CN113569618B - 指纹识别装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指纹识别装置，其包括光路调整组件、光学过滤层以及图像传感器。光路调整组件设置于来自用户的指纹的图像光束的传递路径上。光学过滤层设置于来自光路调整组件的图像光束的传递路径上。光学过滤层具有多个开孔。图像光束中的倾斜图像光束倾斜地入射于光路调整组件。光路调整组件将倾斜图像光束的光路调整以使其沿正向方向传递至这些开孔。图像传感器设置于来自光学过滤层的图像光束的传递路径上。图像传感器具有多个像素，这些像素的位置分别对应于这些开孔的位置。

Description

指纹识别装置

技术领域

本发明涉及一种指纹识别装置，尤其涉及一种光学式指纹识别装置。

背景技术

现今屏下指纹识别装置主要是通过采集光线打在手指上后所形成的反射光，反射光夹带指纹波峰与波谷的图像信息，屏下指纹识别装置再通过此反射光进行指纹识别。以目前准直式的屏下指纹识别技术，图像传感器接收信号光的方式都是以接收正上方的光束为主，但是，这种方式指纹波峰与波谷的对比度较低，导致后端图像处理的负担较大。

发明内容

本发明提供一种指纹识别装置，其能够提供对比度良好的指纹识别效果。

本发明提供一种指纹识别装置，其包括光路调整组件、光学过滤层以及图像传感器。光路调整组件设置于来自用户的指纹的图像光束的传递路径上。光学过滤层设置于来自光路调整组件的图像光束的传递路径上。光学过滤层具有多个开孔。图像光束中的倾斜图像光束倾斜地入射于光路调整组件。光路调整组件将倾斜图像光束的光路调整以使其沿正向方向传递至这些开孔。图像传感器设置于来自光学过滤层的图像光束的传递路径上。图像传感器具有多个像素，这些像素的位置分别对应于这些开孔。

基于上述，在本发明的指纹识别装置中，其内部的光路调整组件可将图像光束中的倾斜图像光束的光路调整，以使图像传感器可采用倾斜图像光束做为感测图像信息的来源，因此图像传感器感测到的图像信息具有良好的对比度，其指纹识别效果佳。

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，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明一实施例的指纹识别装置的剖面示意图；

图1B为图1A的指纹识别装置的一实施例的光学过滤层的俯视示意图；

图2A为图1A中的光学衍射平板的光路示意图；

图2B为图2A中光学衍射平板在不同阶光的光强度分布图；

图3A为正向光束照射手指的光路示意图；

图3B为倾斜光束照射手指的光路示意图；

图4为本发明另一实施例的指纹识别装置的剖面示意图；

图5为本发明又一实施例的指纹识别装置的剖面示意图。

附图标记说明：

1：电子装置；

100、100a、100b：指纹识别装置；

110、110b：光路调整组件；

110a：光学衍射平板；

112：棱镜；

114：透光基板；

120：光学过滤层；

122：开孔；

130：图像传感器；

B、B0～B2：光束；

BS：底面；

CP：透光盖板；

LS：光源；

IS：倾斜面；

IL：入射光；

IL0～IL2：0阶光～2阶光；

IB、IB1、IB2、IB1’、IB2’：图像光束；

IIB：倾斜图像光束；

ND：正向方向；

NIB：正向图像光束；

P：像素；

S：表面；

S1、S2：第一、第二表面；

SD1、SD2：第一、第二侧；

SS：侧面；

OB：手指；

θ、θ1、θ2：夹角。

具体实施方式

以下将配合附图对于本发明的实施例进行详细说明。可以理解，附图是用于描述和解释目的，而非限制目的。为了清楚起见，组件可能并未依照实际比例加以示出。此外，可能在部份附图省略一些组件和/或组件符号。说明书和附图中，相同或相似的组件符号用于指示相同或相似的组件。当叙述一组件“设置于”、“连接”…另一组件时，在未特别限制的情况下，所述组件可以是“直接设置于”、“直接连接”…另一组件，也可以存在中介组件。能够预期，一实施例中的元素和特征，在可行的情况下，能纳入至另一实施例中并带来益处，而未对此作进一步的阐述。

图1A为本发明一实施例的指纹识别装置的剖面示意图。

请参照图1A，在本实施例中，指纹识别装置100a包括光路调整组件110、光学过滤层120以及图像传感器130，其例如是可整合于一电子装置1中。电子装置1例如是手机或者是其他合适的电子装置，本发明不以此为限。电子装置1除了指纹识别装置100a之外，还例如包括光源LS与透光盖板CP。于以下的段落中会详细地说明上述各组件。

请参照图1A，光路调整组件110泛指可通过反射、衍射或穿透等光学效果来调整光束的光路的光学组件。在本实施例中，光路调整组件110具体化为具有衍射效果的一光学衍射平板110a，且其具有相对的第一、第二表面S1、S2，第一表面S1朝向第一侧SD1(上侧)，第二表面S2朝向第二侧SD2(下侧)。

请先参照图2A上方的部分，当一入射光IL由第二侧SD2入射光学衍射平板110a时，入射光IL会被光学衍射平板110a衍射而形成0至多阶的光。为求简要，于图2A中仅示出0阶光IL0、1阶光IL1与2阶光IL2，其中0阶光IL0以垂直于表面S1的方向出射，而1阶光IL1以相对于表面S1的法向量倾斜一角度θ1的方向出射，2阶光IL2以相对于表面S1的法向量倾斜一角度θ2的方向出射，其他阶的光省略不示出。于图2B可看出，1阶光IL1的光强度最强，而0阶光IL0的光强度与2阶光IL2的光强度远小于1阶光IL1的光强度，因此0阶光IL0、2阶光IL2两者可忽略不计。

请参照图2A下方的部分，由于光具有逆追迹(reversely tracking)的特性，假设光束B0、B1、B2的入射方向分别如同图2A上方的0阶光IL0、1阶光IL1、2阶光IL2的出射方向的反方向，当这些光束B0、B1、B2由第一侧SD1入射至光学衍射平板110a时，这些光束B0、B1、B2皆以入射光IL的入射方向的反方向出射于光学衍射平板110a，但光束B2、B0的光强度会被光学衍射平板110a大幅度地减弱，而光束B1的光强度则会维持一定的强度而不会被大幅度减弱。

请参照图1A，光学过滤层120本身材料为不透光材质，且具有多个开孔122，以供光束穿透。光学过滤层120其作用主要为可使沿一特定方向传递的光束穿透，而将非沿此特定方向传递的其他光束过滤。具体来说，在本实施例中，光学过滤层120例如是可使沿正向方向ND传递的光束传透，而将非沿此正向方向ND传递的光束遮蔽，因此出射于光学过滤层120的光束的方向较为一致，亦可被称为准直层。于本实施例中，这些开孔122的排列方式可为随机周期排列、数组式排列、同心圆方式排列或六角最密堆积方式排列(如图1B所显示)，本发明并不以此为限。

请参照图1A，图像传感器130为可将光信号转换成电信号的电子组件，藉此将来自物体的图像光束转换成图像信息。于本实施例中，图像传感器130例如是互补式金氧半型(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)图像传感器、电荷耦合组件型(Charge Couple Device,CCD)图像传感器、薄膜晶体管图像传感器或其他合适种类的图像传感器，本发明并不以此为限。具体来说，图像传感器110具有多个以数组方式排列的像素P(或称像素)，像素P内设有可将光信号转换成电信号的光电转换组件(未示出)，其中光电转换组件例如是光二极管、光栅极或光导体，本发明并不以此为限。

请参照图1A，光源LS为可发出光束的光电组件。于本实施例中，光源LS可为有机发光二极管显示面板。于其他的实施例中，光源LS亦可为发光组件，其中发光组件的种类可为发光二极管、有机发光二极管或其他合适的发光组件，本发明并不以此为限。

请参照图1A，透光盖板CP系为可使光束穿透的光学组件，其材料例如是玻璃，并提供上述组件保护功能。使用者可将其手指OB按压于透光盖板CP上。

于以下的段落中会详细地说明电子装置1的配置方式。

请参照图1A，在电子装置1中，光源LS设置于透光盖板CP与指纹识别装置100a的光路调整组件110之间。光路调整组件110设置于光源LS与光学过滤层120之间，其中光源LS位于光路调整组件110的第一侧SD1，而光学过滤层120位于光路调整组件110的第二侧SD2。光学过滤层120设置于光路调整组件110与图像传感器130之间。光学过滤层120的多个开口122的位置分别对应于图像传感器130的多个像素P的位置。

于以下的段落中会搭配图1A与图2A以详细地说明电子装置1的光学效果。

请再参照图1A，在电子装置1中，光源LS用以发出光束B。光束B穿透透光盖板CP传递至手指OB上的指纹，指纹反射光束B以形成带有指纹信息的图像光束IB。依据不同的入射角度，图像光束IB可被分为正向图像光束NIB与倾斜图像光束IIB。正向图像光束NIB沿着正向方向ND入射于光路调整组件110，即以垂直方式入射于光路调整组件110的表面S1。倾斜图像光束IIB则是以倾斜地方式入射光路调整组件110，即其入射方向与光路调整组件110的表面S1的表面S1的法向量夹一夹角θ，其中光学衍射平板110a经配置使倾斜图像光束IIB以光学衍射平板110a的1阶光的逆追迹方式(如图2A下方部分所示)入射。于以下的段落中会详细说明光路调整组件110调整图像光束IB的光路的方式。

请同时参照图1A与图2A，当正向图像光束NIB由第一侧SD1入射至光学衍射平板110a时，根据图2A的相关段落的说明，由于正向图像光束NIB的入射方向与光束B0的入射方向一样，因此正向图像光束NIB的光强度会被光学衍射平板110a大幅度地减弱后，并沿正向方向ND出射于光学衍射平板110a、穿透光学过滤层120的开孔122后以传递至图像传感器130的像素P。由于正向图像光束NIB被大幅度地减弱的关系，故像素P几乎感测不到正向图像光束NIB。

请同时参照图1A与图2A，当倾斜图像光束IIB入射至光学衍射平板110a时，根据图2A的相关段落的说明，倾斜图像光束IIB的光路会被光学衍射平板110a调整至正向方向ND，并沿正向方向ND出射于光学衍射平板110a。倾斜图像光束IIB穿透光学过滤层120的开孔122后以传递至图像传感器130的像素P。由于倾斜图像光束IIB并未被光学衍射平板110a减弱而维持有一定的光强度，因此像素P可感测到倾斜图像光束IIB并将此倾斜图像光束IIB的光信号转换成电信号。如此一来，图像传感器130可藉倾斜图像光束IIB感测到指纹图案，并与系统内部存储的指纹图像比对，藉此达到指纹识别的功能。

图3A为正向光束照射手指的光路示意图。图3B为倾斜光束照射手指的光路示意图。

为了说明以倾斜图像光束IIB做为感测图像信息的来源的好处，于以下的段落中会搭配图3A与图3B来说明。图3A与图3B的手指OB的指纹夸饰地绘出其具有凹凸分布。

请参照图3A，当光束B以正向方式分别照射指纹上凸出与凹陷的部分时，以指纹上凸出与凹陷的部分会反射光束B以分别形成图像光束IB1、IB2。对于光束B来说，照射到指纹上凸出部分的折射率(nfr)是1.4，照射到指纹上凹陷的部分的折射率(nfv)是1，而透光盖板CP、光源LS的折射率为1.5。经公式计算，由指纹上凸出的部分所反射而得的图像光束IB1的反射率R1为0.1189％，而由指纹上凹陷的部分所反射而得的图像光束IB2的反射率R2为4％，图像光束IB2与图像光束IB1的强度差异为：R2/R1＝(4％/0.1189％)＝33.64。

请参照图3B，另一方面，当光束B以倾斜方式分别照射指纹上凸出与凹陷的部分时，以指纹上凸出与凹陷的部分会反射光束B以分别形成图像光束IB1’、IB2’。经公式计算，假设θ等于40度，由指纹上凸出的部分所反射而得的图像光束IB1’的反射率R1’为0.19％，而由指纹上凹陷的部分所反射而得的图像光束IB2’的反射率R2’为24.53％，图像光束IB2’与图像光束IB1’的强度差异为：R2’/R1’＝(24.53％/0.19％)＝129。

由上述可知，相对正向方式来说，以倾斜方式照射指纹上凸出与凹陷的部分所反射而得到的图像光束IB1’、IB2’的光强度对比度有明显的提升，即以倾斜方式照射指纹可以得到对比度较为明显的凸出与凹陷的图像信息。因此，在本实施例的指纹识别装置100a中，由于光路调整组件110a可将图像光束IB中倾斜图像光束IIB导引至图像传感器130，图像传感器130采取倾斜图像光束IIB做为感测图像信息的来源，因此图像传感器130所感测到的图像信息具有良好的对比度，并具有良好的指纹识别效果，并且图像处理的负担亦较小。

在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分内容，省略了相同技术内容的说明，关于相同的组件名称可以参考前述实施例的部分内容，下述实施例不再重复赘述。

图4为本发明另一实施例的指纹识别装置的剖面示意图。

请参照图4，图4的指纹识别装置100b大致上类似于图1A的指纹识别装置100a，其主要差异在于：光路调整组件110b的形态不同，其例如是光学棱镜数组平板。详细来说，在指纹识别装置100b中，光路调整组件110b包括多个棱镜112与透光基板114，各棱镜112具有彼此相连的底面BS、侧面SS与倾斜面IS，透光基板114具有表面S。这些棱镜112设置于透光基板114的表面S上，这些棱镜112的底面BS与透光基板114的表面S接触。并且，各棱镜112的正投影与单一开孔122的正投影重叠。

请再参照图4，当正向图像光束NIB由第一侧SD1入射至光路调整组件110b时，正向图像光束NIB会通过棱镜112的倾斜面IS而产生折射，进而使其以斜向方向入射至光学过滤层120的开孔122中。因此，被光路调整组件110b调整后的正向图像光束NIB将会被光学过滤层120挡下而不会传递至图像传感器130。

请再参照图4，当倾斜图像光束IIB入射至光路调整组件110b时，倾斜图像光束IIB由各棱镜112的侧面SS(即侧面SS做为入射面)入射，并被倾斜面IS反射后依序穿透底面BS与透光基板114，以出射光路调整组件110b。倾斜图像光束IIB再穿透光学过滤层120的开孔122后以传递至图像传感器130的像素P。

图5为本发明又一实施例的指纹识别装置的剖面示意图。

请参照图5，图5的指纹识别装置100c大致上类似于图4的指纹识别装置100b，其主要差异在于：光路调整组件110b的棱镜112与光学过滤层120c的开口122之间的大小关系不同。详细来说，在指纹识别装置100c中，棱镜112的正投影与至少二开口122的正投影重叠。通过上述设计，可以避免对位问题。

综上所述，在本发明的指纹识别装置中，由于光路调整组件可将图像光束中倾斜图像光束导引至图像传感器，图像传感器采取倾斜图像光束做为感测图像信息的来源，因此图像传感器所感测到的图像信息具有良好的对比度，并具有良好的指纹识别效果，并且图像处理的负担亦较小。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定的为准。

Claims (6)

1.一种指纹识别装置，其特征在于，包括：

光路调整组件，设置于来自用户的指纹的图像光束的传递路径上；

光学过滤层，设置于来自所述光路调整组件的所述图像光束的传递路径上，所述光学过滤层具有多个开孔，

其中所述图像光束中的倾斜图像光束倾斜地入射于所述光路调整组件，所述光路调整组件将所述倾斜图像光束的光路调整以使其沿正向方向传递至所述多个开孔；以及

图像传感器，设置于来自所述光学过滤层的所述图像光束的传递路径上，所述图像传感器具有多个像素，所述多个像素的位置分别对应于所述多个开孔的位置，

其中，所述光路调整组件包括多个棱镜以及透光基板，所述多个棱镜设置于所述透光基板的表面上，其中各所述多个棱镜具有两两相连的一底面、一侧面以及一倾斜面，所述底面与所述透光基板的所述表面接触，

其中，各所述多个棱镜的正投影与至少二所述开孔的正投影重叠。

2.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述倾斜图像光束由各所述多个棱镜的所述侧面入射，并被所述倾斜面反射后依序穿透所述底面与所述透光基板，以出射于所述光路调整组件。

3.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述图像光束还包括正向图像光束，其中所述正向图像光束正向地入射于所述光路调整组件，所述光路调整组件将所述正向图像光束的光路调整以使其以一不同于所述正向方向的一倾斜方向出射于所述光路调整组件。

4.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述多个开孔排列的方式为随机周期方式排列、数组方式排列、同心圆方式排列或六角最密堆积排列。

5.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述图像传感器的种类包括互补式金氧半型图像传感器或电荷耦合组件型图像传感器。

6.根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置整合于电子装置中，所述电子装置包括光源，所述光源用以发出光束至使用者的指纹，并被所述使用者的指纹反射以形成所述图像光束。