CN114938675A - 一种利用纳米压印光刻技术制造生物特征成像装置的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造用于图像识别装置的光学传感器的方法，所述图像识别装置包括用于在显示面板下方的生物特征成像装置，如指纹检测器。本发明所述方法提供了一种节省成本的制造工艺，优选地采用纳米压印光刻技术，以使光学传感器结构紧凑且节省成本，并且具有优越透光率。特别地，本发明公开的图像识别装置可以放置在如智能手机之类的电子装置的显示面板下方。一个实施例涉及一种制造生物特征成像装置的方法，该方法包括以下步骤：提供包括光电探测器像素阵列的图像传感器；在第一透明基板层或光电探测器像素阵列上形成不透明层，其中不透明层具有透明针孔阵列；在不透明层的顶部设置第二透明基板层，并在第二透明基板层的顶部形成微透镜阵列，使得阵列中的每个微透镜对应针孔阵列中的一个针孔和光电探测器阵列中的至少一个像素，其中具有透明针孔阵列和微透镜阵列的不透明层是通过纳米压印光刻技术形成的，包括基于紫外线的纳米压印光刻技术。

Description

一种利用纳米压印光刻技术制造生物特征成像装置的方法
技术领域
本发明涉及光学传感器的制造方法，所述光学传感器用于图像识别装置，所述图像识别装置例如是生物特征成像装置，例如是指纹检测器，所述光学传感器应用于显示面板下方。本发明公开的方法提供了一种节省成本的制造工艺，优选地采用纳米压印光刻技术，以使光学传感器结构紧凑且节省成本，并且具有优越透光率。特别地，本发明公开的图像识别装置可以放置在如智能手机之类的电子装置的显示面板下方。
背景技术
生物识别系统(例如指纹检测器)已大规模集成到带有显示器的电子装置中，包括智能手机、平板电脑、笔记本电脑等，以保护隐私和数据以及验证身份。如今，最常见的指纹检测器是独立于装置显示屏工作的电容式传感器。目前的发展趋势是显示器几乎覆盖装置的整个前面板，由于电容传感器很难与电子显示器集成，使得生物特征成像装置与前面板的集成也很难。
光学指纹检测器可以放置在显示器的盖板玻璃下方，因为来自手指的反射可以通过盖板玻璃和显示器散射回来到指纹检测器。但为了避免指纹图像模糊，光学指纹检测器通常需要在光线到达传感器阵列的像素之前滤除来自手指的大角度的反向散射和反射。
在来自本申请人的未决申请PCT/EP2019/061738中公开了解决这些问题的光学传感器，其中包括组合起来的微透镜阵列、具有孔(aperture)/针孔(pinhole)阵列的不透明层以及传感器阵列，使得光可以由微透镜结构通过孔聚焦到传感器阵列上。PCT/EP2019/061738全文以引用方式并入本文。
发明内容
为了实现微透镜、孔和像素之间一一对应的高分辨率传感器，微透镜必须小，光学装置必须高精度制造，这预示制造过程复杂，且对于变化敏感。通过在图像传感器的顶部直接形成不透明层和微透镜结构，所述不透明层具有透明孔，而不是将已经制造好的光学结构对齐，本发明人解决了这些问题。因此，本发明的一个实施例涉及一种用于制造生物特征成像装置的方法，所述方法的初始步骤为提供图像传感器，所述图像传感器包括光电探测器像素阵列，例如标准CMOS/CCD传感器。可选地，将第一透明基板层布置在图像传感器的顶部以覆盖和保护所述图像传感器。然后可以在透明基板上形成不透明层，作为第一透明基板层的一部分，或者直接在光电探测器像素阵列上形成不透明层。不透明层可以是深色或黑色聚合物层，例如树脂。在不透明层中提供透明孔阵列，使得每个孔与光电检测器像素阵列中的至少一个像素对应。在这方面，每个透明针孔可以与光电检测器像素阵列中的至少一个像素对齐。举例来说，可以通过压印光刻技术(例如纳米压印光刻技术)在不透明层中形成针孔/孔，其中针孔通过具有压纹模型的模具原件“压印”/压入不透明层中，所述压纹模型对应于像素阵列的模型。可替换地，针孔阵列以透明微柱的形式在第一透明层之上或之中形成，并且不透明层形成在微柱周围，即每个透明微柱对应一个透明的针孔。
在具有针孔的不透明层的顶部，可以设置第二透明基板层以覆盖所述不透明层。在所述第二透明基板层中，可以在第二透明基板层顶部之上或之中形成微透镜阵列，使得阵列中的每个微透镜和针孔阵列中的一个针孔以及光电探测器阵列中的至少一个像素对应。
也可以通过压印光刻技术提供和形成所述微透镜，特别是通过纳米压印光刻技术，并与紫外线(UV)模制相结合，即在形成微透镜时通过UV硬化聚合物基板。每个微透镜的形状和尺寸决定了它的光学特性，即在制造过程中采用纳米压印光刻技术可以精确控制微透镜阵列的光学特性。一个重要的光学特性是每个微透镜的焦点，并且通过对制造过程的适当控制，基本上焦点可以位于微透镜光轴上的任何位置。在优选实施例中，使得每个微透镜的焦点处在光电探测器像素阵列的平面内以形成所述微透镜阵列，即使得物体光直接成像在光电探测器上。或者，使得每个微透镜的焦点处在对应的针孔内以形成所述微透镜阵列。因此，光电探测器阵列上的成像可以类似于共焦测量原理(confocal measurementprinciple)。其优点是允许每个针孔的直径更小，从而增加成像装置的角度过滤效果。
本发明还涉及根据本文公开的制造方法制造的生物特征成像装置。
发明人由此实现了一种高度精确、适合大规模制造并且非常节省成本的生物特征成像装置的制造过程。特别地，基本上可以在任何尺寸的硅晶圆上(例如300毫米硅晶圆，甚至于第三代的550毫米或650毫米晶圆)直接提供初始光电探测器阵列，从而可以同时制造多个生物特征成像装置的探测器+针孔阵列+微透镜阵列。
优选地，本发明所述生物特征成像装置配置为将微透镜结构用于将来自微透镜结构上方的光信号汇聚到针孔阵列中的针孔，将所述光信号通过针孔传输到图像传感器阵列，优选地是通过单层针孔。优选地，还使得入射角小于或等于预设值的物体光(例如指纹光)聚焦到光电检测器/传感器阵列，而不检测入射角大于所述预设值的物体光。举例来说，入射角的预设值可以是20°或15°，优选10°，更优选8°，甚至更优选为6°，最优选为5°。在特定的实施例中预设值甚至是4°或3°。本发明所述生物特征成像装置可以利用显示面板(例如下方一体化显示)的光源工作和/或与一个或多个单独的光源一起工作。
本发明所述生物特征成像装置还可以包括处理单元，用于处理来自传感器阵列的信号以便识别图像(如检测指纹)。所述装置还可以包括用于存储指纹信息的存储单元，优选地以加密格式存储所述指纹信息。所述处理单元、所述存储单元和所述传感器阵列可以是一个集成电路/组件的一部分。
另一个实施例涉及一种用于光学检测指纹的电子装置，例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等，所述电子装置包括显示面板，所述显示面板包括形成在所述显示面板上并作为用户触摸界面的顶部透明层，以及本发明所述生物特征成像。所述显示面板可以包括发光显示像素，其中将各像素设置为发光以形成显示图像的一部分；其中，顶部透明层用于透射来自显示面板的光以显示图像。
本发明还涉及一种用于检测位于透明显示面板顶部的物体(如指纹)返回的光的方法，包括通过微透镜将物体光聚焦并成像到光学检测器的传感器阵列上，所述微透镜设置在位于所述显示面板下方的微透镜结构中，其中如上所述，接收从物体返回的在预设入射角内的光。
附图说明
下面将参照附图更详细地描述本发明：
图1所示为本发明所述微透镜结构中的单个微透镜和对应像素的侧面剖视图。在微透镜前面的聚焦元件通过凸面将光聚焦到像素上。
图2所示为部分微透镜结构的剖视示意图，所述微透镜结构包括排成阵列的十一个邻接微透镜。
图3所示为图1所示微透镜+像素的透视图。
图4所示为图3中多个微透镜的透视图，所述多个微透镜在像素阵列前方排成整列形成微透镜结构的一部分。
图5所示为微透镜阵列正面的另一透视图。
图6所示为图5中微透镜阵列的背面。圆圈表示透明孔。背面的其余部分不透明。
图7所示为对应于图5-6中微透镜阵列的像素阵列的示意图。黑色方块表示像素。
图8所示为对应的微透镜、透明孔和像素之间的关系。
图9所示为微透镜结构中的另一种微透镜布置，其中微透镜以六边形配置布置。
图10所示为在示例性位置具有生物特征成像装置的手机/智能手机的轮廓，所述生物特征成像装置为位于手机显示屏下方的指纹检测器。
图11所示为图10中装置的侧面剖视图，其中供手机用户触摸的盖板玻璃位于OLED显示器上方。所述指纹检测器位于OLED显示屏下方。
图12所示为本发明所述生物特征成像装置一实施例的功能示意图。入射角为0°的指纹反射光通过微透镜聚焦到像素上。
图13对应于图12但入射角是6°。结果是光由微透镜聚焦并通过微透镜结构的背面传输，但是由于传感器阵列和微透镜结构的背面之间的间距，具有更大入射角的聚焦光不会击中像素。即不会检测到具有较大入射角的不想要的光。
图14对应于图12但入射角是13°。结果是光由微透镜聚焦并被微透镜结构的背面吸收，所述微透镜结构在透明孔之外是不透明的。即不会检测到具有大入射角的不想要的光。
图15A是图12-14的组合。使用的光源是OLED显示器。
图15B对应于图15A，但吸收性涂料更换为反光材料。
图16是图15A的放大图。
图17是图12的放大图。
图18是图13的放大视图。
图19是图14的放大图。
图20所示为入射到图2所示的微透镜阵列上的光的波前，入射角为30°。光由微透镜聚焦但随后被不透明表面吸收。
图21所示为入射到图2所示的微透镜阵列上的光的波前，入射角为30°，但是没有孔，整个背面是透明的。
图22所示为具有细长孔的微透镜阵列以及入射角为30°和0°的两个波前的示意图。
图23所示为具有细长孔的微透镜阵列的功能示意图。入射角为6°的指纹反射光被不透明表面形成的孔阻挡。
图24所示为本发明所述生物特征成像装置一实施例的侧面剖视图，所述生物特征成像装置通过UV-NIL(nanoimprint lithography)技术制造。
图25所示为本发明所述采用UV-NIL技术的制造方法一实施例的步骤示意图。
图26所示为NIL结构一实施例的剖视放大图，所述NIL结构应用于光电探测器。
图27所示为将生物特征成像装置集成到电子装置中以集成到例如智能手机中并用于显示面板下方的示意图。
图28所示为本发明采用UV-NIL技术的制造方法一实施例的步骤示意图，其中通过冲压不透明层形成针孔。
图29所示为本发明采用UV-NIL技术的制造方法一实施例的步骤示意图，其中通过微柱形成针孔。
具体实施方式
光刻是模型转移的过程。当使用光时，这个过程称为“光刻(photolithography)”。当图形小到可以以微米为单位进行测量时，此过程称为“微光刻(microlithography)”。
“压印”是指1nm～10mm尺寸的图形转印，优选是1nm～100μm尺寸的图形转印(nanoimprint，纳米压印)。
纳米压印技术是一种高性能、低成本和可批量生产的制造技术，用于大规模生产微米级和纳米级结构。近来纳米压印技术受到关注，纳米压印技术通过将在基板上形成的树脂材料和凹凸模型压在一起，在所述树脂材料上浮雕所述凹凸模型，所述凹凸模型的模具为纳米尺寸(1～1000μm)。与传统的光刻和蚀刻模型形成工艺相比，纳米压印技术优势在于可以低成本地生产具有多种特性的部件。这是因为纳米压印机具有简单的构造并且不会比传统装置昂贵，进一步还因为大量生产具有相同形状的组件只需要很短的时间。纳米压印光刻技术(nanoimprint lithography，NIL)是从光盘生产领域中公知的压印技术发展而来的一种技术，它包括模具原件压在树脂(通常是聚合物)上，所述模具原件在表面形成压印模型(这通常称为“模具”、“压模”或“模板”)，从而通过树脂的机械变形将微模型/纳米模型准确地转移到树脂上。在此，当模具准备好后，可以重复模制诸如纳米结构的微结构，从而适合大规模制造。
UV成型是一种在晶圆尺度上生产微光学器件的方法，成本低。在此，在基板(例如玻璃或半导体晶圆)与透明成型工具之间，液态聚合物树脂在接触型掩模对准器中进行紫外线固化(UV-cured)。
可以提供聚合物透镜成型，其中使用从晶圆尺寸主印模复制的工作印模通过软紫外(soft UV)压印光刻技术将透镜模型转移到光学聚合物材料中，从而提供混合和单片微透镜成型工艺，此工艺可以适应各种材料组合的工作印模和微透镜材料。
基于紫外线的纳米压印光刻技术(UV-based nanoimprint lithography，UV-NIL)将紫外线成型与纳米压印光刻相结合。特别是EV Group提供的SmartNIL是一种基于UV曝光的全场压印技术，可提供多种结构尺寸和几何形状的光刻技术。SmartNIL结合了多用途聚合物印模工艺。
本发明的第一优选实施例涉及一种生物特征成像装置的制造方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括光电探测器像素阵列的图像传感器；
在第一透明基板层或所述光电探测器像素阵列上形成不透明层，其中所述不透明层中具有透明针孔阵列；
在所述不透明层的顶部设置第二透明基板层，以及
在所述第二透明基板层的顶部形成微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的每个微透镜对应于所述针孔阵列中的一个针孔和所述光电探测器阵列中的至少一个像素，
其中具有所述透明针孔阵列和所述微透镜阵列的所述不透明层是通过纳米压印光刻技术形成的，所述纳米压印光刻技术包括基于紫外线的纳米压印光刻技术。
另一个实施例涉及一种用于制造生物特征成像装置的方法，所述方法包括以下步骤：
提供包括光电探测器像素阵列的图像传感器；
可选地，设置第一透明基板层以覆盖所述图像传感器；
在透明基板或所述光电探测器像素阵列上形成不透明层，不透明层具有透明针孔阵列，其中每个针孔与所述光电探测器像素阵列中的像素对齐；
设置第二透明基板层以覆盖所述不透明层，以及
在所述第二透明基板层的顶部形成微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的每个微透镜与所述针孔阵列中的一个针孔和所述光电探测器阵列中的一个像素对齐。
在优选实施例中，生物特征成像装置包括单个微透镜阵列层和单个孔阵列层，其中所述微透镜阵列中的单个微透镜对应于所述孔阵列中的单个孔。每对对应的微透镜和孔对应于传感器阵列中的至少一个像素。
对于纳米压印光刻，特别是基于UV的纳米压印光刻，本发明的方法可以在单个制造过程中执行，其中本发明所述生物特征图像传感器的所有层通过模制和脱模形成，例如所有层不仅通过紫外线固化树脂在图像传感器上直接形成/模制，而且脱模后也能自动对齐，使得制造过程非常高效，从而在微透镜阵列、孔阵列和像素阵列之间获得期望的对应关系。
可选地，所述第一透明基板层的厚度为至少5μm，更优选至少10μm，最优选至少20μm。此外，所述第一透明基板层的厚度优选地小于100μm，更优选小于50μm，最优选小于25μm，例如24μm。所述第一透明基板层的优点是既可以覆盖和保护像素阵列，又可以保证孔阵列和像素阵列之间有一定的预设距离。此距离通常选择为对应于微透镜的后焦距。此距离确保了通过透明孔传输的部分不想要的光不会击中相应的像素，不想要的光例如入射角略高于预设角度的入射光。然而，所述第一透明基板层也可以更薄，例如小于20μm，更优选小于10μm，甚至更优选小于5μm、4μm、3μm或最优选小于2μm。
所述第二透明基板层的厚度保持较小以确保生物特征成像装置的整体厚度较小，因此所述第二透明基板层的厚度优选小于500μm，更优选小于200μm，甚至更优选小于100μm，最优选小于50μm，例如48μm。此外，所述第二透明基板层的厚度又必须足够大，以确保从微透镜到传感器像素的正确成像。因此，所述第二透明基板层优选厚度为至少10μm，更优选至少25μm，最优选至少40μm。
不透明层必须足够厚以确保光线无法穿透。所述不透明层可以应用抗蚀/聚合物层，例如黑色抗蚀/聚合物层，或者在硬化(例如UV硬化)时变得不透明/着色的抗蚀/聚合物层。举例来说，对于黑色层，厚度可以是大约1μm，例如它可以仅仅通过设置在第一基板层上的深色或黑色涂料层来实现。因此，优选此第二基板层的厚度为至少1μm，更优选至少5μm，最优选至少8μm。然而，此层也可以做得更厚以增加针孔的过滤效果。因此，不透明层的厚度优选小于50μm，更优选小于25μm，甚至更优选小于25μm，还更优选小于12μm，例如10μm，但甚至还可以更优选小于5μm、4μm或3μm，最优选小于2μm，例如在1μm和2μm之间。小于3μm(例如1μm到2μm)的薄不透明层在纳米压印技术中是一个优势，因为使用较薄层的制作过程更快。本发明所述生物特征成像装置的光学设置中，微透镜将光通过单个针孔聚焦到光电探测器，可以将对于不透明的针孔层的厚度要求放宽到约1μm，而不会牺牲光功率和光学分辨率。
以下分层结构：可选的第一透明基板层、不透明层和具有微透镜的第二透明基板层的总厚度优选小于500μm，更优选小于250μm，甚至更优选小于150μm，最优选小于100μm，甚至小于85μm。
每个针孔的直径必须足够大，以保证针孔的透光率。因此，优选地，每个针孔的直径为至少1μm，更优选地至少4μm，最优选地至少8μm，例如10μm。但针孔的直径也必须足够小，以确保对于杂散光的过滤效果，从而提高生物特征成像装置的信噪比。因此，优选地，每个针孔的直径小于50μm，更优选地小于25μm，甚至更优选地小于25μm，最优选地小于12μm。
优选地，通过挑选微透镜阵列中各微透镜的曲率半径，以确保所述微透镜的焦点(针对具有相应波长的接收光)基本上与所述传感器阵列中相应的至少一个像素的尺寸和位置对应。因此，优选地，各微透镜的曲率半径小于250μm，更优选地小于100μm，最优选地小于50μm。同样还优选地是至少10μm，更优选至少20μm，最优选在20μm和40μm之间，例如30μm。
由于各微透镜对应一个或多个像素，因此微透镜通常非常小，并且必须以高精度制造光学装置，以使这种生物特征成像装置能正常工作。因此，优选地，从所述针孔到微透镜轴和/或所述针孔到像素轴在±5μm内对齐，更优选地在±2μm内，最优选地在±1μm内，或甚至更好。如上所述，纳米压印技术是一种以低制造成本实现如此高精度的方法。
生物特征成像装置
本发明的主要优点是微透镜结构可以聚焦想要的光，使得预设入射角内的想要的光可以成像到传感器阵列上的像素。与现有技术的解决方案相比，这意味着能检测到更多想要的光，即本发明的微透镜结构对于想要的光具有更高的透射率。使更多的光照射到检测器，可以更快和/或更精确地检测到诸如指纹的物体。
使用当前的微透镜结构，还可以将光聚焦，仅需要在例如标准CCD或CMOS阵列中的部分像素用于检测，可能只有三分之一的像素。这使得可以使用具有更少像素的传感器阵列，读取更快，即指纹检测器可以更快地检测到指纹。
或者，传感器阵列的多个相邻像素成组组装，并且其中将每组像素配置为用作一个有效像素，使得传感器阵列对于每个微透镜仅包括一个有效像素。然后每个孔和相应的微透镜与传感器阵列中的多个像素对应。
像素可以是电荷耦合器件(Charge Coupled device，CCD)、互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)或光电二极管的像素。术语“传感器阵列”、“传感器像素阵列”、“光电探测器阵列”和“光电探测器像素阵列”在本文中可互换使用。
本发明所述结构的另一个优点是可以做得非常紧凑。现有技术的解决方案需要一定高度的吸收通道才能正常工作。吸收通道通常需要的高度为300-500μm，而本发明所述微透镜结构可以制成高度只有50μm-100μm。这更符合当前电子显示装置越来越薄的趋势。
微透镜结构的各聚焦元件都可以根据特定的光学设计和配置进行定制。所述聚焦元件可以是球面、非球面、金字塔形、凸面、凹面等。设计取决于微透镜周围的介质。例如，如果界面是空气，则聚焦元件通常是球形的。如果界面是胶水，则聚焦元件通常是非球面的。背面可以是平面的，但也可以设计为辅助光线聚焦、后焦距调整、像差校正等的形状。例如球面、非球面、金字塔形、凸面、凹面等。
为了降低成本，并有利于制造本发明的微透镜结构，使得所有聚焦元件，即微透镜，都是相同的。
优选地，微透镜结构配置为使得一个所述聚焦元件与一个所述透明孔光学对应。这些透明孔有助于确保只有在预设入射角内的光才能传输到传感器阵列。可以将不想要的光散射或吸收，以使其不会击中检测器/传感器阵列。举例来说，可以将微透镜结构配置为吸收或散射入射角大于预设值的部分指纹光，或入射角在预设角范围内的部分指纹光，例如在1°-5°角范围内，或2°-7°角范围内，或3°-8°角范围内，或4°-9°角范围内。举例来说，可以将微透镜结构中除了前侧聚焦元件和透明孔以外的部分配置为吸收光。
在优选实施例中，本发明所述装置配置为将物体光聚焦并成像到传感器阵列。即，可以将各微透镜配置为将指纹光聚焦和/或成像到传感器阵列上的对应像素。因此，微透镜结构可以配置成使得各聚焦元件能够通过微透镜结构背面对应的透明孔汇聚指纹光。因此，微透镜不一定与对应的孔和对应的至少一个像素对齐，只要它们在光学上对应，使得光通过微透镜聚焦，穿过对应的孔并到达对应的至少一个像素。例如，可以使至少一部分或全部聚焦元件为球面来提供聚焦。或者，将各微透镜的焦点设置在别处，例如在相应的透明孔内，但优选地在孔的中心。
在优选实施例中，在微透镜结构中的各个微透镜元件之间没有界面，微透镜内部的块体优选地是透明材料的均匀固体块。如果每个单独的微透镜元件的侧面，即连接正面和背面的表面是不透明的，使得所述侧面可以吸收不想要的光，则可以改进本发明所述光学传感器的光学特性。然而，这将使微透镜结构的制造更加复杂和昂贵。取而代之的是，可以通过孔阵列来控制光学特性，所述孔阵列由低成本的设计和制造得到。
如前所述，传感器阵列可以是标准的CCD传感器阵列。然而，由于标准传感器中实际使用的像素通常在1/4和1/2之间，甚至可能在1/10和1/2之间，因此此处使用的传感器阵列可以配置为各微透镜仅包括一个像素。更少的像素使传感器阵列的读出速度更快，从而可以更有效地检测物体。
本发明所述生物特征成像通常在光学上设计为匹配预设的显示面板，其中从触摸表面到微透镜结构的距离为微透镜结构和传感器阵列的设计提供了光学约束。使用标准的现成传感器阵列，像素大小是预设的，这提供了另一个光学约束。使用定制的传感器阵列，像素尺寸可以成为光学设计空间的一部分。
在另一个实施例中，本发明所述光学传感器包括至少一个滤光器。这种滤光器可以是滤色器，其可以配置为滤除预设波长范围的光，例如不想要的背景光。也可以配置滤光器，使得仅允许在光源发出光的波长范围内的光通过。例如，如果使用IR光源，滤色器可以配置为仅传输IR光。OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机发光二极管)显示面板通常采用三种不同波长范围的光。因此可以将滤色器配置为仅传输这些波长范围中的一个或两个。例如，可以在微透镜结构的背面和传感器阵列之间提供过滤器，例如正好在传感器像素阵列的前面。
可以将本发明所述生物特征成像装置配置为利用来自发光显示面板的光，例如电子装置的显示面板，例如通过使用通常是显示面板部件的OLED光源。但是，OLED通常会向上(向显示表面)和向下(向生物识别成像装置)照射光。优选的解决方案是提供至少一个(单独的)光源用于传输光，使得光从指纹所在的触摸表面输出。有利地，光源可以配置为发射红外光，例如大约700nm-900nm或800nm-900nm的光，可替换成或附加发射绿光。然而，其他波长范围也是可行的。光源可以是至少一个激光器或LED，它们可以非常节省成本且非常紧凑。现有许多解决方案可以集成一个或多个光源，以使光从触摸表面输出。
也可以使微透镜结构的部分背面能够反射至少部分光来提供透明孔，例如完全反射或部分反射部分吸收。这可以通过将反射材料附接到微透镜结构的背面来实现，如图15B所示，其中反射材料已附接到微透镜结构的背面，即在微透镜结构下方，以在反射材料元件之间产生透明孔。该方案的优点在于，入射到背面能反射光的位置的光可以反射回显示面板，从而用于照亮显示面板上的物体，例如指纹。即，由于微透镜结构中的吸收而浪费的光子更少，但可以重新用于照明，从而提高光源的利用率并提高装置的效率。
在本发明的一个实施例中，微透镜结构的反射性背面通过金属例如金属箔(例如铝箔)来实现，所述金属可以附接到微透镜结构的背面。可以通过在金属箔中切割和/或冲压孔来提供透明孔，从而提供所述透明孔与微透镜结构的各微透镜的对应关系。
在本发明所述生物特征成像装置的一个实施例中，微透镜结构的正面和背面之间的距离小于400μm，更优选地小于300μm，甚至更优选地小于200μm，还更优选地小于100μm，甚至更优选小于75μm，还更优选小于60μm，最优选小于55μm。微透镜结构的聚焦元件，即微透镜的直径可以小于100μm、更优选地小于50μm、甚至更优选地小于30μm、最优选地小于或大约25μm。单个聚焦元件可以配置为后焦距小于30μm、更优选小于20μm、更优选小于15μm、最优选小于或大约10μm。因此，传感器阵列平面中的微透镜结构的覆盖面积因此可以小于400mm2，更优选地小于200mm2，最优选地小于或大约100mm2。
本发明所述生物特征成像装置的总高度因此可以小于500μm，更优选地小于300μm，更优选地小于200μm，甚至更优选地小于150μm，最优选地小于100μm。
基本上光学传感器可以为正方形或矩形。然而，基本上细长的实施例也是一种选择，使得传感器成为线扫描仪。
透明针孔/孔阵列
术语“针孔”和“孔”以及“孔阵列”和“针孔阵列”可互换使用，因为在本发明内容中不透明层的非常有限的厚度，层中的“孔”可以基本上等同于层中的“针孔”。
所述针孔是透明的，使得光可以通过针孔，而针孔周围的不透明层会阻挡光。如果针孔是实际孔，即没有材料填充，例如由空气填充，可以实现针孔的透明。然而，针孔也可以至少部分或完全填充透明材料。这种解决方案的一个优点是可以减少空气和透明材料之间的光学界面，例如减少微透镜结构和针孔之间的界面或针孔和第一透明层之间的界面，从而减少生物特征成像装置的光学噪声。
可以通过如本文所述的纳米压印技术在不透明层中冲压出相应的阵列模型来提供透明针孔/孔，以作为不透明层中的实际空气孔。
可以以不同方式提供由透明材料(即透明聚合物)组成的透明针孔/孔。一种方法是首先在不透明层中冲压出孔，然后将透明材料填充到孔中，如果透明材料是可以流入孔中的低粘性树脂。这种解决方案的优点在于它可以形成微透镜的第二透明层，在设置此层时流入针孔中。但是此方案要求树脂具有较低的粘度，所述粘度与各针孔的直径大小相关，即如果针孔太小，则树脂需要非常低的粘度才能流入针孔。
另一种方案是形成透明微柱阵列，各微柱对应一个透明针孔，随后在微柱周围设置不透明层。此方案的一个优点是可以在第一透明层中形成透明微柱阵列。此微柱解决方案也可以通过纳米压印技术提供，并实现非常小的针孔。
在本发明的另一个实施例中，沿垂直于孔的主平面的轴方向，所述孔具有显著的长度，例如至少3μm，更优选地至少6μm，甚至更优选地至少9μm，甚至更优选至少12μm，最优选至少15μm，以形成细长的孔，例如圆柱形的孔。微透镜结构的细长孔的厚度可能对孔滤除不想要的光(具有大入射角的光)的能力具有显著影响。微透镜结构背面的非透光部分，即用于形成孔的部分，可以具有与透光/透明孔长度相近的厚度。或者，不透明的、不透光的部分可以以基本上三维的配置应用，以形成细长的孔，沿垂直于传感器阵列的轴方向，所述孔具有相当大的长度，例如至少3μm，更优选地至少6μm，甚至更优选至少9μm，甚至更优选至少12μm，最优选至少15μm。较大长度的细长孔可以使能通过孔而不被不透明层阻挡/吸收的光需要的入射角更小。细长孔的显著长度例如至少3μm，更优选至少6μm，甚至更优选至少9μm，甚至更优选至少12μm，最优选至少15μm，可导致无需在孔和传感器阵列之间留出空间。这样孔就会挡住或吸收入射角大的物体光。细长的孔/针孔在图22和图23中举例说明。
或者，孔层非常薄，优选小于5μm、4μm或3μm，最优选小于2μm，例如在1和2μm之间。小于3μm(例如1μm到2μm)的薄不透明层在纳米压印技术中是一个优势，因为使用较薄的层的制造过程更快。
优选地，透明孔的横截面积小于800μm2、更优选地小于400μm2、更优选地小于200μm2、最优选地小于或大约100μm2。即孔可以是圆柱形的。
微透镜、孔和传感器阵列之间的间距
在本发明的另一个实施例中，提供了用于将传感器阵列与孔阵列电绝缘的装置。绝缘装置包括应用传感器阵列和孔阵列之间的层，其中所述层可以由诸如气隙之类的间隙组成，或者由基本上为绝缘体的材料组成，例如本文所述的透明聚合物。通过并入绝缘层，孔阵列可以在面对包含光电像素的传感器阵列时用导电材料中制造，而不存在使传感器阵列的输出信号失真的风险，所述风险包括提高噪声，甚至组件短路。优选地，孔包括一个滤光器或多个滤光器，例如每个微透镜包括一个滤光器，将所述滤光器配置为滤除在预设波长范围内的光，例如不想要的背景光。滤光器也可以配置为仅允许光源波长范围的光通过。滤光器可以设置在与微透镜结构的孔相同的层中。滤光层还可以包括用于每个微透镜的单个滤光片，使得每个滤光片都由不透光涂料包围。以这种方式，滤光器可以构成孔或形成孔的一部分。例如，微透镜结构的每个孔可以包括一个滤光片。
在另外的实施例中，孔阵列可以与传感器阵列接触，但在另一个实施例中可以设计成孔阵列与传感器阵列相邻并具有间隙。
在本发明的另一实施例中，孔与微透镜层接触。或者，孔可以不与微透镜层接触，使得在微透镜阵列和孔之间存在间隙。
透镜属性
本发明所述透镜(例如微透镜)包括但不限于具有剖面结构的元件，所述剖面结构穿过微透镜的中心并沿与透镜的微透镜结构垂直的平面延伸，包括半球形、非球面、圆锥形、三角形、矩形、多边形或它们的组合。
所述透镜可以具有使得它对从物体返回的光是基本透明的光学特性。此外，透镜的折射率可以大于1，优选至少1.1，更优选至少1.2，甚至更优选至少1.25，最优选至少1.25以上。优选地，准直的入射光由微透镜聚焦到位于微透镜焦平面中的单个点。
在本发明的另一实施例中，所述透镜是柱状透镜，例如线性透镜阵列和/或二维透镜阵列，如密排六边形或任何其他二维阵列。采用柱面透镜的微透镜结构，孔可以但不限于使用狭缝代替针孔。在本发明的进一步实施例中，孔具有其他形状，例如矩形、正方形、椭圆形或多边形。
实施例
如图1所示为本发明所述微透镜结构中的单个微透镜和对应像素的侧面剖视图。在微透镜前面的聚焦元件通过凸面将光聚焦到像素上。当处于折射率低于自身的介质(例如空气)中时，所述凸面用作聚焦元件。将背面的一部分涂成不透明的。未涂覆的部分是透明孔。想要的光通过孔然后击中作为光学检测器的像素。不想要的光由涂料吸收、被过滤器过滤或者射到像素之外。图1中微透镜的正面是一个曲率半径为24微米的球体，而背面是一个平面。微透镜的长度为54微米，宽度和高度均为24微米。后焦距为13微米。背面中心的透明孔是圆形的，它是通过将背面的其余部分涂成不透明或使其粗糙而形成的。对应像素的大小为8×8微米。正面、背面和像素的中心是一一对应的。换言之，它们是同轴的。将所述微透镜设计成暴露在空气中，即微透镜正面和背面的界面应该是空气。提供位于像素前面的滤光器以过滤具有不想要波长的光，例如仅允许具有信号波长的光通过。合适的滤光片可以显著降低背景光。
指纹敏感区域的大小取决于实际需要。为了提供对指纹敏感的10mm×10mm区域，使用如图1A所示的417×417的微透镜阵列和像素阵列是合适的。
在另一个示例中，微透镜的正面是具有50微米曲率半径的球面，而背面是平面。微透镜的长度为100微米，宽度和高度均为50微米。后焦距为20微米。背面中心的透明孔，即同轴孔，是直径为20微米的圆形孔。对应像素的大小为15×15微米。所述微透镜设计为暴露在空气中。
如图2所示为部分微透镜结构的剖视示意图，所述微透镜结构包括排成阵列的十一个邻接微透镜。即使各个微透镜为水平显示，微透镜之间是没有界面的，因为微透镜之间不需要光学隔离，这降低了制造成本。与现有技术的光通道解决方案形成对比，现有技术中相邻通道之间的光隔离是必需的。
如图3所示为图1A所示微透镜+像素的透视图。显示出了透明侧表面。
如图4所示为图3中多个微透镜的透视图，所述多个微透镜在像素阵列前方排成整列形成微透镜结构的一部分。由于实际应用中通常包括数千个微透镜，所示的121个微透镜阵列只是实际微透镜结构的很小一部分。
如图5所示为微透镜阵列正面的另一透视图。图5中显示了圆形正面，但其他选项例如六边形、三角形等也是可行的。只要可以形成一个区域即可。
如图6所示为图5中微透镜阵列的背面。圆圈表示透明孔。背面的其余部分不透明或粗糙的，因此不想要的光被吸收。孔的形状也可以是正方形、六边形、其他等边多边形，但最优选的是圆形。在相邻微透镜之间没有光学隔离的情况下，透明孔对于过滤/吸收不想要的光很重要。
如图7所示为对应于图5-6中微透镜阵列的像素阵列的示意图。黑色方块表示像素。每个方块代表一个有效像素。单个像素的形状也可能不同，像素的大小是光学设计的一部分。有效像素可以是一个像素或多个像素，例如CCD像素、COMS像素和光电二极管。可以由软件控制几个(相邻)像素组装成传感器阵列中的一个有效像素。
如图8所示为对应的微透镜、透明孔和像素之间的关系。在这种情况下，单个微透镜是方形的。所述孔是圆形的并且具有相当小的面积。像素是方形的，其直径与孔对应。所示的方形微透镜这种布置充分利用了微透镜阵列的正面。它收集尽可能多的光，与现有技术的光学指纹检测器相比提高了透光率。
如图9所示为微透镜结构中的另一种微透镜布置，其中微透镜以六边形配置布置。与方形排列相比，图9中的这种六边形排列通常具有较低的透光率，因为这种微透镜空间排列的空间效率较低。
如图10所示为在示例性位置具有生物特征成像装置的手机/智能手机的轮廓，所述生物特征成像装置为位于手机显示屏下方的指纹检测器。只要手机具有透明显示屏，本发明所述光学传感器和指纹检测器就可以安装在显示屏下方的任何位置。
如图11所示为图10中装置的侧面剖视图，其中供手机用户触摸的盖板玻璃位于OLED显示器上方。所述指纹检测器位于OLED显示屏下方。图11中的尺寸未按实际示出，因为本发明所述指纹检测器通常比显示面板+盖板玻璃薄得多。
如图12所示为本发明所述生物特征成像装置一实施例的功能示意图。入射角为0°的指纹反射光通过微透镜聚焦到像素上。在到达微透镜阵列之前，反射光穿过盖板玻璃和透明或半透明的显示面板。在其他方式中，本发明所述光学传感器和图像识别装置可以安装在其他透明或半透明材料下。
图13对应于图12但反射光的入射角是6°。结果是光由微透镜聚焦并通过微透镜结构的背面传输，但是由于传感器阵列和微透镜结构的背面之间的间距，具有更大入射角的聚焦光不会击中像素。即不会检测到具有较大入射角的不想要的光。
图14对应于图12但入射角是13°。结果是光由微透镜聚焦并被微透镜结构的背面吸收，所述微透镜结构在透明孔之外是不透明的。即不会检测到具有大入射角的不想要的光。
如图15A所示是图12-14的组合，分别显示了入射角为0°、6°和13°并从指纹反射的光。使用的光源是OLED显示器。OLED是本发明所述指纹检测器的方便光源。它发出的光足够强，并通过适当的控制能提供均匀的照明。但是OLED也提供了很多背景光。此外，OLED显示器会发出可见光。因此，环境光也成为像素的背景光。这就是为什么IR光源是首选。
图15B显示了如何使用具有反射材料的元件来代替图15A中微透镜阵列的吸收性背面。结果是可以将光反射回指纹以增加指纹的照明，而不是在微透镜结构的背面将光子吸收。
图16是图15A的特写视图，显示了通过微透镜和孔的光的透射率。入射角为0°的光聚焦到像素上，入射角为6°的光由微透镜聚焦并透过孔，但由于微透镜背面和传感器阵列之间的间距，不会击中像素。入射角为13°的光由微透镜聚焦，但被微透镜背面的不透明部分吸收。
图17是图12的特写视图，显示了入射角为0°的情况。
图18是图13的特写视图，显示了入射角为6°的情况。部分聚焦光由微透镜的背面吸收，部分聚焦光透过孔但没有击中像素，因此不会被检测到。
图19是图14的特写视图，显示了入射角为13°的情况
如图20所示为入射到图2所示的微透镜阵列上的光的波前，入射角为30°。光由微透镜聚焦但随后被不透明表面吸收。
如图21所示为入射到图2所示的微透镜阵列上的光的波前，入射角为30°，但是没有孔，整个背面是透明的。然后光线由微透镜聚焦并传输到相邻的像素，即将具有大入射角的不想要的光传输到了传感器阵列。该示例说明了在不透明背面中透明孔的重要性，即它们有助于确保只有想要的光传输到传感器阵列。
如图22所示为具有细长孔的微透镜阵列。在这种情况下，孔基本沿垂直于微阵列结构的主平面的轴伸长。示出的两个波前入射角分别为30°和0°，其中具有较大入射角的波前由于被细长孔侧面的不透明涂料阻挡而没有到达传感器阵列的像素。
图2-3示出了包括细长孔的微透镜阵列的功能的图示，其中不透明涂料构成细长孔的侧壁。入射角为6°的指纹反射光被细长孔中的涂料阻挡。滤光片用于滤除不想要的波长的光，并且部分位于细长孔内。
如图24所示为本发明所述生物特征成像装置一实施例的侧面剖视图，所述生物特征成像装置在底部具有标准CMOS/CCD传感器。在装置的顶部提供了一个微透镜阵列。在所述微透镜阵列下方，在不透明层中提供针孔/孔阵列。在所述针孔阵列和所述传感器之间提供(第一)透明基板层。每个微透镜与所述针孔阵列中的相应针孔和传感器中的相应像素(像素未显示)精确对齐。所述第一透明基板层、带针孔的所述不透明层和所述微透镜阵列都通过UV-NIL直接在CMOS/CCD晶圆上进行了处理。
图25示出了本发明所述制造方法的一实施例的工艺步骤。从上到下：提供标准CMOS/CCD晶圆；在晶圆顶部提供第一透明基板层，例如透明聚合物；在第一透明基板层顶部提供黑色不透明/不透明聚合物层；随后通过纳米压印光刻技术，例如利用热压印技术在黑色聚合物层中提供针孔/孔，使得相应模具的针孔压印到所述黑色聚合物层中，纳米压印技术可以确保每个针孔与传感器阵列中的相应像素对齐；随后在不透明层的顶部提供第二透明基板层；随后，通过UV-NIL在第二透明基板层中形成微透镜阵列，使得每个微透镜与对应的针孔阵列对齐。
图26示出了应用于光电探测器的结构的一实施例的剖视放大图，即包括第二透明层、具有针孔的不透明层和可选的第一透明层的微透镜，即可以通过纳米压印技术提供此种结构，即NIL结构。图26示出了两个具有相应针孔和透明层的微透镜。从左侧可以看到曲率半径(radius of curvature，ROC)为30μm的球面微透镜。宽度为24μm的微透镜结构已形成在第二透明层中，在微透镜形成后，从微透镜顶部到不透明层顶部的高度为48μm。不透明层的厚度为10μm，针孔的直径为10μm。不透明层和像素(未示出)之间的第一透明层的厚度为24μm。如图26所示，微透镜结构的公差为±2微米，而其余制造公差低至±1μm。
如图27所示为将生物特征成像装置集成到电子装置中以集成到例如智能手机中并用于下方显示应用程序的示意图。在图27中，微透镜结构设置在针孔阵列的顶部，所述针孔阵列设置在CMOS/CCD的顶部，CMOS/CCD集成在印刷电路板(printed circuit board，PCB)上，所述印刷电路板可以是柔性PCB以使器件更薄。当使用本发明所述方法时，如图27所示，微透镜阵列、针孔阵列和CMOS/CCD晶圆将不会分离，因为它们是在彼此的顶部一层一层地制造的。
图28示出了本发明所述制造方法的一实施例的工艺步骤，其中通过冲压不透明层来形成针孔。从上往下：提供标准CMOS/CCD晶圆；在晶圆顶部形成第一透明基板层，例如透明聚合物；在第一透明基板层顶部形成黑色不透明/不透明聚合物层，通常厚度约1-2μm；随后通过纳米压印光刻技术在所述黑色聚合物层中形成针孔/孔，例如采用热压印技术，将相应模具的针孔压印到黑色聚合物层中，所述模具具有用于形成针孔阵列的突出结构，即将模具的突出结构冲压穿过整个不透明层以形成透明针孔；随后在不透明层的顶部形成第二透明基板层，且第二透明基板层比不透明层厚；随后，利用具有倒置结构的模具通过UV-NIL在第二透明基板层中形成微透镜阵列。
图29示出了本发明所述制造方法的一实施例的工艺步骤，其中针孔由微柱形成。从上往下：提供标准CMOS/CCD晶圆；在晶圆顶部形成第一透明基板层，例如透明聚合物；然后通过具有倒置结构的模具在第一透明基板层中形成微柱，所述倒置结构定义了微柱阵列；在所述微柱阵列周围形成不透明/不透光(如黑色)聚合物层，如此所述透明微柱成为不透明层中的透明针孔；随后在不透明层的顶部形成第二透明基板层；随后，利用具有倒置结构的模具通过UV-NIL在第二透明基板层中形成微透镜阵列。

Claims (19)

1.一种制造生物特征成像装置的方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
提供包括光电探测器像素阵列的图像传感器；
在第一透明基板层或所述光电探测器像素阵列上形成不透明层，所述不透明层中具有透明针孔阵列；
在所述不透明层的顶部设置第二透明基板层，以及
在所述第二透明基板层的顶部形成微透镜阵列，使得所述微透镜阵列中的每个微透镜对应于所述针孔阵列中的一个针孔和所述光电探测器阵列中的至少一个像素，其中具有所述透明针孔阵列的所述不透明层和所述微透镜阵列是通过纳米压印光刻技术形成的，所述纳米压印光刻技术包括基于紫外线的纳米压印光刻技术。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成的所述微透镜阵列中，各微透镜的焦点位于所述光电探测器像素阵列的平面上。
3.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，第一透明基板层覆盖所述图像传感器，优选地在形成所述不透明层之前所述第一透明基板层覆盖所述图像传感器。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过纳米压印光刻技术形成所述第一透明基板层，所述纳米压印光刻技术包括基于紫外线的纳米压印光刻技术。
5.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述不透明层形成在所述第一透明基板层上或形成在所述光电探测器像素阵列上，随后在所述不透明层内形成所述透明针孔阵列。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，通过将第一模具压入不透明聚合物层在所述不透明聚合物层中形成一组透明针孔，以在所述不透明层内形成所述透明针孔阵列，所述第一模具具有一组凸起元件阵列。
7.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述透明针孔阵列作为一组透明微柱形成在所述光电探测器像素阵列上或所述第一透明基板层上，随后在所述透明微柱的阵列周围形成所述不透明层，以形成具有透明针孔阵列的所述不透明层。
8.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述透明针孔阵列作为一组透明微柱刻印在所述第一透明基板层内，随后在所述透明微柱的阵列周围形成所述不透明层，以形成具有所述透明针孔阵列的所述不透明层。
9.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，通过将第二模具压入所述第二透明层以在所述第二透明基板层中形成所述微透镜阵列，所述第二模具包括定义了一组倒置微透镜的模型。
10.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述纳米压印光刻技术是基于紫外线的纳米压印光刻技术。
11.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述第一透明基板层的厚度小于25μm和/或具有所述微透镜阵列的所述第二透明基板层的厚度小于50μm。
12.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述不透明层的厚度小于12μm，所述针孔阵列中的各透明针孔的直径小于12μm。
13.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述不透明层的厚度小于5μm，优选地小于2μm。
14.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述微透镜阵列中各微透镜的曲率半径在20μm到40μm之间。
15.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述层设置为使所述针孔阵列中的各针孔与所述像素阵列中的至少一个像素对应。
16.根据以上任一项权利要求所述的方法，其特征在于，针孔与微透镜和/或针孔与像素在±1μm内对齐。
17.一种根据以上任一项权利要求所述方法制造的生物特征成像装置。
18.根据权利要求17所述的生物特征成像装置，其特征在于，微透镜结构设置为将来自所述微透镜结构上方的光信号汇聚到针孔阵列的针孔中，所述光信号通过所述针孔传输到图像传感器阵列。
19.根据权利要求17-18任一项所述的生物特征成像装置，其特征在于，放置在显示面板下方以检测/成像从所述显示面板顶部物体返回的光，所述物体包括指纹，所述装置设置为将入射角小于或等于预设值的物体光通过微透镜结构聚焦到传感器阵列上，同时不检测入射角大于预设值的指纹光，所述预设值为5°。
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