的指纹感测模块180的***180的示例的框图，该***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。***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***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***180保护的设备或***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-182E。例如，指纹感测***180可以在作为***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，响应于正面识别，指纹感测***180可以使得ATM***188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。又如，设备或***188可以是智能手机或便携式设备，并且指纹感测***180是集成到设备188的模块。又如，设备或***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***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3B和图3C示出了电子设备200的一个示例性实现方式，该电子设备200具有触摸感测显示屏组件和位于触摸感测显示屏组件下方的光学传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过具有用于光学照亮LCD像素的背光的LCD显示屏或具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏(例如OLED显示屏)来实现。电子设备200可以为智能手机或平板电脑等便携式设备，并且电子设备200可以为如图3A所示的设备188。
图3B示出了设备200的前侧，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在设备200的前侧，占据前侧空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏幕上提供指纹感测功能，如用于在设备屏幕上接纳手指的一个或多个感测区域。作为示例，图3B示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感测区，该指纹感测区可以被照亮为明显可识别的区或区域，用户放置手指以进行指纹感测。这种指纹感测区可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实现方式中，设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当前市场上各种智能手机中常见的侧控制按钮。并且，如图3B中设备外壳的左上角的一个示例所示，在设备屏幕外的设备200的前侧上可以提供一个或多个可选的传感器。
图3C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3C中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感测层的触摸感测屏模块、以及位于触摸感测屏模块下的具有显示层的显示屏模块。光学传感器模块耦合到显示屏组件模块并位于其下方，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检测器的光学检测器阵列上，该光学检测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组件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图3C所示的光学传感器模块的下面的一部分。
在实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感测表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感测界面，接收用于触摸感测模块的触摸感测操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏上指纹感测(以及可能的一个或多个其他的光学感测功能)。这种光学透明层可以为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。
显示屏的一个示例是具有LCD层以及薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)结构或基板的LCD显示器。LCD显示面板为多层式液晶显示(LCD)模块，该多层式LCD模块包括发出用于LCD像素的LCD照明光的LCD显示背光光源(例如LED灯)、引导背光的光波导层以及可以包括例如液晶(LC)单元层、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤光器层和触摸感测层的LCD结构层。LCD模块还包括在LCD结构层下方且在光波导层上方的背光漫射器以及光波导层下方的光学反射器膜层，该背光漫射器用于空间传播用于照亮LCD显示像素的背光，该光学反射器膜层用于将背光再循环至LCD结构层，以提高光利用率和显示亮度。
参见图3C，本示例中的光学传感器模块位于LCD显示面板的下面，以采集来自该顶部触摸感测表面的返回的光，并且获取当用户的手指与该顶面上的感测区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现方式中，所公开的用于指纹感测的屏下光学传感器模块可以在没有触摸感测特征的设备上实现。另外，合适的显示面板可以有不同于OLED显示器的各种屏幕设计。
图3D和图3E示出了实现图3B图和3C中的光学传感器模块的设备的示例。图3D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3D在左侧示出了具有触摸感测显示器的设备的前侧的视图，表示显示屏下部上的指纹感测区域，并且在右侧示出了包含位于设备显示屏组件下面的光学传感器模块的设备的一部分的透视图。图3D还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。
在图3B、图3C、图3D和图3E的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些设计使用独立于显示屏的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏和指纹传感器之间具有物理分界(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3D)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为横跨垂直堆叠并垂直重叠的显示屏层和光学检测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感测和对触摸灵敏的显示屏集成在共同且均匀的表面下的这种设计提供了益处，包括提高了设备一体化，增强了设备封装，增强了设备对外部元件、故障、磨损和撕裂的抵抗力，并且增强了设备的所有权期间的用户体验。
返回参考图3B和3C，所示的用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块可以以各种配置来实现。
在一个实现方式中，基于上述设计的设备可以被构造成包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感测操作并且包括形成显示图像的LCD显示面板结构，该设备还包括顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面，该设备还包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。
本文件中公开的这种设备和其他设备还可以被配置为包括各种特征。
例如，设备电子控制模块可以包括在该设备中，以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，还用于通过光学感测检测不同于指纹的生物表征参数，以表明在顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活着的人，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数表明检测到的指纹来自活着的人，则设备电子控制模块用于授权用户对该设备的访问。该生物表征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。
例如，该设备可以包括耦合到显示面板结构的设备电子控制模块，以向发光显示像素提供电源，并控制显示面板结构的图像显示，以及在指纹感测操作中，设备电子控制模块操作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，以允许光学检测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，来减少指纹感测中背景光的影响。
又如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向发光LCD显示面板提供电源，并在睡眠模式下关闭LCD显示面板的背光的电源，并且当光学传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感测区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以用于将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实现方式中，设备电子控制模块可以用于操作光学传感器模块种的一个或多个照明光源间歇性地发光，同时关闭LCD显示面板电源(处于睡眠模式)，将间歇发出的照明光引导至顶部透明层的指定的指纹感测区域，以监控是否存在与指定的指纹感测区域接触的人的皮肤，用于将设备从睡眠模式唤醒。
又如，该设备可以包括设备电子控制模块，该设备电子控制模块耦合到光学传感器模块，以接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块***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。
又如，顶部透明层可以包括用于用户用手指触摸以进行指纹感测的指定的指纹感测区域，并且显示面板结构下方的光学传感器模块可以包括与显示面板基板接触的透明块，以接收从该显示面板结构发出的并从该顶部透明层返回的光，该光学传感器模块还可以包括接收该光的光学检测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检测器阵列上。该光学传感器模块可以相对于指定的指纹感测区域放置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，选择性地接收在顶部透明层的顶面处通过全内反射的返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收来自指定的指纹感测区域的返回的光。
再如，光学传感器模块可以被构造成包括位于显示面板结构下方的光楔，以修改与该光楔接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，来允许从该显示面板结构提取出穿过该底面的光，该光学传感器模块还可以包括光学检测器阵列，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检测器阵列之间，以将来自该光楔的光成像到该光学检测器阵列上。
下面提供了用于屏上指纹感测的屏下光学传感器模块的具体示例。
图4A和图4B示出了显示屏组件下面的光学传感器模块的一个实现方式的示例，该光学传感器模块用于实现图3B和图3C中的设计。图4A至图4B中的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，该顶部透明层431形成于设备屏幕组件432之上，作为用于触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面。在一些实现方式中，该顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。设备屏幕组件423可以包括顶部透明层431下面的LCD显示模块433。LCD显示器层允许部分的光传输，使得来自顶面的光能够部分地透过LCD显示器层到达LCD下光学传感器模块。例如，LCD显示层包括电极和光学充当孔阵列和光散射目标的布线结构。可以在该OLED显示面板的下面提供设备电路模块435，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。
本特定实现方式示例中的光学传感器模块702位于LCD显示模块433下。设置一个或多个照明光源，例如LCD显示模块433下面的照明光源436或/和位于顶部盖板玻璃431下面的另一个或多个照明光源，用于提供光学感测模块702进行光学感测的照明光或探测光，并且可以控制该一个或多照明光源发光，以至少部分地穿过LCD显示模块照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上的用于用户将手指放入其中来进行指纹识别指纹感测区615。来自一个或多个照明光源436的照明光可以被导向顶面上的指纹感测区域615，如同该照明光是来自指纹照明光区613。位于顶部盖板玻璃431下面的另一个或多个照明光源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。如图所示，手指445被放置在照亮的指纹感测区615中，该指纹感测区615作为用于指纹感测的有效感测区。指纹感测区615中反射或散射的光中的一部分被引导至LCD显示模块433下的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电检测器感测阵列接收这种光，并且采集由接收的该光所携带的指纹图案信息。
在使用一个或多个光源(例如436)来提供用于光学指纹感测的照明光的这种设计中，在一些实现方式中，每个照明光源436可以被控制，以间歇性地以相对较慢的周期的打开，从而减少用于光学感测操作的功率。在一些实现方式中，指纹感测操作可以以两步过程来实现：首先，以闪光模式打开一个或多个光源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，则操作光学感测模块执行基于光学感测的指纹感测，并且可以打开LCD显示面板。
在图4B的示例中，屏下光学传感器模块包括耦合到该显示面板的透明块701，该透明块701接收来自设备组件的顶面的返回的光，该屏下光学传感器模块还包括执行光学成像和成像采集的光学成像块702。来自照明光源436的光在到达盖板顶表面后，例如，用户手指触摸的感测区域615处的盖板顶表面，从该盖板顶表面反射或散射回来。当感测区域615中的盖板顶表面紧密接触指纹脊时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于指纹谷下的另一位置处的光反射，指纹谷下的另一位置处没有手指的皮肤或组织。该盖板顶表面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被引导回朝向LCD显示模块433，并且在穿过LCD显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低指数光学透明块701的界面。该低指数光学透明块701的折射率被构造成小于LCD显示面板的折射率，使得可以将返回的光从LCD显示面板提取到该光学透明块701中。一旦该返回的光在该光学透明块701内被接收，这种接收到的光进入作为成像感测块702的一部分的光学成像单元，并且被成像到块702内的光电检测器感测阵列或光学感测整列上。指纹脊和谷之间的光反射差异造成了指纹图像的对比。如图4B所示，控制电路704(例如微控制器或MCU)其耦合到成像感测块702和主电路板上的设备主处理器705等其他电路。
在该特定的示例中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的顶面上的总反射角内进入盖板顶表面，并会被块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比。这种成像***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，基于光学检测器阵列处的，沿返回的光的光路的光学失真情况，在处理块702中的光学检测器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感测区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由在每个光电检测器像素处采集的图案生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调谐一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。
来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过LCD显示组件433中的孔穿过LCD面板顶面进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且这种背景基线是不期望的。可以使用不同的方法来减少这种基线强度。一个示例是以一定的频率f调谐接通和断开照明光源436，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器得以相同频率获取接收到的图像。在这种操作下，图像相位中只有一个包含来自光源的光。通过减去奇数和偶数帧，可能得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧生成指纹信号的帧。如果通过在一帧中谐调接通照明光并在另一帧中调谐断开赵明光，去除两个连续的信号帧，则可以将环境的背景光影响最小化或大量消除。在实现方式中，指纹感测帧速率可以是显示帧速率的一半。
来自照明光源436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在周围，并且该散射的光中的一部分可以最终被光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射的光的光强度取决于手指的肤色和手指组织中的血液浓度，并且手指上的该散射的光携带的这种信息对指纹感测是有用的，并且可以作为指纹感测操作的一部分被检测。例如，通过集成用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是活体手指，还是具备伪造的指纹图案的欺骗设备。
图4B中的一个或多个照明光源436可以设计为发出不同颜色或波长的光，并且光学传感器模块可以采集来自人的手指的不同颜色或波长的返回的光。通过记录相应测量到的不同颜色或波长的返回的光的强度，可以确定与用户的肤色相关联的信息。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自手指的颜色A和B的散射光的强度，作为强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感测区域上时测量指纹的晚些的测量结果作比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。
一个或多个照明光源436可以由用于控制块702中的图像传感器阵列的相同的电子器件704(如MCU)控制。该一个或多个照明光源436可以以低的占空比短时间地脉冲，以间歇性地发光并提供用于图像感测的脉冲光。图像传感器阵列可以***作为以相同的脉冲占空比监控光图案。如果存在触摸屏上的感测区域615的人类手指，则在块702中的成像感测阵列处采集的图像可以用于检测触摸事件。连接到块702中的图像传感器阵列的控制电子器件或MCU 704可以***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***作为唤醒智能手机***，打开用于执行光学指纹感测的照明光源436，并使用正常模式获取完整的指纹图像。块702中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以***作为将采集的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配的，智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果获取的该图像没有被匹配到，智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。
在图4A和图4B的示例中，屏下光学传感器模块使用光学透明块701和具有光电检测器感测阵列的成像感测块702，将与显示屏的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像在光电检测器感测阵列上。图4B中示出了从感测区615至块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。光学透明块701和光电检测器感测阵列之前的成像感测块702的前端形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感测的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，如上所释，可以使用失真校正来实现期望的成像操作。
在本文公开的由图4和4B中的屏下光学传感器模块和其他设计进行的光学感测中，从顶部透明层431上的感测区615到屏下光学传感器模块的光学信号包括不同的光组分。图5A、5B和图5C示出了用于两种不同的光学条件下从感测区615返回的光的信号生成，以便于理解屏下光学传感器模块的操作。
图5A示出了来自照明光源436的照明光如何通过OLED显示模块433传播，并在透过顶部透明层431后生成到屏下光学传感器模块的不同的返回的光信号，该返回的光信号包括携带指纹图案信息的光信号。简单起见，不同位置处的两条照明光线80和82被引导至顶部透明层431，而在与顶部透明层431交接处不经历全反射。具体地，照明光线80和82与顶层431垂直或接近垂直。手指60与顶部透明层431上的感测区615接触。如图所示，照明光束80在透过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183和向LCD显示模块433返回的另一光束181。照明光束82在透过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面向LCD显示模块433返回的光束185、进入手指组织的第二光束189以及由该手指谷反射的第三光束187。
在图5A的示例中，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。，手指脊-盖板玻璃的界面反射光束80的部分光，作为到LCD显示模块433下方的底层524的反射的光181。在一些LCD面板中，其反射率低，例如约为0.1％。光束80中的大部分光变为传输至手指组织60中的光束183，手指组织60造成光183的散射，产生向LCD显示模块433和底层524返回的散射的光191。来自LCD像素73的传输光束189在手指组织中的散射也对返回的散射的光191有贡献。
盖板玻璃表面将手指皮肤谷位置63处的光束82功率的约3.5％(光185)反射到底层524，并且手指谷表面将该入射光功率的约3.3％(光187)反射至底层524。总反射率约为6.8％。大部分光189被传输至手指组织60中。手指组织中的传输的光189中的光功率中的一部分被手指组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。
因此，来自在触摸手指的手指谷和手指脊处的各种界面或表面的光反射是不同的，反射比差携带指纹地图信息，并且可以测量该反射比差以提取与顶部透明层431接触且被OLED光照射到的部分的指纹图案。
图5B和5C示出了不同条件下和在相对于手指的谷或脊的不同位置处，顶表面处的两种附加的照射光线的光路，包括全反射条件下与顶部透明层431交界处的光路。图示的照明光线生成不同的返回的光信号，其包括将指纹图案信息携带至屏下光学传感器模块的光信号。假设盖板玻璃431和LCD显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得对盖板玻璃431具有大的入射角的O照明光会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、5B和5C示出了以下不同的三组发散光束的示例：(1)中心光束82，对盖板玻璃431具有小的入射角且没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201，202，211和212，当盖板玻璃表面没有被触摸时，在盖板玻璃431处被全反射，并且当手指触摸盖板玻璃431时，可以耦合到手指组织中(图5B和5C)，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指组织触摸的位置处，也在盖板玻璃431处被全反射。
对于中心光束82，盖板玻璃表面对着光束185反射约为0.1％～3.5％的光，这部分光被传输到底层524中，手指皮肤对光束187反射约为0.1％～3.3％的光，这部分光也被传输到底层524中。反射差取决于光束82是否与手指皮肤脊61或谷63相遇。剩余的光束189被耦合到手指组织60中。
对于高对比度光束201和202，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束205和206反射几乎100％的光。当手指皮肤脊触摸改版玻璃表面且在光束201和202的位置处时，光功率中的大部分通过光束203和204耦合到手指组织60中。
对于高对比度光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束213和214反射几乎100％的光。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于光束211和212的位置时，没有光功率耦合到手指组织60中。
如图5A所示，耦合到手指组织60中的光束会经历手指组织的随机散射，以形成低对比度光191，并且该低对比度光191中的一部分会穿过LCD显示模块到达光学传感器模块。
因此，在高对比度光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比度指纹信号可以通过比较这种差异来实现。
基于图3B和3C中的设计，所公开的屏下光学感测技术可以以各种配置来光学地采集指纹。
例如，可以以各种配置来实现图4B中的具体实现，该实现是基于通过使用光学感测模块中的体成像模块的光学成像。图6A至图6C、图7、图8A至图8B、图9、图10A至图10B、图11和图12示出了用于光学指纹感测的屏下光学传感器模块设计的各种实现、附加特征和操作的示例。
图6A、图6B和图6C示出了基于通过透镜进行光学成像的屏下光学传感器模块的示例，用于从按压显示盖板玻璃423的手指445采集指纹。图6C是图6B所示的光学传感器模块部分的放大视图。如图6B所示的屏下光学传感器模块位于LCD显示模块433下，该屏下光学传感器模块包括与LCD显示模块433的底面接触的光学透明垫片617，以接收来自顶部透明层上431的顶面上的感测区615的返回的光，该屏下光学传感器模块还包括位于垫片617和光电检测器阵列623之间的成像透镜621，成像透镜621将接收到的来自感测区615的返回的光成像在光电检测器阵列623上。类似于图4B示例中的成像***，图6B中用于光学传感器模块的成像***可能经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如，对图4B中***所描述的失真校正方法。
与图5A、图5B和图5C中的假设相似，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且对于盖板玻璃423，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当OLED显示模块433粘合在盖板玻璃431上且没有任何气隙时，全内反射在大于界面的临界入射角的大角度发生。如果盖板玻璃顶面没有被接触，则全反射入射角约为41.8°，并且如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。
在这种设计中，微透镜621和光电二极管阵列623限定了采集感测区615中接触手指的图像的视角θ。为了检测感测区615中盖板玻璃表面中的期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准视角θ来感测盖板玻璃表面上的有效感测区615。有效感测的盖板玻璃表面615可以被视为镜子，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示器中指纹照明光年模块613的图像，该图像向由感测的盖板玻璃表面615投射到光电检测器阵列上。光电二极管/光电检测器阵列623可以接收由感测的盖板玻璃表面615反射的区613的图像。当手指触摸感测区615时，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电检测器阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学的检测路径的几何形状是已知的，所以可以校正在光学传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真。
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在盖板玻璃上具有宽度Wc。调整垫片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。垫片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，通过使用特殊的垫片618代替的图6B至图6C中的垫片617，以增加感测区域615的尺寸。垫片618设计为具有宽度Ws，厚度为Hs，具有低折射率(RI)ns，并且，垫片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。垫片618的端面是与微透镜621接合的成角度的或倾斜的面。垫片和透镜的这种相对位置不同于图6B至图6C中透镜位于垫片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。由于在垫片618和显示模块433之间的界面处的光学折射以及在盖板玻璃431和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角φ1和φ2是由部件材料的折射率RI、ns、nc和na决定的。
如果nc大于ns，则φ1大于φ2。由此，折射放大了感测宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效折射率RI在550nm处约为1.44，并且盖板玻璃的折射率RI约为1.51，如果盖板玻璃顶面没有被触摸，则全反射入射角估计约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。如果垫片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°。如果特殊垫片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***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。
当特殊垫片618的折射率RI设计为足够低(如，使用MgF2、CaF2或甚至空气来形成垫片)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和垫片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可以是与特殊垫片618相同的材料或者是另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气间隔。
图9示出了基于图7的设计中的屏下光学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，以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，以提高在光学检测器阵列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，以修改与光楔628接合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。光学检测器阵列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和光学检测器阵列623之间，以将来自光楔628的光成像到光学检测器阵列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底面光漫射器层433b处被全反射。楔形耦合器628用于修改局部表面角，使得光可以耦合输出以用于在光学检测器阵列623处的检测。LCD显示模块433中的微孔提供使得光透过LCD显示模块433以进行屏下光学感测的期望的光传播路径。如果光透射角变得太大或当TFT层变得太厚时，实际的光透射效率可能逐渐减少。当该角度接近于全反射角时，即约为41.8°，且盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来是好的。因此，楔形耦合器628的楔角可以被调整为一对数度，使得提高或优化检测效率。如果选择更高的盖板玻璃的折射率，则全反射角变小。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中，顶部透明表面上的感测区域615不是竖直的或者不垂直于光学传感器模块的检测轴625，使得感测区域的图像平面也不是竖直的或不垂直于检测轴625。因此，光电检测器阵列523的平面相对于检测轴625可以是倾斜的，以在光检测阵列623处实现高质量成像。
图11示出了这种倾斜的三个示例配置。图11(1)示出了感测区域615a倾斜且不垂直于检测轴625。在(2)所示的特定情况下，感测区域615b对准在检测轴625上，其图像平面也会位于检测轴625上。实践中，可以部分地切掉透镜621以简化封装。在各种实现方式中，微透镜621也可以是透射型或反射型透镜。例如，(3)中示出了特定的途径。感测区域615c由成像镜621a成像。光电二极管阵列623b对齐以检测信号。
在使用透镜621的上述设计中，透镜621的有效孔径可以被设计为大于LCD显示层中的孔的孔径，后者允许光透过LCD显示模块来进行光学指纹感测。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射目标的所造成不期望的影响。
图12示出了指纹传感器的用于在指纹感测中减少或消除来自背景光的不期望的影响的操作的示例。光学传感器阵列可以用于采集各种帧，并且采集到的帧可以用于执行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，用于光学指纹感测的照明光源被开启，以照亮手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭照明。可以在图像处理中使用从帧A的信号减去帧B的信号，以减少不期望的背景光影响。
还可以通过在光路中提供合适的光学过滤来减少指纹感测时不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于拒绝环境光波长，例如，近红外IR光和部分的红光等。在一些实现方式中，这种光学滤波器涂层可以制作在光学组件的表面上，包括显示器底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于～580nm的波长的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学过滤涂层可以设计为拒绝波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感测时光学检测的影响。
图13示出了用于校正光学传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，一个或多个照明光源被控制并操作于在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，显示面板下的成像传感器的帧速率***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***失真。在步骤1305处，将校正了的图像用作用于用户认证的人类指纹图像。
用于采集用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于采集来自被照亮手指的散射的光，如图5A中的散射到底层中的光191所示。可以集成来自图5A中的散射到底层中的光191的感兴趣区域中的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化以确定用户的心率。
上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将被偷盗的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，指纹图案，尽管是唯一的生物表征标识符，其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏下光学传感器模块还可以用作光学反欺骗传感器，用于感测具有指纹图案的输入目标是否是来自活的人的手指，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，而不损害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和如940nm的红外IR光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以在第一可见波长(颜色A)和红外IR波长(颜色B)等第二不同波长来照亮手指，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着的人的手指。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发出的光为至少两种不同的光学波长的探测光或照明光，以使用血液的不同光学吸收行为来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中监控的材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些特性可以用于检测被监控的材料是活体指纹还是假指纹。
图15示出了来自无生命材料(如假手指)和活体手指的反射的光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器来监控活的生物。当检测到探测光的两个或多个波长时，消光比差可以用于快速地确定被监控的材料是否是活的生物，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着的人的手指相关联的信号组分。然而，当活着的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着的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的人的一部分。图15中，脉冲状信号反应了多次触摸的情形，而不是血液脉冲。与无生命材料的相似的多次触摸不显示由活体手指引起的差异。
血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的这种光学感测可以在短周期内进行，以用于活体手指检测，并且可以比使用相同光学传感器的人的心跳的光学检测更快。
在LCD显示器中，LCD背光照明光为白光，从而包含在光学传感器模块处执行上述活体手指检测的可见光谱范围和红外IR光谱范围的光。LCD显示模块中的LCD滤色器可以用于允许光学传感器模块获得图14和图15中的测量结果。另外，可以操作用于产生光学感测的照明光的指定的光源436，以在不同时间以选定的可见波长和红外IR波长发出探测光，并且两种不同波长的返回的探测光由光学检测器阵列621采集，以基于图14和图15所示的上述操作来确定触摸对象是否是活体手指。需要注意的是，尽管在不同时间选定的可见波长和IR波长的反射的探测光可以反映血液的不同光吸收特性，但指纹图像总由在不同时间选定的可见波长的探测光和红外IR波长的探测光采集。因此，指纹感测可以以可见波长和红外IR波长下进行。
图16示出了通过操作一个或多个照明光源以用两种不同颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏接触的目标是否是活的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的人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉搏，活的人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光由于心跳/血流变化而导致的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活的人的正面确定的结合来增强访问控制。再如，当人触摸LCD显示屏时，触摸力的变化可以以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。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检测器整列上，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检测器阵列处生成光学图案，并且已知图案中的图像坐标与在光学检测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检测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，以感测在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学传感器模块可以用于感测从显示面板像素发射的光所形成的图像。光学传感器模块可以包括折射率低于显示面板基板的折射率的透明块，还包括具有成像传感器阵列的成像传感器块以及光学成像透镜。在一些实现方式中，低折射率块的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范围内。
又如，可以提供一种用于指纹感测的方法，其中从显示面板发射的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光交互，以通过指纹调制光反射图案。显示面板下的成像感测模块用于感测反射的光图案图像，并且重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发射像素的调制同步，基于此种设置的解调制过程会拒绝背景光(不是来自目标像素的光)中的大部分光。
对所公开的用于光学指纹感测的屏下光学传感器模块的各种设计考虑在作为申请号为62/289,328的美国临时申请和申请号为62/330,833的美国临时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国际专利申请(要求于2015年6月18日提交的、申请号为62/181,718的美国临时专利申请的优先权，并于2016年12月22日以WO2016/205832公开)中和2016年11月2日提交的、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检测器阵列，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检测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检测器阵列时，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，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，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，该光学传感器模块包括光学检测器阵列，该光学检测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检测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检测器阵列。
使用准直器的成像依赖于在不同位置使用不同的准直器，以将来自指纹的不同区域的光在空间上分离到光学检测器阵列中的不同的光学检测器。每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为控制每个准直器的光学视图的窄场，比如，仅来自被照亮的手指上的小区域的光被每个准直器采集，并被投射到光学检测器阵列中数个相邻的光学检测器上。例如，可以将每个准直器沿着该准直器的厚度或长度设计的很大，如几百微米，使得每个准直器的光学视图的场可以允许准直器向光学检测器阵列上的诸如光学检测器阵列中的一个光学检测器或几个相邻的光学检测器的小区域传送成像光(比如，在一些情况下，在光学检测器阵列的每一侧上的十几微米的区域)。
以下部分通过示例解释了光学准直器阵列或针孔阵列如何用于屏下光学指纹感测，该示例在光学指纹感测时在混合感测像素中使用光学准直器，每个混合感测像素具有用于采集指纹信息的电容式传感器和用于采集指纹信息的光学传感器。
图17A和17B示出了将电容感测和光学感测结合在同一感测像素中的混合感测像素设计的两个示例。
图17A示出了指纹传感器设备2100的示例，该指纹传感器设备2100在采集指纹信息时，为传感器像素阵列的每个传感器像素在光学传感器的基础上并入电容式传感器。通过结合电容式传感器和光学传感器，使用光学传感器得到的指纹图像可以用于更好地分解使用电容式传感器得到的3D指纹结构。为了说明的目的，图17A示出的结构表示传感器像素阵列中的一个传感器像素，并且每个传感器像素包括在同一像素内彼此相邻布置的光学传感器2102和电容式传感器2114。
光学传感器2102包括光电检测器2108和置于光电检测器2108上方的准直器2106，以使从手指2102反射的光2124向着光电检测器2108变窄或聚焦。LED等一个或多个光源(未示出)可以放置在准直器2106的周围来发光，该光被手指反射为反射的光2124，并被引导至相应的光电检测器2108或向着相应的光电检测器2108聚焦，以采集手指2102的指纹图像中的一部分。可以使用光纤束或具有孔或开口的一个或多个金属层层来实现准直器2106。这种在光学检测器阵列上方使用多个光学准直器可以用作采集具有期望的空间分辨率的指纹图形的无透镜光学设计，以进行可靠的光学指纹感测。图17A示出了使用具有孔或开口2112的一个或多个金属层2110实现的准直器2106。图17A中在顶部结构或层2104和光电检测器2108之间的层中的准直器2106包括由光纤或一层或多层(如硅或金属)中的孔或开口形成的多个单独的光学准直器，这种单独的光学准直器中的每一个接收沿着每个光学准直器的纵向或在小角范围内的光线2124，如图所示，光线2124可以被每个开口或孔的顶部开口以及管状结构采集，使得来自每个光学准直器纵向的以大角度入射的光线被每个准直器拒绝到达该光学准直器的另一端上的光学光电二极管。
在每个感测像素的电容式感测部分中，电容式传感器2114包括电容式传感器板2116，该电容式传感器板2116电磁耦合到与感测像素接近或接触的手指的一部分，以进行电容式感测。更具体地，当手指2102与可选盖板2104或实现手指传感器设备2100的移动设备上的盖板接触或离得很近时，电容式传感器板2116和手指2102作为一个或多个电容式元件2122的两个板相互作用。电容式传感器板2116的数量可以基于电容式传感器2114的设计而变化。电容式传感器板2116可以使用一个或多个金属层来实现。电容式传感器板2116通信地耦合到电容式传感器电路2120，使得电容式传感器电路2120可以处理来自电容式传感器板2116的信号，以得到表示3D指纹结构的信号。可以在电容式传感器板2116和电容式传感器电路之间设置路由或屏蔽材料，以电屏蔽金属板2116。电容式传感器电路2120可以通信地耦合到电容式传感器板2116和光电检测器2108，以处理来自电容式传感器板2116的信号和来自光电检测器2108的信号。在图17A中，每个混合感测像素内的电容式传感器和光学传感器彼此相邻且相互存在位移，而不在空间上重叠。
在实现方法中，图17A中的混合传感器设计中的光学准直器设计等光学感测特征，可以用于屏下光学传感器模块中。因此，图17A中具有光学准直器特征的光学感测可以在能够通过光学感测检测指纹的移动设备或电子设备中实现，该移动设备或电子设备包括：显示屏结构；形成于显示屏结构之上的顶部透明层，作为用户触摸界面并且作为用于传输来自显示屏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，位于显示屏结构的下方，以接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。光学传感器模块包括接收返回的光的光电检测器的光学检测器阵列，还包括光学准直器阵列，以通过显示屏结构收集来自顶部透明层的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器引导至光学检测器阵列中的光电检测器。
图17B示出了指纹传感器设备2130的另一个示例，该指纹传感器设备2130在感测器像素阵列中以空间上重叠的配置将光学传感器和电容式传感器结构性地集成在每个混合传感器像素中，以减少每个混合感测像素占用的空间。指纹传感器设备2130包括硅等半导体基板2131。在基板2131上设置多个感测元件或感测像素2139。每个感测元件或感测像素2139包括有源电子电路区域2132，该有源电子电路区域2132包括CMOS开关、放大器、电阻器和电容器，来处理传感器信号。每个感测像素或感测元件2139包括设置或嵌在有源电子电路区域2132中的光电检测器2133。用于电容式感测的电容式传感器的电容式传感器板或顶部电极2134设置在光电检测器2133上，并且包括传感器板2134上的孔或开口2138，还起到将光引导至光电检测器2133上的光的准直器的作用。设置填充有导电材料的通孔2135，以将顶部电极2134电连接到有源电路元件2132。通过调整开口或孔以及顶部电极2134与光电检测器2133的距离，可以调整光电检测器(如光电二极管)2133的光收集角2137。指纹传感器设备2130由保护盖板2136覆盖，该保护盖板2136包括硬质材料，例如蓝宝石、玻璃等。光电检测器2133的光收集角2137可以设计为保存由光电二极管阵列收集的图像的空间分辨率。LED等光源2140位于盖板的下面，在指纹传感器设备2130的侧面以发光，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)用于电容式感测，以及2)作为准直器(通过在感测顶部电极2134上制造一个或多个孔)将从手指返回的光引导至光电检测器2133或向着光电检测器2133变窄或聚焦。感测顶部电极2134的再利用消除了对附加金属层或光纤束的需要，从而减小了每个像素的尺寸，并因此减小了指纹传感器设备2130的整体尺寸。
图17B中，光学感测设计使用在顶层2136和光电检测器的底部阵列2133之间形成的孔或开口2138作为光学准直器，以仅选择在某些角度2137内的光线，以保持如图所示的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，经由显示屏结构收集来自顶部透明层的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器引导至光电检测器2133。
图18是将光学传感器和电容式传感器并入每个混合感测像素中的示例性混合指纹传感器设备2200的俯视图。指纹传感器设备2200实现为CMOS硅芯片2221，该CMOS硅芯片2221包括混合(并入光学传感器和电容式传感器)感测元件阵列或像素阵列2222。可替换地，图18中的布局还可以用于本文件中公开的所有光学感测设计，其中开口或孔2223表示图17A和图17B中的光学准直器。例如，感测元件的大小或尺寸可以在25μm至250μm的范围内。混合传感器设备2220可以包括支持电路阵列，该支持电路阵列包括侧面区域2224中的放大器、模数转换器ADC和缓冲存储器。此外，混合传感器设备2200可以包括用于引线接合或凸起接合的区域2225。混合传感器元件2222的顶层2226可以包括用于电容感测的金属电极。可以在每个顶部金属电极23上制造一个或多个开口或孔2223，以在结构上用作准直器来将光以垂直方向引导照射在顶部电极下面的光电检测器上。因此，顶层2226结构可以用于光学感测和电容感测的双重目的。可以提供一种传感器设备处理器，以处理来自混合感测像素的像素输出信号，来提取指纹信息。
除作为准直器共享用于电容感测和用于在垂直方向聚焦光的相同结构以外，可以在光学传感器和电容式传感器之间共享传感器信号检测电路的一个实例，以检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。
图19A示出了具有用于指纹的电容感测和光学感测功能的示例性混合指纹感测元件或像素2300。该示例性传感器像素2300包括传感器信号检测电路2316，以在检测或获取基于电容感测的来自感测顶部电极(如顶部金属层)2308的传感器信号和基于光学感测的来自光电检测器(如光电二极管)2314的感测信号之间选择性地切换，以获取手指的来自光电检测器2314的反射光学图像和来自电容式传感器电极2308的电容耦合图像。在一些实现方式中，每个混合感测像素中的来自两种感测机制的两个图像可以串行地被传感器信号检测电路处理。在所示的示例中，开关2310和2312具有：分别电耦合到感测顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，以及耦合到传感器信号检测电路2316的共用输入端的第二端，以向传感器信号检测电路2316提供对应的来自光电检测器2314的光学检测器信号和对应的来自感测顶部电极2308的电容感测信号。当开关2310断开(CAP_EN＝0)且开关2312闭合(Optical_en＝1)时，传感器信号检测电路2316获取表示在特定混合感测像素处接收到的扫描指纹的光学图像的光学检测器信号。当开关2310的CAP_EN＝1且光学_en＝0时，传感器信号检测电路2316可以获取表示扫描指纹的电容图像的电容感测信号。在光学图像和电容图像均被获取到之后，两个图像可以在下游电路中单独地或组合地处理，以识别指纹特征。
用上述混合感测像素的两种成像模态，可以通过以不同方式利用两种类型的图像来增强指纹识别的性能。这种增强的指纹识别可以通过传感器设备处理器2321等传感器设备处理器来实现，用于处理来自混合感测像素的像素输出信号，以提取指纹信息。例如，电容图像可以提供关于指纹特征的脊和谷的深度的3D图像。作为3D电容图像的补充，光学图像可以提供关于指纹特征的高分辨率2D信息。因为两种图像信息都关于指纹的相同的脊，所以具有更高空间分辨率的光学2D图像可以用于恢复电容感测图像分辨率。在一些实现方式中，与光学感测方法相比，电容感测方法可以更加灵敏和准确地识别指纹的谷，使用电容感测方法获取的图像的空间分辨率可以基于盖板的厚度而劣化。电容感测的这个方面可以通过光学感测来弥补。操作中，传感器响应可以是固定的，并且电容式传感器的点扩散函数对于所有的传感器位置可以是固定的。更高分辨率的光学感测可以用作分辨率恢复方法，并且可以应用在电容感测图像上以增强3D图像。来自光学感测的部分高分辨率图像可以用于帮助该恢复方法。因此，可以通过基于高分辨率2D图像的内插或恢复来增强3D电容图像，以提供关于谷和脊的更多信息。
增强的3D图像可以提供改进的指纹识别和匹配。在另一示例中，可以一同存储光学图像和电容图像，以在每次进行指纹识别或匹配时提供两种比较。使用两种类型的图像进行比较增强了指纹感测***的准确性和安全性。
传感器信号检测电路2316可以使用多种不同的电路设计以各种方式实现。在一个示例中，积分感测电路2318可以实现为存储由脊或谷的触摸引起的电荷或离移动设备的盖板非常近的指纹传感器设备的盖板引起的电荷。对积分电路2318的包含增强了信噪比(signal-to-noise ratio，SNR)。积分感测电路包括运算放大器2322，以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等导电材料的感测顶部电极2308通过开关2310电连接到放大器2322的负端或反相输入端2328。感测顶部电极2108和手指的局部表面2302起到电容器Cf 2302的相对板的作用。电容器Cf 2302的电容基于手指的局部表面和感测顶部电极2308之间的距离‘d’变化，该距离‘d’即电容器Cf 2302的两个板之间的距离。电容器Cf 2302的电容与电容器Cf 2302的两个板之间的距离‘d’成反比。当感测顶部电极2308与手指的脊相对时电容器Cf 2302的电容大于当感测顶部电极2308与手指的谷相对时电容Cf 2302的电容。
此外，在示例性传感器像素2300中，可以在不同导电元件之间形成各种寄生电容器或其他电容器。例如，可以在感测顶部电极2308和设备接地端2305之间形成寄生电容器CP 2304。设备接地紧密地耦合到大地。另一电容器Cr 2324可以在放大器2322的输出导体和放大器2322的负端或反相输入端2328之间形成，并且起到放大器2322的反馈电容的作用。并且，开关2326可以耦合在放大器2322的输出端和放大器2322的负端或反相输入端2328之间，以复位积分电路2318。
放大器2322的正端电连接至激励信号Vref。在每个传感器像素中，可以直接向专用放大器的正端提供激励信号Verf。通过直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf，示例性传感器像素2100变为有源传感器像素。此外，直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf消除了包括所有传感器像素共有的激励电极的需要，这样减少了来自传感器芯片的半导体结构的导电(如金属)层。在一些实现方式中，基于传感器像素的设计，可以实现可选的激励电极2306以增强SNR。此外，通过直接向放大器2322提供激励信号Verf，激励信号Vref不直接应用于手指，以避免对手指的潜在的刺激或伤害。而且，当直接将激励信号应用于手指的激励电极未被使用时，指纹传感器设备的所有部件可以被集成到单个封装设备中，并且整个指纹传感器设备可以设置在保护盖板玻璃之下。由于整个指纹传感器设备设置在保护盖板玻璃下，保护指纹传感器设备免受可能损坏指纹传感器的手指和其他外部元件的影响。
图19A中，传感器像素2300中的传感器信号检测电路2316的输出信号(光学输出信号和电容输出信号)(如放大器2322的Vpo)电耦合到开关2320，以选择性地将输出信号Vpo从传感器像素2300输出到包括滤波器的信号处理电路。开关2320可以使用晶体管或其他切换机制来实现，并且可以电耦合到控制器，以控制开关2320的切换。通过控制开关2320，2310和2312，传感器像素阵列中的传感器像素可以选择性地在获取光学信号和获取电容信号之间切换。在一个实现方式中，可以获取阵列中每一行、排或列的传感器像素的光学信号或电容信号，然后切换该光学信号或电容信号以获取该行、排或列的其他类型信号。可以逐行进行光学信号获取和电容信号获取之间的切换。在另一实现方式中，可以获取阵列中所有传感器像素或元件的一种类型的信号(电容信号或光学信号)，然后切换该种类型的信号以获取该所有传感器像素或元件的其他类型的信号。因此，不同的信号类型的获取之间的切换可以发生在整个阵列。两种类型的传感器信号的获取之间的切换的其他变形可以实现。
图19B示出了另一示例性混合指纹感测元件或像素2340的电路图。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感测元件或像素2340与混合指纹感测元件或像素2300实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图19A的描述。
混合指纹感测元件或像素2340利用感测顶部电极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，以采集由准直器2308聚焦的反射的光2344。
在一些实现方式中，可以包括光学传感器和电容式传感器的传感器信号检测电路的单独实例，以并行地检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。
图19C示出了示例性混合指纹感测元件或像素2350的电路图，用于对来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号进行并行检测。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感测元件或像素2350与混合指纹感测元件或像素2340实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图19A的描述。
为了对来自电容板和光电检测器的传感器信号进行并行检测，混合指纹感测元件或像素2350包括分别与感测顶部电极2308和光电检测器2324通信耦合的单独的传感器信号检测电路2316和2317。传感器信号检测电路2317可以实现为基本上类似于传感器信号检测电路2316。在一些实现方式中，开关2310和2312可以设置为具有分别电耦合到感测顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，和分别耦合到传感器信号检测电路2316和2317的第二端，以向传感器信号检测电路2316和2317分别提供来自光电检测器2314的光学检测器信号和来自感测顶部电极2308的电容感测信号。当开关2310和2312一同闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以并行地对来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。当开关2310和2312彼此异相地闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以串行地对来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。此外，传感器设备处理器2321可以通过开关2320A和2320B直接或间接地通信耦合到传感器信号检测电路2316和2317，以并行或串行地处理检测到的来自电容板2308和光电检测器2314的传感器信号。
在所公开的技术的另一方面，由于心脏的心跳和泵送动作，针对图17A、图17B、图18、图19A和图19B描述的光学传感器可以用于通过测量手指中由血流变化引起的随时间变化的反射光强度，来测量人的心跳。该信息包含在由手指反射、散射或漫射的接收到的光中，并且由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可以用于多种功能，包括获取指纹的光学图像和测量人的心跳。在实现中，传感器设备处理器用于处理一个或多个光学检测器信号，以提取心跳信息。这种传感器设备处理器可以与处理来自光学感测像素或混合感测像素的像素输出信号以提取指纹信息的传感器设备处理器相同。
以下部分描述了使用屏下光学传感器模块进行指纹感测的各种设计的示例，该屏下光学传感器模块利用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光引导至光学检测器阵列。这种光学准直器或针孔放置在LCD显示屏和屏下光学传感器模块中的光学检测器阵列之间，以耦合来自显示面板的所期望的返回的光，同时在光学检测器阵列进行光学检测时滤除背景光。这种光学准直器或针孔的实现可以简化光学检测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检测器阵列的整个光学布局的光学对准，并且提高光学检测器阵列进行光学检测的可靠性和性能。而且，这种光学准直器或针孔可以显著简化制造过程并降低屏下光学传感器模块的总体成本。
图20示出了具有液晶显示(LCD)显示器和屏下光学传感器模块的智能手机的示例，该屏下光学传感器模块包括光学准直器阵列，用于校正光并将光引导至用于光学指纹感测的光学检测器阵列。基于LCD的触摸感测显示***423在LCD显示***423下实现了具有光电检测器阵列621的光学感测模块。
触摸感测显示***423置于顶部盖板玻璃431下，该顶部盖板玻璃431作为用于包括用户的触摸感测操作和向用户显示图像等的各种用户接合操作的用户接口表面，以及作为用于接收手指进行指纹感测和其他光学感测的光学感测接口，其中，探测光从设备外部被引导至顶部盖板玻璃431，以照亮手指。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中的大部分变得部分透明。光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器并且提供透明或部分透明的感测光路，使得来自盖板玻璃431顶面的反射的光的一部分可以到达LCD屏下光学传感器模块内的光电检测器阵列621，进行指纹感测和其他光学感测操作。如图所示，LCD屏下的光学传感器模块的这个特定示例包括各种指纹传感器组件，例如用于准直反射的探测光并将反射的探测光引导至光电检测器阵列621的光学准直器阵列617，和接收并调节来自光电检测器阵列621的检测器输出信号的光学传感器电路模块623。光学准直器阵列617可以包括光学准直器，并且该光学准直器阵列617可以是基于波导的图像发射器、光纤阵列、微透镜阵列或针孔阵列。光学准直器用于限制采样图像的数值孔径(NA)并且用于形成相应的图像要素。每个光学准直器单元获取顶部玻璃盖板431上目标手指的触摸部分的图像的一部分。所有准直器传输的光束共同在光电检测器阵列621处形成目标的完整图像。光电二极管阵列621可以是CMOS感测像素的CMOS传感器、CDD传感器阵列或对光敏感的适用的的光学检测器阵列。
所示的示例包括用于LCD显示和触摸感测操作的电子器件模块435、诸如用于监控周围环境的光线水平的光学传感器等的一个或多个其他传感器425和用于控制某些智能手机操作的可选侧按钮427和429。
在图20的示例中，所示示例中的光源包括显示背光光源434和额外的指定的探测光源436。来自额外的指定的探测光源436的光束442a和来自显示光源434的光束442b可以用作用于照亮与顶部玻璃盖板431接触的手指的传感器探测光，以生成期望的携带指纹图案和其他信息至光学传感器模块的反射的探测光。
尽管微结构可以消除部分探测光能，但当感测窗口中的LCD单元打开时，LCD结构层433a中的大部分(包括液晶单元、电极、透明的ITO、偏振器、滤色器、触摸感测层等)变得部分透明。光漫射器433b、光波导433c、反射器膜433d和LCD模块框架用于支撑指纹传感器，并且提供透明或部分透明的感测光路。
图21下面进一步示出了图20的上述示例中的LCD屏下光学传感器模块的操作。在顶部盖板玻璃431上，指纹感测区域或窗口为顶部盖板玻璃431顶面上的区域，该顶部盖板玻璃431位于下面的光学传感器模块的正上方或靠近下面的光学传感器模块。由于光学传感器模块在LCD结构下方，所以感测窗口是顶部盖板玻璃431的连续的顶面的一部分，并且该感测窗口也是用于LCD显示的显示区域的一部分。因此，在顶面上可以没有可见的物理边界来表明该感测窗口。这种感测窗口可以通过其他手段来向用户表明，以帮助用户将手指放置在用于指纹感测和其他光学感测操作的感测窗口内。例如，额外的指定的探测光源436可以用于照亮感测窗口，使得感测窗口的区域明显不同于顶部盖板玻璃上的周围区域，并且用户容易看见该区域。这可以在LCD面板关闭或LCD面板打开时完成。
如图21所示，用户在感测窗口上按压手指，然后，探测光束82P照亮手指。手指和盖板玻璃431将探测光反射为反射的信号光束82R。LCD模块433中的各种散射界面433S漫射反射的信号光束82R，以形成漫射的光束82D。准直器阵列617中的各个准直器单元选择光分量82S并将选定的光分量82S引导入光电检测器阵列621的对应的感光检测器。光电二极管或CMOS感测检测器等感光检测器生成包含关于指纹图案的信息的相应传感器信号。光源中的一部分可以在没有首先穿过LCD面板的顶面上的手指感测区域的情况下进入指纹传感器模块。这部分光为背景噪声，并且可以通过校准来消除。准直器阵列617的每个准直器单元仅选择沿着其允许的方向以相对较低的光损耗传输到光电检测器阵列621中的一部分相应的光电检测器中的光。因此，准直器阵列617中的每个准直器单元及其在光电检测器阵列621中相应的光电检测器一起操作，以定义有效的检测光学数值孔径NA。该NA直接定义由光学传感器模块产生的图像的空间分辨率。
基于所公开的LCD屏下光学传感器设计，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在回到LCD显示屏中的同时携带被LCD显示屏输出的光照射到的一部分手指的信息。这种信息可以包括手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块的集成可以采集这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置。该检测到的手指的被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置随后可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与储存的授权用户指纹图案进行比较，以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。使用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感测的指纹检测使用LCD显示屏作为光学感测平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏的光或使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感测的显示屏。
需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏的背面而不需要在LCD的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的显示屏之下，与显示屏区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏区域的后面。此外，由于这种光学传感器模块的光学感测是通过检测来自LCD的显示屏的并从显示区域的顶面返回的光而进行的，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏区域分离的特殊感测端口或感测区域。因此，在包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机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以以下方式实现：通过使用独特的光学感测设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感测，允许在LCD的显示屏上的位置处进行指纹感测。就这点而言，所公开的光学传感器技术的实施通过使用与显示图像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
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的显示屏上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏外指纹感测区域，其在感测区域的大小上受到高度限制，可能不适合感测大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感测来采集和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感测或其他感测机制来检测通过“活体手指”检测机制所采集的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活着的人的手，该检测机制可以基于事实，由于活着的人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液流过与心跳相连的人体时的脉动，这个人的手指通常是移动着或伸展着的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的目标中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感测和对存在活着的人的正面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的显示屏时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
针对与LCD的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结果提供触发功能或附加功能，以进行与LCD的显示屏上的触摸感测控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造目标不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD的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提供通过触摸感测的有用的用户控制，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的显示屏的背面，而不需要在LCD的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的显示屏，而不需要改变LCD的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的显示屏设计的设计，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的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的显示屏的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏区域分离的特定感测端口或感测区域。因此，这种屏下光学传感器模块可以用于与LCD的显示屏组合，以在LCD的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的显示屏。所公开的光学传感器技术的这方面可以使LCD的显示屏在智能手机、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。
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。因此，在设备的外部不需要外部感测端口和外部硬件，该设备需要添加所公开的光学传感器模块来进行指纹感测。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏下，并且可以在触摸屏的相同触摸感测表面上方便地进行指纹感测。
又如，由于用于指纹感测的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响LCD的显示屏的设计或制造或加重LCD的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的显示屏的智能手机、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的显示屏，而无需为利用所公开的屏下光学传感器模块为指纹感测特征做任何显著的硬件改变。并且，基于这种光学传感器模块实现的屏上光学感测，以用于指纹感测或其他光学感测功能的改进——也包括增加额外的光学感测功能，可以通过在新产品中使用新版本的屏下光学传感器模块来实现，而不需要对电话组件设计做显著改变。
所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以实现为向新一代的电子设备提供改进的指纹感测和其他感测功能，尤其是对于具有LCD显示屏的智能手机、平板电脑和其他电子设备，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。
本文公开的光学传感器技术使用在显示屏中用于显示图像的从设备显示组件的顶面返回的光来进行指纹感测和其他感测操作。该返回的光携带与该顶面接触的目标(例如手指)的信息，并且采集和检测该返回的光构成了在实现位于显示屏下方的特定光学传感器模块时设计考虑的一部分。因为触摸屏组件的顶面用作指纹感测区域，所以该被触摸区域的光学图像应该由光学传感器模块内的光学成像传感器阵列采集，该光学成像传感器阵列具有对原始指纹的高图像保真度以用于鲁棒的指纹感测。光学传感器模块可以设计为通过恰当地配置用于采集和检测返回的光的光学元件来实现这种期望的光学成像。
图22A至图22B示出了图20和图21中光学准直器设计的示例性实现方式。本示例中的光学准直器阵列2001包括光学准直器阵列903和填充在光学准直器903之间的光学吸收材料，以吸收光来减少不同光学准直器之间的串扰。准直器阵列2001中的每个准直器903可以是沿垂直于显示面板的方向延伸或延长的通道，并且每个准直器903允许光以低损耗沿其轴线传输。准直器阵列2001设计为减少不同光学准直器之间的光学串扰，并且在光学感测时保持期望的空间分辨率。在一些实现方式中，一个光学准直器可以仅对应于光电检测器阵列2002中的一个光电检测器。在其他实现方式中，一个光学准直器可以对应于光电检测器阵列2002中的两个或两个以上的光电检测器。如图22所示，在一些设计中，每个准直器单元的轴可以垂直于显示屏表面，并且可以相对于显示表面倾斜。在操作中，仅沿准直器轴传播的光携带图像信息。例如，适当的入射光82P被反射以形成光82R。光82R随后被TFT的小孔衍射，并且扩展到光82D。光部分82S被传输到光电二极管阵列2002中。远离轴的光部分82E被填充材料吸收。盖板玻璃表面431上的反射携带指纹信息。相对于准直器单元轴成角度的光901因此可以被阻挡。反射光的一部分，如901E，传输到对应的光学准直器中，以到达光电检测器阵列2002。
光学准直器阵列可以通过不同的技术制造，包括通过平面基板蚀刻孔、形成光波导阵列、形成与光学滤波器匹配的微透镜阵列、使用无芯光纤束，或在透明片上印刷准直器等。这种准直器阵列的期望特征包括：(1)沿轴传播的光组分和从轴传播出去的组分之间的足够的透射对比度，使得准直器保证了在光电检测器阵列处指纹图案的光学感测中期望的空间分辨率；(2)允许的传输数值孔径足够小，以实现光学感测的期望的高空间分辨率。
可以使用各种光学准直器阵列设计。光学准直器阵列中的每个光学准直器被构造成通过在沿着或接近光学准直器的轴的方向传输光，同时阻挡其他方向的光，来进行空间过滤，并且具有小的光学传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。小的光学传输数值孔径还减少了进入光学检测器阵列的背景光的量。准直器元件孔径和间距(即，两个临近的准直器元件之间的距离)可以设计为实现光学指纹感测的期望的空间分辨率。
图23示出了准直器设计的示例，通过使用CMOS结构中两个不同金属层中的对齐的孔的准直器设计是CMOS结构的一部分。在该特定示例中，阵列中的每个光学准直器是沿垂直于显示面板的方向的长条形通道。
图24示出了LCD显示结构下的光学指纹传感器模块的示例，在采集指纹信息中，该光学指纹传感器模块为每个光学传感器像素合并光学检测器阵列和集成的准直器阵列。如图所示，光学检测器阵列包括光电检测器阵列和设置在光电检测器阵列之上的准直器阵列，以包括作为光学准直器的光学透明通孔和通孔之间的光学不透明金属结构。引导照明光以照亮手指的触摸部分，从手指反射的光穿过光学准直器阵列被导向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层或多层金属层来实现。
屏下光学传感器模块中的这种光学准直器可以构造为提供直接的点对点成像。例如，光学准直器阵列的尺寸和单个准直器的尺寸可以设计为分别紧密匹配光电检测器阵列的尺寸和单个光电检测器的尺寸，以实现光学准直器和光电检测器之间的一对一成像。由光学传感器模块接收到的光携带的整个图像可以由单个光电检测器处的光电检测器阵列同时采集而不进行接拼。
光学准直器阵列的空间滤波操作可以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。此外，由于从OLED像素发射的光的照明，可以在光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤除背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以被配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感测生成的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外IR光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学滤波可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学滤波涂层，该光学滤波涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。
图25示出了利用光学滤波减少到达屏下光学传感器模块中光电检测器阵列的背景光的光学准直器阵列的示例。该示例将光学波导阵列作为光学准直器，并且一个或多个光学滤波器膜耦合到光学波导阵列，以减少到达耦合到光学波导阵列的光电检测器阵列的不期望的背景光，例如来自太阳光的红外IR光，同时传输用于照射手指的探测光的预定光谱带中期望的光。光波导可以包括具有或不具有外部波导包层的波导芯。光波导也可以由具有不同光纤的无芯光纤束形成，其中，每个单元准直器是不具有光纤芯结构的光纤片。当无芯光纤成束时，光纤之间的填充材料可以包括光吸收材料，以增加不被无芯光纤引导的杂散光的吸收。最终的准直器可以与多层的子准直器阵列进行组装。
以下部分提供各种的光学准直器设计及其制造的示例。
图26A和图26B示出了通过蚀刻制造准直器的示例。在图26A中，用于形成准直器阵列中的光学准直器的合适材料层形成在光学透明的支撑基板上或由光学透明的支撑基板支撑。蚀刻掩模形成在该层之上，并且具有用于蚀刻下层的图案，以形成光学准直器。执行合适的蚀刻工艺以形成光学准直器。支撑基板可以与准直器阵列结合，并且可以由包括氧化硅等的各种光学透明材料形成。
图26B示出了通过经由层间连接器材料(可为粘合剂、玻璃或合适的光学透明材料)堆叠多层子准直器阵列来组装的光学准直器阵列的示例。在一些实现方式中，子准直器阵列的不同层可以在没有层间连接器材料的情况下彼此堆叠。这种堆叠允许沿着准直器轴线制造具有期望长度或深度的光学准直器，以实现期望的光学数值孔径。准直器的孔在几何上限制了视角。传输数值孔径由准直器的厚度和孔径决定。孔在一些应用中可以用光学透明材料填充，并且在一些设计中可以是空的。
在实现方式中，支撑基板可以涂覆有一个或多个光学滤光器膜，以减少或消除例如来自太阳光的红外IR光等的背景光，同时传输用于照亮手指的探测光的预定光谱带中期望的光。
图27示出了与微透镜阵列耦合的光学空间滤波器的阵列，其中，每个微透镜相对于光学空间滤波器的相应通孔放置，使得每个单元准直器包括微透镜和微空间滤波器，例如，微孔。每个微透镜被构造和放置成将接收到的光聚焦到相应的微空间滤波器而不成像接收到的光。微孔限制了有效的接收数值孔径。空间滤波器可以印刷在光学透明基板上，或者蚀刻在一片硅晶片上。微透镜阵列可以通过MEMS处理或化学处理来蚀刻。微透镜也可以由梯度折射率材料制成，例如将一片梯度折射率玻璃纤维切割成四分之一间距的长度。微透镜的焦距和空间滤波器孔的直径可用于控制每个单元的传输数值孔径。像其他设计一样，准直器板可以涂覆有滤波器膜，以减少或消除传感器中未使用的光带，例如来自太阳光的红外IR光。
图28示出了具有内置的光准直的集成的CMOS光电检测阵列传感器的示例。准直器通过梳理不同金属层704和氧化层702，703中在金属层之间交错以提供间隔的对准孔705阵列来构建。这些孔可以与光学检测器阵列中的光敏元件701对齐。光学指纹成像仪是利用这种在LCD显示模块701和盖板玻璃下的具有内置的光准直的集成的CMOS光电检测阵列传感器来实现的。触摸盖板玻璃的传感器窗口区域的用户手指的指纹可以通过检测从指纹谷和脊反射的光来成像。因为光被脊区域处的指纹组织吸收，所以来自指纹脊区域的光线会减少，而相比之下，来自指纹谷区域的光会更强。指纹的脊与谷之间的这种光线水平差异在光学检测器阵列处产生指纹图案。
在上述基于准直器的光学传感器模块设计中，每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为大到将成像光传送到光学检测器阵列上的小区域，或可以设计为小到将成像光传送到光学检测器阵列上的大区域。当准直器阵列中的每个准直器沿着该准直器的厚度或长度减小到某一点时，例如几十微米时，每个准直器的光学视场可以相对较大，以覆盖光学检测器阵列上一部分相邻的光学检测器，如1mm×1mm的区域。在一些设备设计中，光学指纹感测可以通过使用针孔阵列来实现，该针孔阵列中的每个针孔具有足够大的光学视场，以覆盖光学检测器阵列中的一部分相邻的光学检测器，来在感测指纹时实现光学检测器阵列处的高图像分辨率。与使用准直器的设计相比，针孔阵列可以具有更薄的尺寸和更少数量的针孔，以在没有成像透镜的情况下实现期望的高成像分辨率。并且，与经由光学准直器的成像不同，具有针孔阵列的成像使用每个针孔作为针孔相机，以采集图像，基于针孔相机操作的图像重建过程不同于通过使用光学准直器阵列的图像重建过程，即：每个针孔建立子图像区，并且针孔阵列中不同的针孔的子图像区被拼接在一起，以构成整个图像。具有针孔阵列的光学传感器模块的图像分辨率与检测器阵列的灵敏元件的大小有关，从而可以通过调整检测器尺寸来调整或优化感测分辨率。
可以基于各种半导体图样技术或工艺或其他制造方法，以较低的成本相对简单地制造针孔阵列。针孔阵列还可以提供空间滤波操作，以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。与设计具有光学准直器的光学传感器模块相似，由于存在用于光学感测生成的照明光的照明，可以在具有针孔阵列的光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤除背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感测区域的返回的光的光学感测。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感测的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外IR光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学滤波可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学滤波涂层，该光学滤波涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。
在基于光学准直器的光学传感器模块中，光学检测器阵列处的光学成像分辨率可以通过以提供针孔相机效应的方式配置光学准直器而得到改善。图29示出了这种设计的示例。
图29中，这种光学准直器阵列的准直器单元618将来自相应检测区域单元的光引导至光电检测器阵列621。准直器单元的孔径形成小视场(field of view，FOV)618b。如果光电检测器阵列621中的检测器未采集每个单位FOV中的细节，则成像分辨率由每个准直器单元的FOV决定。为了提高检测分辨率，需要减小每个准直器单元的FOV。然而，当在光电检测器阵列621中的每个光电检测器和相应的准直器618之间设置间隙618a时，准直器单元的小孔径用作针孔。这种针孔相机效应在FOV的每个单位的图像中提供更高的成像分辨率。当单位FOV中有多个检测器元件时，如***件621a中所示，可以识别单位FOV中的图像细节。这意味着检测分辨率得到改善。在实现方式中，可以以各种方式设置这样的间隙，包括例如在准直器618和光学检测器阵列621之间添加光学滤波器膜618a。
借助针孔相机效应，可以优化准直器板的填充因子。例如，为了检测10mm×10mm大小的区域，如果每个单位FOV覆盖1mm×1mm的区域，则可以使用10×10的准直器阵列。如果每个单位FOV中，检测器可以获得20×20的清晰度图像，整体检测分辨率为200×200或50微米或500psi。这种方法可以应用于所有类型的准直方法。
图30示出了利用针孔相机效应来改善光学成像分辨率的另一示例。在该示例中，光学传感器模块包括多个层：垫片917、可以是厚度足够小的光学准直器阵列的针孔阵列617、保护材料919、光电检测器阵列621和电路板623。目标光学距离由感测表面到针孔平面的总材料厚度决定，包括显示模块433的光学厚度、垫片917的厚度、任何滤波涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度。图像光学距离由针孔平面到光电检测器阵列的总材料厚度决定，包括保护材料厚度、任何滤波涂层厚度、任何气隙厚度以及任何胶粘材料厚度。图像放大率由图像光学距离与目标光学距离相比决定。检测模式可以通过设置适当的放大率来优化。可选地，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，垫片和针孔阵列层可以组合成单个组件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个组件，从而预先定义每个针孔的中心坐标。
图31示出了基于针孔相机效应的光学成像的示例。在目标侧，LCD显示面板上的整个检测区921被分成多个子检测区923。设置针孔阵列920用于对检测区921进行成像。针孔阵列920中的每个针孔单元负责一个小视场(FOV)925。每个小FOV 925覆盖一个子检测区923。如图31所示，一个针孔的每个小FOV可以与其相邻针孔的小FOV重叠。在图像侧，光学检测器阵列中的每个子检测区923采集图像933。也如图31所示，针孔的每个小FOV 925具有对应的图像区935。可以优化该***的放大率，使得每个子检测区的图像可以分别区分。换句话说，小FOV的图像相互不重叠。在该检测模式中，每个针孔的中心坐标是预先定义的，每个LCD显示像素的图像点坐标可以被预先校准，并且这种预校准可以在传感器操作期间用于为校准生成校准表格。在该设计中，针孔相机的图像是倒置的，并且信号处理可以基于校准表格恢复整个图像。
在用于光学准直器的上述示例中，用于将来自显示屏顶部上的手指的光引导至用于指纹感测的光学检测器阵列中的光学准直器的方向可以垂直于LCD显示屏的顶部触摸表面，以收集从手指返回的用于指纹感测的探测光，其中返回的探测光的大部分是在垂直于顶部触摸表面的光方向上。在实践中，当触摸手指干燥时，通过感测与顶部触摸表面基本垂直的返回的探测光，光学检测器阵列中检测到的图像中的图像对比度低于从相对于顶部触摸表面的垂直方向成角度的返回的探测光中获得的相同图像的图像对比度。这在某种程度上是因为成角度的返回的光的光学感测在空间上滤除从顶部触摸表面强烈返回的光，这部分光大部分垂直于顶部触摸表面。考虑到从顶部触摸表面返回的探测光的光学感测的这一方面，光学准直器可以被定向为每个准直器单元的轴可以相对于顶部触摸表面倾斜，如图22B的示例所示。
然而，在制造中，制造倾斜的准直器更加复杂且成本更高。一种使用如图20和图21B所示的垂直光学准直器、同时还通过选择性地检测来自顶部触摸表面的成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装置或层。在一些实现方式中，这种光学偏转或衍射装置或层可以在OLED显示面板和垂直光学准直器之间，以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，同时阻止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成角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。
图32示出了使用光学针孔阵列的用于光学感测的光学传感器模块的示例。如图所示，针孔阵列920a形成在LCD显示模块433和光学光电检测器阵列621之间，以将手指60按压的感测区域成像到光学光电检测器阵列621上。
针孔层920a的厚度T表明视场(FOV)角。利用从感测表面到针孔阵列920a的距离以及从成像平面到针孔阵列920a的距离，对感测区域FOVs和成像区域FOVi进行定义。图像放大率由Di/Ds给出，其中，Di是针孔阵列920a和光学检测器阵列621之间的光学透明层919a的厚度，并且Ds是由垫片917、LCD显示模块433和顶部盖板玻璃层431组合叠层的厚度。例如针孔层厚度T、Ds和Di等的设备参数可针对期望的FOV和图像放大率的组合来优化。例如，如果需要，光学传感器模块可被配置为理想的参数，以使得阵列920a中相应的相邻针孔的相邻FOV适当重叠。类似地，也可以将相邻的FOVi调整为重叠或完全分离作为离散的FOVi。在设计为使相邻的FOVs彼此重叠的光学传感器模块中，感测表面上的点中的一些点可以具有多个图像点。该特征可以用于增强检测。
在图32的示例中，用于减少背景光的光学滤波器膜可以形成或涂覆在垫片917、针孔层920a、保护919a或显示表面上。如图所示，当背景光937投射到手指组织60上时，短波长组分大部分被吸收，部分长波长(例如，红光或红外光)光被传输到检测器621。光学滤波器膜可用于拒绝那些长波长组分，以改善携带手指信息的返回的光信号的检测。
图33A和图33B示出了具有光学偏转或衍射装置或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。
如图33A所示，准直器阵列中的每个准直器2001可以是沿竖直或垂直于显示表面的轴的延伸通道。视角适配器光学层2210用于调整来自显示面板的返回的探测光的视角，并且该视角适配器光学层2210位于光学准直器2001和LCD显示面板之间，以选择从显示面板返回的成角度的探测光进入光学准直器2001，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器2001的返回的探测光的量。
图33B示出了视角适配器光学层3210和主探测光路的更多细节。例如，视角适配器光学层3210可以实现为诸如棱镜结构3210a的衍射图案层。只有来自手指的具有出于显示面板的适当入射角的返回的探测光82a和82b才可以弯曲透过准直器2001。相比之下，垂直于显示面板的返回的探测光由视角适配器光学层2210引导至为远离垂直于显示面板的初始方向，并因此变为到光学准直器2001的离轴入射光。这样减少了垂直于显示面板并可以进入光学准直器2001的返回的探测光的量。
当适当调整视角后，来自指纹谷的不同位置63a和63b的接收光携带指纹信息。例如，在相同照明下，由于视角和指尖皮肤的指纹轮廓不同，光82a可能比光82b强。这种设计允许光学传感器模块获得一定程度的指纹阴影。这种布置改进了手指干燥时的检测。
在设计LCD显示模块下的光学传感器模块时，应该考虑LCD显示模块的各种技术特征或特性并将其纳入到整体的光学传感器模块设计中，以改进光学感测操作。以下部分描述了几种设计示例。
各种LCD显示模块中的一个常见部件是光漫射器，其可以是将入射光漫射到不同方向以实现大视角和显示的空间均匀性的薄片。然而，该LCD漫射器层的存在可能会降低LCD下光学传感器模块的光学检测。
图34A和图34B示出了位于LCD波导层433c和其他LCD层433a之间的LCD光漫射器层433b。在一些LCD组件中，盖板玻璃层431可以与下面的漫射器片433b分开一定距离(例如，在一些LCD设备中，几毫米)，并且光学准直器阵列617通过光波导板433c(其可以是次级的微米厚)与漫射器片433b分离。在这种结构下，漫射器片433b中的强漫射可以显著降低穿过LCD显示模块433到达光学检测器阵列621的信号光中的信号对比度。尽管LCD漫射器层433b处的光漫射是显示操作所需的，但其降低了指纹检测性能。
LCD漫射器层433b的这种不期望的效果可以通过使用不同的技术来减轻。图34A和图34B中示出了两个示例。
图34A示出了一个示例，其中，可以在光学传感器模块上方的漫射器片433b的部分中的相应区域或LCD显示模块中的整个漫射器片433b中制成孔951a，以改善从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列621的返回的光的传输。孔的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径的直径可以约40微米，并且漫射器片孔的尺寸可以为5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等等。在此设计中，将孔951a包含在LCD漫射器层433b中是为了为每个准直器单元建立光路。每个准直器单元的孔径可在漫射器片中具有一个或多个孔，以提供从顶部盖板玻璃431到光学检测器阵列621的期望的光路。如果准直器单元的孔径以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距钻出漫射器片中的孔。检测中的不均匀性可以被校准。
图34B示出了另一示例，其中，漫射器片可以被构造成包括低漫射光学透明点951b，其中在光学传感器模块上方的区域中光漫射较弱，以改善光到光学传感器模块的传输。透明点的尺寸、形状和分布可以基于具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射，并且点的分布可以使得每个准直器单元具有一个或多个透明的光路，以允许有效接收来自顶部盖板玻璃431并通过LCD显示层的返回的光。如果准直器单元的孔径以大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距制成漫射器片中的透明点。如果漫射器片由用于衍射或漫射光的粗糙表面材料制成，则可以将选定的材料选择性地应用于粗糙表面，以提供某种透明材料来减少粗糙表面的原始光学漫射。合适材料的示例包括环氧树脂、蜡或油，并且这些材料可以有效地改变漫射。
对于给定的LCD漫射层，可以选择长波长光源来产生探测光或照明光，使得针对这种光的漫散射较弱，从而更多的光可以穿过漫射层到达光学传感器模块。
又如，参考图35A和图35B，各种LCD显示模块包括LCD波导层433c下方的LCD中的光学反射层或膜433d，以将未使用的光反射回LCD层来提高显示亮度。然而，这种光学反射膜433d的存在可阻挡大部分光到达LCD下方的光学传感器模块，因此可能对光学指纹感测产生不利影响。这种光学反射层可以以在大多数位置维持LCD波导层下的所期望的光学反射，同时在LCD下光学传感器模块的位置处允许期望的光学传输的方式进行修改。在一些实现方式中，可以固定LCD下的光学传感器的准直器模块617以接触反射器膜433d。
图34C示出了用于提供透明光路的另一示例，该透明光路用于引导来自一个或多个照明光源436的光，以改善检测模块的指纹感测而不被漫射层明显漫射。例如，孔969可以选择性地形成在光漫射器膜433b中，以改善到LCD下光学指纹传感器的光传输。为了避免影响显示性能，光路孔可以倾斜以在孔969的区域中保持一定程度的光漫射功能。此外，这样的孔969可以设计为很小，例如0.3mm或更小，以进一步增强背光的漫射，同时仍在LCD下光学指纹传感器处提供改进的光学成像。在一些实现方式中，光路孔可以是空的，填充空气，也可以填充有透明材料。
在一些设计中，光路孔969可以不限于某个区域，而是可以分布在整个光漫射器膜433b上，例如，孔969可以均匀分布在整个膜433b中。这种设计消除了选定孔969在某些区域但不在其他区域中产生的不期望的空间不均匀照明。在一些设计中，光路孔969可以以空间梯度模式分布，使得由孔969引起的LCD照明的任何改变是渐进的且不太明显。
图35A示出了用于修改光学反射器层的一个示例，其中通过在光学反射器膜中包括或形成光学传感器模块位置的区域中的光透射孔来修改光学反射器层，以允许光学反射器膜的大部分位置中的用于LCD显示的光学反射，同时为光学准直器阵列617提供透明光路，用于接收从LCD上方的手指反射的光。孔的尺寸、形状和分布可以被配置为满足光学感测需要。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径的直径可以约40微米，并且漫射器片孔的尺寸可以为5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等等。每个准直器单元孔可以在光学反射器层中具有一个或多个孔以提供用于光学感测的所期望的光路。检测中的不均匀性可以被校准。如果准直器单元的孔径以较大的节距(例如，1mm左右)离散，则可以以相同的节距钻出漫射器片中的孔。
图35B示出了用于修改LCD中的光学反射器层的另一示例，其中光学反射器膜的光学反射率可以修改为允许一定程度的光学传输以通过下面的光学传感器进行光学感测。各种商业LCD反射器膜使用柔性塑料材料作为基板，并且这种塑料材料的光透射率可能足以将足够的光传输到光学传感器模块用于指纹感测。
在用于LCD漫射器层和LCD反射器层的上述设计中，孔可以形成在一个或多个照明光源所处的区域中，以允许照明光可以充分穿过LCD显示模块层到达顶部盖板玻璃，用于照亮手指来进行光学感测操作。
在上述设计中，光学传感器模块位于LCD显示模块的下方，因此位于LCD波导层下方，LCD波导层被设计为将来自背光光源的背光引导至LCD显示区域。如图36所示，来自显示器光源434(例如，LED)的背光由波导433c引导并由LCD漫射器层漫射以离开波导433c，提供LCD所需的背光。光可以从波导433c的一个侧面均匀漏出，然后通过漫射器片433b漫射。在一些LCD中，大约一半的漫射光957可以朝着准直器617传播并且在光学感测检测中变成强背景光。
可以提供一个或多个额外的光源436以连接光学传感器模块，用于照亮手指并且将携带指纹图案信息的光提供给LCD下方的光学传感器模块。由于照明光源的位置(例如，在光学传感器旁边或与光学传感器相邻的反射器膜433d下方)，波导433c的光导功能对来自照明光源436的光不起作用，使得来自436的光可以更高效地到达LCD面板的顶面以照亮手指。
另外，照明光源436可以设计为以不同于来自LCD显示背光光源434的LCD显示照明光波长的一个或多个光学波长发射照明。照明光源436可以用于指纹感测和其他感测功能。
上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计可以用来降低功耗。使用显示背光光源进行指纹检测需要打开显示背光光源来进行光学指纹感测。与上述设计相比，这种设计消耗更多功率，其中用于光学感测的照明光部分地不同于光学波长中的背光，其允许光学感测操作而不需要打开LCD背光。上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计能够灵活地选择照明光源以获得额外的优势。例如，可以使用红外光作为照明光源436，使得LCD漫射器层对于IR照明光更透明，以实现IR照明光的期望的更高传输。又如，可以选择照明光源以提供多个波长用于其他功能，例如防欺骗活体感测、心跳感测等。
在设计LCD下光学传感器模块时，可以使用照明光源436的位置和空间分布来调整观察角，从而优化感测质量。
在将光学传感器模块放置在LCD模块下方时，可以使用附加的光学设计来增强从波导层到LCD层的背光传输，同时维持用于光学感测的照明光到光学传感器模块的充分传送。
图37A至图37D示出了作为433a所示的LCD层结构的一部分的包括两层或更多层背光增强膜(例如，433px和433py)的增强结构的示例。背光增强膜433px和433py形成在光漫射器层433b上方。
在图37A的示例中，每个增强膜433px和433py包括偏振棱镜结构。两个增强膜433px和433py的棱镜槽方向大体相互垂直以共同形成一对增强膜，以改善到LCD面板的照明光传送。然而，如果配置不适当，增强膜的这种功能可能对LCD下光学指纹传感器模块621U的光学成像产生不利影响。
如图37B和图37C的示例所示，额外的光源照射方向和检测器观察方向可以具体配置成不沿增强膜433px和433py的棱镜槽方向，以减小增强膜对光学指纹感测的不利成像影响。这种设计是为了在增强膜中获得没有穿孔的清晰图像。视角φ1和照明角度φ2应根据增强膜的设计进行调整。
图37D中的示例示出了准直器单元617U和光电检测器阵列单元621U的特定设计。准直器单元617U用于提供由微透镜、针孔或两者组合实现的成像功能。通过优化单个检测单元设计或通过使用多个检测单元，可以实现光电检测器阵列单元621U处的较大感测区域。
图38示出了LCD模块中的光波导层的示例，其包括在检测光路中的部分透明部分，以允许改善用于光学感测的照明光的光传输穿过波导层。
图39A至图39C示出了用于设计用于LCD显示模块下的光学传感器模块中的光学感测的照明光源的示例。在LCD显示模块中，光学反射器层通过将未使用的背光循环到LCD层来增强LCD显示亮度。在这方面，沿着光学反射器膜的光学反射率的缺陷，例如反射器膜中的机械缺陷，会导致LCD显示亮度的可见变化，因此是不希望的。图39A至图39C示出了用于减少反射器层或膜中缺陷的不利影响的设计特征。
如图39A所示，可以在照明光源436的位置处的反射器层433d中提供微孔973，用于照明光中的可见光组分。这种可见光组分用于在显示器的有限区域内提供照明以显示必要的文本或标识信息，而无需打开显示器背光。
如图39B所示，另一种解决方案是选择照明光源波长，使之不再落入通常处于可见光波段的反射器膜的工作波段。用于光学感测的照明光源436可以在反射器膜的反射光谱范围之外，例如在400nm(例如380nm)以下的短波长范围或超出可见红色范围(例如780nm、900nm、940nm等)的长波长范围之外，使得照明光可以穿过反射器膜或层而不需要在反射器膜中形成孔。
图39C示出了再一设计方案，将反射器膜设计为包括用于传输用于光学检测的照明光的窄带透射窗口975。例如，反射器膜中的这这种窄透明或透射窗口可以在525nm和535nm之间。
基于本文件公开的光学感测的移动电话等的便携式设备或其他设备或***可以被配置为提供附加的操作特征。
例如，可以控制LCD显示面板提供局部闪光模式，以通过操作感测区域下方的选定LCD显示像素来照亮指纹感测区域。这可以在LCD显示面板下的光学传感器模块中提供，例如，基于光学成像设计的图4A和图4B，或者基于通过光学准直器阵列的光学成像图21A和图21B。在获取指纹图像的情况下，感测窗口区域中的LCD显示像素和照明光源可以暂时开启以产生高强度照明用于指纹的光学感测，并且同时开启光电检测传感器阵列621以采集与开启照明光同步的指纹图像。开启照明光的时间可以相对较短，但是可以将发射强度设定为很高。为此，用于光学指纹感测的这种模式是闪光模式，其使得光电检测器传感器阵列621能够检测更大量的光以改善图像感测性能。
上述公开的用于感测光学指纹的光学传感器可以用于采集指纹的高质量图像，使得能够区分在不同时间采集的采集指纹中的微小变化。值得注意的是，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检测器阵列发生以下几种可检测的变化：(1)指纹变形，(2)接触面积的变化，(3)指纹脊变宽，以及(4)受压区域处血流动力动态变化。这些变化可以被光学采集，并可以用于计算触摸力的相应变化。触摸力感测为指纹感测增加了更多功能。
参见图40，接触轮廓面积随着按压力的增加而增大，同时脊压印随着按压力的增加而扩大。相反地，接触轮廓面积随着按压力的减少而减小，同时脊压印随着按压力的减少而紧缩或收缩。图40示出了不同按压力下相同手指的两个不同的指纹图案：轻度按压的指纹2301和重度按压的指纹3303。来自触摸表面上的指纹的选定集成区3305的返回的探测光可以被光学检测器阵列上的一部分光学传感器采集，该部分光学传感器与触摸表面上的选定集成区3305相对应。下文进一步解释了对来自那些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。
当手指触摸传感器表面时，手指组织吸收光功率，因此集成在光电二极管阵列上的接收功率减小。尤其是在不感测低折射率材料(水、汗液等)的全内反射模式下，传感器可以用于通过分析接收功率变化趋势，来检测是手指触摸传感器还是其他目标意外触摸传感器。基于这种感测过程，传感器可以确定触摸是否是真实的指纹触摸，从而可以基于触摸是否是真实的手指按压来检测是否要唤醒移动设备。因为检测是基于集成功率检测进行的，所以用于光学指纹感测的光源处于节电模式。
在详细的指纹地图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且更多的光在触摸界面处被扩大的指纹脊吸收。因此，在相对小的观察区3305内，集成的接收到的光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测按压力。
因此，通过分析小区内集成的接收到的探测光功率变化，可以监控指纹脊图案变形的时域演变。然后，可以使用关于指纹脊图案变形的时域演变的信息来确定手指上按压力的时域演变。在应用中，人的手指的按压力的时域演变可以用于通过手指的触摸来确定用户交互的动态，包括确定人是在按压触摸表面，还是将按压手指从触摸表面移开。这些用户交互动态可以用来触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人的手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是用来操作移动设备的有意触摸还是意外的无意触摸，并且，基于这样的确定，移动设备控制***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的人的手指可以呈现出在两种不同探测光波长下获得的消光比的不同的特性，如图14和图15所述。返回到图40，轻度按压的指纹3301可能不会明显地限制流入手指的按压部分的血液，从而产生表明活人组织的在两种不同探测光波长下获得的消光比。当人用力按压手指以产生重度按压的指纹3303时，流向按压手指部分的血液可能会严重减少，因此，在两种不同探测光波长下获得的相应的消光比将不同于轻度按压的指纹3301的在两种不同探测光波长下获得的消光比。因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比在不同的按压力和不同的血流情况下变化。这种变化与用人造材料的假指纹图案的不同的力按压而产生的在两种不同探测光波长下获得的消光比不同。
因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比还可以用来确定触摸来自用户的手指还是其他目标。这种确定也可以用于确定是否唤要醒睡眠模式下的移动设备。
再如，所公开的光学传感器技术可以用于监控自然运动，这种自然运动是由于活着的人的自然移动或运动(有意或无意地)或当血液流过人体时的与心跳相关的脉搏而出现的人的手指的行为。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感测和对存在活着的人的正面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。这些或其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感测来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感测能够用于为光学传感器模块添加除指纹感测之外的更多的功能。
与图3A至图40有关的上述屏下光学感测相关的特征可以实现为具有主显示区和***显示区的双区显示器的设备，以及没有***显示区的单区显示器的设备。图41A、图41B和图42示出了置于设备的LCD显示器下的光学传感器模块的具体实现方式的示例，该设备具有LCD显示模块以在相同LCD面板中提供主显示区和***显示区。
图41A示出了在***显示区内的LCD模块下放置LCD下光学传感器模块的示例。对于光学指纹感测来说，一个或多个光源436a放置在***显示区20内的LCD模块433下方，以发出透过LCD模块433和顶部透明层431到达***显示区域20中的顶部感测表面的探测光束967a，用于指纹的光学感测或其他特性。探测光束967a可以是准直后的光束。操作中，在顶部感测表面处或附近的探测光束967a与手指447交互，并且由手指447引起的反射的和/或散射的探测光作为探测信号光束965a被引导回顶部透明层431中，其携带指纹信息和关于手指的其他信息，例如，指纹图案或地图、血流和心跳等。在该示例中，用于收集并路由从顶部透明层431到光学检测器阵列621b的探测信号光束965a的接收光学器件的设计中没有光学透镜。因为探测信号光束965a来自顶部透明层431的盖板玻璃表面的反射，所以指纹吸收地图或图案被添加到探测信号光束965a上，并且该指纹吸收地图或图案可以被光电检测器阵列621b检测到。光电检测器阵列621b被定向为使其检测表面平行于顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层。这种布置形成无透镜成像投射配置，其中，指纹地图以某一放大率二维地投射到检测器阵列621b上。对于以不同的入射角进入检测器阵列621b的探测光线来说，光学失真通常较低，并且检测到的图像对比度通常较高。
图41B示出了通过在***显示区内的LCD模块下放置LCD下光学传感器模块的无透镜成像投射配置的另一示例。与图41A中的设计不同，图41B中的设计将光电检测器阵列621c相对于顶部透明层431层的盖板玻璃表面和其他层成角度定向。光检测器阵列621c的这种倾斜定向使得由返回的探测信号光束965a携带的图像在沿着光电检测阵列的表面的方向上被压缩，这样可以减少沿该方向的光检测器阵列像素的尺寸，与具有较大检测器像素或尺寸的光电检测器阵列621b相比，从而相应地减少光电检测器阵列621c的总体成本。
图41A和图41B中用于LCD下光学传感器模块的上述无透镜成像投射配置也可以用于置于单区LCD面板下的光学传感器模块。图4B示出了使用这种倾斜定向的单区LCD面板下的光检测器阵列702的示例。
参见图6B至图11中的光学传感器模块设计，LCD下光学传感器模块的接收光学器件还可以包括用于光学感测的一个或多个成像透镜。图42示出了以包括作为接收光学器件的一部分的透镜的微相机配置放置***显示区内的LCD模块下的LCD下光学传感器模块的示例。在该示例中，光电检测器阵列621d被放置为其检测器阵列表面垂直于顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层或相对于顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层成角度。镜子617p放置在由来自LCD模块下方的探测光源436b的探测光束967b引起的的返回的探测信号光束965b的光路中，以将返回的探测信号光束965b重引导至为平行于与顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层平行的方向或相对于与顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层平行的方向成角度。透镜617q放置在来自镜子617p的反射的光束的光路中，并且该透镜617q将来自镜子617p的反射的光束沿顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层投射到光检测器阵列621d上。在这种微相机设计中，透镜617q产生具有较高的光强度的减小的指纹图案的光学图像，图像透镜617q的这种增益允许降低探测光功率的整体水平，或者这种增益提高了光学感测时的信噪比性能。另外，因为透镜617q在光电检测器阵列621d处产生了减小的指纹图案的光学图像，所以微相机可以通过使用小尺寸光电检测器阵列作为光电检测器阵列621d来实现。这样降低了光电检测器阵列621d的成本。而且，在这种设计中，由于存在用于将接收到的探测光束的方向改变为沿着顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层的镜子617，并且因为沿光束传播方向进行成像透镜617q的成像操作所需的间隔是沿着顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层而不是垂直于顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层，所以可以调整所需的间隔。这种具有成像透镜617q的光学布局可以用于保持设备在垂直于顶部透明层431的盖板玻璃表面和其他层的方向上的厚度或尺寸较小，而不损害成像镜头617q的适当成像条件。类似地，用于图6B至图11中所示的LCD下光学传感器模块的光学设计可以在垂直于显示屏的方向上保持相对小的厚度。
具有显示器的电子设备通常用于明亮的环境中，其具有由自然光(例如来自太阳的自然日光)或(例如光线充足的办公室设施或体育场内的)照明灯造成的不同程度的环境光或背景光。这种环境光或背景光会对LCD下光学传感器模块的检测产生不利影响，应予以抑制。如上所述，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的照明光源来减少背景光。基于操作控制/信号处理、光学过滤和添加额外的照明光源的不同的背光减少技术可以以各种方式结合在实现方式中。
在具有LCD显示器的设备中，提供一个或多个探测光源,以产生用于LCD下光学传感器模块的探测光，并且这种探测光源与背光模块434或照亮***显示区20的指定的***显示区照明模块436b或436c等的用于LCD显示器显示图像的背光光源分离。因此，用于光学感测的光学探测功率可以独立于LCD照明进行控制，以为光学感测提供充足的照明，从而提高光学检测信噪比并抵消环境光影响。例如，一个或多个探测光源可以在指纹感测期间以高输出功率短时间闪烁，以获得最佳检测。例如，可以调制一个或多个探测光源,以提供改进的光学感测性能而不影响显示功能。另外，一个或多个探测光源可以在确定检测到的手指是否是活体手指时提供灵活性，以阻止利用假指纹绕过指纹检测的恶意尝试。例如，多个探测光源可以被设置为包括具有充足不同的光学波长的光源，在不同的光学波长下，手指呈现出活体手指检测的不同光学特征，例如，使用参照图14和图15所释的用于活体手指检测的绿色LED和近IR LED，其中，手指组织强烈地吸收绿光，使得手指图像显现出期望的大亮度梯度，并且近IR光全部穿过手指照亮，使得手指图像亮度看起来更均匀。
用于减少背景光的光学过滤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***光学滤波器的总体目标是拒绝环境光波长，例如，近红外IR光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，该选定的表面包括例如显示底面、诸如光学棱镜的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，人手指吸收特定波长(例如约～580nm)下的大部分波长的能量，如果光学滤波器设计为拒绝从波长在约～580nm附近到红外线的波长中的光，则不期望的环境光影响可以大大降低。
图43示出了在从约525nm到约940nm的几个不同光学波长处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，小于0.5％的环境光可以穿过手指。红光和近IR光等的较长波长的光具有较高的透射率。由于手指组织的散射，穿过手指的环境光的传输方向范围变大，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，由于太阳光的光功率较高，所以可以谨慎处理来自太阳光的不需期望的环境光，以减少对光学指纹传感器性能的不利影响或将其最小化。
图44示出了屏下光学传感器模块4400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的路径到达光学指纹传感器4400：某条环境光(例如光线4410)穿过手指经由顶部透明层431(例如光线4410a)和LCD模块433(例如光线4410b)进入光学指纹传感器4400(类型1)，并且某条环境光线(例如光线4420)不穿过手指但从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器4400(类型2)，例如顶部透明层431中的光线4420a和LCD模块433中的光线4420b。
在示出的用于指纹感测的屏下光学传感器模块4400中，传感器封装罩或外壳4402可以形成于屏下光学传感器模块4400的外部，并且可以包括作为背景阻挡物的光学不透明或吸收材料，至少用于阻挡一些以大角度入射的入射背景光，这种入射背景光不穿过手指但从手指周围的一个或多个侧面进入光学指纹传感器4400。
对于穿过手指传播的类型1的环境光4410，手指吸收入射光4410中的一些光，使得类型1的光4410a的一部分透过手指到达盖板玻璃431，随后透过盖玻璃431到达LCD模块433中的LCD层。这种类型1的光4410b的一部分穿过LCD层进入光学指纹传感器封装罩4400/4402，并且这部分光通常包括成大入射角的入射环境光。
光学指纹传感器封装罩4402可以设计为通过在顶部提供光学窗口以在空间上阻挡成大角度的入射环境光中的一些光进入光学指纹传感器4400，从而接收来自由传感器封装罩4402形成的光学窗口上方的大部分入射光，使得仅打开与LCD模块433的底部接合(例如粘接)的光学传感器模块4400的顶侧来接收光，并且传感器底部和侧壁不是光学透明的，这样，减少了可以进入光学指纹传感器的环境光。因此，针对起先没有透过手指但进入光学传感器模块的环境光(例如类型2的环境光)，光学传感器模块的封装罩可以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，使得该光在到达接收光学器件材料或封装材料时被吸收或阻挡。
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,对这种不同的环境光组分可以进行不同处理,以减少它们对光学指纹感测的影响。例如，不期望的环境光可以包括(1)以红色波长(例如大于580nm)以及更长波长(例如红外光)透过手指的光组分以及(2)以比红色波长短的波长(例如，小于580nm)未透过手指的光组分。由于图43中所示的手指的依赖于波长的吸收，穿过手指的传输的环境光通常包括一些近IR光和红光组分中的部分光。因此，光学指纹传感器封装罩中可以包括光学过滤，以滤除会另外进入光学检测器阵列的不期望的环境光。
示例设计的是使用一层或多层IR阻挡滤波器涂层，例如IR-截止滤波器涂层，来减少来自手指的传输的光中的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波长大于710nm的波长。当设备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。
由于存在各种IR阻挡或截止涂层的光谱响应，具有延伸到较短波长的工作带的单个IR截止滤波器可能不能提供期望的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。使用这种两种或两个以上滤波器的部分原因是存在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LCD模块下方的公开的光学传感器的示例中，光学过滤机制可以内置在屏下光学传感器叠层中,以阻挡或减少来自太阳的自然日光的进入光学检测器阵列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检测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以到达光学检测器阵列。
例如，在一些实现方式中，用于减少不期望的IR环境/背景光的一个或多个光学滤波器可以放置在LCD模块和光学检测器阵列之间，以对返回的探测光(例如波长在400nm到650nm之间的或其他探测波长的探测光)进行光学透射，同时阻挡光学波长大于650nm的光，包括日光中的强IR光。实际上，一些商业光学滤波器具有透射带,这种透射带对于本文件中公开的屏下光学传感器的特定应用而言可能是不需要的。例如，一些商业多层带通滤波器可以阻挡波长600nm以上的光，但是在波长600nm以上的光谱范围内会有透射峰，例如630nm与900nm之间的光学透射带。这种光学透射带内的日光中的强背景光可以穿过并达光学检测器阵列，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，使得组合两个或两个滤波器来共同消除或减少波长在630nm至900nm之间的不期望的光透射带的，其中，一个滤波器中不期望的光学透射带可以处于另一光学滤波器的光学阻挡光谱范围内。具体地，例如，通过使用一个滤波器来过滤波长从610nm至1100nm的光，同时透射波长在610nm以下的可见光，和另一个滤波器来过滤波长从700nm至1100nm的偏移的光谱范围内的光，同时透射波长在700nm以下的可见光，可以将两个滤波器组合起来。两个或两个以上光学滤波器的这种组合可用于产生对大于较高透射波长的光学波长的背景光的期望的拒绝。这种光学滤波器可以作为形成在图层在LCD模块和光学传感器模块之间的不同位置处。
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，以对拒绝的光带进行适当吸收，使得在两个光学滤波器之间来回反射的光可以被吸收。例如，具有波长从610nm到1100nm的高吸收率的蓝色玻璃片可以用作滤波器的基底，两个滤波器覆涂在蓝色玻璃的上下表面上，并且这种部件可以用作光学传感器模块上方的垫片或保护材料。
除了在屏下光学传感器模块中利用用于截止红色和IR范围中的背景光的适当的光学过滤外，背景光还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，应该减少或消除在UV带中的环境光，这是因为该光带在光学感测时产生噪声。这种UV消除可以通过在光学传感器模块上方的探测光路中使用一层或多层UV截止光学涂层或UV吸收材料来实现。手指组织、硅和黑油墨等易于强烈吸收UV光。UV光的材料吸收可用来减少UV光对光学指纹感测的影响。
图45示出了用于在上述的光中设计屏下光学传感器模块中的光学过滤来减少背景光的设计算法的示例。因此，除了在向光学传感器模块的光路中设计合适的光学滤波器外，也可以将用于减少背景光的附加的设计特征添加到光学传感器模块中的光学检测器阵列的接受光学器件的设计中。在操作这种光学传感器模块时，可以将经由操作控制和信号处理来考虑的这些光学过滤和进一步减少背景光进行组合，以实现期望的光学感测性能。
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，并且可以设计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46示出了图46A和46B中的两个示例。
参见图46A，准直器针孔4651可以设计为在探测光带内是光学透明的，准直器壁材料4653可以选择为吸收到达壁的光4655。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。
参见图46B，作为接收光学器件的一部分的针孔4659的针孔阵列可以被构造成具有有效数值孔径，以阻挡具有大入射角的环境光。具有孔径限制孔4661的阵列的光阻挡层可以形成在针孔4659的阵列下方，使得有效数值孔径外的光4667可以被具有孔限制孔4461的光阻挡层的不透明部分阻挡。形成成像相机针孔4659和孔径限制孔4661的材料4663和4665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。
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件硬件中。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,并且还可以减小设备厚度。
屏下的光学传感器模块也可以利用传感器初始化过程来操作,以减少不期望的背景光的影响。如图12和图13所示的技术，这种传感器初始化过程本质上是用来操作的。图47示出了这种传感器初始化过程的示例，该传感器初始化过程在每次获得指纹时测量光学检测器阵列处的基线背景水平。在执行实际的指纹感测之前，在没有任何环境光影响的暗室环境中，打开用于光学感测的照明光或光学探测光，手指模拟器设备放置在盖板玻璃上以记录图像数据。手指模拟器设备设计成模拟手指皮肤反射行为，但该手指模拟器设备没有任何指纹图案。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。
在实时指纹感测中，存在环境影响。操作中，首先关闭照明光或光学探测光，以记录图像数据作为基数2，该基数2是在有环境光的条件下得到的。该基数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，打开照明光或光学探测光以执行指纹感测，来采集实时信号，该实时信号混合了来自指纹的真实指纹信号和实时基数。可以在信号混合与实时基数之间进行差分，作为信号处理的一部分，以减少来自环境光的信号影响，从而可以获得指纹图像的图像质量。
图47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，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，产生照亮该触摸显示面板的顶部透明层的探测光，以操作光学传感器模块内的光学检测器阵列来获得来自该顶部透明层的返回探测光的第一图像。该方法包括操作光学传感器模块内的光学检测器阵列，同时关闭所述探测光，以获得仅有环境光而不用任何探测光照亮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。
基于上述，可以用不同的技术来减轻背景光对屏下光学传感器模块的性能的不期望的影响，这些技术包括在向光学检测器阵列的光路中实施光学过滤来减少背景光、设计用于光学检测器阵列的接收光学器件来减少背景光或控制光学传感器模块和信号处理的操作来进一步降低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。
用于减少背景光或环境光的技术的上述示例通常是基于阻挡或滤除背景光或环境光到达LCD下光学传感器模块的。然而，透过手指到达指纹感测区域处的顶部玻璃表面的背景光的一部分可以携带指纹信息,并因此可以用于指纹感测。参考回图44，其中，透过手指的类型1的背景光线4410b和在光学传感器模块4400的顶部处的这种背景光线4410b的一部分的波长在如图43所示的540nm至950nm之间。可以检测光学传感器模块4400的顶部处的背景光线4410b用于光学指纹感测感测，这是因为波长在650nm至950nm之间的背景光可以传输到手指组织中，并通过手指皮肤的角质层传播,以通过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将指纹信息印在该背景光上，并且这种内部结构变化表现为具有不同亮度的光信号，这种亮度对比度作为由手指组织吸收、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的指纹图案，所以可以检测在光学传感器模块4400的顶部处的背景光线4410b。
利用波长在650nm至950nm之间通过手指组织的传输的光以获得指纹信息的这种技术与如图5A、图5B和图5C所示的基于由手指外部的手指脊和谷形成的表面形貌图案引起的反射光的技术不同。当依靠图5A、图5B和图5C中所示的手指处的表面反射时，手指和顶部玻璃表面之间存在的水或汗液(“湿手指接触情况”)或诸如脏物或碎片的其他材料(“脏手指接触情况”)可以改变光学反射并引起图像对比度不期望的变化，从而对指纹感测性能产生不利影响。与如图5A、图5B和图5C所示的基于由手指外部的手指脊和谷形成的表面形貌图案引起的反射的光的光学指纹感测相比，使用经由手指内部结构变化获得的指纹图案的光学传输的光的优点之一在于，光学指纹感测对与顶部玻璃表面接触的手指的表面接触状况较不敏感。
使用这种用于光学指纹感测的背景光存在技术挑战。例如，背景光可以是诸如太阳光的强光，并且可以使光学传感器阵列4400中的光学检测器饱和。然而，需要认识到，具有LCD显示器的设备也可以被构造为诸如具有液晶单元的LCD层，以呈现某些光学传输特性，有助于减轻在LCD光学感测时背景光或环境光不利影响，同时利用光学波长在650nm至950nm之间的在光学传感器模块4400的顶部处的背景光线4410b来进行指纹感测。例如，具有在LC单元层的两个相对侧上的前后光学偏振层的LCD层可以设计为选择性地阻挡或减少可见光谱范围和UV光谱范围中的某些背景光的光学传输到达LCD下光学传感器模块，同时允许光学波长在650nm至950nm之间的在光学传感器模块4400的顶部处的背景光线4410b的一部分来进行指纹感测。作为具体的例子，具有在LC单元层的两个相对侧的前后光学偏振层的LCD层可以设计为在LC单元转为关闭模式来阻挡光学传输时，阻挡可见光或波长小于650nm的光，同时仍然传输较长波长的光，例如800nm或更长的波长。在LC单元处处于于非传输关闭模式的LCD模块的这种操作可用于减少背景光到达光学传感器模块4400的总量，同时允许光学传感器模块4400使用携带指纹的背景光440b的一部分来进行光学感测。在这种设计下，用于光学感测的探测光源436a应该设计为发出较长波长范围内的探测光，其中处于关闭模式以阻止光学传输的LC单元仍然可以是透明的，以允许较长波长的光的传输，例如800nm或更长的波长。例如，用于光学感测的探测光源436a可以设计为发出波长850nm的探测光，以穿过关闭模式的LCD层照亮手指并穿过处于关闭模式的LCD层返回到光学传感器模块4400。利用这种设计，当光学传感器模块4400和探测光模块436a被激活用于指纹检测或其他光学感测时，可以关闭***显示区域20或任务栏的指纹感测区域中的相应LCD像素，使得液晶材料和反射器膜阻挡可见光带和近红外IR带中的光的一部分。这样就提高了携带指纹信息的信号光的总量，同时减少了光学传感器模块4400处的背景光的量。
总之，对于LCD下光学感测，用于光学感测的探测光源436a可以设计为发出650nm至950nm之间较长波长范围内的探测光用于指纹感测，例如800nm或更长的波长，以允许穿过手指组织的光学传输，使得(1)用于获得经由如上所述的手指内部结构变化的指纹图案的传输的光和(2)如图5A、图5B和图5C所示的由手指外部的手指脊和谷形成的表面形貌图案引起的反射探测光都可以用于光学指纹感测。例如，用于光学感测的探测光源436a可以设计为发出波长为850nm的探测光，以基于两种机制获得指纹信息，由于在光学传感器模块处存在传输的探测光，从而减少不期望的湿手指接触条件或肮手指接触条件的影响。
图48示出了使用基于波长在650nm至950nm之间的可透过手指组织用于指纹感测的探测光的LCD下光学传感器模块的设备的示例。在顶部玻璃盖板431上的两个不同位置处提供用于光学感测的两种不同的探测光源436a和4661，这两种不同的探测光源436a和4661具体设计为以波长在650nm至950nm之间相同的波长产生探测光来进行指纹感测。第一探测光源模块436a与LCD模块433下方的光学传感器模块4820相邻放置，以相对小的入射角向上产生引导至顶部玻璃盖板431上的指纹感测区域的第一探测光，从而产生如图5A、图5B和图5C所示的返射探测光信号。该第一探测光还产生由传输入手指中的第一探测光的一部分引起的返回探测光。手指内部的第一探测光的这部分被手指组织散射回来，并再次穿过手指，从而通过穿过与顶部玻璃盖板431接触的手指表面而被印有指纹图案。第一探测光的这两个部分被光学传感器模块4820的接收光学器件引导至光学检测器阵列用于光学感测。图48中未示出第一探测光。
第二探测光源模块4661位于顶部玻璃盖板431下方，但远离顶部玻璃盖板431上的指纹感测区域，使该第二探测光源模块4661产生第二探测光4661a，并将第二探测光4661a成大入射角引导至顶部玻璃盖板上的指纹感测区域，因此，第二探测光在表面处的光学反射很大程度上不会进入光学传感器模块4820。然而，表面处的第二探测光4461a的一部分透入手指，并且手指内部的第二探测光4461a的这部分被手指组织散射回来作为4661b，并再次穿过手指，从而通过穿过与顶部玻璃盖板431接触的手指表面而被印有指纹图案。由第二探测光4661引起的该信号探测光4661b被光学传感器模块4820的接收光学器件引导至光学检测器阵列用于光学感测。
因此，光学传感器模块4820不仅接收来自两种不同的探测光源的探测光信号，而且还接收来自以下两种类型的光手指交互的相同的指纹图案信息：(1)手指的脊和谷的表面反射以及(2)与手指的脊和谷相关联的手指的外部结构的交互。这样就在具有被构造成在相同LCD面板中提供主显示区和***显示区的LCD面板的设备中或在具有构造成单区显示器的LCD面板的设备中产生了改进的光学感测，。
图49示出了将图48中的探测光设计实现于具有LCD显示器的图42中的设备示例的特定示例，该LCD显示器被构造成在相同LCD面板中提供主显示区和***显示区。在具有作为接收光学器件的一部分的镜子617p和透镜617q以及光源436a和4661的图42中的设备示例中提供两种不同的探测光源436a和4661用于光学感测。第一探测光源模块436a与LCD模块433下方的光学传感器模块4820相邻放置，以产生以下两种类型的探测光信号：(1)来自如图42所述和标记的手指外表面的反射探测光信号(划虚线)以及(2)由透入手指并散射回后穿过手指进入接收光学器件(镜子617p和透镜617q)和光学检测器阵列612d的探测光引起的返回探测光信号(划实线)。第二探测光源模块4661与LCD模块433并排放置在它们的公共顶部玻璃盖板431下方，以在感测区处成大入射角产生第二探测光，从而透入手指并散射回来，然后透过手指进入接收光学器件(镜子617p和透镜617q)和光学检测器阵列612d。图49中未描述出来自第二探测光源模块4461的第二探测光的光学反射，并且由手指内部散射引起的探测信号以实线示出。
虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件中描述的某些特征在单独实施例的上下文中还可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合形式实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。
类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按照顺序依次执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种单独的***部件不应理解为在所有实施例中需要这种分离。
本专利文件仅描述了几个实现方式和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

Claims (52)

1.一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：
液晶显示(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，其中，所述LCD显示屏包括(1)具有LCD显示像素的主显示区和具有LCD显示像素的***显示区，其中，所述主显示区和所述***显示区共同形成无缝连续的LCD显示区域，和(2)LCD背光模块，提供照亮所述主显示区和所述***显示区的背光；
指定的***显示区照明模块，相对于所述LCD屏放置，并且被构造成产生照明光，以及将所述照明光仅引导至所述***显示区，以使所述***显示区能够独立于所述主显示区显示图像或信息并且能够在所述LCD背光模块关闭时可操作以显示图像或信息；
顶部透明层，形成于所述LCD屏之上，作为用于所述触摸感测操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自LCD屏的光以将图像或信息显示给用户的界面；以及
光学传感器模块，位于所述LCD显示面板结构下方，并且被构造成接收来自与所述***显示区接触或靠近的目标并穿过所述LCD屏的探测光来检测指纹。
2.如权利要求1中所述的设备，包括：
控制模块，耦合到所述主显示区、所述***显示区、所述LCD背光模块和所述指定的***显示区照明模块，以使所述指定的***显示区照明模块能够在所述LCD背光模块关闭时照亮所述***显示区来显示图像。
3.如权利要求2中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成控制所述***显示区在所述***显示区中显示用于用户放置手指以用于所述光学传感器模块的指纹感测的指纹感测区。
4.如权利要求2中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成，无论所述主显示区是否被照亮，控制所述***显示区显示消息。
5.如权利要求2中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成，无论所述主显示区是否被照亮，控制所述***显示区显示图标，所述图标允许用户通过触摸所述图标启动应用或执行功能。
6.如权利要求2中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成，无论所述主显示区是否被照亮，控制所述***显示区显示信息。
7.如权利要求2中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成，无论所述主显示区是否被照亮，控制所述***显示区在所述***显示区中的不同位置处显示图标组，其中，图标允许用户通过触摸所述图标启动应用或执行功能。
8.如权利要求7中所述的设备，其中：
所述控制模块被构造成，无论所述主显示区是否被照亮，控制所述***显示区通过以下方式在所述***显示区中显示不同的图标组：允许一次显示一图标组，同时使用户能够在所述***显示区中滑动手指以使用另一图标组替换当前显示的图标组。
9.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述LCD显示面板结构内并且位于所述***显示区内的所述光学传感器模块上方。
10.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述***显示区内的所述LCD显示面板结构下方。
11.如权利要求10中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述LCD显示面板结构的所述***显示区下方并且靠近所述光学传感器模块。
12.如权利要求10中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括用于漫射光的光漫射器层和用于将所述LCD显示面板结构中的照明光重新引导回用于显示操作的LCD像素的光反射器层，
所述光漫射器层和所述光反射器层中的每一层在所述光学传感器模块和所述指定的***显示区照明模块上方的选定区域处包括孔或通道，以允许光被传输到达所述光学传感器模块并且允许来自所述指定的***显示区照明模块的光照亮所述LCD显示面板结构的所述***显示区中的LCD像素。
13.如权利要求10中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括用于漫射光的光漫射器层和用于将所述LCD显示面板结构中的照明光重新引导回用于显示操作的LCD像素的光反射器层，
所述光漫射器层和所述光反射器层中的每一层在所述光学传感器模块和所述指定的***显示区照明模块上方的不同于所述光漫射器层或所述光反射器层的其他部分的选定区域处包括修改区域，以允许光被传输到达所述光学传感器模块并且允许来自所述指定的***显示区照明模块的光照亮所述LCD显示面板结构的所述***显示区中的LCD像素。
14.如权利要求10中所述的设备，还包括：
产生探测光的一个或多个探测光源，所述探测光的一部分穿过所述LCD屏照亮所述LCD屏上方所述顶部透明层上的感测区域，
所述光学传感器模块包括光学检测器的光学检测器阵列，所述光学检测器阵列被放置用于接收从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光，以及
其中所述指定的***显示区照明模块靠近所述LCD显示面板结构下方的所述一个或多个探测光源放置。
15.如权利要求14中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述一个或多个探测光源与所述光学传感器模块的所述光学检测器阵列之间。
16.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学检测器的光学检测器阵列，所述光学检测器阵列被放置用于接收从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光；以及
所述光学传感器模块包括透镜，所述透镜用于收集从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光，并将收集到的所述探测光引导至所述光学检测器阵列上。
17.如权利要求16中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学反射器，所述光学反射器位于从所述顶部透明层到所述透镜的所述探测光的光路中，以将来自所述顶部透明层的所述探测光反射向所述透镜。
18.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学检测器的光学检测器阵列，所述光学检测器阵列被放置用于接收从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光；以及
所述光学传感器模块中的所述光学检测器阵列被放置以不用透镜收集所述探测光。
19.如权利要求1中所述的设备，其中：
位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块被配置为所述光学传感器模块的至少一部分位于所述***显示区下方，所述光学传感器模块被构造成接收来自与所述***显示区接触或靠近的目标的并穿过所述LCD屏的探测光来检测指纹。
20.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学检测器阵列，所述光学准直器阵列用于接收所述探测光，所述光学检测器阵列用于接收来自所述光学准直器阵列的用于光学感测的所述探测光。
21.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述顶部透明层包括用于用户用手指触摸以进行指纹感测的指定的指纹感测区域；
所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块包括与显示面板基板接触的透明块，所述透明块用于接收来自所述LCD显示面板结构的并从所述顶部透明层返回的光，其中，所述光学传感器模块相对于所述指定的指纹感测区域放置，并且被构造成：当所述顶部透明层的顶面与人的皮肤接触时，选择性地接收来自所述顶部透明层的顶面的经由光学准直器阵列的返回的光。
22.如权利要求21中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括用于漫射光的光漫射器层，并且所述光漫射器层在所述光学传感器模块上方的选定区域处包括孔或通道，以允许光被传输到达所述光学传感器模块。
23.如权利要求21中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括用于将所述LCD显示面板结构中的照明光重新引导回用于显示操作的LCD像素的光反射器层，并且所述光反射器层在所述光学传感器模块上方的选定区域处包括孔或通道，以允许光被传输到达所述光学传感器模块。
24.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括用于漫射光的光漫射器层和形成在所述LCD显示面板结构的底部区域上的光学反射器层，所述光漫射器层在所述光学传感器模块上方的选定区域处包括孔，以允许光被传输到达所述光学传感器模块，所述光学反射器层用于将光反射回所述LCD显示面板结构，其中，所述光学反射器层包括所述光学传感器模块上方的选定区域，以允许光被传输到达所述光学传感器模块。
25.如权利要求1中所述的设备，包括：
设备电子控制模块，耦合到所述显示面板结构，以向一个或多个探测光源提供电源，并在睡眠模式下关闭所述一个或多个探测光源的电源，
其中，当所述光学传感器模块在所述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，所述设备电子控制模块用于将所述LCD显示面板结构从所述睡眠模式唤醒。
26.如权利要求25中所述的设备，其中：
所述设备电子控制模块用于，当所述LCD显示面板结构处于所述睡眠模式时，操作所述一个或多个探测光源间歇地发出所述探测光，同时关闭所述LCD显示面板结构的电源，将间歇发出的所述探测光引导至所述顶部透明层的所述指定的指纹感测区域，以监控是否存在与所述指定的指纹感测区域接触的人的皮肤，以用于将所述设备从所述睡眠模式唤醒。
27.如权利要求1中所述的设备，还包括：
设备电子控制模块，如果检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，则授权用户访问所述设备。
28.如权利要求27中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块除了用于检测指纹外，还用于通过光学感测检测不同于指纹的生物表征参数，以表明在所述顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活着的人，以及
如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配并且(2)检测到的所述生物表征参数表明所述检测到的指纹来自活着的人，所述设备电子控制模块用于授权用户访问所述设备。
29.如权利要求28中所述的设备，其中：
所述生物表征参数包括心跳。
30.如权利要求28中所述的设备，其中：
所述生物表征参数包括不同探测波长下活的人体组织的不同光学吸收特性。
31.如权利要求1中所述的设备，包括：
设备电子控制模块，耦合到所述光学传感器模块，以接收通过感测手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，其中所述设备电子控制模块测量所述多个检测到的指纹的变化并确定引起测量到的所述变化的触摸力。
32.如权利要求31中所述的设备，其中：
所述多个检测到的指纹的变化包括由于所述触摸力引起的指纹图像的变化、由于所述触摸力引起的触摸区域的变化或指纹脊的间距的变化。
33.如权利要求1中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括覆盖所述***显示区的区域并且被光学耦合的***显示区照明波导，以接收来自所述指定的***显示区域照明模块的照明光，以及
所述***显示区照明波导被构造成分散所述照明光以仅照亮所述***显示区。
34.如权利要求1中所述的设备，包括：
相对于所述***显示区放置的一个或多个探测光源，以产生光谱范围内的可透过手指组织进入手指的所述探测光，以引起朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块的来自手指表面反射的探测光和由所述手指内部散射引起的返回的探测光。
35.如权利要求34中所述的设备，其中：
所述探测光的波长在650nm到950nm之间。
36.如权利要求34中所述的设备，其中：
所述探测光的波长在800nm到950nm之间。
37.如权利要求1中所述的设备，包括：
第一探测光源，位于所述***显示区内的所述光学传感器模块附近的所述LCD面板结构下方，以探测波长产生光谱范围内的可透过手指组织进入手指的第一探测光，作为所述探测光的一部分，以引起来自手指表面反射的第一反射探测光和由所述手指内部散射引起的第一返回探测光，所述第一反射探测光和所述第一返回探测光朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块；以及
第二探测光源，位于所述LCD面板结构外部并且在所述顶部透明层下方，以产生所述光谱范围内的进入手指的第二探测光，以引起由所述手指内部散射引起的第二返回探测光，所述第二返回探测光朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块，
其中，所述光学传感器模块检测所述第一反射探测光、所述第一返回探测光和所述第二返回探测光的组合以进行指纹感测。
38.一种能够通过光学感测检测指纹的电子设备，包括：
液晶显示(LCD)显示面板结构，用于显示图像或信息并且用于提供触摸感测操作，所述LCD显示面板结构包括LCD层、光漫射层、波导层和光反射器层，所述LCD层用于通过处理主显示区和***显示区中的照明背光显示图像或信息，所述主显示区和所述***显示区共同形成无缝连续的LCD显示区域，所述光漫射层用于漫射所述主显示区和所述***显示区中的所述照明背光，所述波导层用于接收所述照明背光并将接收到的所述照明背光引导至所述主显示区和所述***显示区，以及所述光反射器层用于将照明背光重新引导入所述主显示区和所述***显示区的用于显示操作的所述LCD层中，所述光漫射器层和所述光反射器层中的每一层被构造成在所述LCD显示面板结构的所述***显示区中的选定区域处包括孔或通道，以允许光被传输；以及
LCD背光模块，耦合到所述LCD显示面板结构的所述波导层，以向所述LCD层产生用于显示图像或信息的背光；
指定的***显示区照明模块，被放置用于产生照明光并将所述照明光仅引导至所述***显示区，使所述***显示区能够独立于所述主显示区显示图像或信息并且能够在所述LCD背光模块关闭时可操作以显示图像或信息；
顶部透明层，形成于所述LCD显示面板结构之上，作为用于所述触摸感测操作的用户触摸界面；
光学传感器模块，位于所述LCD显示面板结构下方，以接收来自所述顶部透明层的并穿过所述LCD显示面板结构的探测光来检测指纹；以及
一个或多个探测光源，与所述LCD背光模块分离，位于所述顶部透明层下方，以产生照亮所述***显示区中所述顶部透明层上的指定的指纹感测区域的所述探测光，以用于用户放置手指，以用于所述光学传感器模块的光学指纹感测。
39.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述LCD显示面板结构内并且位于所述***显示区内的所述光学传感器模块上方。
40.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述***显示区内的所述LCD显示面板结构下方。
41.如权利要求40中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学检测器的光学检测器阵列，所述光学检测器阵列被放置用于接收从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光，以及
所述指定的***显示区照明模块靠近所述LCD显示面板结构下方的所述一个或多个探测光源放置。
42.如权利要求41中所述的设备，其中：
所述指定的***显示区照明模块位于所述一个或多个探测光源与所述光学传感器模块的所述光学检测器阵列之间。
43.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学检测器的光学检测器阵列，所述光学检测器阵列被放置用于接收从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光，以及
所述光学传感器模块包括透镜，所述透镜用于收集从所述顶部透明层引导回的用于光学感测的所述探测光，以及将收集到的所述探测光引导至所述光学检测器阵列上。
44.如权利要求43中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学反射器，所述光学反射器位于从所述顶部透明层到所述透镜的所述探测光的光路中，以将来自所述顶部透明层的所述探测光反射向所述透镜。
45.如权利要求38中所述的设备，其中：
位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块被配置为所述光学传感器模块的至少一部分位于所述***显示区下方，所述光学传感器模块被构造成接收来自与所述***显示区接触或靠近的目标的并穿过LCD屏的探测光来检测指纹。
46.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述光学传感器模块包括光学准直器的光学准直器阵列和光学传感器的光学检测器阵列，所述光学准直器阵列用于接收所述探测光，所述光学检测器阵列用于接收来自所述光学准直器的用于光学感测的所述探测光。
47.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述一个或多个探测光源以不同的光学波长产生所述探测光，使得所述光学传感器模块采集由与所述顶部透明层上的所述指定的指纹感测区域接触的目标反射的所述不同的光学波长下的探测光中的光学特性，以及
设备控制模块可操作以处理采集的由所述目标反射的所述不同的光学波长下的探测光中的所述光学特性来确定所述目标是否是活着人的手指。
48.如权利要求38中所述的设备，其中：
所述LCD显示面板结构包括覆盖所述***显示区的区域并且被光学耦合的***显示区照明波导，以接收来自所述指定的***显示区域照明模块的照明光，以及
所述***显示区照明波导被构造成分散所述照明光以仅照亮所述***显示区。
49.如权利要求38中所述的设备，其中：
每个探测光源被构造成产生光谱范围内的可透过手指组织进入手指的所述探测光，以引起朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块的来自手指表面反射的探测光和由所述手指内部散射引起的返回的探测光。
50.如权利要求49中所述的设备，其中：
所述探测光的波长在650nm到950nm之间。
51.如权利要求49中所述的设备，其中：
所述探测光的波长在800nm到950nm之间。
52.如权利要求38中所述的设备，其中：
第一探测光源位于所述***显示区内的所述光学传感器模块附近的所述LCD面板结构下方，以探测波长产生光谱范围内的可透过手指组织进入手指的第一探测光，作为所述探测光的一部分，以引起来自手指表面反射的第一反射探测光和由所述手指内部散射引起的第一返回探测光，所述第一反射探测光和所述第一返回探测光朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块；以及
第二探测光源位于所述LCD面板结构外部并且在所述顶部透明层下方，以产生所述光谱范围内的进入手指的第二探测光，以引起由所述手指内部散射引起的第二返回探测光，所述第二返回探测光朝向位于所述LCD显示面板结构下方的所述光学传感器模块，
其中，所述光学传感器模块检测所述第一反射探测光、所述第一返回探测光和所述第二返回探测光的组合以进行指纹感测。
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