一种基于超透镜的望远物镜和望远镜的制作方法

1.本技术涉及望远镜技术领域，具体而言，涉及一种基于超透镜的望远物镜和望远镜。


背景技术：

2.目前，望远镜在生活中有广泛的应用，对于天文爱好者、鸟类爱好者更是不可或缺的设备。但望远镜在主镜和副镜中普遍使用传统的曲面反射镜，而传统的曲面反射镜往往比较厚重，导致望远镜比较沉重，不利于用户手持使用或移动使用。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本技术实施例的目的在于提供一种基于超透镜的望远物镜和望远镜。
4.第一方面，本技术实施例提供了一种基于超透镜的望远物镜，包括：望远物镜主镜、望远物镜副镜和镜筒；
5.所述望远物镜主镜和所述望远物镜副镜均固定在所述镜筒内；所述望远物镜主镜设置在所述望远物镜副镜的光路下游；所述镜筒上设置有进光孔，所述望远物镜副镜固定在所述进光孔上；
6.所述望远物镜主镜和所述望远物镜副镜具有相同的尺寸；
7.所述望远物镜副镜，包括：超透镜和中空基板；所述超透镜嵌入在所述中空基板内；
8.所述中空基板为能够透过工作波段内光束的透明基板；
9.所述望远物镜主镜，为超表面；所述超表面，包括：基底和第一纳米结构和第二纳米结构；所述第一纳米结构排布在所述基底的中心，所述第二纳米结构排布于所述第一纳米结构的周围；其中，所述基底中排布有所述第一纳米结构的区域为第一区域；所述基底中排布有所述第二纳米结构的区域为第二区域；
10.通过所述进光孔进入到所述望远物镜内的入射光束，透过所述中空基板后入射到所述第二区域上，所述第二区域对所述入射光束进行相位调制，相位调制后的所述入射光束被反射到所述超透镜上，所述超透镜对入射的所述入射光束进行会聚，被所述超透镜会聚后的所述入射光束经过所述第一区域后，聚焦在所述望远物镜的焦平面上。
11.第二方面，本技术实施例还提供了一种望远镜，包括：望远目镜和第一方面所述的基于超透镜的望远物镜；
12.所述望远目镜，固定在所述基于超透镜的望远物镜的镜筒上；
13.所述望远目镜的前焦面与所述望远物镜的焦平面重合。
14.本技术实施例上述第一方面至第二方面提供的方案中，利用设置有超表面的望远物镜主镜和设置有超透镜的望远物镜副镜组成的望远物镜；进入到该望远物镜的入射光束，透过超透镜外侧的中空基板后入射到超表面的第二区域上，第二区域对入射光束进行
相位调制，相位调制后的入射光束被反射到超透镜上，超透镜对入射光束进行会聚，被超透镜会聚的入射光束经过超表面的第一区域后，聚焦在望远物镜的焦平面上，与相关技术中望远镜的主镜和副镜中均使用曲面反射镜的结构相比，通过超透镜和超表面实现了传统的曲面反射镜的功能，由于超透镜和超表面均具有轻薄的特点，可以大大降低望远镜的体积和重量，利于用户手持使用或移动使用望远镜；而且，在望远物镜中使用超透镜和超表面，使得望远镜的加工更容易，结构简单和成像质量好；再者，超透镜和超表面采用半导体工艺，且本技术中望远物镜主镜和望远物镜副镜具有相同的尺寸，便于实现望远镜的晶圆级的固定封装。
15.为使本技术的上述目的、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
16.为了更清楚地说明本技术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技术的一些实施例，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。
17.图1示出了本技术实施例所提供的一种基于超透镜的望远物镜的结构示意图；
18.图2示出了本技术实施例所提供的望远物镜主镜和望远物镜副镜的正视图；
19.图3示出了本技术实施例所提供的包含多个结构单元的超透镜的示意图；
20.图4示出了本技术实施例所提供的一种望远镜的结构示意图一；
21.图5示出了本技术实施例所提供的一种望远镜的结构示意图二；
22.图6示出了本技术实施例所提供的一种望远镜的结构示意图三。
23.图标：10、望远物镜；12、望远目镜；100、望远物镜主镜；102、望远物镜副镜；104、镜筒；1000、第一区域；1002、第二区域；1020、超透镜；1022、中空基板；500、第一平面反射镜；502、第二平面反射镜；600、第三平面反射镜；602、第四平面反射镜。
具体实施方式
24.在本技术的描述中，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技术和简化描述，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技术的限制。
25.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。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.在本技术中，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技术中的具体含义。
27.目前，望远镜在生活中有广泛的应用，对于天文爱好者、鸟类爱好者更是不可或缺的设备。但望远镜在主镜和副镜中普遍使用传统的曲面反射镜，而传统的曲面反射镜往往比较厚重，导致望远镜比较沉重，不利于用户手持使用或移动使用。而且，在相关技术中，望远镜中主镜和副镜的大小不一致，这不利于望远镜的固定封装。
28.针对上述相关技术中的望远镜中存在的问题，本技术以下实施例提出一种基于超透镜的望远物镜和望远镜，其中基于超透镜的望远物镜中的望远物镜主镜和望远物镜副镜具有相同的尺寸，且利用设置有超表面的望远物镜主镜和设置有超透镜的望远物镜副镜得到望远物镜，使得望远物镜具备体积小、重量轻、加工容易、易封装等优势。
29.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本技术做进一步详细的说明。
30.实施例
31.参见图1所示的一种基于超透镜的望远物镜的结构示意图，本实施例提出一种基于超透镜的望远物镜10，包括：望远物镜主镜100、望远物镜副镜102和镜筒104。
32.所述望远物镜主镜和所述望远物镜副镜均固定在所述镜筒内；所述望远物镜主镜设置在所述望远物镜副镜的光路下游；所述镜筒上设置有进光孔，所述望远物镜副镜固定在所述进光孔上。
33.所述望远物镜主镜和所述望远物镜副镜具有相同的尺寸；所述望远物镜主镜和所述望远物镜副镜的光轴重合。
34.所述望远物镜副镜，包括：超透镜1020和中空基板1022；所述超透镜嵌入在所述中空基板内。
35.所述中空基板为能够透过工作波段内光束的透明基板。在一个实施方式中，所述超透镜，包括：衬底和微纳结构。
36.所述微纳结构设置在所述衬底靠近所述望远物镜主镜的一侧表面上，所述衬底远离所述望远物镜主镜的一侧表面上镀有反射膜。
37.所述望远物镜主镜，为超表面；所述超表面，包括：基底和第一纳米结构和第二纳米结构；所述第一纳米结构排布在所述基底的中心，所述第二纳米结构排布于所述第一纳米结构的周围；其中，所述基底中排布有所述第一纳米结构的区域为第一区域1000；所述基底中排布有所述第二纳米结构的区域为第二区域1002。
38.其中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构，为形状、尺寸和/或者周期不同的纳米结构。
39.在一个实施方式中，所述第一纳米结构和所述第二纳米结构，可以设置在基底靠近所述望远物镜副镜一侧的表面上。
40.在一个实施方式中，参见图2所示的望远物镜主镜和望远物镜副镜的正视图，图2中的左侧示意图是望远物镜主镜的正视图，图2中的右侧示意图是望远物镜副镜的正视图；其中，在望远物镜副镜中，超透镜的基底是圆形基底，中空基板为圆环形基板，所以，超透镜和中空基板组成的望远物镜副镜是圆形的望远物镜副镜；在望远物镜主镜中，第一纳米结构排布在所述基底中心后得到的第一区域是圆形区域，第二纳米结构环形排布于第一纳米
结构的周围，得到的第二区域是圆环形区域，所以，第一区域和第二区域组成的望远物镜主镜是圆形的望远物镜主镜。
41.图2所示的望远物镜主镜的正视图和望远物镜副镜的正视图仅为示意，望远物镜主镜和望远物镜副镜还可以被设计为现有的其它形状，这里不再一一赘述。
42.从图2中可以看出，在第一区域是圆形区域且超透镜的基底是圆形基底的情况下，应该设置第一区域的半径小于超透镜的基底半径；这与入射光束在入射到超透镜后的整体传播趋势是会聚的情况相匹配，即：第一区域的半径小于超透镜的基底的基底半径这样的设置方式，与入射光束入射到望远物镜副镜的超透镜时呈现的光斑，要比入射光束被超透镜会聚后入射到望远物镜主镜的第一区域时呈现的光斑大的情况相匹配。
43.具体地，入射光束入射到所述望远物镜内的具体传播过程如下：
44.通过所述进光孔进入到所述望远物镜内的入射光束，透过所述中空基板后入射到所述第二区域上，所述第二区域对所述入射光束进行相位调制，相位调制后的所述入射光束被反射到所述超透镜上，所述超透镜对入射的所述入射光束进行会聚，被所述超透镜会聚后的所述入射光束经过所述第一区域后，聚焦在所述望远物镜的焦平面上。
45.这里，所述望远物镜的焦平面，是指：所述望远物镜的像方焦平面。
46.通过上述入射光束入射到所述望远物镜内的具体传播过程可以看出，在本技术提出的基于超透镜的望远物镜中，所述超表面为具有透射功能和反射功能的复合超表面，其中，所述超表面的第一区域是用于实现透射功能的透射式超表面区域、所述超表面的第二区域是用于实现反射功能的反射式超表面区域。
47.而且，通过以上的描述可知，由于所述超透镜上覆盖有反射膜，可以对入射到所述望远物镜的入射光束中，入射到超透镜的部分入射光束进行反射，使得通过所述进光孔进入到所述望远物镜内的入射光束中，入射到所述中空基板的部分入射光束能够进入所述望远物镜内，入射到超透镜的部分入射光束由于被超透镜上镀有的反射膜反射而不能进入所述望远物镜内。
48.可选地，入射到所述第一区域的所述入射光束，被所述第一区域会聚/发散后，在所述望远物镜的焦平面上聚焦。
49.在一个实施方式中，若入射到所述第一区域的入射光束，被所述第一区域会聚后，在所述望远物镜的焦平面上聚焦；说明所述第一区域具有正光焦度，这样可以减小望远物镜的横向尺寸。
50.在一个实施方式中，若入射到所述第一区域的入射光束，被所述第一区域发散后，在所述望远物镜的焦平面上聚焦；说明第一区域具有负光焦度，这样可以增加望远物镜的焦距，提高望远物镜的望远能力。
51.与上述第一区域类似，第二区域可以具有正光焦度、负光焦度或者没有光焦度。
52.若上述第二区域没有光焦度，那么第二区域的光焦度为0。
53.进一步地，所述望远物镜主镜的焦比满足如下公式1：
[0054][0055]
其中，f表示望远物镜主镜的焦比；f1表示望远物镜主镜的焦距；d1表示望远物镜主镜的口径。
[0056]
在一个实施方式中，所述望远物镜主镜的焦比f应该大于等于5。
[0057]
进一步地，所述望远物镜主镜的焦距满足如下公式2：
[0058]
f1≥2d
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0059]
其中，f1表示望远物镜主镜的焦距；d表示望远物镜主镜与望远物镜副镜的距离。
[0060]
在一个实施方式中，当所述望远物镜副镜中的所述超透镜没有光焦度时，所述望远物镜的光焦度满足如下公式3：
[0061]
φ＝φ1+φ
2-2dφ1φ2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0062]
其中，φ表示望远物镜的光焦度；φ1表示所述第一区域的光焦度；φ2表示所述第二区域的光焦度；d表示望远物镜主镜与望远物镜副镜的距离。
[0063]
在一个实施方式中，当所述望远物镜副镜中的所述超透镜具有光焦度时，所述望远物镜的光焦度满足如下公式4和公式5：
[0064]
φ＝φ1+φ2+φ
3-d2φ1φ
2-d2φ2φ3+dd2φ1φ2φ3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0065][0066]
其中，φ表示望远物镜的光焦度；φ1表示所述第一区域的光焦度；φ2表示所述第二区域的光焦度；φ3表示所述望远物镜副镜中所述超透镜的光焦度；d表示望远物镜主镜与望远物镜副镜的距离。
[0067]
这里，所述超透镜所具有的光焦度，可以是无光焦度、正光焦度或者负光焦度。
[0068]
参见图3所示的包含多个结构单元的超透镜的示意图，每个结构单元均包含至少一个纳米结构，结构单元能够调制入射光，纳米结构可以直接调控光的相位等特性；本实施例中，纳米结构是全介质结构单元，纳米结构至少在可见光波段具有高透过率，可选的材料包括：氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓和氢化非晶硅等。其中，在每个结构单元中，纳米结构在基底上周期性排布(优选的以可密堆积图形排布，该可密堆积图形的顶点和/或中心位置设置有纳米结构，可密堆积图形是指一种或多种可以无缝隙不重叠地填充整个平面的图形，如正六边形、正方形、扇环形)，每个周期中的纳米结构组成一个结构单元。在结构单元中，所有的纳米结构可以位于基底的同一侧，或者，部分纳米结构位于基底的一侧，另一部分纳米结构位于基底的另一侧，本实施例对此不作限定。
[0069]
需要说明的是，超透镜的基底为整体的层结构，超透镜中的多个结构单元可以是人为划分出来的，即在基底上布设多个纳米结构，从而可以划分出包含一个或多个纳米结构的结构单元，或者说，多个结构单元可以形成一体式结构的超透镜。
[0070]
所述超表面的结构与所述超透镜的结构类似，这里不再赘述。
[0071]
在通过以上内容对基于超透镜的望远物镜介绍完后，继续通过以下内容对本实施例提出的望远镜进行介绍：
[0072]
参见图4所示的一种望远镜的结构示意图一，本实施例还提出一种望远镜，包括：望远目镜12和上述的基于超透镜的望远物镜。
[0073]
所述望远目镜，固定在所述基于超透镜的望远物镜的镜筒上。
[0074]
所述望远目镜的前焦面与所述望远物镜的焦平面重合。
[0075]
这里，所述望远目镜的前焦面是指：所述望远目镜的物方焦平面。
[0076]
所述望远目镜的前焦面与所述望远物镜的焦平面重合是指：所述望远物镜的像方
焦平面和所述望远目镜的物方焦平面重合。
[0077]
如图4所示的望远镜，所述望远物镜的光轴与所述望远目镜的光轴重合。
[0078]
在一个实施方式中，如图4所示，所述望远目镜可以固定在所述镜筒中远离所述进光孔一侧的表面上。
[0079]
进一步地，所述望远镜的放大倍数满足以下公式6：
[0080][0081]
其中，β表示望远镜的放大倍数；fo表示望远物镜的焦距；fe表示望远目镜的焦距。
[0082]
在本实施例提出的望远镜中，所述入射光束进入所述望远目镜后，被所述望远目镜准直后进入人眼。
[0083]
为了减小望远镜的横向尺寸，达到望远镜小型化和携带方便的目的，参见图5所示的一种望远镜的结构示意图二，本实施例提出的望远镜，还包括：第一平面反射镜500和第二平面反射镜502。
[0084]
所述第一平面反射镜设置在所述望远物镜主镜与所述望远物镜的焦平面之间。
[0085]
所述第二平面反射镜设置在所述望远目镜的光路下游。
[0086]
经过所述超表面中第一区域的所述入射光束，被所述第一平面反射镜反射后，入射到所述望远目镜，经过所述望远目镜准直后的所述入射光束入射到所述第二平面反射镜，被所述第二平面反射镜反射后进入人眼。
[0087]
通过以上的方案可以看出，利用第一平面反射镜和第二平面反射镜改变入射光束在望远镜中传播的光路方向，使望远物镜的光轴与所述望远目镜的光轴垂直，减小望远镜的横向尺寸，达到望远镜小型化和携带方便的目的。
[0088]
可选地，为了减小望远镜的横向尺寸，达到望远镜小型化和携带方便的目的，参见图6所示的一种望远镜的结构示意图三，本实施例提出的望远镜，还包括：第三平面反射镜600和第四平面反射镜602。
[0089]
所述第三平面反射镜，设置在所述望远物镜主镜与所述望远物镜副镜之间。
[0090]
所述第四平面反射镜设置在所述望远目镜的光路上游。
[0091]
经过所述超透镜会聚的所述入射光束，依次经过所述第三平面反射镜和所述第四平面反射镜的反射后入射到所述望远目镜，被所述望远目镜准直后进入人眼。
[0092]
通过以上的方案可以看出：利用第三平面反射镜和第四平面反射镜改变入射光束在望远镜中传播的光路方向，并且将第三平面反射镜放置在望远物镜主镜和望远物镜副镜之间，使望远物镜的光轴与所述望远目镜的光轴平行，从而在如图5所示的望远镜的基础上，可以继续缩短望远镜的横向尺寸，达到望远镜更加小型化和更便携的目的。
[0093]
在通过以上内容完成对望远镜的具体结构的介绍之后，继续通过以下示例对本实施例提出的望远物镜做如下说明：
[0094]
示例地，设置：望远物镜入瞳直径为50毫米(mm)；望远物镜主镜焦距为250mm，焦比f＝5；望远物镜副镜的超透镜为无光焦度的平面反射镜。望远物镜副镜与望远物镜主镜之间的距离d＝100mm，望远物镜主镜到焦点的距离为50mm。望远物镜副镜中超透镜的半径为30mm，望远物镜主镜中第一区域的半径为20mm，望远物镜的ttl为150mm。
[0095]
在望远物镜的工作波段为可见光波段的情况下，上述望远物镜的视场角为
±2°
、
望远物镜的系统畸变小于0.1％且场曲小于0.2微米(um)，从而得到具有良好成像质量的望远物镜。
[0096]
综上所述，本实施例提出一种基于超透镜的望远物镜和望远镜，利用设置有超表面的望远物镜主镜和设置有超透镜的望远物镜副镜组成的望远物镜；进入到该望远物镜的入射光束，透过超透镜外侧的中空基板后入射到超表面的第二区域上，第二区域对入射光束进行相位调制，相位调制后的入射光束被反射到超透镜上，超透镜对入射光束进行会聚，被超透镜会聚的入射光束经过超表面的第一区域后，聚焦在望远物镜的焦平面上，与相关技术中望远镜的主镜和副镜中均使用曲面反射镜的结构相比，通过超透镜和超表面实现了传统的曲面反射镜的功能，由于超透镜和超表面均具有轻薄的特点，可以大大降低望远镜的体积和重量，利于用户手持使用或移动使用望远镜；而且，在望远物镜中使用超透镜和超表面，使得望远镜的加工更容易，结构简单和成像质量好；再者，超透镜和超表面采用半导体工艺，且本技术中望远物镜主镜和望远物镜副镜具有相同的尺寸，便于实现望远镜的晶圆级的固定封装。
[0097]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术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技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。