一种角度检测器和成像设备

摘要

本发明实施例提供了一种角度检测器和成像设备，所述角度检测器具体包括：光接收装置，所述光接收装置用于接收入射光，所述光接收装置包括透明基体以及阵列分布在所述透明基体内的多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置；以及感光装置，所述感光装置用于接收所述入射光经所述光接收装置谐振后的谐振光，并根据所述谐振光形成远场方向图和透射谱图，其中，所述远场方向图用于表示所述入射光的方向，所述透射谱图中的谐振峰的位置与所述入射光的角度大小对应。本发明实施例中提供的角度检测器，可以结构紧凑，易于嵌入成像设备中，而且，可以获得较高的检测精度。

权利要求

1.一种角度检测器，其特征在于，包括：

光接收装置，所述光接收装置用于接收入射光，所述光接收装置包括透明基体以及阵列分布在所述透明基体内的多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置；以及感光装置，所述感光装置用于接收所述入射光经所述光接收装置谐振后的谐振光，并根据所述谐振光形成远场方向图和透射谱图，其中，所述远场方向图用于表示所述入射光的方向，所述透射谱图中的谐振峰的位置与所述入射光的角度大小对应；

所述超表面介质柱的表面设置有亚波长的微结构，所述亚波长的微结构的材质包括：无定形硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛中的至少一种；

所述透明基体的材料为聚甲基丙烯酸甲酯，折射率为1.5；所述超表面介质柱折射率为

2.5，两个所述超表面介质柱之间的夹角为35度，所述超表面介质柱的形状为椭圆体，所述超表面介质柱的长轴为280nm，短轴为100nm，高度为100nm；

所述角度检测器还包括偏振片，所述偏振片设置在所述光接收装置远离所述感光装置的一侧，所述偏振片用于将所述入射光调节成横磁光波。

2.根据权利要求1所述的角度检测器，其特征在于，所述光接收装置还包括：反射增强膜，所述反射增强膜设置在所述透明基体外远离所述入射光射入方向的一侧。

3.根据权利要求2所述的角度检测器，其特征在于，所述反射增强膜的材质为金。

4.一种成像设备，其特征在于，包括：权利要求1至3任一项所述的角度检测器。

5.根据权利要求4所述的成像设备，其特征在于，所述成像设备还包括：镜头，所述角度检测器的光接收装置设置于所述镜头上。

说明书

一种角度检测器和成像设备

技术领域

[0001] 本发明涉及成像传感技术领域，特别是涉及一种角度检测器和一种成像设备。

背景技术

[0002] 在成像传感技术领域，在某些先进的光学系统中，不仅需要检测入射光的强度，通常还需要检测入射光的角度。例如，光场相机通过拍摄不同角度成像用于重现图像，因此，需要对入射光的角度进行检测。

[0003] 在传统的技术中，对于入射光的角度的检测通过一些大体积的光学设备来完成，例如，透镜或者具有光电像素的光栅，这些光学设备的组装非常昂贵并且体积比较大，很难嵌入成像设备中。而且，基于衍射光栅形成的谐振峰的宽度较宽，检测精度较低。

发明内容

[0004] 鉴于上述问题，提出了本发明实施例以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种角度检测器和一种成像设备。

[0005] 为了解决上述问题，第一方面，本发明实施例公开了一种角度检测器，其特征在于，包括：

[0006] 光接收装置，所述光接收装置用于接收入射光，所述光接收装置包括透明基体以及阵列分布在所述透明基体内的多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置；以及

[0007] 感光装置，所述感光装置用于接收所述入射光经所述光接收装置谐振后的谐振光，并根据所述谐振光形成远场方向图和透射谱图，其中，所述远场方向图用于表示所述入射光的方向，所述透射谱图中的谐振峰的位置与所述入射光的角度大小对应。

[0008] 可选地，所述光接收装置还包括：反射增强膜，所述反射增强膜设置在所述透明基体外远离所述入射光射入方向的一侧。

[0009] 可选地，所述反射增强膜的材质为金。

[0010] 可选地，所述超表面介质柱的表面设置有亚波长的微结构，所述亚波长的微结构的材质包括：无定形硅、低温多晶硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、锗中的至少一种。

[0011] 可选地，所述超表面介质柱的形状包括：长方体、椭圆体中的至少一种。

[0012] 可选地，所述透明基体采用柔性透明材料制成。

[0013] 可选地，所述柔性透明材料包括：聚甲基丙烯酸甲酯、光刻胶、聚苯乙烯材、聚酰亚胺中的至少一种。

[0014] 可选地，所述角度检测器还包括：偏振片，所述偏振片设置在所述光接收装置远离所述感光装置的一侧，所述偏振片用于，将所述入射光调节成横磁光波。

[0015] 第二方面，本发明实施例还提供了一种成像设备，包括：上述任一项所述的角度检测器。

[0016] 可选地，所述成像设备还包括：镜头，所述角度检测器的光接收装置设置于所述镜头上。

[0017] 本发明实施例包括以下优点：

[0018] 本发明实施例中，由于光接收装置包括多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置。入射光投射到所述光接收装置的情况下，可以激发两个超表面介质柱形成电偶极子，发生谐振，形成谐振光，所述谐振光在所述感光装置上形成远场方向图和品质因子较高的透射谱图。不同入射角度的入射光，其感应出的谐振光形成的远场方向图不同，形成的透射谱图的谐振峰相应不同，因此，根据所述远场方向图和所述透射谱图，可以得到所述入射光的方向和角度大小。本发明提供的角度检测器，可以用于检测大范围的入射角度的入射光，且结构紧凑，易于嵌入成像设备中。而且，由于超表面介质柱有利于获得尖锐的谐振峰，进而，可以获得较高的检测精度。

附图说明

[0019] 图1是本发明的一种角度检测器的结构示意图；

[0020] 图2是本发明的一种光接收装置的结构示意图；

[0021] 图3是本发明实施例所述的远场方向图；

[0022] 图4是本发明实施例所述的透射谱图之一；

[0023] 图5是本发明实施例所述的透射谱图之二；

[0024] 图6是本发明的一种物理机理模型图；

[0025] 附图标记说明：10‑光接收装置，101‑透明基体，102‑超表面结构单元，1021‑超表面介质柱，103‑反射增强膜，11‑感光装置，12‑偏振片。

具体实施方式

[0026] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0027] 本发明实施例提供了一种角度检测器，用于检测入射光的角度。参照图1，示出了本发明的一种角度检测器的结构示意图，如图1所示，所述角度检测器具体可以包括：光接收装置10和感光装置11；其中，光接收装置10可以用于接收入射光，感光装置11可以用于接收所述入射光经光接收装置10谐振后的谐振光，并根据所述谐振光形成远场方向图和透射谱图，其中，所述远场方向图可以用于表示所述入射光的方向，所述透射谱图中的谐振峰的位置与所述入射光的角度大小对应。

[0028] 参照图2，示出了本发明的一种光接收装置的结构示意图，如图2所示，光接收装置10可以包括透明基体101以及阵列分布在透明基体101内的多个超表面结构单元102，每个超表面结构单元102可以包括两个长条形的超表面介质柱1021，两个超表面介质柱1021成预设夹角设置。

[0029] 本发明实施例中，由于光接收装置10包括多个超表面结构单元102，每个超表面结构单元102可以包括两个长条形的超表面介质柱1021，两个超表面介质柱1021可以成预设夹角设置。入射光投射到光接收装置10的情况下，可以激发两个超表面介质柱1021形成电偶极子，发生谐振，形成谐振光，所述谐振光在感光装置11上形成远场方向图和品质因子较高的透射谱图。不同入射角度的入射光，其感应出的谐振光形成的远场方向图不同，形成的透射谱图的谐振峰相应不同，因此，根据所述远场方向图和所述透射谱图，可以得到所述入射光的方向和角度大小。本发明提供的角度检测器，可以用于检测大范围的入射角度的入射光，且结构紧凑，易于嵌入成像设备中。而且，由于超表面介质柱1021有利于获得尖锐的谐振峰，进而，可以获得较高的检测精度。

[0030] 具体地，超表面介质柱1021的表面设置有亚波长的微结构，所述亚波长的微结构的材质包括：无定形硅(a‑Si)、低温多晶硅(p‑Si)、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)、锗(Ge)中的至少一种。在实际应用中，亚波长的微结构来电磁波的偏振、相位、振幅、频率等特性，在入射光投射到超表面介质柱1021上的情况，可以表现出良好的谐振特性。这样，在入射光投射到光接收装置10的情况下，可以激发两个超表面介质柱1021形成电偶极子，发生谐振，形成谐振光。

[0031] 本发明实施例中，通过将每个超表面结构单元102中的两个超表面介质柱1021成预设夹角设置，可以实现对于入射光角度的灵敏度感知。由于每个超表面结构单元102中两个超表面介质柱1021成预设夹角设置，两个超表面介质柱1021不对称，不同角度的入射光投射到超表面介质柱1021上形成的有效电容、有效电感不同，形成的谐振光的谐振频率不同，在感光装置11上形成的远场方向图和透射谱图相应不同，因此，通过识别感光装置11上的远场方向图、以及透射谱图中的谐振峰，即可得到所述入射光的方向和角度大小。具体地，感光装置11可以为感光芯片、光谱仪等能够形成远场方向图和透射谱图的装置。

[0032] 在实际应用中，相对光栅产生的谐振峰来说，超表面介质柱1021产生的谐振光的谐振峰的宽度更窄，品质因子更高，因此，可以使得本发明所述的角度检测器实现高精度和高灵敏的角度检测。

[0033] 可选地，超表面介质柱1021的形状包括：长方体、椭圆体中的至少一种，也即，超表面介质柱1021可以为纳米椭圆体或者纳米长方体，本发明实施例仅以超表面介质柱1021的形状为椭圆体为例进行说明，其他形状的超表面介质柱1021参照执行即可。

[0034] 本发明实施例中，透明基体101可以采用柔性透明材料制成。在实际应用中，采用柔性透明材料制成透明基体101，不仅便于将超表面结构单元102嵌设至透明基体101内，而且，还便于将光接收装置10设置在成像设备的镜头等部件上，便于将所述角度检测器在成像设备上的布局，提高所述角度检测器的使用便捷性。

[0035] 在实际应用中，由于所述角度检测器的光接收装置10可以设置在成像设备的镜头上，感光装置11可以共用成像设备中的感光芯片，因此，所述角度检测器的结构尺寸较为紧凑，便于角度检测器在成像设备中的布局。

[0036] 可选地，所述柔性透明材料可以包括：聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、光刻胶、聚苯乙烯材(PS)、聚酰亚胺(PI)中的至少一种，本发明实施例对于所述柔性透明材料不做具体限定。

[0037] 本发明实施例中，光接收装置10还可以包括：反射增强膜103，反射增强膜103可以设置在透明基体101外远离所述入射光射入方向的一侧，用于增强光接收装置10的反射率，减少光线损失。

[0038] 示例的，反射增强膜103可以包括金属反射膜，全电介质反射膜中的至少一种，本发明实施例对于反射增强膜103的具体类型可以不做限定。

[0039] 在本发明的一种可选实施例中，反射增强膜103可以为金属反射膜，所述金属反射膜的材质可以为金。在实际应用中，金属反射膜具有制备工艺简单、工作波长范围宽的优点，由于金属金具有密度高、表面光亮的优点，在金属反射膜的材质为金的情况下，可以进一步增加反射率。

[0040] 本发明实施例中，所述角度检测器还可以包括：偏振片12，偏振片12设置在光接收装置10远离感光装置11的一侧，偏振片12用于，将所述入射光调节成横磁光波，以使进入光接收装置10中的入射光可以变成TM(TM mode)模式的光。由于TM模式的光在传播方向上有电场分量而无磁场分量，因此，有利于所述谐振光的电容、电感、谐振频率与入射光的角度形成线性的关系，进一步提升所述角度检测器的准确性。

[0041] 例如，对于TM模式来说，当入射光的角度变大时，超表面介质柱1021的有效电容变小、有效电感也变小，形成的谐振光的谐振频率变大

[0042] 以下提供一种本发明的角度检测器的具体示例。

[0043] 示例的，可以将透明基体101的材料选择为PMMA，PMMA的折射率可以选择为1.5，超表面结构单元102单元可以有两个椭圆的超表面介质柱1021组成，折射率为2.5，两个超表面介质柱1021之间的夹角可以为35度，超表面介质柱102的长轴和短轴可以分别为280nm和100nm，高度可以为100nm。

[0044] 参照图3，示出了本发明实施例所述的远场方向图。其中，左图为y轴正方向的入射光形成的远场方向图，右图为y轴负方向入射光形成的远场方向图。从图3可知，不同方向的入射光在感光装置11上形成的远场方向图不同，因此，通过识别感光装置11上形成的远场方向图，可以确定所述入射光的方向。

[0045] 具体地，通过远场方向图的方位角相对于中心位置的偏移，可以判断入射光的方向(平面方向可以判断左或者右以及前或者后)，通过谐振峰的位置可以判断在(平面方向可以判断左或者右以及前或者后)方向上的具体角度位置。

[0046] 参照图4，示出了本发明实施例所述的透射谱图之一，参照图5，示出了本发明实施例所述的透射谱图之二。具体地，在入射光垂直光接收装置10射入的情况下，感光装置11上形成透射谱图的谐振峰在波长为0.82um的位置。通过改变入射光的入射角度，入射角度变化范围在0—28°之间每间隔4°，感光装置11上形成透射谱图的谐振峰发生了偏移，不同的入射角度，谐振峰的位置不同。

[0047] 示例的，对于TM模式来说，当入射光的角度变大时，超表面介质柱1021的有效的电容变小、有效的电感也变小，相应的，感应形成的谐振光的谐振频率变大，谐振峰相应会向低波长移动(如图5中箭头所示方向)。

[0048] 在实际应用中，在所述角度检测器出厂前，可以通过校正或者试验的方式，获取所述入射光的入射角度与谐振峰的位置的对应关系，并将所述对应关系进行存储，这样，根据透射谱图上的谐振峰位置，可以直接得出所述入射光的入射角度。

[0049] 需要说明的是，在实际应用中，透明基体101的材质，以及超表面结构单元102单元中的超表面介质柱1021的各参数可以根据实际情况进行调节，本发明不做具体限定。

[0050] 在实际应用中，在超表面介质柱1021为椭圆体的情况下，谐振峰的作用的物理机理如下。

[0051] 在实际应用中，如果超表面介质柱1021的结构竖直没有旋转的情况下(即两个超表面介质柱1021平行，夹角为0)，可以被认为是BIC模型(Bound in Continuum)，在没有损耗的情况下，品质因子无穷大，因此不会出现谐振峰，所以如果要产生谐振的话，超表面介质柱1021必须发生旋转的情况下(即两个超表面介质柱1021成预设夹角设置)，才会产生谐振峰，以上具有旋转的模型被称为quasi‑BIC模型。

[0052] 参照图6，示出了本发明的一种物理机理模型图，如图6所示，对于一个入射光的周期来说，两个椭圆形的超表面介质柱1021可以被认为是两个电偶极子模式(电流方向相反)，光接收装置10中的阵列结构与入射光之间的相互作用可以表达如下

[0053]

[0054] 其中，Z可以被认为是谐振模式的阻抗，I对应电偶极子的电流幅度，V为有效电动力，1、2代表两个不同方向电流的电偶极子。也即，I1和I2分别表示两个椭圆形的超表面介质柱1021电流，V1和V2分别表示两个椭圆形的超表面介质柱1021有效电动力。Zself表示电流方向相同的电偶极子之间的阻抗，Zmut(电流方向相反的电偶极子之间的阻抗)。两种阻抗的表达是可以表达为：

[0055]

[0056]

[0057] 如图6中可以看出，电流方向相反的电流在周期单元内部相距半个波长，因此需要考虑额外的相位因子(假设沿着x方向，y方向同理)。

[0058] 其中，Z代表周期中不同位置(0，0)和(m，n)之间的相互作用的阻抗。β代表x与y方向谐振模式的横向传输波矢量，P代表超表面介质柱1021的距离周期。Zs表示第(m,n)位置的方向相同电偶极子之间的阻抗，Zm表示第(m,n)位置的方向相反电偶极子之间的阻抗。

[0059] 由于quasi‑BIC模式的电流方向相反，因此只支持反对称模式。整体的有效阻抗可以表达如下：

[0060] Zeff＝Zself‑Zmut     (公式4)

[0061] 对于无损耗均匀环境中的周期超表面来说，Z主要由表面电流密度和电荷密度决定如下：

[0062]

[0063]

[0064] 其中，ω为谐振频率，μ为磁导率，ε介电常数，d3代表体积分，q代表电荷。j(0,0)j(m,n) (0,0)代表磁场的相互作用(由Maxwell方程可以得出，表面电流密度与磁场强度有关)，q q(m,n)
代表电场的相互作用(由Maxwell方程可以得出，电荷密度与电场强度有关)。通过阻抗计算可以利用电感、电容和电阻分开进行表达(电感由于表面电流密度产生、电容由于电荷密度变化产生、电阻由于欧姆损耗)，最终quasi‑BIC的有效阻抗表达如下：

[0065] Zeff＝‑iωLeff+i/ωCeff+Reff     (公式7)

[0066]

[0067]

[0068]

[0069] 当Im(Zeff)＝0时，谐振峰将会出现，通过图6可以看出，平面内的电偶极子(椭圆柱)的作用是各向异性，导致阻抗分布也是各向异性。因此当入射角度变化时，由于表面电流大小与电荷密度分布发生变化，延阻效应也会提升。对于TM模式来说，当角度变大时，有效的电容变小，有效的电感也会变小，将导致谐振频率变大，从而谐振峰将向低波长移动。

[0070] 综上，本发明实施例所述的角度检测器至少可以包括以下优点：

[0071] 本发明实施例中，由于光接收装置包括多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置。入射光投射到所述光接收装置的情况下，可以激发两个超表面介质柱形成电偶极子，发生谐振，形成谐振光，所述谐振光在所述感光装置上形成远场方向图和品质因子较高的透射谱图。不同入射角度的入射光，其感应出的谐振光形成的远场方向图不同，形成的透射谱图的谐振峰相应不同，因此，根据所述远场方向图和所述透射谱图，可以得到所述入射光的方向和角度大小。本发明提供的角度检测器，可以用于检测大范围的入射角度的入射光，且结构紧凑，易于嵌入成像设备中。而且，由于超表面介质柱有利于获得尖锐的谐振峰，进而，可以获得较高的检测精度。

[0072] 本发明实施例还提供了一种成像设备，所述成像设备具体可以包括：上述角度检测器。本实施例中，所述角度检测器的结构与前述各实施例中的角度检测器的结构相同，在此不做赘述。

[0073] 本发明实施例中，所述角度检测器的透明基体可以采用柔性透明材料制成。这样，不仅便于将超表面结构单元嵌设至所述透明基体内，而且，还便于将光接收装置设置在所述成像设备的镜头等部件上，便于将所述角度检测器在成像设备上的布局，提高所述角度检测器的使用便捷性。

[0074] 本发明实施例中，由于光接收装置包括多个超表面结构单元，每个所述超表面结构单元包括两个长条形的超表面介质柱，所述两个超表面介质柱成预设夹角设置。入射光投射到所述光接收装置的情况下，可以激发两个超表面介质柱形成电偶极子，发生谐振，形成谐振光，所述谐振光在所述感光装置上形成远场方向图和品质因子较高的透射谱图。不同入射角度的入射光，其感应出的谐振光形成的远场方向图不同，形成的透射谱图的谐振峰相应不同，因此，根据所述远场方向图和所述透射谱图，可以得到所述入射光的方向和角度大小。本发明提供的角度检测器，可以用于检测大范围的入射角度的入射光，且结构紧凑，易于嵌入成像设备中。而且，由于超表面介质柱有利于获得尖锐的谐振峰，进而，可以获得较高的检测精度。

[0075] 尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。

[0076] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，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、物品或者终端设备不仅包括那些要素，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、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

[0077] 以上对本发明所提供的一种角度检测器和一种成像设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。