CN107516089A - 一种指纹采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种指纹采集装置，所述指纹采集装置包括光机一体部件和镜头模组；所述光机一体部件包括棱镜，所述棱镜包括指纹采集面、光入射面、光反射面和光出射面，所述光出射面为曲面；所述指纹采集面与所述光入射面上下平行，所述光反射面与所述光出射面左右相对；所述镜头模组安装在所述光出射面一侧。可以去除透镜这个元件，降低了指纹采集装置结构的复杂度和成本，镜头焦距可以缩短，从而减小指纹采集装置的体积，此外，光机一体部件可以应用光学塑料等折射率更高的材质进行一体化生产，一方面，使用注塑工艺生产，可以缩短加工周期，另一方面，可以缩短光程，减小棱镜的体积，从而进一步减小指纹采集装置的体积。

Description

一种指纹采集装置

技术领域

本发明涉及生物识别的技术领域，特别是涉及一种指纹采集装置。

背景技术

指纹由于其具有不变性、唯一性和方便性，是常用的生物特征，对于指纹的识别在金融、信息安全等领域已广泛运用。

指纹的识别主要包括采集指纹图像、提取指纹特征和对比指纹特征等等操作，其中，对于指纹图像，通常是采用指纹采集装置进行采集。

如图1所示，目前常用光学式的指纹采集装置，包括棱镜101、透镜102 等元件，结构较为复杂，体积较大，并且，多个元件导致指纹采集装置的成本较高。

棱镜的一种结构如图2a和图2b所示，棱镜的底面小于上表面，棱镜的剖面为直角梯形。

棱镜常用玻璃，通过粗磨、精磨、抛光等工序进行制作，加工周期较长，一般需要35天。

发明内容

发明实施例提出了一种指纹采集装置，以解决指纹采集装置体积较大、成本较高、加工周期较长的问题。

依据本发明的一个方面，提供了一种指纹采集装置，所述指纹采集装置包括光机一体部件和镜头模组；

所述光机一体部件包括棱镜，所述棱镜包括指纹采集面、光入射面、光反射面和光出射面，所述光出射面为曲面；

所述指纹采集面与所述光入射面上下平行，所述光反射面与所述光出射面左右相对；

所述镜头模组安装在所述光出射面一侧。

可选地，所述棱镜的材质的折射率比冕玻璃高。

可选地，所述棱镜的材质为光学塑料。

可选地，所述光出射面为凸面或凹面。

可选地，所述光出射面为非球面。

可选地，所述指纹采集装置还包括电路板和光源；

所述电路板安装在所述光入射面下方；

所述光源安装在所述电路板上，且与所述指纹采集面相对；

所述光机一体部件还包括多个定位柱，所述多个定位柱在所述光入射面之下凸出；

所述电路板中有多个通孔，所述多个定位柱固定在所述电路板的多个通孔中。

可选地，所述定位柱具有底座部件和柱身部件，所述底座部件连接在所述光入射面上，所述柱身部件连接在所述底座部件上，所述底座部件的横截面积比所述柱身部件的横截面积大，所述柱身部件穿设在所述电路板对应的通孔中。

可选地，所述光入射面具有纹路结构，所述纹路结构位于所述光源的光入射方向。

可选地，所述棱镜的长度为20毫米至27毫米，厚度为6毫米至9毫米。

可选地，所述镜头模组包括透镜组、光阑、滤光片、图像传感器；

所述光阑设置在所述透镜组中，所述滤光片设置在所述透镜组之后，所述图像传感器设置在所述滤光片之后；

所述图像传感器与光轴垂直方式的逆时针所成的角度为5°，物面倾斜的角度为50°至60°；

所述镜头模组的焦距为2毫米至4毫米；

所述透镜组与物面之间的距离为30毫米至50毫米。

本发明实施例包括以下优点：

本发明实施例的指纹采集装置包括光机一体部件和镜头模组等部件，光机一体部件包括棱镜，该棱镜包括指纹采集面、光入射面、光反射面和光出射面，光出射面为曲面，指纹采集面与光入射面上下平行，光反射面与光出射面左右相对，镜头模组安装在光出射面一侧，光出射面可以对出射的光线进行折射，实现了透镜的功能，扩展了棱镜的功能，可以去除透镜这个元件，降低了指纹采集装置结构的复杂度和成本，镜头焦距可以缩短，从而减小指纹采集装置的体积，此外，光机一体部件可以应用光学塑料等折射率更高的材质进行一体化生产，一方面，使用注塑工艺生产，可以缩短加工周期，另一方面，可以缩短光程，减小棱镜的体积，从而进一步减小指纹采集装置的体积。

附图说明

图1是目前一种指纹采集装置的结构示意图；

图2a是目前一种指纹采集装置的棱镜的仰视图；

图2b是目前一种指纹采集装置的棱镜的侧视图；

图3是本发明一个实施例的一种指纹采集装置的结构示意图；

图4是本发明一个实施例的一种光出射面为凸面的棱镜示例图；

图5是本发明一个实施例的一种光出射面为凹面的棱镜示例图；

图6是本发明一个实施例的一种在近似直角梯形棱镜的光线传播的示意图；

图7是本发明一个实施例的一种球面与非球面的对比示意图；

图8a是本发明一个实施例的一种指纹采集装置的仰视图；

图8b是图8a的A-A向剖视图；

图8c是图8a的B-B向剖视图；

图9a是本发明一个实施例的一种定位柱的侧视图；

图9b是本发明一个实施例的一种定位柱的仰视图；

图10a是本发明一个实施例的另一种定位柱的侧视图；

图10b是本发明一个实施例的另一种定位柱的仰视图；

图11是本发明一个实施例的一种镜头模组的结构示意图；

图12是本发明一个实施例的一种在近似三角形棱镜的光线传播的示意图；

图13a是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的光学结构示意图；

图13b是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的弥散斑图；

图13c是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的传递函数图；

图14a是本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的光学结构示意图；

图14b是本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的弥散斑图；

图14c是本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的传递函数图；

图15a是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的光学结构示意图；

图15b是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的弥散斑图；

图15c是本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的传递函数图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图3，示出了本发明一个实施例的一种指纹采集装置的结构示意图。

如图3所示，指纹采集装置包括封装壳(图3未示出)、电路板301、光源302、光机一体部件303和镜头模组304等元件。

光机一体部件303是一体化结构，所谓一体化结构，是指光机一体部件 303为一个独立的整体，并非由多个独立的元件组装而成。

在本发明实施例中，光机一体部件303包括棱镜3031和多个定位柱 3032。

棱镜3031包括指纹采集面30311、光入射面30312、光反射面30313和光出射面30314。

进一步而言，指纹采集面30311用于承载用户的手指，用户的手指可以直接接触指纹采集面30311，也可以近距离悬空在指纹采集面30311上。

光入射面30312用于入射光线。

光反射面30313可以镀金属膜，对光线进行反射。

光出射面30314用于射出光线。

在此结构中，指纹采集面30311与光入射面30312上下平行，光反射面 30313与光出射面30314左右相对，其剖面近似梯形。

当然，在此结构中，棱镜3031还具有两个相对的侧面，该两个相对的侧面可以设置成平行、倒八字形，等等。

在本发明实施例中，光出射面30314为曲面，可以对出射的光线进行折射，实现了透镜的功能。

在一种实施方式中，如图4所示，光出射面30314为凸面，可以对射出的光线进行汇聚。

在另一种实施方式中，如图5所示，光出射面30314为凹面，可以对射出的光线进行发散。

需要说明的是，本领域技术人员可以根据实际需求(如光路的长短)将光出射面30314制作为凸面或者凹面且为非球面，本发明实施例对此不加以限制。

在具体实现中，光线通过光入射面30312入射进入棱镜3031，到达指纹采集面30311，如果在指纹采集面30311没有承托手指，则光线从指纹采集面30311射出，如果在指纹采集面30311承托有手指，光线由手指的指纹反射回棱镜3013，最后从光出射面30314射出。

进一步而言，如图6所示，光线(箭头方向)通过光入射面30312入射进入棱镜3031，到达指纹采集面30311，光线经过纹采集面30311上手指40 的指纹反射，到达光反射面30313，光反射面30313对光线进行反射，从光出射面30314射出。

在本发明的一个实施例中，棱镜3031的材质的折射率比冕玻璃(crown glass)高，其中，棱镜3031的材质可以为光学塑料，即用作光学介质材料的塑料，例如E48R、PC(聚碳酸脂)、480R、330R、PMMA (PolymethylMethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等等，则可以通过注塑工艺生产棱镜3031。

对于光学塑料等材质的棱镜3031，光出射面30314可以设计为非球面，提供指纹图像边缘的解析力，减小指纹图像的中心位置与边缘位置之间的成像差别，提高整个指纹图像的质量。

如图7所示，对于冷加工方法加工的、玻璃材质的棱镜，其表面通常是平面或者是整体的球面501，即球面501的边缘是按照半径延伸出去的。

如图7所示，对于光学塑料等材质，可以通过模具进行注塑生产棱镜 3031，可以实现棱镜在各个表面的任意造型和局部的球面，透镜3031的光出射面30314，其非球面502可以成中间是球面、边缘是平面，或者其他形状，本发明实施例对此不加以限制。

对于注塑生产工艺，模具完成后，相对于冷加工的生产效率，大大提高生产效率，可以在几秒中内生产一个棱镜3031，如果模具穴数多的话，会更快。

例如，模具穴数为4穴、8穴、12穴等，可以几秒钟同时生产4个、8 个、12个棱镜3031。

目前，如果应用玻璃进行生产，棱镜的长度为25毫米(mm)至35毫米，厚度为8毫米至10毫米，折射率为1.51至1.52。

在本发明实施例中，应用光学塑料等折射率更高的材质进行一体化生产棱镜3031，可以缩短光程，棱镜3031的长度为20毫米至27毫米，厚度为 6毫米至9毫米，折射率为1.5至1.7，可以减小棱镜3031的体积。

在本发明实施例中，如图3所示，电路板301安装在光入射面30312下方。

此外，光源302安装在电路板301上，且与指纹采集面30311相对。

该光源302可以为LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)等元件，用于发射光线，从光入射面30312入射至棱镜3031中，到达指纹采集面 30311。

多个定位柱3032在光入射面30312之下凸出，如4个、6个、8个等等，用于和电路板301进行固定和限位。

参见图8a，示出了本发明一个实施例的一种指纹采集装置的仰视图。

参见图8b，示出了图8a的A-A向剖视图。

参见图8c，示出了图8a的B-B向剖视图。

如图8a、图8b和图8c所示，对光入射面30312的部分区域进行电火花或者晒纹等处理，将光入射面30312处理成磨砂面或者特殊的纹理，使得光入射面30312具有纹路结构303121。

纹路结构303121位于光源302的光入射方向，通过该指定的纹路结构 303121入射光线，实现匀光作用。

本发明实施例通过材料的改变，将棱镜3031下表面进行了光学纹路处理，代替扩散膜，将棱镜和扩散膜合二为一，降低了组装工艺并减低了成本。

参见图9a，示出了本发明一个实施例的一种定位柱的侧视图。

参见图9b，示出了本发明一个实施例的一种定位柱的仰视图。

参见图10a，示出了本发明一个实施例的另一种定位柱的侧视图。

参见图10b，示出了本发明一个实施例的另一种定位柱的仰视图。

如图9a、图9b、图10a和图10b所示，定位柱3032的位置、形状可以根据实际需求(如配套电路板301)进行设计，可以设计成圆柱形、长方体形等形状，本发明实施例对此不加以限制。

定位柱3032具有底座部件30321和柱身部件30322，底座部件30321 连接在光入射面30312上，柱身部件30322连接在底座部件30321上，底座部件30321的横截面积比柱身部件30322的横截面积大，柱身部件30322穿设在电路板301对应的通孔中。

在本发明实施例中，如图3所示，镜头模组304安装在光出射面30314 一侧，一般情况下，镜头模组304的光轴与棱镜3031的成像光轴平行。

在棱镜3031反射的光线的量依赖于压在指纹采集面30311上指纹的脊和谷的深度以及皮肤与指纹采集面30311间的油脂和水分，光线经棱镜303 照射到谷的地方后在指纹采集面30311与空气的界面发生全反射，光线被反射到镜头模组304，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与指纹采集面 30311吸收或者漫反射到别的地方，这样就在镜头模组304形成了指纹的图像。

目前，如果应用玻璃进行生产棱镜，镜头模组304的焦距在3毫米至5 毫米。

在本发明实施例中，应用光学塑料等折射率更高的材质进行一体化生产棱镜303，镜头模组304的焦距为2毫米至4毫米，缩短了焦距，视场角会相应的变大，对于同样尺寸的物面，本来需要30毫米的物距，现在25毫米至27毫米就可以实现，因此，可以减小指纹采集装置的体积。

参见图11，示出了本发明一个实施例的一种镜头模组的结构示意图。

如图11所示，镜头模组304包括透镜组3041、光阑3042、滤光片3043、图像传感器3044、镜筒3045和镜座3046等元件。

其中，透镜组3041至少包括两片球面或非球面透镜，例如，沿光轴方向依次布置第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜。

采用多片透镜进行指纹成像，增加了整个指纹采集装置的光学调整的自由度，即可调整变量数量大幅增加，例如，透镜的折射率、色散系数、透镜的曲率、透镜的厚度、非球面系数、透镜间间距等等，通过不断优化调整透镜的各项参数，从而使像差校正到最小，使成像质量最佳，从而提高图像细节分辨率。

透镜组3041依次镶嵌在镜筒3045中(如位于第一凸透镜、凹透镜之间)，镜筒3045固定在镜座3046的一端。

光阑3042设置在透镜组3041中，若透镜组3041依次为第一凸透镜、凹透镜、第二凸透镜，则光阑3042可以设置在第一个凸透镜与凹透镜之间，光阑3042可以用于控制进入镜头模组304的光线，调整图像整体清晰度和亮度。

滤光片3043设置在透镜组3041之后，其为可见光窄带滤光片，滤波范围根据指纹采集装置所用的光源302而定，将透过应用的波段，不用的波段截止，例如，滤波的范围为图像传感器3044敏感度较高的495nm至555nm 绿色波段。

图像传感器3044(如COMS)设置在滤光片3043之后，镶嵌在镜座3046 的另一端，光线到达图像传感器3044进行成像，获得指纹图像。

由于光学式的指纹采集装置的基本成像原理是利用光的全反射来实现指纹图像的高对比度，为使手指接触指纹采集面3031产生全反射，光轴与指纹采集面30311需要存在一定的倾斜角度，通过采用棱镜303作为采集面，将光线通过光出射面3033成像到像面(即图像传感器3044)。

如图12所示，图像传感器3044与光轴垂直方式的逆时针所成的角度α为5°，物面60(可以是真实的物体面或虚拟的物体面)倾斜的角度β为50°至60°，通过简单调整镜头模组304与物面60之间的距离，可以使成像的畸变像差减小到一个较小值，一定程度上校正畸变，降低后续指纹识别的难度。

透镜组3041与物面60之间的距离L为30毫米至50毫米。

当然，上述镜头模组304的结构只是作为示例，在实施本发明实施例时，可以根据实际情况设置其他镜头模组304的结构，本发明实施例对此不加以限制。另外，除了上述镜头模组304的结构外，本领域技术人员还可以根据实际需要采用其它镜头模组304的结构，本发明实施例对此也不加以限制。

本发明实施例的指纹采集装置包括光机一体部件和镜头模组等部件，光机一体部件包括棱镜，该棱镜包括指纹采集面、光入射面、光反射面和光出射面，光出射面为曲面，指纹采集面与光入射面上下平行，光反射面与光出射面左右相对，镜头模组安装在光出射面一侧，光出射面可以对出射的光线进行折射，实现了透镜的功能，扩展了棱镜的功能，可以去除透镜这个元件，降低了指纹采集装置结构的复杂度和成本，镜头焦距可以缩短，从而减小指纹采集装置的体积，此外，光机一体部件可以应用光学塑料等折射率更高的材质进行一体化生产，一方面，使用注塑工艺生产，可以缩短加工周期，另一方面，可以缩短光程，减小棱镜的体积，从而进一步减小指纹采集装置的体积。

为使本领域技术人员更好地理解本发明实施例，以下通过具体的示例来说明本发明实施例中指纹采集装置的图像质量。

在本示例中，以弥散斑(SPOT DIAGRAM)和传递函数(Modulation TransferFunction，MTF)作为评估标准。

其中，SPOT的值越小，代表图像质量越好；MTF的值越接近1，代表图像质量越好。

在本示例中，添加其他结构的棱镜303用以对比，如图12所示，指纹采集面30311、光入射面30312与光出射面30314两两相接，棱镜3031的剖面为近似三角形。

光线(箭头方向)通过光入射面30312入射进入棱镜3013，到达指纹采集面30311，光线经过纹采集面30311上手指40的指纹反射，直接从光出射面30314射出。

参见图13a，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的光学结构示意图。

参见图13b，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的弥散斑图。

参见图13c，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似直角梯形棱镜的传递函数图。

如图13a至图13c所示，若在指纹采集装置中，棱镜的剖面为近似直角梯形，出射面为凸面，弥散斑半径的最小值为0.598、最大值为8.765，MTF 的值为0.5381。

参见图14a，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的光学结构示意图。

参见图14b，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的弥散斑图。

参见图14c，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凹面的近似直角梯形棱镜的传递函数图。

如图14a至图14c所示，若在指纹采集装置中，棱镜的剖面为近似直角梯形，出射面为凹面，弥散斑半径的最小值为0.435、最大值为6.696，MTF 的值为0.3696。

参见图15a，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的光学结构示意图。

参见图15b，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的弥散斑图。

参见图15c，示出了本发明一个实施例的一种出射面为凸面的近似三角形棱镜的传递函数图。

如图15a至图15c所示，若在指纹采集装置中，棱镜的剖面为近似三角形，出射面为凸面，弥散斑半径的最小值为6.640、最大值为18.338，MTF 的值为0.1877。

在本示例中，指纹采集装置的棱镜出射面可以设计为凸面或凹面等曲面，近似直角梯形棱镜的SPOT的值和MTF的值较近似三角形棱镜的SPOT 的值和MTF的值优秀，代表近似直角梯形棱镜所采集的指纹图像的成像质量较近似三角形棱镜所采集的指纹图像的成像质量佳，保证了图像细节的分辨率。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种指纹采集装置，其特征在于，所述指纹采集装置包括光机一体部件和镜头模组；

所述光机一体部件包括棱镜，所述棱镜包括指纹采集面、光入射面、光反射面和光出射面，所述光出射面为曲面；

所述指纹采集面与所述光入射面上下平行，所述光反射面与所述光出射面左右相对；

所述镜头模组安装在所述光出射面一侧。

2.根据权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述棱镜的材质的折射率比冕玻璃高。

3.根据权利要求1或2所述的指纹采集装置，其特征在于，所述棱镜的材质为光学塑料。

4.根据权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述光出射面为凸面或凹面。

5.根据权利要求4所述的指纹采集装置，其特征在于，所述光出射面为非球面。

6.根据权利要求1或2或4或5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述指纹采集装置还包括电路板和光源；

所述电路板安装在所述光入射面下方；

所述光源安装在所述电路板上，且与所述指纹采集面相对；

所述光机一体部件还包括多个定位柱，所述多个定位柱在所述光入射面之下凸出；

所述电路板中有多个通孔，所述多个定位柱固定在所述电路板的多个通孔中。

7.根据权利要求6所述的指纹采集装置，其特征在于，所述定位柱具有底座部件和柱身部件，所述底座部件连接在所述光入射面上，所述柱身部件连接在所述底座部件上，所述底座部件的横截面积比所述柱身部件的横截面积大，所述柱身部件穿设在所述电路板对应的通孔中。

8.根据权利要求6所述的指纹采集装置，其特征在于，所述光入射面具有纹路结构，所述纹路结构位于所述光源的光入射方向。

9.根据权利要求1或2或4或5或7或8所述的指纹采集装置，其特征在于，所述棱镜的长度为20毫米至27毫米，厚度为6毫米至9毫米。

10.根据权利要求1或2或4或5或7或8所述的指纹采集装置，其特征在于，所述镜头模组包括透镜组、光阑、滤光片、图像传感器；

所述光阑设置在所述透镜组中，所述滤光片设置在所述透镜组之后，所述图像传感器设置在所述滤光片之后；

所述图像传感器与光轴垂直方式的逆时针所成的角度为5°，物面倾斜的角度为50°至60°；

所述镜头模组的焦距为2毫米至4毫米；

所述透镜组与物面之间的距离为30毫米至50毫米。