CN212135461U - 具有交错收光结构的光学生物特征感测器 - Google Patents
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Abstract
一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器至少包括一感测基板以及一光传递层。感测基板具有多个感光像素。光传递层具有多个主收光结构，并且位于感测基板上或上方，此些主收光结构将来自一物体的光线分别传递至此些感光像素。此些感光像素的其中一个对应于此些主收光结构的其中多个，此些主收光结构排列成交错状，防止制造误差大幅影响感测品质。
Description
技术领域
本实用新型是有关于一种光学生物特征感测器，且特别是有关于一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器，利用交错配置的收光结构来达成防止制造误差大幅影响感测品质的效果。
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(非常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管(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)。
传统的光学指纹感测器，可以单一微透镜对应到单一感测单元，可以采用一系列的制程来达成微透镜与感测单元的对准状态，因此在收光上应不是问题，或者可以用贴合的方式来达成，但是容易因为贴合误差造成收光效果不佳。
实用新型内容
因此，本实用新型的一个目的是提供一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器，能容许较大的贴合误差，降低贴合误差对光学图像品质的影响。
为达上述目的，本实用新型提供一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器至少包括一感测基板以及一光传递层。感测基板具有多个感光像素。光传递层具有多个主收光结构，并且位于感测基板上或上方，此些主收光结构将来自一物体的光线分别传递至此些感光像素。此些感光像素的其中一个对应于此些主收光结构的其中多个，此些主收光结构排列成交错状。
藉由上述的实施例，可以提供一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器，能容许较大的贴合误差，降低贴合误差对光学图像品质的影响。利用交错配置的收光结构来尽可能填满对应感光像素的收光区域，不但可以增加收光量，更可以降低贴合误差所造成的影响。
为让本实用新型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显示依据本实用新型初步实施例的光学生物特征感测器的剖面示意图。
图2显示图1的局部俯视图。
图3显示图1的应用的俯视图。
图4A与图4B显示依据本实用新型较佳实施例的两个例子的光学生物特征感测器的剖面示意图。
图5显示图4B的局部俯视图。
图6显示图4B的理想状态的局部俯视图。
图7显示图4B的实际状态的局部俯视图。
图8显示光学生物特征感测器应用于显示器的例子的示意图。
图9A至图9D显示供光学生物特征感测器用的模拟条件说明的示意图。
其中，附图标记说明如下：
F:物体
10:感测基板
11:感测单元
12:感光像素
13:玻璃基板
14:保护层
15:半导体基板
20:光传递层
21:黏胶层
22:阻光层
23:光学层
30:主收光结构
30':副收光结构
30":哑收光结构
31:光孔
32,32':微透镜
50:显示器
51,52:透光基板
100:光学生物特征感测器。
具体实施方式
本揭露内容的初步实施例采用的屏下式薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)光学指纹感测器的光机结构，主要是利用贴合的方式形成光学准直结构(collimator)，譬如是微透镜薄膜，来达成取像的目的，但是并未将本实用新型限制于此，本实用新型的光机结构(收光结构)及贴合方式也适用于各种光学感测器，包括基于硅(Si)的CMOS感测器等等。如图1所示，在光学生物特征感测器100中，感测基板10上贴合有光传递层20，光传递层20包含有多个光孔31及多个微透镜32。如图2所示，微透镜32与光孔31排列成二维阵列，理想上是可以让相对应的感光像素收到所要收到的光线。然而，如图3所示，光学准直结构在贴合时有一定的组装公差。譬如，原本应以虚线表示的光传递层20的范围，实际贴合时，造成实线表示的光传递层20的范围，会造成收光量不均匀而影响指纹图像的品质。虽然光学生物特征感测器100是以指纹感测器作为例子来说明，但是并未将本实用新型限制于此，因为其也可以感测手指的血管图像、血氧浓度图像等生物特征、或脸型、虹膜等生物特征。
为了更进一步提升初步实施例的效能，本揭露内容对于初步实施例的配置做出调整。如图4A、图4B与图5所示，光学生物特征感测器100至少包括感测基板10以及光传递层20。感测基板10具有多个感光像素12。光传递层20具有多个主收光结构30，并且位于感测基板10上或上方。此些主收光结构30将来自一物体F的光线分别传递至此些感光像素12。此些感光像素12的其中一个对应于此些主收光结构30的其中多个。亦即，一个感光像素12接收多个主收光结构30所传递过来的光线。另外，此些主收光结构30排列成交错状，而非如图2所示的整齐状态。于一例子中，主收光结构30之间没有间隙，以达成最密的排列结构。于另一例子中，主收光结构30之间有间隙，以配合所设计的光路应用。值得注意的是，图4B与图4A的差异在于图4A的一个感光像素12相当于是整个感测单元11被整个感光像素12填满，其填充因子(Fill Factor,FF)将近100％，此时所有的收光结构都是主收光结构；而图4B的FF小于100％，此时除了主收光结构30以外，也有副收光结构30'(不在图4B的剖面范围，请参见图6)及哑收光结构30"(图6的哑收光结构30"落在图4B的剖面范围)。实际上制作时，虽然FF越大越好，但是总有一些设计或制程上的限制，使得FF不会到达100％，故会有图4B的状况。
与整齐配置的图2比较而言，图5的交错配置使得单一感光像素12可以接收较高进光量，且使得光学准直结构贴合时所造成的误差(角度或位置偏移)可以有较大的容忍度，降低贴合误差对指纹图像品质所造成的影响，提升产品良率。
因此，本揭露内容提供一种屏下式光学生物特征感测器100，能够提高光学生物特征感测产品的性能。光学生物特征感测器100至少包括：感测基板10(又称光学指纹感测晶片)及光传递层20(又称光学准直结构层)，所述光学准直结构层的一个例子包括微透镜及相对应的阻光层的光孔。图5的微透镜所设计的图形采交错阵列排列，此设计的对应的收光面积大于图2的微透镜所设计的图形的收光面积。
参见图4A，各主收光结构30包括光孔31及微透镜32。微透镜32位于光孔31上方。此些微透镜32分别将光线通过此些光孔31聚焦于此些感光像素12上。实际应用时，光传递层20可以包括一黏胶层21、一阻光层22及一光学层23。黏胶层21的材料譬如是光学透明胶(Optically Clear Adhesive)。阻光层22位于黏胶层21上，并具有光孔31。光学层23位于阻光层22上，而微透镜32设置于光学层23上。值得注意的是，主收光结构30的光学层23可能具有滤光结构，执行光线过滤处理，譬如滤除特定波长的太阳光，或只让红外线通过。
参见图5，此些主收光结构30排列成多列，且相邻两列的此些主收光结构30彼此交错。亦即，此些微透镜32排列成多列，且相邻两列的此些主收光结构30彼此交错；或者此些光孔31排列成多列，且相邻两列的此些光孔31彼此交错。换言之，此些微透镜32的彼此互相邻接的三者的中心的连线形成一个正三角形；或者此些光孔31的彼此互相接近的三者的中心的连线形成一个正三角形。
由于本实施例采用一个感光像素12对应多个主收光结构30，所以主收光结构30的面积大于感光像素12的面积。于一例子中，假设各微透镜32的面积为A32，且各感光像素12的面积为A12，则A32<N×A12，可以获得较佳的设计结果，其中N为小于1的正数，N的数值可以等于1/4、1/3、1/2等，或者是等于1/4至1/2之间的任何数值。
如图4B与图6所示，光传递层20更具有多个副收光结构30'，且与各感光像素12相对应的此些副收光结构30'局部超出感光像素12，以局部传递光线至感光像素12，此些主收光结构30与此些副收光结构30'排列成交错状，且各主收光结构30与各副收光结构30'具有相同构造。亦即，副收光结构30'所传递的光仅有一部分被感光像素12所接收。此外，由于FF小于100％的缘故，使得光传递层20更具有多个哑(Dummy)收光结构30"，且与各感光像素12相对应的此些哑收光结构30"全部超出感光像素12，而不传递光线至感光像素12。此些主收光结构30、此些副收光结构30'与此些哑收光结构30"排列成交错状，且各主收光结构30、各副收光结构30'与各哑收光结构30"具有相同构造。换言之，此些主收光结构30、此些副收光结构30'与此些哑收光结构30"总体排列成多列，且相邻两列的此些主收光结构30、此些副收光结构30'与此些哑收光结构30"排列成交错状。这样的好处是可以利用同样的配置制作出交错排列的收光结构，而不需考虑贴合误差所造成的影响。
如图4B与图7所示，实际制作时，将光传递层20贴合于感测基板10上，且此些主收光结构30的多个组合由于贴合误差，导致不对准此些感光像素12而具有偏移量，其中偏移量包含平移及/或旋转的偏移量。于图4A与图4B中，感测基板10至少包括一玻璃基板13或半导体基板15，此些感光像素12形成于玻璃基板13上，保护层14覆盖玻璃基板13(或半导体基板15)及此些感光像素12，黏胶层21贴合于保护层14上。保护层14可以是单一保护材料层、绝缘层、或含有线路的绝缘层组合。
虽然上述实施例是以具有微透镜的光学准直结构当作例子来描述主收光结构30、副收光结构30'与哑收光结构30"，但是各主收光结构30、副收光结构30'与哑收光结构30"也可以是为不具有微透镜的光学准直结构。
上述的光学生物特征感测器100可以是独立的TFT感测器；或互补式金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)感测器。譬如是TFT液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)或TFT有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode,OLED)的内嵌式(in-cell)光学生物特征感测器。
如图8所示，光学生物特征感测器100是一种独立的感测器，可以是TFT或CMOS感测器，设置于显示器50的两个相对的透光基板51、52的其中一个(透光基板51)的下方。
以下特别举出模拟结果来说明上述实施例的效果。图9A至图9D显示供光学生物特征感测器用的模拟条件说明的示意图。图9A对应于图2的排列方式，为一种矩形排列结构，图9B对应于图5的排列方式，为一种最密排列结构(但并非将本揭露内容限制于此，因为亦可采用较密的交错状排列结构，而非最密的排列结构)。于图9A与图9B中，假设感测单元11为正方形，其边长为L，感测单元11的个数为m×n，m与n为大于1的正整数，微透镜32的直径为d。图9C显示判定为有效的微透镜32与无效的微透镜32'，其中有效的微透镜32的圆心位于感测单元11的范围内，无效的微透镜32'的圆心位于感测单元11的范围内。图9D显示一种模拟的排列例子，其中一个感测单元11内共有14颗有效的微透镜32，有效的微透镜32的总面积为14π(d/2)2＝3.5πd2。此感测单元11的有效的微透镜32占比(R)为(3.5πd2)/L2。单一感测单元11中，越大的R代表可接收较高的进光量。总影像感测面积共有m*n个感测单元11，各自拥有各自的R值。于此定义RMAX、Rmin与Rave来代表最大的R值，最小的R值以及平均的R值，更定义Rdiff＝RMAX-Rmin来代表总影像感测面积中最大R值与最小R值的差异。模拟结果如表1所列。
表1
| 例子 | L | m×n | d | R<sub>ave</sub> | R<sub>diff</sub> |
| 矩形排列结构1 | 80μm | 500×500 | 20μm | 78.1％ | 24.9％ |
| 最密排列结构1 | 80μm | 500×500 | 20μm | 90.2％ | 15.6％ |
| 矩形排列结构2 | 80μm | 500×500 | 10μm | 78.4％ | 21.8％ |
| 最密排列结构2 | 80μm | 500×500 | 10μm | 90.9％ | 11.4％ |
由表1可以看出，在固定L、m×n与d的情况下，与矩形排列结构比较而言，采用最密排列结构所得到的Rave较高，表示采用最密排列结构可以增加平均亮度；以及采用最密排列结构所得到的Rdiff比较低，表示采用最密排列结构可以减少亮度差异造成的变异性。以上可以证明采用最密排列结构的优越性。
藉由上述的实施例，可以提供一种具有交错收光结构的光学生物特征感测器，能容许较大的贴合误差，降低贴合误差对光学图像品质的影响。利用交错配置的收光结构来尽可能填满对应感光像素的收光区域，不但可以增加收光量，更可以降低贴合误差所造成的影响。
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实用新型的技术内容，而非将本实用新型狭义地限制于上述实施例，在不超出本实用新型的精神及申请专利范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本实用新型的范围。
Claims (14)
1.一种光学生物特征感测器，其特征在于，至少包括：
一感测基板，具有多个感光像素；以及
一光传递层，具有多个主收光结构，并且位于该感测基板上或上方，所述多个主收光结构将来自一物体的光线分别传递至所述多个感光像素，其中所述多个感光像素的其中一个对应于所述多个主收光结构的其中多个，所述多个主收光结构排列成交错状。
2.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述多个主收光结构排列成多列，且相邻两列的所述多个主收光结构彼此交错。
3.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该主收光结构包括：一光孔；以及一微透镜，位于该光孔上方，多个微透镜分别将该光线通过多个光孔聚焦于所述多个感光像素上。
4.如权利要求3所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述多个微透镜排列成多列，且相邻两列的所述多个主收光结构彼此交错；或者所述多个光孔排列成多列，且相邻两列的所述多个光孔彼此交错。
5.如权利要求3所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述多个微透镜的彼此互相邻接的三者的中心的连线形成一个正三角形；或者所述多个光孔的彼此互相接近的三者的中心的连线形成一个正三角形。
6.如权利要求3所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光传递层包括：一黏胶层；一阻光层，位于该黏胶层上，并具有所述多个光孔；以及一光学层，位于该阻光层上，其中所述多个微透镜设置于该光学层上。
7.如权利要求3所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该微透镜的面积为A32，各该感光像素的面积为A12，且A32<(A12/3)。
8.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光传递层更具有多个副收光结构，且与各该感光像素相对应的所述多个副收光结构局部超出该感光像素，以局部传递光线至该感光像素，所述多个主收光结构与所述多个副收光结构排列成交错状，且各该主收光结构与各该副收光结构具有相同构造。
9.如权利要求8所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光传递层更具有多个哑收光结构，且与各该感光像素相对应的所述多个哑收光结构全部超出该感光像素，而不传递光线至该感光像素，所述多个主收光结构、所述多个副收光结构与所述多个哑收光结构排列成交错状，且各该主收光结构、各该副收光结构与各该哑收光结构具有相同构造。
10.如权利要求9所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述多个主收光结构、所述多个副收光结构与所述多个哑收光结构总体排列成多列，且相邻两列的所述多个主收光结构、所述多个副收光结构与所述多个哑收光结构排列成交错状。
11.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该光传递层贴合于该感测基板上，且所述多个主收光结构的多个组合不对准所述多个感光像素而具有偏移量。
12.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，各该主收光结构为不具有微透镜的光学准直结构。
13.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该感测基板至少包括一玻璃基板，所述多个感光像素形成于该玻璃基板上。
14.如权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，该感测基板至少包括一个半导体基板，该感光像素形成于该半导体基板上。
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