TWM602668U - 具有抗雜光干擾結構的光學生物特徵感測器 - Google Patents

具有抗雜光干擾結構的光學生物特徵感測器 Download PDF

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Abstract

一種光學生物特徵感測器至少包括：一感測基板，具有相鄰的一第一光感測元及一第二光感測元；一光模組層，至少包括：一遮光層，位於感測基板上，並包括相鄰的一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撐層，位於遮光層上及第一光孔與第二光孔中；及多個微透鏡，位於光模組層上。此等微透鏡包括相鄰的一第一微透鏡及一第二微透鏡，第一微透鏡將來自一物體的一正向光聚焦通過光模組層及第一光孔而到達第一光感測元，遮光層具有一預定厚度，使得來自物體的一斜向光通過第二微透鏡及光模組層而打在遮光層上，但不會進入第一光孔及第一光感測元中。

Description

具有抗雜光干擾結構的光學生物特徵感測器
本新型是有關於一種光學生物特徵感測器，且特別是有關於一種具有抗雜光干擾結構的光學生物特徵感測器，利用增厚的遮光層來達成防止雜光干擾的效果。
現今的移動電子裝置(例如手機、平板電腦、筆記本電腦等)通常配備有使用者生物識別系統，包括了例如指紋、臉型、虹膜等等不同技術，用以保護個人數據安全，其中例如應用於手機或智慧型手錶等攜帶型裝置，也兼具有行動支付的功能，對於使用者生物識別更是變成一種標準的功能，而手機等攜帶型裝置的發展更是朝向全屏幕(或超窄邊框)的趨勢，使得傳統電容式指紋按鍵無法再被繼續使用，進而演進出新的微小化光學成像裝置(非常類似傳統的相機模組，具有互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(簡稱CIS))感測元件及光學鏡頭模組)。將微小化光學成像裝置設置於屏幕下方(可稱為屏下)，透過屏幕部分透光(特別是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以擷取按壓於屏幕上方的物體的圖像，特別是指紋圖像，可以稱為屏幕下指紋感測(Fingerprint On Display，FOD)。
圖1至圖3分別顯示三種傳統的光學指紋感測器的示意圖。如圖1所示，傳統的屏幕下TFT光學指紋感測器300具有一感測基板310及一光機結構320來達到取像的目的，光機結構320為一種貼合式的光纖板(Fiber Optical Plate，FOP)當作準直結構(collimator)，FOP具有有價格高昂和產能低的問題，不利於光學指紋感測器的發展。
如圖2所示，另一種傳統的屏幕下TFT光學指紋感測器400具有一感測基板410及一光機結構420來達到取像的目的，光機結構420為一種透鏡薄膜的貼合式的準直結構，微透鏡薄膜則是採用卷對卷(Roll to Roll)製程來生產，雖然具有價格低以及產能高的優勢，但仍有性能差等問題。
如圖3所示，光機結構420具有遮光層425，透明介電層422及多個微透鏡424。因為傳統的設計主要認為只要遮光層425可以在光孔423達成作為信號光的正向光L1的透光效果即可，所以只知對光孔423的孔徑進行設計。然而，在某些狀況下，沒有被適當設計的遮光層425會讓斜向光L2對光感測元411所收到的信號光產生的雜光干擾(cross-talk)，而造成信號光的信噪比變差，使得指紋圖像的品質不佳。
因此，本新型的一個目的是提供一種具有抗雜光干擾結構的光學生物特徵感測器，利用增厚的遮光層來達成防止雜光干擾的效果，遮光層的厚度取決於光學生物特徵感測器的其他元件的佈局參數。
為達上述目的，本新型提供一種光學生物特徵感測器至少包括：一感測基板，具有相鄰的一第一光感測元及一第二光感測元；一光模組層，至少包括：一遮光層，位於感測基板上，並且包括相鄰的 一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撐層，位於遮光層上及第一光孔與第二光孔中；及多個微透鏡，位於光模組層上。此等微透鏡包括相鄰的一第一微透鏡及一第二微透鏡，第一微透鏡將來自一物體的一正向光聚焦通過光模組層及第一光孔而到達第一光感測元，遮光層具有一預定厚度，使得來自物體的一斜向光通過第二微透鏡及光模組層而打在遮光層上，但不會進入第一光孔及第一光感測元中。遮光層的預定厚度為t，第一光孔的孔徑為d，光模組層的厚度為H，第一微透鏡與第二微透鏡的中心間距為P，其中，(t/d)>0.3*(H/P)，t<H，且d<P。
藉由上述光學生物特徵感測器，可以利用增厚的遮光層來達成防止雜光干擾的效果，遮光層的厚度取決於光學生物特徵感測器的其他元件的佈局參數。此遮光層為一種抗雜光干擾結構，對抗相鄰微透鏡所傳送過來的雜光干擾，使光學生物特徵感測器所獲得的生物特徵的圖像信號的信噪比更高，獲得品質較佳的指紋圖像。
為讓本新型的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
d,d2,d2:孔徑
F:物體
H:厚度
P:中心間距
t:厚度
L1:正向光
L2:斜向光
10:感測基板
11:第一光感測元
12:第二光感測元
13:玻璃基板
14:半導體基板
20:光模組層
21:第一光孔
22:第二光孔
23:第一遮光膜
23A:第一子光孔
23B:第二子光孔
24:第二遮光膜
24A:第三子光孔
24B:第四子光孔
25:遮光層
26:透光支撐層
40:微透鏡
41:第一微透鏡
42:第二微透鏡
50:顯示器
51,52:透光基板
100'、100:光學生物特徵感測器
300:光學指紋感測器
310:感測基板
320:光機結構
400:光學指紋感測器
410:感測基板
411:光感測元
420:光機結構
422:透明介電層
423:光孔
424:微透鏡
425:遮光層
〔圖1〕至〔圖3〕分別顯示三種傳統的光學指紋感測器的示意圖。
〔圖4〕顯示本新型較佳實施例的光學生物特徵感測器的示意圖。
〔圖5〕顯示〔圖4〕的一個變化例的示意圖。
〔圖6〕顯示〔圖4〕與〔圖5〕的應用場合的示意圖。
〔圖7〕顯示〔圖4〕與〔圖5〕的另一應用場合的示意圖。
〔圖8〕顯示〔圖4〕的另一變化例的示意圖。
圖4顯示本新型較佳實施例的光學生物特徵感測器100的示意圖。如圖4所示，光學生物特徵感測器100是以指紋感測器作為例子來說明，但是並未將本新型限制於此，光學生物特徵感測器100也可以感測手指的血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵、或臉型、虹膜等生物特徵。光學生物特徵感測器100至少包括一感測基板10、一光模組層20及多個微透鏡40。
感測基板10具有多個光感測元，排列成陣列，其中兩個相鄰的光感測元定義為一第一光感測元11及一第二光感測元12。
光模組層20至少包括一遮光層25以及一透光支撐層26。遮光層25位於感測基板10上，並且包括多個光孔，其中兩個相鄰的光孔定義為一第一光孔21及一第二光孔22。透光支撐層26位於遮光層25上及第一光孔21與第二光孔22中。
多個微透鏡40排列成陣列，並且位於光模組層20上。此等微透鏡40包括相鄰的一第一微透鏡41及一第二微透鏡42，第一微透鏡41將來自一物體F的一正向光L1聚焦通過光模組層20及第一光孔21而到達第一光感測元11。遮光層25具有一預定厚度，此預定厚度有相對應的舉升高度，且取決於感測基板10、光模組層20及微透鏡40的物理特徵參數，使得來自物體F的一斜向光L2通過第二微透鏡42及光模組層20而打在遮光層25上，但不會進入第一光孔21及第一光感測元11中。
值得注意的是，正向光L1可包含從第一光感測元11到第一微透鏡41的發散角範圍譬如±3度至±20度或±30度的光線，而斜向光L2包含除了正向光L1以外的光線。藉由上述的光學生物特徵感測器的遮光層的結構，即可輕易藉由增加遮光層的厚度來避免雜光干 擾。
雖然於圖4中，透光支撐層26包含單層透明介電層，然而於其他例子中，透光支撐層26亦可包含多層透明層的組合，譬如是紅外線濾光層、光柵層及透明介電層的至少兩者或三者的組合。另一方面，第二光感測元12與遮光層25之間可以含有其他絕緣層或絕緣層組，絕緣層組可以包含金屬線路層及金屬層間介電層等。於本例中，遮光層25當作遮光的部分為實心結構，亦即，遮光層25沿著預定厚度的方向(圖面的上下方向)具有一實心結構的截面。
在圖4中，預定厚度為t，第一光孔21的孔徑為d，光模組層20的厚度為H，第一微透鏡41與第二微透鏡42的中心間距為P，其中，(t/d)的數值大於0.3*(H/P)，t<H，且d<P。(t/d)相當於第一光孔21的深寬比，申請人發現取決於厚度(H)及中心間距(P)的比值(至少為0.3)，在製程上可實施的情況下，(t/d)的數值是越大越好。於一些例子中，(t/d)的數值介於2*(H/P)至0.3*(H/P)之間，介於1.8*(H/P)至0.4*(H/P)之間，介於1.6*(H/P)至0.5*(H/P)之間，介於1.4*(H/P)至0.6*(H/P)之間，介於1.3*(H/P)至0.7*(H/P)之間，介於1.2*(H/P)至>0.8*(H/P)之間或介於1.1*(H/P)至0.9*(H/P)之間。於一例中，(t/d)大約等於(H/P)。
於本例子中，感測基板10至少包括一玻璃基板13，第一光感測元11與第二光感測元12形成於玻璃基板13上。因此，光學生物特徵感測器100為一種薄膜電晶體(Thin-Film Transistor,TFT)光學生物特徵感測器。
圖5顯示圖4的一個變化例的示意圖。如圖5所示，本例子類似於圖4，差異在於遮光層25為空心的遮光層。亦即遮光層25 沿著預定厚度的方向具有一空心結構的截面。遮光層25至少包括一第一遮光膜23及一第二遮光膜24。第一遮光膜23位於感測基板10上，並具有相鄰的一第一子光孔23A及一第二子光孔23B。第二遮光膜24位於第一遮光膜23上方，並具有相鄰的一第三子光孔24A及一第四子光孔24B。第一光孔21包括第一子光孔23A與第三子光孔24A，第二光孔22包括第二子光孔23B與第四子光孔24B，第一遮光膜23與第二遮光膜24的最遠距離等於預定厚度。若預定厚度為t，第一子光孔23A的孔徑為d1，第三子光孔24A的孔徑為d2，則第一光孔21的孔徑d定義為d1與d2的平均值，t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)，t<H，d1<P且d2<P。 在製程上可實施的情況下，t/[(d1+d2)/2]的數值是越大越好。於一些例子中，t/[(d1+d2)/2]的數值介於2*(H/P)至0.3*(H/P)之間，介於1.8*(H/P)至0.4*(H/P)之間，介於1.6*(H/P)至0.5*(H/P)之間，介於1.4*(H/P)至0.6*(H/P)之間，介於1.3*(H/P)至0.7*(H/P)之間，介於1.2*(H/P)至>0.8*(H/P)之間或介於1.1*(H/P)至0.9*(H/P)之間。於一例中，t/[(d1+d2)/2]大約等於(H/P)。於本例中，雖然d1<d2，但是於其他例中，可以是d1=d2或d1>d2。
圖6顯示圖4與圖5的應用場合的示意圖。如圖6所示，類似於光學生物特徵感測器100且與顯示畫素(未顯示)穿插整合的光學生物特徵感測器100'可以應用於有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)顯示器或液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)或任何有應用到TFT製程來製作TFT感測器的其他顯示器中，為一種內嵌式(in-cell)感測器。因此，玻璃基板13為顯示器50的兩個相對的透光基板51，52的其中一個(於此圖6中是指下方的透光基板51，也可以說玻璃基板13是透光基板51的一部分)。兩透光基板51與52之間的材料 層可以是OLED或LCD所具有的材料層。雖然圖6是以局部範圍的光學生物特徵感測器100'作為例子來說明，但是並未將本揭露內容限制於此。光學生物特徵感測器100'也可以延伸到涵蓋整個顯示器50的所有範圍，而成為一種全屏式的光學生物特徵感測器。
圖7顯示圖4與圖5的另一應用場合的示意圖。如圖7所示，光學生物特徵感測器100可以設置於OLED、LCD或有應用到TFT製程來製作TFT感測器的其他顯示器50的下方，為一種獨立的感測器。
圖8顯示圖4的另一變化例的示意圖。如圖8所示，本例子類似於圖4，差異在於感測基板10至少包括一個半導體基板14，第一光感測元11與第二光感測元12形成於半導體基板14上，半導體基板譬如是矽基板。亦即，光學生物特徵感測器100為一種應用互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)圖像感測器。
藉由上述實施例，可以利用增厚的遮光層來達成防止雜光干擾的效果，遮光層的厚度取決於光學生物特徵感測器的其他元件的佈局參數。此遮光層為一種抗雜光干擾結構，對抗相鄰微透鏡所傳送過來的雜光干擾，使光學生物特徵感測器所獲得的生物特徵的圖像信號的信噪比更高，獲得品質較佳的指紋圖像。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本新型的技術內容，而非將本新型狹義地限制於上述實施例，在不超出本新型的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實施，皆屬於本新型的範圍。
d:孔徑
H:厚度
P:中心間距
t:厚度
F:物體
L1:正向光
L2:斜向光
10:感測基板
11:第一光感測元
12:第二光感測元
13:玻璃基板
20:光模組層
21:第一光孔
22:第二光孔
25:遮光層
26:透光支撐層
40:微透鏡
41:第一微透鏡
42:第二微透鏡
100:光學生物特徵感測器

Claims (12)

  1. 一種光學生物特徵感測器，至少包括：
    一感測基板，具有相鄰的一第一光感測元及一第二光感測元；
    一光模組層，至少包括：一遮光層，位於該感測基板上，並且包括相鄰的一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撐層，位於該遮光層上及該第一光孔與該第二光孔中；及
    多個微透鏡，位於該光模組層上，其中該等微透鏡包括相鄰的一第一微透鏡及一第二微透鏡，該第一微透鏡將來自一物體的一正向光聚焦通過該光模組層及該第一光孔而到達該第一光感測元，該遮光層具有一預定厚度，使得來自該物體的一斜向光通過該第二微透鏡及該光模組層而打在該遮光層上，但不會進入該第一光孔及該第一光感測元中，其中該遮光層的該預定厚度為t，該第一光孔的孔徑為d，該光模組層的厚度為H，該第一微透鏡與該第二微透鏡的中心間距為P，其中，(t/d)>0.3*(H/P)，t<H，且d<P。
  2. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該遮光層沿著該預定厚度的方向具有一實心結構的截面。
  3. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中2*(H/P)>(t/d)>0.3*(H/P)。
  4. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中(t/d)=(H/P)。
  5. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該遮光層沿著該預定厚度的方向具有一空心結構的截面。
  6. 如請求項5所述的光學生物特徵感測器，其中該遮光層至少包括：
    一第一遮光膜，位於該感測基板上，並具有相鄰的一第一子光孔及一第二子光孔；以及
    一第二遮光膜，位於該第一遮光膜上方，並具有相鄰的一第三子光孔及一第四子光孔，該第一光孔包括該第一子光孔與該第三子光孔，該第二光孔包括該第二子光孔與該第四子光孔，該第一遮光膜與該第二遮光膜的最遠距離等於該預定厚度。
  7. 如請求項6所述的光學生物特徵感測器，其中該第一子光孔的孔徑為d1，該第三子光孔的孔徑為d2，該第一光孔的該孔徑d定義為d1與d2的平均值，其中，t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)，t<H，d1<P且d2<P。
  8. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中，2*(H/P)>t/[(d1+d2)/2]=0.3*(H/P)。
  9. 如請求項7所述的光學生物特徵感測器，其中，t/[(d1+d2)/2]=(H/P)。
  10. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一玻璃基板，該第一光感測元與該第二光感測元形成於該玻璃基板上。
  11. 如請求項10所述的光學生物特徵感測器，其中該玻璃基板為一顯示器的兩個相對的透光基板的其中一個。
  12. 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一個半導體基板，該第一光感測元與該第二光感測元形成於該半導體基板上。
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