超透镜和包括超透镜的光学装置的制作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年10月8日在美国知识产权局递交的美国临时申请no.62/912,143和2020年6月26日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2020-0078818的权益，其全部公开内容通过引用合并于此。

本公开涉及超透镜和包括超透镜的光学装置。

背景技术：

成像装置包括用于校正几何像差和色差的多个透镜。通常，将具有负屈光力的透镜用于校正色差，然而，透镜会产生几何像差。可以将非球面透镜用于校正几何像差，但是非球面透镜的屈光力会影响色差。

因此，需要大量的透镜来同时校正各种像差。通过使用曲率来调整屈光力的折射透镜的厚度随着曲率的减小而迅速增大，因此，难以实现对各种像差进行校正的薄的光学系统。

由此，已经研究了通过使用光滑且薄的基于超表面的透镜来控制各种像差的方法。

技术实现要素：

提供一种能够针对多波段的光实现期望的屈光力和色差的超透镜。

将在随后的描述中部分地阐述附加的方面，并且所述附加的方面将部分地通过该描述而变得清楚或者可以通过实践本公开所呈现的实施例而获知。

根据实施例的一方面，一种超透镜，包括：第一透镜表面；以及面对所述第一透镜表面的第二透镜表面，其中，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面中的至少一个是包括具有亚波长尺寸的多个纳米结构的超表面，并且在所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的至少一些区域中，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的根据位置使入射光偏转的趋势彼此相反。

所述至少一些区域可以包括：从所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的中心到所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的各自有效直径的一半的区域。

所述第一透镜表面使入射光在朝着光轴的方向上偏转，并且偏转角的大小从所述第一透镜表面的中心沿其半径方向逐渐增大，并且所述第二透镜表面使入射光在远离所述光轴的方向上偏转，并且偏转角的大小从所述第二透镜表面的中心沿其半径方向逐渐增大。

在所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的两个相对位置处，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的使入射光偏转的方向可以相对于光轴的方向彼此相反。

在所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的两个相对位置处，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面的使入射光偏转的角度之间的差可以在从大约-30°到大约30°的范围内。

所述第一透镜表面和所述第二透镜表面可以被设置为使得所述超透镜：对于绿色波段的光实质上不具有屈光力，对于红色波段的光具有正屈光力，以及对于蓝色波段的光具有负屈光力。

相对于所述超透镜的工作波段的中心波长λ0，所述第一透镜表面和所述第二透镜表面之间的距离可以大于100λ0并且小于1000λ0。

所述第一透镜表面可以是第一超表面，所述第一超表面包括以第一形状分布布置的多个第一纳米结构，并且所述第二透镜表面可以是第二超表面，所述第二超表面包括以不同于所述第一形状分布的第二形状分布布置的多个第二纳米结构。

所述第一超表面可以具有正屈光力，并且所述第二超表面可以具有负屈光力。

所述超透镜可以具有基于一个基件的整体结构。

所述第一透镜表面可以是包括多个纳米结构的超表面，并且所述第二透镜表面可以是具有曲面的折射透镜的折射型透镜表面。

所述折射型透镜表面具有凹形形状，并且所述超表面具有根据所述多个纳米结构的形状分布的正屈光力。

所述多个纳米结构可以被布置在所述折射透镜的另一表面上。

所述多个纳米结构可以包括：柱状结构，包括具有与相邻材料的折射率不同的折射率的材料，或者孔结构，使得具有预设折射率的介质层的内部被雕刻为柱结构。

所述多个纳米结构可以被布置成两层，并且布置在不同层中的纳米结构包括不同折射率的材料。

相对于所述超透镜的工作波段的主波长λ0，所述多个纳米结构的高度可以大于λ0并且小于10λ0。

根据另一实施例的一方面，一种成像透镜，包括：至少一个折射透镜；以及上文描述的超透镜中的任意一个。

根据另一实施例的一方面，一种成像装置，包括：所述成像透镜；以及图像传感器，将由所述成像透镜形成的光学图像转换成电信号。

根据另一实施例的一方面，一种包括多个透镜元件的成像透镜，包括：多个折射透镜；第一超透镜，布置在沿着所述多个透镜元件的布置顺序的光通路的中前位置中，并且包括具有多个纳米结构的第一超表面；第二超透镜，布置在沿着所述多个透镜元件的布置顺序的所述光通路的中后位置处，其中，所述第二超透镜是上文描述的超透镜之一。

所述第一超透镜可以校正所述成像透镜的纵向色差，并且所述第二超透镜可以校正所述成像透镜的横向色差。

所述第一超表面的纳米结构的形状分布被构造为使得所述第一超透镜如同凸透镜一样地在从中心到有效直径的一半的范围内工作。

所述第一超透镜在每个位置处使入射光偏转的角度的范围可以在从大约-5°到大约+5°的范围内。

所述第二超透镜可以具有包括两个相对表面的基于一个基件的整体结构。

所述第二超透镜可以包括：第二超表面，包括以第二形状分布布置在所述两个表面中的一个表面上的多个纳米结构，以及第三超表面，包括以与所述第二形状分布不同的第三形状分布布置在所述两个表面中的另一个表面上的多个纳米结构。

相对于所述第二超透镜的工作波段的中心波长λ0，所述第二超表面和所述第三超表面之间的距离可以大于100λ0并且小于1000λ0。

所述第二超透镜的至少一些区域可以包括：从所述第二超表面和所述第三超表面的中心到所述第二超表面和所述第三超表面的各自有效直径的一半的区域。

所述第二超表面可以使入射光在朝着光轴的方向上偏转，并且偏转角的大小可以从所述第二超表面的中心沿其半径方向逐渐增大，并且所述第三超表面可以使入射光在远离所述光轴的方向上偏转，并且所述第三超表面的偏转角的大小可以从其中心沿半径方向逐渐增大。

在所述第二超表面和所述第三超表面的两个相对位置处，使入射光偏转的方向可以相对于光轴的方向彼此相反。

在所述第二超表面和所述第三超表面的两个相对位置处，使入射光偏转的角度之间的差可以在从大约-30°到大约+30°的范围内。

所述第二超表面和所述第三超表面可以被设置为使得所述第二超透镜：对于绿色波段的光实质上不具有屈光力，对于红色波段的光具有正屈光力，以及对于蓝色波段的光具有负屈光力。

根据另一实施例的一方面，一种成像设备，包括：上述成像透镜中的任意一个；以及成像传感器，将由所述成像透镜形成的光学图像转换成电信号。

附图说明

根据以下结合附图的描述，本公开的某些实施例的上述和其他方面、特征以及优点将更清楚，在附图中：

图1是用于简要描述根据实施例的超透镜的结构和功能的概念图；

图2a是示出可以被包括在图1的超透镜中的超表面的示例构造的俯视图，且图2b是图2a的局部区域的截面图；

图3是概念性地示出根据实施例的由超表面引起的根据位置的相变趋势的曲线图；

图4a、图4b和图4c示出根据实施例的被包括在超表面中的纳米结构的示例形状；

图5是示出设置在图1的超透镜中的第一透镜表面使入射光偏转的角度分布的示例的曲线图；

图6是示出设置在图1的超透镜中的第二透镜表面使入射光偏转的角度分布的示例的曲线图；

图7是用于描述图5和图6的曲线图中所示的偏转角的标准的概念图；

图8是根据实施例的超透镜的简要构造的截面图；

图9是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图；

图10是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图；

图11是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图；

图12简要地示出根据实施例的成像装置的构造和光学布置；

图13简要地示出根据实施例的成像透镜和包括该成像透镜的成像装置的构造和光学布置；

图14是示出设置在图13的成像透镜的第三透镜元件中的超表面的偏转角的分布的曲线图；

图15是示出设置在图13的成像透镜的第五透镜元件中的超表面的偏转角的分布的曲线图；

图16是示出设置在图13的成像透镜的第五透镜元件中的另一超表面的偏转角的分布的曲线图；以及

图17示出关于图13的成像装置的像差图。

具体实施方式

现在将详细参考实施例，在附图中示出实施例的示例，其中，在全部附图中用类似的附图标记表示类似的元件。在这个方面，当前的实施例可以具有不同形式，并且不应当被解释为受限于本文所阐述的描述。因此，在下文通过参考附图仅描述实施例，以说明多个方面。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关列出项中的任意项和一项或多项的所有组合。当诸如“……中的至少一个”之类的表述位于元件列表之后时，其修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单个元件。

在下文中，将参考附图详细描述实施例。本文描述的实施例仅仅是示例性的，并且可以根据实施例做出各种修改。在下面的附图中，相同的附图标记表示相同的元件，并且在附图中，元件的尺寸可以被放大，以变得清楚和便于说明。

在下文中，术语“在……上方”或“在……上”可以包括以接触方式直接在另一组件上的组件，而不排除以非接触方式在另一组件上方的组件。

尽管术语“第一”和“第二”等可以被用于描述各种元件，但是这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。这些术语不用于限制元件的材料或结构。

除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解的是，当部件“包括”或“包含”元件时，除非另外定义，否则该部件还可以包括其他元件，而不排除其他元件。

本文使用的诸如“单元”或“模块”之类的术语被理解为这样的单元：其处理至少一个功能或操作，并且可以以硬件方式、软件方式或硬件方式和软件方式的组合来实现。

术语“所述”及其类似指示术语的使用可以与单数和复数两种形式相对应。

在没有明确地描述应以所描述的顺序执行方法中包括的处理的情况下，可以以适当的顺序执行所述处理。另外，所有示例性术语(例如及其类似物)仅用于详细描述技术思想，并且除非由权利要求限定，否则权利要求的范围不受限于这些术语。

图1是用于描述根据实施例的超透镜的简要结构和功能的概念图。

超透镜ml包括：第一透镜表面ls1；以及第二透镜表面ls2，其被布置为在光轴op方向上与第一透镜表面ls1间隔开预设距离d。如图1所示，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2可以共享一个基件su并且可以形成在基件su的两个表面上。然而，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2不限于此，并且可以由单独的支撑基件分别支撑。

相对于超透镜ml的工作波段的中心波长λ0，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2之间的距离d可以大于λ0。例如，距离d可以大于100λ0并且小于1000λ0。例如，可以将基件su的厚度设置为满足上述条件。

超透镜ml可以相对于入射光具有预设色差，从而校正由其他光学构件产生的色差。第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的具体结构被设置为：使得超透镜ml校正色差，但尽可能不产生几何像差。第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的至少一个是超表面。也就是说，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2都可以是超表面，或者备选地，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的一个可以是超表面，而另一个可以是折射型透镜表面。

超表面是包括多个具有亚波长形状尺寸的纳米结构(未示出)的结构，其中所述多个纳米结构的形状、布置等被设置为通过根据位置对入射光的相位进行调制来实现预设的透射相位分布。超表面可以具有正屈光力或负屈光力，实现各种焦距，并且可以具有色差，其中，焦距取决于波长。

折射型透镜表面是普通折射透镜的透镜表面，即，因折射率和曲面形状而相对于入射光具有屈光力的表面。折射型透镜表面的形状可以是凹形的或凸形的，或者折射型透镜表面可以包括具有拐点的曲面，其形状根据位置而改变为凹形或凸形。折射型透镜表面可以是球面的或非球面的。折射型透镜表面也具有色差，因为折射透镜的折射率通常取决于波长。

包括在超透镜ml中的超结构的具体结构和与超表面一起使用的折射型透镜表面的具体结构被设置为：使得超透镜ml通过超表面和折射型透镜表面的组合来实现期望的色差，并且使得尽可能地减少几何像差的产生。

第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2可以具有根据位置使入射光偏转的不同趋势。偏转是指由于衍射或折射而引起的光通路的改变。第一透镜表面ls1使入射光在朝着光轴的方向上偏转，并且偏转角的大小可以从中心到半径方向逐渐增大。第二透镜表面ls2使入射光在远离光轴的方向上偏转，并且偏转角的大小可以从中心到半径方向逐渐增大。这些趋势可以显示在第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的至少一部分区域中。也就是说，在第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的至少一部分区域中，根据位置使入射光偏转的趋势可以彼此相反。所述一部分区域可以包括近轴区域，例如，包括如下这样的区域，该区域从第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的每一个的中心到第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的每一个的有效直径的一半。将参考图5和图6再次描述其细节。

第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2在近轴区域处的屈光力可以彼此相反。整个第一透镜表面ls1和整个第二透镜表面ls2的屈光力可以彼此相反。即，第一透镜表面ls1通常可以具有正屈光力，而第二透镜表面ls2通常可以具有负屈光力。然而，实施例不限于此。

由于第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的作用，整个超透镜ml可以相对于入射光实质上不具有屈光力。例如，如图1所示，超透镜ml对于作为中心波段的绿色波段的光g不具有屈光力，而对于红色波段的光r可以具有正屈光力，并且对于蓝色波段的光b具有负屈光力。

包括在超透镜ml中的第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2被配置为使得偏转角分布被抵消了极大的量，并因此，可以表现出期望的色差，对几何像差的影响很小。

图2a是示出可以设置在图1的超透镜中的超表面的示例构造的俯视图，且图2b是图2a的局部区域的截面图。

超表面ms包括多个具有亚波长形状尺寸的纳米结构ns。可以将多个纳米结构ns布置在具有与纳米结构ns的折射率不同的折射率的基件su上。亚波长表示小于超透镜ms的工作波段的中心波长的尺寸。工作波段可以是但不限于范围从大约400nm至大约700nm的可见光波段。

多个纳米结构ns可以被布置为多个环形形状。根据位置的纳米结构ns的形状和尺寸可以被定义为距超表面ms的中心的距离r的函数，并且可以具有极性对称分布。然而，这仅是示例，并且实施例不限于此。

在多个纳米结构ns中，纳米结构ns的布置间距p(即，相邻纳米结构ns的中心之间的距离)、纳米结构ns的宽度w和高度h可以彼此不同。根据位置的纳米结构ns的形状、尺寸和布置周期可以根据要通过超表面ms实现的相位延迟函数来确定。根据相位延迟函数确定透射过超表面ms的光的透射相位分布，并且超透镜ml根据透射相位分布表现出预设的光学功能。换言之，根据位置的纳米结构ns的形状、尺寸和布置周期可以根据要由超表面ms表现出的光学功能来设置。

图3是概念性地示出根据实施例的由超表面引起的根据位置的相变趋势的曲线图。

参考该曲线图，不同波段的光，即红光r、绿光g和蓝光b，在距超表面ms的中心的距离r中具有高度相似的趋势。在入射到具有所述趋势的超表面的光中，红光r、绿光g和蓝光b表现出不同的透射相位分布并且以不同的角度偏转。当两个这种类型的超表面彼此相邻布置时，由一个超表面引起的透射相位分布的差异导致到达下一个超表面的红光r、绿光g和蓝光b的位置改变，并且位置的差异随着这两个超表面之间的距离的增大而增大。

根据实施例的超透镜ml包括具有上述相变趋势的超表面，并且通过使用两个超表面或通过使用一个超表面和折射型透镜表面来校正色差，即，实现期望的色差而对几何像差的影响很小，其中所述两个超表面或者所述一个超表面和折射型透镜表面被构造成极大量地抵消偏转角分布。

图4a、图4b和图4c示出根据实施例的设置在超表面中的纳米结构的示例形状。

参考图4a，纳米结构ns可以具有高度为h且直径为w的圆柱形状。纳米结构ns的形状不限于此，并且纳米结构ns可以包括具有可定义的高度和宽度的、截面为各种类型的柱形状。截面可以包括多边形形状、椭圆形形状和/或其他各种形状。

纳米结构ns的宽度w可以小于超透镜ml的工作波段的中心波长λ0，并且纳米结构的高度h可以大于λ0。纳米结构ns的高度h可以大于λ0并且小于10λ0。

纳米结构ns可以包括具有与相邻材料的折射率不同的折射率的材料。纳米结构ns与相邻材料之间的折射率差可以等于或大于0.5。纳米结构ns可以包括具有比相邻材料的折射率大的折射率的材料。在此，相邻材料可以是空气、支撑纳米结构ns的基件su(参见图2b)，或者可以是用于覆盖和保护纳米结构ns的保护层，尽管未示出。

纳米结构ns可以包括含有以下至少一项的材料：c-si、p-si、a-si以及iii-v族化合物半导体(磷化镓(gap)、氮化镓(gan)、砷化镓(gaas)等)、碳化硅(sic)、二氧化钛(tio2)和氮化硅(sin)。

参考图4b，纳米结构ns可以包括孔ho的形式，使得具有预设折射率的介质层me的内部被雕刻为圆柱形状。孔ho的内部可以是空的，即空气，或者可以填充有折射率低于介质层me的折射率的材料。介质层me可以包括含有以下至少一项的材料：c-si、p-si、a-si以及3-5族化合物半导体(gap、gan、gaas等)、sic、tio2和sin，并且孔ho的内部可以填充有空气或诸如su-8、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等的聚合物材料。

参考图4c，纳米结构ns可以具有堆叠结构。例如，可以将如图4a所示的形状和/或如图4b所示的结构在基件su上堆叠成多个层。如图4c所示，通过用折射率为n3的材料包围具有宽度为w1、高度为h1的预设形状且包括折射率为n1的材料的纳米元件ne1而形成第一层，并且通过在第一层上堆叠具有宽度为w2、高度为h2的预设形状且包括折射率为n2的材料的纳米元件ne2和包围纳米元件ne2的折射率为n4的材料而形成第二层。纳米元件nel或纳米元件ne2可以仅仅是空的空间，即空气。

w1和w2可以是亚波长，即小于超透镜ml的工作波段的中心波长λ0，并且h1和h2可以大于2λ0。

在第一层中，第一纳米元件nel的折射率n1和相邻材料的折射率n3可以彼此不同。例如，n1＞n3或n1＜n3。n1和n3之间的差可以等于或大于0.5。在第二层中，纳米元件ne2的折射率n2和相邻材料的折射率n4可以彼此不同。例如，n2＞n4或n2＜n4。n2和n4之间的差可以等于或大于0.5。纳米元件ne1的折射率n1和纳米元件ne2的折射率n2可以彼此不同。例如，n1＞n2或n2＜n1。n1和n2之间的差可以等于或大于0.5。相邻材料的折射率n3和n4可以彼此不同或相同。

图4c中标记的p对应于重复布置纳米结构ns的周期。根据上述条件，可以通过w1、w2、h1、h2、p、n1、n2、n3和n4的各种组合来构造如图4c所示的纳米结构ns，因此，可以通过使用纳米结构ns来更容易地实现具有期望的透射相位分布的超表面。

图5和图6是分别示出设置在图1的超透镜ml中的第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2各自使入射光偏转的角度分布的示例的曲线图，并且图7是用于描述图5和图6的曲线图中所示的偏转角的标准的概念图。

如上所述，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2可以具有根据位置使入射光偏转的不同趋势。这是通过使分别从第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2产生的偏转角分布彼此抵消而使几何像差的产生最小化。

如图7所示，偏转角指示光线从透镜表面ls偏转的方向与入射方向之间的角度。当偏转方向相对于光轴op为逆时针时，偏转角显示为正(+)，而当偏转方向相对于光轴op为顺时针时，偏转角显示为负(-)。相对于光轴op，入射到透镜表面ls的在光轴op上方的区域的光的正偏转角指示在远离光轴op的方向上的偏转，而负偏转角指示在朝着光轴op的方向上的偏转。与之相反，相对于光轴op，入射到透镜表面ls的在光轴op下方的区域的光的正偏转角指示在朝着光轴op的方向上的偏转，而负偏转角指示在远离光轴op的方向上的偏转。

在图5的曲线图中，水平轴是第一透镜表面ls1的半径方向，右侧是在第一透镜表面ls1的区域中的在光轴op上方的区域，并且左侧是在第一透镜表面ls1的区域中的在光轴op下方的区域。

参考图5的曲线图，在光轴op上方的区域中的偏转角为负(-)，其指示在朝着光轴op的方向上的偏转。角度的大小随着远离中心而增大。在光轴op下方的区域中，偏转角为正(+)，其指示在朝着光轴op的方向上的偏转。角度的大小随着远离中心而增大。这种类型的偏转特性对应于正屈光力。这种趋势并非出现在第一透镜表面ls1的所有区域中，而是可以出现在包括近轴区域的预设区域中，即，从透镜的中心到预设半径rc1的区域中。例如，当第一透镜表面ls1的有效直径为2re1时，预设半径rc1可以大于re1/2。

在图6的曲线图中，水平轴是第二透镜表面ls2的半径方向，右侧是在第二透镜表面ls2的区域中的在光轴op上方的区域，并且左侧是在第二透镜表面ls2的区域中的在光轴op下方的区域。

参考图6的曲线图，在光轴op上方的区域中的偏转角为正(+)，其指示在远离光轴op的方向上的偏转。角度的大小随着远离中心而增大。在光轴op下方的区域中，偏转角为负(-)，其指示在远离光轴op的方向上的偏转。角度的大小随着远离中心而增大。这种类型的偏转特性对应于负屈光力。这种趋势并非出现在第二透镜表面ls2的所有区域中，而是可以出现在包括近轴区域的预设区域中，即，从透镜的中心到预设半径rc2的区域中。例如，当第二透镜表面ls2的有效直径为2re2时，预设半径rc2可以大于re2/2。

图5和图6的曲线图指示使入射光偏转的方向根据在第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的至少一些区域中的位置而彼此相反，并且不意在将图5和图6的曲线图限制为彼此对称。例如，图5和图6的曲线图的梯度的绝对值可以彼此不同。此外，第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的有效直径可以彼此不同，并且，即使当第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的有效直径彼此相等时，rc1和rc2也可以彼此不同。在第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的两个相对位置中，使入射光偏转的角度可以彼此不同，并且角度之间的差可以在大约-30°到大约30°的范围内。第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的相对位置指示在第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2之间的光通路上的相对位置。

尽管将图5和图6的曲线图描述为分别与第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2有关，但是该描述仅是示例性的，并且可以相互更换。

与当色差减小时几何像差增大的普通折射透镜不同，在上述超透镜ml中，色差的减小不涉及几何像差的增大。也就是说，可以通过对第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的至少一个应用超表面并且抵消第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2的相当大量的偏转角分布来实现期望的色差和几何像差。

在下文中，将描述根据各种实施例的超透镜的构造，其具有与上述超透镜ml的功能类似的功能。

图8是根据实施例的超透镜的简要构造的截面图。

根据实施例的超透镜100对应于图1所示的第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2都包括超表面的示例。超透镜100包括彼此分开预设距离d的第一超表面151和第二超表面152。如图8所示，超透镜100可以具有基于一个基件110的整体结构。也就是说，第一超表面151和第二超表面152可以形成在基件110的两个相对的表面上。然而，这仅是示例，并且第一超表面151和第二超表面152可以设置在分离的支撑基件中。

第一超表面151包括以第一形状分布布置在基件110的第一表面110a上的多个第一纳米结构ns1。另外，可以设置覆盖多个第一纳米结构ns1的保护层121。可以省略保护层121。

第二超表面152包括以与第一形状分布不同的第二形状分布布置在基件110的第二表面110b上的多个第二纳米结构ns2。另外，可以设置覆盖多个第二纳米结构ns2的保护层122。可以省略保护层122。

相对于超透镜100的工作波段的中心波长λ0，第一超表面151和第二超表面152之间的距离d可以大于λ0。例如，距离d可以大于100λ0且小于1000λ0。第一超表面151和第二超表面152之间的距离d可以根据要通过超透镜100表现出的色差和几何像差的要求来设置，并且基件110的厚度可以根据该要求来设置。

支撑第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2的基件110可以包括具有与第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2的折射率不同的折射率的材料。基件110的折射率与第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2的折射率之间的差可以等于或大于0.5。第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2的折射率可以大于基件110的折射率，但是不限于此。也就是说，基件110的折射率可以大于第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2的折射率。

基件110可以包括玻璃(熔融硅石、bk7等)、石英和聚合物(pmma、su-8等)中的任何一种，或者可以包括半导体基件。第一纳米结构ns1和第二纳米结构ns2可以包括以下至少一项：c-si、p-si、a-si以及iii-v族化合物半导体(gap、gan、gaas等)、sic、tio2和sin。

保护层121和122可以包括诸如su-8、pmma等的聚合物材料。

第一超表面151可以具有正屈光力，第二超表面152可以具有负屈光力。然而，实施例不限于此，第一超表面151可以具有负屈光力，并且第二超表面152可以具有正屈光力。

第一超表面151和第二超表面152可以分别具有图5和图6所示的衍射角分布(即，偏转角分布)。由于第一超表面151和第二超表面152的衍射角(即，偏转角)彼此抵消了相当大的量，因此在入射到超透镜100之后已透射过第一超表面151和第二超表面152两者的光路与入射前的光路具有很小的差异。换言之，由第一超表面151和第二超表面152产生的几何像差非常小。

对于透射过具有如图5所示的衍射角的区域的光，第一超表面151具有使长波长的光的焦距小于短波长的光的焦距的色差。对于透射过具有如图6所示的衍射角的区域的光，第二超表面152具有使长波长的光的焦距大于短波长的光的焦距的色差。因此，可以通过调整由于第一超表面151和第二超表面152而产生的衍射角之间的差来实现期望的色差。

尽管第一表面110a和第二表面110b都被示出为平坦表面，但是在其他实施例中，第一表面110a和第二表面110b之一可以是凸曲面。尽管保护层121和122的顶面被示出为平坦表面，但是在其他实施例中，保护层121和122的顶面之一可以是曲面。可以通过以这种方式添加的曲面精细地调整焦距、色差和要由超透镜100实现的色差。

图9是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图。

本实施例中的超透镜101是图8的超透镜100的修改示例，不同之处仅在于第一超表面151和第二超表面152分别由单独的基件111和112支撑，超透镜101的其他构造与图8的超透镜100实质上相同。

图10是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图。

本实施例中的超透镜102对应于图1所示的第一透镜表面ls1和第二透镜表面ls2中的一个包括折射型透镜表面而另一个包括超表面的示例。

超透镜102包括折射透镜140和超表面153。

折射透镜140可以具有凹形的折射型透镜表面140a。

超表面153包括以预设形状分布布置的多个纳米结构ns3。纳米结构ns3由基件113支撑，并且还可以设置覆盖和保护多个纳米结构ns3的保护层123。

可以设置多个纳米结构ns3的分布形状，使得超表面153具有正屈光力。

超表面153和折射型透镜表面140a可以分别具有如图5和图6所示的曲线图的偏转角分布。由于超表面153和折射型透镜表面140a的偏转角分布彼此抵消了相当大的量，所以在包括超表面153和折射型透镜表面140a的超透镜中几乎不产生色差。

图11是根据另一实施例的超透镜的简要构造的截面图。

超透镜103包括凹形的折射型透镜表面141a和超表面154。超表面154可以具有正屈光力。超透镜103可以具有集成了折射型透镜表面141a和超表面154的结构，并且如图11所示，在凹透镜141的表面上形成多个纳米结构ns4以构造超表面154。另外，还可以设置覆盖并保护多个纳米结构ns4的保护层124。可以省略保护层124。

在图10和图11中，示出并且描述了包括凹形折射型透镜表面和具有正屈光力的超表面在内的超透镜。

在另一实施例中的超透镜可以包括凸形折射型透镜表面和具有负屈光力的超表面。在折射型透镜表面和超表面两者都表现出使长波长的光的焦距大于短波长的光的焦距的色差的意义上，该实施例具有用于增大色差的结构。当需要尽可能地减少几何像差的产生并且产生期望的色差时，可以使用该结构。

图12简要地示出根据实施例的成像装置的构造和光学布置。

成像装置1000包括：成像透镜1200；以及图像传感器1700，用于将由成像透镜1200产生的对象obj的光学图像转换成电信号。红外截止滤波器1600可以设置在成像透镜1200与图像传感器1700之间。

成像透镜1200可以包括上述超透镜ml、100、101、102和103中的任何一个和至少一个折射透镜。

图像传感器1700被布置在如下图像平面的位置处：成像透镜1200将对象obj的光学图像形成在该图像平面上。图像传感器1700可以包括感测光并产生电信号的阵列，例如电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)或光电二极管。

成像透镜1200中所包括的超透镜可以被用于调整成像透镜1200的整体色差和几何像差。例如，成像透镜1200中所包括的超透镜可以校正由其他折射透镜产生的色差，并且可以尽可能地减少附加几何像差的产生。因此，成像装置1000可以获得对象obj的高质量图像。

图13简要地示出根据另一实施例的成像透镜和包括该成像透镜的成像装置的构造和光学布置。

成像装置2000包括：成像透镜2200；以及图像传感器2700，用于将由成像透镜2200产生的对象obj的光学图像转换成电信号。红外截止滤波器2600可以设置在成像透镜2200与图像传感器2700之间。

成像透镜2200包括在从对象obj朝着图像传感器2700的方向上沿着光轴op顺序布置的第一透镜元件p1、第二透镜元件p2、第三透镜元件p3、第四透镜元件p4、第五透镜元件p5和第六透镜元件p6。

第一透镜元件p1、第二透镜元件p2、第四透镜元件p4和第六透镜元件p6是折射型透镜，并且第三透镜元件p3和第五透镜元件p5是超透镜。

第三透镜元件p3包括第一超表面155，并且第五透镜元件p5包括第二超表面156和第三超表面157。

第三透镜元件p3被布置在沿着设置在成像透镜2200中的多个透镜元件的布置顺序的光路的中前位置处，并且包括第一超表面155，其包括具有用于校正成像透镜2200的色差的预设形状和布置的多个纳米结构(未示出)。关于图2a至图4c所描述的结构可以用作设置在第一超表面155中的纳米结构。第三透镜元件p3可以主要校正纵向色差。

第五透镜元件p5被布置在沿着设置在成像透镜2200中的多个透镜元件的布置顺序的光路的中后位置处，并且校正成像透镜2200的横向色差。可以将图1至图10所示的超透镜ml、100、101、102和103中的至少一个及其修改和组合用作第五透镜元件p5。在下文中，将第五透镜元件p5示出和描述为包括两个超表面，如图8和图9所示。

第五透镜元件p5包括第二超表面156和第三超表面157，它们包括具有用于校正成像透镜2200的色差并尽可能地减少几何像差的产生的预设形状和布置的多个纳米结构(未示出)。第五透镜元件p5可以主要校正成像透镜2200的横向色差。

纵向色差指示其中平行于光轴入射的不同波长的光根据纵向方向(即，光轴方向)聚焦在其他位置上的像差，并且是主要在平行于光轴入射到近轴区域的光中表现出的像差。这种类型的入射光主要存在于成像透镜2200的前半部分。

横向色差指示其中倾斜于光轴入射的不同波长的光在横向方向(即，垂直于光轴的方向)上聚焦在其他位置上的像差。这种类型的像差是以各种与成像透镜2200的前半部分的入射角相比相对较大的入射角从成像透镜2200的后半部分入射的光中表现出的像差。

图14是示出被包括在图13的成像透镜2200的第三透镜元件p3中的第一超表面155的偏转角的分布的曲线图。

该曲线图与在光轴op上方的第一超表面155有关，示出了从中心到有效半径的范围。参考该曲线图，从中心到预设距离的范围指示如参考图7所描述的作为朝着光轴op的方向的负衍射角。角度的大小趋向于远离光轴op而增大并且单调地增大到至少一个区域，例如，角度的大小显示出如下趋势：单调增大至达到第一超表面155的有效半径的一半的区域。尽管图14中的曲线被示为具有拐点，但是其仅是示例性的并且不限于此。

如图14的曲线所示，第一超表面155具有正屈光力。具有正屈光力的超表面155显示出使长波长的光的焦距小于短波长的光的焦距的像差，并且该趋势与普通的折射透镜相反。因此，第一超表面155可以校正在穿过其他折射透镜(例如，第一透镜元件p1和第二透镜元件p2)时产生的像差。

在第一超表面155的位置处，即，在成像透镜2200的所有组件的布置中的前半部分的位置处，入射光通常平行于光轴op或与光轴op形成小的角度。因此，第一超表面155主要校正纵向色差。

由于第一超表面155所表现出的色差趋势对衍射角非常敏感，因此可以将衍射角的变化范围设置为小至几度(°)以内。例如，在有效半径中，衍射角的变化范围可以在从大约-5°到大约+5°的范围内。然而，实施例不限于此。第一超表面155可以表现出非常弱的正屈光力。

图15和图16是分别示出设置在图13的成像透镜2200的第五透镜元件p5中的第二超表面156和第三超表面157的偏转角的分布的曲线图。

与在光轴op上方的第二超表面156有关的图15的曲线图示出了从中心到有效半径的范围。参考该曲线图，从中心到预设距离的范围示出了如参考图7所描述的作为远离光轴op的方向的正衍射角。角度的大小趋向于远离光轴op而增大至预设范围。该预设范围可以大约是包括第二超表面156的有效半径的一半的范围。在这个区域中，第二超表面156具有负屈光力。图15的曲线图显示出，衍射角的符号远离半径方向而改变，并且第二超表面156在周界部分具有正屈光力。然而，这仅是示例，并且第二超表面156不限于此。第二超表面156一般可以具有负屈光力。

与在光轴op上方的第三超表面157有关的图16所示的曲线图示出了从中心到有效直径的范围。参考该曲线图，从中心到预设距离的范围示出了如参考图7所描述的作为朝着光轴op的方向的负折射角。角度的大小趋向于远离光轴op而增大至预设范围。该预设范围可以大约是包括第三超表面157的有效半径的一半的范围。在这个区域中，第三超表面157具有正屈光力。图16的曲线图显示出，衍射角的符号远离半径方向而改变，并且第三超表面157在周界部分具有负屈光力。然而，这仅是示例，并且第三超表面157不限于此。第三超表面157一般可以具有正屈光力。

设置在第五透镜元件p5中的第二超表面156和第三超表面157具有彼此相反的衍射角分布趋势，并且当第五透镜元件p5校正色差时对光通路没有严重影响，因此，第五透镜元件p5几乎不产生几何像差。

在第二超表面156和第三超表面157的位置处，即，在成像透镜2200的全部组件的布置中的后半部分位置处，入射光具有与在成像透镜2200的前半部分处的入射角相比相对较大的入射角。因此，包括第二超表面156和第三超表面157的第五透镜元件p5主要校正横向色差。

在成像透镜2200中，分别布置在前半部分和后半部分中的两个超透镜，即，第三透镜元件p3和第五透镜元件p5，可以分别校正不同的像差，并且在这个过程中几乎不产生附加像差。另外，厚度远小于普通折射透镜的厚度的超透镜的厚度可以有助于减小光学总长度ttl。

图17示出关于图13的成像装置的像差图。

该像差图示出了关于红光、绿光和蓝光的光线扇面，并且在图像传感器上的三个图像高度位置(0mm、1.5mm和3.0mm)处在x方向px和y方向py上示出了各个方向上的像差ex和ey。该像差图显示出该实施例的成像装置的像差非常好。

根据用于再现该像差图的具体测量数据，成像装置2000的光学总长度为3.6mm，并且可以实现能够控制整体像差的厚度非常小的光学系统。

图13所示的成像透镜2200是包括多个折射透镜和用于根据位置校正不同像差的两个超透镜的示例，并且可以修改所示出的布置类型或透镜元件的总数。例如，另一实施例可以被实现为另一布置和构造，其中，布置在所有透镜元件的布置的前半部分中的超透镜校正成像透镜的纵向色差，而布置在后半部分中的超透镜校正横向色差。

尽管在上述成像装置1000和2000中未示出，但是还可以设置存储器、处理器、致动器、照明器、显示器等。例如，致动器可以驱动构造成像透镜1200和2200的透镜元件的位置，并且调整透镜元件之间的间隔距离以用于变焦和/或自动聚焦(af)。照明器可以向对象照射可见光和/或红外线。通常处理图像传感器的信号并控制成像装置1000和2000的处理器可以控制致动器或照明器的驱动。用于处理器的执行的代码或数据可以被存储在存储器中，并且在成像装置1000和2000中形成的图像可以被显示在显示器上。

上述成像装置1000和2000可以被安装在各种电子设备中。例如，上述成像装置1000和2000可以被安装在诸如智能电话、可穿戴设备、物联网(iot)设备、家用电器、平板个人计算机(平板pc)、个人数字助理(pda)、便携式多媒体播放器(pmp)、导航设备、无人机、高级驾驶员辅助系统(adas)等的电子设备中。

包括两个透镜表面的上述超透镜可以通过对两个透镜表面中的至少一个应用超表面来尽可能地减少几何像差的产生并校正色差。

上述超透镜可以与普通折射透镜组合地用作具有改善的色差的成像透镜。

上述超透镜可以与具有附加超表面的普通折射透镜组合以构造成像透镜。成像透镜可以在放置有超表面的多个位置处校正不同类型的像差。

上述成像透镜可以用于各种电子装置，例如成像装置。

应当理解，应仅以描述性意义而不是限制性目的来考虑本文描述的实施例。每个实施例之中的特征或方面的描述通常应该被考虑为可用于其他实施例中的其他类似的特征或方面。尽管已参考附图描述了一个或多个实施例，但本领域普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的各种改变。