CN207851841U - 光学指纹辨识*** - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光学指纹辨识***，其通过一导光面板表面作为供手指按压的指纹感测区域，同时提供准直的光学信号，并将此光学信号导入导光面板中以通过内全反射效应来传输，利用手指按压会造成光学信号于导光面板中内全反射的破坏，感光元件可侦测出光学信号的波形变化且处理为指纹影像；藉此，当本实用新型将光学指纹辨识***整合于显示面板中，可将感光元件隐蔽于显示面板的背面，其无须接收指纹的反射光线，没有穿透度的问题，且指纹感测区域可实施于导光面板的全部或局部区域，不仅可供更为弹性地使用，也满足消费者对于产品外观的美感需求。

Description

光学指纹辨识***

技术领域

本实用新型涉及一种指纹辨识技术，特别是指一种利用光的内全反射效应进行感测辨识的光学指纹辨识***。

背景技术

指纹辨识为生物特征识别技术的一种，其利用人体手指上独有的指纹讯息进行辨识，以其在安全性和方便性方面的优点受到广泛的应用；举例来说，现今的智能手机几乎都添加了指纹辨识功能，可以提供指纹加密、指纹解锁。

一种光学指纹辨识***10，请参照图1，由上而下依序设置一压板12、一光扩散板13与一感光元件11，感光元件11周围设置有多个光源14。其中，压板12具有可供手指按压的一板面121。光扩散板13将光源14所发出的入射光导向压板12，并具有供反射光通过的一透孔131。当入射光由光扩散板13投射至手指A后，会通过透孔131反射至下方的感光元件11。由于指纹的波峰会反射光线，波谷会吸收光线，因此，反射光会形成明暗对比条纹，让感光元件11来达到指纹辨识的效果。

目前而言，将指纹辨识功能和显示面板的显示功能结合起来，是产业界正积极研究的一项热门课题。将指纹辨识***整合或是结合到显示面板中的作法中，若是将指纹辨识的相关元件设置于显示面板上方，由于以硅晶圆为基础的感光元件是不透明的，会显露于显示面板之外，而置放于显示面板下方又有穿透度的问题，可能无法良好地接收指纹的反射光线，从而影响指纹辨识的精确度。因此，要将指纹辨识***结合到显示面板存有一定的限制，也很难不干扰到产品的外观设计。

因此，便有需要研发一种光学指纹辨识***，能够良好的结合于显示面板中，使其感光元件不会外露，来满足产品的外观需求，不但有别于先前技术的结构，更能有效克服其各种不足；其具体架构及实施方式将详述于下。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的主要目的在于提供一种光学指纹辨识***，让光学信号能够通过内全反射效应于导光面板中传输，从而可通过手指按压造成光学信号于导光面板中内全反射的破坏，以达到指纹辨识的作用。

本实用新型的另一目的在于提供一种光学指纹辨识***，可将感光元件隐蔽于显示面板的背面，无须显露在外，同时，指纹感测区域可设置于导光面板的全部或局部区域，更好的满足了消费者对于产品外观与使用弹性的各种需求。

因此，为实现上述目的，本实用新型提供一种光学指纹辨识***，主要包括一导光面板、一光源、一信号放大器及一感光元件。其中，所述导光面板表面具有供手指按压的一指纹感测区域，且所述导光面板是于一入光端与一出光端分别设有一第一导光部与一第二导光部。所述光源邻近于第一导光部，并提供至少一光学信号，所述光学信号经由第一导光部导入导光面板并在导光面板中通过内全反射效应传输，再经由第二导光部导出。所述信号放大器邻近于第二导光部，其接收第二导光部所导出的光学信号，并将光学信号放大后导出。而所述感光元件邻近于信号放大器，其接收信号放大器所导出的光学信号，并将光学信号处理为一指纹影像，从而达成指纹辨识的目的。

根据本实用新型的实施例，其中所述指纹感测区域可为所述导光面板表面的全部或局部区域。

根据本实用新型的实施例，其中所述导光面板设置于一显示面板上方。

根据本实用新型的实施例，其中所述导光面板是采用涂布光学胶或点胶方式贴合于所述显示面板上。

根据本实用新型的实施例，其中所述光源可为准直光源或非准直光源。

根据本实用新型的实施例，其中所述光源可为激光(Laser)、垂直共振腔面射激光(VCSEL)或非准直光源与二次光学元件的组合。

根据本实用新型的实施例，其中所述二次光学元件可选自抛物面(Parabolicsurface)聚光镜、复合抛物面聚光镜(CPC)、透镜、棱镜、菲涅尔透镜(Fresnellens)及其组合。

根据本实用新型的实施例，其中所述光学信号的波长是介于380～1400纳米(nm)。

根据本实用新型的实施例，其中当所述光学信号于所述导光面板内行进时，所述光学信号与所述导光面板的表面或底面的法线之间的夹角需满足大于arcsin(n₀/n₂)与arcsin(n₁/n₂)；

其中，n₀为导光面板的表面的折射率；

n₁为导光面板的底面的折射率；及

n₂为导光面板的折射率。

根据本实用新型的实施例，其中所述第一导光部、所述第二导光部与所述导光面板可为一体化结构。

根据本实用新型的实施例，其中所述第一导光部与所述第二导光部相对于所述导光面板可为分开设置。

根据本实用新型的实施例，其中所述导光面板的表面形成一镀膜，所述镀膜可供一可见光穿透，其余波段的光为反射。

根据本实用新型的实施例，其中所述第一导光部和所述第二导光部可为镜面或光纤的形式。

根据本实用新型的实施例，其中所述信号放大器可为镜面的形式。

根据本实用新型的实施例，其中所述感光元件与所述信号放大器之间更包含一透镜、一棱镜薄膜(Prismfilm)、一角度滤波器(Angularfilter)、一偏振分光棱镜(PBS)、分光镜(BS)或其组合。

根据本实用新型的实施例，其中所述角度滤波器可为垂直型或倾斜型的光栅滤波器。

根据本实用新型的实施例，其中所述光栅滤波器是由多层第一材料薄膜间隔设置所构成的单层结构。

根据本实用新型的实施例，其中所述光栅滤波器是由多层第一材料薄膜与多层第二材料薄膜间隔设置所构成的单层结构。

根据本实用新型的实施例，其中所述光栅滤波器是由多层第一材料薄膜与多层第二材料薄膜间隔设置所构成的多层结构，且所述多层结构中的不同层的所述第一材料薄膜为对齐排列或交错排列。

根据本实用新型的实施例，其中所述感光元件相对于所述导光面板为平行或倾斜摆放。

根据本实用新型的实施例，其中所述第一导光部与所述光源之间及/或所述第二导光部与所述信号放大器之间更包含至少一棱镜(Prism)，且此棱镜为固定式或可旋转棱镜。

根据本实用新型所提供的光学指纹辨识***，可利用光学信号于导光面板中的内全反射效应，并通过侦测其光学信号的波形变化，来获取指纹影像，而当光学指纹辨识***与显示面板整合时，可将感光元件隐蔽于显示面板的背面，也不会造成穿透度不足而影响辨识率的问题，从而可利于产品外观的设计，同时，可设计区域性或全面性的指纹感测区域，可供用户更为弹性且便利地使用指纹辨识功能。

以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。通过具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本实用新型的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1为现有技术所提供的光学指纹辨识***的剖面图。

图2为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***的剖面图。

图3A～图3C为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用不同二次光学元件与非准直光源组合的示意图。

图3D为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用棱镜与非准直光源组合的示意图。

图4A～图4D分别为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用透镜、棱镜薄膜、角度滤波器及棱镜薄膜与角度滤波器的组合于感光元件的示意图。

图5A～图5C为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用不同角度滤波器于感光元件的示意图。

图5D～图5F为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用不同角波器与棱镜薄膜的组合于感光元件的示意图。

图6A及图6B分别为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***中使用不同摆放方式的感光元件的示意图。

图7为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***与显示面板作结合的示意图。

图8为本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***与手机的相机镜头作结合的示意图。

附图标记说明：10-光学指纹辨识***；11-感光元件；12-压板；121-板面；13-光扩散板；131-透孔；14-光源；20-光学指纹辨识***；21-导光面板；211-指纹感测区域；212-入光端；213-出光端；214-第一导光部；215-第二导光部；216-光学胶；22-准直光源；221-抛物面聚光镜或CPC；222-非准直光源；223-菲涅尔透镜；224-透镜；225-棱镜；23-信号放大器；24-感光元件；251-透镜；252-棱镜薄膜；253-角度滤波器；254-第一材料薄膜；255-第二材料薄膜；30-显示面板；40-镜头模块；41-偏振分光棱镜或分光镜；A-手指；Θ-入射角度；Α-倾斜角度。

具体实施方式

请参照图2，绘示本实用新型的实施例所提供的光学指纹辨识***20的剖面图。此光学指纹辨识***20主要是由导光面板21、准直光源22、信号放大器23及感光元件24所构成。

本实施例中，导光面板21的表面具有可供手指A按压的指纹感测区域211；实际应用上，指纹感测区域211可设计于导光面板21表面的全部区域或局部区域。本实施例中，导光面板21于两侧分别具有入光端212与出光端213，并于入光端212与出光端213分别设有第一导光部214与第二导光部215，具体而言，第一导光部214与第二导光部215可为反射板，用以调整光学信号的传递角度；实际应用上，入光端212与出光端213的位置亦可设计在导光面板21的中间切口端。而导光面板21的材料可为玻璃，第一导光部214和第二导光部215可为镜面或光纤的形式，且第一导光部214与第二导光部215相对于导光面板21可为分开设置，当然，第一导光部214与第二导光部215也可以和导光面板21设计成一体化结构。

本实施例中，准直光源22邻近于第一导光部214，用以提供准直的至少一光学信号。进一步来说，准直光源22产生准直的光学信号，并将光学信号投向第一导光部214，第一导光部214会将光学信号予以反射或传递，经由入光端212传入导光面板21中，使光学信号能够在导光面板21中通过内全反射(TotalInternalReflection,TIR)效应传输，然后传往出光端213，再经由第二导光部215予以反射或传递出去。

更进一步来说，为允许光学信号在导光面板21中被内全反射，光学信号与导光面板21的表面或底面的法线之间的夹角(此处为了下述描述方便，简称为入射角度θ)，其最小角度分别为arcsin(n₀/n₂)与arcsin(n₁/n₂)方可达成内全反射。故，当光学信号在导光面板21内行进时，其入射角度θ需同时大于上述两项内全反射所需的最小角度，也就是入射角度θ需满足大于arcsin(n₀/n₂)与arcsin(n₁/n₂)；

其中，n₀为导光面板21的表面的折射率；

n₁为导光面板21的底面的折射率；及

n₂为导光面板21的折射率。

本实施例中，导光面板21的折射率为1.5，当导光面板21的表面与底面皆与空气相邻时，光学信号于导光面板21中的行进方向与其表面或底面的夹角，即入射角度θ为大于43度；当导光面板21的表面与底面仅有其中之一相邻于空气，另一面相邻折射率为1.4的材料时，光学信号于导光面板21中的行进方向与其表面或底面的夹角，即入射角度θ为大于70度。

本实施例中，准直光源22可为激光(Laser)、垂直共振腔面射激光(VCSEL)或非准直光源与二次光学元件的组合；具体而言，其中的二次光学元件可选自抛物面(Parabolicsurface)聚光镜、复合抛物面聚光镜(CPC)、透镜、棱镜、菲涅尔透镜(Fresnellens)及其组合。如图3A所示，其绘示本实用新型实施例使用抛物面聚光镜或CPC221与非准直光源222搭配来提供准直的光学信号；如图3B所示，其绘示本实用新型实施例使用菲涅尔透镜223与非准直光源222搭配来提供准直的光学信号；如图3C所示，其绘示本实用新型实施例使用一个(或多个)的透镜224与非准直光源222搭配来提供准直的光学信号。另如图3D所示，其绘示本实用新型实施例使用一个(或多个)棱镜(Prism)225与非准直光源222搭配来提供准直的光学信号通过棱镜225；本实用新型中，棱镜225可仅设置于第一导光部214与准直光源22或非准直光源222之间，或是设置于第二导光部215与信号放大器23之间，甚至也可以在此两处皆予以设置，且棱镜225可为固定式或可旋转棱镜。

另外，光学信号的波长可介于380～1400纳米(nm)；实际应用上，可区分为可见光段(380～780nm)与近红外段(780～1400nm)。进一步地说明，当使用可见光段的波长，其为肉眼可见，可使用不同波长来标示为有效或无效区域，协助用户了解可用区域；当使用近红外段的波长，其为肉眼不可见，适合使用在显示面板下方(underdisplay)或是需求不被使用者所察觉的环境下。另外，可通过形成一镀膜(图中未示)于导光面板21的表面，以供可见光穿透，其余波段的光则于导光面板21中反射。

本实施例中，信号放大器23邻近于第二导光部215，用以接收第二导光部215所导出的光学信号，并将光学信号放大后导出；信号放大器23可为镜面的形式。

本实施例中，感光元件24邻近于信号放大器23，用以接收信号放大器23所导出的光学信号，并将光学信号处理为一指纹影像，从而达到指纹辨识的目的。当使用者以手指A按压导光面板21表面的指纹感测区域211，会造成光学信号于导光面板21中内全反射的破坏，感光元件24可侦测出光学信号的波形变化，并予以处理为一指纹影像，达到指纹辨识的目的。

本实施例中，感光元件24与信号放大器23之间更可包含一透镜、一棱镜薄膜(Prismfilm)、一角度滤波器(Angularfilter)或其组合。请参照图4A～图4D，其分别绘示本实用新型实施例中使用透镜251、棱镜薄膜252、角度滤波器253及棱镜薄膜252与角度滤波器253的组合于感光元件24上。

其中，如图4C所示的角度滤波器253为垂直型的光栅滤波器，如图5A所示，角度滤波器253也可为倾斜型的光栅滤波器，且如图4C和图5A所示，角度滤波器253是由多层第一材料薄膜254间隔设置所构成的单层结构，或者，角度滤波器253也可由多层第一材料薄膜254与多层第二材料薄膜255间隔设置所构成的单层结构。另外，如图5B所示，角度滤波器253可为由多层第一材料薄膜254与多层第二材料薄膜255间隔设置所构成的多层结构，且多层结构中的不同层的第一材料薄膜254是对齐排列，或者，如图5C所示，多层结构中的不同层的第一材料薄膜254是交错排列。此外，如图5D～图5F所示，则分别绘示对应图5A～图5C中的角度滤波器253与棱镜薄膜252的组合于感光元件24上的实施态样。

上述实施例是通过提供准直的光学信号于导光面板21中进行内全反射，在实务应用上，亦可直接使用非准直光源222提供未经准直的光学信号于导光面板21中，再于感光元件24一方搭配设置高阶的角度滤波器253，同样可达到指纹成像的目的。

另外，如图6A所示，本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***20中感光元件24相对于导光面板21可为平行摆放；如图6B所示，本实用新型实施例所提供的光学指纹辨识***20中感光元件24相对于导光面板21亦可为倾斜摆放，其倾斜角度α可例如为10度、45度或90度。

本实用新型应用于光学指纹辨识***20与显示面板整合的产品中，如图7所示，本实施例是将导光面板21设置于一显示面板30上方，并将感光元件24隐蔽于显示面板30的背面；在实务应用上，导光面板21可视设计需求采用涂布光学胶216或点胶方式贴合于显示面板30上，为了较容易达到全表面的指纹辨识，导光面板21较佳是采用整个底面涂布光学胶的方式。由于本实用新型的感光元件24并非利用接收指纹的反射光线来侦测，并不会造成穿透度不够的问题，使得应用更为广泛。

此外，本实用新型亦可将光学指纹辨识***20与手机的相机镜头作结合，如图8所示，本实施例是于感光元件24与信号放大器23之间设置有一偏振分光棱镜(PBS)或分光镜(BS)41，一方面可以将信号放大器23所导出的光学信号提供给感光元件24感测成像，另一方面也可以将镜头模块40所传递的光学信号提供给感光元件24感测成像，也就是说，本实用新型可以和手机的相机镜头达到感光元件24共享，让光学指纹辨识***20不用占据太大的结构空间，使最终产品的体积可以精简化。

上述实施例中，导光面板21与其第一导光部214及第二导光部215、准直光源22或非准直光源222、信号放大器23和感光元件24的类型、形状、数量、相对位置等关系仅为一示例，并不以此为限，任何与本案精神均等者皆不脱离本实用新型的范畴。

综上所述，根据本实用新型所提供的光学指纹辨识***通过导光面板作为供手指按压的指纹感测区域，同时提供准直的光学信号，并设计有第一导光部和第二导光部，使光学信号能够于导光面板中进行内全反射效应的传输，再经由信号放大，最后以感光元件侦测其波形变化，从而获取指纹影像。相较于现有的光学指纹辨识***，其感光元件是通过接收由手指反射的光线来进行侦测，感光元件上方存在有穿透度的问题，使得指纹辨识相关元件的配置有其局限；本实用新型所提供的光学指纹辨识***则相对容易配置，特别是用于光学指纹辨识***与显示面板整合时，可将感光元件隐蔽于显示面板的背面，无须担心穿透度不足而影响辨识率，将有利于产品的外观设计，来满足消费者对于产品外观的美感需求。本实用新型亦可将光学指纹辨识***与镜头模块作整合，只要增设一偏振分光棱镜(PBS)或分光镜(BS)，即可共享感光元件，将产品结构予以精简化。进一步地，还可设计区域性或全面性的指纹感测区域，可供用户更为弹性且便利地使用指纹辨识功能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型实施的范围。故即凡依本实用新型权利要求所述的特征及精神所为的均等变化或修饰，均应包括于本实用新型的保护范围内。

Claims (21)

1.一种光学指纹辨识***，其特征在于，包括：

一导光面板，表面具有供手指按压的一指纹感测区域，且该导光面板于一入光端与一出光端分别设有一第一导光部与一第二导光部；

一光源，邻近该第一导光部，并提供至少一光学信号，该光学信号经由该第一导光部导入该导光面板并在该导光面板中通过内全反射效应传输，再经由该第二导光部导出；

一信号放大器，邻近该第二导光部，接收该第二导光部所导出的该光学信号，并将该光学信号放大后导出；及

一感光元件，邻近该信号放大器，接收该信号放大器所导出的该光学信号，并将该光学信号处理为一指纹影像。

2.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该指纹感测区域为该导光面板的该表面的全部或局部区域。

3.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该导光面板设置于一显示面板上方。

4.如权利要求3所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该导光面板采用涂布光学胶或点胶方式贴合于该显示面板上。

5.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该光源为准直光源或非准直光源。

6.如权利要求5所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该准直光源为激光、垂直共振腔面射激光或非准直光源与二次光学元件的组合。

7.如权利要求6所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该二次光学元件选自抛物面聚光镜、复合抛物面聚光镜、透镜、棱镜、菲涅尔透镜及其组合。

8.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该光学信号的波长介于380～1400纳米。

9.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，当该光学信号于该导光面板内行进时，该光学信号与该导光面板的该表面或一底面的法线之间的夹角需满足大于arcsin(n₀/n₂)与arcsin(n₁/n₂)；

其中，n₀为该导光面板的该表面的折射率；

n₁为该导光面板的该底面的折射率；及

n₂为该导光面板的折射率。

10.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该第一导光部、该第二导光部与该导光面板为一体化结构。

11.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该第一导光部与该第二导光部相对于该导光面板为分开设置。

12.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该导光面板的该表面形成一镀膜，该镀膜供一可见光穿透，其余波段的光为反射。

13.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该第一导光部和该第二导光部为镜面或光纤的形式。

14.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该信号放大器为镜面的形式。

15.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该感光元件与该信号放大器之间更包含一透镜、一棱镜薄膜、一角度滤波器、一偏振分光棱镜、分光镜或其组合。

16.如权利要求15所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该角度滤波器为垂直型或倾斜型的光栅滤波器。

17.如权利要求16所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该光栅滤波器是由多层第一材料薄膜间隔设置所构成的单层结构。

18.如权利要求16所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该光栅滤波器是由多层第一材料薄膜与多层第二材料薄膜间隔设置所构成的单层结构。

19.如权利要求16所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该光栅滤波器是由多层第一材料薄膜与多层第二材料薄膜间隔设置所构成的多层结构，且该多层结构中的不同层的第一材料薄膜为对齐排列或交错排列。

20.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该感光元件相对于该导光面板为平行或倾斜摆放。

21.如权利要求1所述的光学指纹辨识***，其特征在于，该第一导光部与该光源之间及/或该第二导光部与该信号放大器之间更包含至少一棱镜，且该棱镜为固定式或可旋转棱镜。