TWI704685B - 取像裝置 - Google Patents

Abstract

一種取像裝置，包括影像擷取元件及空間濾波器。影像擷取元件具有多個像素區。空間濾波器設置於影像擷取元件上，其中空間濾波器包括多個透光基材以及多個遮光結構。多個遮光結構與透光基材沿第一方向交替排列，其中每一遮光結構至少包括一吸光層，具有分別對應像素區的多個第一開口。多個遮光結構的至少一遮光結構包括相堆疊的反射層及吸光層。反射層具有多個第二開口，分別重疊於至少一遮光結構之吸光層的多個第一開口。反射層之每一第二開口在第二方向上具有寬度W2，吸光層之每一第一開口在第二方向上具有寬度W1。

Description

取像裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種取像裝置。

現今的光學式指紋辨識裝置透過全反射原理達到指紋取像，其工作原理是當手指按壓指紋辨識裝置時，指紋的凸部會破壞光束在透光元件內的全反射，而指紋的凹部不會破壞光束於透光元件內的全反射，而使影像擷取元件可取得指紋凹部的亮紋及指紋凸部的暗紋。藉此，影像擷取元件上的各個像素區可擷取到對應指紋各個區域的條紋圖案，進而辨識出使用者的身分。

為了提升取像裝置的準確率，位於影像擷取元件上的空間濾波器的濾光能力需進一步提升。然而，在目前的習知技術中，空間濾波器的濾波能力存在許多缺點，例如是被指紋反射的光束不容易準確地進入對應的像素區中，使取像裝置的取像能力不能被提升，導致指紋的辨識能力下降等問題。

本發明提供一種取像裝置，取像品質佳。

本發明的取像裝置包括影像擷取元件及空間濾波器。影像擷取元件具有多個像素區。空間濾波器設置於影像擷取元件上，其中空間濾波器包括多個透光基材以及多個遮光結構。多個遮光結構與透光基材沿第一方向交替排列，其中每一遮光結構至少包括一吸光層，具有分別對應像素區的多個第一開口。多個遮光結構的至少一遮光結構包括相堆疊的反射層及吸光層。反射層具有多個第二開口，分別重疊於至少一遮光結構之吸光層的多個第一開口。反射層之每一第二開口在第二方向上具有寬度W2，吸光層之每一第一開口在第二方向上具有寬度W1，且W2<W1。

本發明的取像裝置包括影像擷取元件及空間濾波器。影像擷取元件具有多個像素區。空間濾波器設置於影像擷取元件上，其中空間濾波器包括多個透光基材以及多個遮光結構。多個遮光結構與透光基材沿第一方向交替排列，其中每一遮光結構至少包括一吸光層，具有分別對應像素區的多個第一開口。多個遮光結構的至少一遮光結構包括相堆疊的反射層及吸光層。反射層具有多個第二開口，分別重疊於至少一遮光結構之吸光層的多個第一開口。每一第二開口的面積小於對應之一第一開口的面積，且每一第二開口於一個透光基材上的垂直投影位於對應之一個第一開口於透光基材上的垂直投影以內。

在本發明的一實施例中，上述的每一第一開口的寬度W1 與每一第二開口的寬度W2滿足：0.2W1

W2

0.8W1。

在本發明的一實施例中，上述的吸光層的厚度與反射層的厚度的和小於透光基材的厚度。

在本發明的一實施例中，上述的每一遮光結構具有相堆疊的反射層及吸光層。

在本發明的一實施例中，上述的多個遮光結構包括第一遮光結構以及第二遮光結構，第一遮光結構包括相堆疊的反射層及吸光層，第二遮光結構包括吸光層而不包括反射層。

在本發明的一實施例中，上述的第一遮光結構較第二遮光結構靠近影像擷取元件。

本發明的一實施例中，上述的第一遮光結構較第二遮光結構遠離影像擷取元件。

本發明的一實施例中，上述取像裝置還包括蓋板，具有供手指按壓的按壓面，其中空間濾波器位於蓋板與影像擷取元件之間。

本發明的一實施例中，上述取像裝置還包括顯示面板，其中空間濾光器位於顯示面板與影像擷取元件之間。

本發明的一實施例中，上述取像裝置還包括濾光層，位於影像擷取元件上。

基於上述，在本發明一實施例的取像裝置中，由於遮光結構具有相堆疊的反射層與吸光層，且反射層的多個第一開口與吸光層的多個第二開口相互重疊，形成了遮光結構的多個開口，所以 光束被手指反射後朝多個開口行進時，能更準確地限制光束往影像擷取元件上對應的像素區傳遞，達到良好取像品質。且由於設置吸光層的緣故，部分光束在通過開口時，在被反射層反射後能立即被吸光層吸收，大幅降低光束可能傳遞至鄰近開口的可能性，因而減少了各像素區間的光束串擾(cross talk)的問題，因此取像裝置的準確率得以提升。在本發明的另一實施例中的檢測裝置，由於還設置了表面電漿共振層，因此檢測裝置除可作為手指的指紋辨識之用途外，亦可檢測生物高聚物的生物特徵，具有雙重之功效，增加裝置的實用性。

為讓本發明的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。

100、100A、100B、100C、100D、100E、100F:取像裝置

110:影像擷取元件

112:像素區

120、120A、120B、120C、120D、120E、120F:空間濾波器

122:透光基材

124、124-1、124-2、124-3:遮光結構

124a:吸光層

D2:第二方向

124r:反射層

F:手指

130:蓋板

H1、H2、H3:厚度

132:按壓面

L、L1、L2、L3:光束

140:顯示面板

O1:第一開口

150:濾光層

O2:第二開口

D1:第一方向

SPR:表面電漿共振層

SPRa:表面

γ:共振角

W1、W2:寬度

圖1是依照本發明一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖2是依照本發明一實施例之取像裝置的一遮光結構的上視示意圖。

圖3是圖1的取像裝置100中的空間濾波器120的放大示意圖。

圖4是依照本發明另一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖5是依照本發明又一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖6是依照本發明再一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖7是依照本發明一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖8依照本發明另一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

圖9依照本發明再一實施例之取像裝置的剖面示意圖。

現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於圖式中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。

圖1是依照本發明一實施例之取像裝置的剖面示意圖。請參照圖1，取像裝置100包括影像擷取元件110及空間濾波器120。影像擷取元件110具有多個像素區112。在本實施例中，影像擷取元件110可以是一種光電傳感器，例如：感光耦合元件(Charge-Coupled Device；CCD)或是互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor；CMOS)感測器，但本發明不以此為限。

空間濾波器120設置於影像擷取元件110上。空間濾波器120包括多個透光基材122以及多個遮光結構124。多個遮光結構124與多個透光基材122沿第一方向D1交替排列。舉例而言，在本實施例中，透光基材122可以是透光基板，例如：玻璃基板、塑膠基板或其組合。然而，本發明不以此為限，在其它實施例中，透光基材122也可以是以沈積出的透光膜。

圖2是依照本發明一實施例之取像裝置的一遮光結構的 上視示意圖。請參照圖1及圖2，每一遮光結構124至少包括一吸光層124a，具有分別對應多個像素區112的多個第一開口O1。多個遮光結構124的至少一遮光結構124包括相堆疊的一反射層124r及一吸光層124a。舉例而言，，在本實施例中，沿著遠離影像擷取元件110的一方向(例如：第一方向D1)上依序設有多個遮光結構124-1、124-2、124-3，每一遮光結構124-1、124-2、124-3可均具有反射層124r及吸光層124a，但本發明不以此為限。在本實施例中，反射層124r的材質可為金屬材料或其他具有高反射率的材質或其組合，吸光層124a的材質可為具有低反射率的吸光材料，例如：深色油墨或其它適當材質。

至少一遮光結構124的反射層124r具有分別對應多個像素區112的多個第二開口O2，而至少一遮光結構124的吸光層124a具有分別重疊於多個第二開口O2的多個第一開口O1。反射層124r的第二開口O2在第二方向D2上具有寬度W2，吸光層124a的第一開口O1在第二方向D2上具有寬度W1，而W2<W1。舉例而言，0.2W1

W2

0.8W1，但本發明不以此為限。

在本實施例中，多個遮光結構124的多個第一開口O1及多個第二開口O2形成多個光通道，所述多個光通道的延伸方向可平行於蓋板130之按壓面132的法線方向(例如：第一方向D1)。然而，本發明不以此為限，在其他實施例中，多個遮光結構124的多個光通道也可以在斜向方向上延伸，可參照中華民國專利申請第107202731號所述。此外，在本實施例中，多個遮光結構124的 多個第二開口O2具有一致的寬度W2。然而，本發明不以此為限，在其他實施例中，對應同一像素區112之多個遮光結構124之多個反射層124r的多個第二開口O2的寬度W2也可隨著遠離影像擷取元件110而遞減或遞增，可參照中華民國專利申請第106142487號所述。

圖案化(patterned)一反射材料層(未繪示)可形成具有多個第二開口O2的反射層124r。圖案化一吸光材料層(未繪示)可形成具有多個第二開口O2的吸光層124a。值得一提的是，一般而言，由於反射材料的特性，容易在反射材料層中形成寬度小及/或分佈密度高的第二開口O2；由於吸光材料的特性，相較於反射材料層，不易在吸光材料層中形成寬度小及/或分佈密度高的第一開口O1。在本實施例中，由於空間濾波器120的至少一遮光結構124包括反射層124r，而反射層124r具有寬度W2小及/或分佈密度高之第二開口O2，因此，空間濾波器120的光通道的最小寬度(例如：W2)小，及/或光通道的分佈密度高，而具有較佳的空間濾波能力，進而能提升取像裝置100的取像解析度。

圖3是圖1的取像裝置100中的空間濾波器120的放大示意圖。請參照圖1及圖3，被生物特徵(例如：手指F之指紋)之一處漫射的光束L1、L2、L3以各種入射角度向空間濾波器120傳遞。光束L1可通過空間濾波器120之的光通道，而傳遞至影像擷取元件110之對應該處的像素區112，進而形成清晰的生物特徵影像。光束L2可直接傳遞至空間濾波器120的吸光層124a而被 吸光層124a吸收，光束L2不易誤入非對應該處的像素區112，造成串擾(cross-talk)問題。光束L3雖被一遮光結構124-2的反射層124r反射向另一遮光結構124-3的反射層124r，但光束L3被遮光結構124-3的反射層124r反射後會被遮光結構124-2的吸光層124a吸收，光束L3不易誤入非對應該處的像素區112，造成串擾問題。因此，利用具有反射層124r及吸光層124a之至少一遮光結構124，空間濾波器120不但能提升取像裝置100的取像解析度，還不易造成串擾問題。

在本實施例中，吸光層124a的厚度H1與反射層124r的厚度H2的和小於透光基材122的厚度H3。舉例來說，請參見圖3，遮光結構124-1的吸光層124a的厚度H1與遮光結構124-1的反射層124r的厚度H2的和，其小於覆蓋於遮光結構124-1的吸光層124a及反射層124r上的透光基材122的厚度H3。遮光結構124-2、124-3與透光基材122的厚度關係於此類推，在此不再贅述。

請參照圖1，在本實施例中，取像裝置100還可選擇性包括蓋板130，具有供手指F按壓的按壓面132，其中空間濾波器120位於蓋板130與影像擷取元件110之間。

請參照圖1，在本實施例中，取像裝置100還可選擇性包括表面電漿共振層SPR，其中空間濾波器120位於表面電漿共振層SPR與影像擷取元件110之間。舉例而言，在本實施例中，表面電漿共振層SPR可設置於蓋板130的按壓面132上，但本發明 不以此為限。表面電漿共振層SPR用以接收生物高聚物(Biopolymers)BP。生物高聚物BP可以是汗水、唾液、血液、是尿液、細菌、病毒或其它欲檢測的生物高聚物。在本實施例中，設置表面電漿共振層SPR的取像裝置100亦可稱作檢測裝置，檢測裝置可同時感測手指F上的指紋特徵，以及檢測生物高聚物BP的生物特徵之雙重功能。

光束L傳遞至表面電漿共振層SPR時，光束L會在表面電漿共振層SPR的表面SPRa發生全內反射(Total Internal Reflection，TIR)，而在光疏介質(例如是環境介質)形成消逝波(Evanescent Wave)，在光密介質(例如是表面電漿共振層SPR)形成表面電漿波(Surface Plasma Wave)。此時，消逝波與表面電漿波相遇會產生共振。當消逝波與表面電漿波發生共振時，入射至表面電漿共振層SPR的光束L的大部分能量被表面電漿波所吸收，因而被表面電漿共振層SPR的光束L在特定方向上的強度將大幅地減弱，此時的特定角度稱為共振角γ(Resonant Angle)。在本實施例中，共振角γ與表面電漿共振層SPR之表面SPRa的折射率變化有關，亦即，與附著於表面電漿共振層SPR之表面SPRa的生物高聚物BP的性質(例如：介電常數)有關。透過分析形成於影像擷取元件110上的反射光束L的分佈，能推知上述共振角γ為何，進而推知附著於表面電漿共振層SPR之表面SPRa的生物高聚物BP種類為何，其是否為欲檢測種類的生物高聚物BP。此外，在本實施例中，表面電漿共振層SPR的表面SPRa可選擇性 地為表面改質層，以使生物高聚物BP能更容易附著在表面電漿共振層SPR上，進而提升檢測靈敏度。透過表面電漿共振層SPR的設置，取像裝置100除了具有生物辨識功能外，更具有檢測生物高聚物BP的功能，具有多重之功效。

圖4是依照本發明另一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖4的取像裝置100A與圖1的取像裝置100類似，相似的元件於此不再贅述，兩者之間的差異在於，圖4中的空間濾波器120A的每一第一開口O1的寬度W1相同於每一第二開口O2的寬度W2。在本實施例中，舉例而言，吸光層124a可以是不透光材料，例如是石墨或其他吸光材料。在本實施例中，吸光層124a可利用塗佈製程形成於反射層124r的表面，吸光層124a以薄膜型式設置於反射層124r。然而，本發明不以此為限。

圖5是依照本發明再一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖5的取像裝置100B與圖1的取像裝置100類似，且空間濾波器120B相似於圖1的空間濾波器120，相似的元件於此不再贅述。在本實施例中，取像裝置100B還可選擇性包括顯示面板140，其中空間濾波器120位於顯示面板140與影像擷取元件110之間。在本實施例中，顯示面板140可選擇性地做為照射手指F的光源，但本發明不以此為限。舉例而言，顯示面板140可為有機發光二極體(Organic Light-Emitting Diode，OLED)顯示裝置或是其他類型的顯示裝置，在一可行的實施例中，該顯示面板140的光源可以作為一取像裝置100B的光源。在本實施例中，取像裝置100B 還可選擇性包括位於影像擷取元件110上的濾光層150。在本實施例中，濾光層150例如是位於蓋板130與影像擷取元件110之間，但本發明不以此為限。濾光層150用以濾除具有非光束L之波長範圍外的環境光。舉例而言，假若光束L為紅外線光束，而濾光層可以是紅外線通過濾光層(IR pass filter)。假若光束L為可見光光束，而濾光層可以是紅外線截止濾光層(IR cut filter)。然而，本發明不以此為限，根據其他實施例，濾光層也可以是其他種類的濾光層。

圖6是依照本發明再一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖4的取像裝置100C與圖1的取像裝置100類似，相似的元件於此不再贅述，兩者之間的差異在於，圖1的空間濾波器120之同一遮光結構124的吸光層124a係設置於同一遮光結構124的反射層124r上，但圖4的空間濾波器120C之同一遮光結構124的吸光層124a係設置於同一遮光結構124的反射層124r下。取像裝置100A具有圖1的取像裝置100類似的功效及優點，於此便不再重述。

圖7是依照本發明一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖5的取像裝置100D與圖1的取像裝置100類似，相似的元件於此不再贅述，兩者之間的差異在於，圖5之空間濾波器120D包括遮光結構124-1、124-2、124-3，其中遮光結構124-1、124-2較遮光結構124-3靠近影像擷取元件110，而遮光結構124-1、124-2可不具有反射層。取像裝置100B具有圖1的取像裝置100類似的功 效及優點，於此便不再重述。

圖8依照本發明另一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖6的取像裝置100E與圖1的取像裝置100類似，相似的元件於此不再贅述，兩者之間的差異在於，圖6之空間濾波器120E包括遮光結構124-1、124-2、124-3，其中遮光結構124-2設置於多個遮光結構124-1、124-3之間，而遮光結構124-2可不具有反射層。取像裝置100C具有圖1的取像裝置100類似的功效及優點，於此便不再重述。

圖9依照本發明再一實施例之取像裝置的剖面示意圖。圖7的取像裝置100F與圖1的取像裝置100類似，相似的元件於此不再贅述，兩者之間的差異在於，圖7之空間濾波器120F包括遮光結構124-1、124-2、124-3，其中遮光結構124-2、124-3較遮光結構124-1遠離影像擷取元件110，遮光結構124-2、124-3可不具有吸光層。取像裝置100D具有圖1的取像裝置100類似的功效及優點，於此便不再重述。

綜上所述，本發明的取像裝置包括影像擷取元件、配置於影像擷取元件上的空間濾波器。空間濾波器包括交替排列的透光基材與遮光結構，又遮光結構包括相堆疊的吸光層與反射層，且反射層具有多個第二開口以及吸光層具有多個第一開口，多個第二開口的寬度小於多個第一開口的寬度。由於反射層的第二開口的寬度可較吸光層的第一開口的寬度來得小，因而使被手指反射的光束可以更為準直地進入影像擷取元件上的像素區，達到取像品 質佳的功效。另外，即使有非準直的光束進入開口而接觸到反射層的表面，周圍的吸光層也可立即將光束吸收，因而避免光束跑到鄰近的開口造成串擾現像，使取像的準確性得以提升。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限7定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧取像裝置

110‧‧‧影像擷取元件

112‧‧‧像素區

120‧‧‧空間濾波器

122‧‧‧透光基材

124、124-1、124-2、124-3‧‧‧遮光結構

124a‧‧‧吸光層

124r‧‧‧反射層

130‧‧‧蓋板

132‧‧‧按壓面

BP‧‧‧生物高聚物

D1‧‧‧第一方向

D2‧‧‧第二方向

F‧‧‧手指

L‧‧‧光束

O1‧‧‧第一開口

O2‧‧‧第二開口

SPR‧‧‧表面電漿共振層

SPRa‧‧‧表面

W1、W2‧‧‧寬度

γ‧‧‧共振角

Claims (11)

1. 一種取像裝置，包括：一影像擷取元件，具有多個像素區；以及一空間濾波器，設置於該影像擷取元件上，其中該空間濾波器包括：多個透光基材；以及多個遮光結構，與該些透光基材沿一第一方向交替排列，其中每一該遮光結構至少包括一吸光層，具有分別對應該些像素區的多個第一開口；該些遮光結構的至少一遮光結構包括相堆疊的一反射層及一吸光層，該反射層與該吸光層接觸，該反射層具有多個第二開口，分別重疊於該至少一遮光結構之該吸光層的多個第一開口，該反射層之每一該第二開口在一第二方向上具有一寬度W2，該吸光層之每一該第一開口在該第二方向上具有一寬度W1，且W2<W1。
2. 一種取像裝置，包括：一影像擷取元件，具有多個像素區；以及一空間濾波器，設置於該影像擷取元件上，其中該空間濾波器包括：多個透光基材；以及多個遮光結構，與該些透光基材沿一第一方向交替排列，其中每一該遮光結構至少包括一吸光層，具有分別對應該些像素區的多個第一開口；該些遮光結構的至少一遮光結構包括相堆疊 的一反射層及一吸光層，該反射層與該吸光層接觸，該反射層具有多個第二開口，分別重疊於該至少一遮光結構之該吸光層的多個第一開口，其中每一該第二開口的面積小於對應之一該第一開口的面積，且每一該第二開口於一該透光基材上的垂直投影位於對應之該第一開口於該透光基材上的垂直投影以內。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，其中每一該第一開口的該寬度W1與每一該第二開口的該寬度W2滿足：0.2W1

   

   W2

   

   0.8W1。
4. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，其中該吸光層的厚度與該反射層的厚度的和小於該透光基材的厚度。
5. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，其中每一該遮光結構具有相堆疊的該反射層及該吸光層。
6. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，其中該些遮光結構包括一第一遮光結構以及一第二遮光結構，該第一遮光結構包括相堆疊的該反射層及該吸光層，該第二遮光結構包括一吸光層而不包括該反射層。
7. 如申請專利範圍第6項所述的取像裝置，其中該第一遮光結構較該第二遮光結構靠近該影像擷取元件。
8. 如申請專利範圍第6項所述的取像裝置，其中該第一遮光結構較該第二遮光結構遠離該影像擷取元件。
9. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，還包括： 一蓋板，具有供一手指按壓的一按壓面，其中該空間濾波器位於該蓋板與該影像擷取元件之間。
10. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，還包括：一顯示面板，其中該空間濾波器位於該顯示面板與該影像擷取元件之間。
11. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的取像裝置，還包括：一濾光層，位於該影像擷取元件上。

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