光微通道陣列面板原理及性能影響因素分析

何相平 王斌 馬婕 李建杰 黃朋

摘? 要：光微通道陣列面板能在亞毫米的厚度下實(shí)現(xiàn)對(duì)光線的良好準(zhǔn)直，是一種新型的纖維光學(xué)準(zhǔn)直器，有良好的應(yīng)用前景。文章介紹了光微通道陣列面板的研究背景、光學(xué)原理和制造原理，詳細(xì)分析了設(shè)計(jì)、材料和工藝因素對(duì)準(zhǔn)直、透過率和分辨率性能的影響。結(jié)果表明透明光通道材料的折射率和通道直徑越小，準(zhǔn)直性能越好;通道間的節(jié)距越小，分辨率越高;黑玻璃的不透明度越好越有利于性能的提升;適當(dāng)降低溫度并減少高溫時(shí)間對(duì)穩(wěn)定和提升性能有利。

關(guān)鍵詞：光微通道陣列面板;纖維光學(xué)準(zhǔn)直器;原理;性能影響因素分析

中圖分類號(hào)：TN22? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）22-0051-04

Analysis of the Principle and Performance Influencing Factor of

Optical Micro-channel Array Panel

HE Xiangping，WANG Bin，MA Jie，LI Jianjie，HUANG Peng

（Guangzhou Honsun Opto-Electronic Co.，Ltd.，Guangzhou? 510925，China）

Abstract：The optical micro-channel array panel can achieve good collimation of light under the thickness of sub-millimeter. It is a new type of fiber optic collimator and has good application prospects. This paper introduces the research background，optical principle and manufacturing principle of optical micro-channel array panel，and analyzes the influence of design，material and process factors on collimation，transmittance and resolution performance in detail. The results show that the smaller the refractive index and channel diameter of transparent optical channel material，the better the collimation performance;the smaller the pitch between channels，the higher the resolution;the better the opacity of black glass，the better the performance;the appropriate reduction of temperature and high temperature time is beneficial to the stability and improvement of performance.

Keywords：optical micro-channel array panel;fiber optic collimator;principle;analysis of performance influencing factor

0? 引? 言

隨著手機(jī)全面屏?xí)r代的來臨，屏下指紋識(shí)別技術(shù)成為行業(yè)研究的熱點(diǎn)。這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵難點(diǎn)之一是如何在非常有限的空間內(nèi)穿透厚度大于0.5 mm的OLED屏幕和蓋板玻璃，獲取其上面的指紋圖像。電容式指紋識(shí)別技術(shù)穿透厚度小于0.3 mm，只有光學(xué)方案穿透厚度能夠大于1 mm。目前行業(yè)采用的光學(xué)解決方案主要有屏下攝像頭成像方案和準(zhǔn)直器成像方案兩種。其中準(zhǔn)直器成像方案的原理是在感光元件和OLED屏幕之間加入一片準(zhǔn)直器，如圖1所示，準(zhǔn)直器對(duì)攜帶指紋信息的散射光線進(jìn)行準(zhǔn)直過濾，限制感光元件中的像元只接收與其位置相對(duì)應(yīng)的指紋信息，通過光電轉(zhuǎn)換便可得到清晰的指紋圖像。

準(zhǔn)直器方案具有厚度小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可實(shí)現(xiàn)大面積的多指識(shí)別等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一。該方案最初使用的是一片微孔陣列準(zhǔn)直器，要求孔徑小于15 μm，孔間距小于30 μm，孔的數(shù)量需要達(dá)到106/cm2數(shù)量級(jí)以上，制作這種微孔陣列元件，目前比較可行的加工方法是刻蝕法和激光打孔法。然而這兩種方法都存在加工質(zhì)量差、效率低、成本高、量產(chǎn)難的問題，同時(shí)通孔的結(jié)構(gòu)本身也存在強(qiáng)度低、不易清潔、易堵塞等工藝問題，制約了該方案的推廣應(yīng)用。

光微通道陣列玻璃面板（Optical Micro-channel Array Plate，OMCA）是由尺寸為微米級(jí)的透明玻璃通道，按特定的陣列結(jié)構(gòu)，分布熔合在黑色基體玻璃中制作而成的一種纖維光學(xué)準(zhǔn)直器。圖2是OMCA面板的實(shí)物照片，以及它的結(jié)構(gòu)原理圖。

與微孔陣列準(zhǔn)直器相比，在結(jié)構(gòu)方面，OMCA面板的實(shí)心結(jié)構(gòu)易清潔、易封裝、易抓取且強(qiáng)度更高;在光學(xué)性能方面，準(zhǔn)直度與通道的深徑比成正比，傳統(tǒng)的微孔陣列由于制造技術(shù)的制約，深徑比通常小于15，而OMCA面板的深徑比通常大于25，光學(xué)性能更出色;在量產(chǎn)的難易程度方面，制作微孔陣列的工藝是先將材料分切成簿片，然后再逐片制造微孔，效率低，成本高，而OMCA面板的工藝是先進(jìn)行長(zhǎng)微通道的堆疊，然后再分切成片，效率高，成本低，更容易實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。可見，OMCA面板能有效解決準(zhǔn)直器方案中遇到的系列問題，隨著全球屏下指紋智能手機(jī)出貨量的逐年增長(zhǎng)，市場(chǎng)前景十分可觀。

筆者基于廣州宏晟光電科技股份有限公司的研究項(xiàng)目，長(zhǎng)期致力于研發(fā)、推廣特種光纖與元器件相關(guān)的新技術(shù)和新產(chǎn)品，在本文的基礎(chǔ)上已成功研制出性能滿足要求的OMCA面板并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。然而，目前相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的技術(shù)人員對(duì)OMCA面板的原理還知之甚少，不利于該器件的推廣應(yīng)用，對(duì)其原理進(jìn)行介紹是有必要的。本文分析了設(shè)計(jì)、材料和工藝參數(shù)對(duì)性能的影響規(guī)律，為進(jìn)一步提升光微通道陣列面板性能的研究提供了理論指導(dǎo)。

1? 光學(xué)原理

其中，n1是介質(zhì)的折射率，n2是透明光通道玻璃材料的折射率，θ1是光通道允許通過的光線入射角，θ2是光線在光通道內(nèi)的折射角，d是通道的直徑，D是通道節(jié)距，H是通道的深度。當(dāng)光線從一端輸入時(shí)，超出孔徑角的光線會(huì)被黑色玻璃阻擋吸收，從而對(duì)光線起到約束準(zhǔn)直的作用。

由數(shù)值孔徑的概念可得：N.A.=n1sinθ1

由光的折射定理可得：n1sinθ1=n2sinθ2

由三角函數(shù)定理可得：

由于θ2較小，所以tanθ2≈sinθ2，通過公式運(yùn)算可得OMCA面板的數(shù)值孔徑：

OMCA面板對(duì)光線的準(zhǔn)直度通常用其漫射透過率隨角度變化曲線的半峰全寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM）來衡量，即通過峰高的中點(diǎn)作平行于峰底的直線，此直線與峰兩側(cè)相交兩點(diǎn)之間的距離。

2? 制造原理

2.1? 對(duì)材料的性能要求

OMCA面板是由黑色玻璃和透明玻璃兩種材料經(jīng)過多次高溫拉絲、按一定規(guī)則排列、熔合而成的功能玻璃元件。該工藝要求黑玻璃與透明玻璃材料均需能滿足多次高溫拉絲、熔合對(duì)材料的抗析晶性能要求，膨脹系數(shù)、高溫粘度要互相匹配。透明玻璃的膨脹系數(shù)應(yīng)較黑玻璃大5～15個(gè)單位，以確保兩種材料復(fù)合拉絲后在通道的柱面上形成指向軸心的壓應(yīng)力，以提升通道纖維絲的強(qiáng)度，提升拉絲和排列過程的工藝性能。同時(shí)，為了提升通道的形貌和位置精度，透明玻璃的軟化溫度應(yīng)較黑色基體玻璃高8 ℃左右，以實(shí)現(xiàn)兩種材料復(fù)合后在同一溫度下加工時(shí)，黑色玻璃的粘度較透明玻璃要低些，以便于纖維間的緊密黏合和位置精度的保持。

由于通道間間隔的黑玻璃厚度只有幾十微米甚至不足十微米，為實(shí)現(xiàn)較理想的可見光吸收和隔離效果，黑色基體玻璃需對(duì)可見光有強(qiáng)烈的吸收能力，要求0.1 mm厚度的可見光透過率低于1%。而適當(dāng)提高黑色玻璃的折射率，使其高于透明玻璃的折射率，能增加黑色玻璃端面對(duì)入射光的反射，同時(shí)讓進(jìn)入黑色玻璃的光線能在黑色玻璃與透明玻璃的界面上發(fā)生全反射，有利于黑色玻璃對(duì)其進(jìn)行充分吸收，防止其進(jìn)入透明通道中影響圖像的對(duì)比度。

為確保產(chǎn)品有良好的可見光透過性能，透明玻璃對(duì)可見光的內(nèi)透射比應(yīng)大于99%。同時(shí)透明玻璃的折射率應(yīng)盡量低，以減少端面反射的損失。由于產(chǎn)品加工過程需要經(jīng)過多次高溫熔合，透明玻璃與黑色玻璃要求具有良好的化學(xué)相容性，即兩組玻璃的熔合界面不會(huì)出現(xiàn)分相、失透等現(xiàn)象。

2.2? 制造工藝

OMCA面板是在光纖面板的技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型纖維光學(xué)器件，圖4是光微通道陣列玻璃面板制造工藝流程。

其工藝流程與光纖面板基本相同，但也有所創(chuàng)新。在通道節(jié)距較小時(shí)，如D≤12 μm，為保障黑色玻璃層對(duì)光線的隔離吸收效果，需要保證黑色玻璃層的厚度D-d≥3 μm，在此情況下，通道的開口比K≤0.56。在光纖面板制造技術(shù)中，開口比的調(diào)節(jié)方法是通過采用不同厚度的玻璃管來實(shí)現(xiàn)的。然而，該方法受玻璃管制造技術(shù)制約，通常只能實(shí)現(xiàn)開口比K=0.60～0.90范圍內(nèi)的調(diào)節(jié)。針對(duì)該問題，本文開發(fā)出了可實(shí)現(xiàn)開口比大范圍調(diào)節(jié)的“棒外排絲”工藝，如圖5所示。

該工藝在應(yīng)用時(shí)需要考慮排列的間隙率對(duì)收縮的影響，通常假設(shè)黑色玻璃絲之間是理想的六方緊密堆積，則其理論最小間隙率約為9.4%。實(shí)驗(yàn)表明，黑色玻璃絲的絲徑越大，間隙率越高，絲徑越小，間隙率越趨于理論最小值。然而，絲徑太小時(shí)，排列的操作難度增加、效率降低，綜合考慮操作的難易程度、生產(chǎn)效率和間隙率的穩(wěn)定性，本文選定的黑色玻璃絲直徑是0.45 mm。采用該工藝可以實(shí)現(xiàn)開口比的靈活調(diào)節(jié)，成品的精度能滿足通道的尺寸公差在±1 μm內(nèi)的要求。

3? 關(guān)鍵性能的影響因素

準(zhǔn)直度、透過率和分辨率是OMCA面板的關(guān)鍵性能。良好的準(zhǔn)直度是OMCA面板實(shí)現(xiàn)成像功能的前提條件，是獲得清晰圖像的關(guān)鍵，通常要求FWHM要小于8°。而較高的透過率有利于減少感光元件的曝光時(shí)間，從而提升系統(tǒng)的反應(yīng)速度，提升用戶使用體驗(yàn)。分辨率越高，獲取圖像的細(xì)節(jié)信息越豐富，有利于提升系統(tǒng)對(duì)女性和兒童指紋的辨識(shí)度。OMCA面板關(guān)鍵性能的影響因素主要有設(shè)計(jì)因素、材料因素和工藝因素三個(gè)方面。

3.1? 設(shè)計(jì)因素

由式（2）可知，孔徑角的大小與通道的深度H和介質(zhì)的折射率n1呈負(fù)相關(guān)，與透明玻璃的折射率n2和通道的直徑d呈正相關(guān)。由式（3）可知，d與D的大小越接近，則黑玻璃層的厚度D-d的值越小，K值越大。

孔徑角對(duì)準(zhǔn)直度有直接影響，孔徑角越小，則產(chǎn)品的準(zhǔn)直性能越好。開口比K是透過率的主要影響因素，K越大，透過率越高。而通道節(jié)距D是分辨率的關(guān)鍵影響因素，D越小，分辨率越高。通道深度H等于產(chǎn)品的厚度，通常要求≤0.3 mm，n1是中間介質(zhì)折射率，這兩個(gè)參數(shù)通常由用戶根據(jù)系統(tǒng)要求給定。除這兩個(gè)參數(shù)外，理論上在設(shè)計(jì)OMCA面板時(shí)可以通過減少n2和d來獲得更好的準(zhǔn)直性能，通過減少通道間的節(jié)距D來提升透過率和分辨率。

3.2? 材料因素

材料對(duì)OMCA面板關(guān)鍵性能的影響主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）透明玻璃的折射率n2難以做到低于1.50。因?yàn)橥该鞑Ａб笈c黑色玻璃性能匹配，需要同時(shí)兼顧多項(xiàng)物理性能及熔制的難易。

（2）黑玻璃的不透明度制約了開口比K的增大。黑玻璃是通過往玻璃中添加多種金屬著色離子，利用混合著色原理制作而成的。其不透明度由金屬離子的組成及其在玻璃中的摻雜濃度等因素決定，當(dāng)金屬離子在玻璃中達(dá)到飽和濃度后就無法繼續(xù)添加，玻璃的不透明度也難以進(jìn)一步提升。因此，高分辨率的OMCA面板需要黑玻璃層具有一定的厚度才能確保對(duì)光線的吸收隔離效果，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直功能?；诒疚暮诓ＡР牧系牟煌该鞫?，D-d的設(shè)計(jì)值宜大于3 μm。這是高分辨率OMCA面板透過率難以提升的主要影響因素。

（3）黑玻璃與透明玻璃間的材料擴(kuò)散制約了d的減少。OMCA面板的制造工藝需要經(jīng)歷多次高溫，在這些高溫過程中兩種玻璃由于成分的差異，在界面間會(huì)發(fā)生相互擴(kuò)散，尤其是黑玻璃中的金屬著色離子會(huì)擴(kuò)散到透明玻璃中一定的深度。為減少材料間的擴(kuò)散，可以適當(dāng)增加黑玻璃與透明玻璃在拉絲和熔壓溫度下的粘度差異?；诒疚牡牟牧希善穼?shí)測(cè)的通道直徑d通常小于設(shè)計(jì)值約1 μm。

3.3? 工藝因素

黑玻璃是一種多離子混合著色的顏色玻璃，其中部分變價(jià)著色離子隨熔煉的氣氛、溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)的波動(dòng)，其價(jià)態(tài)會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致黑玻璃顏色和不透明度的變化，影響成品關(guān)鍵性能的一致性。

OMCA面板制造過程的溫度和高溫時(shí)間主要通過影響兩種材料間的擴(kuò)散程度，從而對(duì)成品的關(guān)鍵性能產(chǎn)生影響。在確保材料間能緊密黏合的前提下，適當(dāng)降低溫度和減少高溫時(shí)間對(duì)穩(wěn)定和提升OMCA面板的關(guān)鍵性能有利。

4? 結(jié)? 論

光微通道陣列玻璃面板為手機(jī)屏下指紋識(shí)別技術(shù)提供了一種新的解決方案，與微孔陣列準(zhǔn)直器相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，有望在不久的將來得到批量應(yīng)用。在三個(gè)關(guān)鍵性能的影響因素中，材料因素最為關(guān)鍵，尤其是黑色玻璃材料，宜對(duì)該材料做進(jìn)一步的深入研究，提升其不透明度及顏色的穩(wěn)定性為批量生產(chǎn)做好準(zhǔn)備。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何相平，葉靈西，吳若萍，等.一種實(shí)心光微通道陣列面板及其制備方法：CN107285618A [P].2017-10-24.

[2] 李威，羅亮，李美爐，等.一種微孔陣列準(zhǔn)直器及指紋識(shí)別器：CN210983452U [P].2020-07-10.

[3] 何相平，蘇展民，駱志財(cái)，等.硬光纖傳像元件的特性及其應(yīng)用 [J].廣東科技，2016，25（6）：51-53.

[4] 遲澤英，陳文建.纖維光學(xué)與光纖應(yīng)用技術(shù) [M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

[5] 張弦.淺談光學(xué)纖維面板的現(xiàn)狀及研究方向 [J].中國建材，2015（9）：94-97.

作者簡(jiǎn)介：何相平（1983—），男，漢族，廣東從化人，工程師，碩士研究生，研究方向：特種光纖與元器件。