CN111860470A - 屏下指纹识别设备与屏下指纹识别方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种屏下指纹识别设备与屏下指纹识别方法，屏下指纹识别设备包括透明盖板；发光器件，位于透明盖板的一侧；微透镜阵列，位于发光器件的远离透明盖板的一侧，微透镜阵列包括多个依次排列的微透镜；CMOS芯片，位于微透镜阵列的远离发光器件的一侧，且位于微透镜阵列的像方焦平面处，微透镜阵列将指纹反射的光成像在CMOS芯片上。屏下指纹识别设备采用微透镜阵列代替单个大透镜成像，能够降低设备的整体厚度，实现设备的薄型化，同时该设备结构简单，有效的节省了成本。

Description

屏下指纹识别设备与屏下指纹识别方法

技术领域

本申请涉及光学领域，具体而言，涉及一种屏下指纹识别设备、屏下指纹识别方法、屏下指纹识别装置以及电子设备。

背景技术

目前行业内实现屏下指纹识别的光学方法主要有两种，即准直层方法和摄像模组方法。准直层法是通过光源发出的光透过玻璃盖板照射在指纹上，指纹再将光反射，经过准直后打在感光芯片上，可得出二维指纹图像。但准直层法需要的准直光角度很小，通常在3°以内，这样的能量利用率较低，信噪比很低，且准直层方案的整体厚度较大。摄像模组法则是通过屏下摄像头来实现。光线通过光圈均匀照射到手指后，聚焦到图像传感器上，进而进行比对，实现指纹识别。采用摄像模组法，装置的结构复杂，厚度较大，难以实现薄型化。

因此，亟需一种能够解决现有技术中厚度较大的问题的屏下指纹识别装置。

在背景技术部分中公开的以上信息只是用来加强对本文所描述技术的背景技术的理解，因此，背景技术中可能包含某些信息，这些信息对于本领域技术人员来说并未形成在本国已知的现有技术。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种屏下指纹识别设备、屏下指纹识别方法、屏下指纹识别装置以及电子设备，以解决现有技术中屏下指纹识别装置厚度大的问题。

为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种屏下指纹识别设备，包括透明盖板、发光器件、微透镜阵列与CMOS芯片，发光器件位于透明盖板的一侧；微透镜阵列位于所述发光器件的远离所述透明盖板的一侧，所述微透镜阵列包括多个依次排列的微透镜；CMOS芯片位于所述微透镜阵列的远离所述发光器件的一侧，且位于所述微透镜阵列的像方焦平面处，所述微透镜阵列将指纹反射的光成像在所述CMOS芯片上。

可选地，所述微透镜阵列包括基材层与多个微透镜，基材层位于所述发光器件的远离所述透明盖板的一侧；多个微透镜位于所述基材层的表面上，且多个所述微透镜沿第一方向依次排列，所述第一方向与所述微透镜的厚度方向垂直。

可选地，所述微透镜在所述第一方向上的宽度在10～100μm之间，所述微透镜在第二方向上的宽度在10～100μm之间，所述第二方向、所述第一方向以及所述微透镜的厚度方向中任意两个相互垂直，所述微透镜的最大厚度在3～30μm之间。

可选地，所述微透镜的远离所述CMOS芯片的表面包括平面和/或曲面。

可选地，所述微透镜的远离所述CMOS芯片的表面由一个曲面形成。

可选地，所述CMOS芯片包括多个依次排列的成像单元，所述成像单元在第一方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，所述成像单元在第二方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，所述第一方向、所述第二方向与所述成像单元的厚度方向中任意两个方向相互垂直，一个所述微透镜在所述CMOS芯片上的投影覆盖多个所述成像单元。

可选地，所述发光器件包括多个依次排列的发光单元，所述发光单元在第一方向上的宽度在5～50μm之间，所述发光单元在第二方向上的宽度在5～50μm之间，所述第一方向与所述第二方向垂直，任意相邻两个所述发光单元的间距在10～100μm之间，且所述发光单元的面积小于所述微透镜的面积。

可选地，所述透明盖板为玻璃盖板。

可选地，所述发光器件为OLED芯片。

根据本申请的另一方面，提供了一种屏下指纹识别方法，使用上述中任一种所述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图；将若干个所述局部指纹生成的所述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。

根据本申请的又一方面，提供了一种屏下指纹识别装置，包括上述中任一种所述的屏下指纹识别设备与软件，上述中任一种所述的屏下指纹识别设备用于得到若干个局部指纹生成的局部成像图；软件用于将若干个所述局部指纹生成的所述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。

根据本申请的再一方面，提供了一种电子设备，包括显示屏与屏下指纹识别装置，所述屏下指纹识别装置为所述的屏下指纹识别装置。

应用本申请的技术方案，通过所述发光器件发出光线照射到指纹上，所述微透镜阵列接收指纹反射回来的光并将反射光成像在所述CMOS芯片上，所述CMOS芯片接收指纹光信号并将所述光信号转换成电信号，再产生指纹图像。所述屏下指纹识别设备采用所述微透镜阵列代替单个大透镜成像，能够降低设备的整体厚度，实现设备的薄型化，同时所述屏下指纹识别设备结构简单，有效的节省了成本。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本申请的实施例的屏下指纹识别设备的示意图；

图2示出了根据本申请的实施例的OLED芯片的局部示意图；

图3示出了根据本申请的实施例的微透镜的示意图；

图4示出了根据本申请的实施例的CMOS芯片的局部示意图；

图5示出了根据本申请的实施例的屏下指纹识别设备光路的示意图；

图6示出了根据本申请的实施例的屏下指纹识别设备光路的示意图；

图7示出了根据本申请的实施例的模拟微透镜阵列成像示意图；以及

图8示出了根据本申请的实施例的微透镜成像示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

11、透明盖板；12、发光器件；13、微透镜阵列；14、CMOS芯片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解的是，当元件(诸如层、膜、区域、或衬底)描述为在另一元件“上”时，该元件可直接在该另一元件上，或者也可存在中间元件。而且，在说明书以及权利要求书中，当描述有元件“连接”至另一元件时，该元件可“直接连接”至该另一元件，或者通过第三元件“连接”至该另一元件。

正如背景技术所介绍的，现有的屏下指纹识别设备厚度较大，难以实现薄型化，为了解决如上技术问题，本申请提出了一种屏下指纹识别设备、屏下指纹识别方法、屏下指纹识别装置以及电子设备。

本申请的一种典型的实施例中，提供了一种屏下指纹识别设备，如图1所示，包括透明盖板11、发光器件12、微透镜阵列13与CMOS芯片14，发光器件12位于透明盖板11的一侧；微透镜阵列13位于上述发光器件12的远离上述透明盖板11的一侧，上述微透镜阵列13包括多个依次排列的微透镜；CMOS芯片14位于上述微透镜阵列13的远离上述发光器件12的一侧，且位于上述微透镜阵列13的像方焦平面处，上述微透镜阵列13将指纹反射的光成像在上述CMOS芯片14上。

上述屏下指纹识别设备中，通过上述发光器件发出光线照射到指纹上，上述微透镜阵列接收指纹反射回来的光并将反射光成像在上述CMOS芯片上，上述CMOS芯片接收指纹光信号并将上述光信号转换成电信号，再产生指纹图像。上述屏下指纹识别设备采用上述微透镜阵列代替单个大透镜成像，能够降低设备的整体厚度，实现设备的薄型化，同时上述屏下指纹识别设备结构简单，有效地节省了成本。

本申请的一种实施例中，上述微透镜阵列13包括基材层与多个微透镜，基材层位于上述发光器件的远离上述透明盖板的一侧；多个微透镜位于上述基材层的表面上，且多个上述微透镜沿第一方向依次排列，上述第一方向与上述微透镜的厚度方向垂直。上述基材层可以为半导体硅片、硅氧化物或者氮化物制作而成，上述微透镜是一种光路调制器，入射到上述微透镜的手指的反射光可以穿过上述微透镜并被上述CMOS芯片接收，从而检测出手指的指纹图像，上述微透镜保证了由手指反射回来的光线的质量较好，从而保证了上述CMOS芯片接收到的光信号性能较好，进一步保证了指纹成像的清晰度高。当然，上述基材层还可以为其他材料制作而成。

本申请的另一种实施例中，上述微透镜在上述第一方向上的宽度在10～100μm之间，上述微透镜在第二方向上的宽度在10～100μm之间，上述第二方向、上述第一方向以及上述微透镜的厚度方向中任意两个相互垂直，上述微透镜的最大厚度在3～30μm之间。通过控制上述微透镜的厚度，进一步地降低了上述屏下指纹识别设备的厚度，同时通过控制上述微透镜的上述第一方向和上述第二方向上的宽度可以有效控制上述微透镜的面积，保证上述微透镜阵列中的上述微透镜的排列密度，从而保证了穿过上述微透镜的指纹反射光线强度高、性能好，从而得到高清晰度的指纹图像。

本申请的又一种实施例中，上述微透镜的远离上述CMOS芯片的表面包括平面和/或曲面，具体包括三种情况：上述微透镜的表面由一个或者多个平面组成；上述微透镜的表面由一个或者多个曲面组成；上述微透镜的表面由多个平面和曲面组合而成。指纹反射光线经过上述微透镜的平面和/或曲面，实现光学折射来达到光路调制的作用，进一步地保证了上述CMOS芯片接收到的指纹反射光线质量好，进而保证了指纹成像的高清晰度、高分辨率。

本申请的一种具体的实施例中，如图3所示，上述微透镜的远离上述CMOS芯片的表面由一个曲面形成。上述曲面可以为球面，也可以为自由曲面，当然，优选自由曲面。上述球面存在球差，相差较大，上述自由曲面相差较小，上述自由曲面的调制效果比上述球面好，对光路的调制效果更好。

本申请的另一种具体实施例中，如图4所示，上述CMOS芯片包括多个依次排列的成像单元，上述成像单元在第一方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，上述成像单元在第二方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，上述第一方向、上述第二方向与上述成像单元的厚度方向中任意两个方向相互垂直，一个上述微透镜在上述CMOS芯片上的投影覆盖多个上述成像单元。一个上述微透镜对应多个上述CMOS芯片上的上述成像单元，使得上述CMOS芯片的多个上述成像单元能更加准确的接收到经过上述微透镜的指纹的反射光，从而更加准确、清晰的呈现指纹图像。

本申请的一种实施例中，如图2所示，上述发光器件包括多个依次排列的发光单元，上述发光单元在第一方向上的宽度在5～50μm之间，上述发光单元在第二方向上的宽度在5～50μm之间，上述第一方向与上述第二方向垂直，任意相邻两个上述发光单元的间距在10～100μm之间，且上述发光单元的面积小于上述微透镜的面积。上述发光器件的多个上述发光单元可以单独局部照亮指纹区域，由于指纹不发光，必须通过上述发光器件的多个发光单元发光照射在指纹上再反射到CMOS芯片上来成像，上述微透镜对应多个上述发光单元，保证了对指纹的区域的全面照射与采集，使得经由上述CMOS成像得到的指纹图像更加完整、准确且清晰。

为了保证上述指纹反射的光线能完整的被上述CMOS芯片所接收并转换，进一步地保证指纹成像质量，本申请的再一种具体的实施例中，上述透明盖板为玻璃盖板。

本申请的另一种具体的实施例中，上述发光器件为OLED芯片。上述OLED芯片为指纹提供了光源，由于指纹不发光，必须通过上述OLED芯片发光照射在指纹上再反射后通过上述微透镜阵列入射到上述CMOS芯片上。且上述OLED芯片不透光，尽管其间隙处可透光，但是由于本申请的上述屏下指纹识别设备的成像方式，上述间隙透光并不影响指纹的成像质量，这样保证了指纹图像的清晰、完整。

当然，本申请的上述发光器件并不限于OLED，还可以为LED、miniLED、microLED或者AMOLED中的至少一种。

本申请的另一种典型的实施例中，提供了一种屏下指纹识别方法，使用上述中任一种上述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图；将若干个上述局部指纹生成的上述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。上述算法拼接包括如下步骤：

步骤S101，对多个上述局部成像图进行二值化处理；

步骤S102，将上述二值化后的多个上述局部成像图对应的轮廓像素xy坐标提取出来；

步骤S103，拟合上述轮廓像素xy坐标，得到拟合曲线；

步骤S104，将多个上述局部成像图按照上述拟合曲线拼接成一幅大图；

步骤S105，延伸上述曲线至多个上述局部成像图的边界处。

当然，还可以通过其他常规算法对若干个局部指纹生成的上述局部成像图进行拼接，得到整个指纹的成像图。

通过上述的屏下指纹识别方法，使用上述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图，经由上述算法拼接得到整个指纹的成像图，解决了使用现有技术的屏下指纹识别方法得到的装置厚度较大、难以实现薄型化的问题，使得装置在保证成像清晰度高、分辨率高的同时，还能实现薄型化。

本申请的一种的实施例中，提供了一种屏下指纹识别装置，包括上述中任一种上述的屏下指纹识别设备与软件，上述中任一种上述的屏下指纹识别设备用于得到若干个局部指纹生成的局部成像图；软件用于将若干个上述局部指纹生成的上述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。

上述屏下指纹识别装置通过上述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图，再经由软件进行上述局部成像图的算法拼接，能得到清晰度高、图像完整的指纹图像，并且上述屏下指纹识别装置厚度薄、结构简单，有效的节约了装置的制作成本。

本申请的又一种实施例中，提供了一种电子设备，包括显示屏与屏下指纹识别装置，上述屏下指纹识别装置为上述的屏下指纹识别装置。

上述电子设备使用上述屏下指纹识别装置，实现了薄型化的效果，进一步减小了上述电子设备的整体厚度，同时使用上述屏下指纹识别装置能得到分辨率高、清晰度好的指纹图像，进一步保证了电子设备的指纹解锁功能的灵敏度和准确性，进而保证了电子设备的解锁安全性能。

为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明。

实施例1

形成了如图1所示的屏下指纹识别设备，包括包括透明盖板11、发光器件12、微透镜阵列13与CMOS芯片14，具体地：

上述透明盖板11可以为玻璃盖板，包括了指纹放置区域。

上述玻璃盖板的一侧为上述发光器件12，上述发光器件的示意图如图2所示，上述发光器件可以为OLED芯片，上述OLED芯片由多个依次排列的OLED组成，上述OLED在上述第一方向上的宽度为25μm，在上述第二方向上的宽度为25μm，任意两个上述OLED的间距为50μm，上述OLED面积需小于上述微透镜面积。

在OLED芯片的远离上述玻璃盖板的一侧为上述微透镜阵列13，如图1所示，上述微透镜阵列13将指纹反射的光成像在上述CMOS芯片14上，上述微透镜阵列13由多个依次排列的上述微透镜组成，上述微透镜示意图如图3所示，多个上述微透镜在上述第一方向上的宽度为50μm，在上述第二方向上的宽度为50μm，上述微透镜的厚度为15μm，上述微透镜的表面为曲率半径为45μm的球面，上述微透镜接受一定角度限定的入射光，一般光线与上述微透镜的厚度方向的夹角为10°到30°，球面半径越小可接受的入射角越大。本实施例的上述球面半径为45μm的上述微透镜可以接受15°入射光。当上述球面半径为35μm时上述微透镜可接受20°入射光。

在上述微透镜阵列13的远离上述OLED芯片的一侧为上述CMOS芯片14，上述CMOS芯片14接受指纹光信号，并转换成电信号，再产生图像，上述CMOS芯片的局部示意图如图4所示，上述CMOS芯片14由多个依次排列的上述成像单元组成，上述成像单元在上述第一方向上的像素宽度为1μm，在上述第二方向上的像素宽度为1μm，一个上述微透镜对应若干个上述成像单元。

上述屏下指纹识别设备的光路图如图5和图6所示，指纹放置与上述玻璃盖板上，上述OLED芯片发出光线照射到上述指纹上，上述指纹的反射光经过上述微透镜阵列13被上述CMOS芯片14接收，上述CMOS芯片14接收光信号后将其转换成电信号，再产生上述指纹图像。图7和图8分别示出了模拟上述微透镜阵列成像图和单个上述微透镜成像图，结合图7和图8可见，每个上述微透镜的成像图各不相同，但是相邻的若干个上述微透镜成像图有一定的关联。经过上述算法拼接后，可得到整个指纹图像。

当然，上述透明盖板还可以为其他材质的透明盖板；上述发光器件还可以为其他类型的发光器件，如LED、miniLED、microLED、AMOLED等；上述微透镜的表面还可以为其他的平面和/或曲面；上述微透镜在上述第一方向上的宽度还可以是10～100μm之间的任意值，在上述第二方向上的宽度还可以是10～100μm之间的任意值，厚度还可以是3～30μm之间的任意值；上述CMOS芯片的成像单元在上述第一方向上的像素宽度还可以是0.5～50μm之间的任意值，在上述第二方向上的像素宽度还可以是0.5～50μm之间的任意值；上述OLED在上述第一方向上的宽度还可以是5～50μm之间的任意值，在上述第二方向上的宽度还可以是5～50μm之间的任意值，任意相邻两个上述OLED的间距还可以是在10～100μm之间的任意值。

从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：

1)、本申请的屏下指纹识别设备，通过上述发光器件发出光线照射到指纹上，上述微透镜阵列接收指纹反射回来的光并将反射光成像在上述CMOS芯片上，上述CMOS芯片接收指纹光信号并将上述光信号转换成电信号，再产生指纹图像。上述屏下指纹识别设备采用上述微透镜阵列代替单个大透镜成像，能够降低设备的整体厚度，实现设备的薄型化，同时上述屏下指纹识别设备结构简单，有效的节省了成本。

2)、本申请屏下指纹识别方法，使用上述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图，经由上述算法拼接得到整个指纹的成像图，解决了使用现有技术的屏下指纹识别方法得到的装置厚度较大、难以实现薄型化的问题，使得装置在保证成像清晰度高、分辨率高的同时，还能实现薄型化。

3)、本申请的屏下指纹识别装置，通过上述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图，再经由软件进行上述局部成像图的算法拼接，能得到清晰度高、图像完整的指纹图像，并且上述屏下指纹识别装置厚度薄、结构简单，有效的节约了装置的制作成本。

4)、本申请的电子设备使用上述屏下指纹识别装置，实现了薄型化的效果，进一步减小了上述电子设备的整体厚度，同时使用上述屏下指纹识别装置能得到分辨率高、清晰度好的指纹图像，进一步保证了电子设备的指纹解锁功能的灵敏度和准确性，进而保证了电子设备的解锁安全性能。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种屏下指纹识别设备，其特征在于，包括：

透明盖板；

发光器件，位于透明盖板的一侧；

微透镜阵列，位于所述发光器件的远离所述透明盖板的一侧，所述微透镜阵列包括多个依次排列的微透镜；

CMOS芯片，位于所述微透镜阵列的远离所述发光器件的一侧，且位于所述微透镜阵列的像方焦平面处，所述微透镜阵列将指纹反射的光成像在所述CMOS芯片上。

2.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述微透镜阵列包括：

基材层，位于所述发光器件的远离所述透明盖板的一侧；

多个微透镜，位于所述基材层的表面上，且多个所述微透镜沿第一方向依次排列，所述第一方向与所述微透镜的厚度方向垂直。

3.根据权利要求2所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述微透镜在所述第一方向上的宽度在10～100μm之间，所述微透镜在第二方向上的宽度在10～100μm之间，所述第二方向、所述第一方向以及所述微透镜的厚度方向中任意两个相互垂直，所述微透镜的最大厚度在3～30μm之间。

4.根据权利要求3所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述微透镜的远离所述CMOS芯片的表面包括平面和/或曲面。

5.根据权利要求3所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述微透镜的远离所述CMOS芯片的表面由一个曲面形成。

6.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述CMOS芯片包括多个依次排列的成像单元，所述成像单元在第一方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，所述成像单元在第二方向上的像素宽度在0.5～50μm之间，所述第一方向、所述第二方向与所述成像单元的厚度方向中任意两个方向相互垂直，一个所述微透镜在所述CMOS芯片上的投影覆盖多个所述成像单元。

7.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述发光器件包括多个依次排列的发光单元，所述发光单元在第一方向上的宽度在5～50μm之间，所述发光单元在第二方向上的宽度在5～50μm之间，所述第一方向与所述第二方向垂直，任意相邻两个所述发光单元的间距在10～100μm之间，且所述发光单元的面积小于所述微透镜的面积。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述透明盖板为玻璃盖板。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述发光器件为OLED芯片。

10.一种屏下指纹识别方法，其特征在于，

使用权利要求1至9中任一项所述的屏下指纹识别设备得到若干个局部指纹生成的局部成像图；

将若干个所述局部指纹生成的所述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。

11.一种屏下指纹识别装置，其特征在于，包括：

权利要求1至9中任一项所述的屏下指纹识别设备，用于得到若干个局部指纹生成的局部成像图；

软件，用于将若干个所述局部指纹生成的所述局部成像图进行算法拼接，获取整个指纹的成像图。

12.一种电子设备，包括显示屏与屏下指纹识别装置，其特征在于，所述屏下指纹识别装置为权利要求11所述的屏下指纹识别装置。

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