TW202321988A - 光學指紋取像裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光學指紋取像裝置，包括基板、取像模組、至少一發光元件、遮光元件、外殼以及按壓基板。遮光元件配置位於取像模組與至少一發光元件之間。其中光學指紋取像裝置符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為取像模組的視場角原點至基板的高度，H為遮光元件在量測位置的高度，R為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離，θ為取像模組的視場角的角度，Ravg為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離的平均值，且S為取像模組的中心在水平方向上至發光元件的中心的距離。

Description

光學指紋取像裝置
本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種光學指紋取像裝置。
在現今，生物辨識裝置與我們的日常生活息息相關，它取代了密碼輸入的繁瑣過程以及容易被遺忘的不便利性，在安防、機密保護、現金支付等領域提供了更好的安全性以及便利性。
許多的光學式生物辨識裝置已被開發，例如是透過特徵按壓表面下的週期性結構與擴散層來達到均勻的散光效果，讓指紋能在按壓面上接收到均勻亮度。或者是利用環狀光導結構將光線由底部光源傳導到特徵按壓面。又或者是藉由光色轉換元件來產生二次激發光，再進一步利用光濾波元件來區分光源波長與再激發光波長，得到對比度較佳的生物特徵影像。
然而，上述的作法往往受限在有限的機構尺寸中，導致無法同時得到高均勻度與高對比的特徵影像。因此，如何透過遮光元件以及發光元件的排列，減少了雜散光斑的出現，使裝置能在小尺寸機構中得到大範圍的取像面積，同時具備高均勻亮度與高對比度，是本領域需追求的目標。
本發明提供一種光學指紋取像裝置，可減少了雜散光斑的出現，使裝置能在小尺寸機構中得到大範圍的取像面積，同時具備高均勻亮度與高對比度。
本發明提供一種光學指紋取像裝置，包括基板、取像模組、至少一發光元件、遮光元件、外殼以及按壓基板。取像模組配置於基板上。至少一發光元件配置於基板上，圍繞取像模組。遮光元件配置於基板上，位於取像模組與至少一發光元件之間。外殼配置於基板的邊緣，圍繞取像模組。按壓基板配置於外殼上，覆蓋取像模組、至少一發光元件及遮光元件，其中光學指紋取像裝置符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為取像模組的視場角原點至基板的高度，H為遮光元件在量測位置的高度，R為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離，θ為取像模組的視場角的角度，Ravg為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離的平均值，且S為取像模組的中心在水平方向上至發光元件的中心的距離。
在本發明的一實施例中，上述的至少一發光元件為發光二極體、雷射二極體或垂直腔面射型雷射。
在本發明的一實施例中，上述的按壓基板的霧度小於5%。
在本發明的一實施例中，上述的按壓基板包括色彩轉換層，包括介質層及多個色彩轉換材料。
在本發明的一實施例中，上述的介質層為玻璃、壓克力、環氧樹脂、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴、矽或上述任意組合。
在本發明的一實施例中，上述的多個色彩轉換材料為量子點材料、無機螢光粉、有機螢光染料或上述任意組合。
在本發明的一實施例中，上述的按壓基板還包括基材層，連接於色彩轉換層，色彩轉換層位於取像模組與基材層之間。
在本發明的一實施例中，上述的基材層為玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴或上述任意組合。
在本發明的一實施例中，上述的按壓基板還包括濾波層，連接於色彩轉換層與基材層之間。
在本發明的一實施例中，上述的濾波層為低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件為塑膠或金屬，且遮光元件非透光。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件的頂面至基板的距離皆相同。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件的頂面至基板的距離由鄰近取像模組至遠離取像模組逐漸增加。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件在水平方向上的外形為圓形、方形或多邊形。
在本發明的一實施例中，上述的取像模組包括感測元件、至少一光學透鏡、鏡筒及鏡座。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件與鏡座一體成型。
在本發明的一實施例中，上述的遮光元件、鏡筒及鏡座一體成型。
在本發明的一實施例中，上述的外殼為塑膠或金屬。
在本發明的一實施例中，上述的外殼為金屬，且外殼與基板具有電容值，光學指紋取像裝置依據電容值改變啟動狀態。
基於上述，在本發明的光學指紋取像裝置中，遮光元件配置於取像模組與至少一發光元件之間，用以減少雜散光斑進入感測元件，此外，光學指紋取像裝置符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為取像模組的視場角原點至基板的高度，H為遮光元件在量測位置的高度，R為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離，θ為取像模組的視場角的角度，Ravg為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離的平均值，且S為取像模組的中心在水平方向上至發光元件的中心的距離。如此一來，透過遮光元件以及發光元件的排列，可減少雜散光斑的出現，使裝置能在小尺寸機構中得到大範圍的取像面積，同時具備高均勻亮度與高對比度，進而獲得良好的光學感測效果。
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。
圖1為本發明一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。圖2為圖1的光學指紋取像裝置的上視示意圖。圖3為圖1的光學指紋取像裝置的爆炸示意圖。請參考圖1至圖3。本實施例提供一種光學指紋取像裝置100，用以對手指10進行感測，以獲得指紋資訊。光學指紋取像裝置100包括基板110、取像模組120、至少一發光元件130、遮光元件140、外殼150以及按壓基板160。其中，取像模組120、至少一發光元件130、遮光元件140以及外殼150皆配置於基板110上。
基板110例如為印刷電路板（Printed circuit board, PCB）、可撓式印刷電路板（Flexible printed circuit board, FPCB）、具有線路的玻璃載板或具有線路的陶瓷基板，但不以此為限。
取像模組120用以對手指10進行影像擷取，其具有視場角，且其視場角的角度A介於90度到150度之間。具體而言，在本實施例中，取像模組120包括感測元件122、至少一光學透鏡124、鏡筒126及鏡座128。感測元件122例如為電荷耦合元件（Charge Coupled Device, CCD）、互補式金屬氧化物半導體元件（Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS）或其他適當種類的圖像感測元件，本發明並不限於此。至少一光學透鏡124例如包括具有屈光度的一或多個光學鏡片的組合，例如包括雙凹透鏡、雙凸透鏡、凹凸透鏡、凸凹透鏡、平凸透鏡以及平凹透鏡等非平面鏡片的各種組合，本發明並不限於此。鏡筒126用以承載至少一光學透鏡124，而鏡筒126可藉由螺紋或其他種類固定結構接固於鏡座128，鏡筒126與鏡座128的材質可為金屬或塑膠，但本發明亦不限於此。
至少一發光元件130配置於基板110上，圍繞取像模組120。至少一發光元件130用以提供感測光束至手指10上，而手指10將帶有指紋資訊的光束反射傳遞回取像模組120。舉例而言，在本實施例中，發光元件130例如為四個，平均分佈配置於取像模組120的外圍，如圖2所顯示。至少一發光元件130例如為發光二極體（light-emitting diode, LED）、雷射二極體（laser diode, LD）或垂直腔面射型雷射（vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL）。此外，所提供的光束可以包括可見光、非可見光或上述兩者的組合，本發明並不限於此。非可見光可為紅外光，但本發明亦不限於此。
圖4A及圖4B分別為本發明不同實施例的遮光元件的示意圖。請先參考圖1至圖4A。圖4A所顯示的遮光元件140至少可應用於圖1的光學指紋取像裝置100中，故以下以圖4A所顯示的遮光元件140應用於圖1的光學指紋取像裝置100說明為例。遮光元件140配置於基板110上，位於取像模組120與至少一發光元件130之間。遮光元件140用以減少了雜散光斑的出現，進而可提高指紋取像品質。遮光元件140為塑膠或金屬，且遮光元件140對發光元件130之發光波長為非透光。在本實施例中，遮光元件140的頂面S1至基板110的距離皆相同，但本發明並不限於此。意即，遮光元件140具有平行於水平方向的頂面S1。此外，在本實施例中，遮光元件140在水平方向上的外形為圓形。但在不同實施例中，遮光元件140A在水平方向上的外形方形或者其他種類多邊形，如圖4B所顯示，本發明並不限於此。
請繼續參考圖1至圖3。外殼150配置於基板110的邊緣，圍繞取像模組120，其中發光元件130位於取像模組120與外殼150之間。外殼150例如為塑膠或金屬，用以支撐配置於其上的按壓基板160以及對內部構件進行防塵。在一實施例中，外殼150的材料選用金屬，可使外殼150與基板110藉此具有電容值，從而讓光學指紋取像裝置110可依據此電容值的大小或變化而改變啟動狀態。
圖5A至圖5C分別為本發明不同實施例的按壓基板的示意圖。請先參考圖1至圖3及圖5A至圖5C。按壓基板160配置於外殼150上，覆蓋取像模組120、至少一發光元件130及遮光元件140。按壓基板160用以讓手指10按壓承靠，使手指10至取像模組120的距離固定。在本實施例中，按壓基板160的霧度小於5%。在一實施例中，按壓基板160A包括色彩轉換層162，用以改變感測光束的波長。詳細而言，色彩轉換層162包括介質層（未顯示）及平均散佈於介質層中的多個色彩轉換材料（未顯示）。其中，介質層為玻璃、壓克力、環氧樹脂、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴、矽或上述任意組合，而多個色彩轉換材料為量子點材料、無機螢光粉、有機螢光染料或上述任意組合。在另一實施例中，按壓基板160A亦可直接以介質層替換色彩轉換層162，形成為透明板件，本發明並不限於此。
在本實施例中，按壓基板160包括色彩轉換層162以及連接於色彩轉換層162的基材層164，基材層164用以提高按壓基板160的可靠度。其中，色彩轉換層162位於取像模組120與基材層164之間。舉例而言，基材層164為玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴或上述任意組合，本發明並不限於此。又另一實施例中，按壓基板160B還可包括濾波層166，連接於色彩轉換層162與基材層164之間。濾波層166用以濾除特定波長的光線，進而提升光學指紋取像裝置100的指紋取像品質。舉例而言，濾波層166為低通濾波器（low-pass filter）、高通濾波器（high-pass filter）或帶通濾波器（band-pass filter），其可製成為反射濾波器（reflection filter）或吸收式濾波器（absorption filter）等不同種類，本發明並不限於此。
請繼續參考圖1至圖3。值得一提的是，在本實施例中，光學指紋取像裝置100符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為取像模組120的視場角原點B至基板110的高度D1，H為遮光元件140在量測位置的高度（即在遮光元件140中，頂面S1至基板110的距離D2），R為取像模組120的中心C1在水平方向上至遮光元件140的量測位置的距離D3，θ為取像模組120的視場角的角度A，Ravg為取像模組120的中心C1在水平方向上至遮光元件140的量測位置的距離D3的平均值，且S為取像模組120的中心C1在水平方向上至發光元件130的中心C2的距離D4，其中上述不同參數定義中的量測位置為相同位置。如此一來，透過遮光元件140以及發光元件130的排列，可減少雜散光斑的出現，使裝置能在小尺寸機構中得到大範圍的取像面積，同時具備高均勻亮度與高對比度，進而獲得良好的光學感測效果。
圖6為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。圖7A及圖7B分別為本發明不同實施例的遮光元件的示意圖。請參考圖6至圖7B。本實施例的光學指紋取像裝置100A類似於圖1所顯示的光學指紋取像裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，遮光元件140B的頂面S2至基板110的距離D2由鄰近取像模組120至遠離取像模組120逐漸增加。如此一來，可進一步節省材料並提高光學指紋取像裝置100的指紋取像品質。類似於圖4A及圖4B所顯示的實施例，本實施例的遮光元件140B在水平方向上的外形為圓形，如圖7A所顯示。但在不同實施例中，遮光元件140C在水平方向上的外形方形或者其他種類多邊形，如圖7B所顯示，本發明並不限於此。
圖8為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。請參考圖8。本實施例的光學指紋取像裝置100B類似於圖1所顯示的光學指紋取像裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，遮光元件140D與取像模組120A中的鏡座128A一體成型。除此之外，類似於圖1所顯示的遮光元件140，遮光元件140D具有平行於水平方向的頂面S1。如此一來，可進一步節省材料並增加光學指紋取像裝置100B的可靠度。
圖9為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。請參考圖9。本實施例的光學指紋取像裝置100C類似於圖1所顯示的光學指紋取像裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，遮光元件140E與取像模組120A中的鏡座128A一體成型。除此之外，類似於圖6所顯示的遮光元件140B，遮光元件140E的頂面S2至基板110的距離由鄰近取像模組120A至遠離取像模組120A逐漸增加。如此一來，可進一步節省材料並提高光學指紋取像裝置100C的指紋取像品質。此外，還可進一步節省材料並增加光學指紋取像裝置100C的可靠度。
綜上所述，在本發明的光學指紋取像裝置中，遮光元件配置於取像模組與至少一發光元件之間，用以減少了雜散光斑的進入感測元件，此外，光學指紋取像裝置符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為取像模組的視場角原點至基板的高度，H為遮光元件在量測位置的高度，R為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離，θ為取像模組的視場角的角度，Ravg為取像模組的中心在水平方向上至遮光元件的量測位置的距離的平均值，且S為取像模組的中心在水平方向上至發光元件的中心的距離。如此一來，透過遮光元件以及發光元件的排列，可減少雜散光斑的出現，使裝置能在小尺寸機構中得到大範圍的取像面積，同時具備高均勻亮度與高對比度，進而獲得良好的光學感測效果。
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:手指 100,100A~100C:光學指紋取像裝置 110:基板 120,120A:取像模組 122:感測元件 124:光學透鏡 126:鏡筒 128,128A:鏡座 130:發光元件 140,140A~140E:遮光元件 150:外殼 160,160A,160B:按壓基板 162:色彩轉換層 164:基材層 166:濾波層 A:角度 B:交點 C1,C2:中心 D1:高度 D2,D3,D4:距離 S1,S2:頂面
圖1為本發明一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。 圖2為圖1的光學指紋取像裝置的上視示意圖。 圖3為圖1的光學指紋取像裝置的爆炸示意圖。 圖4A及圖4B分別為本發明不同實施例的遮光元件的示意圖。 圖5A至圖5C分別為本發明不同實施例的按壓基板的示意圖。 圖6為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。 圖7A及圖7B分別為本發明不同實施例的遮光元件的示意圖。 圖8為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。 圖9為本發明另一實施例的光學指紋取像裝置的剖面示意圖。
10:手指
100:光學指紋取像裝置
110:基板
120:取像模組
122:感測元件
124:光學透鏡
126:鏡筒
128:鏡座
130:發光元件
140:遮光元件
150:外殼
160:按壓基板
162:色彩轉換層
164:基材層
A:角度
B:交點
D1:高度
D2:距離
S1:頂面

Claims (19)

  1. 一種光學指紋取像裝置，包括： 基板； 取像模組，配置於所述基板上； 至少一發光元件，配置於所述基板上，圍繞所述取像模組； 遮光元件，配置於所述基板上，位於所述取像模組與所述至少一發光元件之間； 外殼，配置於所述基板的邊緣，圍繞所述取像模組；以及 按壓基板，配置於所述外殼上，覆蓋所述取像模組、所述至少一發光元件及所述遮光元件，其中所述光學指紋取像裝置符合條件式：h≦H≦h+(R/tan(θ/2))以及Ravg＜S＜5Ravg，其中h為所述取像模組的視場角原點至所述取像模組內的交點至所述基板的高度，H為所述遮光元件在量測位置的高度，R為所述取像模組的中心在水平方向上至所述遮光元件的所述量測位置的距離，θ為所述取像模組的所述視場角的角度，Ravg為所述取像模組的中心在水平方向上至所述遮光元件的量測位置的距離的平均值，且S為所述取像模組的中心在水平方向上至所述至少一發光元件的中心的距離。
  2. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述至少一發光元件為發光二極體、雷射二極體或垂直腔面射型雷射。
  3. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述按壓基板的霧度小於5%。
  4. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述按壓基板包括色彩轉換層，包括介質層及多個色彩轉換材料。
  5. 如請求項4所述的光學指紋取像裝置，其中所述介質層為玻璃、壓克力、環氧樹脂、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴、矽或上述任意組合。
  6. 如請求項4所述的光學指紋取像裝置，其中所述多個色彩轉換材料為量子點材料、無機螢光粉、有機螢光染料或上述任意組合。
  7. 如請求項4所述的光學指紋取像裝置，其中所述按壓基板還包括基材層，連接於所述色彩轉換層，所述色彩轉換層位於所述取像模組與所述基材層之間。
  8. 如請求項7所述的光學指紋取像裝置，其中所述基材層為玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚對苯二甲酸乙二酯、聚烯烴或上述任意組合。
  9. 如請求項7所述的光學指紋取像裝置，其中所述按壓基板還包括濾波層，連接於所述色彩轉換層與所述基材層之間。
  10. 如請求項9所述的光學指紋取像裝置，其中所述濾波層為低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器。
  11. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件為塑膠或金屬，且所述遮光元件對所述發光元件之發光波長為非透光。
  12. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件的頂面至所述基板的距離皆相同。
  13. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件的頂面至所述基板的距離由鄰近所述取像模組至遠離所述取像模組逐漸增加。
  14. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件在水平方向上的外形為圓形、方形或多邊形。
  15. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述取像模組包括感測元件、至少一光學透鏡、鏡筒及鏡座。
  16. 如請求項15所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件與所述鏡座一體成型。
  17. 如請求項15所述的光學指紋取像裝置，其中所述遮光元件、所述鏡筒及所述鏡座一體成型。
  18. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述外殼為塑膠或金屬。
  19. 如請求項1所述的光學指紋取像裝置，其中所述外殼為金屬，且所述外殼與所述基板具有電容值，所述光學指紋取像裝置依據所述電容值改變啟動狀態。
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