CN106067014A - 一种均匀性光照采指面结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及均匀性光照采指面结构，包括指纹采集棱镜和匀光器；所述匀光器由棱镜和反射器组成；棱镜为直角棱镜，底角与指纹采集棱镜底角一致，其中一直角面与反射器的底面1‑2重合，另一直角面2‑2与LED发光面平行，两直角面为光滑平面，斜面2‑1为磨砂面；反射器内表面1‑1和底面1‑2均覆有反光层，反射器的端部与LED发光面相连。本发明的有益效果是：通过对LED出光的二次设计，使指纹采集棱镜的入射端形成一个均匀发光的面光源，同时，通过计算棱镜折射率和角度等条件，使采指面的照度分布均匀化，降低算法的难度，减小棱镜的体积，使产品体积小型化，更加符合市场需求。

Description

一种均匀性光照采指面结构

技术领域

本发明涉及一种采指面结构，更具体说，涉及一种均匀性光照采指面结构。

背景技术

目前在指纹识别领域，采集指纹时所用的光源大多数为LED照明。LED相对于其他光源，有光通量大、体积小、抗震性好、响应时间短等特点。但是LED光源为近朗伯发光，出射光线强度分布不均匀，对指纹信息采集的准确性产生较大的影响，从而影响指纹识别的准确性。为了改变这种现状，有些厂家采用了亮背景的照明方式，通过对LED前端加入匀光装置，使光出射面形成一个均匀的面光源来达到预期效果，但是这种方式会增加发光处的体积，与产品的小型化相矛盾。

现有的光学指纹采集装置中，照明方式分为亮背景和暗背景。亮背景采集是利用全反射原理，通过采指面上指纹的脊线破坏全反射进行漫反射与谷线处保持全反射产生明暗对比来采集指纹信息。光源布置在三角棱镜底面来提供全反射条件，这种方式需要专门设计一个结构置于LED前端使出光均匀从而使采指面上布光分布均匀，首先会增加结构的厚度，而且体积较大，在批量生产装配中工艺比较繁琐；而暗背景采集采用漫反射原理，采指面上仅指纹的脊线处发生漫反射，产生最终到达CMOS采集窗口的有效光线。其次，这种照明方式的棱镜光线入射面与采指面平行，光源布置在光轴下方，对产品尺寸影响很小，有利于产品的小型化。但是由于LED发光角度、棱镜的特性及结构等限制因素，暗背景照明往往会出现采指面光照不均匀的现象，对图像的采集造成一定的影响。

传统的指纹采集装置中，照明方式只有前面所提到的两种，为达到小型化的目的，大部分都采用暗背景的采集方式，但是暗背景采集的这种方式中，对采指面的光照均匀性一直没有一个很好的解决方案，都是通过算法的后期处理来弥补光路中的缺陷，而且不能完全消除影响。而亮背景的采集方式之所以被大部分厂家所摒弃，原因首先是采集图像时对比度不高，采集到的图像不清晰，影响功能的正常使用；再者，为了使LED光源均匀化，必须加装一个匀光性质的结构件，增加了指纹采集装置的结构厚度，这都是厂家不愿意看到。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种结构合理，适用于暗背景照明的均匀性光照采指面结构。

这种均匀性光照采指面结构，包括指纹采集棱镜和匀光器；所述匀光器由棱镜和反射器组成；棱镜为直角棱镜，底角与指纹采集棱镜底角一致，其中一直角面与反射器的底面1-2重合，另一直角面2-2与LED发光面平行，两直角面为光滑平面，斜面2-1为磨砂面；反射器内表面1-1和底面1-2均覆有反光层，反射器的端部与LED发光面相连。

作为优选：T1：指纹采集棱镜采指面长度；T2：指纹采集棱镜光入射面长度；T3：指纹采集棱镜光出射斜面长度；T4：反射器1长度；θ1：指纹采集棱镜底面倾角；θ2：指纹采集棱镜顶角；θ3：指纹采集棱镜光出射斜面与竖直方向夹角；θ4：反射器1反射斜面与水平方向夹角；H1：指纹采集棱镜总高度；H2：匀光器总高度；

θ1和θ2满足关系式：

90°≤θ1+θ2≤120°；

T₂与θ1及θ2满足关系式：

$T_2=T_1-({\mathrm{cos\θ}}_2+\frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{tan\θ}}_1})*T_3$

θ3、θ4、H2、T4满足关系式：

${\mathrm{sin\θ}}_4=\frac{H_2-0.8}{T_4}=\frac{H_1-{\mathrm{cos\θ}}_3*T_3-0.8}{T_4};$

H2范围在1.5～7mm之间。

本发明的有益效果是：通过对LED出光的二次设计，使指纹采集棱镜的入射端形成一个均匀发光的面光源，同时，通过计算棱镜折射率和角度等条件，使采指面的照度分布均匀化，降低算法的难度，减小棱镜的体积，使产品体积小型化，更加符合市场需求。本发明通过两个方面来解决布光均匀性的问题：一、在LED光源前端增加匀光器进行首次校准，使到达棱镜入射面上的光线更均匀；二、通过指纹采集棱镜与匀光器的配合进行二次校准，达到使采指面上光线分布均匀的效果。

附图说明

图1为本发明整体光路示意图；

图2为匀光器光路示意图；

图3为指纹采集棱镜光路示意图；

图4为匀光器角度尺寸示意图；

图5为实施例一结构示意图；

图6为实施例二结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

如图1所示，采指结构由LED发光面、匀光器、指纹采集棱镜组成。LED发光面发出的光线通过匀光器后进入棱镜，经折射和透射到指纹采集棱镜采指面。匀光器由棱镜和反射器组成，棱镜为直角棱镜，斜面为磨砂面，其余面为光滑平面，配合反射器使用，通过改变LED发光面出射光的方向使到达棱镜出射面的光均匀分布，同时提高光线利用率的。棱镜部分通过计算确定角度及光线入射面大小，保证经过入射面最终到达采指面的光线均匀分布，避免造成明显暗区。

工作原理如图2和图3所示：

首先，LED发光面发出光线L1、L2、L3，L1经过2-2面折射和1-2面反射到达2-1面，L2经过2-2面折射到达2-1面，L3经过1-1面反射和2-2面折射到达2-1面；

然后，光线L1’、L2’、L3’从棱镜入射面3-2入射，透射到棱镜采指面3-4；

最终，光线L1’、L2’、L3’在棱镜采指面3-4接触手指，在指纹脊线处发生漫反射，有效光线L1”、L2”、L3”从棱镜3-3面出射最终到达感光器件进行图像采集。

如图2所示，LED发光面与匀光器入光面重合。匀光器由两部分组成：反射器1与棱镜2，反射器1内表面均覆有反光层，棱镜2为直角棱镜，底角与指纹采集棱镜底角一致。其中一直角面分别与反射器底面1-2重合，另一直角面与LED发光面平行，两直角面为光滑平面，斜面2-1为磨砂面。通过反射器1反射与棱镜2折射的配合使LED发出的光线均匀地分布在棱镜出光面2-1上，再通过磨砂面2-1的漫透射作用破坏透射光线的方向性，使LED点光源经匀光器的作用得到一个均匀发光的面光源。为了兼顾成本及加工工艺，匀光器部件一般采用PMMA材料，也可使用玻璃材质。

棱镜及反射镜角度计算：

T1：指纹采集棱镜采指面长度；T2：指纹采集棱镜光入射面长度；T3：指纹采集棱镜光出射斜面长度；T4：反射器1长度；θ1：指纹采集棱镜底面倾角；θ2：指纹采集棱镜顶角；θ3：指纹采集棱镜光出射斜面与竖直方向夹角；θ4：反射器1反射斜面与水平方向夹角；H1：指纹采集棱镜总高度；H2：匀光器总高度；

根据折射定律n×sinθ＝n₁×sinθ₁，光线进入棱镜入射面后，部分光线偏离法线方向，与法线成一定角度，棱镜折射率n1越大，偏折的角度越小，相应的棱镜两端光强度越弱。所以本发明采用常规的K9玻璃，Nd＝1.516，偏折角度为28度左右，可以兼顾上下端光线分配。

如图4所示，棱镜底角θ1和顶角θ2角度满足关系式：

90°≤θ1+θ2≤120°

采指面与出光面大小一定的情况下，T₂与底角θ1及顶角θ2的关系如下：

$T_2=T_1-({\mathrm{cos\θ}}_2+\frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{tan\θ}}_1})*T_3$

在已知侧发光LED尺寸的情况下，反射镜角度符合以下关系式：

${\mathrm{sin\θ}}_4=\frac{H_2-0.8}{T_4}=\frac{H_1-{\mathrm{cos\θ}}_3*T_3-0.8}{T_4}$

根据实际情况，H2范围在1.5～7mm之间选择。

图5和图6为两个优选实施例。

Claims (2)

1.一种均匀性光照采指面结构，其特征在于，包括指纹采集棱镜和匀光器；所述匀光器由棱镜(2)和反射器(1)组成；棱镜(2)为直角棱镜，底角与指纹采集棱镜底角一致，其中一直角面与反射器(1)的底面1-2重合，另一直角面2-2与LED发光面平行，两直角面为光滑平面，斜面2-1为磨砂面；反射器(1)内表面1-1和底面1-2均覆有反光层，反射器(1)的端部与LED发光面相连。

2.根据权利要求1所述的均匀性光照采指面结构，其特征在于：T1：指纹采集棱镜采指面长度；T2：指纹采集棱镜光入射面长度；T3：指纹采集棱镜光出射斜面长度；T4：反射器(1)长度；θ1：指纹采集棱镜底面倾角；θ2：指纹采集棱镜顶角；θ3：指纹采集棱镜光出射斜面与竖直方向夹角；θ4：反射器(1)反射斜面与水平方向夹角；H1：指纹采集棱镜总高度；H2：匀光器总高度；

θ1和θ2满足关系式：

90°≤θ1+θ2≤120°；

T₂与θ1及θ2满足关系式：

$T_2=T_1-({\mathrm{cos\θ}}_2+\frac{{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{tan\θ}}_1})*T_3;$

θ3、θ4、H2、T4满足关系式：

${\mathrm{sin\θ}}_4=\frac{H_2-0.8}{T_4}=\frac{H_1-{\mathrm{cos\θ}}_3*T_3-0.8}{T_4};$

H2范围在1.5～7mm之间。