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超表面透镜及摄像头模组的制作方法

专利查询2022-5-21  89

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1.本技术涉及摄像技术领域,特别涉及一种超表面透镜及摄像头模组。


背景技术:

2.目前,终端设备已经成为了人们生活中不可或缺的电子产品。越来越多的终端设备可以集成摄像头模组,通过摄像头模组可以让终端设备实现拍摄功能和扫码功能等。
3.终端设备中的摄像头模组通常可以包括:摄像头和消色差镜片组。通过消色差镜片组对射入的环境光线进行调整,以使环境光线能够聚焦在同一个焦点处,保证摄像头在基于入射的环境光线进行成像时的成像效果较好。
4.然而,消色差镜片组中的镜片的个数通常较多(例如,镜片组中的镜片个数为5个或5个以上),导致摄像头模组的体积较大,进而导致终端设备的体积较大。


技术实现要素:

5.本技术实施例提供了一种超表面透镜及摄像头模组。可以解决现有技术的摄像头模组的体积较大的问题,所述技术方案如下:
6.一方面,提供了一种超表面透镜,包括:衬底基板和多个纳米柱;
7.所述衬底基板具有多个阵列排布的透镜区域;
8.所述多个纳米柱与多个所述透镜区域对应,每个所述纳米柱位于对应的透镜区域内,且与所述衬底基板固定连接,所述参考方向为所述超表面透镜的目标坐标系中的任一坐标轴所在方向,所述目标坐标系的原点与所述超表面透镜的中心重合;
9.所述多个纳米柱中的至少部分纳米柱在所述衬底基板上的正投影的尺寸各不相同,且所述多个纳米柱中的至少部分纳米柱在所述衬底基板上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角各不相同;
10.其中,每个所述纳米柱用于对波长在目标波长范围内的光线进行调整,以使调整后的光线的相位与所述光线的波长以及所述纳米柱在所述衬底基板上的位置满足预设关系。
11.可选的,所述透镜区域的形状为正方形。
12.可选的,所述透镜区域的边长的范围为200纳米至400纳米。
13.可选的,所述透镜区域的边长为300纳米。
14.可选的,各个所述纳米柱的高度均相同。
15.可选的,所述纳米柱的高度的范围为600纳米至1200纳米。
16.可选的,所述纳米柱的高度为800纳米。
17.可选的,各个所述纳米柱在所述衬底基板上的正投影的形状均为矩形。
18.可选的,每个所述纳米柱在所述衬底基板上的正投影的中心与对应的透镜区域的中心重合。
19.可选的,所述调整后的光线的相位与所述光线的波长以及所述纳米柱在所述衬底
基板上的位置满足以下公式:
[0020][0021]
其中,ω代表射向所述超表面透镜且波长在所述目标波长范围内的光线的角频率;代表所述纳米柱对所述光线进行调整后的相位;r代表所述纳米柱在所述超表面透镜上的径向坐标值;c代表光速;f代表所述超表面透镜的焦距。
[0022]
可选的,所述纳米柱在所述衬底基板上的正投影的长度方向与所述参考方向之间的夹角,为所述纳米柱将中间波长光线调节后的相位的二分之一,所述中间波长光线为波长在所述目标波长范围内的任一光线。
[0023]
另一方面,提供了一种摄像头模组,包括:摄像头以及上述的超表面透镜。
[0024]
本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括:
[0025]
一种超表面透镜包括:衬底基板和多个纳米柱。多个纳米柱可以阵列排布在衬底基板上,且各个纳米柱均与衬底基板固定连接。每个纳米柱能够对波长在目标波长范围内的光线进行调整,在调整后的光线的相位与该光线的波长以及纳米柱在衬底基板上的位置满足预设关系时,从超表面透镜出射的波长在目标波长范围内的光线可以汇聚至同一个焦点处。也即是,通过超表面透镜能够消除波长在目标波长范围内的光线产生的色差。如此,在该超表面透镜集成在摄像头模组中后,可以有效的降低摄像头模组的体积,进而可以有效的降低集成了该摄像头模组的终端设备的体积,且可以保证该终端设备的重量较低。
附图说明
[0026]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例,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的附图。
[0027]
图1是目前常见的一种摄像头模组的结构示意图;
[0028]
图2是本技术实施例提供的一种超表面透镜的俯视图;
[0029]
图3是图2示出的超表面透镜的侧视图;
[0030]
图4是图2示出的超表面透镜中的单个纳米柱的立体示意图;
[0031]
图5是本技术实施例提供的七种不同尺寸的纳米柱对不同波长的光线进行调整后的相位与该光线的波长的曲线图;
[0032]
图6是本技术实施例提供的一种用于反映不同尺寸的纳米柱所对应的相位延迟和对光线的衍射效率的示意图;
[0033]
图7是本技术实施例提供的一种超表面透镜对目标波长范围内的光线进行聚焦的效果图;
[0034]
图8是本技术实施例提供的一种摄像头模组的结构示意图。
具体实施方式
[0035]
为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本技术实施方式作进一步地详细描述。
[0036]
请参考图1,图1是目前常见的一种摄像头模组的结构示意图。摄像头模组可以包括:摄像头01和消色差镜片组02。其中,消色差镜片组02通常包含至少一个镜片021。消色差镜片组02中的每个镜片021能够消除一种波长的光线产生的色差,以使这种波长的光线在经过镜片021后能够聚焦在同一个焦点处。
[0037]
然而,射入摄像头模组的环境光线的波长范围通常较大。因此,为了保证摄像头01在基于射入的环境光线进行成像时的效果较好,需要保证消色差镜片组02中的镜片021的个数较多,且需要保证各个镜片021的形状和材料不同。例如,对于波长范围为450纳米至650纳米的环境光线,消色差镜片组02中需要设置5个或5个以上的镜片021,才能够保证环境光线中不同波长的光线经过镜片组02后聚焦在同一个焦点处。
[0038]
因此,目前的摄像头模组的体积通常较大。在将该摄像头模组集成在终端设备内后,会导致终端设备的体积较大,且重量较大。
[0039]
请参考图2和图3,图2是本技术实施例提供的一种超表面透镜的俯视图,图3是图2示出的超表面透镜的侧视图。超表面透镜000可以包括:衬底基板 100和多个纳米柱200。
[0040]
衬底基板100具有多个阵列排布的透镜区域101。在本技术实施例中,各个透镜区域101的面积相同。且在任意一行透镜区域101中,每两个相邻的透镜区域101的中心距离相等;在任意一列透镜区域101中,每两个相邻的透镜区域101的中心距离相等。
[0041]
多个纳米柱200与衬底基板100中的多个透镜区域101对应。每个纳米柱 200位于对应的透镜区域101内,且每个纳米柱200可以与衬底基板100固定连接。示例的,超表面透镜000中的每个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的中心与对应的透镜区域101的中心重合。在本技术实施例中,各个纳米柱200 与衬底基板100的同一侧固定连接。在这情况下,衬底基板100中的各个透镜区域101的面积之和,近似等于衬底基板100与纳米柱200连接的一侧的面积。
[0042]
其中,多个纳米柱200中的至少部分纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸各不相同,且多个纳米柱200中的至少部分纳米柱200在衬底基板100 上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角各不相同。其中,纳米柱200在衬底基板100上的正投影通常呈条形,例如,纳米柱200在衬底基板100上的正投影的形状可以为矩形,该正投影的长边方向即为长度方向。参考方向为超表面透镜000的目标坐标系中的任一坐标轴所在方向,该目标坐标系的原点与超表面透镜的中心重合。需要说明的是,目标坐标系是指在对超表面透镜000 进行设计时,在超表面透镜000的衬底基板100上构建的二维坐标系,这里的参考方向可以为二维坐标系中的x轴所在方向或y轴所在方向。
[0043]
超表面透镜000中的每个纳米柱200用于对波长在目标波长范围内的光线进行调整,以使调整后的光线的相位与该光线的波长以及纳米柱200在衬底基板100上的位置满足预设关系。
[0044]
示例的,当波长在目标波长范围内光线射向超表面透镜100时,超表面透镜000中的各个纳米柱200能够对接收到光线的相位进行调整。若通过各个纳米柱200对光线调整后的相位,与光线的波长以及纳米柱200在衬底基板100 上的位置满足预设关系,则,从超表面透镜000出射后的光线可以汇聚到同一个焦点处,该焦点即为超表面透镜000的焦点。也即是,通过超表面透镜能够消除波长在目标波长范围内的光线产生的色差。例如,目标波长范围可以为450 纳米至650纳米,在此波长范围内的不同波长的光线经过超表面透镜000后
可以汇聚在同一个焦点处。
[0045]
如此,通过单个超表面透镜000便能够消除目标波长范围内的光线产生的色差。在超表面透镜000集成在摄像头模组中后,可以有效的降低摄像头模组的体积,进而可以有效的降低集成了该摄像头模组的终端设备的体积,且可以保证该终端设备的重量较低。
[0046]
在本技术实施例中,对于波长在目标波长范围内的任一光线,在其射向超表面透镜000各个位置时,通过超表面透镜000中的各个纳米柱200对射入的光线的相位进行调整,使得调整后的相位与光线的波长以及纳米柱200在衬底基板100上的位置满足以下公式:
[0047][0048][0049]
其中,ω代表射向超表面透镜000且波长在目标波长范围内的光线的角频率;代表纳米柱200对该光线进行调整后的相位;r代表纳米柱200在超表面透镜000上的径向坐标值;λ代表射入超表面透镜000的光线的波长,该光线的波长位于目标波长范围内;c代表光速;f代表超表面透镜000的焦距。其中,若超表面透镜000中的纳米柱200在衬底基板100上的正投影的中心点的坐标值为(x,y),则,纳米柱200在衬底基板100上的正投影的中心点的坐标值与径向坐标值存在以下关系式:r2=x2+y2。
[0050]
对于波长在目标波长范围内的任一光线,在其射向超表面透镜000的各个位置处时,若其被超表面透镜000中的各个纳米柱200调整后的相位分布,与该光线的波长以及纳米柱200在衬底基板100上的位置满足上述公式(1)。则,该光线从超表面透镜000出射后可以汇聚到同一个焦点处。
[0051]
为了让波长在目标波长范围内的任一光线在从超表面透镜出射时,能够满足上述公式(1),需要对超表面透镜000中的各个纳米柱200在衬底基板100 上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角进行设计,还需要对各个纳米柱 200在衬底基板100上的正投影的尺寸进行设计。为此,本技术实施例将以以下两个方面分别进行说明。
[0052]
第一方面,对于纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角。可以对上述公式(1)进行泰勒展开,可以得到以下表达式:
[0053][0054]
其中,ωd代表中间波长光线的角频率。这里,中间波长光线是指波长在目标波长范围内的任一光线,例如,当目标波长范围为450纳米至650纳米时,中间波长光线可以为波长为550纳米的光线。
[0055]
假设,射向超表面透镜000的光线仅为中间波长光线,则,基于上述公式 (1)和公式(3)可知,当中间波长光线经过超表面透镜000,中间波长光线在超表面透镜000上的相位分布满足下述表达式时,超表面透镜000能够将中间波长光线汇聚至同一焦点处。
[0056][0057]
根据上述公式(4)可知,在超表面透镜000的不同的径向坐标处,存在不同的相位。这里,中间波长光线的角频率ωd、光速c、超表面透镜000的焦距f 和超表面透镜000的径向
坐标值r都是已知量。因此,通过上述公式(4)可以得到中间波长光线在超表面透镜000上的相位分布。
[0058]
又由于中间波长光线经过超表面透镜000中的某个纳米柱200后,中间波长光线被该纳米柱200调节后的相位,与该纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角相关。因此,在通过上述公式(4)得到中间波长光线在超表面透镜000上的相位分布后,可以根据该相位分布计算各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角。
[0059]
示例的,纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角,为该纳米柱200将中间波长光线调节后的相位的二分之一。也即是,对于超表面透镜000中的某个纳米柱200,该纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角θ,和该纳米柱200将中间波长光线调节后的相位满足:
[0060][0061]
因此,通过上述公式(4)和公式(5)可以计算出超表面透镜000中的各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角。
[0062]
第二方面,对于各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸。可以对上述公式(1)中的ω求偏导,得到以下表达式:
[0063][0064]
其中,上述公式(6)中的左边这一项代表不同角频率的光线(也即不同波长的光线)经过超表面透镜000后的相位差值,也即相位延迟。
[0065]
根据上述公式(6)可知,在超表面透镜000不同的径向坐标处,存在不同的相位延迟。这里,光速c、超表面透镜000的焦距f和超表面透镜000的径向坐标值r都是已知量。因此,通过上述公式(6)可以得到不同波长光线经过超表面透镜000的各个纳米柱200后被纳米柱200调节后的相位差值,也即是,可以得到与各个纳米柱200对应的相位延迟。
[0066]
又由于超表面透镜000中的每个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸,与该纳米柱200对应的相位延迟相关。因此,在通过上述公式(6)得到与各个纳米柱200对应的相位延迟后,可以根据与每个纳米柱200对应的相位延迟,确定该纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸。
[0067]
可选的,如图4所示,图4是图2示出的超表面透镜中的单个纳米柱的立体示意图。超表面透镜000中的各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的形状均为矩形。在这种情况下,上述实施例中的纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸是指:纳米柱200在衬底基板100上的正投影长度l和宽度w。如此,对于长度l和宽度w中的至少一个不同的两个纳米柱200,这两个纳米柱200所对应的相位延迟不同。
[0068]
示例的,请参考图5,图5是本技术实施例提供的七种不同尺寸的纳米柱对不同波长的光线进行调整后的相位与该光线的波长的曲线图。在图5中,横坐标可以代表光线的波长,单位为:纳米(nm);纵坐标可以代表光线被纳米柱调节后的相位,单位为:弧度(rad)。因此,图5中的七条曲线的斜率即可以代表7个不同相位延迟,单位为:飞秒(fs)。为此,在图5中七条曲线可以代表七种尺寸的纳米柱所对应的相位延迟。
[0069]
需要说明的是,在确定了一种尺寸的纳米柱后,可以采用模拟实验模拟出这种尺
寸的纳米柱在图5中对应的曲线图,即可得到这种尺寸的纳米柱所对应的相位延迟。
[0070]
由上可知,超表面透镜000的多个纳米柱200中的至少部分纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角各不相同,且多个纳米柱200中的至少部分纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸各不相同。
[0071]
在本技术实施例中,超表面透镜000中的多个纳米柱200是周期性分布的。在本技术中,由于各个纳米柱200在衬底基板100上均是位于对应的透镜区域 101内。因此,可以通过调整透镜区域101的尺寸或形状,来调整多个纳米柱 200在衬底基板100上的分布周期。而超表面透镜000中在采用不同的分布周期布置多个纳米柱200时,超表面透镜000能够消除不同波长范围内的光线的色差。
[0072]
示例的,本技术实施例中为了保证超表面透镜000能够对较大的波长范围的光线产生的色差进行消除,超表面透镜000中的衬底基板100上的各个透镜区域101的形状均可以为正方形。其中,各个透镜区域101的边长的范围均可以为200纳米至400纳米。
[0073]
在本技术实施例中,超表面透镜000中的各个纳米柱200的高度h均是相同的。在本技术中,超表面透镜000中在采用不同的高度的纳米柱200时,超表面透镜000能够消除不同波长范围内的光线的色差。
[0074]
示例的,本技术实施例中为了保证超表面透镜000能够对较大的波长范围的光线产生的色差进行消除,超表面透镜000中的纳米柱200的高度的范围均可以为600纳米至1200纳米。
[0075]
结合上述实施例,当超表面透镜000中的衬底基板100上的各个透镜区域101的边长为300纳米,每个透镜区域101内的纳米柱200的高度h为800纳米时,可以采用模拟实验确定不同尺寸(也即不同的长度和宽度)的纳米柱所对应的相位延迟,并确定这种尺寸的纳米柱对光线的衍射效率。之后,可以构建出图6示出的用于反映不同尺寸的纳米柱所对应的相位延迟和对光线的衍射效率的示意图,在图6中,横坐标代表相位延迟,单位为:fs;纵坐标代表对光线的衍射效率。其中,图6中的每个点代表一种尺寸的纳米柱所对应的相位延迟和对光线的衍射效率。
[0076]
为此,假设图2示出的超表面透镜000的直径为15微米,焦距为30微米,可以通过上述两个方面记载的内容,确定超表面透镜000中的每个纳米柱200 的参数。示例的,可以先通过上述第一方面记载的内容,确定出超表面透镜000 中的各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的长度方向与参考方向之间的夹角;再通过上述第二方面记载的内容,确定出超表面透镜000中的各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸。
[0077]
其中,在确定各个纳米柱200在衬底基板100上的正投影的尺寸的过程中,需要先通过上述公式(6)计算出超表面透镜000中的不同位置处所需要的相位延迟,再在图6中选择相应尺寸的纳米柱,即可确定出超表面透镜000中的各个纳米柱200的尺寸。需要说明的是,在基于相位延迟对纳米柱的尺寸进行选择时,在保证相位延迟相同的前提下,需要选择衍射效率较高所对应的纳米柱的尺寸。如此,可以保证后续制备出的超表面透镜000对光线的透射效果较高。
[0078]
如此,基于各个透镜区域101内的纳米柱200的参数,所制备出的超表面透镜000能够消除目标波长范围的光线产生的色差。
[0079]
示例的,请参考图7,图7是本技术实施例提供的一种超表面透镜对目标波长范围
内的光线进行聚焦的效果图。假设,目标波长范围为450纳米至650纳米。在通过上述实施例制备出的超表面透镜000后,可以采用单一波长的光线射向该超表面透镜000,并模拟出从超表面透镜000出射后的能量分布。这里,模拟出的出射光线的能量分布的中心点即为超表面透镜000对该单一波长的光线汇聚在焦点的所在位置。根据图7可知,在目标波长范围内,输入超表面透镜000的单一波长的光线的波长从450纳米逐渐增加至650纳米,不同波长的光线均可以聚焦在超表面透镜000的焦点处。因此,通过上述实施例所制备出的超表面透镜000能够消除目标波长范围的光线产生的色差,也即是,波长在目标波长范围内的光线可以汇聚在同一个焦点处。
[0080]
在本技术中,根据图6可知,当超表面透镜000中的衬底基板100上的各个透镜区域101的边长为300纳米,每个透镜区域101内的纳米柱200的高度h 为800纳米时,这种类型的超表面透镜000所覆盖的相位延迟的范围为2.8fs至 8.8fs,其能够覆盖的相位延迟的范围较广。
[0081]
需要说明的是,当超表面透镜000所覆盖的相位延迟的范围较广时,不仅能够让超表面透镜000消除较大波长范围内的光线产生的色差,还可以保证超表面透镜000的口径的范围较广。示例的,根据上述公式(6)可知,当超表面透镜000所覆盖的相位延迟的范围较广时,超表面透镜000的径向坐标值r的范围越广,使得超表面透镜000的口径的范围较广,进而使得超表面透镜000与不同尺寸的摄像头进行组装配合。
[0082]
在本技术实施例中,超表面透镜000中的衬底基板100和纳米柱200可以是一体结构。示例的,可以对待刻蚀的基板进行刻蚀处理,即可得到一体成型的衬底基板100和纳米柱200。这里,待刻蚀的基板的材料可以包括:氮化镓、二氧化硅、硅材料或氮化硅等介质材料。并且,本技术中的衬底基板100仅有一种形态的纳米柱200,有效的降低了超表面透镜000的制造难度。
[0083]
综上所述,本技术实施例提供的超表面透镜,包括:衬底基板和多个纳米柱。多个纳米柱可以阵列排布在衬底基板上,且各个纳米柱均与衬底基板固定连接。每个纳米柱能够对波长在目标波长范围内的光线进行调整,在调整后的光线的相位与该光线的波长以及纳米柱在衬底基板上的位置满足预设关系时,从超表面透镜出射的波长在目标波长范围内的光线可以汇聚至同一个焦点处。也即是,通过超表面透镜能够消除波长在目标波长范围内的光线产生的色差。如此,在该超表面透镜集成在摄像头模组中后,可以有效的降低摄像头模组的体积,进而可以有效的降低集成了该摄像头模组的终端设备的体积,且可以保证该终端设备的重量较低。
[0084]
本技术实施例还提供了一种摄像头模组。如图8所示,图8是本技术实施例提供的一种摄像头模组的结构示意图。该摄像头模组可以包括:摄像头001 和超表面透镜000。其中,超表面透镜000可以为图2示出的超表面透镜。通过超表面透镜000能够消除波长在目标波长范围内的光线产生的色差,使得摄像头001在基于从超表面透镜000出射的关线进行成像时的成像效果较好。因此,通过单个超表面透镜000便能够消除波长在目标波长范围内的光线产生的色差,使得该摄像头模组的体积较小。
[0085]
需要说明的是,超表面透镜000中的衬底基板100仅对多个纳米柱200起到支撑作用,其并不会对射入超表面透镜000的光线起到调节作用。因此,超表面透镜000中的纳米柱200相对于衬底基板100可以朝向摄像头001,也可以背向摄像头001。
[0086]
本技术实施例还提供了一种终端设备,该终端设备可以为手机、笔记本电脑、平板电脑、相机或可穿戴设备等任何具有摄像功能的显示设备。终端设备可以包括:显示面板和摄像头模组。其中,摄像头模组可以为图8示出的摄像头模组。当摄像头模组包含超表面透镜时,可以保证集成该摄像头模组的终端设备的体积较小,且重量较小。
[0087]
在本技术中,术语“第一”和“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上,除非另有明确的限定。
[0088]
以上所述仅为本技术的可选的实施例,并不用以限制本技术,凡在本技术的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本技术的保护范围之内。

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