CN113820839A

CN113820839A - 远心透镜

Info

Publication number: CN113820839A
Application number: CN202111398668.2A
Authority: CN
Inventors: 郝成龙; 谭凤泽; 朱健
Original assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Metalenx Technology Co Ltd
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2021-12-21
Also published as: WO2023093118A1

Abstract

本申请提供了一种远心透镜及包含其的激光雷达***，属于光学技术领域。该远心透镜包括第一超透镜和光阑；其中，所述第一超透镜包括第一平面基底和第一纳米结构；其中，所述第一纳米结构设置于所述第一平面基底的一侧，且所述第一纳米结构呈周期性排列；将所述光阑和所述第一超透镜同光轴配合，使得入射光在所述第一超透镜的物空间或像空间内主光线角小于8°。本申请实施例提供的远心透镜结构简单、尺寸小、主光线角小于8°、量产成本低且一致性高。

Description

远心透镜

技术领域

本申请涉及光学技术领域，具体而言，涉及一种远心透镜。

背景技术

远心透镜是指主光线（即通过孔径光阑中心的光线）在物空间和/或像空间为平行的透镜。远心透镜具有放大性能恒定以及成像透视图不变的优点，能够克服成像的光学畸变。

相关技术中的远心透镜需要很多透镜，并且通常采用高色散玻璃制造一个或多个负焦透镜。

相关技术中的远心透镜中透镜数量多，特别是需要多个负焦透镜，导致远心透镜的尺寸大、结构复杂、制造工艺复杂以及制造成本高的问题。

发明内容

为解决相关技术中远心透镜尺寸大、结构复杂、制造工艺复杂以及制造成本高的技术问题，本申请实施例提供了一种远心透镜，所述技术方案如下。

第一方面，本申请实施例提供了一种远心透镜，所述远心透镜包括第一超透镜和光阑；其中，

所述第一超透镜包括第一平面基底和第一纳米结构；其中，所述第一纳米结构设置于所述第一平面基底的至少一侧，且所述第一纳米结构呈周期性排列；

将所述光阑和所述第一超透镜同光轴配合，使得入射光在所述第一超透镜的物空间或像空间内主光线角小于8°。

可选地，所述第一超透镜的相位分布沿所述第一超透镜的径向旋转对称。

可选地，所述第一超透镜的相位至少满足以下任一公式：

；

；

；

；

其中，r为所述第一纳米结构的中心到所述第一超透镜中心的距离；（x，y）为所述第一超透镜上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

可选地，所述光阑距所述第一超透镜的距离小于或等于所述第一超透镜的一倍焦距。

可选地，所述光阑位于所述第一超透镜的物方焦平面，使得入射光依次经过所述光阑和所述第一超透镜，在所述第一超透镜的像空间主光线角小于8°。

可选地，所述光阑位于所述第一超透镜的像方焦平面，使入射光依次经过所述第一超透镜和所述光阑后平行射出。

可选地，所述第一超透镜还包括填充材料；所述填充材料填充在所述第一纳米结构之间。

可选地，所述周期性排列包括多个第一超结构单元阵列排布；

所述第一超结构单元的形状包括可密堆积图形；所述第一超结构单元设置于所述第一平面基底表面；

所述第一纳米结构位于所述第一超结构单元的顶点和/或中心位置。

可选地，所述远心透镜的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。

可选地，所述远心透镜的工作波段包括905nm±15nm、940nm±15nm或者1550nm±20nm。

可选地，所述第一纳米结构的高度大于或等于300nm，并且小于或等于3μm。

可选地，所述第一纳米结构的排列周期大于300nm，并且小于1500nm。

可选地，所述第一纳米结构的深宽比小于等于20。

可选地，所述远心透镜的最大全视场角大于或等于10°，并且小于或等于120°。

可选地，所述第一超透镜的口径大于或等于2mm，并且小于或等于50mm。

可选地，所述第一超透镜的焦距大于或等于1mm，并且小于或等于150mm。

可选地，所述第一平面基底的厚度大于或等于50μm，并且小于或等于5mm。

可选地，所述第一平面基底对工作波段的消光系数小于0.1。

可选地，所述第一平面基底的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料。

可选地，所述第一纳米结构的材质与所述第一平面基底的材质不同。

第二方面，本申请实施例还提供了一种激光雷达发射***，所述激光雷达发射***包括光源和上述任一实施例所述的远心透镜；

所述光源位于所述远心透镜的第一超透镜的物方焦平面上。

可选地，所述光源与所述焦平面的距离误差小于或等于

；

其中，FD为所述第一超透镜的***焦深；F为所述第一超透镜的F数。

可选地，所述光源的工作波长905nm±15nm，940nm±15nm或者1550nm±20nm。

可选地，所述光源的外接圆半径R至少满足：

其中，θ为所述第一超透镜的半视场角；f ₁为所述第一超透镜的焦距。

可选地，所述光源通过分区点亮实现远场扫描。

第三方面，本申请实施例还提供了一种激光雷达接收***，所述激光雷达接收***包括探测器和上述任一实施例所述的远心透镜；

其中，所述探测器位于所述远心透镜的第一超透镜的像方焦平面上。

第四方面，本申请实施例还提供了一种激光雷达***，所述激光雷达***包括：

前述激光雷达发射***、如前述激光雷达接收***以及控制处理单元；

所述控制处理单元分别与所述激光雷达发射***和所述激光雷达接收***连接。

第五方面，本申请实施例还提供了一种双侧远心透镜，包括上述任一实施例所述的远心透镜和第二超透镜；

其中，所述第二超透镜包括第二平面基底和第二纳米结构；所述第二纳米结构设置于所述第二平面基底的一侧，且所述第二纳米结构呈周期性排列；

所述第二超透镜与所述远心透镜的第一超透镜共焦点设置，以使所述远心透镜和所述第二超透镜组成4f光学***；

所述光阑位于所述第二超透镜和所述第一超透镜的共焦点位置。

可选地，所述第二超透镜的相位分布沿所述第二超透镜的径向旋转对称。

可选地，所述第二超透镜的相位至少满足以下任一公式：

；

；

；

；

其中，r为所述第二纳米结构的中心到所述第二超透镜中心的距离；（x，y）为所述第二超透镜上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

第六方面，本申请实施例还提供了一种光学装置，所述光学装置包括如前述任一实施例所述的双侧远心透镜。

本申请实施例提供的远心透镜，至少取得了以下有益效果：

本申请实施例提供的远心透镜，通过超透镜和光阑同光轴设置，实现了主光线在该远心透镜的像空间或物空间内平行。本申请实施例提供的远心透镜，结构简单、尺寸小、主光线角小于8°、量产成本低且一致性高；从而使包含该远心透镜的激光雷达***结构简单、尺寸小、成像分辨率高、量产成本低且一致性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或背景技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或背景技术中所需要使用的附图进行说明。

图1示出了本申请实施例提供的远心透镜的一种可选的结构示意图；

图2示出了本申请实施例提供的远心透镜的又一种可选的结构示意图；

图3示出了本申请实施例提供的远心透镜的又一种可选的结构示意图；

图4示出了本申请实施例提供的远心透镜的又一种可选的结构示意图；

图5示出了本申请实施例提供的双侧远心透镜的一种可选的结构示意图；

图6示出了本申请实施例提供的第一超结构单元的一种可选的结构示意图；

图7示出了本申请实施例提供的第一超结构单元的又一种可选的结构示意图；

图8示出了本申请实施例提供的一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图9示出了本申请实施例提供的一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图10示出了本申请实施例提供的一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图11示出了本申请实施例提供的一种远心透镜的调制传递函数图像；

图12示出了本申请实施例提供的再一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图13示出了本申请实施例提供的再一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图14示出了本申请实施例提供的再一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图15示出了本申请实施例提供的再一种远心透镜的调制传递函数图像；

图16示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图17示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图18示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图19示出了本申请实施例提供的再又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图20示出了本申请实施例提供的再又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图21示出了本申请实施例提供的再又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图22示出了本申请实施例提供的再又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图23示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图24示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图25示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图26示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图27示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图28示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图29示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图30示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图31示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图32示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图33示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图34示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图35示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图36示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图37示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图38示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图39示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图40示出了本申请实施例提供的激光雷达发射***的一种可选的示意图；

图41示出了本申请实施例提供的激光雷达接收***的一种可选的示意图；

图42示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0视场的点扩散函数图像；

图43示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜0.5视场的点扩散函数图像；

图44示出了本申请实施例提供的又一种远心透镜1视场的点扩散函数图像；

图45示出了本申请实施例提供的再又一种远心透镜的调制传递函数图像；

图46示出了本申请实施例提供的第二超结构单元的一种可选的结构示意图；

图47示出了本申请实施例提供的第二超结构单元的又一种可选的结构示意图。

图中附图标记分别表示：

100-第一超透镜；200-光阑；300-第二超透镜；400-探测器；500-光源；

101-第一平面基底；102-第一纳米结构；103-第一超结构单元；301-第二平面基底；302-第二纳米结构；303-第二超结构单元；

d₁-第一超透镜口径；d₂-入瞳直径；d₃-第二超透镜口径；D-光阑距；FL-焦距；P₁-像方焦平面；P₂-物方焦平面；H-物高。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，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，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

应当理解，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分，不代表顺序、优先级或数量。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

本申请实施例提供了一种远心透镜，如图1至图5所示，该远心透镜包括第一超透镜100和光阑200。

其中，第一超透镜100包括第一平面基底101和第一纳米结构102。其中，第一纳米结构102设置于第一平面基底101的一侧，且第一纳米结构102呈周期性排列。将光阑200和第一超透镜100同光轴配合，使得入射光在第一超透镜100的物空间或像空间内主光线角小于8°。

具体而言，光阑200对入射光量进行控制，并配合第一超透镜100表面的第一纳米结构102对光相位的调制，提高主光线的平行度，使该远心透镜能够消除像差及畸变，提高成像精度。

远心度是描述主光线偏离于光轴的角度（即主光线角），角度越小远心度越好，成像就越精确。进一步地，本申请实施例提供的第一超透镜100的相位分布优选沿第一超透镜100的径向旋转对称，以提高该远心透镜的远心度。

更有利地，为了更进一步地提高该远心透镜的远心度，第一超透镜100的相位至少满足以下任一公式：

；（1）

；（2）

；（3）

；（4）

其中，r为第一纳米结构203的中心到第一超透镜100的距离；（x，y）为第一超透镜100上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

可选地，光阑200距第一超透镜100的距离小于等于第一超透镜100的一倍焦距有利于提高远心透镜的成像效果。优选地，第一超透镜100的焦距大于或等于1mm，并且小于或等于150mm。

为了缩小远心透镜的体积，且不影响成像效果，本申请一些可选的实施例中，第一超透镜100的口径d₁大于或等于2mm，并且小于或等于50mm。更有利地，第一超透镜100的第一平面基底101，其厚度大于或等于50μm，并且小于或等于5mm。

本申请实施例提供的第一超透镜100的第一平面基底101对工作波段辐射具有高透明度。可选地，第一平面基底101对工作波段的消光系数小于0.1。优选地，第一平面基底101对工作波段的消光系数小于0.01。第一平面基底101的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料。第一纳米结构102的材质与第一平面基底101的材质可以相同，也可以不同。优选地，第一纳米结构102的材质与第一平面基底101的材质不同。示例性地，第一纳米结构102的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛和非晶硅。基于上述的材质，第一超透镜100能承受的激光峰值功率大于或等于0.3W。

应理解，该远心透镜的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。优选地，该远心透镜的工作波段包括905nm±15nm、940nm±15nm或者1550nm±20nm。

第一纳米结构102在第一平面基底101上的位置是根据实际需求选择的，第一纳米结构102可以位于光阑200同侧，也可以位于远离光阑200的一侧。例如，图1示出了第一纳米结构102设置于第一平面基底101朝向光阑200的一侧表面。又例如，图2示出了第一纳米结构102设置于第一平面基底101远离光阑200的一侧表面。

图1和图2中，d₁为第一超透镜100的口径，d₂为该远心透镜的入瞳直径，D为本申请实施例提供的远心透镜的光阑距，FL为该远心透镜的焦距，θ为该远心透镜的半视场角，P₁为该远心透镜的像面（像方焦平面）。示例性地，该远心透镜的F数大于或等于1，且小于或等于10。F数为第一超透镜100的焦距FL与该远心透镜的入瞳直径d₂。

进一步地，如图6和图7所示，第一纳米结构102的周期性排列包括多个阵列排布的第一超结构单元103。第一超结构单元103的形状包括可密堆积图形，且第一超结构单元103设置于第一平面基底101的表面。第一纳米结构102设置于第一超结构单元103的顶点和/或中心位置。图6和图7仅示出了第一超结构单元103包括正六边形和正四边形的实施例。第一超结构单元103还包括扇形和其他可密堆积图形。第一超结构单元103的形状可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。第一超结构单元103的周期可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。优选地，第一纳米结构102的排列周期即第一超结构单元103的周期大于300nm，并且小于1500nm。根据第一超透镜100的相位可以调制第一超结构单元103的形状和周期。

更进一步地，第一纳米结构102的几何尺寸，包括纳米结构高度、纳米结构横截面直径、纳米结构之间的间距，可以根据不同情况的需求选择。第一纳米结构102为亚波长结构，也就是说第一纳米结构102的特征尺寸小于或等于该远心透镜的工作波长。可选地，第一纳米结构102的特征尺寸略大于工作波长。优选地，第一纳米结构102的高度大于或等于300nm，并且小于或等于3μm。本申请的一些实施例中，第一纳米结构102的最小尺寸（直径、边长和/或相邻的两个纳米柱结构间的最小间距等）大于或等于60nm。

示例性地，第一纳米结构102的最大深宽比，即第一纳米结构102的高度与第一超透镜100中第一纳米结构102最小直径的比值，小于或等于20，如此才能在保证第一纳米结构102光学性能的同时确保第一纳米结构102的机械性能。第一纳米结构102在不同位置处的横截面直径部分相同或互不相同；第一纳米结构102在不同位置处的结构周期相同；第一纳米结构102的光相位与第一纳米结构102横截面直径相关。可以理解的，第一纳米结构102的几何形状和尺寸可以为其他满足探测需求和加工条件的选择。示例性地，第一纳米结构102的结构包括纳米圆柱、纳米方柱、纳米鳍、纳米环柱和空心纳米柱等结构中的至少一种或多种结构的组合。在一种可选的实施方式中，第一超透镜100还包括填充在第一纳米结构102之间的填充材料。根据第一超透镜100的相位，可以选择第一纳米结构102的形状、尺寸以及填充材料。

基于上述第一平面基底101和第一纳米结构102的材质、第一纳米结构102的形状和尺寸以及第一超结构单元103的形状和周期，使上述任一实施例提供的第一超透镜100的光能利用率大于或等于75%。可选地，该远心透镜的最大全视场角大于或等于10°，并且小于或等于120°。最大全视场角在10°至120°范围内可以确保该远心透镜的成像精度。

一般来说，远心透镜像面均匀照度是像方远心决定的。如果该远心透镜是物方远心透镜，经过光阑射出的光线平行度高，可用于激光发射***和机器视觉。如果该远心透镜是像方远心透镜，则该远心透镜的主光线垂直于像面，在像面上的照度均匀。双远心透镜兼具物方远心和像方远心的优点，可以用于显微物镜和机器视觉。

在一种可选的实施方式中，如图1和图2所示，本申请实施例提供的远心透镜包括第一超透镜100和光阑200。其中，光阑200位于第一超透镜100的物方焦平面，使得入射光依次经过光阑200和第一超透镜100，在第一超透镜100的像空间主光线角小于8°。第一超透镜100包括第一平面基底101和第一纳米结构102。其中，第一纳米结构102设置于第一平面基底101的一侧，且第一纳米结构102呈周期性排列。即该远心透镜为像方远心透镜，该远心透镜在像面P₁的照度均匀。

在又一种可选的实施方式中，如图3和图4所示，本申请实施例提供的远心透镜包括第一超透镜100和光阑200。其中，光阑200位于第一超透镜100的像方焦平面，使得入射光依次经过第一超透镜100和光阑200，在第一超透镜100的物空间主光线角小于8°。第一超透镜100包括第一平面基底101和第一纳米结构102。其中，第一纳米结构102设置于第一平面基底101的一侧，且第一纳米结构102呈周期性排列。即该远心透镜为物方远心透镜，可用于激光雷达发射***。

应理解，主光线在物空间、像空间或物空间及像空间内平行，由本申请实施例提供的远心透镜的使用场景决定。根据该远心透镜的使用场景确定第一纳米结构102在第一平面基底101的位置、第一平面基底101具有第一纳米结构102的表面数量以及光阑200在第一超透镜100的位置，可以调整该远心透镜主光线平行的空间。第一超透镜100采用第一平面基底101，第一纳米结构102为亚波长结构，使第一超透镜100可以通过光刻工艺实现量产，从而降低第一超透镜100的量产成本，并提高量产一致性。

需要说明的是，可以根据应用场景和工作波段等条件的不同，调整该远心透镜的设计参数以获得符合实际需求的远心透镜。下述实施例提供了本申请实施例提供的远心透镜分别在905nm、940nm、1550nm波段下，主光线角小于8°时的参数。

实施例1

本申请实施例提供了一种如图2所示的远心透镜，具体参数如表1A所示，该远心透镜的实施效果如表1B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图8至图10所示，对应的调制传递函数如图11所示。

如表1B所示，实施例1提供的远心透镜的主光线角小于或等于0.6°。图8至图10示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图8至图10所示，实施例1提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图11示出了实施例1提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均达到衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例2

本申请实施例提供了一种如图2所示的远心透镜，具体参数如表2A所示，该远心透镜的实施效果如表2B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图12至图14所示，对应的调制传递函数如图15所示。

如表2B所示，实施例2提供的远心透镜的主光线角小于或等于1°。图12至图14示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图12至图14所示，实施例2提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图15示出了实施例2提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均达到衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例3

本申请实施例提供了一种如图1所示的远心透镜，具体参数如表3A所示，该远心透镜的实施效果如表3B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图16至图18所示，对应的调制传递函数如图19所示。

如表3B所示，实施例3提供的远心透镜的主光线角小于或等于3°。图16至图18示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图16至图18所示，实施例3提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图19示出了实施例3提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例4

本申请实施例提供了一种如图2所示的远心透镜，具体参数如表4A所示，该远心透镜的实施效果如表4B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图20至图22所示，对应的调制传递函数如图23所示。

如表4B所示，实施例4提供的远心透镜的主光线角小于或等于7.6°。图20至图22示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图20至图22所示，实施例4提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图23示出了实施例4提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例5

本申请实施例提供了一种如图1所示的远心透镜，具体参数如表5A所示，该远心透镜的实施效果如表5B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图24至图26所示，对应的调制传递函数如图27所示。

如表5A所示，实施例5提供的远心透镜的主光线角小于或等于5.1°。图24至图26示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图24至图26所示，实施例5提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图27示出了实施例5提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例6

本申请实施例提供了一种如图1所示的远心透镜，具体参数如表6所示，该远心透镜的实施效果如表6B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图28至图30所示，对应的调制传递函数如图31所示。

如表6B所示，实施例6提供的远心透镜的主光线角小于或等于7.92°。图28至图30示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图28至图30所示，实施例6提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图31示出了实施例6提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例7

本申请实施例提供了一种如图2所示的远心透镜，具体参数如表7A所示，该远心透镜的实施效果如表7B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图32至图34所示，对应的调制传递函数如图35所示。

如表7B所示，实施例7提供的远心透镜的主光线角小于或等于0.2°。图32至图34示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图32至图34所示，实施例7提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图35示出了实施例7提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例8

本申请实施例提供了一种如图2所示的远心透镜，具体参数如表8A所示，该远心透镜的实施效果如表8B所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图36至图38所示，对应的调制传递函数如图39所示。

如表8B所示，实施例8提供的远心透镜的主光线角小于或等于0.1°。图36至图38示出了该远心透镜调制的光线的点扩散函数，如图36至图38所示，实施例8提供的远心透镜的点扩散函数模糊度低，成像清晰。图39示出了实施例8提供的远心透镜在不同视场下的调制传递函数均不超过衍射极限，即该远心透镜的分辨率良好，成像清晰。

实施例9

本申请实施例提供了一种如图4所示的远心透镜，具体参数如表9A所示，该远心透镜的实施效果如表9B所示。如表9B所示，物方远心透镜的实施效果还可以用平行度衡量，平行度数值越小，物方远心透镜的实施效果越好。

实施例10

本申请实施例提供了一种如图3所示的远心透镜，具体参数如表10A所示，该远心透镜的实施效果如表10B所示。如表10B所示，物方远心透镜的实施效果还可以用平行度衡量，平行度数值越小，物方远心透镜的实施效果越好。

本申请实施例还提供了一种激光雷达发射***，如图40所示，该激光雷达发射***包括光源500和上述任意实施例提供的远心透镜100。其中，光源500位于第一超透镜100的焦平面上。优选地，该远心透镜为物方远心透镜，即光阑200位于第一超透镜100的像方焦平面，光源500位于第一超透镜100的物方焦平面。可选地，该远心透镜为像方远心透镜，将该像方远心透镜反向安装在光源500的出光面前方，则可以使经过光阑200的出射光线平行。

优选地，光源500与第一超透镜100的焦平面的距离误差小于或等于

，其中，FD为第一超透镜100的***焦深；F为第一超透镜100的F数。

进一步地，光源500的外接圆半径至少满足：

（5）

其中，R为光源500的外接圆半径；θ为第一超透镜100的半视场角；f ₁为第一超透镜100的焦距。

更进一步地，光源500包括激光光源和激光光源阵列。例如，光源500包括垂直腔面发射激光器（VCSEL，Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser）和边缘发射激光器（EEL，Edge Emitting Laser）。可选地，光源500的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。本申请示例性的实施例中，光源500的工作波长包括905nm±15nm、940nm±15nm或者1550nm±20nm。优选地，光源500采用分区点亮实现远场扫描。

本申请实施例提供的激光雷达发射***，采用本申请实施例提供的远心透镜和激光光源结合，利用远心透镜提高了激光雷达发射***的出射光平行度，增加了激光雷达的有效探测距离；通过本申请实施例提供的远心透镜体积小结构简单的优势，缩小了激光雷达发射***的尺寸，简化了激光雷达发射***的结构，并降低了激光雷达发射***的成本。

本申请实施例还提供了一种激光雷达接收***，如图41所示，该激光雷达发射***包括探测器400和上述任意实施例提供的远心透镜。其中，探测器400位于第一超透镜100的焦平面上。优选地，该远心透镜为像方远心透镜，即光阑200位于第一超透镜100的物方焦平面，探测器400位于第一超透镜100的像方焦平面。可选地，该远心透镜为物方远心透镜，将该物方远心透镜反向安装在探测器400的受光面前方，则可以使经过第一超透镜100射出的光线主光线角小于8°，从而使探测器400上的照度均匀。

优选地，探测器400与第一超透镜100的焦平面的距离误差小于或等于

，其中，FD（Focal Depth）为第一超透镜100的***焦深；F为第一超透镜100的F数。

进一步地，探测器400的外接圆半径至少满足：

（5）

其中，θ为第一超透镜100的半视场角；f ₁为第一超透镜100的焦距。

更进一步地，探测器400包括电荷耦合器件（CCD，Charge Coupled Device）、互补金属氧化物半导体（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor Transistor）、氧化钒探测器、非晶硅探测器、铟镓砷探测器、硫化铅探测器、硒化铅探测器。本申请示例性的实施例中，探测器400的工作波长包括905nm±15nm，940nm±15nm或者1550nm±20nm。

本申请实施例提供的激光雷达接收***，采用本申请实施例提供的远心透镜和探测器结合，利用远心透镜提高了探测器的照度均匀度，提高了激光雷达的成像清晰度；通过本申请实施例提供的远心透镜体积小结构简单的优势，缩小了激光雷达接收***的尺寸，简化了激光雷达发射接收的结构，并降低了激光雷达接收***的成本。

本申请实施例还提供了一种激光雷达***，该激光雷达***包括上述任意实施例提供的激光雷达发射***、上述任一实施例提供的激光雷达接收***以及控制处理单元；控制处理单元分别与激光雷达发射***和激光雷达接收***连接。

本申请实施例提供的激光雷达***，通过本申请实施例提供的远心透镜提高了激光雷达***的有效探测距离和成像清晰度，并缩小了激光雷达***的尺寸、简化了激光雷达***的结构，降低了激光雷达***的成本。

本申请实施例还提供了一种双侧远心透镜，如图5所示，该双侧远心透镜包括上述任一实施例所述的远心透镜和第二超透镜300，以使该远心透镜和第二超透镜300组成4f光学***。第二超透镜300包括第二平面基底301和第二纳米结构302；第二纳米结构302设置于所述第二平面基底301的一侧，且第二纳米结构302呈周期性排列。第二超透镜300与上述远心透镜的第一超透镜100共焦点设置；光阑200位于第二超透镜300和第一超透镜100的共焦点位置。

具体而言，在本申请实施例提供的双侧远心透镜中，如图5所示，第一超透镜100和第二超透镜300的共焦点设置，组成4f光学***，从而使该双侧远心透镜的物空间和像空间内主光线角均小于8°。可选地，如图5所示，当该双侧远心透镜中，远心透镜为像方远心透镜时，则第一超透镜100的物方焦点和第二超透镜300的像方焦点重合，光阑200位于第一超透镜100和第二超透镜300的共焦点处。可选地，当该双侧远心透镜中，远心透镜为物方远心透镜时，第一超透镜100的像方焦点和第二超透镜300的物方焦点重合，光阑200位于第一超透镜100和第二超透镜300的共焦点处。也就是说，该双侧远心透镜中，第二超透镜300和远心透镜的光阑200形成新的远心透镜。因此，该双侧远心透镜包括两个共用同一光阑的远心透镜。

可选地，本申请实施例提供的第二超透镜300的相位分布优选沿第二超透镜300的径向旋转对称，以提高双侧该远心透镜的远心度。

更有利地，为了更进一步地提高该双侧远心透镜的远心度，第二超透镜300的相位至少满足以下任一公式：

；（1）

；（2）

；（3）

；（4）

其中，r为第二纳米结构302的中心到第二超透镜300中心的距离；（x，y）为第二超透镜300上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

可选地，光阑200距第二超透镜300的距离小于或等于第二超透镜300的一倍焦距有利于提高该双侧远心透镜的成像效果。优选地，第二超透镜300的焦距大于或等于1mm，并且小于或等于150mm。

为了缩小该双侧远心透镜的体积，且不影响成像效果，本申请一些可选的实施例中，第二超透镜300的口径d₃大于或等于2mm，并且小于或等于50mm。更有利地，第二超透镜300的第二平面基底301，其厚度大于或等于50μm，并且小于或等于5mm。

本申请实施例提供的第二超透镜300的第二平面基底301对工作波段辐射具有高透明度。可选地，第二平面基底301对工作波段的消光系数小于0.1。优选地，第二平面基底301对工作波段的消光系数小于0.01。第二平面基底301的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料。第二纳米结构302的材质与第二平面基底301的材质可以相同，也可以不同。优选地，第二纳米结构302的材质与第二平面基底301的材质不同。示例性地，第二纳米结构302的材质包括氧化硅、氮化硅、氧化铝、氮化镓、氧化钛和非晶硅。基于上述的材质，第二超透镜300能承受的激光峰值功率大于或等于0.3W。

应理解，该双侧远心透镜的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。优选地，该双侧远心透镜的工作波段包括905nm±15nm、940nm±15nm或者1550nm±20nm。

第二纳米结构302在第二平面基底301上的位置是根据实际需求选择的，第二纳米结构302可以位于光阑200同侧，也可以位于远离光阑200的一侧。优选地，第二超透镜300的第二纳米结构302和第一超透镜100的第一纳米结构102朝向相反。

图5中，d₁为第一超透镜100的口径，d₃为第二超透镜300的口径。示例性地，第二超透镜300的F数大于或等于1，且小于或等于10。f₂是第二超透镜300的焦距，f₁是第一超透镜100的焦距。F数为第二超透镜300的焦距与第二超透镜300的出瞳直径的比值。由于第二超透镜300和第一超透镜100共用同一个光阑200，第二超透镜300的出瞳直径和本申请实施例提供的远心透镜的入瞳直径d₂相等。

进一步地，与第一纳米结构102的排列方式类似，如图46和图47所示，第二纳米结构302的周期性排列包括多个阵列排布的第二超结构单元303。第二超结构单元303的形状包括可密堆积图形，且第二超结构单元303设置于第二平面基底301的表面。第二纳米结构302设置于第二超结构单元303的顶点和/或中心位置。示例性地，如图46和图47所示，第二超结构单元303的形状包括六边形或正方形。第二超结构单元303还包括扇形和其他可密堆积图形。第二超结构单元303的形状可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。第二超结构单元303的周期可以全部相同，也可以部分相同，还可以互不相同。优选地，第二纳米结构302的排列周期即第二超结构单元303的周期大于300nm，并且小于1500nm。根据第二超透镜300的相位可以调制第二超结构单元303的形状和周期。

更进一步地，第二纳米结构302的几何尺寸，包括纳米结构高度、纳米结构横截面直径、纳米结构之间间距，可以根据不同情况的需求选择。第二纳米结构302为亚波长结构，也就是说第二纳米结构303的特征尺寸小于或等于该远心透镜的工作波长。可选地，第二纳米结构302的特征尺寸略大于工作波长。优选地，第二纳米结构302的高度大于或等于300nm，并且小于或等于3μm。本申请的一些实施例中，第二纳米结构302的最小尺寸（直径、边长和/或相邻的两个纳米结构间的最小间距等）大于或等于60nm。

示例性地，第二纳米结构302的最大深宽比，即第二纳米结构302的高度与第二超透镜300中的第二纳米结构302最小直径的比值，小于或等于20，如此才能在保证第二纳米结构302光学性能的同时确保第二纳米结构302的机械性能。第二纳米结构302在不同位置处的横截面直径部分相同或互不相同；第二纳米结构302在不同位置处的结构周期相同；第二纳米结构302的光相位与第二纳米结构302横截面直径相关。可以理解的，第二纳米结构302的几何形状和尺寸可以为其他满足探测需求和加工条件的选择。示例性地，第二纳米结构302的结构包括纳米圆柱、纳米方柱、纳米鳍、纳米环柱和空心纳米柱等结构中的至少一种或多种结构的组合。在一种可选的实施方式中，第二超透镜300包括填充在第二纳米结构302之间的填充材料。应理解，填充材料在该双侧远心透镜的工作波段透明。根据第二超透镜300的相位，可以选择第二纳米结构302的形状、尺寸以及填充材料。

基于上述第二平面基底301和第二纳米结构302的材质、第二纳米结构302的形状和尺寸以及第二超结构单元303的形状和周期，使上述任一实施例提供的第二超透镜300的光能利用率大于或等于75%。可选地，该双侧远心透镜的最大全视场角大于或等于10°，并且小于或等于120°。最大全视场角在10°至120°范围内可以确保该远心透镜的成像精度。

实施例11

本申请实施例提供了一种如图5所示的双侧远心透镜，具体参数如表11所示。该远心透镜的三个视场（0视场、0.5视场和1.0视场）的点扩散函数如图42至图44所示，对应的调制传递函数如图45所示。

本申请实施例提供的双侧远心透镜，远心透镜和第二超透镜组成4f光学***，入射光经过第二超透镜后从光阑平行射出，而平行射出的光线经过第一超透镜后主光线角小于8°，使像面照度均匀。该双侧远心透镜的成像照度均匀，且像高不随物距变化发生改变。因此，该双侧远心透镜可用于显微物镜、机器视觉以及光刻加工等领域。

本申请实施例还提供了一种光学装置，包括上述实施例任一所述的双侧远心透镜。可选地，该光学装置为显微镜物镜。

综上所述，本申请实施例提供的远心透镜，通过第一超透镜和光阑同光轴设置，实现了主光线在该远心透镜的像空间或物空间内主光线角小于8°。本申请实施例通过超透镜的相位分布沿超透镜的径向旋转对称，提高了该远心透镜的远心度；并通过公式（1）至（4）中任一公式优化超透镜的相位分布，从而进一步提高该远心透镜的远心度。本申请实施例提供的超透镜能够承受大于0.3W的激光功率，且光能利用率大于或等于75%。本申请实施例提供的远心透镜，结构简单、尺寸小、成像分辨率高、量产成本低且一致性高；从而使包含该远心透镜的激光雷达***结构简单、尺寸小、成像分辨率高、量产成本低且一致性高。

以上所述，仅为本申请实施例的具体实施方式，但本申请实施例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申请实施例披露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请实施例的保护范围之内。因此，本申请实施例的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种远心透镜，其特征在于，所述远心透镜包括第一超透镜（100）和光阑（200）；其中，

所述第一超透镜（100）包括第一平面基底（101）和第一纳米结构（102）；其中，所述第一纳米结构（102）设置于所述第一平面基底（101）的一侧，且所述第一纳米结构（102）呈周期性排列；

将所述光阑（200）和所述第一超透镜（100）同光轴配合，使得入射光在所述第一超透镜（100）的物空间或像空间内主光线角小于8°。

2.如权利要求1所述的远心透镜，其特征在于，所述第一超透镜（100）的相位分布沿所述第一超透镜（100）的径向旋转对称。

3.如权利要求2所述的远心透镜，其特征在于，所述第一超透镜（100）的相位至少满足以下任一公式：

；

；

；

；

其中，r为所述第一纳米结构（102）的中心到所述第一超透镜（100）中心的距离；（x，y）为所述第一超透镜（100）上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

4.如权利要求3所述的远心透镜，其特征在于，所述光阑（200）距所述第一超透镜（100）的距离小于或等于所述第一超透镜（100）的一倍焦距。

5.如权利要求4所述的远心透镜，其特征在于，所述光阑（200）位于所述第一超透镜（100）的物方焦平面，使得入射光依次经过所述光阑（200）和所述第一超透镜（100），在所述第一超透镜（100）的像空间主光线角小于8°。

6.如权利要求4所述的远心透镜，其特征在于，所述光阑（200）位于所述第一超透镜（100）的像方焦平面，使入射光依次经过所述第一超透镜（100）和所述光阑（200）后平行射出。

7.如权利要求4所述的远心透镜，其特征在于，所述第一超透镜（100）还包括填充材料；所述填充材料填充在所述第一纳米结构（102）之间。

8.如权利要求1所述的远心透镜，其特征在于，所述周期性排列包括多个阵列排布的第一超结构单元（103）；

所述第一超结构单元（103）的形状包括可密堆积图形；所述第一超结构单元（103）设置于所述第一平面基底（101）表面；

所述第一纳米结构（102）位于所述第一超结构单元（103）的顶点和/或中心位置。

9.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述远心透镜的工作波段包括可见光波段、近红外波段、中红外波段、远红外波段、紫外光波段、深紫外光波段和极深紫外光波段。

10.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述远心透镜的工作波段包括905nm±15nm、940nm±15nm或者1550nm±0nm。

11.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一纳米结构（102）的高度大于或等于300nm，并且小于或等于3μm。

12.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一纳米结构（102）的排列周期大于300nm，并且小于1500nm。

13.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一纳米结构（102）的深宽比小于等于20。

14.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述远心透镜的最大全视场角大于或等于10°，并且小于或等于120°。

15.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一超透镜（100）的口径大于或等于2mm，并且小于或等于50mm。

16.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一超透镜（100）的焦距大于或等于1mm，并且小于或等于150mm。

17.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一平面基底（101）的厚度大于或等于50μm，并且小于或等于5mm。

18.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一平面基底（101）对工作波段的消光系数小于0.1。

19.如权利要求18所述的远心透镜，其特征在于，所述第一平面基底（101）的材质包括熔融石英、石英玻璃、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石、晶体硅、非晶硅、氢化非晶硅等材料。

20.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一纳米结构（102）的材质与所述第一平面基底（101）的材质不同。

21.如权利要求1-8任一所述的远心透镜，其特征在于，所述第一纳米结构（102）的材质与所述第一平面基底（101）的材质相同。

22.一种激光雷达发射***，其特征在于，所述激光雷达发射***包括光源（500）和如权利要求1-21任一所述的远心透镜；

所述光源（500）位于所述远心透镜的第一超透镜（100）的物方焦平面上。

23.如权利要求22所述的激光雷达发射***，其特征在于，所述光源（500）与所述焦平面的距离误差小于或等于

；

其中，FD为所述第一超透镜（100）的***焦深；F为所述第一超透镜（100）的F数。

24.如权利要求23所述的激光雷达发射***，其特征在于，所述光源（500）的工作波长包括905nm±15nm，940nm±15nm或者1550nm±20nm。

25.如权利要求22-24任一所述的激光雷达发射***，其特征在于，所述光源（500）的外接圆半径R至少满足：

其中，θ为所述第一超透镜（100）的半视场角；f ₁为所述第一超透镜（100）的焦距。

26.如权利要求22-24任一所述的激光雷达发射***，其特征在于，所述光源（500）通过分区点亮实现远场扫描。

27.一种激光雷达接收***，其特征在于，所述激光雷达接收***包括探测器（400）和如权利要求1-21任一所述的远心透镜；

其中，所述探测器（400）位于所述远心透镜的第一超透镜（100）的像方焦平面上。

28.一种激光雷达***，其特征在于，所述激光雷达包括：

如权利要求22-26任一所述的激光雷达发射***、如权利要求27所述的激光雷达接收***以及控制处理单元；

29.一种双侧远心透镜，其特征在于，包括如权利要求1-21任一所述的远心透镜和第二超透镜（300）；

其中，所述第二超透镜（300）包括第二平面基底（301）和第二纳米结构（302）；所述第二纳米结构（302）设置于所述第二平面基底（301）的一侧，且所述第二纳米结构（302）呈周期性排列；

所述第二超透镜（300）与所述远心透镜的第一超透镜（100）共焦点设置，以使所述远心透镜和所述第二超透镜（300）组成4f光学***；

所述光阑（200）位于所述第二超透镜（300）和所述第一超透镜（100）的共焦点位置。

30.如权利要求29所述的双侧远心透镜，其特征在于，所述第二超透镜（300）的相位分布沿所述第二超透镜（300）的径向旋转对称。

31.如权利要求30所述的双侧远心透镜，其特征在于，所述第二超透镜（300）的相位至少满足以下任一公式：

；

；

；

；

其中，r为所述第二纳米结构（302）的中心到所述第二超透镜（300）中心的距离；（x，y）为所述第二超透镜（300）上的坐标；

为任意常数相位；

为系数，且

。

32.一种光学装置，其特征在于，所述光学装置包括如权利要求29-31任一所述的双侧远心透镜。