TWI716209B - 指紋感測裝置 - Google Patents

Abstract

一種指紋感測裝置，包括一導光蓋板、一光源、一影像感測器及一光輸出元件。導光蓋板包括一平板部及一入光部，平板部具有相對的一第一表面與一第二表面，而入光部位於第二表面，且具有一傾斜入光面，其中傾斜入光面相對於第一表面與第二表面傾斜。光源用以發出一光束，而光束經由傾斜入光面依序傳遞至入光部與平板部。光輸出元件配置於第二表面上，且將平板部中的光束導引至影像感測器。

Description

指紋感測裝置

本發明是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種指紋感測裝置。

由於近來可攜式電子產品往高屏占比、全面屏的方向發展，使得可攜式電子裝置(如智慧型手機、平板電腦等)的正面沒有面積可放置指紋感測器。因此，各種解決的方案便被提出，諸如將指紋感測器配置於可攜式電子裝置的背面或側面，或者乾脆捨棄指紋辨識方案，而改以其他方案(例如人臉辨識方案)來取代。而近來最熱門的指紋辨識方案莫過於螢幕指紋辨識方案，也就是讓使用者的手指藉由按壓螢幕來完全指紋辨識，這樣就可以讓可攜式電子產品維持高屏占比或全面屏，而又不失可在可攜式電子產品的正面完全指紋辨識的便利性。

欲達到螢幕指紋辨識，有一種方案是採用透明顯示器(例如有機發光二極體(organic light-emitting diode,OLED)顯示器)，且將用以拍攝指紋的相機放置於透明顯示器下方，這種方案可稱之為屏下指紋辨識。然而，屏下指紋辨識對於採用液晶顯示器作 為螢幕的可攜式電子裝置而言則有其實現下的困難，主要是因為液晶顯示器的背光模組較不容易作到透光。因此，研發一種可以適用於各種類型螢幕的螢幕指紋辨識方案實為當前的重要課題之一。

本發明提供一種指紋感測裝置，其可廣泛適用於採用各種類型螢幕的螢幕指紋辨識方案。

本發明的一實施例提出一種指紋感測裝置，包括一導光蓋板、一光源、一影像感測器及一光輸出元件。導光蓋板包括一平板部及一入光部，平板部具有相對的一第一表面與一第二表面，而入光部位於第二表面，且具有一傾斜入光面，其中傾斜入光面相對於第一表面與第二表面傾斜。光源用以發出一光束，而光束經由傾斜入光面依序傳遞至入光部與平板部。光輸出元件配置於第二表面上，且將平板部中的光束導引至影像感測器。由入光部進入平板部的光束在第一表面與第二表面發生全反射，第一表面適於被一使用者的一手指按壓，而手指的指紋凸脊接觸第一表面而破壞了光束在第一表面處的全反射現象。

在本發明的實施例的指紋感測裝置中，採用了傾斜入光面來將斜向光束導引至導光蓋板，而使光束在導光蓋板中多次全反射。當手指按壓在導光蓋板上時，指紋凸脊則破壞了光束在第一表面處的全反射現象，而使藉由全反射而導引至影像感測器的 光束所產生的影像產生對應的暗紋，也就是形成了指紋影像。如此一來，無論導光蓋板下方放置何產類形的顯示面板(包括透明顯示面板或不透明顯示面板)，皆可以有效達到指紋感測的效果。因此，本發明的實施例的指紋感測裝置可廣泛適用於採用各種類型螢幕的螢幕指紋辨識方案。

50:顯示器

62:指紋凸脊

64:指紋溝槽

100、100a、100b:指紋感測裝置

110、110a、110b:導光蓋板

120:光源

121:點光源

122:光束

130:影像感測器

140、140b、140c、140d:光輸出元件

142、142b、142c、142d:微稜鏡

143、143c、143d:頂角

144、144b:傾斜側面

150:第一光阻擋膜

160:第二光阻擋膜

200:平板部

210:第一表面

220:第二表面

222:區域

230、340、330:側面

300、300a、300b:入光部

310:傾斜入光面

320:平頂面

D1:第一方向

D2:第二方向

H:高度

P:節距

α:發散角

β、β’:傾斜角

圖1為本發明的一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示器上的剖面示意圖。

圖2為圖1中的光輸出元件的局部放大示意圖。

圖3為另一實施例中的光源的立體示意圖。

圖4為本發明的另一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示器上的剖面示意圖。

圖5為本發明的再一實施例的光輸出元件的剖面示意圖。

圖6為本發明的另一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示器上的剖面示意圖。

圖7與圖8為本發明的另二實施例的光輸出元件的剖面示意圖。

圖1為本發明的一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示 器上的剖面示意圖。請參照圖1，本實施例的指紋感測裝置100包括一導光蓋板110、一光源120、一影像感測器130及一光輸出元件140。導光蓋板110包括一平板部200及一入光部300，平板部200具有相對的一第一表面210與一第二表面220。平板部200可覆蓋在一顯示器50上，顯示器50可以是各種顯示器，可以是透明顯示器或不透明顯示器，例如是液晶顯示器或有機發光二極體顯示器，其中液晶顯示器可以包括背光模組，而背光模組的反射片可以是無法讓光穿透的反射片。

入光部300位於第二表面220，且具有一傾斜入光面310，其中傾斜入光面310相對於第一表面210與第二表面220傾斜。光源120用以發出一光束122，而光束122經由傾斜入光面310依序傳遞至入光部300與平板部200。在本實施例中，光源120例如是發光二極體(light-emitting diode,LED)，然而，在其他實施例中，光源120也可以是雷射二極體或其他適當的光源。

光輸出元件140配置於第二表面220上，且將平板部200中的光束122導引至影像感測器130。在本實施例中，入光部300與光輸出元件140分別配置於第二表面220的相對兩端。然而，在其他實施例中，入光部300與光輸出元件140也可以是配置於第二表面220的其他適當位置。由入光部300進入平板部200的光束122在第一表面210與第二表面220發生全反射，第一表面210適於被一使用者的一手指按壓，而手指的指紋凸脊62接觸第一表面210而破壞了光束122在第一表面210處的全反射現象。 如此一來，光束122在影像感測器130上所形成的影像中對應於指紋凸脊62的部分便會形成暗紋，以形成指紋影像。如此一來，無論顯示器50是何種類型的顯示器，也無論顯示器50是否為透明，都可以達到螢幕指紋感測，以符合螢幕指紋辨識方案的需求。

圖2為圖1中的光輸出元件的局部放大示意圖。請參照圖1與圖2，在本實施例中，光輸出元件140為稜鏡片，且此稜鏡片具有多個微稜鏡142，這些微稜鏡142的頂角143朝向遠離第一表面210與第二表面220的方向。這些微稜鏡142可使光束122離開平板部200且將光束122導引至影像感測器130。

在本實施例中，光輸出元件140符合：(45°-α)≦β<90°，其中α為光源120發出光束122時的發散角(如圖1所繪示)，且β為這些微稜鏡142的傾斜側面144相對於第一表面210的傾斜角(如圖2所繪示)。在本實施例中，這些微稜鏡142為柱狀稜鏡，這些柱狀稜鏡沿著從入光部300往光輸出元件140且平行於第二表面220的一第一方向D1排列，且每一柱狀稜鏡沿著垂直於排列方向D1且平行於第二表面220的一第二方向D2延伸。然而，在其他實施例中，這些微稜鏡142為錐狀稜鏡，其可在上述第一方向D1與第二方向D2所構成的平面上排列成二維陣列。此外，在上述這些實施例中，這些微稜鏡142的節距(pitch)P是落在10奈米(nanometer,nm)至1微米(micrometer,μm)的範圍內，且這些微稜鏡的高度H(例如是在垂直於第二表面220的方向上的厚度)是落在10奈米至1微米的範圍內。在本實施例中，光源120 發出的光束122的截面為線形截面，而此線形截面的延伸方向例如是平行於第二方向D2。在另一實施例中，如圖3所繪示，光源120可包括多個排成一直線的點光源121，而這些點光源121例如是沿著第二方向D2排列。

在本實施例中，當光源120所發出的光束122的準直性高時，發散角α較小，光束122被導光蓋板200的第一表面210與第二表面220進行多次全反射而在導光蓋板200內行進時，可以達到亮區與暗區分別明顯的高訊雜比(signal-to-noise ratio,SNR)。此外，由於光束122較為集中，可以在導光蓋板200內部傳遞較遠，但在導光蓋板200中傳遞時，容易因全反射條件被破壞(例如導光蓋板的缺陷)而阻斷光束122的行進。

當光源120所發出的光束122的準直性低時，發散角α較大，光束122在導光蓋板200內的行進距離較短，在光束122在導光蓋板200內行進時，經不同全反射次束的光束122可能會照射在同一區域，造成訊雜比降低。然而，當光束122不斷被第一表面210與第二表面220全反射而在導光蓋板200內行進時，較不易因導光蓋板的缺陷破壞全反射而阻斷了光束122的行進。因此，在本實施例中，發散角α可以落在0.3°至5°的範圍內，以達到良好的訊雜比，且又不易因導光蓋板的缺陷而阻斷了光束122的行進。

另外，當指紋凸脊62接觸第一表面210而破壞了光束122在第一表面210的全反射時，指紋凸脊62會使光束122散射。若 被指紋凸脊62散射的光束122進入影像感測器130時，容易造成影像感測器130的訊雜比降低，影像品質不好，及對應於指紋凸脊62的暗紋不夠暗等現象。為了抑制指紋凸脊62散射的光束122進入影像感測器130的情形，可適當地設計手指按壓第一表面210的位置與光輸出元件140的距離，使第一表面210在指紋溝槽64下方的區域所反射的光束122能夠再被第二表面220及第一表面210全反射多次後再進入影像感測器130。如此一來，便可以有效抑制指紋凸脊62散射的光束122進入影像感測器130的情形，進而提升訊雜比。在一實施例中，第一表面210在指紋溝槽64下方的區域所反射的光束122會再被第一表面210與第二表面220的任一者全反射0到4次後再進入影像感測器130。

另一方面，也可適當地設計手指按壓第一表面210的位置與入光部300的距離，以使從入光部300進入平板部200的光束122經過第一表面210與第二表面220的任一者的足夠多次的全反射，也就是使光束122在平板部200中行進足夠長的距離，而使得光束122在垂直於第二方向D2的平面上展開足夠的寬度，以在照射至手指按壓的位置時足以涵蓋手指的範圍。

值得注意的是，當光束122經由入光部300進入平板部200而照射於第一表面210上時，於第一表面210的入射角需大於臨界角(critical angle)，以確保第一表面210能夠將光束122全反射。在一實施例中，傾斜入光面310相對於第一表面210的傾斜角例如是45度，但本發明不以此為限。另外，在本實施例中， 第一表面210例如是平行於第二表面220。

圖4為本發明的又一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示器上的剖面示意圖。請參照圖4，本實施例的指紋感測裝置100a類似於圖1的指紋感測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的指紋感測裝置100a中，導光蓋板110a的入光部300a更具有一背對第二表面220的平頂面320，與傾斜入光面310連接。相對於圖1的入光部300a具有尖銳的頂角，平頂面320的設計可有效避免入光部300a刮傷其他元件。在一實施例中，平頂面320例如是平行於第二表面220。

在本實施例中，指紋感測裝置100a更包括一第一光阻擋膜150及一第二光阻擋膜160，第一光阻擋膜150設於平頂面320上，且第二光阻擋膜160設於第二表面220之與傾斜入光面310連接的區域222，其中傾斜入光面310位於第一光阻擋膜150與第二光阻擋膜160之間。在本實施例中，第一光阻擋膜150與第二光阻擋膜160為光吸收膜，其可吸收光束122。然而，在其他實施例中，第一光阻擋膜150與第二光阻擋膜160也可以是反射膜，也就是可將光束122反射的膜層。

此外，在本實施例中，從光源120發出的光束122的截面可以是圓形，而部分的光束122會被第一光阻擋膜150與第二光阻擋膜160阻擋，以形成線形光源。

圖5為本發明的再一實施例的光輸出元件的剖面示意圖。請參照圖1與圖5，本實施例的光輸出元件140b與圖2的光 輸出元件140類似，而兩者的差異在於本實施例的光輸出元件140b的微稜鏡142b的傾斜側面144b相對於第一表面210的傾斜角β’小於圖2的光輸出元件140的微稜鏡142的傾斜側面144相對於第一表面210的傾斜角β。如此一來，照射於傾斜側面144b的光束122會斜向傳遞至影像感測器130，此時可以採用能夠接收斜向光的影像感測器130來感測來自傾斜側面144b的光束122。

另一方面，在圖2的實施例中，照射於傾斜側面144的光束122則被傾斜側面144往下折射，此時可以採用能夠接收正向光的影像感測器130來感測來自傾斜側面144的光束122。

此外，在圖5的實施例中，傾斜角β’也可以符合(45°-α)≦β’<90°。

圖6為本發明的另一實施例的指紋感測裝置配置於一顯示器上的剖面示意圖。請參照圖6，本實施例的指紋感測裝置100b類似於圖1的指紋感測裝置100，而兩者的差異如下所述。在本實施例的指紋感測裝置100b中，導光蓋板110b的入光部300b的傾斜入光面310朝向導光蓋板110b的內側，而在圖1的指紋感測裝置100中，導光蓋板110的入光部300的傾斜入光面310是朝向導光蓋板110的外側。此外，在本實施例的指紋感測裝置100b中，入光部300b與光輸出元件140配置於第二表面220的同一端。在本實施例中，從傾斜入光面310進入入光部300b的光束122被入光部300b的相對兩側面340與330全反射，而後進入平板部200，隨後再被平板部200的側面230全反射後，再被平板部200的第 一表面210與第二表面220全反射，而傳遞至手指。

圖7與圖8為本發明的另二實施例的光輸出元件的剖面示意圖。請參照圖2、圖7與圖8，此二實施例的光輸出元件140c與140d與圖2的光輸出元件140類似，而兩者的差異在於圖2的光輸出元件140的這些微稜鏡142的頂角143為尖角，而圖7的光輸出元件140c的這些微稜鏡142c的頂角143c為圓角，而圖8的光輸出元件140d的這些微稜鏡142d的頂角143d為平頂倒角。

綜上所述，在本發明的實施例的指紋感測裝置中，採用了傾斜入光面來將斜向光束導引至導光蓋板，而使光束在導光蓋板中多次全反射。當手指按壓在導光蓋板上時，指紋凸脊則破壞了光束在第一表面處的全反射現象，而使藉由全反射而導引至影像感測器的光束所產生的影像產生對應的暗紋，也就是形成了指紋影像。如此一來，無論導光蓋板下方放置何產類形的顯示面板(包括透明顯示面板或不透明顯示面板)，皆可以有效達到指紋感測的效果。因此，本發明的實施例的指紋感測裝置可廣泛適用於採用各種類型螢幕的螢幕指紋辨識方案。

50:顯示器

62:指紋凸脊

64:指紋溝槽

100:指紋感測裝置

110:導光蓋板

120:光源

122:光束

130:影像感測器

140:光輸出元件

142:微稜鏡

200:平板部

210:第一表面

220:第二表面

300:入光部

310:傾斜入光面

D1:第一方向

D2:第二方向

α:發散角

Claims (16)

1. 一種指紋感測裝置，包括：一導光蓋板，包括：一平板部，具有相對的一第一表面與一第二表面；以及一入光部，位於該第二表面，且具有一傾斜入光面，該傾斜入光面相對於該第一表面與該第二表面傾斜；一光源，用以發出一光束，其中該光束經由該傾斜入光面依序傳遞至該入光部與該平板部；一影像感測器；以及一光輸出元件，配置於該第二表面上，並接觸該第二表面，且將該平板部中的該光束導引至該影像感測器，其中由該入光部進入該平板部的該光束在該第一表面與該第二表面發生全反射，該第一表面適於被一使用者的一手指按壓，而該手指的指紋凸脊接觸該第一表面而破壞了該光束在該第一表面處的全反射現象，其中該光輸出元件為稜鏡片，且該稜鏡片具有多個微稜鏡，該些微稜鏡的頂角朝向遠離第一表面與第二表面的方向，該光輸出元件符合：(45°-α)≦β<90°，α為該光源發出該光束時的發散角，且β為該些微稜鏡的傾斜側面相對於該第一表面的傾斜角。
2. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該些微稜鏡為柱狀稜鏡。
3. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該些微稜鏡為錐狀稜鏡。
4. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該些微稜鏡的頂角為尖角、圓角或平頂倒角。
5. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該些微稜鏡的節距是落在10奈米至1微米的範圍內，且該些微稜鏡的高度是落在10奈米至1微米的範圍內。
6. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該傾斜入光面朝向該導光蓋板的內側。
7. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該傾斜入光面朝向該導光蓋板的外側。
8. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該入光部更具有一背對該第二表面的平頂面，與該傾斜入光面連接。
9. 如申請專利範圍第8項所述的指紋感測裝置，更包括：一第一光阻擋膜，設於該平頂面上；以及一第二光阻擋膜，設於該第二表面之與該傾斜入光面連接的區域，其中該傾斜入光面位於該第一光阻擋膜與該第二光阻擋膜之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述的指紋感測裝置，其中該第一光阻擋膜與該第二光阻擋膜為光吸收膜。
11. 如申請專利範圍第9項所述的指紋感測裝置，其中該第一光阻擋膜與該第二光阻擋膜為反射膜。
12. 如申請專利範圍第9項所述的指紋感測裝置，其中從該光源發出的該光束的截面為圓形，而部分的該光束會被該第一光阻擋膜與該第二光阻擋膜阻擋，以形成線形光源。
13. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該光源發出的該光束的截面為線形截面。
14. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該光源包括多個排成一直線的點光源。
15. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該入光部與該光輸出元件分別配置於該第二表面的相對兩端。
16. 如申請專利範圍第1項所述的指紋感測裝置，其中該入光部與該光輸出元件配置於該第二表面的同一端。

Images