CN110099201B - 一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置及其集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置及其集成方法。本发明包括超表面透镜和显示单元，超表面透镜划分成离散的两个区域，分别加载成像单元和显示单元；所述成像单元由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位和幅度调制，由若干纳米介质柱构成；所述显示单元包括发光元件和高反射单元。本发明通过超表面透镜与显示单元结合，在离散的区域中同时可以实现成像和显示的功能，充分发挥了超表面透镜的平面可集成特性和较低像差的性质，为手机全面屏的设计提供新的实现方案，为超表面透镜的多功能集成应用开辟新的思维。

Description

一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置及其集成方法

技术领域

本发明属于微纳光学、光学芯片集成以及手机屏幕设计领域，尤其涉及一种基于超表面透镜的屏下摄像头集成方法。

背景技术

屏下摄像头设计一直是智能手机屏幕同时兼顾成像和显示的难题，也是解决刘海屏前置摄像头区域不能显示的关键。传统的透镜组很难结合显示模块实现两个功能的集成，只能通过机械臂控制摄像头的伸缩实现。本设计方案通过平面超表面透镜与显示模块的结合，可以实现显示和成像两个功能的集成，为手机全面屏的设计提供新的解决思路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置及其集成方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，由一层超表面透镜和显示单元组成。超表面透镜划分成离散的两个区域，一部分加载成像单元，一部分加载显示单元。

所述成像单元由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位和幅度调制，由若干纳米介质柱构成；

所述显示单元由发光元件组成，如OLED，液晶单元，或者高反射单元组成，如高反射特性纳米介质柱、微反射镜以及金属组成；

进一步地，所述超表面透镜的成像和显示区域离散分割，最好每个区域小于人眼分辨率(约100um)，且成像区域和显示区域可以进行随机分割，以减小光栅衍射效应。离散的成像区域会导致成像背景噪声的增加，信噪比的降低，但是不影响成像分辨率，信噪比的降低可以通过后期算法处理提高信噪比。

进一步地，显示单元可以布置电极实现动态显示效果。

进一步地，所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。

进一步地，每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。

一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置的集成方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面透镜的工作波长、数值孔径、焦距、离散的成像区域和显示区域。

所述超表面透镜的成像和显示区域离散分割，最好每个区域小于人眼分辨率(约100um)，且成像区域和显示区域可以进行随机分割，以减小光栅衍射效应。

步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的孔径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜成像部分的相位分布：

式中，x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ为超表面透镜的工作波长。

步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。

步骤(4)根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。

步骤(5)设计显示单元及布线并排布于超表面透镜表面的显示区域。

本发明的有益效果是：

通过超表面透镜与显示单元结合，在离散的区域中同时可以实现成像和显示的功能，充分发挥了超表面透镜的平面可集成特性和较低像差的性质，为手机全面屏的设计提供新的实现方案，为超表面透镜的多功能集成应用开辟新的思维。

附图说明

图1为超表面透镜屏下摄像头集成示意图，利用显示单元之间的空隙透光成像。

图2为超表面透镜的反射区域和透射区域的离散分割图。

图3为透镜聚焦的焦斑图。

图4为设计透镜的调至传递函数图。

图5(a)为设计显示的一副图像的原始图；

图5(b)为在超表面透镜上的显示图像。

图6为设计晶胞的结构图，图中h为纳米住的高度，d为纳米介质柱的直径，p为晶格周期。

图7为设计晶胞不同结构尺寸的透射幅度和相位。

图8为设计的超表面透镜显微镜图，白色为反射图像，其余为透射区域具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1-8所示，一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，由一层超表面透镜和显示单元组成。超表面透镜划分成离散的两个区域，一部分加载成像单元，一部分加载显示单元，利用显示单元之间的空隙透光成像于CCD中，如图1所示。成像单元由亚波长微结构组成，显示单元由发光元件或者高反射单元组成；

所述成像单元由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位和幅度调制，由若干纳米介质柱构成；

所述显示单元由发光元件组成，如OLED，液晶单元，或者高反射单元组成，如高反射特性纳米介质柱、微反射镜以及金属组成；

进一步地，所述超表面透镜的成像和显示区域离散分割，最好每个区域小于人眼分辨率(约100um)，且成像区域和显示区域可以进行随机分割，以减小光栅衍射效应。如图2所示，白色离散区域为透射部分，加载纳米介质柱实现成像功能，黑色部分为反射区域，加载显示单元，实现图像的显示，图中反射区域和透射区域的面积比为1：1。离散的成像区域会导致成像背景噪声的增加，信噪比的降低，但是不影响成像分辨率，信噪比的降低可以通过后期算法处理提高信噪比。如图3所示，焦斑大小只和透镜口径有关，接近衍射极限，增加的背景噪声会降低图像对比度，如图4中调制传递函数所示。

进一步地，显示单元可以布置电极实现动态显示效果。如图5所示，图5(a)为所显示的图像，图5(b)为经过透镜离散化后的图像，在每个像素间距小于人眼分辨率时，不影响显示效果。

进一步地，所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，设计纳米介质柱晶胞单元如图6所示，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π，如图7所示。

进一步地，每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。

一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置的集成方法，该方法包括以下步骤：

步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面透镜的工作波长、数值孔径、离散的成像区域和显示区域。

步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的口径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜成像部分的相位分布：

式中x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距。

步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。

步骤(4)根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式。

步骤(5)设计显示模块及布线并排布于超表面透镜表面的显示区域。如图8为制作的具有显示功能的超表面透镜，显示部分为白色，该透镜未进行离散分割和动态显示，黑色部分为聚焦成像区域。

Claims (6)

1.一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于包括一层超表面透镜和显示单元，超表面透镜划分成离散的两个区域，一部分加载成像单元，一部分加载显示单元；

所述成像单元由透明衬底和透明衬底一侧的亚波长微结构组成，所述透明衬底用于透射入射光，以及支撑亚波长微结构，所述亚波长微结构用于对透明衬底透射的光束实现相位和幅度调制，由若干纳米介质柱构成；

所述显示单元由发光元件或高反射单元组成，其中发光元件采用OLED或液晶单元；高反射单元由高反射特性纳米介质柱、微反射镜以及金属组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于所述超表面透镜的成像和显示区域离散分割，且每个区域小于人眼分辨率，所述人眼分辨率为100um，且成像区域和显示区域进行随机分割。

3.根据权利要求2所述的一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于显示单元布置电极实现动态显示效果。

4.根据权利要求3所述的一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于所述纳米介质柱的晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π。

5.根据权利要求4所述的一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于每一层亚波长微结构的纳米介质柱排布满足：在整个面每个晶格位置补偿不同的相位，以实现每个面设计的相位分布要求。

6.根据权利要求5所述的一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置，其特征在于一种基于超表面透镜的屏下摄像头装置由以下方法集成，该方法包括以下步骤：

步骤(1)根据设计指标要求以及工艺限制，确定超表面透镜的工作波长、数值孔径、焦距、离散的成像区域和显示区域；

所述超表面透镜的成像和显示区域离散分割，每个区域小于人眼分辨率，且成像区域和显示区域进行随机分割，以减小光栅衍射效应；

步骤(2)根据步骤(1)得到的每个超表面微透镜的孔径和焦距，利用公式(1)得到每个超表面微透镜成像部分的相位分布：

式中，x,y为超表面透镜上的空间坐标，f为透镜焦距，λ为超表面透镜的工作波长；

步骤(3)使用电磁仿真软件计算不同尺寸纳米介质柱的透射幅度和相位，选择纳米介质柱尺寸时，需满足其晶格常数小于工作波长，在工作波长的透射幅度接近1，不同尺寸纳米介质柱的透射相位覆盖0～2π；

步骤(4)根据超表面透镜成像部分每个晶格位置的相位要求，设计纳米介质柱的排布方式；

步骤(5)设计显示单元及布线并排布于超表面透镜表面的显示区域。

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