超表面透镜、透镜模组、透镜模组的设计方法、电子设备与流程

1.本技术涉及光学技术领域，尤其涉及一种超表面透镜、包括该超表面透镜的透镜模组、该透镜模组的设计方法以及一种包括该透镜模组的电子设备。


背景技术：

2.随着光学技术的发展，基于塑料镜片和cmos传感器的透镜模组越来越多的应用到移动终端设备和可穿戴设备中，而为了适应于移动终端设备和可穿戴设备的小型化发展趋势，移动终端设备和可穿戴设备具有严格的体积和重量的限制，从而使得基于塑料镜片和cmos传感器的透镜模组在应用于移动终端设备和可穿戴设备时，面临着体积/重量和光学性能的取舍。具体的，在透镜模组中，如果使用较多的镜片，可以提升透镜模组的光学性能，但也会增加透镜模组的体积和重量，如果使用较少的镜片，可以减小透镜模组的体积和重量，但是也会降低透镜模组的光学性能，使其难以满足消费者对移动终端设备和可穿戴设备的日益增长的光学性能要求。因此，如何兼顾透镜模组的体积/重量与光学性能成为本领域技术人员的研究热点。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种超表面透镜、一种包括超表面透镜的透镜模组、一种透镜模组的设计方法以及一种电子设备，以兼顾透镜模组的体积/重量与光学性能。。
4.为了实现上述目的，本技术提供了以下技术方案：
5.第一方面，本技术实施例提供了一种超表面透镜，其特征在于，包括：多个单元结构，所述单元结构包括第一组成部、沿第一方向，位于所述第一组成部第一侧的第二组成部以及位于所述第一组成部第二侧的第三组成部，其中，所述第二组成部和所述第三组成部关于所述第一组成部满足轴对称条件，且所述第二组成部和所述第三组成部的体积小于所述第一组成部的体积。
6.本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构中，第二组成部和第三组成部在第一方向上位于第一组成部的两侧，从而使得超表面透镜的单元结构在其所在平面内旋转第一角度时，超表面透镜的单元结构在其所在平面内的投影与其位于旋转前的位置时，在其所在平面的投影不完全重合，其中，第一角度为0
°‑
360
°
范围内的至少一个角度，不包括0
°
和360
°
，即在不包括0
°
和360
°
的0
°‑
360
°
范围内存在至少一个角度，超表面透镜的单元结构以该角度旋转，单元结构旋转后在其所在平面内的投影与单元结构旋转前在其所在平面的投影不完全重合，进而使得超表面透镜可以应用于宽波段消色差的成像。
7.而且，本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构中，在第一方向上，所述第二组成部和所述第三组成部关于所述第一组成部满足轴对称条件，从而通过在所述超表面透镜的单元结构中引入轴对称设计，使得所述超表面透镜在实现宽波段消色差的基础上，对入射光的偏振不敏感，进而使得所述超表面透镜可以在日常使用场景中具有较优良的消色差效果。
8.在一种实现方式中，所述第二组成部的形状和所述第三组成部的形状相同，且所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上的尺寸的比值的取值范围为0.1-10，包括端点值，以使得所述第二组成部和第三组成部在关于第一组成部满足轴对称条件的基础上，降低所述超表面透镜的单元结构的工艺难度。
9.在另一种实现方式中，所述第一组成部、所述第二组成部和所述第三组成部均为方柱形结构，以进一步降低所述超表面透镜的单元结构的工艺难度，其中，所述第一组成部、所述第二组成部和所述第三组成部的尺寸在纳米量级。
10.在又一种实现方式中，所述第一组成部的长度取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部的长度取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部的长度取值范围为50nm-500nm；
11.所述第一组成部的宽度取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部的宽度取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部的宽度取值范围为50nm-500nm，所述第二方向平行于所述多个单元结构所在平面，且垂直于所述第一方向；
12.在第三方向上，所述第一组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第二组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第三组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第三方向垂直于所述第一方向和所述第二方向限定的平面；
13.在所述第一方向上，所述第一组成部和所述第二组成部之间的距离的取值范围为30nm-200nm，所述第一组成部和所述第三组成部之间的距离的取值范围为30nm-200nm，以在所述单元结构中引入轴对称设计的基础上，兼顾所述单元结构的尺寸和工艺难度。
14.在再一种实现方式中，所述第一组成部、所述第二组成部和所述第三组成部均为圆柱形结构，以进一步降低所述超表面透镜的单元结构的工艺难度，其中，所述第一组成部、所述第二组成部和所述第三组成部的尺寸在纳米量级。
15.在又一种实现方式中，在所述第一方向上，所述第二组成部和所述第三组成部对称位于所述第一组成部的两侧，在所述第一方向上，所述第一组成部的直径不小于所述第二组成部的直径，且所述第一组成部的直径不小于所述第三组成部的直径。
16.在再一种实现方式中，所述第一组成部的直径的取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部的直径的取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部的直径的取值范围为50nm-500nm；
17.在第三方向上，所述第一组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第二组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第三组成部的高度取值范围为300nm-2000nm，所述第三方向垂直于所述多个单元结构所在平面；
18.在所述第一方向上，所述第一组成部和所述第二组成部之间的距离的取值范围为30nm-200nm，所述第一组成部和所述第三组成部之间的距离的取值范围为30nm-200nm，以在所述单元结构中引入轴对称设计的基础上，兼顾所述单元结构的尺寸和工艺难度。
19.在又一种实现方式中，所述多个单元结构均匀排布，以使得所述超表面透镜可以通过旋转各所述单元结构的对称轴的方向达到调节光信号在各所述单元结构所在位置的相位，从而实现对入射光中不同波长的相位以及群时延、群时延色散的调节，进而使得所述超表面透镜既对入射光的偏振状态不敏感，又能实现对入射光的群时延和群时延色散的调节，达到消除色差的目的。
20.在再一种实现方式中，在所述多个单元结构所在平面内，相邻单元结构之间的横
向距离的取值范围为50nm-5000nm，相邻单元结构之间的纵向距离取值范围为50nm-5000nm，其中，横向和纵向为在平行于所述多个单元结构所在平面内相互垂直的两个方向。
21.第二方面，本技术实施例提供了一种透镜模组，包括：折射透镜组和超表面透镜组，其中，所述折射透镜组包括至少一个折射透镜，所述超表面透镜组包括至少一个超表面透镜，所述超表面透镜为上述任一项所提供的超表面透镜，从而利用所述折射透镜组消除大尺寸成像的部分色差，利用所述超表面透镜组消除剩余部分色差，以使得所述透镜模组对大尺寸成像也具有较好的消色差效果，且所述超表面透镜组消除色差部分所需的群时延在其能力范围内。
22.由于相较于折射透镜，超表面透镜的重量和体积都很小，因此，本技术实施例所提供的透镜模组利用所述超表面透镜组和所述折射透镜组配合来实现大尺寸成像的色差消除，可以使得所述透镜模组具有较小的重量和体积，从而有利于减小所述透镜模组的重量和体积，在应用于移动终端设备和可穿戴设备中时，适用于移动终端设备和可穿戴设备小型化的发展趋势。
23.由此可见，本技术实施例提供的透镜模组可以兼顾所述透镜模组的重量/体积和所述透镜模组的光学性能，在具有较好的光学性能的基础上，具有较小的重量和体积。
24.在一种实现方式中，沿所述透镜模组中光信号的传输方向，所述折射透镜组位于所述超表面透镜组的后面，以使得入射光在进入所述透镜模组后，先经过所述超表面透镜组，再经过所述折射透镜组。
25.第三方面，本技术实施例提供了一种透镜模组的设计方法，用于制作上述任一项所提供的透镜模组，该设计方法包括：
26.计算折射透镜组的光学参数，所述折射透镜组包括至少一个折射透镜，所述折射透镜组的光学参数包括所述折射透镜组的相位、群时延、群时延色散；
27.基于所述折射透镜组的光学参数和目标光学参数，获得差值光学参数；
28.基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数以及所述超表面透镜的单元结构的结构参数，并基于所述超表面透镜组中超表面透镜的单元结构的结构参数，构建多个单元结构组成的超表面透镜，其中，所述超表面透镜的单元结构的结构参数包括所述超表面透镜的单元结构的几何参数；
29.对所述超表面透镜组进行模拟，得到所述超表面透镜组的光学参数，其中，所述超表面透镜组的光学参数包括所述超表面透镜组的相位、群时延、群时延色散、光线透过率；
30.基于所述折射透镜组的光学参数和所述超表面透镜组的光学参数，对所述折射透镜组和所述超表面透镜组组成的透镜模组进行模拟，得到所述透镜模组的光学参数。
31.利用本技术实施例所提供的透镜模组的设计方法设计的透镜模组，具有较小的重量和体积，且具有较好的光学性能，在应用于移动终端设备和可穿戴设备等电子设备中时，可以使得所述电子设备具有良好的光学性能，在满足用户高光学性能要求的基础上，有利于电子设备的轻薄化发展。
32.在一种实现方式中，基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数以及超表面透镜的结构参数包括：
33.基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数；
34.基于所述差值光学参数以及所述超表面透镜的个数，确定单个超表面透镜的光学
参数；
35.基于单个超表面透镜的光学参数，查询数据库，确定该超表面透镜的结构参数，其中，所述数据库中存储有不同几何参数的超表面透镜的光学参数。
36.第四方面，本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述任一实施例所提供的透镜模组，以在使得所述电子设备具有良好的光学性能，满足用户高光学性能要求的基础上，有利于电子设备的轻薄化发展。
附图说明
37.图1为透镜模组应用于移动终端设备的一种应用场景图；
38.图2为透镜模组凸出移动终端设备的示意图；
39.图3为本技术一个实施例所提供的超表面透镜中，单元结构的排布示意图；
40.图4为本技术一个实施例所提供的超表面透镜中，单元结构的结构示意图；
41.图5为本技术另一个实施例所提供的超表面透镜中，单元结构的结构示意图；
42.图6为本技术一个实施例所提供的超表面透镜中，单元结构的结构示意图；
43.图7为本技术另一个实施例所提供的超表面透镜中，单元结构的结构示意图；
44.图8为本技术一个实施例所提供的透镜模组的结构示意图；
45.图9为透镜模组仅采用折射透镜的波前图；
46.图10为本技术一个实施例所提供的透镜模组的波前图；
47.图11为透镜模组仅采用折射透镜的点扩散函数图；
48.图12为本技术一个实施例所提供的透镜模组的点扩散函数图；
49.图13为透镜模组仅采用折射透镜的点扩散函数截面图；
50.图14为本技术一个实施例所提供的透镜模组的点扩散函数截面图；
51.图15为透镜模组仅采用折射透镜的调制传递函数(mtf)示意图；
52.图16为本技术一个实施例所提供的透镜模组的调制传递函数示意图；
53.图17为本技术一个实施例所提供的透镜模组的设计方法流程图；
54.图18为本技术一个实施例所提供的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
55.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。以下实施例中所使用的术语只是为了描述特定实施例的目的，而并非旨在作为对本技术的限制。如在本技术的说明书和所附权利要求书中所使用的那样，单数表达形式“一个”、“一种”、“所述”、“上述”、“该”和“这一”旨在也包括例如“一个或多个”这种表达形式，除非其上下文中明确地有相反指示。还应当理解，在本技术实施例中，“一个或多个”是指一个、两个或两个以上；“和/或”，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的情况，其中a、b可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
56.在本说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在
另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
57.本技术实施例涉及的多个，是指大于或等于两个。需要说明的是，在本技术实施例的描述中，“第一”、“第二”等词汇，仅用于区分描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为指示或暗示顺序。
58.为了下述各实施例的描述清楚简洁，首先给出相关技术的简要介绍：
59.超透镜：超透镜也称超表面透镜，是由亚波长量级单元结构通过一定规律排列组成的薄透镜(厚度在微米量级)，通过调节单元结构(谐振腔)的尺寸和/或方向等参数，可以实现对透射光不同位置处相位的控制，进而实现对聚焦、成像的功能，具体的，在位置r处，对波长为λ的透射光，超透镜引入的相位为：
60.群时延：群时延又称群延迟(group delay)，即系统在某频率处的相位(相移)对于频率的变化率，具体的，宽带信号经过媒质传输路径或设备中的线性元件时，其各个频谱分量的相速不同，元器件对各频谱分量的响应也不一样，这都会引起到达接收端的信号因各频率分量的相移或时延不同而产生相位关系的紊乱，即相位失真。相位失真将导致调频信号串噪声增大图像信号扭曲或产生码间干扰。相位失真是以一群频率分量之间的时延差值来衡量的，故称之为群时延。
61.群时延色散：群时延色散(group delay dispersion)为群时延随频率变化，或者群时延对角频率的微分，光学元件的群时延色散(有时也被称为二阶色散)是指群时延对角频率的微分，或者光谱相位的二阶微分。
62.像差：全称色像差，是指实际光学系统中，由非近轴光线追迹所得的结果和近轴光线追迹所得的结果不一致，与高斯光学(一级近似理论或近轴光线)的理想状况的偏差。具体的，像差主要分为球差、彗差、场曲、像散、畸变、色差以及波像差。
63.色差：一般指色像差，用白光进行成像时，除了每种单色光仍会产生五种单色像差外，还会因不同色光有不同折射率造成的色散，而使不同的色光有不同的传播光路，从而呈现出因不同色光的光路差别而引起的像差。
64.点扩散函数(point spread function)：对光学系统来讲，输入物为一点光源时其输出像的光场分布，称为点扩散函数，也称点扩展函数。
65.调制传递函数：又称空间对比传递函数(spatial contrast transfer function)、空间频率对比敏感度函数(spatial frequencycontrast sensitivity function)。以空间频率的函数，反映光学系统传递各种频率正弦物调制度的能力。
66.如图1所示，图1为透镜模组应用于移动终端设备的一种应用场景图。在日常工作或生活中，用户经常利用移动终端设备(如手机)中的透镜模组拍摄图片，如在生活中拍摄景色图片，或在工作中拍摄一些需要记录的书本内容等。由于移动终端设备中的透镜模组的拍照能力和其体积通常呈正比，因此，为了提升移动终端设备的拍照性能，移动终端设备中的透镜模组突出移动终端设备的后壳的部分越来越多，如图2所示。
67.发明人研究发现，可以使用超表面透镜(简称超透镜)或者包含超表面透镜的光学透镜来替代基于折射的传统透镜模组，但是，超表面透镜的单元结构通常采用圆形或方形
的设计，只能实现单个波长的像差消除，无法适用于宽波段成像。
68.发明人进一步研究发现，可以在超表面透镜中采用两个组成部分，且这两个组成部分组成的单元结构在绕其中心旋转的过程中，存在至少一个位置，该单元结构在其所在平面内的投影与其位于旋转前的位置时在其所在平面的投影不完全重合，以实现对单元结构中群时延和群时延色散的调控，从而在实现对透射光不同位置处相位的控制，进而在百微米量级大小的超表面透镜上实现宽波段消色差的成像。但是，超表面透镜采用两个组成部分组成的单元结构时，对入射光的偏振较为敏感，只有在入射光为圆偏振光的情况下，才能实现较好的消色差效果。而太阳光和室内照明均为非偏振光或部分偏振光，因此，超表面透镜在日常使用场景中不能实现较好的消色差效果。
69.有鉴于此，本技术实施例提供了一种超表面透镜以及一种包括该超表面透镜的透镜模组，以使得超表面透镜以及包括该超表面透镜的透镜模组既能在宽波段上实现消色差成像，又在日常使用场景中也能实现较好的消色差效果。
70.具体的，如图3所示，本技术实施例提供的超表面透镜包括：多个单元结构10，如图4所示，所述单元结构10包括第一组成部11、沿第一方向x1，位于所述第一组成部11第一侧的第二组成部12以及位于所述第一组成部11第二侧的第三组成部13，其中，所述第二组成部12和所述第三组成部13关于所述第一组成部满足轴对称条件。可选的，所述第二组成部和所述第三组成部的体积小于所述第一组成部的体积。
71.需要说明的是，在本技术实施例中，第二组成部和第三组成部关于第一组成部满足轴对称条件可以包括：第二组成部和第三组成部关于第一组成部轴对称，也可以包括第二组成部和第三组成部关于第一组成部近似轴对称，本技术对此并不做限定，具体视情况而定。
72.本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构中，第二组成部和第三组成部在第一方向上位于第一组成部的两侧，从而使得超表面透镜的单元结构在其所在平面内旋转第一角度时，超表面透镜的单元结构在其所在平面内的投影与其位于旋转前的位置时，在其所在平面的投影不完全重合，其中，第一角度为0
°‑
360
°
范围内的至少一个角度，不包括0
°
和360
°
，即在不包括0
°
和360
°
的0
°‑
360
°
范围内存在至少一个角度，超表面透镜的单元结构以该角度旋转，单元结构旋转后在其所在平面内的投影与单元结构旋转前在其所在平面的投影不完全重合，进而使得超表面透镜可以应用于宽波段消色差的成像。
73.而且，本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构中，在第一方向上，所述第二组成部和所述第三组成部关于所述第一组成部满足轴对称条件，从而通过在所述超表面透镜的单元结构中引入轴对称设计，使得所述超表面透镜在实现宽波段消色差的基础上，对入射光的偏振不敏感，进而使得所述超表面透镜可以在日常使用场景中具有较优良的消色差效果。
74.可选的，在本技术的一个实施例中，所述第二组成部的形状和所述第三组成部的形状相同，所述第二组成部和第三组成部的形状与所述第一组成部的形状相同，但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，所述第二组成部和第三组成部的形状与所述第一组成部的形状也可以不相同，具体视情况而定。
75.下面以所述第二组成部和第三组成部的形状与所述第一组成部的形状相同为例，对本技术实施例所提供的超表面透镜进行描述。
76.可选的，在本技术的一个实施例中，所述第二组成部的形状和所述第三组成部的形状相同，且所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上的尺寸的比值的取值范围为0.1-10，包括端点值，以使得所述第二组成部和第三组成部在关于第一组成部满足轴对称条件的基础上，降低所述超表面透镜的单元结构的工艺难度。具体的，在本技术一个施例中，所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上的尺寸包括所述第二组成部和所述第三组成部各组成局部的尺寸，也包括所述第二组成部与所述第一组成部之间的尺寸以及第三组成部与第一组成部之间的尺寸。
77.需要说明的是，在上述实施例中，所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上的尺寸的比值为1时，所述第二组成部和第三组成部关于第一组成部轴对称；所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在个方向上的尺寸的比值为0.1-10范围内除去1的其他数值时，所述第二组成部和第三组成部关于第一组成部近似轴对称。
78.具体的，在本技术的一个实施例中，所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上具有相同的几何尺寸，以使得所述第二组成部和所述第三组成部关于所述第一组成部轴对称。但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，所述第二组成部和所述第三组成部也可以具有相近的几何尺寸，只要保证所述第二组成部和所述第三组成部的相同部分在各方向上的尺寸的比值的取值范围为0.1-10，包括端点值即可。
79.下面以所述第二组成部和第三组成部关于第一组成部轴对称为例，对本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构进行描述。
80.可选的，在本技术的一个实施例中，所述第一组成部、第二组成部和第三组成部的形状为规则形状，以降低所述单元结构的工艺难度，但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，所述第一组成部、第二组成部和第三组成部的形状也可以为不规则形状，具体视情况而定。
81.下面以所述第一组成部、第二组成部和第三组成部的形状为规则形状为例，对本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构进行描述。
82.具体的，在本技术的一个实施例中，继续如图4所示，所述超表面透镜的单元结构由三个纳米方柱形结构组成，即所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13均为方柱形结构，且所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13的尺寸在纳米量级，其中，所述第二组成部12和所述第三组成部13这两个体积较小的组成部在第一方向上位于所述第一组成部11这一体积较大的组成部的两边，关于第一组成部11这一体积较大的组成部满足轴对称条件。
83.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，继续如图4所示，在第一方向x1上，所述第二组成部12和所述第三组成部13对称位于所述第一组成部11的两侧，在所述第一方向x1上，所述第一组成部11的长度l1不小于所述第二组成部12的长度l2，且所述第一组成部11的长度l1不小于所述第三组成部13的长度l3，可选的，所述第一组成部11的长度l1大于所述第二组成部12的长度l2，且所述第一组成部11的长度l1大于所述第三组成部13的长度l3，以使得所述第二组成部12和第三组成部13的体积小于第一组成部11的体积；具体的，所述第一组成部11的长度l1取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部12的长度l2取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部13的长度l3取值范围为50nm-500nm；
84.在第二方向y1上，所述第一组成部11的宽度w1不小于所述第二组成部12的宽度
w2，且所述第一组成部11的宽度w1不小于所述第三组成部13的宽度w3，可选的，所述第一组成部11的宽度w1大于所述第二组成部12的宽度w2，且所述第一组成部11的宽度w1大于所述第三组成部13的宽度w3，以使得所述第二组成部12和第三组成部13的体积小于第一组成部11的体积；具体的，所述第一组成部11的宽度w1取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部12的宽度w2取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部13的宽度w3取值范围为50nm-500nm，所述第二方向y1平行于所述多个单元结构所在平面，且垂直于所述第一方向x1；
85.在第三方向z1上，所述第一组成部11的高度h1取值范围为300nm-2000nm，所述第二组成部12的高度h2取值范围为300nm-2000nm，所述第三组成部13的高度h3取值范围为300nm-2000nm，所述第三方向z1垂直于所述多个单元结构所在平面，即所述第三方向z1垂直于所述第一方向x1和所述第二方向y1限定的平面；
86.在所述第一方向x1上，所述第一组成部11和所述第二组成部12之间的距离g1的取值范围为30nm-200nm，所述第一组成部11和所述第三组成部13之间的距离g2的取值范围为30nm-200nm，以在所述单元结构中引入轴对称设计的基础上，兼顾所述单元结构的尺寸和工艺难度。
87.在本技术的另一个实施例中，如图5所示，所述超表面透镜的单元结构由三个纳米圆柱形结构组成，即所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13均为圆柱形结构，且所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13的尺寸在纳米量级，其中，所述第二组成部12和所述第三组成部13这两个体积较小的组成部在第一方向上位于所述第一组成部11这一体积较大的组成部的两边，关于所述第一组成部11这一体积较大的组成部满足轴对称条件。
88.在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，在第一方向x1上，所述第二组成部12和所述第三组成部13对称位于所述第一组成部11的两侧，在所述第一方向x1上，所述第一组成部11的直径r1不小于所述第二组成部12的直径r2，且所述第一组成部11的直径r1不小于所述第三组成部13的直径r3，可选的，所述第一组成部11的直径r1大于所述第二组成部12的直径r2，且所述第一组成部11的直径r1大于所述第三组成部13的直径r3，以使得第二组成部12和第三组成部13的体积小于第一组成部11的体积；具体的，在本技术的一个实施例中，所述第一组成部11的直径r1的取值范围为50nm-500nm，所述第二组成部12的直径r2的取值范围为50nm-500nm，所述第三组成部13的直径r3的取值范围为50nm-500nm；
89.在第三方向z1上，所述第一组成部11的高度h1取值范围为300nm-2000nm，所述第二组成部12的高度h2取值范围为300nm-2000nm，所述第三组成部13的高度h3取值范围为300nm-2000nm，所述第三方向z1垂直于所述多个单元结构所在平面；
90.在所述第一方向x1上，所述第一组成部11和所述第二组成部12之间的距离g1的取值范围为30nm-200nm，所述第一组成部11和所述第三组成部13之间的距离g2的取值范围为30nm-200nm，以在所述单元结构中引入轴对称设计的基础上，兼顾所述单元结构的尺寸和工艺难度。
91.在本技术的又一个实施例中，如图6所示，所述超表面透镜的单元结构中，所述第一组成部11为圆柱形结构，所述第二组成部12和所述第三组成部13均为方柱形结构，且所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13的尺寸在纳米量级，其中，所述第二组成部12和所述第三组成部13这两个体积较小的组成部在第一方向上位于所述第一组
成部11这一体积较大的组成部的两边，关于所述第一组成部11这一体积较大的组成部满足轴对称条件。
92.在本技术的再一个实施例中，如图7所示，所述超表面透镜的单元结构中，所述第一组成部11为方柱形结构，所述第二组成部12和所述第三组成部13均为圆柱形结构，且所述第一组成部11、所述第二组成部12和所述第三组成部13的尺寸在纳米量级，其中，所述第二组成部12和所述第三组成部13这两个体积较小的组成部在第一方向上位于所述第一组成部11这一体积较大的组成部的两边，关于所述第一组成部11这一体积较大的组成部满足轴对称条件。
93.在本技术的其他实施例中，所述第一组成部、第二组成部和第三组成部还可以采用其他规则形状，本技术对此并不做限定，具体视情况而定。
94.在上述任一实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，继续如图3所示，所述多个单元结构10均匀排布，以使得所述超表面透镜可以通过旋转各所述单元结构的对称轴的方向达到调节光信号在各所述单元结构所在位置的相位，从而实现对入射光中不同波长的相位以及群时延、群时延色散的调节，进而使得所述超表面透镜既对入射光的偏振状态不敏感，又能实现对入射光的群时延和群时延色散的调节，达到消除色差的目的。
95.可选的，在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，继续如图3所示，在所述多个单元结构所在平面内，相邻单元结构之间的横向距离d1的取值范围为50nm-5000nm，相邻单元结构之间的纵向距离d2取值范围为50nm-5000nm，其中，横向和纵向为在平行于所述多个单元结构所在平面内相互垂直的两个方向。需要说明的是，在本技术实施例中，相邻单元结构之间的横向距离和纵向距离可以相同，也可以不同，本技术对此并不做限定，具体视情况而定。
96.还需要说明的是，在上述实施例中，各单元结构的对称轴可以进行360
°
旋转，在0-180
°
的范围内，所述单元结构的相位随其旋转角度单调变化，如在0-180
°
的范围内，所述单元结构的相位随其旋转角度的增加逐渐增大，或在0-180
°
的范围内，所述单元结构的相位随其旋转角度的增加逐渐减小。
97.综上，本技术实施例所提供的超表面透镜可以实现宽波段波长的色差消除，且对入射光的偏振状态不敏感，从而可以应用于日常使用场景中。
98.由前述可知，本技术实施例所提供的超表面透镜的单元结构，可以在百微米量级大小的超表面透镜上实现宽波段消色差的成像。但是，受制于超表面透镜的高度，其单元结构引入的群时延较为有限，只有几十飞秒，不能满足大尺寸成像所需要的群时延，使得超表面透镜只能应用于小尺寸成像的透镜模组中。
99.有鉴于此，本技术实施例还提供了一种透镜模组，如图8所示，所述透镜模组包括折射透镜组和超表面透镜组，其中，所述折射透镜组包括至少一个折射透镜，所述超表面透镜组包括至少一个超表面透镜，所述超表面透镜为上述任一实施例所提供的超表面透镜，从而利用所述折射透镜组消除大尺寸成像的部分色差，利用所述超表面透镜组消除剩余部分色差，以使得所述透镜模组对大尺寸成像也具有较好的消色差效果，且所述超表面透镜组消除色差部分所需的群时延在其能力范围内。
100.具体的，在本技术的一个实施例中，所述超表面透镜组包括至少一个超表面透镜，所述折射透镜组包括至少两个折射透镜，但本技术对此并不做限定，具体视情况而定。
101.由于相较于折射透镜，超表面透镜的重量和体积都很小，因此，本技术实施例所提供的透镜模组利用所述超表面透镜组和所述折射透镜组配合来实现大尺寸成像的色差消除，可以使得所述透镜模组具有较小的重量和体积，从而有利于减小所述透镜模组的重量和体积，在应用于移动终端设备和可穿戴设备中时，适用于移动终端设备和可穿戴设备小型化的发展趋势。
102.由此可见，本技术实施例提供的透镜模组可以兼顾所述透镜模组的重量/体积和所述透镜模组的光学性能，在具有较好的光学性能的基础上，具有较小的重量和体积。
103.可选的，在上述实施例的基础上，在本技术的一个实施例中，沿所述透镜模组中光信号的传输方向，所述折射透镜组位于所述超表面透镜组的后面，即入射光在进入所述透镜模组后，先经过所述超表面透镜组，再经过所述折射透镜组，但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，沿所述透镜模组中光信号的传输方向，所述折射透镜组也可以位于所述超表面透镜组的前面，即入射光在进入所述透镜模组后，先经过所述折射透镜组，再经过所述超表面透镜组，具体视情况而定。
104.需要说明的是，在实际使用中，本技术所提供的透镜模组可以利用超表面透镜灵活调整光线相位的特点，提升透镜模组的性能，并在折射透镜组设计时，选择使用较少的折射透镜片数，结合超表面透镜组消除剩余的像差，达到缩小透镜模组体积的目的，从而使得本技术实施例所提供的透镜模组可以在缩小体积的同时保持优良的光学性能。
105.还需要说明的是，本技术实施例所提供的透镜模组对所述超表面透镜组所包括的超表面透镜的数量和所述折射透镜组所包括的折射透镜的数量并不做限定，具体视所述透镜模组所应用的场景对所述透镜模组的光学性能要求、成本要求以及对所述透镜模组的重量和体积要求而定。
106.如图9和图10所示，图9示出了所述透镜模组仅采用折射透镜的波前图，图10示出了本技术实施例所提供的透镜模组的波前图，其中，图9和图10的横坐标表征所述透镜模组在预设平面内的横向尺寸，为以所述透镜模组的中心为原点，所述透镜模组的横坐标归一化后的结果，纵坐标表征所述透镜模组在预设平面内的纵向尺寸，为以所述透镜模组的中心为原点，所述透镜模组的纵向尺寸归一化后的结果，其中，所述预设平面平行于所述透镜模组的像面。从图9和图10可以看出，如果所述透镜模组仅采用折射透镜，其最大波前差为0.586个波长，而本技术实施例所提供的由折射透镜和超表面透镜组合形成的透镜模组的最大波前差为0.1个波长，相较于透镜模组仅采用折射透镜的情况，本技术实施例所提供的透镜模组的最大波前差从0.586个波长下降到了0.1个波长，在像面同一位置处的相位差下降超过了80％。
107.如图11和图12所示，图11示出了所述透镜模组仅采用折射透镜的点扩散函数图，图12示出了本技术实施例所提供的透镜模组的点扩散函数图，其中，横坐标为成像面所在平面内，以所述像面的中心为原点的横向尺寸，纵向坐标为成像面所在平面内，以所述像面的中心为原点的纵向尺寸。从图11和图12可以看出，相较于透镜模组仅采用折射透镜的情况，本技术实施例所提供的透镜模组改善了透镜模组的聚焦性能，极大地抑制了原本聚焦光斑的旁瓣，实现了更为接近衍射极限的光束聚焦效果。
108.如图13和图14所示，图13示出了所述透镜模组仅采用折射透镜的点扩散函数截面图，图14示出了本技术实施例所提供的透镜模组的点扩散函数截面图，其中，图13为图11在
y＝0位置处的点扩散函数截面图，图14为图12在y＝0位置处的点扩散函数截面图，横坐标为成像面所在平面内，以所述像面的中心为原点的横向尺寸，纵坐标为在y＝0位置处的相对辐照度。从图13和图14可以看出，相较于透镜模组仅采用折射透镜的情况，本技术实施例所提供的透镜模组可以更加清晰的看到聚焦效果的提升。
109.图15示出了所述透镜模组仅采用折射透镜的调制传递函数(mtf)示意图，图16示出了本技术实施例所提供的透镜模组的调制传递函数示意图，其中，横坐标为以一毫米为周期单位的空间频率，纵坐标为调制传递函数，不同曲线分别表征衍射极限的s方向和t方向的调制传递函数、1
°
入射角的s方向和t方向的调制传递函数、2
°
入射角的s方向和t方向的调制传递函数、3
°
入射角的s方向和t方向的调制传递函数、4
°
入射角的s方向和t方向的调制传递函数以及5
°
入射角的s方向和t方向的调制传递函数。从图15和图16可以看出，如果透镜模组仅采用折射透镜，所述透镜模组除了零视场外的所有视场在120lp/mm的mtf都低于0.5，而本技术实施例所提供的透镜模组，各个视场的mtf都有了明显的提升，达到了接近衍射极限的效果。
110.由此可见，本技术实施例所提供的超表面透镜和包括该超表面透镜的透镜模组具有良好的光学性能。而所述超表面透镜的重量和体积较小，相较于所述透镜模组仅采用折射透镜，本技术实施例所提供的透镜模组采用超表面透镜和折射透镜的组合形式，体积和重量都会显著减小。
111.此外，本技术实施例还提供了一种透镜模组的设计方法，用于上述任一实施例所提供的透镜模组的设计，具体的，如图17所示，本技术实施例所提供的透镜模组的设计方法包括：
112.s1：计算折射透镜组的光学参数，所述折射透镜组包括至少一个折射透镜，所述折射透镜组的光学参数包括所述折射透镜组的相位、群时延、群时延色散；
113.需要说明的是，在本实施例中，所述折射透镜组可以包括一个折射透镜，也可以包括多个折射透镜，本技术对此并不做限定，具体视所述透镜模组的光学性能要求、成本要求以及重量和体积要求等应用需求而定。其中，所述折射透镜组中包括的折射透镜数量越多，所述折射透镜组的成本越高，所述折射透镜组的体积越大，所述透镜模组的成本越高，所述透镜模组的体积越大。
114.s2：基于所述折射透镜组的光学参数和目标光学参数，获得差值光学参数；
115.需要说明的，在本技术实施例中，所述目标光学参数为基于设计目标确定的光学参数，可选的，在本技术的一个实施例中，在基于所述折射透镜组的光学参数和目标光学参数，获得差值光学参数时，可以基于所述折射透镜组的光学参数对应的实际光学参数曲线以及所述目标光学参数对应的目标光学参数曲线，确定所述实际光学参数曲线和所述目标光学参数曲线之间的差值，即在本实施例中，基于所述折射透镜组的光学参数对应的光学参数曲线和目标光学参数对应的光学参数曲线，获得差值光学参数，但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，还可以通过其他方式，获得所述折射透镜组的光学参数和目标光学参数的差值光学参数，具体视情况而定。
116.s3：基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数以及所述超表面透镜的单元结构的结构参数，并基于所述超表面透镜组中超表面透镜的单元结构的结构参数，构建多个单元结构组成的超表面透镜，其中，所述超表面透镜的单元结构的结
构参数包括所述超表面透镜的单元结构的几何参数。
117.具体的，在本技术的一个实施例中，基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数以及超表面透镜的结构参数包括：
118.基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的个数；
119.基于所述差值光学参数以及所述超表面透镜的个数，确定单个超表面透镜的光学参数；
120.基于单个超表面透镜的光学参数，查询数据库，确定该超表面透镜的结构参数，其中，所述数据库中存储有不同几何参数的超表面透镜的光学参数。但本技术对此并不做限定，在本技术的其他实施例中，还可以通过其他方式，基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的结构参数，具体视情况而定。
121.需要说明的是，在本技术实施例中，所述超表面透镜组可以包括一个超表面透镜，也可以包括多个超表面透镜，本技术对此并不做限定，具体视情况而定。可选的，在本技术的一个实施例中，如果一个超表面透镜可实现的最大光学参数大于所述差值光学参数，则所述超表面透镜组可以只包括一个超表面透镜，如果一个超表面透镜可以实现的最大光学参数小于所述差值光学参数，则所述超表面透镜组包括至少两个超表面透镜。
122.可选的，在本技术的一个实施例中，所述数据库为预先建立的，以缩短基于所述差值光学参数，确定所述超表面透镜组中超表面透镜的单元结构的结构参数的时间。具体的，在本技术的一个实施例中，所述数据库的建立过程包括：
123.对具有不同高度、宽度、长度以及间距的超表面透镜的单元结构进行模拟，以得到具有不同高度、宽度、长度以及间距的单元结构的相位、群时延、群时延色散、光线透过率，以构建不同结构参数的单元结构的结构参数及其光学参数的对应关系；对不同结构参数的单元结构的结构参数及其光学参数的对应关系进行存储，得到所述数据库。
124.s4：对所述超表面透镜组进行模拟，得到所述超表面透镜组的光学参数，其中，所述表面透镜组的光学参数包括所述超表面透镜组的相位、群时延、群时延色散、光线透过率等。
125.s5：基于所述折射透镜组的光学参数和所述超表面透镜组的光学参数，对所述折射透镜组和所述超表面透镜组组成的透镜模组进行模拟，得到所述透镜模组的光学参数。
126.利用本技术实施例所提供的透镜模组的设计方法设计的透镜模组，具有较小的重量和体积，且具有较好的光学性能，在应用于移动终端设备和可穿戴设备等电子设备中时，可以使得所述电子设备具有良好的光学性能，在满足用户高光学性能要求的基础上，有利于电子设备的轻薄化发展。
127.另外，本技术实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述任一实施例所提供的透镜模组，以在具有良好的光学性能，满足用户高光学性能要求的基础上，有利于电子设备的轻薄化发展。具体的，在一些实施例中，电子设备可以是手机、平板电脑、桌面型、膝上型、笔记本电脑、超级移动个人计算机(ultra-mobile personal computer，umpc)、手持计算机、上网本、个人数字助理(personal digital assistant，pda)、可穿戴电子设备、智能手表等设备。
128.可选的，在本技术的一个实施例中，如图18所示，电子设备可以包括处理器110，外部存储器接口120，内部存储器121，通用串行总线(universal serialbus，usb)接口130，充
电管理模块140，电源管理模块141，电池142，天线1，天线2，移动通信模块150，无线通信模块160，音频模块170，扬声器170a，受话器170b，麦克风170c，耳机接口170d，传感器模块180，按键190，马达191，指示器192，摄像头193，显示屏194，以及用户标识模块(subscriber identification module，sim)卡接口195等。其中传感器模块180可以包括压力传感器180a，陀螺仪传感器180b，气压传感器180c，磁传感器180d，加速度传感器180e，距离传感器180f，接近光传感器180g，指纹传感器180h，温度传感器180j，触摸传感器180k，环境光传感器180l，骨传导传感器180m等。
129.具体的，在本技术的一个实施例中，所述电子设备中的透镜模组基于所述环境光传感器180l采集的光线执行图像采集等功能。
130.可以理解的是，本实施例示意的结构并不构成对电子设备的具体限定。在另一些实施例中，电子设备可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者拆分某些部件，或者不同的部件布置。图示的部件可以以硬件，软件或软件和硬件的组合实现。
131.可选的，在本技术的一个实施例中，电子设备的无线通信功能可以通过天线1，天线2，移动通信模块150，无线通信模块160，调制解调处理器以及基带处理器等实现。
132.天线1和天线2用于发射和接收电磁波信号。电子设备中的每个天线可用于覆盖单个或多个通信频带。不同的天线还可以复用，以提高天线的利用率。例如：可以将天线1复用为无线局域网的分集天线。在另外一些实施例中，天线可以和调谐开关结合使用。
133.移动通信模块150可以提供应用在电子设备上的包括2g/3g/4g/5g等无线通信的解决方案。移动通信模块150可以包括至少一个滤波器，开关，功率放大器，低噪声放大器(low noise amplifier，lna)等。移动通信模块150可以由天线1接收电磁波，并对接收的电磁波进行滤波，放大等处理，传送至调制解调处理器进行解调。移动通信模块150还可以对经调制解调处理器调制后的信号放大，经天线1转为电磁波辐射出去。在一些实施例中，移动通信模块150的至少部分功能模块可以被设置于处理器110中。在一些实施例中，移动通信模块150的至少部分功能模块可以与处理器110的至少部分模块被设置在同一个器件中。
134.调制解调处理器可以包括调制器和解调器。其中，调制器用于将待发送的低频基带信号调制成中高频信号。解调器用于将接收的电磁波信号解调为低频基带信号。随后解调器将解调得到的低频基带信号传送至基带处理器处理。低频基带信号经基带处理器处理后，被传递给应用处理器。应用处理器通过音频设备(不限于扬声器170a，受话器170b等)输出声音信号，或通过显示屏194显示图像或视频。在一些实施例中，调制解调处理器可以是独立的器件。在另一些实施例中，调制解调处理器可以独立于处理器110，与移动通信模块150或其他功能模块设置在同一个器件中。
135.无线通信模块160可以提供应用在电子设备上的包括无线局域网(wireless local area networks，wlan)(如无线保真(wireless fidelity，wi-fi)网络)，蓝牙(bluetooth，bt)，全球导航卫星系统(global navigation satellite system，gnss)，调频(frequency modulation，fm)，近距离无线通信技术(near field communication，nfc)，红外技术(infrared，ir)等无线通信的解决方案。无线通信模块160可以是集成至少一个通信处理模块的一个或多个器件。无线通信模块160经由天线2接收电磁波，将电磁波信号调频以及滤波处理，将处理后的信号发送到处理器110。无线通信模块160还可以从处理器110接收待发送的信号，对其进行调频，放大，经天线2转为电磁波辐射出去。
136.在一些实施例中，电子设备的天线1和移动通信模块150耦合，天线2和无线通信模块160耦合，使得电子设备可以通过无线通信技术与网络以及其他设备通信。所述无线通信技术可以包括全球移动通讯系统(global system for mobile communications，gsm)，通用分组无线服务(general packet radio service，gprs)，码分多址接入(code division multiple access，cdma)，宽带码分多址(wideband code division multiple access，wcdma)，时分码分多址(time-division code division multiple access，td-scdma)，长期演进(long term evolution，lte)，bt，gnss，wlan，nfc，fm，和/或ir技术等。所述gnss可以包括全球卫星定位系统(global positioning system，gps)，全球导航卫星系统(global navigation satellite system，glonass)，北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system，bds)，准天顶卫星系统(quasi-zenithsatellite system，qzss)和/或星基增强系统(satellite based augmentation systems，sbas)。
137.通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
138.在本实施例所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
139.所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
140.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何在本技术揭露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。