两片式光学镜头及包含其的指纹识别装置和电子设备的制作方法

1.本技术涉及光学镜头的技术领域，具体是一种两片式光学镜头及包含其的指纹识别装置和电子设备。


背景技术：

2.随着智慧城市的推广，根据人脸、指纹等个人特征解锁的方式逐渐取代了传统的金属钥匙、磁卡等无特异性的解锁方式，被广泛应用在手机、门锁等领域。指纹识别的系统中，需要一个光学系统对指纹纹理进行采集，该光学系统需要尽可能满足大视场角、小ttl(total track length，光学系统总长)的要求。现有的光学系统中通常采用多片非球面透镜来满足大视场角的要求，但多片非球面透镜会导致ttl相对较大。由此，存在无法兼顾大视场角和小ttl的问题。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，即现有指纹光学系统无法兼顾大视场角和小系统总长的问题，本技术提出了一种两片式光学镜头，其包括：
4.沿物侧至像侧依次包括第一超透镜和第二超透镜；
5.其中，所述两片式光学镜头满足：
6.28
°
≤hfov≤61.9
°
；
7.f/d≤1.7；
8.ttl≤3.7mm；
9.1.1≤ttl/imgh≤2.5；
10.其中，f为所述两片式光学镜头的有效焦距，d为所述两片式光学镜头的入瞳直径，所述两片式光学镜头的hfov为最大半视场角，ttl为所述两片式光学镜头的系统总长，imgh为最大成像半高宽。
11.可选地，所述第一超透镜和所述第二超透镜中的任一满足下式：
12.0.05mm≤dm≤2mm；
13.1.4≤nm≤1.6；
14.其中，dm为所述第一超透镜和所述第二超透镜中的任一超透镜的厚度，nm为所述第一超透镜和所述第二超透镜中的任一超透镜的有效折射率。
15.可选地，所述第一超透镜和所述第二超透镜中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：
[0016][0017][0018]
[0019][0020][0021][0022][0023][0024]
其中，r为所述第一超透镜或所述第二超透镜中心至纳米结构的距离，λ为工作波长，为与波长相关的任一相位，x和y为超透镜镜面坐标，fm为所述第一超透镜或所述第二超透镜中任一超透镜的焦距，ai和bi为实数系数。
[0025]
可选地，第一超透镜和所述第二超透镜的工作波段为近红外波段或可见光波段。
[0026]
可选地，所述第一超透镜的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于12mm。
[0027]
可选地，所述第一超透镜的焦距等于11.14mm。
[0028]
可选地，所述第二超透镜的焦距大于或等于1.4mm，并且小于或等于2.8mm。
[0029]
可选地，所述第二超透镜的焦距等于1.4mm。
[0030]
第二方面，本技术还提供了一种指纹识别装置，包括：
[0031]
如上述任一实施例所提供的两片式光学镜头和光电传感器；所述光电传感器设置于所述两片式光学镜头的像面。
[0032]
可选地，所述指纹识别装置还包括滤光片；
[0033]
所述滤光片在光路上设置于所述两片式光学镜头与所述光电传感器之间。
[0034]
可选地，所述指纹识别装置还包括光阑；
[0035]
所述光阑设置于所述两片式光学镜头的物侧。
[0036]
第三方面，本技术实施例又提供了一种电子设备，包括：
[0037]
根据上述任一实施例提供的指纹识别模块。
[0038]
本技术的有益效果为：
[0039]
1、本技术通过依次设置的两片超透镜，起到既满足提供大视场角又能够有效地减小光学系统总长的作用，从而有效减少光学系统整体的空间占用率；
[0040]
2、通过采用两片超透镜省略了多个非球面透镜，使得光学系统的ttl有效减小，且超透镜相比多个非球面透镜量产成本更低；
[0041]
3、通过采用超透镜或超透镜的组合，使得系统的整体结构更加简单、重量更轻、体积更小巧且成像速度更快。
附图说明
[0042]
所包括的附图用于提供本技术的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本技术的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本技术的原理。
[0043]
图1示出了本技术的两片式光学镜头的结构示意图。
[0044]
图2示出了本技术的电子设备的其中一种结构示意图。
[0045]
图3示出了本技术的其中一个实施例的效果图一。
[0046]
图4示出了本技术的其中一个实施例的效果图二。
[0047]
图5示出了本技术的另一实施例的效果图一。
[0048]
图6示出了本技术的另一实施例的效果图二。
[0049]
图7示出了本技术的纳米结构的排布示意图。
[0050]
图8示出了本技术的纳米结构的结构示意图。
[0051]
图中附图标记分别表示：
[0052]
1、第一超透镜；2、第二超透镜；3、纳米结构；4、滤光片；5、像面；6、指纹识别光学系统。
具体实施方式
[0053]
现将在下文中参照附图更全面地描述本技术，在附图中示出了各实施方式。然而，本技术可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本技术将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本技术的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。
[0054]
本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。
[0055]
除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。
[0056]“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。
[0057]
本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。
[0058]
现有技术中的光学镜头通常需要至少四片非球面透镜的组合，才能实现最大视场角达到151
°
，系统总长5.05mm，光圈相对孔径(fno)为1.66。但是，至少四片非球面透镜组装时的对准精度要求高，现有组装工艺良品率难以提高。并且，5mm及以上的系统总长越来越难以满足电子设备小型化的需求。尤其是，将光学镜头用于指纹识别时，现有技术中的光学
镜头的镜片多、系统总长大，不利于指纹识别装置的集成，例如用于屏下指纹识别装置。
[0059]
基于上述原因，发明人发现超透镜能够解决现有存在的弊端，因此，发明人提出一种两片式光学镜头。
[0060]
在下文中，将参照附图描述根据本技术的示例性实施方式。
[0061]
参见图1，本技术提出了一种两片式光学镜头，其包括：
[0062]
沿物侧至像侧依次设置的第一超透镜1和第二超透镜2。该两片式光学镜头满足：
[0063]
28
°
≤hfov≤61.9
°
；
[0064]
f/d≤1.7；
[0065]
ttl≤3.7mm；
[0066]
1.1≤ttl/imgh≤2.5；
[0067]
其中，f为两片式光学镜头的有效焦距，d为两片式光学镜头的入瞳直径，hfov为两片式光学镜头的最大半视场角，ttl为两片式光学镜头的系统总长，imgh为最大成像半高宽。
[0068]
可选地，为了进一步地压缩该两片式光学镜头的ttl的同时确保成像效果，第一超透镜1和第二超透镜2中的任一满足下式：
[0069]
0.05mm≤dm≤2mm；
[0070]
1.4≤nm≤1.6；
[0071]
其中，dm为第一超透镜1和第二超透镜2中的任一超透镜的厚度，nm为第一超透镜1和第二超透镜2中的任一超透镜的有效折射率。
[0072]
根据本技术的实施方式，可选地，第一超透镜1的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于12mm。示例性地，第一超透镜1的焦距等于11.14mm。在又一些可选的实施方式中，第二超透镜2的焦距大于或等于1.4mm，并且小于或等于2.8mm。示例性地，第二超透镜2的焦距等于1.4mm。
[0073]
超透镜是一种超表面，超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过其上设置的纳米结构单元来对入射光的振幅、相位和偏振进行调制，其中需要说明的是，纳米结构3可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超透镜进行划分而得到以每个纳米结构3为中心的结构单元。在超透镜中纳米结构3周期性排布在基底上，其中每个周期中的纳米结构3组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形、正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构3，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构3。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构3。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构3。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构3，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构3，应当理解，实际产品可能因超透镜形状的限制，在超透镜边缘有纳米结构3的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图7所示，超结构单元由纳米结构3按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。
[0074]
如图7左部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构3和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构3，各周边纳米结构3沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构3组成的正三角形互相组合。
[0075]
如图7中间部分示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构3和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构3，组成正方形。
[0076]
超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图7右部分示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图7右部分中的左下角区域，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构3。
[0077]
另外，为简洁和清楚起见，实施例附图中只绘制了超结构单元中心设置的纳米结构3，应理解，在图中六边形、正方形、扇形的轮廓顶点/轮廓交点和/或中心位置处都可设置纳米结构3。
[0078]
需要补充的是，纳米结构3还可以采用偏振相关结构或者偏振无关结构，例如，在其中一个实施例中，纳米结构3为偏振相关结构，其包括纳米椭圆柱和/或纳米鳍，超结构单元的顶点和/或中心位置设置该偏振无关结构。或者纳米结构3为偏振无关结构，其包括纳米圆柱或纳米方柱，超结构单元的顶点和/或中心位置设置该偏振无关结构。
[0079]
在其中一个实施例中，纳米结构3为纳米柱结构；可选的，柱状结构包括正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构、负中空纳米柱结构或拓扑纳米柱结构中的一种或几种。示例的，以正纳米柱为例进行描述，纳米结构3材质例如在400-700nm波段透明；可选的，纳米结构3的材料包括：氧化硅、氧化铝、氮化硅、氧化钛、氮化镓。示例的，本实施例以氧化铝制纳米结构3为例进行描述。可以理解的，纳米结构3的材质可以为其它满足在超透镜的工作波段透明的选择。纳米柱结构的横截面形状可为圆形、椭圆形、四边形、五边形、六边形等多边形或拓扑形状中的一种或多种的组合。示例的，本实施例以横截面为圆形的正纳米柱为例进行说明，参见图8。
[0080]
纳米柱阵列结构的几何尺寸，包括纳米柱高度h、横截面直径d
′
、纳米柱之间间距，上述各参数根据指纹探测的需求选择。在其中一个实施例中，例如处于可见光波段，超透镜的纳米柱结构的高度h大于或等于300nm，并且小于或等于2000nm；纳米柱结构的最小尺寸(直径、边长和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等)大于或等于80nm；纳米柱结构的最大深宽比，即纳米柱结构的高度与超透镜中纳米柱结构最小直径的比值，小于或等于20。纳米柱结构在不同位置处的横截面直径d
′
部分相同或互不相同；纳米柱结构在不同位置处的结构周期相同；纳米结构3的光相位与纳米柱横截面直径d
′
相关；示例地，不同位置处纳米柱结构的高度均为900nm，相邻纳米柱结构中心之间的间距为550nm，纳米柱横截面直径d
′
大于或等于80nm，并小于或等于470nm。可以理解的，纳米柱结构的几何形状和尺寸可以为其它满足探测需求和加工条件的选择。
[0081]
超透镜的形状为圆形或方形；可选的，圆形超透镜直径尺寸大于或等于0.5mm，并小于或等于3mm；方形超透镜的边长大于或等于0.5mm，并小于或等于3mm。在目标波段范围内，超透镜的镜面光相位满足无色差的正透镜分布：
[0082][0083]
其中，λ为光波波长,r为各纳米柱结构至基底中心的距离，fm为第一超透镜1和第二超透镜2中任意一个的焦距。波长λ为超透镜的目标波段内的任意波长；示例的，在其中一个实施例中，以目标波段为400-700nm的超透镜为例进行描述，波长λ为大于等于400nm，并小于等于700nm内的任意波长。
[0084]
在其中一个实施例中，任一用于提高视场角的超透镜的相位分布满足下式的至少其中之一：
[0085][0086][0087][0088][0089][0090][0091][0092][0093]
其中，r为超透镜中心至纳米结构的距离，λ为工作波长，为与波长相关的任一相位，x和y为超透镜镜面坐标，fm为第一超透镜1和第二超透镜2中任意一个的焦距，ai和bi为实数系数。
[0094]
在本技术中，第一超透镜1和第二超透镜2被配置为，通过设置其上的纳米结构3的相位分布，对像差进行矫正，像差例如球差、色差以及畸变等。根据本技术的实施方式，在可选的实施例中，第一超透镜1和第二超透镜2能够进行像差矫正，并且上述两个超透镜能够进行晶圆级封装。
[0095]
本技术还提出了一种指纹识别装置，包括上述实施例提供的两片式光学镜头和光电传感器，光电传感器设置于两片式光学镜头的像面5。光电传感器可以是互补金属氧化物半导体(cmos，complementary metal oxide semconductor)，也可以是电荷耦合元件(ccd，charge coupled device)。光学式指纹识别的原理是利用光源向指纹发出光线，而指纹包括脊和谷，当光经玻璃照射至谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，从而能够经光学指纹识别镜头采集到cmos传感器，而射向脊的光线不发生全反射，其光经由脊与玻璃的接触面吸收或经漫反射而出射至其他位置，由此，cmos传感器上呈现指纹图案。
[0096]
根据本技术的实施方式，该指纹识别装置还包括滤光片4。滤光片4在光路上设置于两片式光学镜头与光电传感器之间，用于过滤杂光以提高指纹识别装置的信噪比。根据本技术的实施方式，该指纹识别装置还包括光阑，光阑设置于两片式光学镜头的物侧，用于防止杂光干扰。优选地，光阑可以是网格状光阑，用于防止不同位置的指纹反射的光线发生串扰。
[0097]
在光路上，两片式光学镜头中的第一超透镜1用于接收并调制经手指反射并通过光阑的光，其中光阑能够有效地防止光的串扰。第二超透镜2和第一超透镜1共同调制或其
中之一用于矫正光的像差，并通过第二超透镜2将该光投射至滤光片4后，会聚在滤光片4背离第一超透镜1的一侧的单一像面5上，像面5上可设置多个传感器或者设置传感器阵列以接收像面5上的光。
[0098]
根据本技术的实施方式，在一个可选的实施例中，提供如下形式的光学系统，其包括一个工作波段为近红外的基底，该基底的两个相对的表面分别设置有两种不同构成的纳米结构3，及其所组成的超结构单元，具体地，两种不同构成的纳米结构3分别设置于上述基底的入射光表面和出射光表面。
[0099]
如图2所示，本技术还提出了一种电子设备，包括上述实施例提供的指纹识别装置。经指纹反射的检测光通过上述实施例提供的两片式光学镜头调制后，成像于光电传感器的感光面上，感光面能够感知目标波段光信号，并将其转化为电信号以输出指纹图像，用于后期处理，该后期处理主要是将该指纹图像通过现有的图像对比技术与系统数据库中存储的指纹图像进行匹配，以判断是否进行指纹解锁。图2中，本技术实施例提供的指纹识别装置可以设置于显示屏的下方。
[0100]
当使用者的指纹或带有指纹信息的其他物体接触保护屏时，电子设备内的检测光源照射保护屏，例如oled(有机发光半导体)像素光源或红外光源，会将带有指纹信息的光沿指纹识别光学系统6，经过两个超透镜，传播至传感器上，通过传感器识别指纹信息，从而实现指纹解锁或其他操作。
[0101]
实施例1
[0102]
在其中一个具体的实施例中，本技术实施例提供的两片式光学镜头的参数如下表1：
[0103]
表1
[0104]
内容参数工作波段(wl)vis(525
±
10nm)等效焦距(efl)1.40mm半视场角(ω)61.9
°
f数1.44后焦距(bfl)0.97mm系统总长(ttl)3.67mm
[0105]
其中，ttl指代由光阑至单一像面的距离。
[0106]
对于指纹识别光学系统中，各表面的参数如下表2：
[0107]
表2
[0108][0109][0110]
上表中的球面实际表征平面，在球面的半径无限大的情况下，球面即为平面。基于上述参数设置的光学系统，例如在其中一个实施例中，其效果如图3和图4所示，图3左侧为指纹识别光学系统6的场曲，图3右侧为指纹识别光学系统6的畸变，图4为指纹识别光学系统6的mtf(调制传递函数)。由此通过图3和图4可得知，本技术中的最大场曲不超过2mm，最大畸变为12％，分辨率在空间频率50lp/mm处超过35％。
[0111]
在另一实施例中，两个超透镜的参数分别设置为：f1＝11.14mm，f2＝1.40mm，其效果图如图5和图6所示，图5左侧为指纹识别光学系统6的场曲，图5右侧为指纹识别光学系统6的畸变，图6为指纹识别光学系统6的mtf。
[0112]
综上所述，本技术实施例提供的两片式光学镜头通过依次设置的两片超透镜，起到既满足提供大视场角又能够有效地减小光学系统总长的作用，从而有效减少光学系统整体的空间占用率；通过超透镜代替传统工艺中的多个非球面透镜，使得光学系统的ttl有效减小，且超透镜相比多个非球面透镜量产成本更低。
[0113]
需要注意的是，本技术实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。
[0114]
以上所述，仅为本技术实施例的具体实施方式，但本技术实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术实施例的保护范围之内。因此，本技术实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种两片式光学镜头，其用于指纹识别，其特征在于，沿物侧至像侧依次包括第一超透镜(1)和第二超透镜(2)；其中，所述两片式光学镜头满足：28
°
≤hfov≤61.9
°
；f/d≤1.7；ttl≤3.7mm；1.1≤ttl/imgh≤2.5；其中，f为所述两片式光学镜头的有效焦距，d为所述两片式光学镜头的入瞳直径，hfov为所述两片式光学镜头的最大半视场角，ttl为所述两片式光学镜头的系统总长，imgh为最大成像半高宽。2.根据权利要求1所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第一超透镜(1)和所述第二超透镜(2)中的任一满足下式：0.05mm≤d
m
≤2mm；1.4≤n
m
≤1.6；其中，d
m
为所述第一超透镜(1)和所述第二超透镜(2)中的任一超透镜的厚度，n
m
为所述第一超透镜(1)和所述第二超透镜(2)中的任一超透镜的有效折射率。3.根据权利要求1所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第一超透镜(1)和所述第二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：二超透镜(2)中的任一超透镜的相位分布满足下式中的至少其中之一：其中，r为所述第一超透镜(1)或所述第二超透镜(2)中心至纳米结构的距离，λ为工作波长，为与波长相关的任一相位，x和y为超透镜镜面坐标，f
m
为所述第一超透镜(1)或所述第二超透镜(2)中任一超透镜的焦距，a
i
和b
i
为实数系数。4.根据权利要求1至3中任一所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第一超透镜(1)和所述第二超透镜(2)的工作波段为近红外波段或可见光波段。
5.根据权利要求1至3中任一所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第一超透镜(1)的焦距大于或等于10mm，并且小于或等于12mm。6.根据权利要求5所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第一超透镜(1)的焦距等于11.14mm。7.根据权利要求1至3中任一所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第二超透镜(2)的焦距大于或等于1.4mm，并且小于或等于2.8mm。8.根据权利要求7所述的两片式光学镜头，其特征在于，所述第二超透镜(2)的焦距等于1.4mm。9.一种指纹识别装置，其特征在于，包括：如权利要求1-8中任一所述的两片式光学镜头；和光电传感器，所述光电传感器设置于所述两片式光学镜头的像面。10.根据权利要求9所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置还包括滤光片(4)；所述滤光片(4)在光路上设置于所述两片式光学镜头与所述光电传感器之间。11.根据权利要求9或10所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置还包括光阑；所述光阑设置于所述两片式光学镜头的物侧。12.一种电子设备，其特征在于，包括：根据权利要求9至11中任一所述的指纹识别装置。

技术总结
本申请公开了一种两片式光学镜头及包含其的指纹识别装置和电子设备，涉及光学透镜的技术领域。一种两片式光学镜头，其用于指纹识别，其特征在于，沿物侧至像侧依次包括第一超透镜和第二超透镜；其中，所述两片式光学镜头满足：28


技术研发人员：赵小波 郝成龙 谭凤泽 朱健
受保护的技术使用者：深圳迈塔兰斯科技有限公司
技术研发日：2022.09.28
技术公布日：2023/1/6