JP2020135540A - アンダーディスプレイ型指紋認証装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＯＬＥＤをディスプレイとして用いて、その下面に指紋認証センサを置いた場合も、指紋の上に写り込んだＯＬＥＤの不透明部分などによる黒い不透明発光部の影響を無くして、かつ解像度の高い、指紋のみを再現する指紋認証装置を提供する。【解決手段】アンダーディスプレイ型指紋認証装置１０は、指を裁置するカバーガラス３３と、ＯＬＥＤ３０で構成された不透明発光部３１を含むディスプレイを含む第１の固定部２５と、その下部に設けられ相対的に移動可能な第２の固定部２６を含む。第２の固定部２６は、指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズ１６のアレイを有する結像部と、結像されたイメージを取り込むイメージセンサ１３を含む検出モジュールを含む。第２の固定部２６は、結像部によって検出モジュールに結像されるときの合焦した物体面の位置２７が、不透明発光部３１の下方になるように第１の固定部２５に対して設置される。【選択図】図６

Description

この発明はアンダーディスプレイ型指紋認証装置に関し、特に、解像度が高く、小型のアンダーディスプレイ型指紋認証認証装置に関する。

スマートフォンのような携帯電子機器には、ロック解除やその他の本人認証のため、生体認証は必要不可欠である。特に指紋認証は、コストが安く小型であるため主流を占めている。従って、スマートフォンのベゼルの部分（ディスプレイの周辺）に静電容量型の指紋認証センサを置くのが常であった。しかし、スマートフォンの最近のトレンドとともに、ディスプレイが大きくなりベゼルが無くなり、ディスプレイはスマートフォンの前面を覆うものが主流となってきた。よって、指紋認証センサはディスプレイの下部に設置する必要が出てきた。

しかし、ディスプレイの下に、静電容量型のセンサや温度検知型のセンサを置いても機能はしない。それらは直接触れることにより機能するからである。ディスプレイの下部に置いて、機能する可能性のある指紋認証センサの種類は、光学式指紋認証センサや超音波式指紋認証センサが挙げられる。

一方、ディスプレイは、液晶ディスプレイから、エレクトロ・ルミネッセンスを使用したＯＬＥＤ（Organic Light Emitting Diode）に変わりつつあり、ＯＬＥＤはＲ・Ｇ・Ｂの発光部以外の箇所は、透過率は４０％位ではあるが光は通る。ディスプレイが光を通すと、ディスプレイの上に置いた指の映像はディスプレイを通して、その下にある指紋認証センサに指紋の映像が写ることになる。つまり、指、ディスプレイ、指紋認証センサの順番に構成した指紋認証装置（この構成を「アンダーディスプレイ型」という）で、指紋認証装置のイメージセンサに指の映像が写る事になる。このようにして、ＯＬＥＤをディスプレイとした場合、ディスプレイの上に置いた指紋を指紋センサが検知し、指紋認証が可能となる。

一般のガラスと異なり、ＯＬＥＤの発光画素の下には、不透明のＲＧＢ発光部や配線、が設けられ、一般に不透明部分はＯＬＥＤの発光画面の約６０％であり、残りの４０％は、不透明ではないが、その透過率は約４０％程度である。

このような、ＯＬＥＤをディスプレイとして用いた携帯端末において、指紋認証装置を用いた例が、例えば、特開２０１７−１９４６７６号公報（「特許文献１」）に開示されている。ここでは、指紋センサとして作動するＰＩＮダイオードが、アクティブマトリクス方式有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）のディスプレイアクティブエリアにおけるピクセル間の間隙内に少なくとも部分的に形成されている。

特開２０１７−１９４６７６号公報（要約等）

従来のＯＬＥＤをディスプレイとして用いた携帯端末において指紋認証装置においては、ＯＬＥＤに不透明部分が約６０％存在し、また、透明部分もその透過率が約４０％しかなく、ＯＬＥＤの上面にある指の指紋をＯＬＥＤの下面にある指紋センサモジュールで撮影するのは極めて困難であった。一方で、ＯＬＥＤをディスプレイとして用いた場合は、指の照明用としてＯＬＥＤが使用できるため、別途の照明装置が不要である、というメリットはあった。

したがって、ＯＬＥＤの下に光学式指紋認証センサを設置する場合は、ＯＬＥＤは完全な透明体ではなく、概ね４０μｍ四方の発光部などの黒い不透明部分が点在し、指紋認証センサの映像には指紋の映像の前に多くの不透明な黒い部分が写りこむという問題があった。

一方で、指紋の隆線の間隔は概ね２５０μｍと広く、上記の不透明部分の大きさは、概ね４０μｍと小さい。よって、指紋認証センサの映像を後段の画像処理装置で、例えばローパスフィルタを通すことにより、指紋の隆線だけを残すことが可能であるが、この場合も指紋映像の解像度は低下するという問題があった。

この発明は上記した問題点に鑑みてなされたもので、ＯＬＥＤをディスプレイとして用いて、その下面に指紋認証センサを置いた場合も、指紋の上に写り込んだＯＬＥＤの発光部などによる黒い不透明部分の影響を無くして、かつ解像度の高い、指紋のみを再現する指紋認証装置を提供することを目的とする。

この発明の発明者は、指を裁置するカバーガラスと、カバーガラスの下に設けられたＯＬＥＤで構成されたディスプレイと、ディスプレイの下に設けられ、指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズのアレイを有する結像部と、結像部の下に設けられ、結像部で結像されたイメージを取り込むイメージセンサを含む検出モジュールと、を含む指紋認証装置において、指紋の画像を得るには、当初、指紋にピントを合わせるようにマイクロレンズを含む光学系を調整するようにしていた。

しかしながら、いろいろと試行錯誤した結果、発明者は次のことを発見した。すなわち、指紋は、ＯＬＥＤにより照明され、指紋の反射光は、ＯＬＥＤの発光部を含む不透明部が指紋画像の結像のための障害物となるが、ＯＬＥＤの発光部に存在する微小な隙間によりこの指紋画像が回折し、ＯＬＥＤの不透明部の向こう側（マイクロレンズ側)に再び指紋の映像が生じる。

したがって、この発明に係るアンダーディスプレイ型指紋認証装置は、指を裁置するカバーガラスと、カバーガラスの下に設けられたＯＬＥＤで構成された、不透明なＲＧＢの発光素子と、ＲＧＢの間に光学的な隙間を有する発光部（以下、「不透明発光部」という）を含むディスプレイと、を含む第１の固定部と、第１の固定部の下部に設けられた第２の固定部と、を含み、第２の固定部は、指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズのアレイを有する結像部と、結像部の下に設けられ、結像部で結像されたイメージを取り込むイメージセンサを含む検出モジュールと、を含み、第２の固定部は、結像部によって前記検出モジュールに結像されるときの合焦した物体面の位置が、不透明発光部の下方になるように前記第１の固定部に対して設置される。

以上のように、指紋の画像のみを検出モジュールのイメージセンサ上に写し出すためには、第２の固定部は、結像部によってイメージセンサに結像されるときの合焦した物体面の位置が、不透明発光部の下方になるようにすればよいことを実験を通じて確認した。
この理由は、例えば、ＯＬＥＤの不透明発光部は、非常に小さく、光はそこで回折現象を起こしているためである、と考えられる。すなわち、光は、小さい孔で回折するとき、光は、再び、その回折地点が光源のようにふるまうためであると、考えられる。

好ましくは、アンダーディスプレイ型指紋認証装置は、カバーガラスからイメージセンサに入射する光を制限するための絞り手段を含む。

さらに好ましくは、絞り手段は、マイクロレンズアレイの周囲に設けられ、カバーガラスからマイクロレンズアレイへの光を絞るように構成された遮光ダムであってもよいし、遮光フィルムであってもよい。

この発明の指紋認証装置においては、実験に基づいて、結像部によってイメージセンサに結像されるときの合焦した物体面の位置が、不透明発光部の下方になるようにしたため、指紋の画像のみを検出モジュールのイメージセンサ上に写し出すことができる、指紋認証装置を提供できる。

この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の断面図である。 この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の平面図である。 図２の要部を示す図である。 ＯＬＥＤの具体的構成を示す断面図である。 図４において、矢印Ｖ−Ｖで示したＯＬＥＤの近傍の構成を示す平面図である。 この発明の一実施の形態に係る指紋認証装置の要部の断面図である。 図６に示した指紋認証装置の要部の合焦した物体面の位置を示す断面図である。 物体面と結像部と像面との位置関係を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明の一実施の形態に係るＯＬＥＤをディスプレイとして用いた場合のアンダーディスプレイ型指紋認証装置の概略断面図であり、図２（Ａ）は図１に示したＯＬＥＡＤをディスプレイとして用いた場合のアンダーディスプレイ型指紋認証装置の概略平面図であり、図２（Ｂ）はアンダーディスプレイ型指紋認証装置の要部の具体的な寸法関係を示す模式図である。

図１および図２を参照して、ＯＬＥＤをディスプレイとして用いた場合のアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０は、指紋認証用センサモジュール１１および指紋認証用センサモジュール１１の上に載置されたＯＬＥＤ３０、ＯＬＥＤ３０の上に裁置された指を裁置するカバーガラス３３を含む。指紋認証用センサモジュール１１は、ＦＰＣ（Flexible Print Circuit）基板２０と、その上にランド１３ａを介して接続された指紋の画像を撮像するイメージセンサ１３と、イメージセンサ１３の上に載置された透明ガラス１４（第１のガラス）と、透明ガラス１４の上に載置され、カバーガラス３３上の指から指紋を表す光を集光する結像部１９を含む。結像部１９は、複数のマイクロレンズ１６のアレイと、複数のマイクロレンズ１６の周囲を囲む、薄い遮光フィルム１８を含む。

ここでは、個々のマイクロレンズ１６を囲む、所定の高さを有する遮光部材（以下、「遮光ダム」という）１７が遮光フィルム１８の周囲に設けられている。ここで、遮光ダム１７の上端部はＯＬＥＤ３０に接触してもよいし、しなくてもよい。

図２（Ｂ）に示すように、マイクロレンズ１６は縦横方向に相互に２７０μｍ離れて配置され、遮光ダム１７によって形成される開口部１５の径は約４０μｍであり、マイクロレンズ１６の径は約２９．６μｍである。

イメージセンサ１３とその上に載置された透明ガラス１４とは同一平面寸法を有する直方体状であり（検出モジュール１２という）、ＯＬＥＤ３０をディスプレイとして用いた場合の指紋認証用センサモジュール１１は、さらに、この直方体状の検出モジュール１２をＦＰＣ基板２０の上で所定の位置に位置決めするために固定されたホルダー基板２１を含む。なお、ＦＰＣ基板２０は、ランド１３ａでハンダ付けされてイメージセンサ１３に付着されている。

この位置決めの具体的な方法について説明する。透明ガラス１４の上端部の４辺は角部１４ａを有する。一方、ホルダー基板２１は、中央にイメージセンサ１３と透明ガラス１４とを収容可能な直方体状の空洞を有する形状であり、その空洞部は上部と下部とを分離する段部２２を有する構造であり、上部の空洞の開口面積が下部の空洞の開口面積より小さく、この段部２２が透明ガラス１４の角部１４ａを押すことによって、イメージセンサ１３と透明ガラス１４とがホルダー基板２１によって位置決めされる。

ホルダー基板２１は、４つの辺を有するため、便宜上、左右と上下とを２１ａ〜２１ｄで表す。ホルダー基板２１の上端部２４は、透明ガラス１４の上に設けられた遮光ダム１７と同じ高さにある。したがって、この実施の形態においては、ホルダー基板２１内で透明ガラス１４の上の部分とＯＬＥＤ３０との間には空気を含む空間が設けられている。

このホルダー基板２１の上端部２４の上に、ＯＬＥＤ３０と人の指を載置するカバーガラス３３が設けられる。
なお、ＯＬＥＤ３０は、発光能力を有するため指の指紋に光を照射する照明装置は有さない。

次に結像部１９について説明する。図２（Ａ）および（Ｂ）に示すように、複数のマイクロレンズ１６がアレイ状に配置され、その周囲を遮光フィルム１８、および円筒状の内壁面を有する遮光ダム１７で囲んでいるため、遮光ダム１７は上から見るとアレイ状になった複数の円形の開口部１５を有する。この詳細を、図３を参照して具体的に説明する。

図３は、図２に示した指紋認証装置の１つのマイクロレンズ１６の周囲の詳細を示す平面図である。図３を参照して、マイクロレンズ１６は、遮光ダム１７の円形の開口部１５の中心に位置し、遮光ダム１７の内壁面１７ａとマイクロレンズ１６との間は、遮光フィルム１８によって覆われている。すなわち、遮光ダム１７と遮光フィルム１８は、マイクロレンズ１６の周囲に設けられ、カバーガラス３３からマイクロレンズ１６への光を絞るように構成されている。したがって、遮光ダム１７と遮光フィルム１８は、カバーガラス３３からイメージセンサ１３に入射する光を制限するための絞り手段として作動する。
なお、遮光フィルム１８は必須であるが、遮光ダム１７は任意である。

次に、ＯＬＥＤ３０について図４および図５について説明する。図４は、ＯＬＥＤ３０の具体的構成を示す断面図であり、図５は、図４において、矢印Ｖ−Ｖで示したＯＬＥＤの近傍の構成を示す平面図である。ここでは、簡略化のために、ＯＬＥＤ３０の一部のみを示す。

図４に示すように、ＯＬＥＤ３０には、各画素を構成するＲＧＢのＬＥＤや、ＲＧＢのＬＥＤを選択するための、行列方向に配置された配線の交点に配置されたＴＦＴのような、多くの素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃが含まれている。ここでは、これらの素子３１ａ〜３１ｃを、理解の容易のために、厚さ方向に拡大して表示しているが、実際には、これらの素子３１ａ〜３１ｃは、基板の上に陽極としての透明電極を重ね、その上に数百ナノメートル厚の複数の層の有機発光材料と陰極版を重ねたものである。したがって、その厚さはせいぜい０．１ｍｍ程度である。

これらの素子３１ａ〜３１ｃは、カバーガラス３３上に裁置された指からの反射光を複数のマイクロレンズ１６を介してイメージセンサ１３に照射するのに妨げになる。すなわち、ＯＬＥＤ３０の素子３１ａ〜３１ｃの存在する領域は、指からの反射光が十分透過しない、不透明発光部３１になる。

発明者は、カバーガラス３３上の指紋の画像を解像度良く得るには、結像部１９によってイメージセンサ１３に結像される画像のピント位置が、不透明発光部３１の下方からＯＬＥＤ３０の下端部の下方まで、すなわち、マイクロレンズ１６の上方までに位置するようにすればよいことを実験的に確認した。
そのためには、アンダーディスプレイ型指紋認証装置１０を、カバーガラス３３と、カバーガラス３３の下部の、ＯＬＥＤで構成された不透明発光部３１を含むディスプレイ３０からなる第１の固定部と、第１の固定部に対して相対的に移動可能に設けられた、第２の固定部２６と、から構成した。第２の固定部２６は、ディスプレイ３０の下に設けられ、指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズ１６のアレイを有する結像部と、結像部の下に設けられ、結像部で結像されたイメージを取り込むイメージセンサ１３を含む検出モジュール１２と、を含む。第２の固定部２６は、結像部によってイメージセンサ１３に結像される画像のピント位置が、不透明発光部３１からディスプレイ３０の下方部分になるように第１の固定部２５に対して移動可能である。

不透明発光部３１は、カバーガラス３３の下で素子３１ａ〜３１ｃの水平方向の間隔で構成される隙間を有する。実の被写体である指の指紋はこの隙間で回折が生じ、あたかも、指の指紋がこの不透明発光部３１の近傍に存在するように振る舞う。
その結果、不透明発光部３１の隙間の近傍に再度生じた被写体が、マイクロレンズ１６により、イメージセンサ１３に結像して、指紋の鮮明な画像を得ることができる。

なお、この不透明発光部３１は、現実には、ＯＬＥＤメーカーにより異なっており、ＯＬＥＤの不透明発光部が見えにくく、かつ指紋の画像が解像度の良い状態で見える位置を探して、その位置に結像部と検出モジュールの固定部を配置する。
なお、図４では、不透明発光部３１の下端部がＯＬＥＤ３０の下端部に位置するように図示しているが、これに限らず、ＯＬＥＤ３０の下端と、不透明発光部３１の下端部との間に空間があってもよい。

次に、この実施の形態におけるアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０の具体的な構成について説明する。図６は、この実施の形態に係るアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０の要部を示す図であり、図７は、この実施の形態におけるアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０の結像部１９とイメージセンサ１３とからなる結像光学系における合焦した物体面の範囲を説明するための図であり、図８は、図７に示した合焦した物体面を説明するための図である。

図６を参照して、この実施の形態においては、アンダーディスプレイ型指紋認証装置１０を、第１の固定部２５と、第１の固定部２５に対して図中矢印で示すように、相対移動可能な第２の固定部２６とから構成する。第１の固定部２５は、指を裁置するカバーガラス３３と、カバーガラス３３の下に設けられたＯＬＥＤで構成された不透明発光部３１を含むディスプレイ３０と、を含む。

第２の固定部２６は、ディスプレイ３０の下に設けられ、指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズ１６のアレイを有する結像部１９と、透明ガラス１４と、透明ガラス１４の下に設けられ、結像部１９で結像されたイメージを取り込むイメージセンサ１３を含む検出モジュール１２と、を含む。
マイクロレンズ１６によってイメージセンサ１３上の結像点２９に結像される合焦した物体面の位置２７は、ここでは、ディスプレイ３０の下部の結像部１９の空間である。

次に図７および図８を参照して、この実施の形態におけるアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０における、結像部１９とイメージセンサ１３とからなる結像光学系における合焦した物体面の範囲について説明する。

まず、この実施の形態におけるアンダーディスプレイ型指紋認証装置１０における結像光学系は図８に示すようになる。ここで、物体面２８の像は、結像部１９（マイクロレンズ１６）でイメージセンサ１３の光電変換面１２ａに結像する（合焦した面を像面１２ｂと呼ぶ）。ここで、物体面２８と結像部１９との間の距離をａ、結像部１９とイメージセンサ１３上の像面１２ｂとの距離をｂとすると、レンズの公式により、合焦したときは、１／ａ＋１／ｂ＝１／ｆになるため、結像部１９によって、イメージセンサ１３の光電変換面１２ａに合焦した画像を形成するには、結像部１９からａ離れた位置に物体を置けばよい。そこで、この実施の形態においては、このａの位置にある物体面２８のことを合焦した物体面という。

図７（Ａ）は、この実施の形態における、合焦した物体面の位置２７の上限の位置を示し、図７（Ｂ）は、合焦した物体面の位置２７の下限の位置を示す。
図７（Ａ）、（Ｂ）を参照して、第２の固定部２６は、結像部１９によってイメージセンサ１３上の結像点２９に結像される合焦した物体面の位置２７が、その上限位置として、ディスプレイ３０の不透明発光部３１の位置であることを示し、その下限位置が、ディスプレイ３０の下端位置の近傍（マイクロレンズ１６の上方）であることを示している。

このように、合焦した物体面の位置２７を設定することによって、指紋の高解像度の画像を得ることができる。
また、このように合焦した物体面の位置２７を設定した後、それに合うホルダー基板２１の段部２２の位置を決定して、第１の固定部２５に対する第２の固定部２６の位置決めを行って、第１の固定部２５と第２の固定部２６とを結合する。

なお、ＯＬＥＤの不透明発光部３１を被写体として結像させると、検出モジュール１３上の像はＯＬＥＤ３０の発光部のみが映し出される。
一方、結像部１９と検出モジュール１３の組をＯＬＥＤの不透明発光部３１から遠ざけると、ＯＬＥＤの不透明発光部３１と指紋とが重なり合う形で検出モジュール１３に写し出される。
さらに遠ざけると、ＯＬＥＤの不透明発光部３１は消えて、指紋の映像のみが検出モジュール１３に映し出される。

なお、不透明発光部の１つ１つは指紋の隆線間隔に比べて十分小さいので、イメージセンサ１３の指紋の映像に、例えば図示のない、ローパスフィルタをかければ、ＯＬＥＤの不透明部分は消え、指紋の隆線だけ残ることになる。つまり、ＯＬＥＤの不透明部分の1つ1つの大きさは、周波数で言えば指紋の隆線の周波数に比べて十分低いので、ローパスフィルタ等で、分離することが可能である。

なお、上記実施の形態においては、ＯＬＥＤをディスプレイとして用いた場合に、ＯＬＥＤの不透明部分の影響を受けないようにする構成について説明したが、ＯＬＥＤと同様に不透明部分を有するディスプレイにも同様に適用できる。

以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示する実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。

この発明によるアンダーディスプレイ型指紋認証装置は、ＯＬＥＤの下面に指紋センサを置いた場合も、有効に指紋認証が可能な指紋認証装置を得ることができるため、アンダーディスプレイ型指紋認証装置として有利に利用される。

１０ アンダーディスプレイ型指紋認証装置、１１ 指紋認証用センサモジュール、１２ 検出モジュール、１２ａ 光電変換面、１２ｂ 像面、１３ イメージセンサ、１３ａ ランド、１４ 透明ガラス、１４ａ 角部、１５ 開口部、１６ マイクロレンズ、１７ 遮光ダム、１８ 遮光フィルム、１９ 結像部、２０ ＦＰＣ基板、２１ ホルダー基板、２２ 段部、２５ 第１の固定部、２６ 第２の固定部、２７ 合焦した物体面の位置、２９ 結像点、３０ ＯＬＥＤ、３１ 不透明発光部、３１ａ〜３１ｃ 素子、３２ 下部ガラス、３３ カバーガラス、３５ 透明ガラス。

Claims (4)

1. 指を裁置するカバーガラスと、
   前記カバーガラスの下に設けられたＯＬＥＤで構成された不透明発光部を含むディスプレイと、を含む第１の固定部と、
   前記第１の固定部の下部に設けられた第２の固定部と、を含み、
   前記第２の固定部は、
   指紋からの光を結像する複数のマイクロレンズのアレイを有する結像部と、
   前記結像部の下に設けられ、結像部で結像されたイメージを取り込むイメージセンサを含む検出モジュールと、を含み、
   前記第２の固定部は、前記結像部によって前記検出モジュールに結像されるときの合焦した物体面の位置が、前記不透明発光部の下方になるように前記第１の固定部に対して設置される、アンダーディスプレイ型指紋認証装置。
2. 前記カバーガラスから前記イメージセンサに入射する光を制限するための絞り手段を含む、請求項１に記載のアンダーディスプレイ型指紋認証装置。
3. 前記絞り手段は、前記マイクロレンズアレイの周囲に設けられ、前記カバーガラスから前記マイクロレンズアレイへの光を絞るように構成された遮光フィルムを含む、請求項２に記載のアンダーディスプレイ型指紋認証装置。
4. 前記絞り手段は、前記マイクロレンズアレイの周囲に設けられ、前記カバーガラスから前記マイクロレンズアレイへの光を絞るように構成された遮光ダムを含む、請求項２に記載のアンダーディスプレイ型指紋認証装置。