CN1445717A - 微型光学指纹传感器及用于指纹成像的方法 - Google Patents

微型光学指纹传感器及用于指纹成像的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于采集指纹图像的光学指纹传感器。在本发明的实例中，该光学指纹传感器包括有：①一个装在印刷电路板上的光源；②一个散射镜接收从光源发出的光；③一个直角棱镜接收从散射镜出来的光；④一个准直透镜接收从棱镜出来的光；⑤第一块镜子接收从准直透镜出来的光；⑥第二块镜子接收从第一块镜子出来的光；⑦第三块镜子接收从第二块镜子出来的光；⑧一块成像镜接收从第三块镜子出来的光；⑨一个与光源安装在同一块印刷电路板上的图像传感器接收从成像镜出来的光。

Description

微型光学指纹传感器及用于指纹成像的方法
技术领域
本发明涉及一般指纹采集装置，特别涉及光学指纹采集系统。
背景技术
现有的光学指纹传感器通常采用一个直角棱镜来采集指纹。其光路特点如图1所示，从光源11发出的平行光通过直角棱镜12的一个面，然后到达棱镜的上表面，也就是放手指13的表面。如果光束抵达的位置不是手指接触的棱镜上表面，光束将会形成内部全反射，并从棱镜12的另一侧面穿出，然后到达与之相垂直的图像传感器14。换言之，如果光束抵达的正好是放手指13的棱镜12上表面，光束就不会形成内部全反射，其部分将被手指13的皮肤吸收。这样，光学指纹传感器就会捕捉到一个明暗相间的指纹图形。
根据上述的光路特征，目前的光学指纹传感器有以下不足之处：①传感器组件体积大，这限制了它的应用范围；②光源与图像传感器的非同一平面定位，使得制造成本上升，广泛应用受限制；③传感器采集到的指纹图像沿着一个方向受到压缩，压缩的系数为一个无理数(2的平方根)，迫使需要通过软件来纠正，也使其造价提高，应用受限制。
美国专利申请5,892,599和5,629,764在棱镜上加上了全息相位光栅，使成像镜的光轴垂直于图像的成像平面，以达到消除图像变形的目的。美国专利申请6,240,200加了组合棱镜作为替代方式来消除图像的变形，这几种解决的方法均使传感器的制造费用大大增加。
美国专利申请5,796,858用一个光栅来代替棱镜。这种解决方法的缺点是由于光栅光学上的不完美性使指纹图像质量严重下降。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供的指纹传感器的技术方案如下：
一种光学指纹传感器，包括：一块棱镜，用于接收光束，当一个手指接触到了棱镜的上表面时，棱镜将得到的光束反射出来；第一块镜子，用于接收棱镜反射出来的光，并反射出去；第二块镜子，用于接收从一块镜子反射出来的光并反射出去；一个成像镜，用于接收从第二块镜子反射出来的光并将光聚焦在一个传感器上。
一种光学指纹传感器，包括：一块棱镜，用于接收光束，当一个手指接触到了棱镜的上表面时棱镜将得到的光线反射出来；一套光线折叠装置，接收从棱镜出来的光再多次变换光的方向。
一种用于指纹成像的方法，在棱镜的上表面将光束反射出来，其具体为：如果手指表面接触到棱镜，抵达棱镜表面的光线将被吸收；反之，如果手指表面未接触到棱镜，抵达棱镜表面的光线将被反射，通过一块或多块镜子来折叠光束。
一种光学指纹传感器，包括：一片散射镜，用于接收和校直光束；一块棱镜，用来接收从散射镜出来的光；当手指接触到棱镜的上表面时，棱镜将光线反射出来；一块准直透镜，用于接收从棱镜出来的光并反射出去；第一块镜子，接收从棱镜出来的光并反射出去；第二块镜子，接收从第一块镜子反射来的光并反射出去；第三块镜子，接收从第二块镜子反射来的光并反射出去；一片成像镜，接收从第三块镜子反射来的光，并将它聚焦在传感器上。
本发明的指纹传感器能确保高质量的图像，缩小体积尺寸，优化精简制造过程。
附图说明
图1为现有的典型指纹采集装置图。
图2为本发明指纹传感器的光路图。
图3为本发明指纹图像采集过程的流程图。
图4A-4D为本发明光学指纹传感器组件的装配图。
图5为本发明光学指纹扫描传感器组件的分解图。
图6A-6C为本发明装有光学指纹传感器组件的指纹阅读器示意图。
图7为本发明装有光学指纹扫描器组件的指纹光学鼠标示意图。
图中标号说明
11-光源
12-棱镜
13-手指
14-图像传感器
100-光学指纹传感器组件
110-印刷电路板
120-光源
130-散射镜140-直角棱镜
150-准直透镜
160-第一面镜子
170-第二面镜子
180-第三面镜子
190-成像镜
200-图像传感器
210-前框架
220-后框架
步骤300光束从光源120发出
步骤310光束抵达散射镜130
步骤320光束抵达直角棱镜140
步骤330判断手指是否与棱镜上表面接触
步骤340进入棱镜的光束将产生全反射
步骤350光线被接触的表面吸收
步骤360未被吸收的光束抵达准直透镜150
步骤370光束被第一块镜子160反射
步骤380光束被第二块镜子170反射
步骤390光束被第三块镜子180反射
步骤400光束抵达成像镜190
步骤410光束进入传感器200
具体实施方式
图2展示了本发明的通过光学指纹传感器组件100的光路。在本发明的较佳实施例中，光学指纹传感器组件的组成为：一块印刷电路板110，一个光源120，一个散射镜130，一个直角棱镜140，一个准直透镜150，第一面镜子160，第二面镜子170，第三面镜子180，一个成像镜190，一个图像传感器200。
光线从安装在印刷电路板110上的光源120发出，其组成可以是一组发光二极管。然后光线抵达散射镜130后转换了方向，并产生了一致投向垂直棱镜140的光。
进入直角棱镜140的光到达直角棱镜140的上表面，也就是放手指的表面。在本发明的较佳实施例中，直角棱镜140的上表面为15度倾斜最适合人们手指放置。如果光束抵达的直角棱镜140的上表面没有手指的直接接触，光束就会形成内部全反射。从直角棱镜140出来的光束，抵达准直透镜150。准直透镜150将光线再汇集起来并补偿了指纹图像的楔状变形。从准直透镜150穿出的光束将通过第一面镜子160，第二面镜子170，第三面镜子180的反射。这三块组合在一起的镜子的作用是形成一个折叠的光路以达到缩小体积的目的。同时因为是一个折叠光路，所以光源120和图像传感器200能够安装在同一块印刷电路板110上。在本发明的具体实例中采用的是三块镜子，只要不违反本发明的原理，也可在实际应用中增加或减少镜子的数量。
从第三块镜子180反射出来的光束抵达成像镜190，成像镜190为非球面镜，光束通过它在位于印刷电路板110上的图像传感器200上形成了一个高质量的指纹图像。
图3为本发明的指纹图像采集过程的流程图。步骤300光束从如图2所示的光源120发出。步骤310光束抵达散射镜130。步骤320光束抵达直角棱镜140。步骤330判断手指是否与棱镜上表面接触。如果手指未与棱镜上表面接触的话，进入步骤340，进入棱镜的光束将产生全反射。反之，进入步骤350光线被接触的表面吸收。步骤360未被吸收的光束抵达准直透镜150。步骤370光束被第一块镜子160反射。步骤380光束被第二块镜子170反射。步骤390光束被第三块镜子180反射。步骤400光束抵达成像镜190。最后步骤410光束进入传感器200。
在本发明的较佳实施例中，图像传感器200是一单片传感器集成电路组成以承担全部传感器的控制，图像的采集，图像的处理和解码以及图像的传送。除此之外，图像传感器采集到的1∶2的仿射变形的指纹是可以通过图像采集电路来消除的。例如在变形图像的一个方向上，每隔二个像素去除一个像素。
在本发明的另一个较佳实施例中，散射镜、棱镜和准直镜合并在一起以减少部件数量，比如通过菲涅尔环带将棱镜的一个面做成散射镜，而棱镜的另一面通过凸面方式做成准直透镜。
在本发明的另一个较佳实施例中，镜头或镜子的表面涂有窄带滤光膜，来减少周围的光线进入图像通路。
在本发明的另一个较佳实施例中，三块镜子和成像镜被组合在一起，成为一专用的棱镜。三个面均涂有反射膜使之形成为镜子，然后另一面采用凸曲率使之成为成像镜。
图4A-4D为本发明的光学指纹传感器组件的装配图，而图5是它的分解图。由于采用了前框架210和后框架220来可靠地联接所有的零件，不需要任何其它联接件，使其装配非常简便。
图6为装有光学指纹传感器组件的指纹阅读器，由于其紧凑的结构，其指纹阅读器也可用作为其它指纹应用装置的组件，包括便携式装置，计算机的外部装置和锁。
图7为装有光学指纹传感器组件的指纹光学鼠标，从光学鼠标出来的信号与指纹图像结合起来可用作计算机的各种验证以及确认的应用。
本发明的具体实例是一个光学指纹传感器组件，该指纹传感器包括有一个装在印刷电路板上的光源；一个散射镜接收从光源来的光；一个直角棱镜接收从散射镜来的光；一个准直透镜接收从棱镜来的光；第一块镜子接收从准直镜来的光；第二块镜子接收从第一块镜子来的光；第三块镜子接收从第二块镜子来的光；一个成像镜接收从第三块镜子来的光；一个与光源安装在同一印刷电路板板上的图像传感器接收从成像镜来的光。
虽然对本发明已作了详细的描述，但运用本发明的原理和技能可对此做各种不同的变换，使之用于更为广泛的领域中。总之本发明的保护范围并不限于具体实施方式中所提到的，而必须是以权利要求书中的为准。

Claims (14)

1.一种光学指纹传感器，包括：
一块棱镜，用于接收光束，当一个手指接触到了棱镜的上表面时，棱镜
          将得到的光束反射出来；
第一块镜子，用于接收棱镜反射出来的光，并反射出去；
第二块镜子，用于接收从一块镜子反射出来的光并反射出去；
一个成像镜，用于接收从第二块镜子反射出来的光并将光聚焦在一个传
            感器上。
2.如权利要求1所述的光学指纹传感器，其特征在于，还包括一散射镜，用于接收光束并将校直的光束送到棱镜。
3.如权利要求1所述的光学指纹传感器，其特征在于，还包括一准直透镜，该准直透镜与棱镜和第一面镜子联接，用于接收从棱镜出来的光，通过它再聚焦送到第一块镜子。
4.如权利要求1所述的光学指纹传感器，其特征在于，还包括第三块镜子，与第二块镜子和成像镜连接，用于接收从第二块镜子出来的光，再通过它反射到成像镜。
5.一种光学指纹传感器，包括：
一块棱镜，用于接收光束，当一个手指接触到了棱镜的上表面时棱镜将
          得到的光线反射出来；
一套光线折叠装置，接收从棱镜出来的光再多次变换光的方向。
6.如权利要求5所述的光学指纹传感器，其特征在于，光学指纹传感器在它的光学折叠装置中有一块镜子用于接收从棱镜出来的光，并反射出来。
7.如权利要求6所述的光学指纹传感器，其特征在于，光学指纹传感器在它的光学折叠装置中有第二块镜子用于接收从第一块镜子出来的光并反射出去。
8.如权利要求7所述的光学指纹传感器，其特征在于，光学指纹传感器组成中加入一片成像镜用于接收从第二块镜子出来的光并聚焦到传感器上。
9.一种用于指纹成像的方法，其特征在于，在棱镜的上表面将光束反射出来，其具体为：如果手指表面接触到棱镜，抵达棱镜表面的光线将被吸收；反之，如果手指表面未接触到棱镜，抵达棱镜表面的光线将被反射，通过一块或多块镜子来折叠光束。
10.如权利要求9所述的用于指纹成像的方法，其特征在于，在反射光束之前可加入一接收光线的散射镜。
11.如权利要求10所述的用于指纹成像的方法，其特征在于，在光束接收之前可加入一光源。
12.如权利要求11所述的用于指纹成像的方法，其特征在于，在折叠光束以后加入一成像镜用于光束的聚焦。
13.如权利要求12所述的用于指纹成像的方法，其特征在于，在成像镜对光束聚焦后加入一光线探测的传感器。
14.一种光学指纹传感器，包括：
一片散射镜，用于接收和校直光束；
一块棱镜，用来接收从散射镜出来的光；当手指接触到棱镜的上表面时，
          棱镜将光线反射出来；
一块准直透镜，用于接收从棱镜出来的光并反射出去；
第一块镜子，接收从棱镜出来的光并反射出去；
第二块镜子，接收从第一块镜子反射来的光并反射出去；
第三块镜子，接收从第二块镜子反射来的光并反射出去；
一片成像镜，接收从第三块镜子反射来的光，并将它聚焦在传感器上。
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