CN113703080B - 一种超透镜和具有其的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超透镜和具有其的光学系统，所述超透镜包括：基板，能够透过不同波段的光；和设于基板同一表面的多个超表面结构单元，多个超表面结构单元呈阵列状排列，超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构；纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将纳米结构沿着第一轴和第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别垂直于纳米结构的高度方向；不同位置的纳米结构在不同波长下的光相位不同，以限定超透镜在不同波长下的光相位分布。本发明的超透镜对入射光的偏振不敏感、厚度小、重量轻。

Description

一种超透镜和具有其的光学系统
技术领域
本发明涉及透镜领域，尤其涉及一种超透镜和具有其的光学系统。
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，传统折射反射式镜片组成的镜头组有着体积大和重量大等不足。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种超透镜和具有其的光学系统。
本发明实施例的第一方面提供一种超透镜，所述超透镜包括：
基板，能够透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；和
设于所述基板同一表面的多个超表面结构单元，其中，多个所述超表面结构单元呈阵列状排列，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构；
所述纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将所述纳米结构沿着所述第一轴和所述第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，其中所述第一轴和所述第二轴垂直，且所述第一轴和所述第二轴分别垂直于所述纳米结构的高度方向；
不同位置的所述纳米结构在不同波长下的光相位不同，以限定所述超透镜在不同波长下的光相位分布。
可选地，所述纳米结构为纳米柱结构，所述纳米柱结构包括负中空纳米柱结构、方纳米柱结构、负方纳米柱结构、中空方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种。
可选地，所述纳米柱结构的光相位与所述纳米柱结构的高度、横截面的形状以及所述纳米柱结构的材质相关；
其中，所述横截面平行于所述基板。
可选地，所述纳米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、晶态与非晶态硅、氮化镓。
本发明实施例的第二方面提供一种光学系统，所述光学系统包括：
镜筒；
透镜；以及
至少一个本发明第一方面任一项所述的超透镜；
其中，所述透镜与所述超透镜同轴安装在所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，以对所述透镜在对应波长下的像差进行矫正。
可选地，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，所述透镜包括折射透镜和反射透镜中的至少一种。
可选地，所述透镜包括一片折射透镜，所述超透镜的数量为两片，所述折射透镜和两片所述超透镜之间间隔设置。
可选地，所述超透镜包括第一超透镜和第二超透镜，所述第二超透镜排布在所述第一超透镜和所述折射透镜之间；
入射光依次经所述第一超透镜和所述第二超透镜后进入所述折射透镜。
可选地，所述折射透镜为镀第一可见光波段增透膜的凸透镜，所述超透镜的基板的第一表面未设置纳米结构的区域镀第二可见光波段增透膜，所述超透镜的纳米结构的外表面镀第三可见光波段增透膜，所述第一表面为所述基板上用于设置所述纳米结构的表面。
可选地，所述折射透镜的材质为光学玻璃；和/或，
所述超透镜的基板的材质为石英玻璃；和/或
所述超透镜的纳米结构的材质为氮化硅、氧化钛、氮化镓和二氧化硅中的一种。
可选地，所述第二可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配；和/或，
所述第三可见光波段增透膜与所述纳米结构折射率匹配。
可选地，所述折射透镜为镀第一远红外波段增透膜的凸透镜，所述超透镜的基板的第一表面未设置纳米结构的区域镀第二远红外波段增透膜，所述超透镜的超表面镀第三远红外波段增透膜，所述第一表面为所述基板上用于设置所述纳米结构的表面。
可选地，所述折射透镜的材质为锗单晶、硫化锌、硒化锌和硫系玻璃中的一种；和/或，
所述超透镜的基板与纳米结构的材质均为晶体硅。
可选地，所述第二远红外波段增透膜和所述第三远红外波段增透膜均与晶体硅匹配。
可选地，所述透镜包括两片反射透镜，所述超透镜的数量为两片，两片所述反射透镜和两片所述超透镜之间间隔设置。
可选地，所述反射透镜包括主反射透镜和次反射透镜，所述超透镜包括第三超透镜和第四超透镜；
其中，所述主反射透镜间隔设于所述次反射透镜和所述第三超透镜之间，所述第四超透镜间隔设于所述第三超透镜远离所述主反射透镜的一侧；
所述主反射透镜包括两片沿垂直于第三轴的方向间隔设置的子反射透镜，所述子反射透镜为凹面镜，两片所述子反射透镜关于所述第三轴对称设置，所述主反射透镜、所述次反射透镜、所述第三超透镜和所述第四超透镜沿着所述第三轴共轴；
所述次反射透镜为凸面镜，所述次反射透镜的凸面朝向所述第三超透镜的超表面，所述第四超透镜的超表面朝向所述第三超透镜的基板；
入射光经所述子反射透镜的凹面进行反射后，进入所述次反射透镜的凸面，并由所述反射透镜反射后依次进入所述第三超透镜和第四超透镜后输出。
由以上本发明实施例提供的技术方案可见，本发明的超透镜的纳米结构沿着第一轴和第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，因此，超透镜对入射光的偏振不敏感，相比现有普通透镜，超透镜厚度小、重量轻；并且，本发明的超透镜在不同波长下的光相位不同，可以对普通透镜的像差进行矫正。
另外，本发明的具有普通透镜和超透镜的光学系统具有宽谱段广角成像的能力，相比现有的光学系统，本发明的光学系统体积小、重量轻。
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
图1A是本发明一实施例中的超透镜的结构示意图；
图1B是本发明一实施例中的超透镜的超表面的正六边形排列图；
图1C是本发明一实施例中的超透镜的超表面的正方形排列图。
图2A是本发明一实施例中的正纳米柱结构的示意图；
图2B是本发明一实施例中的负纳米柱结构的示意图；
图2C是本发明一实施例中的中空纳米柱结构的示意图；
图2D是本发明一实施例中的负中空纳米柱结构的示意图；
图2E是本发明一实施例中的方纳米柱结构的示意图；
图2F是本发明一实施例中的负方纳米柱结构的示意图；
图2G是本发明一实施例中的中空方纳米柱结构的示意图；
图2H是本发明一实施例中的负中空方纳米柱结构的示意图；
图2I是本发明一实施例中的拓扑纳米柱结构的示意图；
图3A是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的纳米柱结构直径关系图；
图3B是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的负纳米柱结构直径关系图；
图3C是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的中空纳米柱结构编号关系图；
图3D是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的负中空纳米柱结构编号关系图；
图3E是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的方纳米柱结构边长关系图；
图3F是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的负方纳米柱结构边长关系图；
图3G是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的中空方纳米柱结构编号关系图；
图3H是本发明一实施例中的工作波长8～12μm光相位与晶体硅材质的负中空方纳米柱结构编号关系图。
图4A是本发明一实施例中的一种光学系统结构示意图；
图4B是本发明另一实施例中的一种光学系统结构示意图。
图5A是图4A所示的光学系统的第一超透镜的分别在8μm、10μm和12μm的光相位与超透镜半径的曲线关系图；
图5B是图4A所示的光学系统的第二超透镜的分别在8μm、10μm和12μm的光相位与超透镜半径的曲线关系图；
图5C是图4A所示的光学系统的第一超透镜的等效折射率与超透镜半径的关系曲线图；
图5D是图4A所示的光学系统的第二超透镜的等效折射率与超透镜半径的关系曲线图；
图5E是图4A所示的光学系统的在8～12μm波段的平均调制传递曲线图。
图6A是工作波长为8～12μm的超透镜的镀膜膜系及厚度示意图；
图6B是未镀膜的纳米柱结构在8μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图；
图6C是未镀膜的纳米柱结构在10μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图；
图6D是未镀膜的纳米柱结构在12μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图；
图6E是图6A所示的镀增透膜的纳米柱结构在8μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图；
图6F是图6A所示的镀增透膜的纳米柱结构在10μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图；
图6G是图6A所示的镀增透膜的纳米柱结构在12μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径关系曲线图。
图7是本发明一实施例中的光刻工艺流程示意图；
图8是本发明一实施例中的纳米压印工艺流程示意图。
附图标记：
100：透镜；110：折射透镜；120：主反射透镜；130：次反射透镜；
200：超透镜；210：第一超透镜；220：第二超透镜；230：第三超透镜；240：第四超透镜；1：基板；2：超表面结构单元；21：纳米结构；211：正纳米柱结构；212：负纳米柱结构；2121：第一柱体；2122：第一中空部；213：中空纳米柱结构；2131：第二圆柱体；2132：第二中空部；214：负中空纳米柱结构；2141：第二柱体；2412：第三中空部；2143：第三圆柱体；215：方纳米柱结构；216：负方纳米柱结构；2161：第四柱体；2162：第四中空部；217：中空方纳米柱结构；2171：第五柱体；2172：第五中空部；218：负中空方纳米柱结构；2181：第六柱体；2182：第六中空部；2183：第七柱体；219：拓扑纳米柱结构。
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，该超透镜包括：基板，能够透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；和设于所述基板同一表面的多个超表面结构单元，其中，多个所述超表面结构单元呈阵列状排列，所述超表面结构单元为正六边形和/或正方形，每个超表面结构单元的中心位置，或者每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构；所述纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将所述纳米结构沿着所述第一轴和所述第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，其中所述第一轴和所述第二轴垂直，且所述第一轴和所述第二轴分别垂直于所述纳米结构的高度方向；不同位置的所述纳米结构在不同波长下的光相位不同，以限定所述超透镜在不同波长下的光相位分布。本发明的超透镜的纳米结构沿着第一轴和第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，因此，超透镜对入射光的偏振不敏感，相比现有普通透镜，超透镜厚度小、重量轻；并且，本发明的超透镜在不同波长下的光相位不同，可以对普通透镜的像差进行矫正。
本发明实施例还提供一种光学系统，所述光学系统包括：镜筒；透镜；以及至少一个本发明第一方面任一项所述的超透镜；其中，所述透镜与所述超透镜同轴安装在所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，以对所述透镜在对应波长下的像差进行矫正。本发明的具有普通透镜和超透镜的光学系统具有宽谱段广角成像的能力，相比现有的光学系统，本发明的光学系统体积小、重量轻。
下面，将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。
实施例一
本发明实施例提供一种超透镜，请参见图1A、图1B和图1C，该超透镜200可以包括基板1和设于基板1同一表面的多个超表面结构单元2。其中，基板1能够透过不同波段的光，本发明实施例中，不同波段的光可以包括可见光和红外光，也可以包括其他。示例性的，基板1透过可见光的波长可以大于或等于40nm(单位：纳米)，并小于或等于700nm。示例性的，基板1头透过红外光的波长可以大于或等于8μm(单位微米)，并小于或等于12μm。
多个超表面结构单元2呈阵列状排列，超表面结构单元2为正六边形和/或正方形，示例性的，请参见图1C，每个超表面结构单元2的中心位置分别设有一个纳米结构21，这样的阵列排布，形成的超透镜200的纳米结构21的数量最少，同时形成的超透镜200的性能也符合需求；示例性的，请参见图1B，每个超表面结构单元2的顶点位置和每个超表面结构单元2的中心位置分别设有一个纳米结构21。
示例性的，在一些实施例中，请参见图1B，所有超表面结构单元2均为正六边形；在另外一些实施例中，请参见图1C，所有超表面结构单元2均为正方形；在另外一些实施例中，多个超表面结构单元2包括正六边形的阵列单元和正方形超表面结构单元2。应当理解地是，在其他实施例中，超表面结构单元2也可以设计为其他正多边形。
本实施例中，纳米结构21沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将纳米结构21沿着第一轴和第二轴进行切分获得的多个纳米结构21单元相同，这种结构对入射光的偏振性不敏感。其中，第一轴和第二轴垂直，且第一轴和第二轴分别垂直于纳米结构21的高度方向。需要说明的是，第一轴、第二轴穿过纳米结构21的中心且平行于水平面。
本实施例中，不同位置的纳米结构21在不同波长下的光相位不同，以限定超透镜200在不同波长下的光相位分布，从而形成宽谱段超透镜200。需要说明的是，本申请实施例的多个纳米结构21形成的整体结构可同时透过可见光或红外光，也可同时透过不同波段的光。
示例性的，基板1的厚度大于等于0.1mm(单位：毫米)并小于2mm，例如，基板1的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm等等。
本实施例的多个纳米结构21形成的整体结构的厚度为微米级别，因此，基板1上的纳米结构21近似于一平面结构。可选的，多个纳米结构21形成的整体结构的厚度小于等于50μm(单位：微米)，如1.5μm、5μm、10μm、1.5μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm、50μm等等。可选的，多个纳米结构21形成的整体结构的厚度与混合系统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200的厚度为多个纳米结构21形成的整体结构的厚度与基板1厚度之和。需要说明的是，基板1仅为支撑多个纳米结构21的支撑结构，基板1的材质与纳米结构21的材质可以相同，也可以不相同。
示例性的，基板1的材质可以为石英玻璃或晶体硅；应当理解的，基板1的材质也可以为其他。
示例性的，纳米结构21的材质为以下中的一种：光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、晶体硅(包括晶态与非晶态硅)、氮化镓；应当理解的，纳米结构21的材质也可以为其他。
另外，本发明实施例中，超透镜200的形状由基板1的形状决定，基板1可以为圆形、方形、正多边形等规则形状，也可以为不规则形状。示例性的，基板1为圆形，超透镜200的形状即为圆形；示例性的，基板1为正方形，超透镜200的形状即为正方形。
纳米结构21可以为纳米柱结构，也可以为其他沿水平轴和竖直轴分别轴对称的纳米结构21。
下面，以纳米结构21为纳米柱结构为例进行说明；应当理解的，当纳米结构21为其他结构时，下述实施例中纳米柱结构可以替换成对应的结构。
纳米柱结构可以包括正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构负中空纳米柱结构、方纳米柱结构、负方纳米柱结构、中空方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的至少一种。示例性的，纳米柱结构为正纳米柱结构、负纳米柱结构、中空纳米柱结构负中空纳米柱结构、方纳米柱结构、负方纳米柱结构、中空方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种，方便加工。
本申请实施例中，纳米结构21的光相位与纳米柱结构的高度、横截面的形状以及纳米柱结构的材质。其中，所述横截面平行于基板1。
请参见图2A至图2I，纳米柱结构的高度(即纳米柱结构z方向上的高度)为H。
当多个纳米结构21形成的整体结构需要透过可见光时，纳米柱结构的高度H大于或等于300nm，并小于或等于1500nm，相邻的纳米柱结构之间的间距(即相邻的两个纳米柱结构的中心之间的间距)大于或等于300nm，并小于或等于650nm，纳米结构的最小尺寸(直径、边长和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等)可为40nm。示例性的，纳米柱结构的高度H为300nm、400nm、500nm、600nm、700nm、800nm、900nm、1000nm、1100nm、1200nm、1300nm、1400nm或者1500nm等等。示例性的，相邻的纳米柱结构之间的间距为300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm或650nm等等。
当多个纳米结构21形成的整体结构需要透过8-12um波段的红外光时，纳米柱结构的高度H大于或等于5μm，并小于或等于50μm，相邻的纳米柱结构之间的间距大于或等于1.5μm，并小于或等于5μm，纳米结构的最小尺寸(直径、边长和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等)可为40nm。示例性的，纳米柱结构的高度H为5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm、40μm、45μm或50μm等等。示例性的，相邻的纳米柱结构之间的间距为1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm或5μm等等。
请参见图2A，正纳米柱结构211可以包括第一圆柱体，该第一圆柱体为实心结构。正纳米柱结构211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。
请参见图2B，负纳米柱结构212可以包括第一柱体2121，第一柱体2121的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面结构单元2为六边形时，第一柱体2121的横截面的形状也为六边形；当超表面结构单元2为正方形时，第一柱体2121的横截面的形状也为正方形。在本实施例中，第一柱体2121的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。第一柱体2121设有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部2122，并且，第一柱体2121和第一中空部2122共轴。负纳米柱结构212在x-y平面(即横截面)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。
请参见图2C，中空纳米柱结构213可以包括第二圆柱体2131，第二圆柱体2131设有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部2132，第二圆柱体2131与第二中空部2132共轴。中空纳米柱结构213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。
请参见图2D，负中空纳米柱结构214可以包括第二柱体2141，第二柱体2141的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面结构单元2为六边形时，第二柱体2141的横截面的形状也为六边形；当超表面结构单元2为正方形时，第二柱体2141的横截面的形状也为正方形。在本实施例中，第二柱体2141的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。进一步的，第二柱体2141设有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第三中空部2142。进一步的，第三中空部2142的内部设有第三圆柱体2143，第三圆柱体2143为实心结构。第二柱体2141、第三中空部2142和第三圆柱体2143共轴，且第二柱体2141与第三圆柱体2143的高度相等，第三圆柱体2143的底部贴设在基板1上。
请参见图2E，方纳米柱结构215可以包括第三柱体，第三柱体为实心结构，且第三柱体的横截面的形状为正方形。
请参见图2F，负方纳米柱结构216可以包括第四柱体2161，第四柱体2161的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面结构单元2为六边形时，第四柱体2161的横截面的形状也为六边形；当超表面结构单元2为正方形时，第四柱体2161的横截面的形状也为正方形。在本实施例中，第四柱体2161的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。进一步的，第四柱体2161设有自其顶部延伸至底部的第四中空部2162，第四中空部2162的横截面的形状为正方形，且第四柱体2161与第四中部共轴。
请参见图2G，中空方纳米柱结构217可以包括第五柱体2171，第五柱体2171的横截面的形状为正方形。进一部的，第五柱体2171设有自其顶部延伸至底部的第五中空部2172，第五中空部2172的横截面的形状为正方形。并且，第五柱体2171与第五中空部2172共轴。在同一横截面上，第五柱体2171对应的正方形与第五中空部2172对应的正方形的对应对角线共线。
请参见图2H，负中空方纳米柱结构218可以包括第六柱体2181，第六柱体2181的横截面的形状与超表面结构单元2的形状相同，示例性的，当超表面结构单元2为六边形时，第六柱体2181的横截面的形状也为六边形；当超表面结构单元2为正方形时，第六柱体2181的横截面的形状也为正方形。在本实施例中，第六柱体2181的横截面的大小与超表面结构单元2的大小相同。进一步的，第六柱体2181设有自其顶部延伸至底部的第六中空部2182，第六中空部2182的横截面的形状为正方形。第六中空部2182的内部设有第七柱体2183，第七柱体2183为实心结构，且第七柱体2183的横截面的形状为正方形。本实施例中，第六柱体2181、第六中空部2182和第七柱体2183共轴。并且，在同一横截面上，第七柱体2183对应的正方形与第六中空部2182对应的正方形的对应对角线共线。
请参见图2I，拓扑纳米柱结构219可以包括第八柱体，第八柱体为实心结构。且第八柱体的横截面的形状为多边形，多边形的边为弧形。
纳米柱结构通过以下加工方式中的一种加工在基板1上：大口径高速激光直写加工方式、光刻加工方式以及纳米压印加工方式，但不限于上述加工方式。其中，采用上述各加工方式将纳米柱结构加工在基板1的实现过程将在后述实施例详细说明。
示例性的，在某些实施例中，纳米柱结构为圆纳米柱结构。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，圆纳米柱结构的材质为晶体硅，正纳米柱结构211采用如图2A所示的正纳米柱结构211，且正纳米柱结构211的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3A给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与正纳米柱结构211的直径的关系，图3A中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为正纳米柱结构211的直径。
在某些实施例中，纳米结构21为负圆纳米柱结构。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，负圆纳米柱结构的材质为晶体硅，负圆纳米柱结构采用如图2B所示的负纳米柱结构212，且负纳米柱结构212的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3B给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与负纳米柱结构212的直径的关系，图3B中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为负纳米柱结构212的直径。
在某些实施例中，纳米结构21为中空纳米柱结构213。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，中空纳米柱结构213的材质为晶体硅，中空纳米柱结构213采用如图2C所示的中空纳米柱结构213，且中空纳米柱结构213的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3C给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与中空纳米柱结构213的编号的关系，图3C中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为中空纳米柱结构213的编号。
在某些实施例中，纳米结构21为负中空纳米柱结构214。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，负中空纳米柱结构214的材质为晶体硅，负中空纳米柱结构214采用如图2D所示的负中空纳米柱结构214，且负中空纳米柱结构214的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3D给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与负中空纳米柱结构214的编号的关系，图3D中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为负中空纳米柱结构214的编号。
在某些实施例中，纳米结构21为方纳米柱结构215。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，方纳米柱结构215的材质为晶体硅，方纳米柱结构215采用如图2E所示的方纳米柱结构215，且方纳米柱结构215的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3E给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与方纳米柱结构215的边长的关系，图3E中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为方纳米柱结构215的边长。
在某些实施例中，纳米结构21为负方纳米柱结构216。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，负方纳米柱结构216的材质为晶体硅，负方纳米柱结构216采用如图2F所示的负方纳米柱结构216，且负方纳米柱结构216的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3F给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与负方纳米柱结构216的边长的关系，图3F中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为负方纳米柱结构216的边长。
在某些实施例中，纳米结构21为中空方纳米柱结构217。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，中空方纳米柱结构217的材质为晶体硅，中空方纳米柱结构217采用如图2G所示的中空方纳米柱结构217，且中空方纳米柱结构217的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3G给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与中空方纳米柱结构217编号的关系，图3G中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为中空方纳米柱结构217编号。
在某些实施例中，纳米结构21为负中空方纳米柱。对设计工作在远红外波段的混合光学系统中的超透镜200，远红外中心波长10μm，负中空方纳米柱结构218的材质为晶体硅，负中空方纳米柱结构218采用如图2H所示的负中空方纳米柱结构218，且负中空方纳米柱结构218的高度H为11.25μm，对应的正六边形基本单元的边为2.76μm，图3H给出了远红外中心波长10μm，超透镜200的光相位与负中空方纳米柱结构218编号的关系，图3H中，横坐标为工作波长(8～12μm)，纵坐标为负中空方纳米柱结构218编号。
实施例二
本发明实施例还提供一种光学系统，请结合图4A和图4B，该光学系统可以包括镜筒(未显示)、透镜100(即普通光学透镜100，区别于超透镜200)以及至少一个上述实施例一所述的超透镜200。其中，透镜100与透镜100同轴安装在镜筒内，超透镜200在不同波长下的光相位不同，以对透镜100在对应波长下的像差进行矫正。
本发明实施例中，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；应当理解的，像差还可以包括其他。
透镜100可以包括折射透镜和反射透镜中的至少一种。示例性的，透镜100包括一片折射透镜，超透镜200的数量为两片，折射透镜和两片超透镜200之间间隔设置。示例性的，透镜100包括两片反射透镜，超透镜200的数量为两片，两片反射透镜和两片超透镜200之间间隔设置。应当理解的，透镜100的组成也可以为其他，超透镜200的数量也可以为其他。
示例性的，请参见图4A，超透镜200包括第一超透镜210和第二超透镜220，第二超透镜220排布在第一超透镜210和折射透镜110之间，且第一超透镜210与第二超透镜220之间的间隔大于第二超透镜220与折射透镜110之间的间隔，入射光依次经第一超透镜210和第二超透镜220后进入折射透镜110，如此设计，能够通过第一超透镜210和第二超透镜220对折射透镜110的像差进行矫正，减小折射透镜110的像差，从而提高成像质量。
为进一步减小折射透镜110的像差，以提高成像质量，示例性的，第一超透镜210的直径小于第二超透镜220的直径，第二超透镜220的直径与折射透镜110的直径大致相等；示例性的，第一超透镜210的超表面朝向第二超透镜220的超表面，折射透镜110为平凸面镜，包括背设的平面和球面，第二超透镜220的基板1表面与折射透镜110的球面正对。该光学系统的工作波长可以在8～12μm，也可以在可见光波段。
示例性的，光学系统的工作波长在可见光波段，为提高图4A所示光学系统在可见光波段的透过率，示例性的，折射透镜110为镀第一可见光波段增透膜的凸透镜100，超透镜200的基板1的第一表面未设置纳米结构21的区域镀第二可见光波段增透膜，超透镜200的纳米结构21的外表面镀第三可见光波段增透膜，第一表面为基板1上用于设置纳米结构21的表面。其中，第一可见光波段增透膜、第二可见光波段增透膜与第三可见光波段增透膜的材质可以相同，也可以不同。
可选的，第二可见光波段增透膜与基板1的材质匹配，如此，能够提高图4A所示光学系统在可见光波段的透过率。示例性的，基板1的材质为石英玻璃，第二可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配。
可选的，第三可见光波段增透膜与纳米结构21的折射率匹配，如此，能够提高图4A所示光学系统在可见光波段的透过率示。
光学系统的工作波长在可见光波段时，可选的，折射透镜110的材质为光学玻璃；可选的，超透镜200的基板1的材质为石英玻璃；可选的，超透镜200的纳米结构21的材质为氮化硅、氧化钛、氮化镓和二氧化硅中的一种。应当理解的，折射透镜110、基板1、超透镜200的材质不限于上述列举的材质，也可以为其他。
示例性的，光学系统的工作波长在远红外波段，为提高图4A所示光学系统在远红外波段的透过率，示例性的，折射透镜110为镀第一远红外波段增透膜的凸透镜100，超透镜200的基板1的第一表面未设置纳米结构21的区域镀第二远红外波段增透膜，超透镜200的超表面镀第三远红外波段增透膜。其中，第一远红外波段增透膜、第二远红外波段增透膜与第三远红外波段增透膜的材质可以相同，也可以不同。
可选的，第二远红外波段增透膜与基板1的材质匹配，如此，能够提高图4A所示光学系统在红外波波段的透过率。示例性的，基板1的材质为晶体硅，第二可见光波段增透膜与晶体硅相匹配。
可选的，第三远红外波段增透膜与纳米结构21的材质匹配，如此，能够提高图4A所示光学系统在红外波波段的透过率。示例性的，纳米结构21的材质为晶体硅，第三可见光波段增透膜与晶体硅相匹配。
示例性的，超透镜200的基板1与纳米结构21的材质均为晶体硅，第二远红外波段增透膜和第三远红外波段增透膜均与晶体硅匹配，如此，能够提高图4A所示光学系统在红外波波段的透过率。
光学系统的工作波长在可见光波段时，可选的，折射透镜110的材质为锗单晶、硫化锌、硒化锌和硫系玻璃中的一种；可选的，超透镜200的基板1与纳米结构21的材质均为晶体硅。应当理解的，折射透镜110、基板1、超透镜200的材质不限于上述列举的材质，也可以为其他。
示例性的，请参见图4B，反射透镜包括主反射透镜120和次反射透镜130，超透镜200包括第三超透镜230和第四超透镜240，其中，主反射透镜120间隔设于次反射透镜130和第三超透镜230之间，第四超透镜240间隔设于第三超透镜230远离主反射透镜120的一侧。主反射透镜120包括两片沿垂直于第三轴的方向间隔设置的子反射透镜，子反射透镜为凹面镜，两片子反射透镜关于第三轴对称设置，主反射透镜120、次反射透镜130、第三超透镜230和第四超透镜240沿着第三轴共轴。次反射透镜130为凸面镜，次反射透镜130的凸面朝向第三超透镜230的超表面，第四超透镜240的超表面朝向第三超透镜230的基板1。入射光经子反射透镜的凹面进行反射后，进入次反射透镜130的凸面，并由反射透镜反射后依次进入第三超透镜230和第四超透镜240后输出。如此设计，能够通过第三超透镜230和第四超透镜240对主反射透镜120和次反射透镜130的像差进行矫正，减小像差，从而提高成像质量。为进一步减小像差，以提高成像质量，示例性的，次反射透镜130的直径、第三超透镜230的直径以及两片子反射透镜之间的间隔大致相等，且次反射透镜130、第三超透镜230以及两片子反射透镜之间的间隔正对；示例性的，次反射透镜130的直径小于子反射透镜的直径；示例性的，第四超透镜240的直径大于第三超透镜230的直径。
可选的，第三超透镜230与第四超透镜240的基板1的材质与纳米结构21的材质均为晶体硅；可选的，第三超透镜230与第四超透镜240的基板1的第一表面未设置纳米结构21的区域镀第四远红外增透膜，第三超透镜230与第四超透镜240的超表面镀第五远红外增透膜，以更好地透过远红外波段的光。第四远红外增透膜、第五远红外增透膜的材质可以相同，也可以不相同。相应的，主反射镜和次反射镜的材质可以为金、银、铝等红外波段高反射材质中的任意一个。
需要说明的是，本申请实施例中，超透镜200的基板1表面是指超透镜200的基板1上未设置纳米结构21的表面，超透镜200的超表面是指超透镜200的纳米结构21的外表面。
示例性的，图4A所示的光学系统的折射透镜110的材质为锗，光学系统的全视场为40°，等效焦距为3.3mm，后焦距为2.622mm，F数为1.5，像高为2.2mm。第一超透镜210的直径为2.3mm，图5A是第一超透镜210在8μm、10μm和12μm的光相位与超透镜200半径的曲线关系图。第一超透镜210厚0.5mm与第二超透镜220间距为3.41mm。第二超透镜220的直径为4.9mm，图5B是第二超透镜220在8μm、10μm和12μm的光相位与超透镜200半径的曲线关系图。第二超透镜220厚0.5mm与折射透镜110间距为0.1mm。折射透镜110为平凸透镜100，第一面为球面，半径为10mm；第二面为平面，中心厚度为2mm。折射锗透镜100的直径为5.3mm。整个光学系统通过Matlab 2019a设计而成，但不限于此。其Matlab 2019a提供基于广义折射定律的光线追迹、宽谱调制传递函数仿真与内点法最优化算法，从而获得第一超透镜210、第二超透镜220上的光相位分布、折射透镜110的曲率与厚度和三个光学组件之间的空气间距。应当理解的是，第一超透镜210和第二超透镜220的材质和厚度根据实际设计而定，可取其他材质和厚度；折射透镜110材质、曲率与厚度根据实际设计而定，可取其他材质、曲率与厚度。
图5C与图5D分别为图4A所示的光学系统的第一片超透镜200和第二片超透镜200的等效折射率与超透镜200半径的关系曲线图，图5C与5D中，横坐标为第一超透镜210/第二超透镜220的半径值，纵坐标为纳米结构21的等效折射率值，纳米结构21的等效折射率neff满足：
公式(1)中，为超表面的半径r、波长为λ的相位；ω为光的圆频率；c为光速；H为纳米柱结构的高度；r为超透镜200表面的半径，即各纳米柱结构至基板1中心的距离。
图5E为图4A所示的光学系统的调制传递函数曲线图，图中纵坐标为对比度，横坐标为空间频率(单位：线对/毫米)。图5E中，虚线为衍射极限所对应的调制传递函数曲线，0°、10°和20°视场的调制传递函数均接近衍射极限，证明图4A所示的光学系统良好的成像性能。
图6A是工作波长为8～12μm的超透镜200的增透膜系及厚度示意图。其中，ZnS为硫化锌，YF3为三氟化钇，Ge为锗，超透镜200的基板1和纳米柱结构的材质均为晶体硅。增透膜的包括从上至下依次设置的第一ZnS层、第一YF3层、第二ZnS层、第二YF3层、第三ZnS层和Ge层。其中，增透膜的Ge层贴设在基板1的第一表面和纳米柱结构的外表面。示例性的，第一ZnS层的厚度为111nm，第一YF3层的厚度为300nm，第二ZnS层的厚度为60nm，第二YF3层的厚度为300nm，第三ZnS层的厚度为787nm，Ge层的厚度为50nm，应当理解的，第一ZnS层、第一YF3层、第二ZnS层、第二YF3层、第三ZnS层和Ge层的厚度也可以设置为其他。
图6B、图6C和图6D分别是如图2A所示的未镀膜正纳米柱结构211分别在8μm、10μm和12μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径的关系。其中，正纳米柱结构211在8μm、10μm和12μm的平均透过率分别为86.3％、87.4％和79.3％。图6E、图6F和图6分别是如图2A所示的镀增透膜正纳米柱结构211分别在8μm、10μm和12μm的光相位、透过率与纳米柱结构的直径的关系。其中，正纳米柱结构211在8μm、10μm和12μm的平均透过率分别为98％、95.8％和96％。相比于未镀膜的正纳米柱结构211，镀增透膜的正纳米柱结构211的透过率明显提高。
图7是光刻加工微纳米柱结构的流程图，包括如下步骤：
(1)、在玻璃及地上生产一层纳米柱材料，例如氮化硅。
(2)、在氮化硅上涂抹光刻胶并通过光刻机曝光显影。
(3)、通过干刻蚀法来刻蚀氮化硅层，从而形成超透镜200。
(4)、在氮化硅纳米柱上放加盖玻璃保护层。
图8是纳米压印加工微纳米柱结构的流程图，包括如下步骤：
(1)、在玻璃及地上生产一层纳米柱材料，例如氮化硅。
(2)、在氮化硅上涂抹光刻胶并准备纳米压印模板。
(3)、通过压印机在模板上施加压力，并紫外曝光显影。
(4)、移除压印模板，洗掉残余光刻胶。
(5)、通过干刻蚀法来刻蚀氮化硅层，从而形成超透镜200。
(6)、在氮化硅纳米柱上放加盖玻璃保护层。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (15)

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：
镜筒；
透镜；以及
超透镜；所述透镜与所述超透镜同轴安装在所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，以对所述透镜在对应波长下的像差进行矫正；
所述超透镜包括：
基板，能够透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；和
设于所述基板同一表面的多个超表面结构单元，其中，多个所述超表面结构单元呈阵列状排列；所述超表面结构单元为正方形，每个超表面结构单元的中心位置分别设有一个纳米结构，和/或，所述超表面结构单元为正六边形，每个超表面结构单元的中心位置和顶点位置分别设有一个纳米结构；
所述纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，且将所述纳米结构沿着所述第一轴和所述第二轴进行切分获得的多个纳米结构单元相同，其中所述第一轴和所述第二轴垂直，且所述第一轴和所述第二轴分别垂直于所述纳米结构的高度方向；
不同位置的所述纳米结构在不同波长下的光相位不同，以限定所述超透镜在不同波长下的光相位分布；
所述超透镜的基板的第一表面未设置纳米结构的区域镀第二可见光波段增透膜，所述超透镜的纳米结构的外表面镀第三可见光波段增透膜，所述第二可见光波段增透膜与所述第三可见光波段增透膜结构相同；或者，所述超透镜的基板的第一表面未设置纳米结构的区域镀第二远红外波段增透膜，所述超透镜的超表面镀第三远红外波段增透膜，所述第二远红外波段增透膜与所述第三远红外波段增透膜结构相同；增透膜包括从上至下依次设置的第一ZnS层、第一YF3层、第二ZnS层、第二YF3层、第三ZnS层和Ge层；
其中，所述第一表面为所述基板上用于设置所述纳米结构的表面，所述纳米结构的侧壁不镀膜。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述纳米结构为纳米柱结构，所述纳米柱结构包括负中空纳米柱结构、方纳米柱结构、负方纳米柱结构、中空方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述纳米柱结构的光相位与所述纳米柱结构的高度、横截面的形状以及所述纳米柱结构的材质相关；
其中，所述横截面平行于所述基板。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，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。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其特征在于，所述透镜包括折射透镜和反射透镜中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜包括一片折射透镜，所述超透镜的数量为两片，所述折射透镜和两片所述超透镜之间间隔设置。
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜包括第一超透镜和第二超透镜，所述第二超透镜排布在所述第一超透镜和所述折射透镜之间；
入射光依次经所述第一超透镜和所述第二超透镜后进入所述折射透镜。
8.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述折射透镜为镀第一可见光波段增透膜的凸透镜。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于，
所述折射透镜的材质为光学玻璃；和/或，
所述超透镜的基板的材质为石英玻璃；和/或
所述超透镜的纳米结构的材质为光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、晶态与非晶态硅、氮化镓和二氧化硅中的一种。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述第二可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配；和/或，
所述第三可见光波段增透膜与所述纳米结构折射率匹配。
11.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，所述折射透镜为镀第一远红外波段增透膜的凸透镜。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述第二远红外波段增透膜和所述第三远红外波段增透膜均与晶体硅匹配。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其特征在于，所述折射透镜的材质为锗单晶、硫化锌、硒化锌和硫系玻璃中的一种；和/或，
所述超透镜的基板与纳米结构的材质均为晶体硅。
14.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述透镜包括两片反射透镜，所述超透镜的数量为两片，两片所述反射透镜和两片所述超透镜之间间隔设置。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述反射透镜包括主反射透镜和次反射透镜，所述超透镜包括第三超透镜和第四超透镜；
其中，所述主反射透镜间隔设于所述次反射透镜和所述第三超透镜之间，所述第四超透镜间隔设于所述第三超透镜远离所述主反射透镜的一侧；
所述主反射透镜包括两片沿垂直于第三轴的方向间隔设置的子反射透镜，所述子反射透镜为凹面镜，两片所述子反射透镜关于所述第三轴对称设置，所述主反射透镜、所述次反射透镜、所述第三超透镜和所述第四超透镜沿着所述第三轴共轴；
所述次反射透镜为凸面镜，所述子反射透镜的凹面朝向所述次反射透镜的凸面设置，所述次反射透镜的凸面朝向所述第三超透镜的超表面，所述第四超透镜的超表面朝向所述第三超透镜的基板；
入射光经所述子反射透镜的凹面进行反射后，进入所述次反射透镜的凸面，并由所述反射透镜反射后依次进入所述第三超透镜和第四超透镜后输出。
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