CN115997142A - 成像光学系统、成像设备和电子设备 - Google Patents

成像光学系统、成像设备和电子设备 Download PDF

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CN115997142A CN202080103815.6A CN202080103815A CN115997142A CN 115997142 A CN115997142 A CN 115997142A CN 202080103815 A CN202080103815 A CN 202080103815A CN 115997142 A CN115997142 A CN 115997142A
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imaging optical
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泉亮太郎
安泽卓也
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Abstract

本发明公开了一种可以在保持高分辨率的同时减少镜头光学总长的成像光学系统、成像设备和电子设备。所述成像光学系统包括具有纳米结构的至少一个超透镜(104)和不具有所述纳米结构的三个或更多个透镜。所述成像光学系统包括具有纳米结构的至少一个超透镜和不具有所述纳米结构的至少一个透镜，其中，所述成像光学系统满足0.5<TTL/f<10，入射光的波长满足以下条件：300nm<波长<700nm。

Description

成像光学系统、成像设备和电子设备
技术领域
本发明涉及成像光学系统、成像设备和移动电话或智能手机等移动终端的电子设备、个人数字助理(Personal Digital Assistance，PDA)，尤其涉及使用相对较小和较薄的电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器等成像元件的成像光学系统、成像设备和电子设备。
背景技术
近年来，手机、智能手机和PDA等电子设备的尺寸和厚度都缩小了。由于这种情况，非常需要缩短安装在电子设备上的成像光学系统的镜头光学总长(total track length，TTL)。
对于缩小尺寸的电子设备，需要大的F数来扩大对焦范围。如果F数增大，通过光阑的光量将减少。另一方面，由于最近为了设置高变焦功能，透镜的数量一直在增加，通过许多透镜的光量损失也在增加。然而，当F数增大时，通过光阑的光量进一步减少，图像质量变差。
为了在开发小型光学元件时拥有更好的图像质量，超表面已被开发为领先的平台之一。例如，超表面可以作为具有亚波长间隔的移相器发挥作用，在控制光特性方面的效果非常好。然而，目前还没有对超表面的实际应用进行具体的研究。
发明内容
本发明旨在提供一种可以在保持图像质量的同时减少镜头光学总长的成像光学系统、成像设备和电子设备。
根据第一方面，提供了一种包括多个光学元件的成像光学系统，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
三个或更多个透镜，不具有所述纳米结构。
根据该方面，具有纳米结构的超透镜插入三个或更多个没有纳米结构的透镜中。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以在可见光中消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.5<TTL/f<10.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
根据该实现方式，通过设置上述条件的范围，可以在缩短总长度的同时确保更好的光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0。
根据该实现方式，通过设置上述条件的范围，可以在缩短总长度的同时进一步确保更好的光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
根据该实现方式，通过设置上述条件的范围，可以在缩短总长度的同时进一步确保更好的光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
上述条件是关于超透镜的焦距与布置在超透镜的像侧上的光学系统的焦距的比率的表达式。根据该实现方式，通过满足该条件，可以确保高光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20。
根据该实现方式，通过设置上述条件的范围，可以在缩短总长度的同时进一步确保更好的光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
根据该实现方式，通过将超透镜布置在光阑附近的光线高度高的部分中，可以适当地校正轴向色象差。此外，还可以确保高光学性能。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.0，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
上述条件是布置在超透镜的像侧上的光学系统的焦距与布置在超透镜的像侧上的光学系统的距离的比率。根据该实现方式，可以缩短布置在超透镜的像侧上的光学系统的总长度。因此，可以缩短整个光学系统的长度。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
上述条件是超透镜上形成的结构对d线的折射率。根据该实现方式，通过满足该条件，可以更容易地制造超透镜。此外，还可以确保大规模生产。此外，由于纳米结构的高度可以减小，因此总长度可以缩短。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
根据该实现方式，通过满足该条件，可以更容易地制造超透镜。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
上述条件是关于构成超透镜的纳米柱结构的条件表达式。根据该实现方式，通过满足条件表达式，可以容易地制造纳米柱。此外，还可以确保大规模生产。此外，由于纳米结构的高度可以减小，因此总长度可以缩短。
根据第二方面，提供了一种包括多个光学元件的成像光学系统，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个透镜，不具有所述纳米结构，
其中，所述成像光学系统满足以下条件：
0.5<TTL/f<10，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，
入射光的波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
根据该方面，具有纳米结构的超透镜被插入常规光学系统中。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以在可见光中消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.0，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第二方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
根据第三方面，提供了一种用于波长满足以下条件的光的成像光学系统：
300nm<波长<700nm，
所述成像光学系统包括至少一个光学元件，其中，所述至少一个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
根据该方面，成像光学系统包括至少一种超透镜，所述超透镜具有形成在至少一侧上的纳米结构。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以在可见光中消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统包括四个或更多个超透镜，每个超透镜具有形成在至少一侧上的纳米结构。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下
条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第三方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0，
0.6<F数<1.6，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数，
入射光的波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数，并且所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近，并且所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.5，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
关于第一方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
根据第四方面，提供了一种包括多个光学元件的成像光学系统，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个透镜，不具有所述纳米结构，
其中，所述超透镜满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0，
0.6<F数<1.6，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数，所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
根据该方面，具有纳米结构的超透镜被插入常规光学系统中。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以在NIR中消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fmeta|<2.5，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
关于第四方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
根据第五方面，提供了一种用于波长满足以下条件的光的成像光学系统：
700nm<波长<1700nm，
所述成像光学系统包括至少一个光学元件，其中，所述至少一个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
根据该方面，成像光学系统包括至少一种超透镜，所述超透镜具有形成在至少一侧上的纳米结构。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以在NIR中消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统包括四个或更多个超透镜，每个超透镜具有形成在至少一侧上的纳米结构。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
关于第五方面的一种可能的实现方式，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
根据第六方面，提供了一种成像设备，所述成像设备包括：
光学器件，包括上述成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过所述光学器件透射的光生成数据。
根据第七方面，提供了一种包括成像设备的电子设备，所述成像设备包括：
光学器件，包括上述成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过所述光学器件透射的光生成数据。
附图说明
为了更清楚地描述实施例的技术方案，以下对实施例所需的附图进行简要说明。显然，以下描述中的附图仅示出了一些实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可以从这些附图中获得其它附图。
图1为一个实施例提供的光学系统的构造的图。
图2为一个实施例提供的一个纳米柱的透视图。
图3为描述制造超透镜的方法的图。
图4a为示例1提供的e线的规格表。
图4b为示例1提供的有效焦距表。
图4c为示例1提供的表面信息表。
图4d为示例1提供的非球面系数表。
图4e为示例1提供的成像光学系统的构造的图。
图4f为示例1提供的色象差的图。
图4g为示例1提供的超表面信息表。
图4h为示例1提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图4i为示例1提供的目标相位和距离超透镜的中心的距离之间的关系。
图4j为示例1提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。
图4k为示例1提供的模拟通过纳米柱透射的光的相位的结果。
图4l为示例1提供的模拟通过纳米柱透射的光透射的结果。
图4m是示例1提供的模拟距离纳米柱中心的距离与纳米柱半径之间关系的结果。
图4n为示例1提供的模拟通过超透镜透射的光的相位的结果。
图5a为示例2提供的e线的规格表。
图5b为示例2提供的有效焦距表。
图5c为示例2提供的表面信息表。
图5d为示例2提供的非球面系数表。
图5e为示例2提供的成像光学系统的构造的图。
图5f为示例2提供的色象差的图。
图5g为示例2提供的超表面信息表。
图5h为示例2提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图5i为示例2提供的目标相位和距离超透镜的中心的距离之间的关系。
图5j为示例2提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。图5k为示例2提供的模拟通过超透镜透射的光的相位的结果。
图5l为示例2提供的模拟通过超透镜透射的光透射的结果。
图5m是示例2提供的模拟距离超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图5n为示例2提供的模拟通过超透镜透射的光的相位的结果。
图6a为示例3提供的e线的规格表。
图6b为示例3提供的有效焦距表。
图6c为示例3提供的表面信息表。
图6d为示例3提供的非球面系数表。
图6e为示例3提供的成像光学系统的构造的图。
图6f为示例3提供的色象差的图。
图6g为示例3提供的超表面信息表。
图6h为示例3提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图6i为示例3提供的目标相位和距离超透镜的中心的距离之间的关系。
图6j为示例3提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。图6k为示例3提供的模拟通过超透镜透射的光的相位的结果。
图6l为示例3提供的模拟通过超透镜透射的光透射的结果。
图6m是示例3提供的模拟距离超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图6n为示例3提供的模拟通过超透镜透射的光的相位的结果。
图7a为示例4提供的e线的规格表。
图7b为示例4提供的有效焦距表。
图7c为示例4提供的表面信息表。
图7d为示例4提供的非球面系数表。
图7e为示例4提供的成像光学系统的构造的图。
图7f为示例4提供的色象差的图。
图7g为示例4提供的超表面信息表。
图7h为示例4提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图7i为示例4提供的目标相位和距离超透镜的中心的距离之间的关系。
图7j为示例4提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。
图7k是示例4提供的模拟距离超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8a为示例5提供的e线的规格表。
图8b为示例5提供的有效焦距表。
图8c为示例5提供的表面信息表。
图8d为示例5提供的成像光学系统的构造的图。
图8e为示例5提供的色象差的图。
图8f为示例5提供的超表面信息表。
图8g为示例5提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8h示出了示例5提供的通过第一超透镜透射的光的目标相位和距离第一超透镜的中心的距离之间的关系。
图8i为示例5提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。
图8j为示例5提供的模拟距离第一超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8k为示例5提供的第二超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8l示出了示例5提供的通过第二超透镜透射的光的目标相位与距离第二超透镜的中心的距离之间的关系。
图8m为示例5提供的模拟距离第二超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8n为示例5提供的第三超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8o示出了示例5提供的通过第三超透镜透射的光的目标相位与距离第三超透镜的中心的距离之间的关系。
图8p为示例5提供的模拟距离第三超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8q为示例5提供的第四超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8r示出了示例5示出的通过第四超透镜透射的光的目标相位与距离第四超透镜的中心的距离之间的关系。
图8s为示例5提供的模拟距离第四超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8t为示例5提供的第五超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8u示出了示例5提供的通过第五超透镜透射的光的目标相位与距离第五超透镜的中的距离之间的关系。
图8v为示例5提供的模拟距离第五超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图8w为第六超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图8x示出了示例5提供的通过第六超透镜透射的光的目标相位与第六超透镜的中心的距离之间的关系。
图8y是示例5提供的模拟距离超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图9a为示例6提供的e线的规格表。
图9b为示例6提供的有效焦距表。
图9c为示例6提供的表面信息表。
图9d为示例6提供的成像光学系统的构造的图。
图9e为示例6提供的色象差的图。
图9f为示例6提供的超表面信息表。
图9g为示例6提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图9h示出了示例6提供的通过第一超透镜透射的光的目标相位与距离第一超透镜的中心的距离之间的关系。
图9i为示例6提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。
图9j为示例6提供的模拟通过纳米柱透射的光的相位的结果。
图9k为示例6提供的模拟通过纳米柱透射的光透射的结果。
图9l为示例6提供的模拟距离第一超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图9m示出了示例6提供的通过第二超透镜透射的光的目标相位与距离第二超透镜的中心的距离之间的关系。
图9n为示例6提供的模拟距离第二超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图10a为示例7提供的e线的规格表。
图10b为示例7提供的有效焦距表。
图10c为示例7提供的表面信息表。
图10d为示例7提供的非球面系数表。
图10e为示例7提供的成像光学系统的构造的图。
图10f为示例7提供的色象差的图。
图10g为示例7提供的超表面信息表。
图10h为示例7提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。
图10i示出了示例7提供的通过第一超透镜透射的光的目标相位与距离第一超透镜的中心的距离之间的关系。
图10j为示例7提供的上表面的半径与一个纳米柱中的相位之间的关系的图。
图10k为示例7提供的模拟距离第一超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
图10l示出了示例7提供的通过第二超透镜透射的光的目标相位与距离第二超透镜的中心的距离之间的关系。
图10m为示例7提供的模拟距离第二超透镜中心的距离与超透镜半径之间关系的结果。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例应属于本发明的保护范围。
最近，智能手机镜头采用了更多的镜头来支持预期的要求，如更好的分辨率、更大的像素尺寸等。因此，TTL的必然性比以前越来越大，很难缩小尺寸。
在本实施例中，响应于对较短TTL的这种要求，考虑超表面的使用。超表面是一种人造表面，它具有自然界中没有的光学特性。在下文中，用作透镜的超表面被称为超透镜。超透镜是由各种形状的纳米结构亚波长阵列制成的，可以形成平面透镜。具体地，超透镜是一种具有纳米结构的人造复合材料。例如，超透镜可以具有负折射率。超透镜可以被制成非常薄，因为它是纳米结构，纳米结构的高度通常是亚波长水平。此外，超透镜可以改变波前相位，因此它可以用于光学系统，以降低透镜系统的TTL。
此外，通过使用超表面的一层或多层来减少色象差也是可以的。如果光包括各种颜色(波长)，则通过透镜的光对于每个波长具有不同的折射率。因此，具有不同指数的光到达不同的点，并在图像上显示为色象差，而不是集中在一个点上。当光学系统的镜头光学总长缩短时，使用常规透镜(如塑料透镜)很难调整色象差。另一方面，超表面可以用于通过在其上设计纳米结构来调节色象差。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以消除所述色象差。因此，通过结合常规透镜和超透镜，可以消除色象差。
图1为本发明实施例提供的光学系统的示例性构造的图。光学系统1用于移动手机、智能手机等移动终端以及PDA等其它电子设备的相机功能。光学系统1包括多个光学元件。光学元件可以从物侧(O)依次包括具有正屈光度的第一透镜102、由超透镜组成的第二透镜104、具有负屈光度的第三透镜108和具有正屈光度的第四透镜110。在图1中，第一透镜102和第四透镜110是凸透镜，第三透镜108是凹透镜。第一透镜102、第三透镜108和第四透镜110中的每一个可以由多个透镜组成。对于第一透镜102，第三透镜108和第四透镜110可以由玻璃和塑料等材料组成。
接下来，将描述第二透镜104的构造。第二透镜104的功能类似于衍射光学元件(Diffractive Optical Elemen，DOE)，可以通过利用光的衍射现象将光改变成各种图案和形状。
第二透镜104形成为平板形状，并包括物侧面上的超表面106。
超表面106具有纳米结构。纳米结构可以通过在第二透镜104的表面上形成精细的不规则形状，以给相邻区域提供预定的光路差(光学相移)。在一个实施例中，超表面106的纳米结构可以由纳米柱组成。
超表面的衍射效率取决于入射角。如果光束相对于衍射表面的入射角大，则衍射效率显著降低。因此，希望尽可能地将超透镜布置在物侧。在图1所示的示例中，包括超表面106的第二透镜104位于多个透镜中物侧的第二位置处。但是，它可以位于物侧的第一位置。
此外，虽然纳米结构形成在图1中的第二透镜104的一个表面上，但纳米结构可以形成在第二透镜104的两个表面上。此外，纳米结构可以形成在第一透镜102的物侧(O)或像侧(I)上的一个表面上，或者形成在第一透镜102的两个表面上。此外，虽然图1示出了仅包括一种超透镜的光学系统，但如果需要，超透镜的数量可以增加。在一些实施例中，可以配置其中所有透镜都是超透镜的光学系统。图2为本实施例提供的纳米柱的透视图。在图2中，纳米柱202形成在衬底204上。衬底204对应于第二透镜104，第二透镜104可以由SiO2构成。此外，Al2O3和其它材料也是可能的。在一些实施例中，纳米柱202可以由选自Si、TiO2、GaN和Ln材料的材料组成，其中Ln代表稀土元素，并且选自Er、Gd、Nd、Ho、Tm、Yb。纳米柱202可以由任何其它合适的材料制成。在一些实施例中，其它合适的介电材料包括那些在可见光谱上具有至少约40％的透光率的介电材料。例如，其它合适的介电材料可以选自氧化物(例如铝的氧化物(例如AI2O3))、氮化物(例如硅的氮化物(例如Si3N4))、硫化物和纯元素。
在图2中，纳米柱202具有柱状结构。但是，它可以具有椭圆形柱、三角形棱镜、方柱等形状。纳米柱202的直径可以设计为10至1000nm。此外，纳米柱202的高度可以设计为100至2000nm。
第二透镜104可以由SiO2制成。在一个实施例中，超表面106包括SiN。
如上所述，超透镜包括设置在衬底上的多个纳米结构。纳米结构引起光学相移，该相移取决于衬底上单个纳米柱的位置。纳米结构的光学相移定义了超透镜的相分布。光学相移可以通过例如改变纳米柱的直径、纳米柱的高度、纳米结构的周期等来改变。
图4h为一个实施例提供的超透镜的(a)平面图、(b)侧视图和(c)透视图。在一个实施例中，构成超表面的纳米结构可以周期性地形成在第二透镜104上。优选地，纳米结构可以同心地形成，如图4h所示。
接下来，将参考图3描述制造超透镜的方法。
超表面可以以与半导体制造相同的方式制造。超透镜可以通过以下步骤来制造：步骤(a)，制备作为第二透镜104的材料的衬底201；步骤(b)，在衬底201的表面上施加抗蚀剂202；步骤(c)，图案化抗蚀剂202。它还包括：步骤(d)，沉积纳米柱204；步骤(e)，去除抗蚀剂202。
在图案化步骤(c)中，可以去除抗蚀剂202的一部分以暴露衬底201的表面的一部分，以限定抗蚀剂202的开口。然后，在沉积纳米柱204的步骤(d)中，例如通过原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)在抗蚀剂202和开口内的衬底表面的暴露部分上形成保形涂层。
在一个实施例中，包含纳米结构的超表面可以通过保形涂层形成。这里，在沉积纳米柱204的步骤(d)之后，该方法还可以包括通过去除保形涂层的顶部，例如通过蚀刻保形涂层来暴露抗蚀剂的步骤(d')。
在去除抗蚀剂202的步骤(e)中，通过使用已知的光刻或蚀刻技术来去除抗蚀剂202，例如，光刻、电子束光刻(Electron Beam Lithography，EBL)、使用已知深紫外(DeepUltra-Violet，DUV)(λ＝200至300nm)的DUV光刻、纳米压印或蚀刻抗蚀剂202以暴露衬底201。在上述光刻的情况下，抗蚀剂202的图案化是在抗蚀剂202上进行的。在这里，纳米压印和DUV光刻更适合大规模生产。此外，EBL适用于实验室测试。
接下来，将描述纳米柱和超透镜的特性。
(1)有必要缩短安装在智能手机上的镜头的总长度。此外，仅通过具有塑料透镜或玻璃透镜的常规光学系统很难缩短总长度。即使总长度可以缩短，色差也会变大，性能下降。
在一个实施例中，成像光学系统包括多个光学元件，其中所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
三个或三个以上不具有纳米结构的透镜。
根据本实施例，具有纳米结构的超透镜插入三个或三个以上不具有纳米结构的透镜中。因此，通过在相反方向上产生超透镜的色象差，可以消除通过缩短光学系统部分的总长度产生的色象差。由于可以校正色象差，因此可以确保高光学性能并缩短总长度。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.5<TTL/f<10.0(1-1)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0(1-2)。
更优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0(1-3)。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50(2-1)，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件(最终透镜)的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，焦距为–0.5/C1，
C1为超透镜的相函数的二次系数，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20(2-2)。
在一个实施例中，超透镜布置在成像光学系统的光阑附近，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.4 < |TTLconv/fconv| < 2.0 (3)，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(4-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(4-2)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
在一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
2.0 < h/t < 25.0 (5)，
其中，h是纳米柱的高度，
T是纳米柱的直径，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
(2)在另一个实施例中，成像光学系统包括多个光学元件，其中多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个不具有纳米结构的透镜，
其中，成像光学系统满足以下条件：
0.5<TTL/f<10(6-1)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，
入射光波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0(6-2)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距。
更优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0(6-3)。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50(7-1)，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，焦距为–0.5/C1，
C1是超透镜的相函数的二次系数。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20(7-2)。
在一个实施例中，超透镜布置在成像光学系统的光阑附近。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.4 < |TTLconv/fconv| < 2.0 (8)，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(9-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(9-2)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
在一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
2.0 < h/t < 25.0 (10)，
其中，h是纳米柱的高度，
t是纳米柱的直径。
(3)在又一个实施例中，成像光学系统用于波长满足以下条件的光：
300nm<波长<700nm。
成像光学系统包括至少一个光学元件，其中至少一个光学元件仅包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
在一个实施例中，成像光学系统仅由四个或四个以上超透镜构成，每个超透镜具有在至少一侧上形成的纳米结构。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0(11-1)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0(11-2)。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(12-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(12-2)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
在一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
2.0 < h/t < 25.0 (13)，
其中，h是纳米柱的高度，
t是纳米柱的直径。
在一个实施例中，成像光学系统满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0                                            (14-1)，
0.6<F数<1.6                                               (15-1)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是成像光学系统的F数，
入射光波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
优选地，成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0                                           (14-2)，
0.8<F数<1.4                                             (15-2)。
更优选地，成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0                                              (14-3)，
0.9≤F数<1.2                                               (15-3)。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50(16-1)，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，焦距为–0.5/C1，
C1为超透镜的相函数的二次系数，波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35(16-2)。
在一个实施例中，超透镜布置在成像光学系统的光阑附近，并且波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.4 < |TTLconv/fconv| < 2.5 (17)，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(18-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(18-2)。
在一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
1.0 < h/t < 25.0 (19)，
其中，h是纳米柱的高度，
t是纳米柱的直径。
(4)根据又一个实施例中，成像光学系统包括多个光学元件，其中多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个不具有纳米结构的透镜，
其中，超透镜满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0                                             (20-1)，
0.6<F数<1.6                                                 (21-1)，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是成像光学系统的F数，波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
优选地，成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0                                              (20-2)，
0.8<F数<1.4                                                (21-2)。
更优选地，成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0                                              (20-3)，
0.9≤F数<1.2                                               (21-3)。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50(22-1)，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，焦距为–0.5/C1，
C1是超透镜的相函数的二次系数。
优选地，成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35(22-2)。
在一个实施例中，超透镜布置在成像光学系统的光阑附近。
在一个实施例中，成像光学系统还满足以下条件：
0.4 < |TTLconv/fmeta| < 2.5 (23)，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(24-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(24-2)。
在一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
1.0 < h/t < 25.0 (25)，
其中，h是纳米柱的高度，
t是纳米柱的直径。
(5)在又一个实施例中，成像光学系统用于波长满足以下条件的光：
700nm<波长<1700nm。
成像光学系统包括至少一个光学元件，其中至少一个光学元件仅包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
在一个实施例中，成像光学系统仅由四个或四个以上超透镜构成，每个超透镜具有在至少一侧上形成的纳米结构。
在一个实施例中，成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0                                                (26-1)，
0.8 < F数 < 1.4                                              (27-1)
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是成像光学系统的F数。
优选地，成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0                                                (26-2)，
0.9≤F数<1.2                                                 (27-2)。
在一个实施例中，超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0(28-1)，
其中，ndmeta是纳米结构对d线的折射率。
更优选地，超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8(28-2)。
在再一个实施例中，纳米结构由纳米柱组成，纳米柱满足以下条件：
1.0 < h/t < 25.0 (29)，
其中，h是纳米柱的高度，
t是纳米柱的直径。
(6)在另一个实施例中，一种成像设备包括：
光学器件，包括上述成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过光学器件透射的光生成数据。
(7)在又一实施例中，电子设备包括成像设备。成像设备包括：
光学器件，包括上述成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过光学器件透射的光生成数据。
在一个实施例中，这种电子设备可以用于光学应用，例如相机模块、增强现实(Augmented Reality，AR)设备、虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备、全息图设备或光场相机。
根据上述实施例，可以调整缩小尺寸的成像光学系统中的成像光学系统中的F数。因此，可以控制对象周围的模糊程度。
关于入射光的波长λ满足λ＝700至1700nm的实施例，可以将它们与TOF传感器一起使用。TOF传感器发射近红外(near infrared，NIR)光，并通过光学元件接收从物体反射的光。然后，发射光和接收光之间的相位差被数字化并输出到TOF控制器。TOF控制器从相位差数据计算每个像素的距离。通过这种方式，可以捕获3D图像。根据上述实施例，电子设备可以减少镜头光学总长，同时保持3D图像的质量。
接下来，将描述包括上述超透镜的成像光学系统的示例。在以下实施例中，每个纳米结构形成在每个超透镜的一侧上。此外，滤光片，如IR截止滤波器或低通滤波器位于最右侧。
[示例1]
在示例1中，成像光学系统包括从物侧放置在第一透镜上的超透镜和七个不具有纳米结构的透镜。材料由SiN制成。然而，SiN仅用作一个示例，可以使用其它材料。
图4a为e线的规格表(波长为546.1nm的光)。图4b为有效焦距(effective focaldistance，EFL)表。图4c为表面信息表。图4d为非球面系数表。图4e为成像光学系统的构造的图。图4f为色象差的图。
超表面的相函数Φ表示如下：
Figure BDA0004109547020000191
其中，HCO Cj是相函数的系数，r是超表面的半径。图4g是超表面的系数表。
表1示出了用于超表面的纳米柱(以下简称“超纳米柱”)的规格。
表1
半径 50nm至140nm
间隔 500nm
高度 600nm
超纳米柱的材料是折射率为1.9178的SiN。
图4h为示例1提供的超透镜的外观。在图4h中，(a)是超透镜的俯视图，(b)是超透镜的侧视图，(c)是超透镜的透视图。从这些附图可以看出，根据本实施例的纳米柱同心地形成。
图4i示出了在距离超透镜中心O的距离(位置)处通过超透镜透射的光的目标相位(0至2π)之间的关系。目标相位是用于透镜系统的超表面的所需相位分布。
通过适当设置纳米柱每个位置的半径，可以设计所需的相移。在超透镜的设计中，确定来自透镜系统的所需相位分布。然后，找出了相分布与纳米柱半径之间的关系。因此，可以选择纳米柱在超透镜中的某个位置的半径。
图4j是示出上表面的半径(图2中的“r”)与一个纳米柱的相位(0至2π)之间的关系的图。通常，相位应覆盖2π面积。如图4j所示，相位值随着纳米柱上表面半径的增加而增加。
图4k是在一个纳米柱的上表面的半径(图2中的“r”)和高度(图2中的“z”)指定的位置模拟通过纳米柱透射的光的相位(–π至π)的结果的灰度。在这里，相位值用灰度表示。例如，当图4k中的高度z＝0.50μm时，当半径超过0.12μm时，半径从π到–π急剧变化。这表明相位逐渐增加。如图4k所示，当高度恒定时，相位随着半径的增加而增加。当纳米柱的半径和高度改变时，相位也相应改变。
图4l示出了在由一个纳米柱的上表面半径(50至130nm)和高度(1000至1500nm)指定的位置处模拟通过纳米柱透射的光的透射(％)的结果。在这里，透射用灰度表示。在图4l所示的范围内，纳米柱具有高的透射值。当纳米柱的半径和高度发生变化时，透射也相应变化。
图4m示出了一个示例提供的模拟从中心O的距离(位置)和超透镜半径之间的关系的结果。超透镜中的位置与相应纳米柱半径之间的关系可用于选择超透镜位置的纳米柱。
图4n示出了本示例提供的模拟通过超透镜透射的光的相位变化(0至2π)的结果。在图4n中，水平轴和垂直轴分别对应于图4h的x坐标和y坐标。此外，相位变化用灰度表示。
[示例2]
在示例2中，成像光学系统包括从物侧放置在第一透镜上的超透镜和七个不具有纳米结构的透镜。在本示例中，光阑从物侧放置在第五透镜(conv L4)的表面S2上。
表2示出了超纳米柱的规格。
表2
半径 50nm至130nm
间隔 450nm
高度 500nm
超纳米柱的材料为S3iN4。它的折射率为2.0531。
图5a至图5g示出了示例2提供的成像光学系统的信息表。由于图5a至图5n对应于图4a至图4n，分别省略了对附图的详细描述。
[示例3]
在示例3中，成像光学系统包括从物侧放置在第二透镜上的超透镜和七个不具有纳米结构的透镜。
表3示出了超纳米柱的规格。
表3
半径 20nm至110nm
间隔 400nm
高度 450nm
超纳米柱的材料是折射率为2.4164的GaN。
图6a至图6g示出了示例3提供的成像光学系统的信息表。图6a至图6n分别对应于图4a至图4n。
[示例4]
在示例4中，成像光学系统包括从物侧放置在第一透镜上的超透镜和五个不具有纳米结构的透镜。在本示例中，光阑从物侧放置在第四透镜(conv L3)的表面S1上。
表4示出了超纳米柱的规格。
表4
半径 20nm至110nm
间隔 400nm
高度 750nm
超纳米柱的材料是折射率为2.652的TiO2。
图7a至图7g示出了示例4提供的成像光学系统的信息表。图7a至图7k分别对应于图4a至图4j和图4m。
[示例5]
在示例5中，成像光学系统包括六个超透镜。在以下描述中，六个超透镜中的每一个都被称为来自物侧(左侧)的第一至第六超透镜。
图8a至图8c和图8f示出了示例5提供的所有透镜都是超透镜的成像光学系统的信息表。图8a为e线的规格表。图8b为有效焦距表。图8c为表面信息表。图8d为成像光学系统的构造的图。图8e为色象差的图。图8f为超表面信息表。
图8g(a)至图8g(c)示出了第一超透镜的外观。图8h示出了在从第一超透镜中心开始的位置上通过第一超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8i为上表面的半径与第一超透镜的一个纳米柱的相位之间的关系的图。图8j示出了模拟从第一超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
图8k(a)至图8k(c)示出了第二超透镜的外观。图8l示出了在从第二超透镜中心开始的位置上通过第二超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8m示出了模拟从第二超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
图8n(a)至图8n(c)示出了第三超透镜的外观。图8o示出了在从第三超透镜中心开始的位置上通过第三超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8p示出了模拟从第三超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
图8q(a)至图8q(c)示出了第四超透镜的外观。图8r示出了在从第四超透镜中心开始的位置上通过第四超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8s示出了模拟从第四超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
图8t(a)至图8t(c)示出了第五超透镜的外观。图8u示出了在从第五超透镜中心开始的位置上通过第五超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8v示出了模拟从第五超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
图8w(a)至图8w(c)示出了第六超透镜的外观。图8x示出了在从第六超透镜中心开始的位置上通过第六超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图8y示出了模拟距离超透镜的中心的距离与第六超透镜的半径之间的关系结果。
[示例6]
在示例6中，成像光学系统包括两个超透镜。在以下描述中，两个超透镜中的每一个都被称为来自物侧(左侧)的第一至第二超透镜。此外，在本实施例中使用了近红外线(λ＝940nm)。
图9a至图9c和图9f示出了两个透镜都是超透镜的成像光学系统的信息表。图9a为e线的规格表。图9b为有效焦距表。图9c为表面信息表。图9d为成像光学系统的构造的图。图9e为色象差的图。图9f为超表面信息表。
图9g(a)至图9g(c)示出了第一超透镜的外观。图9h示出了在从第一超透镜中心开始的位置上通过第一超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图9i为上表面的半径与第一超透镜的一个纳米柱的相位之间的关系的图。图9j为模拟通过纳米柱透射的光的相位的结果。图9k为模拟通过纳米柱透射的光透射的结果。图9l示出了模拟从第一超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。图9m示出了在从第二超透镜中心开始的位置上通过第二超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图9n示出了模拟从第二超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
[示例7]
在示例7中，成像光学系统包括两个超透镜和三个常规透镜。在以下描述中，两个超透镜中的每一个都被称为来自物侧(左侧)的第一至第二超透镜。此外，在本实施例中使用了近红外线(λ＝940nm)。
图10a至图10d和图10g示出了两个透镜都是超透镜的成像光学系统的信息表。图10a为e线的规格表。图10b为有效焦距表。图10c为表面信息表。图10d为非球面系数表。图8e为成像光学系统的构造的图。图8f为色象差的图。图8g为超表面信息表。
图10h(a)至图10h(c)示出了第一超透镜的外观。图10i示出了在从第一超透镜中心开始的位置上通过第一超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图10j为上表面的半径与第一超透镜的一个纳米柱的相位之间的关系的图。图10k示出了模拟从第一超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。图10l示出了在从第二超透镜中心开始的位置上通过第二超透镜透射的光的目标相位之间的关系。图10m示出了模拟从第二超透镜的中心开始的位置与半径之间的关系结果。
下表5-1和表5-2示出了条件表达式与示例之间的对应关系。在示例1至5中，入射光的波长设置为546.1nm。另一方面，在示例6和7中，入射光的波长设置为940nm。
表5-1
Figure BDA0004109547020000221
Figure BDA0004109547020000231
表5-2
Figure BDA0004109547020000232
Figure BDA0004109547020000241
如上所述，上述示例提供的成像光学系统可以在保持高性能的同时减少镜头光学总长。
虽然上述描述仅仅是本发明的具体实施方式，但并不是为了限制本发明的保护范围。本领域的技术人员在所公开的技术范围内容易想到的任何变化或替换都应落入本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

Claims (57)

1.一种成像光学系统，其特征在于，包括多个光学元件，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
三个或更多个透镜，不具有所述纳米结构。
2.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.5<TTL/f<10.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
3.根据权利要求2所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0。
4.根据权利要求3所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
6.根据权利要求5所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.0，
其中，TTLconv是从所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
10.根据权利要求9所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径，并且所述波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
12.一种成像光学系统，其特征在于，包括多个光学元件，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个透镜，不具有所述纳米结构，
其中，所述成像光学系统满足以下条件：
0.5<TTL/f<10，
其中，TTL是从最接近物侧定位的透镜到所述成像光学系统的成像点的距离，f是所述整个成像光学系统的焦距，
入射光的波长满足以下条件：
300nm<波长<700nm。
13.根据权利要求12所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的透镜到所述成像光学系统的成像点的距离，f是所述整个成像光学系统的焦距。
14.根据权利要求13所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数。
16.根据权利要求15所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.20。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近。
18.根据权利要求12至17中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.0，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距。
19.根据权利要求12至18中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
20.根据权利要求19所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
21.根据权利要求12至20中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
22.一种成像光学系统，其特征在于，用于波长满足以下条件的光：
300nm<波长<700nm，
所述成像光学系统包括至少一个光学元件，其中，所述至少一个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
23.根据权利要求22所述的成像光学系统，其特征在于，包括四个或更多个超透镜，所述超透镜中的每一个具有形成在至少一侧上的纳米结构。
24.根据权利要求22或23所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<5.0，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距。
25.根据权利要求24所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.6<TTL/f<2.0。
26.根据权利要求22至25中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下
条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
27.根据权利要求26所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
28.根据权利要求22至27中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
2.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
29.根据权利要求1所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0，
0.6<F数<1.6，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数，
入射光的波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
30.根据权利要求29所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4。
31.根据权利要求30所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
32.根据权利要求1或权利要求29至31中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数，并且所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
33.根据权利要求32所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35。
34.根据权利要求1或权利要求29至33所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近，并且所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
35.根据权利要求1或权利要求29至34中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fconv|<2.5，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
36.根据权利要求1或权利要求29至35中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
37.根据权利要求36所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
38.根据权利要求1或权利要求29至37中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
39.一种成像光学系统，其特征在于，包括多个光学元件，其中，所述多个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构；
至少一个透镜，不具有所述纳米结构，
其中，所述超透镜满足以下条件：
1.0<TTL/f<15.0，
0.6<F数<1.6，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数，所述波长满足以下条件：
700nm<波长<1700nm。
40.根据权利要求39所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4。
41.根据权利要求40所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
42.根据权利要求39至41中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.50，
其中，fconv是光学系统的从像侧上的光学元件而非最接近物侧的超透镜到最接近图像的光学元件的焦距，
fmeta是最接近物体的超透镜的焦距，
其中，所述焦距是–0.5/C1，
其中，C1是所述超透镜的相函数的二次系数。
43.根据权利要求42所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.01<|fconv/fmeta|<0.35。
44.根据权利要求39至43中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜被布置在所述成像光学系统的光阑附近。
45.根据权利要求39至44中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统还满足以下条件：
0.4<|TTLconv/fmeta|<2.5，
其中，TTLconv是从最接近所述超透镜的像侧的光学元件的物侧面到图像形成表面的距离，其中，所述超透镜最接近所述物侧定位，
fconv是光学系统的从像侧上的所述光学元件而非最接近物侧的所述超透镜到最接近所述图像的所述光学元件的焦距。
46.根据权利要求39至45中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
47.根据权利要求46所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
48.根据权利要求39至47中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
49.一种成像光学系统，其特征在于，用于波长满足以下条件的光：
700nm<波长<1700nm，
所述成像光学系统包括至少一个光学元件，其中，所述至少一个光学元件包括：
至少一个超透镜，具有形成在至少一侧上的纳米结构。
50.根据权利要求49所述的成像光学系统，其特征在于，包括四个或更多个超透镜，所述超透镜中的每一个具有形成在至少一侧上的纳米结构。
51.根据权利要求50所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
1.5<TTL/f<7.0，
0.8<F数<1.4，
其中，TTL是从最接近物侧定位的光学元件到所述成像光学系统的成像点的距离，f是整个成像光学系统的焦距，F数是所述成像光学系统的F数。
52.根据权利要求51所述的成像光学系统，其特征在于，所述成像光学系统满足以下条件：
2.0<TTL/f<4.0，
0.9≤F数<1.2。
53.根据权利要求49至52中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.5<ndmeta<5.0，
其中，ndmeta是所述纳米结构对d线的折射率。
54.根据权利要求53所述的成像光学系统，其特征在于，所述超透镜满足以下条件：
1.8<ndmeta<3.8。
55.根据权利要求49至54中任一项所述的成像光学系统，其特征在于，所述纳米结构由纳米柱组成，所述纳米柱满足以下条件：
1.0<h/t<25.0，
其中，h是所述纳米柱的高度，
t是所述纳米柱的直径。
56.一种成像设备，其特征在于，包括：
光学器件，包括根据权利要求1至55中任一项所述的成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过所述光学器件透射的光生成数据。
57.一种电子设备，其特征在于，包括成像设备，所述成像设备包括：
光学器件，包括根据权利要求1至55中任一项所述的成像光学系统；
成像传感器，用于基于通过所述光学器件透射的光生成数据。
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