用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊的制作方法
優(yōu)先權(quán)要求和相關專利申請
本專利文件要求申請人深圳匯頂科技有限公司的以下在先專利申請的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益：
(1)2016年1月31日提交的申請?zhí)枮?2/289,328、發(fā)明名稱為“用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊”的美國臨時專利申請；
(2)2016年5月2日提交的申請?zhí)枮?2/330,833、發(fā)明名稱為“用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊”的美國臨時專利申請；以及
(3)2016年6月7日提交的申請?zhí)枮?2/347,073、發(fā)明名稱為“用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊”的美國臨時專利申請。
此外，本專利文件要求申請人深圳匯頂科技有限公司于2016年6月20日在uspto提交的國際專利申請?zhí)枮閜ct/us2016/038445、名稱為“具有光學感應性能的多功能指紋傳感器”的優(yōu)先權(quán)，其于2016年12月22日公開，公開號為wo2016/205832，本專利文件還要求于2015年6月18日提交的申請?zhí)枮?2/181,718的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)。
上述專利申請的全部公開內(nèi)容通過引用并入本專利文件的一部分。
本專利文件涉及在電子設備或系統(tǒng)中指紋的感應以及執(zhí)行其他參數(shù)測量的一個或多個感應操作，所述電子設備或系統(tǒng)包括移動設備或可穿戴設備等便攜式設備和更大的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
各種傳感器在電子設備或系統(tǒng)中的實現(xiàn)可以提供某些期望的功能。對只有授權(quán)用戶才能被識別并且與未授權(quán)用戶區(qū)分開的計算機和計算機控制的設備或系統(tǒng)的安全訪問的需求不斷增長。
例如，移動電話、數(shù)碼相機、平板pc、筆記本電腦和其他便攜式電子設備在個人、商業(yè)和政府的使用中越來越普及。供個人使用的便攜式電子設備可以配備有一個或多個安全機制以保護用戶的隱私。
又如，用于組織或企業(yè)的計算機或計算機控制的設備或系統(tǒng)可以被保護于僅允許授權(quán)人員訪問，以保護該組織或企業(yè)的設備或系統(tǒng)的信息或使用。
存儲在便攜式設備和計算機控制的數(shù)據(jù)庫、設備或系統(tǒng)中的信息可以具有應當被保護的某些特性。例如，存儲的信息可以實質(zhì)上是個人信息，如個人聯(lián)系人或電話簿、個人照片、個人健康信息或其他個人信息，或是由組織或企業(yè)專有地使用的機密信息，如商業(yè)財務信息、雇員數(shù)據(jù)、商業(yè)秘密以及其他專有信息。如果訪問電子設備或系統(tǒng)的安全性受到損害，則數(shù)據(jù)可能被未被授權(quán)獲得訪問的其他人訪問，造成個人隱私的喪失或有價值機密信息的丟失。除了信息的安全性之外，保護對計算機和計算機控制的設備或系統(tǒng)的訪問還允許保障由計算機或計算機處理器控制的設備或系統(tǒng)的使用，例如計算機控制的汽車以及atm等其他系統(tǒng)。
對移動設備等設備或電子數(shù)據(jù)庫、計算機控制的系統(tǒng)等系統(tǒng)的安全訪問可以以使用用戶密碼等不同方式實現(xiàn)。然而，密碼可以容易地被傳播或獲得，并且密碼的這種性質(zhì)可以降低安全水平。而且，用戶需要記住密碼以使用受密碼保護的電子設備或系統(tǒng)，并且如果用戶忘記該密碼，則用戶需要采取某些密碼恢復流程來獲得認證或以其他方式重新獲得對設備的訪問。遺憾的是，在各種情況下，這些密碼恢復流程可能對用戶來說是負擔，并且具有各種實際的限制和不便。
個人指紋識別可以被利用于實現(xiàn)用戶認證，以在增強數(shù)據(jù)安全性的同時減輕與密碼相關聯(lián)的某些不期望的效果。
包括便攜式或移動計算設備的電子設備或系統(tǒng)可以使用用戶認證機制來保護個人或其他機密數(shù)據(jù)，并且防止未被授權(quán)的訪問。電子設備或系統(tǒng)上的用戶認證可以通過生物度量標識符的一種或多種形式來執(zhí)行，這種生物度量標識符可以單獨使用或在常規(guī)密碼認證方法的基礎上使用。生物度量標識符的一種形式就是人的指紋圖案。指紋傳感器可以內(nèi)置在電子設備或系統(tǒng)中，以作為認證過程的一部分來讀取用戶的指紋圖案，使得該設備或系統(tǒng)只能由授權(quán)用戶通過認證該授權(quán)用戶的指紋圖案來解鎖。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
傳感器技術(shù)和本專利文件中描述的傳感器技術(shù)的實現(xiàn)示例提供了一種光學傳感器模塊，該光學傳感器模塊使用來自顯示屏幕的光進行基于此光的光學感應的一個或多個感應操作。一種用于實現(xiàn)所公開的光學傳感器技術(shù)的適當?shù)娘@示屏幕可以基于各種顯示技術(shù)或配置，包括具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的顯示屏幕，其中每個單獨的像素生成用于在有機發(fā)光電二極管(oled)顯示屏幕或電致發(fā)光顯示屏幕等屏幕上形成顯示圖像的一部分的光。所公開的光學傳感器技術(shù)還可以適用于其他顯示屏幕，如lcd顯示屏幕。
一方面，所公開的技術(shù)的實施可以提供通過使用屏幕下光學傳感器模塊進行屏幕上的指紋的光學感應，該屏幕下光學傳感器模塊捕獲并檢測返回的光，該返回的光是由顯示屏幕發(fā)出的用于顯示圖像的光，并且該返回的光是由屏幕組件的頂面反射回來的。
另一方面，所公開的技術(shù)的實施可以提供能夠通過光學感應檢測指紋的電子設備，該電子設備包括：設備屏幕，該設備屏幕提供觸摸感應操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，以形成顯示圖像的一部分；頂部透明層，形成于該設備屏幕之上，作為用于該觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自該顯示結(jié)構(gòu)的該光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于該顯示面板結(jié)構(gòu)的下方，以接收由該顯示結(jié)構(gòu)的該發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從該頂部透明層返回的光來檢測指紋。
另一方面，提供了一種用于為顯示屏幕添加指紋感應的方法，包括在不改變設備屏幕的設計的條件下，將光學傳感器模塊放置在顯示面板結(jié)構(gòu)的下方，以接收由該顯示結(jié)構(gòu)的發(fā)光顯示像素的至少一部分發(fā)出的并從頂部透明層返回的光，來檢測指紋，其中，該設備屏幕提供觸摸感應操作并且包括該顯示面板結(jié)構(gòu)，該顯示面板結(jié)構(gòu)具有用于發(fā)光以形成顯示圖像的該發(fā)光顯示像素。
另一方面，提供了一種能夠通過光學感應檢測指紋的電子設備，該電子設備包括設備屏幕，提供觸摸感應操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，以形成顯示圖像；頂部透明層，形成于該設備屏幕之上，作為用于該觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自該顯示結(jié)構(gòu)的該光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于該顯示面板結(jié)構(gòu)下方，以接收由該顯示結(jié)構(gòu)的該發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從該頂部透明層返回的光來檢測指紋。該光學傳感器模塊包括光楔，位于該顯示面板結(jié)構(gòu)下方，以修改與該光楔接合的該顯示面板結(jié)構(gòu)的底面上的全反射條件，來允許從該顯示面板結(jié)構(gòu)提取出通過該底面的光；光學傳感器陣列，接收來自該光楔的、從該顯示面板結(jié)構(gòu)提取的該光；以及光學成像模塊，位于該光楔和該光學傳感器陣列之間，以將來自該光楔的該光成像到該光學傳感器陣列上。
另一方面，提供了一種能夠通過光學感應檢測指紋的電子設備，該電子設備包括設備屏幕，提供觸摸感應操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，以形成顯示圖像的一部分；頂部透明層，形成于該設備屏幕之上，作為用于該觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自顯示結(jié)構(gòu)的該光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于該顯示面板結(jié)構(gòu)下方，以接收由該顯示結(jié)構(gòu)的該發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從該頂部透明層返回的光來檢測指紋。該顯示面板結(jié)構(gòu)包括在該顯示面板結(jié)構(gòu)的該發(fā)光顯示像素之間的開口或孔，以允許返回的該光穿過該顯示面板結(jié)構(gòu)到達該光學傳感器模塊。該光學傳感器模塊包括光學準直器陣列，以收集來自該顯示面板結(jié)構(gòu)的該返回的光，并且分離來自該頂部透明層中的不同位置的光，同時將收集到的該返回的光指向光學傳感器陣列。
再一方面，提供了一種能夠通過光學感應檢測指紋的電子設備，該電子設備包括設備屏幕，提供觸摸感應操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，以形成顯示圖像的一部分；頂部透明層，形成于該設備屏幕之上，作為用于該觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自顯示結(jié)構(gòu)的該光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于該顯示面板結(jié)構(gòu)下方，以接收由該顯示結(jié)構(gòu)的該發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從該頂部透明層返回的光來檢測指紋。該光學傳感器模塊包括光學傳感器陣列，該光學傳感器陣列包括光學檢測器陣列以接收返回的該光，該光學傳感器模塊還包括光學針孔陣列，以收集來自該顯示面板結(jié)構(gòu)的返回的該光，并且分離來自該頂部透明層中不同位置的光。每個針孔被構(gòu)造成將收集到的返回的光指向該光學傳感器陣列的相鄰的光學檢測器的貼片，并且不同的針孔收集來自該頂部透明層中的不同位置的返回的光，用于在該光學傳感器陣列的光學檢測器的不同貼片處成像。
這些和其他方面及其實現(xiàn)在附圖、說明書和權(quán)利要求書中被更詳細地描述。
附圖說明
圖1是具有指紋感應模塊的系統(tǒng)的示例的框圖，該系統(tǒng)的實現(xiàn)可以包括本文件中公開的光學指紋傳感器。
圖2a和2b示出了電子設備200的一個示例性實現(xiàn)，該電子設備200具有觸摸感應顯示屏幕組件和位于該觸摸感應顯示屏幕組件下方的光學傳感器模塊。
圖2c和2d示出了實現(xiàn)圖2a和2b中的光學傳感器模塊的設備的示例。
圖3示出了適于實現(xiàn)所公開的光學指紋感應技術(shù)的oled顯示和觸摸感應組件的一個示例。
圖4包括圖4a和圖4b，并且示出了用于實現(xiàn)圖2a和圖2b中的設計的、且在顯示屏幕組件下方的光學傳感器模塊的一個實現(xiàn)的示例。
圖5a和5b示出了對于來自兩種不同的光學條件下的頂部感應表面上的感應區(qū)的返回的光的信號生成，以便于理解屏幕下光學傳感器模塊的操作。
圖6、7、8、9和10示出了屏幕下光學傳感器模塊的示例設計。
圖11示出了在不同的鋪設條件下通過成像模塊在頂部透明層上的指紋感應區(qū)域的成像，其中成像設備將該指紋感應區(qū)域成像到光學傳感器陣列上，并且該成像設備可以是光學透射的或光學反射的。
圖12示出了指紋傳感器的操作的示例，該操作用于在指紋感應中減少或消除來自背景光的不期望的貢獻。
圖13示出了操作用于捕獲指紋圖案的屏幕下光學傳感器模塊的過程。
圖14a、14b和圖15示出了用于確定與oled顯示屏幕接觸的物體是否是活著的人的手指的一部分的操作過程的示例，該操作過程通過操作oled像素以用兩種不同光顏色照亮手指。
圖16示出了由oled顯示器生成的標準校準圖案的示例，用于校準由用于指紋感應的光學傳感器陣列輸出的成像感應信號。
圖17、18和19示出了用于光學指紋感應的光學準直器設計，適于實現(xiàn)所公開的屏幕下光學傳感器模塊技術(shù)。
圖20、21和22示出了使用屏幕下光學傳感器模塊進行指紋感應的各種設計的示例，其中，該屏幕下光學傳感器模塊使用光學準直器陣列或針孔陣列將攜帶指紋信息的信號光指向光學傳感器陣列。
圖23和24示出了具有光學準直器的屏幕下光學傳感器模塊的示例。
圖25示出了光學準直器陣列的示例，該光學準直器陣列利用光學過濾減少到達屏幕下光學傳感器模塊中的光電探測器陣列的背景光。
具體實施方式
電子設備或系統(tǒng)可以配備指紋認證機制，以提高訪問設備的安全性。這種電子設備或系統(tǒng)可以包括便攜式或移動計算設備，例如智能手機、平板計算機、腕戴式設備和其他可穿戴或便攜式設備，還包括更大的電子設備或系統(tǒng)，例如便攜形式或桌面形式的個人計算機、atm、用于商業(yè)或政府用途的各種終端到各種電子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫或信息系統(tǒng)、以及包括汽車、船、火車、飛機和其他的機動交通系統(tǒng)。
指紋感應在使用或需要安全訪問的移動應用和其他應用中是有用的。例如，指紋感應可以用于提供對移動設備的安全訪問和包括在線購買的安全金融交易。所期望的是，包括適于移動設備和其他應用的魯棒且可靠的指紋感應。在移動、便攜式或可穿戴設備中，由于這些設備上的空間有限，尤其考慮到對給定設備上的最大顯示區(qū)域的需求，期望指紋傳感器將指紋感應的占用最小化或消除。
為了被用戶看到，由顯示屏幕生成的用于顯示圖像的光可以穿過該顯示屏幕的頂面。手指可以觸摸該頂面，從而與該頂面處的光交互，使得在該觸摸的表面區(qū)域處的反射或散射的光攜帶該手指的空間圖像信息，并且返回至該頂面下方的顯示面板。在觸摸感應顯示設備中，頂面是與用戶接合的觸摸感應界面，并且在用于顯示圖像的光和用戶手指或手之間的這種交互不斷地發(fā)生，但是這種返回至顯示面板的攜帶信息的光被大量浪費，并且在大多觸摸感應設備中未被使用。在具有觸摸感應顯示和指紋感應功能的各種移動或便攜式設備中，指紋傳感器傾向于是與顯示屏幕分離的設備，要么被設置在顯示屏幕的相同表面上的除顯示屏幕區(qū)域之外的位置處，例如在受歡迎的蘋果iphone和最近的三星galaxy智能手機中，要么被設置在智能手機的背面，例如華為、聯(lián)想、小米或谷歌的一些新模型的智能手機，以避免占用用于在正面設置大的顯示屏幕的寶貴空間。這些指紋傳感器是與顯示屏幕分離的設備，從而需要很緊湊以節(jié)省空間用來顯示和其他功能，同時仍然提供具有高于某一可接受水平的空間圖像分辨率的可靠且快速的指紋感應。然而，因為在基于各種合適的指紋感應技術(shù)(例如電容式觸摸感應或光學成像)的捕獲指紋圖像中的高空間圖像分辨率需要具有大量感應像素的大傳感器區(qū)域，所以對是緊湊和小的需求與在捕獲指紋圖案時提供高空間圖像分辨率的需求在許多指紋傳感器中彼此直接沖突。
本文公開的光學傳感器技術(shù)使用在顯示屏幕中用于顯示圖像的從設備顯示組件的頂面返回的光來進行指紋感應和其他感應操作。該返回的光攜帶與該頂面接觸的物體(例如手指)的信息，并且捕獲和檢測該返回的光構(gòu)成了在實現(xiàn)位于顯示屏幕下方的特定光學傳感器模塊時設計考慮的一部分。因為觸摸屏幕組件的頂面用作指紋感應區(qū)域，所以該被觸摸區(qū)域的光學圖像應該由光學傳感器模塊內(nèi)的光學成像傳感器陣列捕獲，該光學成像傳感器陣列具有對原始指紋的高圖像保真度以用于魯棒的指紋感應。光學傳感器模塊可以設計為通過恰當?shù)嘏渲糜糜诓东@和檢測返回的光的光學元件來實現(xiàn)這種期望的光學成像。
所公開的技術(shù)的實施可以提供執(zhí)行人類指紋的光學感應和用于認證對移動設備或計算機控制的系統(tǒng)等鎖定的計算機控制的設備的訪問嘗試的設備、系統(tǒng)和技術(shù)，該鎖定的計算機控制的設備配備有指紋檢測模塊。所公開的技術(shù)可以用于保護對各種電子設備和系統(tǒng)的訪問，包括筆記本電腦、平板電腦、智能手機和游戲設備等便攜式或移動計算設備，以及電子數(shù)據(jù)庫、汽車、銀行atm等其他電子設備或系統(tǒng)。
本文所公開的光學傳感器技術(shù)的實施可以檢測用于在顯示屏幕中顯示圖像的光的一部分，其中，用于顯示屏幕的光的這部分可以是散射光、反射光或一些雜散光。例如，在所公開的用于具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的oled顯示屏幕或另一顯示屏幕的光學傳感器技術(shù)的一些實現(xiàn)中，由oled顯示屏幕產(chǎn)生的圖像光在oled顯示屏幕的頂面處或附近遇到用戶手指或手掌、或像觸筆的用戶指針設備等物體時，可以作為返回的光反射或散射回oled顯示屏中。這種返回的光可以被捕獲以用于使用所公開的光學傳感器技術(shù)來執(zhí)行一個或多個光學感應操作。由于在光學感應時對來自oled顯示屏幕自己的oled像素的光的使用，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊在一些實現(xiàn)中可以特殊地設計為集成到oled顯示屏幕，其中，該集成的方式維持oled顯示屏幕的顯示操作和功能而沒有干擾，同時提供光學感應操作和功能，以增強智能手機或其他移動/可穿戴式設備等電子設備或其他形式的電子設備或系統(tǒng)的整體功能、設備集成和用戶體驗。
例如，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以耦合到具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的顯示屏幕(如oled顯示屏幕)，以通過使用上述由oled顯示屏幕產(chǎn)生的光的返回的光來感應人的指紋。操作中，與oled顯示屏幕直接接觸或在oled顯示屏幕附近的人的手指能夠使得返回的光在回到oled顯示屏幕中的同時攜帶被oled顯示屏幕輸出的光照射到的一部分手指的信息。這種信息可以包括手指的被照射到的部分的脊和谷的空間圖案和位置等。因此，光學傳感器模塊的集成可以捕獲這種返回的光中的至少一部分，以通過光學成像和光學檢測操作來檢測手指的被照射到的部分的脊和谷的空間圖案和位置。該檢測到的手指的被照射到的部分的脊和谷的空間圖案和位置隨后可以被處理，以構(gòu)造指紋圖案并進行指紋識別，例如，作為用戶認證和設備訪問過程的一部分，與儲存的授權(quán)用戶指紋圖案進行比較，以確定檢測到的指紋是否為匹配指紋。通過使用所公開的光學傳感器技術(shù)的這種基于光學感應的指紋檢測使用oled顯示屏幕作為光學感應平臺，并且可以用于替代現(xiàn)有的電容式指紋傳感器或其他指紋傳感器，這些傳感器基本上是作為“附加”部件的獨立傳感器，不使用來自顯示屏幕的光或使用用于手機、平板電腦和其他電子設備的指紋感應的顯示屏幕。
所公開的光學傳感器技術(shù)可以以以下方式實現(xiàn)：將具有發(fā)光顯示像素的顯示屏幕(如oled顯示屏幕)用作光學感應平臺，在oled顯示屏幕的顯示像素發(fā)射的光與手指觸摸的頂部觸摸表面上的區(qū)域交互后，使用這種發(fā)射的光進行指紋感應或其他光學感應功能。所公開的光學傳感器技術(shù)和oled顯示屏幕之間的這種密切關系為使用基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊提供了獨特的機會，以提供與oled顯示屏幕的觸摸感應方面相關的(1)附加的光學感應功能和(2)有用的操作或控制特征。
需要注意的是，在一些實現(xiàn)中，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以耦合到oled顯示屏幕的背面而不需要在oled的顯示屏幕的顯示表面?zhèn)鹊闹付▍^(qū)域，在一些外部表面區(qū)域受限的智能手機、平板電腦或可穿戴設備等電子設備中，該指定區(qū)域會占用寶貴的設備表面空間。這種光學傳感器模塊可以設置在oled顯示屏幕之下，與顯示屏幕區(qū)域垂直重疊，并且，從用戶的角度來看，該光學傳感器模塊隱藏在顯示屏幕區(qū)域的后面。此外，由于這種光學傳感器模塊的光學感應是通過檢測由oled顯示屏幕發(fā)出的并從顯示區(qū)域的頂面返回的光而進行的，所公開的光學傳感器模塊不需要與顯示屏幕區(qū)域分離的特殊感應端口或感應區(qū)域。因此，在包括蘋果的iphone/ipad設備或三星galaxy智能手機模型等的其他設計中，指紋傳感器位于顯示屏幕的相同表面上的特定指紋傳感器區(qū)域或端口(如主頁按鈕)處，但位于顯示屏幕區(qū)域外的指定的非顯示區(qū)域中，不同于該其他設計中的指紋傳感器，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以以以下方式實現(xiàn)：通過使用獨特的光學感應設計將從手指返回的光路由到光學傳感器中，并且通過提供合適的光學成像機制實現(xiàn)高分辨率光學成像感應，允許在oled顯示屏幕上的位置處進行指紋感應。就這點而言，所公開的光學傳感器技術(shù)的實施能夠通過使用與顯示圖像相同的頂部觸摸感應表面，來提供獨特的屏幕上指紋感應配置，并且提供觸摸感應操作，而在顯示屏幕區(qū)域外沒有分離的指紋感應區(qū)域或接口。
關于除指紋檢測以外的附加的光學感應功能，光學感應可以用于測量其他參數(shù)。例如，所公開的光學傳感器技術(shù)能夠測量在整個oled顯示屏幕上可用的大觸摸面積的人的手掌的圖案(相反，一些指定的指紋傳感器，如蘋果iphone/ipad設備的主頁按鈕中的指紋傳感器，具有相當小且指定的屏幕外指紋感應區(qū)域，其在感應區(qū)域的大小上受到高度限制，可能不適合感應大圖案)。再如，所公開的光學傳感器技術(shù)不但可以用于使用光學感應來捕獲和檢測與人相關聯(lián)的手指或手掌的圖案，還可以用于使用光學感應或其他感應機制來檢測通過“活體手指”檢測機制所捕獲的或檢測到的指紋或手掌的圖案是否來自活著的人的手，該檢測機制可以基于例如不同光學波長下血液的不同光吸收行為，事實上，由于活著的人的自然移動或運動(有意或無意的)或當血液流過與心跳相連的人體時的脈動，這個人的手指通常是移動著或伸展著的。在一個實現(xiàn)中，由于心跳/血流變化，光學傳感器模塊可以檢測來自手指或手掌的返回的光的變化，從而檢測在表現(xiàn)為手指或手掌的物體中是否存在活著的心跳。用戶認證可以基于指紋/手掌圖案的光學感應和對存在活著的人的正面確定的結(jié)合來增強訪問控制。再如，光學傳感器模塊可以包括感應功能，用于基于來自手指或手掌的返回的光的光學感應來測量葡萄糖水平或氧飽和度。再如，當人觸摸oled顯示屏幕時，觸摸力的變化能夠以一種或多種方式反映，包括指紋圖案變形、手指和屏幕表面之間的接觸面積的變化、指紋脊變寬或血流的動態(tài)變化。這些和其他變化能夠通過基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學感應來測量，并且可以用于計算觸摸力。這種觸摸力感應能夠用于為光學傳感器模塊添加除指紋感應之外的更多的功能。
針對與oled顯示屏幕的觸摸感應方面相關的有用操作或控制特征，所公開的光學傳感器技術(shù)可以基于來自光學傳感器模塊的一個或多個結(jié)果提供觸發(fā)功能或附加功能，以進行與oled顯示屏幕的觸摸感應控制相關的某些操作。例如，手指皮膚的光學特性(如折射率)通常與其他人造物體不同。光學傳感器模塊可以據(jù)此設計為選擇性地接收和檢測由與oled顯示屏幕的表面接觸的手指造成的返回的光，而由其他物體造成的返回的光不會被光學傳感器模塊檢測到。這種物體選擇性光學檢測可以用于提供通過觸摸感應的有用的用戶控制，如只有經(jīng)由人的手指或手掌的觸摸才能喚醒智能手機或設備，而其他物體的觸摸不會引起設備的蘇醒，以進行節(jié)能操作并且延長電池的使用。這種操作可以通過基于光學傳感器模塊的輸出的控制來實現(xiàn)，以控制oled顯示屏幕的喚醒電路操作，其中，通過關閉大多數(shù)oled像素使其處于“睡眠”模式而不發(fā)光，而打開oled顯示屏幕中的部分oled像素使其處于閃光模式，以向屏幕表面間歇性地發(fā)出閃光來感應人的手指或手掌的任何觸摸。另一種“睡眠”模式配置可以通過使用內(nèi)置于光學傳感器模塊的一個或多個額外的led光源來實現(xiàn)，以產(chǎn)生“睡眠”模式喚醒感應的閃爍光，其中，在睡眠模式期間關閉所有的oled像素，使得光學傳感器模塊能夠檢測由手指在oled顯示屏幕上觸摸造成的這種喚醒感應光的返回的光，并且響應于正面檢測，oled顯示屏幕上的oled像素被打開或“喚醒”。在一些實現(xiàn)中，喚醒感應光可以在紅外線不可見的光譜范圍中，所以用戶不會經(jīng)歷任何視覺上的光的閃爍。又如，由光學傳感器模塊進行的指紋感應是基于在正常oled顯示屏幕操作的過程中對來自oled顯示屏幕的表面的返回的光的感應，可以控制oled顯示屏幕操作以通過消除用于指紋的光學感應的背景光來提供改進的指紋感應。例如，在一個實現(xiàn)中，每個顯示掃描幀生成一幀指紋信號。如果生成兩幀與屏幕顯示相關的指紋信號，其中當oled顯示屏幕打開時生成一幀指紋信號，而當oled顯示屏幕關閉時生成另一幀指紋信號，則這兩幀指紋信號的差值可以用于減少周圍的背景光的影響。在一些實現(xiàn)中，通過操作指紋感應幀速率為顯示幀速率的一半，能夠減少指紋感應中的背景光噪聲。
如上所述，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以耦合到oled顯示屏幕的背面，而不需要在oled顯示屏幕的表面?zhèn)壬蟿?chuàng)建指定的區(qū)域，該區(qū)域在一些智能手機、平板電腦或可穿戴設備等電子設備中會占用寶貴的設備表面空間。所公開的技術(shù)的這個方面可以用于在設備設計和產(chǎn)品集成或制造中提供某些優(yōu)點或益處。
在一些實現(xiàn)中，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以被配置為非入侵式模塊，其可以容易地集成到具有發(fā)光顯示像素的顯示屏幕(如oled顯示屏幕)，而不需要改變oled顯示屏幕的設計以提供指紋感應等期望的光學感應功能。就這點而言，基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學傳感器模塊可以獨立于特定的oled顯示屏幕設計的設計，這是由于光學傳感器模塊的以下性質(zhì)：這種光學傳感器模塊的光學感應是通過檢測由oled顯示屏幕發(fā)出的并從顯示區(qū)域的頂面返回的光進行的，并且所公開的光學傳感器模塊作為屏幕下光學傳感器模塊耦合到oled顯示屏幕的背面，用于接收來自顯示區(qū)域的頂面的返回的光，從而不需要與顯示屏幕區(qū)域分離的特定感應端口或感應區(qū)域。因此，這種屏幕下光學傳感器模塊可以用于與oled顯示屏幕組合，以在oled顯示屏幕上提供光學指紋感應和其他傳感器功能，而不使用具有專門設計用于提供這種光學感應的硬件的特殊設計的oled顯示屏幕。所公開的光學傳感器技術(shù)的這方面可以使oled顯示屏幕在智能手機、平板電腦或其他具有來自所公開的光學傳感器技術(shù)的光學感應的增強功能的電子設備中的范圍更加廣泛。
例如，對于不提供分離的指紋傳感器的現(xiàn)有電話組件設計，像某些蘋果iphone或三星galaxy模型，這種現(xiàn)有電話組件設計可以不改變觸摸感應顯示屏幕組件而集成如本文所述的屏幕下光學傳感器模塊，以提供增加的屏幕上指紋感應功能。因為所公開的光學感應不需要分離的指定感應區(qū)域或端口，像某些蘋果iphone/三星galaxy手機具有在顯示屏幕區(qū)域外的前指紋傳感器，或像華為、小米、谷歌或聯(lián)想的一些模型的一些智能手機在背面具有指定的后指紋傳感器，本文所公開的屏幕上指紋感應的集成不需要對具有觸摸感應層和顯示層的現(xiàn)有電話組件設計或觸摸感應顯示模塊進行實質(zhì)的改變。基于本文件中所公開的光學感應技術(shù)，在設備的外部不需要外部感應端口和外部硬件，該設備需要添加所公開的光學傳感器模塊來進行指紋感應。添加的光學傳感器模塊和相關電路在電話外殼內(nèi)的顯示屏幕下，并且可以在觸摸屏幕的相同觸摸感應表面上方便地進行指紋感應。
又如，由于用于指紋感應的光學傳感器模塊的上述性質(zhì)，集成這種光學傳感器模塊的智能手機能夠隨著改進的設計、功能和集成機制來更新，而不影響oled顯示屏幕的設計或制造或加重oled顯示屏幕的設計或制造負擔，以在產(chǎn)品周期中為設備制造和改進/升級提供期望的靈活性，同時維持使用oled顯示屏幕的智能手機、平板電腦或其他電子設備中光學指紋傳感器的更新版本的可用性。具體地，可以在下一產(chǎn)品發(fā)布時更新觸摸感應層或oled顯示層，而無需為利用所公開的屏幕下光學傳感器模塊實現(xiàn)的指紋感應功能做任何顯著的硬件改變。并且，基于這種光學傳感器模塊實現(xiàn)的屏幕上光學感應，以用于指紋感應或其他光學感應功能的改進——也包括增加額外的光學感應功能，可以通過在新產(chǎn)品中使用新版本的屏幕下光學傳感器模塊來實現(xiàn)，而不需要對電話組件設計做顯著改變。
所公開的光學傳感器技術(shù)的以上或其他特征的實現(xiàn)可以向新一代的電子設備提供改進的指紋感應和其他感應功能，尤其是對于具有顯示屏幕的智能手機、平板電腦和其他電子設備，該顯示屏幕具有發(fā)光顯示像素而不使用背光(如oled顯示屏幕)，以提供各種觸摸感應操作和功能，并增強這種設備的用戶體驗。
在所公開的技術(shù)特征的實現(xiàn)中，可以提供生物醫(yī)學傳感器等附加的感應功能或感應模塊，例如在像腕帶設備或手表的可穿戴設備中的心跳傳感器?？傊梢栽陔娮釉O備或系統(tǒng)中提供不同的傳感器以實現(xiàn)不同的感應操作和功能。
圖1是具有包括指紋傳感器181的指紋感應模塊180的系統(tǒng)的示例的框圖，該系統(tǒng)的實現(xiàn)可以包括基于本文件中所公開的指紋的光學感應的光學指紋傳感器。系統(tǒng)180包括指紋傳感器控制電路184和數(shù)字處理器186，該數(shù)字處理器186可以包括一個或多個處理器，用于處理指紋圖案，并確定輸入的指紋圖案是否是授權(quán)用戶的指紋圖案。指紋感應系統(tǒng)180使用指紋傳感器181來得到指紋并將得到的指紋與儲存的指紋進行比較，以啟用或禁用由指紋感應系統(tǒng)180保護的設備或系統(tǒng)188中的功能。操作中，指紋處理處理器186基于捕獲的用戶指紋是否來自授權(quán)用戶，控制對設備188的訪問。如圖所示，指紋傳感器181可以包括多個指紋感應像素，如統(tǒng)一表示指紋中的至少一部分的像素182a-182e。例如，指紋感應系統(tǒng)180可以在作為系統(tǒng)188的atm處實現(xiàn)，以確定請求訪問資金或其他交易的客戶的指紋。基于對從指紋傳感器181得到的用戶的指紋與一個或多個儲存的指紋的比較，響應于正面識別，指紋感應系統(tǒng)180可以使得atm系統(tǒng)188準許請求的對用戶賬戶的訪問，或者響應于否定識別，可以拒絕訪問。再如，設備或系統(tǒng)188可以是智能手機或便攜式設備，并且指紋感應系統(tǒng)180是集成到設備188的模塊。再如，設備或系統(tǒng)188可以是使用指紋傳感器181來準許或拒絕進入的設施或家庭的門或安全入口。又如，設備或系統(tǒng)188可以是汽車或其他交通工具，其使用指紋傳感器181鏈接到發(fā)動機的啟動，并識別人是否被授權(quán)操作該汽車或交通工具。
作為具體的示例，圖2a和2b示出了電子設備200的一個示例性實現(xiàn)，該電子設備200具有觸摸感應顯示屏幕組件和位于觸摸感應顯示屏幕組件下方的光學傳感器模塊。在該特定的示例中，顯示技術(shù)可以通過具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的oled顯示屏幕或另一種顯示屏幕來實現(xiàn)。電子設備200可以為智能手機或平板電腦等便攜式設備，并且電子設備200可以為如圖1所示的設備188。
圖2a示出了設備200的前側(cè)，其類似于一些現(xiàn)有智能手機或平板電腦中的一些特征。設備屏幕在設備200的前側(cè)，占據(jù)前側(cè)空間的全部、大部分或顯著部分，并且在設備屏幕上提供指紋感應功能，如用于在設備屏幕上接納手指的一個或多個感應區(qū)域。作為示例，圖2a示出了設備屏幕中用于手指觸摸的指紋感應區(qū)，該指紋感應區(qū)可以被照亮為明顯可識別的地區(qū)或區(qū)域，用戶放置手指以進行指紋感應。這種指紋感應區(qū)可以像設備屏幕的其余部分一樣用于顯示圖像。如圖所示，在各種實現(xiàn)中，設備200的設備外殼可以具有側(cè)面，該側(cè)面支持當前市場上各種智能手機中常見的側(cè)控制按鈕。并且，如圖2a中設備外殼的左上角的一個示例所示，在設備屏幕外的設備200的前側(cè)上可以設置一個或多個可選的傳感器。
圖2b示出了設備200中與本文件中公開的光學指紋感應相關的模塊的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的示例。圖2b中所示的設備屏幕組件包括：例如，在頂部具有觸摸感應層的觸摸感應屏幕模塊、以及位于觸摸感應模塊下的具有顯示層的顯示屏幕模塊。光學傳感器模塊耦合到顯示屏幕組件模塊并位于其下方，以接收和捕獲來自觸摸感應屏幕模塊的頂面的返回的光，并且將該返回的光引導且成像到光學感應像素或光電探測器的光學傳感器陣列上，該光學傳感器陣列將該返回的光中的光學圖像轉(zhuǎn)換成像素信號以用于進一步處理。光學傳感器模塊之下是設備電子結(jié)構(gòu)，該設備電子結(jié)構(gòu)包含用于設備200中的光學傳感器模塊和其他部件的某些電子電路。該設備電子器件可以布置在設備外殼內(nèi)部，并且可以包括如圖2b所示的光學傳感器模塊的下面的一部分。
在實現(xiàn)中，設備屏幕組件的頂面可以為光學透明層的表面，該光學透明層表面作為用戶觸摸感應表面以提供多種功能，例如(1)顯示輸出表面，攜帶顯示圖像的光穿過該顯示輸出表面到達觀看者的眼睛，(2)觸摸感應界面，接收用于觸摸感應模塊的觸摸感應操作的用戶觸摸，以及(3)光學界面，用于屏幕上指紋感應(以及可能的一個或多個其他光學感應功能)。這種光學透明層可以為玻璃或晶體層或柔性層等剛性層。
具有發(fā)光顯示像素而不使用背光的顯示屏幕的一個示例是具有單獨的發(fā)射像素的陣列以及薄膜晶體管(tft)結(jié)構(gòu)或基板的oled顯示器，其中，該薄膜晶體管結(jié)構(gòu)或基板可以包括小孔陣列，并且可以是光學透明的，并且可以是覆蓋基板以保護oled像素。參見圖2b，本示例中的光學傳感器模塊位于oled顯示面板的下面，以捕獲來自該頂部觸摸感應表面的返回的光，并且獲取當用戶的手指與該頂面上的感應區(qū)域接觸時的指紋圖案的高分辨率圖像。在其他實現(xiàn)中，所公開的用于指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊可以在沒有觸摸感應特征的設備上實現(xiàn)。此外，合適的顯示面板可以有不同于oled顯示器的各種屏幕設計。
圖2c和2d示出了實現(xiàn)圖2a和2b中的光學傳感器模塊的設備的示例。圖2c示出了包含屏幕下光學傳感器模塊的設備的一部分的橫截面視圖。圖2d在左側(cè)示出了具有觸摸感應顯示器的設備的前側(cè)的視圖，表示顯示屏幕下部上的指紋感應區(qū)域，并且在右側(cè)示出了包含位于設備顯示屏幕組件下面的光學傳感器模塊的設備的一部分的透視圖。圖2d還示出了具有電路元件的柔性帶的布局的示例。
在圖2a、2b、2c和2d的設計示例中，光學指紋傳感器設計不同于一些其他的指紋傳感器設計，這些設計使用獨立于顯示屏幕的指紋傳感器結(jié)構(gòu)，并且在移動設備的表面上，顯示屏幕和指紋傳感器之間具有物理分界(例如，一些移動電話設計中在頂部玻璃蓋板的開口中的按鈕狀結(jié)構(gòu))。在本文所示的設計中，用于檢測指紋感應和其他光學信號的光學指紋傳感器位于頂部蓋板玻璃或?qū)拥南旅?例如圖2c)，使得蓋板玻璃的頂面用作移動設備的頂面，作為橫跨垂直堆疊并垂直重疊的顯示屏幕層和光學檢測器傳感器的連續(xù)且均勻的玻璃表面。用于將光學指紋感應和對觸摸靈敏的顯示屏幕集成在共同且均勻的表面下的這種設計提供了益處，包括提高了設備一體化，增強了設備封裝，增強了設備對外部元件、故障、磨損和撕裂的抵抗力，并且增強了設備的所有權(quán)期間的用戶體驗。
各種oled顯示設計和觸摸感應設計可以用于圖2a、2b、2c和2d中的光學傳感器模塊之上的設備屏幕組件。圖3示出了oled顯示和觸摸感應組件的一個示例，該示例是蘋果公司的名稱為“集成的硅-oled顯示和觸摸傳感器面板”、2015年11月19日公開的公開號為us2015/0331508a1的美國專利申請的圖7b，該申請通過引用并入本專利文件的一部分。oled可以以各種類型或配置來實現(xiàn)，包括但不限于無源矩陣oled(pmoled)、有源矩陣oled(amoled)、透明oled、陰極共用oled、陽極共用oled、白光oled(woled)和三原色oled。不同類型的oled可以有不同的用途、配置和優(yōu)點。在具有集成的硅-oled顯示和觸摸傳感器面板的系統(tǒng)的示例中，該系統(tǒng)可以包括硅基板、晶體管陣列、一個或多個金屬化層、一個或多個通孔、oled疊層、濾色器、觸摸傳感器以及附加的部件和電路。附加的部件和電路可以包括靜電放電設備、光屏蔽、開關矩陣、一個或多個光電二極管、近紅外檢測器和近紅外濾色器。集成的硅-oled顯示和觸摸傳感器面板還可以配置用于近場成像、光學輔助觸摸和指紋檢測。在一些示例中，多個觸摸傳感器和/或顯示像素可以被分組成集群，并且該集群可以耦合到開關矩陣以用于觸摸和/或顯示粒度的動態(tài)變化。在圖3的oled示例和其他實現(xiàn)中，觸摸傳感器和觸摸感應電路可以包括，例如，驅(qū)動線和感應線等觸摸信號線、接地區(qū)域和其他電路。減少集成的觸摸屏幕的尺寸的一種方式可以是包括多功能電路元件，該多功能電路元件可以形成設計為以顯示系統(tǒng)的電路運行的顯示線路的一部分，以在顯示器上生成圖像。該多功能電路元件還可以形成可以感應在顯示器上或顯示器附近的一個或多個觸摸的觸摸感應系統(tǒng)的觸摸感應電路中的一部分。該多功能電路元件可以是，例如，lcd的顯示像素中的電容器，該電容器可以用于以顯示系統(tǒng)中顯示電路的存儲電容器/電極、公共電極、導線/路徑等運行，并且還可以用于以觸摸感應電路的電路元件運行。圖3中oled顯示器示例可以實現(xiàn)為將多點觸摸功能包括到oled顯示器，而不需要覆蓋oled顯示器的分離的多點觸摸面板或?qū)?。oled顯示器、顯示電路、觸摸傳感器和觸摸電路可以在硅基板上形成。通過在硅基板上制造集成的oled顯示器和觸摸傳感器面板，可以實現(xiàn)極高的每英寸像素(ppi)。針對oled和觸摸感應結(jié)構(gòu)的不同于圖3的其他布置也是可能的。例如，觸摸感應層可以是位于oled顯示組件的頂部的組件。
返回參考圖2a和2b，所示的用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊可以以各種配置來實現(xiàn)。
在一個實現(xiàn)中，基于上述設計的設備可以被構(gòu)造為包括設備屏幕，該設備屏幕提供觸摸感應操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，用于形成顯示圖像，該設備還包括頂部透明層，形成于設備屏幕之上，作為用于觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自顯示結(jié)構(gòu)的光以將圖像顯示給用戶的界面，該設備還包括光學傳感器模塊，位于顯示面板結(jié)構(gòu)的下方，以接收由顯示結(jié)構(gòu)的發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從頂部透明層返回的光來檢測指紋。
該設備還可以配置有各種特征。
例如，設備電子控制模塊可以包括在該設備中，以在檢測到的指紋與授權(quán)用戶的指紋匹配時授權(quán)用戶對該設備的訪問。此外，光學傳感器模塊除了用于檢測指紋外，還用于通過光學感應檢測不同于指紋的生物表征參數(shù)，以指示在頂部透明層處與檢測到的指紋相關聯(lián)的觸摸是否來自活著的人，如果(1)檢測到的指紋與授權(quán)用戶的指紋匹配，并且(2)檢測到的生物表征參數(shù)指示檢測到的指紋來自活著的人，則設備電子控制模塊用于授權(quán)用戶對該設備的訪問。該生物表征參數(shù)可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。
例如，該設備可以包括耦合到顯示面板結(jié)構(gòu)的設備電子控制模塊，以向發(fā)光顯示像素提供電源，并控制顯示面板結(jié)構(gòu)的圖像顯示，以及在指紋感應操作中，設備電子控制模塊操作關閉一幀中的發(fā)光顯示像素并打開下一幀中的發(fā)光顯示像素，以允許光學傳感器陣列捕獲具有發(fā)光顯示像素照明和不具有發(fā)光顯示像素照明的兩個指紋圖像，來減少指紋感應中背景光的影響。
再如，設備電子控制模塊可以耦合到顯示面板結(jié)構(gòu)，以向發(fā)光顯示像素提供電源，并在睡眠模式下關閉發(fā)光顯示像素的電源，并且當光學傳感器模塊在頂部透明層的指定的指紋感應區(qū)域處檢測到人的皮膚的存在時，設備電子控制模塊可以用于將顯示面板結(jié)構(gòu)從睡眠模式喚醒。更具體地，在一些實現(xiàn)中，當顯示面板結(jié)構(gòu)處于睡眠模式時，設備電子控制模塊可以用于操作一個或多個選擇的發(fā)光顯示像素間歇性地發(fā)光，同時關閉其他發(fā)光顯示像素的電源，將間歇發(fā)出的光指向頂部透明層的指定的指紋感應區(qū)域，以監(jiān)控是否存在與指定的指紋感應區(qū)域接觸的人的皮膚，用于將設備從睡眠模式喚醒。并且，顯示面板結(jié)構(gòu)可以被設計除了包括發(fā)光顯示像素外，還包括一個或多個led燈，以及當顯示面板結(jié)構(gòu)處于睡眠模式時，設備電子控制模塊用于操作一個或多個led燈間歇性地發(fā)光，同時關閉發(fā)光顯示像素的電源，將間歇發(fā)出的光指向頂部透明層的指定的指紋感應區(qū)域，以監(jiān)控是否存在與指定的指紋感應區(qū)域接觸的、用于將設備從睡眠模式喚醒的人的皮膚。
再如，該設備可以包括設備電子控制模塊，該設備電子控制模塊耦合到光學傳感器模塊，以接收通過感應手指的觸摸獲得的多個檢測到的指紋的信息，并且該設備電子控制模塊被操作來測量該多個檢測到的指紋的變化并確定造成測量到的該變化的觸摸力。例如，該變化可以包括由于觸摸力引起的指紋圖像的變化、由于觸摸力引起的觸摸區(qū)域的變化或指紋脊的間距的變化。
再如，頂部透明層可以包括用于用戶用手指觸摸以進行指紋感應的指定的指紋感應區(qū)域，并且顯示面板結(jié)構(gòu)下方的光學傳感器模塊可以包括與顯示面板基板接觸的透明塊，以接收從該顯示面板結(jié)構(gòu)發(fā)出的并從該頂部透明層返回的光，該光學傳感器模塊還可以包括接收該光的光學傳感器陣列以及光學成像模塊，該光學成像模塊將該透明塊中接收到的該光成像到該光學傳感器陣列上。該光學傳感器模塊可以相對于指定的指紋感應區(qū)域設置，并且被構(gòu)造成：當與人的皮膚接觸時，在頂部透明層的頂面處通過全內(nèi)反射選擇性地接收返回的光，而在沒有人的皮膚的接觸時，不接收來自指定的指紋感應區(qū)域的返回的光。
又如，光學傳感器模塊可以被構(gòu)造成包括位于顯示面板結(jié)構(gòu)下方的光楔，以修改與該光楔接合的顯示面板結(jié)構(gòu)的底面上的全反射條件，來允許從該顯示面板結(jié)構(gòu)提取出穿過該底面的光，該光學傳感器模塊還可以包括光學傳感器陣列，接收來自該光楔的從該顯示面板結(jié)構(gòu)提取出的光，還可以包括光學成像模塊，位于該光楔和該光學傳感器陣列之間，以將來自該光楔的光成像到該光學傳感器陣列上。
下面提供了用于屏幕上指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊的具體示例。
圖4包括圖4a和圖4b，并且示出了顯示屏幕組件下面的光學傳感器模塊的一個實現(xiàn)的示例，該光學傳感器模塊用于實現(xiàn)圖2a和圖2b中的設計。圖4中的設備包括具有頂部透明層431的顯示組件423，該頂部透明層431形成于設備屏幕組件432之上，作為用于觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自顯示結(jié)構(gòu)的光以將圖像顯示給用戶的界面。在一些實現(xiàn)中，該頂部透明層431可以是蓋板玻璃或晶體材料。設備屏幕組件423可以包括頂部透明層431下面的oled顯示模塊433。oled顯示模塊433包括oled層及其他，該oled層包括發(fā)出用于顯示圖像的光的oled像素陣列。oled層具有光學地用作孔和光散物體的陣列的電極和布線結(jié)構(gòu)。
oled層中的孔陣列允許來自頂部透明層431的光的傳輸通過該oled層到達該oled層下面的該光學傳感器模塊，并且由oled層造成的光散射影響屏幕下光學傳感器模塊的用于指紋感應的光學檢測。設備電路模塊435可以設置在該oled顯示面板的下面，以控制該設備的操作，并且為用戶執(zhí)行功能以操作該設備。
本特定實現(xiàn)示例中的該光學傳感器模塊位于oled顯示模塊433下?？梢钥刂浦讣y照明區(qū)613中的oled像素發(fā)光，以照亮設備屏幕區(qū)域內(nèi)的頂部透明層431上的指紋感應區(qū)615，使用戶將手指放入其中來進行指紋識別。如圖所示，手指445被放置在照亮的指紋感應區(qū)615中，該指紋感應區(qū)615作為用于指紋感應的有效感應區(qū)。指紋照明區(qū)613中被oled像素照亮的區(qū)615中的反射或散射的光中的一部分被指向oled顯示模塊433下的光學傳感器模塊中，并且光學傳感器模塊內(nèi)的光電探測器感應陣列接收這種光，并且捕獲由接收的該光所攜帶的指紋圖案信息。
在這種設計中，使用oled顯示面板內(nèi)的指紋照明區(qū)613中的oled像素來為光學指紋感應提供照明光，可以控制指紋照明區(qū)613中的oled像素以較低的周期間歇性地開啟，以減少用于光學感應操作的光學功率。例如，當oled面板中剩余的oled像素被關閉(如處于睡眠模式)時，指紋照明區(qū)613中的oled像素可以間歇性地開啟，以發(fā)出用于光學感應操作的照明光，該光學感應操作包括執(zhí)行光學指紋感應和喚醒oled面板。在一些實現(xiàn)中，該指紋感應操作可以以兩步驟的過程實現(xiàn)：首先，以閃光模式開啟oled顯示面板內(nèi)指紋照明區(qū)613中的數(shù)個oled像素，而不開啟該指紋照明區(qū)613中其他的oled像素，以使用閃光來感應手指是否觸摸感應區(qū)615，并且一旦檢測到區(qū)615中的觸摸，開啟指紋照明區(qū)613中oled像素，以激活光學感應模塊進行指紋感應。并且，響應于激活該光學感應模塊以進行指紋感應，指紋照明區(qū)613中的oled像素可以在明亮水平下操作，以提高指紋感應的光學檢測性能，例如，在比顯示圖像中的亮度水平更高的亮度水平下操作。
在圖4b的示例中，屏幕下光學傳感器模塊包括耦合到該顯示面板的透明塊701，該透明塊701接收來自設備組件的頂面的返回的光，該返回的光最初是由指紋感應區(qū)613中的oled像素發(fā)出的，該屏幕下光學傳感器模塊還包括執(zhí)行光學成像和成像捕獲的光學成像塊702。來自指紋照明區(qū)613中的oled像素的光在到達蓋板頂表面后，例如，用戶手指觸摸的感應區(qū)域615處的蓋板頂表面，從該蓋板頂表面反射或散射回來。當感應區(qū)域615中的蓋板頂表面緊密接觸指紋脊時，由于在該位置處接觸的手指的皮膚或組織的存在，指紋脊下的光反射不同于另一位置處的指紋谷下的光反射，該另一位置處的指紋谷下沒有手指的皮膚或組織。該蓋板頂表面上的手指觸摸的區(qū)域中脊和谷的位置處的光反射條件的這種不同形成了圖像，該圖像表示該手指的被觸摸部分的脊和谷的圖像或空間分布。該反射光被指向返回oled像素，并且在穿過oled顯示模塊433的小孔后，到達該光學傳感器模塊的低指數(shù)光學透明塊701的界面。該低指數(shù)光學透明塊701的折射率被構(gòu)造成小于oled顯示面板的折射率，使得可以將返回的光從oled顯示面板提取到該光學透明塊701中。一旦該返回的光在該光學透明塊701內(nèi)被接收，這種接收到的光進入作為成像感應塊702的一部分的光學成像單元，并且被成像到塊702內(nèi)的光電探測器感應陣列或光學感應整列上。指紋脊和谷之間的光反射差異造成了指紋圖像的對比。圖4b所示的是控制電路704(例如微控制器或mcu)，其耦合到成像感應塊702和主電路板上的設備主處理器705等其他電路。
在該特定的例子中，光學光路設計是：光線在基板和空氣界面之間的頂面上的總反射角內(nèi)進入蓋板頂表面，并會被塊702中的成像光學器件和成像傳感器陣列最有效地收集。在這種設計中，指紋脊/谷區(qū)域的圖像呈現(xiàn)最大的對比。這種成像系統(tǒng)可能具有會對指紋感應有不利影響的不期望的光學失真。因此，基于光學傳感器陣列處的，沿返回光線的光路的光學失真情況，在處理塊702中的光學傳感器陣列的輸出信號時，獲取的圖像還可以在成像重建期間通過失真校正來校正。通過在x方向線和y方向線的整個感應區(qū)域，每次掃描一行像素的測試圖像圖案，失真校正系數(shù)可以由每個光電探測器像素處捕獲的圖案生成。這種校正過程還可以使用來自于每次調(diào)諧一個單獨的像素且掃描光電探測器陣列的整個圖像區(qū)域產(chǎn)生的圖像。這種校正系數(shù)只需要在組裝傳感器之后生成一次。
來自環(huán)境的背景光(如太陽光或室內(nèi)光)可以通過oled顯示組件433中的tft基板孔穿過oled面板頂面進入圖像傳感器。這種背景光可以在來自手指的有價值的圖像中產(chǎn)生背景基線，并且這種背景基線是不期望的?？梢允褂貌煌姆椒▉頊p少這種基線強度。一個示例是以一定的頻率f調(diào)諧接通和斷開指紋照明區(qū)613中的oled像素，通過對像素驅(qū)動脈沖和圖像傳感器幀進行相位同步，圖像傳感器得以相同頻率獲取接收到的圖像。在這種操作下，不同相位的圖像中只有一個包含從oled像素發(fā)射的光。通過減去奇數(shù)和偶數(shù)幀，可能得到大部分由指紋照明區(qū)613中調(diào)制的oled像素發(fā)射的光所組成的圖像?；谠撛O計，每個顯示掃描幀生成指紋信號的幀。如果通過在一幀中諧調(diào)接通指紋照明區(qū)613中的oled像素并在另一幀中調(diào)諧斷開指紋照明區(qū)613中的oled像素，去除兩個連續(xù)的信號幀，則可以將環(huán)境的背景光影響最小化或大量消除。在實現(xiàn)中，指紋感應幀速率可以是顯示幀速率的一半。
來自指紋照明區(qū)613中oled像素的光中的一部分還可以穿過蓋板頂面，并進入手指組織。這部分的光功率被散在周圍，并且該散射光中的一部分可以穿過oled面板基板上的小孔，并最終被光學傳感器模塊中的成像傳感器陣列收集。該散射光的光強度取決于手指的膚色和手指組織中的血液濃度，并且手指上的該散射光攜帶的這種信息對指紋感應是有用的，并且可以作為指紋感應操作的一部分被檢測。例如，通過集成用戶手指圖像的區(qū)域的強度，可能會觀察到，血液濃度的增加/減少取決于用戶心跳的相位。這種特征可以用于確定用戶的心跳速率，確定用戶的手指是活體手指，還是具備偽造的指紋圖案的欺騙設備。
返回至圖3中的oled顯示器示例，oled顯示器通常具有不同的顏色像素，如相鄰的紅色、綠色和藍色像素形成一個彩色oled像素。通過控制開啟每個彩色像素內(nèi)的哪種顏色的像素并記錄相應的測量強度，可以確定用戶的膚色。例如，當用戶注冊了用于指紋認證操作的手指時，光學指紋傳感器還測量來自手指的顏色a和b的散射光的強度，作為強度ia和ib?？梢杂涗沬a/ib的比率，以與當用戶的手指放在感應區(qū)域上時測量指紋的晚些的測量結(jié)果作比較。該方法可以幫助拒絕可能與用戶膚色不匹配的欺騙設備。
在一些實現(xiàn)中，為了在oled顯示面板為不開啟時使用上述光學傳感器模塊提供指紋感應操作，如圖4所示，可以將為提供指紋感應照明指定的一個或多個額外的led燈源703設置在透明塊701的側(cè)面上。這種指定的led燈703可以由用于控制塊702中的圖像傳感器陣列的相同的電子器件704(如mcu)控制。該指定的led燈703可以以低的占空比短時間地脈沖，以間歇性地發(fā)光并提供用于圖像感應的脈沖光。圖像傳感器陣列可以被操作為以相同的脈沖占空比監(jiān)控從oled面板蓋板基板反射的光圖案。如果存在觸摸屏幕上的感應區(qū)域615的人類手指，則在塊702中的成像感應陣列處捕獲的圖像可以用于檢測觸摸事件。連接到塊702中的圖像傳感器陣列的控制電子器件或mcu704可以被操作為確定該觸摸是否為人類手指觸摸。如果確定是人類手指觸摸事件，mcu704可以被操作為喚醒智能手機系統(tǒng)，開啟oled顯示面板(或至少關閉指紋照明區(qū)613中的用于光學指紋感應的oled像素)，并使用正常模式獲取完整的指紋圖像。塊702中的圖像傳感器陣列會向智能手機主處理器705發(fā)送獲取的該指紋圖像，該智能手機主處理器705可以被操作為將捕獲的該指紋圖像與注冊的指紋數(shù)據(jù)庫進行匹配。如果存在匹配的，智能手機會解鎖手機，并啟動正常操作。如果獲取的該圖像沒有被匹配到，智能手機會向用戶反饋該認證失敗。用戶可以再次嘗試，或輸入密碼。
在圖4(尤其是圖4b)的示例中，屏幕下光學傳感器模塊使用光學透明塊701和具有光電探測器感應陣列的成像感應塊702，將與顯示屏幕的頂面接觸的觸摸手指的指紋圖案光學地成像在光電探測器感應陣列上。圖4b中示出了從感應區(qū)615至塊702中光電探測器陣列的光學成像軸或檢測軸625。光學透明塊701和光電探測器感應陣列之前的成像感應塊702的前端形成了體成像模塊，以實現(xiàn)用于光學指紋感應的合適的成像。由于該成像過程中的光學失真，如上所釋，失真校正可以用于實現(xiàn)期望的成像操作。
在本文公開的由圖4中的屏幕下光學傳感器模塊和其他設計進行的光學感應中，從頂部透明層431上的感應區(qū)615到屏幕下光學傳感器模塊的光學信號包括不同的光組分。圖5a和5b示出了用于兩種不同的光學條件下從感應區(qū)615返回的光的信號生成，以便于理解屏幕下光學傳感器模塊的操作。
圖5a示出了來自oled顯示模塊433的oled發(fā)射的光如何在穿過頂部透明層431后生成到屏幕下光學傳感器模塊的不同的返回的光信號，該返回的光信號包括攜帶指紋圖案信息的光信號。示出了兩個不同位置處的兩個oled像素71和73，以發(fā)射oled輸出光束80和82，該oled輸出光束80和82被指向頂部透明層431，而在頂部透明層431的界面處不經(jīng)歷全反射。手指60與頂部透明層431上的感應區(qū)615接觸。如圖所示，oled光束80在穿過頂部透明層431后，到達與頂部透明層431接觸的手指脊，以在手指組織中生成光束183和向oled顯示模塊433返回的另一光束181。oled光束82在穿過頂部透明層431后，到達位于頂部透明層上方的手指谷，以生成從頂部透明層431的界面向oled顯示模塊433返回的光束、進入手指組織的第二光束189以及由該手指谷反射的第三光束187。
在圖5a的示例中，假設手指皮膚在550nm處的等效折射率約為1.44，并且頂部透明層431的蓋板玻璃折射率約為1.51。在這些假設下，在手指皮膚脊位置61處開啟顯示oled像素71以產(chǎn)生光束80。手指脊-蓋板玻璃的界面反射光束80的部分光，作為到oled顯示模塊433下的底層524的反射的光181。其反射率低，約為0.1％。光束80中的大部分光變?yōu)閭鬏斨潦种附M織60中的光束183，手指組織60造成光183的散射，產(chǎn)生向oled顯示模塊433和底層524返回的散射光191。來自oled像素73的透射光束189在手指組織中的散射也對返回的散射光191有貢獻。
對于來自顯示oled組73的手指皮膚谷位置63處的光束82，蓋板玻璃表面將入射光82功率的約3.5％(光185)反射到底層524，并且手指谷表面將該入射光功率的3.3％(光187)反射至底層524?？偡瓷渎始s為6.8％。大部分光189被傳輸至手指組織60中。手指組織中的透射光189中的光功率中的一部分被手指組織散射，貢獻到朝向并進入底層524中的散射光191中。
因此，來自在觸摸手指的手指谷和手指脊處的各種界面或表面的光反射是不同的，反射比差攜帶指紋地圖信息，并且可以測量該反射比差以提取與頂部透明層431接觸且被oled光照射到的部分的指紋圖案。
圖5b示出了來自oled顯示模塊433的oled發(fā)射的光在與頂部透明層431的界面處的全反射條件下，如何生成到屏幕下光學傳感器模塊的不同的返回的光信號，該返回的光信號包括攜帶指紋圖案信息的光信號。假設蓋板玻璃431和oled顯示模塊433被粘合在一起，兩者之間沒有任何氣隙，使得由oled像素73發(fā)出的、對蓋板玻璃431具有大的入射角的oled光束，會在蓋板玻璃-空氣界面處被全反射。當顯示oled像素73被開啟時，發(fā)散光束可以被分成以下三組：(1)中心光束82，對蓋板玻璃431具有小的入射角且沒有全反射，(2)高對比度光束201、202、211和212，當蓋板玻璃表面沒有被觸摸時，在蓋板玻璃431處被全反射，并且當手指觸摸蓋板玻璃431時，可以耦合到手指組織中，以及(3)具有很大入射角的逃離光束，即使在手指組織觸摸的位置處，也在蓋板玻璃431處被全反射。
對于中心光束82，蓋板玻璃表面對著光束185反射約為0.1％～3.5％的光，這部分光被傳輸?shù)降讓?24中，手指皮膚對光束187反射約為
0.1％～3.3％的光，這部分光也被傳輸?shù)降讓?24中。反射差取決于光束82是否與手指皮膚脊61或谷63相遇。剩余的光束189被耦合到指組織60中。
對于高對比度光束201和202，如果蓋板玻璃表面沒有被觸摸，蓋板玻璃表面分別對光束205和206反射幾乎100％的光。當手指皮膚脊在光束201和202的位置處觸摸蓋板玻璃表面時，光功率中的大部分通過光束203和204耦合到手指組織60中。
對于高對比度光束211和212，如果蓋板玻璃表面沒有被觸摸，蓋板玻璃表面分別對光束213和214反射幾乎100％的光。當手指觸摸蓋板玻璃表面且手指皮膚谷恰好處于光束211和212的位置時，沒有光功率耦合到手指組織60中。
與圖5a中的情況相似，耦合到手指組織60中的光束會經(jīng)歷手指組織的隨機散射，以形成低對比度光191。
因此，在高對比光束照射的區(qū)域中，手指皮膚脊和谷引起不同的光學反射，并且反射差異圖案攜帶指紋圖案信息。高對比指紋信號可以通過比較這種差異來實現(xiàn)。
基于圖2a和2b中的設計，所公開的屏幕下光學感應技術(shù)可以以各種配置來光學地捕獲指紋。
例如，可以以各種配置來實現(xiàn)圖4b中的具體實現(xiàn)，該實現(xiàn)是基于通過使用光學感應模塊中的大塊成像模塊的光學成像。圖6、7、8、9、10、11和12示出了用于光學指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊設計的各種實現(xiàn)、附加特征和操作的示例。
圖6包括圖6a、6b和6c，示出了基于通過透鏡進行光學成像的屏幕下光學傳感器模塊的示例，用于從按壓顯示蓋板玻璃423的手指445捕獲指紋。圖6c是圖6b所示的光學傳感器模塊部分的放大視圖。如圖6b所示的屏幕下光學傳感器模塊位于oled顯示模塊433下，該屏幕下光學傳感器模塊包括與oled顯示模塊433的底面接觸的光學透明墊片617，以接收來自頂部透明層上431的頂面上的感應區(qū)615返回的光，該屏幕下光學傳感器模塊還包括位于墊片617和光電探測器陣列623之間的成像透鏡621，成像透鏡621將接收到的來自感應區(qū)615的返回的光成像在光電探測器陣列623上。類似于圖4b示例中的成像系統(tǒng)，圖6b中用于光學傳感器模塊的成像系統(tǒng)可能經(jīng)歷圖像失真，并且可以使用合適的光學校正校準來減少這種失真，例如，對圖4b中系統(tǒng)所描述的失真校正方法。
與圖5a和5b中的假設相似，假設手指皮膚在550nm處的等效折射率約為1.44，并且對于蓋板玻璃423，裸的蓋板玻璃的折射率約為1.51。當oled顯示模塊433粘合在蓋板玻璃431上且沒有任何氣隙時，全內(nèi)反射在等于或大于界面的臨界入射角的大角度發(fā)生。如果蓋板玻璃頂面沒有被接觸，則全反射入射角約為41.8°，并且如果手指皮膚觸摸蓋板玻璃頂面，則全反射角約為73.7°。對應的全反射角差約為31.9°。
在這種設計中，微透鏡621和光電二極管陣列623限定了捕獲感應區(qū)615中接觸手指的圖像的視角θ。為了檢測感應區(qū)615中蓋板玻璃表面中的期望的部分，可以通過控制物理參數(shù)或配置來適當?shù)貙试撘暯?。例如，可以對準視角以檢測oled顯示組件的全內(nèi)反射。具體地，對準觀看視角θ來感應蓋板玻璃表面上的有效感應區(qū)615。有效的感應蓋板玻璃表面615可以被視為鏡子，使得光電探測器陣列有效地檢測視區(qū)或oled顯示中指紋照明區(qū)613的，由感應蓋板玻璃表面615投射到光電探測器陣列上的圖像。如果開啟視區(qū)/指紋照明區(qū)613中的oled像素來發(fā)光，光電二極管/光電探測器陣列623可以接收由感應蓋板玻璃表面615反射的區(qū)613的圖像。當手指觸摸感應區(qū)615時，光中的一部分可以耦合到指紋的脊中，這會引起光電探測器陣列接收來自脊位置的光，以呈現(xiàn)為更暗的指紋圖像。由于光學的檢測路徑的幾何形狀是已知的，所以可以校正在光學傳感器模塊中的光學路徑中引起的指紋圖像失真。
作為具體的示例，考慮到圖6b中從檢測模塊中心軸到蓋板玻璃頂面的距離h為2mm，這種設計可以直接覆蓋5mm的有效感應區(qū)615，該有效感應區(qū)615在蓋板玻璃上具有寬度wc。調(diào)整墊片617的厚度可以調(diào)整檢測器位置參數(shù)h，并且可以優(yōu)化有效感應區(qū)寬度wc。由于h包括蓋板玻璃431和顯示模塊433的厚度，所以該申請設計應當考慮這些層。墊片617、微透鏡621和光電二極管陣列623可以集成在頂部透明層431的底面上的彩色涂層619的下方。
圖7示出了用于圖6中示出的光學傳感器模塊的光學成像設計的另一設計考慮的示例，通過使用特殊的墊片618代替的圖6中的墊片617，以增加感應區(qū)域615的尺寸。墊片618被設計為具有寬度ws，厚度為hs，具有低折射率(ri)ns，并且，墊片618位于oled顯示模塊433下，例如，被附接(如粘合)到oled顯示模塊433的底面。墊片618的端面是與微透鏡621接合的成角度的或傾斜的面。墊片和透鏡的這種相對位置不同于圖6中透鏡位于墊片617的下方。微透鏡621和光電二極管陣列623被組裝到具有檢測角度大小為θ的光學檢測模塊中。由于在墊片618和顯示模塊433之間的界面處的光學折射以及在蓋板玻璃431和空氣之間的界面處的光學折射，檢測軸625彎曲。局部入射角
如果nc大于ns，則
當特殊墊片618的折射率設計為足夠低(如，使用mgf2、caf2或甚至空氣來形成墊片)時，有效感應區(qū)域615的寬度wc不再受限于蓋板玻璃431和顯示模塊433的厚度。這種性質(zhì)使設計者具有想要的靈活性。原則上，如果檢測模塊具有足夠的分辨率，甚至可以將有效感應區(qū)域到覆蓋所有的顯示屏幕。
因為所公開的光學傳感器技術(shù)可以用于提供大的感應區(qū)域來捕獲圖案，所以所公開的屏幕下光學傳感器模塊不僅可以用于捕獲和檢測手指的圖案，還可以用于捕獲和檢測更大尺寸的圖案，例如與人相關聯(lián)的人的手掌，來進行用戶認證。
圖8示出了用于圖7中示出的光學傳感器模塊的光學成像設計的另一設計的示例，在該設計中，設置光電探測器陣列在顯示屏幕表面中相對的檢測角θ′以及透鏡621和墊片618之間的距離l。圖8a示出了沿著垂直于顯示屏幕表面的方向的橫截面視圖，圖8b示出了從顯示屏幕底部或頂部看到的設備的視圖。填充材料618c可以用于填充透鏡621和光電探測器陣列623之間的間隔。例如，填充材料618c可以是與特殊墊片618相同的材料或者是另一種不同的材料。在一些設計中，填充材料618c可以是空氣間隔。
圖9示出了基于圖7的設計中的屏幕下光學傳感器模塊的另一示例，其中oled顯示模塊433中的視區(qū)或指紋照明區(qū)613設計為包括一個或多個額外的光源614，該額外的光源附著或粘合于與視區(qū)613相同的位置或區(qū)域中，以對感應區(qū)615提供附加的照明，從而增加了光學感應操作中的光強度。這是用來提高光學感應靈敏度的方法之一。額外的光源614可以是擴展類型或是準直類型的光源，以使得有效感應區(qū)615內(nèi)所有的點被照亮。額外的光源614可以是單元件光源或光源陣列。如上所述，oled顯示模塊433中的視區(qū)或指紋照明區(qū)613中的oled像素可以在光學指紋感應操作期間操作于比用于在oled顯示器中顯示圖像的亮度水平更高的亮度水平。
圖10示出了使用形狀為薄楔的光學耦合器628的屏幕下光學傳感器模塊的示例，以提高在光學傳感器陣列623處的光學檢測。圖10的圖10a示出了具有用于指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊的設備結(jié)構(gòu)的橫截面，圖10b示出了設備屏幕的頂視圖。光楔628(具有折射率ns)位于顯示面板結(jié)構(gòu)的下方，以修改與光楔628接合的顯示面板結(jié)構(gòu)的底面上的全反射條件，來允許從顯示面板結(jié)構(gòu)提取出穿過底面的光。光學傳感器陣列623接收來自光楔628的從顯示面板結(jié)構(gòu)提取出的光，光學成像模塊621位于光楔628和光學傳感器陣列623之間，以將來自光楔628的光成像到光學傳感器陣列623上。在所示的示例中，光楔628包括面對著光學成像模塊和光學感應陣列623的傾斜光楔面。并且，如圖所示，在光楔628和光學成像模塊621之間存在自由間隔。
如果光在蓋板玻璃431的感應表面處被全反射，則反射率為100％，具有最高的效率。然而，如果光與蓋板玻璃表面平行，則光還會在oled底面433b處被全反射。楔形耦合器628用于修改局部表面角，以使得光可以耦合輸出以用于在光學傳感器陣列623處的檢測。oled顯示模塊431的tft層中的微孔提供使得光穿過oled顯示模塊431以進行屏幕下光學感應的期望的光傳播路徑。如果光透射角變得太大或當tft層變得太厚時，實際的光透射效率可能逐漸減少。當該角度接近于全反射角時，即約為41.8°，且蓋板玻璃折射率為1.5時，指紋圖像看起來是好的。因此，楔形耦合器628的楔角可以被調(diào)整為數(shù)度，以使得檢測效率可以提高或優(yōu)化。如果選擇更高的蓋板玻璃的折射率，則全反射角變小。例如，如果蓋板玻璃由折射率約為1.76的藍寶石制成，則全反射角約為34.62°。顯示器中的檢測光透射效率也提高了。因此，這種設計使用薄楔將檢測角設置為高于全反射角，和/或使用高折射率的蓋板玻璃材料，來提高檢測效率。
在圖6至10中的屏幕下光學傳感器模塊中，頂部透明表面上的感應區(qū)域615不是豎直的或者不垂直于光學傳感器模塊的檢測軸625，使得感應區(qū)域的圖像平面也不是豎直的或不垂直于檢測軸625。因此，光電探測器陣列523的平面相對于檢測軸625可以是傾斜的，以實現(xiàn)在光檢測陣列623處的高質(zhì)量成像。
圖11示出了這種傾斜的三個示例配置。圖11(1)示出了感應區(qū)域615a傾斜且不垂直于檢測軸625。在(2)中所示的特定情況下，感應區(qū)域615b對準在檢測軸625上，其圖像平面也會位于檢測軸625上。實踐中，可以部分地切掉透鏡621以簡化封裝。在各種實現(xiàn)中，微透鏡621也可以是透射型或反射型透鏡。例如，(3)中示出了特定的途徑。感應區(qū)域615c由成像鏡621a成像。光電二極管陣列623b對齊以檢測信號。
在使用透鏡621的上述設計中，透鏡621的有效孔徑可以被設計為大于oled顯示層中的孔的孔徑，后者允許光透射穿過oled顯示器來進行光學指紋感應。這種設計可以減少oled顯示模塊中的布線結(jié)構(gòu)和其他散射物體的所造成不期望的影響。
在所公開的指紋技術(shù)的一些實現(xiàn)中，光學傳感器陣列623處的指紋感應對比度可以通過控制顯示屏幕的oled像素(613)來提高，該oled像素在指紋觸摸感應中提供用于捕獲指紋圖案的照明。當指紋傳感器被激活時，例如，由于觸摸的存在，局部視區(qū)613中的oled像素可以被開啟且具有高亮度，以提高指紋感應對比度。例如，局部視區(qū)613中的oled像素的亮度可以被控制為高于當該局部視區(qū)613中相同的oled像素用作常規(guī)顯示時的最大亮度。
圖12示出了指紋傳感器的用于在指紋感應中減少或消除來自背景光的影響的操作的示例。光學傳感器陣列可以用于捕獲各種幀，并且捕獲到的幀可以用于進行多個幀之間的差分和平均操作，以減少背景光的影響。例如，在幀a中，oled顯示器被開啟，以照亮手指觸摸的區(qū)域，在幀b中，改變或關閉oled顯示器的照明。從幀a的信號減去幀b的信號可以使用在圖像處理中，以減少不期望的背景光影響。
還可以通過在光路中提供合適的光學過濾來減少指紋感應中的不期望的背景光。一個或多個光學過濾器可以用于過濾掉環(huán)境光波長，例如，近紅外光和部分的紅光等。在一些實現(xiàn)中，這種光學過濾涂層可以制作在光學部件的表面上，包括顯示器底面、棱鏡表面或傳感器表面等。例如，人類手指吸收波長低于～580nm的光的能量中的大部分，如果一個或多個光學過濾器或光學過濾涂層可以設計為過濾波長從580nm至紅外的光，則可以大大減少環(huán)境光對指紋感應中的光學檢測的影響。
圖13示出了用于校正光學傳感器模塊中的圖像失真的操作過程的示例。在步驟1301處，某些顯示像素被控制和操作于在特定區(qū)域中發(fā)光，并且這種像素的光發(fā)射由頻率f調(diào)制。在步驟1302處，顯示面板下的成像傳感器的幀速率被操作為和頻率f相同，以捕獲圖像。在光學指紋感應操作中，手指放置在顯示面板蓋板基板的頂部上，并且手指的存在調(diào)制該顯示面板蓋板基板頂面的光反射強度。該顯示器下的成像傳感器捕獲指紋調(diào)制的反射光圖案。在步驟1303處，對來自圖像傳感器的信號的解調(diào)制以頻率f同步，并且進行背景過濾。所得的圖像減少了背景光的影響，并且包括來自像素發(fā)射的光產(chǎn)生的圖像。在步驟1304處，處理并校準捕獲到的圖像，以校正圖像系統(tǒng)失真。在步驟1305處，將校正了的圖像用作用于用戶認證的人類指紋圖像。
用于捕獲用戶的指紋而使用的相同的光學傳感器還可以用于捕獲來自被照亮手指的散射光，如圖5a和5b中的散射到底層中的光191所示。可以集成來自圖5a和5b中的散射到底層中的光191的感興趣區(qū)域中的檢測器信號，以產(chǎn)生強度信號。評估該強度信號的強度變化以確定用戶的心率。
上述指紋傳感器可以被能夠得到授權(quán)用戶的指紋并且將被偷盜的指紋圖案復制在類似于人類手指的載體上的惡意的個體黑客攻擊。這種未授權(quán)的指紋圖案可以用在指紋傳感器上，以解鎖目標設備。因此，指紋圖案，盡管是唯一的生物表征標識符，其本身可能不是完全可靠或安全的標識。屏幕下光學傳感器模塊還可以用作光學反欺騙傳感器，用于感應具有指紋圖案的輸入物體是否是來自活著的人的手指，并且用于確定指紋輸入是否為指紋欺騙攻擊。無需使用單獨的光學傳感器來提供這種光學反欺騙感應功能。光學反欺騙能夠提供高速響應，而不損害指紋感應操作的整體響應速度。
圖14a示出了在血液中監(jiān)控的材料的示例性消光系數(shù)，血液中的光學吸收在如660nm的紅光的可見光譜范圍和如940nm的紅外光的紅外范圍之間是不同的。通過使用探測光以在第一可視波長(顏色a)和紅外波長(顏色b)等第二不同波長來照亮手指，可以捕獲輸入物體的光學吸收的不同，以確定觸摸的物體是否為來自活著的人的手指。因為oled像素包括發(fā)出不同顏色的光的oled像素，發(fā)出至少兩種不同的光學波長的探測光，以使用血液的不同光學吸收行為來進行活體手指檢測。當人的心臟跳動時，脈搏壓力泵送血液在動脈中流動，因此在血液中監(jiān)控的材料的消光比隨著脈搏而變化。接收到的信號攜帶脈搏信號。血液的這些性質(zhì)可以用于檢測被監(jiān)控的材料是活體指紋還是假指紋。
圖14b示出了來自無生命材料(如假手指)和活體手指的反射光中的光學信號行為之間的比較。光學指紋傳感器也可以用作心跳傳感器運行，來監(jiān)控活著的生物。當檢測到探測光的兩個或多個波長時，消光比差可以用于快速地確定被監(jiān)控的材料是否是活著的生物，例如活體指紋。在圖14b所示的示例中，使用了不同波長的探測光，如圖14a所示，一個是可視波長，另一個為紅外波長。
當無生命材料觸摸指紋傳感器模塊上方的頂部蓋板玻璃時，接收到的信號揭示了與該無生命材料的表面圖案相關的強度水平，并且該接收到的信號不包含與活著的人的手指相關聯(lián)的信號分量。然而，當活著的人的手指觸摸頂部蓋板玻璃時，該接收到的信號揭示了與活著的人相關聯(lián)的信號特征，由于不同波長的消光比不同，所以該接收到的信號包括明顯不同的強度水平。這種方法不需要花很長時間來確定觸摸材料是否是活著的人的一部分。圖14b中，脈沖狀信號反應了多次觸摸的情形，而不是血液脈沖。無生命材料的相似的多次觸摸不顯示由活體手指引起的差異。
血液在不同光學波長處的不同光學吸收行為的這種光學感應可以在短周期內(nèi)進行，以用于活體手指檢測，并且可以比使用相同光學傳感器的人的心跳的光學檢測更快。
圖15示出了通過操作oled像素以用兩種不同顏色的光照亮手指來確定與oled顯示屏幕接觸的物體是否是活著的人的手指的一部分的操作過程的示例。
又如，所公開的光學傳感器技術(shù)可以用于通過除上述血液在不同光學波長處的不同光學吸收之外的其他機制，通過“活體手指”檢測機制檢測捕獲到的或檢測到的指紋或手掌的圖案是否來自活著的人的手。例如，由于人的自然移動或運動(有意或無意地)或當血液流過人體時的與心跳相關的脈搏，活著的人的手指通常是移動著或伸展著的。在一個實現(xiàn)中，光學傳感器模塊可以檢測來自手指或手掌的返回的光的由于心跳/血流變化而導致的變化，從而檢測在表現(xiàn)為手指或手掌的物體中是否存在活著的心跳。用戶認證可以基于指紋/手掌圖案的光學感應和對存在活著的人的正面確定的結(jié)合來增強訪問控制。作為另一個例子，當人觸摸oled顯示屏幕時，觸摸力的變化可以以一種或多種方式反映，包括指紋圖案變形，手指和屏幕表面之間的接觸區(qū)域的變化，指紋脊變寬，或血流的動態(tài)變化。這些或其他變化可以通過基于所公開的光學傳感器技術(shù)的光學感應來測量，并且可以用于計算觸摸力。這種觸摸力感應可以用于為光學傳感器模塊添加除指紋感應之外的更多的功能。
在上述示例中，如圖4b和圖6b所示，指紋圖案經(jīng)由成像模塊被捕獲在光學傳感器整列上，光學失真通常降低了圖像感應保真度。這種圖像失真可以以各種方式來校正。圖16示出了由oled顯示器產(chǎn)生的標準校準圖案的示例，用于校準由光學傳感器陣列輸出的用于指紋感應的成像感應信號。指紋感應模塊參考標準圖案的圖像校準輸出坐標。
根據(jù)本專利文件中所公開的內(nèi)容，可以對所公開的光學傳感器模塊進行各種實現(xiàn)。
例如，顯示面板可以構(gòu)造成：其中的每個發(fā)光像素可以被單獨控制；顯示面板包括至少部分透明的基板以及實質(zhì)透明的蓋板基板。光學傳感器模塊位于顯示面板下，以感應在顯示面板表面的頂部上形成的圖像。光學傳感器模塊可以用于感應從顯示面板像素發(fā)射的光所形成的圖像。光學傳感器模塊可以包括折射率低于顯示面板基板的折射率的透明塊，還包括具有成像傳感器陣列的成像傳感器塊以及光學成像透鏡。在一些實現(xiàn)中，低折射率塊的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范圍內(nèi)。
再如，可以提供一種用于指紋感應的方法，其中從顯示面板發(fā)射的光被蓋板基板反射，位于蓋板基板頂部上的手指與光交互，以通過指紋調(diào)制光反射圖案。顯示面板下的成像感應模塊用于感應反射的光圖案圖像，并且重建指紋圖像。在一個實現(xiàn)中，在時域中調(diào)制來自顯示面板的發(fā)射光，并且成像傳感器與發(fā)射像素的調(diào)制同步，基于此種設置的解調(diào)制過程會拒絕背景光(不是來自目標像素的光)中的大部分光。
對所公開的用于光學指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊的各種設計考慮在作為申請?zhí)枮?2/289,328的美國臨時申請和申請?zhí)枮?2/330,833的美國臨時申請的一部分的發(fā)明名稱為“多功能指紋傳感器和封裝”(41頁文本和26頁附圖)的附件3、以及2016年6月20日在uspto提交的、申請?zhí)枮閜ct/us2016/038445、發(fā)明名稱為“具有光學感應能力的多功能指紋傳感器”的國際專利申請(要求于2015年6月18日提交的、申請?zhí)枮?2/181,718的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán)，并于2016年12月22日以wo2016/205832公開)中和2016年11月2日在sipo提交的、發(fā)明名稱為“具有防御指紋欺騙的光學感應的多功能指紋傳感器”的國際專利申請(要求于2015年11月2日提交的、申請?zhí)枮?2/249,832的美國臨時專利申請的優(yōu)先權(quán))中被進一步描述。上述專利申請的全部公開內(nèi)容通過引用并入本專利文件公開內(nèi)容的一部分。
在本文公開的用于指紋感應的屏幕下光學傳感器模塊技術(shù)的各種實現(xiàn)中，可以實現(xiàn)手指的被照亮的觸摸部分光學成像到屏幕下光學傳感器模塊中的光學傳感器陣列，而不使用通過在光學照明下對從手指的觸摸部分返回的光成像的透鏡等成像模塊。沒有成像模塊的光學指紋感應的一個技術(shù)挑戰(zhàn)是如何控制返回的光的傳播，這種傳播可能在空間上擾亂光學傳感器陣列處的從手指的觸摸部分上的不同位置返回的光，使得當這種返回的光到達光學傳感器陣列時，不同位置的空間信息可能丟失。這個挑戰(zhàn)可以通過使用光學準直器或針孔陣列替代屏幕下光學傳感器模塊中的光學成像模塊通過光學感應檢測指紋來解決。一種用于實現(xiàn)這種光學指紋發(fā)送的設備可以包括：設備屏幕，提供觸摸感測操作并且包括具有發(fā)光顯示像素的顯示面板結(jié)構(gòu)，每個像素可操作以發(fā)光，以形成顯示圖像的一部分；頂部透明層，形成于設備屏幕之上，作為用于觸摸感應操作的用戶觸摸界面并且用于傳輸來自顯示結(jié)構(gòu)的光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于顯示面板結(jié)構(gòu)下方，以接收由顯示結(jié)構(gòu)的發(fā)光顯示像素中的至少一部分發(fā)出的并從頂部透明層返回的光來檢測指紋，該光學傳感器模塊包括光學傳感器陣列，該光學傳感器陣列接收返回的光，該光學傳感器模塊還包括位于該返回的光的到光學傳感器陣列的路徑中的光學準直器陣列或針孔陣列。光學準直器陣列用于收集來自顯示面板結(jié)構(gòu)的返回的光，并且分離來自頂部透明層中的不同位置的光，同時將收集到的返回的光指向光學傳感器陣列。
使用準直器的成像依賴于在不同位置使用不同的準直器，以將來自指紋的不同區(qū)域的光在空間上分離到光學檢測器陣列中的不同的光學檢測器。每個準直器沿著該準直器的厚度或長度可以設計為控制每個準直器的光學視圖的窄場，比如，僅來自被照亮的手指上的小區(qū)域的光被每個準直器捕獲，并被投影到光學檢測器陣列中數(shù)個相鄰的光學檢測器上。例如，可以將每個準直器沿著該準直器的厚度或長度設計的很大，如幾百微米，使得每個準直器的光學視圖的場可以允許準直器向光學檢測器陣列上的小區(qū)域傳送成像光，比如，光學檢測器陣列中的一個光學檢測器或幾個相鄰的光學檢測器(比如，在一些情況下，在光學檢測器陣列的每一側(cè)上的十幾微米的區(qū)域)。
以下部分通過示例解釋了光學準直器陣列或針孔陣列如何用于進行屏幕下光學指紋感應，該示例在光學指紋感應時在混合感應像素中使用光學準直器，每個混合感應像素具有用于捕獲指紋信息的電容式傳感器和用于捕獲指紋信息的光學傳感器。
圖17a和17b示出了將電容感應和光學感應結(jié)合在同一感應像素中的混合感應像素設計的兩個示例。
圖17a示出了指紋傳感器設備2100的示例，該指紋傳感器設備2100在捕獲指紋信息時，為傳感器像素陣列的每個傳感器像素在光學傳感器的基礎上并入電容式傳感器。通過結(jié)合電容式傳感器和光學傳感器，使用光學傳感器得到的指紋圖像可以用于更好地分解使用電容式傳感器得到的3d指紋結(jié)構(gòu)。為了說明的目的，圖17a示出的結(jié)構(gòu)表示傳感器像素陣列中的一個傳感器像素，并且每個傳感器像素包括在同一像素內(nèi)彼此相鄰布置的光學傳感器2102和電容式傳感器2114。
光學傳感器2102包括光電探測器2108和置于光電探測器2108上方的準直器2106，以使從手指2102反射的光2124向著光電探測器2108變窄或聚焦。led等一個或多個光源(未示出)可以放置在準直器2106的周圍來發(fā)光，該光被手指反射為反射光2124，并被指向相應的光電探測器2108或向著相應的光電探測器2108聚焦，以捕獲手指2102的指紋圖像中的一部分。準直器2106可以使用光纖束或具有孔或開口的一個或多個金屬層層來實現(xiàn)。這種在光學檢測器陣列上方使用多個光學準直器可以用作捕獲具有期望的空間分辨率的指紋圖形的無透鏡光學設計，以進行可靠的光學指紋感應。圖17a示出了使用具有孔或開口2112的一個或多個金屬層2110實現(xiàn)的準直器2106。圖17a中在頂部結(jié)構(gòu)或?qū)?104和光電探測器2108之間的層中的準直器2106包括由光纖或一層或多層(如硅或金屬)中的孔或開口形成的多個單獨的光學準直器，這種單獨的光學準直器中的每一個接收沿著每個光學準直器的縱向或在小角范圍內(nèi)的光線2124，如圖所示，光線2124可以被每個開口或孔的頂部開口以及管狀結(jié)構(gòu)捕獲，使得來自每個光學準直器縱向的以大角度入射的光線被每個準直器拒絕到達該光學準直器的另一端上的光學光電二極管。
在每個感應像素的電容式感應部分中，電容式傳感器2114包括電容式傳感器板2116，該電容式傳感器板2116電磁耦合到與感應像素接近或接觸的手指的一部分，以進行電容式感應。更具體地，當手指2102與可選蓋板2104或?qū)崿F(xiàn)手指傳感器設備2100的移動設備上的蓋板接觸或離得很近時，電容式傳感器板2116和手指2102作為一個或多個電容式元件2122的兩個板相互作用。電容式傳感器板2116的數(shù)量可以基于電容式傳感器2114的設計而變化。電容式傳感器板2116可以使用一個或多個金屬層來實現(xiàn)。電容式傳感器板2116通信地耦合到電容式傳感器電路2120，使得電容式傳感器電路2120可以處理來自電容式傳感器板2116的信號，以得到表示3d指紋結(jié)構(gòu)的信號?？梢栽陔娙菔絺鞲衅靼?116和電容式傳感器電路之間設置路由或屏蔽材料，以電屏蔽金屬板2116。電容式傳感器電路2120可以通信地耦合到電容式傳感器板2116和光電探測器2108，以處理來自電容式傳感器板2116的信號和來自光電探測器2108的信號。在圖17a中，每個混合感應像素內(nèi)的電容式傳感器和光學傳感器彼此相鄰且相互存在位移，而不在空間上重疊。
在實現(xiàn)中，圖17a中的混合傳感器設計中的光學準直器設計等光學感應特征，可以用于屏幕下光學傳感器模塊中。因此，圖17a中具有光學準直器特征的光學感應可以在能夠通過光學感應檢測指紋的移動設備或電子設備中實現(xiàn)，該移動設備或電子設備包括：顯示屏幕結(jié)構(gòu)；形成于設備屏幕結(jié)構(gòu)之上的頂部透明層，作為用戶觸摸界面并且作為用于傳輸來自顯示屏幕結(jié)構(gòu)的光以將圖像顯示給用戶的界面；以及光學傳感器模塊，位于顯示屏幕結(jié)構(gòu)的下方，以接收從頂部透明層返回的光來檢測指紋。光學傳感器模塊包括接收返回的光的光電探測器的光學傳感器陣列，還包括光學準直器陣列，以通過顯示屏幕結(jié)構(gòu)收集來自頂部透明層的返回的光，并且分離來自頂部透明層中的不同位置的光，同時將收集到的返回的光穿過光學準直器指向光學傳感器陣列中的光電探測器。
圖17b示出了指紋傳感器設備2130的另一個示例，該指紋傳感器設備2130在感應器像素陣列中以空間上重疊的配置將光學傳感器和電容式傳感器結(jié)構(gòu)性地集成在每個混合傳感器像素中，以減少每個混合感應像素占用的空間。指紋傳感器設備2130包括硅等半導體基板2131。在基板2131上設置多個感應元件或感應像素2139。每個感應元件或感應像素2139包括有源電子電路區(qū)域2132，該有源電子電路區(qū)域2132包括cmos開關、放大器、電阻器和電容器，來處理傳感器信號。每個感應像素或感應元件2139包括設置或嵌在有源電子電路區(qū)域2132中的光電探測器2133。用于電容式感應的電容式傳感器的電容式傳感器板或頂部電極2134設置在光電探測器2133上，并且包括傳感器板2134上的孔或開口2138，還起到將光指向光電探測器2133上的光的準直器的作用。設置填充有導電材料的通孔2135，以將頂部電極2134電連接到有源電路元件2132。通過調(diào)整開口或孔以及頂部電極2134與光電探測器2133的距離，可以調(diào)整光電探測器(如光電二極管)2133的光收集角2137。指紋傳感器設備2130由保護蓋板2136覆蓋，該保護蓋板2136包括硬質(zhì)材料，例如藍寶石、玻璃等。光電探測器2133的光收集角2137可以設計為保存由光電二極管陣列收集的圖像的空間分辨率。led等光源2140位于蓋板的下面，在指紋傳感器設備2130的側(cè)面以發(fā)光，該光被手指反射并指向光電探測器2133，以捕獲指紋圖像。當手指觸摸保護蓋板或與保護蓋板非常近時，手指和感應頂部電極2134的組合形成人體和感應頂部電極2134之間的電容耦合(如電容器2142)。包括光學傳感器和電容式傳感器的指紋傳感器設備2130可以獲得指紋的光反射圖像和電容耦合圖像這兩種圖像。感應頂部電極2134用于雙重目的：1)用于電容式感應，以及2)作為準直器(通過在感應頂部電極2134上制造一個或多個孔)將從手指發(fā)射的光指向光電探測器2133或向著光電探測器2133變窄或聚焦。感應頂部電極2134的再利用消除了對附加金屬層或光纖束的需要，從而減小了每個像素的尺寸，并因此減小了指紋傳感器設備2130的整體尺寸。
圖17b中，光學感應設計使用在頂層2136和光電探測器的底部陣列2133之間形成的孔或開口2138作為光學準直器，以僅選擇在某些角度2137內(nèi)的光線，以保持如圖所示的光電探測器陣列中的光電探測器2133收集的圖像的空間分辨率。類似于圖17a中的光纖或其他管狀光學準直器，在頂層2136和光電探測器2133的底部陣列之間形成的孔或開口2138構(gòu)成了光學準直器，經(jīng)由顯示屏幕結(jié)構(gòu)收集來自頂部透明層的返回的光，并且分離來自頂部透明層中的不同位置的光，同時將收集到的返回的光穿過光學準直器指向光電探測器2133。
圖18是將光學傳感器和電容式傳感器并入每個混合感應像素中的示例性混合指紋傳感器設備2200的俯視圖。指紋傳感器設備2200實現(xiàn)為cmos硅芯片2221，該cmos硅芯片2221包括混合(并入光學傳感器和電容式傳感器)感應元件陣列或像素陣列2222?？商鎿Q地，圖22中的布局還可以用于本文件中公開的所有光學感應設計，其中開口或孔2223表示圖17a和17b中的光學準直器。例如，感應元件的大小或尺寸可以在25μm至250μm的范圍內(nèi)?；旌蟼鞲衅髟O備2220可以包括支持電路陣列，該支持電路陣列包括側(cè)面區(qū)域2224中的放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和緩沖存儲器。此外，混合傳感器設備2200可以包括用于引線接合或凸起接合的區(qū)域2225。混合傳感器元件2222的頂層2226可以包括用于電容感應的金屬電極?？梢栽诿總€頂部金屬電極23上制造一個或多個開口或孔2223，以在結(jié)構(gòu)上用作準直器來將光以垂直方向引導照射在頂部電極下面的光電探測器上。因此，頂層2226結(jié)構(gòu)可以用于光學感應和電容感應的雙重目的。可以提供一種傳感器設備處理器，以處理來自混合感應像素的像素輸出信號，來提取指紋信息。
除作為準直器共享用于電容感應和用于在垂直方向聚焦光的相同結(jié)構(gòu)以外，可以在光學傳感器和電容式傳感器之間共享傳感器信號檢測電路的一個實例，以檢測來自光電探測器和電容式傳感器板的傳感器信號。
圖19a示出了具有用于指紋的電容感應和光學感應功能的示例性混合指紋感應元件或像素2300。該示例性傳感器像素2300包括傳感器信號檢測電路2316，以在檢測或獲取基于電容感應的來自感應頂部電極(如頂部金屬層)2308的傳感器信號和基于光學感應的來自光電探測器(如光電二極管)2314的感應信號之間選擇性地切換，以獲取手指的來自光電探測器2314的反射光學圖像和來自電容式傳感器電極2308的電容耦合圖像。在一些實現(xiàn)中，每個混合感應像素中的來自兩種感應機制的兩個圖像可以串行地被傳感器信號檢測電路處理。在所示的示例中，開關2310和2312具有：分別電耦合到感應頂部電極2308和光電探測器2314的第一端，以及耦合到傳感器信號檢測電路2316的共用輸入端的第二端，以向傳感器信號檢測電路2316提供對應的來自光電探測器2314的光學檢測器信號和對應的來自感應頂部電極2308的電容感應信號。當開關2310斷開(cap_en＝0)且開關2312閉合(optical_en＝1)時，傳感器信號檢測電路2316獲取表示在特定混合感應像素處接收到的掃描指紋的光學圖像的光學檢測器信號。當開關2310的cap_en＝1且光學_en＝0時，傳感器信號檢測電路2316可以獲取表示掃描指紋的電容圖像的電容感應信號。在光學圖像和電容圖像均被獲取到之后，兩個圖像可以在下游電路中單獨地或組合地處理，以識別指紋特征。
利用上述混合感應像素的兩種成像模態(tài)，可以通過以不同方式利用兩種類型的圖像來增強指紋識別的性能。這種增強的指紋識別可以通過傳感器設備處理器2321等傳感器設備處理器來實現(xiàn)，用于處理來自混合感應像素的像素輸出信號，以提取指紋信息。例如，電容圖像可以提供關于指紋特征的脊和谷的深度的3d圖像。作為3d電容圖像的補充，光學圖像可以提供關于指紋特征的高分辨率2d信息。因為兩種圖像信息都關于指紋的相同的脊，所以具有更高空間分辨率的光學2d圖像可以用于恢復電容感應圖像分辨率。在一些實現(xiàn)中，與光學感應方法相比，電容感應方法可以更加靈敏和準確地識別指紋的谷，使用電容感應方法獲取的圖像的空間分辨率可以基于蓋板的厚度而劣化。電容感應的這個方面可以通過光學感應來彌補。操作中，傳感器響應可以是固定的，并且電容式傳感器的點擴散函數(shù)對于所有的傳感器位置可以是固定的。更高分辨率的光學感應可以用作分辨率恢復方法，并且可以應用在電容感應圖像上以增強3d圖像。來自光學感應的部分高分辨率圖像可以用于幫助該恢復方法。因此，可以通過基于高分辨率2d圖像的內(nèi)插或恢復來增強3d電容圖像，以提供關于谷和脊的更多信息。
增強的3d圖像可以提供改進的指紋識別和匹配。在另一示例中，可以一同存儲光學圖像和電容圖像，以在每次進行指紋識別或匹配時提供兩種比較。使用兩種類型的圖像進行比較增強了指紋感應系統(tǒng)的準確性和安全性。
傳感器信號檢測電路2316可以使用多種不同的電路設計以各種方式實現(xiàn)。在一個示例中，積分感應電路2318可以實現(xiàn)為存儲由脊或谷的觸摸引起的電荷或離移動設備的蓋板非常近的指紋傳感器設備的蓋板引起的電荷。對積分電路2318的包含增強了信噪比(snr)。集成器感應電路包括運算放大器2322，以放大由示例性傳感器像素2300的感應頂部電極2308或光電探測器2314檢測到的傳感器信號，如電容相關信號或光學相關信號(例如，電壓信號)。包括多種金屬中的一種等導電材料的感應頂部電極2308通過開關2310電連接到放大器2322的負端或反相輸入端2328。感應頂部電極2108和手指的局部表面2302起到電容器cf2302的相對板的作用。電容器cf2302的電容基于手指的局部表面和感應頂部電極2308之間的距離‘d’變化，該距離‘d’即電容器cf2302的兩個板之間的距離。電容器cf2302的電容與電容器cf2302的兩個板之間的距離‘d’成反比。當感應頂部電極2308與手指的脊相對時電容器cf2302的電容大于當感應頂部電極2308與手指的谷相對時電容cf2302的電容。
此外，在示例性傳感器像素2300中，可以在不同導電元件之間形成各種寄生電容器或其他電容器。例如，可以在感應頂部電極2308和設備接地端2305之間形成寄生電容器cp2304。設備接地緊密地耦合到大地。另一電容器cr2324可以在放大器2322的輸出導體和放大器2322的負端或反相輸入端2328之間形成，并且起到放大器2322的反饋電容的作用。并且，開關2326可以耦合在放大器2322的輸出端和放大器2322的負端或反相輸入端2328之間，以復位積分電路2318。
放大器2322的正端電連接至激勵信號vref。在每個傳感器像素中，可以直接向?qū)Ｓ梅糯笃鞯恼颂峁┘钚盘杤erf。通過直接向放大器2322的正端提供激勵信號verf，示例性傳感器像素2100變?yōu)橛性磦鞲衅飨袼?。此外，直接向放大?322的正端提供激勵信號verf消除了包括所有傳感器像素共有的激勵電極的需要，這樣減少了來自傳感器芯片的半導體結(jié)構(gòu)的導電(如金屬)層。在一些實現(xiàn)中，基于傳感器像素的設計，可選的，激勵電極2306的實施可以增強snr。此外，通過直接向放大器2322提供激勵信號verf，激勵信號vref不直接應用于手指，以避免對手指的潛在的刺激或傷害。而且，當直接將激勵信號應用于手指的激勵電極未被使用時，指紋傳感器設備的所有部件可以被集成到單個封裝設備中，并且整個指紋傳感器設備可以設置在保護蓋板玻璃之下。由于整個指紋傳感器設備設置在保護蓋板玻璃下，保護指紋傳感器設備免受可能損壞指紋傳感器的手指和其他外部元件的影響。
圖19a中，傳感器像素2300中的傳感器信號檢測電路2316的輸出信號(光學輸出信號和電容輸出信號)(如放大器2322的vpo)電耦合到開關2320，以選擇性地將輸出信號vpo從傳感器像素2300輸出到包括過濾器的信號處理電路。開關2320可以使用晶體管或其他切換機制來實現(xiàn)，并且可以電耦合到控制器，以控制開關2320的切換。通過控制開關2320、2310和2312，傳感器像素陣列中的傳感器像素可以選擇性地在獲取光學信號和獲取電容信號之間切換。在一個實現(xiàn)中，可以獲取陣列中每一行、排或列的傳感器像素的光學信號或電容信號，然后切換該光學信號或電容信號以獲取該行、排或列的其他類型信號?？梢灾鹦羞M行光學信號獲取和電容信號獲取之間的切換。在另一實現(xiàn)中，可以獲取陣列中所有傳感器像素或元件的一種類型的信號(電容信號或光學信號)，然后切換該種類型的信號以獲取該所有傳感器像素或元件的其他類型的信號。因此，不同的信號類型的獲取之間的切換可以發(fā)生在整個陣列。兩種類型的傳感器信號的獲取之間的切換的其他變形可以實現(xiàn)。
圖19b示出了另一示例性混合指紋感應元件或像素2340的電路圖。針對具有相同附圖標記的部件，混合指紋感應元件或像素2340與混合指紋感應元件或像素2300實質(zhì)相同。對于具有相同附圖標記的共同部件的描述，參見圖19a的描述。
混合指紋感應元件或像素2340利用感應頂部電極2308，以在其上包括起到準直器作用的孔或開口2342，以將反射的光2344向著光電探測器2314(如光電二極管)聚焦或窄化。光電探測器2314可以位于或設置在使用感應頂部電極2308實現(xiàn)的準直器的下方，以捕獲由準直器2308聚焦的反射的光2344。
在一些實現(xiàn)中，可以包括光學傳感器和電容式傳感器的傳感器信號檢測電路的單獨實例，以并行地檢測來自光電探測器和電容式傳感器板的傳感器信號。
圖19c示出了示例性混合指紋感應元件或像素2350的電路圖，用于對來自光電探測器和電容式傳感器板的傳感器信號進行并行檢測。針對具有相同附圖標記的部件，混合指紋感應元件或像素2350與混合指紋感應元件或像素2340實質(zhì)相同。對于具有相同附圖標記的共同部件的描述，參見圖19a的描述。
為了對來自電容板和光電探測器的傳感器信號進行并行檢測，混合指紋感應元件或像素2350包括分別與感應頂部電極2308和光電探測器2324通信耦合的單獨的傳感器信號檢測電路2316和2317。傳感器信號檢測電路2317可以實現(xiàn)為基本上類似于傳感器信號檢測電路2316。在一些實現(xiàn)中，開關2310和2312可以設置為具有分別電耦合到感應頂部電極2308和光電探測器2314的第一端，和分別耦合到傳感器信號檢測電路2316和2317的第二端，以向傳感器信號檢測電路2316和2317分別提供來自光電探測器2314的光學檢測器信號和來自感應頂部電極2308的電容感應信號。當開關2310和2312一同閉合和斷開時，傳感器信號檢測電路2316和2317可以并行地對來自電容板2308和光電探測器2314的傳感器信號進行檢測。當開關2310和2312彼此異相地閉合和斷開時，傳感器信號檢測電路2316和2317可以串行地對來自電容板2308和光電探測器2314的傳感器信號進行檢測。此外，傳感器設備處理器2321可以通過開關2320a和2320b直接或間接地通信耦合到傳感器信號檢測電路2316和2317，以并行或串行地處理檢測到的來自電容板2308和光電探測器2314的傳感器信號。
在所公開的技術(shù)的另一方面，由于心臟的心跳和泵送動作，針對圖17a、17b、18、19a和19b描述的光學傳感器可以用于通過測量手指中由血流變化引起的隨時間變化的反射光強度，來測量人的心跳。該信息包含在由手指反射、散射或漫射的接收到的光中，并且由光學檢測器信號攜帶。因此，光學傳感器可以用于多種功能，包括獲取指紋的光學圖像和測量人的心跳。在實現(xiàn)中，傳感器設備處理器用于處理一個或多個光學檢測器信號，以提取心跳信息。這種傳感器設備處理器可以與處理來自光學感應像素或混合感應像素的像素輸出信號以提取指紋信息的傳感器設備處理器相同。
圖20、21和22示出了使用屏幕下光學傳感器模塊進行指紋感應的各種設計的示例，該屏幕下光學傳感器模塊使用光學準直器陣列或針孔陣列將攜帶指紋信息的信號光指向光學傳感器陣列。
圖20示出了包括光學準直器的光學準直器陣列2001的屏幕下光學傳感器模塊，光學準直器陣列2001位于光電探測器陣列2002的頂部，用于將攜帶指紋信息的信號光指向光電探測器陣列2002上不同的光電探測器中。電路模塊2003耦合到光電探測器陣列2002，以操作光電探測器陣列2002，并且接收來自光電探測器陣列2002上的光電探測器的輸出信號。oled顯示模塊433包括小透光孔82d，如oled顯示模塊的tft層中的孔，以允許來自頂部透明層431的頂面的光穿過oled顯示模塊433到達屏幕下光學傳感器模塊。準直器陣列2001可以在各種設計中使用準直器，如基于波導的圖像發(fā)射器、光纖陣列(有芯或無芯)、微透鏡陣列、針孔陣列和其他。陣列2001中的準直器設計為限制采樣圖像的數(shù)值孔徑。準直器陣列2001中的每個像素可以看作光學檢測針。光電二極管陣列2002可以是cmos傳感器陣列、cdd傳感器陣列、光電二極管陣列或其他光感應陣列。
在操作中，oled像素照亮蓋板玻璃431。從蓋板玻璃431反射的光被oled顯示模塊433中的tft結(jié)構(gòu)的孔衍射。準直器陣列2001對衍射的光的有用部分進行采樣，并將光傳遞到光電二極管陣列2002，以形成感應區(qū)域的圖像。
圖21示出了圖20中的光學傳感器模塊的操作。oled顯示模塊433中的照明區(qū)613中的oled像素將光束82p照射到與蓋板玻璃431上的感應區(qū)615接觸的手指。手指和蓋板玻璃431反射光束82r。tft基板中的小孔衍射光束82r以形成光束82d。準直器陣列2001中合適的準直器單元從光束82d中選擇光束82s并將其引導至光電探測器陣列2002的合適的光電探測器元件中。在一些oled顯示器中，部分光可以被直接朝向傳感器模塊照射，并且可以通過校準消除。
圖22示出了圖20和圖21中設計的示例性實現(xiàn)。本示例中的光學準直器陣列2001包括光學準直器陣列903和填充在光學準直器903之間的光學吸收材料，以吸收光來減少不同光學準直器之間的串擾。準直器陣列2001中的每個準直器903僅允許光以低損耗沿其軸傳輸，并且準直器陣列2001設計為減少不同光學準直器之間的光學串擾，并且維持光學感應中的期望的空間分辨率。在一些實現(xiàn)中，一個光學準直器可以僅對應于光電探測器陣列2002中的一個光電探測器。在其他實現(xiàn)中，一個光學準直器可以對應于光電探測器陣列2002中的一個或多個光電探測器。如圖22所示，在一些設計中，每個準直器單元的軸可以垂直于顯示屏幕表面，并且可以相對于顯示表面傾斜。在操作中，僅沿準直器軸傳播的光攜帶圖像信息。例如，適當?shù)娜肷涔?2p被反射以形成光82r。光82r隨后被tft的小孔衍射，并且擴展到光82d。光部分82s被傳輸?shù)焦怆姸O管陣列2002中。遠離軸的光部分82e被填充材料吸收。蓋板玻璃表面431上的反射光攜帶指紋信息。其他oled像素發(fā)射相對于準直器單元軸成角度的光901，因此該光可以被阻擋。反射光的一部分，如901e，傳輸?shù)綄墓鈱W準直器中，以到達光電探測器陣列2002。
光學準直器陣列可以通過不同的技術(shù)制造，包括通過平面基板蝕刻孔、形成光波導陣列、形成與光學過濾器匹配的微透鏡陣列、使用無芯光纖束，或在透明片上印刷準直器等。這種準直器陣列的期望特征包括：(1)沿軸傳播的光分量和從軸傳播出去的分量之間的足夠的透射對比度，使得準直器保證了在光電探測器陣列處指紋圖案的光學感應中期望的空間分辨率；(2)允許的傳輸數(shù)值孔徑足夠小，以實現(xiàn)光學感應的期望的高空間分辨率。
可以使用各種光學準直器陣列設計。光學準直器陣列中的每個光學準直器被構(gòu)造成通過在沿著或接近光學準直器的軸的方向傳輸光，同時阻擋其他方向的光，來進行空間過濾，并且具有小的傳輸數(shù)值孔徑以通過光學準直器陣列實現(xiàn)高空間分辨率。準直器元件孔徑和間距(如兩個臨近的準直器元件之間的距離)可以設計為實現(xiàn)光學指紋感應的期望的空間分辨率。
圖23示出了準直器設計的示例，該通過使用cmos結(jié)構(gòu)中兩個不同金屬層中的對齊的孔的準直器設計是cmos結(jié)構(gòu)的一部分。
圖24示出了位于oled顯示結(jié)構(gòu)下的光學指紋傳感器模塊的示例，在捕獲指紋信息中，該光學指紋傳感器模塊為每個光學傳感器像素合并光學傳感器陣列和集成的準直器陣列。如圖所示，光學傳感器陣列包括光電探測器陣列和設置在光電探測器陣列之上的準直器陣列，以包括作為光學準直器的光學透明通孔和的通孔之間的光學不透明金屬結(jié)構(gòu)。oled顯示像素發(fā)光以照亮手指的觸摸部分，從手指反射的光穿過準直器陣列被導向捕獲手指的一部分指紋圖像的光電探測器陣列。該準直器陣列可以使用具有通過cmos工藝集成的孔或開口的一個或多個金屬層來實現(xiàn)。
屏幕下光學傳感器模塊中的這種光學準直器可以構(gòu)造為提供直接的點對點成像。例如，光學準直器陣列的尺寸和單個準直器的尺寸可以設計為分別緊密匹配光電探測器陣列的尺寸和單個光電探測器的尺寸，以實現(xiàn)光學準直器和光電探測器之間的一對一成像。由光學傳感器模塊接收到的光攜帶的整個圖像可以由單個光電探測器處的光電探測器陣列同時捕獲而不進行接拼。
光學準直器陣列的空間過濾操作可以有利地減少進入光學傳感器模塊中的光電探測器陣列的背景光的量。此外，由于從oled像素發(fā)射的光的照明，可以在光學傳感器模塊中設置一個或多個光學過濾器，以濾掉背景光，并減少在光電探測器陣列處的背景光的量，以提高來自指紋感應區(qū)域的返回的光的光學感應。例如，該一個或多個光學過濾器可以配置為例如帶通過濾器，以允許oled像素發(fā)射的光的傳輸，同時阻擋太陽光中的紅外光等其他光組分。當在室外使用該設備時，這種光學過濾可以有效地減少由太陽光造成的背景光。該一個或多個光學過濾器可以實現(xiàn)為例如光學過濾涂層，該光學過濾涂層形成在沿著到光學傳感器模塊中的光電探測器陣列的光學路徑的一個或多個界面上，或可以實現(xiàn)為一個或多個離散的光學過濾器。
圖25示出了利用光學過濾減少到達屏幕下光學傳感器模塊中光電探測器陣列的背景光的光學準直器陣列的示例。該示例使用光學波導陣列作為光學準直器，并且一個或多個光學過濾器膜耦合到該光學波導陣列，以減少到達耦合到光學波導陣列的光電探測器陣列的不期望的背景光。
在上面的基于準直器的光學傳感器模塊設計中，每個準直器沿著該準直器的厚度或長度可以設計為大到將成像光輸送到光學檢測器陣列上的小區(qū)域，或可以設計為小到將成像光輸送到光學檢測器陣列上的大區(qū)域。當準直器陣列中的每個準直器沿著該準直器的厚度或長度減小到某一點時，例如幾十微米時，每個準直器的光學視區(qū)的場可以相對較大，以覆蓋光學檢測器陣列上一部分相鄰光學檢測器，如1mm×1mm的區(qū)域。在一些設備設計中，光學指紋感應可以通過使用針孔陣列來實現(xiàn)，該針孔陣列中的每個針孔具有足夠大的光學視區(qū)場，以覆蓋光學檢測器陣列中的一部分相鄰光學檢測器，來在感應指紋時實現(xiàn)光學檢測器陣列處的高圖像分辨率。與使用準直器的設計相比，針孔陣列可以具有更薄的尺寸和更少數(shù)量的針孔，以在沒有成像透鏡時實現(xiàn)期望的高成像分辨率。并且，不同于經(jīng)由光學準直器的成像，具有針孔陣列的成像使用每個針孔作為針孔照相機，以捕獲圖像，基于針孔照相機操作的圖像重建過程不同于通過使用光學準直器陣列的圖像重建過程，即：每個針孔建立子圖像區(qū)，并且針孔陣列中不同的針孔的子圖像區(qū)被拼接在一起，以構(gòu)成整個圖像。具有針孔陣列的光學傳感器模塊的圖像分辨率與檢測器陣列的靈敏元件的大小有關，從而可以通過調(diào)整檢測器尺寸來調(diào)整或優(yōu)化感應分辨率。
可以基于各種半導體圖樣技術(shù)或工藝或其他制造方法，以較低的成本相對簡單地制造針孔陣列。
針孔陣列還可以提供空間過濾操作，以有利地減少進入光學傳感器模塊中的光電探測器陣列的背景光的量。與設計具有光學準直器的光學傳感器模塊相似，由于oled像素發(fā)射的光的照明，可以在具有針孔陣列的光學傳感器模塊中設置一個或多個光學過濾器，以濾掉背景光，并減少在光電探測器陣列處的背景光的量，以提高來自指紋感應區(qū)域的返回的光的光學感應。例如，該一個或多個光學過濾器可以配置為例如帶通過濾器，以允許oled像素發(fā)射的光的傳輸，同時阻擋太陽光中的紅外光等其他光組分。當在室外使用該設備時，這種光學過濾可以有效地減少由太陽光造成的背景光。該一個或多個光學過濾器可以實現(xiàn)為例如光學過濾涂層，該光學過濾涂層形成在沿著到光學傳感器模塊中的光電探測器陣列的光學路徑的一個或多個界面上，或可以實現(xiàn)為一個或多個離散的光學過濾器。
雖然本專利文件包含許多細節(jié)，但是這些不應被解釋為對任何發(fā)明或要求保護的范圍的限制，而是被解釋為可以是對特定發(fā)明的特定實施例所特有的特征的描述。本專利文件中描述的某些特征在單獨實施例的上下文中還可以在單個實施例中組合實現(xiàn)。相反，在單個實施例的上下文中描述的各種特征還可以在多個實施例中單獨實現(xiàn)或以任何合適的子組合形式實現(xiàn)。而且，雖然特征可以在上面描述為在某些組合中起作用，并且甚至最初如此要求保護，但是來自要求保護的組合的一個或多個特征在一些情況下可以從組合中刪除，并且要求保護的組合可以涉及子組合或子組合的變形。
類似地，雖然在附圖中以特定順序描述了操作，但是這不應理解為要求這些操作以所示的特定順序或按照順序依次執(zhí)行，或者要求執(zhí)行所有所示的操作，以實現(xiàn)期望的結(jié)果。而且，在本專利文件中描述的實施例中的各種單獨的系統(tǒng)部件不應理解為在所有實施例中需要這種分離。
本專利文件僅描述了幾個實現(xiàn)和示例，并且可以基于本專利文件中描述和示出的內(nèi)容來做出其他實現(xiàn)、增強和變化。
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