CN104933421A

CN104933421A - 光学式指纹成像系统

Info

Publication number: CN104933421A
Application number: CN201510392489.6A
Authority: CN
Inventors: 凌严; 朱虹
Original assignee: Shanghai Luoji Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Luoji Technology Co Ltd
Priority date: 2015-07-06
Filing date: 2015-07-06
Publication date: 2015-09-23

Abstract

一种光学式指纹成像系统，包括：背光板；保护层，具有内表面和外表面；光学指纹传感器，所述光学指纹传感器位于所述保护层与所述背光板之间，所述光学指纹传感器的上表面正对所述保护层的内表面；滤光层，所述滤光层位于所述保护层内表面、所述保护层外表面和所述光学指纹传感器上表面的至少其中一个表面。通过在保护层的外表面、保护层的内表面或光学指纹传感器上表面增加滤光层，避免环境光对指纹图像的干扰，以最大程度地减小环境光对指纹成像的影响。

Description

光学式指纹成像系统

技术领域

本发明涉及指纹传感器领域，尤其涉及一种光学式指纹成像系统。

背景技术

指纹成像识别技术，是通过指纹传感器采集到人体的指纹图像，然后与系统里的已有指纹成像信息进行比对，来判断正确与否，进而实现身份识别的技术。由于其使用的方便性，以及人体指纹的唯一性，指纹识别技术已经大量应用于各个领域。比如公安局和海关等安检领域、楼宇的门禁系统、以及个人电脑和手机等消费品领域等等。

指纹成像技术的实现方式有光学成像、电容成像、超声成像等多种技术。相对来说，光学成像技术，其成像效果相对较好，设备成本相对较低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种光学式指纹成像系统，以减小环境光对指纹成像的影响。

为解决上述问题，本发明提供一种光学式指纹成像系统，包括：

背光板；

保护层，具有内表面和外表面；

光学指纹传感器，所述光学指纹传感器位于所述保护层与所述背光板之间，所述光学指纹传感器的上表面正对所述保护层的内表面；

滤光层，所述滤光层位于所述保护层内表面、所述保护层外表面和所述光学指纹传感器上表面的至少其中一个表面。

可选的，所述滤光层包括干涉反射层和光吸收层的至少其中之一。

可选的，所述干涉反射层包括L层，L为正整数，其中，第j层的复合折射率满足关系式：i为虚数，j为大于等于1且小于等于L的正整数，参数代表第j层的复合折射率，参数n_j代表第j层的折射率，参数代表k_j代表第j层的消光系数。

可选的，所述干涉反射层的材料为非金属化合物或金属化合物。

可选的，所述干涉反射层的材料为Na₃AlF₆、LiF、MgF₂、ThF₄、CeF₃、PbF₂、ZnS、ZnSe、Si、Ge、Te、PbTe、SiO₂、Al₂O₃、MgO、Y₂O₃、Sc₂O₃、SiO、HfO₂、ZrO₂、CeO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和TiO₂的其中一种或多种，或者为Ag、Al、Au、Cu、Rh、Ni和Cr的其中一种或多种，或者为铬镍铁合金。

可选的，所述干涉反射层的L层中，每一层的厚度范围为50nm～5000nm。

可选的，所述干涉反射层的总厚度范围为200nm～20000nm。

所述光吸收层的材料为有机物。

可选的，所述光吸收层的材料为黑色油墨、白色油墨、灰色油墨、红色油墨、绿色油墨、蓝色油墨、金色油墨、紫色油墨、绿色油墨、黑色色阻、白色色阻、灰色色阻、红色色阻、绿色色阻、蓝色色阻、金色色阻、紫色色阻和绿色色阻中的至少一种。

可选的，所述光吸收层为单层或者多层，每层所述光吸收层的厚度范围为500nm～50000nm。

可选的，所述滤光层的最外层为所述干涉反射层，所述干涉反射层最外层的材料为Al₂O₃和SiO₂的至少其中之一。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，通过在保护层的外表面、保护层的内表面或光学指纹传感器上表面增加滤光层，避免环境光对指纹图像的干扰。利用滤光层“反射或吸收绝大多数从外界往光学指纹传感器入射的环境光，同时对于背光板的出射光来说相当于透明或接近透明”的特性，以最大程度地减小环境光对指纹成像的影响。

附图说明

图1是一种光学式指纹成像系统的结构示意图；

图2是图1所示光学式指纹成像系统中光学指纹传感器结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的一种光学式指纹成像系统的结构示意图；

图4是图3所示光学式指纹成像系统中滤光层的一种干涉反射层工作原理图；

图5是图3所示光学式指纹成像系统中滤光层的另一种干涉反射层工作原理图；

图6是图3所示光学式指纹成像系统中滤光层的光吸收层工作原理图；

图7是本发明实施例所提供的另一种光学式指纹成像系统的结构示意图；

图8是本发明实施例所提供的另一种光学式指纹成像系统的结构示意图。

具体实施方式

现有光学式指纹成像系统容易受到环境光对指纹图像的干扰。因此，需要对环境光做隔离。

为此，本发明提供一种新的光学式指纹成像系统，包括：背光板；保护层，具有内表面和外表面；光学指纹传感器，所述光学指纹传感器位于所述保护层与所述背光板之间，所述光学指纹传感器的上表面正对所述保护层的内表面；滤光层，所述滤光层位于所述保护层内表面、所述保护层外表面和所述光学指纹传感器上表面的至少其中一个表面。通过在保护层的外表面、保护层的内表面或光学指纹传感器上表面增加滤光层，避免环境光对指纹图像的干扰，以最大程度地减小环境光对指纹成像的影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图1所示，光学式指纹成像系统主要有背光板1，光学指纹传感器2，保护层3组成。当采集指纹图像时，人体指头4放置于保护层3上；背光板1的出射光11透过光学指纹传感器2和保护层3，在人体指头4与保护层3的接触界面发生反射和透射；反射的光12透过保护层3，照射到光学指纹传感器2上；光学指纹传感器2进行光电转换和信号处理，实现指纹图像的采集。人体指头4与保护层3的接触面特征反映了人体的指纹特征，而且此接触面的特征会直接影响反射光12的特征，因此，光学指纹传感器2采集到的图像直接反映了人体指纹的特征。

如图2所示，光学指纹传感器2由信号线21、驱动线22和像素(未标注)阵列构成。其中所述像素又包括信号控制开关231、感光器件232和透光区域233。控制开关231和感光器件232都不透光，所述像素的透光区域233是除了信号线21、驱动线22、控制开关231和感光器件232以外的其他部分。背光板1的出射光11通过透光区域233照射到人体指头4与保护层3的接触界面。可见，光学指纹传感器2具有透光功能。

本实施例所提供的光学式指纹成像系统在上述结构中增加滤光层。具体请参考图3，光学式指纹成像系统包括前述的背光板1、保护层3、光学指纹传感器2和滤光层4。其中，保护层3具有内表面(未标注)和外表面(未标注)，光学指纹传感器2位于保护层3与背光板1之间，光学指纹传感器2的上表面(未标注)正对保护层3的内表面。本实施例中，滤光层4位于保护层3外表面。

本实施例中，由于滤光层4位于保护层3外表面，即滤光层4位于整个光学式指纹成像系统的最外侧，在实际使用中，手指会接触到滤光层4，所以需要滤光层4具有较高硬度，防止被手指等外界物体刮擦而损坏。

本实施例中，滤光层4包括干涉反射层41和光吸收层42。滤光层4的作用是对环境光进行滤光作用。其中，干涉反射层41通过干涉作用和反射作用实现滤光作用，而光吸收层42利用吸收作用和反射作用实现滤光作用。光吸收层42主要利用其对环境光的吸收作用达到滤光作用。

本实施例中，干涉反射层41包括L层，L为大于1的正整数。如图5所示，给出了具有L层结构的干涉反射层41的工作原理。干涉反射层41第j层的复合折射率是第j层的厚度是d_j，第j层的折射率为n_j，第j层的消光系数为k_j，j为大于等于1且小于等于L的正整数(j＝1，2，…，L)，i为虚数，则，第j层的复合折射率满足关系式：

假设干涉反射层41上方的物质折射率是n_m，此物质命名为第一层，干涉反射层41下方的物质折射率是此物质命名为第二层。也就是说，干涉反射层41位于折射率是n_m的第一层和折射率是的第二层之间。

进一步假设总量为光总量1.0的光以入射角θ₀从第一层进入干涉反射层41，则在干涉反射层41内，光进入第j层时的折射角变为θ_j，光在干涉反射层41里多次反射和折射，并相互发生干涉，最终得到一个反射光R和透射光T，透射光T进入到第二层中，反射光R反射回第一层中。

根据上述关系式：干涉反射层41中的第j层的复合折射率如果是实数，由于表示每一层都不对进行光吸收，即表示k_j＝0，也就是表示此干涉反射层41的材质不对入射光发生吸收，只发生反射、折射和透射；如果是复数，则表示此层的材质不仅对入射光发生反射、折射和透射，还对入射光发生吸收。当干涉反射层41内的每一层都不对入射光吸收，则存在关系式：R+T＝1.0；如果对应某些层对光发生吸收(即不是全部k_j都等于0)，则R+T+A＝1.0，其中A表示干涉反射层41对光总体的吸收。

当R+T＝1.0时，基于电磁波的Maxwell方程推倒出来的矩阵公式以及整个膜系的边界条件，可以得知R，T是n_j、d_j、θ_j、以及入射光波长λ的函数，而第j层中的n_j和d_j可以根据选用材料和制作过程控制。也就是说，只需要知道环境光的波长范围，就能够知道如何设置相应的干涉反射层41，以达到令环境光无法通过干涉反射层41的效果。

上述过程是光从第一层透过干涉反射层41到达第二层的情形。反之，光从第二层透过干涉反射层41到达第一层的情形与上述过程相同(如图4中示出的反射量R’)，原理也相同。对应上述过程，可以将其中的第一层当成是干涉反射层41相接触的外部或者层结构，此时第一层可以是空气，也可以是光吸收层42。而第二层可以看成是与干涉反射层41接触的其它层，例如可以是光吸收层42，也可以是保护层3。

需要特别说明的是，如图5所示，在其它实施例中，如果需要对较广的波长范围的环境光进行调制，可以采用一系列不同厚度和材质的干涉反射层(膜层结构)。例如，干涉反射层可以一共有L层主层，每个主层又可以具有多层副层(例如图5中示出的各副层)，每个主层所包括的副层层数可以相同，也可以不同。根据实际要求，可以调整各主层和各副层的厚度和材质，从而使干涉反射层达到更好的滤光作用。这种具有多层副层的干涉反射层同样可以是位于折射率为n_m的第一层和折射率为n_s的第二层中，其具体干涉作用和反射作用原理可参考前述内容。

本实施例中，干涉反射层41的材料可以为非金属化合物或金属化合物。干涉反射层41包括多层结构，各层的厚度和材质可以不同。具体的，当干涉反射层41的材料为非金属化合物时或金属化合物，干涉反射层41的材料可以为Na₃AlF₆、LiF、MgF₂、ThF₄、CeF₃、PbF₂、ZnS、ZnSe、Si、Ge、Te、PbTe、SiO₂、Al₂O₃、MgO、Y₂O₃、Sc₂O₃、SiO、HfO₂、ZrO₂、CeO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和TiO₂的其中一种或多种。干涉反射层41的材料还可以为金属或金属的合金，具体可以是对可见光、红外光和紫外光吸收比较明显的金属材料，例如干涉反射层41的材料为Ag、Al、Au、Cu、Rh、Ni、Cr和铬镍铁合金的其中一种或多种。

本实施例中，干涉反射层41的总厚度范围可以为500nm～20000nm。根据光在界面发生反射时是否有半波损失，以及入射光的角度，来确定干涉反射层41内部的每一层的厚度。每一层的厚度可以小于光波长，也可以大于光波长，最终结果是使入射光、反射光、透射光之间的相位相差180度实现光消弱，或相位相差360度实现光增强。当对多个波长的光都要有作用时，则会有很多层，不同层厚度会不同。一般，可见光波长在400nm至900nm，并且有些波长较大的红外光也用于指纹识别，因此，每一层的厚度范围可以为50nm～5000nm。考虑到干涉反射层41内部可以有很多层(比如有时候能达到10层，甚至达到50层)，因此干涉反射层41的厚度范围控制在200nm以上。干涉反射层41内部的总层数越多(即L的值越大)，被干涉光的波长越多，效果会越好。但是，为了使相应的工艺难度和成本得到控制，将干涉反射层41的总厚度控制在20000nm以下。因此，干涉反射层41的总厚度范围可以在200nm至20000nm。

请参考图6，光吸收层42的示意图，光吸收层42对入射光有反射和吸收作用，还有透射作用。当假设总量为总光量1.0的光(如图6中进入的光吸收层42箭头所示)进入光吸收层42时，会有T1部分透射过光吸收层42(如图6中透过光吸收层42的箭头所示)，有R1部分的光发生反射(如图6中斜向上反射的箭头所示)。此外，还有一部分光被吸收，此部分的量为A1(图6中未显示A1)，此时满足关系式：R1+T1+A1＝1.0。也就是说，光吸收层42与会吸收光的干涉反射层41满足同样的折射、反射和透射规律。

本实施例中，光吸收层42的材料可以为有机物。

本实施例中，光吸收层42的材料可以为黑色油墨、白色油墨、灰色油墨、红色油墨、绿色油墨、蓝色油墨、金色油墨、紫色油墨、绿色油墨、黑色色阻、白色色阻、灰色色阻、红色色阻、绿色色阻、蓝色色阻、金色色阻、紫色色阻和绿色色阻中的至少一种。

本实施例中，光吸收层42为单层或者多层，光吸收层42的厚度范围为500nm～50000nm。光吸收层42可以是一种颜色光的光吸收层(即单层结构)，也可以是多种颜色光的光吸收层叠加(即多层结构)。光吸收层42的厚度在500nm至50000nm之间。这是因为，光吸收层42是通过本身或者里面掺的物质小颗粒实现光吸收和反射作用，从而达到滤光的作用。使用中，根据不同需求选择材料，能达到不同的效果，并进而决定实际膜的厚度。由于通常需要采用印刷作用形成光吸收层42，因此，光吸收层42的厚度控制在500nm以上。比如，如果是单色滤光(如滤红色，绿色，或蓝色)，厚度不用太厚，通常为几微米或零点几微米，甚至更薄，就能达到要求。而要求外光颜色是白色，则需要反射的光接近95％以上，看起来才会比较白，则一般厚度就要做的比较厚，达到几十微米。但是光吸收层42也不能太厚，因此，将光吸收层42的厚度控制在50000nm以下。

需要特别说明的是，在其它实施例中，滤光层4可以是仅包括干涉反射层41(干涉反射层41可以由多层结构组成的)，也可以是仅包括光吸收层42(光吸收层42可以由多层结构组成的)，还可以是干涉反射层41和光吸收层42组合而成的复合层，例如干涉反射层41和光吸收层42交替重叠，或者干涉反射层41和光吸收层42无规律重叠。

前面已经提到，本实施例中，由于滤光层4位于保护层3上表面，即位于整个光学指纹传感器2的最外侧，在实际使用中，手指会接触到滤光层4，所以需要滤光层4具有较高硬度，防止被手指等外界物体刮擦而损坏。因此，本实施例中，在滤光层4包括干涉反射层41和光吸收层42的情况下，控制滤光层4的最外层为干涉反射层41，干涉反射层41最外层的材料为Al₂O₃和SiO₂的至少其中之一。并且，选择用PVD工艺制作干涉反射层41最外层，从而进一步提高干涉反射层41最外层的硬度。

本实施例中，为了不影响光学式指纹成像系统的实际指纹成像效果，滤光层4需要对光学式指纹成像系统的背光板1的出射光有较高的透射率，即滤光层4需要对光学指纹传感器2的背光具有较小的吸收率和反射率，因此通过上述对滤光层4材料和厚度的控制，将滤光层4对背光的吸收率和反射率控制至尽量小的范围。

本实施例中，通过调整膜层结构和材质，使滤光层4对外界的环境光具有较低透射率。理想透射率是0％，通常无法达到，但是尽量以此为目标进行调整。此时，对于滤光层4对环境光的反射率不做要求。

对于总光量为1.0的入射光，假设滤光层4对环境光的吸收量为A_Z(此吸收量A_Z指干涉反射层41和光吸收层42的总吸收量)，滤光层4对环境光的反射量为R_Z(此反射量R_Z指干涉反射层41和光吸收层42的总反射量)，滤光层4对环境光的透射量为T_Z(此透射量T_Z指干涉反射层41和光吸收层42的总透射量)，通过控制R_Z、T_Z和A_Z，能够主要起到防止环境光进入光学式指纹成像系统内部的作用，避免环境光对指纹成像效果造成影响。因此，一般设计滤光层4对外界入射光具有较低的透射率。因为，对于反射量R_Z，由于R_Z+T_Z+A_Z＝1.0，假设A_Z基本不变，当R_Z比较大时，T_Z自然较小，环境光被大部分反射掉，可以大大减小环境光进入光学式指纹成像系统内部(即T_Z减小)，避免环境光对指纹成像效果造成影响；同时，当R_Z比较大时，可以让光学式指纹成像系统的保护层3上，具有滤光层4区域的外观颜色看起来比较亮，比如灰白或银色等等。当R_Z比较小时，T_Z自然较大，环境光大部分进入光学式指纹成像系统内部，可以让光学式指纹成像系统的保护层3上，具有滤光层4区域的外观颜色看起来比较暗，比如灰黑色或黑色等等，此时需要滤光层4有吸收光特性(即时间需要吸收量A_Z较大)，以吸收掉进入滤光层4的光，从而避免环境光影响指纹成像效果。

滤光层4另外一个重要作用是改变光学式指纹成像系统的外观颜色。通过改变干涉反射层41或光吸收层42对光的反射和吸收作用，可以改变光学式指纹成像系统的外观颜色，提高产品的美观度。当外观颜色要求较亮时，调整滤光层4对外界入射光有较低的吸收率；当外光颜色要求较暗时，调整滤光层4对外界入射光有较高的吸收率。同理，当外观颜色要求较亮时，调整滤光层4对外界入射光有较高的反射率；当外光颜色要求较暗时，调整滤光层4对外界入射光有较低的反射率。可知，当需要光学式指纹成像系统外观颜色较亮时，可以通过调整膜层结构和材质，使滤光层4对环境光具有较高反射率，较低吸收率；当需要光学式指纹成像系统外观颜色较暗时，通过调整膜层结构和材质，使滤光层4对环境光具有较低反射率，较高吸收率。

综上可知，通过调节滤光层4的结构，可以防止环境光进入光学式指纹成像系统内部，避免环境光对指纹成像效果造成影响；还可以改变光学式指纹成像系统的外观颜色。

相比于现有的光学式指纹成像系统，本实施例所提供的光学式指纹成像系统中，在保护层3上增加滤光层4，不仅可以防止环境光进入光学式指纹成像系统，防止环境光影响指纹成像效果，提高指纹成像质量，还可以通过调节滤光层4的反射率和吸收率，改变光学式指纹成像系统的外观颜色，改进美观度。也就是说，滤光层4对环境光的反射作用和吸收作用(上述可知，干涉反射层41具有反射作用和吸收作用，光吸收层42也具有反射作用和吸收作用)，能够防止环境光进入光学式指纹成像系统内部，避免环境光对指纹成像效果造成影响，提高指纹成像质量。同时，通过调整，还同时保证滤光层4对光学式指纹成像系统用于指纹识别的背光没有影响，从而不影响指纹成像效果。

也就是说，本实施例中，通过在保护层的外表面增加滤光层，避免环境光对指纹图像的干扰，利用滤光层“反射或吸收绝大多数从外界往光学指纹传感器入射的环境光，同时对于背光板的出射光来说相当于透明或接近透明”的特性，以最大程度地减小环境光对指纹成像的影响。

本发明另一实施例提供另一种光学式指纹成像系统，请参考图7。所述光学式指纹成像系统中，同样包括背光板1、保护层3、光学指纹传感器2和滤光层5。其中，保护层3具有内表面(未标注)和外表面(未标注)，光学指纹传感器2位于保护层3与背光板1之间，光学指纹传感器2的上表面(未标注)正对保护层3的内表面。本实施例中，滤光层5位于保护层3内表面。

本实施例所提供的滤光层5的具体结构可以参考前述实施例相应内容(即滤光层5可以参考滤光层4相应内容)。

本实施例中，由于滤光层5位于保护层3内表面，即位于保护层3和光学指纹传感器2之间，在实际使用中，手指不会接触到滤光层5，所以，不需要滤光层5具有较高硬度。并且，由于滤光层5位于保护层3内表面，能够使滤光层5得到保护层的保护，因此，较不易受到外界环境的影响，例如不易受到空气或者水分的腐蚀。

本发明另一实施例提供另一种光学式指纹成像系统，请参考图8。所述光学式指纹成像系统中，同样包括背光板1、保护层3、光学指纹传感器2、滤光层6和滤光层7。其中，保护层3具有内表面(未标注)和外表面(未标注)，光学指纹传感器2位于保护层3与背光板1之间，光学指纹传感器2的上表面(未标注)正对保护层3的内表面。本实施例中，滤光层7位于保护层3的外表面，滤光层8位于保护层3的内表面。

本实施例所提供的滤光层7和滤光层8的具体结构可以参考前述实施例相应内容(即滤光层7和滤光层8可以参考滤光层4相应内容)。

本实施例中，由于滤光层7位于保护层3外表面，即滤光层7位于整个光学式指纹成像系统的最外侧，在实际使用中，手指会接触到滤光层7，所以需要滤光层7具有较高硬度，防止被手指等外界物体刮擦而损坏。由于整个光学式指纹成像系统具有两层滤光层(滤光层7和滤光层8)，本实施例能够更好地对环境光进行滤光作用。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种光学式指纹成像系统，其特征在于，包括：

背光板；

保护层，具有内表面和外表面；

2.如权利要求1所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述滤光层包括干涉反射层和光吸收层的至少其中之一。

3.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述干涉反射层包括L层，L为正整数，其中，第j层的复合折射率满足关系式：i为虚数，j为大于等于1且小于等于L的正整数，参数代表第j层的复合折射率，参数n_j代表第j层的折射率，参数代表k_j代表第j层的消光系数。

4.如权利要求2或3所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述干涉反射层的材料为非金属化合物或金属化合物。

5.如权利要求2或3所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述干涉反射层的材料为Na₃AlF₆、LiF、MgF₂、ThF₄、CeF₃、PbF₂、ZnS、ZnSe、Si、Ge、Te、PbTe、SiO₂、Al₂O₃、MgO、Y₂O₃、Sc₂O₃、SiO、HfO₂、ZrO₂、CeO₂、Nb₂O₅、Ta₂O₅和TiO₂的其中一种或多种，或者为Ag、Al、Au、Cu、Rh、Ni和Cr的其中一种或多种，或者为铬镍铁合金。

6.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述干涉反射层为单层或者多层，每一层的厚度范围为50nm～5000nm，所述干涉反射层的总厚度范围为200nm～20000nm。

7.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述光吸收层的材料为有机物。

8.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述光吸收层的材料为黑色油墨、白色油墨、灰色油墨、红色油墨、绿色油墨、蓝色油墨、金色油墨、紫色油墨、绿色油墨、黑色色阻、白色色阻、灰色色阻、红色色阻、绿色色阻、蓝色色阻、金色色阻、紫色色阻和绿色色阻中的至少一种。

9.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述光吸收层为单层或者多层，所述光吸收层的厚度范围为500nm～50000nm。

10.如权利要求2所述的光学式指纹成像系统，其特征在于，所述滤光层的最外层为所述干涉反射层，所述干涉反射层最外层的材料为Al₂O₃和SiO₂的至少其中之一。