TW202211087A - 生物特徵感測裝置 - Google Patents

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林冠儀
傅同龍
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Abstract

一種生物特徵感測裝置至少包含：一數位發光模組，包含一第一區與一第二區，其中第一區發出入射光；以及一感測模組，設置於數位發光模組的下方，其中於一第一模式下，第二區不發出與入射光具有相同波長的光，以使數位發光模組提供一缺陷光場來照射數位發光模組上方的一物體，物體反應缺陷光場所產生的光被感測模組接收。

Description

生物特徵感測裝置
本發明是有關於一種生物特徵感測裝置，且特別是有關於利用缺陷光場來執行生物特徵感測的裝置。
現今的移動電子裝置（例如手機、平板電腦、筆記本電腦等等）通常配備有使用者生物識別系統，包括了例如指紋、臉型、虹膜等等不同技術，用以保護個人數據安全，其中例如應用於手機或智慧型手錶等攜帶型裝置，也兼具有行動支付的功能，對於使用者生物識別更是變成一種標準的功能，而手機等攜帶型裝置的發展更是朝向全屏幕(或超窄邊框)的趨勢，使得傳統電容式指紋按鍵無法再被繼續使用，進而演進出新的微小化光學成像裝置(有的非常類似傳統的相機模組，具有互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) Image Sensor (簡稱CIS))感測元件及光學鏡頭模組)。將微小化光學成像裝置設置於屏幕下方(可稱為屏下)，透過屏幕部分透光(特別是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以擷取按壓於屏幕上方的物體的圖像，特別是指紋圖像，可以稱為屏幕下指紋感測(Fingerprint On Display，FOD)。
屏幕下指紋感測除了要能正確地感測到指紋以外，也需要判斷手指的真偽，以防止某人利用偽造另一人的指紋之假指紋或假手指來假冒另一人而通過認證。目前的仿冒技術也越來越精進，譬如可以利用2D影像或3D列印製作一個模具，再利用此模具填入各種不同的矽膠和色素製成假手指，或者也可以將另一人的指紋複製成透明或膚色薄膜附加到手指表面，使得附加有透明薄膜的假手指難以被辨別出。這種假手指辨識技術在屏幕下指紋感測時特別需要注意，因為顯示屏幕可能會遮蔽部分手指的特徵而影響辨識結果。
鑑於以上說明，對於判斷真實手指的機構及方法，著實有更進一步的改良需求，以防止假手指通過指紋感測。
因此，本發明的一個目的是提供一種生物特徵感測裝置，利用數位發光模組的不同區域所提供的具有缺陷的入射光場，感測物體對於入射光的散射、反射及/或導光特性等等光學反應，以獲得辨識物體真偽的數據。
為達上述目的，本發明提供一種生物特徵感測裝置，至少包含：一數位發光模組，包含一第一區與一第二區，其中第一區發出入射光；以及一感測模組，設置於數位發光模組的下方，其中於一第一模式下，第二區不發出與入射光具有相同波長的光，以使數位發光模組提供一缺陷光場來照射數位發光模組上方的一物體，物體反應缺陷光場所產生的光被感測模組接收。
藉由上述的實施例，可以利用具有缺陷的入射光場的入射光，偵測物體對於入射光的光學反應，作為光譜特性及/或真偽判斷的依據。
為讓本發明的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
本發明主要是利用缺陷光場來執行生物特徵感測，缺陷光場由發光模組的第一區及第二區所提供，其中第一區的光的波長與第二區的光的波長不同，或第一區發光而第二區不發光，也就是第一區發出特定光，而第二區不發出特定光。利用缺陷光場打在不同物體上所產生的散射、反射、吸收及/或傳導的不同情形，藉由物體的材料與光譜的反射、散射、吸收及/或傳導的交互作用來獲得物體的光譜性質，甚至可以進一步判斷該物體的真偽。配合控制發出特定光的區域及不發出特定光的區域來提供缺陷光場(亦稱非均勻光場)，可以感測到經過反射、散射、吸收及/或二次出射光場而獲得光譜感測結果，其中二次出射光場被定義成缺陷光場進入物體後再次穿透該物體的光場，故包含了入射光場前進一段距離後所產生的光場。依據此光譜感測結果可以判斷物體的材料光譜特性，在應用上可以包含例如做為生物識別的防偽功能，但是當然不限定於此。
圖1顯示依據本發明第一實施例的生物特徵感測裝置的示意圖，其中發光單元11發出的光線打在物體F(特別是距離近的物體)上而產生散射、反射、吸收及/或傳導的情形。以下以手指當作物體F作為例子說明，但並非將本發明限制於此。如圖1所示，當發光單元11的入射光L1打在譬如手指上的入射點P1時，手指反應入射光L1而輸出反應待測光，其包含入射點待測光L2及擴散待測光L6，而入射點待測光L2包含分別被皮膚散射(scatter)及鏡面反射(specular reflection)的散射光L3及鏡面反射光L4。另外，會有部分光穿透皮膚而進入手指中，也會在手指內部有多重的散射及反射，因此衍生了類似光的等向性或非等向性擴散前進，就像是從入射點P1向外擴散，再因上述各種效應使光由遠離入射點P1的皮膚表面的位置P2穿透出射，可以稱之為擴散待測光L6。當然，擴散待測光也會帶有散射的光，只是為了簡化起見，在此加總而成擴散待測光L6解釋之。擴散待測光L6的強度是隨著遠離入射點P1的距離而變小，因為不同的手指有不同的表面粗糙度或光線吸收及穿透特性，所以入射點待測光L2及擴散待測光L6可以反應手指的材料特性，甚至更進一步判斷手指的真偽。當然這裡的圖所顯示的光L2/L6僅為了做簡要的描述，實際上在短的光擴散距離內，入射點待測光會包含部分擴散待測光的成分，這是因為擴散待測光從入射點P1開始往外，是屬於連續性出射分布的。
圖2顯示可應用於圖1的數位發光模組的示意圖。如圖2與圖1所示，為了量測上述反應待測光，可以設計一種生物特徵感測裝置100，至少包含一數位發光模組10、一感測模組20及一可選的處理器30。圖1的發光單元11可以組成數位發光模組10，以提供單光譜或多光譜的光源。可選的處理器30表示處理器30可以是內建於生物特徵感測裝置100中的元件，也可以是外接於生物特徵感測裝置100的元件。
數位發光模組10用於發出可控制亮度、光譜及圖案的光源，可以被控制成具有至少兩個區域，例如是第一區12與第二區14。於一例子中，數位發光模組10可以為OLED屏幕、微型發光二極體(Micro LED, μLED) 屏幕或其他現在或未來的可以提供數位光源的屏幕，並具有多個發光單元11，其中第一區12包含點亮的發光單元LS，形成亮區；而第二區14包含不點亮的發光單元LS，形成暗區。於另一例子中，第一區12與第二區14發出不同波長的光線，這時感測模組也可以搭配不同的波長濾波器來鑑別不同波長的光線。
感測模組20設置於數位發光模組10的下方，例如可在顯示屏下方，用於感測數位發光模組10上方的物體F的生物特徵。於本例中，感測模組20可以為一指紋感測器，其可以是薄型、透鏡型或OLED或μLED等等屏內光學指紋感測器。當然，於另一例中，感測模組20可以感測手指的血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵。可以理解的，感測模組20可以包含一感測晶片21及一光機模組25，光機模組25設置於感測晶片21上方，感測晶片21具有排列成陣列的多個感測像素22，其中一部分的感測像素22構成一入射點感測區23用以感測入射點待測光L2，而另一部分的感測像素22構成一擴散感測區24來感測擴散待測光L6。本領域技術人員可知，入射點感測區23可能會接收些許擴散待測光L6的成分，而此並不脫離本發明之技術。光機模組25可以是透鏡型光學引擎、準直器型光學引擎等等。入射點待測光L2由於距離入射點感測區23近的原因，使得到達其下方的入射點感測區23的強度分布也近似於入射點P1原來的光場。擴散待測光L6在例如皮膚中擴散而出射，然後被設置於其下方的擴散感測區24感測到。可以理解的，擴散距離越遠，出射強度越弱。因此，從入射點感測區23的中點往外到擴散感測區24所獲得的感測信號的光強度依距離遞減，近似指數型的衰減(Exponential Decay)，如曲線ED所示。因此，可以選擇採用入射點感測區23及/或擴散感測區24的光強度及曲線分布來進行物體F的光譜性質的判讀。
處理器30直接或間接電連接至數位發光模組10及感測模組20。於一第一模式下，處理器30控制第一區12發出入射光L1照射於物體F並且控制第二區14不發光，物體F依據入射光L1輸出反應待測光以讓感測模組20感測得到一感測信號。或者第一區12與第二區14發出不同波長的光線，而透過感測模組20中設置不同波長的濾波器來選擇特定波長的光線進入感測像素22。因此，數位發光模組10局部發出入射光L1，且局部不發出與入射光L1具有相同波長的光，讓第二區14不發出與第一區12的入射光L1具有相同波長的光，可提供缺陷光場，讓物體F反應缺陷光場(包含入射光L1)所產生的光通過數位發光模組10被感測模組20接收而得到感測信號。由於物體表面的材料及粗糙程度可以決定光學反應的程度，故藉由此感測信號，可以判讀物體F的光譜性質，甚至可進一步判斷物體F的真偽。判斷的基準可以是對譬如真物體與假物體，在上述發光狀態(第一模式)下所做測試獲得的測試數據所建立的數據庫。於另一例子中，藉由處理器30進一步配置第一區12與第二區14的相對位置的關係，可以讓入射點待測光L2及擴散待測光L6獲得到良好的感測，以提供更可靠的判讀及/或判斷結果。
於第一例中，第一區12發出特定光譜的綠光，而第二區14不發光，以讓入射點待測光L2及擴散待測光L6可以通過第二區14而被感測模組20接收，藉由對應於第二區14下方的多個感測像素22所獲得的綠光的強度分布的感測結果，即可判斷入射點待測光L2的強度及發散角及擴散待測光L6的傳遞距離，藉此決定物體F的光譜特性。於第二例中，第一區12發出混合光譜的白光，而第二區14不發光，此狀態下所感測的是多重光譜的光線的散射情形，藉由感測像素22所獲得的白光的強度分布的感測結果，亦可作出相同於第一例的判斷及光譜特性的決定。於第三例中，第一區12發出特定光譜的綠光，而第二區14發出具有與第一區12的光不同波長的光，藉由感測像素22所獲得的綠光的強度分布的感測結果，亦可作出相同於第一例的判斷及光譜特性的決定。
在第一模式下，可以利用某些感測像素22的感測結果當作光譜特性判讀及或防偽辨識的數據，利用其他的感測像素的感測結果當作生物特徵感測數據。當然，也可以由處理器30另外設置一個不同於第一模式的第二模式(感測模式)，於感測模式下，數位發光模組10就沒有分成發光區(第一區12)與不發光區(第二區14)，也就是物體F的覆蓋範圍下都是發光區。此外，於感測模式下，感測模組20可以獲得對應於物體F的生物特徵的一第二感測信號，處理器30藉由比對第二感測信號與前述感測信號的區別，可以獲得入射點待測光L2與擴散待測光L6對不打光的第二區14的貢獻度，此貢獻度可以當作物體F的特性(例如真偽)判斷依據。
圖3顯示數位發光模組10的發光狀態的俯視圖。如圖3所示，第一區12與第二區14共同提供一個環狀光場。亦即，數位發光模組10的一內圈帶12A與一外圈帶12B構成發光的第一區12，而內圈帶12A與外圈帶12B之間的一中圈帶構成不發光的第二區14，第二區14具有徑向尺寸d。於一指紋感測的例子中，徑向尺寸d大於指紋的週期(大約是300至400微米)。
圖4顯示真偽手指的感測結果的示意圖，其中縱軸代表感測像素的強度，橫軸代表感測像素的位置，由左至右代表位於圖3的內圈帶12A正下方的感測像素的位置到外圈帶12B正下方的感測像素的位置。如圖4所示，真手指的強度曲線C1與假手指的強度曲線C2在徑向尺寸d上具有相當的差異，徑向尺寸d對應於上述不發出特定光的區域，而在徑向尺寸d範圍內的強度曲線下凹的現象代表徑向尺寸d範圍以外的發出特定光的第一區對不發出特定光的第二區的貢獻度，此貢獻度與手指的特性有關。如果第二區與第一區發出相同的特定光，則無法獲得代表此貢獻度的感測結果。真手指的光散射程度比假手指高，因此，在不打光的區域的下方的強度降低幅度小於假手指。藉由此些強度曲線即可辨識手指的真偽。當然也會有相反的曲線可能性，也就是有另一強度曲線C3的強度值高於強度曲線C1，因為真假手比較是比較相對性，而不是絕對值的比較，故在相同的系統下，位於真手的強度曲線C1的兩端的強度曲線C2與C3都是相異於真手的材料特性。
圖5顯示數位發光模組的發光狀態的另一例的俯視圖。如圖5所示，本例類似於圖3，差異點在於有兩個中圈帶構成第二區。亦即，數位發光模組10的內圈帶12A、外圈帶12B與第一中圈帶12C構成發光的第一區12，而內圈帶12A、外圈帶12B與第一中圈帶12C之間的第二中圈帶14B與第三中圈帶14C構成不發光的第二區14。於一指紋感測的例子中，第二中圈帶14B與第三中圈帶14C的至少其中一個的徑向尺寸d大於指紋的週期。
圖6顯示數位發光模組的發光狀態的又另一例的俯視圖。如圖6所示，本例類似於圖3，差異點在於有第二區14包含至少一個幾何區域14D，其可以具有以實線表示的圓形或其他幾何形狀。當然於其他例子中，第二區14也可以更具有以虛線表示的多個幾何區域14E，多個區域的好處是可以累積及統計感測模組20所感測獲得的對應幾何區域14D與14E的數據，更增加鑑別的穩定性，藉由感測反應待測光對幾何區域14D(14E)的貢獻度，亦可達到本發明的功效。可以理解的，利用單一不發光的圓形區域或其他幾何形狀的非環狀區域，亦可測得反應待測光對第二區14的貢獻度，作為物體的特性判斷依據。於一指紋感測的例子中，幾何區域14D(14E)的徑向尺寸大於指紋的週期。
圖7顯示物體當作波導及造成散射光的示意圖。如圖7所示，物體F對於入射光L1提供一個波導，某些入射角的入射光L1從物體F的表皮層F1進入真皮層F2再出射成為擴散待測光L6，換言之，入射光L1的傳遞距離受到物體F的光吸收係數及/或光譜特性所決定。雖然在表皮層F1與真皮層F2的行進路線是以直線路線來表示，但並未將本揭露內容限制於此，因為表皮層F1與真皮層F2中的組織仍有會造成上述等向性或非等向性的擴散前進的狀況。依據圖7的多個感測像素22對擴散待測光L6的感測結果(對應於上述感測信號)，可以推導出入射光L1的傳遞距離，藉由此傳遞距離判別光吸收係數及/或光譜特性，藉由光吸收係數及/或光譜特性可以得知物體F的導光特性，也可進一步作真偽判斷。
另外，某些入射角的入射光從表皮層F1進行散射，依據Henyey-Greenstein相位函數(phase function)的方程式1：
Figure 02_image001
[方程式1] 其中P(θ)表示散射光的強度，可以形成一曲線HG，
Figure 02_image003
表示物體的散射係數，
Figure 02_image005
表示物體的光吸收係數，θ表示入射點待測光L2的反射角度，於散射的情況下定義為散射角度，g表示物體的材料的各向異性因子(anisotropy factor)，不同的材料具有不同的g值。依據圖7的多個感測像素22對入射點待測光L2的感測結果，可以判讀散射光的強度分布曲線是否符合已知的曲線HG。因此，可以利用對應於g值的各向異性水平(anisotropy level)來辨識材料的特性。上述的函數較佳是以單光譜的光源進行感測，以獲得各向異性的散射效果。
圖8A至圖8C顯示三種不同的散射光的圖案的示意圖。如圖8A所示，g值為0的散射光的強度的分布為圓形，其圓心為X-Y座標的圓點。如圖8B所示，g值為1/6的散射光的強度的分布為圓形，其圓心為X-Y座標的圓點的右邊，其中-X方向為入射光的方向。如圖8C所示，g值為0.7的散射光的強度的分布為橢圓形，其左端點為X-Y座標的圓點。以真手指而言，g值大約等於0.7。因此，處理器30依據圖8的多個感測像素22的感測結果，可以推導出P(θ)的分布，藉由此分布可以判別g值，藉由此g值可以作真偽判斷。
因此，可以藉由判斷入射光L1的傳遞距離以決定物體F的導光特性，及/或判斷散射光的強度分布曲線以決定物體F的各向異性水平，再根據上述數據庫或貢獻度來當作物體F的光譜性質的判讀依據或真偽判斷依據。
藉由上述實施例的防偽生物特徵感測裝置，可以利用局部發光配合局部不發光或局部發特定光配合局部不發該特定光的數位發光模組的入射光，偵測物體對於入射光的散射、反射、吸收及/或導光特性的感測結果，比對物體反應非缺陷光場而被感測獲得的感測數據或其他有關真假物體的數據庫，作為光譜性質的判讀依據或真偽判斷的依據。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本發明的技術內容，而非將本發明狹義地限制於上述實施例，在不超出本發明的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本發明的範圍。
C1, C2, C3:強度曲線 d:徑向尺寸 ED:曲線 F:物體 F1:表皮層 F2:真皮層 HG:曲線 L1:入射光 L2:入射點待測光 L3:散射光 L4:鏡面反射光 L6:擴散待測光 P1:入射點 P2:位置 10:數位發光模組 11:發光單元 12:第一區 12A:內圈帶 12B:外圈帶 12C:第一中圈帶 14:第二區 14B:第二中圈帶 14C:第三中圈帶 14D, 14E:幾何區域 20:感測模組 21:感測晶片 22:感測像素 23:入射點感測區 24:擴散感測區 25:光機模組 30:處理器 100:生物特徵感測裝置
［圖1］顯示依據本發明第一實施例的生物特徵感測裝置的示意圖。 ［圖2］顯示可應用於［圖1］的數位發光模組的示意圖。 ［圖3］顯示數位發光模組的發光狀態的俯視圖。 ［圖4］顯示真偽手指的感測結果的示意圖。 ［圖5］顯示數位發光模組的發光狀態的另一例的俯視圖。 ［圖6］顯示數位發光模組的發光狀態的又另一例的俯視圖。 ［圖7］顯示物體當作波導及造成散射光的示意圖。 ［圖8A］至［圖8C］顯示三種不同的散射光的圖案的示意圖。
ED:曲線
F:物體
L1:入射光
L2:入射點待測光
L3:散射光
L4:鏡面反射光
L6:擴散待測光
P1:入射點
P2:位置
11:發光單元
20:感測模組
21:感測晶片
22:感測像素
23:入射點感測區
24:擴散感測區
25:光機模組
30:處理器
100:生物特徵感測裝置

Claims (19)

  1. 一種生物特徵感測裝置，至少包含： 一數位發光模組，包含一第一區與一第二區，其中該第一區發出入射光；以及 一感測模組，設置於該數位發光模組的下方， 其中於一第一模式下，該第二區不發出與該入射光具有相同波長的光，以使該數位發光模組提供一缺陷光場來照射該數位發光模組上方的一物體，該物體反應該缺陷光場所產生的光被該感測模組接收。
  2. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第二區不發光。
  3. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第二區發出與該入射光不同波長的光線。
  4. 如請求項3所述的生物特徵感測裝置，其中藉由該感測模組的一濾波器來選擇特定波長的光線。
  5. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該物體依據該入射光輸出反應待測光，該感測模組感測該反應待測光以獲得一感測信號。
  6. 如請求項5所述的生物特徵感測裝置，其中該反應待測光包含： 入射點待測光，為該入射光的一部分打在該物體的一入射點後反射的光；以及 擴散待測光，為該入射光的另一部分進入該物體後擴散前進後，從遠離該入射點的一位置出射的光。
  7. 如請求項6所述的生物特徵感測裝置，其中該感測模組包含： 一入射點感測區，感測該入射點待測光；及 一擴散感測區，感測該擴散待測光。
  8. 如請求項6所述的生物特徵感測裝置，更包含一處理器，電連接至該數位發光模組及該感測模組，其中該處理器依據該感測信號推導出P(θ)的分布，藉由該分布以判別g值，藉由該g值作判斷，其中，
    Figure 03_image001
    其中P(θ)表示該入射點待測光的強度，
    Figure 03_image003
    表示該物體的散射係數，
    Figure 03_image005
    表示該物體的光吸收係數，θ表示該入射點待測光的反射角度，g表示該物體的各向異性因子。
  9. 如請求項5所述的生物特徵感測裝置，更包含一處理器，電連接至該數位發光模組及該感測模組，其中該處理器更設置不同於該第一模式的一第二模式，於該第二模式下，感測模組可以獲得對應於該物體的生物特徵的一第二感測信號，該處理器藉由比對該第二感測信號與該感測信號的區別，可以獲得該反應待測光對該第二區的貢獻度，當作該物體的特性判斷依據。
  10. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該數位發光模組為一OLED屏幕或一μLED屏幕。
  11. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第一區與該第二區提供一個環狀光場當作該缺陷光場。
  12. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該數位發光模組至少包含： 一內圈帶與一外圈帶，構成該第一區，其中該第二區位於該內圈帶與該外圈帶之間。
  13. 如請求項12所述的生物特徵感測裝置，其中該第二區具有大於指紋的週期的徑向尺寸。
  14. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該數位發光模組至少包含： 一內圈帶、一外圈帶與一第一中圈帶，構成該第一區；及 一第二中圈帶與一第三中圈帶，位於該內圈帶、該外圈帶與該第一中圈帶之間，並且構成該第二區。
  15. 如請求項14所述的生物特徵感測裝置，其中該第二中圈帶與該第三中圈帶的至少其中一個具有大於指紋的週期的徑向尺寸。
  16. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第二區包含至少一幾何區域，該至少一幾何區域具有大於指紋的週期的徑向尺寸。
  17. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，更包含一處理器，電連接至該數位發光模組及該感測模組，其中該處理器依據一數據庫判斷該物體的真偽，其中該數據庫是依據真物體與假物體，在該第一模式下所做測試獲得的測試數據所建立。
  18. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第二區包含多個幾何區域，使得該感測模組所感測獲得的對應該等幾何區域的數據可以被累積及統計，以增加鑑別的穩定性。
  19. 如請求項1所述的生物特徵感測裝置，更包含一處理器，電連接至該數位發光模組及該感測模組，其中該處理器依據該感測模組的一感測信號推導出該缺陷光場的該入射光的傳遞距離，藉由該傳遞距離判別該物體的光吸收係數，藉由該光吸收係數得知該物體的導光特性。
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