本申请要求2018年12月3日在美国专利局递交的美国临时申请no.62/774,562的权益和2019年4月22日在韩国知识产权局递交的韩国专利申请no.10-2019-0046940的优先权，其全部公开内容通过引用合并于此。
本公开的示例实施例涉及超透镜和包括超透镜的光学设备。
背景技术：
使用基于半导体的传感器布置的光学传感器越来越多地用于移动装置、可穿戴装置和物联网中。
尽管存在使这种装置小型化的需要，但是难以减小装置中包括的光学透镜的厚度。在通过使用曲率来控制光学性能的透镜中，折光力随着曲率半径的减小而增大，这是因为随着曲率半径的减小，透镜在光轴方向上的厚度增大。
因此，已经尝试实现基于超表面的平且薄的透镜。然而，当使用包括超表面的透镜时，可能发生高阶衍射噪声，和/或在实现关于期望波长带宽的折光力和控制色差方面可能仍然存在困难。
技术实现要素：
一个或多个示例实施例提供了可以在宽波长带宽上显示出提高的光学性能的超透镜。
根据示例实施例的一个方面，提供一种超透镜，其包括：第一区域，该第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置；以及围绕第一区域的多个第二区域，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中。
第一区域具有圆形形状，并且所述多个第二区域中的每一个具有同心环形形状。
所述多个第二区域的数量、第一规则和所述多个第二规则可以被设置为使得超透镜相对于预定波长带的入射光具有折光力。
该预定波长带可以包括可见光波长带。
所述多个第二区域的数量、第一规则和所述多个第二规则可以被设置为使得超透镜具有负阿贝数。
所述多个第一纳米结构的相邻纳米结构之间的第一间隔和所述多个第二纳米结构的相邻纳米结构之间的第二间隔可以分别小于λ，其中λ为该预定波长带内的入射光的波长。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中两个相邻纳米结构的位置分别由极坐标(r1，
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以被设置为具有极性对称。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以被设置为分别在第一区域和所述多个第二区域内具有极性对称。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中在径向方向上彼此相邻的两个纳米结构的位置的极坐标为(r1，
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中在周向方向上彼此相邻的两个纳米结构的位置的极坐标为(r1，
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以被设置为具有螺旋对称。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中的每一个可以具有圆柱形形状或多边形形状。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中的每一个的高度h可以满足λ/2≤h≤6λ，其中λ是预定波长带内的波长。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的高度h可以满足λ/2≤h≤3λ，其中λ是预定波长带内的波长。
所述多个第一纳米结构的高度和所述多个第二纳米结构的高度可以在第一区域和所述多个第二区域中的至少两个位置中彼此不同。
在第一区域和所述多个第二区域中的任何一个位置中包括的至少两个纳米结构的高度可以彼此不同。
相对于预定波长带内的入射光的波长λ，所述至少两个纳米结构之间的高度差可以等于或小于2λ。
所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以被设置为多层结构，并且所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以分别包括第一层中包括的多个下部纳米结构和第二层中包括的多个上部纳米结构，该第二层在高度方向上与第一层间隔开。
所述多个下部纳米结构和所述多个上部纳米结构可以在高度方向上彼此不对准。
相对于预定波长带内的入射光的波长λ，所述多个下部纳米结构和所述多个上部纳米结构之中彼此相邻的下部纳米结构和上部纳米结构之间在高度方向上的距离可以大于λ/2。
所述多个下部纳米结构的形状分布和所述多个上部纳米结构的形状分布可以被确定为使得基于位置的超透镜的性能指标的分布彼此不同。
所述多个下部纳米结构的形状分布和所述多个上部纳米结构的形状分布可以被确定为使得基于位置的超透镜的聚焦性能的不均匀性由彼此补偿。
所述多个第二区域的径向宽度可以小于第一区域的半径。
所述多个第二区域中的每一个的径向宽度可以在远离第一区域的方向上减小。
所述超透镜还可以包括基板，其中所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构可以分别包括折射率大于基板的折射率的材料。
基板的折射率与所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的折射率之间的差可以分别等于或大于0.5。
所述超透镜还可以包括覆盖基板以及所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的保护层。
保护层的折射率与所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的折射率之间的差可以分别等于或大于0.5。
根据另一示例实施例的一个方面，提供一种拍摄镜头，其包括超透镜和至少一个折射透镜，该超透镜包括第一区域和围绕第一区域的多个第二区域，该第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中，所述至少一个折射透镜包括光入射表面和光出射表面，其中光入射表面和光出射表面中的至少一个是曲面。
超透镜的所述多个第二区域的数量、第一规则和第二规则可以被设置为使得超透镜具有如下阿贝数，该阿贝数被配置为补偿由折射透镜引起的色差。
超透镜的所述多个第二区域的数量、第一规则和第二规则可以被设置为使得超透镜具有负阿贝数。
超透镜的焦距fm和所述至少一个折射透镜的焦距f1可以满足|fm|＞|f1|。
根据另一示例实施例的一个方面，提供一种拍摄设备，其包括拍摄镜头和图像传感器，该拍摄镜头包括超透镜和至少一个折射透镜，该超透镜包括第一区域和围绕第一区域的多个第二区域，该第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中，所述至少一个折射透镜包括光入射表面和光出射表面，光入射表面和光出射表面中的至少一个是曲面，并且该图像传感器被配置为将由拍摄镜头形成的光学图像转换成电信号。
根据另一示例实施例的一个方面，提供一种超透镜，其包括：第一区域，该第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置；以及围绕第一区域的多个第二区域，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中，其中所述多个第二区域的数量、第一规则和所述多个第二规则被设置为使得超透镜相对于预定波长带的入射光具有折光力。
附图说明
根据结合附图的示例实施例的以下描述，本公开的特定实施例的上述和/或其他方面将更清楚并且更易于理解，在附图中：
图1是根据示例实施例的超透镜的结构的示意性平面图；
图2是示出根据示例实施例的被划分成多个区域的超透镜的区域平面图；
图3是沿图2的线aa’截取的截面图；
图4是根据示例实施例的通过例示超透镜的第k区域来说明相邻纳米结构的间隔与宽度之间的关系的概念图；
图5示出了根据示例实施例的包括在超透镜中的纳米结构的示例性形状；
图6是示出根据示例实施例的包括在超透镜中的纳米结构的另一示例性形状的透视图；
图7是示出根据示例实施例的作为将由超透镜实现的设计数据的理想相位分布的曲线图；
图8是示出根据示例实施例的由制造的超透镜显示出的相位分布的曲线图；
图9是示出根据示例实施例的超透镜的多个区域布置的平面图；
图10是根据示例实施例的超透镜的结构的示意性截面图；
图11是概念性地示出了根据设置在图10的超透镜的各个区域中的纳米结构要满足的波长的目标相位的曲线图；
图12是根据示例实施例的超透镜的结构的示意性截面图；
图13示出了根据图12的超透镜中的第一层中布置的下部结构的位置的宽度和间距的设计数据的示例；
图14是示出目标相位值与根据如图13设计的纳米结构的相位值之间的比较的曲线图；
图15是示出通过量化图14中的目标值与设计值之间的差所获得的性能指标的曲线图；
图16是根据示例实施例的超透镜的结构的截面图；
图17示出了根据示例实施例的拍摄镜头的光学布置；
图18示出了根据示例实施例的拍摄镜头的光学布置；
图19示出了根据相关示例的拍摄镜头的光学布置；以及
图20示出了根据示例实施例的拍摄设备的光学布置。
具体实施方式
现在将详细参考在附图中示出的示例实施例，其中，贯穿附图类似的附图标记表示类似的元素。在这点上，示例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明的描述。因此，下面仅通过参考附图来描述示例实施例，以解释各个方面。本文中所使用的术语“和/或”包括相关列出项目中的一个或多个的任意和所有组合。诸如“......中的至少一个”之类的表述在元件列表之后时修饰整个元件列表，而不是修饰列表中的单独元件。例如，表述“a、b和c中的至少一个”应理解为包括仅a、仅b、仅c、a和b两者、a和c两者、b和c两者、或者a、b和c的全部。
在下文中，将参照附图详细描述示例实施例。示例实施例能够进行各种修改并且可以以许多不同的形式来体现。在附图中，为了清楚起见和便于说明，附图中的组成元件的尺寸可能被放大。
应当理解的是，当元件或层被称为在另一元件或层“上”或“之上”时，该元件或层可以直接在该另一元件或层上，或者可以存在中间元件或层。
应当理解的是，虽然术语“第一”、“第二”等可以在此用于描述各种部件，但是这些术语仅用于将一个部件与另一部件区分开来。这些术语不限定组成元件的材料或结构的差异。
除非上下文另外清楚指示，否则本文中使用的单数形式也意在包括复数形式。此外，当区域“包括”组成元件时，除非另有不同说明，否则该区域还可以包括另一元件，而不是排除其他元件。
此外，在说明书中，术语“单元”表示处理至少一个功能或操作的单元，并且“单元”可以通过硬件、软件或硬件和软件的组合来实现。
关于构成方法的操作，可以以任何适当的顺序执行操作，除非清楚地描述了操作的顺序或者除非上下文另外明确指出。所有示例或示例术语(例如，等)仅用于详细解释本公开的技术范围，并且因此，本公开的范围不受示例或示例术语的限制，只要它不被权利要求限制。
图1是根据示例实施例的超透镜的结构的示意性平面图。图2是示出根据示例实施例的超透镜100的区域被划分成多个区域的平面图。图3是沿图2的线aa’截取的截面图。
超透镜100可以包括多个纳米结构ns，并且多个纳米结构ns可以在径向方向和周向方向上二维地布置。在下文中，限定径向方向和周向方向的圆的中心是超透镜100的中心。超透镜100可以进一步包括支撑多个纳米结构ns的基板110。多个纳米结构ns可以布置在基板110上并且可以具有亚波长的形状尺寸。在此，当多个纳米结构ns被布置为相对于预定波长带的光执行期望的光学功能时，如果λ是预定波长带内的波长，则亚波长表示小于λ的形状尺寸。在示例实施例中，当多个纳米结构ns被布置为相对于预定波长带的光执行期望的光学功能时，多个纳米结构ns被布置为将预定波长带加宽到期望的程度并且还更有效地防止或减少意外的高阶或零阶衍射噪声的产生。例如，当纳米结构ns被布置成用作相对于可见光的宽波长带的光表现出折光力的透镜时，在基于直角坐标的布置中控制像差存在限制。在根据纳米结构ns的位置确定纳米结构ns的尺寸或形状时，根据示例实施例的超透镜100通过应用基于极坐标的规则来实现相对于宽波长带的光的期望性能，并且还通过将多个纳米结构ns布置为单层来促进这种性能的实现。
多个纳米结构ns中的每一个的位置可以表示为坐标(r，
如在超透镜100的中心处的区域a1的放大部分所示，多个纳米结构ns可以沿着具有不同半径的多个环布置。当λ是预定波长带内的波长时，相邻环之间的间隔可以具有小于λ的亚波长尺寸。尽管该间隔在放大区域a1中被示为恒定，但是实施例不限于此。在超透镜100的其他区域中，相邻环之间的间隔可以不是恒定的。此外，多个纳米结构ns的尺寸在放大区域a1中被示为相同，但是实施例不限于此。例如，位于超透镜100的其他区域中的纳米结构ns可以具有不同的尺寸。
参考作为超透镜100的外围区域的区域a2的放大部分，纳米结构ns沿相对于超透镜100的中心的多个同心圆的圆周方向布置。此外，纳米结构ns不具有恒定的尺寸，而是根据其相应位置具有彼此不同的尺寸。然而，所描绘的尺寸的变化是示例，并且实施例不限于此。
参考图2和图3，超透镜100可以包括第一区域120_1、以及第二区域120_2至第n区域120_n。第一区域120_1是具有圆形形状的中央区域，并且第二区域120_2至第n区域120_n可以具有顺序围绕第一区域120_1的环形形状。“n”是等于或大于3的自然数。可以设置多个第一区域120_1至第n区域120_n，以便区分和控制在每个区域中布置的纳米结构ns的形状、间隔和布置规则等，并且可以考虑要实现的超透镜100的光学功能和性能来确定区域的数量、区域的尺寸等。
第一区域120_1可以包括在径向方向和周向方向上二维布置的多个第一纳米结构ns1。多个第一纳米结构ns1可以根据第一规则进行分布。在此，该规则适用于诸如多个纳米结构ns的形状、尺寸(例如宽度和高度)、间隔、布置等参数，并且这些参数可以在相同的区域中是恒定的，或者可以表示为基于超透镜中多个纳米结构ns的位置的函数。
第二区域120_2可以包括在径向方向和周向方向上二维布置的多个第二纳米结构ns2。多个第二纳米结构ns2可以根据第二规则进行分布。
第n区域120_n可以包括在径向方向和周向方向上二维布置的多个第n纳米结构nsn。多个第n纳米结构nsn可以根据第n规则进行分布。
作为示例，将设置在每个区域中的多个纳米结构nsk(1≤k≤n)的形状、宽度、高度、布置间隔等描绘为恒定的，但是设置在第k区域120_k中的第k纳米结构nsk的形状、宽度、高度、布置间隔等可以根据第k规则进行设置。第k规则可以表示第k规则被应用于设置在第k区域120_k中的第k纳米结构nsk。根据示例实施例，第一规则至第k规则中的一些或全部可以彼此等同。
基板110和纳米结构nsk可以分别包括具有彼此不同的折射率的材料。基板110与纳米结构nsk之间的折射率差可以是0.5或更大。纳米结构nsk的折射率可以大于基板110的折射率，但是实施例不限于此，并且纳米结构nsk的折射率可以小于基板110的折射率。
参考图3，保护层130可以通过覆盖或封装所有多个纳米结构nsk来保护多个纳米结构nsk，并且可以包括具有与纳米结构nsk的折射率不同的折射率的材料。保护层130与纳米结构nsk之间的折射率差可以是0.5或更大。保护层130可以包括折射率小于纳米结构nsk的折射率的材料，并且在这种情况下，可以省略保护层130。然而，实施例不限于此，并且保护层130的折射率可以大于纳米结构nsk的折射率。
基板110可以包括诸如玻璃(熔融硅石、bk7等)、石英、聚合物(聚(甲基丙烯酸甲脂)(pmma)、su-8等)和塑料等材料中的一种材料，并且可以是半导体基板。纳米结构nsk可以包括c-si、p-si、a-si和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)以及氮化硅(sin)中的至少一种。保护层130可以包括诸如su-8、pmma等的聚合物材料、或诸如二氧化硅(sio2)的低折射材料。
以这种方式，与周围材料具有折射率差的纳米结构nsk可以改变穿过纳米结构nsk的光的相位。这是因为由纳米结构nsk的亚波长的形状尺寸所导致的相位延迟，并且相位延迟的程度由纳米结构nsk的详细形状尺寸和布置类型确定。可以通过适当地设置在多个纳米结构nsk的每一个中发生的相位延迟的程度来实现各种光学功能。
区域的数量和应用于其的规则可以布置成使得超透镜100相对于预定波长带的光表现出折光力。预定波长带可以是可见光波长带。折光力可以是凸透镜的正折光力或凹透镜的负折光力。可以通过增加区域的数量来增大折光力的绝对值。根据每个区域中纳米结构nsk的尺寸分布趋势来确定折光力的符号，并且在正折光力和负折光力的情况下，尺寸分布趋势可以彼此相反。例如，在每个区域中，在其中纳米结构nsk的尺寸在径向方向上减小的布置中，可以实现正折光力，并且在其中纳米结构nsk的尺寸在径向方向上增大的布置中，可以实现负折光力。
可以设置超透镜100的区域的数量和应用于每个区域的规则，使得超透镜100具有负阿贝(abbe)数。普通的折射透镜(即在光的入射表面或出射表面上具有曲面的显示出折光力的折射透镜)具有正阿贝数，并且因此，在将色散控制到期望程度方面存在限制。
阿贝数与超透镜100显示出的色散有关。色散是由以下特性引起的：介质通常针对彼此不同的波长显示出不同的折射率，并且阿贝数(vd)被定义如下。
vd＝(nd-1)/(nf-nc)(1)
在此，nd、nf和nc分别表示d线(587.5618nm)、c线(656.2816nm)和f线(486.1327nm)的折射率。
当由根据波长的折射率差引起的色散较大时，作用在入射光上的折光力根据入射光的颜色而不同，从而产生色差。为了补偿色差，通常，当构成拍摄镜头时，实施利用具有较大阿贝数差的两个透镜的方法。由于根据示例实施例的超透镜100可以具有负阿贝数，因此超透镜100可以通过被用于拍摄镜头中而更有效地补偿在其他透镜中产生的色差。在此，阿贝数是示例，并且实施例不限于此。可以设置区域的数量和应用于区域的规则，使得超透镜100具有期望值的阿贝数，该期望值在适合于色差补偿的程度上。
多个区域的宽度可以彼此不同。例如，具有圆形形状的第一区域120_1的半径可以大于具有环形形状的第二区域120_2的径向宽度。此外，环形形状的宽度可以从第三区域120_3到第n区域120_n逐渐减小。然而，这是示例，并且实施例不限于此。
多个第一纳米结构ns1、多个第二纳米结构ns2、...、第n纳米结构nsn可以被布置为具有大致极性对称。即，多个纳米结构nsk(1≤k≤n)可以被布置为以z轴作为旋转轴在预定角度处具有旋转对称。在这种情况下，在每个位置处的纳米结构nsk的形状或相邻纳米结构nsk之间的间隔与
此外，第一纳米结构ns1、第二纳米结构ns2、...、第n纳米结构nsn可以被布置为在每个纳米结构nsk所属的第k区域120_k中具有极性对称。布置在第一区域120_1中的第一纳米结构ns1可以被布置为具有预定角度
图4是根据示例实施例的通过例示超透镜100_k的第k区域来示出相邻纳米结构的间隔与宽度之间的关系的概念图，并且图5示出了根据示例实施例的包括在超透镜100_k中的纳米结构的示例性形状。
参考图4，设置在第k区域120_k中的第k纳米结构nsk可以被布置为具有极性对称。多个第k纳米结构nsk可以布置为使得该布置具有以z轴为旋转轴的旋转角
第k纳米结构nsk的径向方向间隔可以是恒定的，为δrk，或可以根据位置具有不同的值。例如，根据应用于第k区域120_k的第k规则，在该区域中，δrk可以随着r的增大而逐渐增大或减小。在此，所有区域的δrk可以不是彼此不同的，而是可以在至少两个区域中彼此不同。
纳米结构ns的两个宽度(即，径向宽度wrk和周向宽度wck)是亚波长的尺寸，并且还可以根据相邻纳米结构nsk之间的周向间隔与径向间隔之间的关系来确定纳米结构ns的两个宽度。在纳米结构nsk之间的周向间隔和径向间隔中，“间隔”可以是相邻纳米结构nsk的中心之间的距离。
位于极坐标(r1，
即，纳米结构nsk的径向宽度wrk可以满足以下条件。
wrk≤3(δr)/4＝(3|r1-r2|)/4(2)
位于极坐标(r1，
即，纳米结构nsk的周向宽度wck可以满足以下条件。
如图5所示，纳米结构nsk可以具有矩形柱形状，该矩形柱形状分别具有两个宽度wrk和wck以及高度hk。矩形柱的矩形截面的两个宽度wrk和wck可以布置在基板上，使得两个宽度wck和wrk分别在周向方向和径向方向上。当λ是预定波长带内的波长时，纳米结构nsk的高度hk可以满足以下条件。
λ/2≤hk≤6λ(4)
纳米结构nsk可以具有多边形柱。
关于纳米结构nsk的形状尺寸，仅垂直于高度的截面宽度可以具有亚波长尺寸，并且高度可以等于或大于光的波长。然而，实施例不限于此，并且高度也可以设置为具有亚波长尺寸。
当纳米结构nsk的高度具有大于波长的尺寸时，可以从纳米结构nsk获得对更宽范围的光的响应，并且因此，可以配置控制更宽波长带的光的透镜。
当纳米结构nsk的宽高比大于1时，即，纳米结构nsk的形状的宽度为亚波长并且高度为波长或更大时，随着宽高比的增加，纳米结构nsk的制造变得更困难。因此，可以考虑与宽高比相关的光学性能来设置(3)或(4)的范围。
图6是示出根据示例实施例的包括在超透镜100_k中的纳米结构nsk的另一示例性形状的透视图。
纳米结构nsk可以具有直径为dk且高度为hk的圆柱形状。在该形状中，dk可以满足上面的范围(2)和(3)。
图7是示出根据示例实施例的作为要由超透镜100实现的设计数据的理想相位分布的曲线图，并且图8是示出根据示例实施例的由制造的超透镜显示出的相位分布的曲线图。
如上所述，由超透镜100实现的光学功能归因于这样的性质，即入射光的相位由构成超透镜100的多个纳米结构ns根据位置进行调制。图8示出了在与设计数据非常相似的水平上实现根据位置的超透镜100的相位分布。
图9是示出根据示例实施例的超透镜101的多个区域布置的平面图。
超透镜101包括多个区域121_k，多个区域121_k包括布置在基板111上的多个纳米结构。根据该示例实施例的超透镜101与图2的超透镜100的不同之处在于，多个纳米结构在超透镜101中被布置为具有螺旋对称。根据应用于多个纳米结构ns的布置的相同规则的轨迹是螺旋的。在每个螺旋区域121_k中，纳米结构ns的形状、尺寸、间隔、高度等可以被设置为恒定的，或可以在对应区域中应用区域的布置规则。
除了图2和图9所示的区域划分之外，可以将各种区域划分应用于根据示例实施例的超透镜，以用于实现各种光学功能。例如，可以设置区域的划分和区域中的规则，使得在将入射光束的光轴方向折射到特定方向的同时，入射光束被整形为特定形状或者入射光束被聚焦。
图10是根据示例实施例的超透镜的结构的示意性截面图。图11是概念性地示出了根据设置在图10的超透镜的各个区域中的纳米结构要满足的波长的目标相位的曲线图。
图10是与沿着平面图形式的图2的线a-a′截取的截面相对应的视图。超透镜102可以包括第一区域122_1、第二区域122_2、...、第n区域122_n。可以在每个第k区域122_k(1≤k≤n)中确定纳米结构nsk布置规则，使得超透镜102相对于预定波长带的光具有折光力。根据该示例实施例的超透镜102与关于图3所描述的超透镜100的不同之处在于：将彼此不同的高度h应用于第一区域122_1、第二区域122_2、...、第n区域122_n中相同区域中包括的至少两个纳米结构nsk。尽管在附图中在所有区域中设置了具有不同高度的纳米结构nsk，但是实施例不限于此。例如，在一些区域中，纳米结构nsk的高度可以彼此相同。
相对于预定波长带内的波长λ，至少两个纳米结构nsk之间的高度差δh可以等于或小于2λ。相对于预定波长带内的波长λ，第二纳米结构nsk的高度h可以在λ/2≤h≤3λ的范围内。
基于具有彼此不同的高度的纳米结构nsk，在向宽波长带的光施加折光力时可以更自由地调节色差，例如根据波长的色散。
为了示出相对于入射光的折光力，可以将预定的布置规则应用于设置在各个区域122_k中的纳米结构nsk。可以如图11中那样为每个区域设置目标相位
如图11所示，相对于彼此不同的波长λl、λm和λs的光，目标相位
尽管在图10中随机地示出了纳米结构nsk的高度h、宽度w和间距p，但是这是示例，并且实施例不限于此。对于每个区域122_k，可以设置预定规则，并且不仅将所述预定规则应用于纳米结构nsk的宽度w和间距p，而且还应用于高度h。
图12是根据示例实施例的超透镜103的结构的示意性截面图。
类似于图10，图12是与沿着图2的平面图中的线a-a’截取的截面相对应的视图。超透镜103可以包括第一区域123_1、第二区域123_2、...、第n区域123_n。可以在第一区域123_1、第二区域123_2、...、第n区域123_n中的每一个中确定纳米结构nsk布置规则，使得超透镜103可以相对于预定波长带的光显示出折光力。
根据该示例实施例的超透镜103与上述超透镜100、101和102的不同之处在于：第一区域123_1、第二区域123_2、...、第n区域123_n中包括的纳米结构nsk以多层结构布置。纳米结构nsk可以被划分为形成第一层la1的多个下部纳米结构和形成第二层la2的多个上部纳米结构。
第一层la1和第二层la2在高度方向(z方向)上彼此间隔开，并且为了形成这样的层，可以形成包括折射率低于下部纳米结构的折射率的材料并且覆盖下部纳米结构的低折射率材料层131。可以在低折射率材料层131上设置上部纳米结构。为了覆盖和保护上部纳米结构，可以进一步设置包括折射率低于上部纳米结构的折射率的材料的保护层133。保护层133可以被省略。
形成第一层la1的下部纳米结构和形成第二层la2的上部纳米结构可以彼此不对准地彼此面对。例如，彼此竖直面对的下部纳米结构和上部纳米结构中的至少一些的中心轴线可以彼此不对准。彼此面对的下部纳米结构和上部纳米结构中的一些可以彼此对准。
下部纳米结构和上部纳米结构之中彼此相邻的下部纳米结构和上部纳米结构之间的间隔d，即，在高度方向(z方向)上的分开距离，可以大于λ/2，其中λ是预定波长带内的波长。
如图12所示的多层的纳米结构nsk的布置可以减少可能在某些位置处发生的性能下降，即使当每个纳米结构nsk的形状被设置到期望的目标相位时。
图11所示的每个区域中的目标相位可以应用于图12的超透镜103。例如，对于每个区域，可以设置布置在双层结构的超透镜103的区域123_k中的纳米结构nsk的尺寸和布置，以满足如图11中所示的目标相位。图13示出了根据图12的超透镜103的第一层lal中布置的纳米结构nsk的位置的宽度w和间距p的设计数据的示例。
图14是目标相位值与根据如图13设计的纳米结构nsk的相位值之间的比较的曲线图。在该曲线图中，目标相位值曲线由“目标”指示，并且根据被设计为实现目标相位的纳米结构nsk的相位值曲线由“设计”指示。在该曲线图中，这两个曲线彼此不完全一致，而是具有误差。此外，失配的程度似乎根据纳米结构nsk的位置而变化。
图15是通过量化图14中的目标值与设计值之间的差所获得的性能指标的曲线图。该性能指标被如下获得：使得要考虑的整个波长带中目标透射率(透射强度和透射相位)与实际透射率之间的相关程度根据径向方向上的位置而被积分和量化。该曲线图可以示出优值函数。该曲线图的纵轴上更接近1的相关程度是更期望的值，并且可以从指示下极值点的点q知道相关程度最低的位置。
图13至图15示出了第一层lal的设计数据，并且当引入多层时，可以补偿非均匀低的相关特性。例如，可以确定关于形成第二层la2的纳米结构nsk的尺寸和布置的规则，使得如图15所示第一层la1中相关性为低的位置(例如，极值点q)可以移动到另一位置。通过使相关性为低的位置在第一层la1和第二层la2中看起来不同并且使每个层的色散和相位特征交叠，当在保持适当范围内的色散的同时要会聚预定波长带的期望光时，可以减少可能在某些特定位置处发生的性能下降。
设置在第一层la1中的纳米结构nsk的形状分布和设置在第二层la2中的纳米结构nsk的形状分布可以被确定为具有彼此不同的根据位置的性能指标分布。设置在第一层la1中的纳米结构nsk的形状分布和设置在第二层la2中的纳米结构nsk的形状分布可以被确定为使得根据各个形状分布的聚焦性能的不均匀性程度彼此不同。设置在第一层la1中的纳米结构nsk的形状分布和设置在第二层la2中的纳米结构nsk的形状分布可以被确定为使得在每一层中根据位置的聚焦性能的不均匀性程度可以由彼此补偿。第一层la1和第二层la2中的任何一个可以被设置为减少另一层的聚焦性能的不均匀性。
根据示例实施例，当超透镜103的纳米结构nsk被布置在多层中时，可以减少应用预定单元的规则的2π区的数量。2π区123_1、123_k和123_n的数量可以被设置为适合于实现期望折光力的水平，并且对于高折光力，区域的数量增加。通过使用多层布置，可以减少在径向方向上形成的区域的数量。
尽管多个层的数量被设置为例如两个，但是实施例不限于此。例如，可以选择三个或更多个层。当多个层的数量为ln时，在径向方向上形成的2π区的数量可以减少到1/ln。此外，色散范围可以减小到1/ln。
图16是根据示例实施例的超透镜104的结构的示意性截面图。
超透镜104可以包括第一区域124_1、第二区域124_2、...、第n区域124_n。可以在第一区域124_1、第二区域124_2、...、第n区域124_n中的每一个中确定纳米结构nsk布置规则，使得超透镜104可以相对于预定波长带的光显示出折光力。
在示例实施例中，包括在相同区域中的形成超透镜104的第一层la1的纳米结构nsk中的至少两个可以具有彼此不同的高度。此外，包括在相同区域中的形成超透镜104的第二层la2的纳米结构nsk中的至少两个可以具有彼此不同的高度。如在图10的示例实施例中所描述的，通过对每个层施加高度变化，可以更容易地设置用于在每个位置处实现适当的相位和色散的设计值。特别地，当引入多层纳米结构nsk布置以补偿每个层的性能下降时，在与低相关性位置相对应的一个层中选择用于补偿另一层中的性能下降的纳米结构nsk的设计值可以更容易。此外，可以更有效地补偿各层之间的相位和色散性能。
尽管附图示出了具有不同高度的纳米结构nsk被应用于第一层la1和第二层la2两者，但是这仅是示例，并且实施例不限于此。例如，可以在第一层la1和第二层la2之一中以恒定的高度布置纳米结构nsk，并且可以根据需要在适当位置处在另一层中选择具有不同高度的纳米结构nsk。此外，尽管附图示出了将多层引入到所有区域124_k，但是实施例不限于此。确定要应用于每个区域124_k的规则的参数可以包括提供多层或高度变化。
以上描述的超透镜100、101、102、103和104可以用于各种光学装置中，因为超透镜100、101、102、103和104具有有利于光学装置小型化的薄结构和用于控制光学性能的更高自由度。
图17示出了根据示例实施例的拍摄镜头1000的示意性光学布置。
拍摄镜头1000包括多个透镜e1、e2、...、en。可以以各种数量配置多个透镜e1、e2、...、en，使得对象obj的图像聚焦在图像平面img上，并且还考虑期望的像差补偿。另外，可以将用于控制光量的孔径光阑与多个透镜e1、e2、...、en一起设置在适当的位置处。
多个透镜e1、e2、...、en中的一些可以是根据示例实施例的超透镜100和101，并且其余的透镜可以是其中光入射表面s1和光出射表面s2中的至少一个为曲面的普通折射透镜。可以考虑要实现的拍摄镜头1000的焦距和视场来确定超透镜和折射透镜的数量、位置和形状。此外，拍摄镜头1000可以被实现为变焦透镜，通过允许多个透镜e1、e2、...、en中的至少一个沿光轴oa移动而将所述变焦透镜的焦距控制在远摄位置到广角位置的范围内。此外，多个透镜e1、e2、...、en中的至少一个可以被配置为在垂直于光轴oa的方向上移动以进行补偿。
图18示出了根据示例实施例的拍摄镜头2000的示意性光学布置。
拍摄镜头2000包括从对象obj一侧顺序布置的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和作为第五透镜的超透镜ml。第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30和第四透镜40是其中将曲面应用于光入射表面和/或光出射表面的普通折射透镜，而第五透镜是平面超透镜ml。作为超透镜ml，可以采用上述的超透镜100和101或修改示例的超透镜。
超透镜ml可以具有能够补偿由第一透镜至第四透镜10、20、30和40引起的色差的阿贝数。超透镜ml可以具有负阿贝数以进行更有效的色差补偿。
超透镜ml可以执行色差补偿作为主要作用，并且可以被设置为具有很小的折光力。例如，超透镜ml可以具有非常弱的、接近于零的正或负折光力，并且因此可以显示出非常长的焦距。
超透镜ml的焦距fm和第一透镜至第四透镜10、20、30和40的焦距f1可以满足以下条件。
|fm|＞|f1|(5)
超透镜ml的焦距fm可以大于第一透镜至第四透镜10、20、30和40中显示出最长焦距的透镜的焦距ifi。即，超透镜ml可以被配置为在构成拍摄镜头2000的透镜中具有最弱的折光力。
在设计拍摄镜头2000时，以这种方式设置超透镜ml的优点在于：可以添加超透镜ml仅用于校正色差的目的，而基本上不影响由相关技术的普通折射透镜构成的普通拍摄镜头的其余性能。
图19示出了根据相关示例的拍摄镜头90的示意性光学布置。
拍摄镜头90包括从对象obj起顺序布置的第一透镜10、第二透镜20、第三透镜30、第四透镜40和第五透镜50。第一透镜至第五透镜10、20、30、40和50都是将曲面应用于入射表面和/或出射表面的普通折射透镜。
根据相关示例的拍摄镜头90可以显示出与图18的拍摄镜头2000相同或相似的性能。例如，拍摄镜头90可以显示出与图18的拍摄镜头2000相同的焦距和视场。然而，由于第五透镜50的厚度和阿贝数限制，根据相关示例的拍摄镜头90在减小总长度方面存在缺点，并且在校正像差方面也是不利的。
换句话说，根据示例实施例的图18的拍摄镜头2000的总长度，即从第一透镜10的入射表面到图像平面img的长度，可以小于根据相关示例的拍摄镜头90的总长度，并且此外，由于提供了具有诸如负阿贝数等的各种阿贝数的超透镜100，因此可以获得高像差校正性能。
在参照图11和图12的描述中，已经主要描述了通过超透镜ml补偿色差，但是这是示例，并且超透镜ml可以被配置为补偿其他像差，例如球面像差或彗形像差。
图20示出了根据示例实施例的拍摄设备3000的示意性光学布置。
拍摄设备3000包括拍摄镜头3100和图像传感器3500，该图像传感器3500被配置为将由拍摄镜头3100形成的对象obj的光学图像转换成电信号。盖玻璃3200可以设置在拍摄镜头3100与图像传感器3500之间，并且红外截止滤光片可以涂覆在盖玻璃3200上。
图像传感器3500位于图像平面上，其中对象obj的光学图像由拍摄镜头3100形成。图像传感器3500可以包括电荷耦合器件(ccd)、互补金属氧化物半导体(cmos)、光电二极管等的阵列，用于通过感测光来产生电信号。图像传感器3500不限于此。
拍摄镜头3100可以包括至少一个超透镜。如参考图10和图11所描述的，拍摄镜头3100可以具有包括超透镜的任意配置。作为包括在拍摄镜头3100中的超透镜，可以采用超透镜100和101或其变型。超透镜可以具有能够在可见光带的宽波长带中更有效地校正像差的性能，并且因此，拍摄设备3000的性能可以得到提高。
上述的超透镜可以通过使用纳米结构来实现薄透镜，并且可以实现相对于宽波长带宽的期望光学性能。
上述的超透镜能够更容易地控制各种像差，并且因此，可以应用于拍摄镜头，并且拍摄镜头可以用于诸如图像传感器、拍摄装置等的各种光学设备中。
尽管已参考附图描述了示例实施例，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多种改变。
1.一种超透镜，包括：
第一区域，所述第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置；以及
围绕所述第一区域的多个第二区域，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，
其中，所述多个第二纳米结构分别基于不同于所述第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中。
2.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述第一区域具有圆形形状，并且所述多个第二区域中的每一个具有同心环形形状。
3.根据权利要求1所述的超透镜，其中，所述多个第二区域的数量、所述第一规则和所述多个第二规则被设置为使得所述超透镜相对于预定波长带的入射光具有折光力。
4.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述预定波长带包括可见光波长带。
5.根据权利要求4所述的超透镜，其中，所述多个第二区域的数量、所述第一规则和所述多个第二规则被设置为使得所述超透镜具有负阿贝数。
6.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构的相邻纳米结构之间的第一间隔和所述多个第二纳米结构的相邻纳米结构之间的第二间隔分别小于λ，其中λ为所述预定波长带内的入射光的波长。
7.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中两个相邻纳米结构的位置分别由极坐标
其中，所述两个相邻纳米结构之间的|r1-r2|和
8.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构被设置为具有极性对称。
9.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构被设置为分别在所述第一区域和所述多个第二区域内具有极性对称。
10.根据权利要求9所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中在径向方向上彼此相邻的两个纳米结构的位置的极坐标为
其中，所述相邻的两个纳米结构的径向宽度wr满足：
wr≤(3|r1-r2|)/4。
11.根据权利要求9所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中在周向方向上彼此相邻的两个纳米结构的位置的极坐标为
其中，所述相邻的两个纳米结构的周向宽度wc满足：
12.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构被设置为具有螺旋对称。
13.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中的每一个具有圆柱形形状或多边形形状。
14.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构中的每一个的高度h满足：
λ/2≤h≤6λ，
其中，λ是所述预定波长带内的波长。
15.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的高度h满足：
λ/2≤h≤3λ，
其中，λ是所述预定波长带内的波长。
16.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构的高度和所述多个第二纳米结构的高度在所述第一区域和所述多个第二区域中的至少两个位置中彼此不同。
17.根据权利要求3所述的超透镜，其中，在所述第一区域和所述多个第二区域中的任何一个位置中包括的至少两个纳米结构的高度彼此不同。
18.根据权利要求17所述的超透镜，其中，相对于预定波长带内的入射光的波长λ，所述至少两个纳米结构之间的高度差等于或小于2λ。
19.根据权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构被设置为多层结构，并且
其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构分别包括第一层中包括的多个下部纳米结构和第二层中包括的多个上部纳米结构，所述第二层在高度方向上与所述第一层间隔开。
20.根据权利要求19所述的超透镜，其中，所述多个下部纳米结构和所述多个上部纳米结构在高度方向上彼此不对准。
21.根据权利要求19所述的超透镜，其中，相对于预定波长带内的入射光的波长λ，所述多个下部纳米结构和所述多个上部纳米结构之中彼此相邻的下部纳米结构和上部纳米结构之间在高度方向上的距离大于λ/2。
22.根据权利要求19所述的超透镜，其中，所述多个下部纳米结构的形状分布和所述多个上部纳米结构的形状分布被确定为使得基于位置的所述超透镜的性能指标的分布彼此不同。
23.根据权利要求19所述的超透镜，其中，所述多个下部纳米结构的形状分布和所述多个上部纳米结构的形状分布被确定为使得基于位置的所述超透镜的聚焦性能的不均匀性由彼此补偿。
24.权利要求3所述的超透镜，其中，所述多个第二区域的径向宽度小于所述第一区域的半径。
25.根据权利要求24所述的超透镜，其中，所述多个第二区域中的每一个的所述径向宽度在远离所述第一区域的方向上减小。
26.根据权利要求3所述的超透镜，还包括：
基板，
其中，所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构分别包括折射率大于所述基板的折射率的材料。
27.根据权利要求26所述的超透镜，其中，所述基板的折射率与所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的折射率之间的差分别等于或大于0.5。
28.根据权利要求26所述的超透镜，还包括：
覆盖所述基板以及所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的保护层。
29.根据权利要求28所述的超透镜，其中，所述保护层的折射率与所述多个第一纳米结构和所述多个第二纳米结构的折射率之间的差分别等于或大于0.5。
30.一种拍摄镜头，包括：
超透镜，包括：
第一区域，所述第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置；以及
围绕所述第一区域的多个第二区域，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于所述第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中；以及
至少一个折射透镜，包括光入射表面和光出射表面，其中所述光入射表面和所述光出射表面中的至少一个是曲面。
31.根据权利要求30所述的拍摄镜头，其中，所述超透镜的所述多个第二区域的数量、所述第一规则和所述第二规则被设置为使得所述超透镜具有被配置为补偿由所述折射透镜引起的色差的阿贝数。
32.根据权利要求31所述的拍摄镜头，其中，所述超透镜的所述多个第二区域的数量、所述第一规则和所述第二规则被设置为使得所述超透镜具有负阿贝数。
33.根据权利要求31所述的拍摄镜头，其中，所述超透镜的焦距fm和所述至少一个折射透镜的焦距f1满足：
|fm|＞|f1|。
34.一种拍摄设备，包括：
拍摄镜头，包括：
超透镜，包括：
第一区域，所述第一区域包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第一纳米结构，其中所述多个第一纳米结构基于第一规则进行设置；以及
围绕所述第一区域的多个第二区域，所述多个第二区域中的每一个包括在周向方向和径向方向上二维设置的多个第二纳米结构，其中所述多个第二纳米结构分别基于不同于所述第一规则的多个第二规则设置在所述多个第二区域中的每一个中；以及
至少一个折射透镜，包括光入射表面和光出射表面，其中所述光入射表面和所述光出射表面中的至少一个是曲面；以及
图像传感器，被配置为将由所述拍摄镜头形成的光学图像转换成电信号。
技术总结