CN105759330A - 基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，包括光源、光波导、微棱镜阵列、光栅、指纹检测区域和成像器件。本发明在光源进入光波导的光路中间使用了光栅结构，使光源发出的光经光栅衍射后在光波导内横向传播从而形成指纹检测光，并且控制光栅周期使得指纹识别区与光栅区不发生交叠，从而保证指纹图形的信噪比，进一步为了使指纹识别区的全反射更容易被破坏，光波导表面设置了特定形状的微结构，改变全反射面的法线方向，从而显著提高指纹图像的信噪比，同时大大减小光波导的厚度，实现系统的微型、超薄化。

Description

基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统

技术领域

本发明涉及光学式指纹成像技术领域，特别是一种基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统。

背景技术

指纹识别技术，按指纹图像采集方式分类，可分为光学式、电容式、射频式三大类。在手指接触时，相应的传感器通过探测相应物理量并转化为电学量形成指纹图像进行比对识别。

生物射频式通过传感器发射微量的射频信号，穿透手指表皮层获取里层的纹路信息，手指指纹的脊与谷造成射频信号的能量损失不同，接收器通过接受的能量分布形成指纹图像。这种方式对手指的洁净度要求不高，是目前较新的技术方案，但成本一直成为阻碍普及的因素。

电容式指纹识别系统是采用传感器作为电容的一极，手指作为另一极，手指指纹的脊与谷相对极板位置不同形成电容差，从而形成指纹图像。

光学式指纹识别系统，通过接收手指指纹反射的图像进行成像。传统的光学指纹识别系统一般具有三个缺点：结构笨重难以微型化；光路受手指漫反射影响较大，成像质量不高；使用滑动式的指纹扫描方式，用户体验感较差。美国专利US5177802公布了一种用棱镜实现指纹图像读取的结构，但该结构由于使用了棱镜，因而难以实现微型化，不能用于智能手机、平板电脑等移动端。中国专利CN1820272A公布了一种用光波导结构实现指纹图像读取的系统，但该结构的光路较粗糙，成像质量较差并且光波导结构较厚，难以实现超薄化。美国专利US6259108B1公布了一种使用线阵图像传感器进行滑动式指纹扫描的结构，但整体结构较大，并且很难微型化。中国专利CN104751121A公布了一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统，但指纹图像的对比度不高，且不够轻薄化。

发明内容

本发明的目的是针对上述光学式指纹识别技术的不足，提供一种基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，实现微型和超薄化的同时，显著提高指纹成像质量，降低成本，提高指纹识别准确率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，其特点在于，包括光源、光波导、微棱镜阵列、光栅、指纹检测区域和成像器件，所述的光栅位于所述的光波导的下表面的一端且光栅的方向垂直于所述的光波导，所述的微棱镜阵列是一组平行于所述的光栅的三棱柱阵列，该微棱镜阵列位于所述的光波导的上表面，所述的微棱镜阵列与所述的光波导的贴合面为所述的指纹检测区域，所述的成像器件位于所述的光波导的下表面另一端的下方并处于所述的微棱镜阵列的全反射方向，所述的光源位于所述的光栅的下方。

所述的成像器件是图像传感器阵列，或是透镜或透镜阵列及图像传感器，当其为透镜或透镜阵列及图像传感器时，应保证透镜或透镜阵列距离所述的光波导的长度大于一倍透镜焦距。

所述的成像器件的探测的区域宽度L₃、所述的光栅的光栅区域总宽度L₁、所述的微棱镜阵列的微棱镜阵列区域总宽度L₂、指纹识别系统的总宽度L₀、指纹检测区域宽度m和光栅周期T满足下列关系:

L₂≥L₁≥L₃≥m

L₀≥L₁+L₃

$\frac{\mathrm{\λ}\±{\mathrm{Tn}}_0\sin i}{{\mathrm{Tn}}_1}\≥sin\left(\arctan \right(\frac{L_1}{h}\left)\right)$

其中，i为光的入射角，n₀及n₁分别为入射介质和衍射介质的折射率，h为光波导的厚度；

所述的微棱镜阵列的棱柱的截面三角形全反射面的截面底角θ、另一侧面所对底角θ₁和底边宽度d应满足下列关系：

$h>d\·\frac{tan\mathrm{\θ}\·{\mathrm{tan\θ}}_1}{tan\mathrm{\θ}+{\mathrm{tan\θ}}_1}$

所述的微棱镜阵列棱柱截面的底角θ的范围应满足：

$j-acr\sin \frac{n_2}{n_1}<\mathrm{\&theta;}<j-acr\sin \frac{n_0}{n_1}$

其中，j为光线在所述的光波导中的衍射角；

所述的微棱镜阵列棱柱截面底边宽度d小于手指脊纹路宽度0.5mm。

所述的光源可以为单色LED光源但不限于单色。

所述光波导材料的折射率可以是单一的，也可以是渐变的。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过光栅和光波导器件的使用及微棱镜结构的加入，可实现精准的光路控制，降低手指散射的影响，有效增加指纹采集得到的指纹图像对比度，同时由于微棱镜结构的加入，减小了光波导的厚度，使得指纹采集装置更加轻薄化，成本也更低廉。

附图说明

图1是基于光栅结构与微棱镜阵列的光学式指纹识别系统的几何结构示意。

图2是手指未接触到指纹检测区域时，光波导内的光路示意图及几何关系。

图3是手指接触到指纹检测区域时，光波导内的光路示意图及几何关系。

图4是微棱镜结构棱柱截面底角对光线的遮断影响示意图。

图5是不同微棱镜结构棱镜截面三角形接触面底角角度参数下，图像传感器所接收到的指纹图样。

图6是不同微棱镜结构单位长度参数下，图像传感器所接收到的指纹图样。

图7是不同微棱镜结构棱镜截面三角形非接触面底角角度参数下，图像传感器所接收到的指纹图样。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，由图可见，本发明基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，包括光源201、光波导202、微棱镜阵列203、光栅204、指纹检测区域205和成像器件206，所述的光栅204位于所述的光波导202的下表面的一端且光栅的方向是垂直于所述的光波导202，所述的微棱镜阵列203是一组平行于所述的光栅方向的三棱柱阵列，该微棱镜阵列203位于所述的光波导202的上表面，所述的微棱镜阵列203与所述的光波导202的贴合面为所述的指纹检测区域205，所述的成像器件206位于所述的光波导202下表面另一端的下方并处于所述的微棱镜阵列203的全反射方向，所述的光源201位于所述的光栅204的下方。

根据光栅衍射方程：

T(n₁sinj±n₀sini)＝kλ_{k＝0,±1,±2…}(1)

其中，T为光栅周期，n₁为波导折射率，n₀为入射介质折射率，k为衍射级数，j为衍射角，i为光入射角，λ为入射波长，h为光波导厚度，+表示入射光与衍射光同侧，-为异侧。因而对于±1级衍射，衍射角满足：

$j=\arcsin \frac{\mathrm{\&lambda;}\&PlusMinus;{\mathrm{Tn}}_0\sin i}{{\mathrm{Tn}}_1}---\left(2\right)$

由(2)式可知，通过控制光栅周期和入射角可以获得较大的衍射角。

参阅图1，图像传感器可以探测的区域宽度为L₃，光栅区域总宽度为L₁，微棱镜阵列区域总宽度为L₂，指纹识别系统的总宽度为L₀，指纹检测区域宽度为m。为使指纹信息可全部采集，应满足：

L₂≥L₁≥L₃≥m(3)

L₀≥L₁+L₃(4)

参阅图1，h为光波导厚度，j为一级衍射角的角度，θ为微棱镜全反射面的截面底角，为防止衍射角度过小或光波导厚度较薄导致包含有指纹信息的光经微棱镜阵列全反射后形成的两个图像发生混叠，应满足：

$tan\left(j\right)\&GreaterEqual;\frac{L_1}{h}---\left(5\right)$

为保证光波导厚度大于微棱镜阵列的厚度，以使光线有充足空间传播，衍射角及微棱镜截面三角形两底角θ、θ₁、底边宽度d应满足：

$h>d\&CenterDot;\frac{tan\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;{\mathrm{tan\&theta;}}_1}{tan\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{tan\&theta;}}_1}---\left(6\right)$

参阅图2，当手指没有接触到检测区域205时，对于正入射的光，由于光栅204的衍射作用，其负一级衍射角为j，该光线在微棱镜阵列203的全反射面上，入射角为α₁，反射角为α₂，经全反射后从靠近成像器件206的一侧出射，入射角为γ₁，折射角为γ₂。应满足：

α₁＝α₂＝j-θ(7)

γ₁＝j-2θ≥0(8)

n₁.sinγ₁＝n₀.sinγ₂(9)

参阅图3，当手指接触到检测区域205时，对于正入射的光，由于光栅204的衍射作用，该光线在微棱镜阵列203的全反射面上，一部分经全反射后从靠近成像器件206的一侧出射，由于手指脊纹路对全反射的破坏，因此，成像器件206所得到的指纹图像在脊纹路处较暗。

为了使在波导中横向传输的检测光能够在没有手指的情况下，经过微棱镜阵列203全反射一次的图像直接从靠近成像器件206的一侧透射，不与光源交叠，以免图像混叠；而在有手指的情况下，波导上表面全反射传输的检测光被手指脊纹路破坏全反射，因此需满足：

$\arcsin \frac{n_0}{n_1}<{\mathrm{\&alpha;}}_1<\arcsin \frac{n_2}{n_1}---\left(11\right)$

${\mathrm{\&gamma;}}_1<\arcsin \frac{n_0}{n_1}---\left(12\right)$

其中n₂为手指折射率，因此，微棱镜阵列203棱柱截面的底角θ的范围应满足：

$j-acr\sin \frac{n_2}{n_1}<\mathrm{\&theta;}<j-acrsin\frac{n_0}{n_1}---\left(13\right)$

注意到θ₁是微棱镜203棱柱截面的另一个底角，由于其并不参与光线反射或透射，因此不需要特别限定范围，但参考图4，注意到光线能够接触到的有效区域为图中加粗黑线所示，当θ₁不合适，会阻断光线的传播，影响手指与检测区域的贴合，因此需满足θ₁≥(90°-j)，以减小对线的遮断影响，但由于θ₁的增大，使得微棱镜截面三角形的非全反射面一侧变长，从而微棱镜深度变深，检测区域更为崎岖，手指很难接触到微棱镜底角附近，使得光线变弱，因此应选择θ₁≈90°-j。

由(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)(11)(12)(13)式知，可以通过控制光栅周期T、入射波长λ及入射角i，得到更薄的光波导厚度及整面的指纹采集区域，并通过控制微棱镜阵列单位棱镜截面三角形的两底角及底边长来保证超薄光波导厚度下，手指脊纹路能破坏全反射传播的光线，并在成像器件206处得到对比度超高的指纹图像。

下面，通过具体实施例来详细说明。

实施例1

由(5)式可知，为了得到较小的厚度h，在L₁一定的情况下，应设置衍射角j越接近90°越好，结合(2)式，考虑到横向传播，因此设置衍射角j为85°θ₁为5°,对应的光栅周期为370nm，入射光波长为550nm。对于空气正入射的情况，空气折射率n₀＝1，波导材料选择最常用的聚甲基丙烯酸甲酯，其折射率n₁＝1.49，手指表面的折射率约为1.39～1.42，结合式(13)即可得到16.11°＜θ＜42.84°。一般来说，手指脊纹路的宽度约为0.5mm，为了使检测结果更精准，在工艺允许的情况下，不妨取微棱镜阵列的单位宽度为手指脊纹路宽度的十分之一，即d＝0.05mm，此时，利用光学仿真软件对不同微棱镜截面三角形底角θ角情况下检测到的指纹进行对比，得到的结果如图5所示，其中成像器件接收到的指纹图样中谷纹路的照度接近0，对比度接近95％。随着角度的增加，指纹图样出现略微的模糊，对比度也下降到89％，这是因为手指在接触的过程中，θ角越小，表面越平整，接触面越大，图像就越清晰，反之，θ角越大，表面越崎岖，接触面越小，图像就越模糊。而考虑到一般光源都具有发散角，过小的θ角会使得少部分光线溢出，影响图像质量，因此需根据实际情况确定θ角的具体数值。

实施例2

对于空气正入射的情况，空气折射率n₀＝1，波导折射率n₁＝1.49，手指表面的折射率约为1.39～1.42，设置θ＝25°，衍射角j为85°，θ₁设置为5°，当微棱镜单位宽度d不同时，得到的指纹图样也不同，利用软件仿真对不同微棱镜截面三角形底边宽度进行模拟，得到结果如图6所示。对于d＝0.05mm的情形较为理想，当d较大为0.1mm时，由于底边宽度增加，在θ角一定的情况下，棱镜截面深度会增加，使得手指接触的难度加大，因此指纹图样会出现条纹。因此，对于微棱镜单位宽度d的选取，应越小越好，但考虑到加工工艺限制，d＝0.05mm较为合适。

实施例3

对于空气正入射的情况，空气折射率n₀＝1，波导折射率n₁＝1.49，手指表面的折射率约为1.39，设置θ＝25°，衍射角j为85°，d为0.05mm，当θ₁设置不同时，得到的指纹图样也略有不同，如图7所示，若θ₁较小为1°时，则θ₁所在的棱镜侧面将反射部分光线，因而会减少有用光线，降低图像对比度；若θ₁较大为35°时，指纹检测区域更为崎岖，手指又不容易接触到微棱镜底部，因而降低图像对比度和用户体验；当θ₁为5°时，崎岖度合适，得到对比度高且清晰的指纹图样。

实验表明，本发明利用光栅的衍射，光源的光经光栅衍射后形成探测光后到达手指指纹检测区域，利用检测区域表面的微棱镜结构改变检测表面的法线方向，使得入射角接近光波导与指纹之间的全反射临界角，从而在光波导厚度很小的情况下辅助手指破坏全反射，根据指纹的脊与谷对探测光的散射与吸收情况不同，在成像器件处，获得极高对比度的指纹图像。设定合适的微棱镜及光栅结构参数，可以增大衍射角，降低波导厚度，从而有效的缩小指纹识别系统的体积，实现系统的微型、超薄化，同时有效提高指纹图像的对比度。

Claims (3)

1.一种基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，其特征在于，包括光源(201)、光波导(202)、微棱镜阵列(203)、光栅(204)、指纹检测区域(205)和成像器件(206)，所述的光栅(204)位于所述的光波导(202)的下表面的一端且光栅的方向是垂直于所述的光波导(202)，所述的微棱镜阵列(203)是一组平行于所述的光栅的三棱柱阵列，该微棱镜阵列(203)位于所述的光波导(202)的上表面，所述的微棱镜阵列(203)与所述的光波导(202)的贴合面为所述的指纹检测区域(205)，所述的成像器件(206)位于所述的光波导(202)下表面另一端的下方并处于所述的微棱镜阵列(203)的全反射方向，所述的光源(201)位于所述的光栅(204)的下方。

2.如权利要求1所述的基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，其特征在于，所述的成像器件(206)是图像传感器阵列，或是透镜或透镜阵列及图像传感器，当其为透镜或透镜阵列及图像传感器时，应保证透镜或透镜阵列距离所述的光波导的长度大于一倍透镜焦距。

3.权利要求1所述的基于光栅结构与微棱镜阵列的指纹识别系统，其特征在于，所述的成像器件(206)的探测的区域宽度L₃、所述的光栅(204)的光栅区域总宽度L₁、所述的微棱镜阵列(203)的微棱镜阵列区域总宽度L₂、指纹识别系统的总宽度L₀、指纹检测区域宽度m和光栅周期T满足下列关系:

L₂≥L₁≥L₃≥m

L₀≥L₁+L₃

$\frac{\mathrm{\&lambda;}\&PlusMinus;{\mathrm{Tn}}_0\sin i}{{\mathrm{Tn}}_1}\&GreaterEqual;sin\left(arctan\right(\frac{L_1}{h}\left)\right)$

其中，i为光的入射角，n₀及n₁分别为入射介质和衍射介质的折射率，h为光波导的厚度；

所述的微棱镜阵列(203)的棱柱的截面三角形全反射面的截面底角θ、另一侧面所对底角θ₁和底边宽度d应满足下列关系：

$h>d\&CenterDot;\frac{tan\mathrm{\&theta;}\&CenterDot;{\mathrm{tan\&theta;}}_1}{tan\mathrm{\&theta;}+{\mathrm{tan\&theta;}}_1}$

所述的微棱镜阵列(203)棱柱截面的底角θ的范围应满足：

$j-acrsin\frac{n_2}{n_1}<\mathrm{\&theta;}<j-acrsin\frac{n_0}{n_1}$

其中，j为光线在所述的光波导中的衍射角；

所述的微棱镜阵列(203)棱柱截面底边宽度d小于手指脊纹路宽度0.5mm。