用于传感系统的渐进式超透镜的制作方法

1.在此公开的主题涉及图像传感器。更具体地，在此公开的主题涉及渐进式超透镜(progressive metalens)。渐进式超透镜在其不同的区域处可具有不同的焦距和fov。


背景技术：

2.在人类视觉系统的视场(field of view，fov)的中心处通常识别更多的细节，而在fov的外围处通常仅可监测运动对象。这种能力对应于人类视觉的fov的中心处的较高角度分辨率和外围处的较低角度分辨率。相反，图像传感器和相机通常对于装置的整个fov具有恒定的空间/角度分辨率。如果图像传感器或相机的分辨率高，则通过读出感测到的图像数据和通过处理图像数据所消耗的功率可能高于必要的功率。具有鱼眼镜头(fisheye len)的相机具有非常宽的fov；然而，鱼眼镜头的中心处的空间分辨率低，这降低了对象检测的准确度。因此，图像传感器或相机的非常宽的fov可能不是最佳的整体解决方案。


技术实现要素：

3.示例实施例提供了一种超透镜，所述超透镜可包括纳米结构的第一区域和纳米结构的第二区域。纳米结构的第一区域可将入射在纳米结构的第一区域上的光的第一fov引导到图像平面的第一区域。纳米结构的第二区域可将入射在纳米结构的第二区域上的光的第二fov引导到图像平面的第二区域，其中，第二fov可不同于第一fov，并且其中，图像平面的第二区域可不同于图像平面的第一区域。在一个实施例中，所述超透镜还可包括：纳米结构的第三区域，可将入射在纳米结构的第三区域上的光的第三fov引导到图像平面的第三区域，其中，第三fov可不同于第一fov和第二fov，并且其中，图像平面的第三区域可不同于图像平面的第一区域和第二区域。在一个实施例中，纳米结构的第一区域可被布置成围绕纳米结构的第二区域，纳米结构的第二区域可被布置成围绕纳米结构的第三区域。在另一实施例中，纳米结构的第一区域可被布置成与纳米结构的第二区域邻近，纳米结构的第三区域可被布置成与纳米结构的第二区域邻近。
4.示例实施例提供了一种超透镜，所述超透镜可包括纳米结构的第一区域和纳米结构的第二区域。纳米结构的第一区域可将入射在纳米结构的第一区域上的光的第一fov引导到图像平面的第一区域，并且其中，纳米结构的第一区域的纳米结构可包括形成在基底上的至少一层纳米结构。纳米结构的第二区域可将入射在纳米结构的第二区域上的光的第二fov引导到图像平面的第二区域，其中，第二fov可不同于第一fov，图像平面的第二区域可不同于图像平面的第一区域，并且纳米结构的第二区域的纳米结构可包括形成在基底上的至少一层纳米结构。在一个实施例中，纳米结构的第一区域的纳米结构可形成在基底的第一表面上，纳米结构的第二区域的纳米结构可形成在基底的第一表面和第二表面上，其中，第二表面与第一表面相背对。基底可以是平坦表面和弯曲表面中的一者。
5.示例实施例提供了一种超透镜，所述超透镜可包括纳米结构的第一区域和纳米结构的第二区域。纳米结构的第一区域可将入射在纳米结构的第一区域上的光的第一fov引
导到图像平面的第一区域，其中，图像平面可基本上与图像传感器阵列的表面重合。纳米结构的第二区域可将入射在纳米结构的第二区域上的光的第二fov引导到图像平面的第二区域，其中，第二fov可不同于第一fov，图像平面的第二区域可不同于图像平面的第一区域。在一个实施例中，所述超透镜还可包括：纳米结构的第三区域，可将入射在纳米结构的第三区域上的光的第三fov引导到图像平面的第三区域，其中，第三fov可不同于第一fov和第二fov，图像平面的第三区域可不同于图像平面的第一区域和第二区域。
附图说明
6.在下面的部分中，将参照附图中示出的示例性实施例来描述在此公开的主题的方面，其中：
7.图1a示出可由车辆的驾驶员看到的示例fov；
8.图1b描绘根据在此公开的主题的可对应于图1a的示图并且用于使用渐进式超透镜(progressive metalens)的图像传感器的不同的fov的示例布置；
9.图2描绘根据在此公开的主题的渐进式超透镜可如何在图像传感器的图像平面上改变fov的另一示例；
10.图3a描绘根据在此公开的主题的渐进式超透镜的示例实施例；
11.图3b描绘根据在此公开的主题的示例超透镜的俯视图，示例超透镜示出超透镜可具有可适用于为任何应用提供fov的形状；
12.图4a至图4c是分别示出通过示例形状的超透镜的光的一般衍射和/或聚焦的曲线图；
13.图5a至图5c描绘根据在此公开的主题的超透镜的焦距的另一示例布置；
14.图6a描绘根据在此公开的主题的圆形渐进式超透镜的焦距的示例径向布置；
15.图6b描绘根据在此公开的主题的对应于图6a中描绘的径向布置的纳米结构的示例布置；
16.图7描绘根据在此公开的主题的图6a中描绘的圆形渐进式超透镜的焦距的示例径向布置；
17.图8描绘根据在此公开的主题的纳米结构可如何被构造为在图6a的圆形渐进式超透镜的一个或多个基底上的单层或双层以在空间上控制fov；以及
18.图9描绘根据在此公开的主题的包括成像系统的电子装置，成像系统包括渐进式超透镜，渐进式超透镜可在超透镜的不同的区域处具有不同的焦距和fov。
具体实施方式
19.在下面的具体实施方式中，阐述了许多具体细节，以便提供对公开的彻底理解。然而，本领域的技术人员将理解，可在没有这些具体细节的情况下实践公开的方面。在其它情况下，没有详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免模糊在此公开的主题。
20.贯穿本说明书对“一个实施例”或者“实施例”的引用表示结合实施例描述的特定特征、结构或特性可被包括在在此公开的至少一个实施例中。因此，在贯穿本说明书的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“根据一个实施例”(或者具有相似含义的其它短语)可不必全部表示相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定特征、
结构或特性可以以任何合适的方式来组合。在这方面，如在此使用的，词语“示例性”表示“用作示例、实例或说明”。在此描述为“示例性”的任何实施例将不被解释为必然优选或优于其它实施例。另外，在一个或多个实施例中，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式来组合。此外，根据在此讨论的上下文，单数术语可包括对应的复数形式，并且复数术语可包括对应的单数形式。相似地，带有连字符的术语(例如，“二
‑
维”、“预
‑
确定”、“特定
‑
像素”等)可与对应的非带有连字符的版本(例如，“二维”、“预确定”、“特定像素”等)偶尔可互换地使用，并且大写的条目(例如，“counter clock”、“row select”、“pixout”等)可与对应的非大写的版本(例如，“counter clock”、“row select”、“pixout”等)可互换地使用。这样的偶尔可互换的使用不应被认为彼此不一致。
21.此外，根据在此讨论的上下文，单数术语可包括对应的复数形式，并且复数术语可包括对应的单数形式。还应注意，在此示出和讨论的各种附图(包括组件图)仅为了说明的目的，并且不按比例绘制。相似地，示出各种波形图和时序图仅为了说明的目的。例如，为了清楚，一些元件的大小可相对于其它元件被夸大。此外，如果认为合适，则在附图之中重复参考标号以指示对应的和/或相似的元件。
22.在此使用的术语仅为了描述一些示例实施例的目的，而不意在限制要求权利的主题。如在此使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解，术语“包括”和/或“包含”在本说明书中使用时，指定存在叙述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如在此使用的，术语“第一”、“第二”等用作它们之后的名词的标签，并且除非这样明确地定义，否则不表明任何类型的次序(例如，空间、时间、逻辑等)。此外，可在两个或更多个附图之间使用相同的参考标号以表示具有相同或相似功能的部件、组件、块、电路、单元或模块。然而，这样的用法仅为了简化说明和易于讨论，并不表明这样的组件或单元的构造或结构细节在所有实施例之间都是相同的，或者这样共同引用的部件/模块是实现在此公开的示例实施例中的一些的唯一方式。
23.将理解，当元件或层被称为“在”另一元件或层“上”、“连接到”或者“结合到”另一元件或层时，它可直接在另一元件或层上、直接连接到或者直接结合到另一元件或层，或者可存在中间元件或层。相反，当元件或层被称为“直接在”另一元件或层“上”、“直接连接到”或者“直接结合到”另一元件或层时，不存在中间元件或层。相同的标号始终表示相同的元件。如在此使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或多个的任何组合和全部组合。
24.如在此使用的，术语“第一”、“第二”等用作它们之后的名词的标签，并且除非这样明确地定义，否则不表明任何类型的次序(例如，空间、时间、逻辑等)。此外，可在两个或更多个附图之间使用相同的参考标号以表示具有相同或相似功能的部件、组件、块、电路、单元或模块。然而，这样的用法仅为了简化说明和易于讨论，并不表明这样的组件或单元的构造或结构细节在所有实施例之间都是相同的，或者这样共同引用的部件/模块是实现在此公开的示例实施例中的一些的唯一方式。
25.除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与由本主题所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，除非在此清楚地如此定义，否则术语(诸如，通用词典中定义的术语)应被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过于形式化的含义进行解释。
26.如在此使用的，术语“模块”表示被配置为提供在此结合模块描述的功能的软件、固件和/或硬件的任何组合。例如，软件可被实现为软件包、代码和/或指令集或者指令，并且如在此描述的任何实施方式中使用的术语“硬件”可单个地或者以任何组合的形式包括例如装配、硬连线电路系统、可编程电路系统、状态机电路系统和/或存储由可编程电路系统执行的指令的固件。模块可共同地或单独地被实现为形成较大系统(例如，但不限于集成电路(ic)、片上系统(soc)、装配等)的部分的电路系统。
27.在此公开的主题提供了一种用于成像系统或相机系统的渐进式超透镜(progressive metalens)。在一个实施例中，渐进式超透镜可在超透镜的不同区域处具有不同的焦距和fov。例如，超透镜的侧面或外围处的角度分辨率可被压缩，而超透镜的中心具有高分辨率。也就是说，渐进式超透镜的中心部分可具有相对较长的焦距和较窄的fov，而侧面部分可具有较短的焦距和较宽的fov。
28.在一个实施例中，在此公开的渐进式超透镜可提供具有具备较低空间分辨率的相对放大的fov的近场fov，同时还提供具有较高空间分辨率和较低fov的远场fov。在此公开的渐进式超透镜可允许监测较大的fov以用于对象检测，同时还允许具有降低的处理功率的较低传感器空间分辨率。
29.在此公开的渐进式超透镜可为远场fov提供提高的对象检测，同时仍然能够监测近场fov的较宽范围。在此公开的渐进式超透镜可用于高级驾驶员辅助系统(adas)、智能电话、相机、移动电话、工业应用、机器人应用等，并且可覆盖组合的大fov，使得场景中的许多对象可被跟踪。
30.在此公开的渐进式超透镜可针对不同的应用被灵活地设计。渐进式超透镜可包括单层、双层或更多层纳米结构或一组重复的纳米结构，以沿着超透镜在空间上改变fov。在一个实施例中，在此公开的渐进式超透镜可包括用于不同的焦距的离散步骤，而在另一实施例中，渐进式超透镜可包括通常连续地改变的焦距。在一个实施例中，在此公开的渐进式超透镜可使用纳米光子制造技术实现在平坦或弯曲的基底表面上。
31.图1a示出可由车辆的驾驶员看到的示例fov。图1b描绘根据在此公开的主题的可对应于图1a的示图并且用于使用渐进式超透镜的图像传感器的不同的fov的示例布置100。布置100可包括fov 101至103的一个或多个区域。远fov区域101可提供相对较长的焦距和相对窄的fov。与由一个或多个远fov区域101提供的焦距和fov相比，中fov区域102可提供更短的焦距和更宽的fov。近fov区域103可提供相对短的焦距和相对宽的fov。在一个实施例中，fov布置100可由成像系统使用以覆盖大的近场fov(即，近fov区域103)，同时为中fov和近fov(即，中fov区域102和近fov区域103)提供提高的空间分辨率，并且为远场fov(即，远fov区域101)提供高分辨率。在一个实施例中，渐进式超透镜可包括fov区域，fov区域通过具有可以以离散步骤改变或在超透镜上逐渐改变的子透镜区域而对应于布置100的区域101至103。
32.图2描绘渐进式超透镜可如何在图像传感器的图像平面上改变fov的另一示例。在图2的右上方，示出可由车辆的驾驶员看到的示例fov。在图2的左上方，相对于图像传感器(未示出)的图像平面202示出超透镜(也未示出)的焦平面201的部分。焦平面201平行于由车辆的驾驶员看到的图像(以及图2的视点(point of view))，而图像平面202与焦平面201具有角度。因此，视点使得图像平面202看起来是梯形形状。
33.在图2的左下方，描绘焦平面201和图像平面202的从图2的视点(即，垂直于(即，正交于)图像平面202的表面(和页面))观看图像平面202的部分。从这个视点，图2中的焦平面201看起来是梯形形状。渐进式超透镜的焦平面可基于图2中的焦平面201来布置。在图2的右下方，示出通过基于图2中的焦平面201布置的渐进式超透镜聚焦在图像平面202上的图像。可看到可能由渐进式超透镜引起的图像平面处的图像中的失真。
34.图3a描绘根据在此公开的主题的渐进式超透镜300的示例实施例。超透镜300可包括形成在基底302(诸如，玻璃)或另外的透明基底(诸如，塑料或在可见nir(400nm至1000nm)中光学透明的任何低指数(index)有机/无机材料)上的一层或多层纳米结构301。纳米结构301在此可被称为散射体和/或纳米天线。超透镜300的基底302可以是平坦的或弯曲的，并且可形成为例如传感器芯片303的盖(cover)，可形成为主透镜组件(未示出)的部分，或者如图3a中所示，形成为单独的件。在一个实施例中，超透镜300可以是作为例如成像系统或相机的光学堆叠(optical stack)的部分的模块或组件。
35.超透镜300可将入射光304衍射和/或聚焦到传感器芯片303上的像素阵列305上。在一个实施例中，像素阵列305可包括可选的微透镜406。像素阵列305可以是布置成接收由超透镜300衍射和/或聚焦的光的单个像素阵列或多个像素阵列。在一个实施例中，像素阵列305可以是一个或多个单独的2d像素阵列和3d像素阵列。在另一实施例中，像素阵列305可以是一个或多个混合2d像素阵列和3d像素阵列。支撑像素阵列的外围组件307也可形成在传感器芯片303上。
36.图3b描绘示例超透镜410的俯视图，示例超透镜410示出超透镜可具有可适用于为任何应用提供fov的形状。纳米结构311在超透镜310上的位置也可适用于为任何应用提供一个或多个fov。
37.图4a至图4c是分别示出通过示例形状的超透镜的光的一般衍射和/或聚焦的曲线图。图4a至图4c中的每个的横坐标(z)和纵坐标(y)的单位是毫米。图4a示出平凸形(plano
‑
convex
‑
shaped)超透镜的一般衍射/聚焦特性。图4b示出平坦超透镜的一般衍射/聚焦特性。图4c示出消球差(aplanatic)超透镜的一般衍射/聚焦特性。在图4a至图4c中，光从左侧被入射到主透镜501和超透镜502a至502c上，并被衍射/聚焦到右侧。
38.图5a至图5c描绘根据在此公开的主题的超透镜的焦距的另一示例布置。图5a描绘根据在此公开的主题的用于使用渐进式超透镜的图像传感器的不同的fov的示例布置500。布置500对应于图1b中的布置100。
39.图5b描绘通过渐进式超透镜将光衍射/聚焦到图像传感器的图像平面上。图像平面的第一区域501可对应于相对较长的焦距和相对窄的fov(即，布置500的“远”区域)。图像平面的第二区域502可对应于比第一区域501更短的焦距和更宽的fov(即，布置500的“中”区域)。图像平面的第三区域503可对应于相对短的焦距和相对宽的fov(即，布置500的“近”区域)。图5c描绘包括可由渐进式超透镜添加的失真的三个fov区域。在一个示例中，图像平面可与图像传感器阵列的表面重合。
40.图6a描绘根据在此公开的主题的圆形渐进式超透镜600的焦距的示例径向布置。近焦距区域601可布置在围绕圆形超透镜600的外部。中焦距区域602可布置在近焦距区域601的内部。远焦距区域603可布置在圆形超透镜600的中心附近。各个区域601至603可以是任何大小，以调整图像传感器(未示出)的水平和垂直(h
×
v)角度分辨率。全局形状可以是
在空间上调整fov的任何形状。
41.在图6a中描绘的实施例中，中焦距区域602可被近焦距区域601围绕，远焦距区域603可被中焦距区域602围绕。在其它实施例中，可基于应用来选择不同区域的大小和形状。另外，在其它实施例中，可使用任何数量的不同的焦距区域。在一个示例中，中焦距区域602可被布置成与近焦距区域601邻近，远焦距区域603可被布置成与中焦距区域602邻近。
42.图6b描绘对应于图6a中描绘的径向布置的纳米结构的示例布置604。图像605至607分别描绘在与各个区域601至603对应的图像平面处的图像的相位。
43.图7描绘根据在此公开的主题的图6a中描绘的圆形渐进式超透镜600的焦距的示例径向布置。不同的灰色阴影对应于不同的焦距。形成在超透镜700上的纳米结构701将入射光702聚焦在图像平面703上的不同位置处。在一个示例中，纳米结构的区域601可将入射在纳米结构的区域601上的光的第一fov引导到图像平面703的与第一fov对应的第一区域。这里，第一fov可表示区域601提供的fov。
44.图8描绘根据在此公开的主题的纳米结构701可如何被构造为在图6a的圆形渐进式超透镜600的一个或多个基底800a至800c上的单层或双层以在空间上控制fov。不同的灰色阴影对应于不同的焦距。在一个示例中，形成在基底800a至800c上的纳米结构701可分别对应于区域601至603。在一个示例中，区域601可形成在基底800a的上表面上，区域602可形成在基底800b的上表面和下表面上，区域603可形成在基底800c的上表面和下表面上。在一个示例中，区域601至603中的每个可包括形成在基底上的至少一层纳米结构。
45.图9描绘根据在此公开的主题的包括成像系统的电子装置900，成像系统包括渐进式超透镜，渐进式超透镜可在超透镜的不同的区域处具有不同的焦距和fov。电子装置900可用在但不限于计算装置、个人数字助理(pda)、膝上型计算机、移动计算机、网络平板计算机、无线电话、蜂窝电话、智能电话、数字音乐播放器或有线或无线电子装置中。电子装置900还可以是但不限于adas、移动装置成像系统、工业成像系统、机器人等的一部分。电子装置900可包括通过总线970彼此连接的控制器910、输入/输出装置920(诸如，但不限于键区、键盘、显示器、触摸屏显示器、相机和/或图像传感器)、存储器装置930、接口940、图形处理器(gpu)950以及图像处理器960。控制器910可包括例如至少一个微处理器、至少一个数字信号处理器、至少一个微控制器等。存储器装置930可被配置为存储用户数据或将由控制器910使用的命令代码。
46.电子装置900和电子装置900的各种系统组件可包括图像处理器960。在一个实施例中，图像处理器960可以是包括渐进式超透镜的成像系统的一部分。根据在此公开的主题，渐进式超透镜可在超透镜的不同的区域处具有不同的焦距和fov。接口940可被配置为包括无线接口，无线接口被配置为使用rf信号向无线通信网络发送数据或者从无线通信网络接收数据。无线接口940可包括例如天线、无线收发器等。电子装置900还可用于通信系统(诸如，但不限于码分多址(cdma)、全球移动通信系统(gsm)、北美数字通信(nadc)、扩展时分多址(etdma)、宽带cdma(wcdma)、cdma 2000、wi
‑
fi、城市wi
‑
fi(muni wi
‑
fi)、蓝牙、数字增强无绳电信(dect)、无线通用串行总线(无线usb)、具有无缝切换的快速低延迟接入正交频分复用(flash
‑
ofdm)、ieee 802.20、通用分组无线服务(gprs)、iburst、无线宽带(wibro)、wimax、高级wimax、通用移动电信服务
‑
时分双工(umts
‑
tdd)、高速分组接入(hspa)、演进数据优化(evdo)、高级长期演进(高级lte)、多信道多点分发服务(mmds)等)的
通信接口协议中。
47.本说明书中描述的主题和操作的实施例可在数字电子电路系统中实施，或者在计算机软件、固件或硬件(包括本说明书中公开的结构和它们的结构等同物)中实施，或者在它们中的一个或更多个的组合中实施。本说明书中描述的主题的实施例可被实施为在计算机存储介质上编码的一个或更多个计算机程序(即，计算机程序指令的一个或多个模块)，以由数据处理设备执行或控制数据处理设备的操作。可选地或另外地，程序指令可在人工生成的传播信号(例如，被生成为编码信息以传输到适合于由数据处理设备执行的接收器设备的机器生成的电信号、光信号或电磁信号)上被编码。计算机存储介质可以是计算机可读存储装置、计算机可读存储基底、随机或串行存取存储器阵列或装置或它们的组合，或者被包括在计算机可读存储装置、计算机可读存储基底、随机或串行存取存储器阵列或装置或它们的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但是计算机存储介质可以是在人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的来源或目的地。计算机存储介质也可以是一个或更多个单独的物理组件或介质(例如，多个cd、磁盘或其它存储装置)，或者被包括在一个或更多个单独的物理组件或介质(例如，多个cd、磁盘或其它存储装置)中。另外，本说明书中描述的操作可被实施为由数据处理设备对存储在一个或更多个计算机可读存储装置上或从其它来源接收的数据执行的操作。
48.虽然本说明书可以包含许多具体的实施方式细节，但是实施方式细节不应被解释为对任何要求权利的主题的范围的限制，而是应被解释为对特定于特定实施例的特征的描述。在本说明书中在单独的实施例的上下文中描述的特定特征也可在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管以上可将特征描述为以特定组合起作用甚至最初如此要求权利，但是在一些情况下可从组合中删除来自于要求权利的组合的一个或更多个特征，并且要求权利的组合可针对子组合或子组合的变化。
49.类似地，虽然在附图中以特定次序描绘操作，但是这不应被理解为要求以示出的特定次序或按连续的次序执行这样的操作，或者执行所有示出的操作，以实现期望的结果。在特定情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，以上描述的实施例中的各种系统组件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这样的分离，并且应理解，描述的程序组件和系统通常可一起被集成在单个软件产品中或封装到多个软件产品中。
50.因此，在此已经描述了主题的特定实施例。其它实施例在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中阐述的动作可以以不同的次序执行，并且仍然实现期望的结果。另外，附图中描绘的处理不一定需要示出的特定次序或连续的次序，以实现期望的结果。在特定实施方式中，多任务和并行处理可能是有利的。
51.如本领域技术人员将认识到的，在此描述的创新构思可在应用的宽范围进行修改和变化。因此，要求权利的主题的范围不应限于以上讨论的任何特定示例性教导，而是由所附权利要求限定。