TWI557403B - 一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組 - Google Patents

Description

一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組

本發明是關於一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，特別是運用於指紋與靜脈掃瞄，以利於下一辨識步驟。

為了加強保全效果、以及彌補傳統例如個人密碼、數位金鑰、藉由智慧晶片所內建之硬體金鑰等等之數位化身份辨識技術的缺點，現今已有越來越多的身份辨識及保全系統是採用或增設有生物辨識裝置。而手指的指紋辨識裝置與靜脈辨識裝置則是生物辨識裝置中的兩個常見例子。

雙重生物辨識模組目前面臨最大之問題仍然在於硬體上的整合，過去之做法皆是針對不同偵測標的配置適當的感應器，以指紋加上靜脈雙重辨識模組而言，針對靜脈成像需設置一影像感測器、指紋部分則需透過一光學菱鏡搭配影像感測器來進行成像(或使用電容式指紋感測器)，這最主要是由於兩者影像的成像的光學原理有所不同，其中靜脈只要紅外光穿透手指即可觀察到靜脈影像，然而指紋影像必須透過一光學菱鏡之全反射現象，才可以增加指紋之紋峰與紋谷的鑑別度。

因此，就體積而言要觀察到這兩種影像的視角(光學路徑)是不同的，另外，傳統指紋菱鏡的配置會導致模組體積變大；再者如前述提到的使用電容式指紋感測器雖然可達成體積縮小之目的，但後續終端用戶使用時會產生以下之問題：(1)元件可靠度之問題，在一對一(個人)的使 用下，比較符合電容式感測器之應用，但若在一對多的比較環境下(大樓門禁考勤系統)其耐用程度備受考驗。(2)使用電容式指紋感測器會進一步造成整體模組的價格提高。

台灣專利公開號第201413596號案(以下簡稱為596案)是本發明之申請人所曾提出的發明前案「生物辨識裝置及方法」，可解決習知雙重生物辨識模組的前述缺失。然而，596案仍使用傳統的菱鏡來達到雙重生物辨識模組所需的兩套不同光路徑。由於傳統的菱鏡也就是導光模組其不僅具有較大厚度且較佔空間，不易縮小整體尺寸，且更會多一次反射，所得影像會有非線性變形的問題，所以本案申請人乃進一步研發並發明了本案之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組。

根據市面上類似指紋靜脈影像擷取模組，其中廠商NEC之指紋光學成像模組(HS-100)，其指紋靜脈影像擷取方式為同時使用兩顆影像感測器分別擷取指紋與靜脈影像，透過不同影像感測器與焦段分別擷取與組合完成指紋靜脈辨識，此方式可減少影像取得與處理上的時間，但會進一步增加模組的成本。

另一廠商M2SYS之指紋光學成像模組(FUSE-ID)，在硬體上為整合光學成像模組再加上指紋模組之結合，使整個模組尺寸來到100mm*120mm*74mm，整體體積較為龐大，_且該系統為兩個影像感測器，也需要依序分別取指紋以及靜脈之影像，使得取像時間也相對較長。

針對上述事由，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，透過一玻璃基板上貼附有一光學菱鏡薄膜(Prism Sheet)加上單一影像感測元件，使得整體光路體積得以縮小，透過單一影像感測元件，僅須一次取像即可同時取得指紋與靜脈影像，不僅大幅減少習用菱鏡所需的模組體積，同時由於偏折的光路較小，亦可減少產生影像變形的現象，進一步達到加快系統辨識處理速度之目的。

本發明的第一目的是在於提供一種薄型化生物辨識裝置之 光學成像模組，藉由於一玻璃基板上之指紋影像區上貼合一光學菱鏡薄膜，達到只需透過一影像感測元件一次取像即可同時取得指紋與靜脈影像之目的。

本發明的第二目的是在於提供一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，藉由將光學菱鏡薄膜與玻璃基板合併整合於一光學成像模組之中，達到整體光路體積得以進一步縮小，同時加快系統辨識處理速度之目的。

為達到上述目的，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其包括有：一第一玻璃基板、一第一光學菱鏡薄膜、一第二光學菱鏡薄膜、以及一影像感測元件。該第一玻璃基板，係包括有：一指紋影像區、一靜脈影像區、一接觸面、一反射介面、以及一貼合面。該第一光學菱鏡薄膜係貼附於該貼合面並位於該指紋影像區之下。該第二光學菱鏡薄膜係貼附於該第一光學菱鏡薄膜之下。該影像感測元件係與該第一玻璃基板相對應，並位於該貼合面下方處。

1、1a、1b‧‧‧光學成像模組

11‧‧‧第一玻璃基板

111‧‧‧指紋影像區

112‧‧‧靜脈影像區

113‧‧‧接觸面

114‧‧‧反射介面

115‧‧‧貼合面

12‧‧‧第一光學菱鏡薄膜

121‧‧‧菱鏡微結構

13‧‧‧第二光學菱鏡薄膜

131‧‧‧菱鏡微結構

14‧‧‧影像感測元件

15‧‧‧第二玻璃基板

7、7b‧‧‧光學級貼合膠

8‧‧‧手指

9‧‧‧生物辨識裝置

91‧‧‧載座

92‧‧‧定位結構

93‧‧‧光源單元

94‧‧‧控制模組

圖一為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組設置於一生物辨識裝置之立體示意圖。

圖二為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之側面結構示意圖。

圖三為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之俯視結構以及與影像感測元件之相對關係示意圖。

圖四為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例的光學菱鏡薄膜部分剖面放大示意圖。

圖五A為該第一玻璃基板貼附該第一光學菱鏡薄膜之光學路徑模擬圖。

圖五B為該第一玻璃基板貼附該第一光學菱鏡薄膜後再貼附一 第二玻璃基板之光學路徑模擬圖。

圖五C為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之光學路徑模擬圖。

圖六為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第二較佳實施例之側面結構示意圖。

圖七為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第二較佳實施例之光學路徑模擬圖。

圖八為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第三較佳實施例之側面結構示意圖。

圖九為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第三較佳實施例之俯視結構示意圖。

為了能更清楚地描述本發明所提出之一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，以下將配合圖式詳細說明之。

請參閱圖一所示，圖一為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組設置於一生物辨識裝置之立體示意圖。其中，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組1係設置於一生物辨識裝置9之中，而該生物辨識裝置9係用來辨識一生物特徵，在此所說的該生物特徵特別指「指紋」與「靜脈」兩特徵，該生物辨識裝置9係包括：一載座91、一定位結構92、至少一光源單元93、以及一控制模組94。於本發明中，該被辨識部位是一手指8，尤其是食指的第一指節與第二指節的部分為較佳，並以第一指節作為指紋辨識，而第二指節作為靜脈辨識為主。該手指8係壓附於該載座91之該定位結構92之上，使該生物辨識裝置9中之該光學成像模組1得以透過該光源單元93的照射進一步辨識該手指8之指紋與靜脈特徵，並藉由該控制模組94予以辨識。

請參閱圖二、圖三、圖四所示，圖二為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之側面結構示意圖。圖三為 本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之俯視結構以及與影像感測元件之相對關係示意圖。圖四為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例的光學菱鏡薄膜部分剖面放大示意圖。

如圖二、圖三所示，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組1其包括有：一第一玻璃基板11、一第一光學菱鏡薄膜12、一第二光學菱鏡薄膜13、以及一影像感測元件14。該第一玻璃基板11係包括有：一指紋影像區111、一靜脈影像區112、一接觸面113、一反射介面114、以及一貼合面115。該第一光學菱鏡薄膜12係貼附於該貼合面115並位於該指紋影像區111之下。該第二光學菱鏡薄膜13係貼附於該第一光學菱鏡薄膜12之下。該影像感測元件14係與該第一玻璃基板11相對應，並位於該貼合面115下方處。其中，該接觸面113就是該第一玻璃基板11提供使用者之手指(含指尖及前一或兩指節部分)接觸的表面，也就是該第一玻璃基板11的上表面。而依據手指接觸於接觸面113之區域的不同，更進一步將該接觸面113區分為該指紋影像區111以及該靜脈影像區112兩區域，而該反射介面114就是位於該指紋影像區111的該接觸面113的另一側。至於該貼合面115則是與該接觸面113相對的另一表面，也就是該第一玻璃基板11的下表面。

該第一玻璃基板11具備濾除可見光、隔離外部灰塵及當作手指按壓指紋處之功能，係可以是紅外線濾光片(IR pass filter)或有色玻璃其中之一。該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13是一種具有微菱鏡結構之光學薄膜(Prism sheet)，透過此光學薄膜可改變光線的偏折方向。該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13在辨識過程中設置於該第一玻璃基板11之上層或下層皆可以成像出指紋影像，但由於該第一光學菱鏡薄膜12與該第二光學菱鏡薄膜13係屬於較軟性材質，若放置在該第一玻璃基板11之上層用以直接接觸手指8容易因使用而造成磨損，因此主要是放置在該第一玻璃基板11下方，可透過該第一玻璃基板11來保護該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13。然而，該第一玻璃基板11、第一光學菱鏡薄膜12、以及第二光學菱鏡薄膜13之間均透過一光學 級貼合膠7加以黏合；其中，該光學級貼合膠7厚度約為25μm。

如圖四所示，該第一光學菱鏡薄膜12與該第二光學菱鏡薄膜13係分別包括複數個陣列排列之菱鏡微結構121、131所構成，其間距(pitch)寬度D決定了指紋影像的鑑別程度，寬度D越大其指紋之明暗條紋越明顯，但仍需視該影像感測元件14的最小解析度而設計，若D之寬度大於該影像感測元件14之最小解析度太多則易在影像上產生明顯的菱鏡條紋。高度H與寬度D呈現一比例關係，該比例約為1：2(H：D)，高度H與θ 1會進一步影響寬度D之距離。θ 1通常決定了光線是否容易達到特定的菱鏡面產生折射並在反射介面114產生全反射現象，θ 1越大越容易產生全反射現象，但產生的全反射光線幅度減少，θ 1越小則越不容易產生全反射現象。該第二光學菱鏡薄膜13與該影像感測元件14僅在特定視角範圍內才能在該反射介面114產生具有鑑別度的完整指紋影像，其它放置位置雖然也能產生全反射之影像，但影像皆較不完整；再者，第一光學菱鏡薄膜12與該第二光學菱鏡薄膜13之折射係數(index of refraction)之大小則影響了整體指紋影像成像的位置，越大之折射率其影像越靠近該影像感測元件14之中心。本發明之該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13之厚度L範圍在於200μm~300μm之間，其中，該第一光學菱鏡薄膜12與該第二光學菱鏡薄膜13各別之菱鏡微結構121、131其間距(pitch)寬度D範圍為60μm~200μm，視使用的該影像感測元件14之最小解析度而定。各別之菱鏡微結構121、131之高度H範圍為30μm~100μm與寬度D成一比例關係存在。各別之菱鏡微結構121、131之水平夾角θ 1=45°。

請參閱圖五A、圖五B、圖五C所示，圖五A為該第一玻璃基板貼附該第一光學菱鏡薄膜之光學路徑模擬圖。圖五B為該第一玻璃基板貼附該第一光學菱鏡薄膜後再貼附一第二玻璃基板之光學路徑模擬圖。圖五C為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第一較佳實施例之光學路徑模擬圖。其中，該光學路徑模擬圖係以該影像感測元件14視角做為參考，於實務上的情形恰為相反的狀態。不同的線型代表不同程度的光線能量，主要光線(虛線)代表強度為1~0.66，次要光線(實線) 代表強度為0.66~0.33，再次要光線(雙實線)代表強度為0.33~0，其需求是要得到該主要光線(虛線)能在該第一玻璃基板11之該反射介面114形成全反射之結果，才可清楚鑑別出指紋的紋路。

如圖五A所示，僅於該第一玻璃基板11上貼附該第一光學菱鏡薄膜12，經光學路徑模擬結果顯示，主要光線(虛線)於該反射介面114產生部分反射，於單一層之該第一光學菱鏡薄膜12的結構下並無法有效的在該反射介面114產生全反射現象。如圖五B所示，於該第一玻璃基板11上貼附該第一光學菱鏡薄膜12後再貼附一第二玻璃基板15，其主要光線(虛線)經折射後離開該反射介面114，主要光線亦無法有效產生全反射現象。如圖五C所示，只有在兩層重疊貼合之該第一以及第二光學菱鏡薄膜12、13並貼附於該第一玻璃基板11之結構組合之下，才能使主要光線(虛線)產生完整的全反射現象。

因此，本發明第一較佳實施例所使用兩層疊合之該第一光學菱鏡薄膜12、以及第二光學菱鏡薄膜13做為該指紋影像區111光線的偏折媒介，再適當地搭配該影像感測元件14設置的位置(包括使用畫面是16：9之影像感測元件)，即可得到一個介於11°~26°的指紋紋路所需要的全反射成像區；也就是說，如圖三所示，該第二光學菱鏡薄膜13與該影像感測元件14之視角θ可成像範圍為11°<θ<26°，如此可完美的整合該指紋影像區111與該靜脈影像區112的光學路徑，來達到指紋與靜脈成像在同一畫面中。

換句話說，兩層重疊貼合之該第一以及第二光學菱鏡薄膜12、13並貼附於該第一玻璃基板11之該貼合面115下的該指紋影像區111一側，令該第一玻璃基板11之該指紋影像區111與該靜脈影像區112可同時提供指紋、靜脈偵測與該手指8之接觸區域。而該影像感測元件14則設置於該第一玻璃基板11中間正下方同時擷取指紋與靜脈影像，透過如此之配置即可同時擷取到指紋與靜脈影像。

以下所述之本發明其他較佳實施例中，因大部份的元件係相同或類似於前述實施例，故相同之元件與結構以下將不再贅述，且相同之元件將直接給予相同之名稱及編號，並對於類似之元件則給予相同名稱 但在原編號後另增加一英文字母以資區別且不予贅述，合先敘明。

請參閱圖六、圖七所示，圖六為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第二較佳實施例之側面結構示意圖。圖七為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第二較佳實施例之光學路徑模擬圖。其中，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第二較佳實施例與上述圖二、圖三之第一較佳實施例不同點在於，如圖六、圖七所示，本發明第二較佳實施例之該光學成像模組1a的該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13中央處係更夾合包括有一第二玻璃基板15。也就是說，透過該光學級貼合膠7在該第一光學菱鏡薄膜12以及該第二光學菱鏡薄膜13中央處夾合貼附該第二玻璃基板15並貼附於該第一玻璃基板11下的結構組合之下，也能使光學路徑模擬之主要光線(虛線)產生達到完整的全反射現象。

請參閱圖八、圖九所示，圖八為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第三較佳實施例之側面結構示意圖。圖九為本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第三較佳實施例之俯視結構示意圖。其中，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組第三較佳實施例與上述圖二、圖三之第一較佳實施例不同點在於，如圖八、圖九所示，本發明第三較佳實施例之該光學成像模組1b的兩相對應之第二光學菱鏡薄膜13係分別透過該兩相對應之光學級貼合膠7b貼附於該第一光學菱鏡薄膜12之下方兩側，以減少光線在各介面上穿透上的損失。

綜上所述，本發明一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組1其包括有：一第一玻璃基板11、一第一光學菱鏡薄膜12、一第二光學菱鏡薄膜13、以及一影像感測元件14。該第一玻璃基板11係包括有：一指紋影像區111、一靜脈影像區112、一接觸面113、一反射介面114、以及一貼合面115。該第一光學菱鏡薄膜12係貼附於該貼合面115並位於該指紋影像區111之下。該第二光學菱鏡薄膜13係貼附於該第一光學菱鏡薄膜12之下。該影像感測元件14係與該第一玻璃基板11相對應，並位於該貼合面115下方處。因此，將該第一玻璃基板11與該第一、以及第二光學菱鏡薄膜12、13 合併整合於本發明之該光學成像模組1中，達到只需透過該影像感測元件14一次取像即可同時取得指紋與靜脈影像，達到整體光路體積得以進一步縮小，同時加快系統辨識處理速度之目的。

唯以上所述之實施例不應用於限制本發明之可應用範圍，本發明之保護範圍應以本發明之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

1‧‧‧光學成像模組

11‧‧‧第一玻璃基板

111‧‧‧指紋影像區

112‧‧‧靜脈影像區

113‧‧‧接觸面

114‧‧‧反射介面

115‧‧‧貼合面

12‧‧‧第一光學菱鏡薄膜

13‧‧‧第二光學菱鏡薄膜

14‧‧‧影像感測元件

7‧‧‧光學級貼合膠

Claims (14)

1. 一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其包括有：一第一玻璃基板，係包括有：一指紋影像區、一靜脈影像區、一接觸面、一反射介面、以及一貼合面；一第一光學菱鏡薄膜，係貼附於該貼合面並位於指紋影像區之下；一第二光學菱鏡薄膜，係位於該第一光學菱鏡薄膜之下；以及一影像感測元件，係與該第一玻璃基板相對應，並位於該貼合面下方處。
2. 如申請專利範圍第1項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，於該第一光學菱鏡薄膜以及該第二光學菱鏡薄膜兩者之間更夾合有一第二玻璃基板。
3. 如申請專利範圍第2項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一玻璃基板、第二玻璃基板、第一光學菱鏡薄膜、以及第二光學菱鏡薄膜之間均透過一光學級貼合膠加以黏合。
4. 如申請專利範圍第1項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一光學菱鏡薄膜以及該第二光學菱鏡薄膜之厚度範圍L在於200μm~300μm之間。
5. 如申請專利範圍第3項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該光學貼合膠厚度約為25μm。
6. 如申請專利範圍第1項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第二光學菱鏡薄膜與該影像感測元件之視角θ可成像範圍為11°<θ<26°。
7. 如申請專利範圍第2項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一玻璃基板以及該第二玻璃基板係可以是紅外線濾光片(IR pass filter)或有色玻璃其中之一。
8. 如申請專利範圍第1項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一光學菱鏡薄膜以及該第二光學菱鏡薄膜係分別包括複數個陣列排列之菱鏡微結構所構成；各別之菱鏡微結構其間距(pitch)寬度D範圍為60μm~200μm；各別之菱鏡微結構之高度H範圍為30μm~100μm；高度H與寬度D成比例關係，該比例為H：D=1：2；各別之菱鏡 微結構之水平夾角θ1=45°。
9. 一種薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其包括有：一第一玻璃基板，係包括有：一指紋影像區、一靜脈影像區、一接觸面、一反射介面、以及一貼合面；一第一光學菱鏡薄膜，係貼附於該貼合面並位於指紋影像區之下；兩相對應之第二光學菱鏡薄膜係分別貼附於該第一光學菱鏡薄膜之下方兩側；以及一影像感測元件，係與該第一玻璃基板相對應並位於該貼合面下方處。
10. 如申請專利範圍第9項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一玻璃基板、第一光學菱鏡薄膜、以及第二光學菱鏡薄膜之間均透過一光學級貼合膠加以黏合。
11. 如申請專利範圍第9項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一光學菱鏡薄膜以及該第二光學菱鏡薄膜之厚度L範圍在於200μm~300μm之間。
12. 如申請專利範圍第10項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該光學級貼合膠厚度約為25μm。
13. 如申請專利範圍第9項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一玻璃基板係可以是紅外線濾光片(IR pass filter)或有色玻璃其中之一。
14. 如申請專利範圍第9項所述之薄型化生物辨識裝置之光學成像模組，其中，該第一光學菱鏡薄膜以及該第二光學菱鏡薄膜係分別包括複數個陣列排列之菱鏡微結構所構成；各別之菱鏡微結構其間距(pitch)寬度D範圍為60μm~200μm；各別之菱鏡微結構之高度H範圍為30μm~100μm；高度H與寬度D成比例關係，該比例為H：D=1：2；各別之菱鏡微結構之水平夾角θ1=45°。