CN112106058A - 一种用于指纹检测的紧凑型光学传感器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于图像识别装置(例如指纹检测器)中的光学传感器。本公开的光学传感器以紧凑且经济的结构来改善透光率。特别地，本公开的光学传感器可以放置在电子设备(如智能手机)的显示面板下方。一个实施例涉及一种放置在显示面板下方的光学传感器系统，用于检测/成像从指纹返回的光，所述指纹在显示面板的顶部。所述光学传感器包括微型透镜结构和传感器阵列，所述微透镜结构包括前侧和后侧，所述前侧具有光聚焦元件阵列，所述后侧为不透明的，且具有与聚焦元件对准的光学透明孔阵列；所述传感器阵列面向所述微型透镜结构的所述后侧。光学传感器系统配置成使得从物体返回的光可以被微型透镜结构通过透明孔聚焦到传感器阵列上。

Description

一种用于指纹检测的紧凑型光学传感器

技术领域

本公开涉及用于图像识别装置(诸如生物特征识别系统，例如指纹检测器)的光学传感器。本公开的所述光学传感器在紧凑经济的结构中实现了更好的光传导。具体而言，可以将本公开的所述光学传感器置于电子装置(如智能手机)的显示面板的下方。

背景技术

指纹传感器已经广泛地集成于带显示屏的电子装置(如智能手机、平板电脑和笔记本电脑)中，用于保护隐私和数据以及进行身份认证。目前最常见的指纹传感器是独立于装置显示屏工作的电容传感器。几乎覆盖装置整个前表面的显示屏是当前的趋势，这导致将指纹传感器集成于前表面很困难，因为电容传感器无法轻易地与电子显示屏集成。

光学指纹传感器可以置于显示器的保护玻璃之下，因为来自手指的反射光可以通过保护玻璃和显示屏散射回指纹传感器。但是为了避免指纹图像模糊，光学指纹传感器一般需要在光线到达传感器阵列的像素之前将来自手指的大角度反向散射反射光过滤掉。

现有的过滤技术利用位于显示屏和传感器阵列之间的光吸收通道作为准直仪，参见US2017/270342和US2018/012069。为了能充分过滤非目标背景光，通道的厚度必须为约300微米，每个通道的直径为约30微米，通道间距约50微米。

发明内容

这些吸收通道的问题在于吸收了大部分的所需光。而且目前制造吸收通道的技术昂贵，无法提供高产量。因此，本发明的一个目的是提供经济并且可以与电子装置中的透明显示屏集成，用于指纹检测的光学传感器方案。

本公开通过微型透镜结构解决了这些问题，所述微型透镜结构包括微型透镜阵列，所述微型透镜阵列用于将目标光聚焦于传感器阵列的像素上，而非目标光则被散射或吸收。本公开因此涉及光学传感器(亦称为光学传感器系统)，所述光学传感器用于置于(透明)显示面板下方以检测从位于显示面板顶部的物体(如指纹)返回的光。在一个实施例中，所述光学传感器包括微型透镜结构，所述微型透镜结构具有前侧和后侧，所述前侧具有光聚焦/成像元件阵列，所述后侧至少部分区域透明。所述后侧可以具有与所述聚焦元件对齐的光学透明/光透射孔阵列(例如以窗口的形式)。优选地，即各微型透镜的焦点对应于透明孔处。在优选具体实施例中，这些孔是仅有的透明的部分，而所述后侧的其余区域都无法进行光透射(例如为不透明的)，即是挡光的(例如以挡光层的形式)，这使得光无法透射通过所述后侧的不透明部分。阻碍光透射可以通过本领域内已知的不同方式来实现，例如吸收、光阻着色、反射材料或表面具有特定粗糙度。

光学探测器作为传感器阵列，所述传感器阵列面向所述微型透镜结构的后侧。优选地，即当各微型透镜的焦点位于对应于的孔处时，所述光学传感系统设置为所述微型透镜结构将从物体返回的光通过所述透明孔聚焦到所述传感器阵列上。

优选地，将所述光学传感器配置为使得入射角小于或等于预定值的指纹光被聚焦至所述传感器阵列，而使入射角大于所述预定值的指纹光不被检测到。所述入射角的预定值可以例如为20度或15度，优选的为10度，更优选的为8度，更优选的为6度，最优选的为5度。或者在选定具体实施例中甚至可以为4度或3度。本公开的所述光学传感器可以配置为与所述显示面板配合作为光源和/或与另一个单独光源配合。

本公开进一步涉及图像识别装置，例如指纹传感器，包括本公开的所述光学传感器。所述指纹传感器可以包括处理单元，所述处理单元用于处理来自传感器阵列的信号从而识别图像，如检测指纹。所述指纹传感器可以进一步包括存储单元，所述存储单元用于存储指纹信息，优选地以加密方式存储。所述处理单元、所述存储单元和所述传感器阵列可以为一个集成电路/部件的一部分。

另一个具体实施例涉及用于光学检测指纹的电子装置，如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等，包括显示面板和本公开的光学传感器，所述显示面板包括上透明层，所述上透明层形成于所述显示面板上方并作为用户触摸的界面。所述显示面板可以包括发光显示像素，其中将各个像素配置为发射光以形成显示图像的一部分；并且其中将所述上透明层配置为透射来自所述显示面板的光以显示图像。

本公开进一步涉及用于检测来自透明显示面板顶部的指纹所返回的光的方法，所述方法包括通过微型透镜将指纹光聚焦至光学检测器的传感器阵列并成像的步骤，所述微型透镜位于所述微型透镜结构中，所述微型透镜结构位于所述显示面板下方，其中在上文所述的预定入射角范围内的指纹光被接收。

本公开还涉及一种微型透镜结构的制造方法，所述微型透镜具有对齐的孔且适用于本公开中所述的光学传感器系统。在优选的实施例中，所述制造方法涉及使用一种光敏材料，所述光敏材料应用在所述微型透镜结构的后侧。所述光敏材料可以为任何在接收光或应用光(例如准直光)时改变性质的材料。通过所述微型透镜结构的前侧，所述微型透镜结构的光学特性可以保证在所述微型透镜结构后侧的光敏材料上形成精准对齐的透明孔，从而获得制造后侧具有透明孔的所述微型透镜结构的方法，所述方法精确且经济。

附图说明

提供附图是为了方便对本公开的内容进一步理解，其被纳入本说明书并构成本说明书的一部分。

图1A显示了本公开的微型透镜结构的示例性单个微型透镜及对应像素的剖面侧视图。所述微型透镜前侧的聚焦元件通过凸起前表面将光聚焦至像素上。

图1B显示了作为本公开的微型透镜结构一部分的具有凹陷前表面的示例性单个微型透镜及对应像素的剖面侧视图。

图1C显示了作为本公开的微型透镜结构一部分的具有凸起前表面和凹陷后侧的示例性单个微型透镜及对应像素的剖面侧视图。

图1D显示了作为本公开的微型透镜结构一部分的具有凸起前表面和反射后侧的示例性单个微型透镜及对应指纹的剖面侧视图。

图2显示了包括配置在阵列中毗连的十一个微型透镜的微型透镜结构的一部分的示意图的剖面图。

图3显示了图1A所示的微型透镜+像素的立体图。

图4显示了图3所示的多个微型透镜形成阵列在像素阵列前方形成一部分微型透镜结构的立体图。

图5显示了微型透镜阵列的前侧的另一个立体图。

图6显示了图5所示微型透镜阵列的后侧。圆圈表示透明孔。后侧的剩余部分不透明。

图7显示了与图5-6所示的微型透镜阵列对应的像素阵列的示例。黑色方块表示像素。

图8显示了对应微型透镜、透明孔和像素之间关系的图。

图9显示了微型透镜结构中微型透镜的另一种设置，其中所述微型透镜以六角形配置。

图10显示了手机、智能手机的轮廓，显示位于手机显示屏下方的指纹传感器的示例性位置。

图11显示了图10配置的剖面侧视图，其中手机用户触摸的保护玻璃位于OLED显示屏(有机发光二极管显示屏)的上方。所述指纹传感器位于所述OLED显示屏的下方。

图12显示了本公开的光学传感器的一个具体实施例的工作图例。微型透镜将来自指纹、入射角为0度的反射光聚焦至像素。

图13对应于图12，但是入射角现在为6度。结果是所述微型透镜将光聚焦并透射通过所述微型透镜结构的后侧，但是入射角较大的聚焦光由于传感器阵列和微型透镜结构后侧之间的间隔没有击中像素，即入射角较大的非目标光没有被检测到。

图14对应于图12，但是入射角现在为13度。结果是光被微型透镜聚焦但是被微型透镜结构中位于透明孔外侧的不透明后侧所吸收，即入射角较大的非目标光没有被检测到。

图15A是图12-14的组合。所使用的光源为OLED显示屏。

图15B对应于图15A，但是吸光涂料替换为反射材料。

图16是图15A的放大图。

图17是图12的放大图。

图18是图13的放大图。

图19是图14的放大图。

图20显示了投射在图2所示的微型透镜阵列上的入射角为30度的光的波阵面。光被所述微型透镜聚焦但是之后就被不透明表面所吸收。

图21显示了投射在图2所示的微型透镜阵列上的入射角为30度的光的波阵面，但是由于没有孔，整个后表面都是透明的。

图22显示了安装在所述指纹传感器旁作为指纹传感器光源的红外LED(红外发光二极管)的示例性配置。

图23是图22的光源配置的放大图。

图24显示了单个微型透镜的剖面侧视图，其中光源与像素集成以提供同轴照明。

图25显示了在所述指纹传感器周围安装四个红外LED作为光源的示例。

图26显示了集成在所述指纹传感器中的红外LED。

图27显示了集成在单个像素中的微型LED，用于进行图24所示的同轴照明。

图28显示了具有细长孔的微型透镜阵列以及分别具有30度入射角和0度入射角的两个波阵图的示意图。

图29显示了包括细长孔的微型透镜阵列的功能的图示。不透明的表面将来自指纹的入射角为6度的反射光遮挡而形成光圈。

图30显示了通过光敏材料制造与微型透镜对齐的孔的示意图。

具体实施例

本发明的主要优点在于所述微型透镜结构可以将目标光聚焦使得预定入射角范围内的所述目标光可以在传感器阵列的像素上成像。相较于现有技术中的解决方案，这意味着检测到更多的目标光，即所述微型透镜结构具有更高的目标透光率。检测器收到的光越多，就可以更快和/或更精确地检测指纹。

利用所述微型透镜结构，也可以将光聚焦使得仅有部分像素(例如在标准CCD或CMOS阵列中)用于检测，可能仅使用三分之一的像素。这使得传感器阵列可以具有少得多地有效像素，这样读取会快得多，即指纹传感器可以更快地检测指纹。像素可以为CCD(电荷耦合装置)像素、CMOS(互补金属氧化物半导体)像素或光敏二极管。

本公开的另一个优点是结构可以非常紧凑。现有技术中的技术方案需要特定高度的吸收通道以正常工作。吸收通道一般高度为300-500μm，而本公开的所述微型透镜结构的高度可以仅为50-100μm。这更加符合当前将电子显示装置造得越来越薄的趋势。

所述微型透镜结构的各聚焦元件可以针对特定光学设计和布置来定制。所述聚焦元件可以为球形、非球形、金字塔形、凸面、凹面等。其设计取决于围绕所述微型透镜的介质。举例而言，如果交界区域为空气，所述聚焦元件一般为球形。如果交界区域为胶，则所述聚焦元件一般为非球形。后侧可以是平面但是也可以设计为辅助光聚焦、后焦距调整、像差校正等，例如球形、非球形、金字塔形、凸面、凹面等。

为了降低成本，所述微型透镜结构可以采用所有聚焦元件均相同的制造方式。

如前所述，所述微型透镜结构可以包括后侧，指纹光可通过所述后侧透射。在优选具体实施例中，所述微型透镜阵列并非整个后侧都是透明的，而是只有对应于所述聚焦元件阵列的孔为透光的(如透明孔阵列)。后侧的剩余部分可以是不透明的。图6示例性展示了透明孔。优选的，所述微型透镜结构配置为使得每一个所述聚焦元件都与一个所述透明孔在光学上相对应。这些透明孔辅助确保只有在预定入射角范围内的光透射至传感器阵列。例如非目标光可以通过散射或吸收使得其不会到达所述检测器/传感器阵列。例如所述微型透镜结构可以配置为吸收或散射入射角大于所述预定值的指纹光中至少一部分。举例而言，所述微型透镜结构可以配置为除了具有所述聚焦元件和所述透明孔的所述前侧之外的部分都具有光吸收性。例如这可以通过向所述微型透镜结构上的应为吸光材料的表面部分施加深颜色来实现。也可以通过将后侧表面粗糙化来实现不透明。另一个解决方案是使所述后侧表面至少一部分具有反射性，例如通过用至少部分具有反射性的材料覆盖后侧表面的至少一部分。

在优选具体实施例中，本公开的所述光学传感器配置为使得指纹光聚焦至所述传感器阵列并成像，即各个微型透镜都可以配置为将指纹光聚焦和/或成像至所述传感器阵列上的对应像素。因此，所述微型透镜结构可以配置为使得各聚焦元件能够将指纹光聚拢穿过对应的透明孔，所述透明孔位于所述微型透镜结构的后侧。例如聚焦可以通过提供至少一部分或全部是球形表面的所述聚焦元件来实现。

在优选具体实施例中，所述微型透镜结构中的单个微型透镜元件之间没有交界区域，优选地，所述微型透镜内部为透明材料制成的均匀固体块。如果各个微型透镜元件的侧表面(即连接所述前侧和所述后侧的表面)是不透明的使得所述非目标光不会被所述侧表面吸收，那么本公开的所述光学传感器的光学性质还能得到改善。但是，那将使微型透镜结构的制造更加复杂和昂贵。相反，可以通过可以经济地设计和制造的孔来控制光学性质。

如前文所述，所述传感器阵列可以为标准CCD传感器阵列。但是，由于在该设置中的标准传感器一般只实际用到有1/4到1/2(甚至可能是1/10到1/2)的像素数，此处所使用的所述传感器阵列可以配置为每个微型透镜仅包括一个像素。更少的像素使得所述传感器阵列的读取更加迅速，这使得指纹传感器更加高效。

一般将本公开的所述光学传感器光学设计为与预定显示面板匹配，其中触摸表面至所述微型透镜结构的距离对所述微型透镜结构和所述传感器阵列的设计制造了光学限制。在使用现有的标准传感器阵列时，像素尺寸是预定的，这导致了另一个光学限制。而使用定制传感器阵列时，所述像素尺寸可以是光学设计空间的一部分。

在另一个具体实施例中，本公开的所述光学传感器包括至少一个光学滤波器。此类光学滤波器可以为滤色器，可以将所述滤色器配置为过滤预定波长范围的光，例如非目标背景光。过滤器也可以配置为使得仅允许光源的波长范围通过。举例而言，如果使用红外光源，所述滤色器可以配置为仅透射红外光。OLED显示面板一般使用具有三种不同波长范围的光。所述滤色器可以配置为仅透射这些波长范围中的一种或两种。例如滤波器可以设置在所述微型透镜结构的后侧与所述传感器阵列之间，例如图1A-C和图12-19所例举的刚好在所述传感器阵列的前方。

本公开的所述光学传感器可以配置为来自发光显示面板(例如电子装置的显示面板)的光，例如通过使用一般为显示面板一部分的OLED光源。但是，OLED一般同时向上朝向显示屏表面和向下朝向指纹传感器发光。因此，这不是一种优选的方案，因为必须将向下的OLED光与来自指纹的反射光区分开。因此，优选的方案提供至少一个(单独)光源用于透射光，使得光从指纹所在的触摸表面透射出去。优选地，可以将所述光源配置为发射红外光(例如约700-900nm或800-900nm)或/及绿色光。但是，其它波长范围也是可能的。所述光源可以为至少一个激光源或LED，所述激光源或LED可以经济且紧凑。存在许多将一个或多个光源集成的方案，使得光从触摸表面透射出去。附图列举了各种实施例。优选的方案是图25所示的分布在所述传感器阵列周围的四个光源。所述光源也可以集成于所述传感器阵列中。所述光源甚至可以集成于所述传感器阵列的各个像素中，所述各个像素与所述微型透镜结构的孔在光学上相对应。这是一种确保同轴照明的方式。所述光源还可以集成为使得所述显示面板上的保护玻璃作为分配光的波导介质，如图22-23所示。

在优选具体实施例中，所述微型透镜结构在聚合材料(例如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或聚碳酸酯PC)中制造，优选地通过注塑或膜压来制造。所述微型透镜结构可以以大型单元制造，每个单元都包括多个微型透镜结构。用于光学传感器的单个所述微型透镜结构可以通过将所述大型单元切割为较小的结构来获取。

可以通过将所述微型透镜结构的后侧除了孔之外的部分涂为吸收色，从而形成所述透明孔，优选地所述吸收色为深色，如黑色。涂料可以通过在所述微型透镜结构上印刷来实现，例如结合遮罩。所述透明孔可以为任意几何形状，但是出于光学成像的原因，优选的是圆形孔。优选地，所述透明孔的面积可以小于800μm²，更优选的小于400μm²，更优选的小于200μm²，最优选的小于或约为100μm²，即孔为圆柱形。

所述透明孔也可以通过使所述微型透镜结构的至少一部分后侧具有至少部分反射性来实现，例如全反射或部分反射部分吸收。这可以通过如图15B所示的向所述微型透镜结构的所述后侧附着反射材料来实现，图15B中所述反射材料已经附着至所述微型透镜结构的所述后侧，即位于所述微型透镜结构下方，在反射材料元件之间形成所述透明孔。该解决方案的优点是入射在反射性的所述后侧上的光可以反射回显示面板，从而用于照明物体，例如显示面板上的指纹。即由于所述微型透镜结构的吸收，浪费的光子更少，而是重新用于照明，从而提高了光源的利用率并改善了装置的效率。

在根据本公开的一个具体实施例中，所述微型透镜结构的反射性后侧通过金属(如金属箔，例如铝箔)来实现，所述金属可以附着于所述微型透镜结构的后侧。所述透明孔可以通过在金属箔中切割和/或冲压孔洞来实现，从而实现与所述微型透镜结构的单个微型透镜在光学上相对应。

在本公开的所述光学传感器的一个具体实施例中，所述微型透镜结构前侧和后侧的距离小于400μm，更优选的小于300μm，更优选的小于200μm，更有选的小于100μm，更优选的小于75μm，更优选的小于60μm，最优选的小于55μm。所述微型透镜结构的所述聚焦元件(即微型透镜)的直径小于100μm，更优选的小于50μm，更优选的小于30μm,，最优选的小于或约为25μm。单个所述聚焦元件可以配置为后焦距小于30μm，更优选的小于20μm，更优选的小于15μm，最优选的小于或约为10μm。因此，所述微型透镜结构在所述传感器阵列中的面积可以因此小于400mm²，更优选的小于200mm²，最优选的小于或约为100mm²。

在本公开的所述光学传感器的一个具体实施例中，所述传感器阵列用胶粘至所述微型透镜结构。为了进一步改善本公开的所述光学传感器的光学性质，所述传感器阵列可以与所述微型透镜结构的所述后侧间隔开，如附图中的许多张所示。这种间隔可以通过胶来实现。所述微型透镜结构与所述传感器阵列之间的这种附着方式可以设置为使得所述微型透镜结构与所述传感器阵列之间的交界区域为空气或是为透明胶。举例而言，所述传感器阵列与所述微型透镜结构的所述后侧间隔预定距离安装，例如预定距离为5-30μm，优选的为10-15μm。该距离通常对应于所述聚焦元件的后焦距。该间隔确保非目标光中透射过透明孔的部分，即入射角稍大于预定角的进入光，不会到达目标像素。

本公开的所述光学传感器的总高度可以为小于500μm，更优选的小于300μm，更优选的小于200μm，更优选的小于150μm，最优选的小于100μm。

所述光学传感器可以大致为正方形或矩形。但是，大体细长的具体实施例也是可选项，这使得传感器变为行扫描仪。

一个实施例涉及一种用于获取图像的光学传感器(系统)，所述光学传感器包括微型透镜结构和传感器阵列，所述微型透镜结构包括具有光聚焦元件阵列的前侧和挡光层，所述挡光层具有与所述聚焦元件对准的光学透明孔阵列；所述传感器阵列设置在所述挡光层下方，其中将所述微型透镜结构配置为将来自所述微型透镜结构上方的光信号会聚到孔，所述光信号经由所述孔传输到所述传感器阵列。优选地，所述微型透镜结构的焦点对应于所述孔。优选地，所述孔可以是圆柱形的。优选地，所述微型透镜结构中的微型透镜的数量不少于121。

孔阵列厚度

在本公开的另一个实施例中，所述孔沿垂直于孔主平面的轴线具有显著的厚度，例如至少3μm，更优选的至少6μm，甚至更优选的至少9μm，甚至为了形成细长孔(例如圆柱孔)，更优选的至少12μm，最优选的至少15μm。微型透镜结构的所述细长孔的厚度可能对孔滤出具有大入射角的非目标光的能力具有重大影响。所述微型透镜结构的后侧非透光部分可以具有与透光孔/光学透明孔相似的厚度，所述非透光部分用于形成孔。另外，不透明的(不透光的)部分可以以基本三维构型应用，以形成沿垂直于所述传感器阵列的轴线方向的具有较大厚度的细长孔，例如至少3μm，更优选的至少6μm，甚至更优选的至少9μm，甚至更优选的至少12μ，最优选的至少15μm。细长孔具有较大厚度可减小入射角，在所述入射角处，光可通过该孔而不会被非透光部分(例如，不透光涂料)阻挡/吸收。所述细长孔的显著厚度，例如至少3μm，更优选的至少6μm，甚至更优选的至少9μm，甚至甚至更优选的至少12μm，最优选的至少15μm，会导致不需要在所述孔和所述传感器阵列之间留出空间。这样，具有大入射角的指纹光可能会被所述孔阻挡或吸收。细长孔如图28和29中所示。

微型透镜，孔以及传感器阵列之间的空间

在本公开的另一实施例中，提供了用于使所述传感器阵列与所述孔阵列电绝缘的方法。绝缘的方法可以包括在所述传感器阵列和所述孔阵列之间使用层，其中所述层可以由间隙(例如气隙)或由基本上是绝缘体的材料组成。通过结合绝缘层，可以利用导电材料制造所述微型透镜结构的所述孔阵列，所述孔阵列面对包含光电像素的所述传感器阵列，而无需冒导致所述传感器阵列的输出信号失真的风险，例如包括噪声增加，甚至组件短路。优选地，所述孔包括一个滤光器或多个滤光器，例如对应每个微型透镜一个(滤波器)，所述滤波器配置为滤出预定波长范围的光，例如不期望的背景光。所述滤波器还可以配置为仅允许一定波长范围的光通过。所述滤波器可以设置在与所述微型透镜结构的所述孔相同的层中。所述滤波层可以进一步包括用于每个微型透镜的单个滤波器，使得每个滤波器被不透光涂料包围。以这种方式，滤波器可以构成孔或形成孔的一部分。例如，所述微型透镜结构的每个孔可以包括滤波器。

在另一个实施例中，所述孔阵列可以与所述传感器阵列接触，但是在另一个实施例中，所述孔阵列可以与所述传感器阵列有间隙地相邻放置。传感器装置的各部分之间不存在空间可有助于装置的量产。

在本公开的另一个实施例中，所述孔与微型透镜层接触。备选地，所述孔可以不与所述微型透镜层接触，从而在所述微型透镜阵列和所述孔之间存在间隙。

制作与所述微型透镜对齐的孔

在本公开的另一个实施例中，提供了一种用于制造具有对准的孔的微型透镜结构的方法。优选地，制造方法依赖于光敏材料的使用，将所述光敏材料施加到所述微型透镜结构的后侧。光敏材料可以是在接收光时改变性质的任何材料，使得在制造所述微型透镜结构之后的最终结果是，被光照的光敏材料的区域和未接收到光的区域对于入射光具有不同的透射率。这样，所述光敏材料可以是光聚合物，例如正光聚合物，其中在适当的显影剂中的溶解度通过施加光(例如UV光)而改变。优选地，所述制造方法依赖于由所述微型透镜结构接收和反射的光，其中由每个微型透镜或微型透镜阵列接收的光在光敏材料上聚焦到单个点，所述光敏材料位于所述微型透镜结构的后侧上。优选地，辐射光敏材料的光在所述微型透镜的焦点处以引起所述材料变化，其中，如果使用光敏聚合物，则可以形成与所述微型透镜结构的微型透镜精确对准的透明孔。本领域技术人员可以认识到，可以有多种光聚合物，波长和剂量要求的组合，以获得具有对齐的透明孔的微型透镜结构。

在优选的实施例中，光敏聚合物对于来自物体的反射光是不透射的(例如不透明的)。在另一个实施例中，在用第二种材料(例如金属)涂覆所述微型透镜结构的后侧之后，可以将所述光敏聚合物用作牺牲层。用于制造孔的光可以是，但不必须是准直光和/或相干光，并且可以由单个波长组成，或可以由包含宽光谱范围。在制造过程的优选实施例中，使用了大致准直的光，使穿过所述微型透镜结构的微型透镜的入射光聚焦到较窄小的斑点上。所使用的所述光敏材料(例如光敏聚合物)的厚度由沿着垂直于微型透镜结构轴向的孔的长度决定。优选地，制造过程不需要光掩模，但对此不做限定。接收指纹光的所述微型透镜结构的前端完全由微型透镜组成。例如所述微型透镜结构的表面全部由多个凸结构组成，所有入射光都可以聚焦到透镜的焦点。从而可以入射光同时照射整个微型透镜结构。在另一个实施例中，准直光可以具有非零入射角，以便能够调节最终孔的尺寸和形状。此外，所述准直光可以是线或面的形式。在另一个实施例中，在所述微型透镜阵列和所述光敏材料之间存在一层空气，聚合物，玻璃或其他绝缘材料。在制造期间使用至少一个光源，也可以使用多个光源，并且它们可以进一步具有相同或不同的波长。图30示出了使用准直光在覆盖有光敏材料的微型透镜结构的后侧中产生孔的示例。

在另一实施例中，所述制造方法依赖于将对激光烧蚀敏感的材料施加到所述微型透镜结构的后侧；优选地，所述材料不透射从物体返回的光。可以在施加所述材料之后，在所述微型透镜结构的前侧照射激光，以使所述微型透镜结构的所述微型透镜将激光聚焦在所述非透射材料上，从而在所述材料内形成孔。本领域技术人员可以认识到，可以组合多种类型的激光源和光敏材料以便通过激光烧蚀形成孔。

透镜性能

如本申请所使用的，透镜(例如微型透镜)包括但不限于具有半球形，非球形，圆锥形，三角形，矩形，多边形或其组合的横截面结构的元件。所述横截面为垂直穿过所述透镜结构的中心的平面。

透镜可以具有使得其至少对于从物体返回的光基本上是透明的光学特性。此外，所述透镜的折射率可以高于1，优选的至少1.1，更优选的至少1.2，甚至更优选的至少1.25，最优选的至少高于1.25。优选地，准直的入射光被所述微型透镜聚焦到位于所述微型透镜的焦平面中的单个点。

在本公开的另一个实施例中，所述透镜是双凸透镜，例如线性透镜阵列和/或二维透镜阵列(例如密排六边形或任何其他二维阵列)。采用双凸透镜的微型透镜结构的孔可以是但不限于使用狭缝代替针状孔。在本公开的其他实施例中，所述孔具有其他形状，例如矩形，正方形，椭圆形或多边形。

实施例

图1A显示了本公开的所述微型透镜结构的示例性单个微型透镜和对应像素的剖面侧视图。位于所述微型透镜前侧的聚焦元件通过凸起前表面将光聚焦在所述像素上。凸起前表面在位于折射率小于自身的介质(如空气)中时发挥聚焦元件的功能。后侧的一部分被涂成不透明。未涂覆部分为透明孔。目标光穿过孔，然后到达作为光学检测器的像素。非目标光被涂料吸收，被滤波器过滤或到达像素之外区域。图1A中的所述微型透镜的前侧为球形，其曲率半径为24微米，而后侧为平面。所述微型透镜的长度为54微米，宽度和高度均为24微米。后焦距为13微米。后侧中心的透明孔为圆形，通过将后侧其它区域涂为不透明或变得粗糙而形成。对应像素的尺寸为8x8微米。前侧、后侧和像素的中心一一对应。换言之，它们是同轴的。所述微型透镜设计工作于空气环境，例如，所述微型透镜的前侧与后侧的界面区域应当为空气。像素前方的滤波器用于例如允许具有信号波长的光通过来过滤具有非目标波长的光。合适的滤波器可以显著减少背景光。

对指纹敏感区域的尺寸取决于实际需要。由图1A所示的微型透镜和像素组成的417x417阵列可以提供10mmx10mm对指纹敏感的区域。

在另一个实施例中，所述微型透镜的前侧是球形，其曲率半径为50微米，而后侧为平面。所述微型透镜的长度为100微米，宽度和高度均为50微米。后焦距为20微米。后侧中心的(即同轴的)透明孔为圆形，直径为20微米。对应像素的尺寸为15x15微米。所述微型透镜设计用于空气环境。

图1B显示了本公开的所述微型透镜结构的示例性单个微型透镜及对应像素的剖面侧视图。微型透镜前侧的凹陷聚焦元件将光聚焦于像素上。凹陷前表面在折射率高于自身材料的介质中时发挥聚焦元件的功能。

图1C显示了本公开的所述微型透镜结构的示例性单个微型透镜及对应像素的剖面侧视图。微型透镜前侧的聚焦元件将光聚焦于像素上。所述微型透镜的前侧是凸起的，而微型透镜的后侧是非平面，它弯曲以辅助聚焦光。这样可以实现后焦距调整、像差校正等。

图1D显示了利用一种反射性材料来形成所述微型透镜后侧上的透明孔。在图例中，具有较大入射角的光入射在反射性材料上。光没有被吸收，而是被反射回显示面板从而提高指纹的亮度，即指纹被原始光源以及微型透镜反射性后侧反射的光照亮。

图2显示了局部微型透镜阵列结构的剖面图，包括阵列中毗连的十一个微型透镜。单个微型透镜为水平放置，所述微型透镜之间不需要做光学隔离，，这降低了制造成本。这与现有技术中的光学通道方案是相反的，在现有技术方案中相邻通道之间的光学隔离是必要的。

图3是图1A所示的微型透镜+像素的立体图例。透明侧表面已被注明。

图4显示了利用多个图3的微型透镜阵列置于像素阵列前方形成微型透镜结构的立体图例。因为实用的实施例一般包括数以千计的微型透镜，图示的121个微型透镜的阵列仅仅是实际微型透镜结构非常小的部分。

图5显示了所述微型透镜阵列前侧的另一个立体图例。图5的实施例显示了圆形的前侧，但是其它选择例如六角形、三角形等都是可以的。

图6显示了图5所述的微型透镜阵列的后侧。圆圈代表透明孔。后侧的其余部分是不透明或粗糙的，这使得非目标光被吸收。孔的形状可以为正方形、六角形、其它正多边形，但是圆形是最优选的。由于相邻微型透镜之间没有光学隔离，透明孔对于过滤/吸收非目标光而言是很重要的。

图7显示了与图5-6所示的微型透镜阵列对应的像素阵列的实施例。黑色正方形代表所用的像素。每个正方形代表一个有效像素。单个像素的形状也可以不同，像素的尺寸是光学设计的一部分。有效像素可以为一个像素或多个像素，例如CCD像素、CMOS像素和发光二极管。可以通过软件来控制将数个(相邻)像素组装为传感器阵列中的一个有效像素。

图8显示了对应微型透镜、透明孔和像素之间关系的图例。在这种情况下，单个微型透镜是正方形。孔是圆形，面积小很多。像素是与孔直径相对应的正方形。图示的正方形微型透镜设置充分利用了微型透镜阵列的前侧。它尽可能多地收集了光，因此相比于现有技术中的光学指纹传感器大大改善了透光率。

图9显示了微型透镜结构中的微型透镜的另一种设置，其中所述微型透镜成六角形配置。相较于图8所示的正方形设置，六角形设置一般具有较低的透光率，这是因为所述微型透镜的间隔设置在空间利用率上要低。

图10显示了手机/智能手机的轮廓，其中示意性的显示了位于手机显示屏下方的指纹传感器。只要手机具有透明的显示屏，本公开的所述光学传感器和所述指纹传感器就可以被安装在显示屏下方的任何位置。

图11显示了图10的设置的剖面侧视图，其中作为手机用户触摸界面的保护玻璃位于OLED显示屏的上方。指纹传感器位于OLED显示屏的下方。图11中的尺寸并不代表现实的实际尺寸，因为本公开的所述指纹传感器一般要比显示面板+保护玻璃薄得多。

图12显示了本公开的所述光学传感器的一个具体实施例的图例。来自指纹、入射角为0度的反射光被微型透镜聚焦至对应的像素。在它到达微型透镜阵列之前，反射光穿过保护玻璃和透明或半透明显示面板。在其他方法中，本公开的所述光学传感器和图像识别装置可以被安装在其它透明或半透明材料下方。

图13对应于图12，但是反射光的入射角现在为6度。结果是部分光由所述微型透镜聚焦并透射穿过微型透镜结构的后侧，但是由于所述传感器阵列与所述微型透镜结构后侧之间的间隔，入射角较大的聚焦光并未到达目标像素，即入射角较大的非目标光没有被检测到。

图14对应于图12但是反射光的入射角现在为13度。结果是光经所述微型透镜聚焦但是被所述微型透镜结构后侧位于透明孔之外的不透明区域吸收，即入射角较大的非目标光没有被检测到。

图15A是图12-14的组合，其显示了入射角分别为0度、6度、13度的指纹反射光。所使用的光源为OLED显示屏。OLED对本公开的所述指纹传感器而言是常规光源。它可以发出足够强的光，通过适当的控制，它可以提供均匀的照明。但是OLED也提供了大量背景光。另外，所述OLED显示屏发射可见光。因此，环境光也变成了像素的背景光。这是红外光源为什么是优选的原因之一。

图15B显示了如何利用反射材料以替代图15A所示的微型透镜结构的吸光后侧表面。结果是光可以被反射回指纹从而增加指纹的亮度，而不是让所述微型透镜结构的后侧吸收光。

图16是图15A的放大图，其显示了光透射通过所述微型透镜和所述孔。入射角为0度的光被聚焦至像素，入射角为6度的光由所述微型透镜聚焦并透射穿过孔，但是由于所述微型透镜后侧与传感器阵列之间的间隔未能到达目标像素。入射角为13度的光由所述微型透镜聚焦但是被所述微型透镜后侧的不透明部分所吸收。

图17是图12的放大图，其显示了入射角为0度的情况。

图18是图13的放大图，其显示了入射角为6度的情况。所述微型透镜后侧吸收部分聚焦光，另一部分聚焦光可以透射穿过孔但是未能到达目标像素，因此未被检测到。

图19是图14的放大图，其显示了入射角为13度的情况。

图20显示了入射角为30度的光入射在图2所示的微型透镜阵列上的波阵面。光被所述微型透镜聚焦，但之后被涂色的后侧表面所吸收。

图21显示了入射角为30度的光入射在图2所示的微型透镜阵列上的波阵面，但是由于没有孔，整个后表面都是透明的。然后光由所述微型透镜聚焦并透射至临近像素，即入射角较大的非目标光透射至传感器阵列。该实施例图示了不透明后侧中透明孔的重要性，即它们辅助确保仅有目标光透射至传感器阵列。

图22显示了红外LED作为所述指纹传感器的光源被安装在微型透镜结构+传感器阵列旁的示例性配置。所述红外LED可以配置为对指纹敏感的触摸区域照明。所述红外LED在特定光学结构中具有大发散角。光可以被保护玻璃引导并因此适当分布，使得有足够的光用于指纹检测。

图23显示了靠近显示面板+保护玻璃一角或一侧安装的红外LED的实施例。利用反射器件对红外LED的光反射以到达保护玻璃。在该实施例中，所述红外LED与所述指纹传感器间隔安装，而所述保护玻璃作为红外光的波导介质。

图24是单个微型透镜的剖面侧视图，其中光源与像素集成以提供同轴照明，所述光源例如为微型LED。这就为指纹提供了最佳照明，但并不一定是经济的方案，因为这要求每个有效像素都有光源。在这种情况下，如果如图1D和15B所示的孔由反射性材料形成，那么朝向像素、由反射性材料制成的后侧应当被吸光材料覆盖。

图25显示了有四个红外LED光源安装在所述传感器阵列周围的实施例。这是优选的方案，可以为触摸敏感表面提供大量的均匀照明，并且该方案仍然很经济。

图26显示了集成在所述指纹传感器中的红外LED。这可以仅用一个光源就为触摸敏感表面提供良好的基本同轴的照明。但是，这将牺牲部分检测区域，因为光源所需的空间将占据传感器阵列的一部分。

图27显示了集成在单个像素中的微型LED，其可以提供图24已有所示的同轴照明。

图28示出了具有细长孔的微型透镜阵列的示意图。在这种情况下，所述孔沿垂直于所述微型透镜阵列结构主平面的方向伸长。图中示出了两个入射角分别为30°和0°的波阵图，其中入射角较大的波阵图由于被所述细长孔侧壁的不透明涂料阻挡而无法到达所述传感器阵列的像素。

图29示出了包括细长孔的微型透镜阵列的功能图示，其中不透明涂料构成了所述细长孔的侧壁。来自指纹的入射角为6°的反射光被所述细长孔中的涂料阻挡。图中还示出了用于分选不想要的波长的滤波器部分地位于所述细长孔内。

图30示出了用于制造与所述微型透镜对准的孔的示意图。通过在所述微型透镜阵列的后侧上施加光敏材料，然后通过穿过所述微型透镜的准直光照射所述材料，可以去除光敏材料以形成与微型透镜对准的孔。优选地，所述光敏材料的其余部分此后将构成不透明的涂料，可以遮挡从物体返回的不需要的光，即具有太大入射角的光。

进一步细节

本公开将结合以下各编号项在下文描述进一步细节。

1.放置于显示面板下方、用于对从位于显示面板上方的物体(如指纹)返回的光进行检测、成像的光学传感器，所述光学传感器包括：

-微型透镜结构，所述微型透镜结构具有前侧和后侧，所述前侧具有光聚焦元件阵列，所述后侧是不透明的，并具有与所述聚焦元件对齐的光学透明孔阵列；和

-光学检测器的传感器阵列，所述传感器阵列面对所述微型透镜结构的所述后侧；

其中将所述光学传感器配置为使得入射角小于或等于预定值的指纹光被所述微型透镜结构聚焦至所述传感器阵列，而入射角大于所述预定值的指纹光则不被检测到。

2.根据第1项所述的光学传感器，其中所述入射角的预定值为10度，更优选的为8度，更优选的为6度，最优选的为5度。

3.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜都是相同的。

4.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将所述微型透镜阵列配置使得所述聚焦元件中的每一个都与所述透明孔中的一个在光学上相对应。

5.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述光学传感器配置为使得指纹光在所述传感器阵列上成像。

6.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将各个微型透镜配置为将指纹光聚焦和/或成像至所述传感器阵列上的对应像素。

7.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将所述微型透镜结构配置为使得各个聚焦元件能够聚拢指纹光穿过对应的透明孔。

8.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中至少部分或所有聚焦元件都具有球形表面。

9.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将所述微型透镜结构配置为吸收入射角大于所述预定值的指纹光中的一部分。

10.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将所述微型透镜结构(的表面)配置为具有吸光性，但可透光的所述聚焦元件和所述透明孔除外。

11.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜阵列的所述后侧的不透明是通过光反射和/或光吸收来实现的。

12.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜结构配置为反射入射角大于所述预定值的指纹光中至少一部分，并优选地朝向所述微型透镜阵列的前侧。

13.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中反射性材料(如金属箔)附着于微型透镜结构的后侧以形成所述透明孔。

14.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中入射于所述微型透镜(内侧)的后侧上的光透射穿过所述透明孔或被所述反射性材料反射。

15.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中金属箔(例如铝箔)附着于所述微型透镜结构的后侧，使得所述微型透镜结构的后侧可朝向所述微型透镜结构的前侧反射。

16.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述透明孔通过金属箔上的孔洞来实现。

17.根据上述第15-16项中任一项所述的光学传感器，其中所述透明孔是通过在所述金属箔中切割和/或冲压孔洞来实现的。

18.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述传感器阵列对于每个微型透镜仅包括一个像素。

19.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中多个相邻像素成批组装，并且其中每批像素都配置作为一个有效像素。

20.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述传感器阵列为CCD、CMOS或发光二极管阵列。

21.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜结构前侧和后侧的距离小于400μm，更有选的小于100μm，更优选的小于75μm，更优选的小于60μm，最有选的小于55μm。

22.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述聚焦元件的直径小于100μm，更优选的小于30μm，最优选的小于或约为25μm。

23.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中将所述聚焦元件配置为所具有的后焦距小于30μm，更优选的小于15μm，最优选的小于或约为10μm。

24.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜结构中的所述孔的面积小于800μm 2，更优选的小于400μm 2，最优选的小于或约为100μm 2。

25.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述微型透镜结构的面积小于400mm 2，更优选的小于200mm 2，最优选的小于或约为100mm 2。

26.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述传感器阵列与所述微型透镜阵列的后侧间隔预定距离安装，使得所述传感器阵列与所述孔间隔开，例如预定距离为5-30μm，优选的为10-15μm。

27.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中所述传感器阵列胶粘至所述微型透镜结构。

28.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，所述光学传感器包括至少一个光学滤波器，将所述光学滤波器配置为滤除预定波长范围的光。

29.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，所述光学传感器进一步包括至少一个光源，所述至少一个光源用于朝向所述微型透镜结构的前侧发射光。

30.根据第29项所述的光学传感器，其中将所述光源配置为发射红外光。

31.根据第29项所述的光学传感器，其中将所述光源配置为发射绿色光。

32.根据第29-31项中任一项所述的光学传感器，其中所述至少一个光源为激光源或LED。

33.根据第29-32项中任一项所述的光学传感器，其中所述至少一个光源集成于所述传感器阵列中。

34.根据第29-33项中任一项所述的光学传感器，其中光源集成于所述传感器阵列的每个像素中，所述像素与所述微型透镜结构的孔在光学上相对应。

35.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，将所述光学传感器配置为利用来自发光显示面板的光。

36.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中以注塑方式由聚合材料制造所述微型透镜结构。

37.根据上述各项中任一项所述的光学传感器，其中以膜压方式制造所述微型透镜结构。

38.用于光学检测图像的图像识别装置，所述图像识别装置包括上述各项中任一项所述的光学传感器和用于处理来自所述传感器阵列的信号的处理单元。

39.根据第38项所述的图像识别装置，所述图像识别装置包括存储单元，所述存储单元用于存储图像数据。

40.用于光学检测指纹的电子装置，所述电子装置包括：

-显示面板，所述显示面板包括上透明层，所述上透明层形成于所述显示面板上方并作为供用户触摸的界面；

-根据上述第1-37项中任一项所述的光学传感器或根据第38-39项中任一项所述的图像识别装置。

41.根据第40项所述的电子装置，其中所述显示面板包括发光显示像素，其中将各像素配置为发射光以形成显示图像的一部分；并且其中配置所述上透明层从而使来自所述显示面板的光透射以显示图像。

42.用于检测来自显示面板顶部的指纹所返回的光的方法，所述方法包括以下步骤：

-通过位于所述显示面板下方的设置在微型透镜结构中的微型透镜将指纹光聚焦至光学检测器的传感器阵列并成像，其中在预定入射角范围内的指纹光被接收。

43.根据第42项所述的方法，其中所述预定入射角为10度，更优选的为8度，更优选的为6度，最优选的为5度。

Claims (20)

1.一种光学传感器系统，用于放置在显示面板下方，以检测和/或成像从位于显示面板上方的物体返回的光，其特征在于，所述光学传感器系统包括：

-微型透镜结构，所述微型透镜结构具有前侧和挡光层，所述前侧具有光聚焦元件阵列，所述挡光层具有与所述光聚焦元件对齐的光学透明孔阵列；和

-传感器阵列，所述传感器阵列面向所述微型透镜结构的后侧，

其中，所述光学传感器系统被配置为使得从物体返回的光可以被所述微型透镜结构通过所述孔聚焦到所述传感器阵列上。

2.根据权利要求1所述的光学传感器系统，其特征在于，所述光学传感器系统设置为将入射角小于或等于10度预定值的所述返回光通过微型透镜结构聚焦至所述传感器阵列，而入射角大于所述预定值的所述返回光不被接受。

3.根据权利要求2所述的光学传感器系统，其特征在于，所述入射角的预定值是5度。

4.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，各个聚焦元件设置为将返回的光聚焦和/或成像至所述传感器阵列的至少一个对应像素上。

5.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述微型透镜结构被配置为吸收返回的所述光中的至少一部分，所述光是指所述入射角大于所述预定值的光。

6.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述微型透镜结构被配置为反射返回的所述光中的至少一部分，所述光是指所述入射角大于所述预定值的光，优选的所述反射朝向所述微型透镜阵列的前侧。

7.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，反射性材料附着于所述微型透镜结构的后侧以形成所述透明孔，使得入射于所述微型透镜的后侧上的光或透射穿过所述透明孔或被所述反射性材料反射。

8.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，其中金属箔，例如铝箔，被附贴到微型透镜结构的后侧，使得微型透镜结构的后侧向微型透镜结构的前侧反射。

9.根据权利要求8所述的光学传感器系统，其特征在于，所述透明孔通过所述金属箔上的孔洞来实现。

10.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述传感器阵列对于每个聚焦元件仅包括一个像素。

11.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述传感器阵列的多个相邻像素被成组地组装，并且其中每组像素被配置为一个有效像素，例如使传感器阵列的每个聚焦元件仅包含一个有效像素。

12.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述微型透镜结构的前侧和后侧之间的距离小于100μm。

13.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述聚焦元件被配置为直径小于30μm。

14.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述聚焦元件被配置为后焦距小于15μm。

15.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述微型透镜结构中的所述孔的面积小于200μm²。

16.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述传感器阵列与所述微型透镜阵列的后侧间隔预定距离安装，使得所述传感器阵列与所述孔间隔开。

17.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述光学传感器系统还包括至少一个红外光源，所述红外光源用于朝着所述微型透镜结构的前侧发射光，从而使所述红外光可以入射到位于显示面板顶部的指纹。

18.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述光学传感器系统设为利用来自发光显示面板的光。

19.根据上述所有权利要求任一项所述的光学传感器系统，其特征在于，所述微型透镜结构通过聚合材料注塑成型或膜压制成。

20.一种图像识别设备，例如指纹传感器，其特征在于，包括根据上述所有权利要求中任一项所述的光学传感器系统，用于存储图像信息的存储单元以及用于处理来自所述传感器阵列的信号以便识别图像的处理单元。

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