CN115453706A - 摄像镜头 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种摄像镜头，其包括：镜片组，包括至少一个具有光焦度的切边镜片；图像传感器；以及衬底，所述衬底不具有光焦度并设置在所述镜片组与所述图像传感器之间。所述衬底的表面上布置有相位调节结构阵列，每个所述相位调节结构阵列中的多个相位调节结构的尺寸沿线性方向具有变化梯度。根据本申请的实施方式，可以通过在衬底的表面上设置具有变化梯度的相位调节结构阵列来调节光线偏折，从而来修正镜片组的主光线角度以使其与图像传感器的主光线角度匹配。

Description

摄像镜头

技术领域

本申请涉及摄像镜头领域，更具体地，涉及一种可修正主光线角度的小体积摄像镜头。

背景技术

如何减小镜头的尺寸一直是摄像镜头领域的重要技术课题之一。特别是厚度上受限的手机等移动终端设备，更是要求镜头具有尽可能小的尺寸，已符合小型化发展趋势。

与此同时，移动终端设备对摄像镜头的成像质量的要求却逐年提升。为了提升镜头的成像质量，通常需要采用更多的镜片来提升设计规格，但相应地，镜头的长度势必会有所增加。

目前，因移动终端设备中的镜头长度过长，导致摄像模组均不同程度地从移动终端设备的表面突出，影响使用者的感官和操作舒适度，甚至使得移动终端设备难以在桌面上稳定地水平放置。

为了尽量减小摄像镜头在移动终端设备的厚度方向上的尺寸，开始使用潜望式模组、切边镜头、可调整镜头(T-lens)等替代方案。但是，这些替代方案在缩小镜头尺寸的同时会导致在成像质量、信赖性等方面出现新的问题。例如，镜头的主光线角度与芯片的主光线角度出现匹配困难的问题。

发明内容

本申请提供了一种可以至少克服或部分克服现有技术的上述至少一个缺陷的解决方案。

一方面，本申请提供了这样一种摄像镜头，该摄像镜头可以包括：镜片组，包括至少一个具有光焦度的切边镜片；图像传感器；以及衬底，所述衬底不具有光焦度并设置在所述镜片组与所述图像传感器之间。所述衬底的表面上可以布置有相位调节结构阵列，每个所述相位调节结构阵列中的多个相位调节结构的尺寸沿线性方向可以具有变化梯度。

在一些实施方式中，所述切边镜片在与所述图像传感器的长边对应的第一方向和与所述图像传感器的短边对应的第二方向上可以具有不同尺寸。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构的尺寸在与所述第一方向和所述第二方向不重合的方向上可以具有变化梯度。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构可以提供根据位置而线性变化的相位调制，从而对不同角度入射的入射光提供不同的偏折角度以调整所述镜片组的主光线角度。

在一些实施方式中，所述相位调节结构阵列布置在以所述衬底的中心为中心的圆环状区域的一部分中。

在一些实施方式中，所述衬底可以是所述图像传感器的盖板。

在一些实施方式中，所述衬底还可以包括用于滤波的多层镀膜结构。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构的折射率可以大于所述衬底的折射率。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构在尺寸上的变化梯度可以随入射角的改变而改变。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构在垂直于所述衬底的方向上的高度可以保持一致。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构在平行于所述衬底的方向上的最小宽度与最大宽度的比值可以大于1/15。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构可以具有半球形结构、立方体结构、柱形结构、锥形结构和不规则的异形结构中的一种或多种。

在一些实施方式中，所述多个相位调节结构可以由高折射率半导体材料或绝缘非金属材料制成。

另一方面，本申请还提供了一种电子设备，所述电子设备包括如上所述的摄像镜头。

根据本申请的实施方式，可以通过在衬底的表面上设置具有变化梯度的相位调节结构阵列来调节光线偏折，从而来修正镜片组的主光线角度以使其与图像传感器的主光线角度匹配。

附图说明

通过参照以下附图进行的详细描述，本申请的实施方式的以上及其它优点将变得显而易见，附图旨在示出本申请的示例性实施方式而非对其进行限制。在附图中：

图1示出了切边镜片的结构示意图；

图2和图3分别示出了根据本申请的示例性实施方式的摄像镜头的结构示意图；

图4示出了根据本申请的示例性实施方式的相位调节结构的示意图；

图5示意性示出了相位调制与纳米颗粒半径之间的关系曲线；

图6示出了根据不同偏折角度布置相位修正的示意图；

图7示出了根据本申请的示例性实施方式的相位调节结构的一种示例性分布；以及

图8示出了根据本申请的示例性实施方式的相位调节结构的另一种示例性分布。

具体实施方式

为了更好地理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。

应注意，在本说明书中，第一、第二等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本申请的教导的情况下，下文中讨论的第一方向也可被称作第二方向，反之亦然。

在附图中，为了便于说明，可能已稍微夸大了各部件的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。例如，附图中所示的球面或非球面的形状通过示例的方式示出。即，球面或非球面的形状不限于附图中示出的球面或非球面的形状。

在整个说明书中，当诸如层、区域或基板的元件被描述为位于另一元件“上”、“连接到”或“联接到”另一元件时，该元件可直接位于该另一元件“上”、直接“连接到”或直接“联接到”该另一元件，或者可存在介于该元件与该另一元件之间的一个或多个其它元件。相反地，当元件被描述为“直接位于”另一元件“上”、“直接连接到”或“直接联接到”另一元件时，则可不存在介于该元件与该另一元件之间的其它元件。

诸如“在……之上”、“较上”、“在……之下”和“较下”的空间相对措辞可以在本申请中为了描述便利而使用，以描述如附图中所示的一个元件相对于另一个元件的关系。除了涵盖附图中所描绘的定向之外，这些空间相对措辞旨在还涵盖设备在使用或操作中的不同的定向。例如，如果附图中的设备翻转，则描述为在另一元件“之上”或相对于该另一元件“较上”的元件将在该另一元件“之下”或相对于该另一元件“较下”。因此，根据设备的空间定向，措辞“在……之上”涵盖“在……之上”和“在……之下”两种定向。该设备还可以以其它方式定向(例如，旋转90度或在其它定向上)，并且本申请中使用的空间相对措辞应被相应地解释。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除还存在一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰列表中的全部特征，而不是仅仅修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。另外，词语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

如在本文中使用的，词语“大致”、“大约”以及类似的词语用作表近似的词语，而不用作表程度的词语，并且旨在说明本领域普通技术人员能够认识到的测量值或计算值中的固有偏差。

除非另外限定，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)均具有与本申请所属领域普通技术人员的通常理解相同的含义。还应理解的是，术语(例如在常用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义进行解释，除非本文中明确如此限定。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。另外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而可以任意顺序执行或并行地执行。

下面将参考附图来详细说明本申请的示例性实施方式。

摄像镜头可以包括镜片组、滤光片和图像传感器。镜片组可以包括多片镜片，例如，可以包括几片甚至十几片具有光焦度的球面或非球面镜片。滤光片通常不具有光焦度并且可以用于滤除部分波段的光线以使得镜头在所需波段工作。例如，滤光片可以是例如红外滤光片、可见滤光片、带通滤光片、截止滤光片、短波通滤光片、长波通滤光片等。

在考虑到加工难易度等因素后，镜头在XY平面内通常具有圆形形状，使得镜头在XY平面内的面积大于矩形图像传感器的面积。如果再加上非光学有效径部分以及镜筒等结构件，将导致镜头在XY平面内占据的面积远大于图像传感器的面积。而在镜头的轴向方向(Z方向)上，受镜片自身厚度、镜片之间的间隙以及后焦(即，最靠近图像传感器的镜片或滤光片到图像传感器的距离)等的影响，使得镜头本身的长度也难以缩短。

为了缩减镜头在XY平面内的尺寸，可以使用如图1所示的切边镜片的方案。例如，根据图像传感器的尺寸而将圆形镜片切割为矩形，或者直接以矩形的形式注塑成型镜片。但是，切边镜片会导致在修正成像时出现在X方向和Y方向上的不对称。例如，由于在Y方向上的短边短于在X方向上的长边，使得对于边缘入射光线而言，Y方向上不进行成像，而在X方向上仍需要对成像进行修正。

主光线角度(CRA)是图像传感器为确保感光响应而对于入射角度的要求，当入射角度不为0°时，部分光线会因为遮挡而无法到达像素。对于摄像镜头而言，不但要求镜头的CRA不能超过某一特定阈值，还需要镜头的CRA与传感器的CRA进行匹配。如镜头的CRA小于传感器的CRA，会出现四周偏暗的情况，此时光线达不到像素的边缘。如镜头的CRA大于传感器的CRA，则光线将折射到临近的像素，导致像素之间出现串扰，出现图像的偏色。这尤其在图像四周会更为明显，这是由于CRA从图像中心到四周是呈曲线状上升，逐渐变大的。因此，通常要求镜头的CRA与传感器的CRA相差正负2°之内，以确保感光响应及成像质量。

为了缩减镜头在Z方向上的尺寸，在设计镜头时便对镜头的总长进行了严格的限制，并需要尽可能地压缩后焦长度以节省空间。随着镜头的长度变得越来越短，光线到达传感器像素位置的角度也就会变得越来越大。随着像素位置的角度越来越大，某些光线将无法聚焦在像素上，从而导致光线损失和像素响应降低。因此，对于镜头总长的限制会使得镜头的CRA与图像传感器的芯片的CRA之间的匹配问题更为严重。换言之，在缩短镜头长度和后焦的情况下，镜头的CRA与传感器的CRA之间的误差将会变得更为显著，因此，此时对CRA的修正便更加重要。由此，虽然例如切边镜头的小尺寸镜头可以尽可能地节省空间，但所带来的非对称性以及成像质量问题还需要通过新的机制来解决。

图2和图3示出了根据本申请实施方式的摄像镜头100的结构示意图。

摄像镜头100可以包括镜片组110、衬底120和图像传感器130。镜片组110可以包括多个具有光焦度的球面或非球面镜片。非球面镜片可以包括旋转对称的非球面镜片和非旋转对称的非球面镜片。在示例中，镜片组110可以包括第一镜片111和第二镜片112，但本申请不限于此。镜片组110可以包括更多片镜片。第一镜片111和第二镜片112均可以是切边镜片，即，第一镜片111和第二镜片112在Y方向(第二方向)上的尺寸可以小于在X方向(第一方向)上的尺寸。在示例性实施方式中，X方向可以是图像传感器130的长边方向，Y方向可以是图像传感器130的短边方向。

衬底120可以是滤光片或者传感器盖板等不具有光焦度的光学元件。衬底120的表面上可以设置有呈阵列分布的相位调节结构。每个相位调节结构阵列包括多个相位调节结构121，多个相位调节结构121的尺寸沿线性方向可以具有变化梯度，这将在下文中详细描述。相位调节结构121可以偏折光线，进而调整镜片组110的CRA使其与图像传感器130的CRA相匹配。相位调节结构121也被称为二维纳米颗粒或纳米结构。

在一些实施方式中，衬底120可以是图像传感器130的盖板，并且可以包括用于滤波的多层镀膜结构。

图像传感器130可以是CCD或CMOS传感器，其用于将所接收到的光信号转换为电信号。

由费马原理可知，光沿光程为极小值的实际路径传播。假设光在A、B两点间的实际传播路径上的总光程为

n(r)为传播路径r上的折射率分布，则将总光程表达为相位形式为

k₀为真空波数。若光在传播时所穿越的两种介质分界面对光波引入Φ(r_s)的相位跃变，该相位跃变是分界面上的位矢r_s的函数，则光波在A、B两点实际传播路径对应的总相位为：

在二维情况下，假设光波从折射率为n_i的介质入射至折射率为n_t的介质中，可得出：

上式即为广义折射定律。与斯涅尔公式相比，上式引入了

项。这一项中的dφ/dx是在入射光与出射光界定的平面上沿着界面方向的相位梯度。

根据公式2可知，经典斯涅尔公式只是广义折射定律在相位梯度为零的条件下的特殊情况。如果在界面上对入射光引入合适的相位梯度，那么出射光可以朝任意方向折射。也就是说，可以通过控制界面上的相位梯度来控制光波的折射方向，而其中的相位梯度界面则相当于在分界面上对入射光场引入了一个非均匀分布的相位跃变。

如上所述，使用切边镜片会引入非对称性，即，仅需要对X方向或Y方向进行光线偏折的修正，而无需对另一方向进行光线偏折的修正。此外，在缩减了镜头在Z方向的尺寸后，会加剧镜头的CRA与图像传感器的CRA之间的不匹配问题。

在部分入射角度的CRA出现误差时，可以通过引入额外的光线偏折来进行修正。例如，通过在衬底120上设置相位调节结构121来调节光线偏折，进而修正镜片组110的CRA使其与图像传感器130的CRA匹配。在示例性实施方式中，CRA调整可以仅针对根据图像传感器130和镜片组110的CRA对比所得到的部分不匹配的入射角来进行。

根据本申请示例性实施方式的相位调节结构121可以增大光线L1和光线L2的偏折角度，如图2所示。此外，相位调节结构121也可以减小光线L3的偏折角度，如图3所示。换言之，相位调节结构121可以增大或减小镜片组110的CRA，从而实现对镜片组110的CRA的调节或修正。

为了实现如图2或图3所示的光线偏折，相位调节结构121的阵列需要提供相位变化的梯度以便使CRA增大或减小。相位变化的梯度可以通过相位调节结构的尺寸变化来实现。因相位调节结构121的折射率与周边介质(空气或衬底)不同，因此，随着相位调节结构121的尺寸增大，其等效折射率也会随之增加，并因此对入射光施加不同的相位调制。

在一些示例性实施方式中，每个相位调节结构阵列中的多个相位调节结构分布的尺寸沿线性方向可以具有变化梯度。例如，在每个相位调节结构阵列中，针对每一个相位调节结构，其分布的尺寸可以随相位调节结构距离衬底中心的距离的增大而增大。可选地，在每个相位调节结构阵列中，针对每一个相位调节结构，其分布的尺寸可以先随相位调节结构距离衬底中心的距离的增大而增大，之后随相位调节结构距离衬底中心的距离的增大而减小。在示例性实施方式中，每个相位调节结构阵列中的多个相位调节结构的尺寸可以沿以衬底中心为中心的径向方向上具有变化梯度。

图4示出了根据本申请的示例性实施方式的相位调节结构121的示意图。图5示意性示出了相位调制与相位调节结构121的半径之间的关系曲线。图6示出了根据不同偏折角度布置相位修正的示意图。

在示例性实施方式中，相位调节结构121可以是TiO₂柱形纳米结构。该纳米结构的高度H可以是在900nm至1100nm的范围内变化，并具体可以是1000nm，半径R可以是在100nm至300nm的范围内变化。

针对940nm波长的入射光，可以利用本领域技术人员熟知的严格波耦合RCWA、时域有限差分FDTD或有限元FEM等方法建立相位变化与纳米结构空间占比体积对应关系的曲线。根据此类曲线，可以依据所需的相位选取并排布相对应的纳米结构，从而实现任意所需的相位分布。从图5可见，这一空间体积占比的变化足以实现0-2π范围内的任意相位变化。将此类纳米颗粒构建为阵列，并使不同位置处的纳米颗粒尺寸不同从而提供不同的相位调制，即可对入射光进行选择性的偏折。

例如，可利用公式

(公式3)来估算径向上不同的位置d处所需的相位修正，并根据如图5所示的曲线布置相应的不同大小的纳米结构，其中，λ为波长，θ为修正色差所需的偏折角度。

如图6所示，可以按照不同的偏折角度来布置不同的相位修正，也就是不同的纳米颗粒尺寸变化梯度。对于示例的一些偏折角度，可得到不同位置d处纳米结构的半径。

下表1示出了针对不同的偏折角度的在径向上的不同位置d处的纳米结构的半径。

	θ＝3°	θ＝7°	θ＝10°	θ＝15°
					d/nm	半径/nm	半径/nm	半径/nm	半径/nm
700	81	100	81	119
					1400	96	119	96	136
2100	106	127	106	149
					2800	113	134	113	168
3500	119	141	119	205
					4200	124	147	124	115
4900	128	153	128	134
					…	…	…	…	…

表1

图7和图8分别示出了根据本申请的示例性实施方式的相位调节结构121的示例性分布。图7和图8中的虚线框表示的是镜片投影到衬底120上的区域。例如，内侧虚线框可以表示内视场的区域，而外侧虚线框可以表示外视场的区域。

如图7所示，相位调节结构121的阵列可以沿Y方向布置，并且可以布置在内侧虚线框的外侧。在另一示例中，如图8所示，相位调节结构121的阵列可以以衬底120的中心为圆心周向布置，并且可以布置在内侧虚线框与外侧虚线框之间。换言之，相位调节结构阵列布置在以衬底的中心为中心的圆环状区域的一部分中。

由于切边后的镜片在X方向和Y方向上不再对称，使得外视场中的入射光线(也就是较大入射角的入射光线)可能仅在部分方向上进入传感器进行成像。例如，如图8所示，针对较大入射角(外视场区域)的CRA修正会存在仅需要在部分方向上进行修正的情况，也就是仅需要在部分视场区域内进行修正。此时，纳米颗粒阵列的分布可以仅对应于传感器上该入射角所对应的部分区域。纳米颗粒分布的方向(距中心的距离d的方向)可以是以衬底(或传感器)中心为中心的圆的径向，因此，必然将包含不在X方向或Y方向分布的区域。

一般而言，镜头的最大CRA对应于最大入射角，最大入射角与所需的最大角度偏折修正对应，而镜头的最小CRA对应于最小入射角，最小入射角与所需的最小角度偏折修正对应。

在较小入射角的区域内(内视场区域)，如不需要进行CRA的修正，则无需布置纳米结构阵列。可选地，也可以在内视场区域内布置纳米结构阵列来适当增大CRA，以有利于缩短镜头的后焦。

虽然将相位调节结构的阵列称为纳米结构阵列，但纳米结构之间并不一定需要固定的间距。出于简化设计过程的考虑，可以使得纳米结构之间间距相同。但在一些实施方式中，可以将纳米结构之间的间距设置为具有区别以降低衍射效应。

纳米结构在垂直于衬底的方向上的高度可以在200-2000纳米，且高度保持一致。另外，纳米结构在平行于衬底的方向上的最大宽度(或直径)可以在100-1000纳米，并且最小宽度与最大高度的比值可以大于1/15。最小宽度与最大高度的比值满足1/15有助于在便于加工制造的情况下满足所需相位调节幅度。

对于宽波段光线的偏折，可以将代表波长(如权重较高的5个或10个波长)所对应的纳米颗粒包括在阵列中。而根据公式3可知，一种波长所对应的纳米颗粒无法对另一种波长产生相同偏折的相位调制，因此可以防止相互影响。

在纳米结构的折射率大于衬底的折射率的情况下，纳米结构可具有调整或修正CRA的效果。因此，纳米结构可以选用例如硅、锗、氮化硅、砷化镓、磷化镓等各类高折射率半导体材料或绝缘体非金属材料，但本申请不限于此。纳米结构需避免使用高耗散金属材料。

纳米结构相位调制的原理是等效折射率随着空间占据体积的变化。因此，在能够根据纳米结构的空间体积变化建立相位变化曲线的情况下，纳米结构可以具有各种形状，例如，纳米结构可以是半球形、立方体、柱形、锥形或不规则的异形结构，但本申请不限于此。

在将纳米结构相位调制方案应用于色差瓶颈出现在不同视场或者波长处的其他镜头时，可以根据需要来改变纳米结构阵列布置于镜片或滤光片上的位置，以及每个纳米结构自身的大小。

纳米结构阵列的制备可以选用纳米压印、光刻、电子束刻蚀、3D打印、激光直写等常用的微纳加工工艺。在一些示例性实施方式中，纳米结构阵列上还可以进一步涂覆常规的减反膜系或者保护膜系，从而起到减反射或保护外界物质入侵的作用。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.摄像镜头，包括：

镜片组，包括至少一个具有光焦度的切边镜片；

图像传感器；以及

衬底，所述衬底不具有光焦度并设置在所述镜片组与所述图像传感器之间，

其特征在于，所述衬底的表面上布置有相位调节结构阵列，每个所述相位调节结构阵列中的多个相位调节结构的尺寸沿线性方向具有变化梯度。

2.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述切边镜片在与所述图像传感器的长边对应的第一方向和与所述图像传感器的短边对应的第二方向上具有不同尺寸。

3.根据权利要求2所述的摄像镜头，其特征在于，所述多个相位调节结构的尺寸在与所述第一方向和所述第二方向不重合的方向上具有变化梯度。

4.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述多个相位调节结构提供根据位置而线性变化的相位调制，从而对不同角度入射的入射光提供不同的偏折角度以调整所述镜片组的主光线角度。

5.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述相位调节结构阵列布置在以所述衬底的中心为中心的圆环状区域的一部分中。

6.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述衬底是所述图像传感器的盖板。

7.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述衬底还包括用于滤波的多层镀膜结构。

8.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述多个相位调节结构的折射率大于所述衬底的折射率。

9.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述多个相位调节结构在尺寸上的变化梯度随入射角的改变而改变。

10.根据权利要求1所述的摄像镜头，其特征在于，所述多个相位调节结构在垂直于所述衬底的方向上的高度保持一致。

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