CN107480584A - 扫描式指纹识别与触控一体屏 - Google Patents

扫描式指纹识别与触控一体屏 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种扫描式指纹识别与触控一体屏，其包括背光光源、光波导、光栅、液晶显示模组、阵列传感器、初始化检测区域、指纹检测区域、透镜系统，光波导位于背光光源的上方，在光波导的相邻的两侧下表面各设置一光栅，光波导相邻的另两侧均设置一阵列传感器，液晶显示模组位于背光光源和光波导之间，光波导的一侧边缘区域为指纹初始化检测区域，指纹检测区域位于波导的可视出光面表面，透镜系统位于阵列传感器和光栅之间。本发明具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。

Description

扫描式指纹识别与触控一体屏
技术领域
本发明涉及一种一体屏，特别是涉及一种扫描式指纹识别与触控一体屏。
背景技术
触摸屏根据技术原理的不同可以归结为：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波触摸屏和红外触摸屏。电阻式触摸屏具有不怕污染和低成本的优势，但是不耐磨损，透光率低并且反应速度慢；表面声波触摸屏防污差，发射换能器易碎，使用寿命短；电容触摸屏抗电磁干扰差，需要导体做触控，使用环境局限，且对温度湿度接地等环境要求高。而红外触摸屏因为采用红外背光光源，对人眼无影响，拥有高灵敏度和稳定性，较好的内置或外置效果使得其不影响显示器的外观，防暴性能优良。但同样的，红外的发射背光光源成本高，并且，由于红外背光光源一般为点背光光源，需要一定的厚度和长度才能让光均匀分布，不能满足轻薄和小尺寸便携的要求，上述触摸屏都无法满足在产生触摸控制的同时检测用户的指纹。公开为CN104751121A的中国专利公开了一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统，但其允许检测区域单元分离，这种非整面排布检测区域单元的方式是不适合实现触控的，容易漏检触控点；且不允许检测区域单元交叠，这会造成全反射角非常大，导致指纹破坏全反射变的更难，降低了图像的对比度，并且由此带来CCD(Charge-coupled Device，中文全称：电荷耦合元件)面积的增大，使得整个器件成本变高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种扫描式指纹识别与触控一体屏，其具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述扫描式指纹识别与触控一体屏包括背光光源、光波导、光栅、液晶显示模组、阵列传感器、初始化检测区域、指纹检测区域、透镜系统，光波导位于背光光源的上方，在光波导的相邻的两侧下表面各设置一组光栅，而与光栅相对的光波导侧边均设置一组阵列传感器，液晶显示模组位于背光光源和光波导之间；光波导的一侧边缘区域为指纹初始化检测区域，指纹检测区域位于光波导的可视出光面表面，光栅位于指纹检测区域的对面，透镜系统位于阵列传感器和光栅之间，此阵列传感器是图像传感器或是图像传感器与光电传感器的组合；所述的背光光源发出的光经过光栅衍射后形成横向传播的探测光，该探测光在光波导中经多次全反射后被阵列传感器接收；探测光在此方向传播过程中应满足既不相互分离也不完全交叠，如下式：
n0/n1<sinθ<n2/n1
tanθ＞L1/2h
(L1+L2)·f≤L3
L0≤f·L1
式中，L0为初始化检测区域的宽度，L1为图像传感器有效区域的宽度，L2为光电传感器有效区域的宽度，L3为光栅区域的宽度，n0，n1，n2分别为空气、光波导、手指的折射率，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度,f为透镜系统放大倍数；
而光波导的另一侧边缘区域设置有触控位置检测光栅，此方向光源经过光栅耦合进入波导横向传播后，直接照射到对侧的波导侧壁所贴有的光电传感器，从而探测出触控位置；探测光在此方向传播过程中应满足不相互分离，如下式：
n0/n1<sinθ<n2/n1
tanθ<L3/2h。
优选地，所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描手指的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，每次采集的指纹宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照初始化指纹采集区域的宽度对手指指纹进行划分，每个部分宽度与初始化指纹采集区域宽度一致，将手指放在初始化区域从第一部分开始进行滑移，每次图像传感器将此区域的指纹图像接收后与前一次存储的指纹图形进行拼接并存储，完全滑移结束后所有宽度为初始化检测区域宽度的指纹被拼接形成完整的指纹图像，并存储到设备本地，以进行对比识别；所述的初始化检测区域的光源在传播时并不交叠。
优选地，所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描光源的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，波导边缘每次开启的光源宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照此宽度顺次打开对应的光源照射在手指上一段固定宽度，手指放在初始化指纹采集区域保持不动，从手指处反射的光线将在波导中继续前行最终到达图像传感器，图相传昂起将存储这一固定宽度的手指指纹图像，当光源依次照射在扫描结束后，图像传感器将这些固定宽度的指纹图像依次拼接起来，从而形成完整的指纹图像。
优选地，所述扫描式指纹识别与触控一体屏正常工作时，手指在检测区域表面任意处按压，图像传感器每次能获取到的图像是由手指指纹中平行等距的区域纹路叠加而成，图像的组成S满足如下公式：
其中，
n＝L3/L0
si则表示宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像中的第一个图像；si+m、si+2m…则为与之等距排列的宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像；依据存储在设备本地的完整图像，将叠加的图像与设备本地的原始图像叠加后进行对比，以此判断指纹是否匹配。
优选地，所述背光光源和光波导之间设有带通滤波器，将背光过滤为单侧光，并通过准直棱镜加以准直，棱镜方向与横向传输的指纹采集光垂直，其角度与发散角。
本发明的积极进步效果在于：本发明具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。本发明在背光光源进入光波导的光路中间使用了光栅结构，使光在光波导内发生衍射形成可交叠的检测光，检测光携带指纹信息传递至图像传感器，由传感器接收到的图像获取指纹信息，光强传感器根据光强大小判断发生触控的位置。由于衍射角的减小，提高了触控灵敏度，同时采用特殊算法将获得的指纹信息与初始化录入的指纹信息进行比对，实现了扫描式的集指纹识别与触摸控制于一体的光学屏。本发明通过金属光栅、倾斜光栅有效增加了耦合效率，提高指纹图像的质量；采取特殊算法识别比对指纹，从而大大减小对衍射角度的要求，使得在不影响指纹图像获取的情况下，大大提高触控灵敏度，最终实现集指纹采集与触摸控制于一体的光波导式光学屏，可内置在手机等移动端，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
附图说明
图1是本发明集指纹识别与触摸控制的光学触摸屏的示意图。
图2是本发明指纹初始化采集模式。
图3是手指触摸屏幕并采集指纹模式示意图。
图4是本发明的一实施例示意图。
图5是图4所示结构的光栅衍射效率示意图。
图6是本发明应用于二维触控的俯视图。
图7是当手指触控时，相应的图像传感器接收到指纹的图像、光强传感器接收到触控位置信息的示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1至图7所示，本发明扫描式指纹识别与触控一体屏包括背光光源200、光波导202、光栅201、液晶显示模组203、阵列传感器204、初始化检测区域205、指纹检测区域206、透镜系统207，光波导202位于背光光源200的上方，在光波导202的相邻的两侧下表面各设置一光栅201，而与光栅相对的光波导202侧边均设置一组阵列传感器204，液晶显示模组203位于背光光源200和光波导202之间，光波导202的一侧边缘区域为指纹初始化检测区域205，指纹检测区域206位于光波导202的可视出光面表面，透镜系统207位于阵列传感器204和光栅201之间。此阵列传感器是图像传感器或是图像传感器与光电传感器的组合；所述的背光光源发出的光经过光栅衍射后形成横向传播的探测光，该探测光在光波导中经多次全反射后被阵列传感器接收；探测光在此方向传播过程中应满足既不相互分离也不完全交叠。
阵列传感器204是图像传感器2041或光强传感器2042，这样方便使用。
所述背光光源发出的光经光栅衍射后形成横向传播的探测光，该探测光在所述的光波导中经多次全反射后被所述的图像传感器及光电传感器接收，这样方便阵列传感器的接收。
所述光栅的方向与光波导中探测光的传播方向倾斜，为了满足探测光在光波导中传播且当手指触摸时，会破坏其全反射条件，使得横向传播的光线被破坏，携带有指纹信息的探测光进入图像传感器，而没有过分交叠区域，光栅的衍射角应满足如下公式(1)：
n0/n1＜sinθ＜n2/n1
tanθ＞L1/2h
(L1+L2)·f≤L3
L0≤f·L1……(1)
式中，L0为初始化检测区域的宽度，L1为图像传感器有效区域的宽度，L2为光电传感器有效区域的宽度，L3为光栅区域的宽度，n0，n1，n2分别为空气、光波导、手指的折射率，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度,f为透镜系统放大倍数。所述光波导的上表面具有金属反射层，用以提高衍射效率及消除环境杂散光的影响
所述光栅和背光光源之间设有准直棱镜208，用以将背光源发出的光线进行准直。
背光光源和光波导之间设有带通滤波器，将背光过滤为单侧光，并通过准直棱镜加以准直，棱镜方向与横向传输的指纹采集光垂直，其角度与发散角。
该透镜系统将光线汇聚于传感器表面，大大减小了传感器所需的面积，从而降低成本。
所述阵列传感器是图像传感器或光强传感器，用以探测指纹图像或光强。
本发明的工作原理如下：工作时，手指放置在检测区域或初始化检测区域，背光光源发出光，一大部分光直接到达液晶显示模组，作为正常的背光光源，用于显示；另一小部分光经光栅衍射耦合进入光波导中，形成横向传播的探测光。这些探测光到达检测区域后，由于手指指纹的脊(凸起的部分)会与检测区域直接接触，从而破坏探测光在波导中的全反射传播，使得最终到达传感器的光能损失，而指纹的谷(凹陷的部分)因未接触检测区域从而不会造成光强损失，这些携带指纹脊与谷信息的探测光最后到达图像传感器和光强传感器，图像传感器根据接收区域光能强弱判断脊与谷，经图像处理后产生清晰的指纹图像，实现指纹识别，再由光强传感器接收探测光强弱，并根据相应像素位置的光强变化来判断手指触摸的位置，实现触控。最终得到整面可识别指纹的触控屏,下面通过理论分析证明此结构的可行性。
由光栅衍射方程如下式(2)：
T(n0sini±n1sinθ)＝kλ，k＝0，±1……(2)
其中，T为光栅周期，n0为入射介质折射率，n1为波导折射率，k为衍射级数，θ为光栅衍射角，i为入射角，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。不妨设入射光与衍射光为异侧，因而对于－1级衍射，衍射角θ满足如下式(3)：
由(3)式可知，通过控制光栅周期和入射角可以获得特定的衍射角和耦合效率。
此阵列传感器是图像传感器或是图像传感器与光电传感器的组合；所述的背光光源发出的光经过光栅衍射后形成横向传播的探测光，该探测光在光波导中经多次全反射后被阵列传感器接收；探测光在此方向传播过程中应满足既不相互分离也不完全交叠，为使手指接触时能够破坏原本在光波导中全反射传播的光路，应满足如下式(4)：
n0/n1≤sinθ≤n2/n1……(4)
式中，n2为手指折射率。
为实现触控，检测光应覆盖触摸屏的全部表面，应满足如下式(5)：
tanθ≤L3/2h……(5)
为实现指纹识别，初始化指纹识别区域的光线在传播过程中不应发生交叠，即应满足如下式(6)：
2htanθ≥L0……(6)
将光栅制作在光波导靠近背光光源的一侧，此时远离背光光源的一侧可以覆盖一层金属反射层以提高侧耦合效率。也可以将光栅制作在光波导在远离背光光源的一侧，此时在光栅表面覆盖一层金属层以提高耦合效率。由(2)、(3)、(4)、(5)、(6)式可知，通过控制光栅周期T、入射光波长λ和入射角i，在符合要求的条件下获得更薄的厚度，并实现整面采集指纹及触控。
为了保证背背光光源用于耦合的部分能正入射到光栅，可以在背光光源与光栅之间增加一准直棱镜，以使光线准直。
初始化采集指纹图像时，待采集的指纹位于光波导的一侧，进行滑移采集。每次采集的指纹宽度为L0，完全滑移结束后将多个宽度为L0的指纹拼接形成完整的指纹图像，并存储在设备本地。参阅图2，初始化检测区域205的宽度为L0，按照此宽度将手指指纹分为1,2……n个部分，每个部分宽度为L0，将手指放在初始化区域从第一部分开始进行滑移，每次图像传感器将此区域的指纹图像接收后存储，最后将完整的指纹拼接在一起，并存储到设备本地，以进行对比识别。
正常工作时，设备本地已经存储了完整的指纹图像，此时，手指在检测区域表面任意处按压，图像传感器每次能获取到的图像区域宽度为L0，这些图像是由手指指纹中平行等距的区域纹路叠加而成，依据存储在设备本地的完整图像，将叠加的图像与设备本地的原始图像叠加后进行对比，以此判断指纹是否匹配。参阅图3，仍然按照初始化检测区域的宽度将手指指纹分为1,2……n个部分，每个部分宽度为L0，但此时n个区域并不一定相邻，其间隔为：(2htanθ-L0)，图像传感器得到的图像为这n个区域的指纹图像的叠加，设备调取本地存储的完整指纹图像，进行相应的叠加比对，从而判断指纹是否匹配。
所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描手指的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，每次采集的指纹宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照初始化指纹采集区域的宽度对手指指纹进行划分，每个部分宽度与初始化指纹采集区域宽度一致，将手指放在初始化区域从第一部分开始进行滑移，每次图像传感器将此区域的指纹图像接收后与前一次存储的指纹图形进行拼接并存储，完全滑移结束后所有宽度为初始化检测区域宽度的指纹被拼接形成完整的指纹图像，并存储到设备本地，以进行对比识别；所述的初始化检测区域的光源在传播时并不交叠。
所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描光源的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，波导边缘每次开启的光源宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照此宽度顺次打开对应的光源照射在手指上一段固定宽度，手指放在初始化指纹采集区域保持不动，从手指处反射的光线将在波导中继续前行最终到达图像传感器，图相传昂起将存储这一固定宽度的手指指纹图像，当光源依次照射在扫描结束后，图像传感器将这些固定宽度的指纹图像依次拼接起来，从而形成完整的指纹图像。
所述扫描式指纹识别与触控一体屏正常工作时，手指在检测区域表面任意处按压，图像传感器每次能获取到的图像是由手指指纹中平行等距的区域纹路叠加而成，图像的组成S满足如下公式(7)：
其中如下公式(8)和(9)，
n＝L3/L0……(8)
si则表示宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像中的第一个图像；si+m、si+2m…则为与之等距排列的宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像；依据存储在设备本地的完整图像，将叠加的图像与设备本地的原始图像叠加后进行对比，以此判断指纹是否匹配。
下面结合实施例详细说明。
参阅图4，一般情况下，用于显示的背光光源为白光，不妨选择背光中光强最强的波段，450nm波长光作为检测光，不妨选择光栅区域宽度L为9mm，初始化指纹检测区域宽度d为0.5mm，手指的折射率、波导的折射率、空气的折射率分别为1.42，1.45，1.0，光波导的厚度为0.5mm，则由式(4)、(5)、(6)可得对应的衍射角应满足如下式(10)：
43.60°≤θ≤78.32°……(10)
为了提高触控灵敏度，不妨选择θ＝50°，再由式(2)、(3)可得，当波长为450nm的背光光源正入射到光栅时，波导中的衍射角为50°对应的光栅周期为405nm。
为了提高衍射效率，在光栅上镀一层透明高折射率材料，如氮化硅等，将光栅制作在光波导靠近背光光源的一侧，采用透射衍射耦合。
图5为图4所示结构的光栅衍射效率，其周期为405nm，可见光正入射时对应的±1级获得的衍射效率，可以看到在450nm处-1级的衍射效率达35％以上。
图6是本发明应用于二维触控的俯视图。光栅放置在光波导的三周，其中，光强传感器放置在光波导的单边光栅的对侧，图像传感器放置在光波导对侧光栅的下方，图中未体现出。
图7是当手指触控时，相应的图像传感器接收到指纹的图像、光强传感器接收到触控位置信息。由于手指指纹只需确定一次，因此只在相对两侧放置图像传感器和光强传感器分别用以接收指纹信息和位置信息，而在单独一侧的光栅对侧放置光强传感器，用以确定触控位置。
实验表明，本发明利用光栅的衍射，背光光源的光经光栅衍射后形成探测光后到达检测区域，根据指纹的脊与谷对探测光的影响不同，传输到图像传感器，获得清晰的指纹图像及精准的触控位置，从而可实现全面板指纹采集和触控，在触控的同时就能采集指纹，提高了智能设备的安全性，增强了用户体验，可实现系统的超薄化，显著提高成像质量，且成本低廉。本发明由光强传感器根据光强大小判断发生触控的位置，由图像传感器接收到的图像获取指纹信息。由于交叠检测光的使用，在采集指纹的同时提高触控灵敏度。
综上所述，本发明光学触摸屏集指纹识别与触摸控制于一体，采用扫描式初始化方式，大大降低对衍射角的要求，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述扫描式指纹识别与触控一体屏包括背光光源、光波导、光栅、液晶显示模组、阵列传感器、初始化检测区域、指纹检测区域、透镜系统，光波导位于背光光源的上方，在光波导的相邻的两侧下表面各设置一组光栅，而与光栅相对的光波导侧边均设置一组阵列传感器，液晶显示模组位于背光光源和光波导之间；光波导的一侧边缘区域为指纹初始化检测区域，指纹检测区域位于光波导的可视出光面表面，光栅位于指纹检测区域的对面，透镜系统位于阵列传感器和光栅之间，此阵列传感器是图像传感器或是图像传感器与光电传感器的组合；所述的背光光源发出的光经过光栅衍射后形成横向传播的探测光，该探测光在光波导中经多次全反射后被阵列传感器接收；探测光在此方向传播过程中应满足既不相互分离也不完全交叠，如下式：
n0/n1<sinθ<n2/n1
tanθ＞L1/2h
(L1+L2)·f≤L3
L0≤f·L1
式中，L0为初始化检测区域的宽度，L1为图像传感器有效区域的宽度，L2为光电传感器有效区域的宽度，L3为光栅区域的宽度，n0，n1，n2分别为空气、光波导、手指的折射率，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度,f为透镜系统放大倍数；
而光波导的另一侧边缘区域设置有触控位置检测光栅，此方向光源经过光栅耦合进入波导横向传播后，直接照射到对侧的波导侧壁所贴有的光电传感器，从而探测出触控位置；探测光在此方向传播过程中应满足不相互分离，如下式：
n0/n1<sinθ<n2/n1
tanθ<L3/2h。
2.如权利要求书1所述的扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描手指的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，每次采集的指纹宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照初始化指纹采集区域的宽度对手指指纹进行划分，每个部分宽度与初始化指纹采集区域宽度一致，将手指放在初始化区域从第一部分开始进行滑移，每次图像传感器将此区域的指纹图像接收后与前一次存储的指纹图形进行拼接并存储，完全滑移结束后所有宽度为初始化检测区域宽度的指纹被拼接形成完整的指纹图像，并存储到设备本地，以进行对比识别；所述的初始化检测区域的光源在传播时并不交叠。
3.如权利要求书1所述的扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述扫描式指纹识别与触控一体屏采用扫描光源的方式进行指纹初始化录入；指纹初始化时，波导边缘每次开启的光源宽度与初始化检测区域的宽度一致，按照此宽度顺次打开对应的光源照射在手指上一段固定宽度，手指放在初始化指纹采集区域保持不动，从手指处反射的光线将在波导中继续前行最终到达图像传感器，图相传昂起将存储这一固定宽度的手指指纹图像，当光源依次照射在扫描结束后，图像传感器将这些固定宽度的指纹图像依次拼接起来，从而形成完整的指纹图像。
4.如权利要求1所述的扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述扫描式指纹识别与触控一体屏正常工作时，手指在检测区域表面任意处按压，图像传感器每次能获取到的图像是由手指指纹中平行等距的区域纹路叠加而成，图像的组成S满足如下公式：
<mrow> <mi>S</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>3</mn> <mi>m</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>...</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>s</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>n</mi> <mi>m</mi> </mfrac> <mo>*</mo> <mi>m</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中，
n＝L3/L0
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si则表示宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像中的第一个图像；si+m、si+2m…则为与之等距排列的宽度为初始化指纹检测区域宽度的部分指纹图像；依据存储在设备本地的完整图像，将叠加的图像与设备本地的原始图像叠加后进行对比，以此判断指纹是否匹配。
5.如权利要求1所述的扫描式指纹识别与触控一体屏，其特征在于，所述背光光源和光波导之间设有带通滤波器，将背光过滤为单色光，并通过准直棱镜加以准直，棱镜方向与横向传输的指纹采集光垂直。
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