CN114399797A - 光学指纹辨识系统 - Google Patents

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CN114399797A CN202011215608.8A CN202011215608A CN114399797A CN 114399797 A CN114399797 A CN 114399797A CN 202011215608 A CN202011215608 A CN 202011215608A CN 114399797 A CN114399797 A CN 114399797A
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薛钧哲
汤相岐
蔡宗翰
杨富翔
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Largan Precision Co Ltd
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Abstract

本发明公开一种光学指纹辨识系统，包含由上至下依序设置的保护层、发光层、光学层、影像感测元件以及底座。保护层于上方具有指纹接触面。光学层包含第一阵列层以及第二阵列层，且第一阵列层堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层与第二阵列层分别包含在第一方向上等距离地排列的多个第一阵列透镜以及多个第二阵列透镜。每一第一阵列透镜与其相互对应的第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元。当满足特定条件时，光学指纹辨识系统能同时满足微型化及高取像品质的需求。

Description

光学指纹辨识系统
技术领域
本发明涉及一种光学指纹辨识系统，特别是一种包含阵列透镜的光学指纹辨识系统。
背景技术
近年来，由于智能移动装置的普及，大量的个人信息储存于智能移动装置，使得智能移动装置的信息安全需求已明显地提高。目前市面上提供众多种类的安全系统，诸如有图形密码认证系统、指纹辨识系统以及人脸辨识系统，其中又以指纹辨识系统的普及率最高。在指纹辨识系统中，过去以采用电容式装置为大宗，但现今因应智能移动装置朝向高屏幕占比的需求，而使得屏幕下指纹辨识系统快速发展。屏幕下指纹辨识系统大多分为光学式与超音波两种，其中光学式因具备高辨识准确率以及易整合于智能装置等优点，进而快速普及。
以往光学式屏幕下指纹辨识系统大多配置于屏幕下方，并利用屏幕或侧向导光媒介为光源，将光线投射至使用者的指纹后反射，搭配准直层收集光线，再射向屏幕下方的感光元件，借以记录使用者的指纹，并进行指纹辨识的程序。然而，这样的配置在遇到不同视场的光路时，由于仅用准直层收集光线，使得撷取指纹的影像品质易较差，且指纹辨识的难度也较高。纵使现今有配置于屏幕下的微型镜头能进行指纹取像，可以提供较佳的成像品质，但因为本身聚光的需求，其镜头模组的厚度需较厚，造成整体电子装置的厚度也变厚，而不利于整体电子装置的微型化。
发明内容
鉴于以上提到的问题，本发明提供一种光学指纹辨识系统，有助于改善配置屏幕下微型镜头造成整体厚度变厚的问题，并还能得到高辨识准确率及高指纹影像品质的光学指纹辨识系统。
本发明提供一种光学指纹辨识系统，包含一保护层、一发光层、一光学层、一影像感测元件以及一底座。保护层于上方具有一指纹接触面。发光层设置于保护层的下方。光学层设置于发光层的下方。影像感测元件设置于光学层的下方，且影像感测元件具有一成像面。底座设置于影像感测元件的下方。光学层包含一第一阵列层以及一第二阵列层，且第一阵列层堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜，且所述多个第一阵列透镜在第一方向上等距离地排列。第二阵列层包含多个第二阵列透镜，且所述多个第二阵列透镜在第一方向上等距离地排列。每一第一阵列透镜与其相互对应的所述多个第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元。光学指纹辨识系统中所述多个成像单元的数量为N，指纹接触面至第一阵列透镜的上表面于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：
120<N<900；以及
OL+TL<3.0[毫米]。
本发明提供一种光学指纹辨识系统，包含一保护层、一发光层、一光学层、一影像感测元件以及一底座。保护层于上方具有一指纹接触面。发光层设置于保护层的下方。光学层设置于发光层的下方。影像感测元件设置于光学层的下方，且影像感测元件具有一成像面。底座设置于影像感测元件的下方。光学层包含一第一阵列层以及一第二阵列层，且第一阵列层堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜，且所述多个第一阵列透镜在第一方向上等距离地排列。第二阵列层包含多个第二阵列透镜，且所述多个第二阵列透镜在第一方向上等距离地排列。每一第一阵列透镜与其相互对应的所述多个第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元。指纹接触面至第一阵列透镜的上表面于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离为TL，成像单元所对应的物高为YOB，成像单元所对应的像高为YRI，其满足下列条件：
OL+TL<3.0[毫米]；
|YOB/YRI|<1.5；以及
2.5<OL/TL。
根据本发明所揭露的光学指纹辨识系统，是采用类晶片阵列迭层的方式，能有效地配置透镜阵列层，同时提供良好的聚光效果，可有效提高指纹影像品质，进而达成快速且高准确率的指纹辨识，并有利于减小厚度以使得所搭配的电子装置整体进一步微型化。此外，通过控制整体透镜阵列层的厚度以及成像单元的总数量，可依规格需求取得最佳的微型化效果。
以上的关于本揭露内容的说明及以下的实施方式的说明是用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的专利申请范围更进一步的解释。
附图说明
图1绘示依照本发明第一实施例的光学指纹辨识系统的应用示意图。
图2绘示图1的光学指纹辨识系统的侧面剖面示意图。
图3绘示图2的光学指纹辨识系统部分元件的配置关系分解示意图。
图4绘示依照本发明第二实施例的光学指纹辨识系统部分元件的示意图。
图5绘示图4的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
图6绘示依照本发明第三实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
图7绘示依照本发明第四实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
图8绘示依照本发明第五实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
图9绘示依照本发明第六实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
图10绘示依照本发明第二实施例的光学指纹辨识系统中参数OL、TL、YOB、YRI、部分透镜的反曲点和临界点以及成像路径的示意图。
图11绘示图10中光学指纹辨识系统中成像路径的局部放大图。
图12绘示依照本发明第七实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配滤光涂层的示意图。
图13绘示依照本发明第八实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配滤光材质的示意图。
图14绘示依照本发明的一实施例的滤光涂层于光线照射时通过滤光涂层的光线波段与通过率的图表。
图15绘示依照本发明第九实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配光干涉过滤层与光吸收过滤层的示意图。
图16绘示依照本发明的一实施例的准直层于光线照射时通过光干涉过滤层与光吸收过滤层的光线波段与通过率的图表。
图17绘示依照本发明第十实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配菲涅尔透镜的示意图。
图18绘示依照本发明第十一实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配超颖透镜的示意图。
【符号说明】
1…电子装置；
10、30…光学指纹辨识系统；
11、31…保护层；
11a、31a…指纹接触面；
12、32…发光层；
121、321…有机发光二极管显示层；
13、33、43、53、63、73、83、93、113、123…光学层；
3300、4300、5300、6300、7300…光圈；
131…第一阵列层；
1310、3310、4310、5310、6310、7310…第一阵列透镜；
1311、3311、3321、3331、4311、4321、4331、5311、5321、6311、6321、7311、7321…上表面；
3312、3322、3332、4312、4322、4332、5312、5322、6312、6322、7312、7322、8332…下表面；
132…第二阵列层；
1320、3320、4320、5320、6320、7320…第二阵列透镜；
3330、4330、8330、9330…第三阵列透镜；
136…光阑遮光层；
1361…遮光涂覆层；
1362、3362、4362、5362、6362、7362…遮光元件层；
837…滤光涂层；
3380、4380、5380、6380、7380…滤光元件；
14、34…准直层；
104…第二准直层；
141、341…格状隔墙；
1046…光干涉过滤层；
1047…光吸收过滤层；
15、35…影像感测元件；
15a、35a…成像面；
16…底座；
1137…菲涅尔透镜；
1238…超颖透镜；
C…临界点；
CR…主光线；
CRA…影像感测元件于最大成像高度位置的主光线入射角度；
FG…手指；
OL…指纹接触面至第一阵列透镜的上表面于光轴上的距离；
P…反曲点；
TL…第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离；
UNIT_1、UNIT_3、UNIT_4、UNIT_5、UNIT_6、UNIT_7、UNIT_8、UNIT_9、UNIT_11、UNIT_12…成像单元；
X…第一方向；
Y…第二方向；
YOB…成像单元所对应的物高；
YRI…成像单元所对应的像高；
Z…迭层方向。
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何所属领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、申请专利范围及附图，任何所属领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
本发明提供一种光学指纹辨识系统，包含一保护层、一发光层、一光学层、一影像感测元件以及一底座。保护层于上方具有一指纹接触面。发光层设置于保护层的下方。光学层设置于发光层的下方。影像感测元件设置于光学层的下方，且影像感测元件具有一成像面。底座设置于影像感测元件的下方。
光学层包含一第一阵列层以及一第二阵列层，且第一阵列层堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜，且所述多个第一阵列透镜在第一方向上等距离地排列。第二阵列层包含多个第二阵列透镜，且所述多个第二阵列透镜在第一方向上等距离地排列。通过采用类晶片阵列迭层的方式，能有效地配置透镜阵列层，同时提供良好的聚光效果，可有效提高指纹影像品质，进而达成快速且高准确率的指纹辨识，并有利于减小厚度以使得所搭配的电子装置整体进一步微型化。
第一阵列透镜可具有正屈折力。借此，有利于收敛入射光，以缩短光学层的总厚度。
第二阵列透镜可具有负屈折力。借此，有利于修正光学指纹辨识系统的像差。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，光学层更可包含一第三阵列层，且第三阵列层堆叠于第二阵列层与影像感测元件之间。第三阵列层包含多个第三阵列透镜，且所述多个第三阵列透镜在第一方向上等距离地排列。借此，有利于进一步修正像差，以改善成像品质。
第三阵列透镜可具有正屈折力。借此，有利于提供光学指纹辨识系统在像侧端的聚光，以缩短后焦距与光学层的总厚度。
每一第一阵列透镜与其相互对应的所述多个第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元。其中，每一成像单元更可包含与所述多个第一阵列透镜的其中一者或所述多个第二阵列透镜的其中一者相互对应的所述多个第三阵列透镜的其中一者。此处所谓的相互对应，是指其中一个第一阵列透镜与其中一个第二阵列透镜各自在底座上的正投影彼此重叠，也可是指其中一个第一阵列透镜或其中一个第二阵列透镜与其中一个第三阵列透镜各自在底座上的正投影彼此重叠。
光学层中可有至少一阵列透镜在其上表面与其下表面的至少其中一者具有至少一反曲点。借此，有利于修正离轴像差，并改善离轴聚光。其中，光学层中也可有至少一阵列透镜在其上表面与其下表面的至少其中一者于离轴处具有至少一临界点。请参照图10，是绘示有依照本发明第二实施例中第三阵列透镜上表面3331的反曲点P与临界点C以及第三阵列透镜下表面3332的反曲点P的示意图。图10绘示第二实施例中第三阵列透镜上表面和第三阵列透镜下表面的反曲点与临界点作为示例性说明，然本发明各实施例中除了第三阵列透镜上表面和第三阵列透镜下表面外，其他的透镜表面也可具有一个或多个反曲点与临界点。
光学层更可包含至少一光阑遮光层，且所述至少一光阑遮光层设置于第一阵列层与第二阵列层其中一者的上方或下方。借此，有利于排除来自屏幕或其他光源的杂散光。
光学层更可包含至少一滤光涂层，且所述至少一滤光涂层设置于光学层中至少一阵列透镜的上表面与下表面的至少其中一者。借此，可限制光通波段的带宽，以利排除特定波段的杂散光。请参照图12，是绘示有依照本发明第七实施例的单一个成像单元与影像感测元件搭配滤光涂层的示意图，其中滤光涂层837设置于成像单元UNIT_8中第三阵列透镜下表面8332，以滤除特定波段的光线。
所述至少一滤光涂层可采用一般光通(Bandpass)过滤层。请参照图14，是绘示有依照本发明的一实施例的滤光涂层于光线照射时，通过滤光涂层的光线波段与通过率(Transmission)的折线图，其中图表的横轴为光线的波段(单位为纳米)，纵轴为光线的通过率(单位为百分比)。在图14的实施例中，滤光涂层为光通过滤层。在光线入射时，大约400纳米至570纳米波长的光线皆能通过滤光涂层。如此一来，便可以滤除400纳米至570纳米波长以外的光线。
光学层更可包含一超颖透镜(Meta Lens)或一菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。借此，有利于进一步缩短光程或降低透镜阵列层的厚度，使得所搭配的电子装置的厚度得以再度减少。
影像感测元件于最大成像高度位置的主光线入射角度可小于45度。借此，有利于提高影像感测元件的响应效率。请参照图11，是绘示有依照本发明第二实施例中光学指纹辨识系统中成像路径的局部放大图，其中有一主光线CR入射于影像感测元件35的成像面35a的最大成像高度的位置，且成像面35a的法线方向与主光线CR之间的夹角即为主光线入射角度(CRA)。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，更可包含一准直层(Collimator Layer)，且准直层设置于影像感测元件的上方。准直层可包含多个格状隔墙，且所述格状隔墙的内壁可为光吸收材质。借此，可利用准直层消除大角度的入射光，以避免邻近影像感测元件而产生串扰(Crosstalk)。请参照图2与图3，图2是绘示有依照本发明第一实施例的光学指纹辨识系统的侧面剖面示意图，而图3是绘示有依照本发明第一实施例的光学指纹辨识系统部分元件的配置关系分解示意图，其中准直层14包含多个格状隔墙141以接收并导正非正向光线。也可参照图4与图5，图4是绘示有依照本发明第二实施例的光学指纹辨识系统部分元件的示意图，而图5是绘示有依照本发明第二实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图，其中准直层34包含格状隔墙341，且每个格状隔墙341所围绕出的空间对应到每个成像单元的透镜，以接收并导正来自每个成像单元的透镜的非正向光线。
准直层也可包含一光干涉过滤层以及一光吸收过滤层。借此，可滤除大角度的入射光，也可避免串扰的问题。光干涉过滤层与光吸收过滤层可采用滤光介质层或镀膜于其他透光元件上的方式配置而成。请参照图15，是绘示有依照本发明第九实施例的单一个成像单元与影像感测元件搭配光干涉过滤层与光吸收过滤层的示意图，其中第二准直层104采用镀膜于滤光元件4380上的方式配置而成，且第二准直层104包含光干涉过滤层1046以及光吸收过滤层1047，以接收并导正非正向光线。
光干涉过滤层与光吸收过滤层可由两个边通(Edgepass)过滤层搭配形成，也可采用一般光通过滤层。光干涉过滤层可根据入射光角度变化而产生过滤波段平移(BandwidthShift)，且光吸收过滤层可为光通过过滤层。通过光干涉过滤层搭配光吸收过滤层，可过滤掉入射角过大的光线，以利排除影像噪音。请参照图16，是绘示有依照本发明的一实施例的准直层于正向光线照射时，通过光干涉过滤层与光吸收过滤层的光线波段与通过率的折线图，其中图表的横轴为光线的波段(单位为纳米)，纵轴为光线的通过率(单位为百分比)。在图16的实施例中，光干涉过滤层为一般光通过滤层，而光吸收过滤层为边通过滤层，其中光干涉过滤层为短通(Short Pass)过滤层，而光吸收过滤层为长通(Long Pass)过滤层。在正向光线入射时，大约400纳米(短通的下限)至600纳米(短通的上限)波长的光线皆能通过光干涉过滤层，而大约500纳米(长通的下限)以上波长的光线皆能通过光吸收过滤层。也就是说，在正向光线入射时，波长在大约500纳米至大约600纳米之间的光线能同时通过光干涉过滤层与光吸收过滤层。然而，在非正向光线入射时，能通过光干涉过滤层的光线波长则会产生平移，即为前述过滤波段平移的现象。若是在特定的非正向光线入射时，能通过光干涉过滤层的光线波长从原本的400纳米至600纳米平移到250纳米至450纳米，此时所述特定的非正向光线则未能有任何波长可同时通过光干涉过滤层与光吸收过滤层。如此一来，便可达到前述过滤掉入射角过大的光线的效果，进而达到导正入射光线的目的。
发光层包含有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode，OLED)显示层。由于有机发光二极管显示层较薄，可具有较高的光穿透率，借此，有利于取得较多的指纹反射光线，以提高指纹成像的品质。
指纹接触面至第一阵列透镜的上表面于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：OL+TL<3.0[毫米]。借此，有利于降低透镜阵列层的厚度，以便搭载于薄型的电子装置中。其中，也可满足下列条件：OL+TL<2.5[毫米]。请参照图10，是绘示有依照本发明第二实施例中参数OL和TL的示意图。
光学指纹辨识系统中成像单元的总数为N，其可满足下列条件：120<N<900。借此，有利于配置较佳的阵列透镜总数量，以提供足够的取像范围。其中，也可满足下列条件：150<N<650。其中，也可满足下列条件：150<N<450。
成像单元所对应的物高为YOB，成像单元所对应的像高为YRI，其可满足下列条件：|YOB/YRI|<1.5。借此，有利于提供低总厚度与良好成像品质的阵列透镜配置。其中，也可满足下列条件：0.8<|YOB/YRI|<1.2。请参照图10，是绘示有依照本发明第二实施例中参数YOB和YRI的示意图。其中，YRI是指影像感测元件的有效感测区域对角线总长的一半，而入射至YRI位置的光线其所对应的被摄物高度即为YOB。
指纹接触面至第一阵列透镜的上表面于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离为TL，其可满足下列条件：2.5<OL/TL。借此，有利于进一步减小透镜阵列层的厚度，以搭载于薄型的电子装置中。其中，也可满足下列条件：3.5<OL/TL。其中，也可满足下列条件：3.5<OL/TL<5.0。
光学指纹辨识系统的光圈值为Fno，其可满足下列条件：1.0<Fno<2.2。借此，有利于提供充足的进光量，以优化成像品质以及指纹辨识的效率。其中，也可满足下列条件：1.0<Fno<1.70。
第一阵列透镜的上表面至成像面于光轴上的距离为TL，成像单元所对应的像高为YRI，其可满足下列条件：TL/YRI<2.0。借此，有利于在取像范围以及透镜阵列层的总厚度之间取得良好的平衡。其中，也可满足下列条件：TL/YRI<1.75。
第一阵列透镜的阿贝数为V1，第二阵列透镜的阿贝数为V2，第三阵列透镜的阿贝数为V3，其可满足下列条件：V1+V2+V3<100。借此，有利于修正色差，以提供光学指纹辨识系统利用不同色彩进行辨识的功能。
光学层所有阵列透镜中的阿贝数最小值为Vmin，其可满足下列条件：Vmin<30。借此，有利于进一步优化色差修正，进而提高色彩饱和度。其中，也可满足下列条件：Vmin<25。
波段介于500至570纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT500，其可满足下列条件：AvgT500>70％；借此，有利于提高可见光进入影像感测元件的总量。波段介于300至400纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT300，其可满足下列条件：AvgT300<30％；借此，有利于排除紫外光波段的杂散光。波段介于600至700纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT600，其可满足下列条件：AvgT600<30％；借此，有利于排除红外线波段的杂散光。
上述本发明光学指纹辨识系统中的各技术特征皆可组合配置，而达到对应的功效。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，透镜的材质可为玻璃或塑胶。若透镜的材质为玻璃，则可增加光学指纹辨识系统屈折力配置的自由度，并降低外在环境温度变化对成像的影响，而玻璃透镜可使用研磨或模造等技术制作而成。若透镜材质为塑胶，则可以有效降低生产成本。此外，可于镜面上设置球面或非球面(ASP)，其中球面透镜可减低制造难度，而若于镜面上设置非球面，则可借此获得较多的控制变数，用以消减像差、缩减透镜数目，并可有效降低本发明光学指纹辨识系统的总长。进一步地，非球面可以塑胶射出成型或模造玻璃透镜等方式制作而成。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，若透镜表面为非球面，则表示该透镜表面光学有效区全部或其中一部分为非球面。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，可选择性地在任一(以上)透镜材料中加入添加物，以改变透镜对于特定波段光线的穿透率，进而减少杂散光与色偏。例如：添加物可具备滤除系统中600纳米至800纳米波段光线的功能，以助于减少多余的红光或红外光；或可滤除350纳米至450纳米波段光线，以减少多余的蓝光或紫外光，因此，添加物可避免特定波段光线对成像造成干扰。此外，添加物可均匀混和于塑料中，并以射出成型技术制作成透镜。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，若透镜表面是为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该凸面可位于透镜表面近光轴处；若透镜表面是为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该凹面可位于透镜表面近光轴处。若透镜的屈折力或焦距未界定其区域位置时，则表示该透镜的屈折力或焦距可为透镜于近光轴处的屈折力或焦距。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，所述透镜表面的反曲点(InflectionPoint)，是指透镜表面曲率正负变化的交界点。所述透镜表面的临界点(Critical Point)，是指垂直于光轴的平面与透镜表面相切的切线上的切点，且临界点并非位于光轴上。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，光学指纹辨识系统的成像面依其对应的影像感测元件的不同，可为一平面或有任一曲率的曲面，特别是指凹面朝往物侧方向的曲面。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，于成像光路上最靠近成像面的透镜与成像面之间可选择性配置一片以上的成像修正元件(平场元件等)，以达到修正影像的效果(像弯曲等)。该成像修正元件的光学性质，比如曲率、厚度、折射率、位置、面型(凸面或凹面、球面或非球面、衍射表面及菲涅尔表面等)可配合取像装置需求而做调整。一般而言，较佳的成像修正元件配置为将具有朝往物侧方向为凹面的薄型平凹元件设置于靠近成像面处。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，可设置有至少一光阑，其可位于第一透镜之前、各透镜之间或最后一透镜之后，该光阑的种类如耀光光阑(Glare Stop)或视场光阑(Field Stop)等，可用以减少杂散光，有助于提升影像品质。
本发明所揭露的光学指纹辨识系统中，光圈的配置可为前置光圈或中置光圈。其中前置光圈意即光圈设置于被摄物与第一透镜间，中置光圈则表示光圈设置于第一透镜与成像面间。若光圈为前置光圈，可使出射瞳(Exit Pupil)与成像面产生较长的距离，使其具有远心(Telecentric)效果，并可增加影像感测元件的CCD或CMOS接收影像的效率；若为中置光圈，是有助于扩大光学指纹辨识系统的视场角。
本发明可适当设置一可变孔径元件，该可变孔径元件可为机械构件或光线调控元件，其可以电或电信号控制孔径的尺寸与形状。该机械构件可包含叶片组、屏蔽板等可动件；该光线调控元件可包含滤光元件、电致变色材料、液晶层等遮蔽材料。该可变孔径元件可通过控制影像的进光量或曝光时间，强化影像调节的能力。此外，该可变孔径元件也可为本发明的光圈，可通过改变光圈值以调节影像品质，如景深或曝光速度等。
根据上述实施方式，以下提出具体实施例并配合附图予以详细说明。
<第一实施例>
请参照图1至图3，图1绘示依照本发明第一实施例的光学指纹辨识系统的应用示意图，图2绘示图1的光学指纹辨识系统的侧面剖面示意图，且图3绘示图2的光学指纹辨识系统部分元件的配置关系分解示意图。
在本实施例中，以光学指纹辨识系统10应用于电子装置1来作为说明。如图1所示，电子装置1为具有生物特征辨识功能的智能手机。电子装置1由内侧至外侧依序包含显示影像的屏幕显示层(未绘示)、具有触控屏幕功能的屏幕触控层(未绘示)以及提供保护功能的透明平板(未绘示)。电子装置1还包含光学指纹辨识系统10，光学指纹辨识系统10提供指纹辨识的功能，以供使用者的手指FG放置于其上。其中图2仅绘示局部光学指纹辨识系统10作为示意用途，并且图2中的光学指纹辨识系统10与手指FG非依实际比例绘示。
如图2至图3所示，光学指纹辨识系统10包含保护层11、发光层12、光学层13、准直层14、影像感测元件15以及底座16，其中发光层12在迭层方向Z上设置于保护层11的下方，光学层13在迭层方向Z上设置于发光层12的下方，准直层14在迭层方向Z上设置于光学层13的下方，影像感测元件15在迭层方向Z上设置于光学层13与准直层14的下方，且底座16在迭层方向Z上设置于影像感测元件15的下方。保护层11在迭层方向Z的上方具有指纹接触面11a，且影像感测元件15具有朝向光学层13的成像面15a。
保护层11可视为一部分的透明平板，且保护层11向迭层方向Z下方的发光层12、光学层13、准直层14、影像感测元件15与底座16提供保护功能。保护层11在迭层方向Z上方的指纹接触面11a可供使用者的手指FG放置于其上。
发光层12可让光线穿透，且发光层12包含有机发光二极管显示层121。有机发光二极管显示层121可视为一部分的屏幕显示层，且有机发光二极管显示层121向迭层方向Z上方发光以显示影像。
光学层13包含第一阵列层131以及第二阵列层132。第一阵列层131在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层132的上方。第一阵列层131包含多个第一阵列透镜1310，且第一阵列透镜1310在第一方向X与第二方向Y上等距离地排列。第二阵列层132包含多个第二阵列透镜1320，且第二阵列透镜1320在第一方向X与第二方向Y上等距离地排列。第一方向X与第二方向Y彼此垂直，第一方向X与第二方向Y垂直于迭层方向Z，且第一方向X与第二方向Y所共同位于的平面实质上平行于指纹接触面11a。
光学层13中相互对应的一个第一阵列透镜1310以及一个第二阵列透镜1320形成一成像单元UNIT_1。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜1310以及一个第二阵列透镜1320，是指所述一个第一阵列透镜1310与所述一个第二阵列透镜1320各自在底座16上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜1310与所述一个第二阵列透镜1320在迭层方向Z上彼此对正。
指纹接触面11a至第一阵列透镜1310的上表面1311于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜1310的上表面1311至成像面15a于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：OL+TL<3.0[毫米]。在本实施例中，定义OL与TL参数时所涉及的第一阵列透镜1310的上表面1311是以其最靠近发光层12的区域来计算。
光学指纹辨识系统10中成像单元UNIT_1的总数为N，其满足下列条件：120<N<900。
成像单元UNIT_1所对应的物高为YOB，成像单元UNIT_1所对应的像高为YRI，其满足下列条件：|YOB/YRI|<1.5。
指纹接触面11a至第一阵列透镜1310的上表面1311于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜1310的上表面1311至成像面15a于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：2.5<OL/TL。
光学层13还包含光阑遮光层136，且光阑遮光层136包含遮光涂覆层1361以及遮光元件层1362。遮光涂覆层1361在迭层方向Z上以涂覆的方式设置于第一阵列层131的上方表面。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第一阵列透镜1310，遮光涂覆层1361并未涂覆于第一阵列透镜上表面1311上。遮光元件层1362在迭层方向Z上设置于第一阵列层131与第二阵列层132之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜1320，遮光元件层1362在第一阵列透镜1310与第二阵列透镜1320之间具有与第二阵列透镜1320对正的开孔(未另标号)。
准直层14包含多个格状隔墙141，且格状隔墙141的内壁为光吸收材质。值得注意的是，为了让光线能顺利通过准直层14，格状隔墙141所围绕出的空间在迭层方向Z上对正第一阵列透镜1310与第二阵列透镜1320。
当使用者的手指FG放置于保护层11的指纹接触面11a上时，有机发光二极管显示层121或其他光源(未绘示)可向手指FG发出感测光线(未绘示)。感测光线在手指FG被反射后依序通过保护层11、发光层12、光学层13的第一阵列透镜1310、遮光元件层1362的开孔与第二阵列透镜1320，最后由准直层14导向为正向光线，以射向设置在底座16上的影像感测元件15。正向光线成像于影像感测元件15的成像面15a上，影像感测元件15将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_1的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
<第二实施例>
请参照图4，绘示依照本发明第二实施例的光学指纹辨识系统部分元件的示意图。
如图4所示，光学指纹辨识系统30包含保护层31、发光层32、光学层33、准直层34、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中发光层32在迭层方向Z上设置于保护层31的下方(附图的右方，负Z方向)，光学层33在迭层方向Z上设置于发光层32的下方，准直层34在迭层方向Z上设置于部分的光学层33的下方，影像感测元件35在迭层方向Z上设置于光学层33与准直层34的下方，且底座在迭层方向Z上设置于影像感测元件35的下方。保护层31在迭层方向Z的上方(附图的左方，正Z方向)具有指纹接触面31a，且影像感测元件35具有朝向光学层33的成像面35a。
保护层31为玻璃材质，且保护层31向迭层方向Z下方的发光层32、光学层33、影像感测元件35与底座提供保护功能。保护层31在迭层方向Z上方的指纹接触面31a可供使用者的手指放置于其上。
发光层32可让光线穿透，且发光层32包含有机发光二极管显示层321。有机发光二极管显示层321向迭层方向Z上方发光以显示影像。
接着请一并参照图5以更清楚地说明光学层33与影像感测元件35，其中图5绘示图4的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
光学层33包含第一阵列层(未另标号)、第二阵列层(未另标号)以及第三阵列层(未另标号)。第一阵列层在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层的上方。第二阵列层在迭层方向Z上堆叠于第三阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜3310，第二阵列层包含多个第二阵列透镜3320，且第三阵列层包含多个第三阵列透镜3330。第一阵列透镜3310、第二阵列透镜3320与第三阵列透镜3330皆在第一方向X上等距离地排列，然为附图简洁，图4与图5皆仅绘示一个第一阵列透镜3310、一个第二阵列透镜3320与一个第三阵列透镜3330。
光学层33中相互对应的一个第一阵列透镜3310、一个第二阵列透镜3320与一个第三阵列透镜3330形成一成像单元UNIT_3。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜3310、一个第二阵列透镜3320与一个第三阵列透镜3330，是指所述一个第一阵列透镜3310、所述一个第二阵列透镜3320与所述一个第三阵列透镜3330各自在底座上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜3310、所述一个第二阵列透镜3320与所述一个第三阵列透镜3330在迭层方向Z上彼此对正。
第一阵列透镜3310具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面3311于近光轴处为凸面，其下表面3312于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面。
第二阵列透镜3320具有负屈折力，且为玻璃材质，其上表面3321于近光轴处为凹面，其下表面3322于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面。
第三阵列透镜3330具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面3331于近光轴处为凹面，其下表面3332于近光轴处为凸面，其两表面皆为非球面，其上表面3331具有至少一反曲点，其下表面3332具有至少一反曲点，且其上表面3331于离轴处具有至少一临界点。
光学层33还包含光阑遮光层(未另标号)，且光阑遮光层包含遮光元件层3362。遮光元件层3362在迭层方向Z上设置于第一阵列层与第二阵列层之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜3320与第三阵列透镜3330，遮光元件层3362在第一阵列透镜3310与第二阵列透镜3320之间具有与第二阵列透镜3320对正的开孔。遮光元件层3362于每一个开孔的周边区块皆可视为设置在第一阵列透镜3310与第二阵列透镜3320之间的光圈3300。
光学层33还包含滤光元件3380，且滤光元件3380的材质为玻璃。滤光元件3380在迭层方向Z上设置于准直层34的下部，并且位于光学层33的第三阵列透镜3330及影像感测元件35之间，并不影响光学指纹辨识系统30的焦距。
准直层34包含多个格状隔墙341，且格状隔墙341的内壁为光吸收材质。值得注意的是，为了让光线能顺利通过准直层34，格状隔墙341所围绕出的空间在迭层方向Z上对正第一阵列透镜3310、第二阵列透镜3320与第三阵列透镜3330，并且滤光元件3380设置于准直层34的格状隔墙341所围绕出的空间内。
当使用者的手指放置于保护层31的指纹接触面31a上时，有机发光二极管显示层321或其他光源(未绘示)可向手指发出感测光线。感测光线在手指被反射后依序通过保护层31、发光层32、光学层33的第一阵列透镜3310、光圈3300、第二阵列透镜3320与第三阵列透镜3330，最后由准直层34导向为正向光线，以射向设置在底座上的影像感测元件35。正向光线成像于影像感测元件35的成像面35a上，影像感测元件35将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_3的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
上述各透镜的非球面的曲线方程式表示如下：
Figure BDA0002760272820000161
X：非球面与光轴的交点至非球面上距离光轴为Y的点平行于光轴的位移；
Y：非球面曲线上的点与光轴的垂直距离；
R：曲率半径；
k：锥面系数；以及
Ai：第i阶非球面系数。
第二实施例的光学指纹辨识系统30中，光学指纹辨识系统30的焦距为f，光学指纹辨识系统30的光圈值(F-number)为Fno，光学指纹辨识系统30中最大视角的一半为HFOV，其数值如下：f＝0.86毫米(mm)，Fno＝1.65，HFOV＝14.95度(deg.)。
光学指纹辨识系统30中成像单元UNIT_3的总数为N，其满足下列条件：N＝324。
光学指纹辨识系统30中成像单元UNIT_3所形成的阵列行数为m，光学指纹辨识系统30中成像单元UNIT_3所形成的阵列列数为n(即成像单元UNIT_3形成m×n的阵列)，其满足下列条件：m＝18；以及n＝18。
指纹接触面31a至第一阵列透镜3310的上表面3311于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜3310的上表面3311至成像面35a于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：OL+TL＝2.0[毫米]。在本实施例中，定义OL与TL参数时所涉及的第一阵列透镜3310的上表面3311是指第一阵列透镜上表面3311最靠近发光层32的区域。
成像单元UNIT_3所对应的物高为YOB，成像单元UNIT_3所对应的像高为YRI，其满足下列条件：|YOB/YRI|＝1.0。
指纹接触面31a至第一阵列透镜3310的上表面3311于光轴上的距离为OL，第一阵列透镜3310的上表面3311至成像面35a于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：OL/TL＝3.59。
第一阵列透镜3310的上表面3311至成像面35a于光轴上的距离为TL，成像单元UNIT_3所对应的像高为YRI，其满足下列条件：TL/YRI＝1.57。
光学层33所有阵列透镜中的阿贝数最小值为Vmin，其满足下列条件：Vmin＝23.7。在本实施例中，在第一阵列透镜3310至第三阵列透镜3330当中，第二阵列透镜3320的阿贝数小于其余透镜的阿贝数，因此Vmin等于第二阵列透镜3320的阿贝数。
第一阵列透镜3310的阿贝数为V1，第二阵列透镜3320的阿贝数为V2，第三阵列透镜3330的阿贝数为V3，其满足下列条件：V1+V2+V3＝96.9。
影像感测元件35于最大成像高度位置的主光线入射角度为CRA，其满足下列条件：CRA＝30.0[度]。其中，最大成像高度是指影像感测元件35的有效感测区域对角线总长的一半。
在本实施例中，光学层33还包含滤光涂层(未绘示)，且滤光涂层涂覆于光学层33的第一阵列透镜3310至第三阵列透镜3330当中至少一透镜表面上，并不影响光学指纹辨识系统30的焦距。其中，波段介于500至570纳米之间的光线通过滤光涂层的平均穿透率为AvgT500，波段介于300至400纳米之间的光线通过滤光涂层的平均穿透率为AvgT300，波段介于600至700纳米之间的光线通过滤光涂层的平均穿透率为AvgT600，其满足下列条件：AvgT500＝97.77％；AvgT300＝0.06％；以及AvgT600＝0.97％。
请配合参照下列表一以及表二。
Figure BDA0002760272820000171
Figure BDA0002760272820000181
Figure BDA0002760272820000182
表一为图4第二实施例详细的结构数据，其中曲率半径、厚度及焦距的单位为毫米(mm)，且表面0到12依序表示由物侧至像侧的表面。表二为第二实施例中的非球面数据，其中，k为非球面曲线方程式中的锥面系数，A4到A14则表示各表面第4到14阶非球面系数。此外，以下各实施例表格乃对应各实施例的示意图与像差曲线图，表格中数据的定义皆与第二实施例的表一及表二的定义相同，在此不加以赘述。
<第三实施例>
请参照图6，绘示依照本发明第三实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层43、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图6中。此外，图6中所示的影像感测元件35与成像面35a分别相同于第二实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
光学层43包含第一阵列层(未另标号)、第二阵列层(未另标号)以及第三阵列层(未另标号)。第一阵列层在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层的上方。第二阵列层在迭层方向Z上堆叠于第三阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜4310，第二阵列层包含多个第二阵列透镜4320，且第三阵列层包含多个第三阵列透镜4330。第一阵列透镜4310、第二阵列透镜4320与第三阵列透镜4330皆在第一方向X上等距离地排列，然为附图简洁，图6仅绘示一个第一阵列透镜4310、一个第二阵列透镜4320与一个第三阵列透镜4330。
光学层43中相互对应的一个第一阵列透镜4310、一个第二阵列透镜4320与一个第三阵列透镜4330形成一成像单元UNIT_4。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜4310、一个第二阵列透镜4320与及一个第三阵列透镜4330，是指所述一个第一阵列透镜4310、所述一个第二阵列透镜4320与所述一个第三阵列透镜4330各自在底座上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜4310、所述一个第二阵列透镜4320与所述一个第三阵列透镜4330在迭层方向Z上彼此对正。
第一阵列透镜4310具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面4311于近光轴处为凸面，其下表面4312于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面。
第二阵列透镜4320具有负屈折力，且为玻璃材质，其上表面4321于近光轴处为凸面，其下表面4322于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面4321具有至少一反曲点，其下表面4322具有至少一反曲点，且其上表面4321于离轴处具有至少一临界点。
第三阵列透镜4330具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面4331于近光轴处为凸面，其下表面4332于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，且其下表面4332具有至少一反曲点。
光学层43还包含光阑遮光层(未另标号)，且光阑遮光层包含遮光元件层4362。遮光元件层4362在迭层方向Z上设置于第一阵列层与第二阵列层之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜4320与第三阵列透镜4330，遮光元件层4362在第一阵列透镜4310与第二阵列透镜4320之间具有与第二阵列透镜4320对正的开孔。遮光元件层4362于每一个开孔的周边区块皆可视为设置在第一阵列透镜4310与第二阵列透镜4320之间的光圈4300。
光学层43还包含滤光元件4380，且滤光元件4380的材质为玻璃。滤光元件4380位于光学层43的第三阵列透镜4330及影像感测元件35之间，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。
当使用者的手指放置于保护层的指纹接触面上时，发光层的有机发光二极管显示层或其他光源(未绘示)可向手指发出感测光线。感测光线在手指被反射后依序通过保护层、发光层、光学层43的第一阵列透镜4310、光圈4300、第二阵列透镜4320、第三阵列透镜4330与滤光元件4380，最后射向设置在底座上的影像感测元件35，以成像于影像感测元件35的成像面35a上，影像感测元件35将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_4的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
请配合参照下列表三以及表四。
Figure BDA0002760272820000201
Figure BDA0002760272820000202
Figure BDA0002760272820000211
第三实施例中，非球面的曲线方程式表示如第二实施例的形式。此外，下表所述的定义皆与第二实施例相同，在此不加以赘述。
Figure BDA0002760272820000212
<第四实施例>
请参照图7，绘示依照本发明第四实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层53、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图7中。此外，图7中所示的影像感测元件35与成像面35a分别相同于第二实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
光学层53包含第一阵列层(未另标号)以及第二阵列层(未另标号)。第一阵列层在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜5310，且第二阵列层包含多个第二阵列透镜5320。第一阵列透镜5310与第二阵列透镜5320皆在第一方向X上等距离地排列，然为附图简洁，图7仅绘示一个第一阵列透镜5310与一个第二阵列透镜5320。
光学层53中相互对应的一个第一阵列透镜5310与一个第二阵列透镜5320形成一成像单元UNIT_5。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜5310与一个第二阵列透镜5320，是指所述一个第一阵列透镜5310与所述一个第二阵列透镜5320各自在底座上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜5310与所述一个第二阵列透镜5320在迭层方向Z上彼此对正。
第一阵列透镜5310具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面5311于近光轴处为凸面，其下表面5312于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面5311具有至少一反曲点，其下表面5312具有至少一反曲点，且其下表面5312于离轴处具有至少一临界点。
第二阵列透镜5320具有负屈折力，且为玻璃材质，其上表面5321于近光轴处为凸面，其下表面5322于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面5321具有至少一反曲点，其下表面5322具有至少一反曲点，且其上表面5321于离轴处具有至少一临界点。
光学层53还包含光阑遮光层(未另标号)，且光阑遮光层包含遮光元件层5362。遮光元件层5362在迭层方向Z上设置于第一阵列层与第二阵列层之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜5320，遮光元件层5362在第一阵列透镜5310与第二阵列透镜5320之间具有与第二阵列透镜5320对正的开孔。遮光元件层5362于每一个开孔的周边区块皆可视为设置在第一阵列透镜5310与第二阵列透镜5320之间的光圈5300。
光学层53还包含滤光元件5380，且滤光元件5380的材质为玻璃。滤光元件5380位于光学层53的第二阵列透镜5320及影像感测元件35之间，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。
当使用者的手指放置于保护层的指纹接触面上时，发光层的有机发光二极管显示层或其他光源(未绘示)可向手指发出感测光线。感测光线在手指被反射后依序通过保护层、发光层、光学层53的第一阵列透镜5310、光圈5300、第二阵列透镜5320与滤光元件5380，最后射向设置在底座上的影像感测元件35，以成像于影像感测元件35的成像面35a上，影像感测元件35将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_5的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
请配合参照下列表五以及表六。
Figure BDA0002760272820000231
Figure BDA0002760272820000232
第四实施例中，非球面的曲线方程式表示如第二实施例的形式。此外，下表所述的定义皆与第二实施例相同，在此不加以赘述。
Figure BDA0002760272820000233
<第五实施例>
请参照图8，绘示依照本发明第五实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层63、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图8中。此外，图8中所示的影像感测元件35与成像面35a分别相同于第二实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
光学层63包含第一阵列层(未另标号)以及第二阵列层(未另标号)。第一阵列层在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜6310，且第二阵列层包含多个第二阵列透镜6320。第一阵列透镜6310与第二阵列透镜6320皆在第一方向X上等距离地排列，然为附图简洁，图8仅绘示一个第一阵列透镜6310与一个第二阵列透镜6320。
光学层63中相互对应的一个第一阵列透镜6310与一个第二阵列透镜6320形成一成像单元UNIT_6。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜6310与一个第二阵列透镜6320，是指所述一个第一阵列透镜6310与所述一个第二阵列透镜6320各自在底座上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜6310与所述一个第二阵列透镜6320在迭层方向Z上彼此对正。
第一阵列透镜6310具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面6311于近光轴处为凸面，其下表面6312于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，且其上表面6311具有至少一反曲点。
第二阵列透镜6320具有负屈折力，且为玻璃材质，其上表面6321于近光轴处为凸面，其下表面6322于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面6321具有至少一反曲点，其下表面6322具有至少一反曲点，且其上表面6321于离轴处具有至少一临界点。
光学层63还包含光阑遮光层(未另标号)，且光阑遮光层包含遮光元件层6362。遮光元件层6362在迭层方向Z上设置于第一阵列层与第二阵列层之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜6320，遮光元件层6362在第一阵列透镜6310与第二阵列透镜6320之间具有与第二阵列透镜6320对正的开孔。遮光元件层6362于每一个开孔的周边区块皆可视为设置在第一阵列透镜6310与第二阵列透镜6320之间的光圈6300。
光学层63还包含滤光元件6380，且滤光元件6380的材质为玻璃。滤光元件6380位于光学层63的第二阵列透镜6320及影像感测元件35之间，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。
当使用者的手指放置于保护层的指纹接触面上时，发光层的有机发光二极管显示层或其他光源(未绘示)可向手指发出感测光线。感测光线在手指被反射后依序通过保护层、发光层、光学层63的第一阵列透镜6310、光圈6300、第二阵列透镜6320与滤光元件6380，最后射向设置在底座上的影像感测元件35，以成像于影像感测元件35的成像面35a上，影像感测元件35将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_6的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
请配合参照下列表七以及表八。
Figure BDA0002760272820000251
Figure BDA0002760272820000252
Figure BDA0002760272820000261
第五实施例中，非球面的曲线方程式表示如第二实施例的形式。此外，下表所述的定义皆与第二实施例相同，在此不加以赘述。
Figure BDA0002760272820000262
<第六实施例>
请参照图9，绘示依照本发明第六实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层73、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图9中。此外，图9中所示的影像感测元件35与成像面35a分别相同于第二实施例中的对应到相同标号的元件。
光学层73包含第一阵列层(未另标号)以及第二阵列层(未另标号)。第一阵列层在迭层方向Z上堆叠于第二阵列层的上方。第一阵列层包含多个第一阵列透镜7310，且第二阵列层包含多个第二阵列透镜7320。第一阵列透镜7310与第二阵列透镜7320皆在第一方向X上等距离地排列，然为附图简洁，图9仅绘示一个第一阵列透镜7310与一个第二阵列透镜7320。
光学层73中相互对应的一个第一阵列透镜7310与一个第二阵列透镜7320形成一成像单元UNIT_7。此处所谓相互对应的一个第一阵列透镜7310与一个第二阵列透镜7320，是指所述一个第一阵列透镜7310与所述一个第二阵列透镜7320各自在底座上的正投影彼此重叠。也可以说，所述一个第一阵列透镜7310与所述一个第二阵列透镜7320在迭层方向Z上彼此对正。
第一阵列透镜7310具有正屈折力，且为玻璃材质，其上表面7311于近光轴处为凸面，其下表面7312于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面7311具有至少一反曲点，且其下表面7312具有至少一反曲点。
第二阵列透镜7320具有负屈折力，且为玻璃材质，其上表面7321于近光轴处为凸面，其下表面7322于近光轴处为凹面，其两表面皆为非球面，其上表面7321具有至少一反曲点，其下表面7322具有至少一反曲点，且其上表面7321于离轴处具有至少一临界点。
光学层73还包含光阑遮光层(未另标号)，且光阑遮光层包含遮光元件层7362。遮光元件层7362在迭层方向Z上设置于第一阵列层与第二阵列层之间。值得注意的是，为了让光线能顺利通过第二阵列透镜7320，遮光元件层7362在第一阵列透镜7310与第二阵列透镜7320之间具有与第二阵列透镜7320对正的开孔。遮光元件层7362于每一个开孔的周边区块皆可视为设置在第一阵列透镜7310与第二阵列透镜7320之间的光圈7300。
光学层73还包含滤光元件7380，且滤光元件7380的材质为玻璃。滤光元件7380位于光学层73的第二阵列透镜7320及影像感测元件35之间，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。
当使用者的手指放置于保护层的指纹接触面上时，发光层的有机发光二极管显示层或其他光源(未绘示)可向手指发出感测光线。感测光线在手指被反射后依序通过保护层、发光层、光学层73的第一阵列透镜7310、光圈7300、第二阵列透镜7320与滤光元件7380，最后射向设置在底座上的影像感测元件35，以成像于影像感测元件35的成像面35a上，影像感测元件35将光信号转换成电信号后传输给处理器(未绘示)，处理器在汇整通过数个成像单元UNIT_7的光线所产生的电信号后即可进行指纹影像的判读。
请配合参照下列表九以及表十。
Figure BDA0002760272820000271
Figure BDA0002760272820000281
Figure BDA0002760272820000282
第六实施例中，非球面的曲线方程式表示如第二实施例的形式。此外，下表所述的定义皆与第二实施例相同，在此不加以赘述。
Figure BDA0002760272820000283
<第七实施例>
在第二到第六实施例中，是以滤光元件3380、4380、5380、6380、7380来滤除特定波段的光线，但本发明不以此为限。请参照图12，绘示依照本发明第七实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配滤光涂层的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层83、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图12中。此外，图12中所示的影像感测元件35、成像面35a、第一阵列透镜4310、第二阵列透镜4320与遮光元件层4362分别相同于第二实施例或第三实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
在本实施例中，光学层83还包含滤光涂层837。滤光涂层837涂覆于成像单元UNIT_8的第三阵列透镜8330的下表面8332上，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。滤光涂层837可代替前述实施例的滤光元件，以滤除特定波段的光线，可参照上述对应图14中关于光通过滤层的叙述，在此不再赘述。
<第八实施例>
在第七实施例中，是以滤光涂层837来滤除特定波段的光线，但本发明不以此为限。请参照图13，绘示依照本发明第八实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配滤光材质的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层93、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图13中。此外，图13中所示的影像感测元件35、成像面35a、第一阵列透镜4310、第二阵列透镜4320与遮光元件层4362分别相同于第二实施例或第三实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
在本实施例中，成像单元UNIT_9的第三阵列透镜9330包含有滤光材质，并不影响光学指纹辨识系统的焦距。第三阵列透镜9330的滤光材质可代替前述实施例的滤光元件，滤光材质吸收以滤除特定波段的光线，可参照上述对应图14中关于光通过滤层的叙述，在此不再赘述。
<第九实施例>
在第一到第八实施例中，是以格状结构的准直层14、34来导正光线，但本发明不以此为限。请参照图15，绘示依照本发明第九实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配光干涉过滤层与光吸收过滤层的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层43、第一准直层(未绘示)、第二准直层104、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、第一准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图15中。此外，图15中所示的影像感测元件35、成像面35a与光学层43分别相同于第二实施例或第三实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
在本实施例中，第二准直层104是为设置于滤光元件4380上的滤光介质层，且第二准直层104的设置并不影响光学指纹辨识系统的焦距。第二准直层104包含光干涉过滤层1046以及光吸收过滤层1047。光干涉过滤层1046为一般光通过滤层，而光吸收过滤层1047为边通过滤层。由于光干涉过滤层1046会根据入射光角度变化而产生过滤波段平移，且光吸收过滤层1047仅供特定波段的光线通过，光线在经过第二准直层104后即会被导正，以达到准直光线的目的，可参照上述对应图16中关于准直层的叙述，在此不再赘述。
<第十实施例>
在第一到第九实施例中，是以一般透镜来聚光与成像，但本发明不以此为限。请参照图17，绘示依照本发明第十实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配菲涅尔透镜的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层113、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图17中。此外，图17中所示的影像感测元件35、成像面35a、第二阵列透镜5320、遮光元件层5362与滤光元件5380分别相同于第二实施例或第四实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
光学层113更可包含菲涅尔透镜1137。在本实施例中，光学层113与第四实施例的光学层53之间的差异在于，是以菲涅尔透镜1137取代第一阵列透镜5310。借此，以采用厚度较薄的菲涅尔透镜1137，来进一步降低光学指纹辨识系统的高度。此外，光学层113中相互对应的一个菲涅尔透镜1137与一个第二阵列透镜5320形成一成像单元UNIT_11。
<第十一实施例>
在第十实施例中，是以菲涅尔透镜1137来聚光与成像，但本发明不以此为限。请参照图18，绘示依照本发明第十一实施例的光学指纹辨识系统中单一个成像单元与影像感测元件搭配超颖透镜的示意图。
在本实施例中，光学指纹辨识系统(未另标号)在迭层方向Z由上至下依序包含保护层(未绘示)、发光层(未绘示)、光学层123、准直层(未绘示)、影像感测元件35以及底座(未绘示)，其中保护层、发光层、准直层与底座的结构分别类似于第二实施例中的保护层31、发光层32、准直层34与底座的结构，在此不再赘述，且为附图简洁，也不再绘示于图18中。此外，图18中所示的影像感测元件35、成像面35a、第二阵列透镜5320、遮光元件层5362与滤光元件5380分别相同于第二实施例或第四实施例中的对应到相同标号的元件。以下仅就本实施例附图中不同标号的元件作说明。
光学层123更可包含超颖透镜1238。在本实施例中，光学层123与第四实施例的光学层53之间的差异在于，是以超颖透镜1238取代第一阵列透镜5310。借此，以采用厚度较薄的超颖透镜1238，来进一步降低光学指纹辨识系统的高度。此外，光学层123中相互对应的一个超颖透镜1238与一个第二阵列透镜5320形成一成像单元UNIT_12。
本发明在第一实施例中，以光学指纹辨识系统10应用于电子装置1来作为说明，但本发明不以此为限。电子装置1也可改为配置其他实施例的的光学指纹辨识系统。此外，本发明各实施例的光学指纹辨识系统可适用于屏幕下指纹辨识，并兼具优良像差修正与良好成像品质的特色，但不以应用于智能手机为限。举例来说，本发明各实施例的光学指纹辨识系统还可多方面应用于平板计算机、随身影像纪录器与多镜头装置等电子装置中。
虽然本发明以前述的较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所述领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的权利要求所界定的为准。

Claims (30)

1.一种光学指纹辨识系统，其特征在于，包含：
一保护层，所述保护层于上方具有一指纹接触面；
一发光层，设置于所述保护层的下方；
一光学层，设置于所述发光层的下方；
一影像感测元件，设置于所述光学层的下方，且所述影像感测元件具有一成像面；以及
一底座，设置于所述影像感测元件的下方；
其中，所述光学层包含一第一阵列层以及一第二阵列层，且所述第一阵列层堆叠于所述第二阵列层的上方；
其中，所述第一阵列层包含多个第一阵列透镜，所述多个第一阵列透镜在一第一方向上等距离地排列，所述第二阵列层包含多个第二阵列透镜，且所述多个第二阵列透镜在所述第一方向上等距离地排列；
其中，每一所述第一阵列透镜与其相互对应的所述多个第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元；
其中，所述光学指纹辨识系统中多个所述成像单元的总数为N，所述指纹接触面至所述多个第一阵列透镜的一上表面于光轴上的距离为OL，所述多个第一阵列透镜的所述上表面至所述成像面于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：
120<N<900；以及
OL+TL<3.0毫米。
2.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，每一所述成像单元所对应的物高为YOB，每一所述成像单元所对应的像高为YRI，其满足下列条件：
|YOB/YRI|<1.5。
3.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学指纹辨识系统的光圈值为Fno，其满足下列条件：
1.0<Fno<2.2。
4.根据权利要求3所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，每一所述成像单元所对应的像高为YRI，其满足下列条件：
TL/YRI<2.0。
5.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，150<N<650。
6.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述多个第一阵列透镜具有正屈折力，且所述多个第二阵列透镜具有负屈折力。
7.根据权利要求6所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含一第三阵列层，所述第三阵列层堆叠于所述第二阵列层与所述影像感测元件之间，所述第三阵列层包含多个第三阵列透镜，且所述多个第三阵列透镜在所述第一方向上等距离地排列。
8.根据权利要求7所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述多个第三阵列透镜具有正屈折力。
9.根据权利要求7所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，每一所述第一阵列透镜的阿贝数为V1，每一所述第二阵列透镜的阿贝数为V2，每一所述第三阵列透镜的阿贝数为V3，其满足下列条件：
V1+V2+V3<100。
10.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层所有阵列透镜中的阿贝数最小值为Vmin，其满足下列条件：
Vmin<30。
11.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层中至少一阵列透镜在其上表面与其下表面的至少其中一者具有至少一反曲点。
12.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述影像感测元件于最大成像高度位置的主光线入射角度小于45度。
13.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含至少一光阑遮光层，且所述至少一光阑遮光层设置于所述第一阵列层与所述第二阵列层其中一者的上方或下方。
14.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含至少一滤光涂层，且所述至少一滤光涂层设置于所述光学层中至少一阵列透镜的上表面与下表面的至少其中一者；
其中，波段介于500至570纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT500，波段介于300至400纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT300，波段介于600至700纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT600，其满足下列条件：
AvgT500>70％；
AvgT300<30％；以及
AvgT600<30％。
15.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，还包含一准直层，其中所述准直层设置于所述影像感测元件的上方，所述准直层包含多个格状隔墙，且所述多个格状隔墙的内壁为光吸收材质。
16.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，还包含一准直层，其中所述准直层设置于所述影像感测元件的上方，且所述准直层包含一光干涉过滤层以及一光吸收过滤层。
17.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含一超颖透镜或一菲涅尔透镜。
18.根据权利要求1所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述发光层包含有机发光二极管显示层。
19.一种光学指纹辨识系统，其特征在于，包含：
一保护层，所述保护层于上方具有一指纹接触面；
一发光层，设置于所述保护层的下方；
一光学层，设置于所述发光层的下方；
一影像感测元件，设置于所述光学层的下方，且所述影像感测元件具有一成像面；以及
一底座，设置于所述影像感测元件的下方；
其中，所述光学层包含一第一阵列层以及一第二阵列层，且所述第一阵列层堆叠于所述第二阵列层的上方；
其中，所述第一阵列层包含多个第一阵列透镜，所述多个第一阵列透镜在一第一方向上等距离地排列，所述第二阵列层包含多个第二阵列透镜，且所述多个第二阵列透镜在所述第一方向上等距离地排列；
其中，每一所述第一阵列透镜与其相互对应的所述多个第二阵列透镜的其中一者形成一成像单元；
其中，所述指纹接触面至所述多个第一阵列透镜的一上表面于光轴上的距离为OL，所述多个第一阵列透镜的所述上表面至所述成像面于光轴上的距离为TL，每一所述成像单元所对应的物高为YOB，每一所述成像单元所对应的像高为YRI，其满足下列条件：
OL+TL<3.0毫米；
|YOB/YRI|<1.5；以及
2.5<OL/TL。
20.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述指纹接触面至所述多个第一阵列透镜的所述上表面于光轴上的距离为OL，所述多个第一阵列透镜的所述上表面至所述成像面于光轴上的距离为TL，其满足下列条件：
3.5<OL/TL。
21.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学指纹辨识系统的光圈值为Fno，所述多个第一阵列透镜的所述上表面至所述成像面于光轴上的距离为TL，每一所述成像单元所对应的像高为YRI，其满足下列条件：
1.0<Fno<2.2；以及
TL/YRI<2.0。
22.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述多个第一阵列透镜具有正屈折力，且所述多个第二阵列透镜具有负屈折力。
23.根据权利要求22所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含一第三阵列层，所述第三阵列层堆叠于所述第二阵列层与所述影像感测元件之间，所述第三阵列层包含多个第三阵列透镜，且所述多个第三阵列透镜在所述第一方向上等距离地排列。
24.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层所有阵列透镜中的阿贝数最小值为Vmin，其满足下列条件：
Vmin<30。
25.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层中至少一阵列透镜在其上表面与其下表面的至少其中一者具有至少一反曲点。
26.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学层还包含至少一滤光涂层，且所述至少一滤光涂层设置于所述光学层中至少一阵列透镜的上表面与下表面的至少其中一者；
其中，波段介于500至570纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT500，波段介于300至400纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT300，波段介于600至700纳米之间的光线通过所述至少一滤光涂层的平均穿透率为AvgT600，其满足下列条件：
AvgT500>70％；
AvgT300<30％；以及
AvgT600<30％。
27.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，还包含一准直层，其中所述准直层设置于所述影像感测元件的上方，所述准直层包含多个格状隔墙，且所述多个格状隔墙的内壁为光吸收材质。
28.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，还包含一准直层，其中所述准直层设置于所述影像感测元件的上方，且所述准直层包含一光干涉过滤层以及一光吸收过滤层。
29.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述发光层包含有机发光二极管显示层。
30.根据权利要求19所述的光学指纹辨识系统，其特征在于，所述光学指纹辨识系统中所述多个成像单元的总数为N，其满足下列条件：
150<N<650。
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