CN217639613U - 一种超透镜组及包含其的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种超透镜组及包含其的光学系统，其中，该方法包括：由物方至像方依次排列的第一超透镜、第二超透镜、第三超透镜和第四超透镜；第一超透镜、第二超透镜、第三超透镜和第四超透镜各自基底的一侧表面设置有纳米结构；每个超透镜的纳米结构满足相应的相位分布，且四个超透镜对应的相位分布能够使超透镜组在满足成像需求的基础上，矫正像差。通过本实用新型实施例提供的超透镜组及包含其的光学系统，基于所采用的超透镜组所具有的重量轻、体积小、厚度薄、加工难度小以及低成本等优势，可以使采用该超透镜组的镜头等成像装置的TTL减小，该超透镜组更加适用于对TTL要求比较严格的成像装置中，且整体成本降低。

Description

一种超透镜组及包含其的光学系统

技术领域

本实用新型涉及光学成像技术领域，具体而言，涉及一种超透镜组及包含其的光学系统。

背景技术

光学系统在我们生活中有广泛的应用，如手机、相机、监控等都依赖于镜头提供清晰的画质。随着半导体行业的发展，探测器芯片的体积越来越小，这也要求光学系统在满足需求的同时，其TTL(Total Track Length，系统总长)也尽可能小。

传统的光学系统里为了减小像差，会采用多片球面镜片来实现，这样就使得系统很长(TTL较大)；而非球面镜片一片就能实现几片球面镜片的性能，因此，在一些对系统TTL要求比较严格的设备中(如手机)通常采用多片非球面镜片来进行成像。但是，非球面镜片加工难度大，成本高；另外，基于传统玻璃的镜组都存在重量重，厚度厚的问题，不能很好的契合设备小型化发展的趋势。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型实施例的目的在于提供一种超透镜组及包含其的光学系统。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种超透镜组，包括：由物方至像方依次排列的第一超透镜、第二超透镜、第三超透镜和第四超透镜；所述第一超透镜、所述第二超透镜、所述第三超透镜和所述第四超透镜各自基底的一侧表面设置有纳米结构；每个超透镜的纳米结构满足相应的相位分布，且四个超透镜对应的相位分布能够使所述超透镜组在满足成像需求的基础上，矫正像差。

可选地，每个超透镜的纳米结构的相位分布均满足以下公式之一：

其中，r表示超透镜的中心到其表面任一纳米结构的距离；λ表示超透镜的工作波长；

表示与所述工作波长相关的相位；(x,y)表示所述纳米结构在相应超透镜上的坐标；f表示超透镜的焦距；a_i和b_i均表示实数系数。

可选地，纳米结构的材料对工作波段的消光系数小于0.01。

可选地，纳米结构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，每个超透镜的所述基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石或碱性玻璃。

可选地，每个超透镜的纳米结构与基底的材料不同。

可选地，超透镜组的工作波段包括近红外波段。

可选地，第一超透镜、所述第二超透镜和所述第四超透镜具有正光焦度；所述第三超透镜具有负光焦度。

可选地，超透镜组还满足：

F/D≤1.3；

15°≤HFOV≤39°；

4.23≤f₁/F≤7.15；

0.69≤f₂/F≤1.78；

-5.054≤f₃/F≤-1.53；

0.57≤f₄/F≤1.41；

其中，F表示所述超透镜组的等效焦距；D表示所述超透镜组的入瞳直径；HFOV表示所述超透镜组的最大半视场角；f₁表示所述第一超透镜的焦距；f₂表示所述第二超透镜的焦距；f₃表示所述第三超透镜的焦距；f₄表示所述第四超透镜的焦距。

可选地，超透镜组还满足：1.25≤TTL/ImgH≤1.81；其中，TTL表示所述超透镜组的系统总长；ImgH表示所述超透镜组的最大成像半高宽。

可选地，超透镜组还满足：

0.05mm≤d_i≤2mm；

1.5≤n_i≤1.6；

其中，d_i表示每个超透镜的厚度，n_i表示每个超透镜的等效折射率。

第二方面，本实用新型实施例还提供了一种光学系统，包括：如上述任一所述的超透镜组和滤波片；所述滤波片设置在所述超透镜组的出光侧。

本实用新型实施例上述第一方面提供的方案中，采用的超透镜组具有的重量轻、体积小、厚度薄、加工难度小以及低成本等优势，可以使采用该超透镜组的镜头等成像装置的TTL减小，该超透镜组更加适用于对TTL要求比较严格的设备中(如手机)。

本实用新型实施例上述第二方面提供的方案中，因采用超透镜组用于成像，TTL较小，整体厚度进而变小；并且，所采用的超透镜组的加工方式简单，使得包含其的光学系统加工也较为简单，成本大大降低；此外，该超透镜组对于像差的矫正效果较好。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本实用新型实施例所提供的一种超透镜组的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例所提供的一种光学系统的结构示意图；

图3示出了实施例1所提供的光学系统的结构示意图；

图4示出了实施例1中，每片超透镜的相位分布示意图；

图5示出了实施例1中，光学系统的场曲和畸变图；

图6示出了实施例1中，光学系统的调制传递函数示意图；

图7示出了实施例2所提供的光学系统的结构示意图；

图8示出了实施例2中，光学系统的场曲和畸变图；

图9示出了实施例2中，光学系统的调制传递函数示意图。

图标：

1-超透镜组、2-滤波片、11-第一超透镜、12-第二超透镜、13-第三超透镜、14-第四超透镜。

具体实施方式

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供了一种超透镜组，参见图1所示，该超透镜组包括：由物方至像方依次排列的第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14；图1以该超透镜组的左侧为其物方示出，以该超透镜组的右侧为其像方示出。

如图1所示，第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14各自基底的一侧表面设置有纳米结构；每个超透镜的纳米结构满足相应的相位分布，且四个超透镜对应的相位分布能够使超透镜组在满足成像需求的基础上，矫正像差。

其中，在每个超透镜(第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13或第四超透镜14)两侧中的任意一侧均设置有纳米结构，该纳米结构的数量为多个，且可以呈阵列式排布。本实用新型实施例中，为了将设置有纳米结构的一侧与未设置纳米结构的一侧区分，可以针对每个超透镜的两个侧面进行命名，例如，可以将第一超透镜11的左侧表面称为第一面，该第一超透镜11的右侧表面称为第二面；将第二超透镜12的左侧表面称为第三面，该第二超透镜12的右侧表面称为第四面；将第三超透镜13的左侧表面称为第五面，该第三超透镜13的右侧表面称为第六面；将第四超透镜14的左侧表面称为第七面，该第四超透镜14的右侧表面称为第八面。如图1所示，本实用新型实施例可以在第二面、第三面、第六面以及第八面分别设置阵列式排布的纳米结构。

本实用新型实施例中，每个超透镜的纳米结构可以使相应的超透镜具有某种相位分布，而入射光依次经过这四个超透镜，可以依次被这四个超透镜进行四次相位调制(如基于每个超透镜对应的相位分布进行相位调制)，使得该入射光最终可以在生成图像的同时，矫正其透过不同超透镜所产生的像差。

本实用新型实施例所采用的超透镜组具有的重量轻、体积小、厚度薄、加工难度小以及低成本等优势，可以使采用该超透镜组的镜头等成像装置的TTL(系统总长)较小，该超透镜组更加适用于对TTL要求比较严格的成像装置(如手机)中。

可选地，每个超透镜的纳米结构的相位分布均满足以下公式之一：

其中，r表示超透镜的中心到其表面任一纳米结构的距离；λ表示超透镜的工作波长；

表示与工作波长相关的相位；(x,y)表示纳米结构在相应超透镜上的坐标；f表示超透镜的焦距；a_i和b_i均表示实数系数。

本实用新型实施例中，四个超透镜(即第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14)的相位分布均可以用高次多项式表达，高次多项式包括奇次多项式和偶次多项式。为了不破坏每个超透镜相位分布的旋转对称性，通常只能对偶次多项式对应的相位进行优化，这大大降低了超透镜的设计自由度。而上述8个公式(1-1)至公式(1-8)中，公式(1-4)至公式(1-6)相比其余公式，能够对满足奇次多项式的相位进行优化而不破坏超透镜相位分布的旋转对称性，从而大大提高了超透镜的优化自由度。

具体地，第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14分别所对应的相位分布可以满足上述八个公式中的任意一个公式，例如，第一超透镜11的相位分布可以满足上述公式(1-1)；第二超透镜12的相位分布可以满足上述公式(1-2)；第三超透镜13的相位分布可以满足上述公式(1-3)；第四超透镜14的相位分布可以满足上述公式(1-4)；这四种相位分布公式可以是不同的四个公式；或者每一个超透镜所满足的相位分布公式也可以是相同的，例如，在每一个超透镜所满足的相位分布公式相同的情况下，可以改变每个超透镜对应的相位系数，采用不同的相位系数实现不同的相位分布(如调控功能)；本实施例对此不做限定。

可选地，纳米结构的材料对工作波段的消光系数小于0.01。其中，每个超透镜一侧表面所设置的纳米结构，其材料对于工作波段的消光系数越小(如小于0.01)，入射光的振幅衰减越缓慢，进入该纳米结构的光能越多，纳米结构的透过率也就越高；即纳米结构的材料是对于工作波段具有高透过率的材料，例如，纳米结构在工作波段透明。可选地，该超透镜组的工作波段包括近红外波段；例如，射入该超透镜组的入射光可以是近红外光，即介于可见光和中红外光之间的电磁波，该近红外波段可以是波长在780nm～2526nm范围内的电磁波。

可选地，纳米结构的材料可以包括：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，每个超透镜的基底的材料可以包括：熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石或碱性玻璃；可选地，每个超透镜的纳米结构与基底的材料不同。本实用新型实施例中，每个超透镜所具有的纳米结构的材料与用于设置该纳米结构的基底的材料不同，例如，第一超透镜11的纳米结构的材料可以选用晶体硅，该第一超透镜11的基底的材料可以选用石英玻璃，二者不同。

可选地，第一超透镜11、第二超透镜12和第四超透镜14具有正光焦度；第三超透镜13具有负光焦度。

其中，光焦度用于表征光学系统对入射平行光束的屈折本领(屈光率)，且超透镜的光焦度等于其焦距的倒数；正光焦度是指该超透镜以高斯光学理论计算出来的屈光率为正(其焦距的倒数为正)；负光焦度是指该超透镜以高斯光学理论计算出来的屈光率为负(其焦距的倒数为负)。本实用新型实施例中，四个超透镜所对应的光焦度的正负可以不同，例如，令第一超透镜11、第二超透镜12和第四超透镜14具有正光焦度，令第三超透镜13具有负光焦度，以实现更好的成像与像差矫正。

可选地，该超透镜组还满足：

F/D≤1.3 (2-1)；

15°≤HFOV≤39° (2-2)；

4.23≤f₁/F≤7.15 (2-3)；

0.69≤f₂/F≤1.78 (2-4)；

-5.054≤f₃/F≤-1.53 (2-5)；

0.57≤f₄/F≤1.41 (2-6)；

其中，F表示超透镜组的等效焦距(EFL，Effective Focal Length)；D表示超透镜组的入瞳直径；F/D表示该超透镜组的等效焦距与其入瞳直径的比值；HFOV(Half Field ofView)表示该超透镜组的最大半视场角，即该超透镜组最大视场角的二分之一；f₁表示第一超透镜11的焦距；f₂表示第二超透镜12的焦距；f₃表示第三超透镜13的焦距；f₄表示第四超透镜14的焦距；上述关系式(2-3)至(2-6)分别限定了每一个超透镜的焦距与该超透镜组的等效焦距F之间的比值关系；当该超透镜组满足上述(2-1)至(2-6)所述的6个关系式时，该超透镜组对于成像与像差的矫正效果更好。

可选地，超透镜组还满足：1.25≤TTL/ImgH≤1.81；其中，TTL表示超透镜组的系统总长；ImgH表示超透镜组的最大成像半高宽。

其中，TTL表示该超透镜组的系统总长(Total Tracking Length)，例如，由该超透镜组中第一超透镜11的第一面(如图1所示该第一超透镜11的左侧面)到像面的距离；ImgH表示该超透镜组的像面的半高宽，即最大成像高度的一半(Image High)，该最大成像半高宽是指边缘视场光线汇聚到像面的点，到像面中心的距离。

可选地，该超透镜组还满足：

0.05mm≤d_i≤2mm；

1.5≤n_i≤1.6；

其中，d_i表示每个超透镜的厚度，即指每个超透镜两侧表面之间的距离；i＝1、2、3或4例如，d₁表示第一超透镜11的厚度，如图1中第一超透镜11第一面与第二面之间的距离；n_i表示每个超透镜的等效折射率。

本实用新型实施例还提供了一种光学系统，参见图2所示，该光学系统包括：上述任意一种超透镜组1和滤波片2；滤波片2设置在超透镜组1的出光侧；图2以超透镜组1的右侧为其出光侧示出。

如图2所示，可以在超透镜组1的出光侧与像面之间设置滤波片2，该滤波片2可以是近红外滤波片(Nir filter)，该滤波片2可以将工作波长以外的光过滤掉，只透过工作波长的光，有利于提高该光学系统在近红外波段(工作波长)的成像质量。

本实用新型实施例所提供的光学系统中，因采用超透镜组1用于成像，TTL较小，整体厚度进而变小；并且，所采用的超透镜组1的加工方式简单，使得包含其的光学系统加工也较为简单，成本大大降低；此外，该超透镜组1对于像差的矫正效果较好。

实施例1：

如图3所示，本实施例1提供一种基于超透镜的四片式光学系统，其中，纳米结构分别位于四片超透镜的第二面(图3中第一超透镜11的右侧面)、第三面(图3中第二超透镜12的左侧面)、第六面(图3中第三超透镜13的右侧面)和第八面(图3中第四超透镜14的右侧面)。本实施例1中，四片超透镜的相位分布分别满足上述公式(1-1)至(1-8)中的任意公式之一，每片超透镜的相位分布示意图可以参见图4所示。

具体地，本实施例1所采用的光学系统的具体参数可以参见下述表1所示：

内容	参数
		工作波段(WL)	近红外波段(920nm-960nm)
等效焦距(EFL)	2.5mm
		半视场角(ω)	39°
F数	1.3
		后焦距(BFL)	1.516mm
系统总长(TTL)	3.8mm

表1

本实施例1所采用的该光学系统的各表面的具体参数如下述表2所示：

表2

表2中，表面序号依次表示第一面至第十一面，其中，序号1至8分别表示四个超透镜所具有的两侧面；序号9至10表示该光学系统中滤波片2所具有的两个侧面；序号11表示像面；标准面是指没有纳米结构的表面；超表面则表示具有纳米结构的表面。其中，第一面、第三面、第五面和第七面的厚度分别表示该第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14入光侧表面到出光侧表面的距离，即相应超透镜本身的厚度；第二面、第四面、第六面和第八面的厚度分别表示该第一超透镜11、第二超透镜12、第三超透镜13和第四超透镜14各自的出光侧表面距离下一个超透镜之间的间距；第九面的厚度是指滤波片2本身的厚度，第十面的厚度是指滤波片2到像面(第十一面)的距离(即后截距，BFL)。

图5示出了本实施例1提供的光学系统的场曲和畸变图；图6示出了本实施例1提供的光学系统的调制传递函数(MTF，Modulation Transfer Function)示意图。由图5(左部)可知，该光学系统的场曲较小，即小于0.1mm；由图5(右部)可知，该光学系统的畸变小于2％，如，光学最大畸变为-1.6％；由图6可知，该光学系统在不同视场的调制传递函数均接近衍射极限，如其最大视场大于30％。综上所述，本实施例1所提供的光学系统的成像性能好，像散和场曲控制优秀。

实施例2：

如图7所示，本实施例2提供一种基于超透镜的四片式光学系统，其中，纳米结构分别位于四片超透镜的第一面(图7中第一超透镜11的左侧面)、第四面(图7中第二超透镜12的右侧面)、第五面(图7中第三超透镜13的左侧面)和第七面(图7中第四超透镜14的左侧面)。本实施例2中，四片超透镜的相位分布分别满足上述公式(1-1)至(1-8)中的任意公式之一。

具体地，本实施例2所采用的光学系统的具体参数可以参见下述表3所示：

内容	参数
		工作波段(WL)	近红外波段(920-960nm)
等效焦距(EFL)	0.99mm
		半视场角(ω)	39°
F数	1.1
		后焦距(BFL)	0.71mm
系统总长(TTL)	2.82mm

表3

本实施例2所采用的该光学系统的各表面的具体参数如下述表4所示：

表4

图8示出了本实施例2提供的光学系统的场曲和畸变图；图9示出了本实施例2提供的光学系统的调制传递函数。由图8(左部)可知，该光学系统的场曲较小，即小于0.8μm；由图8(右部)可知，该光学系统的畸变小于20％；由图9可知，该光学系统在不同视场的调制传递函数均接近衍射极限。综上所述，本实施例2所提供的光学系统的成像性能好，像散和场曲控制优秀。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换的技术方案，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种超透镜组，其特征在于，包括：由物方至像方依次排列的第一超透镜(11)、第二超透镜(12)、第三超透镜(13)和第四超透镜(14)；

所述第一超透镜(11)、所述第二超透镜(12)、所述第三超透镜(13)和所述第四超透镜(14)各自基底的一侧表面设置有纳米结构；每个超透镜的纳米结构满足相应的相位分布，且四个超透镜对应的相位分布能够使所述超透镜组在满足成像需求的基础上，矫正像差。

2.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，每个超透镜的纳米结构的相位分布均满足以下公式之一：

其中，r表示超透镜的中心到其表面任一纳米结构的距离；λ表示超透镜的工作波长；

表示与所述工作波长相关的相位；(x,y)表示所述纳米结构在相应超透镜上的坐标；f表示超透镜的焦距；a_i和b_i均表示实数系数。

3.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述纳米结构的材料对工作波段的消光系数小于0.01。

4.根据权利要求3所述的超透镜组，其特征在于，所述纳米结构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。

5.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，每个超透镜的所述基底的材料包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石或碱性玻璃。

6.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，每个超透镜的纳米结构与基底的材料不同。

7.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述超透镜组的工作波段包括近红外波段。

8.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述第一超透镜(11)、所述第二超透镜(12)和所述第四超透镜(14)具有正光焦度；所述第三超透镜(13)具有负光焦度。

9.根据权利要求8所述的超透镜组，其特征在于，所述超透镜组还满足：

F/D≤1.3；

15°≤HFOV≤39°；

4.23≤f₁/F≤7.15；

0.69≤f₂/F≤1.78；

-5.054≤f₃/F≤-1.53；

0.57≤f₄/F≤1.41；

其中，F表示所述超透镜组的等效焦距；D表示所述超透镜组的入瞳直径；HFOV表示所述超透镜组的最大半视场角；f₁表示所述第一超透镜(11)的焦距；f₂表示所述第二超透镜(12)的焦距；f₃表示所述第三超透镜(13)的焦距；f₄表示所述第四超透镜(14)的焦距。

10.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述超透镜组还满足：1.25≤TTL/ImgH≤1.81；

其中，TTL表示所述超透镜组的系统总长；ImgH表示所述超透镜组的最大成像半高宽。

11.根据权利要求1所述的超透镜组，其特征在于，所述超透镜组还满足：

0.05mm≤d_i≤2mm；

1.5≤n_i≤1.6；

其中，d_i表示每个超透镜的厚度，n_i表示每个超透镜的等效折射率。

12.一种光学系统，其特征在于，包括：如权利要求1-11中任一所述的超透镜组(1)和滤波片(2)；所述滤波片(2)设置在所述超透镜组(1)的出光侧。

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