CN108196731B - 一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，包括信息处理系统以及用于传导光并形成全内反射的基板，在基板的侧边设置有一个或多个光耦合装置，所述光耦合装置用于将光信号按要求的时序传导至基板内形成全内反射传输；在基板的侧边还对应耦合有一个或多个光接收装置，所述光接收装置用以检测经基板内传输的光信号受抑制后逸出基板的光信号和全内反射光信号的变化；信息处理系统通过一根或多根信号线与光耦合装置和光接收装置通信。本发明利用触摸屏和生物指纹特征识别技术的共通点形成同一系统，既实现了触摸识别检测，也实现了指纹生物识别功能，在具体的应用中，可降低系统集成的难度和实现成本，增加系统集成的美观度、安全性和防尘防水等级等。

Description

一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统

技术领域

本发明涉及触摸技术和指纹生物识别领域，具体为一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统。

背景技术

光学(基于FTIR原理)触摸技术是目前使用较为广泛的一种触摸技术。随着使用环境的变化，触摸系统从之前专业的应用领域，如工业控制、POS等行业，逐渐向普通应用转换，在这个过程中，触摸系统的安全性日益重要。在现有的实现中，是通过将独立的生物识别系统与触摸系统集成来实现。

现有专利如申请号分别为：CN101821703A和CN101743527A；其采用受抑全内反射技术来实现多点触摸检测，已知专利使用摄像头作为光感测设备，通过侦测受抑全内反射向接触点下方逸出的散射光来判断触摸位置，具有较高的触摸精度，但已知的产品需要布置多个摄像头作为光感测设备，产品实现体积较大，不适合普通用户使用；

现有专利如申请号为：CN101866247A；采用受抑全内反射技术来实现多点触摸，通过对称地在基板侧边布置光源和光感测设备来发射和接收逸出的散射光从而判断触摸位置，可实现较小的安装体积，但已知的光源和光感测设备采用一对一的方式进行接收和侦测，形成的是一个物理上的二维坐标系统，理论上不能实现物理上真实的多点触摸。

以上使用FTIR即受抑全内反射技术实现的触摸屏系统，其着眼点都是如何利用FTIR技术来实现触摸功能。在需要生物指纹识别应用的场合，通常采用系统集成的方式来增加生物指纹识别功能，即通过附加的生物指纹识别模块来实现所需功能。

这种实现方式存在的问题：集成难度大，集成美观度低、成本高、维护困难。随着工业设计要求的提高，为实现生物识别与触摸系统的低成本、高集成，有必要提出新的解决方案。

发明内容

为了克服现有技术方案的不足,本发明提供一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，利用触摸屏和生物指纹特征识别技术的共通点形成同一系统，既实现了触摸识别检测，也实现了指纹生物识别功能，在具体的应用中，可降低系统集成的难度和实现成本，增加系统集成的美观度、安全性和防尘防水等级等，能有效的解决背景技术提出的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，包括信息处理系统以及用于传导光并形成全内反射的基板，在所述基板的侧边设置有一个或多个光耦合装置，所述光耦合装置用于将光信号按要求的时序传导至所述基板内形成全内反射传输；在所述基板的侧边还对应耦合有一个或多个光接收装置，所述光接收装置用以检测经所述基板内传输的光信号受抑制后逸出所述基板的光信号和全内反射光信号的变化；所述信息处理系统通过一根或多根信号线与所述光耦合装置及光接收装置通信。

进一步地，所述光接收装置能检测在所述基板内传输的所述全内反射光信号是否变化，光接收装置同时还能检测所述光信号变化的大小。

进一步地，所述信息处理系统通过计算处理所述光接收装置通过所述信号线传输的所述光信号是否变化来定位在所述基板上表面一个或多个接触点的位置，并且所述信息处理系统通过计算所述光接收装置传输的所述检测光信号大小生成所述光信号变化的三维图形，用以对触摸手指指纹进行生物特征识别。

进一步地，所述光耦合装置还可以为光源，所述光接收装置还可以为光感测设备。

进一步地，所述光耦合装置为基于微结构的MEMS光源阵列器件；所述光接收装置为基于微结构的MEMS光敏阵列器件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用触摸屏与生物指纹特征识别技术的共通特点，将指纹生物特征识别功能嵌入到触摸屏中，在不会额外增加指纹生物特征识别模块的情况下，在实现触摸屏的基本触摸功能的同时，增加指纹生物特征识别功能；使用同一套模块，无需考虑生物指纹识别模块的集成问题，不需要进行通孔、沉孔或者盲孔设计，产品设计更易做到防尘防水要求，且不会影响产品面板的强度。

(2)本发明采用微结构设计的光源及光敏阵列器件，既可以实现系统的多点触摸功能，还可以基于更高精度的触摸信号识别，实现指纹生物识别功能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的全反射原理示意图；

图3为本发明的光学生物指纹特征识别原理示意图；

图4为传统光学结构触摸系统结构示意图；

图5为本发明的光学结构示意图；

图6为传统光学器件的光谱示意图；

图7为本发明设计的基于MEMS结构的光接收装置的光谱示意图；

图8为本发明涉及的光感原理示意图；

图9为传统带指纹生物识别装置的通孔、盲孔以及沉孔三种设计结构示意图。

图中标号：

1-信息处理系统；2-基板；3-光耦合装置；4-光接收装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，包括信息处理系统以及用于传导光并形成全内反射的基板，在基板的侧边设置有一个或多个光耦合装置，光耦合装置用于将光信号按要求的时序传导至基板内形成全内反射传输；在基板的侧边还对应耦合有一个或多个光接收装置，光接收装置用以检测经基板内传输的光信号受抑制后逸出基板的光信号和全内反射光信号的变化；信息处理系统通过一根或多根信号线与光耦合装置及光接收装置通信。

如图2所示，由于光传播到两种介质的表面时，通常要同时发生反射和折射现象，若满足了某种条件，光线不再发生折射现象，而要全部返回原介质中传播的现象叫全反射现象。发生全反射的条件：

1)光从光密介质入射到光疏介质。对于两种介质来说，光在其中传播速度较小的介质，亦即绝对折射率较大的介质，叫光密介质；而光在其中传播速度较大的介质，亦即绝对折射率较小的介质叫光疏介质。

2)入射角等于或者大于临界角。临界角C：恰好发生全反射时入射角的大小.此时折射角等于90°

当光在两种介质的分界面发生全反射传输时，会有一部分光渗透到低折射率的介质中，形成一种沿着径向趋于指数衰减的电磁场，即倏逝场效应。当手指触摸基板表面时，导致其倏逝场特性发生变化，通过测量其倏逝场特性变化来检测触摸基板的位置和识别生物指纹特征。

本发明中，当光在基板内传输时，会在基板(光密介质)和空气介质(光疏介质)的分界面发生全反射现象，此时，会有一部分光渗透进入到空气介质中，形成一种沿着基板径向迅速衰减的电磁场，称为基板空气介质中的倏逝场。

如果以基板与空气的分界面为x轴的原点，则当x＞0时平面的x轴方向的场强为：

(公式一)E₂(x)＝E₂₀exp[jk₀n₂x cosθ_r]exp[j(βz-ωt)]

式中：E₂的下标2表示空气中场强；θ_r为折射角；β为光波在空气中的传播常数；为自由空间的波数(λ为自由空间的波长)；E₂₀为场强的初始值。

由斯涅尔定律和全反射条件可得：

(公式二)

将公式二带入公式一，可得

(公式三)

上式表示，倏逝场沿着基板的径向(x轴方向)呈现指数规律的衰减，而在轴线(z轴方向)是一个行波场。相应的倏逝场穿透深度为

(公式四)

式中，n₁、n₂分别为基板传感区域处基板和空气的折射率，λ₁为光波在介质n₁中的光波波长，θ₁为光波的入射角。

因此，通过检测传感器输出的光信号变化，可以获知Z_m的变化与n₂即介质特性相关，且与光信号在基板中传输的距离相关，从而能确定手指触摸基板界面时的位置及强度变化大小。

在本实施方式中，利用生物指纹特征识别技术与触摸屏的共通特点，将指纹生物特征识别功能嵌入到触摸屏中，并且实现在不会额外增加指纹生物特征识别模块的情况下，在实现触摸屏的基本触摸功能的同时，增加指纹生物特征识别功能(低成本)。生物指纹特征识别模块与触摸屏系统使用同一套模块，集成度高，安全性得到保证。

如图3所示，光学生物指纹特征识别原理：利用受抑全内反射原理，光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由光感设备去获得，反射光的数量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂；光线经玻璃射到谷后反射到光感设备，而射到脊后则不反射到光感设备(确切的是脊上的液体反光的)。

光接收装置能检测光信号是否变化，同时还能检测光信号变化的大小。

利用微结构光栅进行触摸位置及指纹生物特征的检测,主要是利用光信号随着被传感或被测量量(即手指指纹)的变化而变化的特性进行传感与测量的。当手指触摸基板时，引起基板内按内反射方式传播的光信号受应力作用导致中心波长变化，以及倏逝场场强变化，光接收装置侦测所述变化用以判断触摸位置及进行生物指纹特征识别。

光在基板中传输，耦合模式主要发生在正、反方向传播的两个相同模式之间，光耦合特性可以用耦合波方程描述：

式中，S(z)、R(z)分别为正向、反向传播模式幅度，可以表示为

为耦合系数，其中，v为调整深度，为自耦合系数，为失谐量，为直流耦合系数。

信息处理系统通过计算处理光接收装置传输过来的光信号是否变化来定位在基板上表面一个或多个接触点的位置，并且通过所述光信号变化的大小生成光信号变化的三维图形(指纹生物特征识别的过程可细化为对手指触摸区域的更多个指脊触摸的采集过程)，用以对触摸手指指纹进行生物特征识别。

基板反射谱的中心波长由光栅方程决定，λ_B＝2n_effT，其中，n_eff为有效折射率，T为光栅周期。可以看出，基板中传输光信号的中心波长由基板的有效折射率和光栅周期决定，任何使这两个参量发生改变的物理过程都将引起基板中传输的光信号中心波长漂移。

如图8所示，对基板施加应力(触摸)势必导致反射光谱中心波长的变化，通过检测中心波长λ_B的变化，就可以获得基板所受外界应力，从而实现对手指触摸的检测，其公式(纵向压力)如下：

Δλ_B＝(1-p_e)ε_zz·λ_B

其中，为基板纵向应变系数，P为手指触摸基板时基板所受到的压强，p_e为基板有效光弹系数。根据广义胡克定律，可求出基板三个方向的应变为

可以看出，一旦基板的材料确定，其对应变的传感特性基本上由材料特性决定。

光耦合装置还可以为光源，光接收装置还可以为光感测设备。

图4为传统的光学触摸系统结构，现有技术使用的光耦合装置通常为红外光发射管，如850纳米至920纳米波长的红外光二极管，使用的光接收装置通常为光敏器件，如对应850纳米至920纳米波长的光敏二极管。现有技术使用的发光二极管及光敏二极管器件通常体积较大，波长范围较宽，如图6所示为传统光学接收器件，如光敏二极管的光谱特征，即该光敏器件能感知中心波长λ_c附近的Δλ波长范围内[λ_c-Δλ，λ_c+Δλ]的光信号。在实际使用中，则其易受到外界光信号的干扰，从而影响产品性能。这种器件是复用现有的其他行业应用的光源和光敏器件，如摄像头、光学探测设备等，其具有较大的尺寸，探测光波长范围广的特点，因此在应用到触摸屏系统中时，造成触摸屏系统硬件结构复杂，组装困难，且易受外界环境光干扰。更重要的是，采用现有技术实现的触摸屏系统，无法实现本方案的指纹生物识别功能。

而且，其物理尺寸通常为毫米级，其光学发射或接收为一扇形角度，其感光范围通常为中心峰值附件正负30％。采用类似的器件，作为光信号发射器件时，因其光发射角度为一扇形，光源无法按指定方向直线线性传播，基于该类器件的触摸屏系统，当系统工作时，光沿着基板内部以内反射方式传播时，亦成扇形结构传播，造成接收端多个器件均会收到光信号，增加了信号处理的复杂度。

图5为本专利的光学系统结构，其中的光学器件(包括光耦合器件及光接收器件)为通过MEMS结构设计的带状光栅结构，其具有较强的光学指向性，即光信号导入基板后沿着直线线性传播。该结构在基板内实现了光学网络栅格，即发射接收的一对一结构，从而降低了信号检测的复杂度。在多点检测时，基板表面某个点的触摸，仅影响通过该点的两条光信号，即X轴和Y轴信号，从而降低了多点触摸检测的算法难度。

为集成生物指纹识别功能，在本方案中，光耦合装置为基于微结构的MEMS光源阵列器件；光接收装置为基于微结构的MEMS光敏阵列器件；采用这种微结构设计的光源及光敏阵列，既可以实现系统的多点触摸功能，还可以基于更高精度的触摸信号识别，实现指纹生物识别功能。

在本实施方式中，MEMS(Micro Electro Mechanical System)，也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，指尺寸在几毫米乃至更小的高科技装置。基于MEMS结构的光耦合装置具有大比例倏逝场传输的光学特性，使得基板表面对折射率变化非常敏感，因而系统具有极高的灵敏度。由于光波在MEMS结构中传播时，一部分能量以倏逝场的形式在基板表面进行传播，使得该结构具有高灵敏度、微型化、集成化的优势。利用微结构光器件倏逝场效应进行触摸及生物指纹特征识别的基本原理：通过将光信号耦合进入光微结构中导入基板内以全反射在基板内传播，此时在基板的传感区域内，有一部分光以倏逝场形式在基板表面传播，该部分倏逝场的光能量能有效的感知手指触摸，最终在微光结构的输出端输出被调制(光强、光谱及相位调制)的光信号，通过该调制的光信号就可以获得触摸手指的位置信息及生物特征信息，从而实现触摸定位及生物指纹特质识别。

图7为采用MEMS结构设计的光传感器件的光谱特性，可以看出，其具有在中心波长附近较窄波长范围且较强的光敏感特性，利用该特性设计的光学触摸系统，因而具有更强的抗光干扰能力。

基于MEMS结构设计的光学装置的制备方法通常包括激光刻写、磁控溅射、化学腐蚀等，其具体的制备方法不在本专利的讨论范围中，本文不再做详细的说明。

现有技术中，仅仅考虑实现了触摸功能，而所需的生物指纹识别功能是通过附加生物指纹识别模块集成到系统中去，这种设计存在美观度差、成本高、集成度低、安全性低等缺点。在通常应用中，触摸系统面板为玻璃材质的基板，因此现有技术在附加生物指纹识别模块时，为提高集成度，通常将生物指纹识别模块集成到面板底部，为有效利用空间，如图9所示，现有技术通常采用通孔、盲孔或沉孔的设计方案，这些设计方案存在加工工艺复杂的情况，导致产品良率低。采用通孔的设计方案，还存在集成度低，系统防尘防水等级低的问题。采用盲孔或沉孔的设计方案，还存在会导致基板强度降低的风险。

将光学生物指纹特征识别技术融入触摸屏，两者使用同一套物理模块，因而在产品设计时无需考虑生物指纹识别模块的集成问题，更利于产品设计；由于不需要进行通孔设计，产品设计更易做到防尘防水要求；不需要进行沉孔或者盲孔设计，不会影响产品面板的强度。

本发明利用触摸屏和生物指纹特征识别技术的共通点形成同一系统，既实现了触摸识别检测，也实现了指纹生物识别功能，在具体的应用中，可降低系统集成的难度和实现成本，增加系统集成的美观度、安全性和防尘防水等级等。

指纹生物特征识别的全过程，包括指纹图像采集、指纹图像处理(图像归一化、图像增强、二值化)、指纹特征提取、指纹特征匹配。本专利涉及的指纹生物特征识别，是指采集用户触摸基板时手指的指纹生物特征，即指纹图像采集的过程，是利用光学触摸系统的器件特征，实现触摸的同时进行指纹图像采集的过程。对于指纹生物特征识别的后续过程，本专利不做详细说明。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，其特征在于，包括信息处理系统以及用于传导光并形成全内反射的基板，在所述基板的侧边设置有一个或多个光耦合装置，所述光耦合装置用于将光信号按要求的时序传导至所述基板内形成全内反射传输；在所述基板的侧边还对应耦合有一个或多个光接收装置，所述光接收装置用以检测经所述基板内传输的光信号受抑制后逸出所述基板的光信号和全内反射光信号的变化；所述信息处理系统通过一根或多根信号线与所述光耦合装置及光接收装置通信；

当光在两种介质的分界面发生全反射传输时，会有一部分光渗透到低折射率的介质中，形成一种沿着径向趋于指数衰减的电磁场，即倏逝场效应，当手指触摸基板表面时，导致其倏逝场特性发生变化，通过测量其倏逝场特性变化来检测触摸基板的位置和识别生物指纹特征；

通过检测传感器输出的光信号变化，可以获知倏逝场穿透深度Z_m的变化与n₂即介质特性相关，且与光信号在基板中传输的距离相关，从而能确定手指触摸基板界面时的位置及强度变化大小；

通过将光信号耦合进入光微结构中导入基板内以全反射在基板内传播，此时在基板的传感区域内，有一部分光以倏逝场形式在基板表面传播，该部分倏逝场的光能量能有效的感知手指触摸，最终在微光结构的输出端输出被调制的光信号，通过该调制的光信号就可以获得触摸手指的位置信息及生物特征信息，从而实现触摸定位及生物指纹特质识别；

倏逝场穿透深度为

式中，n₁、n₂分别为基板传感区域处基板和空气的折射率，λ₁为光波在介质n₁中的光波波长，θ₁为光波的入射角。

2.根据权利要求1所述的一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，其特征在于：所述光接收装置能检测在所述基板中传输的光信号是否变化，所述光接收装置同时还能检测所述光信号变化的大小。

3.根据权利要求1所述的一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，其特征在于：所述信息处理系统通过计算处理所述光接收装置检测的光信号是否变化来定位在所述基板上表面一个或多个接触点的位置，并且通过计算所述光信号变化的大小生成光信号变化的三维图形，用以对触摸手指指纹进行生物特征识别。

4.根据权利要求1所述的一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，其特征在于：所述光耦合装置还可以为光源，所述光接收装置还可以为光感测设备。

5.根据权利要求4所述的一种带生物指纹识别功能的触摸检测系统，其特征在于：所述光耦合装置为基于微结构的MEMS光源阵列器件；所述光接收装置为基于微结构的MEMS光敏阵列器件。