TWI621996B - 指紋讀取器 - Google Patents

Abstract

一指紋讀取器包含一顯示螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；至少一感測器，係耦接至該顯示螢幕的邊緣、一顯示驅動器，係指示該顯示螢幕的能量發射像素之該陣列依一預定的序列發亮；以及一微處理器，係與該顯示驅動器及該至少一感測器通信。該微處理器知道能量發射像素被照亮的位置及照明發生的特定時間。在使用時，以及當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從指紋反射至該至少一感測器上。該至少一感測器所接收的能量係根據至少一指紋的脊部及谷部而處於不同的強度位準。該至少一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，當能量發射像素被依序地照亮時，該微處理器從該訊號產生一指紋圖像。

Description

指紋讀取器

本發明係關於一種能記載置放於顯示螢幕上任何位置之一指紋的顯示螢幕，以及一種用以記錄一顯示螢幕上之任何位置的一指紋而不會影響其顯示器功能的方法。本發明係能在一指紋置放於該顯示螢幕上之任何位置時，使一行動電話讀取該指紋。行動電話製造業者不需要再因不連接的指紋讀取裝置而分割出該行動電話之正面或反面的空間。

識別在數位且快速發展的世界中是一個重要的議題。其問題在於要如何安全地辨別人類。***可能會遺失或被偷竊。圖像識別卡可能因門口守衛人員的不注意而出錯。多年前一高度機密設備的一些員工將其識別證上的圖像更換為卡通圖案(米奇老鼠，達菲鴨等)，然後成功的進入該高度機密設備數天。此重要的議題是確保那些識別證或***係的確屬於進行購買或進入的那個人。

指紋在已記載的歷史中就已經被用以識別。其係被發現在巴比倫泥板上、埃及古墓的牆上、米諾斯、希臘和中國的陶器上，以及古羅馬的磚牆上。這些指紋中有許多可能是偶然的被存放，有些是裝飾品，但學者認為在陶器上被發現的部分指紋是很用力且刻意的蓋印，也就是說他們是刻意地去特別辨別出藝術家或者擁有者。

雖然指紋讀取器已有許多不同種類及款式，然而全部都是為了同一個目標，即能夠精確的記錄藉由手指之摩擦脊部(與谷部)而定義出的獨一無二特徵。指紋係可以三種類型特徵來辨別。第一類特徵係脊部的紋路，一般是以拱形(arch)、圈形(loop)或螺旋形(whorl)作為分類。第二類特徵係描繪出各摩擦脊部之間的顯著變化，即其主要的分歧端及末端。這些第二類特徵被稱為細微特徵(minutiae)並且是現有技術中主要的識別方法。存在於這些摩擦脊部之間的特徵被稱為第三類特徵。第三類特徵係包含毛孔、疤痕、寬度變化、形狀變化、皺褶及裂痕等。

現今的指紋感測器是用以獲取數位形式指紋的一種電子裝置，即為一種指紋圖像。一些為了收集指紋圖像而存在著相競爭的技術，諸如壓力感測器、電容感測器、光學感測器以及熱感測器等等。然而指紋圖像之“不成熟的(raw)”的獲取會被儲存以進行一般的紋路匹配，普遍是對該不成熟之指紋圖像進行一數位化程序處理，並且產生一種效率更高的生物識別模板(經萃取之特徵的收集)，其係為了匹配而儲存及使用。無論使用哪種物理特性獲取該指紋圖像，收集到高品質(清晰的對比)指紋圖像是尤其重要的，因為該圖像品質與總體的指紋系統表現具有高度的相關(參照美國國家標準與技術研究院(NIST)8034指紋供應商技術評估[FpVTE2012])。

若其目標是感測出位在一顯示螢幕上任何位置的一指紋，則一種隱藏式天線感測器必須存在於該整個顯示螢幕中，而且價格及複雜度都很高。目前最常使用的感測技術為電容式，並且當該感測陣列位於最接近該顯示螢幕的該表面時，電荷感測之效能係最好的。這會導致材料厚度在現實 中無法實現，並且將該陣列感測器置放於該等發光二極管(LED,light emitting diode)的正面會干擾其顯示器功能。

軸向/光學之方式解決了包括該螢幕的靠近問題，但仍然需要一大型且高密度的天線感測器，並需要微透鏡以及增加厚度。上述者需要能“穿過”該顯示器之均勻發光層，因此需要具有獨特光學與電子特性的特殊材質，以用在多個貫穿該顯示器的層。

光學指紋成像包括使用可見光、紫外光或紅外光來獲取該指紋的數位圖像。這種感測器實質上是一種專業的數位照相機。大多數實施例中，感測器在手指按壓處建立一透明的觸控板。在觸控板下，一光源以及一照像感測器係策略地與多種光學元件一起設置，以將清晰的高對比度影像聚焦在照像感測器上。

現今所有的指紋掃描器係以一感測器讓手指在感測區域滑動、滾動或觸碰，用來獲取指紋，依據所使用的物理原理(此指光學)，即為獲取脊部及谷部之間的差異。該圖像獲取裝置的光學元件為了達到高訊雜比(S/N,signal-to-noise ratio)而將該指紋以清晰、正確以及高對比的表現來保存係非常重要的。全內反射(TIR,Total Internal Reflection)是其中一種經常被使用在光學指紋讀取器中以提高對比及訊雜比的一物理現象，以及諸如受抑全內反射(FTIR,Frustrated Total Internal Reflection)的一輔助特性。

全內反射是當光線射到相對於表面法線角度而大於特定臨界角度之邊界時所發生的光學現象。若另一側的邊界之折射率較小而且入射角度大於臨界角度時，則所有光會反射至原本介質。此僅發生在當光從一折射率較高(n1為較高之折射率)之介質行進至折射率較低(n2為較低之折射率) 之介質時。舉例來說，上述情況會發生在從玻璃至空氣而不會發生在從空氣至玻璃。入射角度係以相對於該折射邊界之法線測量。

全內反射的重要副作用係為穿透該邊界表面之衰減波的傳播。在TIR條件下，儘管整體入射波是反射回起始介質，仍有部分會穿透到邊界之第二介質。這種在光學密度較低之介質中的波被稱為衰減波。

若折射率高於第二介質的一種第三介質被放置於第一介質與第二介質之間的界面，衰減波會將能量自第二介質穿透到第三介質。此過程稱為受抑全內反射(FTIR)。這種FTIR現象僅發生在當兩種折射率較高之介質的間隔很小時(大約10奈米)。因產生FTIR時的相互作用，指紋之脊部及谷部的尺寸必須大於上述間隔。因而當手指接近並觸碰玻璃板時，光在摩擦脊部觸碰到玻璃之所有方向上被吸收並再輻射，但其中谷部在玻璃上方幾十毫米處，在臨界角度上射入觸控板表面的所有光線都會被反射。

當在顯示螢幕的玻璃下方(或其他透明蓋)觀看觸碰區域時，觸碰到玻璃之脊部的這些區域為一種顏色和密度，而谷部為另一種。這些脊部可依據光源及視角的方向來顯示為比谷部更亮或更暗。在任一種情況下，此高對比而產生之圖像是能理想的作為典型之基於數位相機的光學指紋讀取器。

舉例來說，無論哪種操作，多數指紋感測器之共同特質係必須以手指直接接觸其感測裝置。這對手機應用是個明顯的缺點，因為手機用戶喜歡在他們觀看的同一表面(指螢幕側)使用指紋讀取器。用戶也喜歡大的觀看區域。然而，目前用於解決手機指紋讀取器的所有“螢幕側”都需要位在手機表面上之專用於指紋讀取器的空間。

此外，大部分用戶和製造業者的偏好是在手機的整個表面上具有均勻的玻璃蓋。事實上，有部分的手機設計者試圖將整個手機表面封裝在玻璃中。玻璃的強度，耐刮性和硬度使其成為有利的表面材料。

然而，因為目前所有的指紋感測器(用於手機之適合尺寸)必須直接以手指接觸，其玻璃蓋需要具有一種用於配合感測器的孔。此孔會提高成本、呈現必須要與四周環境密封的周圍處以及在玻璃中產生薄弱區域。手機製造業者正探索一種能取代玻璃蓋的指紋感測技術以避免產生這種孔。

其中一種取代方法是掃描照明並且將得到的反射光指向感測器。由感測器檢測到的功率可以接著藉由掃描顯示螢幕並改變顯示器的強度來重新產生圖像，以反射由感測器檢測到的功率。這種技術係普遍的被使用在掃描電子顯微鏡以及許多共焦距顯微鏡之設計，因為其圖像沒有因聚焦該圖像而產生的失真，其圖像之視點是來自於照明源，並且其景深相較於其他成像技術是較大的。關於將指紋使用在產生指紋圖像的這種方法，已由Daniel H.Marcus於1983年提出，使用在題為“滾動指紋處理儀器”的美國專利第4553837號中。

台灣專利申請號104208311已公開另外一種用於掃描指紋的光學系統。該申請案公開一種系統，其系統係從感測器下方照亮手指，並且將其圖像投影到與感測器相鄰之相機晶片。FTIR係用於加強其圖像的脊部，使脊部是亮的而谷部是暗的。若感測器是光學連接至手機之玻璃蓋(諸如，透過使用具有匹配之折射率的光學透明粘合劑結合到玻璃蓋)，則玻璃成為感測器的一部分。透過電子方法，本發明將圖像聚焦至數位相機，且相機晶片上的感測像素係以掃描來產生數位圖像。所產生之圖像能被程序處理 以去除失真並驗證其細微特徵，以作為決定指紋的確實辨別。其圖像之視點會顯示為從左側觀看。該圖像是沿著箭號的長度被自然地壓縮，在第三維度中卻是全尺寸。必須小心的使用光學元件來確保相機晶片得到最大限度的使用。即使如此，以每英寸(inch)像素為單位的圖像解析度也可能不對稱。圖像失真係與幾何相關並能以軟體校正至一定程度，然其所產生之圖像不可能完全被校正，而且與原指紋不具有真正的一對一關係。也就是說，製造公差限制了其架構可以製造成多薄。

透過例如手機的顯示螢幕嘗試來解決與感測指紋相關的問題，包括核心顯示材料實質性的改變。這些材質中許多是價格昂貴以及資本密集的。其額外的一層會增加該裝置的厚度。直接的方法係需要將感測器的高密度陣列置放在螢幕上。

美國專利申請公開第2015/0036065號公開了在顯示器下使用一感測器層，以允許指紋可在整個顯示器上被讀取，而不用改變用戶在使用手機時的外觀。該已公開的申請案描述了在顯示器的“下方”添加一感測器層以讀取指紋。這與大多數團隊所普遍使用從螢幕上取得指紋的方法不同。多數團隊嘗試找尋一種方法以添加一感測器層在顯示器LED/LCD層的“上方”，如此感測器能非常接近手指。其訣竅是使該感測器層完全透明，而不會損壞來自於顯示器的圖像。然而這是難以達成的。

關於用於讀取以照亮指紋之顯示器的早期技術，蘋果公司已經嘗試將顯示器中的像素作為“感測像素”。參考美國專利申請公開第2015/0178542號的“包括驅動訊號位準更新之手指生物辨識感測器及其相關方法”。

美國專利申請公開第2015/0036065號，題為“電子裝置中的指紋感測器”公開了以多個手指直接在螢幕上的指紋之感測，並提及超音波感測。雖然超音波概念是稍微接近本發明的唯一一個，但是它並不是非常接近，除了它可能不需要物理感測器與指紋圖像中所期望的細節一對一地對應之外。

此外，手機所使用之指紋感測器的尺寸透過增加可信度(其需要大的感測面積)和降低成本(其隨著感測面積而增加)間的權衡來決定。現有手機上的感測器為盡其所能的小型，而同時得仍然提供手機用戶所需之足夠的可信度，其中這種可信度是相對低的。然而，為了能提供足夠的安全性給重要的金融交易，手機指紋感測器的可信度將必須至少與***中引入的識別晶片系統一樣可靠。這將需要尺寸較大的指紋感測器，即手機上根本不能實現的區域。藉著以整個螢幕作為指紋感測器而對指紋感測器的尺寸將不再有實施上的限制。

考慮到上述情況，現今並不存在全螢幕指紋的解決方案。所有已知的潛在解決方案包含添加材料或層到顯示器堆中，並且它們包括數千或數百萬個微感測器以測量指紋的細節。本發明透過大量的減少所需感測器的數量，並可以選擇性地允許感測器元件從顯示器的區域重新定位到周圍處，且利用依序的能量脈衝和精確的定時來建立指紋圖像，來避免現有技術的所有問題。該裝置具有掃描整個螢幕以偵測手指與螢幕接觸的位置並測量指紋之複雜特徵的能力。通過本申請的其餘部分，此系統被稱為遙感指紋讀取器。

因此，本發明之一目的在於提供一種指紋讀取器，包含：一顯示螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；至少一感測器，係耦接至該顯示螢幕的邊緣；一顯示驅動器，係指向該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一預定的序列發亮；以及一微處理器，係與該顯示驅動器及該至少一感測器通信，其中該微處理器知道該能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間。在使用時及當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從指紋反射到該至少一感測器上，該至少一感測器所接收的該能量係依該至少一指紋的脊部及谷部而處於不同的強度位準，該至少一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，當該等能量發射像素被依序地照亮時，該微處理器從該訊號產生一指紋圖像。

本發明之另一目的是提供一種指紋讀取器，其包括用來儲存由該微處理器所產生的該指紋圖像的一記憶體。

本發明之再一目的是提供一種指紋讀取器，其包括位於該至少一感測器與該微處理器之間的一類比數位轉換器，其係用以將該至少一感測器產生的類比訊號轉換為該微處理器所能使用的數位訊號。

本發明之又一目的是提供一種指紋讀取器，其中該透明蓋為玻璃。

本發明的另一目的是提供一種指紋讀取器，其中該至少一感測器為用來測量該等能量發射像素之該陣列的能量強度位準的一光感測器。

本發明的再一目的是提供一種指紋讀取器，其中該透明蓋為平面的。

本發明的又一目的是提供一種指紋讀取器，其中該透明蓋為曲面的。

本發明的另一目的是提供一種指紋讀取器，其包括一能量導向結構，該光感測器係放置於該能量導向結構中，該能量導向結構係位於該透明蓋的一表面，並包括允許將來自該顯示螢幕的能量反射到該光感測器的一光學元件。

本發明的又一目的是提供一種指紋讀取器，其中該至少一感測器包括位於該透明蓋之邊緣的多個感測器。

本發明的另一目的是提供一種指紋讀取器，其包括用於定位該透明蓋上之至少一手指的一觸控感測器。

本發明的再一目的是提供一種指紋讀取器，其包括透鏡或遮擋特徵以幫助該至少一手指的最佳照明。

本發明的又一目的是提供一種指紋讀取器，其中該至少一感測器所接收的能量被過濾以防止不需要的能量進入該至少一感測器。

本發明的另一目的是提供一種指紋讀取器，其中基於該至少一感測器從被照亮之能量發射像素所接收的光的定時，來對能量進行濾波。

本發明的再一目的是提供一種指紋讀取器，其中該等能量發射像素之陣列係包含在使得在指紋偵測中感興趣的頻率中反射的一層。

本發明的又一目的是提供一種指紋讀取器，其中幾個相鄰的能量發射像素係作為一組而一起被照明。

本發明的另一目的是提供一種指紋讀取器，其中當指紋讀取器為啟動時，在顯示螢幕之不用於指紋讀取之區域中的能量發射像素會被關閉。

本發明的再一目的是提供一種指紋讀取器，其中每個能量發射像素會被多次照明以產生均等時間之指紋圖像。

本發明的又一目的是提供一種指紋讀取器，其中在至少一感測器所接收之能量的顏色可被測量並包含在發送到微處理器的訊號中。

本發明的另一目的是提供一種讀取器，包含：一螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；至少一感測器，係耦接至該螢幕之邊緣；一驅動器，係指示該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一序列發亮；以及一微處理器，係與該顯示驅動器及該至少一感測器通信，其中該微處理器知道該能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間。當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從指紋反射到該至少一感測器上，該至少一感測器所接收的該能量係根據該至少一指紋的脊部及谷部而處於不同的強度位準，該至少一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，當該等能量發射像素依序地發亮時，該微處理器從該訊號產生一指紋圖像。

本發明的另一目的是提供一種觸碰位置讀取器，包含：一螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；至少一感測器，係耦接至該螢幕之邊緣；一驅動器，係指示該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一序列發亮；以及一微處 理器，係與該顯示驅動器及該至少一感測器通信，其中該微處理器知道能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間。當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從手指反射到該至少一感測器上，該至少一感測器所接收的該能量係根據手指在螢幕上的位置而處於不同的強度位準，該至少一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，該微處理器從該訊號決定手指在螢幕上的位置。

從下面的詳細描述中，在結合闡述本發明之某些實施例的附圖時，本發明的其它目的和優點將能顯而易見。

10‧‧‧遙感指紋讀取器

11‧‧‧觸碰位置讀取器

12‧‧‧螢幕

14‧‧‧手機

16‧‧‧光感測器

18‧‧‧像素

18a,18b,18c‧‧‧像素

20‧‧‧陣列

22‧‧‧程序

24‧‧‧微處理器

26‧‧‧驅動器

28‧‧‧類比數位轉換器

30‧‧‧記憶體

32‧‧‧邊緣

34‧‧‧透明蓋

35‧‧‧頂表面

40‧‧‧能量導向結構

42‧‧‧光學元件

43‧‧‧輸入端

44‧‧‧殼體

45‧‧‧光學粘合劑

46‧‧‧通用序列匯流排鏈結

48‧‧‧微透鏡

49‧‧‧遮擋構件

52‧‧‧圖像

54‧‧‧掃描區域

55‧‧‧透鏡

56‧‧‧濾波器

60‧‧‧陣列

70‧‧‧光發射像素

80‧‧‧觸控感測器

81‧‧‧反射像素基板

100‧‧‧指紋

102‧‧‧手指

104‧‧‧脊部

106‧‧‧谷部

圖1是包括本發明之指紋讀取器之手機的透視圖。

圖2是根據本發明的指紋讀取器示出各種功能元件的示意圖。

圖3是根據圖2所示的指紋讀取器之指紋谷部被照亮的示意圖。

圖4是根據圖2所示的指紋讀取器之指紋脊部被照亮的示意圖。

圖5是示出投影在手指以作為光能量之反射特性的俯視圖。

圖6~圖9是示出根據本發明的指紋讀取器之操作的側面橫截面圖。

圖10係指紋讀取器的另一實施例的示意圖。

圖11係根據圖10所示的能量導向結構之詳細透視圖。

圖12係依據圖10所示的指紋讀取器之另一實施例的示意圖。

圖13~圖13C是示出與本指紋讀取器有關的模擬結果之示意圖和圖表。

圖14是本指紋讀取器的另一實施例的示意圖。

圖15~圖16是包括本指紋讀取器之另一實施例之手機的視圖。

圖17~圖18是示出根據本發明的子像素和光感測器之設置的示意圖。

圖19是示出根據本發明之子像素陣列的示意圖。

圖20是示出根據本發明所使用之具有沿著其基板之反射表面之光發射像素的示意圖。

圖21是示出根據本發明所使用的與其集成之透鏡的光發射像素的示意圖。

圖22是根據本發明使用之具有遮擋構件的光發射像素的示意圖。

圖23是根據本發明之用於顯示目的和指紋讀取目的的光發射像素之陣列的示意圖。

圖24是根據另一實施例的指紋讀取器的透視圖。

圖25~圖26是根據本發明之觸碰位置讀取器的示意圖，其中圖25示出了與手指對準的光發射像素，圖26示出了未與手指對準的光發射像素。

本發明公開了詳細的實施例。然而，應當理解的是，所公開的實施例僅僅是本發明的示例，本發明是可以以不同的形式實施。因此，本文公開的細節不應被解釋為限制，而僅是用以教導本領域技術人員如何製造和/或使用本發明的基礎。

如上所述，並且參考圖1至圖9中所公開的實施例，本發明提供了一種遙感指紋讀取器10，其允許記錄放置在手機14(或智慧型電話、平板電腦、觸控螢幕筆記型電腦等)的顯示螢幕12上之任何位置的指紋，以及 將指紋記錄在顯示螢幕12上之任何位置而不影響其顯示功能的方法。具體地，當指紋100被放置在顯示螢幕12上的任何位置時，遙感指紋讀取器10使得手機14(或根據本發明集成的其他電子裝置)能讀取指紋100。因此，行動電話製造業者不需要再因不連接的指紋讀取裝置而分配出該行動電話之正面或反面的空間。

本發明的遙感指紋讀取器10係掃描橫跨指紋100的照明源，並且在每個掃描位置測量反射和再輻射的光能量(參見圖3和圖4)，以產生指紋100的模型。根據本發明的遙感指紋讀取器10，當手指102放置在手機14的顯示螢幕12上時，會被顯示螢幕12照亮，並且來自指紋100的反射會由顯示螢幕12周圍處的光感測器16記錄。由於遙感指紋讀取器10，指紋100可以被顯示螢幕12記錄而不會對顯示螢幕12本身造成任何改變。

雖然本公開係關於讀取放置在顯示螢幕上的單個指紋，但是應當理解的是，遙感指紋讀取器可以假同時地(pseudo simultaneously)記錄多個指紋。在需要假同時地讀取多個指紋的情況下，遙感指紋讀取器10是利用公知的觸控螢幕技術，以其基於顯示螢幕12而確定之手指的位置，而在顯示螢幕12上的兩個或更多個區域中讀取指紋。用於驗證目的之多個指紋的使用係外加的增加了安全級別，因為它在手機用戶的驗證過程中增加了附加的識別元件(普遍地稱為“多因子鑑別(multi-factor authentication)”)。此外並結合多個指紋的使用，兩個指紋的相對位置也可以被應用在識別過程中；也就是說，如果兩個指紋的相對校準度、鄰近度或角度也能被讀取和記錄，則安全性會更強。例如，對於一萬元或金額更高的銀行交易，手機可能需要用戶將兩個中指放在顯示螢幕12上的特定位置。用戶可能還需要將兩個手指幾乎接 觸並指向十點鐘方向和兩點鐘方向。如此，若有人想偷竊超過一萬元，他們必須削減手機用戶的手指，並知道如何將其排列在螢幕上。

更具體地來說，當手指102放置在顯示螢幕12上的任何位置時，程序處理係從指紋被照亮的光發射像素18開始。為了本申請的目的，“光發射像素18(或”能量發射像素“)被認為是可發射光的任何像素，無論光是在諸如LED或OLED的像素內產生，還是光是如在LCD顯示器中那樣穿過像素。一些從指紋反射的光會被捕獲在顯示螢幕12的透明蓋34(例如，玻璃頂層)中。光感測器16位於透明蓋34的邊緣，並且光感測器16會在相互作用之點處測量反射或再輻射的能量(或能量的變化)。反射能量於光發射像素18在摩擦脊部下方時會不同於光發射像素18在脊部之間的“谷部”下方時的反射能量。透過依序點亮手指102下方的光發射像素18，測量每個光發射像素18的反射能量，注意摩擦脊部和谷部之間的差異，並且知道每個光發射像素18的位置，可以建構指紋之映射或圖像(參見圖3和圖4)。遙感指紋讀取器10不需要新的層或大量的感測器。因此，其成本更低，體積更小，並且不會影響顯示器。

簡而言之，根據較佳實施例的遙感指紋讀取器10，顯示螢幕12包括由透明蓋34(通常為玻璃)所覆蓋之光發射像素18的陣列20。根據較佳實施例，與本遙感指紋讀取器10結合所使用之光發射像素18係相同於由手機14所使用以產生圖像來供手機用戶觀看之光發射像素18。因此，在實現於現今手機和具有類似顯示螢幕之其他電子裝置的遙感指紋讀取器10時，將僅需要最小程度的修改。然而，應當理解的是，本發明可以透過提供完全獨立的顯示螢幕12或光發射像素18之獨立的陣列20來實現。在使用獨立之光發射像 素的情況下，如下面參考圖23所討論的，與遙感指紋讀取器(二次光發射像素)結合所使用的那些光發射像素可以散佈在整個正常的“可見”像素陣列(主光發射像素)，或者它們可以位於正常“可見”像素陣列下方或上方的另一位準。例如，獨立的像素陣列可以產生肉眼不可見的紅外線或紫外線頻率。

此外，應當理解的是，本發明可以實現為獨立的裝置或模塊。可以使用能量發射像素的陣列20，透明蓋34以及其他必要組成來建構專用於指紋讀取的裝置。

至少一光感測器16沿著顯示螢幕12的周圍處定位。例如，光感測器16可以最終近似於現今手機14已存在的相機，因為這些相機實際上是一個光感測器。這些相機是小的，相當便宜的，並且對光發射像素18之相同光譜中的光非常敏感。考慮到根據本發明而實現用於光感測器16的這種相機，其並不需要相機內陣列中的的幾百萬光收集像素，僅需要一個光收集像素。因此，與製作光收集像素陣列而相關聯的所有細節可以被忽略，同時可以採用相同的化學和集成電路製造技術來實質上地形成一個大型光收集像素。

雖然根據本發明的較佳實施例公開了光感測器16，但是應當理解的是，能夠捕獲或測量諸如電磁能的“光”的其它感測器可以根據本發明而被使用。基於以下公開內容將理解的是，遙感指紋讀取器10的核心係關於使用顯示螢幕12的光發射像素18來作為能量源，並且那些發射器被限制於“光”。然而，並且考慮到用於顯示螢幕12中的一些LED和LCD面板發射顯著的紫外線或紅外線的事實，光感測器16將不必在“可見”光譜中操作，而 是可以在紫外線或紅外線區域中操作。這些元件係用於識別指紋摩擦脊部104和指紋谷部106。

光發射像素陣列20提供用於照亮指紋100之不同區域的可調節式和可移動式(以不連續步驟)照明源。如果光發射像素18在指紋摩擦脊部104(參見圖4)或指紋谷部106(參見圖3)下面，則來自光發射像素18的光被不同地反射。透明蓋34是作為將能量從反射傳遞到光感測器16的介質。光發射像素18依序地被照亮，並且遙感指紋讀取器10記錄與每個光發射像素18相關聯之結果變化的能量脈衝，以構造出指紋100的模型或圖像。需要在微處理器24上操作之電腦程序22記錄來自光感測器16的能量脈衝，並構造出指紋100的圖像或模型。

具體地來說，遙感指紋讀取器10的功能元件包括光發射像素18之陣列20和對顯示螢幕12之光發射像素18進行照明指示的顯示驅動器26。遙感指紋讀取器10還包括與顯示驅動器26(以及手機14的其他組成物)通信的微處理器24。透過與顯示驅動器26通信，微處理器24“知道”被照亮之光發射像素18的位置和發生照明的特定時間。如基於以下公開將能充分理解的是，可以根據來自顯示驅動器26和微處理器24的命令而單獨地或成組地來照亮光發射像素18。一個或多個光感測器16係被安裝在光發射像素18的陣列20附近。光感測器16被定位成接收從光發射像素18的照明和指紋100的指紋脊部104或指紋100的指紋谷部106之相互作用而反射或發射的能量。基於因指紋與光發射像素18之相互作用的反射能量，其反射能量最後係以光感測器16偵測，光感測器16會產生傳送到類比數位轉換器28的訊號，其係用以將由光感測器16所產生的類比訊號轉換成數位訊號。數位訊號會被傳送到微處理器 24。利用關於被照亮之光發射像素18的信息以及由光感測器16所產生的訊號，微處理器24依序地程序處理和組合該光發射像素18的數位位置和來自類比數位轉換器28(和光感測器16)的強度數據以產生圖像52。此後，由微處理器24產生的圖像52會被儲存在遙感指紋讀取器10的記憶體30內。

根據一個實施例，遙感指紋讀取器10的記錄元件可以是集成有遙感指紋讀取器10的手機14(手錶，電腦或其他裝置)的微處理器24和記憶體30。然而，應當理解的是，專用數據微處理器(或微控制器)或其它專用裝置可以與遙感指紋讀取器結合使用。也就是說，遙感指紋讀取器可以被封裝成內建於封閉系統中而具有大量基本程序處理能力的“嵌入式模塊”，並作為“單元”出售，然後將其集成到手機中。這樣的嵌入式模塊對系統建構者是有吸引力的，因為當集成新功能到現有裝置中時，它們通常能節省時間和複雜性。

利用下列方式來實現根據本發明數據的程序處理和記錄。透過點亮每個光發射像素18的動作，將最少兩個信息傳遞到程序處理單元並儲存。第一條信息是被照亮之光發射像素18的位置(索引號或x-y坐標(參見圖3和圖4))。第二條信息是到達光感測器16之能量的數量。對於一範圍內之光發射像素18位置，在微處理器24收集這兩條信息，並且構造陣列中之具有數字的數位映射，其陣列係對應於由每個光發射像素18位置之光感測器16所接收之能量的數量。因為當光發射像素18在“脊部”104下方時，其射到光感測器16的能量位準會與在光發射像素18在“谷部”106下方時不同，所以映射將會是有較高也有較低的數值。整體而言，光發射像素數據的陣列將直接對應於指紋100的圖像52，因而示出了脊部104和谷部106的位置。

一旦該圖像52被產生並儲存在記憶體30中，則實行一些其他的指紋分析、萃取及匹配是常見的。各種公知和專有之方法係用在基於指紋的“映射”或“圖像”來識別個體。遙感指紋讀取器10的輸出將會與所有已知指紋匹配和拒絕的系統相容。

具體來說，光感測器16將向類比數位轉換器28輸出電壓。類比數位轉換器28將向使用遙感指紋讀取器10之單元的微處理器24提供數位數據訊號。微處理器24便可以進一步操作信息。在“數位圖像程序處理”領域中存在許多現有演算法以加強包括用於增加清晰度、對比度或其他目的之圖像的數位數據。最終，微處理器24(或微控制器)或專用裝置將指示圖像52信息在記憶體30中的儲存器，使得該信息可以為了進一步操作而被召回或被用於識別。

應當理解的是，遙感指紋讀取器10的基礎概念可以在各種裝置中實現，其裝置如顯示螢幕12之應用，並且其需要快速和容易地存取指紋讀取。在理解此事實後，接下來本文將結合手機14來描述遙感指紋讀取器10。將遙感指紋讀取器10實現到手機14中將會需要在手機14之顯示螢幕12的周圍處增加光感測器16，並且這樣的光感測器16將被較佳地添加到手機現有透明蓋34的邊緣32。這樣的實現還將需要修改手機之微處理器24以適應根據遙感指紋讀取器10之信息的程序處理。當考慮到這一點，來自光感測器16的輸出必須被記錄並且與每個光發射像素18相關聯以形成圖像或映射。這是一個相當典型的類比數位轉換和數據操作過程。

而應當理解的是，包括由透明蓋34所覆蓋之光發射像素陣列20的顯示螢幕12和至少一光感測器16是遙感指紋讀取器10的所需元件，但是 還應當理解的是，可以添加附加之元件以將訊號(光)引導到光感測器16。當考慮到這一點時，期望實現遙感指紋讀取器10的手機14製造商將在顯示螢幕12的周圍處添加光感測器16，添加適當的電子元件以在必要時進行公知的類比數位轉換，編程顯示驅動器26而一次一個地照亮光發射像素18，並產生將數位信息組裝為圖像或模型的編程。從那時起，軟體，匹配演算法和應用將如上所述而進行操作。例如，可以使用諸如於IEEE 85(9)pp.1364-1388,1997，由Jain A.K.，Hong L.，Pankanti S.，Bolle R.所提出之題為“使用指紋的身份認證系統”，其透過引用併入本文而可以根據本發明來使用。其作者Jain描述了用於識別指紋之圖像中的細微特徵，並且使用細微特徵圖案來特別地識別指紋的來源(人)。類似的演算法目前用於具有被當作電話一部分之指紋讀取器的智慧型電話中。

更具體地來說，根據遙感指紋讀取器10所使用之掃描照明係透過一次啟動一個光發射像素18的陣列(諸如手機14之顯示螢幕12上之獨立的有機發光二極管(OLED,organic light-emitting diode))而被產生。每個來自光發射像素18的光係依序地被投影到接近光發射像素18之指紋100的區域上，並且反射和再輻射的能量係由光感測器16測量以產生手指102的指紋100之一數位生成掃描。當放置在與手機14普遍地結合使用的玻璃透明蓋34下方時，利用OLED螢幕光發射像素18的方向性，可以透過僅將OLED顯示螢幕12放置在手指102的附近而將顯示螢幕12的圖像投影到手指上。透過使用附接到透明蓋34之周圍處(或邊緣32)的一個或多個光感測器16來偵測由透明蓋34中之TIR所捕獲到的光，OLED顯示螢幕12可以用於產生指紋圖像。

儘管以下描述討論了使用OLED顯示螢幕之遙感指紋讀取器的實現，但應當理解的是，可以使用提供不連續的照明源之任何基於像素的螢幕技術，例如液晶顯示器、發光二極管、等離子體顯示面板(PDP,Plasma Display Panel)以及陰極射線管(CRT,Cathode Ray Tube)等，但不限於此而能根據本發明使用。

透過一次一個地照亮像素陣列20的光發射像素18，當手指102放置在內部照亮之顯示螢幕12的有效區域上任何地方時，遙感指紋讀取器10允許產生真正的一對一模型或指紋100的圖像。以普遍的光源照亮全部手指及使用數位相機晶片捕獲指紋的完整圖像來取代本發明如上所討論之背景技術，其照明係以指紋、一次一個的光發射像素、行及列而掃描，並且反射及再輻射的能量係在每個照明點被測量和留存。從該能量映射中可以重建指紋的模型或圖像。

參考圖5，來自單個光發射像素18的照明係透過透鏡55而聚焦在指紋100上的小斑點上，並且從該斑點反射和再輻射的所有光會被光感測器16捕獲。當照亮之光發射像素18相對於手指102而改變到不同的位置時，反射和再輻射的光強度會改變。反射和再輻射的光強度和/或顏色係根據被照亮之光發射像素18是位於脊部104之間的摩擦脊部104還是谷部106而改變。透過記錄位在每個對應至光發射像素18的x-y坐標而捕獲的能量位準，來重建指紋100的完整模型或圖像。所產生之圖像可以類似於任何其他數位指紋掃描而***縱，和/或在電腦螢幕(或電話螢幕)上以類似於1983年由Daniel H.Marcus在標題為“滾動指紋處理儀器”的美國專利第4553837號中所描述的方式繪製，其中該專利係透過引用併入本文。

透過掃描於低輪廓配置中指紋100上之被照亮的光發射像素18來產生圖像的優點在於，所產生之圖像的視點是從被照亮之光發射像素18的位置取得而不是從光感測器16的位置。因此，任何的幾何失真僅為於各取樣點所獲得之x-y座標的精確度。如果透明蓋34非常薄，則從LCD或OLED光發射像素18發出的光僅照亮透明蓋34上方的小區域，因此對透鏡之聚焦的要求可為最小的，或者可以完全去除透鏡。

使用具有LCD或OLED之光發射像素陣列20的遙感指紋讀取器10，透明蓋34和固定位置的光感測器16為遙感指紋讀取器10提供了沒有移動部件、沒有幾何失真及指紋之真正的一對一形式。複雜性被降低，並且在手機14之典型修改中將最低程度地僅需要添加一個光感測器16。此外，對所捕獲之指紋圖像的真正大小係沒有基於感測器的限制。該限制是通常比單個指紋大幾倍之顯示螢幕12的尺寸。即使在典型智慧手錶中所使用的小型構成要件螢幕中，光感測器16在大多數情況下(手錶表面內之顯示器的全尺寸)將比手指大。對於諸如手機14(或平板電腦，平板手機，桌上型電腦等)的較大型構成要件，可以在一個用戶的動作中捕獲多個手指的圖像。不僅透過更多的指紋數據並利用手指之間的幾何關係而大幅地增加了遙感指紋讀取器10的總體精確度。

圖6至圖9示出的是產生指紋圖像的操作。圖6示出的是當沒有手指於適當位置時該光發射像素18的照明。來自光發射像素18的一些光會被捕獲在透明蓋34內，並且可以直接投影到右側所示的光感測器16。附加的光係由全內反射傳遞並到達光感測器16。一些能量係透過透明蓋34的頂表面35折射並且損失。

當手指102被放置成與透明蓋34接觸時，一些光照亮指紋100的脊部104，如圖7所示。照亮手指脊部104的光線會使脊部104反射和再輻射其光，在所有方向上將光傳播到透明蓋34中。圖8中的光線是表示為從照亮之光發射像素18和自指紋脊部104相互作用下而反射及再輻射之光的組合光。注意在右側之光感測器16之數量較高的相互作用。

圖9示出了來自不是位於摩擦脊部(即谷部106)正下方之光源的反射和再輻射。在這種情況下，光散射的情況與當脊部非常靠近來源時不同。這導致到達光感測器16之能量位準的差異。當把圖8與圖8相比，可發現射到光感測器16之光線相對較少。

實際上，當照明於脊部104正下方的情況下，於光感測器16所接收的能量位準可能高於或低於當來源在谷部106下方時所傳遞的能量。其增加或減少係取決於透明蓋34之玻璃的光學特性、照明光譜、光源分散、使用在接觸表面上的塗層以及其他光學特性。可以選用這些細節以優化所關注之性能度量。重要的現象是，所得到的總反射能量將根據來源在脊部104或谷部106下方，以及啟動之能量發射像素18是在脊部104還是在谷部106下而有所不同。

在收集指紋100之圖像的操作中，可以掃描整個顯示螢幕12，或者在有限的掃描區域54(參見圖15和圖16以及如下之更詳細討論)中進行掃描。遙感指紋讀取器10中的觸控感測器80可以用於感測手指與顯示螢幕12所接觸的位置，並且遙感指紋讀取器10可以指示該掃描依序地啟動掃描區域54內的能量發射像素18，其掃描區域54係為局部的接觸點。當觸碰感測器 或觸控螢幕回報手指102已經觸碰顯示器時，該裝置可以指示遙感指紋讀取器10開始程序處理。

雖然所公開的實施例係關於一種利用由平板玻璃構成之透明蓋的實現，但是該原理係適用於平面或曲面玻璃(參見圖5)。由於反射和再輻射的光行進經過玻璃，其係與玻璃的曲率無關而會在內部被反射到某種程度。如果玻璃是曲面的(或者顯著地像在Galaxy S6邊緣，抑或是更巧妙地像在其他手機、手錶和裝置)，大多數光將透過部分反射和TIR效應而在玻璃中繼續被捕獲，並且將最終到達光感測器或於顯示螢幕12周圍處的光感測器16。

類似地來說，利用該概念可以在透明蓋34的彎曲部分上直接讀取指紋。事實上，該彎曲表面可以是捕獲指紋模型或圖像之較佳位置，因為在一些現代的手機設計中，顯示器的彎曲部分係靠近裝置的邊緣，因此會更靠近感測器。

此外，本發明不僅限於讀取單個指紋。透過在較大區域上掃描照明或掃描每個指紋下的多個區域中，可以在一個操作中讀取多個指紋。每個重要區域的位置可以由併入許多裝置中的觸控感測器80來確定。

光感測器16不需要被放置在透明蓋34的“邊緣”處。可以將三維及透明能量導向結構40添加到玻璃的表面，以允許能量被重新導向更合宜的位置。例如，參考圖10至圖12中公開之實施例，其係示出了可以放置於手機14之透明蓋34的玻璃頂表面35上之楔型的一種小型能量導向結構40的示例。該能量導向結構40包括光學元件42，其允許將來自顯示螢幕12的能量反射到以楔的形式附接至該能量導向結構40的一個或多個光感測器16。採用 這種實施例至少有兩種。一種實現方式是內建能量三維的透明結構，其係將訊號載至電話或裝置內的光感測器之較佳位置。所有的這些元件真的很小，因此即使三維架構只有一毫米或兩毫米，它將允許光感測器16變大至兩倍或三倍而仍然算是非常小，卻可能更便宜或更靈敏。另外，三維透明結構可能是更複雜的形狀，其係將光導向內建於手機中的現有相機之一。該相機接著將變成一種雙重使用之裝置，也能充當光感測器16和潛在地類比數位轉換器，從而完全消除對這些元件的需要。

應當理解的是，這種能量導向結構40的使用將需要以光通過透明蓋34，並進入能量導向結構40之輸入端43。使用這種能量導向結構40還需要粘合劑以附接在顯示螢幕12之透明蓋34的頂表面35。因考慮到這一點，光學粘合劑45將會消除能量導向結構40下方之TIR效應，其能量導向結構40係用於將輸入端43固定到透明蓋34的頂表面35。當以物理實現(例如改裝現有裝置)有優勢時，可以使用測量通過玻璃面的能量變化的寄生裝置。光感測器16不需要固定位置於透明蓋34的“邊緣”。例如圖10和圖11中所示的裝置，其公開了小型能量導向結構40，其可以放置在手機14之透明蓋34的玻璃頂表面35上。能量導向結構40包括允許將來自顯示螢幕12之能量反射到包含在能量導向結構40之殼體44中的一個或多個光感測器16的光學元件42。

採用這種實施例有兩個原因。一是為了改造舊手機14。在這種情況下，參考圖12，有人將光感測器16建構到能量導向楔中，並將***一通用序列匯流排鏈結46中的纜線附接到微處理器24，該微處理器24最後執行如上所述的計算。第二是為了使能量導向結構40往下至手機14內，而不是在 豎立於頂表面上方，以“倒置”之內建的能量導向結構實現。另外，應當理解的是，能量導向結構40可為更複雜的形狀，其形狀將光導向內建於手機中的現有相機之一。相機因而將變成一種雙重使用之裝置，其也可作為能量導向楔的光感測器，藉此消除了所有對光感測器的需求。

對於典型手機的OLED螢幕，光發射像素18係於刷新期間被顯示驅動器26照亮成所需的位準。顯示驅動器26之技術已經從簡單順序及保持均勻點亮之背光平面逐漸發展，在該顯示器之一個完全刷新週期的整段時間內，各光發射像素18開/關之不連續定時為極精密的。這通常與照明平面之開/關和可變亮度之循環(在使用背照明的顯示類型中)一起實施，其照明平面係由整個裝置、區域中或甚至是像素位準來控制該亮度平面的變化。為使照亮之螢幕圖像能達成更好的權衡、對比度和一致性，許多創新和有效之技術及策略已經被開發。許多這種複雜的顯示控制和點亮策略可用於加強本發明的實施例。

先前我們已描述了使用遙感指紋讀取器10之概念的方法，其中各光發射像素18係在短時間內被啟動，同時能量會被記錄於光感測器16，接著光發射像素18會被關閉以準備下一個要被取樣的光發射像素18。在最基本的配置中，各光發射像素18不會被關閉，而是透過記錄圖像52之整體程序處理來保持“啟動”。其他各個光發射像素18則是接續地被照亮。螢幕12之最後一個光發射像素18在下一個刷新週期開始前係保持一段時間的啟動。這是累積的照明模型，其中光感測器16隨著啟動的各光發射像素18而能看出增加的能量。光感測器16之能量的增加將根據光發射像素18是位在指紋 脊部或谷部下方而有所不同。因此，功率曲線之微分將示出哪些光發射像素18係處於啟動而哪些處於關閉，並且可以形成圖像或模型。

模擬結果

可以進行模擬以估計單個掃描線的訊號輪廓，其訊號輪廓係透過與玻璃接觸之具有三個指紋脊部的手指。圖13示出了適度的反射、顯著的衰減和可變的環境光雜訊之情況下的配置。

從來源到光發射像素18的光強度係被假定為100(為表示100%而被正規化)。假定平均環境光在10000的量值上高出100倍。將各光發射像素18取樣(以2×10^-6秒為差量時間)之環境光的變化取為0.1%。隨著光發射像素18變得離光感測器16更遠，訊號之衰減對於各光發射像素18(相對於下一個更接近的光發射像素18)為1%。

圖13A內而產生之數據圖示出了入射能量數據圖，其係假設在各光發射像素18是依序地被照亮，並在整個週期中保持“啟動”之情況下。應注意的是其線條係以直線表示。該訊號似乎被增加的能量和環境成分之巨大強度所掩蓋。

對於各光發射像素18(n=1至36)來說，為了萃取訊號，光發射像素n-1處之能量係自光發射像素n之能量中減去，我們因而得到圖13B所示的曲線圖。該數據圖示出了與玻璃接觸之指紋脊部的存在和不存在係能容易地顯現。

因為每次的讀取係獨立於先前的讀取而能使該方法中的累積捨入誤差是最小的。每個數值係為兩個直接測量和一個算術運算之乘積。唯一的複雜處是光感測器16的動態範圍。它可能需要高達15db的靈敏度。具 有這種能力的小型感測器可由市面上購買取得。其能力係部分地由數位相機市場和已經在具有高量子效率的電荷耦合元件和互補金屬氧化物半導體(CMOS,Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)中開發之基於半導體的感測器所驅動。許多現今的數位照相機(包括手機之照相機)具有數百萬個這種靈敏程度的感測器，其靈敏程度是在小型提取區域中，由所需解析度和整體數位感測器尺寸所限制的。例如，法國Verrieres Ie Buisson的“新成像技術”提供了超過140db動態範圍的數位感測器。使用這些技術之單個大面積光感測器16可以具有相對於本發明所要求之相當高的動態範圍。

圖13C示出了於光感測器16而針對一裝置的入射能量數據圖，其中該裝置之每個位置上的各光發射像素18係在被啟動然後關掉。模擬的能量數據圖係相同於累積之可適性版本。事實上，真正的訊號強度並沒有不同，但是遙感指紋讀取器10之實施例所具有的優點是每個能量脈衝可以從共同的基線被測量。不需要以減法運算來萃取訊號，並且對光感測器16的動態範圍要求係大幅地降低。

在所有情況下要注意的是，即使是累積能量、可變雜訊及顯著衰減存在的情況下，入射能量的顯著階級變化也是容易辨別的。對於不直接位在脊部或谷部下方的光發射像素18，這樣的光發射像素18可以被認為是“一半地”啟動或關閉。光發射像素18的“啟動”側可以透過觀察相鄰之光發射像素18的狀態來確定。這允許使用內插法來以類似於觸摸感應面板中所使用之有限數量的感測器，來實現相對高解析度的方式而來增加圖像52中的解析度。

感測器效能增強

應當理解的是，遙感指紋讀取器10之實際應用所面臨的問題是要改善指紋圖像的圖像品質，而不會對圖像產生可能妨礙指紋之忠實複製的失真。從根本上來說，這可以歸結為提高訊雜比。如本領域技術人員將理解的是，訊雜比是在科學和工程中所使用，其係用於將期望的訊號位準與背景雜訊的位準進行比較的測量。它被定義為訊號功率與雜訊功率的比值，通常以分貝表示。雖然S/N通常用於電子訊號，但它可以應用於任何形式的訊號(例如冰芯中的同位素位準或細胞間發的生物化學訊號)。

至於遙感指紋讀取器10，因為它是由像素逐一地創建，S/N比率是一種指紋圖像之清晰度的度量。可以增加相較於光感測器16所記錄到的雜訊之訊號強度，來實現對S/N比率的改進。在本例子中，訊號能量源是構成顯示螢幕12的光發射像素18或光發射像素18的陣列20。因此，可以透過對初始訊號添加更多能量，並也透過促使更多的訊號到達讀取訊號之光感測器16，藉此來提高指紋圖像的S/N比率。圖像可以透過減少或消除隨機雜訊而變得清晰。例如，參考圖14，濾波器56可以與光感測器16結合，以防止來自環境雜訊或其他來源之不需要的能量進入光感測器16。在模擬部分中，對顯著的環境隨機雜訊進行建模，並且將在以下討論幾種使雜訊最小化的方法。

應當理解的是，所有的實際測量都會被雜訊干擾，包括但不限於電子雜訊和影響測量之現象(例如：風、振動、溫度變化及濕度變化等)的外部事件，該遙感指紋讀取器10將可能非常容易地受到環境光的影響。

以下描述訊號收集方法和改善由如上所述之遙感指紋讀取器10所產生之訊號的傳輸的裝置，該傳輸係從光發射像素18(或光發射像素 18的陣列20)，即來源，至改善為光感測器16，即偵測器。本實施例應被理解為，為了改善從光發射像素18(或光發射像素18的陣列20)到光感測器16之訊號的傳輸，其中應重要地被理解的是，光發射像素陣列20係提供用於照亮指紋100之不同區域的可調節式和可移動式(以不連續步驟)照明源。如果光發射像素18在指紋摩擦脊部104或指紋谷部106的下方，則來自光發射像素18的光係相異地被反射。透明蓋34是作為一種介質以將來自反射的能量傳遞到光感測器16。光發射像素18係依序地被照亮，並且遙感測指紋讀取器10會記錄與每個光發射像素18相關聯之結果變化的能量脈衝，以構造指紋100的模型或圖像。需要以程序22記錄來自光感測器16的能量脈衝，並構造指紋100的圖像52(或模型)。為了加強指紋圖像52以允許識別出可用於辨別與指紋100相關聯之人的細微特徵，由光感測器16所接收的訊號係透過減少部分的訊號而被改善，且沒有造成圖像失真，其訊號於其從光發射像素18(或光發射像素18的陣列20)行進到光感測器16時而損失。

其可以各種方式實現。根據一個實施例並且參考圖20，反射像素基板81可以作為用於光發射像素18之陣列20的支撐件。因此，在所需之頻率中，光發射像素18的子像素之間的空間係可以被反射的。透過將重要能量反射回傳輸介質而不是將其吸收在反射像素基板81中，則更多的訊號能量可被用以進入光感測器16。

根據另一個實施例並且參考圖15和圖16，光感測器16係位在用於取樣指紋的位置附近。根據此實施例，遙感指紋讀取器10能辨別出顯示螢幕12上應放置手指的位置，也就是掃描區域54，並僅將指紋掃描聚焦在該區域上。遙感指紋讀取器10可以僅將掃描聚焦在幾千個光發射像素18上，而 不用透過定位確定掃描來對整個顯示螢幕12之上百萬個可能的像素進行掃描。使有效能量發射像素18之數量達到最小化，並使感測器和系統之數據傳輸要求最小化。不只S/N比率提升、感測器所需動態範圍減少、功耗降低、時間縮減及計算要求減少等。

遙感指紋讀取器10指示用戶將手指放置在光感測器16附近以提高訊號的保真度。當被測量之顯示螢幕12的區域接近光感測器16時，脊部104和谷部106之間的訊號差值將是最強的。這在環境雜訊高的令人不快之不利條件下可能是關鍵性的。在這種情況下，遙感指紋讀取器10可以指示用戶將手指102較佳地放置在光感測器16附近以提高訊號的清晰度和強度。例如，如果遙感指紋讀取器10係僅以位在顯示螢幕12之右邊緣附近(參見圖16)的一個光感測器16製成，則光感測器16將能夠偵測指紋脊部104以及來自放置在顯示螢幕12上之任何地方之手指102谷部106。然而，如果手指102被放置在顯示螢幕12的右邊緣附近，則光感測器16將接收到更強的訊號。透過指示用戶將手指102放置在顯示螢幕12的邊緣附近，或者甚至從顯示螢幕12之邊緣(直接在光感測器16上)的一半處，則光感測器16將接收到更強的訊號。這將允許遙感指紋讀取器10由具有設計或市場優勢的光感測器16製成。例如，感測器可以更便宜或有利於實體包裝(更薄、更輕及更小等)。如果系統指示用戶將手指放置在顯示螢幕之邊緣附近，或者甚至部分地離開顯示螢幕的邊緣(部分在感測器上方)，則感測器將接收到更強的訊號，並且手指將做為感測器附近之環境光的屏蔽。

考慮到這一點而應當理解的是，遙感指紋讀取器10可以配備有多個光感測器以確保係存在有靠近幾個不同觸碰位置的一光感測器。例 如，光感測器可以被安裝在顯示螢幕的右側和左側之兩者上，以更有效地和合宜地適應右撇子和左撇子用戶。將光感測器放置在顯示螢幕的頂部或底部可以適應手大或手小的用戶，或習慣使用“主頁按鈕”進行指紋識別的用戶。利用在顯示螢幕之頂部和底部邊緣的光感測器，為沒有專用“頂部”或“底部”的裝置提供合宜的感測位置。透過要求觸碰點在角落附近，可改善訊號傳輸效率，其中手指可以放置在兩個相鄰邊緣上的光感測器16附近。這在照明被偏振的情況下可能非常有用。

與單個光感測器相比，於透明玻璃蓋周圍處係使用多個不連接之光感測器，以同時收集反射或再輻射的能量而提供了有效收集能量的幾種機會。多個光感測器可以與時域濾波器一起使用來改善S/N比率。如果手指是放置在一個光感測器附近並且遠離另一個光感測器，則較接近手指的光感測器將首先接收到訊號，並且另一光感測器將在一些延遲後接收到相似的訊號。因為遙感指紋讀取器知道手指相對於光感測器的位置，所以可以精確地預測到達不同光感測器之訊號的時間。可以在各光感測器16內測量訊號的特質(例如振幅、頻率以及駐留時間)，並將其與基線“識別標誌”訊號進行比較，或者可以將兩個訊號彼此比較以更加地放大信號，並且潛在地消去或忽略來自手指的位置以外而引起的雜訊成分。

還可以預期在透明玻璃蓋的周圍處添加連接的光感測器16，例如薄膜光伏技術(Thin Film Photovoltaic technology)將是這種實施例的一種實現方式。透過提供連接之光感測器16而相對較大面積的實現，將收集到更多的訊號，並且覆蓋整個周圍處的機會將確保不會錯過離開傳輸層之任何局部較強的訊號能量。幾乎所有來自照明的能量之相互作用將會被收集。

還可以設想的是，傳輸層的周圍處可以選擇性地產生反射表面，以將訊號能量重新指向回傳輸介質(即光發射像素或像素陣列)，直到能量朝向光感測器逸出。這允許光感測器16獲取如若為其他方式而可能丟失的訊號能量。這些用於產生在基板上之鏡面的多個商業上可取得的方法係能穿透到所需的波長。例如，施加具有粘合劑的銀塗層以幫助附接到玻璃，以及保護層以抵抗氧化和損壞。

還可以預期的是，可以沿著透明玻璃蓋的邊緣添加光收集器，以將所有能量收集到一個或幾個光感測器。這將基本上是圍繞傳輸平面的邊緣或甚至在傳輸平面之表面上的“光導管”。到達透明玻璃蓋之邊緣或面之收集器的所有能量將***光導管(或光收集器)中，並行進到一個或多個位於遠處的光感測器。

還可以預期的是，在顯示螢幕內或下使用滿屏之光感測器。這不同於先前所描述的遙感指紋讀取器，因為光感測器並不位於周圍處。然而，其操作的基本原理是相同的，即係使用光發射像素之依序的照明來照亮指紋的小部分。具有全區域之光感測器係允許遙感指紋讀取器從光發射像素之第一反射來提取能量。

此外，類似於上述的一個實施例中，光感測器16之陣列60可以放置在顯示螢幕12下面或集成到顯示螢幕12中(見圖17和圖18)。還有其他光學之光感測器係試圖在電話、手錶或其他配有顯示螢幕之的玻璃蓋下取得指紋。一個重要的挑戰是產生出每英寸解析度為500的光感測器，並且訓練各光感測器16能僅從光感測器16之正上方則觀察到能量，即基本上非常窄的視場。使光感測器16靠近表面所需之玻璃較薄，並且可折衷於裝置之穩固 性。IDEX公司和其他開發人員常選用的是產生透鏡或通道以控制光散射。這可以利用高級材料(例如透明基板或紅外線透明基板)來實現，但是這些步驟會導致其對顯示器之其他方面的折衷。以上這些方法都沒有達到量產，係因為其設計造成之折衷會使得大規模實施無法實現。

在本發明的方法中，透過使用顯示像素之依序照明的定時，光感測器16陣列將優先地偵測從顯示螢幕12上之區域所重新輻射的能量，所述區域是靠近“來源”而不是靠近光感測器16。這解決了幾個關鍵問題。如：不再需要將光感測器16放置於靠近觸碰表面。光感測器16陣列不會干擾到顯示器的視覺性能，也就是說光感測器16可以於現有顯示螢幕之前面、集成到顯示螢幕內或在顯示螢幕之後面。透鏡可以用於聚焦來自像素的能量，但是光感測器不需要透鏡或聚焦，其僅需要偵測能量振幅和/或頻率而不是方向。這樣的實現將利用微處理器24來執行其必要的計算。

用於遙感指紋讀取器10之跨越顯示螢幕12之區域的光感測器16的陣列60，其所具有的優點是可以將該偵測定位以隔絕雜訊。也就是說，遙感指紋讀取器10可以僅記錄來自用於照亮一部分手指的光發射像素18下方或附近之光感測器16的能量。同理地，光感測器16的陣列將提高訊號強度，因為光感測器16係相對地接近照明源。此外，不需要具有與各像素相關聯的光感測器16。每個光感測器16可以監視數十、數百或數千個附近像素的活動。如果光感測器16放置在光發射像素陣列20中或附近，則它們必須被保護以免於直接接收到來自光發射像素18的光。這係與定位來自光發射像素18的光不能直接地進入光感測器16一樣簡單，換言之，需提供照亮光發射像素18與光感測器16之間的屏蔽。

訊號保真度增強

遙感指紋讀取器10的光發射像素陣列20提供了用於照亮指紋之不同區域的可調節式和可移動式(以不連續步驟)照明源。如果光發射像素18在指紋摩擦脊部或指紋谷部之下，則來自光發射像素18的光會相異地被反射。透明蓋34作為介質以將來自反射的能量傳到光感測器16。光發射像素18依序地被照亮，並且遙感指紋讀取器10記錄與各光發射像素18相關聯之結果被改變的能量脈衝，以構造指紋的模型或圖像。需要一種程序以記錄來自光感測器16的能量脈衝並構造指紋之圖像或模型。

為了加強指紋圖像以允許識別出細微特徵可被用於辨別與指紋相關聯的人，可以透過增加訊號強度及改善信號傳輸，而使光感測器16所接收到的訊號能在圖像無失真的情況下被改善。根據一個實施例，其係以過驅動光發射像素18來實現。一些顯示驅動器會限制光發射像素之亮度，以避免損壞光發射像素之元件和材料。損壞光發射像素的可能性對一些材料來說可能是與時間相關的，也就是說，如果是保持較短時間，則對於較高能量係並非不利的。過熱是一個常見的例子。然而，根據遙感指紋讀取器10，單一個光發射像素18的脈衝能比人類感知快得多，這對於光學的顯示器是不常見的。這種顯示螢幕12之獨特的使用打開了能夠安全地使用更高能量(尤其是如果打開/關閉)的可能性。或者，在手機14或其它裝置的顯示像素陣列內而如上所簡要之論述，次要光發射像素70組可被散置於主要光發射像素18、18a、18b及18c中。次要光發射像素70係專用於遙感指紋讀取器10，並且在沒有過度損壞或劣化情形下而專門地被設計以允許較高能量，同時主要光發射像素係由顯示螢幕12(參見圖23)之顯示功能而充電。當考慮到前面所述，用來加強訊號保真度的各種方法將會被保存在本發明的精神內。除了所提供 之附加圖形的那些實施例之外，這些提升是使用由上述微處理器24所執行的計算和處理而來實現的。

根據這樣的實施例，對依順序之所需區域(AOI,areas of interest)執行細分以實現本發明的目標。當已經讀取和分析完整的指紋區域之後，可以辨別出AOI，這些可以是例如預期在脊部下、脊部邊緣附近或接近細微特徵的光發射像素18。具體的AOI將取決於用於識別指紋中特徵的方法。無論它們如何被定義，附加的掃描操作或操作可以僅集中在接近所需要區域的光發射像素18(或子像素)。例如，在次要掃描中，用於細分的一個選項將是僅照亮被懷疑在細微特徵附近之區域，並且重新分析圖像以增加該特定區域中之特徵的清晰度。

根據另一實施例，執行順序叢集細分以實現本發明的目標。根據這樣的方法，透過照亮叢集或柵集(例如，2x2，3x3)中的一群光發射像素18來產生第一次通過的“粗糙”圖像，以向光感測器16提供更強的訊號而犧牲掉較低的解析度。如果需要更精細的解析度，則可以使用更小的叢集(並因此獲得更高的解析度)進行第二次通過，並且進行第三次通過以進一步細化等等。第二次通過可以選擇性地被進行以聚焦於所需的區域。

此外，可以透過照射每個光發射像素18來加強訊號保真度，使得照明被聚焦到本發明的遙感指紋讀取器10，其遙感指紋讀取器10於光發射像素18的陣列20上方之觸碰平面的小區域(即最終被用戶觸碰之透明蓋34頂表面35)上。這將增加傳送到被取樣之指紋上特定點之能量的數量(增加訊號能量)，並且減少被傳送到未被評估之區域的能量(降低雜訊能量)。聚焦技術係使得其在離開觸碰平面或頂表面35之後快速地發散，從而提供寬的視角給用戶。參考圖21，現今智慧型電話中之簡單實施方式包括在每個光發射像 素18或光發射像素18組中引入微透鏡48，其光發射像素18組的焦距為近似於從光發射像素18到觸碰平面之距離，其觸碰平面在於用以傳輸介質之玻璃透明蓋34之相對側。參考圖22，還可以透過在光發射像素18附近提供遮擋構件49來實現對光的控制。為了在顯示螢幕12中實現更寬的視場，焦距可以被設計為略小於其至觸碰平面或頂表面35的距離。照明之非最佳的聚焦仍然可以對被取樣之區域中的能量效率提供顯著的益處。

還可以透過將訊號偵測集中在顏色的變化來加強訊號保真度，其顏色係以與指紋交互作用而較佳地被反映出來。例如，在三原色色空間中，肉色調的紅色通常高於綠色和藍色。紅色是特別有優勢的，並且可以比藍色或綠色多出40%，但藍色和綠色可能相差40%或更多。因知悉訊號(和S/N比率)在紅色中將是最強的，遙感指紋讀取器10係著重於尤其是在光譜中紅色部分的變化。為了更好地改善保真度，遙感指紋讀取器10可以透過進行第一次掃描，並記錄當指紋被放置在觸碰平面或頂表面35時的平均反射顏色成分，以局部性地且動態地確定所需的最佳訊號頻率。這種校驗通過僅需要確定所需區域中的平均顏色(不是在照明源的每個光發射像素18)。為了進行該測量，遙感指紋讀取器10可以確保所需區域中的所有光發射像素18被照亮，並且測量反射和/或再輻射能量的光譜。可以透過估計掃描區域中的光發射像素18之合適的摩擦，並使用其來微調用於構造指紋之能量的一部份，該掃描區是反射/再輻射脊部以及反射/再輻射指紋谷部的指紋部。

此外，透過使用子像素18a、18b、18c可以增加取樣區域的解析度。參考圖17，典型的全色顯示器中的每個光發射像素18包括子像素，例如紅色子像素18a，綠色子像素18b和藍色子像素18c。當使用白光作為光 源時，可以假定光源的位置是子像素組的中心。或者是可以打開單個顏色的子像素以示出略微移位的圖像。在圖17中，各個完整光發射像素18係由兩個綠色子像素18b(它們一起照射)與略微下方的紅色子像素18a和藍色子像素18c組成。紅色子像素18a和藍色子像素18c係左右交替的。如果僅使用綠色子像素18b，則來源的x-y位置以及因此捕獲之圖像將從“白色”圖像稍微地向上和向左移動。如果使用紅色子像素18a，則來源的x-y位置在頂部的行會略微向左和向下，並在次行會略微向右和向下。對於藍色子像素18c，來源的x-y位置在頂部的行會略微向右和向下，並在次行會略微向左和向下。以各種顏色獨立地拍攝，並根據已知之子像素位置而對準的合成圖像，其淨結果將為“白色”圖像之總解析度的兩倍。

根據又一實施例，所需要之區域可以被分段，並且每段係獨立地測量以改善訊號品質，並潛在地減小光感測器16的動態範圍需求。因為掃描速率相對於人類感知是很快的(通常全螢幕為1/60秒)，並且對於人類的指紋識別速率要求較高(在一些裝置中高達一整秒)，其掃描區域可以被分成一次掃描一個的數個段，這些段數為更小且更易於管理的。多次較小的掃描將減少光感測器16動態範圍之所需，並減少雜訊進入系統的機會。例如：如果裝置的目標是收集4mm x 9mm(@500ppi)的指紋模型或圖像，其大約為14000個光發射像素18。在累積的照明輪廓(其中每個光發射像素18是透過感測過程而被啟動和保持“開啟”)下，光感測器16必須具有偵測至少14000個不同能量位準的能力。如果系統可以允許花1/2秒於全掃描，則裝置可以將要掃描之區域劃分為30個段，每個段具有小於500個光發射像素18。在這種 情況下，光感測器16僅需要識別500個不同的能量位準。這是八位元的精確度，而非用於分段情形所需的十四位元。

如上所述，特殊的光發射像素70(即二次光發射像素)是為了特別用於遙感指紋讀取器10而內建於顯示螢幕12中，並且除了顯示螢幕的光發射像素12係用於傳統顯示操作外，特殊的光發射像素70還可以更理想地設計出遙感指紋讀取器10。具體來說，它們可以安全地操作為了產生更強訊號的較高能量。它們可以狹窄地被聚焦以確保只有手指的小部分被照亮。它們可以在抗雜訊之特別波長下操作，或者不會破壞其他性能目標，或者利於任何經濟或功能因素。有許多選擇可用於實現這樣的結構，例如，特殊的光發射像素70之陣列可以與作為習用顯示操作之顯示屏12的光發射像素共存，其係透過被產生在相同材料和層之間，特殊的光發射像素70之陣列可以在作為習用顯示操作之顯示螢幕12的光發射像素上方、下方或與其混合的新層中，或特殊的光發射像素70之陣列可以與顯示螢幕完全分離地產生(即被製成獨立裝置，其係可操作在有或沒有顯示器存在的情況下)。例如，參考圖24，其公開了一種不是作為顯示器的指紋讀取器，而僅包括在螢幕12之透明蓋34下方的能量發射像素18的陣列20。

時域增強(Temporal enhancement)

為了加強指紋圖像以允許識別出可用於辨別與指紋相關聯之人的細微特徵，可以透過使用如下所公開之適當的濾波器來消除訊號上的雜訊而不會使圖像失真。除了所提供之附加圖形的那些實施例之外，這些加強是使用上述微處理器24所執行的計算和處理來實現的。

根據一個實施例，其係有顯示螢幕12上之光發射像素18的精確定時，而可以透過基於來自光發射像素18之光的定時來對訊號進行濾波，並且忽略非以來源照明進行時間排序的其他入射能量來產生鎖定放大器的等同物。在某種程度上，這將解決包括環境光的所有雜訊來源。

濾波也可以透過使用過取樣技術來實現。根據這樣的實施例，掃描之顯示螢幕12的區域係被多次掃描。光感測器16在每個取樣週期之期間內係連續地或間歇地監測訊號。由於訊號是週期性的且雜訊是隨機的，因此可以透過對測量進行平均分配來加強S/N比率。這是透過簡單地採取多個圖像並將其組合。或者可以增加開啟時間以允許獲取更多的訊號取樣。在這種情況下，雜訊係作為平均分配之取樣數量的平方根而減少。

遙感指紋讀取器10可以在圖像的讀取期間觀察在物理上接近(但不在指紋下)手指的環境光，並且在指紋讀取或其附近時，會濾波、抵消或補償來自入射在顯示螢幕12上之環境光的光譜。實現這種實施例之一種可能性是重新規畫產生於裝置中的相機，以監測持續存在的環境雜訊，特別是停留在三原色光發射像素18窄帶中之環境光的部分。環境光可以隨著時間之平均分配或配給來濾除週期性雜訊，例如來自以六十個週期脈衝運轉之電子或電子來源的環境光。

因為許多手機的顯示螢幕12係由三原色光發射像素18所製成，每個三原色光發射像素18會在窄頻寬中產生單一顏色，所以遙感指紋讀取器10可以透過以下方式來平衡、消除或正規化其對環境光的影響：以互補的方式驅動顯示螢幕12之未使用部分的三原色成分，從而有效地抑制具有已 知三原色成分背景的隨機環境雜訊。其中與引入背景之窄帶三原色成分不匹配的環境光可以被忽略。

同樣地可以隨時間監測指紋之反射能量的顏色以偵測壽命(血流/顏色的差異)。在這種情況下，惡意偽造“指紋”會被以類似其他形式的雜訊處理，並被消除或被用於辨識出“識別標誌”或指紋外之其他識別裝置。

也可以將塗層應用到顯示螢幕的頂部，其顯示螢幕會反射環境光之顯著部分(如果不是全部)。這可防止環境光進入玻璃並且減少到達光感測器16的雜訊。反射塗層還可以改善內部反射並且增加光感測器16的訊號強度。如果反射塗層可以透過物理接觸(因此指紋脊部將引入不同的反射/再輻射特質)來消除，則塗層將增加指紋中脊部和谷部之間的功率比，從而增加訊號功率。透過物理接觸而使其無效的特質，對於反射塗層並不是不合規則的。總而言之，這會致使更好的S/N比率。反射塗層和感測可以操作在光譜中不可見的部分，以將其對顯示裝置之正常使用的影響降到最小。

還應當理解的是，反射塗層在本領域中係具有更廣泛的應用。在類似的指紋讀取裝置中，具體來說，外表面上的紅外線反射塗層可以反射遠離光感測器的光，這在圖像中是無法被期望的。例如，在來自GingyTech的“混合”感測器中，在遙感指紋讀取器10之頂表面上的紅外線塗層將改善類比訊號至CMOS感測器的保真度。無論是透明玻璃蓋還是在“底部玻璃”所應用的玻璃蓋都是如此。如果透明蓋的頂表面塗(或選擇性地塗)有紅外線反射塗層，則摩擦脊部所接觸的位置和非接觸區域之間的對比度將會增強。反射塗層將反射谷部中大部分的紅外線能量，其中摩擦脊部 並不與塗層接觸。在摩擦脊部和反射塗層之間的接觸點，塗層之反射性能會被破壞，並且紅外線能量將通過至CMOS感測器。

此外，仍然考慮到可能用於增強遙感指紋讀取器之操作的各種塗層，可以在透明玻璃蓋上方添加光吸收體或遮擋層，以防止環境光進入透明玻璃蓋而增加雜訊至系統。電色(Electrochromic)玻璃具有以下優點：其可以在手指的位置下被關閉，以防止環境光從除了手指下方外的任何地方進入玻璃而使不會干擾指紋訊號。電子墨水(微膠囊電泳顯示器(microencapsulated electrophoretic display))是阻擋外部光的另一種潛在選項。為了使遮擋概念成功，當光源在脊部和谷部下被依序地被照亮時，顯示螢幕的一部分必須允許指紋改變透射玻璃之內部的反射特性。由於在與遮擋板之物理接觸點的物理/光學現象的改變，反射率將在遮擋層中當然地改變，但是該改變可能不足以產生有力的訊號。對於通常連續的遮擋平面(例如電色)，其可能需要將顯示螢幕分割成可被單獨打開或關閉的區域，或者預先定義一特定區域使其能一直保持“打開”來允許指紋僅在該位置被讀取。對於諸如電子墨水之通常可被重新配置的面板，可完全定址之顯示螢幕的複雜性可以被減少為幾個片段或象限，或者預先定義的開放區域可以是用於讀取指紋的單個位置。該電子墨水或其它遮擋層的遮擋特性可以被修改為僅阻止非所需頻率之遙感指紋讀取器的操作。

或者可以將連續遮擋層(阻擋大部分光的塗層)施加到顯示螢幕的頂表面，以防止大部分環境光滲入顯示螢幕而增加雜訊。如果遮擋層對於螢幕光發射像素的窄帶三原色具有高通設計(換句話說，使光發射像素產生的單頻紅光、綠光和藍光通過，但阻擋掉所有其它光)，其對顯示螢幕(即 允許三原色波長通過)具有很小的影響，但是將防止在三原色頻寬之外的環境光。環境光之顯著成分係由三原色帶寬之外的波長組成。

背光源調變也可以用於實現根據本發明的局部增強。如本領域技術人員所充分理解的是，LCD技術係廣泛地被用於顯示器中。LCD並不是真正的產生光，而是依靠“背光源”來為顯示器提供照明。這些背光源可以透過幾種方式製造，像是發光二極管、電發光面板(ELP,Electroluminescent panels)或冷陰極螢光燈(CCFL,cold cathode fluorescent lamps)等。在典型的實現中，背光源在顯示面板上係提供連續且均勻分佈的照明，以助於產生出均勻的自然圖像。一些技術(特別是LED)係易於以不同的強度和/或顏色來照亮顯示器的不同部分。這項技術的開發是為了提高對比度。因為大多數LCD技術係無法阻擋顯示器中應為暗區域中之100%的光，所以黑色區域將顯示為“灰色”。此外，一些LCD是在非最佳色溫下發射白光，這能限制再生色域，並且在存有環境光之不同色溫的情況下，人們可以不同地感知出顏色。現代LED背光源係由不連接的的紅/綠/藍二極管構成，其能量可以動態地修改以匹配至顯示器所需和周遭環境。許多這種顯示器係被設計成能使顯示器之不同區域變得更亮或更暗，以匹配正在顯示之圖像的內容。例如，如果要在明亮照明之城鎮上方顯示暗天空的圖像，則螢幕的“城鎮”區域可以用正常LED背光源之亮度照亮，而在該圖像之後的“暗天空”，其背光照明強度可以顯著的被降低以允許螢幕之該部分顯得非常暗或黑色。

根據本發明，調變可以應用於整個背光源、區域或單獨的光發射像素。如果能把位在沒有被取樣指紋之區域中的背光源立即地完全關閉，則可以進一步改善S/N比率。其只需在螢幕驅動用於取樣指紋之光發射 像素18時執行週期關閉。週期關閉的時間可以非常快(低於人類感知)或者根據所需要的優化性能而較慢。

另一種方式是在使用之後關閉光發射像素18以提供局部增強。如果顯示驅動器在短時間之後關閉每個照明光發射像素18，則其允許光感測器16從共同而較低的基線能量狀態來取樣每個光發射像素18，而不是隨著時間累積入射光能量，並且測量作為n+1光發射像素18照明結果的能量變化。假使單個光發射像素18在螢幕刷新週期內不能實際地依序被關閉，而透過關閉光發射像素組的方式仍然具有優點，例如一次一條掃描線。這類似於上述的分割和叢集概念，但是在這種情況下，叢集係在一個刷新週期內執行。

此外，可以根據遙感指紋讀取器來使用吸收型光發射像素基板。載有光發射像素的基板係被製成以吸收環境光，或是由遙感指紋讀取器產生之對指紋偵測不重要的光，具體來說是已知在光譜中非所需部分的能量。這可以在基板的構造中被動地來實現，並且可以在指紋讀取期間主動地改變基板的特質。基板可以包含電色、電子墨水或具有可變光學特質的其它材料。

也可以根據遙感指紋讀取器10而使用識別標誌分析。訊號的特定特質(例如幅度、頻率和停留時間)可以是相對恆定的，並且因此產生出真實訊號之可預測“識別標誌”。識別標誌分析係廣泛用於製造，以監控過程中的一致性，並確保成品的品質。在存有雜訊的情況下，簽名或圖案也可用於辨別出真正的訊號數據。可以分析到達光感測器16的訊息，以查找根據本發明或者與基線“識別標誌”相比較而產生之光發射像素18驅動數據的警示特質。指紋信息的紀錄僅發生於偵測到適當的識別標誌時。

根據另一替代的實施例，微透鏡陣列可以被放置在光發射像素之照明陣列的上方，以將光導向指紋上的適當位置。在這種情況下，透過適當的透鏡化，照明陣列可以大於指紋，因此可以使用具有相對粗糙的每英寸點(OPI,dots per inch)的照明陣列，並且將照明聚焦到更小的區域中，從而增加系統的OPI。

本發明相對用於全螢幕指紋掃描之現有技術裝置的主要優點是該裝置不需要感測器陣列，並且發射器之陣列已經是每個智慧型電話中的一部分。因此，僅透過向顯示螢幕12添加簡單的光感測器，整個顯示器便可以作為指紋感測器。

如上所述，許多交易係在安全性低於期望的情況下執行。例如，大多數***交易是在安全性很低的情況下來執行防盜，而***卡號之需要被取消和重新發出的次數即證明了盜用的頻率有多高。除了金融交易安全的進入權受到安全上的破壞行為。本發明的遙感指紋讀取器10解決了因***被放置在手機交易中而產生的問題，因為它可以採取物理上更大型和更可靠的指紋，以確保裝置(手機)是被經過識別確認的人開啟，但是並不僅是由圖片識別或***就能保證手機是由正確的人所持有。

除了指紋讀取之外，遙感指紋讀取器10能夠偵測/測量與顯示螢幕12所接觸之任何物體的顏色、輪廓線和輪廓。遙感指紋讀取器10是在其最基本形式中所能偵測表面特徵和顏色的裝置。作為認證裝置，其可以與具有獨特形狀、紋理或顏色(腳趾具有腳趾印部)之其他身體部位一起使用。它可以使用自定義的“***”或簽名。它將偵測具彈性之基底的花紋特徵，其中該基底如紙。

例如，參考圖25和圖26，是以本發明為基礎而將掃描系統作為觸碰位置讀取器11，其係透過偵測觸碰到顯示螢幕12之物體的位置，並且因此而定位出顯示螢幕12位置上之觸碰到透明蓋34的任何物體(例如手指)。這是在掃描整個顯示螢幕12時，透過監測位在透明蓋34之邊緣32的光感測器16所接收到的反射能量來實現。由光感測器16從陣列20之位在手指下的光發射像素18所接收到的反射能量(參見圖25)將會不同於從顯示螢幕12中其他地方之光發射像素18所接收到的反射能量(參見圖26)，其可以用於辨別出手指下面之光發射像素18的位置，並且因此辨別出手指之觸碰點的位置。再者，這可以在顯示螢幕12的正常操作期間完成，而不會影響顯示螢幕12之視覺上的操作。此外，這種觸碰位置讀取器11將使用類似於如上所述之關於遙感指紋讀取器10的功能元件，例如，類比數位轉換器28、微處理器24、記憶體30和驅動器26。或者，如果發射器被快速照亮或如果系統使用諸如紅外線的不可見光源，則操作對於用戶來說實質上是不可見的，其係透過操作接近或超過人類感知極限的發射器。紅外線可發射從集成到顯示器中的特殊光發射像素18或從顯示器堆中的另一層。如果掃描週期是快速的和/或以非累積方式進行掃描，則當然地實現成時域中的隱藏掃描，也就是說，光發射像素18在作為遙感指紋讀取器10的來源之後會被關閉(或回到期望的顯示顏色)。

此外，掃描系統將能夠偵測出除了指紋外之物體的輪廓。這些可以是其他觸覺生物測定指示器(掌紋等)或有意製作的“按鍵”。

該系統可以被製作成對於觸碰螢幕之物體的顏色是敏感的。這可以進一步擴展螢幕掃描操作的應用，以偵測有色對象和/或允許生物測定數據(例如皮膚的顏色)的額外區別。

透過偵測顏色的能力和快速掃描速率，可以利用每次心跳之指紋中的反射和再輻射之顏色的微妙變化來偵測心跳。這可以在指紋偵測過程期間或在指紋已經被驗證之後所附加的顏色敏感掃描中完成。在專用的掃描中，可以透過更大面積上的淨反射和再輻射來測量心跳，以加強訊號強度。這可以作為“獨立的”生命偵測器。對於諸如智慧型手錶或FitEit健康裝置的裝置，其裝置上的顯示螢幕是足夠大而能被用於遙感指紋讀取器10，同時還測量到獨立於遙感指紋讀取器10之佩戴者的脈搏。因此，遙感指紋讀取器10可以偵測指紋的脈搏，並將其在心跳和相位中與佩戴該裝置者的脈搏匹配。另外，可以連續地監測脈搏以確保該裝置沒有被移除以及被替換至在另一個人身上，因此可確保由該裝置所辨別出的人的確是先前佩戴該裝置的人。這對金融或進入交易的安全性來說是更優於目前可用之任何的其他手段。

具有能夠讀取顯示螢幕12上任何地方之指紋的能力係打開了當前無法利用於應用程式或手機程式的機會。顯示螢幕12之操作在目前並不是針對讀取指紋的優化。遙感指紋讀取器10之操作通常可由軟體存取之獨立的晶片控制，因此手指觸碰螢幕的區域能在強度，顏色和掃描速率進行掃描，其係用於讀取指紋而進行優化，並且不同從顯示器所使用的。在不太理想的條件下，例如明亮的環境光，應用會指示用戶將手指放置在被優化以用於指紋讀取的位置，以改善遙感指紋讀取器10的功能。此外，當需要指紋讀 取時，可以寫入照明優化以用於讀取指紋區域附近區域的手機程式(apps)，繪製出用戶將手指放置在為指紋讀取而優化的位置上。在讀取指紋之後，該區域可以被釋放以用於顯示。

因此，準備螢幕以讀取指紋的手機程式可以因此控制手指放置在螢幕上的位置，並且可以使用剩餘的螢幕來進行將使用指紋進行識別的操作。使用指紋識別之操作的示例是金融交易，例如蘋果的電子錢包和類似的***應用。當讀取指紋時，未使用的螢幕可以用來顯示僅用於一個交易(僅在有限時間，例如30秒內有效)的交易代碼，例如條形碼，增加了購買交易的安全性。為了加強需要操作者識別之交易中的安全性，因而編寫出用於將裝置螢幕作為指紋讀取器的應用，其將被涵蓋在本發明的範圍內。

除了金融交易之外，這種應用的示例將是諸如存取控制系統(用手機14閱讀器或藍牙啟用系統取代識別卡刷卡系統，或用手機取代車庫門開啟器)的物理安全操作。手機14可以成為操作人的汽車、打開門鎖、啟動空調或解開槍支安全鎖的鑰匙。當與手機14連結時，可以遠程地(從另一大陸)執行安全操作。藍牙啟用操作可以在合宜的距離來被執行，一旦手機14辨別出持有它之人的身份時，便能在他們接近時打開門。

允許手機14更換識別刷卡以進行安全安裝之個人識別的應用，其將需要能夠滿足NIST SP800-76(PIV)中規定之美國聯邦調查局所要求的指紋感測器，其只能利用比目前手機14正面上所使用之感測器大得多(12.8mm×16.5mm)的指紋感測區域。只有背面安裝的感測器(其不受用戶歡迎)和本專利中所描述的全螢幕感測可以滿足美國聯邦調查局要求。一旦手機14上之指紋感測器的識別可靠性達到該位準，則手機14可以用於其他安全 操作，例如銀行機構用於金融交易的識別符記。儘管已經示出和描述了較佳實施例，但是應當理解的是，並不是透過這樣的公開來限制本發明，而是旨在納入所落入本發明的精神和範圍內的所有修改和替代性結構。

Claims (10)

1. 一種指紋讀取器，包含：一顯示螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；單一感測器，係耦接至該顯示螢幕的邊緣；一顯示驅動器，係指示該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一序列發亮；一微處理器，係與該顯示驅動器及該單一感測器通信，其中該微處理器知道該能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間；其中當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從指紋反射到該單一感測器上，該單一感測器所接收的該能量係根據至少一指紋的脊部及谷部而處於不同的強度位準，該單一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，當該等能量發射像素被依序地照亮時，該微處理器從該訊號產生一指紋圖像。
2. 如請求項1所述之指紋讀取器，進一步包括用來儲存由該微處理器所產生的該指紋圖像的一記憶體。
3. 如請求項1所述之指紋讀取器，進一步包括位於該單一感測器與該微處理器之間的一類比數位轉換器，其係用以將該單一感測器產生的類比訊號轉換為該微處理器所能使用的數位訊號。
4. 如請求項1所述之指紋讀取器，其中該透明蓋為玻璃。
5. 如請求項1所述之指紋讀取器，其中該單一感測器為用來測量該等能量發射像素之該陣列的能量強度位準的一光感測器。
6. 如請求項1所述之指紋讀取器，其中該透明蓋為平面的。
7. 如請求項1所述之指紋讀取器，其中該透明蓋為曲面的。
8. 如請求項5所述之指紋讀取器，進一步包括一能量導向結構，該光感測器係放置於該能量導向結構中，該能量導向結構係位於該透明蓋的一表面，並包括允許將來自該顯示螢幕的能量反射到該光感測器的一光學元件。
9. 一種讀取器，包含：一螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；單一感測器，係耦接至該螢幕之邊緣；一驅動器，係指示該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一序列發亮；一微處理器，係與該顯示驅動器及該單一感測器通信，其中該微處理器知道能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間；其中當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該該能量發射像素依序發亮的能量會從指紋反射到該單一感測器上，該單一感測器所接收的該能量係根據至少一指紋的脊部及谷部而處於不同的強度位準，該單一感測器傳送關於能量 強度位準的一訊號至該微處理器，當該等能量發射像素被依序地照亮時，該微處理器從該訊號產生一指紋圖像。
10. 一種讀取器，包含：一螢幕，係由複數個能量發射像素(energy emitting pixels)之一陣列所組成，該陣列係由一透明蓋所覆蓋；單一感測器，係耦接至該螢幕之邊緣；一驅動器，係指示該顯示螢幕的該等能量發射像素之該陣列依一序列發亮；一微處理器，係與該顯示驅動器及該單一感測器通信，其中該微處理器知道能量發射像素被照亮的位置以及照明發生的特定時間；其中當至少一手指放置在該透明蓋上且該顯示驅動器被啟動時，從各該能量發射像素依序發亮的能量會從手指反射到該單一感測器上，該單一感測器所接收的能量係根據手指在螢幕上的位置而處於不同的強度位準，該單一感測器傳送關於能量強度位準的一訊號至該微處理器，該微處理器從該訊號決定手指在螢幕上的位置。