CN107480579B - 光学传感器元件及指纹传感器装置 - Google Patents

光学传感器元件及指纹传感器装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种包括传感器层、微透镜层及滤光器层的光学传感器元件及指纹传感器装置。所述传感器层包括多个传感器区域，且用以感测来自手指的多波长光。所述微透镜层包括排列成阵列的多个微透镜，且设置于所述传感器层上。所述微透镜中的每一个将所述多波长光聚焦于所述传感器区域中对应的一个上。所述滤光器层设置于所述传感器层与所述微透镜层之间，且用以过滤所述多波长光以产生具有不同波长的多种光。本发明的光学传感器元件具有小尺寸且能够提供良好的感测质量。

Description

光学传感器元件及指纹传感器装置
技术领域
本发明大体而言涉及一种光学传感器元件及一种指纹传感器装置，具体而言，涉及能够提供良好的感测质量的一种光学传感器元件及一种指纹传感器装置。
背景技术
例如光学指纹采集元件等光学元件广泛用于指纹采集及指纹识别。通过光学元件进行的指纹采集是以通过光学透镜对手指表面进行光学成像为基础。另外，指纹采集还需要图像感测芯片且所述图像感测芯片构建于所述光学元件中。由于所述光学透镜和所述图像感测芯片，所述光学元件的尺寸(size)具有某些限制。例如，由于所述光学元件的物距和像距具有最小值，因而所述光学指纹采集元件的厚度受到限制且难以减缩。
为方便应用，如何制造具有小尺寸及令人满意的感测质量的指纹采集用光学元件是相关领域中最重要的课题之一。
发明内容
因此，本发明涉及具有小尺寸且能够提供良好的感测质量的一种光学传感器元件及一种指纹传感器装置。
本发明的示例性实施例提供一种光学传感器元件。所述光学传感器元件包括传感器层、微透镜层及滤光器层。所述传感器层包括多个传感器区域，且用以感测来自手指的多波长光。所述微透镜层包括排列成阵列的多个微透镜，且设置于所述传感器层上。所述微透镜中的每一个将所述多波长光聚焦于所述传感器区域中对应的一个上。所述滤光器层设置于所述传感器层与所述微透镜层之间，且用以过滤所述多波长光以产生具有不同波长的多种光。
在本发明的示例性实施例中，所述滤光器层包括多个滤光器区域。两个相邻的滤光器区域过滤所述多波长光以产生具有不同波长的两种光。
在本发明的示例性实施例中，所述滤光器区域选自红色滤光器、绿色滤光器、蓝色滤光器、及红外光滤光器中的至少两个滤光器。
在本发明的示例性实施例中，所述滤光器层包括多个滤光器区域，且所述微透镜以一一对应的方式分别地排列于所述滤光器区域上。
在本发明的示例性实施例中，所述滤光器区域以一一对应的方式分别地排列于所述传感器区域上。
在本发明的示例性实施例中，所述微透镜中的每一个在所述滤光器层上的正交投影的中心相对于所述微透镜中的每一个所对应的所述滤光器区域的中心具有偏移距离。
在本发明的示例性实施例中，所述滤光器区域中的每一个在所述传感器层上的正交投影覆盖至少两个传感器区域。
在本发明的示例性实施例中，所述光学传感器元件还包括开孔层。所述开孔层包括多个开孔，且设置于所述传感器层与所述滤光器层之间。所述开孔分别将由所述滤光器层所产生的所述光透射至所述传感器层。
本发明的另一示例性实施例提供一种指纹传感器装置，所述指纹传感器装置包括第一基板、光源、光学传感器元件、以及第二基板。所述光源设置于所述第一基板上，以输出多波长光。所述光学传感器元件设置于所述第一基板上。所述光学传感器元件包括传感器层、微透镜层及滤光器层。所述传感器层包括多个传感器区域，且用以感测来自手指的多波长光。所述微透镜层包括排列成阵列的多个微透镜，且设置于所述传感器层上。所述微透镜中的每一个将所述多波长光聚焦于所述传感器区域中对应的一个上。所述滤光器层设置于所述传感器层与所述微透镜层之间，且用以过滤所述多波长光以产生具有不同波长的多种光。所述第二基板设置于所述光学传感器元件上方。所述第二基板用以接触所述手指，并且将所述多波长光自所述手指透射至所述光学传感器元件。
在本发明的示例性实施例中，所述指纹传感器装置选自透射式指纹传感器装置及反射式指纹传感器装置中的一个。
基于上述，在本发明的示例性实施例中，所述滤光器层添加于所述传感器层与所述微透镜层之间以减少背景干涉光。因此，包括所述滤光器层的所述光学传感器元件具有小尺寸且能够提供良好的感测质量。
为了使本发明的上述及其它特征和优点易于理解，下文详细描述伴有附图的几个示例性实施例。
附图说明
包括附图是为了提供对本发明的进一步理解，且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出本发明的实施例，且与本说明一起用来解释本发明的原理。
图1示出根据本发明实施例的指纹传感器装置的示意图。
图2示出根据本发明实施例的图1所示光学传感器元件的示意图。
图3示出根据本发明实施例的图2所示光学传感器元件的俯视图。
图4示出根据本发明另一实施例的图2所示光学传感器元件的俯视图。
图5示出根据本发明另一实施例的指纹传感器装置的示意图。
图6示出根据本发明实施例的图5所示光学传感器元件的示意图。
图7示出根据本发明实施例的图6所示光学传感器元件的俯视图。
图8示出根据本发明另一实施例的图6所示光学传感器元件的俯视图。
图9示出根据本发明另一实施例的指纹传感器装置的示意图。
图10示出根据本发明实施例的图9所示光学传感器元件的示意图。
附图标记说明：
100、200、300：指纹传感器装置；
110：第一基板；
120：第二基板；
130：光源；
140、240、340：光学传感器元件；
141、241：基板；
142、242、342：传感器层；
143、143’、243、243’、343：传感器区域；
144：微透镜层；
145、145’、245、245’、345、645：微透镜；
146、246、546、646：滤光器层；
147、147’、247、347、347B、347G、547、647：滤光器区域；
147B、247B、547B、647B：蓝色滤光器；
147G、247G：绿色滤光器；
147IR、247IR、547IR、647IR：红外光滤光器；
147R、247R：红色滤光器；
148、148’、248、248’：开孔层；
149、249、349：开孔；
400：手指；
d：偏移距离；
FC、LC：中心；
L、L1：多波长光；
L2：斜光；
L1G、L2G：绿色光；
X、Y、Z：方向。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的当前优选的实施例，所述当前优选的实施例的例子示出于附图中。在附图及本说明中尽可能地使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。
下文提供实施例来详细描述本公开内容，但本公开内容并非仅限于所提供的实施例，且可适当地组合所提供的实施例。本申请的本说明书(包括权利要求书)中使用的用语“耦合(coupling/coupled)”及短语“电性连接(electrically connecting/connected)”可指代任何直接或间接连接构件。例如，“第一元件耦合至第二元件”应被解释为“第一元件直接连接至第二元件”或“第一元件通过其它元件或连接构件间接连接至第二元件”。另外，术语“信号”可指代电流、电压、电荷、温度、数据、电磁波或任何一种或多种信号。
图1示出根据本发明实施例的指纹传感器装置的示意图。图2示出根据本发明实施例的图1所示光学传感器元件的示意图。参见图1及图2，本实施例的指纹传感器装置100包括第一基板110、第二基板120、光源130、及光学传感器元件140。光源130及光学传感器元件140设置于第一基板110上。第二基板120与第一基板110相对且设置于光源130及光学传感器元件140上方。
在本实施例中，光源130适以提供多波长光L。光源130输出多波长光L以用于指纹感测。光源130可包括发光二极管(light-emitting diode，LED)或有机发光二极管(organic light-emitting diode，OLED)，且可使用满足实际设计中的尺寸要求的任何光源，且本发明并非仅限于此。多波长光L可包括由多种颜色组合而成的白色光或具有单波长范围的其它颜色的光，例如红外光、红色光、绿色光、或蓝色光，且本发明并非仅限于此。然而，光源130的形式以及多波长光L的波长范围及光强度并非旨在限制本发明。
在本实施例中，手指400接触第二基板120。第二基板120的材料可为但不限于树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、玻璃、及蓝宝石。第二基板120周围的相邻材料通常为空气。在本实施例中，第二基板120将多波长光L自手指400透射至光学传感器元件140。光学传感器元件140感测来自手指400的多波长光L。多波长光L可进入手指400，在手指400内传播，然后自手指400透射至光学传感器元件140。作为另外一种选择，多波长光L可直接被手指400反射并且自第二基板120透射至光学传感器元件140。也就是说，指纹传感器装置100选自透射式指纹传感器装置及反射式指纹传感器装置中的一个。然而，本发明并非旨在限制指纹传感器装置100的类型或结构。
参见图2，本实施例的光学传感器元件140包括传感器层142、微透镜层144、滤光器层146及开孔层148。微透镜层144设置于传感器层142上。滤光器层146设置于传感器层142与微透镜层144之间。开孔层148设置于传感器层142与滤光器层146之间。
具体而言，在本实施例中，传感器层142可包括多个传感器区域143且用以感测来自手指400的多波长光L。在实施例中，传感器层142包括例如电荷耦合元件图像传感器(CCD图像传感器)或互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，CMOS)图像传感器或诸如此类，此不受本实施例特别限制。传感器区域143可为CCD图像传感器或CMOS图像传感器的像素单元。
在本实施例中，微透镜层144包括排列成阵列的多个微透镜145。微透镜145为一般具有小于1毫米(mm)且常常小至10微米(μm)的直径的小的透镜，但本发明并非仅限于此。微透镜145的小尺寸意味着简单的设计赋予良好的光学质量。本实施例的微透镜145可为具有一个平面及一个球形或非球形凸面以折射多波长光L的单个元件。在本实施例中，微透镜145中的每一个将多波长光L聚焦于传感器区域143中对应的一个上。例如，微透射145’将多波长光L1聚焦于位于微透镜145’正下方的传感器区域143’上。由于微透镜145为小的，支撑微透镜145的基板141通常比微透镜145厚。在实施例中，可使用几层光学材料来实现设计性能。
在本实施例中，滤光器层146用以过滤多波长光L以产生具有不同波长的多种光。具体而言，本实施例的滤光器层146包括多个滤光器区域147以减少背景干涉光，如图3所示。图3示出根据本发明实施例的图2所示光学传感器元件的俯视图。参见图2及图3，本实施例的滤光器层146包括红色滤光器147R、绿色滤光器147G、蓝色滤光器147B、及红外光滤光器147IR。换言之，滤光器区域147选自红色滤光器、绿色滤光器、蓝色滤光器、及红外光滤光器中的至少两个滤光器。在本实施例中，两个相邻的滤光器区域147过滤多波长光L以产生具有不同波长的两种光。例如，绿色滤光器147G过滤多波长光L以产生绿色光，且相邻的蓝色滤光器147B过滤多波长光L以产生蓝色光。另外，与绿色滤光器147G相邻的另一红色滤光器147R过滤多波长光L以产生红色光。产生具有不同波长的其它光可依此类推，且本文将不再予以赘述。
在本实施例中，微透镜145以一一对应的方式分别地排列于滤光器区域147上，且滤光器区域147也以一一对应的方式分别地排列于传感器区域143上。例如，微透镜145’排列于滤光器区域147’上，且滤光器区域147’也如图2所示排列于传感器区域143’上。另外，在本实施例中，微透镜145中的每一个在滤光器层146上的正交投影的中心LC与微透镜145中的每一个所对应的滤光器区域147的中心FC重叠，但本发明并非仅限于此。在另一实施例中，所述微透镜中的每一个在所述滤光器层上的正交投影的中心相对于所述微透镜中的每一个所对应的所述滤光器区域的中心具有偏移距离。
在本实施例中，开孔层148包括多个开孔149以减少背景干涉光。开孔149分别将由滤光器层146所产生的光透射至传感器层142。在图2中，开孔149将绿色光L1G透射至传感器区域143’，但阻挡绿色光L2G。在本实施例中，另一开孔层148’可包括于传感器层142中以减少背景干涉光。开孔层148’的排列为可选的，且本发明并非仅限于此。
在本实施例中，微透镜145、滤光器区域147、开孔149及传感器区域143的数目是为了说明而示例性地公开。然而，本发明并非旨在限制微透镜145、滤光器区域147、开孔149及传感器区域143的数目。
图4示出根据本发明另一实施例的图2所示光学传感器元件的俯视图。参见图2至图4，本实施例的滤光器层546类似于图3所示滤光器层146，且其之间的主要区别例如在于滤光器层546仅包括两种颜色的滤光器，例如蓝色滤光器547B及红外光滤光器547IR，但本发明并非仅限于此。本发明的本实施例中所述的滤光器层546的操作已充分地教示、建议及体现于图3所示实施例中，且因此本文不再予以赘述。
图5示出根据本发明另一实施例的指纹传感器装置的示意图。图6示出根据本发明实施例的图5所示光学传感器元件的示意图。图7示出根据本发明实施例的图6所示光学传感器元件的俯视图。参见图5至图7，本实施例的光学传感器元件240类似于图2所示光学传感器元件140。其之间的主要区别例如在于滤光器层246及开孔层248相对于传感器层242具有偏移距离。由于所述偏移距离，光学传感器元件240可感测到来自手指400的斜光。例如，传感器区域243’感测到自微透镜245’透射至传感器区域243’的斜光L2。由于所述斜光被传感器层242感测到，本实施例的较小的光学传感器元件240会感测到较大的指纹区域。
具体而言，进一步参见图7，微透镜245中的每一个在滤光器层246上的正交投影的中心LC相对于微透镜245中的每一个所对应的滤光器区域247的中心FC具有偏移距离d。在本实施例中，中心LC相对于中心FC的偏移方向为左上方向，但本发明并非仅限于此。在实施例中，所述偏移方向可为右下方向或相对于中心FC为任何倾斜或垂直方向X或Y。然而，本发明并非旨在限制中心LC相对于中心FC的偏移方向。
本发明的本实施例中所述的光学传感器元件240的操作已充分地教示、建议及体现于图2所示实施例中，且因此本文不再予以赘述。此外，在本实施例中，微透镜245以一一对应的方式分别地排列于传感器区域243上，且微透镜245中的每一个位于所述微透镜中的每一个所对应的传感器区域243上方。
图8示出根据本发明另一实施例的图6所示光学传感器元件的俯视图。参见图6至图8，本实施例的滤光器层646类似于图7所示滤光器层246，且其之间的主要区别例如在于滤光器层646仅包括两种颜色的滤光器，例如蓝色滤光器647B及红外光滤光器647IR，但本发明并非仅限于此。本发明的本实施例中所述的滤光器层646的操作已充分地教示、建议及体现于图7所示实施例中，且因此本文不再予以赘述。
图9示出根据本发明另一实施例的指纹传感器装置的示意图。图10示出根据本发明实施例的图9所示光学传感器元件的示意图。参见图2、图9及图10，本实施例的光学传感器元件340类似于图2所示光学传感器元件140。其之间的主要区别例如在于滤光器区域347中的每一个在传感器层342上的正交投影覆盖至少两个传感器区域343。在本实施例中，一个滤光器区域347G或347B覆盖四个传感器区域343，但所述一个滤光器区域347G或347B所覆盖的传感器区域343的数目是为了说明而示例性地公开。然而，本发明并非旨在限制所覆盖传感器区域的数目。
本发明的本实施例中所述的光学传感器元件340的操作已充分地教示、建议及体现于图1至图4所示实施例中，且因此本文不再予以赘述。此外，在本实施例中，微透镜345分别地排列于传感器区域343上，且微透镜345中的每一个位于滤光器区域347上方。
综上所述，在本发明的示例性实施例中，滤光器层添加于传感器层与微透镜层之间，且过滤多波长光以产生具有不同波长的光来减少背景干涉光。对于具有某一波长的光，滤光器层提供光阑效应(diaphragm effect)，使得微透镜之间的干涉光也减少。因此，包括所述滤光器层的光学传感器元件具有小的尺寸且能够提供良好的感测质量。另外，光学传感器元件的滤光器层被设计成具有不同颜色或图案的滤光器区域，且因此适于包括不同光源的各种指纹传感器装置。
所属领域的技术人员易知，可对本发明的结构作出各种修改及变动，而此并不背离本发明的范围或精神。综上所述，旨在使本发明涵盖本发明的修改及变动，只要这些修改及变动落于随附权利要求书及其等效内容的范围内即可。

Claims (15)

1.一种光学传感器元件，其特征在于，包括：
传感器层，包括多个传感器区域，且用以感测来自手指的多波长光；
微透镜层，包括排列成阵列的多个微透镜，且设置于所述传感器层上，其中所述微透镜中的每一个将所述多波长光聚焦于所述传感器区域中对应的一个上；以及
滤光器层，设置于所述传感器层与所述微透镜层之间，且用以过滤所述多波长光以产生具有不同波长的多种光，
其中所述滤光器层包括多个滤光器区域，且两个相邻的滤光器区域过滤所述多波长光以产生具有不同波长的两种光。
2.根据权利要求1所述的光学传感器元件，其特征在于，所述滤光器区域选自红色滤光器、绿色滤光器、蓝色滤光器、及红外光滤光器中的至少两个。
3.根据权利要求1所述的光学传感器元件，其特征在于，所述滤光器层包括多个滤光器区域，且所述微透镜以一一对应的方式分别地排列于所述滤光器区域上。
4.根据权利要求3所述的光学传感器元件，其特征在于，所述滤光器区域以一一对应的方式分别地排列于所述传感器区域上。
5.根据权利要求4所述的光学传感器元件，其特征在于，所述微透镜中的每一个在所述滤光器层上的正交投影的中心相对于所述微透镜中的每一个所对应的所述滤光器区域的中心具有偏移距离。
6.根据权利要求3所述的光学传感器元件，其特征在于，所述滤光器区域中的每一个在所述传感器层上的正交投影覆盖至少两个传感器区域。
7.根据权利要求1所述的光学传感器元件，其特征在于，还包括：
开孔层，包括多个开孔，且设置于所述传感器层与所述滤光器层之间，其中所述开孔分别将由所述滤光器层所产生的所述光透射至所述传感器层。
8.一种指纹传感器装置，其特征在于，包括：
第一基板；
光源，设置于所述第一基板上，以输出多波长光；
光学传感器元件，设置于所述第一基板上，且包括：
传感器层，包括多个传感器区域，且用以感测来自手指的所述多波长光；
微透镜层，包括排列成阵列的多个微透镜，且设置于所述传感器层上，其中所述微透镜中的每一个将所述多波长光聚焦于所述传感器区域中对应的一个上；以及
滤光器层，设置于所述传感器层与所述微透镜层之间，且用以过滤所述多波长光以产生具有不同波长的多种光；以及
第二基板，设置于所述光学传感器元件上方，且用以接触所述手指，并且将所述多波长光自所述手指透射至所述光学传感器元件，
其中所述滤光器层包括多个滤光器区域，且两个相邻的滤光器区域过滤所述多波长光以产生具有不同波长的两种光。
9.根据权利要求8所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述滤光器区域选自红色滤光器、绿色滤光器、蓝色滤光器、及红外光滤光器中的至少两个。
10.根据权利要求8所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述滤光器层包括多个滤光器区域，且所述微透镜以一一对应的方式分别地排列于所述滤光器区域上。
11.根据权利要求10所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述滤光器区域以一一对应的方式分别地排列于所述传感器区域上。
12.根据权利要求11所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述微透镜中的每一个在所述滤光器层上的正交投影的中心相对于所述微透镜中的每一个所对应的所述滤光器区域的中心具有偏移距离。
13.根据权利要求10所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述滤光器区域中的每一个在所述传感器层上的正交投影覆盖至少两个传感器区域。
14.根据权利要求8所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述光学传感器元件还包括：
开孔层，包括多个开孔，且设置于所述传感器层与所述滤光器层之间，其中所述开孔分别将由所述滤光器层所产生的所述光透射至所述传感器层。
15.根据权利要求8所述的指纹传感器装置，其特征在于，所述指纹传感器装置选自透射式指纹传感器装置及反射式指纹传感器装置中的一个。
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