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TWI803110B - 影像感測裝置、指紋識別裝置及資訊處理裝置 - Google Patents

影像感測裝置、指紋識別裝置及資訊處理裝置 Download PDF

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Publication number
TWI803110B
TWI803110B TW110148347A TW110148347A TWI803110B TW I803110 B TWI803110 B TW I803110B TW 110148347 A TW110148347 A TW 110148347A TW 110148347 A TW110148347 A TW 110148347A TW I803110 B TWI803110 B TW I803110B
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TW
Taiwan
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light
coupled
signal
charge integration
Prior art date
Application number
TW110148347A
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English (en)
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TW202326513A (zh
Inventor
黃海波
李偉江
Original Assignee
大陸商北京集創北方科技股份有限公司
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Publication date
Application filed by 大陸商北京集創北方科技股份有限公司 filed Critical 大陸商北京集創北方科技股份有限公司
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Publication of TW202326513A publication Critical patent/TW202326513A/zh

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  • Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
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Abstract

本發明主要揭示一種影像感測裝置,其包括一光感測器陣列,其中,該光感測器陣列包括複數個光感測區塊,且各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數。依據本發明之設計,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點。特別地,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一光學層,且N-1個所述光學層具有不同的厚度,使得相鄰二個所述光感測器所接收的二個入射光之間係具有光程差。依此設計,在將本發明之影像感測裝置和一指紋識別電路整合成為一指紋識別裝置之後,該指紋識別電路可以依據該影像感測裝置對一指紋的一指紋感測信號而產生一三維指紋圖像,從而增加指紋識別的準確度。

Description

影像感測裝置、指紋識別裝置及資訊處理裝置
本發明係與CMOS影像感測器之技術領域,尤指可用於實現三維指紋採集的一種影像感測裝置。
生物辨識技術係藉由採集人體固有的生理特徵作為個體生物的辨識依據,例如:虹膜特徵、臉部特徵、聲紋特徵、與指紋特徵。在各種生物辨識技術中,指紋識別技術發展最為成熟,因而以一指紋識別電路的形式被廣泛地應用在各種行動裝置中。並且,隨著行動支付的普及,利用指紋識別實現身份辨識已成為行動電子裝置不可或缺的一種技術。
實務經驗指出,可以複製一用戶留在指紋讀取器的玻璃上的用戶指紋之後,利用彩色列印機印出一偽造指紋圖像,接著拿著該偽造指紋圖像成功欺騙該用戶的行動電子裝置之指紋識別電路,從而利用指紋識別實現身份辨識,成功解鎖該行動電子裝置的操作權,接著操作該行動電子裝置進行線上金融行為或是行動支付。因此,有必要對習知的指紋識別電路進行缺點改善,使其在對一指紋進行指紋採集及識別的過程中,能夠同時檢測該指紋的真假,藉以提升指紋識別的安全性。
有鑑於此,中國發明專利號CN109313706B揭示了包括:一光感測器陣列及一信號處理電路的指紋識別裝置,其中,該光感測器陣列包括複數個第一感測畫素(即,光二極體)以及複數個第二感測畫素(即,光二極體)。依據中國發明專利號CN109313706B的揭示內容,各所述第二感測畫素之上係設有一彩色濾光層,從而以複數個所述第二感測畫素作為複數個特徵畫素。該彩色濾光層221只允許特定波長範圍內的光信號通過,例如只允許綠光波段的光信號通過。依此設計,來自於手指表面的反射光直接由所述第一感測畫素所感光,且經過該彩色濾光層轉換成綠光之後由所述第一感測畫素所感光。應可理解,所述第一感測畫素在感光後所生成的第一光電流和所述第二感測畫素在感光後所生成的第二光電流會有一定程度上的光電流差異,此光電流差異即可作為用以辨識指紋真假之依據。
可惜的是,中國發明專利號CN109313706B之指紋識別裝置在對一指紋進行指紋採集之後,其只能夠獲取一2維指紋圖像,無法獲得3維指紋圖像。因此,習知的指紋識別裝置在指紋識別的準確度方面仍具有加以提升的空間。
由上述說明可知,本領域亟需一種可用於實現三維指紋採集的一種影像感測裝置。
本發明之主要目的在於提供一種影像感測裝置,用以與一指紋識別電路整合成為一指紋識別裝置,使該指紋識別裝置能夠在對一指紋進行指紋採集之後產生一三維指紋圖像,藉此方式增加指紋識別的準確度。
為達成上述目的,本發明提出所述影像感測裝置的一實施例,其包括:
一光感測器陣列,包括複數個光感測區塊,其中,各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點;
其中,在各所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一光學層,且N-1個所述光學層具有不同的厚度,使得相鄰二個所述光感測器所接收的二個入射光之間係具有光程差。
在一實施例中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一濾光層,且一個所述光感測器之上設有一透光層。
在一實施例中,該畫素電路更包括:
一第二開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;
一第三開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;以及
一第四開關元件,耦接該第三開關元件。
在一實施例中,本發明所述之影像感測裝置更包括:
一驅動電路,耦接該光感測器陣列,用以傳送一重置信號至各所述第二開關元件的一控制端,傳送一傳輸信號至各所述第一開關元件的一控制端,及/或傳送一選擇信號至各所述第四開關元件的一控制端;以及
一信號處理電路,包括:
一電荷積分單元,耦接至各所述第四開關元件的一輸出端;其中,在利用該重置信號控制各所述第二開關元件的開/關、利用該傳輸信號控制各所述第一開關元件的開/關以及利用該選擇信號控制各所述第四開關元件的開/關的情況下,各所述光感測區塊之N個所述光感測器的光電流係通過所述第四開關元件的該輸出端而傳送至該電荷積分單元,使該電荷積分單元分次對N個所述光電流進行電荷積分處理;
一相關雙採樣單元,耦接該電荷積分單元,用以分次接收該電荷積分單元所傳送的一電荷積分信號,從而依一參考信號對該電荷積分信號進行一差分處理;以及
一類比數位轉換單元,耦接該相關雙採樣單元,用以分次接收該相關雙採樣單元所傳送的一採樣信號,從而將該採樣信號換成一數位信號。
並且,本發明同時提出一種指紋識別裝置,其包括:
一光感測器陣列,包括複數個光感測區塊,其中,各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點;其中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器P之上係各設有一光學層,且N-1個所述光學層具有不同的厚度,使得相鄰二個所述光感測器所接收的二個入射光之間係具有光程差;
一讀出電路,耦接該光感測器陣列,用以各所述光感測區塊之中讀出N個光電流信號,且將對N個所述光電流信號轉換成N個數位信號;以及
一指紋識別單元,耦接該讀出電路,從而對各所述數位信號進行一影像處理,以獲得一採集指紋圖像,接著將該採集指紋圖像與一參考指紋圖像進行圖像匹配以完成指紋識別。
在一實施例中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一濾光層,且一個所述光感測器之上設有一透光層。
在一實施例中,該畫素電路更包括:
一第二開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;
一第三開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;以及
一第四開關元件,耦接該第三開關元件。
在一實施例中,該讀出電路包括:
一驅動電路,耦接該光感測器陣列,用以傳送一重置信號至各所述第二開關元件的一控制端,傳送一傳輸信號至各所述第一開關元件的一控制端,及/或傳送一選擇信號至各所述第四開關元件的一控制端;以及
一信號處理電路,包括:
一電荷積分單元,耦接至各所述第四開關元件的一輸出端;其中,在利用該重置信號控制各所述第二開關元件的開/關、利用該傳輸信號控制各所述第一開關元件的開/關以及利用該選擇信號控制各所述第四開關元件的開/關的情況下,各所述光感測區塊之N個所述光感測器的光電流係通過所述第四開關元件的該輸出端而傳送至該電荷積分單元,使該電荷積分單元分次對N個所述光電流進行電荷積分處理;
一相關雙採樣單元,耦接該電荷積分單元,用以分次接收該電荷積分單元所傳送的一電荷積分信號,從而依一參考信號對該電荷積分信號進行一差分處理;以及
一類比數位轉換單元,耦接該相關雙採樣單元,用以分次接收該相關雙採樣單元所傳送的一採樣信號,從而將該採樣信號換成一數位信號。
進一步地,本發明同時提出一種資訊處理裝置,其特徵在於具有如前所述本發明之指紋識別裝置。在可行的實施例中,該資訊處理裝置是選自於由指紋打卡裝置、門禁裝置、電子式門鎖、金融交易電子裝置、智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、和智慧型電視所組成群組之中的一種電子裝置。
為使  貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵、目的、與其優點,茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如後。
影像感測裝置
本發明旨在揭示一種影像感測裝置,可用以與一指紋識別電路整合成為一指紋識別裝置,使該指紋識別裝置能夠在對一指紋進行指紋採集之後產生一三維指紋圖像,藉此方式增加指紋識別的準確度。圖1顯示本發明之一種影像感測裝置的方塊圖。如圖1所示,本發明之影像感測裝置1包括:一光感測器陣列11、以及包括一驅動電路12、一信號處理電路13以及一控制單元14的一讀出電路(Read-out circuit),其中,該光感測器陣列11包括複數個光感測區塊111。
圖2為圖1之中的光感測區塊111的電路結構圖。如圖1與圖2所示,各所述光感測區塊111包括一畫素電路110以及N個光感測器11P,N為至少為2的正整數,例如為4。在可行的實施例中,該光感測器11P可以是一光二極體、一CMOS感測器、或一CCD感測器。更詳細地說明,該畫素電路110包括:分別耦接N個所述光感測器11P的N個第一開關元件11TG、一第二開關元件11RE、一第三開關元件11DT、以及一第四開關元件11SE。由圖2可以理解,可以MOSFT元件或者TFT元件作為該第一開關元件11TG、該第二開關元件11RE、該第三開關元件11DT、與該第四開關元件11SE。因此,該第一開關元件11TG、該第二開關元件11RE、該第三開關元件11DT、和該第四開關元件11SE分別為一傳輸電晶體(Transfer transistor)、一重置電晶體(Reset transistor)、一驅動電晶體(Driving transistor)、和一選擇電晶體(Select transistor)。簡單地說,各所述開關元件具有一通道、耦接該通道之一端的一第一端(如:汲/源極端)、耦接該通道之另一端的一第二端(如:源/汲極端)、以及用以控制該通道之電阻的一控制端(如:閘極端)。
圖3為圖2之中的四個第一開關元件11TG、四個光感測器11P以及一個浮動擴散節點11FD的方塊圖。如圖2與圖3所示,N個所述第一開關元件11TG的第一端(汲極端)皆同時耦接一個浮動擴散節點11FD、該第二開關元件11RE的第二端(源極端)以及該第三開關元件11DT的控制端(閘極端)。並且,各所述第一開關元件11TG以其第二端耦接一個光感測器11P(如,光二極體或CMOS感測器),且以其控制端耦接一傳輸信號V Tran。並且,該第二開關元件11RE以其第一端耦接一工作電壓V DD,且以其控制端耦接一重置信號V RES。另一方面,該第三開關元件11DT以其第一端耦接所述工作電壓V DD,且以其第二端耦接該第四開關元件11SE的第一端。再者,如圖1與圖2所示,該第四開關元件11SE以其第二端耦接作為一光電流輸出端從而耦接該信號處理電路13,且以其控制端耦接一選擇信號V SEL
圖4為圖2之中的四個光感測器11P的側剖視圖。依據本發明之設計,在各所述光感測區塊111之中,N-1個(即,3個)所述光感測器11P之上係各設有一光學層11O,且3個所述光學層11O具有不同的厚度,使得相鄰二個所述光感測器11P所接收的二個入射光之間係具有光程差。進一步地,如圖2與圖4所示,在所述光感測區塊111之中, 3個所述光感測器11P之上係各設有一濾光層11F,且一個所述光感測器11P之上設有一透光層11T。在一實施例中,三個濾光層11F分別為僅供紅光通過的濾光層11F、僅供綠光通過的濾光層11F以及僅供藍光通過的濾光層11F。更進一步地,如圖2與圖4所示,在該濾光層11F上還設有一導光層11G,例如為一透鏡。
圖如圖1、圖2與圖4所示,讀出電路包括:一驅動電路12、一信號處理電路13與一控制單元14,其中,該驅動電路12耦接該光感測器陣列11。熟悉CMOS影像感測器之設計與製作的電子工程師應知道,該驅動電路12依據該控制單元14的時序控制而傳送一重置信號V RES至各所述第二開關元件11RE的一控制端,傳送一傳輸信號V Tran至各所述第一開關元件11TG的一控制端,及/或傳送一選擇信號V SEL至各所述第四開關元件11SE的一控制端。舉例而言,如圖2所示,對一個光感測區塊111進行信號讀出處理時,先傳送一重置信號V RES至該第二開關元件11RE的控制端,藉以復位該浮動擴散節點11FD以及N個(即,4個)光感測器11P之端電壓。之後,如圖2與圖3所示,在一信號讀出期間,先傳送一傳輸信號V Tran至耦接畫素1之光感測器11P的第一開關元件11TG的控制端,且同時傳送一選擇信號V SEL至該第四開關元件11SE的控制端,使畫素1之光感測器11P的光電流通過該第一開關元件11TG、該第三開關元件11DT和該第四開關元件11SE而傳送至該電荷積分單元131。接著,該電荷積分單元分次對所述光電流進行電荷積分處理。
簡單地說,在對浮動擴散節點11FD和N個光感測器11P進行端電壓的複位之後,在t1時刻後,使耦接畫素1的第一開關元件11TG的通道形成,讓讀出電路採集畫素1(即,收集光感測器11的光電流)。接著,依次讓讀出電路採集畫素2、畫素3、畫素4(即,紅色畫素、綠色畫素和藍色畫素),對應的電荷積分時間分別為t1+Δt、t1+2Δt、t1+3Δt。之後,該相關雙採樣單元132分次接收該電荷積分單元131所傳送的一電荷積分信號,從而依一參考信號對該電荷積分信號進行一差分處理。最終,該類比數位轉換單元133分次接收該相關雙採樣單元132所傳送的一採樣信號,從而將該採樣信號換成一數位信號。
指紋識別裝置
圖5顯示包含圖1所示之影像感測裝置1的一種指紋識別裝置的方塊圖。應可理解,在將本發明之影像感測裝置1和一指紋識別單元15整合成為一指紋識別裝置10之後,該指紋識別單元15可以進一步地對該類比數位轉換單元133所傳送之數位信號進行信號處理,從而產生一三維指紋圖像。主要原因在於,如圖4所示,N個光學層11O的材料厚度依序遞增(或遞減),分別對應不同畫素之像距。因此,通過採集畫素1、畫素2、畫素3、畫素4,可以分別得到不同像距的畫素,接著通過後端圖像處理,即可得到指紋的三維圖像。
如此,上述已完整且清楚地說明本發明之一種影像感測裝置;並且,經由上述可得知本發明具有下列優點:
(1)本發明揭示一種影像感測裝置,其包括一光感測器陣列,其中,該光感測器陣列包括複數個光感測區塊,且各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數。依據本發明之設計,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點。特別地,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一光學層,且N-1個所述光學層具有不同的厚度,使得相鄰二個所述光感測器所接收的二個入射光之間係具有光程差。依此設計,在將本發明之影像感測裝置和一指紋識別電路整合成為一指紋識別裝置之後,該指紋識別電路可以依據該影像感測裝置對一指紋的一指紋感測信號而產生一三維指紋圖像,從而增加指紋識別的準確度。
(2)本發明同時提供一種資訊處理裝置,其特徵在於具有如前所述本發明之指紋識別裝置。在一實施例中,該資訊處理裝置是選自於由指紋打卡裝置、門禁裝置、電子式門鎖、金融交易電子裝置、智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、和智慧型電視所組成群組之中的一種電子裝置。
必須加以強調的是,前述本案所揭示者乃為較佳實施例,舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者,俱不脫本案之專利權範疇。
綜上所陳,本案無論目的、手段與功效,皆顯示其迥異於習知技術,且其首先發明合於實用,確實符合發明之專利要件,懇請  貴審查委員明察,並早日賜予專利俾嘉惠社會,是為至禱。
1:影像感測裝置
10:指紋識別裝置
11:光感測器陣列
111:光感測區塊
110:畫素電路
11P:光感測器
11O:光學層
11F:濾光層
11T:透光層
11G:導光層
11FD:浮動擴散節點
11TG:第一開關元件
11RE:第二開關元件
11DT:第三開關元件
11SE:第四開關元件
12:驅動電路
13:信號處理電路
131:電荷積分單元
132:相關雙採樣單元
133:類比數位轉換單元
14:控制單元
15:指紋識別單元
圖1為本發明之一種影像感測裝置的方塊圖; 圖2為圖1之中的光感測區塊的電路結構圖; 圖3為圖2之中的四個第一開關元件、四個光感測器以及一個浮動擴散節點; 圖4為圖2之中的四個光感測器的側剖視圖;以及 圖5為包含圖1所示之影像感測裝置的一種指紋識別裝置的方塊圖。
111:光感測區塊
11P:光感測器
11FD:浮動擴散節點
11TG:第一開關元件

Claims (10)

  1. 一種影像感測裝置,包括:一光感測器陣列,包括複數個光感測區塊,其中,各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點;其中,在各所述光感測區塊中,N-1個所述光感測器之上各設有一光程調整用透光層,且N-1個所述光程調整用透光層各具有不同的厚度,使得任二水平相鄰的所述光感測器所接收的二個入射光之間均具有光程差,從而使該光感測器陣列提供一三維指紋圖像。
  2. 如請求項1所述之影像感測裝置,其中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器P之上係各設有一濾光層,且一個所述光感測器之上設有一透光層。
  3. 如請求項2所述之影像感測裝置,其中,該畫素電路更包括:一第二開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;一第三開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;以及一第四開關元件,耦接該第三開關元件。
  4. 如請求項3所述之影像感測裝置,更包括:一驅動電路,耦接該光感測器陣列,用以傳送一重置信號至各所述第二開關元件的一控制端,傳送一傳輸信號至各所述第一開關元件的一控制端,及/或傳送一選擇信號至各所述第四開關元件的一控制端;以及一信號處理電路,包括:一電荷積分單元,耦接至各所述第四開關元件的一輸出端;其中,在利用該重置信號控制各所述第二開關元件的開/關、利用該傳輸信號控制各所述第一開關元件的開/關以及利用該選擇信號控制各所述第四開關元件的開/關的情況下,各所述光感測區塊之N個所述光感測器的光電流係通過所述第四開關元件 的該輸出端而傳送至該電荷積分單元,使該電荷積分單元分次對N個所述光電流進行電荷積分處理;一相關雙採樣單元,耦接該電荷積分單元,用以分次接收該電荷積分單元所傳送的一電荷積分信號,從而依一參考信號對該電荷積分信號進行一差分處理;以及一類比數位轉換單元,耦接該相關雙採樣單元,用以分次接收該相關雙採樣單元所傳送的一採樣信號,從而將該採樣信號換成一數位信號。
  5. 一種指紋識別裝置,包括:一光感測器陣列,包括複數個光感測區塊,其中,各所述光感測區塊包括一畫素電路以及N個光感測器,N為至少為2的正整數,該畫素電路具有分別耦接N個所述光感測器的N個第一開關元件,且N個所述第一開關元件耦接至一個浮動擴散節點;其中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一光程調整用透光層,且N-1個所述光程調整用透光層各具有不同的厚度,使得任二水平相鄰的所述光感測器所接收的二個入射光之間均具有光程差;一讀出電路,耦接該光感測器陣列,用以各所述光感測區塊之中讀出N個光電流信號,且將對N個所述光電流信號轉換成N個數位信號;以及一指紋識別單元,耦接該讀出電路,從而對各所述數位信號進行一影像處理,以獲得一三維指紋圖像,接著將該三維指紋圖像與一參考指紋圖像進行圖像匹配以完成指紋識別。
  6. 如請求項5所述之指紋識別裝置,其中,在所述光感測區塊之中,N-1個所述光感測器之上係各設有一濾光層,且一個所述光感測器之上設有一透光層。
  7. 如請求項6所述之指紋識別裝置,其中,該畫素電路更包括:一第二開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;一第三開關元件,耦接該浮動擴散節點以及N個所述第一開關元件;以及一第四開關元件,耦接該第三開關元件。
  8. 如請求項7所述之指紋識別裝置,其中,該讀出電路包括: 一驅動電路,耦接該光感測器陣列,用以傳送一重置信號至各所述第二開關元件的一控制端,傳送一傳輸信號至各所述第一開關元件的一控制端,及/或傳送一選擇信號至各所述第四開關元件的一控制端;以及一信號處理電路,包括:一電荷積分單元,耦接至各所述第四開關元件的一輸出端;其中,在利用該重置信號控制各所述第二開關元件的開/關、利用該傳輸信號控制各所述第一開關元件的開/關以及利用該選擇信號控制各所述第四開關元件的開/關的情況下,各所述光感測區塊之N個所述光感測器的光電流係通過所述第四開關元件的該輸出端而傳送至該電荷積分單元,使該電荷積分單元分次對N個所述光電流進行電荷積分處理;一相關雙採樣單元,耦接該電荷積分單元,用以分次接收該電荷積分單元所傳送的一電荷積分信號,從而依一參考信號對該電荷積分信號進行一差分處理;以及一類比數位轉換單元,耦接該相關雙採樣單元,用以分次接收該相關雙採樣單元所傳送的一採樣信號,從而將該採樣信號換成一數位信號。
  9. 一種資訊處理裝置,其特徵在於具有如請求項5至請求項8中任一項所述之指紋識別裝置。
  10. 如請求項9所述之資訊處理裝置,其係由指紋打卡裝置、門禁裝置、電子式門鎖、金融交易電子裝置、智慧型手機、平板電腦、筆記型電腦、一體式電腦、和智慧型電視所組成之群組所選擇的一種電子裝置。
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