CN113176695B - 具有相控超透镜的相机 - Google Patents

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Abstract

一种相机包括设置在该相机的物镜和成像器之间的相控超透镜。相控超透镜被配置为响应于相机的操作温度的变化而在相机的视野中调整图像的焦平面。相控超透镜针对光的多个频率或波长调整焦平面，使得离开相控超透镜的所有光波前同时到达成像器。

Description

具有相控超透镜的相机
技术领域
本公开总体上涉及相机。
背景技术
定焦相机通常在室温下对准并聚焦。由于相机的热膨胀和收缩，这些相机可能在与各种汽车应用相关联的操作温度上经历散焦，也称为后焦距变化。
发明内容
相机的示例包括：设置在相机的物镜和成像器之间的相控超透镜 (phasedmetalens)。该相控超透镜被配置为响应于相机的操作温度的变化而在相机的视野中调整图像的焦平面。
在具有先前段落的相机的一个或多个特征的示例中，相控超透镜设置在成像器焦点平面的1mm内。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，相控超透镜针对光的多个频率或波长来调整焦平面。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，波长从 400纳米(400nm)至1600nm变动。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，相控超透镜在约145摄氏度的温度范围内调整焦平面。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，相控超透镜在约16微米(16μm)的焦距变化内调整焦平面。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，相控超透镜包括多个亚波长结构，该多个亚波长结构跨相控超透镜设置在预定坐标处。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，多个亚波长结构从透过相控超透镜的光的波长的八分之一至二分之一变动。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，多个亚波长结构被分组为具有独特的相位轮廓(phase profile)的多个布置；独特的相位轮廓被配置为调整透过多个布置的光的相位。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，独特的相位轮廓是基于布置距相控超透镜的中心的相应径向距离的。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，独特的相位轮廓是基于相机的操作温度的。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，多个布置限定了多个分辨率单元。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，位于距相控超透镜的中心相同半径处的多个分辨率单元具有相同的相位轮廓。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，位于距相控超透镜的中心不同半径处的多个分辨率单元具有不同的相位轮廓。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，一个分辨率单元的大小等于四个图像像素的大小。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，每个图像像素包括约30至36个亚波长结构。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，每个分辨率单元包括约120至144个亚波长结构。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，随着多个分辨率单元的相应径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对光的给定波长的相位调整量。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对光的渐减波长的相位调整量。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对给定温度的相位调整量。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对渐增温度的相位调整量。
在具有先前段落中任一项的相机的一个或多个特征的示例中，离开相控超透镜的所有光波前同时到达成像器。
附图说明
现在将参考附图通过示例的方式描述本发明，其中：
图1是根据一个示例的相机的截面图的图示；
图2示出了其中从相控超透镜24的不同区域离开的光线的波前同时 (即Δt＝0，同相地)到达成像器焦点平面26的示例；
图3示出了相控超透镜24的聚焦特性的示例；
图4是根据一个示例的沿图1的相机的光轴观察的相控超透镜的图示；
图5A是根据一个示例的用于蓝光的相位调整的曲线图；
图5B是根据一个示例的用于绿光的相位调整的曲线图；以及
图5C是根据一个示例的用于红光的相位调整的曲线图。
具体实施方式
现在将详细参考实施例，其示例在附图中示出。在下面的具体实施方式中，阐述了许多具体细节以便提供对各种所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种所描述的实施例。在其它情况下，未详细描述公知的方法、过程、组件、电路和网络，以免不必要地模糊实施例的方面。
图1示出了包括物镜12和成像器14的相机10的截面图。虽然本文所示的示例公开了相机10，但是应当理解，公开内容也适用于感测电磁辐射的其它设备或传感器，例如，光检测和测距(LiDAR)传感器。取决于应用要求，可以在相机10中使用具有不同几何形状的多个相机透镜(未示出)。成像器14可以与控制器电路(未示出)电通信，以处理在相机10的视野 20中的物体18的图像16。在图1所示的示例中，相机10的焦距是固定的。也就是说，相机10不包括用于在相机10的焦平面22远离成像器14移动 (即，散焦)时对图像16重新聚焦的机械或电焦点调整设备。在示例中，由于操作温度变化引起的相机10的热膨胀和收缩可能导致相机10散焦。将理解，由于相机10的热膨胀或热收缩，焦平面22可以沿着相机10的光轴28在正方向(即，朝向物镜12)或负方向(即，朝向成像器14)移动。
可能要求用于高级驾驶员辅助系统(ADAS)的典型相机在-40℃至 +105℃的温度范围内操作。ADAS相机通常在25℃聚焦。取决于相机机身(未具体示出)、垫片和透镜中使用的材料，该温度范围可能导致相机10 的焦距变化多达16微米(16μm)。与更昂贵的可调焦相机相比，具有带有相对大的孔径和相对低的f制光圈(f-stop)的定焦透镜的ADAS相机具有减小的焦深。因此，ADAS相机在145℃温度范围内的热膨胀将导致图像质量的显著且可测量(例如，25％到50％)的下降，这可能会不利地影响 ADAS系统。自动驾驶车辆相机要求持续朝向以下方向发展：更小的相机成像器14像素大小(例如，2μm)，更高密度的焦点平面(例如，8个兆像素阵列)，以及更高的空间频率对比度图像质量要求(例如，大于75线对 /mm)。因此，对于更大型相机而言温度方面的图像退化会成比例地更高，并且会降低物体检测性能。
对于传统的定焦透镜系统，后焦距的15μm-20μm的变化将要求整个透镜系统的相同移动，或者可以通过以下方式实现：a)引入透镜元件折射率变化(例如，6％-9％或表示0.010-0.014的增量变化)，和/或b)透镜元件材料厚度变化(例如，20μm-30μm)，和/或c)曲率变化(例如，50mm曲率半径)，和/或d)通过上述方式的组合的较小贡献。
为了解决定焦相机10的散焦问题，如图1所示，在相机10的物镜12 和成像器14之间设置相控超透镜24。相控超透镜24被配置为响应于相机 10的操作温度的变化而在相机10的视野20中调整图像16的焦平面22。相控超透镜24通过经由亚波长结构25对入射光线进行相移来实现这一点，如下面将更详细描述的。这些亚波长结构25(也称为纳米结构)可以沉积在光学透明材料(例如，光学玻璃)的相对薄的、通常为平面的基板上，并且可以由具有能够操纵光波的结构特征的超材料形成。在示例中，使用已知的光刻工艺由诸如二氧化钛、氮化硅、氮化硼、二硫化钼或其组合之类的化合物来制造超材料。可以基于被感测的电磁辐射的波长来选择超材料。在示例中，可以针对可见光谱和近红外光谱中的光选择二氧化钛。在示例中，可以针对可见光谱中的光选择氮化硅。在示例中，可以针对具有低于可见光谱和近红外光谱(例如，紫外光)的波长的电磁辐射选择氮化硼。在示例中，可以针对具有近红外光谱中的波长的电磁辐射选择二硫化钼。
图2示出了这样的示例：其中从相控超透镜24的不同区域离开的光线的波前同时(即Δt＝0，同相地)到达成像器焦点平面26。在示例中，亚波长结构25在基板的离开侧(即，面对成像器14的一侧)被制造。在示例中，亚波长结构25垂直于入射光线的横截面是矩形的。在另一示例中，亚波长结构25垂直于入射光线的横截面是圆形的。相控超透镜24被配置为对入射光线进行相移，使得离开相控超透镜24的所有光波前均同时到达成像器14，从而导致在所有温度条件下的良好聚焦。也就是说，取决于亚波长结构25在相控超透镜24上的位置，相控超透镜24使光波前延迟不同的量，使得到达成像器14的所有光波前同相。相控超透镜24通过以下方式来实现这一点：使用精确限定的纳米级亚波长分辨率结构在入射光波长上实现近衍射受限聚焦。在示例中，使用以下已知等式，由设计波长、亚波长结构形状和相控超透镜24焦距限定相控超透镜24的相位关系：
其中λd是设计波长，f是会聚的相控超透镜24的焦距，并且x和y是亚波长结构25在相控超透镜24上的坐标。为了说明跨操作温度范围的焦点变化，相控超透镜24包括亚波长结构25，该亚波长结构25以针对由相机10 的温度变化导致的、分辨率单元30内的多个焦距的独特的相位轮廓布置。也就是说，相控超透镜24包括针对焦距的多个偏移设计的多个独特的相位轮廓，使得当焦距因温度变化而偏移时，离开相控超透镜24的光线将保持同相。
图3示出了图1的相控超透镜24的焦点特性的示例。相控超透镜24 被配置为在约145℃的温度范围以及约16μm的焦距的相关联变化上调整焦平面22。相控超透镜24针对光的多个频率或波长调整焦平面22。在示例中，波长从大约400nm至大约1600nm(即，可见光至近红外光)变动。在另一示例中，波长从大约400nm至大约700nm(即，仅可见光)变动。在另一示例中，波长从大约700nm至大约1600nm(即，仅近红外光)变动。
相机10的一方面是相控超透镜24紧靠成像器14放置。在示例中，相控超透镜24设置在成像器焦点平面26(即，成像器14的成像表面)的1mm 内。在示例中，超透镜24的厚度小于1mm，并且优选地小于25μm。这种相对薄的结构使得超透镜24能够设置在定焦物镜12和成像器焦点平面26 之间的通常狭窄的空间中。这种设置实现了允许补偿热驱动散焦的更大的灵活性，同时以其它方式独立于现有的固定透镜系统。
图4示出了沿相机10的光轴28观察到的相控超透镜24。相控超透镜 24包括多个亚波长结构25(未示出)，其跨相控超透镜24设置在预先确定的坐标处。在示例中，多个亚波长结构25从透过相控超透镜24的光的波长的八分之一至二分之一变动。在示例中，使蓝光(具有从450nm至485nm 变动的波长)移相的亚波长结构25将具有与从0.050μm至0.150μm变动的入射光线垂直的横截面维度。将认识到，具有越长波长的光将要求越大的亚波长结构25以引起相移，并且具有越短波长的光将要求越小的亚波长结构25以引起相移。
再次参考图4，将多个亚波长结构25分组为具有限定多个分辨率单元 30(RU 30)的独特的相位轮廓的多个布置。也就是说，多个亚波长结构25 被布置到具有独特的相位轮廓的RU 30中，该独特的相位轮廓使透过RU 30 的光延迟不同的时间量。这些独特的相位轮廓被配置为基于相机10的操作温度，并且还基于RU 30与相控超透镜24的中心的相应径向距离，来调整透过多个RU 30的光的相位。图4示出了与多个RU 30隔离的两个分开的 RU 30的示例，其具有不同的相位轮廓，如设置在“半径1”处的RU 30 内的“相位轮廓1”和设置在“半径2”处的RU 30内的“相位轮廓2”所表示的。在图4所示的示例中，位于距相控超透镜24的中心相同半径(例如，半径1)处的多个RU 30具有相同的相位轮廓，并且位于距相控超透镜 24的中心不同半径(例如，半径2)处的多个RU 30具有不同的相位轮廓。
再次参考图4，在示例中，一个RU 30的大小等于成像器14的四个图像像素32的大小。最大有用图像分辨率限于Nyquist频率，即，像素大小的分辨率被缩放到相机10成像器焦点平面26像素大小。在该示例中，这等效于四个图像像素32的大小。在示例中，对于具有以大小2μm x 2μm 测量的图像像素32的相机10，极限分辨率为4μm x 4μm的面积。在该面积内，图像信息被进一步细分或者无法再现或成像，因此4μm x 4μm的面积是RU 30的极限维度。下面的表1说明了3mm x 3mm相控超透镜24的各种特性的规模的示例。
表1 3mm x 3mm相控超透镜
参照表1，在示例中，每个RU 30包括大约120到144个亚波长结构 25。在该示例中，焦点特性涵盖11-12个离散波长的范围，其中11-12个离散温度偏移可以包含于单个RU 30中。
图5A-5C是亚波长结构25距相控超透镜24的中心的径向距离相对光的相位调整的曲线图。在该示例中，在三种操作温度(-40℃、25℃和+105℃) 下的可见光(蓝、绿和红)的三种颜色(即波长)用于说明相控超透镜24 如何调整离开光线的相位。在该示例中，随着多个RU 30的相应径向距离从相控超透镜24的中心朝向相控超透镜24的外围增加，独特的相位轮廓增加针对光的给定波长的相位调整量。参考图5A(蓝色波长)，相控超透镜24的中心以(0，0)来指示，其中针对三个温度的相位调整几乎为零。随着亚波长结构25远离超透镜24的中心移动，对于所指示的三个温度，相位调整增加。
在图5A-5C所示的示例中，随着多个RU 30的径向距离从相控超透镜 24的中心增加，独特的相位轮廓增加针对光的渐减波长的相位调整量。比较图5A与图5B和图5C，图5A中的针对蓝光的相位调整大于图5B的针对绿光的相位调整，针对绿光的相位调整进而大于图5C的针对红光的相位调整。将理解，光的波长从蓝光到绿光到红光而增加。
在图5A-5C所示的示例中，随着多个RU 30的径向距离从相控超透镜 24的中心增加，独特的相位轮廓增加针对相机10的给定操作温度的相位调整量。参考图5A-5C，恒定温度的曲线图示出了随着亚波长结构25的径向距离从相控超透镜24的中心增加而增加的相位调整。
在图5A-5C所示的示例中，随着多个RU 30的径向距离从相控超透镜 24的中心增加，独特的相位轮廓增加针对相机10的渐增操作温度的相位调整量。再次参考图5A-5C，随着温度从-40℃增加到105℃，相位调整量也增加。
以下是与具有相控超透镜的相机有关的一些示例。
示例1、一种相机，包括：设置在相机的物镜和成像器之间的相控超透镜；该相控超透镜被配置为响应于相机的操作温度的变化而在该相机的视野中调整图像的焦平面。
示例2、根据前述示例中任一项的相机，其中，相控超透镜设置在成像器焦点平面的1mm内。
示例3、根据前述示例中任一项的相机，其中，相控超透镜针对光的多个频率或波长来调整焦平面。
示例4、根据前述示例中任一项的相机，其中，波长从400nm至1600 nm变动。
示例5、根据前述示例中任一项的相机，其中，相控超透镜在约145 摄氏度的温度范围内调整焦平面。
示例6、根据前述示例中任一项的相机，其中，相控超透镜在约16μm 的焦距变化内调整焦平面。
示例7、根据前述示例中任一项的相机，其中，相控超透镜包括多个亚波长结构，该多个亚波长结构跨相控超透镜设置在预定坐标处。
示例8、根据前述示例中任一项的相机，其中，多个亚波长结构从透过相控超透镜的光的波长的八分之一至二分之一变动。
示例9、根据前述示例中任一项的相机，其中，多个亚波长结构被分组为具有独特的相位轮廓的多个布置；
独特的相位轮廓被配置为调整透过多个布置的光的相位。
示例10、根据前述示例中任一项的相机，其中，独特的相位轮廓是基于布置距相控超透镜的中心的相应径向距离的。
示例11、根据前述示例中任一项的相机，其中，独特的相位轮廓是基于相机的操作温度的。
示例12、根据前述示例中任一项的相机，其中，多个布置限定了多个分辨率单元。
示例13、根据前述示例中任一项的相机，其中，位于距相控超透镜的中心相同半径处的多个分辨率单元具有相同的相位轮廓。
示例14、根据前述示例中任一项的相机，其中，位于距相控超透镜的中心不同半径处的多个分辨率单元具有不同的相位轮廓。
示例15、根据前述示例中任一项的相机，其中，一个分辨率单元的大小等于四个图像像素的大小。
示例16、根据前述示例中任一项的相机，其中，每个图像像素包括约 30至36个亚波长结构。
示例17、根据前述示例中任一项的相机，其中，每个分辨率单元包括约120至144个亚波长结构。
示例18、根据前述示例中任一项的相机，其中，随着多个分辨率单元的相应径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对光的给定波长的相位调整量。
示例19、根据前述示例中任一项的相机，其中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对光的渐减波长的相位调整量。
示例20、根据前述示例中任一项的相机，其中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对给定温度的相位调整量。
示例21、根据前述示例中任一项的相机，其中，随着多个分辨率单元的径向距离从相控超透镜的中心增加，独特的相位轮廓增加针对渐增温度的相位调整量。
示例22、根据前述示例中任一项的相机，其中，离开相控超透镜的所有光波前同时到达成像器。
虽然已经根据本发明的优选实施例对本发明进行了描述，但是本发明并不旨在限于此，而是仅受所附权利要求书中所阐述的程度限制。“一个或多个”包括功能由一个元件执行，功能由多于一个元件例如以分布方式执行，多个功能由一个元件执行，多个功能由多个元件执行，或上述的任意组合。还应理解，虽然在一些情况下，本文所使用的术语“第一”、“第二”等用于描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于在元件间进行区分。例如，在不背离所描述的各种实施例的范围的情况下，第一触点可以被称为第二触点，并且类似地，第二触点可以被称为第一触点。第一触点和第二触点都是触点，但是它们不是同一触点。在本文对各种描述的实施例的描述中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，而不旨在进行限制。如在对各种描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式，除非上下文另外明确指出。还应理解，本文使用的术语“和/或”是指并涵盖相关联列出项目中的一个或多个的任何和所有可能的组合。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括(includes)”、“包括 (including)”、“包含(comprises)”和/或“包含(comprising)”指定了存在所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或其组。如本文所使用的，取决于上下文，术语“如果”被可选地解释为表示“当……时”或“在……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于上下文短语“如果确定”或“如果检测到[所陈述的条件或事件]”被可选地解释为表示“在确定……时”或“响应于确定”或“在检测到[所陈述的条件或事件]时”或“响应于检测到[所陈述的条件或事件]”。

Claims (21)

1.一种相机，包括：
设置在所述相机的物镜和成像器之间的相控超透镜；
所述相控超透镜被配置为响应于所述相机的操作温度的变化而在所述相机的视野中调整图像的焦平面，
其中，所述相控超透镜包括多个亚波长结构，所述多个亚波长结构被分组为具有相应独特的相位轮廓的多个布置，所述相应独特的相位轮廓是基于所述相机的操作温度的。
2.根据权利要求1所述的相机，其中，所述相控超透镜被设置在成像器焦点平面的1mm内。
3.根据权利要求1或2所述的相机，其中，所述相控超透镜针对光的多个频率或波长来调整所述焦平面。
4.根据权利要求3所述的相机，其中，所述波长从400nm至1600nm变动。
5.根据权利要求1或2所述的相机，其中，所述相控超透镜在约145摄氏度的温度范围内调整所述焦平面。
6.根据权利要求5所述的相机，其中，所述相控超透镜在约16μm的焦距变化内调整所述焦平面。
7.根据权利要求1或2所述的相机，其中，所述多个亚波长结构跨所述相控超透镜设置在预定坐标处。
8.根据权利要求1所述的相机，其中，所述多个亚波长结构从透过所述相控超透镜的光的波长的八分之一至二分之一变动。
9.根据权利要求1所述的相机，其中，所述相应独特的相位轮廓被配置为调整透过所述多个布置的光的相位。
10.根据权利要求9所述的相机，其中，所述相应独特的相位轮廓是基于所述多个布置距所述相控超透镜的中心的相应径向距离的。
11.根据权利要求10所述的相机，其中，所述多个布置限定了多个分辨率单元。
12.根据权利要求11所述的相机，其中，所述多个分辨率单元中的位于距所述相控超透镜的中心相同半径处的分辨率单元具有相同的相位轮廓。
13.根据权利要求11所述的相机，其中，所述多个分辨率单元中的位于距所述相控超透镜的中心不同半径处的分辨率单元具有不同的相位轮廓。
14.根据权利要求11所述的相机，其中，一个分辨率单元的大小等于四个图像像素的大小。
15.根据权利要求14所述的相机，其中，每个图像像素包括约30至36个亚波长结构。
16.根据权利要求14所述的相机，其中，每个分辨率单元包括约120至144个亚波长结构。
17.根据权利要求11所述的相机，其中，随着所述多个分辨率单元的所述相应径向距离从所述相控超透镜的中心增加，所述相应独特的相位轮廓增加针对光的给定波长的相位调整量。
18.根据权利要求11所述的相机，其中，随着所述多个分辨率单元的所述相应径向距离从所述相控超透镜的中心增加，所述相应独特的相位轮廓增加针对光的渐减波长的相位调整量。
19.根据权利要求11所述的相机，其中，随着所述多个分辨率单元的所述相应径向距离从所述相控超透镜的中心增加，所述相应独特的相位轮廓增加针对给定温度的相位调整量。
20.根据权利要求11所述的相机，其中，随着所述多个分辨率单元的所述相应径向距离从所述相控超透镜的中心增加，所述相应独特的相位轮廓增加针对渐增温度的相位调整量。
21.根据权利要求1或2所述的相机，其中，离开所述相控超透镜的所有光波前同时到达所述成像器。
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