光微通道阵列面板原理及性能影响因素分析

何相平 王斌 马婕 李建杰 黄朋

摘  要：光微通道阵列面板能在亚毫米的厚度下实现对光线的良好准直，是一种新型的纤维光学准直器，有良好的应用前景。文章介绍了光微通道阵列面板的研究背景、光学原理和制造原理，详细分析了设计、材料和工艺因素对准直、透过率和分辨率性能的影响。结果表明透明光通道材料的折射率和通道直径越小，准直性能越好;通道间的节距越小，分辨率越高;黑玻璃的不透明度越好越有利于性能的提升;适当降低温度并减少高温时间对稳定和提升性能有利。

关键词：光微通道阵列面板;纤维光学准直器;原理;性能影响因素分析

中图分类号：TN22      文献标识码：A 文章编号：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

随着手机全面屏时代的来临，屏下指紋识别技术成为行业研究的热点。这项技术的关键难点之一是如何在非常有限的空间内穿透厚度大于0.5 mm的OLED屏幕和盖板玻璃，获取其上面的指纹图像。电容式指纹识别技术穿透厚度小于0.3 mm，只有光学方案穿透厚度能够大于1 mm。目前行业采用的光学解决方案主要有屏下摄像头成像方案和准直器成像方案两种。其中准直器成像方案的原理是在感光元件和OLED屏幕之间加入一片准直器，如图1所示，准直器对携带指纹信息的散射光线进行准直过滤，限制感光元件中的像元只接收与其位置相对应的指纹信息，通过光电转换便可得到清晰的指纹图像。

准直器方案具有厚度小、结构简单、可实现大面积的多指识别等技术优势，是行业研究的热点之一。该方案最初使用的是一片微孔阵列准直器，要求孔径小于15 μm，孔间距小于30 μm，孔的数量需要达到106/cm2数量级以上，制作这种微孔阵列元件，目前比较可行的加工方法是刻蚀法和激光打孔法。然而这两种方法都存在加工质量差、效率低、成本高、量产难的问题，同时通孔的结构本身也存在强度低、不易清洁、易堵塞等工艺问题，制约了该方案的推广应用。

光微通道阵列玻璃面板（Optical Micro-channel Array Plate，OMCA）是由尺寸为微米级的透明玻璃通道，按特定的阵列结构，分布熔合在黑色基体玻璃中制作而成的一种纤维光学准直器。图2是OMCA面板的实物照片，以及它的结构原理图。

与微孔阵列准直器相比，在结构方面，OMCA面板的实心结构易清洁、易封装、易抓取且强度更高;在光学性能方面，准直度与通道的深径比成正比，传统的微孔阵列由于制造技术的制约，深径比通常小于15，而OMCA面板的深径比通常大于25，光学性能更出色;在量产的难易程度方面，制作微孔阵列的工艺是先将材料分切成簿片，然后再逐片制造微孔，效率低，成本高，而OMCA面板的工艺是先进行长微通道的堆叠，然后再分切成片，效率高，成本低，更容易实现量产。可见，OMCA面板能有效解决准直器方案中遇到的系列问题，随着全球屏下指纹智能手机出货量的逐年增长，市场前景十分可观。

笔者基于广州宏晟光电科技股份有限公司的研究项目，长期致力于研发、推广特种光纤与元器件相关的新技术和新产品，在本文的基础上已成功研制出性能满足要求的OMCA面板并实现量产。然而，目前相关应用领域的技术人员对OMCA面板的原理还知之甚少，不利于该器件的推广应用，对其原理进行介绍是有必要的。本文分析了设计、材料和工艺参数对性能的影响规律，为进一步提升光微通道阵列面板性能的研究提供了理论指导。

1  光学原理

其中，n1是介质的折射率，n2是透明光通道玻璃材料的折射率，θ1是光通道允许通过的光线入射角，θ2是光线在光通道内的折射角，d是通道的直径，D是通道节距，H是通道的深度。当光线从一端输入时，超出孔径角的光线会被黑色玻璃阻挡吸收，从而对光线起到约束准直的作用。

由数值孔径的概念可得：N.A.=n1sinθ1

由光的折射定理可得：n1sinθ1=n2sinθ2

由三角函数定理可得：

由于θ2较小，所以tanθ2≈sinθ2，通过公式运算可得OMCA面板的数值孔径：

OMCA面板对光线的准直度通常用其漫射透过率随角度变化曲线的半峰全宽（Full Width at Half Maxima，FWHM）来衡量，即通过峰高的中点作平行于峰底的直线，此直线与峰两侧相交两点之间的距离。

2  制造原理

2.1  对材料的性能要求

OMCA面板是由黑色玻璃和透明玻璃两种材料经过多次高温拉丝、按一定规则排列、熔合而成的功能玻璃元件。该工艺要求黑玻璃与透明玻璃材料均需能满足多次高温拉丝、熔合对材料的抗析晶性能要求，膨胀系数、高温粘度要互相匹配。透明玻璃的膨胀系数应较黑玻璃大5～15个单位，以确保两种材料复合拉丝后在通道的柱面上形成指向轴心的压应力，以提升通道纤维丝的强度，提升拉丝和排列过程的工艺性能。同时，为了提升通道的形貌和位置精度，透明玻璃的软化温度应较黑色基体玻璃高8 ℃左右，以实现两种材料复合后在同一温度下加工时，黑色玻璃的粘度较透明玻璃要低些，以便于纤维间的紧密黏合和位置精度的保持。

由于通道间间隔的黑玻璃厚度只有几十微米甚至不足十微米，为实现较理想的可见光吸收和隔离效果，黑色基体玻璃需对可见光有强烈的吸收能力，要求0.1 mm厚度的可见光透过率低于1%。而适当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对入射光的反射，同時让进入黑色玻璃的光线能在黑色玻璃与透明玻璃的界面上发生全反射，有利于黑色玻璃对其进行充分吸收，防止其进入透明通道中影响图像的对比度。

为确保产品有良好的可见光透过性能，透明玻璃对可见光的内透射比应大于99%。同时透明玻璃的折射率应尽量低，以减少端面反射的损失。由于产品加工过程需要经过多次高温熔合，透明玻璃与黑色玻璃要求具有良好的化学相容性，即两组玻璃的熔合界面不会出现分相、失透等现象。

2.2  制造工艺

OMCA面板是在光纤面板的技术基础上发展而来的一种新型纤维光学器件，图4是光微通道阵列玻璃面板制造工艺流程。

其工艺流程与光纤面板基本相同，但也有所创新。在通道节距较小时，如D≤12 μm，为保障黑色玻璃层对光线的隔离吸收效果，需要保证黑色玻璃层的厚度D-d≥3 μm，在此情况下，通道的开口比K≤0.56。在光纤面板制造技术中，开口比的调节方法是通过采用不同厚度的玻璃管来实现的。然而，该方法受玻璃管制造技术制约，通常只能实现开口比K=0.60～0.90范围内的调节。针对该问题，本文开发出了可实现开口比大范围调节的“棒外排丝”工艺，如图5所示。

该工艺在应用时需要考虑排列的间隙率对收缩的影响，通常假设黑色玻璃丝之间是理想的六方紧密堆积，则其理论最小间隙率约为9.4%。实验表明，黑色玻璃丝的丝径越大，间隙率越高，丝径越小，间隙率越趋于理论最小值。然而，丝径太小时，排列的操作难度增加、效率降低，综合考虑操作的难易程度、生产效率和间隙率的稳定性，本文选定的黑色玻璃丝直径是0.45 mm。采用该工艺可以实现开口比的灵活调节，成品的精度能满足通道的尺寸公差在±1 μm内的要求。

3  关键性能的影响因素

准直度、透过率和分辨率是OMCA面板的关键性能。良好的准直度是OMCA面板实现成像功能的前提条件，是获得清晰图像的关键，通常要求FWHM要小于8°。而较高的透过率有利于减少感光元件的曝光时间，从而提升系统的反应速度，提升用户使用体验。分辨率越高，获取图像的细节信息越丰富，有利于提升系统对女性和儿童指纹的辨识度。OMCA面板关键性能的影响因素主要有设计因素、材料因素和工艺因素三个方面。

3.1  设计因素

由式（2）可知，孔径角的大小与通道的深度H和介质的折射率n1呈负相关，与透明玻璃的折射率n2和通道的直径d呈正相关。由式（3）可知，d与D的大小越接近，则黑玻璃层的厚度D-d的值越小，K值越大。

孔径角对准直度有直接影响，孔径角越小，则产品的准直性能越好。开口比K是透过率的主要影响因素，K越大，透过率越高。而通道节距D是分辨率的关键影响因素，D越小，分辨率越高。通道深度H等于产品的厚度，通常要求≤0.3 mm，n1是中间介质折射率，这两个参数通常由用户根据系统要求给定。除这两个参数外，理论上在设计OMCA面板时可以通过减少n2和d来获得更好的准直性能，通过减少通道间的节距D来提升透过率和分辨率。

3.2  材料因素

材料对OMCA面板关键性能的影响主要体现在以下方面：

（1）透明玻璃的折射率n2难以做到低于1.50。因为透明玻璃要求与黑色玻璃性能匹配，需要同时兼顾多项物理性能及熔制的难易。

（2）黑玻璃的不透明度制约了开口比K的增大。黑玻璃是通过往玻璃中添加多种金属着色离子，利用混合着色原理制作而成的。其不透明度由金属离子的组成及其在玻璃中的掺杂浓度等因素决定，当金属离子在玻璃中达到饱和浓度后就无法继续添加，玻璃的不透明度也难以进一步提升。因此，高分辨率的OMCA面板需要黑玻璃层具有一定的厚度才能确保对光线的吸收隔离效果，从而实现准直功能。基于本文黑玻璃材料的不透明度，D-d的设计值宜大于3 μm。这是高分辨率OMCA面板透过率难以提升的主要影响因素。

（3）黑玻璃与透明玻璃间的材料扩散制约了d的减少。OMCA面板的制造工艺需要经历多次高温，在这些高温过程中两种玻璃由于成分的差异，在界面间会发生相互扩散，尤其是黑玻璃中的金属着色离子会扩散到透明玻璃中一定的深度。为减少材料间的扩散，可以适当增加黑玻璃与透明玻璃在拉丝和熔压温度下的粘度差异。基于本文的材料，成品实测的通道直径d通常小于设计值约1 μm。

3.3  工艺因素

黑玻璃是一种多离子混合着色的颜色玻璃，其中部分变价着色离子随熔炼的气氛、温度和时间等工艺参数的波动，其价态会发生改变，从而导致黑玻璃颜色和不透明度的变化，影响成品关键性能的一致性。

OMCA面板制造过程的温度和高温时间主要通过影响两种材料间的扩散程度，从而对成品的关键性能产生影响。在确保材料间能紧密黏合的前提下，适当降低温度和减少高温时间对稳定和提升OMCA面板的关键性能有利。

4  结  论

光微通道阵列玻璃面板为手机屏下指纹识别技术提供了一种新的解决方案，与微孔阵列准直器相比具有明显优势，有望在不久的将来得到批量应用。在三个关键性能的影响因素中，材料因素最为关键，尤其是黑色玻璃材料，宜对该材料做进一步的深入研究，提升其不透明度及颜色的稳定性为批量生产做好准备。

参考文献：

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作者简介：何相平（1983—），男，汉族，广东从化人，工程师，硕士研究生，研究方向：特种光纤与元器件。