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現對光線的良好準直，是一種新型的纖維光學準直器，有良好的應用前景。文章介紹了光微通道陣列面板的研究背景、光學原理和制造原理，詳細分析了設計、材料和工藝因素對準直、透過率和分辨率性能的影響。結果表明透明光通道材料的折射率和通道直徑越小，準直性能越好;通道間的節距越小，分辨率越高;黑玻璃的不透明度越好越有利于性能的提升;適當降低溫度并減少高溫時間對穩定和提升性能有利。

關鍵詞：光微通道陣列面板;纖維光學準直器;原理;性能影響因素分析

中圖分類號：TN22? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著手機全面屏時代的來臨，屏下指紋識別技術成為行業研究的熱點。這項技術的關鍵難點之一是如何在非常有限的空間內穿透厚度大于0.5 mm的OLED屏幕和蓋板玻璃，獲取其上面的指紋圖像。電容式指紋識別技術穿透厚度小于0.3 mm，只有光學方案穿透厚度能夠大于1 mm。目前行業采用的光學解決方案主要有屏下攝像頭成像方案和準直器成像方案兩種。其中準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直器，如圖1所示，準直器對攜帶指紋信息的散射光線進行準直過濾，限制感光元件中的像元只接收與其位置相對應的指紋信息，通過光電轉換便可得到清晰的指紋圖像。

準直器方案具有厚度小、結構簡單、可實現大面積的多指識別等技術優勢，是行業研究的熱點之一。該方案最初使用的是一片微孔陣列準直器，要求孔徑小于15 μm，孔間距小于30 μm，孔的數量需要達到106/cm2數量級以上，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量差、效率低、成本高、量產難的問題，同時通孔的結構本身也存在強度低、不易清潔、易堵塞等工藝問題，制約了該方案的推廣應用。

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

與微孔陣列準直器相比，在結構方面，OMCA面板的實心結構易清潔、易封裝、易抓取且強度更高;在光學性能方面，準直度與通道的深徑比成正比，傳統的微孔陣列由于制造技術的制約，深徑比通常小于15，而OMCA面板的深徑比通常大于25，光學性能更出色;在量產的難易程度方面，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面板的工藝是先進行長微通道的堆疊，然后再分切成片，效率高，成本低，更容易實現量產。可見，OMCA面板能有效解決準直器方案中遇到的系列問題，隨著全球屏下指紋智能手機出貨量的逐年增長，市場前景十分可觀。

筆者基于廣州宏晟光電科技股份有限公司的研究項目，長期致力于研發、推廣特種光纖與元器件相關的新技術和新產品，在本文的基礎上已成功研制出性能滿足要求的OMCA面板并實現量產。然而，目前相關應用領域的技術人員對OMCA面板的原理還知之甚少，不利于該器件的推廣應用，對其原理進行介紹是有必要的。本文分析了設計、材料和工藝參數對性能的影響規律，為進一步提升光微通道陣列面板性能的研究提供了理論指導。

1? 光學原理

其中，n1是介質的折射率，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是光線在光通道內的折射角，d是通道的直徑，D是通道節距，H是通道的深度。當光線從一端輸入時，超出孔徑角的光線會被黑色玻璃阻擋吸收，從而對光線起到約束準直的作用。

由數值孔徑的概念可得：N.A.=n1sinθ1

由光的折射定理可得：n1sinθ1=n2sinθ2

由三角函數定理可得：

由于θ2較小，所以tanθ2≈sinθ2，通過公式運算可得OMCA面板的數值孔徑：

OMCA面板對光線的準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，FWHM）來衡量，即通過峰高的中點作平行于峰底的直線，此直線與峰兩側相交兩點之間的距離。

2? 制造原理

2.1? 對材料的性能要求

OMCA面板是由黑色玻璃和透明玻璃兩種材料經過多次高溫拉絲、按一定規則排列、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、熔合對材料的抗析晶性能要求，膨脹系數、高溫粘度要互相匹配。透明玻璃的膨脹系數應較黑玻璃大5～15個單位，以確保兩種材料復合拉絲后在通道的柱面上形成指向軸心的壓應力，以提升通道纖維絲的強度，提升拉絲和排列過程的工藝性能。同時，為了提升通道的形貌和位置精度，透明玻璃的軟化溫度應較黑色基體玻璃高8 ℃左右，以實現兩種材料復合后在同一溫度下加工時，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，為實現較理想的可見光吸收和隔離效果，黑色基體玻璃需對可見光有強烈的吸收能力，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入射光的反射，同時讓進入黑色玻璃的光線能在黑色玻璃與透明玻璃的界面上發生全反射，有利于黑色玻璃對其進行充分吸收，防止其進入透明通道中影響圖像的對比度。

為確保產品有良好的可見光透過性能，透明玻璃對可見光的內透射比應大于99%。同時透明玻璃的折射率應盡量低，以減少端面反射的損失。由于產品加工過程需要經過多次高溫熔合，透明玻璃與黑色玻璃要求具有良好的化學相容性，即兩組玻璃的熔合界面不會出現分相、失透等現象。

2.2? 制造工藝

OMCA面板是在光纖面板的技術基礎上發展而來的一種新型纖維光學器件，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，但也有所創新。在通道節距較小時，如D≤12 μm，為保障黑色玻璃層對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中，開口比的調節方法是通過采用不同厚度的玻璃管來實現的。然而，該方法受玻璃管制造技術制約，通常只能實現開口比K=0.60～0.90范圍內的調節。針對該問題，本文開發出了可實現開口比大范圍調節的“棒外排絲”工藝，如圖5所示。

該工藝在應用時需要考慮排列的間隙率對收縮的影響，通常假設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%。實驗表明，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，排列的操作難度增加、效率降低，綜合考慮操作的難易程度、生產效率和間隙率的穩定性，本文選定的黑色玻璃絲直徑是0.45 mm。采用該工藝可以實現開口比的靈活調節，成品的精度能滿足通道的尺寸公差在±1 μm內的要求。

3? 關鍵性能的影響因素

準直度、透過率和分辨率是OMCA面板的關鍵性能。良好的準直度是OMCA面板實現成像功能的前提條件，是獲得清晰圖像的關鍵，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間，從而提升系統的反應速度，提升用戶使用體驗。分辨率越高，獲取圖像的細節信息越豐富，有利于提升系統對女性和兒童指紋的辨識度。OMCA面板關鍵性能的影響因素主要有設計因素、材料因素和工藝因素三個方面。

3.1? 設計因素

由式（2）可知，孔徑角的大小與通道的深度H和介質的折射率n1呈負相關，與透明玻璃的折射率n2和通道的直徑d呈正相關。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。

孔徑角對準直度有直接影響，孔徑角越小，則產品的準直性能越好。開口比K是透過率的主要影響因素，K越大，透過率越高。而通道節距D是分辨率的關鍵影響因素，D越小，分辨率越高。通道深度H等于產品的厚度，通常要求≤0.3 mm，n1是中間介質折射率，這兩個參數通常由用戶根據系統要求給定。除這兩個參數外，理論上在設計OMCA面板時可以通過減少n2和d來獲得更好的準直性能，通過減少通道間的節距D來提升透過率和分辨率。

3.2? 材料因素

材料對OMCA面板關鍵性能的影響主要體現在以下方面：

（1）透明玻璃的折射率n2難以做到低于1.50。因為透明玻璃要求與黑色玻璃性能匹配，需要同時兼顧多項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，當金屬離子在玻璃中達到飽和濃度后就無法繼續添加，玻璃的不透明度也難以進一步提升。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光線的吸收隔離效果，從而實現準直功能。基于本文黑玻璃材料的不透明度，D-d的設計值宜大于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散制約了d的減少。OMCA面板的制造工藝需要經歷多次高溫，在這些高溫過程中兩種玻璃由于成分的差異，在界面間會發生相互擴散，尤其是黑玻璃中的金屬著色離子會擴散到透明玻璃中一定的深度。為減少材料間的擴散，可以適當增加黑玻璃與透明玻璃在拉絲和熔壓溫度下的粘度差異。基于本文的材料，成品實測的通道直徑d通常小于設計值約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，其中部分變價著色離子隨熔煉的氣氛、溫度和時間等工藝參數的波動，其價態會發生改變，從而導致黑玻璃顏色和不透明度的變化，影響成品關鍵性能的一致性。

OMCA面板制造過程的溫度和高溫時間主要通過影響兩種材料間的擴散程度，從而對成品的關鍵性能產生影響。在確保材料間能緊密黏合的前提下，適當降低溫度和減少高溫時間對穩定和提升OMCA面板的關鍵性能有利。

4? 結? 論

光微通道陣列玻璃面板為手機屏下指紋識別技術提供了一種新的解決方案，與微孔陣列準直器相比具有明顯優勢，有望在不久的將來得到批量應用。在三個關鍵性能的影響因素中，材料因素最為關鍵，尤其是黑色玻璃材料，宜對該材料做進一步的深入研究，提升其不透明度及顏色的穩定性為批量生產做好準備。

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作者簡介：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。