一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的制作方法

本实用新型涉及一种指纹识别模组，更具体地说，是涉及一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组。

背景技术：

现有市面上流行的用于手机的指纹识别模组，大部分是电容式指纹传感器组件，其利用硅晶元微阵列与导电的皮下电解液形成电场，指纹的高低起伏会导致二者之间的压差出现不同的变化，借此可实现准确的指纹测定。但是由于传感器表面是使用硅材料容易损坏，导致使用寿命降低。以及通过指纹的沟壑和山脊之间的凹凸来形成指纹图像的，因而对脏手指或湿手指等识别困难，手指辨别率较低。

另外申请号为US9570002的美国专利申请公开了一种采用微型 LED传感技术的触摸显示屏指纹识别技术，如下图1所示，这项技术在微型LED显示器上配备了微小的红外线发射器和传感器阵列，从而取代现在主流的电容式指纹传感器组件。该设计可使触摸面板和指纹传感器集成于一体。其优点为：其非常美观和实用，隐藏于显示屏下方，非常隐秘不易被发觉，与显示屏浑然一体，其主要用于下一代智能手机的无边框屏幕设计、“消失”的HOME键和Touch ID指纹传感器。但是该技术只能用于OLED的显示屏上，其主要原因为：OLED (有机发光LED)，是全透自发光的，显示屏不需要背光照明，因此指纹识别成像的区域也不用背光开孔。如果采用普通的LCD显示屏，那么由于照明显示屏用的背光模组的导光板(其下底面有些微结构) 会对下方的指纹识别模组产生挡光，因此导光板在指纹识别光学成像模组的正上方的位置需要开一个孔，让指纹下表皮的光线可以穿过背光模组、并通过下方的成像透镜进行成像识别。那么由于导光板开孔位置不能对正上方的LCD屏进行照明，显示屏上会出现一个明显的黑点。

上述发明采用微型LED传感技术的触摸显示屏技术，所述OLED 屏最大的技术问题是有机材料的寿命有限。由于产生蓝光的OLED材料比其他颜色的材料降解得更快，因此蓝光输出会比其他颜色的光少。另外水可以瞬间损坏显示器的有机材料，因此，改进的密封工艺对实际生产具有重要意义。OLED屏在显示具有白色背景的图像时(比如文档或是网站)，会非常耗电。还有一个缺点是烧屏问题：由于各像素在屏幕上显示的差异，每个位置的老化速度就有了差异。这种面板的生产难度非常高，而且价格昂贵。

技术实现要素：

为克服现有技术中的上述缺陷，本实用新型以手机应用为例，提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，其成本低、寿命高、以及可靠性好，其同时可以消除由于导光板开孔造成的显示屏上的黑点，可以用于普通的LCD触摸显示屏。

为实现上述目的，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括屏幕构件，装设在屏幕构件下方的微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的导光构件和用于产生光线的发光构件，所述成像系统包括用于成像的成像透镜，装设于成像透镜上方的光阑片，装设于成像透镜下方的红外滤波片，装设于红外滤波片下方的用于接收图像的图像传感器，所述光阑片开设有通孔，所述导光构件包括装设于发光构件上方的非对称自由曲面配光透镜，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板，设置于玻璃盖板下方的显示屏，设置于显示屏下方的用于照明显示屏的导光板，所述导光板中间开设有导光区域，所述导光板设置于非对称自由曲面配光透镜上方。

作为优选的，所述导光构件底部开设有凹槽，所述非对称自由曲面配光透镜装设在凹槽顶部，所述发光构件装设于凹槽内，所述导光构件顶部为平直的出光面，所述非对称自由曲面配光透镜包括非对称倾斜设置的锯齿状菲涅尔结构。

作为优选的，所述导光构件底部开设有凹槽，所述非对称自由曲面配光透镜装设在凹槽顶部，所述发光构件装设于凹槽内，所述导光构件顶部为平直的出光面，所述非对称自由曲面配光透镜为内侧比外侧深度浅的一圈环形自由曲面凹槽。

作为优选的，所述导光构件底部开设有凹槽，所述非对称自由曲面配光透镜包括装设在凹槽顶部的下偏折面和装设在导光构件顶部的上偏折面，所述下偏折面为外侧比内侧高的一圈环形自由曲面凹槽，所述上偏折面为外侧比内侧低的一圈环形自由曲面凸面。

作为优选的，所述导光构件底部为平直的集光面，所述非对称自由曲面配光透镜装设于导光构件的顶部，所述自由曲面配光透镜为外侧比内侧高的一圈环形自由曲面凸面。

作为优选的，所述成像透镜外侧装设有壳体，所述光阑片装设于壳体顶部，所述壳体的内壁为黑色，所述壳体的外壁为白色或银色。

作为优选的，所述导光构件底部为平直的集光面，所述非对称自由曲面配光透镜设置于导光构件顶部，所述非对称自由曲面配光透镜包括非对称倾斜设置的锯齿状菲涅尔结构。

作为优选的，所述成像透镜为光学成像透镜，所述光学成像透镜为菲涅尔曲面透镜，其也可以为非球面光学透镜或衍射光学曲面透镜。

为作为优选的，所述成像透镜的数量为一个，其也可以设置两个或两个以上。

作为优选的，所述导光构件为圆形，当然，根据实际需要也可以设置为椭圆形，方形，三角形，多边形或不规则图形。

作为优选的，所述显示屏为LCD液晶显示屏，其也可以为OLED 显示屏或微LED阵列显示屏。

作为优选的，所述导光区域为开设在导光板上的导光通孔，其也可以设置在导光板上的透明平面或曲面。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板，设置于玻璃盖板下方的显示屏，设置于显示屏下方的用于照明显示屏的导光板，所述导光板中间开设有导光区域，所述微型背光照明系统包括导光构件和用于发光的发光构件，所述导光构件包括设置于发光构件上方的非对称自由曲面配光透镜，所述导光板设置于导光构件上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜，装设于成像透镜下方的用于接收图像的图像传感器。本实用新型结构简单，成本低、寿命高、以及可靠性好，其同时可以消除由于导光板开孔造成的显示屏上的黑点，可以用于普通的LCD触摸显示屏。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是申请号为US9570002的美国专利申请公开的一种采用微型LED传感技术的触摸显示屏指纹识别技术的结构示意图；

图2是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组与屏幕构件配合的结构示意图；

图3是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的等轴侧分解图；

图4是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的配光特征示意图；

图5是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的对单根光线的配光示意图；

图6是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的计算机模拟图；

图7是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的玻璃盖板上表面的光度分布模拟结果图；

图8是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的成像透镜的设计光路图；

图9是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的成像透镜的设计结构的点列图；

图10是本实用新型实施例一提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的成像透镜设计结构的调制传递函数曲线图；

图11是本实用新型实施例二提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组与屏幕构件配合的结构示意图；

图12是本实用新型实施例二提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的配光特征示意图；

图13是本实用新型实施例三提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组与屏幕构件配合的结构示意图；

图14是本实用新型实施例三提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组的配光特征示意图；

图15是本实用新型实施例四提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组与屏幕构件配合的结构示意图；

图16是本实用新型实施例五提供的一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组与屏幕构件配合的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的实施例提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组。

实施例一

请参考图2和图3，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板1410，设置于玻璃盖板1410下方的显示屏 1420，设置于显示屏1420下方的用于照明显示屏1420的导光板1430，所述导光板1430中间开设有导光区域1431，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的装设于导光板1430下方的导光构件1440，装设于导光构件1440内的用于产生光线的发光构件1490，所述导光板 1430设置于导光构件1440上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜1460，装设于成像透镜1460上方的光阑片1450，装设于成像透镜1460下方的红外滤波片1470，装设于红外滤波片1470下方的用于接收图像的图像传感器1480，所述光阑片1450开设有通孔，所述导光构件1440包括非对称自由曲面配光透镜1441，所述导光构件 1440底部开设有凹槽，所述非对称自由曲面配光透镜1441装设在凹槽顶部，所述发光构件1490装设于凹槽内，所述导光构件1440顶部为平直的出光面1442，所述非对称自由曲面配光透镜1441为内侧比外侧深度浅的一圈环形自由曲面凹槽，该设置可将成像系统包围在导光构件1440内，使得成像系统得以保护，同时发光构件1490置于凹槽内也使得发光构件1490得以保护。

所述发光构件1490为两个或两个以上的LED光源，本实施例中采用两个LED光源，所述LED光源的数量也可以选择两个以上的其他数量。

请参考图4，所述LED光源发出的光线通过导光构件1440上的非对称自由曲面配光透镜1441进行大角度的偏折，偏折后的光线均匀地照明位于玻璃盖板1410上表面1411的指纹下表皮，光线进入成像透镜1460内，所述成像透镜1460将指纹表皮的沟壑纹理结构成像到位于成像透镜1460下方的图像传感器1480上，形成一个清晰的像，以便进行图像处理。

请参考图5，假设从位于所述导光构件1440下方左侧的发光构件1490中心O点发出的一根光线OP，经过所述导光构件1440的非对称自由曲面配光透镜1441的左侧自由曲面折射后，其折射光线PQ 从所述导光构件1440的出光面1442输出，最后输出光线为QR。假设出射光线QR与光轴OV的夹角(配光角度)为θi，假设入射光线 OP与光轴的夹角为δi,那么出射光线QR的配光角度θi和入射光线OP 的入射角δi之间符合以下公式(1)的配光条件：

公式(1)：

公式(1)中，θi为出射光线QR的配光角度。δL为导光构件1440 左侧的非对称自由曲面配光透镜1441最左边一点的边缘入射光线的入射角，本实施例优选其为-30°，δR为导光构件1440左侧的非对称自由曲面配光透镜1441最右边一点的边缘入射光线的入射角，本实施例优选其为60°，θmax为出射光线的最大配光角度，本实施例优选其为50°。根据公式(1)，当δi＝δL时，即从LED中心O点发出的入射到导光构件下表面倾斜的自由曲面1441最左边一点的边缘光线，其配光角度θi＝0，即该点位置的出射光线(最左边缘光线)平行于光轴OV竖直向上射出；而当δi＝δR时，即从LED中心O点发出的入射到导光构件左侧下表面倾斜的自由曲面1441最右边一点的边缘光线，根据公式(1)可得其配光角度θi＝θmax，即该点位置的出射光线 (最右边缘光线)以最大的配光角度θmax射出，其他位置的出射光线则均匀地分布在0～θmax之间。本实施例优选所述的最大配光角度θmax为50°，其具体数值不限定，可以根据所述玻璃上表面的高度，以及该微型背光照明系统的照明范围来调整。

根据导光构件1440的非对称自由曲面配光透镜1441最左边一点，及最右边一点的边缘光线入射角的边界条件(即δL＝-30°、δR＝60°)，以及根据设定的最大配光角度θmax＝50°，利用公式(1)，当δi从δL(δL＝-30°)一直变化到δR(δR＝60°)时，可以采用有限元迭代的数值计算方法，计算出自由曲面1441的剖面轮廓线(X,Y)的每一点坐标，完成导光构件1440的三维建模。

请参考图6，将建模完成的3D图档导入到光度分析软件中，并导入LED的近场光线数据文件，对该模组的配光进行模拟。图中显示左边一颗LED沿着径向的扇形光线的分布，可以看出所述导光构件 1440的非对称自由曲面配光透镜1441的配光特征完全符合公式(1) 所描述的配光条件。

请参考图7，所述触摸屏玻璃盖板1410上表面1411光度分布的模拟结果，从其右侧及下边的平顶的照度分布曲线，可以看出其均匀度十分完美，其均匀度超过90％。本实施例1所述微型背光照明系统，可以消除由于导光板开孔形成的显示屏上局部亮度不足造成的黑点，同时均匀照明位于所述触摸屏玻璃盖板上表面的指纹下表皮，其可以用于普通的LCD触摸显示屏的屏下指纹识别模组。

所述成像透镜1460为光学成像透镜，所述光学成像透镜优选为上下两个面都为非球面的显微放大透镜。其成像设计的光路图如图8 所示。其将玻璃盖板上表面(指纹压按的位置)作为物面，而下方图像传感器1480的传感面作为像面进行成像设计，其设计结果的点列图如图9所示，其最大视场位置的点列图均方根大小为7.93微米；其设计结果的调制传递函数曲线如图10所示，其在30线对(像素尺寸16.7微米)时的分辨率为0.5以上。

所述导光构件为圆形，当然，根据实际需要也可以设置为椭圆形，方形，三角形，多边形或不规则图形。

本实施例中，所述光学成像透镜优选为菲涅尔曲面透镜，在其他实施例中，其也可以为非球面光学透镜或衍射光学曲面透镜。

本实施例中所述成像透镜1460的数量优选为一个，在其他实施例中，其也可以设置为两个或两个以上。

本实施例中所述显示屏1420为LCD液晶显示屏，在其他实施例中，其也可以设置为OLED显示屏或微LED阵列显示屏。

本实施例中所述导光区域1431为开设在导光板1430上的导光通孔，在其他实施例中，其也可以为设置在导光板1430上的透明平面或曲面。

实施例二

请参考图11和图12，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板2410，设置于玻璃盖板2410下方的显示屏2420，设置于显示屏2420下方的用于照明显示屏2420的导光板 2430，所述导光板2430中间开设有导光区域2431，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的装设于导光板2430下方的导光构件 2440，装设于导光构件2440内的用于产生光线的发光构件2490，所述导光板2430设置于导光构件2440上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜2460，装设于成像透镜2460下方的红外滤波片2470，装设于红外滤波片2470下方的用于接收图像的图像传感器2480，所述导光构件2440包括非对称自由曲面配光透镜，所述导光构件2440 底部开设有凹槽。

实施例二与实施例一的区别在于：所述非对称自由曲面配光透镜包括装设在凹槽顶部的下偏折面2441和装设在导光构件2440顶部的上偏折面2442，所述下偏折面2441为外侧比内侧高的一圈环形自由曲面凹槽，所述上偏折面2442为外侧比内侧低的一圈环形自由曲面凸面。所述的下偏折面2441将发光构件2490的入射光线进行第一次偏折，所述的上偏折面2442则将下方第一次偏折后的光线进行第二次偏折，偏折后的光线均匀地分配到触摸屏玻璃盖板2410上表面 2411的位置，均匀地照明指纹下表皮。所述成像透镜外侧装设有壳体2450，所述壳体2450的顶部为光阑片，所述光阑片开设有通孔，用于限制杂光和指纹表皮的成像视场角，所述壳体2450的内壁为黑色，用于消杂光，所述壳体2450的外壁为白色或银色，用于反射导光构件2440射过来的光线，并将反射光线射向上方。其成像系统的其他结构以及其他的光线路径与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例三

请参考图13和图14，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板3410，设置于玻璃盖板3410下方的显示屏3420，设置于显示屏3420下方的用于照明显示屏3420的导光板3430，所述导光板3430中间开设有导光区域3431，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的装设于导光板3430下方的导光构件 3440，装设于导光构件3440下方用于产生光线的发光构件3490，所述导光板3430设置于导光构件3440上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜3460，装设于成像透镜3460下方的红外滤波片3470，装设于红外滤波片3470下方的用于接收图像的图像传感器3480，所述导光构件3440包括非对称自由曲面配光透镜3442。

实施例三与实施例一的区别在于：所述导光构件3440底部为平直的集光面3441，所述非对称自由曲面配光透镜3442装设于导光构件3440的顶部，所述自由曲面配光透镜3442为外侧比内侧高的一圈环形自由曲面凸面。所述集光面3441用于收集下方发光构件3490发出的光线。所述导光构件3440，其上表面3442为倾斜配光用的自由曲面，其外侧较凸，内侧较平缓，其将下表面平面3441位置折射过来的光线进行配光，进行大角度的偏转，均匀地分配到位于玻璃盖板 3410上表面3411的指纹下表皮。所述成像透镜外侧装设有壳体3450，所述壳体3450的顶部为光阑片，所述光阑片开设有通孔，用于限制杂光和指纹表皮的成像视场角，所述壳体3450的内壁为黑色，用于消杂光，所述壳体3450的外壁为白色或银色，用于反射导光构件3440 射过来的光线，并将反射光线射向上方。其成像系统的其他结构以及其他的光线路径与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例四

请参考图15，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板4410，设置于玻璃盖板4410下方的显示屏4420，设置于显示屏4420下方的用于照明显示屏4420的导光板4430，所述导光板4430中间开设有导光区域4431，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的装设于导光板4430下方的导光构件4440，装设于导光构件4440下方的用于产生光线的发光构件4490，所述导光板 4430设置于导光构件4440上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜4460，装设于成像透镜4460上方的光阑片4450，装设于成像透镜4460下方的红外滤波片4470，装设于红外滤波片4470下方的用于接收图像的图像传感器4480，所述光阑片4450开设有通孔，所述导光构件4440包括非对称自由曲面配光透镜4442。

实施例四与实施例一的区别在于：所述导光构件4440底部为平直的集光面4441，所述集光面4441用于收集下方发光构件4490发出的光线。所述发光构件4490为两个或两个以上的激光二极管光源，本实施例中采用四个激光二极管光源。所述非对称自由曲面配光透镜 4442装设于导光构件4440的顶部，所述非对称自由曲面配光透镜 4442的上表面设置有非对称倾斜设置的锯齿状菲涅尔结构，每个锯齿状菲涅尔结构的倾斜度渐变，实现将光线进行大角度的折射和偏转，偏折后的光线均匀地照明位于玻璃盖板4410上表面4411的指纹下表皮，其成像系统的其他结构以及其他的光线路径与实施例一相同，此处不再赘述。

实施例五

请参考图16，本实用新型提供一种隐藏于屏幕下方的非对称调光式指纹识别模组，包括微型背光照明系统和装设于微型背光照明系统内的成像系统，装设于微型背光照明系统上方的屏幕构件，所述屏幕构件包括玻璃盖板5410，设置于玻璃盖板5410下方的显示屏5420，设置于显示屏5420下方的用于照明显示屏5420的导光板5430，所述导光板5430中间开设有导光区域5431，所述微型背光照明系统包括用于调整光线的装设于导光板5430下方的导光构件5440和用于产生光线的发光构件5490，所述导光板5430设置于导光构件5440上方，所述成像系统包括用于成像的成像透镜5460，装设于成像透镜 5460上方的光阑片5450，装设于成像透镜5460下方的红外滤波片 5470，装设于红外滤波片5470下方的用于接收图像的图像传感器 5480，所述光阑片5450开设有通孔，所述导光构件5440包括非对称自由曲面配光透镜5441，所述导光构件5440底部开设有凹槽，所述非对称自由曲面配光透镜5441装设在凹槽顶部，所述发光构件5490 装设于凹槽内，所述导光构件5440顶部为平直的出光面5442。

实施例五与实施例一的区别在于：所述非对称自由曲面配光透镜 5441为非对称倾斜设置的锯齿状菲涅尔结构，每个锯齿状菲涅尔结构的倾斜度渐变，实现将光线进行大角度的折射和偏转，偏折后的光线均匀地照明位于玻璃盖板5410上表面5411的指纹下表皮，其成像系统的其他结构以及其他的光线路径与实施例一相同，此处不再赘述。

综上所述，本实用新型结构简单，其成本低、寿命高、以及可靠性好，其同时可以消除由于导光板开孔造成的显示屏上局部亮度不足形成的黑点，可以用于普通的LCD触摸显示屏。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。