CN110175494A - 光学指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学指纹感测装置，包含一显示面板模块、一电路板、一第一反射元件、一光学透镜以及电性连接于前述电路板的一影像感测器。前述光学透镜设置于前述显示面板模块以及前述电路板之间，其中前述显示面板模块发出一光线经由一手指反射后沿一第一方向前进，接着前述光线经由前述第一反射元件反射后沿一第二方向穿过前述光学透镜而到达前述影像感测器。

Description

光学指纹感测装置
技术领域
本发明涉及一种指纹感测装置，特别涉及一种屏幕下(under-display)指纹感测装置。
背景技术
随着生物辨识技术逐渐成熟，许多不同的生物特征皆可被用来辨识使用者的身分。其中，由于指纹辨识技术的辨识率及准确率较其它生物特征的辨识技术更好，故目前指纹辨识的应用层面较广。
指纹辨识的技术是使用感测装置先感测使用者的指纹图样(pattern)，再获取指纹图样中独特的指纹特征并存储至存储器中，或是直接存储指纹图样。之后，当使用者再次按压或滑刷指纹时，指纹感测装置会感测指纹图样并且获取指纹特征，以便与先前所存储的指纹特征进行比对以进行辨识，或是直接与先前所存储的指纹图样进行比对。若二者相符，则使用者的身分得以确认。
近年来，将指纹感测装置放置于屏幕(display)下已经成为潮流。然而，由于对于产品整体厚度的超薄化要求日益升高，导致屏幕下的空间有限(即Z轴厚度)，在开发屏幕下指纹影像感测装置(under-display fingerprint image sensing device)相关产品的过程中，会面临像距q(image distance)和物距p(object distance)无法达到最佳设计距离，使得镜头式光学指纹感测装置必须牺牲影像品质，以达到屏幕下的要求。再者，也由于屏幕下的空间限制(Z轴厚度)，导致传统的屏幕下指纹影像感测装置无法增加其他元件，例如，偏光片或自动对焦装置，以降低噪声光或提高***组装良率。
如图1所示，传统的屏幕下指纹影像感测装置主要包含有一显示面板模块10、一电路模块20、一影像感测器30、一光学膜片40、一框架50以及设置于框架50中的一光学透镜60，其中电路模块20包含有一底板21以及一电路板22，前述影像感测器30则是设置在电路板22上。
应了解的是，前述显示面板模块10包含有一显示元件11以及一透光元件12，其中显示元件11所发出的光线会穿过透光元件12并经手指反射，且经反射后的光线会依序穿过光学透镜60以及光学膜片40而到达影像感测器30。然而，如图1所示，由于这种屏幕下指纹影像感测装置的框架50具有相当的厚度，因此往往不利于产品的超薄化。或是，如前所述，为了达到产品的超薄化，而必须牺牲影像品质。
发明内容
有鉴于前述现有问题点，本发明的一实施例提供一种光学指纹感测装置，用以感测一手指的指纹图案，包含一显示面板模块、一电路板、一影像感测器、一第一反射元件以及一光学透镜。前述显示面板模块具有一透光元件以及一显示元件，其中前述透光元件具有一上表面，且前述显示元件设置于前述透光元件下方，其中前述显示元件发出一光线穿过前述透光元件而照向放置于前述上表面的前述手指。前述电路板设置于前述显示面板模块的下方，前述影像感测器电性连接于前述电路板。前述第一反射元件设置于前述显示面板模块以及前述电路板之间，前述光学透镜设置于前述显示面板模块以及前述电路板之间。其中，由前述显示元件所发出的前述光线经由前述手指反射后沿一第一方向前进，接着前述光线经由前述第一反射元件反射后沿一第二方向穿过前述光学透镜而到达前述影像感测器。
于一实施例中，前述影像感测器具有一感测面，前述感测面垂直于前述上表面以及前述光学透镜的一光轴，且前述光线经由前述第一反射元件反射后沿前述第二方向穿过前述光学透镜并射入前述感测面。
于一实施例中，前述光学指纹感测装置还包含一第二反射元件，且前述影像感测器具有一感测面，其中前述感测面平行于前述上表面以及前述光学透镜的一光轴，且前述光线经由前述第一反射元件反射后沿前述第二方向穿过前述光学透镜，接着再经由前述第二反射元件反射后沿一第三方向到达前述影像感测器的前述感测面。
附图说明
图1表示一现有光学指纹感测装置的示意图。
图2表示本发明一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图3表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图4表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图5表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图6表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图7表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
其中，附图标记说明如下：
显示面板模块 10
显示元件 11
透光元件 12
电路模块 20
影像感测器 30
光学膜片 40
框架 50
光学透镜 60
底板 21
电路板 22
指纹感测区域 A
框架 B
旋转轴 C、C'
显示面板模块 D
显示元件 D1
透光元件 D2
上表面 D21
光学元件 F
光线 L1、L1'、L2、L3
光学透镜 M
光轴 O
电路板 E
凸出部 E1
物距 p
距离 p1
距离 p2
像距 q
第一反射元件 R1
位置 R1'
第二反射元件 R2
影像感测器 S
感测面 S1
具体实施方式
以下说明本发明实施例的光学指纹感测装置。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所公开的特定实施例仅仅用于说明以特定方法使用本发明，并非用以局限本发明的范围。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与此篇公开所属的一般技艺者所通常理解的相同涵义。能理解的是这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有一与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在此特别定义。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与技术效果，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下各实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，实施方式中所使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
首先请参阅图2，其中图2表示本发明一实施例的光学指纹感测装置的示意图。如图2所示，本实施例的光学指纹感测装置是为一种屏幕下指纹影像感测装置，可用以感测一手指的指纹图案，其主要包含一显示面板模块D、一电路板E、一光学元件F、一第一反射元件R1、一光学透镜M以及一影像感测器S。
前述显示面板模块D主要包含有一显示元件D1以及设置于显示元件D1上方的一透光元件D2，其中前述透光元件D2例如为一平板玻璃(sheet glass)，且前述显示元件D1则例如为一有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)显示元件、薄膜晶体管液晶(TFT-LCD)显示元件、或者触控显示(touch display)元件。应了解的是，在前述显示元件D1内部设有多个发光单元，其可作为一光源，并可发出光线穿过透光元件D2而照向放置于透光元件D2上的一手指。
请继续参阅图2，当欲使用本实施例的光学指纹感测装置进行指纹感测时，可将手指放置在透光元件D2的上表面D21，并使手指位于前述上表面D21中的一指纹感测区域A内，其中由显示元件D1内部光源所发出的部分光线会穿过透光元件D2并到达位于指纹感测区域A内的手指，且光线会经由手指反射后大致沿一第一方向(-Z轴方向)穿过透光元件D2、显示元件D1以及光学元件F(如图2中的光线L1所示)，接着再依序经由第一反射元件R1反射并穿过光学透镜M，最后则会大致沿一第二方向(-X轴方向)到达影像感测器S的感测面S1(如图2中的光线L2所示)。
举例而言，前述光学元件F可包含有偏极片(olarizer)、红外截止滤光片(IR cut-off filter)或者抗反射涂层(anti-reflective coating)，借此可有效地阻绝杂散光(stray light)，从而能增加信号噪声比(Signal-to-noise ratio,SNR)并提升光学指纹辨识的准确性。
当影像感测器S接收到由第一反射元件R1反射并穿过光学透镜M的光线L2后，便可将光信号转换为电信号，并经由前述电路板E而将包含有指纹信息的电信号传送到一处理器(未图示)，以进行后续的指纹数据存储或辨识程序。
需特别说明的是，本实施例中的电路板E上方是形成有一凸出部E1，其中凸出部E1朝显示面板模块D的方向凸出，前述影像感测器S则是固定于前述凸出部E1上且电性连接电路板E。举例而言，前述影像感测器S可为一电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)影像感测器或者CMOS影像感测器(CMOS Image Sensor,CIS)，且影像感测器S的感测面S1是大致垂直于透光元件D2的上表面D21以及光学透镜M的光轴O，其中前述上表面D21以及光轴O是平行于图2中的X轴方向。
此外，本实施例中的光学透镜M是具有自动对焦(auto focusing)功能，其可通过音圈马达(Voice Coil Motor,VCM)或压电微致动器(Piezoelectric micro actuator)驱使而相对于影像感测器S沿水平方向(X轴方向)移动，以调整光学透镜M与影像感测器S之间的距离，达到快速对焦的目的。另一方面，前述第一反射元件R1亦可通过音圈马达或压电微致动器驱动而绕一旋转轴C旋转，其中前述旋转轴C是垂直于光学透镜M的光轴O，借此可适度地修正反射光的方向，同时也能增加指纹感测区域A的面积。
举例而言，当前述第一反射元件R1位于一预设位置时，其反射面相对于光学透镜M的光轴O方向是形成约45°的夹角，而当第一反射元件R1绕旋转轴C旋转时，前述第一反射元件R1的反射面相对于前述光轴O的夹角范围则可介于10°～80°，优选为35°～55°。
如前所述，本实施例主要是通过第一反射元件R1反射感测光线(即来自手指的反射光线)，以使感测光线可沿水平方向穿过光学透镜M而到达影像感测器S，如此一来可不仅能有效地增加光学***的像距q(image distance)以及物距(object distance)，其中物距为图2所示的距离p1与距离p2之和，同时也能缩减光学指纹感测装置在垂直方向(Z轴方向)上的厚度，从而有助于达到产品的超薄化。
接着请参阅图3，其中图3表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。图3的实施例与图2的实施例主要不同之处在于：图3中的第一反射元件R1还可通过音圈马达或压电微致动器驱使而相对于光学透镜M沿水平方向移动，调整第一反射元件R1与光学透镜M之间的距离，借此增加指纹感测区域A的面积。
从图3中可以看出，当第一反射元件R1沿水平方向(X轴方向)移动到位置R1’时，可接收来自感测区域A中不同位置的光线L1’，借此可对手指的表面进行较大范围的感测，也就是可以增加指纹感测区域A的面积，以提升光学指纹感测的辨识率。
再请参阅图4，其中图4表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。图4的实施例与图2的实施例主要不同之处在于：图4的光学指纹感测装置还包含一框架B，用以支撑光学透镜M，其中前述框架B可直接以抗红外线材质制成，或者亦可于其表面上形成抗红外线涂层，例如红外线截止滤光涂层(infrared cut-off filter coating)，借此能阻隔红外线光进入到影像感测器S内部而产生噪声(noise)，以确保影像感测器S的成像品质。
接着请参阅图5，其中图5表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。图5的实施例与图2的实施例主要不同之处在于：图5中的光学指纹感测装置还包含一第二反射元件R2，且影像感测器S是平躺于电路板E上，使得感测面S1大致平行于透光元件D2的上表面D21以及光学透镜M的光轴O。
从图5中可以看出，经由第一反射元件R1反射后的光线L2会穿过光学透镜M而到达第二反射元件R2，接着光线L2会被第二反射元件R2再次反射，并大致沿一第三方向(-Z轴方向)到达电路板E上的影像感测器S(如图5中的光线L3所示)。举例而言，前述光学透镜M可具有自动对焦的功能，且其可通过音圈马达或压电微致动器驱使而相对于第一反射元件R1或第二反射元件R2沿水平方向移动，以调整光学透镜M与第二反射元件R2之间的距离，借此达到快速对焦的目的。
通过本实施例的机构设计，可不必在电路板E上形成凸出部E1，此外也能缩短光学指纹感测装置在水平方向上的长度，其中通过在电路板E上方设置第一、第二反射元件R1、R2，可使光线经过两次反射后到达影像感测器S，如此一来不仅能有效地增加光学***的像距以及物距，同时也能缩减光学指纹感测装置在垂直方向(Z轴方向)上的厚度，从而有助于达到产品的超薄化。
接着请参阅图6，其中图6表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。图6的实施例与图5的实施例主要不同之处在于：图6中的第一反射元件R1可通过音圈马达或压电微致动器驱动而绕旋转轴C旋转，其中前述旋转轴C是垂直于光学透镜M的光轴O，借此可适度地修正反射光的方向，同时也能增加指纹感测区域A的面积。同理，图6中的第二反射元件R2也可以通过音圈马达或压电微致动器驱动而绕旋转轴C’旋转，其中前述旋转轴C’是垂直于光学透镜M的光轴O，借此可适度地修正反射光的方向，以提升影像感测器S的成像品质。
举例而言，当前述第一反射元件R1位于一预设位置时，其反射面相对于光学透镜M的光轴O是形成约45°的夹角，而当第一反射元件R1绕旋转轴C旋转时，前述第一反射元件R1的反射面相对于前述光学透镜M的光轴O的夹角范围则可介于10°～80°，优选为35°～55°。同理，当前述第二反射元件R2位于一预设位置时，其反射面相对于光学透镜M的光轴O是形成约45°的夹角，而当第二反射元件R2绕旋转轴C’旋转时，前述第二反射元件R2的反射面相对于前述光学透镜M的光轴O的夹角范围则可介于10°～80°，优选为35°～55°。
再请参阅图7，其中图7表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的示意图。图7的实施例与图5的实施例主要不同之处在于：图7中的第一反射元件R1可通过音圈马达或压电微致动器驱使而相对于光学透镜M沿水平方向移动，以调整光学透镜M与第一反射元件R1之间的距离，借此增加指纹感测区域A的面积。
从图7中可以看出，当第一反射元件R1沿水平方向移动到位置R1’时，可接收来自感测区域A中不同位置的光线L1’，借此可对手指的表面进行较大范围的感测，也就是可以增加指纹感测区域A的面积，以提升光学指纹感测的辨识率。
综上所述，本发明主要是提供一种屏幕下指纹影像感测装置，其中有鉴于传统屏幕下指纹影像感测装置中用于设置光学透镜的框架因具有相当的厚度而不利于产品的超薄化，故本发明通过在显示面板模块和影像感测器之间的光路(optical path)中适当地设置反射元件以及光学透镜，借此改变感测光线的行进方向，从而能有效地增加像距以及物距，以提升影像品质并且能缩减光学指纹感测装置在垂直方向(Z轴方向)上的厚度，因此有助于实现产品的超薄化。
虽然本发明的实施例及其优点已公开如上，但应该了解的是，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作变动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中技术人员可从本发明公开内容中理解现行或未来所发展出的制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包含上述制程、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包含各个权利要求及实施例的组合。
虽然本发明已以优选实施例公开于上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项工艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (17)

1.一种光学指纹感测装置，用以感测一手指的指纹图案，包含：
一显示面板模块，具有一透光元件以及一显示元件，其中，该透光元件具有一上表面，且该显示元件设置于该透光元件下方，其中，该显示元件发出一光线穿过该透光元件而照向放置于该上表面的该手指；
一电路板，设置于该显示面板模块的下方；
一影像感测器，电性连接于该电路板；
一第一反射元件，设置于该显示面板模块以及该电路板之间；以及
一光学透镜，设置于该显示面板模块以及该电路板之间；
其中，由该显示元件所发出的该光线经由该手指反射后沿一第一方向前进，接着该光线经由该第一反射元件反射后沿一第二方向穿过该光学透镜而到达该影像感测器。
2.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中，该影像感测器具有一感测面，该感测面垂直于该上表面以及该光学透镜的一光轴，且该光线经由该第一反射元件反射后沿该第二方向穿过该光学透镜并射入该感测面。
3.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该电路板具有一凸出部，该影像感测器固定于该凸出部上且电性连接该电路板。
4.如权利要求3所述的光学指纹感测装置，其中，该光学透镜可相对于该第一反射元件沿一水平方向移动，且该水平方向平行于该光学透镜的该光轴。
5.如权利要求4所述的光学指纹感测装置，其中，该光学指纹感测装置还包含一音圈马达或者一压电微致动器，以驱使该光学透镜相对于该第一反射元件沿该水平方向移动。
6.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该第一反射元件可相对于该光学透镜沿一水平方向移动，以调整该第一反射元件与该光学透镜之间的距离，其中，该水平方向平行于该光学透镜的该光轴。
7.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该第一反射元件可绕一旋转轴旋转，且该旋转轴垂直于该光学透镜的该光轴。
8.如权利要求7所述的光学指纹感测装置，其中，该第一反射元件具有一反射面，且该反射面相对于该光轴形成一夹角，其中，该夹角介于35°～55°。
9.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该光学指纹感测装置还包含一光学元件，且该光线沿该第一方向穿过该光学元件而到达该第一反射元件，其中，该光学元件包含一偏极片、一红外截止滤光片或者一抗反射涂层。
10.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该光学指纹感测装置还包含一框架，用以支撑该光学透镜，且该框架具有抗红外线材质。
11.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中，该显示元件为有机发光二极管显示元件或薄膜晶体管液晶显示元件。
12.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中，该光学指纹感测装置还包含一第二反射元件，且该影像感测器具有一感测面，其中，该感测面平行于该上表面以及该光学透镜的一光轴，且该光线经由该第一反射元件反射后沿该第二方向穿过该光学透镜，接着再经由该第二反射元件反射后沿一第三方向到达该影像感测器的该感测面。
13.如权利要求12所述的光学指纹感测装置，其中，该第一反射元件可相对于该光学透镜沿一水平方向移动，其中，该水平方向平行于该光学透镜的该光轴。
14.如权利要求12所述的光学指纹感测装置，其中，该第二反射元件可绕一旋转轴旋转，且该旋转轴垂直于该光学透镜的该光轴。
15.如权利要求14所述的光学指纹感测装置，其中，该第二反射元件具有一反射面，且该反射面相对于该光轴形成有一夹角，其中，该夹角介于35°～55°。
16.如权利要求12所述的光学指纹感测装置，其中，该光学透镜可相对于该第一反射元件或该第二反射元件沿一水平方向移动，且该水平方向平行于该光学透镜的该光轴。
17.如权利要求16所述的光学指纹感测装置，其中，该光学指纹感测装置还包含一音圈马达或者一压电微致动器，以驱使该光学透镜相对于该第一反射元件或该第二反射元件沿该水平方向移动。
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