一種指紋采集裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種指紋采集裝置，包括：光學棱鏡、成像模組、光源、主電路板和封裝殼，所述光學棱鏡為直角梯形棱鏡，所述光學棱鏡包括上下平行的指紋采集面和底面，左右兩端的反射面和出光面以及兩個側面，所述反射面與所述底面所成夾角β滿足：95°≤β≤125°，反射面鍍有反射膜；所述成像模組位于光學棱鏡出光面一側，其光軸與光學棱鏡的成像光軸平行，所述成像模組沿光軸方向依次設置多片透鏡和圖像傳感器，所述透鏡垂直于光軸設置，所述圖像傳感器與光軸垂直方向成一定角度設置，其所成角度θ滿足：0°＜θ≤10°。通過上述方式，所述指紋采集裝置具有成像質量高，體積小，結構簡單，視場范圍廣，裝配調試方便，便于批量化生產，可廣泛適應于小型化指紋采集裝置等優勢。
【專利說明】
一種指紋采集裝置
技術領域
[0001 ]本實用新型涉及生物識別領域，特別是指一種指紋采集裝置。
【背景技術】
[0002]指紋識別是利用人的指紋具有各不相同的特點進行身份識別的一種生物識別技術，其識別過程主要包括指紋圖像采集、指紋特征提取和指紋特征比對等，其中指紋圖像采集是最重要和關鍵的環節。現有的指紋圖像采集裝置分為光學式和半導體式，光學式指紋采集裝置利用的是光的全反射原理，具有采集圖像分辨率高、穩定性強的優點，其缺點是體積較大，裝配復雜，無法很好地批量集成化生產。
[0003]現有的小型光學指紋儀多采用光學棱鏡+光闌+凸透鏡+反射鏡+圖像傳感器的形式來實現指紋圖像的采集，沿光軸方向在光學棱鏡的前方設置一片凸透鏡或一片非球面透鏡作為成像模組來校正整個光學系統的成像像差，進行指紋成像，但一片透鏡的光學自由度較低，像差校正有限，不能達到很好圖像效果。另外，光學指紋儀光路系統中一片透鏡的焦距較大使得透鏡與棱鏡之間間距較大，造成整個采集裝置體積較大，若想要縮小體積通常需要用一個或多個平面反射鏡，通過光線轉折縮小水平方向的長度，減小光學指紋儀的長度，但由此帶來的是整個光學指紋儀的厚度增加，且增加了光學元器件數量使得成本提高、裝配復雜度。另外，光學指紋儀是一種精密的光電裝置，其對裝配調試的要求度很高，每個光學指紋儀由于加工誤差其內部光學元器件及其他結構件各不相同，需要每臺光學指紋儀進行調試，以保證指紋圖像采集的質量，批量集成化生產度很低。
【實用新型內容】
[0004]為了解決現有技術中光學指紋儀成像質量差、體積較大、批量集成化生產度低等問題，本實用新型提供一種指紋采集裝置，包括:
[0005]光學棱鏡、成像模組、光源、主電路板和封裝殼，所述光學棱鏡為直角梯形棱鏡，所述光學棱鏡包括上下平行的指紋采集面和底面，左右兩端的反射面和出光面以及兩個側面，所述反射面與所述底面所成夾角β滿足:95° <β<125°，反射面鍍有反射膜;所述成像模組位于光學棱鏡出光面一側，其光軸與光學棱鏡的成像光軸平行，所述成像模組沿光軸方向依次設置多片透鏡和圖像傳感器，所述透鏡垂直于光軸設置，所述圖像傳感器與光軸垂直方向成一定角度設置，其所成角度Θ滿足:0° <θ < 10°。
[0006]本實用新型的一個技術方案具有以下優點或有益效果:
[0007]本實用新型中指紋圖像光線只需要通過所述光學棱鏡的反射面一次反射，即可以使指紋圖像的反射光線沿水平方向經所述光學棱鏡的出光面傳播至所述成像模組，不經過底面反射，對底面的拋光要求較低，降低了棱鏡的加工難度，并且，與具有相同指紋采集面的一次反射型棱鏡相比，本實用新型縮短了光路，減小了棱鏡的長度，進而指紋采集裝置的整體體積減小。
[0008]本實用新型中所述成像模組通過多片透鏡和設置一定傾斜角度的圖像傳感器構成，使該成像模組的體積小巧，結構簡單。
[0009]本實用新型中所述成像模組采用多片透鏡相較于傳統的一片凸透鏡增加了光學校正的自由度，大大優化了指紋成像質量，提高了圖像細節分辨率。多片透鏡構成的成像模組其視場范圍廣，焦距短，適于較近距離的物體成像，相較于傳統指紋采集裝置通過反射鏡來增加光路長度減小指紋采集裝置體積的方法，采用本實用新型的成像模組的指紋采集裝置無需增加反射鏡等光學部件即可實現小型化，使得整個指紋采集裝置結構更簡單，成本更低。
[0010]本實用新型所述成像模組的圖像傳感器具有一定的傾斜角度，在一定程度上校正了由于物面傾斜產生的畸變，減輕指紋算法校正的難度，并可適應于較廣范圍的物面傾斜。
[0011]另外，本實用新型中所述成像模組高度集成化，可作為一個單獨的模塊進行批量化生產，便于批量化的光學對焦和測試，相較于傳統的指紋采集裝置中的光學部件均為單獨部件，每臺指紋儀裝配后進行單獨調試而言，極大地提高了生產效率，降低了裝配調試難度。
[0012]綜上所述，本實用新型的指紋采集裝置具有成像質量高，體積小，結構簡單，視場范圍廣，裝配調試方便，便于批量化生產，可廣泛適應于小型化指紋采集裝置等優勢。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型指紋采集裝置的一個實施例示意圖；
[0014]圖2為本實用新型指紋采集裝置的光學棱鏡的一個實施例示意圖；
[0015]圖3為本實用新型指紋采集裝置的成像模組的一個實施例示意圖；
[0016]圖4為本實用新型指紋采集裝置的光學棱鏡的另一個實施例示意圖；
[0017]圖5為本實用新型指紋采集裝置的成像模組的另一個實施例示意圖；
[0018]圖6為本實用新型指紋采集裝置的光學系統的一個實施例示意圖；
[0019]圖7為三種不同指紋采集裝置光學系統的結構示意圖；
[0020]圖8為圖7的三種不同指紋采集裝置光學系統的光學特性曲線圖。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本實用新型的較佳實施例進行詳細闡述，以使本實用新型要解決的技術問題、技術方案和優點更易于被本領域技術人員理解，從而對本實用新型的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0022]本實用新型實施例提供了一種指紋采集裝置I，如圖1、圖2和圖3所示，包括:光學棱鏡20、成像模組10、光源40、主電路板50和封裝殼30，所述光學棱鏡20為直角梯形棱鏡，所述光學棱鏡20包括上下平行的指紋采集面201和底面202，左右兩端的203反射面和出光面204以及兩個側面(未示出)，所述反射面203與所述底面202所成夾角β滿足:95° <β<125°，反射面203鍍有反射膜;所述成像模組10位于光學棱鏡20出光面204—側，其光軸與光學棱鏡20的成像光軸平行，所述成像模組10沿光軸方向依次設置多片透鏡001和圖像傳感器002，所述透鏡001垂直于光軸設置，所述圖像傳感器002與光軸垂直方向成一定角度設置，其所成角度Θ滿足:0° <θ<10°ο
[0023]本實用新型實施例指紋圖像光線只需要通過所述光學棱鏡的反射面一次反射，SP可以使指紋圖像的反射光線沿水平方向經所述光學棱鏡的出光面傳播至所述成像模組，不經過底面反射，對底面的拋光要求較低，降低了棱鏡的加工難度，并且，與具有相同指紋采集面的一次反射型棱鏡相比，本實用新型縮短了光路，減小了棱鏡的長度，進而指紋采集裝置的整體體積減小。另外，本實用新型實施例中所述成像模組為采用多片透鏡構成的成像系統，其多片透鏡至少包括兩片球面或非球面透鏡，優選為非球面透鏡，采用多片透鏡進行指紋成像，增加了整個成像光學系統的光學調整的自由度，即可調整變量數量大幅增加，例如:透鏡的折射率、色散系數、透鏡的曲率、透鏡的厚度、非球面系數、透鏡間間距等，通過不斷優化調整透鏡的各項參數，從而使像差校正到最小，使整個系統成像質量最佳，從而提高圖像細節分辨率。再者，由于光學式指紋采集裝置的基本成像原理是利用光的全反射來實現指紋采集圖像的高對比度，為使手指接觸指紋采集面產生全反射，光學系統的光軸與指紋采集面需要存在一定的傾斜角度，通過采用光學棱鏡作為采集面，將光線轉折后通過透鏡成像到像面(即圖像傳感器)，而由于這個傾斜角度的存在，指紋成像到像面必然是一個畸變的像，其對指紋識別精度有較大影響，因此需要通過光學設計或軟件算法處理來減小或校正畸變，采用傳統的光學設計校正畸變一般需要更加的復雜的棱鏡和透鏡系統，其體積很大，設計復雜，因此目前一般采用軟件算法進行圖像畸變的校正。本實用新型實施例的用于指紋采集的成像模組采用圖像傳感器與光軸垂直方向成一定角度設置，使得像面相對于光軸也存在一個傾斜角度，能夠在一定程度上減小由于物面傾斜產生的畸變，降低了指紋算法校正的難度，且方法簡單易實現。
[0024]進一步的，如圖4所示，本實用新型實施例所述的光學棱鏡的底面包括消光區域2022和光源入射區域2021，所述消光區域2022經過消光處理。所述光學棱鏡底面的消光區域2022經過消光處理，如消光漆，所述消光區域2022主要起到為所采集的指紋圖像提供一個暗背景增強圖像對比度提高圖像質量，同時也可以消除部分雜散光的作用。所述消光區域2022的尺寸根據所述指紋采集裝置的指紋采集窗口大小進行調整設定。所述光源入射區域2021用于所述光源發射的光線射入所述光學棱鏡以照亮指紋采集面。
[0025]進一步的，本實用新型實施例所述反射面與底面的夾角β優選為108°。
[0026]進一步的，本實用新型實施例所述角度Θ根據多片透鏡的參數、多片透鏡與圖像傳感器之間的距離、物面傾斜角度計算得到。綜合考慮多片透鏡的材料特性、厚度、曲率半徑、非球面的圓錐系數等透鏡參數，多片透鏡之間、多片透鏡與圖像傳感器之間的間距，物面傾斜角度以及物距等因素，通過軟件模擬優化使所成圖像的畸變像差達到一個較小值，從而得到此時像面傾斜角度，也就是圖像傳感器與光軸垂直方向所成角度Θ。
[0027]進一步的，本實用新型實施例所述成像模組的圖像傳感器與光軸垂直方向逆時針所成角度Θ為4.8°。
[0028]進一步的，本實用新型實施例所述成像模組可適應的物面傾斜角度范圍為35°至60° ο也就是說，如圖5所示，當像面傾斜Θ = 4.8°，物面傾斜范圍α為35°至60°時，通過簡單調整成像模組與物面之間距離，均可以使所成圖像的畸變像差減小到一個較小值，一定程度上校正畸變，降低后續指紋系統軟件算法校正的難度，因此本實用新型實施例的成像模組可適應于較廣范圍的物面傾斜。
[0029]進一步的，本實用新型實施例所述成像模組沿光軸方向的物距范圍為30mm至50mm。如圖5所示，在整個指紋成像光學系統中，物面(可以是真實的物體面或虛擬的物體面)沿光軸方向到成像模組的物距L為30mm至50mm，相較于現有的指紋成像光學系統而言，本實用新型實施例用于指紋采集的成像模組的物距較短，有利于實現整個指紋采集裝置的小型化。
[0030]進一步的，本實用新型實施例所述成像模組的焦距為Imm至5mm，視場角為70°至90°。本實用新型實施例的成像模組為短焦廣角微型鏡頭，其焦距很短，整個模組體積很小，其視場角較廣，便于在較近距離進行成像，相較于傳統指紋采集裝置通過反射鏡來增加光路長度減小指紋采集裝置體積的方法，采用本實用新型實施例成像模組的指紋采集裝置無需增加反射鏡等光學部件即可實現小型化，使得采集裝置結構更簡單，成本更低。
[0031]進一步的，如圖5所示，本實用新型實施例所述指紋采集的成像模組還包括鏡筒003和鏡座004，其中多片透鏡001依次鑲嵌在鏡筒003內，鏡筒003固定在鏡座004的一端，圖像傳感器002鑲嵌在鏡座004的另一端。本實用新型實施例的用于指紋采集的成像模組還可以包括光闌005和濾光片006，其中光闌005用于控制進入成像模組的光線，有助于調整圖像整體清晰度和亮度，優選設置于多片透鏡之間，濾光片006設置于多片透鏡的后端，其為可見光窄帶濾光片，濾波范圍根據指紋采集裝置所用光源而定，優選圖像傳感器敏感度最高的495nm至555nm綠色波段。本實用新型實施例的用于指紋采集的成像模組可封裝成一個單獨的模塊，進行批量化生產，便于批量化的光學對焦和測試，相較于傳統的指紋采集裝置中的光學部件均為單獨部件，每臺指紋儀裝配后進行單獨調試而言，極大地提高了生產效率，降低了裝配調試難度。
[0032]進一步的，本實用新型實施例所述指紋采集裝置還包括玻璃面板和數據傳輸接口，所述玻璃面板為藍寶石玻璃或鋼化玻璃，所述玻璃面板的下方設置光學棱鏡;所述光源為OLED平面光源，所述光源位于所述光學棱鏡底面的光源入射區域下方;所述主電路板連接光源和圖像傳感器;所述光源和主電路板并排設置于光學棱鏡的下方。本實用新型實施例的玻璃面板為藍寶石玻璃或鋼化玻璃，藍寶石玻璃或鋼化玻璃的具有硬度高、耐刮擦等優點，可以有效防止指紋采集區被刮花，延長指紋采集裝置的使用壽命，同時藍寶石玻璃或鋼化玻璃透明清亮，使得指紋采集裝置整體外觀更加和諧美觀;本實用新型實施例的數據傳輸接口可以是USB接口、串口、紅外線接口和藍牙接口等接口類型中的一種或幾種，滿足各種應用場景或用戶的需要。
[0033]下面以兩個具體的實施例詳細說明本實用新型實施例的成像模組:
[0034]實施例一:
[0035]如圖6所示，圖6為成像模組10和直角梯形棱鏡20構成的指紋采集光學系統。圖6中直角梯形棱鏡的上表面為指紋采集面即真實的物面，前端傾斜面為反射面，指紋采集面經反射面鏡像后的物面為虛擬物面，虛擬物面沿光軸方向與成像模組之間的物距LI為39.11mm，虛擬物面與光軸垂直方向的逆時針夾角α?為54°，即物面傾斜角度為54°。說明本實施例的指紋采集光學系統的成像模組適應范圍廣，可適應較廣范圍的物面傾斜。
[0036]實施例二:
[0037]如圖7所示，圖7Α為圖像傳感器與光軸傾斜一定角度Θ的成像模組和直角梯形棱鏡構成的指紋采集光學系統；圖7Β為圖像傳感器與光軸垂直的成像模組和直角梯形棱鏡構成的指紋采集光學系統；圖7C為一凸透鏡和直角梯形棱鏡構成的指紋采集光學系統。
[0038]通過光學軟件模擬上述指紋采集光學系統得到的光學特性曲線如圖8所示。圖8Α、B分別為圖7B和圖7A的指紋采集光學系統的畸變特性圖。圖8C、D分別為圖7A和圖7C的指紋采集光學系統的彌散斑特性圖。理想成像是一個理想點物經光學系統成像還是一個點物，但由于光學系統存在像差，實際的一個理想點物經光學系統成像得到的是一個衍射像，因為一般光學系統的口徑都是圓形，衍射像就是一個彌散斑，兩個彌散斑靠近后就不好區分，這樣就限制了光學系統的分辨率，彌散斑越大，分辨率越低，成像越差。畸變是像差的一種，物體上的直線經過光學系統成像后變成彎曲的線，彎曲越大，畸變越大。可見一款指紋采集產品設計的好壞，畸變和彌散斑是重要的評估參數。
[0039]從圖8A、B可以看出采用本實用新型實施例成像模組的圖像傳感器與光軸傾斜一定角度Θ的指紋采集光學系統其畸變大小為29.61%，而圖像傳感器與光軸垂直的指紋采集光學系統其畸變大小為39.27%，說明圖8A圖像傳感器與光軸傾斜一定角度Θ的成像模組的指紋采集光學系統成像質量優于圖SB的指紋采集光學系統，成像模組采用圖像傳感器與光軸傾斜一定角度有助于減小光學系統的畸變。
[0040]從圖8C、D可以看出圖像傳感器與光軸傾斜一定角度Θ的指紋采集光學系統其彌散斑半徑最小為1.14um，最大為6.37um，而一凸透鏡作為成像模組的指紋采集光學系統其彌散斑半徑最小為1.54um，最大為17.64um，說明圖7A采用本實用新型實施例成像模組的圖像傳感器與光軸傾斜一定角度Θ的指紋采集光學系統的成像質量及分辨率優于圖7C的指紋采集光學系統，成像模組采用多片透鏡增加了光學校正的自由度，大大優化了指紋圖像成像質量，提高了圖像細節分辨率。另外，圖7A相較于7C的指紋采集光學系統長度明顯較小，說明采用本實用新型實施例的成像模組有利于實現整個指紋采集裝置的小型化。
[0041]本實用新型所述實施例的指紋采集裝置具有成像質量高，體積小，結構簡單緊湊，視場范圍廣，裝配調試方便，便于批量化生產，可廣泛適應于小型化指紋采集裝置等優勢。
[0042]以上所述是本實用新型的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種指紋采集裝置，其特征在于，所述指紋采集裝置包括:光學棱鏡、成像模組、光源、主電路板和封裝殼，所述光學棱鏡為直角梯形棱鏡，所述光學棱鏡包括上下平行的指紋采集面和底面，左右兩端的反射面和出光面以及兩個側面，所述反射面與所述底面所成夾角β滿足:95° <β<125°，反射面鍍有反射膜;所述成像模組位于光學棱鏡出光面一側，其光軸與光學棱鏡的成像光軸平行，所述成像模組沿光軸方向依次設置多片透鏡和圖像傳感器，所述透鏡垂直于光軸設置，所述圖像傳感器與光軸垂直方向成一定角度設置，其所成角度Θ滿足:O。<θ<10°。2.根據權利要求1所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述光學棱鏡的底面包括消光區域和光源入射區域，所述消光區域經過消光處理。3.根據權利要求1所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述反射面與底面的夾角β為108。。4.根據權利要求1所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述角度Θ根據多片透鏡的參數、多片透鏡與圖像傳感器之間的距離、物面傾斜角度計算得到。5.根據權利要求4所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述圖像傳感器與光軸垂直方向的逆時針所成角度Θ為4.8°。6.根據權利要求5所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述物面傾斜角度范圍為35°至60。。7.根據權利要求5所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述成像模組沿光軸方向的物距范圍為30mm至50mm。8.根據權利要求5所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述成像模組的焦距為Imm至5mm，視場角為70°至90°。9.根據權利要求1至8任一所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述成像模組還包括鏡筒和鏡座，所述多片透鏡依次鑲嵌在鏡筒內，鏡筒固定在鏡座的一端，所述圖像傳感器鑲嵌在鏡座的另一端。10.根據權利要求9所述的指紋采集裝置，其特征在于，所述指紋采集裝置還包括玻璃面板和數據傳輸接口，所述玻璃面板為藍寶石玻璃或鋼化玻璃，所述玻璃面板的下方設置光學棱鏡;所述光源為OLED平面光源，所述光源位于所述光學棱鏡底面的光源入射區域下方;所述主電路板連接光源和圖像傳感器;所述光源和主電路板并排設置于光學棱鏡的下方。
【文檔編號】G06K9/00GK205486177SQ201620238953
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月25日
【發明人】胡繪珠, 何笛
【申請人】北京天誠盛業科技有限公司