TWI772828B - 指紋感測模組 - Google Patents

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Abstract

一種指紋感測模組，包括影像感測器、微透鏡陣列以及遮光層。影像感測器具有多個像素。各像素具有多個物理地分離的感光區域，各感光區域適於接收來自使用者指紋的一影像光束的一部分。微透鏡陣列設置於影像感測器上。微透鏡陣列包括多個微透鏡。各微透鏡的聚焦範圍覆蓋這些感光區域的一部分。遮光層設置於影像感測器與微透鏡陣列之間。遮光層具有多個開口，這些開口的位置對應於這些像素的位置。

Description

指紋感測模組
本發明是有關於一種指紋感測模組，且特別是一種有關於光學式指紋感測模組。
現有的光學式指紋辨識的一種做法是於其內部採用微透鏡陣列及具有多個開口之遮光層，通常遮光層的開口的位置是對應於微透鏡的中心位置。當光束照射手指上的指紋後，指紋將光束反射而形成帶有指紋資訊的影像光束，而微透鏡聚焦影像光束以使其穿透開口的並聚焦至影像感測器的像素上，藉此以感測指紋影像。
但上述架構的問題在於，在遮光層的貼合過程中，不一定能使開口準確無誤地對應至微透鏡的中心軸。若開口位置與微透鏡的中心軸錯位，將導致影像光束被遮光層的非開口區域遮蔽，而無法將光束傳遞至像素上，造成影像感測品質不佳。為了要避免上述問題，光學式指紋辨識裝置中的微透鏡、遮光層、與像素之間需要精準的對位，但這樣其整體製造成本難以降低。
本發明提供一種指紋感測模組，其具有良好的指紋影像感測品質，且具有較低的製造成本。
在本發明的一實施例中提供一種指紋感測模組，包括影像感測器、微透鏡陣列以及遮光層。影像感測器具有多個像素。各像素具有多個物理地分離的感光區域，各感光區域適於接收來自使用者一指紋的一影像光束。微透鏡陣列設置於影像感測器上。微透鏡陣列包括多個微透鏡，其中各微透鏡的聚焦範圍覆蓋這些感光區域的一部分。遮光層設置於影像感測器與微透鏡陣列之間。遮光層具有多個開口，這些開口的位置對應於這些像素的位置。
基於上述，在本發明實施例的指紋感測模組中，由於影像感測器的像素被分為多個更小的感光區域，且微透鏡的聚焦範圍覆蓋這些感光區域的一部分，因此，無論遮光層的開口中心軸位置是否有與微透鏡的中心軸位置對應，這些感光區域中的至少一者也能夠感測到影像光束，因此指紋感測模組可具有良好的影像感測品質，且其對位要求不需要太高而可避免較高的製造成本。
圖1是依照本發明的一實施例的一種指紋感測模組的示意圖。圖2A與圖2B是在圖1的架構下的不同實施例中影像光束照射像素的上視示意圖。圖3是圖1中的各像素內的簡要電路示意圖。
請參照圖1，在本實施例中，指紋感測模組100包括影像感測器110、微透鏡陣列120以及遮光層130。並且，指紋感測模組100整合於電子裝置1，其中此電子裝置1例如是手機，但不以此為限。電子裝置1除了指紋感測模組100之外，更例如包括光源LS、透光蓋板CP以及處理器PR。於以下的段落中會詳細地說明上述各元件與各元件之間的配置關係。
請參照圖1，於本實施例中，影像感測器110為可將光訊號轉換成電訊號的電子元件，藉此將來自物體的影像光束轉換成影像資訊。於本實施例中，影像感測器110例如是互補式金氧半（Complementary Metal Oxide Semiconductor, CMOS）影像感測器、電荷耦合元件（Charge Couple Device, CCD）影像感測器、薄膜電晶體影像感測器或其他合適種類的影像感測器，本發明並不以此為限。
請再參照圖1，巨觀來說，影像感測器110更包括多個像素P、電路層114以及電路基板116，這些像素P與電路層114設置於電路基板116上。各像素P具有多個物理地分離（Physically separated）的感光區域SR，且電路層114設於任兩相鄰之間的像素P。請參照圖2A、圖2B及圖3，於本實施例中，這些感光區域SR的數量例如是4個，但不以此為限，且其分別標示為SR1~SR4。於其他的實施例中，亦可以是小於4個或者是大於4個，但本發明並不以此為限。
微透鏡陣列120設置於影像感測器110上，且其包括多個以陣列方式排列的微透鏡ML，各微透鏡ML具有一穿過其透鏡中心的中心軸CE1。請參照圖1，各微透鏡ML的寬度W1範圍例如是落在10微米至100微米的範圍內，本發明並不以此為限。這些微透鏡ML之間的節距PC（Pitch）的範圍落在10微米至100微米的範圍內，其中節距PC的定義為兩相鄰微透鏡ML的中心軸CE1之間的距離，本發明並不以此為限。
遮光層130本身為不透光材料層132，且其具有多個開口PH（亦或稱為穿孔）以供光線穿透，其中開口PH的寬度W2範圍例如是落在1微米至10微米的範圍內，本發明並不以此為限。各開口PH亦具有一穿過其中心的中心軸CE2在一實施例中，微透鏡ML的中心軸CE1與開口PH的中心軸CE2對位(或稱重疊)。
處理器PR與影像感測器110的電路基板116電性連接，並藉由電路基板116接收來自像素P的訊號。
光源LS為可發出光束的光電元件。於本實施例中，光源LS可為顯示面板。於其他的實施例中，光源LS亦可為發光二極體、有機發光二極體或其他合適的發光元件，本發明並不以此為限。光源LS設置於透光蓋板CP與微透鏡陣列120之間。
透光蓋板CP系為可使光束穿透的光學元件，其材料例如是玻璃，並提供上述元件保護功能。透光蓋板CP設置於光源LS上方。
於以下的段落中會詳細地說明本實施例的光學效果。
請參照圖1，當使用者的手指OB碰觸電子裝置1的透光蓋板CP時，光源LS發出光束B，光束B穿透透光蓋板CP傳遞至手指OB上的指紋，指紋反射光束B以形成帶有指紋資訊的影像光束IB。影像光束IB依序穿透透光蓋板CP、光源LS並被微透鏡陣列120的一微透鏡ML聚焦後，穿過遮光層130的開口PH而傳遞至影像感測器110的像素P。遮光層130的設置可有效地避免雜散光入射於像素P，以避免雜散光影響影像品質。
請參照圖2A，影像光束IB經由微透鏡ML聚焦到感光區域SR的一部分（即聚焦範圍CR與感光區域重疊的部分），而這些感光區域SR的另一部分A則是落在聚焦範圍CR外。在其他實施例中，請參照圖2B，感光區域SR的大小可以被設計為相較於圖2A的感光區域SR更小，以使聚焦範圍CR完整地覆蓋這些感光區域SR。在一實施例中，例如，於圖2A與圖2B中，由於微透鏡ML的中心軸CE1剛好對位於開口PH的中心軸CE2，因此微透鏡ML的聚焦範圍CR的中心CRC例如是與這些感光區域SR的中心SRC對位。
於以下段落中會搭配圖3中像素的簡要電路以說明對應此像素P的指紋局部影像的決定方式。
請參照圖3，像素P更包括訊號放大器115、控制器117以及多個開關119，其中訊號放大器115具有相對的第一端1151與第二端1152，各開關119亦具有相對的第一端1191與第二端1192。於本實施例中，這些開關119的數量與感光區域SR的數量相同，且例如是4個，但不以此為限，且其分別標示為119a~119d。訊號放大器115的第一端1151與這些開關119的這些第二端1192電性連接，且訊號放大器115的第二端1152與處理器PR電性連接。控制器117與這些感光區域SR及這些開關119連接，且這些開關119受控於控制器117。在像素P的各感光區域SR中，設有彼此並聯設置的光電轉換元件PD與電容C，光電轉換元件PD的一端與電容C的一端皆為接地，光電轉換元件PD的另一端與電容C的另一端連接對應的開關119的第一端1191，其中光電轉換元件PD例如是光二極體、光閘極或光導體，本發明並不以此為限。
請同時參照圖2A與圖2B，當影像光束IB經由一微透鏡ML聚焦至聚焦範圍CR。處理器PR會根據此聚焦範圍CR內所感測到的最大光強度訊號決定影像光束IB的影像。詳細來說，這些感光區域SR中的這些光電轉換元件PD會將其因影像光束IB而所感應到的光強度訊號G1~G4傳遞至控制器117(如圖3所示)。控制器117接受這些光強度訊號G1~G4後進行比較並透過比較這些光強度訊號G1~G4得到一最大光強度訊號，據此決定最大光強度訊號所對應之最適感光區域。其中，最大光強度訊號被視為最接近微透鏡ML的中心軸CE1的感光區域SR所感測到的訊號。經上述的比較過程後，控制器117可得知這些感光區域中SR哪一個是最適感光區域，控制器117再據此輸出控制訊號GS以致能(enable)對應最適感光區域的一開關119且除能(disable)其他開關119。
請再參照圖3，舉例來說，倘若感光區域SR1所量測到的光強度訊號G1的大小是光強度訊號G1~G4中最大的，控制器117則認定感光區域SR1為最適感光區域，並致能對應於感光區域SR1的開關119a，並將其他開關119b~119c除能。訊號放大器115放大最大光強度訊號G1後傳送至處理器PR。處理器PR再根據放大後的最大光強度訊號G1’決定對應此像素P的指紋局部影像。
類似地，通過其它微透鏡ML的影像光束(未示出)亦以類似的方式處理，處理器PR把其他像素P所感測到的指紋局部影像構成一完整的指紋影像。如此一來，處理器PR藉此可以感測指紋圖案，並與系統內部的存儲的指紋影像比對，藉此達到辨識的功能。
須注意的是，上述的說明僅為了說明方便而舉例，於其他的實施例中亦可以是感光區域SR2、SR3、SR4的任一者感測到最大光強度訊號，本發明並不此為限。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的部分內容，省略了相同技術內容的說明，關於相同的元件名稱可以參考前述實施例的部分內容，下述實施例不再重複贅述。
圖4是依照本發明另一實施例的指紋感測模組的示意圖。圖5A與圖5B是在圖4的架構下的不同實施例中影像光束照射像素的上視示意圖。
請參照圖4，圖4的指紋感測模組100a大致上類似於圖1的指紋感測模組100，其主要差異在於：這些微透鏡ML的中心軸CE1與這些開口PH的多個中心軸CE2錯位(或稱不重疊)，而錯位的原因有可能是因為貼合遮光層130時因製程因素所導致的。
請參照圖5A與圖5B，由於微透鏡ML的中心軸CE1與開口PH的中心軸CE2錯位的關係，聚焦區域CR的中心CRC偏離於這些感光區域SR的中心SRC，導致這些感光區域SR的至少部分A落在聚焦範圍CR外。但是，只要微透鏡ML的聚焦範圍CR覆蓋到這些感光區域SR的一部分（即聚焦範圍CR與這些感光區域SR重疊的部分），那麼處理器PR就可以依照上述的演算方式來決定相應影像光束IB的影像。
綜上所述，在本發明實施例的指紋感測模組中，由於影像感測器的各像素更被分為更小的多個感光區域，且影像光束能藉由微透鏡照射到這些感光區域的至少一部分，即使遮光層因貼合的關係導致其開口的中心軸並未與微透鏡的中心軸對位，這些感光區域中的至少一者也能夠感測到影像光束，因此指紋感測模組可具有良好的影像感測品質，且其對位要求不需要太高而可避免較高的製造成本。
更詳細來說，指紋感測模組可在微透鏡的聚焦範圍內所感測到的最大光強度訊號，提供給後端電子裝置的處理器，處理器再根據最大光強度訊號辨識對應此像素的指紋局部影像，而使應用此指紋感測模組的電子裝置具有良好的指紋辨識效果。
1:電子裝置 100:指紋感測模組 110:影像感測器 114:電路層 115:訊號放大器 116:電路基板 117:控制器 119、119a~119d:開關 1151、1191:第一端 1152、1192:第二端 120:微透鏡陣列 130:遮光層 132:不透光材料層 A:部分 B:光束 C:電容 CE1、CE2:中心軸 CP:透光蓋板 CR:聚焦範圍 CRC、SRC、PHC:中心 G1~G4:光強度訊號 G1’:最大光強度訊號 IB:影像光束 LS:光源 ML:微透鏡 OB:手指 P:像素 PC:節距 PD:光電轉換元件 PH:開口 PR:處理器 IB:影像光束 SR:感光區域 W1、W2:寬度
圖1是依照本發明的一實施例的一種指紋感測模組的示意圖。 圖2A與圖2B是在圖1的架構下的不同實施例中影像光束照射像素的上視示意圖。 圖3是圖1中的各像素內的簡要電路示意圖。 圖4是依照本發明另一實施例的指紋感測模組的示意圖。 圖5A與圖5B是在圖4的架構下的不同實施例中影像光束照射像素的上視示意圖。
1:電子裝置
100:指紋感測模組
110:影像感測器
114:電路層
116:電路基板
120:微透鏡陣列
130:遮光層
132:不透光材料層
B:光束
CE1、CE2:中心軸
CP:透光蓋板
CR:聚焦範圍
IB:影像光束
LS:光源
ML:微透鏡
OB:手指
P:像素
PC:節距
PR:處理器
PH:開口
SR:感光區域
W1、W2:寬度

Claims (8)

  1. 一種指紋感測模組，包括：影像感測器，具有多個像素，各所述像素具有多個物理地分離的感光區域，各所述感光區域適於接收來自使用者指紋的影像光束，其中所述影像感測器的各所述像素更包括：訊號放大器，具有第一端與第二端；多個開關，各所述開關具有第一端與第二端，所述開關的所述第一端選擇性地與相應的所述感光區域連接，且所述開關的所述第二端與所述訊號放大器連接；以及控制器，與所述多個感光區域及所述多個開關連接，且所述多個開關受控於所述控制器；微透鏡陣列，設置於所述影像感測器上，所述微透鏡陣列包括多個微透鏡，其中各所述微透鏡的聚焦範圍覆蓋所述多個感光區域的一部分，當所述影像光束經由所述微透鏡聚焦至所述聚焦範圍所覆蓋的所述多個感光區域時，一處理器根據所述聚焦範圍內所感測到的最大光強度訊號決定所述影像光束的影像，所述最大光強度訊號對應至所述聚焦範圍內的最適感光區域；以及遮光層，設置於所述影像感測器與所述微透鏡陣列之間，所述遮光層具有多個開口，所述多個開口的位置對應於所述多個像素的位置，其中所述控制器用以接收所述聚焦範圍內所感測到的光強度訊號並透過比較光強度訊號大小得到所述最大光強度訊號， 所述控制器根據所述比較結果輸出控制訊號，以致能所述多個開關中對應所述最適感光區域的一所述開關且除能其他開關，所述訊號放大器放大所述最大光強度訊號，並將放大後的所述最大光強度訊號傳遞至所述處理器。
  2. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中，所述多個微透鏡的節距的範圍落在10微米至100微米的範圍內。
  3. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中，各所述開口的寬度的範圍落在1微米至10微米的範圍內。
  4. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中所述遮光層為不透光材料層，所述不透光材料層包括所述多個開口。
  5. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中該些微透鏡的多個中心軸分別與該些開口的多個中心軸對位。
  6. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中所述多個微透鏡的多個中心軸分別與所述多個開口的多個中心軸錯位。
  7. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中，所述多個感光區域完全落在相應的所述微透鏡的所述聚焦範圍內。
  8. 如請求項1所述的指紋感測模組，其中，所述多個感光區域至少部分落在相應的所述微透鏡的所述聚焦範圍外。
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