CN111258059A - 柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性手机摄像头光学镜片，包括柔性衬底、设于其表面上的微纳结构超表面和设于其后端的偏振片，微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，不同微纳结构单元具有相同的尺寸和不同的指向角度，指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元后的相位累积以及相位累积与指向角度的对应关系相应确定。本发明还提供该光学镜片的制作方法。本发明的光学镜片通过将微纳结构超表面与柔性衬底结合，不仅能实现光学聚焦功能，还能弯曲折叠，且展开后不影响其光学性能，解决了手机摄像头传统光学镜片依赖于表面形状的问题，为手机摄像头光学镜片不可折叠的问题提供了一种解决方案，以满足柔性屏手机对可弯曲折叠的手机摄像头光学镜片的需求。
Description
技术领域
本发明属于微纳光学及光学成像领域，尤其涉及一种柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法。
背景技术
当前的手机摄像头基于传统的透射式光学镜片，其成像方法建立在几何光学的基础上，光学镜片对光线传播的调制过程可用角度、方向矢量、距离等几何量来表达和计算。在这种严格的几何关系限制下，成像必须依赖光学镜片的表面形状和光学材料，导致当前的手机摄像头的光学镜片采用传统光学镜片，设计自由度低且不可弯曲折叠，无法满足柔性屏手机的发展需求。
微纳结构超表面，指亚波长光学散射结构在界面上构成的二维阵列，具有特殊的电磁特性和优异的界面操控能力。微纳结构超表面是微纳光学领域前沿的研究方向，现有技术没有采用微纳结构超表面作为手机摄像头的透射式光学镜片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种柔性手机摄像头光学镜片及其制作方法，以满足柔性屏手机对可弯曲折叠的手机摄像头的需求，解决当前手机摄像头的光学镜片不可折叠的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种柔性手机摄像头光学镜片，包括柔性衬底、设于所述柔性衬底的至少一个表面上的微纳结构超表面和设于柔性衬底的后端的偏振片，所述偏振片设置为滤去与入射圆偏光同偏振的光，所述微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，不同的微纳结构单元具有完全相同的尺寸和不同的指向角度，各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系相应确定。
所述微纳结构单元仅仅设置于所述柔性衬底的正面或反面，电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距。
所述微纳结构单元设置于所述柔性衬底的第一面和第二面上，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元的空间位置坐标，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，N为校正项数目，an为第一校正系数；
电磁波经过所述柔性遥感卫星光学镜片的第二面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的半径，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元的空间位置坐标，N为校正项数目，bn为第二校正系数。
所述工作波长λ为380nm至760nm，所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面的半径由其镜片口径决定，该镜片口径为100μm至5mm，所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距为10μm至10m。
所述第一校正系数an和第二校正系数bn通过遗传算法来进行优化。
所述电磁波通过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系通过计算电磁波经微纳结构单元后的琼斯矢量来获得。
所述周期性阵列的构型是正方晶格阵列或六角晶格阵列，所述微纳结构单元的构型是矩形柱或椭圆柱。
所述柔性衬底的材料是聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的一种，所述微纳结构超表面的材料为二氧化钛、氮化硅或氮化镓。
另一方面，本发明还提供一种柔性手机摄像头光学镜片的制作方法，包括：
S1：设计所述柔性手机摄像头光学镜片的柔性衬底和微纳结构超表面和偏振片，该微纳结构超表面为微纳结构单元的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积，包括：
S11：确定所述柔性手机摄像头光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距；
S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底和微纳结构单元的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积；
S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元的几何参数，包括：
S21：确定微纳结构超表面的周期性阵列以及微纳结构单元的构型；
S22：通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元的指向角度进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系；
S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系来进行匹配，获得各微纳结构单元的指向角度；
S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元的指向角度，在所述柔性衬底的表面上制作所述微纳结构超表面，并在所述柔性衬底的后端设置偏振片，得到柔性手机摄像头光学镜片。
在所述步骤S12中，若所述微纳结构单元仅仅设置于柔性衬底的正面或反面，则电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，r为微纳结构单元在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距；
若所述微纳结构单元设置于所述柔性衬底的第一面和第二面上，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元的空间位置坐标，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，N为校正项数目，an为第一校正系数；
电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元后的相位累积满足相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的半径，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元的空间位置坐标，N为校正项数目，bn为第二校正系数。
本发明的柔性手机摄像头光学镜片通过将微纳结构超表面与柔性衬底结合，基于微纳结构超表面构造手机摄像头，且微纳结构超表面利用平面内分布的各微纳结构单元的衍射场的干涉来调控光场，不仅能实现光学聚焦功能，还能弯曲折叠，且展开后不影响其光学性能，解决了光学镜片依赖于表面形状的问题，为当前手机摄像头的光学镜片不可折叠的问题提供了一种解决方案。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的柔性手机摄像头光学镜片的结构示意图。
图2是根据本发明的另一个实施例的柔性手机摄像头光学镜片的结构示意图。
图3A-图3C是本发明的柔性手机摄像头光学镜片的折叠方案示意图。
图4是本发明的柔性手机摄像头光学镜片的俯视图，其左半部分为整体结构示意图，右半部分为局部放大图。
图5A-图5B分别是本发明的柔性手机摄像头光学镜片的单个微纳结构单元的指向角度为0°和α时的俯视示意图。
图6是本发明的柔性手机摄像头光学镜片的单个微纳结构单元的侧视示意图。
图7是本发明的柔性手机摄像头光学镜片的微纳结构超表面的一维部分的俯视图。
图8是波长为660nm的正入射光经本发明的柔性手机摄像头光学镜片中一维微纳结构超表面的聚焦仿真结果。
图9是本发明实施例中波长为532nm的正入射光经一维的微纳结构超表面的聚焦仿真结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图1-图2所示为根据本发明的一个实施例的柔性手机摄像头光学镜片，其用于入射圆偏光，其包括柔性衬底1和设于所述柔性衬底1的至少一个表面上的微纳结构超表面2。
其中，所述柔性衬底1的材料是聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种，因此，所制作得到的手机摄像头光学镜片柔性好、可如图3所示地弯曲折叠，在可见光波段吸收小、具有高透明度，且能与微纳加工技术兼容。本发明通过将微纳结构超表面2制备在柔性衬底1上，来构造可折叠的光学镜片，可以用于柔性屏手机的摄像头。
所述微纳结构超表面2的材料包括硅，锗，二氧化钛，氮化硅或氮化镓等材料，在本实施例中，所述微纳结构超表面2的材料为二氧化钛(TiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮化镓(GaN)，以在手机摄像头工作的可见光波段具有高折射率和低吸收系数。柔性衬底的厚度1为0.1mm至2mm，仅为毫米量级，微纳结构单元21的厚度仅为亚波长量级，由此进一步减小了手机摄像头光学镜片的体积。
如图4所示，所述微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列。所述微纳结构超表面2的周期性阵列的构型可以是正方晶格阵列或六角晶格阵列，如图4所示的周期性阵列是正方晶格阵列。周期性阵列的周期U可取0.4λ至λ(λ为工作波长)。
在所述周期性阵列中，所述微纳结构单元可以是椭圆柱或矩形柱。如图5和图6所示，在本实施例中，所述微纳结构单元21的构型为矩形柱。
微纳结构单元21具有多种几何参数，如高度、指向角度、横截面尺寸等等。微纳结构单元21具有一个可变几何参数。不同的微纳结构单元21的可变几何参数不同，而其余几何参数均相同。各微纳结构单元的可变几何参数(即指向角度)根据所需的电磁波通过各微纳结构单元21的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元21的可变几何参数的对应关系相应确定。由此，通过计算电磁波经微纳结构单元21后的琼斯矢量，可以获得电磁波通过不同的微纳结构单元的相位累积，作为设计微纳结构超表面2的参数空间，可以使得电磁波经过各微纳结构单元21后获得不同的相位累积。
再请参见图4，在本实施例中，微纳结构单元21的可变几何参数为指向角度，由此，各微纳结构单元具有完全相同的尺寸(即相同的高度和横截面尺寸)、和不同的指向角度，其中，高度H可取0.5λ至λ，横截面尺寸D可取0.1U至0.9U(U为周期)，指向角度α可取0至π，各微纳结构单元的指向角度α根据所需的电磁波通过各微纳结构单元21后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元21后的相位累积与微纳结构单元21的指向角度的对应关系相应确定。通过计算电磁波经微纳结构单元后的琼斯矢量，可以获得电磁波通过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系。
再请参见图1和图2，当圆偏振光经过微纳结构单元后，其透射光由两部分组成，一部分是与入射圆偏光同偏振的光，其相位未受到微纳结构调制，另一部分是与入射圆偏光相反偏振的光，其相位受到微纳结构单元12调制，其调制程度(即相位改变量)取决于微纳结构单元21的指向角度(即微纳结构单元21为矩形柱时，矩形柱的长轴的指向角度)，因此，所述柔性手机摄像头光学镜片还包括一个设置于所述柔性衬底1的后端的偏振片3，该偏振片3设置为由线偏振片和四分之一波片组成，以滤去与入射圆偏光同偏振的光，使得透过对应的手机摄像头光学镜头的电磁波经偏振片3滤去与入射圆偏光同偏振的电磁波，只有与入射圆偏光相反偏振的电磁波，进而使得电磁波的相位受到微纳结构单元12调制。
由于透过偏振片3的电磁波只有与入射圆偏光相反偏振的电磁波，且微纳结构单元21的尺寸保持不变，电磁波通过各微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系为：
其中，
为电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积，α为微纳结构单元21的指向角度。
再请参见图1，若所述微纳结构单元21仅仅设置于所述柔性衬底1的反面，以校正正入射的平面电磁波，进而适用于小视场的光学镜片，则所述柔性手机摄像头光学镜片的反面起到聚焦功能，则电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，r为微纳结构单元21在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，即光学镜片上某点到光学镜片正中央的距离，取值范围为-50μm至50μm，λ为工作波长，工作波长λ为380nm至760nm，在本实施例中，工作波长λ为660nm，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，焦距为10μm至10m。
由此，在确定工作波长、焦距和光学镜片口径后，对于视场角为0的镜片，根据上述公式得到各微纳结构单元21需对应的相位。球差可自动获得校正，可使正入射平面电磁波发生会聚形成焦斑。
此外，在其他实施例中，微纳结构单元21也可以仅仅设置于所述柔性衬底1的反面，该相位分布公式对应于在在柔性衬底的一侧表面上设置超表面的情况，微纳结构单元21设置在柔性衬底1的正面或反面时该公式均成立。
再请参见图2，对于具备大视场能力的光学镜片，所述微纳结构单元21设置于所述柔性衬底1的第一面和第二面上(即正反两面)，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，其相位分布要在上述球面透镜的相位分布基础之上增加修正项，以校正斜入射平面电磁波的离轴像差，进而适用于具备大视场能力的光学镜片。
所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面起到校正功能，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，r为该柔性衬底1的第一面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，具体地，用于大视场角下的光学镜片的正反面半径不同，要求RA<RF，RF指第二面(反面)的半径，RA指第一面(正面)的半径，RA/RF可取0.1至0.9，根据设计的最大视场角而定，N为校正项数目，an为第一校正系数。
所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面起到聚焦功能，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的半径(由手机摄像头光学镜片在展开后的镜片口径决定，该镜片口径为100μm至5mm)，r为该柔性衬底1的第二面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，N为校正项数目，bn为第二校正系数。
所述第一和第二校正系数an、bn通过遗传算法来进行优化，由此，对于视场角不为0的镜片，得到各微纳结构单元21需对应的相位。
运用遗传算法对第一和第二校正系数an、bn进行优化的具体步骤包括：首先，设定第一和第二校正系数an、bn的初始值作为初代群体，而后对该群体经过选择、交叉、变异运算后得到下一代群体，计算群体中个体的适应度，经过若干代进化后，以进化过程中所得到的具有最大适应度个体作为最优解输出，即得到第一和第二校正系数an、bn。
另一方面，本发明提供了一种柔性手机摄像头光学镜片的制作方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：设计所述柔性手机摄像头光学镜片的柔性衬底1、微纳结构超表面2和偏振片3，该微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积；
其中，柔性衬底1的材料可以是聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯(PEN)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种，这些材料柔性好、可弯曲折叠，在可见光波段吸收小、具有高透明度。本实施例中，柔性衬底1的材料为聚乙烯醇(PVA)。本实施例中，微纳结构单元21的材料为二氧化钛(TiO2)、氮化硅(Si3N4)或氮化镓(GaN)，以在可见光波具有高折射率和低吸收系数。柔性衬底1的厚度仅毫米量级，微纳结构单元21的厚度仅为亚波长量级，由此进一步减小了手机摄像头光学镜片的体积。
微纳结构超表面2为微纳结构单元21的周期性阵列，所述微纳结构超表面2的周期性阵列的构型可以是正方晶格阵列或六角晶格阵列。在本实施例中，周期性阵列的构型为正方晶格。
具体地，当圆偏振光经过微纳结构单元后，其透射光由两部分组成，一部分是与入射圆偏光同偏振的光，其相位未受到微纳结构调制，另一部分是与入射圆偏光相反偏振的光，其相位受到微纳结构单元12调制，其调制程度(即相位改变量)取决于微纳结构单元21的指向角度(即微纳结构单元21为矩形柱时，矩形柱的长轴的指向角度)。在本实施例中，所述柔性手机摄像头光学镜片还包括一个设置于所述柔性衬底1的后端的偏振片3，该偏振片3设置为滤去与入射圆偏光同偏振的光，使得透过对应的手机摄像头光学镜头的电磁波经偏振片3滤去与入射圆偏光同偏振的电磁波，只有与入射圆偏光相反偏振的电磁波，进而使得电磁波的相位受到微纳结构单元12调制。
所述步骤S1具体包括：
步骤S11：确定所述柔性手机摄像头光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距。
手机摄像头光学镜片的工作波长为380nm至760nm，即位于可见光波段，本实施例以660nm为例作为光学镜片的工作波长。
其次，确定光学镜片的口径和焦距，本实施例以镜片口径和焦距分别为100μm和10μm作为例子，事实上，镜片口径可以设置为100μm至5mm范围，焦距可以设置为10μm至10m范围。
步骤S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底1和微纳结构单元21的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积。
其中，如图1所示，若所述微纳结构单元21仅仅设置于柔性衬底1的反面，则根据相位分布公式，电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，r为微纳结构单元21在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，取值范围为-50μm至50μm，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，焦距为10μm至10m。
由此，根据所设计的柔性衬底1和微纳结构超表面2，所得到的手机摄像头光学镜片在聚焦正入射平面电磁波时的示意图如图1所示。
此外，在其他实施例中，微纳结构单元21也可以仅仅设置于所述柔性衬底1的反面，该相位分布公式对应于在在柔性衬底的一侧表面上设置超表面的情况，微纳结构单元21设置在柔性衬底1的正面或反面时该公式均成立。
如图2所示，若所述微纳结构单元21设置于柔性衬底1的第一面和第二面上(即正反两面，在本实施例中，第一面为正面，第二面为反面)，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，进而校正离轴像差，则所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面起到校正功能，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，取值范围-25μm至25μm，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，(所述遥感卫星光学镜片的正面和反面的半径由手机摄像头光学镜片在展开后的镜片口径决定，在本实施例中，第一面的半径为镜片口径的一半，镜片口径为100μm至5mm)，N为校正项数目，设定为5，an为第一校正系数。
所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面起到聚焦功能，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元21后的相位累积满足如下相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的半径，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元21的空间位置坐标，在本实施例中，取值范围为-50μm至50μm，其中，在正反面的微纳结构单元21的空间位置坐标的含义相同，只是位于不同的面上。但由于光学镜片的正反面半径不同，因此在相位分布公式中的空间位置坐标r的取值范围不同，所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面(正面)的空间位置坐标r取值范围为-RA至RA，所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面(反面)的空间位置坐标r取值范围为-RF至RF；N为校正项数目，校正项数目N设定为5，此外，校正项数目也可设置为2至8，视校正精度需求而定，bn为第二校正系数。
所述校正系数an和bn通过遗传算法来进行优化，进而计算得到对于视场角不为0的镜片，各微纳结构单元21需对应的相位。
由此，根据所设计的柔性衬底1和微纳结构超表面2，所得到的手机摄像头光学镜片在聚焦斜入射平面电磁波时的示意图如图2所示。
步骤S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元21的几何参数，具体包括：
步骤S21：确定微纳结构超表面2的周期性阵列以及微纳结构单元21的构型。
微纳结构单元21的构型可以是矩形柱或椭圆柱，如图5和图6所示，在本实施例中，微纳结构单元21的构型为矩形柱。
步骤S22：选取所述微纳结构单元的指向角度作为可变几何参数，通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元的指向角度进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元21后的相位累积与微纳结构单元21的指向角度的对应关系。
其中，在进行参数扫描时，选取单元周期为U＝0.5μm，硅柱高度为H＝0.6μm，矩形柱的长为L＝0.45μm，矩形柱的宽为W＝0.1μm，使得可见光经微纳结构单元后可获得足够覆盖0至2π的相位改变量，且微纳结构单元具有较高的透过率。
由于透过偏振片3的电磁波只有与入射圆偏光相反偏振的电磁波，且微纳结构单元21的尺寸保持不变，电磁波通过各微纳结构单元21的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系为：
其中，
为电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积，α为微纳结构单元21的指向角度。
步骤S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元21后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元21后的相位累积与微纳结构单元21的指向角度的对应关系来进行匹配，获得手机摄像头光学镜片中各微纳结构单元21的指向角度。
步骤S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元21的指向角度，在所述柔性衬底1的表面上制作所述微纳结构超表面2，并在所述柔性衬底1的后端设置偏振片3，得到柔性手机摄像头光学镜片。
在本实施例中，光学镜片的折叠方案示意图如图3A所示，由于采用柔性衬底1，因此沿光学镜片的中轴可对折。也可采用其它折叠方案，比如沿光学镜片的任意直径上的1/4处和3/4处对折后再沿中轴对折，或沿任意直径上的1/3处和2/3处对折，见图3B-图3C。在各折叠方案中，折线处均需留白(即不在折线处分布微纳结构单元12)。所得到的柔性手机摄像头光学镜片如图3所示。
仿真验证
对于本发明的柔性手机摄像头光学镜片，截取出其中一部分进行仿真验证。选取部分如图7所示，是微纳结构超表面2的一个一维部分，基于时域有限差分算法的电磁仿真手段进行模拟仿真。本实施例中，采用偏振片使得入射光为左旋圆偏光，并在透射所述柔性手机摄像头光学镜片的光中提取右旋圆偏光分量。本实施例中，波长660nm的正入射平面波经微纳结构超表面2的一维部分后的聚焦情况如图8所示。本实施例中，波长532nm的正入射平面波经微纳结构超表面2的一维部分后的聚焦情况如图9所示，图8、图9中横纵坐标为x和z方向坐标，z方向是电磁波的传播方向，zox面是包含光轴的平面，横纵坐标单位均为nm。如图8和图9所示，该光学镜片具有很好的聚焦效果，焦斑半高宽仅为一倍波长。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
Claims (10)
1.一种柔性手机摄像头光学镜片，其用于入射圆偏光，其特征在于，包括柔性衬底(1)、设于所述柔性衬底(1)的至少一个表面上的微纳结构超表面(2)和设于所述柔性衬底(1)的后端的偏振片(3)，所述偏振片(3)设置为滤去与入射圆偏光同偏振的光，所述微纳结构超表面(2)为微纳结构单元(21)的周期性阵列，不同的微纳结构单元(21)具有完全相同的尺寸和不同的指向角度，各微纳结构单元的指向角度根据所需的电磁波通过各微纳结构单元(21)后的相位累积以及电磁波通过微纳结构单元(21)后的相位累积与微纳结构单元(21)的指向角度的对应关系相应确定。
2.根据权利要求1所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述微纳结构单元(21)仅仅设置于所述柔性衬底(1)的正面或反面，电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，r为微纳结构单元(21)在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距。
3.根据权利要求1所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述微纳结构单元(21)设置于所述柔性衬底(1)的第一面和第二面上，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，N为校正项数目，an为第一校正系数；
电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的半径，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，N为校正项数目，bn为第二校正系数。
4.根据权利要求2或3所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述工作波长λ为380nm至760nm，所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面的半径由其镜片口径决定，该镜片口径为100μm至5mm，所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距为10μm至10m。
5.根据权利要求3所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述第一校正系数an和第二校正系数bn通过遗传算法来进行优化。
6.根据权利要求1所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述电磁波通过微纳结构单元后的相位累积与微纳结构单元的指向角度的对应关系通过计算电磁波经微纳结构单元后的琼斯矢量来获得。
7.根据权利要求1所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述周期性阵列的构型是正方晶格阵列或六角晶格阵列，所述微纳结构单元(21)的构型是矩形柱或椭圆柱。
8.根据权利要求1所述的柔性手机摄像头光学镜片，其特征在于，所述柔性衬底(1)的材料是聚乙烯醇、聚酯、聚酰亚胺、聚萘二甲酯乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷中的一种，所述微纳结构超表面(2)的材料为二氧化钛、氮化硅或氮化镓。
9.一种柔性手机摄像头光学镜片的制作方法，其特征在于，包括：
步骤S1：设计所述柔性手机摄像头光学镜片的柔性衬底(1)和微纳结构超表面(2)和偏振片(3)，该微纳结构超表面(2)为微纳结构单元(21)的周期性阵列，计算所需的电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积，包括：
步骤S11：确定所述柔性手机摄像头光学镜片的工作波长、镜片口径和焦距；
步骤S12：根据所述工作波长、镜片口径和焦距，以及柔性衬底(1)和微纳结构单元(21)的相对位置，得到电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积；
步骤S2：根据电磁波经过各微纳结构单元后的相位累积确定各微纳结构单元(21)的几何参数，包括：
步骤S21：确定微纳结构超表面(2)的周期性阵列以及微纳结构单元(21)的构型；
步骤S22：通过基于时域有限差分算法的电磁仿真手段对微纳结构单元(21)的指向角度进行参数扫描、仿真和优化，得到电磁波经过微纳结构单元(21)后的相位累积与微纳结构单元(21)的指向角度的对应关系；
步骤S23：根据步骤S1中的电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积以及所述步骤S22得到的电磁波经过微纳结构单元(21)后的相位累积与微纳结构单元(21)的指向角度的对应关系来进行匹配，获得各微纳结构单元(21)的指向角度；
步骤S3：根据所述步骤S2中的各微纳结构单元(21)的指向角度，在所述柔性衬底(1)的表面上制作所述微纳结构超表面(2)，并在所述柔性衬底(1)的后端设置偏振片(3)，得到柔性手机摄像头光学镜片。
10.根据权利要求9所述的柔性手机摄像头光学镜片的制作方法，其特征在于，在所述步骤S12中，若所述微纳结构单元(21)仅仅设置于柔性衬底(1)的正面或反面，则电磁波经过各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，r为在所述柔性手机摄像头光学镜片上的空间位置坐标，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距；
若所述微纳结构单元(21)设置于所述柔性衬底(1)的第一面和第二面上，以形成所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面和第二面，电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，RA为所述柔性手机摄像头光学镜片的第一面的半径，N为校正项数目，an为第一校正系数；
电磁波经过所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元(21)后的相位累积满足相位分布：
其中，λ为工作波长，f为所述柔性手机摄像头光学镜片的焦距，RF为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的半径，r为所述柔性手机摄像头光学镜片的第二面的各微纳结构单元(21)的空间位置坐标，N为校正项数目，bn为第二校正系数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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