CN107622222A - 指纹辨识装置与使用其的生理信号的感测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种指纹辨识装置与使用其的生理信号的感测方法，适用于感测手指的指纹图像与血糖信息。指纹辨识装置包括光电传感器、光源模块与辨识单元。光电传感器具有指纹感测面，用以将光强度信号转换为电信号，光源模块用以产生测试光束至所述手指，辨识单元电性连接于所述光电传感器。指纹辨识装置依据不同感测模式有不同的作动，在第一感测模式时，辨识单元通过光电传感器感测指纹图像；在第二感测模式时，辨识单元通过光电传感器感测光谱信息以判断血糖信息。借此，指纹辨识装置可以同时进行指纹感测与血糖感测。
Description
技术领域
本发明涉及一种指纹辨识装置，尤其涉及一种指纹辨识装置与使用其的感测生理信号的感测方法。
背景技术
目前常见的指纹辨识技术主要有电容式(capacity)与光学式(optical)，电容式辨识器的优点是体积小，可以应用在手持装置上，但裸露的芯片容易受到汗水等外在因素影响而有耐用性不高的问题。光学式传感器的优点是技术成熟，但缺点是需要光学组件，其体积较大，难以应用于手持装置内。
电容式辨识器是利用半导体工艺制作，将电容结构与电容感测电路整合于单一芯片内，其内部具有高密度的电容感测单元，可以用来感测指纹图像。当手指按压于芯片表面时，波峰与波谷与电容感测单元的距离不同会产生不同的电容值，通过这些电容值的变化形成指纹影像。
光学式辨识器主要由光源、三菱镜与电荷耦合组件(CCD)组成。使用时，手指按压三菱镜的表面，通过光源反射显示出其波峰与波谷的纹路。电荷耦合组件可以撷取指纹的阴影与明亮的图像，借此形成指纹影像。因为光学式辨识器接触手指的是光学组件，所以耐用度较高且成本低廉，目前公众场合所使用的指纹辨识器大都采用光学式辨识器。
目前电容式或光学式的指纹辨识器主要都是用于感测指纹影像，并无法同时感测其他生理信息。不同的生理信号需要利用不同的感测技术来进行感测，其感测方式并无法与电容式或光学式的指纹辨识器的感测技术相整合。
发明内容
本发明于提供一种指纹辨识装置与使用其的生理信号的感测方法，可适用于感测手指的指纹图像与血糖信息等生理信号，其具有两种感测模式可测得指纹与光谱信息。通过光电传感器、相应的光源模块以及辨识单元，达成提供指纹图像的同时，也可取得血糖信息等生理信号的效益。
本发明于一实施方式中提供一种指纹辨识装置，适用于感测手指的指纹图像与血糖信息，其特征在于，包括光电传感器、光源模块与辨识单元。光电传感器具有指纹感测面，用以将光强度信号转换为电信号。光源模块，用以产生测试光束至所述手指。辨识单元，电性连接于所述光电传感器。指纹辨识装置具依不同感测模式有不同的作动，在第一感测模式时，辨识单元通过光电传感器感测指纹图像；在第二感测模式时，辨识单元通过光电传感器感测光谱信息以判断血糖信息。
优选地，光源模块位于光电传感器的周围。
优选地，光源模块位于光电传感器的上方且光电传感器与光源模块之间具有一容置空间以容置手指。
优选地，虚拟接口需求控制模块包括压缩单元。压缩单元用以压缩所述实体资源提供的执行结果，以降低传输过程中所消耗的频宽。
优选地，光源模块包括多个不同波长范围的发光源，用以产生测试光束，测试光束的波长范围介于700纳米至3000纳米之间。
优选地，光源模块包括多个发光源与多个滤光片，滤光片分别设置于发光源的上方以产生多个波段的光谱。
优选地，第二感测模式时，所述光源模块依序产生多种不同波长范围的所述测试光束，所述测试光束的波长范围介于700纳米至3000纳米之间。
优选地，光电传感器具有感测数组，位于指纹感测面下方，所述感测数组的部分被设定为光谱感测区，辨识单元通过光谱感测区感测光谱信息。
优选地，光电传感器具有感测数组与光谱感测组件，感测数组用于感测指纹图像，光谱感测组件用于感测光谱信息。
优选地，指纹辨识装置根据指纹图像验证用户信息，并且根据用户信息，判断血糖信息与用户的对应关系。
优选地，指纹辨识装置根据所述光谱信息验证所述手指是否为一真实手指。
优选地，光电传感器包括由多个感光单元组成的感测数组，所述各感光单元包括第一型掺杂半导体层与第二型掺杂半导体层。
优选地，辨识单元包括模拟/数字转换器与处理单元。模拟/数字转换器，电性连接光传感器，用以接收光传感器所输出的电信号，并将其转换为数字信号。处理单元，电性连接于模拟/数字模拟转换器，接收数字信号以计算血糖信息。
优选地，指纹辨识装置，进一步包括光源控制器，电性连接光源模块，用以调整测试光线的光谱。
本发明于另一实施方式中提供一种生理信号的感测方法，适用于一指纹辨识装置，其特征在于，包括使用一光电传感器感测一指纹图像；根据所述指纹图像验证一用户信息；使用所述光电传感器感测一光谱信息；利用所述光谱信息计算一血糖信息；以及取得所述血糖信息与所述用户信息的对应关系。
优选地，生理信号的感测方法，进一步包括根据光谱信息验证所感测的手指是否为真实手指。
优选地，光电传感器感测光谱信息的步骤进一步包括提供不同光谱的测试光束至所感测的手指，测试光束由手指下方或上方产生。
综上所述，本发明实施例所提供的指纹辨识装置与使用其的生理信号的感测方法，通过光电传感器感测指纹图像或是光谱信息，以及光源模块，提供不同波长的测试光束至手指上，辨识单元得以获得指纹图像或是光谱信息，进而辨识出指纹或是判断血糖信息等生理信号，实现感测指纹影像同时，还可感测其他生理信息。本发明提出指纹辨识装置的体积小，血糖信息等生理信号感测方式又能与指纹辨识装置的感测技术相互整合，在同时感测多种生理信息的情况下，此一结合更具自动化的综效，于比对指纹验证身分的同时，旋而登录、分析或处理相应用户的其他生理信息，如此一来，即可大幅减少使用者手动操作的麻烦。
为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅是用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。
附图说明
图1是本发明一实施例的指纹辨识装置的功能框图。
图2A是本发明一实施例的指纹辨识装置的结构示意图。
图2B是本发明另一实施例的指纹辨识装置的结构示意图。
图3A是本发明一实施例的光源模块的示意图。
图3B是本发明另一实施例的光源模块的示意图。
图4A是本发明一实施例的光电传感器的结构示意图。
图4B是本发明一实施例的感光单元的结构示意图。
图5是本发明另一实施例的光电传感器的结构示意图。
图6是本发明一实施例的生理信号的感测方法的流程图。
具体实施方式
请同时参照图1与图2A、2B，图1是本发明一实施例的指纹辨识装置的功能框图，图2A是本发明一实施例的指纹辨识装置的结构示意图。如图1所示，指纹辨识装置100包括辨识单元110、至少一光电传感器120、至少一光源模块130与光源控制器140。辨识单元110包括模拟/数字转换器112与处理单元114，其中模拟/数字转换器112电性连接于光电传感器120与处理单元114。光源控制器140电性连接于光源模块130，用以控制光源模块130所发出的测试光束LS的波长范围。
光电传感器120与光源模块130可以设置于同一电路板210，其中光源模块130可以由多个发光源231～239组成，其设置于光电传感器120的周围，其中发光源231～239例如是LED，但不限制是LED。光电传感器120的表面具有一指纹感测面FS，用以供手指201按压其上以进行感测。光电传感器120可采用半导体封装技术，其外壳可以使用树酯进行封装，其表面不须开孔，可以直接以封装结构的表面作为指纹感测面FS进行感测。请参考图2B，图2B是本发明另一实施例的指纹辨识装置的结构示意图在本发明另一实施例中，光电传感器120与光源模块130可以设置在相对两侧，其中光源模块130位于光电传感器120的上方。光源模块130位于光电传感器120之间具有一容置空间260以容置所要感测的手指201。不同的发光源231～239可以产生不同波长范围的测试光束LS，依照其对受测物穿透程度的不同，可以选择设置在光电传感器120同一侧或其上方。
在进行感测时，光源模块130发出测试光束LS到手指201，光电传感器120用以感测所接收到的光强度信号，并将其转换为电信号，例如电流信号。模拟/数字转换器112用以接收光电传感器120所输出的感测信号，将其转换为数字信号并传送到处理单元114进行运算与统计分析，藉以取得指纹图像或血糖信息。
在本发明实施例中，指纹辨识装置100可以有两种感测模块，第一感测模式是用于感测指纹图像，第二种感测模式是用于感测一光谱信息，然后根据光谱信息判断血糖信息。其中，在第一感测模式下，辨识单元110是利用手指201指纹的纹峰(peak)与纹谷(valley)与指纹感测面FS之间的距离不同所造成的光线强弱差异来产生其指纹图像。在第二感测模式下，光源模块130会产生不同光谱(波长范围)的测试光束LS到手指201，光电传感器120感测经由手指201反射或透射的光线强度，借此产生光谱信息，例如红外吸收光谱。光源模块130可以利用不同的发光源231～239来产生不同波长范围的光线，其波长范围介于700nm～3000nm，包括近红外线的波长范围(0.78－3微米)。在进行生理信号的感测模式下，光源模块130可以依序产生不同光谱的测试光束LS至手指201进行感测，配合其光谱的输出顺序，指纹辨识装置100可以得到完整的光谱信息以进行生理信号的判断。
由于人体组织与血液中的特定成分对特定光谱会有吸收特性，所以利用其吸收光谱信息(如吸收波数与吸收度)可以对特定成分进行定性与定量的计算。本实施例利用但不限于红外光谱法(infrared spectroscopy)，其主要的原理是分子中的原子产生震动与转动模式时会吸收能量。特定官能基有特定的吸收谱带，不受环境因素影响而改变。因此，利用吸收光谱的检测可以感测特定的官能基，借此判断血糖等生理信息。依照波数大小，吸收光谱可以分为三个部分，14290～4000cm-1为近红外光区，4000～666cm-1为中红外光区，600～100cm-1为远红外光区，其中近红外光区主要是与分子间的倍频(overtone)及合频的吸收相关。远红外光区主要与分子的转动、金属键结的吸收相关。
举例来说，水分子的红外线吸收波数约为3657cm-1与3766cm-1。在甲醇中，C—O伸张频率为1034cm-1(9.67μm)，在乙醇中，则为1053cm-1(9.50μm)，在2-丁醇中，则为1105cm-1(9.05μm)。多糖特征吸收峰例如是：3401cm-1(O-H)，2919cm-1(C-H),1381cm-1及1076cm-1(C-O)。在900cm-1处的吸收峰说明该多糖以β-糖苷键连接。在N－H变角振动区1650-1550cm-1处有明显的蛋白质吸收峰，表明该样品是多糖蛋白质复合物。以吸收波长说明的话，脂肪的吸收波长大约介于900nm～950nm，水分子的吸收波长大约介于950nm～1000nm，蛋白质的吸收波长大约介于1000nm～1050nm。在近红外线的吸收光谱中，大分子如水、蛋白质等的吸收光谱会与血糖感测的吸收光谱产生重迭而使吸收峰值与波长位置漂移。因此，在后端的统计分析中，需要排除这些大分子的干扰，所以选择合适的计算处理模型可以增加感测的效果。所述吸收光谱的波数仅为举例说明，通过不同的测试方式，所测得的数据会有所差异，本实施例不限制于此。
本实施例的指纹辨识装置100利用光电传感器120所感测到光谱信息，经由统计分析后，可以换算出血糖信息。统计运算的方式包括但不限制是利用红外吸收光谱、变异数分析、回归分析、曲线拟合等方法。值得注意的是，不同的感测方式可以利用不同波段的光谱进行感测，所述说明仅为本发明的实施范例。针对特定的感测，指纹辨识装置100可以输出特定波段的光谱来进行感测，本实施例不限制其所输出的波段。另外，在进行光谱分析时，本实施例包括但不限于差值光谱法及波峰分离法。
指纹辨识装置100可以利用第一感测模式所感测到的指纹图像验证用户信息，利用第二感测模式所感测到的光谱信息辨识生理信号，例如血糖值。然后，指纹辨识装置100可以判断血糖值与使用者的对应关系，进而产生与用户相关联的血糖信息以进行血糖监控或是云端医疗应用。
另外，指纹辨识装置100可以利用第二感测模式来辨别手指201是否为一真实手指。假手指的生理特征与真手指不同，对于红外线光谱吸收的特性不同，可以通过红外吸收光谱的差异辨别是否为真实手指。举例来说，假手指中不具有葡萄糖与骨骼，可以通过其吸收光谱是否包括葡萄糖或骨骼的吸收峰来进行判断。
接下来，进一步说明指纹辨识装置100中个别组件的实施方式。光源控制器140电性连接于光源模块130，可以供电并且控制发光源231～239来调整光源模块130所发出的测试光束LS的波长范围。所述光源模块130至少有两种实施例方式，请参照图3A与图3B，图3A是本发明一实施例的光源模块的示意图。图3B是本发明另一实施例的光源模块的示意图。请参照图3A，光源模块130包括多个不同光谱范围发光源231～239，可以产生在700nm～3000nm中特定波段的光束。举例来说，发光源231例如是砷化镓(GaAs)发光源，其中心波长为830nm～950nm，但本实施例不限制于此。光源模块130可以选择其中一个或多个发光源231～239来产生所需的光谱。
请参照图3B，光源模块130可以由多个具有全波段光谱的发光源341～349与覆盖于发光源341～349之上的滤光片351～359组成。具全波段光谱的发光源341～349的光谱范围较广，例如700nm(纳米)至3000nm(纳米)，而滤光片351～359则分别具有波长选择的功能，可以滤除特定波段以外的光线。举例来说，滤光片351的波段的700nm～800nm，则发光源341所发出的光线中仅有符合700nm～800nm波长的光线可以通过。另一滤光片359的波段例如是2700nm～2800nm，则发光源349的光线穿透滤光片359后，可以过滤出2700nm～2800nm的光线。换言之，通过选择不同波段范围的滤光片351～359，光源数组131可以产生多个波段的光谱，借此产生所需波段范围内的测试光线LS。所述全波段光谱的发光源例如是卤素灯或固态发光组件(如LED)，但本实施例不受限制。
请参照图1与图4A，图4A是本发明一实施例的光电传感器的结构示意图。光电传感器120具有一感测数组410，位于所述指纹感测面FS下方，所述感测数组410的部分被设定为一光谱感测区420。感测数组410包括多个感光单元401组成，其排列方式可以依照需求设置，不限制于图4A的排列方式。光谱感测区420包括一个或多个感光单元401，其位置可依照需求设定，不限于感测数组410的中心位置。
在第一感测模式下，辨识单元110利用光电传感器120的整个感测数组410对手指201进行感测，以取得指纹图像。在第二感测模式下，辨识单元110利用光电传感器120感测数组410中的光谱感测区420的感光单元401感测光谱信息，以判断所述血糖信息。换言之，感测数组410部分的感光单元401是可以共享在两种模式下，辨识单元110可以依照需其撷取所需的感光单元401所输出的电信号来进行感测分析。光谱感测区420的选择可以由硬件电路或由系统软件选择所需的信号来源来决定，本实施例不限制。
请参照图4B，图4B是本发明一实施例的感光单元的结构示意图。感光单元401包括第一型掺杂半导体层421(P型)与第二型掺杂半导体层422(N型)，其中两层掺杂半导体形成一PN接口。所述第一型掺杂半导体层421与第二型掺杂半导体层422的材料例如是硅，包括单晶硅(single crystal silicon)、多晶硅(polycrystal silicon)、非晶硅(amorphoussilicon)或是微晶硅(microcrystal silicon)。所述半导体材料也可以是铜铟镓二硒(CuInGaSe2，CIGS)、硫化镉(CdS)、镉化硒(CdSe)、砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs)、磷化铟(InP)、铜铟二硒(CuInSe2，CIS)、碲化镉(CdTe)、磷化铟(InP)、半导体有机材料(organicmaterial)或所述材料堆栈的多层结构，但本实施例的光电传感器120的材料不限制于此。所述的掺杂于硅半导体材料中的N型掺质，可以是元素周期表中的第五族元素，掺杂于半导体材料中的P型掺质，可以是元素周期表中三族元素的群组。其中，第五族元素例如磷(P)、砷(As)或是锑(Sb)等等；第三族元素例如是硼(B)、铝(Al)、镓(Ga)、铟(In)等等。
不同材料的感光单元401可以感测特定波段的光信号，例如砷化铟镓(IndiumGallium Arsenide,InGaAs))传感器的感测波段约为800nm至2600nm、硅光电二极管(silion photodiode)的感测波长约为350nm～1100nm、硫化铅(Pbs)传感器的感测波长约为1000nm-3500nm，但本实施例的感光单元401不限制于所述传感器种类。
感测数组410可以由一种材料的感光单元401或多种材料的感光单元401组成，其可以依照所需感测的波长范围来选择。多个相同波段的半导体组件组成的感测数组410可以应用于指纹辨识器。换言之，本实施例的光电传感器120可以用光电式的指纹辨识器实现，但本实施例不限于此。在本实施例中，单一个光电传感器120中可以包括一个或多个感测数组410，用以感测指纹图像与血糖信息。
请参照图5，图5是本发明另一实施例的光电传感器120的结构示意图。光电传感器120包括感测数组410与光谱感测组件520，其中感测数组410包括多个感光单元401，光谱感测组件520包括多个感光单元501。图5与图4A主要差别在于图5增加了光谱感测组件520。感测数组410用于感测所述指纹图像，光谱感测组件520则用于感测所述光谱信息。光谱感测组件520设置于感测数组410周围，为独立的组件，并非是感测数组410中的一部分。图5中的感光单元401的结构如所述图4B的说明，在此不加累述。
在感测的过程中，指纹辨识装置100可以切换所述两种感测模式来取得指纹图像与光谱信息，其中指纹图像可以辨识用户的指纹，而光谱信息则可以用来验证用户的生理信号。通过光谱信息所感测出的生理信号，可以辨别待测物是否为真实手指，而指纹则可以用来连接用户信息。当检测到待测物不是真实手指时，可以选择停止进行检测或记录检测数据。
接下来，请同时参考所述图1与图6，图6是本发明一实施例的生理信号的感测方法的流程图。首先，使用光电传感器120感测指纹图像(步骤S610)。然后，根据指纹图像验证用户信息(步骤S620)。接下来，使用光电传感器120感测光谱信息(步骤S630)。利用光谱信息计算血糖信息(步骤S640)。然后，取得血糖信息与用户信息的对应关系(步骤S650)。
指纹辨识装置100在取得光谱信息后，可以验证所感测的手指201是否为真实手指，其验证的方式例如是检测手指201中是否含有水分子的吸收峰。另外，在步骤S630中，指纹辨识装置100可以提供不同光谱的测试光束LS至所感测的手指201，其测试光束LS可以由手指201上方或下方产生，借此感测穿透或反射的吸收光谱，然后利用吸收光谱来进行生理信息的感测，例如是血糖的感测。
综上所述，本发明的有益效果在于，指纹辨识装置100可以进行指纹与生理信息的感测，同时具有验证手指201是否真实与实现非侵入式血糖感测的技术效果。更进一步地，本发明还可以将所测得的指纹进行身分验证、比对，与所测得的生理信息进行关联，进一步运算处理并予以纪录，有效节省用户控制、输入所需花费的时间。
以上所公开的内容仅为本发明的优选可行实施例，并非因此局限本发明的申请专利范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所做的等效技术变化，均包含于本发明的申请专利范围内。
Claims (16)
1.一种指纹辨识装置，适用于感测一手指的一指纹图像与一血糖信息，其特征在于，包括：
至少一光电传感器，具有一指纹感测面，用以将一光强度信号转换为一电信号；
至少一光源模块，用以产生一测试光束至所述手指；以及
一辨识单元，电性连接于所述光电传感器；
其中，在一第一感测模式时，所述辨识单元通过所述光电传感器感测所述指纹图像，在一第二感测模式时，所述辨识单元通过所述光电传感器感测一光谱信息以判断所述血糖信息。
2.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光源模块位于所述光电传感器的周围。
3.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光源模块位于所述光电传感器的上方且所述光电传感器与所述光源模块之间具有一容置空间以容置所述手指。
4.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光源模块包括多个不同波长范围的发光源，用以产生所述测试光束，所述测试光束的波长范围介于700纳米至3000纳米之间。
5.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光源模块包括多个发光源与多个滤光片，所述滤光片分别设置于所述发光源的上方以产生多个波段的光谱。
6.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，在所述第二感测模式时，所述光源模块依序产生多种不同波长范围的所述测试光束，所述测试光束的波长范围介于700纳米至3000纳米之间。
7.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光电传感器具有一感测数组，位于所述指纹感测面下方，所述感测数组的部分被设定为一光谱感测区，所述辨识单元通过所述光谱感测区感测所述光谱信息。
8.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光电传感器具有一感测数组与一光谱感测组件，所述感测数组用于感测所述指纹图像，所述光谱感测组件用于感测所述光谱信息。
9.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述指纹辨识装置根据所述指纹图像验证一用户信息，并且根据所述用户信息，判断所述血糖信息与一用户的对应关系。
10.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，在所述指纹辨识装置根据所述光谱信息验证所述手指是否为一真实手指。
11.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述光电传感器包括由多个感光单元组成的一感测数组，各该感光单元包括一第一型掺杂半导体层与一第二型掺杂半导体层。
12.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，所述辨识单元包括：
一模拟/数字转换器，电性连接所述光电传感器，用以接收所述光电传感器所输出的电信号，并将其转换为一数字信号；以及
一处理单元，电性连接于所述模拟/数字模拟转换器，接收所述数字信号以计算所述血糖信息。
13.如权利要求1所述的指纹辨识装置，其特征在于，更包括：
一光源控制器，电性连接所述光源模块，用以调整所述测试光线的光谱。
14.一种生理信号的感测方法，适用于一指纹辨识装置，其特征在于，包括：
使用一光电传感器感测一指纹图像；
根据所述指纹图像验证一用户信息；
使用所述光电传感器感测一光谱信息；
利用所述光谱信息计算一血糖信息；以及
取得所述血糖信息与所述用户信息的对应关系。
15.如权利要求14所述的生理信号的感测方法，其特征在于，进一步包括：
根据所述光谱信息验证所感测的一手指是否为一真实手指。
16.如权利要求14所述的生理信号的感测方法，其特征在于，在使用所述光电传感器感测所述光谱信息的步骤进一步包括：
提供不同光谱的测试光束至所感测的一手指，所述测试光束由所述手指下方或上方产生。
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