CN1926556A - 用于移动设备的光学指纹输入装置 - Google Patents

Abstract

一种用于移动设备的光学指纹图像输入装置，包括：板形的指纹接触元件；用于校正失真的失真校正元件；布置在指纹接触元件非斜面的两侧的光源或者液晶显示元件的背光源；设置在失真校正元件斜面的调焦装置；以及图像传感器。换句话说，具有各自的设置倾角的指纹接触元件和失真校正元件被设置为能够辨别汗、水或油，能够校正使用较薄指纹接触元件时所产生的不利的梯形失真，以及能够形成包含柱面透镜和球面透镜的、用于调节图像的横向和纵向长度比例的透镜系统。

Description

用于移动设备的光学指纹输入装置

技术领域

本发明涉及一种能用于诸如蜂窝电话等移动设备的光学指纹输入装置，更具体而言，本发明涉及一种能够获得没有任何图像失真的、高分辨率的指纹信息的薄光学指纹输入装置。

背景技术

通常，有三种方法可以获得人类的指纹信息，即间接方法、光学方法和非光学方法。间接方法包括使用扫描仪或摄像机来扫描或拍摄印在纸上的指纹，而非光学方法则利用了电场原理。

最有效率和常见的方法是光学方法。如图1所示，用于光学输入指纹的装置包括用于照亮指纹区域的光源(1)、用于散射光源(1)生成的光的散射板(2)、棱镜(3)、用于形成在棱镜(3)的指纹捕获面(3-a)上形成的指纹图像的透镜(4)和用于将在透镜(4)上形成的指纹图像转换为电信号的图像传感器(5)。

在上述的光学指纹输入装置中，当指纹区域接触棱镜(3)的指纹捕获面(3-a)时，来自光源(1)的光束被脊线(ridge line)和低凹处(valley)反射和吸收，其中，反射光束入射到棱镜(3)上，反射光束的图像形成于透镜(4)上，并且在透镜(4)上形成了图像的光束入射到图像传感器(5)上，以允许输入指纹图像。

然而，根据现有技术的上述光学指纹输入装置有一个缺陷，即装置的小型化受到透镜厚度的限制，这使得它难以与其他装置集成。

为了解决上述缺陷，棱镜被变薄以形成薄平面。然而这带来了另一个缺陷，即当棱镜的厚度被变薄时，斜面倾角变大，从而使得指纹图像的梯形失真发生相应的恶化，这使得其不能被用于高度重视薄-轻-小外观的移动设备，如蜂窝电话。

它还有另一个缺陷，就是在该装置被用于蜂窝电话时，人手或人脸上的油可能会玷污光学指纹输入装置的指纹接触区域，这使得难以区别油信息和指纹信息以及难以验证指纹。

发明内容

本发明被公开以解决前面提到的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于移动设备的光学指纹输入装置，该装置配置为厚度较薄，能够从其上去除油和汗，以能避免指纹图像的失真，从而易于应用在移动设备中。

依照本发明的一个优选的实施方案，用于移动设备的光学指纹输入装置包括：指纹输入元件，由薄板形透光材料制成，其上形成有用来接收指纹图像的入射面以及在一侧接触所述入射面的斜面；失真校正元件，由盒形透光材料制成，设置有与所述指纹输入元件的斜面相对的入射面以及形成为与所述失真校正元件的入射面相反的、与所述指纹输入元件的斜面的倾斜方向相反的斜面；图像形成单元，用来穿透地形成被所述失真校正元件的斜面反射的指纹图像；图像传感器，用来接收所述图像形成单元所形成的所述指纹图像，以生成与输入图像相应的信号。

优选地，所述图像形成单元包括用于缩小和放大图像在任一方向上的长度的柱面透镜和用于形成图像的球面透镜。

优选地，所述指纹输入元件设置在移动设备的液晶显示元件的顶部上，以与所述移动设备的显示装置相集成，从而所述液晶显示元件的背光模块能够被公共地用作所述指纹输入元件和所述移动设备的显示装置的光源。

优选地，用于移动设备的光学指纹输入装置进一步包括：反射元件，用来阻挡透过所述图像形成单元得到的指纹图像，以及用来使得来自所述移动设备的其他部件的其他图像能被输入到所述图像传感器；以及移动机构，用来根据用户在阻挡所述图像形成单元和所述图像传感器之间的光路的位置与不阻挡所述光路的位置之间做出的选择来移动所述反射元件，从而使得一个图像传感器能够被公共地用于指纹输入装置和所述移动设备的摄像机。

附图说明

为了更好地理解本发明的实质和目的，请参照下面关于附图的详述，其中：

图1是用来说明根据现有技术的光学指纹输入装置的示意性框图；

图2是用来说明根据本发明的第一实施方案的、用于移动设备的光学指纹输入装置的示意性框图；

图3a和3b是用来解释相对于图2中所示的指纹输入元件布置光源的其他实施例的示意图；

图4是用来解释发生在不同介质分界面上的光束折射现象的示意图；

图5是用来解释如何辨别油、水和汗的原理的示意图；

图6是用来解释梯形失真的发生原因的示意图；

图7是用来解释发生在棱镜上的虚像的示意图；

图8a和8b是用来解释虚像发生的原因的示意图；

图9是用来解释虚像如何形成的原理的示意图；

图10是用来说明图2中的光学指纹输入装置应用于蜂窝电话的一个实施例的示意图；

图11a和11b是用来说明通过图10中的液晶显示装置的蜂窝电话的固有显示功能和指纹输入功能的实施方案的示意图；

图12a和12b是用来说明根据本发明的第二实施方案的、用于移动设备的光学指纹接触装置的示意图；

图13a和13b是用来说明图12a和12b中的光学指纹接触装置应用于蜂窝电话的情形的示意图；

图14a和14b是用来说明根据本发明的第三实施方案的、用于移动设备的光学指纹接触装置的示意图。

具体实施方式

现在参照附图详述本发明的优选的实施方案，其中，这些实施方案并非限定本发明的范围，而仅作为说明性目的给出。

<第一实施方案>

参照图2，用于移动设备的光学指纹输入装置包括指纹输入元件(10)、光源(20)、失真校正元件(30)、第一和第二反射元件(40，41)、图像形成单元(50)和图像传感器(60)。

由薄板形的透光材料(例如玻璃、塑料等)制成的指纹输入元件(10)在其上形成有用来接收手指(F)的指纹图像的入射面(11)、以及位于其一个侧面以第一设置角(α)接触入射面(11)的斜面(12)。指纹输入元件(10)的斜面(12)的第一设置角(α)被设置为仅显示不含汗、水、油等的真实指纹图像。

光源(20)用于向指纹输入元件(10)的入射面(11)均匀地照射光束。用于移动设备中的液晶显示元件的背光模块可被用作光源(20)。换句话说，指纹输入元件(10)布置于移动设备的液晶显示元件的顶部上，以与移动设备的显示设备集成，这样液晶显示元件的背光模块可被共同用作移动设备的指纹输入元件和显示装置的光源。

如图3a和3b所示，可通过将多个点光源(21a-21d)布置在指纹输入元件(10)的两侧而将它们与背光模块分离使用。

失真校正元件(30)由盒形的透光材料(例如玻璃、塑料等)制成，并设置有与指纹输入元件(10)的斜面(12)相对的入射面(31)、以及与入射面(31)相反且具有第二设置角(β)的倾斜面(32)。失真校正元件(30)的斜面(32)侧形成的倾斜方向与指纹输入元件(10)的斜面(12)的倾斜方向相反，从而使得能校正透过指纹输入元件(10)的斜面(12)得到指纹图像的梯形失真。

第一和第二反射元件(41，42)用来改变失真校正元件(30)的斜面(32)所反射的指纹图像或光束的前进方向。

图像形成单元(50)使得用来缩小或放大图像在任一方向上的长度的柱面透镜(51)和用来形成图像的球面透镜(52)模块化。

作为参考，通过沿着纵向切割柱面透镜可以获得柱面透镜(51)，柱面透镜(51)可根据其设置方向而对图像的任一方向的长度进行缩小或放大。在本发明中，柱面透镜(51)被设置用来在横向上缩小透过失真校正元件(30)得到的指纹图像，并在纵向上放大该指纹图像。

换句话说，手指的指纹在其横向较宽，在其纵向较窄，因而如果在横向和纵向上宽度不同的指纹不经修改便输入图像传感器(60)中，则会在图像传感器(60)的图像形成面上形成纵向的指纹图像未被输入的空隙(open space)。在图像传感器(60)的图像形成面上形成的空隙是不使用的空间，而大多数情况下，图像传感器(60)是由半导体元件制成的，考虑到单位面积上半导体元件的高制作成本，图像传感器(60)的不使用的图像形成面会造成很大损失。

同时，当在横向和纵向上具有不同宽度的指纹图像不经修改便输入图像传感器(60)中时，图像传感器上用来接收指纹信息区域的像素数目减少，从而降低了指纹信息的分辨能力。

为了解决前面提到的缺陷，在本发明中使用柱面透镜(51)来在横向上缩小指纹图像或在纵向上放大指纹图像，以使得整个指纹图像被输入到图像传感器(60)的图像形成面，而不会在其上形成空隙。

图像传感器(60)接收由图像形成单元(50)形成的指纹图像，以生成并输出与输入图像相应的信号。例如，图像传感器(60)可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)类型的图像提取设备，或电荷耦合器件(CCD)等，其中，优选采用CMOS类型的图像提取设备。

现在解释图像输入元件(10)对汗、水或油进行区分的工作原理。

参照图4，当光束射到其上的介质的折射率比光束所穿透的介质的折射率大时，光束被折射且沿着第一光路(1)传播。然而，当入射角(θ_i)超过某特定角度时，没有光束穿透介质，这种现象称为全内反射，此时的入射角称为临界角，它是由组成分界面的两种介质的折射率来确定的。

临界角是当θ_t为90度时的入射角θ_i，它可以应用公式1中的斯涅尔定律(Snell’s law)得到。

<公式1>

n_isinθ_i＝n_tsinθ_t          ：斯涅尔定律

其中，n_i是入射介质的折射率，n_t是穿透介质的折射率，θ_i是入射角，θ_t是透射角(或折射角)。换句话说，光束在具有不同折射率的介质中的传播由根据斯涅尔定律的最大角来确定。

当有汗、油等的指尖接触图5中所示的指纹接触介质时，在光束被脊线(R)反射时，指纹的低凹处(V)不反射光束，指纹信息沿第三光路(③)前进。此外，被汗或油(M)反射的光束根据斯涅尔定律前进到第二光路(②)，其中，比第二光路(②)角度大的光束无法前进。因此，只有指纹信息被允许沿着第三光路(③)前进，才能去除由汗或油形成的多余图像。指纹输入元件(10)的斜面(12)侧的设置角(α)因此被建立为仅使那些沿着第三光路(③)的指纹信息能够入射到图像传感器上。

现在解释由于指纹输入元件(10)而梯形失真的指纹图像如何被失真校正元件(30)校正的工作原理。

现在参照图6，当物体的线段

相对于光轴与透镜之间的长度不等时，透过透镜形成的图像成为线段 形成梯形失真的图像。当物体和光轴之间形成的角度变小时，梯形失真变大。换句话说，为了使指纹输入元件(10)的厚度变小，所述角度必须变小，而当该角度变小时梯形失真变大，结果，生成了横向长度必纵向长度大的较长的梯形图像。

通过穿过失真校正元件(30)，指纹的梯形失真得以校正，下面解释其原理。

参照图7，位于指纹输入元件的入射面上物体线段

在观察者看来就像是位于线段

处一样，这时，在棱镜中形成的物体叫做虚像。

现在解释当物体位于水中时其虚像的位置。

如图8a和8b所示，当物体在水中时，观察者从水外观察该物体，物体看起来比其实际位置高，相反，在水中观察时，空气中的物体看起来比其实际位置远。

此外，物体的位置还受到观察者与水面所成的角度以及两种介质的折射率的影响。考虑这些要点之后，可以根据失真校正元件(30)的设立厚度、上述角度和折射率来校正梯形失真。

可按如下方式确定虚像的位置。距介质分界面(参见图9)深度为s的位置处的物体(Q)在位于该分界面外部的观察者看来好像位于深度为s’的位置处。当将折射光路与光轴所成的角记为Φ、虚像(Q’)的光路与光轴所成的角记为Φ’时，虚像的位置可由下面的公式2得到。

<公式2>

h＝stanΦ＝s’tanΦ’

$s^{\&prime;}=s\frac{\tan \mathrm{\&Phi;}}{\tan {\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}=s\frac{\sin \mathrm{\&Phi;}\cos {\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}{\cos \mathrm{\&Phi;}\sin {\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}---\left(1\right)$

$\frac{\sin \mathrm{\&Phi;}}{\sin {\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}=\frac{n^{\&prime;}}{n}:$ 斯涅尔定律

将斯涅尔定律代入公式2的(1)式中，可以推出公式3，可根据公式3推出了虚像(Q’)与介质分界面之间的距离(s’)。

<公式3>

$s^{\&prime;}=s\frac{n^{\&prime;}}{n}\frac{\cos {\mathrm{\&Phi;}}^{\&prime;}}{\cos \mathrm{\&Phi;}}$

根据上述的原理，即使指纹输入元件(10)的入射面(11)并未设置在与图像传感器(60)垂直的光轴上，但指纹图像入射到其上的表面(即，指纹输入元件(10)的入射面(11))能消除梯形失真，这是因为根据失真校正元件(30)的折射率和虚像的位置来设置相对于失真校正元件(30)的斜面(32)的斜角(β)，因而指纹图像的虚像变为与光轴垂直。

图10是用来说明图2中光学指纹输入装置应用于蜂窝电话的一个

实施例的示意图。

现在参照图10，指纹输入元件(10)、光源(20)、失真校正元件(30)、第一和第二反射元件(40，41)、图像形成单元(50)和图像传感器(60)安装在蜂窝电话(H)的本体中，而指纹输入元件(10)设置于蜂窝电话(H)的液晶显示元件顶部上，从而液晶显示元件的背光模块可被公共地用作光源，指纹输入元件(10)还可被用作液晶显示元件的保护窗，即使没有单独安装液晶显示元件的保护窗。

例如，在不使用指纹输入功能的一般情况下，如图11a所示，通过的蜂窝电话(H)的液晶显示元件来显示蜂窝电话的普通功能，而如图12b所示，在假定要使用指纹输入功能时，在液晶显示元件上会显示与用来接收指纹输入元件(10)的指纹的区域相应的指纹输入窗口(FIW)，以在其上引导手指的指纹区域。

可根据失真校正元件(30)以及第一和第二反射元件(40，41)的安装位置，在指纹输入元件(10)的区域中可变地指定指纹输入窗口(FIW)的位置，如指纹输入元件(10)的区域的左下端、右下端、中间区域、左上端、右上端或其他区域。

如上所述，当指纹输入元件(10)被集成到液晶显示元件的顶部上时有一个好处，即从外部无法获知其内部内置了指纹输入装置，这样可以增强安装指纹输入装置的保密性。

<第二实施方案>

同时参照图12a、12b和图13a、13b，说明了根据本发明的第二实施方案的用于移动设备的光学指纹接触装置，它是如图2所示的依据本发明的第一实施方案的、用于移动设备的光学指纹输入装置的一种应用。

根据本发明的第二实施方案，通过移动设备的光学指纹接触装置中的单个图像传感器(60)来共同使用蜂窝电话的摄像机功能和指纹输入装置的指纹输入功能。

换句话说，依据本发明的第二实施方案的光学指纹接触装置进一步包括：用于可视电话的图像输入模块(100)，其位于图像形成单元(50)与图像传感器(60)之间；以及移动机构，用来根据用户在阻挡图像形成单元(50)和图像传感器(60)之间的光路的位置与不阻挡该光路的位置之间作出的选择来移动图像输入模块(100)。

图像输入模块(100)结合有反射元件(110)和透镜模块(120)，前者用来转换从除指纹输入元件(10)之外的其他方向输入的图像(AI)的路径，后者用来形成图像。在一般情况下，图像输入模块(100)位于不阻挡图像形成单元(50)与图像传感器(60)之间光路的某一位置处。

在这种情况下，当用户操作蜂窝电话(H)的键盘以使用可视电话时，图像输入模块(100)被移动机构移动到阻挡图像形成单元(50)和图像传感器(60)之间光路的位置，如图12a和12b所示，从除了指纹输入元件(10)之外的方向输入的图像(AI)经由图像输入模块(100)被输入至图像传感器(60)。换句话说，图像传感器(60)被用作可视电话。

<第三实施方案>

现在参照图14a和14b，公开了一种根据本发明的第三实施方案的、用于移动设备的光学指纹接触装置。

如图12和13所示的第二实施方案所示，根据本发明的第三实施方案，通过用于移动设备的光学指纹接触装置中的单个图像传感器(60)来共同利用蜂窝电话的摄像机功能和指纹输入装置的指纹输入功能。唯一的不同点是单独提供了用于可视电话的反射元件(210)和用于可视电话的透镜模块(220)，其中，透镜模块(220)位置固定，而反射元件(210)可由移动机构来移动。

以上已经为示意和描述目的而给出了对本发明优选实施方案描述。这些描述并非穷举，也并非将本发明限制为特定的公开，而是可根据本发明的上述教导进行修改和变化，或者可从本发明的实践中获得修改和变化。本发明的范围由所附的权利要求及其等价物来限定。

从前述中已很明显，根据本发明的实施方案，上述用于移动设备的光学指纹输入装置的优点在于，各自具有不同设置倾角的指纹接触元件和失真校正元件被分别提供，以校正由薄光学指纹输入装置所形成的梯形失真，而包含有柱面透镜和球面透镜的透镜系统被形成为调节图像的横向与纵向宽度之比，这样，在应用蜂窝电话时，通过指纹接触元件的设置角，只能获取去除了玷污在指纹接触面上的汗、水或油的指纹图像。

另外一个优点在于，能够克服薄光学指纹输入装置的缺点，以使得指纹鉴别所需的信息损耗最小化，可根据能够获得高分辨率指纹信息的设计方案来建立使用的图像传感器的区域。

另外一个优点在于，在能够实现薄光学指纹输入装置时，本发明可应用于诸如蜂窝电话的移动设备中，可通过将密码替换为指纹信息来实现常规保密功能，从而提高了移动设备的保密性。

还具有其他优点，即，单个图像传感器被同时用于指纹输入装置和可视电话的应用，从而减小了可视电话的尺寸，并简化了其结构。

Claims (7)

1.一种用于移动设备的光学指纹输入装置，包括：

指纹输入元件，由薄板形透光材料制成，其上形成有用来接收指纹图像的入射面以及在一侧接触所述入射面的斜面；

失真校正元件，由盒形透光材料制成，设置有与所述指纹输入元件的斜面相对的入射面以及形成为与所述失真校正元件的入射面相反的、与所述指纹输入元件的斜面的倾斜方向相反的斜面；

图像形成单元，用来穿透地形成被所述失真校正元件的斜面反射的指纹图像；

图像传感器，用来接收所述图像形成单元所形成的所述指纹图像，以生成与输入图像相应的信号。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述图像形成单元包括：

用于缩小和放大图像在任一方向上的长度的柱面透镜和用于形成图像的球面透镜。

3.根据权利要求3所述的装置，其中，所述图像形成单元进一步包括用于改变光束方向的机构。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述指纹输入元件设置在移动设备的液晶显示元件的顶部上，以与所述移动设备的显示装置相集成，从而所述液晶显示元件的背光模块能够被公共地用作所述指纹输入元件和所述移动设备的显示装置的光源。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述指纹输入元件的斜面角度被设置为能够识别汗、水或油。

6.根据权利要求1至4中的任一项所述的装置，进一步包括：

反射元件，用来阻挡透过所述图像形成单元得到的指纹图像，以及用来使得来自所述移动设备的其他部件的其他图像能被输入到所述图像传感器；和

移动机构，用来根据用户在阻挡所述图像形成单元和所述图像传感器之间的光路的位置与不阻挡所述光路的位置之间做出的选择来移动所述反射元件，从而使得单个图像传感器能够被公共地用于指纹输入和所述移动设备的可视电话。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述反射元件与所述透镜模块整体地形成，用于形成从所述移动设备的其他部件输入的其他图像，以促使所述反射元件和所述透镜模块被所述移动机构一起移动。

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