TWI536273B - Photoelectric fingerprint identification device - Google Patents

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Description

光電式指紋辨識裝置
一種指紋辨識裝置，特別是一種有關於光電式指紋辨識裝置。
所謂指紋辨識，顧名思義就是利用人體手指上獨有指紋資訊進行辨識。常見的指紋辨識裝置可由兩種元素組成。其一為指紋感測器(Fingerprint Sensor)，主要目的是採集一枚完整的指紋圖像。另一個元素則為指紋辨識演算法(Fingerprint Algorithm)。當前端的指紋感測器採集指紋圖像後，後續則是交由演算法進行指紋圖像處理與指紋特徵點抽取，生成指紋模板後將原始指紋圖像丟棄，最後再進行指紋比對。
常見的指紋感測器有電容式(Capacity)與光學式(Optical)兩種。目前電容式指紋感測器常見的有RF電容感測、壓力感測、熱感測等。其原理係將高密度的電容感測器或是壓力感測器等微型化感測器整合於一晶片之中，待手指按壓晶片表面時，內部微型電容感測器會根據指紋的波峰與波谷聚集而產生的不同電荷量(或是溫差)，進而形成指紋圖像。
電容式感測器的優點為薄型化與小型化，可被大量運用在手持裝置上，不過其缺點為成本高及耐用性備受考驗。且電容式感測器為了維持一定的按壓面積須切割整片晶圓，所以每一晶片所產出的成本相當高。再者，由於電容式感測器本身就是裸露的半導體晶片，容易因為手指 本身的汗水與酸鹼影響，而對晶片表面產生侵蝕以及容易產生靜電問題，使得電容式感測器的耐受度及使用壽命大幅降低。因此，便有在電容式感測器表面增貼一層藍寶石基板以進行防護，但相對的也提高製作成本。
另外，光學式指紋感測器為最早的指紋採集設備，係利用光源、三菱鏡、電荷耦合元件(CCD)組成一套指紋採集設備。利用手指按壓三菱鏡後，以指紋的波峰與波谷對於光線全反射的吸收與破壞，進而得到一枚指紋圖像，再經由電荷耦合元件(CCD)將影像擷取與輸出。由於光學式指紋感測器的採集方式是非接觸晶片本身，也就是指紋按壓處是由壓克力或是玻璃等光學元件所構成，故光學式最大的優勢就是價格低廉且耐用。但光學式指紋感測器因為其體積較大及組裝複雜，難以運用於手持裝置內部
是以，習知的電容式指紋感測器具有易環境靜電影響及製作成本高的問題，而光學式指紋感測器則具有體積大無法應用於手持裝置的問題。因此，要如何設計一種可避免環境靜電影響、體積小及降低製作成本的指紋辨識器，就成為了本案發明人需要解決的問題。
鑑於習知的電容式指紋感測器具有易環境靜電影響及製作成本高的問題，光學式指紋感測器具有體積大無法應用於手持裝置，而耐受度及使用壽命較低的問題。是以，本發明的主要目的在於提供一種光電式指紋辨識裝置，以解決體積大、不受環境影響及降低製作成本的問題。
根據本發明所揭露光電式指紋辨識裝置，用以辨識一手指的一指紋。光電式指紋辨識裝置包括一光電傳感器、一類比/數位轉換及一影像處理器。其中，光電傳感器具有一光接收表面，以供手指接觸在光接收 表面。光電傳感器用以接收一非可見光穿透手指的至少一光強度訊號，並依據光訊號轉換成至少一光電流訊號。類比/數位轉換器電性連接於光電傳感器，用以接收光電流訊號。類比/數位轉換器係將光電流訊號轉換成至少一數位訊號。影像處理器電性連接於類比/數位轉換器，用以接收數位訊號。影像處理器係將數位訊號輸出成一指紋圖像。
本發明之功效在於利用光電傳感器來接收穿透手指的非可見光，並藉由環境光源的非可見光穿透手指的皮紋波谷及皮紋波峰的光強度訊號差異性，使光電傳感器可轉換成不同強弱的光電流訊號，再輔以類比/數位轉換器將不同強弱的光電流訊號轉換成對應的數位訊號，以此輸出明暗對比條紋的指紋圖像，進而提高指紋辨識率。
是以，藉由光電傳感器輕、薄、短、小的特性，使得本發明的光電式指紋辨識裝置可應用在手持裝置內部，可解決習知技術的光學式指紋辨識器體積過大而無法用在手持裝置的問題。而且利用非可見光穿透手指來辨識指紋，此種光電分離的感測方式，可解決習知技術的電容式指紋辨識器容易受到環境靜電影響的問題，也不需要有習知技術的藍寶石基板作保護的需求，可大幅降低製作成本。
10‧‧‧光電式指紋辨識裝置
11‧‧‧光電傳感器
111‧‧‧光接收表面
112‧‧‧側面
12‧‧‧類比/數位轉換器
13‧‧‧影像處理器
14‧‧‧發光元件
15‧‧‧散射介質
20‧‧‧手指
21‧‧‧皮紋波谷
22‧‧‧皮紋波峰
30‧‧‧電路板
IR1、IR2、IR3‧‧‧非可見光
IS1‧‧‧第一光強度訊號
IS2‧‧‧第二光強度訊號
PS1‧‧‧第一光電流訊號
PS2‧‧‧第二光電流訊號
DS‧‧‧數位訊號
G‧‧‧間隙
第1圖 係為本發明第一實施例的光電式指紋辨識裝置的方塊示意圖；第2圖 係為本發明第一實施例的光電式指紋辨識裝置的架構示意圖；第3圖 係為本發明第二實施例的光電式指紋辨識裝置的架構示意圖；以及 第4圖 係為本發明第三實施例的光電式指紋辨識裝置的架構示意圖。
請參考第1圖與第2圖所示，其係為本發明第一實施例的光電式指紋辨識裝置的方塊示意圖與架構示意圖。光電式指紋辨識裝置10包括一光電傳感器11(Photoelectric Sensor)、一類比/數位轉換器12(A/D Converter)及一影像處理器13。其中，光電傳感器11具有一光接收表面111，用以供一手指20接觸於其上。類比/數位轉換器12電性連接於光電傳感器11。影像處理器13電性連接於類比/數位轉換器12。在本實施例中，可藉由一電路板30，將光電傳感器11、類比/數位轉換器12及影像處理器13分別設置在電路板30上，藉此將光電傳感器11、類比/數位轉換器12及影像處理器13相互電性連接。
當手指20按壓在光電傳感器11的光接收表面111後，可藉由一環境光源的非可見光IR1照射在手指20上，並使非可見光IR1為波長範圍介於780nm至3000nm的紅外線輻射，使得非可見光IR1穿透手指20內部後形成散射光，並由光電傳感器11感測非可見光IR1穿透手指20的至少一光強度訊號(Intensity Signal)，並使光電傳感器11依據光強度訊號轉換成至少一光電流訊號(Photocurrent Signal)。
需注意的是，手指20表面具有皮紋波谷21與皮紋波峰22。當非可見光IR1從手指20內部穿透出皮紋波谷21時，由於皮紋波谷21係接觸在光接收表面111，所以非可見光IR1可由皮紋波谷21直接進入到光接收表面111，而使光電傳感器11可接受到較強的一第一光強度訊號IS1。當非可見光IR1由手指20內部穿透出皮紋波峰22時，因皮紋波峰22與光接收表面111之 間具有一間隙G，使得部分的非可見光IR1會被光接收表面111反射，部分的非可見光IR1進入到光接收表面111，而使光電傳感器11會接受到較弱的一第二光強度訊號IS2。
如此一來，光電傳感器11會同步接收到皮紋波谷21的第一光強度訊號IS1及皮紋波峰22的第二光強度訊號IS2。光電傳感器11會依據皮紋波谷21的第一光強度訊號IS1而轉換成一第一光電流訊號PS1，同樣的依據皮紋波峰22的第一光強度訊號IS1轉換成一第二光電流訊號PS2。
在本實施例中，光電傳感器11通常使用光伏特、光傳導或光發射等光電轉換方式來進行工作。舉例來說，光伏特轉換方式通常存在於兩種不同材料的接面，當非可見光照射到接面時，接面兩端會產生一和照度有關的輸出電壓，例如以半導體材料矽、鍺、或銻化銦利用其p-n接面來進行工作。光傳導轉換方式通常是以半導體材料所製成，其電阻會隨著照度的增加而減少，其導電性之產生乃因為材料吸收入射光子所帶的能量以產生電荷載子。光發射轉換方式，當入射光能量夠高時，使電子脫離軌道而射出。上述光電傳感器11的光電轉換方式僅為一實施例說明，並不以此為限，其光電傳感器11可依使用需求而選擇對應的光電轉換方式。
是以，當光電傳感器11將不同強弱的第一光強度訊號IS1及第二光強度訊號IS2分別轉換成對應的第一光電流訊號PS1及第二光電流訊號PS2後，即可將不同強弱的第一光電流訊號PS1及第二光電流訊號PS2分別傳送至類比/數位轉換器12。類比/數位轉換器12依據第一光電流訊號PS1及第二光電流訊號PS2而轉換成對應的至少一數位訊號(Digital Signal)。之後，類比/數位轉換器12將數位訊號DS傳送到影像處理器13，並使影像處理器13 依據數位訊號DS而轉換成一指紋圖像。
請參閱「第3圖」所示，係為本發明第二實施例的光電式指紋辨識裝置的架構示意圖。其具體實施方式與前述第一實施例大致相同，以下僅就相異之處加以說明，其餘相同處不在贅述。
在本實施例中，更包括至少一發光元件14。藉由發光元件14對手指20發出非可見光IR2，使得非可見光IR2可穿透手指20內部，進而加強皮紋波谷21的第一光強度訊號IS1與皮紋波峰22的第二光強度訊號IS2之間的光強度對比。需注意的是，光電傳感器11可偵測周遭的環境光源，若環境光源的非可見光IR1不足時，光電傳感器11可立即啟動發光元件14進行運作，並透過發光元件14增加對手指20的非可見光IR2強度。
請參閱「第4圖」所示，係為本發明第三實施例的光電式指紋辨識裝置的架構示意圖，其具體實施方式與前述第一實施例大致相同，以下僅就相異之處加以說明，其餘相同處不在贅述。
在本實施例中，更包括至少一發光元件14及至少一散射介質15。其中，散射介質15係包覆在光電傳感器11的光接收表面111，但不以此為限。最佳的實施方式是散射介質15可同時包覆住光電傳感器11的光接收表面111以及四周側面112，並使發光元件14對應於散射介質15。需注意的是，發光源件14所發出的非可見光IR3可由光電傳感器11的側面112進入到散射介質15內部，並使非可見光IR3均勻的散佈在散射介質15內部，使散射介質15相對於手指20的區域都能具有擴散均勻的非可見光IR3能量。
是以，散射介質15使非可見光IR3均勻整面的照射手指20內部，因為手指20的皮紋波谷21接觸到光接收表面111，所以非可見光IR3直 接由光接觸表面111進入到光電傳感器11內部。而皮紋波峰22與光接觸表面111之間具有間隙G(如第1圖所示)，所以由皮紋波峰22穿出的部分非可見光IR3會被光接觸表面111反射，部分非可見光IR3則進入到光電傳感器11內部，藉以加強皮紋波谷21與皮紋波峰22之間光強度的差異性。
是以，本發明所提出的光電式指紋辨識裝置，係利用光電傳感器來接收穿透手指的非可見光，並藉由環境光源的非可見光穿透手指的皮紋波谷及皮紋波峰的光強度訊號差異性，使光電傳感器可轉換成不同強弱的光電流訊號，再輔以類比/數位轉換器將不同強弱的光電流訊號轉換成對應的數位訊號，以此輸出明暗對比條紋的指紋圖像，進而提高指紋辨識率。是以，藉由光電傳感器輕、薄、短、小的特性，使得本發明的光電式指紋辨識裝置可應用在手持裝置內部，可解決習知技術的光學式指紋辨識器體積過大而無法用在手持裝置的問題。而且利用非可見光穿透手指來辨識指紋，此種光電分離的感測方式，可解決習知技術的電容式指紋辨識器容易受到環境靜電影響的問題，也不需要有習知技術的藍寶石基板作保護的需求，可大幅降低製作成本。
10‧‧‧光電式指紋辨識裝置
11‧‧‧光電傳感器
111‧‧‧光接收表面
12‧‧‧類比/數位轉換器
13‧‧‧影像處理器
20‧‧‧手指
IS1‧‧‧第一光強度訊號
IS2‧‧‧第二光強度訊號
PS1‧‧‧第一光電流訊號
PS2‧‧‧第二光電流訊號
DS‧‧‧數位訊號

Claims (4)

  1. 一種光電式指紋辨識裝置，用以辨識一手指的一指紋，該指紋由多個皮紋波谷與多個皮紋波峰構成，該光電式指紋辨識裝置包括：一光電傳感器，具有一光接收表面，該手指係接觸在該光接收表面，該光電傳感器用以接收一非可見光穿透該手指的至少一光強度訊號，該光電傳感器依據該光訊號轉換成至少一光電流訊號；一類比/數位轉換器，電性連接該光電傳感器，用以接收該光電流訊號，該類比/數位轉換器依據該光電流訊號轉換成至少一數位訊號；以及一影像處理器，電性連接該類比/數位轉換器，用以接收該數位訊號，該影像處理器依據該數位訊號輸出成一指紋圖像；其中，該指紋的該些皮紋波谷與該光接收表面相互接觸，該指紋的該些皮紋波峰與該光接收表面之間具有一間隙，該非可見光穿透該手指內部後經由該些皮紋波谷直接進入到該光接收表面，令光電傳感器可接受到至少一第一光強度訊號，該非可見光穿透該手指內部後經由該些皮紋波峰與該些間隙，以使部分的該非可見光會被該光接收表面反射，部分的該非可見光進入到該光接收表面，令光電傳感器可接受到至少一第二光強度訊號，該第一光強度訊號大於該第二光強度訊號。
  2. 如請求項1所述的光電式指紋辨識裝置，其中更包括至少一發光元件，用以對該手指發出該非可見光。
  3. 如請求項1所述的光電式指紋辨識裝置，其中更包括至少一發光元件及至少一散射介質，該散射介質包覆住該光傳感器的該光接收表面，該手指係接觸在該散射介質，該發光元件對該散射介質發出該非可見光。
  4. 如請求項3所述的光電式指紋辨識裝置，其中該散射介質更包覆住該光傳感器的四周側面。
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