CN107679440A - 薄型光学指纹传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种薄型光学指纹传感器，包括：壳体；光学棱镜，设于该壳体中，该光学棱镜包含有一设于顶部的采集面、一与采集面对应且位于光学棱镜底部的底面、一设于光学棱镜一端的镜面、及一设于光学棱镜另一端的输出面；软性电路板，该壳体设于该软性电路板上；光源，设于该软性电路板上，且该光源对应于该光学棱镜的底面；以及图像感测单元，设于该软性电路板上，对应于该光学棱镜的输出面；其中该光源发出的光线经由该底面进入该光学棱镜，并由放置于该采集面的手指指纹反射后形成图像光束，该图像光束由该镜面反射后再经由该输出面进入该图像感测单元，而达到可缩小光学棱镜的厚度，适用于各种指纹采集面积，以及增加指纹图像解晰度的功效。

Description

薄型光学指纹传感器

技术领域

本发明是一种薄型光学指纹传感器，尤指一种可作为指纹采集辨识的使用的薄型光学指纹传感器。

背景技术

按，一般现有的光学指纹图像撷取装置，通常可由棱镜、凸透镜、图像感测器以及光源所构成，其中该棱镜呈倒三角形设置，该凸透镜对应棱镜的第一侧边，该图像感测器与凸透镜对应，而该光源对应棱镜的第二侧边。

当使用时，是让操作者将指纹置放于棱镜的第三侧边，此时光源是同时由棱镜的第二侧边进行照射，且使光线被指纹图像反射至棱镜的第一侧边，进而使光线进入凸透镜后聚焦于图像感测器上，藉以进行指纹采集辨识。

然，以上述已知的光学指纹图像撷取装置而言，其棱镜的体积通常会受限于形状而无法缩小，导致无法有效运用于目前小型化的电子装置上。

为解决现有光学指纹图像撷取装置的缺失，便有相关专利如中华人民共和国发明专利公开第CN101034437 A号的“指纹采集方法及高清晰薄型指纹采集器”，其是为解决现有技术采集面小、清晰度差的问题，其方法是在棱镜的侧面切出一斜面，光源设置在斜面附近，自光源发出的光线经过棱镜的侧面照射到棱镜下底面，棱镜下底面上的指纹反射经由棱镜的反射而投射到光电检测器上。光电检测器配置在棱镜直腰面一侧，棱镜的斜腰面置有反射镜面，透镜外侧配置有斜向布置的反光镜，反光镜上方为光电检测器，其特征在光源设置在于棱镜的侧面上，而具有指纹反射面大，采集面积大，清晰度高的优点。

虽然上述的专利案是使光线进入棱镜后，再以反射的方式输出至光电检测器，藉以利用反射光路的方式使单一光路缩短，进而达到缩小指纹采集装置的体积，然，此方式虽可改善现有光学指纹图像撷取装置的缺失，但以该些现有指纹图像撷取装置而言，仍无法符合目前日益薄型化的电子产品，因此，上述各类现有的产品于实际运用上仍有不足之处。

有鉴于此，本申请的发明人特潜心研究，开发出一种薄型光学指纹传感器，可进一步缩小棱镜的厚度以期可改善上述现有技术的缺失。

发明内容

本发明的主要目的是在于，将光源设置于光学棱镜的底面，让操作者将指纹置放于采集面上，使发光元件的光源由棱镜底面输入照射于指纹上，并以该光学棱镜的镜面进行光线的反射，之后由输出面作为光线反射后的输出，让图像感测单元接收光线并形成一指纹图像，而达到缩小光学指纹传感器的体积与增加指纹图像的解晰度的功效。

为达上述的目的，本发明的薄型光学指纹传感器的较佳实施例包括：一壳体；一光学棱镜，设于该壳体中，该光学棱镜包含有一设于顶部的采集面、一与采集面对应且位于光学棱镜底部的底面、一设于光学棱镜一端的镜面、及一设于光学棱镜另一端的输出面；一软性电路板，该壳体设于该软性电路板上；一光源，设于该软性电路板上，且该光源对应于该光学棱镜的底面；以及一图像感测单元，设于该软性电路板上，对应于该光学棱镜的输出面，其中该光源发出的光线经由该底面进入该光学棱镜中，并由放置于该采集面的手指指纹反射后形成一图像光束，该图像光束再由该镜面反射而经由该输出面进入该图像感测单元。

于上述的实施例中，该壳体设有一容纳部，用于容置该光学棱镜，该容纳部的底部设有多个通孔。

于上述的实施例中，该光学棱镜的镜面与采集面之间具有一第一夹角，该镜面与底面之间具有一第二夹角，该输出面与采集面之间具有一第三夹角，且该输出面与底面之间具有一第四夹角。

于上述的实施例中，该光学棱镜的第一夹角为75～85度，该第二夹角为95～105度，该第三夹角与该第四夹角为90度。

于上述的实施例中，该光学棱镜为玻璃、塑胶、石英或水晶等透明材质制成。

于上述的实施例中，该软性电路板上设有一光源、至少一电阻器以及一图像感测单元。

于上述的实施例中，该光源包含多个LED发光元件，分别设置于该壳体的通孔中。

于上述的实施例中，该等LED发光元件配置为多排发光元件，其设置的方式是使该光学棱镜的光线折射角在临界角的范围内。

于上述的实施例中，该图像感测单元包含一透镜，设于对应该光学棱镜的输出面；一反射镜，设于该壳体前方斜面的内面上；以及一设于该反射镜下方的图像感应接收器。

附图说明

图1是本发明的立体外观示意图；

图2是本发明的立体元件分解示意图；

图3是本发明使用时的光路径示意图；

图4是本发明的棱镜的示意图；

图5A是原理说明参考图；

图5B是已知光源照射示意图；

图5C是本发明的光源照射示意图。

附图标记

1：壳体

11：容纳部

12：通孔

2：光学棱镜

21：采集面

211：指纹放置区

22：底面

23：镜面

24：输出面

201：第一夹角

202：第二夹角

203：第三夹角

204：第四夹角

3：软性电路板

4：光源

5：电阻器

6：图像感测单元

61：透镜

62：反射镜

621：倾角

63：图像感应接收器

a：左端点

b：右端点

A1：第一入射线

B1：第一反射线

A2：第二入射线

B2：第二反射线

N1：第一介质的折射率

N2：第二介质的折射率

α1：第一介质的入射角

α2：第二介质的折射角

A：指纹采集面宽度

B：暗背景面宽度

d：棱镜厚度

具体实施方式

为充分了解本发明的目的、特征及功效，兹通过下述具体的实施例，并配合所附的图式，对本发明做一详细说明如后。

请参阅图1、图2、图3、图4，分别为本发明的立体外观示意图、本发明的立体元件分解示意图、本发明的光路径示意图以及本发明的棱镜的示意图。如图所示：本发明是一种薄型光学指纹传感器，其中包括一壳体1、一光学棱镜2、一软性电路板3、一光源4、一电阻器5以及一图像感测单元6。

如图2所示，本发明的较佳实施例的壳体1具有一容纳部11，容纳部11呈凹陷状，并可容置光学棱镜2，在容纳部11的底面上设有六个通孔12，是用于穿设六个LED发光元件所组成的光源4，六个光源4设置在软性电路板3上，该等光源4对应于光学棱镜2的底面22，软性电路板3设置于壳体1的底部，该壳体1装设于软性电路板3上，使六个光源4位于各通孔12中。在本实施例中，光源4包含2排LED发光元件，每一排发光元件各有3个LED发光元件；多个电阻器5设于软性电路板3，作为调整各LED发光元件的电源控制电路之用。图像感测单元6设置于软性电路板3相对于光源4的另一侧，其包含有一透镜61，设于对应光学棱镜2的输出面24前方的位置；一反射镜62，设于壳体1前方斜面的内面上；以及一设于该反射镜62下方的图像感应接收器63。

请同时参阅图3，于使用时，光源4发出的光线经由光学棱镜2的底面22进入该棱镜中，并由放置于采集面21的手指指纹反射后形成一图像光束，该图像光束再由光学棱镜2的镜面23反射后，经由输出面24进入图像感测单元6。

请参阅图3及图4，光学棱镜2包含有一设于顶部的具有一指纹放置区211的采集面21、一与采集面21对应且位于光学棱镜2底部的底面22、一设于光学棱镜2一端的镜面23、及一设于光学棱镜2另一端的输出面24，而该镜面23与采集面21之间具有一第一夹角201，该镜面23与底面22之间具有一第二夹角202，输出面24与采集面21之间具有一第三夹角203，且输出面24与底面22之间具有一第四夹角204。当光学棱镜2放置于容纳部11时，光源4面对光学棱镜2的底面22，光源4发出的光线自底面22进入光学棱镜2并照射至放置于采集面21的指纹放置区211上的手指指纹(未图示)，通过指纹的凹凸纹路将光源4所发出的光线形成指纹放置区211的左端点a的第一入射线A1及右端点b的第二入射线A2，再经由镜面23反射后成为第一反射线B1及第二反射线B2，光线B1、B2由输出面24离开光学棱镜2，经由透镜61汇聚后，由反射镜62反射至图像感应接收器63，通过反射镜62的设置，可减小图像感测单元6的体积，并增加图像解晰度；在本实施例中，反射镜62的倾角621的角度为20～40度，图像感应接收器63为一CMOS。

如图4所示，光学棱镜2的第一夹角201为锐角，第二夹角202为钝角，第三夹角203与第四夹角204为一适当的角度，而使光源4发出的光线具有上述的光路径。较佳地，在本实施例中，第一夹角201为75～85度，第二夹角202为95～105度，第三夹角203与第四夹角204皆为90度；光学棱镜2为玻璃、塑胶、石英或水晶等透明材质制成。

请参阅图5A、图5B、图5C，分别为原理说明参考图、已知光源照射示意图以及本发明的光源照射示意图。如图5A所示，光从一种介质斜射入另一种介质时，光线的角度发生变化，这是与介质的折射率有关。如图所示，于第一种介质和第二种介质的界面上划上垂直的法线，光线的角度针对法线基于某个数值界限会产生全反射。其中N1为第一介质的折射率，N2为第二介质的折射率，α1为第一介质的入射角，α2为第二介质的折射角，在本实施例中，第一介质为空气时的N1＝1，N2的介质可以为玻璃、塑胶、石英或水晶等透明材质，其折射率约为N2＝1.5。代入关于两种不同介质的入射角和折射角的方程式：

N1Sinα1＝N2Sinα2；

以N1＝1，α1＝90°，N2＝1.5代入上式时，得α2＝42°。当α2从0°到超过42°的时候，α1就超过90°，而在第二介质内产生全反射，此时α2＝42°为临界角，也就是说，通过光学棱镜2的折射光在α2＝0°～α2＝42°时，才可射出棱镜外成为指纹采集区211所需的光线之用。

如图5B所示，已知的光源照射方式是在棱镜的侧面切出一斜面，光源设置在斜面所形成的照射口。本产品的暗背景指纹采集原理为利用LED在指纹采集面和其垂直线之间的角度为42度方向照射，因此这个光线通过指纹采集面时，就形成黑色的暗背景面。手指指纹接触的纹理产生反射现象，就形成黑色背景里的白色指纹纹理。如果要从棱镜两侧向指纹采集面能按照42度照射光线的话，就需把棱镜厚度d做成指纹采集面宽度A的一半以上才行，即d＞A/2，棱镜厚度d大于指纹采集面宽度A的二分之一。

如图5C所示，本发明的照射方式是在光学棱镜2的底面设置两排的LED光源4，向指纹采集面与其垂直线形成两侧各42度方向的照射范围，通过此照射方式，可将光学棱镜2的厚度d制作成只有指纹采集面宽度A的四分之一，即d＝1/4A。

请参阅图2，本发明的两排共计6个LED光源只照射各自的有效范围，即指纹采集面A的1/6区域；每个LED发光元件给予0～42度的折射光线，这些折射光线可透射出棱镜而形成暗背景面B。如图5C所示，通过本发明的光源配置方式，每个LED光源从棱镜两侧分别向指纹采集面照射42°，使该光学棱镜的光线折射角在产生全反射的临界角的范围内，就能使指纹采集面的宽度A达到棱镜厚度d的四倍，因此本发明可以让棱镜厚度d比指纹采集面的宽度A变的更小，而达到薄型化指纹采集器的效果。

本发明的薄型光学指纹传感器具有比先前技术更大的指纹采集面积，而可以让棱镜厚度比指纹采集面的宽度变的更小，因此能够运用到有效指纹采集面积为6*6毫米到60*60毫米(mm)之间的所有指纹采集装置，而达到可缩小光学棱镜的厚度，适用于各种指纹采集面积，以及增加指纹图像解晰度的功效，具有实用价值无疑，确具备申请专利所需的新颖性、创造性及产业利用性要件，爰依法提出发明专利申请。

惟以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，举凡依本发明权利要求所作的均等设计变化，均应为本发明的技术范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述的薄型光学指纹传感器包括：

一壳体；

一光学棱镜，设于所述壳体中，所述光学棱镜包含有一设于顶部的采集面、一与采集面对应且位于光学棱镜底部的底面、一设于光学棱镜一端的镜面、及一设于光学棱镜另一端的输出面；

一软性电路板，所述壳体设于所述软性电路板上；

一光源，设于所述软性电路板上，且所述光源对应于所述光学棱镜的底面；

一电阻器，设于所述软性电路板上；以及

一图像感测单元，对应于所述光学棱镜的输出面，其中所述光源发出的光线经由所述光学棱镜的底面进入所述光学棱镜，并由放置于所述采集面的手指指纹反射后形成一图像光束，所述图像光束由所述镜面反射再经由所述输出面进入所述图像感测单元。

2.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述壳体设有一容纳部，用于容置所述光学棱镜，所述容纳部的底部设有多个通孔。

3.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述光学棱镜的镜面与采集面之间具有一第一夹角，所述镜面与底面之间具有一第二夹角，所述输出面与采集面之间具有一第三夹角，且所述输出面与底面之间具有一第四夹角。

4.根据权利要求3所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述光学棱镜的第一夹角为75～85度，所述第二夹角为95～105度，所述第三夹角与所述第四夹角为90度。

5.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述光学棱镜为玻璃、塑胶、石英或水晶的透明材质制成。

6.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述软性电路板上设有一光源、至少一电阻器以及一图像感测单元。

7.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述光源包含多个LED发光元件，分别设置于所述壳体的通孔中。

8.根据权利要求7所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述多个LED发光元件配置为多排发光元件，其设置的方式是使所述光学棱镜的光线折射角在临界角的范围内。

9.根据权利要求1所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述图像感测单元包含一透镜，设于对应所述光学棱镜的输出面；一反射镜，设于所述壳体的前方斜面的内面；以及一设于所述反射镜下方的图像感应接收器。

10.根据权利要求9所述的薄型光学指纹传感器，其特征在于，所述反射镜的倾角的角度为20～40度。