CN211044274U - 一种屏下指纹识别设备及电子设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种屏下指纹识别设备，包括显示模组和设置于显示模组下方的成像模组，显示模组自上而下依次包括基板、发光层和保护层，保护层上设置有通光孔，成像模组设置于通光孔下方，成像模组包括镜头组、成像传感器以及设置于镜头组和成像传感器之间的分光元件，镜头组包括自物侧至像侧沿光轴布置的具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜、具有负屈折力的第三透镜和具有正屈折力的第四透镜。还公开了一种电子设备，其上搭载了上述的屏下指纹识别设备。该屏下指纹识别设备能够在指纹图像认证的基础上，对按压的手指材料做高光谱分析，使手机指纹识别的功能更加可靠。

Description

一种屏下指纹识别设备及电子设备

技术领域

本发明涉及屏下指纹识别技术领域，并且特别涉及一种屏下指纹识别设备及电子设备。

背景技术

身份识别技术的应用融入在生活的方方Q面面，传统身份识别技术包括身份证、IC卡、钥匙、数字密码等等，但一旦丢失或遗忘，会比较麻烦，且较容易被复制或盗取。生物识别技术应运而生，安全、保密性好、随身“携带”，更不存在丢失或遗忘的风险。

目前主流的生物识别技术包括指纹识别、语音识别、面部识别、眼睛虹识别、静脉识别。指纹识别技术是目前最主流的生物识别方式，其应用普及程度远超其他识别手段，比如虹膜识别、静脉识别、人脸识别。随着工业设计的进一步发展，对技术的要求也越来越高，传统的指纹解锁技术不能满足更苛刻的工艺水平要求。上述的各种识别技术都有各自的一些缺陷，例如通过录音可以通过语音验证；通过照片可以通过面部识别；眼睛的虹膜识别方法中光线会对眼睛造成伤害，且此种方法成本较高；静脉识别需要特定波长光线照射手指，但由于采集方式的原因，整个装置难以小型化；硅胶人造假指纹，能完全复制真人指纹信息，实现指纹识别，人工合成假指纹即DeepMasterPrints，也具有一定概率模仿真实指纹信息。

发明内容

针对现有技术中的各种生物识别技术中存在的容易被模仿破解以及成本高难以小型化等技术问题，本发明提出了一种屏下指纹识别设备和电子设备，用以解决现有技术中生物识别技术中的安全性差且成本高以及难以小型化的技术难题。

根据本发明一方面提出了一种屏下指纹识别设备，该设备包括显示模组和设置于显示模组下方的成像模组，显示模组自上而下依次包括基板、发光层和保护层，保护层上设置有通光孔，成像模组设置于通光孔下方，成像模组包括镜头组、成像传感器以及设置于镜头组和成像传感器之间的分光元件，镜头组包括自物侧至像侧沿光轴布置的具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜、具有负屈折力的第三透镜和具有正屈折力的第四透镜。该指纹识别设备中的高光谱成像模组结构紧凑，易于集成到移动设备如手机的内部，在准确识别指纹信息的基础上，可以实时检测按压手指的光谱信息，进一步提高身份识别的安全性。

在一些优选的实施例中，显示模组为OLED面板，其中，基板为玻璃基板。利用OLED面板能够有效的降低功耗，且具有更轻薄、亮度更高、响应更快、清晰度更好、发光效率更高的许多优点。

在一些优选实施例中，发光层为OLED自发光源层，且OLED自发光源层包括可见到红外的连续光谱。该设置能够保证高光谱分析的有效光源条件，确保高光谱分析的有效性。

在一些优选实施例中，显示模组还包括设置于基板上方的背景板，背景板为白色。白色背景板可以用于采集光源的光谱，作为高光谱分析的光谱数据基础。

在一些优选的实施例中，第一透镜的焦距f₁，第二透镜的焦距f₂，第三透镜的焦距f₃，第四透镜的焦距f₄满足以下条件式：0.5<f₁<5，-8.5<f₂<-4.5，-3.5<f₃<-1.1，0.2<f₄<2。

在一些优选的实施例中，第一透镜的焦距f₁，第二透镜的焦距f₂，第三透镜的焦距f₃，第四透镜的焦距f₄满足以下条件式：0.5<f₁<5，-6.5<f₂<-2.5，-4.5<f₃<-0.5，0.5<f₄<3.5。

在进一步优选的实施例中，第一透镜的折射率n₁，第二透镜的折射率n₂，第三透镜的折射率n₃，第四透镜的折射率n₄满足以下条件式：1.45<n₁<1.65，1.45<n₂<1.65，1.45<n₃<1.65，1.45<n₄<1.65。凭借上述焦距以及折射率的可选范围，可以保证指纹图像的清晰成像以及能够进行高光谱的光谱信息检测。

在一些优选的实施例中，分光元件为基于法布里-珀罗干涉原理的分光片。利用基于法布里-珀罗干涉原理的分光片可以与镜头适配，保证高光谱成像的可行性。

在一些优选的实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜均为非球面镜片，且第一透镜、第二透镜、第三透镜均为凹面朝向物侧面的凹凸透镜，第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面。凭借各透镜的凹凸面设置，使得镜头能够同时满足成像以及高光谱分析的功能。

在一些优选的实施例中，第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜之间依次通过隔圈紧密装配。

在一些优选的实施例中，镜头组的光学总长TTL小于2.35mm，横截面外径小于2mm，全视场角FOV大于112°。凭借该设置能够保证指纹的大部分面积都能被采集到。

在一些优选的实施例中，还包括红外光源，红外光源环形对称分布于镜头组的四周。光源的环形分布的设置能够保证在高光谱分析时的光线条件。

在进一步优选的实施例中，红外光源的数量不少于3个。光源的数量的设置能够保证在高光谱分析时的光线条件。

根据本发明的另一方面，提出了一种电子设备，该电子设备搭载了如上述的屏下指纹识别设备。

本发明的屏下指纹识别设备在传统的屏下指纹识别技术的基础上，添加了高光谱成像模组，该成像模组结构紧凑，易于集成到移动设备如手机内部，在准确识别指纹信息的基础上，实时检测按压手指的光谱信息，使指纹识别的功能更加可靠。添加了高光谱检测的新的验证纬度，不再是单纯的验证指纹的纹理信息，通过高光谱成像镜头拍摄所有波长下的手指图像，经过算法处理分析，得到真人手指反射的光谱信息，使指纹识别的可靠性大大提升。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是根据本发明的一个实施例的屏下指纹识别设备的结构示意图；

图2是根据本发明的一个具体实施例的指纹采集的示意图；

图3是根据本发明的一个具体实施例的高光谱成像模块的结构示意图；

图4是根据本发明的一个具体实施例的成像模组的调制传递函数曲线图；

图5是根据本发明的第二个实施例的屏下指纹识别设备的示意图；

图6是根据本发明的第二个具体实施例的高光谱成像模块的结构示意图；

图7是根据本发明的第二个具体实施例的成像模组的调制传递函数曲线图；

图8是根据本发明的一个实施例的电子设备的示意图。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考附图，该附图形成详细描述的一部分，并且通过其中可实践本发明的说明性具体实施例来示出。对此，参考描述的图的取向来使用方向术语，例如“顶”、“底”、“左”、“右”、“上”、“下”等。因为实施例的部件可被定位于若干不同取向中，为了图示的目的使用方向术语并且方向术语绝非限制。应当理解的是，可以利用其他实施例或可以做出逻辑改变，而不背离本发明的范围。因此以下详细描述不应当在限制的意义上被采用，并且本发明的范围由所附权利要求来限定。

图1示出了根据本发明的实施例的屏下指纹识别设备的结构示意图。如图1所示，该屏下指纹识别设备包括配置的背景板100、显示模组200和成像模组300，成像模组300设置与显示模组200的下方。其中背景板100为白色背景板，显示模组200具体为OLED面板，自上而下依次包括基板201、自发光层202和保护层203，基板201为玻璃基板，保护层203上开设有通光孔204，成像模组300设置于通光孔204的下方。可替代的，显示模组200处理为OLED面板之外，还可以选择其他的例如LCD面板、AMOLED面板等显示模组，同样可以实现本发明的技术效果。

在具体的实施例中，自发光层202拥有可见到红外连续光谱，可以为透明或者半透明的OLED，通过OLED像素间隙传递光线。光源辐射度的标定，可以在移动设备生产前完成，也可以另外在移动设备的保护壳或保护套中设置一个白色参考板，盖上保护壳或保护套就可以采集光源的光谱，同样可以实现本发明的技术效果。具体标定原理：先将配置的白色背景板100置于显示模组200上，自发光层202发射光线，照明背景板100，再反射回OLED屏下方的成像模组300，记录该光谱辐射强度。

在实际的指纹验证的过程中，手指按压玻璃基板201，OLED自发光层202发射光线照射玻璃基板201上方的指纹面，指纹面漫发射光线最终进入OLED屏下方的成像模组300，指纹面最终成像于成像模组300的图像传感器上。具体如图2中的具体实施例的指纹采集的示意图所示。

在具体的实施例中，成像模组300自物侧至像侧依次包括镜头组、分光元件305和成像传感器306。分光元件305基于不同的原理可以为光栅分光型、声光可调谐滤波分光型、棱镜分光型等。优选的，本发明采用基于法布里-珀罗干涉原理的分光片，可见到红外的连续光谱按一定步长被分光元件305分光，分出的所有波段均被镜头成像在成像传感器306上，分光精度典型值小于20nm。运用光谱算法处理可以获得待测物的光谱信息，实现高光谱成像技术。

图3示出了本发明的一个具体实施例的高光谱成像模块的结构示意图，如图3所示，镜头组包括4个透镜，具体的，镜头组由物侧至像侧依序包括：第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303和第四透镜304，其中，第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303和第四透镜304之间分别通过隔圈紧密装配，且第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303和第四透镜304均为非球面镜片，所有的镜片的面型均较容易加工和测量。可选的，镜片的材质可以为树脂或者玻璃材质，使用玻璃材质的透镜可以提高透镜的光学性能，增加成像模组屈折力配置的自由度，使用塑料材质可以大大降低生产成本，具体根据实际的使用条件、成本和加工工艺选定。

在具体的实施例中，第一透镜301具有正屈折力，其物侧面近光轴处为凹面，其像侧面近光轴处为凸面；第二透镜302具有负屈折力，其物侧面近光轴处为凹面，像侧面近光轴处为凸面；第三透镜303具有负屈折力；第四透镜304具有正屈折力，其物侧面近光轴处为凸面，像侧面近光轴处为凸面。

在具体的实施例中，第一透镜301的焦距f₁，第二透镜302的焦距f₂，第三透镜303的焦距f₃，第四透镜304的焦距f₄满足以下条件式：0.5<f₁<5，-8.5<f₂<-4.5，-3.5<f₃<-1.1，0.2<f₄<2。凭借该焦距的设置，一方面可使整个模组结构更加紧凑、体积更小巧，易于集成至手机等移动设备上；另一方面也满足高光谱检测的功能。

在具体的实施例中，第一透镜301的折射率n₁，第二透镜302的折射率n₂，第三透镜303的折射率n₃，第四透镜304的折射率n₄满足以下条件式：1.45<n₁<1.65，1.45<n₂<1.65，1.45<n₃<1.65，1.45<n₄<1.65。借此，使得透镜可以基于不同材质进行选择，凭借合适的数据匹配，使成像模组获得较佳的成像效果。

在优选的实施例中，表1示出了本发明的第一个实施例的成像模组的具体参数：

表1：

其中，R1、R2为第一透镜301的物侧面、像侧面，R3、R4为第二透镜302的物侧面、像侧面，R5、R6为第三透镜303的物侧面、像侧面，R7、R8为第四透镜304的物侧面、像侧面。其他各符号的含义如下：

d₀：光阑到第一透镜301的物侧面的光轴上的距离；

d₁：第一透镜301的光轴上的厚度；

d₂：第一透镜301的像侧面到第二透镜302的物侧面在光轴上的距离；

d₃：第二透镜302的光轴上的厚度；

d₄：第二透镜302的像侧面到第三透镜303的物侧面在光轴上的距离；

d₅：第三透镜303的光轴上的厚度；

d₆：第三透镜303的像侧面到第四透镜304的物侧面在光轴上的距离；

d₇：第四透镜304的光轴上的厚度；

d₈：第四透镜304像侧面到分光元件305在光轴上的距离；

n₁、n₂、n₃、n₄分别表示第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303、第四透镜304的折射率。

表2示出了第一透镜301、第二透镜302、第三透镜303和第四透镜304的非球面数据：

表2

在具体的实施例中，传感器306可以是CMOS或近红外成像芯片，如铟镓砷，相应的波段扩展到1.7um，CMOS时光谱采集是400-1050全光谱或是其中一个子集。成像模组300的光学总长小于2.35mm，横截面外径小于2mm，全视场角大于112°，该参数可以保证指纹的大部分面积能被采集到，成像模组的镜头组的入射FPI的最小角度小于9°，从而保证一定光谱解析度。从可见到红外波段按小于5nm的步长清晰成像，所有成像图片经过光谱算法处理分析，最终得到真人指纹的光谱信息。成像模组300的成像模组调制传递函数曲线MTF图如图4所示。

继续参照图5，图5示出了本发明的第二个实施例的屏下指纹识别设备的示意图，如图5所示，成像芯片是近红外波段响应时，屏下指纹识别设备上增设红外光源500，红外光源500成环形对称分布在成像模组400的周围，其数量可大于等于3个，具体根据实际的应用场景和工艺成本选择合适的数量的红外光源。其余部分的设置同如图1中所示的屏下指纹识别设备，此处不再赘述。

在具体的实施例中，图6示出了本发明的第二个具体实施例的高光谱成像模块的结构示意图，如图6所示，镜头组包括4个透镜，具体的，镜头组由物侧至像侧依序包括：第一透镜401、第二透镜402、第三透镜403和第四透镜404，其中，第一透镜401、第二透镜402、第三透镜403和第四透镜404之间分别通过隔圈紧密装配，且第一透镜401、第二透镜402、第三透镜403和第四透镜404均为非球面镜片，所有的镜片的面型均较容易加工和测量。可选的，镜片的材质可以为树脂或者玻璃材质，使用玻璃材质的透镜可以提高透镜的光学性能，增加成像模组屈折力配置的自由度，使用塑料材质可以大大降低生产成本，具体根据实际的使用条件、成本和加工工艺选定。

在具体的实施例中，第一透镜401具有正屈折力，其物侧面近光轴处为凹面，其像侧面近光轴处为凸面；第二透镜402具有负屈折力，其物侧面近光轴处为凹面，像侧面近光轴处为凸面；第三透镜403具有负屈折力；第四透镜404具有正屈折力，其物侧面近光轴处为凸面，像侧面近光轴处为凸面。

在具体的实施例中，第一透镜401的焦距f₁′，第二透镜402的焦距f₂′，第三透镜403的焦距f₃′，第四透镜404的焦距f₄′满足以下条件式：0.5<f₁′<5，-6.5<f₂′<-2.5，-4.5<f₃′<-0.5，0.5<f₄′<3.5。凭借该焦距的设置，一方面可使整个模组结构更加紧凑、体积更小巧，易于集成至手机等移动设备上；另一方面也满足高光谱检测的功能。

在具体的实施例中，第一透镜401的折射率n₁′，第二透镜402的折射率n₂′，第三透镜403的折射率n₃′，第四透镜404的折射率n₄′满足以下条件式：1.45<n₁′<1.65，1.45<n₂′<1.65，1.45<n₃′<1.65，1.45<n₄′<1.65。借此，使得透镜可以基于不同材质进行选择，凭借合适的数据匹配，使成像模组获得较佳的成像效果。

在优选的实施例中，表1示出了本发明的第一个实施例的成像模组的具体参数：

表1：

其中，R1'、R2'为第一透镜401的物侧面、像侧面，R3'、R4'为第二透镜402的物侧面、像侧面，R5'、R6'为第三透镜403的物侧面、像侧面，R7'、R8'为第四透镜404的物侧面、像侧面。其他各符号的含义如下：

d₀'：光阑到第一透镜401的物侧面的光轴上的距离；

d₁'：第一透镜401的光轴上的厚度；

d₂'：第一透镜401的像侧面到第二透镜402的物侧面在光轴上的距离；

d₃'：第二透镜402的光轴上的厚度；

d₄'：第二透镜402的像侧面到第三透镜403的物侧面在光轴上的距离；

d₅'：第三透镜403的光轴上的厚度；

d₆'：第三透镜403的像侧面到第四透镜404的物侧面在光轴上的距离；

d₇'：第四透镜404的光轴上的厚度；

d₈'：第四透镜404像侧面到分光元件405在光轴上的距离；

n₁'、n₂'、n₃'、n₄'分别表示第一透镜401、第二透镜402、第三透镜403、第四透镜404的折射率。

表2示出了第一透镜401、第二透镜402、第三透镜403和第四透镜404的非球面数据：

表2

在具体的实施例中,成像模组400的光学总长小于2.35mm，横截面外径小于2mm，全视场角大于112°，该参数可以保证指纹的大部分面积能被采集到，铟镓砷芯片感应波段下均清晰成像且拥有大景深，所有成像图片经过光谱算法处理分析，最终得到真人指纹的光谱信息。成像模组400的成像模组调制传递函数曲线MTF图如图7所示。

应当认识到，上述实施例中的透镜的数量等参数可以根据实际的应用进行优化配置，可以增加或者减少透镜同时对透镜的参数规格进行适当的优化调整，同样可以实现本发明的技术效果。

继续参考图8，其上绘示依照本发明实施例的一种电子设备的示意图。该电子设备包含屏幕200和依据本发明的屏下指纹识别设备300(图未详细揭示，请配合参照图1或图5对应的实施例所示的示意图)，该电子设备可以是手机、平板电脑等需要指纹解锁的电子设备。

本发明的屏下指纹识别设备，在指纹图像识别人证的基础上，能够对按压的手指材料做高光谱分析，根据假指纹材料与真人手指的光谱信息的不同，保证所采集的指纹是真人手指，屏下指纹识别设备中的高光谱成像模组结构紧凑，可以容易的集成到移动电子设备例如手机的内部，且该成像模组具有较大的视场角，能够在准确识别指纹信息的基础上，实时检测按压于屏幕上的手指的光谱信息，使电子设备上的指纹识别功能更加可靠，不易被仿造破解。

显然，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出对本发明的实施例的各种修改和改变。以该方式，如果这些修改和改变处于本发明的权利要求及其等同形式的范围内，则本发明还旨在涵盖这些修改和改变。词语“包括”不排除未在权利要求中列出的其它元件或步骤的存在。某些措施记载在相互不同的从属权利要求中的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于获利。权利要求中的任何附图标记不应当被认为限制范围。

Claims (14)

1.一种屏下指纹识别设备，其特征在于，包括显示模组和设置于所述显示模组下方的成像模组，所述显示模组自上而下依次包括基板、发光层和保护层，所述保护层上设置有通光孔，所述成像模组设置于所述通光孔下方，所述成像模组包括镜头组、成像传感器以及设置于所述镜头组和所述成像传感器之间的分光元件，所述镜头组包括自物侧至像侧沿光轴布置的具有正屈折力的第一透镜、具有负屈折力的第二透镜、具有负屈折力的第三透镜和具有正屈折力的第四透镜。

2.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述显示模组为OLED面板，其中，所述基板为玻璃基板。

3.根据权利要求1或2所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述发光层为OLED自发光源层，且所述OLED自发光源层包括可见到红外的连续光谱。

4.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述显示模组还包括设置于所述基板上方的背景板，所述背景板为白色。

5.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述第一透镜的焦距f₁，所述第二透镜的焦距f₂，所述第三透镜的焦距f₃，所述第四透镜的焦距f₄满足以下条件式：0.5＜f₁＜5，-8.5＜f₂＜-4.5，-3.5＜f₃＜-1.1，0.2＜f₄＜2。

6.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述第一透镜的焦距f₁，所述第二透镜的焦距f₂，所述第三透镜的焦距f₃，所述第四透镜的焦距f₄满足以下条件式：0.5＜f₁＜5，-6.5＜f₂＜-2.5，-4.5＜f₃＜-0.5，0.5＜f₄＜3.5。

7.根据权利要求5或6所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述第一透镜的折射率n₁，所述第二透镜的折射率n₂，所述第三透镜的折射率n₃，所述第四透镜的折射率n₄满足以下条件式：1.45＜n₁＜1.65，1.45＜n₂＜1.65，1.45＜n₃＜1.65，1.45＜n₄＜1.65。

8.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述分光元件为基于法布里-珀罗干涉原理的分光片。

9.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜均为非球面镜片，且所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜均为凹面朝向物侧面的凹凸透镜，所述第四透镜的物侧面和像侧面均为凸面。

10.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述第一透镜、所述第二透镜、所述第三透镜和所述第四透镜之间依次通过隔圈紧密装配。

11.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述镜头组的光学总长TTL小于2.35mm，横截面外径小于2mm，全视场角FOV大于112°。

12.根据权利要求1所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，还包括红外光源，所述红外光源环形对称分布于所述镜头组的四周。

13.根据权利要求12所述的屏下指纹识别设备，其特征在于，所述红外光源的数量不少于3个。

14.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备搭载了如权利要求1-13中任一项所述的屏下指纹识别设备。

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