TWI748851B

TWI748851B - 生物特徵感測裝置

Info

Publication number: TWI748851B
Application number: TW110102293A
Authority: TW
Inventors: 謝尚瑋; 王碩宏
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2021-12-01
Also published as: TW202207004A; TWI764499B; TWI757107B; TWI748791B; TW202207437A; TW202207005A; TW202207445A; TW202207441A; TWI754512B

Abstract

一種生物特徵感測裝置，用以感測光線，其包含基板、光感測元件、第一遮光層、第二遮光層以及第三遮光層。光感測元件設置於基板上。每一遮光層包含遮光區及孔洞，且這三個遮光層的孔洞相對應，並與光感測元件相對應。在基板的法線方向上，第一遮光層與第二遮光層之間具有第一間隔d1，第二遮光層與第三遮光層之間具有第二間隔d2。第三孔洞的第三孔洞中心線與光線夾設有夾角，且此夾角包含第一夾角θ1及第二夾角θ2，第三孔洞具有第三孔寬W3，且第一夾角θ1、第二夾角θ2、第三孔寬W3、第一間隔d1與第二間隔d2具有下列關係: (0.5*W3)/(d1+d2)＞|tanθ1|； (0.5*W3)/d2＜|tanθ2|；以及 15°≦(θ1及θ2)≦40°，其中θ2＞θ1。

Description

生物特徵感測裝置

本發明是有關於一種光學裝置，且特別是有關於一種生物特徵感測裝置。

近年來，指紋辨識技術被廣泛地應用在各式電子裝置上，例如行動電話以及平板電腦等，以提供各種身分登錄或身分驗證功能。在現行的光學式指紋辨識感測裝置中，通常透過透鏡將光線聚焦於感測元件，且透光孔洞的大小幾乎是由上到下遞減的。在這樣的架構下，指紋的辨識度並不高。在模擬上，幾乎無法分辨週期長度約300μm以下的條紋，指紋辨識精度不高。有鑑於上述的狀況，如何提高指紋辨識精度，成為亟待解決的問題。

本發明提供一種生物特徵感測裝置，具備良好的生物特徵辨識精度。

根據本發明一實施例，提供一種生物特徵感測裝置，用以感測光線，其包含基板、至少一光感測元件、第一遮光層、第二遮光層以及第三遮光層。至少一光感測元件設置於基板上。第一遮光層包含第一遮光區及至少一第一孔洞，其中，第一遮光層設置於至少一光感測元件上，且至少一第一孔洞對應於至少一光感測元件。第二遮光層包含第二遮光區及至少一第二孔洞，其中，第二遮光層設置於第一遮光層上，在基板的法線方向上，第一遮光層與第二遮光層之間具有第一間隔d1，且至少一第二孔洞對應於至少一第一孔洞。第三遮光層包含第三遮光區及至少一第三孔洞，其中，第三遮光層設置於第二遮光層上，於基板的法線方向上，第二遮光層與第三遮光層之間具有第二間隔d2，且至少一第三孔洞對應於至少一第二孔洞。其中，至少一第三孔洞的第三孔洞中心線與光線夾設有一夾角，且此夾角包含第一夾角θ1及第二夾角θ2，至少一第三孔洞具有第三孔寬W3，且第一夾角θ1、第二夾角θ2、第三孔寬W3、第一間隔d1與第二間隔d2具有下列關係: (0.5*W3)/(d1+d2)＞|tanθ1|； (0.5*W3)/d2＜|tanθ2|；以及 15°≦(θ1及θ2)≦40°，其中θ2＞θ1。

基於上述，本發明實施例提供的生物特徵感測裝置，具備三個遮光層及對應的遮光層孔洞，適當配置三個遮光層之間的間隔以及遮光層孔洞的寬度，對光線進行篩選，提高生物特徵感測裝置的辨識度。

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。

參照圖1，其繪示根據本發明實施例的生物特徵感測裝置的示意圖。生物特徵感測裝置1可以用來感測來自於使用者的手指2的光線R1，以感測使用者的指紋，用於身分登錄或身分驗證。但是本發明不以此為限，生物特徵感測裝置1還可以用來感測不同於指紋的其他生物特徵。在一未繪示的實施例中，可以藉由設置一光源來發射光線，並使得此光線中的至少一部份被使用者的手指2反射，從而產生光線R1。

根據本發明實施例的生物特徵感測裝置1包含基板10、光感測元件100、第一遮光層101、第二遮光層102、第三遮光層103、微透鏡104以及蓋板105。光感測元件100設置於基板10上。第一遮光層101包含第一遮光區101B及第一孔洞101H，其中，第一遮光層101設置於光感測元件100上，且第一孔洞101H對應於光感測元件100。第二遮光層102包含第二遮光區102B及第二孔洞102H，其中，第二遮光層102設置於第一遮光層101上，在基板10的法線方向上，第一遮光層101與第二遮光層102之間具有第一間隔d1，且第二孔洞102H對應於第一孔洞101H。第三遮光層103包含第三遮光區103B及第三孔洞103H，其中，第三遮光層103設置於第二遮光層102上，於基板10的法線方向上，第二遮光層102與第三遮光層103之間具有第二間隔d2，且第三孔洞103H對應於第二孔洞102H。微透鏡104設置於基板10上，且微透鏡104對應於第三孔洞103H。

第三孔洞103H具有第三孔寬W3及第三孔洞中心線103C，第三孔洞中心線103C定義為通過第三孔洞103H的中心且平行於基板10的法線方向的直線。第二孔洞102H具有第二孔寬W2及第二孔洞中心線102C，第二孔洞中心線102C定義為通過第二孔洞102H的中心且平行於基板10的法線方向的直線。第一孔洞101H具有第一孔寬W1及第一孔洞中心線101C，第一孔洞中心線101C定義為通過第一孔洞101H的中心且平行於基板10的法線方向的直線。在圖1中，第一孔洞中心線101C、第二孔洞中心線102C以及第三孔洞中心線103C位於同一條直線上。但是本發明不限於此，第一孔洞中心線101C、第二孔洞中心線102C以及第三孔洞中心線103C可以是各自獨立且相互平行的三條直線。

來自於使用者的手指2的光線R1中的至少一部份透射微透鏡104並通過第三孔洞103H。第三孔洞中心線103C與通過第三孔洞103H的光線R1之間夾設有夾角θ，夾角θ包含第一夾角θ1及第二夾角θ2。

在本發明的一實施例中，第一夾角θ1、第二夾角θ2、第三孔寬W3、第一間隔d1與第二間隔d2具有下列關係（條件式一）: (0.5*W3)/(d1+d2)＞|tanθ1|； (0.5*W3)/d2＜|tanθ2|；以及 15°≦(θ1及θ2)≦40°，其中θ2＞θ1。

在條件式一中，定義了第三孔寬W3與第一間隔d1以及第二間隔d2之間的關係，並定義了第一夾角θ1以及第二夾角θ2的大小。為了清楚描述的目的，還進一步透過對第一夾角θ1的正切值取絕對值並對第二夾角θ2的正切值取絕對值來定義上述關係。藉由上述對第三孔寬W3、第一間隔d1以及第二間隔d2所做的限制，光線R1受到篩選，使得生物特徵感測裝置1具備良好的辨識精度。

在本發明的另一實施例中，第一夾角θ1、第二夾角θ2、第三孔寬W3、第一間隔d1以及第二間隔d2除了滿足上述條件式一所定義的關係，光線R1還與第二孔洞中心線102C夾設有夾角θ，且夾角θ包含第三夾角θ3及第四夾角θ4。第三夾角θ3、第四夾角θ4、第三孔寬W3、第二孔寬W2與第二間隔d2具有下列關係（條件式二）: 2μm≦W2≦20μm； |tanθ3| ＜{[(0.5*W3)-(0.5*W2)]/d2}＜|tanθ4|；以及 15°≦(θ3及θ4)≦40°，其中θ4＞θ3。

在條件式二中，定義了第三孔寬W3、第二孔寬W2以及第二間隔d2之間的關係，並定義了第二孔寬W2、第三夾角θ3以及第四夾角θ4的大小。第二孔洞102H的尺寸介於2μm及20μm之間，這對光線R1進行了篩選，以提高生物特徵感測裝置1的辨識精度。為了清楚描述的目的，還進一步透過對第三夾角θ3的正切值取絕對值並對第四夾角θ4的正切值取絕對值來定義上述關係。藉由上述對第二孔寬W2、第三孔寬W3以及第二間隔d2所做的限制，光線R1受到篩選，使得生物特徵感測裝置1具備良好的辨識精度。

在本發明的另一實施例中，第一夾角θ1、第二夾角θ2、第三孔寬W3、第一間隔d1以及第二間隔d2除了滿足上述條件式一所定義的關係，光線R1還與第一孔洞中心線101C夾設有夾角θ，且夾角θ包含第五夾角θ5及第六夾角θ6。第五夾角θ5、第六夾角θ6、第一孔寬W1與第一間隔d1具有下列關係（條件式三）: |tanθ5| ＜(W1/d1)＜|tanθ6|；以及 15°≦(θ5及θ6)≦40°，其中θ6＞θ5。

在條件式三中，定義了第一孔寬W1以及第一間隔d1之間的關係，並定義了第五夾角θ5及第六夾角θ6的大小。為了清楚描述的目的，還進一步透過對第五夾角θ5的正切值取絕對值並對第六夾角θ6的正切值取絕對值來定義上述關係。藉由上述對第一孔寬W1以及第一間隔d1所做的限制，光線R1受到篩選，使得生物特徵感測裝置1具備良好的辨識精度。

在本發明的另一實施例中，第一夾角θ1至第六夾角θ6、第一孔寬W1至第三孔寬W3、第一間隔d1以及第二間隔d2同時符合上述條件式一、條件式二以及條件式三。藉由上述對第一孔寬W1至第三孔寬W3、第一間隔d1以及第二間隔d2所做的限制，光線R1受到篩選，使得生物特徵感測裝置1具備良好的辨識精度。

在本發明的一實施例中，第一間隔d1以及第二間隔d2符合下列關係（條件式四）： d1≦d2；以及 1≦(d2/d1)≦20。

在條件式四中，定義了第一間隔d1以及第二間隔d2的大小關係。具體而言，第三遮光層103與第二遮光層102之間的第二間隔d2大於第二遮光層102與第一遮光層101之間的第一間隔d1。根據本發明另一實施例，第一間隔d1以及第二間隔d2更符合下列關係（條件式五）： 1≦(d2/d1)≦3。

在本發明的一實施例中，以第二孔洞中心線102C為基準，第一孔洞101H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離不大於5μm，且第三孔洞103H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離不大於5μm。在本發明一實施例中，第一孔洞101H之中心位於第二孔洞中心線102C的延伸線上，換句話說。第一孔洞101H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離為0。在本發明一實施例中，第三孔洞103H之中心位於第二孔洞中心線102C的延伸線上，換句話說。第三孔洞103H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離為0。在本發明一實施例中，第一孔洞101H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離為5μm。在本發明一實施例中，第三孔洞103H之中心與第二孔洞中心線102C之間的最短距離為5μm。

在圖1中，第一孔洞中心線101C、第二孔洞中心線102C以及第三孔洞中心線103C位於同一條直線上。但是本發明不限於此，根據本發明一實施例，第一孔洞中心線101C、第二孔洞中心線102C以及第三孔洞中心線103C可以是各自獨立且相互平行的三條直線。根據本發明一實施例，第一孔洞中心線101C、第二孔洞中心線102C以及第三孔洞中心線103C中的二者重合。

在圖1中，光感測元件100、第一孔洞101H、第二孔洞102H、第三孔洞103H以及微透鏡104的數量皆是兩個。但是本發明不以此為限，在本發明的一些實施例中，光感測元件100、第一孔洞101H、第二孔洞102H、第三孔洞103H以及微透鏡104的數量是N個，N為正整數，且大於等於1。

在本發明的一些實施例中，光感測元件100、第一孔洞101H、第二孔洞102H、第三孔洞103H以及微透鏡104的數量彼此相同。但是本發明不以此為限，在本發明的一些實施例中，光感測元件100、第一孔洞101H、第二孔洞102H、第三孔洞103H以及微透鏡104中的至少二者的數量彼此相同。

在本發明的一些實施例中，每一個光感測元件100對應多個第一孔洞101H、多個第二孔洞102H、多個第三孔洞103H以及多個微透鏡104，其中多個第一孔洞101H、多個第二孔洞102H、多個第三孔洞103H以及多個微透鏡104的數量相同。在本發明的一些實施例中，每一個光感測元件100對應多個第一孔洞101H、多個第二孔洞102H、多個第三孔洞103H或多個微透鏡104。

蓋板105設置於光感測元件100、第一遮光層101、第二遮光層102與第三遮光層103上，且蓋板105包含顯示面板、觸控面板以及保護板中的至少一者。

根據本發明一實施例，生物特徵感測裝置1更包含第一遮光層101與第二遮光層102之間的第一介電層DI1，以及第二遮光層102與第三遮光層103之間的第二介電層DI2。根據本發明一實施例，第一介電層DI1與第二介電層DI2包含相同的材質。

根據本發明一實施例，生物特徵感測裝置1更包含第一遮光層101與光感測元件100之間的第三介電層DI3。根據本發明一實施例，生物特徵感測裝置1包含第一遮光層101與第二遮光層102之間的第一介電層DI1、第二遮光層102與第三遮光層103之間的第二介電層DI2、以及第一遮光層101與光感測元件100之間的第三介電層DI3。根據本發明一實施例，第一介電層DI1、第二介電層DI2以及第三介電層DI3包含相同的材質。但是本發明不以此為限，根據本發明一實施例第一介電層DI1、第二介電層DI2以及第三介電層DI3三者不包含相同的材質。根據本發明另一實施例，第一介電層DI1、第二介電層DI2以及第三介電層DI3三者中的兩者包含相同的材質，與另一者包含不同的材質。

根據本發明一實施例，上述第一介電層DI1、第二介電層DI2以及第三介電層DI3中的每一者可以是單層結構或多層結構，且材質可以包括有機材料、無機材料或有機材料及無機材料的混合物。

參照圖2A及圖2B，圖2A是根據習知技術的生物特徵感測技術的模擬辨識結果，圖2B是根據本發明實施例的生物特徵感測裝置的辨識結果。具體而言，圖2A是以習知技術對長度週期300μm的亮暗紋進行辨識的模擬結果，圖2B是以本發明實施例提供的生物特徵感測裝置對長度週期300μm的亮暗紋進行辨識的結果。圖2A及圖2B皆是以二維的輝度圖來表示模擬結果，圖2A及圖2B右邊的輝度表是任意單位的。可以看到，由於本發明實施例提供的生物特徵感測裝置具備上述各實施例所述的光線篩選機制，圖2B所示的辨識結果較圖2A所示的辨識結果更加清晰，這說明了根據本發明實施例的生物特徵感測裝置具備了良好的辨識精度。

參照圖3A及圖3B，圖3A及圖3B是以本發明實施例提供的生物特徵感測裝置對長度週期400μm的亮暗紋進行辨識的結果，其中圖3A所對應的生物特徵感測裝置符合條件式一，圖3B所對應的生物特徵感測裝置符合條件式一至條件式五。圖3A及圖3B皆是以二維的輝度圖來表示模擬結果，並且圖3A及圖3B右邊的輝度表是任意單位的。如圖3A所示，符合條件式一的生物特徵感測裝置對長度週期400μm的亮暗紋提供了良好的辨識結果。除此之外，如圖3B所示，符合條件式一至條件式五的生物特徵感測裝置對長度週期400μm的亮暗紋提供了更佳的辨識結果。

綜上所述，本發明實施例提供的生物特徵感測裝置具備三個遮光層及對應的遮光層孔洞，適當配置三個遮光層之間的間隔以及遮光層孔洞的寬度，對光線進行篩選，提高生物特徵感測裝置的辨識度。

1:生物特徵感測裝置 2:手指 10:基板 100:光感測元件 101:第一遮光層 101C:第一孔洞中心線 101B:第一遮光區 101H:第一孔洞 102:第二遮光層 102C:第二孔洞中心線 102B:第二遮光區 102H:第二孔洞 103:第三遮光層 103C:第三孔洞中心線 103B:第三遮光區 103H:第三孔洞 104:微透鏡 105:蓋板 d1:第一間隔 d2:第二間隔 DI1:第一介電層 DI2:第二介電層 DI3:第三介電層 R1:光線 W1:第一孔寬 W2:第二孔寬 W3:第三孔寬 θ:夾角

圖1是根據本發明實施例的生物特徵感測裝置的示意圖。圖2A是根據習知技術的生物特徵感測技術的模擬辨識結果。圖2B至圖3B是根據本發明實施例的生物特徵感測裝置的辨識結果。

1:生物特徵感測裝置

2:手指

10:基板

100:光感測元件

101:第一遮光層

101C:第一孔洞中心線

101B:第一遮光區

101H:第一孔洞

102:第二遮光層

102C:第二孔洞中心線

102B:第二遮光區

102H:第二孔洞

103:第三遮光層

103C:第三孔洞中心線

103B:第三遮光區

103H:第三孔洞

104:微透鏡

105:蓋板

d1:第一間隔

d2:第二間隔

DI1:第一介電層

DI2:第二介電層

DI3:第三介電層

R1:光線

W1:第一孔寬

W2:第二孔寬

W3:第三孔寬

θ:夾角

Claims

一種生物特徵感測裝置，用以感測一光線，其包含：一基板；至少一光感測元件，設置於該基板上；一第一遮光層，包含一第一遮光區及至少一第一孔洞，其中，該第一遮光層設置於該至少一光感測元件上，且該至少一第一孔洞對應於該至少一光感測元件；一第二遮光層，包含一第二遮光區及至少一第二孔洞，其中，該第二遮光層設置於該第一遮光層上，在該基板的一法線方向上，該第一遮光層與該第二遮光層之間具有一第一間隔d1，且該至少一第二孔洞對應於該至少一第一孔洞；一第三遮光層，包含一第三遮光區及至少一第三孔洞，其中，該第三遮光層設置於該第二遮光層上，於該基板的該法線方向上，該第二遮光層與該第三遮光層之間具有一第二間隔d2，且該至少一第三孔洞對應於該至少一第二孔洞；其中，該至少一第三孔洞的一第三孔洞中心線與該光線夾設有一第一夾角θ1及一第二夾角θ2，該至少一第三孔洞具有一第三孔寬W3，且該第一夾角θ1、該第二夾角θ2、該第三孔寬W3、該第一間隔d1與該第二間隔d2具有下列關係：(0.5*W3)/(d1+d2)>|tanθ1|；(0.5*W3)/d2<|tanθ2|；以及15°≦(θ1及θ2)≦40°，其中θ2>θ1。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該至少一第二孔洞的一第二孔洞中心線與該光線夾設有一第三夾角θ3及一第四夾角θ4，該至少一第二孔洞具有一第二孔寬W2，且該第三夾角θ3、該第四夾角θ4、該第三孔寬W3、該第二孔寬W2與該第二間隔d2具有下列關係：2μm≦W2≦20μm；|tanθ3|<{[(0.5*W3)-(0.5*W2)]/d2}<|tanθ4|；以及15°≦(θ3及θ4)≦40°，其中θ4>θ3。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該至少一第一孔洞的一第一孔洞中心線與該光線夾設有一第五夾角θ5及一第六夾角θ6，該至少一第一孔洞具有一第一孔寬W1，且該第五夾角θ5、該第六夾角θ6、該第一孔寬W1與該第一間隔d1具有下列關係：|tanθ5|<(W1/d1)<|tanθ6|；以及15°≦(θ5及θ6)≦40°，其中θ6>θ5。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中d1≦d2，且1≦(d2/d1)≦20。
如請求項4所述的生物特徵感測裝置，其中1≦(d2/d1)≦3。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中以該至少一第二孔洞的一第二孔洞中心線為基準，該至少一第一孔洞之中心與該第二孔洞中心線之間的最短距離不大於5μm，且該至少一第三孔洞之中心與該第二孔洞中心線之間的最短距離不大於5μm。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第三孔洞中心線、該至少一第二孔洞的一第二孔洞中心線以及該至少一第一孔洞的一第一孔洞中心線中的至少二者重合。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，更包含至少一微透鏡，設置於該基板上，且該至少一微透鏡對應於該至少一第三孔洞。
如請求項1至8中任一項所述的生物特徵感測裝置，更包含一蓋板，設置於該至少一光感測元件、該第一遮光層、該第二遮光層與該第三遮光層上，且該蓋板包含一顯示面板、一觸控面板以及一保護板中的至少一者。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中，該第一遮光層與該第二遮光層之間具有一第一介電層，該第二遮光層與該第三遮光層之間具有一第二介電層。
如請求項1所述的生物特徵感測裝置，其中該第一遮光層與該至少一光感測元件之間具有一第三介電層。