CN113917578B - 一种大口径色差校正超透镜、超透镜系统和光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大口径色差校正超透镜、超透镜系统和光学系统，所述超透镜包括：基板，能透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；设置于所述基板一面的多个超结构单元，所述超结构单元呈阵列状排列，每个超结构单元的中心位置，或者每个超结构单元的中心位置和顶点位置分别设有纳米结构；多个超结构单元的所述基板一面形成超透镜表面，所述超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环区域能够形成无色差聚焦；具有该纳米结构的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，可以对传统超透镜的像差进行矫正，获得更清晰像质。
Description
技术领域
本发明涉及透镜领域，尤其涉及一种大口径色差校正超透镜、色差球差校正超透镜系统和光学系统。
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。近年来超透镜成为小型化光学镜头的新兴技术，解决了传统透镜体积大和重量大的不足。但超透镜也有着偏振敏感、宽谱透过率低、大口径与色差校正不可兼得等一些列问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种大口径色差校正超透镜、色差球差校正超透镜系统和光学系统。
本发明实施例的第一方面提供一种大口径色差校正超透镜，包括：
基板，能透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；
设置于所述基板一面的多个超结构单元，其中，多个所述超结构单元呈阵列状排列，每个超结构单元的中心位置，或者每个超结构单元的中心位置和顶点位置分别设有纳米结构；
所述纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，将所述纳米结构沿所述第一轴和所述第二轴切分获得的多个纳米结构单元相同，所述第一轴和所述第二轴垂直设置，所述第一轴和所述第二轴分别与所述纳米结构的高度方向垂直；
所述多个超结构单元的所述基板一面形成超透镜表面，所述超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环区域能够形成无色差聚焦。
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正纳米圆柱、负纳米圆柱、中空纳米柱结构、方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种；优选为负方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构或中空方纳米柱结构。
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；
所述纳米结构的材质为光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、氧化铝(蓝宝石)、晶态与非晶态硅、氮化镓、晶体锗、硫化硒、硫化锌、硫系玻璃中的任意一种或二种以上。
可选地，所述超透镜表面的多个圆环区域之间对入射光的中心波长和两个边缘波长在所述超透镜的焦平面上干涉增强；
优选地，所述超透镜表面的圆环按照超透镜沿半径方向的等效折射率周期性排列；等效折射率介于纳米结构材料折射率与空气折射率之间；
优选地，所述超透镜表面的圆环按照超透镜沿半径方向的群时延周期性排列；所述群时延周期为纳米结构库中的最大群时延减去最小群时延；优选地，所述入射宽谱光离散成N个特征波长，超透镜表面沿半径方向r0处的纳米结构在N个特征波长处的相位与理论相位的绝对值之和最小，按照如下公式优化可得：
其中，
为超透镜表面沿半径方向r0处纳米结构在特征波长λi的相位，i＝1,2,…,N；/>
为超透镜表面沿半径方向r0处的特征波长λi的理论相位。
可选地，所述超透镜表面与基板另一面分别镀纳米结构材料与基板材料所对应的增透膜。
本发明实施例的第二方面提供一种色差球差校正超透镜系统，包括：
镜筒；
如上任一项所述的超透镜，所述超透镜安装于所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同。
本发明实施例的第三方面提供一种光学系统，包括：
镜筒；
至少两片权利要求1-5任一项所述的超透镜，所述至少两片所述超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构不同；
所述至少两片所述超透镜同轴安装于所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，所述超透镜之一用于对其余超透镜在对应波长下的像差进行矫正。
可选地，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，所述超透镜包括第一超透镜和第二超透镜；
入射光依次经所述第一超透镜和所述第二超透镜；
其中，所述第一超透镜用于校正所述第二超透镜的所有像差。
可选地，所述超透镜的基板的另一面镀有第一可见光波段增透膜，所述超透镜表面镀有第二可见光波段增透膜；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、氧化铝和二氧化硅中的任意一种或二种以上。
可选地，所述第一可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配；和/或，
所述第二可见光波段增透膜与所述纳米结构的折射率匹配；
或者，所述超透镜的基板的另一面镀有第一红外光波段增透膜，所述超透镜表面镀第二红外光波段增透膜；所述第一红外光波段增透膜和所述第二红外光波段增透膜均与晶体硅匹配。
可选地，所述超透镜的基板与纳米结构的材质为晶体硅、晶体锗、硫化硒、硫化锌、硫系玻璃中的一种或两种以上。
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；另一方面，本发明的超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环区域能够形成无色差聚焦，各个特征波长均聚焦到相同的焦点，此超透镜解决了现有色差校正超透镜纳米结构能效折射率/群时延的限制，相比现有色差校正超透镜，此超透镜既能校正色差同时兼有厘米级别的大口径，可以对传统超透镜的像差进行矫正，获得更清晰的像质。
另外，本发明的超透镜系统，具有安装于镜筒上的本发明的超透镜，超透镜在不同波长下的光相位不同，本发明的光学系统，具有多片同轴安装于镜筒上的本发明的超透镜，本发明是超透镜光学系统具有宽谱段广角成像的能力，相比现有的超透镜光学系统，本发明的光学系统在保留超透镜体积小、重量轻的优势下同时校正了所有像差，可高清广角宽谱成像。
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1是本发明一实施例中的超透镜的聚焦示意图和部分表面结构版图；
图2A是本发明一实施例中的超透镜表面的正六边形排列图；
图2B是本发明一实施例中的超透镜表面的正方形排列图。
图3A是本发明一实施例中的正纳米柱结构的示意图；
图3B是本发明一实施例中的负纳米柱结构的示意图；
图3C是本发明一实施例中的中空纳米柱结构的示意图；
图3D是本发明一实施例中的负中空纳米柱结构的示意图；
图3E是本发明一实施例中的方纳米柱结构的示意图；
图3F是本发明一实施例中的负方纳米柱结构的示意图；
图3G是本发明一实施例中的中空方纳米柱结构的示意图；
图3H是本发明一实施例中的负中空方纳米柱结构的示意图；
图3I是本发明一实施例中的拓扑纳米柱结构的示意图。
图4A是本发明一实施例中的硅基纳米结构等效折射率与10μm光相位关系图(工作波长8～12μm)；
图4B是本发明一实施例中的硅基纳米结构在10μm处群时延与10μm光相位关系图(工作波长8～12μm)；
图5A是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜周期等效折射率(理论/实现)与超透镜半径的关系图；
图5B是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在8μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图；
图5C是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在10μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(等效折射率法)；
图5D是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在12μm相位理论/实现)与超透镜半径的关系图(等效折射率法)。
图5E是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜周期群时延(理论/实现)与超透镜半径的关系图(群时延法)；
图5F是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在8μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(群时延法)；
图5G是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在10μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(群时延法)；
图5H是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在12μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(群时延法)；
图5I是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在8μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(全局搜索法)；
图5J是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在10μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图(全局搜索法)；
图5K是本发明一实施例中的一种焦距为25mm、口径为19mm的超透镜在12μm相位理论/实现)与超透镜半径的关系图(全局搜索法)；
图6A是采用等效折射率法设计的焦距为25mm、口径为19mm的超透镜的焦点附近x-z平面光强分布图；
图6B是是采用群时延法设计的焦距为25mm、口径为19mm的超透镜的焦点附近x-z平面光强分布图；
图6C是是采用全局搜索法设计的焦距为25mm、口径为19mm的超透镜的焦点附近x-z平面光强分布图；
图7是本发明另一实施例中的工作波长为8～12μm的双超透镜的光学系统示意图；
图8A是如图7所示光学系统第一超透镜的等效折射率与半径的关系图；
图8B是如图7所示光学系统第二超透镜的等效折射率与半径的关系图；
图9是如图7所示光学系统的调制传递函数图。
附图标记：
1：基板；2：超结构单元；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；
200：超透镜；210：第一超透镜；220：第二超透镜；230：圆环。
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。但受限于加工技术极限，现有的色差校正超透镜很难兼顾大口径与较大数值孔径，从而极大的限制了超透镜在成像光线系统中的应用。
本发明实施例提供了一种纳米结构，其沿第一轴和第二轴分别轴对称，将所述纳米结构沿所述第一轴和所述第二轴切分获得的多个纳米结构单元相同；所述第一轴和所述第二轴垂直设置，所述第一轴和所述第二轴分别与所述纳米结构的高度方向垂直；不同位置的所述纳米结构在不同波长下的光相位不同，以限定超透镜在不同波长下的光相位分布。
本发明实施例还提供一种超透镜，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结构单元，其中，多个所述超结构单元呈阵列状排列，所述超结构单元优选可以为正六边形和/或正方形，每个超结构单元的中心位置，或者每个超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，以限定超透镜在不同波长下的光相位分布。所述多个超结构单元的所述基板一面形成超透镜表面，所述超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环区域能够形成无色差聚焦。本发明的超透镜在不同波长下的光相位不同。超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环形成无色差聚焦，各个圆环之间对入射光的中心波长和两个边缘波长在超透镜的焦平面上干涉增强，从而解决了色差校正超透镜大口径与大数值孔径兼顾的难题。
本发明实施例还提供一种色差球差校正超透镜系统，所述超透镜系统包括：镜筒；透镜；以及至少一个本发明第一方面所述的超透镜；其中，所述超透镜安装在所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，从而达到无色差无球差聚焦/发散，所述由基板一面形成的超透镜表面与基板的另一面分别镀纳米结构材料与基板材料所对应的增透膜。
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；至少两片如本发明第一方面所述的超透镜，所述至少两片所述超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构不同，示例性地，在两片所述超透镜中，其中一片超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构可以为纳米圆柱结构，其中另一片为方纳米柱结构，在其它一些实施例中，当所述光学系统包括较多的所述超透镜时，各超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构存在部分相同的可能；其中，至少两个所述超透镜间隔设置，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，所述超透镜之一用于对其余超透镜在对应波长下的像差进行矫正。所述光学系统的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。本发明的色差校正超透镜及其光学系统具有全像差校正宽谱段广角成像的能力，相比现有的超透镜光学系统，本发明的光学系统在保留体积小、重量轻、易集成优点的同时，校正了所有像差，可高清广角宽谱成像。
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纳米结构21，其沿第一轴和第二轴分别轴对称，将所述纳米结构21沿所述第一轴和所述第二轴切分获得的多个纳米结构单元相同；所述第一轴和所述第二轴垂直设置，所述第一轴和所述第二轴分别与所述纳米结构21的高度方向垂直；不同位置的所述纳米结构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；所述纳米结构21为纳米柱结构。
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。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圆柱、负纳米圆柱、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。示例性的，在同一超透镜中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，纳米柱结构的横截面平行于基板1。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。
请参见图3A至图3I，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或者范围内的其他任意值。
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或者范围内的其他任意值。
请参见图3A，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、230nm、300nm、350nm、400nm或者范围内的任意数值。
请参见图3B，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结构单元2的形状相同，示例性的，当超结构单元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、230nm、300nm、350nm、400nm或者范围内的任意数值。
请参见图3C，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、230nm、300nm、350nm、400nm或者范围内的任意数值。
请参见图3D，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结构单元2的形状相同，示例性的，当超结构单元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3E，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3F，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结构单元2的形状相同，示例性的，当超结构单元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3G，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3H，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结构单元2的形状相同，示例性的，当超结构单元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3I，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。
实施例二：
本发明实施例提供一种超透镜200，请参见图1至图2B，该超透镜可以包括基板1和设于基板1同一表面的多个超结构单元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400nm，并小于或等于700nm。示例性的，基板1透过红外光的波长可以大于或等于8μm，并小于或等于12μm。超透镜200表面沿半径方向分成多个同心圆环230区域，入射宽谱光在每个圆环230形成无色差聚焦，各个圆环230之间对入射光的中心波长和两个边缘波长在超透镜的焦平面上干涉增强；或者，超透镜表面纳米结构21从包含数千至数万个偏振不明的纳米结构库中优化选择(如图1所示的超透镜表面的部分版图)使得各个特征波长均聚焦到相同的焦点，从而解决了色差校正超透镜大口径与大数值孔径兼顾的难题。
多个超结构单元2呈阵列状排列，超结构单元2为正六边形和/或正方形，示例性的，请参见图2B，每个超结构单元2的中心位置分别设一个纳米结构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2A，或者可以在每个超结构单元2的顶点位置和每个超结构单元2的中心位置分别设有一个纳米结构21，需要说明的是，此处的一个纳米结构21是以纳米结构整体化认定的，在一些情况下，所述纳米结构21也可以是多个子纳米结构，被认为是多个纳米结构。
示例性的，在一些实施例中，请参见图2A，所有超结构单元2均为正六边形；在另外一些实施例中，请参见图2B，所有超结构单元2均为正方形；在另外一些实施例中，多个超结构单元2包括正六边形的阵列单元和正方形超结构单元。应当理解地是，在其他实施例中，超结构单元2也可以设计为其他正多边形。
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，以限定超透镜在不同波长下的光相位分布，从而形成宽谱段超透镜。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并小于2mm，例如，基板1的厚度可以为0.1mm、0.5mm、1mm、1.5mm、2mm或者范围内的任意数值。
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，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超透镜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，超透镜的厚度为多个纳米结构21形成的整体结构的厚度与基板厚度之和。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或两种以上：光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、氧化铝(蓝宝石)、晶体硅(包括晶态与非晶态硅)、氮化镓、晶体锗、硫化硒、硫化锌、硫系玻璃；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。
示例性的，在某些实施例中，超透镜200表面的圆环230按照超透镜沿半径方向的等效折射率周期性排列。其中超透镜200的等效折射率为如公式(1)所示：
公式(1)中，
为超透镜表面的半径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，即各纳米结构21至基板1中心的距离。如图4A方框中所示，纳米结构21等效折射率数据库中的等效折射率区间在保证中心相位尽可能遍历整个2π的前提下，由最大等效折射率减去最小等效折射率为Δneff。
周期等效折射率由公式(1)中的等效折射率对纳米结构等效折射率数据库中的等效折射率区间取余数可得，如公式(2)所示：
neff_P(r)＝mod(neff(r),Δneff)(2)；
示例性的，在某些实施例中，超透镜200表面的圆环230按照超透镜沿半径方向的群时延周期性排列。其中超透镜200表面径向的群时延如公式(3)所示：
如图4B方框中所示，纳米结构群时延数据库中的群时延区间在保证中心相位尽可能遍历整个2π的前提下，由最大群时延减去最小群时延为ΔGD。
周期群时延由公式(3)中的群时延对纳米结构群时延数据库中的群时延区间取余数可得，如公式(4)所示：
GDP(r)＝mod(GD(r),ΔGD)(4)；
公式(4)中，GDP(r)为超透镜的半径r处的群时延。
示例性的，在某些实施例中，入射宽谱光离散成N个特征波长，超透镜表面沿半径方向r0处的纳米结构在N个特征波长处的相位与理论相位的绝对值之和最小，如公式(5)所示：
公式(1)中，
为超透镜表面沿半径方向r0处纳米结构在特征波长λi的相位，i＝1,2,…,N；/>
为超透镜表面沿半径方向r0处的特征波长λi的理论相位；ci是第i个特征波长所对应的优化权重。求解公式(5)使用穷举法，遍历纳米结构数据库中的所有结构取最优解。
实施例三：
本发明实施例还提供一种色差球差校正超透镜系统，该系统可以包括镜筒(未显示)和超透镜200。其中，超透镜200安装在镜筒内，超透镜在不同波长下的光相位不同，从而达到无色差无球差聚焦/发散。
示例性的，此超透镜200的工作波段为8～12μm，口径为19mm，焦距为25mm。此超透镜200的超透镜周期等效折射率(理论/实现)与超透镜半径的关系请参见图5A，其中实线为理论所需等效折射率，星点为纳米结构库中可实现等效折射率。图5B～D分别给出了此超透镜200在8μm、10μm、12μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图。按照周期等效折射率法设计的超透镜焦点附近x-z平面光强分布图请参见图6A。
示例性的，此超透镜200的工作波段为8～12μm，口径为19mm，焦距为25mm。此超透镜200的超透镜周期群时延(理论/实现)与超透镜半径的关系请参见图5E，其中实线为理论所需群时延，星点为纳米结构库中可实现群时延。图5F～H分别给出了此超透镜200在8μm、10μm、12μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图。按照周期群时延法设计的超透镜焦点附近x-z平面光强分布图请参见图6B。
示例性的，此超透镜的工作波段为8～12μm，口径为19mm，焦距为25mm。图5I～K分别给出了此超透镜在8μm、10μm、12μm相位(理论/实现)与超透镜半径的关系图。按照全局搜索法设计的超透镜焦点附近x-z平面光强分布图请参见图6C。
示例性的，由于色差球差校正超透镜系统的工作波长在远红外波段，为提高此色差球差校正超透镜系统在远红外波段的透过率，示例性的，超透镜200的基板1的另一面，即未设置纳米结构的一面镀有第一红外光波段增透膜，由基板一面形成的超透镜表面镀第二红外光波段增透膜，基板1与纳米结构21的材质均为晶体硅，第一红外光波段增透膜及第二红外光波段增透膜均与晶体硅相匹配，其中，第一红外光波段增透膜与第二红外光波段增透膜的材质可以相同，也可以不同。
当然可选的，超透镜的基板1的另一面镀也可以镀有第一可见光波段增透膜，超透镜表面镀有第二可见光波段增透膜，此时超透镜的基板的材质可以为石英玻璃，第一可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配，超透镜的纳米结构21的材质为氮化硅、氧化钛、氮化镓、氧化铝和二氧化硅中的任意一种或二种以上，第二可见光波段增透膜与上述纳米结构材料的折射率匹配。
实施例四：
本发明实施例还提供一种光学系统，该光学系统可以包括镜筒(未显示)和两片超透镜，分别是第一超透镜210和第二超透镜220，第一超透镜210和第二超透镜220在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构不同，示例性地，在两片所述超透镜，其中一片超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构为中空纳米柱结构，其中另一片为负方纳米柱结构。其中，入射光依次经第一超透镜210和第二超透镜220，第一超透镜210用于校正第二超透镜220的所有像差。
示例性的，此超透镜系统的工作波段为8～12μm，入瞳口径为7mm，焦距为7mm，全视场角为50°×38.5°。此光学系统的第一超透镜210与第二超透镜220的周期等效折射率(理论/实现)与超透镜200半径的关系请分别参见图8A与图8B，其中实线为理论所需等效折射率，星点为纳米结构库中可实现等效折射率。
此光学系统的调制传递函数请参见图9。由图9可知，各个视场的调制传递函数均到达衍射极限，表现了此超透镜光学系统良好的宽光谱广角成像能力。
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 (13)
1.一种大口径色差校正超透镜，其特征在于，包括：
基板，能透过不同波段的光，所述不同波段的光包括可见光和红外光；
设置于所述基板一面的多个超结构单元，其中，多个所述超结构单元呈阵列状排列，每个超结构单元的中心位置，或者每个超结构单元的中心位置和顶点位置分别设有纳米结构；
所述纳米结构沿第一轴和第二轴分别轴对称，将所述纳米结构沿所述第一轴和所述第二轴切分获得的多个纳米结构单元相同，所述第一轴和所述第二轴垂直设置，所述第一轴和所述第二轴分别与所述纳米结构的高度方向垂直；
所述多个超结构单元的所述基板一面形成超透镜表面，所述超透镜表面沿半径方向分成多个同心圆环区域，入射宽谱光在每个圆环区域能够形成无色差聚焦；所述超透镜表面的多个圆环区域之间对入射光的中心波长和两个边缘波长在所述超透镜的焦平面上干涉增强；
所述超透镜表面的圆环按照超透镜沿半径方向的等效折射率周期性排列；等效折射率介于纳米结构材料折射率与空气折射率之间；或者
所述超透镜表面的圆环按照超透镜沿半径方向的群时延周期性排列；所述群时延周期为纳米结构库中的最大群时延减去最小群时延。
2.如权利要求1所述的超透镜，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正纳米圆柱、负纳米圆柱、中空纳米柱结构、方纳米柱结构和拓扑纳米柱结构中的一种。
3.如权利要求2所述的超透镜，其特征在于，所述纳米结构包括负方纳米柱结构、负中空方纳米柱结构或中空方纳米柱结构。
4.如权利要求2所述的超透镜，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；
所述纳米结构的材质为光刻胶、石英玻璃、氮化硅、氧化钛、氧化铝、晶态与非晶态硅、氮化镓、晶体锗、硫化硒、硫化锌、硫系玻璃中的任意一种或二种以上。
5.如权利要求1-4任一项所述的超透镜，其特征在于，所述入射宽谱光离散成N个特征波长，超透镜表面沿半径方向r0处的纳米结构在N个特征波长处的相位与理论相位的绝对值之和最小，按照如下公式优化可得：
其中，
为超透镜表面沿半径方向r0处纳米结构在特征波长λi的相位，i＝1,2,…,N；/>
为超透镜表面沿半径方向r0处的特征波长λi的理论相位。
6.如权利要求1-4任一项所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜表面与基板另一面分别镀纳米结构材料与基板材料所对应的增透膜。
7.一种色差球差校正超透镜系统，其特征在于，包括：
镜筒；
权利要求1-6任一项所述的超透镜，所述超透镜安装于所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同。
8.一种光学系统，其特征在于，包括：
镜筒；
至少两片权利要求1-6任一项所述的超透镜，所述至少两片所述超透镜在相同半径处的超透镜表面的超结构单元上的纳米结构不同；
所述至少两片所述超透镜同轴安装于所述镜筒内，所述超透镜在不同波长下的光相位不同，所述超透镜之一用于对其余超透镜在对应波长下的像差进行矫正。
9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，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。
10.根据权利要求8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；
入射光依次经所述第一超透镜和所述第二超透镜；
其中，所述第一超透镜用于校正所述第二超透镜的所有像差。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的基板的另一面镀有第一可见光波段增透膜，所述超透镜表面镀有第二可见光波段增透膜；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、氧化铝和二氧化硅中的任意一种或二种以上。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其特征在于，所述第一可见光波段增透膜与石英玻璃相匹配；和/或，
所述第二可见光波段增透膜与所述纳米结构的折射率匹配；
或者，所述超透镜的基板的另一面镀有第一红外光波段增透膜，所述超透镜表面镀第二红外光波段增透膜；所述第一红外光波段增透膜和所述第二红外光波段增透膜均与晶体硅匹配。
13.根据权利要求8-12任一项所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的基板与纳米结构的材质为晶体硅、晶体锗、硫化硒、硫化锌、硫系玻璃中的一种或二种以上。
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