CN107590426B - 三维图像感测器以及三维图像提取装置 - Google Patents

三维图像感测器以及三维图像提取装置 Download PDF

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Abstract

一种三维图像感测器，包括一感测层、一格状层、以及多个微透镜。感测层包括多个感测单元。格状层设置于感测层上，且包括一不透光材料以及穿透不透光材料的多个透光元件。微透镜设置于格状层上，其中每一微透镜位于两相邻的透光元件的上方。

Description

三维图像感测器以及三维图像提取装置
技术领域
本发明主要关于一种图像感测器以及图像提取装置，尤指一种三维图像感测器以及三维图像提取装置。
背景技术
一般而言，个人电子装置具有一些安全访问模块(secure access module)以防止他人进入如移动电话、平板电脑、或是笔记型电脑等个人电子装置的***。近年来，利用安装于个人电子装置上的指纹验证装置来提供便利的安全措施。
然而，现有的指纹验证装置仅能读取指纹的2D(two-dimensional)图像。因此，指纹可被指纹的图片所伪造，破坏了电子装置的安全性。
虽然指纹验证装置符合了其使用的目的，但尚未满足许多安全方面的要求。因此，需要提供指纹验证装置的改进方案以增进电子装置的安全性。
发明内容
本发明提供了一种三维图像提取装置以及一种三维图像感测器，用以增进三维图像提取装置的安全性。
本发明提供了一种三维图像感测器，包括一感测层、一格状层、以及多个微透镜。感测层包括多个感测单元。格状层设置于感测层上，且包括一不透光材料以及穿透不透光材料的多个透光元件。微透镜设置于格状层上，其中每一微透镜位于两相邻的透光元件的上方。
本发明提供了一种三维图像提取装置，包括一感测层、一格状层、多个微透镜、以及一盖板。感测层包括多个感测单元。格状层设置于该感测层上，且包括一不透光材料以及穿透该不透光材料的多个透光元件。微透镜设置于该格状层上，其中每一该等微透镜位于两相邻的透光元件的上方。盖板位于该等微透镜的上方，且用以供一物体接触。
于一些实施例中，该不透光材料包括多个不透光部，每一该等不透光部位于该等两相邻的透光元件之间，其中每一该等微透镜的顶端对齐于该等不透光部中的一者的中央。
于一些实施例中，每一该等两相邻的透光元件相对于该等微透镜中的一者的一中央轴对称，且该等两相邻的透光元件的面积相同。
于一些实施例中，该等不透光部的面积相同。该等不透光部的面积依据该等两相邻的透光元件的面积。该等不透光部具有二或是至少两种不同的面积。每一该等透光元件位于该等感测单元中的一者上。
于一些实施例中，位于该等两相邻的透光元件中的一者下的该等感测单元用以产生第一图像信号，且位于该等两相邻的透光元件中的另一者下的该等感测单元用以产生第二图像信号，且一处理模块根据该等第一图像信号以及该等第二图像信号产生一深度值。
于一些实施例中，一光源，位于该感测层、该格状层、以及该等微透镜的一侧。该光源用以发射一光束通过该物体，且该光束由该物体射出并通过该盖板、该等微透镜以及该格状层至该等感测单元。
于一些实施例中，遮蔽元件，位于该感测层、该格状层、以及该等微透镜和该光源之间。该遮蔽元件由热阻材料所制成。
于一些实施例中，该感测层以及该光源由一封装材料所覆盖。该光源还包括一散热元件。一空间，位于该盖板以及该等微透镜之间。该空间填充气体或是透明材料。
综上所述，本发明的三维图像感测器以及三维图像提取装置可通过格状层检测一物体例如手指的指纹的深度值。因此，提升了三维图像提取装置的安全度。
附图说明
图1为根据本发明的一些实施例的三维图像提取装置的示意图。
图2为根据本发明的一些实施例的三维图像提取装置的示意图。
图3为根据本发明的一些实施例的三维图像提取装置的示意图。
图4为根据本发明的一些实施例的部分三维图像感测器的俯视图。
图5为根据本发明的一些实施例中的三维图像感测器的示意图。
【符号说明】
三维图像提取装置1
封装材料10
三维图像感测器20
感测层21
基材211
感测单元212、212a、212b、212c、212d
介电层22
格状层23
不透光材料231
不透光部231a
透光元件232、232a、232b
微透镜24
顶端241
光源30
发光单元31
散热元件32
遮蔽元件40
盖板50
处理模块60
点A1、A2、A3
深度d1
垂直方向D1
距离D2、D3
物体(手指)F1
指纹F10
突出部F11
凹槽F12
光束L1、L2、L20、L21、L22、L31、L32、L4
参考平面P1、P2
宽度W1
具体实施方式
以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。例如，第一特征在一第二特征上或上方的结构的描述包括了第一和第二特征之间直接接触，或是以另一特征设置于第一和第二特征之间，以致于第一和第二特征并不是直接接触。
此外，本说明书于不同的例子中沿用了相同的元件标号及/或文字。前述的沿用仅为了简化以及明确，并不表示于不同的实施例以及设定之间必定有关联。图式中的形状、尺寸、厚度、以及倾斜的角度可能为了清楚说明的目的而未依照比例绘制或是被简化，仅提供说明之用。
图1至图3为根据本发明的一些实施例的三维(3D,three-dimensional)图像提取装置的示意图。于一些实施例中，三维图像提取装置1设置于移动电话、平板电脑、或笔记型电脑等电子装置，且提供三维图像提取功能(3D image-capturing functions)以及保密授权功能(secure authentication functions)。
于一些实施例中，三维图像提取装置1可提取一手指的指纹的三维图像或是具有深度信息的二维(2D，two-dimensional)图像。三维图像提取装置1提供指纹读取及/或辨识功能。
三维图像提取装置1包括一封装材料10、一三维图像感测器20、一光源30、一遮蔽元件40、以及一盖板50。三维图像感测器20、光源30、遮蔽元件40、以及盖板50被封装材料10所覆盖。
三维图像感测器20用以提取物体F1的3D图像或是具有深度信息的2D图像。于一些实施例中，物体F1为一手指。于一些实施例中，三维图像感测器20互补式金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)感测器。于一些实施例中，三维图像感测器20为一前照式(FSI，Frontside illumination)、背照式(BSI，backsideillumination)CMOS感测器、或是其他适合的感测器。
三维图像感测器20包括一感测层21、一介电层22、一格状层23、以及多个微透镜24。感测层21沿一参考平面P1延伸。感测层21可包括所有下列元件，但只要达到感测层21于使用上的目的，可不需包括所有下列的元件。
感测层21包括一基材211以及多个感测单元212。于一些实施例中，感测层21亦可包括其他选择性的层，例如一抗反射层(图未示)。
感测单元212设置于基材211内。感测单元212排列于一参考平面P1上的一感测阵列。于一些实施例中，感测单元212为光二极体。每一感测单元212用以感测一入射光束且根据照射于其上的光束的强度产生一图像信号。
介电层22设置于感测层21上。介电层22平行于参考平面P1的一平面延伸。介电层22为可透光的。
图4为根据本发明的一些实施例的部分三维图像感测器20的俯视图。格状层23设置于感测层21上。格状层23沿平行于参考平面P1的一平面延伸。格状层23包括一不透光材料231以及穿透不透光材料231的多个透光元件232。
每一透光元件232设置于感测单元212中的一者上。于一些实施例中，不透光材料231为黑色。透光元件232排列于一格状阵列。
微透镜24设置于格状层23上。微透镜24排列于一微透镜阵列。如图3及图4所示，于一些实施例中，每一微透镜24位于两相邻的透光元件232上。
于本实施例中，于微透镜24以及感测单元212之间并不具有彩色滤光片。于一些实施例中，三维图像感测器20包括位于微透镜24以及感测单元212之间的彩色滤光片。
如图3及图4所示，透光元件232包括透光元件232a以及穿透不透光材料231的透光元件232b。透光元件232a以及透光元件232b交错排列于格状阵列。每一微透镜24位于一个透光元件232a以及一个相邻于透光元件232a的透光元件232b上。
不透光材料231包括不透光部231a。每一不透光部231a位于两相邻的透光元件232(232a和232b)之间。每一微透镜24的顶端241对齐于不透光部231a中的一者的中央。两相邻的透光元件232a、232b对称于微透镜24的一中心轴。微透镜24的中心轴穿过微透镜24的顶端241。
透光元件232a的面积与透光元件232b的面积相同。于一些实施例中，不透光部231的面积相同。于一些实施例中，不透光部231a的面积彼此不同。不透光部231a的面积依据两相邻的透光元件232a、232b的面积。不透光部231a具有二或至少两种不同的面积。
光源30位于三维图像感测器20(感测层21、格状层23、以及微透镜24)的侧边。于一些实施例中，光源30环绕三维图像感测器20。于一些实施例中，光源30包括多个发光单元31以及多个散热元件32。
发光单元31用以发射光束传过接触于盖板50的物体F1。于一些实施例中，发光单元31为发光二极体。发光单元31设置于散热元件32上，且散热元件32用以针对发光单元31进行散热。散热元件32由金属或是其他材质所制成。
遮蔽元件40位于三维图像感测器20(感测层21、格状层23、以及微透镜24)和光源30之间。于一些实施例中，遮蔽元件40环绕三维图像感测器20。遮蔽元件40由热阻材料所制成。遮蔽元件40用以止挡由发光单元31所射出的光束，传送至三维图像感测器20。于一些实施例中，遮蔽元件40用以阻挡由发光单元31所产生的热，传送至三维图像感测器20。
盖板50覆盖三维图像感测器20、光源30以及遮蔽元件40。盖板50用以保护封装材料10内的三维图像感测器20。于一些实施例中，盖板50用以供物体F1接触。盖板50为低反射率的玻璃。如图1所示，盖板50位于微透镜24之上。换句话说，盖板50与微透镜24分离，且一空间S1，位于盖板50以及微透镜24之间。于一些实施例中，空间S1填充气体或是透明材料。
三维图像提取装置1还包括一处理模块60，电性连接至感测单元212，且接收由感测单元212所产生的图像信号。于一些实施例中，处理模块60经由导线电性连接于感测单元212，且导线通过封装材料10。图3为三维图像提取装置1的示意图，且由于导线具有多种设计，因此并未绘制于图示中。
图5为根据本发明的一些实施例中的三维图像感测器20的示意图。物体F1接触于盖板50。于本实施例中，物体F1为一手指。手指F1具有一指纹F10，且指纹F10具有多个突出部F11以及凹槽F12。
如图3至图5所示，由光源30所发射的光束L1于手指F1内传输，且光束L1于手指F1内散射并形成光束L2。部分光束L2穿过指纹F10的突出部F11，以及部分光束L2通过指纹F10的凹槽F12。由指纹F10的突出部F11以及凹槽F12所射出的部分光束L2通过盖板50、微透镜24以及格状层23至感测单元212。
举例而言，位于突出部F11表面的点A1接触或邻近于盖板50。一光束L20由点A1射出。于此例子中，点A1、微透镜24的顶端241以及不透光部231a排列于一参考平面P2，如图4与图5所示。
参考平面P2垂直于参考平面P1，且位于透光元件232a、232b之间。透光元件232a、232b位于微透镜24之下。
此外，参考平面P2位于两相邻的感测单元212之间，上述的感测单元212沿一垂直方向D1对齐于透光元件232a、232b。于本实施例中，垂直方向D1垂直于参考平面P1或是感测层21。
换句话说，两相邻的感测单元212位于参考平面P2的两相反侧。此外，透光元件232a、232b位于参考平面P2的两相反侧。微透镜24的顶端241位于参考平面p2，且透光元件232a、232b相对于参考平面P2对称。
如图5所示，光束L20沿垂直方向D1(以及参考平面P2)朝向感测层21发射。光束L20通过微透镜24的顶端241，且被不透光部231a所止挡。据此，由微透镜24(或不透光部231a)上的指纹F10沿垂直方向D1所发射的光束，不被感测单元212所检测。
然而，由点A2(其位于图4及图5中的参考平面P2的左侧)所发射的光束L32可由感测单元212(其位于图4及图5中的透光元件232b以及参考平面P2的右侧)所检测。此外，光束L32通过微透镜24的顶端241(其位于点A1之下且位于参考平面P2)以及透光元件232b(其位于参考平面P2的右侧)。
同理，由点A3(其位于参考平面P2的右侧)所发射的光束L4可被感测单元212(其位于透光元件232a之下以及参考平面P2的左侧)。此外，光束L4通过微透镜24的顶端241(其位于点A1之下且位于参考平面P2)以及透光元件232a(其位于参考平面P2的左侧)。
据此，可获得指纹F10的3D图像或是具有深度信息的2D图像。
于本实施例中，透光元件232a下方的感测单元212可用以产生第一图像信号，且透光元件232b下方的感测单元212可用以产生第二图像信号。
处理模块60接受第一图像信号，且根据第一图像信号产生一第一图像。此外，处理模块60接收第二图像信号，且根据第二图像信号产生一第二图像。因此，指纹F10的2D图像可根据第一图像及/或第二图像获得。
之后，处理模块60利用相位检测技术根据第一图像及第二图像产生一3D图像。一般而言，相位检测(PD)通过分离光线来形成一对图像，并通过比对上述一对的图像来达成。通过透镜(TTL)二次图像对准(lens secondary image registration,SIR)无源相位检测(passive phase detection)通常使用于影片(film)以及数字单眼相机(digital SLRcamera)。上述的一对图像可用来分析相似光强度图案(light intensity patterns)(峰值以及谷值)，且计算出分离误差(separation error)。
处理模块60根据第一图像信号以及第二图像信号的分离误差来获得指纹F10的凹槽F12的深度值。
如图5所示，凹槽F12相对于盖板50具有一深度d1，其中深度d1于垂直方向D1被测量。于一些实施例中，深度d1约为50μm。点A2位于凹槽F12的底部。
由点A1所射出的光束L21被感测单元212a(其位于透光元件232a之下)所检测。由点A1所射出的光束L22由感测单元212b(其位于透光元件232b之下)所检测。
于本实施例中，感测单元212的宽度W1相同或大致相同。宽度W1平行于参考平面P1被测量。于一些实施例中，感测单元212的宽度W1小于150μm。因此，处理模块60可根据于感测单元212a以及感测单元212b之间的感测单元212的数目来计算感测单元212a以及感测单元212b之间的距离D2。于本实施例中，距离D2约为1000μm。
同理，由点A2所发射的光束L31可被感测单元212c(其位于透光元件232a之下)所检测。由点A2所发射的光束L32可被感测单元212d(其位于透光元件232b之下)所检测。处理模块60可根据于感测单元212c以及感测单元212d之间的感测单元212的数目来计算感测单元212c以及感测单元212d之间的距离D3。于本实施例中，距离D3约为1800μm。
如图5所示，由于点A2相对于盖板50的高度高于点A1相对于盖板50的高度，因此距离D3大于距离D2。据此，处理模块60可根据距离D2以及距离D3来获得凹槽F12的深度d1。
于本实施例中，深度值由距离D3减距离D2，且乘以一参数(例如0.0625)来获得。参数可根据三维图像感测器20以及盖板50的几何尺寸来决定。于本实施例中，距离D3减距离D2的值为800μm，且800μm乘以0.0625(参数)为50μm。因此，可计算出凹槽F12的深度d1的值。
据此，可获得指纹F10的3D图像或是具有深度信息的2D图像。之后处理模块60可依据3D图像或是具有深度信息的2D图像辨识或验证手指的指纹F10。
综上所述，本发明的三维图像感测器以及三维图像提取装置可通过格状层检测一物体例如手指的指纹的深度值。因此，提升了三维图像提取装置的安全度。
上述已揭露的特征能以任何适当方式与一或多个已揭露的实施例相互组合、修饰、置换或转用，并不限定于特定的实施例。
本发明虽以各种实施例揭露如上，然而其仅为范例参考而非用以限定本发明的范围，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可做些许的更动与润饰。因此上述实施例并非用以限定本发明的范围，本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (9)

1.一种三维图像感测器，包括：
一感测层，包括多个感测单元；
一格状层，设置于该感测层上，且包括一不透光材料以及穿透该不透光材料的多个透光元件；以及
多个微透镜，设置于该格状层上，其中每一该等微透镜位于两相邻的透光元件的上方；其中，该不透光材料包括多个不透光部，每一该等不透光部位于该等两相邻的透光元件之间，其中每一该等微透镜的顶端对齐于该等不透光部中的一者的中央。
2.如权利要求1所述的三维图像感测器，其中每一该等两相邻的透光元件相对于该等微透镜中的一者的一中央轴对称，且该等两相邻的透光元件的面积相同。
3.如权利要求1所述的三维图像感测器，其中该等不透光部的面积相同，该等不透光部的面积依据该等两相邻的透光元件的面积，或该等不透光部具有二或是至少两种不同的面积。
4.如权利要求1所述的三维图像感测器，其中每一该等透光元件位于该等感测单元中的一者上，其中位于该等两相邻的透光元件中的一者下的该等感测单元用以产生第一图像信号，且位于该等两相邻的透光元件中的另一者下的该等感测单元用以产生第二图像信号，且一处理模块根据该等第一图像信号以及该等第二图像信号产生一深度值。
5.一种三维图像提取装置，包括：
一感测层，包括多个感测单元；
一格状层，设置于该感测层上，且包括一不透光材料以及穿透该不透光材料的多个透光元件；
多个微透镜，设置于该格状层上，其中每一该等微透镜位于两相邻的透光元件的上方；以及
一盖板，位于该等微透镜的上方，且用以供一物体接触；
其中，该不透光材料包括多个不透光部，每一该等不透光部位于该等两相邻的透光元件之间，其中每一该等微透镜的顶端对齐于该等不透光部中的一者的中央。
6.如权利要求5所述的三维图像提取装置，还包括一光源，位于该感测层、该格状层、以及该等微透镜的一侧，且包括一散热元件，
其中该光源用以发射一光束通过该物体，且该光束由该物体射出并通过该盖板、该等微透镜以及该格状层至该等感测单元。
7.如权利要求6所述的三维图像提取装置，还包括一遮蔽元件，位于该感测层、该格状层、以及该等微透镜和该光源之间，且该遮蔽元件由热阻材料所制成。
8.如权利要求6所述的三维图像提取装置，其中该感测层以及该光源由一封装材料所覆盖。
9.如权利要求5所述的三维图像提取装置，其中一空间，位于该盖板以及该等微透镜之间，且该空间填充气体或是透明材料。
CN201610627366.0A 2016-07-07 2016-08-03 三维图像感测器以及三维图像提取装置 Active CN107590426B (zh)

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US15/204,296 2016-07-07

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