CN112437892A - 角度滤光器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本描述涉及一种制造光学系统(20)的方法，该光学系统包括角度滤光器(22)，该角度滤光器包括第一和第二初级角度滤光器的堆叠。此方法包括通过第一初级角度滤光器暴露正性光敏树脂层(40)，以及去除所述层的暴露部分(46)以形成穿过所述层的孔(42)，被所述孔穿过的所述层形成第二初级角度滤光器。

Description

角度滤光器及其制造方法
本专利申请主张法国专利申请FR18/56709的优先权益，该申请在此纳入作为参考。
技术领域
本公开涉及角度滤光器及其制造方法。
背景技术
图像采集系统一般包括图像传感器和介于图像传感器的感光部分与待成像物体之间光学系统，该光学系统允许形成要在图像传感器的感光部分上成像的物体的清晰图像。该光学系统特别地包括多层透镜。
然而，在某些情况下，可能无法在图像传感器的感光部分与待成像物体之间放置这样的光学系统。当图像传感器占据较大的表面积(大于一平方厘米)，并且待成像物体与图像传感器的感光部分之间的距离小于一厘米时，情况尤其如此。
然后，必须将待成像物体放置在最靠近图像传感器的位置，以使在图像传感器的感光部分上形成的图像足够清晰。但是，物体与图像传感器之间可能存在一定距离，从而导致在图像传感器的感光部分上形成的图像的清晰度可能不足以用于某些应用，例如用于指纹的捕获。
为了在缺乏复杂光学系统的情况下增加由图像采集系统的图像传感器获取的图像的清晰度，可以用具有简单结构的光学系统覆盖图像传感器，该光学系统包括由具有穿孔的不透明膜形成的角度滤光器。但是，对于某些应用，为了实现正确的角度过滤，滤光器开口的长宽比，即膜厚度与每个开口的横向尺寸的比率应该大于1。
很难通过在工业规模中使用的有色材料(例如有色树脂)直接成型法实现这样的长宽比。
发明内容
实施例的目的是完全或部分地克服角度滤光器，以及先前描述的制造角度滤光器的方法的至少一部分缺点。
实施例的目的是一种制造包含开口的角度滤光器的方法，该角度滤光器能够使得开口深度与每个开口的横向尺寸的比率大于1。
实施例的另一目的是能够以工业规模实现角度滤光器制造方法。
为此，一个实施例提供了一种制造光学系统的方法，所述光学系统包括角度滤光器，所述角度滤光器包括第一和第二初级角度滤光器的堆叠，所述方法包括穿过所述第一初级角度滤光器暴露正性抗蚀剂的层，以及去除所述层的暴露部分以形成穿过所述层的孔，被所述孔穿过的所述层形成所述第二初级角度滤光器。
根据一个实施例，所述光学系统包括旨在接收第一辐射的表面，所述层对所述第一辐射不透明，所述角度滤光器被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射大于阈值的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射小于所述阈值的所述第一辐射的光线通过。
根据一个实施例，述曝光步骤包括穿过所述第一初级角度滤光器使所述层暴露于第二辐射，所述正性抗蚀剂对所述第二辐射光敏感。
根据一个实施例，所述第一辐射在可见光范围内和/或在红外光范围内。
根据一个实施例，每个第一和第二初级角度滤光器包括被孔穿过的层。
一个实施例还提供了一种光学系统，所述光学系统包括角度滤光器，所述角度滤光器包括第一和第二初级角度滤光器的堆叠，所述第二初级角度滤光器包括正性抗蚀剂的层和穿过所述层的孔。
根据一个实施例，所述系统包括旨在接收第一辐射的表面，所述层对所述第一辐射不透明，所述角度滤光器被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射大于阈值的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射小于所述阈值的所述第一辐射的光线通过。
根据一个实施例，所述正性抗蚀剂对所述第二辐射光敏感。
根据一个实施例，所述系统包括插在所述第一初级角度滤光器与所述第二初级角度滤光器之间的对所述第一辐射至少部分地透明的附加层。
根据一个实施例，对于每个孔，垂直于所述表面测量的所述第一初级角度滤光器、所述附加层和所述第二初级角度滤光器的厚度之和与平行于所述表面测量的所述孔的宽度之比优选地在1至10之间变化。
根据一个实施例，所述孔以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距在1μm至100μm之间变化。
根据一个实施例，沿着与所述表面正交的方向测量的每个孔的高度在1μm至50μm之间变化。
根据一个实施例，平行于所述表面测量的每个孔的宽度在1μm至100μm之间变化。
附图说明
在下面的具体实施方式的描述中，将参考附图，以说明而非限制的方式详细描述了上述特征和优点以及其他特征和优点，其中：
图1是示出包括角度滤光器的图像采集系统的实施例的局部简化截面图；
图2是图1所示的角度滤光器的截面图；
图3是在制造图1和图2所示的角度滤光器的方法的一个实施例的一个步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图4是在制造图1和图2所示的角度滤光器的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图5是在制造图1和图2所示的角度滤光器的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；
图6是在制造图1和图2所示的角度滤光器的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图；以及
图7是在制造图1和图2所示的角度滤光器的方法的一个实施例的另一步骤中获得的结构的局部简化截面图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的特征已经用相同的参考标号表示，特别地，各个实施例中的公共结构和/或功能特征可以具有相同的参考标号，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料特性。
为清楚起见，仅示出并详细描述了对理解本文描述的实施例有用的那些步骤和元件。特别地，图像传感器的结构是本领域技术人员公知的，下文不再赘述。
在以下描述中，当提及诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等之类的限定绝对位置的术语，或诸如术语“上方”、“下方”、“上部”、“下部”等之类的限定相对位置的术语时，或者当提及诸如术语“水平”、“垂直”等之类的限定方向的术语时，除非另有所指，否则指的是图形的取向或者指的是处于正常使用位置的光学系统。
除非另有所指，否则“大概”、“近似”、“基本上”和“大约”等表达指示在10％之内，优选地在5％之内。
在以下描述中，当穿过层或膜的辐射的透射率小于10％时，则认为该层或膜对辐射不透明。在以下描述中，当穿过层或膜的辐射的透射率大于10％时，则认为该层或膜对辐射透明。
图1和图2是沿着接收辐射6的图像采集系统5的一个实施例的垂直横截面的局部简化截面图。在图1中，图像采集系统5从底部到顶部包括：
-图像传感器10，其具有上表面15；以及
-光学系统20，其覆盖表面15。
图像传感器10包括支撑件12和布置在支撑件12与光学系统20之间的光子传感器14(也称为光电探测器)的阵列。光电探测器14可被未示出的透明保护涂层覆盖。图像传感器10还包括导电迹线和允许选择光电探测器14的未示出的开关元件，特别是晶体管。光电探测器14可以由有机材料制成。光电探测器14可以对应于有机光电二极管(OPD)或有机光敏电阻。与光学系统20相对并且包含光电探测器14的图像传感器10的表面积大于1cm2，优选地大于5cm2，更优选地大于10cm2，特别地大于20cm2。图像传感器10的上表面15可以是基本平坦的。
根据一个实施例，每个光电探测器14能够检测400nm至1100nm的波长范围内的电磁辐射。所有光电探测器14能够检测相同波长范围内的电磁辐射。作为变型，光电探测器14能够检测不同波长范围内的电磁辐射。
在图1中，光学系统20从底部到顶部包括：
-角度滤光器22；以及
-涂层24，其覆盖角度滤光器22并且包括上表面26。
图像采集系统5还包括未示出的装置，用于处理由例如包括微处理器的图像传感器10输出的信号。
覆盖图像传感器10的角度滤光器22能够根据辐射相对于上表面26的入射来过滤入射辐射，特别是使得每个光电探测器14仅接收符合以下条件的光线：即，其相对于上表面26的垂直轴的入射小于最大入射角，小于45°，优选地小于30°，更优选地小于20°，还更优选地小于10°。角度滤光器22能够阻挡其相对于上表面26的垂直轴的入射大于最大入射角的入射辐射光线。
在本实施例中，角度滤光器22包括由中间层35隔开的两个不透明层30、40。不透明层30被孔32穿过，不透明层40被孔42穿过。图2的横截面位于位于角度滤光器22的不透明层40的水平处。每个层30、40对光电探测器14检测到的辐射不透明，例如吸收和/或反射光电探测器14检测到的辐射。在一个实施例中，每个层30、40在可见光范围和/或近红外光和/或红外光范围内吸收。在下文中，层30的厚度称为“h1”，层40的厚度称为“h2”，中间层35的厚度称为“H”。不透明层30、40的厚度“h1”和“h2”可以相同或不同。
根据一个实施例，孔32的数量等于孔42的数量。每个孔32具有一个与之关联的孔42。根据一个实施例，每个孔32沿着给定方向(优选地垂直于表面26)与其中一个孔42对准。在图2中，孔42被示出为具有圆形横截面。通常，在俯视图中，孔32和孔42的横截面可以是圆形、椭圆形或多边形，例如三角形、正方形或矩形。根据一个实施例，每个孔32的横截面与它所对准的孔42的横截面相同。此外，在图1中，孔32、42被示出为在不透明层30、40的整个厚度上具有恒定的横截面。但是，每个孔32、42的横截面可以在不透明层30、40的整个厚度上变化。
根据一个实施例，孔32以行和列布置，孔42以行和列布置。孔32可以具有基本相同的尺寸，孔42可以具有基本相同的尺寸。沿着行或列的方向测量的孔32或42的宽度称为“w”。在孔具有圆形横截面的情况下，宽度w对应于的孔32、42的直径。根据一个实施例，孔32和42沿着行和列规则地布置。孔32或42的间距，即俯视图中一行或一列中的两个连续孔32或42的中心之间的距离称为“p”。孔32或42可以全部具有相同的宽度w。作为变型，孔32和42可以具有不同的宽度w。根据一个实施例，孔32的宽度w基本等于孔42的宽度。根据一个实施例，孔32的间距p基本等于孔42的间距p。
包含孔32的层30形成第一初级角度滤光器F1，包含孔42的层40形成第二初级角度滤光器F2。第一初级角度滤光器F1的孔32的纵横比等于h1/w，第二初级角度滤光器F2的孔42的纵横比等于h2/w。通过中间插入有中间层35的第一和第二初级角度滤光器F1和F2的堆叠而获得的结构等同于其孔的纵横比等于(h1+h2+H)/w的普通角度滤光器22。因此，角度滤光器22仅允许其相对于上表面26的入射小于最大入射角α的入射辐射光线通过，该入射角由以下关系(1)定义：
tanα＝w(h1+h2+H) (1)
根据一个实施例，光电探测器14可以以行和列分布。根据一个实施例，孔42的间距p小于图像传感器10的光电探测器14的间距。在这种情况下，多个孔42可以位于光电探测器14的对面。根据一个实施例，孔42的间距p等于图像传感器10的光电探测器14的间距。角度滤光器22然后优选地与图像传感器10对准，使得每个孔42位于光电探测器14的对面。根据一个实施例，孔42的间距p大于图像传感器10的光电探测器14的间距。在这种情况下，多个光电探测器14可以位于相同的孔42的对面。
比率(h1+h2+H)/w可以在1至10之间变化，甚至大于10。间距p可以在1μm至100μm之间变化，例如大约等于15μm。高度h1+H+h2可以在1μm至1mm之间，优选地在10μm至100μm之间变化。每个高度h1或h2可以在1μm至50μm之间变化。每个高度H可以在1μm至100μm之间变化。宽度w可以在1μm至100μm之间变化，例如大约等于10μm。
根据一个实施例，每个不透明层30、40完全由至少吸收要被角度过滤的波长的材料制成。根据一个实施例，不透明层30和40中的至少一个由正性抗蚀剂制成。即对于该抗蚀剂，抗蚀剂层的暴露于辐射的部分变得可溶于显影剂，而抗蚀剂层的未暴露于辐射的部分保持不溶于显影剂。不透明层30和40中的至少一个可以由有色树脂制成，例如有色或黑色的DNQ-Novolack树脂或DUV(深紫外)抗蚀剂。DNQ-Novolack树脂基于重氮萘醌(DNQ)和线型酚醛清漆树脂(酚醛树脂)的混合物。DUV抗蚀剂可以包含基于聚羟基苯乙烯的聚合物。此外，根据一个示例，每个不透明层30和40可以由在可见光范围或可见光范围的一部分以及近红外光范围内吸收的黑色树脂制成。根据另一示例，在图像传感器10仅对给定颜色的光敏感的情况下，或者在图像传感器10对可见光敏感并且给定颜色的滤光器插在角度滤光器22与待检测物体之间的情况下，每个不透明层30和40还可以是吸收给定颜色的可见光(例如蓝光)的有色树脂。
孔32或42可以用空气或对光电探测器14检测到的辐射至少部分地透明的材料(例如聚二甲基硅氧烷(PDMS))填充。作为变型，孔32或42可以被具有部分吸收性的材料填充，从而在色度上滤出被角度滤光器22进行角度过滤的光线。角度滤光器22然后可以进一步起到有色滤光器的作用。这样允许相对于存在与角度滤光器22不同的有色滤光器的情况减小系统5的厚度。具有部分吸收性的填充材料可以是有色树脂或有色塑料，例如PDMS。
可以选择孔32的填充材料，以使其折射率与接触角度滤光器22的涂层24相匹配，或者使结构变硬并提高角度滤光器22的机械阻力。
根据另一实施例，对于第一初级角度滤光器F1，层30包括由对光电探测器14检测到的辐射至少部分地透明第一材料制成，并且覆盖有对光电探测器14检测到的辐射不透明(例如吸收和/或反射光电探测器14检测到的辐射)的涂层的芯。第一材料可以是树脂。第二材料可以是金属，例如铝(Al)或铬(Cr)；金属合金；或有机材料。
中间层35对光电探测器14捕获的辐射至少部分地透明。中间层35可以由透明聚合物制成，特别是由聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、环烯烃聚合物(COP)制成。层35也可以由有色材料制成，以过滤一部分可见光谱和/或红外光谱。
涂层24对光电探测器14捕获的辐射至少部分地透明。涂层24可以是树脂、旨在使表面变硬的硬涂层，或者是能够将滤光器20与上层组装在一起的光学透明粘合剂(OCA)。涂层24的厚度可以在0.1μm至10mm的范围内。上表面26可以是基本上平坦的。
根据一个实施例，系统5可以进一步包括覆盖角度滤光器22的微透镜阵列，例如插在角度滤光器22与涂层24之间。
图3至图7是在制造图1和图2所示的光学系统20的方法的一个实施例的连续步骤中获得的结构的局部简化截面图。
图3示出了在中间层34上形成第一初级角度滤光器F1之后获得的结构。作为变型，可以在不同于中间层34的支撑件上形成第一初级角度滤光器F1，然后将第一初级角度滤光器F1转印到中间层35。
当层30完全由不透明材料制成时，制造第一初级角度滤光器F1的方法的一个实施例包括以下步骤：
-在中间层35上沉积厚度为h1的不透明树脂层30；
-通过光刻在树脂层30中印刷孔42的图案；以及
-对树脂层进行显影以形成孔42。
当层30完全由不透明材料制成时，制造第一初级角度滤光器F1的方法的另一实施例包括以下步骤：
-通过光刻步骤形成形状与孔32的期望形状互补的模具；
-用形成孔30的材料填充模具；以及
-从模具中去除所获得的结构。
当层30完全由不透明材料制成时，制造第一初级角度滤光器F1的方法的另一实施例包括对厚度为h1的不透明膜(例如PDMS、PMMA、PEC、COP膜)进行穿孔。可以通过使用例如包括微型针的微穿孔工具来执行穿孔，以获得孔32的尺寸和所需孔32的间距。
当第一初级角度滤光器F1包括由对光电探测器14检测到的辐射至少部分地透明第一材料制成，并且覆盖有对光电探测器14检测到的辐射不透明的涂层的芯时，制造第一初级角度滤光器F1的方法的一个实施例包括以下步骤：
-例如通过旋涂或通过狭缝挤压涂布在中间层35上沉积透明树脂层以形成层30的芯；
-通过光刻在树脂芯上印刷孔32的图案；
-对树脂芯进行显影以形成孔32；以及
-在透明树脂芯上形成涂层，其方法具体为例如通过蒸镀仅在透明树脂芯上，特别是在孔32的侧壁上选择性地沉积第二材料，或者在透明树脂芯上和在孔32底部的中间层35上沉积第二材料层，然后去除位于中间层35上的第二材料。
图4示出了在第一初级角度滤光器F1上形成涂层24之后获得的结构。根据一个实施例，涂层24的形成可以包括在第一初级角度滤光器F1上层压膜。在这种情况下，孔32可以预先填充有填充材料。作为变型，可以通过在第一初级角度滤光器F1上沉积形成涂层24的液体或粘性材料层来形成涂层24。液体层因此填充孔32。该层优选地执行自平坦化，即，它自动形成基本平坦的自由表面。然后固化该液体层以形成涂层24。这可以包括使形成涂层24的材料交联的步骤。
图5示出了在中间层24的与第一初级角度滤光器F1相对的一侧上形成不透明层40之后获得的结构。不透明层40可通过液体沉积，通过阴极溅射或通过蒸镀来沉积。特别地，可以使用诸如旋涂、喷涂、照相制版法、狭缝挤压涂布、刮涂、柔性版印刷或丝网印刷之类的方法。根据所实现的沉积方法，可以提供干燥沉积材料的步骤。
图6示出了在不透明层40的部分46在期望的孔42的位置处暴露于穿过第一初级角度滤光器F1的辐射44的步骤期间获得的结构。用于曝光不透明层40的辐射取决于所使用的的抗蚀剂。作为示例，辐射44是在DNQ-Novolack树脂的情况下具有大约在300nm至450nm范围内的波长的辐射或针对DUV抗蚀剂的紫外线辐射。不透明层40暴露于辐射44的持续时间具体取决于所使用的正性抗蚀剂的类型，并且足以使不透明层40的暴露部分46在不透明层40的整个厚度上延伸。
不透明层40的曝光通过第一初级角度滤光器F1进行。根据一个实施例，到达第一初级角度滤光器F1的入射辐射44是基本准直的辐射。优选地，辐射44相对于上表面26的倾斜度基本上对应于在图像采集系统5的正常使用期间由光电探测器14捕获的辐射6相对于上表面26形成的平均倾斜度。根据另一实施例，表面26暴露于辐射44的状况基本上对应于正常使用中辐射6照射表面26的状况，辐射44的倾斜度在整个表面26上可能是不均匀的。在这种情况下，暴露部分46的尺寸可以相对于彼此变化，并且每个暴露部分46与相关联的孔32之间的相对位置可以从一个孔32到另一孔变化。
图7示出了在不透明层40的显影步骤中获得的结构，该步骤导致在显影剂中溶解不透明层40的暴露于入射辐射44的部分46，从而形成孔42。这样便获得了第二初级角度滤光器F2。显影剂的组成取决于已使用的正性抗蚀剂的性质。
此方法可以包括后续步骤，其中包括用填充材料填充孔42，以及将以此方式获得的光学系统20粘合到图像传感器10。
有利地，通过形成孔42的方法自动实现孔32相对于微透镜42的对准。
已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些实施例的某些特征，并且本领域技术人员将容易想到其他变型。
最后，基于上文提供的功能指示，本文描述的实施例和变型的实际实现在本领域技术人员的能力之内。

Claims (13)

1.一种制造光学系统(20)的方法，所述光学系统包括角度滤光器(22)，所述角度滤光器包括第一和第二初级角度滤光器(F1、F2)的堆叠，所述方法包括穿过所述第一初级角度滤光器(F1)暴露正性抗蚀剂的层(40)，以及去除所述层的暴露部分(46)以形成穿过所述层的孔(42)，被所述孔穿过的所述层形成所述第二初级角度滤光器(F2)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光学系统包括旨在接收第一辐射(6)的表面(26)，所述层(40)对所述第一辐射(6)不透明，所述角度滤光器(22)被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射大于阈值的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射小于所述阈值的所述第一辐射的光线通过。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述曝光步骤包括穿过所述第一初级角度滤光器(F1)使所述层(40)暴露于第二辐射(44)，所述正性抗蚀剂对所述第二辐射光敏感。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中所述第一辐射(6)在可见光范围内和/或在红外光范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中每个第一和第二初级角度滤光器(F1、F2)包括被孔(32、42)穿过的层(30、40)。
6.一种光学系统(20)，包括角度滤光器(22)，所述角度滤光器(22)包括第一和第二初级角度滤光器(F1、F2)的堆叠，所述第二初级角度滤光器(F2)包括正性抗蚀剂的层(40)和穿过所述层的孔(42)。
7.根据权利要求6所述的系统，包括旨在接收第一辐射(6)的表面(26)，所述层(40)对所述第一辐射(6)不透明，所述角度滤光器(22)被配置为阻挡相对于与所述表面正交的方向的入射大于阈值的所述第一辐射的光线，以及允许相对于与所述表面正交的方向的入射小于所述阈值的所述第一辐射的光线通过。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述正性抗蚀剂对所述第二辐射(44)光敏感。
9.根据权利要求7或8所述的系统，包括插在所述第一初级角度滤光器(F1)与所述第二初级角度滤光器(F2)之间的对所述第一辐射(6)至少部分地透明的附加层(35)。
10.根据权利要求9所述的系统，其中对于每个孔(42)，垂直于所述表面(26)测量的所述第一初级角度滤光器(F1)、所述附加层(35)和所述第二初级角度滤光器(F2)的厚度之和与平行于所述表面测量的所述孔的宽度(w)之比优选地在1至10之间变化。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的系统，其中所述孔(42)以行和列布置，同一行或同一列的相邻孔之间的间距(p)在1μm至100μm之间变化。
12.根据权利要求7至11中任一项所述的系统，其中沿着与所述表面(35)正交的方向测量的每个孔(42)的高度(h1)在1μm至50μm之间变化。
13.根据权利要求7至12中任一项所述的系统，其中平行于所述表面(35)测量的每个孔(42)的宽度(w)在1μm至100μm之间变化。
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