CN111310537A

CN111310537A - 光学指纹识别系统及其指纹图像撷取方法

Info

Publication number: CN111310537A
Application number: CN201910999850.XA
Authority: CN
Inventors: 陈季廷
Original assignee: Novatek Microelectronics Corp
Current assignee: Novatek Microelectronics Corp
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2020-06-19
Also published as: US20200193129A1; TWI764051B; TW202022670A; US10984216B2; TW202230172A; TWI807760B

Abstract

本发明公开一种光学指纹识别系统。所述光学指纹识别系统包括一处理电路；以及一图像感测器，包括一像素阵列；其中在一注册操作中，所述处理电路用来设定一第一曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第一曝光时间撷取一第一指纹图像，而在一匹配操作中，所述处理电路用来设定一第二曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第二曝光时间撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；其中，所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。

Description

光学指纹识别系统及其指纹图像撷取方法

技术领域

本发明涉及一种光学指纹识别系统及其指纹图像撷取方法，特别是涉及一种可在一注册操作与一匹配操作之间达成良好权衡的光学指纹识别系统及其指纹图像撷取方法。

背景技术

随着科技的发展，手机、数字相机、平板计算机、笔记本电脑及其它电子装置变得越来越流行。电子装置旨在供个人使用，其具有一定的隐私性。储存在电子装置中的信息如电话簿、照片、个人信息等为私人拥有的。如果电子装置丢失，则其他人可能会接触这些数据，从而造成不必要的损失。即使有多种方式可使用密码来保护电子装置不被其他人使用，密码也可能容易被传播或破解，这降低了安全性。此外，用户需要记住密码以使用电子装置。如果用户忘记密码，则会给用户带来麻烦。因此，利用个人指纹识别来实现个人识别的目的，以增强数据安全性。

指纹识别包括一注册操作及一匹配操作。在注册操作中，模板指纹图像建立并储存在一数据库。在匹配操作中，新撷取的指纹图像与模板指纹图像比较进行比对。因此，希望能在注册操作与匹配操作之间达成平衡。

发明内容

因此，本发明的主要目的在于提供一种可在一注册操作与一匹配操作之间达成良好权衡的光学指纹识别系统及其指纹图像撷取方法。

本发明实施例公开一种光学指纹识别系统，包括一处理电路；以及一图像感测器，包括一像素阵列；其中，在一注册操作中，所述处理电路用来设定一第一曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第一曝光时间撷取一第一指纹图像，而在一匹配操作中，所述处理电路用来设定一第二曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第二曝光时间撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；其中，所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。

本发明实施例公开一种指纹图像撷取方法，用于包括一图像感测器及一处理电路的一光学指纹识别系统，所述指纹图像撷取方法包括进行一注册操作，包括设定一第一曝光时间；以及控制所述图像感测器根据所述第一曝光时间撷取一第一指纹图像用于所述注册操作；以及进行一匹配操作，包括设定一第二曝光时间；以及控制所述图像感测器根据所述第二曝光时间撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；其中，所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。

本发明实施例公开一种光学指纹识别系统，包括一处理电路；以及一图像感测器，包括一像素阵列；其中，在一注册操作中，所述处理电路用来订定一第一曝光设定并控制所述图像感测器根据所述第一曝光设定撷取一第一指纹图像用于所述注册操作，而在一匹配操作中，所述处理电路用来订定一第二曝光设定并控制所述图像感测器根据所述第二曝光设定撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；其中，所述第一曝光设定及所述第二曝光设定是订定使得所述第一指纹图像的一第一有效面积大于所述第二指纹图像的一第二有效面积。

附图说明

图1是本发明实施例一光学指纹识别系统的示意图。

图2绘示使用两个不同曝光时间所撷取的两个指纹图像。

图3是本发明实施例一指纹图像撷取方法的示意图。

图4是本发明实施例一像素阵列及一像素电路的示意图。

图5是本发明实施例一曝光时间的示意图。

其中，附图标记说明如下：

10 光学指纹识别系统

12 处理电路

14 图像感测器

16 内存电路

18 时序控制电路

2 方法

20、22 流程

200～224 步骤

140 前端模块

142 放大电路

144 相关二次取样电路

TC1、TC2 曝光时间控制讯号

EA_a、EA_b 有效面积

PXA 像素阵列

PX 像素电路

PD 光电二极管

TG 传输闸讯号

RST 重置讯号

SF 源极随耦器

SEL 选择讯号

T_RST 重置时间

T_RD 读出时间

T_R,1、T_TG,1、T_R,2、T_TG,2 导通时间

TE 曝光时间

T_cycle 周期时间

具体实施方式

指纹识别包括一注册操作及一匹配操作。在注册操作中，一模板指纹图像建立并储存在一数据库。在匹配操作中，一新撷取指纹图像与所述模板指纹图像进行比较。

对在注册操作来说，需要具有较大有效面积的指纹图像。具有较大有效面积的指纹图像需要时间，意即较大有效面积需要较长曝光时间。然而，较长曝光时间劣化进行匹配操作时的使用者体验。因此，需要改善使用者体验。

图1是本发明实施例一光学指纹识别系统10的一示意图。光学指纹识别系统10可设置在一电子装置如移动电话或平板计算机。光学指纹识别系统10包括一处理电路12、一图像感测器14以及一时序控制电路18。处理电路12可为设置有光学指纹识别系统10的电子装置的一应用处理器(从图像感测器的角度来看做为“主机”)。图像感测器14可为一互补式金属氧化物半导体图像感测器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor ImageSensor，CIS)并包括一像素阵列PXA，其中像素阵列PXA包括复数个像素电路PX。图像感测器14用来一般性地产生一指纹图像FPM。时序控制电路18耦接于处理电路12及图像感测器14之间，可包括一计数器。时序控制电路18用来控制/调整像素阵列PXA的一曝光时间。

一般来说，光学指纹识别系统10用来进行一注册操作(在一注册阶段)及一匹配操作(在一匹配阶段)。在注册操作/阶段中，处理电路12建立至少一模板指纹图像并储存模板指纹图像在一内存电路(或数据库)16。在匹配操作/阶段中，处理电路12由内存电路16读出模板指纹图像，并比较一新撷取指纹图像与模板指纹图像，以判断新撷取指纹图像是否匹配模板指纹图像。

须注意，曝光时间的长度反映指纹图像的一有效面积。使用较长的曝光时间，会取得较大的有效面积。举例来说，图2绘示使用两个不同曝光时间所撷取的两个指纹图像。第2a图的指纹图像是使用一较短曝光时间所撷取(如TE2，稍后将对其进行叙述)及第2b图的指纹图像是使用一较长曝光时间所撷取(如，TE1，稍后将对其进行叙述)。因此，由图2可知，第2a图的一有效面积EA_a小于第2b图的一有效面积EA_b。

实际上，从注册阶段的角度来看，注册操作通常需要具有较大有效面积的指纹图像以建立模板指纹图像，因此需要较长曝光时间。另一方面，从匹配阶段的角度来看，较长曝光时间会劣化使用者体验。

在习知技术中，用于注册阶段的曝光时间和用于匹配阶段的曝光时间具有相同长度，且若两种操作都用相同曝光时间，则难以在注册操作与匹配操作之间达成良好的平衡。

不同于习知技术，在本发明中，对在注册操作/阶段和匹配操作/阶段，采用不同长度的不同曝光时间。亦即，一第一/较长曝光时间TE1是用于注册操作而一第二/较短曝光时间TE2是用于匹配操作(其中第一曝光时间TE1长于第二曝光时间TE2)。

换句话说，在注册阶段，图像感测器14使用第一/较长曝光时间TE1以撷取一第一指纹图像FPM_1。处理电路12根据第一指纹图像FPM_1建立一模板指纹图像FPM_0，并储存模板指纹图像FPM_0在内存电路16。曝光时间TE1及TE2可根据设计要求手动或自动设定。

一旦处理电路12进入匹配阶段，图像感测器14使用第二/较短曝光时间TE2以撷取一第二指纹图像FPM_2，其中由于第二曝光时间TE2短于第一曝光时间TE1，所在第二指纹图像FPM_2的一有效面积EA_2应小于第一指纹图像FPM_1的一有效面积EA_1。处理电路12由内存电路16读出模板指纹图像FPM_0，并比较第二指纹图像FPM_2与模板指纹图像FPM_0，以判断第二指纹图像FPM_2是否匹配模板指纹图像FPM_0。若是/肯定，处理电路12会进行一认证操作，进而进行如解锁电子装置的一屏幕或认证一电子支付等后续操作。

图3是本发明实施例一指纹图像撷取方法2的示意图。光学指纹识别系统10所执行的指纹图像撷取方法2包括一注册流程20及一匹配流程22。在步骤200中，处理电路12订定一第一曝光设定以设定曝光时间TE1做为图像感测器14的曝光时间的设定。在步骤201中，检查第一指纹图像FPM_1是否准备就绪，以根据曝光时间TE1撷取第一指纹图像FPM_1。步骤201(及相对应于循环)可视为处理电路12控制图像感测器14根据第一曝光时间TE1以撷取第一指纹图像FPM_1。在步骤202中，处理电路12进行注册操作以根据第一指纹图像FPM_1建立模板指纹图像FPM_0。在步骤203中，处理电路12可检查第一指纹图像FPM_1或模板指纹图像FPM_0的一有效面积是否够大。若是，光学指纹识别系统10进行步骤204，其中光学指纹识别系统10准备好进行匹配操作。在步骤220中，处理电路12订定一第二曝光设定以设定曝光时间TE2做为图像感测器14的曝光时间的设定。在步骤221中，第二指纹图像FPM_2是根据曝光时间TE2所撷取。步骤221(及相对应于循环)可视为处理电路12控制图像感测器14根据第二曝光时间TE2以撷取第二指纹图像FPM_2。在步骤222中，处理电路12进行匹配操作以比较第二指纹图像FPM_2与模板指纹图像FPM_0，并判断第二指纹图像FPM_2是否匹配模板指纹图像FPM_0。若是，处理电路12在步骤224中进行认证操作。

除此之外，时序控制电路18可由处理电路12所控制传送一第一曝光时间控制讯号TC1至图像感测器14，以指示图像感测器14在处理电路12进行注册操作时，根据第一曝光时间TE1撷取第一指纹图像FPM_1。相似地，时序控制电路18可由处理电路12所控制传送一第二曝光时间控制讯号TC2至图像感测器14，以指示图像感测器14在处理电路12进行匹配操作时，根据第二曝光时间TE2撷取第二指纹图像FPM_2。

更进一步地，本发明的曝光时间涉及一重置时间T_RST及一读出时间T_RD之间的一时间差。具体而言，图4是本发明实施例像素阵列PXA及像素电路PX的示意图。图5是本发明实施例一曝光时间TE的示意图。除了像素阵列PXA包括复数个像素电路PX配置在一阵列之外，图像感测器14可包括一前端模块140，其中前端模块140可包括一放大电路142及一相关二次取样电路(correlated double sampling circuit)144。放大电路142及相关二次取样电路144可耦接于像素阵列PXA。放大电路142及相关二次取样电路144的细节及连接方式为本领域所熟知，为简洁起见，在此不再赘述。

像素电路PX包括一光电二极管PD、一传输闸用来接收一传输闸讯号TG、一重置晶体管接收一重置讯号RST、一源极随耦器(source follower)SF以及一选择晶体管接收一选择讯号SEL。传输闸讯号TG及重置讯号RST的波形绘示在图5中。重置时间T_RST是对应于传输闸及重置晶体管都导通的一时间，而读出时间T_RD是对应于传输闸导通但重置晶体管截止的一时间。

举例来说，由于在重置晶体管导通时间T_RST,1内，传输闸也在一传输闸导通时间T_TG,1导通，因此在重置晶体管导通时间T_RST,1内的一时刻可视为重置时间T_RST。由于在传输闸导通时间T_TG,2，传输闸导通但重置晶体管不导通，因此在一传输闸导通时间T_TG,2内的一时刻可视为读出时间T_RD。须注意，由于传输闸在一重置晶体管导通时间T_RST,2不导通，重置晶体管导通时间T_R,2(绘示在图5)可不视为重置时间T_RST。

在图5所绘示的实施例，重置时间T_RST是在重置晶体管导通时间T_R,1的一下降缘，及读出时间T_RD是在传输闸导通时间T_TG,2的一下降缘。另外，曝光时间TE(在图5所绘示的实施例中)是在重置时间T_RST及读出时间T_RD之间，且在撷取一指纹图像FPM的一周期时间T_cycle内。

更进一步地，图4所示的像素电路PX可耦接于时序控制电路18。在注册阶段，曝光时间TE可通过时序控制电路18设定为第一/较长曝光时间TE1。在匹配阶段，曝光时间TE可通过时序控制电路18设定为第二/较短曝光时间TE2。在一实施例中，曝光时间控制讯号TC1/TC2可为时序控制电路18中计数器所产生对应于曝光时间TE1/TE2的一时间到讯号(timeout signal)。

总而言之，本发明对在注册操作/阶段和匹配操作/阶段，采用不同长度的不同曝光时间。第一/较长曝光时间TE1是用于注册操作，以完成模板指纹图像。第二/较短曝光时间TE2是用于匹配操作，而不牺牲使用者体验。在相同或不同实施例中，具有不同有效面积的指纹图像可分别用于注册操作/阶段及匹配操作/阶段。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种光学指纹识别系统，其特征在于，包括：

一处理电路；以及

一图像感测器，包括一像素阵列；

其中，在一注册操作中，所述处理电路用来设定一第一曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第一曝光时间撷取一第一指纹图像，而在一匹配操作中，所述处理电路用来设定一第二曝光时间并控制所述图像感测器根据所述第二曝光时间撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；

其中，所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。

2.如权利要求1所述的光学指纹识别系统，其特征在于，在所述注册操作中，所述处理电路根据所述第一指纹图像建立一模板指纹图像并储存所述模板指纹图像在一内存电路中。

3.如权利要求2所述的光学指纹识别系统，其特征在于，在所述匹配操作中，所述处理电路由所述内存电路读出所述模板指纹图像，比较所述第二指纹图像与所述模板指纹图像，并判断所述第二指纹图像是否匹配所述模板指纹图像。

4.如权利要求1所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述第一指纹图像具有一第一有效面积，而所述第二指纹图像具有小于所述第一有效面积的一第二有效面积。

5.如权利要求1所述的光学指纹识别系统，其特征在于，其还包括一时序控制电路耦接于所述处理电路及所述图像感测器之间。

6.如权利要求5所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述时序控制电路是由所述处理电路所控制，用来传送一曝光时间控制讯号至所述图像感测器，以指示所述图像感测器在所述处理电路进行所述注册操作时，根据所述第一曝光时间撷取所述第一指纹图像。

7.如权利要求5所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述时序控制电路是由所述处理电路所控制，用来传送一曝光时间控制讯号至所述图像感测器，以指示所述图像感测器在所述处理电路进行所述匹配操作时，根据所述第二曝光时间撷取所述第二指纹图像。

8.如权利要求2所述的光学指纹识别系统，其特征在于，在所述处理电路完成所述匹配操作且判断所述第二指纹图像与所述模板指纹图像匹配后，所述处理电路进行一认证操作。

9.如权利要求1所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述像素阵列包括复数个像素电路，且各像素电路包括：

一光电二极管；

一传输闸，耦接于所述光电二极管及一浮动扩散节点之间；以及

一重置晶体管，耦接于所述浮动扩散节点；

其中，一曝光时间是一重置时间与一读出时间之间的一时间差。

10.如权利要求9所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述重置时间是对应于所述传输闸及所述重置晶体管都导通的一第一时间，且所述读出时间是对应于所述传输闸导通但所述重置晶体管截止的一第二时间。

11.一种指纹图像撷取方法，用于包括一图像感测器及一处理电路的一光学指纹识别系统，其特征在于，所述指纹图像撷取方法包括：

进行一注册操作，包括：

设定一第一曝光时间；以及

控制所述图像感测器根据所述第一曝光时间撷取一第一指纹图像用于所述注册操作；以及

进行一匹配操作，包括：

设定一第二曝光时间；以及

控制所述图像感测器根据所述第二曝光时间撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；

其中，所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。

12.如权利要求11所述的指纹图像撷取方法，其特征在于，所述注册操作还包括根据所述第一图像建立一模板指纹图像并储存所述模板指纹图像在一内存电路。

13.如权利要求12所述的指纹图像撷取方法，其特征在于，所述匹配操作还包括由所述内存电路读出所述模板指纹图像，比较所述第二指纹图像与所述模板指纹图像，并判断所述第二指纹图像是否匹配所述模板指纹图像。

14.如权利要求11所述的指纹图像撷取方法，其特征在于，所述第一指纹图像具有一第一有效面积而所述第二指纹图像具有小于所述第一有效面积的一第二有效面积。

15.一种光学指纹识别系统，其特征在于，包括：

一处理电路；以及

一图像感测器，包括一像素阵列；

其中，在一注册操作中，所述处理电路用来订定一第一曝光设定并控制所述图像感测器根据所述第一曝光设定撷取一第一指纹图像用于所述注册操作，而在一匹配操作中，所述处理电路用来订定一第二曝光设定并控制所述图像感测器根据所述第二曝光设定撷取一第二指纹图像用于所述匹配操作；

其中，所述第一曝光设定及所述第二曝光设定是订定使得所述第一指纹图像的一第一有效面积大于所述第二指纹图像的一第二有效面积。

16.如权利要求15所述的光学指纹识别系统，其特征在于，所述第一曝光设定包括一第一曝光时间，而所述第二曝光设定包括一第二曝光时间，且

所述第一曝光时间长于所述第二曝光时间。