CN111353457A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学装置，包括第一基板、光源、第二基板、影像撷取装置、镜头模块与镜头固定座。光源配置于第一基板上。第二基板配置于第一基板上方。第二基板包括第一表面及相对于第一表面的第二表面。影像撷取装置配置于第一基板上以接收光束，其是被触碰第二基板的第一表面的物体散射而产生的光束。微结构层配置于第二基板的第一表面上。镜头模块经配置用以将第三光束聚焦以被影像撷取装置撷取。镜头固定座配置于第一基板上且位于光源与影像撷取装置之间，其中镜头模块配置于镜头固定座上。

Description

光学装置

本申请是中国发明专利申请(申请号：201610897792.6，申请日：2016年10月14日，发明名称：光学装置)的分案申请。

技术领域

本发明一般而言涉及一种光学装置，特别是涉及一种指纹采集用光学装置。

背景技术

光学装置，例如光学指纹采集装置，被广泛用于指纹的采集与辨识。光学装置的指纹采集是基于通过光学传感器，而形成手指表面的光学成像。大多数传统的采集指纹用的光学装置(例如反射式指纹读取器)使用棱镜，由使用者的手指直接触碰，其光源与影像撷取装置分别被安装于棱镜的不同侧。通过全内反射(Total internal reflection)与受抑全内反射(Frustrated total internal reflection，FTIR)，指纹的脊线-谷线图案可以产生高对比度的指纹影像。另一方面，有些采集指纹用的光学装置使用透射式指纹读取器来采集指纹。光信号先传递进入手指，然后散射回到影像撷取装置。在某些相关领域中，光信号会经过整只手指。

针对具有指纹采集功能的电子装置，如何制造出一种可嵌入式光学指纹采集装置，且具有低成本、高机械强度且符合要求的质量，是相关领域中重要课题之一。

发明内容

有鉴于此，本发明涉及一种指纹采集用光学装置，其可嵌入电子装置中。

本发明的一示范实施例提供一种光学装置，包括第一基板、光源、第二基板、影像撷取装置、镜头模块与镜头固定座。光源配置于第一基板上以输出第一光束。第二基板配置于第一基板上方。第二基板包括第一表面与相对于第一表面且相对接近第一基板的第二表面。第一光束进入触碰第二基板的第一表面的物体内部被散射而产生的散射光束是第二光束。影像撷取装置配置于第一基板上以接收第三光束。第三光束是垂直入射所述第二表面且被传递至影像撷取装置的第二光束。镜头模块经配置用以将第三光束聚焦以被影像撷取装置撷取。镜头固定座配置于第一基板上且位于光源与影像撷取装置之间，其中镜头模块配置于镜头固定座上。

在本发明的一示范实施例中，第一光束为红外光。

在本发明的一示范实施例中，光学装置进一步包括红外线穿透层。红外线穿透层适于红外光穿透且滤除其他波长不在红外光的波长范围内的光。

在本发明的一示范实施例中，红外线穿透层配置于影像撷取装置上。

在本发明的一示范实施例中，第一光束为可见光。

在本发明的一示范实施例中，光学装置进一步包括可见光穿透层。可见光穿透层适于可见光穿透且滤除其他波长不在可见光的波长范围内的光。

在本发明的一示范实施例中，可见光穿透层配置于影像撷取装置上。

在本发明的一示范实施例中，光学装置进一步包括微结构层。微结构层适于增加第三光束且配置于第二基板的第一表面上。

在本发明的一示范实施例中，微结构层包括多个颗粒作为散射光束之用。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1为依照本发明实施例所示出的光学装置的分解图；

图2为图1中光学装置沿A-A’线所示出的剖视图；

图3为依照本发明实施例所示出，图1中具有光学膜片的第二基板的示意图；

图4为依照本发明实施例所示出的电子装置的示意图；

图5为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图6为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图7为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图8为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图9为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的分解图；

图10为图9中光学装置沿B-B’线所示出的剖视图；

图11为图10中具有吸光层的第二基板的底视图；

图12为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图13为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图14为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图15为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图；

图16为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。

[符号的说明]

100A、100B、100C、100D、100E、400A、400B、400C、400D、400E、400F：光学装置

110：第一基板

120：第二基板

122：微结构层、

124：红外线穿透层

126：抗反射层

130：光源

140：影像撷取装置

151、152、153、154：遮光结构

153a、153b、154b：端部

160：支撑组件

170：镜头模块

180：导光结构

200：物体

300：电子装置

310：显示面板

490：吸光层

A-A’、B-B’：剖面线

X、Y、Z：方向

S1、S2：表面

I1、I2、I3、I4：光束

具体实施方式

现将详细参考本发明的较佳实施例，在附图中示出较佳实施例的实例。另外，凡可能之处，在附图及实施方式中相同标号代表相同或类似部分。

在本案说明书全文(包括权利要求书)中所使用的”耦接(或连接)”一词可指任何直接或间接的连接手段。举例而言，若文中描述第一装置耦接(或连接)于第二装置，则应该被解释成该第一装置可以直接连接于该第二装置，或者该第一装置可以通过其他装置或某种连接手段而间接地连接于该第二装置。另外，文中”信号”一词，可指电流、电压、电荷、温度、数据、电磁波或任一或多个信号。

图1为依照本发明实施例所示出的光学装置的分解图。图2为图1中光学装置沿A-A’线所示出的剖视图。请参照图1与图2，本实施例的光学装置100A包括第一基板110、光源130、第二基板120、影像撷取装置140、遮光结构151(第一遮光结构)、支撑组件160与镜头模块170。

在本实施例中，光源130配置于第一基板110上以输出第一光束I1。在一实施例中，第一光束I1为红外光。第一光束I1具有足够强度以穿透第二基板120进入物体200内部。光源130可包括一或多个发光单元，围绕影像撷取装置140，如图1中所示出者。本发明并未限定光源130在第一基板110上的排列方式。第二基板120配置于第一基板110上方。第二基板120包括第一表面S1与第二表面S2。第二表面S2相对于第一表面S1且相对接近第一基板110。在本实施例中，第一基板110是印刷电路板(printed circuit board)，第二基板120的材料可为玻璃、陶瓷(ceramics)或丙烯酸树脂(acrylic)，本发明并未对此作出限定。在一实施例中，光源130可采用高强度可见光源，例如：高强度的红色光源。

在本实施例中，第一光束I1最初自光源130发射，通过第二基板120后，传递至触碰第二基板120的第一表面S1的物体200中。第一光束I1在物体200内部被散射以产生第二光束I2。其中一部分垂直入射第二表面的第二光束I2通过第二基板120后可视为是第三光束I3，朝向影像撷取装置140传递，且进入影像撷取装置140中。在本实施例中，影像撷取装置140配置于第一基板110上以接收第三光束I3。需注意的是,各附图中表示的第二光束I2的方向不代表本实施例对于第二光束I2的方向有特定限制，仅表示第二光束I2是在物体200内部产生的散射光束。

在本实施例中，物体200可为使用者的手指，因此光学装置100A经配置用以采集指纹。在本实施例中，影像撷取装置140例如包括电荷耦合(charge coupled device，CCD)影像传感器、互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)影像传感器或类似组件，本发明中并未对此作出限定。在光学装置100A及后面说明的其他光学装置实施例的应用场合中,物体200不限为手指，可以是任何欲辨识的生物纹理，例如掌纹，或生理信号，例如脉搏信号，但不限于此。

在本实施例中，遮光结构151配置于第一基板110上且连接于第二基板120。遮光结构151位于光源130与影像撷取装置140之间。在本实施例中，遮光结构151可做为遮光机构，以避免光线进入影像撷取装置140中；更精确地说，遮光结构151可以避免与第二光束的形成方式不同的其他光束传递至影像撷取装置140。在本实施例中，遮光结构151也可做为一支撑组件，以支撑第二基板120。在本实施例中，遮光结构151也可做为一固定座(holder)，且镜头模块170配置于遮光结构151上。镜头模块170经配置用以将第三光束I3聚焦于影像撷取装置140上。为标示清晰起见，镜头模块170未示出于图2中。另外，在本实施例中，支撑组件160配置于第一基板110上且连接于第二基板120，由此支撑第二基板120。

在本实施例中，上述镜头模块170可包括一或多个镜头，配置于介于第二基板120与影像撷取装置140之间的第二光束I2的传递路径上。在一实施例中，镜头模块170可至少包括具有光学屈亮度的非平面镜头，例如：双凹透镜、双凸透镜、凹凸透镜、凸凹透镜、平凸透镜、平凹透镜…等。在一实施例中，镜头模块170也可包括平面透镜。本发明并不限制镜头模块170的体现方式与类型。

图3为依照本发明实施例所示出，图1中具有光学膜片的第二基板的示意图。请参照图1至图3，本实施例的光学装置100A进一步包括微结构层122、红外线穿透层124与抗反射层126。

在本实施例中，微结构层122配置于第二基板120的第一表面S1上。微结构层122适于增加第三光束I3，其为被物体200散射的第二光束I2其中一部分得以垂直入射第二表面S2并被传递至影像撷取装置140的光束。在本实施例中，第三光束I3实质上可垂直进入影像撷取装置140中，以提升影像撷取装置140所撷取的影像，例如指纹影像，的质量。在本实施例中，微结构层122可包括多个球状颗粒，球状颗粒的直径范围为10微米到100微米之间，且作为散射光束的微结构之用。然而，本发明并不限制球状颗粒的形状、材质与尺寸。在一实施例中，微结构层122的形成方式可以是在第二基板120的原始材料的表面上施做表面处理，例如让材料表面经处理后变得粗糙化，此一粗糙表面也具有一厚度，形同是和第二基板120相结合的微结构层122。

红外线穿透层124适于红外光穿透。更精确地说，红外线穿透层124适于使红外光穿透并且阻挡(或说滤除)其他波长不在红外光的波长范围内的可见光或不可见光。在本实施例中，红外线穿透层124配置于微结构层122上。或者，红外线穿透层124在另一实施例中可配置于第二基板120的第一表面S1上且位于微结构层122与第二基板120之间。在另一实施例中，红外线穿透层124可配置于第二基板120的第二表面S2上。或者，红外线穿透层124在另一实施例中可配置于影像撷取装置140上。本发明并不限定红外线穿透层124的配置位置。在上述光源130采用高强度可见光源例如红色可见光源的示范实施例中，红外线穿透层124可以红色可见光穿透层来取代，以使红光穿透。在另一实施例中，第二基板120可以制作成具有红外线穿透层124的功能，在此实施例中可以不需要如图3的红外线穿透层124。例如，在制作第二基板120时可以在材料(如玻璃或压克力)中加入让红外线穿透的染料。

在本实施例中，抗反射层126配置于第二基板120的第二表面S2，以减少当光源130发射第一光束I1入射至第二表面S2，但被第二表面S2反射后直接进入影像撷取装置140中而没有被传递进入物体200中的光束。在本实施例中，抗反射层126可以设置在第二表面S2的一整面，或者可以仅设置在第二表面S2上属于于光源130正上方的一区域内。在另一实施例中，光学装置100A可包括一抗反射层，不配置于第二表面S2而是配置于第二基板120的第一表面S1上，以减少当物体200内形成的散射光入射第一表面S1时产生的反射光，因此可以增加在物体200内散射且通过第二基板120传递至影像撷取装置140的光束。在另一实施例中，光学装置100A可包括配置于于第二表面S2的抗反射层126又包括配置于于第一表面S1的另一抗反射层。换言之，光学装置100A可包括至少一抗反射层，配置于第二基板120的第一表面S1与第二表面S2至少其中之一者上。在一实施例中，由于第一表面S1与第二表面S2对于光束的反射可通过为第二基板120选择适当的材质来减少，所以抗反射层126为非必须。

图4为依照本发明实施例所示出的电子装置的示意图。请参照图1与图4，图1中的光学装置100A可体现于电子装置300中。举例来说，第二基板可由电子装置300的显示面板310上的覆盖层做成，以保护显示面板310并接触物体200。在本实施例中，光学装置100A可配置于显示面板310的非显示区域上。

在本实施例中，显示面板310可为液晶显示器(liquid crystal display，LCD)面板、有机发光显示器(organic light emitting display，OLED)面板、场致发射显示器(field emission display，FED)面板、电泳显示器(electro-phoretic display，EPD)面板，或发光二极管(light emitting diode，LED)显示面板等面板，本发明中并未对此有所限定。在本实施例中，电子装置300可为具有指纹采集功能的可携式电子装置，其例如是手机、平板计算机、笔记本电脑，或具有指纹采集功能的穿戴式电子装置，其例如是智能型手表等类似的装置，本发明中并未对此有所限定。在一实施例中，光学装置100A可应用于智能锁(smart lock)。

图5为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图2与图5，本实施例的光学装置100B类似于图2所示出的光学装置100A，主要区别例如在于，光学装置100B进一步包括另一遮光结构152(第二遮光结构)。

在本实施例中，遮光结构152配置于第一基板110上且连接于第二基板120。遮光结构151与152包围光源130。第一光束I1被传递至介于遮光结构151与152之间的空间中。在本实施例中，遮光结构152可作为避免环境光进入影像撷取装置140中的遮光机构。在本实施例中，遮光结构152也可作为支撑第二基板120的支撑组件。

图6为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图2与图6，本实施例的光学装置100C类似于图2所示出的光学装置100A，主要区别例如在于遮光结构153(第三遮光结构)与第二基板120之间的连接。

在本实施例中，遮光结构153配置于第一基板110上且位于光源130与影像撷取装置140之间。遮光结构153朝向第二基板120延伸。遮光结构153包括第一端部153a与第二端部153b。遮光结构153的一端部，即第二端部153b，被嵌入第二基板120中。遮光结构153的另一端部，即第一端部153a，连接于第一基板110。在本实施例中，第二基板120被分为遮光结构153所包围的一部分以及在遮光结构153之外的其他部分，如图6中所示出者。如图6的遮光结构153带来的好处是可以阻挡在基板120内沿平行方向传递的光线,以避免这种光线被折射，没有传递进入物体200，而后被影像撷取装置140接收到。这种在基板120内沿平行方向传递的光线而导致的接收光线是一种干扰,其形成的影像亮部/暗部与期望的影像亮部/暗部相反。期望的影像主要是由经过物体200内部散射后能够传递进入影像撷取装置140的光线。

图7为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图2与图7，本实施例的光学装置100D类似于图2所示出的光学装置100A，主要区别例如在于遮光结构154(第四遮光结构)与第二基板120之间的连接。

在本实施例中，遮光结构154配置于第一基板110上且位于光源130与影像撷取装置140之间。遮光结构154朝向第二基板120延伸。遮光结构154靠近第二基板120的一端部154b具有支撑外形(例如：L形)以支撑第二基板120。支撑外形可提高支撑第二基板120的强度。

图8为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图7与图8，本实施例的光学装置100E类似于图7所示出的光学装置100D，而其主要区别例如在于，光学装置100E进一步具有导光结构180。

在本实施例中，导光结构180配置于第二基板120的第二表面S2上与光源130上方。在一实施例中，导光结构180可固定在第二基板120的第二表面S2上，且只接触遮光结构154。或者，在另一实施例中，导光结构180可贴附于遮光结构154。在一实施例中，导光结构180可接近光源130且覆盖光源130，以提升导光效率，但本发明并不限定于此。导光结构180适于将第一光束I1从光源130导引至第二基板120。

上述图5至图8示范实施例中光学装置100B至100E的细部结构已充分地教导、建议与体现于图1至图4的实施例中，据此，以下将不再多做说明。

图9为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的分解图。图10为图9中光学装置沿B-B’线所示出的剖视图。请参照图1、图2、图9与图10，本实施例的光学装置400A类似于图1与图2所示出的光学装置100A，主要区别例如在于光学装置400A进一步包括吸光层490。

请先注意，第二基板120中存在有沿平行方向(例如：X方向及/或Y方向)传递的第四光束I4。第四光束I4包含了进入第二基板120内部的第一光束I1及/或进入第二基板120内部的环境光，其中一部分的第四光束I4会于第一表面S1被反射而无法进入物体200并且又入射第二表面S2，再被影像撷取装置140接收。上述这种光线所形成的影像对于所期望的影像来说，是一种干扰。举例来说，当物体200为手指，影像撷取装置140接收第三光束I3(源自在物体200内部被散射的第二光束I2)而产生的期望指纹影像应该是指纹峰部亮且指纹谷部暗，然而，因为接收第四光束I4而产生的干扰影像是指纹峰部暗且指纹谷部亮，削弱了期望指纹影像的对比度。

在本实施例中，吸光层490配置于第二基板120的第二表面S2上，吸光层490适于吸收在第二基板120中沿平行方向(例如：X方向及/或Y方向)传递并入射第二表面S2的第四光束I4，如此一来影像撷取装置140不会接收到第四光束I4(或接收到少部分)而产生干扰影像。由此，影像撷取装置140所撷取的指纹影像质量即可提高。

在本实施例中，吸光层490可为涂布(例如印刷或镀膜)在第二基板120的第二表面S2上的黑色涂料，以吸收光束I4。吸光层490的外形可为圆形环、矩形环、方形环，或任一种具有中空区域的封闭环形。本发明并不限制吸光层490的外形。

图11为图10中具有吸光层的第二基板的底视图。请参照图9至图11，在本实施例中，吸光层490在第一基板110上的正投影位于光源130与影像撷取装置140之间，如图10中所示出者。因为第一光束I1必须被传递进入物体200并且第二光束I2(第三光束I3)必须被影像撷取装置140接收，因此吸光层490的位置及形状需考虑到避免第一光束I1、第二光束I2与第三光束I3被吸光层490吸收过多。

图12为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图10与图12，本实施例的光学装置400B类似于图10所示出的光学装置400A，主要区别例如在于，其吸光层490配置于第二基板120的第一表面S1上。涂布在第一表面S1的吸光层490可吸收入射第一表面S1的第四光束I4，如此一来第四光束I4不会反射(或少有反射)再被影像撷取装置140接收到而产生干扰影像。

图13为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图5与图13，本实施例的光学装置400C类似于图5所示出的光学装置100B，主要区别例如在于，光学装置400C进一步包括吸光层490。在本实施例中，吸光层490配置于第二基板120的第二表面S2上，且位于遮光结构151与第二基板120之间。在一实施例中，吸光层490可配置于第二基板120的第一表面S1上。

图14为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图6与图14，本实施例的光学装置400D类似于图6所示出的光学装置100C，主要区别例如在于，光学装置400D进一步包括吸光层490。在本实施例中，吸光层490配置于第二基板120的第一表面S1上。

图15为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图7与图15，本实施例的光学装置400E类似于图7所示出的光学装置100D，主要区别例如在于，光学装置400E进一步包括吸光层490。在本实施例中，吸光层490配置于第二基板120的第一表面S1上。在一实施例中，吸光层490可配置于第二基板120的第二表面S2上。

图16为依照本发明另一实施例所示出的光学装置的剖视图。请参照图8与图16，本实施例的光学装置400F类似于图8所示出的光学装置100E，主要区别例如在于，光学装置400F进一步包括吸光层490。在本实施例中，吸光层490配置于第二基板120的第一表面S1上。在一实施例中，吸光层490可配置于第二基板120的第二表面S2上。请注意图9至图16所示第二基板120进一步包含有一红外线穿透层(未显示于图中)，类似图3的红外线穿透层124。在图9至图16这些实施例中的红外线穿透层可以配置于第二基板120的第一表面或第二表面，或配置于一微结构层上(若有包含微结构层)，或配置于影像捕获设备140上。

上述图10与图12至图16示范实施例中光学装置400A至400E的细部结构已充分地教导、建议与体现于图1至图9，据此，以下将不再多做说明。

综上所述，本发明示范实施例的光学装置包括微结构层与红外线穿透层。或者，光学装置包括吸光层。由此，嵌入电子装置的指纹采集用光学装置可提供良好感应质量。另外，第二基板为电子装置的显示面板上的覆盖层所作成，且配置于第一基板上的遮光结构与支撑组件支撑第二基板，由此提高对第二基板的支撑强度。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (9)

1.一种光学装置，其特征在于，包括：

第一基板；

光源，配置于所述第一基板上以输出第一光束；

第二基板，配置于所述第一基板上方，且包括第一表面及相对于所述第一表面且相对接近所述第一基板的第二表面，其中所述第一光束进入触碰所述第二基板的所述第一表面的物体内部被散射而产生的散射光束是第二光束；

影像撷取装置，配置于所述第一基板上以接收第三光束，其中所述第三光束是垂直入射所述第二表面且被传递至所述影像撷取装置的第二光束；

镜头模块，经配置用以将所述第三光束聚焦以被所述影像撷取装置撷取；以及

镜头固定座，配置于所述第一基板上且位于所述光源与所述影像撷取装置之间，其中所述镜头模块配置于所述镜头固定座上。

2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中所述第一光束为红外光。

3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，进一步包括：

红外线穿透层，适于所述红外光穿透且滤除其他波长不在红外光的波长范围内的光。

4.如权利要求3所述的光学装置，其特征在于，其中所述红外线穿透层配置于所述影像撷取装置上。

5.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，其中所述第一光束为可见光。

6.如权利要求5所述的光学装置，其特征在于，进一步包括：

可见光穿透层，适于所述可见光穿透且滤除其他波长不在可见光的波长范围内的光。

7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于，其中所述可见光穿透层配置于所述影像撷取装置上。

8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，进一步包括：

微结构层，适于增加所述第三光束且配置于所述第二基板的所述第一表面上。

9.如权利要求8所述的光学装置，其特征在于，其中所述微结构层包括多个颗粒作为散射光束之用。

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