WO2023011365A1 - 超构透镜、摄像模组和电子设备 - Google Patents

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潘望军
魏源
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维沃移动通信有限公司
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Abstract

一种超构透镜、摄像模组和电子设备，属于成像设备技术领域。超构透镜（100）包括基底（110）和多个调光柱（120），基底（110）包括安装面（111），多个调光柱（120）呈阵列分布于安装面（111），调光柱（120）上开设有通孔（121），通孔（121）沿调光柱（120）的轴向贯穿调光柱（120）；调光柱（120）为对称结构。

Description

超构透镜、摄像模组和电子设备
相关申请的交叉引用
本申请主张在2021年08月02日在中国提交的中国专利申请No.202110882863.6的优先权，其全部内容通过引用包含于此。
技术领域
本申请属于成像设备技术领域，具体涉及一种超构透镜、摄像模组和电子设备。
背景技术
微透镜作为一种常见的光学元件，被广泛运用于各种光学仪器。在成像仪器中，为了能更好地捕获场景中的光线，需要利用微透镜来改变光路。
微透镜在制作的过程中，先将制作微透镜的材料加热至部分液化的状态，利用液化部分的表面张力将原来的平面成型为曲面，导致微透镜的曲率半径的精度受到加工工艺影响，造成微透镜在成像过程中存在色散和球差，影响成像质量。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种超构透镜和摄像模组，能够解决微透镜在用于成像的情况下存在色散和球差的问题。
为了解决上述技术问题，本申请是这样实现的：
本申请实施例公开一种超构透镜，包括基底和多个调光柱，基底包括安装面，多个调光柱呈阵列分布于安装面，调光柱上开设有通孔，通孔沿调光柱的轴向贯穿调光柱；调光柱为对称结构。
基于本申请实施例公开的超构透镜，本申请还公开一种摄像模组。该摄 像模组包括感光芯片和本申请实施例公开的超构透镜。超构透镜与感光芯片相对设置，且光线透过超构透镜并照射于感光芯片。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
本发明实施例公开的超构透镜包括多个调光柱，包括多个调光柱，多个调光柱呈阵列分布于基底，进而可根据需要设置调光柱的形状或大小，以调节超构透镜对光波相位进行调制的性能。调光柱为对称结构，使得调光柱对不同的入射光的作用一致，进而可以达到消除色散和消除球差的目的。
附图说明
图1是本发明一种实施例公开的调光柱在第一视角的示意图；
图2是本发明一种实施例公开调光柱的第一对称面和第二对称面的示意图；
图3是本发明一种实施例公开的调光柱在第二视角的示意图；
图4是本发明一种实施例公开的调光柱的剖面图；
图5是本发明一种实施例公开的超构透镜的立体图；
图6是本发明一种实施例公开的超构透镜的俯视图；
图7是本发明一种实施例公开的多个超构透镜阵列的示意图；
图8是本发明一种实施例公开的多个超构透镜阵列的俯视图；
图9是本发明第一种实施例公开的摄像模组的示意图；
图10是图8中单个超构透镜的放大后示意图；
图11是本发明第二种实施例公开的摄像模组的示意图；
图12是本发明第三种实施例公开的摄像模组的示意图；
图13是本发明第一种实施例中调光柱的高度和宽度与光波相位值和角色散率的关系图；
图14是本发明第二种实施例中调光柱的高度和宽度与相位值和角色散率的关系图；
图15是本发明一种实施例中调光柱与超构透镜中心的距离和相位值和角色散率的关系图。
图中：100-超构透镜；110-基底；111-安装面；120-调光柱；121-通孔；122-第一对称面；123-第二对称面；130-第三对称面；140-第四对称面；200-感光芯片；300-红外滤光件；400-主镜头；500-盖板；600-第一相面。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
下面结合图1至图15，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的超构透镜(metalens)进行详细地说明。
参照图1至图6，本发明一种实施例公开的超构透镜100包括基底110和多个调光柱120。其中，基底110为基础结构件，可以为调光柱120提供安装基础，为多个调光柱120提供支撑。具体的，基底110包括安装面111，多个调光柱120呈阵列分布于安装面111。
调光柱120上开设有通孔121，通孔121沿调光柱120的轴向贯穿调光柱120。调光柱120为对称结构，以使调光柱120对不同的入射光的作用一 致，进而可以达到消除色散和消除球差的目的。
上述实施例中，多个调光柱120呈阵列分布于基底110，进而可根据需要设置调光柱120的形状或大小，以调节超构透镜100对光波相位进行调制的性能。在调光柱120上设置通孔121，使通孔121沿调光柱120的轴向贯穿调光柱120，可以使超构透镜100中多个调光柱120的形状单一，进而只需设置各调光柱120的高度、宽度和调光柱120之间的间距大小，便能对超构透镜100调制光波相位的性能进行调节。上述结构可以降低超构透镜100的制造难度。另外，超构透镜100中调光柱120可以通过刻蚀或压印成型，进而使得调光柱120的高度、宽度和调光柱120之间的间距大小可以控制，即可以根据需要制造出所需大小的调光柱120。需要说明的是，调光柱120的宽度是指：调光柱120在垂直于调光柱120轴线方向的宽度。调光柱120的长度是指在垂直于调光柱120轴线方向的长度。其中，垂直于调光柱120轴线的方向宽度小于或等于垂直于调光柱120轴线的方向长度。调光柱120的高度是指：调光柱120在调光柱120轴线方向的尺寸。
一种可选的实施例中，调光柱120的高度范围可以为：100nm-2um。调光柱120的宽度最小可以为10nm。调光柱120的宽度最大值与相邻的两个调光柱120之间的间距有关，为此，本实施例不限定调光柱120的宽度最大值。可选的，两个相邻的调光柱120之间的间距范围可以为50nm-300nm。当然，相邻两个调光柱120之间的间距可以相等，以降低超构透镜100的制造难度。
图13和图14是本发明所述调光柱120的高度、宽度与调光柱120对光波相位调制性能的关系图。具体的，每个线条代表的是调光柱120的高度一定的情况下，调光柱120的宽度与相位值或角色散率的关系。其中，图13中调光柱120的高度范围为400nm至500nm，图14中调光柱120的高度范围300nm至400nm。由此可以得到，在调光柱120的高度一定的情况下，调光柱120的宽度越大，对应的相位值和角色散率越大。在调光柱120宽度 一定的情况下，调光柱120的高度越大，调光柱120对应的相位值和角色散率越大。图15是像素尺寸为1.12um，超构透镜100的焦距为0.8um-2um，波长带宽为420-650nm的情况下，超构透镜100中不同位置的调光柱120对相位值和角色散率的需求关系图。具体的，为了便于说明，定义调光柱120距离超构透镜100中心部位的距离为第一距离，图15中的横坐标表示调光柱120距离超构透镜100中心部位的距离，纵坐标表示相位值或角色散率。因此，可以根据图13至图15，计算出超构透镜100中各调光柱120的高度和宽度，然后通过刻蚀或压印成型的方式制造出对应的超构透镜100。
可选的，调光柱120至少具有一个对称面，调光柱120相对于对称面对称。进一步的，调光柱120至少具有一个垂直于安装面111的对称面。进一步的，调光柱120可以垂直与安装面111设置，以便于调光柱120的制作。
参照图3，调光柱120具有第一对称面122和第二对称面123，第一对称面122与第二对称面123垂直，以便于调光柱120的制造。可选的，调光柱120为正四棱柱，即调光柱120在垂直于调光柱120轴线方向的宽度和长度相等，进而可以减少调光柱120的尺寸数量，可以减少设计制造过程中的计算量，以便于制造。进一步的，通孔121可以设置为圆柱形通孔，以提高超构透镜100消除色差和消除球差的性能。
参照图5至图8，多个调光柱120沿第一方向和第二方向呈列排布，第一方向与第二方向垂直，各调光柱120对应的第一对称面122与第一方向平行，各调光柱120对应的第二对称面123与第二方向平行，以便于排列各调光柱120，并且可以提高超构透镜100的对称性，进而提升超构透镜100消除色差和消除球差的性能。可选的，调光柱120沿第一方向均匀排布；调光柱120沿第二方向均匀排布。进一步的，可选的，沿第一方向呈列排布的两个相邻的调光柱120之间的间距为第一间距；沿第二方向呈列排布的两个相邻的调光柱120之间的间距为第二间距，第一间距可以等于第二间距，不仅能提升超构透镜100的对称性提高超构透镜100消除色差和消除球差的性能， 还能降低超构透镜100的制造难度。进一步的，多个调光柱120中，与超构透镜100的中心之间间距相等的调光柱120大小相等。具体的，调光柱120大小相等是指调光柱120在高度和宽度上以及通孔121的直径大小均相等。超构透镜100的中心可以为超构透镜100的光轴线。
需要说明的是，一般情况下，摄像模组成像主要是可见光成像。一种可选的实施例中，调光柱120在垂直于轴线方向的尺寸小于紫光的波长，即调光柱120在垂直于轴线方向的尺寸小于可见光的波长，也就是，调光柱120在垂直于轴线方向的尺寸属于亚波长范围，进而可以避免反射光衍射光形成“鬼像”，达到消除“鬼像”的目的。
可选的，多个调光柱120在调光柱120轴线方向的投影关于第三对称面130和第四对称面140对称，第三对称面130与各调光柱120对应的第一对称面122平行，第四对称面140与各调光柱120对应的第二对称面123平行，且第三对称面130和第四对称面140相交于超构透镜100的中心，进一步提升超构透镜100的对称性，提升超构透镜100消除色差和消除球差的性能。第三对称面130和第四对称面140相交于超构透镜100的中心是指，第三对称面130和第四对称面140的交线经过超构透镜100的中心。
可选的，本申请所述的调光柱120一般为光介质材料。光介质材料的种类有很多，例如：氮化镓(GaN)，二氧化钛(TiO2)，氮化硅(SiN)，硅(Si)等材料制成。为此，本实施例不限定调光柱120的具体材质。
基于本申请实施例公开的超构透镜100，本申请还公开了一种摄像模组。该摄像模组包括本申请任意一项实施例所述的超构透镜100，以利用超构透镜100消除色差和球差，提升摄像模组成像质量。可选的，摄像模组还包括感光芯片200，超构透镜100与感光芯片200相对设置，透过超构透镜100的光线可照射于感光芯片200，进而可以提升感光芯片200成像质量，避免摄像模组在拍摄的过程中形成“鬼像”，达到消除“鬼像”的目的。
参照图9至图11，感光芯片200包括多个像素单元。超构透镜100的数 量为多个，超构透镜100与像素单元一一对应，且超构透镜100与像素单元相对设置，光线通过超构透镜100并投射于感光芯片200，以使通过超构透镜100的光线可以通过感光芯片200成像。需要说明的是，超构透镜100与感光芯片200中的像素单元一一对应是指：透过超构透镜100的光线投射于感光芯片200中与之对应的像素单元上。
上述实施例中，超构透镜100与感光芯片200中的像素单元一一对应，多个超构透镜100形成超构透镜阵列，进而可以实现光场捕获，达到三维成像，进而可以直接获取景深信息，提升摄像模组的成像质量。由于可以获得更深的景深范围，进而可以使得微距拍摄成像更加清晰，并且，在摄像模组包括主镜头400的情况下，还可以降低驱动主镜头400调焦运动的行程，降低摄像模组的高度。
一种可选的实施例中，摄像模组还包括红外滤光件300，超构透镜100设置于红外滤光件300。红外滤光件300可以滤除部分杂光，进而可以减少杂光影响感光芯片200成像，确保感光芯片200成像质量。
一种可选的实施例中，基底110固定贴合于红外滤光件300靠近感光芯片200的一侧。进一步的，红外滤光件300为设置在基底110远离调光柱120一侧的红外截止膜。
上述实施例中，可以在超构透镜100形成的阵列的基础上集成红外截止膜的功能，进而有利于降低摄像模组的高度。需要说明的是，摄像模组的高度是指摄像模组在取景方向的尺寸，其中，取景方向是指摄像模组的进光通道的轴线方向。
参照图11，一种可选的实施例中，摄像模组还包括主镜头400，主镜头400与感光芯片200的感光面相对设置，超构透镜100设置于主镜头400与感光芯片200之间，主镜头400成像的相面为第一相面600，超构透镜100位于主镜头400与第一相面600之间。经过主镜头400进入的光线，经过超构透镜100形成的阵列再次成像，进而可以实现光场捕获。超构透镜100位 于主镜头400与第一相面600之间，可以将摄像模组的实际成像面向靠近主镜头400的方向平移，进而降低摄像模组的高度，进而有利于降低电子设备的厚度。
需要说明的是，主镜头400成像的相面是指，光线经过主镜头400并成像的相面。具体的，主镜头400成像的相面可以是主镜头400的焦平面。因此，第一相面600相对于主镜头400的位置与主镜头400的光学性能有关。上述实施例中，超构透镜100位于主镜头400与第一相面600之间，进而使得超构透镜100可以在光线到达第一相面600之前捕获光场。
为了便于说明，摄像模组实际成像面为第二像面。参照图11，第二像面与超构透镜100之间的间距为b，各超构透镜100对应的焦距为f；第一像面与超构透镜100之间的间距为a；则
Figure PCTCN2022109135-appb-000001
由此可以直接得到，摄像模组降低的高度为：
Figure PCTCN2022109135-appb-000002
进一步的，可以通过改变调光柱120的高度和/或宽度，使得超构透镜100可以矫正主镜头400的球差和色差，以进一步提升摄像模组的成像质量。
另一种可选的实施例中，摄像模组还包括主镜头400，主镜头400与感光芯片200的感光面相对设置，超构透镜100设置于主镜头400与感光芯片200之间，主镜头400成像的相面为第一相面600，第一相面600位于主镜头400与超构透镜100之间。进一步的，可以通过改变调光柱120的高度和/或宽度，使得超构透镜100可以矫正主镜头400的球差和色差，以进一步提升摄像模组的成像质量。
一种可选的实施例中，摄像头模组还包括盖板500，盖板500位于主镜头400光线进入的一端，以保护主镜头400。可选的，盖板500可以为透光材料制成。透明材料的种类有很多，例如树脂材料、玻璃等，为此，本实施例不限定盖板500的具体材质。
基于本发明公开的摄像模组，本发明实施例公开一种电子设备，该电子 设备包括上文实施例中所述的摄像模组。
本申请实施例公开的电子设备可以是手机、平板电脑、电子书阅读器、医疗器械等，本申请实施例不限制电子设备的具体种类。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。

Claims (15)

  1. 一种超构透镜，包括基底(110)和多个调光柱(120)，所述基底(110)包括安装面(111)，所述多个调光柱(120)呈阵列分布于所述安装面(111)，所述调光柱(120)上开设有通孔(121)，所述通孔(121)沿所述调光柱(120)的轴向贯穿所述调光柱(120)；所述调光柱(120)为对称结构。
  2. 根据权利要求1所述的超构透镜，其中，所述调光柱(120)具有第一对称面(122)和第二对称面(123)，所述第一对称面(122)与所述第二对称面(123)垂直。
  3. 根据权利要求2所述的超构透镜，其中，所述调光柱(120)为正四棱柱，所述通孔(121)为圆柱形通孔。
  4. 根据权利要求2所述的超构透镜，其中，所述多个调光柱(120)沿第一方向和第二方向呈列排布，所述第一方向与所述第二方向垂直，各所述调光柱(120)对应的所述第一对称面(122)与所述第一方向平行，各所述调光柱(120)对应的所述第二对称面(123)与所述第二方向平行。
  5. 根据权利要求2至4中任意一项所述的超构透镜，其中，所述多个调光柱(120)中，与所述超构透镜的中心之间间距相等的所述调光柱(120)大小相等。
  6. 根据权利要求5所述的超构透镜，其中，所述调光柱(120)在垂直于轴线方向的尺寸小于可见光的波长。
  7. 根据权利要求5所述的超构透镜，其中，所述多个调光柱(120)在所述调光柱(120)轴线方向的投影关于第三对称面(130)和第四对称面(140)对称，所述第三对称面(130)与各所述调光柱(120)对应的所述 第一对称面(122)平行，所述第四对称面(140)与各所述调光柱(120)对应的所述第二对称面(123)平行，且所述第三对称面(130)和所述第四对称面(140)相交于所述超构透镜(100)的中心。
  8. 一种摄像模组，包括感光芯片(200)和权利要求1至7中任意一项所述的超构透镜(100)，所述超构透镜(100)与所述感光芯片(200)相对设置，透过所述超构透镜(100)的光线可照射于所述感光芯片(200)。
  9. 根据权利要求8所述的摄像模组，其中，所述摄像模组还包括红外滤光件(300)，所述超构透镜(100)设置于所述红外滤光件(300)。
  10. 根据权利要求9所述的摄像模组，其中，所述基底(110)固定贴合于所述红外滤光件(300)靠近所述感光芯片(200)的一侧。
  11. 根据权利要求10所述的摄像模组，其中，所述红外滤光件(300)为设置在所述基底(110)的远离所述调光柱(120)一侧的红外截止膜。
  12. 根据权利要求8所述的摄像模组，其中，所述感光芯片(200)包括多个像素单元；所述超构透镜(100)的数量为多个，所述超构透镜(100)与所述像素单元一一对应。
  13. 根据权利要求12所述的摄像模组，其中，所述摄像模组还包括主镜头(400)，所述主镜头(400)与所述感光芯片(200)的感光面相对设置，所述超构透镜(100)设置于所述主镜头(400)与所述感光芯片(200)之间，所述主镜头(400)成像的相面为第一相面(600)，所述超构透镜(100)位于所述主镜头(400)与所述第一相面(600)之间。
  14. 根据权利要求12所述的摄像模组，其中，所述摄像模组还包括主镜头(400)，所述主镜头(400)与所述感光芯片(200)的感光面相对设置，所述超构透镜(100)设置于所述主镜头(400)与所述感光芯片(200)之 间，所述主镜头(400)成像的相面为第一相面(600)，所述第一相面(600)位于所述主镜头(400)与所述超构透镜(100)之间。
  15. 一种电子设备，包括权利要求8至14中任意一项所述的摄像模组。
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