TWM618757U

TWM618757U - 採用具有部分光譜感測面積的感測像素的感測裝置

Info

Publication number: TWM618757U
Application number: TW110208675U
Authority: TW
Inventors: 周正三; 傅同龍
Original assignee: 神盾股份有限公司
Priority date: 2020-09-08
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2021-10-21
Also published as: CN215219712U; TWI773453B; TW202211669A; CN113469131A

Abstract

一種感測裝置，至少包含多個感測像素，其中該等感測像素具有不同佔比的特定光譜感測面積，俾能依據該等感測像素感測受測光所獲得的多個感測值及所述不同佔比的特定光譜感測面積，來定義出該受測光的光譜信息。

Description

採用具有部分光譜感測面積的感測像素的感測裝置

本新型是有關於一種感測裝置，且特別是有關於一種採用具有部分光譜感測面積的感測像素的感測裝置，利用由具有部分光譜感測面積的感測像素所獲得的感測值，可以獲得特定光譜的光譜信息，或者做為活體判斷(譬如真假手指判斷)或性質判斷的依據。

現今的移動電子裝置(例如手機、平板電腦、筆記本電腦等等)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，用以保護個人資料安全，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(有的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)。

屏幕下指紋感測除了要能正確地感測到指紋以外，也需要判斷手指的真偽，以防止某人利用偽造另一人的假指紋或假手指來假冒另一人而通過認證。目前的仿冒技術也越來越精進，譬如可以利用2D影像或3D列印製作一個模具，再利用此模具填入各種不同的矽膠和色素製成假手指，或者也可以將另一人的指紋複製成透明或膚色薄膜附加到手指表面，使得附加有透明薄膜的假手指難以被辨別出。傳統的辨識方法都是在2D的感測器陣列中(基本上都是可以偵測可見光譜的白像素(white pixel))，設置部分的顏色像素(在其上方製作特定的彩色濾光片(color filter)，例如RGB彩色濾光片)分布於2D陣列中，再由這些顏色像素偵測反射於手指的光信號強度，透過設定一光信號強度閾值(threshold value)，達到判別真假手的目的。但是這種光信號強度的判斷很容易受到環境光場強度變化的影響，而常常造成光信號強度閾值設定時的變異，大大影響了判斷的真確性。

鑑於以上說明，對於判斷真實手指的機構，著實有更進一步的改良需求，以防止假手指通過指紋感測。

因此，本新型的一個目的是提供一種採用具有部分光譜感測面積的感測像素的感測裝置，依據感測像素的部分面積的佔有比例及感測像素感測受測部位所獲得的感測值，作為活體判斷或性質判斷的依據，並且可用來定義出受測部位對應特定光譜的光譜信息。

為達上述目的，本新型提供一種感測裝置，至少包含多個感測像素，其中該等感測像素具有不同佔比的特定光譜感測面積，俾能依據該等感測像素感測受測光所獲得的多個感測值及所述不同佔比的特定光譜感測面積，來定義出該受測光的光譜信息。

藉由上述實施方式的感測裝置，依據感測像素的部分面積的佔有比例及感測像素感測受測部位所獲得的感測值，可以求得受測部位對應特定光譜的光譜信息，而從光譜信息進行偵測血氧濃度、皮膚特性或其他皮下組織的特性等等的判斷，而不用犧牲受測部位的光譜信息。

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。

圖1A顯示依據本新型較佳實施例的感測像素的示意圖。如圖1A所示，本實施例提供一種感測像素10，至少包含一個完整的光感測元11以及一光譜分離元件13，其設置於光感測元11的一側。光譜分離元件13具有一第一光區13A與一第二光區13B，分別處理不同光譜成分的光。光感測元11的一第一部分11A與一第二部分11B分別通過光譜分離元件13的第一光區13A與第二光區13B，感測來自一物體F的一受測光而獲得一綜合信號。第一光區13A與第一部分11A構成感測像素10的一第一區12，第二光區13B與第二部分11B構成感測像素10的一第二區14。於本實施例中，光譜分離元件13為一濾光片，第一光區13A的有效面積A13小於光感測元11能執行光感測的有效面積A11。於一例子中，第一光區13A讓受測光的一第一光線L1(具有譬如紅光光譜)通過而到達光感測元11，而第二光區13B讓受測光全部(具有譬如白光光譜)通過而到達光感測元11。於另一例子中，第一光區13A讓第一光線L1(具有譬如紅光光譜)通過而到達光感測元11，第二光區13B讓受測光的一第二光線L2(具有譬如藍光或綠光光譜)通過而到達光感測元11。藉由上述設計，可以讓感測像素10具有部分特定光譜感測面積，來達成選擇性地以一特定比例過濾受測光的光譜的功能，可以為下述的感測裝置的應用提供解決方案。實際設計時，可以調整有效面積A13與A11的比值，以配置出具有不同面積佔比的感測像素。可以理解的，本實施例的光譜分離元件13可位於光感測元11上或上方。

圖1B顯示依據本新型較佳實施例的感測裝置的應用的示意圖。圖2顯示圖1B的多個感測像素的平面配置圖。如圖1B與圖2所示，本實施例的感測裝置100至少包含多個排列成陣列的感測像素，感測像素的光感測元形成於一感測基板45上，感測像素至少包含感測像素10(可稱為第一感測像素)、當然可以更包含第二、第三及第四感測像素20、30與40，各自具有不同面積佔比的特定光譜感測區。感測裝置100用於感測物體F的一部位VIP(受測部位，或稱虛擬相同部位(Virtual Identical Position))，感測像素10基於來自部位VIP的反射光(受測光)獲得一第一感測值S1。在本實施例中，感測像素10具有一第一佔比M1的一第一區12及一第二佔比N1的一第二區14。第一區12用於感測反射光的第一光線L1(特定光譜，譬如是紅(R)、綠(G)、藍(B)色光譜等等)。於圖2的非限制例中可知，M1=25%，N1=75%，但於其他例子中，亦可讓M1+N1＜100%。同理，第二感測像素20基於來自部位VIP的反射光獲得一第二感測值S2。在本實施例中，感測像素20具有一第三佔比M2的一第三區22以及一第四佔比N2的一第四區24。第三區22用於感測反射光的第一光線L1。配合感測像素10，可以依據至少M1、N1、M2、N2、S1與S2來定義部位VIP對應於第一光線L1的光譜信息(也可以定義受測光的光譜信息)。感測裝置100可以更選擇性地包含一信號處理單元50及一資料庫60。信號處理單元50電連接至資料庫60及感測像素。信號處理單元50可以依據M1、N1、M2、N2、S1與S2，與資料庫60中預存的資料進行比對，判斷物體F的真偽。於圖2的非限制例中，M2=50%，N2=50%，但於其他例子中，亦可讓M2+N2＜100%。

以下舉例說明所謂的虛擬相同部位VIP。以手指的指紋而言，指紋紋峰的中心間距(pitch)大約是400至500µm，感測像素的中心間距大約是10至20µm，使得相鄰的兩個或三個感測像素實際上量測到的是手指上的同一部位，這是因為從手指(物體F)到感測像素的距離大約有1,000µm，在橫向尺寸與縱向尺寸差異相當大的情況下，使得相鄰的兩個或三個感測像素看到的待測物幾乎是相同的位置。代表相同位置的虛擬相同部位的深度資訊實質上相同，其對應光譜信息亦相同。

於本例中，信號處理單元50可以依據M1、N1、S1、M2、N2及S2這六個參數來判斷物體F的真偽，當然也可定義部位VIP的光譜信息。於另一變化例中，這六個參數可以輸出到安裝有感測裝置100的電子設備，供電子設備(譬如手機、平板電腦或筆記型電腦等)的中央處理器處理，也就是中央處理器可以對上述以及下述的資料執行處理。因此，信號處理單元50電連接至資料庫60並不一定是感測裝置100的必要元件。

當然，為了適應於不同的應用場合，強化真偽辨識的結果，可以對上述實施例的細節進行變化與擴充。因為採用具有不同佔比的部分特定光譜感測面積能感測特定光譜的感測像素可以衍生多種變化，所以為本揭露內容的核心精神。

第三感測像素30基於來自部位VIP的反射光獲得一第三感測值S3，第三感測像素30具有一第五佔比M3的一第五區32以及一第六佔比N3的一第六區34，第五區32用於感測反射光的第一光線L1，俾能依據至少M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2與S3這九個參數來進行真偽判斷，當然也可定義部位VIP對應於第一光線L1的光譜信息。或者，信號處理單元50可以依據這九個參數與資料庫60中預存的資料進行比對，判斷物體F的真偽。於圖2的非限制例中，M3=75%，N3=25%，但於其他例子中，亦可讓M3+N3＜100%。M1、N1、M2、N2、M3、N3都是介於0%與100%之間。

在本例中，第四感測像素40並未如感測像素10、20、30設置特定光譜感測區，因此可基於來自部位VIP的反射光獲得代表部位VIP的全光譜信息的第四感測值S4。第四感測像素40除了可以提供一個參考基準以外，也可以用來感測物體F的其他生物特徵，譬如是指紋、血管圖像、血氧濃度圖像等生物特徵。實際設計時，是在許多第四感測像素40穿插一些感測像素10及第二感測像素20(也可更包含第三感測像素30)，以第四感測像素40所感測到的信號當作生物特徵，以感測像素10及第二感測像素20(也可更包含第三感測像素30)當作光譜信息判斷的資料。

第一區12、第三區22與第五區32用於感測部位VIP的第一光線L1以分別獲得接收值S11、S21及S31。第二區14、第四區24與第六區34用於感測部位VIP的第二光線L2以分別獲得接收值S12、S22及S32。當第一光線L1為紅/綠/藍光時(例如手指反射來自於顯示屏的照光)，第二光線L2可以是非純紅光/綠光/藍光的純淨光或混合光，使得第二光線L2與第一光線L1局部重疊，或不相重疊。

值得注意的是，在一個生物特徵感測器或指紋感測器中，可以有多個感測像素10、多個第二感測像素20、多個第三感測像素30及多個第四感測像素40，感測通過一顯示器80及一光機結構70的光線的不同光譜，並且排列成陣列地形成於感測基板45上。顯示器80可以是一種LCD、OLED顯示器、微型發光二極體顯示器或其他現有或未來的顯示器。顯示器80可以提供光線照射手指(物體F)，當然也可以另外設置其他光源來照射手指(物體F)。於另一例子中，並不一定要利用顯示器80，而可以採用一透光蓋板蓋住光機結構70，並讓手指(物體F)碰觸透光蓋板。

光機結構70的實施方式也不特別限制。於一例子中，光機結構70包含多個微透鏡結構及遮光層。於另一例子中，光機結構70為一種不含微透鏡結構的準直器結構。

實際實施時，感測像素10可以是一個光感測元加上一個光譜分離元件所構成，其中光譜分離元件的面積除以光感測元的面積等於25%。光譜分離元件譬如是紅/綠/藍光過濾器，只允許通過光機結構70的紅/綠/藍光進入到光感測元中。第二感測像素20與第三感測像素30的設計方式可以依此類推。

於上述實施例中，第一區12感測紅/綠/藍色光譜值，第二區14感測到白色光譜值。但是本揭露內容並非受限於此，只要是利用不同混合光譜來解出個別光譜值，甚至進行真偽判斷，都適用於本揭露內容。譬如，第一區12感測紅色光譜值，而第二區14感測綠色光譜值，依此類推。因此，透過配置不同佔有比例的不同光譜感測區，也可在後端的信號處理單元中將不同光譜的信號萃取出來，以供上述所提到的各種場合的應用。

圖3至圖5顯示圖1B的三種感測像素的立體配置圖。如圖1B至圖5所示，以下以第一光線L1為紅色光譜，第二光線L2為白色光譜，並以感測像素10、第二感測像素20及第三感測像素30分別包含面積佔比25%、50%與75%的特定光譜感測區作為例子來說明，但並未將本揭露內容限制於此。於其他例子中，每一感測像素可以包含其他適當佔比的感測區，且第一光線與第二光線可以是互不重疊的光譜。

參見圖1B至圖4，接收值S11與S12合成第一感測值S1，且接收值S21與S22合成第二感測值S2。因此，在圖2的像素群組53中，滿足以下方程式1與方程式2： S1=M1*I1 +N1*I2=0.25*I1+0.75*I2 [方程式1] S2=M2*I1+N2*I2 =0.5*I1+0.5*I2 [方程式2] 其中I1代表第一光線(紅光)的強度，I2代表第二光線(白色光譜)的強度。由於有兩個未知數I1與I2，所以利用兩個方程式即可解出I1與I2。因此，在M2不等於M1且N2不等於N1的情況下，藉由S1、S2、M1、M2、N1及N2以獲得第一光線L1的強度I1及第二光線L2的強度I2。上述方程式的求解可以由信號處理單元50或者是電子設備的中央處理器來執行。或者，也可以依據上述兩個方程式1與2的特性，配合實驗所量測真實手指與假手指所獲得的資料庫60，利用信號處理單元50依據S1與S2比對資料庫60以判斷物體F的真偽，而不用先將I1與I2解出，這也提供另一種可實施的方式。又或者，信號處理單元50可以依據S1、S2、M1、M2、N1及N2來獲得部位VIP的光譜信息。

參見圖1B至圖5，在像素群組51與52中，使用感測像素10、第二感測像素20及第三感測像素30，接收值S31與S32合成第三感測值S3。因此，滿足上述方程式1、上述方程式2與下述方程式3： S3=M3*I1+N3*I2 =0.75*I1+0.25*I2 [方程式3]

依據方程式1至方程式3，由於有兩個未知數I1與I2，所以信號處理單元50可以利用兩個方程式即可解出I1與I2，但是又有提供第三感測值S3，故可以避免感測誤差。因此，信號處理單元50可以藉由S1、S2、S3、M1、M2、M3、N1、N2及N3，依據上述三個方程式去求解，以最小化誤差的方式(譬如是最小平方法)，求出I1與I2。或者，也可以依據上述三個方程式的特性，配合實驗所量測真實手指與假手指所獲得的資料庫60，利用信號處理單元50依據S1、S2與S3比對資料庫60以判斷物體F的真偽，而不用先將強度I1與I2解出。這也提供另一種可實施的方式。又或者，信號處理單元50可以依據S1、S2、M1、M2、M3、N1、N2及N3以獲得部位VIP的光譜信息。

在使用感測像素10與第四感測像素40的情況下，藉由S1、S4、M1及N1可以獲得第二光線L2的強度I2，且信號處理單元50可以依據上述方程式1與下述方程式4解出I1與I2： S4= I2 [方程式4]。

在像素群組51中，感測像素10、第二感測像素20與第三感測像素30排列成一直線。在像素群組52中，感測像素10、第二感測像素20與第三感測像素30交錯排列，且其中也交錯排列三個第四感測像素40。這表示本揭露內容的感測像素可以有多種排列方式，並不特別限制感測像素的排列方式。

以下利用一個實際的數字例子來說明，假設虛擬相同部位發射的光的強度值為(r, g, b)=(120, 160, 200)，第一感測像素具有25%的紅色光譜感測區及75%的白色光譜感測區，而第二感測像素具有50%的紅色光譜感測區及50%的白色光譜感測區。依據[方程式1]，I1與I2分別代表紅色與白色強度值，從理論上而言，(I1, I2)=(120, 120+160+200)。實際感測時，第一感測像素與第二感測像素所得到的(S1, S2)=(390, 300)。依據[方程式1]與[方程式2]可以解出(I1, I2)=(120, 480)，與理論值相同。當然，也可以從(S1, S2)=(390, 300)，依據未知的(r, g, b)來解以下聯立方程式。 r+0.75g+0.75b=390 [方程式5] r+0.5g+0.5b=300 [方程式6] [方程式5]*2-[方程式6]*3可以消除掉g與b，獲得r=120，g+b=360，r+g+b=480，r/(g+b)=1/3，r/(r+g+b)=1/4。藉此可以利用r/(g+b)或r/(r+g+b)的範圍或比對資料庫，進行真偽判斷。另一方面，由於這兩個感測像素都有白光的成分，所以這兩個感測像素的白光成分都可以將其補償至完整感測像素的白光感測值，以當作譬如指紋的感測值，避免這兩個感測像素剛好感測到指紋的特徵點而造成資料遺漏的問題。當然，若進一步採用第三感測像素，則可以用數值解法來解出較佳的特定光信號強度。

可以理解的，當第一感測像素具有25%的紅色光譜感測區及75%的綠色光譜感測區，而第二感測像素具有50%的紅色光譜感測區及50%的綠色光譜感測區時，也可以藉由聯立方程式解出(r, g)以及r/g，作為真偽判斷的依據。其他狀況可以依此類推。

應用上述的感測裝置，可以利用真人手指中含有微血管的不均勻分布，因此正常目視就可以發現手指顏色在幾何空間的分布不均勻，另外當手指開始觸控一表面(例如手機螢幕表面，其下方例如是屏下光學指紋感測器)，手指內微血管受壓而阻礙血流，會更進一步改變手指的膚色，因此在時間域或空間域上產生顏色的變化。藉由上述兩種現象任一或全部，便可以判斷真手的特性，當然非真即假，也藉此避免假手指的攻擊。

藉由上述實施方式，依據感測像素的部分面積的佔有比例及感測像素感測受測部位所獲得的感測值，來定義出受測部位對應特定光譜的光譜信息。另外，採用具有不同佔有比例的不同光譜感測區的感測像素的感測裝置，利用由這些光譜感測區所組成的感測像素所獲得的光譜信息，可以定義出受測部位的光譜信息，作為活體判斷的依據，而不用犧牲受測部位的光譜信息。

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。

A11:有效面積 A13:有效面積 F:物體 L1:第一光線 L2:第二光線 M1:第一佔比 M2:第三佔比 M3:第五佔比 N1:第二佔比 N2:第四佔比 N3:第六佔比 S1:第一感測值 S11, S12:接收值 S2:第二感測值 S21, S22:接收值 S3:第三感測值 S4:第四感測值 VIP:部位 10:感測像素 11:光感測元 11A:第一部分 11B:第二部分 12:第一區 13:光譜分離元件 13A:第一光區 13B:第二光區 14:第二區 20:第二感測像素 22:第三區 24:第四區 30:第三感測像素 32:第五區 34:第六區 40:第四感測像素 45:感測基板 50:信號處理單元 51:像素群組 52:像素群組 53:像素群組 60:資料庫 70:光機結構 80:顯示器 100:感測裝置

［圖1A］顯示依據本新型較佳實施例的感測像素的示意圖。［圖1B］顯示依據本新型較佳實施例的感測裝置的應用的示意圖。［圖2］顯示［圖1B］的多個感測像素的平面配置圖。［圖3］至［圖5］顯示［圖1B］的三種感測像素的立體配置圖。

10:感測像素

12:第一區

14:第二區

20:第二感測像素

22:第一區

24:第二區

30:第三感測像素

32:第一區

34:第二區

40:第四感測像素

51:像素群組

52:像素群組

53:像素群組

100:感測裝置

Claims

一種感測裝置，至少包含多個感測像素，其中該等感測像素具有不同佔比的特定光譜感測面積，俾能依據該等感測像素感測受測光所獲得的多個感測值及所述不同佔比的特定光譜感測面積，來定義出該受測光的光譜信息。
如請求項1所述的感測裝置，其中該些感測像素至少包含：一第一感測像素，基於來自一物體的一部位的該受測光獲得一第一感測值S1，並且具有一第一佔比M1的一第一區及一第二佔比N1的一第二區，該第一區感測該受測光的第一光線；及一第二感測像素，基於該受測光獲得一第二感測值S2，並且具有一第三佔比M2的一第三區以及一第四佔比N2的一第四區，該第三區用於感測該受測光的該第一光線，俾能依據至少M1、N1、M2、N2、S1與S2來定義該部位對應於該第一光線的光譜信息。
如請求項2所述的感測裝置，其中該第二區與該第四區用於感測該部位的第二光線。
如請求項2所述的感測裝置，其中該些感測像素更包含一第三感測像素，基於該受測光獲得一第三感測值S3，並且具有一第五佔比M3的一第五區以及一第六佔比N3的一第六區，該第五區用於感測該受測光的該第一光線，俾能依據至少M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2與S3來定義該部位對應於該第一光線的該光譜信息。
如請求項4所述的感測裝置，其中該第二區、該第四區與該第六區用於感測該受測光的第二光線。
如請求項5所述的感測裝置，更包含一信號處理單元，依據M1、N1、M2、N2、M3、N3、S1、S2與S3與一資料庫中預存的資料進行比對，判斷該物體的真偽。
如請求項4所述的感測裝置，其中該些感測像素更包含一第四感測像素，基於該受測光獲得代表該部位的全光譜信息的一第四感測值S4。
如請求項7所述的感測裝置，其中該第二區用於感測該部位的第二光線。
如請求項3、5或8所述的感測裝置，其中該第二光線與該第一光線局部重疊。
如請求項3、5或8所述的感測裝置，其中該第二光線為白光光譜，且該第一光線為紅、綠或藍色光譜。
如請求項3、5或8所述的感測裝置，其中該第二光線與該第一光線互不重疊。
如請求項2所述的感測裝置，更包含一信號處理單元，依據M1、N1、M2、N2、S1與S2與一資料庫中預存的資料進行比對，判斷該物體的真偽。