CN110084090B - 一种光学式屏下指纹识别模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学式屏下指纹识别模组，包括显示屏，装设于显示屏下方的成像模块以及红外照明系统，所述红外照明系统装设于成像模块的外围，所述成像模块包括近红外单一波段的透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑，装设于透镜模块下方的图像传感器，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜，以及装设于自由曲面导光透镜下方的两颗以上的近红外波段的光源，所述近红外波段的光源发出的光线经过自由曲面导光透镜配光之后，射出的光线的最大的配光角度满足θ＞70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围，指纹面的辐射度均匀度可以达到70％以上。所述成像模块的边缘视场在80线对的分辨率约为0.25，全视场的畸变量控制在2％以内。
Description
技术领域
本发明涉及一种指纹识别模组，更具体地说，是涉及一种光学式屏下指纹识别模组。
背景技术
智能手机的指纹识别模块是通过特定的感应模组实现对于个体指纹特征的识别。现有的每一款智能手机都会拥有一个指纹识别模块，通过该模块将用户的指纹收集并转化成数据，存储在手机存储的特定区域，在使用的时候进行调用，而不同的指纹识别技术收集指纹的方式也有所不同。
根据收集指纹的方式不同，指纹识别模块目前主要分为电容式指纹模块、射频式指纹模块、以及光学式指纹模块。
目前大部分的智能手机采用的是电容式指纹传感器组件，其利用硅晶元微阵列与导电的皮下电解液形成电场，指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化，借此可实现准确的指纹测定。但是由于传感器表面是使用硅材料容易损坏，导致使用寿命降低。以及通过指纹的沟壑和山脊之间的凹凸来形成指纹图像的，因而对脏手指或湿手指等识别困难，手指辨别率较低。
所述的射频指纹模块，现阶段包含无线电波探测与超声波探测两种，原理与探测海底物质的声纳类似，是靠特定频率的信号反射来探知指纹的具体形态的。射频指纹模块技术是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。这一类指纹模块最大的优点便是手指无需与指纹模块相接触，因而不会对手机的外观造成太大影响。缺点是指纹分辨率较低，重复性较差。
所述的光学式指纹模块是利用光线的折射和反射对用户指纹进行成像，然后通过图像识别的方法来识别指纹特征，其优点为：成像分辨率高，指纹特征的图像识别比较容易。而且其非常美观和实用，隐藏于显示屏下方，非常隐秘不易被发觉，与显示屏浑然一体，其主要用于下一代智能手机的无边框屏幕设计、“消失”的HOME键和Touch ID指纹传感器。
韩国的三星电子公司提出的采用针孔阵列进行图像拼接的光学式指纹识别传感器(专利号：US20180012069A1)。如图1所示，其可以实现较大面积及较短厚度的指纹特征的识别。其将指纹面及传感面划分成相对应的一个个小的单元。每个单元通过中间的小孔进行成像。然后再通过图像拼接的方法，将图像重新拼接起来。但其存以下缺点：
1.每个小单元的成像是圆形的，成像到传感器上之后，需要切掉4边，才能变为正方形，才能做后续的图像拼接。
2.传感器上每个单元的成像是反转180度的，需要先将每个单元的图像分别旋转180度，然后再进行拼接，拼接后的图像才是正确的图像。最后再对拼接后的图像进行特征识别，才能分辨出用户的指纹特征。
3.由于采用了针孔，大部分的光线会被阻挡，只有小部分的光线可以通过针孔对指纹特征进行成像，导致像面的亮度比较暗，因而降低了图像的对比度。
4.由于每个单元的成像需要分别进行裁剪、反转及拼接，其运算量特别大，再加上拼接后的图像识别特征的运算，过程比较复杂、图像识别的运算速度比较慢。
5.该系统需要采用较大面积的图像传感器，传感器的尺寸和被识别的指纹面的尺寸差不多，导致该系统的成本相对较高。
另外，汇顶科技公司提出了一种采用倾斜成像光路的屏下指纹识别系统(专利号：US20180005005A1)。请参考图2，其光学系统由倾斜放置的棱镜6170及透镜6210组成。其用来对6150表面的指纹区域进行成像和识别。其优点为采用了单一的成像光路，其成像为单一的图像，不需要复杂图像裁剪和拼接等处理过程，图像处理相对简单，运算速度较快；另外该系统的厚度也比较薄。
但是该系统的缺点也很明显：该成像系统的视场角θ也比较小，指纹区域6150及图像传感器6230之间的夹角非常大，其所成的指纹图像为梯形，虽然通过将传感器6230偏转一个角度、或者将透镜6210进行离轴放置可以将梯形图像校正成正方形。但是会导致局部失真、成像分辨率降低、以及调制传递函数曲线的下降。
发明内容
为克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组。
为实现上述目的，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括显示屏，装设于显示屏下方的成像模块以及红外照明系统，所述红外照明系统装设于成像模块的外围，所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块用于成像的视场角超过110°，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑，装设于透镜模块下方的图像传感器，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜以及装设于自由曲面导光透镜下方的两颗以上的近红外波段的光源或可见光波段的光源。
作为优选的，所述成像模块为广角成像模块，所述透镜模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的第二凸透镜，所述孔径光阑设置于广角凹透镜与第一凸透镜之间，所述图像传感器装设于第二凸透镜下方，所述第二凸透镜为平凸透镜，所述第二凸透镜的上表面为凸面，所述第二凸透镜的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
作为优选的，所述透镜模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的第二凸透镜，装设于第二凸透镜下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片，所述孔径光阑设置于第一凸透镜与第二凸透镜之间，所述图像传感器装设于滤波片下方。
作为优选的，所述透镜模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片，所述孔径光阑设置于广角凹透镜与第一凸透镜之间，所述图像传感器装设于滤波片下方。
作为优选的，所述广角凹透镜和第一凸透镜为非球面镜片，所述广角凹透镜的和第一凸透镜的上表面和下表面均为高阶非球面。
作为优选的，所述红外照明系统的自由曲面导光透镜为环形，所述自由曲面导光透镜包括位于光源上方的用于收集光源发出的光线的聚光面，用于对入射的光线进行反射的自由曲面，所述自由曲面的底端与聚光面连接并从外下方向内上方倾斜，所述自由曲面顶端连接有光线出射面。
作为优选的，所述光线出射面为水平面，所述聚光面为用于收集光源发出的光线的凸面，所述自由曲面为连续全反射配光曲面或多个自由曲面混合。
作为优选的，所述光线出射面为水平面，所述聚光面为菲涅尔聚光面，所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜外侧面的从外下方向内上方倾斜的第一锯齿状全反射面以及设置于自由曲面导光透镜内侧面的从外下方向内上方倾斜的第二锯齿状全反射面。
作为优选的，所述自由曲面导光透镜的第一锯齿全反射面上方设置有不透明的反射块，所述反射块与自由曲面导光透镜通过一体成型。
作为优选的，所述光线出射面为水平面，所述聚光面为用于收集光源发出的光线的凸面，所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜外侧面的从外下方向内上方倾斜的连续全反射面以及设置于自由曲面导光透镜内侧面的从外下方向内上方倾斜的锯齿状全反射面。
作为优选的，从光线出射面射出的光线的最大配光角度为θ，θ>70°。
作为优选的，所述自由曲面导光透镜为环形，所述自由曲面导光透镜包括位于光源上方的用于对光源发出的光线进行扩束的凹面，所述凹面上方设置有锯齿状折射曲面。
作为优选的，所述凹面为二次曲面或椭圆面。
作为优选的，所述凹面为偏轴椭圆面，所述偏轴椭圆面的轴线与成像模块的中心光轴之间形成15°至45°的夹角。
作为优选的，经过锯齿状折射曲面的光线的最大配光角度为θ，θ>80°。
作为优选的，所述显示屏的顶面设置有用于接触指纹的指纹面，所述指纹面以及图像传感器的表面的共轭距为3.05mm-7.05mm。
作为优选的，所述指纹面的成像区域的直径大于6mm。
作为优选的，所述的成像模块为近红外单一波段的成像透镜模块或可见光多波段的成像透镜模块。
作为优选的，所述近红外波段的光源的波长为750mm～2000nm的波段；
作为优选的，所述光源为波长430mm～680mm的可见光波段的发光二极管LED或白色发光二极管LED。
作为优选的，所述光源为红外发光二极管IR LED或激光发射管。
作为优选的，所述成像透镜模块的材质为允许红外光透过、阻挡可见光透过的透红外树脂材料。
作为优选的，所述的自由曲面导光透镜的出光面表面为水平面、非水平面、带有锯齿状微结构的混合曲面、微透镜阵列面、微棱镜阵列面、自由曲面或带有混光特征的磨砂面。
作为优选的，所述显示屏为OLED显示屏。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明包括显示屏，装设于显示屏下方的成像模块以及红外照明系统，所述红外照明系统装设于成像模块的外围，所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块用于成像的视场角超过110°，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑，装设于透镜模块下方的图像传感器，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜以及装设于自由曲面导光透镜下方的两颗以上的光源。射出的光线的最大的配光角度满足θ>70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围，指纹面的辐射度均匀度可以达到70％以上，可以满足指纹面的均匀照明，从而辅助成像模块对指纹特征进行精确和清晰的成像。所述的成像模块的边缘视场在80线对的分辨率约为0.25，全视场的畸变量控制在2％以内。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是韩国三星电子公司提出的专利号为US20180012069A1的采用针孔阵列进行图像拼接的光学式指纹识别传感器的结构图；
图2是汇顶科技公司提出的专利号为US20180005005A1的一种采用倾斜成像光路的屏下指纹识别系统的结构图；
图3是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖视图；
图4是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的等轴侧视分解图；
图5是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的成像原理图；
图6是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的光路图；
图7是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的调制传递函数图；
图8是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的场曲及畸变图；
图9是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的自由曲面导光透镜的等轴侧视图；
图10是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的自由曲面导光透镜的俯视图；
图11是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的自由曲面导光透镜的仰视图；
图12是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的配光图；
图13是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的计算机模拟图；
图14A是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的指纹面的辐射分布模拟结果图之一；
图14B是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的指纹面的辐射分布模拟结果图之二；
图14C是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的指纹面的辐射分布模拟结果图之三；
图14D是本发明实施例一提供的一种光学式屏下指纹识别模组的指纹面的辐射分布模拟结果图之四；
图15是本发明实施例二提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖面图；
图16是图15中A部的放大图；
图17是本发明实施例二提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的配光图；
图18是本发明实施例三提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖面图；
图19是本发明实施四例提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖面图；
图20是图19中B部的放大图；
图21是本发明实施例四提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的配光图；
图22是本发明实施例五提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖面图；
图23是本发明实施例五提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的配光图；
图24是本发明实施例六提供的一种光学式屏下指纹识别模组的剖面图；
图25是本发明实施例六提供的一种光学式屏下指纹识别模组的红外照明系统的配光图；
图26是本发明实施例七提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的光路图；
图27是本发明实施例八提供的一种光学式屏下指纹识别模组的成像模块的光路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。
本发明的实施例提供一种光学式屏下指纹识别模组。
实施例一
请参考图3～图6，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏110，装设于OLED显示屏110下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒130，所述红外照明系统装设于镜筒130的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑150，装设于透镜模块下方的图像传感器180，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜120以及装设于自由曲面导光透镜120下方的两颗以上的光源190，所述光源为红外发光二极管IR LED或激光发射管，本实施例中采用红外发光二极管IRLED。请参考图9-图11，所述自由曲面导光透镜120的侧边装设有用于装配和定位自由曲面导光透镜120的第一法兰124以及第二法兰125，所述自由曲面导光透镜120顶面的光线出射面123上还装设有用于承托上方面板的隔圈126。本实施例中采用三颗波长为940nm的红外发光二极管IR LED190，三颗红外发光二极管IR LED190均匀地分布在成像模块的周围。所述成像模块为广角成像系统，所述成像模块的视场角大于110°，本具体实施方案的成像模块的视场角为130°，所述成像模块的物面为位于OLED显示屏110上方的指纹面，所述成像模块的像面为图像传感器180表面。
所述的成像模块为近红外单一波段的成像透镜模块或可见光多波段的成像透镜模块。
所述近红外波段的光源的波长为750mm～2000nm的波段，本实施例中采用的近红外波段的光源的波长为1000mm。
另外，所述光源还可以选择波长430mm～680mm的可见光波段的光源，例如发光二极管LED或白色发光二极管LED。
所述成像透镜模块的材质为允许红外光透过、阻挡可见光透过的透红外树脂材料，如透红外PC,PE，K26p等。
所述透镜模块包括广角凹透镜140，装设于广角凹透镜140下方的第一凸透镜160，装设于第一凸透镜160下方的第二凸透镜170，所述孔径光阑150设置于广角凹透镜140与第一凸透镜160之间，所述图像传感器180装设于第二凸透镜170下方，所述第二凸透镜170为平凸透镜，所述第二凸透镜170的上表面171为凸面，所述第二凸透镜170的下表面172镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
所述广角凹透镜140和第一凸透镜160为非球面镜片，所述广角凹透镜140的上表面141和下表面142、第一凸透镜160的上表面161和下表面162均为高阶非球面。
所述广角凹透镜140的材质为低折射率、高色散系数材料；所述第一凸透镜160和第二凸透镜170的材质为高折射率、低色散系数材料。
所述成像模块的成像方式为：位于OLED显示屏110表面的指纹特征，经过广角凹透镜140、孔径光阑150、第一凸透镜160，以及第二凸透镜170之后进入到图像传感器180上进行成像。所述OLED显示屏110表面的指纹特征与图像传感器180的传感面为物像共轭面。
所述指纹面111以及图像传感器180表面的共轭距(光学总长)介于3.05mm-7.05mm之间，本具体实施方案1优选该光学总长为4.5mm。
所述位于OLED显示屏110上方的指纹面，其用于成像的区域大于直径6mm，本具体实施方案1优选指纹面的成像区域为直径8mm。
所述成像模块从指纹面111到图像传感器180的成像原理如图5所示，所述成像模块从指纹面111到图像传感器180的光路图如图6所示，所述成像模块设计结果的调制传递函数如图7所示，其中间视场在80线对的分辨率约为0.78，其边缘视场在80线对的分辨率约为0.255。其场曲及畸变如图8所示，其全视场的畸变量控制在2％以内。
表1为本实施例中所述成像模块的光学系统参数。
表1
表2为所述成像模块，所述广角凹透镜140的上表面141和下表面142、第一凸透镜160的上表面161和下表面162的非球面系数。
表2
所述自由曲面导光透镜为环形，所述自由曲面导光透镜120围绕在成像模块的周围，所述自由曲面导光透镜120包括位于光源190上方的用于收集光源190发出的光线的聚光面121，用于对入射的光线进行反射的自由曲面122，所述自由曲面122的底端与聚光面121连接并从外下方向内上方倾斜，所述自由曲面122顶端连接有光线出射面123。
请参考图12，所述光线出射面123为水平面，所述聚光面121为凸面。所述的自由曲面导光透镜的出光面表面123还可以为非水平面、带有锯齿状微结构的混合曲面、微透镜阵列面、微棱镜阵列面、自由曲面或带有混光特征的磨砂面。
所述光源190发出的光线被聚光面121所收集并进行会聚，会聚后的光线向上准直入射到自由曲面122上，所述自由曲面122为连续全反射配光曲面，所述自由曲面122对入射光线进行转折及配光，经过自由曲面122全反射配光后的光线，再讲个上方的光线出射面出射后，以很大的倾斜角度射出，并均匀照明位于OLED显示屏上表面的指纹。从光线出射面123射出的光线与光轴Z1Z2之间的夹角为配光角度θ，最大的配光角度为110°，满足θ>70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。被红外照明系统的红外光照亮后的手指，其带有指纹特征的反射光线，向下反射，反射光线进入位于中间位置的成像模块中进行成像，以及进行图像特征的识别。
将所述的红外照明模块的3D图档输入到光度分析软件中进行计算机模拟，其光线追迹如图13所示。其对指纹面的照明模拟结果如图14A/14B/14C/14D所示。这里将观察屏设置在靠近OLED显示屏110上方的指纹面111的位置，模拟结果显示指纹面111的辐射度均匀度可以达到80％以上。所述红外照明系统可以满足对指纹面11的均匀照明，从而辅助成像模块对指纹特征进行精确和清晰的成像。
实施例二
请参考图15和图16，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏210，装设于OLED显示屏210下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒230，所述红外照明系统装设于镜筒230的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑250，装设于透镜模块下方的图像传感器280，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜220以及装设于自由曲面导光透镜220下方的两颗以上的光源290。
实施例二与实施例一的区别在于：所述自由曲面导光透镜220的光线出射面224为水平面，所述聚光面221为菲涅尔聚光面，所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜外侧面的从外下方向内上方倾斜的第一锯齿状全反射面222以及设置于自由曲面导光透镜内侧面的从外下方向内上方倾斜的第二锯齿状全反射面223。
所述的红外照明模块的配光方式如图17所示。所述的大倾斜角配光的自由曲面导光透镜220下方靠近LED的聚光面221为菲涅尔面，其用于收集光源290发出的光线并进行会聚，会聚后的光线向上准直入射到自由曲面222上。所述自由曲面222为锯齿状的全反射配光曲面，即其由多个自由曲面混合形成，所述自由曲面222用于对入射光线进行转折以及配光，经过其全反射配光的光线，全部入射到位于自由曲面导光透镜220内侧下方的锯齿状全反射面223上。锯齿状全反射面223将入射光线进行再次的反射以及配光，再经过上方出射面224出射之后，以很大的倾斜角度射出，并均匀照明位于OLED显示屏210上表面的指纹。从出射面224射出的光线，其最大的配光角度大于70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。
被红外照明系统的光源290发出的光线照亮后的手指，其带有指纹特征的反射光线，向下反射，反射光线进入位于中间位置的成像模块中进行成像，以及进行图像特征的识别。
所述成像模块为广角成像模块，所述透镜模块包括广角凹透镜240，装设于广角凹透镜240下方的第一凸透镜260，装设于第一凸透镜260下方的第二凸透镜270，所述孔径光阑250设置于广角凹透镜240与第一凸透镜260之间，所述图像传感器280装设于第二凸透镜270下方，所述第二凸透镜270为平凸透镜，所述第二凸透镜270的上表面为凸面，所述第二凸透镜270的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
实施例三
请参考图18，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏310，装设于OLED显示屏310下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒330，所述红外照明系统装设于镜筒330的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑350，装设于透镜模块下方的图像传感器380，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜320以及装设于自由曲面导光透镜320下方的两颗以上的光源390。
实施例三与实施例二的区别在于：所述自由曲面导光透镜320的上方还设置有一个不透明的反射块320-b，所述反射块320-b用来收集从第一锯齿反射面322漏出的光线，将光源390发出的全部光线都反射到位于自由曲面导光透镜320内侧下方的第二锯齿状全反射面323上。所述第二锯齿状全反射323将入射光线进行再次的反射以及配光，再经过上方的光线出射面323出射之后，以很大的倾斜角度射出，并均匀照明位于OLED显示屏310上表面的指纹。从光线出射面323射出的光线，其最大的配光角度大于70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。
本实施例中采用双料或者双色成型的方法，将不透明的反射块320-b的材料以及透明的自由曲面导光透镜320的材料一起注塑成型。
所述透镜模块包括广角凹透镜340，装设于广角凹透镜340下方的第一凸透镜360，装设于第一凸透镜360下方的第二凸透镜370，所述孔径光阑350设置于广角凹透镜340与第一凸透镜360之间，所述图像传感器380装设于第二凸透镜370下方，所述第二凸透镜370为平凸透镜，所述第二凸透镜370的上表面为凸面，所述第二凸透镜370的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜
实施例三与实施例二相比，由于所有的光线都往光轴Z1Z2中心方向出射并进行配光，其成像模块正上方指纹面的中间位置，光强分布会比较强一些。而靠近四周的位置，光强分布会稍微减弱。
实施例四
请参考图19和图20，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏410，装设于OLED显示屏410下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒430，所述红外照明系统装设于镜筒430的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑450，装设于透镜模块下方的图像传感器480，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜420以及装设于自由曲面导光透镜420下方的两颗以上的光源490。
实施例四与实施例一的区别在于：所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜420外侧面的从外下方向内上方倾斜的连续全反射面422以及设置于自由曲面导光透镜420内侧面的从外下方向内上方倾斜的锯齿状全反射面423。
所述的红外照明模块，其配光方式如图21所示。所述的大倾斜角配光的自由曲面导光透镜420，所述自由曲面导光透镜420的下方靠近光源490的为聚光面421为凸面，所述聚光面421用于收集光源490发出的光线并进行会聚，会聚后的光线向上准直入射到上方的连续全反射面422上。所述连续全反射面422为全反射配光曲面，所述连续全反射面422用于对入射光线进行转折以及配光，经过所述连续全反射面422进行全反射配光的光线，全部入射到位于自由曲面导光透镜420内侧下方的锯齿状全反射面423上。所述锯齿状全反射面423将入射光线进行再次的反射以及配光，再经过上方的光线出射面424出射之后，最后以很大的倾斜角度射出，并均匀照明位于OLED显示屏410上表面的指纹。从光线出射面424射出的光线的最大的配光角度θ>70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。
被红外照明系统的红外光照亮后的手指，其带有指纹特征的反射光线，向下反射，反射光线进入位于中间位置的成像模块中进行成像，以及进行图像特征的识别。
所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块用于成像的视场角大于110°，所述透镜模块包括广角凹透镜440，装设于广角凹透镜440下方的第一凸透镜460，装设于第一凸透镜460下方的第二凸透镜470，所述孔径光阑450设置于广角凹透镜440与第一凸透镜460之间，所述图像传感器480装设于第二凸透镜470下方，所述第二凸透镜470为平凸透镜，所述第二凸透镜470的上表面为凸面，所述第二凸透镜470的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
实施例五
请参考图22，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏510，装设于OLED显示屏510下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒530，所述红外照明系统装设于镜筒530的外围，所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑550，装设于透镜模块下方的图像传感器580，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜520以及装设于自由曲面导光透镜520下方的两颗以上的光源590。
实施例五与实施例一的区别在于：所述自由曲面导光透镜520包括位于光源590上方的用于对光源590发出的光线进行扩束的凹面521，所述凹面521上方设置有锯齿状折射曲面522，所述凹面521为二次曲面或椭圆面。本实施例优选凹面521的形状为椭圆面，请参考图23，所述凹面521先将光源590发出的红外光线进行第一次扩束，扩束后的光线再通过上方的锯齿状折射曲面522进行第二次扩束和配光，最后以很大的倾斜角度射出，在OLED显示屏510上方的指纹面上形成一个大致均匀的辐射度分布。从锯齿形折射曲面522配光的光线，其最大的配光角度θ>0°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。
被红外照明系统的红外光照亮后的手指，其带有指纹特征的反射光线，向下反射，反射光线进入位于中间位置的成像模块中进行成像，以及进行图像特征的识别。
所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块用于成像的视场角超过110°，所述成像模块包括广角凹透镜540，装设于广角凹透镜540下方的第一凸透镜560，装设于第一凸透镜560下方的第二凸透镜570，所述孔径光阑550设置于广角凹透镜540与第一凸透镜560之间，所述图像传感器580装设于第二凸透镜570下方，所述第二凸透镜570为平凸透镜，所述第二凸透镜570的上表面为凸面，所述第二凸透镜570的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
实施例六
请参考图24，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏610，装设于OLED显示屏610下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒630，所述红外照明系统装设于镜筒630的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑650，装设于透镜模块下方的图像传感器680，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜520以及装设于自由曲面导光透镜620下方的两颗以上的光源690。
实施例六与实施例五的区别在于：所述凹面621为偏轴椭圆面，所述偏轴椭圆面的轴线与成像模块的中心光轴Z1Z2之间形成15°-45°的夹角，本实施例中偏轴椭圆面的轴线方向往内侧偏轴30°。请参考图25，所述凹面621将LED590发出的红外光线，先进行偏折，偏折后的大部分光线往内侧轴线Z1Z2方向偏转，偏转后的光线再通过上方的锯齿状折射曲面622进行扩束和配光，最后以很大的倾斜角度射出，在OLED显示屏610上方的指纹面上形成一个大致均匀的辐射度分布。从锯齿装折射曲面622配光的光线，其最大的配光角度θ>70°，以覆盖整个用于成像的指纹范围。
被红外照明系统的红外光照亮后的手指，其带有指纹特征的反射光线，向下反射，反射光线进入位于中间位置的成像模块中进行成像，以及进行图像特征的识别。
所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块用于成像的视场角超过110°，所述成像模块包括广角凹透镜640，装设于广角凹透镜640下方的第一凸透镜660，装设于第一凸透镜660下方的第二凸透镜670，所述孔径光阑650设置于广角凹透镜640与第一凸透镜660之间，所述图像传感器680装设于第二凸透镜670下方，所述第二凸透镜670为平凸透镜，所述第二凸透镜670的上表面为凸面，所述第二凸透镜670的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
实施例七
请参考图26，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏710，装设于OLED显示屏710下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒730，所述红外照明系统装设于镜筒730的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑750，装设于透镜模块下方的图像传感器780，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜720以及装设于自由曲面导光透镜720下方的两颗以上的光源790。
实施例七与实施例一的区别在于：所述透镜模块包括广角凹透镜740，装设于广角凹透镜740下方的第一凸透镜750，装设于第一凸透镜750下方的第二凸透镜770，装设于第二凸透镜770下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片780，所述孔径光阑760设置于第一凸透750镜与第二凸透镜770之间，所述图像传感器790装设于滤波片780下方。
所述成像模块为广角成像镜头，所述成像模块的视场角大于110°，本实施例中所述成像模块的视场角为130°，所述成像模块的物面为位于OLED显示屏710上的指纹面，所述成像模块的像面为图像传感器790表面。
所述指纹面以及图像传感器的表面的共轭距(光学总长)介于3.05mm-7.05mm之间，本实施例中其光学总长为4.8mm。
所述位于OLED显示屏710上方的指纹面用于成像的区域大于直径6mm，本实施例中的指纹面的成像区域为直径8mm。
实施例八
请参考图27，本发明提供一种光学式屏下指纹识别模组，包括OLED显示屏810，装设于OLED显示屏810下方的成像模块、红外照明系统，包覆于透镜模块外侧的镜筒830，所述红外照明系统装设于镜筒830的外围，所述成像模块包括透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑850，装设于透镜模块下方的图像传感器880，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜820以及装设于自由曲面导光透镜820下方的两颗以上的光源890。
实施例八与实施例一的区别在于：所述透镜模块包括广角凹透镜840，装设于广角凹透镜840下方的第一凸透镜860，装设于第一凸透镜860下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片870，所述孔径光阑850设置于广角凹透镜840与第一凸透镜860之间，所述图像传感器880装设于滤波片870下方。
所述成像模块为广角成像镜头，所述成像模块的视场角大于110°，本实施例中所述成像模块的视场角为130°，所述成像模块的物面为位于OLED显示屏810上方的指纹面，所述成像模块的像面为图像传感器880表面。
所述指纹面以及图像传感器880表面的共轭距(光学总长)介于3.05mm-7.05mm之间，本实施例中其光学总长为3.97718mm。
所述位于OLED显示屏810上方的指纹面用于成像的区域大于直径6mm，本实施例中所述指纹面的成像区域约为直径7mm。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (25)
1.一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：包括显示屏，装设于显示屏下方的成像模块以及红外照明系统，所述红外照明系统装设于成像模块的外围，所述成像模块，其包括近红外单一波段的透镜模块，设置于透镜模块中的孔径光阑，装设于透镜模块下方的图像传感器，所述红外照明系统包括用于配光的自由曲面导光透镜，以及装设于自由曲面导光透镜下方的两颗以上的近红外波段的光源或可见光波段的光源；
所述成像模块为广角成像模块，所述成像模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的第二凸透镜，所述孔径光阑设置于广角凹透镜与第一凸透镜之间，所述图像传感器装设于第二凸透镜下方，所述第二凸透镜为平凸透镜，所述第二凸透镜的上表面为凸面，所述第二凸透镜的下表面镀有允许红外光透过、阻挡可见光透过的光学介质膜。
2.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述透镜模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的第二凸透镜，装设于第二凸透镜下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片，所述孔径光阑设置于第一凸透镜与第二凸透镜之间，所述图像传感器装设于滤波片下方。
3.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述透镜模块包括广角凹透镜，装设于广角凹透镜下方的第一凸透镜，装设于第一凸透镜下方的用于透过红外光、阻挡可见光的滤波片，所述孔径光阑设置于广角凹透镜与第一凸透镜之间，所述图像传感器装设于滤波片下方。
4.根据权利要求2-3任一项所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述成像模块的广角凹透镜和第一凸透镜为非球面镜片，所述广角凹透镜的和第一凸透镜的上表面和下表面均为高阶非球面。
5.根据权利要求4所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜包括位于光源上方的用于收集光源发出的光线的聚光面，用于对入射的光线进行反射的自由曲面，所述自由曲面的底端与聚光面连接并从外下方向内上方倾斜，所述自由曲面顶端连接有光线出射面。
6.根据权利要求5所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述光线出射面为水平面，所述聚光面为用于收集光源发出的光线的凸面，所述自由曲面为连续全反射配光曲面或多个自由曲面混合。
7.根据权利要求5所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述光线出射面为水平面，所述聚光面为菲涅尔聚光面，所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜外侧面的从外下方向内上方倾斜的第一锯齿状全反射面以及设置于自由曲面导光透镜内侧面的从外下方向内上方倾斜的第二锯齿状全反射面。
8.根据权利要求7所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜的第一锯齿全反射面上方设置有不透明的反射块。
9.根据权利要求8所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述反射块与自由曲面导光透镜通过双料或双色注塑一体成型。
10.根据权利要求5所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述光线出射面为水平面，所述聚光面为用于收集光源发出的光线的凸面，所述自由曲面包括设置于自由曲面导光透镜外侧面的从外下方向内上方倾斜的连续全反射面以及设置于自由曲面导光透镜内侧面的从外下方向内上方倾斜的锯齿状全反射面。
11.根据权利要求5-10任一项所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述红外照明系统，从光线出射面射出的光线的最大配光角度为θ，θ>70°。
12.根据权利要求5-10任一项所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述显示屏的顶面设置有用于接触指纹的指纹面，所述指纹面以及图像传感器的表面的共轭距为3.0mm-7.0mm。
13.根据权利要求12所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述指纹面的成像区域的直径大于6mm。
14.根据权利要求4所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述红外照明系统的自由曲面导光透镜外形为环形，所述自由曲面导光透镜包括位于红外光源上方的用于对红外光源发出的光线进行扩束的凹面，所述凹面上方设置有锯齿状折射曲面。
15.根据权利要求14所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜的所述凹面为二次曲面或椭圆面。
16.根据权利要求14所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜的所述凹面为偏轴椭圆面，所述偏轴椭圆面的轴线与成像模块的中心光轴之间形成15°至45°的夹角。
17.根据权利要求14-16任一项所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜经过锯齿状折射曲面的光线的最大配光角度为θ，θ>70°。
18.根据权利要求14-16任一项所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述显示屏的顶面设置有用于接触指纹的指纹面，所述指纹面以及图像传感器的表面的共轭距为3.05mm-7.05mm。
19.根据权利要求18所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述指纹面的成像区域的直径大于6mm。
20.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述成像模块为近红外单一波段的成像透镜模块或可见光多波段的成像透镜模块。
21.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述近红外波段的光源的波长为750mm～2000nm的波段。
22.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述光源为红外发光二极管IR LED或红外激光发射管。
23.根据权利要求20所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述成像透镜模块的材质为允许红外光透过、阻挡可见光透过的透红外树脂材料。
24.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述自由曲面导光透镜的出光面表面为水平面、非水平面、带有锯齿状微结构的混合曲面、微透镜阵列面、微棱镜阵列面、自由曲面或带有混光特征的磨砂面。
25.根据权利要求1所述的一种光学式屏下指纹识别模组，其特征在于：所述光源为波长430mm～680mm的可见光波段的发光二极管LED或白色发光二极管LED。
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