CN208673353U - 用于获取指纹图像的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及生物特征识别技术，特别涉及用于获取指纹图像的装置。按照本实用新型一个方面的用于获取指纹图像的装置包含：第一光波导；设置于所述第一光波导下方的光源单元，其配置为提供以一定角度入射到所述第一光波导的平行光束，所述角度设定为当所述第一光波导的上表面未有物体覆盖时，使得所述平行光束在所述第一光波导内不满足全反射条件；设置于所述第一光波导表面的第一光耦合输出单元，其配置为当所述第一光波导的上表面有物体覆盖时，将所述第一光波导内发生全反射的光束引导到所述第一光波导外部并进行成像；以及设置于所述第一光耦合输出单元的成像位置处的图像接收单元。
Description
技术领域
本实用新型涉及生物特征识别技术(biometrics)，特别涉及用于获取指纹图像的装置。
背景技术
生物特征识别技术利用人体所固有的生理特征或行为特征来进行个人身份鉴定。可用的生物特征识别技术例如包括指纹、人脸、声纹、虹膜等，而指纹是其中应用最为广泛的一种。近几年来，指纹识别技术被逐步应用于诸如智能手机、平板电脑之类的移动终端上，成为支持解锁和在线支付等功能的重要基础技术。指纹识别的原理是，当手指与检测平面接触时，将导致某些物理状态的变化，该变化由传感器测得并转化为相应的指纹图像，随后基于该图形进行比对识别。按照图像获取方式的不同，指纹采集分为光学式、电容式和射频式三种类型。
光学指纹采集方式具有使用寿命长、不易损坏、价格低廉和图像质量好等优点。图1为现有技术的光学指纹采集装置的示意图。如图1所示，光源发出的光束经由棱镜的第一面S1进入棱镜P，棱镜的第二面S2为检测面，当第二面S2上未放置手指时，光束经第二面S2全反射后从棱镜的第三面S3出射；另一方面，当在第二面S2上放置手指时，在指纹的脊处光束被散射而仅有部分光束被全反射，全反射的光束经聚焦透镜L成像后获得具有脊/谷对比度的指纹图像。受限于棱镜的体积以及聚焦透镜较长的焦距(为了消除散射成分)，上述装置难以实现小型化，因而阻碍了在移动终端中的应用，特别是在终端轻薄化的发展趋势下。
实用新型内容
本实用新型的一个目的是提供一种用于获取指纹图像的装置，其具有结构紧凑和与移动终端集成性好等优点。
按照本实用新型一个方面的用于获取指纹图像的装置包含：
第一光波导；
设置于所述第一光波导下方的光源单元，其配置为提供以一定角度入射到所述第一光波导的平行光束，所述角度设定为当所述第一光波导的上表面未有物体覆盖时，使得所述平行光束在所述第一光波导内不满足全反射条件；
设置于所述第一光波导表面的第一光耦合输出单元，其配置为当所述第一光波导的上表面有物体覆盖时，将所述第一光波导内发生全反射的光束引导到所述第一光波导外部并进行成像；以及
设置于所述第一光耦合输出单元的成像位置处的图像接收单元。
优选地，在上述装置中，所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域对应于所述第一光波导上的指纹检测区域。
优选地，在上述装置中，所述第一光波导在被所述平行光束照射的区域具有微棱镜结构。
优选地，在上述装置中，所述第一光波导在靠近所述第一光耦合输出单元的区域的表面设置镀膜层。
优选地，在上述装置中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导，其在面对所述准直透镜的端部具有镀膜斜面以使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
优选地，在上述装置中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导；
设置在所述第二光波导的第一表面的光耦合输入单元，其配置为使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射，所述第一表面朝向所述准直透镜；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
优选地，在上述装置中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导；
设置在所述第二光波导的第二表面的光耦合输入单元，其配置为使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射，所述第二表面与第二光波导的朝向所述准直透镜的表面相对；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
优选地，在上述装置中，所述光耦合输入单元为倾斜光栅、楔形反射面和反射棱镜中的一种。
优选地，在上述装置中，所述第一光耦合输出单元为纳米光栅像素阵列、菲涅尔透镜、超透镜、微透镜阵列和短焦透镜中的一种。
优选地，在上述装置中，所述第二光耦合输出单元为光栅。每个所述子模块包括：
附图说明
图1为按照本实用新型一个实施例的用于获取指纹图像的装置的示意图。
图2为按照本实用新型一个实施例的用于获取指纹图像的装置的示意图。
图3为图2所示用于获取指纹图像的装置中的光源单元的示意图。
图4为可应用于图2所示用于获取指纹图像的装置中的光源单元的示意图。
图5为可应用于图2所示用于获取指纹图像的装置中的另一种光源单元的示意图。
图6为可用于图2所示用于获取指纹的装置中的纳米光栅像素阵列的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型的用于获取指纹图像的装置作更为详细的描述。
图2为按照本实用新型一个实施例的用于获取指纹图像的装置的示意图。
图2所示的用于获取指纹图像的装置20包括第一光波导210、光源单元220、第一光耦合输出单元230和图像接收单元240。
如图2所示，光源单元220设置于第一光波导210的下方，其配置为向第一光波导210提供平行光束。通过为平行光束设置进入第一光波导210的入射角，可以在第一光波导210的上表面未有物体覆盖时，使平行光束在第一光波导210内不满足全反射条件。
参见图2，当有物体(例如图中的手指)覆盖第一光波导210的上表面时，在与手指的脊对应的位置处的平行光束发生漫反射，发生漫反射后的部分光线角度满足全反射从而在光波导210中继续传播；另一方面，在与指纹的谷对应的位置处，光线不满足全反射条件，因而无法在光波导210中传播。当发生全反射而继续传播的那部分平行光束到达设置于第一光波导210表面的第一光耦合输出单元230时，全反射条件不再得到满足，此时光束将被第一光耦合输出单元230引导到第一光波导210外部并进行成像。由此，可在设置于第一光耦合输出单元230的成像位置处的图像接收单元240上获得指纹图像。
在图2所示的实施例中，优选地，平行光束在第一光波导210上的照射区域对应于第一光波导210上的指纹检测区域，也就是说，照射区域的大小与指纹检测区域基本上相同并且在垂直于第一光波导210表面法线的方向上基本对准。此外，为了增大来自光源单元220的平行光束的入射角以提高光能利用率，优选地，可在第一光波导210被平行光束照射的区域(例如图2中的左侧下表面)形成微棱镜结构。
参见图2，优选地，在第一光波导210的靠近第一光耦合输出单元230的区域的上表面和下表面分别设置镀膜层251和252以进一步提高光能利用率。
在图2所示的实施例中，如果全反射角过小，则照射到指纹上的光线在经历一次全反射后将仍然处于指纹检测区域(图2中以L2表示的区域)。为了防止该情况出现，优选地，可使全反射角度满足下列关系：
tanα≥L2/2L1 (1)
其中α为全反射角，L1和L2分别为第一光波导210的厚度和检测区域的长度。
镀膜层251和252的折射率满足下列关系：
其中n2和n3分别为第一光波导和镀膜层的折射率。
因此镀膜层折射率的选择应满足上式(1)和(2)。
此外，在图2所示的实施例中，优选地，镀膜层的长度满足下列关系：
L2+L3≤L0 (3)
L4＝L3+L5 (4)
其中L0为第一光波导的长度，L2为指纹检测区域的长度，L3和L4分别为镀膜层251和252的长度，L5为第一光耦合输出单元或光栅的长度。
图3为图2所示用于获取指纹图像的装置中的光源单元的示意图。
如图3所示，光源单元220包含点光源221、准直透镜222、第二光波导223和第二光耦合输出单元224。点光源221可以为单色光源或非单色光源，其设置于准直透镜222的焦点附近或焦平面上。第二光波导223设置于准直透镜222的出射光束的路径上。优选地，准直透镜222可以为折射型透镜、衍射型透镜或者超透镜，其形状可以为方形、圆形等，透镜材料则可选用在可见光波段透过性良好的树脂材料(例如PMMA材料)。
参见图3，从点光源221出射的光线被准直透镜222转换为平行光束后入射至第二光波导223。如图3所示，第二光波导223的左端部具有镀膜斜面，使得来自准直透镜222的平行光束进入第二光波导223内后发生全反射。在图3所示的光源单元220中，第二光耦合输出单元224被设置于第二光波导223的表面，其配置为将第二光波导内发生全反射的平行光束引导到第二光波导外部，从而得到照射到图2所示第一光波导210的下表面的平行光束。
优选地，第二光耦合输出单元224采用光栅的形式实现，并且光栅的尺寸被设置为与平行光束在第一光波导210上的照射区域相当。更好地，光栅的背面被涂黑以使光能利用最大化。
用作第二光耦合输出单元的光栅224满足下列光栅方程：
n1T sinθ1+n2T sinθ2＝λ (5)
其中T为光栅周期，n1为入射介质折射率，n2为出射介质折射率，θ1为光线进入光栅的入射角，θ2为光栅的衍射角，λ为光线的波长。
由式(5)可见，入射角θ1和光栅周期T可基于所需的衍射角θ2而确定。
需要指出的是，上面借助图3所述的光源单元仅仅是示例性的，本实用新型还可以采用其它结构的光源单元。
图4为可应用于图2所示用于获取指纹图像的装置中的光源单元的示意图，其中与图3所示光源单元中相同或相似的部件采用相同的标号表示。
与图3所示的光源单元相比，图4所示的光源单元的主要差异是利用光耦合输入单元225将来自准直透镜222的平行光束引入第二光波导223内，并且通过设置合适的入射角使引入的光束在第二光波导223内发生全反射。
参见图4，光耦合输入单元225被设置在第二光波导223的第一表面(即图4中朝向准直透镜222的表面)。从点光源221出射的光线被准直透镜222转换为平行光束后入射至光耦合输入单元225，在光耦合输入单元225的作用下，平行光束以合适的角度进入第二光波导223，从而使平行光束在第二光波导223内部发生全反射。同样地，在图4所示的光源单元220中，第二光耦合输出单元224被设置于第二光波导223的表面，其配置为将第二光波导内发生全反射的平行光束引导到第二光波导外部，从而得到照射到图2所示第一光波导210的下表面的平行光束。
在图4所示的光源单元中，光耦合输入单元225例如可以是光栅、楔形反射面或反射棱镜等改变光束方向的元件。为了提高耦合入射效率，光耦合输入单元优选地为倾斜光栅。更好地，倾斜光栅的槽型可以是三角形、正弦形或者直槽形中的一种。更好地，槽型相对于第二光波导表面的法线具有非对称性，以抑制-1级的衍射光的衍射效率，从而提高+1级照明光的光利用率。
图5为可应用于图2所示用于获取指纹图像的装置中的另一种光源单元的示意图，其中与图3和4所示光源单元中相同或相似的部件采用相同的标号表示。
与图4所示的光源单元相比，图5所示的光源单元的主要差异是光耦合输入单元225被设置在第二光波导223的第二表面(即图5中与朝向准直透镜222的表面相对的表面)。参见图4，从点光源221出射的光线被准直透镜222转换为平行光束后进入第二光波导223，随后入射至光耦合输入单元225，在光耦合输入单元225的作用下，平行光束以合适的角度返回第二光波导223，从而在第二光波导223的上表面未有物体覆盖时，平行光束被全反射。同样地，在图5所示的光源单元220中，第二光耦合输出单元224被设置于第二光波导223的表面，其配置为将第二光波导内发生全反射的平行光束引导到第二光波导外部，从而得到照射到图2所示第一光波导210的下表面的平行光束。
在图3-5所示的光源单元中，当光耦合输入单元225和第二光耦合输出单元224采用光栅结构时，可以大大减小指纹采集装置的尺寸，特别是指纹采集装置的厚度。
在图2所示的实施例中，优选地，第一光耦合输出单元230为纳米光栅像素阵列、菲涅尔透镜、超透镜、微透镜阵列和短焦透镜中的一种。当采用纳米光栅像素阵列实现图像聚焦以及成像功能时，可以大大减小指纹采集装置的尺寸，特别是指纹采集装置的厚度。
图6为可用于图2所示用于获取指纹的装置中的纳米光栅像素阵列的示意图。
如图6所示，纳米光栅像素阵列为光栅周期和取向角各异的多层光栅的层叠结构，实质上是在位相板上加工的结构尺寸在纳米级别的衍射光栅(或称为衍射光栅像素)。
根据光栅方程，衍射光栅像素的周期、取向角满足以下关系：
tanφ1＝sinφ/(cosφ-nsinθ(Λ/λ)) (6)
sin2(θ1)＝(λ/Λ)2+(nsinθ)2-2nsinθcosφ(λ/Λ) (7)
假设光线以一定的角度入射到XY平面，则θ1和φ1分别表示衍射光的衍射角(衍射光线与z轴负方向的夹角)和方位角(衍射光线与y轴正方向的夹角)，θ和λ分别表示光线入射到衍射光栅的入射角(入射光线与z轴负方向的夹角)和光线波长，Λ和φ分别表示衍射光栅的周期和取向角(槽型方向与x轴正方向的夹角)，n表示光线在介质中的折射率。
由上式(6)和(7)可见，在设定入射光线的波长、入射角以及衍射光线衍射角和衍射方位角之后，即可确定所需的光栅周期和取向角。
再次参见图2，图像接收单元240位于第一光耦合输出单元230下方的成像位置或像距处，其例如可以是CMOS器件或CCD器件，其配置为采集指纹图像。
在图2所示装置中，第一光耦合输出单元230的物距满足下列关系：
L＝3*L1tanα (8)
其中L为第一光耦合输出单元230的物距，L1为第一光波导210的厚度，α为光线在第一光波导210内的全反射角。
相应地，第一光耦合输出单元230的像距满足下列关系：
其中L6为第一光耦合输出单元230的像距，Lf为第一光耦合输出单元230的焦距，L为第一光耦合输出单元230的物距。
与现有技术相比，本实用新型具有诸多优点。例如，由于采用了超薄定向导光照明，使得光源单元的厚度大幅度减小，这有利于光学成像系统的微型化。又如，由于可通过采用超薄波导传输信号光来减小装置的整体厚度，因此本实用新型的装置可很好地集成到手机、钥匙和支付卡等移动设备中。再者，通过波导表面镀膜二次全反射成像可有效滤除杂散光，从而增强图像采集的分辨率与识别度。
上文描述了本实用新型的原理和较佳实施例。然而，本实用新型不应被解释为限于所讨论的具体实施例。上述较佳实施例应该被认为是说明性的，而不是限制性的，并且应当理解的时，本领域的技术人员在不偏离下面的权利要求书所限定的本实用新型的范围的前提下，可以在这些实施例中作出变化。
Claims (10)
1.一种用于获取指纹图像的装置，其特征在于，包含：
第一光波导；
设置于所述第一光波导下方的光源单元，其配置为提供以一定角度入射到所述第一光波导的平行光束，所述角度设定为当所述第一光波导的上表面未有物体覆盖时，使得所述平行光束在所述第一光波导内不满足全反射条件；
设置于所述第一光波导表面的第一光耦合输出单元，其配置为当所述第一光波导的上表面有物体覆盖时，将所述第一光波导内发生全反射的光束引导到所述第一光波导外部并进行成像；以及
设置于所述第一光耦合输出单元的成像位置处的图像接收单元。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域对应于所述第一光波导上的指纹检测区域。
3.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光波导在被所述平行光束照射的区域具有微棱镜结构。
4.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光波导在靠近所述第一光耦合输出单元的区域的表面设置镀膜层。
5.如权利要求1所述的装置，其中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导，其在面对所述准直透镜的端部具有镀膜斜面以使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
6.如权利要求1所述的装置，其中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导；
设置在所述第二光波导的第一表面的光耦合输入单元，其配置为使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射，所述第一表面朝向所述准直透镜；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
7.如权利要求1所述的装置，其中，所述光源单元包括：
点光源；
设置于所述点光源之前的准直透镜，其配置为将从所述点光源出射的光线转换为平行光束；
设置于所述准直透镜的出射光束的路径上的第二光波导；
设置在所述第二光波导的第二表面的光耦合输入单元，其配置为使来自所述准直透镜的平行光束在所述第二光波导内发生全反射，所述第二表面与第二光波导的朝向所述准直透镜的表面相对；以及
设置于所述第二光波导表面的第二光耦合输出单元，其配置为将所述第二光波导内发生全反射的平行光束引导到所述第二光波导外部，所述第二光耦合输出单元的尺寸设置为与所述平行光束在所述第一光波导上的照射区域相当。
8.如权利要求6或7所述的装置，其中，所述光耦合输入单元为倾斜光栅、楔形反射面和反射棱镜中的一种。
9.如权利要求1所述的装置，其中，所述第一光耦合输出单元为纳米光栅像素阵列、菲涅尔透镜、超透镜、微透镜阵列和短焦透镜中的一种。
10.如权利要求5-7中任意一项所述的装置，其中，所述第二光耦合输出单元为光栅。
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| Date | Code | Title | Description |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 215123 No. 68, Xinchang Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Co-patentee after: Suzhou University Patentee after: SUZHOU SUDAVIG SCIENCE AND TECHNOLOGY GROUP Co.,Ltd. Address before: 215123 No. 68, Xinchang Road, Suzhou Industrial Park, Jiangsu, China Co-patentee before: Suzhou University Patentee before: SVG OPTRONICS, Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |