TW201316222A - 整合式光學模組及其手指掃描裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明乃有關於一種整合式光學模組,設於一具有接觸面的窗模組以及一具有光源及光感應單元的電子模組之間。該整合式光學模組包括一照明部及一成像部。該照明部包括有一導光陣列係用以導引來自該光源的入射光於一預定的入射角對準於該窗模組;該成像部包括有一微鏡片陣列係安排於其上以對準來自該窗模組的反射光且朝向該光感應單元。其中該微鏡片陣列包括一細長的識別單元具有一列軸大體垂直於該導光陣列;及一導航單元連接於該識別單元且與該列軸並列。本發明還提供一種具有整合式光學模組的手指掃描裝置。

Description

整合式光學模組及其手指掃描裝置
本發明乃是關於一種適用於手指感應裝置之整合式光學模組,特別是指一種應用於指紋成像裝置中提供手指導航以及生物特徵掃描功能的整合式光學模組。
現代化電子裝置不斷朝向小型化之趨勢發展,其所提供功能之多元性及複雜度亦非昔日能比。傳統的人機界面裝置(human interface device,HID),例如滑鼠與鍵盤,若再用於現代多樣化多媒體功能之小型化電子裝置的控制界面,已明顯不敷使用。
因此,提供緊密人機互動之精準且直覺式小型化控制界面一直為業界持續努力的研發目標。特別是,新式微型個人電子裝置已深刻地融入在現代日常生活中,這些裝置被應用在各種不同的環境中,其適用性變得格外重要。尤其是,用於其中之人性界面裝置不止要精準而敏銳,更是要小巧且耐用。
另一面,隨著現代電子裝置之個人化,儲存於其中的資料及資訊更是日趨私密且重要。因此,新式個人電子裝置更需要融入適當的保全機制以保護該等重要資訊,尤在遺失遭竊的狀況下,來限制他人對該裝置之不當操作。其中,人類的指紋為一獨一無二的生物特徵,並且已被長久用於識別目的。因此,將指紋掃描/辨識功能融入現代小型電子裝置以管理資料存取以加強安全是眾所期望的。
光學手指導航(Optical finger navigation,OFN)技術具有上述精準、小巧及可信度高之特色。因此,本身即具有掃描功能的光學手指導航裝置極適合生物識別方面之應用。具體地說,新式微型光學手指導航裝置結合了既有光學滑鼠的敏感度與信賴度,卻較沒有傳統實體應用上的空間限制。
一般而言,光學手指導航裝置應用一光源及一系列相關光學鏡片安排成照明一偵測表面(sensing surface)以產生數位影像,進而形成動作資料計算的基礎。特別的是,導航裝置內之小型感測器可藉由偵測放置於偵測表面上移動的手指而對應地產生一系列的數位影像,然後將其處理成相關的導航訊號(navigation signals)來操控電子裝置或產生與電子裝置之互動。
然而,習知的光學手指導航裝置通常將照明與成像光學元件分開安排於其偵測表面上,而佔用寶貴的空間。再者,分開的光學設計導致在寬面積的偵測表面產生較不均勻的照明輸出,此舉將負面地影響光學手指導航裝置的性能。還有,手指導航及指紋辨識操作通常需要不同特性的光學元件。一般來說,具有寬向展延(wide-spanning)線性陣列的光學鏡片較適用以配合指紋辨識功能之運作。另一方面,具有定點集中(point-concentrated)偵測陣列的光學鏡片則較為適用在手指導航的應用上。因此,在單一裝置內分開置放的光學元件以應用於個別的操作模式,在成本效益方面以及空間利用方面都是缺乏效率的。
緣是,本發明的課題在於提出一種整合式光學模組,能兼顧支援指紋識別及手指導航之運作,並且同時具有輕巧微小之外型,以便應用於小型化封裝(lower-profile package)結構中。此外,本發明還提出一種小巧且具成本效益的手指感應裝置,其既具指紋辨識且有手指導航功能,尤適用於小巧可攜式的電子裝置。
本發明所要解決的技術問題,在於提供一種整合式光學模組以適用於手指感應裝置。所述整合式光學模組設於一窗模組及一電子模組之間以提供手指導航及指紋識別的性能。
為達上述目的,本發明提供一種整合式光學模組,設於一具有接觸面的窗模組以及一具有光源及光感應單元的電子模組之間。該整合式光學模組包括一照明部及一成像部。該照明部包括有一導光陣列係用以導引來自該光源的入射光於一預定的入射角對準於該窗模組;該成像部包括有一微鏡片陣列係安排於其上以對準來自該窗模組的反射光且朝向該光感應單元。其中該微鏡片陣列包括一細長的識別單元具有一列軸大體垂直於該導光陣列;及一導航單元連接於該識別單元且與該列軸並列。
此外,本發明要解決的技術問題,更在於提供一種手指掃描裝置乃利用一整合的光學模組以規劃兼有手指導航及指紋識別的性能。
為了解決上述技術問題,根據本發明之其中一種方案,提供一種手指掃描裝置,包括一窗模組、一電子模組及一整合式光學模組。該窗模組具有一接觸面係抵接於一置放而欲掃描的手指;該電子模組包括一光源及一光感應單元係對應地安排朝向該窗模組;該整合式光學模組設置於該窗模組及該電子模組之間,該整合式光學模組包括一照明部、一成像部、識別單元及導航單元。該照明部具有一導光陣列係用以導引來自該光源的光線於一預定的入射角對準該窗模組;該成像部,具有一設置於其上的微鏡片陣列乃用以反射來自該窗模組的光線朝向該光感應單元;其中該微鏡片陣列包括一細長的識別單元具有一列軸大體垂直於該導光陣列、及一導航單元連接於該識別單元且與該列軸並列。
依據本發明實施例之一,進一步提供照明通道之設計係可用在小而低外型的光學封裝,並且可提供安排的投射樣式以均勻照明一寬的掃描區域。
為了能更進一步瞭解本發明為達成既定目的所採取之技術、方法及功效,請參閱以下有關本發明之詳細說明、圖式,相信本發明之目的、特徵與特點,當可由此得以深入且具體之瞭解,然而所附圖式與附件僅提供參考與說明用,並非用來對本發明加以限制者。
請參考圖1,顯示一光學手指感應裝置應用本發明概念之整合式光學模組的分解圖。本實施例中的該整合式光學模組(或簡稱光學模組)連同相關的光學感應器安排,可有效率地兼顧支援手指導航以指紋識別操作。由下而上,該光學手指感應裝置作為感應封裝乃包括一電子模組4、一整合式光學模組1、及一窗模組3。電子模組4具有一光源單元及一光感應單元;該整合式光學模組1包括一照明部及一成像部係對應地安排在該電子模組4上方;窗模組3具有一接觸面係至少一部份位於該整合式光學模組1上方。上述元件乃垂直地安排成為一低外形小型的封裝(low-profile compact package)。此外,上光遮蔽件2及下光遮蔽件5可選擇性地適用於整合式光學模組1的成像部以加強手指感應裝置的防串擾性能。
本發明之光學手指感應裝置概念性的操作原則如下。請參圖2及圖3,分別顯示手指感應裝置的側面剖視圖及其整合式光學模組1的立體圖。該整合式光學模組1內部具有光源41及靠近光源41的照明部11。光源41可以是一個或多個發光二極體,被提供以發出光線朝向該整合式光學模組1的照明部11一預面的面積。該光學模組1的照明部11形成有多個導光件111a,111b,111c,用以導引來自光源41的光束依預定的入射角朝向窗模組3的掃描表面(或稱觸碰表面),好照明靠近該觸碰表面的物體。透過窗模組3的掃描表面(或稱觸碰表面),使用者的手指可以置放其上以進行掃描。手指端面的反射光可被傳輸朝向該光學模組1的成像部12。成像部12包括有微透鏡陣列(micro lens array)121用以聚焦並導引該反射光朝向該電子模組4的光感應單元42。
在本實施例中,該光學模組1的結構大致呈平坦的矩形板狀(flat rectangular plate),包括有照明部11及成像部12,分別設於定義的X-Y平面(參圖3)。本發明之光學模組1將照明部11及成像部12安排成緊湊的水平狀,有助於減少模組的厚度,因此整體的感應封裝得以保有較低的外型(lower profile)。該整合式光學模組1可由聚碳酸酯(Polycarbonate,簡稱PC)所製成,或者其他可傳導該電子模組4發出之電磁波的合適材料。此外,光學模組1可藉由塑膠精密射出成型為單件式光學元件。該光學模組之照明部11乃設置對應於該電子模組4的光源41,且定義構建一照明通道以傳輸由光源14進來的光束依適合的入射角朝向該窗模組3。照明通道包括一含有該些導光件111a,111b,111c的導光陣列11以照明待掃描物體。特別說明的,該導光陣列11的導光件(或稱光學元件,optical components)可利用全反射(total internal reflection,簡稱TIR)原理,或應用其他合適的光學設計以導引光源41的光線朝向該窗模組3。同樣的,該光學模組1的成像部12設計為對應於該電子模組4的光感應單元42,且包括一成像通道係可導引來自窗模組3的反射光(從待掃描物體,如人體手指端面)朝向該光感應單元42。特別說明的,該成像通道可包括微鏡片陣列121係設計為合併多個透鏡元件,以適合於不同模式的手指掃描操作,包括指紋識別及手指導航。
電子模組4通常包括一基板(例如電路板,未標號)係設有達成光學掃描功能所必需的電子元件。該電子模組4可包括光源41(參圖4所示之光源元件41a,41b,41c)以及光感應單元42。一遮光結構(photo shield structure)43較佳地設置於該光源41及光感應單元42之間以防止光串擾效應(optical crosstalk effect)之潛在干擾。遮光結構43可作為結構性的邊界,將電子模組4分為一照明區及一感應區。
本實施例中,光源41乃設於該基板(或電路板)上且位於該遮光結構43的一側,可包括一個或多個發光二極體以作為發光元件。其中一種方式,光源41可以由具有足夠輸出功能的單一發光元件所組成。此種狀況下,高功率的光源單元可以安排併成為光學模組1之寬廣角的導光陣列,以均勻地散射光線朝向預定的照明區域。藉此,光源41發出的光可以被導至該窗模組3且投射至待掃描物。在另一種可選擇的實施例,光源41可包括多個發光元件41a,41b,41c而安排成一照明陣列。多個發光元件的設計可以減少像單一發光元件的輸出需求,因此可以彈性的操作且可節省能源。此特點對於使用可攜式電池的小型手持式裝置特別重要。特別說明的,多個低功率的發光元件可以安排成一光源陣列,每一發光元件分開規劃成投射光線至一預定的區域。發光元件的重疊程度可以彈性安排以適合於特定的操作需求。再者,每一分開的發光元件可以規劃成單獨地啟動,或按照特定的操作模式而依序視實際需求而啟動。藉此減少重覆性的能源損耗。
在光源陣列中,每一獨立之發光元件的啟動及運作可依特定的操作模式而做適當的設定調整。比方說,不是所有類型的成像應用(imaging application)都需要同時啟動所有的發光元件。舉例說明,指紋識別應用通常需要同時啟動光源陣列中全部發光元件,以在較寬的掃描區域(沿著x軸)產生能夠橫跨該窗模組3的觸碰表面之充足水平照明。另一方面,手指導航應用,其運作係利用反射光訊號方位向量(directional vector)的改變,只需要較低程度的光輸出及一較窄但是較高範圍的照明(較高是指沿著y軸)。連帶地,手指導航之應用並不要求同時啟動全部的發光元件。因此,當執行一個不要求同時啟動全部光源陣列之特定的操作模式時,電子模組4可以被安排為僅啟動部分的光源陣列41以照明該觸碰表面的特定區域。再者,經適當安排之多元件的光源陣列可以提昇均勻的光線輸出強度於指定的照明區域。所以此為本實施例之較佳選擇。
舉例說明,本實施例利用一光源陣列係包括三個發光元件,被排成單一列狀(如圖4所示)。當操作於指紋識別模式時,陣列中的所有三個發光元件都會被啟動以產生足夠的亮度,在窗模組3之觸碰表面上涵蓋一較寬的帶狀面積。
另一方面,當操作於手指導航模式時,僅要求中央的發光元件41b照明該接觸(掃描)表面的中央部位。因此,在觸碰表面之方向性向量的變化(對應於手指端的移動)乃被導引朝向光學模組1的微透鏡陣列121。該微透鏡陣列121乃安排以聚焦來自窗模組3的反射光於該電子模組4的光感應單元42以進一步處理訊號,其細節容後再述。
光感應單元42,其設於電子模組4的偵測區域內而位於該遮光結構43的另一側,可包括一個或多個感光件而能產生被掃描物體的二維影像。適合的感光件可以包括雙邊或方形扁平無引腳封裝(dual/quad flat no leads,簡稱DFN/QFN)的感光二極體。較佳的,光感應單元42可以包含多個感光件,安排成一對應該微透鏡陣列121之感應陣列。再者,電子模組4可以包括一較佳設計的基座元件在其面對視窗的平面,以提供安全結構性支撐該光學模組1。如本實施例所示的,環狀的基座元件(如圖1之方形突起部位,該遮光結構43為其中的一部份)乃安排環繞該光感應元件42於該電子模組4的感應區域上。此種封閉的環狀結構不只可以作為微透鏡拖盤以固持該光學模組1,並且可以作為延伸的光遮蔽件(extended photo shield)而更有效的防止串擾。
窗模組3可以是設計作為該光學手指感應裝置的一上殼體。窗模組3包括一觸碰表面(典型為其頂面),供手指可置放其上且滑動其上以進行偵測。特別說明的,該觸碰表面作為一掃描視窗係可以透過特定波長範圍的光線,特定波長範圍係對應於由電子模組4的光源的輸出。
該觸碰表面可以是平坦的,或較佳的,具有輕微凹陷。例如,在該觸碰表面頂部的凸狀曲面(convex curvature)有助於增加感應面積,其係對焦於擷取壓觸其上的手指影像。窗模組3可以由玻璃所形成,或者其他的耐磨材料係可透過來自光源單元41的光線。再者,掃描視窗可以是一分開的光學元件而設置於窗模組3,或者可以是作為一體成型之窗模組3的部份。例如,窗模組3可以是整體由透明材料製成。相對應的,合適的塗佈材料可施加於窗模組3的本體上,而僅露出其需要的透明部份以形成該掃描視窗。該掃描視窗可以是細長狀且具有一較小於手指之一維端面的面積。此外,至少一部份的掃描視窗(其係具有縱長軸)能較佳地沿一方向拉寬,該方向乃垂直於其本身的方向。拉寬的視窗面積可較佳地對應於光學模組1的微透鏡陣列121以幫助手指導航模組的光線偵測性能。
本實施例中光學模組1的照明部11,其光學及結構性配置乃設置成對應於光源單元41的安排。該照明部11及光源單元41相互合作地定義出一照明通道(illuminating channel)。特別參閱圖4及圖6,為本發明之整合式光學模組的照明部11的不同示意圖。為獲得清晰的指紋,照明通道的小型化的導光元件被特別安排以產生斜的準直光束(inclined collimated beams of light)整合至所需的投射樣式(pattern)以照明該窗模組3的掃描視窗。再者,照明通道可藉由一導光陣列所建立,前述導光陣列包括多個光學元件係可均勻投射來自光源41的光線至窗模組3的掃描視窗。特別說明的,本實施例利用一導光陣列11係包括三個鄰近地安排的導光體(稜鏡/prism member) 111a,111b,111c,其出光面乃朝向該成像部12。在此實施例中,這些由稜鏡111a,111b,111c所組成的光學元件(optical member)乃被安排成單一具有列軸(row axis)之列狀配置,且該列軸大體平行地沿著該掃描視窗之縱長軸(elongating axis)方向延伸。配合本實施例的該導光陣列可採用較聚集(congregated)的光源在電子模組4上以節省空間,同時也可以均勻照明於掃描表面的寬面積。或者,如圖6所示,導光陣列也可以安排為沿著該掃描視窗水平地散開的設置。此種建構出一種較好控制的照明樣式(pattern)而橫跨較寬間距的掃描表面。其中該導光陣列包括至少三個光學元件係圍繞地安排於該微鏡片陣列的周圍。
該光學模組1的成像部12包括微透鏡陣列121係可以導引並且聚焦反射的光線(從該窗模組3上被掃描的手指端面)以朝向該光感應單元42。光學模組1的成像部12以及電子模組4的光感應單元42共同地構建定義上述之影像通道,係可導引來自被掃描物體的反射光線至該電子模組4以擷取影像。圖5顯示本發明之光學模組1的成像部12的近距離示意圖。在此實施例中,微透鏡陣列121設置在矩型光學模組板的中央區,包括識別透鏡單元121a及一相連的導航透鏡單元121b。該識別透鏡單元121a包括多數個微透鏡元件係安排成細長的列陣列。該細長的識別透鏡單元121a具有一沿著x軸縱向延伸的軸。較佳地,識別透鏡單元121a之該軸的延伸(或稱列軸)乃是大體垂直於稜鏡111a、111b、111c的出光面,並且大體平行於窗模組3的掃描視窗。另一面,導航透鏡單元121b包括一集中聚集的透鏡,其連接於識別透鏡單元121a,且垂直於縱長的軸。在本實施例中,導航透鏡單元121b的透鏡元件利用單一微透鏡,係安排靠近該細長的識別透鏡單元121a之中央部位,而蓋覆一個或多個相關的光學二極體。
導航透鏡單元121b較佳地乃安排對應於該窗模組3拉寬的視窗區域(例如,對準地設在拉寬的視窗區域之中央部位的下方),以建立一較寬的視野以感測在手指導航操作中的手指動作。請留意,雖然此處討論的導航透鏡單元121b的中央位置以及拉寬的導航視窗是較適用於一般導航操作。然而導航透鏡單元121b的明確位置及安排,以及其相關導航視窗仍然可以被安排成其他的擺設以適用特定的設計及/或操作需求。例如,導航透鏡單元121b可以安排成為向該識別透鏡單元121a右端(沿著正x軸方向)歪斜的樣式,以更適用於右拇指之手指導航模式。再者,光學模組1的成像部12可以加一遮蔽結構以減少光串擾效應的潛在干擾。例如,不可透光的塗層可沿著微透鏡陣列121施加於成像部12。這些光阻擋層(或稱防串擾層)的應用方法可以包括無電鍍法(electro-less plating)及/或其他合適的技術。
本發明之整合式光學模組,不像習知光學設計係應用分開的照明及成像光學元件,而佔用較少的寶貴空間且可產生更均勻的照明輸出。再者,藉由整合技術的特點,不僅要求手指導航,還有指紋識別的操作,在小型一件式的封裝內,本發明以更經濟且省空間的方式實化了多功能的光學操作。
關於微透鏡陣列121內的微透鏡元件以及光感應單元42內的光感應元件的結合安排,可依據特定的操作需求或其他設置因素而決定。例如,在一實施例中,微透鏡陣列121內的每一微透鏡元件(micro lens element)可成對地以一對一的方式伴隨光感應單元42的一光學二極體(photo diode)。另一種方式,微透鏡陣列121內的每一微透鏡元件可以對應地結合多個光學二極體,反之亦然。特別的是,本發明之特別微透鏡的安排允許微透鏡陣列121內的每一微透鏡可設計成覆蓋特定數量的光學二極體,因此減少結構上光學元件的複雜度,卻同時保持有效率的光傳輸及對焦能力。再者,透鏡的位置及間隙可設計以實現減少物件的重疊。
請參閱圖1,額外的光遮蔽件,例如上光遮蔽件2及下光遮蔽件5,可用以減少可能之光串擾效應的干擾並改善本發明之手指感應裝置的感應性能。在本具體實施例中,每一上、下光遮蔽件2、5乃大致呈平坦狀,每一光遮蔽件具有穿孔陣列(aperture array)係形成於其平坦表面上。該穿孔陣列被安排對應於該微透鏡列121的配置。特別的是,穿孔的尺寸以及結構規劃可決定個別微透鏡的視角(field of view,FOV),還可進一步協助減少光的串擾。為達到較佳結構整體化以安裝該上、下光遮蔽件2、5,該整合式光學模組1可以設計成包括一位在成像部12內的凹狀的結構。例如,在本實施例中,光學模組1具有一凹狀的結構係形成於該成像部12內,其中微透鏡陣列121乃設在該凹狀的結構內。該凹狀的結構在光學模組1的平坦表面上乃可視為安裝的拖盤(mounting tray)以固持結合該光遮蔽件。然而,光遮蔽件的採用是可選擇性的,特別是下光遮蔽件5是可選擇的;並且,該些光遮蔽件的實際結構應當依據於特定結構安排以及/或者其他可選擇性的需求。
惟以上所述僅為本發明之較佳可行實施例,非因此即侷限本發明之專利範圍,故舉凡運用本發明說明書及圖式內容所為之等效技術變化,均同理皆包含於本發明之範圍內,合予陳明。
1...整合式光學模組
11...導光陣列
111a,111b,111c...導光件
12...成像部
121...微透鏡陣列
121a...識別透鏡單元
121b...導航透鏡單元
2...上光遮蔽件
3...窗模組
4...電子模組
41...光源
41a,41b,41c...光源元件
42...光感應單元
43...遮光結構
5...下光遮蔽件
圖1為本發明概念之具有整合式光學模組的光學手指感應裝置的立體分解圖。
圖2為本發明概念之光學手指感應裝置的側面剖視圖。
圖3為本發明概念之整合式光學模組的立體圖。
圖4為本發明概念之整合式光學模組的照明部的示意圖。
圖5為本發明概念之整合式光學模組的成像部的示意圖。
圖6為本發明概念之整合式光學模組的另一照明部的示意圖。
1...整合式光學模組
2...上光遮蔽件
3...窗模組
4...電子模組
5...下光遮蔽件

Claims (15)

  1. 一種整合式光學模組,設於一具有觸碰面的窗模組以及一具有光源及光感應單元的電子模組之間,包括:一照明部,包括一導光陣列係用以朝向該窗模組以一預定的入射角而導引來自該光源的入射光;及一成像部,包括一微鏡片陣列係安排於其上以引導來自該窗模組的反射光朝向該光感應單元;其中該微鏡片陣列包括:一細長的識別單元,具有大體垂直於該導光陣列之列軸;及一導航單元,其係鄰接於該識別單元且與該列軸並列。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該導光陣列包括至少三個導光件係鄰接地安排為朝向該成像部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該識別單元包括一呈單排列狀安置的微透鏡陣列。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該導航單元包括一單一微透鏡。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之整合式光學模組,其中該導航單元設置於該細長的識別單元靠近中央的位置。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該整合式光學模組大體為一平坦體,其中該照明部及該成像部係一體成型之模塑結構。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該成像部包括一遮蔽結構。
  8. 如申請專利範圍第8項所述之整合式光學模組,其中該遮蔽結構包括一防串擾層。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之整合式光學模組,其中該成像部包括至少一凹狀結構的托盤以結合一光遮蔽件。
  10. 一種手指掃描裝置,包括:一窗模組,具有一觸碰面係用以承接置於其上之欲掃描手指;一電子模組,包括一光源及一光感應單元係對應地朝向該窗模組而安置;及一整合式光學模組,設置於該窗模組及該電子模組之間,該整合式光學模組包括:一照明部,具有一導光陣列係用以導引來自該光源的光線於一預定的入射角對準該窗模組;及一成像部,具有一設置於其上的微鏡片陣列乃用以反射來自該窗模組的光線朝向該光感應單元;其中該微鏡片陣列包括:一細長的識別單元,其具有一大體垂直於該導光陣列之列軸;及一導航單元,其係鄰接於該識別單元且與該列軸並列。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之手指掃描裝置,其中該導光陣列包括至少三個導光件係鄰接地安排為朝向該成像部。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之手指掃描裝置,其中該識別單元包括一呈單排列狀安置的微透鏡陣列。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之手指掃描裝置,其中該導航單元包括一單一微透鏡。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之手指掃描裝置,其中該整合式光學模組大體為一平坦體,其中該照明部及該成像部係一體成型之模塑結構。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之手指掃描裝置,進一步包括一光遮蔽件係設置於該整合式光學模組的該成像部之表面,並且設成大體地對應該微鏡片陣列。
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