JP2022554314A - ナノインプリントリソグラフィを用いて生体撮像装置を製造するための方法 - Google Patents

Abstract

本開示は、画像認識装置、例えば、指紋検出装置などの、生体撮像装置での使用のために、ディスプレイ下用途での使用のための、光学センサーの製造方法に関する。本開示の方法は、改善された光透過率を有する光学センサーを小型で費用効率の高い構造で実現するための、好ましくはナノインプリントリソグラフィを採用する、費用効率の高い製造プロセスを提供する。具体的には、本開示の画像認識装置は、スマートフォンなどの、電子装置のディスプレイパネル下に配置できる。一実施形態は、生体撮像装置の製造方法に関し、本方法は、光検出器画素配列を含む画像センサーを提供すること、第１の透明基板層上または光検出器画素配列上に不透明層を形成することであって、不透明層はその中に透明なピンホールアレイを有し、第２の透明基板層を不透明層の上に配置すること、およびマイクロレンズアレイを第２の透明基板層の上部内に形成し、それによりアレイ内の各マイクロレンズがピンホールアレイ内のピンホールおよび光検出器アレイ内の少なくとも１つの画素に対応することを行う各ステップを含み、透明なピンホールアレイおよびマイクロレンズアレイを有する不透明層は、ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィなどの、ナノインプリントリソグラフィによって形成される。【選択図】図１

Description

本開示は、画像認識装置、例えば、指紋検出装置などの、生体撮像装置での使用のために、ディスプレイ下用途での使用のための、光学センサーの製造方法に関する。本開示の方法は、改善された光透過率を有する光学センサーを小型で費用効率の高い構造で実現するための、好ましくはナノインプリントリソグラフィを採用する、費用効率の高い製造プロセスを提供する。具体的には、本開示の画像認識装置は、スマートフォンなどの、電子装置のディスプレイパネルの下に配置できる。

生体測定システムは、例えば、指紋センサーの形で、プライバシーおよびデータ保護、ならびに本人認証のために、スマートフォン、タブレット、ラップトップなどの、ディスプレイを備えた電子装置に大規模に統合されている。今日、最も一般的な指紋センサーは、装置のディスプレイとは独立に動作する容量センサーである。容量センサーは電子ディスプレイと容易に統合されないので、装置の前面のほぼ全体を覆うディスプレイに向かう現在の動きは、生体撮像装置を前面と統合するのを困難にする。

指からの反射はカバーガラスおよびディスプレイを通して指紋センサーに散乱して戻ることができるので、光学指紋センサーはディスプレイのカバーガラスの下に配置できる。しかし、指紋のぼやけた画像を回避するために、光学指紋センサーは典型的には、光線がセンサーアレイの画素に当たる前に指からの大角度後方散乱反射を除去する必要がある。

これらの問題に対処する光学センサーが同じ出願人からの出願中ＰＣＴ／ＥＰ２０１９／０６１７３８で開示されており、光がマイクロレンズ構造により開口部を通してセンサーアレイ上に集束できるように、マイクロレンズのアレイが開口部／ピンホールのアレイを有する不透明層およびセンサーアレイと組み合わせて提供される。ＰＣＴ／ＥＰ２０１９／０６１７３８は本明細書で参照により全体として組み込まれる。

概要
マイクロレンズ、開口部および画素の間の１対１対応を有する高解像度センサーを達成するために、マイクロレンズは小型である必要があり、光学装置は、差異に敏感な複雑な製造プロセスを示す、高精度で製造される必要がある。本発明人は、既に製造されている光学構造を位置合わせする代わりに、透明開口部を持つ不透明層およびマイクロレンズ構造の光学配置を画像センサーの一番上に直接形成することによって、これらの問題に対処している。従って、本開示の一実施形態は、生体撮像装置を製造するための方法に関し、本方法は、光検出器画素配列を含む画像センサー、例えば、標準的なＣＭＯＳ／ＣＣＤセンサーを提供する最初のステップを含む。第１の透明基板層が任意選択で画像センサーの一番上に配置されて画像センサーをカバーして保護できる。不透明層が次いで、第１の透明基板層の一部として、透明基板上に、または光検出器画素配列上に直接のいずれかで、形成できる。不透明層は例えば、暗いか、または黒いポリマー層、例えば、樹脂であり得る。各開口部が光検出器画素配列内の少なくとも１つ画素に対応するように、透明開口部の配列が不透明層内に提供される。それに関して、各透明なピンホールが光検出器画素配列内の少なくとも１つの画素と位置合わせされ得る。不透明層内のピンホール／開口部の形成は、例えば、インプリントリソグラフィ、例えば、ナノインプリントリソグラフィによって提供され得、ピンホールは、画素配列のパターンに対応する、型押しパターンをもつ型オリジナルによって不透明層内に「打ち抜かれる」／押し付けられる。代替として、ピンホールアレイが透明なマイクロピラーとして第１の透明層上または第１の透明層内に形成されて、不透明層がそのマイクロピラーの周囲に形成される、すなわち、各透明なマイクロピラーが透明なピンホールに対応する。

ピンホールを備えた不透明層の一番上に、第２の透明基板層が不透明層をカバーするように配置できる。この第２の透明基板層内で、マイクロレンズアレイが、アレイ内の各マイクロレンズがピンホールアレイ内の１つのピンホールおよび光検出器アレイ内の少なくとも１つの画素に対応するように、第２の透明基板層の上または上部内に形成できる。

マイクロレンズの提供および形成もインプリントリソグラフィ、具体的には、ナノインプリントリソグラフィにより、好ましくはＵＶ成形と組み合わせて提供できる、すなわち、ポリマー基板がマイクロレンズの形成中にＵＶ硬化される。各マイクロレンズの形およびサイズはその光学特性を決定する、すなわち、マイクロレンズアレイの光学特性は、ナノインプリントリソグラフィを製造プロセスで採用する場合、正確に制御できる。１つの重要な光学特性は、各マイクロレンズの焦点であり、製造プロセスの適切な制御により焦点は、マイクロレンズの光軸に沿って実質的にどこにでも配置できる。好ましい実施形態では、マイクロレンズアレイは、各マイクロレンズの焦点が光検出器画素配列の平面内にあるように、すなわち、物体光が光検出器上に直接結像されるように、形成される。代替として、マイクロレンズアレイは、各マイクロレンズの焦点が対応するピンホールの内部になるように形成される。それにより、光検出器アレイ上の結像は、共焦点測定原理と同様であり得る。その利点は、各ピンホールの直径を小さくでき、それにより撮像装置の角度フィルタリング効果が増大するということである。

本開示は、本明細書で開示される製造方法に従って製造される生体撮像装置にも関する。

本発明人はこれにより、高度に正確で、大量生産に適した非常に費用効率の高い生体撮像装置の製造工程を実現している。具体的には、最初の光検出器アレイは、実質的に任意のサイズのシリコンウエハ、例えばシリコン３００ｍｍウエハ、さらに第３世代５５０ｍｍ６５０ｍｍウエハ上にまで直接提供でき、それにより多くの生体撮像装置の検出器＋ピンホールアレイ＋マイクロレンズアレイが同時に製造できる。

本開示の生体撮像装置は好ましくは、マイクロレンズ構造が、マイクロレンズ構造の上からの光信号をピンホールアレイ内のピンホールに収束するように構成されるように、構成され、光信号はピンホール、好ましくは、ピンホールの単層、を介して画像センサーアレイに伝達される。同様に好ましくはこの特徴により、所定値以下の入射角をもつ、指紋光などの、物体光が光検出器／センサーアレイに集束され、他方前記所定値よりも大きい入射角をもつ物体光は検出されない。入射角の所定値は例えば、２０度、または１５度、好ましくは１０度、より好ましくは８度、さらにもっと好ましくは６度、最も好ましくは５度であり得る。または選択された実施形態では４度もしくは３度でさえある。本開示の生体撮像装置は、ディスプレイパネルと、例えば、光源として、および／または１つ以上の別個の光源と共に、ディスプレイ下に統合されて、連携するように構成され得る。

本開示の生体撮像装置は、画像を認識する、例えば、指紋を検出するために、センサーアレイからの信号を処理するための処理装置をさらに含み得る。装置は、指紋情報を、好ましくは暗号化形式で、格納するための記憶装置をさらに含み得る。処理装置、記憶装置およびセンサーアレイは１つの集積回路／構成要素の一部であり得る。

更なる実施形態は、ユーザーがタッチするためのインタフェースとしてディスプレイパネルの上に形成された一番上の透明層を含むディスプレイパネル、および本明細書で開示される生体撮像を含む、指紋を光学的に検出するための、スマートフォン、タブレット、ラップトップ等、の電子装置に関する。ディスプレイパネルは発光ディスプレイ画素を含み得、各画素はディスプレイ画像の一部を形成するために光を放出するように構成され、一番上の透明層は、ディスプレイパネルからディスプレイ画像に光を伝達するために構成される。

本開示は、透明ディスプレイパネルの上で、指紋などの、物体から返された光を検出するための方法にさらに関し、ディスプレイパネルの下に配置されたマイクロレンズ構造に配置されたマイクロレンズにより光検出器のセンサーアレイに物体光を集束して結像するステップを含み、物体から返った光は、前述のとおり所定の入射角内で受け取られる。

本発明は以下で、添付の図面を参照してさらに詳細に説明される：

本明細書で開示されているようなマイクロレンズ構造の例示的な単一マイクロレンズおよび対応する画素の切断側面図を示す。マイクロレンズの前面における集束素子は凸状前面によって光を画素に集束する。 アレイに配置された１１の隣接したマイクロレンズを含むマイクロレンズ構造の一部の概略図の切断図を示す。 図１に示されるマイクロレンズ＋画素の斜視図を示す。 画素配列の前にマイクロレンズ構造の一部を形成するアレイに配置された図３の複数のマイクロレンズの斜視図を示す。 マイクロレンズのアレイの前面の別の斜視図を示す。 図５のマイクロレンズアレイの背面を示す。円形は透明開口部を示す。背面の残りの部分は不透明である。 図５～図６のマイクロレンズアレイに対応する画素配列の例を示す。黒い正方形は画素を示す。 対応するマイクロレンズ、透明開口部および画素の間の関係の図解を示す。 マイクロレンズが六角形構成に配置されているマイクロレンズ構造内のマイクロレンズの別の配置を示す。 携帯電話／スマートフォンの輪郭を、スマートフォンのディスプレイの下の指紋センサーの形での生体撮像装置の例示的な位置と共に示す。 図１０の装置の切断側面図を示しており、携帯電話ユーザーによってタッチされるためのカバーガラスがＯＬＥＤディスプレイの上に配置されている。指紋センサーはＯＬＥＤディスプレイの下に配置される。 本開示の生体撮像装置の一実施形態の機能の図解を示す。０°の入射角をもつ指紋からの反射光がマイクロレンズによって画素に集束される。 図１２に対応するが、入射角はここでは６°である。結果は、光がマイクロレンズによって集束され、マイクロレンズ構造の背面を通して伝達されるが、より大きな入射角をもっていれば、集束された光は、センサーアレイとマイクロレンズ構造の背面との間の間隔に起因して画素に当たらない、ということである。すなわち、より大きな入射角をもつ望ましくない光は検出されない。 図１２に対応するが、入射角はここでは１３°である。結果は、光がマイクロレンズによって集束されるが、透明開口部の不透明な外側であるマイクロレンズ構造の背面によって吸収されるということである。すなわち、大きな入射角をもつ望ましくない光は検出されない。 図１２～図１４の組合わせである。使用される光源はＯＬＥＤディスプレイである。 図１５Ａに対応するが、吸収性塗料が反射性材料と交換されている。 図１５Ａの拡大表示である。 図１２の拡大表示である。 図１３の拡大表示である。 図１４の拡大表示である。 図２に示されるマイクロレンズアレイ上に３０°の入射角で入射する光の波面を示す。光はマイクロレンズによって集束されるが、次いで不透明な表面によって吸収される。 図２に示されるマイクロレンズアレイ上に３０°の入射角で入射する光の波面を示すが、開口部がなく、背面全体が透明である。 細長い開口部を有するマイクロレンズアレイの概略図を３０°および０°の入射角を有する２つの波面と共に示す。 細長い開口部を含むマイクロレンズアレイの機能の図解を示す。６°の入射角をもつ指紋からの反射光が、開口部を形成するように作用している不透明な表面によって遮断される。 ＵＶ－ＮＩＬによって製造された本開示の生体撮像装置の一実施形態の切断側面図解を示す。 ＵＶ－ＮＩＬを採用する本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示する。 光検出器に適用されるＮＩＬ構造の一実施形態の切断拡大図を例示する。 生体撮像装置を、ディスプレイ下用途のために、例えば、スマートフォンへの統合のための電子装置への統合を示す。 ＵＶ－ＮＩＬを採用する本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示しており、この場合ピンホールは不透明層を打ち抜くことによって形成される。 ＵＶ－ＮＩＬを採用する本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示しており、この場合ピンホールはマイクロピラーによって形成される。

リソグラフィは、パターン転写のプロセスである。光が利用される場合、このプロセスは「フォトリソグラフィ」と呼ばれる。パターンがミクロン単位で測定されるほど十分に小さい場合、このプロセスは「マイクロリソグラフィ」と呼ばれる。

本明細書で参照される「インプリント」は、１ｎｍ～１０ｍｍのサイズでのパターン転写を示すことを意図し、好ましくは、１ｎｍ～１００μｍのサイズでのパターン転写（ナノインプリント）を示すことを意図する。

ナノインプリント技術は、マイクロおよびナノスケール構造の大量生産のための高性能、低費用でボリューム対応の製造技術である。基板上に形成された樹脂材料がナノメートルサイズ（１～１０００μｍ）の波状パターンの型を用いてその２つを押し付けることによりエンボス加工されるナノインプリント技術が最近、注目を集めている。ナノインプリント技術は好都合に、リソグラフィおよびエッチングを伴う従来型のパターン形成プロセスと比較して、様々な特性を備えた構成要素が低費用で製造されるのを可能にする。これは、ナノインプリンタが単純な構成を有していて、従来型の機器よりもそれほど高価でないため、さらに同じ形状の構成要素を量産するのに短時間しかかからないためである。ナノインプリントリソグラフィ（ＮＩＬ）は光ディスク生産の技術分野で周知のエンボス加工技術から進んだ開発であり、その表面上に形成されたエンボスパターンをもつオリジナルの型（これは一般に「型」、「スタンパー」または「テンプレート」と呼ばれる）を樹脂、典型的にはポリマーに押し付け、それにより樹脂の機械的変形を通してマイクロパターン／ナノパターンを樹脂に正確に転写することを含む。これにおいて、型が一旦準備されると、ナノ構造などのマイクロ構造が繰り返して型で作ることができ、この特徴によりそれは大量生産に適している。

ＵＶ成形はマイクロ光学系をウエハ規模で製造する費用効率の高い方法である。ここで、液体ポリマー樹脂が基板（例えば、ガラスまたはセミコンダクタウエハ）とコンタクトマスクアライナ内の透明成形型との間でＵＶ硬化される。

ポリマーレンズ成形は、レンズパターンが、ウエハサイズのマスタースタンプから複製された作業スタンプを使用してソフトＵＶインプリントリソグラフィにより光学ポリマー材料に転写され、それによりハイブリッドでモノリシックのマイクロレンズ成形プロセスを提供する場合に提供でき、それは作業スタンプおよびマイクロレンズ材料のために様々な材料の組合わせに対して適合できる。

ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィ（ＵＶ－ＮＩＬ）はＵＶ成形をナノインプリントリソグラフィと組み合わせる。具体的には、ＥＶ Ｇｒｏｕｐによって提供されるＳｍａｒｔＮＩＬは、ＵＶ露光に基づくフルフィールドインプリント技術であり、多くの構造サイズおよび幾何学能力においてリソグラフィ技術を提供する。ＳｍａｒｔＮＩＬは、多目的ポリマースタンプ処理を組み込む。

本開示の第１の好ましい実施形態は、生体撮像装置を製造するための方法に関し、本方法は：
－光検出器画素配列を含む画像センサーを提供すること、
－第１の透明基板層上または光検出器画素配列上に不透明層を形成することであって、不透明層はその中に透明なピンホールアレイを有し、
－第２の透明基板層を不透明層の上に配置すること、および
－マイクロレンズアレイを第２の透明基板層の上部内に形成し、それによりアレイ内の各マイクロレンズがピンホールアレイ内のピンホールおよび光検出器アレイ内の少なくとも１つの画素に対応すること
を行う各ステップを含み、透明なピンホールアレイおよびマイクロレンズアレイを有する不透明層が、ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィなどの、ナノインプリントリソグラフィによって形成される。

別の実施形態は、生体撮像装置を製造するための方法に関し、本方法は：
－光検出器画素配列を含む画像センサーを提供すること、
－任意選択で画像センサーを覆うように第１の透明基板層を配置すること、
－透明基板上または光検出器画素配列上に不透明層を形成することであって、不透明層は透明なピンホールアレイを有し、各ピンホールは光検出器画素配列内の画素と位置合わせされていること、
－不透明層を覆うように第２の透明基板層を配置すること、および
－マイクロレンズアレイを第２の透明基板層の上部内に形成し、それによりアレイ内の各マイクロレンズがピンホールアレイ内のピンホールにおよび光検出器アレイ内の画素と位置合わせされること、
を行う各ステップを含む。

好ましい実施形態では、生体撮像装置は単一のマイクロレンズアレイ層および単一の開口部配列層を含み、マイクロレンズアレイ内の個々のマイクロレンズは開口部配列内の個々の開口部に対応する。対応するマイクロレンズおよび開口部の各ペアはセンサーアレイ内の少なくとも１つの画素に対応する。

ナノインプリントリソグラフィ、具体的には、ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィを用いると、本開示の方法は、本開示の生体画像センサーの全ての層が成形および離型によって形成される単一の製造手順で実行できる、例えば、全ての層が画像センサー上で直接、ＵＶ硬化可能なレジスト（ｒｅｓｉｓｔ）を用いて形成／成形されるだけでなく、製造プロセスが非常に効率的になるように、かつマイクロレンズアレイ、開口部配列および画素配列の間の望まれる対応が取得されるように、離型後に、相互に自動的に位置合わせもされる。

任意選択の第１の透明基板層の厚さは、好ましくは少なくとも５μｍ、より好ましくは少なくとも１０μｍ、最も好ましくは少なくとも２０μｍである。さらに、この層の厚さは、好ましくは１００μｍ未満、より好ましくは５０μｍ未満、最も好ましくは２５μｍ未満、例えば、２４μｍなど、である。第１の透明層の利点は、画素配列を覆って保護することだけでなく、開口部配列と画素配列との間の一定の所定距離を確実にすることの両方である。この距離は典型的には、マイクロレンズの背面焦点距離に対応するように選択される。この間隔は、透明開口部を通って伝達される望ましくない光の一部、例えば、所定の角度よりもわずかに高い入射角をもつ入射光が、対応する画素に当たらないことを確実にする。しかし、第１の透明基板層はまた、２０μｍ未満など、より薄い可能性もあり、より好ましくは１０μｍ、さらにもっと好ましくは５、４、３μｍ未満または最も好ましくは２μｍ未満であり得る。

第２の透明基板層の厚さは、生体撮像装置の全体の薄さを確実にするために小さく保たれ、従って、好ましくはこの層の厚さは５００μｍ未満、より好ましくは２００μｍ未満、さらにもっと好ましくは１００μｍ未満、最も好ましくは５０μｍ未満、例えば、４８μｍなどである。さらに、この層の厚さは、マイクロレンズからセンサー上の画素への正確な結像を確実にするのに十分に大きい必要がある。従って好ましくは、この第２の基板層の厚さは、少なくとも１０μｍ、より好ましくは少なくとも２５μｍ、最も好ましくは少なくとも４０μｍである。

不透明層は光の非透過性を確実にするために十分に厚い必要がある。不透明層は、レジスト／ポリマー層、例えば、黒いレジスト／ポリマー層、代替として、硬化、例えば、ＵＶ硬化すると不透明になる／着色されるレジスト／ポリマー層、として塗布され得る。例えば、黒い層を用いると、厚さは約１μｍにでき、例えば、それは、例えば、第１の基板層上に塗布された、暗いか、または黒い塗料の層によるだけであり得る。従って好ましくは、この第２の基板層の厚さは少なくとも１μｍ、より好ましくは少なくとも５μｍ、最も好ましくは少なくとも８μｍである。しかし、その層は、ピンホールのフィルタリング効果を高めるためにもっと厚くにもできる。従って、不透明層の厚さは好ましくは５０μｍ未満、より好ましくは２５μｍ未満、さらにもっと好ましくは２５μｍ未満、なおさらに好ましくは１２μｍ未満、例えば１０μｍなど、しかしさらにもっと好ましくは５、４、または３μｍ未満、最も好ましくは２μｍ未満、例えば、１～２μｍの間など、である。より薄い層を用いた工程はより高速なので、１～２μｍの間など、３μｍ未満の薄い不透明層は、ナノインプリント技術内で好都合であり得る。マイクロレンズが、単一のピンホールを通して、光を光検出器に集束させる、本開示の生体撮像装置の光学装置は、不透明なピンホール層の厚さに関する要件を、光強度および光学的分解能を犠牲にすることなく、約１μｍまで緩めることができる。

次の層状構造：任意選択の第１の透明基板層、不透明層およびマイクロレンズを有する第２の透明基板層の全厚さは、好ましくは５００μｍ未満、より好ましくは２５０μｍ未満、さらにもっと好ましくは１５０μｍ未満、および最も好ましくは１００μｍ未満、８５μｍ未満でさえある。

各ピンホールの直径は、そのピンホールを通した光透過率を確実にするために十分に大きい必要がある。従って、好ましくは、各ピンホールの直径は少なくとも１μｍ、より好ましくは少なくとも４μｍ、最も好ましくは少なくとも８μｍ、例えば１０μｍなど、である。しかし、ピンホールの直径は、迷光のフィルタリング効果を確実にして生体撮像装置の信号対雑音比を高めるために十分に小さい必要もある。従って好ましくは、各ピンホールの直径は５０μｍ未満、より好ましくは２５μｍ未満、さらにもっと好ましくは２５μｍ未満、最も好ましくは１２μｍ未満である。

マイクロレンズアレイ内の各マイクロレンズの曲率半径は好ましくは、マイクロレンズの焦点（受信光の対応する波長をもつ）がセンサーアレイ内の少なくとも１つの画素に対応するサイズおよび位置に実質的に対応することを確実にするように選択される。従って、好ましくは各マイクロレンズの曲率半径は２５０μｍ未満、より好ましくは１００μｍ未満、最も好ましくは５０μｍ未満である。同様に好ましくは少なくとも１０μｍ、より好ましくは少なくとも２０μｍ、最も好ましくは２０～４０μｍの間、例えば３０μｍなど。

各マイクロレンズは１つ以上の画素に対応するので、マイクロレンズは典型的には極めて小さく、光学装置は、かかる生体撮像装置が適切に機能するために、非常に精密に製造される必要がある。従って、好ましくは、ピンホールからマイクロレンズへの軸および／またはピンホールから画素への軸は、±５μｍ以内、より好ましくは±２μｍ以内、最も好ましくは±１μｍ以内で、またはもっと良好に位置合わせされる。前述のとおり、ナノインプリント技術は、かかる高精度を低製造コストで達成するための１つの方法である。

生体撮像装置
本発明の主な利点は、マイクロレンズ構造は、所定の入射角内の所望の光がセンサーアレイ上の画素に結像できるように、所望の光の集束できることである。従来技術のソリューションと比較して、これは所望の光のより多くが検出される、すなわち、本マイクロレンズ構造は所望の光のより高い透過率を有することを意味する。検出器に対する光がより多ければ、指紋などの、物体はより高速かつ／またはより正確に検出できる。

本マイクロレンズ構造を用いると、例えば、標準的なＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイ内の、画素の一部だけ、恐らくは画素の３分の１だけが検出のために使用されるように、光を集束することも可能である。これは、読取りがずっと高速な、遥かに少ない画素をもつセンサーアレイを使用することを可能にする、すなわち、指紋センサーが指紋をより速く検出できる。

代替として、センサーアレイの複数の隣接する画素がグループにまとめられて、画素の各グループは、センサーアレイが各マイクロレンズに対して１つだけのアクティブ画素を含むように、１つのアクティブ画素として機能するように構成される。その結果、各開口部および対応するマイクロレンズはセンサーアレイ内の２つ以上の画素に対応する。

画素は、ＣＣＤ（電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）またはフォトダイオードの画素であり得る。用語「センサーアレイ」、「センサー画素配列」、「光検出器アレイ」および光検出器画素配列」は本明細書では区別しないで使用される。

別の利点は、本開示の構造は非常にコンパクトにできるということである。従来技術のソリューションは、適切に機能するためにある高さの吸収チャネルを必要とする。吸収チャネルは典型的には、３００～５００μｍの高さを有し、他方、本マイクロレンズ構造はわずか５０～１００μｍの高さで作ることができる。これは、電子ディスプレイ装置をますます薄くする現在の傾向に遥かに良く合致する。

マイクロレンズ構造の各集束素子は、ある光学設計および構成に合わせてカスタマイズできる。集束素子は、球面、非球面、ピラミッド形、凸面、凹面等であり得る。設計は、マイクロレンズを囲んでいる媒体によって決まる。例えば、界面が空気である場合、集束素子は典型的には球面であろう。界面が接着剤である場合、集束素子は典型的には非球面であろう。背面は平面であり得るが、光の集束、背面焦点距離調整、収差補正等に役立つようにも設計できる。例えば、球面、非球面、ピラミッド形、凸面、凹面等。

費用を削減するために、本マイクロレンズ構造は好都合に、全ての集束素子、すなわち、マイクロレンズが同一になるように、製造される。

マイクロレンズ構造は好ましくは、前記集束素子の各々が前記透明開口部の１つと光学的に対応するように構成される。これらの透明開口部は、所定の入射角内の光だけがセンサーアレイに伝達されるのを確実にするのに役立つ。望ましくない光は、それが検出器／センサーアレイに当たらないように、例えば、散乱または吸収できる。マイクロレンズ構造は、例えば、前記所定の値を超える入射角、または所定の入射角内、例えば、１～５度の入射角内、もしくは２～７度の入射角、もしくは３～８度の入射角、もしくは４～９度の入射角、の入射角をもつ指紋光の少なくとも一部を吸収または散乱するように構成され得る。例えば、マイクロレンズ構造は、集束素子をもつ前面および光透過性の透明開口部を除いて、光吸収性であるように構成できる。

好ましい実施形態では、本装置は、物体光がセンサーアレイに集束されて結像されるように構成される、すなわち、各マイクロレンズは、指紋光をセンサーアレイ上の対応する画素に集束および／または結像するように構成され得る。従って、マイクロレンズ構造は、各集束素子がマイクロレンズ構造の背面の対応する透明開口部を通して指紋光を集束するのを可能にするように構成され得る。従って、マイクロレンズは、光がマイクロレンズにより、対応する開口部を通して、対応する少なくとも１つの画素上に集束されるように、光学的に対応している限り、必ずしも対応する開口部および対応する少なくとも１つの画素に位置合わせされない。集束は例えば、集束素子の少なくとも一部、または全部に球面を提供することによって提供され得る。代替として、各マイクロレンズの焦点はどこにでも、例えば、対応する透明開口部の内部に、しかし好ましくは開口部内の中心に、提供され得る。

好ましい実施形態では、マイクロレンズ構造内の個々のマイクロレンズ素子間に界面はなく、マイクロレンズ内部のバルクは好ましくは、透明材料の中実の均一なブロックである。各個々のマイクロレンズ素子の側面、すなわち、前面と背面を結合する表面が、望ましくない光がその側面によって吸収され得るように不透明であった場合、本開示の光学センサーの光学特性は改善されるであろう。しかし、それはマイクロレンズ構造を遥かに複雑で製造コストを高くするであろう。代わりに、光学特性は、費用効率よく設計および製造できる開口部配列によって制御できる。

前述のとおりセンサーアレイは標準的なＣＣＤセンサーアレイであり得る。しかし、標準的なセンサー内の画素の、典型的には１／４～１／２だけ、恐らくは実に１／１０～１／２がこの装置内で実際に使用されるので、本明細書で使用されるセンサーアレイは各マイクロレンズに対して１つの画素だけを含むように構成され得る。画素が少なければ、センサーアレイの読出しが遥かに高速になり、そのため物体検出がより効率的になり得る。

本開示の生体撮像は典型的には、タッチ面からマイクロレンズ構造までの距離がマイクロレンズ構造およびセンサーアレイの設計に対して光学的制約をもたらす、所定のディスプレイパネルに適合するように光学的に設計される。標準的な市販のセンサーアレイを用いると、画素サイズが事前に定義されており、それが別の光学的制約をもたらす。カスタマイズされたセンサーアレイでは、画素サイズは光学設計空間の一部であり得る。

更なる実施形態では、本開示の光学センサーは少なくとも１つの光学フィルターを含む。かかる光学フィルターは、望ましくない背景光などの、所定の波長範囲の光を除去するように構成できる色フィルターであり得る。フィルターは、光源の波長範囲だけが通過するのを許可されるようにも構成され得る。例えば、ＩＲ光源が使用される場合、色フィルターはＩＲ光だけを透過させるように構成できる。ＯＬＥＤディスプレイパネルは典型的には、３つの異なる波長範囲をもつ光を採用する。色フィルターはその結果、これらの波長範囲の１つまたは２つだけを透過させるように構成できる。フィルターは例えば、マイクロレンズ構造の背面とセンサーアレイとの間、例えば、センサー画素配列の真正面に提供され得る。

本開示の生体撮像装置は、発光型ディスプレイパネル、例えば、電子装置のディスプレイパネルからの光を、例えば、典型的にはディスプレイパネルの一部であるＯＬＥＤ光源を使用することにより、利用するように構成され得る。しかし、ＯＬＥＤは典型的には、ディスプレイ面に向かって上方に、および下方に－生体撮像装置に向かって、の両方に光を照射する。好ましいソリューションは、指紋が置かれるタッチ面から光が伝達されるように、光を伝達するための少なくとも１つの（別個の）光源を提供することである。光源（複数可）は好都合に、約７００～９００ｎｍもしくは８００～９００ｎｍなどの、赤外光、代替または追加として緑の光を放出するために構成され得る。しかし、他の波長範囲が可能である。光源は、非常に費用効率が高くて非常にコンパクトに提供できる、少なくとも１つのレーザーまたはＬＥＤであり得る。光がタッチ面から伝達されるように１つ以上の光源を統合するための多くのソリューションがある。

透明開口部は、マイクロレンズ構造の背面の少なくとも一部を、全反射または一部反射一部吸収などの、少なくとも一部反射性にすることによっても提供できる。これは、図１５Ｂに例示されるようなマイクロレンズ構造の背面に反射性材料を付着することによって提供でき、この場合、反射性材料はマイクロレンズ構造の背面、すなわち、マイクロレンズ構造の下に付着されて、反射性材料要素間に透明開口部を作る。このソリューションの利点は、反射性背面上に入射する光がディスプレイパネルに向かって反射して戻り、それにより、ディスプレイパネル上の指紋などの物体を照射するために使用できることである。すなわち、マイクロレンズ構造における吸収のために少数の光子が無駄となるが、照射のために再利用でき、それにより光源の利用を高めて装置の効率を改善できる。

本開示の一実施形態では、マイクロレンズ構造の反射性背面は、マイクロレンズ構造の背面に付着できる、アルミホイルなどの、金属箔などの、金属によって提供される。透明開口部は、マイクロレンズ構造の個々のマイクロレンズとの対応が提供されるように、金属箔内に孔を開け、かつ／または打ち抜くことによって提供できる。

本開示の生体撮像装置の一実施形態では、マイクロレンズ構造の前面と背面との間の距離は４００μｍ未満、より好ましくは３００μｍ未満、さらにもっと好ましくは２００μｍ未満、さらにより好ましくは１００μｍ未満、さらにもっと好ましくは７５μｍ未満、さらにより好ましくは６０μｍ未満、最も好ましくは５５μｍ未満である。マイクロレンズ構造の集束素子、すなわち、マイクロレンズは、１００μｍ未満、より好ましくは５０μｍ未満、さらにもっと好ましくは３０μｍ未満、最も好ましくは２５μｍ未満または約２５μｍの直径を有し得る。個々の集束素子は、３０μｍ未満、より好ましくは２０μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満、最も好ましくは１０μｍ未満または約１０μｍの背面焦点距離を有するように構成され得る。従って、センサーアレイの平面内のマイクロレンズ構造のフットプリントはそれ故、４００ｍｍ^２未満、より好ましくは２００ｍｍ^２未満、最も好ましくは１００ｍｍ^２未満または約１００ｍｍ^２であり得る。

本開示の生体撮像装置の全高はそれ故に、５００μｍ未満、より好ましくは３００μｍ未満、より好ましくは２００μｍ未満、さらにもっと好ましくは１５０μｍ未満、最も好ましくは１００μｍ未満であり得る。

光学センサーは実質的に正方形または長方形であり得る。しかし、実質的に細長い実施形態も、センサーがラインスキャナーとなるように選択肢である。

透明なピンホール／開口部の配列
用語「ピンホール」および「開口部」および「開口部配列」および「ピンホールアレイ」は、本開示内における不透明層の非常に制限された厚さのために、層内の「開口部」は実質的に層内の「ピンホール」に等しいので、区別しないで使用される。

ピンホールは、光がピンホールを通過できるように透過的であり、他方、光はピンホールを囲んでいる不透明層によって遮断される。ピンホールの透過性は、ピンホールが実際の孔である、すなわち、物質がない、例えば、空気で充填されている場合に、提供できる。しかし、代替として、ピンホールは少なくとも一部または完全に透明材料で充填できる。かかるソリューションの１つの利点は、空気と透明材料との間の光学的界面、例えば、マイクロレンズ構造とピンホールとの間の界面またはピンホールと第１の透明層との間の界面が低減でき、それにより生体撮像装置の光学雑音が低減できることである。

不透明層内の実際の空気の孔としての透明なピンホール／開口部は、例えば、本明細書で説明されるナノインプリント技術によって、不透明層内に対応する配列パターンを打ち抜くことによって提供できる。

透明材料、すなわち、透明ポリマーから構成される透明なピンホール／開口部は、異なる方法で提供できる。例えば、透明材料が初めに孔に流れ込むことができる低粘性樹脂として提供される場合、１つの方法は、まず、不透明層内に孔を打ち抜き、その後透明材料をその孔に充填することである。かかるソリューションの利点は、それは、層が塗布されるとピンホールに流れ込む、第２の透明層であり得、その中にマイクロレンズが形成されることである。しかし、そのソリューションは、樹脂の一定の低粘性を各ピンホールの直径のサイズと組み合わせて必要とする、すなわち、ピンホールが小さ過ぎる場合、ピンホールに流れ込むために樹脂は極めて低粘性であることを必要とする。

別のソリューションは、各マイクロピラーが透明なピンホールに対応する、透明なマイクロピラーのアレイを形成し、その後、不透明層をマイクロピラーの周りに提供することである。このソリューションの利点は、透明なマイクロピラーのアレイは第１の透明層内に形成できることである。マイクロピラーのソリューションも、ナノインプリント技術によって提供でき、極めて小さいピンホールを提供する。

本開示の追加の実施形態では、開口部は、細長い、例えば、円筒状開口部を形成するために、開口部の主要な平面と垂直な軸に沿ってかなりの厚さ、例えば、少なくとも３μｍ、より好ましくは少なくとも６μｍ、さらにもっと好ましくは少なくとも９μｍ、なおさらにより好ましくは少なくとも１２μｍ、最も好ましくは少なくとも１５μｍ等、を有する。マイクロレンズ構造の細長い開口部の厚さは、大きな入射角をもつ望ましくない光を除去するための開口部の能力に著しい影響を及ぼし得る。開口部を形成するために作用する、マイクロレンズ構造の背面の非光透過性部分は、光透過性／光学的に透明な開口部と同様の厚さを有し得る。代替として、不透明な、非光透過性部分は、センサーアレイと垂直な軸に沿って相当な厚さ、例えば、少なくとも３μｍ、より好ましくは少なくとも６μｍ、さらにもっと好ましくは少なくとも９μｍ、なおさらにより好ましくは少なくとも１２μｍ、最も好ましくは少なくとも１５μｍ等、を有する細長い開口部の形成のために実質的に３次元構成に適用され得る。細長い開口部のより大きな厚さは、不透明層によって遮断／吸収されることなく、光が開口部を通過できる入射角を減少し得る。少なくとも３μｍ、より好ましくは少なくとも６μｍ、さらにもっと好ましくは少なくとも９μｍ、なおさらにより好ましくは少なくとも１２μｍ、最も好ましくは少なくとも１５μｍ等、かなりの厚さの細長い開口部を有していると、開口部とセンサーアレイとの間の空間の必要性をなくすことに繋がり得る。この特徴により大きな入射角をもつ物体光は開口部によって遮断または吸収され得る。細長い開口部／ピンホールは図２２および図２３に例示されている。

代替として、開口部層は極めて薄く、好ましくは５、４または３μｍ未満、最も好ましくは２μｍ未満、例えば、１～２μｍの間等である。１～２μｍの間等の、３μｍ未満の薄い不透明層は、プロセスはより薄い層でより高速なので、ナノインプリント技術内で好都合であり得る。

透明開口部は好都合に、８００μｍ^２未満、より好ましくは４００μｍ^２未満、より好ましくは２００μｍ^２未満、最も好ましくは１００μｍ^２未満または約１００μｍ^２の断面積を有し得る。すなわち、開口部は円筒状であり得る。

マイクロレンズ、開口部およびセンサーアレイ間の間隔
本開示の追加の実施形態では、センサーアレイを開口部配列から電気的に絶縁するための手段が提供される。絶縁手段は、センサーアレイと開口部配列との間の層の使用を含み得、その層は、空隙などの、間隙から成るか、または、実質的に絶縁体である材料、例えば、本明細書で例示されるような透明ポリマーによる。絶縁層の組込みにより、開口部配列は導電材料で作製されて、雑音の増加、または組立体の短絡等さえ含む、その配置がセンサーアレイの歪み出力信号をもたらすリスクなしで、光電子画素を含むセンサーアレイに面し得る。好ましくは、開口部は、望ましくない背景光などの、所定の波長範囲の光を除去するように構成される、１つの光学フィルター、または、各マイクロレンズに対して１つなどの、複数の光学フィルターを含む。フィルターは、光源の波長範囲だけが通過するのを許可されるようにも構成され得る。フィルターは、マイクロレンズ構造の開口部と同じ層内に提供され得る。フィルター層は各マイクロレンズに対して単一のフィルターをさらに含み得、そのため各フィルターは非光透過塗料によって囲まれる。このように、光フィルターは、開口部を構成するか、またはその一部を形成し得る。例えば、マイクロレンズ構造の各開口部はフィルターを含み得る。

追加の実施形態では、開口部配列は、センサーアレイと接触し得るが、別の実施形態では、間隙と共に、センサーアレイと隣接して位置付けられ得る。

本開示の追加の実施形態では、開口部はマイクロレンズ層と接触している。代替として、開口部は、マイクロレンズアレイと開口部との間に間隙があるように、マイクロレンズ層と接触していない可能性がある。

レンズ特性
本明細書で使用されるとおり、レンズ（例えば、マイクロレンズ）は、レンズの中心を通るレンズのマイクロレンズ構造と垂直な平面に沿って、半球形、非球面、円錐形、三角形、長方形、多角形、またはそれらの組合わせである断面構造の素子を含むが、それらに制限されない。

レンズは、それが実質的に少なくとも物体から返った光を透過させるような光学特性を有し得る。さらに、レンズは１を上回る、好ましくは少なくとも１．１、より好ましくは少なくとも１．２、さらにもっと好ましくは少なくとも１．２５、最も好ましくは少なくとも１．２５を上回る、屈折率を有し得る。好ましくは平行入射光はマイクロレンズにより、マイクロレンズの焦点面内に置かれた単一点に集束される。

本開示の追加の実施形態では、レンズは、直線レンズアレイなどのレンチキュラーレンズおよび／または最密六方もしくは任意の他の２次元アレイなどの２次元レンズアレイである。レンチキュラーレンズを採用しているマイクロレンズ構造の開口部は、ピンホール開口部の代わりにスリットを使用し得るが、それに制限されない。本開示の更なる実施形態では、開口部は、正方形などの、矩形、楕円形または多角形などの他の形状を有する。

例
図１は、本開示のようなマイクロレンズ構造の例示的な単一のマイクロレンズの切断側面図および対応する画素を示す。マイクロレンズの前面における集束素子は凸状前面によって光を画素に集束する。凸状前面は、空気などの、それ自体よりも低い屈折率をもつ媒体内に配置される場合、集束素子として機能する。背面の一部は不透明に塗料を塗られている。未塗装部分は、透明開口部である。望ましい光が開口部を通過し、次いで、光検出器である画素に当たる。望ましくない光は、塗料によって吸収されるか、フィルターによってフィルタリングされるか、または画素の外部に当たる。図１のマイクロレンズの前面は、２４ミクロンの曲率半径をもつ球面であり、他方、背面は平面である。マイクロレンズの長さは５４ミクロンで、幅および高さは両方とも２４ミクロンである。背面焦点距離は１３ミクロンである。背面中央の透明開口部は円形であり、それは背面の残りに塗料を塗って不透明にするか、またはそれを粗面にすることによって形成された。対応する画素のサイズは８×８ミクロンである。前面、背面および画素の中心は１対１対応である。言い換えれば、それらは同軸である。マイクロレンズは空気に曝されるように設計される、すなわち、マイクロレンズの前面および背面に対する界面は空気のはずである。画素の前のフィルターは望ましくない波長をもつ光を、例えば、信号波長をもつ光だけが通過するのを許可することによって、フィルタリングするために提供される。適切なフィルターは背景光を大幅に減少できる。

指紋を感知する領域のサイズは実際的必要性によって決まる。指紋を感知する１０ｍｍ×１０ｍｍの領域を提供するために、図１Ａに示されるようなマイクロレンズおよび画素の４１７×４１７のアレイが適切であろう。

別の例では、マイクロレンズの前面は５０ミクロンの曲率半径をもつ球面であり、他方、背面は平面である。マイクロレンズの長さは１００ミクロンで、幅および高さは両方とも５０ミクロンである。背面焦点距離は２０ミクロンである。背面中央の、すなわち、同軸の、透明開口部は直径２０ミクロンの円形である。対応する画素のサイズは１５×１５ミクロンである。マイクロレンズは空気に曝されるように設計される。

図２は、アレイに配置された１１の隣接したマイクロレンズを含むマイクロレンズ構造の一部の概略図の切断図を示す。たとえ個々のマイクロレンズが水平に示されていてもマイクロレンズ間に界面はなく、マイクロレンズ間の光学的分離は必要ないので、これは製造コストを減らす。これは、隣接するチャネル間の光学的分離が必要な従来技術の光学チャネルソリューションと対照的である。

図３は、図１Ａに示されるマイクロレンズ＋画素の斜視図を示す。透明な側面が示されている。

図４は、画素配列の前にマイクロレンズ構造の一部を形成するアレイに配置された図３の複数のマイクロレンズの斜視図を示す。実用的な実施態様は典型的には、何千ものマイクロレンズを含むので、１２１のマイクロレンズの例示されるアレイは実際のマイクロレンズ構造の極めて小さい部分に過ぎない。

図５は、マイクロレンズのアレイの前面の別の斜視図を示す。図５の例は、円形の前面を示しているが、他の選択肢、例えば、六角形、三角形等、が可能である。領域が形成できる限り。

図６は、図５のマイクロレンズアレイの背面を示す。円形は透明開口部を示す。背面の残りの部分は、望ましくない光が吸収されるように、不透明または粗面である。開口部の形状は正方形、六角形、他の等辺多角形にもできるが、円形が最も好ましい。隣接するマイクロレンズ間の光学的分離がなければ、透明開口部は望ましくない光をフィルタリング／吸収するために重要である。

図７は、図５～図６のマイクロレンズアレイに対応する画素配列の例を示す。黒い正方形は利用された画素を示す。各正方形は１つの有効画素に対応する。個々の画素の形状も異なり得、画素のサイズは光学設計の一部である。有効画素は、ＣＣＤ画素、ＣＭＯＳ画素およびフォトダイオードなどの、１つの画素または複数の画素であり得る。いくつかの（隣接する）画素をセンサーアレイ内の１つの有効画素にまとめることはソフトウェアによって制御できる。

図８は、対応するマイクロレンズ、透明開口部および画素の間の関係の図解を示す。この事例では、単一のマイクロレンズは正方形である。開口部は円形であり、実質的により小さい領域をもつ。画素は、直径が開口部に対応する正方形である。例示される正方形のマイクロレンズ配置は、マイクロレンズアレイの前面を十分に活用する。それは可能な限り多くの光を収集し、それにより、従来技術の光学指紋センサーと比較して光透過率を向上させる。

図９は、マイクロレンズが六角形構成に配置されているマイクロレンズ構造内のマイクロレンズの別の配置を示す。図９の正方形配置と比較して、この六角形配置は、マイクロレンズの空間的配置はあまり空間効率が良くないので、典型的には低い光透過率を有する。

図１０は、携帯電話／スマートフォンの輪郭を、スマートフォンのディスプレイの下の指紋センサーの例示的な位置と共に示す。携帯電話が透明ディスプレイを有する限り、本開示の光学センサーおよび指紋検出装置はディスプレイの下のどこにでも取り付けることができる。

図１１は、図１０の装置の切断側面図を示しており、携帯電話ユーザーによるタッチに適したカバーガラスがＯＬＥＤディスプレイの上に配置されている。指紋センサーはＯＬＥＤディスプレイの下に配置される。本開示の指紋検出装置は典型的には、ディスプレイパネル＋カバーガラスよりも遥かに薄いので、図１１のサイジングは現実的に示されていない。

図１２は、本開示の光学センサーの一実施形態の機能の図解を示す。０°の入射角をもつ指紋からの反射光がマイクロレンズによって対応する画素に集束される。それがマイクロレンズアレイに到達する前に、反射光はカバーガラスおよび透明または半透明のディスプレイパネルを通過する。他の手段では、本開示の光学センサーおよび画像認識装置は、他の透明または半透明の材料の下に取り付けることができる。

図１３は、図１２に対応するが、反射光の入射角はここでは６°である。結果は、光がマイクロレンズによって集束され、マイクロレンズ構造の背面を通して伝達されるが、より大きな入射角をもっていれば、集束された光は、センサーアレイとマイクロレンズ構造の背面との間の間隔に起因して画素に当たらない、ということである。すなわち、より大きな入射角をもつ望ましくない光は検出されない。

図１４は、図１２に対応するが、入射角はここでは１３°である。結果は、光がマイクロレンズによって集束されるが、透明開口部の不透明な外側であるマイクロレンズ構造の背面によって吸収されるということである。すなわち、大きな入射角をもつ望ましくない光は検出されない。

図１５Ａは、図１２～図１４の組合わせであり、それぞれ、０度、６度および１３度の入射角をもつ指紋からの反射光を示す。使用される光源はＯＬＥＤディスプレイである。ＯＬＥＤは、本開示の指紋センサーにとって便利な光源である。それは十分に強力な光を放出し、適切な制御で均一な照明を提供する。しかし、ＯＬＥＤは多くの背景光ももたらす。なおさらに、ＯＬＥＤディスプレイは可視光を放出する。この結果として、周囲光も画素に対する背景光となる。これはＩＲ光源が好ましい理由の１つである。

図１５Ｂは、反射性材料の素子が、図１５Ａに示されているマイクロレンズアレイの吸収性背面を置換するためにどのように利用できるかを示す。結果は、光子がマイクロレンズ構造の背面に吸収される代わりに、光は指紋の方に反射して戻って指紋の照度を上げることができるということである。

図１６は図１５Ａの拡大表示であり、マイクロレンズおよび開口部を通した光透過率を示す。０度の入射角をもつ光は画素に集束され、６°の入射角をもつ光はマイクロレンズによって集束され、開口部を通って伝達されるが、マイクロレンズの背面とセンサーアレイとの間の間隔に起因して画素に当たらない。１３°の入射角をもつ光はマイクロレンズによって集束されるが、マイクロレンズの背面の不透明部分によって吸収される。

図１７は、図１２の拡大表示であり、０度の入射角をもつ状況を示す。

図１８は、図１３の拡大表示であり、６度の入射角をもつ状況を示す。集束光の一部はマイクロレンズの背面によって吸収され、集束光の一部は開口部を通して伝達されるが、画素に当たらず、従って検出されない。

図１９は、図１４の拡大表示であり、１３度の入射角をもつ状況を示す。

図２０は、図２に示されるマイクロレンズアレイ上に３０°の入射角で入射する光の波面を示す。光はマイクロレンズによって集束されるが、次いで塗料を塗られた背面によって吸収される。

図２１は、図２に示されるマイクロレンズアレイ上に３０°の入射角で入射する光の波面を示すが、開口部がなく、背面全体が透明である。次いで、光はマイクロレンズによって集束され、隣接する画素に伝達される、すなわち、より大きな入射角をもつ望ましくない光がセンサーアレイに伝達される。この例は、不透明な背面内の透明開口部の重要性を示す、すなわち、それらは所望の光だけがセンサーアレイに伝達されるのを確実にするのに役立つ。

図２２は、細長い開口部を有するマイクロレンズアレイの概略図を示す。この事例では、開口部は、マイクロアレイ構造の主要な平面と垂直な軸に沿って実質的に細長い。３０°および０°の入射角を有する２つの波面が示されており、より高い入射角をもつ波面は、細長い開口部の側面上の不透明な塗料によって遮断されているために、センサーアレイの画素に到達しない。

図２３は、細長い開口部を含むマイクロレンズアレイの機能の図解を示しており、不透明な塗料が細長い開口部の側壁を構成する。６°の入射角をもつ指紋からの反射光が細長い開口部内部の塗料によって遮断される。望ましくない波長を選別するためのフィルターが細長い開口部内部に一部位置付けられて示されている。

図２４は、標準的なＣＭＯＳ／ＣＣＤセンサーを下部に備えた本開示の生体撮像装置の一実施形態の切断側面図解を示す。装置の一番上にマイクロレンズアレイが提供されている。マイクロレンズアレイの下にピンホール／開口部配列が不透明層内に提供される。ピンホールアレイとセンサーとの間に（第１の）透明基板層が提供される。各マイクロレンズは、ピンホールアレイ内の対応するピンホールおよびセンサー内の画素（画素は図示されていない）と正確に位置合わせされる。第１の透明基板、ピンホールをもつ不透明層およびマイクロレンズアレイは全て、ＵＶ－ＮＩＬによりＣＭＯＳ／ＣＣＤウエハ上で直接処理されている。

図２５は、本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示する。上から、標準的なＣＭＯＳ／ＣＣＤウエハが提供される。その上に第１の透明基板層、例えば、透明ポリマー、が提供される。その上に黒い不透明／非透明ポリマー層が提供される。ピンホール／開口部がその後、ナノインプリントリソグラフィによって、例えば、対応する型のピンホールが黒いポリマー層に押し付けられるように熱エンボス加工を採用して、黒いポリマー層内に提供される。ナノインプリントプロセスは、各ピンホールがセンサーアレイ内の対応する画素と位置合わせされることを確実にできる。第２の透明基板層がその後、不透明層の上に提供される。それに続いて、マイクロレンズアレイが、各マイクロレンズが対応するピンホールアレイと位置合わせされるように、ＵＶ－ＮＩＬによって第２の透明基板内に形成される。

図２６は、光検出器に適用される構造、すなわち、第２の透明層、ピンホールをもつ不透明層およびオプションの第１の透明層を含むマイクロレンズ、すなわち、ナノインプリント技術によって提供できる構造、すなわち、ＮＩＬ構造、の一実施形態の切断拡大図を例示する。図２６は、対応するピンホールおよび透明層をもつ２つのマイクロレンズを示す。左から、３０μｍの曲率半径をもつ球面のマイクロレンズが見られる。幅が２４μｍである、マイクロレンズ構造は、マイクロレンズ形成後にマイクロレンズの上部から不透明層の上部まで４８μｍの高さを有する第２の透明層内に形成されている。不透明層は１０μｍの厚さを有しており、ピンホールは１０μｍの直径を有する。不透明層と画素（図示せず）との間の第１の透明層は２４μｍの厚さを有する。図２６に見られるように、公差が±２μｍである、マイクロレンズ構造の高さを除いて、製造公差は±１μｍほど低い。

図２７は、生体撮像装置の、ディスプレイ下用途のために、例えば、スマートフォンへの統合のための電子装置への統合を示す。図２７に見られるように、マイクロレンズ構造はピンホールアレイの上に提供され、それは、装置をもっと薄くするためのフレックスＰＣＢであり得る、プリント基板（ＰＣＢ）上に統合されるＣＭＯＳ／ＣＣＤの上に提供される。本開示の方法を使用する場合、マイクロレンズアレイ、ピンホールアレイおよびＣＭＯＳ／ＣＣＤウエハは、相互の上に層ごとに製造されるので、図２７に例示されるように分離されない。

図２８は、本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示しており、この場合ピンホールは不透明層を打ち抜くことによって形成される。上から、標準的なＣＭＯＳ／ＣＣＤウエハが提供される。その上に第１の透明基板層、例えば、透明ポリマー、が提供される。その上に黒い不透明／非透明ポリマー層が、典型的には約１～２μｍの厚さで、提供される。ピンホール／開口部がその後、ナノインプリントリソグラフィによって、例えば、対応する型のピンホールが、ピンホールアレイを形成するための突起特徴をもつ型によって、黒いポリマー層に押し付けられるように熱エンボス加工を採用して、黒いポリマー層内に提供される、すなわち、型の突起特徴が不透明層全体を通して打ち抜いて透明なピンホールを形成する。第２の透明基板層がその後、不透明層の上に提供され、図から見られるように、第２の透明層は不透明層よりも厚い。それに続いて、マイクロレンズアレイが、反転された特徴をもち、それによってマイクロレンズアレイを形成する型を用いて、ＵＶ－ＮＩＬにより第２の透明基板内に形成される。

図２９は、本開示の製造方法の一実施形態の工程段階を例示しており、この場合ピンホールはマイクロピラーによって形成される。上から、標準的なＣＭＯＳ／ＣＣＤウエハが提供される。その上に第１の透明基板層、例えば、透明ポリマー、が提供される。マイクロピラーが次いで、マイクロピラーアレイを画定する反転された特徴をもつ型によって第１の透明基板層内に形成される。マイクロピラーアレイの周りに不透明／非透明（例えば、黒い）ポリマー層が提供されて、透明なマイクロピラーはそれにより不透明層内の透明なピンホールになる。第２の透明基板層がその後、不透明層の上に提供される。それに続いて、マイクロレンズアレイが、反転された特徴をもち、それによってマイクロレンズアレイを形成する型を用いてＵＶ－ＮＩＬにより第２の透明基板内に形成される。

Claims (19)

1. 生体撮像装置を製造するための方法であって、前記方法は：
   －光検出器画素配列を含む画像センサーを提供することと、
   －第１の透明基板層上または前記光検出器画素配列上に不透明層を形成することであって、前記不透明層はその中に透明なピンホールアレイを有し、
   －第２の透明基板層を前記不透明層の上に配置することと、
   －マイクロレンズアレイを前記第２の透明基板層の上部内に形成し、それにより前記アレイ内の各マイクロレンズが前記ピンホールアレイ内のピンホールおよび前記光検出器アレイ内の少なくとも１つの画素に対応することと
   を行う各ステップを含み、
   前記透明なピンホールアレイおよび前記マイクロレンズアレイをもつ前記不透明層は、ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィなどの、ナノインプリントリソグラフィによって形成される、方法。
2. 前記マイクロレンズアレイは、各マイクロレンズの焦点が前記光検出器画素配列の平面内にあるように形成される、請求項１に記載の方法。
3. 第１の透明基板層は、好ましくは前記不透明層が形成される前に、前記画像センサーを覆うように配置される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
4. 前記第１の透明基板層は、ＵＶベースのナノインプリントリソグラフィなどの、ナノインプリントリソグラフィによって形成される、請求項３に記載の方法。
5. 前記不透明層は、前記第１の透明基板層上または前記光検出器画素配列上に形成され、その後、前記透明なピンホールアレイが前記不透明層内に形成される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
6. 前記透明なピンホールアレイは、突起要素の配列を有する、第１の型を、前記不透明なポリマー層に押し付けることによって前記不透明層内に形成されて、透明なピンホールのアレイを前記不透明なポリマー層内に形成する、請求項５に記載の方法。
7. 前記透明なピンホールアレイは、前記光検出器画素配列上または前記第１の透明基板層上に透明なマイクロピラーのアレイとして形成され、その後、前記不透明層がマイクロピラーの前記アレイの周りに形成されて前記不透明層に透明なピンホールの前記アレイを提供する、先行する請求項１～４のいずれかに記載の方法。
8. 前記透明なピンホールアレイは、前記第１の透明基板層内にインプリントされた透明なマイクロピラーのアレイとして形成され、その後、前記不透明層がマイクロピラーの前記アレイの周りに形成されて前記不透明層に透明なピンホールの前記アレイを提供する、先行する請求項１～４のいずれかに記載の方法。
9. 前記マイクロレンズアレイは、反転マイクロレンズのアレイを画定するパターンを有する、第２の型を、前記第２の透明層に押し付けることによって前記第２の透明基板層内に形成される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
10. 前記ナノインプリントリソグラフィはＵＶベースのナノインプリントリソグラフィである、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
11. 前記第１の透明基板層の厚さは２５μｍ未満であり、かつ／または前記マイクロレンズアレイを含む前記第２の透明基板層の前記厚さは５０μｍ未満である、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
12. 前記不透明層の前記厚さは１２μｍ未満であり、前記ピンホールアレイ内の各透明なピンホールの直径は１２μｍ未満である、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
13. 前記不透明層の前記厚さは５μｍ未満であり、好ましくは２μｍ未満である、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
14. 前記マイクロレンズアレイ内の各マイクロレンズの曲率半径は２０～４０μｍの間である、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
15. 前記層は、前記ピンホールアレイ内の各ピンホールが前記画素配列内の少なくとも１つの画素と位置合わせされるように、配置されて形成される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
16. 前記ピンホールからマイクロレンズが、および／または前記ピンホールから画素が、±１μｍ以内で位置合わせされる、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
17. 先行する請求項のいずれかに記載の方法に従って製造された生体撮像装置。
18. 前記マイクロレンズ構造は、光信号を前記マイクロレンズ構造の上から前記ピンホールアレイ内のピンホールに収束するように構成され、前記光信号は前記ピンホールを介して前記画像センサーアレイに伝達される、請求項１７に記載の生体撮像装置。
19. 指紋などの、物体から返った光を、ディスプレイパネルの上で検出／結像するために前記ディスプレイパネル下に配置するためであって、前記装置は、所定値５度以下の入射角をもつ物体光が前記マイクロレンズ構造により前記センサーアレイに集束され、他方、前記所定値５度を超える入射角をもつ指紋光は検出されないように構成される、請求項１７～１８のいずれかに記載の生体撮像装置。

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