本发明涉及一种生物识别装置。
背景技术：
生物特征识别的种类包括脸部、声音、虹膜、视网膜、静脉、指纹和掌纹识别等。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，因此指纹识别装置已成为目前最普及的一种生物特征识别装置。依照感测方式的不同，指纹识别装置可分为光学式与电容式。电容式指纹识别装置组装于电子产品(例如：手机、平板计算机)时，电容式指纹识别装置上方多设有保护元件(coverlens)。一般而言，需额外加工(例如钻孔或薄化)保护元件，以使电容式指纹识别装置能够感测到手指触碰所造成的容值或电场变化。
相较于电容式指纹识别装置，光学式指纹识别装置获取容易穿透保护元件的光束以进行指纹识别，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。
光学式指纹识别装置通常包括光源、图像获取组件及盖板。光源用以发出光束，以照射按压在盖板上的手指。手指的指纹是由多条不规则的凸纹与凹纹所组成。被凸纹与凹纹作用(例如：漫射)的光束会在图像获取元件的光接收面上形成为明暗交错的指纹图像。图像获取元件可将指纹图像转换为对应的图像信息，并将图像信息输入处理单元。处理单元可利用算法计算对应于指纹的图像信息，以进行用户的身份识别。然而，在上述的取像过程中，被指纹漫射的光束易散乱地传递至图像获取元件，而造成取像质量不佳，影响识别结果。
技术实现要素：
本发明是针对一种生物识别装置，取像质量佳。
根据本发明的实施例，生物识别装置包括光源、导光元件、图像获取元件以及准直器。光源用以提供光束。导光元件位于光束的传递路径上。图像获取元件具有多个像素区。准直器位于导光元件与图像获取元件之间。准直器包括第一透光元件、至少一第二透光元件、第一遮光层以及多个第二遮光层。第一遮光层位于第一透光元件与至少一第二透光元件之间且具有分别重叠于多个像素区的多个第一开口。多个第二遮光层分别位于第一透光元件及至少一第二透光元件上。第一透光元件、第一遮光层及至少一第二透光元件位于多个第二遮光层之间。每一第二遮光层具有分别重叠于多个第一开口的多个第二开口。第一透光元件具有厚度h1。至少一第二透光元件具有厚度h2。第一遮光层的多个第一开口以间距p排列，第一遮光层的每一第一开口具有宽度w，而[(p-w)/w]·h1≧h2≧[w/(p-w)]·h1。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，至少一第二透光元件包括多个第二透光元件，准直器还包括第三遮光层。第三遮光层位于多个第二透光元件之间且具有分别重叠于多个第一开口的第三开口。厚度h2为多个第二透光元件的多个厚度的和。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，多个第二透光元件的多个厚度相等。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，第一透光元件及至少一第二透光元件朝图像获取元件的方向依序堆叠。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，第一透光元件及至少一第二透光元件朝远离图像获取元件的方向依序堆叠。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，生物识别装置还包括控光元件。控光元件位于导光元件与准直器之间，控光元件包括多个棱镜，且多个棱镜的多个顶角指向导光元件。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，生物识别装置还包括盖板。盖板位于导光元件上，其中盖板具有按压面，以供待识别物按压。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，待识别物包括指纹、静脉、掌纹或其组合。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，导光元件的材质包括玻璃。
在根据本发明的实施例的生物识别装置中，准直器还包括位于第一透光元件与至少一第二透光元件之间的至少一粘着层。
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识别装置的剖面示意图；
图2为图1的部分导光元件及控光元件的放大示意图；
图3为图1的准直器及图像获取元件的俯视示意图；
图4为图1的准直器、图像获取元件及电路板的剖面的放大示意图；
图5为图1的生物识别装置的图像获取元件上的光分布模拟图；
图6为比较例的准直器的剖面示意图；
图7为采用图6的准直器取代图1的准直器所获得的生物识别装置的图像获取元件上的光分布模拟图；
图8为本发明另一实施例的生物识别装置的准直器、图像获取元件及电路板的剖面示意图；
图9为本发明又一实施例的生物识别装置的准直器、图像获取元件及电路板的剖面示意图；
图10为本发明再一实施例的生物识别装置的剖面示意图。
附图标号说明
10、20、140、140a、140b：准直器；
11、21：透光元件；
141：第一透光元件；
142、142-1、142-2：第二透光元件；
100、100a：生物识别装置；
110：光源；
112：发光元件；
120：导光元件；
122：出光部；
122a：表面；
124：入光部；
124a：凹陷；
130：图像获取元件；
130a：像素区；
132：电荷耦合元件；
143：第一遮光层；
143a：第一开口；
144-1、144-2：第二遮光层；
144a：第二开口；
145：第三遮光层；
145a：第三开口；
150：电路板；
160：盖板；
162：按压面；
170：控光元件；
172：棱镜；
180：粘着层；
a-a’：剖线；
b、b’：光束；
ba；底角；
d1、d2：方向；
f：待识别物；
h1、h2、h21、h22：厚度；
p：间距；
r：区域；
ta：顶角；
w：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识别装置的剖面示意图。请参照图1，生物识别装置100例如为指纹识别装置，用以识别待识别物f的指纹。但本发明不限于此，在另一实施例中，生物识别装置100也可用以识别静脉、掌纹、其他生物特征或上述至少两个的组合。
生物识别装置100包括光源110、导光元件120、图像获取元件130及准直器140。
光源110用以提供光束b。光源110可为非可见光光源、可见光光源或其组合。换言之，光束b可为非可见光(例如：红外光)、可见光(例如：红光、蓝光、绿光或其组合)或其组合。举例而言，在本实施例中，光源110可包括多个发光元件112。每一发光元件112可为发光二极管或其他适当种类的发光元件。图1示意地绘出两个发光元件112，且两个发光元件112位在图像获取元件130的相对侧。但本发明不限于此，在其他实施例中，发光元件112的数量及配置方式可依实际需求做适当的改变。
导光元件120位于光束b的传递路径上。导光元件120用以将光束b导向待识别物f。举例而言，在本实施例中，导光元件120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。光源110与图像获取元件130可选择性地位于导光元件120的同一侧。生物识别装置100可进一步包括电路板150。光源110可配置在电路板150上且与电路板150电性连接。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与图像获取元件130可位于出光部122的下方，而光源110位于图像获取元件130旁。入光部124位于光源110与出光部122之间。详言之，在本实施例中，入光部124可固定在电路板150上，入光部124可具有凹陷124a，光源110位于凹陷124a与电路板150围出空间中。但本发明不限于此，在另一实施例中，电路板150可具有凹陷(未示出)，入光部124可不具凹陷，而光源110也可设置在电路板150的凹陷与入光部124围出的空间中。在又一实施例中，入光部124与电路板150可通过固定机构(未示出)或黏着层(未示出，例如：光学胶)固定在一起。在再一实施例中，入光部124可通过粘着层(未示出，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示意地绘出两个入光部124，且两个入光部124位在出光部122的相对侧。但本发明不限于此，在其他实施例中，入光部124的数量以及配置方式可依实际的需求做其他适当设计。
请参照图1，生物识别装置100可进一步包括盖板160。盖板160位于导光元件120上，且导光元件120位于盖板160与准直器140之间。盖板160具有按压面162，以供待识别物f按压。在本实施例中，盖板160可为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)，但本发明不以此为限。在一实施例中，盖板160与导光元件120可通过连接机构或粘着层(例如：光学胶)而固定在一起，但本发明不以此为限。若采用黏着层(未示出)固定盖板160与导光元件120，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，进而提升生物识别装置100的光利用效率和/或取像质量。但本发明不限于此，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可依序通过入光部124、出光部122及盖板160，并在盖板160的按压面162发生全内反射。经待识别物f作用(例如：漫射)的光束b’可依序通过盖板160及出光部122并传递至出光部122的表面122a。传递至表面122a的光束b’的一部分会被表面122a反射，而再次朝盖板160的按压面162传递。另一方面，传递至表面122a的光束b’的另一部分会自表面122a射出导光元件120。
在本实施例中，生物识别装置100可进一步包括控光元件170。控光元件位于导光元件120与准直器140之间，且控光元件170位于光束b’的传递路径上。举例而言，在本实施例中，控光元件170可配置在导光元件120的表面122a上，且导光元件120与控光元件170可通过连接机构或粘着层(例如：光学胶)而固定在一起，但本发明不以此为限。
控光元件170适于在光束b’通过准直器140前，预先将光束b’准直化，以收敛光束b’的发散角。藉此，可增加光束b’后续通过准直器140的机率。图2为图1的部份导光元件120以及控光元件170的放大示意图。请参照图1及图2，在本实施例中，控光元件170可包括多个棱镜172，且棱镜172的顶角ta指向导光元件120。在本实施例中，各棱镜172的两个底角ba的角度可相同。但本发明不以此为限，在其他实施例中，棱镜172的顶角ta及底角ba可依据实际的需求做其他适当设计。
图3为图1的准直器140及图像获取元件130的俯视示意图。图4为图1的准直器140、图像获取元件130及电路板150的剖面的放大示意图。图4对应于图3的剖线a-a’。请参照图1、图3及图4，图像获取元件130位于导光元件120下方且具有多个像素(pixel)区130a(绘于图4)，以接收经待识别物f作用的光束b’，进而取得待识别物f的图像。在本实施例中，图像获取元件130例如包括多个电荷耦合元件132(charge-coupleddevice,ccd)。图像获取元件130可配置于电路板150上并与电路板150电连接。电荷耦合元件132所在的区域为图像获取元件130的像素区130a。在另一实施例中，图像获取元件130可包括多个互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor,cmos)，而互补金属氧化物半导体所在的区域为图像获取元件130的像素区130a。
请参照图1，准直器140位于导光元件120与图像获取元件130之间，且准直器140位于待识别物f作用后的光束b’的传递路径上。举例而言，在本实施例中，准直器140可配置在图像获取元件130上，且准直器140与图像获取元件130可通过连接机构或粘着层(例如：光学胶)而固定在一起，但本发明不以此为限。
请参照图3及图4，准直器140包括第一透光元件141、第二透光元件142、第一遮光层143以及多个第二遮光层144-1、144-2。第一遮光层143位于第一透光元件141与第二透光元件142之间且具有分别重叠于多个像素区130a的多个第一开口143a。多个第二遮光层144-1、144-2分别位于第一透光元件141及第二透光元件142上。第一透光元件141、第一遮光层143及第二透光元件142位于多个第二遮光层144-1、144-2之间。每一第二遮光层144-1、144-2具有分别重叠于多个第一开口143a的多个第二开口144a。在本实施例中，第一遮光层143及第二遮光层144-1、144-2的材质以选用吸光材料为佳。举例而言，可采用含有吸光材料(例如：碳)的硅胶系、压克力系或光阻材料制作第一遮光层143及第二遮光层144-1、144-2。但本发明不限于此，在其他实施例中，第一遮光层143及第二遮光层144-1、144-2的材质也可选用其他适当的遮光材料，例如：反光材料。
请参照图3，在本实施例中，第二遮光层144-1、第一透光元件141、第一遮光层143、第二透光元件142及第二遮光层144-2可朝图像获取元件130的方向d1依序堆叠，但本发明不以此为限。另外，在本实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a的宽度w可大于或等于第一遮光层143的第一开口143a的宽度w，第一遮光层143的第一开口143a的宽度w可大于或等于第二遮光层144-2的第二开口144a的宽度w。举例而言，第二遮光层144-1的第二开口144a的宽度w、第一遮光层143的第一开口143a的宽度w及第二遮光层144-2的第二开口144a的宽度w可相同，但本发明不以此为限。进一步而言，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a及第二遮光层144-2的第二开口144a可具有相同或实质上相同的形状及尺寸。所谓实质上相同的形状及尺寸是考虑到制作工艺所造成的误差。在本实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a及第二遮光层144-2的第二开口144a的形状例如是矩形。但本发明不以此为限，在其他实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a及第二遮光层144-2的第二开口144a的形状也可以是圆形、三角形、五边形、其他多边形或其他适当形状。此外，在本实施例中，第二遮光层144-1的多个第二开口144a的排列间距p、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p及第二遮光层144-2的多个第二开口144a的排列间距p宽度w可相同。但本发明不以此为限，在其他实施例中，第二遮光层144-1的多个第二开口144a的排列间距p、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p及第二遮光层144-2的多个第二开口144a的排列间距p也可做其他适当设计。
请参照图4，在本实施例中，准直器140还包括粘着层180。粘着层180位于第一透光元件141与第二透光元件142之间，以连接相邻的第一透光元件141与第二透光元件142。在本实施例中，粘着层180的折射率以等于或接近第一透光元件141的折射率及第二透光元件142的折射率为佳，但本发明不限于此。粘着层180的材质例如为光学胶(opticalclearadhesive，oca)或薄膜型粘晶层(dieattachfilm，daf)，但本发明不以此为限。
值得注意的是，向准直器140传递的光束b’是否能被准直器140良好地准直化取决于第一遮光层143的第一开口143a的宽度w、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p、第二遮光层144-1的第二开口144a的宽度w、第二遮光层144-1的多个第二开口144a的排列间距p、第二遮光层144-2的第二开口144a的宽度w、第二遮光层144-2的多个第二开口144a的排列间距p、第一透光元件141的厚度h1和/或第二透光元件142的厚度h2等。在本实施例中，生物识别装置100透过适当地设计准直器140的第一透光元件141的厚度h1、第二透光元件142的厚度h2、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p及每一第一开口143a的宽度w可使准直器140具有良好的准直功能。详言之，如图4所示，第一透光元件141具有厚度h1，第二透光元件142具有厚度h2，第一遮光层143的多个第一开口143a以间距p排列，第一遮光层143的每一第一开口143a具有宽度w，而[(p-w)/w]·h1≧h2≧[w/(p-w)]·h1。换言之，第二透光元件142的厚度h2是根据第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p、第一遮光层143的第一开口143a的宽度w及第一透光元件141的厚度h1设计在特定的范围内。藉此，发散角较大的光束b’被位于准直器140内部的第一遮光层143阻挡的机率高，被待识别物f的每一处作用的光束b’可传递至对应的像素区130a而不易误入相邻的其他像素区130a，进而提高生物识别装置100的取像质量。以下搭配图5至图7进一步地说明之。
图5为图1的生物识别装置100的图像获取元件130上的光分布模拟图。图5中以虚线圈起的多个区域r分别对应图3的多个第二开口144a所在的区域。由图5可知，若采用本实施例的准直器140，通过中央的一个第二开口144a的光束b’会进入对应的像素区130a而不容易误入相邻的其他像素区130a。图6为比较例的准直器10的剖面示意图。请参照图4及图6，比较例的准直器10与本实施例的准直器140的差异在于，比较例的准直器10包括准直器140的第二遮光层144-1及第二遮光层144-2，但比较例的准直器10不包括设置于准直器140内部的第一遮光层143，且比较例的准直器10是用厚度h单一的一个透光元件11取代准直器140的具有特殊厚度设计的第一透光元件141与第二透光元件142。图7为采用图6的准直器10取代图1的准直器140所获得的生物识别装置的图像获取元件130上的光分布模拟图。图7中以虚线圈起的多个区域r分别对应图3的多个第二开口144a所在的区域。由图7可知，若采用图6的比较例的准直器10，应通过中央的一个第二开口144a而进入对应像素区130a的光束b’容易误入相邻的其他多个像素区130a。比对图5及图7可证，本实施例的生物识别装置100根据第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p、、第一遮光层143的第一开口143a的宽度w以及第一透光元件141的厚度h1将第二透光元件142的厚度h2设计在特定的范围内，藉此，通过每一第二开口144a的光束b’会进入对应像素区130a而不易误入其他相邻的像素区130a，而生物识别装置100具有高取像质量。
图8为本发明另一实施例的生物识别装置的准直器、图像获取元件及电路板的剖面示意图。请参照图8，准直器140a包括第一透光元件141、多个第二透光元件142-1、142-2、第一遮光层143以及多个第二遮光层144-1、144-2。第一遮光层143位于第一透光元件141与第二透光元件142-1之间且具有分别重叠于多个像素区130a的多个第一开口143a。多个第二遮光层144-1、144-2分别位于第一透光元件141及第二透光元件142-2上。第一透光元件141、第一遮光层143、第二透光元件142-1及第二透光元件142-2位于多个第二遮光层144-1、144-2之间。每一第二遮光层144-1、144-2具有分别重叠于多个第一开口143a的多个第二开口144a。准直器140a还包括第三遮光层143。第三遮光层145位于多个第二透光元件142-1、142-2之间且具有分别重叠于多个第一开口143a的多个第三开口145a。
在本实施例中，第二遮光层144-1、第一透光元件141、第一遮光层143、第二透光元件142-1、第三遮光层145、第二透光元件142-2及第二遮光层144-2可朝图像获取元件130的方向d1依序堆叠，但本发明不以此为限。另外，在本实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a的宽度w可大于或等于第一遮光层143的第一开口143a的宽度w，第一遮光层143的第一开口143a的宽度w可大于或等于第三遮光层145的第三开口145a的宽度w，第三遮光层145的第三开口145a的宽度w可大于或等于第二遮光层144-2的第二开口144a的宽度w。举例而言，第二遮光层144-1的第二开口144a的宽度w、第一遮光层143的第一开口143a的宽度w、第三遮光层145的第三开口145a的宽度w及第二遮光层144-2的第二开口144a的宽度w可相同，但本发明不以此为限。
进一步而言，在本实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a、第三遮光层145的第三开口145a及第二遮光层144-2的第二开口144a可具有相同或实质上相同的形状及尺寸。所谓实质上相同的形状及尺寸是考虑到制作工艺所造成的误差。在本实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a、、第三遮光层145的第三开口145a及第二遮光层144-2的第二开口144a的形状例如是矩形。但本发明不以此为限，在其他实施例中，第二遮光层144-1的第二开口144a、第一遮光层143的第一开口143a、、第三遮光层145的第三开口145a及第二遮光层144-2的第二开口144a的形状也可以是圆形、三角形、五边形或其他适当形状。此外，在本实施例中，第二遮光层144-1的多个第二开口144a的排列间距p、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p、第三遮光层145的多个第三开口145a的排列间距p及第二遮光层144-2的多个第二开口144a的排列间距p可相同。但本发明不以此为限，在其他实施例中，第二遮光层144-1的多个第二开口144a的排列间距p、第一遮光层143的多个第一开口143a的排列间距p、第三遮光层145的多个第三开口145a的排列间距p及第二遮光层144-2的多个第二开口144a的排列间距p也可做其他适当设计。
请参照图8，在本实施例中，准直器140还包括多个粘着层180。一个粘着层180位于第一透光元件141与第二透光元件142-1之间，以连接相邻的第一透光元件141与第二透光元件142-1。另一个粘着层180位于相邻的两个第二透光元件142-1与第二透光元件142-2之间，以连接相邻的第二透光元件142-1与第二透光元件142-2。在本实施例中，粘着层180的折射率以等于或接近第一透光元件141的折射率、第二透光元件142-1的折射率及第二透光元件142-2的折射率为佳，但本发明不限于此。粘着层180的材质例如为光学胶(opticalclearadhesive，oca)或薄膜型粘晶层(dieattachfilm，daf)，但本发明不以此为限。
请参照图8，值得注意的是，第一透光元件141具有厚度h1，第二透光元件142-1具有厚度h21，第二透光元件142-2具有厚度h22，第一遮光层143的多个第一开口143a以间距p排列，第一遮光层143的第一开口143a具有宽度w，而[(p-w)/w]·h1≧(h21+h22)≧[w/(p-w)]·h1。在本实施例中，第二透光元件142-1的厚度h21与第二透光元件142-2的厚度h22实质上可相同。准直器140a具有与准直器140类似的功效与优点，在此便不再重述。
图9为本发明又一实施例的生物识别装置的准直器、图像获取元件及电路板的剖面示意图。图9的准直器140b与图8的准直器140a类似，准直器140b与准直器140a的差异在于，准直器140b的第二遮光层144-2、第一透光元件141、第一遮光层143、第二透光元件142-1、第三遮光层145、第二透光元件142-2及第二遮光层144-1是朝远离图像获取元件130的方向d2依序堆叠。准直器140b具有与准直器140类似的功效与优点，在此便不再重述。
图10为本发明再一实施例的生物识别装置的剖面示意图。请参照图10，前述准直器140、140a、140b的任一者也可应用在生物识别装置100a中。图10的生物识别装置100a与图1的生物识别装置100的差异在于：在生物识别装置100a中，供待识别物f按压的按压面可为导光元件120的表面122a。换言之，待识别物f可直接按压导光元件120的表面122a上，而生物识别装置100a的导光元件120可取代生物识别装置100的盖板160的功能。在本实施例中，导光元件120的材质例如为玻璃，但本发明不限于此，具备足够耐压性且外观符合需求的材质均可用以制作生物识别装置100a的导光元件120。
综上所述，本发明一实施例的生物识别装置包括光源、导光元件、具有多个像素区的图像获取元件及位于导光元件与图像获取元件之间的准直器。准直器包括第一透光元件、至少一第二透光元件、位于第一透光元件与至少一第二透光元件之间的第一遮光层以及分别位于第一透光元件与第二透光元件上的多个第二遮光层。第一透光元件具有厚度h1，至少一第二透光元件具有厚度h2，第一遮光层的多个第一开口以间距p排列，第一遮光层的第一开口具有宽度w，而[(p-w)/w]·h1≧h2≧[w/(p-w)]·h1。换言之，第二透光元件的厚度根据第一遮光层的多个第一开口的排列间距、第一遮光层的第一开口的宽度及第一透光元件的厚度设计在特定的范围内。藉此，发散角较大的光束被位于准直器内部的遮光层阻挡的机率高，被待识别物的每一处作用的光束可传递至对应的像素区而不易误入其他像素区，进而提高生物识别装置的取像质量。
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。