感测手指生物特征的光学感测装置及使用其的电子装置

摘要

本发明提供一种感测手指生物特征的光学感测装置及使用其的电子装置，所述装置至少包括：一封装基板；一感测芯片，设置于所述封装基板上，并具有一感光区域；以及至少一平面透镜，设置于所述感测芯片的上方，平面透镜将来自一手指的光线聚焦于所述感光区域，其中平面透镜的一上表面至封装基板的一下表面的一距离小于或等于1.5mm。一种电子装置亦一并提供。本发明可以实现将光学感测装置设置于电子装置的显示面板与电池之间，以达到增广光学感测装置的设置位置范围的目的，当光学感测装置的总厚度减薄后，可以空出更多空间给电池，可进而增加电池容量以满足更多使用需求。

说明书

技术领域

本发明是有关于一种感测手指生物特征的光学感测装置及使用其的电子装置，且特别是有关于一种使用平面透镜的感测手指生物特征的光学感测装置及使用其的电子装置。

背景技术

现今的移动电子装置(例如手机、平板电脑、笔记本电脑等等)通常配备有使用者生物识别系统，包括了指纹、脸型、虹膜等等不同技术，用以保护个人数据安全，例如应用于手机或智慧型手表等携带型装置，也兼具有行动支付的功能，对于使用者生物识别更是变成一种标准的功能，而手机等携带型装置的发展更是朝向全屏幕(或超窄边框)的趋势，使得传统电容式指纹按键无法再被继续使用。

图1显示一种公知的光学指纹感测装置300的示意图。如图1所示，光学指纹感测装置300包括一感测芯片(chip)301，感测芯片301形成有多个光感测单元302，感测芯片301上形成有一透明介电层组303，透明介电层组303中间穿插有一遮光层304，多个微透镜(micro-lens)306形成于透明介电层组303上，并且分别对应遮光层304的多个光孔305。这种光学指纹感测装置300也可以称之为具有角度滤光器(angular filter)或准直器(collimator)的指纹装置，当然也有另外的例如光纤板或垂直微孔型的准直器结构，其最大的缺点是其与感测物件(例如手指)的面积比几乎是1:1，也就是说，要感测多大的手指面积，光学感测器的阵列(array)面积就要有多大，这样感测芯片301的面积就相当大，例如指纹应用的芯片面积达4mm×4mm或以上，这样的芯片成本相当高，不利于普及使用。再者，利用微透镜配合光孔305的设计是为了限制入射光L1与微透镜306的光轴的角度，其他准直器设计也是为了解决相同问题，对于每一个光感测单元302而言，入射光L1的入射角度，即相对于中心轴法线的角度越小，例如是±5度，则影像越清晰，视野(Field Of View,FOV)大约10度，然而入射的光量越小，即入射角度越小，使用时便需要更久的积分时间以达到足够的信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)，如果放宽入射角度，则可以加大入光量，但是却容易造成串扰(cross talk)影响影像清晰度。因此使用这种角度滤光器或准直器的指纹装置需要精细的设计、制造及组装，确保影像品质的均一性也是大量生产时的困扰。

因此，如何提供一种新的光学感测装置，以解决上述芯片成本过高及SNR较低，即入射角较小的问题，实为本案所欲解决的问题。

发明内容

因此，本发明的一个目的是提供一种感测手指生物特征的光学感测装置及使用其的电子装置，利用平面透镜配合光学感测装置的总厚度及/或相关尺寸的设计限制，可以实现将光学感测装置设置于电子装置的电池与显示面板之间，以达到增广光学感测装置的设置位置范围，或者当光学感测装置的总厚度减薄后，可以空出更多空间给电池，可进而增加电池容量以满足更多使用需求。

为达上述目的，本发明提供一种感测手指生物特征的光学感测装置，至少包括：一封装基板；一感测芯片，设置于封装基板上，并具有一感光区域；以及至少一平面透镜，设置于感测芯片的上方，平面透镜将来自一手指的光线聚焦于感光区域，其中平面透镜的一上表面至封装基板的一下表面的一距离小于或等于1.5mm。

本发明亦提供一种电子装置，至少包括：一显示面板；以及上述光学感测装置，设置于显示面板的下方。

藉由上述的实施例，利用平面透镜配合光学感测装置的总厚度及/或相关尺寸的设计限制，可以实现将光学感测装置设置于电子装置的显示面板与电池之间，以达到增广光学感测装置的设置位置范围的目的，或者当光学感测装置的总厚度减薄后，可以空出更多空间给电池，可进而增加电池容量以满足更多使用需求。此外，配合平面透镜以及总厚度小于或等于1.5mm的光学感测装置，可以让感测芯片的尺寸缩小，成本可以降低，也能提高SNR，缩短积分时间，提升感测速度。

附图说明

为让本发明的上述内容能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

图1为一种公知的光学指纹感测装置的示意图。

图2为依据本发明较佳实施例的电子装置的俯视图。

图3为图2的电子装置的局部示意侧视图。

图4A为图2的电子装置的局部放大示意侧视图。

图4B至图4H为图4A的电子装置的变化例的局部放大侧视图。

图5A至图5E为依据本发明较佳实施例的平面透镜的制造例子的示意侧视图。

图6A至图6C为依据本发明较佳实施例的电子设备的例子的剖面示意图。

附图标号：

F:手指

P2:厚度

A:距离

D1:总厚度(距离)

B:距离

C:距离

L1:入射光

P1:距离

FC:圆形感光区域

10:感测芯片

10C:上表面

12:上表面

12C:感光区域

20:间隔结构

21:透光层

22:粘胶

30:平面透镜

30T:上表面

31:玻璃基板

30A:第一结构

30B:第二结构

32:透光基板

32A:下表面

35:红外线截止层

36:有效区域

36C:上表面

37:周围区域

38:遮光层

39:聚光微结构

40:红外线截止膜

50:微透镜

60:彩色滤光膜

60R:红色滤光区段

60G:绿色滤光区段

60G:蓝色滤光区段

70:封装基板

70B:下表面

100:光学感测装置

200:电子装置

210:显示面板

211:下表面

220:电池

230:中框

231:穿孔

232:凹槽

300:光学指纹感测装置

301:感测芯片

302:光感测单元

303:透明介电层组

304:遮光层

305:光孔

306:微透镜

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的光学感测装置主要是利用平面透镜，其例如是多阶绕射元件(multi-level diffractive device)或超颖透镜(meta-lens)，藉由透镜成像原理，将一放置于显示屏或显示面板上方的手指成像于一光学感测芯片，对于整个感测芯片的全部光感测单元而言，光学感测装置所提供的成像系统的FOV可达到60以上，甚至80以上(FOV≥60或FOV≥80)。由于平面透镜通过精密的制造过程，例如奈米列印(nano printing)或多层光罩半导体工艺迭合，所以可以制作成深度小于或等于50微米(μm)、甚至30μm的聚焦微结构(或称透镜结构)，变成一种超薄光学元件，其厚度完全可以匹配于公知技术的曲面微透镜(microlens)加上微光孔所形成的角度滤光器或例如光纤准直器或微孔准直器。

传统的相机透镜成像需要多片曲面透镜组合成一成像光学镜组，其厚度相当厚。例如可达数个mm至cm等级。超薄平面透镜除了具有传统曲面透镜的成像特性外，相较于习知角度滤光器或准直器，由于FOV的提高，使得超薄平面透镜的SNR提升，且感测芯片的面积可根据缩小倍率而变小。本实施例藉由包括单点、多点、一维(1D)及二维(2D)感测装置的超薄的平面透镜式光学感测装置，特别是影像感测装置，配合电子装置的厚度及使用者经验的需求，例如指纹感测器摆放的位置，设计出一种光学感测装置及使用其的电子装置，其中藉由使用平面透镜，可以在不影响到光学感测能力的前提下，实现屏下式光学感测装置的薄型化，譬如一个模组总厚度可以小于或等于1.5mm、1.2mm或1mm，使屏下式光学感测装置的设置位置不受限于电子装置的电池的摆设位置。

虽然以下的光学感测装置是以指纹感测器做为例子来说明，但是并未将本发明限制于此，光学感测装置也可以感测手指的血管图像、血氧浓度图像、心跳等等手指生物特征。当然，在其他例子中，光学感测装置也可作屏下的其他感测应用，例如环境光(ambientlight)，近接式(proximity)、色彩(color)感测器等等。

图2为依据本发明较佳实施例的电子装置的俯视图。图3为图2的电子装置的局部示意侧视图。图4A为图2的电子装置的局部放大示意侧视图。如图2至图4A所示，本实施例提供一种电子装置200，例如是智慧型手机、平板电脑等行动装置，但也可以是其他电子装置，例如门禁管理装置、考勤装置等。电子装置200至少包括一显示面板210以及一设置于显示面板210下方的光学感测装置100。在一实施例中，光学感测装置100可以是CMOS感测器或薄膜晶体管(Thin-Film Transistor,TFT)感测器或其他的光学感测器。如图3所示，光学感测装置100包括一封装基板70、至少一感测芯片10以及至少一平面透镜30，感测芯片10设置于封装基板70上，封装基板70不限于具有单一材料层，也可以具有多重材料层。值得注意的是，在此仅以单一平面透镜30表示，但也可根据功能需求增加一第二平面透镜80或至少一曲面透镜85于平面透镜30与感测芯片10之间，来达成进一步的光学效果，只要整体厚度及功能仍可以满足本应用的需求即可。显示面板210可以是有机发光二极管(Organic LightEmitting Diode,OLED)显示面板、液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)面板、微型发光二极管显示面板或其他现有或未来的任何适当的显示面板。

请参考图4A，在本实施例中，感测芯片10设置于封装基板70上，感测芯片10具有一上表面12及一感光区域12C。平面透镜30设置于感测芯片10的上方，并且将反射或折射自一手指F的光线聚焦于感光区域12C。在图4A中，平面透镜30与感光区域12C的一距离A代表平面透镜30与感测芯片10之间的距离，距离B代表显示面板210的一下表面211与平面透镜30之间的距离，对应距离B的这一空间的介质可以是空气，也就是平面透镜30与感测芯片10之间具有一空气间隙。距离C代表平面透镜30的厚度。上述的缩小倍率定义为感测物的受感测面积除以影像感测器的成像面积，即图4A中圆形感光区域FC的面积除以感光区域12C的面积。本发明的平面透镜的缩小倍率可以达2倍以上，因而大大的节省芯片面积及成本，这些都是公知的角度滤光器或准直器无法达成的。例如作为指纹感测应用时，照射手指F的光线可以是来自于显示面板210的非同调光(Non-coherent light)，抑或者是额外设置的光源(图中未示)抑或外界的光源。如果外界的光源足够的话，是可以不需要光源的。于一较佳例子中，为了满足目前电子装置的设计需求，例如光学感测装置100能够弹性的放置于显示屏下方的任何位置，包括位于电池上方，整体光学感测装置的总厚度D1必须要小于或等于1.5mm，甚至是小于或等于1.2mm，可以将此光学感测装置固定至显示面板210与电池之间的中框(图中未示)。总厚度D1也可被定义为平面透镜30的一上表面30T至封装基板70的一下表面70B的距离。值得注意的是，本发明内容所提及的各个结构或元件的厚度，若无特别指定，则是代表沿着总厚度D1的延伸方向的尺寸。为考虑组装的机械稳定性，平面透镜30的厚度，即相当于图4A中的距离C，在本实施例约为0.3mm。因此，平面透镜30必须要具有短聚焦能力及良好的光学品质，依据造镜者公式的推估并考量光学感测器，即模组，的总厚度D1的需求，本实施例平面透镜的有效焦距必须要小于或等于1mm，例如可以是等于1mm，0.8mm或者是0.6mm。

图4A仅表示封装基板70、平面透镜30、感测芯片10与显示面板210的相对位置，以说明本发明的功效。实际设计时，感测芯片10可以通过类似焊引线(wire bonding)电连接至封装基板70上，如图4B所示，封装基板70本身可以是软性电路板或者是复合基板，例如抗挠件(stiffener)加上软性电路板，其中，该软性电路板可以更进一步部分镂空以供放置感测芯片。在图4B中，平面透镜30可以通过一间隔结构20设置于感测芯片10上，间隔结构20的厚度等于距离A(见图4A)，间隔结构20具有一空腔，空腔中的介质可以是空气。间隔结构20可以是单一材料层或者是包括粘胶的多重材料组成的复合层。在另一实施例中，平面透镜30可以另外用组装的方式设置于感测芯片10上方，例如是利用光学镜头挡板(lens bezel)与感测芯片10对准组装的方式。

另外，为了得到更好的影像品质，更可以将防止太阳光干扰的红外线截止(IRcut)膜40设置于感测芯片10与手指F之间的光路上，以阻挡红外线进入感测芯片10中。例如，红外线截止膜40可设置于感测芯片10上(如图4A所示)；或者，红外线截止膜40可设置于平面透镜30上(如图4B所示)；也可以于平面透镜30上方独立制作一红外线截止层35，如图4C所示，在一玻璃基板31上镀上红外线截止膜40；或者，在图4D中，可利用红外线截止层35当作间隔结构20而设置于平面透镜30与感测芯片10之间，以定义出上述的距离A，因此可将间隔结构20视为包括红外线截止膜40。为了增加收光的效率，在感测芯片10的感测光路上也可以部分或全部制作微透镜50。例如，如图4E所示，微透镜50可设置于平面透镜30的下方，亦可将间隔结构20视为包括一透光层21及位于透光层21上的多个微透镜50。在另一例子中，微透镜50可设置于感测芯片10的上表面10C上。

在另一实施例中，如图4F所示，为了让感测芯片10得到光谱信息，也可以增加一彩色滤光膜(color filter)60于感测芯片10的感测光路上。彩色滤光膜60可包括红色滤光区段60R、绿色滤光区段60G及蓝色滤光区段60B，并且位于平面透镜30与感测芯片10之间。亦可将间隔结构20视为包括透光层21及位于透光层21上的彩色滤光膜60。可以理解的，图4E和图4F也可以结合，先制作彩色滤光膜60后再制作微透镜50，也就是微透镜50位于彩色滤光膜60，如图4G所示。亦可以理解的，图4D和图4G也可以结合，先制作彩色滤光膜60以及微透镜50以后，再将红外线截止膜40设置于微透镜50上方，以形成包括微透镜50、红外线截止膜40及彩色滤光膜60的间隔结构20，如图4H所示。

值得注意的是，上述红外线截止膜40、彩色滤光膜60、微透镜50的位置可依照设计需求调整。例如，在图4D中，红外线截止膜40及玻璃基板31所构成的红外线截止层35也可以设置于平面透镜30与显示面板210之间；在图4E中，微透镜50也可以设置于平面透镜30与显示面板210之间；在图4F中，彩色滤光膜60也可以设置于平面透镜30与显示面板210之间；以及在图4G中，彩色滤光膜60与微透镜50也可以设置于平面透镜30与显示面板210之间；以及在图4H中，彩色滤光膜60、微透镜50与红外线截止膜40也可以设置于平面透镜30与显示面板210之间。

请参见图5A，如前所述，由于用于将来自手指F的光线聚焦于感光区域12C的平面透镜30的一聚光微结构39的厚度可小于或等于50微米，其正是解决光学感测装置的总厚度的原因。但是太薄的聚光微结构39是无法组装的，因此在制作上，利用平面透镜30的一透光基板32承载平面透镜30的聚光微结构39，以利后续组装，例如直接加工于透光基板32的表面，简而言之，透光基板32与平面透镜30的聚光微结构39可以具有相同材料或不同材料。透光基板32可为玻璃基板，但本发明并不以此为限定。

在图5A中，平面透镜30可以具有至少两个相邻的区域，于其中分别是一第一结构30A与一第二结构30B，例如可以分别是中间结构及周围结构，也可以是左结构与右结构，甚至是分成几个区域，简而言之，平面透镜30具有至少两个区域；第一结构30A与第二结构30B具有不同的尺寸参数或结构特性，例如不同的缩小倍率，或其他的不同光学特性。当然，对应于透光基板32的区域也可以被视为是平面透镜30的第三个区域。透光基板32、第一结构30A与第二结构30B亦具有不同的尺寸参数或结构特性。

又另外，在另一实施例中，如图5B所示，可以在平面透镜30的有效区域36以外的旁边的周围区域37涂上遮光层38。其中，所述有效区域36例如具有用于聚焦所述光线的聚光微结构39或透镜结构的区域；遮光层38例如是黑墨水、黑漆，可视为属于平面透镜30的一部分，但也可视为是独立结构。当然在此不限定遮光层38的材料或工序方法，遮光层38的目的是提供一个光圈，以阻挡来自于非感测手指区域的杂散光入射到感测芯片10，光圈，即遮光层38，可以设置于与平面透镜30的有效区域36的上表面36C大致齐平的周围区域37，所谓大致齐平包括完全齐平以及因为制造误差而造成的不完全齐平的现象。

在另一实施例中，如图5C所示，光圈，即遮光层38，位于有效区域36的上表面36C与平面透镜30的透光基板32的下表面32A之间。在另一实施例中，如图5D所示，光圈，即遮光层38，位于透光基板32的下表面32A。值得一提的是，图5B至5D的各元素仅为显示其相对位置，例如表面上、之间及底部，并不是要绝对的表示其水平或垂直的关系。当然在数个变化例中，图5B至图5D的遮光层也可以是一独立于平面透镜的结构，与平面透镜组装一起。

在一个实施例中，如图5E所示，可利用可透光的粘胶22将平面透镜30设置于感测芯片上，例如可以通过黏接的方式进行设置。此时的粘胶22相当于是前述间隔结构20的变化例；当然制造的顺序也可以是先粘贴透光基板32于感测芯片10上，再于透光基板32上加工出平面透镜30的聚光微结构39。在另一实施例中，可利用例如镀膜或旋转涂布等等工艺来形成足够厚的透光材料层，并以相同于前述的加工方式加工聚光微结构39，使得聚光微结构39与透光基板32具有相同材料。

平面透镜也可以提供无畸变的成像，甚至是较佳的数值口径(Numericalaperture，NA)，在本实施例中NA值大于或等于0.3，甚至是0.5，由于较大的数值口径可以更进一步缩短焦距，进而可缩小距离A，并降低光学感测装置100的总厚度D1。

以上的设计架构可以达成薄型化电子装置的效果，且获得良好的光学影像感测结果，以供手指生物特征感测应用。

此外，如图6A至图6C以及图2与图3所示，电子装置200可以还包括一电池220，电连接至并供电给显示面板210及光学感测装置100。光学感测装置100设置于电池220与显示面板210之间。由于光学感测装置100可以设置于电池220与显示面板210之间，进而使光学感测装置100的设置位置具有更宽广的范围，甚至可以将光学感测装置100的范围加大，让使用者可以达成盲按的效果，也就是使用者不需精准地按压感光区域，而可以让使用者获得良好的按压体验。

值得注意的是，电子装置200还可包括例如一中框230，设置于电池220与显示面板210之间，因此，例如是指纹感测装置的光学感测装置100可设置于中框230上(如图6A所示)，或由中框230下方通过中框230的一穿孔231组装(如图6B所示)；抑或者中框230上形成一凹槽232，而光学感测装置100设置于凹槽232中(如图6C所示)。

本发明的精神为利用至少一平面透镜来解决光学感测装置的总厚度或SNR等上述问题的至少一个，当然光学感测装置的摆设位置的优先选项仍是位于显示屏与电池之间，但是仍可以配合系统设计，将其设置于其他位置，例如非位于电池与显示屏之间。藉由上述实施例的光学感测装置及使用其的电子装置，利用平面透镜配合光学感测装置的总厚度及/或相关尺寸的设计限制，可以实现将光学感测装置设置于薄型化的电子装置的显示面板与电池之间，以达到增广光学感测装置的设置位置范围的目的，或者当光学感测装置的总厚度减薄后，可以空出更多空间给电池，可进而增加电池容量以满足更多使用需求。此外，配合大于或等于2倍的缩小倍率的平面透镜，可以让感测芯片的尺寸缩小，成本可以降低，也因为透镜成像可以有更大的FOV及入光量，故可以有效提高SNR，缩短积分时间，提升感测速度。

值得注意的是，上述所有例子的设计结构，都可以适当的交互组合、替换或修改，以满足多样化的弹性需求。

在较佳实施例的详细说明中所提出的具体实施例仅用以方便说明本发明的技术内容，而非将本发明狭义地限制于上述实施例，在不超出本发明的精神及申请专利范围的情况下，所做的种种变化实施，皆属于本发明的范围。