CN116699748B - 超表面分光模组、图像传感器、镜头模组及电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种超表面分光模组、图像传感器、镜头模组及电子设备，属于电子设备技术领域。该超表面分光模组，包括：基底部；超表面部，超表面部包括多个单列超表面单元，多个单列超表面单元沿第一方向并排设置在基底部上，单列超表面单元包括多个超表面结构，同一单列超表面单元的多个超表面结构相同，并沿第二方向间隔设置，其中，第一方向与第二方向之间具有第一夹角；光电转化部，光电转化部包括多个条状彩色转化区，多个条状彩色转化区沿第一方向并排设置，其中，条状彩色转化区沿第二方向延伸。具有更高的透光率，利用每个单列超表面单元的多个超表面结构相同，可以使得分出的光更为规律，无需复杂的算法去加工超表面，同时不会发生串扰。

Description

超表面分光模组、图像传感器、镜头模组及电子设备

技术领域

本申请涉及电子设备技术领域，特别涉及一种超表面分光模组、图像传感器、镜头模组及电子设备。

背景技术

颜色是光的一个自由度，它为识别物体提供了丰富的信息。在现代光学中，颜色分类的核心平台是彩色滤波器，其主要应用包括彩色图像传感器和彩色显示器。图像传感器是智能手机、可穿戴设备、自动驾驶汽车等现代技术的核心，可以从周围环境中收集光学信息。在这些技术中，高灵敏度的图像传感器总是非常需要的，因为它们可以实现暗场景和超快速成像。在彩色图像传感器中，滤色器多采用有机材料，只允许特定波长范围的光通过，可在微尺度的空间传输，从而提取RGB颜色，并适用于创建高像素密度的彩色图像传感。参见图1所示，对于一个传统的拜耳滤色器，以RGGB形式排布的彩色像素单元，图1中沿光入射方向依次通过微透镜1、滤色器件2、光传输空间和光电转化部，当入射光为白光，即含有400nm-700nm所有波长的光信号，在滤色片为理想滤色效果的情况下，滤色后的光通量理论最大值仅为入射的光通量的1/3；当入射光为红光或蓝光，滤色后的光通量理论最大值为入射的光通量的1/4；当入射光为绿光，由于有两个绿色通道，滤色后的光通量理论最大值为入射的光通量的1/2。因此采用吸收性滤色片的传统彩色图像传感器整体透光率较低，导致每个传感器像素的信号水平有限，光的利用率较低。

发明内容

本申请提供一种超表面分光模组、图像传感器、镜头模组及电子设备，此超表面分光模组用于提高分光装置的光利用率。

为实现上述目的，本申请实施例采用如下技术方案：

第一方面，提供一种超表面分光模组，包括：基底部；超表面部，所述超表面部包括多个单列超表面单元，多个所述单列超表面单元沿第一方向并排设置在所述基底部上，所述单列超表面单元包括多个超表面结构，同一所述单列超表面单元的多个所述超表面结构相同，并沿第二方向间隔设置，其中，所述第一方向与所述第二方向之间具有第一夹角；光电转化部，所述光电转化部包括多个条状彩色转化区，多个所述条状彩色转化区沿所述第一方向并排设置，其中，所述条状彩色转化区沿所述第二方向延伸。

本申请实施例提供的超表面分光模组，由于本申请实施例的超表面分光模组采用了超表面部，超表面部包括多个单列超表面单元，每个单列超表面单元包括多个相同的超表面结构，能够对入射光进行偏折，从而实现光的分光功能，进而能够将分离后的不同颜色的光投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对RGB颜色的提取和转化。本申请实施例的超表面分光模组能够在不使用有机材料滤色片的情况下，实现彩色图像的采集，从而避免了有机材料滤色片带来的信噪比降低、失真、模糊和伪影等问题，而且相比于传统的彩色滤波器，具有更高的透光率和更低的信噪比，从而提高了图像质量和灵敏度，利用每个单列超表面单元的多个超表面结构相同，可以使得分出的光很规律，无需复杂的算法去加工超表面，同时也不会发生串扰，降低了制作成本和复杂度，提高了可靠性。

在一个实施例中， 所述超表面分光模组还包括聚光部，所述聚光部设置在所述基底部的远离所述光电转化部的一侧，用于将入射光汇聚至所述超表面部。聚光部可以将分散的入射光收集并聚焦到超表面部，使得超表面部接收到更多的光量，从而增加了信号水平，提高了图像传感器的灵敏度和信噪比。同时聚光部能够减小入射光的发散角度，从而提高了图像传感器的分辨率和清晰度。聚光部可以将入射光的发散角度缩小到超表面部的偏折角度范围内，使得超表面部能够更精确地对入射光进行分光和投射，从而减少了图像的模糊和失真。

在一个实施例中，多个所述单列超表面单元设置在所述基底部的靠近所述光电转化部的一侧，以便于加个。

在一个实施例中，所述第一方向与所述第二方向之间的所述第一夹角为90°。超表面部可以将入射光分解为R、G、B三种颜色光，并将其投射到与其垂直的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用。

在一个实施例中，所述条状彩色转化区包括三个彩色单元，分别为R区、G区以及B区，所述R区、所述G区及所述B区沿所述超表面部分出的R光、G光及B光的次序，依次设置。

在一个实施例中，所述超表面分光模组还包括滤色部，所述滤色部设置在所述超表面部与所述光电转化部之间，所述滤色部包括多个滤色区域，多个所述滤色区域的颜色分别与多个所述条状彩色转化区的彩色单元一一对应。滤色部可以根据不同颜色的光选择合适的滤色片，从而过滤掉不属于该颜色范围的光波段，使得每个彩色单元只接收和转化一种纯净的颜色光，从而实现对入射光的全光谱采样和分析。这种设计与传统的彩色滤波器相比，具有更高的透光率和更低的信噪比，从而提高了图像质量和灵敏度。

在一个实施例中，所述单列超表面单元为两个。

在一个实施例中，所述超表面结构为旋转对称性柱状结构。

在一个实施例中，所述超表面结构的材料包括二氧化钛，或氮化镓，或氯化硅。

在一个实施例中，位于不同所述单列超表面单元的超表面结构的高度相同。

在一个实施例中，分属于相邻两个所述单列超表面单元的多个所述超表面结构一一对应地设置。

在一个实施例中，所述聚光部为凸透镜。

在一个实施例中，所述基底部的材料包括二氧化硅，或三氧化二铝。

本申请第二方面提供一种图像传感器，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。

本申请第三方面提供一种镜头模组，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。

本申请第四方面提供一种电子设备，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。

通过上述技术方案，由于镜头模组及电子设备包括上述超表面分光模组，因此至少具备超表面分光模组的所有有益效果，在此不再赘述。

附图说明

图1是传统的拜尔滤色器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的超表面分光模组的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的超表面分光模组的超表面结构的俯视示意图；

图4为本申请实施例提供的超表面分光模组的超表面结构的主视示意图；

图5为本申请实施例一提供的超表面部的主视示意图；

图6为本申请实施例一提供的超表面部的俯视示意图；

图7为本申请实施例一提供的超表面光学特性及超表面A和B两者结构的相位梯度图；

图8为本申请实施例提供的探测器三个彩色单元RGB分布；

图9为本申请实施例一提供的基于SiN超表面图像传感器在三种波长入射时在通过超表面结构传输0.7的探测器能量分布图；

图10为本申请实施例一提供的基于SiN超表面图像传感器在不同波长入射时探测器在不同位置颜色收集效率图；

图11为本申请实施例一提供的基于SiN超表面图像传感器在衬底SiO2厚度变化时探测器在通过超表面纳米结构传输0.7颜色收集效率图；

图12为本申请实施例二提供的超表面部的主视示意图；

图13为本申请实施例二提供的超表面部的俯视示意图；

图14为本申请实施例二提供的超表面光学特性及超表面A和B两者结构的相位梯度图；

图15为本申请实施例二提供的基于GaN超表面图像传感器在三种波长入射时在通过超表面纳米结构传输0.7的探测器能量分布图；

图16为本申请实施例二提供的基于GaN超表面图像传感器在不同波长入射时探测器在不同位置颜色收集效率图；

图17为基于SiN超表面无聚光部图像传感器结构分布示意图；

图18为基于SiN超表面无聚光部图像传感器在三种波长入射时在通过超表面纳米结构传输0.7探测器能量分布图；

其中，各附图标号所代表的含义分别为：

1、微透镜；2、滤色器件；

102、基底部；103、光传输空间；104、光电转化部；106、超表面部；107、聚光部；

201、超表面结构；2011、超表面结构A；2012、超表面结构B；2013、超表面结构C；2014、超表面结构D；

301、单列超表面单元；

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的实施方式作进一步地详细描述。

应当理解的是，在本申请的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“厚度”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。例如，第一推动部和第二推动部仅仅是为了区分不同的推动部，并不对其先后顺序进行限定，第一推动部也可以被命名为第二推动部，第二推动部也可以命名为第一推动部，而不背离各种所描述的实施例的范围。并且“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等术语也并不限定所指示的特征一定不同。

在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。在本申请实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本申请实施例中，“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系；例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

需要说明的是，本申请实施例中，“在一个实施例中”、“示例性地”、“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本申请实施例中被描述为“在一个实施例中”、“示例性地”、“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“在一个实施例中”、“示例性地”、“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。

相关技术中，参见图1所示，对于一个传统的拜耳滤色器，以RGGB形式排布的彩色像素单元，图1中沿光入射方向依次通过微透镜1、滤色器件2、光传输空间和光电转化部，当入射光为白光，即含有400-700nm所有波长的光信号，在滤色片为理想滤色效果的情况下，滤色后的光通量理论最大值仅为入射的光通量的1/3；当入射光为红光或蓝光，滤色后的光通量理论最大值为入射的光通量的1/4；当入射光为绿光，由于有两个绿色通道，滤色后的光通量理论最大值为入射的光通量的1/2。因此采用吸收性滤色片的传统彩色图像传感器整体透光率较低，导致每个传感器像素的信号水平有限，光的利用率较低。

本申请实施例提供一种超表面分光模组，能够改善上述技术问题。

请参考图2至图6所示，其中，超表面分光模组包括基底部102、超表面部106及光电转化部104，超表面部106包括多个单列超表面单元301，多个单列超表面单元301沿第一方向并排设置在基底部102上，单列超表面单元301包括多个超表面结构201，同一单列超表面单元301的多个超表面结构201相同，并沿第二方向间隔设置，其中，第一方向与第二方向之间具有第一夹角；光电转化部104包括多个条状彩色转化区，多个条状彩色转化区沿第一方向并排设置，其中，并排设置是指无缝隙相邻的位置关系，其中，条状彩色转化区沿第二方向延伸。由于本申请实施例的超表面分光模组采用了超表面部106，超表面部106包括多个单列超表面单元301，每个单列超表面单元301包括多个相同的超表面结构201，能够对入射光进行偏折，从而实现光的分光功能，进而能够将分离后的不同颜色的光投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对RGB颜色的提取和转化。本申请实施例的超表面分光模组能够在不使用有机材料滤色片的情况下，实现彩色图像的采集，从而避免了有机材料滤色片带来的信噪比降低、失真、模糊和伪影等问题，而且相比于传统的彩色滤波器，具有更高的透光率和更低的信噪比，从而提高了图像质量和灵敏度。由于该模组利用了超表面结构201本身的光学性能，而不是依靠吸收性滤色片来实现分光功能，因此能够大大提高光的利用率和信号水平；该模组采用了简单而有效的结构设计，降低了制作成本和复杂度，提高了可靠性和稳定性。由于该模组中所有单列超表面单元301的结构都是相同的，因此可以使得分出的光更为规律，无需复杂的算法去加工超表面，也不会发生串扰。

另外，超表面分光模组能够在不增加厚度和体积的情况下，实现对入射光的高效分离和传输。当然，进行设计时，工作人员也可基于本申请实施例的上述结构，根据不同颜色的光选择合适的超表面结构201参数，参数包括尺寸、形状、材料等，从而实现对不同波长范围的光的高效分离和传输。需要说明的是，本申请实施例的超表面模组中使用了二氧化钛、氮化镓、氯化硅等常见且稳定的材料，因此具有较强的耐久性和抗干扰性。

需要具体说明的是，本申请实施例的超表面部106是由亚波长单元在二维平面上周期排布而构成的人工结构阵列。超表面部106的工作原理是利用亚波长单元对入射光的相位、振幅、偏振等特性进行局域调制，从而实现对出射光的全局控制。其中，各单列超表面单元的超表面结构周期相同。

需要说明的是，工作人员可以根据本申请实施例的超表面部106，根据不同颜色的光选择合适的超表面结构201参数，从而实现对不同波长范围的光的高效分离和传输。使得该模组能够根据图像内容自适应地调整分光效果，从而提高了图像质量和灵敏度。这里，不同颜色的光对应于不同的偏振态和相位差。

本申请实施例提供的超表面分光模组，能够将分离后的不同颜色的光投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对RGB颜色的提取和转化。这种设计使得该模组能够在不使用有机材料滤色片的情况下，实现彩色图像的采集，从而避免了有机材料滤色片带来的信噪比降低、失真、模糊和伪影等问题。这里，条状彩色转化区是由R、G、B三个彩色单元沿第一方向并排设置，并沿第二方向延伸而成。其中，每个彩色单元可以包含了多个条状彩色转化单元，能够将入射光转化为电信号，并输出到图像处理器中。

参见图2所示，为了对本申请实施例的超表面分光模组的入射光进行汇聚，本申请实施例中的超表面分光模组还包括聚光部107，聚光部107设置在基底部102的远离光电转化部104的一侧，用于将入射光汇聚至超表面部106。由于本申请实施例的超表面分光模组还包括聚光部107，聚光部107可以将分散的入射光收集并聚焦到超表面部106，使得超表面部106接收到更多的光量，从而增加了信号水平，提高了图像传感器的灵敏度和信噪比。同时聚光部107能够减小入射光的发散角度，从而提高了图像传感器的分辨率和清晰度。聚光部107可以将入射光的发散角度缩小到超表面部106的偏折角度范围内，使得超表面部106能够更精确地对入射光进行分光和投射，从而减少了图像的模糊和失真。

需要说明的是，也可通过设置聚光部107，调节入射光的方向和位置，从而提高了图像传感器的适应性和灵活性。由于聚光部107可以根据不同的入射光源和环境条件，改变其形状和位置，使得超表面部106能够始终接收到足够且合适的入射光，从而适应不同的成像需求。

需要说明的是，聚光部可以为镜面反射式聚光部：这种聚光部利用镜面反射的原理，将入射光反射到超表面部。这种聚光部可以采用平面镜、曲面镜、棱镜等不同的形状和材料，实现不同的反射角度和方向。也可以为折射式聚光部：这种聚光部利用折射的原理，将入射光折射到超表面部。这种聚光部可以采用透镜、棱柱、波导等不同的形状和材料，实现不同的折射角度和方向。还可以为衍射式聚光部：这种聚光部利用衍射的原理，将入射光衍射到超表面部。这种聚光部可以采用衍射光栅、菲涅尔透镜、全息图等不同的形状和材料，实现不同的衍射角度和方向。

在一种实施例中，本申请实施例中的多个单列超表面单元301设置在基底部102的靠近光电转化部104的一侧。通过将多个单列超表面单元301设置在基底部102的靠近光电转化部104的一侧，能够缩短光线从超表面部106到光电转化部104的传输距离，从而减少光线在传输过程中的损耗和衰减，提高了图像传感器的灵敏度和信噪比。光线在传输过程中会受到空气、灰尘、水汽等因素的影响，导致光强度下降和光质量变差。通过将超表面部106与光电转化部104靠近，可以有效地避免这些不利因素，使得光线能够保持较高的强度和质量，从而增加了图像传感器接收到的有效信号；通过将多个单列超表面单元301设置在基底部102的靠近光电转化部104的一侧，能够减小光线从超表面部106到光电转化部104的传输角度，从而减少光线在传输过程中的发散和偏离，提高了图像传感器的分辨率和清晰度。光线在传输过程中会受到折射、反射、衍射等现象的影响，导致光线方向发生变化和分散。通过将超表面部106与光电转化部104靠近，可以有效地减少这些现象发生的概率和程度，使得光线能够保持较小的角度和方向，从而提高了图像传感器对图像细节和边缘的捕捉能力。

在具有聚光部107的实施例中，通过将多个单列超表面单元301设置在基底部102的靠近光电转化部104的一侧，使得基底部102远离光电转化部104的一侧可以很平滑，能够便于加工聚光部107。

本申请实施例中的第一方向与第二方向之间的第一夹角为90°。通过将第一方向与第二方向之间的第一夹角设置为90°，能够实现对入射光的正交分解和投射，从而提高了图像传感器的色彩分辨率和对比度。当第一夹角为90°时，超表面部106可以将入射光分解为水平和垂直两个偏振分量，并将其投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最大信息提取和转化；将第一方向与第二方向之间的第一夹角设置为90°，能够实现对入射光的最优分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。当第一夹角为90°时，超表面部106可以将入射光分解为R、G、B三种颜色光，并将其投射到与其垂直的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用。

本申请实施例中的条状彩色转化区包括三个彩色单元，分别为R区、G区以及B区，R区、G区及B区沿超表面部106分出的R光、G光及B光的次序，依次设置。该模组通过将条状彩色转化区设置为三个彩色单元，能够实现对入射光的RGB三原色的分离和转化，从而提高了图像传感器的色彩还原度和动态范围。由于RGB三原色是人眼感知颜色的基本要素，任何一种颜色都可以由RGB三原色以不同比例混合而成。通过将条状彩色转化区设置为R区、G区和B区，可以使得每个彩色单元只接收和转化一种颜色光，从而实现对入射光的全光谱采样和分析。这种设计与传统的彩色滤波器相比，具有更高的透光率和更低的信噪比，从而提高了图像质量和灵敏度；将R区、G区及B区沿超表面部106分出的R光、G光及B光的次序，依次设置，能够实现对入射光的最优分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。超表面部106可以将入射光分解为R、G、B三种颜色光，通过将R区、G区及B区沿这个方向依次设置，可以使得每个彩色单元与其对应的颜色光重合，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用。通过将R区、G区及B区沿超表面部106分出的R光、G光及B光的次序，依次设置，能够实现对入射光的最简单分光和投射，从而提高了图像传感器的制作简便性和可靠性。超表面部106只需要两个单列超表面单元301就可以实现对入射光的完整分光和投射，而条状彩色转化区只需要按照R、G、B三种颜色光的排列顺序进行设置，从而降低了超表面分光模组的制作难度和成本。

在一种优选的实施例中，本申请实施例中的超表面分光模组还包括滤色部，滤色部设置在超表面部106与光电转化部104之间，滤色部包括多个滤色区域，多个滤色区域的颜色分别与多个条状彩色转化区的彩色单元一一对应。该模组通过设置滤色部，能够进一步提高图像传感器的色彩还原度和动态范围。由于滤色部可以根据不同颜色的光选择合适的滤色片，从而过滤掉不属于该颜色范围的光波段，使得每个彩色单元只接收和转化一种纯净的颜色光，从而实现对入射光的全光谱采样和分析。这种设计与传统的彩色滤波器相比，具有更高的透光率和更低的信噪比，从而提高了图像质量和灵敏度。例如，如果入射光中含有紫外线或红外线等不可见光，那么传统的彩色滤波器就会将这些光波段也转化为电信号，从而降低了信噪比和色彩还原度。而通过设置滤色部，就可以将这些不可见光过滤掉，只保留可见光范围内的RGB三原色，从而提高了信噪比和色彩还原度；进一步提高图像传感器的分辨率和清晰度。

滤色部可以根据不同颜色的光选择合适的滤色片，从而过滤掉不需要的光波段，使得每个彩色单元只接收和转化一种清晰的颜色光，从而实现对入射光的最优分光和投射。这种设计与传统的彩色滤波器相比，具有更高的分辨率和更低的失真，从而提高了图像清晰度和对比度。

例如，如果入射光中含有白光或杂色光等混合光，那么传统的彩色滤波器就会将这些光波段也转化为电信号，从而导致图像模糊和失真。而通过设置滤色部，就可以将这些混合光过滤掉，只保留单一颜色光，从而提高了分辨率和清晰度。

本申请实施例中的单列超表面单元301为两个。通过将单列超表面单元301设置为两个，能够实现对入射光的RGB三原色的分光和投射，从而提高了图像传感器的色彩还原度和动态范围。由于两个单列超表面单元301可以分别对入射光进行不同程度和方向的偏折，使得入射光可以被分解为R、G、B三种颜色光，并且可以被投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的全光谱采样和分析。通过将单列超表面单元301设置为两个，能够实现对入射光的最优分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。

本申请实施例中的超表面结构201为旋转对称性柱状结构，如圆柱结构、方柱结构、十字柱结构。该模组通过将超表面结构201设置为旋转对称性柱状结构，能够实现对入射光的高效分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。由于旋转对称性柱状结构是一种具有周期性和对称性的亚波长单元，它可以根据其旋转角度和高度，改变其对入射光的折射率和相位延迟，从而实现对入射光的不同程度和方向的偏折，并且可以将其投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用。通过设置旋转对称性柱状结构作为亚波长单元，就可以利用其周期性和对称性，使得这些不可见光在经过超表面部106时发生干涉和衍射，从而偏折到不同方向，使得它们不会影响到条状彩色转化区，从而提高了信噪比和色彩还原度。

需要进一步说明的是，旋转对称性柱状结构是一种具有简单和稳定的亚波长单元，它可以用常见的材料和工艺进行制作，并且只需要两个单列超表面单元301就可以实现对入射光的完整分光和投射，从而降低了超表面部106的制作难度和成本。例如，如果入射光源的方向或位置发生变化，那么传统的彩色滤波器就会导致图像的视角和视野发生变化。而通过设置旋转对称性柱状结构作为亚波长单元，就可以利用其对称性，使得入射光在经过超表面部106时不受方向或位置的影响，从而保持图像的稳定性和一致性。

在将第一方向与第二方向之间的第一夹角设置为90°的实施例中，能够实现对入射光的最简单分光和投射，从而提高了图像传感器的制作简便性和可靠性。由于当第一夹角为90°时，超表面部106可以采用最简单的旋转对称性柱状结构作为亚波长单元。两个单列超表面单元301都采用了旋转对称性柱状结构作为亚波长单元，并且只需要改变亚波长单元的旋转角度和高度，就可以实现对入射光的完整分光和投射，从而降低了超表面部106的制作难度和成本。

本申请实施例中的超表面结构201的材料包括二氧化钛、氮化镓、氯化硅。通过将超表面结构201的材料设置为二氧化钛、氮化镓、氯化硅，能够实现对入射光的高效分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。二氧化钛、氮化镓、氯化硅是一些具有高折射率和低损耗的材料，它们可以有效地改变入射光的折射率和相位延迟，从而实现对入射光的不同程度和方向的偏折，并且可以将其投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用；二氧化钛、氮化镓、氯化硅是一些具有简单和稳定的材料，它们可以用常见的工艺和设备进行制作，并且只需要两个单列超表面单元301就可以实现对入射光的完整分光和投射，从而降低了超表面部106的制作难度和成本。

参见图5和图6所示，本申请实施例中的位于不同单列超表面单元301的超表面结构201的高度相同。通过将位于不同单列超表面单元301的超表面结构201的高度设置为相同，能够实现对入射光的均匀分光和投射，从而提高了图像传感器的色彩均衡和亮度均衡。由于当位于不同单列超表面单元301的超表面结构201的高度相同时，它们对入射光的折射率和相位延迟也相同，从而实现对入射光的等角度和等强度的偏折，并且可以将其投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的均匀采样和分析。

另外，通过将位于不同单列超表面单元301的超表面结构201的高度设置为相同，能够实现对入射光的简单分光和投射，从而提高了图像传感器的制作简便性和可靠性。由于当位于不同单列超表面单元301的超表面结构201的高度相同时，它们可以用相同的材料和工艺进行制作，并且只需要两个单列超表面单元301就可以实现对入射光的完整分光和投射，从而降低了超表面部106的制作难度和成本。

本申请实施例中的分属于相邻两个单列超表面单元301的多个超表面结构201一一对应地设置。将分属于相邻两个单列超表面单元301的多个超表面结构201一一对应地设置，能够实现对入射光的精确分光和投射，从而提高了图像传感器的色彩分辨率和对比度。由于当分属于相邻两个单列超表面单元301的多个超表面结构201一一对应地设置时，它们可以实现对入射光的正交分解和投射，即将入射光分解为水平和垂直两个偏振分量，并将其投射到相应的条状彩色转化区，从而实现对入射光的最大信息提取和转化；通过将分属于相邻两个单列超表面单元301的多个超表面结构201一一对应地设置，能够实现对入射光的优化分光和投射，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。由于当分属于相邻两个单列超表面单元301的多个超表面结构201一一对应地设置时，它们可以实现对入射光的最佳分光和投射，即将入射光分解为R、G、B三种颜色光。其中，参见图3和图4所示，超表面结构201的周期均为P，超表面结构201高为H，俯视图下的超表面结构201的边长为L。

本申请实施例中的聚光部107为凸透镜。该模组通过将聚光部107设置为凸透镜，能够实现对入射光的高效聚焦和传输，从而提高了图像传感器的光学效率和信噪比。凸透镜是一种具有中间比边缘厚的透镜，它可以改变光路，使得平行于主光轴的光经凸透镜折射后会聚集在光轴的一点，这一点称为凸透镜的焦点，从焦点到光心的距离称为焦距。通过合理地选择凸透镜的焦距和位置，可以使得入射光在经过凸透镜后形成一个清晰且亮度均匀的实像，并且可以将其传输到超表面分光部，从而实现对入射光的最小损耗和最大利用；通过将聚光部107设置为凸透镜，能够实现对入射光的简单聚焦和传输，从而提高了图像传感器的制作简便性和可靠性。由于凸透镜是一种具有简单和稳定的透镜，它可以用常见的材料和工艺进行制作，并且只需要一个凸透镜就可以实现对入射光的完整聚焦和传输，从而降低了聚光部107的制作难度和成本。凸透镜应用到本技术方案的实施方式如下：在图像传感器与超表面分光部之间设置一个凸透镜作为聚光部107；根据图像传感器与超表面分光部之间的距离以及所需成像质量，选择合适的凸透镜焦距，并将其放置在合适的位置；根据不同的入射光源特性以及所需成像功能，选择合适的凸透镜参数，并通过输入信号或控制信号进行调节；使得入射光在经过凸透镜后形成一个清晰且亮度均匀的实像，并将其传输到超表面分光部，再经过超表面分光部的分光和投射，最终在图像传感器上形成一个高质量的图像。

本申请实施例中的基底部102的材料包括二氧化硅，或三氧化二铝。这两种材料都具有较高的透光率和较低的吸收系数，可以有效地减少光的损耗，提高光电转化效率。需要指出的是，二氧化硅和三氧化二铝也具有较好的热稳定性和耐腐蚀性，可以增强超表面分光模组的耐久性和可靠性。二氧化硅和三氧化二铝还具有较低的折射率，可以减少光在超表面结构201和基底部102之间的反射，提高光的透射率。

需要说明的是，超表面部106是一种具有亚波长厚度的平面二维超材料，可以通过调节结构的形状、旋转方向、高度等参数来控制光的相位、振幅和偏振等属性。超表面分光模组包括基底部102、超表面部106和光电转化部104。基底部102是支撑超表面部106的平面结构，可以由二氧化硅或三氧化二铝等透明材料制成。超表面部106包括多个单列超表面单元301，每个单列超表面单元301包括多个相同的超表面结构201，沿着垂直于基底部102的方向间隔设置。不同的单列超表面单元301可以具有不同的超表面结构201，以实现对不同波长的光的分光。例如，可以设计一种旋转对称性柱状结构，通过改变柱子的高度和旋转角度来调节相位和偏振，从而实现对红、绿、蓝三种颜色光的分离和聚焦。光电转化部104包括多个条状彩色转化区，每个条状彩色转化区对应一种颜色光，并沿着与基底部102平行的方向延伸。条状彩色转化区可以由半导体材料制成，用于将分离出来的颜色光转化为电信号，从而实现图像传感。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的具体技术方案进行描述。参见图3和图4所示，超表面结构的周期均为P，超表面结构高为H，俯视图下的超表面结构的边长为L。

实施例一

参见图2、图5至图11所示。图2中沿光入射方向依次通过聚光部107、基底部102、超表面部106、光传输空间103和光电转化部104。

聚光部107采用SiO2材料，其半径为0.9，具有使光线汇聚功能。

基底部102选用SiO2材料，紧贴着聚光部107，其厚度1.6，其中，厚度范围可选择1.4/>~1.8/>，超表面部106采用SiN材料，其在可见光下具有较低的吸收，其周期P=200nm。如图2、图3、图5和图6所示，选用方柱形超表面结构201，超表面结构A2011和超表面结构B2012高度均为1000nm，面内尺寸L不同，对于超表面结构A的尺寸， L1=100nm，超表面结构B的尺寸，L2=180nm， L1可选择90nm~110nm，L2尺寸范围可选择170nm~190nm。超表面结构A和超表面结构B分布在两个单列超表面单元301，每列的超表面结构相同，也可以为多种超表面结构分布成多列，每列的超表面结构相同。

对于尺寸L变化时，SiN超表面结构透过率和相位分别为图7所示，图中画出三种波长430nm、520nm和635nm，可以看出超表面结构A和超表面结构B具有较高透过率。最右图表示超表面结构A和超表面结构B两种结构在三种波长下相位的梯度，可以看出超表面结构A和超表面结构B结构在R、超表面结构B光入射时具有相反的相位梯度，G光入射时梯度接近于0，梯度越大，光束分开的越大。

三种不同波长光束分别经过超表面部后传输到分束到光电转化部的探测器501，RGB三个彩色单元探测，探测器501如图8所示。我们通过使用时域有限差分法模拟SiN超表面在入射光640 nm、520 nm和430 nm时候分光效果，如图9所示，可以看出大部分光都分到对应的位置，其中三个彩色单元尺寸合起来为1.6 1.6/>，在通过超表面部传输0.7到达光电转化部，三个彩色单元收集效率分别为50%、70%和64%。其中，颜色收集效率定义为探测器接收到的能量比入射光的能量。当三种波长入射的光通过超表面部后传输距离为T，当T为0.3/>、0.5/>、0.7/>和0.9/>，三个彩色单元收集效率如图10所示。此外，基底部厚度为t，当基底部102厚度t变化时，从1.4/>到2/>，光束经过微透镜到达超表面部前，光斑大小发生变化，因此三个彩色单元颜色收集效率发生变化，三个彩色单元颜色在超表面部下方0.7/>时，即收集效率如图11所示。

实施例二

另一具体实施例中，还提供一种基于GaN分光的图像传感器，其超表面部的主视图和俯视图如图12和图13所示，GaN设置在Al₂O₃衬底上，其厚度2，其中，厚度范围可选择1.8/>~2.2/>，GaN超表面结构的高度都是800nm，周期250nm。单个GaN超表面结构的光学特性如图14所示，左图和中间图分别是超表面结构在三种波长下的振幅和相位调控结果，超表面结构 C的尺寸L3为100nm和超表面结构D的尺寸L4为170nm，L3可选择90nm~110nm，L4可选择160nm~180nm ，C和D两种结构在三种波长下的相位梯度如图14右图所示，可以看出红色和蓝色波长下A和B两种超表面结构具有相反的梯度，绿光梯度基本不变，因此三种波长理论可以分到三个不同区域。基于GaN分光的图像传感器在三种波长下入射的光通过超表面部的超表面结构传输0.7/>后，到达传感器的光强分布图如图15所示，其中三个彩色单元尺寸合起来为1.6/> 1.6/>，在通过超表面部传输0.7/>后，三个彩色单元收集效率分别为40%、53%和42%。当三种波长入射的光通过超表面部传输0.5/>、0.7/>、0.9/>和1.1/>后，三个彩色单元颜色收集效率分别如图16所示。

本申请第二方面提供一种图像传感器，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。无微透镜，图17为该图像传感器结构示意图，光入射方向依次通过基底部102、超表面部106、光传输空间和光电转化部104，其中超表面部选择SiN超表面结构，周期200nm，其分布如实施例一。当三种波长640 nm、520 nm和430 nm入射的光通过基底部传输0.3，在通过超表面部传输0.7/>后，探测器501三个彩色单元光强度分布如图18所示。

本申请第三方面提供一种镜头模组，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。镜头模组可以实现对入射光的分光、聚焦和成像，从而提高镜头模组的光学性能、色彩还原度和图像质量。超表面分光模组具有亚波长厚度，可以大幅减小镜头模组的体积和重量，提高镜头模组的集成度和便携性。超表面分光模组具有可调节的超表面结构，可以实现对不同波长范围的光的分光和成像，从而扩展镜头模组的工作波段和应用领域。一种应用有本方案的镜头模组的具体结构如下：镜头模组由一个凸透镜、一个平面基底部、一个超表面部和一个光电转化部组成。凸透镜设置在基底部的远离光电转化部的一侧，用于将入射光汇聚至超表面部。基底部由二氧化硅或三氧化二铝等透明材料制成，用于支撑超表面部。超表面部由两个单列超表面单元组成，每个单列超表面单元包括多个旋转对称性柱状结构，沿着垂直于基底部的方向间隔设置。不同的单列超表面单元的超表面结构不同，以实现对红、绿、蓝三种颜色光的分离和聚焦。光电转化部由三个条状彩色转化区组成，每个条状彩色转化区对应一种颜色光，并沿着与基底部平行的方向延伸。条状彩色转化区由半导体材料制成，用于将分离出来的颜色光转化为电信号，从而实现图像传感。

本申请第四方面提供一种电子设备，包括如上述任一技术方案提供的超表面分光模组。其中，本申请实施例中所提到的超表面分光模组主要应用于电子设备，本申请实施例提供的电子设备可以为耳机、可穿戴设备（例如手表）、手机、眼镜（如AR眼镜或VR眼镜）、平板电脑、笔记本电脑和车载设备等，但不仅限于此。电子设备包括超表面分光模组，可以实现对入射光的分光、聚焦和成像，从而提高电子设备的光学性能、色彩还原度和图像质量。超表面分光模组具有亚波长厚度，可以大幅减小电子设备的体积和重量，提高电子设备的集成度和便携性。超表面分光模组具有可调节的超表面结构，可以实现对不同波长范围的光的分光和成像，从而扩展电子设备的工作波段和应用领域。一种应用有本方案的电子设备的具体结构如下：电子设备为智能手机，智能手机包括一个显示屏、一个处理器、一个存储器、一个通信模块、一个电源模块、一个镜头模组和一个图像传感器。显示屏用于显示图像和其他信息，可以采用液晶显示屏、有机发光二极管显示屏或其他类型的显示屏。处理器用于执行各种程序和指令，可以采用中央处理器、图形处理器或其他类型的处理器。存储器用于存储数据和程序，可以采用随机存取存储器、只读存储器或其他类型的存储器。通信模块用于与外部网络或设备进行通信，可以采用无线局域网、蓝牙、红外线或其他类型的通信技术。电源模块用于为智能手机提供电能，可以采用锂离子电池、太阳能电池或其他类型的电源技术。镜头模组用于接收外部光线，镜头模组包括上述超表面分光模组，用于将接收到的光线转化为电信号，并将其传递给处理器。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种超表面分光模组，其特征在于，包括：

基底部；

超表面部，所述超表面部包括多个单列超表面单元，多个所述单列超表面单元沿第一方向并排设置在所述基底部上，所述单列超表面单元包括多个超表面结构，同一所述单列超表面单元的多个所述超表面结构相同，并沿第二方向间隔设置，其中，所述第一方向与所述第二方向之间具有第一夹角；

光电转化部，所述光电转化部包括多个条状彩色转化区，多个所述条状彩色转化区沿所述第一方向并排设置，其中，所述条状彩色转化区沿所述第二方向延伸；

所述条状彩色转化区包括三个彩色单元，分别为R区、G区以及B区，所述R区、所述G区及所述B区沿所述超表面部分出的R光、G光及B光的次序，依次设置。

2.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，所述超表面分光模组还包括聚光部，所述聚光部设置在所述基底部的远离所述光电转化部的一侧，用于将入射光汇聚至所述超表面部。

3.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，多个所述单列超表面单元设置在所述基底部的靠近所述光电转化部的一侧。

4.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向之间的所述第一夹角为90°。

5.如权利要求1至4中任一项所述的超表面分光模组，其特征在于，所述超表面分光模组还包括滤色部，所述滤色部设置在所述超表面部与所述光电转化部之间，所述滤色部包括多个滤色区域，多个所述滤色区域的颜色分别与多个所述条状彩色转化区的彩色单元一一对应。

6. 如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于， 所述单列超表面单元为两个。

7.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，所述超表面结构为旋转对称性柱状结构。

8.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，所述超表面结构的材料包括二氧化钛，或氮化镓，或氯化硅。

9.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，位于不同所述单列超表面单元的各超表面结构的高度相同。

10.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，分属于相邻两个所述单列超表面单元的多个所述超表面结构一一对应地设置。

11.如权利要求2所述的超表面分光模组，其特征在于，所述聚光部为凸透镜。

12.如权利要求1所述的超表面分光模组，其特征在于，所述基底部的材料包括二氧化硅，或三氧化二铝。

13.一种图像传感器，其特征在于，所述图像传感器包括超表面分光模组，所述超表面分光模组为权利要求1至12中任一项所述的超表面分光模组。

14.一种镜头模组，其特征在于，所述镜头模组包括超表面分光模组，所述超表面分光模组为权利要求1至12中任一项所述的超表面分光模组。

15.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括超表面分光模组，所述超表面分光模组为权利要求1至12中任一项所述的超表面分光模组。