TW201824077A

TW201824077A - 生物辨識裝置

Info

Publication number: TW201824077A
Application number: TW106102741A
Authority: TW
Inventors: 王炯翰
Original assignee: 敦捷光電股份有限公司
Priority date: 2016-12-23
Filing date: 2017-01-24
Publication date: 2018-07-01
Also published as: WO2018113105A1; CN108241839A; TWI646473B

Abstract

一種生物辨識裝置，包括具有相對的第一、二表面的導光元件、形成於第二表面的多個光學微結構、用以發出光束的光源、相對於第二表面設置的影像擷取元件及配置於光學微結構與影像擷取元件之間的控光元件。光束被每一光學微結構的反射面反射，以斜向地傳遞且通過導光元件的第一表面至待辨識物。光束被待辨識物反射至控光元件。控光元件折射與反射光束，以使光束準直地向影像擷取元件傳遞。

Description

生物辨識裝置

本發明是有關於一種光電裝置，且特別是有關於一種生物辨識裝置。

生物辨識的種類包括臉部、聲音、虹膜、視網膜、靜脈和指紋辨識等。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况而變化，因此指紋辨識裝置已成爲目前最普及的一種生物辨識裝置。依照感測方式的不同，指紋辨識裝置可分爲光學式與電容式。電容式指紋辨識裝置組裝於電子産品（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），而電容式指紋辨識裝置的感測效果會受到保護元件的影響。因此，光學式指紋辨識裝置也倍受重視。

光學式指紋辨識裝置包括光源、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爲明暗交錯的指紋影像。影像擷取元件可將指紋影像轉換爲對應的影像信息，並將影像信息輸入至處理單元。處理單元可利用演算法計算對應於指紋的影像信息，以進行用戶的身份辨識。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辨識裝置。

根據本發明的實施例，生物辨識裝置包括導光元件、多個光學微結構、光源、影像擷取元件及控光元件。導光元件具有相對的第一表面與第二表面。多個光學微結構形成於導光元件的第二表面。每一光學微結構具有反射面。光源用以發出光束。影像擷取元件相對於導光元件的第二表面設置。控光元件配置於導光元件的第二表面與影像擷取元件之間。光束被每一光學微結構的反射面反射，以斜向地傳遞且通過導光元件的第一表面至待辨識物。光束被待辨識物反射至控光元件，控光元件折射與反射光束，以使光束準直地向影像擷取元件傳遞。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，反射面相對於導光元件的第一表面傾斜。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，反射面爲曲面。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，控光元件包括多個微棱鏡。每一微棱鏡具有底面及多個側面。多個側面相對於導光元件的第一表面傾斜，且多個側面的傾斜方向相反。底面連接於多個側面之間。被待辨識物反射的光束依序被多個側面的一個折射、被多個側面的另一個反射而由底面出射。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，影像擷取元件具有光接收面，由微棱鏡的底面出射的光束與垂直於光接收面的參考軸夾有角度θ，而-15^o ≤θ≤15^o 。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，生物辨識裝置還包括光學膠。控光元件透過光學膠與導光元件連接。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，生物辨識裝置還包括透光元件。透光元件配置於導光元件的第一表面上。透光元件具有按壓面，以供待辨識物按壓。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，生物辨識裝置還包括準直元件。準直元件配置於控光元件與影像擷取元件之間。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，導光元件還具有外側壁。外側壁與第一表面連接且向第二表面所在側延伸。光束自外側壁進入導光元件中。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，導光元件還具有外側壁、內側壁以及底面。外側壁與第一表面連接且向第二表面所在側延伸。內側壁與第二表面連接且設置於外側壁的對向。底面設置於第一表面的對向且連接於外側壁與內側壁之間。光束自導光元件的底面進入導光元件中。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，光束包括可見光、不可見光或其組合。

在根據本發明的實施例的生物辨識裝置中，待辨識物包括指紋、靜脈、掌紋或其組合。

基於上述，本發明一實施例的生物辨識裝置包括導光元件、多個光學微結構、光源、影像擷取元件及控光元件。導光元件具有相對的第一表面與第二表面。多個光學微結構形成於導光元件的第二表面。每一光學微結構具有反射面。控光元件配置於導光元件的第二表面與影像擷取元件之間。利用光學微結構的反射面，光源發出的光束可被分散在較大的範圍，以使生物辨識裝置具有充分的工作面積。更重要地是，利用控光元件的折射與反射作用，斜向地朝影像擷取元件傳遞的光束的行進方向可被改變，而使光束在穿過控光元件後可準直地向影像擷取元件傳遞。借此，生物辨識裝置可在具有充分工作面積下，兼具良好的取像品質，進而增加生物辨識裝置的辨識能力。

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，相同元件符號在附圖和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1爲本發明一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。請參照圖1，生物辨識裝置100包括導光元件110、多個光學微結構120、光源130、影像擷取元件140及控光元件150。導光元件110具有相對的第一表面112與第二表面114。在本實施例中，導光元件110還具有外側壁116、內側壁118及底面119。外側壁116與第一表面112連接且向第二表面114所在側延伸。內側壁118與第二表面114連接且設置於外側壁116對向。底面119設置於第一表面112的對向且連接於外側壁116與內側壁118之間。在本實施例中，內側壁118與第二表面114可定義出凹槽113，但本發明不以此爲限。在本實施例中，導光元件110的材質可爲玻璃、聚碳酸酯（PC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）或其他適當材料。

多個光學微結構120形成於導光元件110的第二表面114。在本實施例中，光學微結構120的材質與導光元件110的材質可相同。換言之，光學微結構120與導光元件110可爲一體成型。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，光學微結構120與導光元件110也可分別製作，然後，再將光學微結構120配置於導光元件110的第二表面114上。值得注意的是，每一光學微結構120具有反射面122。在本實施例，反射面122可爲相對於導光元件110的第一表面112傾斜的平面，但本發明不以此爲限。更進一步地說，在本實施例中，每一光學微結構120還具有連接面124。連接面124連接於相鄰兩個光學微結構120的兩個反射面122之間。在本實施例中，連接面124可相對於導光元件110的第一表面112傾斜，且連接面124與反射面122的傾斜方向可相反。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，連接面124也可設計爲其他適當樣態。

光源130用以發出光束L。在本實施例中，光束L例如是可見光（例如：紅光、藍光、綠光或其組合）。但本發明不限於此，在其他實施例中，光束L也可以是不可見光（例如：紅外光）或不可見光與可見光的組合。在本實施例中，光源130例如爲發光二極管。但本發明不限於此，在其他實施例中，光源130也可爲其他適當種類的發光元件。圖1示出一個光源130爲示例，且光源130設置在導光元件110的單側。但本發明不限於此，在其他實施例中，光源130的數量也可爲多個，和/或光源130也可設置在導光元件110的雙側或三個以上的側邊。

在本實施例中，光束L可自導光元件110的底面119進入導光元件110中。詳言之，生物辨識裝置100可進一步包括電路板196。光源130可配置於電路板196上且與電路板196電性連接。導光元件110的底面119可固定在電路板196上。導光元件110的底面119可具有凹陷119a。光源130可選擇性地配置於凹陷119a與電路板196圍出的空間中。光束L可自凹陷119a入射導光元件110。然而，本發明不限於此，在另一實施例中，導光元件110的底面119可不具凹陷119a，電路板196可具有凹陷（未顯示），光源130可配置於電路板196的所述凹陷中，導光元件110的底面119配置於電路板196的所述凹陷上方，而光束L也可自不具凹陷119a的底面119進入導光元件110中。需說明的是，上述光源130的位置及光束L入射導光元件110的區域僅是用以舉例說明本發明而非用以限制本發明，其他實施例中，光源130也可配置於其他適當位置，光束L也可自導光元件110的其他區域入射導光元件110。

影像擷取元件140相對於於導光元件110的第二表面114設置。詳言之，在本實施例中，影像擷取元件140可配置於電路板196上且與電路板196電性連接。更進一步地說，在本實施例中，導光元件110的第二表面114與內側壁118可定義出凹槽113，而影像擷取元件140可配置在導光元件110的凹槽113中，但本發明不以此爲限。影像擷取元件140具有數組排列的多個像素（pixel）區142，以接收被待辨識物10反射的光束L，進而取得待辨識物10的影像。在本實施例中，影像擷取元件140可爲電荷耦合元件（charge-coupled device；CCD）、互補金屬氧化物半導體（complementary metal oxide semiconductor；CMOS）或其他適當種類的圖像傳感器。

在本實施例中，生物辨識裝置100還包括透光元件160。透光元件160配置於導光元件110的第一表面112上。透光元件160具有背向導光元件110的按壓面162。按壓面162供待辨識物10按壓。在本實施例中，於正常的使用情况下，待辨識物10可爲生物特徵，例如：指紋、靜脈、指紋與靜脈的組合等。然而，本發明不限於此，於不正常的使用情况下，待辨識物10也可能是僞造物，例如：假手指。在本實施例中，生物辨識裝置100還包括光學膠170。透光元件160可透過光學膠170與導光元件110的第一表面112連接。在本實施例中，透光元件160、光學膠170及導光元件110的折射率可相同或相近，以减少光束L在透光元件160與光學膠170的交界及光學膠170與導光元件110的交界的反射，進而提升生物辨識裝置100的光利用效率和/或取像品質。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，透光元件160、光學膠170及導光元件110的折射率也可相異。

控光元件150配置於導光元件110的第二表面114與影像擷取元件140之間。在本實施例中，生物辨識裝置100還包括光學膠192，控光元件150可選擇性地透過光學膠192與導光元件110的第二表面114連接。然而，本發明不限於此，在其他實施例中，控光元件150也可利用其他方式固定於導光元件110與影像擷取元件140之間。舉例而言，在另一實施例中，控光元件150也可利用固定元件（未顯示）固定在導光元件110的內側壁118上，而不一定要直接貼在導光元件110的第二表面114。

值得注意是，光源130發出光束L後，光束L會被光學微結構120的反射面122反射，以斜向地傳遞至導光元件110的第一表面112，光束L通過導光元件110的第一表面112後會被待辨識物10反射至控光元件150。特別是，控光元件150會折射與反射光束L，以使光束L準直地向影像擷取元件140傳遞。以下利用圖2舉例說明控光元件150折射及反射光束L的機制。

圖2示出本發明一實施例的控光元件150以及被待辨識物10反射的光束L在導光元件110及控光元件150中傳遞進而入射影像擷取元件140的過程。請參照圖1及圖2，控光元件150包括多個微棱鏡152。每一微棱鏡152具有底面152a及多個側面152b、152c。多個側面152b、152c相對於導光元件110的第一表面112傾斜。多個側面152b、152c的傾斜方向相反。底面152a連接於多個側面152b、152c之間。光源130發出的光束L被光學微結構120的反射面122反射後會斜向地傳遞且通過導光元件110的第一表面122至待辨識物10。待辨識物10反射光束L，其中所述反射包括漫射（diffuse reflection）。被待辨識物10反射的光束L通過透光元件160的按壓面162及導光元件110後會斜向地入射控光元件150的側面152b，光束L被微棱鏡152的側面152b折射而傳遞至微棱鏡152的另一側面152c，微棱鏡152的側面152c反射光束L，以使光束L由底面152a出射且向影像擷取元件140傳遞。值得一提的是，利用光學微結構120的反射面122，光源130發出的光束L可斜向地傳遞至導光元件110的第一表面112，進而斜向地入射按壓面162，以被分散在較大的範圍中。由於光束L斜向地入射按壓面162，因此被待辨識物10反射的大部分光束L在進入控光元件150前會斜向地朝影像擷取元件140傳遞。但利用控光元件150的折射與反射作用，光束L的傳遞方向可被改變，而光束L在穿過控光元件150後可準直地向影像擷取元件140傳遞。借此，生物辨識裝置100可在具有充分的工作面積（即光束L分散在按壓面上的範圍）下，兼具良好的取像品質，進而增加生物辨識裝置100的辨識能力。

請參照圖2，在本實施例中，控光元件150的每一微棱鏡152具有棱鏡角α。棱鏡角α爲側面152b與側面152c的夾角。微棱鏡152具有折射率n。在本實施例中，詳言之，影像擷取元件140具有光接收面140a，參考軸X垂直於光接收面140a，光束L在通過導光元件110後且未進入控光元件150前與參考軸X的夾角爲θ’，光束L自底面152a出射的出射角爲θ（例如：自底面152a出射的光束L與參考軸X的夾角）。出射角θ與夾角θ’滿足下列關係式：。

利用上述關係式，能適當地設計棱鏡角α的大小，進而使自控光元件150出射的光束L的出射角θ可被控制在一定的範圍內（例如：-15^o ≤θ≤+15^o ，其中若由底面152a的法綫到光束L的方向爲順時針方向，則所述入射角爲負值，若由底面152a的法綫到光束L的方向爲逆時針方向，則所述入射角爲正值）。借此，光束L可準直地向影像擷取元件140傳遞，進而使影像擷取元件140取得良好的待辨識物10影像，提高生物辨識裝置100的辨識能力。

請參照圖1，在本實施例中，生物辨識裝置100還可包括準直元件180。準直元件180配置於導光元件110的第二表面114與影像擷取元件140之間。舉例而言，在本實施例中，生物辨識裝置100還包括光學膠194，而準直元件180可透過光學膠194與影像擷取元件140連接，但本發明不以此爲限。值得注意的是，準直元件180具有多個透光區184。多個透光區184分別對應影像擷取元件140的多個像素區142。被待辨識物10的每一處反射的光束L可通過對應的一個透光區184傳遞至對應的像素區142，而不易傳遞至其他像素區142。借此，生物辨識裝置100的取像品質能進一步地提升。但本發明不限於此，在其他實施例中，生物辨識裝置100也可選擇性地不包括準直元件180。

圖3爲本發明另一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖3的生物辨識裝置100A與圖1的生物辨識裝置100類似，兩者的差异在於，生物辨識裝置100A的光源130位置與生物辨識裝置100的光源130位置不同。詳言之，在圖3的實施例中，光源130可配置於導光元件110的外側壁116旁，而光束L可自外側壁116進入導光元件110中。生物辨識裝置100A具有與生物辨識裝置100類似的功效與優點，於此便不再重述。

圖4爲本發明又一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖4的生物辨識裝置100B與圖1的生物辨識裝置100類似，兩者的差异在於，生物辨識裝置100B的導光元件110的底面119可不直接配置於電路板196上。生物辨識裝置100B還包括支撑物198。支撑物198可由底面119向光源130所在側延伸，以維持底面119與光源130之間的間隙。在本實施例中，支撑物198可與導光元件110、電路板196或光源130一體成型，或爲導光元件110、電路板196及光源130以外的構件。生物辨識裝置100B還可包括光學膠196。光學膠196填入導光元件110的底面119與光源130之間的間隙，以减少光束L在入射導光元件110前的損失。生物辨識裝置100B具有與生物辨識裝置100類似的功效與優點，於此便不再重述。

圖5爲本發明再一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖5的生物辨識裝置100C與圖1的生物辨識裝置100類似，兩者的差异在於，生物辨識裝置100C的光學微結構120C與生物辨識裝置100的光學微結構120不同。詳言之，在圖4的實施例中，每一光學微結構120C的至少一反射面可爲曲面126。光束L被曲面126反射，以斜向地傳遞且通過導光元件110的第一表面112至待辨識物10。被待辨識物10反射的光束L通過透光元件160的按壓面162及導光元件110後會斜向地入射控光元件150。控光元件150折射與反射所述光束，以使光束L準直地向影像擷取元件140傳遞。生物辨識裝置100C具有與生物辨識裝置100類似的功效與優點，於此便不再重述。

綜上所述，本發明一實施例的生物辨識裝置包括導光元件、多個光學微結構、光源、影像擷取元件及控光元件。導光元件具有相對的第一表面與第二表面。多個光學微結構形成於導光元件的第二表面。每一光學微結構具有反射面。控光元件配置於導光元件的第二表面與影像擷取元件之間。利用光學微結構的反射面，光源發出的光束可被分散在較大的範圍，以使生物辨識裝置具有充分的工作面積。更重要地是，利用控光元件的折射與反射作用，斜向地朝影像擷取元件傳遞的光束的行進方向可被改變，而使光束在穿過控光元件後可準直地向影像擷取元件傳遞。借此，生物辨識裝置可在具有充分工作面積下，兼具良好的取像品質，進而增加生物辨識裝置的辨識能力。

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、100B、100C‧‧‧生物辨識裝置

110‧‧‧導光元件

112‧‧‧第一表面

113‧‧‧凹槽

114‧‧‧第二表面

116‧‧‧外側壁

118‧‧‧內側壁

119‧‧‧底面

119a‧‧‧凹陷

120、120C‧‧‧光學微結構

122‧‧‧反射面

124‧‧‧連接面

126‧‧‧曲面

130‧‧‧光源

140‧‧‧影像擷取元件

140a‧‧‧光接收面

142‧‧‧像素區

150‧‧‧控光元件

152‧‧‧微棱鏡

152a‧‧‧底面

152b、152c‧‧‧側面

160‧‧‧透光元件

162‧‧‧按壓面

170、192、194、196‧‧‧光學膠

180‧‧‧準直元件

184‧‧‧透光區

196‧‧‧電路板

198‧‧‧支撑物

L‧‧‧光束

X‧‧‧參考軸

α‧‧‧棱鏡角

θ‧‧‧出射角；

θ’‧‧‧夾角

圖1爲本發明一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖2示出本發明一實施例的控光元件以及被待辨識物反射的光束在導光元件及控光元件中傳遞進而入射影像擷取元件的過程。圖3爲本發明另一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖4爲本發明又一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。圖5爲本發明再一實施例的生物辨識裝置的剖面示意圖。

Claims

一種生物辨識裝置，包括：導光元件，具有相對的第一表面與第二表面；多個光學微結構，形成於所述導光元件的所述第二表面，其中每一光學微結構具有反射面；光源，用以發出光束；影像擷取元件，相對於所述導光元件的所述第二表面設置；以及控光元件，配置於所述導光元件的所述第二表面與所述影像擷取元件之間，其中所述光束被所述每一光學微結構的所述反射面反射，以斜向地傳遞且通過所述導光元件的所述第一表面至待辨識物，所述光束被待辨識物反射至所述控光元件，所述控光元件折射與反射所述光束，以使所述光束準直地向所述影像擷取元件傳遞。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述反射面相對於所述導光元件的所述第一表面傾斜。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述反射面爲曲面。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述控光元件包括：多個微棱鏡，每一微棱鏡具有底面及多個側面，所述多個側面相對於所述導光元件的所述第一表面傾斜，所述多個側面的傾斜方向相反，所述底面連接於所述多個側面之間，其中被所述待辨識物反射的所述光束依序被所述多個側面的一個折射、被所述多個側面的另一個反射而由所述底面出射。
如申請專利範圍第4項所述的生物辨識裝置，其中所述影像擷取元件具有光接收面，由所述每一微棱鏡的所述底面出射的所述光束與垂直於所述光接收面的參考軸夾有角度θ，而-15^o ≤θ≤15^o 。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，更包括：光學膠，其中所述控光元件透過所述光學膠與所述導光元件連接。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，更包括：透光元件，配置於所述導光元件的所述第一表面上，其中所述透光元件具有按壓面，以供所述待辨識物按壓。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，更包括：準直元件，配置於所述控光元件與所述影像擷取元件之間。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述導光元件還具有：外側壁，與所述第一表面連接且向所述第二表面所在側延伸，其中所述光束自所述外側壁進入所述導光元件中。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述導光元件還具有：外側壁，與所述第一表面連接且向所述第二表面所在側延伸；內側壁，與所述第二表面連接且設置於所述外側壁的對向；以及底面，設置於所述第一表面的對向且連接於所述外側壁與所述內側壁之間，其中所述光束自所述導光元件的所述底面進入所述導光元件中。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述光束包括可見光、不可見光或其組合。
如申請專利範圍第1項所述的生物辨識裝置，其中所述待辨識物包括指紋、靜脈、掌紋或其組合。