TWI691909B - 光學指紋採集方法、指紋感測裝置及資訊處理裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學指紋採集方法，係利用一光源和一採集單元實現，該方法包括：利用該光源發出的一光束在指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差；以及利用該採集單元對該光斑的一反射光產生一圖像；其中，該光斑的形狀為一封閉圖形，其包括一中央區域以及一週邊區域，該中央區域位於該週邊區域內部，且該中央區域的亮度低於該週邊區域的亮度。

Description

光學指紋採集方法、指紋感測裝置及資訊處理裝置

本案係有關一種光學指紋採集方法、實現所述光學指紋採集方法的指紋感測裝置以及具有所述指紋感測裝置的資訊處理裝置，尤指一種可獲得亮度均勻圖像的光學指紋採集方法以及可實現上述方法的指紋感測裝置以及資訊處理裝置。

光學指紋採集是一種廣泛被使用在確認使用者身份資訊的方法。一般而言，使用者的智慧型裝置具有一光源(例如為OLED)，當使用者將手指按壓在智慧型裝置的螢幕表面時，光源所發出的光線會在螢幕表面對應使用者手指按壓的區域上形成一圓形純色光斑，再透過螢幕經光學成像透鏡聚焦，由感測模組偵測光斑實際被手指接觸的位置所形成的一指紋圖像並加以採集。然而，在上述的光學指紋採集方法中，由於光學成像透鏡的聚焦現象，採集到的指紋圖像容易有中央區域較亮，而外圍區域較暗的情況發生，進一步可能造成中央區域過度曝光而外圍區域曝光不足，使得指紋資訊遺失或是圖像品質降低。

本案之一目的在於提供一種光學指紋採集方法，其可利用一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像。

本案之另一目的在於提供一種指紋感測裝置，其可藉由一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像。

本案之又一目的在於提供一種資訊處理裝置，其具有一指紋感測裝置，且該指紋感測裝置可藉由一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像，從而避免部分區域過度曝光或曝光不足而造成資訊遺失。

為達成前述之目的，一種光學指紋採集方法乃被提出，其係利用一光源和一採集單元實現，該方法包括：利用該光源發出的一光束在指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差；以及利用該採集單元對該光斑的一反射光產生一圖像。

在一實施例中，該亮度分佈補償單元不單獨存在，由光源直接發出足以補償成像偏差的亮度分佈的光束。

在一實施例中，該光斑的形狀為一封閉圖形，包括一中央區域以及一週邊區域，該中央區域位於該週邊區域內部，且該中央區域的亮度低於該週邊區域的亮度。

在可能的實施例中，所述光斑的亮度分佈生成的方法包括：使用迭代優化演算法；或者是使用預設的函數，比如倒置的高斯函數。

在一實施例中，使用迭代優化演算法產生不均勻的亮度分佈的光斑，包括：

(1)使用亮度分佈為s(x，y)的光斑進行M次的指紋圖像採集。

(2)計算M次採集的指紋圖像的平均亮度分佈值i(x，y)。

(3)根據指紋圖像的平均亮度分佈值i(x，y)更新光斑亮度分佈為s’(x，y)=s(x，y)-λi(x，y)，其中，λ為更新係數，可以通過實驗取合適的值。

(4)令s(x，y)=s’(x，y)，重複步驟(1)，直到s(x，y)的變化小於閾值e，或者迭代次數超過預設值N停止。

(5)得到的s(x，y)即為光斑最優的亮度分佈。

在一實施例中，該採集單元包括一成像透鏡和一感測單元，所述光斑的所述反射光經過該成像透鏡到達該感測單元產生一指紋圖像。

為達成前述之目的，本發明進一步提出一種指紋感測裝置，其具有一控制電路及如前述的採集單元以實現所述之光學指紋採集方法，其中，該控制電路係用以驅動該採集單元。

為達成前述之目的，本發明進一步提出一種資訊處理裝置，其具有一中央處理單元及如前述的指紋感測裝置，其中，該中央處理單元係用以與所述的指紋感測裝置通信。

在可能的實施例中，所述的資訊處理裝置可為一智慧型手機或一可攜式電腦裝置。

請一併參照圖1及圖2，其中，圖1為本發明的光學指紋採集方法之一實施例的流程圖；以及圖2為應用圖1的光學指紋採集方法的一採集單元的示意圖，其中，一採集單元100包括一光源1、一透鏡2、一螢幕3、一亮度分佈補償單元4以及一感測單元5，其中，該亮度分佈補償單元4係配置於該光源1以及該螢幕3之間，且該透鏡2係配置於該螢幕3以及該感測單元5之間。如圖1所示，該光學指紋採集方法包括：利用光源1發出一原始光束11(步驟a)；利用亮度分佈補償單元4對原始光束11進行一亮度分佈處理以得到中間較暗且周邊較亮的一處理後光束41，並以處理後光束41照射在螢幕3的表面31上的一圖像採集區31a，以在圖像採集區31a上形成一光斑42並產生一反射光束43 (步驟b)；利用透鏡2對反射光束43進行一聚焦處理以產生一成像光束21(步驟c)；以及利用感測單元5感測成像光束21以產生一圖像51(步驟d)。

於操作時，操作者可將一待測物6(例如，一指紋)接觸螢幕3的圖像採集區31a。此時，光源1所發出的原始光束11會先通過該亮度分佈補償單元4進行亮度分佈處理以得到中間較暗且周邊較亮的一處理後光束41；接著，處理後光束41會照射圖像採集區31a以形成光斑42並產生一反射光束43；接著，反射光束43會通過透鏡2的聚焦作用產生成像光束21；然後成像光束21會在感測單元5上產生一圖像51。由於透鏡2的聚焦作用會強化輸出光束的中央區域的亮度，因此，當中間較暗且周邊較亮的處理後光束41經圖像採集區31a反射而抵達透鏡2後，透鏡2的聚焦作用即可使輸出的成像光束21有均勻的亮度分佈。

請一併參照圖3及圖4，其中，圖3為圖1的光學指紋採集方法之所述亮度分佈處理所採用的一預設函數I(x,y)的示意圖；以及圖4為依圖3的預設函數I(x,y)的作用所產生的一光斑的示意圖。具體而言，亮度分佈補償單元4的作用係使原始光束11的一亮度空間分佈函數與預設函數I(x,y)相乘，以得到中間較暗且周邊較亮的一處理後光束41，並將處理後光束41照射圖像採集區31a以形成光斑42並產生反射光束43，其中，光斑42可為任意色光，且光斑42的形狀為一封閉圖形，並不限定為圓形或橢圓形。另一方面，如圖3所示，該預設函數I(x,y)為一倒置的高斯函數，且該倒置的高斯函數的波谷係對應到光斑42的中心點，而該倒置的高斯函數的峰值對應到光斑42的四周。因此，如圖4所示，在亮度補償完畢後，光斑42包括一中央區域421以及一週邊區域422，中央區域421位於週邊區域422內部，且中央區域421的亮度低於週邊區域422的亮度。

更進一步而言，由於預設函數I(x,y)自波谷至峰值為一連續光滑函數，因此光斑42沿中央區域421至週邊區域422的亮度變化為單純上升，也就是說，光斑42從中心點到最週邊的亮度是平緩且均勻的變化，這樣的設計可以減少因為光斑42亮度不連續所產生的成像損失。值得一提的是，預設函數I(x,y)並不限定為倒置的高斯函數，只要能使光斑42的中央區域421的亮度低於週邊區域422的亮度且使亮度變化均勻的連續光滑函數，均在本發明的保護範圍內。

除了使用預設函數I(x,y)生成光斑42的亮度分佈之外，本發明也可使用迭代優化演算法生成光斑42的亮度分佈。所述迭代優化演算法包括：（1）使用亮度分佈為s（x，y）的光斑42進行M次的指紋圖像51採集；（2）計算M次採集的指紋圖像51的平均亮度分佈值i（x，y）；（3）根據指紋圖像的平均亮度分佈值i（x，y）更新光斑42亮度分佈為s’（x，y）=  s（x，y）-  λi（x，y），其中，λ為更新係數，可以通過實驗取合適的值；（4）令s（x，y）=  s’（x，y），重複步驟（1），直到s（x，y）的變化小於閾值e，或者迭代次數超過預設值N停止；最後（5）得到的s（x，y）即為光斑42最優的亮度分佈。

請一併參照圖5及圖6，其中，圖5為習知的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像的示意圖；以及圖6為應用本發明的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像的示意圖。如圖5及圖6所示，依習知的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像51a所呈現出的指紋紋路對比較差，難以確認足以識別特定使用者的特徵資訊；相對地，依本發明的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像51不僅亮度分佈較為均勻，且對比明顯，因而能夠確保指紋的辨識度。

依上述的說明，本發明進一步提出一種指紋感測裝置。請參照圖7，其繪示本發明之指紋感測裝置之一實施例的方塊圖。如圖7所示，一指紋感測裝置200具有一控制電路210及一採集單元220，其中，採集單元220係由圖2之採集單元100實現，而控制電路210則係用以驅動採集單元220以實現圖1所述之光學指紋採集方法。

依上述的說明，本發明進一步提出一種資訊處理裝置。請參照圖8，其繪示本發明之資訊處理裝置之一實施例的方塊圖。如圖8所示，一資訊處理裝置300具有一中央處理單元310及一指紋感測裝置320，其中，指紋感測裝置320係由圖7之指紋感測裝置200實現，而中央處理單元310則係用以與指紋感測裝置200通信。在可能的實施例中，資訊處理裝置300可為一智慧型手機或一可攜式電腦裝置。

藉由前述所揭露的設計，本發明乃具有以下的優點：

1. 本發明的光學指紋採集方法光學指紋採集方法可利用一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像。

2. 本發明的指紋感測裝置可藉由一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像。

3. 本發明的資訊處理裝置具有一指紋感測裝置，且該指紋感測裝置可藉由一亮度分佈補償單元改變照射在一圖像採集區上的一光斑的亮度分佈，以在經過一透鏡後能夠產生一亮度分佈均勻的圖像，從而避免部分區域過度曝光或曝光不足而造成資訊遺失。

本案所揭示者，乃較佳實施例之一種，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

1:光源

11:原始光束

2:透鏡

21:成像光束

3:螢幕

31:表面

4:亮度分佈補償單元

41:處理後光束

42:光斑

421:中央區域

422:週邊區域

43:反射光束

5:感測單元

51、51a:指紋圖像

6:待測物

100:採集單元

200:指紋感測裝置

210:控制電路

220:採集單元

300:資訊處理裝置

310:中央處理單元

320:指紋感測裝置

步驟a:利用光源發出一原始光束

步驟b:利用亮度分佈補償單元對原始光束進行一亮度分佈處理以得到中間較暗且周邊較亮的一處理後光束，並以處理後光束照射在螢幕的表面上的一圖像採集區，以在圖像採集區上形成一光斑並產生一反射光束

步驟c:利用透鏡對反射光束進行一聚焦處理以產生一成像光束

步驟d:利用感測單元感測成像光束以產生一圖像

為進一步揭示本案之具體技術內容，首先請參考圖式，其中：    圖1為本發明的光學指紋採集方法之一實施例的流程圖；    圖2為應用圖1的光學指紋採集方法的一採集單元的示意圖；    圖3為圖1的光學指紋採集方法之所述亮度分佈處理所採用的一預設函數的示意圖；    圖4為依圖3的預設函數的作用所產生的一光斑的示意圖；    圖5為習知的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像的示意圖；    圖6為應用本發明的光學指紋採集方法所得到的一指紋圖像的示意圖；    圖7繪示本發明之指紋感測裝置之一實施例的方塊圖；以及    圖8繪示本發明之資訊處理裝置之一實施例的方塊圖。

步驟a:利用光源發出一原始光束

步驟b:利用亮度分佈補償單元對原始光束進行一亮度分佈處理以得到中間較暗且周邊較亮的一處理後光束，並以處理後光束照射在螢幕的表面上的一圖像採集區，以在圖像採集區上形成一光斑並產生一反射光束

步驟c:利用透鏡對反射光束進行一聚焦處理以產生一成像光束

步驟d:利用感測單元感測成像光束以產生一圖像

Claims (10)

1. 一種光學指紋採集方法，係利用一光源、一亮度分佈補償單元和一採集單元實現，該方法包括：利用該光源發出的一光束經該亮度分佈補償單元處理後照射一指紋表面以在該指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差，其中所述光斑的亮度分佈生成的方法包括使用一迭代優化演算法；以及利用該採集單元對該光斑的一反射光產生一圖像；其中，所述迭代優化演算法包括：(1)使用亮度分佈為s(x，y)的所述光斑進行M次的所述圖像的採集；(2)計算M個所述圖像的平均亮度分佈值i(x，y)；(3)根據該平均亮度分佈值i(x，y)更新所述光斑的所述亮度分佈為s’(x，y)=s(x，y)-λi(x，y)，其中，λ為更新係數；(4)令s(x，y)=s’(x，y)，重複步驟(1)，直到s(x，y)的變化小於閾值e，或者迭代次數超過預設值N停止；最後(5)得到的s(x，y)即為所述光斑的最優亮度分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述的光學指紋採集方法，其中，該光斑的形狀為一封閉圖形，其包括一中央區域以及一週邊區域，該中央區域位於該週邊區域內部，且該中央區域的亮度低於該週邊區域的亮度。
3. 一種光學指紋採集方法，係利用一光源、一亮度分佈補償單元和一採集單元實現，該方法包括：利用該光源發出的一光束經該亮度分佈補償單元處理後照射一指紋表面以在該指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差，其中所述光斑的亮度分佈生成的方法包括：使用一倒置的高斯函數；以及利用該採集單元對所述光斑的一反射光產生一圖像。
4. 如申請專利範圍第3項所述的光學指紋採集方法，其中，該光斑的形狀為一封閉圖形，其包括一中央區域以及一週邊區域，該中央區域位於該週邊區域內部，且該中央區域的亮度低於該週邊區域的亮度。
5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的光學指紋採集方法，其中該採集單元包括一成像透鏡和一感測單元，所述光斑的所述反射光經過該成像透鏡到達該感測單元產生所述的圖像。
6. 一種指紋感測裝置，其具有一光源、一亮度分佈補償單元、一採集單元和一控制電路，該控制電路係用以實現一光學指紋光學指紋採集方法，該方法包括：使該光源發出的一光束經該亮度分佈補償單元處理後照射一指紋表面以在該指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差，其中所述光斑的亮度分佈生成的方法包括：使用一迭代優化演算法；以及使該採集單元對該光斑的一反射光產生一圖像；其中，所述迭代優化演算法包括：(1)使用亮度分佈為s(x，y)的所述光斑進行M次的所述圖像的採集；(2)計算M個所述圖像的平均亮度分佈值i(x，y)；(3)根據該平均亮度分佈值i(x，y)更新所述光斑的所述亮度分佈為s’(x，y)=s(x，y)-λi(x，y)，其中，λ為更新係數；(4)令s(x，y)=s’(x，y)，重複步驟(1)，直到s(x，y)的變化小於閾值e，或者迭代次數超過預設值N停止；最後(5)得到的s(x，y)即為所述光斑的最優亮度分佈。
7. 如申請專利範圍第6項所述的指紋感測裝置，其中，該光斑的形狀為一封閉圖形，其包括一中央區域以及一週邊區域，該中央區域位於該週邊區域內部，且該中央區域的亮度低於該週邊區域的亮度。
8. 一種指紋感測裝置，其具有一光源、一亮度分佈補償單元、一採集單元和一控制電路，該控制電路係用以實現一光學指紋光學指紋採集方法，該方法包括：使該光源發出的一光束經該亮度分佈補償單元處理後照射一指紋表面以在該指紋表面形成一不均勻亮度分佈的光斑，以補償該採集單元的一成像偏差，其中所述光斑的亮度分佈生成的方法包括：使用一倒置的高斯函數；以及使該採集單元對所述光斑的一反射光產生一圖像。
9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項所述的指紋感測裝置，其中該採集單元包括一成像透鏡和一感測單元，所述光斑的所述反射光經過該成像透鏡到達該感測單元產生所述的圖像。
10. 一種資訊處理裝置，其具有一中央處理單元及如申請專利範圍第6至8項中任一項所述的指紋感測裝置，其中，該中央處理單元係用以與所述的指紋感測裝置通信，且所述的資訊處理裝置係一智慧型手機或一可攜式電腦裝置。

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