TWM561858U - 光學指紋辨識系統 - Google Patents

Abstract

一種光學指紋辨識系統，乃藉由一導光面板表面作為供手指按壓的指紋感測區域，同時提供準直的光學訊號，並將此光學訊號導入導光面板中以通過內全反射效應來傳輸，利用手指按壓會造成光學訊號於導光面板中內全反射的破壞，感光元件可偵測出光學訊號的波形變化且處理為指紋影像；藉此，當本創作將光學指紋辨識系統整合於顯示面板中，可將感光元件隱蔽於顯示面板的背面，其無須接收指紋的反射光線，沒有穿透度的問題，且指紋感測區域可實施於導光面板的全部或局部區域，不僅可供更為彈性地使用，也滿足消費者對於產品外觀的美感需求。

Description

光學指紋辨識系統

本創作係有關一種指紋辨識技術，特別是指一種利用光的內全反射效應進行感測辨識的光學指紋辨識系統。

指紋辨識為生物特徵識別技術的一種，其利用人體手指上獨有的指紋訊息進行辨識，以其在安全性和方便性方面的優點受到廣泛的應用；舉例來說，現今的智慧型手機幾乎都添加了指紋辨識功能，可以提供指紋加密、指紋解鎖。

一種光學指紋辨識系統10，請參照第1圖，由上而下依序設置一壓板12、一光擴散板13與一感光元件11，感光元件11周圍設置有多個光源14。其中，壓板12具有可供手指按壓的一板面121。光擴散板13將光源14所發出的入射光導向壓板12，並具有供反射光通過的一透孔131。當入射光由光擴散板13投射至手指A後，會通過透孔131反射至下方的感光元件11。由於指紋的波峰會反射光線，波谷會吸收光線，因此，反射光會形成明暗對比條紋，讓感光元件11來達到指紋辨識的效果。

目前而言，將指紋辨識功能和顯示面板的顯示功能結合起來，是產業界正積極研究的一項熱門課題。將指紋辨識系統整合或是結合到顯示面板中的作法中，若是將指紋辨識的相關元件設置於顯示面板上方，由於以矽晶圓為基礎的感光元件是不透明的，會顯露於顯示面板之外，而置放於顯示面板下方又有穿透度的問題，可能無法良好地接收指紋的反射光線，而影響指紋辨識的精確度。因此，要將指紋辨識系統結合到顯示面板存有一定的限制，也很難不干擾到產品的外觀設計。

因此，便有需要研發一種光學指紋辨識系統，能夠良好的結合於顯示面板中，使其感光元件不會外露，來滿足產品的外觀需求，不但有別於先前技術的結構，更能有效克服其各種缺失；其具體架構及實施方式將詳述於下。

鑒於上述問題，本創作的主要目的在於提供一種光學指紋辨識系統，讓光學訊號得以通過內全反射效應於導光面板中傳輸，從而可藉由手指按壓造成光學訊號於導光面板中內全反射的破壞，以達到指紋辨識之作用。

本創作的另一目的在於提供一種光學指紋辨識系統，可將感光元件隱蔽於顯示面板的背面，無須顯露在外，同時，指紋感測區域可設置於導光面板的全部或局部區域，更好的滿足了消費者對於產品外觀與使用彈性的各種需求。

因此，為實現上述目的，本創作提供一種光學指紋辨識系統，主要包括一導光面板、一光源、一訊號放大器及一感光元件。其中，所述導光面板表面具有供手指按壓的一指紋感測區域，且所述導光面板是於一入光端與一出光端分別設有一第一導光部與一第二導光部。所述光源鄰近於第一導光部，並提供至少一光學訊號，所述光學訊號經由第一導光部導入導光面板並在導光面板中通過內全反射效應傳輸，再經由第二導光部導出。所述訊號放大器鄰近於第二導光部，其接收第二導光部所導出的光學訊號，並將光學訊號放大後導出。而所述感光元件鄰近於訊號放大器，其接收訊號放大器所導出的光學訊號，並將光學訊號處理為一指紋影像，從而達成指紋辨識之目的。

根據本創作之實施例，其中所述指紋感測區域可為所述導光面板表面的全部或局部區域。

根據本創作之實施例，其中所述導光面板設置於一顯示面板上方。

根據本創作之實施例，其中所述導光面板是採用塗佈光學膠或點膠方式貼合於所述顯示面板上。

根據本創作之實施例，其中所述光源可為準直光源或非準直光源。

根據本創作之實施例，其中所述光源可為雷射（Laser）、垂直共振腔面射雷射（VCSEL）或非準直光源與二次光學元件的組合。

根據本創作之實施例，其中所述二次光學元件可選自拋物面（Parabolic surface）聚光鏡、複合抛物面聚光鏡（CPC）、透鏡、稜鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）及其組合。

根據本創作之實施例，其中所述光學訊號之波長是介於380～1400奈米（nm）。

根據本創作之實施例，其中當所述光學訊號於所述導光面板內行進時，所述光學訊號與所述導光面板之表面或底面的法線之間的夾角需滿足大於 arcsin（n ₀/n ₂）與 arcsin（n ₁/n ₂）； 其中，n ₀為導光面板之表面的折射率； n ₁為導光面板之底面的折射率；及 n ₂為導光面板的折射率。

根據本創作之實施例，其中所述第一導光部、所述第二導光部與所述導光面板可為一體化結構。

根據本創作之實施例，其中所述第一導光部與所述第二導光部相對於所述導光面板可為分開設置。

根據本創作之實施例，其中所述導光面板的表面形成一鍍膜，所述鍍膜可供一可見光穿透，其餘波段的光為反射。

根據本創作之實施例，其中所述第一導光部和所述第二導光部可為鏡面或光纖之形式。

根據本創作之實施例，其中所述訊號放大器可為鏡面之形式。

根據本創作之實施例，其中所述感光元件與所述訊號放大器之間更包含一透鏡、一稜鏡薄膜（Prism film）、一角度濾波器（Angular filter）、一偏振分光棱鏡（PBS）、分光鏡(BS)或其組合。

根據本創作之實施例，其中所述角度濾波器可為垂直型或傾斜型的光柵濾波器。

根據本創作之實施例，其中所述光柵濾波器是由複數第一材料薄膜間隔設置所構成之單層結構。

根據本創作之實施例，其中所述光柵濾波器是由複數第一材料薄膜與複數第二材料薄膜間隔設置所構成之單層結構。

根據本創作之實施例，其中所述光柵濾波器是由複數第一材料薄膜與複數第二材料薄膜間隔設置所構成之多層結構，且所述多層結構中的不同層的所述第一材料薄膜為對齊排列或交錯排列。

根據本創作之實施例，其中所述感光元件相對於所述導光面板為平行或傾斜擺放。

根據本創作之實施例，其中所述第一導光部與所述光源之間、所述第二導光部與所述訊號放大器之間或前述兩處更包含至少一稜鏡（Prism），且此稜鏡為固定式或可旋轉稜鏡。

根據本創作所提供的光學指紋辨識系統，可利用光學訊號於導光面板中的內全反射效應，並藉由偵測其光學訊號的波形變化，來獲取指紋影像，而當光學指紋辨識系統與顯示面板整合時，可將感光元件隱蔽於顯示面板的背面，也不會造成穿透度不足而影響辨識率的問題，從而可利於產品外觀的設計，同時，可設計區域性或全面性的指紋感測區域，可供使用者更為彈性且便利地使用指紋辨識功能。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本創作之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參照第2圖，繪示本創作之實施例所提供之光學指紋辨識系統20的剖面圖。此光學指紋辨識系統20主要是由導光面板21、準直光源22、訊號放大器23及感光元件24所構成。

本實施例中，導光面板21的表面具有可供手指A按壓的指紋感測區域211；實際應用上，指紋感測區域211可設計於導光面板21表面的全部區域或局部區域。本實施例中，導光面板21於兩側分別具有入光端212與出光端213，並於入光端212與出光端213分別設有第一導光部214與第二導光部215，具體而言，第一導光部214與第二導光部215可為反射板，用以調整光學訊號的傳遞角度；實際應用上，入光端212與出光端213的位置亦可設計在導光面板21的中間切口端。而導光面板21的材料可為玻璃，第一導光部214和第二導光部215可為鏡面或光纖之形式，且第一導光部214與第二導光部215相對於導光面板21可為分開設置，當然，第一導光部214與第二導光部215也可以和導光面板21設計成一體化結構。

本實施例中，準直光源22鄰近於第一導光部214，用以提供準直的至少一光學訊號。進一步來說，準直光源22產生準直的光學訊號，並將光學訊號投向第一導光部214，第一導光部214會將光學訊號予以反射或傳遞，經由入光端212傳入導光面板21中，使光學訊號得以在導光面板21中通過內全反射（Total Internal Reflection, TIR）效應傳輸，然後傳往出光端213，再經由第二導光部215予以反射或傳遞出去。

更進一步來說，為允許光學訊號在導光面板21中被內全反射，光學訊號與導光面板21之表面或底面的法線之間的夾角（此處為了下述描述方便，簡稱為入射角度θ），其最小角度分別為 arcsin（n ₀/n ₂）與 arcsin（n ₁/n ₂）方可達成內全反射。故，當光學訊號在導光面板21內行進時，其入射角度θ需同時大於上述兩項內全反射所需之最小角度，也就是入射角度θ需滿足大於arcsin（n ₀/n ₂）與 arcsin（n ₁/n ₂）； 其中，n ₀為導光面板21之表面的折射率； n ₁為導光面板21之底面的折射率；及 n ₂為導光面板21的折射率。

本實施例中，導光面板21的折射率為1.5，當導光面板21的表面與底面皆與空氣相鄰時，光學訊號於導光面板21中的行進方向與其表面或底面的夾角，即入射角度θ為大於43度；當導光面板21的表面與底面僅有其中之一相鄰於空氣，另一面相鄰折射率為1.4的材料時，光學訊號於導光面板21中的行進方向與其表面或底面的夾角，即入射角度θ為大於70度。

本實施例中，準直光源22可為雷射（Laser）、垂直共振腔面射雷射（VCSEL）或非準直光源與二次光學元件的組合；具體而言，其中的二次光學元件可選自拋物面（Parabolic surface）聚光鏡、複合抛物面聚光鏡（CPC）、透鏡、稜鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）及其組合。如第3A圖所示，其繪示本創作實施例使用拋物面聚光鏡或CPC 221與非準直光源222搭配來提供準直的光學訊號；如第3B圖所示，其繪示本創作實施例使用菲涅爾透鏡223與非準直光源222搭配來提供準直的光學訊號；如第3C圖所示，其繪示本創作實施例使用一個（或多個）的透鏡224與非準直光源222搭配來提供準直的光學訊號。另如第3D圖所示，其繪示本創作實施例使用一個（或多個）稜鏡（Prism）225與非準直光源222搭配來提供準直的光學訊號通過稜鏡225；本創作中，稜鏡225可僅設置於第一導光部214與準直光源22或非準直光源222之間，或是設置於第二導光部215與訊號放大器23之間，甚至也可以在此兩處皆予以設置，且稜鏡225可為固定式或可旋轉稜鏡。

再者，光學訊號之波長可介於380～1400奈米（nm）；實際應用上，可區分為可見光段（380～780 nm）與近紅外段（780～1400 nm）。進一步地說明，當使用可見光段的波長，其為肉眼可見，可使用不同波長來標示為有效或無效區域，協助使用者了解可用區域；當使用近紅外段的波長，其為肉眼不可見，適合使用在顯示面板下方（under display）或是需求不被使用者所察覺的環境下。另外，可藉由形成一鍍膜（圖中未示）於導光面板21的表面，以供可見光穿透，其餘波段的光則於導光面板21中反射。

本實施例中，訊號放大器23鄰近於第二導光部215，用以接收第二導光部215所導出的光學訊號，並將光學訊號放大後導出；訊號放大器23可為鏡面之形式。

本實施例中，感光元件24鄰近於訊號放大器23，用以接收訊號放大器23所導出的光學訊號，並將光學訊號處理為一指紋影像，從而達成指紋辨識之目的。當使用者以手指A按壓導光面板21表面的指紋感測區域211，會造成光學訊號於導光面板21中內全反射的破壞，感光元件24可偵測出光學訊號的波形變化，並予以處理為一指紋影像，達到指紋辨識的目的。

本實施例中，感光元件24與訊號放大器23之間更可包含一透鏡、一稜鏡薄膜（Prism film）、一角度濾波器（Angular filter）或其組合。請參照第4A圖～第4D圖，其分別繪示本創作實施例中使用透鏡251、稜鏡薄膜252、角度濾波器253及稜鏡薄膜252與角度濾波器253之組合於感光元件24上。

其中，如第4C圖所示的角度濾波器253為垂直型的光柵濾波器，如第5A圖所示，角度濾波器253也可為傾斜型的光柵濾波器，且如第4C圖和第5A所示，角度濾波器253是由複數第一材料薄膜254間隔設置所構成之單層結構，或者，角度濾波器253也可由複數第一材料薄膜254與複數第二材料薄膜255間隔設置所構成之單層結構。另外，如第5B圖所示，角度濾波器253可為由複數第一材料薄膜254與複數第二材料薄膜255間隔設置所構成之多層結構，且多層結構中的不同層的第一材料薄膜254是對齊排列，或者，如第5C圖所示，多層結構中的不同層的第一材料薄膜254是交錯排列。此外，如第5D圖～第5F圖所示，則分別繪示對應第5A圖～第5C圖中的角度濾波器253與稜鏡薄膜252之組合於感光元件24上的實施態樣。

上述實施例是透過提供準直的光學訊號於導光面板21中進行內全反射，在實務應用上，亦可直接使用非準直光源222提供未經準直的光學訊號於導光面板21中，再於感光元件24一方搭配設置高階的角度濾波器253，同樣可達到指紋成像的目的。

另外，如第6A圖所示，本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統20中感光元件24相對於導光面板21可為平行擺放；如第6B圖所示，本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統20中感光元件24相對於導光面板21亦可為傾斜擺放，其傾斜角度α可例如為10度、45度或90度。

本創作應用於光學指紋辨識系統20與顯示面板整合的產品中，如第7圖所示，本實施例是將導光面板21設置於一顯示面板30上方，並將感光元件24隱蔽於顯示面板30的背面；在實務應用上，導光面板21可視設計需求採用塗佈光學膠216或點膠方式貼合於顯示面板30上，為了較容易達到全表面的指紋辨識，導光面板21較佳是採用整個底面塗佈光學膠的方式。由於本創作之感光元件24並非利用接收指紋的反射光線來偵測，並不會造成穿透度不夠的問題，使得應用更為廣泛。

此外，本創作亦可將光學指紋辨識系統20與手機的相機鏡頭作結合，如第8圖所示，本實施例是於感光元件24與訊號放大器23之間設置有一偏振分光棱鏡（PBS）或分光鏡(BS)41，一方面可以將訊號放大器23所導出的光學訊號提供給感光元件24感測成像，另一方面也可以將鏡頭模組40所傳遞的光學訊號提供給感光元件24感測成像，也就是說，本創作可以和手機的相機鏡頭達到感光元件24共用，讓光學指紋辨識系統20不用佔據太大的結構空間，使最終產品的體積可以精簡化。

上述實施例中，導光面板21與其第一導光部214及第二導光部215、準直光源22或非準直光源222、訊號放大器23和感光元件24的類型、形狀、數量、相對位置等關係僅為一示例，並不以此為限，任何與本案精神均等者皆不脫離本創作的範疇。

綜上所述，根據本創作所揭露的光學指紋辨識系統，乃藉由導光面板作為供手指按壓的指紋感測區域，同時提供準直的光學訊號，並設計有第一導光部和第二導光部，使光學訊號能夠於導光面板中進行內全反射效應之傳輸，再經由訊號放大，最後以感光元件偵測其波形變化，從而獲取指紋影像。相較於習知的光學指紋辨識系統，其感光元件是通過接收由手指反射的光線來進行偵測，感光元件上方存在有穿透度的問題，使得指紋辨識相關元件之配置有其侷限；而本創作所揭露的光學指紋辨識系統則相對容易配置，特別是用於光學指紋辨識系統與顯示面板整合時，可將感光元件隱蔽於顯示面板的背面，無須擔心穿透度不足而影響辨識率，將有利於產品的外觀設計，來滿足消費者對於產品外觀的美感需求。而本創作亦可將光學指紋辨識系統與鏡頭模組作整合，只要增設一偏振分光棱鏡（PBS）或分光鏡(BS)，即可共用感光元件，將產品結構予以精簡化。進一步地，還可設計區域性或全面性的指紋感測區域，可供使用者更為彈性且便利地使用指紋辨識功能。

唯以上所述者，僅為本創作之較佳實施例而已，並非用來限定本創作實施之範圍。故即凡依本創作申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本創作之申請專利範圍內。

10‧‧‧光學指紋辨識系統
11‧‧‧感光元件
12‧‧‧壓板
121‧‧‧板面
13‧‧‧光擴散板
131‧‧‧透孔
14‧‧‧光源
20‧‧‧光學指紋辨識系統
21‧‧‧導光面板
211‧‧‧指紋感測區域
212‧‧‧入光端
213‧‧‧出光端
214‧‧‧第一導光部
215‧‧‧第二導光部
216‧‧‧光學膠
22‧‧‧準直光源
221‧‧‧拋物面聚光鏡或CPC
222‧‧‧非準直光源
223‧‧‧菲涅爾透鏡
224‧‧‧透鏡
225‧‧‧稜鏡
23‧‧‧訊號放大器
24‧‧‧感光元件
251‧‧‧透鏡
252‧‧‧稜鏡薄膜
253‧‧‧角度濾波器
254‧‧‧第一材料薄膜
255‧‧‧第二材料薄膜
30‧‧‧顯示面板
40‧‧‧鏡頭模組
41‧‧‧偏振分光棱鏡或分光鏡
A‧‧‧手指
θ‧‧‧入射角度
α‧‧‧傾斜角度

第1圖為先前技術所提供的光學指紋辨識系統的剖面圖。 第2圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統的剖面圖。 第3A～3C圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用不同二次光學元件與非準直光源組合的示意圖。 第3D圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用稜鏡與非準直光源組合的示意圖。 第4A～4D圖分別為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用透鏡、稜鏡薄膜、角度濾波器及稜鏡薄膜與角度濾波器之組合於感光元件的示意圖。 第5A～5C圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用不同角度濾波器於感光元件的示意圖。 第5D圖～第5F圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用不同角波器與稜鏡薄膜之組合於感光元件的示意圖。 第6A及6B圖分別為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統中使用不同擺放方式之感光元件的示意圖。 第7圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統與顯示面板作結合的示意圖。 第8圖為本創作實施例所提供的光學指紋辨識系統與手機的相機鏡頭作結合的示意圖。

Claims (21)

1. 一種光學指紋辨識系統，包括： 一導光面板，表面具有供手指按壓的一指紋感測區域，且該導光面板係於一入光端與一出光端分別設有一第一導光部與一第二導光部； 一光源，鄰近該第一導光部，並提供至少一光學訊號，該光學訊號係經由該第一導光部導入該導光面板並在該導光面板中通過內全反射效應傳輸，再經由該第二導光部導出； 一訊號放大器，鄰近該第二導光部，接收該第二導光部所導出的該光學訊號，並將該光學訊號放大後導出；及 一感光元件，鄰近該訊號放大器，接收該訊號放大器所導出的該光學訊號，並將該光學訊號處理為一指紋影像。
2. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該指紋感測區域為該導光面板的該表面的全部或局部區域。
3. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該導光面板係設置於一顯示面板上方。
4. 如請求項第3項所述之光學指紋辨識系統，其中該導光面板係採用塗佈光學膠或點膠方式貼合於該顯示面板上。
5. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該光源係為準直光源或非準直光源。
6. 如請求項第5項所述之光學指紋辨識系統，其中該準直光源係為雷射（Laser）、垂直共振腔面射雷射（VCSEL）或非準直光源與二次光學元件的組合。
7. 如請求項第6項所述之光學指紋辨識系統，其中該二次光學元件係選自拋物面（Parabolic surface）聚光鏡、複合抛物面聚光鏡（CPC）、透鏡、稜鏡、菲涅爾透鏡（Fresnel lens）及其組合。
8. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該光學訊號之波長係介於380～1400奈米（nm）。
9. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中當該光學訊號於該導光面板內行進時，該光學訊號與該導光面板之該表面或一底面的法線之間的夾角需滿足大於 arcsin（n ₀/n ₂）與 arcsin（n ₁/n ₂）； 其中，n ₀為該導光面板之該表面的折射率； n ₁為該導光面板之該底面的折射率；及 n ₂為該導光面板的折射率。
10. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該第一導光部、該第二導光部與該導光面板係為一體化結構。
11. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該第一導光部與該第二導光部相對於該導光面板係為分開設置。
12. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該導光面板的該表面形成一鍍膜，該鍍膜係可供一可見光穿透，其餘波段的光為反射。
13. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該第一導光部和該第二導光部係為鏡面或光纖之形式。
14. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該訊號放大器係為鏡面之形式。
15. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該感光元件與該訊號放大器之間更包含一透鏡、一稜鏡薄膜（Prism film）、一角度濾波器（Angular filter）、一偏振分光棱鏡（PBS）、分光鏡(BS)或其組合。
16. 如請求項第15項所述之光學指紋辨識系統，其中該角度濾波器為垂直型或傾斜型的光柵濾波器。
17. 如請求項第16項所述之光學指紋辨識系統，其中該光柵濾波器係由複數第一材料薄膜間隔設置所構成之單層結構。
18. 如請求項第16項所述之光學指紋辨識系統，其中該光柵濾波器係由複數第一材料薄膜與複數第二材料薄膜間隔設置所構成之單層結構。
19. 如請求項第16項所述之光學指紋辨識系統，其中該光柵濾波器係由複數第一材料薄膜與複數第二材料薄膜間隔設置所構成之多層結構，且該多層結構中的不同層的該些第一材料薄膜係對齊排列或交錯排列。
20. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該感光元件相對於該導光面板係平行或傾斜擺放。
21. 如請求項第1項所述之光學指紋辨識系統，其中該第一導光部與該光源之間、該第二導光部與該訊號放大器之間或前述兩處更包含至少一稜鏡（Prism），且該稜鏡為固定式或可旋轉稜鏡。