CN112287903A - 屏下式指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种屏下式指纹感测装置，包括图像传感器及控制器。图像传感器配置于显示器下方，其中显示器发出照明光，照明光传递至按压于显示器上的手指，手指将照明光反射成携带手指的指纹信息的信号光，信号光穿透显示器而在图像传感器上形成指纹图像。控制器电性连接至图像传感器，且用以处理图像传感器所感测到的指纹图像。控制器用以对指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，并借此判断指纹图像是来自真手指或假手指。

Description

屏下式指纹感测装置
技术领域
本发明涉及一种感测装置，尤其涉及一种屏下式指纹感测装置。
背景技术
随着可携式电子装置朝向大屏占比发展，原本置于电子装置正面的电容式指纹传感器便不再适用，而需改成置于电子装置的侧面或背面。然而，置于侧面或背面的指纹传感器在使用上有不便利之处，因此屏下式指纹传感器便被发展出来。
屏下式指纹传感器大致上可分为光学式指纹传感器与超声波式指纹传感器，其中又以光学式指纹传感器成本较低且较适合量产。由于指纹感测攸关使用者的个人数据的安全性，因此，尚需发展出反欺骗(anti-spoofing)的功能。例如，欲窃取个人数据的人可能可以在环境中采集使用者的指纹，并制作成具有此指纹的假手指，再用假手指按压电子装置以达成指纹成功识别而解锁。因此，需发展出能够识别出假手指而非真手指的指纹传感器，以进一步提升使用者的个人数据的安全性。
发明内容
本发明是针对一种屏下式指纹感测装置，其可识别出真手指与假手指。
本发明的一实施例提出一种屏下式指纹感测装置，用以与显示器搭配，显示器发出照明光，照明光传递至按压于显示器上的手指，手指将照明光反射成携带手指的指纹信息的信号光。屏下式指纹感测装置包括图像传感器及控制器。图像传感器配置于显示器下方，其中信号光穿透显示器而在图像传感器上形成指纹图像。控制器电性连接至图像传感器，处理图像传感器所感测到的指纹图像，对指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征(Haar-like feature)作内积，并借此判断指纹图像是来自真手指或假手指。
本发明的一实施例提出一种屏下式指纹感测装置，用以与显示器搭配，显示器发出照明光，照明光传递至按压于显示器上的手指，手指将照明光反射成携带手指的指纹信息的信号光。屏下式指纹感测装置包括图像传感器及控制器。图像传感器配置于显示器下方，其中信号光穿透显示器而在图像传感器上形成指纹图像。控制器电性连接至图像传感器，且用以处理图像传感器所感测到的指纹图像。控制器用以计算指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在中心区域两侧的二周边区域的各自的灰阶平均值，并借此判断指纹图像是来自真手指或假手指。
本发明的一实施例提出一种屏下式指纹感测装置，用以与显示器搭配，显示器发出照明光，照明光传递至按压于显示器上的手指，手指将照明光反射成携带手指的指纹信息的信号光。屏下式指纹感测装置包括图像传感器及控制器。图像传感器配置于显示器下方，其中信号光穿透显示器而在图像传感器上形成指纹图像。控制器电性连接至图像传感器，且用以处理图像传感器所感测到的指纹图像。控制器用以对指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，以获得第一结果。控制器用以计算指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在中心区域两侧的二周边区域的各自的灰阶平均值，以获得第二结果。控制器用以综合第一结果与第二结果来判断指纹图像是来自真手指或假手指。
在本发明的实施例的屏下式指纹感测装置中，控制器对指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，和/或计算指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在中心区域两侧的二个周边区域的各自的灰阶平均值，并借此判断指纹图像是来自真手指或假手指。因此，本发明的实施例的屏下式指纹感测装置在指纹感测上可以达到防欺骗的效果，进而提升使用者的个人数据的安全性。
附图说明
图1为本发明的一实施例的电子装置的剖面示意图；
图2A示出图1中具有P偏振方向的照明光被手指反射的情形；
图2B示出图1中具有S偏振方向的照明光被手指反射的情形；
图3为图1的手指与玻璃盖的界面对照明光的反射率及穿透率相对于入射此界面的入射角的分布曲线；
图4A为图1的图像传感器所感测到的指纹图像与其所接收到的P偏振光与S偏振光的区域对照图；
图4B为图1的图像传感器感测到假手指的指纹图像；
图5A为图1的图像传感器所感测到的真手指的指纹图像于对角线M-N上的平均灰阶分布图；
图5B为图1的图像传感器所感测到的假手指的指纹图像于对角线M-N上的平均灰阶分布图；
图6为图1中的控制器处理指纹图像的示意图；
图7为图1中的控制器处理指纹图像的另一示意图；
图8为图1中的控制器处理指纹图像的第一特征值与第二特征值的示意图。
具体实施方式
现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。
图1为本发明的一实施例的电子装置的剖面示意图。请参照图1，本实施例的电子装置100包括显示器105及屏下式指纹感测装置200。电子装置100例如为智能手机、平板计算机、笔记本电脑、个人数字助理(personal digital assistant,PDA)或其他适当的电子装置。屏下式指纹感测装置200用以与显示器105搭配，且包括图像传感器210及控制器230。图像传感器210配置于显示器105下方。显示器105发出照明光60，照明光60传递至按压于显示器105上的手指50，手指50将照明光60反射成携带手指的指纹信息的信号光70。信号光70穿透显示器105而在图像传感器210上形成指纹图像。如此一来，图像传感器210便能够感测到手指50的指纹图像。控制器230电性连接至图像传感器210，且用以处理图像传感器210所感测到的指纹图像。
在本实施例中，显示器105包括玻璃盖(cover glass)120、线偏振片116、相位延迟膜(phase retarder film)114及有机发光二极管显示面板112。手指按压于玻璃盖120上。线偏振片116配置于玻璃盖120与图像传感器210之间。相位延迟膜114配置于线偏振片116与图像传感器210之间，其中相位延迟膜114例如为波片(wave plate)，其可以是显示器本身的材料所形成，或是额外加入的波片所形成。有机发光二极管显示面板112配置于相位延迟膜114与图像传感器210之间。在其他实施例中，亦可以用液晶显示面板、微发光二极管显示面板、电泳显示面板或其他适当的显示面板来取代有机发光二极管显示面板112。
在本实施例中，屏下式指纹感测装置200还包括镜头220，配置于信号光70的路径上，且位于显示器105与图像传感器210之间。镜头220可包括一或多片透镜，其可将信号光70成像于图像传感器210上，以在图像传感器210上形成指纹图像。
具体而言，有机发光二极管显示面板112发出的照明光60是不具有偏振性的，且当其穿透相位延迟膜114后，仍不具有偏振性。然而，当照明光60穿透线偏振片116后，会具有偏振方向K0，其中偏振方向K0可被分解成第一偏振方向K1与第二偏振方向K2两个分量，如图2A及图2B所示，第一偏振方向K1为P偏振方向，而第二偏振方向K2为S偏振方向。换句话说，具有偏振方向K0的照明光60可视为具有第一偏振方向K1的照明光62与具有第二偏振方向K2的照明光64所合成。
图2A示出图1中具有P偏振方向的照明光被手指反射的情形，而图2B示出图1中具有S偏振方向的照明光被手指反射的情形。请参照图1、图2A及图2B，具有第一偏振方向K1的照明光62在玻璃盖120中行进(如图2A)，并在玻璃盖120的上表面122处被手指50部分反射成信号光72，而另一部分的照明光82则在手指50中传递。另一方面，具有第二偏振方向K2的照明光64在玻璃盖120中行进(如图2B)，并在玻璃盖120的上表面122处被手指50部分反射成信号光74，而另一部分的照明光84则在手指50中传递。其中，信号光72与信号光74合成信号光70，而往图像传感器210的方向传递。
图像传感器210所感测到的信号光72与信号光74的光强度及其比例是有关于手指50与玻璃盖120的折射率所造成的反射率。图3为图1的手指与玻璃盖的界面对照明光的反射率及穿透率相对于入射此界面的入射角的分布曲线，其中，Rp为此界面对照明光62的反射率相对于入射角的分布曲线，Rs为此界面对照明光64的反射率相对于入射角的分布曲线，Tp为此界面对照明光62的穿透率相对于入射角的分布曲线，而Ts为此界面对照明光64的穿透率相对于入射角的分布曲线。其中，Tp＝1-Rp，且Ts＝1-Rs。由图3可知，在入射角较大处所对应的信号光72(P偏振光)与信号光74(S偏振光)的光强度差异越大。由于图像传感器210在越外圈处是收到越大入射角的照明光60所反射成的信号光70，因此越外圈处所感测到的信号光72(P偏振光)与信号光74(S偏振光)的光强度差异越大。
图4A为图1的图像传感器所感测到的指纹图像与其所接收到的P偏振光与S偏振光的区域对照图。请参照图1、图2A、图2B及图4A，图4A中，P所在区域的图像亮度主要是由信号光72(P偏振光)所贡献，S所在区域的图像亮度主要是由信号光74(S偏振光)所贡献，而S+P所在区域的图像亮度主要是由信号光72(P偏振光)与信号光74(S偏振光)两者所共同贡献。P所在区域因为穿透光多，所以指纹图像的对比度较强；S所在区域因为穿透光少，所以指纹图像的对比度较弱；P所在区域因为反射光少，所以指纹图像的直流值(DC value)低，也就是平均亮度较低；S所在区域因为反射光多，所以指纹图像的直流值高，也就是平均亮度较高。
图4B为图1的图像传感器感测到假手指的指纹图像。图5A为图1的图像传感器所感测到的真手指的指纹图像于对角线M-N上的平均灰阶分布图，而图5B为图1的图像传感器所感测到的假手指的指纹图像于对角线M-N上的平均灰阶分布图。在图5A与图5B的对角线M-N上的某个像素的平均灰阶是借由将此像素附近的几个像素的灰阶值与此像素本身的灰阶值取平均值而得。比较图4A与图4B，以及图5A与图5B，可发现真手指的指纹图像于中央的平均亮度较低，而对角线M-N上靠近两端的平均亮度较高。相反地，假手指的指纹图像于中央的平均亮度较高，而对角线M-N上靠近两端的平均亮度较低。会造成此种现象的主要原因之一是假手指的折射率与真手指有差异，因此会造成P偏振光与S偏振光的反射率不同，进而造成平均亮度在不同位置的分布曲线的不同。因此，本发明的实施例便可对此现象加以利用，以产生识别真手指与假手指的方案，这将于以下内容中详述。
图6为图1中的控制器处理指纹图像的示意图。请参照图1与图6，在本实施例中，控制器230用以对指纹图像的两个方向不同的轴线L1与L2上的灰阶值与哈尔特征作内积(inner product)，以获得第一结果。具体而言，在本实施例中，控制器先对指纹图像作模糊化处理后，再对经模糊化的指纹图像的两个方向不同的轴线L1与L2上的灰阶值与哈尔特征作内积。此处的模糊化例如是平均模糊化(mean blur)或高斯模糊化(Gaussian blur)，例如将每个像素的灰阶值与此像素的周围的几个像素的灰阶值取平均值，并以此平均值作为此像素的新灰阶值。
在本实施例中，哈尔特征为中间区域C1具有第一数值而两侧区域C2与C3具有第二数值的函数，其中第一数值大于第二数值。举例而言，第一数值为+1，而第二数值为-1。经模糊化后的指纹图像例如具有200×200个像素，而哈尔特征从左端数来的第1到75个像素所各自具有的数值例如设为-1，第76至125个像素所各自具有的数值例如设为+1，而第126至第200个像素所各自具有的数值例如设为-1。经模糊化后的指纹图像的轴线L1上亦具有200个像素，而每个像素具有各自的灰阶值，而此灰阶值代表经模糊化后的指纹图像的亮度。接着，将轴线L1上的这200个像素所具有的灰阶值依序分别地与哈尔特征的这200个像素的数值(即-1或+1)相乘，以得到200个积，而后再将这200个积相加，即可获得上述经内积运算后所得到的数值。
然后，控制器230将分别对应于轴线L1与轴线L2的两个内积值相加，以获得第一特征值。比较图5A、图5B与图6可知，轴线L1与L2上的灰阶值经由与哈尔特征作内积运算后，图5A的真手指的内积值或第一特征值越小，而图5B的假手指的内积值或第一特征值越大，因此所运算出的第一特征值可用以分辨所感测的是真手指或假手指。
图7为图1中的控制器处理指纹图像的另一示意图。请参照图1与图7，控制器230用以计算指纹图像的中心区域D2的灰阶平均值及在中心区域D2两侧的二周边区域D1与D3的各自的灰阶平均值，以获得第二结果。此外，控制器230用以综合第一结果与第二结果来判断指纹图像是来自真手指或假手指。
具体而言，中心区域D2的灰阶平均值为R2，二周边区域D1与D3的灰阶平均值分别为R1与R3，控制器230用以对R1、R2、R3作算术运算，以获得第二特征值。在本实施例中，中心区域D2与该二周边区域D1与D3排列于指纹图像的对角线上，而此对角线的方向可依据线偏振片116的穿透轴方向来作决定，也就是选择真手指与假手指的第二特征值的区别较大的方向作为此对角线的方向。在一实施例中，上述的算术运算例如为(R2-R1)+(R2-R3)，或者上述的算术运算例如为R2-R1-R3，在比较图5A、图5B及图7可知，对于这两种算术运算所获得的第二特征值而言，都是真手指的第二特征值较小，而假手指的第二特征值较大，因此所运算出的第二特征值可用以分辨所感测的是真手指或假手指。
图8为图1中的控制器处理指纹图像的第一特征值与第二特征值的示意图。请参照图1与图8，控制器230用以判断第一特征值与第二特征值所形成的二维坐标(如在图8的坐标平面中的坐标)是否落在预定区域F1或F2内(例如是否落在预定区域F1的椭圆区域内，或是否落在预定区域F2的椭圆区域内)，而预定区域F1、预定区域F2或其他区域的选择可根据所实验的真手指与假手指的案例来决定。若二维坐标落在预定区域F1或F2内，则控制器230判断指纹图像是来自真手指。若二维坐标落在预定区域F1或F2外，则控制器230判断指纹图像是来自假手指。如此一来，本实施例的屏下式指纹感测装置100在指纹感测上便可以达到防欺骗的效果，进而提升使用者的个人数据的安全性。
上述实施例是以综合第一特征值与第二特征值的结果来判断出真手指与假手指。然而，在其他实施例中，也可以单就第一特征值来判断出真手指与假手指，或者是单就第二特征值来判断出真手指与假手指。举例而言，控制器230可以只计算出第一特征值，并判断第一特征值是否落在预设范围内。若第一特征值落在预设范围内，则判断指纹图像是来自真手指；若第一特征值落在预设范围外，则判断指纹图像是来自假手指。或者，控制器230可以只计算出第二特征值，并判断第二特征值是否落在预设范围内。若第二特征值落在预设范围内，则判断指纹图像是来自真手指；若第二特征值落在预设范围外，则判断指纹图像是来自假手指。
在一实施例中，控制器230例如为中央处理单元(central processing unit,CPU)、微处理器(microprocessor)、数字信号处理器(digital signal processor,DSP)、可程序化控制器、可程序化逻辑设备(programmable logic device,PLD)或其他类似装置或这些装置的组合，本发明并不加以限制。此外，在一实施例中，控制器230的各功能可被实作为多个程序代码。这些程序代码会被储存在一个内存中，由控制器230来执行这些程序代码。或者，在一实施例中，控制器230的各功能可被实作为一或多个电路。本发明并不限制用软件或硬件的方式来实作控制器230的各功能。
综上所述，在本发明的实施例的屏下式指纹感测装置中，控制器对指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，和/或计算指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在中心区域两侧的二个周边区域的各自的灰阶平均值，并借此判断指纹图像是来自真手指或假手指。因此，本发明的实施例的屏下式指纹感测装置在指纹感测上可以达到防欺骗的效果，进而提升使用者的个人数据的安全性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (20)

1.一种屏下式指纹感测装置，其特征在于，用以与显示器搭配，所述显示器发出照明光，所述照明光传递至按压于所述显示器上的手指，所述手指将所述照明光反射成携带所述手指的指纹信息的信号光，所述屏下式指纹感测装置包括：
图像传感器，配置于所述显示器下方，其中所述信号光穿透所述显示器而在所述图像传感器上形成指纹图像；以及
控制器，电性连接至所述图像传感器，处理所述图像传感器所感测到的指纹图像，对所述指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，并借此判断所述指纹图像是来自真手指或假手指。
2.根据权利要求1所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述控制器先对所述指纹图像作模糊化处理后，再对经模糊化的所述指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与所述哈尔特征作内积。
3.根据权利要求2所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述控制器将对应于两个方向不同的轴线的两个内积值相加，并判断相加后的数值是否落在预设范围内，所述控制器反应于所述相加后的数值是落在所述预设范围内而判断所述指纹图像是来自真手指，且所述控制器反应于所述相加后的数值是落在所述预设范围外而判断所述指纹图像是来自假手指。
4.根据权利要求1所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述哈尔特征为中间区域具有第一数值而两侧区域具有第二数值的函数，其中所述第一数值大于所述第二数值。
5.根据权利要求1所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述显示器包括：
玻璃盖，其中所述手指按压于所述玻璃盖上；
线偏振片，配置于所述玻璃盖与所述图像传感器之间；
相位延迟膜，配置于所述线偏振片与所述图像传感器之间；以及
有机发光二极管显示面板，配置于所述相位延迟膜与所述图像传感器之间。
6.根据权利要求1所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，还包括镜头，配置于所述信号光的路径上，且位于所述显示器与所述图像传感器之间。
7.一种屏下式指纹感测装置，其特征在于，用以与显示器搭配，所述显示器发出照明光，所述照明光传递至按压于所述显示器上的手指，所述手指将所述照明光反射成携带所述手指的指纹信息的信号光，所述屏下式指纹感测装置包括：
图像传感器，配置于所述显示器下方，其中所述信号光穿透所述显示器而在所述图像传感器上形成指纹图像；以及
控制器，电性连接至所述图像传感器，处理所述图像传感器所感测到的指纹图像，计算所述指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在所述中心区域两侧的二周边区域的各自的灰阶平均值，并借此判断所述指纹图像是来自真手指或假手指。
8.根据权利要求7所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述中心区域与所述二周边区域排列于所述指纹图像的对角线上。
9.根据权利要求7所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述中心区域的灰阶平均值为R2，所述二周边区域的灰阶平均值分别为R1与R3，所述控制器用以对R1、R2、R3作算术运算，以获得特征值，并判断所述特征值是否落在预设范围内，所述控制器反应于所述特征值是落在所述预设范围内而判断所述指纹图像是来自真手指，且所述控制器反应于所述特征值是落在所述预设范围外而判断所述指纹图像是来自假手指。
10.根据权利要求9所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述算术运算为(R2-R1)+(R2-R3)，或者所述算术运算为R2-R1-R3。
11.根据权利要求7所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述显示器包括：
玻璃盖，其中所述手指按压于所述玻璃盖上；
线偏振片，配置于所述玻璃盖与所述图像传感器之间；
相位延迟膜，配置于所述线偏振片与所述图像传感器之间；以及
有机发光二极管显示面板，配置于所述相位延迟膜与所述图像传感器之间。
12.根据权利要求7所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，还包括镜头，配置于所述信号光的路径上，且位于所述显示器与所述图像传感器之间。
13.一种屏下式指纹感测装置，其特征在于，用以与显示器搭配，所述显示器发出照明光，所述照明光传递至按压于所述显示器上的手指，所述手指将所述照明光反射成携带所述手指的指纹信息的信号光，所述屏下式指纹感测装置包括：
图像传感器，配置于所述显示器下方，其中所述信号光穿透所述显示器而在所述图像传感器上形成指纹图像；以及
控制器，电性连接至所述图像传感器，处理所述图像传感器所感测到的指纹图像，对所述指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与哈尔特征作内积，以获得第一结果，所述控制器用以计算所述指纹图像的中心区域的灰阶平均值及在所述中心区域两侧的二周边区域的各自的灰阶平均值，以获得第二结果，且所述控制器用以综合所述第一结果与所述第二结果来判断所述指纹图像是来自真手指或假手指。
14.根据权利要求13所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述控制器用以先对所述指纹图像作模糊化处理后，再对经模糊化的所述指纹图像的两个方向不同的轴线上的灰阶值与所述哈尔特征作内积。
15.根据权利要求14所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述控制器将对应于两个方向不同的轴线的两个内积值相加，以获得第一特征值，所述中心区域的灰阶平均值为R2，所述二周边区域的灰阶平均值分别为R1与R3，所述控制器用以对R1、R2、R3作算术运算，以获得第二特征值，所述控制器用以判断所述第一特征值与所述第二特征值所形成的二维坐标是否落在预定区域内，所述控制器反应于所述二维坐标是落在所述预定区域内而判断所述指纹图像是来自真手指，且所述控制器反应于所述二维坐标是落在所述预定区域外而判断所述指纹图像是来自假手指。
16.根据权利要求15所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述哈尔特征为中间区域具有第一数值而两侧区域具有第二数值的函数，其中所述第一数值大于所述第二数值。
17.根据权利要求15所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述算术运算为(R2-R1)+(R2-R3)，或者所述算术运算为R2-R1-R3。
18.根据权利要求13所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述中心区域与所述二周边区域排列于所述指纹图像的对角线上。
19.根据权利要求13所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，所述显示器包括：
玻璃盖，其中所述手指按压于所述玻璃盖上；
线偏振片，配置于所述玻璃盖与所述图像传感器之间；
相位延迟膜，配置于所述线偏振片与所述图像传感器之间；以及
有机发光二极管显示面板，配置于所述相位延迟膜与所述图像传感器之间。
20.根据权利要求13所述的屏下式指纹感测装置，其特征在于，还包括镜头，配置于所述信号光的路径上，且位于所述显示器与所述图像传感器之间。
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