CN109977742A - 光学指纹感测器 - Google Patents

Abstract

一种光学指纹感测器，包括：一影像感测器阵列；一准直层，配置于影像感测器阵列上，准直层具有第一孔的阵列；一导光层，配置于准直层上；一光源，发射光至导光层；以及一感测区域，配置于导光层上。导光层允许来自光源的一部分的光进入感测区域，并且导引剩余部分的光前进。

Description

光学指纹感测器

技术领域

本公开涉及一种光学指纹感测器，且特别有关于具有能够减低光在传输中耗损并且输出均匀光的导光层的光学指纹感测器。

背景技术

生物辨识技术在这几年相当热门。有一种生物辨识系统是指纹辨识系统。指纹辨识系统拍摄使用者的指纹来认证使用者并且决定是否让使用者存取内建该指纹辨识系统的装置。指纹辨识系统也可以用来做例如移动电话、可穿戴式电子装置(如智能手表)、平板电脑等的各个移动装置的存取控制。

电容指纹感测器最普遍地用于指纹辨识系统中。然而，电容指纹感测器在距离手指距离长的情况下很难感测到精细的指纹的脊线和谷线特征。因此如果电容指纹感测器埋在装置的厚玻璃外壳下的话就会成为一个问题。对这个问题的一个解决方案是采用光学指纹感测器来取代电容指纹感测器。即使手指所接触到玻璃外壳的表面并不靠近感测器阵列，光学指纹感测器还是能够感测到清楚的指纹。

现有的光学指纹感测器具有光源来照射手指碰触的感测区域，并且利用影像感测器阵列来接收来自感测区域的反射光。从手指的脊线反射的光与从手指的谷线反射的光具有不同的强度。因此，影像感测器阵列能够拍摄手指的脊线和谷线特征。然而，光源要均匀地照射感测区域并不容易。如果光源没有均匀地照射感测区域的话，就无法获得精细的影像品质或高辨识正确度。

发明内容

本公开提出一种光学指纹感测器，包括：一影像感测器阵列；一准直层，配置于该影像感测器阵列上，该准直层具有第一孔的阵列；一导光层，配置于该准直层上；一光源，发射光至该导光层；以及一感测区域，配置于该导光层上，其中该导光层允许来自该光源的一部分的光进入该感测区域，并且导引剩余部分的光前进。

在上述光学指纹感测器中，该导光层包括：一底部导光层；一中间导光层，配置于该底部导光层上；一顶部导光层，配置于该中间导光层上，该顶部导光层具有第二孔的阵列，其中该底部导光层与该顶部导光层的折射率低于该中间导光层的折射率。

在上述光学指纹感测器中，每一个该第二孔分别位于一个该第一孔正上方。

在上述光学指纹感测器中，该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第二孔及一个该第一孔的光。

在上述光学指纹感测器中，每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料。在一个实施例中，该底部导光层与该顶部导光层是由该第一材料组成，该中间导光层是由该第二材料组成。

根据本公开另一个观点，在上述光学指纹感测器中，该导光层具有棱镜的阵列。

在上述光学指纹感测器中，每一个该棱镜位于一个该第一孔的正上方。

在上述光学指纹感测器中，每一个该棱镜反射一部分的入射光至该感测区域，并且使剩余部分的该入射光通过。

在上述光学指纹感测器中，该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第一孔的光。在另一实施例中，每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料。

根据本公开另一个观点，在上述光学指纹感测器中，该导光层包括材料块的阵列，其中介于任两相邻的该材料块的界面是一倾斜面，并且每一个该倾斜面位于一个该第一孔的正上方。

在上述光学指纹感测器中，每一个该倾斜面反射一部分的入射光至该感测区域，并且使剩余部分的该入射光通过。

在上述光学指纹感测器中，该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第一孔的光。在另一实施例中，每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料。

总结来说，本公开提供一种光学指纹感测器，具有能够减低光在传输中耗损并且输出均匀光的导光层。更进一步来说，导光层能够防止影像感测器阵列接收到不是从指纹反射而来的杂散光。

附图说明

图1是显示根据本公开一实施例的一移动装置的示意图，该移动装置具有一盖玻璃位于显示面板及光学指纹感测器上方。

图2是显示根据本公开一实施例的光学指纹感测器的示意图。

图3是显示根据本公开一实施例的光学指纹感测器的示意图。

图4是显示根据本公开一实施例的光学指纹感测器的示意图。

图5是显示根据本公开一实施例的光学指纹感测器的示意图。

附图标记说明：

10移动装置

12显示区域

14感测区域

100、100A、100B、100C、100D光学指纹感测器

101影像感测器阵列

102、102’准直层

103底部导光层

104中间导光层

105顶部导光层

106盖层

107光源

108、109导光层

111、112、113影像感测器单元

141、142、143区块

121、122、123孔

125侧壁

126材料

151、152、153孔

181、182、183棱镜

191、192、193、194材料块

200显示面板

300盖玻璃

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本公开的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简地表达本公开，其仅作为例子，而并非用以限制本公开。例如，第一特征在一第二特征上或上方的结构的描述包括了第一特征和第二特征之间直接接触，或是以另一特征设置于第一特征和第二特征之间，以致于第一特征和第二特征并不是直接接触。

此外，本说明书于不同的例子中沿用了相同的元件标号及/或文字。前述的沿用仅为了简化以及明确，并不表示于不同的实施例以及设定之间必定有关联。附图中的形状、尺寸、以及厚度可能为了清楚说明的目的而未依照比例绘制或是被简化，仅提供说明之用。

本公开的实施例提供了光学拍摄指纹的光学指纹感测器。特别是，本公开将描述一种具有配置于壳玻璃层与准直层之间的导光层的光学指纹感测器。来自光源的光会在导光层内传输并且入射手指碰触的感测区域。这些光接着被手指反射并且被导光层与准直层滤过，使得被手指反射的光中只有以小角度入射导光层与准直层的光能够到达影像感测器阵列。

图1是显示根据本公开一实施例的一移动装置的示意图，该移动装置具有一盖玻璃位于显示面板及光学指纹感测器上方。如图1所示，移动装置10包括光学指纹感测器100、显示面板200、以及覆盖在光学指纹感测器100与显示面板200上的盖玻璃300。显示面板200配置于显示区域12并且对使用者显示影像。光学指纹感测器100配置于感测区域14，感测区域14是让手指20碰触时提供指纹辨识用的区域。光学指纹感测器100感测使用者的指纹来决定是否允许使用者操作这台移动装置10。

图2是显示根据本公开一实施例的光学指纹感测器的示意图。在图2中，光学指纹感测器100A包括了影像感测器阵列101、配置于影像感测器阵列101上的准直层102、配置在准层层102上的底部导光层103、配置于底部导光层103上的中间导光层104、配置于中间导光层104上的顶部导光层105、配置于顶部导光层105上的盖层106、以及发射光线入射中间导光层104的光源107。

盖层106对应于图1所示的盖玻璃300，用来保护个光学指纹感测器100A。盖层106的上表面是提供手指触碰的区域的感测区域14。盖层106是由例如玻璃等的具有高穿透性的透明材料所构成。

指纹的特征包括脊线与谷线。在实施例当中，假设感测区域14的区块141被指纹的脊线接触，感测区域14的区块142被指纹的谷线接触，感测区域14的区块143被指纹的脊线接触。被指纹的脊线反射的光与被指纹的谷线反射的光会有不同的强度，而光学指纹感测器100A能够利用这个特征来拍摄指纹。

影像感测器阵列101包括多个的影像感测器单元111、112、113，其配置来检测来自感测区域14的区块141、来自感测区域14的区块142、与来自感测区域14的区块143的光的光强度。影像感测器阵列101能够由CMOS感测器阵列或CCD感测器阵列来具体实施。

准直层102是由光吸收材料制作而成，并且具有包括孔(或洞)121、122、123的阵列。孔121、122、123位于影像感测器单元111、112、113的上方。因此，只有垂直入射或者是接近垂直入射影像感测器阵列101的光能够穿过准直层102的孔121、122、123到达影像感测器单元111、112、113。对于准直层102有稍微大的入射角度的光会背准直层102的上表面或者是孔121、122、123的侧壁吸收。因此，准直层102的动作有如准直器，其将光线准直化入射影像感测器阵列101。通过利用准直层102，影像感测器单元111、112、113能够分别接收到来自感测区域14的区块141、来自感测区域14的区块142、与来自感测区域14的区块143的光。

底部导光层103、中间导光层104、底部导光层105组成一个导光组。底部导光层103及顶部导光层105可以由相同或者是不同的材料组成。然而，底部导光层103与顶部导光层105必须具有比中间导光层104还要小的反射系数。在此实施例中，假设底部导光层103与顶部导光层105是由相同材料组成。底部导光层103、中间导光层104、顶部导光层105所形成的导光层，允许一来自光源107的一部分的光入射感测区域14并且导引其他部分的光前进的。

根据斯乃尔定律，如果光通过两个不同介质的边界，入射角的正弦与折射角的正弦的比值会等于两个介质的折射系数的比值的倒数。这样一来，当光从一个具有高折射系数的介质进入一个进入低折射系数的介质，折射角会大于入射角。在这个情况下，当入射边界的光具有的入射角大于临界角，光会完全地被边界所反射。因此，当光源107从中间导光层104的侧边射入光线至中间导光层104中，因为底部导光层103与顶部导光层105具有比中间导光层更低的折射系数，在中间导光层104内部传输的光当中对边界具有大入射角者会完全被边界所反射，并且继续往中间导光层104的相反侧侧边前进。

在导光组的全反射结构当中，顶部导光层105具有孔(或洞)151、152、153。孔151、152、153位于孔121、122、123(或影像感测单元111、112、113)的正上方。因此，在中间导光层104中反射的光会分别从孔151、152、153输出并且入射到感测区域14的区块141、感测区域14的区块142、与感测区域14的区块143。

从感测区域14反射的光线会对导光组会有不同的入射角度。然而，如果光线的入射角度大于临界角，则光线会被底部导光层103反射而无法进入准直层102。这样一来，只有垂直入射或接近垂直入射导光组的光能够通过导光组与准直层102而到达影像感测器单元111、112、113。

根据上述实施例，光学指纹感测器100A具有由不同折射系数的材料所组成的导光组，用来进行全反射。因此，光线在传输上的损失会减少并且能够均匀地照射感测区域14。更进一步，导光组能够避免影像感测器101接收到不是被指纹反射的杂散光。

图3是显示根据本公开一实施例的图1的光学指纹感测器100的另一例子的示意图。在图3中，显示了光学指纹感测器100B，其中准直层102’不同于光学指纹感测器100A中的准直层102。光学感测器100B的其他元件则与光学感测器100A的元件相同(元件符号也维持不变)，关于光学感测器100B中这些相同的元件的说明将会省略。

在准直层102’中，每一个孔121、122、123具有侧壁125并且孔121、122、123的中心填满材料126。也就是说，准直层102’的孔也形成全反射管。这样一来，部分对入射孔121、122、123的侧壁125具有大入射角度的光线会完全地被侧壁125所反射并且在孔121、122、123内传输而到达影像感测器单元111、112、113。相比于光学指纹感测器100A，光学指纹感测器100B的影像感测器单元101能够收集到更多的光线，确保影像感测器单元112、112、113能够感测到足够的光强度。

为了方便制造，侧壁125的材料能够与底部导光层103及顶部导光层105相同，而材料126能够与中间导光层104相同。需注意的是这个构造仍然能够防止相对于铅直线具有大角度的光线抵达影像感测器阵列101。相对于侧壁125有小入射角度的光线会通过侧壁125而被准直层102’的本体所吸收。

图4是显示根据本公开一实施例的图1的光学指纹感测器100的另一例子的示意图。在图4中，光学指纹感测器100C包括影像感测器阵列101、配置于影像感测器阵列101上的准直层102、配置于准直层102上的导光层108、配置于导光层108上的盖层106、以及发射光线入射导光层108的光源107。光学指纹感测器100C中的影像感测器阵列101、准直层102、盖层106以及光源107与图2中所示的光学指纹感测器100A相同，这些相同的元件的说明省略。

在导光层108中，具有棱镜181、182、183分别配置于孔121、122、123的正上方。棱镜181、182、183是一种透明光学元件，其具有反射一部分的入射光并且折射剩余部分的入射光的表面。例如，棱镜181反射一部分的入射光至感测区域14的区块141，并且使剩余部分的入射光通过(或折射)。通过棱镜181的光会入射棱镜182。棱镜182与棱镜181的动作相同，反射一部分的入射光至感测区域14的区块142，并且使剩余部分的入射光通过(或折射)。通过棱镜182的光会入射棱镜183。棱镜183与棱镜181、182的动作相同。影像感测器单元111、112、113接收到来自感测区域14的区块141、感测区域14的区块142、感测区域14的区块143并且通过准直层102的孔121、122、123的光。

根据上述实施例，光学指纹感测器100C包括具有棱镜181、182、183的导光层108。通过这个构造，光线在传输上的损失会减少并且能够均匀地照射感测区域14。

图5是显示根据本公开一实施例的图1的光学指纹感测器100的另一例子的示意图。在图5中，显示了光学指纹感测器100D，其中导光层109不同于光学指纹感测器100C中的导光层108。光学感测器100D的其他元件则与光学感测器100C的元件相同(元件符号也维持不变)，关于光学感测器100D中这些相同的元件的说明将会省略。

导光层109也使用棱镜理论。导光层109包括材料块的阵列。如图5所示，例如有材料块191、192、193、194。材料块191与192之间的界面是倾斜面。这个倾斜面位于孔102的正上方。入射这个材料块191与192的界面的一部分的光会被反射到感测区域14的区块141，剩余部分光会通过这个界面。材料块192与193的界面以及材料193及194的界面分别位于孔103及104的正上方。材料块192与193的界面会反射一部分的光会到感测区域14的区块142，并且让剩余部分光通过。材料块193与194的界面会反射一部分的光会到感测区域14的区块143，并且让剩余部分光通过。影像感测器单元111、112、113接收到来自感测区域14的区块141、感测区域14的区块142、感测区域14的区块143并且通过准直层102的孔121、122、123的光。

总结来说，本公开提供了一种光学指纹感测器，具有能够降低光线在传输上的损失并且均匀地照射感测区域的导光层。更进一步来说，导光层能够避免影像感测器阵列接受到不是被指纹所反射的杂散光。

本公开虽以各种实施例公开如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本公开的范围，任何熟习此项技艺者，在不脱离本公开的精神和范围内，当可做些许的变动与润饰。例如，图3所示的准直层102’的结构能够应用于图4及图5中来取代准直层102。因此上述实施例并非用以限定本公开的范围，本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (10)

1.一种光学指纹感测器，包括：

一影像感测器阵列；

一准直层，配置于该影像感测器阵列上，该准直层具有第一孔的阵列；

一导光层，配置于该准直层上；

一光源，发射光至该导光层；以及

一感测区域，配置于该导光层上，

其中该导光层允许来自该光源的一部分的光进入该感测区域，并且导引剩余部分的光前进。

2.如权利要求1所述的光学指纹感测器，其中该导光层包括：

一底部导光层；

一中间导光层，配置于该底部导光层上；

一顶部导光层，配置于该中间导光层上，该顶部导光层具有第二孔的阵列，

其中该底部导光层与该顶部导光层的折射率低于该中间导光层的折射率。

3.如权利要求2所述的光学指纹感测器，其中每一个该第二孔分别位于一个该第一孔正上方，

该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第二孔及一个该第一孔的光。

4.如权利要求2所述的光学指纹感测器，其中每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料，

该底部导光层与该顶部导光层是由该第一材料组成，该中间导光层是由该第二材料组成。

5.如权利要求1所述的光学指纹感测器，其中该导光层具有棱镜的阵列，

每一个该棱镜位于一个该第一孔的正上方，

每一个该棱镜反射一部分的入射光至该感测区域，并且使剩余部分的该入射光通过。

6.如权利要求5所述的光学指纹感测器，其中该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第一孔的光。

7.如权利要求5所述的光学指纹感测器，其中每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料。

8.如权利要求1所述的光学指纹感测器，其中该导光层包括材料块的阵列，其中介于任两相邻的该材料块的界面是一倾斜面，并且每一个该倾斜面位于一个该第一孔的正上方。

9.如权利要求8所述的光学指纹感测器，其中每一个该倾斜面反射一部分的入射光至该感测区域，并且使剩余部分的该入射光通过，

该影像感测器阵列包括多个的影像感测器单元，该影像感测器单元接收被该感测区域反射且通过一个该第一孔的光。

10.如权利要求8所述的光学指纹感测器，其中每一个该第一孔具有由第一材料组成的侧壁，并且填满第二材料，其中该第一材料的折射率低于该第二材料。