一种屏下指纹采集光学模组及屏下指纹采集方法

1.本技术属于图像采集技术领域，具体涉及一种指纹采集光学模组及指纹采集方法。


背景技术：

2.随着智能手机、pad等消费电子智能设备对全面屏需求的发展，能够避免刘海屏出现的屏下光学指纹识别技术，因为具有图像采集分辨率高、能实现大面积指纹图像采集、系统稳定性较好、抗静电能力强、寿命长等优点备受智能设备厂商的青睐。
3.为了不影响智能设备屏幕视觉和触控功能，屏下指纹采集光学模组置于智能设备屏幕显示屏像素层之下，通过探测触压在屏幕玻璃表面指纹的谷和脊的深度对比及谷脊分布信息获得指纹特征图像。受到指纹的脊谷深度对比度、漫反射照明光均匀性、皮肤与屏幕玻璃间的油脂和水分填充情况、手指及屏幕表面灰尘、多次指纹采集的指印残留等因素的影响，高质量的指纹图像获取较为困难。尤其是当指纹图像采集区域较大时，为避免大视场情况下采集的图像边缘线形不发生扭曲，传统光学采集系统的焦距变长，采集设备体积较大，影响便携式智能设备的应用。为便于智能设备应用，基于微光学器件指纹采集技术应运而生，包括微透镜阵列、微孔阵列、光学纤维面板阵列等。这些微光学器件阵列具有加工难度大、成本高、装配时和屏幕显示屏像素层空隙对位难度高的缺点，应用困难。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中指出的技术问题，采取如下技术方案：
5.一种屏下指纹采集光学模组，从上到下依次为触摸屏、显示屏像素层、多边形梯度折射率透镜阵列、微孔阵列板、图像传感器；触摸屏的上表面设置于多边形梯度折射率透镜阵列的物方主平面上，图像传感器的上表面设置于多边形梯度折射率透镜阵列的像方主平面上。
6.本技术屏下指纹采集光学模组的屏下指纹采集方法，待测指纹在显示屏像素层的发光照射下发生漫反射，待测指纹的漫反射光穿过显示屏像素层后射入多边形梯度折射率透镜阵列，多边形梯度折射率透镜阵列所有子透镜出射的光穿过微孔阵列板综合成像于图像传感器。
7.所述多边形梯度折射率透镜阵列由若干多边形梯度折射率透镜按照横截面为多边形方式排布而成，每个多边形梯度折射率透镜均为多边形梯度折射率透镜阵列的子透镜。多边形的边数优选为6n条，其中n为自然数，子透镜横截面上的折射率关于中心呈对称分布。
8.优选的所述多边形梯度折射率透镜阵列长度为0.5p～0.75p，其中p为光线在多边形梯度折射率透镜阵列中传输的周期长度。
9.多边形梯度折射率透镜阵列中每一个子透镜放大率均为1且均成正立像。
10.微孔阵列板端面外形尺寸与多边形梯度折射率透镜阵列的端面外形尺寸相同，且
微孔数量与多边形梯度折射率透镜阵列中多边形梯度折射率透镜数量相同。
11.所述的微孔阵列板材质为黑玻璃板，黑色玻璃板上设置微孔阵列；黑玻璃板厚度0.5-1mm，微孔直径为梯度折射率透镜阵列的子透镜内接圆直径的0.3-0.6倍。
12.本技术工作原理为：手指按压在触摸屏表面，手指指纹在像素层发光照射下发生漫反射，触摸屏表面指纹的脊谷图像依次通过显示屏像素层微孔、多边形梯度折射率透镜阵列、微孔阵列板进行综合成像于图像传感器，每一个子透镜成像效果为1:1正立像，多边形梯度折射率透镜阵列中每一个子透镜均对待测指纹成共轭成像，所有子透镜对待测指纹所成的共轭成像在图像传感器上叠加增强，有效提高了单个子透镜成像的光通量；微孔阵列板中的微孔对穿过多边形梯度折射率透镜阵列的杂散光进行有效隔离，因而可提高指纹图像对比度；通过上述技术手段，大幅提高所采集指纹的成像质量。
13.本技术所述的多边形梯度折射率透镜阵列制备方法：
14.1)将含铯玻璃在温度1380-1420度的铂金坩埚中熔炼，出炉成型成圆柱状玻璃；
15.2)将圆柱状玻璃加工成横截面为多边形柱状玻璃；
16.3)将多边形柱状玻璃放在拉丝机上进行第一次拉丝，拉丝成连续多边形玻璃纤维，拉丝温度700-800℃；多边形玻璃纤维内接圆直径为1.5-3mm；
17.4)将所述多边形玻璃纤维放入500～600℃硝酸钾熔盐中进行cs
-k

离子交换，从而形成从中心到边缘折射率逐步降低的多边形梯度折射率纤维；
18.5)将所述多边形梯度折射率纤维放入拉丝机进行第二次拉丝，拉丝成内接圆直径为0.1-0.5mm的多边形梯度折射率纤维，拉丝温度为700～800℃；
19.6)将若干第二次拉丝后形成的多边形梯度折射率纤维按照截面多边形的方式排布成纤维透镜阵列棒；
20.7)将所述纤维透镜阵列棒放入750～850℃的熔压炉子中熔压成型，形成多边形梯度折射率纤维透镜阵列母棒；
21.8)将多边形梯度折射率纤维透镜阵列母棒按照线放大率为1是光学共轭成像设计长度截取，两端面抛光，即可制得多边形梯度折射率透镜阵列。
22.多边形梯度折射率透镜阵列材质选用含铯玻璃，因其具有大数值孔径梯度折射率，因而具有高的分辨率。
23.本技术的多边形梯度折射率透镜阵列具有如下特点：1)每一个子透镜为多边形，降低了指纹图像的像元和像元之间堆积时存在的三角形间隙；2)子透镜为选用梯度折射率材料，每一个子透镜可以单独成像，多个子透镜组合在一起进行成像叠加，实现综合成像；3)子透镜为大数值孔径梯度折射率材料，成像时具有高的分辨率；4)子透镜的内接圆直径为0.1-0.5mm，易于加工制作。
24.优选圆柱状玻璃直径50～70mm，多边形柱状玻璃的横截面边长15～35mm、长度400～600mm。多边形梯度折射率纤维丝的长度400～600mm、横截面边长1～2mm。
附图说明
25.图1：屏下指纹采集光学模组结构示意图；
26.图2：多边形梯度折射率透镜阵列综合共轭成像原理示意图；
27.图3：六边形梯度折射率透镜阵列结构与横截面折射率分布示意图；
28.其中：1、触摸屏；2、显示屏像素层；3、多边形梯度折射率透镜阵列；4、微孔阵列板；5、图像传感器。
具体实施方式
29.下面结合附图及实施例对本技术作进一步描述：
30.实施例一
31.一种屏下指纹采集光学模组，如图1所示，从上到下依次为触摸屏1、显示屏像素层2、多边形梯度折射率透镜阵列3、微孔阵列板4、图像传感器5；触摸屏的上表面设置于多边形梯度折射率透镜阵列的物方柱平面上，图像传感器的上表面设置于多边形梯度折射率透镜阵列的像方主平面上；
32.待测指纹在显示屏像素层的发光照射下发生漫反射，待测指纹的漫反射光穿过显示屏像素层后射入多边形梯度折射率透镜阵列，微孔阵列对光学系统中的杂散光进行有效隔离，多边形梯度折射率透镜阵列中出射的光穿过微孔阵列板综合成像于图像传感器。
33.多边形梯度折射率透镜阵列具有结构简单，焦距短，物距和像距相等，成放大倍率为1的正立实像。以应用于便携式智能设备的屏下指纹采集光学模组为例，其成像原理如图2所示，物距和像距均记为l0，物距为触摸屏上表面到多边形梯度折射率透镜阵列上端面之间的距离，为了做到轻薄，技术要求为l0≤2mm；多边形梯度折射率透镜阵列长度记为z0，物像之间共轭距离记为tc，则tc＝2l0 z0，该共轭距离要求小于便携式智能设备厚度。表1给出了多边形梯度折射率透镜阵列的5个参数示例。
34.表1多边形梯度折射率透镜阵列参数表
[0035][0036]
以六边形梯度折射率透镜阵列为例，如图3所示给出了六边形梯度折射率透镜阵列结构与横截面折射率分布示意图；六边形梯度折射率透镜阵列由六边形梯度折射率透镜作为子透镜，所有子透镜紧密排列为横截面为六边形阵列结构。
[0037]
实施例二
[0038]
一种屏下指纹采集光学模组中所述的微孔阵列板制备方法包括如下步骤：在黑玻璃板表面涂覆一层光刻胶，通过全息光刻形成圆形微孔图案；然后依次通过显影、热熔、刻蚀步骤去除微孔图案区域的光刻胶，最后通过氢氟酸腐蚀在微孔图案区域的黑玻璃板上腐蚀出微孔阵列。
[0039]
优选黑玻璃板厚度0.5-1mm；微孔直径为梯度折射率透镜阵列的子透镜内接圆直径的0.3-0.6倍。
[0040]
实施例三
[0041]
多边形梯度折射率透镜阵列材质选用含铯玻璃，含铯玻璃由包括下述化合物制成，配料重量百分比为：40％-60％cs2o；25％-40％sio2；5％-10％b2o3；3％-8％al2o3；3％-9％zno；5％-10％na2o k2o；0.5％-2％zro2；3％-5％inf3。
[0042]
cs2o为玻璃主体成分，用于实现和高温熔盐中的k

离子进行离子置换，实现玻璃丝中心到边缘cs

离子浓度逐渐降低和k

离子浓度逐渐升高。由于cs

离子在玻璃中的单位折射率为1.76，k

离子在玻璃中的单位折射率为1.57，通过玻璃中cs

离子和高温熔盐中k

离子置换引起的离子浓度梯度变化，使得折射率降低，从而整体上使得玻璃丝中心到边缘折射率逐渐降低；
[0043]
sio2为玻璃生成体，为该玻璃主体成分，为确保玻璃生产温度不超过1450度，一般该组分的含量不超过65％；选择25-40％的重量组成，可以确保该玻璃熔炼温度在1380-1420度；
[0044]
b2o3为助熔剂，确保sio2和其他玻璃组分能够充分熔融成玻璃体；
[0045]
al2o3、zno为玻璃中间体，在结构上作为连接si
4
离子和cs

离子、na

离子、k

离子、in
3
离子等一价和三价离子的桥梁，同时确保cs

离子和熔盐中k

离子进行离子交换过程中玻璃整体结构的稳定性，提高玻璃的高温耐腐蚀性能；
[0046]
na2o k2o一价氧化物为玻璃结构网络修饰体，用于降低玻璃成型温度，这些组分的混合配比可以调控铯玻璃的离子交换温度和速度；
[0047]
zro2用于提高玻璃拉丝或多次拉光纤过程中抗析晶性能。
[0048]
inf3用于cs

离子、na

离子、k

离子等一价网络修饰体离子的桥接，确保玻璃网络结构稳定，提高玻璃高温离子交换时的化学稳定性，同时和cs2o的混合配比，有利于调控实现离子交换产生的折射率分布指数与理论计算的偏差。
[0049]
作为优选：配料重量百分比：42-55％cs2o；25-33％sio2；6％-8％b2o3；3-5％al2o3；4-6％zno；5-8％na2o k2o；1-2％zro2；3-5％inf3。
[0050]
该含铯玻璃的优点是：铯含量高，通过玻璃中cs

离子和高温熔盐中k 离子置换引起的离子浓度梯度变化差值较大，从而整体上使得玻璃丝中心到边缘折射率逐渐降低幅度较大，数值孔径大，色差小。