一种超透镜及具有其的光学系统技术方案

本发明专利技术提供一种超透镜及具有其的光学系统，该超透镜包括：基板，能够透光；和设于基板表面的纳米环结构，纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于多个纳米环之间的多个空气环间隔；多个纳米环的直径各不相同，且多个纳米环同轴分布；至少部分空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的空气环间隔的光相位不同，以限定超透镜的相位分布。本发明专利技术通过纳米结构如纳米环结构、纳米柱结构形成超透镜，并且，不同位置的纳米结构具有不同的光相位，形成满足用户需求的相位分布的超透镜，相比现有的光学透镜，本发明专利技术的超透镜体积小、重量轻，解决了光学系统小型化、轻量化的问题。

A super lens and its optical system

【技术实现步骤摘要】
一种超透镜及具有其的光学系统
本专利技术涉及透镜领域，尤其涉及一种超透镜及具有其的光学系统。
技术介绍
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，传统单个镜头有着体积大和重量大等不足。
技术实现思路
本专利技术提供一种超透镜及具有其的光学系统。具体地，本专利技术是通过如下技术方案实现的：根据本专利技术的第一方面，提供一种超透镜，所述超透镜包括：基板，能够透光；设于所述基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；其中，多个所述纳米环的直径各不相同，且多个所述纳米环同轴分布；至少部分所述空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的所述空气环间隔的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布。可选地，所述空气环间隔的光相位与该空气环间隔的高度和宽度的大小相关。可选地，所述超透镜具有无穷远轴上与轴外像差矫正透镜的相位分布。可选地，所述空气环间隔包括多阶高度的空气环间隔。可选地，所述纳米环结构等效于多层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成。可选地，所述纳米环结构等效于两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成，所述空气环间隔的位置满足：maxc1Ion-axis(z0)+c2Ioff-axis(z0)s.t.am+1-am>lbm+1-bm>l|Eam-Ebn|>dFa1>d,b1>dNA≥NAmin其中，Ion-axis(z0)：入射光在0视场下的焦点光强度图；Ioff-axis(z0)：入射光在最大半视场入射下的焦点光强度图；z0：焦点在光轴上的位置；c1、c2：权重因子；am：第m级第一层空气环间隔的中心位置，m＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；bm：第m级第二层空气环间隔的中心位置；l：每一层相邻空气环间隔之间的最小间距；d：第一层空气环间隔与第二层空气环间隔的中心位置的最小半径；Eam：第m级第一层空气环间隔的边缘位置；Ebn：第n级第二层空气环间隔的的边缘位置，n＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；dF：最小加工精度；NA：所述超透镜的数值孔径；NAmin：最小数值孔径。可选地，所述纳米环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、单晶硅。根据本专利技术的第二方面，提供一种光学系统，所述光学系统包括：安装架；第一方面所述的超透镜，所述超透镜安装在所述安装架上。根据本专利技术的第三方面，提供一种超透镜，所述超透镜包括：基板，能够透光；和设于所述基板同一表面的多个纳米柱结构；其中，多个所述纳米柱结构呈阵列状排列，多个所述纳米柱结构包括负纳米柱结构和中空纳米柱结构中的至少一种，所述负纳米柱结构包括第一柱体，所述第一柱体的横截面为正六边形，所述第一柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第一中空部；所述中空纳米柱结构包括第一圆柱体，所述第一圆柱体具有自其顶部延伸至底部的圆柱状的第二中空部；不同位置的所述纳米柱结构的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布，且不同位置的所述纳米柱的群时延不同，以限定所述超透镜的色差特性。可选地，所述纳米柱结构还包括正纳米柱结构，所述正纳米柱结构包括第二圆柱体。可选地，所述正纳米柱结构以及所述负纳米柱结构的光相位与对应的纳米柱结构的高度和直径的大小相关；所述中空纳米柱结构的光相位与该中空纳米柱结构的内外直径大小相关。可选地，对于每一纳米柱结构，包围该纳米柱结构的其他纳米柱结构位于同一正六边形的不同顶点上，且该纳米柱结构设于对应的正六边形的中心位置。可选地，所述超透镜具有无球差正负透镜或轴棱镜透镜的相位分布。可选地，所述超透镜的透镜表面光相位满足：k为波数，r为各纳米柱结构至基板中心的距离，f为超透镜的焦距。可选地，所述纳米柱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、单晶硅。根据本专利技术的第四方面，提供一种光学系统，所述光学系统包括：至少两个第三方面所述的超透镜；其中，至少两个所述超透镜间隔设置。可选地，所有超透镜的相位分布与群时延均不相同，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，所述光学系统还包括：光学组件，所述光学组件与所述超透镜间隔设置，所述光学组件包括透镜，所述透镜区别于所述超透镜。可选地，所述透镜是折射透镜。可选地，所述折射透镜具有球面正负透镜、无穷远校正透镜、施密特校正板或非球面透镜的相位分布与群时延分布。可选地，多个所述超透镜被设置为校正所述折射透镜的像差，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。由以上本专利技术实施例提供的技术方案可见，本专利技术通过纳米结构如纳米环结构、纳米柱结构形成超透镜，并且，纳米结构在不同位置具有不同的光相位，形成满足用户需求的相位分布的超透镜，相比现有的光学透镜，本专利技术的超透镜体积小、重量轻，解决了光学系统小型化、轻量化的问题。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，并不能限制本专利技术。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本专利技术的实施例，并与说明书一起用于解释本专利技术的原理。图1A是本专利技术实施例一中的超透镜的截面示意图；图1B是本专利技术实施例一中的超透镜的俯视图；图1C是本专利技术实施例一中的超透镜的聚焦示意图；图1D是现有技术中的平凸透镜的聚焦示意图；图1E是本专利技术实施例一中的一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；图1F是本专利技术实施例一中的另一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；图1G是本专利技术实施例一中的又一种超透镜融合两个单层纳米环结构为一个具有二阶高度的纳米环结构的示意图；图1H是本专利技术实施例一中的超透镜的三维打印写场顺序图；图2是本专利技术实施例一中用于测量超透镜的焦斑尺寸的实验装置示意图。图3A是本专利技术实施例一中具有100μm焦距的超透镜0°视场的焦斑强度测量图；图3B是本专利技术实施例一中具有100μm焦距的超透镜5°视场的焦斑强度测量图；图3C是本专利技术实施例一中具有100μm焦距的超透镜10°视场的焦斑强度测量图；图3D是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜0°视场的焦斑强度测量图；图3E是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜5°视场的焦斑强度测量图；图3F是现有技术中的100μm焦距的球差校正透镜10°视场的焦斑强度测量图；图3G是本专利技术实施例一中具有1mm焦距的超透镜0°视场的焦斑强度测量图；图3H是本专利技术实施例一中具有1mm焦距的超透镜8°视场的焦斑强度测量图；图3I是本专利技术实施例一中具有1mm焦距的超透镜16°视场的焦斑强度测量图；图3J是现有技术中的1mm焦距的透镜0°视场的焦斑强度测量图；图3K是现有技术中的1mm焦距的透镜8°视场的焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜包括：基板，能够透光；设于所述基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；其中，多个所述纳米环的直径各不相同，且多个所述纳米环同轴分布；至少部分所述空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的所述空气环间隔的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布。

【技术特征摘要】
1.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜包括：基板，能够透光；设于所述基板表面的纳米环结构，所述纳米环结构包括多个圆环状的纳米环和形成于所述多个纳米环之间的多个空气环间隔；其中，多个所述纳米环的直径各不相同，且多个所述纳米环同轴分布；至少部分所述空气环间隔的高度和宽度中至少一个不相等，使得不同位置的所述空气环间隔的光相位不同，以限定所述超透镜的相位分布。2.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述空气环间隔的光相位与该空气环间隔的高度和宽度的大小相关。3.根据权利要求1或2所述的超透镜，其特征在于，所述超透镜具有无穷远轴上与轴外像差矫正透镜的相位分布。4.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述空气环间隔包括多阶高度的空气环间隔。5.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述纳米环结构等效于多层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成。6.根据权利要求5所述的超透镜，其特征在于，所述纳米环结构等效于两层具有单阶高度空气环间隔的纳米环结构沿着高度方向叠加形成，所述空气环间隔的位置满足：maxc1Ion-axis(z0)+c2Ioff-axis(z0)s.t.am+1-am>lbm+1-bm>l|Eam-Ebn|>dFa1>d,b1>dNA≥NAmin其中，Ion-axis(z0)：入射光在0视场下的焦点光强度图；Ioff-axis(z0)：入射光在最大半视场入射下的焦点光强度图；z0：焦点在光轴上的位置；c1、c2：权重因子；am：第m级第一层空气环间隔的中心位置，m＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；bm：第m级第二层空气环间隔的中心位置；l：每一层相邻空气环间隔之间的最小间距；d：第一层空气环间隔与第二层空气环间隔的中心位置的最小半径；Eam：第m级第一层空气环间隔的边缘位置；Ebn：第n级第二层空气环间隔的的边缘位置，n＝当前空气环间隔与同心圆圆心之间的空气环间隔的数量+1；dF：最小加工精度；NA：所述超透镜的数值孔径；NAmin：最小数值孔径。7.根据权利要求1所述的超透镜，其特征在于，所述纳米环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、单晶硅。8.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括：安装架；权利要求1至7任一项所述的超透镜，所述超透镜安装在所述安装架上。9.一种超透镜，其特征在于，所述超透镜包括：基板，能够透光；和设于所述基板同一表面的多个纳米柱结构；其中，多个所述纳米柱结构呈阵列状排列，多个所...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝成龙，仇成伟，余长源，徐政基，董渊，赵磊，
申请(专利权)人：郝成龙，
类型：发明
国别省市：陕西,61