CN111652194A - 具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置，至少包括一显示器以及一指纹传感器。显示器具有多个显示像素，上述多个显示像素的相邻两者之间具有一横向节距P。指纹传感器感测位于显示器上或上方的一手指的指纹，指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，且至少包括一感测芯片及一光机模组。感测芯片具有多个感测单元，各感测单元具有一横向尺寸A。光机模组设置于感测芯片与显示器之间，并具有一放大倍率M，其中，A×M≤P，且A>5μm。

Description

具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置
技术领域
本发明是有关于一种电子装置，且特别是有关于一种具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置。
背景技术
现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等)通常配备有使用者生物识别系统，包括了例如指纹、脸型、虹膜等等不同技术，用以保护个人数据安全，其中例如应用于手机或智能手表等携带型装置，也兼具有移动支付的功能，对于使用者生物识别更是变成一种标准的功能，而手机等携带型装置的发展更是朝向全屏幕(或超窄边框)的趋势，使得传统电容式指纹按键无法再被继续使用，进而演进出新的微小化光学成像装置(有些类似传统的相机模组，具有互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor(CMOS)Image Sensor(简称CIS))感测元件及光学镜头模组)。将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，通过屏幕部分透光(特别是有机发光二极体(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以撷取按压于屏幕上方的物体的图像，特别是指纹图像，可以称为屏幕下指纹感测(Fingerprint On Display，FOD)。
现有技术的光学指纹传感器，皆是利用互补式金属氧化物半导体(Complementarymetal-oxide semiconductor,CMOS)前光照度(Front-Side Illumination,FSI)技术制作的光传感器，主要是因为每个感测像素的尺寸都约在6～8微米(μm)(甚至更大)，相较于传统相机的CMOS图像传感器，像素尺寸都甚至<1μm(整个产业趋势是像素尺寸变小，总像素变多)。
然而FOD技术考虑完全不同于传统相机的CMOS图像传感器，由于设置于屏幕下方，必须要考虑其透光率，又指纹辨识比对算法对图像解析度有一定的要求(例如>500dpi)，其中每一英寸的点数量(Dots Per Inch)称为dpi。因此传感器与显示屏是两者相互需搭配设计，才能有最优化的系统功能。
总之，目前的显示屏幕不断地朝向高解析度的目标来发展。高解析度的显示屏幕的穿透率势必降低，使得光学指纹传感器收到的光线变少，目前的光学指纹传感器已经无法在低穿透率的显示屏幕下达成有效率的感测功能。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置，依据显示器的解析度的需求来设计指纹传感器，使得指纹传感器可以有效地执行屏下光学特征感测。
为达上述目的，本发明提供一种电子装置，至少包括一显示器以及一指纹传感器。显示器具有多个显示像素，上述多个显示像素的相邻两者之间具有一横向节距P。指纹传感器感测位于显示器上或上方的一手指的指纹，指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，且至少包括一感测芯片及一光机模组。感测芯片具有多个感测单元，各感测单元具有一横向尺寸A。光机模组设置于感测芯片与显示器之间，并具有一放大倍率M，其中，A×M≤P，且A>5μm。
藉由上述的具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置，依据A×M≤P的条件，可以在高解析度的显示器下实现光学指纹感测，且符合未来及正在发展中的移动装置的显示及指纹感测需求。
为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
附图说明
图1显示显示器的穿透率的数个例子的特性图。
图2A显示两种指纹传感器的特性图。
图2B为显示器的穿透图案的示意图。
图3显示本发明较佳实施例的电子装置的示意图。
图4显示感测单元的另一例子的俯视示意图。
图5显示感测芯片与处理器的示意方块图。
图6显示图3的指纹传感器的局部剖面示意图。
附图标记：
A：横向尺寸
F：手指
P：横向节距
Q1：曲线群
Q2：曲线群
T1,T2,T3：特性曲线
10：显示器
12：显示像素
20：指纹传感器
21：感测芯片
22：感测单元
22A：子感测单元
23：金属配线层
24：介电层
25：光机模组
27：前处理单元
28：合并单元
30：电池
40：传输介面
100：电子装置
具体实施方式
图1显示显示器的穿透率的数个例子的特性图。如图1所示，关于目前的OLED显示器的波长对穿透率的特性曲线T1与T2，以波长530nm的光线而言，穿透率分别是在2％至3％左右，譬如特性曲线T1与T2的穿透率分别为3.1％和2.5％。因为OLED显示器的解析度不断的提高，所以需要采用新的材料及提高显示单元及配线的密度，使得未来的OLED显示器的穿透率降低，特性曲线T3为未来显示器的波长对穿透率的特性曲线，以波长530nm的光线而言，穿透率大约是1％，未来甚至会更低。本揭露内容的指纹传感器即是配合具有特性曲线T3的显示器来进行设计。因此，显示器对于波长范围介于500nm到850nm之间的光线的穿透率小于2％，譬如是介于1％与2％之间。或者，显示器对于波长530nm的光线的穿透率小于1％。
图2A显示两种指纹传感器的特性图。如图2A所示，曲线群Q1代表一种背光照度(Back-Side Illumination,BSI)传感器的波长对量子效率的关系图，曲线群Q2代表前光照度(Front-Side Illumination,FSI)传感器的波长对量子效率的关系图。以波长530nm的光线而言，BSI传感器的量子效率可以高达约90％，而FSI传感器的量子效率大约60％。因此，对于未来的低穿透率的显示器而言，采用BSI传感器为本揭露内容的首选。
由于指纹应用于例如手机系统，故从曝光到图像传输及辨识比对，总共的需求时间一般约为<200ms(毫秒)，而图像传输及辨识比对的时间差不多是固定的数字，最大的改变还是在于曝光的时间，其一般必须要小于100ms。
当上述低穿透率的显示屏出现时，如果光传感器的尺寸及技术(譬如FSI)都不改变，则代表整个曝光时间将大于150ms，甚至200ms，这是完全没法满足系统规格的。
以下表1显示利用BSI技术的不同像素尺寸的曝光时间比较，为了满足100ms的规格，可以发现像素尺寸必须要大于5μm。
表1
BSI传感器的像素尺寸 曝光时间
5μm 115ms
7μm 50ms
10μm 23ms
简单来说，如果要满足曝光时间，则通过BSI的选择，搭配较大尺寸的像素(>5μm)，则是可以达到的，可是由于FOD产品系设置于显示屏(例如OLED)下方，显示屏会有解析度及穿透图案(透光的几何形状)，例如图2B所示，其中，白色为不透光区域，黑色或阴影部分为透光区域。当显示屏的解析度(例如目前2～3％透光率的解析度约为400至500dpi)与该透光的几何形状结合之后，便会产生相当复杂的所谓摩尔纹(MoiréPattern)(复杂的绕射图形)。
因此辨识比对算法里面必须要有图像处理的方法，将该摩尔纹消除，才能获得较清晰的指纹图像。
由于指纹的波峰与波峰的间距约200μm至400μm，而显示屏的像素节距例如小于60μm(400dpi)，因此如果用空间频率来区分，则指纹是低频信号，摩尔纹是高频信号，因此在本发明设计上，则必须要将取像解析度设计成大于或等于显示屏解析度，便可以通过后续图像处理，滤掉显示屏的高频摩尔纹，相关的设计条件如后所述。
图3显示本发明较佳实施例的电子装置的示意图。如图3所示，本实施例提供一种电子装置100，譬如是手机、平板电脑等，至少包括一显示器10以及一指纹传感器20。指纹传感器20与显示器10两者的设计参数必须互相匹配。
显示器10具有多个显示像素12，此等显示像素12的相邻两者之间具有一横向节距(pitch)P。在图3中，横向方向为水平方向。于一例子中，各显示像素12包括三原色像素。显示器10可以是OLED显示器或任何高解析度的其他显示器。
指纹传感器20感测位于显示器10上或上方的一手指F的指纹。由于BSI传感器的量子效率高，指纹传感器20为一种BSI指纹传感器，且至少包括一感测芯片21及一光机模组25。
感测芯片21具有多个感测单元22，各感测单元22具有一横向尺寸A，其中A>5μm。光机模组25设置于感测芯片21与显示器10之间，并具有一放大倍率M。为了在低穿透率的显示器的下方达成可辨识的指纹感测结果，本揭露内容提出以下设计条件，也就是A×M≤P，也就是本揭露内容提出的相关的限制条件，经过实际测试也证实可行。
因此一个好的FOD设计将包括曝光时间、A、M及P，这四个参数，本发明是针对下世代的低穿透屏(<2％，甚至<1％)，其解析度将是大于600dpi，甚至是700dpi，因此必须要有较大的像素尺寸(>5μm)的BSI，并且较小的放大倍率M，才能满足A×M≤P。
因为显示器10具有逐一排列的显示像素12，指纹传感器20也有逐一排列的感测单元22，因为显示器10具有很多小透光孔而产生具有周期性的多个光点，进而产生摩尔纹，如果感测单元22的实质周期大于显示像素12的周期的话，感测单元22就无法感测到此周期性，并且无法利用图像处理的方式扣除摩尔纹。于此，因为填充比率(Fill Factor)越高越好，所以感测单元22的实质周期大约等于A×M。亦即，显示像素的尺寸经过光机模组放大后的参数(A×M)需要比P来得小，才能让感测单元22感测到变化，以利后续图像处理的进行。
于一例中，横向尺寸A大于5μm，甚至是大于或等于6μm；以及放大倍率M小于或等于6，甚至是小于或等于5。于另一例子中，横向尺寸A介于5μm至10μm之间，而放大倍率M介于6与3之间。
电子装置100可以还包括一电池30，提供电源给显示器10及指纹传感器20使用。电池30位于显示器10的下方及指纹传感器20的一侧。值得注意的是，虽然图3的指纹传感器20只有涵盖一部分的显示器10，但并未将本揭露内容限制于此，因为也可以将指纹传感器20设计成涵盖显示器10的全部，实施全屏指纹感测的功能。
图4显示感测单元的另一例子的俯视示意图。如图4所示，各感测单元22是由多个子感测单元22A所组成。子感测单元22A排列成阵列，譬如是2×2的阵列，当然并不限定于此，也可以是3×3或更大阵列。此时，横向尺寸A等于两个子感测单元22A的横向尺寸的总和，此举的目的是为了具有更高解析度的图像(例如解析度提高4倍)，可以更有效解决摩尔纹问题，但是又为了解决曝光时间，则必须要将子感测元的信号加总在一起(称为合并(binning)，熟悉CIS技术人当了解此一作法，故于此不赘述)。
由于指纹传感器的感测芯片21在譬如手机系统的电子装置100中是以譬如串列周边介面(Serial Peripheral Interface,SPI)的传输介面40连接到电子装置100的处理器50，而手机系统的SPI的传输速度大约是20至30MHz，如果将每个子感测单元22A的图像数据先传送到手机系统，再由软体处理，则在SPI传输的时间将会太长(有时到达约50ms)，因此，如图5所示，本发明的指纹传感器20的感测芯片21还包括：一前处理单元27，电连接至所述多个子感测单元22A，依序抓取所述多个子感测单元22A的图像数据，也就是抓取高解析度的子感测单元22A的阵列图像数据，并且对图像数据作前图像处理，也就是于感测芯片21中做前图像处理(例如空间低通滤波等)；以及一合并单元28，将所述多个经过前图像处理的图像数据合并为对应于对应的其中一个感测单元22的一合并图像数据，也就是将子感测单元22A的阵列图像数据合并成代表感测单元22执行图像感测所获得的图像数据，再由例如SPI的传输介面40输出给电子装置100的一处理器50来作后续图像处理，这样就可以将传输时间大幅减少(例如缩短为原来的1/4)。上述前处理单元及合并单元以功能方块加以描述，在设计上也可以是合并在一起的电路，也可以分别以前处理电路及合并电路的硬体电路来实施。于本例子中，感测单元22排列成二维阵列。
图6显示图3的指纹传感器20的局部剖面示意图。如图6所示，光机模组25至少包括一微透镜，将光线聚焦于感测单元22，感测芯片21还具有至少一金属配线层23(譬如是两金属配线层)，感测单元22设置于光机模组25与金属配线层23之间。金属配线层23之间填充有介电层24。由于金属配线层23不会遮挡进入感测单元22的光线，具有较高的量子效率，适用于上述实施例。
藉由上述的具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置，依据A×M≤P的设计条件，可以在高解析度的显示器下实现光学指纹感测，且符合未来及正在发展中的移动装置的显示及指纹感测需求。
在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及申请专利范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。

Claims (11)

1.一种具有互相适配的指纹传感器及高解析度显示器的电子装置，其特征在于，至少包括：
一显示器，具有多个显示像素，所述多个显示像素的相邻两者之间具有一横向节距P；以及
一指纹传感器，感测位于所述显示器上或上方的一手指的指纹，所述指纹传感器为一种背光照度指纹传感器，且至少包括：
一感测芯片，具有多个感测单元，各所述感测单元具有一横向尺寸A，其中A>5μm；及
一光机模组，设置于所述感测芯片与所述显示器之间，并具有一放大倍率M，其中，A×M≤P。
2.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述显示器对于波长范围介于500nm到850nm之间的光线的穿透率小于2％。
3.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述横向尺寸A介于5μm至10μm之间。
4.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述显示器对于波长530nm的光线的穿透率小于1％。
5.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述显示器的解析度大于600dpi。
6.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述横向尺寸A大于或等于6μm。
7.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述放大倍率M小于或等于6。
8.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述放大倍率M介于6与3之间。
9.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，所述感测芯片还具有一金属配线层，所述感测单元设置于所述光机模组与所述金属配线层之间。
10.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，各所述感测单元是由多个子感测单元所组成。
11.如权利要求10所述的电子装置，其特征在于，所述感测芯片还具有：一前处理单元，电连接至所述多个子感测单元，抓取所述多个子感测单元的图像数据并对所述图像数据作前图像处理；以及一合并单元，将所述多个经过前图像处理的图像数据合并为对应于所述多个感测单元的对应的一个的一合并图像数据，而输出给所述电子装置的一处理器。
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