CN110175492B - 光学指纹感测装置 - Google Patents

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Abstract

一种光学指纹感测装置，包含一基板、一设置于基板上方的影像感测器、一设置于影像感测器上方的准直层、一设置于准直层上方的透光层、一设置于透光层上的开孔层。前述准直层形成有复数个准直孔，前述开孔层形成有复数个开孔，其中前述准直孔的数量大于前述开孔的数量。

Description

光学指纹感测装置
技术领域
本发明涉及一种指纹感测装置，特别涉及一种屏幕下(under-display)指纹感测装置。
背景技术
近年来，随着生物识别技术逐渐成熟，许多不同的生物特征皆可被用来识别使用者的身分。在现行的生物特征识别技术领域中，由于指纹识别技术的识别率及准确率较其它生物特征识别技术更好，故目前指纹识别的应用层面较广。
一般指纹识别技术主要是先使用感测装置感测使用者的指纹图像，再获取指纹图像中独特的指纹特征并存储至存储器中，或是直接存储指纹图像。之后，当使用者再次进行指纹扫描时，指纹感测装置会感测指纹图像并且获取指纹特征，以便与先前所存储的指纹特征进行比对以进行识别，或是也可直接与先前所存储的指纹图像进行比对。若二者相符，则使用者的身分得以确认。
然而，在屏幕下指纹影像感测装置(under-display fingerprint image sensingdevice)的领域中，由于其内部准直器(collimator)的高度受限而容易产生光干扰(lightcross-talk)的问题，如此一来将导致影像感测器的成像品质不佳。有鉴于此，如何能在光学指纹感测装置中准直器高度受限的情形下克服光干扰的问题始成为一重要的挑战。
发明内容
有鉴于前述现有问题点，本发明的一实施例提供一种光学指纹感测装置，用以感测放置于一显示面板模块上的一手指的指纹图像，其主要包含一基板、一影像感测器、一准直层、一透光层以及一开孔层。前述影像感测器设置于前述基板上方，前述准直层设置于前述影像感测器上方并形成有复数个准直孔。前述透光层设置于前述准直层上方。前述开孔层设置于前述透光层上并形成有复数个开孔，其中前述准直孔的数量大于前述开孔的数量。
前述显示面板模块设置于前述开孔层上方并具有一感测面，其中前述显示面板模块发出光线至位于前述感测面上的前述手指，且光线经由前述手指反射后，按序穿过前述开孔、前述透光层以及前述准直孔而到达前述影像感测器。
附图说明
图1表示本发明一实施例的光学指纹感测装置的示意图。
图2表示图1中的光学指纹感测装置的局部放大图。
图3表示图1中的开孔层50以及透光层40的局部放大图。
图4表示图1中的准直层30的局部放大图。
图5表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的局部放大图。
附图标记说明：
基板 10
影像感测器 20
准直层 30
准直孔 31
透光层 40
微透镜 41
开孔层 50
开孔 51
连接层 A1
连接层 A2
显示面板模块 D
光学膜 F1
光学膜 F2
距离 H
高度 H1
高度 H2
高度 H3
高度 H4
高度 H5
高度 H6
高度 H7
高度 H8
高度 H9
节距 P1
节距 P2
感测面 S
孔径 W1
孔径 W2
距离 W3
具体实施方式
以下说明本发明实施例的光学指纹感测装置。然而，可轻易了解本发明实施例提供许多合适的发明概念而可实施于广泛的各种特定背景。所公开的特定实施例仅仅用于说明以特定方法使用本发明，并非用以局限本发明的范围。
除非另外定义，在此使用的全部用语(包括技术及科学用语)具有与此篇公开所属的一般技艺者所通常理解的相同涵义。能理解的是这些用语，例如在通常使用的字典中定义的用语，应被解读成具有一与相关技术及本公开的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在此特别定义。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点与技术效果，在以下配合参考附图的一优选实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下各实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加附图的方向。因此，实施方式中所使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
首先请参阅图1，其中图1表示本发明一实施例的光学指纹感测装置的示意图。如图1所示，本实施例的光学指纹感测装置可用以感测一手指的指纹图像，其主要包括一显示面板模块D以及设置于显示面板模块D下方的光学指纹感测裝置，前述光学指纹感测裝置包括一基板10、一影像感测器20、一准直层30(collimating layer)、一透光层40以及一开孔层50(pinhole layer)，其中影像感测器20设置于基板10上方，且影像感测器20和基板10可通过一连接层A1而相互连接固定。
举例而言，前述影像感测器20可为一含有集成电路元件的电荷耦合元件(ChargeCoupled Device,CCD)影像感测器或者CMOS影像感测器(CMOSImage Sensor,CIS)，其内部含有复数个以矩阵排列的像素单元(pixel units)，且每一像素单元皆具有至少一个光敏元件(photosensitive element)。此外，前述基板10则例如为一柔性印刷电路板(flexibleprinted circuit board)，电性连接前述影像感测器20。
前述连接层A1可为一晶片接合膜(die attachment film)或粘胶(adhesivepaste)，用以稳固地连接前述影像感测器20和基板10。在本实施例中，前述基板10的高度H1约为120um，前述连接层A1的高度H2约为20um，前述影像感测器20的高度H3则约为120um。
请继续参阅图1，准直层30是设置于影像感测器20上方，且在准直层30和影像感测器20之间设有一光学膜F1，其中光学膜F1可为一红外线截止滤光膜(infrared cut-offfilter film)或其他滤光膜层，且其高度H4约为6um。
应了解的是，前述准直层30是由不透光的材质所制成，且在前述准直层30内部形成有复数个长条形的准直孔31(collimating holes)，其中前述准直孔31是以矩阵方式排列，且准直孔31的数量会大于前述影像感测器20内部的像素单元的数量；举例而言，前述影像感测器20中的每一像素单元可对应于两个或两个以上的准直孔31。
在本实施例中，前述准直层30的高度H5约为75um，每一准直孔31的孔径(diameter)约为5um，两个相邻准直孔31间的距离则为5um，其中准直孔31的高度/孔径比值约为15。
从图1可以看出，透光层40位于前述准直层30的上方，且在透光层40和准直层30之间设有一光学膜F2以及一连接层A2，其中前述连接层A2例如为具有透光性的晶片接合膜或透明光学胶(Optically Clear Adhesive,OCA)，用以连接前述光学膜F2以及准直层30。在本实施例中，前述连接层A2的高度H6约为20um，前述光学膜F2的高度H7约为6um，前述透光层40的高度H8则约为402um。
举例而言，前述光学膜F2可以是红外线截止滤光膜或偏光膜(polarizing film)；然而，于另一实施例中，也可以不设置光学膜F2，而直接通过连接层A2(例如晶片接合膜或粘胶)连接前述透光层40以及准直层30。
需特别说明的是，在透光层40的上方表面设有一开孔层50(pinhole layer)，其中复数个以矩阵方式排列的开孔51(pinholes)是形成于开孔层50上，前述开孔51的孔径大于前述准直孔31的孔径，且开孔51的节距(pitch)亦大于准直孔31的节距。
举例而言，前述开孔层50可含有金属或黑色光阻(black photoresist)材质，用以阻挡并过滤部分光线，其中开孔层50的厚度H9是介于1～5um，开孔51的孔径介于10～20um，开孔51的节距则是介于20～50um。在本实施例中，前述开孔层50的厚度H9约为5um，前述开孔51的孔径约为20um，且开孔51的节距约为40um。
请继续参阅图1，前述显示面板模块D是设置于开孔层50的上方，且在显示面板模块D和开孔层50之间相隔一距离。于本实施例中，前述显示面板模块D可以是有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)显示模块、薄膜晶体管液晶(TFT-LCD)显示模块、或者触控显示(touch display)模块。
应了解的是，前述显示面板模块D的上方形成有一感测面S，用以感测一手指的指纹图像。此外，前述显示面板模块D的内部设有复数个发光单元(未图示)，用来发射光线以照向放置于感测面S上的手指，光线经过手指反射后会穿出显示面板模块D的下表面，然后再通过开孔层50的开孔51而进入到透光层40内部。
由于前述开孔层50是以不透光的金属或黑色光阻材质所组成，因此可用以阻挡部分光线进入到透光层40；也就是说，唯有通过开孔51的光线才能进入到透光层40内部，借此能收敛并过滤光线，以防止经手指反射后的光线因角度发散而导致下方影像感测器20所接收到的光信号产生干扰(light cross-talk)。
如前所述，光线通过前述开孔层50的开孔51后会进入到透光层40内部。接着，光线会朝下方穿出透光层40，并按序经过光学膜F2以及连接层A2而进入到准直层30中的准直孔31。由于前述准直孔31具有导正光线角度的功能，因此经过准直孔31引导后的光线可沿垂直方向穿过光学膜F1而到达影像感测器20。
当影像感测器20接收到穿过准直孔31以及光学膜F1的光线后，便可将光信号转换为包含有指纹信息的电信号；接着，影像感测器20即可将该电信号传送到一处理器(未图示)，以进行后续的指纹数据存储或识别程序。
请参阅图2，其中图2表示图1中的光学指纹感测装置的局部放大图。如图2所示，前述开孔层50中的每一开孔51是具有一孔径W1，前述准直层30中的每一准直孔31则具有一孔径W2，其中W1≧W2。
从图2亦可看出，两个相邻准直孔31之间的距离为W3，其中W1＝2(W2+W3)，意即开孔层50中的每一开孔51会对应到两个的准直孔31，且准直层30中的准直孔31的数量会大于开孔层50中的开孔51的数量。然而，也可以使开孔层50中的每一开孔51对应到两个以上的准直孔31，同时前述开孔51的数量亦可与影像感测器20中的像素单元的数量相等且位置相对应，举例而言，每一个开孔51是对齐于(aligned to)一个像素单元。此外，两个相邻准直孔31之间的距离W3可大于、等于或小于准直孔31的孔径W2。
需特别说明的是，前述开孔层50的顶面到准直层30的底面之间形成有一距离H，其中H＝H5+H6+H7+H8+H9，且H/H5的比值是介于5～8之间，而H/W2的比值则是介于80～120之间。在本实施例中，前述的H/H5的比值约为6.8，前述H/W2的比值则约为100。
本实施例通过在透光层40上方形成开孔层50，并使前述开孔层50中的每一开孔51对应到两个或两个以上的准直孔31，借此可预先收敛并过滤光线，以避免进入到透光层40内部的光线产生严重的光信号干扰(light cross-talk)。如此一来，不仅能确保影像感测器20的成像品质，同时也能减少准直层30所需的高度H5，以降低整体工艺的困难度并提高产品的良率，还可以降低光学指纹感测装置的厚度与生产成本。
再请参阅图3，图3表示图1中的开孔层50以及透光层40的局部放大图。如图3所示，前述开孔层50具有高度H9，且每一开孔51具有孔径W1，此外开孔51的节距为P1，其中节距P1介于20～50um，W1/H9的比值介于2～20，P1/W1的比值则介于2～5。
举例而言，前述开孔层50可通过化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition,CVD)、蒸镀(Evaporation)、溅镀(Sputtering)、涂布(Coating)、喷涂(Dispensing)、电镀(electroplating)或无电电镀(electroless plating)等半导体工艺而形成于透光层40的表面上。如前所述，由于开孔层50是以不透光的金属或黑色光阻材质所组成，因此可用以阻挡部分光线进入到透光层40，借此能收敛并过滤光线，以避免进入到透光层40内部的光线产生严重的光信号干扰(light cross-talk)。
图4表示图1中的准直层30的局部放大图。如图4所示，由于本实施例是通过设置开孔层50以预先收敛并过滤光线，因此对于准直层30及准直孔31的高度要求可以略为降低，从而能有助于降低制造成本并提升产品的良率，也可以降低光学指纹感测装置的厚度。
在本实施例中，准直孔31的高度/孔径比值约为15，意即H5/W2＝15，然而实际上仍可视不同的性能需求而使H5/W2介于10～50之间。此外，前述开孔层50中的开孔51的节距P1大于准直孔31的节距P2；举例而言，开孔51的节距P1可以是准直孔31的节距P2的整数倍。
接着请参阅图5，其中图5表示本发明另一实施例的光学指纹感测装置的局部放大图。本实施例与图1所示的光学指纹感测装置的主要不同的处在于：本实施例的透光层40表面更形成有复数个微透镜41，其中前述微透镜41是分别位于开孔层50的开孔51内。
如图5所示，当光线被手指反射后会先通过位于前述开孔51内部的微透镜41，接着再进入到透光层40内部，其中通过设置前述开孔层50以及微透镜41，可阻挡部分光线进入透光层40，同时也能进一步地导正并收敛光线，以避免进入到透光层40内部的光线产生严重的光信号干扰(light cross-talk)。
综上所述，本发明通过在透光层40上方形成开孔层50，并使开孔层50中的每一开孔51对应到两个或两个以上的准直孔31，借此可预先收敛并过滤光线，以确保影像感测器20的成像品质，同时也能降低准直层30的高度，以大幅降低制造成本并提高产品的良率，以及降低光学指纹感测装置的厚度。
虽然本发明的实施例及其优点已公开如上，但应该了解的是，任何所属技术领域中技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作变动、替代与润饰。此外，本发明的保护范围并未局限于说明书内所述特定实施例中的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，任何所属技术领域中技术人员可从本发明公开内容中理解现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤，只要可以在此处所述实施例中实施大抵相同功能或获得大抵相同结果皆可根据本发明使用。因此，本发明的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、装置、方法及步骤。另外，每一权利要求构成个别的实施例，且本发明的保护范围也包括各个权利要求及实施例的组合。
虽然本发明已以优选实施例公开于上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此项工艺者，在不脱离本发明的构思和范围内，当可作些许的变动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (14)

1.一种光学指纹感测装置，用以感测放置于一显示面板模块上的一手指的指纹图像，其中，由该显示面板模块发出的一光线被该手指反射，该光学指纹感测裝置包含：
一基板；
一影像感测器，设置于该基板上方；
一准直层，设置于该影像感测器上方并形成有复数个准直孔；
一透光层，设置于该准直层上方；以及一开孔层，设置于该透光层上并形成有复数个开孔，其中该些准直孔的数量大于该些开孔的数量；
其中，该光线经由该手指反射后，按序穿过该些开孔、该透光层以及该些准直孔而到达该影像感测器。
2.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中每一该开孔具有一孔径W1，且每一该准直孔具有一孔径W2，其中W1≧W2。
3.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中该开孔层的一顶面和该准直层的一底面之间形成有一距离H，且该准直层具有一高度H5，其中H/H5的比值介于5～8之间。
4.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中H/W2的比值介于80～120间。
5.如权利要求2所述的光学指纹感测装置，其中该准直层具有一高度H5，且H5/W2的比值介于10～50之间。
6.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该些开孔的节距大于该些准直孔的节距。
7.如权利要求6所述的光学指纹感测装置，其中该些开孔的节距介于20～50um。
8.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该光学指纹感测装置还包含一光学膜，设置于该准直层和该影像感测器之间。
9.如权利要求8所述的光学指纹感测装置，其中该光学膜为一红外线截止滤光膜。
10.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该影像感测器具有复数个像素单元，且每一该像素单元具有一光敏元件，其中该些像素单元的数量等于该些开孔的数量。
11.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该开孔层含有金属或黑色光阻材质。
12.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该光学指纹感测装置还包含复数个微透镜，设置于该透光层上且分别位于该些开孔内。
13.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该开孔层通过化学气相沉积、蒸镀、溅镀、涂布、喷涂、电镀或无电电镀的方式形成于该透光层上。
14.如权利要求1所述的光学指纹感测装置，其中该显示面板模块为有机发光二极管显示面板模块或薄膜晶体管液晶显示面板模块。
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