JP2021120868A - アンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュールおよび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にも、指紋の認証が可能な指紋認証用センサモジュールおよび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、指紋を載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、ＯＬＥＤ３０で構成されたディスプレイと、ディスプレイの下に配置された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のアレイ１６によって撮影された画像を形成するイメージセンサ１３とを含む。複数のマイクロレンズ１６の各々は、指紋の隆線の一部のみを撮影し、アレイを構成する複数のマイクロレンズ１６が撮影した指紋の隆線に基づいて、指紋を認証する。【選択図】図１

Description

この発明はアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュールおよび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用センサモジュールおよびアンダーディスプレイ型指紋認証装置に関する。

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、不透明の発光部や配線が設けられ、一般に不透明部分は約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、指紋の認証が可能な指紋認証用センサモジュールおよび指紋認証装置を提供することを目的とする。

この発明に係る指紋認証用センサモジュールは、指紋を載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配置された複数のマイクロレンズのアレイと、複数のマイクロレンズのアレイによって撮影された画像を形成するイメージセンサと、を含み、複数のマイクロレンズの各々は、指紋の一部のみを撮影し、アレイを構成する複数のマイクロレンズが撮影した指紋に基づいて、指紋を認証する。

好ましくは、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。
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を含ンでもよいし、絞り手段は、カバーガラスとディスプレイとの間に設けられ、マイクロレンズへ入射される指紋からの光を絞る、複数の絞りを含ンでもよい。

この発明の一実施の形態によれば、絞り手段は、指紋と、ＯＬＥＤの不透明部分との両方にピントが合う被写界深度を有する。
この発明の他の局面においては、アンダーディスプレイ型指紋認証装置は、上記いずれかに記載のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュールを含む。

この発明のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュールにおいては、指紋からの光を、複数のマイクロレンズのアレイによって撮影された画像をイメージセンサで形成したため、複数のマイクロレンズの各々は指紋の一部のみを撮影し、アレイを構成する複数のマイクロレンズからの画像を合わせることによって、指紋の全体の画像が得られる。
その結果、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、指紋の認証が可能な指紋認証用センサモジュールを提供できる。

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１の要部を示す図である。 図５に示した部分の平面図である。 マイクロレンズの具体的な配置を示す図である。 この発明の他の実施の形態係る指紋認証装置の断面図である。 この発明の他の実施形態に係る指紋認証装置の平面図である。

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の上に載置された指を載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）、ＯＬＥＤ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。
次に、ＯＬＥＤ３０について説明する。図１では省略しているが、ＯＬＥＤの断面図である図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。これらの素子３１ａ〜３１ｃは、カバーガラス３３上に載置された指からの反射光を複数のマイクロレンズ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、不透明部分になる。

そこで、この実施の形態では、このような状態でも、指紋からの反射光をできるだけ多く、かつ、有効に受光することにより、少しでも指紋の映像を解像度良く、綺麗に写しだすための構成を有する。そのような構成について、図５を参照して説明する。図５（Ａ）は、この実施の形態における、指紋認証装置の第１の実施の形態の具体的構成を示す図であり、基本的に図１の中央部分を示す図と同じである。ここでは、ホルダー基板２１は図示を省略している。

図５（Ａ）を参照して、第１の実施の形態では、個々のマイクロレンズ１６の周りを遮光ダム１７で囲み、さらにマイクロレンズ１６の周囲を薄膜で覆っているため、余分な光がマイクロレンズ１６に入射しない、と共に個々のマイクロレンズの周囲からイメージセンサへの光の透過を防ぐ。したがって、指紋からの反射光のみがイメージセンサ１３の光電変換部へ入射される。

次に、第２の実施の形態について説明する。図５（Ｂ）は第２の実施の形態を示す図である。図５（Ｂ）を参照して、この実施の形態においては、ＯＬＥＤ３０とその上のカバーガラス３３の間に、指紋からマイクロレンズ１６に入射する光を制限するための絞り３４が設けられている。この絞りは、マトリックス状に配置されたマイクロレンズ１６のそれぞれに対応した位置に設けられている。
この実施の形態においては、遮光ダム１７に加えて絞り３４によっても入射光が制限されるため、より必要でない入射光を制限できる。

次に、第３の実施の形態について説明する。図５（Ｃ）および図５（Ｄ）は第３の実施の形態を示す図である。図５（Ｃ）は、図５（Ａ）や図５（Ｂ）と同様の概略を示す断面図であり、図５（Ｄ）は図５（Ｃ）において、○で囲んだ部分の拡大図である。図５（Ｃ）および（Ｄ）を参照して、この実施の形態においては、イメージセンサ１３が構成されるＦＰＣ基板２０に、光電変換部１３ｂを囲む突起部１３ｃを設ける。これによって、突起部１３ｃで囲まれた底部に設けられる光電変換部１３ｂに入射される光を制限する。なお、この突起部１３ｃは、個々の光電変換部１３ｂに対応した位置に設けられる。

この実施の形態においては、遮光ダム１７に加えて突起部１３ｃによっても入射光が制限されるため、より不用な入射光を制限できる。
なお、ここで、１３ｃの高さは数μｍが好ましく、１つの光電変換部１３ｂの幅ｂに対して、突起部１３ｃの高さｃの比は、ｃ／ｂ≧１が好ましい。

次に、ＯＬＥＤ３０を通った画像を得る具体的方法について説明する。
図６は、図４で説明したＯＬＥＤ３０に設けられた複数の素子（ＬＥＤの発光部や不透明なＴＦＴなど）３１ａ〜３１ｃの配置状態を示す平面の式図である。図６を参照して、この実施の形態においては、イメージセンサ１３はＯＬＥＤの不透明部分を含めて、指紋を撮影する。イメージセンサ１３には指紋の映像の上にＯＬＥＤの不透明部分３１ａ〜３１ｃの映像が発光部の周期に合わせてゴミのように点在することになる。

この不透明部分の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。

次に、この実施の形態における絞り手段について説明する。この実施の形態においては、指紋からの反射光をできるだけ多く、かつ、有効に受光することにより、少しでも指紋の映像を解像度良く、綺麗に写しだすための構成として、上記した構成を有するが、これを「絞り手段」という。

すなわち、この実施の形態においては、絞り手段として、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が設けられている。絞り手段は、上記したように、マイクロレンズ１６のアレイの周囲に設けられ、カバーガラス３３からマイクロレンズ１６のアレイへの光を絞るように構成された遮光ダム１７を含む。

また、絞り手段は、カバーガラス３３とＯＬＥＤディスプレイ３０との間に設けられ、結像部１９へ入射される指紋からの光を絞る、複数の絞り３４を含んでもよい。

さらに、イメージセンサ１３はＦＰＣ基板２０の上に設けられた複数の光電変換部１３ｂを含み、複数の光電変換部１３ｂの各々は、ＦＰＣ基板２０の上に設けられた突起部１３ｃで囲まれた凹部に配置され、絞り手段は突起部１３ｃを含む。

これらの絞り手段により、マイクロレンズの絞りを絞ることにより被写界深度を深く取る。マイクロレンズと指紋との距離と、マイクロレンズとＯＬＥＤの不透明部分との距離は各々違うが、マイクロレンズの被写界深度を深くとることにより、どちらにもピントが合うことができる。ピントが合わないと映像がボケて大きくなるが、ピントが合うと映像がシャープになり小さくなる。従って、指紋と、ＯＬＥＤの不透明部分の双方にピントを合わすことにより、削除したいＯＬＥＤの不透明部分も映像がシャープになり小さくなる(周波数で言うと高周波になる)。そこで、ＯＬＥＤの不透明部分をローパスフィルタ等で削除したとき(ローパスフィルタのカットオフ周波数を高くできる為)、指紋の解像度は高く留められる。なお、このような被写界深度を得る絞りの値はｆ＝８．０以上が好ましい。

なお、このように、深い被写界深度の映像を得るには、絞りを絞るだけではなく、マイクロレンズ１６を広角レンズにしてもよい。この場合、画角が６０°以上が好ましい。

次に、ＯＬＥＤの不透明部分の影響をより受けないようにするマイクロレンズ１６の具体的な他の配置例について説明する。図７は、この実施の形態における複数のマイクロレンズ１６からなるマイクロレンズアレイの具体的配置を示す図であり、先の図２に対応する。図７（Ａ）は全体の平面図であり、図７（Ｂ）は図７（Ａ）において、ＶＩＩＢで示すマイクロレンズ１６の位置する部分を拡大した断面図である。
図７（Ａ）を参照して、この実施の形態においては、第１ガラス１４の上の横５８０８μｍ、縦３２８８μｍの面に、縦横共に、ピッチ２８２μｍで、横２０、縦１１の孔を設け、そこにマイクロレンズ１６を配置している。なお、図中、画素中心を十字で示す。

このように、指紋からの光を、複数のマイクロレンズを有するアレイを用いてイメージセンサで結像するようにしたため、ＯＬＥＤに含まれる要素によるディスプレイの不透明部分によって、指紋の映像のうちの１つのマイクロレンズによって撮影された部分が検出できなくても、その部分は、他のマイクロレンズによって撮影されるため、ＯＬＥＤの発光部などによる黒い不透明部分の影響を受けない。また、複数のマイクロレンズで指紋を多重に撮影するため、詳細な映像が得られ、解像度が高くなる。

なお、画素中心とは、イメージセンサ１３の画素の中心（中央）である。マイクロレンズ１６を配置するときに、イメージセンサ１３の画素中心から、上下左右に配置している。つまり、マイクロレンズ１６は、画素中心に対して、左右対称、上下対称に配置される。

また、図７（Ｂ）を参照して、マイクロレンズ１６が設けられる開口部１５の径は図２の比べて小さい３２μｍであり、その深さは３０μｍであり、径と深さの比はほぼ１対１である。また、マイクロレンズの径は２９．６μｍである。

次に、この発明の他の実施の形態について説明する。
他の実施の形態においては、ＯＬＥＤ３０の代わりに、透明ガラス３５を使用する、ＯＬＥＤ３０を有さない指紋認証装置である。この場合は、指紋の照明用のＬＥＤ３６を別途設ける。これは、例えば、ホルダー基板２１の上等に凹部を設けて配置してもよい。

この実施の形態の構成の図８および図９に示す。図８は、この実施の形態における図１に対応する断面図であり、図９は、図２に対応する平面図である。図８および図９を参照して、この実施の形態においては、図１および図２のＯＬＥＤ３０の代わりに透明ガラス３５が設けられている。また、指紋を照明するためのＬＥＤ３６を別途設けている。それ以外の部分については、図１および図２と同様であるので、その説明は省略する。なお、この実施の形態においては、指紋認証装置を５０で、指紋認証用センサモジュールを５１で表す。

この実施の形態においては、ＯＬＥＤ３０の代わりに、内部に遮光部材となるものがないため、指紋からの十分な反射光が得られる上に、不必要な反射光を排除できるのでより鮮明な指紋の画像を得ることができる。

なお、上記実施の形態では、指紋からの反射光をできるだけ多く、かつ、有効に受光するための構成について第１から第３の３つの実施の形態について、個別に説明したが、これらの実施の形態を任意に組み合わせてもよい。

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、ＯＬＥＤを有する指紋認証装置として有利に利用される。

１０，３０ ＯＬＥＤ用指紋認証装置、１１，５１ 指紋認証用センサモジュール、１２ 検出モジュール、１３ イメージセンサ、１３ａ ランド、１３ｂ 光電変換部、１３ｃ 突起部、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、３０ ＯＬＥＤ、３１ 素子、３３ カバーガラス、３４ 絞り、３５ 透明ガラス、４１ 遮光部材、５０ 指紋認証装置。

Claims (7)

1. 指紋を載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で構成されたディスプレイと、
   前記ディスプレイの下に配置された複数のマイクロレンズのアレイと、
   複数のマイクロレンズのアレイによって撮影された画像を形成するイメージセンサと、を含み、
   前記複数のマイクロレンズの各々は、指紋の一部のみを撮影し、
   前記アレイを構成する複数のマイクロレンズが撮影した指紋に基づいて、指紋を認証する、指紋認証用センサモジュール。
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用センサモジュール。
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、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用センサモジュール。
4. 前記絞り手段は、前記カバーガラスと前記ディスプレイとの間に設けられ、前記マイクロレンズへ入射される指紋からの光を絞る、複数の絞りを含む、請求項２に記載のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュール。
5. 前記イメージセンサは所定の基板の上に設けられた複数の光電変換部を含み、
   前記複数の光電変換部の各々は、前記基板の上に設けられた突起部で囲まれた凹部に配置され、
   前記絞り手段は前記突起部を含む、請求項２に記載のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュール。
6. 前記絞り手段は、前記指紋と、前記ＯＬＥＤの不透明部分との両方にピントが合う被写界深度を有する、請求項２〜５の何れかに記載のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュール。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のアンダーディスプレイ型指紋認証用センサモジュールを含むアンダーディスプレイ型指紋認証装置。

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