CN106940598B - 集触控和指纹识别的光学触摸屏 - Google Patents
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Abstract
一种集触控和指纹识别的光学触摸屏，包括背光光源、光波导、光栅、液晶显示模组和图像传感器，本发明由传感器根据光强大小判断发生触控的位置，由传感器接收到的图像获取指纹信息。由于交叠检测光的使用，采集指纹的同时提高触控灵敏度，本发明光学触摸屏集指纹识别与触摸控制于一体，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及光学式触摸屏，特别是一种集触控和指纹识别的光学触摸屏。
背景技术
触摸屏根据技术原理的不同可以归结为：电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表面声波触摸屏和红外触摸屏。电阻式触摸屏具有不怕污染和低成本的优势，但是不耐磨损，透光率低并且反应速度慢；表面声波触摸屏防污差，发射换能器易碎，使用寿命短；电容触摸屏抗电磁干扰差，需要导体做触控，使用环境局限，且对温度湿度接地等环境要求高。而红外触摸屏因为采用红外背光光源，对人眼无影响，拥有高灵敏度和稳定性，较好的内置或外置效果使得其不影响显示器的外观，防暴性能优良。但同样的，红外的发射背光光源成本高，并且，由于红外背光光源一般为点背光光源，需要一定的厚度和长度才能让光均匀分布，不能满足轻薄和小尺寸便携的要求。
上述触摸屏都无法满足在产生触摸控制的同时检测用户的指纹。中国专利CN104751121A公开了一种基于光栅结构的光波导式指纹识别系统，但其允许检测区域单元分离，这种非整面排布检测区域单元的方式是不适合实现触控的，容易漏检触控点；且不允许检测区域单元交叠，这会造成全反射角非常大，导致指纹破坏全反射变的更难，降低了图像的对比度，并且由此带来CCD面积的增大，使得整个器件成本变高。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种集触控和指纹识别的光学触摸屏，该光学触摸屏集触控和指纹识别于一体，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特点在于，包括背光光源、光波导、光栅、液晶显示模组和图像传感器，所述的光波导位于所述的背光光源的上方，在所述的光波导的相邻的两侧各设置所述的光栅，光波导相邻的另两侧均设置一阵列图像传感器，所述的液晶显示模组位于所述的背光光源和光波导之间，所述的光波导的上表面为检测区域，位于该检测区域中具有周期分布的指纹检测区域；
所述的背光光源发出的光经所述的光栅衍射后形成横向传播的探测光在所述的光波导中经多次全反射后被所述的图像传感器接收；
所述的光栅的方向与所述的光波导中探测光的传播方向是倾斜的，所述的光栅的衍射角θ满足如下公式：
L+d/4h≤tanθ≤L/2h
式中，L为探测光可探测区域的宽度，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度；
所述的光波导在远离所述的光栅的一侧面底部的斜切角α，满足如下关系式：
θ-arcsin(n0/n1)≤α≤90°
式中：n0，n1分别为空气与光波导的折射率。
所述的光栅位于所述的光波导的上表面，在所述的光栅的上表面具有金属反射层。
所述的光栅位于所述的光波导的下表面，在所述的光栅区域的光波导的上表面具有金属反射层。
所述的检测区域上贴有一层防指纹贴膜。
在所述的光栅和所述的背光光源之间设有准直棱镜。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明在背光光源进入光波导的光路中间使用了光栅结构，使光在光波导内发生衍射形成可交叠的检测光，检测光携带指纹信息传递至传感器，传感器根据光强大小判断发生触控的位置，并由传感器接收到的图像获取指纹信息。由于交叠检测光的使用，采集指纹的同时提高触控灵敏度，实现了集指纹识别与触摸控制于一体的光学屏。
本发明通过金属光栅、倾斜光栅有效增加了耦合效率，提高指纹图像的质量；允许交叠的检测区域，从而大大减小对衍射角度的要求，使得在不影响指纹图像获取的情况下，大大提高触控灵敏度，最终实现集指纹采集与触摸控制于一体的光波导式光学屏，可内置在手机等移动端，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
附图说明
图1是本发明集指纹识别与触摸控制的光学触摸屏的示意图。
图2是本发明第1实施例。
图3是可见光背光光源正入射时对应的±1级衍射效率。
图4是本发明的第2实施例。
图5是本发明应用于二维触控的俯视图。
图6是手指触摸时探测器接收到的光信号示意图。
图7是本发明手指触摸时探测器接收信号的实验测量图。
图8是发明集指纹识别与触摸控制的光学触摸屏的部分立体图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，由图可见，本发明集触控和指纹识别的光学触摸屏，包括背光光源200、光波导202、光栅201、液晶显示模组203和图像传感器204，所述的光波导202位于所述的背光光源200的上方，在所述的光波导202的相邻的两侧各设置所述的光栅201，光波导202相邻的另两侧均设置一阵列图像传感器204，所述的液晶显示模组203位于所述的背光光源200和光波导202之间，所述的光波导202的上表面为检测区域205，位于该检测区域205中具有周期分布的指纹检测区域206；
所述的背光光源200发出的光经所述的光栅201衍射后形成横向传播的探测光在所述的光波导202中经多次全反射后被所述的图像传感器204接收；
所述的光栅201的方向与所述的光波导202中探测光的传播方向是倾斜的，所述的光栅201的衍射角θ满足如下公式：
L+d/4h≤tanθ≤L/2h
式中，L为探测光可探测区域的宽度，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度；
所述的光波导202在远离所述的光栅201的一侧面底部的斜切角α，满足如下关系式：
θ-arcsin(n0/n1)≤α≤90°
式中：n0，n1分别为空气与光波导的折射率。
所述的背光光源200，提供指纹采集及触控检测用光；光栅201，将来自背光光源的入射光转化为可在光波导中横向传播的波导模用于指纹检测及触控位置检测；光波导202，来自背光光源的光经光栅衍射可在其中传播并发生全反射；检测区域205和有效指纹检测区域206，用于与手指接触实现指纹采集及触控位置确定；图像传感器204，来自背光光源的光经手指反射后进入图像传感器实现指纹成像，并根据不同位置传感器得到的光强信息判断触控位置。工作时，手指放置在检测区域205，背光光源200发出光，一部分光直接到达液晶显示模组203，作为正常的背光背光光源，用于显示；另一小部分光经光栅201，利用光栅衍射耦合进入光波导202中形成横向传播的探测光。这些探测光到达检测区域后，由于手指指纹的脊(凸起的部分)会与检测区域直接接触，从而破坏探测光在波导中的全反射传播，使得最终到达传感器的光能损失，而指纹的谷(凹的部分)因未接触检测区域从而不会造成光强损失，这些携带指纹脊与谷信息的探测光最后到达图像传感器204，图像传感器204接收探测光，并根据相应像素位置的光强变化来判断手指触摸的位置，实现触控；再根据接收区域光能强弱判断脊与谷，经图像处理后产生清晰的指纹图像，实现指纹识别，最终得到整面识别指纹的触控屏。下面通过理论分析证明此结构的可行性。
由光栅衍射方程：
T(n0sini±n1sinθ)＝kλ，k＝0，±1… (1)
其中，T为光栅周期，n0为入射介质折射率，n1为波导折射率，k为衍射级数，θ为光栅衍射角，i为入射角，λ为入射波长，h为光波导厚度，+表示入射光与衍射光同侧，-为异侧。不妨设入射光与衍射光为异侧，因而对于-1级衍射，衍射角θ满足
由(2)式可知，通过控制光栅周期和入射角可以获得特定的衍射角和耦合效率。
参阅图1，探测光可探测区域的宽度为L，指纹检测区域的单元宽度为d。为使手指接触时能够破坏原本在光波导中全反射传播的光路，应满足：
n0/n1≤sinθ≤n2/n1 (3)
式中，n2为手指折射率。
为实现触控，检测光应覆盖触摸屏的全部表面，应满足：
tanθ≤L/2h (4)
为实现指纹识别，探测光可探测区域的宽度L应不小于手指的宽度，有效指纹检测区域的宽度d应不小于识别指纹的最小宽度，应满足：
tanθ≥(L+d)/4h (5)
为将带有指纹信息的光线耦合出波导进入探测器，在光波导(202)远离光栅的一侧面底部设置一斜切角α，满足如下公式：
θ-arcsin(n0/n1)≤α≤90° (6)
式中，n0，n1，分别为空气与光波导的折射率。所述光波导材料的折射率可以是单一或者是渐变的。
将光栅制作在光波导靠近背光光源的一侧，此时远离背光光源的一侧可以覆盖一层金属反射层以提高侧耦合效率。也可以将光栅制作在光波导在远离背光光源的一侧，此时在光栅表面覆盖一层金属层以提高耦合效率。由(1)(2)(3)(4)(5)式可知，通过控制光栅周期T、入射光波长λ和入射角i，在符合要求的条件下获得更薄的厚度，并实现整面采集指纹及触控。
为了保证背背光光源用于耦合的部分能正入射到光栅，可以在背光光源与光栅之间增加一准直棱镜，以使光线准直。
为了保证手指在检测区域触摸时的安全性，可以在检测区域贴一层防指纹贴膜。
下面我们通过具体实施例来分别讨论。
图2为本发明的第1实施例。光栅制作在光波导靠近背光光源一侧，为了提高衍射效率，采用倾斜光栅并在光波导另一侧覆盖金属反射层。一般情况下，用于显示的背光光源为白光，不妨选择背光中光强最强的波段，450nm波长光作为检测光，不妨选择探测光可探测的区域宽度L为9mm，有效指纹检测区域宽度d为5mm，手指的折射率、波导的折射率、空气的折射率分别为1.42，1.45，1.0，光波导的厚度为0.7mm，则由(3)(4)(5)式可得对应的衍射角应满足：
77.84°≤θ≤78.32°
不妨选择θ＝78°，再由(1)(2)式可得，当波长为530nm的背光光源正入射到光栅时，波导中的衍射角为78°对应的光栅周期为373nm。
图3为光栅周期为373nm，可见光正入射时对应的±1级获得的衍射效率，可以看到在530nm处-1级的衍射效率达60％以上。
图4为本发明的第2实施例。此实施例与第1实施例的差别在于，光栅制作在光波导远离背光光源的一侧，采用反射衍射耦合，为了提高衍射效率，采用倾斜光栅并在光栅上镀一层金属加强耦合。
图5是本发明应用于二维触控的俯视图。光栅201放置在光波导的相邻两侧，图像传感器204放置在光波导的另相邻两侧，与所述的光栅201相对，背光光源经两个相互垂直放置的光栅201耦合后，沿着相互垂直的两个方向分别传播，到达传感器204。
图6是当手指触控时，相应的图像传感器204A、204B接收到指纹的图像。其中一侧的传感器204A需要接收到清晰的指纹图像及确定触控位置，因此需要较高分辨率的图像传感器单元(CCD)；另一侧的传感器204B无需重复获取指纹图像，只需要确定触控位置，因此可选用较低分辨率的图像传感器单元(CCD)，或者使用硅光电池等光电探测器。
图7表明当手指触摸到像素位置x＝13mm处，对应的像素点接收到的光强相比原光强减小了约20％，这一因手指触摸引发的该像素点光强减少，可用于判断该触控发生的位置。
图8是发明集指纹识别与触摸控制的光学触摸屏的部分立体图。
实验表明，本发明利用光栅的衍射，背光光源的光经光栅衍射后形成探测光后到达检测区域，根据指纹的脊与谷对探测光的影响不同，传输到图像传感器，获得清晰的指纹图像及精准的触控位置。从而可实现全面板指纹采集和触控，在触控的同时就能采集指纹，提高了智能设备的安全性，增强了用户体验，可实现系统的超薄化，显著提高成像质量，且成本低廉。
本发明光学触摸屏集指纹识别与触摸控制于一体，具有安全、超薄、成像质量高和成本低的特点。
Claims (5)
1.一种集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特征在于，包括背光光源(200)、光波导(202)、光栅(201)、液晶显示模组(203)和图像传感器(204)，所述的光波导(202)位于所述的背光光源(200)的上方，在所述的光波导(202)的相邻的两侧各设置所述的光栅(201)，光波导(202)相邻的另两侧均设置一阵列图像传感器(204)，所述的液晶显示模组(203)位于所述的背光光源(200)和光波导(202)之间，所述的光波导(202)的上表面为检测区域(205)，位于该检测区域(205)中具有周期分布的指纹检测区域(206)；
所述的背光光源(200)发出的光经所述的光栅(201)衍射后形成横向传播的探测光在所述的光波导(202)中经多次全反射后被所述的图像传感器(204)接收；
所述的光栅(201)的方向与所述的光波导(202)中探测光的传播方向是倾斜的，所述的光栅(201)的衍射角θ满足如下公式：
L+d/4h≤tanθ≤L/2h
式中，L为探测光可探测区域的宽度，h为光波导的厚度，d为指纹检测区域的单元宽度；
所述的光波导(202)在远离所述的光栅(201)的一侧面底部的斜切角α，满足如下关系式：
θ-arcsin(n0/n1)≤α≤90°
式中：n0,n1分别为空气与光波导的折射率。
2.根据权利要求1所述的集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特征在于，所述的光栅(201)位于所述的光波导(202)的上表面，在所述的光栅(201)的上表面具有金属反射层。
3.根据权利要求1所述的集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特征在于，所述的光栅(201)位于所述的光波导(202)的下表面，在所述的光栅(201)区域的光波导(202)的上表面具有金属反射层。
4.根据权利要求1所述的集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特征在于，所述的检测区域(205)上贴有一层防指纹贴膜。
5.根据权利要求1至4任一项所述的集触控和指纹识别的光学触摸屏，其特征在于，在所述的光栅(201)和所述的背光光源(200)之间设有准直棱镜。
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- 2016-12-20 CN CN201611181662.9A patent/CN106940598B/zh active Active
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