一种指纹采集装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种指纹采集装置，包括：光学棱镜、成像模组、光源、主电路板和封装壳，所述光学棱镜为直角梯形棱镜，所述光学棱镜包括上下平行的指纹采集面和底面，左右两端的反射面和出光面以及两个侧面，所述反射面与所述底面所成夹角β满足：95°≤β≤125°，反射面镀有反射膜；所述成像模组位于光学棱镜出光面一侧，其光轴与光学棱镜的成像光轴平行，所述成像模组沿光轴方向依次设置多片透镜和图像传感器，所述透镜垂直于光轴设置，所述图像传感器与光轴垂直方向成一定角度设置，其所成角度θ满足：0°＜θ≤10°。通过上述方式，所述指纹采集装置具有成像质量高，体积小，结构简单，视场范围广，装配调试方便，便于批量化生产，可广泛适应于小型化指纹采集装置等优势。
【专利说明】
一种指纹采集装置
技术领域
[0001 ]本实用新型涉及生物识别领域，特别是指一种指纹采集装置。
【背景技术】
[0002]指纹识别是利用人的指纹具有各不相同的特点进行身份识别的一种生物识别技术，其识别过程主要包括指纹图像采集、指纹特征提取和指纹特征比对等，其中指纹图像采集是最重要和关键的环节。现有的指纹图像采集装置分为光学式和半导体式，光学式指纹采集装置利用的是光的全反射原理，具有采集图像分辨率高、稳定性强的优点，其缺点是体积较大，装配复杂，无法很好地批量集成化生产。
[0003]现有的小型光学指纹仪多采用光学棱镜+光阑+凸透镜+反射镜+图像传感器的形式来实现指纹图像的采集，沿光轴方向在光学棱镜的前方设置一片凸透镜或一片非球面透镜作为成像模组来校正整个光学系统的成像像差，进行指纹成像，但一片透镜的光学自由度较低，像差校正有限，不能达到很好图像效果。另外，光学指纹仪光路系统中一片透镜的焦距较大使得透镜与棱镜之间间距较大，造成整个采集装置体积较大，若想要缩小体积通常需要用一个或多个平面反射镜，通过光线转折缩小水平方向的长度，减小光学指纹仪的长度，但由此带来的是整个光学指纹仪的厚度增加，且增加了光学元器件数量使得成本提高、装配复杂度。另外，光学指纹仪是一种精密的光电装置，其对装配调试的要求度很高，每个光学指纹仪由于加工误差其内部光学元器件及其他结构件各不相同，需要每台光学指纹仪进行调试，以保证指纹图像采集的质量，批量集成化生产度很低。
【实用新型内容】
[0004]为了解决现有技术中光学指纹仪成像质量差、体积较大、批量集成化生产度低等问题，本实用新型提供一种指纹采集装置，包括:
[0005]光学棱镜、成像模组、光源、主电路板和封装壳，所述光学棱镜为直角梯形棱镜，所述光学棱镜包括上下平行的指纹采集面和底面，左右两端的反射面和出光面以及两个侧面，所述反射面与所述底面所成夹角β满足:95° <β<125°，反射面镀有反射膜;所述成像模组位于光学棱镜出光面一侧，其光轴与光学棱镜的成像光轴平行，所述成像模组沿光轴方向依次设置多片透镜和图像传感器，所述透镜垂直于光轴设置，所述图像传感器与光轴垂直方向成一定角度设置，其所成角度Θ满足:0° <θ < 10°。
[0006]本实用新型的一个技术方案具有以下优点或有益效果:
[0007]本实用新型中指纹图像光线只需要通过所述光学棱镜的反射面一次反射，即可以使指纹图像的反射光线沿水平方向经所述光学棱镜的出光面传播至所述成像模组，不经过底面反射，对底面的抛光要求较低，降低了棱镜的加工难度，并且，与具有相同指纹采集面的一次反射型棱镜相比，本实用新型缩短了光路，减小了棱镜的长度，进而指纹采集装置的整体体积减小。
[0008]本实用新型中所述成像模组通过多片透镜和设置一定倾斜角度的图像传感器构成，使该成像模组的体积小巧，结构简单。
[0009]本实用新型中所述成像模组采用多片透镜相较于传统的一片凸透镜增加了光学校正的自由度，大大优化了指纹成像质量，提高了图像细节分辨率。多片透镜构成的成像模组其视场范围广，焦距短，适于较近距离的物体成像，相较于传统指纹采集装置通过反射镜来增加光路长度减小指纹采集装置体积的方法，采用本实用新型的成像模组的指纹采集装置无需增加反射镜等光学部件即可实现小型化，使得整个指纹采集装置结构更简单，成本更低。
[0010]本实用新型所述成像模组的图像传感器具有一定的倾斜角度，在一定程度上校正了由于物面倾斜产生的畸变，减轻指纹算法校正的难度，并可适应于较广范围的物面倾斜。
[0011]另外，本实用新型中所述成像模组高度集成化，可作为一个单独的模块进行批量化生产，便于批量化的光学对焦和测试，相较于传统的指纹采集装置中的光学部件均为单独部件，每台指纹仪装配后进行单独调试而言，极大地提高了生产效率，降低了装配调试难度。
[0012]综上所述，本实用新型的指纹采集装置具有成像质量高，体积小，结构简单，视场范围广，装配调试方便，便于批量化生产，可广泛适应于小型化指纹采集装置等优势。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型指纹采集装置的一个实施例示意图；
[0014]图2为本实用新型指纹采集装置的光学棱镜的一个实施例示意图；
[0015]图3为本实用新型指纹采集装置的成像模组的一个实施例示意图；
[0016]图4为本实用新型指纹采集装置的光学棱镜的另一个实施例示意图；
[0017]图5为本实用新型指纹采集装置的成像模组的另一个实施例示意图；
[0018]图6为本实用新型指纹采集装置的光学系统的一个实施例示意图；
[0019]图7为三种不同指纹采集装置光学系统的结构示意图；
[0020]图8为图7的三种不同指纹采集装置光学系统的光学特性曲线图。
【具体实施方式】
[0021]下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，以使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更易于被本领域技术人员理解，从而对本实用新型的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0022]本实用新型实施例提供了一种指纹采集装置I，如图1、图2和图3所示，包括:光学棱镜20、成像模组10、光源40、主电路板50和封装壳30，所述光学棱镜20为直角梯形棱镜，所述光学棱镜20包括上下平行的指纹采集面201和底面202，左右两端的203反射面和出光面204以及两个侧面(未示出)，所述反射面203与所述底面202所成夹角β满足:95° <β<125°，反射面203镀有反射膜;所述成像模组10位于光学棱镜20出光面204—侧，其光轴与光学棱镜20的成像光轴平行，所述成像模组10沿光轴方向依次设置多片透镜001和图像传感器002，所述透镜001垂直于光轴设置，所述图像传感器002与光轴垂直方向成一定角度设置，其所成角度Θ满足:0° <θ<10°ο
[0023]本实用新型实施例指纹图像光线只需要通过所述光学棱镜的反射面一次反射，SP可以使指纹图像的反射光线沿水平方向经所述光学棱镜的出光面传播至所述成像模组，不经过底面反射，对底面的抛光要求较低，降低了棱镜的加工难度，并且，与具有相同指纹采集面的一次反射型棱镜相比，本实用新型缩短了光路，减小了棱镜的长度，进而指纹采集装置的整体体积减小。另外，本实用新型实施例中所述成像模组为采用多片透镜构成的成像系统，其多片透镜至少包括两片球面或非球面透镜，优选为非球面透镜，采用多片透镜进行指纹成像，增加了整个成像光学系统的光学调整的自由度，即可调整变量数量大幅增加，例如:透镜的折射率、色散系数、透镜的曲率、透镜的厚度、非球面系数、透镜间间距等，通过不断优化调整透镜的各项参数，从而使像差校正到最小，使整个系统成像质量最佳，从而提高图像细节分辨率。再者，由于光学式指纹采集装置的基本成像原理是利用光的全反射来实现指纹采集图像的高对比度，为使手指接触指纹采集面产生全反射，光学系统的光轴与指纹采集面需要存在一定的倾斜角度，通过采用光学棱镜作为采集面，将光线转折后通过透镜成像到像面(即图像传感器)，而由于这个倾斜角度的存在，指纹成像到像面必然是一个畸变的像，其对指纹识别精度有较大影响，因此需要通过光学设计或软件算法处理来减小或校正畸变，采用传统的光学设计校正畸变一般需要更加的复杂的棱镜和透镜系统，其体积很大，设计复杂，因此目前一般采用软件算法进行图像畸变的校正。本实用新型实施例的用于指纹采集的成像模组采用图像传感器与光轴垂直方向成一定角度设置，使得像面相对于光轴也存在一个倾斜角度，能够在一定程度上减小由于物面倾斜产生的畸变，降低了指纹算法校正的难度，且方法简单易实现。
[0024]进一步的，如图4所示，本实用新型实施例所述的光学棱镜的底面包括消光区域2022和光源入射区域2021，所述消光区域2022经过消光处理。所述光学棱镜底面的消光区域2022经过消光处理，如消光漆，所述消光区域2022主要起到为所采集的指纹图像提供一个暗背景增强图像对比度提高图像质量，同时也可以消除部分杂散光的作用。所述消光区域2022的尺寸根据所述指纹采集装置的指纹采集窗口大小进行调整设定。所述光源入射区域2021用于所述光源发射的光线射入所述光学棱镜以照亮指纹采集面。
[0025]进一步的，本实用新型实施例所述反射面与底面的夹角β优选为108°。
[0026]进一步的，本实用新型实施例所述角度Θ根据多片透镜的参数、多片透镜与图像传感器之间的距离、物面倾斜角度计算得到。综合考虑多片透镜的材料特性、厚度、曲率半径、非球面的圆锥系数等透镜参数，多片透镜之间、多片透镜与图像传感器之间的间距，物面倾斜角度以及物距等因素，通过软件模拟优化使所成图像的畸变像差达到一个较小值，从而得到此时像面倾斜角度，也就是图像传感器与光轴垂直方向所成角度Θ。
[0027]进一步的，本实用新型实施例所述成像模组的图像传感器与光轴垂直方向逆时针所成角度Θ为4.8°。
[0028]进一步的，本实用新型实施例所述成像模组可适应的物面倾斜角度范围为35°至60° ο也就是说，如图5所示，当像面倾斜Θ = 4.8°，物面倾斜范围α为35°至60°时，通过简单调整成像模组与物面之间距离，均可以使所成图像的畸变像差减小到一个较小值，一定程度上校正畸变，降低后续指纹系统软件算法校正的难度，因此本实用新型实施例的成像模组可适应于较广范围的物面倾斜。
[0029]进一步的，本实用新型实施例所述成像模组沿光轴方向的物距范围为30mm至50mm。如图5所示，在整个指纹成像光学系统中，物面(可以是真实的物体面或虚拟的物体面)沿光轴方向到成像模组的物距L为30mm至50mm，相较于现有的指纹成像光学系统而言，本实用新型实施例用于指纹采集的成像模组的物距较短，有利于实现整个指纹采集装置的小型化。
[0030]进一步的，本实用新型实施例所述成像模组的焦距为Imm至5mm，视场角为70°至90°。本实用新型实施例的成像模组为短焦广角微型镜头，其焦距很短，整个模组体积很小，其视场角较广，便于在较近距离进行成像，相较于传统指纹采集装置通过反射镜来增加光路长度减小指纹采集装置体积的方法，采用本实用新型实施例成像模组的指纹采集装置无需增加反射镜等光学部件即可实现小型化，使得采集装置结构更简单，成本更低。
[0031]进一步的，如图5所示，本实用新型实施例所述指纹采集的成像模组还包括镜筒003和镜座004，其中多片透镜001依次镶嵌在镜筒003内，镜筒003固定在镜座004的一端，图像传感器002镶嵌在镜座004的另一端。本实用新型实施例的用于指纹采集的成像模组还可以包括光阑005和滤光片006，其中光阑005用于控制进入成像模组的光线，有助于调整图像整体清晰度和亮度，优选设置于多片透镜之间，滤光片006设置于多片透镜的后端，其为可见光窄带滤光片，滤波范围根据指纹采集装置所用光源而定，优选图像传感器敏感度最高的495nm至555nm绿色波段。本实用新型实施例的用于指纹采集的成像模组可封装成一个单独的模块，进行批量化生产，便于批量化的光学对焦和测试，相较于传统的指纹采集装置中的光学部件均为单独部件，每台指纹仪装配后进行单独调试而言，极大地提高了生产效率，降低了装配调试难度。
[0032]进一步的，本实用新型实施例所述指纹采集装置还包括玻璃面板和数据传输接口，所述玻璃面板为蓝宝石玻璃或钢化玻璃，所述玻璃面板的下方设置光学棱镜;所述光源为OLED平面光源，所述光源位于所述光学棱镜底面的光源入射区域下方;所述主电路板连接光源和图像传感器;所述光源和主电路板并排设置于光学棱镜的下方。本实用新型实施例的玻璃面板为蓝宝石玻璃或钢化玻璃，蓝宝石玻璃或钢化玻璃的具有硬度高、耐刮擦等优点，可以有效防止指纹采集区被刮花，延长指纹采集装置的使用寿命，同时蓝宝石玻璃或钢化玻璃透明清亮，使得指纹采集装置整体外观更加和谐美观;本实用新型实施例的数据传输接口可以是USB接口、串口、红外线接口和蓝牙接口等接口类型中的一种或几种，满足各种应用场景或用户的需要。
[0033]下面以两个具体的实施例详细说明本实用新型实施例的成像模组:
[0034]实施例一:
[0035]如图6所示，图6为成像模组10和直角梯形棱镜20构成的指纹采集光学系统。图6中直角梯形棱镜的上表面为指纹采集面即真实的物面，前端倾斜面为反射面，指纹采集面经反射面镜像后的物面为虚拟物面，虚拟物面沿光轴方向与成像模组之间的物距LI为39.11mm，虚拟物面与光轴垂直方向的逆时针夹角α?为54°，即物面倾斜角度为54°。说明本实施例的指纹采集光学系统的成像模组适应范围广，可适应较广范围的物面倾斜。
[0036]实施例二:
[0037]如图7所示，图7Α为图像传感器与光轴倾斜一定角度Θ的成像模组和直角梯形棱镜构成的指纹采集光学系统；图7Β为图像传感器与光轴垂直的成像模组和直角梯形棱镜构成的指纹采集光学系统；图7C为一凸透镜和直角梯形棱镜构成的指纹采集光学系统。
[0038]通过光学软件模拟上述指纹采集光学系统得到的光学特性曲线如图8所示。图8Α、B分别为图7B和图7A的指纹采集光学系统的畸变特性图。图8C、D分别为图7A和图7C的指纹采集光学系统的弥散斑特性图。理想成像是一个理想点物经光学系统成像还是一个点物，但由于光学系统存在像差，实际的一个理想点物经光学系统成像得到的是一个衍射像，因为一般光学系统的口径都是圆形，衍射像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样就限制了光学系统的分辨率，弥散斑越大，分辨率越低，成像越差。畸变是像差的一种，物体上的直线经过光学系统成像后变成弯曲的线，弯曲越大，畸变越大。可见一款指纹采集产品设计的好坏，畸变和弥散斑是重要的评估参数。
[0039]从图8A、B可以看出采用本实用新型实施例成像模组的图像传感器与光轴倾斜一定角度Θ的指纹采集光学系统其畸变大小为29.61%，而图像传感器与光轴垂直的指纹采集光学系统其畸变大小为39.27%，说明图8A图像传感器与光轴倾斜一定角度Θ的成像模组的指纹采集光学系统成像质量优于图SB的指纹采集光学系统，成像模组采用图像传感器与光轴倾斜一定角度有助于减小光学系统的畸变。
[0040]从图8C、D可以看出图像传感器与光轴倾斜一定角度Θ的指纹采集光学系统其弥散斑半径最小为1.14um，最大为6.37um，而一凸透镜作为成像模组的指纹采集光学系统其弥散斑半径最小为1.54um，最大为17.64um，说明图7A采用本实用新型实施例成像模组的图像传感器与光轴倾斜一定角度Θ的指纹采集光学系统的成像质量及分辨率优于图7C的指纹采集光学系统，成像模组采用多片透镜增加了光学校正的自由度，大大优化了指纹图像成像质量，提高了图像细节分辨率。另外，图7A相较于7C的指纹采集光学系统长度明显较小，说明采用本实用新型实施例的成像模组有利于实现整个指纹采集装置的小型化。
[0041]本实用新型所述实施例的指纹采集装置具有成像质量高，体积小，结构简单紧凑，视场范围广，装配调试方便，便于批量化生产，可广泛适应于小型化指纹采集装置等优势。
[0042]以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种指纹采集装置，其特征在于，所述指纹采集装置包括:光学棱镜、成像模组、光源、主电路板和封装壳，所述光学棱镜为直角梯形棱镜，所述光学棱镜包括上下平行的指纹采集面和底面，左右两端的反射面和出光面以及两个侧面，所述反射面与所述底面所成夹角β满足:95° <β<125°，反射面镀有反射膜;所述成像模组位于光学棱镜出光面一侧，其光轴与光学棱镜的成像光轴平行，所述成像模组沿光轴方向依次设置多片透镜和图像传感器，所述透镜垂直于光轴设置，所述图像传感器与光轴垂直方向成一定角度设置，其所成角度Θ满足:O。<θ<10°。2.根据权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述光学棱镜的底面包括消光区域和光源入射区域，所述消光区域经过消光处理。3.根据权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述反射面与底面的夹角β为108。。4.根据权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述角度Θ根据多片透镜的参数、多片透镜与图像传感器之间的距离、物面倾斜角度计算得到。5.根据权利要求4所述的指纹采集装置，其特征在于，所述图像传感器与光轴垂直方向的逆时针所成角度Θ为4.8°。6.根据权利要求5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述物面倾斜角度范围为35°至60。。7.根据权利要求5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述成像模组沿光轴方向的物距范围为30mm至50mm。8.根据权利要求5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述成像模组的焦距为Imm至5mm，视场角为70°至90°。9.根据权利要求1至8任一所述的指纹采集装置，其特征在于，所述成像模组还包括镜筒和镜座，所述多片透镜依次镶嵌在镜筒内，镜筒固定在镜座的一端，所述图像传感器镶嵌在镜座的另一端。10.根据权利要求9所述的指纹采集装置，其特征在于，所述指纹采集装置还包括玻璃面板和数据传输接口，所述玻璃面板为蓝宝石玻璃或钢化玻璃，所述玻璃面板的下方设置光学棱镜;所述光源为OLED平面光源，所述光源位于所述光学棱镜底面的光源入射区域下方;所述主电路板连接光源和图像传感器;所述光源和主电路板并排设置于光学棱镜的下方。
【文档编号】G06K9/00GK205486177SQ201620238953
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】胡绘珠, 何笛
【申请人】北京天诚盛业科技有限公司