JP2019117619A - 光学指紋センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光透過損失を低減し、感知領域に光を均一に射出する導光層を有する光学指紋センサを提供する。【解決手段】画像センサアレイ、前記画像センサアレイの上に配置され、第１の孔のアレイを有するコリメータ層、前記コリメータ層の上に配置された導光層、前記導光層内に光を射出する光源、および前記導光層の上に配置された感知領域を含み、前記導光層は、前記光源からの前記光の一部を前記感知領域に入射させると同時に、前記光の残りの部分を前方に導く光学指紋センサ。【選択図】 図１

Description

本発明は、光学指紋センサに関するものであり、特に、光透過損失を低減し、感知領域に光を均一に射出する導光層を有する光学指紋センサに関するものである。

生体認証は、近年非常に人気があり、一種の生体認証システムは指紋認証システムである。指紋認証システムは、使用者の指紋を画像化して、使用者を認証し、使用者が指紋認証システム内蔵の装置にアクセスできるようにするかどうかを決める。指紋認証システムは、モバイル機器、例えば、携帯電話、ウェアラブル電子機器（例えば、スマートウォッチ）、およびタブレット型コンピューターなどでアクセス制御を提供するのに用いられることができる。

コンデンサ式指紋センサは、指紋認証システムに最も一般的に採用されている。しかしながら、コンデンサ式指紋センサは、大きな距離にわたる指の微細な隆起（ｒｉｄｇｅ）と谷（ｖａｌｌｅｙ）の特徴を感知することが容易でない。コンデンサ式指紋センサが厚いガラスカバーの装置に内蔵された場合、問題が生じる可能性がある。この問題を解決するには、光学指紋センサを用いてコンデンサ式指紋センサに代替することである。光学指紋センサは、センサアレイに近接していないカバーガラスの表面に指紋が接触しても、指紋を感知することができる。

現存する光学指紋センサは、指が接触する感知領域を照射する光源を有し、画像センサアレイを用いて、感知領域から反射された光を受光する。指の隆起で反射された光および指の谷で反射された光は、異なる強度を有する。従って、画像センサアレイは、指の隆起および谷の特徴を画像化することができる。しかしながら、光源が感知領域を均一に照射することは難しい。光源が感知領域を均一に照射しない場合、微細な画像品質または高い認識精度を得ることができない。

光透過損失を低減し、感知領域に光を均一に射出する導光層を有する光学指紋センサを提供する。

本発明は、画像センサアレイ、コリメータ層、導光層、光源、および感知領域を含む光学指紋センサを提供する。コリメータ層は、画像センサアレイの上に配置される。コリメータアレイは、第１の孔のアレイを有する。導光層は、コリメータ層の上に配置される。感知層は、導光層の上方に配置される。導光層は、光源からの光の一部を感知領域に入射させると同時に、光の残りの部分を前方に導く。

上述の光学指紋センサでは、導光層は、底部導光層、底部導光層の上に配置された中間導光層、および中間導光層の上に配置された上部導光層を含み、上部導光層は、第２の孔のアレイを有する。底部導光層および上部導光層の屈折率は、中間導光層の屈折率より低い。

上述の光学指紋センサでは、各第２の孔は、第１の孔の中の１つの真上に配置される。

上述の光学指紋センサでは、画像センサアレイは、感知領域から反射され、第２の孔の中の１つおよび第１の孔の中の１つを通過した光を受光する複数の画像センサユニットを含む。

上述の光学指紋センサでは、各第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、第１の材料の屈折率は、第２の材料の屈折率より低い。実施形態では、底部導光層および上部導光層は、第１の材料でできており、中間導光層は、第２の材料でできている。

本発明のもう１つの態様によると、上述の光学指紋センサでは、上述の光学指紋センサは、プリズムのアレイを有する導光層を更に含む。

上述の光学指紋センサでは、各プリズムは、第１の孔の中の１つの真上に配置される。

上述の光学指紋センサでは、各プリズムは、入射光の一部を感知領域に反射させ、入射光の残りの部分を通過させる。

実施形態では、画像センサアレイは、感知領域から反射され、第１の孔の中の１つを通過した光線を受光する複数の画像センサユニットを含む。もう１つの実施形態では、各第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、第１の材料の屈折率は、第２の材料の屈折率より低い。

本発明のもう１つの態様によると、上述の光学指紋センサでは、導光層は、材料ブロックのアレイを含む。任意の２つの隣接する材料ブロック間のインターフェースは、斜面である。各斜面は、第１の孔の中の１つの真上に配置される。

上述の光学指紋センサでは、各斜面は、光の一部を感知領域に反射させ、光の残りの部分を通過させる。

上述の光学指紋センサでは、画像センサアレイは、感知領域から反射され、第１の孔の中の１つを通過した光線を受光する複数の画像センサユニットを含む。もう１つの実施形態では、各第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、第１の材料の屈折率は、第２の材料の屈折率より低い。

結論として、本発明は、光透過損失を低減する導光層を有し、感知領域に光を均一に射出する導光層を有する光学指紋センサを提供する。また、導光層は、指紋で反射されない迷光を受けることから、画像センサアレイを保護することができる。

本発明によれば、光透過損失を低減し、感知領域に光を均一に射出するため、微細な画像品質または高い認識精度を得ることができる。

本発明の実施形態に係る、表示パネルおよび光学指紋センサの上にカバーガラスを有するモバイル機器の概略図である。 本発明の実施形態に係る、光学指紋センサを示す概略図である。 本発明の実施形態に係る、光学指紋センサを示す概略図である。 本発明の実施形態に係る、光学指紋センサを示す概略図である。 本発明の実施形態に係る、光学指紋センサを示す概略図である。

次の開示では、異なる特徴を実施するために、多くの異なる実施の形態または実施例を提供する。本開示を簡潔に説明するために、複数の要素および複数の配列の特定の実施形態が以下に述べられる。例えば、下記の開示の第２の特徴の上方、または上への第１の特徴の形成は、第１と第２の特徴が直接接触で形成される複数の実施形態を含むことができ、且つ第１と第２の特徴が直接接触でないように、付加的な特徴が第１と第２の特徴間に形成された複数の実施形態を含むこともできる。

この他、本開示は、種々の実施例において、参照符号および／または文字を繰り返し用いている。この繰り返しは、本開示を簡潔で明確にするためのものであり、それ自体が、種々の実施態様および／または議論された構造との間の関係を規定するものではない。また、図面は単に例示するためであり、図の形状、大きさ、または厚さは、説明を明確にするために縮尺通りに描かれない、または簡素化される可能性もある。

本発明の実施形態は、光学指紋センサを提供して指紋を光学的に画像化する。特に、本発明は、カバーガラス層とコリメータ層の間に挟設された導光層を有する光学指紋センサを説明する。光源からの光は、導光層を透過し、指が接触する感知領域に入射する。光は、指で反射されて、導光層およびコリメータ層でフィルタリングされ、小さい入射角で指から導光層とコリメータ層に反射された光だけが画像センサアレイに届くことができるようになる。

図１は、本発明の実施形態に係る、表示パネルおよび光学指紋センサの上にカバーガラスを有するモバイル機器の概略図である。図１に示されるように、モバイル機器１０は、光学指紋センサ１００、表示パネル２００、および光学指紋センサ１００と表示パネル２００をカバーするカバーガラス３００を含む。表示パネル２００は、表示領域１２に配置され、使用者に画像を見せる。光学指紋センサ１００は、指紋認証用に指２０が置ける感知領域１４に配置される。光学指紋センサ１００は、ユーザーの指紋を感知し、ユーザーがモバイル機器を操作できるようにするかどうかを決める。

図２は、本発明の実施形態に係る、図１に示された光学指紋センサ１００の実施例を示す概略図である。図２では、光学指紋センサ１００Ａは、画像センサアレイ１０１、画像センサアレイ１０１の上に配置されたコリメータ層１０２、コリメータ層１０２の上に配置された底部導光層１０３、底部導光層１０３の上に配置された中間導光層１０４、中間導光層１０４の上に配置された上部導光層１０５、上部導光層１０５の上に配置されたカバー層１０６、および中間導光層１０４内に射出する光源１０７を含む。

図１に示されるように、カバー層１０６は、カバーガラス３００に対応し、全ての光学指紋センサ１００Ａを保護する。カバー層１０６の上面は、指のための接触面を提供する感知領域１４である。カバー層１０６は、高い光透過率を有する、ガラスなどの透明材料でできている。

指紋の特徴は、隆起および谷で構成されている。この実施形態では、感知領域１４の部分１４１は、指紋の隆起と接触し、感知領域１４の部分１４２は、指紋の谷と接触し、且つ感知領域１４の部分１４３は、指紋の隆起と接触する。指紋の隆起で反射した光は、指紋の谷で反射した光と異なる強度を有し、光学指紋センサ１００Ａは、この特性を用いて指紋を画像化することができる。

この画像センサアレイ１０１は、複数の画像センサユニット１１１、１１２、および１１３を含み、感知領域１４の部分１４１、感知領域１４の部分１４２、および感知領域１４の部分１４３から来た光の強度を検出するように配置される。イメージセンサアレイ１０１は、ＣＭＯＳセンサアレイまたはＣＣＤセンサアレイで実装することができる。

コリメータ層１０２は、光吸収材でできており、孔または穴１２１、１２２、および１２３のアレイを有する。孔１２１、１２２、および１２３は、画像センサユニット１１１、１１２、および１１３の真上に配置される。従って、画像センサ１０１に対して垂直に入射または略垂直に入射する光だけがコリメータ層１０２の孔１２１、１２２、および１２３を通過して、画像センサユニット１１１、１１２、および１１３に届くことができる。コリメータ層１０２に対してやや大きい入射角を有する光は、コリメータ層の上面または孔１２１、１２２、および１２３の側壁で吸収される。このとき、コリメータ層１０２は、画像センサアレイ１０１に入射光を平行化するコリメータとして機能する。コリメータ層１０２を用いることにより、画像センサユニット１１１、１１２、および１１３は、感知領域１４の部分１４１、感知領域１４の部分１４２、および感知領域１４の部分１４３からの光をそれぞれ受光することができる。

底部導光層１０３、中間導光層１０４、および上部導光層１０５は、導光グループを構成する。底部導光層１０３および上部導光層１０５は、同じまたは異なる材料からなることができる。しかしながら、底部導光層１０３および上部導光層１０５は、中間導光層１０４より低い屈折率を有する必要がある。この実施形態では、底部導光層１０３および上部導光層１０５は、同じ材料でできている。底部導光層１０３、中間導光層１０４、および上部導光層１０５は、光源からの光の一部を感知領域に入射させると同時に、光の残りの部分を前方に導く導光層を形成する。

スネルの法則によると、光が２つの異なる媒体間の境界を通過する場合、入射角と屈折角の正弦の比は、２つの媒体の屈折率の比の反比と等しい。このように、光が高い屈折率を有する媒体から低い屈折率を有する媒体に向かうとき、屈折角は、入射角より大きい。この場合、境界に入射した光が臨界角より大きい入射角を有する場合、光は境界で全反射される。このように、光源１０７が中間導光層１０４の端部から中間導光層１０４内に光を射出したとき、底部導光層１０３および上部導光層１０５は、中間導光層１０４の屈折率より、低い屈折率を有するため、中間導光層１０４から境界に伝わった大きい入射角を有する光は、境界で全反射され、中間導光層１０４の反対の端部に向けて反射され続ける。

導光グループの内部全反射構造では、上部導光層１０５は、孔または穴１５１、１５２、および１５３のアレイを有する。孔１５１、１５２、および１５３は、孔１２１、１２２、および１２３（または画像センサユニット１１１、１１２、および１１３）の真上に配置される。従って、中間導光層１０４で反射した光は、孔１５１、１５２、および１５３から射出されることができ、感知領域１４の部分１４１、感知領域１４の部分１４２、および感知領域１４の部分１４３にそれぞれ入射する。

感知領域１４から反射した光線は、導光グループに対して異なる入射角を有する。しかしながら、光線が臨界角より大きい入射角を有する場合、その光線は、底部導光層１０３で反射され、コリメータ層１０２に入射することができない。このように、導光グループに対して垂直に入射または略垂直に入射する光だけが導光グループとコリメータ層１０２を通過して、画像センサユニット１１１、１１２、および１１３に届くことができる。

上述の実施形態に基づいて、光学指紋センサ１００Ａは、異なる屈折率を有する材料から形成された導光グループを有し、光を全反射する。従って、光透過損失は、低減され、感知領域１４は、均一に照射されることができる。また、導光グループは、指紋で反射されない迷光を受けることから画像センサアレイ１０１を保護することもできる。

図３は、本発明の実施形態に係る、図１に示された光学指紋センサ１００のもう１つの実施例を示す概略図である。図３では、光学指紋センサ１００Ｂは、コリメータ層１０２’が光学指紋センサ１００Ａのコリメータ層１０２と異なることを示している。光学指紋センサ１００Ｂの他の構成要素は、光学指紋センサ１００Ａのこれらの構成要素と同じであり（要素符号も変化しない）、光学指紋センサ１００Ｂのこれらの構成要素の説明は、省略される。

コリメータ層１０２’では、孔１２１、１２２、および１２３のそれぞれは、側壁１２５を有し、孔１２１、１２２、および１２３の中心は、材料１２６で充填される。側壁１２５の屈折率は、材料１２６の屈折率より低い。即ち、コリメータ層１０２’の孔も内部全反射チューブを形成する。このように、孔１２１、１２２、または１２３の側壁１２５に入射する大きい入射角を有するいくつかの光線は、側壁１２５で全反射され、孔１２１、１２２、または１２３で画像センサユニット１１１、１１２、または１１３に透過することができる。光学指紋センサ１００Ａに比べ、光学指紋センサ１００Ｂの画像センサアレイ１０１は、より多くの光線を集光することができ、光強度が画像センサユニット１１１、１１２、または１１３で感知されるのに十分であることを確かなものにすることができる。

製造を簡単にするために、側壁１２５の材料は、底部導光層１０３と上部導光層１０５の材料と同じであり、材料１２６は、中間導光層１０４の材料と同じとすることができる。この構造は、垂直線に対して大きな角度を有する光線が画像センサアレイ１０１に届くことを、なお防ぐことができることに留意すべきだ。これらの光線は、側壁１２５に対して小さい入射角を有するため、側壁１２５を通過し、コリメータ層１０２’の本体で吸収される。

図４は、本発明の実施形態に係る、図１に示された光学指紋センサ１００のもう１つの実施例を示す概略図である。図４では、光学指紋センサ１００Ｃは、画像センサアレイ１０１、画像センサアレイ１０１の上に配置されたコリメータ層１０２、コリメータ層１０２の上に配置された導光層１０８、導光層１０８の上に配置されたカバー層１０６、および光を中間導光層１０４内に射出する光源１０７を含む。画像センサアレイ１０１、コリメータ層１０２、カバー層１０６、および光源１０７は、図２に示された光学指紋センサ１００Ｃのこれらと同じであり、これらの要素の説明は省略される。

導光層１０８では、孔１２１、１２２、および１２３の真上にそれぞれ配置されたプリズム１８１、１８２、および１８３を有する。プリズム１８１、１８２、および１８３は、入射光の一部を反射させ、入射光の残りの部分を屈折させる表面を有する透明光学素子である。例えば、プリズム１８１は、入射光の一部を感知領域１４の部分１４１に反射させ、入射光の残りの部分を通過（または屈折）させる。プリズム１８１を通過する光は、プリズム１８２に入射する。プリズム１８２は、プリズム１８１と同様のこと、光の一部を感知領域１４の部分１４２に反射させ、光の残りの部分を通過（または屈折）させることを行う。プリズム１８２を通過する光は、プリズム１８３に入射し、プリズム１８２は、プリズム１８１および１８２と同じことを行う。画像センサユニット１１１、１１２、および１１３は、感知領域１４の部分１４１、感知領域１４の部分１４２、および感知領域１４の部分１４３から反射された光を受光し、コリメータ層１０２の孔１２１、１２２、および１２３を通過する。

上述の実施形態に従って、光学指紋センサ１００Ｃは、プリズム１８１、１８２、および１８３を有する導光板１０８を有する。この構造では、光透過損失は、低減され、感知領域１４は、均一に照射されることができる。

図５は、本発明の実施形態に係る、図１に示された光学指紋センサ１００のもう１つの実施例を示す概略図である。図５では、光学指紋センサ１００Ｄは、導光層１０９が光学指紋センサ１００Ｃの導光層１０８と異なることを示している。光学指紋センサ１００Ｄの他の構成要素は、光学指紋センサ１００Ｃのこれらの構成要素と同じであり（要素符号も変化しない）、光学指紋センサ１００Ｄのこれらの構成要素の説明は、省略される。

導光層１０９もプリズムの理論（ｐｒｉｓｍ ｔｈｅｏｒｙ）を用いている。導光層１０９は、材料ブロックのアレイを含む。図５に示されるように、例えば、材料ブロック１９１、１９２、１９３、および１９４がある。材料ブロック１９１と１９２間のインターフェースは、斜面である。この斜面は、孔１２１の真上に配置される。材料ブロック１９１と１９２の間のインターフェースに入射した光の一部は、感知領域１４の部分１４１に反射され、光の残りの部分はインターフェースを通過する。材料ブロック１９２と１９３の間のインターフェースと、材料ブロック１９３と１９４の間のインターフェースは、孔１２２と１２３の真上にそれぞれ配置される。材料ブロック１９２と１９３の間のインターフェースは、光の一部を感知領域１４の部分１４２に反射させ、光の残りの部分を通過させる。材料ブロック１９３と１９４間のインターフェースは、光の一部を感知領域１４の部分１３２に反射させ、光の残りの部分を通過させる。画像センサユニット１１１、１１２、および１１３は、感知領域１４の部分１４１、感知領域１４の部分１４２、および感知領域１４の部分１４３から反射され、コリメータ層１０２の孔１２１、１２２、および１２３を通過する光を受光する。

結論として、本発明は、光透過損失を低減する導光層を有し、感知領域に光を均一に射出する導光層を有する光学指紋センサを提供する。また、導光層は、指紋で反射されない迷光を受けることから、画像センサアレイを保護することができる。

本発明は、例として及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。例えば、図３に示されたコリメータ層１０２’の構造は、図４および図５に用いられ、コリメータ層１０２と代替することができる。よって、添付の特許請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

１０ モバイル機器
１２ 表示領域
１４ 感知領域
２０ 指
１００ 光学指紋センサ
２００ 表示パネル
３００ カバーガラス
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 光学指紋センサ
１０１ 画像センサアレイ
１０２、１０２’ コリメータ層
１０３ 底部導光層
１０４ 中間導光層
１０５ 上部導光層
１０６ カバー層
１０７ 光源
１０８ 導光層
１１１、１１２、１１３ 画像センサユニット
１２１、１２２、１２３ 孔
１２５ 側壁
１２６ 材料
１５１、１５２、１５３ 孔
１４１ 感知領域の部分
１４２ 感知領域の部分
１４３ 感知領域の部分
１８１、１８２、１８３ プリズム
１９１、１９２、１９３、１９４ 材料ブロック

Claims (10)

1. 画像センサアレイ、
   前記画像センサアレイの上に配置され、第１の孔のアレイを有するコリメータ層、
   前記コリメータ層の上に配置された導光層、
   前記導光層内に光を射出する光源、および
   前記導光層の上に配置された感知領域を含み、
   前記導光層は、前記光源からの前記光の一部を前記感知領域に入射させると同時に、前記光の残りの部分を前方に導く光学指紋センサ。
2. 前記導光層は、
   底部導光層、
   前記底部導光層の上に配置された中間導光層、および
   前記中間導光層の上に配置され、第２の孔のアレイを有する上部導光層を含み、
   前記底部導光層および前記上部導光層の屈折率は、前記中間導光層の屈折率より低い請求項１に記載の光学指紋センサ。
3. 各前記第２の孔は、前記第１の孔の中の１つの真上に配置され、且つ
   前記画像センサアレイは、
   前記感知領域から反射され、前記第２の孔の中の１つおよび前記第１の孔の中の１つを通過した前記光を受光する複数の画像センサユニットを含む請求項２に記載の光学指紋センサ。
4. 各前記第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、前記第１の材料の屈折率は、前記第２の材料の屈折率より低く、且つ
   前記底部導光層および前記上部導光層は、前記第１の材料でできており、前記中間導光層は、前記第２の材料でできている請求項２に記載の光学指紋センサ。
5. 前記導光層は、プリズムのアレイを有し、
   各前記プリズムは、前記第１の孔の中の１つの真上に配置され、且つ
   各前記プリズムは、入射光の一部を前記感知領域に反射させ、前記入射光の残りの部分を通過させる請求項１に記載の光学指紋センサ。
6. 前記画像センサアレイは、前記感知領域から反射され、前記第１の孔の中の１つを通過した光線を受光する複数の画像センサユニットを含む請求項５に記載の光学指紋センサ。
7. 各前記第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、前記第１の材料の屈折率は、前記第２の材料の屈折率より低い請求項５に記載の光学指紋センサ。
8. 前記導光層は、材料ブロックのアレイを含み、
   任意の２つの隣接する前記材料ブロック間のインターフェースは、斜面であり、且つ
   各前記斜面は、前記第１の孔の中の１つの真上に配置される請求項１に記載の光学指紋センサ。
9. 各前記斜面は、前記光の一部を前記感知領域に反射させ、前記光の残りの部分を通過させ、且つ
   前記画像センサアレイは、前記感知領域から反射され、前記第１の孔の中の１つを通過した光線を受光する複数の画像センサユニットを含む請求項８に記載の光学指紋センサ。
10. 各前記第１の孔は、第１の材料でできた側壁を有し、且つ第２の材料で充填され、前記第１の材料の屈折率は、前記第２の材料の屈折率より低い請求項８に記載の光学指紋センサ。

Images