CN104751121B - 基于光栅结构的光波导式指纹识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于光栅的光波导式指纹识别系统，包括光源—提供指纹采集用光；光栅—将来自光源的入射光转化为可在光波导中传播的波导模用于指纹检测；光波导‑来自光源的光经光栅衍射可在其中传播并发生全反射；检测区域—用于与手指接触实现指纹采集；图像传感器—来自光源的光经手指反射后进入图像传感器实现指纹成像；本发明光学式指纹识别系统的特征在于在光源进入光波导的光路中间使用了光栅结构，使光在光波导内发生衍射形成指纹检测光，采集指纹后由传感器接收到不发生混叠的指纹图像，从而显著减少光波导的厚度，实现了周期性区域指纹采集和整面指纹采集及触控，实现系统的微型、超薄化，同时有效提高成像质量。

Description

基于光栅结构的光波导式指纹识别系统

技术领域

本发明涉及光学式指纹成像技术领域，特别是一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统。

背景技术

指纹识别技术，按指纹图像采集方式分类，可分为光学式、电容式、射频式三大类。在手指接触时，相应的传感器通过探测相应物理量并转化为电学量形成指纹图像进行比对识别。

电容式指纹识别系统是采用传感器作为电容的一极，手指作为另一极，手指指纹的脊与谷相对极板位置不同形成电容差，这种电容差被检测出来形成指纹图像。射频式指纹识别系统是通过系统内部的射频发射装置发射微量的射频信号，该信号穿透手指皮肤表层到达真皮层，手指指纹的脊与谷造成射频信号的能量损失不同，接收器通过接受的能量分布形成指纹图像。

光学式指纹识别系统，通过接收手指指纹反射的图像进行成像。传统的光学指纹识别系统一般具有三个缺点：1.结构复杂难以微型化；2.光路受手指漫反射影响较大，成像质量不高；3.使用滑动式的指纹扫描方式，用户体验感较差；美国专利US5177802公布了一种用棱镜实现指纹图像读取的结构，但该结构由于使用了棱镜，因而难以实现微型化，不能用于智能手机、平板电脑等移动端。中国专利CN1820272A公布了一种用光波导结构实现指纹图像读取的系统，但该结构的光路较粗糙，成像质量较差并且光波导结构较厚，难以实现超薄化。美国专利US6259108B1公布了一种使用线阵CCD进行滑动式指纹扫描的结构，但整体结构较大，并且很难微型化。

发明内容

本发明的目的是针对上述光学式指纹识别技术的不足，提供一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统，实现微型和超薄化的同时，显著提高指纹成像质量，增大取向面积，降低成本，提高指纹识别准确率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光栅的光波导式指纹识别系统，其特点在于，包括光波导、位于该光波导外部的光源、分别位于该光波导的一侧面或相对两侧面上的光栅和图像传感器；

所述的光源发出的光经所述的光栅衍射后形成探测光，在所述的光波导中进行全反射后被所述的图像传感器接收，所述的探测光到达的光波导的一侧面或相对两侧面形成多个检测区域，该检测区域通过手指接触采集指纹信息。

当所述的检测区域为光波导的任一面呈周期性分布的区域，则光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ≥L/2d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度。

当所述的检测区域为光波导任一面的整面区域，则单面光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ＝L/2d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度；

当所述的检测区域为光波导的两面的整面区域，则双面光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ＝L/d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度。

所述的图像传感器的宽度至少等于单个检测区域的宽度，所述的光栅宽度至少等于单个检测区域的宽度，所述的图像传感器位于光波导内部或者外部。

所述的图像传感器是二维阵列，排布于所述的光波导的两个相邻的两侧面。

所述的光栅方向是垂直于光波导或者是以与探测光传播方向相反的方向倾斜于光波导的。

当所述的检测区域为整面时，图像传感器至少等于检测面的宽度并放置在光波导的一面上，或者宽度、位置分别对应于两个光栅形成的探测区域的传感器位于光波导两面相对放置，两面光栅总宽度应至少等于检测面宽度。

所述的指纹识别系统用于同时实现触控功能，此时所述的图像传感器是二维阵列，排布于光波导的两个相邻边上，在实现触控的同时实现指纹识别。

位于光波导外部的光栅以分布于光波导一侧的部分区域，或者分布于整面的全部区域，或者分布于光波导两面的部分区域。

所述的光栅是金属光栅由透明或者不透明材料制成，包括单层或者多层金属，或者是在光栅表面覆盖金属层；所述光栅周期满足在一定入射光波长下使得接收到的图像不发生混叠。

所述的光源可以为单色LED光源但不限于单色；

所述的光栅结构为透明或者金属材料制成，周期限定。

所述的光栅结构相对于入射光可以是竖直光栅或者是斜光栅。

所述光波导材料的折射率可是是单一或者是渐变的。

在一定波长入射光情况下，单面光栅(即光栅位于光波导的一侧面)的周期满足在光波导厚度、折射率一定的情况下，在光波导远离或者靠近光源的两面上形成周期性的检测区域，供指纹信息采用。进一步，形成周期性的检测区域相互邻接、探测区域相互补充覆盖整个光波导面的探测光。

在一定波长入射光情况下，经双面光栅(即光栅同时位于光波导的两侧面)进行衍射之后，形成的探测光在光波导的两面上形成的周期性检测区域是相互补充的，因此，构成上下整个光波导面均可采集指纹。

本发明可以同时实现触控功能，此时图像传感器是二维阵列，排布于光波导的两个相邻边上，在实现触控的同时实现指纹识别。

位于光波导上的光栅分布于光波导一侧的部分区域，或者分布于整面的全部区域。也可以是分布于光波导两面的部分区域。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明通过光栅和光波导器件的使用，可实现精准的光路控制，有效增加指纹采集的图像质量，在同体积下获得较大的图像采集面积，有效提升指纹采集的图像质量，并可实现非接触式采集，同时大幅缩小指纹采集装置的体积，使得该装置可内置在手机，平板电脑等移动端，并且成本低廉。

附图说明

图1是本发明基于光栅的光波导式指纹识别系统辅助阐述数学关系的示意图。

图2是光栅周期为360nm，波长为550nm，入射光以-90到90度入射到光栅时0级透射光和±1级衍射光透射效率图。

图3是光栅周期为360nm，波长为550nm，入射光以-90到90度入射时0级透射光和±1级衍射光经过光栅逸出波导的透射效率图。

图4是一种现有的基于光波导式的指纹识别系统的技术平面结构示意图。

图5是本发明基于光栅的光波导式指纹识别系统第一实施例的结构示意图。

图6是本发明的第二实施例的平面结构示意图。

图7是本发明的第三实施例的平面结构示意图。

图8是本发明的第四实施例的平面结构示意图。

图9是本发明的第五实施例的平面结构示意图。

图10是本发明的第六实施例的平面结构示意图，其中图10(a)是第六实施例的平面，图10(b)是是第六实施例的三维结构示意图。

图11是本发明用于触控的实施例的平面结构示意图。

图12是本发明与光学式触控面板组合的实施例的平面结构示意图。

图13是本用于触控实施例的俯视示意图。

图中：101-光源，102-光波导结构，103-图像传感器。201-光栅，202-光波导，203—光源，204-图像传感器，205-检测区域。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统，包括光栅201，将来自光源的入射光转化为可在光波导中传播的用于指纹检测的光；光波导202，来自光源的光经光栅衍射后可在其中进行全反射传播；检测区域205，手指接触采集指纹的区域；光源203，提供指纹采集用光；图像传感器204，来自光源的光经手指反射后进入图像传感器实现指纹成像。

根据光栅衍射方程T(n₁sinθ±n₂sini)＝kλk＝0,±1,±2..... (1)

其中，T为光栅周期，n₁为波导内折射率，n₂为入射介质折射率，k为衍射级数，θ为衍射角，i为入射角，λ为入射波长，d为光波导厚度，+表示透射衍射，-为反射衍射。该专利情况为透射衍射情况取+号，因而对于+1级衍射，衍射角满足

由(2)式可知，通过控制光栅周期和入射角可以获得较大的衍射角和耦合效率。

参阅图1，探测光可探测的区域宽度为L，指纹检测区域宽度为m。为使指纹信息可全部采集，应满足：

L≥m (3)

为防止衍射角度过小导致探测过指纹的探测光全反射一次后仍然留在检测区域造成成像混叠，应满足：

tanθ≥L/2d (4)

衍射角较小的情况可用来实现触控，此时在光波导远离光源的一面上，探测光发生全反射一次后到达的区域仍可进行指纹采集，因而检测区域可以是周期性分布的，周期t满足：

t＝2dtanθ (5)。

可以将光栅制作在光波导两侧，使两个光栅形成的探测区域相互补充，实现整个面均可采集指纹，下面以两侧光栅等长为例探讨其中的数学关系，但不应以此限制本专利的保护范围，两侧不等长也可以实现。参阅图7，此时满足：

tanθ＝L/d (6)

可以将光栅制作在光波导的一侧，并使得衍射角满足：

tanθ＝L/2d (7)

此时单侧光栅形成的可探测区域即相互补充且不发生混叠，实现整个面均可采集指纹。

由(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)式知可以通过控制光栅周期T、入射波长λ及入射角i在符合要求的的条件下获得更薄的厚度，并实现定域、周期性区域可采集指纹和整面采集指纹及触控。

图2为光栅周期为360nm，550nm入射光以各个角度入射时0及±1级获得的衍射效率，可以看到20度角时效率达20％以上。

图3为同等情况下，0级及±1级衍射光透射出光波导的效率，与图2比较可知有相当大部分光在光波导中形成探测光。

图4是一种现有的基于光波导式的指纹识别系统的技术平面结构示意图。可以看出，图像传感器接收的手指漫反射产生的光，因而成像质量较差，且整体难以轻薄化。

请参阅图5，图5是本发明光学指纹识别系统的第一实施例的示意图，包括光栅201，光波导202，光源203，图像传感器204和指纹检测区域205。所述的光栅201位于光波导靠近光源的一侧部分区域，即所述的光波导202的左端一侧面上，所述的图像传感器204分布在该光波导(202)的右端一侧面上。指纹检测区域205是指光源经光栅(201)衍射后在光波导内发生全反射到达波导的区域，该区域应是光波导外部以周期间隔分布的区域，周期为2dtanθ。

工作时，手指放置在检测区域205，位于波导外部的光源203发出光，本实施例中光源为单色，光栅201，将光源发出的光经衍射使之耦合到光波导202中形成指纹的探测光。光波导202内形成的探测光到达检测区域后，手指指纹的脊(凸起的部分)会与检测区域直接接触破坏全反射结构导致光能损失，而谷(凹的部分)因未接触从而无损失，探测光最后到达图像传感器204，图像传感器204接收探测光，并根据接收区域光能强弱判断脊与谷，经图像处理后产生清晰的指纹图像，实现指纹识别。

参阅图6，图6是本发明的第二实施例的示意图，该实施例与第一实施例类似，不同之处在于：光栅201位于光波导202远离光源203的一面上。

参阅图7，图7是本发明的第三实施例的示意图。下面以光波导两面具有相同宽度光栅为例进行说明，但不应以此限制本专利的保护范围，两面光栅不等长的情况也是可以实现的。

在光波导远离和靠近光源的两侧均具有相同的光栅201结构，光栅201周期与衍射角及波导厚度满足tanθ＝L/d，图像传感器204位于光波导202两侧相对放置的适当区域。工作时，光源203发出的入射光到达靠近的光栅201发生衍射形成探测光，并在光波导202的两个面上形成可检测指纹的周期性区域，即检测区域，透射出该靠近的光栅201的光线到达较远的光栅201再发生一次反射衍射形成探测光，形成与前述检测区域互相补充的检测区域，从而实现在光波导202整个面上均可检测指纹，相对的图像传感器204接收图像后进行图像处理和拼接后可获得指纹图像，实现整面均可进行指纹识别。

参阅图8，图8是本发明的第四实施例的平面结构示意图，该实施例与第一实施例类似，不同之处在于：光栅201周期与衍射角和及波导厚度的关系满足tanθ＝L/2d，此时单侧光栅201形成的可探测指纹区域实现相互补充，可进行指纹识别区域覆盖整个面，图像传感器204摆放位置与第三实施例类似。实现整面均可进行指纹识别。

参阅图9，图9是本发明的第五实施例的平面结构示意图，该实施例与第四实施例十分类似，不同之处在于：光栅201位于上一实施例的相反面即光波导202远离光源的一面。此时单侧的光栅201形成的可探测指纹区域实现相互补充，可进行指纹识别区域覆盖整个面，实现整面均可进行指纹识别。

参阅图10(a)和图10(b)是本发明的第六实施例的平面及三维结构示意图，该实施例与第一实施例类似，不同之处在于：

光源203为面光源，位于光波导下方所有区域。光栅201位于光波导靠近光源一侧整个面区域。光源的光将在整个面到达光栅201经耦合形成探测光进入光波导202中。检测区域205位于光波导远离光源203的一面的整个区域，探测光到达检测区域205采集指纹后再由图像传感器204成像，实现手指在整个面区域均可取指纹。

参阅图11，是本发明的第七实施例的平面结构示意图，该实施例与第六实施例类似，不同之处在于：

光栅201位于光波导远离光源203的一面的整个区域。工作时，面光源发出的光垂直到达光波导202后经过光栅201到达手指，经手指反射回到光栅201，然后经过光栅201耦合后满足全反射条件在光波导202中传播最后到达图像传感器中，由于指纹的脊会反射光线，谷会吸收光线，因而到达图像传感器204中光强大的可识别为峰，弱的识别为谷(与前述成像原理相反)从而实现指纹提取与识别。并且可以实现接触和非接触的(将手指凌空于检测区域上)手指指纹识别。

参阅图12，是本发明与光学式触控面板组合的实施例的平面结构示意图。该实施例与第一实施例类似，区别在于：

图像传感器204是CMOS或者CCD图像传感器或者是体积小的分立光电传感器阵列，并且分布于整个面两个方向的对应两侧，用来实现光电转换获取电信号。在图示的结构存在在平面的两个方向。

参阅图13.是本用于触控实施例的俯视示意图。

工作时，光源203发出的光经过光栅201后获得大角度的衍射角形成探测光，手指位于光波导202远离光源一侧的面上用于触控，探测光到达手指位置时破坏全反射导致光能逸出，对应的图像传感器204根据检测到光强较弱的可获知手指在该条线上，另一个方向的图像传感器204一样可得到信号，对两个方向的图像传感器204的信号进行可得到手指在面上的位置，实现触控。

实验表明，本发明利用光栅的衍射，光源的光经光栅衍射后形成探测光后到达手指指纹检测区域，根据指纹的脊与谷对探测光的影响不同，传输到图像传感器，获得清晰的指纹图像。经过光栅增大衍射角的作用，有效的缩小了指纹识别系统的体积，实现了定区域、周期性区域指纹采集和整面指纹采集及触控，实现系统的超薄化，并显著提高了成像质量，且成本低廉。

Claims (4)

1.一种基于光栅的光波导式指纹识别系统，其特征在于，包括光波导(202)、位于该光波导(202)外部的光源(203)、分别位于该光波导(202)的一侧面或相对两侧面上的光栅(201)和图像传感器(204)；所述的光源发出的光经所述的光栅衍射后形成探测光，在所述的光波导(202)中进行全反射后被所述的图像传感器(204)接收，所述的探测光到达的光波导(202)的一侧面或相对两侧面形成多个检测区域(205)，该检测区域(205)通过手指接触采集指纹信息；

当所述的检测区域(205)为光波导(202)的任一面呈周期性分布的区域，则光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ≥L/2d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度； 当所述的检测区域(205)为光波导(202)任一面的整面区域，则单面光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ＝L/2d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度；当所述的检测区域(205)为光波导(202)的两面的整面区域，则双面光栅衍射角θ满足如下公式：

tanθ＝L/d

L≥m

式中：L为探测光到达光波导的一侧面的单一区域宽度，m为检测区域宽度，d为光波导的厚度；

所述的图像传感器(204)的宽度至少等于单个检测区域(205)的宽度，所述的光栅(201)宽度至少等于单个检测区域(205)的宽度，所述的图像传感器位于光波导(202)内部或者外部；

所述的光栅(201)方向是垂直于光波导(202)或者是以与探测光传播方向相反的方向倾斜于光波导(202)的；

当所述的检测区域(205)为整面时，图像传感器(204)至少等于检测面的宽度并放置在光波导的一面上，或者宽度、位置分别对应于两个光栅(201)形成的探测区域的传感器位于光波导(202)两面相对放置，两面光栅(201)总宽度应至少等于检测面宽度。

2.如权利要求1所述的基于光栅的光波导式指纹识别系统，其特征在于所述的指纹识别系统用于同时实现触控功能，此时所述的图像传感器(204)是二维阵列，排布于光波导的两个相邻边上，在实现触控的同时实现指纹识别。

3.如权利要求2所述的基于光栅的光波导式指纹识别系统，其特征在于，位于光波导外部的光栅以分布于光波导一侧的部分区域，或者分布于整面的全部区域，或者分布于光波导两面的部分区域。

4.如权利要求1到3任一项所述的基于光栅的光波导式指纹识别系统，其特征在于所述的光栅(201)是金属光栅由透明或者不透明材料制成，包括单层或者多层金属，或者是在光栅表面覆盖金属层；所述光栅(201)周期满足在一定入射光波长下使得接收到的图像不发生混叠。