CN212783451U - 具有抗杂光干扰结构的光学生物特征感测器 - Google Patents
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Abstract
一种具有抗杂光干扰结构的光学生物特征感测器，至少包括：一感测基板，具有相邻的一第一光感测元及一第二光感测元；一光模组层，至少包括：一遮光层，位于感测基板上，并包括相邻的一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撑层，位于遮光层上及第一光孔与第二光孔中；及多个微透镜，位于光模组层上。所述微透镜包括相邻的一第一微透镜及一第二微透镜，第一微透镜将来自一物体的一正向光聚焦通过光模组层及第一光孔而到达第一光感测元，遮光层具有一预定厚度，使得来自物体的一斜向光通过第二微透镜及光模组层而打在遮光层上，但不会进入第一光孔及第一光感测元中。本申请能够利用增厚的遮光层来达成防止杂光干扰的效果。
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抗杂光干扰结构的光学生物特征感测器，利用增厚的遮光层来达成防止杂光干扰的效果。
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(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)，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)。
图1至图3分别显示三种传统的光学指纹感测器的示意图。如图1所示，传统的屏幕下TFT光学指纹感测器300具有一感测基板310及一光机结构320来达到取像的目的，光机结构320为一种贴合式的光纤板(Fiber Optical Plate，FOP)作为准直结构(collimator)，FOP具有价格高昂和产能低的问题，不利于光学指纹感测器的发展。
如图2所示，另一种传统的屏幕下TFT光学指纹感测器400具有一感测基板410及一光机结构420来达到取像的目的，光机结构420为一种透镜薄膜的贴合式的准直结构，微透镜薄膜则是采用卷对卷(Roll to Roll)工艺来生产，虽然具有价格低以及产能高的优势，但仍有性能差等问题。
如图3所示，光机结构420具有遮光层425，透明介电层422及多个微透镜424。因为传统的设计主要认为只要遮光层425可以在光孔423达成作为信号光的正向光L1的透光效果即可，所以只知对光孔423的孔径进行设计。然而，在某些状况下，没有被适当设计的遮光层425会让斜向光L2对光感测元411所收到的信号光产生的杂光干扰(cross-talk)，而造成信号光的信噪比变差，使得指纹图像的品质不佳。
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抗杂光干扰结构的光学生物特征感测器，利用增厚的遮光层来达成防止杂光干扰的效果，遮光层的厚度取决于光学生物特征感测器的其他元件的布局参数。
为达上述目的，本实用新型提供一种光学生物特征感测器至少包括：一感测基板，具有相邻的一第一光感测元及一第二光感测元；一光模组层，至少包括：一遮光层，位于感测基板上，并且包括相邻的一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撑层，位于遮光层上及第一光孔与第二光孔中；及多个微透镜，位于光模组层上。所述微透镜包括相邻的一第一微透镜及一第二微透镜，第一微透镜将来自一物体的一正向光聚焦通过光模组层及第一光孔而到达第一光感测元，遮光层具有一预定厚度，使得来自物体的一斜向光通过第二微透镜及光模组层而打在遮光层上，但不会进入第一光孔及第一光感测元中。遮光层的预定厚度为t，第一光孔的孔径为d，光模组层的厚度为H，第一微透镜与第二微透镜的中心间距为P，其中，(t/d)>0.3*(H/P)，t<H，且d<P。
进一步地，所述遮光层沿着所述预定厚度的方向具有一实心结构的截面。
进一步地，所述的光学生物特征感测器，2*(H/P)>(t/d)>0.3*(H/P)。
进一步地，所述的光学生物特征感测器，(t/d)＝(H/P)。
进一步地，所述遮光层沿着所述预定厚度的方向具有一空心结构的截面。
进一步地，所述遮光层至少包括：
一第一遮光膜，位于所述感测基板上，并具有相邻的一第一子光孔及一第二子光孔；以及
一第二遮光膜，位于所述第一遮光膜上方，并具有相邻的一第三子光孔及一第四子光孔，所述第一光孔包括所述第一子光孔与所述第三子光孔，所述第二光孔包括所述第二子光孔与所述第四子光孔，所述第一遮光膜与所述第二遮光膜的最远距离等于所述预定厚度。
进一步地，所述第一子光孔的孔径为d1，所述第三子光孔的孔径为d2，所述第一光孔的所述孔径d定义为d1与d2的平均值，其中，t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)，t<H，d1<P且d2<P。
进一步地，所述的光学生物特征感测器，2*(H/P)>t/[(d1+d2)/2]＝0.3*(H/P)。
进一步地，所述的光学生物特征感测器，t/[(d1+d2)/2]＝(H/P)。
进一步地，所述感测基板至少包括一玻璃基板，所述第一光感测元与所述第二光感测元形成于所述玻璃基板上。
进一步地，所述玻璃基板为一显示器的两个相对的透光基板的其中一个。
进一步地，所述感测基板至少包括一个半导体基板，所述第一光感测元与所述第二光感测元形成于所述半导体基板上。通过上述光学生物特征感测器，可以利用增厚的遮光层来达成防止杂光干扰的效果，遮光层的厚度取决于光学生物特征感测器的其他元件的布局参数。此遮光层为一种抗杂光干扰结构，对抗相邻微透镜所传送过来的杂光干扰，使光学生物特征感测器所获得的生物特征的图像信号的信噪比更高，获得品质较佳的指纹图像。
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至图3分别为三种传统的光学指纹感测器的示意图。
图4为本实用新型较佳实施例的光学生物特征感测器的示意图。
图5为图4的一个变化例的示意图。
图6为图4与图5的应用场合的示意图。
图7为图4与图5的另一应用场合的示意图。
图8为图4的另一变化例的示意图。
【图号说明】
d,d2,d2:孔径
F:物体
H:厚度
P:中心间距
t:厚度
L1:正向光
L2:斜向光
10:感测基板
11:第一光感测元
12:第二光感测元
13:玻璃基板
14:半导体基板
20:光模组层
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:遮光层
26:透光支撑层
40:微透镜
41:第一微透镜
42:第二微透镜
50:显示器
51,52:透光基板
100'、100:光学生物特征感测器
300:光学指纹感测器
310:感测基板
320:光机结构
400:光学指纹感测器
410:感测基板
411:光感测元
420:光机结构
422:透明介电层
423:光孔
424:微透镜
425:遮光层
具体实施方式
图4为本实用新型较佳实施例的光学生物特征感测器100的示意图。如图4所示，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，光学生物特征感测器100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。光学生物特征感测器100至少包括一感测基板10、一光模组层20及多个微透镜40。
感测基板10具有多个光感测元，排列成阵列，其中两个相邻的光感测元定义为一第一光感测元11及一第二光感测元12。
光模组层20至少包括一遮光层25以及一透光支撑层26。遮光层25位于感测基板10上，并且包括多个光孔，其中两个相邻的光孔定义为一第一光孔21及一第二光孔22。透光支撑层26位于遮光层25上及第一光孔21与第二光孔22中。
多个微透镜40排列成阵列，并且位于光模组层20上。所述微透镜40包括相邻的一第一微透镜41及一第二微透镜42，第一微透镜41将来自一物体F的一正向光L1聚焦通过光模组层20及第一光孔21而到达第一光感测元11。遮光层25具有一预定厚度，此预定厚度有相对应的举升高度，且取决于感测基板10、光模组层20及微透镜40的物理特征参数，使得来自物体F的一斜向光L2通过第二微透镜42及光模组层20而打在遮光层25上，但不会进入第一光孔21及第一光感测元11中。
值得注意的是，正向光L1可包含从第一光感测元11到第一微透镜41的发散角范围譬如±3度至±20度或±30度的光线，而斜向光L2包含除了正向光L1以外的光线。通过上述的光学生物特征感测器的遮光层的结构，即可轻易通过增加遮光层的厚度来避免杂光干扰。
虽然于图4中，透光支撑层26包含单层透明介电层，然而于其他例子中，透光支撑层26亦可包含多层透明层的组合，譬如是红外线滤光层、光栅层及透明介电层的至少两者或三者的组合。另一方面，第二光感测元12与遮光层25之间可以含有其他绝缘层或绝缘层组，绝缘层组可以包含金属线路层及金属层间介电层等。于本例中，遮光层25当作遮光的部分为实心结构，亦即，遮光层25沿着预定厚度的方向(图面的上下方向)具有一实心结构的截面。
在图4中，预定厚度为t，第一光孔21的孔径为d，光模组层20的厚度为H，第一微透镜41与第二微透镜42的中心间距为P，其中，(t/d)的数值大于0.3*(H/P)，t<H，且d<P。(t/d)相当于第一光孔21的深宽比，申请人发现取决于厚度(H)及中心间距(P)的比值(至少为0.3)，在工艺上可实施的情况下，(t/d)的数值是越大越好。于一些例子中，(t/d)的数值介于2*(H/P)至0.3*(H/P)之间，介于1.8*(H/P)至0.4*(H/P)之间，介于1.6*(H/P)至0.5*(H/P)之间，介于1.4*(H/P)至0.6*(H/P)之间，介于1.3*(H/P)至0.7*(H/P)之间，介于1.2*(H/P)至>0.8*(H/P)之间或介于1.1*(H/P)至0.9*(H/P)之间。于一例中，(t/d)大约等于(H/P)。
于本例子中，感测基板10至少包括一玻璃基板13，第一光感测元11与第二光感测元12形成于玻璃基板13上。因此，光学生物特征感测器100为一种薄膜电晶体(Thin-FilmTransistor,TFT)光学生物特征感测器。
图5为图4的一个变化例的示意图。如图5所示，本例子类似于图4，差异在于遮光层25为空心的遮光层。亦即遮光层25沿着预定厚度的方向具有一空心结构的截面。遮光层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位于感测基板10上，并具有相邻的一第一子光孔23A及一第二子光孔23B。第二遮光膜24位于第一遮光膜23上方，并具有相邻的一第三子光孔24A及一第四子光孔24B。第一光孔21包括第一子光孔23A与第三子光孔24A，第二光孔22包括第二子光孔23B与第四子光孔24B，第一遮光膜23与第二遮光膜24的最远距离等于预定厚度。若预定厚度为t，第一子光孔23A的孔径为d1，第三子光孔24A的孔径为d2，则第一光孔21的孔径d定义为d1与d2的平均值，t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)，t<H，d1<P且d2<P。在工艺上可实施的情况下，t/[(d1+d2)/2]的数值是越大越好。于一些例子中，t/[(d1+d2)/2]的数值介于2*(H/P)至0.3*(H/P)之间，介于1.8*(H/P)至0.4*(H/P)之间，介于1.6*(H/P)至0.5*(H/P)之间，介于1.4*(H/P)至0.6*(H/P)之间，介于1.3*(H/P)至0.7*(H/P)之间，介于1.2*(H/P)至>0.8*(H/P)之间或介于1.1*(H/P)至0.9*(H/P)之间。于一例中，t/[(d1+d2)/2]大约等于(H/P)。于本例中，虽然d1<d2，但是于其他例中，可以是d1＝d2或d1>d2。
图6为图4与图5的应用场合的示意图。如图6所示，类似于光学生物特征感测器100且与显示像素(未显示)穿插整合的光学生物特征感测器100'可以应用于有机发光二极体(Organic Light Emitting Diode,OLED)显示器或液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)或任何有应用到TFT工艺来制作TFT感测器的其他显示器中，为一种内嵌式(in-cell)感测器。因此，玻璃基板13为显示器50的两个相对的透光基板51，52的其中一个(于此图6中是指下方的透光基板51，也可以说玻璃基板13是透光基板51的一部分)。两透光基板51与52之间的材料层可以是OLED或LCD所具有的材料层。虽然图6是以局部范围的光学生物特征感测器100'作为例子来说明，但是并未将本申请内容限制于此。光学生物特征感测器100'也可以延伸到涵盖整个显示器50的所有范围，而成为一种全屏式的光学生物特征感测器。
图7为图4与图5的另一应用场合的示意图。如图7所示，光学生物特征感测器100可以设置于OLED、LCD或有应用到TFT工艺来制作TFT感测器的其他显示器50的下方，为一种独立的感测器。
图8为图4的另一变化例的示意图。如图8所示，本例子类似于图4，差异在于感测基板10至少包括一个半导体基板14，第一光感测元11与第二光感测元12形成于半导体基板14上，半导体基板譬如是硅基板。亦即，光学生物特征感测器100为一种应用互补式金属氧化物半导体(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)图像感测器。
通过上述实施例，可以利用增厚的遮光层来达成防止杂光干扰的效果，遮光层的厚度取决于光学生物特征感测器的其他元件的布局参数。此遮光层为一种抗杂光干扰结构，对抗相邻微透镜所传送过来的杂光干扰，使光学生物特征感测器所获得的生物特征的图像信号的信噪比更高，获得品质较佳的指纹图像。
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 (12)
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，具有相邻的一第一光感测元及一第二光感测元；
一光模组层，至少包括：一遮光层，位于所述感测基板上，并且包括相邻的一第一光孔及一第二光孔；以及一透光支撑层，位于所述遮光层上及所述第一光孔与所述第二光孔中；及
多个微透镜，位于所述光模组层上，其中所述的多个微透镜包括相邻的一第一微透镜及一第二微透镜，所述第一微透镜将来自一物体的一正向光聚焦通过所述光模组层及所述第一光孔而到达所述第一光感测元，所述遮光层具有一预定厚度，使得来自所述物体的一斜向光通过所述第二微透镜及所述光模组层而打在所述遮光层上，但不会进入所述第一光孔及所述第一光感测元中，其中所述遮光层的所述预定厚度为t，所述第一光孔的孔径为d，所述光模组层的厚度为H，所述第一微透镜与所述第二微透镜的中心间距为P，其中，(t/d)>0.3*(H/P)，t<H，且d<P。
2.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述遮光层沿着所述预定厚度的方向具有一实心结构的截面。
3.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，2*(H/P)>(t/d)>0.3*(H/P)。
4.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，(t/d)＝(H/P)。
5.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述遮光层沿着所述预定厚度的方向具有一空心结构的截面。
6.根据权利要求5所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述遮光层至少包括：
一第一遮光膜，位于所述感测基板上，并具有相邻的一第一子光孔及一第二子光孔；以及
一第二遮光膜，位于所述第一遮光膜上方，并具有相邻的一第三子光孔及一第四子光孔，所述第一光孔包括所述第一子光孔与所述第三子光孔，所述第二光孔包括所述第二子光孔与所述第四子光孔，所述第一遮光膜与所述第二遮光膜的最远距离等于所述预定厚度。
7.根据权利要求6所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述第一子光孔的孔径为d1，所述第三子光孔的孔径为d2，所述第一光孔的所述孔径d定义为d1与d2的平均值，其中，t/[(d1+d2)/2]>0.3*(H/P)，t<H，d1<P且d2<P。
8.根据权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，2*(H/P)>t/[(d1+d2)/2]＝0.3*(H/P)。
9.根据权利要求7所述的光学生物特征感测器，其特征在于，t/[(d1+d2)/2]＝(H/P)。
10.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述感测基板至少包括一玻璃基板，所述第一光感测元与所述第二光感测元形成于所述玻璃基板上。
11.根据权利要求10所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述玻璃基板为一显示器的两个相对的透光基板的其中一个。
12.根据权利要求1所述的光学生物特征感测器，其特征在于，所述感测基板至少包括一个半导体基板，所述第一光感测元与所述第二光感测元形成于所述半导体基板上。
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