CN1641682A - 图像检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及图像检测装置，目的在于实现利用指内散射光的方式的指纹传感器的模块化。在插入片(21)上安装发光二极管芯片(30－1～30－3)、光传感器芯片(40)等，在光传感器芯片(40)上安装光导图像引导部件(60)，在发光二极管芯片(30－1～30－3)上安装照明引导部件(80)，它们都由合成树脂铸模部(90)所覆盖且为其所环绕，从而实现一体化。
Description
技术领域
本发明涉及一种图像检测装置，特别是，涉及利用在指尖内部散射、从指尖表面射出的指内散射光的方式，且具有受光元件排成一列的线型光传感器、使指尖滑动而采取指纹的结构的图像检测装置。
背景技术
近年来，从保安的观点来看，在计算机等电子设备、便携式电话等便携式通信设备中，为了进行个人认证，需要具有指纹传感器来作为识别手指指纹的图像检测装置。这里，作为指纹传感器，除了可靠性充分，制造成本低之外，为了安装于便携式通信设备那种小型设备内，要求尺寸尽可能小。
作为图像检测装置之一的光学式指纹传感器，大致被区别为：如图11(A)所示，利用在手指表面反射的光之方式，以及，如图11(B)所示，利用在手指内部散射、从手指表面射出的指内散射光之方式。1是手指尖，2是玻璃板，3是作为照明光源的发光二极管，4是光传感器，10是投射光。11是在手指表面反射的反射光，12是指内散射的光，13是从手指表面射出的指内散射光。利用反射光的方式，随着指尖是湿的状态或干燥状态，所获取的指纹的图象之差异变大，因此，为了获取能够进行指纹认证的质量的图象，需要复杂的图象处理，需要特殊的处理器，从而很难抑制制造成本使其低廉。利用指内散射光的方法，无论手指是湿的状态还是干的状态，都不受其影响，能够获取优良质量的指纹图象，因此，图象处理简单，通常的处理器就够了，能够将制造成本抑制得较低。手指的折射率大约为1.5-1.7。(专利文献1美国专利No.4932776号公报)
上述公报的指纹传感器，虽然是利用指内散射光的方式，但是，第1，由于其结构是光源位置面对光导图象引导部件内接触指尖的面，且与其相距一定距离而配置，第2，由于光传感器芯片是受光元件排列成矩阵状的平面型传感器芯片，光导图象引导部件是其剖面与指尖相对应的大小，所以，尺寸会变大，从而难以安装到像便携式通信设备这种小型设备内。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种解决上述问题的指纹传感器。
因此，为了解决上述问题，本发明的特征在于，构成有：
插入片(interpose)；
照明用发光元件，以使照明光向着指尖被接触的面发光的方式，将其安装于该插入片上；
光传感器芯片，由受光元件排列而构成，安装于该插入片上；
光导图象引导部件，其是光纤片的集合体，安装于该光传感器芯片上，使得与被安装面相反一侧的面位于指尖被接触的面上；以及
合成树脂铸模部，与该插入部成为一体，覆盖所述发光元件和所述光传感器芯片，包围所述光导图象引导部件。
根据本发明，将照明用发光元件和光传感器芯片安装于插入片上，将光导图象引导部件安装于光传感器上，由于发光元件、光传感器芯片、光导图象引导部件借助于合成树脂铸模部而被包围从而成为一体，因此，可使得利用指内散射光之方式的指纹传感器小型化，也可以将指纹传感器安装到便携式电话机等小型设备内。另外，发光元件、光传感器芯片、光导图象引导部件的位置精度变高，从而可以在生产该指纹传感器的情况时，使读取指纹的特性的差异变小，安装到设备上时没有必要进行调整，在这一点上来说，使得安装到指纹传感器设备上的安装简便。由于指纹传感器是一个模块，因此提高了设备的设计自由度。
附图说明
图1是本发明实施例1的指纹传感器的立体图。
图2是图1的指纹传感器的俯视图。
图3是沿着图2(A)中的III-III之剖面图。
图4在放大图示了构成光导图象引导部件的光纤片的同时，还图示了光纤片内的光之反射、折射。
图5图示了图1的指纹传感器的制造工序。
图6图示了图5中的树脂成形工序。
图7图示了光导图象引导部件的制造工序。
图8图示了图1的指纹传感器安装到设备上的状态以及指纹採取状态。
图9图示了指纹採取状态中，从指尖入射到光导图象引导部件上的光的全反射以及折射的状态。
图10是本发明实施例2的指纹传感器的剖面图。
图11是用于说明指纹传感器的方式的图。
具体实施方式
接下来，就本发明的实施例进行说明。
图1到图3显示了本发明实施例1的指纹传感器20。图1(A)是立体图，图2(A)是俯视图，图3是沿着图2(A)中的III-III线的剖面图。图1(A)是为了容易理解指纹传感器20内部的结构而透视内部。X1-X2是纵向方向，Y1-Y2是宽度方向，Z1-Z2是厚度方向。
指纹传感器20，是利用指内散射光的方式且使手指滑动採取指纹的结构，其具有以下结构：在插入片21上安装发光二极管芯片30-1～30-3、光传感器芯片40、电容器芯片50、电阻元件、晶体管等，在光传感器芯片40上安装光导图象引导部件60，在发光二极管芯片30-1～30-3上安装照明引导部件80，发光二极管芯片30-1～30-3、光传感器芯片40、电容器芯片50、电阻元件、晶体管、光导图象引导部件60、照明引导部件80由合成树脂铸模部90所覆盖并被包围，从而成为一体。指纹传感器20具有长度L1约17mm，宽度W1约5mm，高度H1约为3mm的尺寸，是小型器件。
该指纹传感器20是这样一种结构：如图9所示，在指尖1接触到光导图象引导部件60上面时，由于手指中形成指纹的表面的凹凸中，凸的部分1a紧贴在光导图象引导部件60的上面，而凹的部分1b没有贴在光导图象引导部件60上面，因此，该部分与光导图象引导部件60的上面之间形成了空气层15，指内散射光12中从凹的部分射出的光13b，在光导图象引导部件60内没有被全反射而是被吸收，从而没有到达光传感器芯片40的受光元件42上，从凸的部分射出的光，在光导图象引导部件60内被全反射，从而到达光传感器芯片40的受光元件42上，在从光导图象引导部件60的出射面一侧看去的情况下，可看到手指表面中只有凸的部分是明亮的，而凹的部分暗，通过在指尖1在Y2方向上滑动时，处理来自于光传感器芯片40的电信号，从而识别出手指指纹的图案。
参照图1到图3，插入片21是在X1-X2上为长的长方形的印刷基板。
光传感器芯片40是在细长的例如是由硅材料制成的基板41上，可多达256个的接收元件42沿着基板41的纵向方向排成一列而形成的一种结构。受光元件42例如具有约40μm四角形的尺寸，例如是以43μm的间距排列在一起，例如是600点/英寸，个数例如是256个。光传感器芯片40，安装于插入片21中的Y1一侧，受光元件42在X1-X2方向上排列成一列。
这里，为了方便说明，以受光元件42的排列方向为基准，规定相互正交的3个面。在图1(B)中，200是X-Z面，是受光元件排列方向的垂直面，称为“受光元件排列方向垂直面”。201是X-Y面，是水平面。202是Y-Z面，是与受光元件排列方向成直角方向的垂直面，称为“受光元件排列直角方向垂直面”。
基板41上的端子和插入片21上的端子之间，利用引线接合之引线43来连接。
3个发光二极管芯片30-1～30-3安装于插入片21中的Y2一侧，在X1-X2方向排成一排。受光元件42和发光二极管芯片30-1～30-3，在Y1-Y2方向上毗邻，在X1-X2方向上排成一排。发光二极管芯片30-1～30-3发出波长例如是900-1000nm的红外光。发光二极管芯片30-1～30-3发出的光也可以是波长大于等于600nm的红色光。也可以使用铸模部件的发光二极管来代替发光二极管芯片30-1～30-3。
光导图象引导部件60具有如下作用，吸收是指内散射光以外的光而从空气中入射的光，以及吸收虽是指内散射光但经由空气层入射的指内散射光，将从指尖的表面没有经过空气层而直接入射的指内散射光引导到受光元件42。之所以使从空气中入射的光以及虽是指内散射光，但经由空气层入射的指内散射光不到达受光元件42，是由于这些光构成杂波。该光导图象引导部件60，如图1(B)所示，是由无数光纤片70密集排列而成的光纤片的束，作为整体，在X1-X2方向上具有长的直方体形状，具有长度L2约15mm、宽度W2约1mm、高度H2约2mm的尺寸。61是上面，62是下面。光导图象引导部件60如后所述，是经由图7所示的工序制造出的。
各光纤片70，位于受光元件排列方向垂直面200内，相对于Z轴，向X2方向倾斜角度θ1，并紧密排列在X1-X2方向以及Y1-Y2方向上。光纤片70也可以相对于Z轴向X1方向倾斜。正如合并显示于图4(A)内那样，各光纤片61是这样一种结构：在中心具有纤芯71，在纤芯71周围具有敷层72，另外，在敷层72的周围具有吸收光的光吸收层73，具有：手指接触，光入射的入射面75；以及，光出射的出射面76。纤芯71的折射率n1例如是1.62，敷层72的折射率n2例如是1.52。入射面75以及出射面76是X1-X2方向为长轴的椭圆形。74是纤芯71和敷层72之间的分界面。入射面75和出射面76都是水平面。各光纤片70的入射面75集中在一起，形成光导图象引导部件60的上面61，各光纤片70的出射面76集中在一起，形成光导图象引导部件60的下面62。光纤片70的入射面75相对于光纤片70的光轴77的角度(等于上述角度θ1)，是按如下方式确定的。即，第1，如图4(B)所示，确定为：来自于空气中，通过入射面75入射到纤芯71内的光，不在分界面74上全反射。即，确定为：无论是从相对于入射面75接近垂直的方向在入射面75上发生折射而入射到纤芯71内的光90，还是从与入射面75大致平行的方向入射到入射面75、并在这里发生折射而入射到纤芯71内的光91，都是在分界面74上不是全反射而是折射的进入敷层72内，从而到达光吸收层73并在这里被吸收。第2，由于手指的光学折射率n为1.5-1.7左右，因此，如图4(c)所示，确定为：从指尖内部出去，不经过空气层而通过入射面75入射到纤芯71内的指内散射光中的一部分光95，以比后述的临界角θ2还要大的角度θ6入射到分界面74上从而被全反射。在分界面74上被全反射的光，到达出射面76，并从这里出射。
其中，在纤芯71的折射率n1为1.62、敷层72的折射率n2为1.52的情况下，光学计算出上述角度θ1。在图4(A)中，θ2是纤芯71和敷层72的分界面中的临界角。角度θ4是图4(A)中从右侧在空气中略呈水平地进入到入射面75的光在入射面75上折射，而入射到纤芯71内的光的折射角度。角度θ3、θ4、θ5、θ1存在以下关系：θ3＝90-θ2，θ5＝θ3+θ4、θ1＝90-θ5。
临界角θ2为θ2＝sin-1(1.52/1.62)70，角度θ4为θ4＝sin-1(1/1.62)38。θ3为20度，θ5为58度，θ1约为32度。
因此，理论上，角度θ1必须小于32度。但是，本实施例中，角度θ1约为40度。这是由于，即便上述角度θ1为大于32度的角度，例如约为40度，也可以显示对比度良好的手指的指纹图像，这也已被实验所确证。可以认为，其道理在于：纤芯71和敷层72的边界变为分层次(grandation)的状态，在该部分内引起了漫反射。本发明中角度θ1并不仅限于40度，通过试验确认即便是48度左右实际应用中也没有问题。上述角度θ1例如可以是38-48度的范围。
光纤片70的角度θ1越是锐角，则光导图像引导部件60的安装就越困难。但是，上述角度θ1约为40度，光导图像引导部件60的安装不困难。光纤片70的角度θ1和光导图像引导部件60的长度L2存在以下关系：如果角度θ1变大则长度L2变短。将角度θ1设定为比32度更大的40度，使得光导图像引导部件60的长度L2变短，最终，使指纹传感器20的长度L1变短。由于各光纤片70如上所述位于受光元件排列方向垂直面200内，并相对于Z轴向X1或X2方向倾斜，因此，光导图像引导部件60其宽度W2缩短约为1mm，由此，最终，指纹传感器20的宽度W1变短。
光纤片70和受光元件42的大小之关系，如图2(B)所示，在Y1-Y2方向上毗邻的2条光纤片70的出射面76相对同一个受光元件42呈对称的关系。
光导图像引导部件60，借助于光学用粘接剂的粘接层100而粘接到光传感器芯片40上。粘接层100，特意作得较通常的厚，具有约50μm的厚度t。其中，使用具有硬化状态程度的弹性之粘接剂诸如是硅粘接剂，来作为光学用粘接剂。例如，即便是环氧类粘接剂，只要在硬化后具有某种程度的弹性，则也可以使用。粘接层100，如后所述，当光导图像引导部件60的上面接触到上金属铸模111时就被压缩，从而吸收冲击，缓和对光传感器芯片40的冲击。粘接层100也具有吸收将指纹传感器20安装到设备内而被使用期间所受到的热应力的作用。
照明引导部件80，具有将发光二极管芯片30-1～30-3发出的红外光引导到指纹传感器20上面的作用，该照明引导部件80，例如是丙烯基、聚碳酸酯、或有机玻璃树脂等制的树脂成形部件，其对上述红外光的光波长而言光透过性良好，其具有在X1-X2方向上长，在两端有脚部81、82的形状。
照明引导部件80配置为跨在发光二极管芯片30-1～30-3的上侧，脚部81、81抵接在插入片21上，从而决定了高度的位置，并利用透明粘接层101而粘接于发光二极管芯片30-1～30-3的上面。
合成树脂铸模部90是环氧树脂制品，与插入片21成为一体，且，其覆盖发光二极管30-1～30-3、光传感器芯片40、电容器芯片50、电阻元件、晶体管，且，其包围光导图像引导部件60、包围了照明引导部件80。因此，利用合成树脂铸模部90，使得插入片21、发光二极管30-1～30-3、光传感器芯片40、电容器芯片50、电阻元件、晶体管、光导图像引导部件60、照明引导部件80一体化。
光导图像引导部件60的上面61，以及照明引导部件80的上面83，露出于指纹传感器20的上面21。
合成树脂铸模部90的上面的周围部分，具有锥台形倾斜面91。之所以是这样，是要使得对滑动的手指承接变得柔润。
在指纹传感器20的下面一侧的周围，形成凸缘部22。这是为了便于精度良好地将其安装于设备内。从凸缘部20b的上面到指纹传感器20的上面20a之高度尺寸H3，如后所述，是由树脂成形金属铸模决定的，精度良好地决定。
图5(A)到(H)表示上述指纹传感器20的制造工序。
首先，如图5(A)所示，在插入片21上安装发光二极管芯片30-1～30-3、电容器芯片50、电阻元件、晶体管，接下来，如图5(B)所示，执行回熔(reflow)，将它们安装于插入片21上。接下来，如图5(C)所示，将光传感器芯片40安装于插入片21上，接着，如图5(D)所示，执行引线接合，使引线43伸展在光传感器芯片40和插入片21之间。接下来，如图5(E)所示，利用对于照明光波长具有良好透光性的粘接剂，将光导图像引导部件60粘接在光传感器芯片40上，接下来，如图5(F)所示，利用对照明光波长具有好的透光性的粘接剂，将照明引导部件80粘接到发光二极管30-1～30-3芯片上。照明引导部件70，通过使两侧的脚部81、82抵接到插入片21上，即可不受发光二极管芯片30-1～30-3安装差异影响的，被确定高度位置。
接下来，如图6所示，将其放置于下金属铸模105内，将下金属铸模105接到上金属铸模106上，之后，将树脂注入到金属铸模内，从而形成合成树脂铸模部90。此时，通过具有某种程度的弹性之粘接层100受到压缩，可以吸收光导图像引导部件60的上面61接触到上金属铸模106的内面时之冲击，从而缓解了对于光传感器40的冲击。另外，利用下金属铸模105和上金属铸模106，来决定光导图像引导部件60的上面61的高度位置。实际上，插入部21存在于多个插入片部分排列在一起集合而成的集合基板的状态下，合成树脂铸模部90如图5(G)所示，是相对于集合基板而形成的。最后，如图5(H)所示进行分割以执行单片化，从而得到了指纹传感器20。在规定工序中，适当执行退火处理，以便不残留应力。
也可以使用安装夹具决定光导图像引导部件60的高度，并将光导图像引导部件60粘接在光传感器芯片40上。在这种情况下，使用的以氨基丙烯酸酯(ゥレタンァクリレ-ト)为主要成份的光学用粘接剂，是在可见光的照射下固化的粘接剂。该粘接剂，固化前的粘度为11.2Pa·s，固化后状态下的物理特性是：硬度为D44、线膨胀率为175×10-6/℃，延伸剪切粘接强度为2.1MPa。
上述光导图像引导部件60，如图7所示，是通过以下工序得到的：对粗材料进行拉丝、使其成束，并多次反复执行拉丝作业，从而得到由无数的极细的光纤构成的束110，斜着切断该光纤束来执行切片，以得到倾斜的无数光纤片之束即板111，之后对该板111执行适当的切割。
接下来，就将上述指纹传感器20安装到便携式电话机上的安装状态以及其使用状态进行说明。
指纹传感器20如图8所示，安装在便携式电话机的外壳120的切口121部分是利用凸缘部20b来决定位置，使上面20a露出到外壳120的表面且利用密封部件130来保证防水性。利用了凸缘部20b来决定位置，且由于高度尺寸H3的精度优良，因此，指纹传感器20的上面20a相对于便携式电话机的外壳110的外面112的位置精度高。
在採取指纹的情况下，如该图8中所示，将指尖1按压接触到指纹传感器20的上面20a上，在Y2方向上执行滑动操作。发光二极管芯片30-1～30-3发光，光10透过粘接层101、照明引导部件70，从指纹传感器20的上面出来，进入指尖1内，由于指尖1内的组织而发生散射，使指尖1变明亮。
如图9中放大所示，从指尖1中与指纹传感器20接触部分的表面发出的指内散射光中的、从凹部分1b射出的光13b在光导图像引导部件60内被吸收，不能到达光传感器芯片40，从凸的部分1a出来的光13a在光导图像引导部件60内全反射，从而到达光传感器芯片40的受光元件42，处理来自光传感器芯片40的信息，从而得到指尖1中接触光导图像引导部件60之部分的线状指纹信息。通过滑动指尖1，指尖1中接触到光导图像引导部件60之部分移向指尖一侧，合并各时刻得到的线状指纹信息，得到指尖1的面状的指纹信息。
由于指纹传感器20的上面的周围部是锥台形的倾斜面91，因此，没有指尖挂在指纹传感器20的上面端部分的感觉，从而使指尖可以圆滑地滑动。
图10表示根据本发明实施例2的指纹传感器20A。合成树脂铸模部90A对于照明光波长具有良好的透光性，没有设置照明引导部件70，而是将遮光部件150粘接于光导图像引导部件60的发光二极管芯片30-1～30-3一侧的侧面上。
利用本发明的合成树脂铸模部90、90A来执行一体化的技术思想，也可以应用于这种场合：光传感器芯片为受光元件呈矩阵状排列的平面型光传感器芯片、而光导图像引导部件具有其剖面与指尖相对应之大小。
如图8所示，例如组装在小型便携式电话机内，使从其外壳的切口处露出。
Claims (7)
1.一种图像检测装置，其特征在于，其结构具有：
插入片；
照明用发光元件，以使照明光向着指尖被接触的面发光的方式，将其安装于所述插入片上；
光传感器芯片，由受光元件排成一排而构成，安装于所述插入片上；
光导图象引导部件，其为光纤片的集合体，安装于所述光传感器芯片上，使得与被安装面相反一侧的面位于指尖被接触的面上；以及
合成树脂铸模部，其形成为与所述插入部成为一体，覆盖所述发光元件和所述光传感器芯片，包围所述光导图象引导部件。
2.如权利要求1所述的图像检测装置，其特征在于：
所述合成树脂铸模部具有遮光性，
在所述发光元件上，配置将照明光引导到指尖被接触的面上的对于该照明光之波长有良好透光性的照明引导部件。
3.如权利要求1所述的图像检测装置，其特征在于，
所述合成树脂铸模部，对于所述照明光的波长具有透光性；
所述光导图像引导部件的上述发光元件一侧的侧面上配置有遮光部件。
4.如权利要求1所述的图像检测装置，其特征在于，所述光导图像引导部件，利用具有弹性的粘接层，而粘接在所述光传感器芯片上。
5.如权利要求1所述的图像检测装置，其特征在于，在所述插入片一侧的周围具有凸缘部。
6.如权利要求1所述的图像检测装置，其特征在于：
所述光传感器芯片是发光元件排列于直线上的结构，
所述发光元件，沿着所述光传感器芯片的发光元件的排列方向来配置。
7.如权利要求6所述的图像检测装置，其特征在于，
所述合成树脂铸模部，在指尖被接触的面的周围具有倾斜面。
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