CN107728240A - 一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端，所述自聚焦透镜阵列设置于像素层之下，由多个可成正立的实像并且放大倍率为1的自聚焦透镜组成，每个所述自聚焦透镜利用像素层的像素元之间的空隙作为通光孔径。本发明所述自聚焦透镜阵列，能实现物像共轭距离小于7mm，大大减小系统长度，对移动终端外观与其他功能无影响；整个系统的成像过程只通过阵列即可完成，无需其他透镜辅助，省去装调的过程；阵列面积满足移动终端屏幕大小，即屏幕处处可成像；阵列的整体制造成本不高，适用于商业生产。

Description

一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端

技术领域

本发明涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端。

背景技术

指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别。由于每个人的指纹不同，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定。当前对应于指纹识别技术的系统大致可分为光学识别系统、电容式传感系统、射频识别系统三类。较为见的例如指纹打卡机等产品有些用光学系统来识别指纹，从而将不同个体区别开来，但是从系统设计上来说，单个透镜对指纹成像效果很差，像面的畸变和场曲严重，还有色差等问题，所以此类设计都需要多个透镜进行组合使用。

后期发展过程中出现了电容式传感系统和射频识别系统，前者利用电容器感应指纹纹路的谷和脊电压，并通过传感器检测变化来生成指纹图像；后者通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层去控测里层的纹路，来获得最佳的指纹图像。从材料上讲，两者的感应材料都属于特种光电材料，其寿命没有光学式指纹识别系统中的透镜寿命长；从市场产品来说，用于指纹识别的模块做成大面积有困难，主要是半导体造价高，而且就目前在手机上的应用，指纹识别的也仅限于屏幕解锁功能，即在手机前端或后端安置传感器，面积较小。手机屏幕的多层结构并没有指纹识别功能，那么对于屏幕显示的诸多应用软件加密只能通过设置密码。如果能在屏幕上添加指纹识别结构，通过机主指纹解锁软件，对于文件保密和个人信息加密有重要作用。

利用光学的方式进行指纹识别关键技术在于通过光学系统对指纹的成像过程。现有的指纹识别的基本原理为：手机内部的背底光源照射到指纹上，指纹发出的漫反射通过棱镜到达后续透镜组进行成像，CCD捕获到像面之后通过光电转换系统在屏幕显示出来。整个结构复杂，距离较长，作用面积小，不适于手机屏幕。目前的光学指纹识别系统，内置多个透镜以达到校正像差的目的，但是多片透镜的组合使真个系统冗余，装调不便，最主要的问题是物像共轭距离较大，系统总长度无法满足手机厚度的设计要求，而且要做出口径和手机屏幕大小相当的光学系统，成本也较高，无法满足商业需求。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端，从而克服现有的光学指纹识别系统的系统冗余，装调不便，物像共轭距离较大，系统总长度无法满足手机厚度，成本也较高的问题。

本发明的技术方案如下：

一方面，本发明提供了一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其中，所述自聚焦透镜阵列设置于像素层之下，由多个可成正立的实像并且放大倍率为1的自聚焦透镜组成，每个所述自聚焦透镜利用像素层的像素元之间的空隙作为通光孔径。

所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其中，所述自聚焦透镜阵列的厚度为0.3mm～1mm。

所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其中，所述自聚焦透镜的半径为10μm～1mm。

所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其中，所述自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的排列方式包括六边形排列和正方形排列。

另一方面，本发明还提供了一种移动终端，其中，所述移动终端的像素层之下设置有如以上任一项所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列。

所述的移动终端，其中，所述移动终端包括手机和平板电脑。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端，本发明所述自聚焦透镜阵列，能实现物像共轭距离小于7mm，大大减小系统长度，对移动终端外观与其他功能无影响；整个系统的成像过程只通过阵列即可完成，无需其他透镜辅助，省去装调的过程；阵列面积满足移动终端屏幕大小，即屏幕处处可成像；阵列的整体制造成本不高，适用于商业生产。

附图说明

图1为本发明用于指纹识别的自聚焦透镜阵列的结构示意图。

图2为本发明用于指纹识别的自聚焦透镜阵列的局部结构示意图。

图3为点光源通过自聚焦透镜的示意图。

图4为自聚焦透镜成正立的实像的示意图。

图5为所述聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的六边形排列方式示意图。

图6为所述聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的正方形排列方式示意图。

图7为软件计算并仿真的光线轨迹示意图一。

图8为软件计算并仿真的光线轨迹示意图二。

图9为自聚焦透镜排布成9×9的六边形阵列示意图。

图10为自聚焦透镜排布成9×9的正方形阵列示意图。

图11为具体实施例中的原始指纹示意图。

图12为采用图9所示六边形阵列结构的指纹成像示意图。

图13为采用图10所示正方形阵列结构的指纹成像示意图。

具体实施方式

本发明提供一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明较佳实施例的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，如图1、图2所示，所述自聚焦透镜阵列2设置于像素层1(例如手机像素层)之下，由多个可成正立的实像并且放大倍率为1的自聚焦透镜210组成，每个所述自聚焦透镜210利用像素层1的像素元之间的空隙140作为通光孔径。

本发明是将一层极薄的透镜阵列置于移动终端(例如手机)的像素平面之后，两层结构精密对准后衔接在一起。对于像素层来说，其上的像素元形状较为规则(本实施中以方形为例)，RGB像素点也按照一定方式固定在像元中。如图1所示，对于正方形排列的像素元来说，三原色像素元110(红)、120(绿)、130(蓝)占据其中的三个小方块，剩下一个方块140(空隙)为空白位置。移动终端屏幕上各种色彩的呈现主要依靠每个像素元上RGB各自发光强度的不同，最终可合成不同颜色的光点，而空白方块140没有任何功用。本发明将设计好的透镜阵列也按照平行方式排列并将每个圆柱形透镜的圆心与空白方格的中心对准。由于透镜阵列整体可以成像，那么将其置于像素层之后，通过空白块也可以成像，而且空白块尺寸比每个透镜元要小，起到了孔径光阑的作用，遮挡手指指纹发出的杂光，保证光线能在透镜中傍轴传输，从而达到提高像质的目的。

本发明用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，在移动终端屏幕内能够实现阵列式指纹识别系统全屏覆盖，还能够将现有指纹识别系统复杂的结构简单化，缩短了物像之间的共轭距离。

本发明自聚焦透镜阵列之所以能够成像是基于组成阵列的单个小透镜的特殊性质。本发明采用的透镜是自聚焦透镜，此种透镜区别于普通折射率透镜。由于其内部具有抛物线形的折射率分布，使得光在其中按照正弦曲线传输，即在空间中的一个点光源发出的光通过该透镜能自动成像于一点。图3为用ZEMAX软件仿真的结果。从图3可以看出，点光源通过自聚焦透镜后又会聚于一点，光线在内部按照曲线传输。自聚焦透镜满足透镜的所有成像特性，由于自身折射率的特殊性，还能够成正立的实像，这是普通透镜没有的功能。如图4所示，成一个正立的实像。当透镜长度满足(P/2+nP)<L<(3P/4+nP)时(P为透镜周期长度，n＝0,1,2……)，物即可成正立的实像，调节物距为透镜的二倍焦距，那么像的大小和物本身大小一致，即放大倍率为1。

本发明将上述同等长度、同等性能参数的若干个透镜按规则平行排列起来构成自聚焦透镜阵列，该阵列遵循上述单个透镜的成像性质，即正实像、放大倍率为1，那么整个阵列就可产生一个与物面大小相同的像。根据移动终端的厚度和屏幕上表面到自聚焦透镜阵列的距离(物距，即指纹到自聚焦透镜的距离)要求，可以设计不同直径的自聚焦透镜组成阵列。

本发明是将一层极薄的透镜阵列置于像素层之下，利用像素点之间的空隙作为通光孔径。指纹表面的反射光穿过空隙到达透镜阵列，之后通过阵列可对指纹整体进行成像。以手机为例，对内嵌于手机屏的阵列来说，阵列结构一定要满足手机屏幕构造要求，并且要使指纹和探测器的厚度符合手机厚度要求。透镜阵列要对指纹成完整像，且成像分辨率高。因此，本实施中，所述自聚焦透镜阵列的厚度优选为0.3mm～1mm；所述自聚焦透镜的半径优选为10μm～1mm。具体实施时，考虑到当下手机等移动终端的结构及内部像素大小，并结合透镜阵列实际加工的难度，阵列参数优选要满足如见表1所示要求。

表1

手机像素元大小	50μm～100μm	阵列厚度	0.3mm～1mm
				单个透镜半径	10μm～1mm	光波段	可见光

进一步的，如图4、图5所示，本实施例中，所述自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的排列方式包括六边形排列和正方形排列。

本发明用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，不仅能满足成像的基本功能，更能实现物像共轭距离小于7mm，大大减小系统长度，对移动终端外观与其他功能无影响；整个系统的成像过程只通过阵列即可完成，无需其他透镜辅助，省去装调的过程；阵列面积满足移动终端屏幕大小，即屏幕处处可成像；阵列的整体制造成本不高，适用于商业生产。

基于以上所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，本发明实施例还提供了一种移动终端，所述移动终端的像素层之下设置有如以上所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列。本发明自聚焦透镜阵列可以用于实现移动终端的屏幕光学指纹识别，其中，所述移动终端包括但不限于手机和平板电脑。

以下以一个具体应用实施进行详细说明：

以手机为例，采用MALAB软件计算初步绘图与ZEMAX光学仿真模拟结合的方式进行，扩展排布成9×9的阵列，采用如图5、图6所示的两种透镜的排列方式，具体参数见表2。

表2

手机像素元大小	100μm	透镜中心折射率	1.61
				单个透镜半径r	45μm	折射率差Δn	0.062
阵列厚度	0.526mm	模拟阵列数目	9×9
				光波波段	可见光(486nm、587nm、656nm)	透镜空间参数X	1.11

通过上述数据，利用MALAB软件计算并绘图，同时将参数输入ZEMAX验证仿真，结果如图7、图8所示，由测试结果可得知：物像之间的共轭距离为TC＝2+0.526+1.93＝4.456mm；满足当前手机厚度要求，其中阵列厚度为0.526mm，物距为2mm，像距为1.93mm，符合1:1成像时物方工作距离与像方工作距离相等的要求，二者之间的差值是由于在计算过程中系统的精度引起，在毫米量级可认为这两者相等。理想情况下点光源成像应该是一个理想的光点，但是由于光束具有发散角会带来像差，使得理想点光源最终成像为一个弥散斑。

采用如图5、图6所示的自聚焦透镜阵列结构的成像质量可通过像传递函数(MTF)来评价。两种自聚焦透镜阵列结构中的物方视场分别为中心视场(0mm)，0.1mm，0.4mm。结合当前手机屏幕探测器的像元数目，取空间频率为100lp/mm。通过计算，两种结构在空间频率100lp/mm时，各视场的MTF值如表3所示，基本都大于0.4，满足成像要求。

表3

对以上两种自聚焦透镜阵列结构进行指纹的成像仿真测试，其中，图11为具体实施例中的原始指纹示意图；图12为具体实施例中图9所示六边形阵列结构的指纹成像示意图；图13为具体实施例中图10所示正方形阵列结构的指纹成像示意图。从仿真结果来看：阵列具有成像功能，像面边缘视场较暗且模糊，说明能量损失较大，这和阵列本身的材料性能有关，但像边缘的畸变较小，这给后期图像处理带来很大便利。需要说明的是，仿真过程只从原理上验证阵列的可行性，因此设计数目为9×9，实际应用中，要根据手机屏幕大小以及厚度结构做出适当调整，大面阵的制作需要在制成光纤的基础上将小块面板进行拼接。事实上，阵列的厚度只要在成正立实像的范围中，总能找到一个值和对应的物像共轭距离使放大率为1。

通过设计分析和仿真分析，对于阵列在和像素层结合前后的成像做出比较可知：(1)此阵列在理论上和设计原理上可行性高，能实现成像功能；(2)从结构上，满足覆盖手机屏幕且物像共轭距离小于手机厚度的要求；(3)生产上，由于阵列厚度较薄，通过拉制光纤的方法，一次性制备的光纤束可满足几十个甚至上百个阵列的组装，可实现批量生产。

综上，本发明提供了一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列及移动终端，本发明用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，能实现物像共轭距离小于7mm，大大减小系统长度，对移动终端外观与其他功能无影响；整个系统的成像过程只通过阵列即可完成，无需其他透镜辅助，省去装调的过程；阵列面积满足移动终端屏幕大小，即屏幕处处可成像；阵列的整体制造成本不高，适用于商业生产。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其特征在于，所述自聚焦透镜阵列设置于像素层之下，由多个可成正立的实像并且放大倍率为1的自聚焦透镜组成，每个所述自聚焦透镜利用像素层的像素元之间的空隙作为通光孔径。

2.根据权利要求1所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其特征在于，所述自聚焦透镜阵列的厚度为0.3mm～1mm。

3.根据权利要求2所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其特征在于，所述自聚焦透镜的半径为10μm～1mm。

4.根据权利要求1所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列，其特征在于，所述自聚焦透镜阵列中的自聚焦透镜的排列方式包括六边形排列和正方形排列。

5.一种移动终端，其特征在于，所述移动终端的像素层之下设置有如权利要求1～4任一项所述的用于指纹识别的自聚焦透镜阵列。

6.根据权利要求5所述的移动终端，其特征在于，所述移动终端包括手机和平板电脑。