CN112989873A - 光学物体纹路识别装置和终端设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及指纹识别技术领域，公开了一种光学物体纹路识别装置和终端设备。本申请的光学物体纹路识别装置包括：呈阵列排布的多个模组，多个模组中的至少一个模组从物侧至像侧依次包括单片透镜、滤光层、图像传感器，其中，透镜具有正屈折力。本申请的光学物体纹路识别装置中的多个模组由阵列拼接形成，有利于图像识别区域的扩展，并且单个模组只包括单片透镜，有利于降低模组的厚度，有利于便携式终端的结构堆叠，降低成本。
Description
技术领域
本申请涉及指纹识别技术领域，特别涉及一种光学物体纹路识别装置和终端设备。
背景技术
物体纹路识别技术(例如指纹识别技术)已广泛应用于手机、电脑等各类设备，用于进行身份识别，提高设备的安全性。其中，纹路识别的实现方式主要有光学式、电容式和超声成像式等技术，其中光学纹路识别技术较为常用。
目前，光学纹路识别技术一般是通过利用光源照射指纹、掌纹等纹路，通过纹路反射的光线成像，通过光学纹路传感器采集纹路纹图像(例如指纹图像)，与***已有的纹路成像信息进行比对，来进行判断。由于其方便性及指纹的唯一性，该技术被广泛用于各个领域，包括个人电脑和手机等电子消费品领域。光学指纹识别模组的尺寸等参数的设置，对其识别区域的大小及制造成本等有重要影响。
发明内容
本申请实施例提供了一种光学物体纹路识别装置和终端设备。
第一方面，本申请实施例提供了一种光学物体纹路识别装置，光学物体纹路识别装置包括：呈阵列排布的多个模组，多个模组中的至少一个模组从物侧至像侧依次包括单片透镜、滤光层及图像传感器，其中，透镜具有正屈折力。其中，通过多个模组成像区别的阵列排布，有利于图像识别区域的扩展，并且单个模组只包括单片透镜，有利于降低模组的厚度，有利于便携式终端的结构堆叠，降低成本。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：待识别物体至透镜的两个面中靠近物侧的一面的距离范围为2毫米至4毫米。以保证物面的成像范围不至于过大，保证待识别的物体纹路能够清晰成像，提高物体纹路识别的准确性。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：透镜的两个面中靠近物侧的一面至图像传感器的距离范围为0.3毫米至2毫米。即单个模组的厚度较薄，有利于便携式终端的结构堆叠，降低成本。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：透镜中的两个面中靠近物侧的一面上的近轴区域为凸面；以及，透镜中的两个面中靠近像侧的一面上的近轴区域为凹面，且透镜的两个面均为非球面。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：每个模组包括基板，图像传感器设于基板上。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：每个模组包括设于透镜两侧的支撑件，用于支撑透镜和/或滤光层。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：阵列为方形阵列。
在上述第一方面的一种可能的实现中，上述光学物体纹路识别装置还包括：透镜由树脂材料制备形成。
第二方面，本申请实施里提供了一种终端设备，终端设备包括：显示屏，及如上述第一方面的光学物体纹路识别装置，光学物体纹路识别装置设置于显示屏的内侧。
附图说明
图1a是根据本申请的一些实施例的一种终端设备的结构示意图；
图1b是图1a所示的一种终端设备的纵向剖视图；
图2是根据本申请的一些实施例的一种光学指纹识别装置的结构示意图；
图3是根据本申请的一些实施例的光学指纹识别装置的其中一个模组的结构示意图；
图4是根据本申请的一些实施例的光学指纹识别装置中的成像区域的示意图；
图5是根据本申请的一些实施例的一种光学镜头组件的示意图；
图6是根据本申请的一些实施例的一种光学镜头组件的光学畸变曲线；
图7是根据本申请的一些实施例的一种光学镜头组件的光学传递函数曲线；
图8是根据本申请的一些实施例的一种光学镜头组件的另一种畸变曲线；
图9是根据本申请的一些实施例的一种光学镜头组件的另一种光学传递函数曲线。
具体实施例
以下将结合附图，对本申请实施例中的光学物体纹路识别装置和终端设备进行描述。
本申请实施例中的光学物体纹路识别装置可以应用在智能手机、平板电脑以及其他具有显示屏的移动终端或者其他便携式终端设备，且本申请实施例的光学物体纹路识别装置可以用于生物特征识别技术。其中，生物特征识别技术包括但不限于指纹识别、掌纹识别、虹膜识别、人脸识别以及活体识别等识别技术。
以下以本申请实施例中的光学物体纹路识别装置用于指纹识别为例，对本申请实施例的技术方案进行说明，为了便于说明，以下将光学物体纹路识别装置简称为光学指纹识装置。
图1a是根据本申请的一些实施例的一种终端设备的结构示意图。图1b是图1a所示的一种终端设备的纵向剖视图。如图1b所示，终端设备100包括显示屏10和光学指纹识别装置20，其中，光学指纹识别装置20设置于显示屏10的内侧。换句话说，相对于终端设备100在被使用者使用的状态下，光学指纹识别装置20位于显示屏10的相对于用户的另一侧。在一些实施例中，光学指纹识别装置20设置在显示屏10内侧的局部区域。在一些实施例中，光学指纹识别装置20可以根据需要覆盖显示屏10内侧的任意区域，包括全部区域。
参考图1a，在图示实施例中，用户用其手指103接触终端设备100的显示屏10的指纹检测区域101，其中指纹检测区域101位于显示屏10的显示区域102之中。当用户在需要对终端设备100进行解锁或者其他指纹验证的时候，只需要将手指103触摸指纹检测区域101，便可以实现指纹输入。由于指纹检测可以在屏内实现，因此采用上述结构的终端设备100无需在其正面专门预留空间来设置指纹按键(比如Home键)。
显示屏10可以采用具有自发光显示单元的显示屏，比如有机发光二极管(OrganicLight-Emitting Diode，OLED)显示屏或者微型发光二极管(Micro-LED)显示屏。
在其他实施例中，显示屏10也可以采用非自发光的显示屏，比如采用背光的液晶显示屏。在某些情况下，光学指纹识别装置20进一步地包括激励光源或者在其外部设置激励光源来实现光学指纹检测。以采用OLED显示屏为例，光学指纹识别装置20可以利用OLED显示屏10位于指纹检测区域101的显示单元(即OLED光源)来作为光学指纹检测的激励光源。当手指103触摸在指纹检测区域101时，指纹检测区域101的显示单元发出的光线在手指103表面的指纹发生反射并形成反射光，该反射光被光学指纹识别装置20接收并转换为相应的电信号，即指纹检测信号，基于指纹检测信号便可以获得指纹图像数据，并且可以进一步进行指纹匹配验证，从而在终端设备100实现光学指纹识别功能。
在一些实施例中，终端设备100还可以包括盖板(例如玻璃盖板或者蓝宝石盖板)，其位于显示屏10的上方并覆盖终端设备100的正面。在一些实施例中，手指103触摸显示屏10可以是指手指触摸显示屏10上方的盖板或者覆盖盖板的保护层表面。
图2是根据本申请的一些实施例的一种光学指纹识别装置的结构示意图。如图2所示，在图示实施例中，光学指纹识别装置20包括呈阵列排布的多个模组210。参考图1和2，当用户用手指103触摸终端设备的显示屏10时，光学指纹识别装置20可以获得用户指纹1030图像数据，进行指纹匹配验证。
在一些实施例中，光学指纹识别装置20的多个模组210可以通过拼接的方式呈方形阵列排布，例如正方形或矩形。如此，有利于扩展识别区域，在不改变单个模组的尺寸的情况下，实现更大的识别区域。可以理解，在其他实施例中，光学指纹识别装置20的多个模组210还可以被设置为呈其他任意形状的阵列排布，在具体实现中，可以根据具体情况设置光学指纹识别装置20的多个模组210阵列排布的形状，在此不做限定。
图3是根据本申请的一些实施例的光学指纹识别装置的其中一个模组的结构示意图。图2所示的光学指纹识别装置20的其中一个模组210的结构如图3所示。参考图1和3，模组210从物侧至像侧依次包括单片透镜211、滤光层212、图像传感器213，其中，透镜211具有正屈折力。在一些实施例中，物侧可以为终端设备100的显示屏10的表面，该显示屏10的表面用于为手指触摸操作提供触摸界面，该显示屏10还可以用于发光以照亮手指并发生反射或者折射，从而产生返回光；而终端设备100中的像侧可以指模组210中的图像传感器213，可以用于接收返回光，该返回光用于生成指纹数据，该指纹数据可以用于指纹识别。
单个模组210的单片透镜211是成像元件，可以是球面或非球面，用于聚焦光线在图像传感器213上，透镜211优选地由树脂材料制备形成，在其他实施例中，透镜还可以由玻璃、塑胶等材料制备形成。滤光层212用于过滤影响成像的红外线，可以经由在蓝玻璃基材上镀红外截止膜而形成。图像传感器213用于将光能量转换为电信号。相比较于相关技术中采用至少两片透镜的方案，本申请实施例中的单个模组只包括厚度教薄的单片透镜，有利于降低模组整体的厚度，有利于便携式终端设备的结构堆叠，降低成本。
图4是根据本申请的一些实施例的光学指纹识别装置中的成像区域的示意图。在图示实施例中，光学指纹识别装置20的多个模组210呈矩形的阵列排布，单个透镜对应的成像区域为一像圆2110，由于图像传感器213的感光区域为一矩形，因此，光学指纹识别装置20实际成像区域30由多个矩形拼接而成。在一个实施例中，单个模组的成像区域为2mm*2mm的矩形时，通过3*3的阵列拼接，可实现6mm*6mm的矩形识别区域。在另一个实施例中，单个模组的成像区域为3mm*3mm的矩形时，通过3*3的阵列拼接，可实现9mm*9mm的矩形识别区域。可以理解，图4所示的实施例中的成像区域为示例性的，并非限制性的，在实际实施中，可根据实际情况设定成像区域的形状。
继续参考图3，在图示实施例中，模组210包括基板214。图像传感器213设于基板214上，基板214用于连接图像传感器213和***电路。在图示实施例中，模组210还包括设于透镜211两侧的支撑件215、216，用于支撑镜211和/或滤光层212，支撑件215、216可由塑料注塑形成。
以下，结合实施例一和实施例二，具体说明根据本申请实施例的光学指纹识别装置的性能。
图5是根据本申请的一些实施例示出的一种光学镜头组件的示意图。在图示实施例中，光学镜头组件沿着光轴从物侧到像侧依次为显示屏10、透镜211、滤光层212(例如滤光片)和像面(即图像传感器213的感光面)。
在实施例一和实施例二中，本申请实施例的光学指纹识别装置适用的光学镜头组件都采用如图5所示的结构。其中，透镜211具有正屈折力，且为树脂材质，透镜211中的两个面中靠近物侧的一面上的近轴区域为凸面；透镜211中的两个面中靠近像侧的一面上的近轴区域为凹面，且透镜211的两个面均为非球面。透镜211的非球面曲线方程式如下：
其中，z(x,y)是光学表面矢高；k为圆锥系数；c为曲率半径；r为光轴方向的半径高度；r2＝x2+y2；Ai是多项式系数。
为了便于说明，按照从物侧到像侧的顺序，将显示屏10的上下表面分别记为S1和S2；将透镜211的两个面中靠近物侧的表面记为S3，靠近像侧的表面记为S4；将滤光层212的两个面中靠近物侧的表面记为S5，靠近像侧的表面记为S6；将像面记为S7，将光阑的表面记为STO，其中光阑为透镜211的S3边缘的透镜框。
进一步地，通过设置该光学镜头组件中每个面的表面类型、曲率半径、厚度、材料、圆锥系数及和非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14、A16，从而使得该光学镜头组件的TTL(即透镜211的两个面中靠近物侧的一面S3至图像传感器213的距离)范围达到0.3毫米至2毫米。可以理解，TTL的大小决定了该光学镜头组件的焦距的大小，或者，该光学镜头组件的尺寸的大小。需要说明的是，在具体实现中，待识别物体至透镜的两个面中靠近物侧的一面的距离范围为2毫米至4毫米，以得到较好的识别效果。
具体地，在实施例一中，可以设置S1～S7中的每个面的曲率半径、厚度、材料采用表1中对应的参数，透镜211中的非球面曲线方程中的高次项系数及圆锥系数采用表2所示的参数。
表1
| 面号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材质 |
| S1 | 物面 | 无限 | 1.35 | BK7 |
| S2 | 球面 | 无限 | 0.94 | |
| STO | 平面 | 无限 | -0.005 | |
| S3 | 非球面 | 0.294 | 0.37 | APL5014CL |
| S4 | 非球面 | -0.302 | 0.15 | |
| S5 | 非球面 | 无限 | 0.21 | BK7 |
| S6 | 非球面 | 无限 | 0.05 | |
| S7 | 像面 | 无限 | 0 |
表2
| 参数 | S3 | S4 |
| K | 3.24E+01 | -1.95E+00 |
| A4 | -8.75E+02 | -3.45E+00 |
| A6 | 2.36E+05 | -4.41E+01 |
| A8 | 5.91E+07 | 2.63E+03 |
| A10 | -2.20E+10 | 1.21E+05 |
| A12 | -1.69E+13 | -1.29E+06 |
| A14 | -3.32E+15 | -9.50E+07 |
| A16 | 2.68E+18 | 1.23E+09 |
可以理解，本实施例一的表1至表2中参数对应的位置为空白表示无此参数，例如，材料处的空白可以表示空气。需要说明的是，表1中的曲率半径及厚度单位均为“mm”。
基于表1和表2所示的参数，对应可以确定的光学镜头组件的参数如下：透镜焦距为0.35mm，光圈值为2.0。成像物高为1.414mm，最大视场相对照度70％，模组TTL＝0.78mm(S3到S7的距离)。
图6所示为基于表1和表2所示的参数得到的光学镜头组件的光学畸变曲线，其中横坐标为TV畸变百分比，纵坐标为如图3所示的单个模组的成像的物高，从图6中可以看出该光学镜头组件的TV畸变小于5％。
图7所示为基于表1和表2所示的参数得到的光学镜头组件的光学传递函数曲线。其中横坐标为像面的空间频率，纵坐标为光学传递函数(Optical Transfer Function，OTF)模值。从图7可以看出OTF在20lp/mm下达到0.7以上。
由此，可以看出，本实施例一的光学镜头组件具有厚度薄、FOV大、工作F数小、TV畸变小和相对照度高等性能。
具体地，视场角(Field Of View，FOV)，表征镜头的视野范围，在镜头尺寸相等的情况下，镜头的FOV越大，表示该镜头能获得更大区域的信息，即采用该FOV大的镜头能够获得的信息量更大。
F数，用于表征透过镜头进入光学指纹识别装置的感应阵列的光线量，F数越小，表示进入镜头的光线量越多。
TV畸变，用于度量图像的视觉畸变程度，可以理解，TV畸变越小，成像效果越好。
相对照度，可以指成像面上的不同坐标点的照度和中心点的照度之比，相对照度越小，成像面的照度越不均匀，容易产生某些位置曝光不足或中心过曝光的问题，影响成像质量，即相对照度越大，成像质量越高。
在实施例二中，可以设置S1～S7中的每个面的曲率半径、厚度、材料采用表3中对应的参数，透镜211中的非球面曲线方程中的高次项系数及圆锥系数采用表4所示的参数。
表3
| 面号 | 表面类型 | 曲率半径 | 厚度 | 材质 |
| S1 | 物面 | 无限 | 1.35 | BK7 |
| S2 | 球面 | 无限 | 0.94 | |
| STO | 平面 | 无限 | -0.005 | |
| S3 | 非球面 | 0.205 | 0.247 | APL5014CL |
| S4 | 非球面 | -0.235 | 0.15 | |
| S5 | 非球面 | 无限 | 0.21 | BK7 |
| S6 | 非球面 | 无限 | 0.05 | |
| S7 | 像面 | 无限 | 0 |
表4
| 参数 | S3 | S4 |
| K | 8.16E+00 | -2.54E-01 |
| A4 | -1.70E+03 | 2.49E+01 |
| A6 | 5.78E+05 | -5.40E+02 |
| A8 | -5.61E+07 | -2.84E+04 |
| A10 | -1.96E+10 | 9.81E+05 |
| A12 | -3.27E+12 | 1.20E+08 |
| A14 | 9.25E+14 | 3.76E+09 |
| A16 | 1.22E+18 | -3.26E+11 |
可以理解，本实施例二的表3至表4中参数对应的位置为空白表示无此参数，例如，材料处的空白可以表示空气。需要说明的是，表1中的曲率半径及厚度单位均为“mm”。
基于表3和表4所示的参数，对应可以确定的光学镜头组件的参数如下：透镜焦距为0.25mm，光圈值为2.0。成像物高为1.732mm，最大视场相对照度70％，模组TTL＝0.66mm(S3到S7的距离)。图8和图9分别为基于表3和表4所示的参数得到的畸变曲线和光学传递函数曲线。
图8所示为基于表3和表4所示的参数得到的光学镜头组件的光学畸变曲线，其中横坐标为TV畸变百分比，纵坐标为如图3所示的单个模组的成像的物高，从图8中可以看出该光学镜头组件的TV畸变小于10％。
图9所示为基于表3和表4所示的参数得到的光学镜头组件的光学传递函数曲线。其中横坐标为像面的空间频率，纵坐标为光学传递函数(Optical Transfer Function，OTF)模值。从图9可以看出OTF在20lp/mm下达到0.7以上。
由此，可以看出，本实施例二的光学镜头组件具有厚度薄、FOV大、工作F数小、TV畸变小和相对照度高等性能。
可以理解，以上所述的实施例一的表1和表2中的数据，及实施例二的表3和表4中的数据仅仅是示例性的，并非限制性的。
如上所述的各实施例中的光学镜头组件在具有较大的FOV的同时，还具有较短的焦距，从而使得该光学镜头组件能够更好的应用于对尺寸有要求的终端设备上，有利于便携式电子设计架构堆叠，降低成本。在保证识别的解析力的同时具有较薄的厚度，利于便携式终端设备的结构堆叠。通过多模组成像区域的阵列排布，可实现识别区域的扩展，在较小的模组尺寸下，实现更大的识别区域。同时较小的F数和较大的相对照度，保证了图像传感器的进光量，可缩短曝光时间。
需要说明的是，在本专利的示例和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
虽然通过参照本申请的某些优选实施例，已经对本申请进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。
Claims (9)
1.一种光学物体纹路识别装置，其特征在于，包括：呈阵列排布的多个模组，所述多个模组中的至少一个模组从物侧至像侧依次包括单片透镜、滤光层及图像传感器，其中，所述透镜具有正屈折力。
2.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，待识别物体至所述透镜的两个面中靠近所述物侧的一面的距离范围为2毫米至4毫米。
3.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，所述透镜的两个面中靠近所述物侧的一面至所述图像传感器的距离范围为0.3毫米至2毫米。
4.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，所述透镜中的两个面中靠近所述物侧的一面上的近轴区域为凸面；以及，所述透镜中的两个面中靠近所述像侧的一面上的近轴区域为凹面，且所述透镜的两个面均为非球面。
5.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，每个所述模组包括基板，所述图像传感器设于所述基板上。
6.根据权利要求5所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，每个所述模组包括支撑件，用于支撑所述透镜和/或所述滤光层。
7.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，所述阵列为方形阵列。
8.根据权利要求1所述的光学物体纹路识别装置，其特征在于，所述透镜由树脂材料制备形成。
9.一种终端设备，其特征在于，包括：显示屏，及
如权利要求1-8中任一项所述的光学物体纹路识别装置，所述光学物体纹路识别装置设置于所述显示屏的内侧。
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2019
- 2019-12-12 CN CN201911275434.1A patent/CN112989873A/zh active Pending
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