CN111523440B - 屏下光学指纹识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种屏下光学指纹识别装置，包括感光像素阵列，设有感光像素点；指纹接触识别区，位于感光像素阵列的上方；激励光源，用于向指纹接触识别区上的待识别物体发射不同角度的探测光；微透镜阵列，位于感光像素阵列和指纹接触识别区之间，包括多个微透镜；其中任意一个微透镜朝感光像素阵列的投影覆盖至少三个感光像素点；当屏下光学指纹识别装置处于工作状态时，激励光源发射的探测光经待识别物体反射形成多种不同角度的信号光；其中，任意一个微透镜下的至少三个感光像素点分别接收至少三种不同角度的信号光。本发明实施例的屏下光学指纹识别装置可采集彩色指纹图像，并还原三维或立体的指纹特征，防伪效果较佳。

Description

屏下光学指纹识别装置

技术领域

本发明涉及指纹识别领域，尤其涉及一种屏下光学指纹识别装置。

背景技术

屏下光学指纹识别可运用于包括但不限于智能手机或其他具有人机交互功能在内的电子设备中。如图1所示，现有的屏下指纹模组一般设在电子设备的显示屏1下方，可采用微透镜和金属或黑胶孔组合作为光学准直器，其具体可包括指纹芯片2、位于指纹芯片上方的微透镜阵列3。指纹芯片2的上表面设有感光像素点201，微透镜阵列3包含的微透镜301与感光像素点201一一对应，即一个微透镜301对应一个感光像素点201。当然也存在多个微透镜301对应一个感光像素点201的已知实施例。

由于上述已知实施例的屏下指纹模组中，微透镜301结合遮光层4上的透光孔401主要起准直的作用。因此，如图2所示，微透镜301一般只能接收大致平行的信号光，大致平行入射的信号光准直后到达对应的感光像素点201。

不过，基于上述指纹识别技术所采集得到的指纹图像为平面的黑白纹理图像，只能反映指谷和指脊的黑白对比度。指纹攻击者利用用户手指所打印的黑白指纹图，或是仿照手指纹理所制作的指纹膜，都可以使上述屏下指纹模组采集到与用户手指相同的指纹图像。事实上，真实的用户手指的指谷和指脊的起伏变化具有三维立体特征，且携带有肤色信息，并且在按压触摸屏时，真实手指在三维细节上与仿制指纹膜具(例如3D打印仿制的用户手指)有明显差异，包括真实手指与仿制指纹膜具在柔软度、对光的吸收或反射度方面的差异。尽管真实手指与仿制指纹膜具存在上述差异，但通常的平面黑白指纹图像不足以分辨这种差异。因此，仅采集指纹的平面黑白纹理图像，很容易被假肢攻击，进而导致指纹识别的防伪效果较差。

现有技术存在用于指纹识别防伪的方案。诸如公开号为CN109154959A或CN107004130A等提供的已知实施例，通过鉴别是否为“活体手指”来检测所捕获或检测到的指纹图案是否来自于活着的人的手指。然而，该已知实施例获得的指纹图像，仍为平面图像或二维图形，无法真实反映用户手指的三维面貌，防伪效果仍有待于提高。

发明内容

基于前述的现有技术缺陷，本发明实施例提供了一种屏下光学指纹识别装置，其可采集三维或立体的指纹图像，防伪效果较佳。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

一种屏下光学指纹识别装置，至少具有工作状态；包括：

感光像素阵列，设有若干个感光像素点；

指纹接触识别区，位于所述感光像素阵列的上方；

激励光源，用于向所述指纹接触识别区上的待识别物体发射不同角度的探测光；

微透镜阵列，位于所述感光像素阵列和所述指纹接触识别区之间，包括多个微透镜；其中任意一个所述微透镜朝所述感光像素阵列的投影覆盖至少三个感光像素点；

当所述屏下光学指纹识别装置处于工作状态时，所述激励光源发射的探测光经待识别物体反射形成多种不同角度的信号光；其中，任意一个微透镜下的至少三个感光像素点接收至少三种不同角度的信号光。

优选地，所述微透镜阵列和所述感光像素阵列之间设有第一遮光层，与所述微透镜阵列中第一微透镜对应的第一遮光层部分至少设置三个第一透光孔，至少三个所述第一透光孔与所述第一微透镜下的至少三个感光像素点一一对应。

优选地，与所述第一微透镜对应的第一遮光层部分设有若干组所述三个第一透光孔；所述若干组所述三个第一透光孔之间相互平行。

优选地，所述第一微透镜对应的第一遮光层部分设有若干组所述三个第一透光孔；其中两组所述三个第一透光孔之间呈预设角度分布。

优选地，同一个微透镜下的至少三个第一透光孔中，至少有两个第一透光孔的形状相互之间不同。

优选地，所述三个第一透光孔中至少有一个第一透光孔所透过的信号光的角度与其对应的第一微透镜的法线方向成预设角度的锐角；呈预设锐角角度的所述信号光沿所述第一透光孔的第一方向透过的光通量大于沿所述第一透光孔的第二方向的信号光的光通量，所述第一透光孔沿第一方向的尺寸大于其沿第二方向的尺寸。

优选地，所述微透镜阵列与所述第一遮光层之间还设有第三遮光层，所述第三遮光层开有第三透光孔。

优选地，所述第三透光孔与所述微透镜一一对应，所述第三透光孔的形状和与所述第三透光孔对应的第一微透镜在所述第一遮光层上的投影形状相似。

优选地，所述第一透光孔的孔径沿信号光的传播方向而逐渐缩小。

优选地，所述指纹接触识别区设置于所述屏下光学指纹识别装置应用的电子设备所配置的自发光显示屏上；所述指纹接触识别区包括发光层。

优选地，所述发光层包括若干自发光的发光像素点，所述发光像素点构成所述激励光源。

优选地，所述发光层不同位置的发光像素点分别用于发射不同角度的探测光。

优选地，所述发光层和所述微透镜阵列之间设有第二遮光层，所述第二遮光层上设有与所述指纹接触识别区对应的第二透光孔。

优选地，所述激励光源为额外设于所述指纹接触识别区下方的光发射装置。

优选地，所述微透镜阵列中每个微透镜下接收同一角度信号光的感光像素点构成同一出图单元。

优选地，所述屏下光学指纹识别装置还包括图像数据处理模块，所述图像数据处理模块与各出图单元信号连接。

优选地，所述图像数据处理模块依据各出图单元提供的信号中的亮度梯度分布，计算待识别物体的指纹深度信息。

优选地，所述图像数据处理模块集成在所述屏下光学指纹识别装置应用的电子设备的核心控制芯片内。

本发明实施例的屏下光学指纹识别装置利用多个不同角度的信号光可重构用户指纹的三维立体特征，提高指纹识别的防伪效果。

此外，现有技术中采用微透镜与感光像素点一一对应的结构设计，导致微透镜只能接收平行或大致平行的准之光，从而有效感光区域较小(大约只占感光区域面积的4％左右)，导致感光像素点接收到的信号光的量很少，进而所得到的指纹图像较暗。而本发明实施例的屏下光学指纹识别装置，通过采用一个较大的微透镜覆盖多个感光像素点，则微透镜可以接收大面积、多角度的信号光，并将相同角度的信号光汇聚至对应的感光像素点。从而，有效感光区域明显增大，感光像素点的接光量增多，所得到的指纹图像较亮，指纹图像质量较佳。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施例，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施例在范围上并不因而受到限制。

针对一种实施例描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施例中使用，与其它实施例中的特征相组合，或替代其它实施例中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。在附图中：

图1为现有技术的一种指纹识别装置的结构示意图；

图2为图1所示的指纹识别装置的光路图；

图3为本发明一个非限制性实施例的指纹识别装置的结构示意图；

图4为本发明一个非限制性实施例的指纹识别装置中的微透镜阵列、第一遮光层和感光像素阵列之间的结构示意图及光路图；

图5为本发明一个非限制性实施例的指纹识别装置的光路及结构示意图；

图6为本发明另一个非限制性实施例的指纹识别装置的光路及结构示意图；

图7为本发明实施例的指纹识别装置的光路；

图8为第二非限制性实施例的微透镜阵列与感光像素阵列之间的对应关系图；

图9为第一非限制性实施例的微透镜阵列与感光像素阵列之间的对应关系图；

图10为第三非限制性实施例的微透镜阵列与感光像素阵列之间的对应关系图；

图11为本发明一个非限制性实施例的第一遮光层上的第一透光孔的形状分布图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明实施例提供一种屏下光学指纹识别装置，可被运用或配置于包括但不限于智能手机、平板电子设备、计算机、GPS导航仪、智能可穿戴设备、个人数字助理等电子设备中。如图3所示，以电子设备100为智能手机作为一个非限制性实施例进行说明。电子设备100至少配置有显示屏101。在本实施例中，显示屏101可以为采用自发光单元作为显示像素的自发光显示屏，例如OLED屏或者LED屏。当然，显示屏101也可以为被动发光显示屏，例如LCD屏，本实施例对此不作限定。

显示屏101进一步可以为触控显示屏，其不仅可以进行画面显示，还可以检测触摸或按压操作，为用户提供人机交互界面。具体的，电子设备100可配置有触摸传感器，具体可以为触控面板，其可设在显示屏101的表面，也可以部分集成或整体集成在显示屏101的内部，以形成所述触控显示屏。

需要说明的是，为了实现电子设备100的基本功能，其还包括其他必需的模块或部件。以智能手机为例，其还可以包括通信模块、电池等。不过，电子设备100所包括的其他必需的模块或部件，可以选用任意合适的现有构造。为清楚简要地说明本发明的技术方案，在此将不再对上述部分进行赘述，说明书附图也进行了相应简化。但应该理解，本发明在范围上并不因此而受到限制。

结合图4和图5所示，本发明实施例的屏下光学指纹识别装置可包括由上至下依次设置的指纹接触识别区5、微透镜阵列6、感光像素阵列7。指纹接触识别区5用于供待识别物体(例如用户手指、打印的指纹图、仿制的指纹膜、仿制指纹膜具等)按压、接近或触摸(为便于描述，本发明统称为按压)。所述装置还可以包括用于向指纹接触识别区5上的待识别物体发射不同角度的探测光的激励光源，该探测光被待识别物体反射后形成的信号光向下传播，穿过微透镜阵列6后最终到达感光像素阵列7。

如图3所示，在一种可行的实施例中，指纹接触识别区5可以设置在本发明实施例的屏下光学指纹识别装置应用的电子设备100(例如，智能手机)所配置的自发光显示屏101上。或者，换句话说，运用或配置本发明实施例的屏下光学指纹识别装置的电子设备100自身所配备的自发光显示屏101的部分区域构成所述指纹接触识别区5。

如此，当本发明实施例的屏下光学指纹识别装置实际运用在电子设备100中时，电子设备100配备的显示屏101的发光像素点可以作为该激励光源。从而，不必设置额外的激励光源，而仅采用现有已知的结构或者电子设备100完成基础功能所必不可少的结构-显示屏101，即可实现激励光源的配置以及探测光的发射。从而，可充分利用本装置适用场景中所必备的结构来实现其他方面的用途，简化结构，减小本装置的体积，利于电子设备100的轻薄化设计。

在该实施例中，指纹接触识别区5的上表面可供待识别物体按压。或者，换句话说，指纹接触识别区5的上表面可作为供待识别物体按压的接触区。如图4至图6所示，进一步地，指纹接触识别区5可包括发光层501和位于发光层501上方的覆盖层502。发光层501能够发光，用于画面显示和指纹识别。以OLED屏为例，发光层501可以为OLED层。发光层501包括若干大致可呈阵列形式排布的自发光像素点，这些自发光像素点即可构成所述激励光源。则在该实施例中，作为激励光源的自发光像素点向接触区发射的探测光可以为可见光，例如白光，波长范围在380-780nm之间。

进一步地，在本实施例中，指纹接触识别区5的发光层501所包含的自发光像素点并没有经过特殊改进。具体的，指纹接触识别区5的发光层501，是显示屏101整体的发光层(例如OLED层，为示区别，将显示屏101的整体发光层定义为发光面板)的一部分。那么，发光面板其他区域(即，发光面板除发光层501以外的其他部分)的发光像素点的布置形式、操作方式等，与指纹接触识别区5的发光层501所包含的发光像素点完全相同。因此，本发明实施例并不改变已有的显示屏101发光面板的物理结构，而仅将发光面板的部分区域即发光层501单独划分出来用于指纹成像。

因此，在发光层501沿用已知的显示屏101发光面板部分区域的情况下，发光层501内的自发光像素点在操作时，发出的是面光。从而，发光层501不同位置的自发光像素点可分别发射不同角度的探测光。同上文描述，籍此结构设计，采用现有已知的结构或者电子设备100完成基础功能所必不可少的结构-显示屏101，即可实现不同角度探测光的发射。从而，结构得以简化，体积得以缩小，利于电子设备100的轻薄化设计。

覆盖层502可以为复合在发光层501上表面的、用于对发光层501起到保护作用的保护盖板，包括盖板玻璃或者蓝宝石盖板等，并且覆盖层502的上表面还可以设置保护层例如保护膜。因此，在本发明实施例中，所谓的待识别物体按压显示屏101实际上可以为待识别物体按压在覆盖层502上或者按压在保护层上。覆盖层502的设置通常不会影响光路，因此一般采用透光材料制成。但是不限于在其他实施例中，覆盖层502由于特殊的设计，并不一定限制为全透光的材料。

当然，激励光源的设置可以并不限于上述实施例。其他可行的实施例中，激励光源也可以包括额外设置在指纹接触识别区5下方的光发射装置，其发射的探测光可以为可见光，也可以为不可见光，本实施例对此不作限定。则在该实施例中，指纹接触识别区5具体可以为显示屏101的上表面(具体为覆盖层502的上表面)部分区域。需要说明的是，当本发明实施例的屏下光学指纹识别装置运用的电子设备100所配置的显示屏101为LCD屏等被动发光显示屏时，鉴于LCD屏等被动发光显示屏一般包括对光具有散射作用的扩散片，因此光发射装置优选为定向点光源，例如LED(实现可见光)、红外光源、紫外光源、远红外光源(实现不可见光)等。

在本文中，除特殊说明外，激励光源由指纹接触识别区5包括的发光层501中的自发光像素点构成，指纹接触识别区5为本发明实施例的装置运用的电子设备100自身所具备的显示屏101的部分区域构成。

进一步地，发光层501所包含的自发光像素点作为激励光源所发出的光包括：向上传播并射向供待识别物体的探测光和向下传播的光。其中，向上传播的探测光经按压在指纹接触识别区5上的待识别物体反射后形成信号光，信号光向下传播并被感光像素阵列7接收。因此，信号光为携带指纹信号的有用光。而发光层501直接发出的向下传播的光，并未携带任何指纹信号。因此，发光层501发出的直接向下传播的光为噪声光，会降低感光像素阵列7接收到的光的信噪比，应当予以去除。

有鉴于此，在一些实施例中，为阻挡发光层501直接向下发射的噪声光，而又保障信号光能顺利通过，可在发光层501和微透镜阵列6之间设置遮光层结构，该遮光层结构用于滤除非信号光或者以上所提及的噪声光。该遮光结构具体可以为第二遮光层(未示出)，其上可设有与指纹接触识别区5相对应的第二透光孔。第二遮光层可由不透光材料制成，或者在任意能起支撑作用的材料(透光或不透光均可)上涂布遮光油墨形成。第二透光孔的形状优选与指纹接触识别区5的形状相同，例如均为圆形、椭圆形、多边形等，从而第二遮光层在对发光层501向下发射的噪声光形成有效隔挡的同时，最大限度的提高信号光的透过量。第二遮光层可设在发光层501背对覆盖层502的表面，即发光层501的下表面，与发光层501形成一体构造。从而，一方面可减小本装置的整体厚度，另一方面可最大限度的避免第二遮光层与发光层501因间隔设置可能导致的漏光。

指纹接触识别区5中的发光层501的发光操作可由一独立的控制模块进行控制，该独立的控制模块可以控制指纹接触识别区5中的发光层501所包含的发光像素点即激励光源作出区别于显示屏101其他区域的发光像素点的操作。上述“区别”具体可为：激励光源与显示屏101其他区域的发光像素点的发光顺序不同。例如，在上述对智能手机进行屏幕解锁的场景中，在智能手机当前的黑屏状态下，该独立的控制模块可以控制发光层501内的发光像素点率先发光。

此外，上述“区别”是指本实施例的装置处于工作状态时，发光层501内的发光像素点(即激励光源)与显示屏101其他区域内的发光像素点存在的操作差异。当本实施例的装置运用的电子设备100处于正常显示状态时，发光层501内的发光像素点与显示屏101其他区域的发光像素点均处于相同的操作模式。此时，发光层501内的发光像素点和显示屏101其他区域可以发射用于显示的面光，例如白光。

因此，发光层501内的发光像素点在显示屏101检测到有待识别物体靠近时启动或率先启动，从而将工作模式切换至工作状态。本发明实施例的屏下光学指纹识别装置还可以具有静息状态。其中，工作状态可以为实施指纹识别时的状态。相应地，静息状态为无需实施或不实施指纹识别时的状态。举例为，显示屏101为触控显示屏，其能基于待识别物体的靠近、接触、按压等动作或者电子设备的内部程序指令，将屏下光学指纹识别装置的工作模式由当前模式切换至工作状态。待完成指纹识别后，再将屏下光学指纹识别装置的工作模式切换至静息状态。

例如，在需要对智能手机进行屏幕解锁的场景中，显示屏101为自发光的LED屏，智能手机当前的黑屏状态即为静息状态。当显示屏101检测到待识别物体的靠近、接触、按压等动作后，发光层501内的发光像素点操作，从而照射待识别物体。当待识别物体为用户的真实手指时，指纹识别成功，完成屏幕解锁。随后，显示屏101其他区域内的发光像素点也发光，用于光强补充，实现画面的均匀显示。

再例如，在智能手机进行指纹支付的场景中，显示屏101为自发光的OLED屏，智能手机当前的醒屏状态即为静息状态。此时，整个OLED屏的发光面板正常操作，用于手机画面的正常显示。当支付界面或支付控件弹出时，发光层501内的发光像素点继续操作，向待识别物体发射探测光，而显示屏101其他区域内的发光像素点熄灭或者亮度降低。当待识别物体为用户的真实手指时，指纹识别成功，完成支付。随后，整个OLED屏的发光面板恢复操作，正常显示手机界面。

感光像素阵列7可以为指纹芯片的一部分。通常情况下，指纹芯片可以包括感光区和非感光区，感光区上可设有感光像素阵列，感光像素阵列所包含的感光像素点与图像数据处理模块连接。因此，可以将指纹芯片上设有感光像素阵列的部分定义为感光像素阵列7。如图5所示，感光像素阵列7的感光区上设置的感光像素阵列可包括呈矩形阵列n×m形式排布的若干个感光像素点701(pixel)，感光像素点701用于接收信号光并感应信号光的强度。

在一个实施例中，图像数据处理模块可以设在指纹芯片的非感光区域上，则图像数据处理模块形成指纹芯片结构的一部分。当然，在一些其他可行的实施例中，图像数据处理模块也可以集成在本发明实施例的装置所应用的电子设备100的核心控制芯片内。如此，可实现功能模块的统一设置，提高结构的集成化程度。此外，采用上述设计，可减省指纹芯片上原本用于设置图像数据处理模块的区域，实现指纹芯片的小型化。或者，可以将指纹芯片上原本用于设置图像数据处理模块的区域(非感光区)上设置感光像素点，从而形成感光区。如此，可提高感光像素点的设置密度，进而可提高成像质量。

实际运用时，感光像素阵列7设置在显示屏101的下方。具体的，诸如智能手机等电子设备100设有中框，感光像素阵列7可通过中框固定在显示屏101的下方。感光像素阵列7用于将接收到的光信号转换成电信号，以生成指纹图像，并进一步将该指纹图像发送给与之信号连接的图像数据处理模块。图像数据处理模块进行图像处理得到指纹信号，并通过算法对指纹信号进行指纹识别，以判断待识别物体是否为用户的真实手指。

具体的，电子设备100可预先录制用户真实手指的指纹图像信息，并存储于本地的信息库中。进行指纹识别时，将生成的指纹图像与信息库中存储的标准指纹图像进行比对。当比对结果显示两者的相似度达到设定阈值时，则认为生成的指纹图像与标准指纹图像完成匹配，判断当前的待识别物体为用户的真实手指。随后，智能手机完成屏幕解锁、权限获取通过(例如支付、登陆等场景)等操作。

反之，若比对结果显示两者的相似度低于设定阈值时，则认为生成的指纹图像与标准指纹图像未匹配，判断当前的待识别物体为打印的指纹图、仿制的指纹膜或指纹膜具等攻击假肢。智能手机继续维持当前的屏幕锁定、权限获取失败等操作界面。

如图4所示，微透镜阵列6包括多个微透镜601(microlens)，其设于感光像素阵列7和激励光源之间。在激励光源由本发明的装置被运用或配置的电子设备100所包括的显示屏101的部分区域形成的实施例中，微透镜阵列6具体位于感光像素阵列7和显示屏101之间。

为简化示图，图5仅示出微透镜阵列6所包含的一个微透镜601、一个微透镜601下的感光像素点701和第一透光孔801的对应关系，以及光路示意的情形。不过，需要说明的是，微透镜阵列6所包含的其他微透镜601以及与对应的感光像素点701、第一透光孔801以及光路示意，可参照图5所示进行复制理解，本发明实施例不因附图仅示出部分而导致范围上有任何损失。

由于真实的用户手指包含脊和谷的纹理起伏，手指的不同位置反射光的角度一般是不同的。且照射手指的激励光源大致位于指纹接触识别区5的下方，手指会因为激励光源的方向性，在不同位置所呈现出阴影效果。如图7所示，在正下方的光，如中间实线箭头所示，会显示出中间亮两边暗的光，右边虚线箭头的光会显示出左边亮右边暗的特征，左边虚线箭头的光显示出左边暗右边亮的特征。

基于此，探测光经用户手指反射后形成的信号光，其反射方向变的杂乱无章。而不同角度的信号光在一个大的微透镜601的折射和汇聚作用之下，会到达对应的感光像素点701。从而，被不同组别的感光像素点701接收并成像。通过图像的亮度以及色彩信息等，可以还原成指纹的立体特征，从而进行防伪。

具体的，如图5和图6所示，当本装置处于工作状态时，激励光源向接触区发射的探测光经待识别物体反射形成多种不同角度的信号光，其中相同角度的至少部分信号光经微透镜601折射后汇聚至同一个感光像素点701，多种不同角度的信号光分别到达对应的感光像素点701。即一个微透镜601下的至少三个感光像素点701分别接收至少三种不同角度的信号光。

承接上文描述，探测光经待识别物体反射后形成的信号光是杂乱无章的，呈各个不同的角度散射。通过设置一个大的微透镜601覆盖至少三个感光像素点701，则可以对至少三个不同角度的信号光进行汇聚处理，使相同角度的至少部分信号光被汇聚到达同一个感光像素点701，不同角度的信号光分别到达对应的感光像素点701。

其中，所述“相同角度的至少部分信号光被汇聚到达同一个感光像素点701”包括：经微透镜601折射汇聚后，相同角度的所有信号光中，只有一部分信号光到达指定的感光像素点701，另一部分信号光并未达到指定的感光像素点701；以及经微透镜601折射汇聚后，相同角度的所有信号光中均达到指定的感光像素点701。在这两种情况下，指定的感光像素点701接收到的信号光均来自于相同角度，区别在于接收到的信号光的亮度或强度不同。

信号光的角度可能较多，能识别不同角度信号光的数量，取决于一个微透镜601下覆盖或对应的感光像素点701的数量。具体的，举例为，任意一个微透镜601朝感光像素阵列7方向的投影覆盖的感光像素点701的数量为至少三个，分别为第一类感光像素点、第二类感光像素点…第N类感光像素点(N≥3)，分别接收N个不同角度的信号光。N个不同角度的信号光可分别为第一角度的信号光、第二角度的信号光…第N角度的信号光。当屏下光学指纹识别装置处于工作状态时，经微透镜601折射后，第一角度的信号光到达第一类感光像素点，第二角度的信号光到达第二类感光像素点…第N角度的信号光到达第N类感光像素点。从而，第一类感光像素点、第二类感光像素点…第N类感光像素点可分别接收第一角度的信号光、第二角度的信号光…第N角度的信号光。

在某些实施例中，至少三个感光像素点701可呈矩阵形式排布。例如，在如图8至图10所示意的实施例中，一个微透镜601分别对应4个、9个、16个感光像素点701，分别呈2×2、3×3、4×4的矩阵排布。那么，这4个、9个、16个感光像素点701可分别4个、9个、16个不同角度的信号光。

进一步地，为使入射至微透镜601的信号光均能被折射后汇聚至对应的感光像素点701上，微透镜601的形状与其下的多个感光像素点701的轮廓形状相适配。如图8至图10所示，一个微透镜601下的多个感光像素点701所围合的轮廓形状呈四边形，该微透镜601的俯视形状也呈等比例放大的四边形。当然，微透镜601的俯视形状并不限于上述四边形，在其他可行的实施例中，在微透镜601下的多个感光像素点701的轮廓形状存在其他形状的情况下，例如六边形、八边形、圆形等，则微透镜601的俯视形状相应的为等比例放大的六边形、八边形、圆形等。这样，微透镜601能将其下的所有感光像素点701完全覆盖，从而避免出现微透镜601未能完全覆盖其下的所有感光像素点701而导致有些信号光未被微透镜601折射而直接传播至感光像素点701的情况。

所有感光像素点701中，接收相同角度信号光的感光像素点701形成一个出图单元。那么，出图单元的数量与一个微透镜601覆盖的感光像素点701的数量相等。如图8所示，所有编号为1的感光像素点701形成一个出图单元，同样的，所有编号分别为2、3、4的感光像素点701各形成一个出图单元，从而总计形成4个出图单元。相似的，如图9所示意的实施例形成了9个出图单元，如图10所示意的实施例形成了16个出图单元。

承接上文描述，图像数据处理模块与感光像素点701信号连接。那么，由接收相同角度信号光的感光像素点701所构成的各出图单元，也相应的与图像数据处理模块信号连接。

那么，多个出图单元可输出多张原始图像，图像数据处理模块接收各个出图单元提供的原始图像。随后，图像数据处理模块可根据多个出图单元输出的多张原始图像可得到彩色指纹图像。进一步地，图像数据处理模块可根据预置的指纹信息库中存储的光强梯度映射表，利用彩色指纹图像求解梯度信息，还原指纹的深度信息，即指纹的脊和谷纹理起伏。如此，完成待识别物体指纹图像的三维立体构建，继而利用三维立体的指纹图像进行防伪识别。

随后，将构建得到的三维立体图像与预先存储的指纹图像进行匹配，以判断待识别物体是否为用户的真实手指。具体的，若匹配一致，判断待识别物体为用户的真实手指。否则，则说明不是用户的真实手指。

进一步地，根据多个出图单元输出的多张原始图像，可经过不同相位补偿(比如位移)和加权(补偿不同波段光照亮的灵敏差)，可提高指纹的三维立体图像的质量，并进行肤色判断。从而，将手指的肤色信息加入指纹识别中，避免类似于采用诸如硅胶、白胶等人工材料制造的指纹模具、3D打印的假肢等的攻击，从而提升指纹识别的防伪效果。

承接上文描述，由于探测光经待识别物体反射后形成的信号光是杂乱无章的，呈各个不同的角度散射。因此，为使相应角度的信号光传播至对应的感光像素点701上(例如使上述第一、第二…第N角度的信号光分别到达第一类、第二类…第N类感光像素点，而相应的降低甚至避免感光像素点701接收其他非目标角度的信号光，如图4至图6所示，感光像素阵列7和微透镜阵列6之间可设有第一遮光层8，与微透镜阵列6中第一微透镜对应的第一遮光层8部分至少设置三个第一透光孔801，至少三个第一透光孔801与第一微透镜601下的至少三个感光像素点701一一对应。其中，所述“第一微透镜”可以为微透镜阵列6所包含的多个微透镜601中的任意一个。所述“一一对应”包括：两者的数量相等，以及第一透光孔801沿信号光的传播方向与感光像素点701一一对应。由于信号光一般以一定的角度入射感光像素点701，因此沿信号光的传播方向相对应的第一透光孔801和感光像素点701，在竖直方向上可能并不完全对齐。具体表现为，第一透光孔801向感光像素阵列7的投影的中心与感光像素点701的中心并不重合。

在本实施例中，与第一微透镜对应的第一遮光层8部分可设有若干组三个第一透光孔801，每组的三个第一透光孔801可构成一个透光单元。每个透光单元所包含的三个第一透光孔801可呈线性排布，即三个第一透光孔801的圆心共线。

在一些实施例中，若干组三个第一透光孔801之间可相互平行。在该实施例中，一个微透镜601下的所有第一透光孔801可呈n×m的矩阵形式排布，相邻排或相邻列的透光单元平行。或者，在另一些实施例中，其中两组三个第一透光孔801之间呈预设角度分布。如图11所示，在该实施例中，一个微透镜601下的所有第一透光孔801可呈辐射状排布。

为提高指纹图像的质量，感光像素点701优选大致位于微透镜601的焦平面上或者略偏上或者略偏下的位置。例如，感光像素点701可位于微透镜601的焦平面略偏下的位置(如图5和图6所示)；或者，感光像素点701可位于微透镜601的焦平面略偏上的位置；亦或者，感光像素点701恰好位于微透镜601的焦平面上。这样，同一个角度的信号光经微透镜601折射后可大致在对应的感光像素点701上或附近汇聚。

由此也可以得知，信号光经微透镜601折射后需经预定长度的光程方能使同一角度的多束信号光在感光像素点701上或附近汇聚。其中，所述“光程”大致与微透镜601的焦距相等。这样，被微透镜601折射后符合预定角度条件的信号光经过第一遮光层8后才能在感光像素点701上或附近汇聚，而被折射后不符合预定角度条件的信号光被第一遮光层8的遮光部分和/或第一透光孔801的内壁所阻挡而不会到达感光像素点701，从而可提高成像质量。

例如，如图5和图6所示意的实施例中，假设位于中间的两束垂直入射微透镜601的信号光被微透镜601折射后，角度在[θ1,θ2]之间的信号光能经过中间的第一透光孔801后在感光像素点701上或附近汇聚。而那些被折射后角度小于θ1或大于θ2的信号光，其并不是垂直入射至微透镜601，因此不会经过中间的第一透光孔801后在感光像素点701上或附近汇聚，而这部分被折射后角度小于θ1或大于θ2的信号光亦会被第一遮光层8的遮光部分和/或第一透光孔801的内壁所阻挡。从而，可实现对应角度的信号光的精细调整，保证对应角度的信号光经微透镜601折射后能准确汇聚至感光像素点701上。

为实现上述光程的调节，在一些可行的实施例中，第一遮光层8可通过中间介质层设在微透镜601的下表面。由于第一遮光层8与微透镜601的材质可能不同，因此采用中间介质层来实现两者的连接，是必要的。其中，中间介质层可以为具有粘性的透明粘胶，例如OCA(Optically Clear Adhesive)光学胶或OCR(Optically Clear Resin)光学胶，本实施例对此不作限定。此外，第一透光孔801中也可填充中间介质层，以避免外部异物侵入而影响信号光的传播。同上，如上设计可减小本装置的整体厚度，另一方面可最大限度的避免第一遮光层8与微透镜601因间隔设置可能导致的漏光。

如图5和图6所示，由于同一角度的多束信号光被微透镜601折射后穿过第一透光孔801朝向与之对应的感光像素点701方向汇聚，因此这些原本相同角度的信号光被微透镜601折射后会逐渐向焦平面处聚拢，从而光路的覆盖面积逐渐减小。有鉴于此，为适配信号光因折射发生汇聚而导致光路覆盖面积的变化，第一透光孔801的孔径可沿信号光的传播方向而逐渐缩小。如此设计，使得只能与第一透光孔801的内壁走势大致相同的信号光通过，而与第一透光孔801的内壁走势不同的信号光被阻挡，从而也可辅助实现对应角度的信号光的调整，使对应角度的信号光到达相应的感光像素点701，非对应角度的信号光不会到达相应的感光像素点701。

为实现第一透光孔801的上述孔径变化，如图5所示，在一些可行的实施例中，第一遮光层8的数量可以为多个(包括但不限于如图5所示意的2层)，其中相邻的第一遮光层8之间也可采用上述的中间介质层实现粘贴，亦或者通过其他方式复合在一起。并且，位于相对上层的第一透光孔801的孔径，大于位于相对下层的第一透光孔801的孔径。或者，如图6所示，在另一些可行的实施例中，第一遮光层8可以为单层，形成在单层的第一遮光层8中的第一透光孔801的孔径由上至下逐渐缩小。

进一步地，为如图4所示，避免微透镜阵列6所包含的多个微透镜601中，相邻的两个微透镜601之间存在的串扰，在微透镜阵列6和第一遮光层8之间可设有第三遮光层9，第三遮光层9上设有第三透光孔903。在本实施例中，第三透光孔903起光阑和/或吸光作用，可有效去除邻近的微透镜对此微透镜信号的干扰，可以一定程度缓解相邻微透镜601之间光信号的干扰。具体的，某些角度的信号光被微透镜601折射后，并没有入射第一透光孔801中，而是入射到第一遮光层8上，并在第一遮光层8上发生反射。如果不设置第三遮光层9，则反射回去的光可能会与从相邻微透镜601出射的信号光之间发生干扰。而通过设置第三遮光层9，可部分隔离相邻微透镜601，进而可至少一定程度上规避上述信号光串扰的问题。

在某些实施例中，为更好的实现光阑和/或吸光作用，第三透光孔903与优选与微透镜601一一对应。当然，第三透光孔903与微透镜601之间可以并不限于上述的一一对应关系，也可以为一个微透镜601对应多个第三透光孔903。进一步地，第三透光孔903的形状可根据微透镜601的形状设置。具体的，第三透光孔903的形状和与第三透光孔903对应的第一微透镜在第一遮光层8上的投影形状相似。举例为，在上文例举微透镜601为四边形的情况下，第三透光孔903的形状也可以设置为四边形，但本实施例并不于此为限。这样，第三透光孔903既不影响光信号的传播，又能较佳的发挥光阑和/或吸光作用。

相较于现有技术中一个微透镜601对应一个感光像素点701的已知实施例而言，本发明实施例中的一个微透镜601对应至少三个感光像素点701。具体的，如图5、图8至图10所示，其中任意一个微透镜601朝感光像素阵列7方向的投影覆盖至少三个感光像素点701。

结合图5可知，信号光经微透镜601折射后，呈不同角度入射至感光像素阵列7。其中，信号光的折射程度与其入射至微透镜601的位置相关。具体为，越接近微透镜601中心入射的信号光，其折射程度越小。反之，越接近微透镜601边缘入射的信号光，其折射程度越大。因此，经微透镜601折射后，信号光的角度差异较大。为使微透镜601折射后相应角度的信号光能够尽可能多且准确的到达对应的感光像素点701，同一个微透镜601下的至少三个第一透光孔801中，至少有一个第一透光孔801的投影偏离与之对应的感光像素点701的中心。

根据上文描述可知，信号光的折射程度与其入射至微透镜601的位置相关，其中对应微透镜601中心位置的感光像素点701一般正对与之对应的第一透光孔801。而一个微透镜601下至少覆盖三个感光像素点701，因此该至少三个感光像素点701相对微透镜601的位置，不可能均是对应微透镜601中心位置。那么，为了能够使其他并不与微透镜601中心位置对应的感光像素点701能够最大程度的接收对应角度的信号光，同一个微透镜601下覆盖的至少三个第一透光孔801中，至少有一个第一透光孔801的投影偏离与之对应的感光像素点701的中心。

继续参阅图5所示，至少第一透光孔801或者感光像素点701的具体偏离方式为，同一个微透镜601下的至少三个感光像素点701中，相对外侧的感光像素点701位于与之对应的第一透光孔801的投影中心的外侧。或者，也可以说，同一个微透镜601下的至少三个第一透光孔801中，相对外侧的第一透光孔801向感光像素阵列7的投影位于与之对应的感光像素点701的中心的内侧。

其中，相对外侧的感光像素点701接收到的信号光，是从相对边缘的位置入射至微透镜601，这类信号光的折射程度较大，很容易被第一遮光层8所遮挡。因此，使相对外侧的感光像素点701向外偏移一些距离，可最大限度的降低被微透镜601折射后的信号光被第一遮光层8所遮挡的可能性，保证位于感光像素阵列7相对外侧或边缘的感光像素点701能顺利的接收到对应角度且被大程度折射后的信号光。

上述实施例可以总结为，一个微透镜601下的至少三个感光像素点701，越靠近微透镜601中心位置处的感光像素点701，其向外偏离的距离或程度越小。反之，越远离微透镜601中心位置处的感光像素点701，其向外偏离的距离或程度越大。

上述为对感光像素点701与第一透光孔801之间的对应位置进行相应的改进或设计以达到提高感光像素点701接收对应角度信号光的实施例。当然，为实现上述目的，并不仅限于上述实施例。在另一种可行的实施例中，可对第一透光孔801的形状进行改进，以适应不同角度的信号光可能存在的光通量的差异。

具体的，结合图5和图11所示，同一个微透镜601下的至少三个第一透光孔801中，至少有两个第一透光孔801的形状相互之间不同。同上，其中对应微透镜601中心位置的第一透光孔801(为方便描述，将其简称为中心第一透光孔801)供折射程度较低的信号光透过。因此，该对应微透镜601中心位置的第一透光孔801的形状可以为圆形。其他第一透光孔801的形状可以为椭圆形，并且随着偏离微透镜601中心位置距离的增大，其他第一透光孔801的圆度(可定义为短轴/长轴)越小。

如图11所示，第一透光孔801具有大致垂直的第一方向和第二方向。同一个微透镜601下的多个透光单元中，每个透光单元所包含的三个第一透光孔801中，至少有一个第一透光孔801所透过信号光的角度与其对应的第一微透镜的法线方向成预设角度的锐角。结合图5和图6所示，位于边缘的左右两个第一透光孔801接收到的信号光为倾斜入射的，与第一透光孔801的法线方向(竖直方向)之间呈锐角。为提高光的通过量，透过信号光与对应的第一微透镜法线方向呈锐角的第一透光孔801(即图5和图6所示意的位于边缘的左右两个第一透光孔801)，当呈预设锐角角度的信号光沿第一方向的信号光的光通量大于沿第二方向的信号光的光通量时，可以相应的使第一透光孔沿第一方向的尺寸大于其沿第二方向的尺寸。这样，使光通量相对较大的方向上的长度尺寸相应增大，使光通量相对较小的方向上的长度尺寸相应缩小，可根据光通量的大小实现第一透光孔801在相应方向的尺寸设置，以适应不同角度的信号光的光通量，最大限度的保证信号光的透过量。

在图11所示意的实施例中，示意性的示出了中心第一透光孔801以及分列在中心第一透光孔801左右和上下各两侧的其他第一透光孔801的形状，以其中位于中心第一透光孔801右侧的其他第一透光孔801为例。可以看出，其他第一透光孔801的形状均可以为椭圆，并且距离中心第一透光孔801越远，第一透光孔801的圆度越小(直观表现为越偏)。那么，第一透光孔801沿图示水平方向(第一方向)的长度尺寸(椭圆的长轴尺寸)，大于其沿图示上下方向(第二方向)的长度尺寸(椭圆的短轴尺寸)。采用该设计的原因在于，信号光沿第一方向或者与第一方向呈锐角的方向入射的光通量较多，而相应的沿第二方向或者与第二方向呈锐角的方向入射的光通量较少。如此，实现根据光通量适配第一透光孔801相应方向的尺寸，从而尽可能的提高信号光的透过量。

本发明实施例的屏下光学指纹识别装置利用多个不同角度的信号光可重构用户指纹的三维立体特征，提高指纹识别的防伪效果。

此外，现有技术中采用微透镜与感光像素点一一对应的结构设计，导致微透镜只能接收平行或大致平行的准之光，从而有效感光区域较小(大约只占感光区域面积的4％左右)，导致感光像素点接收到的信号光的量很少，进而所得到的指纹图像较暗。

而本发明实施例的屏下光学指纹识别装置，通过采用一个较大的微透镜601覆盖多个感光像素点701，则微透镜601可以接收大面积、多角度的信号光，并将相同角度的信号光汇聚至对应的感光像素点701。从而，有效感光区域明显增大，感光像素点701的接光量增多，所得到的指纹图像较亮，指纹图像质量较佳。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容，可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (17)

1.一种屏下光学指纹识别装置，至少具有工作状态；其特征在于，包括：

感光像素阵列，设有若干个感光像素点；

指纹接触识别区，位于所述感光像素阵列的上方；

激励光源，用于向所述指纹接触识别区上的待识别物体发射不同角度的探测光；

微透镜阵列，位于所述感光像素阵列和所述指纹接触识别区之间，包括多个微透镜；其中任意一个所述微透镜朝所述感光像素阵列的投影覆盖至少三个感光像素点；

当所述屏下光学指纹识别装置处于工作状态时，所述激励光源发射的探测光经待识别物体反射形成多种不同角度的信号光；其中，任意一个微透镜下的至少三个感光像素点接收至少三种不同角度的信号光；

所述微透镜阵列和所述感光像素阵列之间设有第一遮光层，与所述微透镜阵列中第一微透镜对应的第一遮光层部分至少设置三个第一透光孔，至少三个所述第一透光孔与所述第一微透镜下的至少三个感光像素点一一对应。

2.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，与所述第一微透镜对应的第一遮光层部分设有若干组所述三个第一透光孔；所述若干组所述三个第一透光孔之间相互平行。

3.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述第一微透镜对应的第一遮光层部分设有若干组所述三个第一透光孔；其中两组所述三个第一透光孔之间呈预设角度分布。

4.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，同一个微透镜下的至少三个第一透光孔中，至少有两个第一透光孔的形状相互之间不同。

5.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述三个第一透光孔中至少有一个第一透光孔所透过的信号光的角度与其对应的第一微透镜的法线方向成预设角度的锐角；呈预设锐角角度的所述信号光沿所述第一透光孔的第一方向透过的光通量大于沿所述第一透光孔的第二方向的信号光的光通量，所述第一透光孔沿第一方向的尺寸大于其沿第二方向的尺寸。

6.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述微透镜阵列与所述第一遮光层之间还设有第三遮光层，所述第三遮光层开有第三透光孔。

7.如权利要求6所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述第三透光孔与所述微透镜一一对应，所述第三透光孔的形状和与所述第三透光孔对应的第一微透镜在所述第一遮光层上的投影形状相似。

8.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述第一透光孔的孔径沿信号光的传播方向而逐渐缩小。

9.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述指纹接触识别区设置于所述屏下光学指纹识别装置应用的电子设备所配置的自发光显示屏上；所述指纹接触识别区包括发光层。

10.如权利要求9所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述发光层包括若干自发光的发光像素点，所述发光像素点构成所述激励光源。

11.如权利要求10所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述发光层不同位置的发光像素点分别用于发射不同角度的探测光。

12.如权利要求9所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述发光层和所述微透镜阵列之间设有第二遮光层，所述第二遮光层上设有与所述指纹接触识别区对应的第二透光孔。

13.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述激励光源为额外设于所述指纹接触识别区下方的光发射装置。

14.如权利要求1所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述微透镜阵列中每个微透镜下接收同一角度信号光的感光像素点构成同一出图单元。

15.如权利要求14所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述屏下光学指纹识别装置还包括图像数据处理模块，所述图像数据处理模块与各出图单元信号连接。

16.如权利要求15所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述图像数据处理模块依据各出图单元提供的信号中的亮度梯度分布，计算待识别物体的指纹深度信息。

17.如权利要求15所述的屏下光学指纹识别装置，其特征在于，所述图像数据处理模块集成在所述屏下光学指纹识别装置应用的电子设备的核心控制芯片内。