相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求于2015年10月23日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/245,942的優(yōu)先權(quán)。通過引用將上述專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容合并為本申請(qǐng)的公開內(nèi)容的一部分。

本專利申請(qǐng)大體涉及用于安全地訪問電子裝置或信息系統(tǒng)的指紋識(shí)別及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

指紋可以用于針對(duì)訪問電子裝置、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電子數(shù)據(jù)庫(kù)或信息系統(tǒng)來對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證，其可以作為獨(dú)立認(rèn)證方法使用，也可以與一個(gè)或多個(gè)其他認(rèn)證方法(例如密碼認(rèn)證方法)組合使用。例如，包括便攜或移動(dòng)計(jì)算裝置的電子裝置(例如膝上型電腦、平板電腦、智能手機(jī)和游戲系統(tǒng))可以采用用戶認(rèn)證機(jī)制來保護(hù)個(gè)人數(shù)據(jù)并防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。在另一個(gè)示例中，為了為組織或企業(yè)保護(hù)信息或者裝置或系統(tǒng)的使用，應(yīng)當(dāng)確保用于組織或企業(yè)的計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)控制的裝置或系統(tǒng)僅允許授權(quán)人員訪問，。在便攜裝置和計(jì)算機(jī)控制的數(shù)據(jù)庫(kù)、裝置或系統(tǒng)中存儲(chǔ)的信息可以是本質(zhì)上個(gè)人的，例如個(gè)人聯(lián)系人或電話簿、個(gè)人照片、個(gè)人健康信息或者其他個(gè)人信息,或者可以是由組織或企業(yè)專用的保密信息，例如商業(yè)財(cái)務(wù)信息、員工數(shù)據(jù)、商業(yè)秘密和其他專有信息。如果對(duì)電子裝置或系統(tǒng)訪問的安全性受損，那么這些數(shù)據(jù)可能被其他人訪問，導(dǎo)致個(gè)人隱私的喪失或有價(jià)值的保密信息的丟失。除了信息安全之外，保護(hù)對(duì)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)控制的裝置或系統(tǒng)的訪問還允許保護(hù)由計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)處理器控制的裝置或系統(tǒng)(例如計(jì)算機(jī)控制的汽車和其它系統(tǒng)，例如atm)的使用。

可通過不同方式(例如使用用戶密碼)來實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置(例如移動(dòng)裝置)或系統(tǒng)(例如電子數(shù)據(jù)庫(kù)和計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng))的安全訪問。但是，密碼可以容易地傳播或獲得，并且密碼的這種性質(zhì)會(huì)降低安全性等級(jí)。此外，用戶需要記住密碼以使用電子裝置或系統(tǒng)，而如果用戶忘記密碼，那么用戶需要進(jìn)行某些密碼恢復(fù)程序以獲得認(rèn)證或以其他方式重獲對(duì)裝置的訪問，這樣的過程對(duì)于用戶而言可能是負(fù)擔(dān)，并且具有各種實(shí)際限制和不便?？梢岳脗€(gè)人指紋識(shí)別來實(shí)現(xiàn)用于增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性的用戶認(rèn)證，同時(shí)減輕與密碼相關(guān)聯(lián)的某些不期望的效果。

包括便攜或移動(dòng)計(jì)算裝置的電子裝置或系統(tǒng)可以采用用戶認(rèn)證機(jī)制來保護(hù)個(gè)人或其他保密數(shù)據(jù)并防止未經(jīng)授權(quán)的訪問。可通過一種或多種形式的生物標(biāo)識(shí)符來執(zhí)行電子裝置或系統(tǒng)上的用戶認(rèn)證，其可以單獨(dú)使用或者在常規(guī)的密碼認(rèn)證方法之外附加使用。一種形式的生物標(biāo)識(shí)符是人的指紋圖案。指紋傳感器可以內(nèi)置在電子裝置或信息系統(tǒng)中以讀取用戶的指紋圖案，使得裝置只能由該裝置的授權(quán)用戶通過認(rèn)證該授權(quán)用戶的指紋圖案來解鎖。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本專利申請(qǐng)中描述的實(shí)施方式的示例提供了使用光學(xué)傳感器來感測(cè)指紋的指紋傳感器設(shè)計(jì)。所描述的指紋傳感器設(shè)計(jì)可用于各種裝置、系統(tǒng)或應(yīng)用，包括移動(dòng)應(yīng)用和各種可穿戴或便攜裝置(例如智能手機(jī)、平板電腦、手腕佩戴裝置)，更大的電子裝置或系統(tǒng)。

在一個(gè)方面，提供一種具有光學(xué)指紋感測(cè)功能的電子裝置，其包括：觸摸接收表面，該觸摸接收表面包括用于接收接觸輸入的觸摸區(qū)域；光學(xué)傳感器模塊，其檢測(cè)所接收的、與觸摸接收表面上的指紋相關(guān)聯(lián)的接觸輸入的存在，以產(chǎn)生第一信號(hào)和第二信號(hào)，所述第一信號(hào)指示指紋的空間圖案的圖像，第二信號(hào)指示與指紋的空間圖案不同并表現(xiàn)活人特性的生物學(xué)標(biāo)記。光學(xué)傳感器模塊包括光源和光學(xué)傳感器陣列，光源用于產(chǎn)生投射到觸摸接收表面上的探測(cè)光，光學(xué)傳感器陣列被定位為從所述觸摸接收表面接收帶有所接收的接觸輸入的信息的探測(cè)光并產(chǎn)生光學(xué)傳感器信號(hào)。該裝置可以進(jìn)一步包括處理電路，其可通信地耦接為接收光學(xué)傳感器信號(hào)來處理第一信號(hào)，以確定所檢測(cè)的圖像是否與授權(quán)用戶的指紋圖案匹配，以及處理所述第二信號(hào)，以確定生物學(xué)標(biāo)記是否指示與指紋相關(guān)聯(lián)的接觸輸入來自活人的手指。

在另一個(gè)方案中，所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器可以被實(shí)現(xiàn)為提供以下特征的一個(gè)或多個(gè)。光學(xué)指紋傳感器包括光源、耦合器、間隔物、光電二極管陣列和蓋板玻璃。間隔物可以由玻璃材料、粘合材料、甚至氣隙或真空制成。耦合器可以由玻璃材料、粘合材料、甚至空氣或真空制成。蓋板玻璃可以是顯示器蓋板玻璃的一部分，或者是單獨(dú)的蓋板玻璃。每個(gè)所述耦合器、間隔物和蓋板玻璃都可以是多個(gè)層。

所公開的技術(shù)通過匹配材料形狀和折射率來提供對(duì)信號(hào)對(duì)比度控制的靈活性。通過匹配探測(cè)光束入射角、發(fā)散角以及所涉及的耦合器、間隔物和蓋板玻璃的材料，可將探測(cè)光束控制為針對(duì)不同的觸摸材料、在感測(cè)表面處被全部反射或部分反射。

所公開的光學(xué)指紋傳感器還提供無水效果。典型的智能手機(jī)蓋板玻璃的折射率為約1.50。一種設(shè)計(jì)是使用低折射率材料(mgf2、caf2、聚合物等等)來形成耦合器。所公開的技術(shù)可用于將感測(cè)表面處的局部探測(cè)光束入射角控制為大約68.5°。當(dāng)水觸摸光學(xué)指紋傳感器的感測(cè)表面時(shí)，全反射角約為62.46°，當(dāng)指紋脊觸摸感測(cè)表面時(shí)，全反射角約為73.74°。當(dāng)沒有東西觸摸感測(cè)表面時(shí)，全反射角約為41.81°。在這種設(shè)計(jì)中，在浸水區(qū)域，探測(cè)光被全部反射到光電二極管陣列；在指紋脊觸摸位置，不到5％的探測(cè)光被反射到光電二極管陣列；在干的指紋谷位置，探測(cè)光束也被全部反射到光電二極管陣列。這意味著只有指紋脊產(chǎn)生被檢測(cè)到的信號(hào)。

汗的折射率低于手指皮膚的折射率。所公開的技術(shù)提供區(qū)分指紋中的汗孔的方案。

當(dāng)用氣隙來形成耦合器時(shí)，在感測(cè)表面不發(fā)生全反射。不同觸摸材料(指紋脊、指紋溝和其它污染物)之間的反射率差異可用于檢測(cè)指紋圖像。

由于光路壓縮效應(yīng)，感測(cè)區(qū)域尺寸可大于光電二極管陣列尺寸。

光源可以是以適當(dāng)距離安裝的點(diǎn)光源。

可以通過球面透鏡、柱面透鏡或非球面透鏡使探測(cè)光束準(zhǔn)直。

探測(cè)光束可以具有適當(dāng)?shù)陌l(fā)散角。探測(cè)光束也可以是發(fā)散的或會(huì)聚的。

由于光路壓縮效應(yīng)，耦合器可以很薄。例如，可以使用小于1mm厚度的caf2耦合器來實(shí)現(xiàn)甚至10mm的感測(cè)區(qū)域尺寸。在本示例中，圖像壓縮比為1:10。這有助于降低傳感器成本。

光電二極管陣列安裝在耦合器的一端而不是耦合器的下方。這種設(shè)計(jì)使得可以靈活地應(yīng)用彩色涂料、照明燈等等來補(bǔ)償顏色或裝飾傳感器區(qū)域。

可以調(diào)制探測(cè)光源以幫助減少背景光的影響。光電二極管陣列被設(shè)計(jì)為在任何照明環(huán)境中都能良好地工作。

蓋板玻璃厚度不對(duì)指紋感測(cè)構(gòu)成限制。

該原理可用于構(gòu)建光學(xué)觸摸面板。

在另一個(gè)方案中，所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器可以被實(shí)現(xiàn)為進(jìn)行活體手指檢測(cè)，包括以下：

光學(xué)指紋傳感器可以檢測(cè)觸摸材料是否為活體手指，并且可以提高傳感器的安全性。

可將指定光源和檢測(cè)器用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料。

當(dāng)使用單一波長(zhǎng)時(shí)，心跳檢測(cè)提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。

當(dāng)使用兩個(gè)或更多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，比較波長(zhǎng)的消光比，以檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。

指紋傳感器光源和光電二極管陣列可用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。

動(dòng)態(tài)指紋圖像可用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。動(dòng)態(tài)指紋圖像還可用于檢測(cè)活體手指觸摸感測(cè)區(qū)域時(shí)按壓力。

對(duì)于不同的安全需求任務(wù)，可以建立多個(gè)安全等級(jí)。

在另一個(gè)方案中，可將光學(xué)指紋傳感器實(shí)施為實(shí)現(xiàn)各種裝飾元件，包括以下：

耦合器的下表面可以涂有相同的顏色或圖案層，以與平臺(tái)表面顏色匹配。

耦合器的下表面可以涂有不同的顏色或圖案層，以顯示新的外觀樣式。

彩色光源可以被安裝在耦合器周圍，以裝飾傳感器區(qū)域。

在另一個(gè)方案中，作為單獨(dú)按鈕封裝的光學(xué)指紋傳感器可以進(jìn)行如上所述的相同指紋檢測(cè)和活體手指檢測(cè)。另外，作為單獨(dú)按鈕的光學(xué)指紋傳感器封裝可以被實(shí)施為具有以下特征：

根據(jù)應(yīng)用，蓋板玻璃和相關(guān)間隔物材料的特征在于在厚度上具有靈活性。

特別地，實(shí)際封裝不使用蓋板玻璃和間隔物材料。

另一種實(shí)用設(shè)計(jì)是使用薄層蓋板玻璃來保護(hù)耦合器。蓋板玻璃可以具有高硬度。

使用彩色玻璃或其它光學(xué)材料來構(gòu)建蓋板也是實(shí)用的。

封裝方法提供構(gòu)建緊湊按鈕的方案，可以以提高的安全性檢測(cè)指紋。

可以集成其它機(jī)械部件，以使得模塊堅(jiān)固。

在另一個(gè)方案中，提供一種有光學(xué)指紋感測(cè)模塊的電子裝置，其包括：觸摸感測(cè)顯示面板，該觸摸感測(cè)顯示面板包括觸摸感測(cè)和顯示區(qū)域，用于顯示圖像和內(nèi)容以及用于接收用戶接觸輸入；頂部透明蓋板，在觸摸感測(cè)顯示面板的頂部形成并且可操作為頂部觸摸感測(cè)表面，頂部觸摸感測(cè)表面用于用戶將用戶接觸輸入提供給觸摸感測(cè)顯示面板，并傳輸光線，用于用戶觀看通過觸摸感測(cè)顯示面板顯示的圖像；以及光學(xué)傳感器模塊，放置在頂部透明蓋板下面并且從觸摸感測(cè)顯示面板移位。光學(xué)傳感器模塊被配置為檢測(cè)所接收的與頂部觸摸感測(cè)表面上的指紋相關(guān)聯(lián)的接觸輸入的存在，以產(chǎn)生第一信號(hào)和第二信號(hào)，第一信號(hào)指示指紋的空間圖案的圖像，第二信號(hào)指示與指紋的空間圖案不同并表現(xiàn)活人特性的生物學(xué)標(biāo)記。光學(xué)傳感器模塊包括探測(cè)光源和光學(xué)傳感器陣列，探測(cè)光源用于產(chǎn)生投射到頂部觸摸感測(cè)表面上的探測(cè)光，光學(xué)傳感器陣列被定位為接收從所述觸摸接收表面接收帶有所接收的接觸輸入的信息的探測(cè)光并產(chǎn)生光學(xué)傳感器信號(hào)。探測(cè)光源產(chǎn)生具有兩種不同波長(zhǎng)的探測(cè)光，血液對(duì)于所述兩種不同的波長(zhǎng)有通過血液的不同光學(xué)吸收。通過感測(cè)在兩種不同波長(zhǎng)的每個(gè)波長(zhǎng)的反射的探測(cè)光，由光學(xué)傳感器陣列捕獲指示指紋的空間圖案的圖像的第一信號(hào)，且通過兩種不同波長(zhǎng)的反射的探測(cè)光中的差異帶有指示生物學(xué)標(biāo)記的第二信號(hào)。

在附圖、說明書和權(quán)利要求書中更詳細(xì)地描述了上述和其它方案和特征。

附圖說明

圖1a是用于控制對(duì)計(jì)算機(jī)處理器控制的裝置或系統(tǒng)的訪問的、基于光學(xué)感測(cè)的指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)的示例的方框圖。

圖1b是示出基于圖1a中的設(shè)計(jì)在移動(dòng)裝置(例如智能手機(jī))中實(shí)現(xiàn)的示例性指紋傳感器裝置的方框圖。

圖2是示出封裝在平臺(tái)(例如智能電話)的屏幕蓋玻璃下方的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。

圖3是示出示例性指紋感測(cè)光路的示意圖。

圖4是具有空氣或真空耦合器的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。

圖5是示出用于指紋感測(cè)的示例性光學(xué)指紋傳感器的方框圖。

圖6是示出示例性活體指紋檢測(cè)的示意圖。

圖7示出被監(jiān)測(cè)的材料的示例性擴(kuò)展系數(shù)。

圖8示出組織的不同部分中的血流。

圖9示出非生命材料(例如假手指)與活體手指之間的比較。

圖10示出用于針對(duì)認(rèn)證活體手指建立不同安全等級(jí)的示例性處理1000的處理流程圖。

圖11是示出用于傳感器區(qū)域裝飾的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。

圖12是示出作為單獨(dú)按鈕封裝的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。

圖13是示出示例性指紋以及使用作為單獨(dú)按鈕封裝的光學(xué)指紋傳感器的活體手指檢測(cè)的示意圖。

具體實(shí)施方式

本專利申請(qǐng)所述的指紋感測(cè)包括對(duì)指紋圖案進(jìn)行光學(xué)感測(cè)。

圖1a是用于控制對(duì)計(jì)算機(jī)處理器控制的裝置或系統(tǒng)的訪問的、基于光學(xué)感測(cè)的指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)的示例的方框圖。該系統(tǒng)使用具有光學(xué)檢測(cè)器的陣列的光學(xué)指紋傳感器來捕獲接收到的光線的光學(xué)圖像，該光學(xué)圖像帶有來自如下手指的指紋圖案，該手指觸摸被照明光束照射的光學(xué)指紋傳感器感測(cè)表面。系統(tǒng)包括指紋傳感器控制電路以及數(shù)字指紋處理處理器，該指紋傳感器控制電路接收來自光學(xué)指紋傳感器中的光學(xué)檢測(cè)器的輸出，數(shù)字指紋處理處理器可包括一個(gè)或多個(gè)處理器，該一個(gè)或多個(gè)處理器用于處理指紋圖案并確定輸入的指紋圖案是否為授權(quán)用戶的指紋圖案。指紋感測(cè)系統(tǒng)可將捕獲的指紋與存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行比較，以啟用或禁用由指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)保護(hù)的裝置或系統(tǒng)中的功能。例如，atm處的指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)可以確定請(qǐng)求訪問資金的客戶的指紋。基于客戶的指紋與一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)的指紋的比較，指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)可以使得atm系統(tǒng)允許對(duì)于資金的訪問，并且可以識(shí)別客戶，從而將適當(dāng)?shù)馁~戶與信用相關(guān)聯(lián)或者扣除所請(qǐng)求的資金。各種各樣的裝置或系統(tǒng)可以與所公開的光學(xué)指紋傳感器結(jié)合使用，各種各樣的裝置或系統(tǒng)包括移動(dòng)應(yīng)用和各種可穿戴裝置或便攜裝置(例如智能手機(jī)、平板電腦、手腕佩戴裝置)，更大的電子裝置或系統(tǒng)，例如便攜形式或桌面形式的個(gè)人計(jì)算機(jī)、atm、到各種電子系統(tǒng)的各種終端、數(shù)據(jù)庫(kù)、或用于商業(yè)或政府用途的信息系統(tǒng)、機(jī)動(dòng)交通系統(tǒng)(包括汽車、船、火車、飛機(jī)等等)。圖1b示出智能手機(jī)或便攜裝置的示例，在該智能手機(jī)或便攜裝置中，指紋用戶認(rèn)證系統(tǒng)是集成到智能手機(jī)的模塊。

指紋感測(cè)在使用安全訪問的移動(dòng)應(yīng)用和其他應(yīng)用中是有用的。例如，指紋感測(cè)可以用于提供對(duì)移動(dòng)裝置的安全訪問并保護(hù)金融交易(包括在線購(gòu)買)。期望包括適合于移動(dòng)裝置的魯棒且可靠的指紋傳感器特征。例如，期望移動(dòng)裝置中的指紋傳感器具有小的占用面積并且薄，以適應(yīng)移動(dòng)裝置中非常有限的空間；此外，期望包括保護(hù)蓋以保護(hù)這種指紋傳感器使其免受各種污染物污染。

在本專利申請(qǐng)中用于指紋感測(cè)的光學(xué)傳感技術(shù)可以被實(shí)現(xiàn)為提供高性能指紋感測(cè)，并且可以以緊湊的尺寸被封裝，以適合移動(dòng)裝置和其他小型裝置的封裝。在電容性指紋傳感器中，感測(cè)基于對(duì)感測(cè)電極和手指表面之間由于它們的電容耦合而產(chǎn)生的電容進(jìn)行測(cè)量。隨著位于電容性傳感器像素之上的保護(hù)蓋變得更厚，每個(gè)電容性傳感器像素所感測(cè)的電場(chǎng)在空間中快速分散，導(dǎo)致傳感器的空間分辨率急劇下降。結(jié)合感測(cè)空間分辨率的這種下降，在每個(gè)傳感器像素處接收到的傳感器信號(hào)強(qiáng)度也隨著保護(hù)蓋厚度的增加而顯著下降。因此，當(dāng)保護(hù)蓋厚度超過某閾值(例如300μm)時(shí)，對(duì)于這種電容性傳感器而言，變得更難以在感測(cè)指紋圖案中提供期望的高空間分辨率以及更難以以可接受的保真度可靠地分辨感測(cè)到的指紋圖案。

在一個(gè)方面，所公開的技術(shù)提供了在薄的光學(xué)指紋傳感器封裝中的光學(xué)指紋傳感器設(shè)計(jì)，用于容易地將其集成到移動(dòng)裝置或其他緊湊裝置中。在一些實(shí)施方式中，所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器使用匹配的光耦合方案，以提供具有低成本、高性能和靈活的封裝結(jié)構(gòu)的光學(xué)指紋感測(cè)。所公開的光學(xué)指紋傳感器也可以被配置為提供活體手指檢測(cè)，以提高安全性。此外，所公開的光學(xué)指紋傳感器方案可包括各種裝飾選項(xiàng)，其提供集成傳感器的平臺(tái)的定制外觀。

所公開技術(shù)的實(shí)施方式的示例可以用來引入用于感測(cè)手指屬性(包括指紋檢測(cè))的光學(xué)技術(shù)。光學(xué)技術(shù)可用于各種各樣的裝置和系統(tǒng)，包括具有顯示器結(jié)構(gòu)的裝置和系統(tǒng)。光學(xué)指紋傳感器可以被集成在顯示器(例如觸摸感測(cè)顯示裝置)的相同蓋板下，或者被封裝在分立裝置中。

基于所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器的性能不受封裝蓋厚度(封裝蓋的厚度可能妨礙電容性指紋傳感器)的限制。就此而言，基于所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器可通過使用合適的光學(xué)成像捕獲配置而被實(shí)現(xiàn)為薄封裝，合適的光學(xué)成像捕獲配置包括無成像透鏡或棱鏡的配置(成像透鏡或棱鏡趨于使得光學(xué)成像模塊笨重)?；谒_技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器的實(shí)現(xiàn)方式可以提供顏色匹配設(shè)計(jì)特征，以允許光學(xué)指紋感測(cè)區(qū)域的顏色為某些期望的顏色，例如匹配周圍結(jié)構(gòu)的顏色。

在一些實(shí)現(xiàn)方式中，所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器可以被封裝在平臺(tái)屏幕蓋板玻璃下方，而不改變蓋板厚度和顏色。光學(xué)指紋傳感器可包括光學(xué)傳感器陣列，例如光電二極管陣列或cmos傳感器陣列，并且由于壓縮光路結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)，可使光學(xué)傳感器陣列的尺寸為緊湊尺寸。此外，該設(shè)計(jì)提供裝飾傳感器區(qū)域的靈活性，例如利用彩色光照明提供了該靈活性。

在一些實(shí)施方式中，除了指紋的光學(xué)感測(cè)之外，提供生物學(xué)指示的光學(xué)感測(cè)以指示指紋圖案的輸入是否來自活人。這種附加的光學(xué)感測(cè)特征可用于滿足對(duì)于克服可能損害對(duì)指紋保護(hù)裝置或系統(tǒng)的安全或授權(quán)訪問的各種方式的需要。例如，指紋傳感器可能被惡意個(gè)人攻擊，惡意個(gè)人可以獲得授權(quán)用戶的指紋，并在類似于人手指的載體對(duì)象上復(fù)制盜取的指紋圖案?？梢栽谥讣y傳感器上使用這種未經(jīng)授權(quán)的指紋圖案來解鎖目標(biāo)裝置或系統(tǒng)。因此，指紋圖案雖然是唯一的生物學(xué)標(biāo)識(shí)符，但是其本身可能不是完全可靠或安全的標(biāo)識(shí)。本文所述的技術(shù)、裝置和系統(tǒng)補(bǔ)充了所公開的基于光學(xué)感測(cè)的指紋認(rèn)證技術(shù)，其通過使用光學(xué)感測(cè)技術(shù)來確定輸入指紋是否來自活人而進(jìn)一步提高了安全等級(jí)。

指紋傳感器電路和活體手指檢測(cè)

圖1b是示出在移動(dòng)裝置(例如智能手機(jī)、平板電腦或便攜計(jì)算裝置1)中實(shí)現(xiàn)的示例性指紋傳感器裝置23的方框圖，該移動(dòng)裝置具有觸摸感測(cè)顯示屏或觸摸面板10，用于觸摸感測(cè)用戶輸入以及顯示裝置1的圖像以及功能兩者。這是圖1a中的一般光學(xué)指紋感測(cè)控制的系統(tǒng)的具體實(shí)施方式示例。觸摸面板或感測(cè)顯示屏10可以基于各種觸摸感測(cè)顯示設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，其包括具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的顯示屏，其中每個(gè)單獨(dú)像素產(chǎn)生光線、用于在屏幕上形成顯示圖像，該屏幕例如是有機(jī)發(fā)光二極管(oled)顯示屏或電致發(fā)光顯示屏或其它顯示屏(例如基于lcd的觸摸感測(cè)顯示屏)。觸摸感測(cè)顯示面板包括觸摸感測(cè)和顯示區(qū)域，其用于顯示圖像和內(nèi)容以及用于接收來自用戶的接觸輸入。

圖1b中示出了指紋傳感器裝置標(biāo)記21，以示例性說明指紋傳感器裝置23相對(duì)于移動(dòng)裝置1的示例性位置。指紋傳感器裝置23包括進(jìn)行指紋掃描、活體指紋檢測(cè)和感測(cè)區(qū)域裝飾功能的感測(cè)單元或電路2。感測(cè)單元2可通信地耦接到處理電路5，處理電路5用于處理來自感測(cè)單元2的信號(hào)流，并處理與指紋掃描和活體指紋判斷等相關(guān)的信號(hào)。

接口6橋接指紋傳感器裝置23與應(yīng)用平臺(tái)或主機(jī)裝置7(在該示例中為智能手機(jī)1)之間的信號(hào)流。應(yīng)用平臺(tái)7的示例包括智能手機(jī)1、平板計(jì)算機(jī)、膝上型計(jì)算機(jī)、可穿戴裝置和期望安全訪問的其他電子裝置。例如，接口6可以與智能電話1的中央處理器(或者直接地，或者通過其他部件、例如總線或接口)通信，以提供來自指紋傳感器裝置21的傳感器數(shù)據(jù)，該傳感器數(shù)據(jù)包括指紋圖像數(shù)據(jù)和指示所檢測(cè)的、進(jìn)行接觸輸入的指紋是否屬于活體指紋的信息。

在圖1b所示的示例中，感測(cè)單元2包括指紋傳感器3、活體指紋檢測(cè)器4、以及光耦合和照明單元8。指紋傳感器3捕獲指紋圖案，并且可以利用一種或多種光學(xué)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?；铙w指紋傳感器4可包括用于分析指紋圖像動(dòng)力學(xué)的電路?；铙w手指?jìng)鞲衅?可包括用于根據(jù)所掃描的指紋來感測(cè)附加生物學(xué)標(biāo)記(例如心跳或心率)的電路(例如光學(xué)傳感器)。

活體指紋傳感器4被設(shè)計(jì)為檢測(cè)指紋是否來自活人的手指，并且該活體手指檢測(cè)或判斷是基于活人的手指可表現(xiàn)出某些運(yùn)動(dòng)或物理特性的事實(shí)，這些特性通常與活人相關(guān)聯(lián)，例如由于血液流過用戶血管所致的脈沖信號(hào)。例如，血細(xì)胞在可見波長(zhǎng)(例如較高的光學(xué)吸收)和近ir波長(zhǎng)(例如與可見波長(zhǎng)相比較低的光學(xué)吸收)處表現(xiàn)出不同的光學(xué)吸收光譜特征。血液的這種不同的光學(xué)吸收特征可以由活體指紋傳感器4以光學(xué)方式捕獲。血流的其它特征可以由血管中的壓力變化反映。在一些實(shí)施方式中，活體指紋傳感器4可包括壓力傳感器、光學(xué)傳感器或者可以檢測(cè)活體手指的移動(dòng)、伸展或脈動(dòng)的其他傳感器。例如，光學(xué)傳感器可包括：用于發(fā)射光線的光源(例如發(fā)光二極管(led)或激光二極管(ld))；以及用于檢測(cè)響應(yīng)于發(fā)射光而從手指散射的散射光的光檢測(cè)器(例如光電二極管)。當(dāng)光傳播通過手指組織或血細(xì)胞時(shí)，光線被部分地吸收并且部分地散射?；铙w手指運(yùn)動(dòng)或血流引起光吸收截面的變化。光電二極管檢測(cè)這種變化，并且所檢測(cè)的信號(hào)可被用于指示正在呈現(xiàn)給裝置的指紋是否來自活人。

光耦合和照明單元8在指紋感測(cè)表面處產(chǎn)生探測(cè)光束，指紋感測(cè)表面產(chǎn)生反射的探測(cè)光束進(jìn)入感測(cè)單元的光學(xué)傳感器陣列(例如光電二極管陣列或cmos傳感器陣列)中。當(dāng)探測(cè)光束與觸摸感測(cè)表面的手指皮膚相遇時(shí)，產(chǎn)生指紋信號(hào)。指紋傳感器3通過跨越指紋圖案檢測(cè)在感測(cè)表面處探測(cè)光束的反射差異來獲取指紋信號(hào)，其中，與手指中手指皮膚不接觸感測(cè)表面的指紋溝位置處的光學(xué)反射相比，手指中與感測(cè)表面接觸的指紋脊皮膚的位置產(chǎn)生較低的光學(xué)反射。手指跨越所觸摸的感測(cè)表面的上述反射差異的空間分布由所反射的光學(xué)探測(cè)光束(作為指紋傳感器3中光學(xué)檢測(cè)器的陣列檢測(cè)到的光學(xué)圖像)承載。

所公開的技術(shù)提供兩種指紋傳感器封裝技術(shù)來實(shí)現(xiàn)指紋檢測(cè)和活體手指檢測(cè)。第一種封裝技術(shù)是將指紋傳感器封裝在平臺(tái)(例如智能手機(jī))的屏幕蓋板玻璃下方。第二種封裝技術(shù)是將指紋傳感器封裝為單獨(dú)的指紋感測(cè)按鈕。

封裝在屏幕蓋板玻璃下方的指紋傳感器

圖2是示出封裝在平臺(tái)(例如智能手機(jī)、平板電腦或便攜電子裝置)的屏幕蓋板玻璃下方的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。圖3進(jìn)一步示出圖2中的裝置的示例性指紋感測(cè)光路。

在圖2中，示例性光學(xué)指紋傳感器23被封裝在屏幕蓋板玻璃(例如平臺(tái)1(例如智能手機(jī))的增強(qiáng)蓋板玻璃50)下方。在圖2左上側(cè)的俯視圖中用指紋傳感器標(biāo)記21示出光學(xué)指紋傳感器23的位置。智能手機(jī)平臺(tái)1包括觸摸面板組件10、其他傳感器12(例如相機(jī))、以及位于側(cè)面的實(shí)體按鈕12和16。在蓋板玻璃50下方可包括顏色材料層52、作為觸摸面板組件10中顯示屏一部分的顯示層54(例如oled層或lcd層)以及觸摸面板組件10中顯示屏的底層56。此外也可以放置觸摸感測(cè)層來覆蓋顯示層54，以提供觸摸感測(cè)功能。

在圖2的光學(xué)指紋傳感器設(shè)計(jì)中，封裝設(shè)計(jì)不同于使用與顯示屏分離的指紋傳感器結(jié)構(gòu)的一些其他指紋傳感器設(shè)計(jì)，其他指紋傳感器設(shè)計(jì)在移動(dòng)裝置的表面上、在顯示屏與指紋傳感器之間有物理分界(例如在一些移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中，在頂部玻璃蓋板開口中的按鈕狀結(jié)構(gòu))。在圖1b所示的設(shè)計(jì)下，在用于光學(xué)指紋的區(qū)域21中形成的指紋傳感器23位于頂部蓋板玻璃或?qū)?0下方，使得蓋板玻璃或?qū)?0的上表面充當(dāng)裝置的上表面，作為跨越觸摸顯示組件10的顯示屏和光學(xué)檢測(cè)器傳感器模塊23兩者的連續(xù)且均勻的玻璃表面。在圖1至圖6所示的示例中，光學(xué)傳感器模塊位于透明襯底50(例如玻璃蓋板)的一側(cè)，透明襯底50是連續(xù)的，在光學(xué)傳感器模塊處或附近沒有任何開口。這種設(shè)計(jì)不同于具有指紋傳感器的各種智能手機(jī)，并提供獨(dú)特的功能和好處。用于將光學(xué)指紋感測(cè)和觸敏顯示屏集成在公共且均勻的表面下方的這種設(shè)計(jì)提供的好處包括改進(jìn)了裝置集成、改善了裝置封裝、提高了裝置的抗故障性和耐磨損性、以及增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)。在指紋的光學(xué)感測(cè)和其他感測(cè)操作的一些實(shí)施方式中，例如圖12中的設(shè)計(jì)，可將光學(xué)傳感器模塊封裝在分立的裝置配置中，在該分立的裝置配置中，光學(xué)傳感器模塊是具有與顯示屏的結(jié)構(gòu)邊界或分界的不同結(jié)構(gòu)，例如在基于所有光學(xué)感測(cè)或者兼有容性感測(cè)和光學(xué)感測(cè)的混合感測(cè)的一些移動(dòng)電話設(shè)計(jì)中、在頂部玻璃蓋板的開口中的按鈕式指紋傳感器結(jié)構(gòu)。

設(shè)置在蓋板玻璃50下方的光學(xué)指紋傳感器23可包括設(shè)置在匹配的顏色材料層25和探測(cè)光源29上的光學(xué)耦合器31。匹配的耦合器31、匹配的顏色材料層25和探測(cè)光源29被設(shè)置在電路27上，例如具有期望電路元件的柔性印刷電路(fpc)上。在fpc27上還設(shè)置有用于活性檢測(cè)的光源33、用于活性檢測(cè)的光電二極管34、用于裝飾照明的光源35、以及光電二極管陣列37。

光耦合器31固定于蓋板玻璃50和下面的間隔物材料39，如圖3所示。探測(cè)光源29被固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，以使得探測(cè)光束或者一部分探測(cè)光束可以按照期望的角度投射到耦合器31中。耦合器31、間隔物材料39和蓋板玻璃50中的每一個(gè)可以由多個(gè)層制成。光電二極管陣列37被固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，以接收反射的探測(cè)光束a'b'，用于捕獲由反射的探測(cè)光束a'b'攜帶的指紋圖案的光學(xué)圖像。

探測(cè)光源29將探測(cè)光束ab投射到耦合器31中，耦合器31進(jìn)一步將探測(cè)光束ab引導(dǎo)通過可選顏色材料層52的開口至位于蓋板玻璃50頂部的指紋感測(cè)表面45上，以照明進(jìn)行接觸的手指。光束ab借助于放置在蓋板玻璃50下面的間隔物材料39耦合到蓋板玻璃50中。當(dāng)沒有東西被放置在蓋板玻璃50的頂部感測(cè)表面45上時(shí)，探測(cè)光束功率的一部分或全部被反射到間隔物39中，并且該反射光進(jìn)入耦合器31并形成反射的探測(cè)光束a'b'。反射的探測(cè)光束a'b'被匹配的光學(xué)傳感器陣列37(例如光電二極管陣列)接收，光學(xué)傳感器陣列37將反射的探測(cè)光束a'b'所攜帶的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為檢測(cè)器信號(hào)陣列，用于進(jìn)一步處理。

當(dāng)手指43觸摸蓋板玻璃50的感測(cè)表面45時(shí)，指紋脊73改變局部表面反射率，如圖3中的右圖所示。入射在指紋脊上的探測(cè)光的部分61被折射為光線65，光線65在手指43中散射，其余部分被反射為光線67，光線67被指紋脊反射。指紋溝與感測(cè)表面45分離，一般不會(huì)顯著改變感測(cè)表面45的局部表面反射。在指紋溝上入射的入射光63被反射為光線69，光線69被感測(cè)表面45反射。反射的探測(cè)光束a'b'攜帶指紋信號(hào)。類似地，當(dāng)除了手指皮膚之外的東西觸摸蓋板玻璃50的感測(cè)表面45時(shí)，反射的探測(cè)光束a'b'帶有不同于活體指紋的觸摸材料信息。

在圖2和圖3的示例中，耦合器31、間隔物39和蓋板玻璃50的材料具有適當(dāng)?shù)燃?jí)的光學(xué)透明度，以使得探測(cè)光束可以在其中傳輸并通過它們。耦合器31的折射率為nc，間隔物材料39的折射率為ns，蓋板玻璃50的折射率為nd，觸摸材料的折射率為nf。探測(cè)光束的傳播方向由這些材料的折射率決定。

期望的探測(cè)光束角可通過光源29的適當(dāng)設(shè)計(jì)和耦合器31的端面傾斜角來實(shí)現(xiàn)。探測(cè)光束的發(fā)散角由光源29的結(jié)構(gòu)和耦合器31端面的形狀來控制。

為了在沒有光學(xué)透鏡的情況下獲得清晰的指紋圖像，通常光源29的發(fā)射區(qū)域應(yīng)當(dāng)小到為點(diǎn)光源，或者應(yīng)當(dāng)使探測(cè)光束準(zhǔn)直。可將小led光源安裝為遠(yuǎn)離耦合器31，從而在圖3所示的光學(xué)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

通過匹配光學(xué)指紋傳感器中材料的適當(dāng)折射率(nc、ns、nd、nf)并將探測(cè)光束入射角初始化，可將探測(cè)光束設(shè)計(jì)為在感測(cè)表面45處被全部反射或部分反射。例如，可將這種光學(xué)傳感器設(shè)計(jì)為當(dāng)觸摸材料是水(在589nm處折射率約1.33)時(shí)，探測(cè)光束被全部反射，當(dāng)觸摸材料是手指皮膚(在589nm處折射率約1.44)時(shí)，探測(cè)光束被部分反射。

在耦合器31的入射端可將探測(cè)光束ab的尺寸定義為h。在感測(cè)表面45處探測(cè)光束的尺寸可以是w。通過匹配所有材料的折射率以及耦合器31和間隔物39的形狀31，可將w設(shè)置為大于h。即，接收的探測(cè)光束a'b'可以小于在感測(cè)表面45處的探測(cè)光束。壓縮比通常由折射率nc和nd決定。這是在不使用成像透鏡的情況下用小檢測(cè)器陣列將大區(qū)域成像的有效方法。另外，通過調(diào)整探測(cè)光束發(fā)散角和光電二極管陣列傾斜角，可以在所有尺寸上進(jìn)一步調(diào)整壓縮比。來自耦合器-間隔物界面的反射以及來自間隔物-蓋板界面的反射構(gòu)成光學(xué)噪聲，并且可以在光學(xué)傳感器陣列37中的光學(xué)檢測(cè)器的輸出的處理中去除。

在一些實(shí)施方式中，可以調(diào)制探測(cè)光源29。匹配的光電二極管陣列應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)為高效率并且在所有光學(xué)照明環(huán)境中工作。

指紋感測(cè)-空氣或真空耦合器

圖4是具有空氣或真空耦合器的示例性光學(xué)指紋傳感器23a的示意圖。圖4的光學(xué)指紋傳感器23a在某些方面類似于圖2和圖3所示的光學(xué)指紋傳感器23。在光學(xué)指紋傳感器23a中，實(shí)現(xiàn)由空氣或真空制成的耦合器32而不是圖2和圖3的耦合器31。此外可以實(shí)現(xiàn)光路窗口，以將探測(cè)光引導(dǎo)到手指43。

探測(cè)光源29和匹配的棱鏡101合作，將探測(cè)光束ab耦合到感測(cè)表面45。間隔物材料39可包括防反射涂層。棱鏡103有助于將反射的探測(cè)光束a'b'引導(dǎo)到光電二極管陣列37中。匹配的顏色層25被涂在襯底105上。

在光學(xué)指紋傳感器23a中，接收探測(cè)光的蓋板玻璃50的光學(xué)配置被配置為使得在蓋板玻璃50中不發(fā)生全內(nèi)反射。由于蓋板玻璃50相對(duì)于指紋脊位置和指紋溝位置的光學(xué)接口條件的差異，當(dāng)手指43觸摸感測(cè)表面45時(shí)，在指紋脊位置的反射率與在指紋溝位置的反射率不同。這個(gè)差異代表由反射的探測(cè)光束a'b'攜帶的指紋信號(hào)。

因?yàn)榭諝饣蛘婵振詈掀鞒杀据^低并且可以是任何尺寸，所以該設(shè)計(jì)可用來開發(fā)用于任意尺寸顯示器的光學(xué)觸摸面板。

指紋感測(cè)-樣本設(shè)計(jì)

圖5示出用于指紋感測(cè)的示例性光學(xué)指紋傳感器23b。光學(xué)指紋傳感器23b基本上類似于圖2和圖3的光學(xué)指紋傳感器23。在圖5所示的示例性光學(xué)指紋傳感器23b中，耦合器31在左側(cè)的一個(gè)表面111具有用于成像的彎曲(球面或非球面)鏡面形狀。探測(cè)光源30被放置在曲面鏡表面111的焦點(diǎn)。在探測(cè)光源30上可以使用針孔，以在空間上限制探測(cè)光，從而使得改變的光源30a僅投射一部分光束到曲面鏡表面111，并減少或消除散射光的影響。在制造彎曲表面111時(shí)，將耦合器31設(shè)置為以適當(dāng)?shù)木嚯xd離開中心。因此，曲面鏡表面111適當(dāng)?shù)貎A斜，以使得準(zhǔn)直光束以期望的角度入射到間隔物材料39和蓋板玻璃50中。例如，使發(fā)散光束asb準(zhǔn)直并將其投射到感測(cè)表面45。通過光電二極管陣列37檢測(cè)到反射的探測(cè)光束a'b'。相應(yīng)地，中心光sc被反射回光電二極管37中心c'。

在圖5所示的示例中，光束主要在耦合器31中傳播。可將該結(jié)構(gòu)制造得緊湊而堅(jiān)固。在圖5所示的示例中，耦合器31的材料可以是單一材料，也可以是多種材料的復(fù)合物。

可將所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器實(shí)現(xiàn)為提供以下特征中的一個(gè)或多個(gè)。光學(xué)指紋傳感器包括光源、耦合器、間隔物、光電二極管陣列和蓋板玻璃。間隔物可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至氣隙或真空制成。耦合器可以由玻璃材料、粘合材料、或者甚至空氣或真空制成。蓋板玻璃可以是顯示器蓋板玻璃的一部分，或者也可以是單獨(dú)的蓋板玻璃。每個(gè)上述的耦合器、間隔物和蓋板玻璃都可以是多層的。

所公開的技術(shù)通過匹配材料形狀和折射率來提供控制信號(hào)對(duì)比度的靈活性。通過匹配探測(cè)光束入射角、發(fā)散角以及所涉及的耦合器、間隔物和蓋板玻璃的材料，對(duì)于不同的觸摸材料，可將探測(cè)光束控制為在感測(cè)表面處被全部反射或部分反射。

所公開的光學(xué)指紋傳感器還提供無水效果。典型的智能電話蓋板玻璃的折射率約為1.50。一種設(shè)計(jì)是使用低折射率材料(mgf2、caf2、聚合物等等)來形成耦合器31。例如，所公開的技術(shù)可用于將蓋板玻璃50的感測(cè)表面45處的局部探測(cè)光束入射角控制為大約68.5°。當(dāng)水觸摸光學(xué)指紋傳感器的感測(cè)表面45時(shí)，全反射角為約62.46°，當(dāng)指紋脊觸摸感測(cè)表面45時(shí)，全反射角為約73.74°。當(dāng)沒有東西觸摸感測(cè)表面45時(shí)，全反射角為約41.81°。在這種設(shè)計(jì)中，在浸水區(qū)域處，探測(cè)光被全部反射到光電二極管陣列37；在指紋脊觸摸位置，不到5％的探測(cè)光被反射到光電二極管陣列；在干的指紋溝位置，探測(cè)光束也被全部反射到光電二極管陣列。在該設(shè)計(jì)下，從指的脊部到溝部的光學(xué)反射發(fā)生變化，并且由指紋脊部引起的反射產(chǎn)生更強(qiáng)的光信號(hào)，該光學(xué)信號(hào)被檢測(cè)為在光電二極管陣列37處產(chǎn)生指紋圖案的高對(duì)比度光學(xué)圖像。

人的汗水的折射率低于手指皮膚的折射率。因此，基于上述設(shè)計(jì)中光學(xué)反射的差異，所公開的技術(shù)提供了區(qū)分指紋中的汗孔的方案。當(dāng)使用氣隙形成耦合器時(shí)，在感測(cè)表面不會(huì)發(fā)生全反射。不同觸摸材料(指紋脊、指紋溝和其它污染物)之間的反射率差異可用于檢測(cè)指紋圖像。

由于上述光學(xué)設(shè)計(jì)中的光路壓縮效應(yīng)，在位于蓋板玻璃50上的感測(cè)表面45處的感測(cè)區(qū)域尺寸可以大于光電二極管陣列37的光電二極管陣列尺寸。

在實(shí)施方式中，光源29可以是以適當(dāng)距離安裝的點(diǎn)光源。在一些實(shí)施方式中，可以通過球面透鏡、柱面透鏡或非球面透鏡使探測(cè)光束準(zhǔn)直，或者僅將光源放置為遠(yuǎn)離。探測(cè)光束可以具有適當(dāng)?shù)陌l(fā)散角。探測(cè)光束也可以是發(fā)散的或會(huì)聚的。

由于光路壓縮效應(yīng)，耦合器31可以很薄。例如，可以使用小于1mm厚度的caf2耦合器來實(shí)現(xiàn)甚至10mm的感測(cè)區(qū)域尺寸。在本示例中，圖像壓縮比為1:10。這有助于降低傳感器厚度和傳感器成本。光電二極管陣列37被安裝在耦合器的一端而不是耦合器的下方。這種設(shè)計(jì)使得可以靈活地應(yīng)用彩色涂料、照明燈等等來補(bǔ)償顏色或裝飾傳感器區(qū)域。

可以對(duì)探測(cè)光源進(jìn)行調(diào)制以幫助減少背景光的影響。光電二極管陣列被設(shè)計(jì)為在任何照明環(huán)境中都能良好地工作。在上述光學(xué)設(shè)計(jì)下，蓋板玻璃厚度不對(duì)光學(xué)指紋感測(cè)構(gòu)成限制。該原理可用于構(gòu)建光學(xué)觸摸面板。

活體指紋檢測(cè)

圖6是示出示例性活體指紋檢測(cè)的圖?；铙w指紋檢測(cè)可以通過設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，例如在圖2的示例中的光源33和光學(xué)檢測(cè)器34，它們與用于指紋感測(cè)的光源29和光學(xué)檢測(cè)器陣列37分離。這在圖6中示出。或者，可通過相同的用于指紋感測(cè)的光源29和光學(xué)檢測(cè)器陣列37來進(jìn)行活體指紋檢測(cè)，而不使用圖2所示的單獨(dú)光學(xué)檢測(cè)。按照與下面圖6中的特定示例所描述類似的方式，由指紋傳感器(例如圖3中的光學(xué)指紋傳感器23、圖4中的光學(xué)指紋傳感器23a、或圖5中的光學(xué)指紋傳感器23b其中一個(gè))來執(zhí)行圖6中的活體指紋檢測(cè)。

在圖6中，光源33和接收光電檢測(cè)器(pd)陣列34被匹配耦合器31隔離，使得發(fā)射光束不能直接到達(dá)用于感測(cè)指紋是否來自活體手指的光電檢測(cè)器(pd)34。光束傳播通過光路窗口41并傳輸?shù)接|摸材料(例如手指43)中。對(duì)于活人的活體指紋，血流81隨著心跳、對(duì)傳感器的按壓力、呼吸等等而變化。當(dāng)光束83進(jìn)入被監(jiān)測(cè)的材料時(shí)，材料中的組織將光線85的一部分散射到接收pd陣列34中。通過分析所接收的信號(hào)，可以獲得一系列信號(hào)。

指紋傳感器光電二極管陣列37也可以用于檢測(cè)來自觸摸材料的散射光。指紋感測(cè)光源29也可以用于活體指紋檢測(cè)。指紋的微運(yùn)動(dòng)可用于指示指紋是否來自活體手指。使用指紋圖像序列來恢復(fù)隨時(shí)間變化的信號(hào)振幅和亮點(diǎn)分布。假的、非活體的手指表現(xiàn)出與活體手指不同的動(dòng)態(tài)。

圖7示出在血液中監(jiān)測(cè)的材料的示例性光學(xué)消光系數(shù)，其中光學(xué)吸收率在可見光譜范圍(例如660nm的紅光)和紅外范圍(例如940nm的ir光)之間是不同的。通過使用探測(cè)光以可見波長(zhǎng)和ir波長(zhǎng)照射手指，可以捕獲光學(xué)吸收中的差異，以確定觸摸物體是否為來自活人的手指。圖8示出組織的不同部分中的血流。當(dāng)人的心臟跳動(dòng)時(shí)，脈沖壓力泵送血液在動(dòng)脈中流動(dòng)，因此在血液中正在被監(jiān)測(cè)的材料的消光比隨脈沖變化。接收到的信號(hào)帶有脈沖信號(hào)。血液的這些性質(zhì)可用于檢測(cè)所監(jiān)測(cè)的材料是活體指紋還是假指紋。

圖9示出非活體材料(例如假手指)與活體手指之間的比較。參照?qǐng)D6，光學(xué)指紋傳感器也可以操作為心跳傳感器來監(jiān)測(cè)活體組織。使用一個(gè)或多個(gè)光波長(zhǎng)。當(dāng)使用兩個(gè)以上波長(zhǎng)的光線時(shí)，消光比差異可用于快速確定所監(jiān)測(cè)的材料是否為活體組織，例如活體指紋。在圖9所示的示例中，使用兩個(gè)光源以不同的波長(zhǎng)(如圖7所示，一個(gè)是可見波長(zhǎng)，另一個(gè)是ir波長(zhǎng))來發(fā)射探測(cè)光。

當(dāng)非活體材料觸摸光學(xué)指紋傳感器時(shí)，接收到的信號(hào)顯示與非活體材料的表面圖案相關(guān)的強(qiáng)度水平，并且接收的信號(hào)不包含與活人的手指相關(guān)聯(lián)的信號(hào)分量。但是，當(dāng)活人的手指觸摸光學(xué)指紋傳感器時(shí)，接收到的信號(hào)顯示與活人相關(guān)聯(lián)的信號(hào)特性，包括明顯不同的強(qiáng)度水平，這是因?yàn)閷?duì)于不同的波長(zhǎng)而言消光比不同。該方法不需要很長(zhǎng)時(shí)間來了解觸摸材料是否為活人的一部分。在圖9中，脈沖形信號(hào)反映多次觸摸而不是血液脈沖。通過非活體材料的類似多次觸摸不顯示由活體手指引起的差異。

在可以通過所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)(例如圖2的示例中的光源33和光學(xué)檢測(cè)器34，它們獨(dú)立于用于指紋感測(cè)的光源29和光學(xué)檢測(cè)器34)實(shí)現(xiàn)活體指紋檢測(cè)的實(shí)施方式中，將指定的光源33操作為例如在不同的時(shí)間以所選擇的可見波長(zhǎng)和ir波長(zhǎng)發(fā)射探測(cè)光，并且基于圖7和圖9所示的上述操作，通過指定的光學(xué)檢測(cè)器34捕獲以兩個(gè)不同波長(zhǎng)反射的探測(cè)光，以確定觸摸物體是否為活體手指。

或者，在實(shí)施方式中可通過用于指紋感測(cè)的相同光源29和光檢測(cè)器陣列37來進(jìn)行活體指紋檢測(cè)，而不使用單獨(dú)的光學(xué)感測(cè)。在這種將光源29和光檢測(cè)器陣列37用于指紋感測(cè)和活體指紋檢測(cè)兩者的設(shè)計(jì)下，將光源29操作為在不同時(shí)間以選擇的可見波長(zhǎng)和ir波長(zhǎng)發(fā)射探測(cè)光，并且基于圖7和圖9所示的上述操作，通過指定的光學(xué)檢測(cè)器34捕獲以兩個(gè)不同波長(zhǎng)反射的探測(cè)光，以確定觸摸物體是否為活體手指。注意，雖然在不同時(shí)間以選擇的可見波長(zhǎng)和ir波長(zhǎng)反射的探測(cè)光可以反映血液的不同光學(xué)吸收特性，但是在不同時(shí)間總是通過處于選擇的可見波長(zhǎng)的探測(cè)光以及處于ir波長(zhǎng)的探測(cè)光兩者來捕獲指紋圖像。因此，可以以可見波長(zhǎng)和ir波長(zhǎng)兩者進(jìn)行指紋感測(cè)。

安全等級(jí)建立

圖10示出用于基于所公開的用于指紋感測(cè)的光學(xué)感測(cè)技術(shù)、建立用于認(rèn)證活體手指的不同安全等級(jí)的示例性處理1000的處理流程圖?？梢曰谒?qǐng)求的動(dòng)作的類型來建立不同的安全等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。例如，需要常規(guī)操作請(qǐng)求以通過安全等級(jí)1檢查。對(duì)低于閾值的數(shù)額的金融交易的請(qǐng)求(例如在100美元以下的支付)需要通過安全等級(jí)2。超過該閾值的數(shù)額的金融交易可能需要更高的安全等級(jí)許可(clearance)。在不同的安全等級(jí)評(píng)估之后觸發(fā)不同的安全等級(jí)動(dòng)作?？赏ㄟ^組合不同的活體手指簽名來建立對(duì)應(yīng)于不同安全性等級(jí)的安全等級(jí)。例如，單個(gè)光源信號(hào)可以用于建立安全性等級(jí)1門，兩個(gè)光源信號(hào)可以組合建立安全性等級(jí)2門，等等。

方法1000可以在請(qǐng)求動(dòng)作時(shí)開始(1002)。分析所請(qǐng)求的動(dòng)作以確定適當(dāng)?shù)陌踩燃?jí)(1004)。當(dāng)確定需要安全等級(jí)1(最低安全等級(jí))(1006)時(shí)，需要通過安全性觸發(fā)等級(jí)1(1014)。當(dāng)指紋分析通過安全性觸發(fā)等級(jí)1時(shí)，進(jìn)行所請(qǐng)求的動(dòng)作(1024)。但是，當(dāng)指紋分析不能通過安全性觸發(fā)等級(jí)1時(shí)，拒絕所請(qǐng)求的動(dòng)作(1022)。

類似地，當(dāng)確定需要安全等級(jí)2(1008)時(shí)，需要通過安全性觸發(fā)等級(jí)1(1016)。當(dāng)指紋分析通過安全性觸發(fā)等級(jí)1時(shí)，進(jìn)行所請(qǐng)求的動(dòng)作(1024)。當(dāng)指紋分析不能通過安全性觸發(fā)等級(jí)1時(shí)，拒絕所請(qǐng)求的動(dòng)作(1022)。

當(dāng)確定需要安全等級(jí)3時(shí)(1010)，需要通過安全性觸發(fā)等級(jí)1(1018)。如果指紋分析通過安全性觸發(fā)等級(jí)1，則進(jìn)行所請(qǐng)求的動(dòng)作(1024)。但是如果指紋分析不能通過安全性觸發(fā)等級(jí)1，則拒絕所請(qǐng)求的動(dòng)作(1022)。

當(dāng)確定需要安全等級(jí)n(1012)時(shí)，需要通過安全性觸發(fā)等級(jí)1(1020)。如果指紋分析通過安全性觸發(fā)等級(jí)1，則進(jìn)行所請(qǐng)求的動(dòng)作(1024)。但是如果指紋分析不能通過安全性觸發(fā)等級(jí)1，則拒絕所請(qǐng)求的動(dòng)作(1022)。

可將所公開技術(shù)的光學(xué)指紋傳感器實(shí)現(xiàn)為進(jìn)行包括以下的活體手指檢測(cè)。光學(xué)指紋傳感器可以檢測(cè)觸摸材料是否為活體手指，并且可以提高傳感器的安全性。可將指定光源和檢測(cè)器用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料。當(dāng)使用單一波長(zhǎng)時(shí)，心跳檢測(cè)提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。當(dāng)使用兩個(gè)或更多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，比較波長(zhǎng)的消光比以檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。指紋傳感器光源和光電二極管陣列可用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。動(dòng)態(tài)指紋圖像可用于檢測(cè)觸摸感測(cè)區(qū)域的物體是活體手指還是非活體材料，包括活體手指的指紋。對(duì)于不同的安全需求任務(wù)，可以建立多個(gè)安全等級(jí)。

傳感器區(qū)域裝飾

圖11是示出用于傳感器區(qū)域裝飾的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。當(dāng)光學(xué)指紋傳感器(例如光學(xué)指紋傳感器23)被安裝在蓋板玻璃50下方時(shí)，應(yīng)當(dāng)針對(duì)光路打開光學(xué)窗口。具體而言，去除蓋板玻璃的一部分彩色涂層。因?yàn)橹讣y傳感器檢測(cè)器布置在耦合器31的一端，所以耦合器31的底部可以涂有顏色層25。可以選擇所涂的顏色層25來匹配平臺(tái)表面顏色。例如，在耦合器下使用相同的顏色或圖案，使得傳感器變?yōu)椴豢梢姟Ｔ谝恍?shí)施方式中，匹配的耦合器31還可以涂有期望的或不同的顏色或圖案，以實(shí)現(xiàn)某些或不同的裝飾效果或風(fēng)格。匹配的耦合器31也可以涂有某些圖案或標(biāo)志，例如歸位按鈕(homingbutton)標(biāo)志。

該設(shè)計(jì)為進(jìn)一步裝飾傳感器區(qū)域提供了有吸引力的選擇。例如，可以使用不同顏色的光波照亮傳感器區(qū)域。，這可以用于當(dāng)智能手機(jī)響鈴時(shí)、在黑暗環(huán)境中指示指紋感測(cè)區(qū)域位于何處。

可將光學(xué)指紋傳感器實(shí)施為實(shí)現(xiàn)各種裝飾元素，包括以下：耦合器的下表面可以涂有相同的顏色或圖案層，以與平臺(tái)表面顏色匹配；耦合器的下表面可以涂有不同的顏色或圖案層，以顯示新的外觀樣式；彩色光源可以被安裝在耦合器周圍，以裝飾傳感器區(qū)域。

作為單獨(dú)按鈕封裝的指紋傳感器

作為替代實(shí)施方式，可將放置在連續(xù)的蓋板玻璃50下方的圖3中的光學(xué)指紋傳感器23、圖4中的光學(xué)指紋傳感器23a以及圖5中的光學(xué)指紋傳感器23b封裝為與蓋板玻璃50的其他部分有實(shí)體分界的單獨(dú)實(shí)體指紋傳感器按鈕。

圖12是示出作為單獨(dú)按鈕封裝的示例性光學(xué)指紋傳感器的示意圖。圖13是示出使用作為單獨(dú)按鈕封裝的光學(xué)指紋傳感器的示例性指紋和活體手指檢測(cè)的示意圖。可將圖12、圖13的光學(xué)指紋傳感器實(shí)施為圖3中的光學(xué)指紋傳感器23、圖4中的光學(xué)指紋傳感器23a以及圖5中的光學(xué)指紋傳感器23b，但是將該指紋傳感器作為單獨(dú)按鈕封裝。因此，指紋感測(cè)和活體手指檢測(cè)也與上述相同。匹配耦合器31用于設(shè)置光電二極管陣列37的位置并對(duì)于可見區(qū)域提供封裝靈活性。關(guān)于圖12、圖13中的光學(xué)指紋傳感器的不同組件的所有以上描述實(shí)際上與圖3中的光學(xué)指紋傳感器23、圖4中的光學(xué)指紋傳感器23a以及圖5中的光學(xué)指紋傳感器23b相同，包括光源。但是，為了將光學(xué)指紋傳感器實(shí)施為單獨(dú)的按鈕，與連續(xù)的蓋板玻璃50下方的圖3至圖5中的設(shè)計(jì)相比，對(duì)于用于蓋板玻璃51的材料而言可能需要更高等級(jí)的剛度或強(qiáng)度。

間隔物材料39和蓋板玻璃51將位置偏移d添加到探測(cè)光束ab。當(dāng)蓋板玻璃51和間隔物材料19的厚度減小到零時(shí)，具體而言去除蓋板玻璃和間隔物時(shí)，消除探測(cè)光束偏移d。例如，可以用小于1mm厚度的caf2實(shí)現(xiàn)10mm的感測(cè)尺寸。此外，光電二極管陣列37應(yīng)當(dāng)與光路匹配，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)姆直媛什⒈ＷC所有照明環(huán)境中的性能。

作為單獨(dú)按鈕封裝的光學(xué)指紋傳感器可以進(jìn)行與圖2至圖11的光學(xué)指紋傳感器相同的指紋檢測(cè)和活體手指檢測(cè)。另外，作為單獨(dú)按鈕的光學(xué)指紋傳感器封裝可以被實(shí)施為執(zhí)行以下特征：

根據(jù)應(yīng)用，蓋板玻璃和相關(guān)間隔物材料的特征在于在厚度上具有靈活性。特別地，其為不使用蓋板玻璃和間隔物材料的實(shí)際封裝。另一種實(shí)用設(shè)計(jì)是使用薄層蓋板玻璃來保護(hù)耦合器。蓋板玻璃可以具有高硬度。使用彩色玻璃或其它光學(xué)材料來構(gòu)建蓋板也是實(shí)用的。封裝方法為構(gòu)建緊湊按鈕提供了方案，其可以以更高的安全性檢測(cè)指紋?？梢约善渌鼨C(jī)械部件，以增強(qiáng)模塊的剛度或強(qiáng)度。

可將作為單獨(dú)按鈕封裝的光學(xué)指紋傳感器實(shí)施為集成指紋檢測(cè)與活體手指檢測(cè)和傳感器裝飾的功能。

雖然本專利文獻(xiàn)包含很多細(xì)節(jié)，但是這些不應(yīng)解釋為對(duì)任何發(fā)明或要求保護(hù)的范圍的限制，而是解釋為可能是特定發(fā)明的特定實(shí)施例所特有的特征的描述。在本專利文獻(xiàn)中在單獨(dú)實(shí)施例的上下文中描述的某些特征也可以在單個(gè)實(shí)施例中組合實(shí)現(xiàn)。相反，在單個(gè)實(shí)施例的上下文中描述的各種特征也可以在多個(gè)實(shí)施例中單獨(dú)地或以任何合適的子組合實(shí)現(xiàn)。此外，雖然可以在上面將特征描述為在某些組合中起作用并且甚至最初這樣要求保護(hù)，但是來自所要求保護(hù)的組合的一個(gè)或多個(gè)特征在一些情況下可以從組合中刪除，并且所要求保護(hù)的組合可以涉及子組合或子組合的變型。

類似地，雖然在附圖中以特定順序描繪了操作，但是這不應(yīng)理解為要求這些操作以所示的特定順序或以順序次序進(jìn)行，或者進(jìn)行所有示出的操作以實(shí)現(xiàn)期望的結(jié)果。此外，在本專利文獻(xiàn)中描述的實(shí)施例中的各種系統(tǒng)組件的分離不應(yīng)被理解為在所有實(shí)施例中都需要這樣的分離。

僅描述了幾個(gè)實(shí)施方式和示例，并且可以基于本專利文獻(xiàn)中描述和示出的內(nèi)容來給出其他實(shí)施方式、增強(qiáng)和變化。