CN109791599B - 用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块 - Google Patents

Abstract

提供了设备(200)和光学传感器模块(702)，用于通过使用屏幕下光学传感器模块(702)来提供屏幕上指纹光学感应，该屏幕下光学传感器模块(702)捕获和检测由LCD显示屏幕发出的用于显示图像的、并且由显示组件(423)的顶面反射的返回光。

Description

用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块

优先权要求和相关专利申请

本专利文件要求以下在先专利申请的权益和优先权：(1)2016年9月17日提交的申请号为62/396,153、发明名称为“用于屏幕上指纹感应的LCD屏幕下光学传感器模块”的美国临时专利申请；(2)2016年10月25日提交的申请号为62/412,777、发明名称为“用于屏幕上指纹感应的LCD屏幕下光学传感器模块”的美国临时专利申请；以及(3)2017年3月7日提交的申请号为62/468,337、发明名称为“用于通过设备显示器中的外围任务栏显示区域进行屏幕上指纹感应的LCD屏幕下光学传感器模块”的美国临时专利申请。

本专利文件还要求于2017年6月7日提交的申请号为15/616,856、发明名称为“用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块的光学准直器”的美国专利申请的权益和优先权，并且是上述美国专利申请的部分连续申请。上述美国专利申请15/616,856还要求以下在先专利申请的权益和优先权：(1)2016年6月7日提交的申请号为62/347,073的美国临时专利申请；(2)2016年7月18日提交的申请号为62/363,832的美国临时专利申请；(3)2016年7月18日提交的申请号为62/363,823的美国临时专利申请；(4)2017年1月31日提交的申请号为15/421,249的美国专利申请(作为其部分连续申请)，其还要求以下在先专利申请的权益和优先权：(5)2016年1月31日提交的申请号为62/289,328的美国临时专利申请；(6)2016年5月2日提交的申请号为62/330,833的美国临时专利申请；(7)2016年6月7日提交的申请号为62/347,073的美国临时专利申请；以及(8)2016年6月20日提交的国际专利申请号为PCT/US2016/038445(作为其部分连续申请)，并于2016年12月22日公开的公开号为WO2016/205832的国际专利申请，其还要求(9)2015年6月18日提交的申请号为62/181,718的美国临时专利申请的权益和优先权。

此外，本专利文件还要求于2017年1月31日提交的申请号为15/421,249、发明名称为“用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块”的美国专利申请的权益和优先权。美国专利申请15/421,249还要求以下在先专利申请的权益和优先权：(1)2016年1月31日提交的申请号为62/289,328的美国临时专利申请；(2)2016年5月2日提交的申请号为62/330,833的美国临时专利申请；(3)2016年6月20日提交的申请号为62/347,073的美国临时专利申请；以及(4)2016年6月20日提交的国际专利申请号为PCT/US2016/038445(作为其部分连续申请)的国际专利申请，其还要求(5)2015年6月18日提交的申请号为62/181,718的美国临时专利申请的权益和优先权。

上述专利申请的全部公开内容通过引用并入本专利文件的一部分。

技术领域

本专利文件涉及基于电子设备(例如，移动设备、可穿戴设备、或更大的系统)中的光学感应，能够执行诸如指纹或其他参数测量等的一个或多个感应操作的光学传感器模块。

背景技术

各种传感器可以在电子设备或系统中实现，以提供某些期望的功能。

实现用户认证的传感器是用于设备的传感器的一个示例，该设备包括便携式或移动计算设备(例如，膝上电脑、平板电脑、智能手机)、游戏系统、各种数据库、信息系统或更大型计算机控制系统，并且可以使用用户认证机制来保护个人数据并防止未经授权的访问。电子设备上的用户认证可以通过生物特征标识符的一种或多种形式来执行，这种生物特征标识符可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物特征标识符的一种普遍形式就是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。用于电子设备或系统的传感器的另一示例是生物医学传感器，例如，类似腕带设备或手表等的可穿戴设备中的心跳传感器。总之，不同的传感器可以提供在电子设备中，以实现不同的感应操作和功能。

指纹可用于用户认证访问电子设备、计算机控制系统、电子数据库或信息系统，既可以用作单独的认证方法或结合诸如密码认证方法等的一种或多种认证方法使用。例如，该设备包括便携式或移动计算设备(例如，膝上电脑、平板电脑、智能手机)和游戏系统，可以使用用户认证机制来保护个人数据并防止未经授权的访问。又如，用于组织或企业的计算机或计算机控制的设备或系统应该被保护于仅允许授权人员访问，以保护该组织或企业的设备或系统的信息或使用。便携式设备和计算机控制的数据库、设备或系统中存储的信息可以实质上是个人信息，如个人联系人或电话簿、个人照片、个人健康信息或其他个人信息，或是由组织或企业专有地使用的机密信息，如商业财务信息、雇员数据、商业秘密以及其他专有信息。如果访问电子设备或系统的安全性受到损害，则这些数据可能被其他人访问，造成个人隐私的丧失或有价值的机密信息的丢失。除了信息的安全性之外，保护对计算机和计算机控制的设备或系统的访问还允许保障由计算机或计算机处理器控制的设备或系统的使用，例如计算机控制的汽车以及ATM等其他系统。

对诸如移动设备等的设备或诸如电子数据库、计算机控制的系统等系统的安全访问可以通过不同方式实现，例如使用用户密码。然而，密码可以容易地被传播或获得，并且密码的这种性质可以降低安全级别。而且，用户需要记住密码以使用电子设备或系统，并且如果用户忘记该密码，则用户需要采取某些密码恢复流程来获得认证或以其他方式重新获得对设备的访问，这种过程对于用户来说可能是麻烦的并且具有各种实际限制和不便。个人指纹识别可以用于实现用户认证，以在增强数据安全性的同时减轻与密码相关联的某些不期望的效果。

包括便携式或移动计算设备的电子设备或系统可以使用用户认证机制来保护个人或其他机密数据，并且防止未经授权的访问。电子设备或系统上的用户认证可以通过生物特征标识符的一种或多种形式来执行，这种生物特征标识符可以单独使用或在常规密码认证方法的基础上使用。生物特征标识符的一种形式就是人的指纹图案。指纹传感器可以内置在电子设备或信息系统中，以读取用户的指纹图案，使得该设备只能由该设备的授权用户通过认证该授权用户的指纹图案来解锁。

发明内容

光学传感器模块可以放置在液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏幕下以提供包括光学指纹感应的光学感应功能。在一些实现方式中，提供光学感应，用于确定接触的对象是否来自活人。

一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感应检测指纹的电子设备，包括：液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏幕，提供触摸感应操作并且包括LCD显示面板结构，以显示图像；顶部透明层，形成于该设备屏幕之上，作为用于该触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自该显示面板结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于该显示面板结构下方，以接收穿过该LCD屏幕的探测光来检测指纹，其中该光学传感器模块包括接收该探测光的光学准直器的光学准直器阵列、以及接收来自该光学准直器阵列的探测光的光学传感器的光学传感器阵列。

另一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感应检测指纹的电子设备，该电子设备包括：(1)液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏幕，提供触摸感应操作并且包括LCD显示面板结构，以显示图像；LCD背光模块，耦合到该LCD屏幕以产生到该LCD屏幕的背光，用于显示图像；(2)顶部透明层，形成于该设备屏幕之上，作为用于该触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自该显示面板结构的光以将图像显示给用户的界面；(3)光学传感器模块，位于该LCD显示面板结构下方，以接收从该顶部透明层反射的并穿过该LCD屏幕的探测光来检测指纹；(4)一个或多个探测光源，与该LCD背光模块分离，位于该LCD显示面板结构下方，以产生穿过该LCD显示面板结构的探测光，进而照亮该顶部透明层上的指定的指纹感应区域，该指纹感应区域视觉上不同于该顶部透明层的周围区域，用于用户放置手指进行光学指纹感应；以及(5)设备控制模块，耦合到该光学传感器模块，并处理该光学传感器模块的输出，以确定通过该光学传感器模块检测的指纹是否与授权用户的指纹匹配，并且除了用于检测指纹外，还通过光学感应检测不同于指纹的生物特征参数，以表明在该顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活人。

再一方面，所公开的技术可以用于构建一种能够通过光学感应检测指纹的电子设备，该电子设备包括：液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏幕，提供触摸感应操作并且包括LCD显示面板结构，以显示图像；LCD背光模块，耦合到该LCD屏幕以产生到该LCD屏幕的背光，以显示图像；顶部透明层，形成于该LCD屏幕之上，作为用于该触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自该显示面板结构的光以将图像显示给用户的界面；光学传感器模块，位于该LCD面板结构下方，以接收从该顶部透明层返回的光来检测指纹。该光学传感器模块包括透明块，该透明块与该显示面板基板接触，以接收来自该显示面板结构的光，还包括接收该光的光学传感器阵列、以及将该透明块中接收到的光成像到该光学传感器阵列上的光学成像模块。一个或多个探测光源，与该LCD背光模块分离，位于该LCD显示面板结构下方，以产生穿过该LCD显示面板结构的该探测光，进而照亮该顶部透明层上的指定的指纹感应区域，该指纹感应区域视觉上不同于该顶部透明层的周围区域，用于用户放置手指进行光学指纹感应。

以下附图、说明书和权利要求对本公开技术的上述和其它方面、其实现方式及特征提供了更详细的描述。

附图说明

图1是具有指纹感应模块的系统的示例的框图，该系统可以实现为包括本文件中公开的光学指纹传感器。

图2A和2B示出了电子设备200的一个示例性实现，该电子设备200具有触摸感应显示屏幕组件和位于该触摸感应显示屏幕组件下方的光学传感器模块。

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学传感器模块的设备的示例。

图4A和图4B示出了用于实现图2A和图2B设计的、位于显示屏幕组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。

图5A、5B和5C示出了用于两种不同光学条件下从顶部感应表面上的感应区域返回的光的信号生成，以便于理解屏幕下光学传感器模块的操作。

图6A-6C、7、8A-8B、9和10A-10B示出了屏幕下光学传感器模块的示例设计。

图11示出了不同铺设条件下通过成像模块在顶部透明层上的指纹感应区域的成像，其中成像设备将该指纹感应区域成像到光学传感器阵列上，并且该成像设备可以是光学透射的或光学反射的。

图12示出了指纹传感器用于在指纹感应中减少或消除来自背景光的不期望的贡献的操作的示例。

图13示出了操作用于捕获指纹图案的屏幕下光学传感器模块的过程。

图14、15和16示出了通过使用两种不同颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏幕接触的物体是否是活人手指的一部分的操作过程的示例。

图17A-17B、18和19A-19C示出了用于光学指纹感应的光学准直器设计，适于实现所公开的屏幕下光学传感器模块技术。

图20、21、22A和22B示出了使用屏幕下光学传感器模块进行指纹感应的各种设计的示例，其中，该屏幕下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列，以将携带指纹信息的信号光指向光学传感器阵列。

图23和24示出了具有光学准直器的屏幕下光学传感器模块的示例。

图25示出了光学准直器阵列的示例，该光学准直器阵列利用光学过滤减少到达屏幕下光学传感器模块中的光电二极管阵列的背景光。

图26A、26B、27和28示出了用于LCD显示屏幕下的光学感应的光学准直器设计的示例。

图29、30和31示出了在设计光学传感器模块时基于针孔相机效应的改进的光学成像分辨率。

图32示出了使用光学针孔阵列进行光学感应的LCD屏幕下光学传感器模块的示例。

图33包括图33A和33B，并且示出了具有光学偏转或衍射装置或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。

图34A、34B和34C示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的LCD漫射层设计的示例。

图35A和35B示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的LCD反射层设计的示例。

图36示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的LCD光源设计的示例。

图37示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的增强特性的示例。

图38示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的LCD波导设计的示例。

图39示出了用于改进的LCD屏幕下光学感应的LCD背光光源和照明光源的示例。

图40示出了不同按压力下的同一手指的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹和重度按压的指纹。

具体实施方式

电子设备或系统可以配备有指纹认证机制，以提高访问设备的安全性。这种电子设备或系统可以包括便携式或移动计算设备，例如智能手机、平板电脑、腕戴式设备和其他可穿戴或便携式设备，还包括更大的电子设备或系统，例如便携式或桌面形式的个人计算机、ATM、用于商业或政府用途的各种终端到各种电子系统、数据库或信息系统、以及包括汽车、船、火车、飞机和其他的机动交通系统。

指纹感应在使用或需要安全访问的移动应用和其他应用中是有用的。例如，指纹感应可以用于提供对移动设备的安全访问以及包括在线购物的安全金融交易。所期望的是，包括适用于移动设备和其他应用的鲁棒且可靠的指纹感应。在移动、便携式或可穿戴设备中，由于这些设备上的空间有限，尤其考虑到对给定设备上的最大显示区域的需求，期望指纹传感器将指纹感应的占用最小化或消除。

为了被用户看到，由显示屏幕生成的用于显示图像的光必然穿过该显示屏幕的顶面。手指可以触摸该顶面，从而与该顶面处的光交互，使得在该触摸的表面区域处的反射或散射的光携带该手指的空间图像信息，并且返回至该顶面下方的显示面板。在触摸感应显示设备中，顶面是与用户接合的触摸感应界面，并且用于显示图像的光和用户手指或手之间的这种交互不断地发生，但是这种返回至显示面板的携带信息的光被大量浪费，并且在大多触摸感应设备中未被使用。在具有触摸感应显示和指纹感应功能的各种移动或便携式设备中，指纹传感器往往是与显示屏幕分离的设备，或者设置在显示屏幕区域外的与显示屏幕相同的表面上，例如苹果iPhone和三星智能手机的一些型号中，或者设置在智能手机的背面，例如华为、联想、小米或谷歌的智能手机的一些型号中，以避免占用正面上的用于放置大显示屏的宝贵空间。这些指纹传感器是与显示屏幕分离的设备，从而需要很紧凑以节省空间用于显示和其他功能，同时还提供利用高于一定的可接受水平的空间图像分辨率可靠且快速的指纹感应。然而，在许多指纹传感器中，紧凑和小型需求以及提供捕获指纹图案的高空间图像分辨率需求彼此直接冲突，这是因为在基于各种合适的指纹感应技术(例如，电容式触摸感应或光学成像)捕获指纹图案时的高空间图像分辨率需要具有大量感应像素的大传感器区域。

在该专利文献中描述的传感器技术和实现传感器技术的示例提供了一种光学传感器模块，该光学传感器模块至少部分地使用来自显示屏幕的光作为照明探测光来照射显示屏幕的触摸感应表面上的指纹感应区域，以基于这种光的光学感应来执行一个或多个感应操作。一个用于实现所公开的光学传感器技术的适当的显示屏幕可以基于各种显示技术或配置，包括具有发光显示像素而无需使用背光的显示屏幕，其中每个单独的像素生成光，用于在该屏幕上形成显示图像，例如液晶显示(liquid crystal display，LCD)屏幕、有机发光二极管(organic light emitting diode，OLED)显示屏或电致发光显示屏幕。

在基于所公开的光学传感器技术将光学感应集成到LCD的公开示例中，屏幕下LCD光学传感器可以用来检测用于在LCD屏幕中显示图像的光的一部分，其中，用于显示屏幕的这部分光可以是散射光、反射光或一些杂散光。例如，在一些实现方式中，基于背光的LCD屏幕的图像光在遇到用户手指或手掌、或像触笔的用户指针设备等物体时，可以作为返回的光反射或散射回LCD显示屏幕中。这种返回的光可以被捕获，以使用所公开的光学传感器技术来执行一个或多个光学感应操作。由于使用来自LCD显示屏幕的光进行光学感应，所以基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以特别设计成以如下方式集成到LCD显示屏幕：提供光学感应操作和功能以增强电子设备或系统(例如，智能手机、平板电脑或移动/可穿戴设备)的整体功能、设备集成和用户体验的同时保持LCD显示屏幕的显示操作和功能而没有干扰。

另外，在所公开的光学感应技术的各种实现方式中，可以提供一个或多个指定的探测光源以产生用于由LCD屏幕下光学感应模块进行的光学感应操作的额外照明探测光。在这样的应用中，来自LCD屏幕的背光和来自一个或多个指定探测光源的探测光共同形成用于光学感应操作的照明光。

关于除指纹检测以外的附加的光学感应功能，光学感应可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏幕上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏幕外指纹感应区域，其在感应区域的大小上受到高度限制，可能不适合感应大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不仅可以用于使用光学感应来捕获和检测与人相关联的手指或手掌的图案，而且还可以使用光学感应或其他感应机制，例如血液在不同光波长下的不同光吸收行为，来通过“活体手指”检测机制检测捕获的或检测的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该“活体手指”检测机制可以基于以下事实：由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活人的手指通常是脉动的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的物体中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感应和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感应功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感应来测量葡萄糖水平或氧饱和度。再如，当人触摸LCD显示屏幕时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些和其他变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感应来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感应能够用于为光学传感器模块添加除指纹感应之外的更多的功能。

针对与LCD显示屏幕的触摸感应方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感应结果来提供触发功能或附加功能，以进行与LCD显示屏幕的触摸感应控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏幕的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他物体造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于提供通过触摸感应的有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会引起设备的苏醒，以进行节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏幕的唤醒电路操作，其中，通过关闭大多数LCD像素(并且LCD背光也关闭)使其处于“睡眠”模式而不发光，同时以闪光模式打开用于LCD面板下光学传感器模块的一个或多个照明光源(例如LED)，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感应人的手指或手掌的任何触摸。通过这种设计，光学传感器模块操作一个或多个照明光源，以产生“睡眠”模式唤醒感应的闪烁光，使得光学传感器模块能够检测由手指在LCD显示屏幕上触摸造成的这种唤醒感应光的返回的光，并且响应于正面检测，打开或“唤醒”LCD背光和LCD显示屏幕。在一些实现中，唤醒感应光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。可以控制LCD显示屏幕操作以通过消除用于指纹的光学感应的背景光来提供改进的指纹感应。例如，在一个实现方式中，每个显示扫描帧生成一帧指纹信号。如果生成两帧与屏幕显示相关的指纹信号，其中当LCD显示屏幕打开时生成一帧指纹信号，而当LCD显示屏幕关闭时生成另一帧指纹信号，则这两帧指纹信号的差值可以用于减少周围的背景光的影响。在一些实现方式中，通过操作指纹感应帧速率为显示帧速率的一半，能够减少指纹感应中的背景光噪声。

基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏幕的背面，而不需要在LCD显示屏幕的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。

在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到显示屏幕，而不需要改变LCD显示屏幕的设计以提供指纹感应等期望的光学感应功能。就这点而言，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏幕设计的设计，这是由于光学传感器模块的以下性质：这种光学传感器模块的光学感应是通过检测由光学传感器模块的一个或多个照明光源发出的并从显示区域的顶面返回的光进行的，并且所公开的光学传感器模块作为屏幕下光学传感器模块耦合到LCD显示屏幕的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏幕区域分离的特定感应端口或感应区域。因此，这种屏幕下光学传感器模块可以用于与LCD显示屏幕组合，以在LCD显示屏幕上提供光学指纹感应和其他传感器功能，而不使用具有专门设计用于提供这种光学感应的硬件的特殊设计的LCD显示屏幕。所公开的光学传感器技术的这一方面使得智能电话、平板电脑或其他电子设备中的各种LCD显示屏幕具有来自所公开的光学传感器技术的光学感应的增强功能。

例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果iPhone或三星Galaxy智能手机，这种现有手机组件设计可以不改变触摸感应显示屏幕组件而集成如本文所述的屏幕下光学传感器模块，以提供增加的屏幕上指纹感应功能。因为所公开的光学感应不需要分离的指定感应区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏幕区域外的前指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些模型的一些智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文所公开的屏幕上指纹感应的集成不需要对具有触摸感应层和显示层的现有电话组件设计或触摸感应显示模块进行实质的改变。基于本文件中所公开的光学感应技术，在设备的外部不需要外部感应端口和外部硬件按钮，该设备需要添加所公开的光学传感器模块来进行指纹感应。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏幕下，并且可以在触摸屏幕的相同触摸感应表面上方便地进行指纹感应。

又如，由于用于指纹感应的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响LCD显示屏幕的设计或制造或加重LCD显示屏幕的设计或制造负担，以在产品周期中为设备制造和改进/升级提供期望的灵活性，同时维持使用LCD显示屏幕的智能手机、平板电脑或其他电子设备中光学指纹传感器的更新版本的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感应层或LCD显示层，而无需为利用所公开的屏幕下光学传感器模块实现的指纹感应特征做任何显著的硬件改变。此外，通过使用新版本的屏幕下光学传感器模块，通过这种光学传感器模块改进的用于指纹感应或其他光学感应功能的屏幕上光学感应可以通过使用新版本的屏幕下光学传感器模块添加到新产品版本中，而不需要对手机组装设计作显著的改变，包括增加额外的光学感应功能。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征可以被实施为向新一代的电子设备提供改进的指纹感应和其他感应功能，尤其是对于智能手机、平板电脑和其他具有LCD显示屏幕的电子设备，该LCD显示屏幕提供各种触摸感应操作和功能，并增强这种设备的用户体验。本专利文献中公开的光学传感器模块的特征可适用于基于包括LCD和OLED显示器两者的不同技术的各种显示面板。下面的具体示例针对放置在LCD显示面板下的LCD显示面板和光学传感器模块。

在所公开的技术特征的实现方式中，可以提供生物医学传感器等附加的感应功能或感应模块，例如在像腕带设备或手表的可穿戴设备中的心跳传感器。总之，可以在电子设备或系统中提供不同的传感器以实现不同的感应操作和功能。

所公开的技术可以被实施为提供给执行人类指纹的光学感应和认证以验证对锁定的计算机控制的设备(诸如移动设备或计算机控制的系统)的访问尝试的设备、系统和技术，所述设备、系统和技术配备有指纹检测模块。所公开的技术可以用于保护对各种电子设备和系统的访问，所述各种电子设备和系统包括便携式或移动计算设备(诸如膝上型计算机、平板电脑、智能手机和游戏设备)，以及其他电子设备或系统(诸如电子数据库、汽车、银行ATM)等。

图1是具有包括指纹传感器181的指纹感应模块的系统180的示例的框图，该系统可以被实施为包括基于本文件中所公开的光学指纹感应的光学指纹传感器。系统180包括指纹传感器控制电路184和处理器186，该处理器186可以包括一个或多个处理器，用于处理指纹图案，并确定输入的指纹图案是否是授权用户的指纹图案。系统180使用指纹传感器181来得到指纹并将得到的指纹与储存的指纹进行比较，以启用或禁用由系统180保护的设备188中的功能。操作中，处理器186基于捕获的用户指纹是否来自授权用户，控制对设备188的访问。如图所示，指纹传感器181可以包括多个指纹感应像素，如统一表示指纹中的至少一部分的像素182A-182E。例如，系统180可以在作为设备188的ATM处实现，以确定请求访问资金或其他交易的客户的指纹。基于对从指纹传感器181得到的用户的指纹与一个或多个储存的指纹的比较，响应于正面识别，系统180可以使得设备188准许请求的对用户账户的访问，或者响应于否定识别，可以拒绝访问。再如，设备188可以是智能手机或便携式设备，并且系统180是集成到设备188的模块。再如，设备188可以是使用指纹传感器181来准许或拒绝进入的设施或家庭的门或安全入口。又如，设备188可以是汽车或其他交通工具，其使用指纹传感器181链接到发动机的启动，并识别人是否被授权操作该汽车或交通工具。

作为具体的示例，图2A和2B示出了电子设备200的一个示例性实现，该电子设备200具有触摸感应显示屏幕组件和位于该触摸感应显示屏幕组件下方的光学传感器模块。在该特定的示例中，显示技术可以通过使用背光来光学照射LCD像素的LCD显示屏幕，或者通过具有发光显示像素而不使用背光的另一种显示屏幕(例如，OLED显示屏幕)来实现。电子设备200可以为智能手机或平板电脑等便携式设备，并且电子设备200可以为如图1所示的设备188。

图2A示出了电子设备200的前侧，其类似于一些现有智能手机或平板电脑中的一些特征。设备屏幕在电子设备200的前侧，占据前侧空间的全部、大部分或显著部分，并且在设备屏幕上提供指纹感应功能，如用于在设备屏幕上接纳手指的一个或多个感应区域。作为示例，图2A示出了设备屏幕中用于手指触摸的指纹感应区域，该指纹感应区域可以被照亮为明显可识别的地区或区域，用户放置手指以进行指纹感应。这种指纹感应区域可以像设备屏幕的其余部分一样用于显示图像。如图所示，在各种实现中，电子设备200的设备外壳可以具有侧面，该侧面支持当前市场上各种智能手机中常见的侧面控制按钮。并且，如图2A中设备外壳的左上角的一个示例所示，在设备屏幕外的电子设备200的前侧上可以设置一个或多个可选的传感器。

图2B示出了电子设备200中与本文件中公开的光学指纹感应相关的模块的结构构造的示例。图2B中所示的设备屏幕组件包括：例如，在顶部具有触摸感应层的触摸感应屏幕模块、以及位于触摸感应模块下的具有显示层的显示屏幕模块。光学传感器模块耦合到显示屏幕组件模块并位于其下方，以接收和捕获来自触摸感应屏幕模块的顶面的返回的光，并且将该返回的光引导且成像到光学感应像素或光电检测器的光学传感器阵列上，该光学传感器阵列将该返回的光中的光学图像转换成像素信号以用于进一步处理。光学传感器模块之下是设备电子结构，该设备电子结构包含用于电子设备200中的光学传感器模块和其他部件的某些电子电路。该设备电子器件可以布置在设备外壳内部，并且可以包括如图2B所示的光学传感器模块的下面的一部分。

在一些实现方式中，设备屏幕组件的顶面可以为光学透明层的表面，该光学透明层表面作为用户触摸感应表面以提供多种功能，例如(1)显示输出表面，携带显示图像的光穿过该显示输出表面到达观看者的眼睛，(2)触摸感应界面，接收用于触摸感应模块的触摸感应操作的用户触摸，以及(3)光学界面，用于屏幕上指纹感应(以及可能的一个或多个其他光学感应功能)。这种光学透明层可以为玻璃或晶体层等刚性层或柔性层。

显示屏幕的一个示例是具有LCD层和薄膜晶体管(thin film transistor，TFT)结构或基板的LCD显示器。LCD显示面板是多层液晶显示器(liquid crystal display，LCD)模块，包括发射用于LCD像素的LCD照明光的LCD显示器背光光源(例如，LED灯)、用于引导背光灯的光波导层以及可以包括例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色器层和触摸感应层的LCD结构层。LCD模块还包括位于LCD结构层下方和光波导层上方的背光漫射器，以空间扩散背光以照亮LCD显示像素，以及位于光波导层下面的光学反射膜层，以将背光光源再循环到LCD结构层以改进光使用效率和显示亮度。

参见图2B，本示例中的光学传感器模块位于LCD显示面板的下面，以捕获来自该顶部触摸感应表面的返回的光，并且获取当用户的手指与该顶面上的感应区域接触时的指纹图案的高分辨率图像。在其他实现中，所公开的用于指纹感应的屏幕下光学传感器模块可以在没有触摸感应特征的设备上实现。此外，合适的显示面板可以有不同于OLED显示器的各种屏幕设计。

图3A和3B示出了实现图2A和2B中的光学传感器模块的设备的示例。图3A示出了包含屏幕下光学传感器模块的设备的一部分的横截面视图。图3B在左侧示出了具有触摸感应显示器的设备的前侧的视图，表示显示屏幕下部上的指纹感应区域，并且在右侧示出了包含位于设备显示屏幕组件下面的光学传感器模块的设备的一部分的透视图。图3B还示出了具有电路元件的柔性带的布局的示例。

在图2A、2B、3A和3B的设计示例中，光学指纹传感器设计不同于一些其他的指纹传感器设计，这些设计使用独立于显示屏幕的指纹传感器结构，并且在移动设备的表面上，显示屏幕和指纹传感器之间具有物理分界(例如，一些移动电话设计中在顶部玻璃盖板的开口中的按钮状结构)。在本文所示的设计中，用于检测指纹感应和其他光学信号的光学指纹传感器位于顶部盖板玻璃或层的下面(例如图3A)，使得盖板玻璃的顶面用作移动设备的顶面，作为横跨垂直堆叠并垂直重叠的显示屏幕层和光学检测器传感器的连续且均匀的玻璃表面。用于将光学指纹感应和对触摸灵敏的显示屏幕集成在共同且均匀的表面下的这种设计提供了益处，包括提高了设备一体化，增强了设备封装，增强了设备对外部元件、故障、磨损和撕裂的抵抗力，并且增强了设备的所有权期间的用户体验。

返回参考图2A和2B，所示的用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块可以以各种配置来实现。

在一个实现方式中，基于上述设计的设备可以被构造为包括设备屏幕，该设备屏幕提供触摸感应操作并且包括具有一个LCD显示面板结构，用于形成显示图像，该设备还包括顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面，该设备还包括光学传感器模块，位于显示面板结构的下方，以接收从该顶部透明层返回的光来检测指纹。

本文件中公开的该设备和其他设备可以被进一步配置为包括各种特征。

例如，设备电子控制模块可以包括在该设备中，以在检测到的指纹与授权用户的指纹匹配时授权用户对该设备的访问。此外，光学传感器模块除了用于检测指纹外，还用于通过光学感应检测不同于指纹的生物表征参数，以指示在顶部透明层处与检测到的指纹相关联的触摸是否来自活人，如果(1)检测到的指纹与授权用户的指纹匹配，并且(2)检测到的生物表征参数指示检测到的指纹来自活人，则设备电子控制模块用于授权用户对该设备的访问。该生物表征参数可以包括，例如，手指是否包含人的血流或心跳。

例如，该设备可以包括耦合到显示面板结构的设备电子控制模块，以向发光显示像素提供电源，并控制显示面板结构的图像显示，以及在指纹感应操作中，设备电子控制模块操作关闭一帧中的发光显示像素并打开下一帧中的发光显示像素，以允许光学传感器阵列捕获具有发光显示像素照明和不具有发光显示像素照明的两个指纹图像，来减少指纹感应中背景光的影响。

再如，设备电子控制模块可以耦合到显示面板结构，以向LCD显示面板提供电源，并在睡眠模式下关闭LCD显示面板的背光电源，并且当光学传感器模块在顶部透明层的指定的指纹感应区域处检测到人的皮肤的存在时，设备电子控制模块可以用于将显示面板结构从睡眠模式唤醒。更具体地，在一些实现中，设备电子控制模块可以用于操作该光学传感器模块中的一个或多个照明光源间歇性地发光，同时(在睡眠模式下)关闭LCD显示面板的电源，将间歇发出的光指向顶部透明层的指定的指纹感应区域，以监控是否存在与指定的指纹感应区域接触的人的皮肤，用于将设备从睡眠模式唤醒。

再如，该设备可以包括设备电子控制模块，该设备电子控制模块耦合到光学传感器模块，以接收通过感应手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，并且该设备电子控制模块被操作来测量该多个检测到的指纹的变化并确定造成测量到的该变化的触摸力。例如，该变化可以包括由于触摸力引起的指纹图像的变化、由于触摸力引起的触摸区域的变化或指纹脊的间距的变化。

再如，顶部透明层可以包括用于用户用手指触摸以进行指纹感应的指定的指纹感应区域，并且显示面板结构下方的光学传感器模块可以包括与显示面板基板接触的透明块，以接收从该显示面板结构发出的并从该顶部透明层返回的光，该光学传感器模块还可以包括接收该光的光学传感器阵列以及光学成像模块，该光学成像模块将该透明块中接收到的该光成像到该光学传感器阵列上。该光学传感器模块可以相对于指定的指纹感应区域设置，并且被构造成：当与人的皮肤接触时，在顶部透明层的顶面处通过全内反射选择性地接收返回的光，而在没有人的皮肤的接触时，不接收来自指定的指纹感应区域的返回的光。

又如，光学传感器模块可以被构造成包括位于显示面板结构下方的光楔，以修改与该光楔接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，来允许从该显示面板结构提取出穿过该底面的光，该光学传感器模块还可以包括光学传感器阵列，接收来自该光楔的从该显示面板结构提取出的光，还可以包括光学成像模块，位于该光楔和该光学传感器阵列之间，以将来自该光楔的光成像到该光学传感器阵列上。

下面提供了用于屏幕上指纹感应的屏幕下光学传感器模块的具体示例。

图4A和图4B示出了用于实现图2A和图2B中的设计的、位于显示屏幕组件下方的光学传感器模块的一个实现方式的示例。图4A-4B中的设备包括具有顶部透明层431的显示组件423，该顶部透明层431形成于显示组件423之上，作为用于触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面。在一些实现方式中，该顶部透明层431可以是盖板玻璃或晶体材料。显示组件423可以包括顶部透明层431下面的显示模块433。LCD显示层允许部分光学传输，使得来自顶面的光可以部分地穿过LCD显示层到达LCD屏幕下光学传感器模块。例如，LCD层包括光学地用作孔和光散射物体的阵列的电极和布线结构。设备电子模块435可以设置在该LCD显示面板的下面，以控制该设备的操作，并且为用户执行功能以操作该设备。

本特定实现方式示例中的该光学传感器模块702位于显示模块433下。一个或多个照明光源703被提供用于光学传感器模块702，并且可以控制为进行发光以至少部分地穿过显示模块433以照亮设备屏幕区域内的顶部透明层431上的有效感应区域615，供使用者在其中放置手指进行指纹识别。来自一个或多个照明光源703的照明光可以被指向到顶面上的有效感应区域615，如同这样的照明光来自视区613。如图所示，手指445被放置在照亮的有效感应区域615中，该有效感应区域615作为用于指纹感应的有效感应区域。视区613中被LCD像素照亮的有效感应区域615中的反射或散射的光中的一部分被指向显示模块433下的光学传感器模块中，并且光学传感器模块内的光电检测器感应阵列接收这种光，并且捕获由接收的该光所携带的指纹图案信息。

在这种设计中，使用一个或多个照明光源703来为光学指纹感应提供照明光，在一些实现方式中，可以控制每个照明光源703以较低的周期间歇性地开启，以减少用于光学感应操作的光学功率。在一些实现方式中，该指纹感应操作可以以两步骤的过程实现：首先，以闪光模式开启一个或多个照明光源703，而不开启LCD显示面板，以使用闪光来感应手指是否触摸有效感应区域615，并且一旦检测到有效感应区域615中的触摸，操作光学感应模块以进行基于光学感应的指纹感应，并且可以开启LCD显示面板。

在图4B的示例中，屏幕下光学传感器模块包括耦合到该显示面板的低指数光学透明块701，该低指数光学透明块701接收来自设备组件的顶面的返回的光，该屏幕下光学传感器模块还包括执行光学成像和成像捕获的光学传感器模块702。来自照明光源703的光在到达盖板顶表面后，例如，用户手指触摸的有效感应区域615处的盖板顶表面，从该盖板顶表面反射或散射回来。当有效感应区域615中的盖板顶表面紧密接触指纹脊时，由于在该位置处接触的手指的皮肤或组织的存在，指纹脊下的光反射不同于另一位置处的指纹谷下的光反射，该另一位置处的指纹谷下没有手指的皮肤或组织。该盖板顶表面上的手指触摸的区域中脊和谷的位置处的光反射条件的这种不同形成了图像，该图像表示该手指的被触摸部分的脊和谷的图像或空间分布。该反射光被指向返回显示模块433，并且在穿过显示模块433的小孔后，到达该光学传感器模块的低指数光学透明块701的界面。该低指数光学透明块701的折射率被构造成小于LCD显示面板的折射率，使得可以将返回的光从LCD显示面板提取到该低指数光学透明块701中。一旦该返回的光在该低指数光学透明块701内被接收，这种接收到的光进入作为光学传感器模块702的一部分的光学成像单元，并且被光学传感器模块702内的光电检测器感应阵列或光学感应阵列上。指纹脊和谷之间的光反射差异造成了指纹图像的对比。图4B所示的是微控制器或MCU 601，其耦合到光学传感器模块702和主电路板上的智能手机主处理器705等其他电路。

在该特定的例子中，光学光路设计是：光线在基板和空气界面之间的顶面上的总反射角内进入盖板顶表面，并且由光学传感器模块702中的成像光学器件和成像传感器阵列最有效地收集。在这种设计中，指纹脊/谷区域的图像呈现最大的对比。这种成像系统可能具有会对指纹感应有不利影响的不期望的光学失真。因此，基于光学传感器阵列处的，沿返回光线的光路的光学失真情况，在光学传感器模块702中的光学传感器阵列的输出信号时，获取的图像还可以在成像重建期间通过失真校正来校正。通过在X方向线和Y方向线的整个感应区域，每次扫描一行像素的测试图像图案，失真校正系数可以由每个光电检测器像素处捕获的图案生成。这种校正过程还可以使用来自于每次调谐一个单独的像素且扫描光电检测器阵列的整个图像区域产生的图像。这种校正系数只需要在组装传感器之后生成一次。

来自环境的背景光(如太阳光或室内光)可以通过显示组件423中的孔穿过LCD面板顶面进入图像传感器。这种背景光可以在来自手指的有价值的图像中产生背景基线，并且这种背景基线是不期望的。可以使用不同的方法来减少这种基线强度。一个示例是以一定的频率f调谐接通和断开照明光源703，通过对光源驱动脉冲和图像传感器帧进行相位同步，图像传感器得以相同频率获取接收到的图像。在这种操作下，不同相位的图像中只有一个包含从光源发射的光。通过减去奇数和偶数帧，可能得到大部分由调制的照明光源发射的光所组成的图像。基于该设计，每个显示扫描帧生成指纹信号的帧。如果通过在一帧中调谐接通照明光并在另一帧中调谐断开照明光，减去两个连续的信号帧，则可以将环境的背景光影响最小化或大量消除。在一些实现方式中，指纹感应帧速率可以是显示帧速率的一半。

来自照明光源703中的光中的一部分还可以穿过盖板顶面，并进入手指组织。这部分的光功率被散射在周围，并且该散射光中的一部分可以最终由光学传感器模块中的成像传感器阵列收集。该散射光的光强度取决于手指的肤色和手指组织中的血液浓度，并且手指上的该散射光携带的这种信息对指纹感应是有用的，并且可以作为指纹感应操作的一部分被检测。例如，通过集成用户手指图像的区域的强度，可能会观察到，血液浓度的增加/减少取决于用户心跳的相位。这种特征可以用于确定用户的心跳速率，确定用户的手指是活体手指，还是具备伪造的指纹图案的欺骗设备。

图4B中的一个或多个照明光源703可以被设计为发射不同颜色或波长的光，并且光学传感器模块可以捕获来自人的手指的不同颜色或波长的返回光。通过以不同颜色或波长记录返回光的相应测量强度，可以确定与用户的肤色相关的信息。例如，当用户注册了用于指纹认证操作的手指时，光学指纹传感器还测量来自手指的颜色A和B的散射光的强度，作为强度Ia和Ib。可以记录Ia/Ib的比率，以与当用户的手指放在感应区域上时测量指纹的晚些的测量结果作比较。该方法可以帮助拒绝可能与用户肤色不匹配的欺骗设备。

该一个或多个照明光源703可以由用于控制光学传感器模块702中的图像传感器阵列的相同的微控制器或MCU 601控制。该一个或多个照明光源703可以以低的占空比短时间地脉冲，以间歇性地发光并提供用于图像感应的脉冲光。图像传感器阵列可以被操作为以相同的脉冲占空比监控光图案。如果存在触摸屏幕上的有效感应区域615的人类手指，则在光学传感器模块702中的成像感应阵列处捕获的图像可以用于检测触摸事件。连接到光学传感器模块702中的图像传感器阵列的微控制器或MCU 601可以被操作为确定该触摸是否为人类手指触摸。如果确定是人类手指触摸事件，微控制器或MCU 601可以被操作为唤醒智能手机系统，开启照明光源703用于执行光学指纹感应，并使用正常模式获取完整的指纹图像。光学传感器模块702中的图像传感器阵列会向智能手机主处理器705发送获取的该指纹图像，该智能手机主处理器705可以被操作为将捕获的该指纹图像与注册的指纹数据库进行匹配。如果存在匹配的，智能手机会解锁手机，并启动正常操作。如果获取的该图像没有被匹配到，智能手机会向用户反馈该认证失败。用户可以再次尝试，或输入密码。

在图4A和图4B的示例中，屏幕下光学传感器模块使用低指数光学透明块701和具有光电检测器感应阵列的光学传感器模块702，将与显示屏幕的顶面接触的触摸手指的指纹图案光学地成像到光电检测器感应阵列上。图4B中示出了从有效感应区域615至光学传感器模块702中光电检测器阵列的光学成像轴或检测轴625。低指数光学透明块701和光电检测器感应阵列之前的光学传感器模块702的前端形成了体成像模块，以实现用于光学指纹感应的合适的成像。由于该成像过程中的光学失真，如上所释，失真校正可以用于实现期望的成像操作。

在本文公开的由图4A-4B中的屏幕下光学传感器模块和其他设计进行的光学感应中，从顶部透明层431上的有效感应区域615到屏幕下光学传感器模块的光学信号包括不同的光组分。图5A、5B和5C示出了用于不同的光学条件下从有效感应区域615返回的光的信号生成，以便于理解屏幕下光学传感器模块的操作。

图5A示出了来自照明光源703的照明光如何在穿过顶部透明层431后透过显示模块433传播，并生成到屏幕下光学传感器模块的不同的返回光信号，该返回光信号包括携带指纹图案信息的光信号。为简单起见，将两个不同位置处的两个照明光线80和82指向顶部透明层431，而在顶部透明层431的界面处不经历全反射。具体地，照明光线80，82垂直于或接近垂直于顶部透明层431。手指组织60与顶部透明层431上的有效感应区域615接触。如图所示，照明光线80在穿过顶部透明层431后，到达与顶部透明层431接触的手指脊，以在手指组织中生成光束183和向显示模块433返回的另一光185，603。照明光线82在穿过顶部透明层431后，到达位于顶部透明层431上方的手指谷，以生成从顶部透明层431的界面向显示模块433返回的光185、进入手指组织的光束189以及由该手指谷反射的光束187。

在图5A的示例中，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且顶部透明层431的盖板玻璃折射率约为1.51。手指脊-盖板玻璃的界面反射照明光线80的部分光，作为到显示模块433下的底层524的反射的光185。在一些LCD面板中反射率可能很低，例如约为0.1％。照明光线80中的大部分光变为传输至手指组织60中的光束183，手指组织60造成光束183的散射，产生向显示模块433和底层524返回的散射光191。来自照明光线82的透射光束189在手指组织中的散射也对返回的散射光191有贡献。

手指皮肤谷位置63处的照明光线82由盖板玻璃表面反射例如约3.5％的入射光能量(作为光185)到底层524，并且手指谷表面反射入射光能量的约3.3％(光束187)至底层524。总反射率约为6.8％。大部分光束189被传输至手指组织60中。手指组织中的透射光束189中的光功率中的一部分被手指组织散射，贡献到朝向并进入底层524中的散射光191中。

因此，来自在触摸手指的手指谷和手指脊处的各种界面或表面的光反射是不同的，反射比差携带指纹地图信息，并且可以测量该反射比差以提取与顶部透明层431接触且被OLED光照射到的部分的指纹图案。

图5B和5C示出了在不同条件下并且在相对于手指的谷或脊的不同位置处的顶面处的两种附加类型的照明光线的光路径，包括在与顶部透明层431的界面处的全反射条件。图示的照明光线产生不同的返回光信号，包括将指纹图案信息携带到屏幕下光学传感器模块的光信号。假设顶部透明层431和显示模块433被粘合在一起，两者之间没有任何气隙，使得与顶部透明层431具有大入射角的照明光会在盖板玻璃-空气界面处被全反射。图5A、5B和5C示出了三组发散光束的示例：(1)照明光线82，对顶部透明层431具有小的入射角且没有全反射(图5A)，(2)高对比度光束201、202、211和212，当盖板玻璃表面没有被触摸时，在顶部透明层431处被全反射，并且当手指触摸顶部透明层431时，可以耦合到手指组织中(图5B和5C)，以及(3)具有很大入射角的逃离光束，即使在手指组织触摸的位置处，也在顶部透明层431处被全反射。

对于照明光线82，盖板玻璃表面对着光185反射约为0.1％～3.5％的光，这部分光被传输到底层524中，手指皮肤对光束187反射约为0.1％～3.3％的光，这部分光也被传输到底层524中。反射差取决于照明光线82是否与手指皮肤脊61或皮肤谷63相遇。剩余的光束189被耦合到手指组织60中。

对于高对比度光束201和202，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束205和206反射几乎100％的光。当手指皮肤脊在高对比度光束201和202的位置处触摸盖板玻璃表面时，光功率中的大部分通过光束203和204耦合到手指组织60中。

对于高对比度的照明光束211和212，如果盖板玻璃表面没有被触摸，盖板玻璃表面分别对光束213和214反射几乎100％的光。当手指触摸盖板玻璃表面且手指皮肤谷恰好处于照明光束211和212的位置时，没有光功率耦合到手指组织60中。

如图5A所示，耦合到手指组织60中的光束会经由手指组织发生随机散射，以形成散射光191，并且这种散射光191中的一部分将穿过显示模块433到达光学传感器模块。

因此，在高对比光束照射的区域中，手指皮肤脊和谷引起不同的光学反射，并且反射差异图案携带指纹图案信息。高对比指纹信号可以通过比较这种差异来实现。

基于图2A和2B中的设计，所公开的屏幕下光学感应技术可以以各种配置来光学地捕获指纹。

例如，可以以各种配置来实现图4B中的具体实现，该实现是基于通过使用光学感应模块中的大块成像模块的光学成像。图6A-6C、7、8A-8B、9、10A-10B、11和12示出了用于光学指纹感应的屏幕下光学传感器模块设计的各种实现、附加特征和操作的示例。

图6A、6B和6C，示出了基于通过透镜进行光学成像的屏幕下光学传感器模块的示例，用于从按压显示顶部透明层431的手指445捕获指纹。图6C是图6B所示的光学传感器模块部分的放大视图。如图6B所示的屏幕下光学传感器模块位于显示模块433下，该屏幕下光学传感器模块包括与显示模块433的底面接合的光学透明垫片604，以接收来自顶部透明层431的顶面上的有效感应区域615返回的光，该屏幕下光学传感器模块还包括位于光学透明垫片604和光电二极管阵列623之间的微透镜651，微透镜651将接收到的来自有效感应区域615的返回的光成像在光电二极管阵列623上。类似于图4B示例中的成像系统，图6B中用于光学传感器模块的成像系统可能经历图像失真，并且可以使用合适的光学校正校准来减少这种失真，例如，对图4B中系统所描述的失真校正方法。

与图5A、5B和5C中的假设相似，假设手指皮肤在550nm处的等效折射率约为1.44，并且对于顶部透明层431，裸的盖板玻璃的折射率约为1.51。当显示模块433粘合在顶部透明层431上且没有任何气隙时，全内反射在等于或大于界面的临界入射角的大角度发生。如果盖板玻璃顶面没有被接触，则全反射入射角约为41.8°，并且如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。

在这种设计中，微透镜651和光电二极管阵列623限定了捕获有效感应区域615中接触手指的图像的视角θ。为了检测有效感应区域615中盖板玻璃表面中的期望的部分，可以通过控制物理参数或配置来适当地对准该视角。例如，可以对准视角以检测LCD显示组件的全内反射。具体地，对准观看视角θ来感应盖板玻璃表面上的有效感应区域615。有效感应区域615可以被视为镜子，使得光电检测器阵列有效地检测LCD显示器中的视区613、并由有效感应区域615投射到光电检测器阵列上的图像。光电二极管/光电二极管阵列623可以接收由有效感应区域615反射的视区613的图像。当手指触摸有效感应区域615时，光中的一部分可以耦合到指纹的脊中，这会引起光电二极管阵列接收来自脊位置的光，以呈现为更暗的指纹图像。由于光学的检测路径的几何形状是已知的，所以可以校正在光学传感器模块中的光学路径中引起的指纹图像失真。

作为具体的示例，考虑到图6B中从检测模块中心轴到盖板玻璃顶面的距离H为2mm。这种设计可以直接覆盖5mm的有效感应区域615，该有效感应区域615在盖板玻璃上具有宽度Wc。调整光学透明垫片604的厚度可以调整检测器位置参数H，并且可以优化有效感应区域宽度Wc。由于H包括顶部透明层431和显示模块433的厚度，所以该申请设计应当考虑这些层。光学透明垫片604、微透镜651和光电二极管阵列623可以集成在顶部透明层431的底面上的彩色涂层619的下方。

图7示出了用于图6A-6C中示出的光学传感器模块的光学成像设计的另一设计考虑的示例，通过使用特殊的垫片618代替的图6B-6C中的光学透明垫片604，以增加有效感应区域615的尺寸。垫片618被设计为具有宽度Ws，厚度为Hs，具有低折射率(refractionindex，RI)ns，并且，垫片618位于显示模块433下，例如，被附接(如粘合)到显示模块433的底面。垫片618的端面是与微透镜651接合的成角度的或倾斜的面。垫片和透镜的这种相对位置不同于图6B-6C中透镜位于光学透明垫片604的下方。微透镜651和光电二极管阵列623被组装到具有检测角度大小为θ的光学检测模块中。由于在垫片618和显示模块433之间的界面处的光学折射以及在顶部透明层431和空气之间的界面处的光学折射，检测轴625弯曲。局部入射角φ1和φ2是由部件材料的折射率(refractive indices，RIs)、ns、nc和na决定的。

如果nc大于ns，则φ1大于φ2。由此，折射放大了感应宽度Wc。例如，假设手指皮肤的等效折射率RI在550nm处约为1.44，并且盖板玻璃的折射率RI约为1.51，如果盖板玻璃顶面没有被触摸，则全反射入射角估计约为41.8°，如果手指皮肤触摸盖板玻璃顶面，则全反射角约为73.7°。对应的全反射角差约为31.9°。如果垫片618是由与盖板玻璃相同的材料制成，则从检测模块中心至盖板玻璃顶面的距离为2mm，如果检测角为θ＝31.9°，则有效感应区域宽度Wc约为5mm。对应的中心轴的局部入射角为φ1＝φ2＝57.75°。如果垫片618的材料具有约为1.4的折射率ns且Hs为1.2mm，则检测模块在φ1＝70°处倾斜。有效感应区域宽度被增加到大于6.5mm。在这些参数下，盖板玻璃中的检测角宽度被降低到19°。因此，光学传感器模块的成像系统可以设计为期望扩大顶部透明层431上的有效感应区域615的尺寸。

当垫片618的折射率设计为足够低(如，使用MgF₂、CaF₂或甚至空气来形成垫片)时，有效感应区域615的宽度Wc不再受限于顶部透明层431和显示模块433的厚度。这种性质提供了期望的设计灵活性。原则上，如果检测模块具有足够的分辨率，甚至可以将有效感应区域增加到覆盖整个显示屏幕。

因为所公开的光学传感器技术可以用于提供大的感应区域来捕获图案，所以所公开的屏幕下光学传感器模块不仅可以用于捕获和检测手指的图案，还可以用于捕获和检测更大尺寸的图案，例如与人相关联的人的手掌，来进行用户认证。

图8A-8B示出了用于图7中示出的光学传感器模块的光学成像设计的另一设计的示例，在该设计中，设置光电二极管阵列在显示屏幕表面中相对的检测角θ′以及微透镜651和垫片618之间的距离L。图8A示出了沿着垂直于显示屏幕表面的方向的横截面视图，图8B示出了从显示屏幕底部或顶部看到的设备的视图。填充材料618c可以用于填充微透镜651和光电二极管阵列623之间的间隔。例如，填充材料618c可以是与垫片618相同的材料或者是另一种不同的材料。在一些设计中，填充材料618c可以是空气间隔。

图9示出了基于图7的设计中的屏幕下光学传感器模块的另一示例，其中一个或多个照明光源614被设置为照亮顶部表面的有效感应区域615用于光学指纹感应。照明光源614可以是扩展类型或是准直类型的光源，以使得有效感应区域615内所有的点被照亮。照明光源614可以是单元件光源或光源阵列。

图10A-10B示出了使用形状为薄楔的光学耦合器628的屏幕下光学传感器模块的示例，以提高在光电二极管阵列623处的光学检测。图10A示出了具有用于指纹感应的屏幕下光学传感器模块的设备结构的横截面，图10B示出了设备屏幕的顶视图。光学耦合器628(具有折射率ns)位于显示面板结构的下方，以修改与光学耦合器628接合的显示面板结构的底面上的全反射条件，来允许从显示面板结构提取出穿过底面的光。光电二极管阵列623接收来自光学耦合器628的从显示面板结构提取出的光，光学成像模块621位于光学耦合器628和光电二极管阵列623之间，以将来自光学耦合器628的光成像到光电二极管阵列623上。在所示的示例中，光学耦合器628包括面对着光学成像模块和光电二极管阵列623的倾斜光楔面。并且，如图所示，在光学耦合器628和光学成像模块621之间存在自由间隔。

如果光在顶部透明层431的感应表面处被全反射，则反射率为100％，具有最高的效率。然而，如果光与盖板玻璃表面平行，则光还会在OLED显示模块底部处被全反射。光学耦合器628用于修改局部表面角，以使得光可以耦合输出以用于在光电二极管阵列623处的检测。显示模块433中的微孔提供使得光穿过显示模块433以进行屏幕下光学感应的期望的光传播路径。如果光透射角变得太大或当TFT层变得太厚时，实际的光透射效率可能逐渐减少。当该角度接近于全反射角时，即约为41.8°，且盖板玻璃折射率为1.5时，指纹图像看起来是好的。因此，光学耦合器628的楔角可以被调整为数度，以使得检测效率可以提高或优化。如果选择更高的盖板玻璃的折射率，则全反射角变小。例如，如果盖板玻璃由折射率约为1.76的蓝宝石制成，则全反射角约为34.62°。显示器中的检测光透射效率也提高了。因此，这种设计使用薄楔将检测角设置为高于全反射角，和/或使用高折射率的盖板玻璃材料，来提高检测效率。

在图6A至10B中的屏幕下光学传感器模块中，顶部透明表面上的有效感应区域615不是竖直的或者不垂直于光学传感器模块的检测轴625，使得感应区域的图像平面也不是竖直的或不垂直于检测轴625。因此，光电二极管阵列623的平面相对于检测轴625可以是倾斜的，以实现在光电二极管阵列623处的高质量成像。

图11示出了这种倾斜的三个示例配置。图11(1)示出了有效感应区域615a倾斜且不垂直于检测轴625。在(2)中所示的特定情况下，有效感应区域615b对准在检测轴625上，其图像平面也会位于检测轴625上。实践中，可以部分地切掉微透镜651以简化封装。在各种实现中，微透镜651也可以是透射型或反射型透镜。例如，(3)中示出了特定的途径。有效感应区域615c由微成像镜651a成像。光电二极管阵列623b对齐以检测信号。

在使用微透镜651的上述设计中，微透镜651的有效孔径可以被设计为大于LCD显示层中的孔的孔径，后者允许光透射穿过LCD显示模块来进行光学指纹感应。这种设计可以减少LCD显示模块中的布线结构和其他散射物体的所造成不期望的影响。

图12示出了指纹传感器的用于在指纹感应中减少或消除来自背景光的影响的操作的示例。光学传感器阵列可以用于捕获各种帧，并且捕获到的帧可以用于进行多个帧之间的差分和平均操作，以减少背景光的影响。例如，在帧A中，开启用于光学指纹感应的照明光源，以照亮手指触摸的区域，在帧B中，改变或关闭照明。从帧A的信号减去帧B的信号可以使用在图像处理中，以减少不期望的背景光影响。

还可以通过在光路中提供合适的光学过滤来减少指纹感应中的不期望的背景光。一个或多个光学滤波器可以用于过滤掉环境光波长，例如，近红外光和部分的红光等。在一些实现方式中，这种光学过滤涂层可以制作在光学部件的表面上，包括显示器底面、棱镜表面或传感器表面等。例如，人类手指吸收波长低于～580nm的光的能量中的大部分，如果一个或多个光学滤波器或光学过滤涂层可以设计为过滤波长从580nm至红外的光，则可以大大减少环境光对指纹感应中的光学检测的影响。

图13示出了用于校正光学传感器模块中的图像失真的操作过程的示例。在步骤1301处，一个或多个照明光源被控制和操作于在特定区域中发光，并且这种像素的光发射由频率F调制。在步骤1302处，显示面板下的成像传感器的帧速率被操作为以相同频率F和某一帧率来捕获图像。在光学指纹感应操作中，手指放置在显示面板盖板基板的顶部上，并且手指的存在调制该显示面板盖板基板顶面的光反射强度。该显示器下的成像传感器捕获指纹调制的反射光图案。在步骤1303处，对来自图像传感器的信号的解调制以频率F同步，并且进行背景过滤。所得的图像减少了背景光的影响，并且包括来自像素发射的光产生的图像。在步骤1304处，处理并校准捕获到的图像，以校正图像系统失真。在步骤1305处，将校正了的图像用作用于用户认证的人类指纹图像。

用于捕获用户的指纹而使用的相同的光学传感器还可以用于捕获来自被照亮手指的散射光，如图5A中的散射到底层中的散射光191所示。可以集成来自图5A中的散射到底层中的散射光191的感兴趣区域中的检测器信号，以产生强度信号。评估该强度信号的强度变化以确定用户的心率。

上述指纹传感器可以被能够得到授权用户的指纹并且将被偷盗的指纹图案复制在类似于人类手指的载体上的恶意的个体黑客攻击。这种未授权的指纹图案可以用在指纹传感器上，以解锁目标设备。因此，指纹图案，尽管是唯一的生物表征标识符，其本身可能不是完全可靠或安全的标识。屏幕下光学传感器模块还可以用作光学反欺骗传感器，用于感应具有指纹图案的输入物体是否是来自活人的手指，并且用于确定指纹输入是否为指纹欺骗攻击。无需使用单独的光学传感器来提供这种光学反欺骗感应功能。光学反欺骗能够提供高速响应，而不损害指纹感应操作的整体响应速度。

图14示出了在血液中监控的材料的示例性消光系数，血液中的光学吸收在如660nm的红光的可见光谱范围和如940nm的红外光的红外范围之间是不同的。通过使用探测光以在第一可视波长(颜色A)和红外波长(颜色B)等第二不同波长来照亮手指，可以捕获输入物体的光学吸收的不同，以确定触摸的物体是否为来自活人的手指。用于提供用于光学感应的照明的一个或多个照明光源可以用于发射不同颜色的光，以发出至少两种不同的光学波长的探测光或照明光，以使用血液的不同光学吸收行为来进行活体手指检测。当人的心脏跳动时，脉搏压力泵送血液在动脉中流动，因此在血液中监控的材料的消光比随着脉搏而变化。接收到的信号携带脉搏信号。血液的这些性质可以用于检测被监控的材料是活体指纹还是假指纹。

图15示出了来自无生命材料(如假手指)和活体手指的反射光中的光学信号行为之间的比较。光学指纹传感器也可以用作心跳传感器运行，来监控活着的生物。当检测到探测光的两个或多个波长时，消光比差可以用于快速地确定被监控的材料是否是活着的生物，例如活体指纹。在图15所示的示例中，使用了不同波长的探测光，如图14所示，一个是可视波长，另一个为红外波长。

当无生命材料触摸指纹传感器模块上方的顶部盖板玻璃时，接收到的信号揭示了与该无生命材料的表面图案相关的强度水平，并且该接收到的信号不包含与活人的手指相关联的信号分量。然而，当活人的手指触摸顶部盖板玻璃时，该接收到的信号揭示了与活人相关联的信号特征，由于不同波长的消光比不同，所以该接收到的信号包括明显不同的强度水平。这种方法不需要花很长时间来确定触摸材料是否是活人的一部分。图15中，脉冲状信号反应了多次触摸的情形，而不是血液脉冲。无生命材料的相似的多次触摸不显示由活体手指引起的差异。

血液在不同光学波长处的不同光学吸收行为的这种光学感应可以在短周期内进行，以用于活体手指检测，并且可以比使用相同光学传感器的人的心跳的光学检测更快。

在LCD显示器中，LCD背光照明光是白光，因此包含可见光和IR光谱范围的光，用于在光学传感器模块处执行上述活体手指检测。LCD显示模块中的LCD彩色滤光片可以用于允许光学传感器模块获得图14和15中的测量结果。另外，可以操作用于产生用于光学感应的照明光的探测光源436，以在不同时刻以所选可见波长和IR波长发出探测光，并且光电二极管阵列623捕获两个不同波长的反射探测光，以基于图14和15中所示的上述操作来确定被触摸的对象是否是活体手指。值得注意的是，尽管在不同时间在选定的可见波长和IR波长处反射的探测光可以反映血液的不同光吸收特性，但是指纹图像总是通过所选择的可见波长的探测光和IR波长的探测光于不同时刻来捕获。因此，指纹感应可以在可见波长和红外波长处进行。

图16示出了通过操作用于光学感应的一个或多个照明光源以使用两种不同颜色的光照亮手指来确定与LCD显示屏幕接触的物体是否是活体手指的一部分的操作过程的示例。

又如，所公开的光学传感器技术可以用于通过除上述血液在不同光学波长处的不同光学吸收之外的其他机制，通过“活体手指”检测机制检测捕获到的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手。例如，由于人的自然移动或运动(有意或无意的)，活人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，活人的手指通常是脉动的。在一个实现方式中，光学传感器模块可以检测来自手指或手掌的返回的光的由于心跳/血流变化而导致的变化，从而检测在表现为手指或手掌的物体中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感应和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。作为另一个例子，当人触摸LCD显示屏幕时，触摸力的变化可以以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形，手指和屏幕表面之间的接触区域的变化，指纹脊变宽，或血流的动态变化。这些或其他变化可以通过基于所公开的光学传感器技术的光学感应来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感应可以用于为光学传感器模块添加除指纹感应之外的更多的功能。

在上述示例中，如图4B和图6B所示，指纹图案经由成像模块被捕获在光学传感器阵列上，光学失真通常降低了图像感应保真度。这种图像失真可以以各种方式来校正。例如，可以使用已知的图案来在光学传感器阵列处生成光学图像，并且已知图案中的图像坐标可以与光学传感器阵列处的失真产生的光学图像相关联，以校准由光学传感器阵列输出的用于指纹感应的成像感应信号。指纹感应模块参考标准图案的图像校准输出坐标。

根据本专利文件中所公开的内容，可以对所公开的光学传感器模块进行各种实现。

例如，显示面板可以构造成：其中的每个发光像素可以被单独控制；显示面板包括至少部分透明的基板以及实质透明的盖板基板。光学传感器模块位于显示面板下，以感应在显示面板表面的顶部上形成的图像。光学传感器模块可以用于感应从显示面板像素发射的光所形成的图像。光学传感器模块可以包括折射率低于显示面板基板的折射率的透明块，还包括具有成像传感器阵列的成像传感器块以及光学成像透镜。在一些实现方式中，低折射率块的折射率在1.35至1.46或1至1.35的范围内。

再如，可以提供一种用于指纹感应的方法，其中从显示面板发射的光被盖板基板反射，位于盖板基板顶部上的手指与光交互，以通过指纹调制光反射图案。显示面板下的成像感应模块用于感应反射的光图案图像，并且重建指纹图像。在一个实现方式中，在时域中调制来自显示面板的发射光，并且成像传感器与发射像素的调制同步，基于此种设置的解调制过程会拒绝背景光(不是来自目标像素的光)中的大部分光。

对所公开的用于光学指纹感应的屏幕下光学传感器模块的各种设计考虑在作为申请号为62/289,328的美国临时申请和申请号为62/330,833的美国临时申请的一部分的发明名称为“多功能指纹传感器和封装”(41页文本和26页附图)的附件3、以及2016年6月20日在USPTO提交的、申请号为PCT/US2016/038445、发明名称为“具有光学感应能力的多功能指纹传感器”的国际专利申请(要求于2015年6月18日提交的、申请号为62/181,718的美国临时专利申请的优先权，并于2016年12月22日以WO2016/205832公开)中和2016年11月2日在SIPO提交的、发明名称为“具有防御指纹欺骗的光学感应的多功能指纹传感器”的国际专利申请(要求于2015年11月2日提交的、申请号为62/249,832、公开号为WO 2017/076292的美国临时专利申请的优先权)。上述专利申请的全部公开内容通过引用并入本专利文件公开内容的一部分。

在本文公开的用于指纹感应的屏幕下光学传感器模块技术的各种实现中，可以实现手指的被照亮的触摸部分光学成像到屏幕下光学传感器模块中的光学传感器阵列，而不使用通过在光学照明下对从手指的触摸部分返回的光成像的透镜等成像模块。没有成像模块的光学指纹感应的一个技术挑战是如何控制返回的光的传播，这种传播可能在空间上扰乱光学传感器阵列处的从手指的触摸部分上的不同位置返回的光，使得当这种返回的光到达光学传感器阵列时，不同位置的空间信息可能丢失。这个挑战可以通过使用光学准直器或针孔阵列替代屏幕下光学传感器模块中的光学成像模块通过光学感应检测指纹来解决。一种用于实现这种光学指纹发送的设备可以包括：设备屏幕，提供触摸感应操作并且包括具有发光显示像素的显示面板结构，每个像素可操作以发光，以形成显示图像的一部分；顶部透明层，形成于设备屏幕之上，作为用于触摸感应操作的用户触摸界面并且用于传输来自显示结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示面板结构下方，以接收由显示结构的发光显示像素中的至少一部分发出的并从顶部透明层返回的光来检测指纹，该光学传感器模块包括光学传感器阵列，该光学传感器阵列接收返回的光，该光学传感器模块还包括位于该返回的光的到光学传感器阵列的路径中的光学准直器阵列或针孔阵列。光学准直器阵列用于收集来自显示面板结构的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光指向光学传感器阵列。

使用准直器的成像依赖于在不同位置使用不同的准直器，以将来自指纹的不同区域的光在空间上分离到光学检测器阵列中的不同的光学检测器。每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为控制每个准直器的光学视图的窄场，比如，仅来自被照亮的手指上的小区域的光被每个准直器捕获，并被投影到光学检测器阵列中数个相邻的光学检测器上。例如，可以将每个准直器沿着该准直器的厚度或长度设计的很大，如几百微米，使得每个准直器的光学视图的场可以允许准直器向光学检测器阵列上的小区域传送成像光，比如，光学检测器阵列中的一个光学检测器或几个相邻的光学检测器(比如，在一些情况下，在光学检测器阵列的每一侧上的十几微米的区域)。

以下部分通过示例解释了光学准直器阵列或针孔阵列如何用于进行屏幕下光学指纹感应，该示例在光学指纹感应时在混合感应像素中使用光学准直器，每个混合感应像素具有用于捕获指纹信息的电容式传感器和用于捕获指纹信息的光学传感器。

图17A和17B示出了将电容感应和光学感应结合在同一感应像素中的混合感应像素设计的两个示例。

图17A示出了指纹传感器设备2100的示例，该指纹传感器设备2100在捕获指纹信息时，为传感器像素阵列的每个传感器像素在光学传感器的基础上并入电容式传感器。通过结合电容式传感器和光学传感器，使用光学传感器得到的指纹图像可以用于更好地分解使用电容式传感器得到的3D指纹结构。为了说明的目的，图17A示出的结构表示传感器像素阵列中的一个传感器像素，并且每个传感器像素包括在同一像素内彼此相邻布置的光学传感器2109和电容式传感器2114。

光学传感器2109包括光电检测器2108和置于光电检测器2108上方的准直器2106，以使从手指2102反射的光线2124向着光电检测器2108变窄或聚焦。LED等一个或多个光源(未示出)可以放置在准直器2106的周围来发光，该光被手指反射为光线2124，并被指向相应的光电检测器2108或向着相应的光电检测器2108聚焦，以捕获手指2102的指纹图像中的一部分。准直器2106可以使用光纤束或具有孔或开口的一个或多个金属层来实现。这种在光学检测器阵列上方使用多个光学准直器可以用作捕获具有期望的空间分辨率的指纹图形的无透镜光学设计，以进行可靠的光学指纹感应。图17A示出了使用具有孔或开口2112的一个或多个金属层2110实现的准直器2106。图17A中在顶部结构或盖板2104和光电检测器2108之间的层中的准直器2106包括由光纤或一层或多层(如硅或金属)中的孔或开口形成的多个单独的光学准直器，这种单独的光学准直器中的每一个接收沿着每个光学准直器的纵向或在小角范围内的光线2124，如图所示，光线2124可以被每个开口或孔的顶部开口以及管状结构捕获，使得来自每个光学准直器纵向的以大角度入射的光线被每个准直器拒绝到达该光学准直器的另一端上的光学光电二极管。

在每个感应像素的电容式感应部分中，电容式传感器2114包括电容式传感器板2116，该电容式传感器板2116电磁耦合到与感应像素接近或接触的手指的一部分，以进行电容式感应。更具体地，当手指2102与可选盖板2104或实现手指传感器设备2100的移动设备上的盖板接触或离得很近时，电容式传感器板2116和手指2102作为一个或多个电容式元件2122的两个板相互作用。电容式传感器板2116的数量可以基于电容式传感器2114的设计而变化。电容式传感器板2116可以使用一个或多个金属层来实现。电容式传感器板2116通信地耦合到电容式传感器电路2120，使得电容式传感器电路2120可以处理来自电容式传感器板2116的信号，以得到表示3D指纹结构的信号。可以在电容式传感器板2116和电容式传感器电路之间设置路由或屏蔽材料，以电容式传感器板2116。电容式传感器电路2120可以通信地耦合到电容式传感器板2116和光电检测器2108，以处理来自电容式传感器板2116的信号和来自光电检测器2108的信号。图17A中，每个混合感应像素内的电容式传感器和光学传感器彼此相邻且相互存在位移，而不在空间上重叠。

在实现方式中，图17A中的混合传感器设计中的光学准直器设计等光学感应特征，可以用于屏幕下光学传感器模块中。因此，图17A中具有光学准直器特征的光学感应可以在能够通过光学感应检测指纹的移动设备或电子设备中实现，该移动设备或电子设备包括：显示屏幕结构；形成于设备屏幕结构之上的顶部透明层，作为用户触摸界面并且作为用于传输来自显示屏幕结构的光以将图像显示给用户的界面；以及光学传感器模块，位于显示屏幕结构的下方，以接收从顶部透明层返回的光来检测指纹。光学传感器模块包括接收返回的光的光电检测器的光学传感器阵列，还包括光学准直器阵列，以通过显示屏幕结构收集来自顶部透明层的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器指向光学传感器阵列中的光电检测器。

图17B示出了指纹传感器设备2130的另一个示例，该指纹传感器设备2130在感应器像素阵列中以空间上重叠的配置将光学传感器和电容式传感器结构性地集成在每个混合传感器像素中，以减少每个混合感应像素占用的空间。指纹传感器设备2130包括硅等半导体基板2131。在半导体基板2131上设置多个感应元件或感应像素2139。每个感应元件或感应像素2139包括有源电子电路区域2132，该有源电子电路区域2132包括CMOS开关、放大器、电阻器和电容器，来处理传感器信号。每个感应元件或感应像素2139包括设置或嵌在有源电子电路区域2132中的光电检测器2133。用于电容式感应的电容式传感器的电容式传感器板或感应顶部电极2134设置在光电检测器2133上，并且包括感应顶部电极2134上的孔或开口2138，还起到将光指向光电检测器2133上的光的准直器的作用。设置填充有导电材料的通孔2135，以将感应顶部电极2134电连接到有源电路区域2132。通过调整开口或孔以及感应顶部电极2134与光电检测器2133的距离，可以调整光电检测器(如光电二极管)2133的光收集角2137。指纹传感器设备2130由保护盖板2136覆盖，该保护盖板2136包括硬质材料，例如蓝宝石、玻璃等。光电检测器2133的光收集角2137可以设计为保存由光电二极管阵列收集的图像的空间分辨率。LED等光源2140位于盖板的下面，在指纹传感器设备2130的侧面以发光，该光被手指反射并指向光电检测器2133，以捕获指纹图像。当手指触摸保护盖板或与保护盖板非常近时，手指和感应顶部电极2134的组合形成人体和感应顶部电极2134之间的电容耦合(如电容器2142)。包括光学传感器和电容式传感器的指纹传感器设备2130可以获得指纹的光反射图像和电容耦合图像这两种图像。感应顶部电极2134用于双重目的：1)用于电容式感应，以及2)作为准直器(通过在感应顶部电极2134上制造一个或多个孔)将从手指发射的光指向光电检测器2133或向着光电检测器2133变窄或聚焦。感应顶部电极2134的再利用消除了对附加金属层或光纤束的需要，从而减小了每个像素的尺寸，并因此减小了指纹传感器设备2130的整体尺寸。

图17B中，17B中，光学感应设计使用在保护盖板2136和光电检测器2133之间形成的孔或开口2138作为光学准直器，以仅选择在某些光收集角2137内的光线，以保持如图所示的光电检测器阵列中的光电检测器2133收集的图像的空间分辨率。类似于图17A中的光纤或其他管状光学准直器，在保护盖板2136和光电检测器2133的底部阵列之间形成的孔或开口2138构成了光学准直器，经由显示屏幕结构收集来自顶部透明层的返回的光，并且分离来自顶部透明层中的不同位置的光，同时将收集到的返回的光穿过光学准直器指向光电检测器2133。

图18是将光学传感器和电容式传感器并入每个混合感应像素中的示例性混合指纹传感器设备2200的俯视图。指纹传感器设备2200实现为CMOS硅芯片2221，该CMOS硅芯片2221包括混合(并入光学传感器和电容式传感器)感应元件阵列2222。可替换地，图18中的光学布局还可以用于本文件中公开的所有光学感应设计，其中开口或孔2223表示图17A和17B中的光学准直器。例如，感应元件的大小或尺寸可以在25μm至250μm的范围内。混合传感器设备2220可以包括支持电路阵列，该支持电路阵列包括侧面区域2224中的放大器、模数转换器和缓冲存储器。此外，混合传感器设备2200可以包括用于引线接合或凸起接合的区域2225。混合感应元件阵列2222的顶层2226可以包括用于电容感应的金属电极。可以在每个顶部金属电极23上制造一个或多个开口或孔2223，以在结构上用作准直器来将光以垂直方向引导照射在顶部电极下面的光电检测器上。因此，顶层2226结构可以用于光学感应和电容感应的双重目的。可以提供一种传感器设备处理器，以处理来自混合感应像素的像素输出信号，来提取指纹信息。

除作为准直器共享用于电容感应和用于在垂直方向聚焦光的相同结构以外，可以在光学传感器和电容式传感器之间共享传感器信号检测电路的一个实例，以检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。

图19A示出了具有用于指纹的电容感应和光学感应功能的示例性传感器像素2300。该示例性传感器像素2300包括传感器信号检测电路2316，以在检测或获取基于电容感应的来自感应顶部电极(如顶部金属层)2308的传感器信号和基于光学感应的来自光电检测器(如光电二极管)2314的感应信号之间选择性地切换，以获取手指的来自光电检测器2314的反射光学图像和来自感应顶部电极2308的电容耦合图像。在一些实现方式中，每个混合感应像素中的来自两种感应机制的两个图像可以串行地被传感器信号检测电路处理。在所示的示例中，开关2310和开关2312具有：分别电耦合到感应顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，以及耦合到传感器信号检测电路2316的共用输入端的第二端，以向传感器信号检测电路2316提供对应的来自光电检测器2314的光学检测器信号和对应的来自感应顶部电极2308的电容感应信号。当开关2310断开(CAP_EN＝0)且开关2312闭合(Optical_en＝1)时，传感器信号检测电路2316获取表示在特定混合感应像素处接收到的扫描指纹的光学图像的光学检测器信号。当开关2310的CAP_EN＝1且光学_en＝0时，传感器信号检测电路2316可以获取表示扫描指纹的电容图像的电容感应信号。在光学图像和电容图像均被获取到之后，两个图像可以在下游电路中单独地或组合地处理，以识别指纹特征。

利用上述混合感应像素的两种成像模态，可以通过以不同方式利用两种类型的图像来增强指纹识别的性能。这种增强的指纹识别可以通过传感器设备处理器2321等传感器设备处理器来实现，用于处理来自混合感应像素的像素输出信号，以提取指纹信息。例如，电容图像可以提供关于指纹特征的脊和谷的深度的3D图像。作为3D电容图像的补充，光学图像可以提供关于指纹特征的高分辨率2D信息。因为两种图像信息都涉及相同的指纹的脊，所以具有更高空间分辨率的光学2D图像可以用于恢复电容感应图像分辨率。在一些实现方式中，与光学感应方法相比，电容感应方法可以更加灵敏和准确地识别指纹的谷，使用电容感应方法获取的图像的空间分辨率可以基于盖板的厚度而劣化。电容感应的这个方面可以通过光学感应来弥补。操作中，传感器响应可以是固定的，并且电容式传感器的点扩散函数对于所有的传感器位置可以是固定的。更高分辨率的光学感应可以用作分辨率恢复方法，并且可以应用在电容感应图像上以增强3D图像。来自光学感应的部分高分辨率图像可以用于帮助该恢复方法。因此，可以通过基于高分辨率2D图像的内插或恢复来增强3D电容图像，以提供关于谷和脊的更多信息。

增强的3D图像可以提供改进的指纹识别和匹配。在另一示例中，可以一同存储光学图像和电容图像，以在每次进行指纹识别或匹配时提供两种比较。使用两种类型的图像进行比较增强了指纹感应系统的准确性和安全性。

传感器信号检测电路2316可以使用多种不同的电路设计以各种方式实现。在一个示例中，积分电路2318可以实现为存储由脊或谷的触摸引起的电荷或离移动设备的盖板非常近的指纹传感器设备的盖板引起的电荷。对积分电路2318的包含增强了信噪比(SNR)。集成器感应电路包括放大器2322，以放大由示例性传感器像素2300的感应顶部电极2308或光电检测器2314检测到的传感器信号，如电容相关信号或光学相关信号(例如，电压信号)。包括多种金属中的一种导电材料的感应顶部电极2308通过开关2310电连接到放大器2322的负端或反相输入端2328。感应顶部电极2308和手指的局部表面202起到电容器Cf 2302的相对板的作用。电容器Cf 2302的电容基于手指的局部表面和感应顶部电极2308之间的距离‘d’变化，该距离‘d’即电容器Cf 2302的两个板之间的距离。电容器Cf2302的电容与电容器Cf 2302的两个板之间的距离‘d’成反比。当感应顶部电极2308与手指的脊相对时电容器Cf2302的电容大于当感应顶部电极2308与手指的谷相对时电容Cf2302的电容。

此外，在示例性传感器像素2300中，可以在不同导电元件之间形成各种寄生电容器或其他电容器。例如，可以在感应顶部电极2308和设备接地端2305之间形成寄生电容器CP 2304。设备接地紧密地耦合到大地。另一电容器Cr 2324可以在放大器2322的输出导体和放大器2322的负端或反相输入端2328之间形成，并且起到放大器2322的反馈电容的作用。并且，开关2326可以耦合在放大器2322的输出端和放大器2322的负端或反相输入端2328之间，以复位积分电路2318。

放大器2322的正端电连接至激励信号Vref 2330。在每个传感器像素中，可以直接向专用放大器的正端提供激励信号Verf 2330。通过直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf 2330，示例性传感器像素2300变为有源传感器像素。此外，直接向放大器2322的正端提供激励信号Verf 2330消除了包括所有传感器像素共有的激励电极的需要，这样减少了来自传感器芯片的半导体结构的导电(如金属)层。在一些实现方式中，基于传感器像素的设计，可以实施可选的激励Tx电极2306来增强SNR。此外，通过直接向放大器2322提供激励信号Verf 2330，激励信号Vref不直接应用于手指，以避免对手指的潜在的刺激或伤害。而且，当直接将激励信号应用于手指的激励电极未被使用时，指纹传感器设备的所有部件可以被集成到单个封装设备中，并且整个指纹传感器设备可以设置在保护盖板玻璃之下。由于整个指纹传感器设备设置在保护盖板玻璃下，保护指纹传感器设备免受可能损坏指纹传感器的手指和其他外部元件的影响。

图19A中，传感器像素2300中的传感器信号检测电路2316的输出信号(光学输出信号和电容输出信号)(如放大器2322的Vpo)电耦合到开关开关2320，以选择性地将输出信号Vpo从传感器像素2300输出到包括滤波器的信号处理电路。开关2320可以使用晶体管或其他切换机制来实现，并且可以电耦合到控制器，以控制开关2320的切换。通过控制开关2320、开关2310和开关2312，传感器像素阵列中的传感器像素可以选择性地在获取光学信号和获取电容信号之间切换。在一个实现方式中，可以获取阵列中每一行、排或列的传感器像素的光学信号或电容信号，然后切换该光学信号或电容信号以获取该行、排或列的其他类型信号。可以逐行进行光学信号获取和电容信号获取之间的切换。在另一实现方式中，可以获取阵列中所有传感器像素或元件的一种类型的信号(电容信号或光学信号)，然后切换该种类型的信号以获取该所有传感器像素或元件的其他类型的信号。因此，不同的信号类型的获取之间的切换可以发生在整个阵列。两种类型的传感器信号的获取之间的切换的其他变形可以实现。

图19B示出了另一示例性混合指纹感应元件或像素2340的电路图。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感应元件或像素2340与传感器像素2300实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图19A的描述。

混合指纹感应元件或像素2340利用感应顶部电极2308，以在其上包括起到准直器作用的孔或开口2342，以将反射的光2344向着光电检测器2314(如光电二极管)聚焦或窄化。光电检测器2314可以位于或设置在使用感应顶部电极2308实现的准直器的下方，以捕获由孔或开口2342聚焦的反射的光2344。

在一些实现方式中，可以包括光学传感器和电容式传感器的传感器信号检测电路的单独实例，以并行地检测来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号。

图19C示出了示例性混合指纹感应元件或像素2350的电路图，用于对来自光电检测器和电容式传感器板的传感器信号进行并行检测。针对具有相同附图标记的部件，混合指纹感应元件或像素2350与混合指纹感应元件或像素2340实质相同。对于具有相同附图标记的共同部件的描述，参见图19A的描述。

为了对来自电容板和光电检测器的传感器信号进行并行检测，混合指纹感应元件或像素2350包括分别与感应顶部电极2308和光电检测器2324通信耦合的单独的传感器信号检测电路2316和2317。传感器信号检测电路2317可以实现为基本上类似于传感器信号检测电路2316。在一些实现方式中，开关2310和开关2312可以设置为具有分别电耦合到感应顶部电极2308和光电检测器2314的第一端，和分别耦合到传感器信号检测电路2316和2317的第二端，以向传感器信号检测电路2316和2317分别提供来自光电检测器2314的光学检测器信号和来自感应顶部电极2308的电容感应信号。当开关2310和开关2312一同闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以并行地对来自感应顶部电极2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。当开关2310和开关2312彼此异相地闭合和断开时，传感器信号检测电路2316和2317可以串行地对来自感应顶部电极2308和光电检测器2314的传感器信号进行检测。此外，传感器设备处理器2321可以通过开关2320A和2320B直接或间接地通信耦合到传感器信号检测电路2316和2317，以并行或串行地处理检测到的来自感应顶部电极2308和光电检测器2314的传感器信号。

在所公开的技术的另一方面，由于心脏的心跳和泵送动作，针对图17A、17B、18、19A和19B描述的光学传感器可以用于通过测量手指中由血流变化引起的随时间变化的反射光强度，来测量人的心跳。该信息包含在由手指反射、散射或漫射的接收到的光中，并且由光学检测器信号携带。因此，光学传感器可以用于多种功能，包括获取指纹的光学图像和测量人的心跳。在实现方式中，传感器设备处理器用于处理一个或多个光学检测器信号，以提取心跳信息。这种传感器设备处理器可以与处理来自光学感应像素或混合感应像素的像素输出信号以提取指纹信息的传感器设备处理器相同。

以下部分描述了使用屏幕下光学传感器模块进行指纹感应的各种设计的示例，该屏幕下光学传感器模块使用光学准直器阵列或针孔阵列将携带指纹信息的信号光指向光学传感器阵列。这种光学准直器或针孔被放置在LCD显示屏幕和屏幕下光学传感器模块中的光学传感器阵列之间，以耦合从显示面板返回的期望的光，同时过滤光学传感器阵列在光学检测中的背景光。这种光学准直器或针孔的实现可以简化光学传感器阵列的光学检测的光学设计，例如本专利文献中公开的其他设计不需要使用复杂的光学成像设计，如图6B、7、10A和11中的成像设计。此外，这种光学准直器或针孔的实现可以简化整体光学布局到光学传感器阵列的光学对准，并且提高光学传感器阵列的光学检测的可靠性和性能。进一步地，这种光学准直器或针孔可以显著地简化制造并降低屏幕下光学传感器模块的总体成本。

图20示出了具有液晶显示(liquid crystal display，LCD)显示器和屏幕下光学传感器模块的智能手机的示例，该屏幕下光学传感器模块包括用于收集光并将光指向至用于光学指纹感应的光学检测器阵列的光学准直器阵列。基于LCD的显示组件423在显示组件423下面实现具有光电二极管阵列623的光学感应模块。

显示组件423被放置在顶部透明层431之下，该顶部透明层431用作用户界面表面，用于包括例如用户的触摸感应操作、向用户显示图像等的各种用户界面操作，以及用作光学感应界面，用于接受用于光学指纹感应和其他光学感应操作的手指，其中探测光从设备内部被指向至顶部透明层431以照亮手指。显示组件423是多层显示模块433，包括显示光源434(例如，LED灯)，提供用于显示模块433的白色背光；光波导板433c，耦合到显示光源434，以接收和引导背光光源；LCD结构层433a(包括例如液晶(liquid crystal，LC)单元层、LCD电极、透明导电ITO层、光学偏振器层、滤色层和触摸感应层)；光漫射器433b，位于LCD结构层433a下方和光波导板433c上方，以空间扩散背光光源以照亮LCD结构层433a中的LCD显示像素；以及光学反射膜433d，位于光波导板433c下方，以将背光光源再循环到LCD结构层以改进光使用效率和显示亮度；LCD模块帧433e。当感应窗口中的LCD单元开启时，尽管微结构可能会耗尽部分的探测光能量，但是大多数LCD结构层433a(包括液晶单元、电极、透明ITO、偏振器、滤色器、触摸感应层等)变得部分透明。光漫射器433b、光波导板433c、反射膜433d和LCD模块框架被处理以保持指纹传感器，并提供透明或部分透明的感应光路径，使得一部分从顶部透明层431的顶表面的反射的光可以到达具有用于指纹感应和其他光学感应操作的LCD屏幕下光学传感器模块的光电二极管阵列623。如图所示，LCD屏幕下面的这个光学传感器模块包括各种指纹传感器部件，例如准直器617，用于准直并将反射的探测光指向至光电二极管阵列623，以及光学传感器电路模块接收并调节来自光电二极管阵列623的输出信号。准直器617可以包括光学准直器，并且可以是基于波导的图像发射器、光纤阵列、微透镜阵列或针孔阵列。光学准直器用于限定样品图像的数字孔径(numeral aperture，NA)，并形成相应的图像元素。每个光学准直器单元获得顶部透明层431上的目标手指的触摸部分的图像的一部分。所有准直器的透射光束共同在光电二极管阵列623处形成目标对象的完整图像。光电二极管阵列623可以是CMOS感应像素的CMOS传感器、CCD传感器阵列或对光敏感的合适的光学传感器阵列。

该示例示出了包括电子模块435，用于LCD显示和触摸感应操作；一个或多个其他传感器425，例如用于监视周围环境的光照水平的光学传感器；以及可选侧面按钮427和429，用于控制某些智能手机操作。

在图20的示例中，所示示例中的光源包括显示光源434和探测光源436。来自探测光源436的光束442a和来自显示光源434的光束442b可以用作传感器探测光，用于照亮与顶部透明层431接触的手指，以产生携带指纹图案和其他信息的期望的反射探测光到光学传感器模块。

当开启感应窗口中的LCD单元时，尽管微结构可能会耗尽部分的探测光能量，但是大多数LCD结构层433a(包括液晶单元、电极、透明ITO、偏振器、滤色器、触摸感应层等)变得部分透明。光漫射器433b、光波导板433c、反射膜433d和LCD模块框架被处理以保持指纹传感器，并提供透明或部分透明的感应光路径。

图21下进一步说明上述图20中示例的LCD屏幕下光学传感器模块的操作。在顶部透明层431上，指纹感应区域或窗口是顶部透明层431的顶面上的区域，位于下面的光学传感器模块的正上方或附近区域。由于光学传感器模块位于LCD结构下方，因此感应窗口是顶部透明层431的连续顶面的一部分，并且也是LCD显示器的显示区域的一部分。因此，在顶面上可能没有可见的物理分界来指示该感应窗口。可以通过其他手段向用户指示该感应窗口，以帮助用户将手指放置在感应窗口内用于指纹感应和其他光学感应操作。例如，额外指定的探测光源436可以用于照亮感应窗口，使得感应窗口的区域明显不同于顶部盖板玻璃上的周围区域，用户可以很容易地看到。这可在LCD面板关闭或LCD面板打开时完成。

如图21所示，使用者将手指按压在感应窗口上，并且光束82P照亮手指。手指和顶部透明层431对探测光进行反射，形成反射信号光束82R。显示模块433中的各种散射界面433S对反射信号光束82R进行漫射，以形成漫射光束82D。准直器617中的各个准直器单元选择光分量82S并将选定的光分量82S引导到光电二极管阵列623的对应的光敏检测器中。光敏检测器(例如光电二极管或CMOS感应检测器)生成包含关于指纹图案的信息的相应传感器信号。一部分光源可以在没有首先通过LCD面板的顶面上的手指感应区域的情况下进入指纹传感器模块。这部分光产生背景噪声并且可以通过校准来消除。准直器阵列的每个准直器617仅选择以相对低的光损耗沿着其允许方向传输的到光电二极管阵列623的一部分中的相应光电检测器的光。因此，准直器617中的每个准直器单元及其在光电二极管阵列623中的对应光电检测器一起操作，以定义有效的检测光学数字孔径(numeral aperture，NA)。该NA直接定义由光学传感器模块产生的图像的空间分辨率。

基于所公开的LCD屏幕下光学感应设计，与LCD显示屏幕直接接触或在LCD显示屏幕附近的人的手指能够使返回的光再回到LCD显示屏幕中，同时携带由LCD显示屏幕输出的光照射到的一部分手指的信息。这种信息可以包括例如手指被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置等。因此，光学传感器模块可以被集成为捕获这种返回的光中的至少一部分，以通过光学成像和光学检测操作来检测手指被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置。然后，检测到的手指被照射到的部分的脊和谷的空间图案和位置可以被处理，以构造指纹图案并进行指纹识别，例如，作为用户认证和设备访问过程的一部分，与存储的授权用户指纹图案进行比较以确定检测到的指纹是否为匹配指纹。通过使用所公开的光学传感器技术的这种基于光学感应的指纹检测使用LCD显示屏幕作为光学感应平台，并且可以用于替代现有的电容式指纹传感器或其他指纹传感器，这些现有传感器基本上是作为“附加”部件的独立传感器，不使用来自显示屏幕的光或使用用于手机、平板电脑和其他电子设备的指纹感应的显示屏幕。

需要注意的是，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏幕的背面而不需要指定LCD显示屏幕的显示表面侧的区域，而在智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中，该指定区域会占用宝贵的设备表面空间。这种光学传感器模块可以设置在LCD显示屏幕之下，与显示屏幕区域垂直重叠，并且，从用户的角度来看，该光学传感器模块隐藏在显示屏幕区域的后面。此外，由于这种光学传感器模块的光学感应是通过检测由LCD显示屏幕发出的并从显示区域的顶面返回的光而进行的，所公开的光学传感器模块不需要与显示屏幕区域分离的特殊感应端口或感应区域。因此，在包括苹果的iPhone/iPad设备或三星Galaxy智能手机模型等的其他设计中，指纹传感器位于显示屏幕的相同表面上的特定指纹传感器区域或端口(如主页按钮)处、并且位于显示屏幕区域外的指定的非显示区域中，不同于上述其他设计中的指纹传感器，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以通过以下方式实现：通过使用独特的光学感应设计将从手指返回的光路由到光学传感器中，并且通过提供合适的光学成像机制实现高分辨率光学成像感应，允许在LCD显示屏幕上的任何位置处进行指纹感应。就这点而言，所公开的光学传感器技术通过使用相同的显示图像的顶部触摸感应表面来提供独特的屏幕上指纹感应配置，并提供触摸感应操作，而不需要在显示屏幕区域外设置单独的指纹感应区域或端口。

除了通过光学感应进行的指纹检测，光学感应可以用于测量其他参数。例如，所公开的光学传感器技术能够测量在整个LCD显示屏幕上可用的大触摸面积的人的手掌的图案(相反，一些指定的指纹传感器，如苹果iPhone/iPad设备的主页按钮中的指纹传感器，具有相当小且指定的屏幕外指纹感应区域，其在感应区域的大小上受到高度限制，可能不适合感应大图案)。再如，所公开的光学传感器技术不但可以用于使用光学感应来捕获和检测与人相关联的手指或手掌的图案，还可以用于使用光学感应或其他感应机制来检测通过“活体手指”检测机制所捕获的或检测到的指纹或手掌的图案是否来自活人的手，该检测机制可以基于以下事实：由于活人的自然移动或运动(有意或无意的)，这个人的手指通常是移动或伸展的，或当血液流过与心跳相关的人体时，手指通常是脉动的。在一个实现方式中，由于心跳/血流变化，光学传感器模块可以检测从手指或手掌返回的光的变化，从而检测在表现为手指或手掌的物体中是否存在活着的心跳。用户认证可以基于指纹/手掌图案的光学感应和对存在活人的正面确定的结合来增强访问控制。再如，光学传感器模块可以包括感应功能，用于基于来自手指或手掌的返回的光的光学感应来测量葡萄糖水平或氧饱和度。又如，当人触摸LCD显示屏幕时，触摸力的变化能够以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指和屏幕表面之间的接触面积的变化、指纹脊变宽或血流的动态变化。这些变化能够通过基于所公开的光学传感器技术的光学感应来测量，并且可以用于计算触摸力。这种触摸力感应能够用于为光学传感器模块添加除指纹感应之外的更多功能。

针对与LCD显示屏幕的触摸感应方面相关的有用操作或控制特征，所公开的光学传感器技术可以基于来自光学传感器模块的一个或多个感应结果来提供触发功能或附加功能，以进行与LCD显示屏幕的触摸感应控制相关的某些操作。例如，手指皮肤的光学特性(如折射率)通常与其他人造物体不同。光学传感器模块可以据此设计为选择性地接收和检测由与LCD显示屏幕的表面接触的手指造成的返回的光，而由其他物体造成的返回的光不会被光学传感器模块检测到。这种物体选择性光学检测可以用于提供通过触摸感应的有用的用户控制，如只有经由人的手指或手掌的触摸才能唤醒智能手机或设备，而其他物体的触摸不会引起设备的苏醒，以进行节能操作并且延长电池的使用。这种操作可以通过基于光学传感器模块的输出的控制来实现，以控制LCD显示屏幕的唤醒电路操作，其中，例如，可以包括设计的额外光源用于光学感应，并且打开该设计的额外光源使其处于闪光模式，以向屏幕表面间歇性地发出闪光来感应人的手指或手掌的任何触摸，同时LCD显示屏幕可以置于睡眠模式以节省能量。在一些实现方式中，唤醒感应光可以在红外线不可见的光谱范围中，所以用户不会经历任何视觉上的光的闪烁。

基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以耦合到LCD显示屏幕的背面，而不需要在LCD显示屏幕的表面侧上创建指定的区域，该区域在一些智能手机、平板电脑或可穿戴设备等电子设备中会占用宝贵的设备表面空间。所公开的技术的这个方面可以用于在设备设计和产品集成或制造中提供某些优点或益处。

在一些实现方式中，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以被配置为非入侵式模块，其可以容易地集成到LCD显示屏幕中，而不需要改变LCD显示屏幕的设计以提供诸如指纹感应等期望的光学感应功能。就这点而言，基于所公开的光学传感器技术的光学传感器模块可以独立于特定的LCD显示屏幕设计的设计，这是由于光学传感器模块具有以下性质：这种光学传感器模块的光学感应是通过检测由LCD显示屏幕发出的并从显示区域的顶面返回的光进行的，并且所公开的光学传感器模块耦合到LCD显示屏幕的背面，用于接收来自显示区域的顶面的返回的光，从而不需要与显示屏幕区域分离的特定感应端口或感应区域。因此，这种屏幕下光学传感器模块可以用于与LCD显示屏幕组合，以在LCD显示屏幕上提供光学指纹感应和其他传感器功能，而不使用具有专门设计用于提供这种光学感应的硬件的特殊设计的LCD显示屏幕。所公开的光学传感器技术的这一方面可以使得LCD显示屏幕在智能手机、平板电脑或其他具有来自所公开的光学传感器技术的光学感应的增强功能的电子设备中的范围更加广泛。

例如，对于不提供分离的指纹传感器的现有电话组件设计，像某些苹果iPhone或三星Galaxy模型，这种现有电话组件设计可以不改变触摸感应显示屏幕组件而集成如本文所述的屏幕下光学传感器模块，以提供增加的屏幕上指纹感应功能。因为所公开的光学感应不需要分离的指定感应区域或端口，像某些苹果iPhone/三星Galaxy手机具有在显示屏幕区域外的前指纹传感器，或像华为、小米、谷歌或联想的一些模型的一些智能手机在背面具有指定的后指纹传感器，本文所公开的屏幕上指纹感应的集成不需要对具有触摸感应层和显示层的现有电话组件设计或触摸感应显示模块进行实质的改变。简言之，对于添加所公开的用于指纹感应的光学传感器模块，在设备的外部不需要外部感应端口和外部硬件按钮。添加的光学传感器模块和相关电路在电话外壳内的显示屏幕下，并且可以在触摸屏幕的相同触摸感应表面上方便地进行指纹感应。

又如，由于用于指纹感应的光学传感器模块的上述性质，集成这种光学传感器模块的智能手机能够随着改进的设计、功能和集成机制来更新，而不影响LCD显示屏幕的设计或制造或加重LCD显示屏幕的设计或制造负担，以在产品周期中为设备制造和改进/升级提供期望的灵活性，同时保持使用LCD显示屏幕的智能手机、平板电脑或其他电子设备中光学指纹传感器的更新版本的可用性。具体地，可以在下一产品发布时更新触摸感应层或LCD显示层，而无需为利用所公开的屏幕下光学传感器模块实现的指纹感应功能做任何显著的硬件改变。此外，通过使用新版本的屏幕下光学传感器模块，基于这种光学传感器模块实现的用于指纹感应或其他光学感应功能的改进的屏幕上光学感应，包括增加额外的光学感应功能，可以被添加到新产品发布中，而不需要对电话组件设计做显著改变。

所公开的光学传感器技术的以上或其他特征的实现可以向新一代的电子设备提供改进的指纹感应和其他感应功能，尤其是对于具有LCD显示屏幕的智能手机、平板电脑和其他电子设备，以提供各种触摸感应操作和功能，并增强这种设备的用户体验。

本文公开的光学传感器技术使用在显示屏幕中用于显示图像的、并从设备显示组件的顶面返回的光，来进行指纹感应和其他感应操作。该返回的光携带与该顶面接触的物体(例如，手指)的信息，并且捕获和检测该返回的光构成了在实现位于显示屏幕下方的特定光学传感器模块时设计考虑的一部分。因为触摸屏幕组件的顶面用作指纹感应区域，所以该被触摸区域的光学图像应该由光学传感器模块内的光学成像传感器阵列捕获，该光学成像传感器阵列具有对原始指纹的高图像保真度以用于鲁棒的指纹感应。光学传感器模块可以设计为通过恰当地配置用于捕获和检测返回的光的光学元件来实现这种期望的光学成像。

图22A-22B示出了图20和图21中的光学准直器设计的示例性实现方式。本示例中的光学准直器2001包括光学准直器阵列903和填充在光学准直器阵列903之间的光学吸收材料905，以吸收光来减少不同光学准直器之间的串扰。光学准直器2001中的每个光学准直器阵列903可以是沿垂直于显示面板的方向延伸或延长的通道，并且允许光以低损耗沿其轴线传输。光学准直器2001设计为减少不同光学准直器之间的光学串扰，并且保持光学感应中期望的空间分辨率。在一些实现方式中，一个光学准直器可以仅对应于光电检测器阵列2002中的一个光电检测器。在其他实现方式中，一个光学准直器可以对应于光电检测器阵列2002中的一个或多个光电检测器。如图22B所示，在一些设计中，每个准直器单元的轴线可以垂直于显示屏幕表面，并且可以相对于显示表面倾斜。在操作中，仅沿着准直器轴线传播的光携带图像信息。例如，适当的光束82P被反射以形成光束82R。光束82R随后被TFT433T的小孔衍射，并且扩展到光束82D。光部分82S被传输到光电检测器阵列2002中。远离轴的光部分82E被填充材料吸收。顶部透明层431上的反射光携带指纹信息。光线901相对于准直器单元轴成一角度，因此该光线可以被阻挡。反射光的一部分(如901E)传输到对应的光学准直器中，以到达光电检测器阵列2002。

光学准直器阵列可以通过不同的技术制造，包括通过平面基板刻蚀孔、形成光波导阵列、形成与光学滤波器匹配的微透镜阵列、使用无芯光纤束，或在透明片上印刷准直器等。这种准直器阵列的期望特征包括：(1)沿轴传播的光分量和从轴线传播出去的分量之间的足够的透射对比度，使得准直器保证了在光电检测器阵列处指纹图案的光学感应中期望的空间分辨率；(2)允许的传输数值孔径足够小，以实现光学感应期望的高空间分辨率。

可以使用各种光学准直器阵列设计。光学准直器阵列中的每个光学准直器被构造成通过在沿着或接近光学准直器的轴的方向传输光，同时阻挡其他方向的光，来进行空间过滤，并且具有小的传输数值孔径以通过光学准直器阵列实现高空间分辨率。小的光学传输数值孔径还减少了进入光学传感器阵列的背景光的量。准直器元件孔径和间距(如两个临近的准直器元件之间的距离)可以设计为实现光学指纹感应的期望的空间分辨率。

图23示出了准直器设计的示例，该准直器设计通过使用CMOS结构中两个不同金属层中的对齐的孔而成为CMOS结构的一部分。在该特定示例中，阵列中的每个光学准直器是沿垂直于显示面板的方向的长条形通道。

图24示出了位于LCD显示结构下的光学指纹传感器模块的示例，在捕获指纹信息中，该光学指纹传感器模块为每个光学传感器像素合并光学传感器阵列和集成的准直器阵列。如图所示，光学传感器阵列包括光电检测器阵列和设置在光电检测器阵列之上的准直器阵列，以包括作为光学准直器的光学透明通孔和的通孔之间的光学不透明金属结构。将照明光指向照亮手指的触摸部分，从手指反射的光穿过光学准直器阵列被指向捕获手指的一部分指纹图像的光电检测器阵列。该光学准直器阵列可以使用具有通过CMOS工艺集成的孔或开口的一个或多个金属层来实现。

屏幕下光学传感器模块中的这种光学准直器可以构造为提供直接的点对点成像。例如，光学准直器阵列的尺寸和单个准直器的尺寸可以设计为分别紧密匹配光电检测器阵列的尺寸和单个光电检测器的尺寸，以实现光学准直器和光电检测器之间的一对一成像。由光学传感器模块接收到的光携带的整个图像可以由单个光电检测器处的光电检测器阵列同时捕获而不进行接拼。

光学准直器阵列的空间过滤操作可以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。此外，由于从OLED像素发射的光的照明，可以在光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤掉背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感应区域的返回的光的光学感应。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感应所生成的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学过滤可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学过滤涂层，该光学过滤涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。

图25示出了利用光学过滤减少到达屏幕下光学传感器模块中光电检测器阵列的背景光的光学准直器阵列的示例。该示例使用光学波导阵列作为光学准直器，并且一个或多个滤光膜耦合到该光学波导阵列，以减少到达耦合到光学波导阵列的光电检测器阵列的不期望的背景光(例如来自太阳光的红外(infrared light，IR)光)，同时传输用于照射手指的探测光的预定光谱带中期望的光。光波导可以包括具有或不具有外部波导包层的波导芯。光波导也可以由具有不同光纤的无芯光纤束形成，其中每个单元准直器是不具有光纤芯结构的光纤片。当无芯光纤成束时，光纤之间的填充材料可以包括光吸收材料，以增加不被无芯光纤引导的杂散光的吸收。最终的准直器可以与多层的子准直器阵列组装在一起。

以下部分提供不同的光学准直器设计及其制造的不同示例。

图26A和26B示出了通过刻蚀制造准直器的示例。在图26A中，用于形成准直器阵列中的光学准直器的合适材料层形成在光学透明的支撑基板上或由支撑基板支撑。刻蚀掩模形成在该层上并具有用于刻蚀下层的图案以形成光学准直器。执行合适的刻蚀工艺以形成光学准直器。支撑基板可以与准直器阵列结合，并且可以由包括氧化硅等的各种光学透明材料形成。

图26B示出了通过经由层间连接材料(可为粘合剂、玻璃或合适的光学透明材料)堆叠多层子准直器阵列来组装的光学准直器阵列的示例。在一些实现方式中，不同层的子准直器阵列可以在没有层间连接材料的情况下彼此堆叠。这种堆叠允许沿着准直器轴线制造具有期望长度或深度的光学准直器，以实现期望的光学数值孔径。准直器的孔在几何上限制了视角。透射数值孔径由准直器的厚度和孔径决定。在一些应用中，孔可以用光学透明材料填充，并且在一些设计中可能是空的。

在一些实现方式中，支撑基板可以涂覆有一个或多个滤光膜以减少或消除背景光(例如来自太阳光的IR光)，同时传输用于照亮手指的探测光的预定光谱带中期望的光。

图27示出了与微透镜阵列耦合的光学空间滤波器的阵列，其中每个微透镜相对于光学空间滤波器的相应通孔定位，使得每个单元准直器包括微透镜和微空间滤波器，例如，微孔。每个微透镜被构造和定位成将接收到的光聚焦到相应的微空间滤波器而不成像接收到的光。微孔限制了有效的接收数值孔径。空间滤波器可以印刷在光学透明基底上，或者刻蚀在一片硅晶片上。微透镜阵列可以通过MEMS处理或化学处理来刻蚀。微透镜也可以由梯度折射率材料制成，例如将一片梯度折射率玻璃纤维切割成四分之一间距的长度。微透镜的焦距和空间滤波孔的直径可用于控制每个单元的发射数值孔径。像其他设计一样，准直器板可以涂覆有滤光膜以减少或消除传感器中未使用的光带，例如来自太阳光的IR光。

图28示出了具有内置光准直的集成CMOS光检测阵列传感器的一个示例。准直器通过梳理不同金属层609中的对准孔610阵列和交错在金属层之间以提供分离的氧化层608，厚氧化层来构建。这些孔可以与光学传感器阵列中的光电检测检测器阵列607对齐。光学指纹成像仪是利用这种集成的CMOS光电检测阵列传感器，在LCD显示模块710和盖板玻璃下内置光准直来实现的。用户手指触摸盖板玻璃的传感器窗口区域的指纹可以通过检测从指纹谷和脊反射的光706来成像。指纹脊区域的光线会减少，因为光线会被脊区域处的指纹组织吸收，而相比之下指纹谷区域的光线会更强。指纹的脊和谷之间的这种光照水平差异在光学传感器阵列处产生指纹图案。

在上面的基于准直器的光学传感器模块设计中，每个准直器沿着该准直器的厚度或长度可以设计为大到将成像光输送到光学检测器阵列上的小区域，或可以设计为小到将成像光输送到光学检测器阵列上的大区域。当准直器阵列中的每个准直器沿着该准直器的厚度或长度减小到某一点时，例如几十微米时，每个准直器的光学视区的场可以相对较大，以覆盖光学检测器阵列上一部分相邻光学检测器，如1mm×1mm的区域。在一些设备设计中，光学指纹感应可以通过使用针孔阵列来实现，该针孔阵列中的每个针孔具有足够大的光学视区场，以覆盖光学检测器阵列中的一部分相邻光学检测器，来在感应指纹时实现光学检测器阵列处的高图像分辨率。与使用准直器的设计相比，针孔阵列可以具有更薄的尺寸和更少数量的针孔，以在没有成像透镜时实现期望的高成像分辨率。并且，不同于经由光学准直器的成像，具有针孔阵列的成像使用每个针孔作为针孔照相机，以捕获图像，基于针孔照相机操作的图像重建过程不同于通过使用光学准直器阵列的图像重建过程，即：每个针孔建立子图像区，并且针孔阵列中不同的针孔的子图像区被拼接在一起，以构成整个图像。具有针孔阵列的光学传感器模块的图像分辨率与检测器阵列的灵敏元件的大小有关，从而可以通过调整检测器尺寸来调整或优化感应分辨率。

可以基于各种半导体图样技术或工艺或其他制造方法，以较低的成本相对简单地制造针孔阵列。针孔阵列还可以提供空间过滤操作，以有利地减少进入光学传感器模块中的光电检测器阵列的背景光的量。与设计具有光学准直器的光学传感器模块相似，由于用于光学感应所生成的照明光的照明，可以在具有针孔阵列的光学传感器模块中设置一个或多个光学滤波器，以滤掉背景光，并减少在光电检测器阵列处的背景光的量，以提高来自指纹感应区域的返回的光的光学感应。例如，该一个或多个光学滤波器可以配置为例如带通滤波器，以允许用于光学感应所生成的照明光的传输，同时阻挡太阳光中的红外光等其他光组分。当在室外使用该设备时，这种光学过滤可以有效地减少由太阳光造成的背景光。该一个或多个光学滤波器可以实现为例如光学过滤涂层，该光学过滤涂层形成在沿着到光学传感器模块中的光电检测器阵列的光学路径的一个或多个界面上，或可以实现为一个或多个离散的光学滤波器。

在基于光学准直器的光学传感器模块中，光学传感器阵列处的光学成像分辨率可以通过以提供针孔相机效应的方式配置光学准直器而得到改善。图29示出了这种设计的一个示例。

在图29中，这种光学准直器阵列的准直器单元652将来自相应检测区域单元的光引导至光电二极管阵列623。准直器单元的孔形成小视场(field of view，FOV)618b。如果光电二极管阵列623中的探测器未捕获每个单位FOV中的细节，则成像分辨率由每个准直器单元的FOV决定。为了提高检测分辨率，需要减小每个准直器单元的FOV。然而，当在光电二极管阵列623中的每个光电检测器和相应的准直器单元652之间提供光学滤光膜618a时，准直器单元的小孔径用作针孔。这种针孔相机效应在每个单位FOV的图像中提供更高的成像分辨率。当在单位FOV中存在多个检测元件时，如由准直器单元成像的针孔图像621a中所示，可以识别单位FOV中的图像细节。这意味着检测分辨率得到改善。在实现方式中，可以以各种方式提供这样的间隙，包括例如在准直器单元652和光电二极管阵列623之间添加光学滤光膜618a。

借助针孔相机效应，可以优化准直器板的填充因子。例如，为了检测10mm×10mm大小的区域，如果每个单位FOV覆盖1mm×1mm的区域，则可以使用10×10的准直器阵列。如果在每个单位FOV中，检测器可以获得20×20的清晰度图像，整体检测分辨率为200×200或50微米或500psi。这种方法可以应用于所有类型的准直方法。

图30示出了使用针孔相机效应来改善光学成像分辨率的另一示例。在该示例中，光学传感器模块包括多个层：垫片917、准直器617(可以是具有足够小厚度的光学准直器阵列)、保护材料919、光电二极管阵列623和电路板605。物体光学距离由感应表面到针孔平面的总材料厚度决定，包括显示模块433的光学厚度、垫片917的厚度、任何过滤涂层厚度、任何间隙厚度以及任何胶粘材料厚度。图像光学距离由针孔平面到光电检测器阵列的总材料厚度决定，包括保护材料厚度、任何过滤涂层厚度、任何间隙厚度、以及任何胶粘材料厚度。图像放大率由图像光学距离与物体光学距离相比决定。检测模式可以通过设置适当的放大率来优化。例如，放大率可以被设置为小于1，例如0.7或0.5等。在一些设备设计中，垫片和针孔阵列层可以被组合成单个组件。在其他设计中，针孔阵列和保护层可以组合成单个部件，以便预先定义每个针孔的中心坐标。

图31示出了基于针孔相机效应的光学成像的示例。在物体侧，LCD显示面板上的整个检测区域921被分成多个子检测区域923。设置针孔阵列920用于对检测区域921进行成像，得到整个检测区域921的图像区域931。针孔阵列920中的每个针孔单元负责小视场(field of view，FOV)925。每个小FOV 925覆盖子检测区域923。如图31所示，一个针孔的每个小FOV可以与其相邻针孔的小FOV重叠。在图像侧，光学传感器阵列中的每个子检测区域923捕获图像933。如图31所示，针孔的每个小FOV 925具有对应的图像区域935。可以优化该系统的放大率，使得每个子检测区域的图像可以分别得到区分。换句话说，小FOV的图像不会相互重叠。在此检测模式中，每个针孔的中心坐标是预定义的，并且每个LCD显示像素的图像点坐标可以被预校准，并且这种预校准可以在传感器操作期间用于为校准生成校准表格。在该设计中，针孔相机的图像是倒置的，进而信号处理可以根据校准表格恢复整个图像。

在用于光学准直器的上述示例中，用于将来自显示屏幕顶部上的手指的光指向用于指纹感应的光学传感器阵列的光学准直器的方向可以垂直于LCD显示屏幕的顶部触摸表面，以收集从手指返回的探测光来进行指纹感应，其中大部分光是在垂直于顶部触摸表面的光方向上。在实践中，当触摸手指干燥时，通过感应与顶部触摸表面基本垂直的返回的探测光，光学传感器阵列中检测到的图像中的图像对比度相比于从相对于顶部触摸表面的垂直方向成角度的返回探测光中获得的相同图像的图像对比度更低。这在某种程度上是因为成角度返回的光的光学感应在空间上过滤出从顶部触摸表面强烈返回的光，这部分光大部分垂直于顶部触摸表面。考虑到从顶部触摸表面返回的探测光的光学感应的这一方面，光学准直器可以被定向为使得每个准直器单元的轴线可以相对于顶部触摸表面倾斜，如图22B中示例所示。

然而，在制造中，制造倾斜式准直器更加复杂且成本更高。一种使用如图20和21所示的垂直光学准直器、同时还通过选择性地检测从顶部触摸表面返回的成角度的光来实现光学感应中更高对比度的方式是：在光进入垂直光学准直器之前，在垂直光学准直器和来自顶部触摸表面的返回的光之间提供光学偏转或衍射装置或层。在一些实现方式中，该光学偏转或衍射装置或层可以在OLED显示面板和垂直光学准直器之间选择仅处于某个倾斜角度的返回的探测光以进入垂直光学准直器，进而由位于垂直光学准直器的另一端上的光学检测器阵列进行光学检测，同时阻止或减少从垂直于顶部触摸表面的顶部触摸表面返回的探测光进入光学准直器的量。该光学偏转或衍射装置或层可以以各种形式实现，包括例如棱镜阵列、具有衍射图案的光学层或位于光学准直器和显示面板之间的其他设备，以选择从显示面板返回的成角度的探测光进入光学准直器，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器的返回的探测光的量。

图32示出了使用光学针孔阵列进行光学感应的光学传感器模块的示例。如图所示，在显示模块433与光电二极管阵列623之间形成针孔阵列920a，以将手指组织60按压的感应区域成像到光电二极管阵列623上。

针孔阵列920a的厚度T决定视场角(field of view，FOV)。连同从感应表面到针孔阵列920a以及从成像平面到针孔阵列920a的距离，对感应区域FOVs和成像区域FOVi进行定义。图像放大率由Di/Ds给出，其中Di是针孔阵列920a和光电二极管阵列623之间的光学透明层919a的厚度，并且Ds是通过垫片917、显示模块433和顶部透明层431组合叠层的厚度。诸如针孔层厚度T、Ds和Di之类的设备参数可针对期望的FOV和图像放大率的组合而被优化。例如，如果需要，光学传感器模块可被配置为具有期望的参数以使得针孔阵列920a中相应的相邻针孔的相邻FOV适当重叠。类似地，也可以将相邻的FOVi调整为重叠或完全分离作为离散的FOVi。在设计为使相邻的FOVs彼此重叠的光学传感器模块中，感应表面上的一些点可以具有多个图像点。该标记可以用于增强检测。

在图32的示例中，可以在垫片917、针孔阵列920a、光学透明层919a或显示表面上形成或涂覆用于减少背景光的滤光膜。如图所示，当投射背景光937到手指组织60上时，短波长分量大部分被吸收，部分长波长(例如，红光或红外光)光939被传输到光电二极管阵列623。滤光膜可用于排除那些长波长分量光941以改善携带手指信息的返回光信号的检测。

图33包括图33A和33B，并且示出了具有光学偏转或衍射装置或层的LCD显示面板下的光学指纹传感器的示例。

如图33A所示，准直器阵列中的每个光学准直器2001可以是沿垂直或垂直于显示表面的轴的延伸通道。视角适配器光学层3210用于调整从显示面板返回的探测光的视角，并且位于光学准直器2001和LCD显示面板之间，以选择从显示面板返回的成角度的探测光进入光学准直器2001，同时减少垂直于显示面板并进入光学准直器2001的返回的探测光的量。

图33B示出了视角适配器光学层3210和主探测光路的更多细节。例如，视角适配器光学层3210可以被实施为衍射图案层，例如棱镜结构3210a。只有来自手指的具有适当入射角并从显示面板反射的返回的探测光82a和82b才可以弯曲穿过光学准直器2001。相比之下，垂直于显示面板的返回的探测光由视角适配器光学层3210指向为远离垂直于显示面板的初始方向，并因此变为到光学准直器2001的离轴入射光。这减少了垂直于显示面板并可以进入光学准直器2001的返回的探测光的量。

当适当调整视角后，来自指纹谷不同位置63a和63b的接收光携带指纹信息。例如，在相同照明下，由于视角和指尖皮肤的不同指纹轮廓，光82a可能比探测光82b强。这种设计使得光学传感器模块获得一定程度的指纹阴影。这种布置改进了手指干燥时的检测。

在设计LCD显示模块下的光学传感器模块时，应该将LCD显示模块的各种技术特征或性能考虑并纳入到整体的光学传感器模块设计中，以改进光学感应操作。以下部分描述了几种设计示例。

各种LCD显示模块中的一个常见部件是光漫射器，其可以是将入射光漫射到不同方向以实现大视角和显示的空间均匀性的薄片。然而，该LCD漫射层的存在可能会降低LCD屏幕下光学传感器模块的光学检测。

图34A和34B示出了位于光波导板433c和LCD结构层433a之间的LCD光漫射器433b。在一些LCD组件中，顶部透明层431可以与下面的光漫射器433b分开一定距离(例如，在一些LCD设备中，几毫米)，并且准直器617通过光波导板433c与光漫射器433b分离(其可以是次级的的微米厚度)。在这种结构下，光漫射器433b中的强漫射可以显著降低穿过显示模块433到达光电二极管阵列623的信号光中的信号对比度。尽光漫射器433b的光漫射是显示操作所需的，但其降低了指纹检测性能。

光漫射器433b的这种不希望的效果可以通过使用不同的技术来减轻。图34A和34B中示出了两个示例。

图34A示出了一个示例，其中可以在光学传感器模块上方的光漫射器433b部分中的相应区域或LCD显示模块中的整个光漫射器433b中形成孔951a，以改善来自顶部透明层431到光电二极管阵列623的返回的光的传输。孔的尺寸、形状和分布可以根据具体的设计需求来选择。例如，孔尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径可以是直径约40微米，并且漫射片孔尺寸可以是5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等等。在此设计中，将孔951a包含在光漫射器433b中，即为每个准直器单元建立光路。每个准直器单元的孔可在漫射片中具有一个或多个孔，以提供从顶部透明层431到光电二极管阵列623的期望的光路。如果准直器单元的孔是离散的并具有相对较大的节距(例如，1mm左右)，则可以以相同的节距距离钻出漫射片中的孔。可以校准检测中的不均匀性。

图34B示出了另一示例，其中漫射片可以被构造成包括低漫射光学透明点951b，其中在光学传感器模块上方的区域中光漫射较弱，以改善到光学传感器模块的光传输。透明点尺寸、形状和分布可以根据具体的设计需要来选择。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射，并且点分布使得每个准直器单元具有一个或多个透明的光路，以允许有效接收来自顶部顶部透明层431通过LCD显示层的返回光。如果准直器单元孔径是离散的且具有大节距(例如，1mm左右)，则漫射片中的透明点可以被制造为具有相同的节距。如果漫射片由对光进行衍射或漫射的粗糙表面材料制成，则可以向该粗糙表面选择性地应用选择材料，以提供透明材料来减少粗糙表面的原始光学漫射。合适材料的示例包括环氧树脂、蜡或油，并且这些材料可以有效地改变漫射。

对于给定的LCD漫射层，可以选择长波长光源来产生探测光或照明光，使得针对这种光的漫散射较弱，从而更多的光可以穿过漫射层到达光学传感器模块。

再例如，参考图35A和图35B，各种LCD显示模块包括位于光波导板433c下方的LCD中的光学反射层或反射膜433d，以将未使用的光反射回LCD层以提高显示亮度。然而，该反射膜433d的存在可阻挡大部分光到达LCD屏幕下方的光学传感器模块，因此可能对光学指纹感应产生不利影响。该光学反射层可以以在大多数位置维持LCD波导层下的所需光学反射，同时在LCD屏幕下光学传感器模块的位置允许期望的光学传输的方式进行修改。在一些实现方式中，可以固定LCD屏幕下方的光学传感器的准直器617以接触反射膜433d。

图34C示出了用于提供透明光路径的另一示例，该透明光路径用于引导来自一个或多个探测光源436的光，以改善检测模块的指纹感应而不被漫射层明显漫射。例如，孔969可以选择性地形成在光漫射器433b中，以改善到LCD屏幕下光学指纹传感器的光传输。为了避免影响显示性能，光路孔可以倾斜以在孔969的区域中保持一定程度的光漫射功能。此外，这样的孔969可以设计为很小，例如0.3mm或更小，以进一步增强背光的漫射，同时仍提供LCD屏幕下光学指纹传感器处改进的光学成像。在一些实现方式中，光路径孔可以是空的，填充空气，也可以填充有透明材料。

在一些设计中，孔969可以不限于某个区域，而是可以分布在整个光漫射器433b上，例如，孔969可以均匀分布在整个光漫射器433b中。该设计消除了孔969在某些区域但不在其他区域中产生的不期望的空间不均匀照明。在一些设计中，孔969可以以空间梯度模式分布，使得由孔969引起的LCD照明的任何改变是渐进的且不太明显。

图35A示出了一个示例，其中通过在光学反射膜中的光学传感器模块位置的区域中包括或形成光透射孔来修改光学反射层，以允许光学反射膜的大部分位置中的用于LCD显示的光学反射，同时为准直器617提供透明光路径，用于接收从LCD上方的手指反射的光。孔的尺寸、形状和分布可以配置为满足光学感应需求。例如，孔的尺寸可以大于探测光波长，以避免强烈的衍射。例如，准直器单元孔径可以为约40微米直径，漫射片孔尺寸可以为5微米、10微米、30微米、40微米或100微米等。每个准直器单元孔可以在光学反射层中具有一个或多个孔以提供用于光学感应的所需光路径。可以校准检测中的不均匀性。如果准直器单元的孔径是离散的且具有大节距(例如，1mm左右)，则反射膜中的孔可以以相同的节距进行钻孔。

图35B示出了用于修改LCD中的光学反射层的另一示例，其中光学反射膜的光学反射率可以修改为允许一定程度的光学传输以通过下面的光学传感器进行光学感应。各种商业LCD反射膜使用柔性塑料材料作为基板，并且这种塑料材料的光透射率可能足以将足够的光传输到光学传感器模块用于指纹感应。

在用于LCD漫射层和LCD反射层的上述设计中，孔可以形成在一个或多个照明光源所处的区域中，以允许照明光可以充分穿过LCD显示模块层以到达顶部盖板玻璃，用于照亮手指来进行光学感应操作。

在上述设计中，光学传感器模块位于LCD显示模块的下方，因此位于LCD波导层下方，LCD波导层被设计为将来自背光光源的背光引导至LCD显示区域。如图36所示，来自显示光源434(例如，LED)的背光由光波导板433c引导并由LCD漫射层漫射以离开光波导板433c，以提供LCD所需的背光。光可以从光波导板433c的一个侧面均匀漏出，然后通过光漫射器433b漫射。在一些LCD中，大约一半的漫射光957可以朝着准直器617传播并且在光学感应检测中变成强背景光。

可以提供一个或多个探测光源436以连接光学传感器模块，以照亮手指并且将携带指纹图案信息的光提供给LCD屏幕下方的光学传感器模块。由于照明光源的位置(例如，在光学传感器旁边或与光学传感器相邻的反射膜433d下方)，光波导板433c的光导功能对来自探测光源436的光不起作用，使得来自探测光源436的光可以更高效地到达LCD面板的顶面以照亮手指。

另外，探测光源436可以设计为以不同于来自显示光源434的LCD显示照明光波长的一个或多个光学波长发射照明。探测光源436可以用于指纹感应和其他感应功能。

上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计可以用来降低功耗。使用显示背光光源进行指纹检测需要打开显示背光光源用于执行光学指纹感应。与上述设计相比，这种设计消耗更多功率，其中用于光学感应的照明光部分地不同于光学波长中的背光，其允许光学感应操作而不需要打开LCD背光。上述用于选择与LCD显示的背光的光学波长不同的一个或多个光学波长的照明光的设计能够灵活地选择照明光源以获得额外的优势。例如，可以使用红外光作为探测光源436，使得LCD漫射层对于IR照明光959更透明，以实现IR照明光的期望的更高传输。再如，可以选择照明光源以提供多个波长用于其他功能，例如防欺骗活体感应、心跳感应等。

在设计LCD屏幕下光学传感器模块时，可以使用探测光源436的位置和空间分布来调整观察角，从而优化感应质量。

在将光学传感器模块放置在LCD模块下方时，可以使用附加的光学设计来增强从波导层到LCD层的背光传输，同时维持用于光学感应的照明光到光学传感器模块的充分传输。

图37示出了作为LCD结构层433a所示的LCD层结构的一部分的包括两层或更多层背光增强膜(例如，433px和433py)的增强结构的示例。背光增强膜433px和433py形成在光漫射器433b上方。

在图37A的示例中，每个增强膜433px和433py包括偏振棱镜结构。两个增强膜433px和433py的棱镜槽方向大体相互垂直以共同形成一对增强膜，以改善到LCD面板的照明光传输。然而，如果配置不适当，增强膜的这种功能可能对LCD屏幕下光学检测器阵列单元621U的光学成像产生不利影响。

如图37(B)和图37(C)中的示例所示，额外的光源照射方向963和检测器观察方向961可以具体配置成不沿增强膜433px和433py的棱镜槽方向，以减小增强膜对光学指纹感应的不利成像影响。该设计是为了在增强膜中获得没有穿孔的清晰图像。视角φ1和照明角度φ2应根据增强膜的设计进行调整。

图37(D)中的示例示出了准直器单元617U和光电检测器阵列单元621U的特定设计。准直器单元617U用于提供由微透镜、针孔或两者组合实现的成像功能。通过优化单个检测单元设计或通过使用多个检测单元，可以实现光电检测器阵列单元621U处的较大感应区域。

图38示出了LCD模块中的光波导层的示例，其包括在检测光路径965中的部分照明光路径967，以允许改善用于光学感应的照明光的光传输穿过波导层。

图39示出了用于设计用于LCD显示模块下的光学传感器模块中的光学感应的照明光源的示例。在LCD显示模块中，光学反射层通过将未使用的背光循环到LCD层来增强LCD显示亮度。在这方面，沿着光学反射膜的光学反射率的缺陷，例如反射膜中的机械缺陷，会导致LCD显示亮度的可见变化，因此是不希望的。图39示出了用于减少反射层或膜中缺陷的不利影响的设计特征。

如图39(A)所示，可以在照明光中的可见光成分的探测光源436的位置处的反射膜433d中设置微孔973。该可见光成分可以用于在显示器的有限区域内提供照明以显示必要的文本或标识信息，而无需打开显示器背光。

如图39(B)所示，另一种解决方案是选择照明光源波长，使之不再落入通常处于可见光波段的反射膜的工作波段。用于光学感应的探测光源436可以在反射膜的反射光谱范围之外，例如在400nm(例如380nm)以下的短波长范围或超出可见红色范围(例如780nm、900nm、940nm等)的长波长范围之外，使得照明光可以穿过反射膜或层而不需要在反射膜中形成孔。

图39(C)示出了另一设计方案，其中反射膜设计为包括用于透射用于光学检测的照明光的窄带透射窗口975。例如，反射膜中的这个窄透明或透射窗口可以在525nm和535nm之间。

基于本文公开的光学感应的诸如移动电话等的便携式设备或其他设备或系统可以被配置为提供附加的操作特征。

例如，LCD显示面板可以被控制为提供局部闪光模式以通过操作视区613下方的选定LCD显示像素来照亮指纹感应区域。这可以在LCD显示面板下的光学传感器模块中提供，例如，图4A和4B基于光学成像设计，或者图21基于通过光学准直器阵列的光学成像。在获取指纹图像的情况下，感应窗口区域中的LCD显示像素和照明光源可以暂时开启以产生高强度照明用于指纹的光学感应，并且同时开启光电二极管阵列623以捕获与开启照明光源同步的指纹图像。开启照明光源的时间可以相对较短，但是可以将发射强度设定为很高。为此，用于光学指纹感应的这种模式是闪光模式，其使得光电二极管阵列623能够检测更大量的光以改善图像感应性能。

上面公开的用于感应光学指纹的光学传感器可以用于捕获高质量的指纹图像，以使得能够区分在不同时间捕获的捕获指纹中的微小变化。值得注意的是，当人在设备上按压手指时，由于按压力的变化，与显示屏幕上的顶部触摸表面的接触可能会发生变化。当手指接触盖板玻璃上的感应区域时，接触力的变化可能会在光学传感器阵列上引起若干可检测的变化：(1)指纹变形，(2)接触区域的变化，(3)指纹脊加宽，(4)受压区域的血流的动态变化。这些变化可以被光学捕获并且可以用来计算触摸力的相应变化。触摸力感应为指纹感应增加了更多功能。

参见图40，接触轮廓面积随着按压力的增加而增加，同时脊压印随着按压力的增加而扩大。相反地，接触轮廓面积随着按压力的减小而减小，同时脊压印随着按压力的减小而紧缩或收缩。图40示出了不同按压力下的同一手指的两种不同的指纹图案：轻度按压的指纹3301和重度按压的指纹3303。从触摸表面上的指纹的选定集成区域3305返回的探测光可以被光学传感器阵列上的一部分光学传感器捕获，该部分光学传感器与触摸表面上的选定集成区域3305相对应。如下面进一步解释的，对来自那些光学传感器的检测信号进行分析，以提取有用的信息。

当手指触摸传感器表面时，手指组织吸收光功率，因此集成在光电二极管阵列上的接收功率减小。特别是在不感应低折射率材料(水、汗液等)的全内反射模式的情况下，通过分析接收到的功率变化趋势，传感器可以用于检测是否有手指触摸传感器或者其他物体意外触摸传感器。基于这种感应过程，传感器可以确定触摸是否是真实的指纹触摸，并且因此可以基于触摸是否是真正的手指按压来检测是否唤醒移动设备。因为检测基于集成功率检测，所以用于光学指纹感应的光源处于省电模式。

在详细的指纹图中，当按压力增加时，指纹脊扩大，并且通过扩大的指纹脊，在触摸界面处吸收更多的光。因此，在相对小的选定集成区域3305内，集成的接收光功率变化反映了按压力的变化。基于此，可以检测压力。

因此，通过分析在小区域内集成的接收到的探测光功率变化，可以监测指纹脊图案变形的时域演变。然后，可以使用关于指纹脊图案变形的时域演变的信息来确定手指上的按压力的时域演变。在应用中，人的手指的按压力的时域演变可以用于通过手指的触摸来确定用户交互的动态，包括确定人是否按下触摸表面或将按压手指移开触摸表面。这些用户交互动态可以用于触发移动设备的某些操作或者移动设备上的某些应用的操作。例如，人的手指的按压力的时域演变可以用于确定人的触摸是用于操作移动设备的有意触摸还是意外的无意触摸，并且基于这样的确定，移动设备控制系统可以确定是否唤醒睡眠模式中的移动设备。

此外，在不同的按压力下，与触摸表面接触的活人手指可以在两个不同探测光波长处获得的消光比方面表现出不同的特性，如图14和15解释。返回参考图40，轻度按压的指纹3301可以不显著地限制流入手指的按压部分的血液，并因此产生指示活人组织的两个不同探测光波长处获得的消光比。当人用力按压手指以产生重度按压的指纹3303时，流向按压手指部分的血液可能会严重减少，并且因此在两个不同探测光波长下获得的相应的消光比将不同于轻度按压的指纹3301的消光比。因此，在两种不同探测光波长下获得的消光比随着不同的按压力和不同的血流条件而变化。这种变化与根据人造材料制成的假指纹图案使用不同的力按压时在两种不同探测光波长下获得的消光比不同。

因此，还可以使用在两个不同探测光波长下获得的消光比来确定触摸来自用户的手指还是其他物体。这种确定也可以用于确定是否唤醒睡眠模式中的移动设备。

又如，所公开的光学传感器技术可以用于监测活人手指由于人的自然移动或运动(有意或无意的)或当血液流过人体时与心跳相关的脉搏而倾向于表现的自然运动。唤醒操作或用户认证可以基于指纹图案的光学感应和存在活人的正面确定的组合来增强访问控制。又如，光学传感器模块可以包括用于基于来自手指或手掌的返回的光中的光学感应来测量葡萄糖水平或氧饱和度的感应功能。作为又一个示例，当人触摸显示屏幕时，触摸力的变化可以以一种或多种方式反映，包括指纹图案变形、手指与屏幕表面之间的接触区域的变化、指纹脊变宽、或血流的动态变化。这些和其他变化可以基于所公开的光学传感器技术通过光学感应来测量，并且可以用来计算触摸力。除指纹感应之外，这种触摸力感应可用于为光学传感器模块添加更多功能。

虽然本专利文件包含许多细节，但是这些不应被解释为对任何发明或要求保护的范围的限制，而是被解释为可以是对特定发明的特定实施例所特有的特征的描述。本专利文件中描述的某些特征在单独实施例的上下文中还可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以在多个实施例中单独实现或以任何合适的子组合形式实现。而且，虽然特征可以在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初如此要求保护，但是来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可以从组合中删除，并且要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变形。

类似地，虽然在附图中以特定顺序描述了操作，但是这不应理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按照顺序依次执行，或者要求执行所有所示的操作，以实现期望的结果。而且，在本专利文件中描述的实施例中的各种单独的系统部件不应理解为在所有实施例中需要这种分离。

本专利文件仅描述了几个实现和示例，并且可以基于本专利文件中描述和示出的内容来做出其他实现、增强和变化。

Claims (22)

1.一种光学传感器设备，应用于具有LCD显示面板的电子设备，以进行光学检测，其特征在于，包括：

一个或多个探测光源，用于设置在所述LCD显示面板下方，以产生穿过所述LCD显示面板的探测光，并照亮所述LCD显示面板上方的物体或手指，所述一个或多个探测光源不同于LCD照明光源，所述一个或多个探测光源用于发射可见光以照射所述LCD显示面板的显示区域的感应窗口，以使得感应窗口的区域不同于在LCD显示面板的顶部的周围区域，使得无论所述LCD显示面板是关闭或所述LCD显示面板是打开的，对用户是容易可见的；

光学传感器模块，用于设置在所述LCD显示面板下方，以接收穿过所述LCD显示面板的所述探测光来检测指纹；

所述一个或多个探测光源靠近所述光学传感器模块设置，所述光学传感器模块被配置为在关闭所述LCD照明光源使所述LCD显示面板处于睡眠模式而不发光时，控制所述一个或多个探测光源向所述LCD显示面板间歇性发出闪烁光，并检测由所述手指的触摸造成所述闪烁光通过所述LCD显示面板返回的光，并当检测到所述返回的光时唤醒所述LCD照明光源和所述LCD显示面板。

2.根据权利要求1所述的光学传感器设备，其中，还包括：设备电子控制模块，耦合到所述光学传感器模块，以接收通过感应手指的触摸获得的多个检测到的指纹的信息，用于测量所述多个检测到的指纹的变化以及确定引起所述变化的触摸力。

3.根据权利要求2所述的光学传感器设备，其中，所述变化包括由于所述触摸力引起的指纹图像的变化、由于所述触摸力引起的触摸区域的变化或指纹脊的间距的变化。

4.根据权利要求1所述的光学传感器设备，其中，所述光学传感器模块包括接收所述探测光的光学准直器的光学准直器阵列，所述光学准直器包括基板，所述基板具有形成在所述基板中的作为所述光学准直器的通孔阵列。

5.一种电子设备，其特征在于，包括：

液晶显示LCD屏幕，提供触摸感应操作并且包括LCD显示面板，以显示图像；

顶部透明层，形成于所述液晶显示LCD屏幕之上，作为用于所述触摸感应操作的用户触摸界面并且作为用于传输来自所述LCD显示面板的光以将图像显示给用户的界面；以及

如权利要求1-4中任一项所述的光学传感器设备。

6.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述LCD显示面板包括对光进行漫射的光漫射层，并且所述光漫射层包括位于所述光学传感器模块上方选定区域处的第一孔，以允许光传输到所述光学传感器设备的光学传感器模块。

7.根据权利要求6所述的电子设备，其中，所述光学传感器模块的光学准直器阵列的每一个通孔对应一个或多个所述第一孔，以提供从所述顶部透明层到所述光学传感器模块的光路。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中，在所述光学传感器设备的一个或多个探测光源上方对应的所述光漫射层处设置第二孔，以允许所述一个或多个探测光源产生的探测光穿过所述LCD显示面板到达所述顶部透明层。

9.根据权利要求8所述的电子设备，其中，所述第一孔和/或所述第二孔倾斜设置在所述光漫射层中。

10.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述LCD显示面板包括对光进行漫射的光漫射层，并且所述光漫射层包括位于所述光学传感器设备的光学传感器模块上方的对光进行漫射的选定区域，所述选定区域较所述光漫射层的其他部分允许一些光通过传输到达所述光学传感器模块。

11.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述LCD显示面板包括光学反射层，形成于所述LCD显示面板的底部区域，以反射光到所述LCD显示面板。

12.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述光学传感器设备的光学准直器阵列接触所述光学反射层。

13.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述光学反射层包括形成在所述光学传感器设备的光学传感器模块上方的选定区域中的第三孔，以允许光传输到所述光学传感器模块。

14.根据权利要求13所述的电子设备，其中，所述光学传感器设备的光学准直器阵列的每一个通孔对应一个或多个所述第三孔。

15.根据权利要求11所述的电子设备，其中，在所述光学传感器设备的一个或多个探测光源上方对应的所述光学反射层处设置微孔，以允许所述探测光穿过所述LCD显示面板到达所述顶部透明层。

16.根据权利要求11所述的电子设备，其中，所述光学反射层包括位于所述光学传感器设备的光学传感器模块上方的选定区域，以允许光传输到所述光学传感器模块。

17.根据权利要求5所述的电子设备，其中，还包括：LCD照明光源，提供到所述LCD显示面板的背光，用于显示图像。

18.根据权利要求5所述的电子设备，其中，所述LCD显示面板包括一个或多个背光增强膜层，每个所述背光增强膜层包括具有相互垂直的两组棱镜槽的光学偏振棱镜结构。

19.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述光学传感器模块接收由所述光学传感器设备的一个或多个探测光源在与棱镜槽方向的不同方向上产生的并从所述顶部透明层反射的所述一个或多个探测光源产生的探测光。

20.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述背光增强膜层设置于所述LCD显示面板的光漫射层上方。

21.根据权利要求11-18中任一项所述的电子设备，其中，所述LCD显示面板包括波导层，所述波导层设置在所述LCD显示面板的光漫射层与所述光学反射层之间，以将背光引导至所述液晶显示LCD屏幕。

22.根据权利要求21所述的电子设备，其中，所述波导层包括透明区域，以允许所述探测光传输穿过所述波导层。