生物辨识装置及方法与穿戴式载体与流程

本发明涉及一种辨识装置及方法，且特别是涉及一种生物辨识装置及方法与应用此生物辨识装置的穿戴式载体。

背景技术：

生物辨识在当前社会扮演着越来越重要的角色，其中生物辨识种类目前主要包括脸部、虹膜、静脉和指纹辨识等。

以目前技术而言，针对智慧穿戴装置尚未出现身分辨识的解决办法，其因归咎于穿戴装置需要轻薄的身分辨识系统。再者，若以指、掌静脉辨识为例,大多先做静脉影像撷取，以目前技术而言，影像的数据量较大，处理速度过慢，且整张的影像撷取功耗较大，并不适合作为智慧穿戴装置的身分识别之用。因此，如何设计出一种具有低功耗、模块薄型化且处理速度快的生物辨识装置，已成为设计生物辨识装置时的重大技术挑战。

技术实现要素：

本发明提供一种生物辨识装置，采用光学层来达到薄型化的功效。

本发明提供一种生物辨识方法，可依序点亮红外光发光二极管，来降低数据量进而增加处理速度。

本发明提供一种穿戴式载体，具有上述的生物辨识装置。

本发明的生物辨识装置，用以辨识生物的部位的生物特征。生物辨识装置包括基板、影像感测器、光学层以及至少一红外光发光二极管。影像感测器配置于基板上。光学层配置于影像感测器上，且包括绕射图案。红外光发光二极管配置于光学层的绕射图案上，其中红外光发光二极管位于生物的部位与影像感测器之间，且光学层位于红外光发光二极管与影像感测器之间。

本发明的生物辨识装置，用以辨识生物的部位的生物特征。生物辨识装置包括基板、影像感测器、多个红外光发光二极管以及光学层。影像感测器配置于基板上且包括多个感光单元。红外光发光二极管配置于基板上，其中红外光发光二极管与感光单元交错排列。光学层包括多个透镜部，其中透镜部对位于部分感光单元，各透镜部在基板上的正投影重叠于对应的感光单元在基板上的正投影，且透镜部位于生物的部位与对应的感光单元之间。

本发明的穿戴式载体，适于穿戴于使用者上。穿戴式载体包括显示单元、带状单元以及生物辨识装置。带状单元连接显示单元彼此相对的第一边缘与第二边缘。生物辨识装置配置于显示单元或带状单元上，用以辨识生物的部位的生物特征。生物辨识装置包括基板、影像感测器、光学层以及至少一红外光发光二极管。影像感测器配置于基板上。光学层配置于影像感测器上且包括绕射图案。红外光发光二极管配置于光学层的绕射图案上，其中红外光发光二极管位于生物的部位与影像感测器之间，且光学层位于红外光发光二极管与影像感测器之间。

本发明的穿戴式载体，适于穿戴于使用者上。穿戴式载体包括显示单元、带状单元以及生物辨识装置。带状单元连接显示单元彼此相对的第一边缘与第二边缘。生物辨识装置配置于显示单元或带状单元上，用以辨识生物的部位的生物特征。生物辨识装置包括基板、影像感测器、多个红外光发光二极管以及光学层。影像感测器配置于基板上且包括多个感光单元。红外光发光二极管配置于基板上，其中红外光发光二极管与感光单元交错排列。光学层包括多个透镜部，其中透镜部对位于部分感光单元，各透镜部在基板上的正投影重叠于对应的感光单元在基板上的正投影，且透镜部位于生物的部位与对应的感光单元之间。

本发明的生物辨识方法，包括以下步骤。接收特征图像数据。使生物的部位耦接于生物辨识装置上，其中生物辨识装置包括多个感光单元以及多个红外光发光二极管，而感光单元对应红外光发光二极管设置，且每一红外光发光二极管适于发出光束至生物的部位。依序点亮至少部分红外光发光二极管及依序开启对应的感光单元，而使对应的感光单元接收部位所散射的光束并分别产生辨识感测图像。将辨识感测图像与特征图像数据进行比对，并依据比对结果输出辨识结果。

基于上述，由于本发明的一实施例的生物辨识装置是采用光学层的设计来取代现有大体积的光学模块，因此本发明的生物辨识装置可具有薄型化的优势。再者，本发明的另一实施例的生物辨识装置，其光学层具有透镜部，可使生物辨识装置提供面光源，可降低后续于辨识照明时红外光发光二极管所需的强度与功耗。此外，由于本发明的生物辨识方法是采用依序点亮红外光发光二极管的方式，因此可降低影像感测器处理的数据量，因而可以加速影像处理的速度，而快速得知辨识的结果。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图作详细说明如下。

附图说明

图1A为本发明的一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图1B为图1A的生物辨识装置的局部俯视的分解示意图；

图2A至图2E为光学层中多种不同实施例的绕射图形的示意图；

图3A为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图3B为图3A的生物辨识装置的局部放大的剖面示意图；

图4A为本发明的一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图4B为图4A的生物辨识装置的局部俯视的示意图；

图4C为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图4D为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图5为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图6为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图；

图7为本发明的一实施例的一种穿戴式载体的示意图；

图8为本发明的一实施例的一种生物辨识方法的流程示意图；

图9为生物的部位的生物特征的示意图；

图10A至10H为图9中的区域A至区域H的放大示意图；

图11为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的局部俯视的示意图。

符号说明

10：生物

12：部位

100a、100b、100c、100d、100e、100f、100g、100h：生物辨识装置

110：基板

120a、120f、120g：影像感测器

122a、122c、122d、122h：感光单元

123d：第二上表面

130a、130b、130c、130f、130g：光学层

130b1：上表面

131b：第一氧化硅层

132a、132b：绕射图案

132c、132f、132g：透镜部

133b：氮化硅层

134a：透光基材

134c、134g：透光平板部

135b：第二氧化硅层

135c、135g：顶表面

137b：金属层

139b：导电通孔

140a、140c、140d、140e、140f、140g、140h：红外光发光二极管

142d、142e：第一上表面

143d：周围表面

145：导电凸块

150：挡墙结构

152：第三上表面

200：穿戴式载体

210：显示单元

210a：第一边缘

210b：第二边缘

212：显示面

214：背面

220：带状单元

222：外表面

224：内表面

A、B、C、D、E、F、G、H：区域

AG：空气间隙

D1、D2、D3：区块

DF1、DF2、DF3、DF4、DF5、DF6、DF7、DF8：绕射图形

L、L’：光束

L1、L2、L3：绕射光

LS、LS’：散射光束

S：狭缝

S1、S2、S3、S4、S5：步骤

具体实施方式

图1A绘示为本发明的一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。图1B绘示为图1A的生物辨识装置的局部俯视的分解示意图。请同时参考图1A与图1B，在本实施例中，生物辨识装置100a用以辨识生物10的部位12的生物特征，其中生物10的部位12例如是人体的手腕，而生物特征例如是静脉网络图像特征。生物辨识装置100a包括基板110、影像感测器120a、光学层130a以及至少一红外光发光二极管140a(图1A与图1B中示意地绘示多个红外光发光二极管)。影像感测器120a配置于基板110上。光学层130a配置于影像感测器120a上，且包括绕射图案132a。红外光发光二极管140a配置于光学层130a的绕射图案132a上，其中红外光发光二极管140a位于生物10的部位12与影像感测器120a之间，且光学层130a位于红外光发光二极管140a与影像感测器120a之间。

详细来说，本实施例的影像感测器120a包括多个感光单元122a，且感光单元122a排列成阵列。光学层130a还包括透光基材134a，而绕射图案132a配置于透光基材134a上，以定义出多个狭缝S。如图1B所示，本实施例的光学层130a的透光基材134a可区分为多个区块，如区块D1、D2、D3，每一个区块D1(或区块D2、区块D3)中皆配置有绕射图形DF1(或绕射图形DF2、绕射图形DF3)，而这些绕射图形DF1、DF2、DF3可定义出绕射图案132a。位于区块D1的绕射图形DF1例如是由多个相同大小的直线图像所组成，而位于区块D2的绕射图形DF2例如是由多个不同宽度的直线图像所组成，且位于区块D3的绕射图形DF3例如是由多个相同大小的直线图像所组成，且直线图像相互交织而形成网格状，但并不以为限。举例来说，绕射图形的形状可如图2A～图2E所示的绕射图形DF4～DF8或其他适当形状，本发明不对此加以限制。值得一提的是，光学层130a的透光基材134a可依据需求而区分为所需要的区块数，而这些区块内可自行选择及搭配所需的绕射图形而定义出不同型态的绕射图案132a。

由于绕射图案132a是不透光的图案且配置于透光基材134a上，因此可于透光基材134a上定义出狭缝S(即没有绕射图案132a的区域)。红外光发光二极管140a位于绕射图案132a上，意即红外光发光二极管140a所发出的光束L不会由红外光发光二极管140a所在的位置进入光学层130a中，而是会入射到生物10的部位12后，经由生物10的部位12散射光束LS，而使散射的光束LS进入光学层130a中。接着，散射的光束LS通过狭缝S会产生绕射效应进而成像，而影像感测器120a接收到散射光束LS后，通过影像处理及分析比对后即可得知辨识结果。

由于本实施例的光学层130a具体化为单片式光学层，因此相较于现有多层透镜所组成的光学模块来说，可具有较薄的体积。所以，本实施例的生物辨识装置100a采用光学层130a来取代现有大体积的光学膜组，可大幅缩减整体的体积与厚度，可符合薄型化的趋势。

在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。

图3A绘示为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。图3B绘示为图3A的生物辨识装置的局部放大的剖面示意图。请同时参考图3A与图3B，本实施例的生物辨识装置100b与图1A及图1B的生物辨识装置100a相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的光学层130b的结构不同于上述实施例的光学层130a的结构。详细来说，本实施例的光学层130b还包括第一氧化硅层131b、氮化硅层133b以及第二氧化硅层135b。氮化硅层133b位于第氧化硅层131b与第二氧化硅层135b之间，而绕射图案132b位于第氧化硅层131b的上表面130b1的局部区域，且第二氧化硅层135b位于氮化硅层133b与影像感测器120a之间。此外，本实施例的光学层130b还包括金属层137b以及至少一导电通孔139b。金属层137b配置于第一氧化硅层131b的上表面130b1上且覆盖部分绕射图案132b。导电通孔139b电连接于金属层137b与影像感测器120a之间，而红外光发光二极管140a通过金属层137b及导电通孔139b与影像感测器120a电连接，其中的金属层137b也可由具有导电与遮光的材质来取代。

如图3B所示，红外光发光二极管140a可通过导电凸块145而电连接于金属层137b上。红外光发光二极管140a所发出的光束L入射到生物10的部位12后，经由生物10的部位12散射光束LS，而使散射的光束LS进入光学层130b中。接着，散射的光束LS会通过绕射图案132b而产生不同阶的绕射光L1、L2、L3，而不同阶的绕射光L1、L2、L3会往不同的方向绕射而被影像感测器120a的感光单元122a所接收，通过影像处理及分析比对后即可得知辨识结果。

图4A绘示为本发明的一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。图4B绘示为图4A的生物辨识装置的局部俯视的示意图。为了方便说明起见，图4B中省略绘示部分构件。请同时参考图4A与图4B，本实施例的生物辨识装置100c与图1A及图1B的生物辨识装置100a相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的红外光发光二极管140c与感光单元122c交错排列。光学层130c包括多个透镜部132c及透光平板部134c，其中透光平板部134c覆盖红外光发光二极管140c与感光单元122c，透镜部132c配置于透光平板部134c的顶表面135c上且对位于部分感光单元122c，各透镜部132c在基板110上的正投影重叠于对应的感光单元122c在基板110上的正投影，且透镜部132c位于生物10的部位12与对应的感光单元122c之间。也就是说，透镜部132c的个数少于感光单元122c的个数，且透镜部132c会遮盖部分感光单元122c。

更具体来说，本实施例的感光单元122c与红外光发光二极管140c例如但不限制为位于同一水平面上。此外，在本实施例中，感光单元122c的高度例如是大于红外光发光二极管140c的高度，然本发明不以此为限。

如图4A所示，红外光发光二极管140c所发出的光束LS’入射到生物10的部位12后，经由生物10的部位12散射光束LS’，而使散射的光束LS’进入光学层130c中。接着，散射的光束LS’有一部分会通过透镜部132c而被透镜部132c下方的感光单元122c所接收，而散射的光束LS’的另一部分会直接被没有被透镜部132c所遮盖的感光单元122c所接收，通过影像处理来处理感光单元122c所感测到有经过透镜部132c与没有经过透镜部132c的光且对比分析后即可得静脉图像。

由于本实施例的光学层130c具体化为单片式光学层，因此相较于现有多层透镜所组成的光学模块来说，可具有较薄的体积。所以可大幅缩减整体的体积与厚度，可符合薄型化的趋势。此外，本实施例利用LED阵列的形式产生面光源，如此一来，于后续辨识照明时可有效降低红外光发光二极管140c的强度与功耗。

图4C绘示为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。请参考图4C，本实施例的生物辨识装置100d与图4A的生物辨识装置100c相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的红外光发光二极管140d的第上表面142d的高度高于感光单元122d的第二上表面123d的高度。也就是说，本实施例的红外光发光二极管140d的高度大于感光单元122d的高度。由于本实施例的红外光发光二极管140d的高度大于感光单元122d的高度，为了避免感光单元122d接收到红外光发光二极管140d的侧向光，因此本实施例的红外光发光二极管140d的周围表面143d具有反射材料层144d，其中反射材料层144d的反射率例如是大于70％，而反射材料层144d的材质例如是金、银、铝，但并不以此为限。反射材料层144d的设置可将红外光发光二极管140d的侧向光反射而朝向正向出光。

当然，其他实施例中，也可通过不同的结构设计来使红外光发光二极管140d的侧向光不要射入感光单元122d中。请参考图4D，本实施例的生物辨识装置100e与图4C的生物辨识装置100d相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的生物辨识装置100e还包括多个挡墙结构150，配置于基板110上且环绕每一红外光发光二极管140e的周围，其中每一挡墙结构150具有第三上表面152，而第三上表面152高于第一上表面142e。挡墙结构150可将红外光发光二极管140e的侧向光由侧向传递改变成向上传递，以使侧向传递的光束能够被有效地利用。

图5绘示为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。请参考图5，本实施例的生物辨识装置100f与图4A的生物辨识装置100c相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的红外光发光二极管140f并非与感光单元交错排列。具体而言，类似于图1A所示的影像感测器120a配置于基板110上，且光学层130a及红外光发光二极管140a配置于影像感测器120a上，本实施例的影像感测器120f配置于基板110上，且红外光发光二极管140f、光学层130f及其透镜部132f配置于影像感测器120f上。

图6绘示为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的剖面示意图。请参考图6，本实施例的生物辨识装置100g与图5的生物辨识装置100f相似，惟二者主要差异之处在于：本实施例的光学层130g还包括透光平板部134g，其中透光平板部134g配置于红外光发光二极管140g上，且透光平板部134g、红外光发光二极管140g以及影像感测器120g定义出多个空气间隙AG，位于红外光发光二极管140g之间，而透镜部132g位于透光平板部134g的顶表面135g上。

图7绘示为本发明的一实施例的一种穿戴式载体的示意图。请参考图7，本实施例的穿戴式载体200，适于穿戴于使用者上。穿戴式载体200包括显示单元210、带状单元220以及上述的生物辨识装置如100a～100h如图7所示，穿戴式载体200具体化为手表，但并不以此为限。于其他未绘示的实施例中，其也可为运动手环或其他种类的穿戴式载体。

详细来说，本实施例的显示单元210例如是可显示时间资讯，其中显示单元210具有彼此相对的第一边缘210a与第二边缘210b以及彼此相对的显示面212与背面214。带状单元220连接显示单元210的第一边缘210a与第二边缘210b且可固定于使用者的手腕上，但并不以此为限。生物辨识装置100a(或生物辨识装置100b～100h)可配置于显示单元210的显示面212上。当然，于其他未绘示的实施例中，生物辨识装置100a(或生物辨识装置100b～100h)也可配置于显示单元210的背面214上；或者是，带状单元220的外表面222上；或者是，带状单元220的内表面224上。

由于本实施例的生物辨识装置100a(或生物辨识装置100b～100h)是采用光学层130a(或130b、130c、130f、130g)来取代现有由多层透镜所组成的光学模块，光学层表面近似于平面光学层，因此本实施例的生物辨识装置100a(或生物辨识装置100b～100h)具有薄型化的优势。当将此生物辨识装置100a(或生物辨识装置100b～100h)整合于穿戴装置而形成穿戴式载体200时，可使得穿戴式载体200除了具有原本的功能外(如显示时间的功能)，也具有生物辨识的功能，可满足使用者对于产品具有多功能的诉求。

图8绘示为本发明的一实施例的一种生物辨识方法的流程示意图。图9为生物的部位的生物特征的示意图。图10A至10H绘示为图9中的区域A至区域H的放大示意图。请先参考图8，本实施例的生物辨识方法，包括以下步骤：首先，步骤S1，注册使用者生物特征，并于第一次使用时接收特征图像数据，存储于装置中做为比对依据。此特征图像数据的建立例如是对生物10的部位12进行取像，如静脉取像，请参考图9，而后针对特征图像的地方(如图9中的区域A至区域H)进行萃取，而将特征图像的结构特征与位置数据存储而形成特征图像数据。特征图像数据的选取例如是血管的分岔处，请参考图10A至图10H中区域A至区域H内的血管分岔示意图。

接着，请再参考图8与图1A，步骤S2，使生物10的部位12耦接于生物辨识装置100a上，其中生物辨识装置100a包括多个感光单元122a以及多个红外光发光二极管140a，而感光单元122a对应红外光发光二极管140a设置，且每一红外光发光二极管140a适于发出光束L至生物10的部位12。

接着，请再参考图8与图1A，步骤S3，确认生物10的部位12与生物辨识装置100a之间的相对位置，确认相对位置的方式例如为下述流程。首先，点亮一至数个红外光发光二极管140a及开启对应的感光单元122a，而使感光单元122a接收部位所散射的光束LS并产生定位感测图像。此处，点亮红外光发光二极管140a其中的一个同时、之前或之后开启对应的感光单元122a，于此并不加以限制。然后，将定位感测图像与特征图像数据进行比对，以确认生物10的部位12与生物辨识装置100a之间的相对位置。若定位感测图像与特征图像数据不符合时，则需要回到步骤S2重新进行生物10的部位12与生物辨识装置100a的耦接，以调整生物10的部位12与生物辨识装置100a的相对位置。在其他实施例中，可通过其他适当方式进行所述相对位置的确认，本发明不对此加以限制。

接着，请再参考图8与图1A，步骤S4，确认相对位置之后，依序点亮至少部分红外光发光二极管140a及依序开启对应的感光单元122，而使对应的感光单元122接收部位所散射的光束LS并分别产生辨识感测图像。此处，依序点亮未被点亮的红外光发光二极管140a同时、之前或之后开启对应的感光单元122a，于此并不加以限制。

详细而言，所述依序点亮红外光发光二极管140a的方式可为，在各个时间点仅单一红外光发光二极管140a会被点亮，亦即，当点亮其中一个红外光发光二极管140a时，其余红外光发光二极管140a皆被关闭，然本发明并不以此为限。

最后，请再参考图8，步骤S5，将辨识感测图像与特征图像数据进行比对，并依据比对结果输出辨识结果。由于本实施例的采用依序点亮红外光发光二极管140a的方式来降低影像感测器120a处理的数据量，因此可以加速影像处理的速度，而快速得知辨识的结果。

当然，上述生物辨识方式所采用的生物辨识装置100a是作为举例说明之用，本领域的技术人员当可依据需求而自行选用前述实施例中的生物辨识装置100b～100h。若选用如图4A的生物辨识装置100c，由于生物辨识装置100c的光学层130c具有透镜部132c，因此生物辨识装置100c可提供面光源，可降低辨识照明时红外光发光二极管140c所需的强度与功耗。

图11绘示为本发明的另一实施例的一种生物辨识装置的局部俯视的示意图。请参考图11，本实施例的生物辨识装置100h与图4B的生物辨识装置100c相似，惟二者主要差异之处在于：生物辨识装置100h的基板110上配置了更多数量的红外光发光二极管140h，各感光单元122h被多个红外光发光二极管140h围绕，各红外光发光二极管140h发出的光束被生物的部位散射后，是由一或多个感光单元122h来感测所述散射光束。

依据需求，本领域的技术人员可在前述实施例中的生物辨识装置100b～100h中增设其他种类的感测元件，以使生物辨识装置的功能更加全面与多元。所述增设的感测元件例如是用以对生物体进行感测、对生物体所处环境进行感测或是用以提供其他感测功能，本发明并不对此加以限制。

综上所述，由于本发明的一实施例的生物辨识装置是采用光学层的设计来取代现有大体积的光学模块，光学层表面近似于平面光学层，因此本发明的生物辨识装置可具有薄型化的优势。再者，本发明的另一实施例的生物辨识装置，其光学层具有透镜部，可使生物辨识装置提供面光源，可降低后续于辨识照明时红外光发光二极管所需的强度与功耗。此外，由于本发明的生物辨识方法是采用依序点亮红外光发光二极管的方式，因此可降低影像感测器处理的数据量，因而可以加速影像处理的速度，而快速得知辨识的结果。

虽然结合以上实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应以附上的权利要求所界定的为准。