CN105989321B - 一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块 - Google Patents

Abstract

一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其包括有：一第一玻璃基板、一第一光学菱镜薄膜、一第二光学菱镜薄膜、以及一影像感测组件。该第一玻璃基板，包括有：一指纹影像区、一静脉影像区、一接触面、一反射面以及一贴合面。该第一光学菱镜薄膜贴附于该贴合面并位于该指纹影像区之下。该第二光学菱镜薄膜贴附于该第一光学菱镜薄膜之下。该影像感测组件与该第一玻璃基板相对应，并位于该贴合面下方处。

Description

一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块

技术领域

本发明是关于一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，特别是运用于指纹与静脉扫瞄，以利于下一辨识步骤。

背景技术

为了加强保全效果、以及弥补传统例如个人密码、数字金钥、通过智能芯片所内建的硬件金钥等等的数字化身份辨识技术的缺点，现今已有越来越多的身份辨识及保全统是采用或增设有生物辨识装置。而手指的指纹辨识装置与静脉辨识装置则是生物辨识装置中的两个常见例子。

双重生物辨识模块目前面临最大的问题仍然在于硬件上的整合，过去的做法皆是针对不同侦测标的配置适当的感应器，以指纹加上静脉双重辨识模块而言，针对静脉成像需设置一影像传感器、指纹部分则需通过一光学菱镜搭配影像传感器来进行成像(或使用电容式指纹传感器)，这最主要是由于两者影像的成像的光学原理有所不同，其中静脉只要红外光穿透手指即可观察到静脉影像，然而指纹影像必须通过一光学菱镜的全反射现象，才可以增加指纹的纹峰与纹谷的鉴别度。

因此，就体积而言要观察到这两种影像的视角(光学路径)是不同的，另外，传统指纹菱镜的配置会导致模块体积变大；再者如前述提到的使用电容式指纹传感器虽然可达成体积缩小的目的，但后续终端用户使用时会产生以下的问题：(1)组件可靠度的问题，在一对一(个人)的使用下，比较符合电容式传感器的应用，但若在一对多的比较环境下(大楼门禁考勤统)其耐用程度备受考验。(2)使用电容式指纹传感器会进一步造成整体模块的价格提高。

中国台湾专利公开号第201413596号案(以下简称为596案)是本发明的申请人所曾提出的发明前案「生物辨识装置及方法」，可解决现有双重生物辨识模块的前述缺失。然而，596案仍使用传统的菱镜来达到双重生物辨识模块所需的两套不同光路径。由于传统的菱镜也就是导光模块其不仅具有较大厚度且较占空间，不易缩小整体尺寸，且更会多一次反射，所得影像会有非线性变形的问题，所以本案申请人乃进一步研发并发明了本案的薄型化生物辨识装置的光学成像模块。

根据市面上类似指纹静脉影像撷取模块，其中厂商NEC的指纹光学成像模块(HS-100)，其指纹静脉影像撷取方式为同时使用两颗影像传感器分别撷取指纹与静脉影像，通过不同影像传感器与焦段分别撷取与组合完成指纹静脉辨识，此方式可减少影像取得与处理上的时间，但会进一步增加模块的成本。

另一厂商M2SYS的指纹光学成像模块(FUSE-ID)，在硬件上为整合光学成像模块再加上指纹模块的结合，使整个模块尺寸来到100mm*120mm*74mm，整体体积较为庞大，且该统为两个影像传感器，也需要依序分别取指纹以及静脉的影像，使得取像时间也相对较长。

针对上述事由，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，通过一玻璃基板上贴附有一光学菱镜薄膜(Prism Sheet)加上单一影像感测组件，使得整体光路体积得以缩小，通过单一影像感测组件，仅须一次取像即可同时取得指纹与静脉影像，不仅大幅减少习用菱镜所需的模块体积，同时由于偏折的光路较小，亦可减少产生影像变形的现象，进一步达到加快统辨识处理速度的目的。

发明内容

本发明的第一目的是在于提供一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，通过于一玻璃基板上的指纹影像区上贴合一光学菱镜薄膜，达到只需通过一影像感测组件一次取像即可同时取得指纹与静脉影像的目的。

本发明的第二目的是在于提供一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，通过将光学菱镜薄膜与玻璃基板合并整合于一光学成像模块之中，达到整体光路体积得以进一步缩小，同时加快***辨识处理速度的目的。

为达到上述目的，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其包括有：一第一玻璃基板、一第一光学菱镜薄膜、一第二光学菱镜薄膜、以及一影像感测组件。该第一玻璃基板，包括有：一指纹影像区、一静脉影像区、一接触面、一反射面、以及一贴合面。该第一光学菱镜薄膜贴附于该贴合面并位于该指纹影像区之下。该第二光学菱镜薄膜贴附于该第一光学菱镜薄膜之下。该影像感测组件与该第一玻璃基板相对应，并位于该贴合面下方处。

在另一实施例中，本发明还提供一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，包括有：一第一玻璃基板、一指纹影像区、一静脉影像区、一接触面、一反射接口、以及一贴合面；一第一光学菱镜薄膜，贴附于该贴合面并位于指纹影像区之下；以及两相对应之光学级贴合胶將第二光学菱镜薄膜贴附于该第一光学菱镜薄膜的下方。

附图说明

图1为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块设置于一生物辨识装置的立体示意图。

图2为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的侧面结构示意图。

图3为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的俯视结构以及与影像感测组件的相对关示意图。

图4为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的光学菱镜薄膜部分剖面放大示意图。

图5A为该第一玻璃基板贴附该第一光学菱镜薄膜的光学路径仿真图。

图5B为该第一玻璃基板贴附该第一光学菱镜薄膜后再贴附一第二玻璃基板的光学路径仿真图。

图5C为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的光学路径仿真图。

图6为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第二较佳实施例的侧面结构示意图。

图7为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第二较佳实施例的光学路径仿真图。

图8为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第三较佳实施例的侧面结构示意图。

图9为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第三较佳实施例的俯视结构示意图。

附图标记说明：1、1a、1b～光学成像模块；11～第一玻璃基板；111～指纹影像区；112～静脉影像区；113～接触面；114～反射面；115～贴合面；12～第一光学菱镜薄膜；121～菱镜微结构；13～第二光学菱镜薄膜；131～菱镜微结构；14～影像感测组件；15～第二玻璃基板；7、7b～光学级贴合胶；8～手指；9～生物辨识装置；91～载座；92～定位结构；93～光源单元；94～控制模块。

具体实施方式

为了能更清楚地描述本发明所提出的一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，以下将配合图式详细说明的。

请参阅图1所示，图1为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块设置于一生物辨识装置的立体示意图。其中，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块1设置于一生物辨识装置9之中，而该生物辨识装置9用来辨识一生物特征，在此所说的该生物特征特别指「指纹」与「静脉」两特征，该生物辨识装置9包括：一载座91、一定位结构92、至少一光源单元93、以及一控制模块94。于本发明中，该被辨识部位是一手指8，尤其是食指的第一指节与第二指节的部分为较佳，并以第一指节作为指纹辨识，而第二指节作为静脉辨识为主。该手指8压附于该载座91的该定位结构92的上，使该生物辨识装置9中的该光学成像模块1得以通过该光源单元93的照射进一步辨识该手指8的指纹与静脉特征，并通过该控制模块94予以辨识。

请参阅图2、图3、图4所示，图2为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的侧面结构示意图。图3为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的俯视结构以及与影像感测组件的相对关示意图。图4为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的光学菱镜薄膜部分剖面放大示意图。

如图2、图3所示，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块1其包括有：一第一玻璃基板11、一第一光学菱镜薄膜12、一第二光学菱镜薄膜13、以及一影像感测组件14。该第一玻璃基板11包括有：一指纹影像区111、一静脉影像区112、一接触面113、一反射面114、以及一贴合面115。该第一光学菱镜薄膜12贴附于该贴合面115并位于该指纹影像区111之下。该第二光学菱镜薄膜13贴附于该第一光学菱镜薄膜12之下。该影像感测组件14与该第一玻璃基板11相对应，并位于该贴合面115下方处。其中，该接触面113就是该第一玻璃基板11提供使用者的手指(含指尖及前一或两指节部分)接触的表面，也就是该第一玻璃基板11的上表面。而依据手指接触于接触面113的区域的不同，更进一步将该接触面113区分为该指纹影像区111以及该静脉影像区112两区域，而该反射面114就是位于该指纹影像区111的该接触面113的另一侧。至于该贴合面115则是与该接触面113相对的另一表面，也就是该第一玻璃基板11之下表面。

该第一玻璃基板11具备滤除可见光、隔离外部灰尘及当作手指按压指纹处的功能，可以是红外线滤光片(IR pass filter)或有色玻璃其中之一。该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13是一种具有微菱镜结构的光学薄膜(Prism sheet)，通过此光学薄膜可改变光线的偏折方向。该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13在辨识过程中设置于该第一玻璃基板11的上层或下层皆可以成像出指纹影像，但由于该第一光学菱镜薄膜12与该第二光学菱镜薄膜13属于较软性材质，若放置在该第一玻璃基板11的上层用以直接接触手指8容易因使用而造成磨损，因此主要是放置在该第一玻璃基板11下方，可通过该第一玻璃基板11来保护该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13。然而，该第一玻璃基板11、第一光学菱镜薄膜12、以及第二光学菱镜薄膜13之间均通过一光学级贴合胶7加以黏合；其中，该光学级贴合胶7厚度约为25μm。

如图4所示，该第一光学菱镜薄膜12与该第二光学菱镜薄膜13分别包括多个数组排列的菱镜微结构121、131所构成，其间距(pi tch)宽度D决定了指纹影像的鉴别程度，宽度D越大其指纹的明暗条纹越明显，但仍需视该影像感测组件14的最小分辨率而设计，若D的宽度大于该影像感测组件14的最小分辨率太多则易在影像上产生明显的菱镜条纹。高度H与宽度D呈现一比例关，该比例约为1:2(H:D)，高度H与θ1会进一步影响宽度D的距离。θ1通常决定了光线是否容易达到特定的菱镜面产生折射并在反射面114产生全反射现象，θ1越大越容易产生全反射现象，但产生的全反射光线幅度减少，θ1越小则越不容易产生全反射现象。该第二光学菱镜薄膜13与该影像感测组件14仅在特定视角范围内才能在该反射接口114产生具有鉴别度的完整指纹影像，其它放置位置虽然也能产生全反射的影像，但影像皆较不完整；再者，第一光学菱镜薄膜12与该第二光学菱镜薄膜13的折射率(index ofrefraction)的大小则影响了整体指纹影像成像的位置，越大的折射率其影像越靠近该影像感测组件14之中心。本发明的该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13的厚度L范围在于200μm～300μm之间，其中，该第一光学菱镜薄膜12与该第二光学菱镜薄膜13各个菱镜微结构121、131其间距(pitch)宽度D范围为60μm～200μm，视使用的该影像感测组件14的最小分辨率而定。各个菱镜微结构121、131的高度H范围为30μm～100μm与宽度D成一比例关存在。各个菱镜微结构121、131的水平夹角θ1＝45°。

请参阅图5A、图5B、图5C所示，图5A为该第一玻璃基板贴附该第一光学菱镜薄膜的光学路径仿真图。图5B为该第一玻璃基板贴附该第一光学菱镜薄膜后再贴附一第二玻璃基板的光学路径仿真图。图5C为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第一较佳实施例的光学路径仿真图。其中，该光学路径仿真图以该影像感测组件14视角做为参考，于实务上的情形恰为相反的状态。不同的线型代表不同程度的光线能量，主要光线(虚线)代表强度为1～0.66，次要光线(实线)代表强度为0.66～0.33，再次要光线(双实线)代表强度为0.33～0，其需求是要得到该主要光线(虚线)能在该第一玻璃基板11的该反射界面114形成全反射的结果，才可清楚鉴别出指纹的纹路。

如图5A所示，仅于该第一玻璃基板11上贴附该第一光学菱镜薄膜12，经光学路径仿真结果显示，主要光线(虚线)于该反射面114产生部分反射，于单一层的该第一光学菱镜薄膜12的结构下并无法有效的在该反射面114产生全反射现象。如图5B所示，于该第一玻璃基板11上贴附该第一光学菱镜薄膜12后再贴附一第二玻璃基板15，其主要光线(虚线)经折射后离开该反射面114，主要光线亦无法有效产生全反射现象。如图5C所示，只有在两层重迭贴合的该第一以及第二光学菱镜薄膜12、13并贴附于该第一玻璃基板11的结构组合之下，才能使主要光线(虚线)产生完整的全反射现象。

因此，本发明第一较佳实施例所使用两层迭合的该第一光学菱镜薄膜12、以及第二光学菱镜薄膜13做为该指纹影像区111光线的偏折媒介，再适当地搭配该影像感测组件14设置的位置(包括使用画面是16:9的影像感测组件)，即可得到一个介于11°～26°的指纹纹路所需要的全反射成像区；也就是说，如图3所示，该第二光学菱镜薄膜13与该影像感测组件14的视角θ可成像范围为11°＜θ＜26°，如此可完美的整合该指纹影像区111与该静脉影像区112的光学路径，来达到指纹与静脉成像在同一画面中。

换句话说，两层重迭贴合的该第一以及第二光学菱镜薄膜12、13并贴附于该第一玻璃基板11的该贴合面115下的该指纹影像区111一侧，令该第一玻璃基板11的该指纹影像区111与该静脉影像区112可同时提供指纹、静脉侦测与该手指8的接触区域。而该影像感测组件14则设置于该第一玻璃基板11中间正下方同时撷取指纹与静脉影像，通过如此的配置即可同时撷取到指纹与静脉影像。

以下所述的本发明其它较佳实施例中，因大部份的组件相同或类似于前述实施例，故相同的组件与结构以下将不再赘述，且相同的组件将直接给予相同的名称及编号，并对于类似的组件则给予相同名称但在原编号后另增加一英文字母以资区别且不予赘述，合先叙明。

请参阅图6、图7所示，图6为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第二较佳实施例的侧面结构示意图。图7为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第二较佳实施例的光学路径仿真图。其中，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第二较佳实施例与上述图2、图3的第一较佳实施例不同点在于，如图6、图7所示，本发明第二较佳实施例的该光学成像模块1a的该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13中央处更夹合包括有一第二玻璃基板15。也就是说，通过该光学级贴合胶7在该第一光学菱镜薄膜12以及该第二光学菱镜薄膜13中央处夹合贴附该第二玻璃基板15并贴附于该第一玻璃基板11下的结构组合之下，也能使光学路径仿真的主要光线(虚线)产生达到完整的全反射现象。

请参阅图8、图9所示，图8为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第三较佳实施例的侧面结构示意图。图9为本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第三较佳实施例的俯视结构示意图。其中，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块第三较佳实施例与上述图2、图3的第一较佳实施例不同点在于，如图8、图9所示，本发明第三较佳实施例的该光学成像模块1b的第二光学菱镜薄膜13分别通过该两相对应的光学级贴合胶7b贴附于该第一光学菱镜薄膜12之下方，以减少光线在各平面穿透上的损失。

综上所述，本发明一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块1其包括有：一第一玻璃基板11、一第一光学菱镜薄膜12、一第二光学菱镜薄膜13、以及一影像感测组件14。该第一玻璃基板11包括有：一指纹影像区111、一静脉影像区112、一接触面113、一反射面114、以及一贴合面115。该第一光学菱镜薄膜12贴附于该贴合面115并位于该指纹影像区111之下。该第二光学菱镜薄膜13贴附于该第一光学菱镜薄膜12之下。该影像感测组件14与该第一玻璃基板11相对应，并位于该贴合面115下方处。因此，将该第一玻璃基板11与该第一、以及第二光学菱镜薄膜12、13合并整合于本发明的该光学成像模块1中，达到只需通过该影像感测组件14一次取像即可同时取得指纹与静脉影像，达到整体光路体积得以进一步缩小，同时加快统辨识处理速度的目的。

以上所述的实施例不应用于限制本发明的可应用范围，本发明的保护范围应以本发明的权利要求内容所界定技术精神及其均等变化所含括的范围为主。即大凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (13)

1.一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，包括有：

一第一玻璃基板，包括有：一指纹影像区、一静脉影像区、一接触面、一反射面以及一贴合面；其中，该接触面就是该第一玻璃基板供一使用者的一手指接触的表面；

一第一光学菱镜薄膜，贴附于该贴合面并位于指纹影像区之下；

一第二光学菱镜薄膜，位于该第一光学菱镜薄膜之下；以及

一影像感测组件，与该第一玻璃基板相对应，并位于该贴合面下方处；

其中，该第一光学菱镜薄膜以及该第二光学菱镜薄膜分别包括多个数组排列的菱镜微结构所构成；

其中，该第一玻璃基板的该指纹影像区与该静脉影像区分别提供该手指的指纹侦测与静脉侦测；该影像感测组件是设置于该第一玻璃基板中间正下方同时撷取该手指的指纹与静脉影像；并且，该第二光学菱镜薄膜与该影像感测组件的视角θ成像范围为11°＜θ＜26°；如此整合该指纹影像区与该静脉影像区的光学路径，使得该手指的指纹与静脉影像成像在该影像感测组件的同一画面中。

2.如权利要求1所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，于该第一光学菱镜薄膜以及该第二光学菱镜薄膜两者之间更夹合有一第二玻璃基板。

3.如权利要求2所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一玻璃基板、第二玻璃基板、第一光学菱镜薄膜、以及第二光学菱镜薄膜之间均通过一光学级贴合胶加以黏合。

4.如权利要求1所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一光学菱镜薄膜以及该第二光学菱镜薄膜的厚度范围L在于200μm～300μm之间。

5.如权利要求3所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该光学贴合胶厚度约为25μm。

6.如权利要求2所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一玻璃基板以及该第二玻璃基板是红外线滤光片或有色玻璃其中之一。

7.如权利要求1所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，各个菱镜微结构其间距宽度D范围为60μm～200μm；各个菱镜微结构的高度H范围为30μm～100μm；高度H与宽度D成比例关系 ，该比例为H:D＝1:2；各个菱镜微结构的水平夹角θ1＝45°。

8.一种薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，包括有：

一第一玻璃基板，包括有：一指纹影像区、一静脉影像区、一接触面、一反射面、以及一贴合面；其中，该接触面就是该第一玻璃基板供一使用者的一手指接触的表面；

一第一光学菱镜薄膜，贴附于该贴合面并位于指纹影像区之下；

两相对应之一光学级贴合胶将第二光学菱镜薄膜贴附于该第一光学菱镜薄膜的下方；以及

一影像感测组件，与该第一玻璃基板相对应，并位于该贴合面下方处；

其中，该第一光学菱镜薄膜以及该第二光学菱镜薄膜分别包括多个数组排列的菱镜微结构所构成；

其中，该第一玻璃基板的该指纹影像区与该静脉影像区分别提供该手指的指纹侦测与静脉侦测；该影像感测组件是设置于该第一玻璃基板中间正下方同时撷取该手指的指纹与静脉影像；并且，该第二光学菱镜薄膜与该影像感测组件的视角θ成像范围为11°＜θ＜26°；如此整合该指纹影像区与该静脉影像区的光学路径，使得该手指的指纹与静脉影像成像在该影像感测组件的同一画面中。

9.如权利要求8所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一玻璃基板、第一光学菱镜薄膜、以及第二光学菱镜薄膜之间均通过一光学级贴合胶加以黏合。

10.如权利要求8所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一光学菱镜薄膜以及该第二光学菱镜薄膜的厚度L范围在于200μm～300μm之间。

11.如权利要求9所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该光学级贴合胶厚度为25μm。

12.如权利要求8所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，该第一玻璃基板是红外线滤光片或有色玻璃其中之一。

13.如权利要求8所述的薄型化生物辨识装置的光学成像模块，其特征在于，各个菱镜微结构其间距宽度D范围为60μm～200μm；各个菱镜微结构的高度H范围为30μm～100μm；高度H与宽度D成比例关系 ，该比例为H:D＝1:2；各个菱镜微结构的水平夹角θ1＝45°。

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