TW201824071A - 生物特徵辨識裝置 - Google Patents

Abstract

一種生物特徵辨識裝置，其包括光源、導光元件、影像擷取元件以及第一準直器。光源適於提供光束。導光元件位於光束的傳遞路徑上。影像擷取元件位於導光元件下方。第一準直器位於導光元件與影像擷取元件之間，其中第一準直器包括吸光元件以及多個透光元件。透光元件間隔設置。吸光元件環繞透光元件且包覆透光元件的側壁，其中透光元件的折射率分別大於1。

Description

生物特徵辨識裝置

本發明是有關於一種生物特徵辨識裝置。

生物特徵辨識的種類包括臉部、聲音、虹膜、視網膜、靜脈、指紋和掌紋辨識等。由於每個人的指紋都是獨一無二的，且指紋不易隨著年齡或身體健康狀況而變化，因此指紋辨識裝置已成為目前最普及的一種生物特徵辨識裝置。依照感測方式的不同，指紋辨識裝置可分為光學式與電容式。電容式指紋辨識裝置組裝於電子產品（例如：手機、平板電腦）時，電容式指紋辨識裝置上方多設有保護元件（cover lens）。一般而言，需額外加工（例如鑽孔或薄化）保護元件，以使電容式指紋辨識裝置能夠感測到手指觸碰所造成的容值或電場變化。

相較於電容式指紋辨識裝置，光學式指紋辨識裝置擷取容易穿透保護元件的光進行指紋辨識，而可以不用額外加工保護元件，因此在與電子產品的結合上較為便利。

光學式指紋辨識裝置通常包括光源、影像擷取元件及透光元件。光源用以發出光束，以照射按壓在透光元件上的手指。手指的指紋是由多條不規則的凸紋與凹紋所組成。被凸紋與凹紋反射的光束會在影像擷取元件的接收面上形成為明暗交錯的指紋影像。影像擷取元件可將指紋影像轉換為對應的影像資訊，並將影像資訊輸入至處理單元。處理單元可利用演算法計算對應於指紋的影像資訊，以進行使用者的身份辨識。然而，在上述的取像過程中，被指紋反射的光束易散亂地傳遞至影像擷取元件，而造成取像品質不佳，影響辨識結果。

本發明提供一種生物特徵辨識裝置。

本發明的生物特徵辨識裝置包括光源、導光元件、影像擷取元件以及第一準直器。光源適於提供光束。導光元件位於光束的傳遞路徑上。影像擷取元件位於導光元件下方。第一準直器位於導光元件與影像擷取元件之間，其中第一準直器包括吸光元件以及多個透光元件。透光元件間隔設置。吸光元件環繞透光元件且包覆透光元件的側壁，其中透光元件的折射率分別大於1。

在本發明的一實施例中，上述的導光元件具有出光部以及連接於出光部的入光部。光源與影像擷取元件共同位於出光部下方。入光部位於光源與出光部之間。

在本發明的一實施例中，上述的光源位於導光元件的側面。

在本發明的一實施例中，上述的導光元件面向第一準直器的表面形成有多個微結構。微結構凸出或凹入於表面。

在本發明的一實施例中，上述的透光元件的折射率分別落在1.3至1.7的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的透光元件與吸光元件緊密接合，且透光元件與吸光元件之間無空氣間隙。

在本發明的一實施例中，上述的透光元件的寬度與高度比分別落在2至20的範圍內。

在本發明的一實施例中，上述的生物特徵辨識裝置還包括蓋板，其中導光元件位於蓋板與第一準直器之間。

在本發明的一實施例中，上述的生物特徵辨識裝置還包括第二準直器。第二準直器位於導光元件與第一準直器之間。

在本發明的一實施例中，上述的第二準直器包括多個稜鏡，且稜鏡的頂角分別指向導光元件。

基於上述，在本發明的實施例的生物特徵辨識裝置中，利用吸光元件吸收來自導光元件的大角度光束，以將傳遞至影像擷取元件的光束準直化，使影像擷取元件的取像品質提升。因此，生物特徵辨識裝置可具有良好的辨識能力。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1為本發明一實施例的生物特徵辨識裝置的剖面示意圖。請參照圖1，生物特徵辨識裝置100例如為指紋辨識裝置，用以辨識待辨識物10的指紋，但不以此為限。在另一實施例中，生物特徵辨識裝置100也可用以辨識靜脈、掌紋或是指紋、靜脈以及掌紋的其中至少兩個的組合。

生物特徵辨識裝置100包括光源110、導光元件120、影像擷取元件130以及第一準直器140。

光源110適於提供光束B。光源110可以是非可見光光源或可見光光源。也就是說，光束B可以是不可見光（例如：紅外光）或可見光（例如：紅光、藍光、綠光或其組合）。或者，光源110可以是非可見光光源與可見光光源的組合。舉例而言，光源110可包括多個發光元件112。發光元件112可為發光二極體或其他適當種類的發光元件。圖1示意地顯示出兩個發光元件112，且兩個發光元件112位在影像擷取元件130的相對側。然而，發光元件112的數量以及配置方式可依需求改變，而不以此為限。

導光元件120位於光束B的傳遞路徑上，其適於將光源110提供的光束B導向待辨識物10。舉例而言，導光元件110的材質可為玻璃、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或其他適當材料。在本實施例中，光源110與影像擷取元件130位於導光元件120的同一側。生物特徵辨識裝置100進一步包括電路板150。光源110配置在電路板150上且與電路板150電連接。導光元件120具有出光部122以及連接於出光部122的至少一入光部124。光源110與影像擷取元件130共同位於出光部122下方，且光源110位於影像擷取元件130旁。入光部124位於光源110與出光部122之間。詳細而言，入光部124可固定在電路板150上，且入光部124具有凹陷C。凹陷C與電路板150圍出容納光源110的空間。在另一實施例中，入光部124與電路板150的其中至少一個可具有凹陷（未繪示），以容納光源110。在又一實施例中，入光部124與電路板150可藉由固定機構（未繪示）或黏著層（未繪示，例如：光學膠）固定在一起。在再一實施例中，入光部124可藉由黏著層（未繪示，例如：光學膠）而固定在光源110上，且入光部124可不與電路板150接觸。圖1示意地顯示出兩個入光部124，且兩個入光部124位在出光部122的相對側。然而，入光部124的數量以及配置方式可依需求改變，而不以此為限。

圖2為圖1中導光元件的一種放大圖。請參照圖1及圖2，光源110射出的光束B自入光部124進入導光元件120，且光束B可經由入光部124傳遞至出光部122。導光元件120面向第一準直器140的表面S可選擇性地形成有多個微結構M（圖1未繪示，請參照圖2）。微結構M適於改變光束B的傳遞方向，使得被微結構M反射的光束B垂直或接近垂地直射出出光部122。如圖2所示，微結構M可凸出於表面S且可具有第一反射面S1以及第二反射面S2。第一反射面S1與第二反射面S2彼此相連，其中第一反射面S1與第二反射面S2相對於表面S傾斜，且第一反射面S1與第二反射面S2的傾斜方向相反。在一實施例中，微結構M、出光部122以及入光部124可一體成型，但不以此為限。在另一實施例中，微結構M、出光部122以及入光部124可分別製作，再藉由連接機構或黏著層（例如：光學膠）固定在一起。或者，微結構M也可凹入於表面S。具體地，微結構M可以是形成在表面S上的凹陷。另外，微結構M的數量及其分布可依據不同的需求改變，而不限於圖2所顯示的數量及分布。

出光部122輸出光束B的表面S’與形成有微結構M的表面S相對。在一實施例中，表面S’可以是供待辨識物10按壓的按壓面。在表面S’為按壓面的架構下，如圖2所示，來自光源110的光束B依序通過入光部124以及出光部122，並在表面S’發生全內反射（Total Internal Reflection, TIR），接著依序被第二反射面S2以及第一反射面S1反射，並垂直或接近垂直地射出表面S’。

或者，如圖1所示，生物特徵辨識裝置100可進一步包括蓋板160以供待辨識物10按壓。蓋板160位於導光元件120上方，且導光元件120位於蓋板160與第一準直器140之間。蓋板160可以是所欲組裝的電子產品（例如：觸控面板或觸控顯示面板）的保護元件（cover lens），但不以此為限。在一實施例中，蓋板160與導光元件120可藉由連接機構或黏著層（例如：光學膠）而固定在一起，但不以此為限。以黏著層固定蓋板160與導光元件120的情況下，黏著層、蓋板160與導光元件120的折射率可相同或相近，以減少介面反射，進而提升生物特徵辨識裝置100的光利用效率及/或取像品質。然而，在其他實施例中，黏著層、蓋板160與導光元件120的折射率也可相異。在設置蓋板160的架構下，來自光源110的光束B依序通過入光部124出光部122以及蓋板160，並在蓋板160供待辨識物10按壓的表面發生全內反射。經待辨識物10作用（例如：漫射）的光束B’依序通過蓋板160以及出光部122-並傳遞至表面S。傳遞至表面S的光束B’的一部分會被表面S反射，而再次朝蓋板160供待辨識物10按壓的表面傳遞。另一方面，傳遞至表面S的光束B’的另一部分會自表面S射出導光元件120。

影像擷取元件130位於導光元件120下方且具有例如呈陣列排列的多個像素（pixel）區PR（顯示於圖4），以接收經待辨識物10作用的光束B’，進而取得待辨識物10的影像。在本實施例中，影像擷取元件130例如包括多個電荷耦合元件（Charge-Coupled Device, CCD）132（顯示於圖4）。電荷耦合元件132配置於電路板150上並與電路板150電連接。電荷耦合元件132的所在區域為影像擷取元件130的像素區PR。在另一實施例中，影像擷取元件130可包括多個互補金屬氧化物半導體（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS），且互補金屬氧化物半導體的所在區域為影像擷取元件130的像素區PR。

第一準直器140位於導光元件120與影像擷取元件130之間，且第一準直器140位於待辨識物10作用後的光束B’的傳遞路徑上。舉例而言，第一準直器140可配置在影像擷取元件130上，且第一準直器140與影像擷取元件130可藉由連接機構或黏著層（例如：光學膠）而固定在一起，但不以此為限。

圖3為圖1中第一準直器的一種俯視示意圖。圖4為圖1中第一準直器、影像擷取元件以及電路板的一種剖面示意圖。請參照圖1、圖3及圖4，第一準直器140包括吸光元件142以及多個透光元件144。透光元件144間隔設置。具體地，透光元件144分別與其中一個像素區PR對齊。吸光元件142環繞透光元件144且包覆透光元件144的側壁SS。在本實施例中，透光元件144與吸光元件142緊密接合，且透光元件144與吸光元件142之間無空氣間隙。

透光元件144的折射率分別大於1。當導光元件120與第一準直器140之間的光傳遞介質（例如：空氣或光學膠）的折射率不同於透光元件144的折射率時，入射透光元件144的光束（包括大角度入射透光元件144的光束B1’以及小角度入射透光元件144的光束B2’）會在透光元件144的入光面S144經由折射而進入透光元件144。因此，設置透光元件144有助於收斂光束B’進入第一準直器140的角度，進而讓更多的光束B’能夠傳遞至影像擷取元件130。

透光元件144的材質可採用矽膠系或壓克力系透光材料。吸光元件142的材質可採用含有吸光材料（例如：碳）的矽膠系或壓克力系材料。如此一來，在光束B1’以及光束B2’進入透光元件144後，由於吸光元件142位於光束B1’的傳遞路徑上，因此光束B1’會被吸光元件142吸收。另一方面，由於吸光元件142不位於光束B2’的傳遞路徑上，因此光束B2’不會被吸光元件142吸收，而能夠通過第一準直器140並傳遞至影像擷取元件130。

進入第一準直器140的光束是否被吸光元件142吸收（也就是吸光元件142是否位於進入透光元件144的光束的傳遞路徑上）可取決於透光元件144的寬度W、透光元件144的高度H以及光束B’在透光元件144的入光面S144的折射角（由光束B’的入射角以及透光元件144的折射率決定）等。在透光元件144的高度H為定值的情況下，透光元件144的寬度W越大，影像擷取元件130接收到的光束B’的角度範圍越大。在透光元件144的寬度W為定值的情況下，透光元件144的高度H越大，影像擷取元件130接收到的光束B’的角度範圍越小。在貫透光元件144的寬度W以及透光元件144的高度H為定值的情況下，光束B’的折射角越大（也就是入射角越大），越有可能被吸光元件142吸收。在本實施例中，透光元件144的折射率分別落在1.3至1.7的範圍內。此外，透光元件144的寬度W與高度H比分別落在2至20的範圍內。然而，透光元件144的折射率以及透光元件144的寬度W與高度H比可依據不同的設計需求（例如：影像擷取元件130的節距（pitch））改變，而不限於上述。

利用吸光元件142吸收來自導光元件120的大角度光束（例如：光束B1’），可以使僅特定角度的光束（小角度入射的光束，例如：光束B2’）傳遞至影像擷取元件130。經由適當的調變，可以使通過第一準直器140的光束B’能夠以0度或接近0度的角度入射影像擷取元件130。換句話說，第一準直器140有助於將傳遞至影像擷取元件130的光束準直化。如此，不但有助於濾除雜散光，還有助於避免從不同透光元件144輸出的光束B’相互干擾的問題，使影像擷取元件130的取像品質提升。因此，生物特徵辨識裝置100可具有良好的辨識能力。圖3及圖4示意性地顯示透光元件144分別為圓柱體，但不以此為限。在其他實施例中，透光元件144也可以分別是方柱體、三角柱體或其他多邊形柱體。

依據不同需求，生物特徵辨識裝置100還可包括其他元件。舉例而言，生物特徵辨識裝置100還可包括第二準直器170。第二準直器170位於導光元件120與第一準直器140之間，且第二準直器170位於待辨識物10作用後的光束B’的傳遞路徑上。舉例而言，第二準直器170可配置在表面S上，且導光元件120與第二準直器170可藉由連接機構或黏著層（例如：光學膠）而固定在一起，但不以此為限。

第二準直器170適於在光束B’通過第一準直器140之前，預先將光束B’準直化，以收斂光束B’的發散角。如此，可增加光束B’後續通過第一準直器140的機率。圖5為圖1中導光元件以及第二準直器的一種放大圖。請參照圖1及圖5，第二準直器170可包括多個稜鏡172，且稜鏡172的頂角TA分別指向導光元件120。在本實施例中，各稜鏡172的兩個底角BA的角度相同。然而，稜鏡172的頂角TA及底角BA可依據不同的需求改變，而不限於此。

圖6為本發明另一實施例的生物特徵辨識裝置的剖面示意圖。圖6的生物特徵辨識裝置100A與圖1的生物特徵辨識裝置100相似，且生物特徵辨識裝置100A具有與生物特徵辨識裝置100相似的功效與優點，於此便不再重述。圖6的生物特徵辨識裝置100A與圖1的生物特徵辨識裝置100的差異在於光源110的位置不同。詳細而言，在圖6的實施例中，光源110位於導光元件120A的側面。在此架構下，導光元件120A例如為板狀，且導光元件120A可以省略圖1中導光元件120的入光部124。

綜上所述，在本發明的實施例的生物特徵辨識裝置中，利用吸光元件吸收來自導光元件的大角度光束，以將傳遞至影像擷取元件的光束準直化，使影像擷取元件的取像品質提升。因此，生物特徵辨識裝置可具有良好的辨識能力。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧待辨識物

100、100A‧‧‧生物特徵辨識裝置

110‧‧‧光源

112‧‧‧發光元件

120、120A‧‧‧導光元件

122‧‧‧出光部

124‧‧‧入光部

130‧‧‧影像擷取元件

132‧‧‧電荷耦合元件

140‧‧‧第一準直器

142‧‧‧吸光元件

144‧‧‧透光元件

150‧‧‧電路板

160‧‧‧蓋板

170‧‧‧第二準直器

172‧‧‧稜鏡

B、B’、B1’、B2’‧‧‧光束

BA‧‧‧底角

C‧‧‧凹陷

H‧‧‧高度

M‧‧‧微結構

PR‧‧‧像素區

S、S’‧‧‧表面

S1‧‧‧第一反射面

S2‧‧‧第二反射面

S144‧‧‧入光面

SS‧‧‧側壁

TA‧‧‧頂角

W‧‧‧寬度

圖1為本發明一實施例的生物特徵辨識裝置的剖面示意圖。 圖2為圖1中導光元件的一種放大圖。 圖3為圖1中第一準直器的一種俯視示意圖。 圖4為圖1中第一準直器、影像擷取元件以及電路板的一種剖面示意圖。 圖5為圖1中導光元件以及第二準直器的一種放大圖。 圖6為本發明另一實施例的生物特徵辨識裝置的剖面示意圖。

Claims (10)

1. 一種生物特徵辨識裝置，包括： 光源，適於提供光束； 導光元件，位於所述光束的傳遞路徑上； 影像擷取元件，位於所述導光元件下方；以及 第一準直器，位於所述導光元件與所述影像擷取元件之間，其中所述第一準直器包括吸光元件以及多個透光元件，所述多個透光元件間隔設置，所述吸光元件環繞所述多個透光元件且包覆所述多個透光元件的側壁，其中所述多個透光元件的折射率分別大於1。
2. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述導光元件具有出光部以及連接於所述出光部的入光部，所述光源與所述影像擷取元件共同位於所述出光部下方，所述入光部位於所述光源與所述出光部之間。
3. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述光源位於所述導光元件的側面。
4. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述導光元件面向所述第一準直器的表面形成有多個微結構，所述多個微結構凸出或凹入於所述表面。
5. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述多個透光元件的折射率落在1.3至1.7的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述多個透光元件與所述吸光元件緊密接合，且所述多個透光元件與所述吸光元件之間無空氣間隙。
7. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述多個透光元件的寬度與高度比分別落在2至20的範圍內。
8. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，更包括： 蓋板，其中所述導光元件位於所述蓋板與所述第一準直器之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述的生物特徵辨識裝置，更包括： 第二準直器，位於所述導光元件與所述第一準直器之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述的生物特徵辨識裝置，其中所述第二準直器包括多個稜鏡，且所述多個稜鏡的頂角分別指向所述導光元件。