CN114779437A

CN114779437A - 光学系统

Info

Publication number: CN114779437A
Application number: CN202210440802.9A
Authority: CN
Inventors: 郝成龙; 谭凤泽; 朱瑞; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-04-25
Publication date: 2022-07-22

Abstract

本申请实施例提供了一种光学系统，属于光学系统的技术领域。所述光学系统包括：由物方到像方同光轴依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；其中，所述第一透镜和所述第二透镜被配置为超透镜；所述第一透镜，被配置为所述光学系统的光阑；所述第三透镜，被配置为折射透镜，所述折射透镜焦距为正；其中，所述光学系统至少满足：

min{t₁₂,t₂₃}≥0.05mm；其中，f为所述光学系统的焦距；f₃为所述第三透镜(3)的焦距；t₁₂为所述第一透镜与所述第二透镜的间距；t₂₃为所述第二透镜(2)与所述第三透镜的间距；min{t₁₂,t₂₃}为t₁₂和t₂₃中的最小值。本申请实施例实现了光学系统的小型化和轻量化。

Description

光学系统

技术领域

本申请涉及光学系统的技术领域，具体地，本申请具体涉及一种光学系统。

背景技术

随着技术的进步，用户对光学系统的要求日益提高，在保证成像质量的基础上进一步追求设备的小型化和轻量化。

现有技术中，普遍通过三片折射透镜组成光学系统以节约设备中的安装空间，促进设备的小型化。

然而，三片式光学系统的小型化陷入瓶颈，继续追求小型化会导致成像质量的下降，因此亟需一种新的光学系统。

发明内容

为了解决现有技术中光学系统的小型化导致成像质量下降的问题，本申请实施例提供了一种光学系统。

第一方面，本申请实施例提供了一种光学系统，所述光学系统包括：

由物方到像方同光轴依次排列的第一透镜、第二透镜和第三透镜；

其中，所述第一透镜和所述第二透镜被配置为超透镜；所述第一透镜，被配置为所述光学系统的光阑；

所述第三透镜，被配置为折射透镜，所述折射透镜焦距为正；

其中，所述光学系统至少满足：

min{t₁₂,t₂₃}≥0.05mm；

其中，f为所述光学系统的焦距；f₂为所述第二透镜的焦距；t₁₂为所述第一透镜与所述第二透镜的间距；t₂₃为所述第二透镜与所述第三透镜的间距；min{t₁₂,t₂₃}为t₁₂和t₂₃中的最小值。

可选地，所述光学系统还满足：

其中，f为所述光学系统的焦距；f₁为所述第一透镜的焦距；f₃为所述第三透镜的焦距。

可选地，所述第三透镜朝向物方的面的曲率半径大于朝向像方的面的曲率半径。

可选地，所述第三透镜的表面为球面或非球面。

可选地，所述第三透镜的材料对工作波段的消光系数小于10^-4。

可选地，所述第三透镜的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅或氢化非晶硅。

可选地，所述超透镜包括基底和设置于所述基底一侧的纳米结构层；

其中，所述纳米结构层包括周期性排列的纳米结构。

可选地，所述超透镜还包括胶合层；

所述胶合层，被设置于所述基底和所述纳米结构层之间。

可选地，所述超透镜的相位至少满足：

其中，r为所述超透镜的中心到所述纳米结构的中心的距离；λ为所述超透镜的工作波长；

为任意常数相位；(x，y)为所述超透镜表面的坐标；f_i为单个所述超透镜的焦距，i为自然数。

可选地，所述超透镜的等效折射率的范围小于2；

所述等效折射率的范围等于最大等效折射率减最小等效折射率。

可选地，所述超透镜的基底与纳米结构材质相同。

可选地，所述超透镜的基底与纳米结构材质不同。

可选地，所述纳米结构的折射率大于所述基底和所述胶合层的折射率。

可选地，所述胶合层的厚度小于或等于工作波段的中心波长的20％。

可选地，所述胶合层包括与所述基底平行的平面结构。

可选地，所述胶合层包括与所述纳米结构对应的纳米胶柱。

可选地，所述超透镜还包括增透膜；

所述增透膜被设置于所述基底远离所述纳米结构层或胶合层的一侧；和/或，

所述增透膜被设置于所述纳米结构层与空气相邻的一侧。

可选地，适用于上述任一实施例提供的超透镜，所述方法包括：

步骤S1，在所述基底上涂覆所述胶合层；

步骤S2，通过所述胶合层将纳米结构层的材料晶圆与所述基底胶合；

步骤S3，将所述材料晶圆减薄至参考厚度；

步骤S4，在减薄后的材料晶圆上涂覆光刻胶，并在所述光刻胶上曝光出参考结构；

步骤S5，基于所述参考结构在所述减薄后的材料晶圆上刻蚀出所述纳米结构；其中，所述刻蚀的截止层为所述胶合层或所述基底。

可选地，所述方法还包括：

步骤S6，在所述纳米结构之间沉积填充材料，并使所述填充材料与所述纳米结构层的表面重合；

可选地，所述方法还包括：

步骤S7，在所述基底远离所述胶合层的一侧涂覆所述增透膜；和/或，

步骤S8，在所述纳米结构层与空气相邻的一侧涂覆所述增透膜。

可选地，所述成像装置包括上述任一实施例提供的光学系统和感光元件；

其中，所述感光元件被设置于所述光学系统的像面上。

可选地，所述电子设备包括如上述实施例提供的成像装置。

本申请实施例提供的光学系统中第一透镜和第二透镜为超透镜，第三透镜为折射透镜。通过配置第三透镜与整个光学系统的焦距比以及设置各镜组间的距离实现了光学系统总长的压缩，促进了光学系统的小型化。并且，该光学系统引入超透镜，促进了光学系统的轻量化。

附图说明

所包括的附图用于提供本申请的进一步理解，并且被并入本说明书中构成本说明书的一部分。附图示出了本申请的实施方式，连同下面的描述一起用于说明本申请的原理。

图1示出了本申请实施例提供的光学系统的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的光学系统的又一种可选的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的光学系统的又一种可选的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的透视示意图；

图6示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的透视示意图；

图7示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的一种可选的排列方式；

图8示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排列方式；

图9示出了本申请实施例提供的超透镜的纳米结构的又一种可选的排列方式；

图10示出了本申请实施例提供的超透镜的一种可选的结构示意图；

图11示出了本申请实施例提供的超透镜的又一种可选的结构示意图；

图12示出了本申请实施例提供的一种可选的光学系统的调制传递函数；

图13示出了本申请实施例提供的一种可选的光学系统中第一透镜的波长相位图；

图14示出了本申请实施例提供的一种可选的光学系统中第二透镜的波长相位图；

图15示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统的调制传递函数；

图16示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统中第一透镜的波长相位图；

图17示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统中第二透镜的波长相位图；

图18示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统的调制传递函数；

图19示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统中第一透镜的波长相位图；

图20示出了本申请实施例提供的又一种可选的光学系统中第二透镜的波长相位图；

图21示出了本申请实施例提供的超透镜的制备方法的一种可选的流程图；

图22示出了本申请实施例提供的超透镜的制备方法的又一种可选的流程图；

图23示出了本申请实施例提供的超透镜的制备方法的又一种可选的流程图；

图24示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的相位图；

图25示出了本申请实施例提供的一种可选的超透镜的透过率图。

图中附图标记分别表示：

1-第一透镜；2-第二透镜；3-第三透镜；

11-基底；12-纳米结构层；13-胶合层；14-增透膜；15-填充材料；16-光刻胶层；

120-纳米结构层的材料晶圆；120’-纳米结构层的材料晶圆；121-纳米结构；122-超结构单元；131-纳米胶柱。

具体实施方式

现将在下文中参照附图更全面地描述本申请，在附图中示出了各实施方式。然而，本申请可以以许多不同的方式实施，并且不应被解释为限于本文阐述的实施方式。相反，这些实施方式被提供使得本申请将是详尽的和完整的，并且将向本领域技术人员全面传达本申请的范围。通篇相同的附图标记表示相同的部件。再者，在附图中，为了清楚地说明，部件的厚度、比率和尺寸被放大。

本文使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的，而非旨在成为限制。除非上下文清楚地另有所指，否则如本文使用的“一”、“一个”、“该”和“至少之一”并非表示对数量的限制，而是旨在包括单数和复数二者。例如，除非上下文清楚地另有所指，否则“一个部件”的含义与“至少一个部件”相同。“至少之一”不应被解释为限制于数量“一”。“或”意指“和/或”。术语“和/或”包括相关联的列出项中的一个或更多个的任何和全部组合。

除非另有限定，否则本文使用的所有术语，包括技术术语和科学术语，具有与本领域技术人员所通常理解的含义相同的含义。如共同使用的词典中限定的术语应被解释为具有与相关的技术上下文中的含义相同的含义，并且除非在说明书中明确限定，否者不在理想化的或者过于正式的意义上将这些术语解释为具有正式的含义。

“包括”或“包含”的含义指明了性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合，但是并未排除其他的性质、数量、步骤、操作、部件、部件或它们的组合。

本文参照作为理想化的实施方式的截面图描述了实施方式。从而，预见到作为例如制造技术和/或公差的结果的、相对于图示的形状变化。因此，本文描述的实施方式不应被解释为限于如本文示出的区域的具体形状，而是应包括因例如制造导致的形状的偏差。例如，被示出或描述为平坦的区域可以典型地具有粗糙和/或非线性特征。而且，所示出的锐角可以被倒圆。因此，图中所示的区域在本质上是示意性的，并且它们的形状并非旨在示出区域的精确形状并且并非旨在限制权利要求的范围。

在下文中，将参照附图描述根据本申请的示例性实施方式。

现有技术中存在将超透镜与折射透镜结合的技术，这种光学系统仅能矫正轴上色差，远不能满足全像差矫正和全光谱清晰成像的需求。基于前述现有技术，形成了超透镜仅能矫正轴上色差无法用于全像差矫正和全光谱成像的技术偏见。随着电子设备的小型化和轻薄化，光学系统的小型化和轻量化愈加重要。本申请提供了一种光学系统，通过折射透镜和超透镜实现了全光谱成像和全像差矫正，还将三片式光学系统的重量减轻了三分之二。

第一方面，本申请实施例提供了一种光学系统，如图1、图2和图3所示。该光学系统包括由物方到像方同光轴依次排列的第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3。其中，第一透镜1和第二透镜2被配置为超透镜，第三透镜3为正焦距的折射透镜。第一透镜1被配置为该光学系统的光阑。第三透镜3被配置为正焦距折射透镜。并且，该光学系统至少满足：

min{t₁₂，t₂₃}≥0.05mm； (2)

公式(1)和(2)中，f为该光学系统的焦距；f₂为第二透镜2的焦距；t₁₂为第一透镜1与第二透镜2的间距；t₂₃为第二透镜2与第三透镜3的间距；min{t₁₂,t₂₃}为t₁₂和t₂₃中的最小值。

需要注意的是，本申请实施例中透镜的间距指相邻两个透镜中相邻两个面的距离。可选地，在一些情况下，由于超透镜表面纳米结构层的厚度远小于基底的厚度，折射透镜(或超透镜)与相邻超透镜的间距可以是折射透镜(或超透镜)表面到相邻的超透镜基底表面的距离。第一透镜1被配置为光阑一方面有利于减小超透镜的口径，从而减小设计该超透镜所需的等效折射率范围；另一方面，第一透镜1被配置为光阑还有利于压缩该超透镜和整个光学系统的口径。压缩超透镜的口径还有利于简化超透镜的生产工艺。例如可选择地，第一透镜1和第二透镜2的口径被压缩后可以采用单次曝光完成加工，而不涉及复杂的拼版工艺。

参见图1、图2和图3，入射辐射从第一透镜1射入，依次经过第二透镜2和第三透镜3的调制，最终在像面上成像。根据本申请的实施方式，第一透镜1、第二透镜2和第三透镜3的口径和焦距分别为D₁、D₂、D₃以及f₁、f₂、f₃；第一透镜1和第二透镜2的间距为t₁₂，第二透镜2和第三透镜3的间距为t₂₃。该光学系统的焦距为f，后截距为BFL(Back Focal Length)。

可选地，本申请实施例提供的超透镜的等效折射率的范围小于2。超透镜的等效折射率范围指的是最大等效折射率减去最小等效折射率。如此，可以避免超透镜的折射率过大，造成像差加剧，降低成像质量。

根据本申请的实施方式，第一透镜1和第二透镜2的焦距正负不做特殊要求。在一种又可选的实施方式中，本申请实施例提供的光学系统还满足：

公式(3)和(4)中，f为该光学系统的焦距；f₁为第一透镜1的焦距；f₃为第三透镜3的焦距。

根据本申请的实施方式，第三透镜3为折射透镜，该折射透镜朝向物方的面的曲率半径大于朝向像方的面的曲率半径。示例性地，第三透镜3为平凸透镜，该平凸透镜的平面朝向像方，曲面朝向物方。再例如，第三透镜3可以是双凸透镜，也可以是凹凸透镜，只要第三透镜3朝向物方的面的曲率半径小于朝向像方的面的曲率半径即可。

根据本申请的实施方式，第三透镜3的材料为工作波段高透过率的材料。优选地，第三透镜3对工作波段的消光系数小于10^-4。示例性地，第三透镜3的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅或氢化非晶硅中的一种或多种。

接下来，结合图4至图11对本申请实施例中采用的超透镜进行详细描述如下。

超透镜为超透镜的一种具体应用，超透镜通过周期性排列的亚波长尺寸纳米结构对入射光的相位、幅度和偏振进行调制。图4至图9所示，超透镜包括基底11和设置于基底11一侧的纳米结构层12；其中，纳米结构层12包括周期性排列的纳米结构121。图5和图6示出了本申请实施例提供的光学系统所采用的超透镜的纳米结构121的可选的透视图。

如图1所示，第一透镜1的纳米结构层设置于基底11朝向第二透镜2的一侧；第二透镜2的纳米结构层设置于基底11朝向第三透镜3的一侧。如图2所示，第一透镜1的纳米结构层设置于基底11朝向第二透镜2的一侧；第二透镜2的纳米结构层12设置于基底11朝向第一透镜1的一侧。不受任何理论的限制，第一透镜1和第二透镜2中任一个透镜的纳米结构层的朝向可以是基底11远离像方的一侧，也可以是基底11靠近像方的一侧。一般地，第一透镜1的纳米结构层12设置于该光学系统远离物方的一侧，以免在使用中纳米结构层12被磨损。

可选地，超透镜上各纳米结构之间可填充空气或在工作波段透明或半透明的其他材料，下文称为填充材料15。可选地，填充材料15对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。例如，填充材料15可选择地包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅或氢化非晶硅中的一种或多种。

根据本申请的实施方式，填充材料15的折射率与纳米结构121的折射率之间的差值的绝对值应大于或等于0.5。如图5所示，纳米结构121可以是偏振敏感结构，此类结构对入射光施加一个几何相位。例如，椭圆柱形、中空椭圆柱形、椭圆孔形、中空椭圆孔形、长方柱形、长方孔形、中空长方柱形和中空长方孔等结构。如图6所示，纳米结构121可以是偏振不敏感结构，此类结构对入射光施加一个传播相位。例如，圆柱形、中空圆柱形、圆孔形、中空圆孔形、正方柱形、正方孔形、中空正方柱形和中空正方孔等结构。

在一些可选的实施方式中，纳米结构层12包括周期性排列的超结构单元122，超结构单元122为可密堆积图形，每个超结构单元122的中心和/或顶点位置设置有纳米结构121。

如图7所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成扇形。如图8所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正六边形的阵列。此外，如图9所示，根据本申请的实施方式，超结构单元可以布置成正方形的阵列。本领域技术人员应认识到，纳米结构层12中包括的超结构单元122还可以包括其他形式的阵列布置，所有这些变型方案均涵盖于本申请的范围内。

可选地，超结构单元122的周期大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于2λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。可选地，纳米结构121的高度大于或等于0.3λ_c，并且小于或等于5λ_c；其中，λ_c为工作波段的中心波长；当工作波段为多波段时，λ_c为最短波长工作波段的中心波长。

根据本申请的实施方式，纳米结构121是全介质结构单元。纳米结构的材质为在该光学系统工作波段高透过率的材料。可选地，纳米结构121对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，纳米结构121的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。

在一种可选的实施方式中，基底11的材质与纳米结构121的材质相同。在又一种可选的实施方式中，基底11的材质与纳米结构121的材质不同。基底11的材质为工作波段高透过率的材料。可选地，基底11对工作波段的辐射的消光系数小于0.01。示例性地，基底11的材料可以是熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料中的一种或多种。

在又一种可选的实施方式中，如图10和图11所示，本申请实施例提供的超透镜还包括胶合层13，胶合层13被配置于基底11和纳米结构层12之间。一些情况下，通过胶合层13将纳米结构121与基底11胶合。例如，一些情况下，制备工艺的限制造成纳米结构121的材质与基底11的材质结合不够稳定，则可以通过胶合层13使纳米结构12与基底11的结合更加稳固。再例如，一些情况下，纳米结构12无法通过沉积工艺生长在基底11上，可以通过胶合层13在基底11上生长纳米结构12。下文中将具备胶合层13的超透镜称为胶合超透镜。

根据本申请的实施方式，胶合层13的厚度小于或等于超透镜工作波段的中心波长的20％，以增加入射辐射的透过率。若胶合层13的厚度大于工作波段中心波长的20％，则入射辐射在胶合层13内产生干涉相消，降低超透镜对工作波段的透过率。在一些可选的实施例中，如图11所示，胶合层13包括与基底11平行的平面结构。在一种可选的实施例中，如图11所示，胶合层13包括与纳米结构121对应的纳米胶柱131。例如，胶合层13全部为纳米胶柱131。再例如，胶合层13中至少部分为纳米胶柱131，纳米胶柱131与部分纳米结构121对应。示例性地，纳米胶柱131的数量、大小、形状都和纳米结构121相同。应理解，纳米胶柱131和纳米结构121的尺寸(高度、宽度、直径等)和形状可以相同，也可以不同。

在本申请一些可选的实施例中，上述超透镜还包括增透膜14。增透膜14被设置于基底11远离纳米结构层12胶合层13的一侧；和/或，增透膜14被设置于纳米结构层12与空气相邻的一侧。增透膜14用于增加入射辐射的透过率。

可选地，本申请实施例提供的超透镜的相位至少满足：

其中，r为超透镜的中心到纳米结构121的中心的距离；λ为所述超透镜的工作波长；

为任意常数相位；(x，y)为所述超透镜表面的坐标；f_i为单个所述超透镜的焦距，i为自然数(例如第一透镜1的焦距为f₁)。需要说明的是，超透镜的相位可以通过高次多项式表达，其中高次多项式包括偶次多项式和奇次多项式。

实施例1

本申请实施例提供了一种光学系统，该光学系统的原理和结构如图2所示，具体结构参数如表1所示。其中，第一透镜1和第二透镜2的基底材料为硫系玻璃IRG01，第三透镜3的材质为单晶锗。

表1

实施例1提供的光学系统的成像结果参见图12至图14。图12示出了该光学系统在0视场、0.5视场和1视场的调制传递函数。如图12所示，该光学系统在不同视场的调制传递函数均接近但不超过衍射极限。因此，该光学系统的成像质量优异。图13示出了不同波长的入射辐射在第一透镜1沿超透镜半径方向的相位关系图。图14示出了不同波长的入射辐射在第二透镜2沿超透镜半径方向的相位关系图。图13和图14中的入射辐射的中心波长分别为8μm、10μm和12μm。由图13和图14可知，该光学系统的成像质量优异。

实施例2

本申请实施例还提供了一种光学系统，该光学系统的原理和结构如图2所示，具体结构参数如表2所示。

表2

参数(单位)	数值
		波长(μm)	8-12
第一透镜口径D<sub>1</sub>(mm)	3.6
		第二透镜口径D<sub>2</sub>(mm)	6.0
第三透镜口径D<sub>3</sub>(mm)	7
		第一透镜焦距f<sub>1</sub>(mm)	65
第二透镜焦距f<sub>2</sub>(mm)	550
		第三透镜焦距f<sub>3</sub>(mm)	4
间距t<sub>12</sub>(mm)	3.45
		间距t<sub>23</sub>(mm)	0.5
第三透镜曲率半径R<sub>1</sub>(mm)	12
		第三透镜曲率半径R<sub>2</sub>(mm)	-699
系统焦距f(mm)	3.8
		系统后截距BFL(mm)	3
半视场角(°)	20
		像高(mm)	2.8
f<sub>3</sub>/f	1.053
		min{t<sub>12</sub>,t<sub>23</sub>}	0.5
\|f<sub>1</sub>\|/f	17.1
		\|f<sub>2</sub>\|/f	180

实施例2提供的光学系统的成像结果参见图15至图17。图15示出了该光学系统在0视场、0.5视场和1视场的调制传递函数。如图15所示，该光学系统在不同视场的调制传递函数均接近但不超过衍射极限。因此，该光学系统的成像质量优异。图16示出了不同波长的入射辐射在第一透镜1沿超透镜半径方向的相位关系图。图17示出了不同波长的入射辐射在第二透镜2沿超透镜半径方向的相位关系图。图16和图17中的入射辐射的中心波长分别为8μm、10μm和12μm。由图16和图17可知，该光学系统的成像质量优异。

实施例3

本申请实施例还提供了一种光学系统，该光学系统的原理和结构如图3所示，具体结构参数如表3所示。

表3

参数(单位)	数值
		波长(μm)	8-12
第一透镜口径D<sub>1</sub>(mm)	12.5
		第二透镜口径D<sub>2</sub>(mm)	15.9
第三透镜口径D<sub>3</sub>(mm)	16.6
		第一透镜焦距f<sub>1</sub>(mm)	230
第二透镜焦距f<sub>2</sub>(mm)	370
		第三透镜焦距f<sub>3</sub>(mm)	15.5
间距t<sub>12</sub>(mm)	18
		间距t<sub>23</sub>(mm)	2.6
第三透镜曲率半径R<sub>1</sub>(mm)	35
		第三透镜曲率半径R<sub>2</sub>(mm)	150
系统焦距f(mm)	15
		系统后截距BFL(mm)	13.1
半视场角(°)	5.85
		像高(mm)	1.54
f<sub>3</sub>/f	1.033
		min{t<sub>12</sub>,t<sub>23</sub>}	2.6
\|f<sub>1</sub>\|/f	15.3
		\|f<sub>2</sub>\|/f	24.7

实施例3提供的光学系统的成像结果参见图18至图20。图20示出了该光学系统在0视场、0.5视场和1视场的调制传递函数。由图18可知，该光学系统在不同视场的调制传递函数接近但不超过衍射极限。因此，该光学系统的成像质量优异。图19示出了不同波长的入射辐射在第一透镜1沿超透镜半径方向的相位关系图。图20示出了不同波长的入射辐射在第二透镜2沿超透镜半径的相位关系图。图19和图20中的入射辐射的中心波长分别为8μm、10μm和12μm。由图19和图20可知，该光学系统的成像质量优异。需要注意的是，本申请实施例提供的超透镜可以通过半导体工艺加工，具有重量轻、厚度薄、结构及工艺简单、成本低以及量产一致性高等优点。

应理解，本申请实施例提供的超透镜的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。

第二方面，本申请实施例还提供了一种超透镜的制备方法，用于加工上述任意实施例所提供的胶合超透镜。如图21所示，该制备方法至少包括如下步骤S1至步骤S5。

步骤S1，在基底11上涂覆胶合层13。基底11可以是平面，也可以是曲面。例如，基底11可以是自由曲面。

步骤S2，通过胶合层13将纳米结构层的材料晶圆120与基底11胶合。可选地，材料晶圆120和基底11的胶合可以为永久胶合，也可以为临时键合。

步骤S3，将上述材料晶圆120减薄至参考高度。可选地，本申请实施例中材料晶圆120的减薄方式包括打磨和抛光。上述参考高度是指满足胶合超透镜的目标光学性能设计的高度。

步骤S4，在减薄后的材料晶圆上涂覆光刻胶，在光刻胶上曝光出参考结构，形成光刻胶层16。

步骤S5，基于参考结构在减薄后的材料晶圆120’上刻蚀出纳米结构121。其中，上述刻蚀的截止层为胶合层13或基底11。可选地，完成刻蚀后去除光刻胶。

本申请实施例提供的超透镜制备方法，通过胶合层将纳米结构的材料晶圆和基底胶合后对材料晶圆减薄，克服了纳米结构材质和基底材质对超透镜的限制，改进了超透镜的制备工艺。该方法可以突破传统超透镜制备中对材料的限制，通过胶合实现更多种材料的组合，从而突破纳米结构材质和基底材质对超透镜成像效果的限制。

根据本申请的实施方式，如图22所示，该方法还包括步骤S6，在纳米结构121之间沉积填充材料15，并使填充材料15与纳米结构层12的表面重合。可选地，填充材料15的沉积方式包括但不限于原子层沉积(ALD，Atomic Layer Deposition)和化学气相沉积(CVD，Chemical Vaper Deposition)等方法。

在本申请一些可选的实施例中，如图23所示，该方法还包括：

步骤S7，在基底11远离胶合层13的一侧涂覆增透膜14；和/或，步骤S8，在纳米结构层12与空气相邻的一侧涂覆增透膜14。也就是说，基底11的两侧均可设置增透膜14。可选地，涂覆增透膜14的方法包括但不限于蒸镀。

实施例4

本申请实施例提供了一种示例性的胶合超透镜，采用上述步骤S1至步骤S5制备而成。该胶合超透镜中基底11的材质为硫系玻璃，胶合层13的材质为键合胶，纳米结构121的材料为晶体硅。胶合层13的厚度为1μm。图24示出了该胶合超透镜的相位图。图25示出了该胶合超透镜的透过率图。

第三方面，本申请实施例还提供了一种成像装置，该成像装置包括上述任一实施例提供的光学系统和感光元件。其中，感光元件被设置于前述光学系统的像面上。

第四方面，本申请实施例还提供了一种电子设备，该电子设备包括上述实施例提供的成像装置。

综上所述，本申请实施例提供的光学系统中第一透镜和第二透镜为超透镜，第三透镜为折射透镜。通过配置第三透镜与整个光学系统的焦距比以及设置各镜组间的距离实现了光学系统总长的压缩，促进了光学系统的小型化。并且，该光学系统引入超透镜，促进了光学系统的轻量化。该光学系统节约了电子设备中的安装空间。

本申请实施例提供的超透镜制备方法，通过胶合层将纳米结构的材料晶圆和基底胶合后对材料晶圆减薄，克服了纳米结构材质和基底材质对超透镜的限制，改进了超透镜的制备工艺。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：

由物方到像方同光轴依次排列的第一透镜(1)、第二透镜(2)和第三透镜(3)；

其中，所述第一透镜(1)和所述第二透镜(2)被配置为超透镜；所述第一透镜(1)，被配置为所述光学系统的光阑；

所述第三透镜(3)，被配置为折射透镜，所述折射透镜焦距为正；

其中，所述光学系统至少满足：

min{t₁₂,t₂₃}≥0.05mm；

其中，f为所述光学系统的焦距；f₂为所述第二透镜(2)的焦距；t₁₂为所述第一透镜(1)与所述第二透镜(2)的间距；t₂₃为所述第二透镜(2)与所述第三透镜(3)的间距；min{t₁₂,t₂₃}为t₁₂和t₂₃中的最小值。

2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还满足：

其中，f为所述光学系统的焦距；f₁为所述第一透镜(1)的焦距；f₃为所述第三透镜(3)的焦距。

3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜(3)朝向物方的面的曲率半径大于朝向像方的面的曲率半径。

4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜(3)的表面为球面或非球面。

5.如权利要求1-4中任一所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜(3)的材料对工作波段的消光系数小于10^-4。

6.如权利要求1-4中任一所述的光学系统，其特征在于，所述第三透镜(3)的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅或氢化非晶硅。

7.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜包括基底(11)和设置于所述基底(11)一侧的纳米结构层(12)；

其中，所述纳米结构层(12)包括周期性排列的纳米结构(121)。

8.如权利要求7所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜还包括胶合层(13)；

所述胶合层(13)，被设置于所述基底(11)和所述纳米结构层(12)之间。

9.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的相位至少满足：

其中，r为所述超透镜的中心到所述纳米结构(121)的中心的距离；λ为所述超透镜的工作波长；

10.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的等效折射率的范围小于2；

11.如权利要求7或8所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的基底(11)与纳米结构(121)材质相同。

12.如权利要求7或8所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜的基底(11)与纳米结构(121)材质不同。

13.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述纳米结构的折射率大于所述基底(11)和所述胶合层(13)的折射率。

14.如权利要求8所述的光学系统，其特征在于，所述胶合层(13)的厚度小于或等于工作波段的中心波长的20％。

15.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述胶合层(13)包括与基底(11)平行的平面结构。

16.如权利要求14所述的光学系统，其特征在于，所述胶合层(13)包括与纳米结构(121)对应的纳米胶柱(131)。

17.如权利要求7或8所述的光学系统，其特征在于，所述超透镜还包括增透膜(14)；

所述增透膜(14)被设置于所述基底(11)远离所述纳米结构层(12)或胶合层(13)的一侧；和/或，

所述增透膜(14)被设置于所述纳米结构层(12)与空气相邻的一侧。

18.一种超透镜的制备方法，其特征在于，适用于权利要求1-17任一所述的超透镜，所述方法包括：

步骤S1，在基底(11)上涂覆胶合层(13)；

步骤S2，通过所述胶合层(13)将纳米结构层的材料晶圆(120)与所述基底(11)胶合；

步骤S3，将所述材料晶圆(120)减薄至参考厚度；

步骤S5，基于所述参考结构在所述减薄后的材料晶圆上刻蚀出纳米结构(121)；其中，所述刻蚀的截止层为所述胶合层(13)或所述基底(11)。

19.如权利要求18所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S6，在所述纳米结构(121)之间沉积填充材料(15)，并使所述填充材料(15)与纳米结构层(12)的表面重合。

20.如权利要求19所述的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：

步骤S7，在所述基底(11)远离所述胶合层(13)的一侧涂覆增透膜(14)；和/或，

步骤S8，在所述纳米结构层(12)与空气相邻的一侧涂覆所述增透膜(14)。

21.一种成像装置，其特征在于，所述成像装置包括如权利要求1-17任一所述的光学系统和感光元件；

其中，所述感光元件被设置于所述光学系统的像面上。

22.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括如权利要求21所述的成像装置。