CN113191181B - 用于显示屏下光学指纹感测的准直器 - Google Patents

用于显示屏下光学指纹感测的准直器 Download PDF

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Abstract

一种用于显示屏下指纹感测的准直器，包括(a)具有相对的第一侧和第二侧的衬底，(b)设置在第一侧上的微透镜阵列，用于将来自指纹表面的光聚焦到微透镜阵列和衬底的第二侧之间的焦平面上，使得由微透镜阵列投射的光在从衬底的第二侧射出时发散，以及(c)微透镜阵列和衬底之间的孔阵列，其中，每个孔与对应的一个微透镜对准并配合，以形成具有与指纹表面的各局部部分相对应的视场的视场受限透镜。

Description

用于显示屏下光学指纹感测的准直器
技术领域
本申请总体涉及准直器，更具体地，涉及用于显示屏下光学指纹感测的准直器。
背景技术
指纹感测正越来越普遍地成为用于授权的工具：(a)对诸如智能电话的电子设备的访问，(b)对机密电子记录的访问，以及(c)诸如在互联网上执行的金融交易的电子交易。指纹感测满足消费者对认证机制的需求，该认证机制消除了输入(及记住)PIN码或其它字母数字密码的需要，并且还消除了跟踪与不同设备和/或帐户相关联的多个不同PIN码/字母数字密码的需要。指纹感测是种公认的生物特征识别形式，并且光学指纹传感器已由例如执法机构使用了多年。
几种不同类型的指纹传感器已设计用于智能电话中。这些类型的指纹传感器中的每个都对手指成像以获得指纹。一些制造商提供超声成像器和其它电容传感器，但是光学指纹传感器正在新起成为智能电话中的流行指纹传感器类型。特别地，优选的实施方式是现使光学指纹传感器位于智能电话显示屏下方，以容纳最大可能的显示屏。这种显示屏下方的实施方式可以使用显示屏的光照射手指，然后光学指纹传感器通过显示屏对手指成像。
莫尔图案是在彼此重叠的两个(或更多)相似的规则图案之间的干涉图案，其中，两个图案相对于彼此稍有不同或未对准。例如，如果两个相同的规则图案彼此重叠，并且一个规则图案相对于另一个旋转，则导致莫尔图案。另一个常见示例可以在计算机屏幕的数字照片中看到，在这种情况下，(在成像到数字相机的像素阵列上时)莫尔图案由于(成像到数字相机的像素阵列上时)数字相机的像素阵列具有与计算机屏幕的像素阵列不同的像素到像素的间距而导致的。
发明内容
在实施例中，一种用于显示屏下指纹感测的准直器，包括：(a)具有相对的第一侧和第二侧的衬底，(b)设置在第一表面上的微透镜阵列，用于将来自指纹表面的光聚焦到微透镜阵列和衬底的第二侧之间的焦平面上，使得由微透镜阵列投射的光在从衬底的第二侧射出时发散，以及(c)微透镜阵列和衬底之间的孔阵列，其中，每个孔与对应的一个微透镜对准并配合，以形成具有与指纹表面的各局部部分相对应的视场的视场受限透镜。准直器可以包括在光学指纹成像器中，该光学指纹成像器还包括图像传感器，该图像传感器设置在衬底的第二侧上并包括用于捕获从衬底的第二侧射出的光的图像的光敏像素阵列。
在实施例中，一种用于制造光学指纹成像器的方法，包括：将准直器接合到图像传感器的光接收表面，使得图像传感器上的准直器的覆盖区在图像传感器的光敏像素阵列的至少一部分上，而图像传感器的多个电连接焊盘处于覆盖区之外，其中，准直器包括透镜阵列，每个透镜配置为收集来自指纹表面的各局部部分的光并将该光投射到图像传感器。
附图说明
图1示出了根据实施例的用于显示屏下光学指纹传感器的准直器。
图2示出了具有图像传感器和准直器的显示屏下指纹成像器，该准直器直接形成在图像传感器上并缺少图1的准直器的衬底。
图3示出了用于制造图2的指纹成像器的方法。
图4示出了根据实施例的用于制造图1的指纹成像器的方法。
图5更详细地示出了根据实施例的在接合到图1的图像传感器时的示例性场景中的图1的准直器。
图6、图7和图8示出了包括波长滤光片的准直器的各实施例。
图9示出了根据实施例的具有多层孔阵列的准直器。
图10示出了根据实施例的具有单层锥形孔阵列的准直器。
图11示出了根据实施例的准直器与图像传感器的像素阵列形成角度的指纹成像器。
图12示出了根据实施例的准直器与像素阵列相齐而准直器的微透镜阵列相对于像素阵列呈倾斜角度的指纹成像器。
图13示出了根据实施例的用于制造光学指纹成像器的方法。
图14示出了根据实施例的均匀准直器片材。
图15示出了根据实施例的非均匀准直器片材。
具体实施方式
图1示出了用于显示屏下光学指纹感测的一个准直器100的横截面视图。图1示出了在示例性使用场景中的准直器100。在这种情况下，准直器100安装在图像传感器150上以形成指纹成像器102。指纹成像器102位于设备104的显示屏160下方，使得指纹成像器102可以捕获位于指纹表面163上的手指190的指纹图像192。指纹表面163是位于指纹成像器102上方的显示屏160的顶表面的一部分。设备104可以是智能电话或平板电脑，并且显示屏160可以是主用户接口显示屏或专用指纹显示屏。图像传感器150是例如互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或薄膜(TFT)传感器阵列。
在操作中，显示屏160朝向指纹表面163发射光170以由手指190散射。在一个示例中，光170处于可见波长范围内。光170可以是由有机LED发射的绿光，因此波长范围大约处于480纳米到580纳米之间。或者，光170可以是青色的，并且包括波长范围大约处于430纳米到580纳米之间的光。准直器100收集光172的一部分，光172由手指190在指纹表面163处散射并通过显示屏160传输到准直器100。然后，准直器100将收集的光172投射到图像传感器150上。假设，作为准直器100的替代方式，指纹成像器102可以包括常规的成像透镜。然而，准直器100非常适合于近场成像并允许指纹成像器102放置于显示屏160附近，从而使用指纹成像器102作为显示屏下指纹成像器促使设备的紧凑性。例如，显示屏160可以具有的范围为1.0毫米到1.8毫米之间的厚度161，在这种情况下，准直器100允许以图像传感器150的光接收表面156距指纹表面163的距离大约小于2.0毫米，或甚至小于500微米，或甚至小于200微米的方式放置图像传感器150，而能够对大约与准直器100本身一样宽的指纹表面163的部分成像。应用可能需要指纹表面163的可成像区域如由宽度196所指示的处于0.5平方厘米到4平方厘米之间(与宽度196处于0.7厘米到2厘米之间对应)。常规的成像透镜将需要明显更大的工作距离来对该尺寸的区域成像，这可能与诸如智能电话和平板电脑的设备的空间限制不兼容。
指纹识别通常是基于指纹中的脊线纹理的映射。脊线到脊线的间隔194趋于200微米到800微米之间的范围内。然而，指纹识别通常依赖于脊线的合并和分割的映射，因此指纹成像通常要求指纹图像192具有300点每英寸(dpi)到500点每英寸(dpi)之间的分辨率，以充分地分辨用于识别的指纹的特征。
在图1中，显示屏160被描述为包括：衬底166、在衬底166面向指纹表面163的一侧上形成的有机发光二极管(LED)层164、形成指纹表面163的盖162、以及在衬底166面向指纹成像器102的一侧上的不透明背衬168。不透明背衬168在指纹成像器102上方形成透光孔。在不脱离本发明的范围的情况下，显示屏160可以具有与图1所描绘的结构不同的结构，并且例如包括诸如触摸屏功能的其它元件或附加元件。不论显示屏160的详细配置，显示屏160包括像素化图案阵列(有机LED层164是该像素化图案阵列的一个示例)。将由准直器100收集的光通过该像素化图案阵列传输，并且在由准直器100收集的光172上叠加轮廓图案。像素化图案阵列的间距(例如，如图1中的间距165所示)通常处于40微米到75微米之间的范围内。因此，由显示屏引起的其轮廓图案的空间频率足够高，以不直接干扰生成具有300dpi到500dpi的分辨率的指纹图像192的能力。
准直器100可以设置为独立组件，其配置为安装在图像传感器(例如，由第三方提供的)上以形成指纹成像器或另一种形式的近场成像器。类似地，指纹成像器102可以设置为独立组件，其配置为位于由第三方提供的显示屏下方，例如智能电话中或平板电脑中。
如下面将进一步详细讨论的，准直器100可以提供优于其它类型的准直器的某些优点。这些优点包括降低制造成本、光学抗混叠以及抑制指纹图像192中的莫尔图案。
准直器100包括：衬底110、微透镜阵列130、以及设置在微透镜阵列130和衬底110之间的孔阵列120。微透镜阵列130包括微透镜阵列132，该微透镜阵列132收集来自场景的光(例如，来自指纹表面163的光172)并将该光投射到图像传感器150上。孔阵列120将由每个微透镜132投射的光限制到窄视场(FOV)174，使得每个微透镜132只将来自指纹表面163的各局部区域的光投射到图像传感器150上。孔阵列120基本上校准每个微透镜132的FOV，以便赋予准直器100成像能力。尽管为了清楚起见未在图1中示出，但是准直器100可以包括配置为阻挡在指纹感测场景中作为环境光存在并由手指透射的近红外和其它红外光的波长滤光片。
图像传感器150可以包括在光接收表面156上的准直器100的覆盖区之外的电连接焊盘152。电连接焊盘152配置为容纳与图像传感器150外部的其它电子电路的电连接。在图1中未描绘的替代实施例中，图像传感器150包括硅通孔，且电连接焊盘形成在图像传感器150的背离准直器100的底侧上。
图2示出了具有图像传感器250和准直器200的显示屏下指纹成像器202，以及准直器200直接形成在图像传感器250上并缺少衬底110。准直器200包括微透镜232的微透镜阵列230以及形成孔222的孔阵列220。每个孔222与对应的一个微透镜232中的光轴238对准，使得每个微透镜将来自由FOV角276表征的窄FOV 274的光投射到图像传感器250。指纹成像器202还包括在准直器200和图像传感器250之间的波长滤光片240。波长滤光片240阻挡在指纹感测场景中作为环境光存在并由手指透射的近红外和其它红外光。
图像传感器250包括光敏像素阵列254和多个电连接焊盘252。微透镜232的焦距使得由微透镜阵列230投射的光大约聚焦在图像传感器250的光接收表面上。微透镜阵列230和孔阵列220具有相同的间距290并彼此对准，使得每个微透镜232将光聚焦到对应的像素254上。电连接焊盘252处于图像传感器250上的准直器200和波长滤光片240的覆盖区之外。通常，间距290小于30微米，例如大约20微米。
当在诸如显示屏160的显示屏下方实现指纹成像器202时，由准直器200收集的光具有从显示屏叠加在其上的轮廓图案。该轮廓图案叠加在准直器200的分辨率上，且这种组合会生成莫尔图案。只要莫尔图案的空间频率高于或低于指纹识别所需的分辨率范围(例如，在300dpi到60dpi之间)，或在所需的指纹分辨率为300-500dpi时莫尔图案的空间频率大于500dpi，则莫尔图案可能不会对指纹图像有害。间距290可以设置为，使得由显示屏轮廓的叠加以及准直器200和像素254的间距引起的莫尔图案具有在指纹分辨率要求的范围之外的空间频率。在一个示例中，可能需要将准直器200和像素254的间距设置为，使得莫尔图案的空间频率至少大约为每毫米6.7个周期。然而，为了对捕获的指纹图像进行快速的后期处理并减少数据开销，捕获的指纹图像通常从图像传感器250的原始像素分辨率下采样到足以满足指纹识别的要求的分辨率，而不会高得多。例如，像素254可以被归类为3×3像素组，以制造具有大约50微米到75微米的间距的超像素。该下采样过程可能导致莫尔图案的混叠，以降低干扰指纹识别的空间频率。因此，可能需要对指纹图像进行数字反混叠滤波，以去除下采样的莫尔图案。
图3示出了用于制造指纹成像器202的方法300。方法300先产生配件302，其中，准直器200覆盖图像传感器250的整个顶面(包括电连接焊盘252上方区域)。配件302可以在晶片级工艺中形成，其中：(a)在具有多个图像传感器250的晶片(例如，8英寸晶片)表面上形成波长滤光片240,(b)在整个晶片上方的波长滤光片240上形成孔阵列220和微透镜阵列230，以及(c)切割晶片以从其中分离多个配件302。当在晶片上形成孔阵列220和微透镜阵列230时，孔222和微透镜232必须与每个图像传感器250的像素254对准。在制造工艺的一个步骤中，可以在焊盘清除步骤中去除覆盖电连接焊盘252的准直器200的部分。因此，方法300具有几个潜在的昂贵的和/或挑战性的要求，至少包括：(i)将准直器200的孔222和微透镜232与每个图像传感器250的像素254精确对准，以及(ii)焊盘清除。每当准直器200不能满足制造公差要求时，相关的图像传感器250也会损失。当对准误差通常影响沉积在图像传感器晶片上的所有准直器200时，整个图像传感器晶片都会损失。图像传感器具有相对较高的价值，因此任何的产量损失都是昂贵的。
图4示出了一种用于制造指纹成像器102的方法400。方法400包括将预制准直器100接合到图像传感器150的光接收表面156。方法400可以利用粘合剂418将准直器100接合到图像传感器150。在使准直器100与图像传感器150接触之前，可以先将粘合剂418设置在准直器100上(如图4所示)，或先将粘合剂418设置在图像传感器150上。准直器100的尺寸和位置可以仅覆盖成像所需的有源像素254。因此，对于包括电连接焊盘152(如图1所示)的指纹成像器102的实施例，方法400不需要焊盘清除步骤。另外，如下面将进一步详细讨论的，指纹成像器102不依赖于与图像传感器150的像素对准的准直器100的微透镜132，这大大放宽了准直器100和图像传感器150之间相对对准的要求，因此也消除了或至少减少了与方法300相关的昂贵的产量损失。为了进一步节省成本，准直器100可以在晶片级批量制造或以片的形式批量制造。
虽然在方法300中图像传感器为准直器200提供结构支撑，但是衬底110也可以提供在方法400中使用的预制准直器100所需的结构支撑。因此，再次参考图1，衬底110防止了微透镜132将光172聚焦在图像传感器150的光接收表面156上，相反地，当光172入射到图像传感器150上时光172会发散。
应当理解的是，在图1、图2、图3和图4的每个中，微透镜阵列可以具有比所描绘的更多的微透镜，孔阵列可以形成比所描绘的更多或更少的孔，并且图像传感器可以包括比所描绘的更多的像素。
图5更详细地示出了当接合到图像传感器150时的示例性场景中的准直器100。孔阵列220形成多个孔522。每个孔522与对应的一个微透镜232的光轴538对准。因此，每对孔522和微透镜232形成具有以FOV角576表征的窄FOV 174的FOV受限透镜531。在实施例中，FOV角576相对于光轴538跨越至少-1.5度到1.5度，并且相对于光轴538跨越不超过-4.0度到4.0度，使得FOV角576的整个跨度在3度到8度之间。在某些实施例中，FOV角576的整个跨度在3度到10度之间。
透镜531具有间距590。间距590可以处于10微米和35微米之间的范围，其足够小使得通过微透镜阵列130和孔阵列120的像素化特性叠加在光172上的任何图案不会直接干扰生成指纹图像192(具有300dpi到500dpi范围内的分辨率)的能力。
虽然准直器200的微透镜阵列230的焦平面在图像传感器250的光接收表面处，但是微透镜阵列130的焦平面536在微透镜阵列130和衬底110的背离微透镜阵列130的表面516之间的准直器100内部。这是由于衬底110的存在及其厚度560足以赋予衬底110用作支撑孔阵列120和微透镜阵列130的强度的需要。在实施例中，衬底110由玻璃或光学塑料制成，并且厚度560处于100微米到300微米之间的范围内，而每个微透镜132的焦距处于15微米到90微米之间的范围内。由于焦平面536在准直器100内部，当光172入射到图像传感器150上时(如FOV 174的投影578所示)，光172发散并散焦。由每个微透镜132投射到图像传感器150上的光172的轮廓582可以具有10微米到75微米之间的范围内的光点尺寸580(例如，半高全宽)。这些光点尺寸可以仍然允许指纹图像192具有在指纹识别所需的范围(例如，300dpi到500dpi)内的分辨率。另外，光点强度轮廓的高斯型形状可以用作抗混叠滤光片，以消除大于最终图像的空间频率(例如，作为莫尔图案引入的频率)的混叠。该特征可以允许以最终图像分辨率(例如，300-dpi)在图像传感器中使用更大的或直接合并的像素。
虽然图5示出焦平面536与衬底110和孔阵列120之间的界面一致，但在不偏离本发明的范围的情况下，焦平面536可以在微透镜阵列130和表面516之间的其它地方。
由于准直器100的散焦特性，在指纹成像器102中，无需将图像传感器150的像素454与对应的透镜531对准。像素454的间距592可以不同于间距590，并且间距592可以与指纹识别所需的分辨率一样大和/或与光点尺寸580一样大。在实施例中，间距592在大约10微米到大约75微米之间的范围内，其中，75微米的极限由指纹图像的分辨率要求而施加。
由于间距592和间距590无需相同，准直器100的任何给定实施例可以用于图像传感器150的各种实施例。无需根据图像传感器150的选定实施例的像素间距来具体设计准直器100，反之亦然，无需选择或设计图像传感器150的实施例，其具有与选定准直器100的实施例具体匹配的像素间距。因此，准直器100非常适合作为独立的产品来提供，以与许多不同图像传感器中的任何一个集成以形成指纹成像器102的实施例。例如，智能电话制造商可以彼此独立地选择和购买准直器100和图像传感器150，而不要求间距592等于间距590。另外，只要准直器100覆盖需要的光学输入区域，准直器100的尺寸不需要匹配图像传感器150的像素阵列454的尺寸。因此，可以使得准直器100很小，从而节省制造成本。另外，当准直器100放置在具有顶侧电连接焊盘152的图像传感器150的实施例上时，准直器100的尺寸可以设计成不覆盖电连接焊盘152。另外，如下面参考图11进一步详细讨论的，准直器100可以相对于图像传感器150的像素阵列454旋转。由于像素454不需要对准透镜531这一事实，使得这种旋转成为可能，还可以帮助抑制指纹图像192中的莫尔图案。
图6、图7和图8分别示出了准直器600、700和800，每个准直器都包括波长滤光片640，该波长滤光片640阻挡在指纹感测场景中作为环境光存在并由手指透射的近红外和其它红外光。波长滤光片640可以阻挡超过约800纳米或超过580纳米的波长。波长滤光片640可以是多层截止滤光片。准直器600、700和800在波长滤光片640的布置方面彼此不同。准直器600、700和800是准直器100的实施例。
在准直器600中，波长滤光片640设置在衬底610的表面616上。衬底610是衬底110的实施例，并且表面616是表面516的实施例。如上面参考图4所讨论的，波长滤光片640的底表面642可以接合到光接收表面156，以形成指纹成像器102的实施例。衬底610和波长滤光片640的组合厚度660可以在50微米到300微米之间的范围内。
在准直器700中，波长滤光片640设置在衬底710和孔阵列120之间的衬底710的表面718上。衬底710是衬底110的实施例，衬底710具有相对表面716和718。表面716是表面516的实施例。如上面参考图4所讨论的，表面716可以接合到光接收表面156，以形成指纹成像器102的实施例。衬底710和波长滤光片640的组合厚度760可以在50微米到300微米之间的范围内。
在准直器800中，波长滤光片640集成在孔阵列820中。孔阵列820是孔阵列120的实施例。孔阵列820可以实现波长滤光片640，其中，孔阵列820与衬底110相接(如图8所示)，孔阵列820与微透镜阵列130相接，波长滤光片640贯穿衬底110和微透镜阵列130之间的孔阵列820的整个厚度，或在衬底110和微透镜阵列130之间的孔阵列820的内部。
图9示出了具有多层孔阵列920的一个准直器900。准直器900是准直器100的实施例，而孔阵列920是孔阵列120的实施例。孔阵列920包括至少两个孔阵列层926和至少一个间隔材料层924。从衬底110的顶面918到微透镜阵列130，孔阵列920在孔阵列层926和间隔材料层924之间交替。在图9所描绘的示例中，孔阵列920具有三个孔阵列层926(1)、926(2)和926(3)、以及两个间隔材料层924(1)和924(2)。每个孔阵列层926包括形成以直径928表征的多个孔的不透明材料。最靠近衬底110的孔阵列层926(在图9的示例中，孔阵列层926)具有最小的孔直径928。随后堆叠在其上的每个孔阵列层926具有大于先前孔阵列层的孔直径928的孔直径928。在图9的示例中，孔阵列层926(1)、926(2)和926(3)具有对应的孔直径928(1)、928(2)和928(3)，其中，孔直径928(2)大于孔直径928(1)，并且孔直径928(3)大于孔直径928(2)。在每个微透镜132下方，由孔阵列层926形成的孔的堆叠配合以形成孔结构922。孔结构922与微透镜132配合以形成FOV受限透镜931。孔结构922和FOV受限透镜931分别是孔122和FOV受限透镜531的实施例。底部孔层(例如孔层924(1))的每个孔与相应的微透镜132配合建立FOV受限透镜931的主FOV。顶部孔层(例如孔层924(3))的每个孔与相应的微透镜132配合以建立FOV受限透镜931的数值孔。数值孔有助于限定光在传播通过衬底110时的发散角(参见图5中的投影578)。顶部孔层和底部孔层之间的任何孔层的孔(例如，孔层924(2)的孔)有助于消除FOV外部的任何二次光。
波长滤光片640可以在一个或多个间隔材料层924中实现以形成准直器800的实施例。不包括波长滤光片640的孔阵列920的实施例可以在准直器600和准直器700中的任一个中实现。
可以通过沉积(a)不透明材料以形成孔阵列层926以及沉积(b)透明材料以形成间隔材料层924的交替操作，来制造孔阵列920。
图10示出了具有单层锥形孔阵列1020的一个准直器1000。准直器1000是准直器100的实施例，而孔阵列1020是孔阵列120的实施例。孔阵列1020包括形成锥形孔1022阵列的不透明材料1024。每个锥形孔1022从其顶部(最接近微透镜阵列130)的最大直径1028T到其底部(最接近衬底110)的最小直径1028B逐渐变细。每个孔1022与对应的微透镜132配合形成FOV受限透镜1031。FOV受限透镜1031是FOV受限透镜531的实施例。
每个孔1022可以由透明材料1026填充。在一个实施例中，材料1026与微透镜阵列130的材料相同，在这种情况下，材料1026可以作为沉积(例如，模塑)工艺的一部分沉积在孔1022中，以在不透明材料1024上形成微透镜阵列130。在另一实施例中，材料1026与微透镜阵列130的材料不同。
孔阵列1022可以在准直器600和准直器700中的任一个中实现。孔阵列1022也可以在准直器800中实现，尽管由于不透明材料1024的存在，在孔阵列1022中形成波长滤光片640(作为透明材料1026的一部分或全部)的过程可能更加复杂。
图11在俯视图中示出了一个指纹成像器1102，其中，准直器100与图像传感器150的像素阵列454(即，像素阵列1154)成角1170。指纹成像器1102是指纹成像器102的实施例。当角1170为零(或可被90度整除)时，像素阵列1154与准直器100的微透镜阵列130相齐。然而，在某些实施例中，角1170是倾斜的。这种实施例可以帮助抑制指纹图像192中的莫尔图案。用于抑制莫尔图案的角1170的最佳值至少取决于间距590和592、以及显示屏轮廓图案的间距、以及这些元件之间的角度。在已发现抑制莫尔图案的一个示例中，间距590在10微米到35微米之间，间距592为21.5微米，以及角1170在7.5度到10.5度之间。
像素阵列1154具有宽度1154W和高度1154H，两者都可以大于3.5毫米。像素阵列1154可以是正方形或长方形。准直器100具有宽度1132W和高度1132H，两者都可以大于3.5毫米。准直器100可以是正方形或长方形。在不脱离本发明的范围的情况下，微透镜阵列130可以包括比图11所描绘的更多的微透镜132，并且像素阵列1154可以包括比图11所描绘的更多的像素454。在指纹成像器1102中，图像传感器150上的准直器100的覆盖区在光接收表面156的区域内。因此，当图像传感器150包括顶侧电连接焊盘152时，这些图像传感器150不被准直器100覆盖，使得电连接焊盘152不被准直器100覆盖。在不脱离本发明的范围的情况下，只要准直器100不覆盖图像传感器150的操作所需的电连接焊盘152，则准直器100的覆盖区可以延伸到像素阵列1154之外。
图12在俯视图中示出了一个指纹成像器1202，其中，准直器100与图像传感器150的像素阵列1154相齐，而微透镜阵列130与像素阵列1154呈倾斜角1270。指纹成像器1202是指纹成像器1102的变型，其中，准直器100的尺寸设计成与像素阵列1154的宽度1154W和高度1154H相匹配。角1270例如在7.5度到10.5度之间。
图13示出了一种用于制造光学指纹成像器的方法1300。方法1300可用于制造指纹成像器102。方法1300包括步骤1330，步骤1330将准直器接合到图像传感器的光接收表面，使得图像传感器上的准直器的覆盖区在图像传感器的光敏像素阵列的至少一部分上方，同时图像传感器的多个电连接焊盘在覆盖区之外。准直器包括透镜阵列，每个透镜配置为收集来自指纹表面的各局部部分的光并将该光投射到图像传感器。在步骤1330的一个示例中，如图4所描绘的，准直器100(包括FOV受限透镜531的阵列)接合到图像传感器的光接收表面156，并且如图11或图12所描绘的，准直器100在图像传感器150上。步骤1330可以包括使用粘合剂(诸如粘合剂418)将准直器粘接到图像传感器的光接收表面的步骤1332。步骤1330还可以包括将准直器接合到图像传感器使得透镜阵列与图像传感器的像素阵列倾斜的步骤1334。在步骤1334的一个示例中，准直器100接合到图像传感器150使得角1170是倾斜的(例如，如图11和图12所描绘的)。或者，步骤1330将准直器接合到图像传感器，使得透镜阵列与图像传感器的像素阵列相齐(例如，角1170为零或可被90度整除)。
在某些实施例中，方法1300在步骤1330之前还包括步骤1310和步骤1320。步骤1310在公共衬底上形成多个准直器以生成准直器片材，以及步骤1320切割准直器片材以从其中分离出至少一个准直器。然后，步骤1330使用分离的准直器来形成指纹成像器。
图14示出了在步骤1310中形成的准直器片材的一个示例(即准直器片材1400)。准直器片材1400包括公共衬底1420，公共衬底1420支撑微透镜阵列132并支撑微透镜132和衬底1420之间的孔阵列。为清楚起见，在图14中未示出孔阵列。沿着切割线1490切割准直器片材1400以从其中分离至少一个准直器1410(准直器100的示例)。微透镜阵列132和相应的孔阵列具有均匀的密度。因此，切割线1490可以根据准直器1410所需的尺寸重新定位，而无需定制设计准直器片材1400。准直器片材1400可以是如图14所示的矩形，或是圆形晶片的形式。切割线1490可以与准直器片材1400中的微透镜132的阵列呈倾斜角，例如，以生成图12所描绘的准直器100的示例。
图15示出了在步骤1310中形成的准直器片材的另一示例(即准直器片材1500)。准直器片材1500类似于准直器片材1400，不同之处在于，当沿着切割线1590切割时，微透镜132(和相关联的孔)形成为与从准直器片材1500分离的准直器1510所需的尺寸相匹配的组。准直器片材1500可以是如图15所示的矩形或是圆形晶片的形式。
在实施例中，步骤1310包括步骤1312和步骤1314。在步骤1330之后，步骤1312在衬底的背离图像传感器的第一侧上沉积形成多个孔阵列的至少一个孔层。在步骤1312的一个示例中，以图14中的微透镜132的位置所示的均匀方式或以图15中的微透镜132的位置所示的非均匀方式，在公共衬底1320的一侧上形成孔阵列120的扩展版。步骤1314在孔层上方的第一侧上沉积微透镜层。微透镜层包括分别位于多个孔阵列上方的多个微透镜阵列。在步骤1314的一个示例中，以图14中的微透镜132的位置所示的均匀方式或以图15中的微透镜132的位置所示的非均匀方式，在(步骤1312中形成的)孔层上方形成微透镜阵列130的扩展版。
步骤1310还可以包括步骤1316，步骤1316在公共衬底的第一侧上或在公共衬底的第二相对侧上沉积用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。在步骤1316的一个示例中，在衬底1420的两侧中的任一个上形成波长滤光片640的扩展版，使得从其中分离的准直器形成准直器600、700和800中的任一个的实施例。
特征组合
在不脱离本发明的范围的情况下，上述特征以及随附要求保护的那些特征可以以各种方式组合。例如，应当理解的是，本文描述的一个准直器或相关方法或设备的方面可以包括本文描述的另一个准直器或相关方法或设备的特征或互换特征。以下示例说明了上述实施例的一些可能的非限制性组合。应当清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本文的方法、产品和系统进行许多其它的改变和修改。
(A1)一种用于显示屏下指纹感测的准直器，包括(a)具有相对的第一侧和第二侧的衬底，(b)设置在第一侧上的微透镜阵列，用于将来自指纹表面的光聚焦到微透镜阵列和衬底的第二侧之间的焦平面上，使得由微透镜阵列投射的光在从衬底的第二侧射出时发散，以及(c)微透镜阵列和衬底之间的孔阵列，其中每个孔与对应的一个微透镜对准并配合，以形成具有与指纹表面的各局部部分相对应的视场的视场受限透镜。
(A2)在表示为(A1)的准直器中，衬底的第一侧和第二侧之间的厚度可以是至少50微米。
(A3)在表示为(A2)的准直器中，厚度可以不大于300微米。
(A4)在表示为(A2)和(A3)的准直器的任一准直器中，微透镜的每个的焦距可以处于15微米到90微米之间。
(A5)在表示为(A1)到(A4)的准直器的任何准直器中，相对于视场受限透镜的光轴，视场跨度可以为至少-1.0度到+1.0度，且相对于视场受限透镜的光轴，视场跨度不超过-5度到+5度。
(A6)在表示为(A1)到(A5)的准直器的任何准直器中，微透镜阵列的间距可以处于10到35微米之间。
(A7)在表示为(A1)到(A6)的准直器的任何准直器中，衬底可以至少透射具有430纳米到580纳米之间的波长的光，并且准直器还可以包括用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
(A8)一种光学指纹成像器包括表示为(A1)到(A7)的准直器的任一准直器以及图像传感器，该图像传感器设置在衬底的第二侧上并包括用于捕获从衬底的第二侧射出的光的图像的光敏像素阵列。
(A9)在表示为(A8)的光学指纹成像器中，图像传感器可以具有面向准直器并包括电连接焊盘的光接收表面，其中，光接收表面的表面积超过图像传感器上的准直器的覆盖区，并且电连接焊盘在覆盖区之外。
(A10)表示为(A8)和(A9)的光学指纹成像器的任一光学指纹成像器还可以包括，将准直器接合到光接收表面的粘合剂。
(A11)在表示为(A8)到(A10)的光学指纹成像器的任何光学指纹成像器中，光敏像素阵列的间距可以不大于75微米。
(A12)在表示为(A8)到(A11)的光学指纹成像器的任何光学指纹成像器中，光敏像素阵列可以相对于微透镜阵列旋转为斜旋转角。
(A13)在表示为(A8)到(A13)的光学指纹成像器的任何光学指纹成像器中，光敏像素阵列的间距可以不同于微透镜阵列的间距。
(B1)一种用于制造光学指纹成像器的方法，包括：将准直器接合到图像传感器的光接收表面，使得图像传感器上的准直器的覆盖区在图像传感器的光敏像素阵列的至少一部分上。准直器包括透镜阵列，每个透镜配置为收集来自指纹表面的各局部部分的光并将该光投射到图像传感器。
(B2)表示为(B1)的方法还可以包括，在接合步骤之前，在公共衬底上形成多个准直器以生成准直器片材，以及切割准直器片材以从其中分离准直器，其中，在接合步骤中使用的准直器是在切割步骤中分离的准直器中的一个。
(B3)表示为(B2)的方法可以包括：(a)在形成步骤中的(i)在接合步骤之后，在公共衬底的背离图像传感器的第一侧上沉积形成多个孔阵列的至少一个孔层，以及(ii)在沉积至少一个孔层的步骤之后，在孔层上方的第一侧上沉积微透镜层，该微透镜层包括分别位于多个孔阵列上方的多个微透镜阵列，以及(b)在接合步骤中，将准直器接合到图像传感器的光接收表面，且准直器的第一侧背离图像传感器。
(B4)在表示为(B3)的方法中，形成步骤还可以包括，在公共衬底的第一侧或第二侧上沉积用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
(B5)在表示为(B1)到(B3)的任何方法中，准直器可以包括用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
(B6)在表示为(B1)到(B5)的任何方法中，接合步骤可以包括，将准直器接合到图像传感器，使得透镜阵列与光敏像素阵列呈倾斜角。
在不脱离本发明的范围的情况下，可以对上述系统和方法进行改变。因此，应当注意的是，包含在以上描述中并在附图中示出的内容应当解释为说明性而非限制性的意义。随附权利要求旨在涵盖本文所述的一般特征和具体特征，以及本系统和方法的范围的所有陈述，就语言而言，可以认为其介于两者之间。

Claims (15)

1.一种用于显示屏下指纹感测的准直器，包括：
衬底，具有相对的第一侧和第二侧；
微透镜阵列，设置在所述第一侧上，用于将来自指纹表面的光聚焦到所述微透镜阵列和所述衬底的第二侧之间的焦平面上，使得由所述微透镜阵列投射的光在从所述衬底的第二侧射出时发散；以及
孔阵列，在所述微透镜阵列和所述衬底之间，每个孔与所述微透镜阵列中对应的一个微透镜对准并配合以形成视场受限透镜，所述视场受限透镜具有与所述指纹表面的各局部部分相对应的视场；
其中，在所述第一侧和所述第二侧之间的所述衬底的厚度至少为50微米，所述厚度不大于300微米，并且每个微透镜的焦距处于15微米和90微米之间。
2.根据权利要求1所述的准直器，相对于所述视场受限透镜的光轴，所述视场的跨度至少从-1.0度到+1.0度；以及相对于所述视场受限透镜的所述光轴，所述视场的跨度不超过-5度到+5度。
3.根据权利要求1所述的准直器，所述微透镜阵列的间距处于10微米和35微米之间。
4.根据权利要求1所述的准直器，所述衬底至少能透射具有430纳米和580纳米之间的波长的光，所述准直器还包括用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
5.一种光学指纹成像器，包括：
根据权利要求1所述的准直器；以及
图像传感器，设置在所述衬底的第二侧上并且包括光敏像素阵列，所述光敏像素阵列用于捕获从所述衬底的第二侧射出的光的图像。
6.根据权利要求5所述的光学指纹成像器，所述图像传感器具有面向所述准直器并包括电连接焊盘的光接收表面，所述光接收表面的表面积超过所述准直器在所述图像传感器上的覆盖区，所述电连接焊盘处于所述覆盖区之外。
7.根据权利要求6所述的光学指纹成像器，还包括将所述准直器接合到所述光接收表面的粘合剂。
8.根据权利要求5所述的光学指纹成像器，所述光敏像素阵列的间距不大于75微米。
9.根据权利要求5所述的光学指纹成像器，所述光敏像素阵列相对于所述微透镜阵列旋转倾斜旋转角度。
10.根据权利要求5所述的光学指纹成像器，所述光敏像素阵列的间距不同于所述微透镜阵列的间距。
11.一种用于制造光学指纹成像器的方法，包括：
在公共衬底上形成多个准直器以产生准直器片材，以及切割所述准直器片材以从所述准直器片材分离所述准直器；
将所分离的准直器中的一个接合到图像传感器的光接收表面，使得所述准直器在所述图像传感器上的覆盖区在所述图像传感器的光敏像素阵列的至少一部分上方，所述准直器包括透镜阵列，每个透镜配置为收集来自指纹表面的各局部部分的光并将所述光投射到所述图像传感器；
其中，所述图像传感器的光接收表面上的电连接焊盘未由所分离的准直器中的所述一个覆盖。
12.根据权利要求11所述的方法，包括：
在形成步骤中：
在所述接合步骤之前，在所述公共衬底的背离所述图像传感器的第一侧上沉积形成多个孔阵列的至少一个孔层，以及
在沉积至少一个孔层的步骤之后，在所述第一侧的所述孔层上方沉积微透镜层，所述微透镜层包括分别位于所述多个孔阵列上方的多个微透镜阵列；以及
在所述接合步骤中，将所述准直器接合到所述图像传感器的光接收表面，且所述准直器的第一侧背离所述图像传感器。
13.根据权利要求12所述的方法，所述形成步骤还包括：在所述公共衬底的第一侧或第二侧上沉积用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
14.根据权利要求11所述的方法，所述准直器包括用于阻挡至少在近红外光谱带中的红外光的波长滤光片。
15.根据权利要求11所述的方法，接合步骤包括：将所述准直器接合到所述图像传感器，使得所述透镜阵列相对于所述光敏像素阵列呈倾斜角度。
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