光学构造体和光学系统的制作方法

1.本公开整体涉及一种光学构造体和一种光学系统，具体地，涉及用于显示器的一种光学构造体和一种光学系统。


背景技术：

2.诸如移动电话和平板电脑等设备可配备有生物识别认证特征部，诸如指纹传感器。在一些情况下，指纹传感器被结合在设备的显示器下方，并且被称为显示器下方指纹传感器。显示器下方指纹传感器将显示器的限定区域转变为指纹传感器，从而消除对单独的物理指纹传感器的需要。


技术实现要素：

3.在第一方面，本公开提供了一种光学构造体。该光学构造体包括透镜膜，该透镜膜包括最外侧的结构化的第一主表面和相背的最外侧的基本上平坦的第二主表面。该结构化的第一主表面包括多个微透镜，该多个微透镜沿正交的第一方向和第二方向布置。该光学构造体还包括多层光学不透明掩膜层，该多层光学不透明掩膜层置于该透镜膜的与该结构化的第一主表面相背的该第二主表面上。该多层光学不透明掩膜层包括：第一层，该第一层包括第一金属；和第二层，该第二层包括第二金属。该多层光学不透明掩膜层还包括第三层，该第三层置于该第一层与该第二层之间。该第一层、该第二层和该第三层中的每一者具有小于约200纳米(nm)的平均厚度。该第一层置于该透镜膜的该第二主表面与该第三层之间，使得对于基本上垂直入射光而言，并且对于在从约400nm延伸到约600nm的可见波长范围内的至少一个波长而言，该第一层和该第二层中的每一者具有大于约5％的光学反射率，该第三层具有大于约70％的光学透射率，并且该掩膜层具有小于约20％的光学反射率。该掩膜层在其中限定多个通过开口，该多个通过开口延伸穿过至少该第一层、该第二层和该第三层，并沿该第一方向和该第二方向布置。该通过开口以一一对应的方式与该微透镜对准。
4.在第二方面，本公开提供了一种光学系统，该光学系统包括显示器，该显示器包括多个发光像素，该多个发光像素沿该第一方向和该第二方向布置。该光学系统还包括光学传感器，该光学传感器设置为靠近该显示器。该光学系统还包括根据第一方面所述的光学构造体，该光学构造体置于该显示器与该光学传感器之间。
5.在第三方面，本公开提供了一种用于吸收可见光并透射红外线的光学构造体。该光学构造体包括多个微透镜，该多个微透镜置于基本上吸光的光学腔系统上，并沿正交的第一方向和第二方向布置。该光学腔系统包括相对的第一反射器和第二反射器，该第一反射器和该第二反射器限定两者间的光学腔。该光学腔具有小于200nm的长度，使得对于基本上垂直入射光以及从约400nm延伸到约600nm的可见波长范围而言，对于在该可见波长范围内的至少一个波长而言，该光学腔系统反射小于约20％的该入射光，并透射小于2％的该入射光，并且对于在该可见波长范围内的至少一个波长而言，该光学构造体透射至少10％的
该入射光。
附图说明
6.考虑到以下结合附图的详细描述，可更全面地理解本文公开的示例性实施方案。附图未必按比例绘制。图中使用的相似数字指代相似的部件。然而，应当理解，在给定图中使用数字指代部件不旨在限制另一个图中用相同数字标记的部件。
7.图1是根据本公开的一个实施方案的光学系统的示意图；
8.图2a是根据本公开的一个实施方案的多层光学不透明掩膜层的示意图；
9.图2b是根据本公开的一个实施方案的多层光学不透明掩膜层的第一层的示意图；
10.图2c是根据本公开的一个实施方案的多层光学不透明掩膜层的第二层的示意图；
11.图2d是根据本公开的一个实施方案的多层光学不透明掩膜层的第三层的示意图；
12.图3a是示出阻光层的透射率和反射率随入射光的波长的示例性变化的曲线图；
13.图3b是示出另一阻光层的透射率和反射率随入射光的波长的示例性变化的曲线图；并且
14.图4是示出多层光学不透明掩膜层的吸收率、透射率和反射率随入射光的波长的示例性变化的曲线图。
具体实施方式
15.在以下描述中，参考形成其一部分的附图，并且其中通过图示的方式示出了各种实施方案。应当理解，在不脱离本公开的范围或实质的情况下，能够设想并作出其他实施方案。因此，以下具体实施方式不应被视为具有限制意义。
16.具有显示器下方指纹传感器的显示器可包括显示面板、准直光学器件、具有孔的阻光层以及图像传感器。阻光层可具有在可见的光范围方面的低反射率和低透射率，以便改善在暗状态下的总体显示环境对比度。具有显示器下方指纹传感器的常规显示器使用黑色涂层作为阻光层。然而，黑色涂层可能与显示器制造方法不相容。此外，也可能难以在黑色涂层中设置孔以使指纹信号能够穿过。根据本公开的一些方面，提供了多层光学不透明掩膜层，其解决了常规阻光层存在的这些问题和其他问题。
17.本公开涉及一种光学系统和一种光学构造体。该光学系统包括显示器、光学传感器和该光学构造体。该光学系统和该光学构造体可用于包括显示器的电子设备中，诸如计算机监视器、电视、移动电话、个人数字助理(pda)、可穿戴设备和其他便携式设备。
18.该光学构造体包括透镜膜和多层光学不透明掩膜层。该透镜膜包括最外侧的结构化的第一主表面和相背的最外侧的基本上平坦的第二主表面。该结构化的第一表面包括多个微透镜，该多个微透镜沿正交的第一方向和第二方向布置。该多层光学不透明掩膜层置于该透镜膜的该第二主表面上，并且包括第一层、第二层和第三层。该第一层、该第二层和该第三层中的每一者具有小于约200纳米(nm)的平均厚度。对于具有在可见波长范围内的波长的基本上垂直入射光而言，该第一层和该第二层中的每一者具有大于约5％的光学反射率，并且该第三层具有大于约70％的光学透射率。该多层光学不透明掩膜层具有小于约20％的光学反射率。该多层光学不透明掩膜层在其中限定多个通过开口，该多个通过开口延伸穿过至少该第一层、该第二层和该第三层，并沿该第一方向和该第二方向布置。该通过
开口以一一对应的方式与该微透镜对准。
19.掩膜层可通过真空镀膜法(诸如电子束蒸发、热蒸发、物理气相沉积和化学气相沉积或溅镀)直接涂覆在透镜膜的平坦的第二主表面上，从而简化显示器制造方法。通过选择用于不同层的材料的恰当组合并控制每个层的层厚度，多层光学不透明掩膜层可在可见的光范围内实现低反射率和低透射率，从而可改善暗状态下的总体显示环境对比度。此外，由于掩膜层为薄的，在掩膜层中钻出通过开口的方法被进一步简化并可通过激光烧蚀来进行。
20.现在参考附图，图1示出了光学系统300，该光学系统包括显示器110和设置为靠近显示器110的光学传感器50。光学系统300还包括光学构造体200，该光学构造体用于吸收可见光并透射红外线。光学构造体200设置在显示器110与光学传感器50之间。
21.光学系统300限定互相正交的x轴、y轴和z轴。x轴和y轴是光学系统300的平面内轴线，而z轴是沿光学系统300的厚度设置的横向轴线。换句话讲，x轴和y轴沿光学系统300的平面设置，而z轴垂直于光学系统300的平面。光学系统300的显示器110、光学构造体200和光学传感器50沿z轴彼此邻近设置。
22.在一些实施方案中，光学系统300还包括第一粘合层60。第一粘合层60将光学构造体200粘结到显示器110。对于在从约400nm延伸到约600nm的可见波长范围内的至少一个波长而言，第一粘合层60具有小于约1.3的折射率。在一些实施方案中，光学系统300还可包括第二粘合层70。第二粘合层70将光学构造体200粘结到光学传感器50。
23.显示器110包括沿第一方向和第二方向布置的多个发光像素111。第一方向和第二方向彼此正交。第一方向可沿x轴限定，并且第二方向可沿y轴限定。发光像素111可响应于电流而发射光。发光像素111可根据应用属性包括任何合适的子像素布置，例如，pentile矩阵或rgb矩阵。
24.光学构造体200包括透镜膜10和多层光学不透明掩膜层20或基本上吸光的光学腔系统90。在一些实施方案中，光学构造体200包括该多层光学不透明掩膜层20。在其他一些实施方案中，光学构造体200包括光学腔系统90。
25.透镜膜10包括最外侧的结构化的第一主表面11和相背的最外侧的基本上平坦的第二主表面12。结构化的第一主表面11包括多个微透镜13，该多个微透镜沿正交的第一方向和第二方向布置。该多个微透镜13可置于光学腔系统90上，并沿第一方向和第二方向布置。具体地，包括微透镜13的透镜膜10置于光学腔系统90上。微透镜13可具有小于1毫米(mm)的至少一个侧向尺寸(例如，直径)以及任何合适的几何结构。在一些实施方案中，微透镜13可包括折射透镜、衍射透镜、超透镜(例如，使用纳米结构来聚焦光的表面)、菲涅耳透镜、球面透镜、非球面透镜、对称透镜(例如，关于光轴旋转对称)、非对称透镜(例如，不关于光轴旋转对称)或它们的组合中的至少一者。
26.掩膜层20置于透镜膜10的与结构化的第一主表面11相背的第二主表面12上。掩膜层20包括第一层21、第二层22以及置于第一层21和第二层22之间的第三层23。
27.掩膜层20在其中限定多个通过开口40，该多个通过开口延伸穿过至少第一层21、第二层22和第三层23，并沿第一方向和第二方向布置。通过开口40以一一对应的方式与微透镜13对准。
28.光学腔系统90包括相对的第一反射器21和第二反射器22，限定两者间的光学腔
91。第一层21能够可互换地称为第一反射器21。第二层22能够可互换地称为第二反射器22。光学腔91具有小于200nm的长度。
29.第一反射器21和第二反射器22中的每一者在其中限定多个通过开口40。通过开口40沿第一方向和第二方向布置，并以一一对应的方式与微透镜13对准。
30.通过开口40可具有任何合适的直径。在一些实施方案中，通过开口40中的每个通过开口可具有从约1微米(μm)到约5μm的直径。在其他一些实施方案中，通过开口40中的每个通过开口可具有约3μm的直径。通过开口40可通过任何合适的方法来提供，例如，通过激光烧蚀。
31.在一些实施方案中，光学传感器50包括多个传感器像素51，该多个传感器像素以一一对应的方式与微透镜13和通过开口40对准。
32.第一层21包括第一金属，并且第二层22包括第二金属。在一些实施方案中，第一层21和第二层22中的至少一者包括钛、铬、镍、铜、铂、钴、钨和锰中的一者或多者。在一些实施方案中，第二层22包括铝、金和银中的一者或多者。在一些实施方案中，第一层21包括钛，并且第二层22包括铝。在一些实施方案中，第三层23包括光学透明的介电材料。在一些实施方案中，第三层23包括二氧化硅(sio2)。对第一层21、第二层22和第三层23的材料的选择可取决于材料的期望的光学透射和反射特性。在一些实施方案中，光学构造体200可通过从第一层21和第二层22的重复反射来捕集光。第三层23可发射光以实现从第一层21和第二层22的此类反射。
33.在一些实施方案中，对第一层21和第二层22及第三层23的材料的选择可取决于各种因素，诸如对聚对苯二甲酸乙二酯(pet)膜的附着力、激光烧蚀可行性和材料成本。
34.第一层21、第二层22和第三层23可通过真空镀膜法(诸如电子束蒸发、热蒸发、物理气相沉积、化学气相沉积或溅镀)直接涂覆在透镜膜10的第二主表面12上，并由此简化制造方法。另外，通过选择用于第一层21、第二层22和第三层23的材料的恰当组合，掩膜层20可在可见的光范围内实现低反射率和低透射率，从而可改善在暗状态下的总体显示环境对比度。此外，第一层21、第二层22和第三层23还可简化在掩膜层20中钻出通过开口40的方法。
35.在一些实施方案中，第一层21具有约5nm至约50nm、或约5nm至约40nm、或约5nm至约30nm、或约5nm至约20nm的平均厚度t。在一些实施方案中，第二层22具有约5nm至约70nm、或约5nm至约60nm、或约5nm至约50nm、或约5nm至约40nm的平均厚度t。在一些实施方案中，第三层23具有约20nm至约200nm、或约30nm至约150nm、或约40nm至约120nm、或约50nm至约100nm的平均厚度t。
36.通过针对不同的波长优化第一层21、第二层22和第三层23中的每一者的平均厚度t，可实现低反射率和低透射率两者。
37.现在参考图1和图2a，第一层21置于透镜膜10的第二主表面12与第三层23之间，使得对于基本上垂直入射光30而言，并且对于在从约400nm延伸到约600nm的可见波长范围内的至少一个波长而言，第一层21和第二层22中的每一者具有大于约5％的光学反射率。在一些实施方案中，对于在该可见波长范围内的该至少一个波长而言，第一层21和第二层22中的至少一者具有大于约10％或15％或20％的光学反射率。在一些实施方案中，对于在该可见波长范围内的该至少一个波长而言，第一层21和第二层22中的每一者具有大于约10％或
15％的光学反射率。对于在该可见波长范围内的该至少一个波长而言，第三层23具有大于约70％的光学透射率，并且掩膜层20具有小于约20％的光学反射率。在一些实施方案中，对于在该可见波长范围内的该至少一个波长而言，掩膜层20具有小于约15％或10％的光学反射率。在一些实施方案中，掩膜层20可包括多于三个的层。多于三个的层可进一步降低掩膜层20的光学反射率。
38.在一些实施方案中，第一反射器21和第二反射器22限定光学腔91，使得对于基本上垂直入射光30以及从约400nm延伸到约600nm的可见波长范围而言，对于在该可见波长范围内的至少一个波长而言，光学腔系统90反射小于约20％的该入射光，并且透射小于2％的该入射光。另外，对于在该可见波长范围内的至少一个波长而言，光学构造体200透射至少10％的入射光30。
39.在一些实施方案中，光学腔91包括气隙，该气隙与第一反射器21和第二反射器22相比具有相对高的光学透射率。光从第一反射器21和第二反射器22跨光学腔91的重复反射可将光捕集在光学腔系统90内。因此，光学腔系统90可具有高光学吸收率。
40.可注意到，通过选择第一层21、第二层22和第三层23的材料的恰当组合以及对第一层21、第二层22和第三层23中的每一者的平均厚度t的优化，可实现掩膜层20的低光学透射率和低光学反射率。例如，可选择较大的平均厚度t以减少串扰(来自一个微透镜的光入射在与不同的微透镜对准的通过开口40上)，或者可选择较小的平均厚度t以增加透射通过通过开口40的光。相似地，可通过优化第一反射器21和第二反射器22以及光学腔91的材料和尺寸来增加光学腔系统90的光吸收率。
41.光学传感器50可被配置为检测指纹，并且包括显示器110的显示设备(例如，移动电话)可被配置为确定检测到的指纹是否匹配被授权用户的指纹。在一些实施方案中，光学系统300还包括红外线光源80，该红外线光源设置用于朝显示器110的前侧42发射光81。红外线光源80可辅助光学传感器50检测显示器110上的指纹。红外线光源80可被定位成使得红外线光源80朝合适的方向发射光81。由红外线光源80发射的光81可具有从约700nm延伸到约1mm的波长范围。
42.当将手指放在光学系统300的显示器110上时，手指反射由显示器110和/或红外线光源80发射的光。反射光穿过显示器110，之后到达光学构造体200和光学传感器50。光学构造体200的具有通过开口40的掩膜层20可允许反射光的一部分到达光学传感器50以用于信号检测。来自手指的反射光的其他部分以及由显示器110和/或红外线光源80发射的光可被掩膜层20吸收。
43.现在参考图2a，示出了掩膜层20或光学腔系统90。还示出了基本上垂直入射光30。掩膜层20包括第一层21、第二层22和第三层23。入射光30可根据针对第一层21、第二层22和第三层23中的每一者所选择的一种或多种材料来反射和透射。第一层21、第二层22和第三层23的组合可基本上吸收入射光30。
44.光学腔系统90包括第一反射器21和第二反射器22。入射光30可至少部分地被第一反射器21和第二反射器22反射。光学腔系统90还包括置于第一反射器21与第二反射器22之间的光学腔91。光学腔91可允许入射光30由于从第一反射器21和第二反射器22的重复反射而在闭合路径中循环。光学腔系统90和掩膜层20可捕集入射光30和来自第二层22的反射光的一部分。
45.图2b示出了掩膜层20的第一层21。在一些实施方案中，第一层21包括钛、铬、镍、铜、铂、钴、钨和锰中的一者或多者。在一些实施方案中，第一层21可包括铝、金和银中的一者或多者。在一些实施方案中，第一层21具有约5nm至约50nm、或约5nm至约40nm、或约5nm至约30nm、或约5nm至约20nm的平均厚度。
46.图2c示出了掩膜层20的第三层23。在一些实施方案中，第三层23包括光学透明的介电材料。在一些实施方案中，第三层23包括sio2。在一些实施方案中，第三层23具有约20nm至约200nm、或约30nm至约150nm、或约40nm至约120nm、或约50nm至约100nm的平均厚度。
47.图2d示出了掩膜层20的第二层22。在一些实施方案中，第二层22包括钛、铬、镍、铜、铂、钴、钨和锰中的一者或多者。在一些实施方案中，第二层22包括铝、金和银中的一者或多者。在一些实施方案中，第二层22具有约5nm至约70nm、或约5nm至约60nm、或约5nm至约50nm、或约5nm至约40nm的平均厚度。
48.现在参考图3a，曲线图300a示出了对于被涂覆约35nm厚度的铝层的pet基准直光学器件(例如，透镜膜)而言，光学透射率与光学反射率之间随入射光的波长的变化。选择铝作为光吸收层，因为与其他金属相比，铝可易于通过激光烧蚀钻出微米大小的通过开口。透射率百分比和反射率百分比相对于x轴上的波长绘制在y轴上。透射率百分比的比例示出在左侧y轴上。反射率百分比的比例示出在右侧y轴上。反射率百分比以曲线310a描绘，并且透射率百分比以曲线320a描绘。如由曲线图300a所描绘的，入射光的透射率百分比对于从约400nm到约600nm的波长而言小于约0.5％。然而，入射光的反射率百分比对于从约400nm到约600nm的波长而言为约87％。因此，可能需要进一步降低反射率来改善准直光学器件。
49.现在参考图3b，曲线图300b示出了对于被涂覆约17nm厚度的锗层和约35nm厚度的铝层的pet基准直光学器件(例如，透镜膜)而言，光学透射率与光学反射率之间随入射光的波长的变化。透射率百分比和反射率百分比相对于x轴上的波长绘制在y轴上。透射率百分比的比例示出在左侧y轴上。反射率百分比的比例示出在右侧y轴上。反射率百分比以曲线310b描绘，并且透射率百分比以曲线320b描绘。如由曲线图300b所描绘的，入射光的透射率百分比对于从约400nm到约600nm的波长而言小于约0.24％。另外，入射光的反射率百分比对于从约400nm到约600nm的波长而言小于约20％。因此，与被涂覆约35nm厚度的单个铝层的准直光学器件相比，被涂覆约17nm厚度的锗层和约35nm厚度的铝层的准直光学器件具有较低的透射率和较低的反射率。然而，可能需要进一步降低准直光学器件的透射率和反射率。
50.参考图1和图4，曲线图400示出了根据本公开的实施方案的光学构造体200的入射光的光学吸收率、光学透射率和光学反射率之间随波长的变化。第一层21包括钛。第一层21的平均厚度t约为13nm。第二层22包括铝。第二层22的平均厚度t约为29nm。第三层23包括sio2。第三层23的平均厚度t约为84nm。吸收率百分比、透射率百分比和反射率百分比相对于x轴上的波长绘制在y轴中。吸收率百分比的比例示出在左侧y轴上。透射率百分比和反射率百分比的比例示出在右侧y轴上。吸收率百分比以曲线410描绘。透射率百分比以曲线420描绘。反射率百分比以曲线430描绘。从曲线图400可显而易见的是，光学构造体200表现出低反射率百分比、低透射率百分比和高吸收率百分比。吸收率百分比可等于100-(反射率百分比+透射率百分比)。
51.如曲线图400中所描绘的，对于从约400nm到约600nm的波长而言，入射光的吸收率百分比为从约94.5％到约99.5％。对于从约400nm到约600nm的波长而言，入射光的透射率百分比小于约0.5％。对于从约400nm到约600nm的波长而言，入射光的反射率百分比小于约5.5％。与上文参考图3a和图3b讨论的其他光学配置相比，光学构造体200可提供更好的光学特性。具体地，光学构造体200可提供更低的透射率和更低的反射率。因此，与单个铝层或包括铝和锗的双层配置相比，光学构造体200的三层配置可提供改善的阻光性能。
52.除非另有说明，否则在说明书和权利要求中使用的表示特征尺寸、数量和物理特性的所有数字应理解为由术语“约”修饰。因此，除非有相反的说明，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，这些近似值可根据本领域的技术人员利用本文所公开的教导内容来寻求获得的期望特性而变化。
53.虽然本文已经例示并描述了具体实施方案，但本领域的普通技术人员将会知道，在不脱离本公开范围的情况下，可用多种另选的和/或等同形式的具体实施来代替所示出和所描述的具体实施方案。本技术旨在涵盖本文所讨论的具体实施方案的任何改型或变型。因此，本公开旨在仅受权利要求及其等同形式的限制。