超短型长焦系统和包含其的成像模组

技术领域

本申请涉及光学成像的技术领域，具体地，本申请涉及一种超短型长焦系统和包含其的成像模组。

背景技术

随着科技的发展，越来越多的电子设备中集成了光学装置。而现有技术中光学装置的系统长度较大，阻碍了电子设备小型化和轻型化进程的推进。光学装置的系统长度(TTL，Total Track Length)相当于沿光入射方向的第一个镜面到最后一个镜面的距离与光学装置的后焦距之和。随着电子元器件的小型化发展，现有的光学系统已经难以满足工业和电子消费市场对电子设备小型化的需求了。主要原因在于，现有光学系统的系统总长与焦距(f)的比值(后文中称为身焦比)大于或等于1，这极大地限制了光学系统的小型化。现有技术主要通过压缩沿光入射方向的第一个镜面到最后一个镜面的距离，以减小光学装置的系统总长。

因此，亟需一种小型化的超短型长焦系统，以使光学系统身焦比的最小值突破1的限制。

发明内容

为了解决现有技术中的超短型长焦系统的难以小型化的技术问题，本申请提供了一种超短型长焦系统和包含其的成像模组。

一方面，本申请提供了一种超短型长焦系统，所述超短型长焦系统包括基板、第一超表面和移光器；

所述第一超表面设置于所述基板朝向物侧的第一表面；

所述移光器设置于所述基板背离所述第一表面的第二表面；

并且，所述移光器的相位满足如下关系，以减小所述超短型长焦系统的后焦距：

其中，

可选地，所述基板为单层结构。

可选地，所述基板为多层结构。

可选地，所述基板包括第一子板、第二子板和胶合层；

所述胶合层用于将第一子板和第二子板胶合；

所述第一子板朝向物侧的表面为第一表面，所述第一子板背离物侧的表面为第三表面；

所述第二子板朝向物侧的表面为第四表面，所述第二子板背离物侧的表面为第二表面；

所述第三表面与所述第四表面相对，并通过所述胶合层连接；

并且，所述第三表面与所述第四表面形状匹配。

可选地，所述第一表面和所述第二表面为平面。

可选地，所述第一表面为曲面。

可选地，所述第一表面、所述第三表面和所述第四表面中的任意一个或多个为曲面。

可选地，所述超短型长焦系统还包括第二超表面；

所述第二超表面设置于所述第三表面。

可选地，所述超短型长焦系统还包括第三超表面；

所述第三超表面设置于所述第四表面。

可选地，所述第一子板和第二子板的材质相同。

可选地，所述第一子板和第二子板的材质不同。

可选地，所述移光器包括单层空间截断介质。

可选地，所述移光器包括层叠的至少两种折射率不同的介质。

可选地，所述移光器包括层叠的至少三种折射率不同的介质。

可选地，所述移光器中折射率不同的介质的层数大于或等于10层。

可选地，所述移光器包括非晶硅、氧化硅、氮化硅和氧化钛中的任意两种或多种。

可选地，所述移光器包括第四超表面和第五超表面；

所述第四超表面和所述第五超表面对置，并形成Fabry-Perot谐振腔。

第二方面，本申请还提供了一种成像模组，其特征在于，所述成像模组包括上述任一实施例所提供的超短型长焦系统和探测器；

所述探测器设置于所述超短型长焦系统设置有移光器的一侧。

本申请的技术方案至少取得了以下技术效果：

本申请提供的超短型长焦系统在基板的物侧表面设置超表面，在基板的背离物侧表面的表面上设置移光器。本申请通过超表面压缩该超短型长焦系统的厚度，并通过设置移光器的相位压缩该超短型长焦系统的后焦距，从而促进了超短型长焦系统的小型化。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的移光器的光路示意图；

图3示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的又一种可选的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的又一种可选的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的又一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的又一种可选的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的超短型长焦系统的又一种可选的结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的移光器的一种可选的结构示意图；

图9示出了本申请实施例提供的移光器的又一种可选的结构示意图；

图10示出了本申请实施例提供的移光器的又一种可选的结构示意图；

图11示出了本申请实施例提供的超表面的纳米结构的一种可选的排列示意图；

图12示出了本申请实施例提供的超表面的纳米结构的又一种可选的排列示意图；

图13示出了本申请实施例提供的超表面的纳米结构的又一种可选的排列示意图；

图14示出了本申请实施例提供的超表面的一种可选的纳米结构的示意图；

图15示出了本申请实施例提供的超表面的一种可选的纳米结构的示意图；

图16示出了本申请实施例提供的成像模组的一种可选的结构示意图；

图17示出了图16提供的成像模组中的移光器的相位图；

图18示出了本申请实施例提供的成像模组的又一种可选的结构示意图；

图19示出了图18提供的成像模组中的移光器的相位图；

图20示出了本申请实施例中移光器的相位图。

图中附图标记分别表示：

10-基板；20-第一超表面；30-移光器；40-第二超表面；50-第三超表面；60-探测器；70-光阑；80-滤光片；110-第一子板；120-第二子板；130-胶合层；101-第一表面；102-第二表面；103-第三表面；104-第四表面；310-第四超表面；320-第五超表面；001-纳米结构；002-基底；003-填充材料；L1-入射光线；L2-等效出射光线；L3-实际出射光线。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否则不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

鉴于传统光学系统的身焦比难以突破1的限制，本文中将身焦比小于1的光学系统称为超短型长焦系统。参见图1，本申请实施例提供了一种超短型长焦系统，该超短型长焦系统包括基板10、第一超表面20和移光器30。其中，基板10为能够透过工作波段辐射的介质。可选地，基板10为单层结构。第一超表面20设置于基板10朝向物侧的第一表面101。第一超表面20用于聚焦和/或像差矫正。根据本申请的实施方式，如图1中的A所示，第一表面101可以是平面；如图1中的B所示，第一表面101也可以是曲面。相应地，第一超表面20可以是平面超表面，也可以是曲面超表面。需要注意的是，本文中所提到的曲面包括球面和非球面等，例如双曲面、自由曲面等。

移光器30(LS，Light Shifter)设置于基板10背离物侧的第二表面102。移光器30设置于基板10背离物侧的第二表面102。移光器30是一种依赖入射角度的相位响应介质。移光器30的工作原理如图2所示：入射光线L1在自由空间中以等效出射光线L2传播；当入射光线L1从自由空间进入移光器30后，在离开移光器30时保持出射角等于入射角，但实际出射光线L3相对入射光线L1在自由空间中传播的等效出射光线L2向移光器30的光轴Z平移。这相当于将光线到达焦点前在自由空间中传播路径在光轴上的投影减小，等效于将光线传播的自由空间的长度截短。因此，将此类依赖入射角度的相位响应介质称为空间截断介质。

根据本申请的实施方式，空间截断移光器30的相位满足公式(1)：

其中，

移光器30的性能通过截断系数评价，移光器30的截断系数如下：

R＝d

其中，R为移光器30的截断系数；d

本申请的发明人发现，移光器30采用单一的空间截断介质时，其截断系数有限，仅在1.1至1.5之间。此时若要进一步减小超短型长焦系统的身焦比，需要进一步增加第一超表面的光焦度，以减小该超短型长焦系统的后焦距。这增加了第一超表面的设计难度。其。

对此，如图1中的B以及图3至图7所示，发明人在基板10中引入胶合层130实现超透镜与移光器的结合并保证光线的通过。

具体而言，在一种可选的实施方式中，如图3至图7所示，本申请提供了一种超短型长焦系统，其中基板10包括第一子板110、第二子板120和胶合层130。其中，第一子板110、胶合层130和第二子板120沿光线入射的方向依次排列。第一子板110朝向物侧的表面为基板10的第一表面101，第二子板120背离物侧的表面为基板10的第二表面102。第一子板110背离物侧的表面为第三表面103，第二子板120朝向物侧的表面为第四表面104。第三表面103和第四表面104相对设置，胶合层130设置于第三表面103和第四表面104之间。胶合层130通过第三表面103与第四表面104分别与第一子板110和第二子板120贴合。可选地，胶合层130可以通过紫外照射、加热等固化方式分别与第一子板110和第二子板120连接稳固。

在一些可选的实施例中，如图3所示，第三表面103和第四表面104为平面。在又一些可选的实施例中，如图4所示，第三表面103和第四表面104为曲面。应理解，本申请实施例提供的第一表面101、第三表面103和第四表面104中的任意一个或多个为非球面时，其面型满足：

公式(3)中，z为平行于基板10的光轴的表面矢量，c为该面型的中心点曲率，k为二次曲面常数，A～J分别对应高阶系数。

根据本申请的实施方式，如图2至图6所示，第一子板110和第二子板120的材质相同。在一些示例性的实施例中，如图7所示，第一子板110与第二子板120的材质不同。当第一子板110与第二子板120的材质不同时，通过二者阿贝数之间的配合可以有效地抑制色差。

接下来，结合图8至图10对本申请实施例提供的移光器30进行详细描述。

可选地，移光器30可以由单层空间截断介质构成，例如非轴向材料。示例性地，移光器30的材质为方解石。但非轴向材料作为移光器30时所需的厚度较大，截断系数较小。

可选地，如图8和图9所示，本申请实施例提供了一种多层结构的移光器30。此类结构的移光器30由至少两种折射率不同的介质交替层叠而成，以使移光器30的相位在预设入射角范围内满足公式(1)。优选地，移光器30中折射率不同的介质的层数大于或等于10。上述至少两种折射率不同的介质的选择与本申请实施例提供的光学系统的工作波段相关。根据本申请的实施方式，该超短型长焦系统的工作波段可以为可见光(400nm～700nm)、近红外(900nm～1700nm)、远红外(8μm～12μm)等宽带光。可选地，该超短型长焦系统的工作波段还可以是窄带光，例如532nm、633nm、850nm、940nm、1550nm。优选地，上述的窄带光的带宽与中心波长的比例小于或等于0.1。

示例性地，如图8所示，对波长为940nm的近红外，本申请实施例提供的一种移光器30由氧化硅(低折射率介质)和非晶硅(高折射率介质)层叠30层形成。图8中所示的移光器30在入射角小于或等于20°时，移光器30的相位满足公式(1)。

示例性地，如图9所示，对波长为532nm的绿光，本申请实施例提供的一种移光器30由氧化硅(低折射率介质)、氮化硅(中间折射率介质)和氧化钛(高折射率介质)层叠30层形成。

在又一些示例性的实施例中，如图10所示，移光器30包括第四超表面310和第五超表面320。第四超表面310和第五超表面320对置，并且形成Fabry-Perot谐振腔。如图10所示，入射光线L1射入移光器30后，在Fabry-Perot谐振腔内连续反射后以实际出射光线L3出射。

接下来，结合图11至图14对本申请实施例提供的第一至第五超表面进行详细描述。

超表面为一层亚波长的人工纳米结构膜，可通过周期性排列的纳米结构001对入射光的振幅、相位和偏振进行调制。本申请中实施例中，如图1、图5和图6所示，纳米结构001可以直接设置在基板10的第一表面101、第三表面103和第四表面104上，也可以如图10所示设置在单独的基底002上。其中需要说明的是，纳米结构001可理解为包含全介质或电浆子的、能够导致相位突变的亚波长结构，而纳米结构单元为通过对超表面进行划分而得到以每个纳米结构为中心的结构单元。在超表面中纳米结构周期性排布，其中每个周期中的纳米结构组成一个超结构单元，其中超结构单元为可密堆积图形，例如可以为正四边形，正六边形等等，每个周期中包含一组纳米结构，并且超结构单元的顶点和/或中心例如可以设置有纳米结构。在超结构单元为正六边形的情况下，正六边形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。或者，在其为正方形的情况下，正方形各顶点和中心位置至少设置有一个纳米结构。理想状态下，超结构单元应为六边形顶点及中心排布的纳米结构，或者为正方形顶点及中心排布的纳米结构，应当理解，实际产品可能因超表面形状的限制，在超表面边缘有纳米结构的缺失，使其不满足完整的六边形/正方形。具体的，如图11至图13所示，所述超结构单元由纳米结构按照规律排布而成，若干个超结构单元成阵列排布形成超表面结构。

如图11示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的6个与其距离相等的周边的纳米结构，各周边纳米结构沿着环周均匀分布，组成正六边形，也可理解为多个纳米结构组成的正三角形互相组合。

如图12示出的一个实施例，超结构单元包括一个中间的纳米结构和环绕其的4个与其距离相等的周边的纳米结构，组成正方形。

超结构单元及其密堆/阵列的形式也可以是圆周排列的扇形，如图13示出的，包括两个弧形边的扇形，也可以是一个弧形边的扇形，如图13中的左下角区域，在扇形的各边交点以及中心设置有纳米结构。

示例性地，本申请实施例提供的纳米结构001可以是偏振无关结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。根据本申请的实施方式，纳米结构001可以是正结构，也可以是负结构。例如，纳米结构001的形状包括圆柱、中空圆柱、正方形棱柱、中空正方形棱柱等。图14示出了纳米结构001为圆柱时的纳米结构单元的结构示意图。

示例性地，纳米结构001可以是偏振相关结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。纳米结构001可以是正结构也可以是负结构。例如，纳米结构001可以是椭圆形柱、纳米鳍等结构。图15示出了纳米结构001为纳米鳍时的纳米结构单元的结构示意图。根据本申请的实施方式，纳米结构的特征尺寸大于或等于0.2λ

根据本申请的实施方式，可选地，纳米结构的排列周期大于或等于0.3λ

根据本申请的实施方式，超表面还包括填充材料003，填充材料003填充于纳米结构001之间，并且，填充材料003对工作波段的消光系数小于0.01。可选地，填充材料003包括空气或在工作波段透明或半透明的其他材料。根据本申请的实施方式，填充材料的折射率与纳米结构001的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。对于本申请实施例提供的超短型长焦系统，优选地，第二超表面40和第三超表面50的纳米结构001之间填充有填充材料003。填充材料003有利于保护纳米结构001并使第二超表面40和第三超表面50的表面平整，从而有利于第一子板110和第二子板120分别通过第二超表面40和第三超表面50与胶合层130贴合。

需要注意的是，本申请实施例提供的超表面可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低及量产一致性高等优点。

第二方面，本申请实施提供了一种成像模组，如图16、图17和图19所示，该成像模组包括上述任一实施例提供的超短型长焦系统和探测器60；探测器60设置于该超短型长焦系统具有移光器30的一侧。优选地，探测器60设置于该超短型长焦系统的像面。可以是互补金属氧化物半导体(CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor)，也可以是电荷耦合元件(CCD，Charge Coupled Device)。可选地，该成像模组还包括光阑70，光阑70设置于该超短型长焦系统具有第一超表面20的一侧，用于形成惠更斯光学系统。可选地，该成像模组还包括滤光片80。

实施例1提供了一种示例性的成像模组，如图17所示，其具体参数如表1所示。当该成像模组中的超短型长焦系统仅为超透镜时，超短型长焦系统的后焦距为3.7mm；当该成像模组中的超短型长焦系统为本申请实施例提供的超短型长焦系统时，后焦距为1mm。本申请实施例提供的超短型长焦系统中，移光器30由非晶硅和氧化硅交替层叠形成的30层板状结构。因此，本申请实施例提供的超短型长焦系统的截断系数为R＝3.7。图18示出了该移光器30的相位图。

表1

实施例2提供了一种示例性的成像模组，如图19所示，其具体参数如表2所示。该模组中超短型长焦系统的结构如图5所示，其包括第三超表面。当该成像模组中的超短型长焦系统不包括移光器时，超短型长焦系统的后焦距为1mm；当该成像模组中的超短型长焦系统为本申请实施例提供的超短型长焦系统时，后焦距为0.17mm。本申请实施例提供的超短型长焦系统中，移光器30由氧化硅、氮化硅和氧化钛交替层叠形成的30层板状结构。因此，本申请实施例提供的超短型长焦系统的截断系数为R＝3.7。图20示出了该移光器30的相位图。

表2

综上所述，本申请实施例提供的超短型长焦系统的基板的物侧表面设置超表面，在基板的背离物侧表面的表面上设置移光器。本申请通过超表面压缩该超短型长焦系统的厚度，并通过设置移光器的相位压缩该超短型长焦系统的后焦距，从而促进了超短型长焦系统的小型化。

本申请实施例提供的成像模组通过采用移光器和超表面结合，压缩了成像模组的后焦距和系统总长，促进了成像模组的紧凑化。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。