CN112748521A - 透镜组件以及包括透镜组件的电子设备 - Google Patents

透镜组件以及包括透镜组件的电子设备 Download PDF

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Abstract

提供一种透镜组件，包括：第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及第二透镜，包括超透镜，该超透镜相对于穿过第一透镜的入射光具有负色差。

Description

透镜组件以及包括透镜组件的电子设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年10月30日向美国专利商标局提交的美国临时申请No.62/927,964的权益，并且要求于2020年6月26日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2020-0078756的优先权，这两个申请的公开通过引用整体合并于此。
技术领域
本公开的示例实施例涉及一种包括超透镜的透镜组件以及包括该透镜组件的电子设备。
背景技术
具有图像传感器(例如，电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS))的数字相机或视频相机被用作用于图像或视频拍摄的光学设备。为了获得高质量的图像和/或视频，可以在光学设备中使用由多个透镜的组合组成的透镜组件。这样的透镜组件通常已经用在摄影专用设备(例如，数字相机)中，但是也安装在小型化电子设备(例如，便携式无线终端)中。
发明内容
一个或更多个示例实施例提供了减小组合多个光学透镜所需的空间的方法。
一个或更多个示例实施例还提供了包括超透镜的小型化的透镜组件。
一个或更多个示例实施例还提供了包括小型化的透镜组件在内的电子设备。
附加方面部分地将在接下来的描述中阐述，且部分地将通过该描述而变得清楚明白，或者可以通过对示例实施例的实践来获知。
根据示例实施例的方面，提供了一种透镜组件，包括：第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有朝向物方的凸表面；以及第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差。
所述超透镜可以包括纳米结构阵列，所述超透镜被构造为针对所述入射光的至少两个不同波长形成相同的相位延迟分布。
所述入射光可以包括可见光。
所述透镜组件可以包括总共五个或更多个透镜。
所述超透镜可以满足以下等式：fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的所述超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
所述第二透镜还可以包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜接触。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.8*F0＜F1＜1.2*F0，其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构可以包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下表达式：N11＞N21，以及N12＜N22，其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，以及N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构可以包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下等式：
Figure BDA0002750050890000031
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构可以包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，其中，所述第一相移层包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及其中，所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
所述第一内柱可以包括空气柱。
所述透镜组件还可以包括：第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
所述超透镜可以包括第一超透镜，以及其中，所述透镜组件还可以包括第二超透镜和设置在所述第一超透镜与所述第二超透镜之间的至少一个透镜。
所述透镜组件还可以包括红外滤波器，所述红外滤波器被构造为去除所述入射光中红外波段的光，并且所述第二超透镜的表面接触所述红外滤波器。
根据示例实施例的另一方面，提供了一种电子设备，包括：透镜组件，包括从物方到像方布置的多个透镜；图像传感器，被构造为基于顺序地穿过所述多个透镜的入射光来检测物体的图像；以及图像信号处理器，被构造为存储或输出图像，其中，所述透镜组件包括：第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差。
所述超透镜可以包括纳米结构阵列，所述超透镜被构造为针对所述入射光的至少两个不同的波长形成相同的相位延迟分布。
所述入射光可以是可见光。
所述透镜组件可以包括总共五个或更多个透镜。
所述超透镜满足以下等式：fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的所述超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
所述第二透镜还可以包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜接触。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.8*F0＜F1＜1.2*F0，其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径可以大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及其中，所述纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下表达式：N11＞N21，以及N12＜N22，其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，以及N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变所述入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下等式：
Figure BDA0002750050890000051
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
所述纳米结构阵列可以包括多个纳米结构，其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变所述入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，其中，所述第一相移层包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及其中所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
所述第一内柱可以包括空气柱。
所述电子设备还可以包括：第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
所述超透镜可以包括第一超透镜，并且所述透镜组件还可以包括第二超透镜和设置在所述第一超透镜与所述第二超透镜之间的至少一个透镜。
所述透镜组件还可以包括红外滤波器，所述红外滤波器被构造为去除所述入射光中红外波段的光，并且所述第二超透镜的表面可以接触所述红外滤波器。
根据示例实施例的又一方面，提供了一种超透镜，包括：纳米结构，所述纳米结构包括：第一相移层，被构造为与入射光反应以改变入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，其中，所述纳米结构被构造为针对所述入射光的至少两个不同的波长形成相同的相位延迟分布。
所述入射光可以是可见光。
所述超透镜可以满足以下等式：fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
所述纳米结构中的第一纳米结构和与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构可以满足以下表达式：N11＞N21，以及N12＜N22，其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
所述纳米结构中的第一纳米结构和与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构可以满足以下等式：
Figure BDA0002750050890000071
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
所述第一相移层可以包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及其中，所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
所述第一内柱可以包括空气柱。
所述第二内柱可以包括折射率比所述第一内柱的折射率高的材料。
所述第一内柱和所述第二内柱分别可以具有宽高比为2或更大的柱形状。
所述超透镜还可以包括：支撑层，被构造为支撑所述第一相移层和所述第二相移层。
所述超透镜还可以包括：间隔层，设置在所述第一相移层与所述第二相移层之间。
根据示例实施例的又一方面，提供了一种电子设备，包括：透镜组件，包括从物方到像方设置的多个透镜；图像传感器，被构造为根据顺序地穿过所述多个透镜的入射光来检测物体的图像；以及图像信号处理器，被构造为存储或输出图像，其中，所述透镜组件包括：第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差，其中，所述透镜组件针对入射光在120周期/mm或更少下具有0.5或更大的调制传递函数，以及其中，所述电子设备满足以下表达式：TTL/ISS＜0.65，其中，总轨道长度(TTL)是所述透镜组件的总轨道长度，并且图像传感器尺寸(ISS)是所述图像传感器的对角线长度。
所述透镜组件可以包括总共五个或更多个透镜。
所述第二透镜还可以包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜的面向像方的表面接触。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.8*F0＜F1＜1.2*F0，其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述透镜组件可以满足以下表达式：0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径可以大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
所述电子设备还可以包括：第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
附图说明
根据以下结合附图的描述，某些示例实施例的上述和/或其他方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：
图1是根据示例实施例的包括超透镜的透镜组件的截面图；
图2示出通过包括在图1中的超透镜的具有相同相位延迟分布的三个波长的光的相位延迟分布；
图3示出非球面透镜的结构；
图4A、图4B、图4C和图4D示出图1的透镜组件的光学特性；
图5是根据另一示例实施例的包括超透镜的透镜组件的截面图；
图6A、图6B、图6C和图6D是示出图5的透镜组件的光学特性的图；
图7是根据另一示例实施例的包括超透镜的透镜组件的截面图；
图8A、图8B、图8C和图8D示出图7的透镜组件的光学特性；
图9是根据示例实施例的超透镜的示意结构的平面图；
图10示出要用图9的超透镜实现的相位延迟分布；
图11是图9的超透镜的截面图；
图12A是布置在图11的第三菲涅耳(Fresnel)区中的第一纳米结构的截面图，图12B和图12C是图12A的第一纳米结构的第一相移层和第二相移层的截面图，并且图12D是进一步包括间隔层的第一纳米结构的截面图；
图13示出图12A的第一纳米结构的相位延迟与第一内柱和第二内柱的宽度之间的关系；
图14示出图12A的第一纳米结构的宽带相位匹配；
图15是布置在图11的第三菲涅耳区中的纳米结构的截面图；
图16A示出根据另一示例实施例的第一纳米结构的截面图，图16B和图16C是图16A的第一纳米结构的第一相移层和第二相移层的截面图；
图17是示出在改变图16A的第一纳米结构的宽度、第一内柱的宽度、第二内柱的外周面的宽度和第二内柱的内周面的宽度时所测量的相位延迟的相对量的图；
图18示出图16A的第一纳米结构的宽带相位匹配；
图19是根据另一示例实施例的布置在图11的第三菲涅耳区中的纳米结构的截面图；
图20A、图20B和图20C是根据另一示例实施例的纳米结构的截面图；
图21示出共光路方法的干涉仪；
图22示出根据示例实施例的网络环境中的电子设备的框图；以及
图23是图22的相机的详细框图。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例实施例，其中，贯穿附图类似的附图标记表示类似的元件。在这点上，示例实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐明的描述。因此，下面仅通过参考附图描述示例实施例，以解释各个方面。本文中所使用的术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任意和所有组合。诸如“……中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应理解为包括仅a、仅b、仅c、a和b两者、a和c两者、b和c两者或a、b和c全部。
以下将参考附图更全面地描述一个或更多个示例实施例。然而，这不将本公开限制于特定示例实施例，并且应当理解，本公开涵盖了包括在本公开的思想和技术范围内的所有修改、等同和替换。在本说明书中，类似的附图标记被指派给类似的元件。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“所述(该)”意在还包括复数形式，除非上下文另外明确地指示。在实施例中，术语“A或B”或“A和/或B”等可以包括一起列出的项目的所有可能组合。将理解，虽然术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文用于描述各种组件，但是这些元件不应受这些术语限制。此外，当描述一个元件(例如，第一元件)“连接”或“访问”另一元件(例如，第二元件)时，应理解，该一个元件可以直接连接到或可以直接访问该另一元件，但是除非有相反的明确说明，否则可以在所述元件之间“连接”或“访问”其他元件(例如，第三元件)。
在实施例中，“被构造为～”可以与例如“适于”、“能够”、“被修改为”、“被制造为”或“被设计为”互换地用于硬件或软件，视情况而定。在一些情况中，术语“被构造为…的设备”可以意指该设备与其他设备或组件一起“能够～”。例如，短语“被构造为执行A、B和C操作的处理器”可以指用于执行操作的专用处理器(例如，嵌入式处理器)或能够通过执行存储在存储设备中的一个或更多个软件程序来执行操作的通用处理器(例如，中央处理单元(CPU))。
除非另有说明，否则透镜的曲率半径、厚度、总轨道长度(TTL)、焦距等都可以具有mm单位。此外，透镜的厚度、透镜之间的距离以及TTL可以是基于透镜的光轴测量的距离。另外，在透镜形状的描述中，一个表面是凸的可以意指该表面的光轴部分是凸的，而一个表面是凹的可以意指该表面的光轴部分是凹的。因此，即使描述了透镜的一个表面(表面的光轴部分)是凸的，透镜的边缘部分(与表面的光轴部分间隔特定距离的部分)也可以是凹的。类似地，即使描述了透镜的一个表面(表面的光轴部分)是凹的，透镜的边缘部分(与表面的光轴部分间隔特定距离的部分)也可以是凸的。另外，当面向像方的表面为凸的时，意味着朝向像方为凸(突出)的，当面向物方的表面为凸的时，意味着朝向物方为凸(突出)的。
根据实施例的电子设备可以包括：智能电话、平板个人计算机(PC)、移动电话、视频电话、电子书阅读器、台式PC、膝上型PC、上网本计算机、工作站、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、医疗设备、相机和/或可穿戴设备。可穿戴设备可以包括：饰品式设备(例如，手表、戒指、手链、脚链、项链、眼镜、隐形眼镜或头戴式设备(HMD))、织物或服饰集成式设备(例如，电子服装)、身体附着式设备(例如，皮肤贴或纹身)和/或植入式电路。在一些实施例中，电子设备可以包括电视(TV)、数字视频盘(DVD)播放器、音频播放器、冰箱、空调、真空吸尘器、烤箱、微波炉、洗衣机、空气净化器、机顶盒、家庭自动控制面板、安保控制面板、媒体盒(例如、Samsung HomeSyncTM、Apple TVTM或Google TV TM)、游戏机(例如，XboxTM、PlayStationTM)、电子词典、电子钥匙、便携式摄像机和/或电子相框。
电子设备也可以包括：各种医疗设备(例如，各种便携式医疗测量仪器(例如血糖仪、心率计、血压计或体温计)、磁共振血管造影(MRA)、磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)、相机或超声设备)、导航设备、全球导航卫星系统(GNSS)、事件数据记录器(EDR)、飞行数据记录器(FDR)、汽车信息娱乐设备、船用电子设备(例如，船用导航设备、陀螺罗盘等)、航空电子设备、安全设备、车头单元、工业或家用机器人、无人机、金融机构的自动柜员机(ATM)、商店的销售点(POS)和/或物联网(IoT)设备(例如，灯泡、各种传感器、喷淋设备、火警器、恒温器、路灯、烤箱、健身器材、热水箱、加热器、锅炉等)。此外，电子设备可以包括：家具、建筑物/结构的一部分或者车辆、电子板、电子签名接收设备、投影仪和/或各种计量设备(例如，水表、电表、气表或无线电波测量仪器)中的任何一种。电子设备可以是柔性的，或可以是上述各种设备中的两个或更多个的组合。术语“用户”可以指代使用电子设备的人或者使用电子设备的设备(例如，人工智能电子设备)。作为电子设备的典型示例，可以包括光学设备(例如，相机)，并且以下描述基于将透镜组件安装在光学设备上的实施例。
在描述实施例时，可能呈现一些数值等，但是除非在权利要求中声明，否则这些数值不限制权利的范围。
图1是根据示例实施例的图像传感器和包括超透镜的透镜组件的截面图，图2是通过包括在图1中的超透镜的具有相同相位延迟分布的三个波长的光的相位延迟分布的示例性图，图3示出非球面透镜，并且图4A至图4D示出图1的透镜组件的光学特性。
参考图1，透镜组件1100可以包括由塑料、玻璃等制成的折射透镜以及由介电纳米结构制成的超透镜，并且可以包括例如在光轴O-I的方向(例如，图1中从物方O到像方I的方向)上顺序布置的多个透镜1110、1120、1130、1140、1150、1160和1170。
图像传感器1200是安装在电路板等上并且与透镜组件1100的光轴O-I对准布置的传感器，并且可以对光作出反应。例如，图像传感器1200可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或诸如电荷耦合器件(CCD)的传感器，并且可以将物体图像转换为电图像信号。图像传感器1200可以通过根据穿过多个透镜1110、1120、1130、1140、1150、1160和1170的光检测物体的对比度信息、灰度比信息、颜色信息等来获得物体图像。
透镜组件1100可以具有从物方O到像方I的光轴O-I。在说明每个透镜的构造时，物方O可以指示物体所位于的方向，并且像方I可以指示形成图像的图像传感器1200的成像平面1200a所位于的方向。另外，面向透镜的物方O的表面是相对于光轴O-I的在物方的表面，其是图中透镜的左表面或前表面，并且面向像方I的表面是相对于光轴O-I的成像平面1200a侧的表面，其是图中透镜的右表面或后表面。这里，成像平面1200a可以是其中通过成像设备或图像传感器1200形成图像的部分。
在描述透镜时，每个透镜的靠近光轴O-I的侧可以被称为主要部分，而透镜的远离光轴O-I或接近边缘的侧可以被称为边缘部分。主要部分可以是第一透镜1110中与光轴O-I相交的部分，并且边缘部分可以包括第一透镜1110的与光轴间隔特定距离的部分，例如，离透镜的光轴O-I最远的透镜的端部。
第一透镜1110、第二透镜1120、第四透镜1140和第五透镜1150可以具有正光焦度(optical power)，而第三透镜1130、第六透镜1160和第七透镜1170可以具有负光焦度。具有正光焦度的透镜是基于具有正焦距的凸透镜原理的透镜，并且可以通过使平行于光轴O-I入射的光通过而进行聚焦。具有负光焦度的透镜是基于凹透镜原理的透镜，并且可以使平行于光轴入射的光通过并使光分散。
第一透镜1110的面向物方O的表面可以是凸的，并且第一透镜1110的面向像方I的表面可以是凹的。朝向像方I具有凹表面的弯月形透镜可以改善彗差和像散，它们是穿过透镜边缘部分的光无法形成清晰图像的现象。第一透镜1110可以是大直径透镜，与下面描述的第二透镜1120和第三透镜1130相比，其面向物方O的表面的有效半径更大。具有短焦距的大直径的第一透镜1110可以满足光学设备和/或电子设备所需的空间限制，并且还提供强的正光焦度，使得透镜组件可以具有短的总轨道长度。通过这样，第一透镜1110可以提高由穿过边缘部分的光线成像的图像或视频的分辨率，并且可以缩短光行进路径。
第二透镜1120可以是其中将超透镜1120a耦接到物方O的透镜。超透镜1120a可以包括纳米结构，该纳米结构调节入射光的相位、偏振和/或振幅。纳米结构可以与入射光的波前不同地改变透射通过超透镜1120a的光的波前。可以将超透镜1120a设计为通过使用纳米结构来校正由诸如第一透镜1110之类的折射透镜产生的光学像差，例如几何像差和色差。
超透镜1120a具有正光焦度，并且可以针对穿过它的具有不同波长的光提供相同的相位延迟分布。图2示出了其中第一波长(588nm)的光、第二波长(486nm)的光和第三波长(656nm)的光具有相同的相位延迟分布的示例。因为第一至第三波长的光具有相同的相位延迟分布，所以即使在不同的位置R，相位延迟分布的间隔也保持恒定
Figure BDA0002750050890000141
当不同的波长具有相同的相位延迟分布时，波长和焦距是逆相关的，并且超透镜1120a可以具有负色差。超透镜1120a的焦距与波长之间的关系如以下等式1所示。
[等式1]
fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3＝fM4λ4…
在等式1中，fMn(其中n是自然数)是针对波长为λn(其中n是自然数)的光的超透镜1120a的焦距。
第一透镜1110产生正色差，其中长波长的光具有比短波长的光长的焦距，而不提供强的正光焦度。然而，因为超透镜1120a具有负色差，所以可以校正由第一透镜1110引起的部分或全部色差。在相关技术中，为了校正色差，使用具有负光焦度的透镜(例如，弗林特透镜)。可以通过应用超透镜1120a来改善相关技术中光焦度的损失和透镜组件的厚度增加。第二透镜1120的面向像方I的表面可以被构造为凸透镜。
当设计超透镜1120a时，可以参考下面的等式2和等式3。在等式2中，针对不同的波长提供相同的相位延迟分布的超透镜的阿贝数可以具有-3.3至-3.5的值，并且等式3示出了其中超透镜1120a的阿贝数为-3.45的示例。
[等式2]
φ1+φ2+…+φN+φmeta＝φsys
[等式3]
Figure BDA0002750050890000151
在此，φi是第i个折射透镜的光焦度(焦距的倒数)，并且Vi是第i个折射透镜的阿贝数。φmeta是超透镜的光焦度。
第三透镜1130的面向像方I的表面和第四透镜1140的面向物方O的表面可以是凹的。例如，面向彼此的凹表面的第三透镜1130和第四透镜1140可以布置在第二透镜1120的后部。第三透镜1130可以通过提供负光焦度来补偿由大直径形成的第一透镜1110引起的球面像差。
第五透镜1150和第六透镜1160的面向物方O的表面是凹的，并且第五透镜1150和第六透镜1160的面向像方I的表面可以是凸的。第六透镜1160可以提供适当的负光焦度，并且可以将穿过透镜边缘部分的光线形成在成像平面1200a上。另外，第六透镜1160的负光焦度可以校正由其他透镜引起的色差和场曲。第六透镜1160的面向物方O的表面和/或面向像方I的表面可以是非球面，以减少或防止在光线穿过透镜的边缘部分时光线的畸变。
除了第六透镜1160的表面之外，第一透镜1110至第五透镜1150的一个或更多个表面可以是非球面。可以通过由第一透镜1110至第六透镜1160的一个或更多个表面实现的非球面表面来校正由第一透镜1110产生的球面像差。
第七透镜1170可以是光学滤波器，并且可以阻挡由光学设备的胶片或图像传感器检测到的光，例如红外线(IR)。光学滤波器可以包括低通滤波器和/或盖玻片，并且可以透射可见光但是阻挡红外线以防止红外光透射到图像传感器的成像平面1200a。作为另一示例，光学滤波器可以选择性地仅透射入射光的波长的一部分，以使通过图像传感器1200检测和捕获的图像的色彩感更接近于期望的色彩感。
可以根据透镜组件1100所需的光学特性(例如，像差特性、广角特性和/或亮度特性)不同地设计透镜1110、1120、1130、1140、1150、1160和1170之间的间隔。当光学设备和/或电子设备具有相对小的尺寸时，有利的是使透镜之间的距离变窄以减小透镜组件1100在光轴方向上的总轨道长度。然而，在保持适当的长焦比(telephoto ratio)的同时减小透镜组件1100的总轨道长度可能具有物理限制。
透镜组件1100还可以包括光圈。光圈可以布置在各种位置，并且可以提供多个光圈。例如，可以将光圈布置在第一透镜1110的面向像方I的表面之前，以控制到达图像传感器1200的成像平面1200a的光量。
第一透镜1110至第七透镜1170中的一个或更多个透镜可以包括具有拐点的表面。拐点可以是曲率半径的符号从(+)变为(-)或从(-)变为(+)的点。例如，拐点可以是透镜的形状从凸变为凹或从凹变为凸的点。曲率半径可以表示如下值，该值指示位于曲面或曲线上的每个点处的弯曲程度。在朝向物方O为凸形状的情况下和在朝向像方I为凹形状的情况下，曲率半径的符号可以定义为(+)，而在朝向物方O为凹形状的情况下和在朝向像方I为凸形状的情况下，曲率半径的符号可以定义为(-)。
透镜组件1100可具有满足以下等式4至等式7的光学特性。
[等式4]
0.8*F0＜F1＜1.2*F0
在此，F1是针对波长为588nm的光的第一透镜1110的焦距，并且F0是针对波长为588nm的光的透镜组件1100的复合焦距。
[等式5]
0.85*F0＜TTL＜1.2*F0
在此，TTL是表示从第一透镜1110的物方O的表面到成像平面1200a的距离的总长度。F0可以具有6.5mm至7.5mm的值。
[等式6]
DL1＞DL2
在此，DL1是第一透镜1110的面向物方O的表面的有效半径，并且可以大于1.86mm且小于1.92mm。DL2是第二透镜1120的面向物方O的表面(也就是，超透镜1120a的面向物方O的表面)的有效半径，并且可以大于1.78mm且小于1.84mm。与第二透镜1120相比，第一透镜1110的物方O的表面的有效半径可以更大。有效半径可以是在入射到图像传感器1200的光所通过的透镜的区域中光轴与距离光轴最远的部分之间的最短距离。
[等式7]
TTL/ISS＜0.65
在此，ISS(图像传感器尺寸)是图像传感器的对角线长度。
下面的表1描述了透镜组件1100的各种透镜数据，其中每个透镜的右侧的“(O)”是透镜的面向物方的表面，并且“(I)”是面向像方的表面。半径是每个透镜表面的曲率半径，“(O)”行中的厚度是透镜的厚度，“(I)”行中的厚度是透镜之间或透镜与图像传感器之间的距离，有效焦距(EFL)是透镜的焦距，nd是透镜的折射率，vd是透镜的阿贝数。下面的表1中所示的透镜组件1100示出了其中TTL为7.2mm，有效焦距(F0)为7.0mm，超透镜1120a的焦距为52.7mm，以及图像传感器1200的对角线长度(ISS)为12mm的示例，并且可以满足上述等式4至等式7的一个或更多个条件。
[表1]
Figure BDA0002750050890000181
下面的表2和表3描述了多个透镜1110、1120、1130、1140、1150、1160和1170的非球面系数，并且可以通过以下等式8计算非球面系数。
[等式8]
Figure BDA0002750050890000182
参考图3，在等式8中，x可以是从透镜的顶点p沿光轴O-I的方向到透镜表面上的点的距离，并且y可以是从透镜表面上的点沿垂直于光轴的方向到光轴的距离。在等式8中，c可以是透镜的基本曲率，K可以是圆锥常数，并且A、B、C、D、E、F和G可以是非球面系数。
[表2]
Figure BDA0002750050890000191
[表3]
表面 D E F G
第一透镜1110(O) -1.08E-01 8.52E-01 -1.06E+00 -7.45E+00
第一透镜1110(I) -3.10E-01 1.20E+00 3.05E+00 4.54E+00
第二透镜1120(O) -8.97E+00 1.19E+00 3.73E-01 -1.31E-01
第二透镜1120(I) -1.32E-01 1.78E-01 -1.76E-01 1.13E-01
第三透镜1130(O) 1.65E-01 1.75E+00 2.95E+00 -1.28E+00
第三透镜1130(I) 1.48E-01 1.71E-01 7.94E-04 -1.62E-01
第四透镜1140(O) 2.58E-01 -9.27E-01 1.32E+00 -8.25E-01
第四透镜1140(I) -2.37E-01 2.31E-01 -2.89E-02 -1.63E-01
第五透镜1150(O) 6.38E-03 -1.31E-02 5.38E-03 3.01E-03
第五透镜1150(I) 5.82E-03 1.09E-03 -4.78E-04 -1.69E-04
第六透镜1160(O) -1.11E-04 -9.85E-06 2.46E-07 1.11E-07
第六透镜1160(I) 1.10E-05 3.95E-06 -1.43E-07 -9.89E-09
第七透镜1170(O) _ _ _ _
第七透镜1170(I) _ _ _ _
图4A是示出图1的透镜组件1100的球面像差的曲线图。球面像差表示穿过透镜的不同部分(例如，主要部分和边缘部分)的光的焦点位置的变化程度。
在图4A中，水平轴表示纵向球面像差的程度，竖直轴表示通过归一化的距光轴中心的距离，并且可以示出根据光的波长的纵向球面像差的变化。图4A示出了对于486nm、588nm和656nm的光的球面像差。透镜组件1100的纵向球面像差可以是-0.50mm至+0.50mm、-0.30mm至+0.40mm或-0.10mm至+0.35mm。根据图4A，可以看出纵向球面像差被限制在-0.10mm至+0.35mm，显示出稳定的光学特性。
图4B是示出图1的透镜组件1100的像散的曲线图。像散表示当透镜的子午面和矢状面具有不同的半径时，在竖直方向和水平方向上通过的光的焦点的偏离程度。
在图4B中，水平轴表示像散的程度，竖直轴表示光的入射角，并且示出了针对486nm、588nm和656nm的光的像散的变化。实线表示切线方向的像散，并且虚线表示矢状方向的像散。从图4B可以看出，透镜组件1100的像散被限制为-0.50mm至+0.50mm，并且更具体地为-0.30mm至+0.40mm，以显示稳定的光学特性。
图4C是示出图1的透镜组件1100的畸变的曲线图。因为光学倍率根据距光轴O-I的距离而变化，所以发生畸变，并且畸变显示出在实际成像平面1200a上形成的图像看起来比在理论成像平面上形成的图像更大或更小的程度。
在图4C中，水平轴表示畸变的程度，竖直轴表示光的入射角，并且示出了针对波长为486nm、588nm和656nm的光的畸变，并且畸变率可以小于5％或小于4.2％。参考图4C，可以看出透镜组件1100表现出良好的光学特性，其中畸变率小于4.2％。
图4D是示出图1的透镜组件1100的调制传递函数(MTF)的曲线图。MTF可以用作衡量透镜分辨率的指标，也就是说，源自一个点的多少光线穿过透镜并会聚到另一点。图4D中的水平轴表示“周期/mm”。例如，120周期/mm可以表示其中120条黑色条纹和120条白色条纹在1毫米中交叉的图案。图4D中的竖直轴表示MTF，并且当MTF为0.5或更大时，可以看出其具有能够区分黑色条纹和白色条纹的分辨率。可以看出，相对于切线方向上的图案的法向入射光(0.0场)，透镜组件1100在120周期/mm下表现出0.5或更大的MTF，具体地为0.7或更大。
尽管图1的透镜组件1100示出了包括一个超透镜的构造，但是透镜组件可以包括两个或更多个超透镜。另外，尽管图1示出了将超透镜布置在第二透镜1120的物方，但是可以将超透镜独立地布置而不与折射透镜组合，或者可以改变其位置。例如，超透镜可以布置在第一透镜1110或第二透镜1120的像方。
图5是根据另一示例实施例的包括超透镜的透镜组件的截面图，图6A至图6D示出图5的透镜组件的光学特性。在描述图5的透镜组件时，未提供先前示例实施例的重复描述。
参考图5，透镜组件1300可以包括多个透镜。例如，第一至第七透镜1310、1320、1330、1340、1350、1360和1370可以沿光轴O-1的方向顺序地布置。与图1的透镜组件1100相比，透镜组件1300包括两个超透镜，即，第一超透镜1320a和第二超透镜1370a。第一超透镜1320a在结构、布置和功能上与图1的超透镜1120a相似。第二超透镜1370a可以被设计为使得入射在图像传感器1200的成像平面1200a上的光相对于光轴O-I具有小的斜率，并且在垂直于光轴的方向上校正横向色差。通过第二超透镜1370a，可以确保图像传感器1200周围的光量，从而即使在低照度下也可以获得具有良好亮度的物体图像。
下面的表4示出了图5的透镜组件1300的各种透镜数据。表5和表6分别描述了多个透镜的非球面系数。透镜组件1300示出了其中TTL为7.2mm，有效焦距为7.0mm，第一超透镜1320a的焦距为52.7mm，并且图像传感器1200的ISS为12mm的示例。
[表4]
Figure BDA0002750050890000231
[表5]
表面 K A B C
第一透镜1310(O) 5.18E-02 6.94E-02 4.79E-02 -1.05E-03
第一透镜1310(I) 8.81E-01 3.85E-02 8.86E-03 -5.85E-03
第二透镜1320(O) 0.00E+00 -1.01E+02 2.71E+00 1.97E+01
第二透镜1320(I) -3.36E+01 -3.02E-03 1.12E-02 8.95E-02
第三透镜1330(O) 9.64E+01 -5.50E-02 9.68E-02 2.71E-01
第三透镜1330(I) -3.02E+03 2.28E-03 8.49E-02 -1.14E-01
第四透镜1340(O) 6.70E+01 -1.15E-02 -1.01E-01 -1.04E-02
第四透镜1340(I) 1.74E+01 1.29E-02 -1.49E-01 1.29E-01
第五透镜1350(O) 2.47E+01 1.29E-02 -6.75E-02 -2.30E-02
第五透镜1350(I) 1.26E+01 -6.64E-02 2.59E-02 -2.58E-02
第六透镜1360(O) -4.89E+00 -4.96E-02 1.42E-02 2.71E-04
第六透镜1360(I) -2.64E+01 8.22E-03 -2.19E-03 -7.06E-04
第七透镜1370(O) 0.00E+00 1.61E+01 7.37E-01 -2.35E-01
第七透镜1370(I) - - - -
[表6]
表面 D E F G
第一透镜1310(O) -1.09E-01 8.49E-01 -1.06E+00 -7.46E+00
第一透镜1310(I) -3.10E-01 1.20E+00 3.05E+00 4.53E+00
第二透镜1320(O) -8.96E+00 1.18E+00 3.73E-01 -1.31E-01
第二透镜1320(I) -1.32E-01 1.78E-01 -1.76E-01 1.13E-01
第三透镜1330(O) 1.66E-01 -1.74E+00 2.95E+00 -1.27E+00
第三透镜1330(I) 1.49E-01 1.72E-01 4.01E-03 -1.56E-01
第四透镜1340(O) 2.59E-01 -9.26E-01 1.32E+00 -8.26E-01
第四透镜1340(I) -2.38E-01 2.31E-01 -2.88E-02 -1.63E-01
第五透镜1350(O) 5.69E-03 -1.33E-02 5.30E-03 2.95E-03
第五透镜1350(I) 5.71E-03 1.06E-03 -4.52E-04 -1.45E-04
第六透镜1360(O) -1.01E-04 -7.85E-06 5.09E-07 1.32E-07
第六透镜1360(I) 1.30E-05 4.04E-06 -1.39E-07 -9.40E-09
第七透镜1370(O) 1.18E-02 -1.82E-04 9.15E-06 -5.49E-07
第七透镜1370(I) - - _ _
图6A是示出图5的透镜组件1300的球面像差的曲线图，图6B是示出透镜组件1300的像散的曲线图，图6C是示出透镜组件1300的畸变的曲线图，并且是用波长为486nm、588nm和656nm的光获得的结果。图6D是示出透镜组件1300的MTF的图。
参考图6A，透镜组件1300的纵向球面像差可以是-0.50mm至+0.50mm、-0.30mm至+0.40mm或-0.10mm至+0.3mm。根据图6A，可以看出纵向球面像差被限制在-0.05mm至+0.25mm，显示出稳定的光学特性。
参考图6B，透镜组件1300的像散可以是-0.50mm至+0.50mm、-0.30mm至+0.40mm或-0.20mm至+0.30mm。根据图6B，可以看出像散被限制在-0.15mm至+0.25mm，显示出稳定的光学特性。
参考图6C，透镜组件1300的畸变率可以小于5％。参考图6C，可以看出透镜组件1300以小于5％的畸变率表现出良好的光学特性。
参考图6D，相对于切线方向上的图案的法向入射光(0.0场)，透镜组件1300可以在120周期/mm下表现出0.5或更大的MTF，具体地为0.7或更大。参考图6D，可以看出透镜组件1300以0.7或更大的MTF表现出良好的光学特性。
图7是根据另一示例实施例的包括超透镜的透镜组件的截面图，图8A至图8D是示出图7的透镜组件的光学特性的图。在描述图7的透镜组件时，未提供先前示例实施例的重复描述。
参考图7，透镜组件1500可以包括多个透镜。例如，透镜组件1500可以包括沿光轴O-1的方向顺序布置的第一至第八透镜1510、1520、1530、1540、1550、1560、1570和1580。与图5的透镜组件1300相比，透镜组件1500可以被构造为进一步包括第六透镜1560。
下面的表7示出了图7的透镜组件1500的各种透镜数据。表8和表9分别描述了多个透镜的非球面系数。透镜组件1500示出了其中TTL为7.2mm，有效焦距为7.0mm，第一超透镜1520a的焦距为90mm，并且图像传感器1200的ISS为12mm的示例。
[表7]
表面 半径 厚度 有效半径 EFL nd vd
第一透镜1510(O) 4.00E+00 9.45E-01 1.87E+00 6.14 1.54 54
第一透镜1510(I) 1.59E+01 1.34E-01 1.93E+00
第二透镜1520(O) 无穷大 4.68E-01 1.80E+00 97.4
第二透镜1520(I) -1.17E+01 4.28E-03 1.81E+00 1.65 21.7
第三透镜1530(O) 3.48E+01 3.16E-01 1.65E+00 -18.2 1.54 54
第三透镜1530(I) 1.42E+01 6.49E-01 1.50E+00
第四透镜1540(O) -1.97E+01 6.34E-01 1.55E+00 18.1 1.54 54
第四透镜1540(I) -7.66E+00 1.06E+00 1.78E+00
第五透镜1550(O) -2.44E+01 3.01E-01 2.30E+00 21.4 1.54 54
第五透镜1550(I) -2.60E+01 1.67E-03 3.00E+00
第六透镜1560(O) 6.05E+01 3.83E-01 3.53E+00 46.3 1.54 54
第六透镜1560(I) -2.17E+02 9.23E-01 3.73E+00
第七透镜1570(O) -3.07E+00 2.79E-01 4.09E+00 -4.4 1.54 54
第七透镜1570(I) -1.21E+02 -1.79E-01 4.60E+00
第八透镜1580(O) 无穷大 2.00E-01 5.38E+0O 161.5 1.52 64.2
第八透镜1580(I) 无穷大 7.52E-01 5.47E+00
图像传感器 - - - -
[表8]
表面 K A B C
第一透镜1510(O) 5.18E-02 6.94E-02 2.45E-02 -2.38E-02
第一透镜1510(I) 8.81E-01 2.01E-02 -5.68E-02 1.40E-02
第二透镜1520(O) 0.00E+00 -6.46E+01 -8.74E-01 1.22E+01
第二透镜1520(I) -3.36E+01 4.40E-02 1.17E-03 7.84E-02
第三透镜1530(O) 9.64E+01 3.09E-03 -1.86E-02 2.99E-01
第三透镜1530(I) -3.02E+03 3.30E-02 6.97E-02 1.89E-01
第四透镜1540(O) 6.70E+01 -2.51E-02 -8.91E-02 -6.14E-02
第四透镜1540(I) 1.74E+01 -3.36E-02 -9.52E-02 4.37E-02
第五透镜1550(O) 2.47E+01 5.58E-04 -5.47E-02 -4.45E-02
第五透镜1550(I) 1.26E+01 -4.34E-02 1.80E-02 -2.59E-02
第六透镜1560(O) 0.00E+00 4.51E-03 -2.58E+01 -2.84E+03
第六透镜1560(I) 0.00E+00 -4.81E-03 -1.44E+01 1.47E+03
第七透镜1570(O) -4.89E+00 -5.05E-02 -3.92E-03 8.04E-03
第七透镜1570(I) -2.64E+01 -1.43E-03 -5.23E-03 4.00E-04
第八透镜1580(O) 0.00E+00 -3.31E+01 1.02E+01 -1.19E+00
第八透镜1580(I) 0.00E+00 - - -
[表9]
表面 D E F G
第一透镜1510(O) -6.61E-02 6.00E-01 -1.08E+00 -6.75E+00
第一透镜1510(I) -2.30E-01 1.22E+00 -2.99E+00 4.25E+00
第二透镜1520(O) -7.68E+00 2.80E+00 -2.85E-01 -1.22E-01
第二透镜1520(I) -1.37E-01 1.92E-01 -1.92E-01 1.24E-01
第三透镜1530(O) 1.67E-01 -1.58E+00 -2.98E+00 -1.54E+00
第三透镜1530(I) 4.15E-01 -7.36E-02 -3.31E-01 1.42E-02
第四透镜1540(O) 2.27E-01 -8.54E-01 1.26E+00 -9.25E-01
第四透镜1540(I) -1.30E-01 -8.35E-03 6.16E-01 -1.14E+00
第五透镜1550(O) -9.30E-03 8.64E-03 -3.48E-03 2.71E-05
第五透镜1550(I) -4.30E-03 2.08E-02 -8.84E-03 -2.84E-04
第六透镜1560(O) 6.48E+06 1.50E+09 -2.85E+12 0.00E+00
第六透镜1560(I) -1.15E+06 -4.62E+08 7.23E+11 0.00E+00
第七透镜1570(O) -1.36E-03 4.50E-05 5.52E-06 -1.39E-07
第七透镜1570(I) -1.25E-05 2.62E-06 2.23E-07 4.03E-09
第八透镜1580(O) 8.11E-02 -3.41E-03 8.81E-05 -1.44E-06
第八透镜1580(I) - - - -
图8A是示出图7的透镜组件1500的球面像差的曲线图，图8B是示出透镜组件1500的像散的曲线图，图8C是示出透镜组件1500的畸变的曲线图，并且是针对波长为486nm、588nm和656nm的光获得的结果。图8D是示出透镜组件1500的MTF的图。
参考图8A，透镜组件1500的纵向球面像差可以是-0.50mm至+0.50mm、-0.30mm至+0.40mm或-0.10mm至0.35mm。根据图8A，可以看出纵向球面像差被限制在-0.05mm至+0.35mm，显示出稳定的光学特性。
参考图8B，透镜组件1500的像散可以是-0.50mm至+0.50mm、-0.30mm至+0.40mm或-0.20mm至+0.35mm。根据图8B，可以看出像散被限制在-0.15mm至+0.35mm，显示出稳定的光学特性。
参考图8C，透镜组件1500的畸变率可以小于8％或小于6％。参考图8C，可以看出透镜组件1500以小于6％的畸变率表现出良好的光学特性。
参考图8D，相对于切线方向上的图案的法向入射光(0.0场)，透镜组件1500可以在120周期/mm下表现出0.5或更大的MTF，具体地为0.7或更大。参考图8D，可以看出透镜组件1500以0.7或更大的MTF表现出良好的光学特性。
在下文中，将参考图9至图20C描述针对不同波长提供相同相位延迟分布的超透镜的结构和设计方法。可以以下面描述的方式设计图1、图5和图7的超透镜1120a、1320a、1370a、1520a和1580a。
图9是根据示例实施例的超透镜的示意结构的平面图。图10是示出沿线X-X′的要用图9的超透镜实现的相位延迟分布的图，图11是沿线X-X’截取的图9的超透镜的竖直截面图。
图9示例性地示出了包括纳米结构阵列300的超透镜100，纳米结构阵列300具有以同心圆布置的三个菲涅耳区r1、r2和r3。菲涅耳区的数量、纳米结构的数量以及纳米结构的布置可以根据超透镜的尺寸、要实现的光焦度以及相位延迟分布而变化。
图10示出了沿图9中的线X-X′示出的超透镜100的相位展开分布。相位展开意味着通过从相位延迟量中减去2π的整数倍而留下与0和2π之间的相对相位延迟相对应的相位分量。由于通过相位展开对可以通过调节纳米结构的高度、宽度等所实现的相位延迟的限制，因此可以通过重复布置如下结构来形成同心的菲涅尔区r1、r2和r3，所述结构在类似于菲涅耳透镜的原理上实现0到2π的相对相位延迟。
图9的超透镜100具有从透镜的中心沿向外方向(R方向)减小的相位延迟分布，使得超透镜100可以用作凸透镜，并且可以针对工作波段中的入射光提供相同的相位延迟分布。例如，针对各个波长，示出了入射到超透镜100的光与从超透镜100发射的光之间的相位差的相位延迟分布可以是相同的。例如，穿过超透镜100的第一波长(588nm)的光、第二波长(486nm)的光和第三波长(656nm)的光的相位延迟分布可以相同。因此，当第一波长(588nm)的光的相位延迟量在R方向上改变2π时，第二波长(486nm)的光和第三波长(656nm)的光也表现出2π的相位延迟改变，从而可以促进超透镜的设计并且可以提高性能。相同的相位延迟变化可以不意味着相位延迟变化量完全相同，而是意味着根据工作波段中的波长的相位延迟变化量的差在10％的误差以内。图9的超透镜100可以在其中表现出所设计功能的工作波段可以是可见光带。
图11是沿图9的线X-X′截取的超透镜100的竖直截面图。图11示出了其中在从超透镜100的中心沿R方向布置的三个菲涅耳区r1、r2和r3中布置有19个纳米结构的示例结构。
图12A是布置在图11的第三菲涅耳区r3中的纳米结构当中的第一纳米结构310的详细截面图，图12B和图12C是分别沿图12A的线Y1-Y1′和Y2-Y2′截取的水平截面图。
第一纳米结构310可以包括第一相移层311、第二相移层315和支撑层370。第一相移层311可以通过与入射在第一纳米结构310上的光进行反应来改变相位。经过相移的光可以入射在第二相移层315上，并且第二相移层315可以进一步改变光的相位。结果，入射光可以顺序地与第一相移层311和第二相移层315相互作用，并且因此可以以相变的形式进行发射。图11和图12A示出了支撑第一相移层311和第二相移层315的支撑层370，但是可以省略支撑层370。
第一相移层311和第二相移层315中的每一个可以是具有不同折射率的材料的组合。根据图11以及图12A至图12D所示的示例实施例，第一相移层311和第二相移层315中的每一个可以具有一种材料围绕另一种材料的形式。例如，第一相移层311和第二相移层315中的每一个可以包括内柱和围绕内柱的结构。更详细地，第一相移层311可以是内部为空的结构，并且该结构可以围绕空气柱311a。第二相移层315可以是内部被填充的结构，例如，另一种材料的结构可以围绕柱状内部材料。第一相移层311和第二相移层315的围绕内部材料的结构可以包括相同的材料，例如电介质(氧化硅(SiO2)等)、玻璃(熔融硅石、BK7等)、石英、聚合物(PMMA、SU-8等)、塑料和/或半导体材料。内柱的材料可以包括晶体硅(c-Si)、多晶硅、非晶硅(Si)、氮化硅(Si3N4)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)、氧化钛(TiOx)、锑化铝(AlSb)、砷化铝(AlAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、磷化铝铟镓(AlGaInP)、磷化硼(BP)和/或磷化锌锗(ZnGeP2)。例如，第二相移层315的内柱可以包括TiO2。
第一相移层311和第二相移层315的截面形状、尺寸和高度以及第一内柱311a和第二内柱315a的截面形状、尺寸和高度可以考虑所选择的材料的性质而适当地设计。例如，第一相移层311和第二相移层315的截面可以具有正方形、矩形、平行四边形、正六边形等形状。例如，图12B和图12C示出了具有正方形形状的第一相移层311和第二相移层315。第一相移层311和第二相移层315的宽度w310可以小于入射光的波长。被设计为改变可见光的相位的第一相移层311和第二相移层315的宽度w310可以小于400nm或300nm，例如，250nm。
第一内柱311a和第二内柱315a的截面可以是正方形、圆形、矩形、空心圆形、空心正方形等。例如，在图12B和图12C中，第一内柱311a和第二内柱315a具有正方形形状。第一内柱311a和第二内柱315a的高度h311和h315可以大于或等于宽度w311a和w315a的两倍，以避免其中发生光共振。第一内柱311a的高度h311和第二内柱315a的高度h315可以通过考虑到材料性质和制造工艺的迭代仿真来优化。在图12A中，第一内柱311a和第二内柱315a的高度以及第一相移层311和第二相移层315的高度相同，但是可以不同。例如，第一内柱311a和第二内柱315a的高度可以小于第一相移层311和第二相移层315的高度。被设计为与可见光相互作用的第一相移层311和第一内柱311a的高度h311可以是例如3000nm。第二相移层315和第二内柱315a的高度h315可以是例如1500nm。根据该示例，首先与入射光相互作用的第一相移层311的高度可以大于第二相移层315的高度。在第一相移层311和第二相移层315之间和/或在第一内柱311a和第二内柱315a之间可以进一步包括间隔层。图12D示出了在第一相移层311和第二相移层315之间包括间隔层390的示例。
支撑层370可以支撑第一相移层311和第二相移层315，并且可以包括电介质(SiO2等)、玻璃(熔融硅石、BK7等)、石英、聚合物(PMMA、SU-8等)、塑料和/或半导体材料。支撑层370可以具有大约0.1mm至大约1.0mm的厚度。
第一相移层311和第二相移层315的围绕第一内柱311a和第二内柱315a的结构以及支撑层370可以包括相同的材料，例如，SiO2。支撑层370可以包括与第一相移层311和第二相移层315的该结构的材料不同的材料，并且可以如上所述被省略。
图13示出图12A的第一纳米结构的相对相位延迟与内柱的宽度之间的关系。
首先，确定作为纳米结构的相对相位延迟的基础的参考结构。根据超透镜的尺寸、纳米结构的材料以及内柱的形状，参考结构的宽度和截面形状可以变化。可以确定参考结构在所设计的超透镜中位于菲涅耳区的中心，或者具有包括在菲涅耳区中的纳米结构的平均相位延迟值。在图13中，使用了如下纳米结构作为参考结构，该纳米结构具有截面宽度w311a为130nm的正方形形状的第一内柱311a和截面宽度w315a为98nm的正方形形状的第二内柱315a。参考结构用于比较纳米结构的相位延迟的相对量，并且可以是虚拟结构，其不必是包括在所设计的超透镜中的任何一种纳米结构。参考结构的设置确定纳米结构的规格，该纳米结构可以位于菲涅耳区的中心并且可以通过若干仿真过程进行优化。
在设置参考结构之后，可以在改变第一内柱的宽度w311a和第二内柱的宽度w315a的同时找到针对不同波长提供与参考结构相同的相位延迟差的组合。通过重复该过程，如图13所示，可以获得纳米结构的第一内柱的宽度w311a和第二内柱的宽度w315a的曲线图，其中相位延迟的量与参考结构相比为-π至π(Rad.)。参考图13，例如，相位延迟量与参考结构相比小π/3Rad.的纳米结构的第一内柱311a的宽度w311a可以为147nm，并且第二内柱315a的宽度w315a可以为101nm。例如，与穿过参考结构的第一波长(588nm)的光、第二波长(486nm)的光和第三波长(656nm)的光相比，穿过其中第一内柱311a的宽度w311a为147nm并且第二内柱315a的宽度w315a为101nm的纳米结构的第一波长(588nm)的光、第二波长(486nm)的光和第三波长(656nm)的光具有小π/3 Rad.的相位延迟量。当获得如图13所示的曲线图时，可以通过布置纳米结构以实现期望的相位延迟分布来设计超透镜。
图14是示出图12A的第一纳米结构的宽带相位匹配(η)的图。宽带相位匹配越高，理想的薄透镜和设计的超透镜的透射相位之间的相似度越高。宽带相位匹配可以表示为下面的等式9。
[等式9]
Figure BDA0002750050890000341
在此，
Figure BDA0002750050890000342
是与参考结构相比的相位延迟差(图13中的水平轴)，
Figure BDA0002750050890000343
是被设计为具有
Figure BDA0002750050890000344
的相位延迟差的结构的相位延迟，并且
Figure BDA0002750050890000345
是参考结构的相位延迟。也就是说，
Figure BDA0002750050890000346
是理想的目标相位分布，并且
Figure BDA0002750050890000347
是目标相位分布与实际透镜之间的相位延迟差。
参考图14，以参考图13描述的方式设计的超透镜的宽带相位匹配可以是0.8或更大，并且更具体地是0.9或更大。
图15是更详细地示出布置在图11的第三菲涅耳区r3中的纳米结构的截面图，并且将参考图15对相邻纳米结构的有效折射率、色散和内柱宽度之间的关系进行描述。有效折射率(neff)和色散(D)可以分别表示为下面的等式10和等式11。
[等式10]
Figure BDA0002750050890000348
[等式11]
Figure BDA0002750050890000349
在此，neff(λ)是有效折射率，λ是波长，
Figure BDA00027500508900003410
是相位延迟，K0是波数，h是内柱的高度，并且D(λ)是色散。
参考图15，第一纳米结构310、第二纳米结构330和第三纳米结构350沿超透镜的外方向(R方向)布置。参考图10，第三菲涅耳区r3的相位延迟具有在R方向上减小的分布，并且纳米结构310、330和350被设计为针对工作波段中的光提供相同的相位延迟分布。参考等式10，因为相位延迟与有效折射率成比例，所以其被设计为减小纳米结构310、330和350在R方向上的有效折射率，并且为了该目的，第一内柱311a、331a和351a可以在R方向上增加宽度。例如，当第一内柱311a、331a和351a是空气并且围绕第一内柱311a、331a和351a的结构的材料是SiO2时，空气的折射率小于SiO2的折射率。因此，随着空气柱的宽度增加，第一相移层311、331和351的有效折射率逐渐减小。因为大多数光学材料具有较小的有效折射率，所以色散尺寸较小，因此，第一相移层311、331和351的色散也在R方向上减小。然而，因为有效折射率的降低率与色散的降低率不同，所以仅使用第一相移层311、331和351难以针对不同波长的光提供相同的相位延迟分布。图15的第二相移层315、335和355可以校正有效折射率变化和色散变化之间的差异。
第二内柱315a、335a和355a可以被设计为在R方向上增加宽度。例如，当第二内柱315a、335a和355a是TiO2且周围结构是SiO2时，因为TiO2的折射率高于SiO2的折射率，所以第二相移层315、335和355的有效折射率在R方向上增加。通过将第二相移层315、335和355的有效折射率的增加设计为小于第一相移层311、331、351的有效折射率的减小，可以在R方向上减小纳米结构310、330和350的有效折射率和相位延迟分布。同时，第二内柱315a、335a和355a的色散增加率与折射率增加率之比可以被设计为大于第一相移层311、331和351的色散减小率与折射率减小率之比。例如，为了防止每个波长的相位延迟随着第一相移层311、331和351的色散在R方向上减小而改变，第二相移层315、335和355的色散在R方向上增加以对此进行补偿。此时，由于不需要增加第二相移层315、335和355的折射率以补偿第一相移层311、331和351的所有折射率减小，因此，可以将第二相移层315、335和355的色散增加率与折射率增加率之比设计为大于第一相移层311、331和351的色散减小率与折射率减小率之比。
折射率大的材料具有与有效折射率变化率相比较大的色散变化率。可以将折射率比第一内柱311a、331a和351a的折射率大的材料用作第二内柱315a、335a和355a的材料。另外，在第一内柱311a、331a、351a和第二内柱315a、335a、355a中，高度小的内柱可以包括折射率大的材料。第一相移层311、331和351和第二相移层315、335和355的有效折射率与色散之间的关系可以满足下面的等式12至等式14。
[等式12]
N11＞N21
[等式13]
N12＜N22
[等式14]
Figure BDA0002750050890000361
在此，N11是第一纳米结构310的第一相移层311的有效折射率，N12是第一纳米结构310的第二相移层315的有效折射率，N21是第二纳米结构330的第一相移层331的有效折射率，N22是第二纳米结构330的第二相移层335的有效折射率，D11是第一纳米结构310的第一相移层311的色散，D12是第一纳米结构310的第二相移层315的色散，D21是第二纳米结构330的第一相移层331的色散，并且D22是第二纳米结构330的第二相移层335的色散。
图16A示出根据另一示例实施例的第一纳米结构的截面图，图16B和图16C是沿图16A的线Y3-Y3′和Y4-Y4′截取的第一纳米结构410的截面图。在此将不给出与先前实施例重复的描述。
与图12A的第一纳米结构310相比，在第一纳米结构410中，第一相移层411的高度h411小于第二相移层415的高度h415，并且第二内柱415a具有空心正方形截面，且内部空间由结构填充。
在图16A中，以如下第一相移层411为例进行描述，其中截面为正方形，高度h411为1450nm，第一内柱411a具有正方形截面，并且材料为TiO2，并且以如下第二相移层415为例进行描述，其中截面为正方形，高度h415为2480nm，第二内柱415a的外周面和内周面的截面为正方形，并且材料是Si3N4。第一内柱411a和第二内柱415a的高度可以与各自相移层的高度相同，并且第一相移层411和第二相移层415的结构可以是SiO2。
图17示出图16A的第二内柱415a的内周面的宽度wi415a、第一纳米结构410的宽度w410、第一内柱411a的宽度w411a、第二内柱415a的外周面的宽度w415a与第一纳米结构410在相对相位上的延迟量之间的关系。图18示出图16A的第一纳米结构410的宽带相位匹配。
参考图17，图16A的第一纳米结构的宽度w410和第一内柱411a的宽度w411a示出了在相位延迟增加的方向上减小的分布，第二内柱415a的外周面的宽度w415a示出了在相位延迟增加的方向上增加的分布，并且内周面的宽度wi415a示出了总体上在相位延迟增加的方向上增加并且然后当相位延迟接近π时轻微减小的分布。
参考图18，对于进入0度至60度的入射光，图16A的第一纳米结构410表现出0.8或更大的宽带相位匹配，更具体地为0.9或更大。
图19是用于说明在图11的第三菲涅耳区r3中布置纳米结构的另一示例实施例的图，并且是被设计为具有如图10所示的在R方向上减小的相位延迟分布的纳米结构410、430和450的截面图。
参考图19，第一纳米结构410、第二纳米结构430和第三纳米结构450沿R方向按顺序布置，并且可以被设计为针对具有不同波长的入射光提供相同的相位延迟分布。
与图15的第二相移层315、335和355校正第一相移层311、331和351的折射率变化率和色散变化率之间的差异的方法相似，图19的第一移位层411、431和451可以校正第二相移层415、435和455的折射率变化率和色散变化率之间的差异。为了实现相位延迟分布，可以将第二相移层415、435和455设计为使得有效折射率在R方向上减小，并且可以将第一相移层411、431和451设计为当有效折射率在R方向上以比第二相移层415、435和455的有效折射率减小率小的增加率而增加时校正第二相移层415、435和455的色散变化量。
图20A至图20C是用于说明其中第一内柱511a和第二内柱515a的截面为圆形的示例实施例的图。图20A是如下纳米结构510的截面图，其中第一内柱511a是SiO2圆柱体并且第二内柱515a是TiO2圆柱体，图20B是图20A的第一相移层511的水平截面图，并且图20C是图20A的第二相移层515的水平截面图。
在图20A的示例实施例中，尽管第一内柱511a和第二内柱515a的截面具有相同的形状(圆形)，但是第一内柱511a和第二内柱515a的截面可以具有不同的形状。例如，第一内柱511a的截面可以是圆形，而第二内柱515a的截面可以是正方形。
图21示出了共光路干涉仪，并且通过共光路干涉仪描述了测量相位延迟分布的方法。
图21的干涉仪600使用透镜620将从激光光源610发射的光准直，该光穿过待测量的样品630，即上述的超透镜，并且干涉仪600用光栅640将该光复制并将该光分开。干涉仪600可以使复制的光束之一穿过针孔650以形成平行波，然后再次组合两个分开的光束并通过图像传感器660对它们进行测量以获得干涉条纹670。在对干涉条纹670进行傅立叶变换之后，执行适当的滤波680和傅立叶逆变换以获得示出相位延迟分布的相位图690。因为相位延迟与有效折射率之间的关系与等式10相同，并且有效折射率与色散之间的关系与等式11相同，所以可以从所测量的相位延迟分布中获知有效折射率分布和色散。
可以在电子设备(光学设备等)中安装并使用上述透镜组件1100、1300和1500。除了图像传感器1200之外，电子设备还可以包括应用处理器AP，并且可以通过经由应用处理器AP驱动操作系统或应用程序来控制与应用处理器AP连接的多个硬件或软件组件，并且可以执行各种数据处理和操作。应用处理器AP还可以包括图形处理单元(GPU)和/或图像信号处理器。当在应用处理器AP中包括图像信号处理器时，可以使用应用处理器AP存储和/或输出由图像传感器1200获得的图像(或视频)。
图22是示出网络环境2200内的电子设备2201的示例的框图。参考图22，在网络环境2200中，电子设备2201可以通过第一网络2298(近场无线通信网络等)与另一电子设备2202通信，或者可以通过第二网络2299(电信网络等)与另一电子设备2204和/或服务器2208通信。电子设备2201可以通过服务器2208与电子设备2204通信。电子设备2201可以包括处理器2220、存储器2230、输入设备2250、声音输出设备2255、显示设备2260、音频设备2270、传感器2276、接口2277、触觉设备2279、相机2280、电力管理设备2288、电池2289、通信接口2290、订户识别设备2296和/或天线2297。在电子设备2201中，可以省略这些组件中的一些组件(显示设备2260等)，或者可以添加其他组件。可以在一个集成电路中实现这些组件中的一些组件。例如，传感器2276(指纹传感器、虹膜传感器、照度传感器等)可以通过嵌入在显示设备2260(显示器等)中来实现。
处理器2220可以执行软件(程序2240等)以控制连接到处理器2220的电子设备2201的一个或更多个其他组件(硬件或软件组件等)，并且可以执行各种数据处理或操作。作为数据处理或操作的一部分，处理器2220可以将从其他组件(传感器2276、通信接口2290等)接收的指令或数据加载到易失性存储器2232中，可以处理易失性存储器2232中存储的指令或数据，并且可以将结果数据存储在非易失性存储器2234中。处理器2220可以包括主处理器2221(中央处理单元、应用处理器等)以及可以独立或一起地进行操作的辅助处理器2223(图形处理单元、图像信号处理器、传感器集线器处理器、通信处理器等)。辅助处理器2223与主处理器2221相比使用更少的电力并且可以执行专门的功能。
辅处理器2223可以在主处理器2221处于非活动(例如，睡眠)状态时代替主处理器2221，或在主处理器2221处于活动(例如，执行应用)状态时与主处理器2221一起，控制与电子设备2201的组件中的一些组件(显示设备2260、传感器2276、通信接口2290等)有关的功能和/或状态。辅助处理器2223(图像信号处理器、通信处理器等)可以被实现为其他功能上相关的组件(相机2280、通信接口2290等)的一部分。
存储器2230可以存储电子设备2201的组件(处理器2220、传感器2276等)所需要的各种数据。例如，数据可以包括软件(程序2240等)和与其有关的命令的输入数据和/或输出数据。存储器2230可以包括易失性存储器2232和/或非易失性存储器2234。
程序2240可以作为软件存储在存储器2030中，并且可以包括操作系统2242、中间件2244和/或应用2246。
输入设备2250可以从电子设备2201的外部(用户等)接收要被用于电子设备2201的组件(处理器2220等)的命令和/或数据。输入设备2250可以包括麦克风、鼠标、键盘和/或数字笔(手写笔等)。
音频输出设备2255可以向电子设备2201的外部输出音频信号。音频输出设备2255可以包括扬声器和/或听筒。扬声器可以被用于诸如多媒体回放或录制回放之类的通用目的，而听筒可以被用于接收来电。听筒可以组合为扬声器的一部分，或者可以实现为单独的设备。
显示设备2260可以可视地向电子设备2201的外部提供信息。显示设备2260可以包括显示器、全息设备或投影仪以及用于对设备进行控制的控制电路。显示设备2260可以包括被设置为感测触摸的触摸电路和/或被构造为测量由触摸产生的力的强度的传感器电路(压力传感器等)。
音频设备2270可以将声音转换为电信号，反之亦然。音频设备2270可以通过输入设备2250获得声音，或者可以通过音频输出设备2255和/或直接或无线连接到电子设备2201的另一电子设备(电子设备2202等)的扬声器和/或耳机来输出声音。
传感器2276可以检测电子设备2201的操作状态(电力、温度等)或外部环境状态(用户状态等)，并且可以生成与所检测到的状态相对应的电信号和/或数据值。传感器2276可以包括手势传感器、陀螺仪传感器、气压计传感器、磁性传感器、加速度传感器、握持传感器、接近传感器、颜色传感器、红外(IR)传感器、生物特征传感器、温度传感器、湿度传感器和/或照度传感器。
接口2277可以支持可以用于将电子设备2201与其他电子设备(电子设备2202等)直接或无线连接的一种或更多种指定协议。接口2277可以包括高清晰度多媒体接口(HDMI)、通用串行总线(USB)接口、安全数字(SD)卡接口和/或音频接口。
连接端子2278可以包括连接器，电子设备2201可以通过该连接器与其他电子设备(电子设备2202等)物理连接。连接端子2278可以包括HDMI连接器、USB连接器、SD卡连接器和/或音频连接器(耳机连接器等)。
触觉设备2279可以将电信号转换成用户可以通过触觉或运动感觉而感知到的机械刺激(振动、移动等)或电刺激。触觉设备2279可以包括电机、压电元件和/或电刺激设备。
相机2280可以捕获静态图像和运动图像。相机2280可以包括包含一个或更多个透镜的透镜组件、图像传感器、图像信号处理器和/或闪光灯。包括在相机2280中的透镜组件可以收集从要捕获图像的物体发射的光，并且可以是参考图1、图5和图7描述的透镜组件1100、1300和1500中的任何一个。
电力管理设备2288可以管理供应给电子设备2201的电力。电力管理设备2288可以被实现为电力管理集成电路PMIC的一部分。
电池2289可以向电子设备2201的组件供电。电池2289可以包括不可再充电的原电池、可再充电的二次电池和/或燃料电池。
通信接口2290可以支持在电子设备2201和其他电子设备(电子设备2202、电子设备2204、服务器2208等)之间建立直接(有线)通信信道和/或无线通信信道，并通过所建立的通信信道进行通信。通信接口2290独立于处理器2220(应用处理器等)操作，并且可以包括支持直接通信和/或无线通信的一个或更多个通信处理器。通信接口2290可以包括无线通信接口2292(蜂窝通信接口、短距离无线通信接口、全球导航卫星系统(GNSS)等)和/或有线通信接口2294(局域网(LAN)通信接口、电力线通信接口等)。这些通信接口中的相应通信接口可以通过第一网络2298(诸如蓝牙、Wi-Fi直连或红外数据协会(IrDA)之类的局域网)或第二网络2299(诸如蜂窝网络、互联网或计算机网络(LAN或WAN等)之类的电信网络)与其他电子设备通信。这些各种类型的通信接口可以集成到单个组件(单个芯片等)中，或者可以实现为多个单独的组件(多个芯片)。无线通信接口2292可以通过使用存储在订户识别模块2296中的订户信息(国际移动用户标识符(IMSI)等)在通信网络(例如，第一网络2298和/或第二网络2299)内识别和认证电子设备2201。
天线2297可以向外部(其他电子设备等)发送和/或从外部接收信号和/或电力。天线可以包括由形成在基板(PCB等)上的导电图案制成的辐射体。天线2297可以包括一个或更多个天线。当包括多个天线时，通信接口2290可以在多个天线中选择适合于在诸如第一网络2298和/或第二网络2299的通信网络中使用的通信方法的天线。然后，可以通过所选择的天线在通信接口2290与其他电子设备之间发送或接收信号和/或电力。除天线之外的其他组件(RFIC等)也可以作为天线2297的一部分被包括。
一些组件可以彼此连接，并通过外围设备(总线、通用输入和输出(GPIO)、串行外围设备接口(SPI)、移动行业处理器接口(MIPI)等)之间的通信方法交换信号(命令、数据等)。
可以通过连接到第二网络2299的服务器2208在电子设备2201和外部电子设备2204之间发送或接收命令或数据。其他电子设备2202和2204可以与电子设备2201相同或不同。在电子设备2201中执行的所有操作或一些操作可以在其他电子设备2202、2204或2208中的一个或更多个中执行。例如，当电子设备2201需要执行某些功能或服务时，电子设备2201可以请求一个或更多个其他电子设备执行一些或所有功能或服务，而不是直接执行功能或服务。接收到请求的一个或更多个其他电子设备可以执行与请求相关的附加功能或服务，并且可以向电子设备2201传送执行的结果。为此，可以使用云计算、分布式计算和/或客户端-服务器计算技术。
图23是示出图22的相机2280的框图。参考图23，相机2280可以包括透镜组件2310、闪光灯2320、图像传感器2330(图1的图像传感器1200等)、图像稳定器2340、存储器2350(缓冲存储器等)和/或图像信号处理器2360。透镜组件2310可以收集从要捕获图像的物体发射的光，并且可以是参考图1、图5和图7描述的透镜组件1100、1300和1500中的任何一个。相机2280可以包括多个透镜组件2310，并且在这种情况下，相机2280可以是双摄相机、360度相机或球形相机。多个透镜组件2310中的一些可以具有相同的透镜特性(视角、焦距、自动聚焦、F数、光学变焦等)或不同的透镜特性。透镜组件2310可以包括广角透镜或远摄透镜。
闪光灯2320可以发射用于加强从物体发射或反射的光的光。闪光灯2320可以包括一个或更多个发光二极管(红-绿-蓝(RGB)LED、白光LED、红外LED、紫外LED等)和/或氙灯。图像传感器2330可以是参考图1、图5和图7描述的图像传感器1200，并且可以通过将从物体发射或反射并通过透镜组件2310传输的光转换成电信号来获得与物体相对应的图像。图像传感器2330可以包括从具有不同属性的图像传感器(例如，RGB传感器、黑白(BW)传感器、IR传感器或UV传感器)中选择的一个或多个传感器。包括在图像传感器2330中的每个图像传感器可以被实现为电荷耦合器件(CCD)传感器和/或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器。
图像稳定器2340可以响应于相机2280或包括相机2280的电子设备2201的移动而沿特定方向移动包括在透镜组件2310中的一个或多个透镜或图像传感器2330，或者可以控制图像传感器2330的操作特性(读出定时的调整等)，从而补偿由于移动而引起的负面影响。图像稳定器2340可以通过使用布置在相机2280内部或外部的陀螺仪传感器或加速度传感器来感测相机2280或电子设备2201的移动。可以光学地实现图像稳定器2340。
在存储器2350中，可以存储通过图像传感器2330获得的一些或所有数据，以用于下一图像处理操作。例如，当以高速获得多个图像时，可以将所获得的原始数据(拜耳模式数据、高分辨率数据等)存储在存储器2350中，并且仅显示低分辨率图像，然后可以将所选择的图像(用户选择等)的原始数据发送给图像信号处理器2360。存储器2350可以被集成到电子设备2201的存储器2230中，或者可以被构造为独立操作的单独存储器。
图像信号处理器2360可以对通过图像传感器2330获得的图像或存储在存储器2350中的图像数据执行一个或更多个图像处理。一个或更多个图像处理可以包括深度图生成、三维建模、全景生成、特征点提取、图像合成和/或图像补偿(降噪、分辨率调整、亮度调整、模糊、锐化、柔化等)。图像信号处理器2360可以控制(曝光时间控制或读出定时控制等)相机2280中包括的组件(图像传感器2330等)。由图像信号处理器2360处理的图像可以再次被存储在存储器2350中以用于进一步处理，或者可以被提供给相机2280的外部组件(存储器2230、显示设备2260、电子设备2202、电子设备2204、服务器2208等)。图像信号处理器2360可以被集成到处理器2220中，或者可以被构造为独立于处理器2220操作的单独处理器。当图像信号处理器2360被构造为与处理器2220分离的处理器时，由图像信号处理器2360处理的图像可以在由处理器2220进一步进行图像处理之后通过显示设备2260进行显示。
电子设备2201可以包括具有相应属性或功能的多个相机2280。在这种情况下，多个相机2280中的一个相机可以是广角相机，而其他相机可以是远摄相机。类似地，多个相机2280之一可以是前置相机，而其他相机可以是后置相机。
通过构造组合了折射透镜和超透镜的透镜组件，可以减小透镜组件的厚度并且可以改善像差问题。
如上所述，尽管已经在本公开中描述了示例实施例，但是对于本领域的普通技术人员显然的是，在不脱离本公开的主旨的情况下可以进行各种修改。例如，可以根据要实际制造的透镜组件、将要安装透镜组件的电子设备的结构和要求、实际的使用环境等适当地设置示例实施例中公开的多个透镜的尺寸。
应当理解的是，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文中描述的示例实施例。对每个示例实施例中的特征或方面的描述一般应当被看作可用于其他实施例中的其他类似特征或方面。
尽管已参考附图描述了示例实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (50)

1.一种透镜组件，包括：
第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及
第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差。
2.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述超透镜包括纳米结构阵列，所述超透镜被构造为针对所述入射光的至少两个不同波长形成相同的相位延迟分布。
3.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述入射光包括可见光。
4.根据权利要求1所述的透镜组件，包括总共五个或更多个透镜。
5.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述超透镜满足以下等式：
fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，
其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的所述超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
6.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述第二透镜还包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜接触。
7.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.8*F0＜F1＜1.2*F0，
其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
8.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，
其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
9.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
10.根据权利要求2所述的透镜组件，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及
其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下表达式：
N11＞N21，以及
N12＜N22，
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，以及
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
11.根据权利要求2所述的透镜组件，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及
其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下等式：
Figure FDA0002750050880000021
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，
D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，
D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，
D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及
D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
12.根据权利要求2所述的透镜组件，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，
其中，所述第一相移层包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，
其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，
其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及
其中，所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
13.根据权利要求12所述的透镜组件，其中，所述第一内柱包括空气柱。
14.根据权利要求1所述的透镜组件，还包括：
第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；
第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；
第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及
第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
15.根据权利要求1所述的透镜组件，其中，所述超透镜包括第一超透镜，以及
其中，所述透镜组件还包括第二超透镜和设置在所述第一超透镜与所述第二超透镜之间的至少一个透镜。
16.根据权利要求15所述的透镜组件，还包括红外滤波器，所述红外滤波器被构造为去除所述入射光中红外波段的光，以及
其中，所述第二超透镜的表面接触所述红外滤波器。
17.一种电子设备，包括：
透镜组件，包括从物方到像方布置的多个透镜；
图像传感器，被构造为基于顺序地穿过所述多个透镜的入射光来检测物体的图像；以及
图像信号处理器，被构造为存储或输出图像，
其中，所述透镜组件包括：
第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及
第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差。
18.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述超透镜包括纳米结构阵列，所述超透镜被构造为针对所述入射光的至少两个不同的波长形成相同的相位延迟分布。
19.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述入射光是可见光。
20.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述透镜组件包括总共五个或更多个透镜。
21.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述超透镜满足以下等式：
fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，
其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的所述超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
22.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述第二透镜还包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜接触。
23.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.8*F0＜F1＜1.2*F0，
其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
24.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，
其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
25.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
26.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变穿过所述第一透镜的入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及
其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下表达式：
N11＞N21，以及
N12＜N22，
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，以及
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
27.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变所述入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，以及
其中，所述多个纳米结构中的第一纳米结构和所述多个纳米结构中的与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下等式：
Figure FDA0002750050880000061
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，
D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，
D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，
D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及
D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
28.根据权利要求18所述的电子设备，其中，所述纳米结构阵列包括多个纳米结构，
其中，所述多个纳米结构包括：第一相移层，被构造为与穿过所述第一透镜的入射光反应并改变所述入射光的相位；以及第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，
其中，所述第一相移层包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，
其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，
其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及
其中，所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
29.根据权利要求28所述的电子设备，其中，所述第一内柱包括空气柱。
30.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：
第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；
第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；
第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及
第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
31.根据权利要求17所述的电子设备，其中，所述超透镜包括第一超透镜，以及
其中，所述透镜组件还包括第二超透镜和设置在所述第一超透镜与所述第二超透镜之间的至少一个透镜。
32.根据权利要求31所述的电子设备，其中，所述透镜组件还包括红外滤波器，所述红外滤波器被构造为去除所述入射光中红外波段的光，以及
其中，所述第二超透镜的表面接触所述红外滤波器。
33.一种超透镜，包括：
纳米结构，所述纳米结构包括：
第一相移层，被构造为与入射光反应以改变入射光的相位；以及
第二相移层，被构造为改变穿过所述第一相移层的入射光的相位，
其中，所述纳米结构被构造为针对所述入射光的至少两个不同的波长形成相同的相位延迟分布。
34.根据权利要求33所述的超透镜，其中，所述入射光是可见光。
35.根据权利要求33所述的超透镜，其中，所述超透镜满足以下等式：
fM1λ1＝fM2λ2＝fM3λ3，
其中，fM1是针对所述入射光中第一波长λ1的光的所述超透镜的焦距，fM2是针对所述入射光中第二波长λ2的光的所述超透镜的焦距，fM3是针对所述入射光中第三波长λ3的光的所述超透镜的焦距。
36.根据权利要求33所述的超透镜，其中，所述纳米结构中的第一纳米结构和与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下表达式：
N11＞N21，以及
N12＜N22，
其中，N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率。
37.根据权利要求33所述的超透镜，其中，所述纳米结构中的第一纳米结构和与所述第一纳米结构相邻的第二纳米结构满足以下等式：
Figure FDA0002750050880000081
N11是所述第一纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N12是所述第一纳米结构的第二相移层的有效折射率，
N21是所述第二纳米结构的第一相移层的有效折射率，
N22是所述第二纳米结构的第二相移层的有效折射率，
D11是所述第一纳米结构的第一相移层的色散，
D12是所述第一纳米结构的第二相移层的色散，
D21是所述第二纳米结构的第一相移层的色散，以及
D22是所述第二纳米结构的第二相移层的色散。
38.根据权利要求33所述的超透镜，其中，所述第一相移层包括第一内柱和围绕所述第一内柱的第一结构，
其中，所述第二相移层包括第二内柱和围绕所述第二内柱的第二结构，
其中，所述第一内柱和所述第一结构分别包括具有不同折射率的材料，以及
其中，所述第二内柱和所述第二结构分别包括具有不同折射率的材料。
39.根据权利要求38所述的超透镜，其中，所述第一内柱包括空气柱。
40.根据权利要求38所述的超透镜，其中所述第二内柱包括折射率比所述第一内柱的折射率高的材料。
41.根据权利要求38所述的超透镜，其中，所述第一内柱和所述第二内柱分别具有宽高比为2或更大的柱形状。
42.根据权利要求33所述的超透镜，还包括：
支撑层，被构造为支撑所述第一相移层和所述第二相移层。
43.根据权利要求33所述的超透镜，还包括：
间隔层，设置在所述第一相移层与所述第二相移层之间。
44.一种电子设备，包括：
透镜组件，包括从物方到像方布置的多个透镜；
图像传感器，被构造为根据顺序地穿过所述多个透镜的入射光来检测物体的图像；以及
图像信号处理器，被构造为存储或输出图像，
其中，所述透镜组件包括：
第一透镜，相对于从物方入射的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凸表面；以及
第二透镜，包括超透镜，所述超透镜相对于穿过所述第一透镜的入射光具有负色差，
其中，所述透镜组件针对入射光在120周期/mm或更少下具有0.5或更大的调制传递函数，以及
其中，所述电子设备满足以下表达式：
TTL/ISS＜0.65，
其中，总轨道长度TTL是所述透镜组件的总轨道长度，并且图像传感器尺寸ISS是所述图像传感器的对角线长度。
45.根据权利要求44所述的电子设备，其中，所述透镜组件包括总共五个或更多个透镜。
46.根据权利要求44所述的电子设备，其中，所述第二透镜还包括折射透镜，所述折射透镜相对于穿过所述超透镜的入射光具有正光焦度，所述折射透镜的面向物方的表面与所述超透镜的面向像方的表面接触。
47.根据权利要求44所述的电子设备，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.8*F0＜F1＜1.2*F0，
其中，F1是所述第一透镜的焦距，F0是所述透镜组件的复合焦距。
48.根据权利要求44所述的电子设备，其中，所述透镜组件满足以下表达式：
0.85*F0＜TTL＜1.2*F0，
其中，TTL是所述透镜组件的总轨道长度，F0是所述透镜组件的复合焦距。
49.根据权利要求44所述的电子设备，其中，所述第一透镜的面向物方的表面的有效半径大于所述第二透镜的面向物方的表面的有效半径。
50.根据权利要求44所述的电子设备，还包括：
第三透镜，相对于穿过所述第二透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向像方的凹表面；
第四透镜，相对于穿过所述第三透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；
第五透镜，相对于穿过所述第四透镜的入射光具有正光焦度，并且具有面向物方的凹表面；以及
第六透镜，相对于穿过所述第五透镜的入射光具有负光焦度，并且具有面向物方的凹表面。
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