技术领域
[0001] 本
发明涉及
图像采集技术领域，具体是用于采集生物特征图形的光学结构及其制备方法以及应用。
背景技术
[0002] 由于手机等
电子设备全面屏概念的流行，传统指纹解
锁因需要在屏幕上设置指纹采集窗，势必会影响屏占比，从而影响手机等智能设备的外观，因此屏下指纹识别技术应运而生。按照技术原理与实现方法不同，屏下指纹识别分为光学式、
超声波式和电容式，其中光学式屏下指纹识别由于可以最大程度上避免环境光的干扰，
稳定性更好，目前受到广泛应用。
[0003] 现有的光学式屏下指纹识别应用于OLED屏幕，OLED屏幕天生具有一定的间隔，能保光线透过，当用户
手指按压屏幕时，OLED屏幕发出光线将手指区域照亮，照亮指纹的反射光线透过屏幕
像素的间隙发送至紧贴于屏下的光学结构上，最终形成的图像通过与
数据库中已存的图像进行对比分析，进行识别判断。
[0004] 现有的紧贴于屏下的光学结构包括CMOS芯片和
微距镜头模组，其工作方式为将屏幕上表面的生物特征图像通过微距镜头后成像在CMOS芯片上，以实现OLED屏幕上表面生物特征的识别。由于微距镜头本身在结构上存在必须的结构空间，将屏幕上表面的生物特征图像通过微距镜头后成像在CMOS芯片上也导致微距镜头与CMOS芯片之间存在空间，导致光学结构厚度较厚，目前不可能实现结构高度低于1mm的整体结构方案，这将直接影响手机等电子设备的厚度，从而影响外观的美观性。如何减小屏下采集生物特征图形的光学结构的厚度成为亟待解决的问题
发明内容
[0005] 为克服
现有技术的不足，本发明提供了一种采集生物特征图形的光学结构及其制备方法以及应用，解决现有光学结构过厚的问题，实现了超薄的用于采集生物特征图像的光学结构。
[0006] 本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
[0007] 用于采集生物特征图像的光学结构，包括感光单元和集成在感光单元上的图像采集单元，所述感光单元采用CMOS或CCD感光元件，所述图像采集单元包括Microlens阵列结构。
[0008] 进一步地，作为优选技术方案，所述图像采集单元还包括设置于感光单元和Microlens阵列结构之间的红外滤光膜层，所述红外滤光膜层集成在感光单元上，所述Microlens阵列结构集成在红外滤光膜层上。
[0009] 进一步地，作为优选技术方案，所述红外滤光膜层包括多层不同折射率的无机化合物。
[0010] 进一步地，作为优选技术方案，所述红外滤光膜层的厚度≧5.8μm且≤7.2μm。
[0011] 进一步地，作为优选技术方案，所述Microlens阵列结构包括Microlen单元、与Microlen单元对应设置的防杂光光阑和视场光阑、填充在Microlens单元与视场光阑之间的透明光学结构。
[0012] 进一步地，作为优选技术方案，所述Microlen单元与对应设置的防杂光光阑、视场光阑共轴。
[0013] 进一步地，作为优选技术方案，所述Microlens单元的物面为OLED屏幕上表面，视场光阑为OLED屏幕上表面的共轭像面。
[0014] 进一步地，作为优选技术方案，所述Microlens单元的视场
角≤16°。
[0015] 制备用于采集生物特征图像的光学结构的方法，采用
半导体微纳加工工艺将图像采集单元集成在感光单元上，所述图像采集单元包括Microlens阵列结构，所述感光单元采用CMOS或CCD感光元件，具体包括以下步骤：
[0016] S1、制备Microlens阵列结构的
光刻掩膜版；
[0017] S2、采用光刻工艺将Microlens阵列结构制备在感光单元上。
[0018] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S1包括以下步骤：
[0019] S11、制备Microlens单元的光刻掩膜版；
[0020] S12、制备防杂光光阑的光刻掩膜版；
[0021] S13、制备视场光阑的光刻掩膜版。
[0022] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S2包括以下步骤：
[0023] S21、采用光刻工艺将视场光阑制备于感光单元上；
[0024] S22、将
流体的透明光学结构
覆盖于视场光阑上，填满视场光阑的孔径，并采用光
固化工艺将流体的透明光学结构固化为稳定的透明光学结构；
[0025] S23、采用光刻工艺将防杂光光阑制备于稳定的透明光学结构上；
[0026] S24、将Microlens材料覆盖于防杂光光阑上，填满防杂光光阑的孔径，并采用光固化工艺将Microlens材料固定为稳定的Microlens单元；
[0027] S25、采用光刻工艺制备Microlens单元的曲面结构。
[0028] 进一步地，作为优选技术方案，所述图像采集单元还包括设置于感光单元和Microlens阵列结构之间的红外滤光膜层，所述步骤S2包括以下步骤：
[0029] S3、采用光学
镀膜工艺将红外滤光膜层集成在感光单元上；
[0030] S4、采用光刻工艺将Microlens阵列结构制备在红外滤光膜层上。
[0031] 进一步地，作为优选技术方案，所述步骤S4包括：
[0032] S41、采用光刻工艺将视场光阑制备于红外滤光膜层上；
[0033] S42、将流体的透明光学结构覆盖于视场光阑上，填满视场光阑的孔径，并采用光固化工艺将流体的透明光学结构固化为稳定的透明光学结构；
[0034] S43、采用光刻工艺将防杂光光阑制备于稳定的透明光学结构上；
[0035] S44、将Microlens材料覆盖于防杂光光阑上，填满防杂光光阑的孔径，并采用光固化工艺将Microlens材料固定为稳定的Microlens单元；
[0036] S45、采用光刻工艺制备Microlens单元的曲面结构。
[0037] 用于采集生物特征图形的设备，包括上述用于采集生物特征图像的光学结构、保护
框架、补强板、数据传输
电路、
微处理器、数据传输
接口，所述保护框架位于用于采集生物特征图像的光学结构的四周，所述补强板位于用于采集生物特征图像的光学结构下方，所述用于采集生物特征图像的光学结构输出端与数据传输电路输入端电连接，所述数据传输电路输出端依次经微处理器、数据传输接口连接外部设备。
[0038] 一种设备终端，包括上述用于采集生物特征图像的光学结构。
[0039] 一种设备终端，包括上述用于采集生物特征图形的设备。
[0040] 本发明相比于现有技术，具有以下有益效果是：
[0041] 本发明放弃现有的通过微距镜头在CMOS芯片上成像的光学结构，采用一种新型的光学结构，利用Microlens阵列的特性，将物面信息分解成与Microlens阵列结构数量一样的为局部光强
信号，在CMOS感光芯片上汇集成为整个物面光强的图像信息，从而实现对生物特征图像进行采集。通过将图像采集单元集成在感光单元上的方式，在结构上避免了现有技术使用微距镜头模组时必要的厚度，在保证准确识别区的
基础上实现了超薄的OLED屏下采集生物特征图形的光学结构。
[0042] 本发明通过在手机中设置超薄的OLED屏下采集生物特征图形的光学结构，在保证有效识别的基础上可以减小手机等电子设备的厚度，增强电子设备的实用性和美观性。
附图说明
[0043] 图1为本发明
实施例1所述用于采集生物特征图形的光学结构的结构
框图；
[0044] 图2为本发明实施例1所述用于采集生物特征图形的光学结构的结构示意图；
[0045] 图3为本发明实施例1所述红外滤光膜层结构示意图；
[0046] 图4为本发明实施例1所述红外滤光
薄膜层光学参数图；
[0047] 图5为本发明实施例1所述OLED屏幕发出的光线在屏幕上表面的反射示意图；
[0048] 图6为本发明实施例1所述用于采集生物特征图形的光学结构对OLED屏幕上表面的图像采集过程示意图；
[0049] 图7为本发明实施例2所述Microlen单元的光刻掩膜版；
[0050] 图8为本发明实施例2所述防杂光光阑的光刻掩膜版；
[0051] 图9为本发明实施例2所述视场光阑的光刻掩膜版；
[0052] 图10为Microlens阵列结构制备在感光单元结构示意图；
[0053] 图11为本发明实施例3所述用于采集生物特征图形的设备结构示意图；
[0054] 图12为本发明实施例4终端设备安装示意图；
[0055] 图13为发明实施例4终端设备采集到的生物特征图像。
[0056] 附图中标记及相应的零部件名称：本
申请的电子器件901，
晶圆900，手指100，指纹信息101，OLED屏幕200，第一光线211，第二光线212，图像采集单元300，Microlens阵列结构310，microlens单元311，防杂光光阑312，透明光学结构313，视场光阑314，红外滤光膜层
320，低折射率材料层321，高折射率材料层322，感光单元400，CMOS像素点光电转换区410，电子器件保护框架W01，补强板W02，数据传输电路W03，微处理器W04，数据传输接口W05，外围电路结构W10。
具体实施方式
[0057] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
[0058] 实施例1
[0059] 本实施例公开了用于采集生物特征图形的光学结构，如图1所述，图1为本发明实施例1所述的用于采集生物特征图形的光学结构的结构框图。
[0060] 所述用于采集生物特征图形的光学结构包括图像采集单元300和感光单元400，所述图像采集单元包括Microlens阵列结构310，用于获取生物特征图形，所述生物特征包括指纹等人体固有的、能
鉴别个人身份的生理特征，本发明所有实施例均以指纹特征为例；所述感光单元400采用CMOS或CCD感光元件，用于将图像采集单元300获取的生物特征图形从光学信号转化为相应的
电信号，所述图像采集单元300集成在感光单元400上。所述采集生物特征图形的光学结构设置于OLED屏幕下方，当手指按在屏幕上，手指的脊与屏幕紧密贴合，而谷与屏幕之间则存在有空气间隙，两者之间的反光率不同，导致光线在此处反射时反光强度有差异。OLED发出的光在屏幕上表面的指纹区域反射时，其中携带指纹信息的反射光线在穿过屏幕后，在Microlens阵列结构310上被收集后到达感光单元400，光强信息被感光单元400接收后形成OLED屏幕上表面的生物特征图像。
[0061] 现有的采集生物特征图形的光学结构包括CMOS芯片和微距镜头模组，其原理为将屏幕上表面的生物特征图像通过微距镜头后成像在CMOS芯片上再进行识别。由于微距镜头本身在结构上存在必须的结构空间，同时将屏幕上表面的生物特征图像通过微距镜头后成像在CMOS芯片上也导致微距镜头与CMOS芯片之间存在空间，这直接导致整个光学结构本身厚度较厚，目前无法实现低于1mm的光学结构，将这种采集生物特征图形的光学结构应用于手机等电子设备上，直接影响电子产品的厚度，从而影响电子产品的实用性和美观性。
[0062] 本实施例采用将图像采集单元300集成在感光单元400上的技术方案，避免了图像采集单元300与感光单元400之间的空间距离，同时，Microlens阵列结构310的图像采集单元厚度为60μm，CMOS或CCD感光元件的厚度为200μm，从而整个采集生物特征图形的光学结构的厚度仅为260μm，远远低于现有技术光学结构的厚度，实现了超薄的采集生物特征图形的光学结构。
[0063] 为排除红外光线对感光元件的干扰，提高生物特征提取的准确性，本实施例的优选实施方式为在Microlens阵列结构310与感光单元400之间设置红外滤光膜层320，将所述红外滤光膜层320集成在感光单元400上，所述Microlens阵列结构310集成在红外滤光膜层320上。利用薄膜光学干涉效应，使光线在穿过红外滤光膜层320时，将
波长为截止波段内的红外光线在该膜层结构中滤除，以至于该波段不能到达感光单元400，从而排除红外光线对感光元件400的干扰。
[0064] 为提高红外滤光膜层320的过滤性能，本实施例优选实施方式为所述红外滤光膜层320包括多层不同折射率的无机化合物。如图3所示，图3为本发明实施例1所述的红外滤光膜层320结构示意图。所述红外滤光膜层采用光学镀膜工艺，分别将高折射率材料322和低折射率材料311按光学薄膜的设计需求，交替逐层的堆叠在感光单元400上。
[0065] 为进一步提高红外滤光膜层320过滤性能，本实施例优选实施方式为红外滤光膜层320的厚度为5.8μm～7.2μm，其主要的截止波段为620nm～1100nm，在截止波段中的红外光线的平均透过率小于0.1％。以红外滤光膜层320厚度为6.8μm为例，如图4所示，图4为本发明实施例1所述红外滤光薄膜层光学参数图，从图中参数曲线可知，当光线垂直入射到该膜层结构时，波长为420nm～580nm之间的光线的平均透过率大于90％，而波长为650nm～1100nm之间的光线的平均透过率小于0.1％。
[0066] 为提高用于采集生物特征图形的光学结构获取图像信息的准确性，滤除无效光线，本实施例的优选实施方式为所述Microlens阵列结构310包括
自上而下依次设置的Microlens单元311、防杂光光阑312和视场光阑314，同时，在Microlens单元311与视场光阑314之间填充透明光学结构313，所述透明光学结构313透光率大于70％。每个Microlens单元311均对应设置一个防杂光光阑312和视场光阑314，且Microlens单元311和与之对应的防杂光光阑312以及视场光阑314同轴设置。Microlens单元311的物面位于OLED屏幕上表面，该物面通过Microlens单元311后成像在Microlens单元311与视场光阑314之间填充透明光学结构313上。防杂光光阑312位于Microlens单元下方，由黑色吸光物质构成，用于各个Microlens单元311之间的非
接触区域的光线透过，为第一道防杂光结构。视场光阑314位于Microlens单元311的共轭像面
位置，为黑色的吸光物质构成，通过设置视场光阑孔径的大小，以之控制该Microlens阵列400在OLED屏幕200上表面的物面区域，调节Microlens阵列400的视场角Fov，Microlens阵列400的最大视场角Fov为36°。
[0067] Microlens单元311将OLED屏幕上表面的图像信息光线汇聚并成像在视场光阑314上，视场光阑314的孔径大小来约束着Microlens的视场角Fov。在本实施例中，视场光阑314的孔径为 对应的Microlens311的Fov为12°。如图2所示，图2为本发明实施例1所述用于采集生物特征图形的光学结构的结构示意图。Microlens阵列结构310和红外滤光膜层320共同构成图像采集单元300，并覆盖满整个感光单元400的有效感应区，构成本申请的图像采集的光学结构。如图5所示，图5为本发明实施例1所述OLED屏幕发出的光线在屏幕上表面的反射示意图。屏幕发光阵列210发出的第一光线211、第二光线212，其中第一光线211为经过屏幕上表面反射后与屏幕法线成小角度的光线，第二光线212为经过屏幕上表面反射后与屏幕法线呈大角度的光线。如图6所示，图6为本发明实施例1所述用于采集生物特征图形的光学结构对OLED屏幕上表面的图像采集过程示意图。手指100按在屏幕200上，由于手指纹101的谷脊存在高度差，导致手指100按在屏幕200上时，手指的脊与屏幕紧密贴合，而谷与屏幕之间则存在有空气间隙，两者之间的反光率不同，导致光线在此处反射时反光强度有差异。OLED发出的光在屏幕上表面的指纹区域反射时，其中携带指纹信息的反射光线
211a、211b在穿过屏幕200后，在Microlens阵列结构310上被Microlens单元311收集，穿过防杂光光阑312，穿过透明光学结构313，被汇聚到视场光阑314的小孔处，该光线经过视场光阑314的小孔后，经过红外滤光膜层结构320，到达CMOS感光芯片400的像素点光电感应区
410上，光强信息被CMOS感光芯片410接收，形成OLED屏幕上表面的生物特征图像。在图像采集过程中，屏幕上表面的还存在超出Microlens单元311的视场角的大角度反射光线212a、
212b，该光线若被CMOS感光芯片接收的话，则会干扰有携带指纹信息光线的识别。参考图6对防杂光的处理方式，干扰光线212a、212b均为超出Microlens视场角的光线，其中212b在Microlens阵列结构310上的防杂光光阑312处被吸收拦截，而穿过了Microlens311和防杂光光阑312的光线212a，在穿过透明光学结构313后照射到视场光阑314的非孔径区域被吸收阻绝。
[0068] 实施例2
[0069] 本实施例公开了制备用于采集生物特征图形的光学结构的方法，采用半导体领域常用的微纳加工工艺将图像采集单元300集成在感光单元400上，所述图像采集单元300包括Microlens阵列结构310，所述感光单元400采用CMOS或CCD感光元件，具体包括以下步骤：
[0070] S1、制备Microlens阵列结构310的光刻掩膜版。
[0071] 为提高用于采集生物特征图形的光学结构获取图像信息的准确性，滤除无效光线，所述Microlens阵列结构310优选包括自上而下依次设置的Microlen单元311、防杂光光阑312和视场光阑314，同时，在Microlens单元311与视场光阑314之间填充透明光学结构313，故相应的制备Microlens阵列结构的光刻掩膜版包括根据Microlen单元311、防杂光光阑312和视场光阑314结构需求，分别制备对应的光刻掩膜版，制备顺序不分先后。如图7、图
8、图9所示，图7为本发明实施例2所述Microlen单元的光刻掩膜版，图8为本发明实施例2所述防杂光光阑的光刻掩膜版，图9为本发明实施例2所述视场光阑的光刻掩膜版。
[0072] S2、采用光刻工艺将Microlens阵列结构310制备在感光单元400上。如图10所示，图10为Microlens阵列结构310制备在感光单元400上结构示意图，其中，900为CMOS芯片晶圆，使用本申请的图像采集光路结构的电子器件901阵列排布在晶圆900以内。所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0073] S21、采用光刻工艺将视场光阑314制备于感光单元400上；
[0074] S22、将流体的透明光学结构覆盖于视场光阑314上，填满视场光阑314的孔径，并采用光固化工艺固化为稳定的透明光学结构313；
[0075] S23、采用光刻工艺将防杂光光阑312制备于稳定的透明光学结构313上；
[0076] S24、将制作Microlens的材料覆盖于防杂光光阑312上，填满防杂光光阑312的孔径，并采用光固化工艺将Microlens的材料固定为稳定的Microlens单元311；
[0077] S25、采用光刻工艺制备Microlens单元311的曲面结构。
[0078] 以上，集成加工时，Microlens、防杂光光阑、视场光阑同轴。
[0079] 为排除红外光线对感光元件的干扰，提高生物特征提取的准确性，本实施例的优选实施方式为在感光单元400和Microlens阵列结构310之间设置红外滤光膜层320，则所述步骤S2具体包括以下步骤：
[0080] S3、采用光学镀膜工艺将红外滤光膜层320集成在感光单元400上。
[0081] S4、采用光刻工艺将Microlens阵列结构310制备在红外滤光膜层320上。与将Microlens阵列结构310制备在感光单元400上工艺类似，所述步骤S4具体包括以下步骤：
[0082] S41、采用光刻工艺将视场光阑314制备于红外滤光膜层320上；
[0083] S42、将流体的透明光学结构覆盖于视场光阑314上，填满视场光阑314的孔径，并采用光固化工艺固化为稳定的透明光学结构313；
[0084] S43、采用光刻工艺将防杂光光阑312制备于稳定的透明光学结构313上；
[0085] S44、将Microlens材料覆盖于防杂光光阑312上，填满防杂光光阑312的孔径，并采用光固化工艺固定为稳定的Microlens单元311；
[0086] S45、采用光刻工艺制备Microlens单元311的曲面结构。
[0087] 实施例3
[0088] 本实施例公开了用于采集生物特征图形的设备，为辅助用于采集生物特征图形的设备工作并对其物理结构进行保护，本实施例与实施例1的区别在于在实施例1公开的用于采集生物特征图像的光学结构基础上另增加了外围结构，如图11所示，图11为本发明实施例3所述用于采集生物特征图形的设备结构示意图。所述外围结构包括保护框架W01、补强板W02、数据传输电路W03、微处理器W04、数据传输接口W05，所述保护框架W01位于用于采集生物特征图像的光学结构的四周，所述补强板W02位于用于采集生物特征图像的光学结构下方，所述用于采集生物特征图像的光学结构输出端与数据传输电路W03输入端电连接，所述数据传输电路W03输出端依次经微处理器W04、数据传输接口W05连接外部设备。本实施例中，采集光路结构300厚度为60μm，CMOS感光芯片400基材厚度200μm，实现了基于本光学结构的电子器件901的厚度为260μm。在使用本实施例的电子器件制作生物特征采集设备模组时，补强板W02厚度200μm，数据传输电路W03的软板厚度100μm，模组制作时使用的胶
水厚度20μm，从而达到整个模组设备厚度为580μm，实现了整体厚度小于0.6mm的超薄型生物特征识别模组。
[0089] 实施例4
[0090] 本实施例公开了一种终端设备，所述终端设备采用实施例1所述用于采集生物特征图像的光学结构，或者实施例3所述用于采集生物特征图形的设备。如图12所示，图12为本发明实施例4终端设备安装示意图，实施例1所述用于采集生物特征图像的光学结构位于手机屏幕200的下方，对屏幕上的指纹识别感应区299上的生物特征信息进行采集。如图13所示，图13为发明实施例4终端设备采集到的生物特征图像，其中1-1、2-1、3-1为采集到的原图，1-2、2-2、3-2为对采集到的原图进行相关的去燥处理，得出的生物特征图像。
[0091] 如上所述，可较好的实现本发明。
[0092] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的
修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
