CN114675395A - 一种超薄彩色成像透镜组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种超薄彩色成像透镜组件，其包括：彩色成像透镜阵列、滤光片以及图像接收器件，彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，滤光片的每个滤光区域与每个子成像透镜一一对应，将不同波长的光对应的子成像透镜在其高度方向进行分布，对焦距进行补偿；或，包括：彩色成像透镜阵列以及具有滤波功能的图像接收器件，彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，图像接收器件能够沿光轴移动，所有子成像透镜处于同一个平面，图像接收器件移动至不同波长的光下子成像透镜对应的成像位置，对焦距进行补偿；每个子成像透镜为宽波段成像透镜。本发明采用彩色成像透镜阵列实现集成彩色成像，成像质量好。

Description

一种超薄彩色成像透镜组件
技术领域
本发明属于光学元件领域，具体涉及一种超薄彩色成像透镜组件。
背景技术
在一些微距应用领域如手机镜头等场合，传统单镜头折射透镜模组无法通过进一步压缩体积来适应日益轻薄化的应用场景，且传统透镜模组结构复杂，需要多片透镜组合来提高成像质量，加工成本高。
传统折射透镜模组无法通过进一步压缩体积来适应日益轻薄化的应用场景，且传统透镜模组结构复杂，需要多片透镜组合来提高成像质量，加工成本高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出了一种超薄彩色成像透镜组件。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种超薄彩色成像透镜组件，包括：彩色成像透镜阵列、滤光片以及用于成像的图像接收器件，彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，滤光片的每个滤光区域与每个子成像透镜一一对应，不同波长的光下同一子成像透镜的焦距不同，将不同波长的光对应的子成像透镜在其高度方向进行分布，对焦距进行补偿；
或，包括：彩色成像透镜阵列以及具有滤波功能的图像接收器件，彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，图像接收器件能够沿光轴移动，不同波长的光下同一子成像透镜的焦距不同，所有子成像透镜处于同一个平面，图像接收器件移动至不同波长的光下子成像透镜对应的成像位置，对焦距进行补偿；
每个子成像透镜为宽波段成像透镜，且每个子成像透镜为折射透镜或者衍射透镜，子成像透镜的口径在50微米至1厘米之间，其焦距在150微米至5厘米之间。
在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：
作为优选的方案，子成像透镜为衍射液晶透镜时，彩色成像透镜阵列还包括：透明刚性/柔性衬底，多个子成像透镜设置于衬底上。
作为优选的方案，每个子成像透镜对单色光成像之后通过图像分割、重构合成为一张彩色图像。
作为优选的方案，在彩色成像透镜阵列和图像接收器件之间设有隔离层，隔离层用于将每个透镜成像区域进行分隔。
作为优选的方案，彩色成像透镜阵列内相位取向呈现菲涅尔环带分布；或，彩色成像透镜阵列内相位分布能够使入射光形成有聚焦特性球面波或非球面波的相位波前。
作为优选的方案，彩色成像透镜阵列成像波段为可见光波段400-700nm，彩色成像透镜阵列为宽波段成像液晶透镜，子成像透镜为微液晶聚合物微透镜时，由上至下依次包括：液晶聚合物层、下取向层以及下基板。
作为优选的方案，宽波段成像液晶透镜的液晶分子沿光轴方向采用双层反对称的液晶聚合物分子结构排列实现宽波段成像功能，上层为左手性胆甾相液晶聚合物，下层为右手性胆甾相液晶聚合物，每层液晶聚合物分子对入射光的相位调制量为λ/2，λ为中心工作波长，单层胆甾分子扭曲角度在60度-80度之间。
作为优选的方案，图像接收器件能够为成像波段的彩色CCD或彩色COMS成像器件或可切换红、绿、蓝三色窄带滤波片搭配单色CCD、COMS成像器件，红色窄带滤光片的波段为600nm～700nm，绿色窄带滤光片的波段为500nm～560nm，蓝色窄带滤光片的波段为400nm～460nm。
作为优选的方案，彩色成像透镜组件包括：彩色成像透镜阵列以及具有滤波功能的图像接收器件时，图像接收器件采用时分复用技术，当图像接收器件移动至所设定单色光成像焦平面时，仅对对应单色光成清晰像，对红绿蓝三种波长入射光分别在不同时间移动图像接收器件至彩色成像透镜阵列后不同焦平面接收所成清晰像，对所采集到的RGB单色图像的大小和/或强度进行优化调整，使三幅图像协调统一，然后通过图像重构组合为一张图像，通过单个彩色成像透镜阵列实现彩色成像。
本发明公开一种超薄彩色成像透镜组件，其采用多个呈阵列分布的多个子成像透镜实现集成彩色成像，子成像透镜的参数保持一致，便于制备，子成像透镜可以为液晶透镜、折射透镜、衍射透镜，本发明成像效果佳，适合大范围的推广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的彩色成像透镜阵列的子成像透镜排布图。
图2为本发明实施例提供的彩色成像透镜组件结构侧视图之一。
图3为本发明实施例提供的彩色成像透镜组件结构侧视图之二。
图4为本发明实施例提供的时分复用消色差成像原理图。
图5为本发明实施例提供的彩色成像透镜阵列环带结构示意图。
图6为本发明实施例提供的彩色成像透镜阵列中液晶分子光轴分布。
图7为本发明实施例提供的宽波段彩色成像透镜阵列液晶分子排列图。
其中：1-滤光片，2-彩色成像透镜阵列，3-图像接收器件，4-第一焦平面，5-第二焦平面，6-第三焦平面。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
另外，“包括”元件的表述是“开放式”表述，该“开放式”表述仅仅是指存在对应的部件，不应当解释为排除附加的部件。
为了达到本发明的目的，一种超薄彩色成像透镜组件的其中一些实施例中，如图1和2所示，一种超薄彩色成像透镜组件包括：彩色成像透镜阵列2、滤光片1以及用于成像的图像接收器件3，彩色成像透镜阵列2包括：呈阵列分布的多个子成像透镜，滤光片1的每个滤光区域与每个子成像透镜一一对应，每个子成像透镜只对单一成像波段设计结构，不同子成像透镜与图像接收器件3之间的距离不同。
每个子成像透镜为宽波段成像透镜，且每个子成像透镜为折射透镜或者衍射透镜，不同波长的光下同一子成像透镜的焦距不同。
如图2所示，空间复用彩色，相同子成像透镜下，不同波长的光焦距不同，为了在同一平面同时获得RGB清晰像，将不同波长的光对应的子成像透镜在其高度方向进行分布，对焦距进行补偿。
其中，彩色成像透镜阵列2厚度在2微米到500微米之间，其对应的彩色成像透镜组件可以称为“超薄彩色成像透镜组件”。
同一彩色成像透镜阵列内所有的子成像透镜参数相同，具体为400-700nm波段内具有良好聚焦特性的折射透镜或衍射透镜，能在PMMA、玻璃、液晶聚合物等在可见光波段透过率良好的材料获得。子子透镜不需要为消色差透镜，即在不同波长下的焦距不需要一致。
滤光片1的颜色能够可为红、绿、蓝光学三原色，也可为其他颜色，滤光片1的各个颜色区域与彩色成像阵列中的单色的字成像子成像透镜对应，所对应的彩色成像透镜的设计成像波段也可为红、绿、蓝三个波段，或相应的可重构出彩色图像的其他波段。
此实施例中采用红、绿、蓝光学三原色滤光片1，子成像透镜为衍射液晶透镜。滤光片1的不同颜色区域与彩色成像透镜阵列2中的子成像透镜对应，子成像透镜只对单一波段设计，通过将彩色成像透镜阵列2的不同子成像透镜在光轴不同位置摆放即彩色成像透镜阵列2不同子成像透镜区域与图像接收器件3之间距离不同，来实现同时将不同波段的入射光在图像接收器件3上成清晰像，然后通过图像分割重构合成彩色图像。
子成像透镜参数一致，将子成像透镜在纵向空间排布或者成像面根据时间移动，来获得彩色清晰的像。子成像透镜的选择包括但不限于为液晶透镜、折射透镜、衍射透镜，只要在400-700nm成像效率较高，具有良好聚焦特性就可以。
子成像透镜的参数保持一致，便于制备。为了成像系统设计，子成像透镜口径在50微米至1厘米之间，焦距根据成像系统的空间进行合理选取，焦距在150微米至5厘米之间。
本发明彩色成像透镜组件中子成像透镜为衍射液晶透镜时，工作时可与波片及偏振片协同工作，采用液晶聚合物改变入射偏振光的相位，以实现正焦距或负焦距的效果，通过光取向等技术手段来产生特定的液晶分子取向。当然，在一些实施例中，子成像透镜也可采用液晶盒结构，制备电控可调成像透镜。子成像透镜可以为衍射液晶透镜或液晶盒结构，可通过灰度光刻或掩膜曝光方式制备，且可转移至柔性基底上，扩展了使用场合。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，子成像透镜为衍射液晶透镜时，彩色成像透镜阵列2还包括：透明刚性/柔性衬底，多个子成像透镜设置于衬底上。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，子成像透镜可采用液晶聚合物(LCP)制备，可使用透明柔性衬底，具有柔性、超薄、无色等优点。当采用透明柔性衬底的液晶衍射透镜在使用时可以折叠或卷起，以减小占地面积，使用时再展开。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，每个子成像透镜对单色光成像之后通过图像分割、重构合成为一张彩色图像。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，可避免成像色差。实现同时将不同波段的入射光在图像接收器件3上成清晰像，然后通过图像分割重构合成彩色图像。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在彩色成像透镜阵列2和图像接收器件3之间设有隔离层，隔离层用于将每个透镜成像区域进行分隔，避免子图像之间的串扰。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，达到消除成像干扰且实现分割图像的目的，即可实现每个单色成像子成像透镜所成图像占据总体图像的不同区域，互不干扰。
如图5所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，彩色成像透镜阵列2内相位取向呈现菲涅尔环带分布，焦距与入射光波长的关系为：
Figure BDA0002862402490000071
rn为第n个环带至圆心的半径，n＝1，2，3…，f为焦距，λ为入射波长。
如图6所示，图6中短线表示了彩色成像透镜中光轴的变化情况。光取向剂经特定的偏振光取向，注入液晶后，会对液晶分子进行取向，形成菲涅尔环带结构，偏振光入射时，使出射波前附加了一个连续渐变的抛物线形的位相分布，从而实现正焦距或负焦距。
在其他实施例中，彩色成像透镜阵列2内相位分布能够使入射光形成有聚焦特性球面波或非球面波的相位波前。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，彩色成像透镜阵列2成像波段为可见光波段400-700nm，彩色成像透镜阵列2为宽波段成像液晶透镜，子成像透镜为微液晶聚合物微透镜时，由上至下依次包括：液晶聚合物层、下取向层以及下基板。
传统衍射透镜由于受成像原理限制，单个透镜对宽波段成像效率低，色差严重。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施例的基础上，宽波段成像液晶透镜的液晶分子沿光轴方向采用双层反对称的液晶聚合物分子结构排列实现宽波段成像功能，上层为左手性胆甾相液晶聚合物，下层为右手性胆甾相液晶聚合物，每层液晶聚合物分子对入射光的相位调制量为λ/2，λ为中心工作波长，单层胆甾分子扭曲角度在60度-80度之间。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，如图7所示，子成像透镜采用双扭曲结构可应用于宽波段成像，即分为两层反对称的液晶聚合物分子结构，上层为左手性胆甾相液晶聚合物，下层为右手性胆甾相液晶聚合物，每层液晶聚合物分子对入射光的相位调制量为λ/2，λ为中心工作波长，d为单层液晶聚合物厚度。
另一方面，本发明还公开彩色成像透镜阵列2的制备方法，包括以下步骤：
将预制备的彩色成像透镜阵列2的子成像透镜的液晶分子取向按不同区域分块；
放置基板；
在基板上旋涂光取向剂，按设计块排列取向；
旋涂掺杂右手性分子的胆甾相液晶聚合物，厚度满足Δnd＝λ/2，其中Δn为液晶材料的双折射率差，d为液晶材料厚度，λ为工作波长，可取典型绿光波长，光取向剂敏感波段外光固化；
在第一层液晶聚合物上涂布掺杂左手性分子的胆甾相液晶聚合物，厚度与第一层一样，液晶自动进行反对称取向，光取向剂敏感波段外光固化；
将制成的多个子成像透镜按照设计拼接于透明刚性/柔性衬底上，制成彩色成像透镜阵列2。
以光取向制备方式为例，制备时，先在基底上旋涂光取向剂，然后进行取向，然后旋涂掺杂右手性分子的反应性胆甾相液晶聚合物，使其厚度满足
Figure BDA0002862402490000081
其中Δn为液晶材料的双折射率差，d为液晶材料厚度，λ为工作波长，第一层液晶聚合物紫外光固化之后在第一层液晶聚合物上直接旋涂掺杂左手性分子的反应性胆甾相液晶聚合物，厚度与第一层一样，液晶会自动进行扭曲取向，且与第一层液晶聚合物分子形成反对称结构。
上述彩色成像透镜阵列2可将入射的右旋圆偏振转换为聚焦的左旋圆偏振光，对于左旋圆偏振入射光，可以得到发散态的右旋圆偏光。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，图像接收器件3能够为成像波段的彩色CCD或彩色COMS成像器件或可切换红、绿、蓝三色窄带滤波片搭配单色CCD、COMS成像器件，红色窄带滤光片1的波段为600nm～700nm，绿色窄带滤光片1的波段为500nm～560nm，蓝色窄带滤光片1的波段为400nm～460nm。
优选的，红色窄带滤光片1的波段为600nm～650nm。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，滤波片1可以但不限于为转轮等可切换结构，放置于感光器件表面或在感光器件和透镜之间的某一位置。
如图3所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，超薄彩色成像透镜组件包括：彩色成像透镜阵列2以及具有滤波功能的图像接收器件3，彩色成像透镜阵列2包括：呈阵列分布的多个参数一致的子成像透镜，图像接收器件3能够沿光轴移动，不同波长的光下同一子成像透镜的焦距不同，所有子成像透镜处于同一个平面，图像接收器件移动至不同波长的光下子成像透镜对应的成像位置，对焦距进行补偿。
每个子成像透镜为宽波段成像透镜，且每个子成像透镜为折射透镜或者衍射透镜，不同波长的光下同一子成像透镜的焦距不同。
为了进一步地优化本发明的实施效果，在上述实施例的基础上，图像接收器件3采用时分复用技术，当图像接收器件3移动至所设定单色光成像焦平面时，仅对对应单色光成清晰像，对红绿蓝三种波长入射光分别在不同时间移动图像接收器件至彩色成像透镜阵列后不同焦平面接收所成清晰像，对所采集到的RGB单色图像的大小和/或强度进行优化调整，使三幅图像协调统一，然后通过图像重构组合为一张图像，通过单个彩色成像透镜阵列实现彩色成像。
采用上述优选的实施方案，其效果在于，该实施例中，所使用的图像接收器件3具备滤光功能，可为红、绿、蓝三色滤光片1，当移动至所处焦平面时，仅接受单色光所成像。
如图4所示，图像接收器件3可在光轴上移动，依次接收第一焦平面4、第二焦平面5和第三焦平面6处的单色图像，最后拼合为一张图像，以达到消色差的目的。第一焦平面4为无穷远处波长为660nm的红光成像的焦平面位置；第二焦平面5为无穷远处波长为550nm的绿光成像的焦平面位置；第三焦平面6为无穷远处波长为450nm的蓝光成像的焦平面位置。
以上多种实施方式可交叉并行实现。
为了更好的理解，下面介绍两个具体的实施例。
实施例1
制备尺寸为3*3mm，对550nm波长焦距为2mm的彩色成像透镜组件，采用灰度光刻的方法，制备彩色成像透镜阵列2，子成像透镜为衍射透镜，以3*3个子成像透镜为例，单个子成像透镜口径为1mm，统一对550nm绿光波长设计焦距为2mm，滤光片1采用红绿蓝三原色，滤光片1各滤光区域与彩色成像透镜阵列2子成像透镜排布均以图1方式排列，则对红光660nm波长而言，衍射成像子成像透镜焦距为1.67mm，对蓝光450nm波长而言，衍射成像子成像透镜焦距为2.44mm，通过按照焦距关系设置不同单色成像子成像透镜与图像接收器件3之间的距离，调整至所有子成像透镜均在图像接收器件3上成清晰像，通过对每个子成像透镜对单色光所成图像的分割、重构合可成为一张彩色图像，避免成像色差。
实施例2
制备尺寸为3*3mm，对550nm波长焦距为2mm的彩色成像透镜组件，采用灰度光刻的方法，制备彩色成像透镜阵列2，子成像透镜为衍射透镜，以3*3个子成像透镜为例，单个子成像透镜口径为1mm，统一对550nm绿光波长设计焦距为2mm，滤光片1采用红绿蓝三原色，滤光片1各滤光区域与彩色成像透镜阵列2子成像透镜排布均以图1方式排列，则对红光660nm波长而言，衍射成像子成像透镜焦距为1.67mm，对蓝光450nm波长而言，衍射成像子成像透镜焦距为2.44mm，图像接收器件3可以沿光轴移动，分别在660nm波长、550nm波长以及450nm波长成像焦面处采集图像，然后经过图像重构组合为一张图像，以通过单个透镜实现彩色成像通过对每个子成像透镜对单色光所成图像的分割、重构合可成为一张彩色图像，避免成像色差。
本发明公开一种超薄彩色成像透镜组件，其采用多个呈阵列分布的多个子成像透镜实现集成彩色成像，子成像透镜的参数保持一致，便于制备，子成像透镜可以为液晶透镜、折射透镜、衍射透镜。本发明成像效果佳，适合大范围的推广。
值得注意的是，上述任一种实施例公开的彩色成像透镜阵列2的液晶取向可通过摩擦取向、光取向、斜蒸镀、原子力探针浮雕取向等方式对液晶聚合物取向获得。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域普通技术人员能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，包括：彩色成像透镜阵列、滤光片以及用于成像的图像接收器件，所述彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，所述滤光片的每个滤光区域与每个所述子成像透镜一一对应，不同波长的光下同一所述子成像透镜的焦距不同，将不同波长的光对应的所述子成像透镜在其高度方向进行分布，对焦距进行补偿；
或，包括：彩色成像透镜阵列以及具有滤波功能的图像接收器件，所述彩色成像透镜阵列包括：呈阵列分布的参数一致的多个子成像透镜，所述图像接收器件能够沿光轴移动，不同波长的光下同一所述子成像透镜的焦距不同，所有所述子成像透镜处于同一个平面，所述图像接收器件移动至不同波长的光下所述子成像透镜对应的成像位置，对焦距进行补偿；
每个所述子成像透镜为宽波段成像透镜，且每个所述子成像透镜为折射透镜或者衍射透镜，所述子成像透镜的口径在50微米至1厘米之间，其焦距在150微米至5厘米之间。
2.根据权利要求1所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述子成像透镜为衍射液晶透镜时，所述彩色成像透镜阵列还包括：透明刚性/柔性衬底，多个所述子成像透镜设置于所述衬底上。
3.根据权利要求1所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，每个所述子成像透镜对单色光成像之后通过图像分割、重构合成为一张彩色图像。
4.根据权利要求1所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，在所述彩色成像透镜阵列和图像接收器件之间设有隔离层，所述隔离层用于将每个透镜成像区域进行分隔。
5.根据权利要求1-4任一项所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述彩色成像透镜阵列内相位取向呈现菲涅尔环带分布；或，所述彩色成像透镜阵列内相位分布能够使入射光形成有聚焦特性球面波或非球面波的相位波前。
6.根据权利要求1-4任一项所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述彩色成像透镜阵列成像波段为可见光波段400-700nm，所述彩色成像透镜阵列为宽波段成像液晶透镜，所述子成像透镜为微液晶聚合物微透镜时，由上至下依次包括：液晶聚合物层、下取向层以及下基板。
7.根据权利要求6所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述宽波段成像液晶透镜的液晶分子沿光轴方向采用双层反对称的液晶聚合物分子结构排列实现宽波段成像功能，上层为左手性胆甾相液晶聚合物，下层为右手性胆甾相液晶聚合物，每层液晶聚合物分子对入射光的相位调制量为λ/2，λ为中心工作波长，单层胆甾分子扭曲角度在60度-80度之间。
8.根据权利要求1-4任一项所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述图像接收器件能够为成像波段的彩色CCD或彩色COMS成像器件或可切换红、绿、蓝三色窄带滤波片搭配单色CCD、COMS成像器件，红色窄带滤光片的波段为600nm～700nm，绿色窄带滤光片的波段为500nm～560nm，蓝色窄带滤光片的波段为400nm～460nm。
9.根据权利要求1-4任一项所述的超薄彩色成像透镜组件，其特征在于，所述彩色成像透镜组件包括：彩色成像透镜阵列以及具有滤波功能的图像接收器件时，所述图像接收器件采用时分复用技术，当所述图像接收器件移动至所设定单色光成像焦平面时，仅对对应单色光成清晰像，对红绿蓝三种波长入射光分别在不同时间移动图像接收器件至所述彩色成像透镜阵列后不同焦平面接收所成清晰像，对所采集到的RGB单色图像的大小和/或强度进行优化调整，使三幅图像协调统一，然后通过图像重构组合为一张图像，通过单个所述彩色成像透镜阵列实现彩色成像。
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