CN215867958U - 生物特征感测装置 - Google Patents
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Abstract
一种生物特征感测装置，该装置至少包含：一数字发光模块；以及一感测模块，设置于数字发光模块的下方，其中于一第一模式下，数字发光模块局部发出入射光且局部不发出与入射光具有相同波长的光，以提供一缺陷光场来照射数字发光模块上方的一物体，物体反应入射光所产生的光通过数字发光模块被感测模块接收。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种生物特征感测装置，且特别是有关于利用缺陷光场来执行生物特征感测的装置。
背景技术
现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等等)通常配备有使用者生物识别系统，包括了例如指纹、脸型、虹膜等等不同技术，用以保护个人数据安全，其中例如应用于手机或智慧型手表等携带型装置，也兼具有行动支付的功能，对于使用者生物识别更是变成一种标准的功能，而手机等携带型装置的发展更是朝向全屏幕(或超窄边框)的趋势，使得传统电容式指纹按键无法再被继续使用，进而演进出新的微小化光学成像装置(有的非常类似传统的相机模块，具有互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(简称CIS))感测元件及光学镜头模块)。将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，透过屏幕部分透光(特别是有机发光二极体(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以撷取按压于屏幕上方的物体的图像，特别是指纹图像，可以称为屏幕下指纹感测(Fingerprint On Display，FOD)。
屏幕下指纹感测除了要能正确地感测到指纹以外，也需要判断手指的真伪，以防止某人利用伪造另一人的指纹之假指纹或假手指来假冒另一人而通过认证。目前的仿冒技术也越来越精进，譬如可以利用2D影像或3D列印制作一个模具，再利用此模具填入各种不同的硅胶和色素制成假手指，或者也可以将另一人的指纹复制成透明或肤色薄膜附加到手指表面，使得附加有透明薄膜的假手指难以被辨别出。这种假手指辨识技术在屏幕下指纹感测时特别需要注意，因为显示屏幕可能会遮蔽部分手指的特征而影响辨识结果。
鉴于以上说明，对于判断真实手指的机构及方法，着实有更进一步的改良需求，以防止假手指通过指纹感测。
实用新型内容
因此，本实用新型的一个目的是提供一种生物特征感测装置，利用数字发光模块的不同区域所提供的具有缺陷的入射光场，感测物体对于入射光的散射、反射及/或导光特性等等光学反应，以获得辨识物体真伪的数据。
为达上述目的，本实用新型提供一种生物特征感测装置，至少包含：一数字发光模块；以及一感测模块，设置于数字发光模块的下方，其中于一第一模式下，数字发光模块局部发出入射光且局部不发出与入射光具有相同波长的光，以提供一缺陷光场来照射数字发光模块上方的一物体，物体反应入射光所产生的的光通过数字发光模块被感测模块接收。
通过上述的实施例，可以利用具有缺陷的入射光场的入射光，检测物体对于入射光的光学反应，作为光谱特性及/或真伪判断的依据。
为让本实用新型的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1显示依据本实用新型第一实施例的生物特征感测装置的示意图。
图2显示可应用于图1的数字发光模块的示意图。
图3显示数字发光模块的发光状态的俯视图。
图4显示真伪手指的感测结果的示意图。
图5显示数字发光模块的发光状态的另一例的俯视图。
图6显示数字发光模块的发光状态的又另一例的俯视图。
图7显示物体当作波导及造成散射光的示意图。
图8A至图8C显示三种不同的散射光的图案的示意图。
附图标号：
C1,C2,C3:强度曲线
d:径向尺寸
ED:曲线
F:物体
F1:表皮层
F2:真皮层
HG:曲线
L1:入射光
L2:入射点待测光
L3:散射光
L4:镜面反射光
L6:扩散待测光
P1:入射点
P2:位置
10:数字发光模块
11:发光单元
12:第一区
12A:内圈带
12B:外圈带
12C:第一中圈带
14:第二区
14B:第二中圈带
14C:第三中圈带
14D,14E:几何区域
20:感测模块
21:感测芯片
22:感测像素
23:入射点感测区
24:扩散感测区
25:光机模块
30:处理器
100:生物特征感测装置
具体实施方式
本实用新型主要是利用缺陷光场来执行生物特征感测，缺陷光场由发光模块的第一区及第二区所提供，其中第一区的光的波长与第二区的光的波长不同，或第一区发光而第二区不发光，也就是第一区发出特定光，而第二区不发出特定光。利用缺陷光场打在不同物体上所产生的散射、反射、吸收及/或传导的不同情形，通过物体的材料与光谱的反射、散射、吸收及/或传导的交互作用来获得物体的光谱性质，甚至可以进一步判断该物体的真伪。配合控制发出特定光的区域及不发出特定光的区域来提供缺陷光场(亦称非均匀光场)，可以感测到经过反射、散射、吸收及/或二次出射光场而获得光谱感测结果，其中二次出射光场被定义成缺陷光场进入物体后再次穿透该物体的光场，故包含了入射光场前进一段距离后所产生的光场。依据此光谱感测结果可以判断物体的材料光谱特性，在应用上可以包含例如做为生物识别的防伪功能，但是当然不限定于此。
图1显示依据本实用新型第一实施例的生物特征感测装置的示意图，其中发光单元11发出的光线打在物体F(特别是距离近的物体)上而产生散射、反射、吸收及/或传导的情形。以下以手指当作物体F作为例子说明，但并非将本实用新型限制于此。如图1所示，当发光单元11的入射光L1打在譬如手指上的入射点P1时，手指反应入射光L1而输出反应待测光，其包含入射点待测光L2及扩散待测光L6，而入射点待测光L2包含分别被皮肤散射(scatter)及镜面反射(specular reflection)的散射光L3及镜面反射光L4。另外，会有部分光穿透皮肤而进入手指中，也会在手指内部有多重的散射及反射，因此衍生了类似光的等向性或非等向性扩散前进，就像是从入射点P1向外扩散，再因上述各种效应使光由远离入射点P1的皮肤表面的位置P2穿透出射，可以称之为扩散待测光L6。当然，扩散待测光也会带有散射的光，只是为了简化起见，在此加总而成扩散待测光L6解释之。扩散待测光L6的强度是随着远离入射点P1的距离而变小，因为不同的手指有不同的表面粗糙度或光线吸收及穿透特性，所以入射点待测光L2及扩散待测光L6可以反应手指的材料特性，甚至更进一步判断手指的真伪。当然这里的图所显示的光L2/L6仅为了做简要的描述，实际上在短的光扩散距离内，入射点待测光会包含部分扩散待测光的成分，这是因为扩散待测光从入射点P1开始往外，是属于连续性出射分布的。
图2显示可应用于图1的数字发光模块的示意图。如图2与图1所示，为了量测上述反应待测光，可以设计一种生物特征感测装置100，至少包含一数字发光模块10、一感测模块20及一可选的处理器30。图1的发光单元11可以组成数字发光模块10，以提供单光谱或多光谱的光源。可选的处理器30表示处理器30可以是内建于生物特征感测装置100中的元件，也可以是外接于生物特征感测装置100的元件。
数字发光模块10用于发出可控制亮度、光谱及图案的光源，可以被控制成具有至少两个区域，例如是第一区12与第二区14。于一例子中，数字发光模块10可以为OLED屏幕、微型发光二极体(Micro LED,μLED)屏幕或其他现在或未来的可以提供数字光源的屏幕，并具有多个发光单元11，其中第一区12包含点亮的发光单元LS，形成亮区；而第二区14包含不点亮的发光单元LS，形成暗区。于另一例子中，第一区12与第二区14发出不同波长的光线，这时感测模块也可以搭配不同的波长滤波器来鉴别不同波长的光线。
感测模块20设置于数字发光模块10的下方，例如可在显示屏下方，用于感测数字发光模块10上方的物体F的生物特征。于本例中，感测模块20可以为一指纹感测器，其可以是薄型、透镜型或OLED或μLED等等屏内光学指纹感测器。当然，于另一例中，感测模块20可以感测手指的血管图像、血氧浓度图像等生物特征。可以理解的，感测模块20可以包含一感测芯片21及一光机模块25，光机模块25设置于感测芯片21上方，感测芯片21具有排列成阵列的多个感测像素22，其中一部分的感测像素22构成一入射点感测区23用以感测入射点待测光L2，而另一部分的感测像素22构成一扩散感测区24来感测扩散待测光L6。本领域技术人员可知，入射点感测区23可能会接收些许扩散待测光L6的成分，而此并不脱离本实用新型的技术。光机模块25可以是透镜型光学引擎、准直器型光学引擎等等。入射点待测光L2由于距离入射点感测区23近的原因，使得到达其下方的入射点感测区23的强度分布也近似于入射点P1原来的光场。扩散待测光L6在例如皮肤中扩散而出射，然后被设置于其下方的扩散感测区24感测到。可以理解的，扩散距离越远，出射强度越弱。因此，从入射点感测区23的中点往外到扩散感测区24所获得的感测信号的光强度依距离递减，近似指数型的衰减(Exponential Decay)，如曲线ED所示。因此，可以选择采用入射点感测区23及/或扩散感测区24的光强度及曲线分布来进行物体F的光谱性质的判读。
处理器30直接或间接电连接至数字发光模块10及感测模块20。于一第一模式下，处理器30控制第一区12发出入射光L1照射于物体F并且控制第二区14不发光，物体F依据入射光L1输出反应待测光以让感测模块20感测得到一感测信号。或者第一区12与第二区14发出不同波长的光线，而透过感测模块20中设置不同波长的滤波器来选择特定波长的光线进入感测像素22。因此，数字发光模块10局部发出入射光L1，且局部不发出与入射光L1具有相同波长的光，让第二区14不发出与第一区12的入射光L1具有相同波长的光，可提供缺陷光场，让物体F反应缺陷光场(包含入射光L1)所产生的光通过数字发光模块10被感测模块20接收而得到感测信号。由于物体表面的材料及粗糙程度可以决定光学反应的程度，故通过此感测信号，可以判读物体F的光谱性质，甚至可进一步判断物体F的真伪。判断的基准可以是对譬如真物体与假物体，在上述发光状态(第一模式)下所做测试获得的测试数据所建立的数据库。于另一例子中，通过处理器30进一步配置第一区12与第二区14的相对位置的关系，可以让入射点待测光L2及扩散待测光L6获得到良好的感测，以提供更可靠的判读及/或判断结果。
于第一例中，第一区12发出特定光谱的绿光，而第二区14不发光，以让入射点待测光L2及扩散待测光L6可以通过第二区14而被感测模块20接收，通过对应于第二区14下方的多个感测像素22所获得的绿光的强度分布的感测结果，即可判断入射点待测光L2的强度及发散角及扩散待测光L6的传递距离，藉此决定物体F的光谱特性。于第二例中，第一区12发出混合光谱的白光，而第二区14不发光，此状态下所感测的是多重光谱的光线的散射情形，通过感测像素22所获得的白光的强度分布的感测结果，亦可作出相同于第一例的判断及光谱特性的决定。于第三例中，第一区12发出特定光谱的绿光，而第二区14发出具有与第一区12的光不同波长的光，通过感测像素22所获得的绿光的强度分布的感测结果，亦可作出相同于第一例的判断及光谱特性的决定。
在第一模式下，可以利用某些感测像素22的感测结果当作光谱特性判读及或防伪辨识的数据，利用其他的感测像素的感测结果当作生物特征感测数据。当然，也可以由处理器30另外设置一个不同于第一模式的第二模式(感测模式)，于感测模式下，数字发光模块10就没有分成发光区(第一区12)与不发光区(第二区14)，也就是物体F的覆盖范围下都是发光区。此外，于感测模式下，感测模块20可以获得对应于物体F的生物特征的一第二感测信号，处理器30通过比对第二感测信号与前述感测信号的区别，可以获得入射点待测光L2与扩散待测光L6对不打光的第二区14的贡献度，此贡献度可以当作物体F的特性(例如真伪)判断依据。
图3显示数字发光模块10的发光状态的俯视图。如图3所示，第一区12与第二区14共同提供一个环状光场。亦即，数字发光模块10的一内圈带12A与一外圈带12B构成发光的第一区12，而内圈带12A与外圈带12B之间的一中圈带构成不发光的第二区14，第二区14具有径向尺寸d。于一指纹感测的例子中，径向尺寸d大于指纹的周期(大约是300至400微米)。
图4显示真伪手指的感测结果的示意图，其中纵轴代表感测像素的强度，横轴代表感测像素的位置，由左至右代表位于图3的内圈带12A正下方的感测像素的位置到外圈带12B正下方的感测像素的位置。如图4所示，真手指的强度曲线C1与假手指的强度曲线C2在径向尺寸d上具有相当的差异，径向尺寸d对应于上述不发出特定光的区域，而在径向尺寸d范围内的强度曲线下凹的现象代表径向尺寸d范围以外的发出特定光的第一区对不发出特定光的第二区的贡献度，此贡献度与手指的特性有关。如果第二区与第一区发出相同的特定光，则无法获得代表此贡献度的感测结果。真手指的光散射程度比假手指高，因此，在不打光的区域的下方的强度降低幅度小于假手指。通过所述强度曲线即可辨识手指的真伪。当然也会有相反的曲线可能性，也就是有另一强度曲线C3的强度值高于强度曲线C1，因为真假手比较是比较相对性，而不是绝对值的比较，故在相同的系统下，位于真手的强度曲线C1的两端的强度曲线C2与C3都是相异于真手的材料特性。
图5显示数字发光模块的发光状态的另一例的俯视图。如图5所示，本例类似于图3，差异点在于有两个中圈带构成第二区。亦即，数字发光模块10的内圈带12A、外圈带12B与第一中圈带12C构成发光的第一区12，而内圈带12A、外圈带12B与第一中圈带12C之间的第二中圈带14B与第三中圈带14C构成不发光的第二区14。于一指纹感测的例子中，第二中圈带14B与第三中圈带14C的至少其中一个的径向尺寸d大于指纹的周期。
图6显示数字发光模块的发光状态的又另一例的俯视图。如图6所示，本例类似于图3，差异点在于有第二区14包含至少一个几何区域14D，其可以具有以实线表示的圆形或其他几何形状。当然于其他例子中，第二区14也可以更具有以虚线表示的多个几何区域14E，多个区域的好处是可以累积及统计感测模块20所感测获得的对应几何区域14D与14E的数据，更增加鉴别的稳定性，通过感测反应待测光对几何区域14D(14E)的贡献度，亦可达到本实用新型的功效。可以理解的，利用单一不发光的圆形区域或其他几何形状的非环状区域，亦可测得反应待测光对第二区14的贡献度，作为物体的特性判断依据。于一指纹感测的例子中，几何区域14D(14E)的径向尺寸大于指纹的周期。
图7显示物体当作波导及造成散射光的示意图。如图7所示，物体F对于入射光L1提供一个波导，某些入射角的入射光L1从物体F的表皮层F1进入真皮层F2再出射成为扩散待测光L6，换言之，入射光L1的传递距离受到物体F的光吸收系数及/或光谱特性所决定。虽然在表皮层F1与真皮层F2的行进路线是以直线路线来表示，但并未将本揭露内容限制于此，因为表皮层F1与真皮层F2中的组织仍有会造成上述等向性或非等向性的扩散前进的状况。依据图7的多个感测像素22对扩散待测光L6的感测结果(对应于上述感测信号)，可以推导出入射光L1的传递距离，通过此传递距离判别光吸收系数及/或光谱特性，通过光吸收系数及/或光谱特性可以得知物体F的导光特性，也可进一步作真伪判断。
另外，某些入射角的入射光从表皮层F1进行散射，依据Henyey-Greenstein相位函数(phase function)的方程式1：
其中P(θ)表示散射光的强度，可以形成一曲线HG，σs表示物体的散射系数，σa表示物体的光吸收系数，θ表示入射点待测光L2的反射角度，于散射的情况下定义为散射角度，g表示物体的材料的各向异性因子(anisotropy factor)，不同的材料具有不同的g值。依据图7的多个感测像素22对入射点待测光L2的感测结果，可以判读散射光的强度分布曲线是否符合已知的曲线HG。因此，可以利用对应于g值的各向异性水平(anisotropy level)来辨识材料的特性。上述的函数较佳是以单光谱的光源进行感测，以获得各向异性的散射效果。
图8A至图8C显示三种不同的散射光的图案的示意图。如图8A所示，g值为0的散射光的强度的分布为圆形，其圆心为X-Y座标的圆点。如图8B所示，g值为1/6的散射光的强度的分布为圆形，其圆心为X-Y座标的圆点的右边，其中-X方向为入射光的方向。如图8C所示，g值为0.7的散射光的强度的分布为椭圆形，其左端点为X-Y座标的圆点。以真手指而言，g值大约等于0.7。因此，处理器30依据图8A至图8C的多个感测像素22的感测结果，可以推导出P(θ)的分布，通过此分布可以判别g值，通过此g值可以作真伪判断。
因此，可以通过判断入射光L1的传递距离以决定物体F的导光特性，及/或判断散射光的强度分布曲线以决定物体F的各向异性水平，再根据上述数据库或贡献度来当作物体F的光谱性质的判读依据或真伪判断依据。
通过上述实施例的防伪生物特征感测装置，可以利用局部发光配合局部不发光或局部发特定光配合局部不发该特定光的数字发光模块的入射光，检测物体对于入射光的散射、反射、吸收及/或导光特性的感测结果，比对物体反应非缺陷光场而被感测获得的感测数据或其他有关真假物体的数据库，作为光谱性质的判读依据或真伪判断的依据。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本实用新型的技术内容，而非将本实用新型狭义地限制于上述实施例，在不超出本实用新型的精神及权利要求范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本实用新型的范围。
Claims (16)
1.一种生物特征感测装置，其特征在于，至少包含：
一数字发光模块；以及
一感测模块，设置于所述数字发光模块的下方，
其中于一第一模式下，所述数字发光模块局部发出入射光且局部不发出与所述入射光具有相同波长的光，以提供一缺陷光场来照射所述数字发光模块上方的一物体，所述物体反应所述入射光所产生的光通过所述数字发光模块被所述感测模块接收。
2.根据权利要求1所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述数字发光模块包含一第一区与一第二区，且所述第一区发出所述入射光。
3.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二区不发光。
4.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二区发出与所述入射光不同波长的光线。
5.根据权利要求4所述的生物特征感测装置，其特征在于，通过所述感测模块的一滤波器来选择特定波长的光线。
6.根据权利要求1所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述物体依据所述入射光输出反应待测光，所述感测模块感测所述反应待测光以获得一感测信号。
7.根据权利要求6所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述反应待测光包含：
入射点待测光，为所述入射光的一部分打在所述物体的一入射点后反射的光；以及
扩散待测光，为所述入射光的另一部分进入所述物体后扩散前进后，从远离所述入射点的一位置出射的光。
8.根据权利要求7所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述感测模块包含：
一入射点感测区，感测所述入射点待测光；及
一扩散感测区，感测所述扩散待测光。
9.根据权利要求1所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述数字发光模块为一OLED屏幕或一μLED屏幕。
10.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第一区与所述第二区提供一个环状光场当作所述缺陷光场。
11.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述数字发光模块至少包含：
一内圈带与一外圈带，构成所述第一区，所述第二区位于所述内圈带与所述外圈带之间。
12.根据权利要求11所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二区具有大于指纹的周期的径向尺寸。
13.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述数字发光模块至少包含：
一内圈带、一外圈带与一第一中圈带，构成所述第一区；及
一第二中圈带与一第三中圈带，位于所述内圈带、所述外圈带与所述第一中圈带之间，并且构成所述第二区。
14.根据权利要求13所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二中圈带与所述第三中圈带的至少其中一个具有大于指纹的周期的径向尺寸。
15.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二区包含至少一几何区域，所述至少一几何区域具有大于指纹的周期的径向尺寸。
16.根据权利要求2所述的生物特征感测装置，其特征在于，所述第二区包含多个几何区域，使得所述感测模块所感测获得的对应所述多个几何区域的数据可以被累积及统计，以增加鉴别的稳定性。
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