屏下指纹识别系统的制作方法

本实用新型涉及一种屏下指纹识别系统。

背景技术：

由于行动支付的兴起，因而生物识别的需求急速膨胀，而生物识别技术又可区分为指纹识别技术、虹膜识别技术、DNA识别技术等。考量效率、安全与非侵入性的需求，指纹识别已逐渐成为生物识别的主流技术。

目前指纹识别技术中，又以屏下指纹识别(Fingerprint on display,FOD)为各家厂商积极研发的，屏下指纹识别可进一步去除实体按键，将指纹识别的感测元件直接设置于显示元件的下方，可以达到更高的屏占比，是现今窄边框的显示装置追求的目标。

由于屏下指纹识别相较于传统的电容式指纹识别，感测光束在进入感测元件时，需经过显示元件及多个光学膜层，因而进入图像感测元件的光强度变得非常微弱，故通常需通过信号放大的技术手段来提高成像的品质，以提高指纹识别的成功率。

然而，因图像感测元件中心区域与周边区域接收到的光强度存落差，造成在进行信号放大处理时光强度较强的区域信号过于饱和，因而损失部分信号的细节，导致感测品质差。

技术实现要素：

本实用新型提供一种屏下指纹识别系统，指纹识别效果佳。

本实用新型一实施例的屏下指纹识别系统，包括图像感测元件、显示元件、光学镜头以及带通滤光元件。图像感测元件配置于显示元件的下方。光学镜头配置于图像感测元件与显示元件之间。带通滤光元件配置于图像感测元件与显示元件之间。待识别物设置于显示元件上。初始光束入射待识别物，待识别物反射初始光束以形成感测光束，感测光束通过显示元件、光学镜头及带通滤光元件而传递至图像感测元件。带通滤光元件允许特定波长范围的光通过。所述特定波长范围与初始光束的波长范围部分地重叠。

本实用新型的一实施例中，上述的初始光束的波长介于λL1至λL2的范围，感测光束包括第一子光束，第一子光束与带通滤光元件的法线的入射角θ1实质上为0o，带通滤光元件具有对第一子光束的第一滤光频谱，第一滤光频谱在波长λF11及波长λF12所对应的穿透率为50％，波长λF11小于波长λF12，而λL1≤λF11<λL2。

本实用新型的一实施例中，上述的带通滤光元件配置于图像感测元件与光学镜头之间。

本实用新型的一实施例中，上述的带通滤光元件配置于显示元件与光学镜头之间。

本实用新型的一实施例中，上述的感测光束还包括第二子光束，第二子光束与带通滤光元件的法线的入射角θ2大于第一子光束与带通滤光元件的法线的入射角θ1，带通滤光元件具有对第二子光束的第二滤光频谱，第二滤光频谱在波长λF21及波长λF22所对应的穿透率为50％，波长λF21小于波长λF22，λF21<λF11。

本实用新型的一实施例中，上述的λL1≤λF21<λF11。

本实用新型的一实施例中，上述的λF21<λL1。

本实用新型的一实施例中，上述的第一滤光频谱的半带宽大于初始光束的半带宽。

本实用新型的一实施例中，上述的显示元件发出初始光束。

本实用新型一实施例的屏下指纹识别系统，用以识别待识别物，包括图像感测元件、显示元件以及光学镜头。图像感测元件配置于显示元件的下方。光学镜头配置于图像感测元件与显示元件之间，其中初始光束于显示元件上形成光斑，光斑包括中间部及中间部外的周边部，周边部的亮度大于中间部的亮度。

本实用新型的一实施例中，上述的初始光束包括中间子光束以及周边子光束，中间子光束于显示元件上形成光斑的中间部，周边子光束于显示元件上形成光斑的周边部，中间子光束通过光学镜头的光轴区，周边子光束通过光学镜头的周边区。

基于上述，本实用新型的一实施例的屏下指纹识别系统，其包括带通滤光元件。由于带通滤光元件对于具有不同入射角的光束具有不同的滤光频谱，因而能使图像感测元件的边缘的亮度得到补偿，进而提升屏下指纹识别系统的识别品质。

另外，在本实用新型的另一实施例的屏下指纹识别系统，初始光束所形成的光斑具有不均匀的亮度分布。具体而言，所述光斑具有亮度较低的中间部及亮度较高的周边部，初始光束包括中间子光束及周边子光束，中间子光束形成光斑的中间部，周边子光束于显示元件上形成光斑的周边部，中间子光束通过光学镜头的光轴区，而周边子光束通过光学镜头的周边区。周边子光束的光强度大于中间子光束的光强度，因此周边子光束能对镜头遮光(lens shading)进行补偿，进而提升屏下指纹识别系统的识别品质。

为让本实用新型的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1是本实用新型的一实施例中的屏下指纹识别系统的剖面示意图。

图2示出本实用新型一实施例的屏下指纹识别系统的带通滤光元件对第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4所分别具有的第一滤光频谱SF1、第二滤光频谱SF2、第三滤光频谱SF3以及第四滤光频谱SF4以及初始光束L的发光频谱SL。

图3A是本实用新型一实施例的图像感测元件的俯视示意图。

图3B示出图3A的线段A-A’所在处的图像感测元件上的光分布曲线I，以及示出一比较例的屏下指纹识别系统的图像感测元件上的光分布曲线Iref。

图4是本实用新型的另一实施例中的屏下指纹识别系统的剖面示意图。

图5是本实用新型的又一实施例的屏下指纹识别系统的剖面示意图。

图6A示出显示元件120上的光斑P。

图6B是对应图6A的线段B-B’所绘制出光斑P的中间部与周边部的亮度分布示意图。

图7示出图5的屏下指纹识别系统100C的显示元件120上的光斑P被待识别物10反射而于其图像获取元件110上的光分布曲线S1。

图8示出一比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’。

图9示出一比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’被待识别物反射而于其图像获取元件上的光分布曲线S1’。

附图标记说明：

10：待识别物；

100A、100B、100C：屏下指纹识别系统；

110：图像感测元件；

110c：中心；

120：显示元件；

130：光学镜头；

130c：光轴区；

130e：周边区；

140：带通滤光元件；

150：壳体；

160：基板；

170：透明盖板；

170s：上表面；

A-A’、B-B’、C-C’：剖线；

Bc、Be：亮度；

I、Iref、S1、S1’：光分布曲线；

L：初始光束；

L’：感测光束；

Lc：中间子光束；

Le：周边子光束；

L1：第一子光束；

L2：第二子光束；

L3：第三子光束；

L4：第四子光束；

N：法线；

SL：发光频谱；

SF1：第一滤光频谱；

SF2：第二滤光频谱；

SF3：第三滤光频谱；

SF4：第四滤光频谱；

P、P’：光斑；

Pc：中间部；

Pe：周边部；

WL、WF1、WF2、WF3、WF4：半带宽；

X、Y、Z：方向；

θ1、θ2、θ3、θ4：入射角；

ΔS1、ΔS1’：高低差；

λF11、λF12、λF21、λF22、λF31、λF32、λF41、λF42、λL1、λL2、λL3、λL4：波长。

具体实施方式

于本说明书中以及于所附的权利要求各项中，将述及多个术语，须定义为具有后述定义：“选择性”或“选择性地”表示随后说明的境况可能或可能不发生，故该描述是包括该境况发生的情况及该境况不发生的情况。举例言之，若装置选择性地含有用于样本收集单元的特性件，则表示该样本收集单元可能或可能不存在，及如此，该描述包括其中一装置具有该样本收集单元的结构及其中不存在样本收集单元的结构二者。

如此处使用，“实质的”表示多于最低量或无效量；及“实质上地”表示多于最低地或无效地。如此，举例言之，如此处使用，“实质上不同”一语表示二数值间有够高的差异度，使得本领域技术人员将考虑在由该等值所度量的特性的脉络以内，二值间的差异是具有统计意义。因此，实质上彼此不同的二值间的差异典型地大于约10％，及可为大于约20％，大于约30％，大于约40％，或大于约50％，随着参考值或比较器值的函数而变化。

图1是本实用新型的一实施例中的屏下指纹识别系统的剖面示意图。图2示出本实用新型一实施例的屏下指纹识别系统的带通滤光元件对第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4所分别具有的第一滤光频谱SF1、第二滤光频谱SF2、第三滤光频谱SF3、第四滤光频谱SF4以及初始光束L的发光频谱SL。第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4分别以入射角θ1、入射角θ2、入射角θ3及入射角θ4入射带通滤光元件140。入射角θ1、入射角θ2、入射角θ3及入射角θ4例如但不限于分别于0°、10°、20°及30°。

请先参见图1及图2，在本实用新型的一实施例中，屏下指纹识别系统100A包括图像感测元件110、显示元件120、光学镜头130以及带通滤光元件140。图像感测元件110配置于显示元件120的下方上。光学镜头130配置于图像感测元件110与显示元件120之间。带通滤光元件140配置于图像感测元件110与显示元件120之间。举例而言，在本实施例中，带通滤光元件140可选择性地配置于图像感测元件110与光学镜头130之间，但不以此为限。在本实施例中，图像感测元件110可包括多个感测区(未示出)，设置于方向X及方向Y所在的平面上，而图像感测元件110、显示元件120、光学镜头130及带通滤光元件140可沿着垂直于方向X及方向Y的方向Z排列。

在本实施例中，图像感测元件110可为互补式金氧半图像感测元件(CMOS Image Sensor,CIS)、电荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或其他合适种类的图像感测元件。

在本实施例中，显示元件120可为自发光显示元件，例如但不限于：有机发光二极管元件(Organic Light-Emitting Diode,OLED)。然而，本实用新型不限于此，根据其它实施例，显示元件120也可为非自发光显示元件，例如但不限于：液晶显示元件(Liquid Crystal Display,LCD)。

在本实施中，光学镜头130可为多个透镜的组合。举例来说，多个透镜可为双凸透镜、双凹透镜、平凸透镜、平凹透镜、凸凹透镜、其它透镜、或以上至少两者的组合。光学镜头130用以将被待识别物10反射的感测光束L’成像于图像感测元件110。

在本实施例中，屏下指纹识别系统100A还可包括壳体150，用以容置光学镜头130。壳体150还可选择性地容置带通滤光元件140及图像感测元件110，但本实用新型不以此为限。此外，屏下指纹识别系统100A还可选择性地包括基板160以及透明盖板170。基板160可用以承载图像感测元件110。透明盖板170配置于显示元件120上，以保护显示元件120。透明盖板170具有上表面170s，其中待识别物10适于设置于透明盖板170的上表面170s上。也就是说，透明盖板170的上表面170s可以是屏下指纹识别系统100A的按压面，但本实用新型不以此为限。

在本实施例中，屏下指纹识别系统100A还可包括与图像感测元件110电性连接的放大器(未示出)。图像感测元件110用以接收感测光束L’，以转换出对应的电信号，而放大器用以放大图像感测元件110所输出的电信号。

请参见图1，在本实施例中，待识别物10设置于显示元件120上，初始光束L入射待识别物10，待识别物10反射初始光束L以形成感测光束L’，感测光束L’通过显示元件120、光学镜头130及带通滤光元件140而传递至图像感测元件110。在本实施例中，显示元件120例如是自发光显示元件，而初始光束L可由显示元件120所发出。然而，本实用新型不限于此，在其它实施例中，初始光束L也可由其它光源发出。在本实施例中，待识别物10可为指纹、静脉或其他生物特征，本实用新型并不加以限制。

具体来说，当初始光束L被待识别物10反射后，便会形成带有待识别物10信息(例如是指纹的波峰与波谷)的感测光束L’。感测光束L’又可包括第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3及第四子光束L4，其中第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3及第四子光束L4分别与带通滤光元件140的法线N形成入射角θ1、θ2、θ3以及θ4，而入射角θ1实质上为0o且θ1<θ2<θ3<θ4<90°。然而，本实用新型不以此为限，在其他实施例中，感测光束L’可包括更多与带通滤光元件140的法线N形成不同入射角的多个子光束，在本实施例中示例性地表示第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4，不代表本实用新型的感测光束L’仅有四条子光束。

请同时参见图1及图2，在本实施例中，初始光束L的发光频谱SL的波长介于λL1至λL2的范围，波长λL1小于波长λL2。举例而言，在本实施例中，λL1可为400纳米，而λL2可为700纳米；较佳地，λL1可为380纳米，而λL2可为630纳米，即初始光束L的发光频谱SL的波长范围约为绿光的波长的范围，但本实用新型不以此为限。

在本实施例中，带通滤光元件140具有分别对应第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4的第一滤光频谱SF1、第二滤光频谱SF2、第三滤光频谱SF3以及第四滤光频谱SF4，第一滤光频谱SF1在波长λF11及波长λF12所对应的穿透率为50％，波长λF11小于波长λF12，而λL1≤λF11<λL2。第二滤光频谱SF2在波长λF21及波长λF22所对应的穿透率为50％，波长λF21小于波长λF22，而λF21<λF11，较佳地，λL1≤λF21<λF11。第三滤光频谱SF3在波长λF31及波长λF32所对应的穿透率为50％，波长λF31小于波长λF32，而λF31<λF21，较佳地，λL1≤λF31<λF21。第四滤光频谱SF4在波长λF41及波长λF42所对应的穿透率为50％，波长λF41小于波长λF42，而λF41<λF31，较佳地，λL1≤λF41<λF31。在本实施例中，第一子光束L1对应的第一滤光频谱SF1的半带宽WF1大于初始光束L的发光频谱SL的半带宽WL、第二子光束L2对应的第二滤光频谱SF2的半带宽WF2可大于初始光束L的发光频谱SL的半带宽WL、第三子光束L3对应的第三滤光频谱SF3的半带宽WF3可大于初始光束L的发光频谱SL的半带宽WL、第四子光束L4对应的第四滤光频谱SF4的半带宽WF4可大于初始光束L的发光频谱SL的半带宽WL。半带宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)是指频谱对应穿透率为50％的两个波长之差。举例而言，第一滤光频谱SF1的半带宽WF1＝λF12-λF11、第二滤光频谱SF2的半带宽WF2＝λF22-λF21、第三滤光频谱SF3的半带宽WF3＝λF32-λF31、第四滤光频谱SF4的半带宽WF4＝λF42-λF41以及初始光束L的发光频谱SL的半带宽WL＝λL4-λL3。

图3A是本实用新型一实施例的图像感测元件的俯视示意图。图3B示出图3A的线段A-A’所在处的图像感测元件上的光分布，其以曲线I表示。图3B还示出一比较例的屏下指纹识别系统的图像感测元件上的光分布，其以曲线Iref表示。比较例的屏下指纹识别系统与图1的屏下指纹识别系统100A的差异仅在于：比较例的屏下指纹识别系统不包括带通滤光元件140。此外，图3B的x轴代表离图像感测元件110的中心110c的距离，图3B的y轴代表归一化的亮度。

请同时参见图1至图3B，在本实施例中，感测光束L’通过带通滤光元件140而传递至图像感测元件110，形成对应于图像感测元件110上不同区域的亮度分布。详细来说，感测光束L’的第一子光束L1、第二子光束L2、第三子光束L3以及第四子光束L4于传递至图像感测元件110时，第一子光束L1传递至较靠近图像感测元件110中心110c处，且第二子光束L2、第三子光束L3及第四子光束L4传递至图像感测元件110上的所在位置依序逐渐远离图像感测元件110的中心110c处。

请同时参见图1至图3B，带通滤光元件140具有滤光频谱随入射光束的入射角变化的特性，具体而言，当入射角由0度开始增加时，带通滤光元件140具有滤光频谱会往短波方向移动。也就是说，第二子光束L2对应的第二滤光频谱SF2较第一子光束L1对应的第一滤光频谱SF1往短波方向偏移，第三子光束L3对应的第三滤光频谱SF3较第二子光束L2对应的第二滤光频谱SF2往短波方向偏移，第四子光束L4对应的第四滤光频谱SF4较第三子光束L3对应的第三滤光频谱SF3往短波方向偏移。

通过带通滤光元件140的有滤光频谱随入射光束的入射角变化的特性，具有越大的入射角的子光束能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例(也即，子光束通过带通滤光元件140后的量与子光束在入射带通滤光元件140前的量的比值)越高。具体而言，第四子光束L4能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例大于第三子光束L3能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例，第三子光束L3能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例大于第二子光束L2能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例，第二子光束L2能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例大于第一子光束L1能通过带通滤光元件140而到达图像获取元件110的比例。藉此，本实施例的屏下指纹识别系统100A的图像获取元件110上的光分布曲线I会较比较例的屏下指纹识别系统的图像获取元件上的光分布曲线Iref平缓，光分布曲线I所对应的电信号更适合被放大器所增益而不易出现过饱和而损失图像细节的问题，有助于提升屏下指纹识别系统100A的识别品质。

图4是本实用新型的另一实施例中的屏下指纹识别系统的剖面示意图。图4的屏下指纹识别系统100B与图1的屏下指纹识别系统100A相比，其差异在于：带通滤光元件140配置于显示元件120与光学镜头130之间，其他有关屏下指纹识别系统的设置特征，及其带来的技术功效类似于图1的屏下指纹识别系统100A，可参阅前述实施例的描述，在此不另赘述。

图5是本实用新型的又一实施例的屏下指纹识别系统的剖面示意图。图6A示出显示元件120上的光斑P。图6B是对应图6A的线段B-B’所绘制出光斑P的中间部与周边部的亮度分布示意图。图7示出图5的屏下指纹识别系统100C的显示元件120上的光斑P被待识别物10反射而于其图像获取元件110上的光分布曲线S1。

请参见图5，在本实施例中，屏下指纹识别系统100C类似图1的技术识别装置100A，其差别在于：屏下指纹识别系统100C不具有带通滤光元件，而其他光学元件的设置特征类似图1中的屏下指纹识别系统100A，在此不另赘述，在此仅描述本实施例中有别于前述实施例的内容。

请参见图5至图6B，在本实施例中，屏下指纹识别系统100C用以识别待识别物10，其包括图像感测元件110、显示元件120以及光学镜头130。显示元件120配置于图像感测元件110上。光学镜头130配置于图像感测元件110与显示元件120之间，初始光束L于显示元件120上形成光斑P，光斑P包括中间部Pc及中间部Pc外的周边部Pe，周边部Pe的亮度大于中间部Pc的亮度。在本实施例中，初始光束L包括中间子光束Lc以及周边子光束Le，中间子光束Lc于显示元件120上形成光斑P的中间部Pc，周边子光束Le于显示元件120上形成光斑P的周边部Pe，中间子光束Lc通过光学镜头130的光轴区130c，周边子光束Le通过光学镜头130的周边区130e。

请参见图6A至图6B，在本实施例中，光斑P的中间部Pc的亮度为Bc、光斑P的周边部Pe的亮度Be，而Be>Bc。在本实施例中，光斑P具有亮度Bc及亮度Be两种亮度。然而，本实用新型不以此为限。在其他实施例中，在中间部Pc与周边部Pe之间的交界的亮度可渐进式地由中间部Pc往周边部Pe的方向增加。

图8示出一比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’。图9示出一比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’被待识别物反射而于其图像获取元件上的光分布曲线S1’。比较例的屏下指纹识别系统与本实施例的屏下指纹识别系统100C的差异仅在于：比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’系为具有均匀的光强分布。请参照图8及图9，比较例的屏下指纹识别系统的显示元件上的光斑P’被待识别物反射后，受到其光学镜头的遮光(lens shading)效应的影响，被反射的光斑P’于其图像获取元件上的光分布曲线S1’的高低差ΔS1’大。请参照图6A、图6B及图7，本实施例的屏下指纹识别系统100C的显示元件120上的光斑P具有不均匀的光强分布，具有不均匀的光强分布的光斑P与其光学镜头130的遮光(lens shading)效应能互相补偿，而使最终形成在图像获取元件110上的光分布曲线S1的高低差ΔS1小。藉此，光分布曲线S1所对应的电信号更适合被放大器所增益而不易出现过饱和而损失图像细节的问题，有助于提升屏下指纹识别系统100C的识别品质。

虽然本实用新型已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，故本实用新型的保护范围当视所附的权利要求所界定者为准。