集触控和指纹识别的光学触摸屏制造技术

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，本发明专利技术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，本发明专利技术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。

Optical touch screen with touch control and fingerprint identification

A set of fingerprint recognition and optical touch touch screen comprises a backlight light source, optical waveguide, grating, liquid crystal display module and the image sensor, the invention by the sensor according to the intensity to determine the size of the touch position, the image received by the sensor to obtain the fingerprint information. Due to the use of overlapping detection light, improve the fingerprint touch sensitivity at the same time, the invention of optical touch screen set of fingerprint recognition and touch control in one, has the characteristics of safety, ultra-thin, high imaging quality and low cost.

【技术实现步骤摘要】
集触控和指纹识别的光学触摸屏
本专利技术涉及光学式触摸屏，特别是一种集触控和指纹识别的光学触摸屏。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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倾斜，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，本专利技术的有益效果如下：本专利技术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。本专利技术通过金属光栅、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是本专利技术集指纹识别与触摸控制的光学触摸屏的示意图。图2是本专利技术第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是本专利技术的第2实施例。图5是本专利技术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是本专利技术手指触摸时探测器接收信号的实验测量图。图8是专利技术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专利技术做详细说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。先请参阅图1，由图可见，本专利技术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倾斜，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≤sin本文档来自技高网...

【技术保护点】
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倾斜，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(n...

【技术特征摘要】
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倾斜，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶志成，马萍，郑君，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海,31