TW202141347A - 指紋辨識裝置 - Google Patents

Abstract

一種指紋辨識裝置，其包括光路調整元件、光學過濾層以及影像感測器。光路調整元件設置於來自使用者的指紋的影像光束的傳遞路徑上。光學過濾層設置於來自光路調整元件的影像光束的傳遞路徑上。光學過濾層具有多個開孔。影像光束中的傾斜影像光束傾斜地入射於光路調整元件。光路調整元件將傾斜影像光束的光路調整以使其沿正向方向傳遞至這些開孔。影像感測器設置於來自光學過濾層的影像光束的傳遞路徑上。影像感測器具有多個像素，這些像素的位置分別對應於這些開孔的位置。

Description

指紋辨識裝置

本發明是有關於一種指紋辨識裝置，且特別是一種有關於光學式指紋辨識裝置。

現今屏下指紋辨識裝置主要是通過採集光線打在手指上後所形成的反射光，反射光夾帶指紋波峰與波谷的影像資訊，屏下指紋辨識裝置再藉由此反射光進行指紋辨識。以目前準直式的屏下指紋辨識技術，影像感測器接收訊號光的方式都是以接收正上方的光束為主，但是，這種方式指紋波峰與波谷的對比度較低，導致後端影像處理的負擔較大。

本發明提供一種指紋辨識裝置，其能夠提供對比度良好的指紋辨識效果。

本發明的一實施例中提供一種指紋辨識裝置，其包括光路調整元件、光學過濾層以及影像感測器。光路調整元件設置於來自使用者的指紋的影像光束的傳遞路徑上。光學過濾層設置於來自光路調整元件的影像光束的傳遞路徑上。光學過濾層具有多個開孔。影像光束中的傾斜影像光束傾斜地入射於光路調整元件。光路調整元件將傾斜影像光束的光路調整以使其沿正向方向傳遞至這些開孔。影像感測器設置於來自光學過濾層的影像光束的傳遞路徑上。影像感測器具有多個像素，這些像素的位置分別對應於這些開孔。

在本發明的一實施例中，上述的光路調整元件為光學繞射平板。光學繞射平板經配置以使傾斜影像光束以光學繞射平板的1階光的逆追跡方式入射於光學繞射平板。

在本發明的一實施例中，上述的光路調整元件包括多個稜鏡以及透光基板。這些稜鏡設置於透光基板的表面上。各稜鏡具有兩兩相連的底面、側面以及傾斜面。底面與透光基板的表面接觸。傾斜影像光束由各稜鏡的側面入射，並被傾斜面反射後依序穿透底面與透光基板，以出射於光路調整元件。

在本發明的一實施例中，上述的各稜鏡的正投影與一開孔的正投影重疊。

在本發明的一實施例中，上述的各稜鏡的正投影與至少二開孔的正投影重疊。

在本發明的一實施例中，上述的影像光束更包括正向影像光束。正向影像光束正向地入射於光路調整元件。光路調整元件將正向影像光束的光路調整以使其以一不同於正向方向的一傾斜方向出射於光路調整元件。

在本發明的一實施例中，上述的這些開口排列的方式為隨機周期方式排列、陣列方式排列、同心圓方式排列或六角最密堆積排列。

在本發明的一實施例中，上述的影像感測器的種類包括互補式金氧半型影像感測器或電荷耦合元件型影像感測器。

在本發明的一實施例中，上述的指紋辨識裝置整合於電子裝置中。電子裝置包括光源，光源用以發出光束至使用者的指紋，並被使用者的指紋反射以形成影像光束。

基於上述，在本發明實施例的指紋辨識裝置中，其內部的光路調整元件可將影像光束中的傾斜影像光束的光路調整，以使影像感測器可採用傾斜影像光束做為感測影像資訊的來源，因此影像感測器感測到的影像資訊具有良好的對比度，其指紋辨識效果佳。

圖1A為本發明一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。

請參照圖1A，在本實施例中，指紋辨識裝置100a包括光路調整元件110、光學過濾層120以及影像感測器130，其例如是可整合於一電子裝置1中。電子裝置1例如是手機或者是其他合適的電子裝置，本發明不以此為限。電子裝置1除了指紋辨識裝置100a之外，更例如包括光源LS與透光蓋板CP。於以下的段落中會詳細地說明上述各元件。

請參照圖1A，光路調整元件110係泛指可藉由反射、繞射或穿透等光學效果來調整光束的光路的光學元件。在本實施例中，光路調整元件110具體化為具有繞射效果的一光學繞射平板110a，且其具有相對的第一、第二表面S1、S2，第一表面S1朝向第一側SD1（上側），第二表面S2朝向第二側SD2（下側）。

請先參照圖2A上方的部分，當一入射光IL由第二側SD2入射光學繞射平板110a時，入射光IL會被光學繞射平板110a繞射而形成0至多階的光。為求簡要，於圖2A中僅示出0階光IL0、1階光IL1與2階光IL2，其中0階光IL0以垂直於表面S1的方向出射，而1階光IL1以相對於表面S1的法向量傾斜一角度θ1的方向出射，2階光IL2以相對於表面S1的法向量傾斜一角度θ2的方向出射，其他階的光省略不示出。於圖2B可看出，1階光IL1的光強度最強，而0階光IL0的光強度與2階光IL2的光強度遠小於1階光IL1的光強度，因此0階光IL0、2階光IL2兩者可忽略不計。

請參照圖2A下方的部分，由於光具有逆追跡(reversely tracking)的特性，假設光束B0、B1、B2的入射方向分別如同圖2A上方的0階光IL0、1階光IL1、2階光IL2的出射方向的反方向，當這些光束B0、B1、B2由第一側SD1入射至光學繞射平板110a時，這些光束B0、B1、B2皆以入射光IL的入射方向的反方向出射於光學繞射平板110a，但光束B2、B0的光強度會被光學繞射平板110a大幅度地減弱，而光束B1的光強度則會維持一定的強度而不會被大幅度減弱。

請參照圖1A，光學過濾層120本身材料為不透光材質，且具有多個開孔122，以供光束穿透。光學過濾層120其作用主要為可使沿一特定方向傳遞的光束穿透，而將非沿此特定方向傳遞的其他光束過濾。具體來說，在本實施例中，光學過濾層120例如是可使沿正向方向ND傳遞的光束傳透，而將非沿此正向方向ND傳遞的光束遮蔽，因此出射於光學過濾層120的光束的方向較為一致，亦可被稱為準直層。於本實施例中，這些開孔122的排列方式可為隨機周期排列、陣列式排列、同心圓方式排列或六角最密堆積方式排列（如圖1B所顯示），本發明並不以此為限。

請參照圖1A，影像感測器130為可將光訊號轉換成電訊號的電子元件，藉此將來自物體的影像光束轉換成影像資訊。於本實施例中，影像感測器130例如是互補式金氧半型（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）影像感測器、電荷耦合元件型（Charge Couple Device, CCD）影像感測器、薄膜電晶體影像感測器或其他合適種類的影像感測器，本發明並不以此為限。具體來說，影像感測器110具有多個以陣列方式排列的像素P（或稱畫素），像素P內設有可將光訊號轉換成電訊號的光電轉換元件（未示出），其中光電轉換元件例如是光二極體、光閘極或光導體，本發明並不以此為限。

請參照圖1A，光源LS為可發出光束的光電元件。於本實施例中，光源LS可為有機發光二極體顯示面板。於其他的實施例中，光源LS亦可為發光元件，其中發光元件的種類可為發光二極體、有機發光二極體或其他合適的發光元件，本發明並不以此為限。

請參照圖1A，透光蓋板CP系為可使光束穿透的光學元件，其材料例如是玻璃，並提供上述元件保護功能。使用者可將其手指OB按壓於透光蓋板CP上。

於以下的段落中會詳細地說明電子裝置1的配置方式。

請參照圖1A，在電子裝置1中，光源LS設置於透光蓋板CP與指紋辨識裝置100a的光路調整元件110之間。光路調整元件110設置於光源LS與光學過濾層120之間，其中光源LS位於光路調整元件110的第一側SD1，而光學過濾層120位於光路調整元件110的第二側SD2。光學過濾層120設置於光路調整元件110與影像感測器130之間。光學過濾層120的多個開口122的位置分別對應於影像感測器130的多個像素P的位置。

於以下的段落中會搭配圖1A與圖2A以詳細地說明電子裝置1的光學效果。

請再參照圖1A，在電子裝置1中，光源LS用以發出光束B。光束B穿透透光蓋板CP傳遞至手指OB上的指紋，指紋反射光束B以形成帶有指紋資訊的影像光束IB。依據不同的入射角度，影像光束IB可被分為正向影像光束NIB與傾斜影像光束IIB。正向影像光束NIB沿著正向方向ND入射於光路調整元件110，即以垂直方式入射於光路調整元件110的表面S1。傾斜影像光束IIB則是以傾斜地方式入射光路調整元件110，即其入射方向與光路調整元件110的表面S1的表面S1的法向量夾一夾角θ，其中光學繞射平板110a經配置使傾斜影像光束IIB以光學繞射平板110a的1階光的逆追跡方式（如圖2A下方部分所示）入射。於以下的段落中會詳細說明光路調整元件110調整影像光束IB的光路的方式。

請同時參照圖1A與圖2A，當正向影像光束NIB由第一側SD1入射至光學繞射平板110a時，根據圖2A的相關段落的說明，由於正向影像光束NIB的入射方向與光束B0的入射方向一樣，因此正向影像光束NIB的光強度會被光學繞射平板110a大幅度地減弱後，並沿正向方向ND出射於光學繞射平板110a、穿透光學過濾層120的開孔122後以傳遞至影像感測器130的像素P。由於正向影像光束NIB被大幅度地減弱的關係，故像素P幾乎感測不到正向影像光束NIB。

請同時參照圖1A與圖2A，當傾斜影像光束IIB入射至光學繞射平板110a時，根據圖2A的相關段落的說明，傾斜影像光束IIB的光路會被光學繞射平板110a調整至正向方向ND，並沿正向方向ND出射於光學繞射平板110a。傾斜影像光束IIB穿透光學過濾層120的開孔122後以傳遞至影像感測器130的像素P。由於傾斜影像光束IIB並未被光學繞射平板110a減弱而維持有一定的光強度，因此像素P可感測到傾斜影像光束IIB並將此傾斜影像光束IIB的光訊號轉換成電訊號。如此一來，影像感測器130可藉傾斜影像光束IIB感測到指紋圖案，並與系統內部存儲的指紋影像比對，藉此達到指紋辨識的功能。

圖3A為正向光束照射手指的光路示意圖。圖3B為傾斜光束照射手指的光路示意圖。

為了說明以傾斜影像光束IIB做為感測影像資訊的來源的好處，於以下的段落中會搭配圖3A與圖3B來說明。圖3A與圖3B的手指OB的指紋誇飾地繪出其具有凹凸分佈。

請參照圖3A，當光束B以正向方式分別照射指紋上凸出與凹陷的部分時，以指紋上凸出與凹陷的部分會反射光束B以分別形成影像光束IB1、IB2。對於光束B來說，照射到指紋上凸出部分的折射率(nfr)是1.4，照射到指紋上凹陷的部分的折射率(nfv)是1，而透光蓋板CP、光源LS的折射率為1.5。經公式計算，由指紋上凸出的部分所反射而得的影像光束IB1的反射率R1為0.1189%，而由指紋上凹陷的部分所反射而得的影像光束IB2的反射率R2為4%，影像光束IB2與影像光束IB1的強度差異為：R2/R1=(4%/0.1189%)=33.64。

請參照圖3B，另一方面，當光束B以傾斜方式分別照射指紋上凸出與凹陷的部分時，以指紋上凸出與凹陷的部分會反射光束B以分別形成影像光束IB1’、IB2’。經公式計算，假設θ等於40度，由指紋上凸出的部分所反射而得的影像光束IB1’的反射率R1’為0.19%，而由指紋上凹陷的部分所反射而得的影像光束IB2’的反射率R2’為24.53%，影像光束IB2’與影像光束IB1’的強度差異為：R2’/R1’=(24.53%/0.19%)=129。

由上述可知，相對正向方式來說，以傾斜方式照射指紋上凸出與凹陷的部分所反射而得到的影像光束IB1’、IB2’的光強度對比度有明顯的提升，即以傾斜方式照射指紋可以得到對比度較為明顯的凸出與凹陷的影像資訊。因此，在本實施例的指紋辨識裝置100a中，由於光路調整元件110a可將影像光束IB中傾斜影像光束IIB導引至影像感測器130，影像感測器130採取傾斜影像光束IIB做為感測影像資訊的來源，因此影像感測器130所感測到的影像資訊具有良好的對比度，並具有良好的指紋辨識效果，並且影像處理的負擔亦較小。

在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。

圖4為本發明另一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。

請參照圖4，圖4的指紋辨識裝置100b大致上類似於圖1A的指紋辨識裝置100a，其主要差異在於：光路調整元件110b的形態不同，其例如是光學稜鏡陣列平板。詳細來說，在指紋辨識裝置100b中，光路調整元件110b包括多個稜鏡112與透光基板114，各稜鏡112具有彼此相連的底面BS、側面SS與傾斜面IS，透光基板114具有表面S。這些稜鏡112設置於透光基板114的表面S上，這些稜鏡112的底面BS與透光基板114的表面S接觸。並且，各稜鏡112的正投影與單一開孔122的正投影重疊。

請再參照圖4，當正向影像光束NIB由第一側SD1入射至光路調整元件110b時，正向影像光束NIB會藉由稜鏡112的傾斜面IS而產生折射，進而使其以斜向方向入射至光學過濾層120的開孔122中。因此，被光路調整元件110b調整後的正向影像光束NIB將會被光學過濾層120擋下而不會傳遞至影像感測器130。

請再參照圖4，當傾斜影像光束IIB入射至光路調整元件110b時，傾斜影像光束IIB由各稜鏡112的側面SS（即側面SS做為入射面）入射，並被傾斜面IS反射後依序穿透底面BS與透光基板114，以出射光路調整元件110b。傾斜影像光束IIB再穿透光學過濾層120的開孔122後以傳遞至影像感測器130的像素P。

圖5為本發明又一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。

請參照圖5，圖5的指紋辨識裝置100c大致上類似於圖4的指紋辨識裝置100b，其主要差異在於：光路調整元件110b的稜鏡112與光學過濾層120c的開口122之間的大小關係不同。詳細來說，在指紋辨識裝置100c中，稜鏡112的正投影與至少二開口122的正投影重疊。藉由上述設計，可以避免對位問題。

綜上所述，在本發明實施例的指紋辨識裝置中，由於光路調整元件可將影像光束中傾斜影像光束導引至影像感測器，影像感測器採取傾斜影像光束做為感測影像資訊的來源，因此影像感測器所感測到的影像資訊具有良好的對比度，並具有良好的指紋辨識效果，並且影像處理的負擔亦較小。

1:電子裝置 100、100a、100b:指紋辨識裝置 110、110b:光路調整元件 110a:光學繞射平板 112:稜鏡 114:透光基板 120:光學過濾層 122:開孔 130:影像感測器 B、B0~B2:光束 BS:底面 CP:透光蓋板 LS:光源 IS:傾斜面 IL:入射光 IL0~IL2:0階光~2階光 IB、IB1、IB2、IB1’、IB2’:影像光束 IIB:傾斜影像光束 ND:正向方向 NIB:正向影像光束 P:像素 S:表面 S1、S2:第一、第二表面 SD1、SD2:第一、第二側 SS:側面 OB:手指 θ、θ1、θ2:夾角

圖1A為本發明一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。 圖1B為圖1A的指紋辨識裝置的一實施例的光學過濾層的俯視示意圖。 圖2A為圖1A中的光學繞射平板的光路示意圖。 圖2B為圖2A中光學繞射平板在不同階光的光強度分佈圖。 圖3A為正向光束照射手指的光路示意圖。 圖3B為傾斜光束照射手指的光路示意圖。 圖4為本發明另一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。 圖5為本發明又一實施例的指紋辨識裝置的剖面示意圖。

1:電子裝置

100a:指紋辨識裝置

110:光路調整元件

110a:光學繞射平板

120:光學過濾層

122:開孔

130:影像感測器

B:光束

CP:透光蓋板

LS:光源

IB:影像光束

IIB:傾斜影像光束

ND:正向方向

NIB:正向影像光束

P:像素

S1、S2:第一、第二表面

SD1、SD2:第一、第二側

OB:手指

θ:夾角

Claims (10)

1. 一種指紋辨識裝置，包括： 光路調整元件，設置於來自使用者的指紋的影像光束的傳遞路徑上； 光學過濾層，設置於來自所述光路調整元件的所述影像光束的傳遞路徑上，所述光學過濾層具有多個開孔， 其中所述影像光束中的傾斜影像光束傾斜地入射於所述光路調整元件，所述光路調整元件將所述傾斜影像光束的光路調整以使其沿正向方向傳遞至所述多個開孔；以及 影像感測器，設置於來自所述光學過濾層的所述影像光束的傳遞路徑上，所述影像感測器具有多個像素，所述多個像素的位置分別對應於所述多個開孔的位置。
2. 如請求項1所述的指紋辨識裝置，其中所述光路調整元件為光學繞射平板，其中所述光學繞射平板經配置以使所述傾斜影像光束以所述光學繞射平板的1階光的逆追跡方式入射於所述光學繞射平板。
3. 如請求項2所述的指紋辨識裝置，其中所述影像光束更包括一正向影像光束，其中所述正向影像光束正向地入射於所述光路調整元件，所述光學繞射平板將所述正向影像光束的強度減弱。
4. 如請求項1所述的指紋辨識裝置，其中所述光路調整元件包括多個稜鏡以及透光基板，所述多個稜鏡設置於所述透光基板的表面上，其中各所述稜鏡具有兩兩相連的一底面、一側面以及一傾斜面，所述底面與所述透光基板的所述表面接觸， 其中，所述傾斜影像光束由各所述稜鏡的所述側面入射，並被所述傾斜面反射後依序穿透所述底面與所述透光基板，以出射於所述光路調整元件。
5. 如請求項3所述的指紋辨識裝置，其中各所述稜鏡的正投影與一所述開孔的正投影重疊。
6. 如請求項3所述之指紋辨識裝置，其中各所述稜鏡的正投影與至少二所述開孔的正投影重疊。
7. 如請求項3所述的指紋辨識裝置，其中所述影像光束更包括正向影像光束，其中所述正向影像光束正向地入射於所述光路調整元件，所述光路調整元件將所述正向影像光束的光路調整以使其以一不同於所述正向方向的一傾斜方向出射於所述光路調整元件。
8. 如請求項1所述的指紋辨識裝置，其中所述多個開口排列的方式為隨機周期方式排列、陣列方式排列、同心圓方式排列或六角最密堆積排列。
9. 如請求項1所述的指紋辨識裝置，其中所述影像感測器的種類包括互補式金氧半型影像感測器或電荷耦合元件型影像感測器。
10. 如請求項1所述的指紋辨識裝置，其中所述指紋辨識裝置整合於電子裝置中，所述電子裝置包括光源，所述光源用以發出光束至所述使用者的指紋，並被所述使用者的指紋反射以形成所述影像光束。

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