CN117597607A - 用于检测***的光学叠堆 - Google Patents
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Abstract
一种一体式光学叠堆包括具有第一主表面和第二主表面的透镜膜。该第一主表面包括具有平均峰谷高度PV1的微透镜。光吸收层设置在该透镜膜上并限定多个开口。大致平坦化光学扩散层适形于这些微透镜设置在该透镜膜的该第一主表面上。该光学扩散层包括多个纳米颗粒。聚合物材料将这些纳米颗粒彼此结合以形成多个纳米颗粒聚集体，在多个纳米颗粒聚集体之间限定多个空隙。该光学扩散层具有大于约8微米的平均厚度和小于约1.25的折射率。该光学扩散层的主表面的由于该第一主表面的这些微透镜引起的任何非平面度具有平均峰谷高度PV2，PV2≤0.7PV1。
Description
技术领域
本公开整体涉及光学叠堆，具体地涉及用于检测***诸如指纹检测***的光学叠堆。
背景技术
光学***，诸如显示***、指纹感测***和生物识别***，利用一个或多个光学层来管理入射光。通常，光学层要求具有所需光学透射比、光学雾度、光学清晰度和折射率。在许多应用中，将空气层和漫射层组装到光学***中。通常，空气层支持全内反射，扩散体层提供光学漫射。多种领先智能电话品牌正在探索全屏指纹感测以简化装置访问并增强安全性。实现技术包括嵌入在显示器中的光学传感器与必要光控制结合，以获得足够分辨率的指纹图像。
发明内容
本公开的一些方面涉及一种一体式光学叠堆，包括透镜膜，该透镜膜包括最外侧结构化第一主表面和相反的最外侧第二主表面。该结构化第一主表面包括具有平均峰谷高度PV1的微透镜二维阵列。光吸收层设置在该透镜膜的该第二主表面一侧并且在光吸收层中限定多个贯通物理开口，该多个贯通物理开口在该光吸收层的相反的最外侧主表面之间延伸。这些贯通物理开口与这些微透镜以一一对应关系对准。大致平坦化光学扩散层设置在该透镜膜的该结构化第一主表面上。该大致平坦化光学扩散层的最外侧大致平坦第三主表面背对该透镜膜的该第一主表面。该大致平坦化光学扩散层的相反的最外侧结构化第四主表面面向该结构化第一主表面的该微透镜阵列中的这些微透镜并大致适形于这些微透镜。光学扩散膜层包括多个纳米颗粒，该多个纳米颗粒分散在该第三主表面和该第四主表面之间并跨过该第三主表面和该第四主表面，这些纳米颗粒包括二氧化硅。聚合物材料将这些纳米颗粒彼此结合以形成多个纳米颗粒聚集体，在多个纳米颗粒聚集体之间限定多个空隙。在该光学扩散层的位于与该光学扩散层大致正交的平面中的横截面中，这些纳米颗粒具有介于约20nm至约150nm之间的平均尺寸，这些纳米颗粒聚集体具有介于约100nm和约1000nm之间的平均尺寸，并且这些空隙占据该光学扩散层的面积的约15％至约45％之间。针对在从约420nm至约680nm范围内的至少一个可见波长，该光学扩散层具有大于约8微米的平均厚度和小于约1.25的折射率。该大致平坦第三主表面的由于该结构化第一主表面的该微透镜阵列中的这些微透镜引起的任何非平面度具有平均峰谷高度PV2，PV2≤0.7PV1，其中该光学叠堆具有一体式构造。
本公开的其他方面涉及一种检测***，该检测***用于检测施加到该检测***的用户身体部位。该检测***包括光源；和本公开的一个或多个实施方案中的设置在光学检测器上的该一体式光学叠堆。该光源被构造为朝向施加到该检测***的该用户身体部位发射第一光。该光学检测器被构造为在该第一光被该用户身体部位反射并穿过这些贯通物理开口中的至少一些之后检测该第一光的至少一部分。
本申请的这些方面和其它方面根据下面的具体实施方式将是显而易见的。然而，在任何情况下都不应将上面的总结理解为是对所要求保护的主题的限制，该主题仅仅由所附权利要求限定。
附图说明
将参考附图更详细地讨论本公开的各个方面，其中，
图1示意性地示出了根据一些实施方案的具有叠堆式光学构造的检测***；
图2示出了根据一些方面的PET基板上的微透镜结构的俯视图SEM图像；
图3至图4为不同放大倍率下的光学构造的顶表面的示例性SEM；并且
图5为图3中光学构造的横截面的示例性SEM。
图未必按照比例绘制。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。
具体实施方式
在以下详细描述中，参考了形成该详细描述的一部分的附图，并且在附图中以例示的方式示出了若干具体实施方案。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。
例如在有机发光二极管(OLED)指纹感测(FPS)应用中已经开发了准直膜和IR/可见光阻挡层。光学构造通常包括在光学叠堆和OLED面板之间的气隙并使用粘合剂进行附连。本文所述的实施方案适用于具有可全结合的感测解决方案的全有源区域感测检测***。
一些实施方案描述了能够实现可全结合的感测解决方案的光学叠堆。可调整超低折射率(ULI)层与微透镜设计的组合以提供用于集成直接面板叠堆的平面光学器件。为了获得平面光学器件，沉积在微透镜结构上的ULI层的平面度是关键的，并且不能损害***的光学功率。
图1示出了检测***(300)，该检测***用于检测施加到检测***(300)的用户身体部位(50,51)。在一些情况下，检测***(300)可以是指纹检测***，并且用户身体部位(50,51)可以是检测***的用户的手指。检测***可包括光源(60,61)，该光源被构造为朝向施加到检测***(300)的用户身体部位(50,51)发射第一光(60a,61a)。光源(60,61)可以是能够发射在期望波长范围内的辐射的任何类型的装置，例如二极管激光器、LED(发光二极管)、OLED(有机发光二极管)等。检测***(300)还包括显示***，该显示***包括显示面板(80)，显示面板被构造为显示图像(81)以供用户观看。
在一些情况下，光源(60)可设置在光学叠堆(300)的横向一侧。在一些其他情况下，光源(61)可设置在显示面板(80)内。光学检测器(70)可被构造为在被用户身体部位(50,51)反射(60b,61b)之后检测第一光(60a,61a)的至少一部分。
检测***包括设置在光学检测器(70)上的光学叠堆(200)。在一些实施方案中，光学叠堆(200)可具有一体式构造。光学叠堆(200)可包括透镜膜(10)、光吸收层(20)和设置在透镜膜(10)上的光学扩散层(30)。光学检测器(70)可以是设置在光学叠堆(200)的光吸收一侧(20)的光学传感器。
透镜膜(10)包括最外侧结构化第一主表面(11)和与结构化第一主表面(11)相反设置的最外侧第二主表面(12)。结构化第一主表面(11)可包括多个微透镜(14)。多个微透镜(14)可沿正交的第一方向(x轴)和第二方向(y轴)布置为微透镜二维阵列，如图2所示。
微透镜是具有小于1mm的至少一个横向尺寸(例如，直径)的透镜。在一些实施方案中，微透镜(14)的平均直径可在5微米至1000微米的范围内。在一些情况下，微透镜阵列可具有不同尺寸、形状、折射率和焦距中的一者或多者。例如，阵列可以是规则的(例如，正方形或六边形网格)或不规则的(例如，随机的或伪随机的)。在一些情况下，微透镜(14)可具有大致相等的焦距。在本文所述的任何实施方案中使用的微透镜可以是任何合适类型的微透镜。在一些实施方案中，微透镜阵列可包括折射透镜、衍射透镜、金属透镜(例如，使用纳米结构来聚焦光的表面)、菲涅耳透镜、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。在一些情况下，微透镜中的至少一些微透镜可以是球面微透镜。在其他情况下，微透镜中的至少一些微透镜可以是非球面微透镜。
在一些实施方案中，微透镜(14)可围绕正交的第一(x轴)和第二(y轴)方向弯曲并且可具有平均峰谷高度PV1。在一些方面，PV1可大于约1.5微米。在一些情况下，PV1可大于约2微米、或大于约3微米、或大于约4微米、或大于约5微米、或大于约6微米。
光吸收层(20)可设置在透镜膜(10)的第二主表面(12)上。光吸收层(20)的平均厚度可大于约0.5微米。在一些情况下，光吸收层(20)的平均厚度可为约0.75微米、或约1.0微米、或约1.25微米。在一些其他情况下，光吸收层(20)的平均厚度可大于约1.5微米、或约1.75微米、或约2微米、或约2.5微米、或大于约3微米。针对在从约420nm延伸到约680nm的可见波长范围内的至少一个可见波长，光吸收层(20)的光学密度可大于约3。在一些方面，至少一个可见波长可包括蓝色、绿色或红色波长。在一些情况下，光吸收层(20)的光学密度可为约3.5、或4、或4.5、或5、或5.5、或6、或7。
在一些方面，光吸收层(20)可在光吸收层中限定多个贯通物理开口(21)或针孔，该多个贯通物理开口或针孔在光吸收层(20)的相反的最外侧主表面(22,23)之间延伸。在一些情况下，相反的主表面(22,23)可以是光吸收层(20)的相反的顶表面和底表面，并且贯通物理开口(21)可与微透镜(14)以一一对应关系对准。由用户身体部位(50,51)反射可被构造为穿过贯通物理开口(21)中的至少一些贯通物理开口的光(60b,61b)的一部分。
在本文所述的一个或多个实施方案中形成的贯通物理开口(21)可具有任何合适的形状。在一些实施方案中，贯通物理开口(21)可包括椭圆形针孔、圆形针孔、矩形针孔、正方形针孔、三角形针孔和不规则针孔中的至少一者。在一些情况下，贯通物理开口(21)可包括这些针孔形状的任何组合。
例如，可通过穿过微透镜(14)的激光烧蚀来形成光吸收层(20)中的贯通物理开口(21)。例如，合适的激光器可包括工作波长为1070nm的光纤激光器，诸如40W脉冲光纤激光器。例如，使用激光穿过微透镜阵列在层中形成开口在例如US2007/0258149(Gardner等人)中进行了大致描述。可任选地将吸收外覆层施加到光学叠堆(200)上以增加来自激光器的能量的吸收。在一些实施方案中，光吸收层(20)可包括UV固化聚合物材料，并且可在其中形成多个激光烧蚀贯通物理开口(21)。可能期望UV固化聚合物材料对激光有足够高的吸收以被烧蚀来形成开口。在烧蚀之后，可能期望包含UV固化聚合物材料的光吸收层(20)以足够高的程度阻挡可见光来满足光阻挡度量(FWHM、串扰等)。
光学扩散层30可为大致平坦化光学扩散层。光学扩散层(30)可设置在透镜膜(10)的结构化第一主表面(11)上。光学扩散层(30)包括背对透镜膜(10)的第一主表面(11)的最外侧第三主表面(31)和与第三主表面(31)相反的最外侧结构化第四主表面(32)。在一些实施方案中，光学扩散层(30)的第四主表面(32)可面向结构化第一主表面(11)的微透镜阵列中的微透镜(14)并大致适形于这些微透镜。检测***(300)的显示面板(80)可设置在光学扩散层(30)的与光吸收层(20)相反的第三主表面(31)上。结合层(90)可设置在显示面板(80)和第三主表面(31)之间，以将显示面板结合到光学扩散层(30)。在一些方面，结合层(90)可缺少气泡并且气泡被构造为大致散射可见光。
光学扩散层(30)的第三主表面(31)可以是大致平坦的。在一些方面，大致平坦第三主表面(31)的由于结构化第一主表面(11)的微透镜阵列中的微透镜(14)引起的任何非平面度可具有平均峰谷高度PV2。针对最佳光学功率，非平面度PV2可小于1微米。在一些其他情况下，PV2可小于约0.9微米、或小于约0.8微米、或小于约0.7微米、或小于约0.6微米、或小于约0.5微米。在其他情况下，PV2≤0.7PV1，或PV2≤0.6PV1，或PV2≤0.5PV1，或PV2≤0.5PV1，或PV2≤0.4PV1，或PV2≤0.3PV1。
可选择设置在微透镜(14)阵列上的光学扩散层(30)的厚度以充分平坦化微透镜(14)。在一些方面，光学扩散层(30)可具有大于约8微米的平均厚度。在一些情况下，光学扩散层(30)的平均厚度可大于约9微米，或大于约10微米，或大于约11微米，或大于约12微米，或大于约13微米，或大于约14微米，或大于约15微米，或大于约20微米。在一些方面，光学扩散层(30)可为低折射率层或超低折射率(ULI)层，例如，如美国专利申请公布2012/0038990号(Hao等人)中所述的纳米空隙ULI层。针对在从约420nm至约680nm范围内的至少一个可见波长，此类ULI层可具有小于约1.35或小于约1.3、或小于约1.25、或小于约1.22、或小于约1.21、或小于约1.2、或小于约1.18、或小于约1.15的折射率。纳米空隙ULI层可具有低折射率，使得纳米空隙层在光学上表现得像空气层，但在机械上表现得像可用于附接到其他光学层的任何其他固体层。在一些方面，ULI涂覆的光学扩散层(30)可适形于微透镜阵列(14)的结构，ULI沉积在微透镜阵列的顶部上，即使厚度超过结构内的峰谷PV1的量值。在其他方面，可调整微透镜(14)和ULI涂覆的光学扩散层(14)的组合阵列以获得最佳性能，因为每一透镜形状将具有定制的ULI层。
图3至图4示出了使用扫描电子显微镜(SEM)在两个不同放大倍率下获得的光学扩散层(30)的顶表面的两个示例性扫描电子显微照片。图5示出了光学扩散层(30)的横截面的示例性扫描电子显微照片
在一些方面，如图3和图4中最佳示出的，光学扩散层(30)可包括分散在第三主表面(31)和第四主表面(32)之间并跨过第三主表面和第四主表面的多个颗粒(33)。颗粒(33)可为在应用中可能期望的任何类型的颗粒。例如，颗粒(33)可以是有机或无机颗粒。例如，颗粒(33)可以是纳米颗粒，包括二氧化硅。示例性颗粒(33)可包括热解法金属氧化物或焦化金属氧化物，诸如例如热解法二氧化硅或氧化铝。颗粒(33)可具有在应用中可能期望或可得的任何形状。例如，颗粒(33)可具有规则或不规则形状。例如，颗粒(33)可为大致球形。又如，颗粒(33)可为细长的。
光学扩散层(30)可包括多个互连的多孔聚集体(35)，其中每个聚集体(35)可包括多个颗粒(33)以及涂覆并且互连多个颗粒(33)的粘结剂(34)。聚集体(35)可具有不规则形状。聚集体(35)中的互连颗粒(33)可限定可分散在多个颗粒(33)之间的多个空隙(36)。
粘结剂(34)可为或包括在应用中可能期望的任何材料。例如，粘结剂(34)可包括聚合物材料，该聚合物材料将颗粒(33)彼此结合以形成多个颗粒聚集体(35)，在多个颗粒聚集体之间限定多个空隙(36)。颗粒(33)结合至粘结剂(34)，其中结合可以是物理的或化学的。可用的粘结剂树脂的例子为衍生自热固性、热塑性和UV可固化聚合物的那些。示例包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、醋酸乙烯基酯共聚物(EVA)、乙酸丁酸纤维素(CAB)聚氨酯(PUR)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚丙烯酸酯、环氧化物、有机硅和含氟聚合物，或它们的组合。一般来讲，粘结剂(34)可为任何可聚合材料，诸如具有辐射固化性的可聚合材料。尽管粘结剂可为聚合物体系，其也可作为可聚合单体体系(如UV固化性或热固化性或可交联体系)加入。这种体系的例子可为UV聚合型丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、多官能丙烯酸酯、氨基甲酸酯丙烯酸酯、和它们的混合物。
在一些情况下，颗粒(33)中的至少大部分(诸如颗粒(33)中的至少60％或70％或80％或90％或95％)可具有不大于约1微米、或不大于约700、或500、或200、或100、或50纳米的尺寸。在一些情况下，在光学扩散层(30)的位于与光学扩散层(30)大致正交的平面(xz平面)中的横截面中，颗粒(33)可具有介于约20nm至约150nm之间的平均尺寸。当颗粒(33)聚集时，颗粒聚集体(35)可具有介于约100nm和约1000nm之间的平均尺寸。
一般来讲，具有低折射率的光学扩散层(30)或ULI层可具有在应用中可能期望的任何孔隙率、孔尺寸分布、或空隙体积分数。在一些实施方案中，光学扩散层(30)中的多个空隙(36)的体积分数可在光学扩散层(30)的面积的约15％和约45％之间。在一些情况下，空隙可占据光学扩散层的面积的约25％至约40％之间。
示例性粘结剂(34)与颗粒(33)的比例为小于1:2(小于33％的粘结剂)，小于1:3，小于1:4，小于1:5，小于1:6，小于1:7，小于1:8，小于1:9，小于1:10(约8％-10％的粘结剂)。粘结剂(34)的上限可由光学扩散层(30)的期望折射率决定。粘结剂(34)的下限可由期望物理性质例如加工或最终耐用性特性决定。因此粘结剂与颗粒的比例将根据期望的最终用途和期望的光学性质而变化。
在一些方面，如图1所示，密封层(40)可设置在光学扩散层(30)的最外侧大致平坦第三主表面(31)上。密封层(40)可设置在光学扩散层(30)上，以便保护多孔光学扩散层(30)不受污染物的影响。密封层(40)可具有任何可用的厚度。例如，密封层(40)可具有小于约1.2微米、或小于约1.1微米、或小于约1微米、或小于约0.9微米、或小于约0.8微米、或小于0.75微米的平均厚度。具有扩散进入低折射率光学扩散层(30)的相邻密封层(40)的低折射率光学扩散层还可具有加固低折射率涂层的有益效果。
在一些方面，密封层(40)可部分地穿入光学扩散层(30)的最外侧大致平坦第三主表面(31)。如图5所示，密封层(40)进入光学扩散层(30)的最外侧大致平坦第三主表面(31)的平均穿入深度(t1)可小于约0.5微米，或小于约0.4微米，或小于约0.3微米，或小于约0.2微米。在一些方面，密封层(40)可包括聚乙烯醇(PVA)或其他扩散聚合物，这些其他扩散聚合物具有足够高的分子量以便不会超过期望厚度而穿入到光学扩散层(30)的最外侧大致平坦第三主表面(31)中。
Claims (8)
1.一种一体式光学叠堆，包括：
透镜膜，所述透镜膜包括最外侧结构化第一主表面和相反的最外侧第二主表面，所述结构化第一主表面包括具有平均峰谷高度PV1的微透镜的二维阵列；
光吸收层，所述光吸收层设置在所述透镜膜的所述第二主表面一侧并且在所述光吸收层中限定多个贯通物理开口，所述贯通物理开口在所述光吸收层的相反的最外侧主表面之间延伸，所述贯通物理开口与所述微透镜以一一对应关系对准；和
大致平坦化光学扩散层，所述大致平坦化光学扩散层设置在所述透镜膜的所述结构化第一主表面上，并且包括背对所述透镜膜的所述第一主表面的最外侧大致平坦第三主表面以及相反的最外侧结构化第四主表面，所述最外侧结构化第四主表面面向所述结构化第一主表面的所述微透镜阵列中的所述微透镜并大致适形于所述微透镜，所述光学扩散层包括：
多个纳米颗粒，所述多个纳米颗粒分散在所述第三主表面和所述第四主表面之间并跨过所述第三主表面和所述第四主表面，所述纳米颗粒包括二氧化硅；
聚合物材料，所述聚合物材料将所述纳米颗粒彼此结合以形成多个纳米颗粒聚集体，在所述多个纳米颗粒聚集体之间限定多个空隙，使得在所述光学扩散层的位于与所述光学扩散层大致正交的平面中的横截面中，所述纳米颗粒具有介于约20nm至约150nm之间的平均尺寸，所述纳米颗粒聚集体具有介于约100nm和约1000nm
之间的平均尺寸，并且所述空隙占据所述光学扩散层的面积的约15％至约45％之间；
大于约8微米的平均厚度；和
针对在从约420nm至约680nm范围内的至少一个可见波长的小于约1.25的折射率，
其中所述大致平坦第三主表面的由于所述结构化第一主表面的所述微透镜阵列中的所述微透镜引起的任何非平面度具有平均峰谷高度PV2，PV2≤0.7PV1，
其中所述光学叠堆具有一体式构造。
2.根据权利要求1所述的一体式光学叠堆，还包括密封层，所述密封层设置在所述光学扩散层的所述最外侧大致平坦第三主表面上并且部分地穿入所述最外侧大致平坦第三主表面，所述密封层具有小于约1.2微米的平均厚度。
3.根据权利要求2所述的一体式光学叠堆，其中所述密封层进入所述光学扩散层的所述最外侧大致平坦第三主表面的平均穿入深度小于约0.5微米。
4.根据权利要求1所述的一体式光学叠堆，其中PV1大于约1.5微米。
5.根据权利要求1所述的一体式光学叠堆，其中PV2小于约1微米。
6.一种检测***，所述检测***用于检测施加到所述检测***的用户身体部位，所述检测***包括：光源；和设置在光学检测器上的根据权利要求1所述的一体式光学叠堆，所述光源被构造为朝向施加到所述检测***的所述用户身体部位发射第一光，所述光学检测器被构造为在所述第一光被所述用户身体部位反射并穿过所述贯通物理开口中的至少一些之后检测所述第一光的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的检测***，包括显示***，所述显示***包括显示面板，所述显示面板设置在所述光学扩散层的与所述光吸收层相反的所述大致平坦第三主表面上，所述显示面板被构造为显示图像以供所述用户观看。
8.根据权利要求7所述的检测***，还包括结合层，所述结合层将所述显示面板结合到所述光学扩散层的所述大致平坦第三主表面，所述结合层缺少被构造为大致散射可见光的气泡。
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