CN113469131A - 采用具有部分光谱感测面积的感测像素的感测装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用具有部分光谱感测面积的感测像素的感测装置包含多个排列成阵列的感测像素，所述感测像素至少包含一第一感测像素及一第二感测像素。第一感测像素基于来自一物体的一部位的反射光获得一第一感测值S1，并且具有一第一占比M1的一第一区及一第二占比N1的一第二区，第一区感测反射光的第一光线。第二感测像素基于反射光获得一第二感测值S2，并且具有一第三占比M2的一第三区以及一第四占比N2的一第四区，第三区感测反射光的第一光线，使能依据至少M1、N1、M2、N2、S1与S2来定义所述部位对应于第一光线的光谱信息。
Description
技术领域
本发明是有关于一种感测装置，且特别是有关于一种采用具有部分光谱感测面积的感测像素的感测装置，利用由具有部分光谱感测面积的感测像素所获得的感测值，可以获得特定光谱的光谱信息，或者作为活体判断(譬如真假手指判断)或性质判断的依据。
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型手表等携带型装置，也兼具有行动支付的功能，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(有的非常类似传统的相机模块，具有互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(简称CIS))感测元件及光学镜头模块)。将微小化光学成像装置设置于屏幕下方(可称为屏下)，透过屏幕部分透光(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)。
屏幕下指纹感测除了要能正确地感测到指纹以外，也需要判断手指的真伪，以防止某人利用伪造另一人的假指纹或假手指来假冒另一人而通过认证。目前的仿冒技术也越来越精进，譬如可以利用2D影像或3D列印制作一个模具，再利用此模具填入各种不同的硅胶和色素制成假手指，或者也可以将另一人的指纹复制成透明或肤色薄膜附加到手指表面，使得附加有透明薄膜的假手指难以被辨别出。传统的辨识方法都是在2D的感测器阵列中(基本上都是可以检测可见光谱的白像素(white pixel))，设置部分的颜色像素(在其上方制作特定的彩色滤光片(color filter)，例如RGB彩色滤光片)分布于2D阵列中，再由这些颜色像素检测反射于手指的光信号强度，透过设定一光信号强度阈值(thresholdvalue)，达到判别真假手的目的。但是这种光信号强度的判断很容易受到环境光场强度变化的影响，而常常造成光信号强度阈值设定时的变异，大大影响了判断的真确性。
鉴于以上说明，对于判断真实手指的机构，着实有更进一步的改良需求，以防止假手指通过指纹感测。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种采用具有部分光谱感测面积的感测像素的感测装置，依据感测像素的部分面积的占有比例及感测像素感测受测部位所获得的感测值，作为活体判断或性质判断的依据，并且可用来定义出受测部位对应特定光谱的光谱信息。
为达上述目的，本发明提供一种采用具有部分光谱感测面积的感测像素的感测装置，包含多个排列成阵列的感测像素，所述感测像素至少包含一第一感测像素及一第二感测像素。第一感测像素基于来自一物体的一部位的反射光获得一第一感测值S1，并且具有一第一占比M1的一第一区及一第二占比N1的一第二区，第一区感测所述部位的第一光线。第二感测像素基于反射光获得一第二感测值S2，并且具有一第三占比M2的一第三区以及一第四占比N2的一第四区，第三区感测反射光的第一光线，使能依据至少M1、N1、M2、N2、S1与S2来定义所述部位对应于第一光线的光谱信息。
通过上述实施方式的感测装置，依据感测像素的部分面积的占有比例及感测像素感测受测部位所获得的感测值，可以求得受测部位对应特定光谱的光谱信息，而从光谱信息进行检测血氧浓度、皮肤特性或其他皮下组织的特性等等的判断，而不用牺牲受测部位的光谱信息。
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1A显示依据本发明较佳实施例的感测像素的示意图。
图1B显示依据本发明较佳实施例的感测装置的应用的示意图。
图2显示图1B的多个感测像素的平面配置图。
图3至图5显示图1B的三种感测像素的立体配置图。
附图标号：
A11:有效面积
A13:有效面积
F:物体
L1:第一光线
L2:第二光线
M1:第一占比
M2:第三占比
M3:第五占比
N1:第二占比
N2:第四占比
N3:第六占比
S1:第一感测值
S11,S12:接收值
S2:第二感测值
S21,S22:接收值
S3:第三感测值
S4:第四感测值
VIP:部位
10:感测像素
11:光感测元件
11A:第一部分
11B:第二部分
12:第一区
13:光谱分离元件
13A:第一光区
13B:第二光区
14:第二区
20:第二感测像素
22:第三区
24:第四区
30:第三感测像素
32:第五区
34:第六区
40:第四感测像素
45:感测基板
50:信号处理单元
51:像素群组
52:像素群组
53:像素群组
60:数据库
70:光机结构
80:显示器
100:感测装置
具体实施方式
图1A显示依据本发明较佳实施例的感测像素的示意图。如图1A所示，本实施例提供一种感测像素10，至少包含一个完整的光感测元件11以及一光谱分离元件13，其设置于光感测元件11的一侧。光谱分离元件13具有一第一光区13A与一第二光区13B，分别处理不同光谱成分的光。光感测元件11的一第一部分11A与一第二部分11B分别通过光谱分离元件13的第一光区13A与第二光区13B，感测来自一物体F的一受测光而获得一综合信号。第一光区13A与第一部分11A构成感测像素10的一第一区12，第二光区13B与第二部分11B构成感测像素10的一第二区14。于本实施例中，光谱分离元件13为一滤光片，第一光区13A的有效面积A13小于光感测元件11能执行光感测的有效面积A11。于一例子中，第一光区13A让受测光的一第一光线L1(具有譬如红光光谱)通过而到达光感测元件11，而第二光区13B让受测光全部(具有譬如白光光谱)通过而到达光感测元件11。于另一例子中，第一光区13A让第一光线L1(具有譬如红光光谱)通过而到达光感测元件11，第二光区13B让受测光的一第二光线L2(具有譬如蓝光或绿光光谱)通过而到达光感测元件11。通过上述设计，可以让感测像素10具有部分特定光谱感测面积，来达成选择性地以一特定比例过滤受测光的光谱的功能，可以为下述的感测装置的应用提供解决方案。实际设计时，可以调整有效面积A13与A11的比值，以配置出具有不同面积占比的感测像素。可以理解的，本实施例的光谱分离元件13可位于光感测元件11上或上方。
图1B显示依据本发明较佳实施例的感测装置的应用的示意图。图2显示图1B的多个感测像素的平面配置图。如图1B与图2所示，本实施例的感测装置100至少包含多个排列成阵列的感测像素，感测像素的光感测元件形成于一感测基板45上，感测像素至少包含感测像素10(可称为第一感测像素)、当然可以还包含第二、第三及第四感测像素20、30与40，各自具有不同面积占比的特定光谱感测区。感测装置100用于感测物体F的一部位VIP(受测部位，或称虚拟相同部位(Virtual Identical Position))，感测像素10基于来自部位VIP的反射光(受测光)获得一第一感测值S1。在本实施例中，感测像素10具有一第一占比M1的一第一区12及一第二占比N1的一第二区14。第一区12用于感测反射光的第一光线L1(特定光谱，譬如是红(R)、绿(G)、蓝(B)色光谱等等)。于图2的非限制例中可知，M1＝25％，N1＝75％，但于其他例子中，亦可让M1+N1<100％。同理，第二感测像素20基于来自部位VIP的反射光获得一第二感测值S2。在本实施例中，感测像素20具有一第三占比M2的一第三区22以及一第四占比N2的一第四区24。第三区22用于感测反射光的第一光线L1。配合感测像素10，可以依据至少M1、N1、M2、N2、S1与S2来定义部位VIP对应于第一光线L1的光谱信息(也可以定义受测光的光谱信息)。感测装置100还可以选择性地包含一信号处理单元50及一数据库60。信号处理单元50电连接至数据库60及感测像素。信号处理单元50可以依据M1、N1、M2、N2、S1与S2，与数据库60中预存的数据进行比对，判断物体F的真伪。于图2的非限制例中，M2＝50％，N2＝50％，但于其他例子中，亦可让M2+N2<100％。
以下举例说明所谓的虚拟相同部位VIP。以手指的指纹而言，指纹纹峰的中心间距(pitch)大约是400至500μm，感测像素的中心间距大约是10至20μm，使得相邻的两个或三个感测像素实际上量测到的是手指上的同一部位，这是因为从手指(物体F)到感测像素的距离大约有1,000μm，在横向尺寸与纵向尺寸差异相当大的情况下，使得相邻的两个或三个感测像素看到的待测物几乎是相同的位置。代表相同位置的虚拟相同部位的深度信息实质上相同，其对应光谱信息亦相同。
于本例中，信号处理单元50可以依据M1、N1、S1、M2、N2及S2这六个参数来判断物体F的真伪，当然也可定义部位VIP的光谱信息。于另一变化例中，这六个参数可以输出到安装有感测装置100的电子设备，供电子设备(譬如手机、平板电脑或笔记型电脑等)的中央处理器处理，也就是中央处理器可以对上述以及下述的数据执行处理。因此，信号处理单元50电连接至数据库60并不一定是感测装置100的必要元件。
当然，为了适应于不同的应用场合，强化真伪辨识的结果，可以对上述实施例的细节进行变化与扩充。因为采用具有不同占比的部分特定光谱感测面积能感测特定光谱的感测像素可以衍生多种变化，所以为本申请内容的核心精神。
第三感测像素30基于来自部位VIP的反射光获得一第三感测值S3，第三感测像素30具有一第五占比M3的一第五区32以及一第六占比N3的一第六区34，第五区32用于感测反射光的第一光线L1，使能依据至少M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2与S3这九个参数来进行真伪判断，当然也可定义部位VIP对应于第一光线L1的光谱信息。或者，信号处理单元50可以依据这九个参数与数据库60中预存的数据进行比对，判断物体F的真伪。于图2的非限制例中，M3＝75％，N3＝25％，但于其他例子中，亦可让M3+N3<100％。M1、N1、M2、N2、M3、N3都是介于0％与100％之间。
在本例中，第四感测像素40并未如感测像素10、20、30设置特定光谱感测区，因此可基于来自部位VIP的反射光获得代表部位VIP的全光谱信息的第四感测值S4。第四感测像素40除了可以提供一个参考基准以外，也可以用来感测物体F的其他生物特征，譬如是指纹、血管图像、血氧浓度图像等生物特征。实际设计时，是在许多第四感测像素40穿插一些感测像素10及第二感测像素20(也可还包含第三感测像素30)，以第四感测像素40所感测到的信号当作生物特征，以感测像素10及第二感测像素20(也可还包含第三感测像素30)当作光谱信息判断的数据。
第一区12、第三区22与第五区32用于感测部位VIP的第一光线L1以分别获得接收值S11、S21及S31。第二区14、第四区24与第六区34用于感测部位VIP的第二光线L2以分别获得接收值S12、S22及S32。当第一光线L1为红/绿/蓝光时(例如手指反射来自于显示屏的照光)，第二光线L2可以是非纯红光/绿光/蓝光的纯净光或混合光，使得第二光线L2与第一光线L1局部重叠，或不相重叠。
值得注意的是，在一个生物特征感测器或指纹感测器中，可以有多个感测像素10、多个第二感测像素20、多个第三感测像素30及多个第四感测像素40，感测通过一显示器80及一光机结构70的光线的不同光谱，并且排列成阵列地形成于感测基板45上。显示器80可以是一种LCD、OLED显示器、微型发光二极体显示器或其他现有或未来的显示器。显示器80可以提供光线照射手指(物体F)，当然也可以另外设置其他光源来照射手指(物体F)。于另一例子中，并不一定要利用显示器80，而可以采用一透光盖板盖住光机结构70，并让手指(物体F)碰触透光盖板。
光机结构70的实施方式也不特别限制。于一例子中，光机结构70包含多个微透镜结构及遮光层。于另一例子中，光机结构70为一种不含微透镜结构的准直器结构。
实际实施时，感测像素10可以是一个光感测元件加上一个光谱分离元件所构成，其中光谱分离元件的面积除以光感测元件的面积等于25％。光谱分离元件譬如是红/绿/蓝光过滤器，只允许通过光机结构70的红/绿/蓝光进入到光感测元件中。第二感测像素20与第三感测像素30的设计方式可以依此类推。
于上述实施例中，第一区12感测红/绿/蓝色光谱值，第二区14感测到白色光谱值。但是本申请内容并非受限于此，只要是利用不同混合光谱来解出个别光谱值，甚至进行真伪判断，都适用于本申请内容。譬如，第一区12感测红色光谱值，而第二区14感测绿色光谱值，依此类推。因此，透过配置不同占有比例的不同光谱感测区，也可在后端的信号处理单元中将不同光谱的信号萃取出来，以供上述所提到的各种场合的应用。
图3至图5显示图1B的三种感测像素的立体配置图。如图1B至图5所示，以下以第一光线L1为红色光谱，第二光线L2为白色光谱，并以感测像素10、第二感测像素20及第三感测像素30分别包含面积占比25％、50％与75％的特定光谱感测区作为例子来说明，但并未将本申请内容限制于此。于其他例子中，每一感测像素可以包含其他适当占比的感测区，且第一光线与第二光线可以是互不重叠的光谱。
参见图1B至图4，接收值S11与S12合成第一感测值S1，且接收值S21与S22合成第二感测值S2。因此，在图2的像素群组53中，满足以下方程式1与方程式2：
S1＝M1*I1+N1*I2＝0.25*I1+0.75*I2 [方程式1]
S2＝M2*I1+N2*I2＝0.5*I1+0.5*I2 [方程式2]
其中I1代表第一光线(红光)的强度，I2代表第二光线(白色光谱)的强度。由于有两个未知数I1与I2，所以利用两个方程式即可解出I1与I2。因此，在M2不等于M1且N2不等于N1的情况下，通过S1、S2、M1、M2、N1及N2以获得第一光线L1的强度I1及第二光线L2的强度I2。上述方程式的求解可以由信号处理单元50或者是电子设备的中央处理器来执行。或者，也可以依据上述两个方程式1与2的特性，配合实验所量测真实手指与假手指所获得的数据库60，利用信号处理单元50依据S1与S2比对数据库60以判断物体F的真伪，而不用先将I1与I2解出，这也提供另一种可实施的方式。又或者，信号处理单元50可以依据S1、S2、M1、M2、N1及N2来获得部位VIP的光谱信息。
参见图1B至图5，在像素群组51与52中，使用感测像素10、第二感测像素20及第三感测像素30，接收值S31与S32合成第三感测值S3。因此，满足上述方程式1、上述方程式2与下述方程式3：
S3＝M3*I1+N3*I2＝0.75*I1+0.25*I2[方程式3]
依据方程式1至方程式3，由于有两个未知数I1与I2，所以信号处理单元50可以利用两个方程式即可解出I1与I2，但是又有提供第三感测值S3，故可以避免感测误差。因此，信号处理单元50可以通过S1、S2、S3、M1、M2、M3、N1、N2及N3，依据上述三个方程式去求解，以最小化误差的方式(譬如是最小平方法)，求出I1与I2。或者，也可以依据上述三个方程式的特性，配合实验所量测真实手指与假手指所获得的数据库60，利用信号处理单元50依据S1、S2与S3比对数据库60以判断物体F的真伪，而不用先将强度I1与I2解出。这也提供另一种可实施的方式。又或者，信号处理单元50可以依据S1、S2、M1、M2、M3、N1、N2及N3以获得部位VIP的光谱信息。
在使用感测像素10与第四感测像素40的情况下，通过S1、S4、M1及N1可以获得第二光线L2的强度I2，且信号处理单元50可以依据上述方程式1与下述方程式4解出I1与I2：
S4＝I2 [方程式4]
在像素群组51中，感测像素10、第二感测像素20与第三感测像素30排列成一直线。在像素群组52中，感测像素10、第二感测像素20与第三感测像素30交错排列，且其中也交错排列三个第四感测像素40。这表示本申请内容的感测像素可以有多种排列方式，并不特别限制感测像素的排列方式。
以下利用一个实际的数字例子来说明，假设虚拟相同部位发射的光的强度值为(r,g,b)＝(120,160,200)，第一感测像素具有25％的红色光谱感测区及75％的白色光谱感测区，而第二感测像素具有50％的红色光谱感测区及50％的白色光谱感测区。依据[方程式1]，I1与I2分别代表红色与白色强度值，从理论上而言，(I1,I2)＝(120,120+160+200)。实际感测时，第一感测像素与第二感测像素所得到的(S1,S2)＝(390,300)。依据[方程式1]与[方程式2]可以解出(I1,I2)＝(120,480)，与理论值相同。当然，也可以从(S1,S2)＝(390,300)，依据未知的(r,g,b)来解以下联立方程式。
r+0.75g+0.75b＝390 [方程式5]
r+0.5g+0.5b＝300 [方程式6]
[方程式5]*2-[方程式6]*3可以消除掉g与b，获得r＝120，g+b＝360，r+g+b＝480，r/(g+b)＝1/3，r/(r+g+b)＝1/4。藉此可以利用r/(g+b)或r/(r+g+b)的范围或比对数据库，进行真伪判断。另一方面，由于这两个感测像素都有白光的成分，所以这两个感测像素的白光成分都可以将其补偿至完整感测像素的白光感测值，以当作譬如指纹的感测值，避免这两个感测像素刚好感测到指纹的特征点而造成数据遗漏的问题。当然，若进一步采用第三感测像素，则可以用数值解法来解出较佳的特定光信号强度。
可以理解的，当第一感测像素具有25％的红色光谱感测区及75％的绿色光谱感测区，而第二感测像素具有50％的红色光谱感测区及50％的绿色光谱感测区时，也可以通过联立方程式解出(r,g)以及r/g，作为真伪判断的依据。其他状况可以依此类推。
应用上述的感测装置，可以利用真人手指中含有微血管的不均匀分布，因此正常目视就可以发现手指颜色在几何空间的分布不均匀，另外当手指开始触控一表面(例如手机屏幕表面，其下方例如是屏下光学指纹感测器)，手指内微血管受压而阻碍血流，会更进一步改变手指的肤色，因此在时间域或空间域上产生颜色的变化。通过上述两种现象任一或全部，便可以判断真手的特性，当然非真即假，也藉此避免假手指的攻击。
通过上述实施方式，依据感测像素的部分面积的占有比例及感测像素感测受测部位所获得的感测值，来定义出受测部位对应特定光谱的光谱信息。另外，采用具有不同占有比例的不同光谱感测区的感测像素的感测装置，利用由这些光谱感测区所组成的感测像素所获得的光谱信息，可以定义出受测部位的光谱信息，作为活体判断的依据，而不用牺牲受测部位的光谱信息。
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权利要求的范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。
Claims (11)
1.一种感测装置，其特征在于，至少包含多个排列成阵列的感测像素，所述感测像素至少包含：
一第一感测像素，基于来自一物体的一部位的反射光获得一第一感测值S1，并且具有一第一占比M1的一第一区及一第二占比N1的一第二区，所述第一区感测所述反射光的第一光线；及
一第二感测像素，基于所述反射光获得一第二感测值S2，并且具有一第三占比M2的一第三区以及一第四占比N2的一第四区，所述第三区用于感测所述反射光的所述第一光线，使能依据至少M1、N1、M2、N2、S1与S2来定义所述部位对应于所述第一光线的光谱信息。
2.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，所述第二区与所述第四区用于感测所述部位的第二光线。
3.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，所述感测像素还包含一第三感测像素，基于所述反射光获得一第三感测值S3，并且具有一第五占比M3的一第五区以及一第六占比N3的一第六区，所述第五区用于感测所述反射光的所述第一光线，使能依据至少M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2与S3来定义所述部位对应于所述第一光线的所述光谱信息。
4.根据权利要求3所述的感测装置，其特征在于，所述第二区、所述第四区与所述第六区用于感测所述反射光的第二光线。
5.根据权利要求4所述的感测装置，其特征在于，还包含一信号处理单元，依据M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2与S3与一数据库中预存的数据进行比对，判断所述物体的真伪。
6.根据权利要求3所述的感测装置，其特征在于，所述感测像素还包含一第四感测像素，基于所述反射光获得代表所述部位的全光谱信息的一第四感测值S4。
7.根据权利要求6所述的感测装置，其特征在于，所述第二区用于感测所述部位的第二光线。
8.根据权利要求2、4或7所述的感测装置，其特征在于，所述第二光线与所述第一光线局部重叠。
9.根据权利要求2、4或7所述的感测装置，其特征在于，所述第二光线为白光光谱，且所述第一光线为红、绿或蓝色光谱。
10.根据权利要求2、4或7所述的感测装置，其特征在于，所述第二光线与所述第一光线互不重叠。
11.根据权利要求1所述的感测装置，其特征在于，还包含一信号处理单元，依据M1、N1、M2、N2、S1与S2与一数据库中预存的数据进行比对，判断所述物体的真伪。
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