生物辨识装置的制作方法

本发明涉及一种生物辨识装置，特别是涉及一种薄型化的生物辨识装置。

背景技术：

生物辨识(识别)技术是指利用人体的生理特征或行为特征来达到身份辨识与认证授权的目的，其中人体的生理特征包含有指纹、掌纹、静脉分布、虹膜、视网膜及脸部特征等。现今，生物辨识技术已被应用在数字助理、智能型手机、笔记型电脑、金融卡、电子钱包和海关通行等对于信息隐密与人身安全有高度需求的领域中。

一般而言，被广泛应用的生物辨识技术有指纹辨识与静脉辨识。现有的指纹辨识装置与静脉辨识装置为了将手指或静脉反射的光线聚焦到感光器上，内部的光学系统必须满足成像公式(1/f＝1/u+1/v。其中f为焦距，u为物距，v为像距)，配置焦距足够的透镜，导致装置整体有体积过大的缺点，而不利于应用在小型化或可携式的电子装置。若将透镜省略，则被感光器接收的光线会不足，同时手指或静脉的单一特征点所反射的光线会朝向各方向发散而可能被多个感光器接收，进而输出的影像信号分辨率不佳，影响到装置的辨识精准度。目前有利用遮光层形成高深宽比(大于10)的通光部来避免光线发散，达成点对点成像效果，但遮光层的通光孔径小导致感光单元的入光量很低，抑或通光孔径大但必须有足够厚度来满足通光部的高深宽比，导致装置厚度增加与制作工艺变困难等问题。

技术实现要素：

鉴于以上的问题，本发明公开一种生物辨识装置，有助于解决现有生物辨识装置体积过大的问题。

本发明所公开的生物辨识装置包含一照明单元以及一成像模块。照明单元用以发出光线至生物体，且成像模块用以接收照明单元的光线。成像模块包含一光筛选结构以及一感光层。光筛选结构包含一微透镜阵列、一折射聚焦层以及一遮光层。折射聚焦层介于微透镜阵列与遮光层之间。微透镜阵列包含多个微透镜单元，且遮光层具有多个通光部。感光层用以接收自生物体反射的光线。感光层具有间隔配置的多个感光区。遮光层介于折射聚焦层与感光层之间。这些感光区分别对应这些通光部，且遮光层与感光层之间具有一角度筛选间距。微透镜单元的曲率半径为r，微透镜单元的直径为d，微透镜单元的最大厚度为lh，相邻的其中二微透镜单元的中心间距为p，折射聚焦层的厚度为h，通光部的孔径为wo，通光部的深宽比为ar，角度筛选间距为s，感光区的宽度为ws，其满足下列条件：

ar<1.0；

0.5≤r/d≤2.86；

0.02<wo/p<0.3；以及

(h+lh)×(ws-wo)/(2×p+wo)≤s≤(h+lh)×(2×p-ws-wo)/(2×p+wo)。

本发明另公开的生物辨识装置包含一照明单元以及一成像模块。照明单元用以发出光线至生物体，且成像模块用以接收照明单元的光线。成像模块包含一光筛选结构以及一感光层。光筛选结构包含一微透镜阵列、一折射聚焦层以及一遮光层。折射聚焦层介于微透镜阵列与遮光层之间。微透镜阵列包含多个微透镜单元，且遮光层具有多个通光部。感光层用以接收自生物体反射的光线。遮光层介于折射聚焦层与感光层之间，且遮光层与感光层之间具有一角度筛选间距。微透镜单元的曲率半径为r，微透镜单元的直径为d，相邻的其中二微透镜单元的中心间距为p，通光部的孔径为wo，通光部的深宽比为ar，角度筛选间距为s，其满足下列条件：

1.0≤ar<5.0；

0.6<r/d≤2.86；

0.02≤wo/p≤0.5；以及

0≤s<3p。

根据本发明所公开的生物辨识装置，将遮光层的通光部的深宽比限定在一定范围内以控制遮光层的厚度，有助于生物辨识装置的薄型化。此外，当生物辨识装置的光筛选结构与感光层的规格满足特定条件时，若生物体的特征点所产生的反射光以较大入射角进入对应到其中一个感光单元的微透镜单元时，此反射光会被光筛选结构的遮光层阻挡或是只能投射至感光层的非感光区，而不会被邻近前述的其中一个感光单元的其他感光单元接收，进而有助于降低串扰以提升辨识生物体的特征点的精准度。因此，本发明的生物辨识装置可不遵守传统透镜成像公式，也不需要利用深宽比大于10的结构来筛选入光角度，可提升入光效率并进一步满足薄型化的需求。

以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的精神与原理，并且提供本发明的权利要求更进一步的解释。

附图说明

图1为本发明一实施例的生物辨识装置的立体示意图；

图2为图1的生物辨识装置的成像模块的侧视剖切示意图；

图3为本发明另一实施例的生物辨识装置的成像模块的侧视剖切示意图；

图4为本发明又一实施例的生物辨识装置的成像模块的侧视剖切示意图；

图5为本发明再一实施例的生物辨识装置的成像模块的侧视剖切示意图；

图6为本发明实施例一至实施例十六的生物辨识装置的成像模块的立体示意图；

图7为本发明实施例一的生物辨识装置的感光单元所接收光强度与光入射角度关系的示意图；

图8为本发明实施例一的生物辨识影像图；

图9为本发明比较例一的生物辨识装置的感光单元所接收光强度与光入射角度关系的示意图；

图10为本发明比较例一的生物辨识影像图；

图11为本发明实施例十七至实施例三十六的生物辨识装置的成像模块的立体示意图。

符号说明

1生物辨识装置

10基座

20、20b、20c、20d成像模块

210、210b、210c、210d光筛选结构

211、211b、211d微透镜阵列

2111微透镜单元

2112、2114第一透镜单元群组

2113、2115第二透镜单元群组

212折射聚焦层

213、213c遮光层

2131、2131c通光部

214间隔层

215掩模图案

220感光层

221、222、223感光单元

224非感光区

30照明单元

bh遮光层的厚度

d微透镜单元的直径

h折射聚焦层的厚度

lh微透镜单元的最大厚度

p相邻二微透镜单元的中心间距

r微透镜单元的曲率半径

s角度筛选间距

wo通光部的孔径

ws感光单元的感光区的宽度

具体实施方式

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何熟悉相关技术者了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求及附图，任何熟悉相关技术者可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。

请同时参照图1与图2。图1为根据本发明一实施例的生物辨识装置的立体示意图。图2为根据本发明一实施例的生物辨识装置的侧视剖切示意图。在本实施例中，生物辨识装置1包含一基座10、一成像模块20以及一照明单元30。生物辨识装置1用以辨识生物体的一部位的生物特征，例如指纹、静脉或虹膜等。照明单元30与成像模块20皆设置于基座10，并且成像模块20位于照明单元30的一侧。照明单元30例如但不限于是发光二极体，其可发出光线投射至生物体的特征点，并且特征点反射光线至成像模块20内。本实施例以反射式的生物辨识装置作说明，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，依据照明单元的位置不同，生物辨识装置可为穿透式(从生物体上方打光)或散射式(从生物体侧向打光)。

参照图2，成像模块20包含一光筛选结构210以及一感光层220。光筛选结构210用以筛选入射光角度，其包含一微透镜阵列211、一折射聚焦层212、一遮光层213以及一间隔层214。

微透镜阵列211包含多个微透镜单元2111。在本实施例中，这些微透镜单元2111的彼此相同并且紧密排列，意即微透镜单元2111的直径d与相邻二微透镜单元2111的中心间距p的比值为1(d/p＝1)。微透镜单元2111的排列密度并非用以限制本发明。在其他实施例中，微透镜单元可以排列得较松散(d/p<1)，或是相邻的微透镜单元可彼此连接而使每个微透镜单元在俯视视角下的形状为矩形(d/p>1)。当d/p＝1.414时，微透镜阵列211的开口率(有效通光比率)为100％。

折射聚焦层212例如但不限于是透光树脂层，并且微透镜阵列211设置于折射聚焦层212的其中一侧。遮光层213例如但不限于是不透光或低透光率的黑矩阵(blackmatrix)，且折射聚焦层212介于微透镜阵列211与遮光层213之间。遮光层213具有多个通光部2131，并且这些通光部2131分别对应这些微透镜单元2111。通光部2131例如但不限于是遮光层213的穿孔。间隔层214例如但不限于是树脂介质层，其位于遮光层213相对于折射聚焦层212的一侧。

感光层220包含间隔配置的多个感光单元221、222与223，其例如但不限于是互补式金属氧化物半导体(cmos)感光元件。间隔层214介于遮光层213与感光层220的感光单元221～223之间，而界定出遮光层213与感光层220之间的一角度筛选间距s。感光单元221～223于顶部各自具有一感光区，其能接收自生物体反射的光线。感光单元221～223的感光区分别对应遮光层213的这些通光部2131，并且相邻的其中二个感光单元221～223之间形成一非感光区224。

当照明单元30的光线投射至生物体的其中一个特征点时，特征点将光线反射，并且反射光朝向成像模块20前进。反射光依序通过微透镜阵列211、折射聚焦层212、遮光层213的通光部2131以及间隔层214而最终投射至感光层220。感光单元221～223的感光区接收此反射光而转换成影像信号输出。当生物体的特征点产生的反射光投射到成像模块20内时，若通过其中一个通光部2131的反射光被多个感光单元接收(例如同时被感光单元222与223接收)，则输出的影像信号会因为串扰(crosstalk)而使得生物辨识装置1难以精确辨识前述的特征点。为了防止上述问题发生并兼顾生物辨识装置1的薄型化，本实施例的生物辨识装置1对各元件之间的空间配置关系作了改良。

如图2所示，每个通光部2131具有一深宽比ar(即遮光层213的厚度bh与通光部2131的孔径wo的比值，ar＝bh/wo)，其满足下列条件：ar<1.0。由此，可防止遮光层213深宽比过大导致制作困难，也有助于生物辨识装置1的薄型化。

每个微透镜单元2111具有曲率半径r，每个微透镜单元2111具有直径d，相邻的二微透镜单元2111具有中心间距p，每个通光部2131具有一孔径wo，遮光层213与感光层220之间具有角度筛选间距s，每个微透镜单元2111具有一最大厚度lh，折射聚焦层212具有厚度h，感光单元221～223各自的感光区具有一宽度ws，其满足下列条件：

﹝条件一﹞0.5≤r/d≤2.86；

﹝条件二﹞0.02<wo/p<0.3；以及

﹝条件三﹞(h+lh)×(ws-wo)/(2×p+wo)≤s≤(h+lh)×(2×p-ws-wo)/(2×p+wo)。

当满足条件一时，能避免以较大入射角进入微透镜单元2111的光线被邻近的感光单元接收，而有助于降低串扰。举例来说，当来自生物体特征点的反射光信号以较大的入射角进入对应到感光单元221的微透镜单元2111时，能确保反射光不会被感光单元222或223接收。此外如图2所示，由于制作工艺上微透镜单元2111的加工极限为半球状，因此r/d的最小值不能小于0.5。

当满足条件二时，以过大的入射角进入微透镜单元2111的光线会被遮光层213阻挡而不会被感光单元接收，有助于进一步降低串扰。举例来说，当反射光以较大入射角进入对应到感光单元221的微透镜单元2111时，反射光会被遮光层213阻挡而不会被感光单元222或223接收。此外，由于通光部2131的孔径wo过小会产生不必要的光学绕射现象，且穿透率因为次波长通孔而大幅下降，因此wo/p的最小值不能小于0.02。

当满足条件三时，即便以过大的入射角进入微透镜单元2111的光线通过邻近的通光部2131，此光线也会投射至感光层220的非感光区224而不会被感光单元接收。举例来说，当反射光以较大入射角进入对应到感光单元221的微透镜单元2111并且通过对应到感光单元222的通光部2131时，反射光会投射至感光单元222与223之间的非感光区224，更加确保串扰的减少。

通过上述元件的空间配置，本实施例的微透镜阵列211、折射聚焦层212、遮光层213、间隔层214与感光层220的总厚度可小于3.0mm(毫米)，而有助于实现生物辨识装置1的薄型化，同时对于生物体特征点也保有良好的辨识精准度。

在图2中，单一微透镜单元对应到单一感光单元，但本发明并不以此为限。请参照图3，为根据本发明另一实施例的生物辨识装置的侧视剖切示意图。由于本实施例和图2的实施例相似，故以下就相异处进行说明。

在图3的实施例中，生物辨识装置的成像模块20b的光筛选结构210b包含微透镜阵列211b、折射聚焦层212、遮光层213、间隔层214以及掩模图案215。微透镜阵列211b包含一第一透镜单元群组2112与一第二透镜单元群组2113，并且第一透镜单元群组2112与第二透镜单元群组2113各自包含多个微透镜单元。掩模图案215设置于间隔层214内，而将感光层220的感光单元221～223各自界定出多个感光区与多个非感光区，其中感光区显露出感光单元221～223的顶部，且非感光区被掩模图案215覆盖。

第一透镜单元群组2112对应感光层220的感光单元221，且第二透镜单元群组2113对应感光层220的感光单元222，而实现多个微透镜单元对应到单一感光单元的配置方式。详细来说，第一透镜单元群组2112的多个微透镜单元分别对应感光单元221的多个感光区，第二透镜单元群组2113的多个微透镜单元则分别对应感光单元222的多个感光区。

图4为根据本发明又一实施例的生物辨识装置的侧视剖切示意图。由于本实施例和图2的实施例相似，故以下就相异处进行说明。在图4的实施例中，生物辨识装置的成像模块20c的光筛选结构210c包含一微透镜阵列211、一折射聚焦层212、一遮光层213c以及一间隔层214。遮光层213c的每个通光部2131c具有深宽比ar，其满足下列条件：1.0≤ar<5.0。由此，能利用通光部2131c的侧壁阻挡光线投射至多个感光单元，有助于降低串扰并兼顾生物辨识装置薄型化的需求。相较于图2的实施例，由于通光部2131c的深宽比ar的数值范围有所更动，图4的实施例的生物辨识装置对各元件之间的空间配置关系作另外的改良。

微透镜阵列211的每个微透镜单元2111具有曲率半径r，每个微透镜单元2111具有直径d，相邻的二微透镜单元2111具有中心间距p，每个通光部2131c具有孔径wo，每个通光部2131c具有深宽比ar，遮光层213c与感光层220之间具有角度筛选间距s，其满足下列条件：

﹝条件四﹞0.6<r/d≤2.86；

﹝条件五﹞0.02≤wo/p≤0.5；以及

﹝条件六﹞0≤s<3p。

当满足条件四至条件六时，能避免以较大入射角进入微透镜单元2111的光线被邻近的感光单元接收，而有助于降低串扰，以提升影像品质。

图5为根据本发明又另一实施例的生物辨识装置的侧视剖切示意图。由于本实施例和图4的实施例相似，故以下就相异处进行说明。

在图5的实施例中，生物辨识装置的成像模块20d的光筛选结构210d包含微透镜阵列211d、折射聚焦层212以及遮光层213c。微透镜阵列211d包含一第一透镜单元群组2114与一第二透镜单元群组2115，并且第一透镜单元群组2114与第二透镜单元群组2115各自包含多个微透镜单元2111。遮光层213c设置于感光层220，而将感光层220的感光单元221～223各自界定出多个感光区与多个非感光区，其中感光区显露出感光单元221～223的顶部，且非感光区被遮光层213c覆盖。第一透镜单元群组2114对应感光层220的感光单元221，且第二透镜单元群组2115对应感光层220的感光单元222，而实现多个微透镜单元对应到单一感光单元的配置方式。

以下，提供数个有具体规格的本发明实施例，以说明本发明所公开的生物辨识装置，并且验证本发明所公开的生物辨识装置的功效。

﹝实施例一至实施例十六﹞

图6为根据本发明实施例一至实施例十六的生物辨识装置的成像模块的立体示意图。以实施例一举例说明，相邻二微透镜单元2111的中心间距p为50.0μm(微米)，微透镜单元2111的曲率半径r为25.0μm，微透镜单元2111的直径d为50.0μm，且微透镜单元2111的最大厚度lh为25.0μm。折射聚焦层212的折射率为1.57，且折射聚焦层212的厚度h为48.00μm。通光部2131的孔径wo为3.0μm，遮光层213的厚度bh为1.5μm，且通光部2131的深宽比ar为0.5。遮光层213与感光层220的感光单元221～223之间的角度筛选间距s为16.0μm。感光单元221～223各自的感光区的宽度ws为10.0μm。实施例一至实施例十六的具体规格请参照下列表一，且所有实施例均满足前述的条件一、条件二与条件三。

另外，还提供比较例一至比较例十作为对照，其具体规格请参照下列表二。所有比较例均没有满足前述的条件一、条件二与条件三至少其中之一。

图7为根据本发明实施例一的生物辨识装置的感光单元所接收光强度与光入射角度关系的示意图。图8为根据本发明实施例一的生物辨识影像。当生物体特征所产生的反射光信号进入生物辨识装置的成像模块时，入射角较小的反射光信号才会被感光单元接收，而入射角较大的反射光信号无法被感光单元接收，故在图7的元件特性中只有小入射角的反射光信号会显示出光强度峰值。实施例一的成像模块接收反射光信号而输出图8的高分辨率影像，其能清晰显示出生物体的特征(例如指纹或静脉分布)。实施例二至实施例十六的成像模块也能输出高分辨率影像。

图9为根据本发明比较例一的生物辨识装置的感光单元所接收光强度与光入射角度关系的示意图。图10为根据本发明比较例六的生物辨识影像。相较于实施例一，比较例六没有满足条件二与条件三，因此入射角较大的反射光会被感光单元接收，使得图9中小入射角(入射角小于3度)的反射光信号与大入射角(约30～70度)的反射光信号都会显示出光强度峰值，进而产生串扰。比较例六的成像模块接收反射光而输出图10的影像，其分辨率明显低于图8的影像，使得生物辨识装置无法判读生物体的特征。比较例一至五与比较例七至十的成像模块也会输出低分辨率影像。

﹝实施例十七至实施例三十六﹞

图11为根据本发明实施例十七至实施例三十六的生物辨识装置的成像模块的立体示意图。以实施例十七举例说明，相邻二微透镜单元2111的中心间距p为50.0μm(微米)，微透镜单元2111的曲率半径r为40.0μm，微透镜单元2111的直径d为40.0μm，且微透镜单元2111的最大厚度lh为5.36μm。折射聚焦层212的折射率为1.57，且折射聚焦层212的厚度h为110.00μm。通光部2131c的孔径wo为3.0μm，遮光层213c的厚度bh为15.0μm，且通光部2131c的深宽比ar为5.0。遮光层213c与感光层220的感光单元221～223之间的角度筛选间距s为0μm(即遮光层213c紧贴着感光单元221～223)。实施例十七至实施例三十六的具体规格请参照下列表三，且所有实施例均满足前述的条件四、条件五与条件六。

另外，还提供比较例十一至比较例十八作为对照，其具体规格请参照下列表四。所有比较例均没有满足前述的条件四、条件五与条件六至少其中之一。

综上所述，本发明所公开的生物辨识装置中，将遮光层的通光部的深宽比限定在一定范围内以控制遮光层的厚度，有助于生物辨识装置的薄型化。此外，当生物辨识装置的光筛选结构与感光层的规格满足特定条件时，若生物体的特征点所产生的反射光以较大入射角进入对应到其中一个感光单元的微透镜单元时，此反射光会被光筛选结构的遮光层阻挡或是只能投射至感光层的非感光区，而不会被邻近前述的其中一个感光单元的其他感光单元接收，进而有助于降低串扰以提升辨识生物体的特征点的精准度。因此，本发明的生物辨识装置可不遵守传统透镜成像公式，也不需要利用深宽比大于10的结构来筛选入光角度，可提升入光效率并进一步满足薄型化的需求。