CN111898415A - 一种屏下指纹成像方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种屏下指纹成像装置，包括具有一指纹识别区的显示屏，所述的显示屏包括接触面板层和显示屏像素层，显示屏下方设置带有透光小孔阵列的掩模层；还包括位于所述显示屏的指纹识别区下方的光学图像传感器，用于采集接触面板层上的手指指纹的初始图像；还包括一处理单元，控制显示屏像素层点亮照射接触面板层上的指纹接触面，并接收光学图像传感器导出的初始图像，计算出指纹接触面的物面信息。本发明还公开一种屏下指纹成像方法和一种电子设备。本发明不仅可以优化指纹探测器模组厚度，还可以恢复探测面的相位分布提高复杂场景如指纹接触面有液体场景的识别率。

Description

一种屏下指纹成像方法、装置及电子设备

技术领域

本发明涉及电子器件领域光学成像技术，尤其是涉及一种屏下指纹成像方法、装置及电子设备。

背景技术

指纹识别技术通过对指纹图样成像，提取特征并于数据库中的数据匹配从而实现对用户的识别。自从指纹成像和识别应用于手机等移动智能设备以来，为手机使用带来了便利和极大安全性。最近几年，指纹探测器在原理和方法上不断进化。其发展主要体现在分辨率的提高和探测器尺寸的优化上。而对于光学指纹探测方式，相对于以往传统电容式，由于其通过特殊地设计可以直接在显示屏下成像，这极大地优化了移动设备的结构设计和更直观的指纹使用逻辑。

但是光学探测方式目前仍存在一些制约。如公开号为CN 111062367 A的专利申请文件公开的指纹识别装置，置包括发光结构、光学感应元件以及至少一个光学透镜；公开号为CN 107066976 A的专利申请文件提供的具有指纹识别功能的显示装置，包括多个阵列排布的识别单元，每个识别单元内设置有光敏元件，该光敏元件用于对入射光进行光电转化，还包括设置于光敏元件入光侧的准直滤光层，使入射光平行照射至光敏元件。现有技术中，使用光学探测会引入较为复杂的光学结构如透镜或者光纤层或者光线遮挡，导致整体模组变厚结构复杂造价昂贵，这与移动智能设备越来越轻薄的发展趋势相违背。另外，由于光学图像传感器只能接收到光强信号，对于指纹区域附着液体等情况造成的纹路不清晰很难提高识别率。

发明内容

本发明提供一种屏下指纹成像装置，包括具有一指纹识别区的显示屏，所述的显示屏包括自上而下分布的接触面板层、显示屏像素层和带有透光小孔阵列的掩模层；

还包括位于所述显示屏的指纹识别区下方的光学图像传感器，用于采集接触面板层上的手指指纹的初始图像；

还包括一处理单元，控制显示屏像素层点亮照射接触面板层上的指纹接触面，并接收光学图像传感器导出的初始图像，计算出指纹接触面的物面信息。

该装置的原理是通过在指纹接触面和光学传感器面之间加入带小孔阵列的掩模层对成像光场引入支持域约束，压缩解空间大小，因此像面接受到的是引入约束的光场信息。然后通过不同位置的相干光光源照射指纹在像面获取到不同的图像，再根据这些已知信息通过算法迭代逐步优化出物面的强度和相位信息。使用该方法能够很好的去除近场成像衍射的影响，同时该迭代算法并行性良好，可快速优化出较高质量图像，该方法可以同时对物面的相位进行恢复，对于指纹识别率的提高也提供了更多有用信息。

为了获得不同的成像原始图进行重建物面信息，需要照明光源在位置和形状上进行变化。通过分时控制自发光屏幕，更具体地，对于OLED控制接触区域显示图案可以自由控制照明光源的位置。优选的，处理单元控制所述显示屏像素层在指纹识别区内的像素点阵，控制不同位置的像素点亮并利用光学图像传感器同步拍摄，得到多张手指指纹的初始图像。另外，也可以采用不同角度的光源通过光线引导照明指纹区域，照明光源可以是阵列排布的红外波段光源。

为了克服显示屏幕像素亮度不足和范围较小等问题，优选的，所述的屏下指纹成像装置还包括向指纹接触面提供照明的辅助光源。辅助光源采用LED或microLED阵列并独立于显示屏，可配合图像传感器的触发分时控制点亮位置。

优选的，所述的掩模层上阵列的小孔内为透光区域，其他为不透光区域。本申请中，小孔内光透过率接近1，在其他位置光线透过率接近为0。

本申请中，小孔的孔径取决于不同屏幕的像素密度以及像素点电极的大小。优选的，所述小孔的孔径为5～80μm，相邻两小孔的间隔大于孔径。另外，小孔间隔距离取决于屏幕像素之间的间隔，小孔阵列间隔可以是1个或者多个OLED像素距离，进一步优选的，相邻两小孔的间隔为20-90μm。

带小孔阵列的掩模层紧贴于显示屏下方，优选的，所述的掩模层采用镀铬膜，小孔阵列的掩模层采用在像素发光层背面镀金属膜，透光的小孔位置与像素发光电极空隙匹配，与光学图像传感器包括70-400μm的间距。

本申请中，使用的小孔阵列与一些以往提出的小孔阵列方法的原理不同，小孔的作用也不同，传统小孔阵列是利用小孔成像原理。具体地，利用小孔成像原理在结构上要求小孔的开口尽量小，通常被限制在5-40μm,同时为了避免在像面上不同小孔成像的子图像互相重叠，小孔的间距足够大，一般控制在1-1.5mm，这种方式的缺点主要体现在分辨率受制于小孔的PSF，因此成像分辨率受限，小孔尺寸太小对照明光源亮度和导光设计要求很高，本发明中小孔阵列的作用是使局部区域的光场为0，对于解决逆问题中支持域空间进行压缩使得算法能较快地收敛，因此无需要求像空间上的子像无重叠，小孔的孔径和间距可以根据实际采用指纹区域的显示屏的像素电极排布设定数值，由此带来的简洁的机构设计。

本申请中，光学图像传感器可包括集成电路集成图像探测电路和上述的处理单元(即图像处理芯片)。

根据上述的装置，本发明还提供一种屏下指纹成像方法，包括以下步骤：

依次点亮显示屏像素层上不同位置的像素点，照明接触面板层上的手指指纹；

通过光学图像传感器采集不同角度照明下的手指指纹的初始图像；

处理单元利用初始图像计算出指纹的物面信息。

作为优选的，处理单元根据拍摄的多张初始图像，通过重建恢复算法获得计算出的指纹面强度和相位分布。

本发明还可以恢复指纹接触面的相位分布。光学图像传感器无法对相位信息成像，然而对于相干光近场成像，相位能对像面光强照成影响，且随着照明光源的波长或者位置的变化而产生变化，因此通过多帧图像结合所建立的特殊成像系统模型就可以通过迭代优化计算出一个与所观测结果一致的指纹接触面的光强与相位信息的分布。

另外，本发明还提供一种电子设备，包括上述的屏下指纹成像装置。

本发明不仅可以优化指纹探测器模组厚度，还可以恢复探测面的相位分布提高复杂场景如指纹接触面有液体场景的识别率。

附图说明

图1为本发明实施例的屏下无透镜成像装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的指纹探测设备的额示意性框图；

图3为本发明实施例使用的小孔阵列掩模板示意图；

图4为本发明实施例恢复算法示意图。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开的具体实施例的限制。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1-4所示，本实施例的屏下指纹成像装置，包括具有一指纹识别区101的显示屏100。根据图2所示，具体包括接触面板层2，透明玻璃基板3，显示屏像素层4，带小孔301阵列的掩模层5，支撑层6，光学图像传感器7，辅助光源8以及图像处理IC。手指1放置在接触面板层2上。

本装置实施例可以分为三个部分：产生不同照明方式的照明系统，成像系统和图像恢复系统，以下分功能具体说明不同组件之间的作用和配合。

本实施例中照明系统主要由显示屏像素层3的像素光源组成。具体如本领域技术人员将理解的，显示屏幕如OLED同时充当显示屏和照明光源的功能，通过控制在屏幕上显示不同的图案可调控出所需求的不同的照明模式，具体地可在光学探测器所对应屏幕区域中选择一个3x3～7x7的像素点301阵作为照明光源，通过与光学图像传感器同步控制不同点亮位置。

在另一个实施例中，由于较大角度采用像素照明模式不足以满足较高信噪比，还可以采用辅助光源8。具体地，辅助光源8可以是红外LED，由于相对于其他波段光源红外光参透深度更深。

成像系统由图像传感器7以及显示屏像素层3的像素光源构成。在显示屏刷新不同图像的控制点亮像素的位置以及不同颜色，具体地，为了平衡恢复效率和质量，点亮像素的间隔可调节。同时在成像控制端调节相机的曝光时间和增益等参数。

如图1中的指纹范围可探测示意图，本实施例可实现较大的指纹探测区域。具体地，可采用超大靶面光学探测器，可采用对角线30～60mm尺寸的CCD/CMOS作为感光器件。如前所述，传统光学成像方法若使用大靶面的CCD/CMOS，其所配备的光学镜头势必尺寸也会非常大，对于在移动智能终端设备设计中不可取，本实施例采用的无透镜成像方法可以充分利用大靶面图像传感器使得指纹可探测区域大幅度增加，为“半屏指纹”提供解决方案。

本实施例中，成像系统包括一层带小孔301阵列的掩模层5，现在将描述其具体细节。以往的类似结构成像刚发中，小孔阵列作用是利用小孔成像原理，其分辨率受小孔大小影响，然后小孔越小系统对于光源的要求越高。

如图3所示，掩模层5上阵列的小孔301内为透光区域，其他为不透光区域，小孔内光透过率接近1，在其他位置光线透过率接近为0。小孔的孔径取决于不同屏幕的像素密度以及像素点电极的大小，具体地，小孔的孔径为5～80μm，另外，小孔间隔距离取决于屏幕像素之间的间隔，小孔阵列间隔可以是1个或者多个OLED像素距离，如相邻两小孔的间隔为20-90μm。

在另一个实施例中，一种屏下指纹成像方法，根据上述的屏下指纹成像装置实施，包括以下步骤：

依次点亮显示屏像素层上不同位置的像素点，照明接触面板层上的手指指纹；

通过光学图像传感器采集不同角度照明下的手指指纹的初始图像；

处理单元利用初始图像计算出指纹的物面信息。

本实施例中，依次点亮后，分时拍摄多张图片的数量可在9-100张。

处理单元根据拍摄的多张初始图像，通过重建恢复算法获得计算出的指纹面强度和相位分布。

本实施例中，在构建整个系统的成像模型时，对于恢复相位时增加一个约束方便在求解逆问题时更准确快速的收敛，参考图4具体的优化算法步骤如下：

1)建立系统成像模型

根据屏幕和小孔的光学特性建立成像模型。如图4所示，光场由像素点光源以及辅助光源产生并传播到手指屏幕接触面反射，反射光受到指纹接触面的强度调制和相位调制再自由传播至小孔阵列面，对部分光场限制为0，再经过小孔阵列和光学传感器之间的间隙传播至像面。

2)用拍到的多张照明时刻图案逐步恢复物面的强度和相位。随机赋予物面初值，并通过光场传播模型得到其在像面分布，用实拍的强度图替换其实部并保持虚部不变，即强度替换，相位不变。然后将该像面光场反向传播至物面得到更新过的物面信息，并用新的物面信息重复上述过程，如此重复迭代数次，直到算法收敛得到物面最优解。

当某个照明光源点亮时，会受到物面调制形成与照明光源位置相关的光强分布和相位分布。其中，相位分布随着光源位置不同会有更加显著性的差异，然后经过自由空间传播到小孔掩膜层经过小孔调制形成新的光强和相位分布，最后会在经过一次自由传播到达光学传感器拍摄到相面的分布，并且通过光学传感器获得不同点亮位置时的光强分布。虽然探测器只采集到了光强信息，但是其中隐藏着物面的相位信息。利用交替投影法，将不同位置光源对应的采集光强分布图作为输入，结合小孔以及成像模型迭代计算出物面的相位信息。迭代过程如下：

1.首先对物面假设一个光强和相位分布；

2.根据成像模型计算出像面的光强和相位分布；

3.将对应某个位置照明光采集到的光强分布图替代计算出的光强分布同时保持相位分布不变；

4.再依据成像模型将步骤3中像面更新过的光强和相位分布映射出新的物面光强及相位分布。

如此循环迭代，直至算法收敛，即可同时计算出物面的光强信息和相位信息。

本实施例中，在手指接触面有水时，通过恢复相位分布信息，利用相位分布信息提高成像质量和识别率。

一种电子设备，包括上述的屏下指纹成像装置。电子设备可以包括各种具有无线通信功能的手持设备、车载设备、可穿戴设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其他处理设备，以及各种形式的用户设备(User Equipment，UE)，移动台(Mobile Station，MS)，终端设备(terminal device)等。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种屏下指纹成像装置，包括具有一指纹识别区的显示屏，其特征在于，所述的显示屏包括接触面板层和显示屏像素层，显示屏下方设置带有透光小孔阵列的掩模层；

还包括位于所述显示屏的指纹识别区下方的光学图像传感器，用于采集接触面板层上的手指指纹的初始图像；

还包括一处理单元，控制显示屏像素层点亮照射接触面板层上的指纹接触面，并接收光学图像传感器导出的初始图像，计算出指纹接触面的物面信息。

2.根据权利要求1所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，处理单元控制所述显示屏像素层在指纹识别区内的像素点阵，控制不同位置的像素点亮并利用光学图像传感器同步拍摄，得到多张手指指纹的初始图像。

3.根据权利要求1所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，所述的屏下指纹成像装置还包括向指纹接触面提供照明的辅助光源。

4.根据权利要求1所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，所述的掩模层上阵列的小孔内为透光区域，其他为不透光区域。

5.根据权利要求4所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，所述小孔的孔径为10～80μm，相邻两小孔的间隔大于孔径。

6.根据权利要求5所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，相邻两小孔的间隔为20-90μm。

7.根据权利要求5所述的屏下指纹成像装置，其特征在于，所述的掩模层采用镀铬膜，与光学图像传感器包括70-400μm的间距。

8.一种屏下指纹成像方法，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的屏下指纹成像装置实施，包括以下步骤：

依次点亮显示屏像素层上不同位置的像素点，照明接触面板层上的手指指纹；

通过光学图像传感器采集不同角度照明下的手指指纹的初始图像；

处理单元利用初始图像计算出指纹的物面信息。

9.根据权利要求8所述的屏下指纹成像方法，其特征在于，处理单元根据拍摄的多张初始图像，通过重建恢复算法获得计算出的指纹面强度和相位分布。

10.一种电子设备，其特征在于，包含权利要求1-7任一项所述的屏下指纹成像装置。

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