TWI408429B - 光學感測模組 - Google Patents

Description

光學感測模組

本發明是有關於一種光學感測模組，且特別是有關於一種薄型化的光學感測模組。

隨著資訊技術、無線行動通訊和資訊家電的快速發展與應用，為了達到操作更人性化的目的，許多資訊產品，如智慧型手機、筆記型電腦等，多配有光學手指導航模組(optical finger navigation,OFN)。在習知的光學手指導航模組中，多半採用紅外線發光二極體作為光源，而紅外線發光二極體所發出之紅外光係經由稜鏡投射至使用者之手指上，手指的影像則係透過影像感測器(例如互補金氧半導體影像感測器)擷取。接著，在手指的影像被影像感測器擷取之後，可利用影像處理方法來分析不同時間點所擷取之影像的差異性，藉以判斷手指移動的方向和距離。

然而，在習知的光學手指導航模組中，影像感測器(例如互補金氧半導體影像感測器)多為不透光的晶片，且通常需搭配透鏡方可擷取到良好的手指影像，影像感測器以及透鏡的設置使得習知的光學手指導航模組皆具有一定的厚度與體積，不易於薄型化。舉例而言，在美國專利第7045775號、美國專利第7161682號、美國專利第6433780號、美國專利第5686720號、美國專利第7408718號以及美國專利公開20100071967號中所揭露之光學手指導航模組皆有不易於薄型化的缺點。

本發明提供一種薄型化光學感測模組。

本發明提供一種光學感測模組，其包括光傳導件、光源、遮光元件、多個光感測器以及光學元件。光傳導件具有入光面以及出光面，入光面與出光面間係具有夾角。光源適於提供光線，而光線由入光面進入光傳導件，並從出光面離開光傳導件。遮光元件配置於出光面之部分區域上。多個光感測器配置於遮光元件上。光學元件配置於出光面之上方，其中光感測器與遮光元件位於光學元件與光傳導件之間，光學元件具有觸碰表面，光線從出光面離開光傳導件之後會穿過光學元件，當物體觸碰觸碰表面時，光線被反射而被光感測器所接收。

在本發明的一實施例中，前述之光傳導件更具有光學面，而光學面與出光面相對。

在本發明的一實施例中，前述之光傳導件具有多個光學微結構，這些光學微結構位於光學面上。

在本發明的一實施例中，前述之多個光學微結構包括多個V形槽或多個散射網點。

在本發明的一實施例中，前述之光源包括非可見光源。

在本發明的一實施例中，前述之遮光元件包括反射層或光吸收層。

在本發明的一實施例中，前述之遮光元件包括多個陣列排列之遮光圖案以及多個由遮光圖案所定義出的出光開口，遮光圖案與出光開口係沿著行方向以及列方向交替排列。

在本發明的一實施例中，前述之排列於同一列之遮光圖案及出光開口係沿著列方向交替排列，而排列於同一行之遮光圖案及出光開口係沿著行方向交替排列。

在本發明的一實施例中，前述之出光開口分佈於光感測器之間。

在本發明的一實施例中，前述之光學元件為微透鏡陣列基板(micro-lens array substrate)，而此微透鏡陣列基板具有觸碰表面以及與觸碰表面相對之微透鏡表面，且微透鏡表面係面向出光面。

在本發明的一實施例中，前述之光學元件包括蓋板以及微透鏡陣列基板。蓋板具有觸碰表面。微透鏡陣列基板配置於蓋板與光傳導件之間。微透鏡陣列基板具有微透鏡表面，且微透鏡表面係面向蓋板。

在本發明的一實施例中，前述之光線從出光面離開時，其發散角度低於40度，光學元件包括蓋板，而蓋板具有觸碰表面。

在本發明的一實施例中，前述之光學元件包括準直透鏡(collimated lens)。

在本發明的一實施例中，前述之光傳導件為彩色濾光基板或主動元件陣列基板。

基於上述，在本發明之光學感測模組中，藉由將光感測器配置於光傳導件的部份出光面上，使得本發明之光學感測模組可有效地薄型化。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

【第一實施例】

圖1為本發明第一實施例之光學感測模組剖面示意圖。請參照圖1，本實施例之光學感測模組100可包括光傳導件110、光源120、遮光元件130、多個光感測器140以及光學元件150。光傳導件110具有入光面110a以及出光面110b，入光面110a與出光面110b間係具有夾角θ。詳言之，入光面110a與出光面110b可相連接，入光面110a與出光面110b間具有夾角θ，夾角θ例如為90⁰ 。然，本發明不限於此，入光面110a與出光面110b間之夾角θ可依實際需求做不同的設計。

光傳導件110更具有光學面110c，光學面110c與出光面110b相對。光傳導件110可進一步地具有多個光學微結構112，這些光學微結構112位於光學面110c上。這些光學微結構112可包括多個V形槽或多個散射網點。這些V形槽或散射網點可使光源120所發出的光線L均勻地由出光面110b出射。在本實施例中，光傳導件110之材質可為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)、聚碳酸脂(polycarbonate,PC)、乙烯對苯二甲酸酯(polyethylene terephthalate,PET)或玻璃，但本發明並不以此為限。

光源120適於提供光線L，而光線L由入光面110a進入光傳導件110，並從出光面110b離開光傳導件110。詳言之，光線L由入光面110a進入光傳導件110後，可透過光學微結構112反射至出光面110b出射。在本實施例中，光源120包括非可見光源。舉例而言，光源120例如為紅外線發光二極體(infrared ray light-emitting diode,IR LED)，但本發明並不以此為限。

遮光元件130覆蓋出光面110b的部分區域。舉例而言，遮光元件130可包括多個陣列排列之遮光圖案132以及多個由這些遮光圖案132所定義出的出光開口H，遮光圖案132與出光開口H係沿著行方向以及列方向交替排列。詳言之，排列於同一列之遮光圖案132及出光開口H係沿著列方向交替排列，而排列於同一行之遮光圖案132及出光開口H係沿著行方向交替排列，換言之，遮光圖案132與出光開口H以形成棋格狀之交替排列，例如為圖2中所示。然，本發明不限於此，在其他實施例中，遮光元件130亦可為具有多個開口的一片或多片遮光板，而前述之開口例如是均勻地分布在遮光板中。

值得一提的是，光源120所發出之光線L並不會完全被遮光元件130阻擋，意即，光線L仍可透過出光開口H自出光面110b出射，進而供做感測之用。在本實施例中，遮光元件130例如為反射層或光吸收層，遮光元件130材質之選用以能夠反射或吸收光線的材質為佳，例如金屬、白色反射片(white sheet)或吸光樹脂等。

多個光感測器140配置於遮光元件130上。舉例而言，各光感測器140可分別配置於各遮光圖案132上。換言之，由遮光圖案132所定義出的出光開口H分佈於這些光感測器140之間。值得一提的是，透過上述之配置方式使得光感測器140可整合於光傳導件110上，進而使本實施例之光學感測模組100可有效地薄型化。

光學元件150配置於出光面110b之上方，其中光感測器140與遮光元件130位於光學元件150與光傳導件110之間。光學元件150具有觸碰表面100d，光線L從出光面110b離開光傳導件110之後會穿過光學元件150，當物體F觸碰到觸碰表面100d時，光線L會被物體反射而被光感測器140所接收。

舉例而言，光學元件150可為微透鏡陣列基板152(micro-lens array substrate)，此微透鏡陣列基板具有觸碰表面100d以及與觸碰表面100d相對之微透鏡表面S，且微透鏡表面S係面向出光面110b。這樣一來，當光線L自出光面110b離開光傳導件110後，光線L可透過微透鏡陣列基板中的多個微透鏡有效地收斂至多個焦點P上，這些焦點P位於觸碰表面100d上。如此一來，當物體F觸碰觸碰表面100d時，由物體F上某一觸碰點A反射出之光束L’，其發散程度較小。換言之，由物體F上某一觸碰點A反射出之光線L’可精準地投射到觸碰點A下方周圍之光感測器140上，進而使得本實施例之光學感測模組100可準確地感測出物體F的形狀、移動方向及位置。

在其他實施例中，光學元件150可包括微透鏡陣列基板152以及蓋板154。蓋板154具有觸碰表面100d，微透鏡陣列基板152配置於蓋板154與光傳導件110之間，微透鏡陣列基板152具有微透鏡表面S，且微透鏡表面S係面向蓋板154，例如為圖3中所示。值得一提的是，蓋板152之觸碰表面100d的位置例如係位於微透鏡陣列基板152的焦平面(focal plane)上。這樣一來，光線L在穿過微透鏡陣列基板152之後，即可聚焦於觸碰表面100d上。如此一來，當物體F觸碰觸碰表面100d時，由物體F上之某一觸碰點A反射出光線L’便可更精準地投射到觸碰點A下方周圍之光感測器140上，而進一步地提升光學感測模組100的感測靈敏度以及精準度。

當然，光學元件150亦可包括準直透鏡156(collimated lens)，例如為圖4A及圖4B中所示。此準直透鏡156(collimated lens)的功能與微透鏡陣列基板152類似。需特別說明的是，當光學微結構112與光感測器140未重疊時(例如圖4B中所示)，準直透鏡156可將光學微結構112反射出之光線L收集到觸碰表面100d上，再將物體F反射之光線L’傳遞至光感測器140上，而使得本實施例之光學感測模組100順利地進行感測的動作。

本實施例之光學感測模組100可進一步地整合在顯示面板200中。詳言之，本實施例之光傳導件110可以是顯示面板200中的彩色濾光基板C，如圖5A中所示。當然，在其他實施例中，亦可選擇顯示面板200中主動元件陣列基板T做為光傳導件110，如圖5B中所示。值得一提的是，若以主動元件陣列基板T做為光傳導件110，可進一步地以部份彩色濾光基板C製作微透鏡陣列152並以其做為光學元件150使用。如此一來，採用此光學感測模組100的顯示面板200，其厚度其體積皆可獲得最佳化。

【第二實施例】

圖6為本發明第二實施例之光學感測模組300剖面示意圖。本實施例之光學感測模組300與第一實施例之光學感測模組100類似，以下僅就兩者不同之處做說明，相同之處便不再重述。

請參照圖6，本實施例之光學感測模組300包括光傳導件110、光源120、遮光元件130、多個光感測器140以及光學元件150。光傳導件110具有入光面110a以及出光面110b，入光面110a與出光面110b間係具有夾角θ。光源120適於提供光線L，而光線L由入光面110a進入光傳導件110，並從出光面110b離開光傳導件110。遮光元件130配置於出光面110b之部分區域上。多個光感測器140配置於遮光元件130上。光學元件150配置於出光面110b之上方，其中光感測器140與遮光元件130位於光學元件150與光傳導件110之間，光學元件具有觸碰表面100d，光線L從出光面110b離開光傳導件110之後會穿過光學元件150，當物體F觸碰觸碰表面100d時，光線L被反射而被光感測器140所接收。

值得一提的是，在本實施例中，當光源120所發出之光線L從出光面110b離開時，其發散角度α低於40度，本實施例之光學元件150例如為蓋板154，而蓋板154具有觸碰表面100d。詳言之，由於本實施例之光源120為指向性(directionality)光源，且本實施例之光學微結構112具有特殊的角度設計，因此光線L可以較小的發散角α(較一致的方向)離開出光面110b。這樣一來，即便在無設置微透鏡陣列基板152的情況下，當物體F觸碰觸碰表面100d時，由物體F上之某一觸碰點A反射出光線L’仍可精準地投射在與其對應之光感測器140上，而使得本實施例之光學感測模組300無需透過微透鏡陣列基板152仍可正確地感測出物體F的形狀、移動方向及位置。舉例而言，當蓋板154之厚度D為0.1釐米，手指紋路間隙K小於0.1釐米時，光線L從出光面110b離開時其發散角度α可低於40度，以使本實施例之光學感測模組300感測效果佳。然，本發明不限於此，上述之發散角度α亦可視蓋板154厚度D及手指紋路間隙K的大小作適當地設計。

本實施例之光學微結構112更具有特殊的設計，本實施例之光學微結構112例如為V形槽，此V形槽具有第一表面S1與第二表面S2，第一表面S1與第二表面S2連接而構成V形槽，其中，第一表面S1與光學面110c夾有角度θ1，第二表面S2與光學面110c夾有角度θ2。當光線L僅於入光面110a進入光傳導件110時，角度θ1較佳的是介於1⁰ ～10⁰ 之間，而角度較θ2佳的是介於30⁰ ～45⁰ 之間。另外，光線L分別由入光面110a及與入光面110a相對之另一入光面110a’進入光傳導件110時，角度θ1較佳的是小於35⁰ ，而角度θ2較佳的是小於50⁰ 。

综上所述，在本發明之光學感測模組中，藉由將光感測器整合在光傳導件的部份區域上，而使得本發明之光學感測模組可有效地薄型化。此外，本發明之光學感測模組亦可透過在微透鏡陣列基板上配置蓋板，而使得本發明之光學感測模組感測的效果更佳。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、300．．．光學感測模組

100d．．．觸碰表面

110．．．光傳導件

110a、110a’．．．入光面

110b．．．出光面

110c．．．光學面

112．．．光學微結構

120．．．光源

130．．．遮光元件

132．．．遮光圖案

H．．．出光開口

140．．．光感測器

150．．．光學元件

152．．．微透鏡陣列基板

154．．．蓋板

200．．．顯示面板

C．．．彩色濾光基板

T．．．主動元件陣列基板

S．．．微透鏡表面

θ、θ1、θ2、α．．．夾角

L、L’．．．光線

F．．．物體

P．．．焦點

A．．．觸碰點

D．．．蓋板厚度

K．．．手指紋路間隙

圖1為本發明第一實施例之光學感測模組剖面示意圖。

圖2為本發明第一實施例之遮光元件上視示意圖。

圖3、圖4A、圖4B、圖5A、圖5B為本發明一實施例之光學感測模組剖面示意圖。

圖6為本發明第二實施例之光學感測模組剖面示意圖。

100．．．光學感測模組

100d．．．觸碰表面

110．．．光傳導件

110a．．．入光面

110b．．．出光面

110c．．．光學面

112．．．光學微結構

120．．．光源

130．．．遮光元件

132．．．遮光圖案

H．．．出光開口

140．．．光感測器

150．．．光學元件

152．．．微透鏡陣列基板

S．．．微透鏡表面

θ．．．夾角

L、L’．．．光線

F．．．物體

P．．．焦點

A．．．觸碰點

Claims (14)

1. 一種光學感測模組，包括：一光傳導件，具有一入光面以及一出光面，該入光面與該出光面間係具有一夾角；一光源，適於提供一光線，而該光線由該入光面進入該光傳導件，並從該出光面離開該光傳導件；一遮光元件，配置於該出光面之部分區域上；多個光感測器，配置於該遮光元件上；以及一光學元件，配置於該出光面之上方，其中該些光感測器與該遮光元件位於該光學元件與光傳導件之間，該光學元件具有一觸碰表面，該光線從該出光面離開該光傳導件之後會穿過該光學元件，當一物體觸碰該觸碰表面時，該些光線被反射而被該些光感測器所接收。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光傳導件更具有一光學面，與該出光面相對。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學感測模組，其中該光傳導件具有多個光學微結構，位於該光學面上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光學感測模組，其中該些光學微結構包括多個V形槽或多個散射網點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光源包括一非可見光源。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該遮光元件包括反射層或光吸收層。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該遮光元件包括多個陣列排列之遮光圖案以及多個由該些遮光圖案所定義出的出光開口，該些遮光圖案與該些出光開口係沿著行方向以及列方向交替排列。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光學感測模組，其中排列於同一列之該些遮光圖案及該些出光開口係沿著列方向交替排列，而排列於同一行之該些遮光圖案及該些出光開口係沿著行方向交替排列。
9. 如申請專利範圍第7項所述之光學感測模組，其中該出光開口分佈於該些光感測器之間。
10. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光學元件為一微透鏡陣列基板(micro-lens array substrate)，該微透鏡陣列基板具有該觸碰表面以及一與該觸碰表面相對之微透鏡表面，且該微透鏡表面係面向該出光面。
11. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光學元件包括：一蓋板，具有該觸碰表面；以及一微透鏡陣列基板，配置於該蓋板與該光傳導件之間，該微透鏡陣列基板具有一微透鏡表面，且該微透鏡表面係面向該蓋板。
12. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中當該光線從該出光面離開時其發散角度低於40度，該光學元件包括一蓋板，而該蓋板具有該觸碰表面。
13. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光學元件包括一準直透鏡(collimated lens)。
14. 如申請專利範圍第1項所述之光學感測模組，其中該光傳導件為一彩色濾光基板或一主動元件陣列基板。