一种指纹传感器、指纹识别设备及指纹识别方法与流程

1.本说明书涉及生物信息检测技术领域，特别地，涉及一种指纹传感器、指纹识别设备及指纹识别方法。


背景技术：

2.光学指纹传感器广泛应用在手机、laptop等电子产品中，通常此类设备更倾向于追求更小、更轻、价格更低的指纹传感器。目前针对此类设备的指纹传感器一般采用微透镜阵列(micro-lens array)或光纤准直器代替传统的镜头模组，来实现轻薄的光学指纹模组。但微透镜阵列或准直结构的工艺难度较高，制造成本也较高，且其视场角、分辨率及捕光效率受微透镜或准直孔的尺寸所限制，对外界环境的需求也较高。例如，采用上述结构的指纹传感器通常需要较强的外界光以及比较准确的指纹恢复算法，以保证指纹信息恢复的准确性。因此，目前亟需一种制作更加简单方便、对外界环境适应性更强的指纹识别器件。


技术实现要素：

3.本说明书实施例的目的在于提供一种指纹传感器、指纹识别设备及指纹识别方法，可以大幅简化指纹传感器的制作工艺，以及可以提高指纹传感器的适用性。
4.本说明书提供一种指纹传感器、指纹识别设备及指纹识别方法是包括如下方式实现的：
5.一种指纹传感器，其包括：编码掩膜层和感光层；
6.所述编码掩膜层，包括多个透光孔及位于各透光孔之间的不透光区域；
7.所述感光层，用于接收目标物体反射后透过所述编码掩膜层的透光孔的光信号，并将接收的光信号转换成电信号，以使得与所述指纹传感器连接的处理器根据所述编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设方式对所述电信号进行处理，获得所述目标物体的指纹信息。
8.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码掩膜层上的透光孔的尺寸和/或位置采用随机方式布设。
9.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码掩膜层上的透光孔采用预设编码规则进行布设，以使所述感光层接收到的各透光孔所对应的光信号之间正交不相干。
10.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码掩膜层的透光孔采用下述方式布设；
11.将以编码掩膜层的尺寸范围限定的二维平面划分为m
×
m个编码单元，利用下述编码模型计算各编码单元的值，值为1的编码单元设置为透光，值为0的编码单元设置为不透光：
12.13.其中，m
ij
第i行第j列编码单元的取值，n为大于等于1小于等于m的任意正整数；
14.根据各编码单元的取值与透光、不透光的对应关系配置编码规则，利用配置的编码规则布设所述编码掩膜层的透光孔。
15.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码单元为矩形。
16.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码单元的边长为2至5微米之间的任意值。
17.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，m的取值为500《m《5000之间的素数。
18.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码掩膜层上还覆盖有滤光膜，以使指定波段的光透过。
19.本说明书提供的所述指纹传感器的另一些实施例中，所述编码掩膜层包括透光层以及编码层；所述透光层靠近所述感光层布设，所述编码层远离所述感光层布设；所述编码层包括多个透光孔及位于各透光孔之间的不透光区域。
20.另一方面，本说明书实施例还提供一种指纹识别设备，所述指纹识别设备包括：光学盖板；
21.位于所述光学盖板内侧的显示器；
22.如上述任意一个或者多个实施例所述的指纹传感器；所述指纹传感器设置在所述显示器远离光学盖板的一侧；其中，所述指纹传感器的编码掩膜层靠近所述显示器方向布设，所述感光层远离所述显示器方向布设；
23.处理器，所述指纹传感器与所述处理器电性连接；所述处理器用于接收所述指纹传感器发送的电信号，并基于所述编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设方式对所述电信号进行处理，获得指纹信息。
24.另一方面，本说明书实施例还提供一种基于上述实施例所述的指纹识别设备的指纹识别方法，所述方法包括：
25.指纹传感器的感光层采集经放置于所述光学盖板上的目标物体反射后的光信号，并将所述光信号转换成电信号，传输给处理器；
26.处理器接收所述电信号，并利用下述方式获得所述目标物体的指纹信息：
27.对所述电信号进行滤波处理；
28.基于所述指纹传感器的编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设方式对滤波后的电信号进行处理，获得所述目标物体的指纹信息。
29.本说明书一个或多个实施例提供的指纹传感器、指纹识别设备及指纹识别方法，通过布设编码掩膜层，利用编码掩膜层上的透光孔以及不透光区域的布设方式对目标物体反射后的光线进行编码处理，使得感光层采集到的光信号与编码掩膜层上的透光孔以及不透光区域的布设方式相关联。从而可以基于编码掩膜层上的透光孔以及不透光区域的布设方式对感光层采集的信息进行处理，准确高效的恢复出目标物体的指纹信息。利用编码的方式进行指纹信息的恢复，对感光层采集的信息的质量要求相对较低，即使在较弱的外界光照下，依然可以获得较好的指纹信息恢复效果，从而可以大幅提高指纹传感器的适用场景。且编码掩膜层制作工艺更为简单，从而可以大幅降低制作工艺成本。
附图说明
30.为了更清楚地说明本说明书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，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
31.图1为本说明书提供的一种指纹传感器的结构示意图；
32.图2为本说明书提供的一个实施例中的基于指纹传感器的指纹识别示意图；
33.图3为本说明书提供的另一个实施例中的编码单元取值示意图；
34.图4为本说明书提供的另一个实施例中的指纹传感器的编码掩膜层布设示意图；
35.图5为本说明书提供的另一个实施例中的指纹识别方法的流程示意图；
36.图6为本说明书提供的另一个实施例中的指纹识别方法的流程示意图。
具体实施方式
37.为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本说明书实施例方案保护的范围。
38.本说明书实施例提供的指纹传感器，可以进一步简化传感器的结构，降低对外界环境的需求，提高设计简便性，降低设计成本。图1表示本说明书实施例提供一种指纹传感器的结构示意图。如图1所示，一些实施例中，所述指纹传感器包括可以编码掩膜层101及感光层102。
39.所述编码掩膜层101可以包括多个透光孔及位于各透光孔之间的不透光区域。
40.所述感光层102可以用于接收目标物体反射后透过所述编码掩膜层的透光孔的光信号，并将接收的光信号转换成电信号，以使得与所述指纹传感器连接的处理器根据所述编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设方式对所述电信号进行处理，获得所述目标物体的指纹信息。
41.所述编码掩膜层101的透光孔可以为圆形或者任意多边形。所述透光孔内的填充物可以是空气；也可以填充介质，例如透明的光刻胶等。可以设置透光孔的填充物的透光率大于第一预设值；或者，也可以设置填充物仅对指定波段的光的透过率透光率大于第一预设值，对除指定波段之外的光的透光率小于第二预设值。所述不透光区域的材料可以为透光率小于第三预设值的光学材料。所述不透光区域的材料如可以为吸光材料，如黑胶等，以尽量降低透过不透光区域的光信号。所述第三预设值设置的越小越好。第一预设值如可以为大于90％的值，所述第二预设值、第三预设值如可以为小于10％的值。所述第一预设值、第二预设值、第三预设值的大小也可以根据实际需要设定。
42.所述感光层102可以由将光信号转换成电信号的元器件的组成。所述元器件如可以为光电二极管等。所述感光层102可以由多个成阵列排布的元器件组成。
43.所述编码掩膜层可以布设于所述感光层的一侧，以使目标物体反射后的光线通过编码掩膜层的透光孔后，入射在感光层上。所述编码掩膜层如可以通过粘贴等方式固定在
所述感光层上。或者，也可以将所述编码掩膜层固定于其他部件上，如显示器的内侧。所述目标物体如可以为人体手指、或者二维或三维的指纹图像等。
44.一些实施方式中，所述指纹传感器可以集成于如手机、平板电脑或者专用的指纹识别装置等指纹识别设备中，以对用户的指纹信息进行识别，实现对用户的指纹信息验证。所述指纹传感器可以集成在指纹识别设备的显示器的下方，所述指纹传感器的编码掩膜层靠近显示器的方向布设，感光层远离显示器的方式布设。
45.如图2所示，用户可以将手指指纹放置指纹识别设备的光学盖板201上。显示器射向光学盖板的光线被放置在光学盖板上的手指指纹反射，反射后形成的反射光线经过所述指纹传感器的编码掩膜层202的透光孔后，入射至所述指纹传感器的感光层203。根据光场沿直线传播的原理，携带有指纹信息的反射光线经过编码掩膜层，在感光层上形成二维投影信息。然后，感光层再将接收到的二维投影信息转换成电信号输出。光线经过编码掩膜层后，在二维像平面所形成的光信息与编码掩膜层的透光孔及不透光区域的布设方式存在一定的关联关系。相应的，可以利用像平面的光信息以及该关联关系恢复光学盖板上的手指指纹的指纹信息。
46.一些实施方式中，光线经过编码掩膜层后，感光层上接收到的光信号的光强分布函数y可以表示为目标物体所在物平面反射光的二维光强分布函数x与编码掩膜层的透光孔及不透光区域的不同布设方式所对应的编码函数m的卷积：
[0047][0048]
其中，(u，v)为目标物体所在物平面的二维坐标，(s，t)为感光层所在像平面的二维坐标，m1、m2为编码掩膜层的二维坐标，其中，f1、f2分别为目标物体所在物平面与编码掩膜层的距离、编码掩膜层与感光层的距离，noise为常数。
[0049]
感光层将接收到的光信号转换成电信号后，可以传输给处理器。处理器可以基于所述编码函数m对接收的电信号进行处理，还原出光学盖板上的目标物体的指纹信息。一些实施方式中，处理器可以预先利用样本数据确定出指纹传感器的编码掩膜层所对应的编码函数m，然后，可以利用确定的编码函数m对感光层采集到的信号进行指纹信息恢复处理，恢复出指纹信息。
[0050]
一些实施方式中，可以采用周期性的方式布设编码掩膜层的透光孔。所述周期性的方式可以是指编码掩膜层上的透光孔的尺寸相同，且以一定的周期进行排布。通过采用周期性的布设方式，可以使得编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设更为简单方便，更易加工。另一些实施方式中，也可以采用随机方式布设编码掩膜层的透光孔。所述随机方式可以是指编码掩膜层上的透光孔的尺寸以及位置是随机的。通过随机的方式布设编码掩膜层，可以使得指纹传感器的设计更为灵活。同时，基于随机布设，还可以使得不同的传感器设备的编码方式存在一定的差异性，进一步提高用户指纹信息验证的防伪功能。
[0051]
相对于现有感光层上布置准直元件或者在显示器上布置准直元件的方式，本说明书实施例提供的上述指纹传感器的制作工艺更为简单，同时，还可以大幅降低集成指纹传感器的设备的厚度。同时，感光层接收的光信号与编码掩膜层的透光孔及不透光孔的布设方式存在一定的关联关系，因此，可以简单方便的利用该关联关系实现对指纹信息的准确
恢复。
[0052]
现有基于准直元件的指纹传感器中各传感元件采集的信息，通常需通过拼接的方式进行指纹信息的恢复，信息拼接方法对各传感元件采集信息的质量要求较高，因此需要优化准直元件的布设方式以及光照强度等，以保证最终验证结果的准确性。而本说明书实施例通过编码的方式进行指纹信息恢复，对感光层所采集的信息的质量要求相对较低，即使在低光照下或者存在些许噪声的情况下，依然可以获得较好的恢复效果，从而可以进一步降低指纹信息验证过程中对外界环境的要求，提高指纹传感器的适用性。
[0053]
另一些实施方式中，所述编码掩膜层上的透光孔可以采用预设编码规则进行布设，以使所述感光层接收到的各透光孔所对应的光信号之间正交不相干。通过该种方式对编码掩膜层进行设计，可以使得感光层接收到的光信号所对应的二维光强分布函数进一步分解为两组不相干的一维强度分布函数。相应的，感光层上接收到的光信号的光强分布函数y与指纹所在物平面反射光的二维光强分布函数x之间的关系可以进一步表达为：
[0054][0055]
对于编码函数m的求解，则可以转换为对{po,qo,pc,qc}的求解。{po,qo,pc,qc}为一维阵列，从而可以大大简化求解计算量。
[0056]
一些实施例中，所述编码掩膜层的透光孔可以采用下述方式布设，以使得感光层所采集到的各透光孔所对应的信息之间正交不相干：
[0057]
将以编码掩膜层的尺寸范围限定的二维平面划分为m
×
m个编码单元，利用下述编码模型计算各编码单元的值，值为1的编码单元设置为透光，值为0的编码单元设置为不透光：
[0058][0059]
其中，m
ij
第i行第j列编码单元的取值，n为大于等于1小于等于m的任意正整数。如图3所示，图3表示25*25个编码单元的取值组成的矩阵。
[0060]
然后，可以根据各编码单元的取值与透光、不透光的对应关系配置编码规则，利用配置的编码规则布设所述编码掩膜层的透光孔。通过采用上述编码模型进行编码掩膜层透光孔与不透光区域的设计，可以更加简单高效的实现感光层所采集到的各透光孔所对应的信息之间正交不相干。
[0061]
一些实施例中，所述编码单元可以为矩形。相应的，所述编码掩膜层可以为透光孔与不透光孔组成的矩形单元阵列。如图4所示，图4中的黑色矩形单元为不透光孔、白色矩形单元为透光孔。利用矩形透光孔配置编码掩膜层，可以使得感光层所采集到的各透光孔对应的信息的边缘特征更为明显，从而更易区分经过透光孔的信息，进而提高最终恢复的指纹信息的精确度。另一些实施方式中，所述编码单元也可以为圆形或者其他形状。
[0062]
编码单元的尺寸以及m的取值，可以根据传感器单元的整体尺寸、数据处理量以及指纹恢复的准确性等综合配置。优选的，一些实施例中，所述编码单元的边长可以为2至5微米之间的任意值。m的取值为500《m《5000之间的素数。基于此范围的m的取值及编码单元尺寸的设计，可以使得在保证最终恢复获得的指纹信息的准确性的同时，有效降低指纹信息恢复处理的计算量，提高数据处理的效率。
[0063]
一些实施例中，所述编码掩膜层可以包括透光层以及编码层。所述透光层可以靠近感光层布设。所述编码层可以远离感光层布设。所述编码层可以包括多个透光孔及位于各透光孔之间的不透光区域。当然，也可以设置所述编码层靠近感光层布设，所述透光层远离感光层布设。
[0064]
所述透光层可以为对光学透过率大于第一预设值的光学薄膜。所述光学薄膜的材质可以根据实际需要设定。如可以为透明的光刻胶等。所述光学薄膜可以为对所有波段的光具有相同或者近似的透过率；也可以为仅对指定波段的光透过率大于第一预设值，对除指定波段之外的光透过率小于第二预设值。
[0065]
一些实施例方式中，可以在透光层上先覆盖一层不透光层，然后，可以通过光刻等方式基于预设编码规则将不透光层上的部分位置的不透光材料去除，形成编码掩膜层。当然，也可以采用其他方式制作所述编码掩膜层，这里不做限定。
[0066]
另一些实施方式中，所述编码掩膜层也可以仅包括编码层，即所述透光层可以为空气。
[0067]
一些实施例中，所述编码掩膜层上还覆盖有滤光膜，以使指定波段的光透过。例如，可以在所述编码掩膜层靠近显示器的方向上覆盖滤光膜，以使指定波段的光透过。所述滤光膜如可以为使得某预设波段透过的光学薄膜，也可以为过滤某预设波段，使得除预设波段之外的其他波段透光的光学薄膜。
[0068]
基于上述实施例提供的指纹传感器，本说明书的另一些实施例中还提供一种应用所示指纹传感器的指纹识别设备。所述指纹识别设备如可以为可实现指纹识别功能的手机、平板电脑、智能手表、指纹识别器等。所述指纹传感器可以集成于上述指纹识别设备中。一些实施例中，所述指纹识别设备可以包括：
[0069]
光学盖板。
[0070]
位于所述光学盖板内侧的显示器。
[0071]
如上述任一个或者多个实施例所述的指纹传感器。所述指纹传感器设置在所述显示器远离光学盖板的一侧。其中，所述指纹传感器的编码掩膜层靠近所述显示器方向布设，所述感光层远离所述显示器方向布设。
[0072]
处理器，所述指纹传感器与所述处理器电性连接。所述处理器用于接收所述指纹传感器发送的电信号，并基于所述编码掩膜层的透光孔以及不透光区域的布设方式对所述电信号进行处理，获得指纹信息。
[0073]
如图5所示，本说明书实施例还提供一种应用于所述指纹识别设备的指纹识别方法，所述方法可以包括：
[0074]
s502：指纹传感器的感光层采集经放置于所述光学盖板上的目标物体反射后的光信号，并将所述光信号转换成电信号，传输给处理器。
[0075]
s504：处理器接收所述电信号，并利用下述方式获得所述目标指纹的指纹信息：
[0076]
s5042：对所述电信号进行滤波处理；
[0077]
s5044：利用所述指纹传感器的编码掩膜层的透光孔及不透光区域的布设方式对滤波后的电信号进行处理，获得所述目标指纹的指纹信息。
[0078]
如图6所示，可以获取标准指纹作为指纹样本，然后，可以指纹样本划分为训练集以及测试集。对于训练集中的各指纹样本，可以分别利用上述实施例提供的指纹识别设备
进行信息采集，获得相应指纹样本对应的采集信息。
[0079]
然后，可以先对采集信息进行预处理。如可以通过pca算法对训练集中的原始采集信息中的坏点进行剔除。如剔除指纹或屏幕上的污点、胶层中的气泡等造成的坏点，提高后续指纹恢复的准确性。
[0080]
然后，可以对预处理后的信息进行滤波处理。例如可以利用傅里叶变换(fft)或离散余弦变换(dct)进行滤波处理。
[0081]
之后，可以利用预设算法对标准指纹对应的信息以及滤波处理后的信息分别进行处理，求解出编码掩膜层所对应的编码函数m。一些实施例中，在对编码掩膜层进行设计，使得感光层所采集到的各透光孔所对应的信息之间正交不相干的情况下，可以将上述编码函数的求解过程转换为求解出{po,qo,pc,qc}，从而可以进一步简化计算量。一些实施例中，优选的，所述预设算法可以为正则化最小二乘法。
[0082]
然后，可以利用测试集进行算法测试及优化。对测试集中的指纹样本，可以重复上述预处理及滤波处理步骤，然后，利用上述方式确定的编码函数对滤波处理后的信息进行指纹恢复处理，获得恢复后的指纹信息。然后，可以将恢复后的指纹信息与对应的指纹样本进行比对，以评估算法效果，并调整算法参数。
[0083]
实际应用中，如图6所示，处理器可以利用上述方式构建的指纹恢复算法进行编码函数的确定，以及利用确定的编码函数对目标物体对应的采集信息进行处理，恢复目标物体对应的指纹信息。之后，还可以获得预先存储的相应用户的指纹信息模板集，将恢复的指纹信息与指纹信息模板集进行比对，以实现对用户的指纹信息验证。如果验证成功后，则启动相关联应用，例如打开锁屏等。
[0084]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。
[0085]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本说明书的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述并不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0086]
以上所述仅为本说明书的实施例而已，并不用于限制本说明书。对于本领域技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的权利要求范围之内。