基于光栅结构的光波导式指纹识别系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 本发明的技术解决方案如下：
[0007] -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；
[0008] 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。
[0009] 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0满 足如下公式：
[0010] tan 9多L/2d
[0011] L彡m
[0012] 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。
[0013] 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0满足如下 公式：
[0014] tan 0 = L/2d
[0015] L ^ m
[0016] 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；
[0017] 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0满足如下 公式：
[0018] tan 0 = L/d
[0019] L ^ m
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 所述的光源可以为单色LED光源但不限于单色；
[0029] 所述的光栅结构为透明或者金属材料制成，周期限定。
[0030] 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。
[0031] 所述光波导材料的折射率可是是单一或者是渐变的。
[0032] 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。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
[0037] 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】
[0038] 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。
[0039] 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