TWM602235U - 具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器 - Google Patents
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Abstract
一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器至少包括一感測基板以及一光傳遞層。感測基板具有多個感光畫素。光傳遞層具有多個主收光結構，並且位於感測基板上或上方，此些主收光結構將來自一物體的光線分別傳遞至此些感光畫素。此些感光畫素的其中一個對應於此些主收光結構的其中多個，此些主收光結構排列成交錯狀，防止製造誤差大幅影響感測品質。
Description
本新型是有關於一種光學生物特徵感測器，且特別是有關於一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器，利用交錯配置的收光結構來達成防止製造誤差大幅影響感測品質的效果。
現今的移動電子裝置(例如手機、平板電腦、筆記本電腦等)通常配備有使用者生物識別系統，包括了例如指紋、臉型、虹膜等等不同技術，用以保護個人數據安全，其中例如應用於手機或智慧型手錶等攜帶型裝置，也兼具有行動支付的功能，對於使用者生物識別更是變成一種標準的功能，而手機等攜帶型裝置的發展更是朝向全屏幕(或超窄邊框)的趨勢，使得傳統電容式指紋按鍵無法再被繼續使用，進而演進出新的微小化光學成像裝置(非常類似傳統的相機模組，具有互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor(CMOS)Image Sensor(簡稱CIS))感測元件及光學鏡頭模組)。將微小化光學成像裝置設置於屏幕下方(可稱為屏下)，透過屏幕部分透光(特別是有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode，OLED)屏幕)，可以擷取按壓於屏幕上方的物體的圖像，特別是指紋圖像，可以稱為屏幕下指紋感測(Fingerprint On Display，FOD)。
傳統的光學指紋感測器，可以單一微透鏡對應到單一感測單元，可以採用一系列的製程來達成微透鏡與感測單元的對準狀態，因此在收光上應不是問題，或者可以用貼合的方式來達成，但是容易因為貼合誤差造成收光效果不佳。
因此，本新型的一個目的是提供一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器，能容許較大的貼合誤差，降低貼合誤差對光學圖像品質的影響。
為達上述目的，本新型提供一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器至少包括一感測基板以及一光傳遞層。感測基板具有多個感光畫素。光傳遞層具有多個主收光結構，並且位於感測基板上或上方，此些主收光結構將來自一物體的光線分別傳遞至此些感光畫素。此些感光畫素的其中一個對應於此些主收光結構的其中多個，此些主收光結構排列成交錯狀。
藉由上述的實施例，可以提供一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器，能容許較大的貼合誤差，降低貼合誤差對光學圖像品質的影響。利用交錯配置的收光結構來儘可能填滿對應感光畫素的收光區域，不但可以增加收光量，更可以降低貼合誤差所造成的影響。
為讓本新型的上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
F:物體
10:感測基板
11:感測單元
12:感光畫素
13:玻璃基板
14:保護層
15:半導體基板
20:光傳遞層
21:黏膠層
22:阻光層
23:光學層
30:主收光結構
30':副收光結構
30":啞收光結構
31:光孔
32,32':微透鏡
50:顯示器
51,52:透光基板
100:光學生物特徵感測器
〔圖1〕顯示依據本新型初步實施例的光學生物特徵感測器的剖面示意圖。
〔圖2〕顯示〔圖1〕的局部俯視圖。
〔圖3〕顯示〔圖1〕的應用的俯視圖。
〔圖4A〕與〔圖4B〕顯示依據本新型較佳實施例的兩個例子的光學生物特徵感測器的剖面示意圖。
〔圖5〕顯示〔圖4B〕的局部俯視圖。
〔圖6〕顯示〔圖4B〕的理想狀態的局部俯視圖。
〔圖7〕顯示〔圖4B〕的實際狀態的局部俯視圖。
〔圖8〕顯示光學生物特徵感測器應用於顯示器的例子的示意圖。
〔圖9A〕至〔圖9D〕顯示供光學生物特徵感測器用的模擬條件說明的示意圖。
本揭露內容的初步實施例採用的屏下式薄膜電晶體(Thin-Film Transistor,TFT)光學指紋感測器的光機結構，主要是利用貼合的方式形成光學準直結構(collimator)，譬如是微透鏡薄膜，來達成取像的目的，但是並未將本新型限制於此，本新型的光機結構(收光結構)及貼合方式也適用於各種光學感測器，包括基於矽(Si)的CMOS感測器等等。如圖1所示，在光學生物特徵感測器100中，感測基板10上貼合有光傳遞層20，光傳遞層20包含有多個光孔31及多個微透鏡32。如圖2所示，微透鏡32與光孔31排列成二維陣列，理想上是可以讓相對應的感光畫素收到所要收到的光線。然而，如圖3所示，光學準直結構在貼合時有一定的組裝公差。譬如，原本應以虛線表示的光傳遞層20的範圍，實際貼合時，造成實線表示的光傳遞層20的範圍，會造成收光量不均勻而影響指紋圖像的品質。雖然光學生物特徵感測器100是以指紋感測器作為例子來說明，但是並未將本新型限制於此，因為其也可
以感測手指的血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵、或臉型、虹膜等生物特徵。
為了更進一步提升初步實施例的效能，本揭露內容對於初步實施例的配置做出調整。如圖4A、圖4B與圖5所示，光學生物特徵感測器100至少包括感測基板10以及光傳遞層20。感測基板10具有多個感光畫素12。光傳遞層20具有多個主收光結構30，並且位於感測基板10上或上方。此些主收光結構30將來自一物體F的光線分別傳遞至此些感光畫素12。此些感光畫素12的其中一個對應於此些主收光結構30的其中多個。亦即，一個感光畫素12接收多個主收光結構30所傳遞過來的光線。另外，此些主收光結構30排列成交錯狀，而非如圖2所示的整齊狀態。於一例子中，主收光結構30之間沒有間隙，以達成最密的排列結構。於另一例子中，主收光結構30之間有間隙，以配合所設計的光路應用。值得注意的是，圖4B與圖4A的差異在於圖4A的一個感光畫素12相當於是整個感測單元11被整個感光畫素12填滿，其填充因子(Fill Factor,FF)將近100%，此時所有的收光結構都是主收光結構；而圖4B的FF小於100%，此時除了主收光結構30以外，也有副收光結構30'(不在圖4B的剖面範圍，請參見圖6)及啞收光結構30"(圖6的啞收光結構30"落在圖4B的剖面範圍)。實際上製作時，雖然FF越大越好，但是總有一些設計或製程上的限制，使得FF不會到達100%，故會有圖4B的狀況。
與整齊配置的圖2比較而言，圖5的交錯配置使得單一感光畫素12可以接收較高進光量，且使得光學準直結構貼合時所造成的誤差(角度或位置偏移)可以有較大的容忍度，降低貼合誤差對指紋圖像品質所造成的影響，提升產品良率。
因此，本揭露內容提供一種屏下式光學生物特徵感測器100，能夠提高光學生物特徵感測產品之性能。光學生物特徵感測器100至少包括：感測基板10(又稱光學指紋感測晶片)及光傳遞層20(又稱光學準直結構層)，所述光學準直結構層的一個例子包括微透鏡及相對應之阻光層之光孔。圖5的微透鏡所設計之圖形採交錯陣列排列，此設計的對應的收光面積大於圖2的微透鏡所設計的圖形的收光面積。
參見圖4A，各主收光結構30包括光孔31及微透鏡32。微透鏡32位於光孔31上方。此些微透鏡32分別將光線通過此些光孔31聚焦於此些感光畫素12上。實際應用時，光傳遞層20可以包括一黏膠層21、一阻光層22及一光學層23。黏膠層21的材料譬如是光學透明膠(Optically Clear Adhesive)。阻光層22位於黏膠層21上，並具有光孔31。光學層23位於阻光層22上，而微透鏡32設置於光學層23上。值得注意的是，主收光結構30的光學層23可能具有濾光結構，執行光線過濾處理，譬如濾除特定波長的太陽光，或只讓紅外線通過。
參見圖5，此些主收光結構30排列成多列，且相鄰兩列的此些主收光結構30彼此交錯。亦即，此些微透鏡32排列成多列，且相鄰兩列的此些主收光結構30彼此交錯；或者此些光孔31排列成多列，且相鄰兩列的此些光孔31彼此交錯。換言之，此些微透鏡32的彼此互相鄰接的三者的中心的連線形成一個正三角形；或者此些光孔31的彼此互相接近的三者的中心的連線形成一個正三角形。
由於本實施例採用一個感光畫素12對應多個主收光結構30，所以主收光結構30的面積大於感光畫素12的面積。於一例子中，假設各微透鏡32的面積為A32，且各感光畫素12的面積為A12，則A32<N*A12，可以獲得較佳的設計結果，其中N為小於1的正數，N
的數值可以等於1/4、1/3、1/2等，或者是等於1/4至1/2之間的任何數值。
如圖4B與圖6所示，光傳遞層20更具有多個副收光結構30'，且與各感光畫素12相對應的此些副收光結構30'局部超出感光畫素12，以局部傳遞光線至感光畫素12，此些主收光結構30與此些副收光結構30'排列成交錯狀，且各主收光結構30與各副收光結構30'具有相同構造。亦即，副收光結構30'所傳遞的光僅有一部分被感光畫素12所接收。此外，由於FF小於100%的緣故，使得光傳遞層20更具有多個啞(Dummy)收光結構30"，且與各感光畫素12相對應的此些啞收光結構30"全部超出感光畫素12，而不傳遞光線至感光畫素12。此些主收光結構30、此些副收光結構30'與此些啞收光結構30"排列成交錯狀，且各主收光結構30、各副收光結構30'與各啞收光結構30"具有相同構造。換言之，此些主收光結構30、此些副收光結構30'與此些啞收光結構30"總體排列成多列，且相鄰兩列的此些主收光結構30、此些副收光結構30'與此些啞收光結構30"排列成交錯狀。這樣的好處是可以利用同樣的配置製作出交錯排列的收光結構，而不需考慮貼合誤差所造成的影響。
如圖4B與圖7所示，實際製作時，將光傳遞層20貼合於感測基板10上，且此些主收光結構30的多個組合由於貼合誤差，導致不對準此些感光畫素12而具有偏移量，其中偏移量包含平移及/或旋轉的偏移量。於圖4A與圖4B中，感測基板10至少包括一玻璃基板13或半導體基板15，此些感光畫素12形成於玻璃基板13上，保護層14覆蓋玻璃基板13(或半導體基板15)及此些感光畫素12，黏膠層21貼合於保護層14上。保護層14可以是單一保護材料層、絕緣層、或含有線
路的絕緣層組合。
雖然上述實施例是以具有微透鏡的光學準直結構當作例子來描述主收光結構30、副收光結構30'與啞收光結構30"，但是各主收光結構30、副收光結構30'與啞收光結構30"也可以是為不具有微透鏡的光學準直結構。
上述的光學生物特徵感測器100可以是獨立的TFT感測器；或互補式金屬氧化物半導體(Complementary metal-oxide semiconductor,CMOS)感測器。譬如是TFT液晶顯示器(Liquid Crystal Display,LCD)或TFT有機發光二極體(Organic Light Emitting Diode,OLED)的內嵌式(in-cell)光學生物特徵感測器。
如圖8所示，光學生物特徵感測器100是一種獨立的感測器，可以是TFT或CMOS感測器，設置於顯示器50的兩個相對的透光基板51、52的其中一個(透光基板51)的下方。
以下特別舉出模擬結果來說明上述實施例的效果。圖9A至圖9D顯示供光學生物特徵感測器用的模擬條件說明的示意圖。圖9A對應於圖2的排列方式，為一種矩形排列結構，圖9B對應於圖5的排列方式，為一種最密排列結構(但並非將本揭露內容限制於此，因為亦可採用較密的交錯狀排列結構，而非最密的排列結構)。於圖9A與圖9B中，假設感測單元11為正方形，其邊長為L，感測單元11的個數為m*n，m與n為大於1的正整數，微透鏡32的直徑為d。圖9C顯示判定為有效的微透鏡32與無效的微透鏡32'，其中有效的微透鏡32的圓心位於感測單元11的範圍內，無效的微透鏡32，的圓心位於感測單元11的範圍內。圖9D顯示一種模擬的排列例子，其中一個感測單元11內共有14顆有效的微透鏡32，有效的微透鏡32的總面積為14 π(d/2)2=3.5 π d2。
此感測單元11的有效的微透鏡32占比(R)為(3.5 π d2)/L2。單一感測單元11中，越大的R代表可接收較高的進光量。總影像感測面積共有m*n個感測單元11，各自擁有各自的R值。於此定義RMAX、Rmin與Rave來代表最大的R值，最小的R值以及平均的R值，更定義Rdiff=RMAX-Rmin來代表總影像感測面積中最大R值與最小R值的差異。模擬結果如表1所列。
由表1可以看出，在固定L、m*n與d的情況下，與矩形排列結構比較而言，採用最密排列結構所得到的Rave較高，表示採用最密排列結構可以增加平均亮度；以及採用最密排列結構所得到的Rdiff比較低，表示採用最密排列結構可以減少亮度差異造成的變異性。以上可以證明採用最密排列結構的優越性。
藉由上述的實施例，可以提供一種具有交錯收光結構的光學生物特徵感測器，能容許較大的貼合誤差，降低貼合誤差對光學圖像品質的影響。利用交錯配置的收光結構來儘可能填滿對應感光畫素的收光區域，不但可以增加收光量，更可以降低貼合誤差所造成的影響。
在較佳實施例的詳細說明中所提出的具體實施例僅用以方便說明本新型的技術內容，而非將本新型狹義地限制於上述實施例，在不超出本新型的精神及申請專利範圍的情況下，所做的種種變化實
施，皆屬於本新型的範圍。
F:物體
10:感測基板
11:感測單元
12:感光畫素
13:玻璃基板
14:保護層
15:半導體基板
20:光傳遞層
21:黏膠層
22:阻光層
23:光學層
30:主收光結構
31:光孔
32:微透鏡
100:光學生物特徵感測器
Claims (14)
- 一種光學生物特徵感測器，至少包括：一感測基板，具有多個感光畫素；以及一光傳遞層，具有多個主收光結構，並且位於該感測基板上或上方，該些主收光結構將來自一物體的光線分別傳遞至該些感光畫素，其中該些感光畫素的其中一個對應於該些主收光結構的其中多個，該些主收光結構排列成交錯狀。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該些主收光結構排列成多列，且相鄰兩列的該些主收光結構彼此交錯。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中各該主收光結構包括：一光孔；以及一微透鏡，位於該光孔上方，該些微透鏡分別將該光線通過該些光孔聚焦於該些感光畫素上。
- 如請求項3所述的光學生物特徵感測器，其中該些微透鏡排列成多列，且相鄰兩列的該些主收光結構彼此交錯；或者該些光孔排列成多列，且相鄰兩列的該些光孔彼此交錯。
- 如請求項3所述的光學生物特徵感測器，其中該些微透鏡的彼此互相鄰接的三者的中心的連線形成一個正三角形；或者該些光孔的彼此互相接近的三者的中心的連線形成一個正三角形。
- 如請求項3所述的光學生物特徵感測器，其中該光傳遞層包括：一黏膠層；一阻光層，位於該黏膠層上，並具有該些光孔；以及一光學層，位於該阻光層上，其中該些微透鏡設置於該光學層上。
- 如請求項3所述的光學生物特徵感測器，其中各該微透鏡的面積為A32，各該感光畫素的面積為A12，且A32<(A12/3)。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該光傳遞層更具有多個副收光結構，且與各該感光畫素相對應的該些副收光結構局部超出該感光畫素，以局部傳遞光線至該感光畫素，該些主收光結構與該些該些副收光結構排列成交錯狀，且各該主收光結構與各該副收光結構具有相同構造。
- 如請求項8所述的光學生物特徵感測器，其中該光傳遞層更具有多個啞收光結構，且與各該感光畫素相對應的該些啞收光結構全部超出該感光畫素，而不傳遞光線至該感光畫素，該些主收光結構、該些該些副收光結構與該些啞收光結構排列成交錯狀，且各該主收光結構、各該副收光結構與各該啞收光結構具有相同構造。
- 如請求項9所述的光學生物特徵感測器，其中該些主收光結構、該些副收光結構與該些啞收光結構總體排列成多列，且相鄰兩列的該些主收光結構、該些副收光結構與該些啞收光結構排列成交錯狀。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該光傳遞層貼合於該感測基板上，且該些主收光結構的多個組合不對準該些感光畫素而具有偏移量。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中各該主收光結構為不具有微透鏡的光學準直結構。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一玻璃基板，該些感光畫素形成於該玻璃基板上。
- 如請求項1所述的光學生物特徵感測器，其中該感測基板至少包括一個半導體基板，該感光畫素形成於該半導體基板上。
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