CN108241823A - 生物特征辨识装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物特征辨识装置，其包括光源、导光元件、影像撷取元件以及第一准直器。光源适于提供光束。导光元件位于光束的传递路径上。影像撷取元件位于导光元件下方且具有多个像素区。第一准直器位于导光元件与影像撷取元件之间且包括第一准直元件以及第二准直元件。第一准直元件包括第一透光元件以及吸光层。吸光层配置在第一透光元件上且具有多个开口。第二准直元件与开口分别位于第一透光元件的相对侧，且第二准直元件包括吸光元件以及多个第二透光元件。第二透光元件间隔设置且重叠于开口。吸光元件环绕第二透光元件且包覆第二透光元件的侧壁。第二透光元件的折射率分别大于1。生物特征辨识装置可具有良好的辨识能力。

Description

生物特征辨识装置

技术领域

本发明涉及一种生物特征辨识装置。

背景技术

生物特征辨识的种类包括脸部、声音、虹膜、视网膜、静脉、指纹和掌纹辨识等。由于每个人的指纹都是独一无二的，且指纹不易随着年龄或身体健康状况而变化，因此指纹辨识装置已成为目前最普及的一种生物特征辨识装置。依照感测方式的不同，指纹辨识装置可分为光学式与电容式。电容式指纹辨识装置组装于电子产品(例如：手机、平板电脑)时，电容式指纹辨识装置上方多设有保护元件(cover lens)。一般而言，需额外加工(例如钻孔或薄化)保护元件，以使电容式指纹辨识装置能够感测到手指触碰所造成的容值或电场变化。

相较于电容式指纹辨识装置，光学式指纹辨识装置撷取容易穿透保护元件的光进行指纹辨识，而可以不用额外加工保护元件，因此在与电子产品的结合上较为便利。

光学式指纹辨识装置通常包括光源、影像撷取元件及透光元件。光源用以发出光束，以照射按压在透光元件上的手指。手指的指纹是由多条不规则的凸纹与凹纹所组成。被凸纹与凹纹反射的光束会在影像撷取元件的接收面上形成为明暗交错的指纹影像。影像撷取元件可将指纹影像转换为对应的影像信息，并将影像信息输入至处理单元。处理单元可利用演算法计算对应于指纹的影像信息，以进行使用者的身份辨识。然而，在上述的取像过程中，被指纹反射的光束易散乱地传递至影像撷取元件，而造成取像品质不佳，影响辨识结果。

发明内容

本发明提供一种生物特征辨识装置。

根据本发明的实施例，生物特征辨识装置包括光源、导光元件、影像撷取元件以及第一准直器。光源适于提供光束。导光元件位于光束的传递路径上。影像撷取元件位于导光元件下方且具有多个像素区。第一准直器位于导光元件与影像撷取元件之间，其中第一准直器包括第一准直元件以及第二准直元件。第一准直元件包括第一透光元件以及吸光层。吸光层配置在第一透光元件上且具有重叠于像素区的多个开口。第二准直元件与开口分别位于第一透光元件的相对侧，且第二准直元件包括吸光元件以及多个第二透光元件。第二透光元件间隔设置且重叠于开口。吸光元件环绕第二透光元件且包覆第二透光元件的侧壁。第二透光元件的折射率分别大于1。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，导光元件具有出光部以及连接于出光部的入光部。光源与影像撷取元件共同位于出光部下方。入光部位于光源与出光部之间。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，光源位于导光元件的侧面。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，导光元件面向第一准直器的表面形成有多个微结构。微结构凸出或凹入于表面。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，各开口的孔径与第一透光元件的高度比落在2至20的范围内。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，第二透光元件的折射率分别落在1.3至1.7的范围内，且第二透光元件的宽度与高度比分别落在2至20的范围内。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，吸光层还配置在第一透光元件的侧壁面上。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，生物特征辨识装置还包括盖板，其中导光元件位于盖板与第一准直器之间。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，生物特征辨识装置还包括第二准直器。第二准直器位于导光元件与第一准直器之间。

在根据本发明的实施例的生物特征辨识装置中，第二准直器包括多个棱镜，且棱镜的顶角分别指向导光元件。

基于上述，在本发明的实施例的生物特征辨识装置中，利用第一准直元件以及第二准直元件将传递至影像撷取元件的光束准直化，使影像撷取元件的取像品质提升。因此，生物特征辨识装置可具有良好的辨识能力。

附图说明

包含附图以便进一步理解本发明，且附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，并与描述一起用于解释本发明的原理。

图1为本发明一实施例的生物特征辨识装置的剖面示意图；

图2为图1中导光元件的一种放大图；

图3A为图1中第一准直器的第一准直元件的一种俯视示意图；

图3B为图1中第一准直器的第一准直元件的一种仰视示意图；

图4为图1中第一准直器、影像撷取元件以及电路板的一种剖面示意图；

图4A为图1中第一准直器、影像撷取元件以及电路板的另一种剖面示意图；

图5为图1中导光元件以及第二准直器的一种放大图；

图6为本发明另一实施例的生物特征辨识装置的剖面示意图。

附图标号说明：

10：待辨识物；

100、100A：生物特征辨识装置；

110：光源；

112：发光元件；

120、120A：导光元件；

122：出光部；

124：入光部；

130：影像撷取元件；

132：电荷耦合元件；

140、140A：第一准直器；

142：第一准直元件；

144：第二准直元件；

150：电路板；

160：盖板；

170：第二准直器；

172：棱镜；

1421：第一透光元件；

1422：吸光层；

1441：吸光元件；

1442：第二透光元件；

WO：孔径；

B、B’、B1’、B2’、B3’：光束；

BA：底角；

C：凹陷；

H1、H2：高度；

M：微结构；

O：开口；

PR：像素区；

S、S’：表面；

S1：第一反射面；

S2：第二反射面；

S1421A、S1442：上表面；

S1421B：下表面；

S1421C：侧壁面；

SS：侧壁；

TA：顶角；

W1442：宽度。

具体实施方式

现将详细地参考本发明的示范性实施例，示范性实施例的实例说明于附图中。只要有可能，相同元件符号在附图和描述中用来表示相同或相似部分。

图1为本发明一实施例的生物特征辨识装置的剖面示意图。请参照图1，生物特征辨识装置100例如为指纹辨识装置，用以辨识待辨识物10的指纹，但不以此为限。在另一实施例中，生物特征辨识装置100也可用以辨识静脉、掌纹或是指纹、静脉以及掌纹的其中至少两个的组合。

生物特征辨识装置100包括光源110、导光元件120、影像撷取元件130以及第一准直器140。

光源110适于提供光束B。光源110可以是非可见光光源或可见光光源。也就是说，光束B可以是不可见光(例如：红外光)或可见光(例如：红光、蓝光、绿光或其组合)。或者，光源110可以是非可见光光源与可见光光源的组合。举例而言，光源110可包括多个发光元件112。发光元件112可为发光二极体或其他适当种类的发光元件。图1示意地显示出两个发光元件112，且两个发光元件112位在影像撷取元件130的相对侧。然而，发光元件112的数量以及配置方式可依需求改变，而不以此为限。

导光元件120位于光束B的传递路径上，其适于将光源110提供的光束B导向待辨识物10。举例而言，导光元件110的材质可为玻璃、聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或其他适当材料。在本实施例中，光源110与影像撷取元件130位于导光元件120的同一侧。生物特征辨识装置100进一步包括电路板150。光源110配置在电路板150上且与电路板150电连接。导光元件120具有出光部122以及连接于出光部122的至少一入光部124。光源110与影像撷取元件130共同位于出光部122下方，且光源110位于影像撷取元件130旁。入光部124位于光源110与出光部122之间。详细而言，入光部124可固定在电路板150上，且入光部124具有凹陷C。凹陷C与电路板150围出容纳光源110的空间。在另一实施例中，入光部124与电路板150的其中至少一个可具有凹陷(未显示)，以容纳光源110。在又一实施例中，入光部124与电路板150可藉由固定机构(未显示)或黏着层(未显示，例如：光学胶)固定在一起。在再一实施例中，入光部124可藉由黏着层(未显示，例如：光学胶)而固定在光源110上，且入光部124可不与电路板150接触。图1示意地显示出两个入光部124，且两个入光部124位在出光部122的相对侧。然而，入光部124的数量以及配置方式可依需求改变，而不以此为限。

图2为图1中导光元件的一种放大图。请参照图1及图2，光源110射出的光束B自入光部124进入导光元件120，且光束B可经由入光部124传递至出光部122。导光元件120面向第一准直器140的表面S可选择性地形成有多个微结构M(图1未显示，请参照图2)。微结构M适于改变光束B的传递方向，使得被微结构M反射的光束B垂直或接近垂地直射出出光部122。如图2所示，微结构M可凸出于表面S且可具有第一反射面S1以及第二反射面S2。第一反射面S1与第二反射面S2彼此相连，其中第一反射面S1与第二反射面S2相对于表面S倾斜，且第一反射面S1与第二反射面S2的倾斜方向相反。在一实施例中，微结构M、出光部122以及入光部124可一体成型，但不以此为限。在另一实施例中，微结构M、出光部122以及入光部124可分别制作，再藉由连接机构或黏着层(例如：光学胶)固定在一起。或者，微结构M也可凹入于表面S。具体地，微结构M可以是形成在表面S上的凹陷。另外，微结构M的数量及其分布可依据不同的需求改变，而不限于图2所显示的数量及分布。

出光部122输出光束B的表面S’与形成有微结构M的表面S相对。在一实施例中，表面S’可以是供待辨识物10按压的按压面。在表面S’为按压面的架构下，如图2所示，来自光源110的光束B依序通过入光部124以及出光部122，并在表面S’发生全内反射(TotalInternal Reflection,TIR)，接着依序被第二反射面S2以及第一反射面S1反射，并垂直或接近垂直地射出表面S’。

或者，如图1所示，生物特征辨识装置100可进一步包括盖板160以供待辨识物10按压。盖板160位于导光元件120上方，且导光元件120位于盖板160与第一准直器140之间。盖板160可以是所欲组装的电子产品(例如：触控面板或触控显示面板)的保护元件(coverlens)，但不以此为限。在一实施例中，盖板160与导光元件120可藉由连接机构或黏着层(例如：光学胶)而固定在一起，但不以此为限。以黏着层固定盖板160与导光元件120的情况下，黏着层、盖板160与导光元件120的折射率可相同或相近，以减少界面反射，进而提升生物特征辨识装置100的光利用效率和/或取像品质。然而，在其他实施例中，黏着层、盖板160与导光元件120的折射率也可相异。在设置盖板160的架构下，来自光源110的光束B依序通过入光部124出光部122以及盖板160，并在盖板160供待辨识物10按压的表面发生全内反射。经待辨识物10作用(例如：漫射)的光束B’依序通过盖板160以及出光部122并传递至表面S。传递至表面S的光束B’的一部分会被表面S反射，而再次朝盖板160供待辨识物10按压的表面传递。另一方面，传递至表面S的光束B’的另一部分会自表面S射出导光元件120。

影像撷取元件130位于导光元件120下方且具有例如呈阵列排列的多个像素(pixel)区PR(显示于图4)，以接收经待辨识物10作用的光束B’，进而取得待辨识物10的影像。在本实施例中，影像撷取元件130例如包括多个电荷耦合元件(Charge-CoupledDevice,CCD)132(显示于图4)。电荷耦合元件132配置于电路板150上并与电路板150电连接。电荷耦合元件132的所在区域为影像撷取元件130的像素区PR。在另一实施例中，影像撷取元件130可包括多个互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor,CMOS)，且互补金属氧化物半导体的所在区域为影像撷取元件130的像素区PR。

第一准直器140位于导光元件120与影像撷取元件130之间，且第一准直器140位于待辨识物10作用后的光束B’的传递路径上。举例而言，第一准直器140可配置在影像撷取元件130上，且第一准直器140与影像撷取元件130可藉由连接机构或黏着层(例如：光学胶)而固定在一起，但不以此为限。

图3A为图1中第一准直器的第一准直元件的一种俯视示意图。图3B为图1中第一准直器的第一准直元件的一种仰视示意图。图4为图1中第一准直器、影像撷取元件以及电路板的一种剖面示意图。请参照图1、图3A、图3B及图4，第一准直器140包括第一准直元件142以及重叠于第一准直元件142的第二准直元件144。在本实施例中，第二准直元件144位于第一准直元件142与影像撷取元件130之间，且第一准直元件142与第二准直元件144可藉由连接机构或黏着层(例如：光学胶)而固定在一起，但不以此为限。

第一准直元件142包括第一透光元件1421以及吸光层1422。吸光层1422配置在第一透光元件1421上且具有重叠于像素区PR的多个开口O。第二准直元件144与开口O分别位于第一透光元件1421的相对侧。也就是说，开口O形成在第一透光元件1421远离第二准直元件144的表面上。在本实施例中，吸光层1422配置在第一透光元件1421的上表面S1421A上，且开口O形成在配置在上表面S1421A上的吸光层1422中。依据不同的需求，吸光层1422还可进一步配置在第一透光元件1421的其他表面。举例而言，吸光层1422可进一步地配置在第一透光元件1421的侧壁面S1421C上，以避免传递于第一透光元件1421中的光束自侧壁面S1421C射出。此外，吸光层1422还可进一步延伸至第一透光元件1421的下表面S1421B，以局部覆盖下表面S1421B，但不以此为限。在另一实施例中，吸光层1422可以不配置在第一透光元件1421的下表面S1421B以及侧壁面S1421C上。

第二准直元件144包括吸光元件1441以及多个第二透光元件1442。第二透光元件1442间隔设置且重叠于开口O。吸光元件1441环绕第二透光元件1442且包覆第二透光元件1442的侧壁SS。在本实施例中，第二透光元件1442与吸光元件1441例如紧密接合，且第二透光元件1442与吸光元件1441之间无空气间隙。

第一透光元件1421的折射率大于1。当导光元件120与第一准直元件142之间的光传递介质(例如：空气或光学胶)的折射率不同于第一透光元件1421的折射率时，入射第一透光元件1421的光束B’(包括大角度入射透光元件142的光束B1’与光束B2’以及小角度入射透光元件142的光束B3’)会在第一透光元件1421的上表面S1421A经由折射而进入第一透光元件1421。因此，第一透光元件1421的设置有助于收敛光束B’进入第一准直器140的角度，进而让更多的光束B’能够传递至第二准直元件144。此外，第二透光元件1442的折射率分别大于1。当第一准直元件142与第二准直元件144之间的光传递介质(例如：空气或光学胶)的折射率不同于第二透光元件1442的折射率时，入射第二透光元件1442的光束B’会在第二透光元件1442的上表面S1442经由折射而进入第二透光元件1442。因此，第二透光元件1442的设置有助于收敛光束B’进入第二透光元件1442的角度，进而让更多的光束B’能够传递至影像撷取元件130。举例而言，第一透光元件1421以及第二透光元件1442的材质可采用硅胶系或压克力系透光材料。

吸光层1422以及吸光元件1441的材质例如可采用含有吸光材料(例如：碳)的硅胶系或压克力系材料。如此一来，即使大角度入射第一透光元件1421的光束B1’与光束B2’以及小角度入射第一透光元件1421的光束B3’皆通过开口O而进入第一透光元件1421，仍可利用位于第一准直元件142与影像撷取元件130之间的吸光元件1441吸收大角度入射第二准直元件144的光束(例如：光束B1’与光束B2’)，而仅让小角度入射第一准直器140的光束B3’通过并传递至影像撷取元件130。

进入第一准直器140的光束是否被吸光层1422以及吸光元件1441吸收可取决于开口O的孔径WO、第二透光元件1442的宽度W1442、第一透光元件1421的高度H1、第二透光元件1442的高度H2以及光束B’在第一透光元件1421的上表面S1421A的折射角(由光束B’的入射角以及第一透光元件1421的折射率决定)等。在第一透光元件1421的高度H1以及第二透光元件1442的高度H2为定值的情况下，开口O的孔径WO以及第二透光元件1442的宽度W1442越大，影像撷取元件130接收到的光束B’的角度范围越大。在开口O的孔径WO以及第二透光元件1442的宽度W1442为定值的情况下，第一透光元件1421的高度H1以及第二透光元件1442的高度H2越大，影像撷取元件130接收到的光束B’的角度范围越小。在开口O的孔径WO、第二透光元件1442的宽度W1442、第一透光元件1421的高度H1以及第二透光元件1442的高度H2为定值的情况下，光束B’的折射角越大(也就是入射角越大)，越有可能被吸光层1422以及吸光元件1441吸收。在本实施例中，第一透光元件1421的折射率落在1.3至1.7的范围内。第二透光元件1442的折射率分别落在1.3至1.7的范围内。各开口O的孔径WO与第一透光元件1421的高度H1比落在2至20的范围内。第二透光元件1442的宽度W1442与高度H2比分别落在2至20的范围内。然而，第一透光元件1421以及第二透光元件1442的折射率、各开口O的孔径WO与第一透光元件1421的高度H1比以及第二透光元件1442的宽度W1442与高度H2比可依据不同的设计需求(例如：影像撷取元件130的节距(pitch))改变，而不限于上述。

利用吸光层1422以及吸光元件1441吸收经待辨识物10作用且通过导光元件120的大角度光束(例如：光束B1’与光束B2’)，可以使仅特定角度的光束(小角度入射的光束，例如：光束B3’)传递至影像撷取元件130。经由适当的调变开口O的孔径WO以及第二透光元件1442的宽度W1442，可以使通过第一准直器140的光束B’能够以0度或接近0度的角度入射影像撷取元件130。换句话说，第一准直器140有助于将传递至影像撷取元件130的光束准直化。如此，不但有助于滤除杂散光，还有助于避免从不同开口O或第二透光元件1442输出的光束B’相互干扰的问题，使影像撷取元件130的取像品质提升。因此，生物特征辨识装置100可具有良好的辨识能力。在本实施例中，开口O以及第二透光元件1442的横截面的形状例如为圆形，但不以此为限。在其他实施例中，开口O以及第二透光元件1442的横截面的形状也可以是三角形、四边形、五边形或其他多边形。

开口O的孔径WO以及第二透光元件1442的宽度W1442可相同，且开口O以及第二透光元件1442对齐于像素区PR，以使依序通过开口O与第二透光元件1442的光束能够传递至影像撷取元件130(如图4的光束B3’所显示)。在本实施例中，像素区PR的尺寸可略大于开口O的孔径WO以及第二透光元件1442的宽度W1442，但不以此为限。

图4A为图1中第一准直器、影像撷取元件以及电路板的另一种剖面示意图。图4A的第一准直器140A与图4的第一准直器140相似，且第一准直器140A具有与第一准直器140相似的功效与优点，于此便不再重述。图4A的第一准直器140A与图4的第一准直器140的差异在于第一准直元件142与第二准直元件144的相对配置关系。详细而言，在图4A的实施例中，第一准直元件142位于第二准直元件144与影像撷取元件130之间。在此架构下，吸光层1422配置在第一透光元件1421的下表面S1421B上，且开口O形成在配置在下表面S1421B上的吸光层1422中。吸光层1422可进一步地配置在第一透光元件1421的侧壁面S1421C上，且可进一步延伸至第一透光元件1421的上表面S1421A，以局部覆盖上表面S1421A，但不以此为限。

请再参照图1，依据不同需求，生物特征辨识装置100还可包括其他元件。举例而言，生物特征辨识装置100还可包括第二准直器170。第二准直器170位于导光元件120与第一准直器140之间，且第二准直器170位于待辨识物10作用后的光束B’的传递路径上。举例而言，第二准直器170可配置在表面S上，且导光元件120与第二准直器170可藉由连接机构或黏着层(例如：光学胶)而固定在一起，但不以此为限。

第二准直器170适于在光束B’通过第一准直器140(或第一准直器140A)之前，预先将光束B’准直化，以收敛光束B’的发散角。如此，可增加光束B’后续通过第一准直器140(或第一准直器140A)的机率。图5为图1中导光元件以及第二准直器的一种放大图。请参照图1及图5，第二准直器170可包括多个棱镜172，且棱镜172的顶角TA分别指向导光元件120。在本实施例中，各棱镜172的两个底角BA的角度相同。然而，棱镜172的顶角TA及底角BA可依据不同的需求改变，而不限于此。

图6为本发明另一实施例的生物特征辨识装置的剖面示意图。图6的生物特征辨识装置100A与图1的生物特征辨识装置100相似，且生物特征辨识装置100A具有与生物特征辨识装置100相似的功效与优点，于此便不再重述。图6的生物特征辨识装置100A与图1的生物特征辨识装置100的差异在于光源110的位置不同。详细而言，在图6的实施例中，光源110位于导光元件120A的侧面。在此架构下，导光元件120A例如为板状，且导光元件120A可以省略图1中导光元件120的入光部124。

综上所述，在本发明的实施例的生物特征辨识装置中，利用第一准直元件以及第二准直元件将传递至影像撷取元件的光束准直化，使影像撷取元件的取像品质提升。因此，生物特征辨识装置可具有良好的辨识能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种生物特征辨识装置，其特征在于，包括：

光源，适于提供光束；

导光元件，位于所述光束的传递路径上；

影像撷取元件，位于所述导光元件下方且具有多个像素区；以及

第一准直器，位于所述导光元件与所述影像撷取元件之间，其中所述第一准直器包括：

第一准直元件，包括第一透光元件以及吸光层，所述吸光层配置在所述第一透光元件上且具有重叠于所述多个像素区的多个开口；以及

第二准直元件，其中所述第二准直元件与所述多个开口分别位于所述第一透光元件的相对侧，且所述第二准直元件包括吸光元件以及多个第二透光元件，所述多个第二透光元件间隔设置且重叠于所述多个开口，所述吸光元件环绕所述多个第二透光元件且包覆所述多个第二透光元件的侧壁，其中所述多个第二透光元件的折射率分别大于1。

2.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述导光元件具有出光部以及连接于所述出光部的入光部，所述光源与所述影像撷取元件共同位于所述出光部下方，所述入光部位于所述光源与所述出光部之间。

3.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述光源位于所述导光元件的侧面。

4.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述导光元件面向所述第一准直器的表面形成有多个微结构，所述多个微结构凸出或凹入于所述表面。

5.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，各所述多个开口的孔径与所述第一透光元件的高度比落在2至20的范围内。

6.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述多个第二透光元件的折射率分别落在1.3至1.7的范围内，且所述多个第二透光元件的宽度与高度比分别落在2至20的范围内。

7.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述吸光层还配置在所述第一透光元件的侧壁面上。

8.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，还包括：

盖板，其中所述导光元件位于所述盖板与所述第一准直器之间。

9.根据权利要求1所述的生物特征辨识装置，其特征在于，还包括：

第二准直器，位于所述导光元件与所述第一准直器之间。

10.根据权利要求9所述的生物特征辨识装置，其特征在于，所述第二准直器包括多个棱镜，且所述多个棱镜的顶角分别指向所述导光元件。