CN113466974A - 一种超透镜及具有其的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超透镜及具有其的光学系统，该超透镜包括：基板，能够透光；和设于基板表面的纳米环结构，纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于多个纳米环之间的多个空气环间隔；多个纳米环的直径各不相同，且多个纳米环同轴分布；至少部分空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的空气环间隔的光相位不同，以限定超透镜的相位分布。本发明通过纳米结构如纳米环结构、纳米柱结构形成超透镜，并且，不同位置的纳米结构具有不同的光相位，形成满足用户需求的相位分布的超透镜，相比现有的光学透镜，本发明的超透镜体积小、重量轻，解决了光学系统小型化、轻量化的问题。

Description

一种超透镜及具有其的光学系统

本发明专利申请是申请日为2019年7月31日、申请号为201910704719.6、发明名称为“一种超透镜及具有其的光学系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及透镜领域，尤其涉及一种超透镜及具有其的光学系统。

背景技术

光学透镜在成像、精密测量以及光通信等科学与工业领域中作为基本元器件起着至关重要的作用。传统光学透镜经过切割材料、打磨表面、精抛光和镀膜等系列复杂程序制作而成。由多个传统的光学透镜组成多透镜组光学系统，这类系统一般有数片折射式透镜或者反射式镜头组成，完成一个特定的成像应用，如无穷远成像、影像投影和显微成像等。然而一般而言，传统单个镜头有着体积大和重量大等不足。

发明内容

本发明提供一种超透镜及具有其的光学系统。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：

根据本发明的第一方面，提供一种超透镜，所述超透镜包括：

基板，能够透光；

设于所述基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；

其中，多个所述纳米环的直径各不相同，且多个所述纳米环同轴分布；

至少部分所述空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的所述空气环间隔的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布。

可选地，所述空气环间隔的光相位与该空气环间隔的高度和宽度的大小相关。

可选地，所述超透镜具有无穷远轴上与轴外像差矫正透镜的相位分布。

可选地，所述空气环间隔包括多阶高度的空气环间隔。

可选地，所述纳米环结构等效于多层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成。

可选地，所述纳米环结构等效于两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成，所述空气环间隔的位置满足：

max c₁I_on-axis(z₀)+c₂I_off-axis(z₀)

s.t.a_m+1-a_m＞l

b_m+1-b_m＞l

|Ea_m-Eb_n|＞d_F

a₁＞d,b₁＞d

NA≥NA_min

其中，I_on-axis(z₀)：入射光在0视场下的焦点光强度图；

I_off-axis(z₀)：入射光在最大半视场入射下的焦点光强度图；

z₀：焦点在光轴上的位置；

c₁、c₂：权重因子；

a_m：第m级第一层空气环间隔的中心位置，m＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；

b_m：第m级第二层空气环间隔的中心位置；

l：每一层相邻空气环间隔之间的最小间距；

d：第一层空气环间隔与第二层空气环间隔的中心位置的最小半径；

Ea_m：第m级第一层空气环间隔的边缘位置；

Eb_n：第n级第二层空气环间隔的的边缘位置，n＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；

d_F：最小加工精度；

NA：所述超透镜的数值孔径；

NA_min：最小数值孔径。

可选地，所述纳米环结构的材质为以下中的一种：

光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、单晶硅。

根据本发明的第二方面，提供一种光学系统，所述光学系统包括：

安装架；

第一方面所述的超透镜，所述超透镜安装在所述安装架上。

根据本发明的第三方面，提供一种超透镜，所述超透镜包括：

基板，能够透光；和

设于所述基板同一表面的多个纳米柱结构；

其中，多个所述纳米柱结构呈阵列状排列，多个所述纳米柱结构包括负纳米柱结构和中空纳米柱结构中的至少一种，所述负纳米柱结构包括第一柱体，所述第一柱体的横截面为正六边形，所述第一柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部；所述中空纳米柱结构包括第一圆柱体，所述第一圆柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部；

不同位置的所述纳米柱结构的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布，且不同位置的所述纳米柱的群时延不同，以限定所述超透镜的色差特性。

可选地，所述纳米柱结构还包括正纳米柱结构，所述正纳米柱结构包括第二圆柱体。

可选地，所述正纳米柱结构以及所述负纳米柱结构的光相位与对应的纳米柱结构的高度和直径的大小相关；

所述中空纳米柱结构的光相位与该中空纳米柱结构的内外直径大小相关。

可选地，对于每一纳米柱结构，包围该纳米柱结构的其他纳米柱结构位于同一正六边形的不同顶点上，且该纳米柱结构设于对应的正六边形的中心位置。

可选地，所述超透镜具有无球差正负透镜或轴棱镜透镜的相位分布。

可选地，所述超透镜的透镜表面光相位满足：

k为波数，r为各纳米柱结构至基板中心的距离，f为超透镜的焦距。

可选地，所述纳米柱结构的材质为以下中的一种：

光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、单晶硅。

根据本发明的第四方面，提供一种光学系统，所述光学系统包括：

至少两个第三方面所述的超透镜；

其中，至少两个所述超透镜间隔设置。

可选地，所有超透镜的相位分布与群时延均不相同，其中一个所述超透镜被配置成校正其他超透镜的像差，所述像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个。

可选地，所述光学系统还包括：

光学组件，所述光学组件与所述超透镜间隔设置，所述光学组件包括透镜，所述透镜区别于所述超透镜。

可选地，所述透镜是折射透镜。

可选地，所述折射透镜具有球面正负透镜、无穷远校正透镜、施密特校正板或非球面透镜的相位分布与群时延分布。

可选地，多个所述超透镜被设置为校正所述折射透镜的像差，所述像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个。

由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明通过纳米结构如纳米环结构、纳米柱结构形成超透镜，并且，纳米结构在不同位置具有不同的光相位，形成满足用户需求的相位分布的超透镜，相比现有的光学透镜，本发明的超透镜体积小、重量轻，解决了光学系统小型化、轻量化的问题。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1A是本发明实施例一中的超透镜的截面示意图；

图1B是本发明实施例一中的超透镜的俯视图；

图1C是本发明实施例一中的超透镜的聚焦示意图；

图1D是现有技术中的平凸透镜的聚焦示意图；

图1E是本发明实施例一中的一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；

图1F是本发明实施例一中的另一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；

图1G是本发明实施例一中的又一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；

图1H是本发明实施例一中的超透镜的三维打印写场顺序图；

图2是本发明实施例一中用于测量超透镜的焦斑尺寸的实验装置示意图。

图3A是本发明实施例一中具有100μm焦距的超透镜0°视场的焦斑强度测量图；

图3B是本发明实施例一中具有100μm焦距的超透镜5°视场的焦斑强度测量图；

图3C是本发明实施例一中具有100μm焦距的超透镜10°视场的焦斑强度测量图；

图3D是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜0°视场的焦斑强度测量图；

图3E是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜5°视场的焦斑强度测量图；

图3F是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜10°视场的焦斑强度测量图；

图3G是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜0°视场的焦斑强度测量图；

图3H是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜8°视场的焦斑强度测量图；

图3I是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜16°视场的焦斑强度测量图；

图3J是现有技术中的1mm焦距的透镜0°视场的焦斑强度测量图；

图3K是现有技术中的1mm焦距的透镜8°视场的焦斑强度测量图；

图3L是现有技术中的1mm焦距的透镜16°视场的焦斑强度测量图；

图3M是图3D-3F所示的超透镜调制传递函数图；

图3N是图3G-3I所示的透镜调制传递函数图；

图4A是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜的分辨率靶标0°视场成像图；

图4B是图4B图像中心的放大视图；

图4C是现有技术中的1mm焦距的透镜的分辨率靶标0°视场成像图；

图4D是图4C图像中心的放大视图；

图4E是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜的16°视场成像图；

图4F是现有技术中的1mm焦距的透镜的16°视场成像图；

图4G是本发明实施例一中具有1mm焦距的超透镜作为显微物镜的显微系统示意图；

图4H是图4G所示显微系统的分辨率靶标显微成像图；

图4I是图4G所示显微系统的鸟类羽毛显微成像图；

图5A是本发明实施例二中的超透镜的示意图；

图5B是本发明实施例二中的负纳米柱结构的示意图；

图5C是本发明实施例二中的中空纳米柱结构的示意图；

图5D是本发明实施例二中的正纳米柱结构的示意图；

图5E是本发明实施例二中的工作波长为940nm时光相位与纳米柱半径关系图；

图5F是本发明实施例二中的工作波长为550nm时光相位与纳米柱半径关系图；

图5G是本发明实施例二中的工作波长为940nm的一个口径为100μm，焦距为100μm的超透镜的相位图；

图5H是图5G的超透镜对应的纳米柱结构的加工直径图；

图5I是图5G的超透镜对应的仿真焦斑图；

图6A是本发明实施例二中的工作波长为940nm的两片式超透镜光学系统示意图；

图6B是图6A中的第一超透镜的径向相位图；

图6C是图6A中的第二超透镜的径向相位图；

图6D是图6A所示超透镜光学系统0°、15°和30°入射光汇聚的仿真焦斑图；

图6E是图6A所示超透镜光学系统调制传递仿真图；

图6F是图6A所示超透镜光学系统成像仿真图；

图6G是图6A所示超透镜光学系统的能量包围圆仿真图；

图7A是本发明实施例二中的工作波长为550nm的三片式超透镜光学系统示意图；

图7B是图7A中的第三超透镜的径向相位图；

图7C图7A中的第四超透镜的径向相位图；

图7D是图7A中的第五超透镜的径向相位图；

图7E是图7A所示超透镜光学系统0°、15°和30°入射光汇聚的仿真焦斑图；

图7F是图7A所示超透镜光学系统调制传递仿真图；

图7G是图7A所示超透镜光学系统成像仿真图；

图7H是图7A所示超透镜光学系统的能量包围圆仿真图；

图8A是本发明实施例二中的工作在可见光波段的超透镜折射光学组件混合光学系统示意图；

图8B是图8A中的第六超透镜在三种波长(400nm、550nm和700nm)下径向相位分布图；

图8C是图8A中的第七超透镜在三种波长(400nm、550nm和700nm)下径向相位分布图；

图8D是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统0°、15°和30°在400nm入射光汇聚的仿真焦斑图；

图8E是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统0°、15°和30°在550nm入射光汇聚的仿真焦斑图；

图8F是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统0°、15°和30°在700nm入射光汇聚的仿真焦斑图；

图8G是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统在400nm入射光下的调制传递函数仿真图；

图8H是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统在550nm入射光下的调制传递函数仿真图；

图8I是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统在700nm入射光下的调制传递函数仿真图；

图9A是本发明一实施例中的三维打印加工工艺示意图；

图9B是本发明一实施例中的三维打印工艺流程示意图。

附图标记：

100：超透镜；1：基板；2：纳米环结构；21：纳米环；22：空气环间隔；3：纳米柱结构；31：负纳米柱结构；311：第一柱体；312：第一中空部；32：中空纳米柱结构；321：第一圆柱体；322：第二中空部；33：正纳米柱结构；

210：第一光源；220：可变光衰片；230：滤波系统；231：第一透镜；232：第二透镜；233：针孔；240：位移平台；250：放大系统；251：第一显微物镜；252：第三透镜；253：第一感光相机；

310：第二光源；320：激光散斑去除器；330：第二显微物镜；340：第四透镜；350：第二感光相机。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本发明可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

由多个传统镜头组成的光学系统存在着组装对准要求高、多片透镜校正像差光能利用率下降、体积重量庞大且整个系统复杂等多方面不足。尽管平面衍射透镜一定程度上可以降低体积和重量，但波长尺度的截面结构使得准确的相位分布变得困难，从而不能达到高分辨率的要求。

光学超表面快速兴起并成为一种实现小型化、平面化光学的主流方式。光学超表面已经展示了基于超表面的锥透镜、闪耀光栅、偏振片、全息干板和平面透镜。连续的2π相位变化的超表面使得单层消球差超透镜成为现实。与此同时，双层超表面超透镜校正了所有的单色像差。

本发明实施例提供了一种超透镜，超透镜包括能够透光的基板和设于基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；其中，多个纳米环的直径各不相同，且多个纳米环同轴分布；至少部分空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，不同位置的空气环间隔的光相位不同，以限定超透镜的相位分布。

本发明实施例还提供另外一种超透镜，超透镜包括能够透光基板和设于基板同一表面的多个纳米柱结构；其中，多个纳米柱结构呈阵列状排列，多个纳米柱结构包括负纳米柱结构和中空纳米柱结构中的至少一种，负纳米柱结构包括第一柱体，第一柱体的横截面为正六边形，第一柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部；中空纳米柱结构包括第一圆柱体，第一圆柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部；不同位置的纳米柱结构的光相位不同，以限定超透镜的相位分布，且不同位置的纳米柱的群时延不同，以限定超透镜的色差特性。

本发明通过纳米环结构或纳米柱结构等纳米结构形成超透镜，并且，纳米结构的不同位置具有不同的光相位，形成满足用户需求的相位分布的超透镜，相比现有的光学透镜，本发明的超透镜体积小、重量轻，解决了光学系统小型化、轻量化的问题。

下面，将分别对上述两种类型的超透镜进行详细介绍。

实施例一

参见图1A和图1B，本实施例的超透镜100包括基板1和设于基板表面的纳米环结构2，该纳米环结构2包括多个圆环状的纳米环21和形成于多个纳米环21之间的多个空气环间隔22。其中，基板1能够透光，即基板1为能够透光的材质制作，基板1的材质可以为石英玻璃，也可以是其它能够透光的材质。此外，基板1的厚度可根据需要设计，可选的，基板1的厚度大于等于0.17mm(单位：毫米)并小于等于2mm，例如，基板1的厚度可以为0.17mm、0.18mm、0.19mm、2mm等。

多个纳米环21的直径各不相同，且多个纳米环21同轴分布。需要说明的是，本实施例中，纳米环21的直径可以指纳米环21的内径，也可以指纳米环21的外径，上述多个纳米环21的直径各不相同包括：多个纳米环21的内径各不相同，多个纳米环21的外径也各不相同。相应的，多个空气环间隔22也呈圆环状，且多个空气环间隔22的直径各不相同，本实施例的多个空气环间隔22也是同轴分布的。其中，空气环间隔22的直径可以指空气环间隔22的内径，也可以指空气环间隔22的外径，上述多个空气环间隔22的直径各不相同包括：多个空气环间隔22的内径各不相同，且多个空气环间隔22的外径也各不相同。

在本实施例中，至少部分空气环间隔22的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的空气环间的光相位不同，从而使得纳米环结构2的不同位置具有不同的光相位，以限定超透镜100的相位分布。可选的，在某些实施例中，至少部分空气环间隔22的高度不相等；在某些实施例中，至少部分空气环间隔22的宽度不相等；在某些实施例中，至少部分空气环间隔22的高度不相等，且至少部分空气环间隔22的宽度不相等。需要说明的是，空气环间隔22的高度是指该空气环间隔22的深度，其中空气环间隔22的深度沿着垂直于空气环的径向，空气环间隔22的宽度即空气环间隔22沿径向的宽度，空气环间隔22的宽度大小为该空气环间隔22的外径和内径的差值的绝对值。此外，空气环间隔22的高度和宽度为纳米级别大小。具体可采用不同的策略，使得不同位置的空气环间隔22的光相位不同，例如，可选的，空气环间隔22的光相位与该空气环间隔22的高度和宽度的大小相关；可选的，空气环间隔22的光相位与该空气环间隔22的高度或宽度的大小相关。将不同位置的空气环间隔22的高度和/或宽度大小设计成不相等的，从而使得不同位置的纳米环结构2的光相位不同。

需要说明的是，本发明实施例中，纳米环21的光相位与空气环间隔22的光相位相对应，不同位置的纳米环21的光相位也不同，以限定超透镜100的相位分布。

本实施例中，纳米环结构2为一整体结构，纳米环结构2的厚度为微米级别，因此，基板1上的纳米环结构2近似于一平面结构。可选的，纳米环结构2的厚度小于等于5μm(单位：微米)，如0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm等等。可选的，纳米环结构2的厚度与超透镜100的工作波长大小为同一数量级。另外需要说明的是，本发明实施例中，超透镜100的厚度是指纳米环结构2的厚度，实际上，基板1仅为支撑纳米环结构2的支撑结构，对超透镜100的光学性能不会产生影响。

纳米环结构2的材质可以为以下中的一种：光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、单晶硅；当然，纳米环结构2的材质也可以为其它。

可以理解地，基板1的材质可以与纳米环的材质相同，也可以不相同。

在某些实施例中，如图1C，采用上述纳米环结构2制作的超透镜100具有无穷远校正像差聚焦/成像的功能，即超透镜100具有无穷远轴上与轴外像差矫正透镜的相位分布，该超透镜100轴上成像无球差，轴外成像无彗差等轴外像差，可选的，该超透镜100的厚度为1μm，与该超透镜100的工作波长0.633μm同数量级。如图1D所示，现有的折射透镜(折射透镜的厚度为0.8mm)轴上成像有球差，轴外成像有彗差，且透镜厚度在毫米级别，远大于波长量级。

可选的，空气环间隔22包括多阶高度的空气环间隔，即空气环间隔22具有多个不同的高度，如图1E的③行的空气环间隔22具有两阶高度，当然，空气环间隔22也可具有三阶高度、四阶高度或其他阶高度。其中，n阶高度的空气环间隔22，空气环间隔22的光相位为(n+1)阶光相位，也即，空气环间隔22具有n个不同的高度，则空气环间隔22形成(n+1)个不同大小的光相位。以图1E的③行的空气环间隔22为例，空气环间隔22在区域221的高度>空气环间隔22在区域222的高度，而区域223不存在空气环间隔，故区域221、区域222以及区域223分别具有不同的光相位，即1E的③行的两阶高度的空气环间隔22，形成了三阶光相位。

可选的，纳米环结构2等效于多层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成，即，多层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成超透镜的纳米环结构2。

作为一种可行的实现方式，纳米环结构2等效于两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成，可选的，两层具有单阶高度空气环间隔22的纳米环结构融合得到的纳米环结构可以包括二阶高度的空气环间隔和/或单阶高度是空气环间隔，如图1E、1F以及1G，其中，第一层纳米环结构的切面图为图1E的①行，第二层纳米环结构切面图为图1E的②行，图1E的③行为融合后具有二阶高度的单层纳米环结构的切面图。在叠加时，对于两层纳米环结构高度方向重合的空气环间隔，重合部分的高度大小为两层纳米环结构的空气环间隔的高度大小之和，如图1E中的①行和②行的叠加；对于两层纳米环结构高度方向不重合的空气环间隔，高度大小不变。

为实现如图1C中实例的超透镜100功能，两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构分别为第一层纳米环结构和第二层纳米环结构，将第一层纳米环结构的空气环间隔称为第一层空气环间隔，将第二层纳米环结构的空气环间隔称为第二空气环间隔。融合后的空气环间隔的位置应满足如下最优化约束：

公式(1)中，I_on-axis(z₀)是入射光在0视场下的焦点光强度图；I_off-axis(z₀)是入射光在最大半视场入射下的焦点光强度图；光强I可以基于瑞利-索墨菲衍射原理来确定；z₀为焦点在光轴上的位置；c₁和c₂为权重因子，可选的，c₁＝c₂＝1，当然，c₁和c₂也可设置为其他数值；a_m是第m级第一层空气环间隔的中心位置，其中m＝当前空气环间隔与同心圆(多个空气环间隔的同心圆)圆心之间的空气环间隔的数量+1，可以理解的是，最靠近圆心的空气环间隔为第一级，由圆心向外，空气环间隔所在的级数依次增加；b_m是第m级第二层空气环间隔的中心位置，需要说明的是，本发明中，空气环间隔的中心位置是指空气环间隔的外径边缘与内径边缘的中心环的位置；l是每一层相邻空气环间隔之间的最小间距，可选的，l＝800nm(单位：纳米)，当然l也可以设置为其他数值；d是第一层空气环间隔与第二空气环间隔的中心位置的最小半径，可选的，d＝1.4μm，当然，d也可以设置为其他数值；Ea_m是第m级第一层空气环间隔边缘位置(包括外径边缘和内径边缘)；Eb_n是第n级第二层空气环间隔的边缘位置(包括外径边缘和内径边缘)，n＝当前空气环间隔与同心圆(多个空气环间隔的同心圆)圆心之间的空气环间隔的数量+1；d_F是最小加工精度，即加工本实施例的超透镜100的设备在加工空气环间隔22时可以达到的最小加工精度，可选的，采用电子束刻蚀技术在基板1上形成纳米环结构2，d_F为50nm；可选的，采用三维打印技术在基板1上形成纳米环结构2，d_F为200nm；NA是超透镜的数值孔径；NA_min是最小数值孔径，对于100μm的超透镜100，NA_min为0.75，对于1mm的超透镜100，NA_min为0.45。

可以理解地，上述两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成的纳米环结构2只是示例性的，还可以选择两层以上具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成纳米环结构2，此处不一一举例。

加工时，直接加工形成融合后的纳米环结构2。

可选的，在本发明实施例中，所有纳米环21的宽度均为400nm，当然，纳米环21也可以选择其他宽度。

可选的，在加工超透镜时，首先在基板1上形成纳米结构2，再采用激光或三维打印技术在纳米结构2上加工出空气环间隔22，从而形成纳米环21和空气环间隔22。

在一些实施例中，超透镜100通过三维打印技术加工而成。如图1H所示，整个超透镜100分成多个写场(m行，n列)按“Z”字形顺序从(1,1)向(m,n)打印完成，整个打印加工时间与写场数目成正比，在几分钟至数小时之内。应当理解的是，写场顺序可选取其他形式。

图2是一种用于测量上述超透镜100焦斑尺寸的实验装置图，图2中带箭头的线条表示光线。在本发明的一些实施例中，氦氖激光器被用作测试的第一光源210，可变光衰片220用于调节整个测试系统的入射光强。第一透镜231、第二透镜232及针孔233组成的滤波系统230实现空间滤波，针孔233位于第一透镜231和第二透镜232及的公共焦点出，同时第一透镜231的焦距f1与第二透镜232的焦距f2可相同或不同。此空间滤波系统230的作用是保证入射在被测超透镜100上的光斑均匀。超透镜100位于xy双方向的位移平台240上，其中，y位移用于调整超透镜100位置，保证入射光照射在超透镜100上；x位移用于测量超透镜100在光轴方向上的焦点光强分布。第一显微物镜251与第三透镜252(管透镜)以及第一感光相机253组成的放大系统250能够捕捉被测试超透镜100在不同入射角度θ下的光斑强度图案，上述第一感光相机253可以为CCD相机，也可以为其他类型的第一感光相机253。应当理解的是，在一些实例中，第一光源210可选用其他激光器，如可见光波段的超连续激光或者红外波段的激光器。还应该理解的是，由于很好的光源特性，空间滤波系统230在某些实施例中不存在。此外，位移平台240也可以替换为更多方向的移动平台。第一透镜231、第二透镜232以及第三透镜252为普通透镜。

图3A至图3C是具有工作波长在633nm、数值孔径为0.75、透镜厚度为240nm、焦距100μm、全视场为20°的超透镜100分别在入射角θ为0°、5°和10°下的焦斑测试结果图。0°入射时，焦斑的半高宽度为410nm，略小于其衍射受限的半高宽

其中λ为波长，NA为超透镜100的数值孔径。图3D至图3E是具有工作波长在633nm、数值孔径为0.75的球差校正透镜分别在入射角θ为0°、5°和10°下的焦斑仿真结果图。分别对比图3B与图3E，图3C与图3F，可知5°与10°入射时，相比于球差校正透镜，本实施例的超透镜100的轴外像差得到很好的补偿和校正。

图3G至图3I是具有工作波长在633nm、数值孔径为0.45、透镜厚度为1000nm、焦距为1mm、全视场为32°的超透镜100分别在入射角为0°、8°和16°下的焦斑测试结果图。0°入射时，焦斑的半高宽为720nm，大致与其衍射受限的半高宽

相当。8°入射时，轴外像差得到较好的补偿和校正，焦斑的半高宽度为900nm；16°入射时，轴外像差得到一定的补偿和校正，焦斑的半高宽度为1300nm。

为了比较超透镜100与现有折射透镜的性能，也记录了相同数值孔径与焦距的折射透镜在相同入射角下的焦斑强度。图3J至图3L是现有的折射透镜分别在入射角为0°、8°和16°下的焦斑测试结果图。对比超透镜100与现有的折射透镜，现有的折射透镜比超透镜100更厚且价格更昂贵；对比焦斑图，超透镜100可把入射光汇聚得更小，从而得到更高的分辨率。

图3M与图3N分别是本发明实施例的超透镜100与现有的折射透镜的调制传递函数(Modulation Transfer Function，简称MTF)图；其中实线加星标曲线为子午方向调制传递函数，仅星标曲线为弧矢方向调制传递函数。对比超透镜100与现有折射透镜的调制传递函数图，超透镜100相同频率相同入射角较现有折射透镜有更好的对比度，从而证实了超透镜100比现有折射透镜有更好的分辨率。

图4A和图4B分别展示了具有工作波长在633nm、数值孔径为0.45、透镜厚度为1000nm、焦距为1mm、全视场为32°的超透镜100的分辨率靶标0°视场成像图及其中心放大图。为了对比现有折射透镜与超透镜100的实际成像性能差异，图4C和图4D分别展示了相同数值孔径、焦距的现有折射透镜的分辨率靶标0°视场成像图及其中心放大图。对比成像图可知，0°视场成像的情况下，超透镜100的成像质量优于现有折射透镜成像质量。图4E和图4F分别是超透镜100与现有折射透镜16°视场成像图，对比成像图可知，16°视场成像的情况下，超透镜100的成像质量也要优于现有折射透镜成像质量。

值得一提的是，上述超透镜100可以应用在光学系统中。本发明实施例还提供一种光学系统，光学系统包括：安装架和上述超透镜100，超透镜100安装在安装架上。

图4G展示了一种使用上述超透镜100的光学系统。

具体而言，图4G展示了工作波长在633nm、数值孔径为0.45、透镜厚度为1000nm、焦距为1mm、全视场为32°的超透镜100的显微成像系统示意图，图4G中带箭头的线条表示关系，其中，第二光源310如氦氖激光器后加激光散斑去除器320用于去除激光散斑。高倍率第二显微物镜330用于高强度照明成像样品，超透镜100与具有焦距f＝25.4mm的第四透镜340(可为管透镜或其他普通透镜)组成超透镜100显微镜，第二感光相机350位于管透镜焦面上用于记录样品的放大像。应当理解的是，在一些实例中，第二光源310可选用其他激光器，如可见光波段的超连续激光或者红外波段的激光器。

图4H是目标靶标的由图4G所示的显微成像系统成的放大像，图中最小线对(单线宽2.2μm)很好分辨，从而展示了此超透镜100至少优于2.2μm的分辨率；图像长宽为275μm x206μm，从而对应了显微成像系统视场至少为275μm x 206μm。图4I为鸟类羽毛样品，可见羽毛中的羽枝与羽小枝均清晰可见，从而展示了上述显微成像系统可用于实用化显微成像。

实施例二

参见图5A，本发明实施例二提供一种超透镜，该超透镜包括基板1和纳米柱结构3。其中，基板1能够透光，即基板1为能够透光的材质制作，基板1的材质可以为石英玻璃，也可以是其它能够透光的材质。此外，基板1的厚度可根据需要设计，可选的，基板1的厚度大于等于0.17mm(单位：毫米)并小于等于2mm，例如，基板1的厚度可以为0.17mm、0.18mm、0.19mm、2mm等。

纳米柱结构3包括多个，且多个纳米柱结构3设于基板1同一表面。本实施例中，多个纳米柱结构3呈阵列状排列。进一步的，多个纳米柱结构3包括负纳米柱结构31和中空纳米柱结构32中的至少一种。如图5B所示，负纳米柱结构31包括第一柱体311，第一柱体311的横截面为正六边形，第一柱体311具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部312。负纳米柱结构31在z方向上有高度H，其范围在300nm至1500nm之间，如H可以设置为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm等等；同时，负纳米柱结构31在x-y平面中有截面直径d其范围在40nm至400nm之间，如d可以设置为40nm、50nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等等。如图5C所示，中空纳米柱结构32包括第一圆柱体321，第一圆柱体321具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部322。中空纳米柱结构32在z方向上有高度H，其范围在300nm至1500nm之间，如H可以设置为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm等等；同时，中空纳米柱结构32在x-y平面中有截面外直径d₁和内直径d₂，d₁-d₂的范围在40nm至400nm之间，如d₁-d₂可以设置为40nm、50nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等等。

在某些实施例中，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个负纳米柱结构31组成；在某些实施例中，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个中空纳米柱结构32组成；在某些实施例中，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个负纳米柱和多个中空纳米柱结构32组成，本实施例中，基板1的表面分为多个区域，同一区域设置同一类型的纳米柱结构3。

本实施例的负纳米柱结构31和中空纳米柱结构32均为轴对称结构，由于纳米柱结构3的圆对称性，此纳米柱结构3对入射光的偏振性不敏感。

在某些实施例中，纳米柱结构3还包括正纳米柱结构33，参见图5D，正纳米柱结构33包括第二圆柱体，该第二圆柱体为实心结构，本实施例的正纳米柱结构33也为轴对称结构。正纳米柱结构33在z方向上有高度H，其范围在300nm至1500nm之间，如H可以设置为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm、1500nm等等；同时，正纳米柱结构33在x-y平面中有截面直径d，其范围在40nm至400nm之间，如d可以设置为40nm、50nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm等等。

可选的，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个负纳米柱和多个正纳米柱结构33组成；可选的，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个正纳米柱和多个中空纳米柱结构32组成；可选的，超透镜由设于基板1同一表面的呈阵列状排列的多个负纳米柱、多个正纳米柱结构33和多个中空纳米柱结构32组成。需要说明的是，当超透镜包括不同类型的纳米柱结构3时，基板1的表面分为多个区域，同一区域设置同一类型的纳米柱结构3。

此外，在本实施例中，不同位置的纳米柱结构3的光相位不同，以限定超透镜的相位分布，且不同位置的纳米柱的群时延不同，以限定超透镜的色差特性。具体可采用不同的策略，使得不同位置的纳米柱结构3的光相位不同，以限定超透镜的相位分布，且不同位置的纳米柱的群时延不同，例如，在其中一个实施例中，正纳米柱结构33以及负纳米柱结构31的光相位与对应的纳米柱结构3的高度和直径的大小相关，也即，正纳米柱结构33的光相位与该正纳米柱结构33的高度和直径的大小相关，负纳米柱结构31的光相位与该负纳米柱结构31的高度和直径的大小相关。其中，正纳米柱结构33的高度即为第二圆柱体的高度(即图5C中的H)，正纳米柱结构33的直径即为第二圆柱体的直径(即图5C中的d)；负纳米柱结构31的高度即为第一柱体311的高度(图5A中的H)，负纳米柱结构31的宽度即为第一柱体311上的第一中空部312的直径(图5A中的d)。中空纳米柱结构32的光相位与该中空纳米柱结构32的内外直径大小相关，其中，中空纳米柱结构32的高度即为第一圆柱体321的高度(即图5B中的H)，中空纳米柱结构32的直径包括第一圆柱体321的直径(即图5B中的d₁)和第一圆柱体321上的第二中空部322的直径(图5B中的d₂)。在其他实施例中，不同位置的纳米柱结构3为不同材质，使得不同位置的纳米柱结构3的光相位不同。

请再次参见图5A，对于每一纳米柱结构3，包围该纳米柱结构3的其他纳米柱结构3位于同一正六边形的不同顶点上，该纳米柱结构3设于对应的正六边形的中心位置，这样的阵列排布，形成的超透镜的纳米柱结构3的数量最少，同时形成的超透镜的性能也符合需求；当然，在其他实施例中，多个纳米柱也可以呈其他阵列形状排布。

本实施例中，多个纳米柱结构3形成的整体结构的厚度为微米级别，因此，基板1上的纳米柱结构3近似于一平面结构。可选的，多个纳米柱结构3形成的整体结构的厚度小于等于5μm(单位：微米)，如0.15μm、0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm等等。可选的，多个纳米柱结构3形成的整体结构的厚度与超透镜的工作波长大小为同一数量级。另外需要说明的是，本发明实施例中，超透镜的厚度是指多个纳米柱结构3形成的整体结构的厚度，实际上，基板1仅为支撑多个纳米柱结构3的支撑结构，对超透镜的光学性能不会产生影响。

纳米柱结构3的材质可以为以下中的一种：光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、单晶硅；当然，纳米柱结构3的材质也可以为其它。

在某些实施例中，超透镜具有无球差正负透镜或轴棱镜透镜的相位分布。

对于设计工作波长在940nm的超透镜，纳米柱结构3选择单晶硅材质，且设计高度为500nm，对应的正六边形基本单元的边为404.15nm，图5E给出了此940nm下光相位与纳米柱结构3的半径的关系。对于设计工作波长在550nm的超透镜，纳米柱结构3选用单晶硅材质，且设计高度为750nm，对应的正六边形基本单元的边为381.05nm，图5F给出了此550nm下光相位与纳米柱结构3的半径的关系。

图5G是工作波长为940nm、焦距100μm、口径100μm的球差校正纳米柱超透镜的透镜表面光相位分布图，其光相位

满足：

公式(2中)，k为波数；r为超透镜表面(即基板1表面)半径，即各纳米柱结构3至基板1中心的距离；f为超透镜设计焦距。

由于k和f已知，故根据公式(2)可以确定各纳米柱结构3的光相位大小，根据各纳米柱结构3的光相位后，再根据图5E所示的940nm下光相位与纳米柱结构3的半径的关系，确定对应位置的纳米柱结构3的半径。

图5H是图5G所代表的超透镜的纳米柱结构3直径加工图；图5I为图5G所代表的超透镜的0°入射光的汇聚焦斑的仿真图，此图可通过计算瑞利—索墨菲衍射积分或其远场简化形式夫琅禾费衍射公式得到。

值得一提的是，本发明实施例二的超透镜可应用在光学系统中，相比于传统的光学透镜，本发明实施例二的超透镜允许光学系统小型化，且超透镜光学系统均对光的偏振不敏感。

本发明实施例还提供一种光学系统，该光学系统可以包括至少两个本发明实施例二所述的超透镜，其中，至少两个超透镜间隔设置。

在某些实施例中，所有超透镜的相位分布与群时延均不相同，其中一个超透镜被配置成校正其他超透镜的像差。该像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个，当然，该像差也可以为其他。

图6A为一个工作波长在940nm两片超透镜组成的超透镜光学系统示意图。此系统由第一超透镜、第二超透镜和像面构成。第一超透镜与第二超透镜的基板1材料均为石英玻璃，厚度均为775μm。第一超透镜的超表面口径为0.9mm，基板1后表面通光口径为1.85mm；第一超透镜与第二超透镜之间为2.4mm的空气间隔；第二超透镜的超表面口径为7.6mm，基板1后表面通光口径为6.8mm；像面与第二超透镜之间的空气间隔为3mm，像面高0.9mm。

图6B与图6C分别是第一超透镜与第二超透镜的光相位分布图，纵坐标为光相位Rad，横坐标为半径(单位：mm)。整个光学系统通过光学设计软件CODE V 10.2与Matlab2016a共同设计而成，但不限于此。其中，CODE V 10.2提供光线追迹、焦斑仿真、调制传递函数、能量包围圆和成像仿真；Matlab 2016a实现内点法最优化算法，从而获得第一超透镜与第二超透镜上的光相位分布。应当理解的是，基板1材料和厚度根据实际设计而定，可取其他材料和厚度。

图6A所示超透镜光学系统可实现超透镜组像方F数为1.5，后焦距为3mm，视场为60°，厚度大约为3mm，工作波段为940nm的光学特性，并且可以将入射光在所有视场聚焦到衍射受限大小的焦斑，提供高分辨率广角成像。

图6D是图6A所示超透镜光学系统在0°、15°和30°入射光汇聚的仿真焦斑图，此三个视场均达到或大概达到衍射极限。图6E是图6A所示超透镜光学系统的调制传递函数仿真图(R代表子午方向，T代表弧矢方向)，此三个视场均达到或接近于衍射极限所对应的调制传递函数。

为了更加清晰展示图6A所示超透镜光学系统的成像性能，图6F给出了此超透镜光学系统的仿真成像图。由图6F可知，所有视场的图像成像清晰，但大角度成像下的畸变仍然存在。

图6G展示了图6A所示系统在0°、15°和30°视场下的能量包围圆。由图6E可知，0°、15°视场下，90％的能量在1.5μm直径的圆内；30°视场下，90％的能量在5μm直径的圆内。此能量包围圆图说明了此超透镜系统的能量利用率高。

图7A为一个工作波长在550nm三片超透镜组成的超透镜光学系统示意图。此系统由第三超透镜、第四超透镜、第五超透镜和像面构成。第三超透镜、第四超透镜与第五超透镜的基板1材料均为石英玻璃，厚度均为170μm。第三超透镜的超表面口径为0.54mm,基板1后表面通光口径为0.76mm；第三超透镜与第四超透镜之间为3.083mm的空气间隔；第四超透镜的超表面口径为8.6mm，基板1后表面通光口径为8.5mm；第四超透镜与第五超透镜之间为0.1mm的空气间隔；第五超透镜的超表面口径为8.4mm，基板1后表面通光口径为8.2mm像面与超第五透镜之间的空气间隔为3mm，像面高0.8mm。

图7B与图7D分别是第三超透镜、第四超透镜与第五超透镜的光相位分布图，纵坐标为光相位Rad，横坐标为半径(单位：mm)。整个光学系统可以通过光学设计软件CODE V10.2与科学计算软件Matlab 2016a共同设计而成，但不限于此。其中CODE V 10.2提供光线追迹、焦斑仿真、调制传递函数、能量包围圆和成像仿真；Matlab 2016a实现内点法最优化算法，从而获得第三超透镜、第四超透镜与第五超透镜上的光相位分布。应当理解的是，超透镜的基板1材料和厚度根据实际设计而定，可取其他材料和厚度。

图7A所示超透镜光学系统可实现像方F数为1.5，后焦距为3mm，视场为60°，厚度大约为4mm，工作波段在550nm的光学特征，并且可以将入射光在所有视场聚焦到衍射受限大小的焦斑，提供高分辨率广角成像。

图7E是图7A所示超透镜系统0°、15°和30°入射光汇聚的仿真焦斑图，此三个视场均达到或大概达到衍射极限。图7F是图7A所示超透镜光学系统的调制传递函数仿真图，(R代表子午方向，T代表弧矢方向)，此三个视场均达到或大概达到衍射极限所对应的调制传递函数。

为了更加清晰展示图7A所示超透镜光学系统的成像性能，图7G给出了此超透镜光学系统的仿真成像图。由图7G可知，所有视场的图像成像清晰，但大角度成像下的畸变仍然存在。

图7H展示了图7A所示系统在0°、15°和30°视场下的能量包围圆。由图7E可知，0°、15°视场下，90％的能量在3.0μm直径的圆内；30°视场下，90％的能量在6μm直径的圆内。此能量包围圆图说明了此超透镜系统的能量利用率高。

在某些实施例中，光学系统还包括光学组件，该光学组件与超透镜间隔设置，本实施例的光学组件包括透镜，该透镜区别于超透镜。该透镜可以包括折射透镜和反射透镜中的一个，也可以包括折射透镜和反射透镜。

作为一种可行的实现方式，透镜包括折射透镜，可实现超透镜折射光学组件混合光学系统，可以将所有波段入射光在所有视场聚焦到大约衍射受限大小的焦斑，提供高分辨率广角成像。可选的，该折射透镜具有球面正负透镜、无穷远校正透镜、施密特校正板或非球面透镜的相位分布与群时延分布。

图8A是一种超透镜折射光学组件混合光学系统，其像方F数为1.5，后焦距为3mm，视场为60°，工作波段覆盖整个可见光谱(400nm到700nm之间的波长)。此系统由第六超透镜、第七超透镜、折射透镜、像面及依次间的空气间隔组成。第六超透镜与第七超透镜的基板1材料选择为石英玻璃，折射透镜的材料为BK7玻璃。第六超透镜、第七超透镜厚度均为170μm，折射透镜的中心厚度为0.16mm，边缘厚度为0.517mm。第六超透镜的超表面口径为1.04mm，基板1后表面通光口径为1.26mm；第六超透镜与第七超透镜之间为3.187mm的空气间隔；第七超透镜的超表面口径为8.6mm，基板1后表面通光口径为8.4mm；第七超透镜与折射透镜之间为0.1mm的空气间隔；其中折射透镜前表面为平面，后表面为半径为12.185mm的球面，通光口径为7.0mm。像面与折射透镜之间的空气间隔为3mm，像面高0.9mm。

图8B与图8C分别是第六超透镜与第七超透镜径向光相位与波长(选取400nm、550nm与700nm三个独立波长)的关系图，纵坐标为光相位(单位：弧度Rad)，横坐标为半径(单位：mm)。根据不同波长下的光相位图可对应选择正纳米柱结构33、负纳米柱结构31、中空式纳米柱结构3。整个光学系统通过光学设计软件CODE V 10.2与科学计算软件Matlab2016a共同设计而成。其中CODE V 10.2提供折射透镜曲率计算、光线追迹、焦斑仿真、调制传递函数、能量包围圆和成像仿真；Matlab 2016a实现内点法最优化算法，从而获得超表面1、超表面2上的相位分布。应当理解的是，基板1材料和厚度根据实际设计而定，可取其他材料和厚度。

图8D至图8F是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统0°、15°和30°入射光波长分别在400nm、550nm与700nm下的汇聚仿真焦斑图，此三个视场均达到或大概达到衍射极限。图8G至图8I是图8A所示超透镜折射光学组件混合光学系统在入射光波长分别在400nm、550nm与700nm下的调制传递函数仿真图，三个波长下每个视场均达到或大概达到衍射极限所对应的调制传递函数。

进一步可选的，多个超透镜被设置为校正折射光学组件的像差。该像差可以包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个，也可以包括其他。

上述实施例一和实施例二的超透镜解决了光学系统小型化轻量化的问题，并提供了适合于商业、工业和科研应用的图像质量。因而，上述超透镜及光学系统可以在显微光学、成像和光谱学以及其他用途中具有广泛的应用，例如，手机摄像头、安防监控探头、显微镜、虚拟现实投影透镜和增强现实投影透镜等。除此之外，这类超透镜可以通过光刻技术或者三维打印技术加工，且此加工工艺与大规模集成制造工艺兼容。

图9A是三维打印激光直写入示意图。一个波长为780nm的脉冲红外激光汇聚到一个负性光刻胶膜内部，在激光焦点位置，紫外敏感的光刻胶被双光子聚合反应连接在一起并变为固态。未曝光的部分仍然保持液态后被清洗掉，激光焦点在xyz三个方向移动来打印出复杂的结构。

图9B是加工微纳柱结构的流程图，包括如下步骤：

(1)、通过连续在x-y平面曝光扫描来填充一个正方形从而产生一个区域块，写场顺序以是图示的“S”形，也可以是如图1G所示的“Z”形。

(2)、在高一点的Z位置重复步骤1从而得到较厚的块(可选)。

(3)、通过点曝光来打印纳米柱结构3，纳米柱结构3的直径通过曝光量来控制。

(4)、在高一点的Z位置重复步骤3来得到z方向更高的纳米柱结构3(可选)。基板1厚度和纳米柱结构3高度可通过步骤2与步骤4多次激光曝光来控制。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (18)

1.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜包括：

基板，能够透光；和

设于所述基板同一表面的多个纳米柱结构；

其中，多个所述纳米柱结构呈阵列状排列，多个所述纳米柱结构包括负纳米柱结构和中空纳米柱结构中的至少一种，所述负纳米柱结构和所述中空纳米柱结构均为轴对称结构，所述负纳米柱结构包括第一柱体，所述第一柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部；所述中空纳米柱结构包括第一圆柱体，所述第一圆柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部；

不同位置的所述纳米柱结构的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布，且不同位置的所述纳米柱的群时延不同，以限定所述超透镜的色差特性。

2.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述第一柱体的横截面为正六边形。

3.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述纳米柱结构还包括正纳米柱结构，所述正纳米柱结构包括第二圆柱体。

4.根据权利要求2所述的超透镜，其特征在于，所述纳米柱结构还包括正纳米柱结构，所述正纳米柱结构包括第二圆柱体。

5.根据权利要求3所述的超透镜，其特征在于，所述正纳米柱结构以及所述负纳米柱结构的光相位与对应的纳米柱结构的高度和直径的大小相关；

所述中空纳米柱结构的光相位与该中空纳米柱结构的内外直径大小相关。

6.根据权利要求4所述的超透镜，其特征在于，所述正纳米柱结构以及所述负纳米柱结构的光相位与对应的纳米柱结构的高度和直径的大小相关；

所述中空纳米柱结构的光相位与该中空纳米柱结构的内外直径大小相关。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的超透镜，其特征在于，对于每一纳米柱结构，包围该纳米柱结构的其他纳米柱结构位于同一正六边形的不同顶点上，且该纳米柱结构设于对应的正六边形的中心位置。

8.根据权利要求1或2所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜具有无球差正负透镜或轴棱镜透镜的相位分布。

9.根据权利要求8所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜的透镜表面光相位

满足：

k为波数，r为各纳米柱结构至基板中心的距离，f为超透镜的焦距。

10.根据权利要求1或2所述的超透镜，其特征在于，所述纳米柱结构的材质为以下中的一种：

光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、单晶硅。

11.根据权利要求1至6中任一项所述的超透镜，其特征在于，当所述超透镜包括不同类型的纳米柱结构时，基板的表面分为多个区域，同一区域设置同一类型的纳米柱结构。

12.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

至少两个权利要求1至11任一项所述的超透镜；

其中，至少两个所述超透镜间隔设置。

13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所有超透镜的相位分布与群时延均不相同，其中一个所述超透镜被配置成校正其他超透镜的像差，所述像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括：

至少一个光学组件，所述光学组件与所述超透镜间隔设置，所述光学组件包括透镜，所述透镜区别于所述超透镜。

15.根据权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述透镜是折射透镜。

16.根据权利要求15所述的光学系统，其特征在于，所述折射透镜具有球面正负透镜、无穷远校正透镜、施密特校正板或非球面透镜的相位分布与群时延分布。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其特征在于，多个所述超透镜被设置为校正所述折射透镜的像差，所述像差包括球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差和倍率色差中的至少一个。

18.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜包括：

基板，能够透光；

设于所述基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；

其中，多个所述纳米环的直径各不相同，且多个所述纳米环同轴分布；

至少部分所述空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的所述空气环间隔的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布。

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